JP6066306B2 - 非水電解質二次電池及び非水電解質二次電池の製造方法 - Google Patents
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Description
また、負極活物質は「黒鉛材料を、非晶質炭素で被覆した非晶質炭素被覆黒鉛が、出入力特性の観点から好ましく用いられる」(段落[0033])こと、実施例8として、正極活物質が「Li1.07Ni0.42Co0.09Mn0.42O2」であり、負極活物質が「非晶質炭素で表面を被覆した黒鉛」である非水電解質二次電池(段落[0042]、[0056]〜[0058])が記載されている。
また、「負極活物質として主材料の非晶質炭素材および副材料の黒鉛材が混合された炭素材料を含むことで、非晶質炭素材が黒鉛材と比べて充電容量が大きくリテンションが高いことから、入力特性を向上させることができ、黒鉛材が非晶質炭素材と比べて電池電圧を高く維持でき放電末期における出力低下が小さいことから、出力特性を向上させることができる。」(段落[0009])、「正極活物質には、リチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物が用いられている。すなわち、一般式LixNiyMnzCo(1−y−z−w)AwO2で表され層状結晶構造を有する複合酸化物である。ここで、一般式中のxは0<x<1.2であり、yおよびzはy+z<1を満たす数である。」(段落[9920])と記載されている。
この「リチウム過剰型」正極活物質に、黒鉛を使用した負極を組み合わせ、市販されている「LiMeO2」型正極活物質を用いた時と同じ様な正負極容量バランスの非水電解質二次電池を作製すると、高電位化成時に黒鉛負極上にLi析出が発生するために、サイクル性能が低下する。そのため、Li析出が発生しないような正負極容量バランスの非水電解質二次電池を志向すると、今度は「リチウム過剰型」正極活物質による高容量化の恩恵が受けられないという課題を見出した。さらに、「リチウム過剰型」正極活物質に黒鉛負極を組み合わせた場合には、低SOC領域における出力性能が低いという課題も見いだした。
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであって、高電位化成での負極上におけるLi析出を抑制しつつ、大きな電池容量かつ高出力が得られる非水電解質二次電池及びその非水電解質二次電池の製造方法を提供することを課題とする。
(1)正極と負極と非水電解質を備えた非水電解質電池において、前記正極は、α−NaFeO2型結晶構造を有し組成式Li1+αMe1−αO2(MeはCo、Ni及びMnを含む遷移金属元素、α>0)で表されるリチウム遷移金属複合酸化物を含有する正極活物質を有すること、かつ、前記負極は、黒鉛と不定形炭素の混合物である炭素材料を含有する負極活物質を有し、前記炭素材料に含まれる前記不定形炭素の比率が5〜60質量%であり、前記不定形炭素は、エックス線回折測定における(002)回折線の半値幅が6.0°以下であることを特徴とする非水電解質二次電池。
(2)前記正極活物質は、Naを含有することを特徴とする前記(1)の非水電解質二次電池。
(3)前記(1)又は(2)の非水電解質二次電池の製造方法であって、4.3V(vs.Li/Li+)を超え4.8V(vs.Li/Li+)以下の正極電位範囲に充電電気量に対して出現する電位変化が比較的平坦な領域に少なくとも至る充電工程を含むことを特徴とする非水電解質二次電池の製造方法。
(4)前記充電工程は、初期充放電工程における充電工程であることを特徴とする前記(3)の非水電解質二次電池の製造方法。
(5)前記充電工程において、負極活物質当たりの充電容量が372mAh/g以上である充電工程を含むことを特徴とする前記(3)又は(4)の非水電解質二次電池の製造方法。
前駆体作製時の中和・洗浄工程における残存Naが、いわゆる「リチウム過剰型」のリチウム遷移金属複合酸化物の焼成工程において、1次粒子の成長抑制剤として作用することが推定され、このリチウム遷移金属複合酸化物を正極活物質として含有する非水電解質二次電池の電極特性が向上すると考えられる。
本発明の非水電解質二次電池に用いる正極活物質は、基本的に、活物質を構成する金属元素(Li,Mn,Co,Ni)を目的とする活物質(酸化物)の組成通りに含有する原料を調整し、これを焼成することによって得ることができる。但し、Li原料の量については、焼成中にLi原料の一部が消失することを見込んで、1〜5%程度過剰に仕込むことが好ましい。
目的とする組成の酸化物を作製するにあたり、Li,Co,Ni,Mnのそれぞれの塩を混合・焼成するいわゆる「固相法」や、あらかじめCo,Ni,Mnを一粒子中に存在させた共沈前駆体を作製しておき、これにLi塩を混合・焼成する「共沈法」が知られている。「固相法」による合成過程では、特にMnはCo,Niに対して均一に固溶しにくいため、各元素が一粒子中に均一に分布した試料を得ることは困難である。これまで文献などにおいては固相法によってNiやCoの一部にMnを固溶(LiNi1−xMnxO2など)しようという試みが多数なされているが、「共沈法」を選択する方が原子レベルで均一相を得ることが容易である。そこで、後述する実施例においては、「共沈法」を採用した。
100℃乾燥品の色相は、標準色F05−20Bと比べて、赤色方向に標準色F05−40Dに至る範囲内にあり、また、標準色FN−10と比べて、白色方向に標準色FN−25に至る範囲内にあることがわかった。中でも、標準色F05−20Bが呈する色相との色差が最も小さいものと認められた。
一方、80℃乾燥品の色相は、標準色F19−50Fと比べて、白色方向に標準色F19−70Fに至る範囲内にあり、また、標準色F09−80Dと比べて、黒色方向に標準色F09−60Hに至る範囲内にあることがわかった。中でも、標準色F19−50Fが呈する色相との色差が最も小さいものと認められた。
以上の知見から、炭酸塩前駆体の色相は、標準色F05−20Bに比べて、dL,da及びdbの全てにおいて+方向であるものが好ましく、dLが+5以上、daが+2以上、dbが+5以上であることがより好ましいといえる。
焼成温度が高すぎると、得られた正極活物質が酸素放出反応を伴って崩壊すると共に、主相の六方晶に加えて単斜晶のLi[Li1/3Mn2/3]O2型に規定される相が、固溶相としてではなく、分相して観察される傾向がある。このような分相が多く含まれすぎると、正極活物質の可逆容量の減少を導くので好ましくない。このような材料では、X線回折図上35°付近及び45°付近に不純物ピークが観察される。従って、焼成温度は、正極活物質の酸素放出反応の影響する温度未満とすることが好ましい。正極活物質の酸素放出温度は、本発明に係る組成範囲においては、概ね1000℃以上であるが、正極活物質の組成によって酸素放出温度に若干の差があるので、あらかじめ正極活物質の酸素放出温度を確認しておくことが好ましい。特に試料に含まれるCo量が多いほど前駆体の酸素放出温度は低温側にシフトすることが確認されているので注意が必要である。正極活物質の酸素放出温度を確認する方法としては、焼成反応過程をシミュレートするために、共沈前駆体とリチウム化合物を混合したものを熱重量分析(DTA−TG測定)に供してもよいが、この方法では測定機器の試料室に用いている白金が揮発したLi成分により腐食されて機器を痛めるおそれがあるので、あらかじめ500℃程度の焼成温度を採用してある程度結晶化を進行させた組成物を熱重量分析に供するのが良い。
また、発明者らは、本発明活物質の回折ピークの半値幅を詳細に解析することで750℃までの温度で合成した試料においては格子内にひずみが残存しており、それ以上の温度で合成することでほとんどひずみを除去することができることを確認した。また、結晶子のサイズは合成温度が上昇するに比例して大きくなるものであった。よって、本発明活物質の組成においても、系内に格子のひずみがほとんどなく、かつ結晶子サイズが十分成長した粒子を志向することで良好な放電容量を得られるものであった。具体的には、格子定数に及ぼすひずみ量が2%以下、かつ結晶子サイズが50nm以上に成長しているような合成温度(焼成温度)及びLi/Me比組成を採用することが好ましいことがわかった。これらを電極として成型して充放電を行うことで膨張収縮による変化も見られるが、充放電過程においても結晶子サイズは30nm以上を保っていることが得られる効果として好ましい。即ち、焼成温度を上記した活物質の酸素放出温度にできるだけ近付けるように選択することにより、はじめて、可逆容量が顕著に大きい活物質を得ることができる。
不定形炭素とは、特定の1軸方向に対してのみの配向を示さない結晶構造を有している炭素であり、具体的には、ソフトカーボン、ハードカーボン等が挙げられる。
不定形炭素からなる負極は、黒鉛からなる負極と比較して放電容量は小さいものの、充電時のLi析出を抑制する効果が大きい。したがって、黒鉛に不定形炭素を混合して負極活物質とすることにより、初期充放電工程の高電位化成において負極のより深い利用率まで踏み込んで充電することができる。すなわち、高電位化成時と実用時の正極容量差分のLi+を不定形炭素に挿入させることで、負極の放電容量をより大きくすることができる。
また、黒鉛に不定形炭素を混合して負極活物質とすることにより、「リチウム過剰型」正極活物質の弱点である抵抗の大きい低SOC領域をカットでき、低SOC出力が改善されるという利点がある。
炭素材料に含まれる前記不定形炭素の比率が5質量%未満(黒鉛が95%超)では、初期充放電工程の高電位化成時に黒鉛を主体とする負極上でLi析出が生じ、サイクル特性が低下し、また、低SOC出力が改善されない。炭素材料に含まれる前記不定形炭素の比率が60質量%超(黒鉛が40%未満)では、電池容量が低下する。したがって、電池容量を増大させ、低SOC出力を改善するために、炭素材料に含まれる前記不定形炭素の比率を5〜60質量%とする。電池容量をより増大させ、低SOC出力を改善するために、炭素材料に含まれる前記不定形炭素の比率を10〜50質量%とすることが好ましく、10〜30質量%とすることがより好ましい。また、前記不定形炭素の比率を60質量%以下から50質量%以下、さらに、30質量%以下とすることにより、初期効率が顕著に向上するので、この範囲が好ましい。
黒鉛におけるLiの理論吸蔵容量(理論充電容量)は372mAh/gである。よって、これを上回る充電を行うとLi金属が析出する現象が起こり、サイクル特性などの寿命特性や熱安定性が低下するおそれがある。
一方、不定形炭素においては、372mAh/gを超える充電容量を有しており、この様な充電においてもLi金属が析出することなく、Liを吸蔵することが可能である。
よって、黒鉛に不定形炭素を加えることにより、高電位化成時において負極の充電容量を増加させることが可能となり、負極の利用率を大幅に上げることができる。そのために、サイクル性能などを維持しつつ、電池の高容量化を図ることが可能となる。
これら効果は、黒鉛の理論充電容量以上の充電を行う場合には、特に有効的に作用し、従来の黒鉛負極では到達できないほどの高性能な電池を実現可能とする。
(正極活物質の準備)
硫酸コバルト7水和物14.06g、硫酸ニッケル6水和物20.97g及び硫酸マンガン5水和物65.15gを秤量し、これらの全量をイオン交換水200mlに溶解させ、Co;Ni:Mnのモル比が0.125:0.199:0.676となる2Mの硫酸塩水溶液を作製した。一方、2dm3の反応槽に750mlのイオン交換水を注ぎ、CO2ガスを30minバブリングさせることにより、イオン交換水中にCO2を溶解させた。反応槽の温度を50℃(±2℃)に設定し、攪拌モーターを備えたパドル翼を用いて反応槽内を700rpmの回転速度で攪拌しながら、前記硫酸塩水溶液を3ml/minの速度で滴下した。ここで、滴下の開始から終了までの間、2.00Mの炭酸ナトリウム及び0.20Mのアンモニアを含有する水溶液を適宜滴下することにより、反応槽中のpHが常に7.9(±0.05)を保つように制御した。滴下終了後、反応槽内の攪拌をさらに1h継続した。攪拌の停止後、12h以上静置した。静置することにより、反応槽内に生成する共沈炭酸塩の粒子を十分に成長させることができる。 次に、吸引ろ過装置を用いて、反応槽内に生成した共沈炭酸塩の粒子を分離し、さらにイオン交換水を用いて200mlによる洗浄を1回としたときに、5回の洗浄を行う条件で粒子に付着しているナトリウムイオンを洗浄除去し、電気炉を用いて、空気雰囲気中、常圧下、80℃にて20時間乾燥させた。その後、粒径を揃えるために、瑪瑙製自動乳鉢で数分間粉砕した。このようにして、共沈炭酸塩前駆体を作製した。
得られた共沈炭酸前駆体について、コニカミノルタ社製カラーリーダーCR10を用いて色相の測定を行ったところ、JIS Z 8721に準拠した日本塗料工業会が発行する塗料用標準色(JPMA Standard Paint Colors)2011年度F版の標準色F05−20Bに対してdL=+8、da=+4、db=+8であった。
実施例1−1に係るリチウム遷移金属複合酸化物は、次の条件及び手順に沿って粒度分布測定を行った。測定装置には日機装社製Microtrac(型番:MT3000)を用いた。前記測定装置は、光学台、試料供給部及び制御ソフトを搭載したコンピューターを備えており、光学台にはレーザー光透過窓を有する湿式セルが設置される。測定原理は、測定対象試料が分散溶媒中に分散している分散液が循環している湿式セルにレーザー光を照射し、測定試料からの散乱光分布を粒度分布に変換する方式である。前記分散液は試料供給部に蓄えられ、ポンプによって湿式セルに循環供給される。前記試料供給部は、常に超音波振動が加えられている。今回の測定では、分散溶媒として水を用いた。又、測定制御ソフトにはMicrotrac DHS for Win98(MT3000)を使用した。前記測定装置に設定入力する「物質情報」については、溶媒の「屈折率」として1.33を設定し、「透明度」として「透過(TRANSPARENT)」を選択し、「球形粒子」として「非球形」を選択した。試料の測定に先立ち、「Set Zero」操作を行う。「Set zero」操作は、粒子からの散乱光以外の外乱要素(ガラス、ガラス壁面の汚れ、ガラス凹凸など)が後の測定に与える影響を差し引くための操作であり、試料供給部に分散溶媒である水のみを入れ、湿式セルに分散溶媒である水のみが循環している状態でバックグラウンド操作を行い、バックグラウンドデータをコンピューターに記憶させる。続いて「Sample LD (Sample Loading)」操作を行う。Sample LD操作は、測定時に湿式セルに循環供給される分散液中の試料濃度を最適化するための操作であり、測定制御ソフトの指示に従って試料供給部に測定対象試料を手動で最適量に達するまで投入する操作である。続いて、「測定」ボタンを押すことで測定操作が行われる。前記測定操作を2回繰り返し、その平均値として測定結果がコンピューターから出力される。測定結果は、粒度分布ヒストグラム、並びに、D10、D50及びD90の各値(D10、D50及びD90は、二次粒子の粒度分布における累積体積がそれぞれ10%、50%及び90%となる粒度)として取得される。測定されたD50の値は5μmであった。
実施例1−1に係るリチウム遷移金属複合酸化物は、次の条件及び手順に沿って細孔容積分布測定を行った。細孔容積分布の測定には、Quantachrome社製の「autosorb iQ」及び制御・解析ソフト「ASiQwin」を用いた。測定対象の試料であるリチウム遷移金属複合酸化物1.00gを測定用のサンプル管に入れ、120℃にて12h真空乾燥することで、測定試料中の水分を十分に除去した。次に、液体窒素を用いた窒素ガス吸着法により、相対圧力P/P0(P0=約770mmHg)が0から1の範囲内で吸着側および脱離側の等温線を測定した。そして、脱離側の等温線を用いてBJH法により計算することにより細孔分布を評価した。このリチウム遷移金属複合酸化物は、窒素ガス吸着法を用いた吸着等温線からBJH法で求めた微分細孔容積が最大値を示す細孔径が30〜40nmの範囲内であり、ピーク微分細孔容積の値が1.39mm3/(g・nm)であった。
上記で作製したリチウム遷移金属複合酸化物を非水電解質二次電池用正極活物質として用いて、以下の手順で非水電解質二次電池を作製した。
(正極)
N−メチルピロリドンを分散媒とし、正極活物質、アセチレンブラック(AB)及びポリフッ化ビニリデン(PVdF)が質量比90:5:5の割合で混練分散されている塗布用ペーストを作製した。該塗布ペーストを厚さ20μmのアルミニウム箔集電体の片方の面に塗布し乾燥することで、正極板を作製した。なお、単位面積当たりに塗布されている活物質の質量を5mg/cm2とした。また、ロールプレスを用いて電極の多孔度が35%となるようにプレスを行った。
(負極)
N−メチルピロリドンを分散媒とし、黒鉛性炭素と不定形炭素を95:5の質量比率で混合した活物質とポリフッ化ビニリデン(PVdF)が質量比94:6の割合で混練分散されている塗布用ペーストを作製した。該塗布ペーストを厚さ20μmの銅箔集電体の片方の面に塗布し乾燥することで、負極板を作製した。
負極活物質である黒鉛性炭素にはTIMCAL製のSFG15を、不定形炭素にはクレハ製のカーボトロンP(ハードカーボン)を用いた。
なお、単位面積当たりに塗布されている活物質の質量を4mg/cm2とした。また、ロールプレスを用いて電極の多孔度が35%となるようにプレスを行った。
(正極、負極の厚み)
実施例1−1〜1−7及び比較例1−1〜1−5の非水電解質二次電池において、正極と負極の電極厚みの和を92μmとして統一した。
電解液として、エチレンカーボネート(EC)/エチルメチルカーボネート(EMC)/ジメチルカーボネート(DMC)が体積比6:7:7である混合溶媒に濃度が1mol/lとなるようにLiPF6を溶解させた溶液を用いた。セパレータとして、ポリアクリレートで表面改質したポリプロピレン製の微孔膜を用いた。さらに、参照電極として、ニッケル板にリチウム金属箔をはりつけた棒を設置した。外装体には、ポリエチレンテレフタレート(15μm)/アルミニウム箔(50μm)/金属接着性ポリプロピレンフィルム(50μm)からなる金属樹脂複合フィルムを用い、正極端子、負極端子および参照極端子の開放端部が外部露出するように電極を収納し、前記金属樹脂複合フィルムの内面同士が向かい合った融着代を注液孔となる部分を除いて気密封止し、前記電解液を注液後、注液孔を封止した。
上記のようにして組み立てた電池において、正極活物質あたりの電気量が320mAh/g、同時に負極活物質あたりの電気量が400mAh/gとなるように初回の充電を行った。充電電流0.1CmAの定電流充電とした。10分の休止後、放電電流0.1CmA、終止電圧2.0Vの定電流放電を行った。充電・放電時の環境温度は25℃とした。このときの充電電気量に対する放電電気量の比率を「初期効率」とした。また、同時に参照極に対してモニターした負極電位の挙動において、図2に示されるように放電初期にて0V(vs.Li/Li+)付近に電位変化が平坦な領域(電位プラトー)が観測されなかったものを電析(負極上へのリチウム金属の析出現象)なしと認め「○」を、図3に示されるように電位プラトーが観測されたものを電析ありと認め「×」として記録した。
以上のとおり、実施例1−1に係る非水電解質二次電池を作製した。
黒鉛性炭素と不定形炭素の質量比率を95:5とする代わりに、両者の質量比率を表1に記載されているように変更した他は、実施例1−1と同様にして、実施例1−2〜1−7に係る非水電解質二次電池を作製した。
黒鉛性炭素と不定形炭素の混合物を、黒鉛性炭素のみに変更した他は、実施例1−1と同様にして、比較例1−1に係る非水電解質二次電池を作製した。
黒鉛性炭素と不定形炭素の混合物を、黒鉛性炭素のみに変更すると共に、上記の初期充放電工程(高電位化成)を、電析(負極上へのリチウム金属の析出現象)が生じない以下の条件に変更した他は、実施例1−1と同様にして、比較例1−2に係る非水電解質二次電池を作製した。
(初期充放電工程(高電位化成))
電流0.1CmA、電圧4.5Vの定電流定電圧充電を行った。充電終止条件については、電流値が0.02CmAに減衰した時点とした。さらに10分の休止後、電流0.1CmA、終止電圧2.0Vの定電流放電を行った。充電・放電時の環境温度は25℃とした。このときの充電電気量に対する放電電気量の比率を「初期効率」とした。また、同時に参照極に対してモニターした負極電位の挙動において、放電初期にて0V付近に電位プラトーが観測されなかったことから、比較例1−2に係る電池においては電析なしと確認した。
黒鉛性炭素と不定形炭素の混合物を、不定形炭素のみに変更した他は、実施例1−1と同様にして、比較例1−3に係る非水電解質二次電池を作製した。
黒鉛性炭素と不定形炭素の質量比率を95:5とする代わりに、両者の質量比率を98:2に変更した他は、実施例1−1と同様にして、比較例1−4に係る非水電解質二次電池を作製した。
黒鉛性炭素と不定形炭素の質量比率を95:5とする代わりに、両者の質量比率を30:70に変更した他は、実施例1−1と同様にして、比較例1−5に係る非水電解質二次電池を作製した。
正極活物質として、Li1.13Co0.11Ni0.17Mn0.59O2の代わりに、LiCo1/3Ni1/3Mn1/3O2組成を有するGNCM01(日本化学産業株式会社製)を用いて、正極の単位面積当たりに塗布されている活物質の質量を8.4mg/cm2となるよう変更した他は、実施例1−1と同様にして正極を作製した。正極以外については、初期充放電工程を以下の条件とした他は、比較例1−1と同様にして、比較例1−6に係る非水電解質二次電池を作製し、実施例1−2と同様にして、比較例1−7に係る非水電解質二次電池を作製した。
(初期充放電工程)
正極活物質あたりの電気量が155mAh/g、同時に負極活物質あたりの電気量が327mAh/gとなるように初回の充電を行った。充電電流0.1CmAの定電流充電とした。10分の休止後、放電電流0.1CmA、終止電圧2.0Vの定電流放電を行った。充電・放電時の環境温度は25℃とした。このときの充電電気量に対する放電電気量の比率を「初期効率」とした。また、同時に参照極に対してモニターした負極電位の挙動において、放電初期にて0V付近に電位プラトーが観測されなかったことから、これらの電池においては電析なしと確認した。
(電池容量)
実施例1−1〜1−7及び比較例1−1〜1−7の電池に対して、初期充放電工程後、10分の休止後、電流0.1CmA、電圧4.2Vの定電流定電圧充電を行った。充電終止条件については、電流値が0.02CmAに減衰した時点とした。さらに10分の休止後、電流0.1CmA、終止電圧2.0Vの定電流放電を行い、このときの放電電気量を「電池容量(mAh)」とした。なお、充電・放電時の環境温度は25℃とした。
さらに10分の休止後、電流を0.1CmA、電圧4.2Vの定電流定電圧充電を行った。環境温度を25℃とした充電を行った。充電終止条件については、電流値が0.02CmAに減衰した時点とした。10分の休止後、前記「電池容量(mAh)」の値の70%の電気量を通電した時点で放電を停止した。その後、各率放電電流でそれぞれ1秒放電する試験を行った。具体的には、まず、電流0.1CmAにて1秒放電し、2分の休止後、電流0.1CmAにて1秒の補充電を行った。さらに2分の休止後、電流1CmAにて1秒放電し、2分の休止後、電流0.1CmAにて10秒の補充電を行った。さらに2分の休止後、電流2CmAにて1秒放電し、2分の休止後、電流0.1CmAにて20秒の補充電を行った。以上の結果を各率放電の1秒後の電圧をその電流値に対してプロットし、最小二乗法によるフィッティングを行ったグラフの切片及び傾きから、直流抵抗Rと放電電流0CAの擬似的な電圧値であるE0をそれぞれ算出した。放電終止電圧を2.5Vと仮定し、次式により、SOC30%における出力を求めた。このときの出力を「低SOC出力(W)」として記録した。
低SOC出力(W)=2.5×(E0−2.5)/R
なお、充電・放電時の環境温度は25℃とした。
さらに10分の休止後、電流を1CmA、電圧4.2Vの定電流定電圧充電を行った。環境温度を25℃とした充電を行った。充電終止条件については、電流値が0.02CmAに減衰した時点とした。その10分後、電流0.1CmA、終止電圧2.0Vの定電流放電を行い、その後10分間の休止を行った。これらはすべて25℃環境下にて行った。この一連の過程を1サイクルとしたときに、1サイクル目に得られた放電電気量に対して、15サイクル目に得られた放電電気量の比率を「サイクル容量維持率」として記録した。
これに対して、黒鉛と不定形炭素の混合物に含まれる前記不定形炭素の比率が2質量%である負極活物質を用いた場合には、高電位化成を行うと負極上にLi析出が生じ、サイクル特性が顕著に低下し、低SOC出力が低下する(比較例1−4)。前記不定形炭素の比率が70質量%である負極活物質を用いた場合には、低SOC出力は改善されるが、電池容量が低下し、初期効率も低下する(比較例1−5)。
したがって、「リチウム過剰型」正極活物質を用いた非水電解質電池において、電池容量を増大させ、低SOC出力は改善するためには、負極活物質として、黒鉛と不定形炭素の混合物に含まれる前記不定形炭素の比率が5〜60質量%である炭素材料を用いることが必要である。
一方、前記正極活物質と、不定形炭素からなる負極活物質とを組み合わせて用いた非水電解質二次電池では、低SOC出力は改善されるが、電池容量が顕著に低下し、初期効率も顕著に低下する(比較例1−3)。
「LiMeO2型」正極活物質と、黒鉛からなる負極活物質とを組み合わせて用いた非水電解質二次電池では、比較例1−6に示されるように、電池容量は小さい(17.5mAh)が、低SOC出力は大きい(35W)。ここで、黒鉛に不定形炭素を混合(黒鉛:不定形炭素の質量比=90:10)した負極活物質と組み合わせても、比較例1−7に示されるように、電池容量に殆ど変化はなく(17.2mAh)、低SOC出力は改善されない(32W)。
したがって、黒鉛に不定形炭素を混合した負極活物質と組み合わせたことにより、低SOC出力が改善されるという効果は、「リチウム過剰型」の正極活物質に特有のものであるといえる。
また、高電位化成は電池の初回充放電時に実施する必要はなく、初期充放電工程の間であれば、何時行っても構わない。その場合、上記「初期効率」は、初めて高電位化成を実施したサイクルの充電電気量に対する放電電気量の比率(充放電効率)に相当する。
負極活物質として、黒鉛性炭素にはTIMCAL製のSFG15を、不定形炭素にはソフトカーボン(日立化成株式会社性S001−14C3)を用いた他は、実施例1−2と同様(黒鉛性炭素と不定形炭素の混合物に含まれる不定形炭素の比率は10質量%)にして、実施例2−1に係る非水電解質二次電池を作製した。
実施例2−1と同じソフトカーボンを用い、以下の粉砕工程(ボールミル処理)を追加した。予めソフトカーボンの粉末を直径10mmのアルミナ製ボールを10個備えたアルミナ製ポットに入れ、遊星型ボールミル(FRITSCH社製、pulverisette5)にセットし、350rpmで、それぞれ、実施例2−2については1時間、実施例2−3については2時間、実施例2−4については5時間の粉砕を行った他は、実施例2−1と同様にして、実施例2−2〜2−4に係る非水電解質二次電池を作製した。
実施例1−2と同じハードカーボンを用いて、実施例1−2と同様に、実施例2−5に係る非水電解質二次電池を作製した。
予めハードカーボンの粉末を直径10mmのアルミナ製ボールを10個備えたアルミナ製ポットに入れ、遊星型ボールミル(FRITSCH社製、pulverisette5)にセットし、350rpmで、それぞれ、比較例2−1については2時間、比較例2−2については5時間の粉砕を行った他は、実施例2−5と同様にして、比較例2−1及び2−2に係る非水電解質二次電池を作製した。
黒鉛性炭素とソフトカーボンの混合物に含まれるソフトカーボンの比率を50質量%に変更した他は、実施例2−1と同様にして、実施例2−6に係る非水電解質二次電池を作製した。
予めソフトカーボンの粉末を直径10mmのアルミナ製ボールを10個備えたアルミナ製ポットに入れ、遊星型ボールミル(FRITSCH社製、pulverisette5)にセットし、350rpmで、それぞれ、実施例2−7については1時間、実施例2−8については2時間、実施例2−9については5時間の粉砕を行った他は、実施例2−6と同様にして、実施例2−7〜2−9に係る非水電解質二次電池を作製した。
実施例1−6と同じハードカーボンを用いて、実施例1−6と同様に、実施例2−10に係る非水電解質二次電池を作製した。
予めハードカーボンの粉末を直径10mmのアルミナ製ボールを10個備えたアルミナ製ポットに入れ、遊星型ボールミル(FRITSCH社製、pulverisette5)にセットし、350rpmで、それぞれ、比較例2−3については2時間、比較例2−4については5時間の粉砕を行った他は、実施例2−10と同様にして、比較例2−3及び2−4に係る非水電解質二次電池を作製した。
実施例2−1〜2−10、比較例2−1〜1−4に係る負極活物質に用いる不定形炭素は、次の条件及び手順に沿ってエックス線回折測定を行い、半値幅を決定した。エックス線回折装置(Rigaku社製、型名:MiniFlex II)を用いて粉末エックス線回折測定を行った。線源はCuKα、加速電圧及び電流はそれぞれ30kV及び15mAとした。得られたエックス線回折データについて、前記エックス線回折装置の付属ソフトである「PDXL」を用いて、エックス線回折図上2θ=27°±2°に存在する回折ピークについて半値幅を決定した。
実施例2−1〜2−10、比較例2−1〜2−4の電池に対して、実施例1の場合と同様に試験を行い、電池容量及び低SOC出力を求めた。また、以下の条件で充電・放電を行い、放電エネルギーを求めた。
実施例2−1〜2−10、比較例2−1〜2−4の電池に対して、初期充放電工程後、10分の休止後、電流0.1CmA、電圧4.2Vの定電流定電圧充電を行った。充電終止条件については、電流値が0.02CmAに減衰した時点とした。さらに10分の休止後、電流0.1CmA、終止電圧2.0Vの定電流放電を行い、この定電流放電時のエネルギーを「放電エネルギー(mWh)」とした。なお、充電・放電時の環境温度は25℃とした。
不定形炭素の半値幅が大きく、結晶性が低い場合には、大きな電池容量かつ高出力の非水電解質二次電池が得られないので、本発明の非水電解質二次電池に使用する不定形炭素は、半値幅が小さく、結晶性の高いものを意味する。
前記共沈炭酸塩前駆体2.278gに、炭酸リチウム0.970gを加える代わりに、前記共沈炭酸塩前駆体2.304gに、炭酸リチウム0.942gを加え、Li/Meモル比を1.3から1.25に変更し、2100ppmのNaを含むリチウム遷移金属複合酸化物Li1.11Co0.11Ni0.18Mn0.60O2を作製した他は、実施例1−2と同様にして、実施例3−1に係る非水電解質二次電池を作製した。
前記共沈炭酸塩前駆体2.278gに、炭酸リチウム0.970gを加える代わりに、前記共沈炭酸塩前駆体2.228gに、炭酸リチウム1.021gを加え、Li/Meモル比を1.3から1.4に変更し、2100ppmのNaを含むリチウム遷移金属複合酸化物リチウム遷移金属複合酸化物Li1.17Co0.10Ni0.17Mn0.56O2を作製した他は、実施例1−2と同様にして、実施例3−2に係る非水電解質二次電池を作製した。
実施例3−1及び3−2に係る非水電解質二次電池についての試験結果を表3に示す。
Claims (5)
- 正極と負極と非水電解質を備えた非水電解質電池において、前記正極は、α−NaFeO2型結晶構造を有し組成式Li1+αMe1−αO2(MeはCo、Ni及びMnを含む遷移金属元素、α>0)で表されるリチウム遷移金属複合酸化物を含有する正極活物質を有すること、かつ、前記負極は、黒鉛と不定形炭素の混合物である炭素材料を含有する負極活物質を有し、前記炭素材料に含まれる前記不定形炭素の比率が5〜60質量%であり、前記不定形炭素は、エックス線回折測定における(002)回折線の半値幅が6.0°以下であることを特徴とする非水電解質二次電池。
- 前記正極活物質は、Naを含有す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。
- 請求項1又は2に記載の非水電解質二次電池の製造方法であって、4.3V(vs.Li/Li+)を超え4.8V(vs.Li/Li+)以下の正極電位範囲に充電電気量に対して出現する電位変化が比較的平坦な領域に少なくとも至る充電工程を含むことを特徴とする非水電解質二次電池の製造方法。
- 前記充電工程は、初期充放電工程における充電工程であることを特徴とする請求項3に記載の非水電解質二次電池の製造方法。
- 前記充電工程において、負極活物質当たりの充電容量が372mAh/g以上である充電工程を含むことを特徴とする請求項3又は4に記載の非水電解質二次電池の製造方法。
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