JP4136260B2 - Non-aqueous electrolyte battery - Google Patents

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    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、正極活物質を含む正極と、負極と、リチウム塩を含む非水電解質とが外装体内に収納された非水電解質電池に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、携帯機器用電源として、小型、軽量で高エネルギー密度を有する電池の開発が望まれているが、そのような中、電解質に非水電解液やゲル状固体高分子を用い、リチウムの酸化、還元を利用した非水電解質電池が用いられるようになってきた。
【0003】
このような電池では、主として、コバルト酸リチウムが正極材料として用いられるのであるが、充放電を繰り返すことによって次第に充放電容量や充放電効率が低下し、十分なサイクル寿命が得られないという欠点がある。この充放電容量や充放電効率が低下する原因としては、正極活物質の結晶構造の変化に起因して、一部に活物質の非可逆的な変化が起こること、及び、正極の電位が基準値よりも高くなる充電や基準値よりも低くなる充電により電解液が分解すること等が考えられる。このため、下記に示すように、様々な金属元素を正極活物質中に部分置換することによって上記課題の解決が試みられている。
【0004】
例えば、特開平4─329267号公報及び特開平5─13082号公報に示されるように、チタン化合物をコバルト酸リチウムに固溶させたものを正極活物質として用い、又は、特開平4─319260号公報に示されるように、コバルト酸リチウムにジルコニウムを固溶させたものを正極活物質として用い、或いは特開平4─253162号公報に示されるように、コバルト酸リチウムに鉛、ビスマス、ホウ素が固溶されたもの等を正極活物質として用いた電池が提案されている。これらの正極活物質が用いられた電池においては、他金属元素をコバルト酸リチウムに部分元素置換することによってサイクル特性は改善できる。しかしながら、発熱開始温度が低下するために安全性が低下したり、電解質との反応によるガス発生が著しく増加する等の問題があった。
【0005】
また、近年、携帯機器の小型化に伴って電池の薄型化とエネルギー密度の向上とが急速に進む中、外装体としてラミネート外装体を用いたイオン電池及びゲル状ポリマー電池が提案されている。このような電池においては、僅かな電池内圧の上昇によって変形するので、電池性能に加えて、充放電や高温保存時に大量のガスが発生することによる電池の膨れが大きな問題となっている。そこで、この電池の膨れを防止すべく、ガス発生を減少させる技術の開発が必要となってきた。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、以上の事情に鑑みなされたものであって、サイクル特性等の電池特性を低下させることなく、安全性の向上とガス発生の低減とを図ることができる非水電解質電池の提供を目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のうちで請求項1記載の発明は、正極活物質を含む正極と、負極と、リチウム塩を含む非水電解質とが外装体内に収納された非水電解質電池において、上記正極活物質として、LiCox y Alz 2 MはNb、Pb、Zn、Zrからなる群より選択される少なくとも一種であり、0.90≦x<1、0<y≦0.05、0<z≦0.05、x+y+z=1〕で示されるリチウム含有複合酸化物が用いられることを特徴とする。
【0008】
上記構成の如く、コバルト酸リチウムに他の金属元素MとAlとを固溶させたものを正極活物質として用いると、サイクル特性等の電池特性において、コバルト酸リチウムに他の金属元素Mのみを固溶させたもの(具体的には、LiCox y 2 で表される)を正極活物質として用いた場合と同等の特性を得ることができ、しかも、コバルト酸リチウムに他の金属元素Mのみを固溶させたものを正極活物質として用いた場合に比べて、安全性の向上とガス発生の低減とを図ることができる。特に、LiCox y Alz 2 において、0.94≦x<1、0.00001≦y≦0.05、0.0001≦z≦0.05の範囲では、上記の効果が一層発揮される。
【0009】
尚、LiCox y Alz 2 において、0.90≦x、y≦0.05、z≦0.05に規制するのは、M或いはAlの量が多すぎると、Coの量が相対的に少なくなるため、電池容量が低下するためである。一方、LiCox y Alz 2 において、y及びzの特に好ましい範囲は、0.00001≦y、0.0001≦zであるのは、これよりもM或いはAlの量が少なくなると、安全性の向上とガス発生の低減とが十分に発揮されない場合があるからである。
【0010】
また、請求項2記載の発明は、請求項1記載の発明において、上記LiCox y Alz 2 のMとして、Nb及びZrから選択される少なくとも一種であることを特徴とする。
【0011】
コバルト酸リチウムに他の金属元素Mのみを固溶させたものを正極活物質として用いた場合、MがNb或いはZrであると、Mがこれらの元素以外の元素である場合に比べて、サイクル特性等の電池特性は著しく向上するが、その反面、安全性が低下し、しかも電解質と反応することによるガス発生の増大を招来する。そこで、コバルト酸リチウムにNb或いはZrのみならず更にAlをも固溶させたものを正極活物質として用いると、コバルト酸リチウムに他の金属元素Mのみを固溶させたものと同等の電池特性を維持しつつ、安全性の向上とガス発生の低減とを図ることができる。
【0012】
また、請求項3記載の発明は、請求項1又は2記載の発明において、上記電解質がゲル状の固体高分子であることを特徴とする。
【0013】
電解質としてゲル状の固体高分子が用いられた場合には、コバルト酸リチウムに他の金属元素Mのみならず更にAlをも固溶させると、ゲル状の固体高分子の耐酸化性が優れることになるので、特に、サイクル特性等の電池特性と安全性とが向上し、しかも、電解質との反応によるガス発生を飛躍的に抑制することが可能となる。
【0014】
また、請求項4記載の発明は、請求項1、2又は3記載の発明において、上記外装体として、僅かな電池内圧の上昇によって変形する外装体が用いられることを特徴とする。
【0015】
このように柔らかなラミネート外装体が用いられた電池では、電池の変形による破裂や漏液を生じ易いが、上記の如くガスの発生量が著しく減少すれば破裂や漏液を抑制できる。
【0016】
また、請求項5記載の発明は、請求項1、2、3又は4記載の発明において、上記僅かな電池内圧の上昇によって変形する外装体として、アルミラミネート外装体が用いられることを特徴とする。
【0017】
【発明の実施の形態】
本発明の第1の形態及び第2の形態を、以下に説明する。
【0018】
(第1の形態)
本発明の第1の形態を、図1〜図4に基づいて、以下に説明する。
【0019】
図1は第1の形態に係る非水電解質電池の正面図、図2は図1のA−A線矢視断面図、図3は第1の形態に係る非水電解質電池に用いるラミネート外装体の断面図、図4は第1の形態に係る非水電解質電池に用いる発電要素の斜視図である。
【0020】
図2に示すように、本発明の薄型電池は発電要素1を有しており、この発電要素1は収納空間2内に配置されている。この収納空間2は、 図1に示すように、アルミラミネート外装体3の上下端と中央部とをそれぞれ封止部4a・4b・4cで封口することにより形成される。また、収納空間2には、エチレンカーボネート(EC)とジエチルカーボネート(DEC)の等容積混合溶媒に、6フッ化リン酸リチウム(LiPF6 )を1モル/lの割合で溶解した電解液が注入されている。また、 図4に示すように、上記発電要素1は、LiCox My Alz O2 〔MはNb、Pb、Zn、Zrからなる群より選択される少なくとも一種であり、0.90≦x<1、0<y≦0.05、0<z≦0.05、x+y+z=1〕を活物質とする正極5と、黒鉛系炭素材料を活物質とする負極6と、これら両電極を離間するセパレータ 図4においては図示せず)とを偏平渦巻き状に巻回することにより作製される。
【0021】
また、図3に示すように、上記アルミラミネート外装体3の具体的な構造は、アルミニウム層11(厚み:30μm)の両面に、各々、変性ポリプロピレンから成る接着剤層12・12(厚み:5μm)を介してポリプロピレンから成る樹脂層13・13(厚み:30μm)が接着される構造である。
【0022】
更に、上記正極5はアルミニウムから成る正極リード7に、また上記負極6は銅から成る負極リード8にそれぞれ接続され、電池内部で生じた化学エネルギーを電気エネルギーとして外部へ取り出し得るようになっている。
【0023】
ここで、上記構造の電池を、以下のようにして作製した。
【0024】
先ず、炭酸リチウムと、酸化コバルト粉末と、酸化アルミニウムと、M〔MはNb、Pb、Zn、Zrからなる群より選択される少なくとも一種〕の金属酸化物或いは水酸化物とを、所定の割合で混合し、酸素雰囲気下で24時間焼成(850℃)することにより、LiCox My Alz O2 (0.90≦x<1、0<y≦0.05、0<z≦0.05)で示されるリチウム含有複合酸化物から成る正極活物質を得た。このようにして合成した正極活物質と、黒鉛、カーボンブラック及びフッ素樹脂系結着剤とを重量比で、90:3:2:5の割合で混合して正極合剤を作成した後、この正極合剤をアルミ箔の両面に塗着し、乾燥後圧延することにより、正極5を作製した。
【0025】
一方、黒鉛系炭素材料とフッ素樹脂系結着剤とを重量比で90:10の割合で混合し、負極合剤を作成した後、この負極合剤を銅箔の両面に塗着し、乾燥後圧延することにより、負極6を作製した。
【0026】
次に、このようにして作製した正負極5・6に、それぞれ正極リード7又は負極リード8を取り付けた後、正負極5・6をセパレータを介して渦巻き状に巻き取って発電要素1を作製し、更にこの発電要素1をアルミラミネート外装体3内に挿入した。最後に、アルミラミネート外装体3内に電解液を注入し、更にアルミラミネート外装体3を封口することにより、電池を作製した。尚、電解液としては、エチレンカーボネート(EC)とジエチルカーボネート(DEC)の等容積混合溶媒に、6フッ化リン酸リチウム(LiPF6 )を1モル/lの割合で溶解したものを用いた。
【0027】
(第2の形態)
電解質としてゲル状固体高分子を用いる他は、前記第1の形態と同様にして電池を作製した。具体的には、以下の通りである。
【0028】
先ず、上記と同様にして作製した発電要素をアルミラミネート外装体内に挿入した後、アルミラミネート外装体内に、プレポリマーとしてのポリエチレングリコールジアクリレート(分子量:1000)と、EC及びDECの等容積混合溶媒にLiPF6 を1モル/lの割合で溶解したものとを、重量比で1:10の割合で混合し、これに重合開始剤としてのt−ヘキシルパーオキシピバレートを5000ppm添加したものを3ml注入した。その後、60℃で3時間加熱処理して硬化させることにより電池を作製した。
【0029】
尚、上記実施の形態においては、Mとして1種類の金属のみを用いているが、これに限定するものではなく、Mとして2種類以上の金属を用いても本発明の効果を得ることができる。
【0030】
また、僅かな電池内圧の上昇によって変形する外装体の例としてアルミラミネート外装体を例示しているが、本発明はこのような外装体に限定するものではない。
【0031】
更に、本発明に用いられる負極材料としては上記炭素材料の他、リチウム金属、リチウム合金等が好適に用いられる。更に、電解液の溶媒としては上記のものに限らず、例えばエチレンカーボネートとジメチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、テトラヒドロフラン、1,2−ジメトキシエタン、1,3−ジオキソラン、2−メトキシテトラヒドロフラン、ジエチルエーテル等の低粘度低沸点溶媒とを適度な比率で混合した溶媒を用いることができる。また、電解液の溶質としては、上記LiPF6 の他、LiN(SO2 2 5 2 、LiAsF6 、LiClO4 、LiBF4 、LiCF3 SO3 等を用いることができる。
【0032】
加えて、ゲル状固体高分子としては、ポリエチレングリコールジアクリレートの他、ポリエーテル系の固体高分子、ポリカーボネート系の固体高分子、ポリアクリロニトリル系の固体高分子、及びこれらの2種以上からなる共重合体、もしくは架橋した高分子材料、ポリフッ化ビニリデン等のようなフッ素系の固体高分子と、リチウム塩、電解液とを組み合わせて用いることもできる。
【0033】
【実施例】
(第1実施例)
参考例1〜5〕
Mとして遷移金属元素及び周期律表 II A、 III B、 IV B、 V B族の元素(但し、Alは除く)からTiを選択し、且つLiCox y Alz 2 におけるx、y、zを0.90≦x<1、0<y≦0.05、0<z≦0.05の範囲で変えて、上記第1の形態に示す方法と同様の方法で電池を作製した。
【0034】
このようにして作製した電池を、以下、それぞれ参考電池A1〜A5と称する。
【0035】
また、上記電池と同一の正極と金属リチウム箔から成る負極(参照極)とを、上記電池と同一の電解液中に浸漬して、試験用電池を作製した。
【0036】
このようにして作製した電池を、以下、それぞれ参考電池A101〜A105と称する。
〔実施例6〜10〕
MとしてNbを用い、且つLiCox My Alz O2 におけるx、y、zを0.90≦x<1、0<y≦0.05、0<z≦0.05の範囲で変えて、上記第1の形態に示す方法と同様の方法で電池を作製した。
【0037】
このようにして作製した電池を、以下、それぞれ本発明電池A6〜A10と称する。
【0038】
また、上記電池と同一の正極と金属リチウム箔から成る負極(参照極)とを、上記電池と同一の電解液中に浸漬して、試験用電池を作製した。
【0039】
このようにして作製した電池を、以下、それぞれ本発明電池A106〜A110と称する。
〔実施例11〜15〕MとしてPbを用い、且つLiCox My Alz O2 におけるx、y、zを0.90≦x<1、0<y≦0.05、0<z≦0.05の範囲で変えて、上記第1の形態に示す方法と同様の方法で電池を作製した。
【0040】
このようにして作製した電池を、以下、それぞれ本発明電池A11〜A15と称する。
【0041】
また、上記電池と同一の正極と金属リチウム箔から成る負極(参照極)とを、上記電池と同一の電解液中に浸漬して、試験用電池を作製した。
【0042】
このようにして作製した電池を、以下、それぞれ本発明電池A111〜A115と称する。
〔実施例16〜20〕
MとしてZnを用い、且つLiCox y Alz 2 におけるx、y、zを0.90≦x<1、0<y≦0.05、0<z≦0.05の範囲で変えて、上記第1の形態に示す方法と同様の方法で電池を作製した。
【0043】
このようにして作製した電池を、以下、それぞれ本発明電池A16〜A20と称する。
【0044】
また、上記電池と同一の正極と金属リチウム箔から成る負極(参照極)とを、上記電池と同一の電解液中に浸漬して、試験用電池を作製した。
【0045】
このようにして作製した電池を、以下、それぞれ本発明電池A116〜A120と称する。
〔実施例21〕
MとしてZrを用い、且つLiCox y Alz 2 におけるx、y、zをx=0.98、y=0.01、z=0.01として、上記第1の形態に示す方法と同様の方法で電池を作製した。
【0046】
このようにして作製した電池を、以下、本発明電池A21と称する。
【0047】
また、上記電池と同一の正極と金属リチウム箔から成る負極(参照極)とを、上記電池と同一の電解液中に浸漬して、試験用電池を作製した。
【0048】
このようにして作製した電池を、以下、本発明電池A121と称する。
〔比較例1、2〕
LiCox y Alz 2 におけるx、y、zを、それぞれx=0.8、y=0.1、z=0.1、及びx=0.99、y=0.01、z=0とする他は、上記実施例1に示す方法と同様の方法で電池を作製した。
【0049】
このようにして作製した電池を、以下、それぞれ比較電池X1、X2と称する。
【0050】
また、上記電池と同一の正極と金属リチウム箔から成る負極(参照極)とを、上記電池と同一の電解液中に浸漬して、試験用電池を作製した。
【0051】
このようにして作製した電池を、以下、それぞれ比較電池X101、X102と称する。
〔比較例3、4〕
LiCox y Alz 2 におけるx、y、zをx=0.8、y=0.1、z=0.1、及びx=0.99、y=0.01、z=0とする他は、上記実施例6に示す方法と同様の方法で電池を作製した。
【0052】
このようにして作製した電池を、以下、それぞれ比較電池X3、X4と称する。
【0053】
また、上記電池と同一の正極と金属リチウム箔から成る負極(参照極)とを、上記電池と同一の電解液中に浸漬して、試験用電池を作製した。
【0054】
このようにして作製した電池を、以下、それぞれ比較電池X103、X104と称する。
〔比較例5、6〕
LiCox y Alz 2 におけるx、y、zをx=0.8、y=0.1、z=0.1、及びx=0.99、y=0.01、z=0とする他は、上記実施例11に示す方法と同様の方法で電池を作製した。
【0055】
このようにして作製した電池を、以下、それぞれ比較電池X5、X6と称する。
【0056】
また、上記電池と同一の正極と金属リチウム箔から成る負極(参照極)とを、上記電池と同一の電解液中に浸漬して、試験用電池を作製した。
【0057】
このようにして作製した電池を、以下、それぞれ比較電池X105、X106と称する。
〔比較例7、8〕
LiCox y Alz 2 におけるx、y、zをx=0.8、y=0.1、z=0.1、及びx=0.99、y=0.01、z=0とする他は、上記実施例16に示す方法と同様の方法で電池を作製した。
【0058】
このようにして作製した電池を、以下、それぞれ比較電池X7、X8と称する。
【0059】
また、上記電池と同一の正極と金属リチウム箔から成る負極(参照極)とを、上記電池と同一の電解液中に浸漬して、試験用電池を作製した。
【0060】
このようにして作製した電池を、以下、それぞれ比較電池X107、X108と称する。
〔比較例9〕
LiCox y Alz 2 におけるx、y、zをx=1、y=0、z=0とする他は、上記実施例1に示す方法と同様の方法で電池を作製した。
【0061】
このようにして作製した電池を、以下、比較電池X9と称する。
【0062】
また、上記電池と同一の正極と金属リチウム箔から成る負極(参照極)とを、上記電池と同一の電解液中に浸漬して、試験用電池を作製した。
【0063】
このようにして作製した電池を、以下、比較電池X109と称する。
〔比較例10〕
LiCox y Alz 2 におけるx、y、zをx=0.99、y=0.01、z=0とする他は、上記実施例21に示す方法と同様の方法で電池を作製した。
【0064】
このようにして作製した電池を、以下、比較電池X10と称する。
【0065】
また、上記電池と同一の正極と金属リチウム箔から成る負極(参照極)とを、上記電池と同一の電解液中に浸漬して、試験用電池を作製した。
【0066】
このようにして作製した電池を、以下、比較電池X110と称する。
〔実験1〕
上記参考電池A101〜A105、本発明電池A106〜A120及び比較電池X101〜X109を用いて、正極活物質における単位重量当たりの充電容量を調べたので、その結果を、表1及び表2に示す。
【0067】
【表1】
【0068】
【表2】
上記表1及び表2から明らかなように、LiCox y Alz 2 (x+y+z=1)におけるy、zの値の合計が大きくなるにしたがって、単位重量当たりの充電容量が小さくなっていることが認められ、この結果重量エネルギー密度も小さくなっていく。これは、y、zの値の合計が大きくなると、Co量が少なくなるということに起因するものと考えられる。
【0069】
したがって、重量エネルギー密度の観点からは、LiCox y Alz 2 におけるx、y、zは、0.9≦x、y≦0.05、z≦0.05(特に、0.94≦x、y≦0.05、z≦0.05)であることが望ましいことがわかる。
〔実験2〕
上記参考電池A1〜A5、本発明電池A6〜A20及び比較電池X1〜X9を用いて、下記に示す条件でサイクル特性、高温保存特性及び安全性を調べたので、その結果を、上記表1及び表2に併せて示す。
・サイクル特性
充電電流500mAで充電終止電圧が4.2Vまで充電した後、放電電流500mAで放電終止電圧が3.1Vまで放電するという条件で、500サイクル充放電を行った。そして、初期放電容量と、500サイクル後の放電容量と、容量残存率〔500サイクル後の放電容量/初期放電容量×100(%)〕とを調べた。
・高温保存特性
各電池を80℃で96時間保存した後に、電池内でのガス発生量を調べた。
・安全性
4.2Vまで充電した正極活物質5mgとEC(エチレンカーボネート)2mgとを所定の容器に密封してDSC測定し、発熱開始温度と発熱量とを調べた。
【0070】
上記表1及び表2から明らかなように、コバルト酸リチウムに他の元素Mを固溶した比較電池X1、X3、X5、X7は、コバルト酸リチウムに他の元素Mを固溶していない比較電池X9に比べて、サイクル特性が向上し、さらに表1及び表2には示していない低温特性等の電池特性も向上する(特に、LiCox y 2 におけるyの値がy≧0.00001のとき)。ところが、比較電池X1、X3、X5、X7は比較電池X9に比べて、高温保存後のガス量が多く、しかも発熱開始温度が低く且つ発熱量が多いので安全性が低下していることが認められる。
【0071】
これに対して、コバルト酸リチウムに他の元素MのみならずAlをも固溶した参考電池A1〜A5、本発明電池A6〜A20では、比較電池X9と略同等のサイクル特性を有し、しかも、比較電池X1、X3、X5、X7に比べて、高温保存後のガス量が少なく、更に発熱開始温度が高く且つ発熱量が少ないので安全性が向上していることが認められる(特に、LiCox y Alz 2 におけるzの値がz≧0.0001のとき)。
【0072】
以上、実験1及び実験2の結果から、LiCox y Alz 2 におけるx、y、zが0.90≦x<1、0<y≦0.05、0<z≦0.05の範囲であれば、正極容量やサイクル特性の低下を抑制しつつ、高温保存時等のガス量を減少させ、且つ安全性を向上させることができる。特に、0.94≦x<1、0.00001≦y≦0.05、0.0001≦z≦0.05の範囲であれば、上記の効果が一層発揮される。
〔実験3〕
上記本発明電池A121及び比較電池X110を用いて、正極活物質における単位重量当たりの充電容量を調べ、且つ、上記本発明電池A21及び比較電池X10を用いて、サイクル特性、高温保存特性及び安全性を調べたので、その結果を、下記表3に示す。尚、サイクル特性、高温保存特性及び安全性における条件は、上記実験2と同様の条件であり、また表2においては、参考電池A3、A103、本発明電池A8、A108、A13、A113、A18、A118及び比較電池X1、X101、X3、X103、X5、X105、X7、X107の結果についても併せて示している。
【0073】
【表3】
表3から明らかなように、コバルト酸リチウムに他の元素M(Ti、Nb、又はZr)を固溶した比較電池X1、X3、X10は、コバルト酸リチウムに他の元素M(Pb、又はZn)を固溶した比較電池X5、X7に比べて、サイクル特性が向上し、さらに表3には示していない低温特性等の電池特性も向上する。その反面、比較電池X1、X3、X10は比較電池X5、X7に比べて、高温保存後のガス量が多く、しかも発熱開始温度が低く且つ発熱量が多いので安全性が低下していることが認められる。
【0074】
これに対して、コバルト酸リチウムに他の元素M(Ti、Nb、又はZr)のみならずAlをも固溶した参考電池A3、本発明電池A8、A21では、比較電池X1、X3、X10と略同等のサイクル特性を有し、しかも、比較電池X1、X3、X10に比べて、高温保存後のガス量が大幅に少なく、更に発熱開始温度が格段に高く且つ発熱量が極めて少ないので安全性が飛躍的に向上していることが認められる。したがって、LiCox y 2 に他の元素Mを固溶させて高温保存後のガス量を低減し、安全性を向上させるという効果は、他の元素MとしてTi、Nb、又はZrを用いた場合に顕著であるということがわかる。
【0075】
(第2実施例)
参考例1〜5、実施例6〜21〕
参考例1〜5、実施例6〜20に示す電池は、前記第2の形態に示す方法と同様の方法で作製した。尚、Mの種類、及びLiCox y Alz 2 におけるx、y、zの値は上記第1の実施例における参考例1〜5、実施例6〜21に対応している(例えば、第2実施例の参考例1は第1実施例の参考例1とMの種類及びx、y、zの値が同じである)。
【0076】
このようにして作製した電池を、以下、それぞれ参考電池B1〜B5、本発明電池B6〜B21と称する。
〔比較例1〜9〕
Mの種類、及びLiCox y Alz 2 におけるx、y、zの値は上記第1の実施例における比較例1〜9に対応させる(例えば、第2実施例の比較例1は第1実施例の比較例1とMの種類及びx、y、zの値が同じである)他は、上記実施例1と同様にして電池を作製した。
【0077】
このようにして作製した電池を、以下、それぞれ比較電池Y1〜Y9と称する。
〔実験1〕
上記本発明電池B1〜B20及び比較電池Y1〜Y9を用いて、サイクル特性、高温保存特性及び安全性を調べたので、その結果を、下記表4及び表5に示す。尚、サイクル特性と高温保存特性とは前記第1実施例の実験2と同様の条件で行い、また安全性については、以下の条件で行った。
・安全性
4.2Vまで充電した正極活物質5mgとゲル状ポリマー電解質2mgとを所定の容器に密封してDSC測定し、発熱開始温度と発熱量とを調べた。
【0078】
【表4】
【0079】
【表5】
上記表4及び表5から明らかなように、コバルト酸リチウムに他の元素Mを固溶した比較電池Y1、Y3、Y5、Y7は、コバルト酸リチウムに他の元素Mを固溶していない比較電池Y9に比べて、サイクル特性が向上し、さらに表4及び表5には示していない低温特性等の電池特性も向上する(特に、LiCox y 2 におけるyの値がy≧0.00001のとき)。ところが、比較電池Y1、Y3、Y5、Y7は比較電池Y9に比べて、高温保存後のガス量が多く、しかも発熱開始温度が低く且つ発熱量が多いので安全性が低下していることが認められる。
【0080】
これに対して、コバルト酸リチウムに他の元素MのみならずAlをも固溶した参考電池B1〜B5、本発明電池B6〜B20では、比較電池Y1、Y3、Y5、Y7と略同等のサイクル特性を有し、しかも、比較電池Y1、Y3、Y5、Y7に比べて、高温保存後のガス量が少なく、更に発熱開始温度が高く且つ発熱量が少ないので安全性が向上していることが認められる(特に、LiCox y Alz 2 におけるzの値がz≧0.0001のとき)。
【0081】
一方、上記表4及び表5には示していないが、ゲル状ポリマー電解質を用いた電池でも、LiCox y Alz 2 (x+y+z=1)におけるy、zの値の合計が大きくなる(xの値が小さくなる)にしたがって、単位重量当たりの充電容量が小さくなっていることが認められ、この結果重量エネルギー密度も小さくなっていくことがわかった。したがって、重量エネルギー密度の観点からは、LiCox y Alz 2 におけるx、y、zは、0.9≦x、y≦0.05、z≦0.05(特に、0.94≦x、y≦0.05、z≦0.05)であることが望ましいことがわかる。
【0082】
以上、実験1の結果から、LiCox y Alz 2 におけるx、y、zが0.90≦x<1、0<y≦0.05、0<z≦0.05の範囲であれば、正極容量やサイクル特性の低下を抑制しつつ、高温保存時等のガス量を減少させ、且つ安全性を向上させることができる。特に、0.94≦x<1、0.00001≦y≦0.05、0.0001≦z≦0.05の範囲であれば、上記の効果が一層発揮される。
【0083】
加えて、電解液を用いた参考電池A1〜A5、本発明電池A6〜A21に比べて、ゲル状ポリマー電解質を用いた参考電池B1〜B5、本発明電池B6〜B21は、高温保存後ガス発生量が更に少なくなっている(例えば、電解液を用いた参考電池A1では3.8mgであるのに対して、ゲル状ポリマー電解質を用いた参考電池B1では3.0mgである)ことが認められる。したがって、本発明をゲル状ポリマー電解質を用いた電池に適用すれば、その効果は更に発揮される。
〔実験2〕
上記本発明電池B21及び比較電池Y10を用いて、サイクル特性、高温保存特性及び安全性を調べたので、その結果を、下記表6に示す。尚、サイクル特性、高温保存特性及び安全性における条件は、上記実験1と同様の条件であり、また表6においては、参考電池B3、本発明電池B8、B13、B18及び比較電池Y1、Y3、Y5、Y7の結果についても併せて示している。
【0084】
【表6】
表6から明らかなように、コバルト酸リチウムに他の元素M(Ti、Nb、又はZr)を固溶した比較電池Y1、Y3、Y10は、コバルト酸リチウムに他の元素M(Pb、又はZn)を固溶した比較電池Y5、Y7に比べて、サイクル特性が向上し、さらに表6には示していない低温特性等の電池特性も向上する。その反面、比較電池Y1、Y3、Y10は比較電池Y5、Y7に比べて、高温保存後のガス量が多く、しかも発熱開始温度が低く且つ発熱量が多いので安全性が低下していることが認められる。
【0085】
これに対して、コバルト酸リチウムに他の元素M(Ti、Nb、又はZr)のみならずAlをも固溶した参考電池B3、本発明電池B8、B21では、比較電池Y1、Y3、Y10と略同等のサイクル特性を有し、しかも、比較電池Y1、Y3、Y10に比べて、高温保存後のガス量が大幅に少なく、更に発熱開始温度が格段に高く且つ発熱量が極めて少ないので安全性が飛躍的に向上していることが認められる。したがって、ゲル状ポリマー電解質を用いた電池においても、LiCox y 2 に他の元素Mを固溶させて高温保存後のガス量を低減し、安全性を向上させるという効果は、他の元素MとしてTi、Nb、又はZrを用いた場合に顕著であるということがわかる。
【0086】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、サイクル特性等の電池特性を低下させることなく、安全性の向上とガス発生量の低減とを図ることができるという優れた効果がある。特に、アルミラミネート外装体を用いた電池では、ガス発生量の低減により、外装体の変形や破裂を抑制することができるので、その効果は大きい。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の形態に係る非水電解質電池の正面図。
【図2】図1のA−A線矢視断面図。
【図3】第1の形態に係る非水電解質電池に用いるラミネート外装体の断面図。
【図4】第1の形態に係る非水電解質電池に用いる発電要素の斜視図。
【符号の説明】
1:発電要素
2:収納空間
3:ラミネート外装体
5:正極
6:負極
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a nonaqueous electrolyte battery in which a positive electrode including a positive electrode active material, a negative electrode, and a nonaqueous electrolyte including a lithium salt are housed in an exterior body.
[0002]
[Prior art]
In recent years, as a power source for portable devices, development of a battery that is small, lightweight, and has a high energy density has been desired. In such circumstances, a non-aqueous electrolyte or a gel-like solid polymer is used as an electrolyte, and lithium oxidation is performed. Non-aqueous electrolyte batteries using reduction have been used.
[0003]
In such a battery, lithium cobaltate is mainly used as a positive electrode material, but the charge / discharge capacity and charge / discharge efficiency are gradually lowered by repeated charge / discharge, and a sufficient cycle life cannot be obtained. is there. The reason why the charge / discharge capacity and charge / discharge efficiency are reduced is that, due to a change in the crystal structure of the positive electrode active material, an irreversible change of the active material occurs in part, and the positive electrode potential is the standard. It is conceivable that the electrolytic solution is decomposed by charging that is higher than the value or charging that is lower than the reference value. For this reason, as described below, attempts have been made to solve the above problems by partially replacing various metal elements in the positive electrode active material.
[0004]
For example, as disclosed in JP-A-4-329267 and JP-A-5-13082, a titanium compound dissolved in lithium cobaltate is used as the positive electrode active material, or JP-A-4-319260. As disclosed in the publication, a solid solution of zirconium in lithium cobaltate is used as a positive electrode active material. A battery using a melted material or the like as a positive electrode active material has been proposed. In a battery using these positive electrode active materials, the cycle characteristics can be improved by substituting another metal element with lithium cobalt oxide as a partial element. However, since the heat generation start temperature is lowered, there is a problem that safety is lowered and gas generation due to reaction with the electrolyte is remarkably increased.
[0005]
Also, in recent years, with the progress of thinning of batteries and improvement of energy density with the miniaturization of portable devices, ion batteries and gel polymer batteries using a laminate outer package have been proposed. Since such a battery is deformed by a slight increase in the internal pressure of the battery, in addition to the battery performance, swelling of the battery due to the generation of a large amount of gas during charge / discharge and high-temperature storage is a major problem. Therefore, it has become necessary to develop a technique for reducing gas generation in order to prevent the battery from swelling.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and provides a non-aqueous electrolyte battery capable of improving safety and reducing gas generation without deteriorating battery characteristics such as cycle characteristics. Objective.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
  In order to achieve the above object, the invention according to claim 1 is a nonaqueous electrolyte in which a positive electrode including a positive electrode active material, a negative electrode, and a nonaqueous electrolyte including a lithium salt are housed in an outer package. In the battery, as the positive electrode active material, LiCoxMyAlzO2[M is selected from the group consisting of Nb, Pb, Zn, ZrA lithium-containing composite oxide represented by 0.90 ≦ x <1, 0 <y ≦ 0.05, 0 <z ≦ 0.05, x + y + z = 1] is used.
[0008]
As described above, when lithium metal cobalt oxide in which other metal element M and Al are dissolved is used as the positive electrode active material, only other metal element M is added to lithium cobalt oxide in battery characteristics such as cycle characteristics. Solid solution (specifically, LiCoxMyO2When the cathode active material is obtained by dissolving only the other metal element M in lithium cobaltate as the cathode active material. In comparison, safety can be improved and gas generation can be reduced. In particular, LiCoxMyAlzO2In the case of 0.94 ≦ x <1, 0.00001 ≦ y ≦ 0.05, and 0.0001 ≦ z ≦ 0.05, the above effect is further exhibited.
[0009]
LiCoxMyAlzO2In 0.95 ≦ x, y ≦ 0.05, and z ≦ 0.05, the amount of Co is relatively small when the amount of M or Al is too large, so that the battery capacity decreases. It is to do. On the other hand, LiCoxMyAlzO2In this case, particularly preferable ranges of y and z are 0.00001 ≦ y and 0.0001 ≦ z. When the amount of M or Al is smaller than this, safety is improved and gas generation is reduced. This is because it may not be fully demonstrated.
[0010]
  The invention according to claim 2 is the invention according to claim 1, wherein the LiCoxMyAlzO2As MNb and ZrIt is characterized by being at least one kind selected from.
[0011]
  When lithium cobaltate in which only another metal element M is dissolved is used as the positive electrode active material, M isNb or ZrHowever, compared with the case where M is an element other than these elements, the battery characteristics such as the cycle characteristics are remarkably improved, but on the other hand, the safety is lowered and the gas generation due to the reaction with the electrolyte is caused. Invite an increase. Therefore, lithium cobaltateNb or ZrIn addition to using Al as a positive electrode active material, it is possible to improve the safety while maintaining the same battery characteristics as those obtained by dissolving only the other metal element M in lithium cobaltate. And reduction of gas generation.
[0012]
The invention according to claim 3 is the invention according to claim 1 or 2, wherein the electrolyte is a gel-like solid polymer.
[0013]
When a gel-like solid polymer is used as the electrolyte, the oxidation resistance of the gel-like solid polymer is excellent when not only other metal element M but also Al is dissolved in lithium cobalt oxide. Therefore, in particular, battery characteristics such as cycle characteristics and safety are improved, and gas generation due to reaction with the electrolyte can be remarkably suppressed.
[0014]
The invention described in claim 4 is characterized in that, in the invention described in claim 1, 2 or 3, an exterior body that is deformed by a slight increase in battery internal pressure is used as the exterior body.
[0015]
In a battery using such a soft laminate outer package, rupture or leakage due to deformation of the battery is likely to occur. However, if the amount of gas generated is significantly reduced as described above, rupture or leakage can be suppressed.
[0016]
According to a fifth aspect of the invention, in the first, second, third, or fourth aspect of the invention, an aluminum laminate outer package is used as the outer package that is deformed by the slight increase in battery internal pressure. .
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The 1st form and 2nd form of this invention are demonstrated below.
[0018]
(First form)
The 1st form of this invention is demonstrated below based on FIGS. 1-4.
[0019]
1 is a front view of the nonaqueous electrolyte battery according to the first embodiment, FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 1, and FIG. 3 is a laminate outer package used for the nonaqueous electrolyte battery according to the first embodiment FIG. 4 is a perspective view of a power generation element used in the nonaqueous electrolyte battery according to the first embodiment.
[0020]
  As shown in FIG. 2, the thin battery of the present invention has a power generation element 1, and the power generation element 1 is disposed in a storage space 2. As shown in FIG. 1, the storage space 2 is formed by sealing the upper and lower ends and the center of the aluminum laminate outer package 3 with sealing portions 4a, 4b, and 4c, respectively. In the storage space 2, an electrolytic solution in which lithium hexafluorophosphate (LiPF6) is dissolved at a rate of 1 mol / l in an equal volume mixed solvent of ethylene carbonate (EC) and diethyl carbonate (DEC) is injected. ing. Further, as shown in FIG. 4, the power generation element 1 includes LiCox My Alz O 2 [M is selected from the group consisting of Nb, Pb, Zn, ZrA positive electrode 5 having at least one kind, and 0.90 ≦ x <1, 0 <y ≦ 0.05, 0 <z ≦ 0.05, x + y + z = 1], and a graphite-based carbon material as an active material It is produced by winding a negative electrode 6 to be separated and a separator that separates both electrodes into a flat spiral shape (not shown in FIG. 4).
[0021]
Further, as shown in FIG. 3, the specific structure of the aluminum laminate outer package 3 is such that adhesive layers 12 and 12 (thickness: 5 μm) made of modified polypropylene are formed on both sides of the aluminum layer 11 (thickness: 30 μm), respectively. ) Through which the resin layers 13 and 13 (thickness: 30 μm) made of polypropylene are bonded.
[0022]
Further, the positive electrode 5 is connected to a positive electrode lead 7 made of aluminum, and the negative electrode 6 is connected to a negative electrode lead 8 made of copper, so that chemical energy generated inside the battery can be taken out as electric energy to the outside. .
[0023]
Here, the battery having the above structure was produced as follows.
[0024]
  First, lithium carbonate, cobalt oxide powder, aluminum oxide, and M [M is at least one selected from the group consisting of Nb, Pb, Zn, Zr] metal oxide or hydroxide in a predetermined ratio And LiCox My Alz O2 (0.90 ≦ x <1, 0 <y ≦ 0.05, 0 <z ≦ 0.05) by firing at 850 ° C. for 24 hours in an oxygen atmosphere. A positive electrode active material comprising a lithium-containing composite oxide was obtained. The positive electrode active material synthesized in this way, graphite, carbon black, and fluororesin-based binder were mixed at a weight ratio of 90: 3: 2: 5 to prepare a positive electrode mixture. The positive electrode mixture was applied to both surfaces of the aluminum foil, dried, and then rolled to prepare the positive electrode 5.
[0025]
On the other hand, a graphite-based carbon material and a fluororesin-based binder are mixed at a weight ratio of 90:10 to prepare a negative electrode mixture, and then this negative electrode mixture is applied to both sides of the copper foil and dried. The negative electrode 6 was produced by post-rolling.
[0026]
Next, after attaching the positive electrode lead 7 or the negative electrode lead 8 to the positive and negative electrodes 5 and 6 manufactured as described above, the positive and negative electrodes 5 and 6 are spirally wound through a separator to manufacture the power generation element 1. Further, this power generation element 1 was inserted into the aluminum laminate outer package 3. Finally, an electrolyte was injected into the aluminum laminate outer package 3, and the aluminum laminate outer package 3 was further sealed to produce a battery. In addition, as electrolyte solution, lithium hexafluorophosphate (LiPF) was mixed in an equal volume mixed solvent of ethylene carbonate (EC) and diethyl carbonate (DEC).6) Was dissolved at a rate of 1 mol / l.
[0027]
(Second form)
A battery was fabricated in the same manner as in the first embodiment except that a gel solid polymer was used as the electrolyte. Specifically, it is as follows.
[0028]
First, after the power generation element produced in the same manner as described above was inserted into an aluminum laminate outer package, an equal volume mixed solvent of polyethylene glycol diacrylate (molecular weight: 1000) as a prepolymer and EC and DEC was inserted into the aluminum laminate outer package. LiPF63 mol / l was mixed at a weight ratio of 1:10, and 3 ml of a mixture obtained by adding 5000 ppm of t-hexylperoxypivalate as a polymerization initiator to the mixture was injected. Then, the battery was produced by heat-processing at 60 degreeC for 3 hours, and making it harden | cure.
[0029]
  In the above embodiment, only one type of metal is used as M. However, the present invention is not limited to this.2 or more metalsThe effect of the present invention can also be obtained using.
[0030]
Moreover, although the aluminum laminate exterior body is illustrated as an example of the exterior body which deform | transforms with a slight raise of battery internal pressure, this invention is not limited to such an exterior body.
[0031]
Furthermore, as the negative electrode material used in the present invention, lithium metal, lithium alloy and the like are preferably used in addition to the above carbon material. Furthermore, the solvent of the electrolytic solution is not limited to the above, and examples thereof include ethylene carbonate and dimethyl carbonate, methyl ethyl carbonate, tetrahydrofuran, 1,2-dimethoxyethane, 1,3-dioxolane, 2-methoxytetrahydrofuran, diethyl ether and the like. A solvent in which a low-viscosity low-boiling solvent is mixed at an appropriate ratio can be used. In addition, as the solute of the electrolytic solution, the above LiPF6In addition, LiN (SO2C2FFive)2, LiAsF6LiClOFour, LiBFFour, LiCFThreeSOThreeEtc. can be used.
[0032]
In addition, as the gel-like solid polymer, in addition to polyethylene glycol diacrylate, a polyether solid polymer, a polycarbonate solid polymer, a polyacrylonitrile solid polymer, and a co-polymer comprising two or more of these. A polymer, a cross-linked polymer material, a fluorine-based solid polymer such as polyvinylidene fluoride, a lithium salt, or an electrolytic solution can be used in combination.
[0033]
【Example】
                            (First embodiment)
[referenceExamples 1-5]
  M as transition metal element and periodic table II A, III B, IV B, V Select Ti from group B elements (excluding Al)And LiCoxMyAlzO2In the same manner as the method described in the first embodiment, x, y, and z are changed in the range of 0.90 ≦ x <1, 0 <y ≦ 0.05, and 0 <z ≦ 0.05. Was made.
[0034]
  The batteries produced in this way are hereinafter respectivelyreferenceThese are referred to as batteries A1 to A5.
[0035]
Moreover, the same positive electrode as the said battery and the negative electrode (reference electrode) which consists of metal lithium foil were immersed in the same electrolyte solution as the said battery, and the battery for a test was produced.
[0036]
  The batteries produced in this way are hereinafter respectivelyreferenceThese are referred to as batteries A101 to A105.
[Examples 6 to 10]
Nb is used as M, and x, y and z in LiCox My Alz O2 are changed in the range of 0.90 ≦ x <1, 0 <y ≦ 0.05, 0 <z ≦ 0.05, and the first A battery was manufactured by the same method as that shown in the above embodiment.
[0037]
The batteries thus produced are hereinafter referred to as present invention batteries A6 to A10, respectively.
[0038]
Moreover, the same positive electrode as the said battery and the negative electrode (reference electrode) which consists of metal lithium foil were immersed in the same electrolyte solution as the said battery, and the battery for a test was produced.
[0039]
  The batteries thus produced are hereinafter referred to as the present invention batteries.A106 to A110Called.
Examples 11 to 15 Pb is used as M, and x, y, and z in LiCox My Alz O2 are in the range of 0.90 ≦ x <1, 0 <y ≦ 0.05, 0 <z ≦ 0.05. In other words, a battery was fabricated by the same method as that shown in the first embodiment.
[0040]
The batteries thus produced are hereinafter referred to as invention batteries A11 to A15, respectively.
[0041]
Moreover, the same positive electrode as the said battery and the negative electrode (reference electrode) which consists of metal lithium foil were immersed in the same electrolyte solution as the said battery, and the battery for a test was produced.
[0042]
The batteries thus produced are hereinafter referred to as invention batteries A111 to A115, respectively.
[Examples 16 to 20]
Zn is used as M, and LiCoxMyAlzO2In the same manner as the method described in the first embodiment, x, y, and z are changed in the range of 0.90 ≦ x <1, 0 <y ≦ 0.05, and 0 <z ≦ 0.05. Was made.
[0043]
The batteries thus produced are hereinafter referred to as invention batteries A16 to A20, respectively.
[0044]
Moreover, the same positive electrode as the said battery and the negative electrode (reference electrode) which consists of metal lithium foil were immersed in the same electrolyte solution as the said battery, and the battery for a test was produced.
[0045]
The batteries thus produced are hereinafter referred to as present invention batteries A116 to A120, respectively.
Example 21
Zr is used as M, and LiCoxMyAlzO2A battery was fabricated in the same manner as in the first embodiment, with x, y, and z in x = 0.98, y = 0.01, and z = 0.01.
[0046]
The battery thus produced is hereinafter referred to as the present invention battery A21.
[0047]
Moreover, the same positive electrode as the said battery and the negative electrode (reference electrode) which consists of metal lithium foil were immersed in the same electrolyte solution as the said battery, and the battery for a test was produced.
[0048]
The battery thus produced is hereinafter referred to as the present invention battery A121.
[Comparative Examples 1 and 2]
LiCoxMyAlzO2Except that x, y, and z are x = 0.8, y = 0.1, z = 0.1, and x = 0.99, y = 0.01, and z = 0, respectively. A battery was produced in the same manner as in Example 1.
[0049]
The batteries thus produced are hereinafter referred to as comparative batteries X1 and X2, respectively.
[0050]
Moreover, the same positive electrode as the said battery and the negative electrode (reference electrode) which consists of metal lithium foil were immersed in the same electrolyte solution as the said battery, and the battery for a test was produced.
[0051]
The batteries thus produced are hereinafter referred to as comparative batteries X101 and X102, respectively.
[Comparative Examples 3 and 4]
LiCoxMyAlzO2In Example 6 except that x, y, and z are x = 0.8, y = 0.1, z = 0.1, and x = 0.99, y = 0.01, and z = 0. A battery was produced in the same manner as shown in 1.
[0052]
The batteries thus produced are hereinafter referred to as comparative batteries X3 and X4, respectively.
[0053]
Moreover, the same positive electrode as the said battery and the negative electrode (reference electrode) which consists of metal lithium foil were immersed in the same electrolyte solution as the said battery, and the battery for a test was produced.
[0054]
The batteries thus produced are hereinafter referred to as comparative batteries X103 and X104, respectively.
[Comparative Examples 5 and 6]
LiCoxMyAlzO2In Example 11 except that x, y, and z are x = 0.8, y = 0.1, z = 0.1, and x = 0.99, y = 0.01, and z = 0. A battery was produced in the same manner as shown in 1.
[0055]
The batteries thus produced are hereinafter referred to as comparative batteries X5 and X6, respectively.
[0056]
Moreover, the same positive electrode as the said battery and the negative electrode (reference electrode) which consists of metal lithium foil were immersed in the same electrolyte solution as the said battery, and the battery for a test was produced.
[0057]
The batteries thus produced are hereinafter referred to as comparative batteries X105 and X106, respectively.
[Comparative Examples 7 and 8]
LiCoxMyAlzO2In Example 16 except that x, y, and z are x = 0.8, y = 0.1, z = 0.1, and x = 0.99, y = 0.01, and z = 0. A battery was produced in the same manner as shown in 1.
[0058]
The batteries thus produced are hereinafter referred to as comparative batteries X7 and X8, respectively.
[0059]
Moreover, the same positive electrode as the said battery and the negative electrode (reference electrode) which consists of metal lithium foil were immersed in the same electrolyte solution as the said battery, and the battery for a test was produced.
[0060]
The batteries thus produced are hereinafter referred to as comparative batteries X107 and X108, respectively.
[Comparative Example 9]
LiCoxMyAlzO2A battery was fabricated in the same manner as in Example 1 except that x, y, and z in x were set to x = 1, y = 0, and z = 0.
[0061]
The battery thus produced is hereinafter referred to as comparative battery X9.
[0062]
Moreover, the same positive electrode as the said battery and the negative electrode (reference electrode) which consists of metal lithium foil were immersed in the same electrolyte solution as the said battery, and the battery for a test was produced.
[0063]
The battery thus produced is hereinafter referred to as comparative battery X109.
[Comparative Example 10]
LiCoxMyAlzO2A battery was fabricated in the same manner as in Example 21 except that x, y, and z in x were set to x = 0.99, y = 0.01, and z = 0.
[0064]
The battery thus produced is hereinafter referred to as comparative battery X10.
[0065]
Moreover, the same positive electrode as the said battery and the negative electrode (reference electrode) which consists of metal lithium foil were immersed in the same electrolyte solution as the said battery, and the battery for a test was produced.
[0066]
  The battery thus produced is hereinafter referred to as comparative battery X110.
[Experiment 1]
  the aboveReference batteries A101 to A105, invention batteries A106 to A120Since the charge capacity per unit weight in the positive electrode active material was examined using the comparative batteries X101 to X109, the results are shown in Tables 1 and 2.
[0067]
[Table 1]
[0068]
[Table 2]
As apparent from Table 1 and Table 2 above, LiCoxMyAlzO2As the sum of the values of y and z in (x + y + z = 1) increases, it is recognized that the charge capacity per unit weight decreases, and as a result, the weight energy density also decreases. This is considered due to the fact that the amount of Co decreases as the sum of the values of y and z increases.
[0069]
  Therefore, from the viewpoint of weight energy density, LiCoxMyAlzO2X, y and z in the formula are 0.9 ≦ x, y ≦ 0.05, z ≦ 0.05 (particularly 0.94 ≦ x, y ≦ 0.05, z ≦ 0.05). It turns out to be desirable.
[Experiment 2]
  the aboveReference batteries A1 to A5, invention batteries A6 to A20Since the cycle characteristics, the high temperature storage characteristics and the safety were examined under the following conditions using the comparative batteries X1 to X9, the results are shown in Table 1 and Table 2 above.
・ Cycle characteristics
  The battery was charged and discharged for 500 cycles under the condition that after a charge current of 500 mA was charged to a charge end voltage of 4.2 V, a discharge current of 500 mA was discharged to a discharge end voltage of 3.1 V. Then, the initial discharge capacity, the discharge capacity after 500 cycles, and the capacity remaining rate [discharge capacity after 500 cycles / initial discharge capacity × 100 (%)] were examined.
・ High temperature storage characteristics
  After each battery was stored at 80 ° C. for 96 hours, the amount of gas generated in the battery was examined.
·safety
  A positive electrode active material 5 mg charged to 4.2 V and EC (ethylene carbonate) 2 mg were sealed in a predetermined container and subjected to DSC measurement, and the heat generation start temperature and the heat generation amount were examined.
[0070]
As is clear from Tables 1 and 2 above, comparative batteries X1, X3, X5, and X7 in which other element M is dissolved in lithium cobaltate are compared in which other elements M are not dissolved in lithium cobaltate. Compared with the battery X9, cycle characteristics are improved, and battery characteristics such as low temperature characteristics not shown in Tables 1 and 2 are also improved (in particular, LiCoxMyO2When y is y ≧ 0.00001). However, it is recognized that the comparative batteries X1, X3, X5, and X7 are less safe than the comparative battery X9 because the amount of gas after high-temperature storage is high, the heat generation start temperature is low, and the heat generation amount is large. It is done.
[0071]
  In contrast, other elements M as well as Al were dissolved in lithium cobalt oxide.Reference batteries A1 to A5, invention batteries A6 to A20Then, it has substantially the same cycle characteristics as the comparative battery X9, and also has a smaller amount of gas after high-temperature storage, a higher heat generation start temperature, and a smaller amount of heat generation than the comparative batteries X1, X3, X5, and X7. Therefore, it is recognized that safety is improved (in particular, LiCoxMyAlzO2Z is z ≧ 0.0001).
[0072]
  From the results of Experiment 1 and Experiment 2 above, LiCoxMyAlzO2X, y, z in the range of 0.90 ≦ x <1, 0 <y ≦ 0.05, 0 <z ≦ 0.05, storage at high temperature while suppressing deterioration of positive electrode capacity and cycle characteristics The amount of gas such as time can be reduced and safety can be improved. In particular, the effects described above are further exhibited when the ranges are 0.94 ≦ x <1, 0.00001 ≦ y ≦ 0.05, and 0.0001 ≦ z ≦ 0.05.
[Experiment 3]
  Using the present invention battery A121 and the comparative battery X110, the charge capacity per unit weight in the positive electrode active material was examined, and using the present invention battery A21 and the comparative battery X10, cycle characteristics, high temperature storage characteristics, and safety. The results are shown in Table 3 below. In addition, conditions in cycle characteristics, high temperature storage characteristics and safety are the same conditions as in Experiment 2 above, and in Table 2,Reference batteries A3 and A103, the battery of the present inventionThe results of A8, A108, A13, A113, A18, A118 and comparative batteries X1, X101, X3, X103, X5, X105, X7, X107 are also shown.
[0073]
[Table 3]
  As is apparent from Table 3, the comparative batteries X1, X3, and X10 in which another element M (Ti, Nb, or Zr) is dissolved in lithium cobaltate are mixed with other elements M (Pb or Zn) in lithium cobaltate. ), The cycle characteristics are improved, and battery characteristics such as low-temperature characteristics not shown in Table 3 are also improved. On the other hand, the comparative batteries X1, X3, and X10 have a higher amount of gas after high-temperature storage than the comparative batteries X5 and X7, and have a low heat generation start temperature and a large amount of heat generation, so that the safety is lowered. Is recognized.
[0074]
  On the other hand, not only other elements M (Ti, Nb, or Zr) but also Al was dissolved in lithium cobalt oxide.Reference battery A3, battery of the present inventionA8 and A21 have substantially the same cycle characteristics as those of the comparative batteries X1, X3, and X10, and the amount of gas after high-temperature storage is significantly smaller than that of the comparative batteries X1, X3, and X10. It is recognized that the safety is drastically improved since the heat generation amount is extremely high and the calorific value is extremely small. Therefore, LiCoxMyO2The effect of improving the safety by reducing the amount of gas after high-temperature storage by dissolving other elements M in a solid solution is significant when Ti, Nb, or Zr is used as the other elements M. I understand.
[0075]
                          (Second embodiment)
[Reference Examples 1-5, Example 6~ 21]
  Reference Examples 1-5, Example 6The batteries shown in -20 were produced by the same method as the method shown in the second embodiment. still,Type of M, And LiCoxMyAlzO2The values of x, y and z in are the same as those in the first embodiment.Reference Examples 1-5, Example 6To 21 (for example, in the second embodimentReference example 1Of the first embodimentReference example 1And the type of M and the values of x, y, and z are the same).
[0076]
  The batteries produced in this way are hereinafter respectivelyReference batteries B1 to B5, Invention battery B6˜B21.
[Comparative Examples 1-9]
  Type of M and LiCoxMyAlzO2The values of x, y, and z in FIG. 1 correspond to Comparative Examples 1 to 9 in the first example (for example, Comparative Example 1 in the second example is the same as Comparative Example 1 in the first example and types of M and x Other than that, the values of y, z are the same), and the battery was fabricated in the same manner as in Example 1 above.
[0077]
The batteries thus produced are hereinafter referred to as comparative batteries Y1 to Y9, respectively.
[Experiment 1]
Since the cycle characteristics, the high-temperature storage characteristics, and the safety were examined using the batteries B1 to B20 of the present invention and the comparative batteries Y1 to Y9, the results are shown in Tables 4 and 5 below. The cycle characteristics and the high temperature storage characteristics were performed under the same conditions as in Experiment 2 of the first embodiment, and the safety was performed under the following conditions.
·safety
A positive electrode active material 5 mg charged to 4.2 V and a gel polymer electrolyte 2 mg were sealed in a predetermined container and subjected to DSC measurement, and the heat generation start temperature and the heat generation amount were examined.
[0078]
[Table 4]
[0079]
[Table 5]
As is apparent from Tables 4 and 5 above, comparative batteries Y1, Y3, Y5, and Y7 in which other elements M are dissolved in lithium cobaltate are compared in the case where other elements M are not dissolved in lithium cobaltate. Compared with the battery Y9, cycle characteristics are improved, and battery characteristics such as low temperature characteristics not shown in Tables 4 and 5 are also improved (particularly, LiCoxMyO2When y is y ≧ 0.00001). However, it is recognized that the comparative batteries Y1, Y3, Y5, and Y7 are less safe than the comparative battery Y9 because the amount of gas after high temperature storage is high, the heat generation start temperature is low, and the heat generation amount is large. It is done.
[0080]
  In contrast, other elements M as well as Al were dissolved in lithium cobalt oxide.Reference batteries B1 to B5, Invention battery B6-B20 has substantially the same cycle characteristics as the comparative batteries Y1, Y3, Y5, Y7, and has a smaller amount of gas after high temperature storage than the comparative batteries Y1, Y3, Y5, Y7, and further starts to generate heat. It is recognized that the safety is improved because the temperature is high and the calorific value is small (in particular, LiCoxMyAlzO2Z is z ≧ 0.0001).
[0081]
On the other hand, although not shown in Tables 4 and 5 above, LiCo is a battery that uses a gel polymer electrolyte.xMyAlzO2As the sum of y and z values in (x + y + z = 1) increases (the value of x decreases), it is recognized that the charge capacity per unit weight decreases, and as a result, the weight energy density also decreases. I understood that it would become. Therefore, from the viewpoint of weight energy density, LiCoxMyAlzO2X, y and z in the formula are 0.9 ≦ x, y ≦ 0.05, z ≦ 0.05 (particularly 0.94 ≦ x, y ≦ 0.05, z ≦ 0.05). It turns out to be desirable.
[0082]
As described above, from the results of Experiment 1, LiCoxMyAlzO2X, y, z in the range of 0.90 ≦ x <1, 0 <y ≦ 0.05, 0 <z ≦ 0.05, storage at high temperature while suppressing deterioration of positive electrode capacity and cycle characteristics The amount of gas such as time can be reduced and safety can be improved. In particular, the effects described above are further exhibited when the ranges are 0.94 ≦ x <1, 0.00001 ≦ y ≦ 0.05, and 0.0001 ≦ z ≦ 0.05.
[0083]
  In addition, using electrolyteReference batteries A1 to A5, Invention battery A6~ Gel polymer electrolyte was used compared with A21Reference batteries B1 to B5, Invention battery B6~ B21, the amount of gas generated after high-temperature storage is further reduced (for example, using an electrolytic solution)referenceThe battery A1 used 3.8 mg, whereas a gel polymer electrolyte was used.referenceIt is observed that for battery B1 it is 3.0 mg). Therefore, when the present invention is applied to a battery using a gel polymer electrolyte, the effect is further exhibited.
[Experiment 2]
  Since the cycle characteristics, the high temperature storage characteristics and the safety were examined using the battery B21 of the present invention and the comparative battery Y10, the results are shown in Table 6 below. The conditions for cycle characteristics, high-temperature storage characteristics and safety are the same conditions as in Experiment 1 above, and in Table 6,Reference battery B3, Invention battery B8, B13, B18 and the results of the comparative batteries Y1, Y3, Y5, Y7 are also shown.
[0084]
[Table 6]
  As is clear from Table 6, comparative batteries Y1, Y3, and Y10 in which another element M (Ti, Nb, or Zr) is dissolved in lithium cobalt oxide are mixed with other elements M (Pb or Zn) in lithium cobalt oxide. ), The cycle characteristics are improved, and battery characteristics such as low-temperature characteristics not shown in Table 6 are also improved. On the other hand, the comparative batteries Y1, Y3, and Y10 have a larger amount of gas after high-temperature storage than the comparative batteries Y5 and Y7, and the heat generation start temperature is low and the heat generation amount is large. Is recognized.
[0085]
  On the other hand, not only other elements M (Ti, Nb, or Zr) but also Al was dissolved in lithium cobalt oxide.Reference battery B3, Invention battery B8, B21 has substantially the same cycle characteristics as those of the comparative batteries Y1, Y3, Y10, and the amount of gas after high-temperature storage is significantly smaller than that of the comparative batteries Y1, Y3, Y10. It is recognized that the safety is dramatically improved because it is extremely high and the calorific value is extremely small. Therefore, even in a battery using a gel polymer electrolyte, LiCoxMyO2The effect of improving the safety by reducing the amount of gas after high-temperature storage by dissolving other elements M in a solid solution is significant when Ti, Nb, or Zr is used as the other elements M. I understand.
[0086]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, there is an excellent effect that it is possible to improve safety and reduce the amount of gas generation without deteriorating battery characteristics such as cycle characteristics. In particular, in a battery using an aluminum laminate outer package, since the deformation and rupture of the outer package can be suppressed by reducing the amount of gas generated, the effect is great.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a front view of a nonaqueous electrolyte battery according to a first embodiment.
2 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG.
FIG. 3 is a cross-sectional view of a laminate outer package used for the nonaqueous electrolyte battery according to the first embodiment.
FIG. 4 is a perspective view of a power generation element used for the nonaqueous electrolyte battery according to the first embodiment.
[Explanation of symbols]
1: Power generation element
2: Storage space
3: Laminated outer package
5: Positive electrode
6: Negative electrode

Claims (5)

正極活物質を含む正極と、負極と、リチウム塩を含む非水電解質とが外装体内に収納された非水電解質電池において、
上記正極活物質として、LiCox y Alz 2 〔MはNb、Pb、Zn、Zrからなる群より選択される少なくとも一種であり、0.90≦x<1、0<y≦0.05、0<z≦0.05、x+y+z=1〕で示されるリチウム含有複合酸化物が用いられることを特徴とする非水電解質電池。
In a non-aqueous electrolyte battery in which a positive electrode including a positive electrode active material, a negative electrode, and a non-aqueous electrolyte including a lithium salt are housed in an exterior body,
As the positive electrode active material, LiCo x M y Al z O 2 [M is at least one selected from the group consisting of Nb, Pb, Zn, from Zr, 0.90 ≦ x <1,0 < y ≦ 0. 05, 0 <z ≦ 0.05 , x + y + z = 1].
上記LiCox y Alz 2 のMとして、Nb及びZrから選択される少なくとも一種である、請求項1記載の非水電解質電池。The LiCo x M y Al as z O 2 of M, is at least one selected from Nb and Zr, the non-aqueous electrolyte battery according to claim 1, wherein. 上記電解質がゲル状固体高分子である、請求項1又は2記載の非水電解質電池。  The nonaqueous electrolyte battery according to claim 1, wherein the electrolyte is a gel-like solid polymer. 上記外装体として、僅かな電池内圧の上昇によって変形する外装体が用いられる、請求項1、2又は3記載の非水電解質電池。  The nonaqueous electrolyte battery according to claim 1, 2 or 3, wherein an exterior body that is deformed by a slight increase in battery internal pressure is used as the exterior body. 上記僅かな電池内圧の上昇によって変形する外装体として、アルミラミネート外装体が用いられる、請求項4記載の非水電解質電池。  The nonaqueous electrolyte battery according to claim 4, wherein an aluminum laminate exterior body is used as the exterior body deformed by the slight increase in battery internal pressure.
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