JP6229709B2 - 正極活物質、正極材料、正極および非水電解質二次電池 - Google Patents
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Description
正極活物質層に用いられるバインダーとしては、特に限定されないが、例えば、以下の材料が挙げられる。ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエーテルニトリル、ポリアクリロニトリル、ポリイミド、ポリアミド、セルロース、カルボキシメチルセルロース(CMC)およびその塩、エチレン−酢酸ビニル共重合体、ポリ塩化ビニル、スチレン・ブタジエンゴム(SBR)、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、エチレン・プロピレンゴム、エチレン・プロピレン・ジエン共重合体、スチレン・ブタジエン・スチレンブロック共重合体およびその水素添加物、スチレン・イソプレン・スチレンブロック共重合体およびその水素添加物などの熱可塑性高分子、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、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・ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、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合体(PFA)、エチレン・テトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)、ポリクロロトリフルオロエチレン(PCTFE)、エチレン・クロロトリフルオロエチレン共重合体(ECTFE)、ポリフッ化ビニル(PVF)等のフッ素樹脂、ビニリデンフルオライド−ヘキサフルオロプロピレン系フッ素ゴム(VDF−HFP系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド−ヘキサフルオロプロピレン−テトラフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF−HFP−TFE系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド−ペンタフルオロプロピレン系フッ素ゴム(VDF−PFP系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド−ペンタフルオロプロピレン−テトラフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF−PFP−TFE系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド−パーフルオロメチルビニルエーテル−テトラフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF−PFMVE−TFE系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド−クロロトリフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF−CTFE系フッ素ゴム)等のビニリデンフルオライド系フッ素ゴム、エポキシ樹脂等が挙げられる。これらのバインダーは、単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。
負極活物質層は活物質を含み、必要に応じて、導電助剤、バインダー、電解質(ポリマーマトリックス、イオン伝導性ポリマー、電解液など)、イオン伝導性を高めるためのリチウム塩などのその他の添加剤をさらに含む。導電助剤、バインダー、電解質(ポリマーマトリックス、イオン伝導性ポリマー、電解液など)、イオン伝導性を高めるためのリチウム塩などのその他の添加剤については、上記正極活物質層の欄で述べたものと同様である。
等)、アクリロニトリル−ブタジエンゴム、メタクリル酸メチル−ブタジエンゴム、(メタ)アクリル系高分子(ポリエチルアクリレート、ポリエチルメタクリレート、ポリプロピルアクリレート、ポリメチルメタクリレート(メタクリル酸メチルゴム)、ポリプロピルメタクリレート、ポリイソプロピルアクリレート、ポリイソプロピルメタクリレート、ポリブチルアクリレート、ポリブチルメタクリレート、ポリヘキシルアクリレート、ポリヘキシルメタクリレート、ポリエチルヘキシルアクリレート、ポリエチルヘキシルメタクリレート、ポリラウリルアクリレート、ポリラウリルメタクリレート等)、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−プロピレン共重合体、ポリブタジエン、ブチルゴム、フッ素ゴム、ポリエチレンオキシド、ポリエピクロルヒドリン、ポリフォスファゼン、ポリアクリロニトリル、ポリスチレン、エチレン−プロピレン−ジエン共重合体、ポリビニルピリジン、クロロスルホン化ポリエチレン、ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂;ポリビニルアルコール(平均重合度は、好適には200〜4000、より好適には、1000〜3000、ケン化度は好適には80モル%以上、より好適には90モル%以上)およびその変性体(エチレン/酢酸ビニル=2/98〜30/70モル比の共重合体の酢酸ビニル単位のうちの1〜80モル%ケン化物、ポリビニルアルコールの1〜50モル%部分アセタール化物等)、デンプンおよびその変性体(酸化デンプン、リン酸エステル化デンプン、カチオン化デンプン等)、セルロース誘導体(カルボキシメチルセルロース、メチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース、およびこれらの塩等)、ポリビニルピロリドン、ポリアクリル酸(塩)、ポリエチレングリコール、(メタ)アクリルアミドおよび/または(メタ)アクリル酸塩の共重合体[(メタ)アクリルアミド重合体、(メタ)アクリルアミド−(メタ)アクリル酸塩共重合体、(メタ)アクリル酸アルキル(炭素数1〜4)エステル−(メタ)アクリル酸塩共重合体など]、スチレン−マレイン酸塩共重合体、ポリアクリルアミドのマンニッヒ変性体、ホルマリン縮合型樹脂(尿素−ホルマリン樹脂、メラミン−ホルマリン樹脂等)、ポリアミドポリアミンもしくはジアルキルアミン−エピクロルヒドリン共重合体、ポリエチレンイミン、カゼイン、大豆蛋白、合成蛋白、並びにガラクタンマンナン誘導体等の水溶性高分子などが挙げられる。これらの水系バインダーは1種単独で用いてもよいし、2種以上併用して用いてもよい。
セパレータは、電解質を保持して正極と負極との間のリチウムイオン伝導性を確保する機能、および正極と負極との間の隔壁としての機能を有する。
集電体を構成する材料に特に制限はないが、好適には金属が用いられる。
集電板(25、27)を構成する材料は、特に制限されず、リチウムイオン二次電池用の集電板として従来用いられている公知の高導電性材料が用いられうる。集電板の構成材料としては、例えば、アルミニウム、銅、チタン、ニッケル、ステンレス鋼(SUS)、これらの合金等の金属材料が好ましい。軽量、耐食性、高導電性の観点から、より好ましくはアルミニウム、銅であり、特に好ましくはアルミニウムである。なお、正極集電板27と負極集電板25とでは、同一の材料が用いられてもよいし、異なる材料が用いられてもよい。
また、図示は省略するが、集電体11と集電板(25、27)との間を正極リードや負極リードを介して電気的に接続してもよい。正極および負極リードの構成材料としては、公知のリチウムイオン二次電池において用いられる材料が同様に採用されうる。なお、外装から取り出された部分は、周辺機器や配線などに接触して漏電したりして製品(例えば、自動車部品、特に電子機器等)に影響を与えないように、耐熱絶縁性の熱収縮チューブなどにより被覆することが好ましい。
電池外装体29としては、公知の金属缶ケースを用いることができるほか、発電要素を覆うことができる、アルミニウムを含むラミネートフィルムを用いた袋状のケースが用いられうる。該ラミネートフィルムには、例えば、PP、アルミニウム、ナイロンをこの順に積層してなる3層構造のラミネートフィルム等を用いることができるが、これらに何ら制限されるものではない。高出力化や冷却性能に優れ、EV、HEV用の大型機器用電池に好適に利用することができるという観点から、ラミネートフィルムが望ましい。また、外部から掛かる発電要素への群圧を容易に調整することができ、所望の電解液層厚みへと調整容易であることから、外装体はアルミネートラミネートがより好ましい。
図3は、二次電池の代表的な実施形態である扁平なリチウムイオン二次電池の外観を表した斜視図である。
一般的な電気自動車では、一回の充電による走行距離(航続距離)は100kmが市場要求である。かような航続距離を考慮すると、電池の体積エネルギー密度は157Wh/L以上であることが好ましく、かつ定格容量は20Wh以上であることが好ましい。
組電池は、電池を複数個接続して構成した物である。詳しくは少なくとも2つ以上用いて、直列化あるいは並列化あるいはその両方で構成されるものである。直列、並列化することで容量および電圧を自由に調節することが可能になる。
本発明の非水電解質二次電池は、長期使用しても放電容量が維持され、サイクル特性が良好である。さらに、体積エネルギー密度が高い。電気自動車やハイブリッド電気自動車や燃料電池車やハイブリッド燃料電池自動車などの車両用途においては、電気・携帯電子機器用途と比較して、高容量、大型化が求められるとともに、長寿命化が必要となる。したがって、上記非水電解質二次電池は、車両用の電源として、例えば、車両駆動用電源や補助電源に好適に利用することができる。
(1)正極活物質の作製
硫酸ニッケル、硫酸コバルト、および硫酸マンガンを溶解した水溶液(1mol/L)に、60℃にて水酸化ナトリウムおよびアンモニアを連続的に供給してpHを11.3に調整し、共沈法によりニッケルとマンガンとコバルトとが50:30:20のモル比で固溶してなる金属複合水酸化物を作製した。
(1)で得られた正極活物質を90重量%、導電助剤としてケッチェンブラック(平均粒子径:300nm)5重量%、バインダーとしてポリフッ化ビニリデン(PVDF)5重量%、およびスラリー粘度調整溶媒であるN−メチル−2−ピロリドン(NMP)を適量混合して、正極活物質スラリーを調製し、得られた正極活物質スラリーを集電体であるアルミニウム箔(厚さ:20μm)に塗布し、120℃で3分間乾燥後、ロールプレス機で圧縮成形して、正極活物質層の片面塗工量18mg/cm2の正極を作製した。
次に、アルゴン雰囲気下のグローブボックス内で、上記(2)で得られた正極を直径14mmの円盤形状に打ち抜き、コインセル用の正極とした。負極としては、金属リチウムを直径15mmの円盤形状に打ち抜いたものを用いた。また、電解液としては、1.0M LiPF6をエチレンカーボネート(EC)とジメチルカーボネート(DMC)との混合溶媒(体積比1:1)に溶解した溶液を準備した。正極と負極とを、セパレータ(材質:ポリプロピレン、厚さ:25μm)を介して積層し、コインセル容器内に入れ、電解液を注入し、上蓋をすることにより評価用コインセルを作製した。作製した電池は24時間放置し、開回路電圧(OCV:Open Circuit Voltage)が安定した後、正極に対する電流密度を0.2mA/cm2としてカットオフ電圧4.25Vまで充電して初期充電容量とし、1時間の休止後カットオフ電圧3.0Vまで放電したときの容量を初期放電容量とした。さらに、この充放電サイクルを200回繰り返した後の容量維持率を求め、サイクル耐久性として評価した。各物性評価、電池評価の結果を下記の表1に示す。なお、得られたコインセルに対して4.25V充電状態でコインセルを解体し、当該正極の示差熱分析(DSC)を行った結果、発熱開始温度は292℃であった。
本焼成の条件を930℃、12時間としたこと以外は、上述した実施例1と同様の手法によりNMC複合酸化物(LiNi0.50Mn0.30Co0.20O2)を合成し、コインセルを作製して、各物性評価および電池評価を実施した。結果を下記の表1に示す。
本焼成の条件を935℃、12時間としたこと以外は、上述した実施例1と同様の手法によりNMC複合酸化物(LiNi0.50Mn0.30Co0.20O2)を合成し、コインセルを作製して、各物性評価および電池評価を実施した。結果を下記の表1に示す。
本焼成の条件を940℃、12時間としたこと以外は、上述した実施例1と同様の手法によりNMC複合酸化物(LiNi0.50Mn0.30Co0.20O2)を合成し、コインセルを作製して、各物性評価および電池評価を実施した。結果を下記の表1に示す。
本焼成の条件を940℃、15時間としたこと以外は、上述した実施例1と同様の手法によりNMC複合酸化物(LiNi0.50Mn0.30Co0.20O2)を合成し、コインセルを作製して、各物性評価および電池評価を実施した。結果を下記の表1に示す。
本焼成の条件を950℃、12時間としたこと以外は、上述した実施例1と同様の手法によりNMC複合酸化物(LiNi0.50Mn0.30Co0.20O2)を合成し、コインセルを作製して、各物性評価および電池評価を実施した。結果を下記の表1に示す。
本焼成の条件を980℃、12時間としたこと以外は、上述した実施例1と同様の手法によりNMC複合酸化物(LiNi0.50Mn0.30Co0.20O2)を合成し、コインセルを作製して、各物性評価および電池評価を実施した。結果を下記の表1に示す。
本焼成の条件を1000℃、10時間としたこと以外は、上述した実施例1と同様の手法によりNMC複合酸化物(LiNi0.50Mn0.30Co0.20O2)を合成し、コインセルを作製して、各物性評価および電池評価を実施した。結果を下記の表1に示す。
本焼成の条件を1000℃、20時間としたこと以外は、上述した実施例1と同様の手法によりNMC複合酸化物(LiNi0.50Mn0.30Co0.20O2)を合成し、コインセルを作製して、各物性評価および電池評価を実施した。結果を下記の表1に示す。
電解二酸化マンガン、水酸化アルミニウムを混合し、750℃で熱処理し、三二酸化マンガンとした後、Li/(Mn+Al)モル比が0.55となるように炭酸リチウムを加えて混合し、850℃で20時間焼成してスピネルマンガン酸リチウムを得た。
硫酸ニッケル、硫酸コバルトおよび硫酸マンガンを溶解した水溶液に水酸化ナトリウムおよびアンモニアを供給し、共沈法によりニッケル、コバルトおよびマンガンのモル比が1/3:1/3:1/3で固溶してなる金属複合水酸化物を調製した。この金属複合水酸化物と炭酸リチウムとを、Li以外の金属(Ni、Co、Mn)の合計モル数とLiのモル数との比が1:1となるように秤量した後、これらを十分混合し、昇温速度5℃/minで昇温し、空気雰囲気下、920℃で10時間焼成し、室温まで冷却した。次に、実施例1と同様に作製したNMC複合酸化物(LiNi0.50Mn0.30Co0.20O2)100重量%に対して、重量百分率が5重量%となるようにLiNi1/3Mn1/3Co1/3O2を混合し、粉砕機を用いて30分間機械的処理を行った。その後、再度空気雰囲気下、930℃で10時間焼成し、核(コア)となるLiNi0.50Mn0.30Co0.20O2の二次粒子表面にLiNi1/3Mn1/3Co1/3O2が5重量%被覆したLi−Ni複合酸化物粒子粉末を得た。このLi−Ni複合酸化物を正極活物質として用いて実施例1と同様に評価用コインセルを作製して、200サイクル後の容量維持率を求め、サイクル耐久性として評価した。結果を下記の表2に示す。なお、得られたコインセルに対して4.25V充電状態でコインセルを解体し、当該正極の示差熱分析(DSC)を行った結果、発熱開始温度は295℃であった。
実施例1と同様に作製したNMC複合酸化物(LiNi0.50Mn0.30Co0.20O2)と、実施例8と同様に作製したスピネルマンガン酸リチウムとの混合物を正極活物質として用いた。この際、上記活物質の混合比は、90:10(NMC複合酸化物:スピネルマンガン酸リチウムの重量比)であった。このこと以外は実施例1と同様に評価用コインセルを作製して、200サイクル後の容量維持率を求め、サイクル耐久性として評価した。また、得られたコインセルについて−20℃の温度条件の下、上限電圧4.25Vの定電流0.4mA/cm2で充電した後、放電終止電圧3.0Vまでの定電流放電を行った。その後、同じコインセルについて電流4.0mA/cm2の条件で定電流充電を行い、放電終止電圧3.0Vまでの定電流放電を行った。そして、電流0.4mA/cm2の条件で充放電を行ったときの容量に対する電流4.0mA/cm2の条件で充放電を行ったときの容量の割合を算出して、低温負荷特性(−20℃出力特性)として評価した。これらの結果を下記の表3に示す。
NMC複合酸化物(LiNi0.50Mn0.30Co0.20O2)とスピネルマンガン酸リチウムとの混合物における混合比を70:30(NMC複合酸化物:スピネルマンガン酸リチウムの重量比)としたこと以外は実施例10と同様に評価用コインセルを作製して、200サイクル後の容量維持率を求め、サイクル耐久性として評価した。また、上記と同様にして低温負荷特性(−20℃出力特性)を評価した。これらの結果を下記の表3に示す。
NMC複合酸化物(LiNi0.50Mn0.30Co0.20O2)とスピネルマンガン酸リチウムとの混合物における混合比を30:70(NMC複合酸化物:スピネルマンガン酸リチウムの重量比)としたこと以外は実施例10と同様に評価用コインセルを作製して、200サイクル後の容量維持率を求め、サイクル耐久性として評価した。また、上記と同様にして低温負荷特性(−20℃出力特性)を評価した。これらの結果を下記の表3に示す。
無機粒子であるアルミナ粒子(BET比表面積:5m2/g、平均粒子径2μm)95質量部およびバインダーであるカルボキシメチルセルロース(バインダー質量あたりの含有水分量:9.12質量%、日本製紙ケミカル社製、サンローズ(登録商標)MACシリーズ)5質量部を水に均一に分散させた水溶液を調製した。この水溶液をグラビアコーターを用いてポリエチレン(PE)微多孔膜(膜厚:2μm、空隙率:55%)の両面に塗工した。次いで、60℃にて乾燥して水を除去し、多孔膜の両面に3.5μmずつ耐熱絶縁層が形成された、総膜厚25μmの多層多孔膜である耐熱絶縁層付セパレータを作製した。このときの耐熱絶縁層の目付は両面の合計で9g/m2であった。
続いて、負極活物質として人造グラファイト96.5質量%、バインダーとしてカルボキシメチルセルロースのアンモニウム塩1.5質量%およびスチレン−ブタジエン共重合体ラテックス2.0質量%を精製水中に分散させて負極活物質スラリーを調製した。この負極活物質スラリーを負極集電体となる銅箔(厚さ10μm)に塗布し、120℃で3分間乾燥後、ロールプレス機で圧縮成形して負極を作製した。裏面にも同様にして負極活物質層を形成して、負極集電体(銅箔)の両面に負極活物質層が形成されてなる負極を作製した。
グラビアコーターの塗布ギャップを変更して耐熱絶縁層の目付けが両面の合計で13g/m2となるように調整した以外は、実施例13と同様にして、耐熱絶縁層付セパレータを得て、同様にしてセパレータの熱収縮率を測定した。測定結果を下記の表4に示す。
グラビアコーターの塗布ギャップを変更して耐熱絶縁層の目付けが両面の合計で15g/m2となるように調整した以外は、実施例13と同様にして、耐熱絶縁層付セパレータを得て、同様にしてセパレータの熱収縮率を測定した。測定結果を下記の表4に示す。
グラビアコーターの塗布ギャップを変更して耐熱絶縁層の目付けが両面の合計で17g/m2となるように調整した以外は、実施例13と同様にして、耐熱絶縁層付セパレータを得て、同様にしてセパレータの熱収縮率を測定した。測定結果を下記の表4に示す。
グラビアコーターの塗布ギャップを変更して耐熱絶縁層の目付けが両面の合計で5g/m2となるように調整した以外は、実施例13と同様にして、耐熱絶縁層付セパレータを得て、同様にしてセパレータの熱収縮率を測定した。測定結果を下記の表4に示す。
グラビアコーターの塗布ギャップを変更して耐熱絶縁層の目付けが両面の合計で2g/m2となるように調整した以外は、実施例13と同様にして、耐熱絶縁層付セパレータを得て、同様にしてセパレータの熱収縮率を測定した。測定結果を下記の表4に示す。
実施例13において、得られた発電要素を渦巻状に巻回して巻回体電極群を作製した。次いで、得られた巻回体電極群を押しつぶして扁平状にし、厚み6mm、高さ50mm、幅34mmのアルミニウム製外装缶に入れ、電解液を注入した後に封止を行って、リチウムイオン二次電池である試験用セルを作製し、同様にして熱収縮率の測定および信頼性試験を行った。結果を下記の表4に示す。
実施例19において、耐熱絶縁層付セパレータの耐熱絶縁層を形成する前の多孔質基体であるポリエチレン(PE)微多孔膜をそのままセパレータとして準備し、同様にして熱収縮率の測定を行った。また、このセパレータを用いて上述した実施例13と同様の手法により試験用セルを作製し、同様にして熱収縮率の測定および信頼性試験を行った。これらの結果を下記の表4に示す。
実施例13において、耐熱絶縁層付セパレータの耐熱絶縁層を形成する前の多孔質基体であるポリエチレン(PE)微多孔膜をそのままセパレータとして準備し、同様にして熱収縮率の測定を行った。また、このセパレータを用いて上述した実施例13と同様の手法により試験用セルを作製し、同様にして熱収縮率の測定および信頼性試験を行った。これらの結果を下記の表4に示す。
2 正極材料のコア部、
3 正極材料、
10、50 リチウムイオン二次電池、
11 負極集電体、
12 正極集電体、
13 負極活物質層、
15 正極活物質層、
17 セパレータ、
19 単電池層、
21、57 発電要素、
25 負極集電板、
27 正極集電板、
29、52 電池外装材、
58 正極タブ、
59 負極タブ。
Claims (14)
- リチウムとニッケルとを含有する複合酸化物からなる非水電解質二次電池用正極活物質であって、
一次粒子が凝集してなる二次粒子の構成を有し、
前記一次粒子の算術平均粒子径(D1)が0.9μm以下であり、前記一次粒子の算術平均粒子径(D1)に対する前記二次粒子の算術平均粒子径(D2)の比の値(D2/D1)が16.2〜33.5であり、
結晶子径が0.35μm以下であり、
前記一次粒子の算術平均粒子径(D1)が0.25〜0.48μmである、非水電解質二次電池用正極活物質。 - 前記複合酸化物は、
一般式:LiaNibMncCodMxO2(但し、式中、a、b、c、d、xは、0.9≦a≦1.2、0<b<1、0<c≦0.5、0<d≦0.5、0≦x≦0.3、b+c+d=1を満たす。MはTi、Zr、Nb、W、P、Al、Mg、V、Ca、SrおよびCrからなる群から選ばれる少なくとも1種である)で表される組成を有する、請求項1に記載の正極活物質。 - 前記b、cおよびdが、0.44≦b≦0.51、0.27≦c≦0.31、0.19≦d≦0.26である、請求項2に記載の正極活物質。
- 前記一次粒子の算術平均粒子径(D1)に対する前記二次粒子の算術平均粒子径(D2)の比の値(D2/D1)が25〜33.5である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の正極活物質。
- タップ密度が2.0g/cm3以上である、請求項1〜4のいずれか1項に記載の正極活物質。
- BET比表面積が0.1〜1.0m2/gである、請求項1〜5のいずれか1項に記載の正極活物質。
- 粉末X線回折測定による(104)面の回折ピークと(003)面の回折ピークとが、回折ピーク強度比((003)/(104))として1.28以上であり、回折ピーク積分強度比((003)/(104))として1.05以上である、請求項1〜6のいずれか1項に記載の正極活物質。
- 請求項1〜7のいずれか1項に記載の正極活物質を含むコア部と、
前記正極活物質と異なるリチウム含有複合酸化物を含むシェル部と、
を有する非水電解質二次電池用正極材料。 - 請求項1〜7のいずれか1項に記載の正極活物質と、スピネル系マンガン正極活物質とが混合状態で含有されてなる、非水電解質二次電池用正極材料。
- 請求項1〜7のいずれか1項に記載の正極活物質と、前記スピネル系マンガン正極活物質との混合重量比率が、50:50〜90:10である、請求項9に記載の正極材料。
- 正極集電体の表面に、請求項1〜7のいずれか1項に記載の正極活物質、および請求項8〜10のいずれか1項に記載の正極材料からなる群から選択される少なくとも1種を含む正極活物質層が形成されてなる非水電解質二次電池用正極。
- 請求項11に記載の正極と、
負極集電体の表面に負極活物質層が形成されてなる負極と、
セパレータと、
を含む発電要素を有する非水電解質二次電池。 - 定格容量に対する電池面積(電池外装体まで含めた電池の投影面積)の比の値が5cm2/Ah以上であり、かつ、定格容量が3Ah以上である、請求項12に記載の非水電解質二次電池。
- 矩形状の正極活物質層の縦横比として定義される電極のアスペクト比が1〜3である、請求項12または13に記載の非水電解質二次電池。
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