JP4404564B2 - 非水電解質二次電池、正極活物質 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、非水電解質二次電池、正極活物質およびその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
コバルト酸リチウムを始めとする層状岩塩構造を有する金属酸化物は、高い電圧を示す正極活物質として現在リチウムイオン電池に用いられている。しかし、容量密度が125〜150mAh/gと低いため、さらなる高容量化技術の開発および代替物質の検討が盛んに行なわれている(例えば、特許文献1および2参照)。
【0003】
【特許文献1】
特開2001−243951号公報
【特許文献2】
特開2001−155729号公報
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
コバルト酸リチウムの理論容量密度は約274mAh/gと高い。しかし、現在では、この理論容量密度の55%に当たる150mAh/g程度が正極材料として利用できる限界であると言われている。そこで、コバルト酸リチウムの高容量密度化が望まれている。
【0005】
本発明の目的は、容量密度の向上が可能な非水電解質二次電池、正極活物質およびその製造方法を提供することである。
【0006】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
コバルト酸リチウムをLi1-xCoO2で表し、六方晶で帰属した場合、a軸長は、x=0.5程度までは縮み、それ以上では伸びる傾向にある。一方、c軸長は、x=0.6程度までは伸び、それ以上では縮む傾向にあり、出発物質であるx=0のときより短くなるまで収縮する。つまり、コバルト酸リチウムは、x=0.6までは充電ととともに格子体積が膨張し、x=0.6以上になると収縮する。0.25≦x<0.75の領域内のほぼ中間(x=0.45〜0.55)の領域で次の相転移が起こり、この領域を境界としてコバルト酸リチウムの実質容量が決定される。
【0007】
【化1】
【0008】
このようなコバルト酸リチウムの構造変化は、層状岩塩構造の3bサイトに位置するリチウムを過剰に引き抜くことにより構造不安定性が増加することに起因すると考えられる。
【0009】
本発明者は、このようなコバルト酸リチウムの構造変化の原因に着目し、実験および検討を重ねた結果、層状岩塩構造の3bサイト(リチウム)の一部をマグネシウムで置換することにより構造安定化を図ることが可能であることを見出し、以下の発明を案出するに至った。
【0010】
第1の発明に係る非水電解質二次電池は、負極と、リチウムを吸蔵および放出可能な正極活物質を含む正極と、非水電解質とを備え、正極活物質は、リチウムを含有する層状岩塩構造を有しかつリチウムの一部がマグネシウムで置換された酸化物からなり、酸化物は、組成式Li a Mg b M1O 2 で表されるリチウム遷移金属複合酸化物であり、組成式においてa+2b=1、0<a<1および0<b<0.5であり、M1はコバルト、マンガン、鉄およびニッケルよりなる群から選択された1種以上の金属であることを特徴とするものである。
【0011】
マグネシウムが層状岩塩構造における八面体3bサイトに位置した場合、そのイオン半径は0.86Åであり、リチウムが八面体3bサイトに位置した場合のイオン半径0.90Åと近似している。したがって、マグネシウムが八面体3bサイトに置換されることにより、層状岩塩構造が安定化される。それにより、過剰のリチウムを挿入および脱離しても相変化を起こし難い酸化物が得られる。その結果、酸化物の高容量密度化を図ることができ、非水電解質二次電池の容量密度を向上させることが可能となる。
【0012】
特に、0.5≦a<1および0<b≦0.25であることが好ましい。それにより、リチウム遷移金属複合酸化物の高容量密度化が十分に図られる。
【0013】
酸化物は、組成式LiaMgbCoO2で表されるリチウム遷移金属複合酸化物であり、組成式においてa+2b=1、0<a<1および0<b<0.5であってもよい。特に、0.5≦a<1および0<b≦0.25であることが好ましい。それにより、コバルト酸リチウムの高容量密度化が十分に図られる。
【0014】
酸化物のリチウムの一部は、電気化学的にマグネシウムで置換されてもよい。あるいは、酸化物のリチウムの一部は、化学的にマグネシウムで置換されてもよい。
【0015】
酸化物のリチウムの一部は、カチオンがマグネシウムであるイミド塩またはスルホン酸塩を含む非水電解質により電気化学的にマグネシウムで置換されてもよい。特に、酸化物のリチウムの一部は、カチオンがマグネシウムであるスルホニルイミド塩を含む非水電解質により電気化学的にマグネシウムで置換されてもよい。
【0016】
第2の発明に係る正極活物質は、リチウムを吸蔵および放出可能な正極活物質であって、リチウムを含有する層状岩塩構造を有しかつリチウムの一部がマグネシウムで置換された酸化物からなり、酸化物は、組成式Li a Mg b M1O 2 で表されるリチウム遷移金属複合酸化物であり、組成式においてa+2b=1、0<a<1および0<b<0.5であり、M1はコバルト、マンガン、鉄およびニッケルよりなる群から選択された1種以上の金属であることを特徴とするものである。
【0017】
本発明に係る正極活物質においては、層状岩塩構造における八面体3bサイトの一部をマグネシウムで置換することにより、層状岩塩構造が安定化される。それにより、過剰のリチウムを挿入および脱離しても相変化を起こし難い酸化物が得られる。その結果、酸化物からなる正極活物質の高容量密度化が図られる。
【0022】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態に係る非水電解質二次電池およびその製造方法について説明する。
【0023】
本実施の形態に係る非水電解質二次電池は、負極、正極および非水電解質により構成される。
【0024】
負極としては、例えば、リチウム(Li)を吸蔵および放出可能な黒鉛等の炭素材料、リチウム金属、リチウム合金等が用いられる。
【0025】
正極活物質としては、リチウムを含有する層状岩塩構造を有しかつリチウムの一部がマグネシウム(Mg)で置換されたリチウム遷移金属複合酸化物が用いられる。リチウム遷移金属複合酸化物としては、LiaMgbCoO2、LiaMgbMnO2、LiaMgbFeO2、LiaMgbNiO2等を用いることができる。これらの組成式においてa+2b=1、0<a<1および0<b<0.5である。特に、0.5≦a<1および0<b≦0.25であることが好ましく、例えばa=0.8およびb=0.1程度とする。それにより、リチウム遷移金属複合酸化物の高容量密度化が十分に図られる。
【0026】
上記のリチウム遷移金属複合酸化物は、後述するように、LiCoO2、LiMnO2、LiFeO2、LiNiO2等におけるリチウム(Li)の一部をマグネシウム(Mg)で化学的または電気化学的に置換することにより形成される。
【0027】
非水電解質の非水溶媒(有機溶媒)としては、一般の非水電解質二次電池において使用される非水溶媒(有機溶媒)を用いることができる。例えば、エチレンカーボネート、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、プロピレンカーボネート、環状エーテル、鎖状エーテル、フッ化カーボネート等から選択される少なくとも1種を用いることができる。有機溶媒に加えるリチウム塩(電解質)としては、一般の非水電解質二次電池において使用されるリチウム塩(電解質)を用いることができ、例えば、LiBF4 、LiPF6 、LiCF3SO3、LiC4 F9 SO3 、LiN(CF3 SO2 )2 、LiN(C2 F5 SO2 )2 、LiN(CF3 SO2 )(COCF3 )、LiAsF6 等から選択される少なくとも1種を用いることができる。非水電解質は、これに限定されず、非水電解質二次電池用の種々の非水電解質を用いることができる。
【0028】
図1はLiCoO2の層状岩塩構造を示す図であり、(a)はキュービック表示であり、(b)はヘキサゴナル表示である。
【0029】
図1において、酸素(O)が白丸印で表され、コバルト(Co)が網掛けの丸印で示され、リチウム(Li)が斜線の丸印で示されている。
【0030】
LiCoO2の層状岩塩構造は、酸素が−A−B−C−積層の立方最密充填配列した基本骨格を有し、アニオンの数とカチオンの数とが等しく、酸素の八面体の間隙すべてがカチオンで占有されている。また、コバルトおよびリチウムがそれぞれ(111)酸素層間の八面体3aサイトおよび八面体3bサイトに単独層を形成して交互に積層されている。
【0031】
本実施の形態では、八面体3bサイトのリチウムの一部をマグネシウムで置換することにより、層状岩塩構造を安定化させる。それにより、過剰のリチウムを挿入および脱離しても層変化を起こし難いリチウム遷移金属複合酸化物が得られる。
【0032】
以下、リチウム遷移金属複合酸化物のリチウムの一部をマグネシウムで電気化学的に置換することにより正極活物質を形成する方法について説明する。
【0033】
まず、リチウム塩(電解質)を含む非水電解質中に負極とリチウム遷移金属複合酸化物(正極活物質)を含む正極とが配置されたセルを作製し、セルの充電を行うことによりリチウム遷移金属複合酸化物中のリチウムの一部を引き抜く。その後、リチウム塩(電解質)を含む非水電解質をマグネシウム塩(電解質)を含む非水電解質に交換し、セルの放電を行う。それにより、リチウム遷移金属複合酸化物中のリチウムの一部がマグネシウムで置換される。
【0034】
この場合、マグネシウム塩(電解質)として、イミド塩またはスルホン酸塩を用いることにより電気化学的に3bサイトのリチウムの一部をマグネシウムで置換することが可能となる。
【0035】
イミド塩としては、((CF3SO2)2N)2Mg、((C2F5SO2)2N)2Mg、((C4F9SO2)(CF3SO2)N)2Mg、((C6F5SO2)(CF3SO2)N)2Mg、((C8F17SO2)(CF3SO2)N)2Mg、((CF3CH2OSO2)2N)2Mg、((CF3CF2CH2OSO2)2N)2Mg、((HCF2CF2CH2OSO2)2N)2Mg、(((CF3)2CHOSO2)2N)2Mg等を用いることができる。
【0036】
また、スルホン酸塩としては、(CF3SO3)2Mg、(CH3SO3)2Mg、(C4F9SO3)2Mg、(C6F5SO3)2Mg、(C6H5SO3)2Mg、(C8F17SO3)2Mg等を用いることができる。
【0037】
上記のイミド塩およびスルホン酸塩のうち1種類を用いてもよく、あるいは2種類以上を組み合わせて用いてもよい。
【0038】
なお、この電解質は、非水溶媒(有機溶媒)に0.1〜1.5Mの濃度で溶解されて使用され、好ましくは0.5〜1.5Mの濃度で溶解されて使用される。
【0039】
また、電気化学的にリチウム(Li)をマグネシウム(Mg)で置換する際の非水溶媒(有機溶媒)としては、通常の電池用非水溶媒を用いることができる。例えば、環状炭酸エステル、鎖状炭酸エステル、エステル類、環状エーテル類、鎖状エーテル類、ニトリル類、アミド類等を用いることができる。
【0040】
環状炭酸エステルとしては、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート等が挙げられ、これらの水素の一部または全部がフッ素化されているものも用いることが可能であり、トリフルオロプロピレンカーボネート、フルオロエチルカーボネート等が挙げられる。
【0041】
鎖状炭酸エステルとしては、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルプロピルカーボネート、エチルプロピルカーボネート、メチルイソプロピルカーボネート等が挙げられ、これらの水素の一部または全部がフッ素化されているものも用いることが可能である。
【0042】
エステル類としては、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸プロピル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、γ−ブチロラクトン等が挙げられる。
【0043】
環状エーテル類としては、1,3−ジオキソラン、4−メチル−1,3−ジオキソラン、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、プロピレンオキシド、1,2−ブチレンオキシド、1,4−ジオキサン、1,3,5−トリオキサン、フラン、2−メチルフラン、1,8−シネオール、クラウンエーテル等が挙げられる。
【0044】
鎖状エーテル類としては、1,2−ジメトキシエタン、ジエチルエーテル、ジプロピルエーテル、ジイソプロピルエーテル、ジブチルエーテル、ジヘキシルエーテル、エチルビニルエーテル、ブチルビニルエーテル、メチルフェニルエーテル、エチルフェニルエーテル、ブチルフェニルエーテル、ペンチルフェニルエーテル、メトキシトルエン、ベンジルエチルエーテル、ジフェニルエーテル、ジベンジルエーテル、o−ジメトキシベンゼン、1,2−ジエトキシエタン、1,2−ジブトキシエタン、ジエチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールジエチルエーテル、ジエチレングリコールジブチルエーテル、1,1−ジメトキシメタン、1,1−ジエトキシエタン、トリエチレングリコールジメチルエーテル、テトラエチレングリコールジメチル等が挙げられる。
【0045】
ニトリル類としては、アセトニトリル等が挙げられ、アミド類としては、ジメチルホルムアミド等が挙げられる。
【0046】
本実施の形態の方法により形成された正極活物質は、安定な層状岩塩構造を有する。それにより、過剰のリチウムを挿入および脱離しても相変化が起こり難い。したがって、正極活物質の高容量密度化が図られ、非水電解質二次電池の容量密度が向上される。
【0047】
【実施例】
(実施例1)
実施例1では、図2に示す試験セルを作製し、リチウムの一部がマグネシウムで置換されたコバルト酸リチウムの放電容量を測定した。
【0048】
図2に示すように、セル容器10内に正極1、負極2および参照極3が配置される。正極1と負極2との間にはセパレータ4が挿入される。また、セル容器10内には非水電解質5が注入される。
【0049】
本実施例1では、コバルト酸リチウム(LiCoO2)、炭素からなる導電剤およびポリフッ化ビニリデン(PVdF)からなる結着剤をそれぞれ重量比90:5:5で混合することにより合剤を作製し、この合剤にN−メチル−2−ピロリドンを加え、スラリーを作製した。このスラリーをアルミニウム箔からなる集電体に塗布することにより正極1を形成した。負極2および参照極3には、金属リチウムを用いた。
【0050】
非水電解質としては、エチレンカーボネート(EC)およびジエチルカーボネート(DEC)の混合溶媒(体積比EC:DEC=50:50)に、溶質として六フッ化リン酸リチウム(LiPF6 )を1モル/リットルの割合で溶解させた非水電解質(リチウム塩を含む非水電解質)と、溶媒としてγ−ブチロラクトン((CH2)3OCO)に溶質としてビストリフルオロメチルスルホニルイミドマグネシウム(((CF3SO2)2N)2Mg)を1モル/リットルの割合で溶解させた非水電解質(マグネシウム塩を含む非水電解質)とを用いた。
【0051】
このようにして作製された試験セルを次の方法により定電流で充放電させ、正極活物質の評価を行った。非水電解質および充放電条件を表1に示す。また、マグネシウムによるリチウムの置換前後でのコバルト酸リチウムの放電曲線の測定結果を図3に示す。
【0052】
【表1】
【0053】
表1において、γ−ブチロラクトンをγ−BLと表記し、ビストリフルオロメチルスルホニルイミドマグネシウムをMg(TFSI)2 と表記している。
【0054】
まず、1サイクル目では、セル容器10内に上記のリチウム塩を含む非水電解質を注入し、試験セルの充電を行った後、放電を行った。充放電時の電流密度は1mA/cm2である。この場合、充電容量密度は120mAh/gとなり、放電容量密度は110mAh/gとなった。
【0055】
次に、2サイクル目では、セル容器10内に上記のリチウム塩を含む非水電解質を注入した状態で試験セルの充電を行った。それにより、正極活物質のコバルト酸リチウムからリチウム(Li)が引き抜かれる。充電時の電流密度は1mA/cm2である。
【0056】
その後、セル容器10内の非水電解質を上記のマグネシウム塩を含む非水電解質と入れ換え、試験セルの放電を行った。それにより、正極活物質のコバルト酸リチウムにマグネシウム(Mg)が挿入され、リチウム(Li)の一部と置換される。この場合の放電時の電流密度は0.025mA/cm2である。
【0057】
次に、セル容器10内の電解質を上記のリチウム塩を含む非水電解質と入れ換え、試験セルの放電を行った。放電時の電流密度は0.025mA/cm2である。この場合、放電容量密度は124mAh/gとなった。
【0058】
さらに、3サイクル目では、セル容器10内に上記のリチウム塩を含む非水電解質を注入した状態で試験セルの充電を行った。充電時の電流密度は0.05mA/cm2である。この場合、充電容量密度は135mAh/gとなった。
【0059】
次いで、試験セルの放電を行った。放電時の電流密度は0.05mA/cm2である。この場合、放電容量密度は136mAh/gとなった。
【0060】
このように、コバルト酸リチウムからリチウムを引き抜き、リチウムの一部をマグネシウムで置換することにより、容量密度が123%向上した。
【0061】
(実施例2)
実施例2では、リチウム(Li)の一部をマグネシウム(Mg)で置換する前後のコバルト酸リチウムの構造変化をXRD(X線回折)測定により確認した。
【0062】
XRD測定では、線源にCu(40kV,40mA)を用い、スキャン速度を1度/分として2θが10度〜80度の範囲を測定した。
【0063】
図4はマグネシウムによるリチウムの置換前後の正極のXRDパターンの測定結果を示す図である。
【0064】
図4において、マグネシウムによるリチウムの置換前のXRDパターンを細い実線で下側に示し、マグネシウムによるリチウムの置換後のXRDパターンを太い実線で上側に示す。
【0065】
黒の菱形印は、コバルト酸リチウム(LiCoO2)の反射ピークであり、白の丸印は、Al2O3の反射ピークを示す。Al2O3の反射ピークは、集電体の表面の酸化アルミニウムからの反射によるものである。
【0066】
図4に示すように、マグネシウムによるリチウムの置換前におけるリチウムCoO2の反射ピークとマグネシウムによるリチウムの置換後におけるリチウムCoO2 の反射ピークとで、変化がない。これは、マグネシウムによるリチウムの置換によりリチウムCoO2 の相変化がないことを示している。
【0067】
このように、LiCoO2 のリチウム(Li)の一部をマグネシウム(Mg
)で置換した場合に、構造変化が生じないことがわかる。
【図面の簡単な説明】
【図1】LiCoO2の層状岩塩構造を示す図である。
【図2】リチウムの一部がマグネシウムで置換されたコバルト酸リチウムを正極活物質として用いた試験セルを示す図である。
【図3】マグネシウムによるリチウムの置換前後でのコバルト酸リチウムの放電曲線の測定結果を示す図である。
【図4】マグネシウムによるリチウムの置換前後の正極のXRDパターンの測定結果を示す図である。
【符号の説明】
1 正極
2 負極
3 参照極
4 セパレータ
5 非水電解質
10 セル容器
Claims (6)
- 負極と、リチウムを吸蔵および放出可能な正極活物質を含む正極と、非水電解質とを備え、
前記正極活物質は、リチウムを含有する層状岩塩構造を有しかつリチウムの一部がマグネシウムで置換された酸化物からなり、
前記酸化物は、組成式LiaMgbM1O2で表されるリチウム遷移金属複合酸化物であり、前記組成式においてa+2b=1、0<a<1および0<b<0.5であり、M1はコバルト、マンガン、鉄およびニッケルよりなる群から選択された1種以上の金属であることを特徴とする非水電解質二次電池。 - 前記酸化物は、組成式LiaMgbCoO2で表されるリチウム遷移金属複合酸化物であり、前記組成式においてa+2b=1、0<a<1および0<b<0.5であることを特徴とする請求項1記載の非水電解質二次電池。
- 前記酸化物の前記リチウムの一部は、電気化学的にマグネシウムで置換されたことを特徴とする請求項1または2記載の非水電解質二次電池。
- 前記酸化物の前記リチウムの一部は、カチオンがマグネシウムであるイミド塩またはスルホン酸塩を含む非水電解質により電気化学的にマグネシウムで置換されたことを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の非水電解質二次電池。
- 前記酸化物の前記リチウムの一部は、カチオンがマグネシウムであるスルホニルイミド塩を含む非水電解質により電気化学的にマグネシウムで置換されたことを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の非水電解質二次電池。
- リチウムを吸蔵および放出可能な正極活物質であって、
リチウムを含有する層状岩塩構造を有しかつリチウムの一部がマグネシウムで置換された酸化物からなり、
前記酸化物は、組成式LiaMgbM1O2で表されるリチウム遷移金属複合酸化物であり、前記組成式においてa+2b=1、0<a<1および0<b<0.5であり、M1はコバルト、マンガン、鉄およびニッケルよりなる群から選択された1種以上の金属であることを特徴とする正極活物質。
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