JP6239774B2 - 非水電解質電池 - Google Patents
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Description
実施形態によると、非水電解質電池が提供される。この非水電解質電池は、負極と、正極と、非水電解質とを具備する。負極は、負極活物質粒子を含む。負極活物質粒子は、スピネル型チタン酸リチウムを含む。負極は、表面に対する光電子分光測定によって得られるLi原子存在比率ALiとTi原子存在比率ATiとの比ALi/ATiが、45℃環境下での充放電サイクル試験において、1サイクルあたり0.002以上0.02以下の速度で増加する表面状態を有する。充放電サイクル試験は、45℃環境下及び2Cレートで、電池電圧下限を1.5±0.1Vとし、電池電圧上限を2.7±0.1Vとした電圧範囲で行う。
負極集電体としては、電気伝導性の高い材料を含むシートを使用することができる。例えば、負極集電体として、アルミニウム箔またはアルミニウム合金箔を使用することができる。アルミニウム箔またはアルミニウム合金箔を使用する場合、その厚さは、例えば20μm以下であり、好ましくは15μm以下である。アルミニウム合金箔には、マグネシウム、亜鉛、ケイ素等を含めることができる。また、アルミニウム合金箔に含まれる、鉄、銅、ニッケル、クロムといった遷移金属の含有量は1%以下であることが好ましい。
正極集電体としては、電気伝導性の高い材料を含むシートを使用することができる。例えば、正極集電体としては、アルミニウム箔又はアルミニウム合金箔を使用することができる。アルミニウム箔又はアルミニウム合金箔を使用する場合、その厚さは、例えば20μm以下であり、好ましくは15μm以下である。アルミニウム合金箔には、マグネシウム、亜鉛、ケイ素等を含めることができる。また、アルミニウム合金箔に含まれる、鉄、銅、ニッケル、クロムといった遷移金属の含有量は1%以下であることが好ましい。
セパレータは、絶縁性材料からなり、正極と負極との電気的な接触を防止することができる。好ましくは、セパレータは、非水電解質が通過できる材料からなるか、又は非水電解質が通過できる形状を有する。セパレータの例は、合成樹脂製不織布、ポリエチレン多孔質フィルム、ポリプロピレン多孔質フィルムおよびセルロース系のセパレータである。
非水電解質は、例えば、非水溶媒と、この非水溶媒に溶解された電解質とを含むことができる。
正極端子及び負極端子は、電気伝導性の高い材料から形成されていることが好ましい。集電体に接続する場合、接触抵抗を低減させるために、これらの端子は、集電体と同様の材料からなるものであることが好ましい。
容器としては、例えば、厚さが0.5mm以下であるラミネートフィルム又は厚さが1mm以下である金属製容器を用いることができる。
ラミネートフィルムは、樹脂層間に金属層が介在した多層フィルムが用いられる。金属層は、軽量化のためにアルミニウム箔若しくはアルミニウム合金箔が好ましい。樹脂層は、例えばポリプロピレン(PP)、ポリエチレン(PE)、ナイロン、ポリエチレンテレフタレート(PET)等の高分子材料を用いることができる。ラミネートフィルムは、熱融着によりシールを行って容器の形状に成形することができる。
金属製容器は、例えばアルミニウム又はアルミニウム合金等から作ることができる。アルミニウム合金は、マグネシウム、亜鉛、ケイ素等の元素を含む合金が好ましい。合金中に鉄、銅、ニッケル、クロム等の遷移金属を含む場合、その含有量は1重量%以下にすることが好ましい。これにより、高温環境下での長期信頼性及び放熱性を飛躍的に向上させることができる。
まず、測定対象たる非水電解質電池を用意する。用意した非水電解質電池を、負極の電位が1.6V(vs.Li/Li+)以上になるまで放電する。次いで、放電した非水電解質電池を、アルゴンなどの不活性雰囲気下において解体する。解体した非水電解質電池から、電極群を取り出す。この際、正極と負極とが電気的に接触しないように注意する。また、電極群は、図3に示したような―正極―セパレータ―負極―セパレータ―正極―の繰り返し構造が保持された状態で取り出す。取り出した電極群を、例えばピンセットを用いるなどして、セパレータと、正極と、負極とに分離する。かくして得られた負極を、エチルメチルカーボネートなどの有機溶剤に浸して、洗浄する。洗浄後、負極を乾燥させる。
サンプルとしての先に準備した電極片を、測定ステージに設置する。次いで、電極片を設置した測定ステージを、光電子分光測定装置(例えば、Thermo Fisher Scientific社製 VG Theta Probe)に導入し、装置内を真空にする。この装置において、励起X線としてAlKα線を用い、X線スポット径を800×400μmとして、測定を実施する。かくして、サンプルについての光電子分光スペクトルが得られる。
得られた光電子分光スペクトルから、52eV〜58eVの結合エネルギー領域に現れる、Liの1s軌道に帰属されるピーク面積から算出されるLi原子存在比率ALiと、455eV〜462eVの結合エネルギー領域に現れる、Tiの2p軌道に帰属されるピーク面積から算出される原子存在比率ATiとの比ALi/ATiを算出する。各原子存在比率は以下のとおりに算出する。まず、母数となる構成元素は、炭素(C)、酸素(O)、リチウム(Li)、窒素(N)、フッ素(F)、リン(P)、硫黄(S)、チタン(Ti)、マンガン(Mn)、コバルト(Co)及びニッケル(Ni)とする。ついで、各元素の原子存在比率を、ISO18118に記載の平均マトリックス相対感度係数法を用いて算出する。算出に用いる各元素の内核スペクトルのピークはそれぞれ以下のように定める。Cのピークは、280eV〜295eVの結合エネルギー領域に出現するC1sピークとする。Oのピークは、520eV〜545eVの結合エネルギー領域に出現するO1sピークとする。Liのピークは、50eV〜60eVの結合エネルギー領域に出現するLi1sピークとする。Nのピークは、390eV〜410eVの結合エネルギー領域に出現するN1sピークとする。Fのピークは、675eV〜695eVの結合エネルギー領域に出現するF1sピークとする。Pのピークは、125eV〜145eVの結合エネルギー領域に出現するP2pピークとする。Sのピークは、160eV〜180eVの結合エネルギー領域に出現するS2pピークとする。Tiのピークは、452eV〜462eVの結合エネルギー領域に出現するTi2pピークとする。Mnのピークは、630eV〜660eVの結合エネルギー領域に出現するMn2pピークとする。Coのピークは、780eV〜810eVの結合エネルギー領域に出現するCo2pピークとする。Niのピークは、64eV〜72eVの結合エネルギー領域に出現するNi3pピークとする。
先に説明したようにして非水電解質電池から取り出した負極の電極合材層の空隙を、樹脂を用いて包埋する。次いで、例えばタングステンや白金などの表面保護膜を負極表面に形成する。このようにして保護被膜により被覆された負極の表面から、ガリウムイオンを用いた収束イオンビーム法(Focused Ion Beam : FIB)によって、約10μm角であり、厚さが0.05μm〜0.2μmである薄片サンプルを採取する。サンプリングの際のガリウムイオンの加速電圧は、10〜40kVとする。
上記のようにして得られた試料から、透過電子線に対して適切な観察方向を向いた活物質粒子を選択し、倍率30万倍以上の高分解能TEM観察を実施する。ここでは、立方晶の岩塩型構造における結晶軸の[110]方向から電子線を入射し、粒子表面に被覆された岩塩型チタン酸リチウムの層を観察し、岩塩型チタン酸リチウムの層とスピネル型チタン酸リチウム粒子との境界を判別する。
以下に例を挙げ、本発明を更に詳しく説明するが、発明の主旨を超えない限り本発明は以下に掲載される実施例に限定されるものでない。
実施例1では、以下の手順により、実施例1の非水電解質電池を作製した。
正極活物質としてリチウムニッケルコバルト酸化物(LiNi0.8Co0.2O2)粉末91重量%と、アセチレンブラック2.5重量%と、グラファイト3重量%と、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)3.5重量%とを、N−メチルピロリドンに添加して混合し、スラリーを調製した。このスラリーを厚さ15μmのアルミニウム箔からなる集電体の両面に塗布し、乾燥した後、プレスすることにより密度3.0g/cm3の正極層を有する正極を作製した。正極合材層の厚さと正極集電体の厚さとの比tC/tCCは5.5とした。
負極活物質として、表面の一部に岩塩型チタン酸リチウムの層を有するスピネル型チタン酸リチウム(Li4Ti5O12)粉末を準備した。このスピネル型チタン酸リチウムは、以下のようにして合成した。まず、53gのテトラブトキシチタン(Ti(C4H9O)4)と32gの酢酸リチウム二水和物(CH3COOLi・H2O)とを、エタノールと蒸留水との400mlの混合溶液に均一に溶解させた。その後、この溶液にクエン酸を加えて、ゾル状になるまで攪拌した。続いて、得られたゾルに100gのスピネル型チタン酸リチウム粉末を導入し攪拌、100℃で乾燥させた。続いて、乾燥させた粉末を、500℃の温度で12時間焼成した。かくして、表面の一部に岩塩型チタン酸リチウムの層を有するスピネル型チタン酸リチウム粉末を得た。
上記のようにして作製した正極と、厚さ20μmのポリエチレン製多孔質フィルムからなるセパレータと、上記のようにして作製した負極と、セパレータとを、この順序で積層した後、負極が最外周に位置するように渦巻き状に捲回して電極群を作製した。これを90℃で加熱プレスすることにより、幅58mm、高さ95mm、厚さ3.0mmの偏平状電極群を作製した。
エチレンカーボネート(EC)とメチルエチルカーボネート(MEC)とを体積比で1:2になるように混合して混合溶媒を調製した。この混合溶媒に六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)を1.0モル/Lの濃度で溶解して、非水電解液を調製した。
先に電極群を収容した外装袋内に、先の開口を介して非水電解液を注入した。次いで、開口をヒートシールして外装袋を封止することにより、図2及び図3に示すような構造を有する非水電解質電池を作製した。また、同様の製造条件で、2個の非水電解質電池を作製した。
次に、これらの非水電解質電池を、まず0.2Cレート、25℃環境下にて、2.8Vで充電した。その後、これらの非水電解質電池を、環境温度60℃にて24時間保管した。その後、これらの非水電解質電池を、25℃の環境温度において1.5Vに達するまで0.2Cレートで放電した後、充電率50%まで充電した。この状態を初期状態とした。
2つのうち1つの非水電解質電池に、45℃環境下において電池電圧下限1.5V、上限2.7Vの電圧範囲で2Cレートで充放電サイクル試験を供した。この充放電サイクル試験では、5000回の充放電サイクルを供した。
初期状態の1つの非水電解質電池、5000回の充放電サイクルに供した非水電解質電池の負極の表面状態を、先に説明した手順により、光電子分光法によって観察した。
実施例1で作製した1つの非水電解質電池の負極の表面を、先に説明した手順により、TEMを用いて観察した。図6に、実施例1の非水電解質電池が含む負極の一部の断面TEM像を示す。図6において、白色の矢印で示した厚さが、岩塩型チタン酸リチウムの層の厚さである。なお、先に説明した光電子分光測定により、負極に含まれる負極活物質粒子の表面にリチウム含有化合物層が形成していることが分かったが、図6に示したTEM像においては、このようなリチウム含有化合物層を視認することができない。これは、TEM観察用サンプル作製の際に負極の電極合材層の空隙を、樹脂を用いて包埋するため、TEM像ではリチウム含有化合物層の存在を視認できないからである。
比較例1では、負極活物質として、岩塩型チタン酸リチウムの層が表面に形成されていないスピネル型チタン酸リチウム粉末を用いたこと、及び非水電解質中のリチウム塩として四フッ化ホウ酸リチウム(LiBF4)を1.0モル/Lの濃度で溶解して非水電解質を調製したこと以外は実施例1と同様にして、2個の比較例1の非水電解質電池を作製した。
実施例1の1つの非水電解質電池及び比較例1の1つの非水電解質電池のそれぞれを、25℃環境下1Cレートで充電率100%まで充電し、その後、1Cレートでの過充電試験に供した。比較例1において急発熱に至るSOCを基準(=1)としたとき、実施例1で急発熱に至るSOCは1.1であった。
実施例2では、エチレンカーボネート(EC)とメチルエチルカーボネート(MEC)とを体積比で1:2になるように混合した混合溶媒にリチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(LiTFSI)を1.0モル/Lの濃度で溶解して非水電解液を調製したこと以外は実施例1と同様にして、実施例2の非水電解質電池を作製した。
実施例3〜5では、正極合材層の厚さと正極集電体の厚さとの比tC/tCC、負極合材層の厚さと負極集電体の厚さとの比tA/tACを以下の表1に示すように2以上20以下の範囲で変えたこと以外は実施例1と同様にして、実施例3〜5の非水電解質電池をそれぞれ作製した。
実施例6では、負極活物質として、岩塩型チタン酸リチウムの層が表面に形成されていないスピネル型チタン酸リチウム粉末を用いたこと以外は実施例1と同様にして、実施例6の非水電解質電池を作製した。
実施例7及び8では、表面の一部に岩塩型チタン酸リチウムの層を有する、スピネル型チタン酸リチウム粉末の合成方法を変えたこと以外は実施例1と同様にして、実施例7及び実施例8の非水電解質電池をそれぞれ作製した。
比較例2では、岩塩型チタン酸リチウムの層が表面に形成されていないスピネル型チタン酸リチウム粉末を用いたこと、及び正極合材層の厚さと正極集電体厚みとの比tC/tCCを24にし、負極合材層の厚さと負極集電体の厚さとの比tA/tACを27にしたこと以外は実施例1と同様にして、比較例2の非水電解質電池を作製した。
比較例3では、表面の一部に岩塩型チタン酸リチウムの層を有するスピネル型チタン酸リチウム粉末の合成方法を変えたこと以外は実施例1と同様にして、比較例3の非水電解質電池をそれぞれ作製した。
Claims (5)
- スピネル型チタン酸リチウムを含む負極活物質粒子を含み、表面に対する光電子分光測定によって得られるLi原子存在比率ALiとTi原子存在比率ATiとの比ALi/ATiが、45℃環境下及び2Cレートで、電池電圧下限を1.5±0.1Vとし、電池電圧上限を2.7±0.1Vとした電圧範囲で行う充放電サイクル試験において、1サイクルあたり0.002以上0.02以下の速度で増加する表面状態を有し、前記Li原子存在比率ALiは、52eV〜58eVの結合エネルギー領域に出現するLiの1s軌道に由来するピークから算出され、前記Ti原子存在比率ATiは、455eV〜462eVの結合エネルギー領域に出現するTiの2p軌道に由来するピークから算出される負極と、
正極と、
非水電解質と
を具備することを特徴とする非水電解質電池。 - 前記負極活物質粒子は、表面の少なくとも一部に、岩塩型構造を有するチタン酸リチウムの層を有し、
前記岩塩型構造を有するチタン酸リチウムの層は、5nm以上50nm以下の厚さを有することを特徴とする請求項1に記載の非水電解質電池。 - 前記負極は、負極集電体と、前記負極集電体上に担持された負極合材層とを具備し、
前記負極合材層は、前記負極活物質粒子と、導電助剤と、結着剤とを含み、
前記負極合材層は厚さtAを有し、前記負極集電体は厚さtACを有し、
前記厚さtA及び前記厚さtACは、以下の関係:2≦tA/tAC≦20を満たすことを特徴とする請求項2に記載の非水電解質電池。 - 前記正極は、正極集電体と、前記正極集電体上に担持された正極合材層とを具備し、
前記正極合材層は、正極活物質と、導電助剤と、結着剤とを含み、
前記正極合材層は厚さtCを有し、前記正極集電体は厚さtCCを有し、
前記厚さtC及び前記厚さtCCは、以下の関係:2≦tC/tCC≦20を満たすことを特徴とする請求項2に記載の非水電解質電池。 - 前記非水電解質が、アニオンのファンデルワールスイオン半径が0.25nm以上0.4nm以下である少なくとも1種類のリチウム塩を含む請求項2に記載の非水電解質電池。
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