JP5995094B2 - リチウムイオン二次電池およびその製造方法 - Google Patents
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Description
一方で、近年のリチウムイオン二次電池の利用拡大に伴い、用途によって様々な性能の向上が望まれている。例えば、自動車等のように、低温の0℃程度から60℃程度の高温環境下での使用が想定される用途では、かかる使用態様においても優れた出力特性を発揮させることが求められている。高温環境下でも優れた出力特性を得る目的で、電解液中に添加剤を添加する構成が、特許文献2に記載されている。
このように一次粒子の表面に偏ってWが存在している正極活物質では、上記FPO塩を含む非水電解液の使用との組み合わせが特に有意義である。すなわち、FPO塩により正極活物質の表面に形成される皮膜の存在により、Wの溶出がより一層効果的に抑制されており、表面に偏在するWが長期に亘ってより有効に作用し得るためである。
LiaNibCocMndWxO2 …(1)
ここで、式(1)中、a×b×c×d≠0,0.9≦a≦1.2,b+c+d≦1,(b+c+d):x=1:0.001〜1:0.015である。
かかる構成のリチウム遷移金属酸化物によると、いわゆる三元系のリチウム遷移金属酸化物に固溶させるWを適正な量とすることができ、Wの過剰な使用による弊害(背反)をよりよく抑制し得る。
上記の通り、かかるリチウムイオン二次電池は、Wを含む正極活物質と、FPO塩を含む非水電解質との使用により、正極活物質からのWの溶出が長期に亘って抑制され得る。例えば、表面から20nmの深度におけるタングステン(W)の割合が上記の範囲に維持されて、反応抵抗を低減する効果に関する耐久性が高められたものであり得る。
非水電解質に少なくとも含まれるジフルオロビスオキサラトホスフェート塩は、リチウムイオン二次電池の充放電処理(例えば、電池の構築後に行われるコンディショニング処理)によって、正極の表面に皮膜を形成し得る。かかる皮膜は、正極活物質の表面のWに働きかけ、フッ酸や電位等の影響によってWが正極活物質から溶出するのを効果的に抑制する効果があると考えられる。Wは、正極の反応抵抗を決めるとされるリチウムイオンの溶媒和エネルギーを低減させると考えられるため、正極における反応抵抗の低減により一層の効果を発揮し得る。すなわち、出力特性に優れ、充放電による性能劣化の抑制されたリチウムイオン二次電池が提供される。
このようなFPO塩は、公知の方法により作成することができ、あるいは市販品の購入等により入手することができる。通常は、無機カチオン(例えばアルカリ金属のカチオン)との塩として好適に入手することができる。ここに開示される電解液添加剤の好適例としては、リチウムジフルオロビスオキサラトホスフェート(LiPF2(C2O4)2:以下、単に「LPFO」と記す場合がある。)が挙げられる。
したがって、ここに開示されるリチウムイオン二次電池は、適当なコンディショニング処理が施された後や、電池の使用開始後においては、その非水電解液中の上記添加剤の一部または実質的に全部に近い量が電気分解された状態であり得る。すなわち、その非水電解液は上記PFO塩をごく微小量のみ含む組成であったり、実質的にほぼ含まない組成のものであり得る。かかる場合、電池を組み立てる時点における非水電解液の添加剤として少なくとも含まれていたPFO塩は、正極表面の皮膜成分(例えば、上記式(2)中のリン「P」やフッ素「F」等)としてその存在を確認することも可能である。
LiaNibCocMndWxM1 yO2 ・・・(2)
であり得る。ここで、M1は、Al,Zr,Nb,Cr,Fe,V,Ti,Mo,Cu,Zn,Ga,In,Sn,La,Ce,Ca,MgおよびNaから選択される一種または二種以上の元素であり、好ましくは、0<M1≦0.05であり得る。なお、a,b,c,d,xの値は上記のとおりである。すなわち、上記の元素M1が固溶、拡散等によりさらに含まれた形態であり得る。
なお、上記方法を採用することにより、正極活物質の調製(製造)時にその粒子表面に付着したリチウム源(例えば炭酸リチウム等)や他の化合物等の影響を受けずに、正極活物質の粒子表面付近における元素組成を分析することができる。正極活物質粒子のエッチングは、例えば、後述する実施例中に記載される方法等により実施することができる。
ここで、Wが「一次粒子表面に偏って存在する」とは、一次粒子の内部に比べて、一次粒子の表面(粒子の粒界であり得る)に集中してWが分布していることを意味する。したがって、Wが粒界のみに存在する(換言すれば、一次粒子の内部には全くあるいは略存在しない)態様のみを意味するものではない。Wが一次粒子の表面に偏って存在していることは、例えば、活物質粒子(一次粒子および二次粒子のいずれであってもよい。)についてエネルギー分散型X線分光法(EDX: Energy Dispersive X−ray Spectroscopy)を用いてWの分布をマッピングし、そのマッピング結果においてWが粒界に集中して存在する(一次粒子の内部に比べて粒界では面積当たりのW存在量が多い)様子が認められることにより把握することができる。上記粒界(一次粒子の表面)の位置は、例えば、正極活物質粒子の断面の透過型電子顕微鏡(TEM)観察により把握することができる。EDXを備えたTEMを好ましく使用し得る。上記正極活物質は、同時に、EDX画像観察により、粒界(一次粒子表面)においてはWの元素分布に顕著な偏差(凝集塊等)が認められないものであり得る。あるいは、電池を分解して取り出した正極シート表面をEDX分析しても、同様にW分布に顕著な偏差が認められないものであり得る。
上記M0塩および上記W含有塩の使用量は、上記式(1)におけるb,c,dおよびxが所望の比となるようにM0およびWのモル比を選択し、それに基づき適宜決定すればよい。上記式(1)における(b+c+d)とxとの元素比は、一般に、使用するM0塩とW含有塩とのモル比と概ね同等である。
なお、上記FPO塩を含む電解液の使用(ひいてはFPO塩に由来する皮膜)は、Wを含まない正極活物質(例えば、層状構造のリチウム遷移金属酸化物)を用いた電池においても、充放電の繰り返しによる出力低下(抵抗の増加)を抑制し得るが、Wを含む正極活物質との組み合わせにより、上記添加剤単独の効果およびWを含む正極活物質の使用による効果の単純な足し合わせを大幅に上回る効果(例えば、2倍の効果。すなわち相乗効果)が発揮され得る。Wが表面に偏って存在する正極活物質では、上記添加剤を含む電解液の使用によりWの溶出を抑制することが特に有意義である。
水溶性ポリマーとしては、例えば、カルボキシメチルセルロース(CMC)、メチルセルロース(MC)、酢酸フタル酸セルロース(CAP)、ヒドロキシプロピルメチルセルロース(HPMC)、ヒドロキシプロピルメチルセルロースフタレート(HPMCP)、ポリビニルアルコール(PVA)等が挙げられる。
水分散性ポリマーとしては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重含体(PFA)、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)等のフッ素系樹脂、酢酸ビニル共重合体、スチレンブタジエンブロック共重合体(SBR)、アクリル酸変性SBR樹脂(SBR系ラテックス)、アラビアゴム等のゴム類等が挙げられる。
非水溶媒(有機溶媒)に溶解するポリマーとしては、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリ塩化ビニリデン(PVDC)、ポリエチレンオキサイド(PEO)、ポリプロピレンオキサイド(PPO)、ポリエチレンオキサイド−プロピレンオキサイド共重合体(PEO−PPO)等が挙げられる。
ここで、負極活物質層44のバインダ、溶媒、増粘剤としては、上記正極活物質層34のバインダ、溶媒、増粘剤として例示した材料を同様に用いることができる。
溶媒としては、上記正極活物質層34で用いる水性溶媒および非水溶媒のいずれも使用可能である。非水溶媒の好適な例としてN−メチル−2−ピロリドン(NMP)が挙げられる。
また、上記正極活物質層34のバインダとして例示したポリマー材料は、バインダとしての機能の他に、負極活物質層形成用組成物の増粘剤その他の添加剤としての機能を発揮する目的で使用されることもあり得る。
そして、上記負極に適宜プレス処理を施すことによって、負極活物質層44の厚みや密度を調整することができる。該プレス処理には、例えば、ロールプレス法、平板プレス法等の公知の各種のプレス方法を採用することができる。プレス処理後の負極活物質層44の厚みは、例えば20μm以上(典型的には50μm以上)であって、200μm以下(典型的には100μm以下)とすることができる。
[正極活物質]
正極活物質として、Ni:Co:Mn:Wのモル比(原子比)が0.33:0.33:0.33:0.005のWを含む三元系リチウム遷移金属酸化物(LiNi0.33Co0.33Mn0.33W0.005O2)を用意した。
具体的には、まず、硫酸ニッケル、硫酸コバルトおよび硫酸マンガンを、Ni:Co:Mnのモル比(原子数比)が0.33:0.33:0.33となり、かつNi,CoおよびMnの合計濃度が1.8mol/Lとなるよう水に溶解させて、NiCoMn水溶液を調製した。また、パラタングステン酸アンモニウムを水に溶解させ、タングステン(W)濃度が0.05mol/LのW水溶液を調製した。
そして、攪拌装置および窒素導入管を備えた反応容器に、その容量の半分程度の水を入れ、攪拌しながら40℃に加熱した。この反応容器を窒素置換した後、窒素気流下、25%水酸化ナトリウム水溶液と25%アンモニア水とを適量ずつ加え、液温25℃におけるpHが12.0、液相のアンモニア濃度が20g/Lとなるように調整して、アルカリ性水溶液を得た。なお、反応容器内の酸素濃度は2.0%程度であった。
上記水酸化物中の全遷移金属(すなわち、Ni,Co,Mn,W)のモル数の合計をMとして、該Mに対するリチウムのモル比がLi:Mとして1:1.05となるように炭酸リチウムを秤量し、上記加熱処理後の水酸化物粒子と混合した。得られた混合物を、酸素21体積%の空気中にて、760℃で4時間焼成した後、950℃で10時間焼成した。この焼成物を粉砕し、篩い分けすることで、上記の三元系リチウム遷移金属酸化物を得た。
この正極活物質について、一次粒子の表面から20nmの深度における構成元素をXPS(X線光電子分光)分析により調べた。サンプルはカーボンテープの上に固定し、Arエッチングにより露出した深度20nmの正極活物質粒子の表面について、分析した。測定の結果から、検出された全元素(Li、Ni、Co、Mn、W、C、SおよびO等)に占めるWの存在比率を算出した。その結果を、下記の表1の「W量」の欄に示した。表1に示したように、Wの存在比率は0.5原子%であった。なお、XPS分析には、アルバック・ファイ株式会社製の走査型X線光電子分光分析装置(Quantera SXM)を用い、線源にはAlのKα線(1486.6eV)を用いて測定した。
上記正極シートと上記負極シートとを、二枚のセパレータ(厚さ20μmの長尺状多孔質ポリエチレンシート)で絶縁した状態で長手方向に捲回して電極体を作製した。この電極体を、上記非水電解液とともに円筒型容器に収容して、18650型(直径18mm,高さ65mm)リチウムイオン二次電池を作製した。非水電解液の供給量は約6mlであった。
正極活物質におけるNi:Co:Mn:Wのモル比(原子比)を0.33:0.33:0.33:Xとしたとき、W量であるXを下記の表1に示す割合に変化させ、その他は例1と同様にして、18650型のリチウムイオン二次電池を用意した。なお、W量であるXは、例1の正極活物質の調製において、W溶液の混合割合を変化させることで調節した。また、得られた正極活物質について上記と同様にW量をXPS分析により測定し、その結果を表1に示した。
非水電解液に溶解させるLPFOの濃度を下記の表1に示すように変化させ、その他は例1と同様にして、18650型のリチウムイオン二次電池を用意した。
Wを含まない正極活物質を用い、その他は例1と同様にして、18650型のリチウムイオン二次電池を用意した。なお、正極活物質は、例1の正極活物質の調製において、W溶液を混合せずに、その他の操作は同様にした。また、得られた正極活物質について上記と同様にW量をXPS分析により測定し、その結果を表1に示した。
非水電解液にLPFOを添加しなかったこと以外は例1と同様にして、18650型のリチウムイオン二次電池を得た。
Wを含まない正極活物質を用い、非水電解液にLPFOを添加しなかったこと以外は、例1と同様にして、18650型のリチウムイオン二次電池を用意した。正極活物質は、例10と同様のものを用いた。
例1〜12の電池に対して、4.0Vまで1C(1Cは、満充電状態の電池を1時間で放電終止電圧まで放電させる電流値を意味する。放電時間率と称されることもある。)のレートで定電流(CC)で充電を行い、4.0Vで0.1Cになるまで低電圧(CV)で充電した後、60℃で20時間保持するエージング処理を行った。
次いで、電池の初期低温抵抗を測定した。すなわち、上記のエージング処理後の電池を0℃の環境下におき、SOC60%まで充電した時のIV抵抗(mΩ)を測定することで、初期低温抵抗とした。IV抵抗は、電池に5Cのレートで電流を10秒間流したときの、電圧降下量と電流値とから算出した。初期低温抵抗の測定結果を表1に示した。
初期低温抵抗を測定した電池を60℃の環境下におき、1Cのレートで4.0VまでCC充電を行う工程と、1Cのレートで3.55VまでCC放電させる工程とを、1000回繰り返す(1000サイクル)サイクル試験を行った。
[サイクル後抵抗増加率]
上記のサイクル試験の後、初期低温抵抗の測定手順に従って、0℃の環境下におけるSOC60%のIV抵抗を測定することで、サイクル後の低温抵抗を測定した。そして、(サイクル後の低温抵抗)÷(初期低温抵抗)×100をサイクル後抵抗増加率(%)として算出し、その結果を表1に示した。
なお、この効果は、WもLPFOも含まない例12に対して、LPFOを含む非水電解液を用いた例11における抵抗増加抑制効果(例12に比べて0.11の増加割合の低下)、Wを含む正極活物質用いた例11における抵抗増加抑制効果(例12に比べて0.02の増加割合の低下)を足し合わせたもの(計0.13)よりも約2倍も高いことが確認できる。すなわち、Wを含む正極活物質と、LPFOを含む非水電解液との組み合わせによると、抵抗の増加を抑制する効果が相乗的に高められることがわかった。これは、正極活物質の表面に存在するWと、LPFOに由来して正極活物質の表面に形成される皮膜とが、抵抗抑制とその耐久性に関して特異な効果を発現していることを示唆している。
なお、Wの配合量は多くてもよいが、コストの面からは、上記Wの割合:Xを0.015以下とすること、また、深度20nmでのW量を2.5原子%以下とするのが好適である。
ここで、深度20nmにおけるW量を評価基準としているのは、正極表面に残存するWがかかる効果に極めて大きく寄与していると考えられるためであり、深度20nmとは正極活物質の表面に形成される炭酸リチウムなどの影響を排除する目的である。
20 捲回電極体
30 正極シート(正極)
32 正極集電体
34 正極活物質層
38 正極端子
40 負極シート(負極)
42 負極集電体
44 負極活物質層
48 負極端子
50 セパレータ
100 リチウムイオン二次電池
Claims (4)
- 正極と負極と非水電解液とを備えるリチウムイオン二次電池であって、
前記正極は、正極活物質として、下記式(1):
Li a Ni b Co c Mn d W x O 2 …(1)
ここで、式(1)中、a×b×c×d≠0,0.9≦a≦1.2,b+c+d≦1,(b+c+d):x=1:0.001〜1:0.015である;
で示される、ニッケル(Ni),コバルト(Co)およびマンガン(Mn)と、さらにタングステン(W)とを含むリチウム遷移金属酸化物を備え、
前記正極活物質は、前記リチウム遷移金属酸化物の一次粒子が集まった二次粒子の形態を有し、該正極活物質に含まれる前記タングステン(W)は前記一次粒子の表面近傍に偏って存在しており、
前記非水電解液は、少なくともジフルオロビスオキサラトホスフェート塩を含む、リチウムイオン二次電池。 - 前記正極活物質は、
表面から20nmの深度において存在する全元素に占めるタングステン(W)の割合が、0.1原子%以上5原子%以下である、請求項1に記載のリチウムイオン二次電池。 - 前記正極は、その表面に、前記ジフルオロビスオキサラトホスフェート塩に由来の化合物を含む皮膜を備えている、請求項1または2に記載のリチウムイオン二次電池。
- 請求項1から3のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池を製造する方法であって、
前記正極活物質を有する正極を準備すること;
前記ジフルオロビスオキサラトホスフェート塩を0.01mol/L以上0.1mol/L以下含む前記非水電解液を準備すること;
前記正極と、前記負極と、前記非水電解液とを用いて電池を組み立てること;および、
前記組み立てた電池にコンディショニング処理を施すこと;
を包含する、リチウムイオン二次電池の製造方法。
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