JP4325167B2 - 非水電解液二次電池用電極材料 - Google Patents
非水電解液二次電池用電極材料 Download PDFInfo
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Description
【発明が属する技術分野】
本発明は、リチウムイオン二次電池用正極材料およびそれを用いた二次電池に関し、特に、放電容量の大きいスピネル型リチウムマンガン複合酸化物からなる二次電池正極材料およびそれを用いた二次電池に関する。
【0002】
【従来の技術】
リチウム二次電池およびリチウムイオン二次電池(以下、リチウムイオン系二次電池という)は、小型で大容量であるという特長を有しており、携帯電話、ノート型パソコン等の電源として広く用いられている。リチウムイオン系二次電池の正極活物質としては、現在、LiCoO2が主に利用されているが、充電状態の安全性が必ずしも充分ではない上、Co原料の値段が高く、現在、これに代わる新たな正極活物質の探索が精力的に進められている。
【0003】
LiCoO2と同じ層状の結晶構造を有する材料として、LiNiO2の使用が検討されているが、LiNiO2は高容量であるものの、LiCoO2と比較して電位が低い上、安全性の点でも課題を有している。
【0004】
また、他の正極活物質として、スピネル構造のLiMn2O4の使用も盛んに検討されている。ところが、LiMn2O4は、サイクルに伴う劣化や高温時の容量低下が発生する。これは3価Mnの不安定性に起因するものであり、Mnイオンの平均価数が3価と4価の間で変化する際に、Jahn−Teller(ヤーン・テラー)歪みが結晶中に生じ、結晶構造の安定性が低下することによってサイクルに伴う性能劣化等が発生すると考えられている。
【0005】
こうしたことから、これまで、電池の信頼性を高めることを目的として、3価のMnを他元素で置換し構造安定性を向上させる検討が行われてきた。たとえば特許文献1には、こうした正極活物質を備えた二次電池が開示されており、LiMn2O4に含まれる3価Mnを他の金属で置換した活物質が開示されている。すなわち、特許文献1の特許請求の範囲には、スピネル構造を有し組成式LiMxMn2−xO4(MはAl、B、Cr、Co、Ni、Ti、Fe、Mg、Ba、Zn、Ge、Nbから選ばれる1種以上、0.01≦x≦1)で表されるリチウムマンガン複合酸化物を備える二次電池が記載されており、特許文献1の発明の詳細な説明の欄には、LiMn1.75Al0.25O4を正極活物質として用いる例が具体的に開示されている。
【0006】
ところが、上記のように3価Mnを他元素で置換して減らした場合、放電容量の低下が問題となる。LiMn2O4は充放電に伴い次のようなMnの価数変化を起こす。
【0007】
Li+Mn3+Mn4+O2- 4 →Li+ + Mn4+ 2O2- 4+ e-
この式からわかるように、LiMn2O4は3価のMnと4価のMnが含まれており、このうちの3価のMnが4価に変化することで放電が起こる。したがって、3価のMnを他元素に置換すれば、必然的に放電容量の低下をもたらすことになる。すなわち、正極活物質の構造安定性を高めて電池の信頼性を向上させようとしても、放電容量の低下が顕著となり、両者を両立させることは困難である。特に、放電容量値130mAh/g以上で信頼性の高い正極活物質を得ることは非常に困難である。
【0008】
上記のようにLiMn2O4に含まれる3価Mnを他の金属で置換した活物質は、いわゆる4V級の起電力を有するリチウム二次電池を構成するが、これとは別の方向の技術として、例えば、特許文献2などには、LiMn2O4のMnの一部をNi、Co、Fe、Cu、Crなどで置換し、充放電電位を高くして、エネルギー密度を増加させるといった検討がなされている。これらはいわゆる5V級の起電力を有するリチウム二次電池を構成する。以下、LiNi0.5Mn1.5O4を例に挙げて説明する。
【0009】
LiNi0.5Mn1.5O4は充放電に伴い次のようなNiの価数変化を起こす。
Li+Ni2+ 0.5Mn4+ 1.5O2- 4 → Li+ +Ni4+ 0.5Mn4+ 1.5O2- 4+ e-
この式からわかるように、LiNi0.5Mn1.5O4は2価のNiが4価に変化することで放電が起こる。Mnについては価数変化はない。このように、充放電に関与する金属をMnからNi、Co等に代えることで、4.5V以上の高い起電力を得ることができる。
【0010】
また、特許文献3には、Li金属に対して4.5V以上の電位で充放電を行うスピネル構造の結晶LiMn2−y−zNiyMzO4(但し、M:Fe,Co,Ti,V,Mg,Zn,Ga,Nb,Mo,Cuよりなる群から選ばれた少なくとも一種、0.25≦y≦0.6、0≦z≦0.1)が開示されている。特許文献4には、LiMn2O4のMnを他遷移金属で置換し、さらに、他元素で置換した一般式LiaMn2−y−i−j−kMyM1iM2jM3kO4(但し、M1:2価カチオン、M2:3価カチオン、M3:4価カチオン、M:Mnを除く少なくとも1種の遷移金属元素、i≧0、j≧0、k≧0、i+j>0)で表される5V級正極活物質が開示されている。
【0011】
しかしながら、このような活物質を用いても、現在利用されているLiCoO2をエネルギー密度で大幅に超えることは現状では困難である。また、上記5V級活物質は、たしかに4.5V以上もの起電力を発生させるものの、放電容量が減少する課題があった。
【0012】
【特許文献1】
特開2001−176557号公報
【特許文献2】
特開平9−147867号公報
【特許文献3】
特開2000−235857号公報
【特許文献4】
特開2002−063900号公報
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はこうした状況に鑑みなされたものであって、従来にない高容量、高エネルギー密度を有する正極材料を提供することを目的とする。
【0014】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明によれば、下記一般式(I)
Lia(MxMn2−x−yAy)O4 (I)
(式中、0<x、0.4<y、x+y<2、0<a<1.2である。Mは、Ni、Co、Fe、CrおよびCuよりなる群から選ばれ、少なくともNiを含む一種以上の金属元素を含む。Aは、Si、Tiから選ばれる少なくとも一種の金属元素を含む。但し、AがTiだけを含む場合には、Aの比率yの値は、0.1<yである。)で表されるスピネル型リチウムマンガン複合酸化物を含むことを特徴とする二次電池用正極活物質が提供される。
【0015】
また本発明によれば、上記二次電池用正極活物質が結着剤により結着されてなることを特徴とする二次電池用正極が提供される。
【0016】
また本発明によれば、上記二次電池用正極と、セパレータを介して該二次電池用正極と対向配置された負極とを備えたことを特徴とする二次電池が提供される。
【0017】
本発明は、式(I)に示されるように、3価以下の価数と、その価数よりも大きい価数の両方の状態をとり得る遷移金属Mを含む点、および、Mnよりも重量の軽いSiまたはTiを含む点(元素A)が特徴の一つとなっている。
【0018】
本発明においては、スピネル正極材料の元素置換によって、電池の高容量化、高エネルギー密度化を図っている。LiMn2O4に対して、Mnの一部をNi、Co、Fe、CrおよびCuのうちの少なくとも一種で置換することで、置換元素の価数変化に起因する高電圧の充放電領域が、置換量に応じて現れることとなる。高電圧の充放電領域を十分大きく得るためには、LiMxMn2−xO4とした場合、x>0.4であることが必要である。5V級スピネルの一つであるLiNi0.5Mn1.5O4の場合、Mnは4価の状態であり、充放電に伴うLiの放出吸収の過程における遷移金属の価数変化はMnではなく、Niの価数変化(2価から4価へ変化)によっていて、Mnの価数は4価に保たれる。5V級スピネルでは理想的にはMn3+は存在せず、Mnを他元素に置換したとしても、サイクルに伴う容量低下や、高温での結晶構造の劣化といった信頼性の低下は起こりにくい。こうした点を踏まえ、本発明は、充放電に直接寄与しないMnをより軽量な金属に置換することで重量当たりの放電量を増大させ、高容量化を図ったものである。
【0019】
LiNi0.5Mn1.5O4のMn元素サイトを2価や3価の価数の小さい元素で置換した場合、2価のNiが3価となることや、残存した3価のMnが4価となることなどによって、価数バランスが保たれる。この結果、充放電に寄与する2価のNi量や3価のMn量が減少してしまい、容量が低下するという問題が生じる。このような点からも置換元素は4価であることが望ましい。
【0020】
LiMn2O4のMnを他元素に置換する技術は前述の4V級活物質においても採用されているが、これらは正極活物質の構造の安定性を高めることを目的とするのに対し、本発明は容量の増大を目的とする点で相違する。具体的構成についてみると、4V級では充放電に関与する3価のMnが置換されるのに対して、本発明においては、正極活物質中に、3価以下の価数と、その価数よりも大きい価数の両方の状態をとり得る遷移金属Mが含まれ、充放電に関与する主たる金属がMn以外の金属となっており、この点で両者は相違している。本発明においては、元素Mの存在によりMnの大部分は4価となっており、充放電に関与する3価のMnはほとんど含まれていない。
【0021】
以上のように本発明においては、元素Mを導入することによりMnが基本的に充放電には関与しない構成とした上で、Mnをより軽量な金属に置換して重量当たりの放電量を増大させ、高容量化を図っている。4価で安定な元素で、Mnよりも軽いものとしては、SiまたはTiがある。すなわち、MnをSi、Tiで置換することにより、高い信頼性を維持しつつ高容量化が実現される。
【0022】
Si、Ti置換による高容量化の効果は、これらの元素置換量が大きいほど大きい。Lia(MxMn2−x−yAy)O4では、y>0.1とした場合に特に顕著な効果があり、130mAh/g以上の容量が得られ、信頼性も高い。5V級スピネルでは、Si、Ti置換により高容量化可能であり、かつLi金属に対して4.5V以上の高電圧での充放電が可能であるため、エネルギー密度の点で非常に優れた特性が得られる。また、Ti置換の場合には、放電電位を高電圧化できることが新たに分かり、これらの2つの効果によって、高エネルギー密度化が可能である。
【0023】
【発明の実施の形態】
本発明において、一般式(I)中、元素MはNiを必須成分として含むが、Co、Fe、CrおよびCuよりなる群から選ばれる少なくとも一種をさらに含んでいてもよい。これらは、いずれも3価以下の価数と、その価数よりも大きい価数の両方の状態をとり得る遷移金属である。LiMn2O4のMnの一部を、Ni、Co、Fe、CrあるいはCuで置換したLiMxMn2−xO4(MはNi、Co、Fe、CrあるいはCuの少なくとも一つ)は5V級マンガンスピネル型正極活物質として知られている。本発明のようにNiを必須成分として選択する理由は、Niの材料価格が安いこと、電池の活物質として放電容量が大きいことなどである。従来、Co,Fe,CrあるいはCuを含有する5V級マンガンスピネルは、Ni含有5V級マンガンスピネルと比較して、電池の充放電電圧が高いという利点はあるが、放電容量値が小さいという問題点があった。本発明に記載のようにNiを必須元素として含有させることにより、Co,Fe,CrあるいはCuを含有した5V級マンガンスピネルを使用した電池の従来の低い容量特性を改善させることができる。さらに、Niを単独で含有した5V級マンガンスピネルよりも高い起電力が得られる。
【0024】
元素Mは、微量成分として他の元素を含んでいても良い。また、元素MをNi単独とすることもできる。
【0025】
元素Mの組成比xは、0.4<x<0.6とすることができる。特にMをNi単独とした場合、上記範囲とすることが好ましい。このような範囲とすることで高起電力および高容量を実現することができる。
【0026】
本発明に係る正極活物質は、リチウム基準電位に対する平均放電電圧が4.5V以上である構成とすることができる。こうすることで、高い動作電圧の電池を実現することができる。リチウム基準電位に対し、たとえばNiの電位は4.7V、Coは5.1V、Crは5.0Vであり、これらの金属を充放電に寄与する成分として用いることにより、上記のような平均放電電圧が4.5V以上の正極活物質を得ることができる。
【0027】
本発明における一般式(I)中、Aは、Siを含む構成とすることができる。また、AがTiを含む構成とすることができる。
【0028】
本発明におけるスピネル型リチウムマンガン複合酸化物は、具体的には以下の(Ia)〜(Ic)に示される態様とすることができる。
【0029】
Lia(NixMn2−x−ySiy)O4 (Ia)
(式中、0.4<x<0.6、0<y、x+y<2、0<a<1.2)
【0030】
Lia(NixMn2−x−yTiy)O4 (Ib)
(式中、0.4<x<0.6、0.1<y、x+y<2、0<a<1.2)
【0031】
Lia(NixMn2−x−y−zSiyTiz)O4 (Ic)
(式中、0.4<x<0.6、0<y、0<z、x+y+z<2、0<a<1.2)
【0032】
なお、本発明において、式(I)または式(Ia)〜(Ic)中、酸素の一部がF、Clなどのハロゲンで置換した構成を採用することもできる。
【0033】
次に、本発明に係る正極活物質の作製方法について説明する。正極活物質の作製原料として、Li原料には、Li2CO3、LiOH、Li2O、Li2SO4などを用いることができるが、このうち、特にLi2CO3、LiOHなどが適している。Mn原料としては、電解二酸化マンガン(EMD)・Mn2O3・Mn3O4・CMD等の種々のMn酸化物、MnCO3、MnSO4などを用いることができる。Ni原料としては、NiO、Ni(OH)2、NiSO4、Ni(NO3)2などが使用可能である。Ti原料としてはTiO2などが用いられ、Si原料としてはSiO2、SiOなどが代表的には用いられる。Mn,Ni,Ti,Si原料としては、これらの金属元素を含む複合酸化物を用いることもできる。
【0034】
これらの原料を目的の金属組成比となるように秤量して混合する。混合は、ボールミル、ジェットミルなどにより粉砕混合する。混合粉を600℃から950℃の温度で、空気中または酸素中で焼成することによって正極活物質を得る。焼成温度は、それぞれの元素の拡散させるためには高温である方が望ましいが、焼成温度が高すぎると酸素欠損を生じ、電池特性に悪影響を及ぼす場合がある。このことから、焼成温度は600℃から850℃程度であることが望ましい。
【0035】
得られたリチウム金属複合酸化物の比表面積は、たとえば3m2/g以下とし、好ましくは1m2/g以下とする。比表面積が大きいほど結着剤が多く必要であり、正極の容量密度の点で不利になるからである。
【0036】
二次電池用正極の作製にあたっては、得られた正極活物質を導電性付与剤と混合し、結着剤によって集電体上に形成する。導電付与剤の例としては、炭素材料の他、Alなどの金属物質、導電性酸化物の粉末などを使用することができる。結着剤としてはポリフッカビニリデンなどが用いられる。集電体としてはAlなどを主体とする金属薄膜を用いる。
【0037】
導電付与剤の添加量は、たとえば1〜10重量%程度とすることができ、結着剤の添加量は1〜10重量%程度とすることができる。活物質重量の割合が大きい方が重量辺りの容量が大きくなる。導電付与剤と結着剤の割合が小さすぎると、導電性が保てなくなったり、電極剥離の問題が生じる。
【0038】
本発明に係る二次電池は、たとえば図1のような構造を有する。正極集電体3上に正極活物質層1が形成され、正極を構成している。また、負極集電体4上に負極活物質層2が形成され、負極を構成している。これらの正極と負極は、電解液に浸漬した状態の多孔質のセパレータ5を介して対向配置されている。正極を収容する正極外装缶6と、負極を収容する負極外装缶7とが、絶縁パッキング部8を介して接合した構成となっている。
【0039】
正極と負極に電圧を印加することにより正極活物質からリチウムイオンが脱離し、負極活物質にリチウムイオンが吸蔵され、充電状態となる。また、正極と負極の電気的接触を電池外部で起こすことにより、充電時と逆に、負極活物質からリチウムイオンが放出され、正極活物質にリチウムイオンが吸蔵されることにより、放電が起こる。
【0040】
本発明に係る二次電池に用いられる電解液としては、プロピレンカーボネート(PC)、エチレンカーボネート(EC)、ブチレンカーボネート(BC)、ビニレンカーボネート(VC)等の環状カーボネート類、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、ジプロピルカーボネート(DPC)等の鎖状カーボネート類、ギ酸メチル、酢酸メチル、プロピオン酸エチル等の脂肪族カルボン酸エステル類、γ−ブチロラクトン等のγ−ラクトン類、1,2−エトキシエタン(DEE)、エトキシメトキシエタン(EME)等の鎖状エーテル類、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン等の環状エーテル類、ジメチルスルホキシド、1,3−ジオキソラン、ホルムアミド、アセトアミド、ジメチルホルムアミド、ジオキソラン、アセトニトリル、プロピルニトリル、ニトロメタン、エチルモノグライム、リン酸トリエステル、トリメトキシメタン、ジオキソラン誘導体、スルホラン、メチルスルホラン、1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノン、3−メチル−2−オキサゾリジノン、プロピレンカーボネート誘導体、テトラヒドロフラン誘導体、エチルエーテル、1,3−プロパンスルトン、アニソール、N−メチルピロリドン、フッ素化カルボン酸エステルなどの非プロトン性有機溶媒を一種又は二種以上を混合して使用し、これらの有機溶媒に溶解するリチウム塩を溶解させる。リチウム塩としては、例えばLiPF6、LiAsF6、LiAlCl4、LiClO4、LiBF4、LiSbF6、LiCF3SO3、LiC4F9CO3、LiC(CF3SO2)2、LiN(CF3SO2)2、LiN(C2F5SO2)2、LiB10Cl10、低級脂肪族カルボン酸カルボン酸リチウム、クロロボランリチウム、四フェニルホウ酸リチウム、LiBr、LiI、LiSCN、LiCl、イミド類などがあげられる。また、電解液に代えてポリマー電解質を用いてもよい。
【0041】
電解質としては、LiBF4、LiPF6、LiClO4、LiAsF6、LiSbF6、LiCF3SO3、Li(CF3SO2)N、LiC4F9SO3、Li(CF3SO2)3C、Li(C2F5SO2)2Nなどを単独もしくは混合して用いることができる。電解質濃度はたとえば0.5mol/l〜1.5mol/lとすることができる。濃度が高すぎると密度と粘度が増加することがあり、濃度が低すぎると電気電導率が低下することがある。
【0042】
負極活物質としてはリチウムを吸蔵放出可能な材料が用いられ、グラファイトまたは非晶質炭素等の炭素材料、Li金属、Si、Sn、Al、SiO、SnOなどを単独または混合して用いることができる。
【0043】
負極活物質は導電性付与剤と結着剤によって集電体上に形成させる。導電付与剤の例としては、炭素材料の他、導電性酸化物の粉末などを使用することができる。結着剤としてはポリフッカビニリデンなどが用いられる。集電体としてはAl、Cuなどを主体とする金属薄膜を用いる。
【0044】
作製された正極と負極はセパレータによって電気的接触がない状態で対向させる。セパレータとしてはポリエチレン、ポリプロピレンなどからなる微多孔質膜を用いることができる。
【0045】
この正極と負極がセパレータを挟んで対向したものを、円筒状、または積層上に形成する。これらを電池ケースに収納し、正極活物質、負極活物質の両方が電解液に接するような状態となるように電解液に浸す。正極、負極それぞれと電気的接触を保った電極端子を接続しておき、その電極端子を電極ケース外部に通ずるように接続しておき、電池ケースを密閉して二次電池が完成する。
【0046】
本発明は電池形状には制限がなく、セパレータを挟んで対向した正極、負極を巻回型、積層型などの形態を取ることが可能であり、セルにも、コイン型、ラミネートパック、角型セル、円筒型セルを用いることができる。
【0047】
【実施例】
実施例1
正極活物質として、以下の試料を作製し、評価を行った。
LiNi0.5Mn1.5O4(試料1)
LiNi0.5Mn1.45Ti0.05O4(試料2)
LiNi0.5Mn1.4Ti0.1O4(試料3)
LiNi0.5Mn1.35Ti0.15O4(試料4)
LiNi0.5Mn1.3Ti0.2O4(試料5)
LiNi0.5Mn1.2Ti0.3O4(試料6)
LiNi0.5Mn1.3Si0.2O4(試料7)
LiNi0.5Mn1.1Si0.4O4(試料8)
LiNi0.5Mn1.1Ti0.3Si0.1O4(試料9)
LiNi0.5Mn1.35Ti0.05Si0.1O4(試料10)
LiNi0.5Mn1.5O4(試料11)
LiNi0.4Co0.2Mn1.4O4(試料12)
LiNi0.4Co0.2Ti0.15Mn1.25O4(試料13)
LiNi0.3Co0.4Mn1.3O4(試料14)
LiNi0.3Co0.4Ti0.15Mn1.15O4(試料15)
LiNi0.4Fe0.2Mn1.4O4(試料16)
LiNi0.4Fe0.2Ti0.15Mn1.25O4(試料17)
LiNi0.4Cr0.2Mn1.4O4(試料18)
LiNi0.4Cr0.2Si0.05Mn1.35O4(試料19)
LiNi0.45Cu0.05Mn1.5O4(試料20)
LiNi0.45Cr0.05Si0.05Mn1.45O4(試料21)
【0048】
(正極活物質の作製)
試料1〜試料10、試料12〜試料21のLi以外の金属原料には、複合酸化物を用いた。試料11のみはMnO2、NiOを目的の金属組成比になるように秤量し、さらに、Li2CO3をLi原料として、粉砕混合した。原料混合後の粉末を750℃で8時間焼成した。試料1〜試料10、試料12〜試料21の結晶構造が、ほぼ単相のスピネル構造であることを確認した。試料11においては、NiOからなる異相がわずかに検出された。
【0049】
作製した正極活物質と導電性付与剤である炭素を混合し、N−メチルピロリドンにポリフッカビニリデン(PVDF)を溶かしたものに分散させスラリー上とした。正極活物質、導電性付与剤、結着剤の重量比は88/6/6とした。Al集電体上にスラリーを塗布した。その後、真空中で12時間乾燥させて、電極材料とした。電極材料は直径12mmの円に切り出した。その後、3t/cm2で加圧成形した。負極はLi金属ディスクを用いた。
【0050】
セパレータにはPPのフィルムを使用し、正極と負極を対向配置させ、コインセル内に配置し、電解液を満たして密閉した。電解液は、溶媒EC(エチレンカーボネート)/DEC(ジエチルカーボネート)=3/7(vol−%)に電解質LiPF6を1mol/l溶解させたものを使用した。
【0051】
試料1から試料11までの電池特性の評価は、0.1Cの充電レートで4.9Vまで充電を行い、0.1Cのレートで3Vまで放電を行った。試料12から試料21までは、0.1Cの充電レートで5.1Vまで充電を行い、0.1Cのレートで3Vまで放電を行った。容量および平均動作電圧の測定結果を以下の表1に示す。Ti置換、Si置換とも容量が増加したことが確認された。図2にLiNi0.5Mn1.3Ti0.2O4(試料5)、LiNi0.5Mn1.5O4(試料1)、LiNi0.5Mn1.5O4(試料11)の放電曲線を示す。Ti置換においては、容量の増加とともに4.7V近辺領域の放電プラトーの電位が増加する傾向が見られた。これは、Tiの存在により、Niの電子状態に変化が生じて放電電位が増加したためと考えられる。Ti置換では高容量化と高電圧化の二つの効果により、より高いエネルギー密度が得られることが見いだされた。試料1と試料11では、Mn、Niの原料にMnとNiの複合酸化物を用いた試料1の方が試料11よりも容量が大きく、特に5V放電領域が増加した。これは試料1の方が試料11よりもスピネル中のMn、Ni、Liなどが均一に拡散し、高い結晶性の活物質が得られたためと考えられる。
【0052】
【表1】
【0053】
実施例2
実施例1で得られた正極を使用して、サイクル特性を評価した。
正極は活物質に、LiNi0.5Mn1.5O4(試料1)、LiNi0.5Mn1.4Ti0.1O4(試料3)、LiNi0.5Mn1.35Ti0.15O4(試料4)、LiNi0.5Mn1.3Ti0.2O4(試料5)、LiNi0.5Mn1.3Si0.2O4(試料7)を使用し、実施例1と同じ方法で正極電極材料を作製した。負極はグラファイトを活物質として使用し、導電性付与剤である炭素を混合し、N−メチルピロリドンにポリフッカビニリデン(PVDF)を溶かしたものに分散させスラリー状とした。負極活物質、導電性付与剤、結着剤の重量比は90/1/9とした。Cu集電体上にスラリーを塗布した。その後、真空中で12時間乾燥させて、電極材料とした。電極材料は直径13mmの円に切り出した。その後、1.5t/cm2で加圧成形した。
【0054】
セパレータにはPP(ポリプロピレン)のフィルムを使用し、正極と負極を対向配置させ、コインセル内に配置し、電解液を満たして密閉し、電池を作製した。電解液は、溶媒EC(エチレンカーボネート)/DEC(ジエチルカーボネート)=3/7(vol−%)に電解質LiPF6を1mol/l溶解させたものを使用した。
【0055】
電池特性の評価は温度45℃の恒温槽中で、1Cの充電レートで4.75Vまで充電を行い、その後、4.75Vで定電圧充電を行った。トータルの充電時間を150分とした。次に1Cのレートで3Vまで放電を行った。これを繰り返して300サイクル後の容量を評価した。結果を表2に示す。
【0056】
Ti置換およびSi置換した正極活物質を使用することによってサイクル後の容量維持率が増加したことが確認された。
【0057】
【表2】
【0058】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、従来にない高容量、高エネルギー密度を有する正極材料が提供される。具体的には、リチウムイオン二次電池の正極材料で、高容量で、Liに対して4.5V以上の高電圧を有する高エネルギー密度の正極材料が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る二次電池の断面構造を示す図である。
【図2】本発明の正極活物質を用いた正極の放電曲線である。
【符号の説明】
1 正極活物質層
2 負極活物質層
3 正極集電体
4 負極集電体
5 セパレータ
6 正極外装缶
7 負極外装缶
8 絶縁パッキング部
Claims (11)
- 下記一般式(I)
Lia(MxMn2−x−yAy)O4 (I)
(式中、0.4<x、0<y、x+y<2、0<a<1.2である。Mは、Ni、Co、Fe、CrおよびCuよりなる群から選ばれ、少なくともNiを含む一種以上の金属元素を含む。Aは、Si、Tiから選ばれる少なくとも一種の金属元素を含む。但し、AがTiだけを含む場合には、Aの比率yの値は、0.1<yである。)で表されるスピネル型リチウムマンガン複合酸化物を含むことを特徴とする二次電池用正極活物質。 - 請求項1に記載の二次電池用正極活物質において、前記一般式(I)中、MがNiであることを特徴とする二次電池用正極活物質。
- 請求項1または2記載の二次電池用正極活物質において、前記一般式(I)中、AがSiであることを特徴とする二次電池用正極活物質。
- 請求項1または2記載の二次電池用正極活物質において、前記一般式(I)中、AがTiであることを特徴とする二次電池用正極活物質。
- 請求項1または2記載の二次電池用正極活物質において、前記一般式(I)中、AがSiおよびTiを含むことを特徴とする二次電池用正極活物質。
- 請求項1または2記載の二次電池用正極活物質において、前記一般式(I)中、MがNi、AがTi、Aの比率yの値は、0.15≦y≦0.2であることを特徴とする二次電池用正極活物質。
- 請求項1乃至6のいずれかに記載の二次電池用正極活物質は、Li2CO3、LiOH、Li2O、Li2SO4から選ばれた一つのLi原料とLi以外の金属の複合酸化物の原料の混合物を焼成して得られたものであることを特徴とする二次電池用正極活物質。
- 請求項1乃至7いずれかに記載の二次電池用正極活物質において、前記一般式(I)中、Mの比率xの値は、0.4<x<0.6であることを特徴とする二次電池用正極活物質。
- 請求項1乃至8いずれかに記載の二次電池用正極活物質において、リチウム基準電位に対する平均放電電圧が4.5V以上であることを特徴とする二次電池用正極活物質。
- 請求項1乃至9いずれかに記載の二次電池用正極活物質が結着剤により結着されてなることを特徴とする二次電池用正極。
- 請求項10に記載の二次電池用正極と、セパレータを介して該二次電池用正極と対向配置された負極とを備えたことを特徴とする二次電池。
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