JP5836601B2 - 非水電解質二次電池 - Google Patents
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Description
このような非水電解質二次電池は、小型の携帯電話やノートパソコン等に用いられる非水電解質電池以上に、長時間の使用に耐えうる特性や、万が一の事故時にも発火や爆発の危険性の低い性質が求められている。
一方、カーボンやSi系合金負極、Li2.6Co0.4Nの様なLiイオンの吸蔵及び放出電位がポリアニオン系化合物の充放電終止電位外の材料や、ZrO、Al2O3などのLiイオンの吸蔵及び放出を行わない材料は容量向上に寄与できないため被覆材料として用いることができない。
被覆材料の一次粒子径は10nm以上1μm以下である。
被覆粒子径とコア粒子径の大小関係は常にコア粒子>被覆粒子の関係を満たすことが好ましく、表面を均一に被覆する点から被覆粒子径はコア粒子径の1/10以下であることがより好ましい。
被覆後の正極材料の平均二次粒子径は500nm以上20μm以下である。
実施形態の正極の導電剤は、例えば、アセチレンブラック、カーボンブラック、黒鉛等を挙げることができる。
実施形態の正極の結着剤は、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、フッ素系ゴム、エチレンブタジエンゴム(SBR)、カルボキシメチルセルロースなどを挙げることができる。
コア粒子となるポリアニオン系化合物の合成方法は特に限定されるものではない。この合成方法としては、例えば、固相法、液相法、ゾル−ゲル法と水熱法等が挙げられる。例えば、LiFePO4の粒子は以下の様な方法によって製造することができる。
例えばLi源、Fe源、P源を概ねLi:Fe:P=1:1:1となるモル比で含有する前駆体水溶液を加熱下で撹拌し、乾燥、焼成すればよい。Li源として水酸化リチウム、Fe源として、硫酸鉄・7水和物、P源として、オルトリン酸など、従来公知のものを例えば用いることができる。
実施形態の負極活物質としては、例えば、リチウムチタン複合酸化物とリチウム複合酸化物の混合物が挙げられる。
実施形態の負極の導電剤としては、通常、炭素材料が使用される。この導電剤は、例えば、アセチレンブラック、カーボンブラック等を挙げることができる。
実施形態の負極の結着剤としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、フッ素系ゴム、エチレンブタジエンゴム(SBR)、カルボキシメチルセルロースなどを挙げることができる。
実施形態のセパレータは、正極及び負極が接触するのを防止する為のものであり、絶縁性材料で構成される。さらに正極及び負極の間を電解質が移動可能な形状のものが使用される。具体的には、例えば、合成樹脂製不織布、ポリエチレン多孔質フィルム、ポリプロピレン多孔質フィルムあるいはセルロース系のセパレータが挙げられる。
また、このセパレータと併せて又はセパレータとして、実施形態のゲル状電解質又は固体電解質を層状にしたものを用いてもよい。
正極材料としてまず、コア粒子となるリン酸鉄リチウム酸化物(LiFePO4)を固相法により作製した。コア粒子の材料として、シュウ酸鉄・2水和物(FeC2O4・2H2O)、リン酸2水素アンモニウム(NH4H2PO4)、炭酸リチウム(Li2CO3)をそれぞれモル比で、1:1:0.5の比率で混合し、窒素雰囲気下、温度700度で2時間の焼成を行った。得られた化合物がリン酸鉄リチウム酸化物(LiFePO4)であることをICP−OESで確認した。また、XRDにより、Fe2P不純物相がリン酸鉄リチウム酸化物(LiFePO4)に無いことを確認した。SEMで観察して平均一次粒子径が1μm程度であることを確認した。
負極活物質として粉末のスピネル型リチウムチタン酸化物(Li4Ti5O12)を85質量部と、導電剤としてグラファイト5質量部とアセチレンブラック3質量部と、結着剤としてPVdFを5質量部とを混合した負極合剤をNMPに加え、厚さ15μmのアルミ箔(集電体)に塗布した。正極合剤を塗布したアルミ箔を乾燥後、プレス処理をして負極を作製した。
セパレータとして、ポリエチレン製多孔質フィルム及びセルロースからなるセパレータを用いた。
エチレンカーボネートとジエチルカーボネートを体積比で1:2の割合で混合した混合溶媒に六フッ化リン酸リチウムを1.0mol/l溶解して非水電解溶液を調整した。
作製した電極群と調整した非水電解質溶液をステンレス製の有底円筒状容器内にそれぞれ収容して円筒型非水電解質二次電池を組み立てた。なお、組み立てた二次電池の全体の容量が1000mAhになるように、正極及び負極塗布量を調整した。
結果を表1に記載した。
正極材料の作製において、表1に記載の比率でLiFePO4とLiCoO2を調整して製造したこと以外は実施例1と同様である。
正極材料の作製において、LiFePO4と表1に記載の被覆材料を質量比で100:6となるように調整して製造したこと以外は実施例1と同様である。
正極材料の作製において、表1に記載のコア粒子を用いて、コア粒子と被覆材料の質量比が100:6となるようにして製造したこと以外は実施例1と同様である。
正極材料の作製において、表1に記載のコア粒子を用いて、コア粒子と被覆材料の質量比が100:1〜4となるようにして製造したこと以外は実施例1と同様である。
正極材料の作製において、表1に記載したコア粒子を用い、被覆材料によるコア粒子への被覆工程を省略したこと以外は実施例1と同様である。
正極材料の作製において、表1に記載した被覆材料を用い、表1に記載した比率で製造したこと以外は実施例1と同様である。
正極材料の作製において、表1に記載したコア粒子と被覆材料を用い、表1に記載した比率で、被覆工程を省略し、混合して製造したこと以外は実施例1と同様である。
比較例7−9に見られるように被覆量を増加させると、更に電子伝導性が改善し、理論容量に対する放電容量の比率が増加するが、カーボンが充放電に寄与しないため、理論容量そのものの減少が起こる。比較例9では、被覆されたカーボン込みの理論容量は160mAh/gまで減少する。結果、カーボン被覆量を増加させることで、放電容量が減少している。一方、実施例1−12、参考例1においては、被覆部が充放電に寄与するため被覆量を増やしても、理論容量がほぼ減少せず、その結果高い放電容量が得られた。特に実施例10に見られるようにコア粒子となるLiFePO4よりも高い理論容量を持つ材料を被覆することで、電子伝導性の改善効果と共に理論容量も向上し、高い放電容量が得られることが分かった。
2…絶縁体
3…電極群
4…正極
5…セパレータ
6…負極
Claims (5)
- 正極材料と、導電剤と、結着剤とを含む正極と、
負極と、
セパレータと、
非水電解質とを含有し、
前記正極材料は、コア粒子と、前記コア粒子の表面の10%以上90%以下を被覆する被覆材料を含有し、
前記コア粒子は、LiaMbPO4(MはFe、Mn、CoとNiの中から選ばれる少なくとも1種類の元素であり、0<a≦1.1、0<b≦1を満たす。)で表された化合物であり、
前記被覆材料は前記コア粒子が充放電時にとる電位範囲内に、Liイオンの吸蔵及び放出をする化合物であって、Li(NixCoyMnz)O2、Li(NixCoyAlz)O2とLiVO2(x≧0、y≧0、z≧0、x+y+z=1を満たす。)の中から選ばれる少なくとも1種以上の化合物であることを特徴とする非水電解質二次電池。 - 前記被覆材料の充電終止電位が、前記コア粒子の充電プラトー電位以上であることを特徴とする請求項1に記載の非水電解質二次電池。
- 前記被覆材料は、前記コア粒子と前記被覆材料の合計質量に対して1質量%以上15質量%以下であることを特徴とする請求項1に記載の非水電解質二次電池。
- 前記被覆材料は、前記コア粒子と前記被覆材料の合計質量に対して3質量%以上10質量%以下であることを特徴とする請求項1に記載の非水電解質二次電池。
- 前記被覆材料の電子伝導性が10−6S/cm以上であることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の非水電解質二次電池。
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