JP4721729B2 - 非水電解質二次電池 - Google Patents
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Description
iN(CF3SO2)(C4F9SO2)、LiC(CF3SO2)3、LiC(C2F5SO2)3、L
iAsF6、LiClO4、Li2B10Cl10、Li2B12Cl12など及びそれらの混合物が例示される。これらの中でも、LiPF6(ヘキサフルオロリン酸リチウム)が好ましく
用いられる。高い充電電圧で充電する場合、正極の集電体であるアルミニウムが溶解しやすくなるが、LiPF6の存在下では、LiPF6が分解することにより、アルミニウム表面に被膜が形成され、この被膜によってアルミニウムの溶解を抑制することができる。従って、リチウム塩としては、LiPF6を用いることが好ましい。
(実施例1)
〔LiCo0.993Zr0.002Mg0.005O2の作製〕
Li2CO3、Co3O4、ZrO2及びMgOを、Li:Co:Zr:Mgのモル比が100:99.3:0.2:0.5となるように石川式らいかい乳鉢にて混合した後、空気雰囲気中にて850℃で24時間熱処理し、その後粉砕することにより、平均粒子径が約14μmであるLiCo0.993Zr0.002Mg0.005O2を得た。
LiOHと、Mn0.33Ni0.33Co0.34(OH)2で表される共沈水酸化物と、酸化モリブデン(VI)とを、LiとMo以外の遷移金属全体とMoのモル比が1:1:0.01となるように石川式らいかい乳鉢にて混合した後、空気雰囲気中にて1000℃で20時間熱処理し、その後粉砕することにより平均粒子径が約5μmであるLiMn0.33Ni0.33Co0.34Mo0.01O2を得た。
上記のようにして得られたLiCo0.993Zr0.002Mg0.005O2とLiMn0.33Ni0.33Co0.34Mo0.01O2とを、重量比が8:2となるように石川式らいかい乳鉢にて混合し、正極活物質を得た。次に、分散媒としてのN−メチル−2−ピロリドンに、結着剤としてのポリフッ化ビニリデンを溶解させ、さらに正極活物質と、導電剤としての炭素とを、活物質と導電剤と結着剤の重量比が90:5:5の比率になるようにして加えた後混練して、正極スラリーを作製した。作製したスラリーを集電体としてのアルミニウム箔上に塗布した後、乾燥し、その後圧延ローラーを用いて圧延し、集電タブを取り付けることで、正極を作製した。
増粘剤であるカルボキシメチルセルロースを水に溶かした溶液中に、負極活物質としての人造黒鉛と、結着剤としてのスチレン−ブタジエンゴムとを、活物質と結着剤と増粘剤の重量比が95:3:2の比率になるようにして加えた後に混練して、負極スラリーを作製した。作製したスラリーを集電体としての銅箔上に塗布した後、乾燥し、その後圧延ローラーを用いて圧延し、集電タブを取り付けることで、負極を作製した。
エチレンカーボネート(EC)と、メチルエチルカーボネート(MEC)と、ジエチルカーボネート(DEC)とを体積比3:6:1となるように混合した溶媒に、ヘキサフルオロリン酸リチウム(LiPF6)をその濃度が1モル/リットルとなるように溶解した。この溶液98重量部に対し、ビニレンカーボネート(VC)を2.0重量部となるように添加し溶解させて、電解液を作製した。
このようにして得た正極及び負極を、セパレータを介して対向するように巻取って巻取り体を作製し、Ar雰囲気下のグローブボックス中にて、巻取り体を電解液とともにアルミニウムラミネートに封入することにより、設計容量が800mAh、電池規格サイズとして、厚み3.6mm×幅3.5cm×長さ6.2cmの非水電解質二次電池A1を得た。
室温にて、非水電解質二次電池A1を800mAの定電流で、電圧が4.4Vに達するまで充電し、さらに4.4Vの定電圧で電流値が40mAになるまで充電した後、800mAの定電流で、電圧が2.75Vに達するまで放電することにより、電池の放電容量(mAh)を測定した。この充放電を繰り返すことにより、充放電サイクル特性を評価した。評価結果を表1に示す。
(比較例1)
LiMn0.33Ni0.33Co0.34Mo0.01O2の作製において、酸化モリブデンを用いずに、LiOHと、Mn0.33Ni0.33Co0.34(OH)2で表される共沈水酸化物を、Liと遷移金属全体のモル比が1:1になるようにして、石川式らいかい乳鉢にて混合したことを以外は、実施例1と同様にして非水電解質二次電池X1を作製し、充放電サイクル特性の評価を行った。評価結果を表1に示す。
実施例1において、充電終止電圧を4.2Vとして、実施例1と同様にして非水電解質二次電池A2を作製した。この電池を、充放電サイクル特性の評価において、800mAの定電流で、電圧が4.2Vに達するまで充電し、さらに4.2Vの定電圧で電流値が40mAになるまで充電する以外は、実施例1と同様にして充放電サイクル特性の評価を行った。評価結果を表1に示す。
比較例1において、充電終止電圧を4.2Vとして、比較例1と同様にして非水電解質二次電池X2を作製した。この電池について、実施例2と同様の充放電条件で充放電サイクル特性の評価を行った。評価結果を表1に示す。
〔LiCo0.978Zr0.002Mg0.01Al0.01O2の作製〕
Li2CO3、Co3O4、ZrO2、MgO及びAl2O3を、Li:Co:Zr:Mg:Alのモル比が100:97.8:0.2:1.0:1.0となるように石川式らいかい乳鉢にて混合したこと以外は、実施例1と同様にしてLiCo0.978Zr0.002Mg0.01Al0.01O2を得た。
得られたLiCo0.978Zr0.002Mg0.01Al0.01O2とLiMn0.33Ni0.33Co0.34Mo0.01O2とを、重量比が8:2になるように混合したこと以外は、実施例1と同様にして非水電解質二次電池A3を作製し、充放電サイクル特性の評価を行った。評価結果を表1に示す。
電池の作製においてLiCo0.978Zr0.002Mg0.01Al0.01O2とLiMn0.33Ni0.33Co0.34Mo0.01O2とを、重量比が7:3になるように混合したこと以外は、実施例3と同様にして非水電解質二次電池A4を作製し、充放電サイクル特性の評価を行った。評価結果を表1に示す。
実施例1の電池A1及び比較例1の電池X1を充放電サイクル後、解体して負極を回収し、ロジウムを線源とする蛍光X線分析を用いて、負極表面上へのMnの析出を測定した。検出範囲は0〜40keVである。測定結果を表2に示す。
LiMn0.33Ni0.33Co0.34O2を混合することによる熱安定性向上の効果を検討した。なお、ここでは、モリブデンを含有しないリチウム遷移金属複合酸化物Bを正極活物質として含む、以下に記載する参考電池Y1を作製して用いた。
正極の作製、及び負極の作製において、正極と負極の面積あたりの活物質の量を変更して4.4V充電で設計容量650mAhとしたことと、電解液にエチレンカーボネート(EC)とジエチルカーボネート(DEC)とを体積比3:7で混合した溶媒にLiPF6を1モル/リットルとなるよう溶解したものを用いたこと以外は、比較例1と同様に参考電池Y1を作製した。
正極活物質として、LiCo0.993Zr0.002Mg0.005Oのみを用いたこと以外は、参考電池Y1と同様にして、非水電解質二次電池Y2を作製した。
室温にて、参考電池Y1及びY2を650mAの定電流で、電圧が4.45Vに達するまで充電し、さらに4.45Vの定電圧で電流値が32mAになるまで充電した。その後、室温から設定温度まで毎分5℃の速度で電池を加熱し、設定温度で2時間保持することにより、熱安定性の評価を行った。評価結果を表3に示す。
LiMn0.33Ni0.33Co0.34Mo0.01O2の熱安定性を、三電極式ビーカーセルを作製して評価した。ここでは、モリブデンを含有するリチウム遷移金属複合酸化物Bとモリブデンを含有しないリチウム遷移金属複合酸化物Bとを比較した。
実施例1と同様にして得たLiMn0.33Ni0.33Co0.34Mo0.01O2に、導電剤としての炭素と、結着剤としてのポリフッ化ビニリデンと、分散媒としてのN−メチル−2−ピロリドンとを、活物質と導電剤と結着剤の重量比が90:5:5の比率となるようにして加えた後混練して、正極スラリーを作製した。作製したスラリーを集電体としてのアルミニウム箔の上に塗布した後、乾燥し、その後圧延ローラーを用い圧延し、集電体タブを取り付けることにより作用極を作製した。
エチレンカーボネート(EC)とメチルエチルカーボネート(MEC)とを体積比3:7で混合した溶媒に対し、ヘキサフルオロリン酸リチウムをその濃度が1モル/リットルとなるように溶解して、電解液を作製した。
Ar雰囲気下のグローブボックス中にて、図1に示す三電極式ビーカーセルY3を作製した。図1に示すように、ビーカー内には電解液4が入れられており、電解液4に、作用極1、対極2、及び参照極3が挿入されている。対極2及び参照極3としては、リチウム金属が用いられている。
室温にて、0.75mA/cm2(約0.3C)の定電流で、作用極の電位が4.5V(vs.Li/Li+)に達するまで充電し、さらに0.25mA/cm2(約0.1C)の定電流で、電位が4.5V(vs.Li/Li+)に達するまで充電した。充電後、ビーカーセルを解体し、作用極をMEC中で洗浄した後、真空乾燥した。この作用極の一部を削りとったもの3mgと、EC2mgとを、アルミニウム製のDSCセルに入れて、DSCサンプルを作製した。
正極活物質として、比較例1と同様にして得たLiMn0.33Ni0.33Co0.34O2を用いた以外は、上記と同様にして三電極式ビーカーセルY4を作製し、上記と同様にしてDSC測定により熱安定性を評価した。評価結果を図2に示す。
リチウム遷移金属複合酸化物Aを電子顕微鏡により観察した。
Li2CO3、Co3O4、ZrO2及びMgOを、Li:Co:Zr:Mgのモル比が100:99:0.5:0.5となるように石川式らいかい乳鉢にて混合した後、空気雰囲気中にて850℃で24時間熱処理し、その後粉砕することにより、平均粒子径が約14μmであるLiCo0.99Zr0.005Mg0.005O2を得た。
得られたLiCo0.99Zr0.005Mg0.005O2を電子顕微鏡で観察した。
Claims (10)
- 正極活物質を含む正極と、負極活物質を含む負極と、非水電解質とを備える非水電解質二次電池において、
前記正極活物質として、LiCoO2に少なくともZrとMgの両方を含有させたリチウム遷移金属複合酸化物Aと、層状構造を有し、遷移金属として少なくともMnとNiの両方を含有し、かつモリブデン(Mo)を含有するリチウム遷移金属複合酸化物Bとを混合して用いることを特徴とする非水電解質二次電池。 - 前記リチウム遷移金属複合酸化物Aが、化学式:LiaCo1-x-y-zZrxMgyMzO2(式中、MはAl、Ti、及びSnから選ばれる少なくとも1つの元素であり、a、x、y及びzは、0≦a≦1.1、x>0、y>0、z≧0、0<x+y+z≦0.03を満たす。)で表されることを特徴とする請求項1に記載の非水電解質二次電池。
- 前記化学式におけるMがAlであり、z>0であることを特徴とする請求項2に記載の非水電解質二次電池。
- 前記リチウム遷移金属複合酸化物Aに含まれるZrが、化合物としてリチウム遷移金属複合酸化物Aの表面に付着していることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池。
- 前記リチウム遷移金属複合酸化物Aに含まれるZrの化合物が、粒子の形態でリチウム遷移金属複合酸化物Aの表面に付着していることを特徴とする請求項4に記載の非水電解質二次電池。
- 前記リチウム遷移金属複合酸化物Bが、化学式:LibMnsNitCouMovO2(式中、b、s、t、u及びvは、0≦b≦1.2、s+t+u=1、0<s≦0.5、0<t≦0.5、u≧0、0.001≦v≦0.05を満たす。)で表されることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池。
- 前記リチウム遷移金属複合酸化物BのMn量とNi量が、モル比で実質的に等しいことを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池。
- 前記正極活物質のうち、リチウム遷移金属複合酸化物Aの占める割合が、51〜90重量%であることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池。
- 充電終止電圧を4.3Vとした場合の、正極と負極の対向する部分での充電容量比(負極充電容量/正極充電容量)が、1.0〜1.2となるように前記正極活物質及び前記負極活物質が含まれていることを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池。
- 充電終止電圧を4.4Vとした場合の、正極と負極の対向する部分での充電容量比(負極充電容量/正極充電容量)が1.0〜1.2となるように前記正極活物質及び前記負極活物質が含まれていることを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池。
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