JP5151329B2 - 正極体およびそれを用いたリチウム二次電池 - Google Patents
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Description
まず、本発明の正極体について説明する。本発明の正極体は、正極集電体と、上記正極集電体上に形成され、正極活物質、および有機電解質の分解を抑制する分解抑制剤を含有する正極層と、を有する正極体であって、上記正極層の集電体側表面での分解抑制剤濃度が、上記集電体側表面とは反対側に位置する反対側表面での分解抑制剤濃度よりも高いことを特徴とするものである。
本発明に用いられる正極層の厚さは、目的とするリチウム二次電池等の用途等により異なるものであるが、通常10μm〜250μmの範囲内、中でも20μm〜200μmの範囲内、特に30μm〜150μmの範囲内であることが好ましい。
以下、本発明の正極体について、構成ごとに説明する。
まず、本発明に用いられる正極層について説明する。本発明に用いられる正極層は、後述する正極集電体上に形成され、正極活物質、および有機電解質の分解を抑制する分解抑制剤を含有するものである。さらに、本発明に用いられる正極層は、正極層の集電体側表面での分解抑制剤濃度が、上記集電体側表面とは反対側に位置する反対側表面での分解抑制剤濃度よりも高いものである。以下、本発明に用いられる正極層について、(1)正極層の材料、および(2)正極層の構成に分けて説明する。
本発明に用いられる正極層は、少なくとも正極活物質と、有機電解質の分解を抑制する分解抑制剤とを含有するものである。さらに必要に応じて、正極層は、導電化材および結着材等を含有していても良い。
本発明に用いられる正極活物質は、リチウムイオンを吸蔵・放出可能なものであれば特に限定されるものではないが、例えばLiCoO2、LiCoPO4、LiMn2O4、LiNiO2、LiFePO4、LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2、LiMnPO4、LiNi0.5Mn1.5O4等を挙げることができ、中でもLiCoO2が好ましい。
本発明に用いられる分解抑制剤は、リチウム二次電池に用いられる有機電解質の分解を抑制することができるものであれば特に限定されるものではない。中でも、本発明においては、分解抑制剤が、絶縁性を有する材料であることが好ましい。本発明の効果を充分に発揮することができるからである。上記分解抑制剤としては、例えば金属酸化物、金属リン酸塩、金属複合酸化物、ホウ化物、炭化物、窒化物、ケイ化物、単一金属または合金等を挙げることができ、中でも金属酸化物が好ましい。上記金属酸化物としては、例えば遷移金属酸化物を挙げることができ、上記遷移金属酸化物としては、具体的には、ZrO2、Al2O3、TiO2、GeO2、SiO2、SnO2、WO3、MgO、B2O3、ZnO等を挙げることができ、中でもZrO2が好ましい。一方、上記金属リン酸塩としては、例えば遷移金属リン酸塩を挙げることができ、上記遷移金属リン酸塩としては、具体的には、AlPO4、TiP2O7、Li3PO4等を挙げることができ、中でもAlPO4が好ましい。
本発明に用いられる正極層は、必要に応じて導電化材を含有していても良い。上記導電化材は、正極層の導電性を向上させることができるものであれば特に限定されるものではないが、例えば、アセチレンブラック、ケッチェンブラック等のカーボンブラック等を挙げることができる。
本発明に用いられる正極層は、必要に応じて結着材を含有していても良い。上記結着材としては、例えば、ポリビニリデンフロライド(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等を挙げることができる。また、正極層に含まれる結着材の含有量は、正極活物質等を固定化できる程度の量であれば良く、より少ないことが好ましい。結着材の含有量は、通常1重量%〜10重量%の範囲内である。
次に、本発明に用いられる分解抑制剤担持正極活物質について説明する。本発明に用いられる正極層は、正極活物質および分解抑制剤を別々に添加することによって形成されたものであっても良く、正極活物質の表面に分解抑制剤が担持された分解抑制剤担持正極活物質を用いて形成されたものであっても良いが、特に後者が好ましい。正極活物質と分解抑制剤との密着性が良く、充分な分解抑制機能を発揮することができるからである。
次に、本発明における正極層の構成について説明する。本発明においては、上述した図3で説明したように、正極層の集電体側表面での分解抑制剤濃度が、集電体側表面とは反対側に位置する反対側表面での分解抑制剤濃度よりも高いことを特徴の一つとする。
次に、本発明に用いられる正極集電体について説明する。本発明に用いられる正極集電体は、正極層の集電を行う機能を有するものであれば特に限定されるものではなく、一般的なリチウム二次電池の正極集電体を用いることができる。
次に、本発明の正極体を製造する方法について説明する。本発明の正極体を製造する方法としては、上述した正極体を得ることができる方法であれば特に限定されるものではない。
次に、本発明のリチウム二次電池について説明する。本発明のリチウム二次電池は、上述した正極体と、負極集電体および上記負極集電体上に形成された負極層を有する負極体と、上記正極層および上記負極層の間に配置されたセパレータと、上記正極活物質および上記負極活物質の間でリチウムイオンを伝導させる有機電解質と、を有することを特徴とするものである。
以下、本発明のリチウム二次電池について、構成ごとに説明する。なお、本発明に用いられる正極体については、上記「A.正極体」に記載した内容と同様であるので、ここでの説明は省略する。
まず、本発明に用いられる負極体について説明する。本発明に用いられる負極体は、負極集電体と、上記負極集電体上に形成された負極層とを有するものである。
本発明に用いられる有機電解質は、上記正極活物質および上記負極活物質の間でリチウムイオンを伝導させる機能を有するものである。有機電解質としては、具体的には、有機電解液、ポリマー電解質、ゲル電解質等を挙げることができる。
非水溶媒としては、上記リチウム塩を溶解できるものであれば特に限定されるものではなく、例えば、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジエトキシエタン、アセトニトリル、プロピオニトリル、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、ジオキサン、1,3−ジオキソラン、ニトロメタン、N,N−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、スルホラン、γ−ブチロラクトン等が挙げられる。これらの非水溶媒は、一種のみ用いてもよく、二種以上を混合して用いても良い。また、非水電解液として、常温溶融塩を用いることもできる。
本発明のリチウム二次電池は、通常、正極層および負極層の間に配置されたセパレータを有する。セパレータとしては、有機電解質を保持する機能を有するものであれば特に限定されるものではないが、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン等の多孔膜、樹脂不織布、ガラス繊維不織布等の不織布等を挙げることができる。
次に、本発明の正極体の製造方法について説明する。本発明の正極体の製造方法は、正極活物質の表面に、有機電解質の分解を抑制する分解抑制剤を担持させ、分解抑制剤担持正極活物質を形成する分解抑制剤担持工程と、上記分解抑制剤担持正極活物質を含有し、かつ、分解抑制剤濃度の異なる複数の正極層形成用ペーストを用意する正極層形成用ペースト準備工程と、上記複数の正極層形成用ペーストを正極集電体上に順次塗布することにより、上記正極集電体上に、集電体側表面での分解抑制剤濃度が、上記集電体側表面とは反対側に位置する反対側表面での分解抑制剤濃度よりも高い正極層を形成する正極層形成工程と、を有することを特徴とするものである。
以下、本発明の正極体の製造方法について、工程ごとに説明する。
本発明における分解抑制剤担持工程は、正極活物質の表面に、有機電解質の分解を抑制する分解抑制剤を担持させ、分解抑制剤担持正極活物質を形成する工程である。なお、原材料として用いられる正極活物質および分解抑制剤、並びに、本工程により得られる分解抑制剤担持正極活物質については、上記「A.正極体」に記載した内容と同様であるので、ここでの説明は省略する。
次に、本発明における正極層形成用ペースト準備工程について説明する。本発明における正極層形成用ペースト準備工程は、上記分解抑制剤担持正極活物質を含有し、かつ、分解抑制剤濃度の異なる複数の正極層形成用ペーストを用意する工程である。
次に、本発明における正極層形成工程について説明する。本発明における正極層形成工程は、上記複数の正極層形成用ペーストを正極集電体上に順次塗布することにより、上記正極集電体上に、集電体側表面での分解抑制剤濃度が、上記集電体側表面とは反対側に位置する反対側表面での分解抑制剤濃度よりも高い正極層を形成する工程である。
[実施例1]
(1)分解抑制剤担持正極活物質の調製
まず、ジルコニウムブトキシド1.34gにエタノールを添加し、混合しながら室温で10時間撹拌した。次に、この混合液にLiCoO2を42g添加し、さらに室温で10時間撹拌した。その後、混合液を70℃で撹拌しながらエタノールを蒸発させた。次に、得られた残渣を400℃で10時間焼成し、さらに600℃で24時間焼成した。この操作により、LiCoO2の表面に、酸化ジルコニウムが1重量%で担持した分解抑制剤担持正極活物質Aを得た。
次に、ジルコニウムブトキシドの使用量を4.03gに変更したこと以外は、上記と同様にして、LiCoO2の表面に、酸化ジルコニウムが3重量%で担持した分解抑制剤担持正極活物質Bを得た。
次に、ジルコニウムブトキシドの使用量を6.72gに変更したこと以外は、上記と同様にして、LiCoO2の表面に、酸化ジルコニウムが5重量%で担持した分解抑制剤担持正極活物質Cを得た。
結着材であるポリビニリデンフロライド(PVDF)を5g溶解した溶剤n−メチルピロリドン溶液125mL中に、85gの分解抑制剤担持正極活物質Aと、5gのカーボンブラック(導電化材)とを添加し、均一に混合するまで混練して正極層形成用ペーストAを得た。
次に、分解抑制剤担持正極活物質Aを分解抑制剤担持正極活物質Bに変更したこと以外は、上記と同様にして、正極層形成用ペーストBを得た。
次に、分解抑制剤担持正極活物質Aを分解抑制剤担持正極活物質Cに変更したこと以外は、上記と同様にして、正極層形成用ペーストCを得た。
結着材であるポリビニリデンフロライド(PVDF)を7.5g溶解した溶剤n−メチルピロリドン溶液125mL中に、負極活物質であるグラファイト粉末92.5gを添加し、均一に混合するまで混錬し負極層形成用ペーストを作製した。この負極層形成用ペーストを、厚さ15μmのCu集電体上に目付量4mg/cm2で片面塗布し、乾燥することで電極を得た。この電極をプレスし、厚さ20μm、密度1.2g/cm3とした。最後に、この電極をφ19mmとなるよう切り出して負極を得た。
得られた正極および負極を用いてCR2032型コインセルを作製した。なお、セパレータとしてPP製セパレータを使用し、電解液としてEC(エチレンカーボネート)、DMC(ジメチルカーボネート)を体積比率3:7で混合したものに、支持塩として六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)を濃度1mol/Lで溶解したものを使用した。
(1)正極作製
結着材であるポリビニリデンフロライド(PVDF)を5g溶解した溶剤n−メチルピロリドン溶液125mL中に、84.2775gのLiCoO2と、0.7225gの酸化ジルコニウムと、5gのカーボンブラック(導電化材)とを添加し、均一に混合するまで混練して正極層形成用ペーストDを得た。
次に、82.8325gのLiCoO2と、2.1675gの酸化ジルコニウムを用いたこと以外は、上記と同様にして、正極層形成用ペーストEを得た。
次に、81.3875gのLiCoO2と、3.6125gの酸化ジルコニウムを用いたこと以外は、上記と同様にして、正極層形成用ペーストFを得た。
得られた正極を用いたこと以外は、実施例1と同様にしてコインセルを得た。
正極作製の際に、正極層形成用ペーストBのみを用いて、正極集電体に目付量6mg/cm2で塗布したこと以外は、実施例1と同様にしてコインセルを得た。
実施例1〜2および比較例1で得られたコインセルを用いて、レート特性およびサイクル特性を評価した。測定方法は以下の通りである。
以下の(a)〜(f)の操作を行った。
(a)3.0〜4.1Vでコンディショニング
(b)1Cにて上限4.1Vまで2.5時間CCCV充電
(c)電流値C/3で下限3.0VまでCC放電
(d)1Cにて上限4.1Vまで2.5時間CCCV充電
(e)電流値1Cで下限3.0VまでCC放電
(f)以下、(b)〜(e)のCCCV充電およびCC放電を繰り返す。ただし、CC放電電流は、3C、5C、10C、20C、40Cと変化させる。
その後、40C放電での放電容量と、C/3放電での放電容量を算出した。その結果を表1に示す。
(a)〜(f)の操作を行い、次に、
(g)2Cで3.0〜4.1Vを500サイクル充放電する(60℃にて実施)。
その後、1サイクル目および500サイクル目の放電容量から放電容量維持率を算出した。その結果を表1に示す。
2 … 正極活物質
3 … 分解抑制剤
4 … 正極層
5 … 分解抑制剤担持正極活物質
6 … 正極層形成用層
Claims (9)
- 正極集電体と、前記正極集電体上に形成され、正極活物質、および有機電解質の分解を抑制する分解抑制剤を含有する正極層と、を有する正極体であって、
前記正極層の集電体側表面での分解抑制剤濃度が、前記集電体側表面とは反対側に位置する反対側表面での分解抑制剤濃度よりも高いことを特徴とする正極体。 - 前記分解抑制剤が、金属酸化物であることを特徴とする請求項1に記載の正極体。
- 前記集電体側表面での分解抑制剤濃度と、前記反対側表面での分解抑制剤濃度との差が、0.1重量%〜30重量%の範囲内であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の正極体。
- 前記正極層中での分解抑制剤濃度が、前記正極集電体から厚さ方向に沿って、段階的に減少することを特徴とする請求項1から請求項3までのいずれかの請求項に記載の正極体。
- 前記正極層中での分解抑制剤濃度が、前記正極集電体から厚さ方向に沿って、連続的に減少することを特徴とする請求項1から請求項3までのいずれかの請求項に記載の正極体。
- 前記正極活物質および前記分解抑制剤が、前記正極活物質の表面に前記分解抑制剤が担持された分解抑制剤担持正極活物質であることを特徴とする請求項1から請求項5までのいずれかの請求項に記載の正極体。
- 前記正極層がさらに導電化剤を含有し、前記集電体側表面での導電化材濃度が、前記反対側表面での導電化材濃度よりも低いことを特徴とする請求項1から請求項6までのいずれかの請求項に記載の正極体。
- 請求項1から請求項7までのいずれの請求項に記載の正極体と、負極集電体および前記負極集電体上に形成された負極層を有する負極体と、前記正極層および前記負極層の間に配置されたセパレータと、前記正極活物質および前記負極活物質の間でリチウムイオンを伝導させる有機電解質と、を有することを特徴とするリチウム二次電池。
- 正極活物質の表面に、有機電解質の分解を抑制する分解抑制剤を担持させ、分解抑制剤担持正極活物質を形成する分解抑制剤担持工程と、
前記分解抑制剤担持正極活物質を含有し、かつ、分解抑制剤濃度の異なる複数の正極層形成用ペーストを用意する正極層形成用ペースト準備工程と、
前記複数の正極層形成用ペーストを正極集電体上に順次塗布することにより、前記正極集電体上に、集電体側表面での分解抑制剤濃度が、前記集電体側表面とは反対側に位置する反対側表面での分解抑制剤濃度よりも高い正極層を形成する正極層形成工程と、
を有することを特徴とする正極体の製造方法。
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