JP6519577B2 - リチウムイオン二次電池 - Google Patents
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Description
第1正極活物質粒子は、下記式(1):
LiNix1Coy1Mnz1O2…(1)
(式中、x1、y1、z1は、0<x1<1、0<y1<1、0.3<z1<0.5、x1+y1+z1=1を満たす)
により表される第1組成を有する。
第2正極活物質粒子は、下記式(2):
LiNix2Coy2Mnz2O2…(2)
(式中、x2、y2、z2は、0<x2<1、0<y2<1、0<z2<0.2、x2+y2+z2=1を満たす)
により表される第2組成を有する。
第1正極活物質粒子および第2正極活物質粒子の少なくとも一方は、その表面が遷移金属酸化物によって被覆されている。遷移金属酸化物は、Ni、CoおよびMn以外の遷移金属を含む。電解液は、過充電添加剤を含む。
図1は、本実施形態のリチウムイオン二次電池の構成の一例を示す概略図である。電池1000は、筐体100を少なくとも含む。筐体100内には、電極群50および電解液(図示されず)が収納されている。電極群50は、正極集電タブ51および負極集電タブ52に電気的に接続されている。正極集電タブ51は、正極端子61(外部端子)に電気的に接続されている。負極集電タブ52は、負極端子62(外部端子)に電気的に接続されている。電解液は、保持電解液および余剰電解液を含む。保持電解液は、電極群50内に含浸されている。余剰電解液は、筐体100の底部に貯留されている。
図1に示される筐体100は、角形(扁平直方体)である。ただし本実施形態の筐体は、円筒形であってもよい。筐体100は、典型的には、アルミニウム(Al)、Al合金、ステンレス等の金属材料により構成され得る。ただし、所定の密閉性が実現できる限り、たとえば、アルミラミネートフィルム等により、筐体が構成されてもよい。筐体100は、たとえば、本体101および蓋102を含む。本体101と蓋102とは、たとえば、レーザ溶接により接合されていてもよい。蓋102には、ガス排出弁130、注液孔140が設けられている。
電池1000は、筐体100の内圧に応じて作動する圧力作動型安全機構を少なくとも含む。本実施形態では、圧力作動型安全機構の一例として、電流遮断機構(Current Interrupt Device,CID)、および外部短絡機構が説明される。ただし、筐体100の内圧に応じて作動するものである限り、圧力作動型安全機構はこれらに限定されるべきではない。本実施形態の電池は、電流遮断機構および外部短絡機構の両方を含んでいるが、電池は電流遮断機構または外部短絡機構のいずれか一方を含むものであってもよい。
図1に示されるように、電極群50と正極端子61とを結ぶ回路の途中には、電流遮断機構110が設けられている。図2は、電流遮断機構の構成の一例を示す第1概略断面図である。電流遮断機構110は、反転板111、リベット112、および破裂板113(ラプチャーディスク)により構成されている。反転板111は、その中央が破裂板113に向かって突出した形状を有する。破裂板113は、正極集電タブ51と電気的に接続されている。リベット112は、反転板111と電気的に接続されている。リベット112は、正極端子61とも電気的に接続されている(図1を参照のこと)。充電時、電流は、正極端子61、リベット112、反転板111、破裂板113、正極集電タブ51、電極群50の順に流れる。
図1に示されるように、筐体100には外部短絡機構120が設けられている。図4は、外部短絡機構の構成の一例を示す第1概略断面図である。外部短絡機構120は、反転板121、正極短絡板122、および負極短絡板123により構成されている。反転板121は、その中央が筐体100の内部に向かって突出した形状を有する。正極短絡板122は、正極端子61に電気的に接続されている(図1を参照のこと)。負極短絡板123は、負極端子62に電気的に接続されている。通常時、正極短絡板122と負極短絡板123との間には隙間があり、これらは導通していない。
ガス排出弁130は、筐体100の内圧が所定値(作動圧)を超えると、ガスを排出するように構成されている。電池1000において、電流遮断機構110、外部短絡機構120およびガス排出弁130は、この順序に作動するように、作動圧がそれぞれ設定されていてもよい。
図6は、電極群の構成の一例を示す概略図である。電極群50は、正極10、負極20およびセパレータ30を含む。電極群50には、電解液が含浸されている。すなわち電池1000は、筐体100内に収納されている正極10、負極20および電解液を少なくとも含む。正極10、負極20およびセパレータ30は、いずれも帯状のシートである。セパレータ30は、正極10と負極20との間に配置されている。電極群50は、巻回型の電極群である。すなわち、電極群50は、セパレータ30を間に挟んで、正極10と負極20とが積層され、さらにこれらが渦巻状に巻回されることにより、構成されている。
図7は、正極の構成の一例を示す概略図である。正極10は帯状のシートである。正極10は、正極集電体11および正極合材層12を含む。正極合材層12は、正極集電体11の表面に形成されている。正極合材層12は、正極集電体11の表裏両面に配置されている。正極10の幅方向(図1および図6のX軸方向に相当する)の端部では、正極集電体11の一部が正極合材層12から露出している。この部分において、正極10は正極集電タブ51と電気的に接続され得る。
第1正極活物質粒子は、たとえば、1〜30μm(典型的には3〜20μm)の平均粒径を有してもよい。本明細書の平均粒径は、レーザ回折散乱法によって測定される体積基準の粒度分布において微粒側から累積50%の粒径を示す。
LiNix1Coy1Mnz1O2…(1)
(式中、x1、y1、z1は、0<x1<1、0<y1<1、0.3<z1<0.5、x1+y1+z1=1を満たす)
により表される第1組成を有する。
第2正極活物質粒子は、たとえば、1〜30μm(典型的には3〜20μm)の平均粒径を有してもよい。第2正極活物質粒子は、たとえば、層状岩塩型の結晶構造を有してもよい。
LiNix2Coy2Mnz2O2…(2)
(式中、x2、y2、z2は、0<x2<1、0<y2<1、0<z2<0.2、x2+y2+z2=1を満たす)
により表される第2組成を有する。
第1正極活物質粒子および第2正極活物質粒子の少なくとも一方は、その表面が遷移金属酸化物によって被覆されている。遷移金属酸化物は、Ni、CoおよびMn以外の遷移金属を含む。第1正極活物質粒子および第2正極活物質粒子が遷移金属酸化物によって被覆されていることにより、過充電時の温度上昇が促進されると考えられる。さらに遷移金属酸化物は、Mnの溶出を抑制する作用も有すると考えられる。
被覆量={(被覆処理後質量)−(被覆処理前質量)}÷(被覆処理後質量)×100%
導電材は特に限定されるべきではない。導電材は、たとえば、アセチレンブラック(AB)、サーマルブラック、ファーネスブラック、気相成長炭素繊維(VGCF)、黒鉛等でよい。1種の導電材が単独で使用されてもよいし、2種以上の導電材が組み合わされて使用されてもよい。
バインダも特に限定されるべきではない。バインダは、たとえば、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)、ポリアクリル酸(PAA)、カルボキシメチルセルロース(CMC)等であってもよい。1種のバインダが単独で使用されてもよいし、2種以上のバインダが組み合わされて使用されてもよい。
図8は、負極の構成の一例を示す概略図である。負極20は帯状のシートである。負極20は、負極集電体21および負極合材層22を含む。負極合材層22は、負極集電体21の表面に形成されている。負極合材層22は、負極集電体21の表裏両面に配置されている。負極20の幅方向(図1および図6のX軸方向に相当する)の端部では、負極集電体21の一部が負極合材層22から露出している。この部分において、負極20は負極集電タブ52と電気的に接続され得る。
電解液は、過充電添加剤を含む。電解液は、たとえば0.5質量%以上10質量%以下(典型的には1質量%以上5質量%以下)の過充電添加剤と、その残部の溶媒およびリチウム塩とを含む。過充電添加剤は、溶媒に溶解していてもよいし、溶媒中に分散していてもよい。過充電添加剤の質量比率は、たとえば、GC−MS(ガスクロマトグラフィ質量分析)により測定され得る。測定は3回以上実施される。3回以上の算術平均が測定結果として採用される。2種以上の過充電添加剤が組み合わされて使用される場合は、各過充電添加剤の質量比率の合計が、過充電添加剤の質量比率とされる。
過充電添加剤は、典型的には、溶媒よりも酸化電位が低い化合物である。酸化電位は、たとえば、サイクリックボルタンメトリ(CV)により測定され得る。酸化電位の大小関係は、たとえば、分子軌道計算によっても判定され得る。すなわち、最高被占軌道(Highest Occupied Molecular Orbital,HOMO)が高い化合物であるほど、酸化電位が低いとみなされる。過充電添加剤は、CHB、BP、MPC、DPCおよびTPPからなる群より選択される少なくとも1種であってもよい。これらの化合物は、ガス発生量が多いため、本実施形態の過充電添加剤に好適である。ガス発生量の観点から、過充電添加剤は、好ましくはCHBおよびBPである。
溶媒は非プロトン性である。溶媒は、たとえば、環状カーボネートおよび鎖状カーボネートを含む。環状カーボネートと鎖状カーボネートとの混合比は、たとえば、体積比で、環状カーボネート:鎖状カーボネート=1:9〜5:5でよい。
リチウム塩は支持電解質として機能する。リチウム塩は溶媒に溶解している。電解液は、たとえば、0.5〜2.0mоl/lのリチウム塩を含んでもよい。リチウム塩としては、たとえば、LiPF6、LiBF4、Li[N(FSO2)2]、Li[N(CF3SO2)2]等が挙げられる。リチウム塩は、1種単独で使用されてもよいし、2種以上が組み合わされて使用されてもよい。
過充電添加剤を除く残部には、溶媒およびリチウム塩以外に、その他の成分がさらに含まれていてもよい。その他の成分としては、たとえば、被膜形成剤等の添加剤が考えられる。被膜形成剤としては、たとえば、ビニレンカーボネート(VC)、ビニルエチレンカーボネート(VEC)、Li[B(C2O4)2](通称「LiBOB」)、LiPO2F2、プロパンサルトン(PS)、エチレンサルファイト(ES)等が挙げられる。電解液は、たとえば、0.1〜5質量%のその他の成分を含んでもよい。
電池1000は、セパレータ30を含む。すなわち本実施形態の電池は、セパレータをさらに含んでもよい。セパレータ30は、電気絶縁性の多孔質膜である。セパレータ30は、正極10と負極20とを電気的に隔離する。セパレータ30は、たとえば、5〜30μmの厚さを有してもよい。
以下の三元系正極活物質粒子が準備された。
第1正極活物質粒子:LiNi0.4Co0.2Mn0.4O2
第2正極活物質粒子:LiNi0.4Co0.5Mn0.1O2
《実施例1》
以下の材料が準備された。
導電材:AB
バインダ:PVdF
溶媒:N−メチル−2−ピロリドン(NMP)
正極集電体:Al箔(厚さ;12μm)
負極活物質粒子:黒鉛
バインダ:CMCおよびSBR
溶媒:水
負極集電体:Cu箔(厚さ;10μm)
溶媒:[EC:DMC:EMC=3:3:4(体積比)]
Li塩:LiPF6(1mоl/l)
過充電添加剤:CHB(2質量%)およびBP(2質量%)
下記表2において「CHB(2質量%)およびBP(2質量%)」は「CHB(2)+BP(2)」と略記されている。
粒子No.1−3と粒子No.2−1との混合比が、質量比で、粒子No.1−3:粒子No.2−1=50:50とされることを除いては、実施例1と同じ製造方法により、電池が製造された。遷移金属酸化物を除くと、第1正極活物質粒子と第2正極活物質粒子との混合比は、質量比で、第1正極活物質粒子:第2正極活物質粒子=49:51である。
粒子No.1−3に代えて、粒子No.1−2が使用されることを除いては、実施例2と同じ製造方法により、電池が製造された。
粒子No.1−3に代えて、粒子No.1−4が使用されることを除いては、実施例2と同じ製造方法により、電池が製造された。遷移金属酸化物を除くと、第1正極活物質粒子と第2正極活物質粒子との混合比は、質量比で、第1正極活物質粒子:第2正極活物質粒子=48:52である。
粒子No.1−3に代えて、粒子No.1−5が使用されることを除いては、実施例2と同じ製造方法により、電池が製造された。
粒子No.1−3に代えて、粒子No.1−6が使用されることを除いては、実施例2と同じ製造方法により、電池が製造された。
粒子No.1−3に代えて、粒子No.1−1が使用され、粒子No.2−1に代えて、粒子No.2−2が使用されることを除いては、実施例2と同じ製造方法により、電池が製造された。遷移金属酸化物を除くと、第1正極活物質粒子と第2正極活物質粒子との混合比は、質量比で、第1正極活物質粒子:第2正極活物質粒子=51:49である。
粒子No.2−2に代えて、粒子No.2−3が使用されることを除いては、実施例7と同じ製造方法により、電池が製造された。
粒子No.2−2に代えて、粒子No.2−4が使用されることを除いては、実施例7と同じ製造方法により、電池が製造された。遷移金属酸化物を除くと、第1正極活物質粒子と第2正極活物質粒子との混合比は、質量比で、第1正極活物質粒子:第2正極活物質粒子=52:48である。
粒子No.2−1に代えて、粒子No.2−2が使用されることを除いては、実施例2と同じ製造方法により、電池が製造された。
過充電添加剤として、MPC(4質量%)が使用されることを除いては、実施例2と同じ製造方法により、電池が製造された。下記表2において、「MPC(4質量%)」は「MPC(4)」と略記されている。
過充電添加剤として、DPC(4質量%)が使用されることを除いては、実施例2と同じ製造方法により、電池が製造された。下記表2において、「DPC(4質量%)」は「DPC(4)」と略記されている。
過充電添加剤として、TPP(4質量%)が使用されることを除いては、実施例2と同じ製造方法により、電池が製造された。下記表2において、「TPP(4質量%)」は「TPP(4)」と略記されている。
粒子No.1−3に代えて、粒子No.1−1が使用されることを除いては、実施例2と同じ製造方法により、電池が製造された。
93質量部の粒子No.1−3と、4質量部の導電材と、3質量部のバインダと、所定量の溶媒とが混合されることにより、正極スラリーが調製された。これを除いては、実施例1と同じ製造方法により、電池が製造された。
93質量部の粒子No.2−3と、4質量部の導電材と、3質量部のバインダと、所定量の溶媒とが混合されることにより、正極スラリーが調製された。これを除いては、実施例1と同じ製造方法により、電池が製造された。
《金属溶出量の測定》
電池が満充電された。85℃に設定された恒温槽内に電池が配置された。同環境において電池が72時間保存された。保存後の電池が解体され、負極が回収された。ICP−AESにより、負極合材層の質量に対する金属(Ni、CoおよびMn)の質量比率が測定された。結果は下記表2の「85℃金属溶出量」の欄に示されている。負極から検出された金属は、第1正極活物質粒子および第2正極活物質粒子から溶出したものと考えられる。
電池に圧力センサが取り付けられた。室温環境において、定電流−定電圧方式により電池が満充電状態(SOC100%)にされた。60℃に設定された恒温槽内に電池が配置された。35Aの電流により、電池が充電された。充電中、SOC140%到達時の内圧、およびSOC160%到達時の内圧が測定された。筐体内の空間体積と、内圧との関係から、SOC140%到達時のガス発生量、およびSOC160%到達時のガス発生量が算出された。結果は下記表2の「60℃ SOC140% ガス発生量」および「60℃ SOC160% ガス発生量」の欄に示されている。
比較例1は、金属溶出量が多い。比較例1は、SOC140%到達時のガス発生量およびSOC160%到達時のガス発生量が少ない。第1正極活物質粒子および第2正極活物質粒子の両方が、遷移金属酸化物によって被覆されていないためと考えられる。
Claims (7)
- 筐体と、
前記筐体の内圧に応じて作動する圧力作動型安全機構と、
前記筐体内に収納されている正極、負極および電解液と、
を少なくとも含み、
前記正極は、第1正極活物質粒子および第2正極活物質粒子を含み、
前記第1正極活物質粒子および前記第2正極活物質粒子は、質量比で、第1正極活物質粒子:第2正極活物質粒子=74:26〜48:52となる関係を満たし、
前記第1正極活物質粒子は、下記式(1):
LiNix1Coy1Mnz1O2…(1)
(式中、x1、y1、z1は、0<x1<1、0<y1<1、0.3<z1<0.5、x1+y1+z1=1を満たす)
により表される第1組成を有し、
前記第2正極活物質粒子は、下記式(2):
LiNix2Coy2Mnz2O2…(2)
(式中、x2、y2、z2は、0<x2<1、0<y2<1、0<z2<0.2、x2+y2+z2=1を満たす)
により表される第2組成を有し、
前記第1正極活物質粒子および前記第2正極活物質粒子の少なくとも一方は、その表面が遷移金属酸化物によって被覆されており、
前記遷移金属酸化物は、Ni、CoおよびMn以外の遷移金属を含み、
前記電解液は、過充電添加剤を含む、
リチウムイオン二次電池。 - 少なくとも前記第1正極活物質粒子は、その表面が前記遷移金属酸化物によって被覆されている、
請求項1に記載のリチウムイオン二次電池。 - 上記式(1)中、x1、y1は、0.3<x1<0.5、0.1<y1<0.3をさらに満たし、
上記式(2)中、x2、y2は、0.3<x2<0.5、0.4<y2<0.6をさらに満たす、
請求項1または請求項2に記載のリチウムイオン二次電池。 - 前記遷移金属酸化物は、前記第1正極活物質粒子および前記第2正極活物質粒子よりも抵抗率が低い、
請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池。 - 前記遷移金属酸化物は、酸化チタン、酸化タングステンおよび酸化モリブデンからなる群より選択される少なくとも1種である、
請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池。 - 前記遷移金属酸化物によって被覆されている前記第1正極活物質粒子または前記第2正極活物質粒子において、
前記第1正極活物質粒子または前記第2正極活物質粒子と前記遷移金属酸化物との合計質量に対して、前記遷移金属酸化物は2質量%以上6質量%以下の質量比率を有する、
請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池。 - 前記過充電添加剤は、シクロヘキシルベンゼン、ビフェニル、炭酸メチルフェニル、炭酸ジフェニルおよびリン酸トリフェニルからなる群より選択される少なくとも1種である、
請求項1〜請求項6のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池。
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