JP5826653B2 - 非水電解質二次電池用正極活物質およびそれを用いた非水電解質二次電池 - Google Patents
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Description
以上から明らかなように、本明細書に開示された技術に係るリチウムニッケル複合酸化物は、容量密度が高く、充放電サイクル特性および熱安定性に優れている。したがって、本明細書に開示された技術に係るリチウムニッケル複合酸化物を正極活物質として用いることにより、エネルギー密度が高く、寿命も長く、しかも安全性に優れた非水電解質二次電池を提供することが可能となる。特に、安全性向上に大きく寄与することから、大型の非水電解質二次電池の正極活物質として極めて有用である。さらに、現在多く用いられているリチウムコバルト複合酸化物に比べて、高価なコバルトの含有量が少なく、コスト低減に繋がり、その利用価値は極めて高いものといえる。
正極活物質の出発原料として、組成式Ni1-b-cCobMncCO3(0<b<1、0<c<1)で表され、b、cの各組成を0.1単位で変化させた混合炭酸塩と水酸化リチウムを混合し、酸素雰囲気下、800℃で24時間焼成した後、粉砕し、組成式LiaNi1-b-cCobMncO2(0.9<a<1.1、0<b<1、0<c<1)で表されるリチウムニッケル複合酸化物(試験例1〜36)を得た。粉末X線回折による分析の結果、これらの複合酸化物の多くが六方晶構造を有することを確認した。これらの複合酸化物の組成をICP発光分光法で定量分析し、その結果を複合酸化物の組成式として表1に示す。
上記正極活物質87重量%、アセチレンブラック5重量%、ポリフッ化ビニリデン8重量%を混合してなる正極合剤に、N−メチル−2ピロリドンを添加し、粘性体を調整した。この粘性体を多孔度90%の発泡アルミニウムに充填し、150℃で真空乾燥させ、溶媒であるN−メチル−2ピロリドンを完全に揮発させ、加圧成形した。
(正極活物質の放電容量測定)
この試験電池を、1.0mA/cm2の電流で4.3V(対リチウム金属)の電位まで充電した後、1.0mA/cm2の電流で3.0Vの電位まで放電したときの放電容量を測定し、正極活物質1g当たりの容量密度を算定した。評価結果を表1に示す。
正極の出発原料として組成式Ni0.55Co0.15Mn0.30Co3で表される混合炭酸塩と、この混合炭酸塩に対してモル比で1.05および1.1の水酸化リチウムを混合し、酸素雰囲気下、800℃、900℃および1000℃と温度を変化させ、24時間焼成した後、粉砕し、6種類のリチウムニッケル複合酸化物(試験例38〜43)を得た。これらの複合酸化物について、ICP発光分光でリチウムニッケル複合酸化物中のリチウムのモル比を定量した結果を、表2に示す。
上記のリチウムニッケル複合酸化物についてCuKα線による粉末X線回折を実施し、(101)面の回折ピーク強度I101、(012)面の回折ピーク強度I012および(006)面の回折ピーク強度I006を求め、(I012+I006)/I101で定義される強度比Rを算定した。また、レーザー回折散乱法で測定される粒子の体積分布を測定し、50%の体積に該当する平均粒子径D50を求めた。そして、N2ガス吸着法によるBET表面積を測定した。
前述したと同様の方法により正極を作製し、これを用いて試験電池を構成した。
この試験電池を、1.0mA/cm2の電流で4.3V(対リチウム金属)の電位まで充電した後、1.0mA/cm2の電流で3.0Vの電位まで放電したときの放電容量を測定した。そして、この条件で充放電を繰り返し、50サイクル充放電させた後の放電容量を求め、これを初期の放電容量で除した容量保持率を算定した。この容量保持率と前記のLi元素の組成比a、回折ピーク強度比R、平均粒子径D50、BET表面積との関係を、それぞれ図4、図5、図6および図7にプロットして示す。
前記と同様の方法により、ニッケルの組成比(1−b−c)が0.5〜0.6の範囲に入るリチウムニッケル複合酸化物LiNi0.55Co0.35Mn0.10O2(試験例44)、LiNi0.55Co0.25Mn0.20O2(試験例45)、LiNi0.55Co0.15Mn0.30O2(試験例46)を作製した。
熱安定性試験用の試料の作製手順は、次によった。試験例44〜46及び試験例37の正極活物質94重量%、アセチレンブラック2重量%、ポリフッ化ビニリデン4重量%を混合して正極合剤とし、これにN−メチル−2ピロリドンを添加して粘性体を調整した。この粘性体をアルミニウム箔に塗布して、150℃で真空乾燥させ、溶媒であるN−メチル−2ピロリドンを完全に揮発させた。そして、電極面積が3cm2で電極多孔度が30%になるようにロールプレスした後、これを正極とし、対極および参照極にリチウム金属を用い、電解液に1MのLiPF6を含むエチレンカーボネートとジエチルカーボネートとの混合溶液を用いて、試験電池を作製した。
LiNi0.55Co0.35Mn0.10O2(試験例44)、LiNi0.55Co0.25Mn0.20O2(試験例45)、LiNi0.55Co0.15Mn0.30O2(試験例46)、LiCoO2(試験例37)の正極活物質を用いて大型電池を作製した。この電池は、図1に示すような設計容量10Ahの長円筒形の非水電解質二次電池である。正極は、前掲の正極活物質とポリフッ化ビニリデンとアセチレンブラックとを混合し、これにNMPを加えてペースト状とし、さらにアルミニウム箔上に塗布、乾燥して正極合剤層を形成させて作製した。負極は、炭素材料(黒鉛)とポリフッ化ビニリデンとを混合し、これにNMPを加えてペースト状とし、さらに銅箔上に塗布、乾燥して負極合剤層を形成させて作製した。このようにして作製した帯状の正極と負極とを、図2に示すように、セパレータを介して長円形状に巻回して電極群を構成した後、この電極群を長円筒形の有底アルミニウム容器に挿入し、さらに、電極群の巻芯部に充填物をつめた後、電解液を注液し、レーザー溶接にて容器と蓋とを封口溶接した。
(大型電池の安全性試験[釘刺し試験])
上記のようにして作製した設計容量10Ahの大型電池を用い、充電後、SBA G1101記載の方法に準じて釘刺し試験を行った。その結果を表4に示す。
2 電極群
2a 正極
2b 負極
2c セパレータ
3 電池ケース
3a 電池ケースのケース部
3b 電池ケースの蓋部
4 正極端子
5 負極端子
6 安全弁
7 電解液注入口
Claims (8)
- 六方晶構造を有し、ニッケル、マンガン、コバルトの組成比が、Ni1-b-cCobMncO2で表され、ニッケルの組成比(1−b−c)、コバルトの組成比bおよびマンガンの組成比cとの関係を示す三角相図において、(1−b−c,b,c)が、点A(0.83,0.09,0.08)、点B(0.71,0.20,0.09)、点C(0.61,0.30,0.09)、点D(0.52,0.39,0.09)、点E(0.41,0.49,0.10)、点F(0.29,0.60,0.11)、点G(0.20,0.70,0.10)、点H(0.19,0.61,0.20)、点I(0.28,0.42,0.30)、点J(0.41,0.30,0.29)、点K(0.51,0.20,0.29)、点L(0.62,0.09,0.29)、及び点M(0.73,0.09,0.18)を頂点とする多角形ABCDEFGHIJKLMの線上又は内部に存在する範囲の値で表され、
CuKα線によるX線回折で(012)面の回折ピーク強度I012と(006面)の回折ピーク強度I006との合計強度の、(101)面の回折ピーク強度I101に対する強度比R[=(I012+I006)/I101]が0.42〜0.50の範囲にあるリチウム遷移金属複合酸化物を含む非水電解質二次電池用正極活物質(但し、Li 1-p Ni 1-q-r-s Mn q Co r M s O 2 (M:微量添加元素) において、−0.15≦p≦0.10、0.02≦q≦0.45、0≦r≦0.50、0≦s≦0.20である場合を除く)。 - 前記bと前記cが、0.05≦b≦0.25、0.2≦c≦0.35、0.25≦b+c≦0.55である請求項1に記載の非水電解質二次電池用正極活物質。
- 前記リチウム遷移金属複合酸化物は、前記強度比Rが0.42〜0.489の範囲にある請求項1または請求項2に記載の非水電解質二次電池用正極活物質。
- 前記リチウム遷移金属複合酸化物は、平均粒子径D50が4〜25μmの範囲にある請求項1ないし請求項3のいずれか一項に記載の非水電解質二次電池用正極活物質。
- 前記リチウム遷移金属複合酸化物は、BET表面積が0.2〜1.5m2/gの範囲にある請求項1ないし請求項4のいずれか一項に記載の非水電解質二次電池用正極活物質。
- 前記リチウム遷移金属複合酸化物の組成式はLiaNi1-b-cCobMncO2で表され、0.9<a<1.1である請求項1ないし請求項5のいずれか一項に記載の非水電解質二次電池用正極活物質。
- 前記aが、1.02≦a≦1.09である請求項6に記載の非水電解質二次電池用正極活物質。
- 請求項1ないし請求項7のいずれか一項に記載の非水電解質二次電池用正極活物質を含む正極と、負極と、非水電解質と、を含む非水電解質二次電池。
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