JP6215318B2 - 非水電解質二次電池の製造方法 - Google Patents
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Description
(1)正極と、
リチウムイオン吸蔵電位が1.2V(対Li/Li+)以上のチタン複合酸化物を含有する活物質を含む負極と、
非水電解液と、を含む非水電解質二次電池の製造方法において、
前記正極、前記負極、及び前記非水電解液を収容した外装部材の開口部を仮封止して仮封止二次電池を得る工程と、
前記仮封止二次電池の負極電位を0.8Vより高く1.4V以下の電位(対Li/Li+)に調整し、50℃以上80℃未満の雰囲気中で貯蔵する工程と、
前記仮封止二次電池を開封して内部の気体を排出し、次いで、前記外装部材を本封止する工程と、
を含む、非水電解質二次電池の製造方法である。
(2)前記貯蔵を開回路で行う(1)に記載の非水電解質二次電池の製造方法である。
(3)前記チタン複合酸化物は、スピネル構造のチタン酸リチウム、ラムスデライト構造のチタン酸リチウム及び単斜晶系チタン複合酸化物から選択される(1)又は(2)に記載の非水電解質二次電池の製造方法である。
(4)前記チタン複合酸化物は、Li4+xTi5O12、Li2+xTi3O7、一般式H2TinO2n+1で表されるチタン酸化合物、ブロンズ型酸化チタンから選択される(1)〜(3)のいずれかに記載の非水電解質二次電池の製造方法である。(0≦x≦3、nは4以上の偶数。)
(5)前記負極電位を調整するとき、前記仮封止二次電池の容量は負極によって規制される(1)〜(4)のいずれかに記載の非水電解質二次電池の製造方法である。
(6)前記非水電解液が、溶媒としてのエチレンカーボネート、及び/又は、添加剤としてのビニレンカーボネート、1,3−プロパンスルトン及びエチレンサルファイトから選択される少なくとも一種類を含む(1)〜(5)のいずれかに記載の非水電解質二次電池の製造方法である。
(7)前記正極の活物質がリン酸鉄リチウムである(1)〜(6)のいずれかの非水電解質二次電池の製造方法である。
(8)前記仮封止二次電池のセル電圧を2.1〜2.7Vに調整する(7)に記載の非水電解質二次電池の製造方法である。
(9)前記正極の活物質がスピネル構造のリチウムマンガン複合酸化物である(1)〜(6)のいずれかに記載の非水電解質二次電池の製造方法である。
(10)前記仮封止二次電池のセル電圧を2.8〜3.4Vに調整する(9)に記載の非水電解質二次電池の製造方法である。
(11)前記正極の活物質がリチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物である(1)〜(6)のいずれかに記載の非水電解質二次電池の製造方法である。
(12)前記仮封止二次電池のセル電圧を2.7〜3.3Vに調整する(11)に記載の非水電解質二次電池の製造方法である。
(13)(1)〜(12)のいずれかに記載の製造方法で製造された非水電解質二次電池である。
第1の工程において、仮封止二次電池を作製する。まず、外装部材内に電極群を収容する。電極群は正極、負極、及びセパレータから構成される。具体的には、例えば、正極、セパレータ、負極、及びセパレータを順に積層し、この積層体を扁平形状に捲回することにより扁平型の電極群が形成される。別の方法として、例えば、正極と負極とを、セパレータを介して一組又は複数組積層して電極群を形成してもよい。必要に応じて、該電極群を絶縁テープで捲回して固定してもよい。電極群の形成後及び/又は形成前に電極群や各構成部材を加熱及び/又は真空乾燥して吸着水分を低減させる工程を追加してもよい。
次いで、第2の工程を行う。仮封止二次電池の正極端子と負極端子の間に電流を流し、負極電位が0.8Vより高く1.4V以下の電位(対Li/Li+)の範囲になるように初充電する。負極活物質のリチウムイオン吸蔵電位よりも負極電位が350mV以上低くなるように初充電するとより好ましい。
次に、外装部材の一部を切断するか、又は穴を開け、第2の工程において外装部材の中に滞留した気体を外部に排出する。例えば、仮封止部の内側であってヒートシールされていない部分である開封部の何れかの位置においてラミネートフィルムを切断することにより、外装部材を開封することができる。開封は減圧下で行うことが好ましく、また、不活性雰囲気下又は乾燥空気中で行うことが好ましい。
<正極の作製>
正極活物質としてリン酸鉄リチウム(LiFePO4)粉末83重量%、アセチレンブラック10重量%、及びポリフッ化ビニリデン(PVdF)7重量%を、N−メチルピロリドン(NMP)に加えて混合し、スラリーを調製した。このスラリーを厚さ20μmのアルミニウム箔からなる集電体に片面あたりの活物質量が9.5mg/cm2となるように両面に塗布した。塗布後に、乾燥、プレスして合剤密度が1.9g/cm3になるように正極を作製した。その後130℃で8時間減圧乾燥を行った。
負極活物質としてスピネル構造を有するリチウムチタン酸化物(Li4Ti5O12、リチウム吸蔵電位=1.55V対Li/Li+、比表面積=4.2m2/g、平均粒径=1.3μm)の粉末89.3重量%と、導電剤としてのアセチレンブラック4.5重量%と、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)6.2重量%とを、N−メチルピロリドン(NMP)溶液に加えて混合し、スラリーを調製した。このスラリーを厚さが20μmのアルミ箔からなる集電体に片面あたりの活物質量が8.0mg/cm2となるように両面に塗布した。塗布後、乾燥、プレスして合剤密度が1.8〜2.0g/cm3になるように負極を作製した。その後130℃で8時間減圧乾燥を行った。
上記で作製したシート状正電極と、厚さ50μmのレーヨンからなるセパレータと、上記で作製したシート状負電極と、セパレータとを、この順序で交互に積層して絶縁テープで固定した。固定後に正極、及び負極の集電体に厚さ20μmのアルミニウム箔からなるリードタブを溶接した。得られた電極群は幅が36mmで、厚さが3.9mmの偏平状電極群だった。得られた電極群を、ラミネートフィルムからなる外装部材に収容し、80℃で8時間真空乾燥した。
エチレンカーボネート(EC)とジメチルカーボネート(DMC)の混合溶媒(混合体積比1:2)に、電解質として六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)を1モル/リットル溶解した非水電解液を調製した。
第1の工程として、ラミネートフィルムからなる外装部材に一辺から正負極端子が延出した状態で電極群を収容した。該外装部材中に非水電解質を注入し、電極群に非水電解質を含浸させた。次いで、ラミネートフィルムをヒートシールにより仮封止して密封し、仮封止二次電池を得た。
第2の工程として、仮封止二次電池を3時間放置後、その負極端子と正極端子の間に電流を流し0.25C(110mA)で負極電位が1.0Vになるまで、常温下(25℃)で充電を行った。このときのセル電圧は2.5Vであった。
第2工程において、負極電位が1.2Vになるまで充電を行った以外は、実施例1と同様な方法にてラミネートフィルム型の非水電解質二次電池を製造した。このときのセル電圧は2.3Vであった。
第2工程において、負極電位が0.85Vになるまで充電を行った以外は、実施例1と同様な方法にてラミネートフィルム型の非水電解質二次電池を製造した。このときのセル電圧は2.65Vであった。
第2工程において、貯蔵温度を70℃とした以外は、実施例1と同様な方法にてラミネートフィルム型の非水電解質二次電池を製造した。
第2工程における貯蔵期間を48時間にした以外は、実施例1と同様な方法にてラミネートフィルム型の非水電解質二次電池を製造した。
第2工程において、負極電位が1.4Vになるまで充電を行った以外は、実施例1と同様な方法にてラミネートフィルム型の非水電解質二次電池を製造した。このときのセル電圧は2.1Vであった。
第2工程において、SOC(State of Charge)が50%になるように220mAhの充電を行った以外は、実施例1と同様な方法にてラミネートフィルム型の非水電解質二次電池を製造した。このとき、負極電位は1.55V、セル電圧は1.9Vであった。
第2工程において、SOCが90%になるように400mAhの充電を行った以外は、実施例1と同様な方法にてラミネートフィルム型の非水電解質二次電池を製造した。このとき、負極電位は1.55V、セル電圧は1.9Vであった。
第2工程において、貯蔵温度を45℃とした以外は、実施例1と同様な方法にてラミネートフィルム型の非水電解質二次電池を製造した。
特表2010−530122号の実施例1に記載の条件に準じてコンディショニングを行った。具体的には、第2工程において、仮封止電池をセル電圧2.5Vまで充電し、次いで約16時間、常温にて開回路状態で貯蔵し、次いで、前記電池を80℃に予熱された炉に投入し、炉の内部で再び2.5Vまで充電し、炉内で約5時間貯蔵し、その後、電池を炉から取出し、周囲温度まで冷却した以外は、実施例1と同様な方法にてラミネートフィルム型の非水電解質二次電池を製造した。
第2工程において、負極電位が0.5Vになるまで充電を行った以外は、実施例1と同様な方法にてラミネートフィルム型の非水電解質二次電池を製造した。このときのセル電圧は3.0Vであった。
上記のようにして作製した実施例1〜6、比較例1〜5の非水電解質二次電池について、以下の測定を行った。
非水電解質二次電池を、温度25℃の恒温槽に保存して温度を安定化させた後、一度SOC0%まで放電する(1C、終止電圧1.0V)。30分休止させた後、1Cで2.5Vまで定電流充電し、30分休止させた後、1Cで1.0Vまで放電したときの容量を放電容量とする。この条件でコンディショニング後に放電容量測定を行い、初期容量とした。結果を表1に示す。
非水電解質二次電池を、温度55℃の恒温槽に投入し、前記容量測定と同じ充放電条件(充電:1C−終止電圧2.5V、休止:30分、放電:1C−終止電圧1.0V、休止:30分)で150サイクルの充放電を行った。
非水電解質二次電池を500ミリリットルの水の入ったメスシリンダー内にいれて、電池の体積を測定した。前記高温サイクル試験150サイクルの前と後に電池体積を測定し、その体積変化量をガス発生量とした。その結果も合わせて表1に示す。
(実施例7)
<正極の作製>
正極活物質としてマンガン酸リチウム(LiMn2O4)を用いて実施例1と同様にしてスラリーを調整した。このスラリーを、厚さ20μmのアルミニウム箔からなる集電体に片面あたりの活物質量が9.3mg/cm2となるように片面に塗布した。塗布後に、乾燥、プレスして合剤密度が2.9g/cm3となるように正極を作製した。その後、130℃で8時間減圧乾燥を行った。
負極活物質として、実験1で用いたスピネル構造を有するリチウムチタン酸化物の粉末89.3重量%に、導電剤としてのアセチレンブラック4.5重量%を加えて混合した後に、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)6.2重量%、N−メチルピロリドン(NMP)を加えて混合し、泡とり練太郎で、2000rpmで3分間撹拌し、2200rpmで30秒間脱泡を2回行った。その後、2000rpmで5分間撹拌し、2200rpmで30秒間脱泡を1回行い、スラリーを調製した。
上記で作製した正極と、厚さ50μmのレーヨンからなるセパレータと、上記で作製した負極と、セパレータとを、この順序でそれぞれの塗布面がセパレータを介して向き合うように積層した後、正極が外側に位置するように扁平形状に捲回し、絶縁テープで固定した。固定後に正極、及び負極の集電体に厚さ20μmのアルミニウム箔からなるリードタブを溶接して電極群を作製した。得られた電極群を、ラミネートフィルムからなる外装部材に収容し、100℃で12時間真空乾燥した。
プロピレンカーボネート(PC)とジエチルカーボネート(DEC)の混合溶媒(混合体積比2:1)に、電解質として六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)を1モル/リットルに、添加剤としてビニレンカーボネート(VC)、1,3プロパンスルトンをそれぞれ3重量%溶解した非水電解液を調製した。
第1の工程として、ラミネートフィルムからなる外装部材に一辺から正負極端子が延出した状態で電極群を収容した。該外装部材中に非水電解質を注入し、電極群に非水電解質を含浸させた。次いで、ラミネートフィルムをヒートシールにより仮封止して密封し、仮封止二次電池を得た。
第2の工程として、仮封止二次電池を3時間放置後、その負極端子と正極端子の間に0.25C(10mA)で電流を流し負極電位が1.2Vになるまで、25℃で充電を行った。このときのセル電圧は3.0Vであった。
特開2012−79561号の記載に準じた条件、具体的には、第2工程において、SOCが15%になるように6mAhの充電を行った以外は、実施例7と同様な方法にて非水電解質二次電池を製造した。このとき、負極電位は1.55V、セル電圧は2.3Vであった。
第2の工程において、貯蔵温度を25℃とした以外は、実施例7と同様な方法にて非水電解質二次電池を製造した。
第2の工程において、貯蔵温度を45℃とした以外は、実施例7と同様な方法にて非水電解質二次電池を製造した。
特再公表WO2007/06406号の記載に準じた条件、具体的には、第2の工程において、負極電位が0.4Vになるまで充電を行い(このときのセル電圧は3.8V)、貯蔵温度を25℃とした以外は、実施例7と同様な方法にて非水電解質二次電池を製造した。
第2の工程において、貯蔵温度を45℃とした以外は、比較例9と同様な方法にて非水電解質二次電池を製造した。
第2の工程において、貯蔵期間を168時間とした以外は、比較例9と同様な方法にて非水電解質二次電池を製造した。
第2の工程において、貯蔵期間を168時間とした以外は、比較例10と同様な方法にて非水電解質二次電池を製造した。
上記のようにして作製した実施例7及び比較例6〜12の非水電解質二次電池について、初期放電容量測定及び高温サイクル試験時の充放電終止電圧をそれぞれ3.0V、1.4Vとし、ガス発生量測定に100ミリリットルの水の入ったメスシリンダーを用いた以外は、実験1と同様の測定を行った。結果を表2に示す。
(実施例8)
<正極の作製>
正極活物質としてリチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物(LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2)粉末、アセチレンブラック、及びポリフッ化ビニリデン(PVdF)のN−メチルピロリドン(NMP)溶液を、質量比がLiNi1/3Mn1/3Co1/3O2:アセチレンブラック:PVdF=92:4:4となるように混合し、NMPを加えて正極合剤スラリーを調製した。この正極合剤スラリーを厚さ20μmのアルミニウム箔からなる集電体に片面あたりの活物質量が9.8mg/cm2となるように両面に塗布した。塗布後に、乾燥、プレスして合剤密度が2.5g/cm3になるように正極を作製した。その後130℃で8時間減圧乾燥を行った。
負極活物質としてスピネル構造を有するリチウムチタン酸化物(Li4Ti5O12、リチウム吸蔵電位=1.55VvsLi/Li+、比表面積=10.9m2/g、平均二次粒子径=7.4μm、平均一次粒径=0.8μm)の粉末、アセチレンブラック、及びポリフッ化ビニリデン(PVdF)のN−メチルピロリドン(NMP)溶液を、質量比がLi4Ti5O12:アセチレンブラック:PVdF=87.0:4.3:8.7となるように混合し、NMPを加えて負極合剤スラリーを調製した。このスラリーを厚さが20μmのアルミ箔からなる集電体に片面あたりの活物質量が8.0mg/cm2となるように両面に塗布した。塗布後、乾燥、プレスして合剤密度が1.8〜2.0g/cm3になるように負極を作製した。その後130℃で8時間減圧乾燥を行った。活物質の平均二次粒子径はレーザー回折法(堀場製作所製 レーザー回折/散乱式粒子径分布測定装置LA‐950)にて測定し、 一次粒子は電子顕微鏡法(日立ハイテクノロジーズ製走査電子顕微鏡 S‐4800、100個の平均)で求めた。比表面積については、比表面積測定装置(モノソーブ:Quantachrome Instruments社製)を用いて、窒素吸着によるBET一点法にて測定した。
シート状正電極と、厚さ50μmのレーヨンからなるセパレータと、上記で作製したシート状負電極と、セパレータとを、この順序で交互に積層して絶縁テープで固定した。固定後に正極、及び負極の集電体に厚さ20μmのアルミニウム箔からなるリードタブを溶接した。得られた電極群は幅が36mmで、厚さが3.9mmの偏平状電極群だった。
溶媒エチレンカーボネート(EC)と溶媒プロピレンカーボネート(PC)と溶媒メチルエチルカーボネート(MEC)の混合溶媒(混合体積比10:30:60)に、リチウム塩として六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)を1モル/リットル、四フッ化硼酸リチウム(LiBF4)を0.2モル/リットルとなるように溶解した溶液を調製し、非水電解液とした。
第1の工程として、ラミネートフィルムからなる外装部材に、上記で作製した電極群を、その正負極端子が一辺から延出した状態で収容し、80℃で8時間真空乾燥した。該外装部材中に非水電解液を注入し、電極群に含浸させた。次いで、ラミネートフィルムの開口部をヒートシールにより仮封止して密封し、仮封止二次電池を得た。
第2の工程として、仮封止二次電池を2枚の押し板で挟みクリップで固定することで加圧をして3時間放置後、その負極端子と正極端子の間に電流を流し0.25C(100mA)で負極電位が1.0Vになるまで、常温下(25℃)で充電を行った。このときのセル電圧は3.1Vであった。
上記のようにして作製した実施例8の非水電解質二次電池について、以下の測定を行った。
非水電解質二次電池を、温度25℃の恒温槽に保存して温度を安定化させた後、一度SOC0%まで放電する(1C、終止電圧1.4V)。30分休止させた後、1Cで3.1Vまで定電流充電し、30分休止させた後、1Cで1.4Vまで放電したときの容量を放電容量とする。この条件でコンディショニング後に放電容量測定を行ったものを初期容量とした。
非水電解質二次電池を、温度55℃の恒温槽に投入し、前記容量測定と同じ充放電条件(充電:1C−終止電圧3.1V、休止:30分、放電:1C−終止電圧1.4V、休止:30分)で500サイクルの充放電を行った。500サイクル後に再度前記放電容量測定を行ってサイクル後容量を求め、放電容量維持率(=サイクル後容量/初期容量)を算出した。結果を表3に示す。
(実施例9)
負極活物質として特開2008−25500号に開示されているチタン酸化合物(H2Ti12O25、リチウム吸蔵電位=1.55V対Li/Li+)を用いた、第2工程における貯蔵期間を168時間にした以外は、実施例7と同様な方法にて非水電解質二次電池を作製した。
第2の工程において、貯蔵温度を25℃とした以外は、実施例9と同様な方法にて非水電解質二次電池を製造した。
上記のようにして作製した実施例9及び比較例13の非水電解質二次電池について、実験2と同様の方法で各種測定を行った。結果を表4に示す。
Claims (11)
- 正極と、
リチウムイオン吸蔵電位が1.2V(対Li/Li+)以上のチタン複合酸化物を含有する活物質を含む負極と、
非水電解液と、を含み、正極実電気容量をP、負極実電気容量をNとしたとき、正負極容量比R=N/Pが0.7≦R<1.0とする、非水電解質二次電池の製造方法において、
前記正極、負極、及び非水電解質を収容した外装部材の開口部を仮封止して仮封止二次電池を得る工程、
前記仮封止二次電池の負極電位を0.8Vより高く1.4V以下の電位(対Li/Li+)で、かつ、チタン複合酸化物のリチウムイオン吸蔵電位よりも350mV以上低い電位に調整し、50℃以上80℃未満の雰囲気中で貯蔵する工程、
前記仮封止二次電池を開封して内部の気体を排出し、次いで、前記外装部材を本封止する
工程、
を含む、非水電解質二次電池の製造方法。 - 前記貯蔵を開回路で行う請求項1に記載の非水電解質二次電池の製造方法。
- 前記チタン複合酸化物は、スピネル構造のチタン酸リチウム、ラムスデライト構造のチタン酸リチウム及び単斜晶系チタン複合酸化物から選択される請求項1又は2に記載の非水電解質二次電池の製造方法。
- 前記チタン複合酸化物は、Li4+xTi5O12、Li2+xTi3O7、一般式H2TinO2n+1で表されるチタン酸化合物、ブロンズ型酸化チタンから選択される請求項1〜3のいずれかに記載の非水電解質二次電池の製造方法。(ここで、0≦x≦3、nは4以上の偶数。)
- 前記非水電解液が、溶媒としてのエチレンカーボネート、及び/又は、添加剤としてのビニレンカーボネート、1,3−プロパンスルトン及びエチレンサルファイトから選択される少なくとも一種類を含む請求項1〜4のいずれかに記載の非水電解質二次電池の製造方法。
- 前記正極の活物質がリン酸鉄リチウムである請求項1〜5のいずれかに記載の非水電解質二次電池の製造方法。
- 前記仮封止二次電池のセル電圧を2.1〜2.7Vに調整する請求項6に記載の非水電解質二次電池の製造方法。
- 前記正極の活物質がスピネル構造のリチウムマンガン複合酸化物である請求項1〜5のいずれかに記載の非水電解質二次電池の製造方法。
- 前記仮封止二次電池のセル電圧を2.8〜3.4Vに調整する請求項8に記載の非水電解質二次電池の製造方法。
- 前記正極の活物質がリチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物である請求項1〜5のいずれかに記載の非水電解質二次電池の製造方法。
- 前記仮封止二次電池のセル電圧を2.7〜3.3Vに調整する請求項10に記載の非水電解質二次電池の製造方法。
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