JP6146947B2 - リチウムイオン二次電池及びリチウムイオン二次電池用正極活物質の製造方法 - Google Patents
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xLi2MnO3−(1−x)LiMO2 ・・・(1)
前記式(1)で、xは、0.2≦x≦0.5であり、Mは、下記式(2)で表される。
MnaCobNic ・・・(2)
前記式(2)で、a、b、cは、0.3≦a≦0.5、0.1≦b≦0.3、0.3≦c≦0.5、かつ、a+b+c=1である。
xLi2MnO3−(1−x)LiMO2 ・・・(1)
前記式(1)で、xは、0.2≦x≦0.5であり、Mは、下記式(2)で表される。
MnaCobNic ・・・(2)
前記式(2)で、a、b、cは、0.3≦a≦0.5、0.1≦b≦0.3、0.3≦c≦0.5、かつ、a+b+c=1である。
まず、本発明の好適な実施形態に係るリチウムイオン二次電池の構成について詳細に説明する。本実施形態に係るリチウムイオン二次電池は、例えば、角形、円柱状、コイン形状、ボタン形状、シート形状、シリンダー形状、偏平形状等の形状を有しており、主に、正極、負極、電解質、セパレータを備える。
正極は、集電体と、集電体上に形成される正極活物質層とからなり、正極活物質層は、正極活物質としてLi2MnO3−LiMO2系の固溶体を含有する層である。
集電体としては、例えば、銅、ニッケル、ステンレス鋼、チタン等からなる箔、シートやネット、炭素繊維からなるシートやネット、導電性金属がコーティングされたポリマー基材などが挙げられる。ポリマー基材としては、ポリエチレンテレフタレート、ポリイミド、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレンナフタレート、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリエステル、ポリフッ化ビニリデン、ポリスルホン、これらの共重合体等のうちの1種又は2種以上で形成された基材を用いることができる。なお、集電体を用いずに、後述する正極活物質をペレット状に圧密化成形したものを正極としてもよい。
本実施形態に係る正極活物質としては、Li2MnO3とLiMO2との固溶体を用いる。この固溶体は、具体的には、下記式(1)で表される化合物である。
xLi2MnO3−(1−x)LiMO2 ・・・(1)
MnaCobNic(a+b+c=1) ・・・(2)
本実施形態に係る正極には、上述した正極活物質の他に、例えば、導電剤、結着剤、フィラー、分散剤、イオン導電剤等の添加剤が、適宜選択され含まれていてもよい。上記導電剤としては、例えば、黒鉛、カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、炭素繊維、金属粉等が挙げられ、前記結着剤としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリエチレン等が挙げられる。また、結着剤、フィラー、分散剤、イオン導電剤等については、一般に用いられている物質を使用することができる。
負極は、集電体と、集電体上に形成される負極活物質層とからなる。
集電体としては、銅、ニッケル、ステンレス鋼、チタン等からなる箔などの正極と同様のものを用いることができる。
負極活物質としては、例えば、黒鉛系炭素材料、シリコン、スズ、シリコン合金、スズ合金、酸化ケイ素、リチウムバナジウム酸化物等が挙げられるが、特に、シリコン、スズ、シリコン合金、スズ合金等のリチウムと合金化可能な化合物や、酸化ケイ素、リチウムバナジウム酸化物等を使用することが好ましい。黒鉛系炭素材料の容量密度が560〜630mAh/cm3であるのに対して、シリコン、スズ、シリコン合金、スズ合金、酸化ケイ素、リチウムバナジウム酸化物等の容量密度は850mAh/cm3以上であり、これらを用いることにより電池の小型化及び高容量化を図ることができる。なお、これらの負極活物質は、単独で用いられてもよく、2種以上が併用されてもよい。
本実施形態に係る負極にも、正極と同様に、上述した負極活物質の他に、例えば、導電剤、結着剤、フィラー、分散剤、イオン導電剤等の添加剤が、適宜選択され含まれていてもよい。
電解質としては、例えば、有機溶媒にリチウム塩を溶解させた非水電解液、ポリマー電解質、無機固体電解質、ポリマー電解質と無機固体電解質との複合材等が挙げられる。
セパレータとしては、例えば、ポリプロピレンやポリエチレン等のポリオレフィンからなる多孔質膜が使用できる。また、この多孔質膜の上にポリアミド層を設けてもよく、無機金属化合物が含まれたポリアミド層があってもよい。
以上、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池の構成について詳細に説明したが、続いて、上述した構成を有するリチウムイオン二次電池の製造方法について詳細に説明する。
まず、正極を作製する。正極は、集電体上に正極活物質層を形成することにより得られる。
ここで、本実施形態に係る正極活物質の製造方法について説明する。初めに、上述したLi2MnO3とLiMO2との固溶体とモリブデン酸塩とを混合する。あるいは、Li2MnO3とLiMO2との固溶体の前駆体を用いる場合には、例えば、Ni、Co、Mnのうちの少なくとも1種を元素として含む複合水酸化物を前駆体として用意し、さらに、例えば、Li2CO3等をLi源として用意し、これらの前駆体とLi源とを混合し、この混合物とモリブデン酸塩とを混合する。
次いで、上述したようにして得られた正極活物質と、導電剤、結着剤、フィラー、分散剤、イオン導電剤等の各種添加剤との混合物を水や有機溶媒等の溶媒に添加してスラリー又はペースト化する。さらに、得られたスラリー又はペーストを、ドクターブレード法等の塗布法を用いて集電体上に塗布し、乾燥した後に、圧延ロール等で圧密化することにより、集電体上に正極活物質層を形成することができる。
次に、負極を作製する。負極は、集電体上に負極活物質層を形成することにより得られる。具体的には、正極を作製する場合と同様に、上述した負極活物質と、導電剤、結着剤、フィラー、分散剤、イオン導電剤等の各種添加剤との混合物を水や有機溶媒等の溶媒に添加してスラリー又はペースト化する。さらに、得られたスラリー又はペーストを、ドクターブレード法等の塗布法を用いて集電体上に塗布し、乾燥した後に、圧延ロール等で圧密化することにより、集電体上に負極活物質層を形成することができる。
電解質として、有機溶媒にリチウム塩を溶解させた非水電解液を使用する場合には、電解質溶液を調製する。この場合、上述した非水電解液の溶媒(例えば、環状カーボネートと鎖状カーボネートとを所定混合比で混合した混合溶媒)中に、上述したリチウム塩を所定濃度で溶解させた溶液を調製する。また、電解質として、ポリマー電解質、無機固体電解質、ポリマー電解質と無機固体電解質との複合材等の固体電解質を用いる場合には、これらをそのまま(ポリマー電解質の場合は製膜して)電解質として用いる。
電解質として非水電解液を使用する場合には、以上のようにして得られた正極と負極との間にセパレータを介在させ、セパレータを介在させた電極を円筒形や偏平形等の電池ケースに応じた形状に巻き、巻かれた状態の電極を電池ケースに収容した後に、この電極が収容された電池ケース内に電解質溶液を注液することで、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池を製造することができる。また、電解質として固体電解質を使用する場合には、電解液を注入する代わりに、固体電解質を電極と積層させる。
正極活物質として、上記式(1)(xLi2MnO3−(1−x)LiMO2)で表されるLi2MnO3−LiMO2系固溶体を使用した。なお、式(1)におけるMの組成は、上記式(2)(MnaCobNic)で表される。具体的には、正極活物質を作製する材料として、下記の表1に示す組成の固溶体またはその前駆体を用い、該固溶体または前駆体と、表1に示す種類のモリブデン酸塩とを混合した。このときのモリブデン酸塩の添加量は、固溶体または前駆体100質量部に対して、表1に示した質量部である。また、前駆体を使用した場合には、Ni、Co、Mnのうちの少なくとも1種を元素として含む複合水酸化物を使用し、この前駆体に、Li源としてLi2CO3を添加した後に、モリブデン酸塩と混合した。
上記のようにして得られた実施例1〜11及び比較例1〜10のリチウムイオン二次電池サンプルについて、正極活物質層中に含まれる固溶体粒子の1次粒子の数平均粒子径(μm)を測定し、この測定結果から、正極の電極密度(g/cc)を算出した。固溶体正極粒子の数平均粒子径の測定は、任意の倍率のSEM画像から無作為に100個の粒子を選択し、画像解析ソフトにて平均粒子径を算出した。また、正極の電極密度は、15mmΦに打ち抜いたコインセル用電極の塗布質量とプレス後の厚みから算出した。
固溶体粒子の1次粒子径(数平均粒子径)、正極の電極密度、リチウムイオン二次電池サンプルの初回放電容量及び単位体積当たりの容量を下記の表1に示す。なお、表1には、比較を容易にするため、実施例1を重複して記載している。
Claims (2)
- Li2MnO3とLiMO2(Mは、Co、MnおよびNiを含む)との固溶体を正極活物質として含有し、かつ、電極密度が2.9g/cc以上である正極を有し、
前記正極活物質は、粒子状の前記固溶体の凝集体からなり、
前記正極活物質は、焼結促進剤としてモリブデン酸リチウムを含み、
前記固溶体は、下記式(1)で表され、
前記固溶体の1次粒子の数平均粒子径が、0.5μm以上、1.5μm未満である、リチウムイオン二次電池。
xLi2MnO3−(1−x)LiMO2 ・・・(1)
前記式(1)で、xは、0.2≦x≦0.5であり、
Mは、下記式(2)で表される。
MnaCobNic ・・・(2)
前記式(2)で、a、b、cは、0.3≦a≦0.5、0.1≦b≦0.3、0.3≦c≦0.5、かつ、a+b+c=1である。 - Li2MnO3とLiMO2(MはCo、MnおよびNiを含む)との固溶体、または、該固溶体の前駆体とリチウム化合物との混合物のいずれか一方と、前記固溶体または前記固溶体の前駆体100質量部に対して5質量部以上50質量部以下の量のモリブデン酸リチウムとを混合した後に、750℃以上1050℃以下の温度で焼成し、
前記固溶体は、下記式(1)で表される、リチウムイオン二次電池用正極活物質の製造方法。
xLi2MnO3−(1−x)LiMO2 ・・・(1)
前記式(1)で、xは、0.2≦x≦0.5であり、
Mは、下記式(2)で表される。
MnaCobNic ・・・(2)
前記式(2)で、a、b、cは、0.3≦a≦0.5、0.1≦b≦0.3、0.3≦c≦0.5、かつ、a+b+c=1である。
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