JP5648828B2 - リチウムイオン二次電池 - Google Patents
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Description
このようなモータ駆動用の二次電池としては、特に高容量であることやサイクル特性に優れていることが求められることから、各種二次電池の中でも高い理論エネルギを有するリチウムイオン二次電池が着目されている。
そこで、リチウムイオン二次電池の正極活物質として、xLi[Mn1/2Ni1/2]O2・yLiCoO2・zLi[Li1/3Mn2/3]O2(x+y+z=1、0<x<1、0≦y<0.5、0<z<1)を用い、負極活物質としては、カーボン材料を用いることが提案されている(特許文献1を参照)。
一方、電池全体として高い容量特性を実現するためには、正極のみならず、負極活物質についても高容量のものを用いることが望ましい。そこで、高容量を実現できる負極活物質として、カーボン材料などと比べてはるかに容量の高いシリコン(Si)系の負極活物質が注目される。
また、支持電解質として最も一般的な六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)を含む電解液の場合、LiPF6の加水分解によってフッ化水素(HF)が発生し、これが負極のシリコンと反応することから、負極性能の低下が生じることがある。
すなわち、高電位で充放電することができ、高容量を示す複合酸化物正極とシリコン負極を組み合わせ、非水電解質組成物(電解液と共に、ゲル状、固体状のポリマー電解質をも含む総称)を構成する支持電解質として、上記化学式で示されるリチウム塩を用いたものである。
リチウムイオン二次電池には、一般に液状の非水電解質、すなわち電解液が用いられるが、本発明のリチウムイオン二次電池においては、このような非水電解液のみならず、ポリマー電解質(真性ポリマー電解質、ゲルポリマー電解質)を使用することも可能である。
本発明において「非水電解質組成物」とは、これら液状、ゲル状、固体状など、形態を問わず、このような非水電解質を総称する概念を意味する。
Li+ + PF6 − ←→ LiPF6 ・・・ (3)
LiPF6 ←→ LiF + PF5 ・・・ (4)
PF5 + H2O ←→ 2HF + PF3O ・・・ (5)
SiO2 + 4HF → SiF4 + 2H2O ・・・ (6)
SiF4 + 2H2O → SiO2 + 4HF ・・・ (7)
SiF4 + 2HF → H2SiF6 ・・・ (8)
このような連続反応によって、負極中の活物質であるシリコンが減少するため、このような負極活物質(Si)と支持電解質(LiPF6)を用いた二次電池においては、電気容量が低下する結果となる。
ここで、上記化学式におけるm及びnの値は、それぞれ2以上の整数でなければならず、このようなリチウム塩の具体例としては、例えば(CF3CF2SO2)2NLi(以下、「LiBETI」(リチウムビス(ペンタフルオロエタンスルホニル)イミド)と略称することがある。)を挙げることができる。
一方、上記化学式におけるm及びnの値が2に満たない場合(m=n=1)、つまり上記リチウム塩が(CF3SO2)2NLiである場合には、正極の充電電位である4.8Vに耐えることができず、分解してしまうことから、支持電解質として使用することができない。
ここで、高誘電率溶媒としては、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ブチレンカーボネート(BC)、ビニレンカーボネート(VC)等を挙げることができる。また、低粘度溶媒としては、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、メチルプロピルカーボネート(MPC)などを使用することができる。
セパレータは、正極と負極との間に介在して内部短絡を防止する機能を有し、綿、レーヨン、アセテート、ポリアミド、ポリエステル、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリイミド、アラミドなどの天然・合成繊維又はセラミックス繊維から成る不織布や、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリイミド、アラミドなどのポリマーから成る多孔性シートなど、イオン透過度が大きく、所定の機械的強度を有する絶縁性の材料が用いられる。なお、2種以上の多孔質シートの積層構造を採用することも可能である。
ポリマー電解質としては、真性ポリマー電解質、ゲルポリマー電解質を挙げることができる。
なお、本発明においては、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)やポリアクリロニトリルのように、リチウムイオン伝導性を有しない高分子の骨格中に、同様の電解液を保持させたものも、ゲルポリマー電解質に含まれるものとする。
なお、本発明に用いる電解質組成物中に含まれる支持電解質としては、上記化学式(2)で表されるリチウム塩のみ(n、mの値が異なるもの同士の混合物を含む)を用いることを基本とするが、HFを発生することのない支持電解質との併用は差し支えない。
正極は、アルミニウム箔、銅箔、ニッケル箔、ステンレス箔などの導電性の材料から成る集電体(正極集電体)の片面又は両面に、正極活物質層を形成した構造を備えている。なお、集電体の厚さは、特に限定されないが、一般には1〜30μm程度とすることが好ましい。
正極活物質層は、正極活物質と共に、必要に応じて導電助剤やバインダを含む。
このとき、上記組成比aが上記範囲外、すなわちa=0の場合には、Li量が少なくなって、容量が不足し、a=1の場合には、充放電ができなくなって、正極活物質として使えないもの(すなわち、理論容量が0mAh/g)となる。
当該複合酸化物の粒径としては、特に限定するものではなく、一般には細かいほど望ましいが、作業能率や取り扱いの容易さなどを考慮すると、平均粒径で、1〜30μm程度であればよく、10〜20μm程度であることがより好ましい。
また、バインダ(結着剤)としては、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)やポリイミド、合成ゴム系バインダ等を用いることができる。
なお、正極活物質層中におけるこれら正極活物質、導電助剤、バインダの配合比としては、特に限定されない。
一方、負極は、正極と同様に、上記したような導電性の材料から成る集電体(負極集電体)の片面又は両面に、負極極活物質層を形成した構造を備えている。
負極活物質層についても、正極の場合と同様に、負極活物質と共に、必要に応じて、上記した正極活物質の場合と同様の導電助剤やバインダを含有させることができる。
主な成分としてシリコンを含有する上記負極活物質は、カーボン材料等、他の負極活物質と比べて、リチウムを吸蔵及び放出する能力が高く、はるかに高い容量を示す。
〔1〕負極ペーストの作製
〔1−1〕負極ペースト1
負極活物質としてのシリコン粉末(1次粒子の平均粒子径:1μm)、導電助剤としてのアセチレンブラック、バインダとしてのポリイミドを40:40:20の質量比となるように配合し、これにN−メチルピロリドンを溶媒として添加して、混合し、負極ペースト1を得た。
上記シリコン粉末に替えて、Si90Zn10の質量組成比から成る合金粉末を使用したこと以外は、上記負極ペースト1と同様の操作を繰り返すことによって、負極ペースト2を得た。
上記シリコン粉末に替えて、Si90Ti10の質量組成比から成る合金粉末を使用したこと以外は、上記負極ペースト1と同様の操作を繰り返し、これにより負極ペースト3を得た。
集電体として銅箔を使用し、該銅箔の両面に、上記で得た負極ペースト1〜3をそれぞれ70μmの厚さとなるように塗布し、十分に乾燥させることによって負極を作製した。得られた負極は、それぞれ80℃で真空乾燥したのち、300℃−30分間の熱処理を施した。
非水溶媒として、エチレンカーボネートとジエチレンカーボネートを50:50の容積比で混合し、この混合溶媒中に、LiPF6(六フッ化リン酸リチウム)、(CF3SO2)2NLi(略称:LiTFSI)及び(CF3CF2SO2)2NLi(略称:LiBETI)をそれぞれ1Mの濃度となるように溶解させ、3種の電解液を得た。
上記で作製したそれぞれの負極と、ステンレスディスクに金属リチウムを貼り付けた正極とを対向させ、この間に、ポリオレフィン製、厚さ20μmのセパレータを配置した。 この負極・セパレータ・正極の積層体をステンレス鋼(SUS316)製の電池缶内に配し、上記により調製した3種の電解液をそれぞれの電池缶内に注入したのち、密閉し、都合9種類のリチウムイオン二次電池(ハーフセル)を得た。
上記によって作製した各リチウムイオン二次電池について、50サイクルの充放電試験を行い、放電容量保持率を調べた。
すなわち、30℃の雰囲気下、定電流方式(CC、電流:0.1C)で2.0Vまで充電し、10分間休止させた後、定電流(CC、電流:0.1C)で0.01Vまで放電し、放電後10分間休止させる充放電過程を1サイクルとし、これを50回繰り返した。
〔1〕正極活物質の合成
まず、溶液法の一種である複合炭酸塩法によって、3種の正極活物質を合成した。この複合炭酸塩法は、収率が高く、しかも水溶液系であるため均一組成を得ることができ、水酸化物の共沈法よりも組成コントロールが容易であるという特徴を有している。
出発材料として、金属の硫酸化物、すなわちNiSO4・6H2O、CoSO4・7H2O、MnSO4・5H2Oを使用し、Ni:Co:Mnのモル比が0.21:0.085:0.56となるように秤量し、高純度水に混合して2.0mol/Lとなるように調整した。
一方、沈殿剤であるNaCO3も同様に2.0mol/Lとなるように調整し、錯化剤である25%NH4OH水溶液は、0.2mol/Lに希釈して使用した。
乾燥後の仮焼成を大気中500℃で、5時間行い、ニッケルコバルトマンガン酸化物の前駆体を得た。
Ni:Co:Mnのモル比、ニッケルコバルトマンガン酸化物前駆体に対するモル比を変更した上で、上記同様の操作を繰り返すことにより、目的の複合酸化物0.6(Li[Li1/3Mn2/3]O2・0.4(Li[Ni0.47Co0.08Mn0.47]O2)を得た。そして、同様の平均粒径に調整して正極活物質Bとした。
Ni:Co:Mnのモル比、ニッケルコバルトマンガン酸化物前駆体に対するモル比を変更した上で、上記同様の操作を繰り返すことにより、目的の複合酸化物0.9(Li[Li1/3Mn2/3]O2・0.1(Li[Ni0.42Co0.17Mn0.42]O2)を得、平均粒径を同様に調整して正極活物質Cとした。
〔2−1〕正極ペースト1
上記により得られた正極活物質Aと、導電助剤としてのアセチレンブラックと、バインダとしてのポリフッ化ビニリデン(PVdF)を70:20:10の質量比となるように配合し、これにN−メチルピロリドンを溶媒として添加して、混合し、正極ペースト1を得た。
上記正極活物質Aに替えて、正極活物質Bを用いたこと以外は、上記正極ペースト1と同様の操作を繰り返すことによって、正極ペースト2を得た。
上記正極活物質Aに替えて、正極活物質Cを用いたこと以外は、上記正極ペースト1と同様の操作を繰り返すことによって、正極ペースト3を得た。
集電体としてアルミニウム箔を使用し、この両面に、上記で得た正極ペースト1〜3をそれぞれ70μmの厚さとなるように塗布し、十分に乾燥させることによって正極を作製した。得られた正極は、それぞれ80℃で真空乾燥した。
上記で作製したそれぞれの正極と、ステンレスディスクに金属リチウムを貼り付けた負極とを対向させ、この間に、ポリオレフィン製、厚さ20μmのセパレータを配置した。 この負極・セパレータ・正極の積層体をステンレス鋼(SUS316)製の電池缶内に配し、負極ハーフセルの場合と同様に調製した3種の電解液をそれぞれの電池缶内に注入したのち、密閉し、都合9種類のリチウムイオン二次電池(ハーフセル)を得た。
上記によって作製した各リチウムイオン二次電池について、10サイクルの充放電試験を行い、放電容量保持率について調査した。
すなわち、30℃の雰囲気下、定電流方式(CC、電流:0.1C)で4.8Vまで充電し、10分間休止させた後、定電流(CC、電流:0.1C)で2Vまで放電し、放電後10分間休止させる充放電過程を1サイクルとし、これを10回繰り返した。
〔1〕フルセルの作製
正極活物質A〜Cを含む上記正極ペースト1〜3を塗布して成るそれぞれの正極と、シリコン又はシリコン含有合金を負極活物質として含む上記負極ペースト1〜3を塗布して成るそれぞれの負極とを組み合わせて対向させ、この間に、上記したセパレータを配置した。
そして、この負極・セパレータ・正極の積層体をステンレス鋼製の上記電池缶内に配し、上記同様に調製した3種の電解液をそれぞれの電池缶内に注入したのち、密閉し、都合13種類のリチウムイオン二次電池(比較例8種、実施例5種)を得た。
上記によって作製した各リチウムイオン二次電池について、正極ハーフセルの場合と同様に、10サイクルの充放電試験を行い、放電容量保持率について調査した。
すなわち、30℃の雰囲気下、定電流方式(CC、電流:0.1C)で4.8Vまで充電し、10分間休止させた後、定電流(CC、電流:0.1C)で2Vまで放電し、放電後10分間休止させる充放電過程を1サイクルとし、これを10回繰り返した。
また、活物質Bを含む正極と、Si−10%Zn活物質を含む負極とを組み合わせた比較例2、5、実施例2を比較した場合も、リチウム塩種について同様の傾向を示した。
さらに、活物質Aを含む正極と純シリコン活物質を含む負極とを組み合わせた比較例7と実施例1、活物質Cを含む正極と純シリコン活物質を含む負極との組み合わせに係る比較例8と実施例5をそれぞれ比較すると、LiPF6よりも(CF3CF2SO2)2NLiを用いた方が放電容量維持率に優れることが判った。
Claims (2)
- リチウムの吸蔵及び放出が可能な正極及び負極と、非水電解質組成物を備えたリチウムイオン二次電池において、
上記負極はシリコンを含む負極活物質を含有し、
上記正極は次の組成式(1)で表される正極活物質を含有し、
上記非水電解質組成物は次の化学式(2)で表されるリチウム塩を含むことを特徴とするリチウムイオン二次電池。
aLi[Li1/3M12/3]O2・(1−a)LiM2O2 ・・・ (1)
(式中のM1はMn、M2はNi、Co及びMnを示し、0.5≦a≦0.9)
(CnF2n+1SO2)(CmF2m+1SO2)NLi ・・・ (2)
(式中のm,nはそれぞれ2以上の整数を示す) - 上記化学式(2)におけるm及びnが5以下であることを特徴とする請求項1に記載のリチウムイオン二次電池。
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