JP5287520B2 - 電極活物質、電極および非水電解質二次電池 - Google Patents
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Description
<2>第1のリチウム複合金属酸化物が、0.01μm以上0.5μm以下の範囲の直径の一次粒子と、前記範囲の直径の一次粒子が凝集されてなり、0.05μm以上2μm以下の範囲の平均直径の凝集粒子と、から構成される前記<1>記載の電極活物質。
<3>第1のリチウム複合金属酸化物が、少なくともFeを含有する前記<1>または<2>記載の電極活物質。
<4>第1のリチウム複合金属酸化物が、以下の式(1)で表される前記<3>記載の電極活物質。
Li(Ni1-x-yMnxFey)O2 (1)
(ここで、xは0を超え1未満の範囲の値であり、yは0を超え1未満の範囲の値であり、x+yは0を超え1未満の範囲の値である。)
<5>前記xが0.1以上0.7以下の範囲の値であり、前記yが0.01以上0.5以下の範囲の値であり、前記x+yが0.11以上1未満の範囲の値である前記<4>記載の電極活物質。
<6>第2のリチウム複合金属酸化物が、0.1μm以上1μm以下の範囲の直径の一次粒子と、前記範囲の直径の一次粒子が凝集されてなり、3μm以上20μm以下の範囲の平均直径の凝集粒子と、から構成される前記<1>〜<5>のいずれかに記載の電極活物質。
<7>第2のリチウム複合金属酸化物が、少なくともNiまたはCoを含有する前記<1>〜<6>のいずれかに記載の電極活物質。
<8>第2のリチウム複合金属酸化物が、以下の式(2)で表される前記<7>記載の電極活物質。
Li(Ni1-a-bCoaMb)O2 (2)
(ここで、MはTi、V、Mn、B、AlおよびGaからなる群より選ばれる1種以上を表し、aは0以上1以下の範囲の値であり、bは0以上0.5以下の範囲の値であり、a+bは0以上1未満の範囲の値である。)
<9>前記<1>〜<8>のいずれかに記載の電極活物質を含有する電極。
<10>前記<9>記載の電極を、正極として有する非水電解質二次電池。
<11>セパレータをさらに有する前記<10>記載の非水電解質二次電池。
<12>前記セパレータが、耐熱多孔層と多孔質フィルムとが積層されてなる積層フィルムを有するセパレータである前記<11>記載の非水電解質二次電池。
ここで、一次粒子の直径ならびに凝集粒子の平均直径は、走査型電子顕微鏡写真(SEM写真)により、その値を得ることができる。特に、一次粒子が凝集されてなる凝集粒子の平均直径は、SEM写真に撮影されている凝集粒子から任意に50個抽出し、それぞれの粒径を測定し、その平均値を用いる。
Li(Ni1-x-yMnxFey)O2 (1)
(ここで、xは0を超え1未満の範囲の値であり、yは0を超え1未満の範囲の値であり、x+yは0を超え1未満の範囲の値である。)
ここで、一次粒子の直径ならびに凝集粒子の平均直径は、走査型電子顕微鏡写真(SEM写真)により、その値を得ることができる。特に、一次粒子が凝集されてなる凝集粒子の平均直径は、SEM写真に撮影されている凝集粒子から任意に50個抽出し、それぞれの粒径を測定し、その平均値を用いる。
Li(Ni1-a-bCoaMb)O2 (2)
(ここで、MはTi、V、Mn、B、AlおよびGaからなる群より選ばれる1種以上を表し、aは0以上1以下の範囲の値であり、bは0以上0.5以下の範囲の値であり、a+bは0以上1未満の範囲の値である。)
リチウム複合金属酸化物は、構成する金属元素を所定比で含む原料を焼成することにより得ることができる。リチウム複合金属酸化物のBET比表面積は、構成する金属元素の種類にもよるが、焼成温度により制御することができる。該原料は、構成する各金属元素の化合物の混合物であってもよいし、化合物として、複数の金属元素を含む複合化合物を用いてもよい。金属元素の化合物としては、金属元素の酸化物を用いるか、または、水酸化物、オキシ水酸化物、炭酸塩、硝酸塩、酢酸塩、ハロゲン化物、シュウ酸塩、アルコキシドなど高温で分解および/または酸化して酸化物になり得るものを用いることができる。
(a)金属元素を複数含有する水溶液とアルカリとを接触させて共沈物スラリーを得る工程。
(b)該共沈物スラリーから、共沈物を得る工程。
まず、多孔質フィルムの製造方法について説明する。多孔質フィルムの製造は特に限定されるものではなく、例えば特開平7−29563号公報に記載されたように、熱可塑性樹脂に可塑剤を加えてフィルム成形した後、該可塑剤を適当な溶媒で除去する方法や、特開平7−304110号公報に記載されたように、公知の方法により製造した熱可塑性樹脂からなるフィルムを用い、該フィルムの構造的に弱い非晶部分を選択的に延伸して微細孔を形成する方法が挙げられる。例えば、多孔質フィルムが、超高分子量ポリエチレンおよび重量平均分子量1万以下の低分子量ポリオレフィンを含むポリオレフィン樹脂から形成されてなる場合には、製造コストの観点から、以下に示すような方法により製造することが好ましい。すなわち、
(1)超高分子量ポリエチレン100重量部と、重量平均分子量1万以下の低分子量ポリオレフィン5〜200重量部と、無機充填剤100〜400重量部とを混練してポリオレフィン樹脂組成物を得る工程
(2)前記ポリオレフィン樹脂組成物を用いてシートを成形する工程
(3)工程(2)で得られたシート中から無機充填剤を除去する工程
(4)工程(3)で得られたシートを延伸して多孔質フィルムを得る工程
を含む方法、または
(1)超高分子量ポリエチレン100重量部と、重量平均分子量1万以下の低分子量ポリオレフィン5〜200重量部と、無機充填剤100〜400重量部とを混練してポリオレフィン樹脂組成物を得る工程
(2)前記ポリオレフィン樹脂組成物を用いてシートを成形する工程
(3)工程(2)で得られたシートを延伸する工程
(4)工程(3)で得られた延伸シート中から、無機充填剤を除去して多孔質フィルムを得る工程
を含む方法である。
(a)耐熱樹脂100重量部を含む極性有機溶媒溶液に、該耐熱樹脂100重量部に対しフィラーを1〜1500重量部分散したスラリー状塗工液を調製する。
(b)該塗工液を多孔質フィルムの少なくとも片面に塗工し、塗工膜を形成する。
(c)加湿、溶媒除去あるいは耐熱樹脂を溶解しない溶媒への浸漬等の手段で、前記塗工膜から耐熱樹脂を析出させた後、必要に応じて乾燥する。
塗工液は、特開2001−316006号公報に記載の塗工装置および特開2001−23602号公報に記載の方法により連続的に塗工することが好ましい。
電極活物質(リチウム複合金属酸化物)と、導電剤(アセチレンブラックと黒鉛を9:1で混合したもの)との混合物に、バインダーとしてのPVDF(株式会社クレハ製、PolyVinylideneDiFluoridePolyflon)のN−メチル−2−ピロリドン(NMP:東京化成工業株式会社製)溶液を、活物質:導電剤:バインダー=87:10:3(重量比)の組成となるように加えて混練することによりペーストを得て、集電体である厚さ40μmのAl箔に該ペーストを塗布し、60℃で2時間乾燥させて電極シートを得た。次いで、ロールプレスを用いて、該電極シートを0.5MPaの圧力で圧延して、これを打ち抜き機で14.5mmφの大きさに打ち抜いて、150℃で8時間真空乾燥を行い、電極を得た。
(1)により得られる電極を正極として用いた。コインセル(宝泉株式会社製)の下側パーツの窪みに、アルミ箔を下に向けて正極を置き、その上にセパレータ(ポリプロピレン多孔質フィルム(厚み20μm))を置き、電解液(エチレンカーボネート(以下、ECということがある。)とジメチルカーボネート(以下、DMCということがある。)とエチルメチルカーボネート(以下、EMCということがある。)の30:35:35(体積比)混合液にLiPF6を1モル/リットルとなるように溶解したもの(以下、LiPF6/EC+DMC+EMCと表すことがある。))を注入して、負極(金属リチウム)を用いて、金属リチウムと中蓋とを組み合わせて、これらをセパレータの上側に、金属リチウムが下側を向くように置き、ガスケットを介して上側パーツで蓋をし、かしめ機でかしめて非水電解質二次電池(コイン型電池R2032)を作製した。なお、電池の組み立てはアルゴン雰囲気のグローブボックス内で行った。
(2)により得られる非水電解質二次電池を用いて、25℃保持下、以下に示す放電レート試験により評価した。放電レート試験は、放電時の放電電流を変えて放電容量を測定し、放電容量維持率を算出した。
<放電レート試験>
充電最大電圧4.3V、充電時間8時間、充電電流0.2mA/cm2
放電時は放電最小電圧を3.0Vで一定とし、各サイクルにおける放電電流を下記のように変えて放電を行った。10Cにおける放電(高い電流レート)による放電容量が高ければ高いほど、高出力を示すことを意味する。
1、2サイクル目の放電(0.2C):放電電流0.2mA/cm2
3サイクル目の放電(1C):放電電流1.0mA/cm2
4サイクル目の放電(5C):放電電流5.0mA/cm2
5サイクル目の放電(10C):放電電流10mA/cm2
<放電容量維持率>
放電容量維持率(%)=(各サイクル(各レート)における放電容量)/(初回放電容量(1サイクル目の放電容量))×100
1.BET比表面積測定
粉末1gを窒素雰囲気中150℃、15分間乾燥した後、マイクロメトリックス製フローソーブII2300を用いて測定した。
粉末を構成する粒子をサンプルステージ上に貼った導電性シート上に載せ、日本電子株式会社製JSM−5510を用いて、加速電圧が20kVの電子線を照射してSEM観察を行い、一次粒子の直径、凝集粒子の平均直径を求めた。
粉末を塩酸に溶解させた後、誘導結合プラズマ発光分析法(SPS3000、以下ICP−AESと呼ぶことがある)を用いて、組成を求めた。
リチウム複合金属酸化物の粉末X線回折測定は株式会社リガク製RINT2500TTR型を用いて行った。測定は、リチウム複合金属酸化物を専用の基板に充填し、CuKα線源を用いて、回折角2θ=10°〜90°の範囲にて行い、粉末X線回折図形を得た。
1.第1のリチウム複合金属酸化物の製造
ポリプロピレン製ビーカー内で、蒸留水200mlに、水酸化カリウム83.88gを添加、攪拌により溶解し、水酸化カリウムを完全に溶解させ、水酸化カリウム水溶液(アルカリ水溶液)を調製した。また、ガラス製ビーカー内で、蒸留水200mlに、塩化ニッケル(II)六水和物を16.04g、塩化マンガン(II)四水和物を13.36g、塩化鉄(II)四水和物を2.982g添加し、攪拌により溶解し、ニッケル−マンガン−鉄混合水溶液を得た。前記水酸化カリウム水溶液を攪拌しながら、これに前記ニッケル−マンガン−鉄混合水溶液を滴下することにより、共沈物が生成し、共沈物スラリーを得た。
1.第2のリチウム複合金属酸化物の製造
水酸化リチウム一水和物を6.16kg、ニッケルコバルト複合水酸化物(Ni0.85Co0.15(OH)2を13.8kgそれぞれ秤量し、レーディゲミキサー(株式会社マツボー製、FM−130D型)を用いて混合して、混合物を得た。次いで、該混合物をアルミナさやに充填し、酸素気流中、750℃で10時間焼成することで粉末状のリチウム複合金属酸化物(コア材C1)を得た。得られたコア材C110kgと、酸化アルミニウム0.31kg(コア材C1におけるNiおよびCoの含有量を1モルとすると、Alは0.06molである。)をレーディゲミキサー(株式会社マツボー製、FM−130D型)にて混合して得られた粉末を、酸素気流中750℃で1.2時間熱処理して、コア材C1の粒子表面にアルミニウム化合物を被覆させた粉末状のリチウム複合金属酸化物R2を得た。
R2を用いて非水電解質二次電池を作製し、放電レート試験を行ったところ、0.2C、1C、5C、10Cにおける放電容量(mAh/g)は、それぞれ、186、175、159、107であり、放電容量維持率(%)は、それぞれ100、94、85、58であった。10C放電容量/0.2C初回放電容量の放電容量維持率の結果を表1に示す。
1.電極活物質の調整
R1を1.2g、R2を2.8gそれぞれ秤量し(R2100重量部に対してR1が43重量部)、メノウ乳鉢で十分に混合して電極活物質A1を得た。
A1を用いて非水電解質二次電池を作製し、放電レート試験を行ったところ、0.2C、1C、5C、10Cにおける放電容量(mAh/g)は、それぞれ、165、154、142、135であり、放電容量維持率(%)は、それぞれ100、93、86、82であり、10Cにおける放電容量および放電容量維持率は非常に高かった。10C放電容量/0.2C初回放電容量の放電容量維持率の結果を表1に示す。
1.電極活物質の調整
R1を2.0g、R2を2.0gそれぞれ秤量し(R2100重量部に対してR1が100重量部)、メノウ乳鉢で十分に混合して電極活物質A2を得た。
A2を用いて非水電解質二次電池を作製し、放電レート試験を行ったところ、0.2C、1C、5C、10Cにおける放電容量(mAh/g)は、それぞれ、151、141、127、119であり、容量維持率(%)は、それぞれ100、93、84、79であり、10Cにおける放電容量および放電容量維持率は非常に高かった。10C放電容量/0.2C初回放電容量の放電容量維持率の結果を表1に示す。
1.電極活物質の調整
R1を2.8g、R2を1.2gそれぞれ秤量し(R2100重量部に対してR1が233重量部)、メノウ乳鉢で十分に混合して電極活物質A3を得た。
A3を用いて非水電解質二次電池を作製し、放電レート試験を行ったところ、0.2C、1C、5C、10Cにおける放電容量(mAh/g)は、それぞれ、134、125、110、103であり、容量維持率(%)は、それぞれ100、93、82、77であり、10Cにおける放電容量および放電容量維持率は、非常に高かった。10C放電容量/0.2C初回放電容量の放電容量維持率の結果を表1に示す。
1.電極活物質の調整
R1を3.6g、R2を0.4gそれぞれ秤量し(R2100重量部に対してR1が900重量部)、メノウ乳鉢で十分に混合して電極活物質A4を得た。
A3を用いて非水電解質二次電池を作製し、放電レート試験を行ったところ、0.2C、1C、5C、10Cにおける放電容量(mAh/g)は、それぞれ、124、115、101、93であり、放電容量維持率(%)は、それぞれ100、93、81、75であり、10Cにおける放電容量および放電容量維持率は、非常に高かった。10C放電容量/0.2C初回放電容量の放電容量維持率の結果を表1に示す。
1.電極活物質の調整
R1を0.4g、R2を3.6gそれぞれ秤量し(R2100重量部に対してR1が11重量部)、メノウ乳鉢で十分に混合して電極活物質A5を得た。
A5を用いて非水電解質二次電池を作製し、放電レート試験を行ったところ、0.2C、1C、5C、10Cにおける放電容量(mAh/g)は、それぞれ、174、163、151、130であり、放電容量維持率(%)は、それぞれ100、94、87、75であり、10Cにおける放電容量および放電容量維持率は、非常に高かった。10C放電容量/0.2C初回放電容量の放電容量維持率の結果を表1に示す。
1.電極活物質の調整
R1を0.8g、R2を3.2gそれぞれ秤量し(R2100重量部に対してR1が25重量部)、メノウ乳鉢で十分に混合して電極活物質A6を得た。
A6を用いて非水電解質二次電池を作製し、放電レート試験を行ったところ、0.2C、1C、5C、10Cにおける放電容量(mAh/g)は、それぞれ、162、152、139、128であり、放電容量維持率(%)は、それぞれ100、94、86、79であり、10Cにおける放電容量および放電容量維持率は、非常に高かった。10C放電容量/0.2C初回放電容量の放電容量維持率の結果を表1に示す。
1.第1のリチウム複合金属酸化物の製造
製造例1で得られた共沈物2.0gと水酸化リチウム一水和物1.16gとKCl1.16gとをメノウ乳鉢を用いて乾式混合して混合物を得た。次いで、該混合物をアルミナ製焼成容器に入れ、電気炉を用いて大気雰囲気中1000℃で4時間保持して焼成を行い、室温まで冷却し、焼成品を得て、これを粉砕し、蒸留水でデカンテーションによる洗浄を行い、ろ過し、100℃で8時間乾燥して、粉末状のリチウム複合金属酸化物R3を得た。
R3を用いて非水電解質二次電池を作製し、放電レート試験を行ったところ、0.2C、1C、5C、10Cにおける放電容量(mAh/g)は、それぞれ、118、100、76、51であり、放電容量維持率(%)は、それぞれ100、85、64、43であった。10C放電容量/0.2C初回放電容量の放電容量維持率の結果を表1に示す。
1.電極活物質の調整
R3を2.0g、R2を2.0gそれぞれ秤量し(R2100重量部に対してR3が100重量部)、メノウ乳鉢で十分に混合して電極活物質R4を得た。
R4を用いて非水電解質二次電池を作製し、放電レート試験を行ったところ、0.2C、1C、5C、10Cにおける放電容量(mAh/g)は、それぞれ、152、132、110、85であり、放電容量維持率(%)は、それぞれ100、87、72、56であった。10C放電容量/0.2C初回放電容量の放電容量維持率の結果を表1に示す。
(1)塗工液の製造
NMP4200gに塩化カルシウム272.7gを溶解した後、パラフェニレンジアミン132.9gを添加して完全に溶解させた。得られた溶液に、テレフタル酸ジクロライド(以下、TPCと略す)243.3gを徐々に添加して重合し、パラアラミドを得て、さらにNMPで希釈して、濃度2.0重量%のパラアラミド溶液(A)を得た。得られたパラアラミド溶液100gに、アルミナ粉末(a)2g(日本アエロジル社製、アルミナC、平均粒子径0.02μm、粒子は略球状で、粒子のアスペクト比は1)とアルミナ粉末(b)2g(住友化学株式会社製スミコランダム、AA03、平均粒子径0.3μm、粒子は略球状で、粒子のアスペクト比は1)とをフィラーとして計4g添加して混合し、ナノマイザーで3回処理し、さらに1000メッシュの金網で濾過、減圧下で脱泡して、スラリー状塗工液(B)を製造した。パラアラミドおよびアルミナ粉末の合計重量に対するアルミナ粉末(フィラー)の重量は、67重量%となる。
多孔質フィルムとしては、ポリエチレン製多孔質フィルム(膜厚12μm、透気度140秒/100cc、平均孔径0.1μm、空孔率50%)を用いた。厚み100μmのPETフィルムの上に上記ポリエチレン製多孔質フィルムを固定し、テスター産業株式会社製バーコーターにより、該多孔質フィルムの上にスラリー状塗工液(B)を塗工した。PETフィルム上の塗工された該多孔質フィルムを一体にしたまま、貧溶媒である水中に浸漬させ、パラアラミド多孔層(耐熱多孔層)を析出させた後、溶媒を乾燥させて、耐熱多孔層と多孔質フィルムとが積層された積層フィルム1を得た。積層フィルム1の厚みは16μmであり、パラアラミド多孔層(耐熱多孔層)の厚みは4μmであった。積層フィルム1の透気度は180秒/100cc、空孔率は50%であった。積層フィルム1における耐熱多孔層の断面を走査型電子顕微鏡(SEM)により観察をしたところ、0.03μm〜0.06μm程度の比較的小さな微細孔と0.1μm〜1μm程度の比較的大きな微細孔とを有することがわかった。また、上記のように、積層フィルム1の耐熱多孔層には含窒素芳香族重合体であるパラアラミドが用いられており、積層フィルム1の熱破膜温度は400℃程度である。尚、積層フィルムの評価は以下の方法で行った。
(A)厚み測定
積層フィルムの厚み、多孔質フィルムの厚みは、JIS規格(K7130−1992)に従い、測定した。また、耐熱多孔層の厚みとしては、積層フィルムの厚みから多孔質フィルムの厚みを差し引いた値を用いた。
(B)ガーレー法による透気度の測定
積層フィルムの透気度は、JIS P8117に基づいて、株式会社安田精機製作所製のデジタルタイマー式ガーレー式デンソメータで測定した。
(C)空孔率
得られた積層フィルムのサンプルを一辺の長さ10cmの正方形に切り取り、重量W(g)と厚みD(cm)を測定した。サンプル中のそれぞれの層の重量(Wi(g))を求め、Wiとそれぞれの層の材質の真比重(真比重i(g/cm3))とから、それぞれの層の体積を求めて、次式より空孔率(体積%)を求めた。
空孔率(体積%)=100×{1−(W1/真比重1+W2/真比重2+・・+Wn/真比重n)/(10×10×D)}
Claims (5)
- 0.01μm以上0.5μm以下の範囲の直径の一次粒子と、前記範囲の直径の一次粒子が凝集されてなり、0.05μm以上2μm以下の範囲の平均直径の凝集粒子と、から構成され、BET比表面積が3m2/g以上30m2/g以下である、以下の式(1)で表される粉末状の第1のリチウム複合金属酸化物と、0.1μm以上1μm以下の範囲の直径の一次粒子と、前記範囲の直径の一次粒子が凝集されてなり、3μm以上20μm以下の範囲の平均直径の凝集粒子と、から構成され、BET比表面積が0.1m2/g以上2m2/g以下である、以下の式(2)で表される粉末状の第2のリチウム複合金属酸化物とが、第2のリチウム複合金属酸化物100重量部あたり第1のリチウム複合金属酸化物10重量部以上900重量部以下の混合比で、混合されてなることを特徴とする電極活物質。
Li(Ni 1-x-y Mn x Fe y )O 2 (1)
(ここで、xは0.1以上0.7以下の範囲の値であり、yは0.01以上0.5以下の範囲の値であり、x+yは0.11以上1未満の範囲の値である。)
Li(Ni 1-a-b Co a M b )O 2 (2)
(ここで、MはTi、V、Mn、B、AlおよびGaからなる群より選ばれる1種以上を表し、aは0以上1以下の範囲の値であり、bは0以上0.5以下の範囲の値であり、a+bは0以上1未満の範囲の値である。) - 請求項1記載の電極活物質を含有する電極。
- 請求項2記載の電極を、正極として有する非水電解質二次電池。
- セパレータをさらに有する請求項3記載の非水電解質二次電池。
- 前記セパレータが、耐熱多孔層と多孔質フィルムとが積層されてなる積層フィルムを有するセパレータである請求項4記載の非水電解質二次電池。
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