JP3887317B2 - Nonaqueous electrolyte secondary battery - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、リチウム含有化合物を含む正極活物質と、この正極活物質を備えた非水電解質二次電池に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、非水電解質二次電池が注目されている。これは、比較的安全な負極材料の開発の成功と、非水電解質の分解電圧を高めることにより高電圧の電池を実現したこととが大きな理由であろうと思われる。中でもリチウムイオンを用いた二次電池は、放電電位が特に高いため、高エネルギー密度を有する電池を実現できるものとして期待されている。
【0003】
このリチウムイオンを用いる非水電解質二次電池の正極としては、活物質と呼ばれる遷移元素酸化物と、結着剤と、活物質に導電性を付与するための導電剤とを含むものが知られている。この導電剤には、高い導電率に加え、活物質との接触によっても酸化されることのない耐酸化性が要求され、さらに活物質同士を電気的に接触させやすくするための構造(例えば、繊維形状)を有することが要求される。この要求と併せて、軽量であることやコスト等を考慮し、従来から、カーボン系のアセチレンブラック等の導電剤が用いられてきている。
【0004】
一方、正極活物質には、従来から、LiCoO2のようなリチウムコバルト酸化物が多用されているが、材料コストが高く、そのうえエネルギー密度が低いため、新規な正極活物質の開発が要望されている。
【0005】
ところで、Materials Research Bulletin, Vol.33, No.9, pp.1339-1345, 1998には、VOPO4の水和物、NbOPO4の水和物およびMoOPO4の水和物が金属イオンの還元反応なしで、ピリジン、アニリンあるいはn−アルキルアミンのような有機種をインターカレートすることが記載されているものの、非水電解質二次電池への適用については記載がない。
【0006】
【非特許文献1】
Materials Research Bulletin, Vol.33, No.9, pp.1339-1345, 1998
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、放電容量と熱安定性の双方に優れる非水電解質二次電池を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る非水電解質二次電池は、下記(1)式で表される組成と正方晶系の結晶構造とを有する金属酸化物を含む正極と、負極と、非水電解質とを具備することを特徴とするものである。
【0009】
Li2- xM1- yM´yXzAO4 (1)
但し、MはTi、Nb、Mo、Ta及びWよりなる群から選択される少なくとも1種類の元素であり(但し、MがTi単独である場合を除く)、M´は、V、Fe、Ru及びRhよりなる群から選択される少なくとも1種類の元素であり、XはO及びFのうちの少なくとも一方の元素からなり、AはSi、Ge、P及びSよりなる群から選択される少なくとも1種類の元素であり、x,yおよびzはそれぞれ0≦x≦2、0≦y≦0.5、0.5≦z≦1.5を示す。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る非水電解質二次電池の一例について説明する。
【0011】
この非水電解質二次電池は、下記(1)式で表される組成を有する金属酸化物を含む正極と、負極と、非水電解質とを具備する。
【0012】
Li2- xM1- yM´yXzAO4 (1)
但し、MはTi、Nb、Mo、Ta及びWよりなる群から選択される少なくとも1種類の元素であり、M´は、V、Cr、Mn、Re、Fe、Co、Ni、Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt、Cu、Ag及びAuよりなる群から選択される少なくとも1種類の元素であり、XはO及びFのうちの少なくとも一方の元素からなり、AはSi、Ge、P及びSよりなる群から選択される少なくとも1種類の元素であり、x,yおよびzはそれぞれ0≦x≦2、0≦y≦0.5、0.5≦z≦1.5を示す。
【0013】
このような二次電池によれば、放電容量と熱安定性の双方を満足することができる。
【0014】
すなわち、前述した金属酸化物は、その結晶構造中にPO4のようなポリアニオン骨格を有するため、充電後の結晶の構造安定性が高い。この材料を正極活物質として用いると、充電後の酸素放出分解反応を抑制することができるため、内部短絡等により電池温度が上昇した際の非水電解質の燃焼を抑えることができる。また、この活物質は、前述した構造式に示すように、遷移元素M一原子に対してリチウムが二原子存在することができ、このリチウムは充放電に関与することが可能である。図1(正極活物質(MoOPO4)の放電前のX線回折パターン)および図2(放電後の正極活物質(LiMoOPO4)のX線回折パターン)から明らかなように、正極活物質の結晶構造は立方晶系に属しており、また、活物質の放電前後でのX線回折パターンの変化は格子定数の変化を除いてはあまり顕著でないことが理解できる。また、この活物質に含まれる遷移元素Mの価数は3価から5価まで変動することが可能ないわゆる2電子反応系となっている。これらのことから、前述した金属酸化物によると、大きな放電容量を得ることができる。
【0015】
従って、本発明によれば、高容量で、かつ過充電時の非水電解質の燃焼反応が化された安全性の高い非水電解質二次電池を実現することができる。実際に、後述する表1に示すように本発明に係る二次電池は、高い放電容量を確保しつつ、充電後の釘さし試験における破裂発火を抑制できるのに対し、従来の二次電池は、放電容量が低いか、もしくは破裂や発火を生じる。
【0016】
以下、正極、負極および非水電解質について説明する。
【0017】
1)正極
まず、前述した組成式(1)で表される金属酸化物について説明する。
【0018】
A)Li
リチウムは、金属酸化物中に含有されていても、いなくても良いが、含有されている方が充放電に関与するリチウム量が多くなり、充放電サイクル寿命を向上することができるため、好ましい。なお、原子比xが2である場合、負極ではリチウム合金やリチウム化合物のように予めリチウムが含有されているものを負極活物質として使用することが望ましい。
【0019】
B)元素M
元素Mの価数は、3価から5価まで変動するため、前述した金属酸化物は1分子で2原子のリチウムイオンの吸蔵・放出を行なうことが可能である。また、元素Mは、酸素原子との結合強度が高いため、活物質の酸素放出分解反応を抑制することができる。元素Mの中でも、特にMoが好ましい。
【0020】
C)元素M´
元素M´は、V、Cr、Mn、Re、Fe、Co、Ni、Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt、Cu、Ag及びAuよりなる群から選択される少なくとも1種類の元素である。中でも、Mn,Cr,Feが好ましい。
【0021】
元素M´を金属酸化物に原子比yが0.5以下で含有させることによって、充放電曲線における電圧平坦性あるいは二次電池の充放電サイクル寿命を向上することができる。但し、原子比yが0.5を超えると、十分な電子伝導率を得ることができないため、充放電特性の悪化を引き起こす可能性がある。より好ましい範囲は、0≦y≦0.2である。
【0022】
D)元素X
元素Xの原子比zを前記範囲に限定する理由を説明する。原子比zを0.5未満にすると、結晶構造の変化をもたらしLiの収容サイトの減少を引き起こし容量が低下する恐れがある。一方、原子比zが1.5を超えると、遷移元素同士の距離が離れるため、電子伝導性の低下を引き起こす可能性がある。より好ましい範囲は、0.8≦z≦1.2である。
【0023】
E)元素A
元素Aとしては、中でも、Pが好ましい。これは、金属酸化物の結晶構造の安定性が高くなるため、二次電池の充放電サイクル寿命を向上することができるからである。
【0024】
前述した(1)式で表される金属酸化物は、正方晶系の結晶構造を有することが望ましいが、他の結晶相やアモルファス構造を含んでいてもあるいはアモルファス構造でもかまわない。
【0025】
前述した(1)式で表される金属酸化物は、例えば、固相法で作製される。具体的には、各構成元素の化合物の粉末を、酸素ガスを含む雰囲気において250℃程度で焼成した後、窒素雰囲気中において700℃程度での焼成を数回繰り返すことにより、前述した金属酸化物を得ることができる。
【0026】
正極活物質に、前述した(1)式で表される金属酸化物のみを用いても良いし、金属酸化物と他の複合酸化物との混合物を用いることも可能である。他の複合酸化物としては、LiCoO2のようなリチウムコバルト酸化物、LiNiCoO2のようなリチウムニッケルコバルト複合酸化物などを用いることができる。
【0027】
正極活物質の表面には、非水電解質に対する安定性を向上させるため、リチウム含有導電性化合物を被覆しても良い。リチウム含有導電性化合物の膜厚は0.3nm以上にすることが好ましい。これは次のような理由によるものである。膜厚を0.3nm未満にすると、正極活物質とリチウム含有導電性化合物膜の相互拡散による低抵抗な膜の形成が困難になる。また、さらに安定に作製ができ量産性に富む範囲としてより好ましい膜厚は10nm以上の範囲である。
【0028】
正極は、例えば、正極活物質と、アセチレンブラック等のカーボン系導電剤と、結着剤とを適当な溶媒に懸濁させ、得られた懸濁物を集電体に塗布し、乾燥した後、プレス成形することにより作製される。
【0029】
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。
【0030】
前記集電体としては、例えばアルミニウム箔、ステンレス箔、チタン箔等を用いることが好ましい。
【0031】
2)負極
この負極としては、例えば、リチウムイオンを吸蔵・放出する物質(例えば炭素質物や、カルコゲン化合物)を含むもの、軽金属からなるもの等を用いることができる。中でも、リチウムイオンを吸蔵・放出する炭素質物又はカルコゲン化合物を含む負極は、前記二次電池のサイクル寿命などの電池特性が向上するために好ましい。
【0032】
前記リチウムイオンを吸蔵・放出する炭素質物としては、例えばコークス、炭素繊維、熱分解気相成長炭素質物、黒鉛、樹脂焼成体、メソフェーズピッチ系炭素繊維、メソフェーズ球状カーボンの焼成体などを挙げることができる。中でも、2500℃以上で黒鉛化したメソフェーズピッチ系炭素繊維か、メソフェーズ球状カーボンによると、電極容量を高くできるため、好ましい。
【0033】
前記炭素質物は、特に示差熱分析で700℃以上に発熱ピーク、より好ましくは800℃以上に発熱ピークを有し、X線回折による黒鉛構造の(101)回折ピーク(P101)と(100)回折ピーク(P100)の強度比P101/P100が0.7〜2.2の範囲にあることが好ましい。このような炭素質物を含む負極はリチウムイオンの急速な吸蔵・放出ができるため、前記二次電池の急速充放電性能が向上される。
【0034】
前記リチウムイオンを吸蔵・放出するカルコゲン化合物としては、二硫化チタン(TiS2)、二硫化モリブデン(MoS2)、セレン化ニオブ(NbSe2)などを挙げることができる。このようなカルコゲン化合物負極に用いると、前記二次電池の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。さらに、前記負極はリチウムイオンの拡散速度が大きいため、前記二次電池の急速充放電性能が向上される。
【0035】
前記軽金属としては、アルミニウム、アルミニウム合金、マグネシウム合金、リチウム金属、リチウム合金などを挙げることができる。
【0036】
リチウムイオンを吸蔵・放出する物質を含む負極は、例えば、前記物質及び結着剤を適当な溶媒に懸濁し、この懸濁物を集電体に塗布し、乾燥した後、プレスすることにより作製される。
【0037】
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)、カルボキシメチルセルロース(CMC)等を用いることができる。
【0038】
前記集電体としては、例えば銅箔、ステンレス箔、ニッケル箔等を用いることが好ましい。
【0039】
また本発明で正極活物質として用いる前記(1)式で表される金属酸化物の遷移元素Mを例えばZr、Nb、TaもしくはHf等にすることで正極より電位の低い材料とし、これを負極活物質として用いることもまた可能であるし、元素AとしてB、Al、Sn、As、S、Se、Teを用いることも可能である。
【0040】
3)非水電解質
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、高分子材料に電解質を保持させた固体非水電解質等を挙げることができる。
【0041】
前記非水溶媒としては、例えば、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)などの環状カーボネート、例えばジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、ジエチルカーボネート(DEC)などの鎖状カーボネート、ジメトキシエタン(DME)やジエトキシエタン(DEE)、エトキシメトキシエタンなどの鎖状エーテル、テトラヒドロフラン(THF)や2−メチルテトラヒドロフラン(2−MeTHF)などの環状エーテルやクラウンエーテル、γ−ブチロラクトン(γ−BL)などの脂肪酸エステル、アセトニトリル(AN)などの窒素化合物、スルホラン(SL)やジメチルスルホキシド(DMSO)などの硫黄化合物を挙げることができる。前記非水溶媒は、単独で使用しても、2種以上混合して使用してもよい。
【0042】
中でも、EC,PC,γ−BLから選ばれる少なくとも一種からなるものや、EC、PC、γ−BLから選ばれる少なくとも一種とDMC、EMC、DEC、DME、DEE、THF、2−MeTHF、ANから選ばれる少なくとも一種とからなる混合溶媒を用いることが望ましい。また、負極に前記リチウムイオンを吸蔵・放出する炭素質物を含むものを用いる場合に、前記負極を備えた二次電池のサイクル寿命を向上させる観点から、ECとPCとγ−BL、ECとPCとEMC、ECとPCとDEC、ECとPCとDEE、ECとAN、ECとEMC、PCとDMC、PCとDEC、ECとDECからなる混合溶媒を用いることが望ましい。
【0043】
前記電解質としては、例えば過塩素酸リチウム(LiClO4)、六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)、四フッ化硼酸リチウム(LiBF4)、六フッ化砒素リチウム(LiAsF6)、トリフルオロメタスルホン酸リチウム(LiCF3SO3)、ビストリフルオロメチルスルホニルイミドリチウム(LiN(CF3SO2)2)などのリチウム塩を挙げることができる。中でもLiPF6、LiBF4、LiN(CF3SO2)2を用いると導電性や安全性が向上されるために好ましい。
【0044】
前記電解質の非水溶媒に対する溶解量は、0.1モル/L〜3モル/Lの範囲にすることが好ましい。
【0045】
前記ゲル状非水電解質および前記固体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。
【0046】
本発明に係る非水電解質電池の一例である円筒形非水電解質二次電池を図3を参照して説明する。
【0047】
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。電極群3は、例えば、正極4と負極6の間にセパレータ5を介在させて渦巻き状に巻回することにより作製される。前記セパレータ5は、例えば、合成樹脂不織布、ポリエチレン多孔質フィルム、ポロプロピレン多孔質フィルムから形成されている。
【0048】
非水電解質は、容器1内に収容されている。中央部が開口された絶縁紙7は、前記容器1内の前記電極群3の上方に載置されている。絶縁封口板8は、前記容器1の上部開口部に配置され、かつ前記上部開口部付近を内側にかしめ加工することにより前記封口板8は前記容器1に液密に固定されている。正極端子9は、前記絶縁封口板8の中央に嵌合されている。正極リード10の一端は、前記正極4に、他端は前記正極端子9にそれぞれ接続されている。前記負極6は、図示しない負極リー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。
【0049】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図面を参照して詳細に説明する。なお、本発明は下記の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において適宜変更して実施することが可能である。
【0050】
(実施例1)
〈正極の作製〉
正極活物質であるリチウム含有モリブデン酸化リン酸化物(Li2MoOPO4)を以下のようにして合成した。
【0051】
出発原料として二酸化モリブデン(MoO2)とリン酸二水素アンモニウム(NH4H2PO4)をモル比1対1で念入りに粉砕混合した後、大気中250℃で10時間焼成した。次いで、再度粉砕した後、窒素ガスフロー中で700℃で10時間焼成した。X線回折パターンを見ながらモリブデン酸化リン酸塩(MoOPO4)の単一相になるまで700℃での焼成を数回繰り返した。得られたモリブデン酸化リン酸塩(MoOPO4)と炭酸リチウム(Li2CO3)とをモル比1:1で混合し、水素を5%含有した窒素ガス中で900℃にて10時間焼成することによりリチウム含有モリブデン酸化リン酸化物(Li2MoOPO4)を得た。得られた酸化物は、X線回折の結果、正方晶系の結晶構造を有していることがわかった。
【0052】
この粉末を粒度分布計により適宜測定し、目的とする粒度分布が得られるまで粉砕した。この粉末を正極活物質とし、正極活物質粉末を2.5重量%と、導電剤であるアセチレンブラック粉末およびグラファイト粉末を2.5重量%と、結着剤としてのPVDF粉末を3重量%とを混合し、N−メチル−2−ピロリドン溶媒中に分散させ、正極合剤スラリーを調製した。このスラリーをアルミニウム箔上に塗工し、乾燥した後、圧延および裁断することにより、目付け量が100g/m2の10C級の高出力電池仕様の正極を得た。
【0053】
〈負極の作製〉
負極活物質であるメソフェーズピッチカーボンファイバーを80重量%と、導電剤であるグラファイト粉末を20重量%と、結着剤としてカルボキシメチルセルロースを1.2重量%、及びスチレンブタジエンゴムを1.76重量%とを混合し、水を加えて念入りに分散させ、負極合剤スラリーを調製した。得られたスラリーを銅箔上に塗工し、乾燥した後、圧延及び裁断し、目付け量が72g/m2の負極を作製した。
【0054】
〈非水電解液の調製〉
プロピレンカーボネート及びジメトキシエタンからなる混合溶媒に電解質としてのLiPF6をその濃度が1mol/Lになるように溶解させ、非水電解液を調製した。
【0055】
〈評価用電池の作製〉
得られた正極、負極シートとセパレータを十分に乾燥させた後、正極と負極の間にセパレータを介在させて渦巻き状に捲回することにより電極群を作製した。この電極群をステンレス製の間に挿入し、アルゴン雰囲気中において電解液を注入して密封することにより、前述した図1に示す構造を有する評価用電池を作製した。このとき電極の長さは18650型の電池缶にちょうど納まるように設定した。
【0056】
(実施例2)
正極活物質としてリチウム含有ニオブ酸化硫酸化物(Li2NbOPO4)粉末を用いること以外は、実施例1と同様な構成で前述した図1に示す正極評価用電池を組み立てた。
【0057】
(実施例3)
正極活物質としてリチウム含有タンタルリン酸化物(Li2TaOPO4)粉末を用いること以外は、実施例1と同様な構成で前述した図1に示す正極評価用電池を組み立てた。
【0058】
(実施例4)
正極活物質としてリチウム含有タングステン酸化硫酸化物(Li2WOPO4)粉末を用いること以外は、実施例1と同様な構成で前述した図1に示す正極評価用電池を組み立てた。
【0059】
(実施例5)
正極活物質としてリチウム含有モリブデン鉄酸化リン酸化物(Li2Mo0.67Fe0.33OPO4)粉末を用いること以外は、実施例1と同様な構成で前述した図1に示す正極評価用電池を組み立てた。
【0060】
(実施例6)
正極活物質としてリチウム含有タングステン酸化珪酸化物(Li2WOSiO4)粉末を用いること以外は、実施例1と同様な構成で前述した図1に示す正極評価用電池を組み立てた。
【0061】
(実施例7)
正極活物質としてリチウム含有モリブデン酸化ゲルマニウム酸化物(Li2MoOGeO4)粉末を用いること以外は、実施例1と同様な構成で前述した図1に示す正極評価用電池を組み立てた。
【0062】
(実施例8)
正極活物質としてリチウム含有モリブデンルテニウム酸化リン酸化物(Li2Mo0.9Ru0.1OPO4)粉末を用いること以外は、実施例1と同様な構成で前述した図1に示す正極評価用電池を組み立てた。
【0063】
(実施例9)
正極活物質としてリチウム含有タンタル鉄フッ化リン酸化物(Li2Ta0.5Fe0.5FPO4)粉末を用いること以外は、実施例1と同様な構成で前述した図1に示す正極評価用電池を組み立てた。
【0064】
(実施例10)
正極活物質としてリチウム含有モリブデンチタン酸化リン酸化物(Li2Mo0.5Ti0.5OPO4)粉末を用いること以外は、実施例1と同様な構成で前述した図1に示す正極評価用電池を組み立てた。
【0065】
(実施例11)
正極活物質としてリチウム含有モリブデンロジウム酸化リン酸化物(Li2Mo0.9Rh0.1OPO4)粉末を用いること以外は、実施例1と同様な構成で前述した図1に示す正極評価用電池を組み立てた。
【0066】
(実施例12)
正極活物質としてリチウム含有モリブデンニオブ酸化リン酸化物(Li2Mo0.5Nb0.5OPO4)粉末を用いること以外は、実施例1と同様な構成で前述した図1に示す正極評価用電池を組み立てた。
【0067】
(参考例13)
正極活物質としてリチウム含有チタン酸化硫酸化物(Li2TiOSO4)粉末を用いること以外は、実施例1と同様な構成で前述した図1に示す正極評価用電池を組み立てた。
【0068】
(参考例14)
正極活物質としてリチウム含有チタンバナジウム酸化硫酸化物(Li2Ti0.5V0.5OSO4)粉末を用いること以外は、実施例1と同様な構成で前述した図1に示す正極評価用電池を組み立てた。
【0069】
(実施例15)
正極活物質としてリチウム含有バナジウムニオブ酸化硫酸化物(Li2V0.5Nb0.5OSO4)粉末を用いること以外は、実施例1と同様な構成で前述した図1に示す正極評価用電池を組み立てた。
【0070】
(実施例16)
正極活物質としてリチウム含有モリブデン酸化リン酸化物(Li2MoO1.5PO4)粉末を用いること以外は、実施例1と同様な構成で前述した図1に示す正極評価用電池を組み立てた。
【0071】
(参考例17)
正極活物質としてリチウム含有チタン酸化リン酸化物(Li2TiO0.5PO4)粉末を用いること以外は、実施例1と同様な構成で前述した図1に示す正極評価用電池を組み立てた。
【0072】
(実施例18)
正極活物質としてモリブデン酸化リン酸化物(MoO1.5PO4)粉末を用い、かつ負極活物質としてリチウムコバルト窒化物(Li2.6Co0.4N)を用いること以外は、実施例1と同様な構成で前述した図1に示す正極評価用電池を組み立てた。
【0073】
(比較例1)
正極活物質としてLiCoO2粉末を用い、かつ負極の目付けを40g/m2にすること以外は、前述した実施例1で説明したのと同様な構成の正極評価用電池を組み立てた。
【0074】
(比較例2)
正極活物質としてLi1.1Ni0.74Co0.16O1.85F0.15粉末を用い、かつ負極の目付けを60g/m2にすること以外は、前述した実施例1で説明したのと同様な構成の正極評価用電池を組み立てた。
【0075】
(比較例3)
正極活物質としてLiMn2O4粉末を用い、かつ負極の目付けを35g/m2にすること以外は、前述した実施例1で説明したのと同様な構成の正極評価用電池を組み立てた。
【0076】
(比較例4〜5)
下記表2に示す組成の金属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1で説明したのと同様な構成の正極評価用電池を組み立てた。
【0077】
得られた実施例1〜12及び15,16,18、参考例13,14,17及び比較例1〜5の電池について、以下に説明する方法で充電時の熱安定性と放電容量を測定し、その結果を下記表1〜2に示す。
【0078】
(釘刺し試験での発熱ピークの測定)
各二次電池について、0.3Cの電流値で4.2Vに達するまで充電した後、電圧を維持するように電流を流し続け、全充電時間が5時間になったら電流を停止した。その後、前記の充電処理を行った電池に熱電対を貼り付け、電池の側面から速度13.5cm/secで直径2mmの釘を刺し、電池の温度の時間的変化を測定し、その発熱ピーク温度を測定した。
【0079】
(過充電試験)
各二次電池について、6Cの電流で15Vまで充電し続けるという過充電試験を実施し、破裂と発火の有無を調べた。
【0080】
(放電容量の測定)
各二次電池について、0.3Cの電流値で4.2Vまで定電流定電圧充電を施した後、0.3Cの電流値で2.7Vまで放電した際の放電容量を測定した。得られた放電容量と、放電時の電圧カーブから求めた平均放電電圧を下記表1,2に併記する。また、この放電時の電圧変化曲線のうち実施例1の二次電池についての結果を図4に示す。
【0081】
【表1】
【0082】
【表2】
【0083】
表1〜2から明らかなように、前述した(1)式で表される組成を有する金属酸化物を正極活物質として用いる実施例1〜12及び15,16,18の二次電池は、いずれも破裂発火に到らずに安全に収束しており、かつ放電容量が比較例1〜5に比較して高いことがわかる。また、図4から、実施例1〜12及び15,16,18の二次電池は、放電時の電圧の平坦性が高いことが理解できる。さらに、表1,2の結果から、実施例1〜12及び15,16,18の中でも、実施例1、5、7、8、10、16,18の二次電池は、平均放電電圧が高く、高いエネルギー密度を得られることがわかる。これは、金属酸化物に含まれる遷移金属元素のイオン半径(遷移金属元素の種類が2種類以上の場合には平均イオン半径)がより小さく、電気陰性度(遷移金属元素の種類が2種類以上の場合には平均電気陰性度)がより大きく、かつ価数(遷移金属元素の種類が2種類以上の場合には平均価数)が比較的大きいことが主な要因であると推測される。
【0084】
これに対し、Li1.1Ni0.74Co0.16O1.85F0.15で表される正極活物質を用いる比較例2には釘刺し試験と過充電試験において、また、LiCoO2を正極活物質として用いる比較例1には過充電試験において発火に到っている。一方、LiMn2O4を正極活物質として用いる比較例3の二次電池と、元素M´の原子比yが0.5を超えている正極活物質を用いる比較例4〜5の二次電池は、破裂・発火に到らないが、実施例1〜12及び15,16,18に比べ放電容量の点で劣っている。
【0085】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、放電容量が高く、かつ熱安定性に優れる非水電解質二次電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係る非水電解質二次電池に用いられる正極活物質の一例であるMoOPO4の放電前のX線回折パターンを示す特性図。
【図2】 図1の正極活物質の放電後のX線回折パターンを示す特性図。
【図3】 本発明に係る非水電解質二次電池の一例である円筒形非水電解質二次電池を示す部分断面図。
【図4】 実施例1の非水電解質二次電池における放電時の電池電圧変化を示す特性図。
【符号の説明】
1…容器、3…電極群、4…正極、5…セパレータ、6…負極、8…絶縁封口板、9…正極端子、10…正極リード。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a positive electrode active material containing a lithium-containing compound and a nonaqueous electrolyte secondary battery including the positive electrode active material.
[0002]
[Prior art]
In recent years, non-aqueous electrolyte secondary batteries have attracted attention. This is probably due to the successful development of a relatively safe negative electrode material and the realization of a high-voltage battery by increasing the decomposition voltage of the nonaqueous electrolyte. Among these, secondary batteries using lithium ions are expected to realize a battery having a high energy density because the discharge potential is particularly high.
[0003]
As a positive electrode of a non-aqueous electrolyte secondary battery using lithium ions, one containing a transition element oxide called an active material, a binder, and a conductive agent for imparting conductivity to the active material is known. ing. In addition to high conductivity, this conductive agent is required to have oxidation resistance that does not oxidize even when contacted with the active material. Further, a structure for easily bringing the active materials into electrical contact (for example, Fiber shape). In combination with this requirement, a conductive agent such as carbon-based acetylene black has been conventionally used in consideration of light weight and cost.
[0004]
On the other hand, the positive electrode active material has conventionally been LiCoO.2Lithium cobalt oxide is often used, but since the material cost is high and the energy density is low, the development of a novel positive electrode active material is desired.
[0005]
By the way, Materials Research Bulletin, Vol.33, No.9, pp.1339-1345, 1998 includes VOPO.FourHydrate of NbOPOFourHydrates and MoOPOFourIs described as intercalating organic species such as pyridine, aniline or n-alkylamine without a reduction reaction of metal ions, but for application to non-aqueous electrolyte secondary batteries. There is no description.
[0006]
[Non-Patent Document 1]
Materials Research Bulletin, Vol.33, No.9, pp.1339-1345, 1998
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
An object of this invention is to provide the nonaqueous electrolyte secondary battery which is excellent in both discharge capacity and thermal stability.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The nonaqueous electrolyte secondary battery according to the present invention has a composition represented by the following formula (1):And the tetragonal crystal structureAnd a negative electrode and a non-aqueous electrolyte.
[0009]
Li2- xM1- yM 'yXzAOFour (1)
However, M is at least one element selected from the group consisting of Ti, Nb, Mo, Ta and W (except when M is Ti alone), and M ′ isV, Fe, Ru and RhAt least one element selected from the group consisting of: X is at least one element selected from O and F; A is at least one element selected from the group consisting of Si, Ge, P and S; X, y, and z represent 0 ≦ x ≦ 2, 0 ≦ y ≦ 0.5, and 0.5 ≦ z ≦ 1.5, respectively.
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an example of the nonaqueous electrolyte secondary battery according to the present invention will be described.
[0011]
This nonaqueous electrolyte secondary battery includes a positive electrode including a metal oxide having a composition represented by the following formula (1), a negative electrode, and a nonaqueous electrolyte.
[0012]
Li2- xM1- yM 'yXzAOFour (1)
Where M is at least one element selected from the group consisting of Ti, Nb, Mo, Ta and W, and M ′ is V, Cr, Mn, Re, Fe, Co, Ni, Ru, Rh, It is at least one element selected from the group consisting of Pd, Os, Ir, Pt, Cu, Ag and Au, X is composed of at least one element of O and F, and A is Si, Ge, P And S, at least one element selected from the group consisting of S and x, y, and z respectively represent 0 ≦ x ≦ 2, 0 ≦ y ≦ 0.5, and 0.5 ≦ z ≦ 1.5.
[0013]
According to such a secondary battery, both the discharge capacity and the thermal stability can be satisfied.
[0014]
That is, the aforementioned metal oxide has PO in its crystal structure.FourTherefore, the structure stability of the crystal after charging is high. When this material is used as the positive electrode active material, the oxygen release decomposition reaction after charging can be suppressed, so that the nonaqueous electrolyte can be prevented from burning when the battery temperature rises due to an internal short circuit or the like. In addition, as shown in the structural formula described above, this active material can contain two lithium atoms per one transition element M, and this lithium can be involved in charge and discharge. Fig. 1 (Positive electrode active material (MoOPOFourX-ray diffraction pattern before discharge) and FIG. 2 (positive electrode active material after discharge (LiMoOPO)FourAs is clear from the X-ray diffraction pattern), the crystal structure of the positive electrode active material belongs to the cubic system, and the change of the X-ray diffraction pattern before and after the discharge of the active material excludes the change of the lattice constant. It can be understood that it is not so remarkable. In addition, the valence of the transition element M contained in the active material is a so-called two-electron reaction system that can vary from trivalent to pentavalent. From these things, according to the metal oxide mentioned above, a big discharge capacity can be obtained.
[0015]
Therefore, according to the present invention, it is possible to realize a non-aqueous electrolyte secondary battery having a high capacity and a highly safe non-aqueous electrolyte combustion reaction at the time of overcharging. Actually, as shown in Table 1 to be described later, the secondary battery according to the present invention can suppress burst ignition in the nail test after charging while securing a high discharge capacity, whereas the conventional secondary battery. May have a low discharge capacity or may rupture or ignite.
[0016]
Hereinafter, the positive electrode, the negative electrode, and the nonaqueous electrolyte will be described.
[0017]
1) Positive electrode
First, the metal oxide represented by the composition formula (1) described above will be described.
[0018]
A) Li
Lithium may or may not be contained in the metal oxide, but if it is contained, the amount of lithium involved in charge / discharge increases, and the charge / discharge cycle life can be improved. preferable. When the atomic ratio x is 2, it is desirable to use a negative electrode containing lithium in advance such as a lithium alloy or a lithium compound as the negative electrode active material.
[0019]
B) Element M
Since the valence of the element M varies from trivalent to pentavalent, the metal oxide described above can occlude and release diatomic lithium ions per molecule. Further, since the element M has a high bond strength with oxygen atoms, the oxygen release decomposition reaction of the active material can be suppressed. Among the elements M, Mo is particularly preferable.
[0020]
C) Element M '
The element M ′ is at least one element selected from the group consisting of V, Cr, Mn, Re, Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, Cu, Ag, and Au. . Of these, Mn, Cr, and Fe are preferable.
[0021]
By including the element M ′ in the metal oxide at an atomic ratio y of 0.5 or less, the voltage flatness in the charge / discharge curve or the charge / discharge cycle life of the secondary battery can be improved. However, if the atomic ratio y exceeds 0.5, sufficient electron conductivity cannot be obtained, which may cause deterioration of charge / discharge characteristics. A more preferable range is 0 ≦ y ≦ 0.2.
[0022]
D) Element X
The reason why the atomic ratio z of the element X is limited to the above range will be described. If the atomic ratio z is less than 0.5, the crystal structure may be changed, causing a decrease in the capacity of the Li containing site and possibly reducing the capacity. On the other hand, when the atomic ratio z exceeds 1.5, the distance between the transition elements is increased, which may cause a decrease in electron conductivity. A more preferable range is 0.8 ≦ z ≦ 1.2.
[0023]
E) Element A
Among them, P is preferable as the element A. This is because the stability of the crystal structure of the metal oxide is increased, so that the charge / discharge cycle life of the secondary battery can be improved.
[0024]
The metal oxide represented by the above formula (1) desirably has a tetragonal crystal structure, but may include other crystal phases or amorphous structures, or may have an amorphous structure.
[0025]
The metal oxide represented by the above formula (1) is produced by, for example, a solid phase method. Specifically, the powder of the compound of each constituent element is fired at about 250 ° C. in an atmosphere containing oxygen gas, and then fired at about 700 ° C. in a nitrogen atmosphere several times to repeat the above-described metal oxide. Can be obtained.
[0026]
Only the metal oxide represented by the above-described formula (1) may be used for the positive electrode active material, or a mixture of the metal oxide and another composite oxide may be used. Other composite oxides include LiCoO2Lithium cobalt oxide such as LiNiCoO2Lithium nickel cobalt composite oxide and the like can be used.
[0027]
The surface of the positive electrode active material may be coated with a lithium-containing conductive compound in order to improve stability with respect to the nonaqueous electrolyte. The film thickness of the lithium-containing conductive compound is preferably 0.3 nm or more. This is due to the following reason. If the film thickness is less than 0.3 nm, it becomes difficult to form a low resistance film by mutual diffusion of the positive electrode active material and the lithium-containing conductive compound film. Further, a more preferable film thickness is in the range of 10 nm or more as a range that can be more stably produced and is rich in mass productivity.
[0028]
For example, the positive electrode is obtained by suspending a positive electrode active material, a carbon-based conductive agent such as acetylene black, and a binder in an appropriate solvent, and applying the obtained suspension to a current collector and drying it. It is produced by press molding.
[0029]
Examples of the binder include polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), ethylene-propylene-diene copolymer (EPDM), and styrene-butadiene rubber (SBR).
[0030]
As the current collector, for example, aluminum foil, stainless steel foil, titanium foil or the like is preferably used.
[0031]
2) Negative electrode
As this negative electrode, for example, a material containing a substance that occludes / releases lithium ions (for example, a carbonaceous material or a chalcogen compound) or a material made of a light metal can be used. Among them, a negative electrode containing a carbonaceous material or a chalcogen compound that occludes / releases lithium ions is preferable because battery characteristics such as cycle life of the secondary battery are improved.
[0032]
Examples of the carbonaceous material that occludes / releases lithium ions include coke, carbon fiber, pyrolytic vapor-grown carbonaceous material, graphite, resin fired body, mesophase pitch carbon fiber, and mesophase spherical carbon fired body. it can. Among these, mesophase pitch carbon fibers graphitized at 2500 ° C. or higher or mesophase spherical carbon is preferable because the electrode capacity can be increased.
[0033]
The carbonaceous material particularly has an exothermic peak at 700 ° C. or higher, more preferably 800 ° C. or higher by differential thermal analysis, and has a (101) diffraction peak (P101) And (100) diffraction peak (P100) Strength ratio P101/ P100Is preferably in the range of 0.7 to 2.2. Since the negative electrode including such a carbonaceous material can rapidly occlude / release lithium ions, the rapid charge / discharge performance of the secondary battery is improved.
[0034]
Examples of the chalcogen compound that absorbs and releases lithium ions include titanium disulfide (TiS).2), Molybdenum disulfide (MoS)2), Niobium selenide (NbSe)2) And the like. When used for such a chalcogen compound negative electrode, although the voltage of the secondary battery decreases, the capacity of the negative electrode increases, so that the capacity of the secondary battery is improved. Further, since the negative electrode has a high diffusion rate of lithium ions, the quick charge / discharge performance of the secondary battery is improved.
[0035]
Examples of the light metal include aluminum, aluminum alloy, magnesium alloy, lithium metal, and lithium alloy.
[0036]
A negative electrode containing a substance that occludes / releases lithium ions is prepared, for example, by suspending the substance and a binder in an appropriate solvent, applying the suspension to a current collector, drying, and then pressing. Is done.
[0037]
Examples of the binder include polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), ethylene-propylene-diene copolymer (EPDM), styrene-butadiene rubber (SBR), carboxymethyl cellulose (CMC), and the like. Can be used.
[0038]
As the current collector, for example, a copper foil, a stainless steel foil, a nickel foil or the like is preferably used.
[0039]
Further, the transition element M of the metal oxide represented by the above formula (1) used as the positive electrode active material in the present invention is changed to, for example, Zr, Nb, Ta, Hf or the like to make a material having a lower potential than the positive electrode. It is also possible to use it as an active material, and it is also possible to use B, Al, Sn, As, S, Se, Te as the element A.
[0040]
3) Non-aqueous electrolyte
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 non-aqueous solvent and an electrolyte are held in a polymer material. And a solid nonaqueous electrolyte in which an electrolyte is held in a polymer material.
[0041]
Examples of the non-aqueous solvent include cyclic carbonates such as ethylene carbonate (EC) and propylene carbonate (PC), for example, chain carbonates such as dimethyl carbonate (DMC), ethyl methyl carbonate (EMC), and diethyl carbonate (DEC). Chain ethers such as dimethoxyethane (DME), diethoxyethane (DEE), ethoxymethoxyethane, cyclic ethers such as tetrahydrofuran (THF) and 2-methyltetrahydrofuran (2-MeTHF), crown ethers, γ-butyrolactone (γ- BL) and the like, nitrogen compounds such as acetonitrile (AN), and sulfur compounds such as sulfolane (SL) and dimethyl sulfoxide (DMSO). The non-aqueous solvent may be used alone or in combination of two or more.
[0042]
Among these, at least one selected from EC, PC, and γ-BL, and at least one selected from EC, PC, and γ-BL and DMC, EMC, DEC, DME, DEE, THF, 2-MeTHF, and AN. It is desirable to use a mixed solvent composed of at least one selected. Moreover, when using what contains the carbonaceous material which occludes and discharge | releases the said lithium ion for a negative electrode, from a viewpoint of improving the cycle life of the secondary battery provided with the said negative electrode, EC and PC, (gamma) -BL, EC and PC It is desirable to use a mixed solvent consisting of EC and EMC, EC and PC and DEC, EC and PC and DEE, EC and AN, EC and EMC, PC and DMC, PC and DEC, and EC and DEC.
[0043]
Examples of the electrolyte include lithium perchlorate (LiClO).4), Lithium hexafluorophosphate (LiPF)6), Lithium tetrafluoroborate (LiBF)4), Lithium hexafluoroarsenide (LiAsF)6), Lithium trifluorometasulfonate (LiCF)3SO3), Bistrifluoromethylsulfonylimide lithium (LiN (CF3SO2)2) And the like. Among them, LiPF6, LiBF4, LiN (CF3SO2)2Is preferable because conductivity and safety are improved.
[0044]
The amount of the electrolyte dissolved in the non-aqueous solvent is preferably in the range of 0.1 mol / L to 3 mol / L.
[0045]
Examples of the polymer material contained in the gel-like nonaqueous electrolyte and the solid nonaqueous electrolyte include polyacrylonitrile, polyacrylate, polyvinylidene fluoride (PVdF), polyethylene oxide (PEO), acrylonitrile, acrylate, and vinylidene fluoride. Or the polymer etc. which contain ethylene oxide as a monomer can be mentioned.
[0046]
A cylindrical nonaqueous electrolyte secondary battery which is an example of the nonaqueous electrolyte battery according to the present invention will be described with reference to FIG.
[0047]
For example, a bottomed
[0048]
The nonaqueous electrolyte is accommodated in the
[0049]
【Example】
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, this invention is not limited to the following Example at all, In the range which does not change the summary, it can change suitably and can implement.
[0050]
Example 1
<Preparation of positive electrode>
Lithium-containing molybdenum-phosphorus oxide (Li2MoOPOFour) Was synthesized as follows.
[0051]
Molybdenum dioxide (MoO) as a starting material2) And ammonium dihydrogen phosphate (NHFourH2POFour) Was carefully pulverized and mixed at a molar ratio of 1: 1, and then fired at 250 ° C. for 10 hours in the atmosphere. Then, after pulverizing again, it was fired at 700 ° C. for 10 hours in a nitrogen gas flow. While looking at the X-ray diffraction pattern, molybdenum oxide phosphate (MoOPOFourThe firing at 700 ° C. was repeated several times until a single phase was obtained. The resulting molybdenum oxide phosphate (MoOPOFour) And lithium carbonate (Li2COThreeAre mixed at a molar ratio of 1: 1 and calcined at 900 ° C. for 10 hours in a nitrogen gas containing 5% of hydrogen to obtain a lithium-containing molybdenum oxide phosphorous oxide (Li2MoOPOFour) As a result of X-ray diffraction, the obtained oxide was found to have a tetragonal crystal structure.
[0052]
This powder was appropriately measured with a particle size distribution meter and pulverized until the desired particle size distribution was obtained. This powder was used as a positive electrode active material, the positive electrode active material powder was 2.5% by weight, acetylene black powder and graphite powder as conductive agents were 2.5% by weight, and PVDF powder as a binder was 3% by weight. Were mixed and dispersed in an N-methyl-2-pyrrolidone solvent to prepare a positive electrode mixture slurry. The slurry is coated on an aluminum foil, dried, and then rolled and cut to give a basis weight of 100 g / m.2The positive electrode of 10C class high output battery specification was obtained.
[0053]
<Preparation of negative electrode>
80% by weight of mesophase pitch carbon fiber as a negative electrode active material, 20% by weight of graphite powder as a conductive agent, 1.2% by weight of carboxymethylcellulose as a binder, and 1.76% by weight of styrene butadiene rubber Were mixed and water was added and dispersed carefully to prepare a negative electrode mixture slurry. The obtained slurry was coated on a copper foil, dried, rolled and cut, and the basis weight was 72 g / m.2A negative electrode was prepared.
[0054]
<Preparation of non-aqueous electrolyte>
LiPF as electrolyte in mixed solvent consisting of propylene carbonate and dimethoxyethane6Was dissolved so as to have a concentration of 1 mol / L to prepare a non-aqueous electrolyte.
[0055]
<Production of evaluation battery>
After the obtained positive electrode, negative electrode sheet and separator were sufficiently dried, the separator was interposed between the positive electrode and the negative electrode and wound in a spiral shape to produce an electrode group. By inserting this electrode group between stainless steel and injecting an electrolyte solution in an argon atmosphere and sealing it, a battery for evaluation having the structure shown in FIG. 1 was prepared. At this time, the length of the electrode was set so that it would just fit in a 18650 type battery can.
[0056]
(Example 2)
Lithium-containing niobium oxide sulfate (Li2NbOPO41) The positive electrode evaluation battery shown in FIG. 1 was assembled in the same configuration as in Example 1 except that powder was used.
[0057]
(Example 3)
Lithium-containing tantalum phosphorus oxide (Li2TaOPO41) The positive electrode evaluation battery shown in FIG. 1 was assembled in the same configuration as in Example 1 except that powder was used.
[0058]
(Example 4)
Lithium-containing tungsten oxide sulfate (Li2WOPO41) The positive electrode evaluation battery shown in FIG. 1 was assembled in the same configuration as in Example 1 except that powder was used.
[0059]
(Example 5)
Lithium-containing molybdenum iron phosphate oxide (Li2Mo0.67Fe0.33OPO41) The positive electrode evaluation battery shown in FIG. 1 was assembled in the same configuration as in Example 1 except that powder was used.
[0060]
(Example 6)
Lithium-containing tungsten oxide silicate (Li2WOSiO41) The positive electrode evaluation battery shown in FIG. 1 was assembled in the same configuration as in Example 1 except that powder was used.
[0061]
(Example 7)
Lithium-containing molybdenum oxide germanium oxide (Li2MoOGeO41) The positive electrode evaluation battery shown in FIG. 1 was assembled in the same configuration as in Example 1 except that powder was used.
[0062]
(Example 8)
Lithium-containing molybdenum ruthenium phosphate oxide (Li2Mo0.9Ru0.1OPO41) The positive electrode evaluation battery shown in FIG. 1 was assembled in the same configuration as in Example 1 except that powder was used.
[0063]
Example 9
Lithium-containing tantalum iron fluoride phosphate (Li2Ta0.5Fe0.5FPO41) The positive electrode evaluation battery shown in FIG. 1 was assembled in the same configuration as in Example 1 except that powder was used.
[0064]
(Example 10)
Lithium-containing molybdenum titanium phosphorous oxide (Li2Mo0.5Ti0.5OPO41) The positive electrode evaluation battery shown in FIG. 1 was assembled in the same configuration as in Example 1 except that powder was used.
[0065]
(Example 11)
Lithium-containing molybdenum rhodium oxide phosphorous oxide (Li2Mo0.9Rh0.1OPO41) The positive electrode evaluation battery shown in FIG. 1 was assembled in the same configuration as in Example 1 except that powder was used.
[0066]
(Example 12)
Lithium-containing molybdenum niobium phosphorous oxide (Li2Mo0.5Nb0.5OPO41) The positive electrode evaluation battery shown in FIG. 1 was assembled in the same configuration as in Example 1 except that powder was used.
[0067]
(referenceExample 13)
Lithium-containing titanium oxide sulfate (Li2TiOSO41) The positive electrode evaluation battery shown in FIG. 1 was assembled in the same configuration as in Example 1 except that powder was used.
[0068]
(referenceExample 14)
Lithium-containing titanium vanadium oxide (Li) as the positive electrode active material2Ti0.5V0.5OSO41) The positive electrode evaluation battery shown in FIG. 1 was assembled in the same configuration as in Example 1 except that powder was used.
[0069]
(Example 15)
Lithium-containing vanadium niobium oxide sulfate (Li2V0.5Nb0.5OSO41) The positive electrode evaluation battery shown in FIG. 1 was assembled in the same configuration as in Example 1 except that powder was used.
[0070]
(Example 16)
Lithium-containing molybdenum oxide phosphorous oxide (Li2MoO1.5PO41) The positive electrode evaluation battery shown in FIG. 1 was assembled in the same configuration as in Example 1 except that powder was used.
[0071]
(referenceExample 17)
Lithium-containing titanium phosphorous oxide (Li2TiO0.5PO41) The positive electrode evaluation battery shown in FIG. 1 was assembled in the same configuration as in Example 1 except that powder was used.
[0072]
(Example 18)
Molybdenum phosphorus oxide (MoO) as the positive electrode active material1.5PO4) Powder and lithium cobalt nitride (Li2.6Co0.4The positive electrode evaluation battery shown in FIG. 1 was assembled in the same configuration as in Example 1 except that N) was used.
[0073]
(Comparative Example 1)
LiCoO as positive electrode active material2Powder is used and the basis weight of the negative electrode is 40 g / m2A positive electrode evaluation battery having the same configuration as that described in Example 1 was assembled except that.
[0074]
(Comparative Example 2)
Li as the positive electrode active material1.1Ni0.74Co0.16O1.85F0.15Powder is used and the basis weight of the negative electrode is 60 g / m2A positive electrode evaluation battery having the same configuration as that described in Example 1 was assembled except that.
[0075]
(Comparative Example 3)
LiMn as positive electrode active material2O4Powder is used and the basis weight of the negative electrode is 35 g / m2A positive electrode evaluation battery having the same configuration as that described in Example 1 was assembled except that.
[0076]
(Comparative Examples 4-5)
A positive electrode evaluation battery having the same structure as described in Example 1 was assembled except that a metal oxide having the composition shown in Table 2 below was used as the positive electrode active material.
[0077]
Examples 1 to 1 obtained12, 15, 16,18Reference Examples 13, 14, and 17And about the battery of Comparative Examples 1-5, the thermal stability at the time of charge and discharge capacity were measured by the method demonstrated below, and the result is shown to the following Tables 1-2.
[0078]
(Measurement of exothermic peak in nail penetration test)
About each secondary battery, it charged until it reached 4.2V with the electric current value of 0.3C, Then, the electric current was continuously sent so that voltage might be maintained, and the electric current was stopped when the total charging time became 5 hours. After that, a thermocouple was attached to the battery that had been subjected to the above-mentioned charging treatment, a nail with a diameter of 2 mm was inserted from the side of the battery at a speed of 13.5 cm / sec, the time change of the temperature of the battery was measured, and the exothermic peak temperature Was measured.
[0079]
(Overcharge test)
Each secondary battery was subjected to an overcharge test in which the battery was continuously charged to 15 V at a current of 6 C, and the presence or absence of rupture and ignition was examined.
[0080]
(Measurement of discharge capacity)
About each secondary battery, after performing the constant current constant voltage charge to 4.2V with the current value of 0.3C, the discharge capacity at the time of discharging to 2.7V with the current value of 0.3C was measured. The obtained discharge capacity and the average discharge voltage obtained from the voltage curve during discharge are shown in Tables 1 and 2 below. Moreover, the result about the secondary battery of Example 1 among the voltage change curves at the time of this discharge is shown in FIG.
[0081]
[Table 1]
[0082]
[Table 2]
[0083]
As is clear from Tables 1 and 2, Examples 1 to 1 using the metal oxide having the composition represented by the above formula (1) as the positive electrode active material12, 15, 16,It can be seen that all of the 18 secondary batteries converged safely without reaching bursting ignition, and the discharge capacity was higher than those of Comparative Examples 1-5. Also, from FIG.12, 15, 16,It can be understood that No. 18 secondary battery has high voltage flatness during discharge. Furthermore, from the results of Tables 1 and 2, Examples 1 to12, 15, 16,18 shows that the secondary batteries of Examples 1, 5, 7, 8, 10, 16, and 18 have a high average discharge voltage and a high energy density. This is because the ionic radius of the transition metal element contained in the metal oxide (the average ionic radius when there are two or more transition metal elements) is smaller, and the electronegativity (two or more types of transition metal elements). In this case, it is presumed that the main factors are that the average electronegativity) is larger and the valence (the average valence when the number of transition metal elements is two or more) is relatively large.
[0084]
In contrast, Li1.1Ni0.74Co0.16O1.85F0.15In Comparative Example 2 using the positive electrode active material represented by the following formula, in the nail penetration test and the overcharge test, LiCoO2In Comparative Example 1 in which is used as the positive electrode active material, ignition occurred in the overcharge test. Meanwhile, LiMn2OFourThe secondary battery of Comparative Example 3 using As a positive electrode active material and the secondary batteries of Comparative Examples 4 to 5 using a positive electrode active material in which the atomic ratio y of the element M ′ exceeds 0.5 are used for rupture and ignition. Although not reached, Examples 1 to12, 15, 16,Compared to 18, it is inferior in terms of discharge capacity.
[0085]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, a nonaqueous electrolyte secondary battery having a high discharge capacity and excellent thermal stability can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows MoOPO as an example of a positive electrode active material used in a nonaqueous electrolyte secondary battery according to the present invention.FourThe characteristic view which shows the X-ray-diffraction pattern before electrical discharge.
FIG. 2 is a characteristic diagram showing an X-ray diffraction pattern after discharge of the positive electrode active material of FIG.
FIG. 3 is a partial cross-sectional view showing a cylindrical nonaqueous electrolyte secondary battery which is an example of a nonaqueous electrolyte secondary battery according to the present invention.
4 is a characteristic diagram showing a change in battery voltage during discharge in the nonaqueous electrolyte secondary battery of Example 1. FIG.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (2)
Li2- xM1- yM´yXzAO4 (1)
但し、MはTi、Nb、Mo、Ta及びWよりなる群から選択される少なくとも1種類の元素であり(但し、MがTi単独である場合を除く)、M´は、V、Fe、Ru及びRhよりなる群から選択される少なくとも1種類の元素であり、XはO及びFのうちの少なくとも一方の元素からなり、AはSi、Ge、P及びSよりなる群から選択される少なくとも1種類の元素であり、x,yおよびzはそれぞれ0≦x≦2、0≦y≦0.5、0.5≦z≦1.5を示す。A nonaqueous electrolyte secondary battery comprising a positive electrode including a metal oxide having a composition represented by the following formula (1) and a tetragonal crystal structure , a negative electrode, and a nonaqueous electrolyte.
Li 2- x M 1- y M'y X z AO 4 (1)
M is at least one element selected from the group consisting of Ti, Nb, Mo, Ta, and W (except when M is Ti alone), and M ′ is V, Fe, Ru. And at least one element selected from the group consisting of Rh , X is at least one element selected from O and F, and A is at least one selected from the group consisting of Si, Ge, P and S. X, y, and z are 0 ≦ x ≦ 2, 0 ≦ y ≦ 0.5, and 0.5 ≦ z ≦ 1.5, respectively.
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