JP5593991B2 - リチウムイオン電池用正極材料 - Google Patents
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Description
本実施形態の固溶体正極材料において、メディアン径の大きい固溶体Aとメディアン径の小さい固溶体Bのメディアン径比x(=固溶体Bのメディアン径/固溶体Aのメディアン径)が、0<x≦0.44の範囲であるのが好ましい。より好ましくは0.30≦x≦0.44である。これはメディアン径の大きい固溶体Aとメディアン径の小さい固溶体Bの各粒子が分布を持たない場合において、計算上、この範囲でタップ密度が向上するためである(図4、5参照)。このようにタップ密度が向上することにより、リチウムイオン電池用正極およびチウムイオン電池を提供することができる。
本実施形態の固溶体正極材料において、メディアン径の大きい固溶体Aとメディアン径の小さい固溶体Bの割合(質量比)は、0/100<B/A<100/0であればよく、好ましくは10/90≦B/A≦90/10、より好ましくは10/90≦B/A≦80/20、さらに好ましくは20/80≦B/A≦80/20、特に好ましくは25/75≦B/A≦75/25である。即ち、固溶体Aと固溶体Bの合計量に対するメディアン径の大きい固溶体Aの割合(wt%)が、0wt%超〜100wt%未満、好ましくは10〜90wt%、より好ましくは20〜90wt%、さらに好ましくは20〜80wt%、特に好ましくは25〜75wt%である(図8参照)。また固溶体Aと固溶体Bの合計量に対するメディアン径の小さい固溶体Bの割合(wt%)が、0wt%超〜100wt%未満、好ましくは10〜90wt%、より好ましくは10〜80wt%、さらに好ましくは20〜80wt%、特に好ましくは25〜75wt%である(図8参照)。これは、各固溶体のみの状態を含まない混合状態の範囲全てにおいて、耐久性を向上した上で体積当りの容量密度が改善されているためである(図8参照のこと)。このように固溶体Aと固溶体Bを上記割合で用いることにより、耐久性を向上した上で体積当りの容量密度を改善してなるリチウムイオン電池用正極およびチウムイオン電池を提供することができる。
本実施形態の固溶体正極材料において、メディアン径の大きい固溶体Aのメディアン径d1は、100nm≦d1≦30μm、好ましくは1μm≦d1≦30μm、より好ましくは、5μm≦d1≦10μmであるのが望ましい。メディアン径の小さい固溶体Bのメディアン径d2は、50nm≦d2≦12μm、好ましくは500nm≦d2≦12μm、より好ましくは2μm≦d2≦4μmであるのが望ましい。これは、固溶体A、Bのメディアン径d1、d2のそれぞれの範囲の最大値は、経験的に電気化学的な特性を示すための有効メディアン径であり、最小値は経験的に合成可能な最小メディアン径であるためである。また、電極の作りやすさの観点からも、メディアン径の大きい固溶体Aのメディアン径d1は上記範囲が望ましい。またメディアン径比xの好適な0<x≦0.44の範囲へのコントロールのしやすさの観点からも、メディアン径の小さい固溶体Bのメディアン径d2は上記範囲が望ましい。これらのことから、固溶体A、Bのメディアン径d1、d2がそれぞれ上記範囲内であれば、体積当りの容量密度を改善してなるリチウムイオン電池用正極およびチウムイオン電池を提供することができる。但し、固溶体Aと固溶体B粒子のメディアン径d1、d2が上記範囲を外れても、本発明の作用効果を有効に発現し得るものであれば、本発明の技術的範囲に含まれるものである。
本実施形態の固溶体正極材料としては、下記一般式(1):
本実施形態の固溶体正極材料は、上記式中のaが、0.4≦a≦0.9であり、好ましくは0.5≦a≦0.8であり、より好ましくは0.55≦a≦0.8、さらに好ましくは0.6≦a≦0.75の範囲である。aの値が0.4以上であれば、結晶内でのLi[Li1/3M1 2/3]O2=Li2M1O3の成分の比率が大きくなり、大きな容量を発現でき、実質的に固溶体を単独で使用した従来の固溶体正極材料を超える性能(特に大きな容量)を有効に発揮することができる。また、aの値が0.9以下であれば、電気化学活性であり、十分な反応性が得られ、大きな容量が得られためである。その結果、上記式中のaが上記範囲、特に好適な範囲であれば、体積当りの容量密度を大幅に改善してなるリチウムイオン電池用正極およびチウムイオン電池を提供することができる。
上記式中のM1の金属元素種としては、平均価数が4価である1種以上の金属元素が好ましく、より好ましくはLi、Ni、Co、Al、Mn、Fe及びTiよりなる群から選ばれてなる少なくとも1種の金属元素からなり、且つ平均価数が4価であるものである。これはM1として平均価数が4価となるように上記金属元素の1種以上が固溶体正極材料中に含まれていることで、固溶体正極材料において高容量・高耐久性を有するためである。その結果、体積当りの容量密度を改善してなるリチウムイオン電池用正極およびチウムイオン電池を提供することができる。M1の金属元素種として特に好ましくは、上記した性能に優れることから、Mn、Tiからなり、且つ平均価数が4価であるものが望ましい。なお、1つの金属元素単独(例えば、Li等)では4価にならないものは、他の金属元素と併用して使用すればよい。
上記式中のM2の金属元素種としては、平均価数が3価である1種以上の金属元素が好ましく、より好ましくはLi、Ni、Co、Al、Mn、Fe及びTiよりなる群から選ばれてなる少なくとも1種の金属元素からなり、且つ平均価数が3価であるものである。これは、M2として平均価数が3価となるように上記金属元素の1種以上が固溶体正極材料中に含まれていることで、固溶体正極材料において高性能を示すためである。その結果、体積当りの容量密度を改善してなるリチウムイオン電池用正極およびチウムイオン電池を提供することができる。M2の金属元素種として特に好ましくは、上記した性能に優れることから、Ni、Co、Al、Mnからなり、且つ平均価数が3価であるものが望ましい。なお、1つの金属元素単独(例えば、Li等)では3価にならないものは、他の金属元素と併用して使用すればよい。
本発明において、リチウムイオン電池は、本実施形態のリチウムイオン電池用の固溶体正極材料を用いてなるものであればよく、他の構成要件に関しては特に制限されない。本実施形態の固溶体正極材料を用いてなることによって、タップ密度が改善し、体積当りの容量密度が大幅に向上するため、体積当りの容量密度を改善してなるリチウムイオン電池用正極およびチウムイオン電池を提供することができるものである。
本実施形態では、正極活物質層の主要な活物質が、Li[Li1/3M1 2/3]O2(a)と、LiM2O2(b)との固溶体を用いた固溶体正極材料において、メディアン径の異なる複数の固溶体を組み合わせてなる固溶体正極材料であることを特徴とする。
出発物質には、炭酸リチウム(Li2CO3)およびM1またはM2の金属元素種(Li、Ni、Co、Al、Mn、Fe、Tiなど)の酸化物を使用し(例えば、Li2CO3、NiO、Co3O4、MnO2を使用し)、所定の比になるよう秤量する。秤量した出発物質を乳鉢などの混合装置を用いて混合する。混合は、20分〜1時間程度行えばよいが、かかる範囲に制限されるものではない。ここで、M1、M2の酸化物としては、Li2O、NiO、Ni2O3、CoO、Co2O3、Co3O4、MnO、MnO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、Fe3O4、TiO2等が挙げられるが、これらに制限されるものではない。得られた混合物を焼成する事で、好ましくは上記式(1)で表される、上記式(a)、式(b)からなるメディアン径の大きい固溶体A(固溶体正極材料)を作製することができる。焼成条件としては、700〜1000℃の範囲で(例えば、800℃、850℃、900℃と順次温度を上げて)、3〜20時間程度(例えば、800℃、850℃、900℃の焼成温度ごとに4時間ずつ、合計12時間)焼成すればよい。但し、かかる範囲(焼成条件)に制限されるものではない。
出発物質として上記式(a)、式(b)中のLi、M1またはM2の金属元素種(Li、Ni、Co、Al、Mn、Fe、Tiなど)の各硫酸(金属)塩、硝酸(金属)塩、酢酸(金属)塩などを使用し、所定の量を秤量し、これらの混合溶液を調製する。Li、M1、M2の各硫酸(金属)塩、酢酸(金属)塩、硝酸(金属)塩としては、例えば、硫酸ニッケル、硫酸コバルト、硫酸マンガン、硫酸鉄、硫酸チタン、硫酸アルミニウム、硫酸リチウム、酢酸リチウム、酢酸ニッケル、酢酸コバルト、酢酸マンガン、酢酸チタン、酢酸ジルコニウム、硝酸アルミニウム、硝酸ガリウム、硝酸インジウム、ボロンニトラート(boron nitrate)などが挙げられるが、これらに制限されるものではない。
(1)所定の電位範囲での充電あるいは、充放電、詳しくは固溶体正極結晶構造の大幅な変化を最初から引き起こすことのない低い電位領域での充電あるいは充放電;
(2)充電に対応する酸化剤(例えば、臭素、塩素などのハロゲン)での酸化;
(3)レドックスメディエーターを用いての酸化;などの酸化処理を挙げることができる。
集電体(負極集電体11、正極集電体12)としては、いずれも電池用の集電体材料として従来用いられている部材が適宜採用されうる。一例を挙げると、正極集電体および負極集電体としては、アルミニウム、ニッケル、鉄、ステンレス鋼(SUS)、チタンまたは銅が挙げられる。中でも、電子伝導性、電池作動電位という観点からは、正極集電体としてはアルミニウムが好ましく、負極集電体としては銅が好ましい。集電体の一般的な厚さは、10〜20μmである。ただし、この範囲を外れる厚さの集電体を用いてもよい。電極集電板についても、集電体と同様の材料で形成することができる。また、集電体の形態は、箔の形態であってもよいし、メッシュ形態、エキスパンドグリッド形態など、従来公知の形態を適宜利することができる。
活物質層(負極活物質層13、正極活物質層15)は活物質(負極活物質、正極活物質、参照極活物質)を含んで構成される。さらに、これらの活物質層は、必要に応じてバインダ、電気伝導性を高めるための導電助剤、電解質(ポリマーマトリックス、イオン伝導性ポリマー、電解液など)、イオン伝導性を高めるためのリチウム塩などを含む。
正極活物質および負極活物質の材料(材質)としては、本発明のリチウムイオン電池の特徴的な構成要件を具備するものであればよく、特に制限されるものではなく、電池の種類に応じて適宜選択すればよい。
バインダは、活物質同士または活物質と集電体とを結着させて電極構造を維持する目的で添加される。
導電助剤(導電剤とも称する)とは、導電性を向上させるために配合される導電性の添加物をいう。本実施形態で使用しうる導電助剤は特に制限されず、従来公知のものを利用することができる。例えば、アセチレンブラック等のカーボンブラック、グラファイト、炭素繊維などの炭素材料が挙げられる。導電助剤を含むと、活物質層の内部における電子ネットワークが効果的に形成され、電池の出力特性の向上、電解液の保液性の向上による信頼性向上に寄与しうる。
電解質としては、後述する[電解質層]の項で説明する液体電解質、ゲルポリマー電解質、および真性ポリマー電解質を特に制限なく用いることができる。液体電解質、ゲルポリマー電解質、および真性ポリマー電解質の具体的な形態については、後述する(電解質層)の項で説明するため、詳細はここでは省略する。これらの電解質は1種単独であってもよいし、2種以上を組み合わせて用いてもよい。また、後述する電解質層に用いた電解質と異なる電解質を用いてもよいし、同一の電解質を用いてもよい。
電解質層は、非水電解質を含む層である。電解質層に含まれる非水電解質(具体的には、リチウム塩)は、充放電時に正負極間を移動するリチウムイオンのキャリアーとしての機能を有する。非水電解質としてはかような機能を発揮できるものであれば特に限定されないが、液体電解質またはポリマー電解質が用いられうる。
リチウムイオン二次電池では、使用時の外部からの衝撃や環境劣化を防止するために、発電要素全体を外装体に収容するのが望ましい。外装体としては、従来公知の金属缶ケースを用いることができほか、アルミニウムを含むラミネートフィルムを用いた発電要素を覆うことができる袋状のケースを用いることができる。ラミネートフィルムには、例えば、PP、アルミニウム、ナイロンをこの順に積層してなる3層構造のラミネートフィルム等を用いることができるが、これらに何ら制限されるものではない。
図3は、本発明の一実施形態である積層型電池の外観を模式的に表した斜視図である。図3に示すように、積層型電池10は、長方形状の扁平な形状を有しており、その両側部からは電力を取り出すための負極集電板25、正極集電板27が引き出されている。発電要素21は、電池10の外装体29によって包まれ、その周囲は熱融着されており、発電要素21は負極集電板25および正極集電板27を引き出した状態で密封されている。ここで、発電要素21は、図1に示す積層型電池10の発電要素21に相当し、負極(負極集電体11+負極活物質層13)、電解質層17および正極(正極集電体12+正極活物質層15)で構成される単電池層(単セル)19が複数積層されたものである。
1.固溶体正極材料の合成
(1)メディアン径の小さい固溶体(小粒径の固溶体ともいう)正極材料の合成
試料(メディアン径の小さい固溶体B)の合成は、複合炭酸塩法を用い以下のように行った。
試料(メディアン径の大きい固溶体A)の合成は、固相反応法を用いて以下のように行った。
2.電極と電池の作製
負極(負極活物質層+負極集電体がいわば一体構造の負極)には金属Li(正極性能を調べるため、正極の理論容量よりも負極の理論容量の方が過剰量となるように調製したもの)を用いた。導電結着材としてTAB−2(アセチレンブラック導電助剤:PTFEバインダ=1:1(質量比))を用いた。正極集電体には、φ15mmのAl箔(厚さ20μm)を用いた。電解液としては、1M LiPF6のEC:DEC=1:2(体積比)(ここで、ECはエチレンカーボネート、DECはジエチルカーボネートである。)を用いた。
正極の作製は、電極組成比が正極活物質:導電助剤:バインダ=60:20:20(質量比)とし、NMP(N−メチル−2−ピロリドン)により希釈しスラリーを調整した。得られたスラリーはAl箔上に塗布し目的の電極を得た。正極活物質には、上記で合成したメディアン径の異なる固溶体A1と固溶体B1(更に後述する図8の評価実験では、メディアン径の異なる固溶体A2と固溶体B2及び固溶体A3と固溶体B3)を表1に示す所定の比率で混合し調整を行った固溶体正極材料(実施例1〜5)及び固溶体A1(更に後述する図8の評価実験では、固溶体A2、A3)単独、固溶体B1(更に後述する図8の評価実験では、固溶体B2、B3)単独の正極材料(比較例1〜2)をそれぞれ用いた。単位面積あたりの正極活物質量は、いずれも10mg/1cm2程度とした。また、電極(正極及び負極)はいずれもφ15mmの大きさのものを使用した。
上記で作製した正極を120℃の乾燥機にて4時間乾燥して用い、正極と負極の間に、厚さ20μmのポリプロピレンの多孔質膜2枚を介し、正負極を対向させ、コインセルの底部の上に重ねあわせ、正負極間の絶縁性を保つためにガスケットを装着した。その後、シリンジを用いることにより電解液を注液して、スプリング及びスペーサーを積層後、コインセルの上部を重ね合わせかしめを行って電池とした。
3.リチウムイオン電池の評価
リチウムイオン電池の評価は、上記2(2)で作製したリチウムイオン電池につき、最高電圧が4.8Vとなるまで充電して、電池の最低電圧が2.0Vとなるまで放電する方法で、定電流レート(1/12Cレート)にて充放電を行った。実施例及び比較例の結果を図6〜8、下記表1に示す。ここで、図6は、本実施形態の固溶体正極材料を用いた電池において、メディアン径の異なる固溶体A1、B1のうち、メディアン径の大きな固溶体A1の割合と、重量当りの容量密度との関係(実測値)を示す図面である。図7は、本実施形態の固溶体正極材料を用いた電池において、メディアン径の異なる固溶体A1、B1のうち、メディアン径の大きな固溶体A1の割合と、電極密度との関係(実測値)を示す図面である。図8は、本実施形態の固溶体正極材料を用いた電池において、メディアン径の異なる固溶体AとBのうち、メディアン径の大きな固溶体Aの割合と、体積当りの容量密度の関係(実測値)を示す図面である。詳しくは、第1に、メディアン径の異なる固溶体A1とB1(共に組成が下記一般式(1)のa=0.6で共通し、メディアン径のみが異なる組合せ)のうち、メディアン径の大きな固溶体A1の割合と、体積当りの容量密度の関係(実測値)を▲印で示すものである。第2に、メディアン径の異なる固溶体A2とB2(共に組成が下記一般式(1)のa=0.5で共通し、メディアン径のみが異なる組合せ)のうち、メディアン径の大きな固溶体A2の割合と、体積当りの容量密度の関係(実測値)を■印で示すものである。第3に、メディアン径の異なる固溶体A3とB3(共に組成が下記一般式(1)のa=0.7で共通し、メディアン径のみが異なる組合せ)のうち、メディアン径の大きな固溶体A3の割合と、体積当りの容量密度の関係(実測値)を●印で示すものである。
11 負極集電体、
12 正極集電体、
13 負極活物質層(負極)、
15 正極活物質層(正極)、
17 電解質層、
19 単電池層(単セル)、
21 発電要素、
25 負極集電板、
27 正極集電板、
29 外装体(ラミネートシート)。
Claims (8)
- Li[Li1/3M1 2/3]O2(a)(式中、M1は1種以上の金属元素であって平均価数が4価である。)と、LiM2O2(b)(式中、M2は1種以上の金属元素であって平均価数が3価である。)との固溶体を用いた固溶体正極材料において、
メディアン径の異なる固溶体A及び固溶体Bを組み合わせてなるものであって、
メディアン径の大きい固溶体Aのメディアン径d1が、5μm≦d1≦30μmであり、
メディアン径の小さい固溶体Bのメディアン径d2が、2μm≦d2≦4μmであり、
メディアン径の大きい固溶体Aとメディアン径の小さい固溶体Bの割合(質量比)が、10/90≦B/A≦90/10であることを特徴とする固溶体正極材料。 - メディアン径の異なる固溶体A及び固溶体Bを組み合わせてなるものであって、
メディアン径の大きい固溶体Aとメディアン径の小さい固溶体Bの割合(質量比)が、10/90≦B/A≦80/20であることを特徴とする請求項1に記載の固溶体正極材料。 - メディアン径の異なる固溶体A及び固溶体Bを組み合わせてなるものであって、
メディアン径の大きい固溶体Aとメディアン径の小さい固溶体Bのメディアン径比x(固溶体Bのメディアン径/固溶体Aのメディアン径)が、0<x≦0.44の範囲であることを特徴とする請求項1または2に記載の固溶体正極材料。 - 下記一般式(1):
- 前記固溶体正極材料におけるLi[Li1/3M1 2/3]O2(a)の組成割合をa、LiM2O2(b)の組成割合を1−aとした場合のaの値、若しくは前記一般式(1)中のaの値が、0.55≦a≦0.8であることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の固溶体正極材料。
- 前記固溶体正極材料における上記式中のM1の金属元素種が、Li、Ni、Co、Al、Mn、Fe及びTiよりなる群から選ばれてなる少なくとも1種からなり、且つ平均価数が4価であることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の固溶体正極材料。
- 前記固溶体正極材料における上記式中のM2の金属元素種が、Li、Ni、Co、Al、Mn、Fe及びTiよりなる群から選ばれてなる少なくとも1種からなり、且つ平均価数が3価であることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の固溶体正極材料。
- 請求項1〜7のいずれかに記載の固溶体正極材料を使用したリチウムイオン電池。
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