JP4924860B2 - 非水電解液二次電池の製造方法 - Google Patents
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Description
しかしながら、このリチウム・ニッケル・マンガン複合酸化物を含む正極を備えた電池は、リチウムコバルト酸化物やリチウムマンガン酸化物を用いた正極を備えた電池とは異なり、作動電圧が高いために、高電圧下において電解液が酸化分解されて、電池性能が低下するといった問題があり実用化が困難になっている(例えば、特許文献2)。
本発明は、上記のような事情に基づいて完成されたものであって、リチウム・ニッケル・マンガン複合酸化物を含む正極を備えた非水電解液二次電池の充放電サイクル性能を向上させることを目的とする。
このように特定範囲のビニレンカーボネートを含有する電解液を使用することにより、充放電サイクル性能が向上する理由は以下のように推測された。
すなわち、ビニレンカーボネートが正極で酸化分解されて正極表面上に安定な被膜を形成する際にガスを発生する。電解液中に含まれるビニレンカーボネートの量が少ない場合には、発生したガスは充放電サイクル初期に電解液中および極板内に吸収されてしまう。しかしながら、電解液中のビニレンカーボネートの量を非水電解液全重量の2重量%よりも多くした場合は、発生ガス量が多くなり、電池内部に吸収できなかったガスが残ってしまい、その結果、電池が膨れるものと推測された。また、ガスが残っている部分では充放電されないために,電流分布が不均一になり、リチウム電析を生じて、充放電サイクル性能が低下したことが考えられた。
このようにビニレンカーボネートの量を規定した電解液を製造段階で使用すると、初期の数サイクルの間に正極上に安定な被膜が形成されて、その後の正極での電解液の分解反応が抑制される。また前記電解液を使用した場合、ビニレンカーボネートの酸化分解にともない発生したガスは、充放電初期にすべて電解液中や極板内に吸収されるため、ガス発生にともなう電池の性能低下も避けられる。よって充放電サイクル性能が向上する。
電池蓋7には負極端子9及び安全弁8が設けられている。正極3は正極リード10により電池蓋7と電気的に接続され、負極端子9は電池蓋7と絶縁されるとともに、負極リード11を介して負極4と電気的に接続されている。
リチウム源としては、例えば、水酸化リチウム・一水和物、硝酸リチウム、炭酸リチウム、酢酸リチウム、臭化リチウム、塩化リチウム、クエン酸リチウム、フッ化リチウム、ヨウ化リチウム、乳酸リチウム、シュウ酸リチウム、リン酸リチウム、ピルビン酸リチウム、硫酸リチウム、酸化リチウムなどが挙げられる。また、マンガン源としては、例えば、二酸化マンガン、酸化マンガン、水酸化マンガン、炭酸マンガン、硝酸マンガン、硫酸マンガン、シュウ酸マンガンなどが挙げられ、それらの中でも二酸化マンガンが特に好ましい。さらに、ニッケル源としては、例えば硝酸ニッケル、炭酸ニッケル、酸化ニッケルなどが挙げられる。
LiMn2O4のMnサイトがNiで置換されることにより、高電位側の放電電位平坦領域4.5V以上の高い電位を示す正極活物質を得ることができる。また、LiMn2O4のMnサイトがLiで置換されることにより、4V領域の放電電位平坦部を小さくすることができる。
Liの割合を示すXは充放電により変化し、満充電時には1となる。一方、過放電するとリチウムニッケルマンガン複合酸化物の結晶構造が不安定になるので、0<X≦1.0が好ましい。aは、上述の通り、Mnサイトに置換したLiの割合である。Mnの一部をLiで置換すると、Mnの価数が増加し、4V領域の放電電位平坦部が小さくなる。aが0.1を超えると放電容量が低下するので好ましくない。したがって、0≦a≦0.1が好ましい。Yは、上述の通り、Mnサイトに置換したNiの割合である。Yが0.45未満になると5V領域の放電電位平坦部分が減少するので好ましくない。一方Yが0.55を超えると、Niイオンの価数が2価から3価に変化するので5V領域における放電容量が減少する。したがって、0.45≦Y≦0.55が好ましい。そして、δは結晶構造における酸素欠損を表す。このδが大きくなるとMnの価数が低下し、4V領域の電位平坦部が大きくなる。また、δが0.4を超えるとスピネル構造のフレームを構成する酸素が不足するので、スピネル構造を維持できなくなることがあるため好ましくない。したがって、0≦δ≦0.4が好ましい。
なお、正極に、LiX+aNiYMn2−Y−aO4−δ(但し、0<X≦1.0、0≦a≦0.1、0.45≦Y≦0.55、0≦δ≦0.4)が含まれていれば、他の正極活物質を含有してもよい。
リチウムニッケルマンガン複合酸化物における、格子定数、及び各原子のサイト占有率は、粉末X線回折法により得た回折パターンをリートベルト解析(例えば、"The Rietveld Method," ed. by R. A. Young, Oxford University Press, Oxford (1993).)することにより求めることができる。リートベルト解析は、X線、中性子線を用いた粉末回折パターンと、仮定した構造モデルに基づいて計算した回折パターンとをフィッティングすることにより結晶構造に関するパラメータの精密化を行う方法である。
上記の正極活物質と、導電剤と、結着剤とを混合して正極合剤を調製し、この正極合剤を金属箔からなる正極集電体に塗工することにより正極板を製造することができる。なお、その他の方法によって正極板を製造してもよい。
正極集電体には、例えば、Al、Ta、Nb、Ti、Hf、Zr、Zn、W、Bi、およびこれらの金属を含む合金などを例示することができる。これらの金属は、電解液中での陽極酸化によって表面に不動態皮膜を形成するため、正極集電体と電解液との接触部分において非水電解質が酸化分解するのを有効に防止することができる。その結果、非水系二次電池のサイクル特性を有効に高めることができる。
負極の集電体としては、鉄、銅、ステンレス、またはニッケルを用いることができる。その形状としては、シート、面状体、網状体、発泡体、焼結多孔体、エキスパンド格子が挙げられる。さらに、これらの集電体に任意の形状で穴を開けたものを用いることができる。
負極の製造方法は特に制限されず、例えば、上記の正極の製造方法と同様の方法により製造することができる。
なお、両面のみならず、片面のみ負極活物質層を設けた構造となっていても構わない。
また、電解質中に、ビフェニルやシクロヘキシルベンゼンなどのベンゼン類、プロパンスルトンなどの硫黄類、エチレンサルファイド、フッ化水素、トリアゾール系環状化合物、フッ素含有エステル類、テトラエチルアンモニウムフルオライドのフッ化水素錯体またはこれらの誘導体、ホスファゼンおよびその誘導体、アミド基含有化合物、イミノ基含有化合物、または窒素含有化合物からなる群から選択される少なくとも1種を含有しても使用できる。
なお、上記電解質の他にさらに、固体またはゲル状のイオン伝導性電解質を組み合わせて使用することができる。複数のイオン伝導性電解質を組み合わせる場合、非水電解質電池は、例えば、正極と、負極と、セパレータと、有機または無機の固体電解質と、非水電解液とから構成できるし、また、正極と、負極と、セパレータとしての有機または無機の固体電解質膜と、非水電解液とからも構成できる。また、イオン伝導性電解質には有孔性高分子固体電解質膜も使用することができる。
イオン伝導性電解質としてはポリエチレンオキシド、ポリプロピレンオキシド、ポリアクリロニトリル、ポリエチレングリコールおよびこれらの誘導体、LiI、Li3N、Li1+xMxTi2−x(PO4)3(M=Al、Sc、Y、La)、Li0.5−3xR0.5+xTiO3(R=La、Pr、Nd、Sm)、またはLi4−xGe1−xPxS4に代表されるチオリシコンを使用することができる。さらに、LiI−Li2O−B2O5系、Li2O−SiO2系などの酸化物ガラス、またはLiI−Li2S−B2S3系、LiI−Li2S−SiS2系、Li2S−SiS2−Li3PO4系などの硫化物ガラスを使用することができる。
また、非水電解液二次電池の形状は特に限定されるものではなく、本発明は、角形、楕円形、コイン形、ボタン形、シート形電池等の様々な形状の非水電解液二次電池に適用可能である。
1.試料の調製
非水電解液二次電池として、図1に示す角形非水電解液二次電池1を作製した。まず、正極活物質として、LiNi0.5Mn1.5O4、90重量部と、導電剤のアセチレンブラック4重量部と、結着剤のポリフッ化ビニリデン6重量部とを混合し、N-メチル-2-ピロリドンを適宜加えて分散させ、スラリーを調製した。このスラリーを、厚さが20μmのアルミ製正極集電体の両面に均一に塗布、乾燥させた後、ロールプレスで圧縮成形することにより正極3を作製した。
セパレータ5には、厚さ20μmの微多孔性ポリエチレンフィルムを用いた。
つぎに、これらの正・負極板とセパレータとを用いて、巻回型発電要素とし、この巻回形発電要素を角形電池ケースに入れ、高さ48mm、幅30mm、厚さが4.2mm、公称容量600mAhの角形非水電解質二次電池1を作製した。
25℃において、1CmA(=600mA)の定電流で4.8Vまで充電した後、その値での定電圧充電をおこない、次に1CmAの定電流で3.5Vまで放電するという充放電サイクル試験をおこなった。
100サイクル目の放電容量の、1サイクル目の放電容量に対する放電容量比(100サイクル後容量維持率)をもって充放電サイクル性能を評価した(以下の式参照)。
容量維持率(%)=(100サイクル目の放電容量/1サイクル目の放電容量)×100
サイクル性能についての試験結果を図2のグラフに示す。このグラフより、0.1〜2.0重量%のVCを含有する電解液を用いた電池において、充放電サイクル性能が著しく向上していることが確認された。
2.2 電池厚さの評価
100サイクル後の電池厚さを図3のグラフに示す。このグラフより、0.1〜2.0重量%のVCを含有する電解液を用いた電池において、電池の膨張が著しく抑制されることが確認された。
2.3 電池抵抗の測定
交流4端子法をもちいて、100サイクル後の電池抵抗を測定した。100サイクル後の電池抵抗を図4のグラフに示す。このグラフより、0.1〜2.0重量%のVCを含有する電解液を用いた電池において、電池抵抗が小さくなることが確認された。
3…正極
4…負極
5…セパレータ
6…電池容器(外装体)
Claims (1)
- LiX+aNiYMn2−Y−aO4−δ(但し、0<X≦1.0、0≦a≦0.1、0.45≦Y≦0.55、0≦δ≦0.4)を含有する正極を備えた非水電解液二次電池の製造方法であって、
製造時に注液する非水電解液の溶媒が、環状カーボネート、鎖状カーボネート及びビニレンカーボネートからなり、ビニレンカーボネートが、ビニレンカーボネートを含めた前記非水電解液の全重量に対して0.1重量%以上2重量%以下含まれていることを特徴とする非水電解液二次電池の製造方法。
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