JP5761098B2 - 活物質及びこれを用いたリチウムイオン二次電池 - Google Patents
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Description
ZrO2、SnO2、Al2O3、またはTiO2のうちいずれか一種以上の金属酸化物と、を有し、
前記金属酸化物が前記化合物の1次粒子の凝集体の表面を被覆し、かつ、下記式(2)の関係で前記表面の1次粒子間の空隙を埋めたことを特徴とする。
LiyNiaCobMncMdOx ・・・(1)
[上記式(1)中、元素MはAl、Si、Zr、Ti、Fe、Mg、Nb、Ba及びVからなる群から選ばれる少なくとも1種の元素であり、1.9≦(a+b+c+d+y)≦2.1、1.0<y≦1.3、0<a≦0.3、0<b≦0.25、0.3≦c≦0.7、0≦d≦0.1、1.9≦x≦2.1。]
1.04≦R≦1.37 ・・・(2)
[上記式(2)中、R=前記化合物を被覆する前記金属酸化物の被覆層の内周の周囲長/被覆層の外側の周囲長である。]
外周よりも内周の方が長いため、Rの範囲は1.04≦R≦1.37が好ましい。1.37より大きいと被覆層の厚みが薄くなりすぎて、電解液との反応抑制効果が表れないと考える。
本実施形態に係る活物質は、層状構造を有し、下記式(1)で表される組成の化合物と、
ZrO2、SnO2、Al2O3、またはTiO2のうちいずれか一種以上の金属酸化物と、を有し、
前記金属酸化物が前記化合物の1次粒子の凝集体の表面を被覆し、かつ、下記式(2)の関係で前記表面の1次粒子間の空隙を埋めている。
LiyNiaCobMncMdOx ・・・(1)
[上記式(1)中、元素MはAl、Si、Zr、Ti、Fe、Mg、Nb、Ba及びVからなる群から選ばれる少なくとも1種の元素であり、1.9≦(a+b+c+d+y)≦2.1、1.0<y≦1.3、0<a≦0.3、0<b≦0.25、0.3≦c≦0.7、0≦d≦0.1、1.9≦x≦2.1。]
1.04≦R≦1.37 ・・・(2)
[上記式(2)中、R=前記化合物を被覆する前記金属酸化物の被覆層の内周の周囲長/被覆層の外側の周囲長である。]
(活物質の製造方法)
LiyNiaCobMncMdOx ・・・(1)
[上記式(1)中、元素MはAl、Si、Zr、Ti、Fe、Mg、Nb、Ba及びVからなる群から選ばれる少なくとも1種の元素であり、1.9≦(a+b+c+d+y)≦2.1、1.0<y≦1.3、0<a≦0.3、0<b≦0.25、0.3≦c≦0.7、0≦d≦0.1、1.9≦x≦2.1。]
1.04≦R≦1.37 ・・・(2)
[上記式(2)中、R=前記化合物を被覆する前記金属酸化物の被覆層の内周の周囲長/被覆層の外側の周囲長である。]
解砕または破砕された粒子は比表面積が大きいため電解液と反応しやすい。この解砕または破砕された粒子が金属酸化物と共に化合物に被覆されることで、この粒子の比表面積が低下し、電解液との反応性が低下し、不可逆容量を小さくできると考えられる。
図1に示すように、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池100は、互いに対向する板状の負極20及び板状の正極10と、負極20と正極10との間に隣接して配置される板状のセパレータ18と、を備える発電要素30と、リチウムイオンを含む電解質溶液と、これらを密閉した状態で収容するケース50と、負極20に一方の端部が電気的に接続されると共に他方の端部がケースの外部に突出される負極リード62と、正極10に一方の端部が電気的に接続されると共に他方の端部がケースの外部に突出される正極リード60とを備える。
[化合物の作製]
Li1.2Ni0.17Co0.08Mn0.55O2が生成するよう調整した硝酸リチウム、硝酸コバルト六水和物、硝酸ニッケル六水和物、硝酸マンガン六水和物を、蒸留水にグルコース、硝酸及びポリビニルアルコールを加えた溶液中で混合し蒸発乾固した粉末(前駆体)を乳鉢で10分程度粉砕した後、900℃で10時間大気中において焼成して、化合物(リチウム化合物)を得た。
1次粒子の凝集体である前記化合物とSnO2(D50 100nm)を97:3wt%の比率で遊星ボールミルを用いて、3分混合し、化合物の表面及び凝集体の粒子間をSnO2で被覆した活物質を得た。
図2にSnO2で被覆した活物質の断面SEM写真を示す。膜厚はSEM像から測定し、活物質の表面から1〜100nmであり、粉体の粒子間隙への進入距離は、活物質の表面から500nm以下、SnO2の前記化合物に対する被覆率は70〜100%であった。
R(被覆層の内周の周囲長/被覆層の外側の周囲長)は図3のようにSEM像からL1とL2の長さを画像解析し求めた。Rは1.21であった。また、これらデータは活物質粒子50個の平均値である。
前記活物質と、導電助剤と、バインダーを含む溶媒とを混合して、正極用塗料を調製した。正極用塗料を正極集電体であるアルミニウム箔(厚み20μm)にドクターブレード法で塗布後、100℃で乾燥し、圧延した。これにより、前記活物質の層及び正極集電体から構成される正極を得た。導電助剤としては、カーボンブラック(株式会社 クレハ製、DAB50)及び黒鉛(ティムカル(株)製、KS−6)を用いた。バインダーを含む溶媒としては、PVDFを溶解したN−メチル−2−ピロリドン(株式会社 クレハ製、KF7305)を用いた。
実施例1の正極活物質の代わりに天然黒鉛を用い、導電助剤としてカーボンブラックだけを用いたこと以外は、正極用塗料と同様の方法で、負極用塗料を調製した。負極用塗料を負極集電体である銅箔(厚み16μm)にドクターブレード法で塗布後、100℃で乾燥し、圧延した。これにより、負極活物質層及び負極集電体から構成される負極を得た。
作製した正極、負極とセパレータ(ポリオレフィン製の微多孔質膜)を所定の寸法に切断した。正極、負極には、外部引き出し端子を溶接するために電極用塗料を塗布しない部分を設けておいた。正極、負極、セパレータをこの順序で積層した。積層するときには、正極、負極、セパレータがずれないようにホットメルト接着剤(エチレン−メタアクリル酸共重合体、EMAA)を少量塗布し固定した。正極、負極には、それぞれ、外部引き出し端子としてアルミニウム箔(幅4mm、長さ40mm、厚み100μm)、ニッケル箔(幅4mm、長さ40mm、厚み100μm)を超音波溶接した。この外部引き出し端子に、無水マレイン酸をグラフト化したポリプロピレン(PP)を巻き付け熱接着させた。これは外部端子と外装体とのシール性を向上させるためである。正極、負極、セパレータを積層した電池要素を封入する電池外装体として、PET層、Al層及びPP層から構成されるアルミニウムラミネート材料を用いた。PET層の厚さは12μmであった。Al層の厚さは40μmであった。PP層の厚さは50μmであった。なお、PETはポリエチレンテレフタレート、PPはポリプロピレンである。電池外装体を作製では、PP層を外装体の内側に配置させた。この外装体の中に電池要素を入れ電解液を適当量添加し、外装体を真空密封した。これにより、実施例1のリチウム化合物を用いたリチウムイオン2次電池を作製した。なお、電解液としては、エチレンカーボンネート(EC)とジメチルカーボネート(DMC)の混合溶媒にLiPF6を濃度1M(1mol/L)で溶解させたものを用いた。混合溶媒におけるECとDMCとの体積比は、EC:DMC=30:70とした。
実施例1の電池を、電流値として30mA/gにて4.6Vまで定電流で充電した後、電流値として30mA/gにて2.0Vまで定電流放電した。実施例1の初回充放電効率は87.0%であった。初回充放電効率とは0.1Cで充電し0.1Cで放電した1サイクル目の放電容量に対する充電容量の比である。
遊星ボールミルではなく、ポットミルを用いたことで、表面被覆状態が悪かったため初回充放電効率が、実施例に比べて小さかったと考える。
被覆膜が薄くなりすぎたことで、電解液と化合物との反応抑制効果が小さかったため、初回充放電効率が実施例に比べて小さかったと考える。
Claims (3)
- 層状構造を有し、下記式(1)で表される組成の化合物と、
ZrO 2、SnO2、Al2O3、またはTiO2のうちいずれか一種以上の金属酸化物と、を有し、
前記金属酸化物が前記化合物の1次粒子の凝集体の表面を被覆し、かつ、下記式(2)の関係で前記表面の1次粒子間の空隙を埋めたことを特徴とする活物質。
LiyNiaCobMncMdOx ・・・(1)
[上記式(1)中、元素MはAl、Si、Zr、Ti、Fe、Mg、Nb、Ba及びVからなる群から選ばれる少なくとも1種の元素であり、1.9≦(a+b+c+d+y)≦2.1、1.0<y≦1.3、0<a≦0.3、0<b≦0.25、0.3≦c≦0.7、0≦d≦0.1、1.9≦x≦2.1、a+b+c+d+y=x。]
1.04≦R≦1.37 ・・・(2)
[上記式(2)中、R=前記化合物を被覆する前記金属酸化物の被覆層の内周の周囲長/被覆層の外周の周囲長である。] - 前記金属酸化物の粒径が1〜300nmであることを特徴とする請求項1に記載の活物質。
- 正極集電体と、正極活物質を含む正極活物質層と、を有する正極と、
負極集電体と、負極活物質を含む負極活物質層と、を有する負極と、
前記正極活物質層と前記負極活物質層との間に位置するセパレータと、
前記負極、前記正極、及び前記セパレータに接触している電解質と、を備え、
前記正極活物質が請求項1または2に記載の活物質を含む、
リチウムイオン二次電池。
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