JP4724911B2 - Nonaqueous electrolyte secondary battery - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、リチウムを可逆的にドープ及び脱ドープ可能な正極活物質を用いた非水電解質二次電池に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、種々の電子機器の飛躍的進歩とともに、長時間便利に、且つ経済的に使用できる電源として、再充電可能な二次電池の研究が進められている。代表的な二次電池としては、鉛蓄電池、アルカリ蓄電池、非水電解質二次電池等が知られている。
【0003】
上記のような二次電池の中でも特に、非水電解質二次電池であるリチウムイオン二次電池は、高出力、高エネルギー密度などの利点を有している。リチウムイオン二次電池は、少なくともリチウムイオンを可逆的に脱挿入可能な活物質を有する正極と負極と、非水電解質とから構成される。
【0004】
ここで、負極活物質としては、一般に金属リチウム、Li−Al合金等のリチウム合金、ポリアセチレンやポリピロール等のリチウムをドープした導電性高分子、リチウムイオンを結晶中に取り込んだ層間化合物や炭素材料等が用いられている。また、電解液としては、非プロトン性有機溶媒にリチウム塩を溶解させた溶液が用いられている。
【0005】
一方、正極活物質には、金属酸化物、金属硫化物、あるいはポリマーが用いられ、例えばTiS、MoS、NbSe、V等が知られている。これらの材料を用いた非水電解質二次電池の放電反応は、負極においてリチウムイオンが電解液中に溶出し、正極では正極活物質の層間にリチウムイオンがインターカレーションすることによって進行する。逆に、充電する場合には、上記の逆反応が進行し、正極においては、リチウムがインターカレーションする。すなわち、負極からのリチウムイオンが正極活物質に出入りする反応を繰り返すことによって充放電を繰り返すことができる。
【0006】
現在、リチウムイオン二次電池の正極活物質としては、高エネルギー密度、高電圧を有すること等から、LiCoO、LiNiO、LiMn等が用いられている。しかし、これらの正極活物質は、クラーク数の低い金属元素をその組成中に有しているため、コストが高くつく他、安定供給が難しいという問題がある。また、これらの正極活物質は、毒性も比較的高く、環境に与える影響も大きいことから、これらに代わる新規正極活物質が求められている。
【0007】
これに対し、オリビン構造を有する化合物をリチウムイオン二次電池の正極活物質として用いることが提案されている。例えば、オリビン構造を有する化合物であるLiFePOは、体積密度が3.6g/cmと大きく、3.4Vの高電位を発生し、理論容量も170mAh/gと大きい。また、LiFePOは、初期状態で、電気化学的に脱ドープ可能なLiを、Fe原子1個当たりに1個含んでいるので、リチウムイオン二次電池の正極活物質として有望な材料である。しかもLiFePOは、資源的に豊富で安価な材料である鉄をその組成中に有しているため、上述のLiCoO、LiNiO、LiMn等と比較して低コストであり、また、毒性も低いため環境に与える影響も小さい。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、二次電池として要求される性能の中に高温サイクル特性がある。特に、カメラ一体型VTR、セルラーフォン、ラップトップパソコン等のポータブル用機器は自動車の室内に放置されたり、充電されたりする可能性があり、高温でのサイクル寿命が重要な電池性能の一つに位置づけられる。
【0009】
しかしながら、オリビン構造を有する化合物を正極活物質とし、リチウムをドープ及び脱ドープし得る材料を負極活物質とする非水電解質二次電池を構成した場合、この電池は高温で充放電サイクルを繰り返すと著しい容量劣化を引き起こす欠点があり、45℃の雰囲気で充放電サイクルを行うと常温の1/4以下程度の寿命になってしまう例すら確認されている。
【0010】
そこで本発明は、かかる従来の実情に鑑みて提案されたものであって、オリビン構造を有する化合物を含有する正極活物質層を有する正極とリチウムをドープ及び脱ドープし得る負極とを備える非水電解質二次電池の高温使用における充放電サイクル特性の改善を図ることを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、本発明に係る非水電解質二次電池は、一般式LiFe1−yPO(ただし、Mは、Mn、Cr、Co、Cu、Ni、V、Mo、Ti、Zn、Al、Ga、Mg、B及びNbからなる群より選ばれた少なくとも1種を表す。また、0.05≦x≦1.2、0≦y≦0.8である。)で表される化合物を含有する正極活物質層を有する正極と、リチウムをドープ及び脱ドープし得る負極と、非水電解質とを備えてなり、正極活物質層は、炭酸リチウムを0.3質量%〜8.0質量%含有することを特徴とするものである。
【0012】
以上のように構成された非水電解質二次電池は、正極活物質層中に炭酸リチウムを0.3質量%〜8.0質量%含有するため、高温で充放電サイクルを繰り返した場合における容量劣化が抑制される。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、本発明は、以下の記述に限定されるものではなく、本発明を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
【0014】
本発明を適用して製造される非水電解液電池1は、図1に示すように、負極2と、負極2を収容する負極缶3と、正極4と、正極4を収容する正極缶5と、正極4と負極2との間に配されたセパレータ6と、絶縁ガスケット7とを備え、負極缶3及び正極缶5内に非水電解液が充填されてなる。
【0015】
負極2は、負極活物質となる例えば金属リチウム箔からなる。また、負極活物質として、リチウムをドープ、脱ドープ可能な材料を用いる場合には、負極2は、負極集電体上に、上記負極活物質を含有する負極活物質層が形成されてなる。負極集電体としては、例えばニッケル箔等が用いられる。
【0016】
リチウムをドープ、脱ドープ可能な負極活物質としては、金属リチウム、リチウム合金、リチウムがドープされた導電性高分子、炭素材料や金属酸化物などの層状化合物を用いることができる。
【0017】
負極活物質層に含有される結着剤としては、この種の非水電解液電池において負極活物質層の結着剤として通常用いられている公知の樹脂材料等を用いることができる。
【0018】
負極缶3は、負極2を収容するものであり、また、非水電解液電池1の外部負極となる。
【0019】
正極4は、例えばアルミニウム箔等からなる正極集電体上に、リチウムを電気化学的に放出することが可能であり、且つ吸蔵することも可逆的に可能である正極活物質を含有する正極活物質層が形成されてなる。ここで、正極活物質層は、正極活物質を主体とし、必要に応じて結着剤や導電材等を含んでなるものである。さらに、この非水電解液電池1では、正極活物質層に炭酸リチウムを0.3質量%〜8.0質量%含有する。この非水電解液電池1は、正極活物質層中に炭酸リチウムを0.3質量%〜8.0質量%の範囲で含有するため、高温で充放電サイクルを繰り返した場合においても容量劣化を抑制することができる。したがって、この非水電解液電池1は、高温での使用における充放電サイクル特性が改善され、高温使用における充放電サイクル特性に優れた非水電解質二次電池とされる。
【0020】
正極活物質としては、詳細な製造方法は後述するが、オリビン構造を有し、一般式LiFe1−yPO(ただし、Mは、Mn、Cr、Co、Cu、Ni、V、Mo、Ti、Zn、Al、Ga、Mg、B及びNbからなる群より選ばれた少なくとも1種を表す。また、0.05≦x≦1.2、0≦y≦0.8である。)で表される化合物、あるいはこれらの化合物と炭素材料との複合体、すなわちLiFe1−yPO炭素複合体を用いる。
【0021】
以下、LiFe1−yPOとしてLiFePOを用い、これと炭素材料とからなる複合体、すなわちLiFePO炭素複合体を正極活物質として用いる場合について説明する。
【0022】
LiFePO炭素複合体は、LiFePO粒子の表面に、当該LiFePO粒子の粒径に比べて極めて小とされる粒径を有する炭素材料の粒子が多数個、付着してなるものである。炭素材料は導電性を有するので、炭素材料とLiFePOとから構成されるLiFePO炭素複合体は、例えばLiFePOと比較すると電子伝導性に優れている。すなわち、LiFePO炭素複合体は、LiFePO粒子の表面に付着する炭素粒子により電子伝導性が向上するので、LiFePO本来の容量を十分に引き出される。したがって、正極活物質としてLiFePO炭素複合体を用いることにより、高容量を有する非水電解液電池1を実現できる。
【0023】
LiFePO炭素複合体における単位質量当たりの炭素含有量は、3質量%以上であることが好ましい。LiFePO炭素複合体における単位質量当たりの炭素含有量が3質量%未満である場合、LiFePO粒子の表面に付着している炭素粒子の量が十分でないため、電子伝導性向上の効果を十分に得ることができない虞がある。
【0024】
LiFePO炭素複合体を構成する炭素材料としては、ラマン分光法において、グラファイト(以下、Grと称する。)のラマンスペクトルの波数1340〜1360cm−1に出現する回折線に対する波数1570〜1590cm−1に出現する回折線の強度面積比A(D/G)が0.3以上であるものを好適に用いることができる。
【0025】
ここで、強度面積比A(D/G)は、図2に示すようにラマン分光法により測定された波数1570〜1590cm−1に出現するGピークと波数1340〜1360cm−1に出現するDピークとのバックグランドを含まないラマンスペクトル強度面積比A(D/G)と定義する。また、バックグランドを含まないとは、ノイズ部分は含まないことを意味する。
【0026】
上述したように、Grのラマンスペクトルの数あるピークの中に波数1570〜1590cm−1に現れるGピークと波数1340〜1360cm−1に現れるDピークと呼ばれる2つのピークが観察される。このうち、Dピークは、本来Gピーク由来のピークではなく、構造が歪んで構造の対称性が低くなったときに現れるラマン不活性のピークである。それゆえ、Dピークは、Grの歪んだ構造の尺度となり、DピークとGピークとの強度面積A(D/G)は、Grのa軸方向結晶子サイズLaの逆数と直線的関係を有することが知られている。
【0027】
このような炭素材料としては、具体的には、アセチレンブラック等の非晶質系炭素材料を好ましく用いることができる。
【0028】
また、上述したような強度面積比A(D/G)が0.3以上である炭素材料は、例えば粉砕器で粉砕する等の処理を施すことで得ることができる。そして、粉砕時間を制御することにより、容易に任意のA(D/G)を有する炭素材料を得ることができる。
【0029】
例えば、晶質炭素材である黒鉛は、遊星型ボールミル等の強力な粉砕器を用いて粉砕することで構造が容易に破壊されて非晶質化が進み、それにしたがって強度面積比A(D/G)は増大する。つまり、粉砕器の運転時間を制御することによって任意のA(D/G)、すなわち0.3以上である炭素材料を容易に得ることが可能となる。したがって、粉砕を施すことにより、炭素材料として晶質炭素系材料等も好ましく用いることができる。
【0030】
また、LiFePO炭素複合体の粉体密度は、2.2g/cm以上であることが好ましい。LiFePO炭素複合体は、その粉体密度が2.2g/cm以上となる程度に合成原料に対してミリングが施されると、十分に微細化されたものとなる。したがって、正極活物質の充填率が向上し、高容量を有する非水電解液電池1を実現できる。また、LiFePO炭素複合体は、上記粉体密度を満たすように微小化されているので、LiFePOの比表面積も増大しているといえる。つまり、LiFePOと炭素材料との接触面積を十二分に確保することができ、電子伝導性を向上させることが可能となる。
【0031】
LiFePO炭素複合体の粉体密度が2.2g/cm未満である場合、LiFePO炭素複合体は十分に圧縮されてないため、正極4における活物質充填率の向上が図れない虞がある。
【0032】
また、LiFePO炭素複合体のブルナウアーエメットテラー(以下、BETと称する。)比表面積は、10.3m/g以上であることが好ましい。LiFePO炭素複合体のBET比表面積を10.3m/g以上とすると、単位質量当たりにおけるLiFePOの比表面積を十分に大きいものとすることができ、LiFePOと炭素材料との接触面積を大きくすることができる。したがって、正極活物質の電子伝導性を確実に向上させることができる。
【0033】
さらに、LiFePO炭素複合体の1次粒径は、3.1μm以下であることが好ましい。LiFePO炭素複合体の1次粒径を3.1μm以下とすることにより、単位質量当たりにおけるLiFePOの比表面積を十分に大きいものとすることができ、LiFePOと炭素材料との接触面積を大きくすることができる。したがって、正極活物質の電子伝導性を確実に向上させることができる。
【0034】
正極活物質層に含有される結着剤としては、この種の非水電解液電池において正極活物質層の結着剤として通常用いられている公知の樹脂材料等を用いることができる。
【0035】
正極缶5は、正極4を収容するものであり、また、非水電解液電池1の外部正極となる。
【0036】
セパレータ6は、正極4と、負極2とを離間させるものであり、この種の非水電解液電池のセパレータとして通常用いられている公知の材料を用いることができ、例えばポリプロピレンなどの高分子フィルムが用いられる。また、リチウムイオン伝導度とエネルギー密度との関係から、セパレータの厚みはできるだけ薄いことが必要である。具体的には、セパレータの厚みは例えば50μm以下が適当である。
【0037】
絶縁ガスケット7は、負極缶3に組み込まれ一体化されている。この絶縁ガスケット7は、負極缶3及び正極缶5内に充填された非水電解液の漏出を防止するためのものである。
【0038】
非水電解液としては、非プロトン性非水溶媒に電解質を溶解させた溶液が用いられる。
【0039】
非水溶媒としては、例えばプロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ビニレンカーボネート、γ−ブチルラクトン、スルホラン、1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジエトキシエタン、2−メチルテトラヒドロフラン、3−メチル−1,3−ジオキソラン、プロピオン酸メチル、酪酸メチル、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、ジプロピルカーボネート等を使用することができる。特に、電圧安定性の点からは、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ビニレンカーボネート等の環状カーボネート類、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、ジプロピルカーボネート等の鎖状カーボネート類を使用することが好ましい。また、このような非水溶媒は、1種類を単独で用いても良いし、2種類以上を混合して用いても良い。
【0040】
また、非水溶媒に溶解させる電解質としては、例えば、LiPF、LiClO、LiAsF、LiBF、LiCFSO、LiN(CFSO等のリチウム塩を使用することができる。これらのリチウム塩の中でも特に、LiPF、LiBFを使用することが好ましい。
【0041】
なお、本発明を適用した非水電解質電池として、非水電解液を用いた非水電解液電池1を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、非水電解質として、固体電解質を用いた場合にも適用可能である。ここで、固体電解質としては、リチウムイオン導電性を有する材料であれば無機固体電解質、ゲル状電解質等の高分子固体電解質の何れも用いることができる。ここで、無機固体電解質としては、窒化リチウム、ヨウ化リチウム等が挙げられる。また、高分子固体電解質は、電解質塩とそれを溶解する高分子化合物とからなり、その高分子化合物は、ポリ(エチレンオキサイド)や、同架橋体などのエーテル系高分子、ポリ(メタクリレート)エステル系高分子、アクリレート系高分子等を単独、又は分子中に共重合、又は混合して用いることができる。この場合、例えばゲル状電解質のマトリックスとしては、非水電解液を吸収してゲル化するものであれば種々の高分子材料を用いることができる。このような高分子材料としては、例えば、ポリ(ビニリデンフルオロライド)や、ポリ(ビニリデンフルオロライド−CO−ヘキサフルオロプロピレン)等のフッ素系高分子、ポリ(エチレンオキサイド)や、同架橋体などのエーテル系高分子、またポリ(アクリロニトリル)などを用いることができる。そして、これらの中でも特に、酸化還元安定性の観点からフッ素系高分子を用いることが好ましい。
【0042】
上述のように構成される非水電解液電池1の製造方法について、以下に説明する。
【0043】
まず、正極活物質としてLiFePOと炭素材料との複合体を、以下に示す製造方法に従って合成する。
【0044】
この正極活物質を合成するには、LiFePOの合成原料を混合し、ミリングを施し、焼成し、且つ上記の何れかの時点で炭素材料を添加する。LiFePOの合成原料としては、LiPOと、Fe(PO又はその水和物であるFe(PO・nHO(ただし、nは水和数である。)とを用いる。
【0045】
以下、合成原料として、リン酸リチウム(LiPO)と、下記に示すようにして合成されるリン酸第一鉄八水和物(Fe(PO・8HO)とを用い、この合成原料に炭素材料を添加した後に種々の工程を行うことにより、LiFePO炭素複合体を合成する場合について説明する。
【0046】
まず、LiFePOの合成原料と炭素材料とを混合して混合物とする混合工程を行う。次いで、混合工程で得られた混合物にミリングを施すミリング工程を行う。次いで、ミリング工程でミリングを施した混合物を焼成する焼成工程を行う。
【0047】
混合工程では、合成原料として、リン酸リチウムとリン酸第一鉄八水和物とを所定比で混合し、さらに炭素材料を添加して混合物とする。
【0048】
合成原料として用いるリン酸第一鉄八水和物は、硫酸鉄七水和物(FeSO・7HO)を水に溶かしてなる水溶液に、リン酸水素二ナトリウム一二水和物(2NaHPO・12HO)を添加し、所定の時間放置することにより合成される。リン酸第一鉄八水和物の合成反応は、下記化1に示す反応式で表される。
【0049】
【化1】

Figure 0004724911
【0050】
合成原料であるリン酸第一鉄八水和物には、その合成工程上、ある程度のFe3+が含まれている。合成原料にFe3+が残存すると、焼成により3価のFe化合物が生成されるため、LiFePO炭素複合体の単相合成が妨げられてしまう。このため、焼成前の合成原料に還元剤を添加し、焼成時に合成原料中に含まれているFe3+をFe2+に還元する必要がある。
【0051】
しかし、還元剤によるFe3+のFe2+への還元能力には限界があり、合成原料中のFe3+の含有率が多すぎる場合、Fe3+が還元されきれずにLiFePO炭素複合体中に残存してしまうことがある。
【0052】
そこで、リン酸第一鉄八水和物中の鉄総量に対するFe3+の含有率を、61質量%以下とすることが好ましい。合成原料であるリン酸第一鉄八水和物中の鉄総量に対するFe3+の含有率を61質量%以下と予め制限することにより、焼成時においてFe3+を残存させることなく、すなわちFe3+に起因する不純物を生成させることなく、LiFePO炭素複合体の単相合成を確実に行うことができる。
【0053】
なお、リン酸第一鉄八水和物を生成する際の放置時間が長いほど、生成物中のFe3+の含有率が多くなるので、放置時間を所定の時間に制御することにより、任意のFe3+の含有率を有するリン酸第一鉄八水和物を生成させることができる。また、リン酸第一鉄八水和物中の鉄総量に対するFe3+の含有率は、メスバウア測定法により測定することができる。
【0054】
また、合成原料に添加される炭素材料は、合成原料のリン酸第一鉄八水和物中に含まれるFe2+が大気中の酸素や焼成等によりFe3+に酸化されたとしても、焼成時にFe3+をFe2+に還元する還元剤として働く。したがって、合成原料にFe3+が残存していたとしても、不純物の生成が防止され、LiFePO炭素複合体の単相合成が可能となる。さらに、炭素材料は、合成原料に含まれるFe2+のFe3+への酸化を防止する酸化防止剤として働く。すなわち、炭素材料は、焼成前又は焼成時において大気中及び焼成炉内に存在する酸素により、Fe2+がFe3+へ酸化されてしまうことを防止する。
【0055】
すなわち、炭素材料は、上述したように正極活物質の電子伝導性を向上させる導電材としての働きをするとともに、還元剤及び酸化防止剤として働く。なお、この炭素材料は、LiFePO炭素複合体の構成要素となるので、LiFePO炭素複合体の合成後に除去する必要がない。したがって、LiFePO炭素複合体の製造が効率化される。
【0056】
なお、LiFePO炭素複合体の単位質量あたりの炭素含有量は、3質量%以上とすることが好ましい。LiFePO炭素複合体の単位質量あたりの炭素含有量を3質量%以上とすることにより、LiFePOが本来有する容量及びサイクル特性を十分に引き出すことが可能となる。
【0057】
ミリング工程では、混合工程で得られた混合物に、粉砕・混合を同時に行うミリングを施す。ここで、ミリングとは、ボールミルを用いた強力な粉砕・混合をいう。また、ボールミルとしては、例えば遊星型ボールミル、シェイカー型ボールミル、メカノフュージョン等を好適に用いることができる。
【0058】
混合工程で得られた混合物にミリングを施すことにより、合成原料及び炭素材料を均一に混合することができる。また、ミリングを施すことにより合成原料を微細化すると、合成原料の比表面積を増大させることができる。したがって、原料同士の接触点が増大し、引き続く焼成工程における合成反応を速やかに進行させることが可能となる。
【0059】
合成原料を含有する混合物にミリングを施すに際しては、粒子径3μm以上の粒子の粒度分布が体積基準の積算頻度にして22%以下となるようにすることが好ましい。合成原料の粒度分布を上記範囲とすることにより、合成原料は、表面積として、合成反応に十分な表面活性を得ることができる広さを有することとなる。これにより、焼成温度が例えば600℃という合成原料の融点以下という低い温度であっても、反応効率が良好であり、LiFePO炭素複合体の単相合成を確実に行うことができる。
【0060】
また、LiFePO炭素複合体の粉体密度が2.2g/cm以上となるように、ミリングを施すことが好ましい。上記粉体密度となるように合成原料を微小化することにより、LiFePOの比表面積を大きくすることができる。これにより、LiFePOと炭素材料との接触面積を大きくすることができ、正極活物質の電子伝導性を向上させることが可能となる。
【0061】
したがって、合成原料を含有する混合物にミリングを施すことにより、高容量である非水電解液電池1を実現する正極活物質を製造することができる。
【0062】
焼成工程では、ミリング工程でミリングを施した混合物を焼成する。混合物を焼成することにより、リン酸リチウムとリン酸第一鉄八水和物とを反応させ、LiFePOを合成する。
【0063】
LiFePOの合成反応は、下記化2に示す反応式で表される。なお、下記化に示す反応式においては、LiPOと、Fe(PO又はその水和物であるFe(PO・nHO(ただし、nは水和数である。)とを反応させた場合を示す。
【0064】
【化2】
Figure 0004724911
【0065】
上記化2に示す反応式から明らかなように、合成原料としてFe(POを用いた場合、副生成物が生じない。また、Fe(PO・nHOを用いた場合、副生成物として無毒である水のみが生じる。
【0066】
ところで、従来は合成原料として炭酸リチウム、リン酸二水素アンモニウム及び酢酸鉄(II)を所定比で混合し、焼成し、下記化3に示す反応によってLiFePOを合成していた。
【0067】
【化3】
Figure 0004724911
【0068】
上記化3に示す反応式から明らかなように、従来のLiFePOの合成方法では、焼成時に有毒なアンモニアや酢酸等の副生成物が生じていた。このため、これら有毒な副生成物を処理するための大規模な集気装置等の設備が必要となり、製造コスト上昇の原因となっていた。また、これらの副生成物が大量に生じるため、LiFePOの収率が低下していた。
【0069】
しかしながら、合成原料としてLiPOと、Fe(PO又はその水和物であるFe(PO・nHO(ただし、nは水和数である。)とを用いることにより、有毒な副生成物を生じることなく、目的物質であるLiFePOを得られる。言い換えると、従来の製造方法に比べて、焼成時における安全性が著しく向上する。また、従来では有毒な副生成物を処理するために大規模な処理設備が必要だったが、上述した製造方法では、副生成物が無毒である水なので、処理工程を大幅に簡略化でき、処理設備を縮小できる。したがって、従来の副生成物であるアンモニア等を処理する際に比べて、製造コストを大幅に削減することができる。さらにまた、上記化2に示す反応式から明らかなように、副生成物の生成が少量であるので、LiFePOの収率を大幅に向上させることができる。
【0070】
混合物の焼成を行う際の焼成温度は、上記の合成方法により400℃〜900℃とすることが可能であるが、電池性能を考慮すると、600℃程度とすることが好ましい。焼成温度が400℃未満であると、化学反応及び結晶化が十分に進まず、合成原料であるLiPO等の不純物相が存在し、均一なLiFePOを得られない虞がある。一方、焼成温度が900℃を上回ると、結晶化が過剰に進行してLiFePOの粒子が大きくなり、LiFePOと炭素材料との接触面積が減少し、電子伝導性が下がるため、十分な放電容量を得られない虞がある。
【0071】
焼成時において、合成されたLiFePO炭素複合体中のFeは2価の状態である。このため、合成温度である600℃程度の温度においては、LiFePO炭素複合体中のFeは、焼成雰囲気中の酸素によって下記化4に示す反応式によりFe3+に速やかに酸化されてしまう。これに起因して、3価のFe化合物等の不純物が生成され、LiFePO炭素複合体の単相合成が妨げられてしまう。
【0072】
【化4】
Figure 0004724911
【0073】
そこで、焼成雰囲気として窒素、アルゴン等の不活性ガス又は水素や一酸化炭素等の還元性ガスを用いるとともに、焼成雰囲気中の酸素濃度を、LiFePO炭素複合体中のFeが酸化されない範囲、すなわち1012ppm(体積)以下とすることが好ましい。焼成雰囲気中の酸素濃度を、1012ppm(体積)以下とすることにより、600℃程度の合成温度においてもFeの酸化を防止し、LiFePO炭素複合体の単相合成を確実に行うことが可能となる。
【0074】
焼成雰囲気中の酸素濃度が1012ppm(体積)よりも高い場合には、焼成雰囲気中の酸素量が多すぎるため、LiFePO炭素複合体中のFeがFe3+に酸化されてしまい、これに起因して不純物が生成してしまうため、LiFePO炭素複合体の単相合成が妨げられてしまう虞がある。
【0075】
焼成後のLiFePO炭素複合体の取り出しについては、焼成後のLiFePO炭素複合体の取り出し温度、すなわちLiFePO炭素複合体を大気中に暴露する際のLiFePO炭素複合体の温度は305℃以下とすることが好ましい。また、焼成後のLiFePO炭素複合体の取り出し温度を204℃以下とすることがより好ましい。LiFePO炭素複合体の取り出し温度を305℃以下とすることにより、焼成後のLiFePO炭素複合体中のFeが大気中の酸素により酸化され、不純物が生成されることを防止できる。
【0076】
焼成後にLiFePO炭素複合体を十分に冷却しない状態で取り出した場合、LiFePO炭素複合体中のFeが大気中の酸素により酸化され、不純物が生成される虞がある。しかしながら、余り低い温度までLiFePO炭素複合体を冷却したのでは、作業効率の低下を招く虞がある。
【0077】
したがって、焼成後のLiFePO炭素複合体の取り出し温度を305℃以下とすることにより、焼成後のLiFePO炭素複合体中のFeが大気中の酸素により酸化されて不純物が生成されることを防止するとともに、作業効率も維持することが可能となり、電池特性として好ましい特性を有するLiFePO炭素複合体を効率よく合成することができる。
【0078】
なお、焼成後のLiFePO炭素複合体の冷却は焼成炉内で行うが、このときの冷却方法は、自然冷却でも良く、また、強制冷却でも良い。ただし、冷却時間の短縮、すなわち、作業効率を考慮した場合には、強制冷却することが好ましい。そして、強制冷却する場合には、焼成炉内を上述した酸素濃度、すなわち1012ppm(体積)以下とするように酸素と不活性ガスとの混合ガス、又は不活性ガスのみを焼成炉内に供給すれば良い。
【0079】
上記においては、ミリングを施す前に炭素材料の添加を行っているが、炭素材料の添加は、ミリング後又は焼成後に行うことも可能である。
【0080】
ただし、炭素材料を焼成後に添加する場合、焼成時の還元効果、及び酸化防止効果を得ることはできず、導電性向上効果のみのために用いるという条件が付く。したがって、炭素材料を焼成後に添加する場合、他の手段によりFe3+の残存を防止することが必要となる。
【0081】
また、炭素材料を焼成後に添加する場合、焼成により合成された生成物はLiFePO炭素複合体ではなく、LiFePOである。そこで、焼成により合成されたLiFePOに炭素材料を添加した後、再度ミリングを施す。ミリングを再度行うことにより、添加した炭素材料は微細化され、LiFePOの表面に付着しやすくなる。また、ミリングを再度行うことにより、LiFePOと炭素材料とが十分に混合されるので、微細化された炭素材料をLiFePOの表面に均一に付着させることができる。したがって、焼成後に炭素材料を添加した場合においても、ミリングを施す前に炭素材料を添加した場合と同様の生成物、すなわちLiFePO炭素複合体を得ることが可能であり、また、上述した同様の効果を得ることが可能である。
【0082】
上述のようにして得られたLiFePO炭素複合体を正極活物質として用いた非水電解液電池1は、例えば次のようにして製造される。
【0083】
負極2としては、まず、負極活物質と結着剤とを溶媒中に分散させてスラリーの負極合剤を調製する。次に、得られた負極合剤を集電体上に均一に塗布、乾燥して負極活物質層を形成することにより負極2が作製される。上記負極合剤の結着剤としては、公知の結着剤を用いることができる他、上記負極合剤に公知の添加剤等を添加することができる。また、負極活物質となる金属リチウムをそのまま負極2として用いることもできる。
【0084】
正極4としては、まず、正極活物質となるLiFePO炭素複合体と、炭酸リチウムと、結着剤とを混合して正極合剤を調製し、溶媒中に分散させてスラリー状とする。すなわち、この非水電解液電池1を製造するにおいては、正極活物質中には予め炭酸リチウムやCO 2−イオンは含有されておらず、正極合剤を調製する際に炭酸リチウムを正極活物質と混合する。ここで、炭酸リチウムを、正極合剤中における炭酸リチウムの含有率が0.3質量%〜8.0質量%となるように混合する。すなわち、正極活物質層中における炭酸リチウムの含有率が0.3質量%〜8.0質量%となるように炭酸リチウムを混合する。正極合剤中における炭酸リチウムの含有率を0.3質量%〜8.0質量%とすることにより、当該正極合剤を用いて構成した非水電解液電池1を高温において充放電サイクルを繰り返した場合においても、容量劣化を抑制することができる。したがって、非水電解液電池1の高温使用における充放電サイクル特性を改善することが可能となる。
【0085】
次に、得られたスラリー状の正極合剤を集電体上に均一に塗布、乾燥して正極活物質層を形成することにより正極4が作製される。上記正極合剤の結着剤としては、公知の結着剤を用いることができる他、上記正極合剤に公知の添加剤等を添加することができる。
【0086】
非水電解液は、電解質塩を非水溶媒中に溶解することにより調製される。
【0087】
そして、負極2を負極缶3に収容し、正極4を正極缶5に収容し、負極2と正極4との間に、ポリプロピレン製多孔質膜等からなるセパレータ6を配する。負極缶3及び正極缶5内に非水電解液を注入し、絶縁ガスケット7を介して負極缶3と正極缶5とをかしめて固定することにより、コイン型の非水電解液電池1が完成する。
【0088】
以上のようにして製造された非水電解液電池1は、正極合剤中に炭酸リチウムを0.3質量%〜8.0質量%の範囲で含有するため、高温において充放電サイクルを繰り返した場合においても容量劣化を抑制することができる。したがって、この非水電解液電池1は、高温使用における充放電サイクル特性に優れた非水電解質二次電池とされる。
【0089】
また、上記においては、上述したようにLiFePOの合成原料と炭素材料とを混合して混合物とする混合工程と、混合工程で得られた混合物にミリングを施すミリング工程と、ミリング工程でミリングを施した混合物を焼成する焼成工程とを経て正極活物質を合成している。しかし、本発明においては、正極活物質の製造方法はこれに限定されることなく、例えば上記の方法において炭素材料を添加せず、またミリング工程を除いて正極活物質を合成しても良い。
【0090】
なお、上述したような本実施の形態に係る非水電解液電池1は、円筒型、角型、コイン型、ボタン型等、その形状については特に限定されることはなく、また、薄型、大型等の種々の大きさにすることができる。
【0091】
【実施例】
以下、本発明を具体的な実験結果に基づいて説明する。ここでは、本発明の効果を調べるべく、LiFePO炭素複合体を合成し、得られたLiFePO炭素複合体を正極活物質として用いて非水電解質電池を作製し、その特性を評価した。
【0092】
<実施例1>
正極活物質としてLiFePO複合体を合成した。この正極活物質の製造方法を以下に示す。
【0093】
まず、LiPOとFe(PO・8HOとを、リチウムと鉄との元素比率が1:1となるように混合し、さらに様々な大きさの粒径を有するアセチレンブラック粉末を焼成物全体の10質量%となるように添加して混合物とした。次に、混合物及び直径10mmのアルミナ製ボールを、質量比で混合物:アルミナ製ボール=1:2として直径100mmのアルミナ製ポットに投入し、遊星型ボールミルを用いてこの混合物にミリングを施した。なお、遊星型ボールミルとして、実験用遊星回転ポットミル「LA−PO」(伊藤製作所製)を使用し、下記に示す条件としてミリングを施した。
【0094】
遊星型ボールミルミリング条件
公転半径:200mm
公転回転数:250rpm
自転回転数:250rpm
運転時間:10h
次に、ミリングを施した後の混合物をセラミックるつぼに入れ、窒素雰囲気中の電気炉にて600℃の温度で5時間焼成することによりLiFePO炭素複合体を得た。
【0095】
このようにして得たLiFePO炭素複合体を用い、LiFePO炭素複合体と炭酸リチウムLiCOとの混合質量比を99.7:0.3として得られる混合品を91質量部、導電剤としてグラファイトを6質量部、結着剤としてポリフッ化ビニリデン3質量部を混合して正極合剤を調製し、これをN−メチル−2−ピロリドンに分散させてスラリー状とした。
【0096】
次に、正極集電体として厚さ20μmの帯状のアルミニウム箔の両面に上記正極合剤のスラリーを均一に塗布し、乾燥後ロールプレス機で圧縮成型して帯状正極を作製した。
【0097】
負極活物質として、出発原料に石油ピッチを用い、これに酸素を含む官能基を10〜20%導入、いわゆる酸素架橋した後、不活性ガス気流中1000℃で焼成してガラス状炭素に近い性質の難黒鉛炭素材料を得た。この材料について、X線回折測定を行った結果、(002)面の面間隔は3.76Åで、真比重は1.58であった。
【0098】
このようにして得た炭素材料を90質量部と、結着剤としてポリフッ化ビニリデン10質量部とを混合して負極合剤を作製し、これをN−メチル−2−ピロリドンに分散させてスラリー状とした。
【0099】
次に、負極集電体として厚さ10μmの帯状の銅箔を用意し、その両面に上記負極合剤のスラリーを均一に塗布し、乾燥後ロールプレス機で圧縮成型して帯状の負極を作製した。
【0100】
セパレータとしては、厚さ25μmの微孔性ポリプロピレンフィルムを使用し、負極、正極、セパレータを渦巻型に巻回し、電極素子を作製した。
【0101】
このようにして得た電極素子をニッケルメッキを施した鉄製の缶に収納した。そして、渦巻式電極素子の上下両面に絶縁板を配置し、アルミニウム製正極リードを正極集電体から導出して電池蓋に、ニッケル製負極リードを負極集電体から導出して電池缶に溶接した。
【0102】
次に、この電池缶の中にプロピレンカーボネート50容量%と1,2−ジメトキシエタン50容量%との混合溶媒にLiPFを1モル/l溶解させた電解液を注入した。
【0103】
最後にアスファルトを塗布した絶縁ガスケットを介して上記電池缶と電池蓋をかしめて封口し、直径20mm、高さ50mmの円筒型電池を作製した。
【0104】
<実施例2>
正極合剤を調製する際に、LiFePO炭素複合体と炭酸リチウムLiCOとの混合質量比を99.5:0.5としたこと以外は、実施例1と同様にして円筒型電池を作製した。
【0105】
<実施例3>
正極合剤を調製する際に、LiFePO炭素複合体と炭酸リチウムLiCOとの混合質量比を99:1としたこと以外は、実施例1と同様にして円筒型電池を作製した。
【0106】
<実施例4>
正極合剤を調製する際に、LiFePO炭素複合体と炭酸リチウムLiCOとの混合質量比を97:3としたこと以外は、実施例1と同様にして円筒型電池を作製した。
【0107】
<実施例5>
正極合剤を調製する際に、LiFePO炭素複合体と炭酸リチウムLiCOとの混合質量比を95:5としたこと以外は、実施例1と同様にして円筒型電池を作製した。
【0108】
<実施例6>
正極合剤を調製する際に、LiFePO炭素複合体と炭酸リチウムLiCOとの混合質量比を92:8としたこと以外は、実施例1と同様にして円筒型電池を作製した。
【0109】
<比較例1>
正極合剤を調製する際に、LiFePO炭素複合体と炭酸リチウムLiCOとの混合質量比を100:0とした、すなわち炭酸リチウムを混合しなかったこと以外は、実施例1と同様にして円筒型電池を作製した。
【0110】
<比較例2>
正極合剤を調製する際に、LiFePO炭素複合体と炭酸リチウムLiCOとの混合質量比を99.8:0.2としたこと以外は、実施例1と同様にして円筒型電池を作製した。
【0111】
<比較例3>
正極合剤を調製する際に、LiFePO炭素複合体と炭酸リチウムLiCOとの混合質量比を90:10としたこと以外は、実施例1と同様にして円筒型電池を作製した。
【0112】
以上のようにして作製した実施例1乃至実施例3及び比較例1乃至比較例3の円筒型電池について、以下のようにして充放電サイクル特性試験を行い、初期放電容量及び50サイクル後の放電容量維持率を求めた。
【0113】
<充放電サイクル特性試験>
充放電サイクル特性は、充放電を繰り返した後の容量維持率により評価した。
【0114】
まず、円筒型電池に対して、23℃雰囲気内で1Aの定電流定電圧充電を上限4.1Vまで3時間行い、次に、6.2Ωの定抵抗放電を終止電圧2.75Vまで行った。そして、このときの放電容量を初期放電容量とした。さらに45℃雰囲気内で同様の充放電条件で充放電を50サイクル行い、50サイクル目における放電容量を求めた。そして、初期放電容量(C1)に対する、50サイクル目の放電容量(C2)の比率((C2/C1)×100)を放電容量維持率として求めた。その結果を表1に示す。なお、表1における電池評価は、初期放電容量が1000mAh以上、且つ50サイクル目の放電容量維持率が95%以上のものを合格として○を記し、初期放電容量が1000mAh以下、もしくは50サイクル目の放電容量維持率が95%未満のものを不合格として×を記した。ここで、初期放電容量が1000mAh以上、且つ50サイクル目の放電容量維持率が95%以上とは、電池特性として好ましい値である。
【0115】
【表1】
Figure 0004724911
【0116】
表1から判るように、正極活物質層中における炭酸リチウムの含有率が0.3質量%〜8.0質量%である実施例1乃至実施例6では、実用レベルの電池特性として望ましい初期放電容量1000mAhを大きく越えた値を示しており、また、50サイクル目の放電容量維持率も実用レベルの電池特性として望ましい95%を大きく越えており、優れた充放電サイクル特性を示している。これは、正極活物質層中に炭酸リチウムが適正な量だけ含有されているため、45℃という高温において充放電サイクルを繰り返した場合においても容量劣化が抑制されたためであると考えられる。
【0117】
一方、正極活物質層中における炭酸リチウムの含有率が0.3質量%未満である比較例1及び比較例2では、初期放電容量に関しては、実用レベルの電池特性として望ましい1000mAhを越えているが、50サイクル目の放電容量維持率は実用レベルの電池特性として望ましい95%を下回った値となっている。これは、正極活物質層中における炭酸リチウムの含有量が少なすぎる、もしくは、正極活物質層中に炭酸リチウムが含有されていないため、45℃という高温において充放電サイクルを繰り返した場合における容量劣化を十分に抑制することができなかったためであると考えられる。
【0118】
また、正極活物質層中における炭酸リチウムの含有率が8.0質量%を越えている比較例3では、初期放電容量が実用レベルの電池特性として望ましい1000mAhを下回っている。これは、正極活物質層中における炭酸リチウムの含有量が多すぎるため、正極活物質層中の正極活物質の含有量が少なくなってしまったためであると考えられる。
【0119】
以上のことより、正極活物質層中に炭酸リチウムを0.3質量%〜8.0質量%の範囲で含有することにより、45℃という高温において充放電サイクルを繰り返した場合においても容量劣化を抑制することができ、非水電解質二次電池の高温使用における充放電サイクル特性を改善する効果を得られることが確認された。
【0120】
次に、正極活物質としてLiFePO炭素複合体以外のLiFe1−yPO炭素複合体を合成し、これを用いた電池の特性評価を行った。
【0121】
<実施例7>
正極活物質としてLiFePO炭素複合体の代わりに、LiFe0.2Mn0.8POを用いたこと以外は実施例1と同様にして円筒型電池を作製し、上記と同様にして充放電サイクル試験を行ったところ、上述した実施例1乃至実施例6と同様の効果が確認された。
【0122】
<実施例8>
正極活物質としてLiFePO炭素複合体の代わりに、LiFe0.2Cr0.8POを用いたこと以外は実施例1と同様にして円筒型電池を作製し、上記と同様にして充放電サイクル試験を行ったところ、上述した実施例1乃至実施例6と同様の効果が確認された。
【0123】
<実施例9>
正極活物質としてLiFePO炭素複合体の代わりに、LiFe0.2Co0.8POを用いたこと以外は実施例1と同様にして円筒型電池を作製し、上記と同様にして充放電サイクル試験を行ったところ、上述した実施例1乃至実施例6と同様の効果が確認された。
【0124】
<実施例10>
正極活物質としてLiFePO炭素複合体の代わりに、LiFe0.2Cu0.8POを用いたこと以外は実施例1と同様にして円筒型電池を作製し、上記と同様にして充放電サイクル試験を行ったところ、上述した実施例1乃至実施例6と同様の効果が確認された。
【0125】
<実施例11>
正極活物質としてLiFePO炭素複合体の代わりに、LiFe0.2Ni0.8POを用いたこと以外は実施例1と同様にして円筒型電池を作製し、上記と同様にして充放電サイクル試験を行ったところ、上述した実施例1乃至実施例6と同様の効果が確認された。
【0126】
<実施例12>
正極活物質としてLiFePO炭素複合体の代わりに、LiFe0.250.75POPOを用いたこと以外は実施例1と同様にして円筒型電池を作製し、上記と同様にして充放電サイクル試験を行ったところ、上述した実施例1乃至実施例6と同様の効果が確認された。
【0127】
<実施例13>
正極活物質としてLiFePO炭素複合体の代わりに、LiFe0.25Mo0.75POを用いたこと以外は実施例1と同様にして円筒型電池を作製し、上記と同様にして充放電サイクル試験を行ったところ、上述した実施例1乃至実施例6と同様の効果が確認された。
【0128】
<実施例14>
正極活物質としてLiFePO炭素複合体の代わりに、LiFe0.25Ti0.75POを用いたこと以外は実施例1と同様にして円筒型電池を作製し、上記と同様にして充放電サイクル試験を行ったところ、上述した実施例1乃至実施例6と同様の効果が確認された。
【0129】
<実施例15>
正極活物質としてLiFePO炭素複合体の代わりに、LiFe0.3Zn0.7POを用いたこと以外は実施例1と同様にして円筒型電池を作製し、上記と同様にして充放電サイクル試験を行ったところ、上述した実施例1乃至実施例6と同様の効果が確認された。
【0130】
<実施例16>
正極活物質としてLiFePO炭素複合体の代わりに、LiFe0.3Al0.7POを用いたこと以外は実施例1と同様にして円筒型電池を作製し、上記と同様にして充放電サイクル試験を行ったところ、上述した実施例1乃至実施例6と同様の効果が確認された。
【0131】
<実施例17>
正極活物質としてLiFePO炭素複合体の代わりに、LiFe0.3Ga0.7POを用いたこと以外は実施例1と同様にして円筒型電池を作製し、上記と同様にして充放電サイクル試験を行ったところ、上述した実施例1乃至実施例6と同様の効果が確認された。
【0132】
<実施例18>
正極活物質としてLiFePO炭素複合体の代わりに、LiFe0.25Mg0.75POを用いたこと以外は実施例1と同様にして円筒型電池を作製し、上記と同様にして充放電サイクル試験を行ったところ、上述した実施例1乃至実施例6と同様の効果が確認された。
【0133】
<実施例19>
正極活物質としてLiFePO炭素複合体の代わりに、LiFe0.250.75POを用いたこと以外は実施例1と同様にして円筒型電池を作製し、上記と同様にして充放電サイクル試験を行ったところ、上述した実施例1乃至実施例6と同様の効果が確認された。
【0134】
<実施例20>
正極活物質としてLiFePO炭素複合体の代わりに、LiFe0.25Nb0.75POを用いたこと以外は実施例1と同様にして円筒型電池を作製し、上記と同様にして充放電サイクル試験を行ったところ、上述した実施例1乃至実施例6と同様の効果が確認された。
【0135】
以上のことより、実施例7乃至実施例20でも45℃という高温において充放電サイクルを繰り返した場合における容量劣化を抑制することができ、非水電解質二次電池の高温使用における充放電サイクル特性を改善する効果が確認された。
【0136】
したがって、一般式LiFe1−yPO炭素複合体を含有する正極活物質層中に炭酸リチウムを0.3質量%〜8.0質量%の範囲で含有することにより、45℃という高温において充放電サイクルを繰り返した場合における容量劣化を抑制することができ、非水電解質二次電池の高温使用における充放電サイクル特性を改善することができるといえる。
【0137】
次に、ポリマー電池を作製し、特性を評価した。
【0138】
<実施例21>
まず、ゲル状電解質を以下に示すようにして作製した。まず、ヘキサフルオロプロピレンが6.9質量%の割合で共重合されたポリフッ化ビニリデンと、非水電解液と、ジメチルカーボネートとを混合し、撹拌、溶解させ、ゾル状の電解質溶液を調製した。次いで、ゾル状の電解質溶液に、ビニレンカーボネート(VC)を0.5質量%の割合で添加してゲル状電解質溶液とした。なお、非水電解液として、エチレンカーボネート(EC)と、プロピレンカーボネート(PC)とを体積比で6:4の割合で混合した混合溶媒にLiPFを0.85mol/kgの割合で溶解させたものを使用した。
【0139】
次いで、正極を以下に示すようにして作製した。まず、実施例1で作製したLiFePO炭素複合体と炭酸リチウムLiCOとの混合質量比を99.7:0.3として得られる混合品を85質量部、導電剤としてグラファイトを10質量部、結着剤としてフッ素樹脂粉末であるポリ(ビニリデンフルオロライド)5質量部とを混合して正極合剤を調製した後、N−メチルピロリドンを加えてスラリー状にしたものを準備した。次に、このスラリーを厚み20μmのアルミ箔に塗布、加熱乾燥後、加圧工程を経て正極塗布箔を作製した。次に、この正極塗布箔の片面にゲル状電解質溶液を塗布後、乾燥して溶剤を除去した後、セルの径に準じて直径15mmの円形に打ち抜き、正極電極とした。
【0140】
次いで、負極を以下に示すようにして作製した。まず、黒鉛粉末にバインダーとしてフッ素樹脂粉末を10質量%混合し、N−メチルピロリドンを加えてスラリー状にしたものを準備した。次に、このスラリーを銅箔に塗布、加熱乾燥後、加圧工程を経てセルの大きさに準じて直径16.5mmの円形に打ち抜き、負極電極とした。
【0141】
以上のようにして得られた正極を正極缶に収容し、負極を負極缶に収容し、正極と負極との間にセパレータを配した。そして、正極缶と負極缶とをかしめて固定することにより、直径20mm、厚み1.6mmの2016型のコイン型リチウムポリマー電池を作製した。
【0142】
<実施例22>
正極合剤を調製する際に、LiFePO炭素複合体と炭酸リチウムLiCOとの混合質量比を92:8としたこと以外は、実施例21と同様にしてコイン型リチウムポリマー電池を作製した。
【0143】
<比較例4>
正極合剤を調製する際に、LiFePO炭素複合体と炭酸リチウムLiCOとの混合質量比を99.8:0.2としたこと以外は、実施例21と同様にしてコイン型リチウムポリマー電池を作製した。
【0144】
<比較例5>
正極合剤を調製する際に、LiFePO炭素複合体と炭酸リチウムLiCOとの混合質量比を90:10としたこと以外は、実施例21と同様にしてコイン型リチウムポリマー電池を作製した。
【0145】
以上のようにして作製した実施例21、実施例22、比較例4及び比較例5のコイン型リチウムポリマー電池について、上記と同様にして充放電サイクル特性試験を行い、初期放電容量密度及び30サイクル後の放電容量維持率を求めた。その結果を表2に示す。なお、表1における電池評価は、初期放電容量が3.5mAh以上、且つ30サイクル目の放電容量維持率が95%以上のものを合格として○を記し、初期放電容量が3.5mAh以下、もしくは30サイクル目の放電容量維持率が95%未満のものを不合格として×を記した。ここで、初期放電容量が3.5mAh以上、且つ30サイクル目の放電容量維持率が95%以上とは、電池特性として好ましい値である。
【0146】
【表2】
Figure 0004724911
【0147】
表2から判るように、正極活物質層中における炭酸リチウムの含有率が0.3質量%〜8.0質量%である実施例21及び実施例22では、実用レベルの電池特性として望ましい初期放電容量3.5mAhを超えた値を示しており、また、30サイクル目の放電容量維持率も実用レベルの電池特性として望ましい95%を大きく越えており、優れた充放電サイクル特性を示している。これは、正極活物質層中に炭酸リチウムが適正な量だけ含有されているため、45℃という高温において充放電サイクルを繰り返した場合においても容量劣化が抑制されたためであると考えられる。
【0148】
一方、正極活物質層中における炭酸リチウムの含有率が0.3質量%未満である比較例4では、初期放電容量に関しては、実用レベルの電池特性として望ましい3.5mAhを越えているが、50サイクル目の放電容量維持率は実用レベルの電池特性として望ましい95%を下回った値となっている。これは、正極活物質層中における炭酸リチウムの含有量が少なすぎるため、45℃という高温において充放電サイクルを繰り返した場合における容量劣化を十分に抑制することができなかったためであると考えられる。
【0149】
また、正極活物質層中における炭酸リチウムの含有率が8.0質量%を越えている比較例5では、初期放電容量が実用レベルの電池特性として望ましい3.5mAhを下回っている。これは、正極活物質層中における炭酸リチウムの含有量が多すぎるため、正極活物質層中の正極活物質の含有量が少なくなってしまったためであると考えられる。
【0150】
以上のことより、ポリマー電池の場合においても正極活物質層中に炭酸リチウムを0.3質量%〜8.0質量%の範囲で含有することにより、45℃という高温において充放電サイクルを繰り返した場合においても容量劣化を抑制することができ、非水電解質二次電池の高温使用における充放電サイクル特性を改善する効果を得られることが確認された。
【0151】
次に、正極活物質としてLiFePO炭素複合体以外のLiFe1−yPO炭素複合体を合成し、これを用いたポリマー電池の特性評価を行った。
【0152】
<実施例23>
正極活物質としてLiFePO炭素複合体の代わりに、LiFe0.2Mn0.8PO炭素複合体を用いたこと以外は実施例1と同様にしてコイン型リチウムポリマー電池を作製し、上記と同様にして充放電サイクル試験を行ったところ、上述した実施例21及び実施例22と同様の効果が確認された。
【0153】
<実施例24>
正極活物質としてLiFePO炭素複合体の代わりに、LiFe0.2Cr0.8PO炭素複合体を用いたこと以外は実施例1と同様にしてコイン型リチウムポリマー電池を作製し、上記と同様にして充放電サイクル試験を行ったところ、上述した実施例21及び実施例22と同様の効果が確認された。
【0154】
<実施例25>
正極活物質としてLiFePO炭素複合体の代わりに、LiFe0.2Co0.8PO炭素複合体を用いたこと以外は実施例1と同様にしてコイン型リチウムポリマー電池を作製し、上記と同様にして充放電サイクル試験を行ったところ、上述した実施例21及び実施例22と同様の効果が確認された。
【0155】
<実施例26>
正極活物質としてLiFePO炭素複合体の代わりに、LiFe0.2Cu0.8PO炭素複合体を用いたこと以外は実施例1と同様にしてコイン型リチウムポリマー電池を作製し、上記と同様にして充放電サイクル試験を行ったところ、上述した実施例21及び実施例22と同様の効果が確認された。
【0156】
<実施例27>
正極活物質としてLiFePO炭素複合体の代わりに、LiFe0.2Ni0.8PO炭素複合体を用いたこと以外は実施例1と同様にしてコイン型リチウムポリマー電池を作製し、上記と同様にして充放電サイクル試験を行ったところ、上述した実施例21及び実施例22と同様の効果が確認された。
【0157】
<実施例28>
正極活物質としてLiFePO炭素複合体の代わりに、LiFe0.250.75PO炭素複合体を用いたこと以外は実施例1と同様にしてコイン型リチウムポリマー電池を作製し、上記と同様にして充放電サイクル試験を行ったところ、上述した実施例21及び実施例22と同様の効果が確認された。
【0158】
<実施例29>
正極活物質としてLiFePO炭素複合体の代わりに、LiFe0.25Mo0.75PO炭素複合体を用いたこと以外は実施例1と同様にしてコイン型リチウムポリマー電池を作製し、上記と同様にして充放電サイクル試験を行ったところ、上述した実施例21及び実施例22と同様の効果が確認された。
【0159】
<実施例30>
正極活物質としてLiFePO炭素複合体の代わりに、LiFe0.25Ti0.75PO炭素複合体を用いたこと以外は実施例1と同様にしてコイン型リチウムポリマー電池を作製し、上記と同様にして充放電サイクル試験を行ったところ、上述した実施例21及び実施例22と同様の効果が確認された。
【0160】
<実施例31>
正極活物質としてLiFePO炭素複合体の代わりに、LiFe0.3Zn0.7PO炭素複合体を用いたこと以外は実施例1と同様にしてコイン型リチウムポリマー電池を作製し、上記と同様にして充放電サイクル試験を行ったところ、上述した実施例21及び実施例22と同様の効果が確認された。
【0161】
<実施例32>
正極活物質としてLiFePO炭素複合体の代わりに、LiFe0.3Al0.7PO炭素複合体を用いたこと以外は実施例1と同様にしてコイン型リチウムポリマー電池を作製し、上記と同様にして充放電サイクル試験を行ったところ、上述した実施例21及び実施例22と同様の効果が確認された。
【0162】
<実施例33>
正極活物質としてLiFePO炭素複合体の代わりに、LiFe0.3Ga0.7PO炭素複合体を用いたこと以外は実施例1と同様にしてコイン型リチウムポリマー電池を作製し、上記と同様にして充放電サイクル試験を行ったところ、上述した実施例21及び実施例22と同様の効果が確認された。
【0163】
<実施例34>
正極活物質としてLiFePO炭素複合体の代わりに、LiFe0.25Mg0.75PO炭素複合体を用いたこと以外は実施例1と同様にしてコイン型リチウムポリマー電池を作製し、上記と同様にして充放電サイクル試験を行ったところ、上述した実施例21及び実施例22と同様の効果が確認された。
【0164】
<実施例35>
正極活物質としてLiFePO炭素複合体の代わりに、LiFe0.250.75PO炭素複合体を用いたこと以外は実施例1と同様にしてコイン型リチウムポリマー電池を作製し、上記と同様にして充放電サイクル試験を行ったところ、上述した実施例21及び実施例22と同様の効果が確認された。
【0165】
<実施例36>
正極活物質としてLiFePO炭素複合体の代わりに、LiFe0.25Nb0.75PO炭素複合体を用いたこと以外は実施例1と同様にしてコイン型リチウムポリマー電池を作製し、上記と同様にして充放電サイクル試験を行ったところ、以上のことより、実施例23乃至実施例33でも45℃という高温において充放電サイクルを繰り返した場合における容量劣化を抑制することができ、非水電解質二次電池の高温使用における充放電サイクル特性を改善する効果が確認された。
【0166】
したがって、ポリマー電池の場合においても、一般式LiFe1−yPO炭素複合体を含有する正極活物質層中に炭酸リチウムを0.3質量%〜8.0質量%の範囲で含有することにより、45℃という高温において充放電サイクルを繰り返した場合における容量劣化を抑制することができ、非水電解質二次電池の高温使用における充放電サイクル特性を改善することができるといえる。
【0167】
【発明の効果】
本発明に係る非水電解質二次電池は、一般式LiFe1−yPO(ただし、Mは、Mn、Cr、Co、Cu、Ni、V、Mo、Ti、Zn、Al、Ga、Mg、B及びNbからなる群より選ばれた少なくとも1種を表す。また、0.05≦x≦1.2、0≦y≦0.8である。)で表される化合物を含有する正極活物質層を有する正極と、リチウムをドープ及び脱ドープし得る負極と、非水電解質とを備えてなり、上記正極活物質層は、炭酸リチウムを0.3質量%〜8.0質量%含有してなるものである。
【0168】
以上のような本発明に係る非水電解質二次電池は、正極活物質層中に炭酸リチウムを0.3質量%〜8.0質量%の範囲で含有するため、高温で充放電サイクルを繰り返した場合における容量劣化を抑制することが可能である。
【0169】
これにより、非水電解質二次電池の高温使用における充放電サイクル特性を改善することが可能となる。
【0170】
したがって、本発明によれば、高エネルギー密度を有し、高温における充放電サイクル特性に優れた非水電解質二次電池を提供することが可能となり、その工業的価値は大きい。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明を適用した非水電解質二次電池の一構成例を示す縦断面図である。
【図2】 炭素材料のラマンスペクトルピークを示す特性図である。
【符号の説明】
1 非水電解液電池、2 負極、3 負極缶、4 正極、5 正極缶、6 セパレータ、7 絶縁ガスケット[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
  The present invention relates to a non-aqueous electrolyte secondary battery using a positive electrode active material capable of reversibly doping and dedoping lithium.
[0002]
[Prior art]
  In recent years, with the rapid progress of various electronic devices, research on a rechargeable secondary battery as a power source that can be used conveniently and economically for a long time is underway. As typical secondary batteries, lead storage batteries, alkaline storage batteries, non-aqueous electrolyte secondary batteries, and the like are known.
[0003]
  Among the secondary batteries as described above, a lithium ion secondary battery that is a non-aqueous electrolyte secondary battery has advantages such as high output and high energy density. The lithium ion secondary battery includes at least a positive electrode and a negative electrode having an active material capable of reversibly removing and inserting lithium ions, and a nonaqueous electrolyte.
[0004]
  Here, as the negative electrode active material, generally lithium metal such as lithium metal, Li-Al alloy, conductive polymer doped with lithium such as polyacetylene and polypyrrole, intercalation compound or carbon material in which lithium ions are incorporated in the crystal, etc. Is used. As the electrolytic solution, a solution in which a lithium salt is dissolved in an aprotic organic solvent is used.
[0005]
  On the other hand, a metal oxide, a metal sulfide, or a polymer is used as the positive electrode active material, for example, TiS.2, MoS2, NbSe2, V2O5Etc. are known. The discharge reaction of the non-aqueous electrolyte secondary battery using these materials proceeds by lithium ions eluting into the electrolytic solution at the negative electrode and intercalation of lithium ions between the layers of the positive electrode active material at the positive electrode. Conversely, when charging, the reverse reaction proceeds and lithium intercalates at the positive electrode. That is, charge / discharge can be repeated by repeating the reaction in which lithium ions from the negative electrode enter and exit the positive electrode active material.
[0006]
  Currently, as a positive electrode active material of a lithium ion secondary battery, it has high energy density, high voltage, etc.2, LiNiO2, LiMn2O4Etc. are used. However, since these positive electrode active materials have a metal element having a low Clark number in their composition, they are expensive and have a problem that stable supply is difficult. Moreover, since these positive electrode active materials are comparatively high in toxicity and have a great influence on the environment, new positive electrode active materials that can replace them are required.
[0007]
  On the other hand, it has been proposed to use a compound having an olivine structure as a positive electrode active material of a lithium ion secondary battery. For example, LiFePO which is a compound having an olivine structure4Has a volume density of 3.6 g / cm3A high potential of 3.4 V is generated and the theoretical capacity is as large as 170 mAh / g. LiFePO4Is a promising material as a positive electrode active material of a lithium ion secondary battery because it contains one electrochemically dedopeable Li per Fe atom in the initial state. Moreover, LiFePO4Has the above-mentioned LiCoO because it has iron in its composition, which is abundant and inexpensive in resources.2, LiNiO2, LiMn2O4Compared to the above, the cost is low, and since the toxicity is low, the influence on the environment is small.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
  By the way, high-temperature cycle characteristics are among the performance required for secondary batteries. In particular, portable devices such as camera-integrated VTRs, cellular phones, and laptop computers can be left in the car interior or charged, and one of the important battery performances is cycle life at high temperatures. Positioned.
[0009]
  However, when a non-aqueous electrolyte secondary battery having a compound having an olivine structure as a positive electrode active material and a material capable of doping and undoping lithium as a negative electrode active material is configured, the battery repeats a charge / discharge cycle at a high temperature. There is a defect that causes a significant capacity deterioration, and it has been confirmed that even when a charge / discharge cycle is performed in an atmosphere at 45 ° C., the life becomes about ¼ or less of room temperature.
[0010]
  Therefore, the present invention has been proposed in view of such conventional circumstances, and includes a positive electrode having a positive electrode active material layer containing a compound having an olivine structure, and a non-aqueous electrode that can be doped and dedoped with lithium. The purpose is to improve the charge / discharge cycle characteristics of the electrolyte secondary battery when used at high temperatures.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
  In order to achieve the above object, the non-aqueous electrolyte secondary battery according to the present invention has a general formula Li.xFe1-yMyPO4(However, M represents at least one selected from the group consisting of Mn, Cr, Co, Cu, Ni, V, Mo, Ti, Zn, Al, Ga, Mg, B, and Nb. 05 ≦ x ≦ 1.2, 0 ≦ y ≦ 0.8), a positive electrode having a positive electrode active material layer containing a compound represented by the following formula, a negative electrode capable of doping and dedoping lithium, and a non-aqueous electrolyte The positive electrode active material layer is made of 0.3% lithium carbonate.mass% To 8.0mass% Content.
[0012]
  The non-aqueous electrolyte secondary battery configured as described above has 0.3% lithium carbonate in the positive electrode active material layer.mass% To 8.0massTherefore, capacity deterioration when the charge / discharge cycle is repeated at a high temperature is suppressed.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
  Embodiments of the present invention will be described below. In addition, this invention is not limited to the following description, In the range which does not deviate from this invention, it can change suitably.
[0014]
  As shown in FIG. 1, a nonaqueous electrolyte battery 1 manufactured by applying the present invention includes a negative electrode 2, a negative electrode can 3 that contains the negative electrode 2, a positive electrode 4, and a positive electrode can 5 that contains the positive electrode 4. And a separator 6 disposed between the positive electrode 4 and the negative electrode 2, and an insulating gasket 7. The negative electrode can 3 and the positive electrode can 5 are filled with a non-aqueous electrolyte.
[0015]
  The negative electrode 2 is made of, for example, a metal lithium foil serving as a negative electrode active material. When a material capable of doping and undoping lithium is used as the negative electrode active material, the negative electrode 2 has a negative electrode active material layer containing the negative electrode active material formed on the negative electrode current collector. For example, a nickel foil or the like is used as the negative electrode current collector.
[0016]
  As a negative electrode active material that can be doped or dedoped with lithium, a layered compound such as metal lithium, a lithium alloy, a conductive polymer doped with lithium, a carbon material, or a metal oxide can be used.
[0017]
  As a binder contained in a negative electrode active material layer, the well-known resin material etc. which are normally used as a binder of a negative electrode active material layer in this kind of nonaqueous electrolyte battery can be used.
[0018]
  The negative electrode can 3 accommodates the negative electrode 2 and serves as an external negative electrode of the nonaqueous electrolyte battery 1.
[0019]
  The positive electrode 4 is a positive electrode active material containing a positive electrode active material capable of electrochemically releasing lithium and reversibly absorbing on a positive electrode current collector made of, for example, an aluminum foil. A material layer is formed. Here, the positive electrode active material layer is mainly composed of the positive electrode active material, and includes a binder, a conductive material, and the like as necessary. Furthermore, in this non-aqueous electrolyte battery 1, lithium carbonate is added to the positive electrode active material layer by 0.3%.mass% To 8.0mass%contains. This non-aqueous electrolyte battery 1 has 0.3% lithium carbonate in the positive electrode active material layer.mass% To 8.0mass%, The deterioration of capacity can be suppressed even when the charge / discharge cycle is repeated at a high temperature. Therefore, the non-aqueous electrolyte battery 1 is a non-aqueous electrolyte secondary battery with improved charge / discharge cycle characteristics at high temperature use and excellent charge / discharge cycle characteristics at high temperature use.
[0020]
  As a positive electrode active material, although a detailed manufacturing method is mentioned later, it has an olivine structure and has general formula LixFe1-yMyPO4(However, M represents at least one selected from the group consisting of Mn, Cr, Co, Cu, Ni, V, Mo, Ti, Zn, Al, Ga, Mg, B, and Nb. 05 ≦ x ≦ 1.2 and 0 ≦ y ≦ 0.8), or a composite of these compounds and a carbon material, that is, LixFe1-yMyPO4A carbon composite is used.
[0021]
  Hereinafter, LixFe1-yMyPO4LiFePO as4And a composite comprising this and a carbon material, that is, LiFePO4The case where a carbon composite is used as the positive electrode active material will be described.
[0022]
  LiFePO4The carbon composite is LiFePO4On the surface of the particles, the LiFePO4A large number of particles of a carbon material having a particle size that is extremely smaller than the particle size of the particles are adhered. Since the carbon material has conductivity, the carbon material and LiFePO4LiFePO composed of4The carbon composite is, for example, LiFePO4Compared with, it is excellent in electronic conductivity. That is, LiFePO4The carbon composite is LiFePO4Since the carbon particles adhering to the surface of the particles improve the electron conductivity, LiFePO4The original capacity is drawn out sufficiently. Therefore, LiFePO as a positive electrode active material4By using the carbon composite, the non-aqueous electrolyte battery 1 having a high capacity can be realized.
[0023]
  LiFePO4Units in carbon compositesmassThe carbon content per unit is 3mass% Or more is preferable. LiFePO4Units in carbon compositesmassCarbon content per unit is 3massIf it is less than%, LiFePO4Since the amount of carbon particles adhering to the surface of the particles is not sufficient, there is a possibility that the effect of improving the electronic conductivity cannot be obtained sufficiently.
[0024]
  LiFePO4As a carbon material constituting the carbon composite, in Raman spectroscopy, the wave number of the Raman spectrum of graphite (hereinafter referred to as Gr) is 1340 to 1360 cm.-1Wave number from 1570 to 1590 cm for diffraction lines appearing in-1Those having an intensity area ratio A (D / G) of diffraction lines of 0.3 or more can be suitably used.
[0025]
  Here, the intensity area ratio A (D / G) is a wave number of 1570 to 1590 cm measured by Raman spectroscopy as shown in FIG.-1G peak and wave number 1340-1360cm-1It is defined as a Raman spectrum intensity area ratio A (D / G) that does not include a background with the D peak appearing in FIG. Further, not including the background means not including the noise portion.
[0026]
  As mentioned above, wave numbers 1570 to 1590 cm are among the numerous peaks of the Raman spectrum of Gr.-1G peak and wave number 1340-1360cm-1Two peaks called D peaks appearing at are observed. Among these, the D peak is not originally a peak derived from the G peak, but a Raman inactive peak that appears when the structure is distorted and the symmetry of the structure is lowered. Therefore, the D peak is a measure of the distorted structure of Gr, and the intensity area A (D / G) between the D peak and the G peak has a linear relationship with the reciprocal of the a-axis direction crystallite size La of Gr. It is known.
[0027]
  Specifically, an amorphous carbon material such as acetylene black can be preferably used as such a carbon material.
[0028]
  In addition, the carbon material having the strength area ratio A (D / G) of 0.3 or more as described above can be obtained by performing a treatment such as pulverization with a pulverizer. And the carbon material which has arbitrary A (D / G) can be easily obtained by controlling a grinding | pulverization time.
[0029]
  For example, graphite, which is a crystalline carbon material, is crushed using a powerful pulverizer such as a planetary ball mill, so that the structure is easily destroyed and becomes amorphous. Accordingly, the strength area ratio A (D / G) increases. That is, it becomes possible to easily obtain a carbon material having an arbitrary A (D / G), that is, 0.3 or more by controlling the operation time of the pulverizer. Therefore, a crystalline carbon-based material or the like can be preferably used as the carbon material by pulverizing.
[0030]
  LiFePO4The powder density of the carbon composite is 2.2 g / cm.3The above is preferable. LiFePO4The carbon composite has a powder density of 2.2 g / cm.3When the synthetic raw material is milled to such an extent as described above, it becomes sufficiently fine. Therefore, the filling rate of the positive electrode active material is improved, and the nonaqueous electrolyte battery 1 having a high capacity can be realized. LiFePO4Since the carbon composite is miniaturized to satisfy the above powder density, LiFePO4It can be said that the specific surface area of is also increasing. That is, LiFePO4A sufficient contact area between the carbon material and the carbon material can be ensured, and the electron conductivity can be improved.
[0031]
  LiFePO4The powder density of the carbon composite is 2.2 g / cm3If less than LiFePO4Since the carbon composite is not sufficiently compressed, the active material filling rate in the positive electrode 4 may not be improved.
[0032]
  LiFePO4Brunauer Emmett Teller (hereinafter referred to as BET) specific surface area of carbon composite is 10.3 m2/ G or more is preferable. LiFePO4BET specific surface area of carbon composite is 10.3m2/ G or moremassLiFePO4The specific surface area of LiFePO can be made sufficiently large.4The contact area between the carbon material and the carbon material can be increased. Therefore, the electronic conductivity of the positive electrode active material can be reliably improved.
[0033]
  In addition, LiFePO4The primary particle size of the carbon composite is preferably 3.1 μm or less. LiFePO4By setting the primary particle size of the carbon composite to 3.1 μm or less, the unitmassLiFePO4The specific surface area of LiFePO can be made sufficiently large.4The contact area between the carbon material and the carbon material can be increased. Therefore, the electronic conductivity of the positive electrode active material can be reliably improved.
[0034]
  As a binder contained in a positive electrode active material layer, the well-known resin material etc. which are normally used as a binder of a positive electrode active material layer in this kind of nonaqueous electrolyte battery can be used.
[0035]
  The positive electrode can 5 accommodates the positive electrode 4 and serves as an external positive electrode of the non-aqueous electrolyte battery 1.
[0036]
  The separator 6 separates the positive electrode 4 and the negative electrode 2, and a known material that is usually used as a separator for this type of nonaqueous electrolyte battery can be used. For example, a polymer film such as polypropylene is used. Is used. Moreover, the thickness of a separator needs to be as thin as possible from the relationship between lithium ion conductivity and energy density. Specifically, the thickness of the separator is suitably 50 μm or less, for example.
[0037]
  The insulating gasket 7 is incorporated in and integrated with the negative electrode can 3. The insulating gasket 7 is for preventing leakage of the non-aqueous electrolyte filled in the negative electrode can 3 and the positive electrode can 5.
[0038]
  As the non-aqueous electrolyte, a solution in which an electrolyte is dissolved in an aprotic non-aqueous solvent is used.
[0039]
  Examples of the non-aqueous solvent include propylene carbonate, ethylene carbonate, butylene carbonate, vinylene carbonate, γ-butyllactone, sulfolane, 1,2-dimethoxyethane, 1,2-diethoxyethane, 2-methyltetrahydrofuran, 3-methyl- 1,3-dioxolane, methyl propionate, methyl butyrate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, dipropyl carbonate and the like can be used. In particular, from the viewpoint of voltage stability, it is preferable to use cyclic carbonates such as propylene carbonate, ethylene carbonate, butylene carbonate and vinylene carbonate, and chain carbonates such as dimethyl carbonate, diethyl carbonate and dipropyl carbonate. Moreover, such a non-aqueous solvent may be used individually by 1 type, and 2 or more types may be mixed and used for it.
[0040]
  Moreover, as an electrolyte dissolved in a non-aqueous solvent, for example, LiPF6LiClO4, LiAsF6, LiBF4, LiCF3SO3, LiN (CF3SO2)2Lithium salts such as can be used. Among these lithium salts, especially LiPF6, LiBF4Is preferably used.
[0041]
  In addition, although the non-aqueous electrolyte battery 1 using the non-aqueous electrolyte was described as an example as the non-aqueous electrolyte battery to which the present invention is applied, the present invention is not limited to this, and the non-aqueous electrolyte is not limited thereto. As described above, the present invention is also applicable when a solid electrolyte is used. Here, as the solid electrolyte, any solid polymer electrolyte such as an inorganic solid electrolyte and a gel electrolyte can be used as long as the material has lithium ion conductivity. Here, examples of the inorganic solid electrolyte include lithium nitride and lithium iodide. The polymer solid electrolyte is composed of an electrolyte salt and a polymer compound that dissolves the electrolyte salt. The polymer compound includes poly (ethylene oxide), an ether polymer such as the cross-linked product, and a poly (methacrylate) ester. -Based polymers, acrylate-based polymers and the like can be used alone, or can be copolymerized or mixed in the molecule. In this case, for example, as the matrix of the gel electrolyte, various polymer materials can be used as long as they can gel by absorbing the non-aqueous electrolyte. Examples of such a polymer material include poly (vinylidene fluoride), fluorine-based polymers such as poly (vinylidene fluoride-CO-hexafluoropropylene), poly (ethylene oxide), and the same crosslinked product. Ether polymers, poly (acrylonitrile), and the like can be used. Among these, it is particularly preferable to use a fluorine-based polymer from the viewpoint of redox stability.
[0042]
  A method for manufacturing the non-aqueous electrolyte battery 1 configured as described above will be described below.
[0043]
  First, Li as a positive electrode active materialxFePO4A composite of carbon and a carbon material is synthesized according to the production method shown below.
[0044]
  To synthesize this positive electrode active material, LixFePO4These synthetic raw materials are mixed, milled, fired, and a carbon material is added at any of the above points. LixFePO4As a synthetic raw material, Li3PO4And Fe3(PO4)2Or its hydrate Fe3(PO4)2・ NH2O (where n is a hydration number).
[0045]
  Hereinafter, lithium phosphate (Li3PO4) And ferrous phosphate octahydrate (Fe) synthesized as shown below3(PO4)2・ 8H2O) and various steps after adding the carbon material to this synthetic raw material, LiFePO4The case where a carbon composite is synthesized will be described.
[0046]
  First, LiFePO4A mixing step is performed by mixing the synthetic raw material and the carbon material into a mixture. Subsequently, the milling process which mills the mixture obtained at the mixing process is performed. Subsequently, the baking process which bakes the mixture which gave the milling process is performed.
[0047]
  In the mixing step, lithium phosphate and ferrous phosphate octahydrate are mixed as a synthetic raw material at a predetermined ratio, and a carbon material is further added to form a mixture.
[0048]
  Ferrous phosphate octahydrate used as a synthetic raw material is iron sulfate heptahydrate (FeSO4・ 7H2O) is dissolved in water to an aqueous solution of disodium hydrogen phosphate monodihydrate (2Na2HPO4・ 12H2It is synthesized by adding O) and leaving it for a predetermined time. The synthetic reaction of ferrous phosphate octahydrate is represented by the reaction formula shown in Chemical Formula 1 below.
[0049]
[Chemical 1]
Figure 0004724911
[0050]
  The synthetic ferrous phosphate octahydrate has a certain amount of Fe in its synthesis process.3+It is included. Fe as synthetic raw material3+If a residual amount remains, a trivalent Fe compound is generated by firing, so LiFePO4Single-phase synthesis of carbon composites will be hindered. For this reason, a reducing agent is added to the synthetic raw material before firing, and Fe contained in the synthetic raw material at the time of firing.3+Fe2+It is necessary to reduce it.
[0051]
  However, Fe by reducing agent3+Fe2+There is a limit to the ability to reduce to3+If there is too much content of Fe, Fe3+LiFePO cannot be reduced4It may remain in the carbon composite.
[0052]
  Therefore, Fe relative to the total amount of iron in ferrous phosphate octahydrate3+The content of 61mass% Or less is preferable. Fe relative to total iron in ferrous phosphate octahydrate as a synthetic raw material3+The content of 61mass% Or less in advance, Fe is reduced during firing.3+Without remaining, that is, Fe3+LiFePO without producing impurities due to4A single-phase synthesis of the carbon composite can be reliably performed.
[0053]
  In addition, the longer the standing time when producing ferrous phosphate octahydrate, the more Fe3+Since the content ratio of Fe increases, by controlling the standing time to a predetermined time, any Fe3+Ferrous phosphate octahydrate having the following content can be produced. In addition, Fe relative to the total amount of iron in ferrous phosphate octahydrate3+The content of can be measured by a Mossbauer method.
[0054]
  The carbon material added to the synthetic raw material is Fe contained in the synthetic raw material ferrous phosphate octahydrate.2+Due to atmospheric oxygen or firing3+Even when oxidized to Fe3+Fe2+Acts as a reducing agent that reduces to Therefore, Fe3+Even if it remains, the generation of impurities is prevented and LiFePO4Single phase synthesis of carbon composites is possible. Furthermore, the carbon material is Fe contained in the synthetic raw material.2+Fe3+Acts as an antioxidant to prevent oxidation That is, the carbon material is made of Fe by oxygen present in the atmosphere and in the firing furnace before or during firing.2+Is Fe3+It is prevented from being oxidized.
[0055]
  That is, as described above, the carbon material functions as a conductive material that improves the electronic conductivity of the positive electrode active material, and also functions as a reducing agent and an antioxidant. This carbon material is LiFePO4Since it becomes a component of the carbon composite, LiFePO4There is no need to remove it after the synthesis of the carbon composite. Therefore, LiFePO4The production of the carbon composite is made efficient.
[0056]
  LiFePO4Unit of carbon complexmassThe carbon content per unit is 3mass% Or more is preferable. LiFePO4Unit of carbon complexmassCarbon content per unit is 3mass% Or more, LiFePO4It is possible to sufficiently extract the capacity and cycle characteristics originally possessed by the.
[0057]
  In the milling step, the mixture obtained in the mixing step is subjected to milling for simultaneous pulverization and mixing. Here, milling refers to powerful crushing and mixing using a ball mill. As the ball mill, for example, a planetary ball mill, a shaker type ball mill, a mechano-fusion, or the like can be suitably used.
[0058]
  By subjecting the mixture obtained in the mixing step to milling, the synthetic raw material and the carbon material can be uniformly mixed. Moreover, if the synthetic raw material is refined by milling, the specific surface area of the synthetic raw material can be increased. Therefore, the contact point between the raw materials increases, and the synthesis reaction in the subsequent firing step can be rapidly advanced.
[0059]
  When milling a mixture containing a synthetic raw material, it is preferable that the particle size distribution of particles having a particle diameter of 3 μm or more be 22% or less in terms of volume-based integration frequency. By setting the particle size distribution of the synthetic raw material in the above range, the synthetic raw material has a surface area sufficient to obtain a surface activity sufficient for the synthetic reaction. Thereby, even when the firing temperature is as low as the melting point of the synthetic raw material of, for example, 600 ° C., the reaction efficiency is good, and LiFePO 44A single-phase synthesis of the carbon composite can be reliably performed.
[0060]
  LiFePO4The powder density of the carbon composite is 2.2 g / cm3Milling is preferably performed to achieve the above. By miniaturizing the synthetic raw material so as to achieve the above powder density, LiFePO4The specific surface area can be increased. As a result, LiFePO4The contact area between the carbon material and the carbon material can be increased, and the electron conductivity of the positive electrode active material can be improved.
[0061]
  Therefore, the positive electrode active material which implement | achieves the nonaqueous electrolyte battery 1 which is high capacity | capacitance can be manufactured by milling the mixture containing a synthetic raw material.
[0062]
  In the firing step, the mixture that has been milled in the milling step is fired. By baking the mixture, lithium phosphate and ferrous phosphate octahydrate are reacted, and LiFePO4Is synthesized.
[0063]
  LiFePO4The synthesis reaction of is represented by the reaction formula shown in Chemical Formula 2 below. The following2In the reaction formula shown in FIG.3PO4And Fe3(PO4)2Or its hydrate Fe3(PO4)2・ NH2The case where O (where n is a hydration number) is reacted is shown.
[0064]
[Chemical 2]
Figure 0004724911
[0065]
  As is apparent from the reaction formula shown in the chemical formula 2, Fe as a synthesis raw material3(PO4)2By-products are not produced. Fe3(PO4)2・ NH2When O is used, only non-toxic water is produced as a by-product.
[0066]
  By the way, conventionally, lithium carbonate, ammonium dihydrogen phosphate, and iron (II) acetate are mixed as a synthesis raw material at a predetermined ratio, calcined, and LiFePOPO4 by a reaction shown in the following chemical formula 3.4Was synthesized.
[0067]
[Chemical Formula 3]
Figure 0004724911
[0068]
  As is clear from the reaction formula shown in Chemical Formula 3, the conventional LiFePO 44In this synthesis method, toxic by-products such as ammonia and acetic acid were produced during firing. For this reason, facilities, such as a large-scale air collector for processing these toxic by-products, were required, which caused an increase in manufacturing costs. Moreover, since these by-products are produced in large quantities, LiFePO4The yield of was reduced.
[0069]
  However, as a synthetic raw material, Li3PO4And Fe3(PO4)2Or its hydrate Fe3(PO4)2・ NH2By using O (where n is a hydration number), the target substance LiFePO is produced without producing toxic by-products.4Can be obtained. In other words, the safety during firing is significantly improved as compared with the conventional manufacturing method. In addition, in the past, a large-scale processing facility was required to process toxic by-products, but in the manufacturing method described above, since the by-products are non-toxic water, the processing steps can be greatly simplified. The processing equipment can be reduced. Therefore, the manufacturing cost can be greatly reduced as compared with the case of processing ammonia or the like which is a conventional by-product. Furthermore, as is apparent from the reaction formula shown in the chemical formula 2 above, since a small amount of by-products are produced, LiFePO 44The yield of can be greatly improved.
[0070]
  The firing temperature when firing the mixture can be set to 400 ° C. to 900 ° C. by the above synthesis method, but is preferably about 600 ° C. in consideration of battery performance. When the firing temperature is lower than 400 ° C., the chemical reaction and crystallization do not proceed sufficiently, and Li, which is a synthetic raw material, is used.3PO4Etc., and there is a homogeneous LiFePO4You may not be able to get it. On the other hand, when the firing temperature exceeds 900 ° C., crystallization proceeds excessively and LiFePO 44The particles of LiFePO4The contact area between the carbon material and the carbon material is reduced, and the electron conductivity is lowered. Therefore, there is a possibility that a sufficient discharge capacity cannot be obtained.
[0071]
  LiFePO synthesized during firing4Fe in the carbon composite is in a divalent state. For this reason, at a synthesis temperature of about 600 ° C., LiFePO4Fe in the carbon composite is expressed by the reaction formula shown in the following chemical formula 4 by oxygen in the firing atmosphere.3+Oxidized quickly. Due to this, impurities such as a trivalent Fe compound are generated, and LiFePO4Single-phase synthesis of carbon composites will be hindered.
[0072]
[Formula 4]
Figure 0004724911
[0073]
  Therefore, an inert gas such as nitrogen or argon or a reducing gas such as hydrogen or carbon monoxide is used as the firing atmosphere, and the oxygen concentration in the firing atmosphere is set to LiFePO 4.4The range in which Fe in the carbon composite is not oxidized, that is, 1012 ppm (volume) or less is preferable. By setting the oxygen concentration in the firing atmosphere to 1012 ppm (volume) or less, oxidation of Fe is prevented even at a synthesis temperature of about 600 ° C., and LiFePO 44A single-phase synthesis of the carbon composite can be reliably performed.
[0074]
  When the oxygen concentration in the firing atmosphere is higher than 1012 ppm (volume), the amount of oxygen in the firing atmosphere is too large.4Fe in the carbon composite is Fe3+As a result, the impurities are generated due to the oxidation of LiFePO.4There is a possibility that the single-phase synthesis of the carbon composite may be hindered.
[0075]
  LiFePO after firing4For removal of the carbon composite, LiFePO after firing4Removal temperature of carbon composite, ie, LiFePO4LiFePO when carbon composite is exposed to air4The temperature of the carbon composite is preferably 305 ° C. or lower. Moreover, LiFePO after firing4More preferably, the carbon composite take-out temperature is 204 ° C. or lower. LiFePO4LiFePO after firing by setting the carbon composite take-out temperature to 305 ° C. or lower4It is possible to prevent Fe in the carbon composite from being oxidized by oxygen in the atmosphere and generating impurities.
[0076]
  LiFePO after firing4When the carbon composite is taken out without being sufficiently cooled, LiFePO4There is a possibility that Fe in the carbon composite is oxidized by oxygen in the atmosphere and impurities are generated. However, LiFePO to very low temperatures4If the carbon composite is cooled, the working efficiency may be reduced.
[0077]
  Therefore, LiFePO after firing4LiFePO after firing by setting the carbon composite take-out temperature to 305 ° C. or lower4LiFePO that prevents Fe from being oxidized by oxygen in the air to produce impurities and maintains work efficiency, and has favorable characteristics as battery characteristics.4A carbon composite can be efficiently synthesized.
[0078]
  In addition, LiFePO after firing4The carbon composite is cooled in a firing furnace. The cooling method at this time may be natural cooling or forced cooling. However, forced cooling is preferable when the cooling time is shortened, that is, when working efficiency is considered. In the case of forced cooling, only a mixed gas of oxygen and inert gas or only an inert gas is supplied into the firing furnace so that the inside of the firing furnace has the above-described oxygen concentration, that is, 1012 ppm (volume) or less. It ’s fine.
[0079]
  In the above, the carbon material is added before milling. However, the carbon material can be added after milling or after firing.
[0080]
  However, when adding a carbon material after baking, the reduction effect at the time of baking and the antioxidant effect cannot be acquired, but the conditions of using only for an electroconductive improvement effect are attached. Therefore, when adding the carbon material after firing, Fe means by other means3+It is necessary to prevent the remaining.
[0081]
  In addition, when the carbon material is added after firing, the product synthesized by firing is LiFePO 4.4LiFePO, not carbon composite4It is. Therefore, LiFePO synthesized by firing4After adding the carbon material, milling is performed again. By performing milling again, the added carbon material is refined, and LiFePO4It becomes easy to adhere to the surface. Also, by re-milling, LiFePO4And the carbon material are sufficiently mixed, so that the refined carbon material is LiFePO4It can be made to adhere uniformly to the surface. Therefore, even when the carbon material is added after firing, the same product as that when the carbon material is added before milling, that is, LiFePO4A carbon composite can be obtained, and the same effect as described above can be obtained.
[0082]
  LiFePO obtained as described above4The nonaqueous electrolyte battery 1 using a carbon composite as a positive electrode active material is manufactured as follows, for example.
[0083]
  As the negative electrode 2, first, a negative electrode active material and a binder are dispersed in a solvent to prepare a slurry negative electrode mixture. Next, the negative electrode 2 is produced by uniformly coating the obtained negative electrode mixture on a current collector and drying to form a negative electrode active material layer. As the binder of the negative electrode mixture, a known binder can be used, and a known additive or the like can be added to the negative electrode mixture. Moreover, the metallic lithium used as a negative electrode active material can also be used as the negative electrode 2 as it is.
[0084]
  As the positive electrode 4, first, LiFePO used as a positive electrode active material.4A carbon composite, lithium carbonate, and a binder are mixed to prepare a positive electrode mixture, which is dispersed in a solvent to form a slurry. That is, in manufacturing the non-aqueous electrolyte battery 1, lithium carbonate or CO 2 is previously contained in the positive electrode active material.3 2-No ions are contained, and lithium carbonate is mixed with the positive electrode active material when preparing the positive electrode mixture. Here, lithium carbonate has a lithium carbonate content of 0.3 in the positive electrode mixture.mass% To 8.0mass% To mix. That is, the lithium carbonate content in the positive electrode active material layer is 0.3.mass% To 8.0mass% Lithium carbonate is mixed. The content of lithium carbonate in the positive electrode mixture is 0.3mass% To 8.0massWhen the non-aqueous electrolyte battery 1 configured using the positive electrode mixture is repeated at a high temperature, the capacity deterioration can be suppressed. Therefore, it becomes possible to improve the charge / discharge cycle characteristics of the nonaqueous electrolyte battery 1 when used at a high temperature.
[0085]
  Next, the obtained positive electrode mixture in the form of a slurry is uniformly coated on a current collector and dried to form a positive electrode active material layer, whereby the positive electrode 4 is produced. As the binder of the positive electrode mixture, a known binder can be used, and a known additive or the like can be added to the positive electrode mixture.
[0086]
  The nonaqueous electrolytic solution is prepared by dissolving an electrolyte salt in a nonaqueous solvent.
[0087]
  Then, the negative electrode 2 is accommodated in the negative electrode can 3, the positive electrode 4 is accommodated in the positive electrode can 5, and a separator 6 made of a polypropylene porous film or the like is disposed between the negative electrode 2 and the positive electrode 4. A coin-type nonaqueous electrolyte battery 1 is completed by injecting a nonaqueous electrolyte into the negative electrode can 3 and the positive electrode can 5 and caulking and fixing the negative electrode can 3 and the positive electrode can 5 via the insulating gasket 7. To do.
[0088]
  The nonaqueous electrolyte battery 1 manufactured as described above contains 0.3% of lithium carbonate in the positive electrode mixture.mass% To 8.0mass%, The deterioration of capacity can be suppressed even when the charge / discharge cycle is repeated at a high temperature. Therefore, the nonaqueous electrolyte battery 1 is a nonaqueous electrolyte secondary battery excellent in charge / discharge cycle characteristics at high temperature use.
[0089]
  In the above, as described above, LiFePO4The positive electrode through a mixing step of mixing a synthetic raw material and a carbon material into a mixture, a milling step of milling the mixture obtained in the mixing step, and a firing step of firing the mixture that has been milled in the milling step Active material is synthesized. However, in the present invention, the method for producing the positive electrode active material is not limited to this. For example, the carbon material may not be added in the above method, and the positive electrode active material may be synthesized without the milling step.
[0090]
  The non-aqueous electrolyte battery 1 according to the present embodiment as described above is not particularly limited with respect to its shape, such as a cylindrical shape, a square shape, a coin shape, a button shape, etc., and is thin and large. The size can be various.
[0091]
【Example】
  Hereinafter, the present invention will be described based on specific experimental results. Here, in order to investigate the effect of the present invention, LiFePO 44LiFePO obtained by synthesizing a carbon composite4A non-aqueous electrolyte battery was produced using the carbon composite as the positive electrode active material, and its characteristics were evaluated.
[0092]
  <Example 1>
  LiFePO as positive electrode active material4A complex was synthesized. The manufacturing method of this positive electrode active material is shown below.
[0093]
  First, Li3PO4And Fe3(PO4)2・ 8H2O is mixed so that the element ratio of lithium and iron is 1: 1, and acetylene black powder having various sizes of particle sizes is added to 10% of the entire fired product.mass% To give a mixture. Next, the mixture and the alumina balls having a diameter of 10 mm were put into an alumina pot having a diameter of 100 mm in a mass ratio of mixture: alumina balls = 1: 2, and the mixture was milled using a planetary ball mill. As a planetary ball mill, an experimental planetary rotary pot mill “LA-PO”4(Made by Ito Seisakusho) and milling was performed as the conditions shown below.
[0094]
  Planetary ball mill milling conditions
  Revolving radius: 200mm
  Revolving speed: 250rpm
  Rotational speed: 250rpm
  Driving time: 10h
  Next, the mixture after milling is placed in a ceramic crucible and baked at a temperature of 600 ° C. for 5 hours in an electric furnace in a nitrogen atmosphere to thereby form LiFePO 4.4A carbon composite was obtained.
[0095]
  LiFePO thus obtained.4LiFePO using carbon composite4Carbon composite and lithium carbonate Li2CO3Mixed withmass91 blends obtained with a 99.7: 0.3 ratiomassPart, 6 graphite as a conductive agentmassPolyvinylidene fluoride 3 as bindermassParts were mixed to prepare a positive electrode mixture, which was dispersed in N-methyl-2-pyrrolidone to form a slurry.
[0096]
  Next, the positive electrode mixture slurry was uniformly applied to both surfaces of a 20 μm-thick strip-shaped aluminum foil as a positive electrode current collector, and after drying, compression-molded with a roll press to produce a strip-shaped positive electrode.
[0097]
  As a negative electrode active material, petroleum pitch is used as a starting material, and a functional group containing oxygen is introduced into this material by 10 to 20%, so-called oxygen crosslinking, and then fired at 1000 ° C. in an inert gas stream to be close to glassy carbon The non-graphite carbon material was obtained. As a result of X-ray diffraction measurement of this material, the (002) plane spacing was 3.76 mm and the true specific gravity was 1.58.
[0098]
  The carbon material obtained in this way is 90%.massAnd polyvinylidene fluoride 10 as a bindermassPart was mixed to prepare a negative electrode mixture, which was dispersed in N-methyl-2-pyrrolidone to form a slurry.
[0099]
  Next, a 10 μm-thick strip-shaped copper foil is prepared as a negative electrode current collector, and the slurry of the negative electrode mixture is uniformly applied on both sides thereof, and after drying, compression-molded with a roll press to produce a strip-shaped negative electrode did.
[0100]
  As the separator, a microporous polypropylene film having a thickness of 25 μm was used, and the negative electrode, the positive electrode, and the separator were wound in a spiral shape to produce an electrode element.
[0101]
  The electrode element thus obtained was stored in a nickel-plated iron can. Insulating plates are arranged on both the upper and lower surfaces of the spiral electrode element, the aluminum positive electrode lead is led out from the positive electrode current collector, and the nickel negative electrode lead is led out from the negative electrode current collector and welded to the battery can. did.
[0102]
  Next, in this battery can, LiPF was mixed with a mixed solvent of 50% by volume of propylene carbonate and 50% by volume of 1,2-dimethoxyethane.6An electrolyte solution in which 1 mol / l was dissolved was injected.
[0103]
  Finally, the battery can and the battery lid were crimped and sealed through an insulating gasket coated with asphalt to produce a cylindrical battery having a diameter of 20 mm and a height of 50 mm.
[0104]
  <Example 2>
  When preparing the positive electrode mixture, LiFePO4Carbon composite and lithium carbonate Li2CO3Mixed withmassA cylindrical battery was produced in the same manner as in Example 1 except that the ratio was 99.5: 0.5.
[0105]
  <Example 3>
  When preparing the positive electrode mixture, LiFePO4Carbon composite and lithium carbonate Li2CO3Mixed withmassA cylindrical battery was produced in the same manner as in Example 1 except that the ratio was 99: 1.
[0106]
  <Example 4>
  When preparing the positive electrode mixture, LiFePO4Carbon composite and lithium carbonate Li2CO3Mixed withmassA cylindrical battery was produced in the same manner as in Example 1 except that the ratio was 97: 3.
[0107]
  <Example 5>
  When preparing the positive electrode mixture, LiFePO4Carbon composite and lithium carbonate Li2CO3Mixed withmassA cylindrical battery was produced in the same manner as in Example 1 except that the ratio was 95: 5.
[0108]
  <Example 6>
  When preparing the positive electrode mixture, LiFePO4Carbon composite and lithium carbonate Li2CO3Mixed withmassA cylindrical battery was produced in the same manner as in Example 1 except that the ratio was 92: 8.
[0109]
  <Comparative Example 1>
  When preparing the positive electrode mixture, LiFePO4Carbon composite and lithium carbonate Li2CO3Mixed withmassA cylindrical battery was fabricated in the same manner as in Example 1 except that the ratio was 100: 0, that is, lithium carbonate was not mixed.
[0110]
  <Comparative example 2>
  When preparing the positive electrode mixture, LiFePO4Carbon composite and lithium carbonate Li2CO3Mixed withmassA cylindrical battery was produced in the same manner as in Example 1 except that the ratio was 99.8: 0.2.
[0111]
  <Comparative Example 3>
  When preparing the positive electrode mixture, LiFePO4Carbon composite and lithium carbonate Li2CO3Mixed withmassA cylindrical battery was produced in the same manner as in Example 1 except that the ratio was 90:10.
[0112]
  The cylindrical batteries of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3 manufactured as described above were subjected to a charge / discharge cycle characteristic test as follows, and the initial discharge capacity and the discharge after 50 cycles. The capacity maintenance rate was obtained.
[0113]
  <Charge / discharge cycle characteristics test>
  The charge / discharge cycle characteristics were evaluated by the capacity retention rate after repeated charge / discharge.
[0114]
  First, for a cylindrical battery, 1 A constant current constant voltage charging was performed for 3 hours up to an upper limit of 4.1 V in a 23 ° C. atmosphere, and then 6.2 Ω constant resistance discharge was performed to a final voltage of 2.75 V . The discharge capacity at this time was defined as the initial discharge capacity. Furthermore, 50 cycles of charge / discharge were performed in a 45 ° C. atmosphere under the same charge / discharge conditions, and the discharge capacity at the 50th cycle was determined. Then, the ratio ((C2 / C1) × 100) of the discharge capacity (C2) at the 50th cycle to the initial discharge capacity (C1) was determined as the discharge capacity retention rate. The results are shown in Table 1. In addition, the battery evaluation in Table 1 indicates that the initial discharge capacity is 1000 mAh or more and the discharge capacity maintenance rate of the 50th cycle is 95% or more is marked as “good”, and the initial discharge capacity is 1000 mAh or less, or the 50th cycle. The case where the discharge capacity retention rate was less than 95% was rejected, and x was marked. Here, an initial discharge capacity of 1000 mAh or more and a discharge capacity maintenance ratio at the 50th cycle of 95% or more are preferable values as battery characteristics.
[0115]
[Table 1]
Figure 0004724911
[0116]
  As can be seen from Table 1, the content of lithium carbonate in the positive electrode active material layer was 0.3mass% To 8.0massIn Examples 1 to 6, which are%, a value far exceeding the initial discharge capacity of 1000 mAh, which is desirable as a battery characteristic at a practical level, is shown, and the discharge capacity maintenance rate at the 50th cycle is also a battery characteristic at a practical level. It greatly exceeds the desirable 95% and shows excellent charge / discharge cycle characteristics. This is presumably because the lithium carbonate contained in the positive electrode active material layer in an appropriate amount suppresses capacity deterioration even when the charge / discharge cycle is repeated at a high temperature of 45 ° C.
[0117]
  On the other hand, the lithium carbonate content in the positive electrode active material layer is 0.3.massIn Comparative Example 1 and Comparative Example 2 that are less than%, the initial discharge capacity exceeds 1000 mAh, which is desirable as a battery characteristic at a practical level, but the discharge capacity retention ratio at the 50th cycle is desirable as a battery characteristic at a practical level 95. The value is less than%. This is because the content of lithium carbonate in the positive electrode active material layer is too small, or since lithium carbonate is not contained in the positive electrode active material layer, the capacity deteriorates when the charge / discharge cycle is repeated at a high temperature of 45 ° C. It is thought that this is because the above could not be sufficiently suppressed.
[0118]
  Moreover, the content rate of lithium carbonate in the positive electrode active material layer is 8.0.massIn Comparative Example 3 exceeding%, the initial discharge capacity is less than 1000 mAh, which is desirable as battery characteristics at a practical level. This is presumably because the content of the positive electrode active material in the positive electrode active material layer has decreased because the content of lithium carbonate in the positive electrode active material layer is too large.
[0119]
  From the above, 0.3% of lithium carbonate is contained in the positive electrode active material layer.mass% To 8.0mass%, The deterioration of capacity can be suppressed even when the charge / discharge cycle is repeated at a high temperature of 45 ° C., and the effect of improving the charge / discharge cycle characteristics when the non-aqueous electrolyte secondary battery is used at a high temperature. It was confirmed that
[0120]
  Next, LiFePO as a positive electrode active material4Li other than carbon compositexFe1-yMyPO4A carbon composite was synthesized, and the characteristics of the battery using the carbon composite were evaluated.
[0121]
  <Example 7>
  LiFePO as positive electrode active material4LiFe instead of carbon composite0.2Mn0.8PO4A cylindrical battery was produced in the same manner as in Example 1 except that the above was used, and a charge / discharge cycle test was performed in the same manner as described above. As a result, the same effects as in Examples 1 to 6 were confirmed. It was.
[0122]
  <Example 8>
  LiFePO as positive electrode active material4LiFe instead of carbon composite0.2Cr0.8PO4A cylindrical battery was produced in the same manner as in Example 1 except that the above was used, and a charge / discharge cycle test was performed in the same manner as described above. As a result, the same effects as in Examples 1 to 6 were confirmed. It was.
[0123]
  <Example 9>
  LiFePO as positive electrode active material4LiFe instead of carbon composite0.2Co0.8PO4A cylindrical battery was produced in the same manner as in Example 1 except that the above was used, and a charge / discharge cycle test was performed in the same manner as described above. As a result, the same effects as in Examples 1 to 6 were confirmed. It was.
[0124]
  <Example 10>
  LiFePO as positive electrode active material4LiFe instead of carbon composite0.2Cu0.8PO4A cylindrical battery was produced in the same manner as in Example 1 except that the above was used, and a charge / discharge cycle test was performed in the same manner as described above. As a result, the same effects as in Examples 1 to 6 were confirmed. It was.
[0125]
  <Example 11>
  LiFePO as positive electrode active material4LiFe instead of carbon composite0.2Ni0.8PO4A cylindrical battery was produced in the same manner as in Example 1 except that the above was used, and a charge / discharge cycle test was performed in the same manner as described above. As a result, the same effects as in Examples 1 to 6 were confirmed. It was.
[0126]
  <Example 12>
  LiFePO as positive electrode active material4LiFe instead of carbon composite0.25V0.75PO4PO4A cylindrical battery was produced in the same manner as in Example 1 except that the above was used, and a charge / discharge cycle test was performed in the same manner as described above. As a result, the same effects as in Examples 1 to 6 were confirmed. It was.
[0127]
  <Example 13>
  LiFePO as positive electrode active material4LiFe instead of carbon composite0.25Mo0.75PO4A cylindrical battery was produced in the same manner as in Example 1 except that the above was used, and a charge / discharge cycle test was performed in the same manner as described above. As a result, the same effects as in Examples 1 to 6 were confirmed. It was.
[0128]
  <Example 14>
  LiFePO as positive electrode active material4LiFe instead of carbon composite0.25Ti0.75PO4A cylindrical battery was produced in the same manner as in Example 1 except that the above was used, and a charge / discharge cycle test was performed in the same manner as described above. As a result, the same effects as in Examples 1 to 6 were confirmed. It was.
[0129]
  <Example 15>
  LiFePO as positive electrode active material4LiFe instead of carbon composite0.3Zn0.7PO4A cylindrical battery was produced in the same manner as in Example 1 except that the above was used, and a charge / discharge cycle test was performed in the same manner as described above. As a result, the same effects as in Examples 1 to 6 were confirmed. It was.
[0130]
  <Example 16>
  LiFePO as positive electrode active material4LiFe instead of carbon composite0.3Al0.7PO4A cylindrical battery was produced in the same manner as in Example 1 except that the above was used, and a charge / discharge cycle test was performed in the same manner as described above. As a result, the same effects as in Examples 1 to 6 were confirmed. It was.
[0131]
  <Example 17>
  LiFePO as positive electrode active material4LiFe instead of carbon composite0.3Ga0.7PO4A cylindrical battery was produced in the same manner as in Example 1 except that the above was used, and a charge / discharge cycle test was performed in the same manner as described above. As a result, the same effects as in Examples 1 to 6 were confirmed. It was.
[0132]
  <Example 18>
  LiFePO as positive electrode active material4LiFe instead of carbon composite0.25Mg0.75PO4A cylindrical battery was produced in the same manner as in Example 1 except that the above was used, and a charge / discharge cycle test was performed in the same manner as described above. As a result, the same effects as in Examples 1 to 6 were confirmed. It was.
[0133]
  <Example 19>
  LiFePO as positive electrode active material4LiFe instead of carbon composite0.25B0.75PO4A cylindrical battery was produced in the same manner as in Example 1 except that the above was used, and a charge / discharge cycle test was performed in the same manner as described above. As a result, the same effects as in Examples 1 to 6 were confirmed. It was.
[0134]
  <Example 20>
  LiFePO as positive electrode active material4LiFe instead of carbon composite0.25Nb0.75PO4A cylindrical battery was produced in the same manner as in Example 1 except that the above was used, and a charge / discharge cycle test was performed in the same manner as described above. As a result, the same effects as in Examples 1 to 6 were confirmed. It was.
[0135]
  From the above, Example 7 to Example 20 can also suppress the capacity deterioration when the charge / discharge cycle is repeated at a high temperature of 45 ° C., and the charge / discharge cycle characteristics of the nonaqueous electrolyte secondary battery at high temperature use The improvement effect was confirmed.
[0136]
  Therefore, the general formula LixFe1-yMyPO4In the positive electrode active material layer containing the carbon composite, 0.3% of lithium carbonate was added.mass% To 8.0mass%, It is possible to suppress the capacity deterioration when the charge / discharge cycle is repeated at a high temperature of 45 ° C., and to improve the charge / discharge cycle characteristics of the nonaqueous electrolyte secondary battery when used at a high temperature. I can say that.
[0137]
  Next, a polymer battery was prepared and the characteristics were evaluated.
[0138]
  <Example 21>
  First, a gel electrolyte was prepared as shown below. First, hexafluoropropylene is 6.9.mass% Polyvinylidene fluoride copolymerized at a ratio of%, a non-aqueous electrolyte, and dimethyl carbonate were mixed, stirred, and dissolved to prepare a sol electrolyte solution. Next, vinylene carbonate (VC) is added to the sol-like electrolyte solution in an amount of 0.5.mass% To obtain a gel electrolyte solution. As a non-aqueous electrolyte, LiPF was mixed with a mixed solvent in which ethylene carbonate (EC) and propylene carbonate (PC) were mixed at a volume ratio of 6: 4.6Was dissolved at a rate of 0.85 mol / kg.
[0139]
  Subsequently, the positive electrode was produced as follows. First, the LiFePO produced in Example 14Carbon composite and lithium carbonate Li2CO3Mixed withmass85 blends obtained with a 99.7: 0.3 ratiomassPart, 10 graphite as a conductive agentmassPart, poly (vinylidene fluoride) 5 which is a fluororesin powder as a bindermassAfter preparing a positive electrode mixture by mixing the parts, a slurry was prepared by adding N-methylpyrrolidone. Next, this slurry was applied to an aluminum foil having a thickness of 20 μm, heated and dried, and then subjected to a pressing step to prepare a positive electrode coated foil. Next, after applying a gel electrolyte solution to one surface of this positive electrode coated foil and drying to remove the solvent, it was punched into a circle having a diameter of 15 mm according to the cell diameter to obtain a positive electrode.
[0140]
  Next, a negative electrode was produced as shown below. First, a fluororesin powder is used as a binder in graphite powder.mass% And N-methylpyrrolidone was added to prepare a slurry. Next, this slurry was applied to a copper foil, dried by heating, and then punched into a circle having a diameter of 16.5 mm in accordance with the size of the cell through a pressurizing process to obtain a negative electrode.
[0141]
  The positive electrode obtained as described above was accommodated in a positive electrode can, the negative electrode was accommodated in a negative electrode can, and a separator was disposed between the positive electrode and the negative electrode. Then, the positive electrode can and the negative electrode can were caulked and fixed to produce a 2016 coin-type lithium polymer battery having a diameter of 20 mm and a thickness of 1.6 mm.
[0142]
  <Example 22>
  When preparing the positive electrode mixture, LiFePO4Carbon composite and lithium carbonate Li2CO3Mixed withmassA coin-type lithium polymer battery was produced in the same manner as in Example 21 except that the ratio was 92: 8.
[0143]
  <Comparative example 4>
  When preparing the positive electrode mixture, LiFePO4Carbon composite and lithium carbonate Li2CO3Mixed withmassA coin-type lithium polymer battery was produced in the same manner as in Example 21 except that the ratio was 99.8: 0.2.
[0144]
  <Comparative Example 5>
  When preparing the positive electrode mixture, LiFePO4Carbon composite and lithium carbonate Li2CO3Mixed withmassA coin-type lithium polymer battery was produced in the same manner as in Example 21 except that the ratio was 90:10.
[0145]
  The coin-type lithium polymer batteries of Example 21, Example 22, Comparative Example 4 and Comparative Example 5 produced as described above were subjected to charge / discharge cycle characteristic tests in the same manner as described above, and the initial discharge capacity density and 30 cycles were measured. The subsequent discharge capacity retention rate was determined. The results are shown in Table 2. The battery evaluation in Table 1 indicates that the initial discharge capacity is 3.5 mAh or more and the discharge capacity maintenance rate at the 30th cycle is 95% or more, and is marked as ◯, and the initial discharge capacity is 3.5 mAh or less, or The case where the discharge capacity maintenance rate at the 30th cycle was less than 95% was rejected and x was marked. Here, the initial discharge capacity is 3.5 mAh or more, and the discharge capacity maintenance ratio at the 30th cycle is 95% or more, which is a preferable value as battery characteristics.
[0146]
[Table 2]
Figure 0004724911
[0147]
  As can be seen from Table 2, the content of lithium carbonate in the positive electrode active material layer was 0.3mass% To 8.0massIn Example 21 and Example 22, which are%, a value exceeding the initial discharge capacity of 3.5 mAh, which is desirable as a battery characteristic at a practical level, is shown, and the discharge capacity retention rate at the 30th cycle is also a battery characteristic at a practical level. The desirable 95% is greatly exceeded, and excellent charge / discharge cycle characteristics are exhibited. This is presumably because the lithium carbonate contained in the positive electrode active material layer in an appropriate amount suppresses capacity deterioration even when the charge / discharge cycle is repeated at a high temperature of 45 ° C.
[0148]
  On the other hand, the lithium carbonate content in the positive electrode active material layer is 0.3.massIn Comparative Example 4, which is less than%, the initial discharge capacity exceeds 3.5 mAh, which is desirable for practical battery characteristics, but the discharge capacity retention rate at the 50th cycle is 95%, which is desirable for practical battery characteristics. The value is lower. This is presumably because the content of lithium carbonate in the positive electrode active material layer was too small, and thus capacity deterioration when the charge / discharge cycle was repeated at a high temperature of 45 ° C. could not be sufficiently suppressed.
[0149]
  Moreover, the content rate of lithium carbonate in the positive electrode active material layer is 8.0.massIn Comparative Example 5, which exceeds 50%, the initial discharge capacity is less than 3.5 mAh, which is desirable as battery characteristics at a practical level. This is presumably because the content of the positive electrode active material in the positive electrode active material layer has decreased because the content of lithium carbonate in the positive electrode active material layer is too large.
[0150]
  From the above, even in the case of a polymer battery, 0.3% of lithium carbonate is contained in the cathode active material layer.mass% To 8.0mass%, The deterioration of capacity can be suppressed even when the charge / discharge cycle is repeated at a high temperature of 45 ° C., and the effect of improving the charge / discharge cycle characteristics when the non-aqueous electrolyte secondary battery is used at a high temperature. It was confirmed that
[0151]
  Next, LiFePO as a positive electrode active material4Li other than carbon compositexFe1-yMyPO4A carbon composite was synthesized and the characteristics of a polymer battery using the carbon composite were evaluated.
[0152]
  <Example 23>
  LiFePO as positive electrode active material4LiFe instead of carbon composite0.2Mn0.8PO4A coin-type lithium polymer battery was produced in the same manner as in Example 1 except that a carbon composite was used, and a charge / discharge cycle test was conducted in the same manner as described above. As in the above-described Examples 21 and 22, The effect of was confirmed.
[0153]
  <Example 24>
  LiFePO as positive electrode active material4LiFe instead of carbon composite0.2Cr0.8PO4A coin-type lithium polymer battery was produced in the same manner as in Example 1 except that a carbon composite was used, and a charge / discharge cycle test was conducted in the same manner as described above. As in the above-described Examples 21 and 22, The effect of was confirmed.
[0154]
  <Example 25>
  LiFePO as positive electrode active material4LiFe instead of carbon composite0.2Co0.8PO4A coin-type lithium polymer battery was prepared in the same manner as in Example 1 except that the carbon composite was used, and a charge / discharge cycle test was performed in the same manner as described above. The effect of was confirmed.
[0155]
  <Example 26>
  LiFePO as positive electrode active material4LiFe instead of carbon composite0.2Cu0.8PO4A coin-type lithium polymer battery was produced in the same manner as in Example 1 except that a carbon composite was used, and a charge / discharge cycle test was conducted in the same manner as described above. As in the above-described Examples 21 and 22, The effect of was confirmed.
[0156]
  <Example 27>
  LiFePO as positive electrode active material4LiFe instead of carbon composite0.2Ni0.8PO4A coin-type lithium polymer battery was prepared in the same manner as in Example 1 except that the carbon composite was used, and a charge / discharge cycle test was performed in the same manner as described above. The effect of was confirmed.
[0157]
  <Example 28>
  LiFePO as positive electrode active material4LiFe instead of carbon composite0.25V0.75PO4A coin-type lithium polymer battery was prepared in the same manner as in Example 1 except that the carbon composite was used, and a charge / discharge cycle test was performed in the same manner as described above. The effect of was confirmed.
[0158]
  <Example 29>
  LiFePO as positive electrode active material4LiFe instead of carbon composite0.25Mo0.75PO4A coin-type lithium polymer battery was produced in the same manner as in Example 1 except that a carbon composite was used, and a charge / discharge cycle test was conducted in the same manner as described above. As in the above-described Examples 21 and 22, The effect of was confirmed.
[0159]
  <Example 30>
  LiFePO as positive electrode active material4LiFe instead of carbon composite0.25Ti0.75PO4A coin-type lithium polymer battery was produced in the same manner as in Example 1 except that a carbon composite was used, and a charge / discharge cycle test was conducted in the same manner as described above. As in the above-described Examples 21 and 22, The effect of was confirmed.
[0160]
  <Example 31>
  LiFePO as positive electrode active material4LiFe instead of carbon composite0.3Zn0.7PO4A coin-type lithium polymer battery was produced in the same manner as in Example 1 except that a carbon composite was used, and a charge / discharge cycle test was conducted in the same manner as described above. As in the above-described Examples 21 and 22, The effect of was confirmed.
[0161]
  <Example 32>
  LiFePO as positive electrode active material4LiFe instead of carbon composite0.3Al0.7PO4A coin-type lithium polymer battery was prepared in the same manner as in Example 1 except that the carbon composite was used, and a charge / discharge cycle test was performed in the same manner as described above. The effect of was confirmed.
[0162]
  <Example 33>
  LiFePO as positive electrode active material4LiFe instead of carbon composite0.3Ga0.7PO4A coin-type lithium polymer battery was prepared in the same manner as in Example 1 except that the carbon composite was used, and a charge / discharge cycle test was performed in the same manner as described above. The effect of was confirmed.
[0163]
  <Example 34>
  LiFePO as positive electrode active material4LiFe instead of carbon composite0.25Mg0.75PO4A coin-type lithium polymer battery was prepared in the same manner as in Example 1 except that the carbon composite was used, and a charge / discharge cycle test was performed in the same manner as described above. The effect of was confirmed.
[0164]
  <Example 35>
  LiFePO as positive electrode active material4LiFe instead of carbon composite0.25B0.75PO4A coin-type lithium polymer battery was produced in the same manner as in Example 1 except that a carbon composite was used, and a charge / discharge cycle test was conducted in the same manner as described above. As in the above-described Examples 21 and 22, The effect of was confirmed.
[0165]
  <Example 36>
  LiFePO as positive electrode active material4LiFe instead of carbon composite0.25Nb0.75PO4A coin-type lithium polymer battery was produced in the same manner as in Example 1 except that a carbon composite was used, and a charge / discharge cycle test was conducted in the same manner as described above. From the above, Examples 23 to Even when the charge / discharge cycle was repeated at a high temperature of 45 ° C. even in No. 33, it was possible to suppress the capacity deterioration, and the effect of improving the charge / discharge cycle characteristics of the nonaqueous electrolyte secondary battery at high temperature was confirmed.
[0166]
  Therefore, even in the case of a polymer battery, the general formula LixFe1-yMyPO4In the positive electrode active material layer containing the carbon composite, 0.3% of lithium carbonate was added.mass% To 8.0mass%, It is possible to suppress the capacity deterioration when the charge / discharge cycle is repeated at a high temperature of 45 ° C., and to improve the charge / discharge cycle characteristics of the nonaqueous electrolyte secondary battery when used at a high temperature. I can say that.
[0167]
【The invention's effect】
  The nonaqueous electrolyte secondary battery according to the present invention has a general formula LixFe1-yMyPO4(However, M represents at least one selected from the group consisting of Mn, Cr, Co, Cu, Ni, V, Mo, Ti, Zn, Al, Ga, Mg, B, and Nb. 05 ≦ x ≦ 1.2, 0 ≦ y ≦ 0.8), a positive electrode having a positive electrode active material layer containing a compound represented by the following formula, a negative electrode capable of doping and dedoping lithium, and a non-aqueous electrolyte And the positive electrode active material layer comprises 0.3% of lithium carbonate.mass% To 8.0mass% Content.
[0168]
  The non-aqueous electrolyte secondary battery according to the present invention as described above has 0.3% lithium carbonate in the positive electrode active material layer.mass% To 8.0mass%, It is possible to suppress capacity deterioration when the charge / discharge cycle is repeated at a high temperature.
[0169]
  Thereby, it becomes possible to improve the charge / discharge cycle characteristics of the nonaqueous electrolyte secondary battery when used at a high temperature.
[0170]
  Therefore, according to the present invention, it is possible to provide a nonaqueous electrolyte secondary battery having a high energy density and excellent charge / discharge cycle characteristics at high temperatures, and its industrial value is great.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing a configuration example of a nonaqueous electrolyte secondary battery to which the present invention is applied.
FIG. 2 is a characteristic diagram showing a Raman spectrum peak of a carbon material.
[Explanation of symbols]
  1 nonaqueous electrolyte battery, 2 negative electrode, 3 negative electrode can, 4 positive electrode, 5 positive electrode can, 6 separator, 7 insulating gasket

Claims (3)

一般式LiFe1−yPO ただし、Mは、Mn、Cr、Co、Cu、Ni、V、Mo、Ti、Zn、Al、Ga、Mg、B及びNbからなる群より選ばれた少なくとも1種を表す。また、0.05≦x≦1.2、0≦y≦0.8である。)で表される化合物を含有する正極活物質層を有する正極と、リチウムをドープ及び脱ドープし得る負極と、非水電解質とを備えてなり、
上記正極活物質層は、炭酸リチウムを0.3質量%〜8.0質量%含有する非水電解質二次電池。
Formula Li x Fe 1-y M y PO 4 ( provided that, M is chosen Mn, Cr, Co, Cu, Ni, V, Mo, Ti, Zn, Al, Ga, Mg, from the group consisting of B and Nb A positive electrode having a positive electrode active material layer containing a compound represented by: 0.05 ≦ x ≦ 1.2 and 0 ≦ y ≦ 0.8, and lithium. Comprising a negative electrode that can be doped and dedoped, and a non-aqueous electrolyte;
The positive active material layer is a non-aqueous electrolyte secondary battery you lithium carbonate 0.3 wt% to 8.0 wt%.
上記非水電解質が、液系電解質である請求項1記載の非水電解質二次電池。The non-aqueous electrolyte, a non-aqueous electrolyte secondary battery Motomeko 1 wherein Ru liquid based electrolytes der. 上記非水電解質が、ポリマー電解質である請求項1記載の非水電解質二次電池。The non-aqueous electrolyte, a non-aqueous electrolyte secondary battery Motomeko 1 wherein Ru der polymer electrolyte.
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