JP6312489B2 - 非水電解質電池及びその製造方法 - Google Patents

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本発明は、非水電解質電池及びその製造方法に関する。
非水電解質電池としては、硫酸マンガンを原料とするスピネル型リチウムマンガン複合酸化物と、水酸化リチウム等を原料とするリチウムニッケル複合酸化物とを含んだ正極活物質層を有するリチウムイオン二次電池が知られている(例えば特許文献1)。正極活物質層は、リチウムマンガン複合酸化物とリチウムニッケル複合酸化物と結着剤とを有機溶媒に分散させて混練してなるスラリ(以下、正極スラリ)を金属箔上に塗布、乾燥させることにより作製している。
ところで、前記複合化合物には原料成分が残存することが知られている。例えば、リチウムマンガン複合酸化物には硫酸塩または硫酸イオンが、リチウムニッケル複合酸化物には水酸化リチウム若しくは炭酸リチウムが残留することが一般に知られている。一般的には、活物質に含まれる不純物は少ないほうがよいとされている。
特開2011−76997号公報
正極スラリは金属箔に塗布されると、リチウムニッケル複合酸化物に含まれる不純物や、リチウムマンガン複合化合物に含まれる不純物の混入条件によっては、金属箔の腐食を引き起こすことがあることを見いだした。これは金属箔上の正極活物質層の吸湿作用により取り込まれた水分に正極活物質層の酸またはアルカリ性の成分が溶け込み、これにより生成した水溶液が金属箔側に染み込むことにより、金属箔の腐食を引き起こすものと考えられる。
本発明は、上記の事情に鑑みなされたもので、その課題は正極活物質スラリを塗布した金属箔の腐食を防止することにある。
そこで、本発明の非水電解質電池は、正極活物質がリチウムマンガン複合酸化物とリチウムニッケル複合酸化物とを含み、前記リチウムニッケル複合酸化物には水酸化リチウムとこの化合物以外の第二アルカリ化合物とが含まれ、前記正極活物質の単位質量において、前記リチウムマンガン複合酸化物中の硫酸塩または硫酸イオンのモル当量は、前記リチウムニッケル複合酸化物中の水酸化リチウムのモル当量より多く前記第二アルカリ化合物のモル当量よりも少ないことを特徴とする。
以上の本発明によれば正極活物質スラリのゲル化を抑制できると共に金属箔の腐食を防止できる。
本発明の非水電解質電池の一態様を示す断面図。
以下、本発明の実施の形態について説明する。
本発明の実施形態の非水電解質電池は、スピネル型リチウムマンガン複合酸化物(以下、リチウムマンガン複合酸化物)とリチウムニッケル複合酸化物とを含む正極活物質を有する正極活物質層を備えたものである。
リチウムニッケル複合酸化物には水酸化リチウムとこの化合物以外の第二アルカリ化合物とが含まれる。そして、正極活物質の単位質量当たりのリチウムマンガン複合酸化物中の硫酸のモル当量は、正極活物質の単位質量当たりのリチウムニッケル複合酸化物中の水酸化リチウムのモル当量より多く、前記水酸化リチウム以外の第二アルカリ化合物である炭酸リチウムのモル当量よりも少ないものとなっている。
本実施形態の電池の製造過程では、特に正極スラリの攪拌過程でゲル化を引き起こさないようにすることが可能である。また、この正極スラリを金属箔に塗布して正極活物質層を形成することで、当該活物質層による金属箔の腐食を起こさないようにすることができる。
リチウムマンガン複合酸化物はLix1Mn2-y1M1y14+Z1で表される。一方、前記リチウムニッケル複合酸化物はLix2Ni1-y2M2y22+Z2で表される。
正極活物質の構成要素であるリチウムマンガン複合酸化物、リチウムニッケル複合酸化物において、たとえばそれぞれ特定の元素M1、M2でMnやNiを一部置換することで、その結晶構造の安定化を図ってもよい。
リチウムマンガン複合酸化物(Lix1Mn2-y1M1y14+Z1)は、Li、Mg、B、Al、V、Cr、Fe、Co、Ni、Wから選択される1種以上の元素M1を必要に応じて加えてMnを置換したものである。
Mnの置換元素M1の添加量y1の好ましい範囲は、0≦y1≦0.3である。
リチウムマンガン複合酸化物のx1は、Liが0≦x1≦1の範囲で脱離・挿入可能であることを示す。また、z1の好ましい範囲は−0.5≦z1≦0.5である。
リチウムマンガン複合酸化物の製造においては、特許文献1に開示の周知の出発原料を用いることが可能である。リチウムマンガン複合酸化物に硫酸塩または硫酸イオン(以下、これらをまとめてSO4と表記する)が含まれるようにするには当該複合酸化物の各金属元素成分(例えば、Li、Mn、Mg、Al、Fe、Co、Ni)から任意に選択された金属元素の硫酸塩を出発原料とするなどの方法がある。
Mn元素を添加するための出発原料も同特許文献に開示の周知の原料を適用することが可能である。
リチウムマンガン複合酸化物の調製方法の例を以下に示す。先ず、上記出発原料を所定の金属組成比(Lix1Mn2-y1M1y14+Z1)となるように秤量し、乳鉢またはボールミル等により粉砕混合する。そして、この得られた混合粉末を所定の温度(例えば500〜1200℃)のもとで空気もしくは酸素雰囲気で焼成することにより、リチウムマンガン複合酸化物粉末が得られる。
リチウムニッケル複合酸化物(Lix2Ni1-y2M2y22+Z2)は、前記リチウムマンガン複合酸化物の場合と同様に、Li、Mg、B、Al、Ti、V、Co、Mnから選択される1種以上の元素M2を必要に応じて加えてNiを置換したものである。 Niの置換元素M2の添加量y2の好ましい範囲は、0≦y2≦0.7である。
リチウムニッケル複合酸化物のx2は、Liが、0≦x2≦1の範囲で脱離・挿入可能であることを示すものである。また、z2の好ましい範囲は、−0.2≦z2≦0.2である。
リチウムニッケル複合酸化物の製造においても、同特許文献に開示の周知の出発原料を用いることが可能である。リチウムニッケル複合酸化物に第二アルカリ化合物としての炭酸リチウムを含ませるには例えば出発原料に炭酸リチウムを用いることが挙げられる。特に、この炭酸リチウムを用いると、水酸化リチウムを出発原料とする場合に比べて、水酸化リチウムの残留量が比較的少なくでき、また、リチウムマンガン複合化合物に含まれる硫酸塩または硫酸イオンによる金属箔腐食を抑制できると考えられる炭酸リチウムを効果的に活物質層中に取り込めるという利点がある。
リチウムニッケル複合酸化物の調製方法の例を以下に示す。先ず、上記出発原料を所定の金属組成比(Lix2Ni1-y2M2y22+Z2)となるように秤量し、乳鉢またはボールミル等により粉砕混合する。そして、この得られた混合粉末を所定の温度(例えば500〜1200℃)のもとで空気もしくは酸素雰囲気で焼成することにより、リチウムニッケル複合酸化物粉末が得られる。
そして、リチウムマンガン複合酸化物とリチウムニッケル複合酸化物とを含んでなる正極スラリの調製の際には、正極活物質の単位質量当たり(正極活物質が前記2物質の場合には、リチウムマンガン複合酸化物とリチウムニッケル複合酸化物の混合質量の単位質量当り)のリチウムマンガン複合酸化物中の硫酸塩または硫酸イオンのモル当量が、リチウムニッケル複合酸化物中の水酸化リチウムのモル当量より多く、水酸化リチウム以外の第二アルカリ化合物(例えば、炭酸リチウム)のモル当量よりも少なくなるように、リチウムマンガン複合酸化物粉末とリチウムニッケル複合酸化物粉末とを秤量する。次いで、この秤量した粉末を、カーボンブラック等の導電助剤と、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)等の結着剤と、N−メチル−2−ピロリドン等の有機溶媒とを混練することで、本実施形態の電池に使用される正極活物質用の正極スラリが得られる。
図1は本実施形態の非水電解質電池の一例であるフィルム外装電池1の断面を示す。フィルム外装電池1は、リチウムイオン二次電池であり、偏平な長方形の外観形状を有し、長手方向の一方の端縁に、金属板からなる一対の端子を備えている。
フィルム外装電池1は、発電要素4を電解液とともにラミネートフィルムからなる外装体5の内部に収容したものである。発電要素4は、セパレータ43を介して交互に積層された複数の正極板41および負極板42からなり、例えば、3枚の負極板42と、2枚の正極板41と、これらの間の4枚のセパレータ43と、を含んでいる。つまり、この例では、発電要素4の両面に負極板42が位置している。尚、発電要素4の最外層に正極板41が位置する構成も可能である。
正極板41は、長方形をなす正極集電体41aの両面に正極活物質層41b,41cを形成したものである。正極集電体41aは、例えば、アルミニウム箔、アルミニウム合金箔等の金属箔から構成されている。
正極活物質層41b,41cは、上述のリチウムマンガン複合酸化物粉末とリチウムニッケル複合酸化物粉末とを含んでなる正極活物質と、カーボンブラック等の導電助剤と、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)等の結着剤と、N−メチル−2−ピロリドン等の有機溶媒とを混練してなる正極スラリを、正極集電体41aの主面に塗布し、乾燥及び必要に応じてロールプレスすることにより形成される。
負極板42は、長方形をなす負極集電体42aの両面に負極活物質層42b,42cを形成したものである。負極集電体42aは、例えば、ニッケル箔、銅箔、ステンレス箔、又は、鉄箔等の金属箔から構成されている。負極活物質層42b,42cは、例えば、非晶質炭素、難黒鉛化炭素、易黒鉛化炭素、又は、黒鉛等の、リチウムイオンを吸蔵及び放出する負極活物質に、バインダを混合したものを、負極集電体42aの主面に塗布し、乾燥及び必要に応じてロールプレスすることにより形成される。
負極集電体42aの長手方向の端縁の一部は、負極活物質層42b,42cを具備しない延長部として延びており、その先端が負極端子3に接合されている。同様に、正極集電体41aの長手方向の端縁の一部は、正極活物質層41b,41cを具備しない延長部として延びており、その先端が図示省略の正極端子に接合されている。
セパレータ43は、正極板41と負極板42との間の短絡を防止すると同時に電解質を保持する機能を有するものであって、例えば、ポリエチレン(PE)やポリプロピレン(PP)等のポリオレフィン等から構成される微多孔性膜からなる。尚、セパレータ43としては、ポリオレフィン等の単層膜に限られず、ポリプロピレン微多孔性膜をポリエチレン微多孔性膜でサンドイッチした三層構造のものや、ポリオレフィン微多孔性膜と有機不織布等を積層したものも用いることができる。
また、電解液としては、特に限定されるものではないが、リチウムイオン二次電池に一般的に使用される電解質として、例えば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、鎖状炭酸エステルなどを混合した有機溶媒にリチウム塩が溶解した非水電解液を用いることができる。
以下に本発明の実施例を示す。尚、本発明はこの実施例に限定されるものではなく特許請求の範囲内で種々変形して実施することができる。
リチウムマンガン複合酸化物(以下、LMO)、リチウムニッケル複合酸化物(以下、LNO)のそれぞれの組成、及びLMO,LNOの間の混合比(重量比)を変更して様々な組成及び混合比の正極スラリを作製し、その各々を実施例および比較例とした。
実施例,比較例の正極スラリの評価にあたり、正極スラリのゲル化の有無を調べた。また、正極スラリを塗布して正極活物質層を形成させた金属箔の腐食の有無を調べた。
(実施例1)
LMOの作製にあたり、出発原料としてLi2CO3およびMnO2(電解二酸化マンガン)を用い、所定のLMOの組成(LiMn24)となるように秤量した。なお、電解二酸化マンガンは、マンガンイオンを含む硫酸溶液の電解によるもので、不純物として硫酸塩または硫酸イオン(以下SO4と表記する)を含んでいる。次いで、これらの原料を粉砕混合した後に、焼成した。その後、篩にかけて混合物から粗粒を除去し、前記組成であってSO4 を0.05%含むLMOの粉末を得た。
LNOの作製にあたり、出発原料としてLi2CO3およびNi(OH)2を用いるとともに、Niサイトに添加する元素の出発原料として、Co(OH)3、MnO2の各々を用い、所定のLMOの組成(LiNi0.33Co0.3Mn0.332)となるように秤量した。次いで、これらの原料を粉砕混合した後に、焼成した。その後、篩にかけて混合物から粗粒を除去し、前記組成のLNOの粉末を得た。なお、不純物混入が所定量(LiOH 0.01%,Li2CO30.5%)となるように、各工程中あるいは焼成後保管時においての水分管理、雰囲気管理を行った。
正極スラリの作製にあたり、LMO粉末と、LNO粉末と、導電性付与材とを、結着剤を有機溶媒に溶解させた溶液に分散させて混練して本実施例の正極スラリを得た。
導電性付与材は炭素材料であるカーボンブラックを、結着剤はポリフッ化ビニリデン(PVDF)を、有機溶媒はN−メチル−2−ピロリドン(NMP)を使用した。LMOとLNOの混合比(重量比)はLMO:LNO=2:1とした。
実施例1では、正極活物質量1g当たり、LMOが2/3g、LNOが1/3gとなり、モル当量としてはそれぞれ、SO4が6.9μEq、LiOHが1.4μEq、Li2CO3が45μEqとなるため、LMO中の硫酸塩または硫酸イオンのモル当量が、LNO中の水酸化リチウムのモル当量より多くLNO中の第二アルカリ化合物であるLi2CO3のモル当量よりも少ない。
実施例1を質量の関係で見ると、単位活物質重量当たり、SO4が0.033%、LiOHが0.003%、Li2CO3が0.17%となり、質量で見ても、LiOH<SO4<Li2CO3となっている。質量比では、SO4/LiOH=11、Li2CO3/SO4=5.2である。
(実施例2)
実施例2の正極スラリは、LMO粉末をLiMn24(SO4 0.1%)の組成となるように調製したこと以外は、実施例1の正極スラリと同じ調製法により作製した。SO4含有量は、LMO原料の電解二酸化マンガンとして実施例1で用いたものとSO4含有量が異なる電解二酸化マンガンを用いることで制御した。単位活物質重量当たりの質量比では、SO4/LiOH=22、Li2CO3/SO4=2.6である。
(実施例3)
実施例2の正極スラリは、LMO粉末をLiMn24(SO4 0.05%)の組成、LNO粉末をLiNi0.33Co0.3Mn0.332(LiOH 0.01%,Li2CO3 0.3%)の組成となるように調製したこと以外は、実施例1の正極スラリと同じ調製法により作製した。LMO,LNOの不純物の混入量は、LMOは実施例1と同じものを用い、LNOは製造時の各工程中あるいは焼成後保管時においての水分管理、雰囲気管理の条件の調節により制御した。単位活物質重量当たりの質量比では、SO4/LiOH=11、Li2CO3/SO4=3.1である。
(比較例1)
比較例1の正極スラリは、LMO粉末をLiMn24(SO4 1.0%)の組成となるように調製したこと以外は、実施例1の正極スラリと同じ調製法により作製した。SO4含有量は、LMO原料の電解二酸化マンガンとして実施例1で用いたものとSO4含有量が異なる電解二酸化マンガンを用いることで制御した。単位活物質重量当たりの質量比では、SO4/LiOH=220、Li2CO3/SO4=0.26である。
(比較例2)
比較例2の正極スラリは、LMO粉末をLiMn24(SO4 0.05%)の組成、LNO粉末をLiNi0.33Co0.3Mn0.332(LiOH 0.5%,Li2CO3 0.5%)の組成となるように調製したこと以外は、実施例1の正極スラリと同じ調製法により作製した。LMO,LNOの不純物の混入量は、LMOは実施例1と同じものを用い、LNOは製造時の各工程中あるいは焼成後保管時においての水分管理、雰囲気管理の条件の調節により制御した。単位活物質重量当たりの質量比では、SO4/LiOH=0.22、Li2CO3/SO4=5.2である。
(評価基準)
評価対象の正極スラリを攪拌しこのときのスラリのゲル化の有無を目視により確認した。
評価対象の正極スラリを300mm×10m×厚さ20μmのアルミニウム箔の両面に膜厚が160μmとなるように塗布・乾燥・ロールプレスして作製された電極ロールを、40℃60%RH環境下に30日放置した後、アルミニウム箔の腐食の有無を目視により確認した。
表1に実施例1〜3,比較例1,2の正極スラリの評価結果を示した。表1には各実施例,比較例のLMOにおけるSO4の含有量(重量%)、LNOに対するLiOHの含有量(重量%)、LNOに対するLi2CO3の含有量(重量%)、スラリのゲル化の有(×)・無(○)、アルミニウム箔の腐食の有(×)・無(○)を示した。
Figure 0006312489
表1の評価結果の通り、比較例1のようなLMO中のSO4のモル当量がLNO中のLiOHのモル当量並びにLi2CO3のモル当量よりも多い正極スラリでは、スラリのゲル化は起こらないが、金属箔の腐食の発生が認められた。
また、比較例2のような、LMO中のSO4のモル当量がLNO中のLiOHのモル当量並びにLi2CO3のモル当量よりも少ない正極スラリでは、金属箔の腐食は起こらないが、スラリのゲル化を引き起こすことが認められた。
これに対して、実施例1〜3の正極スラリのような、LMOとLNOの混合質量の単位質量当りのLMO中のSO4のモル当量が、LNO中のLiOHのモル当量より多く、本実施例での第二アルカリ化合物としてのLi2CO3のモル当量よりも少ない正極スラリは、スラリのゲル化を引き起こさないことが確認された。そして、この正極スラリがアルミニウム箔に塗布されて正極活物質層が形成されても、当該活物質層による金属箔の腐食が起こらないことも確認された。尚、他のLMO、例えばLix1Mn2-y1M1y14+Z1で表される、元素置換したLMOと、他のLNO、例えばLix2Ni1-y2M2y22+Z2で表される上記の例と異なる元素置換を行ったLNOとの混合系においても、モル当量の関係が本発明で規定した関係であれば同様な効果が得られると考えられる。また、単位活物質重量当たりの質量で見たとき、LiOH<SO4<Li2CO3との関係が満たされていても、同様な効果が得られると考えられる。
以上のように本発明によれば、非水電解質電池用の正極において金属箔の腐食を防止させることが可能となると共にスラリのゲル化を抑制させる正極スラリを提供できる。したがって、電極の品質を維持させた非水電解質電池を提供できる。
尚、上記説明は、本発明の実施の形態に係る場合の効果について説明するためのものであって、これによって特許請求の範囲に記載の発明を限定し、あるいは請求の範囲を減縮するものではない。例えば、本実施の形態および実施例では、ラミネート型のリチウムイオン電池を具体的に挙げて説明したが、本発明は、円筒型、コイン型、カード型、平型、楕円型、角型、ボタン型のなどにおいても変形例として適用が可能である。
1…フィルム外装電池(非水電解質電池)
4…発電要素
5…外装体
41…正極板
42…負極板
43…セパレータ

Claims (3)

  1. 正極活物質がリチウムマンガン複合酸化物とリチウムニッケル複合酸化物とを含み、
    前記リチウムニッケル複合酸化物には水酸化リチウムとこの化合物以外の第二アルカリ化合物とが含まれ、
    前記正極活物質の単位質量において、前記リチウムマンガン複合酸化物中の硫酸塩または硫酸イオンのモル当量は、前記リチウムニッケル複合酸化物中の水酸化リチウムのモル当量より多く前記第二アルカリ化合物のモル当量よりも少ないこと
    を特徴とする非水電解質電池。
  2. 前記第二アルカリ化合物は炭酸リチウムであることを特徴とする請求項1に記載の非水電解質電池。
  3. 正極活物質を結着剤と共に有機溶媒に溶解させて混練してなる正極スラリを金属箔に塗布して正極を作製する、非水電解質電池の製造方法であって、
    正極活物質はリチウムマンガン複合酸化物とリチウムニッケル複合酸化物とを含み、
    前記リチウムニッケル複合酸化物には水酸化リチウムとこの化合物以外の第二アルカリ化合物とが含まれ、
    前記正極活物質の単位質量において、前記リチウムマンガン複合酸化物中の硫酸塩または硫酸イオンのモル当量は、前記リチウムニッケル複合酸化物中の水酸化リチウムのモル当量より多く前記第二アルカリ化合物のモル当量よりも少ないこと
    を特徴とする非水電解質電池の製造方法。
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