JP5818086B2 - 二次電池およびその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、フッ素含有リン酸マンガン化合物を正極活物質として用いた二次電池に関する。
再充電して繰り返し使用することのできる二次電池は、各種分野において需要が高まっている。典型的な二次電池は、正極および負極と、それら両電極間に介在された電解質とを備え、両電極間を電解質イオン（典型的にはカチオン）が行き来することにより充放電を行う。各電極は、該電解質イオンを可逆的に吸蔵および放出する活物質を備える。例えば、リチウムイオン二次電池の正極活物質として、ニッケルやコバルト等の遷移金属を主要な構成金属元素として含むリチウム遷移金属酸化物が知られている。
一方、ニッケルやコバルトを必須成分としない活物質についても種々の検討が行われている。かかる電極活物質には、二次電池の原料コストや供給リスクを低減し得る利点がある。例えば特許文献１および２には、ナトリウムイオンを含むリン酸マンガン化合物を二次電池の活物質として用いることが記載されている。これらのうち特許文献１は、ナトリウムイオンを含むフッ素含有リン酸マンガン化合物に関するものである。
特開２０１０−２６０７６１号公報 特開２０１０−０１８４７２号公報
本発明者は、かかるフッ素含有リン酸マンガン化合物を正極活物質として用いると、充電状態（すなわち、Ｎａの一部が放出された状態）においてその結晶性が損なわれていることを見出した。上記充電状態における結晶構造の維持性を改善することができれば、かかるマンガン化合物の正極活物質としての有用性がより向上し得る。例えば、かかる材料を正極活物質に用いた電池の放電容量（可逆容量）が向上し、より高性能な二次電池となり得るものと期待される。そこで本発明は、フッ素含有リン酸マンガン化合物を正極活物質として利用し、電池性能が改善された二次電池を提供することを目的とする。関連する他の発明は、かかる正極活物質を備えた二次電池の製造方法を提供することである。
本発明によると、正極活物質を有する正極と、負極活物質を有する負極と、支持塩を含む非水電解質と、を備えた二次電池が提供される。その正極活物質は、次の一般式（Ｉ）で表されるリン酸マンガン化合物である。
ＮａｘＭｎＰＯ４Ｆ （Ｉ）
ここで、ｘは２．０２＜ｘ≦２．５０を満たす。
上記式（Ｉ）で表されるリン酸マンガン化合物（フッ素含有リン酸マンガン塩）は、Ｍｎに対するＮａの比（組成比）の値が上記所定の範囲にあり、電解質イオンであるＮａが通常よりも多い割合で含まれているので、Ｍｎに対するＮａの組成比が２．０以下であるリン酸マンガン化合物に比べて、充電量（Ｎａの放出量）に対する結晶構造の維持性が改善されたものであり得る。したがって、このようなリン酸マンガン化合物を正極活物質に用いた二次電池は、充放電に伴う正極活物質の構造劣化が少なく、より高性能なものとなり得る。また、上記正極活物質は、電気化学的活性に寄与する遷移金属として、豊富で安価な金属資源であるＭｎを主に利用するので、原料コストや供給リスクを低減し得るという観点からも好ましい。
好ましい一態様では、上記一般式（Ｉ）中のｘが２．０２＜ｘ＜２．２０を満たす。かかるリン酸マンガン化合物を正極活物質に用いた二次電池によると、より高い初期放電容量（初期可逆容量）が実現され得る。
上記リン酸マンガン化合物としては、ｂ軸方向に偏平な板状の粒子形状を呈するものが好ましい。かかるリン酸マンガン化合物を正極活物質に用いた二次電池は、より高性能なものとなり得る。
本発明によると、また、上記一般式（Ｉ）で表されるリン酸マンガン化合物を用意する工程と、該リン酸マンガン化合物を備えた電極（典型的には正極）を作製する工程と、その電極を用いて二次電池を構築する工程と、を包含する二次電池製造方法が提供される。かかる方法により得られた二次電池は、上記一般式（Ｉ）で表されるリン酸マンガン化合物を正極活物質として利用することにより、充放電に伴う正極活物質の構造劣化が少なく、より高性能なものとなり得る。
好ましい一態様では、上記リン酸マンガン化合物を用意する工程は、ナトリウム源、マンガン源、リン酸源およびフッ素源を包含する出発原料を、金属キレート形成性官能基（例えば、水酸基、カルボニル基およびエーテル基からなる群から選択される少なくとも一種の官能基）を含む溶媒（例えば、ポリオール溶媒）中で混合して原料混合液を調製する工程を包含する。また、上記原料混合液を加熱して前駆体を得る工程を包含する。さらに、上記前駆体を所定温度で焼成する工程を包含する。このようにして得られたリン酸マンガン化合物は、ｂ軸方向に偏平な板状の粒子形状を呈するものとなり得る。かかるリン酸マンガン化合物を正極活物質に用いた二次電池は、より高性能なものとなり得る。
一実施形態に係る二次電池の外形を模式的に示す斜視図である。 図１のII−II線断面図である。 本発明の二次電池を備えた車両（自動車）を模式的に示す側面図である。 実施例において作製した評価用コインセルを模式的に示す図である。 例２および例５に係る各正極活物質−炭素材複合材料の初期充電前におけるＸ線回折パターンを示すチャートである。
以下、本発明の好適な実施形態を説明する。なお、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。
本明細書に開示される二次電池は、正極活物質として、上記一般式（Ｉ）で表されるリン酸マンガン化合物を用いて構成されている。上記式（Ｉ）においてＮａの組成比を表すｘは、２．０２＜ｘ≦２．５０（例えば２．０２＜ｘ≦２．３０）であり得る。かかる組成比でＮａが含まれるフッ素含有リン酸マンガン化合物は、空間群Ｐ１２１／ｎ１の結晶構造を形成し得る。Ｎａの組成比ｘが小さすぎると、結晶構造の維持性を向上させる効果が十分に発揮されないことがあり得る。Ｎａの組成比が大きすぎると、Ｎａの過剰分が充放電に関与しない副生成物成分として存在し、正極活物質の初期結晶度（初期充電前の結晶度）が低下することによって、電池性能が低下傾向となる場合がある。好ましい一態様では、上記リン酸マンガン化合物が、２．０２＜ｘ＜２．２０（例えば２．０５≦ｘ≦２．１５）を満たす。かかるリン酸マンガン化合物を備える二次電池によると、より高い初期放電容量（初期可逆容量）が実現され得る。
上記正極活物質において、Ｍｎは、その一部がＡｌ，ＭｇおよびＴｉから選択される一種または二種以上の金属元素Ｍ’によって置換されていてもよい（一般式（ＩＩ）：Ｎａｘ（Ｍｎ，Ｍ’）ＰＯ４Ｆ；で表される化合物であってもよい。）。これらの金属元素は、Ｍｎサイトに置換した際にＭｎ２＋およびＭｎ３＋と同程度のイオン半径を示し、かつＮａ２ＭｎＰＯ４Ｆと同じ空間群Ｐ１２１／ｎ１を構成する傾向が強いので、Ｍｎに対する置換性がよい。特に好ましい金属元素Ｍ’として、Ａｌ（典型的には、Ｍｎサイトに置換されてＡｌ３＋の酸化状態をとる。）が例示される。Ｍｎの一部がＭ’によって置換された態様では、Ｍｎに対するＭ’の組成比の値（Ｍ’／Ｍｎ）が例えば１未満であり得る。通常は、Ｍｎ：Ｍ’が０．９９９：０．００１〜０．９：０．１程度の範囲にあることが好ましい。Ｍｎ：Ｍ’は、より好ましくは０．９９：０．０１〜０．９４：０．０６程度であり、さらに好ましくは０．９９：０．０１〜０．９５：０．０５程度である。かかるリン酸マンガン化合物を備える二次電池によると、より高い初期充放電効率（充放電反応の可逆性）が実現され得る。
Ｍｎに対するＮａの組成比が上記所定の範囲にあることにより、該リン酸マンガン化合物を正極活物質として用いた場合における結晶構造の維持性が向上する理由としては、次のようなことが考えられる。
正極活物質としてのＮａ２ＭｎＰＯ４Ｆは、充電時、Ｎａの脱離に伴ってＭｎ２＋がＭｎ３＋に酸化される際、ヤーン・テラー効果によりＭｎ−Ｆ結合が伸長して結晶構造に歪みが生じ、さらにはＭｎ−Ｆ結合が分解してしまうことで結晶性が損なわれるものと考えられる。一方、Ｎａ−Ｆ結合は、かかるヤーン・テラー効果による歪みを抑制する効果があるものと考えられる。したがって、Ｎａの脱離量が同じ場合、余剰のＮａが含まれているリン酸マンガン化合物では、Ｍｎに対するＮａの組成比が２．０以下のリン酸マンガン化合物と比べ、結晶構造内に残存するＮａ量が多いので、Ｎａ−Ｆ結合による結晶構造の安定化効果がより高くなり、結晶構造の維持性が向上することにより、放電容量（可逆容量）が向上し得る。上記ヤーン・テラー効果による結合の歪み（ひいては結晶構造の歪み）は、フッ素含有リン酸マンガン塩（典型的にはアルカリ金属塩；例えば、上記アルカリ金属が実質的にナトリウムである塩、リチウムのみである塩、ナトリウムおよびリチウムを任意の割合で含む塩等）に特異の現象であり、オリビン型のＦｅ系リン酸塩や、層状構造のＮｉ系リン酸塩およびＣｏ系リン酸塩には認められない現象である。
上記正極活物質は、平均粒径が０．１μｍ〜３μｍ程度（より好ましくは０．１μｍ〜１μｍ程度）であることが好ましい。特に、その結晶構造（典型的には、空間群Ｐ１２１／ｎ１で表される結晶構造）におけるｂ軸方向の距離が短い（ｂ軸方向に扁平な）板状のものがより好ましい。これは、上記正極活物質の内部において、Ｎａがｂ軸方向にしか拡散できないことによる。すなわち、ｂ軸方向の距離が短いことにより、充放電時にＮａが拡散しやすくなり、二次電池の性能向上（例えば、内部抵抗の低減、可逆性の向上等の少なくとも一つの性能の向上）に寄与し得る。なお、上記正極活物質の平均粒径は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により２０個以上の粒子の差渡し長さを計測した結果を算術平均して得られる値をいうものとする。
ｂ軸方向の距離が短い板状粒子の場合、該板状粒子の平均厚さ（ＳＥＭにより５個以上の板状粒子の厚みを計測した結果を算術平均して得られる値をいうものとする。）は、概ね２００ｎｍ以下（例えば５０〜２００ｎｍ）が好ましく、１００ｎｍ以下（例えば５０〜１００ｎｍ）がより好ましく、８０ｎｍ以下（例えば５０〜８０ｎｍ）が特に好ましい。板状粒子の平均厚さを小さくすることにより、Ｎａ＋の拡散性がさらに良好となり得る。
ここに開示される正極活物質の製造方法は特に制限されない。好ましくは、正極活物質粒子のｂ軸方向の成長が抑制され得る製造方法を採用する。好ましい一製造方法では、まず、出発原料としての各元素源（Ｍｎ源、リン酸源（Ｐ源およびＯ源）、Ｎａ源、およびＦ源）と、Ｍｎとキレートを形成し得る有機溶媒と、を含む反応混合物を加熱しながら攪拌する。この工程は、例えば、何段階かに分けて実施することができる。好ましい一態様では、Ｍｎ源をＭｎキレート形成性有機溶媒に添加し、これを加熱しながら攪拌することでＭｎを該有機溶媒に十分にキレートさせる。これに、リン酸源を加えてさらに加熱・攪拌し、さらにまたＮａ源およびＦ源を加えて引き続き加熱・攪拌する。次いで、加熱・攪拌完了後の反応混合物から、遠心分離機等を用いて、生成物（中間体）を分離・洗浄し、適当な温度で乾燥させた後に適宜の温度で焼成する。こうして形成された焼成体を粉砕・篩分することにより、所望の平均粒径を有する正極活物質が得られる。なお、Ｍｎの一部がＭ’により置換された態様を採用する場合、Ｍ’源の取り扱いは、特に断りがない限りＭｎ源の取り扱いに準ずる。
上記出発原料としての各元素源は、それぞれ使用する溶媒に対する溶解度や互いとの反応性等に応じて適宜選択すればよい。これら出発原料は、最終的な焼成によって所望の組成比を有するリン酸マンガン化合物を形成し得るものであれば特に限定されず、各元素を含む各種塩（酸化物、酢酸塩、硝酸塩、アンモニウム塩、ハロゲン化物（例えばフッ化物））や金属単体等を、それぞれ一種または二種以上使用することができる。特に好ましい例として、Ｍｎ源としての酢酸マンガン、任意のＭ’源としてのＭ’の硝酸塩（例えば硝酸アルミニウム）、リン酸源としてのリン酸２水素アンモニウム（ＮＨ４Ｈ２ＰＯ４）、Ｎａ源としてのフッ化ナトリウム（ＮａＦ（Ｆ源でもある。））および酢酸ナトリウムが挙げられる。これら各元素源は、そのまま上記溶媒に添加してもよく、あるいは適当量の水（純水）に溶解させた水溶液として添加してもよい。これら出発原料の配合比は、所望の組成比が得られるよう適宜設定すればよい。得られるリン酸マンガン化合物における組成比は、通常、各元素源から得られる各元素の配合比と略同等である。
上記有機溶媒としては、Ｍｎとキレートを形成可能な官能基を含み、且つ沸点が比較的高い溶媒（Ｍｎに対する配位性の高い溶媒）を適宜選択して使用することができる。Ｍｎキレート形成性の官能基としては、水酸基（好ましくはアルコール性水酸基）、アミノ基、エーテル基、カルボニル基（アミド基等）等が例示される。特に好ましい溶媒として、２個以上の水酸基を有するポリオール類が例示される。かかるポリオール類の具体例としては、ジエチレングリコール（沸点２４５℃）、エチレングリコール（沸点１９６℃）、１，２−プロパンジオール（沸点１８７℃）、１，３−プロパンジオール（沸点２１４℃）、１，４−プロパンジオール（沸点２３０℃）等のポリオール類が挙げられる。特に好ましいＭｎキレート形成性溶媒として、ジエチレングリコールが例示される。また、他の官能基を有する溶媒の好適例として、アミド基（カルボニル基）含有のＮ，Ｎ−ジメチルホルムアミド（沸点１５３℃）が挙げられる。
上記有機溶媒の使用量は、キレート形成に必要な化学量論量以上であればよく、通常は、Ｍｎに対するモル比（官能基換算）で２０倍以上とすることができる。Ｍｎに対するモル比（官能基換算）は、例えば、２０倍〜１００倍が好ましく、４０倍〜６０倍がより好ましい。
上記製造方法において反応混合物（出発原料の少なくとも一部を含む反応系）を加熱する際の温度は、該混合物に含まれる各元素源のうち上記式（Ｉ）に含まれない元素から構成される対イオン（Ｍｎ源のアニオン、リン酸源（リン酸塩）のカチオン等）が分解され系外に排出されるよう、適宜設定すればよい。通常は、加熱温度を１２０℃以上とすることが好ましく、１４０℃以上とすることがより好ましく、１８０℃以上とすることがさらに好ましい。加熱温度の上限は、使用する溶媒の沸点を下回る温度とすることが好ましい。加熱時間は、出発原料の反応性に応じて適宜選択すればよく、通常は８時間〜２４時間（好ましくは１０時間〜１５時間）程度とすることができる。上述した方法のように出発原料を段階的に添加する場合、加熱温度および加熱時間は、いずれも各段階における反応の進行具合に応じて適宜設定すればよい。加熱温度および加熱時間は、いずれも段階ごとに異なってもよい。加熱時間は、通常、全段階の合計を上記範囲となるようにすればよい。
上記反応混合物を上記所定の温度で加熱することの利点として、溶媒の一部が揮発して、生成物（中間体）が析出しやすくなることが挙げられる。このとき、上記有機溶媒が該生成物粒子表面のＭｎに配位する（任意構成成分のＭ’にも配位し得る。）ので、粒子の成長（特にｂ軸方向の成長）が適度に抑制され、微細な粉末状の中間体が形成され得る。また、かかる中間体粒子表面において溶媒分子が配位することで、Ｆが該生成物（中間体）内に取り込まれやすくなる。これにより、焼成工程においてＦが分解して失われることが防止され、所望の組成比および結晶性を有するリン酸マンガン化合物が安定して形成され得る。
上述のようにして得られた反応生成物（中間体）を焼成して最終的な固溶体（焼成体）を形成する際の焼成温度は、５００℃〜８００℃程度（好ましくは５５０℃〜７００℃程度、より好ましくは５５０℃〜６５０℃程度；例えば、６００℃程度）とすることが好ましい。焼成温度（本焼成温度）が低すぎると、結晶が形成され難くなる場合がある。焼成温度が高すぎると、分解反応等の副反応により上記反応生成物（中間体）の収率が低下し得る。
好ましい一態様では、この焼成工程を仮焼成段階と本焼成段階とに分けて実施する。仮焼成は、上記温度域よりも低い温度域（３００℃〜４００℃程度）で実施することが好ましい。得られた仮焼成体の本焼成は、必要に応じて解砕処理等を施した仮焼成体に対し、上記のより高い温度域にて実施することが好ましい。正極活物質の均質性（組成の均一性および結晶性等）を高める観点からは、仮焼成をした後、仮焼成体を解砕し、本焼成する段階方式の採用が好ましい。仮焼成は、２度以上行ってもよい。
焼成時間は、上記中間体が均一な固溶体を形成するのに十分な時間であればよく、通常は、１時間〜１０時間程度（好ましくは３時間〜６時間程度、より好ましくは４時間〜５時間程度）とすることができる。焼成を段階的に実施する場合は、例えば、仮焼成時間を１時間〜５時間程度、本焼成時間を１時間〜５時間程度とすることができる。焼成手段は特に限定されず、電気加熱炉等を適宜使用すればよい。焼成は、大気雰囲気中で実施してもよく、不活性ガス雰囲気中で実施してもよい。焼成時にＦが失われるのを防止する観点からは、Ａｒ等の不活性ガス雰囲気下において焼成を実施することが好ましい。
ここに開示される二次電池は、上記式（Ｉ）で表されるリン酸マンガン化合物を正極活物質として含む正極を備える。上記正極活物質は、正極形成の際に、そのまま用いてもよく、あるいは導電材との複合材料として用いてもよい。
好ましい一態様では、上記正極活物質を、導電材との複合材料として用いる。導電材としては、典型的には、各種炭素材を使用することができる。炭素材の具体例としては、アセチレンブラック（ＡＢ）等のカーボンブラック、カーボンファイバー等が挙げられる。かかる正極活物質−導電材複合材料は、粉末状にした上記正極活物質と導電材とを混合し、該混合物に適当な粉砕装置（例えばボールミル装置）を用いて粉砕処理を施すことによって形成することができる。この粉砕処理により、上記正極活物質の粒子表面に導電材が圧着され、該粒子表面に導電性の被膜が形成される。これにより、より均質で導電性に優れた正極活物質層が形成され得る。上記正極活物質を導電材との複合材料として用いる態様は、該複合材料を形成する際の粉砕過程で生じる摩擦熱によってメカノケミカル反応が起こり、上記正極活物質の製造工程で生じた不純物（例えば、未反応の出発原料や副反応生成物等）の残渣が分解され得るという利点を有する。粉砕処理の時間は、適宜選択すればよく、通常は１０時間以上とすることで不純物のほとんどが分解され得る。粉砕処理時間の上限は特に限定されないが、通常は２５時間程度とすることができる。
好ましい一態様では、上記粉砕処理後、得られた導電材が圧着された正極活物質をさらに再焼成する。かかる態様によると、不純物が分解された後に再焼成処理を施すことにより、正極活物質の純度および均質性がより向上し得る。例えば、上記粉砕処理によって結晶性が損なわれた場合でも、この再焼成処理により結晶性が復元され得る。再焼成は、正極活物質を焼成する際の温度と同程度の温度域（５００℃〜８００℃程度（好ましくは５５０℃〜７００℃程度、より好ましくは５５０℃〜６５０℃程度；例えば、６００℃程度））で実施することができる。再焼成する時間は特に限定されず、通常は１時間〜１０時間程度（好ましくは３時間〜６時間程度、より好ましくは４時間〜５時間程度）とすることができる。
ここに開示される二次電池の非水電解質（典型的には、常温において液状を呈する非水電解質、すなわち非水電解液）としては、非水溶媒（非プロトン性溶媒）中に支持塩を含むものが用いられる。支持塩としては、各種のリチウム塩、ナトリウム塩（例えば、リチウムイオン電池用電解質の支持塩として機能し得るリチウム塩のアニオンと、リチウムまたはナトリウムとの塩）を用いることができる。好ましいリチウム塩としては、ＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＡｓＦ６、Ｌｉ（ＣＦ３ＳＯ２）２Ｎ、ＬｉＣＦ３ＳＯ３等が例示される。好ましいナトリウム塩としては、ＮａＰＦ６、ＮａＢＦ４、ＮａＣｌＯ４、ＮａＡｓＦ６、Ｎａ（ＣＦ３ＳＯ２）２Ｎ、ＮａＣＦ３ＳＯ３等が例示される。これら支持塩は、一種のみを単独で、または二種以上を組み合わせて用いることができる。通常は、一種または二種以上のリチウム塩のみ、あるいは一種または二種以上のナトリウム塩のみを採用することが好ましい。伝導性を高め充放電の効率を高くする観点からは、より伝導性の高いリチウム塩の使用が好ましい。特に好ましい例として、ＬｉＰＦ６が挙げられる。
なお、製造時には正極活物質としてＮａｘＭｎＰＯ４Ｆを使用しても、支持塩としてリチウム塩を用いた場合、Ｌｉ＋およびＮａ＋の伝導性の違いから、充電によるＮａ脱離後、放電時に正極活物質に吸蔵されるのは、主にリチウムであるものと考えられる。したがって、正極活物質としてＮａｘＭｎＰＯ４Ｆを用い、且つ支持塩としてリチウム塩を用いて構築された態様の二次電池では、初期充放電以降の正極活物質の組成は、Ｎａの一部がＬｉに置き換わった組成であり得る。また、かかる態様において正極活物質から放出されたＮａ＋は、負極活物質の種類（ナトリウム吸蔵性）にもよるが、そのほとんどが非水電解質中に存在し、以後の充放電には実質的に関与しないものと考えられる。したがって、該態様では、初期充電後の非水電解液は、支持塩に由来するＬｉ＋と、正極活物質に由来するＮａ＋とを含み得る。
ここに開示される二次電池の負極活物質は、支持塩の種類に応じて適宜選択することができる。
支持塩としてリチウム塩を用いた態様では、リチウムを吸蔵および放出可能な負極活物質の一種または二種以上を特に限定なく使用することができる。かかる負極活物質としては、従来からリチウムイオン二次電池に用いられる物質を用いることができる。好適な負極活物質として、少なくとも一部にグラファイト構造（層状構造）を含む粒子状の炭素材料（カーボン粒子）が例示される。いわゆる黒鉛質のもの（グラファイト）、難黒鉛化炭素質のもの（ハードカーボン）、易黒鉛化炭素質のもの（ソフトカーボン）、これらを組み合わせた構造を有するもののいずれの炭素材料も好適に使用され得る。なかでも特に、天然黒鉛等の黒鉛粒子を好ましく使用することができる。当該態様において使用可能な他の負極活物質として、金属リチウムが例示される。
支持塩としてナトリウム塩を用いた態様では、ナトリウムを吸蔵および放出可能な負極活物質の一種または二種以上を特に限定なく使用することができる。かかる負極活物質としては、ハードカーボン（ナトリウム吸蔵性のもの）、金属ナトリウム等が例示される。
本発明によると、ここに開示されるいずれかの正極活物質を含む二次電池が提供される。かかる二次電池の一実施形態について、電極体および非水電解液を角型形状の電池ケースに収容した構成の二次電池１００（図１）を例にして詳細に説明するが、ここに開示される技術はかかる実施形態に限定されない。すなわち、ここに開示される二次電池の形状は特に限定されず、その電池ケース、電極体等は、用途や容量に応じて、素材、形状、大きさ等を適宜選択することができる。例えば、電池ケースは、直方体状、扁平形状、円筒形状等であり得る。なお、以下の図面において、同じ作用を奏する部材・部位には同じ符号を付し、重複する説明は省略又は簡略化することがある。また、各図における寸法関係（長さ、幅、厚さ等）は実際の寸法関係を反映するものではない。
二次電池１００は、図１および図２に示されるように、捲回電極体２０を、非水電解液９０とともに、該電極体２０の形状に対応した扁平な箱状の電池ケース１０の開口部１２から内部に収容し、該ケース１０の開口部１２を蓋体１４で塞ぐことによって構築することができる。また、蓋体１４には、外部接続用の正極端子３８および負極端子４８が、それら端子の一部が蓋体１４の表面側に突出するように設けられている。
上記電極体２０は、長尺シート状の正極集電体３２の表面に正極活物質層３４が形成された正極シート３０と、長尺シート状の負極集電体４２の表面に負極活物質層４４が形成された負極シート４０とを、２枚の長尺シート状のセパレータ５０と共に重ね合わせて捲回し、得られた捲回体を側面方向から押圧して拉げさせることによって扁平形状に成形されている。
正極シート３０は、その長手方向に沿う一方の端部において、正極活物質層３４が設けられておらず（あるいは除去されて）、正極集電体３２が露出するよう形成されている。同様に、負極シート４０は、その長手方向に沿う一方の端部において、負極活物質層４４が設けられておらず（あるいは除去されて）、負極集電体４２が露出するように形成されている。そして、正極集電体３２の該露出端部に正極端子３８が、負極集電体４２の該露出端部には負極端子４８がそれぞれ接合され、上記扁平形状に形成された捲回電極体２０の正極シート３０または負極シート４０と電気的に接続されている。正負極端子３８，４８と正負極集電体３２，４２とは、例えば超音波溶接、抵抗溶接等によりそれぞれ接合することができる。
上記正極シート３０は、例えば、上記正極活物質−導電材複合材料を、結着剤および必要に応じて使用される追加の導電材（上記複合材料に含まれる導電材と同種の材料であってもよく、異なる材料であってもよい。）とともに適当な溶媒（例えば、Ｎ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）等の非水溶媒）に分散させて調製した正極ペーストを正極集電体３２に付与し、該組成物を乾燥させることにより好ましく作製することができる。あるいは、上記正極ペーストの代わりに、上記正極活物質をそのまま（上記複合材料化することなく）、導電材および結着剤とともに適当な溶媒に分散させて調製した正極ペーストを用いてもよい。正極活物質層３４に含まれる正極活物質の量は、例えば、５０〜９８質量％（好ましくは７０〜９０質量％）程度とすることができる。正極活物質層３４に含まれる導電材の量（正極活物質−導電材複合材料を用いる場合には、該複合材料に含まれる導電材と、必要に応じて用いられる追加の導電材との合計量）は、例えば、１〜４０質量％（好ましくは５〜３０質量％、例えば１０〜２５質量％）程度とすることができる。
正極形成用の結着剤としては、各種ポリマーから適宜選択して用いることができる。一種のみを単独で用いてもよいし、二種以上を組み合わせて用いてもよい。例えば、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリ塩化ビニリデン（ＰＶＤＣ）等の、油溶性ポリマー；カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）等の、水溶性ポリマー；ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、酢酸ビニル共重合体、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）等の、水分散性ポリマー；等が挙げられる。正極活物質層３４に含まれる結着剤の量は、適宜選択すればよく、例えば、１〜１０質量％程度とすることができる。
正極集電体３２としては、導電性の良好な金属からなる導電性部材が好ましく用いられる。例えば、アルミニウムまたはアルミニウムを主成分とする合金を用いることができる。正極集電体３２の形状は、二次電池の形状等に応じて異なり得るため、特に制限はなく、棒状、板状、シート状、箔状、メッシュ状等の種々の形態であり得る。本実施形態のように捲回電極体２０を備えた二次電池１００では、シート状のアルミニウム製の正極集電体３２（例えば、厚みが１０μｍ〜３０μｍ程度のアルミニウムシート）を好ましく使用し得る。
負極シート４０は、例えば、上述のように適宜選択した負極活物質を、必要に応じて結着剤等とともに適当な溶媒に分散させて調製した負極ペーストを負極集電体４２に付与し、該組成物を乾燥させることにより好ましく作製することができる。負極活物質層４４に含まれる負極活物質の量は、適宜選択すればよく、例えば、９０〜９９．５質量％程度とすることができる。
負極形成用の結着剤としては、上記正極形成用の結着剤と同様のものを、一種のみ単独で、または二種以上を混合して用いることができる。負極活物質層４４に含まれる結着剤の量は、適宜選択すればよく、例えば、０．５〜１０質量％程度とすることができる。
負極集電体４２としては、導電性の良好な金属からなる導電性部材が好ましく用いられる。例えば、銅または銅を主成分とする合金を用いることができる。また、負極集電体４２の形状は、二次電池の形状等に応じて異なり得るため、特に制限はなく、棒状、板状、シート状、箔状、メッシュ状等の種々の形態であり得る。本実施形態のように捲回電極体２０を備える二次電池１００では、シート状の銅製の負極集電体４２（厚みが６μｍ〜３０μｍ程度の銅製シート）を好ましく使用し得る。
非水電解液９０は、適宜選択した上記支持塩（支持電解質）を非水溶媒に溶解させることにより調製することができる。上記非水溶媒としては、一般的な二次電池に用いられる溶媒を適宜選択して使用することができる。特に好ましい非水溶媒として、エチレンカーボネート（ＥＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、ビニレンカーボネート（ＶＣ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）等のカーボネート類が例示される。これらの非水溶媒は、一種のみを単独で、または二種以上を混合して用いることができる。例えば、ＥＣ，ＤＭＣ，ＥＭＣの混合溶媒を好ましく使用することができる。非水電解液９０の支持塩濃度は、例えば、０．７〜１．３ｍｏｌ／Ｌ程度の範囲にあることが好ましい。
上記セパレータ５０は、正極シート３０および負極シート４０の間に介在する層であって、典型的にはシート状をなし、正極シート３０の正極活物質層３４と、負極シート４０の負極活物質層４４にそれぞれ接するように配置される。そして、正極シート３０と負極シート４０における両電極活物質層３４，４４の接触に伴う短絡防止や、該セパレータ５０の空孔内に上記電解液を含浸させることにより電極間の伝導パス（導電経路）を形成する役割を担っている。かかるセパレータ５０としては、従来公知のものを特に制限なく使用することができる。例えば、樹脂からなる多孔性シート（微多孔質樹脂シート）を好ましく用いることができる。ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリスチレン等の多孔質ポリオレフィン系樹脂シートが好ましい。特に、ＰＥシート、ＰＰシート、ＰＥ層とＰＰ層とが積層された多層構造シート（例えば、ＰＰ／ＰＥ／ＰＰ三層シート）等を好適に使用し得る。セパレータの厚みは、例えば、凡そ１０μｍ〜４０μｍの範囲内で設定することが好ましい。
上述のとおり、ここに開示されるいずれかの二次電池は、資源量の豊富なＭｎを主な遷移金属元素とするリン酸マンガン化合物を正極活物質として含む構成であることから、例えば車両用等、よりコスト性が重要となる大容量電池に好ましく採用され得る。したがって、本発明によると、図３に示されるように、ここに開示されるいずれかの二次電池１００を備えた車両１が提供される。特に、かかる二次電池を動力源（典型的には、ハイブリッド車両または電気車両の駆動電源）として備える車両（例えば自動車）が好ましい。
以下、本発明に関するいくつかの実施例を説明するが、本発明をかかる実施例に示すものに限定することを意図したものではない。なお、以下の説明において「部」および「％」は、特に断りがない限り質量基準である。
≪正極活物質−導電材複合材料の調製および評価用ハーフセルの構築≫
＜例１＞
Ｍｎ源としての酢酸マンガン・４水和物（（ＣＨ３ＣＯＯ）２Ｍｎ・４Ｈ２Ｏ）７．２７９ｇ（３０ｍｍｏｌ）を純水２０ｍＬに溶解し、これをジエチレングリコール（ポリオール溶媒）１６０ｍＬとともに適当な攪拌装置に投入し、１８０℃で１時間攪拌した。褐色に変化して若干の析出物が認められる反応混合物に、リン酸源としてのリン酸２水素アンモニウム（ＮＨ４Ｈ２ＰＯ４）３．４５０９ｇ（３０ｍｍｏｌ）を純水２０ｍＬに溶解させて調製した水溶液を加え、１８０℃でさらに３時間攪拌した。白色粉末が析出した反応混合物に、Ｎａ源およびＦ源としてのフッ化ナトリウム（ＮａＦ）１．２６ｇ（３０ｍｍｏｌ）およびＮａ源としての酢酸ナトリウム２．４６ｇ（３０ｍｍｏｌ）を純水６０ｍＬに溶解させて調製した水溶液をさらに投入した。これを１８０℃でさらに１５時間攪拌した。この反応混合物から、遠心分離機を用いて生成物（中間体）を分離し、１８０℃で乾燥させた。これを、Ａｒ雰囲気中において、３００℃で３時間仮焼成し、得られた仮焼成体を解砕した後、さらに６００℃で５時間本焼成し、ＭｎとＮａとの組成比Ｍｎ：Ｎａが１．０：２．０のフッ素含有リン酸マンガン化合物を得た。
得られたフッ素含有リン酸マンガン化合物をＳＥＭにより観察したところ、板状の粒子形状を有することが確認された。上記板状粒子の平均厚さは９０ｎｍ（計測粒子数：５個）であり、平均粒径は１μｍ（計測粒子数：２０個）であった。
上記で得られたフッ素含有リン酸マンガン化合物（正極活物質）をボールミル装置に投入して３時間粉砕した。ここに、炭素材（導電材）としてのカーボンブラックを、正極活物質と炭素材との比が８０：２０となるように投入し、さらに２１時間粉砕して、正極活物質粒子表面に炭素材が圧着された複合粉末を得た。この複合粉末を、６００℃のアルゴン雰囲気下で５時間焼成し、得られた焼成体を粉砕して、平均粒径が０．２μｍ（計測粒子数：２０個）の正極活物質−炭素複合材料を得た。この複合材料のＳＥＭ観察により、板状の粒子径状が維持されていることが確認された。
上記複合材料と、導電助剤（追加の導電材）としてのアセチレンブラックと、結着剤としてのＰＶＤＦとを、これらの比が７５：２０：５となるようにＮＭＰに分散・混練して正極ペーストを得た。この正極ペーストを厚さ１５μｍの長尺状アルミニウム箔の片面に塗付し、乾燥後圧延して、理論容量（各組成式に含まれる２個のＮａ＋を全て放出させたときの容量）が２５０ｍＡｈ／ｇの正極シートを得た。
直径１６ｍｍの円形に打ち抜いた上記正極シート（作用極）と、負極（対極）としての金属リチウム箔（直径１９ｍｍ、厚さ０．０２ｍｍ）と、セパレータ（直径２２ｍｍ、厚さ０．０２ｍｍのＰＰ／ＰＥ／ＰＰ三層多孔質シート）とを、非水電解液とともにステンレス製容器に組み込んで、図４に示す概略構造を有する２０３２型（直径２０ｍｍ、厚さ３．２ｍｍ）の評価用コインセル６０を構築した。図４中、符号６１は正極（作用極）を、符号６２は負極（対極）を、符号６３は電解液の含浸したセパレータを、符号６４はガスケットを、符号６５は容器（負極端子）を、符号６６は蓋（正極端子）をそれぞれ示す。非水電解液としては、１ｍｏｌ／ＬのＬｉＰＦ６溶液（ＥＣ：ＤＭＣ：ＥＭＣ＝３：４：３の混合溶媒）を使用した。
＜例２＞
酢酸ナトリウムの使用量を２．７１ｇ（３３ｍｍｏｌ）とした他は、例１と同様にして、ＭｎとＮａとの組成比Ｍｎ：Ｎａが１．０：２．１のフッ素含有リン酸マンガン化合物を得た。この化合物をＳＥＭ観察したところ、平均粒径０．９μｍ、平均厚さ８０ｎｍの板状粒子であることが確認された。これを正極活物質として用いた他は例１と同様にして、本例に係る評価用コインセルを構築した。
＜例３＞
酢酸ナトリウムの使用量を２．９５ｇ（３６ｍｍｏｌ）とした他は、例１と同様にして、ＭｎとＮａとの組成比Ｍｎ：Ｎａが１．０：２．２のフッ素含有リン酸マンガン化合物を得た。この化合物をＳＥＭ観察したところ、平均粒径０．９μｍ、平均厚さ９０ｎｍの板状粒子であることが確認された。これを正極活物質として用いた他は例１と同様にして、本例に係る評価用コインセルを構築した。
＜例４＞
酢酸ナトリウムの使用量を１．９７ｇ（２４ｍｍｏｌ）とした他は、例１と同様にして、ＭｎとＮａとの組成比Ｍｎ：Ｎａが１．０：１．８のフッ素含有リン酸マンガン化合物を得た。この化合物をＳＥＭ観察したところ、平均粒径０．８μｍ、平均厚さ９０ｎｍの板状粒子であることが確認された。これを正極活物質として用いた他は例１と同様にして、本例に係る評価用コインセルを構築した。
＜例５＞
酢酸ナトリウムの使用量を４．９２ｇ（６０ｍｍｏｌ）とした他は、例１と同様にして、ＭｎとＮａとの組成比Ｍｎ：Ｎａが１．０：３．０のフッ素含有リン酸マンガン化合物を得た。これを正極活物質として用いた他は例１と同様にして、本例に係る評価用コインセルを構築した。
≪正極活物質の結晶性評価≫
各例に係る正極活物質−導電材複合材料のサンプル（初期充電前）につき、Ｘ線回折装置（株式会社リガク製、型式「Ｕｌｔｕｍａ ＩＶ」）を用いてＸ線回折パターンを測定した。得られたＸ線回折チャートを分析したところ、例１〜４では、いずれもＮａ２ＭｎＰＯ４Ｆの回折ピークがはっきりと確認された。一方で、例５では、Ｎａ２ＭｎＰＯ４Ｆの回折ピークが著しく弱くなっていた。これらの結果は、例５に係る正極活物質は、初期充電前の段階で既に結晶度が著しく低かった（空間群Ｐ１２１／ｎ１の結晶構造ができなかった）ことを示している。例２および例５の回折パターンを図５に示す。このチャートにおける縦軸は、回折強度を示すものではない。
≪放電容量の測定≫
本測定用に構築した各コインセルを、温度６０℃の環境下、１／２０Ｃ（１Ｃは、１時間で満充放電可能な電流値）のレートで両端子間の電圧が４．６Ｖとなるまで充電した。次いで、同じレートにて、両端子間の電圧が３．０Ｖとなるまで放電させ、この時の放電容量（ｍＡｈ／ｇ）を測定した。これらの結果を表１に示す。
Figure 0005818086
表１に示されるとおり、Ｎａの組成比ｘが２．１であるリン酸マンガン化合物を正極活物質として用いた例２は、ｘが２．０以下である例１，４と比べ、著しく高い放電容量を示した。一方で、ｘが２．２である例３は、ｘ＝２．０（例１）と比べて放電容量が若干低下する結果となった。これは、過剰のＮａの一部が充放電に関与しない副生成物成分として存在し、これが抵抗上昇等を引き起こすなどして、結晶構造の維持性向上による電池性能の向上効果を一部相殺したためと考えられる。
これに対し、ｘが３．０である例５では、副生成物成分として含まれるＮａの量が多すぎたことにより、上記結晶性評価結果のとおり正極活物の結晶度が初期充電前に既に低いものであったため、放電容量が顕著に低下する結果となったものと思われる。
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
１ 車両
２０ 捲回電極体
３０ 正極シート
３２ 正極集電体
３４ 正極活物質層
３８ 正極端子
４０ 負極シート
４２ 負極集電体
４４ 負極活物質層
４８ 負極端子
５０ セパレータ
６０ コインセル
９０ 非水電解液
１００ 二次電池

Claims (7)

  1. 正極活物質を有する正極と、
    負極活物質を有する負極と、
    支持塩を含む非水電解質と、を備え、
    前記正極活物質として、次の一般式（Ｉ）：
    ＮａｘＭｎＰＯ４Ｆ （Ｉ）
    （ここで、ｘは２．０２＜ｘ≦２．５０を満たす。）；
    で表されるリン酸マンガン化合物を用いて構築された、二次電池。
  2. 前記一般式（Ｉ）中のｘが２．０２＜ｘ＜２．２０である、請求項１に記載の二次電池。
  3. 前記リン酸マンガン化合物の粒子形状が、ｂ軸方向に偏平な板状である、請求項１または２に記載の二次電池。
  4. 次の一般式（Ｉ）：
    ＮａｘＭｎＰＯ４Ｆ （Ｉ）
    （ここで、ｘは、２．０２＜ｘ≦２．５０を満たす。）；
    で表されるリン酸マンガン化合物を用意する工程；
    前記リン酸マンガン化合物を正極活物質として備えた正極を作製する工程；および、
    その正極と非水電解質とを用いて二次電池を構築する工程；
    を包含する、二次電池製造方法。
  5. 前記リン酸マンガン化合物を用意する工程は：
    ナトリウム源、マンガン源、リン酸源およびフッ素源を包含する出発原料を、金属キレート形成性官能基を含む溶媒中で混合して原料混合液を調製する工程；
    前記原料混合液を加熱して前駆体を得る工程；および、
    前記前駆体を所定温度で焼成する工程；
    を包含する、請求項４に記載の製造方法。
  6. 前記金属キレート形成性官能基は、水酸基、カルボニル基およびエーテル基からなる群から選択される少なくとも一種の官能基である、請求項５に記載の製造方法。
  7. 前記溶媒はポリオール溶媒である、請求項５または６に記載の製造方法。
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