JP4248190B2 - Cathode active material and non-aqueous electrolyte battery - Google Patents

Cathode active material and non-aqueous electrolyte battery Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、正極活物質と、この正極活物質を含む正極を備える非水電解質電池に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
現在、非水電解質電池の一例であるリチウムイオン二次電池の正極活物質としては、主にLiCoO2が用いられている。この非水電解質電池においては、携帯電話・ノートパソコン・PDA等の高機能化に伴い、年々高容量化の要求が強くなっていることから、LiCoO2よりも高容量が得られる正極活物質として、LiNiO2や、LiNiO2のNiの一部をCoで置換したリチウムニッケルコバルト複合酸化物が実用化に向けて開発されている。
【0003】
しかしながら、LiNiO2及びリチウムニッケルコバルト複合酸化物は、いずれも、LiCoO2と比較して熱安定性に劣るため、これらの酸化物を用いて製造された二次電池は、釘刺し試験の際に発煙または発火に至りやすい。そのうえ、かかる二次電池は、放電負荷特性が十分でないという問題点を有する。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、釘刺し試験時の発煙及び発火の抑制と放電負荷特性の向上との双方を達成することが可能な正極活物質と、この正極活物質を備える非水電解質電池を提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る正極活物質は、一般式LixNiyCozSnw2(ただし、モル比x、y、zおよびwは、0.95≦x≦1.05、0.85≦y+z≦1、0≦w≦0.1を示し、x+y+z+w=2を満たす)で表される組成を有する粒子A,Bを含み、前記粒子AにおけるNiとCoの比(y/z)が7/3以上で、かつ前記粒子BにおけるNiとCoの比(y/z)が3/7以下(0を含む)であり、
前記粒子Aのメジアン径D(μm)が下記(1)式を満足し、かつ前記粒子Bのメジアン径D(μm)が下記(2)式を満足し、
前記メジアン径D 及び前記メジアン径D が5μm以上であることを特徴とするものである。
【0006】
0.09W+1≦D≦−0.09W+15 …(1)
0.04W+1≦D≦−0.06W+20 …(2)
但し、前記Wは、前記粒子Aの配合量(重量%)で、0<W<77.8を満たす。
【0007】
本発明に係る非水電解質電池は、正極活物質を含む正極と、負極と、非水電解質とを具備する非水電解質電池であり、
前記正極活物質は、一般式LixNiyCozSnw2(ただし、モル比x、y、zおよびwは、0.95≦x≦1.05、0.85≦y+z≦1、0≦w≦0.1を示し、x+y+z+w=2を満たす)で表される組成を有する粒子A,Bを含み、前記粒子AにおけるNiとCoの比(y/z)が7/3以上で、かつ前記粒子BにおけるNiとCoの比(y/z)が3/7以下(0を含む)であり、
前記粒子Aのメジアン径D(μm)が下記(1)式を満足し、かつ前記粒子Bのメジアン径D(μm)が下記(2)式を満足し、
前記メジアン径D 及び前記メジアン径D が5μm以上であることを特徴とするものである。
【0008】
0.09W+1≦D≦−0.09W+15 …(1)
0.04W+1≦D≦−0.06W+20 …(2)
但し、前記Wは、前記粒子Aの配合量(重量%)で、0<W<77.8を満たす。
【0009】
【発明の実施の形態】
本発明に係る正極活物質は、一般式LixNiyCozSnw2(ただし、モル比x、y、zおよびwは、0.95≦x≦1.05、0.85≦y+z≦1、0≦w≦0.1を示し、x+y+z+w=2を満たす)で表される組成を有する2種類の粒子A,Bを含む。前記粒子AにおけるNiとCoの比(y/z)は、前記粒子BにおけるNiとCoの比(y/z)よりも大きい。
【0010】
また、前記粒子Aのメジアン径D(μm)が下記(1)式を満足し、かつ前記粒子Bのメジアン径D(μm)が下記(2)式を満足する。
【0011】
0.09W+1≦D≦−0.09W+15 …(1)
0.04W+1≦D≦−0.06W+20 …(2)
但し、前記Wは、前記粒子Aの配合量(重量%)である。前記粒子Bの配合量(重量%)をWとした際に、WとWは、0<W<77.8、W=100−Wを満たす。
【0012】
まず、粒子Aと粒子Bの組成について説明する。
【0013】
(Li)
リチウムのモル比xを前記範囲に規定する理由について説明する。リチウムのモル比xを0.95未満にすると、電池反応に与るリチウムイオンが不足し、高い容量が得られない。一方、リチウムのモル比xが1.05を超えると、活物質表面のアルカリ分が高くなり、電極作成時に結着材を加えてペースト状に混練する際に、そのアルカリ分が結着材の架橋反応を引き起こしてペースト中に1mm〜2mm程度の塊を多数生じさせ、均一なペーストの塗布を妨げるという問題が生じる。モル比xのより好ましい範囲は、0.99〜1.03である。
【0014】
(Ni,Co)
ニッケルのモル比yとコバルトのモル比zの合計を前記範囲に規定する理由について説明する。合計モル比(y+z)を0.85未満にすると、相対的にリチウムあるいはスズが多い組成になり、リチウムが多い場合は、活物質表面のアルカリ分が高くなる為にペーストの塗布が困難になり、スズが多い場合は電池反応に与るリチウムイオンの入る格子点が減少する為、高い容量が得られなくなる。一方、合計モル比(y+z)が1を超えると、電池反応に与るリチウムイオンが不足し、高い容量が得られないと共に、後述するスズの効果も薄くなる。
【0015】
合計モル比(y+z)のより好ましい範囲は、0.92〜0.98である。
【0016】
ニッケルとコバルトの比(y/z)を大きくするのに従って、二次電池の充放電容量が高くなり、一方、(y/z)を小さくするにつれて、正極活物質の熱安定性と二次電池の放電負荷特性が高くなる傾向がある。
【0017】
(y/z)が7/3以上である粒子Aは、二次電池の充放電容量を向上する効果が高い反面、熱安定性と放電負荷特性にやや劣る。粒子Aにおいて、(y/z)は7/3以上、9/1以下の範囲内にすることが望ましい。
【0018】
粒子Aの(y/z)が9/1以上になると、特に熱安定性が著しく低下する傾向がある。
【0019】
(y/z)が3/7以下{(y/z)が0の場合を含む}である粒子Bは、熱安定性と放電負荷特性が高いものの、十分な充放電容量が得られ難い。粒子Bの中でも、一般式LixCozSnw2(ただし、モル比x、zおよびwは、0.95≦x≦1.05、0.85≦z≦1、0≦w≦0.1を示す)で表される組成を有するものは、熱安定性と放電負荷特性に優れるため、望ましい。
【0020】
(Sn)
Snは、高温環境下における非水電解質(特に、γ−ブチロラクトンを含むもの)と正極活物質の副反応を抑える作用をなす反面、活物質中のSnの比率が高くなると、充放電容量が低くなる恐れがある。よって、Snのモル比wは、0.1以下にすることが望ましい。この範囲内であると、高い充放電容量を確保しつつ、高温環境下での副反応を抑えてインピーダンスの上昇を抑制することができる。特に、粒子BにSnを含有させると、高温環境下で保管した際のインピーダンスの上昇を大幅に抑えることができる。
【0021】
モル比wのより好ましい範囲は、0.01〜0.05である。
【0022】
粒子A,Bのメジアン径D(μm),メジアン径D(μm)について説明する。ここで、メジアン径とは、マイクロトラック法で粒度分布を測定し、粒径が小さい粒子からその体積を積算して50%に達した粒子の粒径(50%累積頻度粒径)を示す。
【0023】
粒度分布は、以下に説明する方法で測定される。すなわち、レーザ光散乱型粒度分布計(例えば、LEEDS&NORTHRUP社製MICROTRACIIPARTICLE−SIZE ANALYZER)を用いて、粒度分布を測定する。これは測定原理として粒子にレーザ光を照射した時に生じる光の散乱現象を利用している。散乱光の強度および散乱角度は粒子の大きさに大きく依存するため、この散乱光の強度及び散乱角度を光学検出器で測定し、これをコンピュータ処理することによって、粒体の粒度分布が得られる。
【0024】
メジアン径の測定に際しては、湿式の試料を測定できるレーザ光散乱型粒度分布計が好適に使用できる。具体的には、活物質を適当な溶媒中に懸濁させてスラリーを作製し、これを超音波で十分分散させた後、測定することが好ましい。超音波装置の形式は、超音波発振機より連結された金属製のチップが直にスラリーに浸漬されている構造のものが好ましい。この構造は、スラリーに直接超音波が伝達されるために効率良く分散できること、分散の再現性に優れている利点がある。
【0025】
超音波出力は100W以上であることが望ましい。100W未満では、時間を掛けて超音波を照射しても力学的エネルギーが不足しており、微細構造間の凝集を破壊することが難しい。一方、200W以上のエネルギーを投入すると、スラリー温度が急速に上昇し、分散状態の再現性を得ることが困難である。
【0026】
超音波振動子の振動数は20kHz程度のものが用いられる。特に、振動数を追尾することが可能な制御系を備えていることが好ましい。
【0027】
スラリー濃度は、0.001〜1質量%の範囲内であることが望ましい。これ以上の濃度では粒子同士の会合確率が高くなり、破砕された微粒子が再凝集を起こし正確な破砕の状況を把握することが困難である。また、0.001質量%未満のスラリー濃度では、粒子による超音波エネルギーの吸収効率が低下する他、散乱を光検知する測定装置の制約でS/N比が低下し、ノイズが増加する。
【0028】
上記の超音波照射時間は、5分以内であることが望ましい。これ以上の照射はスラリー温度が上昇し、超音波の振幅を変化させるため、再現性が乏しくなる。
【0029】
粒子Aの配合量Wと粒子Bの配合量Wの合計を100重量%とした際、粒子Aの配合量Wは77.8重量%未満の範囲内に設定される。粒子Aの配合量Wを77.8重量%以上にすると、粒子Aのメジアン径Dと粒子Bのメジアン径Dの値に拘わらず、優れた放電負荷特性と高い安全性を両立させることが困難になる。粒子Aの配合量Wのより好ましい範囲は、20〜40重量%である。
【0030】
粒子Aのメジアン径D(μm)の範囲を前記(1)式で規定し、かつ粒子Bのメジアン径D(μm)を前記(2)式に規定する理由について図1を参照して説明する。図1は、粒子Aと粒子Bについての配合量と粒径との関係を示す特性図である。図1の横軸は、粒子Aの配合量W(重量%)である。図1の縦軸は、粒子Aのメジアン径D(μm)と粒子Bのメジアン径D(μm)である。
【0031】
粒子Aのメジアン径D(μm)を前記(1)式の範囲内に限定する理由について説明する。粒子Aの配合量(重量%)が0<W<77.8の範囲内である際、粒子Aのメジアン径Dを直線D=0.09W+1から算出される値よりも小さくすると(D<0.09W+1)、粒子Aの比表面積の増加によって正極活物質の熱安定性が低下するため、釘刺し試験において発煙または発火を生じる確率が高くなる。一方、粒子Aの配合量(重量%)が0<W<77.8の範囲内である際、粒子Aのメジアン径Dを直線D=−0.09W+15から算出される値よりも大きくすると(D>−0.09W+15)、粒子Aの比表面積の減少により正極活物質の反応性が低下するため、二次電池の放電負荷特性が低下する。
【0032】
粒子Bのメジアン径D(μm)を前記(2)式の範囲内に限定する理由について説明する。粒子Aの配合量(重量%)が0<W<77.8の範囲内である際、粒子Bのメジアン径Dを直線D=0.04W+1から算出される値よりも小さくすると(D<0.04W+1)、粒子Bの比表面積の増加によって正極活物質の熱安定性が低下するため、釘刺し試験において発煙または発火を生じる確率が高くなる。一方、粒子Aの配合量(重量%)が0<W<77.8の範囲内である際、粒子Bのメジアン径Dを直線D=−0.06W+20から算出される値よりも大きくすると(D>−0.06W+20)、粒子Bの比表面積の減少によって正極活物質の反応性が低下するため、二次電池の放電負荷特性を向上させることが困難になる。
【0033】
本願発明のように、粒子Aの配合量W(重量%)を0<W<77.8の範囲内にし、粒子Aのメジアン径D(μm)を前記(1)式の範囲内にし、かつ前記粒子Bのメジアン径D(μm)を前記(2)式の範囲内にすることによって、粒子A,Bの配合比とメジアン径との関係を最適化することができるため、非水電解質二次電池の放電負荷特性を向上することができる。同時に、釘刺し試験における発煙および発火を抑制して非水電解質二次電池の安全性を向上することができる。
【0034】
さらに、粒子Aか、粒子Bあるいは粒子A,Bの双方にSnを少量含有させることによって、高温環境下における正極活物質と非水電解質との副反応(特に、正極活物質とγ−ブチロラクトンとの反応)による、正極のインピーダンス上昇を著しく抑制することができるため、放電負荷特性、安全性および高温貯蔵特性に優れる正極活物質を実現することができる。特に、粒子BにSnを少量含有させると、高温貯蔵特性をさらに高めることができる。
【0035】
以下、本発明に係る非水電解質電池について説明する。
【0036】
本発明に係る非水電解質電池は、正極と、負極と、正極と負極の間に配置される非水電解質層とを備える。
【0037】
1)正極
正極は、集電体と、集電体の片面あるいは両面に形成され、正極活物質を含有する正極活物質含有層とを含む。
【0038】
この正極は、例えば、正極活物質、導電剤および結着剤を適当に溶媒に懸濁させ、得られた懸濁物を集電体表面に塗布し、乾燥し、プレスすることにより作製される。
【0039】
正極活物質には、前述した本発明に係る正極活物質を使用することができる。
【0040】
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)、フッ素系ゴムなどが挙げられる。
【0041】
導電剤としては、例えば、アセチレンブラック、カーボンブラック、黒鉛等を挙げることができる。
【0042】
正極活物質、導電剤及び結着剤の配合比は、正極活物質80〜95wt%、導電剤3〜20wt%、結着剤2〜7wt%の範囲にすることが好ましい。
【0043】
集電体としては、導電性材料であれば特に制限されること無く使用できるが、特に正極用の集電体としては電池反応時に酸化されにくい材料を使用することが好ましく、例えばアルミニウム、ステンレス、チタンなどを使用することができる。
【0044】
2)負極
負極は、集電体と、集電体の片面もしくは両面に形成される負極層とを含む。
【0045】
この負極は、例えば、負極材料の粉末及び結着剤を有機溶媒の存在下で混練し、得られた懸濁物を集電体に塗布し、乾燥後、プレスすることにより作製される。
【0046】
負極材料としては、例えば、リチウムイオンを吸蔵・放出する炭素質物、アルミニウム、マグネシウム、スズ、けい素等の金属、金属酸化物、金属硫化物、金属窒化物、リチウム合金などを挙げることができる。
【0047】
前記炭素質物としては、黒鉛、コークス、炭素繊維、球状炭素などの黒鉛質材料もしくは炭素質材料、熱硬化性樹脂、等方性ピッチ、メソフェーズピッチ、メソフェーズピッチ系炭素繊維、メソフェーズ小球体など(特に、メソフェーズピッチ系炭素繊維が容量や充放電サイクル特性が高くなり好ましい)に500〜3000℃で熱処理を施すことにより得られる黒鉛質材料または炭素質材料等を挙げることができる。中でも、前記熱処理の温度を2000℃以上にすることにより得られ、(002)面の面間隔d002が0.34nm以下である黒鉛結晶を有する黒鉛質材料を用いるのが好ましい。このような黒鉛質材料を炭素質物として含む負極を備えた非水電解質二次電池は、電池容量および大電流放電特性を大幅に向上することができる。前記面間隔d002 は、0.336nm以下であることが更に好ましい。
【0048】
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)などを用いることができる。
【0049】
負極材料と結着剤の配合割合は、負極材料90〜98重量%、結着剤1〜10重量%の範囲にすることが好ましい。
【0050】
集電体としては、導電性材料であれば特に制限されることなく使用することができる。中でも、銅、ステンレス、あるいはニッケルからなる箔、メッシュ、パンチドメタル、ラスメタルなどを用いることができる。
【0051】
3)非水電解質層
非水電解質層は、正極と負極の間でのイオン伝導性を付与することができる。
【0052】
非水電解質層としては、例えば、非水電解液が保持されたセパレータ、ゲル状非水電解質の層、ゲル状非水電解質が保持されたセパレータ、固体高分子電解質層、無機固体電解質層などを挙げることができる。
【0053】
セパレータとしては、例えば、多孔質材料を使用することができる。かかるセパレータとしては、例えば、合成樹脂製不織布、ポリエチレン多孔質フィルム、ポリプロピレン多孔質フィルムなどを挙げることができる。
【0054】
非水電解液は、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。
【0055】
非水溶媒としては、例えば、エチレンカーボネート(EC)やプロピレンカーボネート(PC)などの環状カーボネートや、これらの環状カーボネートと環状カーボネートより低粘度の非水溶媒との混合溶媒を主体とする非水溶媒を用いることができる。前記低粘度の非水溶媒としては、例えば、鎖状カーボネート(例えば、ジメチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、ジエチルカーボネートなど)、γ−ブチロラクトン、アセトニトリル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、環状エーテル(例えば、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフランなど)、鎖状エーテル(例えば、ジメトキシエタン、ジエトキシエタンなど)が挙げられる。特に、二次電池の軽量化と薄型化のために容器厚さを薄くしたり、あるいは金属層と樹脂層を含むラミネートフィルム製の容器を用いた際、γ−ブチロラクトンを含む非水電解質を用いると、ガス発生による容器の膨れを抑えることができる。
【0056】
電解質としては、リチウム塩が使用される。具体的には、六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)、ホウフッ化リチウム(LiBF4)、六フッ化ヒ素リチウム(LiAsF6)、過塩素酸リチウム(LiClO4)、トリフルオロメタスルホン酸リチウム(LiCF3SO3)などが挙げられる。とくに、六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)、ホウフッ化リチウム(LiBF4)が好ましい例として挙げられる。
【0057】
非水溶媒に対する電解質の溶解量は、0.5〜2モル/Lとすることが好ましい。
【0058】
ゲル状非水電解質は、例えば、非水電解質と高分子材料を複合化することにより得られる。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(PECO)などの単量体の重合体または他の単量体との共重合体が挙げられる。
【0059】
固体高分子電解質層は、例えば、電解質を高分子材料に溶解し、固体化することにより得られる。かかる高分子材料としては、例えば、ポリアクリロニトリル、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリエチレンオキシド(PEO)などの単量体の重合体または他の単量体との共重合体が挙げられる。
【0060】
無機固体電解質としては、例えば、リチウムを含有したセラミック材料が挙げられ、具体的には、Li3N、Li3PO4−Li2S−SiS2、LiI−Li2S−SiS2ガラスなどが挙げられる。
【0061】
【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。
【0062】
参考例1)
さまざまなメジアン径のNi0.8Co0.2(OH)1.00モルと、LiOH・HO1.00モルとを乳鉢で均一に混合し、酸素気流中700℃で5時間反応させ、組成がLiNi0.8Co0.22で表わされる粒子Aを得た。この粒子AのCoとNiのモル比(y/z)は、4である。
【0063】
一方、さまざまなメジアン径のCoを1.00モルと、LiCO1.00モルとを均一に混合し、大気中850℃で5時間反応させ、組成がLiCoO2で表わされる粒子Bを得た。この粒子BのCoとNiのモル比(y/z)は、0である。
【0064】
得られた粒子A及び粒子Bの中からメジアン径D、メジアン径Dがそれぞれ2μmのものを選択した。なお、粒子Aのメジアン径Dと、粒子Bのメジアン径Dは、以下に説明する方法で測定される。
【0065】
試料0.5gを100ml水中で撹拌を行った後、超音波分散を100W−3minの条件で行った。その後、LEEDS&NORTHRUP社製MICROTRACIIPARTICLE−ANALYZER TYPE7997−10を使用してメジアン径(50%累積頻度粒径)を測定した。
【0066】
メジアン径Dが2μmの粒子Aとメジアン径Dが2μmの粒子Bとを重量比W:Wが20:80で混合し、正極活物質とした。
【0067】
この正極活物質を90重量%、導電材料を6重量%、結着剤を4重量%の割合で混合したものを適当な溶媒に分散させてスラリー状とし、Al箔に塗布、乾燥後、ローラープレス機で圧縮成形し、所定のサイズに裁断することにより正極を得た。
【0068】
また、3000℃で熱処理したメソフェーズピッチ系炭素繊維94重量%に、ポリフッ化ビニリデンが6重量%溶解されたN−メチル−2−ピロリドンを添加し、合剤スラリーを調製した。この合剤スラリーを銅箔に塗布、乾燥、加熱ロールプレスして負極を作製した。
【0069】
一方、エチレンカーボネート(EC)とγ−ブチロラクトン(GBL)を体積比率1:2で混合した。得られた混合溶媒に四フッ化ホウ酸リチウム(LiBF4 )をその濃度が1.5mol/Lになるように溶解させて、非水電解液を調製した。
【0070】
正極と負極の間にポリエチレン製多孔質フィルムからなる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。
【0071】
この電極群を有底円筒状容器内に収納した後、非水電解液を注液し、かしめ固定することにより、図2に示す構造を有する円筒形非水電解質二次電池を組み立てた。
【0072】
すなわち、図2に示すように、例えばステンレスからなる有底円筒状の容器1は、底部に絶縁体2が配置されている。電極群3は、前記容器1内に収納されている。前記電極群3は、正極4、セパレ―タ5及び負極6をこの順序で積層した帯状物を渦巻き状に巻回した構造になっている。
【0073】
前記容器1内には、非水電解液が収容されている。前記容器1の上部開口部には、中央部に孔が開口されたPTC素子7と、ガス抜きのための安全弁8と、帽子形状の正極端子9が配置されている。これらは、前記容器1の上部開口部に絶縁ガスケット10を介してかしめ固定されている。正極リ―ド11の一端は、前記正極4に、他端は前記PTC素子7にそれぞれ接続されている。前記負極6は、図示しない負極リ―ドを介して負極端子である前記容器1に接続されている。
【0074】
(実施例2〜4,6〜9,11〜16、参考例1,5,10および比較例1〜28)
粒子A,Bの配合量W,W、メジアン径D,Dを下記表2〜3に示すように設定すること以外は、前述した参考例1で説明したのと同様な構成の円筒形非水電解質二次電池を組み立てた。
【0075】
得られた実施例2〜4,6〜9,11〜16、参考例1,5,10および比較例1〜28の二次電池について、以下に説明する方法で放電負荷特性と釘刺し試験を実施し、その結果を下記表1〜表3に示す。
【0076】
(放電負荷特性)
放電負荷特性の試験は、以下の手順で実施した。
【0077】
作成したそれぞれの二次電池の4.2Vから3.0Vの設計容量を1時間で放電し切る電流値を1Cと定め、1C放電させた場合の容量を測定した。次に、その3倍の3Cの電流値で放電をさせた時の容量を測定し、1C放電時の容量を100%として、3C放電時の容量の維持率を評価した。
【0078】
(釘刺し試験)
釘刺し試験は、作成した二次電池を4.4Vまで充電し、油圧プレス機に2.5mmφの釘を取り付けた試験装置に固定し、70mm/秒の速度で釘を降下させて二次電池に釘を刺し、その時の挙動を調べた。
【0079】
表中、釘刺し試験結果のA〜Eは、複数個試験したうちの、A:全数が漏液のみ、B:半数以下が安全弁作動と漏液、C:半数以上が安全弁作動と漏液、D:半数以下が安全弁作動し、漏液後、発煙または発火、E:半数以上が安全弁作動し、漏液後、発煙または発火をそれぞれ意味する。
【0080】
また、表1〜表3には、粒子Aの各配合量Wでのメジアン径Dの許容範囲(0.09W+1≦D≦−0.09W+15)と、粒子Bの各配合量Wでのメジアン径Dの許容範囲(0.04W+1≦D≦−0.06W+20)とを併記する。
【0081】
【表1】

Figure 0004248190
【0082】
【表2】
Figure 0004248190
【0083】
【表3】
Figure 0004248190
【0084】
表1〜表3の結果から、以下のことが明らかになった。粒子Aと粒子Bの配合比W:Wが一定である場合、粒子Aのメジアン径Dまたは粒子Bのメジアン径Dが大きくなるにつれ、3C放電維持率が低下している。また、粒子Aと粒子Bの配合比W:Wが一定である場合、粒子Aのメジアン径Dまたは粒子Bのメジアン径Dが小さくなるにつれ、発煙または発火に至る確率が高くなっている。
【0085】
一方、粒子Aの配合量Wを80重量%にすると、メジアン径が小さい場合には釘刺し試験時に発煙または発火を生じた。そこで、発煙及び発火を防止するためにメジアン径を大きくすると、3C放電維持率が著しく低くなった。
【0086】
これらの結果から、粒子Aの配合量Wは77.8重量%未満が好ましく、また、放電負荷特性を向上させる観点からは、粒子Aのメジアン径Dについては、直線D=−0.09W+15で算出されるメジアン径と等しいか、または小さい領域、一方、粒子Bのメジアン径Dについては、直線D=−0.06W+20で算出されるメジアン径と等しいか、または小さい領域を選択することが好ましいことがわかる。さらに、安全性を向上させる観点からは、粒子Aのメジアン径Dについては、直線D=0.09W+1で算出されるメジアン径と等しいか、または大きい領域、一方、粒子Bのメジアン径Dについては、直線D=0.04W+1で算出されるメジアン径と等しいか、または大きい領域を選択することが好ましいことがわかる。
【0087】
よって、粒子Aの配合量W(重量%)と粒子Bの配合量Wが0<W<77.8、W=100−Wである際に、粒子Aのメジアン径D(μm)が、直線D=0.09W+1と直線D=−0.09W+15で囲まれる領域に含まれ、かつ粒子Bのメジアン径D(μm)が、直線D=0.04W+1と直線D=−0.06W+20で囲まれる領域に含まれる正極活物質を用いることで、良好な放電負荷特性と、優れた安全性とを両立した電池を得ることができる
【0088】
参考例17)
粒子Aとして、組成がLiNi0.8Co0.2Sn0.012(LiNi0.8Co0.221モルに対してLi2SnO3が0.01モルの割合で混合された混合物)で表わされるメジアン径Dが2μmの粒子を用意した。また、粒子Bとして、組成がLiCoO2で表わされるメジアン径Dが2μmの粒子を用意した。粒子AのCoとNiのモル比(y/z)は、4である。一方、粒子BのCoとNiのモル比(y/z)は、0である。
【0089】
粒子Aの組成分析は、試料を塩酸に溶解し、セイコーインスツルメンツ社製 ICP1200A を用いて、ICP発光分析によって定量を行った。
【0090】
粒子Aと粒子Bとを重量比W:Wが20:80で混合し、正極活物質とした。
【0091】
この正極活物質100重量部に対し、導電助剤としてアセチレンブラック6重量部、バインダーとしてポリテトラフルオロエチレン3重量部を添加し、これらを乳鉢で混合してシート状に成型し、これを1cm角に切出してSUSメッシュに貼りつけ、正極を得た。
【0092】
対極および参照極としてLi金属を用いた。対極と参照極は、セパレータを介して正極と対向させた。これら電極を電解セル中にて非水電解液に浸漬させて模擬電池セルを作製した。なお、非水電解液としては、エチレンカーボネート(EC)とγ−ブチロラクトン(GBL)が体積比率1:2で混合された非水溶媒に四フッ化ホウ酸リチウム(LiBF4 )をその濃度が1.5mol/Lになるように溶解させたものを用いた。
【0093】
参考例18)
粒子Aの組成をLiNi0.8Co0.2Sn0.0022(LiNi0.8Co0.221モルに対してLi2SnO3が0.002モルの割合で混合された混合物)に変更すること以外は、前述した参考例17と同様にして模擬電池セルを組み立てた。
【0094】
参考例19)
粒子Aの組成をLiNi0.8Co0.2Sn0.12(LiNi0.8Co0.221モルに対してLi2SnO3が0.1モルの割合で混合された混合物)に変更すること以外は、前述した参考例17と同様にして模擬電池セルを組み立てた。
【0095】
参考例20)
粒子Aとして、組成がLiNi0.8Co0.22で表わされるメジアン径Dが2μmの粒子を用意した。また、粒子Bとして、組成がLiCoSn0.042(LiCoO21モルに対してLi2SnO3が0.04モルの割合で混合された混合物)で表わされるメジアン径Dが2μmの粒子を用意した。粒子AのCoとNiのモル比(y/z)は、4である。一方、粒子BのCoとNiのモル比(y/z)は、0である。
【0096】
粒子Aと粒子Bとを重量比W:Wが20:80で混合し、正極活物質とした。
【0097】
このような正極活物質を用いること以外は、前述した参考例17と同様にして模擬電池セルを組み立てた。
【0098】
参考例1−2)
前述した参考例1で説明したのと同様な正極活物質を用いること以外は、前述した参考例17と同様にして模擬電池セルを組み立てた。
【0099】
得られた参考例17〜20および参考例1−2の模擬セルを、均一な電極の含浸状態とするために3.0V〜4.2V,3mAで2サイクル充放電を行った後、20℃,3mA,4.2Vの充電状態として交流インピーダンス測定を実施した後、45℃で一定時間保存し、再度交流インピーダンス測定を実施して、インピーダンス上昇の様子を調べた。その結果を図3,4に示す。図3の縦軸は、電池の交流インピーダンスの虚数成分を示し、横軸は実数成分を示す。
【0100】
図4は、図3の要部を拡大した図である。
【0101】
図3及び図4から明らかなように、粒子Aまたは粒子BにSnが含有されている参考例17〜参考例20の電池によると、Snが無添加の参考例1−2と比較して、45℃の高温で貯蔵した際のインピーダンスの上昇が緩やかであった。参考例18のように粒子中のSn含有量がごく少量でも、Sn無添加の参考例1−2に比べて1/3以下と、十分な効果が見られる。また、Snの添加量を多くする、あるいは、同一添加量であっても参考例20のように粒子BにSnを含有させると、一層効果が大きくなる。
【0102】
なお、前述した実施例においては、粒子Aと粒子Bの2種類からなる正極活物質に適用した例を説明したが、正極活物質としては、放電負荷特性と安全性の双方を満足できる限り、粒子A,BにLiNiO2のような他の種類の粒子を混合させた3種類以上の粒子からなるものを用いることができる。
【0103】
また、前述した実施例においては、円筒形非水電解質二次電池に適用した例を説明したが、角形非水電解質二次電池、薄型非水電解質二次電池、コイン型非水電解質二次電池にも同様に適用することができる。また、前述した実施例においては、電極群を収納する容器として金属製容器を用いたが、金属層と樹脂層を含有するラミネートフィルム製の容器を備えた電池にも同様に適用することができる。
【0104】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、釘刺し試験時の発煙及び発火の抑制と放電負荷特性の向上との双方を達成することが可能な正極活物質と、この正極活物質を備える非水電解質電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係る正極活物質に含まれる粒子Aと粒子Bについての配合量と粒径との関係を示す特性図。
【図2】 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示す部分切欠斜視図。
【図3】 参考例17〜20と参考例1−2の模擬セルについての高温保管による内部インピーダンス変化を示す特性図。
【図4】 図3の要部を示す拡大図。
【符号の説明】
1…容器、
3…電極群、
4…正極、
6…負極、
5…セパレータ、
7…PTC素子、
8…安全弁、
9…正極端子、
10…絶縁ガスケット。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a non-aqueous electrolyte battery including a positive electrode active material and a positive electrode including the positive electrode active material.
[0002]
[Prior art]
Currently, as a positive electrode active material of a lithium ion secondary battery which is an example of a non-aqueous electrolyte battery, mainly LiCoO2Is used. In this non-aqueous electrolyte battery, the demand for higher capacity has been increasing year by year as the functionality of mobile phones, notebook computers, PDAs, etc. has increased.2As a positive electrode active material capable of obtaining a higher capacity than LiNiO2LiNiO2A lithium nickel cobalt composite oxide in which a part of Ni is replaced with Co is being developed for practical use.
[0003]
However, LiNiO2And lithium nickel cobalt composite oxide are both LiCoO2Therefore, secondary batteries manufactured using these oxides tend to emit smoke or ignite during the nail penetration test. In addition, such secondary batteries have a problem that the discharge load characteristics are not sufficient.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention provides a positive electrode active material capable of achieving both suppression of smoke and ignition during a nail penetration test and improvement of discharge load characteristics, and a nonaqueous electrolyte battery including the positive electrode active material. Objective.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
  The positive electrode active material according to the present invention has a general formula LixNiyCozSnwO2(However, the molar ratios x, y, z, and w are 0.95 ≦ x ≦ 1.05, 0.85 ≦ y + z ≦ 1, 0 ≦ w ≦ 0.1, and satisfy x + y + z + w = 2). The particles A and B having the composition described above are included, and the ratio (y / z) of Ni and Co in the particles A isMore than 7/3, andRatio of Ni and Co in the particle B (y / z)Is 3/7 or less (including 0),
  Median diameter D of particle AA(Μm) satisfies the following formula (1), and the median diameter D of the particle BB(Μm) satisfies the following formula (2)And
  The median diameter D A And the median diameter D B Is more than 5μmIt is characterized by that.
[0006]
0.09WA+ 1 ≦ DA≦ −0.09WA+15 (1)
0.04WA+ 1 ≦ DB≦ −0.06WA+20 (2)
However, WAIs a blending amount (% by weight) of the particles A, and 0 <WA<77.8 is satisfied.
[0007]
  The nonaqueous electrolyte battery according to the present invention is a nonaqueous electrolyte battery comprising a positive electrode containing a positive electrode active material, a negative electrode, and a nonaqueous electrolyte,
  The positive electrode active material has the general formula LixNiyCozSnwO2(However, the molar ratios x, y, z, and w are 0.95 ≦ x ≦ 1.05, 0.85 ≦ y + z ≦ 1, 0 ≦ w ≦ 0.1, and satisfy x + y + z + w = 2). The particles A and B having the composition described above are included, and the ratio (y / z) of Ni and Co in the particles A isMore than 7/3, andRatio of Ni and Co in the particle B (y / z)Is 3/7 or less (including 0),
  Median diameter D of particle AA(Μm) satisfies the following formula (1), and the median diameter D of the particle BB(Μm) satisfies the following formula (2)And
  The median diameter D A And the median diameter D B Is more than 5μmIt is characterized by that.
[0008]
0.09WA+ 1 ≦ DA≦ −0.09WA+15 (1)
0.04WA+ 1 ≦ DB≦ −0.06WA+20 (2)
However, WAIs a blending amount (% by weight) of the particles A, and 0 <WA<77.8 is satisfied.
[0009]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The positive electrode active material according to the present invention has a general formula LixNiyCozSnwO2(However, the molar ratios x, y, z, and w are 0.95 ≦ x ≦ 1.05, 0.85 ≦ y + z ≦ 1, 0 ≦ w ≦ 0.1, and satisfy x + y + z + w = 2). Two types of particles A and B having the composition described above are included. The ratio of Ni and Co (y / z) in the particle A is larger than the ratio of Ni and Co (y / z) in the particle B.
[0010]
Further, the median diameter D of the particle AA(Μm) satisfies the following formula (1), and the median diameter D of the particle BB(Μm) satisfies the following formula (2).
[0011]
0.09WA+ 1 ≦ DA≦ −0.09WA+15 (1)
0.04WA+ 1 ≦ DB≦ −0.06WA+20 (2)
However, WAIs the blending amount (% by weight) of the particles A. The amount (% by weight) of the particle B is WBWAAnd WBIs 0 <WA<77.8, WB= 100-WAMeet.
[0012]
First, the composition of particles A and particles B will be described.
[0013]
(Li)
The reason why the molar ratio x of lithium is defined within the above range will be described. When the molar ratio x of lithium is less than 0.95, the lithium ions that are applied to the battery reaction are insufficient, and a high capacity cannot be obtained. On the other hand, when the molar ratio x of lithium exceeds 1.05, the alkali content on the active material surface increases, and when the binder is added and kneaded into a paste at the time of electrode preparation, the alkali content of the binder is reduced. There arises a problem that a cross-linking reaction is caused to produce a large number of lumps of about 1 mm to 2 mm in the paste, thereby preventing uniform application of the paste. A more preferable range of the molar ratio x is 0.99 to 1.03.
[0014]
(Ni, Co)
The reason why the total of the molar ratio y of nickel and the molar ratio z of cobalt is defined within the above range will be described. If the total molar ratio (y + z) is less than 0.85, the composition has a relatively large amount of lithium or tin. If the amount of lithium is large, the alkali content on the surface of the active material becomes high, making it difficult to apply the paste. When there is a lot of tin, the lattice points where lithium ions enter the battery reaction decrease, so that a high capacity cannot be obtained. On the other hand, when the total molar ratio (y + z) exceeds 1, the lithium ion that is applied to the battery reaction is insufficient, and a high capacity cannot be obtained, and the effect of tin described later is also reduced.
[0015]
A more preferable range of the total molar ratio (y + z) is 0.92 to 0.98.
[0016]
As the ratio of nickel to cobalt (y / z) is increased, the charge / discharge capacity of the secondary battery is increased. On the other hand, as (y / z) is decreased, the thermal stability of the positive electrode active material and the secondary battery are increased. There is a tendency that the discharge load characteristic of the is high.
[0017]
The particles A having (y / z) of 7/3 or more have a high effect of improving the charge / discharge capacity of the secondary battery, but are slightly inferior in thermal stability and discharge load characteristics. In the particle A, (y / z) is preferably in the range of 7/3 or more and 9/1 or less.
[0018]
When the (y / z) of the particle A is 9/1 or more, the thermal stability tends to be remarkably lowered.
[0019]
Particles B whose (y / z) is 3/7 or less (including the case where (y / z) is 0) have high thermal stability and discharge load characteristics, but it is difficult to obtain a sufficient charge / discharge capacity. Among the particles B, the general formula LixCozSnwO2(However, the molar ratios x, z and w are 0.95 ≦ x ≦ 1.05, 0.85 ≦ z ≦ 1, 0 ≦ w ≦ 0.1) It is desirable because of its excellent thermal stability and discharge load characteristics.
[0020]
(Sn)
Sn serves to suppress the side reaction between the non-aqueous electrolyte (particularly, containing γ-butyrolactone) and the positive electrode active material in a high temperature environment, but the charge / discharge capacity decreases as the Sn ratio in the active material increases. There is a fear. Therefore, the Sn molar ratio w is desirably 0.1 or less. Within this range, it is possible to suppress a side reaction in a high temperature environment and suppress an increase in impedance while ensuring a high charge / discharge capacity. In particular, when Sn is contained in the particle B, an increase in impedance when stored in a high temperature environment can be significantly suppressed.
[0021]
A more preferable range of the molar ratio w is 0.01 to 0.05.
[0022]
Median diameter D of particles A and BA(Μm), median diameter DB(Μm) will be described. Here, the median diameter is a particle size distribution (50% cumulative frequency particle size) of particles having a particle size distribution measured by the microtrack method and adding up the volume from particles having a small particle size to 50%.
[0023]
The particle size distribution is measured by the method described below. That is, the particle size distribution is measured by using a laser light scattering type particle size distribution analyzer (for example, MICROTRAC II PATICLE-SIZE ANALYZER manufactured by LEEDS & NORTH UP). This utilizes the light scattering phenomenon that occurs when a particle is irradiated with laser light as a measurement principle. Since the intensity and angle of scattered light largely depend on the size of the particle, the particle size distribution of the granules can be obtained by measuring the intensity and angle of the scattered light with an optical detector and processing it with a computer. .
[0024]
In measuring the median diameter, a laser light scattering particle size distribution meter capable of measuring a wet sample can be suitably used. Specifically, it is preferable to perform measurement after suspending the active material in an appropriate solvent to prepare a slurry and sufficiently dispersing the slurry with ultrasonic waves. The type of the ultrasonic device is preferably a structure in which a metal chip connected by an ultrasonic oscillator is directly immersed in the slurry. This structure is advantageous in that since ultrasonic waves are directly transmitted to the slurry, it can be efficiently dispersed and the reproducibility of dispersion is excellent.
[0025]
The ultrasonic output is desirably 100 W or more. If it is less than 100 W, even if it takes time to irradiate ultrasonic waves, the mechanical energy is insufficient, and it is difficult to destroy the aggregation between the fine structures. On the other hand, when energy of 200 W or more is input, the slurry temperature rises rapidly, and it is difficult to obtain reproducibility of the dispersed state.
[0026]
The vibration frequency of the ultrasonic vibrator is about 20 kHz. In particular, it is preferable to have a control system capable of tracking the frequency.
[0027]
The slurry concentration is desirably in the range of 0.001 to 1% by mass. If the concentration is higher than this, the association probability between the particles becomes high, and the crushed fine particles are re-agglomerated and it is difficult to grasp the exact crushing state. Further, when the slurry concentration is less than 0.001% by mass, the absorption efficiency of the ultrasonic energy by the particles is lowered, and the S / N ratio is lowered due to the restriction of the measuring device that detects light by scattering, and the noise is increased.
[0028]
The ultrasonic irradiation time is preferably within 5 minutes. Irradiation beyond this raises the slurry temperature and changes the amplitude of the ultrasonic wave, so the reproducibility becomes poor.
[0029]
Compounding amount W of particle AAAnd particle B content WBWhen the total amount is 100% by weight, the compounding amount W of the particles AAIs set within a range of less than 77.8% by weight. Compounding amount W of particle AAIs 77.8 wt% or more, the median diameter D of the particles AAAnd median diameter D of particle BBRegardless of the value, it becomes difficult to achieve both excellent discharge load characteristics and high safety. Compounding amount W of particle AAThe more preferable range is 20 to 40% by weight.
[0030]
Median diameter D of particle AAThe range of (μm) is defined by the above equation (1), and the median diameter D of the particle BBThe reason why (μm) is defined in the above equation (2) will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a characteristic diagram showing the relationship between the blending amount and particle size of particles A and B. The horizontal axis of FIG.A(% By weight). 1 represents the median diameter D of the particle A.A(Μm) and median diameter D of particle BB(Μm).
[0031]
Median diameter D of particle AAThe reason why (μm) is limited within the range of the formula (1) will be described. The blending amount (weight%) of the particles A is 0 <WA<Median diameter D of particle A when it is within the range of <77.8AStraight line DA= 0.09WAIf it is smaller than the value calculated from +1 (DA<0.09WA+1) Since the thermal stability of the positive electrode active material decreases due to an increase in the specific surface area of the particles A, the probability of causing smoke or ignition in the nail penetration test is increased. On the other hand, the blending amount (weight%) of the particles A is 0 <WA<Median diameter D of particle A when it is within the range of <77.8AStraight line DA= -0.09WAIf it is larger than the value calculated from +15 (DA> −0.09WA+15) Since the reactivity of the positive electrode active material is reduced due to the reduction in the specific surface area of the particles A, the discharge load characteristics of the secondary battery are reduced.
[0032]
Median diameter D of particle BBThe reason why (μm) is limited within the range of the formula (2) will be described. The blending amount (weight%) of the particles A is 0 <WAWhen it is within the range of <77.8, the median diameter D of the particles BBStraight line DB= 0.04WAIf it is smaller than the value calculated from +1 (DB<0.04WA+1) Since the thermal stability of the positive electrode active material decreases due to an increase in the specific surface area of the particles B, the probability of causing smoke or ignition in the nail penetration test increases. On the other hand, the blending amount (weight%) of the particles A is 0 <WAWhen it is within the range of <77.8, the median diameter D of the particles BBStraight line DB= -0.06WAWhen larger than the value calculated from +20 (DB> −0.06WA+20) Since the reactivity of the positive electrode active material decreases due to the decrease in the specific surface area of the particles B, it becomes difficult to improve the discharge load characteristics of the secondary battery.
[0033]
As in the present invention, the blending amount W of the particles AA(Wt%) 0 <WA<77.8 and median diameter D of particle AA(Μm) is within the range of the formula (1), and the median diameter D of the particle BBBy making (μm) within the range of the above formula (2), the relationship between the mixing ratio of the particles A and B and the median diameter can be optimized, so the discharge load characteristics of the non-aqueous electrolyte secondary battery can be reduced. Can be improved. At the same time, smoke and fire in the nail penetration test can be suppressed, and the safety of the nonaqueous electrolyte secondary battery can be improved.
[0034]
Further, by adding a small amount of Sn to the particle A, the particle B, or both of the particles A and B, a side reaction between the positive electrode active material and the nonaqueous electrolyte in a high temperature environment (particularly, the positive electrode active material and γ-butyrolactone) Therefore, the positive electrode active material having excellent discharge load characteristics, safety and high temperature storage characteristics can be realized. In particular, when the particles B contain a small amount of Sn, the high-temperature storage characteristics can be further enhanced.
[0035]
Hereinafter, the nonaqueous electrolyte battery according to the present invention will be described.
[0036]
The nonaqueous electrolyte battery according to the present invention includes a positive electrode, a negative electrode, and a nonaqueous electrolyte layer disposed between the positive electrode and the negative electrode.
[0037]
1) Positive electrode
The positive electrode includes a current collector and a positive electrode active material-containing layer that is formed on one or both sides of the current collector and contains a positive electrode active material.
[0038]
This positive electrode is produced, for example, by suspending a positive electrode active material, a conductive agent and a binder in an appropriate solvent, applying the obtained suspension to the surface of the current collector, drying, and pressing. .
[0039]
As the positive electrode active material, the above-described positive electrode active material according to the present invention can be used.
[0040]
Examples of the binder include polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVdF), and fluorine-based rubber.
[0041]
Examples of the conductive agent include acetylene black, carbon black, and graphite.
[0042]
The compounding ratio of the positive electrode active material, the conductive agent and the binder is preferably in the range of 80 to 95 wt% of the positive electrode active material, 3 to 20 wt% of the conductive agent, and 2 to 7 wt% of the binder.
[0043]
The current collector can be used without particular limitation as long as it is a conductive material, but as the current collector for the positive electrode, it is preferable to use a material that is not easily oxidized during battery reaction, for example, aluminum, stainless steel, Titanium or the like can be used.
[0044]
2) Negative electrode
The negative electrode includes a current collector and a negative electrode layer formed on one side or both sides of the current collector.
[0045]
The negative electrode is produced, for example, by kneading a negative electrode material powder and a binder in the presence of an organic solvent, applying the obtained suspension to a current collector, drying, and pressing.
[0046]
Examples of the negative electrode material include carbonaceous materials that occlude and release lithium ions, metals such as aluminum, magnesium, tin, and silicon, metal oxides, metal sulfides, metal nitrides, and lithium alloys.
[0047]
Examples of the carbonaceous material include graphite or carbonaceous materials such as graphite, coke, carbon fiber, and spherical carbon, thermosetting resin, isotropic pitch, mesophase pitch, mesophase pitch-based carbon fiber, mesophase microspheres, etc. And a mesophase pitch-based carbon fiber is preferable because of its high capacity and charge / discharge cycle characteristics), and a graphite material or a carbonaceous material obtained by heat treatment at 500 to 3000 ° C. In particular, the heat treatment temperature is 2000 ° C. or higher, and the (002) plane spacing d is obtained.002It is preferable to use a graphite material having a graphite crystal having a thickness of 0.34 nm or less. A nonaqueous electrolyte secondary battery including a negative electrode containing such a graphite material as a carbonaceous material can greatly improve battery capacity and large current discharge characteristics. The surface spacing d002Is more preferably 0.336 nm or less.
[0048]
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.
[0049]
The mixing ratio of the negative electrode material and the binder is preferably in the range of 90 to 98% by weight of the negative electrode material and 1 to 10% by weight of the binder.
[0050]
As the current collector, any conductive material can be used without any particular limitation. Among them, foil, mesh, punched metal, lath metal, or the like made of copper, stainless steel, or nickel can be used.
[0051]
3) Nonaqueous electrolyte layer
The nonaqueous electrolyte layer can impart ionic conductivity between the positive electrode and the negative electrode.
[0052]
Examples of the non-aqueous electrolyte layer include a separator holding a non-aqueous electrolyte, a gel-like non-aqueous electrolyte layer, a separator holding a gel-like non-aqueous electrolyte, a solid polymer electrolyte layer, and an inorganic solid electrolyte layer. Can be mentioned.
[0053]
As the separator, for example, a porous material can be used. Examples of such a separator include a synthetic resin nonwoven fabric, a polyethylene porous film, and a polypropylene porous film.
[0054]
The nonaqueous electrolytic solution is prepared, for example, by dissolving an electrolyte in a nonaqueous solvent.
[0055]
As the non-aqueous solvent, for example, a non-aqueous solvent mainly composed of a cyclic carbonate such as ethylene carbonate (EC) or propylene carbonate (PC), or a mixed solvent of these cyclic carbonate and a non-aqueous solvent having a viscosity lower than that of the cyclic carbonate. Can be used. Examples of the low-viscosity non-aqueous solvent include linear carbonates (eg, dimethyl carbonate, methyl ethyl carbonate, diethyl carbonate), γ-butyrolactone, acetonitrile, methyl propionate, ethyl propionate, cyclic ether (eg, tetrahydrofuran). , 2-methyltetrahydrofuran), and chain ethers (for example, dimethoxyethane, diethoxyethane, etc.). In particular, when a container made of a laminate film including a metal layer and a resin layer is used to reduce the weight and thickness of a secondary battery, or a non-aqueous electrolyte containing γ-butyrolactone is used. And the swelling of the container due to gas generation can be suppressed.
[0056]
A lithium salt is used as the electrolyte. Specifically, lithium hexafluorophosphate (LiPF6), Lithium borofluoride (LiBF)Four), Lithium arsenic hexafluoride (LiAsF)6), Lithium perchlorate (LiClO)Four), Lithium trifluorometasulfonate (LiCF)ThreeSOThree) And the like. In particular, lithium hexafluorophosphate (LiPF6), Lithium borofluoride (LiBF)Four) Is a preferred example.
[0057]
The amount of electrolyte dissolved in the non-aqueous solvent is preferably 0.5 to 2 mol / L.
[0058]
The gel-like nonaqueous electrolyte is obtained, for example, by combining a nonaqueous electrolyte and a polymer material. Examples of the polymer material include polymers of monomers such as polyacrylonitrile, polyacrylate, polyvinylidene fluoride (PVdF), polyethylene oxide (PECO), and copolymers with other monomers.
[0059]
The solid polymer electrolyte layer can be obtained, for example, by dissolving an electrolyte in a polymer material and solidifying it. Examples of such a polymer material include polymers of monomers such as polyacrylonitrile, polyvinylidene fluoride (PVdF), polyethylene oxide (PEO), and copolymers with other monomers.
[0060]
Examples of the inorganic solid electrolyte include a ceramic material containing lithium.ThreeN, LiThreePOFour-Li2S-SiS2, LiI-Li2S-SiS2Glass etc. are mentioned.
[0061]
【Example】
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0062]
  (referenceExample 1)
  Ni of various median diameters0.8Co0.2(OH)21.00 mol and LiOH.H2O1.00 mol is uniformly mixed in a mortar and reacted in an oxygen stream at 700 ° C. for 5 hours.0.8Co0.2O2The particle | grains A represented by these were obtained. The molar ratio (y / z) of Co and Ni in this particle A is 4.
[0063]
On the other hand, Co with various median diameters3O41.00 mol, Li2CO31.00 mol is uniformly mixed and reacted in the atmosphere at 850 ° C. for 5 hours, and the composition is LiCoO.2The particle | grains B represented by these were obtained. The molar ratio (y / z) of Co and Ni in this particle B is zero.
[0064]
Among the obtained particles A and particles B, the median diameter DA, Median diameter DBWere selected to be 2 μm each. The median diameter D of the particle AAAnd the median diameter D of the particle BBIs measured by the method described below.
[0065]
After stirring 0.5 g of the sample in 100 ml of water, ultrasonic dispersion was performed under the condition of 100 W-3 min. Thereafter, the median diameter (50% cumulative frequency particle diameter) was measured using a MICROTRAC II PATICLE-ANALYZER TYPE 7997-10 manufactured by LEEDS & NORTHRUP.
[0066]
Median diameter DAIs 2 μm particle A and median diameter DBIs a weight ratio W of particles B of 2 μmA: WBWere mixed at 20:80 to obtain a positive electrode active material.
[0067]
A mixture of 90% by weight of the positive electrode active material, 6% by weight of the conductive material, and 4% by weight of the binder is dispersed in a suitable solvent to form a slurry, which is applied to an Al foil, dried, and roller The positive electrode was obtained by compression molding with a press machine and cutting into a predetermined size.
[0068]
Further, N-methyl-2-pyrrolidone in which 6% by weight of polyvinylidene fluoride was dissolved was added to 94% by weight of mesophase pitch-based carbon fiber heat-treated at 3000 ° C. to prepare a mixture slurry. This mixture slurry was applied to a copper foil, dried, and heated and roll pressed to produce a negative electrode.
[0069]
On the other hand, ethylene carbonate (EC) and γ-butyrolactone (GBL) were mixed at a volume ratio of 1: 2. Lithium tetrafluoroborate (LiBF) was added to the obtained mixed solvent.Four) Was dissolved to a concentration of 1.5 mol / L to prepare a non-aqueous electrolyte.
[0070]
An electrode group was prepared by winding a separator made of a polyethylene porous film between the positive electrode and the negative electrode in a spiral shape.
[0071]
After this electrode group was housed in a bottomed cylindrical container, a nonaqueous electrolyte solution was injected and fixed by caulking to assemble a cylindrical nonaqueous electrolyte secondary battery having the structure shown in FIG.
[0072]
That is, as shown in FIG. 2, the bottomed cylindrical container 1 made of, for example, stainless steel has an insulator 2 disposed at the bottom. The electrode group 3 is accommodated in the container 1. The electrode group 3 has a structure in which a belt-like material in which the positive electrode 4, the separator 5, and the negative electrode 6 are laminated in this order is wound in a spiral shape.
[0073]
A non-aqueous electrolyte is accommodated in the container 1. In the upper opening of the container 1, a PTC element 7 having a hole in the center, a safety valve 8 for venting gas, and a hat-shaped positive terminal 9 are arranged. These are caulked and fixed to the upper opening of the container 1 via an insulating gasket 10. One end of the positive electrode lead 11 is connected to the positive electrode 4, and the other end is connected to the PTC element 7. The negative electrode 6 is connected to the container 1 serving as a negative electrode terminal through a negative electrode lead (not shown).
[0074]
  (Example 24,6-9,11-16Reference examples 1, 5, 10And Comparative Examples 1 to 28)
  Compounding amount W of particles A and BA, WB, Median diameter DA, DBIs set as described in Tables 2 to 3 below, as described above.referenceA cylindrical non-aqueous electrolyte secondary battery having the same configuration as described in Example 1 was assembled.
[0075]
  Example 2 obtained4,6-9,11-16Reference examples 1, 5, 10And about the secondary battery of Comparative Examples 1-28, the discharge load characteristic and the nail penetration test were implemented by the method demonstrated below, and the result is shown in following Table 1-Table 3. FIG.
[0076]
(Discharge load characteristics)
The discharge load characteristic test was performed according to the following procedure.
[0077]
The current value at which the designed capacity of 4.2V to 3.0V of each of the produced secondary batteries was completely discharged in 1 hour was defined as 1C, and the capacity when 1C was discharged was measured. Next, the capacity at the time of discharging at 3 times the current value of 3C was measured, the capacity at the time of 1C discharge was taken as 100%, and the capacity retention rate at the time of 3C discharge was evaluated.
[0078]
(Nail penetration test)
In the nail penetration test, the prepared secondary battery is charged to 4.4 V, fixed to a test device with a 2.5 mmφ nail attached to a hydraulic press machine, and the nail is lowered at a speed of 70 mm / sec. A nail was stabbed into the body and the behavior at that time was investigated.
[0079]
In the table, A to E of the nail penetration test results are as follows: A: All are only leaked, B: Less than half are safety valve operation and leakage, C: More than half are safety valve operation and leakage, D: Less than half of the valves operate as a safety valve, and after leakage, smoke or fire, E: More than half of the valves operate as a safety valve, and after leakage, smoke or fire.
[0080]
Tables 1 to 3 also show each compounding amount W of the particles A.AMedian diameter DATolerance (0.09WA+ 1 ≦ DA≦ −0.09WA+15) and each compounding amount W of particle BBMedian diameter DBTolerance (0.04WA+ 1 ≦ DB≦ −0.06WA+20).
[0081]
[Table 1]
Figure 0004248190
[0082]
[Table 2]
Figure 0004248190
[0083]
[Table 3]
Figure 0004248190
[0084]
From the results of Tables 1 to 3, the following became clear. Mixing ratio W of particle A and particle BA: WBIs constant, the median diameter D of the particle AAOr median diameter D of particle BBAs the value increases, the 3C discharge maintenance ratio decreases. Also, the mixing ratio W of the particles A and the particles BA: WBIs constant, the median diameter D of the particle AAOr median diameter D of particle BBAs becomes smaller, there is a higher probability of smoke or fire.
[0085]
On the other hand, the blending amount W of the particles AAWhen the median diameter was small, smoke or ignition occurred during the nail penetration test. Therefore, when the median diameter was increased in order to prevent smoke and ignition, the 3C discharge maintenance ratio was significantly lowered.
[0086]
From these results, the compounding amount W of the particles AAIs preferably less than 77.8 wt%, and from the viewpoint of improving the discharge load characteristics, the median diameter D of the particles AAFor the straight line DA= -0.09WAAn area equal to or smaller than the median diameter calculated by +15, while the median diameter D of the particle BBFor the straight line DB= -0.06WAIt can be seen that it is preferable to select a region equal to or smaller than the median diameter calculated by +20. Furthermore, from the viewpoint of improving safety, the median diameter D of the particles AAFor the straight line DA= 0.09WAA region equal to or larger than the median diameter calculated by +1, while the median diameter D of the particle BBFor the straight line DB= 0.04WAIt can be seen that it is preferable to select a region equal to or larger than the median diameter calculated by +1.
[0087]
  Therefore, the blending amount W of the particles AA(Wt%) and the amount W of particles BBIs 0 <WA<77.8, WB= 100-WAThe median diameter D of the particles AA(Μm) is straight line DA= 0.09WA+1 and straight line DA= -0.09WAMedian diameter D of particles B included in the region surrounded by +15B(Μm) is straight line DB= 0.04WA+1 and straight line DB= -0.06WBBy using the positive electrode active material contained in the region surrounded by +20, it is possible to obtain a battery having both good discharge load characteristics and excellent safety..
[0088]
  (referenceExample 17)
  As particles A, the composition is LiNi0.8Co0.2Sn0.01O2(LiNi0.8Co0.2O2Li to 1 mol2SnOThreeIs a median diameter D represented by the following formula:A2 μm particles were prepared. Further, as the particle B, the composition is LiCoO.2The median diameter D expressed byB2 μm particles were prepared. The molar ratio (y / z) of Co and Ni in the particle A is 4. On the other hand, the molar ratio (y / z) of Co and Ni in the particle B is zero.
[0089]
In the composition analysis of the particles A, the sample was dissolved in hydrochloric acid and quantified by ICP emission analysis using ICP1200A manufactured by Seiko Instruments Inc.
[0090]
Weight ratio W of particles A and BA: WBWere mixed at 20:80 to obtain a positive electrode active material.
[0091]
6 parts by weight of acetylene black as a conductive additive and 3 parts by weight of polytetrafluoroethylene as a binder are added to 100 parts by weight of this positive electrode active material, and these are mixed in a mortar and molded into a sheet shape. And was attached to a SUS mesh to obtain a positive electrode.
[0092]
Li metal was used as a counter electrode and a reference electrode. The counter electrode and the reference electrode were opposed to the positive electrode through a separator. These electrodes were immersed in a nonaqueous electrolytic solution in an electrolytic cell to produce a simulated battery cell. As the non-aqueous electrolyte, lithium tetrafluoroborate (LiBF) was mixed with a non-aqueous solvent in which ethylene carbonate (EC) and γ-butyrolactone (GBL) were mixed at a volume ratio of 1: 2.Four) Was used so that its concentration was 1.5 mol / L.
[0093]
  (referenceExample 18)
  The composition of the particle A is LiNi0.8Co0.2Sn0.002O2(LiNi0.8Co0.2O2Li to 1 mol2SnOThree, Except that the mixture is changed to 0.002 mole ratio).referenceA simulated battery cell was assembled in the same manner as in Example 17.
[0094]
  (referenceExample 19)
  The composition of the particle A is LiNi0.8Co0.2Sn0.1O2(LiNi0.8Co0.2O2Li to 1 mol2SnOThree, Except that the mixture is changed to 0.1)referenceA simulated battery cell was assembled in the same manner as in Example 17.
[0095]
  (referenceExample 20)
  As particles A, the composition is LiNi0.8Co0.2O2The median diameter D expressed byA2 μm particles were prepared. Further, as the particle B, the composition is LiCoSn.0.04O2(LiCoO2Li to 1 mol2SnOThreeIs a median diameter D expressed by the following formula:B2 μm particles were prepared. The molar ratio (y / z) of Co and Ni in the particle A is 4. On the other hand, the molar ratio (y / z) of Co and Ni in the particle B is zero.
[0096]
Weight ratio W of particles A and BA: WBWere mixed at 20:80 to obtain a positive electrode active material.
[0097]
  Except for using such a positive electrode active material, as described above.referenceA simulated battery cell was assembled in the same manner as in Example 17.
[0098]
  (referenceExample 1-2)
  Mentioned abovereferenceAs described above, except that a positive electrode active material similar to that described in Example 1 is used.referenceA simulated battery cell was assembled in the same manner as in Example 17.
[0099]
  ObtainedreferenceExamples 17-20 andreferenceIn order to make the simulated cell of Example 1-2 in a uniform electrode impregnation state, charge and discharge was performed at 3.0 V to 4.2 V and 3 mA for 2 cycles, and then charged at 20 ° C., 3 mA and 4.2 V. After carrying out AC impedance measurement, it was stored at 45 ° C. for a certain period of time, and AC impedance measurement was carried out again to examine the state of impedance rise. The results are shown in FIGS. The vertical axis in FIG. 3 indicates the imaginary component of the AC impedance of the battery, and the horizontal axis indicates the real component.
[0100]
FIG. 4 is an enlarged view of a main part of FIG.
[0101]
  As apparent from FIGS. 3 and 4, Sn is contained in the particles A or B.referenceExample 17 ~referenceAccording to the battery of Example 20, Sn was not added.referenceCompared to Example 1-2, the increase in impedance when stored at a high temperature of 45 ° C. was moderate.referenceEven if the Sn content in the particles is very small as in Example 18, no Sn was added.referenceA sufficient effect of 1/3 or less compared to Example 1-2 is observed. Moreover, even if the addition amount of Sn is increased or the same addition amountreferenceWhen Sn is contained in the particle B as in Example 20, the effect is further increased.
[0102]
In the above-described embodiment, the example applied to the positive electrode active material composed of the two types of particles A and B has been described. As the positive electrode active material, as long as both discharge load characteristics and safety can be satisfied, LiNiO on particles A and B2Those composed of three or more kinds of particles in which other kinds of particles are mixed can be used.
[0103]
Further, in the above-described embodiments, the example applied to the cylindrical nonaqueous electrolyte secondary battery has been described. However, the prismatic nonaqueous electrolyte secondary battery, the thin nonaqueous electrolyte secondary battery, and the coin type nonaqueous electrolyte secondary battery are described. It can be similarly applied to. In the above-described embodiments, a metal container is used as a container for storing an electrode group. However, the present invention can be similarly applied to a battery including a laminate film container containing a metal layer and a resin layer. .
[0104]
【The invention's effect】
  As described above in detail, according to the present invention, a positive electrode active material capable of achieving both smoke suppression and ignition suppression during the nail penetration test and an improvement in discharge load characteristics, and a non-positive electrode provided with the positive electrode active material are provided. A water electrolyte battery can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a characteristic diagram showing the relationship between the blending amount and particle size of particles A and B contained in a positive electrode active material according to the present invention.
FIG. 2 is a partially cutaway perspective view showing a cylindrical nonaqueous electrolyte secondary battery which is an example of a nonaqueous electrolyte battery according to the present invention.
[Fig. 3]referenceExamples 17-20 andreferenceThe characteristic view which shows the internal impedance change by the high temperature storage about the simulation cell of Example 1-2.
4 is an enlarged view showing a main part of FIG. 3. FIG.
[Explanation of symbols]
  1 ... container,
  3 ... Electrode group,
  4 ... positive electrode,
  6 ... negative electrode,
  5 ... separator,
  7: PTC element,
  8 ... Safety valve,
  9: Positive terminal,
  10: Insulating gasket.

Claims (6)

一般式LixNiyCozSnw2(ただし、モル比x、y、zおよびwは、0.95≦x≦1.05、0.85≦y+z≦1、0≦w≦0.1を示し、x+y+z+w=2を満たす)で表される組成を有する粒子A,Bを含み、前記粒子AにおけるNiとCoの比(y/z)が7/3以上で、かつ前記粒子BにおけるNiとCoの比(y/z)が3/7以下(0を含む)であり、
前記粒子Aのメジアン径D(μm)が下記(1)式を満足し、かつ前記粒子Bのメジアン径D(μm)が下記(2)式を満足し、
前記メジアン径D 及び前記メジアン径D が5μm以上であることを特徴とする正極活物質。
0.09W+1≦D≦−0.09W+15 …(1)
0.04W+1≦D≦−0.06W+20 …(2)
但し、前記Wは、前記粒子Aの配合量(重量%)で、0<W<77.8を満たす。
Formula Li x Ni y Co z Sn w O 2 ( where the molar ratio x, y, z and w, 0.95 ≦ x ≦ 1.05,0.85 ≦ y + z ≦ 1,0 ≦ w ≦ 0. 1 and satisfying x + y + z + w = 2), the ratio of Ni to Co in the particle A (y / z) is 7/3 or more, and in the particle B The ratio of Ni to Co (y / z) is 3/7 or less (including 0),
The median diameter D A (μm) of the particle A satisfies the following formula (1), and the median diameter D B (μm) of the particle B satisfies the following formula (2) :
The positive electrode active material wherein the median diameter D A and the median diameter D B is characterized der Rukoto than 5 [mu] m.
0.09W A + 1 ≦ D A ≦ −0.09 W A +15 (1)
0.04W A + 1 ≦ D B ≦ −0.06 W A +20 (2)
However, the W A, the amount of particles A (weight%), satisfy 0 <W A <77.8.
前記粒子Aの前記(y/z)が7/3以上、9/1以下であることを特徴とする請求項1記載の正極活物質。The positive electrode active material according to claim 1, wherein the (y / z) of the particle A is 7/3 or more and 9/1 or less . 前記粒子AのSnのモル比wが0で、かつ前記粒子BのSnのモル比wが0<w≦0.1の範囲内であることを特徴とする請求項1または2記載の正極活物質。 3. The positive electrode active according to claim 1, wherein the Sn molar ratio w of the particles A is 0 and the Sn molar ratio w of the particles B is in a range of 0 <w ≦ 0.1. material. 前記粒子Bの前記モル比wは、0.01≦w≦0.05であることを特徴とする請求項3記載の正極活物質。 The positive electrode active material according to claim 3 , wherein the molar ratio w of the particles B is 0.01 ≦ w ≦ 0.05 . 前記粒子A及び前記粒子Bの前記モル比xは、0.99≦x≦1.03であることを特徴とする請求項1〜4いずれか1項記載の正極活物質。The positive electrode active material according to claim 1, wherein the molar ratio x of the particles A and the particles B is 0.99 ≦ x ≦ 1.03. 請求項1〜5いずれか1項記載の正極活物質を含む正極と、負極と、非水電解質とを具備することを特徴とする非水電解質電池。A nonaqueous electrolyte battery comprising a positive electrode containing the positive electrode active material according to claim 1, a negative electrode, and a nonaqueous electrolyte.
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