JP5631993B2 - リチウム二次電池の正極活物質用の板状粒子、リチウム二次電池の正極、及びリチウム二次電池 - Google Patents

リチウム二次電池の正極活物質用の板状粒子、リチウム二次電池の正極、及びリチウム二次電池 Download PDF

Info

Publication number
JP5631993B2
JP5631993B2 JP2012521479A JP2012521479A JP5631993B2 JP 5631993 B2 JP5631993 B2 JP 5631993B2 JP 2012521479 A JP2012521479 A JP 2012521479A JP 2012521479 A JP2012521479 A JP 2012521479A JP 5631993 B2 JP5631993 B2 JP 5631993B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
positive electrode
plate
particles
secondary battery
lithium secondary
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2012521479A
Other languages
English (en)
Other versions
JPWO2011162253A1 (ja
Inventor
隆太 杉浦
隆太 杉浦
小林 伸行
伸行 小林
七瀧 努
七瀧  努
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
NGK Insulators Ltd
Original Assignee
NGK Insulators Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by NGK Insulators Ltd filed Critical NGK Insulators Ltd
Priority to JP2012521479A priority Critical patent/JP5631993B2/ja
Publication of JPWO2011162253A1 publication Critical patent/JPWO2011162253A1/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP5631993B2 publication Critical patent/JP5631993B2/ja
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/48Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides
    • H01M4/50Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of manganese
    • H01M4/505Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of manganese of mixed oxides or hydroxides containing manganese for inserting or intercalating light metals, e.g. LiMn2O4 or LiMn2OxFy
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01GCOMPOUNDS CONTAINING METALS NOT COVERED BY SUBCLASSES C01D OR C01F
    • C01G51/00Compounds of cobalt
    • C01G51/40Cobaltates
    • C01G51/42Cobaltates containing alkali metals, e.g. LiCoO2
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01GCOMPOUNDS CONTAINING METALS NOT COVERED BY SUBCLASSES C01D OR C01F
    • C01G53/00Compounds of nickel
    • C01G53/006Compounds containing, besides nickel, two or more other elements, with the exception of oxygen or hydrogen
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01GCOMPOUNDS CONTAINING METALS NOT COVERED BY SUBCLASSES C01D OR C01F
    • C01G53/00Compounds of nickel
    • C01G53/04Oxides; Hydroxides
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01GCOMPOUNDS CONTAINING METALS NOT COVERED BY SUBCLASSES C01D OR C01F
    • C01G53/00Compounds of nickel
    • C01G53/40Nickelates
    • C01G53/42Nickelates containing alkali metals, e.g. LiNiO2
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01GCOMPOUNDS CONTAINING METALS NOT COVERED BY SUBCLASSES C01D OR C01F
    • C01G53/00Compounds of nickel
    • C01G53/40Nickelates
    • C01G53/42Nickelates containing alkali metals, e.g. LiNiO2
    • C01G53/44Nickelates containing alkali metals, e.g. LiNiO2 containing manganese
    • C01G53/50Nickelates containing alkali metals, e.g. LiNiO2 containing manganese of the type [MnO2]n-, e.g. Li(NixMn1-x)O2, Li(MyNixMn1-x-y)O2
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/131Electrodes based on mixed oxides or hydroxides, or on mixtures of oxides or hydroxides, e.g. LiCoOx
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/48Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides
    • H01M4/52Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of nickel, cobalt or iron
    • H01M4/525Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of nickel, cobalt or iron of mixed oxides or hydroxides containing iron, cobalt or nickel for inserting or intercalating light metals, e.g. LiNiO2, LiCoO2 or LiCoOxFy
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01PINDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2002/00Crystal-structural characteristics
    • C01P2002/50Solid solutions
    • C01P2002/52Solid solutions containing elements as dopants
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01PINDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2002/00Crystal-structural characteristics
    • C01P2002/70Crystal-structural characteristics defined by measured X-ray, neutron or electron diffraction data
    • C01P2002/74Crystal-structural characteristics defined by measured X-ray, neutron or electron diffraction data by peak-intensities or a ratio thereof only
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01PINDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2004/00Particle morphology
    • C01P2004/20Particle morphology extending in two dimensions, e.g. plate-like
    • C01P2004/22Particle morphology extending in two dimensions, e.g. plate-like with a polygonal circumferential shape
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01PINDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2004/00Particle morphology
    • C01P2004/60Particles characterised by their size
    • C01P2004/62Submicrometer sized, i.e. from 0.1-1 micrometer
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01PINDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2006/00Physical properties of inorganic compounds
    • C01P2006/16Pore diameter
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01PINDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2006/00Physical properties of inorganic compounds
    • C01P2006/40Electric properties
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052Li-accumulators
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10TTECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T428/00Stock material or miscellaneous articles
    • Y10T428/29Coated or structually defined flake, particle, cell, strand, strand portion, rod, filament, macroscopic fiber or mass thereof
    • Y10T428/2982Particulate matter [e.g., sphere, flake, etc.]

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)

Description

本発明は、リチウム二次電池の正極活物質用の板状粒子、リチウム二次電池の正極、及びリチウム二次電池に関する。
リチウム二次電池(リチウムイオン二次電池と称されることもある)における正極活物質として、層状岩塩構造を有するリチウム複合酸化物(リチウム遷移金属酸化物)の板状粒子を用いたものが、広く知られている(例えば、特開平5−226004号公報等参照。)。
特開平5−226004号公報
この種の板状粒子においては、リチウムイオンの出入り面(例えば[104]面)が板面に多く露出することで、充放電特性が向上する。また、かかる板状粒子を大型化(例えば厚さを5μm以上且つ30μm未満に)することで、正極における活物質充填率が高くなり、高容量化を図ることが可能になる。
しかしながら、この種のリチウム二次電池において、充放電サイクルに伴う容量低下(サイクル特性悪化)が生じることがあった。そこで、この原因を究明するために、サイクル特性が悪化した実験例における正極を電子顕微鏡によって観察したところ、板状粒子における粒界にクラックが発生していた(これを、以下「粒界クラック」と称する。)。また、カーボン等の導電助剤を含むバインダーと、このバインダー中に分散されている板状粒子と、の間に、剥離が発生していた(これを、以下「界面剥離」と称する。)。
これらの粒界クラックや界面剥離は、充放電サイクルにおけるリチウムイオンの出入りに伴う、結晶格子の伸縮(体積の膨張収縮及び体積変化を伴わない格子伸縮を含む)によって発生するものであると考えられる。そして、これらの粒界クラックや界面剥離の発生によって、正極活物質層内に、導電経路が断たれて電気的に孤立した部分(容量に寄与し得ない部分)が発生することで、容量が低下することが、サイクル特性悪化の原因であると考えられる。
本発明は、かかる課題に対処するためになされたものである。すなわち、本発明の目的は、良好な充放電特性を維持しつつ、高容量化を図ることができる、リチウム二次電池及びその正極並びにこの正極に含まれる活物質用板状粒子を提供することにある。
<構成>
本発明のリチウム二次電池の正極活物質用の板状粒子(以下、単に「板状粒子」と称することがある。)は、層状岩塩構造を有している。本発明のリチウム二次電池の正極(以下、単に「正極」と称する。)は、前記板状粒子を含む正極活物質層を備えている。具体的には、前記正極活物質層は、バインダー中に前記板状粒子と導電助剤とを分散させることによって形成されている。本発明のリチウム二次電池は、前記正極と、炭素質材料又はリチウム吸蔵物質を負極活物質として含む負極と、前記正極と前記負極との間に介在するように設けられた電解質と、を備えている。
ここで、本発明のリチウム二次電池の正極活物質用の板状粒子における「層状岩塩構造」とは、リチウム層とリチウム以外の遷移金属層とが酸素の層を挟んで交互に積層された結晶構造、すなわち、酸化物イオンを介して遷移金属イオン層とリチウム単独層とが交互に積層した結晶構造(典型的にはα−NaFeO型構造:立方晶岩塩型構造の[111]軸方向に遷移金属とリチウムとが規則配列した構造)をいう。前記板状粒子は、典型的には、リチウム複合酸化物からなる。「リチウム複合酸化物」とは、LiMO(0.05<x<1.10、Mは少なくとも1種類の遷移金属:典型的にはMはCo,Ni,Mnのうちの1種以上を含む。)で表される酸化物である。
本発明の特徴は、前記板状粒子が、その厚さが5μm以上且つ30μm未満であり、ピーク強度比[003]/[104]が2以下であり、空隙率が3〜30%であり、開気孔比率が70%以上であることにある。ここで、ピーク強度比[003]/[104]は、X線回折における、(104)面による回折強度に対する(003)面による回折強度の比率である。
また、前記板状粒子は、典型的には、
厚さをt、
板面方向(厚さ方向と直交する方向)における最小寸法をw、
とした場合に、
w/tが3以上となるように形成され得る。
ここで、「厚さ方向」とは、前記板状粒子の厚さtを規定する方向であって、典型的には、当該板状粒子を水平面上に安定的に載置した状態における、鉛直方向と平行な方向をいう。そして、かかる「厚さ方向」における当該板状粒子の寸法が、「厚さ」と称される。
また、「板面」とは、前記板状粒子の「厚さ方向」と略直交する表面をいう。この「板面」は、当該板状粒子における最も広い表面であるため、「主面(principal surface)」と称されることもある。「板面方向」とは、この「板面」と平行な方向(すなわち面内方向)をいう。したがって、当該板状粒子の「厚さ」は、略平行な2つの「板面」間の最短距離となる。また、上述の「厚さ方向」は、2つの「板面」の最短距離を規定する方向となる。
厚さtは、例えば、前記板状粒子の断面をSEM(走査電子顕微鏡)によって観察した場合における、略平行に観察される板面間の距離を測定することで得られる。また、板面方向における最小寸法wは、例えば、前記板状粒子の平面視における外形形状をSEMによって観察した場合における、当該外形形状の内接円を描いたときの直径を測定することで得られる。
「空隙率(voidage)」は、本発明の板状粒子における、気孔(開気孔及び閉気孔を含む)の体積比率である。「空隙率」は、「気孔率(porosity)」と称されることもある。この「空隙率」は、例えば、嵩密度と真密度とから計算上求められる。
「開気孔比率」は、本発明のリチウム複合酸化物焼結体板に含まれる空隙(気孔)の全体に対する、開気孔の体積比率である。「開気孔」とは、本発明のリチウム複合酸化物焼結体板に含まれる空隙(気孔)のうちの、当該焼結体板の外部と連通するものをいう。この「開気孔比率」は、例えば、嵩密度から求められる開気孔と閉気孔との合計と、見かけ密度から求められる閉気孔とから、計算上求められる。この「開気孔比率」の算出に用いられるパラメータは、アルキメデス法等を用いて測定され得る。
前記板状粒子が、多数の一次粒子(結晶粒子)が結合した構造を有している場合、前記一次粒子の大きさ(一次粒子径)は、5μm以下であることが好適である。
<作用・効果>
前記板状粒子の厚さが5μm以上且つ30μm未満であり、且つピーク強度比[003]/[104]が2以下(好ましくは2以下、より好ましくは1.2以下、さらに好ましくは0.6以下)であることで、前記正極活物質層における活物質充填率が高くなるとともに、当該板状粒子の板面における、リチウムイオンの出入り面(例えば[104]面)の露出が多くなる。これにより、高容量化及び充放電特性の向上を図ることができる。さらに、上述の平均気孔径及び空隙率、並びにピーク強度比[003]/[104]が2以下であることにより、サイクル特性が向上する。この理由は、以下のように考えられる。
充放電サイクルに伴う結晶格子の伸縮(体積膨張収縮)は、(003)面に垂直な方向(すなわち[003]方向)についてのものが、最も大きくなる。このため、充放電サイクルに伴う結晶格子の伸縮を起因とする粒界クラックは、(003)面と平行に入りやすい。また、(003)面は、酸素の最密充填面であって、リチウムイオンおよび電子が出入りできない、化学的にも電気化学的にも不活性な面である。
この点、上述のように、ピーク強度比[003]/[104]が2以下である、ということは、前記板状粒子の板面に(003)面が出現している割合や、当該板状粒子の内部にて板面と平行に(003)面が出現している割合が、減っていることを意味する。これにより、容量低下に特に影響する、板面と平行な粒界クラックの発生が、効果的に抑制される。また、前記バインダーとの接合界面の接着強度が高まることで、上述の界面剥離の発生が抑制される。
また、上述のように前記板状粒子に所定の態様にて気孔が所定割合含まれることで、充放電サイクルにおけるリチウムイオンの出入りに伴う結晶格子の伸縮によって発生する応力が、当該気孔によって良好(均一)に開放される。このため、充放電サイクルの繰り返しに伴う粒界クラックの発生が、可及的に抑制される。また、前記バインダーとの接合界面に含まれる気孔(開気孔)により、接合強度が高まる。このため、充放電サイクルにおけるリチウムイオンの出入りに伴う結晶格子の伸縮による、前記板状粒子の形状変化を起因とする、上述の界面剥離の発生が、よりいっそう良好に抑制される。
特に、開気孔比率を70%以上とすることで、より応力が開放されやすくなり、粒界クラックの発生が効果的に抑制される。これは、以下の理由によるものと考えられる。正極における体積の膨張収縮は、上述の通り、結晶格子におけるリチウムイオンの出入りが原因である。開気孔は、リチウムイオンの出入りする面によって囲まれた気孔である。このため、開気孔は、閉気孔に比べて、応力を開放する効果が高いものと考えられる。また、開気孔比率を70%以上とすることで、上述の界面剥離の発生が、効果的に抑制される。これは、以下の理由によるものと考えられる:開気孔は、表面粗さと見立てることができる。そして、開気孔の導入により、表面粗さが大きくなるため、アンカー効果で接合強度が高まる。
また、開気孔内に電解質や導電材等を内在することで、当該開気孔の内壁面は、リチウムイオンの出入りする面として良好に機能する。したがって、開気孔比率を70%以上とすると、単なる気孔(充放電に寄与しない部分)として存在する閉気孔の比率が大きい場合に比べて、レート特性が改善する点でも好ましい。
さらに、前記一次粒子径が小さくなる(具体的には5μm以下となる)と、粒界の数が増加する。ここで、粒界の数が多いほど、充放電サイクルに伴う結晶格子の伸縮の際に発生する内部応力が、良好に分散される。また、粒界クラックについても、粒界の数が多いほど、クラックの伸展が良好に抑制される。したがって、この場合、サイクル特性がさらに向上する。
以上の通り、本発明によれば、サイクル特性を含む充放電特性を良好に維持しつつ、高容量化を図ることができる。
一方、空隙率が3%未満では、気孔による応力開放効果が不十分となる。また、空隙率が30%を超えると、高容量化の効果が著しく減殺されるため好ましくない。
ところで、例えば、コバルト酸リチウムは充電時(リチウムイオンが抜けるとき)に体積膨張するのに対し、ニッケル酸リチウムは放電時(リチウムイオンが入るとき)に体積膨張する。このため、組成比を適宜調整することで、見かけ上、充放電時の体積膨張収縮をゼロにすることは可能である。しかしながら、この場合でも、格子の長さは変化する。具体的には、Li(Co0.5Ni0.5)Oは、c軸方向には伸びる一方でa軸方向には縮む。
よって、本発明は、層状岩塩構造を有するリチウム複合酸化物(例えば、コバルト酸リチウムLiCoO2[一般式中1≦p≦1.1]、ニッケル酸リチウムLiNiO2、マンガン酸リチウムLiMnO、ニッケルマンガン酸リチウムLi(Ni0.5,Mn0.5)O、一般式Li(Co,Ni,Mn)O[一般式中0.97≦p≦1.07,x+y+z=1]で表されるこれらの固溶体、Li(Co,Ni,Al)O[一般式中0.97≦p≦1.07,x+y+z=1、0<x≦0.25、0.6≦y≦0.9、0<z≦0.1]、LiMnOとLiMO(Mは、Co、Ni等の遷移金属)との固溶体、等)の組成を有する前記板状粒子対して非常に有効である。なお、上記一般式を満たす範囲で、Mg,Al,Si,Ca,Ti,V,Cr,Fe,Cu,Zn,Ga,Ge,Sr,Y,Zr,Nb,Mo,Ag,Sn,Sb,Te,Ba,Bi等の元素が、1種以上含まれていてもよい。
また、体積膨張収縮が大きい組成、例えば、Li(Co,Ni,Mn)Oにおける、ニッケルのモル比率が0.75以上の場合や、コバルトのモル比率が0.9以上の場合、Li(Co,Ni,Al)Oにおけるニッケルのモル比率が0.7以上の場合に対して、本発明の適用は特に有効である。
本発明の一実施形態が適用されたリチウム二次電池の概略構成を模式的に示す断面図である。 図1に示されている正極の拡大断面図である。 図2に示されている正極活物質用板状粒子の拡大斜視図である。
以下、本発明の好適な実施形態を、実施例及び比較例を用いつつ説明する。なお、以下の実施形態に関する記載は、法令で要求されている明細書の記載要件(記述要件・実施可能要件)を満たすために、本発明の具体化の単なる一例を、可能な範囲で具体的に記述しているものにすぎない。よって、後述するように、本発明が、以下に説明する実施形態や実施例の具体的構成に何ら限定されるものではないことは、全く当然である。本実施形態や実施例に対して施され得る各種の変更の例示は、当該実施形態の説明中に挿入されると、一貫した実施形態の説明の理解が妨げられるので、主として末尾にまとめて記載されている。
<リチウム二次電池の概略構成>
図1は、本発明の一実施形態が適用されたリチウム二次電池10の概略構成を模式的に示す断面図である。図1を参照すると、本実施形態のリチウム二次電池10は、電池ケース11と、セパレータ12と、電解質13と、負極14と、正極15と、を備えている。
セパレータ12は、電池ケース11内を、負極14の側と正極15の側とに二分するように設けられている。すなわち、電池ケース11内には、負極14及び正極15が、セパレータ12を隔てて対向するように設けられている。また、電池ケース11内には、電解質13が収容されている。
電解質13としては、例えば、電気的特性や取り扱い易さの点から、液体電解質が好適に用いられ得る。かかる液体電解質としては、有機溶媒等の非水系溶媒にリチウム塩等の電解質塩を溶解させることによって調製された、非水溶媒系のものが好適に用いられる。もっとも、ポリマー電解質、ゲル電解質、有機固体電解質、無機固体電解質も、電解質13として問題なく使用することができる。
非水系溶媒としては、特に限定はないが、例えば、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、メチルプロピオンカーボネート等の鎖状エステル;エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ビニレンカーボネート等の誘電率の高い環状エステル;鎖状エステルと環状エステルの混合溶媒;等を用いることができ、鎖状エステルを主溶媒とした環状エステルとの混合溶媒が特に適している。
上述の非水系溶媒に溶解させる電解質塩としては、例えば、LiClO、LiPF、LiBF、LiAsF、LiSbF、LiCFSO、LiCSO、LiCFCO、Li(SO、LiN(RfSO)(Rf′SO)、LiC(RfSO、LiC2n+1SO(n≧2)、LiN(RfOSO[ここでRfとRf′はフルオロアルキル基]、等が用いられ得る。かかる電解質塩としては、1種のみが単独で用いられてもよく、2種以上が併用されてもよい。
上述の電解質塩の中でも、炭素数2以上の含フッ素有機リチウム塩が特に好ましい。この含フッ素有機リチウム塩は、アニオン性が大きく、且つイオン分離しやすいために、上述の溶媒に溶解し易いからである。非水電解液としての電解質13中における電解質塩の濃度は、特に限定はないが、例えば、0.3mol/l以上、より好ましくは0.4mol/l以上であって、1.7mol/l以下、より好ましくは1.5mol/l以下であることが好ましい。
負極14に係る負極活物質は、リチウムイオンを吸蔵及び放出できるものであればよい。よって、例えば、炭素質材料(黒鉛、熱分解炭素類、コークス類、ガラス状炭素類、有機高分子化合物の焼成体、メソカーボンマイクロビーズ、炭素繊維、活性炭等)が、負極活物質として用いられ得る。また、黒鉛の一部は、リチウムと合金化し得る金属や酸化物等と置き換えられ得る。さらに、金属リチウムや、金属リチウムと他の元素(ケイ素,スズ,インジウム等)とを含む合金、リチウムに近い低電位で充放電できるケイ素,スズ等の酸化物、Li2.6Co0.4N等のリチウムとコバルトとの窒化物、等の、リチウム吸蔵物質も、負極活物質として用いられ得る。
負極活物質として黒鉛を用いた場合、満充電時の電圧を、リチウム基準で約0.1Vとみなすことができる。このため、電池電圧に0.1Vを加えた電圧で正極15の電位を便宜上計算することができる。よって、この場合、正極15の充電電位が制御しやすく、好適である。
図2は、図1に示されている正極15の拡大断面図である。図2を参照すると、正極15は、正極集電体15aと、正極活物質層15bと、を備えている。正極活物質層15bは、結着材15b1中に、正極活物質用板状粒子15b2と、カーボン等の導電助剤と、を分散したものであって、正極集電体15aと接合されている。本発明に係る正極活物質用板状粒子15b2は、リチウム複合酸化物焼結体板であって、厚さが5μm以上且つ30μm未満、空隙率が3〜30%、開気孔比率が70%以上となるように形成されている。
図3は、図2に示されている正極活物質用板状粒子15b2の拡大斜視図である。図3に示されているように、正極活物質用板状粒子15b2は、厚さ方向(図中上下方向)と直交する表面である板面に(003)以外の面(例えば(101)面や(104)面)が露出するように形成されている(上側表面A及び下側表面B:以下「上側表面A」及び「下側表面B」をそれぞれ「板面A」及び「板面B」と称する。)。すなわち、正極活物質用板状粒子15b2は、(003)以外の面(例えば(104)面)が粒子の板面A及びBと平行となるように形成されている。
具体的には、本発明に係る正極活物質用板状粒子15b2は、X線回折における、(104)面による回折強度に対する(003)面による回折強度の比率である、ピーク強度比[003]/[104]が、2以下となるように形成されている。なお、粒子の板面方向(面内方向)と交差する端面Cには、(003)面(図中黒色で塗りつぶされた面)が露出していても構わない。
<正極活物質用板状粒子の製造方法の概要>
上述の構成の正極活物質用板状粒子15b2は、例えば、以下の製造方法によって、容易かつ確実に形成される。
<<二段階プロセス>>
1.原料粒子の準備
原料粒子としては、リチウム化合物を含まない、遷移金属(Co,Ni,Mn等)化合物の粒子が用いられる。原料粒子は、適宜、粉砕及び分級され得る。また、目的とする組成に応じて、複数種の原料粒子が適宜混合され得る。さらに、粒成長を促進する目的で、酸化ホウ素,酸化ビスマス,酸化アンチモン,等の低融点酸化物や、塩化ナトリウムや塩化カリウム等の低融点塩化物、ホウケイ酸ガラス等の低融点ガラスが、0.001〜30wt%添加され得る。
さらに、上述の所望の態様及び割合の空孔を形成するための添加剤である空孔形成材が、適宜、均一に混合され得る。かかる空孔形成材としては、続く仮焼成工程において分解(蒸発あるいは炭化)される物質の、粒子又は繊維が、好適に用いられ得る。具体的には、例えば、テオブロミン、ナイロン、グラファイト、フェノール樹脂、ポリメタクリル酸メチル、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート、又は発泡性樹脂等の有機合成樹脂の、粒子又は繊維が、空孔形成材として好適に用いられ得る。勿論、かかる空孔形成材がなくても、原料粒子の粒径や、仮焼成工程における焼成温度等を適宜調整することによって、上述の所望の大きさ及び割合の空孔を形成することが可能である。
2.原料粒子の成形工程
原料粒子あるいはその混合物をシート成形することで、「独立した」シート状の成形体が得られる。ここで、「独立した」シート(「自立膜」と称されることもある)とは、他の支持体から独立して単体で取り扱い可能なシートのことをいう(アスペクト比が5以上の薄片も含む)。すなわち、「独立した」シートには、他の支持体(基板等)に固着されて当該支持体と一体化された(分離不能あるいは分離困難となった)ものは含まれない。
シート成形は、周知の様々な方法で行われ得る。すなわち、例えば、シート成形には、ドクターブレード式シート成形機(ドクターブレード法)、ドラムドライヤー、ディスクドライヤー、スクリーン印刷機、等が用いられ得る。シート状の成形体の厚さは、焼成後に上述の所望厚さとなるように、適宜設定される。
3.成形体の仮焼成工程
上述の成形工程によって得られたシート状の成形体は、後述するリチウム導入工程に先立ち、比較的低温(例えば700〜1200℃)で焼成される。これにより、比較的大きめの気孔が多数含まれる多孔質状のシート状中間焼成体が得られる。かかる仮焼成工程は、例えば、エンボス加工が施されたジルコニア製セッター上に成形体を載置した状態で、大気雰囲気中で行われる。
4.リチウム導入工程
上述の仮焼成工程によって得られた中間焼成体に、リチウム化合物をふりかけて、熱処理することにより、当該中間焼成体にリチウムが導入される。これにより、「独立した」シート状の正極活物質層用リチウム複合酸化物焼結体板が得られる。かかるリチウム導入工程は、例えば、坩堝中で行われる。
リチウム化合物としては、例えば、炭酸リチウム,硝酸リチウム,酢酸リチウム,過酸化リチウム,水酸化リチウム,塩化リチウム,シュウ酸リチウム,クエン酸リチウム,等の各種リチウム塩や、リチウムメトキシド,リチウムエトキシド,等のリチウムアルコキシドが用いられ得る。リチウム化合物は、一般式LiMOで表される焼結体板におけるリチウムとMとのモル比Li/Mが1以上となるように添加される。
上述の仮焼成工程によって得られた多孔質状のシート状中間焼成体に対して、リチウム導入を行う際に、当該中間焼成体内の気孔が小さくなり、上述のような、所望の態様及び割合となる。
5.解砕工程
上述のリチウム導入工程に先立って、あるいはその後に、上述のシートが、多数の板状粒子に解砕される。この解砕工程は、例えば、上述のシートを、所定の開口径のメッシュ上に載置して、その上からヘラで押しつけることによって行われる。
<<一段階プロセス>>
1.原料粒子の準備
原料粒子としては、合成後の組成が層状岩塩構造を有する正極活物質LiMOとなるように、Li、Co、Ni、Mn等の化合物の粒子を適宜混合したものが用いられる。あるいは、原料粒子として、LiMOの組成からなるもの(合成済みのもの)を用いることができる。そして、かかる原料粒子に対して、上述の空孔形成材が添加される。
後述する熱処理工程中における、粒成長の促進あるいは揮発分の補償の目的で、リチウム化合物が0.5〜30mol%程度過剰に添加されてもよい。また、粒成長を促進する目的で、酸化ビスマスなどの低融点酸化物、ホウケイ酸ガラスなどの低融点ガラスが0.001〜30wt%添加されてもよい。
2.原料粒子の成形工程
原料粒子と空孔形成材との混合物をシート成形することで、「独立した」シート状の成形体が得られる。かかるシート成形工程は、上述の二段階プロセスと同様である。
3.成形体の熱処理(焼成)工程
上述の成形工程によって得られたシート状の成形体を、空孔を形成しつつ結晶を成長させる目的で、比較的高温(例えば1200℃〜1500℃)で熱処理(焼成)することで、「独立した」シート状の正極活物質層用リチウム複合酸化物焼結体板が得られる。かかる熱処理工程は、例えば、エンボス加工が施されたジルコニア製セッター上に成形体を載置した状態で、酸素雰囲気中で行われ得る。
4.解砕工程
上述の熱処理工程によって得られたシートを、上述と同様に解砕することで、正極活物質用板状粒子15b2が得られる。
<評価方法及び評価結果>
電池特性の評価のために、以下のようにして、CR2032型と同一形状のコインセル型電池を作成した。
作製した正極、リチウム金属板からなる負極、ステンレス集電板、及びセパレータを、集電板−正極−セパレータ−負極−集電板の順に配置し、この集積体を電解液で満たすことでコインセルを作製した。電解液は、エチレンカーボネート(EC)及びジエチルカーボネート(DEC)を等体積比で混合した有機溶媒に、LiPFを1mol/Lの濃度となるように溶解することで調製した。
上述のようにして作製した電池(コインセル)を用いて、サイクル特性(容量維持率)の評価を行った。
作製した電池について、試験温度を20℃として、(1)1Cレートの定電流−定電圧で4.2Vまでの充電、及び(2)1Cレートの定電流で3.0Vまでの放電、を繰り返すサイクル充放電を行った。サイクル充放電終了後の電池の放電容量を初回値で除した値に100を乗算したものを、容量維持率(%)とした。
<具体例>
以下、上述の正極活物質用板状粒子15b2の具体例、及びかかる具体例の評価結果について、より詳細に説明する。
<<具体例1:コバルト系組成>>
まず、正極活物質用板状粒子15b2がLiCoO2セラミックス粒子である場合についての実験例1−1〜1−9の作成条件を、表1に示す。
Figure 0005631993
表1の実験例1−2及び1−4における作成条件は、以下の通りである(二段階プロセス:空孔形成材なし)。
(1)スラリー調製:Co34粉末(粒径1−5μm、正同化学工業株式会社製)を粉砕及び分級して得られたCo34原料粒子100重量部と、分散媒(トルエン:イソプロパノール=1:1)100重量部と、バインダー(ポリビニルブチラール:品番「BM−2」、積水化学工業株式会社製)10重量部と、可塑剤(DOP:Di(2-ethylhexyl)phthalate、黒金化成株式会社製)4重量部と、分散剤(製品名「レオドールSP−O30」、花王株式会社製)2重量部と、を混合した。この混合物を、減圧下で撹拌することで脱泡するとともに、3000〜4000cPの粘度に調製した。なお、粘度は、ブルックフィールド社製LVT型粘度計で測定した(以下同様)。
(2)シート成形:上述のようにして調製されたスラリーを、ドクターブレード法によって、PETフィルムの上に、乾燥後の厚さが20μmとなるように、シート状に成形した。
(3)仮焼成:PETフィルムから剥がしたシート状の成形体を丸め、アルミナ製サヤ(寸法150mm角、高さ10mm)内に20g載置し、大気雰囲気中にて所定温度(中間焼成体焼成温度)で5h焼成後、室温まで降温速度200℃/hにて降温し、サヤに溶着していない部分を取り出して、フレーク状の焼成体を得た。
(4)粉砕:取り出した焼成体50gと、直径10mmのナイロンボール370gと、エタノール165gとを、容積1リットルのポリプロピレン製ポットに入れ、20時間混合して粉砕した。
(5)リチウム導入:このようにして得られたCo34粉末に、Li2CO3粉末(関東化学株式会社製)を、Li/Co=1.0となるように混合し、酸素雰囲気中(0.1MPa)にて760℃で20時間加熱処理することで、厚さ20μmのLiCoO2板状粒子(正極活物質用板状粒子15b2)の粉末を得た。
表1の実験例1−3及び1−5における作成条件は、以下の通りである(二段階プロセス:空孔形成材添加)。
空孔形成材を添加した以外は、上述の実験例1−2等と同様にして、スラリーを調製した。空孔形成材は、繊維状のもの(製品名「セレッシュPC10S」:ダイセルファインケム株式会社製)、又は球状のもの(ナイロンパウダー:住友エンビロサイエンス株式会社製)を用いた。このようにして調製されたスラリーを、上述の実験例1−2等と同様に、PETフィルムの上にシート状に成形した。
PETフィルムから剥がしたシート状の成形体を丸め、アルミナ製サヤ(寸法150mm角、高さ10mm)内に20g載置し、大気雰囲気中にて900℃(中間焼成体焼成温度)で10h焼成後、降温速度200℃/hにて降温し、サヤに溶着していない部分を取り出して解砕した。このようにして得られたCo34セラミックス粉に、上述の実験例1−2等と同様にして、リチウム導入を行うことで、厚さ20μmのLiCoO2板状粒子(正極活物質用板状粒子15b2)の粉末を得た。
表1の実験例1−1及び1−6〜1−9における作成条件は、以下の通りである(一段階プロセス)。
(1)スラリー調製:Co34粉末(粒径1−5μm、正同化学工業株式会社製)を粉砕して得られたCo34原料粒子(粒径0.3μm)とLi2CO3粉末(関東化学株式会社製)とをLi/Co(モル比)=1.0となるように混合した原料粉末100重量部と、上述の空孔形成材と、を用いた以外は、上述の各実験例と同様にして、スラリーを調製した(但しスラリー粘度は500〜700cP)。
(2)シート成形:上述のようにして調製されたスラリーを、ドクターブレード法によって、PETフィルムの上に、乾燥後の厚さが20μmとなるように、シート状に成形した。
(3)熱処理:PETフィルムから剥がしたシート状の成形体を丸め、アルミナ製サヤ(寸法150mm角、高さ10mm)内に20g載置し、大気雰囲気中にて所定温度(中間焼成体焼成温度)で5h焼成後、室温まで降温速度200℃/hにて降温し、サヤに溶着していない部分を取り出して、フレーク状の焼成体を得た。
(4)粉砕:取り出した焼成体50gと、直径10mmのナイロンボール370gと、エタノール165gとを、容積1リットルのポリプロピレン製ポットに入れ、20時間混合して粉砕することで、厚さ20μmのLiCoO2板状粒子(正極活物質用板状粒子15b2)の粉末を得た。
表1に示されている実験例の評価結果を、表2に示す。なお、表2における「容量維持率」は、50サイクルの充放電終了後の値である。また、「空隙率」は、アルキメデス法で求めた焼結体板の嵩密度を、ピクノメータを用いて求めた真密度で除して求めた値である、相対密度から計算される値(空隙率=1−相対密度)である。嵩密度の測定では、気孔中に存在する空気を十分に追い出すために、水中で煮沸処理をした。気孔径の小さな試料では、予め真空含浸装置(ストルアス社製 装置名「シトバック」)を用いて、気孔中に水を含浸させたあと、煮沸処理をした。さらに、「開気孔比率」は、閉気孔率と全気孔率から計算によって求められる値(開気孔比率=開気孔/全気孔=開気孔/(開気孔+閉気孔))である。閉気孔率は、アルキメデス法で測定した見かけ密度より求められる。また、全気孔率は、同じくアルキメデス法で測定した嵩密度より求められる。
Figure 0005631993
表1及び表2から明らかなように、空隙率が3〜30%であり、開気孔比率が70%以上である実験例1−1〜1−7においては、50サイクルの充放電終了後でも良好な容量維持率が得られた。これに対し、空隙率が上記所定範囲よりも低い実験例1−8、及び開気孔比率が上記所定範囲よりも低い実験例1−9においては、サイクル特性(50サイクルの充放電終了後における容量維持率)が格段に低下した。これは、以下の理由によるものと考えられる。
実験例1−1〜1−7のように、空隙率が上記所定範囲となるように気孔が所定割合含まれることで、充放電サイクルにおけるリチウムイオンの出入りに伴う結晶格子の伸縮によって発生する応力が、当該気孔によって良好(均一)に開放される。このため、充放電サイクルの繰り返しに伴う粒界クラックの発生が可及的に抑制される。特に、開気孔比率を70%以上とすることで、より応力が開放されやすくなり、粒界クラックの発生が効果的に抑制される。さらに、正極活物質用板状粒子15b2と結着材15b1との界面における接合強度が高まり、界面剥離が効果的に抑制される。したがって、実験例1−1〜1−7によれば、良好なサイクル特性を維持しつつ、高容量化を図ることができる。
さらに、開気孔内に電解質が浸透することで、当該開気孔の内壁面は、リチウムイオンの出入りする面として良好に機能する。したがって、開気孔比率を70%以上とすることで、閉気孔の比率が大きい場合に比べて、レート特性が改善される。
一方、空隙率が3%未満である実験例1−8や、開気孔比率が70%未満である実験例1−9においては、気孔による応力開放効果(粒界クラックの発生抑制効果)や、界面剥離抑制効果が不十分となる。このため、サイクル特性が格段に低下した。
次に、X線回折における、(104)面による回折強度に対する(003)面による回折強度(ピーク強度)の比率である、ピーク強度比[[003]/[104]について評価した。XRD(X線回折)測定は、以下の方法で行った。
φ5〜10mm程度の大きさに加工した正極活物質層用セラミックス板を、XRD測定用の試料フォルダに載せた。XRD装置(株式会社リガク製 製品名「RINT-TTRIII」)を用い、正極活物質層用セラミックス板の表面に対してX線を照射したときのXRDプロファイルを測定し、(104)面による回折強度(ピーク高さ)に対する(003)面による回折強度(ピーク高さ)の比率[003]/[104]を求めた。上記方法によれば、板面の結晶面に平行に存在する結晶面、すなわち、板面方向に配向する結晶面による回折プロファイルが得られる。
ピーク強度比[003]/[104]の影響を評価するため、空隙率及び開気孔比率を一定にして、配向度が異なる実験例1−10〜1−14を作成した。実験例1−10〜1−14は、原料粒子粒径及び中間焼成体焼成温度を実験例1−5と同一とすることで実験例1−5と同じ空隙率及び開気孔比率(空隙率8.2%、開気孔比率98%)に設定しつつ、リチウム導入工程における条件(リチウム化合物の種類及び添加量、並びに処理温度:表3参照)を適宜変更することによって、配向度が異なるように形成したものである。この評価結果を表4に示す。
Figure 0005631993
Figure 0005631993
表4に示されている結果から明らかなように、ピーク強度比[003]/[104]が2以下である実験例1−10〜1−12においては、良好なサイクル特性が得られた。一方、ピーク強度比[003]/[104]が2を超える実験例1−13及び1−14においては、2以下である実験例1−10〜1−12よりも、サイクル特性が悪化した。
また、本実施形態の正極活物質用板状粒子15b2は、多数の一次粒子(結晶粒子)が結合した構造を有している。そこで、一次粒子径の影響を評価するため、空隙率及び気孔径を一定にして、一次粒子径が異なる実験例1−15〜1−19を作成した。実験例1−15〜1−19は、原料粒子粒径及び中間焼成体焼成温度を同一とすることで空隙率及び気孔径を一定に設定しつつ、リチウム導入工程における条件(リチウム化合物の種類及び添加量、並びに処理温度:表5参照)を適宜変更することによって、一次粒子径が異なるように形成したものである。
Figure 0005631993
一次粒子径は、以下のようにして測定した:FIB(収束イオンビーム)によって厚さを80nm程度まで薄片加工することで、正極活物質層用セラミックス板の板面と平行な断面の電子顕微鏡観察サンプルを作成した。透過電子顕微鏡により、一次粒子が視野内に10個以上入る倍率を選択して、かかるサンプルの明視野像を撮影した。得られた明視野像中の10個の一次粒子について、それぞれ、粒内に内接円を描いたときの直径を求め、これらの平均値を一次粒子径とした。これら実験例1−15〜1−19の評価結果を表6に示す。
Figure 0005631993
表6に示されている結果から明らかなように、一次粒子径が5μm以下である実験例1−15〜1−17においては、良好なサイクル特性が得られた。一方、一次粒子径が5μmを超える実験例1−18及び1−19においては、サイクル特性が悪化した。
<<具体例2:ニッケル系組成>>
次に、正極活物質用板状粒子15b2がLi(Ni,Co,Al)Oセラミックス粒子である場合についての実験例2−1〜2−9の作成条件を、表7に示す。
Figure 0005631993
表7の実験例2−2及び2−4における作成条件は、以下の通りである(二段階プロセス:空孔形成材なし)。
(1)スラリー調製:NiO粉末(粒径1−10μm、正同化学工業株式会社製)75.1重量部、Co粉末(粒径1−5μm、正同化学工業株式会社製)21.5重量部、及びAl粉末(粒径1−10μm、昭和電工株式会社製)3.4重量部を混合及び粉砕し、大気雰囲気中にて1000℃で5時間熱処理することで、(Ni0.75,Co0.2,Al0.05)O粉末を合成した。
この粉末をポットミルで粉砕することで得られた(Ni0.75,Co0.2,Al0.05)O原料粒子100重量部と、分散媒(トルエン:イソプロパノール=1:1)100重量部と、バインダー(ポリビニルブチラール:品番「BM−2」、積水化学工業株式会社製)10重量部と、可塑剤(DOP:Di(2-ethylhexyl)phthalate、黒金化成株式会社製)4重量部と、分散剤(製品名「レオドールSP−O30」、花王株式会社製)2重量部と、を混合した。この混合物を、減圧下で撹拌することで脱泡するとともに、3000〜4000cPの粘度に調製した。
(2)シート成形:上記のようにして調製されたスラリーを、ドクターブレード法によって、PETフィルムの上に、乾燥後の厚さが20μmとなるように、シート状に成形した。
(3)仮焼成:PETフィルムから剥がしたシート状の成形体を丸め、アルミナ製サヤ(寸法150mm角、高さ10mm)内に20g載置し、大気雰囲気中にて所定温度(中間焼成体焼成温度)で3h焼成後、室温まで降温速度200℃/hで降温して、サヤに溶着していない部分を取り出した。
(4)粉砕:取り出した焼成体50gと、直径10mmのナイロンボール370gと、エタノール165gとを、容積1リットルのポリプロピレン製ポットに入れ、20時間混合して粉砕した。
(5)リチウム導入:このようにして得られた(Ni0.75,Co0.2,Al0.05)O粉末に、Li2CO3粉末(関東化学株式会社製)を、Li/Co=1.1となるように混合し、酸素雰囲気中(0.1MPa)にて825℃で24時間加熱処理することで、厚さ20μmのLi1.0(Ni0.75Co0.2Al0.05)O板状粒子(正極活物質用板状粒子15b2)の粉末を得た。
表7の実験例2−3及び2−5における作成条件は、上述の空孔形成材を添加した以外は、上述の実験例2−2等と同様である(二段階プロセス:空孔形成材添加)。表7の実験例2−1及び2−6〜2−9における作成条件は、以下の通りである(一段階プロセス)。
(1)スラリー調製:Li1.50(Ni0.75Co0.2Al0.05)Oの組成比となるように、NiO粉末(粒径1−10μm、正同化学工業株式会社製)、Co粉末(粒径1−5μm、正同化学工業株式会社製)、Al・HO(粒径1−3μm、SASOL社製)、及びLiCO粉末(粒径10−50μm、関東化学株式会社製)を混合した原料粉末100重量部と、上述の空孔形成材と、を用いた以外は、上述の各実験例と同様にして、スラリーを調製した(但しスラリー粘度は500〜700cP)。
(2)シート成形:上述のようにして調製されたスラリーを、ドクターブレード法によって、PETフィルムの上に、乾燥後の厚さが30μmとなるように、シート状に成形した。
(3)熱処理:PETフィルムから剥がしたシート状の成形体を丸め、アルミナ製サヤ(寸法150mm角、高さ10mm)内に20g載置し、大気雰囲気中にて所定温度(中間焼成体焼成温度)で5h焼成後、室温まで降温速度200℃/hにて降温し、サヤに溶着していない部分を取り出して、フレーク状の焼成体を得た。
(4)粉砕:取り出した焼成体50gと、直径10mmのナイロンボール370gと、エタノール165gとを、容積1リットルのポリプロピレン製ポットに入れ、20時間混合して粉砕することで、厚さ20μmのLiCoO2板状粒子(正極活物質用板状粒子15b2)の粉末を得た。
表7に示されている実験例の評価結果を、表8に示す。かかる表8から明らかなように、ニッケル系組成においても、上述のコバルト系組成と同様の結果が得られた。
Figure 0005631993
また、ニッケル系組成についても、上述のLiCoO2と同様に、ピーク強度比[003]/[104]や一次粒子径の影響について評価した結果を、表9〜表12に示す。表9〜表12に示されている実験例の評価結果から明らかなように、ニッケル系組成についても、上述のLiCoO2と同様の結果が得られた。
Figure 0005631993
Figure 0005631993
Figure 0005631993
Figure 0005631993
<変形例の例示列挙>
なお、上述の実施形態や具体例は、上述した通り、出願人が取り敢えず本願の出願時点において最良であると考えた本発明の具現化の一例を単に示したものにすぎないのであって、本発明はもとより上述の実施形態や具体例によって何ら限定されるべきものではない。よって、上述の実施形態や具体例に対して、本発明の本質的部分を変更しない範囲内において、種々の変形が施され得ることは、当然である。
以下、変形例について幾つか例示する。以下の変形例の説明において、上述の実施形態における各構成要素と同様の構成・機能を有する構成要素については、本変形例においても同一の名称及び同一の符号が付されているものとする。そして、当該構成要素の説明については、上述の実施形態における説明が、矛盾しない範囲で適宜援用され得るものとする。
もっとも、変形例とて、下記のものに限定されるものではないことは、いうまでもない。本発明を、上述の実施形態や下記変形例の記載に基づいて限定解釈することは、(特に先願主義の下で出願を急ぐ)出願人の利益を不当に害する反面、模倣者を不当に利するものであって、許されない。
また、上述の実施形態の構成、及び下記の各変形例に記載された構成の全部又は一部が、技術的に矛盾しない範囲において、適宜複合して適用され得ることも、いうまでもない。
本発明は、上述の実施形態にて具体的に開示された構成に何ら限定されない。例えば、正極15における正極集電体15aは、省略され得る。
一般式LiMOで表される焼結体板におけるリチウムとMとのモル比Li/M(Li/CoあるいはLi/(Co,Ni,Mn))は、1.0に限定されないが、0.9〜1.2の範囲内にあることが好ましく、1.0〜1.1の範囲内にあることがより好ましい。これにより、良好な充放電容量が実現される。
その他、特段に言及されていない変形例についても、本発明の本質的部分を変更しない範囲内において、本発明の技術的範囲に含まれることは当然である。
また、本発明の課題を解決するための手段を構成する各要素における、作用・機能的に表現されている要素は、上述の実施形態や変形例にて開示されている具体的構造の他、当該作用・機能を実現可能ないかなる構造をも含む。さらに、本明細書にて引用した先行出願や各公報の内容(明細書及び図面を含む)は、本明細書の一部を構成するものとして適宜援用され得る。

Claims (8)

  1. 層状岩塩構造を有する、リチウム二次電池の正極活物質用の板状粒子であって、
    前記板状粒子は、
    Li MO (0.9<x<1.1、MはCo,Ni,Mnのうちの1種以上を含む。)で表されるリチウム複合酸化物からなる多数の一次粒子が結合した構造を有し、
    厚さが5μm以上且つ30μm未満であり、
    X線回折における、(104)面による回折強度に対する(003)面による回折強度の比率[003]/[104]が、2以下であり、
    空隙率が3〜30%であり、
    開気孔比率が70%以上であり、
    前記一次粒子の大きさである一次粒子径が、5μm以下であることを特徴とする、
    リチウム二次電池の正極活物質用の板状粒子。
  2. 請求項1に記載の、リチウム二次電池の正極活物質用の板状粒子であって、
    厚さをt、
    前記厚さを規定する厚さ方向と直交する方向である、板面方向における、最小寸法をw、
    とした場合に、
    w/tが3以上であることを特徴とする、リチウム二次電池の正極活物質用の板状粒子。
  3. 層状岩塩構造を有する板状粒子を含む正極活物質層を備えた、リチウム二次電池の正極であって、
    前記板状粒子は、
    Li MO (0.9<x<1.1、MはCo,Ni,Mnのうちの1種以上を含む。)で表されるリチウム複合酸化物からなる多数の一次粒子が結合した構造を有し、
    厚さが5μm以上且つ30μm未満であり、
    X線回折における、(104)面による回折強度に対する(003)面による回折強度の比率[003]/[104]が、2以下であり、
    空隙率が3〜30%であり、
    開気孔比率が70%以上であり、
    前記一次粒子の大きさである一次粒子径が、5μm以下であることを特徴とする、
    リチウム二次電池の正極。
  4. 請求項3に記載の、リチウム二次電池の正極であって、
    前記板状粒子は、
    厚さをt、
    前記厚さを規定する厚さ方向と直交する方向である、板面方向における、最小寸法をw、
    とした場合に、
    w/tが3以上であることを特徴とする、リチウム二次電池の正極。
  5. 請求項3又は請求項4に記載の、リチウム二次電池の正極であって、
    前記正極活物質層は、バインダー中に前記板状粒子と導電助剤とを分散させることによって形成されたことを特徴とする、リチウム二次電池の正極。
  6. X線回折における、(104)面による回折強度に対する(003)面による回折強度の比率[003]/[104]が、2以下であり、厚さが5μm以上且つ30μm未満であり、空隙率が3〜30%であり、開気孔比率が70%以上である、層状岩塩構造を有する板状粒子を含む正極活物質層を備えた、正極と、
    炭素質材料又はリチウム吸蔵物質を負極活物質として含む、負極と、
    前記正極と前記負極との間に介在するように設けられた、電解質と、
    を少なくとも備え、
    前記板状粒子は、
    Li MO (0.9<x<1.1、MはCo,Ni,Mnのうちの1種以上を含む。)で表されるリチウム複合酸化物からなる多数の一次粒子が結合した構造を有し、
    前記一次粒子の大きさである一次粒子径が、5μm以下であることを特徴とする、
    リチウム二次電池。
  7. 請求項6に記載の、リチウム二次電池であって、
    前記板状粒子は、
    厚さをt、
    前記厚さを規定する厚さ方向と直交する方向である、板面方向における、最小寸法をw、
    とした場合に、
    w/tが3以上であることを特徴とする、リチウム二次電池。
  8. 請求項6又は請求項7に記載の、リチウム二次電池であって、
    前記正極活物質層は、バインダー中に前記板状粒子と導電助剤とを分散させることによって形成されたことを特徴とする、リチウム二次電池。
JP2012521479A 2010-06-23 2011-06-21 リチウム二次電池の正極活物質用の板状粒子、リチウム二次電池の正極、及びリチウム二次電池 Expired - Fee Related JP5631993B2 (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2012521479A JP5631993B2 (ja) 2010-06-23 2011-06-21 リチウム二次電池の正極活物質用の板状粒子、リチウム二次電池の正極、及びリチウム二次電池

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2010142447 2010-06-23
JP2010142447 2010-06-23
JP2012521479A JP5631993B2 (ja) 2010-06-23 2011-06-21 リチウム二次電池の正極活物質用の板状粒子、リチウム二次電池の正極、及びリチウム二次電池
PCT/JP2011/064155 WO2011162253A1 (ja) 2010-06-23 2011-06-21 リチウム二次電池の正極活物質用の板状粒子、リチウム二次電池の正極、及びリチウム二次電池

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPWO2011162253A1 JPWO2011162253A1 (ja) 2013-08-22
JP5631993B2 true JP5631993B2 (ja) 2014-11-26

Family

ID=45352850

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2012521479A Expired - Fee Related JP5631993B2 (ja) 2010-06-23 2011-06-21 リチウム二次電池の正極活物質用の板状粒子、リチウム二次電池の正極、及びリチウム二次電池

Country Status (3)

Country Link
US (1) US9257702B2 (ja)
JP (1) JP5631993B2 (ja)
WO (1) WO2011162253A1 (ja)

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102011083537A1 (de) * 2011-09-27 2013-03-28 Siemens Aktiengesellschaft Speicherelement und Verfahren zu dessen Herstellung
JP5807749B2 (ja) * 2011-12-08 2015-11-10 ソニー株式会社 非水電解液二次電池用正極、非水電解液二次電池、電池パック、電動車両、電力貯蔵システム、電動工具および電子機器
JP5982932B2 (ja) * 2012-03-27 2016-08-31 Tdk株式会社 活物質、電極及びリチウム二次電池
JP6088923B2 (ja) * 2012-09-04 2017-03-01 日本碍子株式会社 リチウム二次電池用正極活物質又はその前駆体の製造方法
WO2014061399A1 (ja) * 2012-10-15 2014-04-24 日本碍子株式会社 リチウム二次電池用正極活物質及びそれを用いた正極
JP6467352B2 (ja) * 2014-01-20 2019-02-13 住友化学株式会社 正極活物質およびその製造方法
KR101551682B1 (ko) * 2014-01-21 2015-09-09 경상대학교산학협력단 전극 및 전극 활물질의 제조방법
US10700378B2 (en) 2015-12-17 2020-06-30 The Regents Of The University Of Michigan Slurry formulation for the formation of layers for solid state batteries

Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0922693A (ja) * 1995-07-04 1997-01-21 Matsushita Electric Ind Co Ltd 非水電解液電池およびその正極活物質と正極板の製造法
JP2000012024A (ja) * 1998-06-24 2000-01-14 Kao Corp 非水系二次電池用正極の製造方法
JP2001085006A (ja) * 1999-09-14 2001-03-30 Toyota Central Res & Dev Lab Inc リチウム二次電池正極活物質用リチウムニッケル複合酸化物およびそれを用いたリチウム二次電池
JP2001202948A (ja) * 2000-01-19 2001-07-27 Sanyo Electronic Components Co Ltd 二次電池用正極活物質およびその製造方法
JP2004083388A (ja) * 2002-02-21 2004-03-18 Tosoh Corp リチウムマンガン複合酸化物顆粒二次粒子及びその製造方法並びにその用途
JP2004172114A (ja) * 2002-11-06 2004-06-17 Toshiba Corp 非水電解質二次電池
JP2005197004A (ja) * 2003-12-26 2005-07-21 Hitachi Ltd リチウム二次電池用正極材料及びそれを用いたリチウム二次電池
JP2008078146A (ja) * 2001-03-22 2008-04-03 Matsushita Electric Ind Co Ltd 正極活物質およびこれを含む非水電解質二次電池
JP2009117261A (ja) * 2007-11-08 2009-05-28 Mitsubishi Chemicals Corp リチウム二次電池用正極活物質材料並びにそれを用いた正極及びリチウム二次電池
JP2009295383A (ja) * 2008-06-04 2009-12-17 Panasonic Corp 非水電解質二次電池用正極およびそれを用いた非水電解質二次電池
JP2010116302A (ja) * 2008-11-13 2010-05-27 Toda Kogyo Corp コバルト酸リチウム粒子粉末及びその製造法、並びに非水電解質二次電池
JP2010129481A (ja) * 2008-11-28 2010-06-10 Mitsui Mining & Smelting Co Ltd 非水電解液二次電池用正極

Family Cites Families (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE69228065T3 (de) 1991-09-13 2003-05-08 Asahi Chemical Ind Sekundärzelle
JP4080337B2 (ja) 2001-03-22 2008-04-23 松下電器産業株式会社 正極活物質およびこれを含む非水電解質二次電池
AU2003211395A1 (en) 2002-02-21 2003-09-09 Tosoh Corporation Lithium manganese composite oxide granular secondary particle, method for production thereof and use thereof
US7052803B2 (en) * 2002-07-31 2006-05-30 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Lithium rechargeable battery
US7455933B2 (en) 2002-11-06 2008-11-25 Kabushiki Kaisha Toshiba Nonaqueous electrolyte secondary battery
JP4213687B2 (ja) * 2005-07-07 2009-01-21 株式会社東芝 非水電解質電池及び電池パック
US20090202903A1 (en) * 2007-05-25 2009-08-13 Massachusetts Institute Of Technology Batteries and electrodes for use thereof
US20090104517A1 (en) * 2007-10-17 2009-04-23 Toyotaka Yuasa Cathode active material and lithium ion secondary battery containing the same
KR101110922B1 (ko) * 2008-02-04 2012-03-13 파나소닉 주식회사 리튬 함유 천이금속 산화물의 제조방법
KR101562686B1 (ko) 2008-03-28 2015-10-22 도다 고교 가부시끼가이샤 옥시수산화코발트 입자 분말 및 그의 제조법 및 코발트산리튬 입자 분말, 그의 제조법, 및 그것을 사용한 비수전해질 이차 전지
CN102171864A (zh) 2008-12-24 2011-08-31 日本碍子株式会社 锂二次电池的正极活性物质用的板状粒子、同物质膜及锂二次电池
US20100159325A1 (en) 2008-12-24 2010-06-24 Ngk Insulators, Ltd. Plate-like particle for cathode active material of a lithium secondary battery, a cathode active material film of a lithium secondary battery, and a lithium secondary battery
CN102239587B (zh) * 2008-12-24 2015-11-25 日本碍子株式会社 锂二次电池的正极活性物质用的板状粒子、锂二次电池的正极活性物质膜、它们的制造方法、锂二次电池的正极活性物质的制造方法以及锂二次电池
JP5542694B2 (ja) * 2008-12-24 2014-07-09 日本碍子株式会社 リチウム二次電池の正極活物質用の板状粒子、リチウム二次電池の正極活物質膜、これらの製造方法、リチウム二次電池の正極活物質の製造方法、及びリチウム二次電池
WO2010074302A1 (ja) 2008-12-24 2010-07-01 日本碍子株式会社 リチウム二次電池の正極活物質用の板状粒子、及び同物質膜、並びにリチウム二次電池
WO2010074298A1 (ja) 2008-12-24 2010-07-01 日本碍子株式会社 リチウム二次電池の正極活物質用の板状粒子、及び同物質膜、並びにリチウム二次電池
US20100159333A1 (en) 2008-12-24 2010-06-24 Ngk Insulators, Ltd. Plate-like particle for cathode active material of a lithium secondary battery, and a lithium secondary battery
US8637177B2 (en) * 2009-03-18 2014-01-28 Hitachi Maxell, Ltd. Electrochemical device
JP2010219069A (ja) * 2010-06-23 2010-09-30 Ngk Insulators Ltd リチウム二次電池の正極活物質用の板状粒子の製造方法
JP5587052B2 (ja) * 2010-06-23 2014-09-10 日本碍子株式会社 リチウム二次電池の正極及びリチウム二次電池

Patent Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0922693A (ja) * 1995-07-04 1997-01-21 Matsushita Electric Ind Co Ltd 非水電解液電池およびその正極活物質と正極板の製造法
JP2000012024A (ja) * 1998-06-24 2000-01-14 Kao Corp 非水系二次電池用正極の製造方法
JP2001085006A (ja) * 1999-09-14 2001-03-30 Toyota Central Res & Dev Lab Inc リチウム二次電池正極活物質用リチウムニッケル複合酸化物およびそれを用いたリチウム二次電池
JP2001202948A (ja) * 2000-01-19 2001-07-27 Sanyo Electronic Components Co Ltd 二次電池用正極活物質およびその製造方法
JP2008078146A (ja) * 2001-03-22 2008-04-03 Matsushita Electric Ind Co Ltd 正極活物質およびこれを含む非水電解質二次電池
JP2004083388A (ja) * 2002-02-21 2004-03-18 Tosoh Corp リチウムマンガン複合酸化物顆粒二次粒子及びその製造方法並びにその用途
JP2004172114A (ja) * 2002-11-06 2004-06-17 Toshiba Corp 非水電解質二次電池
JP2005197004A (ja) * 2003-12-26 2005-07-21 Hitachi Ltd リチウム二次電池用正極材料及びそれを用いたリチウム二次電池
JP2009117261A (ja) * 2007-11-08 2009-05-28 Mitsubishi Chemicals Corp リチウム二次電池用正極活物質材料並びにそれを用いた正極及びリチウム二次電池
JP2009295383A (ja) * 2008-06-04 2009-12-17 Panasonic Corp 非水電解質二次電池用正極およびそれを用いた非水電解質二次電池
JP2010116302A (ja) * 2008-11-13 2010-05-27 Toda Kogyo Corp コバルト酸リチウム粒子粉末及びその製造法、並びに非水電解質二次電池
JP2010129481A (ja) * 2008-11-28 2010-06-10 Mitsui Mining & Smelting Co Ltd 非水電解液二次電池用正極

Also Published As

Publication number Publication date
US20110318641A1 (en) 2011-12-29
US9257702B2 (en) 2016-02-09
JPWO2011162253A1 (ja) 2013-08-22
WO2011162253A1 (ja) 2011-12-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5587052B2 (ja) リチウム二次電池の正極及びリチウム二次電池
JP5564649B2 (ja) リチウム二次電池の正極及びリチウム二次電池
JP5631993B2 (ja) リチウム二次電池の正極活物質用の板状粒子、リチウム二次電池の正極、及びリチウム二次電池
JP5542694B2 (ja) リチウム二次電池の正極活物質用の板状粒子、リチウム二次電池の正極活物質膜、これらの製造方法、リチウム二次電池の正極活物質の製造方法、及びリチウム二次電池
JP4745463B2 (ja) リチウム二次電池の正極活物質用の板状粒子、及び同物質膜、並びにリチウム二次電池
JP4703786B2 (ja) リチウム二次電池の正極活物質用の板状粒子、及び同物質膜、並びにリチウム二次電池
JP4745464B2 (ja) リチウム二次電池の正極活物質用の板状粒子、及び同物質膜、並びにリチウム二次電池
JP5457947B2 (ja) リチウム二次電池の正極活物質用の板状粒子、及び同物質膜、並びにリチウム二次電池
EP2369661A1 (en) Plate-shaped particles for positive electrode active material of lithium secondary batteries, and lithium secondary batteries
US20140087265A1 (en) Cathode active material for a lithium ion secondary battery and a lithium ion secondary battery
JP2010219069A (ja) リチウム二次電池の正極活物質用の板状粒子の製造方法
JPWO2018155155A1 (ja) リチウム複合酸化物焼結体板
JP5711608B2 (ja) リチウム二次電池及びその正極活物質粒子
JP5752303B2 (ja) リチウム複合酸化物焼結体板
JP5631992B2 (ja) リチウム二次電池の正極活物質用の板状粒子、リチウム二次電池の正極、及びリチウム二次電池
JP5703409B2 (ja) リチウム二次電池用のリチウム複合酸化物焼結体板
JP6947760B2 (ja) リチウム複合酸化物焼結体板及びリチウム二次電池
WO2020195463A1 (ja) リチウム複合酸化物焼結体板
JP2010219068A (ja) リチウム二次電池の正極活物質用の板状粒子の製造方法
WO2012029803A1 (ja) リチウム二次電池の正極活物質
JP2012003880A (ja) リチウム二次電池の正極活物質用の板状粒子、及び同物質膜、並びにリチウム二次電池

Legal Events

Date Code Title Description
A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20140325

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20140519

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20141007

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20141008

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 5631993

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees