JP5810497B2 - リチウム複合金属酸化物および非水電解質二次電池 - Google Patents
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Description
<1> 以下の式(A)で表されるリチウム複合金属酸化物。
Lix(Mn1-(y+z)NiyFez)O2 (A)
(ここで、xは0.9以上1.3以下であり、yは0.5を超え0.7以下であり、zは0を超え0.1以下である。)
<2> zが0.02以上0.07以下である<1>のリチウム複合金属酸化物。
<3> yが0.5を超え0.6以下である<1>のリチウム複合金属酸化物。
<4> 平均粒径が0.01μm以上1μm以下の粒状である<1>〜<3>のいずれかのリチウム複合金属酸化物。
<5> <1>〜<4>のいずれかのリチウム複合金属酸化物を有する電極。
<6> <5>の電極を、正極として有する非水電解質二次電池。
<7> さらにセパレータを有する<6>の非水電解質二次電池。
<8> セパレータが、耐熱多孔層と多孔質フィルムとが互いに積層された積層フィルムからなる<7>の非水電解質二次電池。
本発明のリチウム複合金属酸化物は、以下の式(A)で表される。
Lix(Mn1-(y+z)NiyFez)O2 (A)
(ここで、xは0.9以上1.3以下であり、yは0.5を超え0.7以下であり、zは0を超え0.1以下である。)
次に、本発明のリチウム複合金属酸化物を製造する方法について説明する。本発明のリチウム複合金属酸化物は、所定元素を所定モル比で含有するリチウム複合金属酸化物原料を焼成することにより、製造することができる。リチウム複合金属酸化物原料は、好ましくは、リチウム化合物とMn、NiおよびFeの遷移金属化合物との混合物である。Mn、NiおよびFeの遷移金属化合物としては、Mn、NiおよびFeそれぞれの金属化合物の混合物が挙げられる。該金属化合物としては、Mn、Ni、およびFeそれぞれの酸化物、水酸化物(水酸化物はオキシ水酸化物も含む。以下同じ。)、塩化物、炭酸塩、硫酸塩、硝酸塩、シュウ酸塩、酢酸塩などが挙げられ、好ましくは水酸化物である。該金属化合物は、Mn、NiおよびFeのうちの2種以上の元素を含有する化合物であってもよい。該化合物は、共沈により得ることができ、好ましくはMn、NiおよびFeからなる群より選ばれる2種以上の元素を含有する水酸化物である。遷移金属化合物は、より好ましくはMn、NiおよびFeを含有する水酸化物である。前記リチウム化合物としては、水酸化リチウム、塩化リチウム、硝酸リチウムおよび炭酸リチウムからなる群より選ばれる1種以上の化合物が挙げられる。これらのリチウム化合物は、無水物であっても、水和物であってもよい。これらのリチウム化合物のうち、水酸化リチウムまたは炭酸リチウムあるいは両方が好ましく用いられる。リチウム化合物とMn、NiおよびFeの遷移金属化合物との混合方法は、乾式混合、湿式混合のいずれであってもよく、簡便性の観点で、好ましくは乾式混合である。混合装置としては、攪拌混合、V型混合機、W型混合機、リボン混合機、ドラムミキサー、ボールミル等が挙げられる。
上記リチウム複合金属酸化物を用いて、電極を製造する方法について説明する。得られる電極は、非水電解質二次電池における正極として好適である。リチウム複合金属酸化物を有する電極、すなわち、正極の製造例を、次に説明する。
上記の正極を有する非水電解質二次電池を製造する方法として、リチウム二次電池の製造例を、次に説明する。リチウム二次電池は、セパレータ、負極、セパレータおよび上記の正極を、積層または積層かつ巻回することにより得られる電極群を、電池缶などの電池ケース内に収納し、該ケース内に電解液を注入することにより製造することができる。
前記負極は、正極よりも低い電位で、リチウムイオンでドープされることができかつ脱ドープされることができればよい。負極としては、負極材料を含む負極合剤が負極集電体に担持された電極、または負極材料単独からなる電極が挙げられる。負極材料としては、炭素材料、カルコゲン化合物(酸化物、硫化物など)、窒化物、金属または合金で、正極よりも低い電位で、リチウムイオンでドープされることができかつ脱ドープされることができる材料が挙げられる。これらの負極材料を混合して用いてもよい。
前記セパレータとしては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリオレフィン樹脂、フッ素樹脂、含窒素芳香族重合体などの材料からなる、多孔質膜、不織布、織布などの形態を有する部材が挙げられる。セパレータは、2種以上の前記材料からなってもよいし、前記部材が積層された積層セパレータであってもよい。セパレータとしては、例えば特開2000−30686号公報、特開平10−324758号公報等に記載のセパレータが挙げられる。セパレータの厚みは、電池の体積エネルギー密度が上がりかつ内部抵抗が小さくなるという観点で、通常5〜200μm程度、好ましくは5〜40μm程度である。セパレータは、機械的強度が保たれる限り薄いことが好ましい。
電解液は、通常、電解質および有機溶媒を含有する。電解質の例としては、LiClO4、LiPF6、LiAsF6、LiSbF6、LiBF4、LiCF3SO3、LiN(SO2CF3)2、LiN(SO2C2F5)2、LiN(SO2CF3)(COCF3)、Li(C4F9SO3)、LiC(SO2CF3)3、Li2B10Cl10、LiBOB(ここで、BOBは、bis(oxalato)borateのことである。)、低級脂肪族カルボン酸リチウム塩、LiAlCl4などのリチウム塩が挙げられ、2種以上の電解質を混合して使用してもよい。通常、これらの中でもLiPF6、LiAsF6、LiSbF6、LiBF4、LiCF3SO3、LiN(SO2CF3)2およびLiC(SO2CF3)3からなる群から選ばれる1種以上のフッ素含有リチウム塩を用いる。
導電材としてアセチレンブラックと黒鉛とを9:1で混合した材料を用いた。バインダーとしてPVdFを用い、バインダー溶液としてPVdFのNMP溶液を用いた。正極活物質:導電材:バインダー=86:10:4(重量比)の組成となるように、正極活物質と導電材とを混合し、バインダー溶液を加えて、混練することにより、正極合剤ペーストを得た。集電体となる厚さ40μmのAl箔に該ペーストを塗布してシートを得て、該シートを真空下150℃の条件で8時間乾燥して、正極を得た。
セパレータとして、後述のポリエチレン製多孔質フィルムに耐熱多孔層が積層された積層フィルム(厚みは16μmである。)を用いた。電解液の溶媒として、EC:DMC:EMC=30:35:35(体積比)の混合溶媒を用いた。電解質として、LiPF6を用いた。混合溶媒に電解質を1モル/リットルとなるように溶解して、電解液1を調整した。負極として金属リチウムを用いた。コインセル(宝泉株式会社製)の下蓋に、アルミ箔面を下に向けて正極を置き、その上にセパレータを置き、電解液1を300μl注入した。次に、負極をセパレータの上側に置き、ガスケットを介してコインセルの上蓋を置き、かしめ機でかしめて非水電解質二次電池(コイン型電池R2032)を作製した。電池の組み立てはアルゴン雰囲気のグローブボックス内で行った。
上記のコイン型電池を用いて、以下に示す条件で充放電試験を行った。
<充放電試験>
試験温度25℃
充電最大電圧4.3V、充電時間8時間、充電電流0.2mA/cm2
放電最小電圧2.5V、定電流放電、放電電流0.2mA/cm2
電解液の溶媒として、DMC:EMC=50:50(体積比)の混合溶媒を用いた。電解質として、LiPF6を用いた。混合溶媒に電解質を1モル/リットルとなるように溶解して、電解液2を調整した。電解液1の代わりに電解液2を用いた以外は、上記(2−1)と同様にして、サイクル試験用コインセルを作製した。
上記のサイクル試験用コインセルを用いて、以下に示す条件でサイクル試験を行い、60℃放電容量維持率を決定した。
<サイクル試験>
試験温度60℃
充電最大電圧4.3V、充電時間8時間、充電電流0.2mA/cm2
放電最小電圧2.5V、定電流放電、放電電流0.2mA/cm2
サイクル数50回
<60℃放電容量維持率>
60℃放電容量維持率(%)=50サイクル目の放電容量/1サイクル目の放電容量×100
1.リチウム複合金属酸化物の組成分析
リチウム複合金属酸化物を塩酸に溶解させた後、得られた水溶液を用いて、誘導結合プラズマ発光分析法(SPS3000、以下ICP−AESと呼ぶことがある)で、リチウム複合金属酸化物の組成を決定した。
リチウム複合金属酸化物の平均粒径(D50)は、次の方法で決定した。粒状のリチウム複合金属酸化物0.1gを50mlのイオン交換水に投入し、これに超音波発生装置(SONIFIER450)を用いて超音波を2分間照射することによって、リチウム複合金属酸化物の分散液を得た。得られた分散液を用いて、レーザー回折散乱粒度分布測定装置(mastersizer2000)を用いたレーザー回折散乱粒度分布測定で、リチウム複合金属酸化物のD50(μm)を決定した。
1.リチウム複合金属酸化物の製造
塩化ニッケル(II)六水和物および塩化マンガン(II)四水和物を、Ni:Mnのモル比が0.50:0.50となるように秤量し、これらをイオン交換水に添加して、攪拌により溶解させ、ニッケル−マンガン混合水溶液を得た。別途調整した水酸化カリウム水溶液(pHは14である。)を攪拌しながら、これに前記ニッケル−マンガン混合水溶液を滴下することにより、共沈物が生成し、共沈物スラリーを得た。共沈物スラリーのpHは13であった。
粉末A1を正極活物質として用いてコイン型電池を作製し、充放電試験を行ったところ、放電容量は145mAh/gであり、低い値であった。また、粉末A1を正極活物質として用いてサイクル試験用コインセルを作製し、サイクル試験を行ったところ、1サイクル目が158mAh/gであり、50サイクル目が115mAh/gであり、放電容量維持率(%)は73であり、いずれも低い値であった。
1.リチウム複合金属酸化物の製造
塩化ニッケル(II)六水和物、塩化マンガン(II)四水和物および塩化鉄(II)四水和物を、Ni:Mn:Feのモル比が0.55:0.40:0.05となるように秤量し、これらをイオン交換水に添加して、攪拌により溶解させ、ニッケル−マンガン−鉄混合水溶液を得た。別途調整した水酸化カリウム水溶液(pHは14である。)を攪拌しながら、これに前記ニッケル−マンガン−鉄混合水溶液を滴下することにより、共沈物が生成し、共沈物スラリーを得た。共沈物スラリーのpHは13であった。
粉末B1を正極活物質として用いてコイン型電池を作製し、充放電試験を行ったところ、放電容量は152mAh/gであり、粉末A1を用いた場合に比し、大容量であることがわかった。また、粉末B1を正極活物質として用いてサイクル試験用コインセルを作製し、サイクル試験を行ったところ、1サイクル目が166mAh/gであり、50サイクル目が146mAh/gであり、放電容量維持率(%)は88であり、いずれも高い値であった。
1.リチウム複合金属酸化物の製造
Ni:Mn:Feのモル比が0.55:0.425:0.025である以外は、実施例1と同様の操作を行い、粉末B2を得た。
粉末B2を正極活物質として用いてコイン型電池を作製し、充放電試験を行ったところ、放電容量は153mAh/gであり、粉末A1を用いた場合に比し、大容量であることがわかった。また、粉末B2を正極活物質として用いてサイクル試験用コインセルを作製し、サイクル試験を行ったところ、1サイクル目が167mAh/gであり、50サイクル目が143mAh/gであり、放電容量維持率(%)は86であり、いずれも高い値であった。
1.リチウム複合金属酸化物の製造
Ni:Mn:Feのモル比が0.56:0.41:0.03である以外は、実施例1と同様の操作を行い、粉末B3を得た。
粉末B3を正極活物質として用いてコイン型電池を作製し、充放電試験を行ったところ、放電容量は155mAh/gであり、粉末A1を用いた場合に比し、大容量であることがわかった。また、粉末B3を正極活物質として用いてサイクル試験用コインセルを作製し、サイクル試験を行ったところ、1サイクル目が167mAh/gであり、50サイクル目が150mAh/gであり、放電容量維持率(%)は90であり、いずれも高い値であった。
1.リチウム複合金属酸化物の製造
Ni:Mn:Feのモル比が0.56:0.42:0.02である以外は、実施例1と同様の操作を行い、粉末B4を得た。
粉末B4を正極活物質として用いてコイン型電池を作製し、充放電試験を行ったところ、放電容量は151mAh/gであり、粉末A1を用いた場合に比し、大容量であることがわかった。また、粉末B3を正極活物質として用いてサイクル試験用コインセルを作製し、サイクル試験を行ったところ、1サイクル目が165mAh/gであり、50サイクル目が146mAh/gであり、放電容量維持率(%)は88であり、いずれも高い値であった。
1.リチウム複合金属酸化物の製造
Ni:Mn:Feのモル比が0.75:0.20:0.05である以外は、実施例1と同様の操作を行い、粉末A2を得た。
粉末A2を正極活物質として用いてコイン型電池を作製し、充放電試験を行ったところ、放電容量は149mAh/gであり、低い値であった。また、粉末A2を正極活物質として用いてサイクル試験用コインセルを作製し、サイクル試験を行ったところ、1サイクル目が175mAh/gであり、50サイクル目が123mAh/gであり、放電容量維持率(%)は70であり、いずれも低い値であった。
1.リチウム複合金属酸化物の製造
Ni:Mn:Feのモル比が0.45:0.45:0.10であり、焼成温度が800℃である以外は、実施例1と同様の操作を行い、粉末A3を得た。
粉末A3を正極活物質として用いてコイン型電池を作製し、充放電試験を行ったところ、放電容量は130mAh/gであり、低い値であった。また、粉末A3を正極活物質として用いてサイクル試験用コインセルを作製し、サイクル試験を行ったところ、1サイクル目が144mAh/gであり、50サイクル目が130mAh/gであり、放電容量維持率(%)は90であり、放電容量は低い値であった。
1.リチウム複合金属酸化物の製造
Ni:Mnのモル比が0.70:0.30である以外は、比較例1と同様の操作を行い、粉末A4を得た。
粉末A4を正極活物質として用いてコイン型電池を作製し、充放電試験を行ったところ、放電容量は91mAh/gであり、低い値であった。また、粉末A4を正極活物質として用いてサイクル試験用コインセルを作製し、サイクル試験を行ったところ、1サイクル目が147mAh/gであり、50サイクル目が28mAh/gであり、放電容量維持率(%)は19であり、いずれも低い値であった。
1.リチウム複合金属酸化物の製造
Ni:Mn:Feのモル比が0.51:0.44:0.05であり、かつ焼成温度が870℃である以外は、実施例1と同様の操作を行い、粉末B5を得た。
粉末B5を正極活物質として用いてコイン型電池を作製し、充放電試験を行ったところ、放電容量は151mAh/gであり、大容量であることがわかった。また、粉末B5を正極活物質として用いてサイクル試験用コインセルを作製し、サイクル試験を行ったところ、1サイクル目が163mAh/gであり、50サイクル目が150mAh/gであり、放電容量維持率(%)は92であり、いずれも高い値であった。
1.リチウム複合金属酸化物の製造
Ni:Mn:Feのモル比が0.53:0.42:0.05である以外は、実施例5と同様の操作を行い、粉末B6を得た。
粉末B6を正極活物質として用いてコイン型電池を作製し、充放電試験を行ったところ、放電容量は151mAh/gであり、大容量であることがわかった。また、粉末B6を正極活物質として用いてサイクル試験用コインセルを作製し、サイクル試験を行ったところ、1サイクル目が165mAh/gであり、50サイクル目が149mAh/gであり、放電容量維持率(%)は90であり、いずれも高い値であった。
1.リチウム複合金属酸化物の製造
Ni:Mn:Feのモル比が0.55:0.40:0.05である以外は、実施例5と同様の操作を行い、粉末B7を得た。
粉末B7を正極活物質として用いてコイン型電池を作製し、充放電試験を行ったところ、放電容量は152mAh/gであり、大容量であることがわかった。また、粉末B7を正極活物質として用いてサイクル試験用コインセルを作製し、サイクル試験を行ったところ、1サイクル目が168mAh/gであり、50サイクル目が149mAh/gであり、放電容量維持率(%)は89であり、いずれも高い値であった。
1.リチウム複合金属酸化物の製造
焼成温度が750℃である以外は、実施例5と同様の操作を行い、粉末B8を得た。
粉末B8を正極活物質として用いてコイン型電池を作製し、充放電試験を行ったところ、放電容量は150mAh/gであり、大容量であることがわかった。また、粉末B8を正極活物質として用いてサイクル試験用コインセルを作製し、サイクル試験を行ったところ、1サイクル目が162mAh/gであり、50サイクル目が147mAh/gであり、放電容量維持率(%)は91であり、いずれも高い値であった。
1.リチウム複合金属酸化物の製造
焼成温度が750℃である以外は、実施例7と同様の操作を行い、粉末B9を得た。
粉末B9を正極活物質として用いてコイン型電池を作製し、充放電試験を行ったところ、放電容量は150mAh/gであり、大容量であることがわかった。また、粉末B9を正極活物質として用いてサイクル試験用コインセルを作製し、サイクル試験を行ったところ、1サイクル目が167mAh/gであり、50サイクル目が146mAh/gであり、放電容量維持率(%)は87であり、いずれも高い値であった。
1.リチウム複合金属酸化物の製造
Ni:Mn:Feのモル比が0.60:0.35:0.05である以外は、実施例1と同様の操作を行い、粉末B10を得た。
粉末B10を正極活物質として用いてコイン型電池を作製し、充放電試験を行ったところ、放電容量は158mAh/gであり、大容量であることがわかった。また、粉末B10を正極活物質として用いてサイクル試験用コインセルを作製し、サイクル試験を行ったところ、1サイクル目が166mAh/gであり、50サイクル目が141mAh/gであり、放電容量維持率(%)は85であり、いずれも高い値であった。
(1)塗工スラリーの製造
NMP4200gに塩化カルシウム272.7gを溶解した後、これにパラフェニレンジアミン132.9gを添加して完全に溶解させた。得られた溶液に、テレフタル酸ジクロライド243.3gを徐々に添加して重合し、パラアラミドを得て、さらにNMPで希釈して、濃度2.0重量%のパラアラミド溶液(A)を得た。得られたパラアラミド溶液100gに、アルミナ粉末(a)2g(日本アエロジル社製、アルミナC、平均粒径0.02μm)とアルミナ粉末(b)2g(住友化学株式会社製スミコランダム、AA03、平均粒径0.3μm)とをフィラーとして計4g添加して混合し、ナノマイザーで3回処理し、さらに1000メッシュの金網で濾過、減圧下で脱泡して、塗工スラリー(B)を製造した。パラアラミドおよびアルミナ粉末の合計重量に対するアルミナ粉末(フィラー)の重量は、67重量%となる。
多孔質フィルムとしては、ポリエチレン製多孔質フィルム(膜厚12μm、透気度140秒/100cc、平均孔径0.1μm、空孔率50%)を用いた。厚み100μmのPETフィルムの上に上記ポリエチレン製多孔質フィルムを固定し、テスター産業株式会社製バーコーターにより、該多孔質フィルムの上に塗工スラリー(B)を塗工した。PETフィルムと塗工された該多孔質フィルムとを一体にしたまま、水中に浸漬させ、パラアラミド多孔質膜(耐熱多孔層)を析出させた後、溶媒を乾燥させて、耐熱多孔層と多孔質フィルムとが積層された積層フィルム1を得た。積層フィルム1の厚みは16μmであり、パラアラミド多孔質膜(耐熱多孔層)の厚みは4μmであった。積層フィルム1の透気度は180秒/100cc、空孔率は50%であった。積層フィルム1における耐熱多孔層の断面を走査型電子顕微鏡(SEM)により観察をしたところ、0.03μm〜0.06μm程度の比較的小さな微細孔と0.1μm〜1μm程度の比較的大きな微細孔とを有することがわかった。尚、積層フィルムの評価は以下の方法で行った。
(A)厚み測定
積層フィルムの厚み、多孔質フィルムの厚みは、JIS規格(K7130−1992)に従い、測定した。また、耐熱多孔層の厚みとしては、積層フィルムの厚みから多孔質フィルムの厚みを差し引いた値を用いた。
(B)ガーレー法による透気度の測定
積層フィルムの透気度は、JIS P8117に基づいて、株式会社安田精機製作所製のデジタルタイマー式ガーレー式デンソメータで測定した。
(C)空孔率
得られた積層フィルムのサンプルを一辺の長さ10cmの正方形に切り取り、重量W(g)と厚みD(cm)を測定した。サンプル中のそれぞれの層の重量(Wi(g);iは1からnの整数)を求め、Wiとそれぞれの層の材質の真比重(真比重i(g/cm3))とから、それぞれの層の体積を求めて、次式より空孔率(体積%)を求めた。
空孔率(体積%)=100×{1−(W1/真比重1+W2/真比重2+・・+Wn/真比重n)/(10×10×D)}
Claims (7)
- 以下の式(A)で表され、レーザー回折散乱粒度分布測定により得られる体積基準のD50の値である平均粒径が0.01μm以上1μm以下の粒状であるリチウム複合金属酸化物。
Lix(Mn1-(y+z)NiyFez)O2 (A)
(ここで、xは0.9以上1.3以下であり、yは0.52以上0.58以下であり、zは0を超え0.1以下である。) - 平均一次粒子径が0.01μm以上0.5μm以下である請求項1に記載のリチウム複合金属酸化物。
- zが0.02以上0.07以下である請求項1に記載のリチウム複合金属酸化物。
- 請求項1〜3のいずれかに記載のリチウム複合金属酸化物を有する電極。
- 請求項4記載の電極を、正極として有する非水電解質二次電池。
- さらにセパレータを有する請求項5記載の非水電解質二次電池。
- セパレータが、耐熱多孔層と多孔質フィルムとが互いに積層された積層フィルムからなる請求項6記載の非水電解質二次電池。
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