JP5280684B2 - 正極活物質、非水電解質二次電池用正極、非水電解質二次電池 - Google Patents
正極活物質、非水電解質二次電池用正極、非水電解質二次電池 Download PDFInfo
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Description
該課題の解決には、充電時の上限電圧を高くし、放電時の電圧を高くする方法が考えられる。LiCoO2を正極活物質として用いたリチウムイオン二次電池の充電時の上限電圧は、現状、リチウムに対して4.2V程度である。4.2Vを超える高い充電電圧では、リチウムのディインターカレート量が多くなることから正極活物質の結晶歪みが大きくなり、結晶構造が崩壊する。従って、単に充電時の上限電圧を高くするのみではなく、放電容量、サイクル特性の低下を防止するために、充電状態での結晶構造の安定性を高める必要もある。
しかし、上記提案されている正極活物質では、LiCoO2の結晶構造の安定性が十分とは言えず、エネルギー密度が高く、かつサイクル特性の良好な電池は得られていない。
本発明の別の課題は、エネルギー密度が高く、かつ良好なサイクル特性を示し、更に、熱安定性が良好である、非水電解質二次電池、該非水電解質二次電池用正極、並びに該正極に用いる正極活物質を提供することにある。
LixCo1-y-zNbyMzO2 ・・・(1)
(式中、MはMg、Y、希土類元素、Ti、Zr、Hf、V、Ta、Cr、Mo、W、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、B、Al、Ga、C、Si、Sn、N、S、F及びClの少なくとも1種の元素を示す。0.9≦x≦1.1、0.0002≦y≦0.01、0≦z≦0.05)
また本発明によれば、上記正極活物質を含有する非水電解質二次電池用正極が提供される。
更に本発明によれば、上記非水電解質二次電池用正極を備えた非水電解質電池が提供される。
更にまた本発明によれば、上記正極活物質の、非水電解質二次電池用正極の製造における使用が提供される。
本発明の正極活物質は、上記式(1)で表される組成を有する。
式(1)においてMは、Mg、Y、希土類元素、Ti、Zr、Hf、V、Ta、Cr、Mo、W、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、B、Al、Ga、C、Si、Sn、N、S、F及びClの少なくとも1種の元素を示す。
本発明の正極活物質においてNbは、X線回折により第2相(Nbの酸化物又はLiとNbとの複合酸化物)に由来するピークが確認されない状態で存在することが好ましい。また、正極活物質の断面をEPMA(Electron Probe Micro Analyzer)により1000倍で観察した際、偏在しない状態であることが好ましい。yが0.0002未満の場合は、結晶構造を安定化する効果が十分に現れない。yが0.01より大きい場合は、第2相が析出し、結晶構造を安定化する効果が十分に得られず、さらには容量の低下、内部抵抗の増加が生じる。yは0.0005≦y<0.005であることが好ましく、さらに好ましくは0.001≦y<0.005である。これらの範囲にするとX線回折により第2相に由来するピークが確認されず、かつ断面をEPMAで観察した場合、Nbが偏在しない状態となり、結晶構造が安定化し、かつ高容量となる。
zはM量を表し、0≦z≦0.05の範囲である。本発明の正極活物質は、Mを含有することは必ずしも必要としないが、種々の電池特性を改善する目的で含有させることができ、または不可避的不純物として含有する場合もある。zが0.05より大きくなると第2相が析出し、容量の低下が生じる。種々の電池特性のバランスを考慮した場合、MがMgであり、0.005≦z≦0.02であることが好ましい。
本発明において(110)面の結晶子径は、X線回折装置(株式会社リガク製RINT2000)のCuKα線を使用したX線回折スペクトルの2θ=66.5±1°付近のピークについてScherrer式より算出した。(110)面の結晶子径が85nm以上であると結晶構造が安定化する。Nbを含有すると1次粒子の粒成長が抑制される影響で、(110)面の結晶子径が小さくなる傾向にあるので、原料、製造条件を制御して85nm以上とすることが必要である。(110)面の結晶子径が85nmより小さいと充電時の結晶構造が不安定となり、放電容量が小さくなったり、サイクル特性が低下する。
Li化合物としては、例えば、水酸化リチウム、塩化リチウム、硝酸リチウム、炭酸リチウム、硫酸リチウム等の無機塩;蟻酸リチウム、酢酸リチウム、蓚酸リチウム等の有機塩が挙げられる。
Co化合物としては、例えば、コバルトの、酸化物、水酸化物、炭酸塩、オキシ水酸化物が挙げられる。好ましくはコバルト酸化物である。特に好ましくは平均1次粒子径が50〜200nm、平均2次粒子径が5〜20μmの球状のコバルト酸化物である。このような球状の酸化物を原料に用いるとNbとの反応性を著しく良好にさせ、粒子内のNbの偏析を抑制し、(110)面の結晶子径を85nm以上とすることができる。
上記水酸化物の調製にあたっては、反応槽中にアンモニウム塩等の錯化剤を適宜添加することができる。
得られた球状の水酸化物の焼成は、通常300〜800℃で1〜24時間の条件で行うことができる。該焼成は、目的とする焼成温度より低温で仮焼成した後、目的とする焼成温度まで昇温する方法、目的とする焼成温度で焼成した後、それより低い温度で焼鈍する方法で実施することもできる。
Co化合物の水溶液の濃度、アルカリ水溶液の濃度、これらの添加速度、反応槽内のpHや温度、錯化剤濃度等、更には得られる水酸化物の焼成条件を制御することで上記球状の酸化物の1次粒子径及び2次粒子径を容易に制御することができる。
このようにしてCo源として適した平均1次粒子径が50〜200nm、平均2次粒子径が5〜20μmの球状の酸化物が得られる。
M化合物としては、選択される元素により異なるが、例えば、Mを含有する酸化物、水酸化物、炭酸塩、硫酸塩、硝酸塩、ハロゲン化物、Mを含有するガスが挙げられる。
次いで、得られた混合物を焼成する。焼成は、台車炉、キルン炉、メッシュベルト炉等を用いて公知の方法により行える。焼成は、通常1000℃より高温で1〜24時間の条件で行うことができる。焼成温度は1030〜1050℃が好ましい。1000℃以下では(110)面の結晶子径を85nm以上とすることができない場合がある。
上記焼成は、上記焼成温度より低温で仮焼した後、焼成温度まで昇温する方法、上記焼成温度で焼成後、それより低い温度で焼鈍する方法によっても行うことができる。仮焼成又は焼鈍の条件は、通常500〜800℃で30分〜6時間程度である。
本発明の正極の製造は、正極活物質として本発明の正極活物質を用い、公知の方法等で行うことができる。例えば、正極活物質、導電材、結着剤等を有機溶媒でペースト化し、集電体に塗布、乾燥後、ローラで圧延、所定の寸法に裁断する方法が挙げられる。導電材、結着剤、有機溶媒、集電体等も公知のものが使用できる。
結着剤としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン等のフッ素系樹脂;ポリ酢酸ビニル、ポリメチルメタクリレート、エチレン−プロピレン−ジエン共重合体、スチレン−ブタジエン共重合体、アクリロニトリルブタジエン共重合体、カルボキシメチルセルロースが挙げられる。
有機溶媒としては、例えば、N−メチルピロリドン、テトラヒドロフラン、エチレンオキシド、メチルエチルケトン、シクロヘキサノン、酢酸メチル、アクリル酸メチル、ジエチルトリアミン、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミドが挙げられる。
集電体としては、例えば、Al、Cu、ステンレス等の金属箔が挙げられる。
本発明の非水電解質電池において、正極以外の構成要素は公知の構成を採用することができる。本発明の非水電解質電池は、例えば、主に正極、負極、有機溶媒、電解質、セパレーターで構成される。また、有機溶媒と電解質の替わりに固体電解質を採用することができる。
負極としては、負極活物質として、例えば、リチウム金属、リチウム合金、炭素質材が用いられ、必要に応じ、正極と同様な結着剤、集電体等が使用される。炭素質材としては、例えば、ソフトカーボンやハードカーボン等のアモルファス系炭素人造黒鉛や、天然黒鉛が挙げられる。
電解質としては、例えば、LiClO4、LiPF6、LiBF4が挙げられる。
固体電解質としては、例えば、ポリエチレンオキサイド系等の高分子電解質;Li2S−SiS2、Li2S−P2S5、Li2S−B2S3等の硫化物系電解質が挙げられる。また、高分子に非水電解質溶液を保持させた、いわゆるゲルタイプのものを用いることもできる。
セパレーターとしては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン等の多孔質高分子膜が挙げられる。
実施例1
Co濃度が1mol/lの硫酸コバルト水溶液500mlと、1mol/lの水酸化ナトリウム水溶液1000mlとを反応槽に槽内を撹拌しながら、温度50℃、pH8〜12の範囲となるように添加した。添加終了後、槽内を撹拌し続け、温度を50℃の範囲に維持しながら10時間熟成した。その後濾過して得られた沈澱を空気中、箱型の電気炉を用いて300℃で5時間焼成を行い、球状の酸化コバルトを得た。得られた球状の酸化コバルトについて、5000倍のSEM観察像を用いて、任意に選択した100以上の1次粒子の長径を測定したところ、その平均値で表される平均1次粒子径は100nmであった。更にレーザー回折法で測定した平均2次粒子径(D50)は16μmであった。
その結果、六方晶系の回折ピークのみ確認された。(110)面の回折ピークより結晶子径を算出したところ87.3nmであった。正極活物質をSEMにて5000倍で観察した。SEM写真の写しを図2に示す。また断面をEPMAにて1000倍で観察したところ、どの粒子においてもNbが偏在しない状態で存在していることを確認できた。
充電上限電圧を4.5Vに変更した以外は上記と同じ条件で充放電を行った場合の初期容量、初期放電電圧、容量サイクル特性値、電圧サイクル特性値を測定した。この場合、初期容量180mAh/g、初期放電電圧3.92V、容量サイクル特性値83.9%、電圧サイクル特性値88.5%であった。これらの結果を表3に示す。
充電上限電圧を4.6Vに変更した以外は同じ条件で充放電を行った場合の2サイクル目の放電平均電圧を4.6V平均放電電圧とした。この電池の4.6V放電平均電圧値は3.93Vであった。この結果を表1に示す。
また、4.3Vまで充電した状態で電池から取り出した正極を所定の大きさに切断し、正極片を得た。得られた正極片を上述の電解液と共にAl製の測定用セルに封入した。セルにはガス抜き用に小さな穴を開けた。得られた測定用セルを用い、DSC(Differential scanning calorimetry)装置により室温から300℃まで5℃/分の昇温条件で示差走査熱量分析を行った。結果を図5に示す。
表1に示す組成となるように、球状の酸化コバルト、炭酸リチウム、酸化ニオブを用いて実施例1と同様に正極活物質、正極及び非水電解質電池を調製した。得られた正極活物質の(110)面の結晶子径、得られた非水電解質電池の電池特性を実施例1と同様に測定した。結果を表1〜3に示す。
表1に示す組成となるように、球状の酸化コバルト、炭酸リチウム、酸化ニオブ、水酸化マグネシウムを用いて実施例1と同様に正極活物質、正極及び非水電解質電池を調製した。尚、水酸化マグネシウムとして平均粒子径(D50)が4μmのものを使用した。
得られた正極活物質の(110)面の結晶子径、得られた非水電解質電池の電池特性を実施例1と同様に測定した。結果を表1〜3に示す。また、実施例5で調製した正極活物質の示差走査熱量分析の結果を図5に示す。Mgの添加により発熱ピークが全体に高温側にシフトしており、耐熱性が向上されたことが確認された。
表1に示す組成となるように、球状の酸化コバルト、炭酸リチウム、酸化ニオブを用いて実施例1と同様に正極活物質、正極及び非水電解質電池を調製した。得られた正極活物質の(110)面の結晶子径、得られた非水電解質電池の電池特性を実施例1と同様に測定した。結果を表1〜3に示す。
また、比較例3の正極活物質のX線回折スペクトルを図3に示す。その結果、六方晶系の回折ピーク以外にNb酸化物に由来するピークも確認された。また比較例3の正極活物質をSEMにて5000倍で観察した。SEM写真の写しを図4に示す。図4よりNb酸化物と思われる析出物が観察された。
実施例1において調製した混合物の1010℃、6時間の焼成を、900℃、6時間の焼成に変更した以外は実施例1と同様に正極活物質、正極及び非水電解質電池を調製した。得られた正極活物質の(110)面の結晶子径、得られた非水電解質電池の電池特性を実施例1と同様に測定した。結果を表1〜3に示す。
表1に示す組成となるように、球状の酸化コバルト、炭酸リチウム、水酸化マグネシウムを用いて、また、実施例1において調製した混合物の1010℃、6時間の焼成を、990℃、6時間の焼成に変更した以外は実施例1と同様に正極活物質、正極及び非水電解質電池を調製した。尚、水酸化マグネシウムとしては、平均粒子径(D50)が4μmの水酸化マグネシウムを使用した。
得られた正極活物質の(110)面の結晶子径、得られた非水電解質電池の電池特性を実施例1と同様に測定した。結果を表1〜3に示す。また、示差走査熱量分析の結果を図5に示す。図5より実施例5とほぼ同じ温度にて発熱ピークの立ち上がりが見られた。
Claims (7)
- 式(1)で表される組成を有し、(110)面の結晶子径が85nm以上である非水電解質二次電池用正極活物質。
LixCo1-y-zNbyMzO2 ・・・(1)
(式中、MはMg、Y、希土類元素、Ti、Zr、Hf、V、Ta、Cr、Mo、W、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、B、Al、Ga、C、Si、Sn、N、S、F及びClの少なくとも1種の元素を示す。0.9≦x≦1.1、0.0002≦y≦0.01、0≦z≦0.05) - 0.0005≦y<0.005である請求項1記載の非水電解質二次電池用正極活物質。
- 0.001≦y<0.005である請求項1記載の非水電解質二次電池用正極活物質。
- MはMgであり、0<z≦0.05である請求項1記載の非水電解質二次電池用正極活物質。
- 0.005≦z≦0.02である請求項4記載の非水電解質二次電池用正極活物質。
- 請求項1記載の非水電解質二次電池用正極活物質を含有する非水電解質二次電池用正極。
- 請求項6記載の非水電解質二次電池用正極を備えた非水電解質二次電池。
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