JP5551019B2 - 正極活物質、正極及び非水二次電池 - Google Patents
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Description
Li(1−a)AaFe(1−x−b)M(x−c)P(1−y)SiyO4 …(1)
(但し、式中、Aは、Na、K、Fe、及びMからなる群から選択される少なくとも1種であり、Feの平均価数は+2以上であり、Mは価数が+2以上の元素、且つZr、Sn、Y、及びAlからなる群から選択される少なくとも1種であり、Mの平均価数とFeの平均価数とは異なり、0<a≦0.125であり、AにおけるNa及びKの合計モル数はdであり、AにおけるFeのモル数はbであり、AにおけるMのモル数はcであり、a=b+c+dであり、0<x≦0.5であり、0<y≦0.5である)
で表される組成を有することを特徴としている。
本実施の形態に係る正極活物質は、下記一般式(1)
Li(1−a)AaFe(1−x−b)M(x−c)P(1−y)SiyO4 …(1)
(但し、式中、Aは、Na、K、Fe、及びMからなる群から選択される少なくとも1種であり、Feの平均価数は+2以上であり、Mは価数が+2以上の元素、且つZr、Sn、Y、及びAlからなる群から選択される少なくとも1種であり、Mの平均価数とFeの平均価数とは異なり、0<a≦0.125であり、AにおけるNa及びKの合計モル数はdであり、AにおけるFeのモル数はbであり、AにおけるMのモル数はcであり、a=b+c+dであり、0<x≦0.5であり、0<y≦0.5である)
で表される組成を有する。
Li(1−a)AaFe(1−x)MxP(1−y)SiyO4
(但し、式中、Aは、NaまたはKであり、Feの平均価数は+2以上であり、Mは価数が+2以上の元素、且つZr、Sn、Y、及びAlからなる群から選択される少なくとも1種であり、Mの価数とFeの平均価数とは異なり、0<a≦0.125であり、0<x≦0.5であり、y=x×(Mの平均価数−2)+(1−x)×(Feの平均価数−2)である)
で表される組成を有することになる。
放電容量比率(%)=一般式(1)における単位格子の初期放電容量/LiFe1−xMxP1−ySiyO4における単位格子の初期放電容量×100 …(2)
また、本発明に係る正極活物質では、一次粒子の粒子径が5nm〜100nmであることが好ましく、10nm〜100nmであることがより好ましく、粒子径が10nm〜50nmであることが更に好ましい。但し、LiサイトにFeが置換される場合には、Feサイトに欠陥が生じることから、a軸方向への拡散パスが形成されると考えられ、一次粒子の粒子径は100nm以上でもよく、より具体的には5nm〜500nmが好ましく、10nm〜300nmがより好ましい。
本実施の形態に係る非水二次電池は、正極と負極と電解質とセパレータとを有する。以下、各構成材料について説明する。
上記正極は、本実施の形態に係る上記正極活物質と導電材とバインダーとからなり、例えば、活物質と導電材とバインダーとを有機溶剤と混合したスラリーを集電体に塗布する等の公知の方法によって作製することができる。
上記負極は公知の方法により作製することができる。具体的には、正極の作製法で説明した方法と同様にして作製することができる。つまり、正極の作製法で説明した公知の結着材と公知の導電材とを負極活物質と混合した後、この混合粉末をシート状に成形し、当該成形体をステンレス、銅等の導電体網(集電体)に圧着すればよい。また、上記混合粉末を正極作製法で説明した公知の有機溶剤と混合して得られたスラリーを銅等の金属基板上に塗布することにより作製することもできる。
上記電解質としては、例えば、有機電解液、ゲル状電解質、高分子固体電解質、無機固体電解質、溶融塩等を用いることができる。電解質を注入した後に電池の開口部を封止する。封止の前に通電し発生したガスを取り除いてもよい。
上記セパレータとしては、多孔質材料又は不織布等が挙げられる。セパレータの材質としては、上述した、電解質中に含まれる有機溶媒に対して溶解したり膨潤したりしないものが好ましい。具体的には、ポリエステル系ポリマー、ポリオレフィン系ポリマー(例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン)、エーテル系ポリマー、ガラスのような無機材料等が挙げられる。
本実施の形態に係る非水二次電池は、例えば、正極と負極とを、それらの間にセパレータを挟んで積層することにより作製することができる。積層した電極は、例えば短冊状の平面形状を有していてもよい。また、円筒型や扁平型の電池を作製する場合は、積層した電極を巻き取ってもよい。
(1)下記一般式(1’)
Li(1−a)AaFe(1−x)MxP(1−y)SiyO4 …(1’)
(但し、式中、Aは、NaまたはKであり、Feの平均価数は+2以上であり、Mは価数が+2以上の元素、且つZr、Sn、Y、及びAlからなる群から選択される少なくとも1種であり、Mの価数とFeの平均価数とは異なり、0<a≦0.125であり、0<x≦0.5であり、y=x×(Mの価数−2)+(1−x)×(Feの平均価数−2)である)
で表される組成を有することを特徴とする正極活物質。
表1に記載の各化合物について、第一原理計算の一般的なプログラムであるVASPに基づいて、当該化合物の体積変化率(一般式(1)における単位格子の体積に対する、Li(x−a)AaFe(1−x)MxP(1−y)SiyO4における単位格子の体積の体積変化率)を計算して求めた。
体積変化率(%)=(V0−V1)/V0×100 …(3)
(式中、V0はLiがあるときの体積であり、V1はLiが抜けたときの体積である)
置換量の検討には、単位格子の2倍や4倍の構造の計算を行い、元素の置換量が半分、4分の1の計算を行った。体積変化率の計算結果を表1に示す。
〔参考例9〕
本発明に係る正極活物質について、各粒子サイズの正極活物質におけるLiサイトの置換量と放電容量比率との関係を調べた。
放電容量比率(%)={2b(1−a)/(2na+b)}×100 …(4)
(式中、nは粒子径(nm)、aはLiサイトの置換量、bは単位格子のb軸方向の長さ(nm)である)
具体的には、上記式(4)は、{(1つの拡散パスに存在するLi原子の数)/(1つの拡散パスに存在する置換原子数+1)×2}/(1つの拡散パスに存在する原子数)×100を表している。ここで、
1つの拡散パスに存在するLi原子の数=2n(1−a)/b
1つの拡散パスに存在する置換原子数=2na/b
1つの拡散パスに存在する原子数=2n/b
である。
放電容量(mAh/g)=F/3600/Mw×1000×(1−x) …(5)
(式中、Fはファラデー定数、Mwは化合物の分子量、xは、一般式(1)におけるxと同義であり、FeサイトにおけるMの置換量である)
上記式(4)を用いれば、正極活物質の各組成での理論容量を100%とした場合に、結晶のサイズとLiサイトの置換量とによって、理論容量の何%の容量を得ることができるか求めることができる。また、上記式(4)によって求められた放電容量比率は、正極活物質の組成に依存しないため、参考例1〜8のどの組成の化合物においても当てはまる値となる。結果を表2および図1に示す。
LiFePO4とFePO4とについて実際に正極活物質を作製して体積変化率を求め、計算結果の精度を確認した。
出発原料にリチウム源としてLiOH、鉄源としてFe(CH3COO)2、リン源としてH3PO4を用い、モル比でLi:Fe:P=1:1:1となるように量りとった。次に、少量の水にFe源とP源を入れ、Fe源が完全に溶解したあとに、Li源を入れた。この水溶液に最終的に得られる予定のLiFePO4の20質量%のスクロースを加えた。この水溶液を窒素フロー下、60℃の乾燥炉で一晩乾燥させた後、600℃で12時間焼成を行い、オリビン型の正極活物質であるLiFePO4単相粉末を合成した。
合成した上記LiFePO4正極活物質を乳鉢ですり潰して微粉化し、室温にて、Cu管球を用いて10°〜90°までX線測定を行い、格子定数を求めた。
体積膨張率(%)=(1−充電時の構造の体積/放電時の構造の体積)×100 …(6)
尚、ここで充電時の構造はLi脱離時の構造とし、放電時の構造は合成時の初期構造とした。
上記正極活物質とアセチレンブラック(商品名:「デンカブラック」、電気化学工業社製)とPVdF(ポリビニリデンフルオライド)(商品名:「KFポリマー」、クレハ社製)とを70:30:10の質量比で混合後、N−メチルピロリドン(キシダ化学社製)と混合することによりスラリー状にし、厚さ20μmのアルミ箔に厚さが50μm〜100μmとなるように塗布して正極を得た。尚、正極の電極サイズは2cm×2cmとした。
出発原料にリチウム源としてLi(OC2H5)、ナトリウム源としてNaOH、鉄源としてFe(CH3COO)2、ジルコニウム源としてZr(OC2H5)4、リン源として(NH4)2HPO4、シリコン源としてSi(OC2H5)4をモル比でLi:Na:Fe:Zr:P:Si=0.99:0.01:0.875:0.125:0.75:0.25となるようにそれぞれ量りとった。次に、Li源、Zr源、Si源を20gのブタノールに溶解した。また、Na源、Fe源、P源を、金属アルコキシド(Fe源、Si源及びLi源)の合計モル数に対して4倍のモル数の水に溶解した。金属アルコキシドを溶解したブタノールとFe源とP源を溶解した水とを混合し、1時間攪拌後、60℃の乾燥機にて乾燥させた粉末を前駆体とした。
出発原料にリチウム源としてLiCH3COO、鉄源としてFe(NO3)3・9H2O、ジルコニウム源としてZrCl4、リン源としてH3PO4(85%)、シリコン源としてSi(OC2H5)4とを使用した。リチウム源であるLiCH3COOを1.3196gとして、Li:Fe:Zr:P:Siがモル比で1:0.875:0.125:0.825:0.25となるように上記各物質を秤量した。これらを30mlのC2H5OHに溶解させ、室温でスターラーにて48時間攪拌した。その後、40℃の恒温槽内にて溶媒を除去し、茶褐色の粉末を得た。
出発原料にリチウム源としてLiCH3COO、鉄源としてFe(NO3)3・9H2O、ジルコニウム源としてZrCl4、リン源としてH3PO4(85%)、シリコン源としてSi(OC2H5)4を使用した。リチウム源であるLiCH3COOを1.3196gとして、Li:Fe:Zr:P:Siがモル比で1:0.9:0.1:0.88:0.2となるように上記各物質を秤量した。これらを30mlのC2H5OHに溶解させ、室温でスターラーにて48時間攪拌した。その後40℃の恒温槽内にて溶媒を除去し、茶褐色の粉末を得た。
出発原料にリチウム源としてLiCH3COO、鉄源としてFe(NO3)3・9H2O、ジルコニウム源としてZrCl4、リン源としてH3PO4(85%)、シリコン源としてSi(OC2H5)4を使用した。リチウム源であるLiCH3COOを1.3196gとして、Li:Fe:Zr:P:Siがモル比で1:0.95:0.05:0.99:0.1となるように上記各物質を秤量した。これらを30mlのC2H5OHに溶解させ、室温でスターラーにて48時間攪拌した。その後40℃の恒温槽内にて溶媒を除去し、茶褐色の粉末を得た。
出発原料にリチウム源としてLiCH3COO、鉄源としてFe(NO3)3・9H2O、ジルコニウム源としてZrCl4、アルミニウム源としてAlCl3・6H2O、リン源としてH3PO4(85%)、シリコン源としてSi(OC2H5)4を使用した。リチウム源であるLiCH3COOを1.3196gとして、Li:Fe:Zr:Al:P:Siがモル比で1:0.875:0.0625:0.0625:0.8125:0.1875となるように上記各物質を秤量した。これらを30mlのC2H5OHに溶解させ、室温でスターラーにて48時間攪拌した。その後40℃の恒温槽内にて溶媒を除去し、茶褐色の粉末を得た。
出発原料にリチウム源としてLiCH3COO、鉄源としてFe(NO3)3・9H2O、ジルコニウム源としてZrCl4、アルミニウム源としてAlCl3・6H2O、リン源としてH3PO4(85%)、シリコン源としてSi(OC2H5)4を使用した。リチウム源であるLiCH3COOを1.3196gとして、Li:Fe:Zr:Al:P:Siがモル比で1:0.875:0.1:0.025:0.8525:0.225となるように上記各物質を秤量した。これらを30mlのC2H5OHに溶解させ、室温でスターラーにて48時間攪拌した。その後40℃の恒温槽内にて溶媒を除去し、茶褐色の粉末を得た。
出発原料にリチウム源としてLiCH3COO、鉄源としてFe(NO3)3・9H2O、ジルコニウム源としてZrCl4、リン源としてH3PO4(85%)、シリコン源としてSi(OC2H5)4を使用した。リチウム源であるLiCH3COOを1.3196gとして、Li:Fe:Zr:P:Siがモル比で1:0.875:0.125:0.75:0.25となるように上記各物質を秤量した。これらを25mlのC2H5OHに溶解させ、室温でスターラーにて48時間攪拌した。その後40℃の恒温槽内にて溶媒を除去し、茶褐色の粉末を得た。
出発原料にリチウム源としてLiCH3COO、鉄源としてFe(NO3)3・9H2O、アルミニウム源としてAlCl3・6H2O、リン源としてH3PO4(85%)、シリコン源としてSi(OC2H5)4を使用した。リチウム源であるLiCH3COOを1.3196gとして、Li:Fe:Al:P:Siがモル比で1:0.875:0.125:0.75:0.125となるように上記各物質を秤量した。これらを30mlのC2H5OHに溶解させ、室温でスターラーにて48時間攪拌した。その後40℃の恒温槽内にて溶媒を除去し、茶褐色の粉末を得た。
このようにして得られた正極活物質A1〜A7をメノウ乳鉢にて粉砕し、X線解析装置(製品名:MiniFlexII、株式会社理学社製)により粉末X線回折パターンを得た。次に、得られた粉末X線回折パターンについて、「RIETAN−2000」(F.IzumI AND T.Ikeda,Mater.Sci.Forum,321−324(2000)198−203)を用いて、実施例1においては表4に示すパラメータを初期値として使用するリートベルト解析による構造解析を行った。尚、4aサイトの鉄とLiの占有率は以下の式を満たすような条件で精密化を行った。他の実施例においては、置換元素の種類および量は適宜変更して構造解析を行った。
それ以外の占有率は表4の初期値で固定して構造の精密化を行った。
参考例10と同様の方法で、A1〜A7において電池を作製した。
〔実施例8〕
実施例2で得られた正極活物質A2を10g秤量し、メノウ乳鉢にて粉砕し、これに導電剤として、正極活物質に対して約10重量%のアセチレンブラック(商品名:「デンカブラック」、電気化学工業社製)と、結着剤として、正極活物質に対して約10重量%のポリビニリデンフルオライド樹脂粉末とを混合した。
正極活物質A2の代わりに、実施例7で作製した正極活物質A7を用いたこと以外は、実施例8と同様の手順で電極を作製し、充放電を行い電極厚みを計測した。その結果、充電前が100μmであったのに対して、94μmであった。
出発原料に、リチウム源としてLiCH3COO、鉄源としてFe(NO3)3・9H2O、ジルコニウム源としてZrCl4、リン源としてH3PO4(85%)、シリコン源としてSi(OC2H5)4とを使用した。リチウム源であるLiCH3COOを131.96gとして、Li:Fe:Zr:P:Siがモル比で1:0.875:0.125:0.825:0.25となるように上記各物質を秤量した。これらを3000mlのC2H5OHに溶解させ、室温で攪拌モーターを用いて48時間攪拌した。その後、40℃の恒温槽内にて溶媒を除去し、茶褐色の粉末を得た。
出発原料に、リチウム源としてLiCH3COO、鉄源としてFe(NO3)3・9H2O、リン源としてH3PO4(85%)とを使用し、リチウム源であるLiCH3COOを131.96gとして、Li:Fe:Pがモル比で1:1:1となるように上記各物質を秤量したこと以外は実施例7と全く同じ手順で平板型ラミネート電池を作製した。
出発原料に、リチウム源としてLiCH3COO、鉄源としてFe(NO3)3・9H2O、ジルコニウム源としてZrCl4、リン源としてH3PO4(85%)、シリコン源としてSi(OC2H5)4とを使用した。リチウム源であるLiCH3COOを1319.6gとして、Li:Fe:Zr:P:Siがモル比で1:0.875:0.125:0.825:0.25となるように上記各物質を秤量した。これらを30LのC2H5OHに溶解させ、室温で攪拌モーターを用いて48時間攪拌した。その後、40℃の恒温槽内にて溶媒を除去し、茶褐色の粉末を得た。
出発原料に、リチウム源としてLiCH3COO、鉄源としてFe(NO3)3・9H2O、リン源としてH3PO4(85%)とを使用した。リチウム源であるLiCH3COOを131.96gとして、Li:Fe:Pがモル比で1:1:1となるように上記各物質を秤量したこと以外は実施例11と全く同じ手順で積層角型電池を作製した。
〔実施例12:捲回円筒電池〕
出発原料に、リチウム源としてLiCH3COO、鉄源としてFe(NO3)3・9H2O、ジルコニウム源としてZrCl4、リン源としてH3PO4(85%)、シリコン源としてSi(OC2H5)4とを使用した。リチウム源であるLiCH3COOを1319.6gとして、Li:Fe:Zr:P:Siがモル比で1:0.875:0.125:0.825:0.25となるように上記各物質を秤量した。これらを30LのC2H5OHに溶解させ、室温で攪拌モーターを用いて48時間攪拌した。その後、40℃の恒温槽内にて溶媒を除去し、茶褐色の粉末を得た。
出発原料に、リチウム源としてLiCH3COO、鉄源としてFe(NO3)3・9H2O、リン源としてH3PO4(85%)とを使用した。リチウム源であるLiCH3COOを131.96gとして、Li:Fe:Pがモル比で1:1:1となるように上記各物質を秤量したこと以外は実施例12と全く同じ手順で円筒型電池を作製した。
12 アルミニウムラミネート
13,16,23 正極集電リード
14,17 負極集電リード
18,24 電池缶
19,26 電池蓋
20 安全弁
21 負極端子
22 巻回体
25 正極端子
Claims (12)
- 下記一般式(1)
Li(1−a)AaFe(1−x−b)M(x−c)P(1−y)SiyO4 …(1)
(但し、式中、Aは、Fe、及びMからなる群から選択される少なくとも1種であり、Feの平均価数は+2以上であり、Mは価数が+2以上の元素、且つZr、Sn、Y、及びAlからなる群から選択される少なくとも1種であり、M平均の価数とFeの平均価数とは異なり、0<a≦0.125であり、AにおけるFeのモル数はbであり、AにおけるMのモル数はcであり、a=b+cであり、0<x≦0.5であり、0<y≦0.5である)
で表される組成を有することを特徴とする正極活物質。 - 下記一般式(1)
Li (1−a) A a Fe (1−x−b) M (x−c) P (1−y) Si y O 4 …(1)
(但し、式中、Aは、Na、K、Fe、及びMからなる群から選択される少なくとも1種であり、Feの平均価数は+2以上であり、Mは価数が+2以上の元素、且つZr、Sn、Y、及びAlからなる群から選択される少なくとも1種であり、M平均の価数とFeの平均価数とは異なり、0<a≦0.125であり、AにおけるNa及びKの合計モル数はdであり、AにおけるFeのモル数はbであり、AにおけるMのモル数はcであり、a=b+c+dであり、0<x≦0.5であり、0<y≦0.5である)
で表される組成を有し、
一般式(1)におけるLiの含有量をkとするとき、kが(1−a)である場合の単位格子の体積に対する、kが(x+b−a)(但し、x+b−a<0の場合にはkは0とする)である場合の単位格子の体積の体積変化率が5%以下であることを特徴とする正極活物質。 - 一般式(1)におけるLiの含有量をkとするとき、kが(1−a)である場合の単位格子の体積に対する、kが(x+b−a)(但し、x+b−a<0の場合にはkは0とする)である場合の単位格子の体積の体積変化率が5%以下であることを特徴とする請求項1に記載の正極活物質。
- 一般式(1)におけるMの価数は+4価であることを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載の正極活物質。
- 一般式(1)におけるMは、Zrであることを特徴とする請求項4に記載の正極活物質。
- 一般式(1)におけるMが、少なくともZr及びAlの2種を含むことを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載の正極活物質。
- 請求項1〜6の何れか1項に記載の正極活物質と、導電材と、バインダーとを含むことを特徴とする正極。
- 請求項7に記載の正極と、負極と、電解質と、セパレータとを有することを特徴とする非水二次電池。
- ラミネート電池、積層角型電池、捲回角型電池又は捲回円筒電池であることを特徴とする請求項8に記載の非水二次電池。
- 請求項8又は9に記載の非水二次電池を複数組み合わせたことを特徴とするモジュール。
- 請求項8又は9に記載の非水二次電池を含むことを特徴とする電力貯蔵システム。
- 太陽電池用電力貯蔵システム、深夜電力用貯蔵システム、風力発電用電力貯蔵システム、地熱発電用電力貯蔵システム又は波力発電用電力貯蔵システムであることを特徴とする請求項11に記載の電力貯蔵システム。
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