JP3552210B2 - Lithium ion secondary battery, cathode active material and sheath for synthesis of lithium-containing composite oxide for cathode active material - Google Patents

Lithium ion secondary battery, cathode active material and sheath for synthesis of lithium-containing composite oxide for cathode active material Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、リチウム含有複合酸化物を合成する際に使用される鞘、リチウム含有複合酸化物を含む正極活物質並びにリチウム含有ニッケル酸化物を含む正極活物質を備えたリチウムイオン二次電池に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、携帯型パーソナルコンピュータや、携帯電話等が小型化・軽量化するのに伴い、これら電子機器の電源である二次電池に対しても小型化・軽量化が要求されている。
【0003】
かかる二次電池として、炭素材料のようなリチウムイオンを吸蔵・放出できる物質を負極材料に用いたリチウムイオン二次電池が開発され、小型電子機器用の電源として実用化されている。この二次電池は、従来の鉛蓄電池やニッケル・カドミウム電池と比べて小型・軽量で、かつ高エネルギー密度を有するという特徴があるため、需要が増大している。
【0004】
このリチウムイオン二次電池の正極活物質として、高い放電電位が得られ、かつ高エネルギー密度なリチウム含有コバルト酸化物(LiCoO)が実用化されている。しかしながら、この複合酸化物の原料であるコバルトは、資源的に希少であり、また商業的に利用可能な鉱床が数少ない国に偏在しているため、高価で価格変動が大きく、且つ将来的には供給不安の伴うものである。
【0005】
そこでリチウム含有コバルト酸化物以外の正極活物質の研究が近年盛んに行われている。一例として、各種マンガン原料とリチウム原料より合成されるリチウムとマンガンとの複合酸化物には数々の化合物が報告されている。具体的には、スピネル型結晶構造を有するLiMnで示されるリチウムマンガン複合酸化物は、電気化学的な酸化によりリチウムに対して3Vの電位を示し、148mAh/gの理論充放電容量を有する。
【0006】
しかしながら、マンガン酸化物あるいはリチウムマンガン複合酸化物を正極活物質として用いたリチウムイオン二次電池は、室温以上の環境下で使用した場合の容量劣化が著しく大きいという欠点がある。これは、高温によりマンガン酸化物やリチウムマンガン複合酸化物が不安定化し、非水電解液中にMnが溶出するためである。特に近年、電気自動車用またはロードレベリング用として大型リチウムイオン二次電池の開発が各方面で行われている。この大型リチウムイオン二次電池では電池が大型化するほど使用時の発熱を無視することができなくなり、周囲の環境温度が室温温度付近であっても電池内部が比較的高温になりやすい。また、小型携帯機器用などとして使用される比較的小型の電池であっても、真夏の自動車の車室内などの高温環境下で使用されることもあり、電池内部が比較的高温となる場合がある。このような問題からマンガンを原料とする正極活物質の実用化は非常に難しい。
【0007】
ところで、ポストコバルト複合酸化物としてニッケル複合酸化物の研究が盛んに行われている。例えばLiNiOのようなニッケル複合酸化物は、理論容量が180〜200mAh/gとLiCoO系活物質やLiMn系活物質より大きくなり、かつ平均約3.6Vの最適な放電電位を有するため、非常に有望な正極活物質である。しかしながら、LiNiOの結晶構造が不安定なため、充放電サイクル試験において初期の放電容量が充放電回数と共に大きく減少する問題や、LiNiOを用いて作製したリチウムイオン二次電池の釘刺し試験では破裂・発火に至る安全性上の問題がある。
【0008】
これらのリチウム含有複合酸化物の合成方法としては、出発原料粉体をアルミナ(Al)を主成分とするサヤか、ムライト(3Al・2SiO)を主成分とするサヤに入れて焼成する方法が一般的である。
【0009】
しかしながら、アルミナやムライトを主成分とする鞘を用いると、鞘と出発原料粉体とが反応しやすく、この反応で生成した副生成物がリチウム含有複合酸化物に混入するため、二次電池の充放電サイクル特性が低下するばかりか、釘刺し試験のように短絡状態になった際に破裂もしくは発火を招く危険性が高くなる。また、アルミナやムライトを主成分とする鞘を用いて合成されたリチウム含有複合酸化物の粉末は、粒子径がサブミクロンの小さい粒子から100ミクロン程度の凝集粒子まで多種多様な粒子を含んだブロードな粒度分布を持つ。このような粒度分布のままでは、充放電サイクル特性と安全性がさらに悪くなる可能性があるばかりか、正極の活物質充填密度が低下する恐れがあるため、細かい粒子と粗い粒子を取り除いて粒度分布を揃えることが望ましい。ところが、粒度分布のばらつきがもともと大きいため、粒度分布を揃えるための篩い分けを幾度も繰り返さなければならず、正極活物質の歩留まり低下のみならず、製造工程が複雑になるという問題点を生じる。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、正極活物質の粒度分布を容易に揃えることができ、釘刺し試験における破裂発火が皆無で、安全性が高く、かつ長寿命なリチウムイオン二次電池を提供しようとするものである。
【0011】
また、本発明の目的は、粒度分布を揃えるのが簡単で、釘刺し試験における破裂発火が皆無で、安全性が高く、かつ長寿命な電池を実現することが可能な正極活物質を提供しようとするものである。
【0012】
さらに、本発明の目的は、粒度分布を揃えるのが簡単で、釘刺し試験における破裂発火が皆無で、安全性が高く、かつ長寿命な電池を実現することが可能なリチウム含有複合酸化物を合成する際に使用されるリチウム含有複合酸化物合成用鞘を提供しようとするものである。
【0013】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るリチウムイオン二次電池は、活物質を含む正極と、負極と、非水電解質を備えたリチウムイオン二次電池において、
前記正極の活物質は、原料粉末をに収納した状態で焼成することにより得られるリチウム含有複合酸化物を含み、
前記鞘は、Al、Si、Ca、Y及びZrよりなる群から選択される少なくとも1種類の成分とMgOとを含有する材料か、あるいはSi、Ca、Y、Zr及びHfよりなる群から選択される少なくとも1種類の成分とMgAl 2 4 スピネルとを含有する材料から形成されていることを特徴とするリチウムイオン二次電池である。
【0016】
また、本発明に係るリチウムイオン二次電池において、前記リチウム含有複合酸化物は、下記(I)式に規定する粒度分布を有することが好ましい。
【0017】
S≦2D (I)
但し、前記Sは前記リチウム含有複合酸化物の粒度分布の半値幅で、前記Dは前記リチウム含有複合酸化物の粒度分布において最大ピークを示す粒径である。
【0018】
本発明に係る正極活物質は、原料粉末をに収納した状態で焼成することにより得られるリチウム含有複合酸化物を含む正極活物質であって、
前記鞘は、Al、Si、Ca、Y及びZrよりなる群から選択される少なくとも1種類の成分とMgOとを含有する材料か、あるいはSi、Ca、Y、Zr及びHfよりなる群から選択される少なくとも1種類の成分とMgAl 2 4 スピネルとを含有する材料から形成されていることを特徴とする正極活物質である。
【0019】
本発明に係る正極活物質用リチウム含有複合酸化物合成用鞘は、Al、Si、Ca、Y及びZrよりなる群から選択される少なくとも1種類の成分とMgOとを含有する材料か、あるいはSi、Ca、Y、Zr及びHfよりなる群から選択される少なくとも1種類の成分とMgAl 2 4 スピネルとを含有する材料から形成されていることを特徴とする。
【0020】
また、本発明によれば、原料粉末を、MgO及びMgAlスピネルよりなる群から選択される少なくとも1種類の化合物成分を含む鞘に収納した状態で焼成することによりリチウム含有複合酸化物を合成する工程を具備することを特徴とする正極活物質の製造方法を提供することができる。
【0021】
【発明の実施の形態】
まず、本発明に係る正極活物質について説明する。
【0022】
この正極活物質は、原料粉末を、MgO及びMgAlスピネルよりなる群から選択される少なくとも1種類の化合物成分を含む鞘に収納した状態で焼成することにより得られるリチウム含有複合酸化物を含む。
【0023】
鞘は、焼成トレイとも呼ばれ、その形状は目的とするリチウム含有複合酸化物が得られる限り、特に限定されるものではないが、一例を図1に示す。図1の(a)には、底胴一体型の角鞘41が示されており、また、図1の(b)には、底胴一体型の丸鞘42が示されている。一方、図1の(c)には、矩形筒状の胴部43と、矩形の底板44とを有する底胴分離型の角鞘が示されており、また、図1の(d)には、円筒状の胴部45と、円形の底板46とを有する底胴分離型の丸鞘が示されている。各鞘内に収納されている粉末は、原料粉末47である。特に、底胴分離型の鞘によると、焼成時に酸素ガスが鞘の上方から供給されるのに併せて、胴部と底板の隙間からも供給されるため、原料粉末に酸素ガスを均一に供給することができ、焼成反応を均一に生じさせることが可能になる。
【0024】
図2に、原料粉末47が収納されている底胴分離型の角鞘4つを電気炉48内にセットした状態を示す。炉48内の雰囲気(焼成雰囲気)は、酸素ガス(O)雰囲気もしくは酸素ガス(O)を含む雰囲気とすることが好ましい。また、電気炉内に収容する鞘の数は、4つに限らず、任意の数に設定することができる。例えば、図3に示すように、電気炉48内に鞘を二段に収納しても良い。さらに、量産性を高めるために、電気炉としてトンネル釜を使用しても良い。
【0025】
鞘として、MgOを含むものを使用する場合、MgOは鞘の主成分であることが望ましい。ここで、主成分とは、鞘を構成する成分のうちで最も存在比率が高い成分を意味する。鞘のMgO含有量は、99%〜100%の範囲内にすることが好ましい。鞘のMgO含有量を99%未満にすると、鞘に含まれるMgO以外の成分と原料粉末とが反応して高い安全性と充放電特性を得ることが困難になる恐れがあるからである。中でも、MgO含有量が99%以上で、かつAl、Si、Ca、Y及びZrよりなる群から選択される少なくとも1種類の元素を含む鞘が好ましい。このような鞘は、熱衝撃性を向上することができるため、鞘を高温の炉内から室温に強制的に取り出した際に割れ難く、焼成後、速やかに炉内から鞘を取り出すことができ、生産性を改善することができる。また、鞘は、高価であるため、割れ難くなれば、正極活物質の生産原価を削減することが可能になる。鞘中の各元素の含有量については、Al含有量は30ppm以上、2000ppm以下にすることが好ましく、Si含有量は30ppm以上、10000ppm以下にすることが好ましく、Ca含有量は30ppm以上、10000ppm以下にすることが好ましく、Y含有量は30ppm以上、2000ppm以下にすることが好ましく、また、Zr含有量は30ppm以上、30000ppm以下にすることが好ましい。鞘中の各元素の含有量を前記範囲にすることによって、正極活物質の特性を向上しつつ、鞘の熱衝撃性を高めることが可能になる。
【0026】
鞘として、MgAlスピネルを含むものを使用する場合、MgAlスピネルは鞘の主成分であることが望ましい。ここで、主成分とは、鞘を構成する成分のうちで最も存在比率が高い成分を意味する。鞘のMgAlスピネル含有量は、95%〜100%の範囲内にすることが好ましい。鞘のMgAl含有量を95%未満にすると、鞘に含まれるMgAl以外の成分と原料粉末とが反応して高い安全性と充放電特性を得ることが困難になる恐れがあるからである。中でも、MgAlスピネル含有量が95%以上で、かつSi、Ca、Y、Zr及びHfよりなる群から選択される少なくとも1種類の元素を含む鞘が好ましい。このような鞘は、熱衝撃性を向上することができるため、鞘を高温の炉内から室温に強制的に取り出した際に割れ難く、焼成後、速やかに炉内から鞘を取り出すことができ、生産性を改善することができる。また、鞘は、高価であるため、割れ難くなれば、正極活物質の生産原価を削減することが可能になる。鞘中の各元素の含有量については、Si含有量は30ppm以上、10000ppm以下にすることが好ましく、Ca含有量は30ppm以上、10000ppm以下にすることが好ましく、Y含有量は30ppm以上、2000ppm以下にすることが好ましく、Zr含有量は30ppm以上、30000ppm以下にすることが好ましく、また、Hf含有量は30ppm以上、2000ppm以下にすることが好ましい。鞘中の各元素の含有量を前記範囲にすることによって、正極活物質の特性を向上しつつ、鞘の熱衝撃性を高めることが可能になる。
【0027】
鞘の構成成分には、MgOとMgAlスピネルの双方が含有されていても良い。
【0028】
焼成は、450〜550℃の温度で2〜20時間焼成し、次いで630〜730℃で2〜50時間焼成する二段階焼成で行うことが望ましい。
【0029】
本発明は、さまざまな組成のリチウム含有複合酸化物に適用することが可能であるが、中でも、リチウム含有複合酸化物の組成は、LiCoOのようなLiとCoを含有する複合酸化物、LiMnOやLiMnのようなLiとMnを含有する複合酸化物、LiNiOのようなLiとNiを含有する複合酸化物にすることが好ましい。特に、リチウム含有複合酸化物の組成を、LiとNiを含有する複合酸化物か、酸素原子の一部がフッ素原子で置換されているリチウム含有複合酸化物にするか、水酸基(OH)またはHO分子を含有する出発化合物を含む原料粉末を用いる場合に有効である。
【0030】
LiとNiを含有する複合酸化物の組成は、例えば、以下の(1)〜(4)式で表わされる組成にすることができる。
【0031】
Li1+xNi1−xu−y (1)
但し、モル比x、y及びuは、{(y+0.05)/2}≦x<{(y+1)/3}、y>0、1.9≦u≦2.1を示す。
【0032】
Li1+xNi1−xu−y+cC (2)
但し、モル比x、y及びuは、{(y+0.05)/2}≦x<{(y+1)/3}、y>0、1.9≦u≦2.1を示す。前記CはNa、K、Ca、S、Si及びFeよりなる群から選ばれる少なくとも1種類の元素で、前記複合酸化物中の前記元素Cの含有量cは20〜3000ppmの範囲内である。
【0033】
Li(Ni1−yMe1)(O2−z) (3)
但し、前記Me1はB、Mg、Al、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Co、Cu、Zn、Ga、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Sn、La、Hf、Ta、W、Re、Pb及びBiよりなる群から選択される少なくとも1種類の元素で、前記XはF、Cl、Br及びIよりなる群から選ばれる少なくとも1種類のハロゲン元素で、モル比x、y及びzは、それぞれ、0.02≦x≦1.3、0.005≦y≦0.5、0.01≦z≦0.5を示す。
【0034】
Li(Ni1−yMe1)(O2−z)+cC (4)
但し、前記Me1はB、Mg、Al、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Co、Cu、Zn、Ga、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Sn、La、Hf、Ta、W、Re、Pb及びBiよりなる群から選択される少なくとも1種類の元素で、前記XはF、Cl、Br及びIよりなる群から選ばれる少なくとも1種類のハロゲン元素で、モル比x、y及びzは、それぞれ、0.02≦x≦1.3、0.005≦y≦0.5、0.01≦z≦0.5を示し、前記CはNa、K、Ca、S、Si及びFeよりなる群から選ばれる少なくとも1種類の元素で、前記複合酸化物中の前記元素Cの含有量cは20〜3000ppmの範囲内である。
【0035】
組成式(3)及び(4)におけるモル比x、y及びzを前記範囲に規定する理由を以下に説明する。
【0036】
リチウムのモル比xについて説明する。モル比xを0.02未満にすると、複合酸化物の結晶構造が非常に不安定になるため、二次電池のサイクル特性と安全性が不十分になる恐れがある。一方、モル比xが1.3を超えると、二次電池の放電容量並びに安全性が不十分になる恐れがある。モル比xのより好ましい範囲は、0.05≦x≦1.2である。
【0037】
元素Me1のモル比yについて説明する。モル比yを0.005未満にすると、二次電池の安全性が不十分になる可能性がある。一方、モル比yが0.5を超えると、高い放電容量を得られなくなる恐れがある。モル比yのより好ましい範囲は、0.01≦y≦0.35である。また、元素Me1の中でも、Al、Ti、Mn、Nb、Taが好ましい。
【0038】
ハロゲン元素Xのモル比zについて説明する。モル比zを0.01未満にすると、二次電池のサイクル特性並びに安全性が不十分になる恐れがある。一方、モル比zが0.5を超えると、高い放電容量を得られなくなる恐れがある。モル比zのより好ましい範囲は、0.02≦z≦0.3である。また、ハロゲン元素Xは、Fであることが好ましい。
【0039】
(2)または(4)で表わされる組成を持つ複合酸化物中に含有される元素Cについて説明する。複合酸化物中に元素Cを含有させることによって、短絡などにより二次電池に大電流が流れた際に電池温度が急激に上昇するのを抑制することができ、二次電池の安全性を向上することができる。複合酸化物中の元素Cの含有量cを20ppm未満にすると、大電流が流れた際の電池の急激な発熱を十分に抑えることが困難になる可能性がある。一方、複合酸化物中の元素Cの含有量cが3000ppmを超えると、充放電サイクル特性が顕著に劣化する恐れがある。
【0040】
また、複合酸化物中の元素Cの最適な含有量cは、元素Cの種類によって異なる傾向があり、以下に説明するように設定することが望ましい。
【0041】
元素CをNa、K及びSよりなる群から選択される1種類以上にする際、元素Cの含有量cは20〜3000ppmの範囲内にすることが好ましい。含有量cのより好ましい範囲は20ppm≦c≦1500ppm、さらに好ましい範囲は20ppm≦c≦1000ppmである。また、含有量cの下限値は、50ppmにすることがより好ましい。
【0042】
一方、元素CとしてCaを用いる場合、元素Cの含有量cは20〜500ppmの範囲内にすることが好ましい。含有量cのより好ましい範囲は、20ppm≦c≦300ppmである。
【0043】
元素CとしてSi及びFeよりなる群から選ばれる少なくとも1種類の元素を用いる場合、元素Cの含有量cは20〜500ppmの範囲内にすることが好ましい。元素Cの含有量cのより好ましい範囲は、20ppm≦c≦250ppmである。
【0044】
前述した組成式(1)〜(4)の中でも、(2)〜(4)は二次電池の安全性とサイクル特性をより向上することができるために好ましい。最も好ましいのは、組成式(4)で表わされるリチウム含有複合酸化物で、安全性とサイクル特性を飛躍的に向上することができる。
【0045】
リチウム含有複合酸化物の粉末は、下記(I)式に規定する粒度分布を有することが好ましい。
【0046】
S≦2D (I)
但し、Sはリチウム含有複合酸化物粉末の粒度分布の半値幅で、Dはリチウム含有複合酸化物粉末の粒度分布において最大ピークを示す粒径である。
【0047】
リチウム含有複合酸化物粉末の粒度分布の一例を図4に示す。この粒度分布において最大ピークを持つ粒径Dは、例えば、10μmである。一方、この粒度分布の半値幅Sは、例えば5μmであるため、粒径Dの0.5倍の値に相当する。よって、この粒度分布は、前述した(I)式の関係を満足する。
【0048】
半値幅Sが粒径Dを2倍した値を超えると、粒度分布のばらつきが大きくなるため、放電容量のばらつきとサイクル劣化を生じる恐れがあると共に、安全性が損なわれる可能性がある。粒度分布は、S≦1.5Dを満足することが好ましく、さらに好ましいのはS≦Dを満たすものである。また、半値幅Sが0.01Dより小さくなると、高い放電容量を得られなくなる恐れがあることから、半値幅Sの最小値は0.01Dとすることが好ましい。
【0049】
原料粉末を、MgO及びMgAlスピネルよりなる群から選択される少なくとも1種類の化合物成分を含む鞘に収納した状態で焼成すると、粒度分布の揃ったリチウム含有複合酸化物粉末が得られやすいため、焼成後、粒度選別を行わなくても前述した(I)式を満足する粒度分布を持つリチウム含有複合酸化物を得ることができる。なお、焼成後の粒度分布が前述した(I)式から外れるものであった場合には、焼成後に分級するか、もしくは解砕した後に分級することによって、前述した(I)式を満足する粒度分布に設定すると良い。本発明によれば、焼成の際に粒子の凝集が起こり難く、焼成後の粒度分布が比較的揃っているため、分級回数を少なくすることができ、粒度選別を簡単に行うことができる。
【0050】
次いで、本発明に係る正極活物質を用いるリチウムイオン二次電池について説明する。
【0051】
本発明に係るリチウムイオン二次電池は、前述した正極活物質を含む正極と、負極と、非水電解質とを具備する。
【0052】
前記非水電解質としては、例えば、非水溶媒に電解質を溶解させることにより調製される液体状非水電解質(非水電解液)、高分子材料に非水溶媒と電解質を保持させた高分子ゲル状非水電解質、電解質を主成分とする高分子固体電解質、リチウムイオン伝導性を有する無機固体非水電解質等を挙げることができる。なお、各非水電解質に含有される非水溶媒及び電解質には、後述する液状非水電解質において説明するものを使用することができる。
【0053】
前記ゲル状非水電解質に含まれる高分子材料としては、例えば、ポリアクリロニトリル、ポリアクリレート、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリエチレンオキシド(PEO)、あるいはアクリロニトリル、アクリレート、フッ化ビニリデンもしくはエチレンオキシドを単量体として含むポリマー等を挙げることができる。また、前記高分子固体電解質に含有される高分子材料としては、例えば、ポリアクリロニトリル、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリエチレンオキシド(PEO)、あるいはアクリロニトリル、フッ化ビニリデンもしくはエチレンオキシドを単量体として含むポリマー等を挙げることができる。一方、前記無機固体非水電解質としては、例えば、リチウムを含有したセラミック材料を挙げることができる。具体的には、LiN、LiPO−LiS−SiSガラス等を挙げることができる。
【0054】
以下、本発明に係るリチウムイオン二次電池の一例を説明する。
【0055】
このリチウムイオン二次電池は、本発明に係る正極活物質を含む正極と、負極と、前記正極及び前記負極の間に配置されるセパレータと、少なくとも前記セパレータに含浸される液状非水電解質とを具備する。
【0056】
前記正極、セパレータ、負極及び液状非水電解質について詳しく説明する。
【0057】
1)正極
前記正極は、例えば、本発明に係る正極活物質、電気伝導助剤および結着剤を混合し、集電体に圧着することにより作製されるか、もしくは前記正極活物質、電気伝導助剤および結着剤を適当な溶媒に懸濁させ、この懸濁物を集電体に塗布し、乾燥することにより作製される。
【0058】
前記電気伝導助剤としては、例えばアセチレンブラック、カーボンブラック、黒鉛等をあげることができる。
【0059】
前記結着剤としては、例えばポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、エチレン−プロピレン−ジエン共重合体(EPDM)、スチレン−ブタジエンゴム(SBR)等を用いることができる。
【0060】
前記正極活物質、電気伝導助剤および結着剤の配合割合は、正極活物質80〜95重量%、電気伝導助剤3〜20重量%、結着剤2〜7重量%の範囲にすることが好ましい。前記集電体としては、多孔質構造の導電性基板か、あるいは無孔の導電性基板を用いることができる。前記集電体を構成する材料としては、例えば、アルミニウム、ステンレス、ニッケル等を挙げることができる。
【0061】
2)セパレータ
前記セパレータとしては、例えば、合成樹脂製不織布、ポリエチレン多孔質フィルム、ポリプロピレン多孔質フィルム等を用いることができる。
【0062】
3)負極
この負極は、リチウムを吸蔵(ドープ)・放出(脱ドープ)することが可能な材料を含む。
【0063】
かかる材料としては、例えば、リチウム金属、リチウムを吸蔵・放出することが可能なLi含有合金、リチウムを吸蔵・放出することが可能な金属酸化物、リチウムを吸蔵・放出することが可能な金属硫化物、リチウムを吸蔵・放出することが可能な金属窒化物、リチウムを吸蔵・放出することが可能なカルコゲン化合物、リチウムイオンを吸蔵・放出することが可能な炭素材料等を挙げることができる。特に、前記カルコゲン化合物あるいは前記炭素材料を含む負極は、安全性が高く、かつ二次電池のサイクル寿命を向上できるため、望ましい。
【0064】
前記リチウムイオンを吸蔵・放出する炭素材料としては、たとえば、コークス、炭素繊維、熱分解気相炭素物、黒鉛、樹脂焼成体、メソフェーズピッチ系炭素繊維、メソフェーズピッチ球状カーボン等を挙げることができる。前述した種類の炭素材料は、電極容量を高くすることができるため、望ましい。
【0065】
前記カルコゲン化合物としては、二硫化チタン、二硫化モリブデン、セレン化ニオブ、酸化スズ等を挙げることができる。このようなカルコゲン化合物を負極に用いると電池電圧は低下するものの前記負極の容量が増加するため、前記二次電池の容量が向上される。
【0066】
前記炭素材料を含む負極は、例えば、前記炭素材料と結着剤とを溶媒の存在下で混練し、得られた懸濁物を集電体に塗布し、乾燥することにより作製される。
【0067】
この場合、結着剤としては、例えばポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、エチレン−プロピレン−ジエン共重合体(EPDM)、スチレン−ブタジエンゴム(SBR)等を用いることができる。さらに、炭素材料および結着剤の配合割合は、炭素材料90〜98重量%、結着剤2〜10重量%の範囲にすることが好ましい。また、前記集電体としては、例えばアルミニウム、ステンレス、ニッケル等の導電性基板を用いることができる。前記集電体は、多孔質構造にしても、無孔にしても良い。
【0068】
4)液状非水電解質(非水電解液)
この液状非水電解質は、非水溶媒に電解質を溶解することにより調製される。
【0069】
前記非水溶媒としては、例えば、環状カーボネートや、鎖状カーボネート(例えば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、メチルエチルカーボネート等)、環状エーテルや鎖状エーテル(例えば、1,2−ジメトキシエタン、2−メチルテトラヒドロフラン等)、環状エステルや鎖状エステル(例えば、γ−ブチロラクトン,γ−バレロラクトン,σ−バレロラクトン,酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸プロピル、酢酸イソプロピル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、プロピオン酸プロピル等)などを挙げることができる。非水溶媒には、前述した種類の中から選ばれる1種または2〜5種の混合溶媒が用いることができるが、必ずしもこれらに限定されるものではない。
【0070】
前記電解質としては、例えば、過塩素酸リチウム(LiClO),六フッ化リン酸リチウム(LiPF)、ホウフッ化リチウム(LiBF)、六フッ化砒素リチウム(LiAsF)、トリフルオロメチルスルホニルイミドリチウム(LiCFSO)、ビストリフルオロメチルスルホニルイミドリチウム[LiN(CFSO]などのリチウム塩が挙げられる。かかる電解質としては、これから選ばれる1種又は2〜3種のリチウム塩を用いることができるが、これらに限定されるものではない。
【0071】
前記電解質の前記非水溶媒に対する溶解量は、0.5〜2mol/Lの範囲内にすることが望ましい。
【0072】
本発明に係るリチウムイオン二次電池の一例を図5〜図7に示す。
【0073】
図5は、本発明に係るリチウムイオン二次電池の一例である円筒形リチウムイオン二次電池を示す部分切欠斜視図で、図6は、本発明に係るリチウムイオン二次電池の一例である薄型リチウムイオン二次電池を示す断面図で、図7は、図6のA部を示す断面図である。
【0074】
図5に示すように、例えばステンレスからなる有底円筒状の容器1は、底部に絶縁体2が配置されている。電極群3は、前記容器1内に収納されている。前記電極群3は、正極4、セパレ―タ5及び負極6をこの順序で積層した帯状物を渦巻き状に巻回した構造になっている。
【0075】
前記容器1内には、非水電解液が収容されている。中央部に孔が開口されたPTC素子7、前記PTC素子7上に配置された安全弁8及び前記安全弁8に配置された帽子形状の正極端子9は、前記容器1の上部開口部に絶縁ガスケット10を介してかしめ固定されている。なお、前記正極端子9には、ガス抜き孔(図示しない)となる安全機構が組み込まれている。正極リ―ド11の一端は、前記正極4に、他端は前記PTC素子7にそれぞれ接続されている。前記負極6は、図示しない負極リ―ドを介して負極端子である前記容器1に接続されている。
【0076】
図6に示すように、例えばフィルム材からなる収納容器21内には、電極群22が収納されている。フィルム材としては、例えば、金属フィルム、熱可塑性樹脂などの樹脂製シート、金属層の片面または両面に熱可塑性樹脂のような樹脂層が被覆されているシート等を挙げることができる。電極群22は、正極、セパレータ及び負極からなる積層物が偏平形状に捲回された構造を有する。前記積層物は、図7の下側から、セパレータ23、正極層24と正極集電体25と正極層24を備えた正極26、セパレータ23、負極層27と負極集電体28と負極層27を備えた負極29、セパレータ23、正極層24と正極集電体25と正極層24を備えた正極26、セパレータ23、負極層27と負極集電体28を備えた負極29がこの順番に積層された構造を有する。前記電極群22の最外周は、負極集電体28が位置している。帯状の正極リード30は、一端が電極群22の正極集電体25に接続され、かつ他端が収納容器21から延出されている。一方、帯状の負極リード31は、一端が電極群22の負極集電体28に接続され、かつ他端が収納容器21から延出されている。
【0077】
以上説明した本発明に係る正極活物質は、原料粉末を、MgO及びMgAlスピネルよりなる群から選択される少なくとも1種類の化合物成分を含む鞘に収納した状態で焼成することにより得られるリチウム含有複合酸化物を含む。このような正極活物質によれば、焼成時における原料粉末と鞘との反応を抑制することができるため、正極活物質中の不純物量を少なくすることができる。また、リチウム含有複合酸化物の粒度分布をよりシャープなものにすることができる。従って、前記正極活物質を含む正極を備えるリチウムイオン二次電池は、放電容量のばらつきを小さくすることができ、充放電サイクル特性を向上することができ、かつ釘刺し試験のように短絡状態となって大電流が流れた際に急激な発熱が生じるのを抑制し、破裂及び発火を未然に防止することができる。
【0078】
前記リチウム含有複合酸化物の粒度分布を前述した関係式(I)を満たすものにすることによって、高い正極活物質充填密度を確保しつつ、放電容量のばらつきをさらに小さくすることができ、充放電サイクル特性を向上することができ、かつ釘刺し試験のように短絡状態となって大電流が流れた際の電池温度をさらに低くすることが可能である。
【0079】
また、本発明において、MgO含有量が99%以上であると共に、Al、Si、Ca、Y及びZrよりなる群から選択される少なくとも1種類の成分をさらに含む鞘か、もしくはMgAlスピネル含有量が95%以上であると共に、Si、Ca、Y、Zr及びHfよりなる群から選択される少なくとも1種類の成分をさらに含む鞘を使用することによって、放電容量、充放電サイクル特性及び安全性に優れる二次電池を実現することが可能な正極活物質を生産性良く製造することが可能になる。
【0080】
【実施例】
以下、本発明の好ましい実施例を図面を参照して詳細に説明する。
【0081】
(実施例1)
前述した図1(c)に示す形状を有する底胴分離型の角鞘を用意した。この角鞘は、MgO成分の量が99.5%で、Al成分量が160ppmで、Si成分量が140ppmで、Ca成分量が1000ppmで、Y成分量が140ppmで、Zr成分量が2000ppmであった。なお、鞘を構成する元素の分析は、以下に説明する方法で行った。
【0082】
鞘に含まれるMgO以外の成分(副成分)に関しては、グロー放電型質量分析法(GDMS:Glow Discharge Mass Spectrometry)により分析した。主成分であるMgOの純度は、鞘の全構成成分を100%とし、100%から副成分の濃度を減じることにより算出した。
【0083】
出発原料としてLiOH、Ni0.78Co0.22(OH)・HO、LiFを用いて組成がLi1.1Ni0.78Co0.221.950.05になるように調合後、ヘンシェルミキサで30分混合することにより混合粉(原料粉末)を作製した。この混合粉を角鞘に収容し、このような角鞘4つを前述した図2に示すように電気炉にセットし、焼成を行った。焼成は5リットル/分の酸素をフローさせながら480℃で15時間保持した後、700℃で20時間行い、リチウム含有複合酸化物粉末を得た。
【0084】
得られたリチウム含有複合酸化物粉末をレーザー回折粒度分布測定装置で測定した結果、図8に示すように、粒度分布において最大比率を占める粒径Dは5μmであった。一方、半値幅Sは3μmで、0.6Dに相当する値であった。よって、リチウム含有複合酸化物粉末の粒度分布は、前述した(I)式の関係を満足するものであった。
【0085】
<正極の作製>
ポリフッ化ビニリデンをN−メチル−2−ピロリドンに溶解させた溶液に、正極活物質としてリチウム含有複合酸化物粉末と、導電剤としてのアセチレンブラックおよび人造黒鉛を加えて撹拌混合し、正極活物質92.2重量%、アセチレンブラック1.8重量%、人造黒鉛2.2重量%、ポリフッ化ビニリデン3.8重量%からなる正極合剤を調製した。この正極合剤をアルミニウム箔(厚さ20μm)の両面に塗布し、乾燥した後、ローラープレス機を用いて加圧成形して正極を作製した。
【0086】
<負極の作製>
メソフェーズピッチを原料としたメソフェーズピッチ炭素繊維をアルゴン雰囲気下、1000℃で炭素化した後、平均繊維長30μm、平均繊維径11μm、粒度1〜80μmに90体積%が存在するように、かつ粒径0.5μm以下の粒子が少なく(5%以下)なるように適度に粉砕した後、アルゴン雰囲気下で3000℃にて黒鉛化することにより炭素質物を製造した。
【0087】
ポリフッ化ビニリデンをN−メチル−2−ピロリドンに溶解させた溶液に前記炭素質物と人造黒鉛を加えて撹拌混合し、合剤組成が炭素質物86.5重量%、人造黒鉛9.5重量%、ポリフッ化ビニリデン4重量%からなる負極合剤を調製した。これを銅箔(厚さ15μm)の両面に塗布し、乾燥した後、ローラープレス機で加圧成形することにより負極を作製した。この際、成形後の正極の設計容量に対する負極の設計容量の比(容量バランス)が、1.03以上、1.1以下になるように充填密度と電極長さを調節した。
【0088】
<非水電解液(液状非水電解質)の調製>
エチレンカーボネート(EC)とメチルエチルカーボネート(MEC)を体積比が1:2になるように混合した非水溶媒に六フッ化リン酸リチウム(LiPF)を1M溶解させることにより非水電解液を調製した。
【0089】
<電池の組立て>
前記正極および前記負極に、それぞれ、アルミニウム製の正極リード、ニッケル製の負極リードを溶接した後、前記正極、ポリエチレン製多孔質フィルムからなるセパレータおよび前記負極をそれぞれこの順序で積層し、前記負極が外側に位置するように渦巻き状に捲回して電極群を作製した。
【0090】
この電極群を有底円筒状容器内に収納し、前記負極リードを前記有底円筒状容器の底部に、前記正極リードを前記有底円筒状容器の開口部に配置する安全弁にそれぞれ溶接した。つづいて、前記有底円筒状容器内に非水電解液を4mL注液し、前記電極群に前記非水電解液を十分に含浸させた。そして、前記安全弁上に正極端子を配置した後、かしめ固定した。以上のようにして、設計定格容量1600mAhの円筒形のリチウムイオン二次電池(18650サイズ)を組み立てた。
【0091】
(実施例2)
正極活物質合成における焼成条件を、5リットル/分の酸素をフローさせながら480℃で15時間保持した後に720℃で25時間に変更すること以外は、前述した実施例1と同様にしてリチウム含有複合酸化物粉末を得た。
【0092】
得られたリチウム含有複合酸化物粉末をレーザー回折粒度分布測定装置で測定した結果、粒度分布において最大比率を占める粒径Dと半値幅Sの間にS=1.2Dの関係式が成立していた。
【0093】
このような正極活物質を用いること以外は、前述した実施例1で説明したのと同様にして円筒形リチウムイオン二次電池を製造した。
【0094】
(実施例3)
正極活物質合成における焼成条件を、5リットル/分の酸素をフローさせながら480℃で15時間保持した後に730℃で30時間に変更すること以外は、前述した実施例1と同様にしてリチウム含有複合酸化物粉末を得た。
【0095】
得られたリチウム含有複合酸化物粉末をレーザー回折粒度分布測定装置で測定した結果、粒度分布において最大比率を占める粒径Dと半値幅Sの間にS=1.7Dの関係式が成立していた。
【0096】
このような正極活物質を用いること以外は、前述した実施例1で説明したのと同様にして円筒形リチウムイオン二次電池を製造した。
【0097】
(実施例4)
前述した図1(c)に示す形状を有する底胴分離型の角鞘を用意した。この角鞘は、MgAlスピネル成分の量が98.0%で、Si成分量が410ppmで、Ca成分量が1100ppmで、Y成分量が500ppmで、Zr成分量が8100ppmで、Hf成分量が210ppmであった。なお、鞘を構成する元素の分析は、以下に説明する方法で行った。
【0098】
鞘に含まれるMgAlスピネル以外の成分(副成分)に関しては、グロー放電型質量分析法(GDMS:Glow Discharge Mass Spectrometry)により分析した。主成分であるMgAlスピネルの純度は、鞘の全構成成分を100%とし、100%から副成分の濃度を減じることにより算出した。
【0099】
このような角鞘を用い、かつ焼成条件を5リットル/分の酸素をフローさせながら480℃で10時間保持した後に700℃で15時間に変更すること以外は、前述した実施例1で説明したのと同様にしてリチウム含有複合酸化物粉末を合成した。
【0100】
得られたリチウム含有複合酸化物粉末をレーザー回折粒度分布測定装置で測定した結果、粒度分布において最大比率を占める粒径Dは6μmであった。一方、半値幅Sは3μmで、0.5Dに相当する値であった。よって、リチウム含有複合酸化物粉末の粒度分布は、前述した(I)式の関係を満足するものであった。
【0101】
このような正極活物質を用いること以外は、前述した実施例1で説明したのと同様にして円筒形リチウムイオン二次電池を製造した。
【0102】
(比較例1)
前述した図1(c)に示す形状を有する底胴分離型で、アルミナ(Al)製の角鞘を用意した。このような角鞘を用いること以外は、前述した実施例1で説明したのと同様にしてリチウム含有複合酸化物粉末を合成した。
【0103】
得られたリチウム含有複合酸化物粉末をレーザー回折粒度分布測定装置で測定した結果、図8に示すように、粒径がサブミクロンから数100μmの範囲に亘るブロードな粒度分布を示し、粒径が約100μmの巨大粒子も存在していた。また、粒度分布において最大比率を占める粒径Dは4.5μmであった。一方、半値幅Sは13.5μmで、3Dに相当する値であった。よって、リチウム含有複合酸化物粉末の粒度分布は、前述した(I)式の関係から外れるものであった。
【0104】
このような正極活物質を用いること以外は、前述した実施例1で説明したのと同様にして円筒形リチウムイオン二次電池を製造した。
【0105】
(比較例2)
比較例1で合成されたリチウム含有複合酸化物の微粒子と粗粒子を分級して粒度分布を前述した実施例1と同じにした。このような正極活物質を用いること以外は、前述した実施例1で説明したのと同様にして円筒形リチウムイオン二次電池を製造した。
【0106】
得られた実施例1〜4及び比較例1、2の二次電池について、それぞれ20個ずつ用意し、20℃における初期容量を測定し、その結果を下記表1に示す。なお、充電は、それぞれ設計定格容量の0.2Cに相当する電流値で4.2Vまで行った後、4.2Vの定電圧で保持し、計8時間行った。放電は、同じ電流値で2.7Vまで行った。
【0107】
また、実施例1〜4及び比較例1、2の二次電池について、それぞれ3個ずつ用意し、室温で充放電サイクル試験を実施し、500サイクル後の放電容量の平均低下率を求め、その結果を下記表1に示す。充放電サイクル試験は設計定格容量の0.5Cに相当する電流値で4.2Vまで行った後、4.2Vの定電圧で保持し、計5時間行った。放電は、同じ電流値で2.7Vまで行った。放電と充電の問に30分の休止時間を設けた。
【0108】
さらに、実施例1〜4及び比較例1、2の二次電池について、それぞれ3個ずつ用意し、4.2V充電後、釘刺し試験で安全性を検討した。試験に用いた釘は直径2mmで、釘速度が135mm/sであった。また、釘刺し試験での電池の温度上昇は、電池外面に張り付けられている熱電対により測定した。釘刺し試験による破裂・発火の有無と、釘刺し試験による電池温度を下記表1に示す。
【0109】
【表1】

Figure 0003552210
【0110】
表1から明らかなように、原料粉末を、MgO及びMgAlスピネルよりなる群から選択される少なくとも1種類からなる化合物成分を含む鞘に収納した状態で焼成することにより得られるリチウム含有複合酸化物を含む実施例1〜4の二次電池は、アルミナ(Al)製の鞘を用いて合成された正極活物質を含む比較例1、2の二次電池に比べて、初期容量が高くかつ容量バラツキが少なく、サイクル寿命が長く、釘刺し試験の際の温度上昇率が低く、釘刺し試験による破裂および発火が皆無であることがわかる。
【0111】
(実施例5)
出発原料としてLiOH・HOと、Ni(OH)と、元素Me1(Co)の酸化物、炭酸化物、硝酸化物と、NaOHと、KOHと、Ca(OH)と、硫化化合物として硫化ナトリウム(NaS・9HO)及び硫酸化合物(NiSO・6HO)と、Siの酸化物、硫化物、アルコキサイドと、Feの酸化物、硫化物、アルコキサイドとを用意し、これらの化合物粉末から組成Li1.1Ni0.78Co0.221.950.05+cC)になるように選択し、調合後、ヘンシェルミキサで30分混合することにより混合粉(原料粉末)を作製した。この混合粉を前述した実施例1で説明したのと同様な角鞘に収容し、このような角鞘4つを前述した図2に示すように電気炉にセットし、焼成を行った。焼成は5リットル/分の酸素をフローさせながら480℃で10時間保持した後、700℃で15時間行い、リチウム含有複合酸化物粉末を得た。なお、リチウム含有複合酸化物の組成式における元素Cの種類と、酸化物中の元素Cの含有量c(ppm)は、下記表2に示した。
【0112】
得られたリチウム含有複合酸化物粉末をレーザー回折粒度分布測定装置で測定した結果、粒度分布において最大比率を占める粒径Dは5.0μmであった。一方、半値幅Sは3.5μmで、0.7Dに相当する値であった。よって、リチウム含有複合酸化物粉末の粒度分布は、前述した(I)式の関係を満足するものであった。
【0113】
なお、正極活物質の組成分析は、グロー放電型質量分析法(GDMS:Glow Discharge Mass Spectrometry)を用いて行う。ここで、GDMSとは1Torr程度のAr雰囲気下で、一方の電極を試料として数kVの電圧をかけ、形成したグロー放電により試料表面をスパッタして、生成した試料イオンを電極にあるアパーチャから引き出して加速し、質量分析する方法である。このグロー放電型質量分析により複合酸化物を構成する各元素の含有量が求められ、元素C以外の各元素の含有量をモル%に換算することにより、求める化学式を得る。以下の実施例により得られる正極活物質についても、組成分析は、グロー放電型質量分析法で行われる。
【0114】
このような正極活物質を用いること以外は、前述した実施例1で説明したのと同様にして円筒形リチウムイオン二次電池を製造した。
【0115】
(実施例6〜8)
リチウム含有複合酸化物の組成における元素Cの種類及び酸化物中の元素Cの含有量c(ppm)を下記表2に示すように変更すること以外は、前述した実施例5で説明したのと同様にしてリチウム含有複合酸化物粉末を得た。
【0116】
このような正極活物質を用いること以外は、前述した実施例1で説明したのと同様にして円筒形リチウムイオン二次電池を製造した。
【0117】
(実施例9)
出発原料としてLiOH・HOと、Ni(OH)と、元素Me1(Co)の酸化物、炭酸化物、硝酸化物と、NaOHと、KOHと、Ca(OH)と、硫化化合物として硫化ナトリウム(NaS・9HO)及び硫酸化合物(NiSO・6HO)と、Siの酸化物、硫化物、アルコキサイドと、Feの酸化物、硫化物、アルコキサイドとを用意し、これらの化合物粉末から組成Li1.1Ni0.78Co0.221.950.05+cC)になるように選択し、調合後、ヘンシェルミキサで30分混合することにより混合粉(原料粉末)を作製した。この混合粉を前述した実施例4で説明したのと同様な角鞘に収容し、このような角鞘4つを前述した図2に示すように電気炉にセットし、焼成を行った。焼成は5リットル/分の酸素をフローさせながら480℃で10時間保持した後、700℃で15時間行い、リチウム含有複合酸化物粉末を得た。なお、リチウム含有複合酸化物の組成式における元素Cの種類と、酸化物中の元素Cの含有量c(ppm)は、下記表2に示した。
【0118】
得られたリチウム含有複合酸化物粉末をレーザー回折粒度分布測定装置で測定した結果、粒度分布において最大比率を占める粒径Dは6.5μmであった。一方、半値幅Sは3.3μmで、0.5Dに相当する値であった。よって、リチウム含有複合酸化物粉末の粒度分布は、前述した(I)式の関係を満足するものであった。
【0119】
このような正極活物質を用いること以外は、前述した実施例1で説明したのと同様にして円筒形リチウムイオン二次電池を製造した。
【0120】
(実施例10〜12)
リチウム含有複合酸化物の組成における元素Cの種類及び酸化物中の元素Cの含有量c(ppm)を下記表2に示すように変更すること以外は、前述した実施例9で説明したのと同様にしてリチウム含有複合酸化物粉末を得た。
【0121】
このような正極活物質を用いること以外は、前述した実施例1で説明したのと同様にして円筒形リチウムイオン二次電池を製造した。
【0122】
得られた実施例5〜12の二次電池について、初期容量、500サイクル後の放電容量平均低下率、釘刺し試験による電池温度、釘刺し試験時の破裂と発火の有無を、前述した実施例1で説明したのと同様にして測定し、その結果を下記表2に示す。なお、表2には、前述した比較例1,2の結果を併記する。
【0123】
【表2】
Figure 0003552210
【0124】
表2から明らかなように、実施例5〜12の二次電池は、比較例1,2の二次電池に比べて、初期容量のばらつきが少なく、500サイクル後の放電容量低下率が小さく、釘刺し試験時の温度上昇が抑制されて破裂と発火が皆無であることがわかる。
【0125】
なお、角鞘の成分をMgO成分の量が99.0%で、Al成分量が520ppmで、Si成分量が350ppmで、Ca成分量が2000ppmで、Y成分量が160ppmで、Zr成分量が1600ppmであるものに変更すること以外は、前述した実施例1で説明したのと同様にしてリチウムイオン二次電池を製造したところ、前述した実施例1と同様な優れた電池特性と安全性を得ることができた。
【0126】
また、角鞘の成分をMgAlスピネル成分の量が99.0%で、Si成分量が210ppmで、Ca成分量が600ppmで、Y成分量が320ppmで、Zr成分量が2000ppmで、Hf成分量が160ppmであるものに変更すること以外は、前述した実施例4で説明したのと同様にしてリチウムイオン二次電池を製造したところ、前述した実施例4と同様な優れた電池特性と安全性を得ることができた。
【0127】
(実施例13)
<正極の作製>
前述した実施例1で説明したのと同様な組成のリチウム含有複合酸化物粉末91重量%をアセチレンブラック2.5重量%、グラファイト3重量%、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)4重量%と、N−メチルピロリドン(NMP)溶液を加えて混合し、厚さ15μmのアルミニウム箔の集電体に塗布し、乾燥後、プレスすることにより電極密度3.0g/cmの帯状の正極を作製した。
【0128】
<負極の作製>
3000℃で熱処理したメソフェーズピッチ系炭素繊維(平均粒径25μm、平均繊維長30μm)の粉末94重量%と、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)6重量%と、N−メチルピロリドン(NMP)溶液を加えて混合し、厚さ12μmの銅箔に塗布し、乾燥後、プレスすることにより電極密度1.4g/cmの帯状の負極を作製した。
【0129】
<電極群の作製>
前記正極、厚さ16μmで、多孔度50%で、空気透過率200秒/100cmのポリエチレン製多孔質フィルムからなるセパレータ、前記負極、前記セパレータの順序に積層した後、渦巻き状に捲回した。これを90℃で加熱プレスすることにより、幅30mmで、厚さ3.0mmの偏平状電極群を作製した。得られた電極群を、厚さが40μmのアルミニウム箔と、前記アルミニウム箔の両面に形成されたポリプロピレン層とから構成された厚さが0.1mmのラミネートフィルムパックに収納し、80℃で24時間真空乾燥を施した。
【0130】
<非水電解液(液状非水電解質)の調製>
エチレンカーボネート(EC)、γ−ブチロラクトン(BL)及びビニレンカーボネート(VC)の混合溶媒(体積比率24:75:1)に電解質としての四フッ化ホウ酸リチウム(LiBF)を1.5mol/L溶解することにより非水電解液を調製した。
【0131】
前記電極群が収納されたラミネートフィルムパック内に前記非水電解液を注入した後、前記ラミネートフィルムパックをヒートシールにより完全密閉し、前述した図6,7に示す構造を有し、幅35mm、厚さ3.2mm、高さ65mmの薄型リチウムイオン二次電池を製造した。
【0132】
(実施例14)
前述した実施例4で説明したのと同様な組成のリチウム含有複合酸化物を正極活物質として用いること以外は、前述した実施例13で説明したのと同様にして薄型リチウムイオン二次電池を製造した。
【0133】
(実施例15)
前述した実施例5で説明したのと同様な組成のリチウム含有複合酸化物を正極活物質として用いること以外は、前述した実施例13で説明したのと同様にして薄型リチウムイオン二次電池を製造した。
【0134】
(実施例16)
前述した実施例9で説明したのと同様な組成のリチウム含有複合酸化物を正極活物質として用いること以外は、前述した実施例13で説明したのと同様にして薄型リチウムイオン二次電池を製造した。
【0135】
得られた実施例13〜16の二次電池について、500サイクル後の放電容量平均低下率、釘刺し試験による電池温度、釘刺し試験時の破裂と発火の有無を、前述した実施例1で説明したのと同様にして測定し、その結果を下記表3に示す。
【0136】
【表3】
Figure 0003552210
【0137】
表3から明らかなように、二次電池の形態を円筒形から薄型に変更しても、本発明に係る正極活物質を用いる限り、優れたサイクル特性と高い安全性を得られることがわかる。
【0138】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、放電容量のバラツキが少なく、サイクル寿命が長く、かつ安全性が向上されたリチウムイオン二次電池を提供することができる。また、本発明によれば、放電容量のバラツキが少なく、サイクル寿命が長く、かつ安全性が向上された電池を実現することが可能な正極活物質およびリチウム含有複合酸化物合成用鞘を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る正極活物質を合成する際に使用される鞘の一例を示す斜視図。
【図2】本発明に係る正極活物質を合成するための焼成工程の一例を示す概略斜視図。
【図3】本発明に係る正極活物質を合成するための焼成工程のさらに別な例を示す概略斜視図。
【図4】リチウム含有複合酸化物粉末の粒度分布の一例を示す特性図。
【図5】本発明に係るリチウムイオン二次電池の一例である円筒形リチウムイオン二次電池を示す部分切欠斜視図。
【図6】本発明に係るリチウムイオン二次電池の一例である薄型リチウムイオン二次電池を示す断面図。
【図7】図6のA部を示す断面図。
【図8】実施例1及び比較例1における正極活物質の粒度分布を示す特性図。
【符号の説明】
41…底胴一体型の角鞘、
42…底胴一体型の丸鞘、
43、45…胴部、
44、46…底板、
47…原料粉末。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a sheath used for synthesizing a lithium-containing composite oxide, a positive electrode active material containing a lithium-containing composite oxide, and a lithium ion secondary battery including a positive electrode active material containing a lithium-containing nickel oxide. It is.
[0002]
[Prior art]
In recent years, as portable personal computers, mobile phones, and the like have become smaller and lighter, there has been a demand for smaller and lighter secondary batteries as power supplies for these electronic devices.
[0003]
As such a secondary battery, a lithium ion secondary battery using a material capable of occluding and releasing lithium ions, such as a carbon material, as a negative electrode material has been developed and has been put to practical use as a power source for small electronic devices. The demand for this secondary battery is increasing because it is smaller and lighter than conventional lead storage batteries and nickel-cadmium batteries and has a high energy density.
[0004]
As a positive electrode active material of this lithium ion secondary battery, a lithium-containing cobalt oxide (LiCoO) having a high discharge potential and a high energy density can be obtained.2) Has been put to practical use. However, cobalt, which is a raw material of this composite oxide, is scarce in resources and is ubiquitous in countries where commercially available deposits are few, so it is expensive, has large price fluctuations, and will be used in the future. It is accompanied by supply anxiety.
[0005]
Therefore, research on positive electrode active materials other than lithium-containing cobalt oxide has been actively conducted in recent years. As an example, numerous compounds have been reported for a composite oxide of lithium and manganese synthesized from various manganese raw materials and lithium raw materials. Specifically, LiMn having a spinel type crystal structure2O4The lithium-manganese composite oxide represented by represents a potential of 3 V with respect to lithium by electrochemical oxidation, and has a theoretical charge / discharge capacity of 148 mAh / g.
[0006]
However, a lithium ion secondary battery using a manganese oxide or a lithium manganese composite oxide as a positive electrode active material has a disadvantage that the capacity is significantly deteriorated when used in an environment at room temperature or higher. This is because manganese oxide and lithium manganese composite oxide are destabilized by high temperature, and Mn is eluted in the non-aqueous electrolyte. In particular, in recent years, large-sized lithium ion secondary batteries for electric vehicles or road leveling have been developed in various fields. With this large-sized lithium ion secondary battery, the heat generation during use cannot be ignored as the size of the battery increases, and the inside of the battery tends to become relatively high even when the ambient environmental temperature is around room temperature. In addition, even a relatively small battery used for a small portable device or the like may be used in a high-temperature environment such as a cabin of a car in the middle of summer, and the temperature inside the battery may be relatively high. is there. Due to these problems, it is very difficult to put a positive electrode active material using manganese as a raw material into practical use.
[0007]
Meanwhile, nickel composite oxides have been actively studied as post-cobalt composite oxides. For example, LiNiO2Is a complex capacity of 180 to 200 mAh / g and LiCoO2Active material and LiMn2O4This is a very promising positive electrode active material because it is larger than a system active material and has an optimum discharge potential of about 3.6 V on average. However, LiNiO2The problem is that the initial discharge capacity in the charge / discharge cycle test is greatly reduced with the number of charge / discharges due to the unstable crystal structure of LiNiO.2In a nail penetration test of a lithium-ion secondary battery manufactured using a battery, there is a problem in safety leading to rupture and ignition.
[0008]
As a method for synthesizing these lithium-containing composite oxides, a starting material powder is prepared by adding alumina (Al2O3) Or mullite (3Al2O3・ 2SiO2) Is generally put into a sheath and fired.
[0009]
However, when a sheath containing alumina or mullite as a main component is used, the sheath and the starting material powder easily react with each other, and a by-product generated by this reaction is mixed into the lithium-containing composite oxide. Not only does the charge / discharge cycle characteristic deteriorate, but also the risk of rupture or ignition in the event of a short circuit as in a nail penetration test increases. In addition, lithium-containing composite oxide powder synthesized using a sheath containing alumina or mullite as a main component is a broad powder containing a wide variety of particles ranging from small particles having a submicron diameter to aggregated particles having a particle diameter of about 100 microns. With a good particle size distribution. With such a particle size distribution, the charge / discharge cycle characteristics and safety may not only be further deteriorated, but also the active material filling density of the positive electrode may be reduced. It is desirable to make the distribution uniform. However, since the variation in the particle size distribution is inherently large, sieving for uniforming the particle size distribution must be repeated many times, which causes a problem that not only the yield of the positive electrode active material is reduced but also the manufacturing process becomes complicated.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to provide a lithium ion secondary battery that can easily make the particle size distribution of the positive electrode active material uniform, has no bursting and ignition in a nail penetration test, has high safety, and has a long life. It is.
[0011]
Further, an object of the present invention is to provide a positive electrode active material which is easy to make the particle size distribution uniform, has no burst ignition in a nail penetration test, has high safety, and can realize a long-life battery. It is assumed that.
[0012]
Furthermore, an object of the present invention is to provide a lithium-containing composite oxide that can easily achieve a particle size distribution, has no rupture and ignition in a nail penetration test, has high safety, and can realize a long-life battery. An object of the present invention is to provide a sheath for synthesizing a lithium-containing composite oxide used in the synthesis.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
The lithium ion secondary battery according to the present invention is a positive electrode containing an active material, a negative electrode, a lithium ion secondary battery including a non-aqueous electrolyte,
The active material of the positive electrode is a raw material powder.sheathContaining lithium-containing composite oxides obtained by firingSee
The sheath is a material containing at least one component selected from the group consisting of Al, Si, Ca, Y and Zr and MgO, or is selected from the group consisting of Si, Ca, Y, Zr and Hf. At least one component and MgAl Two O Four Made of spinel-containing materialA lithium ion secondary battery characterized in that:
[0016]
In the lithium ion secondary battery according to the present invention, it is preferable that the lithium-containing composite oxide has a particle size distribution defined by the following formula (I).
[0017]
S ≦ 2D (I)
Here, S is the half width of the particle size distribution of the lithium-containing composite oxide, and D is the particle size showing the maximum peak in the particle size distribution of the lithium-containing composite oxide.
[0018]
The positive electrode active material according to the present invention is a raw material powdersheathIncluding lithium-containing composite oxide obtained by firing in a state stored inA positive electrode active material,
The sheath is a material containing at least one component selected from the group consisting of Al, Si, Ca, Y and Zr and MgO, or is selected from the group consisting of Si, Ca, Y, Zr and Hf. At least one component and MgAl Two O Four Made of spinel-containing materialIt is a positive electrode active material characterized by the above.
[0019]
According to the present inventionFor positive electrode active materialLithium-containing composite oxideofThe synthetic sheath isA material containing at least one component selected from the group consisting of Al, Si, Ca, Y and Zr and MgO, or at least one type selected from the group consisting of Si, Ca, Y, Zr and Hf Components and MgAl Two O Four Made of spinel-containing materialIt is characterized by the following.
[0020]
According to the present invention, the raw material powder is made of MgO and MgAl.2O4A process for synthesizing a lithium-containing composite oxide by baking in a state of being housed in a sheath containing at least one compound component selected from the group consisting of spinels. Can be provided.
[0021]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
First, the positive electrode active material according to the present invention will be described.
[0022]
This positive electrode active material is obtained by mixing raw material powder with MgO and MgAl2O4It includes a lithium-containing composite oxide obtained by firing in a state of being housed in a sheath containing at least one compound component selected from the group consisting of spinels.
[0023]
The sheath is also called a firing tray, and its shape is not particularly limited as long as the intended lithium-containing composite oxide can be obtained, but an example is shown in FIG. FIG. 1 (a) shows a bottom sheath-integrated square sheath 41, and FIG. 1 (b) shows a bottom trunk-integrated round sheath 42. On the other hand, FIG. 1 (c) shows a bottom-body-separated type square sheath having a rectangular tubular body 43 and a rectangular bottom plate 44, and FIG. 1 (d). , A bottom-body-separated round sheath having a cylindrical body portion 45 and a circular bottom plate 46 is shown. The powder stored in each sheath is the raw material powder 47. In particular, according to the bottom-body-separated type sheath, oxygen gas is supplied from above the sheath at the time of firing, and is also supplied from the gap between the body and the bottom plate, so that the oxygen gas is uniformly supplied to the raw material powder. And a firing reaction can be uniformly generated.
[0024]
FIG. 2 shows a state in which four bottom-body-separated square sheaths each containing a raw material powder 47 are set in an electric furnace 48. The atmosphere (firing atmosphere) in the furnace 48 is oxygen gas (O 22) Atmosphere or oxygen gas (O2) Is preferable. Further, the number of sheaths housed in the electric furnace is not limited to four, and can be set to any number. For example, as shown in FIG. 3, the sheath may be housed in the electric furnace 48 in two stages. Furthermore, a tunnel pot may be used as an electric furnace in order to enhance mass productivity.
[0025]
When a sheath containing MgO is used as the sheath, it is preferable that MgO is a main component of the sheath. Here, the main component means a component having the highest abundance ratio among components constituting the sheath. The MgO content of the sheath is preferably in the range of 99% to 100%. If the MgO content of the sheath is less than 99%, components other than MgO contained in the sheath may react with the raw material powder, making it difficult to obtain high safety and charge / discharge characteristics. Among them, a sheath having a MgO content of 99% or more and containing at least one element selected from the group consisting of Al, Si, Ca, Y and Zr is preferable. Since such a sheath can improve thermal shock resistance, it is difficult to crack when the sheath is forcibly taken out of the furnace at a high temperature to room temperature, and the sheath can be taken out of the furnace immediately after firing. , Can improve productivity. In addition, since the sheath is expensive, if it is difficult to break, the production cost of the positive electrode active material can be reduced. Regarding the content of each element in the sheath, the Al content is preferably 30 ppm or more and 2000 ppm or less, the Si content is preferably 30 ppm or more and 10000 ppm or less, and the Ca content is 30 ppm or more and 10000 ppm or less. The Y content is preferably 30 ppm or more and 2000 ppm or less, and the Zr content is preferably 30 ppm or more and 30000 ppm or less. When the content of each element in the sheath is in the above range, it is possible to improve the thermal shock resistance of the sheath while improving the characteristics of the positive electrode active material.
[0026]
MgAl as sheath2O4When using a material containing spinel, MgAl2O4Spinel is preferably the main component of the sheath. Here, the main component means a component having the highest abundance ratio among components constituting the sheath. Sheath MgAl2O4The spinel content is preferably in the range of 95% to 100%. Sheath MgAl2O4If the content is less than 95%, MgAl contained in the sheath2O4This is because components other than the above and the raw material powder may react with each other to make it difficult to obtain high safety and charge / discharge characteristics. Among them, MgAl2O4A sheath having a spinel content of 95% or more and containing at least one element selected from the group consisting of Si, Ca, Y, Zr, and Hf is preferable. Since such a sheath can improve thermal shock resistance, it is difficult to crack when the sheath is forcibly taken out of the furnace at a high temperature to room temperature, and the sheath can be taken out of the furnace immediately after firing. , Can improve productivity. In addition, since the sheath is expensive, if it is difficult to break, the production cost of the positive electrode active material can be reduced. Regarding the content of each element in the sheath, the Si content is preferably 30 ppm or more and 10000 ppm or less, the Ca content is preferably 30 ppm or more and 10000 ppm or less, and the Y content is 30 ppm or more and 2000 ppm or less. The Zr content is preferably 30 ppm or more and 30000 ppm or less, and the Hf content is preferably 30 ppm or more and 2000 ppm or less. When the content of each element in the sheath is in the above range, it is possible to improve the thermal shock resistance of the sheath while improving the characteristics of the positive electrode active material.
[0027]
The components of the sheath are MgO and MgAl2O4Both spinels may be contained.
[0028]
The firing is desirably performed in a two-stage firing in which firing is performed at a temperature of 450 to 550 ° C for 2 to 20 hours, and then at 630 to 730 ° C for 2 to 50 hours.
[0029]
The present invention can be applied to lithium-containing composite oxides having various compositions. Among them, the composition of the lithium-containing composite oxide is LiCoO 22A composite oxide containing Li and Co such as LiMnO2And LiMn2O4A composite oxide containing Li and Mn such as LiNiO2It is preferable to use a composite oxide containing Li and Ni as described above. In particular, the composition of the lithium-containing composite oxide may be a composite oxide containing Li and Ni, a lithium-containing composite oxide in which some of the oxygen atoms are replaced by fluorine atoms, a hydroxyl group (OH) or H2This is effective when a raw material powder containing a starting compound containing O molecules is used.
[0030]
The composition of the composite oxide containing Li and Ni can be, for example, a composition represented by the following formulas (1) to (4).
[0031]
Li1 + xNi1-xOu-yFy      (1)
However, the molar ratios x, y and u indicate {(y + 0.05) / 2} ≦ x <{(y + 1) / 3}, y> 0, 1.9 ≦ u ≦ 2.1.
[0032]
Li1 + xNi1-xOu-yFy+ CC (2)
However, the molar ratios x, y and u indicate {(y + 0.05) / 2} ≦ x <{(y + 1) / 3}, y> 0, 1.9 ≦ u ≦ 2.1. C is at least one element selected from the group consisting of Na, K, Ca, S, Si and Fe, and the content c of the element C in the composite oxide is in the range of 20 to 3000 ppm.
[0033]
Lix(Ni1-yMe1y) (O2-zXz(3)
Here, Me1 is B, Mg, Al, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Co, Cu, Zn, Ga, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Sn, La, Hf, Ta, W , Re, Pb, and Bi, at least one element selected from the group consisting of F, Cl, Br, and I, and at least one halogen element selected from the group consisting of F, Cl, Br, and I; z indicates 0.02 ≦ x ≦ 1.3, 0.005 ≦ y ≦ 0.5, and 0.01 ≦ z ≦ 0.5, respectively.
[0034]
Lix(Ni1-yMe1y) (O2-zXz) + CC (4)
Here, Me1 is B, Mg, Al, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Co, Cu, Zn, Ga, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Sn, La, Hf, Ta, W , Re, Pb, and Bi, at least one element selected from the group consisting of F, Cl, Br, and I, and at least one halogen element selected from the group consisting of F, Cl, Br, and I; z represents 0.02 ≦ x ≦ 1.3, 0.005 ≦ y ≦ 0.5, 0.01 ≦ z ≦ 0.5, respectively, wherein C is Na, K, Ca, S, Si and At least one element selected from the group consisting of Fe, and the content c of the element C in the composite oxide is in the range of 20 to 3000 ppm.
[0035]
The reason for defining the molar ratios x, y and z in the composition formulas (3) and (4) within the above ranges will be described below.
[0036]
The molar ratio x of lithium will be described. If the molar ratio x is less than 0.02, the crystal structure of the composite oxide becomes extremely unstable, and the cycle characteristics and safety of the secondary battery may be insufficient. On the other hand, when the molar ratio x exceeds 1.3, the discharge capacity and safety of the secondary battery may be insufficient. A more preferable range of the molar ratio x is 0.05 ≦ x ≦ 1.2.
[0037]
The molar ratio y of the element Me1 will be described. If the molar ratio y is less than 0.005, the safety of the secondary battery may be insufficient. On the other hand, if the molar ratio y exceeds 0.5, a high discharge capacity may not be obtained. A more preferable range of the molar ratio y is 0.01 ≦ y ≦ 0.35. Further, among the elements Me1, Al, Ti, Mn, Nb, and Ta are preferable.
[0038]
The molar ratio z of the halogen element X will be described. If the molar ratio z is less than 0.01, the cycle characteristics and safety of the secondary battery may be insufficient. On the other hand, when the molar ratio z exceeds 0.5, a high discharge capacity may not be obtained. A more preferable range of the molar ratio z is 0.02 ≦ z ≦ 0.3. Further, the halogen element X is preferably F.
[0039]
The element C contained in the composite oxide having the composition represented by (2) or (4) will be described. By including element C in the composite oxide, it is possible to suppress a rapid rise in battery temperature when a large current flows through the secondary battery due to a short circuit or the like, thereby improving the safety of the secondary battery. can do. If the content c of the element C in the composite oxide is less than 20 ppm, it may be difficult to sufficiently suppress rapid heat generation of the battery when a large current flows. On the other hand, when the content c of the element C in the composite oxide exceeds 3000 ppm, the charge / discharge cycle characteristics may be significantly deteriorated.
[0040]
Further, the optimum content c of the element C in the composite oxide tends to vary depending on the type of the element C, and is desirably set as described below.
[0041]
When the element C is at least one selected from the group consisting of Na, K and S, the content c of the element C is preferably in the range of 20 to 3000 ppm. The more preferable range of the content c is 20 ppm ≦ c ≦ 1500 ppm, and the more preferable range is 20 ppm ≦ c ≦ 1000 ppm. Further, the lower limit of the content c is more preferably set to 50 ppm.
[0042]
On the other hand, when Ca is used as the element C, the content c of the element C is preferably in the range of 20 to 500 ppm. A more preferable range of the content c is 20 ppm ≦ c ≦ 300 ppm.
[0043]
When at least one element selected from the group consisting of Si and Fe is used as the element C, the content c of the element C is preferably in the range of 20 to 500 ppm. A more preferable range of the content c of the element C is 20 ppm ≦ c ≦ 250 ppm.
[0044]
Of the above-described composition formulas (1) to (4), (2) to (4) are preferable because the safety and cycle characteristics of the secondary battery can be further improved. Most preferred is a lithium-containing composite oxide represented by the composition formula (4), which can dramatically improve safety and cycle characteristics.
[0045]
The lithium-containing composite oxide powder preferably has a particle size distribution defined by the following formula (I).
[0046]
S ≦ 2D (I)
Here, S is the half width of the particle size distribution of the lithium-containing composite oxide powder, and D is the particle size showing the maximum peak in the particle size distribution of the lithium-containing composite oxide powder.
[0047]
FIG. 4 shows an example of the particle size distribution of the lithium-containing composite oxide powder. The particle size D having the maximum peak in this particle size distribution is, for example, 10 μm. On the other hand, the half width S of the particle size distribution is, for example, 5 μm, and thus corresponds to a value 0.5 times the particle diameter D. Therefore, this particle size distribution satisfies the relationship of the above-mentioned formula (I).
[0048]
If the half-value width S exceeds the value obtained by doubling the particle diameter D, the dispersion of the particle size distribution becomes large, so that the dispersion of discharge capacity and the cycle deterioration may occur, and the safety may be impaired. The particle size distribution preferably satisfies S ≦ 1.5D, and more preferably satisfies S ≦ D. If the half width S is smaller than 0.01D, a high discharge capacity may not be obtained. Therefore, the minimum value of the half width S is preferably 0.01D.
[0049]
Raw material powder is MgO and MgAl2O4When fired in a state of being housed in a sheath containing at least one compound component selected from the group consisting of spinel, a lithium-containing composite oxide powder having a uniform particle size distribution is easily obtained. However, a lithium-containing composite oxide having a particle size distribution satisfying the above-mentioned formula (I) can be obtained. In the case where the particle size distribution after firing is out of the above-mentioned formula (I), classification is performed after firing or after crushing to classify a particle size satisfying the above-mentioned formula (I). It is good to set to distribution. ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, since agglomeration of particles hardly occurs at the time of baking and the particle size distribution after baking is relatively uniform, the number of times of classification can be reduced and the particle size sorting can be easily performed.
[0050]
Next, a lithium ion secondary battery using the positive electrode active material according to the present invention will be described.
[0051]
A lithium ion secondary battery according to the present invention includes a positive electrode including the above-described positive electrode active material, a negative electrode, and a non-aqueous electrolyte.
[0052]
Examples of the non-aqueous electrolyte include a liquid non-aqueous electrolyte (non-aqueous electrolyte) prepared by dissolving an electrolyte in a non-aqueous solvent, and a polymer gel in which a polymer material holds a non-aqueous solvent and an electrolyte. A non-aqueous electrolyte, a polymer solid electrolyte containing an electrolyte as a main component, and an inorganic solid non-aqueous electrolyte having lithium ion conductivity. As the non-aqueous solvent and the electrolyte contained in each non-aqueous electrolyte, those described in the liquid non-aqueous electrolyte described later can be used.
[0053]
Examples of the polymer material contained in the gelled nonaqueous electrolyte include polyacrylonitrile, polyacrylate, polyvinylidene fluoride (PVdF), polyethylene oxide (PEO), or acrylonitrile, acrylate, vinylidene fluoride or ethylene oxide as a monomer. And the like. Examples of the polymer material contained in the polymer solid electrolyte include polyacrylonitrile, polyvinylidene fluoride (PVdF), polyethylene oxide (PEO), and polymers containing acrylonitrile, vinylidene fluoride, or ethylene oxide as a monomer. And the like. On the other hand, examples of the inorganic solid nonaqueous electrolyte include a ceramic material containing lithium. Specifically, Li3N, Li3PO4−Li2S-SiS glass etc. can be mentioned.
[0054]
Hereinafter, an example of the lithium ion secondary battery according to the present invention will be described.
[0055]
This lithium ion secondary battery includes a positive electrode containing the positive electrode active material according to the present invention, a negative electrode, a separator disposed between the positive electrode and the negative electrode, and at least a liquid non-aqueous electrolyte impregnated in the separator. Have.
[0056]
The positive electrode, separator, negative electrode and liquid non-aqueous electrolyte will be described in detail.
[0057]
1) Positive electrode
The positive electrode is prepared, for example, by mixing a positive electrode active material according to the present invention, an electric conduction auxiliary agent and a binder, and pressing the current collector, or the positive electrode active material, an electric conduction auxiliary agent and It is prepared by suspending a binder in a suitable solvent, applying the suspension to a current collector, and drying.
[0058]
Examples of the electric conduction aid include acetylene black, carbon black, graphite and the like.
[0059]
Examples of the binder include polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVdF), ethylene-propylene-diene copolymer (EPDM), and styrene-butadiene rubber (SBR).
[0060]
The mixing ratio of the positive electrode active material, the electric conduction aid and the binder is in the range of 80 to 95% by weight of the positive electrode active material, 3 to 20% by weight of the electric conduction aid, and 2 to 7% by weight of the binder. Is preferred. As the current collector, a conductive substrate having a porous structure or a non-porous conductive substrate can be used. Examples of a material constituting the current collector include aluminum, stainless steel, and nickel.
[0061]
2) Separator
As the separator, for example, a synthetic resin nonwoven fabric, a polyethylene porous film, a polypropylene porous film, or the like can be used.
[0062]
3) Negative electrode
This negative electrode contains a material capable of inserting (doping) and releasing (dedoping) lithium.
[0063]
Such materials include, for example, lithium metal, a Li-containing alloy capable of occluding and releasing lithium, a metal oxide capable of occluding and releasing lithium, and a metal sulfide capable of occluding and releasing lithium. Materials, metal nitrides capable of storing and releasing lithium, chalcogen compounds capable of storing and releasing lithium, and carbon materials capable of storing and releasing lithium ions. In particular, a negative electrode containing the chalcogen compound or the carbon material is preferable because it has high safety and can improve the cycle life of the secondary battery.
[0064]
Examples of the carbon material that occludes and releases lithium ions include coke, carbon fiber, pyrolytic gas-phase carbonaceous material, graphite, fired resin, mesophase pitch-based carbon fiber, mesophase pitch spherical carbon, and the like. The above-mentioned types of carbon materials are desirable because they can increase the electrode capacity.
[0065]
Examples of the chalcogen compound include titanium disulfide, molybdenum disulfide, niobium selenide, tin oxide and the like. When such a chalcogen compound is used for a negative electrode, the capacity of the negative electrode is increased although the battery voltage is reduced, so that the capacity of the secondary battery is improved.
[0066]
The negative electrode containing the carbon material is produced, for example, by kneading the carbon material and a binder in the presence of a solvent, applying the obtained suspension to a current collector, and drying the resultant.
[0067]
In this case, as the binder, for example, polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVdF), ethylene-propylene-diene copolymer (EPDM), styrene-butadiene rubber (SBR) and the like can be used. . Further, the mixing ratio of the carbon material and the binder is preferably in the range of 90 to 98% by weight of the carbon material and 2 to 10% by weight of the binder. Further, as the current collector, for example, a conductive substrate of aluminum, stainless steel, nickel, or the like can be used. The current collector may have a porous structure or a non-porous structure.
[0068]
4) Liquid non-aqueous electrolyte (non-aqueous electrolyte)
This liquid non-aqueous electrolyte is prepared by dissolving the electrolyte in a non-aqueous solvent.
[0069]
Examples of the non-aqueous solvent include cyclic carbonates and chain carbonates (eg, ethylene carbonate, propylene carbonate, diethyl carbonate, dimethyl carbonate, methyl ethyl carbonate, etc.), cyclic ethers and chain ethers (eg, 1,2- Dimethoxyethane, 2-methyltetrahydrofuran, etc.), cyclic ester or chain ester (for example, γ-butyrolactone, γ-valerolactone, σ-valerolactone, methyl acetate, ethyl acetate, propyl acetate, isopropyl acetate, methyl propionate, propion) Ethylate, propyl propionate, etc.). As the non-aqueous solvent, one kind or a mixed solvent of 2 to 5 kinds selected from the above-mentioned kinds can be used, but it is not necessarily limited to these.
[0070]
As the electrolyte, for example, lithium perchlorate (LiClO4), Lithium hexafluorophosphate (LiPF6), Lithium borofluoride (LiBF4), Lithium arsenic hexafluoride (LiAsF)6), Lithium trifluoromethylsulfonylimide (LiCF3SO3), Lithium bistrifluoromethylsulfonylimide [LiN (CF3SO2)2] And other lithium salts. As such an electrolyte, one or two or three lithium salts selected therefrom can be used, but the electrolyte is not limited thereto.
[0071]
The amount of the electrolyte dissolved in the non-aqueous solvent is desirably in the range of 0.5 to 2 mol / L.
[0072]
One example of the lithium ion secondary battery according to the present invention is shown in FIGS.
[0073]
FIG. 5 is a partially cutaway perspective view showing a cylindrical lithium ion secondary battery which is an example of the lithium ion secondary battery according to the present invention, and FIG. 6 is a thin type which is an example of the lithium ion secondary battery according to the present invention. FIG. 7 is a cross-sectional view showing a lithium ion secondary battery, and FIG.
[0074]
As shown in FIG. 5, a cylindrical container 1 with a bottom made of, for example, stainless steel has an insulator 2 disposed at the bottom. The electrode group 3 is housed in the container 1. The electrode group 3 has a structure in which a band formed by laminating a positive electrode 4, a separator 5 and a negative electrode 6 in this order is spirally wound.
[0075]
A non-aqueous electrolyte is contained in the container 1. A PTC element 7 having a hole opened in the center, a safety valve 8 disposed on the PTC element 7, and a hat-shaped positive terminal 9 disposed on the safety valve 8 are provided with an insulating gasket 10 in an upper opening of the container 1. The crimped through is fixed. The positive electrode terminal 9 has a built-in safety mechanism serving as a gas vent hole (not shown). One end of the positive electrode lead 11 is connected to the positive electrode 4, and the other end is connected to the PTC element 7. The negative electrode 6 is connected to the container 1 serving as a negative terminal via a negative lead (not shown).
[0076]
As shown in FIG. 6, an electrode group 22 is housed in a housing 21 made of, for example, a film material. Examples of the film material include a metal film, a resin sheet such as a thermoplastic resin, and a sheet in which one or both surfaces of a metal layer are covered with a resin layer such as a thermoplastic resin. The electrode group 22 has a structure in which a laminate including a positive electrode, a separator, and a negative electrode is wound into a flat shape. The laminated body includes a separator 23, a positive electrode layer 24, a positive electrode current collector 25, and a positive electrode 26 including a positive electrode layer 24, a separator 23, a negative electrode layer 27, a negative electrode current collector 28, and a negative electrode layer 27 from the lower side in FIG. , A separator 23, a positive electrode layer 24, a positive electrode current collector 25, a positive electrode 26 having a positive electrode layer 24, a separator 23, a negative electrode 29 having a negative electrode layer 27 and a negative electrode current collector 28 are laminated in this order. It has the structure which was done. On the outermost periphery of the electrode group 22, a negative electrode current collector 28 is located. One end of the strip-shaped positive electrode lead 30 is connected to the positive electrode current collector 25 of the electrode group 22, and the other end is extended from the storage container 21. On the other hand, the strip-shaped negative electrode lead 31 has one end connected to the negative electrode current collector 28 of the electrode group 22 and the other end extended from the storage container 21.
[0077]
The positive electrode active material according to the present invention described above uses raw material powders of MgO and MgAl2O4It includes a lithium-containing composite oxide obtained by firing in a state of being housed in a sheath containing at least one compound component selected from the group consisting of spinels. According to such a positive electrode active material, the reaction between the raw material powder and the sheath during firing can be suppressed, so that the amount of impurities in the positive electrode active material can be reduced. Further, the particle size distribution of the lithium-containing composite oxide can be made sharper. Therefore, the lithium ion secondary battery including the positive electrode including the positive electrode active material can reduce variation in discharge capacity, improve charge / discharge cycle characteristics, and have a short-circuit state as in a nail penetration test. As a result, when a large current flows, rapid heat generation can be suppressed, and rupture and ignition can be prevented.
[0078]
By ensuring that the particle size distribution of the lithium-containing composite oxide satisfies the relational expression (I) described above, it is possible to further reduce the variation in discharge capacity while securing a high positive electrode active material filling density, The cycle characteristics can be improved, and the battery temperature when a large current flows due to a short circuit state as in a nail penetration test can be further reduced.
[0079]
Further, in the present invention, a sheath having an MgO content of 99% or more and further containing at least one component selected from the group consisting of Al, Si, Ca, Y and Zr, or MgAl2O4By using a sheath having a spinel content of 95% or more and further containing at least one component selected from the group consisting of Si, Ca, Y, Zr and Hf, the discharge capacity, the charge / discharge cycle characteristics and A positive electrode active material capable of realizing a secondary battery having excellent safety can be manufactured with high productivity.
[0080]
【Example】
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0081]
(Example 1)
A detachable bottom sheath having the shape shown in FIG. 1C was prepared. This square sheath has an MgO content of 99.5%, an Al content of 160 ppm, a Si content of 140 ppm, a Ca content of 1000 ppm, a Y content of 140 ppm and a Zr content of 2000 ppm. there were. The analysis of the elements constituting the sheath was performed by the method described below.
[0082]
The components (subcomponents) other than MgO contained in the sheath were analyzed by glow discharge mass spectrometry (GDMS: Glow Discharge Mass Spectrometry). The purity of MgO as the main component was calculated by subtracting the concentration of the subcomponent from 100% with all the constituent components of the sheath being 100%.
[0083]
LiOH, Ni as starting materials0.78Co0.22(OH)2・ H2The composition is Li using O and LiF.1.1Ni0.78Co0.22O1.95F0.05After mixing, a mixed powder (raw material powder) was prepared by mixing with a Henschel mixer for 30 minutes. This mixed powder was accommodated in a square sheath, and four such square sheaths were set in an electric furnace as shown in FIG. 2 described above and fired. The firing was maintained at 480 ° C. for 15 hours while flowing oxygen at 5 L / min, and then performed at 700 ° C. for 20 hours to obtain a lithium-containing composite oxide powder.
[0084]
As a result of measuring the obtained lithium-containing composite oxide powder with a laser diffraction particle size distribution analyzer, as shown in FIG. 8, the particle diameter D that accounts for the maximum ratio in the particle size distribution was 5 μm. On the other hand, the half width S was 3 μm, a value corresponding to 0.6D. Therefore, the particle size distribution of the lithium-containing composite oxide powder satisfied the relationship of the above-described formula (I).
[0085]
<Preparation of positive electrode>
To a solution of polyvinylidene fluoride dissolved in N-methyl-2-pyrrolidone, lithium-containing composite oxide powder as a positive electrode active material, acetylene black and artificial graphite as conductive agents were added and mixed with stirring. A positive electrode mixture comprising 0.2% by weight, 1.8% by weight of acetylene black, 2.2% by weight of artificial graphite, and 3.8% by weight of polyvinylidene fluoride was prepared. This positive electrode mixture was applied to both surfaces of an aluminum foil (thickness: 20 μm), dried, and then pressure-formed using a roller press to prepare a positive electrode.
[0086]
<Preparation of negative electrode>
After carbonizing mesophase pitch carbon fiber from mesophase pitch as a raw material at 1000 ° C. in an argon atmosphere, the average fiber length is 30 μm, the average fiber diameter is 11 μm, and the particle size is 1 to 80 μm so that 90% by volume is present and the particle size is After appropriately pulverizing so that particles having a particle size of 0.5 μm or less were reduced (5% or less), the resultant was graphitized at 3000 ° C. in an argon atmosphere to produce a carbonaceous material.
[0087]
The carbonaceous material and artificial graphite were added to a solution in which polyvinylidene fluoride was dissolved in N-methyl-2-pyrrolidone, and the mixture was stirred and mixed. The mixture composition was 86.5% by weight of carbonaceous material, 9.5% by weight of artificial graphite, A negative electrode mixture comprising 4% by weight of polyvinylidene fluoride was prepared. This was applied to both surfaces of a copper foil (thickness: 15 μm), dried, and then pressed by a roller press to produce a negative electrode. At this time, the packing density and the electrode length were adjusted so that the ratio (capacity balance) of the designed capacity of the negative electrode to the designed capacity of the positive electrode after molding was 1.03 or more and 1.1 or less.
[0088]
<Preparation of non-aqueous electrolyte (liquid non-aqueous electrolyte)>
Lithium hexafluorophosphate (LiPF) was added to a non-aqueous solvent in which ethylene carbonate (EC) and methyl ethyl carbonate (MEC) were mixed at a volume ratio of 1: 2.6) Was dissolved at 1 M to prepare a non-aqueous electrolyte.
[0089]
<Assembly of battery>
After welding a positive electrode lead made of aluminum and a negative electrode lead made of nickel to the positive electrode and the negative electrode, respectively, the positive electrode, a separator made of a polyethylene porous film and the negative electrode are laminated in this order, and the negative electrode is formed. The electrode group was produced by spirally winding it so as to be located on the outside.
[0090]
The electrode group was housed in a cylindrical container with a bottom, and the negative electrode lead was welded to a bottom of the cylindrical container with a bottom, and the positive electrode lead was welded to a safety valve arranged at an opening of the cylindrical container with a bottom. Subsequently, 4 mL of a non-aqueous electrolyte was injected into the bottomed cylindrical container, and the electrode group was sufficiently impregnated with the non-aqueous electrolyte. Then, after the positive electrode terminal was arranged on the safety valve, it was fixed by caulking. As described above, a cylindrical lithium ion secondary battery (18650 size) having a designed rated capacity of 1600 mAh was assembled.
[0091]
(Example 2)
Except that the baking conditions in the synthesis of the positive electrode active material were changed to 720 ° C. for 25 hours after maintaining at 480 ° C. for 15 hours while flowing oxygen at 5 liter / min, lithium-containing was carried out in the same manner as in Example 1 described above. A composite oxide powder was obtained.
[0092]
As a result of measuring the obtained lithium-containing composite oxide powder with a laser diffraction particle size distribution analyzer, a relational expression of S = 1.2D is established between the particle size D and the half width S that occupy the largest ratio in the particle size distribution. Was.
[0093]
A cylindrical lithium ion secondary battery was manufactured in the same manner as described in Example 1 except that such a positive electrode active material was used.
[0094]
(Example 3)
Except that the firing conditions in the synthesis of the positive electrode active material were changed to 730 ° C. for 30 hours after holding at 480 ° C. for 15 hours while flowing oxygen at 5 liters / minute, lithium-containing was carried out in the same manner as in Example 1 described above. A composite oxide powder was obtained.
[0095]
As a result of measuring the obtained lithium-containing composite oxide powder with a laser diffraction particle size distribution measuring device, a relational expression of S = 1.7D is established between the particle size D and the half width S which occupy the maximum ratio in the particle size distribution. Was.
[0096]
A cylindrical lithium ion secondary battery was manufactured in the same manner as described in Example 1 except that such a positive electrode active material was used.
[0097]
(Example 4)
A detachable bottom sheath having the shape shown in FIG. 1C was prepared. This square sheath is made of MgAl2O4The content of the spinel component was 98.0%, the content of the Si component was 410 ppm, the content of the Ca component was 1100 ppm, the content of the Y component was 500 ppm, the content of the Zr component was 8100 ppm, and the content of the Hf component was 210 ppm. The analysis of the elements constituting the sheath was performed by the method described below.
[0098]
MgAl contained in sheath2O4The components (subcomponents) other than the spinel were analyzed by glow discharge mass spectrometry (GDMS: Glow Discharge Mass Spectrometry). MgAl as main component2O4The purity of the spinel was calculated by setting the total constituent components of the sheath to 100% and subtracting the concentration of the subcomponent from 100%.
[0099]
Explained in Example 1 described above, except that such a square sheath was used, and the firing conditions were changed to 700 ° C. for 15 hours after holding at 480 ° C. for 10 hours while flowing oxygen at 5 L / min. In the same manner as described above, a lithium-containing composite oxide powder was synthesized.
[0100]
As a result of measuring the obtained lithium-containing composite oxide powder with a laser diffraction particle size distribution analyzer, the particle diameter D that accounts for the maximum ratio in the particle size distribution was 6 μm. On the other hand, the half width S was 3 μm, a value corresponding to 0.5D. Therefore, the particle size distribution of the lithium-containing composite oxide powder satisfied the relationship of the above-described formula (I).
[0101]
A cylindrical lithium ion secondary battery was manufactured in the same manner as described in Example 1 except that such a positive electrode active material was used.
[0102]
(Comparative Example 1)
The bottom-body separated type having the shape shown in FIG.2O3) Was prepared. A lithium-containing composite oxide powder was synthesized in the same manner as described in Example 1 except that such a square sheath was used.
[0103]
As a result of measuring the obtained lithium-containing composite oxide powder with a laser diffraction particle size distribution analyzer, as shown in FIG. 8, the particle size showed a broad particle size distribution ranging from submicron to several hundred μm, and the particle size was Giant particles of about 100 μm were also present. In addition, the particle diameter D occupying the largest ratio in the particle size distribution was 4.5 μm. On the other hand, the half width S was 13.5 μm, which was a value corresponding to 3D. Therefore, the particle size distribution of the lithium-containing composite oxide powder deviated from the relationship of the above-described formula (I).
[0104]
A cylindrical lithium ion secondary battery was manufactured in the same manner as described in Example 1 except that such a positive electrode active material was used.
[0105]
(Comparative Example 2)
Fine particles and coarse particles of the lithium-containing composite oxide synthesized in Comparative Example 1 were classified to make the particle size distribution the same as in Example 1 described above. A cylindrical lithium ion secondary battery was manufactured in the same manner as described in Example 1 except that such a positive electrode active material was used.
[0106]
For each of the obtained secondary batteries of Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 and 2, 20 batteries were prepared, and the initial capacity at 20 ° C. was measured. The results are shown in Table 1 below. The charging was performed at a current value corresponding to the designed rated capacity of 0.2 C up to 4.2 V, and then maintained at a constant voltage of 4.2 V for a total of 8 hours. The discharge was performed up to 2.7 V at the same current value.
[0107]
In addition, for each of the secondary batteries of Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 and 2, three batteries were prepared, a charge / discharge cycle test was performed at room temperature, and the average reduction rate of the discharge capacity after 500 cycles was obtained. The results are shown in Table 1 below. The charge / discharge cycle test was performed at a current value corresponding to the designed rated capacity of 0.5 C up to 4.2 V, and then maintained at a constant voltage of 4.2 V for a total of 5 hours. The discharge was performed up to 2.7 V at the same current value. There was a 30-minute pause between charging and discharging.
[0108]
Further, three batteries were prepared for each of Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 and 2, and after charging at 4.2 V, safety was examined by a nail penetration test. The nail used for the test had a diameter of 2 mm and a nail speed of 135 mm / s. The temperature rise of the battery in the nail penetration test was measured using a thermocouple attached to the outer surface of the battery. Table 1 below shows the presence or absence of rupture / ignition in the nail penetration test and the battery temperature in the nail penetration test.
[0109]
[Table 1]
Figure 0003552210
[0110]
As is clear from Table 1, the raw material powder was made of MgO and MgAl2O4The secondary batteries of Examples 1 to 4 each containing a lithium-containing composite oxide obtained by firing in a state of being housed in a sheath containing at least one compound component selected from the group consisting of spinel, were prepared using alumina (Al2O3), The initial capacity is higher, the capacity variation is shorter, the cycle life is longer, and the temperature at the time of the nail penetration test is higher than those of the secondary batteries of Comparative Examples 1 and 2 including the positive electrode active material synthesized using the sheath made of It can be seen that the rate of rise was low and there was no rupture or ignition in the nail penetration test.
[0111]
(Example 5)
LiOH · H as starting material2O and Ni (OH)2And oxides, carbonates and nitrates of the element Me1 (Co), NaOH, KOH and Ca (OH)2And sodium sulfide (Na2S ・ 9H2O) and a sulfuric acid compound (NiSO4・ 6H2O), oxides, sulfides, and alkoxides of Si, and oxides, sulfides, and alkoxides of Fe, and a composition Li from these compound powders.1.1Ni0.78Co0.22O1.95F0.05+ CC), and after mixing, mixed with a Henschel mixer for 30 minutes to prepare a mixed powder (raw material powder). This mixed powder was accommodated in a square sheath similar to that described in Example 1 described above, and four such square sheaths were set in an electric furnace as shown in FIG. 2 described above and fired. The firing was maintained at 480 ° C. for 10 hours while flowing oxygen at 5 L / min, and then performed at 700 ° C. for 15 hours to obtain a lithium-containing composite oxide powder. The type of the element C in the composition formula of the lithium-containing composite oxide and the content c (ppm) of the element C in the oxide are shown in Table 2 below.
[0112]
As a result of measuring the obtained lithium-containing composite oxide powder with a laser diffraction particle size distribution analyzer, the particle size D that accounts for the maximum ratio in the particle size distribution was 5.0 μm. On the other hand, the half width S was 3.5 μm, which was a value corresponding to 0.7D. Therefore, the particle size distribution of the lithium-containing composite oxide powder satisfied the relationship of the above-described formula (I).
[0113]
Note that the composition analysis of the positive electrode active material is performed using glow discharge mass spectrometry (GDMS: Glow Discharge Mass Spectrometry). Here, GDMS is a method in which a voltage of several kV is applied to one electrode as a sample in an Ar atmosphere of about 1 Torr, the sample surface is sputtered by the formed glow discharge, and generated sample ions are extracted from an aperture in the electrode. This is a method of mass spectrometry. The content of each element constituting the composite oxide is obtained by the glow discharge mass spectrometry, and the content of each element other than the element C is converted into mol% to obtain a desired chemical formula. The composition analysis of the positive electrode active material obtained in the following examples is also performed by glow discharge mass spectrometry.
[0114]
A cylindrical lithium ion secondary battery was manufactured in the same manner as described in Example 1 except that such a positive electrode active material was used.
[0115]
(Examples 6 to 8)
Except that the type of the element C in the composition of the lithium-containing composite oxide and the content c (ppm) of the element C in the oxide were changed as shown in Table 2 below, the same as described in Example 5 described above was used. Similarly, a lithium-containing composite oxide powder was obtained.
[0116]
A cylindrical lithium ion secondary battery was manufactured in the same manner as described in Example 1 except that such a positive electrode active material was used.
[0117]
(Example 9)
LiOH · H as starting material2O and Ni (OH)2And oxides, carbonates and nitrates of the element Me1 (Co), NaOH, KOH and Ca (OH)2And sodium sulfide (Na2S ・ 9H2O) and a sulfuric acid compound (NiSO4・ 6H2O), oxides, sulfides, and alkoxides of Si, and oxides, sulfides, and alkoxides of Fe, and a composition Li from these compound powders.1.1Ni0.78Co0.22O1.95F0.05+ CC), and after mixing, mixed with a Henschel mixer for 30 minutes to prepare a mixed powder (raw material powder). This mixed powder was accommodated in the same square sheath as described in Example 4 described above, and four such square sheaths were set in an electric furnace as shown in FIG. 2 described above and fired. The firing was maintained at 480 ° C. for 10 hours while flowing oxygen at 5 L / min, and then performed at 700 ° C. for 15 hours to obtain a lithium-containing composite oxide powder. The type of the element C in the composition formula of the lithium-containing composite oxide and the content c (ppm) of the element C in the oxide are shown in Table 2 below.
[0118]
As a result of measuring the obtained lithium-containing composite oxide powder with a laser diffraction particle size distribution analyzer, the particle diameter D occupying the largest ratio in the particle size distribution was 6.5 μm. On the other hand, the half width S was 3.3 μm, a value corresponding to 0.5D. Therefore, the particle size distribution of the lithium-containing composite oxide powder satisfied the relationship of the above-described formula (I).
[0119]
A cylindrical lithium ion secondary battery was manufactured in the same manner as described in Example 1 except that such a positive electrode active material was used.
[0120]
(Examples 10 to 12)
Except that the type of the element C in the composition of the lithium-containing composite oxide and the content c (ppm) of the element C in the oxide were changed as shown in Table 2 below, the same as described in Example 9 described above was used. Similarly, a lithium-containing composite oxide powder was obtained.
[0121]
A cylindrical lithium ion secondary battery was manufactured in the same manner as described in Example 1 except that such a positive electrode active material was used.
[0122]
For the obtained secondary batteries of Examples 5 to 12, the initial capacity, the average reduction rate of the discharge capacity after 500 cycles, the battery temperature by the nail penetration test, the presence or absence of rupture and ignition during the nail penetration test, and the above-described Example The measurement was performed in the same manner as described in Example 1, and the results are shown in Table 2 below. Table 2 also shows the results of Comparative Examples 1 and 2 described above.
[0123]
[Table 2]
Figure 0003552210
[0124]
As is clear from Table 2, the secondary batteries of Examples 5 to 12 have smaller initial capacity variations than the secondary batteries of Comparative Examples 1 and 2, a smaller discharge capacity reduction rate after 500 cycles, It can be seen that the temperature rise during the nail penetration test is suppressed and there is no rupture or ignition.
[0125]
The components of the horn sheath were 99.0% of the MgO component, 520 ppm of the Al component, 350 ppm of the Si component, 2000 ppm of the Ca component, 160 ppm of the Y component, and 160 ppm of the Zr component. Except for changing to 1600 ppm, a lithium ion secondary battery was manufactured in the same manner as described in Example 1 above, and the same excellent battery characteristics and safety as in Example 1 described above were obtained. I got it.
[0126]
In addition, the component of the horn sheath is MgAl2O4The amount of the spinel component is 99.0%, the content of the Si component is 210 ppm, the content of the Ca component is 600 ppm, the content of the Y component is 320 ppm, the content of the Zr component is 2,000 ppm, and the content of the Hf component is 160 ppm. Except for this, when a lithium ion secondary battery was manufactured in the same manner as described in Example 4 above, excellent battery characteristics and safety similar to those in Example 4 described above could be obtained.
[0127]
(Example 13)
<Preparation of positive electrode>
91% by weight of the lithium-containing composite oxide powder having the same composition as that described in Example 1 described above was prepared by mixing 2.5% by weight of acetylene black, 3% by weight of graphite, 4% by weight of polyvinylidene fluoride (PVdF), and N- A methylpyrrolidone (NMP) solution was added and mixed, applied to a 15 μm-thick aluminum foil current collector, dried, and pressed to obtain an electrode density of 3.0 g / cm.3Was produced.
[0128]
<Preparation of negative electrode>
94% by weight of powder of mesophase pitch-based carbon fiber (average particle size 25 μm, average fiber length 30 μm) heat-treated at 3000 ° C., 6% by weight of polyvinylidene fluoride (PVdF), and N-methylpyrrolidone (NMP) solution were added. After mixing, applying to a copper foil having a thickness of 12 μm, drying and pressing, the electrode density was 1.4 g / cm.3Was produced.
[0129]
<Preparation of electrode group>
The positive electrode has a thickness of 16 μm, a porosity of 50%, and an air permeability of 200 seconds / 100 cm.3After laminating in order of the separator made of a polyethylene porous film, the negative electrode, and the separator, the resultant was spirally wound. This was hot-pressed at 90 ° C. to produce a flat electrode group having a width of 30 mm and a thickness of 3.0 mm. The obtained electrode group was housed in a 0.1 mm-thick laminated film pack composed of an aluminum foil having a thickness of 40 μm and polypropylene layers formed on both sides of the aluminum foil. Vacuum drying was performed for hours.
[0130]
<Preparation of non-aqueous electrolyte (liquid non-aqueous electrolyte)>
Lithium tetrafluoroborate (LiBF) as an electrolyte in a mixed solvent (volume ratio 24: 75: 1) of ethylene carbonate (EC), γ-butyrolactone (BL) and vinylene carbonate (VC)4) Was dissolved at 1.5 mol / L to prepare a non-aqueous electrolyte.
[0131]
After injecting the non-aqueous electrolyte into the laminated film pack in which the electrode group is stored, the laminated film pack is completely sealed by heat sealing, and has the structure shown in FIGS. A thin lithium ion secondary battery having a thickness of 3.2 mm and a height of 65 mm was manufactured.
[0132]
(Example 14)
A thin lithium ion secondary battery was manufactured in the same manner as described in Example 13 except that a lithium-containing composite oxide having the same composition as that described in Example 4 was used as the positive electrode active material. did.
[0133]
(Example 15)
A thin lithium ion secondary battery was manufactured in the same manner as described in Example 13 except that a lithium-containing composite oxide having the same composition as that described in Example 5 was used as the positive electrode active material. did.
[0134]
(Example 16)
A thin lithium ion secondary battery was manufactured in the same manner as described in Example 13 except that a lithium-containing composite oxide having the same composition as that described in Example 9 was used as the positive electrode active material. did.
[0135]
Regarding the obtained secondary batteries of Examples 13 to 16, the average discharge capacity reduction rate after 500 cycles, the battery temperature by the nail penetration test, and the presence or absence of rupture and ignition at the time of the nail penetration test are described in Example 1 described above. The measurement was performed in the same manner as described above, and the results are shown in Table 3 below.
[0136]
[Table 3]
Figure 0003552210
[0137]
As is clear from Table 3, even if the form of the secondary battery is changed from cylindrical to thin, as long as the positive electrode active material according to the present invention is used, excellent cycle characteristics and high safety can be obtained.
[0138]
【The invention's effect】
As described in detail above, according to the present invention, it is possible to provide a lithium ion secondary battery with reduced variation in discharge capacity, a long cycle life, and improved safety. Further, according to the present invention, there is provided a cathode active material and a sheath for synthesizing a lithium-containing composite oxide capable of realizing a battery with less variation in discharge capacity, a long cycle life, and improved safety. be able to.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing an example of a sheath used when synthesizing a positive electrode active material according to the present invention.
FIG. 2 is a schematic perspective view showing an example of a firing step for synthesizing a positive electrode active material according to the present invention.
FIG. 3 is a schematic perspective view showing still another example of a firing step for synthesizing a positive electrode active material according to the present invention.
FIG. 4 is a characteristic diagram showing an example of a particle size distribution of a lithium-containing composite oxide powder.
FIG. 5 is a partially cutaway perspective view showing a cylindrical lithium ion secondary battery as an example of the lithium ion secondary battery according to the present invention.
FIG. 6 is a cross-sectional view showing a thin lithium ion secondary battery which is an example of the lithium ion secondary battery according to the present invention.
FIG. 7 is a sectional view showing a portion A in FIG. 6;
FIG. 8 is a characteristic diagram showing a particle size distribution of a positive electrode active material in Example 1 and Comparative Example 1.
[Explanation of symbols]
41 ... square body integral with the bottom body,
42 ... bottom shell integrated type round sheath,
43, 45 ... trunk,
44, 46 ... bottom plate,
47: Raw material powder.

Claims (5)

活物質を含む正極と、負極と、非水電解質を備えたリチウムイオン二次電池において、
前記正極の活物質は、原料粉末をに収納した状態で焼成することにより得られるリチウム含有複合酸化物を含み、
前記鞘は、Al、Si、Ca、Y及びZrよりなる群から選択される少なくとも1種類の成分とMgOとを含有する材料か、あるいはSi、Ca、Y、Zr及びHfよりなる群から選択される少なくとも1種類の成分とMgAl 2 4 スピネルとを含有する材料から形成されていることを特徴とするリチウムイオン二次電池。
In a positive electrode including an active material, a negative electrode, and a lithium ion secondary battery including a nonaqueous electrolyte,
The active material of positive electrode, viewed contains a lithium-containing composite oxide obtained by calcining raw material powders in a state of being housed in the sheath,
The sheath is a material containing at least one component selected from the group consisting of Al, Si, Ca, Y and Zr and MgO, or is selected from the group consisting of Si, Ca, Y, Zr and Hf. A lithium ion secondary battery formed of a material containing at least one kind of component and MgAl 2 O 4 spinel .
前記MgO含有材料中のAl含有量とY含有量がそれぞれ30〜2000ppmで、Si含有量とCa含有量がそれぞれ30〜10000ppmで、かつZr含有量が30〜30000ppmであり、
前記MgAl 2 4 スピネル含有材料中のSi含有量とCa含有量がそれぞれ30〜10000ppmで、Y含有量とHf含有量がそれぞれ30〜2000ppmで、かつZr含有量が30〜30000ppmであることを特徴とする請求項1記載のリチウムイオン二次電池。
The Al content and the Y content in the MgO-containing material are each 30 to 2000 ppm, the Si content and the Ca content are each 30 to 10000 ppm, and the Zr content is 30 to 30000 ppm,
The Si content and the Ca content in the MgAl 2 O 4 spinel-containing material are respectively 30 to 10000 ppm, the Y content and the Hf content are 30 to 2000 ppm, respectively, and the Zr content is 30 to 30000 ppm. The lithium-ion secondary battery according to claim 1, wherein:
前記リチウム含有複合酸化物の粉末は、下記(I)式で表わされる粒度分布を有することを特徴とする請求項1または2記載のリチウムイオン二次電池。
S≦2D (I)
但し、Sは前記リチウム含有複合酸化物の粉末の粒度分布の半値幅で、Dは前記粒度分布において最大ピークを示す粒径である。
3. The lithium ion secondary battery according to claim 1, wherein the powder of the lithium-containing composite oxide has a particle size distribution represented by the following formula (I) .
S ≦ 2D (I)
Here, S is the half width of the particle size distribution of the lithium-containing composite oxide powder, and D is the particle size showing the maximum peak in the particle size distribution.
原料粉末をに収納した状態で焼成することにより得られるリチウム含有複合酸化物を含む正極活物質であって、
前記鞘は、Al、Si、Ca、Y及びZrよりなる群から選択される少なくとも1種類の成分とMgOとを含有する材料か、あるいはSi、Ca、Y、Zr及びHfよりなる群から選択される少なくとも1種類の成分とMgAl 2 4 スピネルとを含有する材料から形成されていることを特徴とする正極活物質。
A positive electrode active material containing a lithium-containing composite oxide obtained by firing the raw material powder stored in a sheath ,
The sheath is a material containing at least one component selected from the group consisting of Al, Si, Ca, Y and Zr and MgO, or is selected from the group consisting of Si, Ca, Y, Zr and Hf. A cathode active material formed of a material containing at least one kind of component and MgAl 2 O 4 spinel .
Al、Si、Ca、Y及びZrよりなる群から選択される少なくとも1種類の成分とMgOとを含有する材料か、あるいはSi、Ca、Y、Zr及びHfよりなる群から選択される少なくとも1種類の成分とMgAl 2 4 スピネルとを含有する材料から形成されていることを特徴とする正極活物質用リチウム含有複合酸化物合成用鞘。 A material containing at least one component selected from the group consisting of Al, Si, Ca, Y and Zr and MgO, or at least one type selected from the group consisting of Si, Ca, Y, Zr and Hf synthesis sheath component and MgAl 2 O 4 positive electrode active material for a lithium-containing composite oxide is characterized by being formed of a material containing a spinel.
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