JP6528666B2 - 正極活物質、正極、電池、電池パック、電子機器、電動車両、蓄電装置および電力システム - Google Patents

正極活物質、正極、電池、電池パック、電子機器、電動車両、蓄電装置および電力システム Download PDF

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Description

本技術は、正極活物質、正極、電池、電池パック、電子機器、電動車両、蓄電装置および電力システムに関する。
リチウムイオン二次電池などの非水電解質二次電池は、従来の水溶液系電解液二次電池である鉛電池やニッケルカドミウム電池と比較して大きなエネルギー密度が得られるため、期待度が大きくなっており、市場も著しく成長している。とりわけ近年、非水電解質二次電池の軽量および高エネルギー密度という特徴が電気自動車やハイブリッド電気自動車用途に適することから、非水電解質二次電池の特性を向上する検討が盛んとなっている。
例えば非水電解質二次電池の電極活物質として、複数種の電極活物質を混合したものを用いることが検討されている。特許文献1には、3種類以上の異なる粒径の黒鉛粒子を混合した黒鉛混合粒子が記載されている。特許文献2には、互いに大きさが異なる三種類以上のスピネル型リチウムマンガン酸化物粒子が混合された正極活物質が記載されている。特許文献3には、粒子径が異なる3種類からなる水素吸蔵合金粉末が記載されている。
特開2014−67680号公報 特開2013−214493号公報 特開平11−213995号公報
本技術の目的は、正極における活物質の体積密度を向上できる正極活物質、正極、その正極を備える電池、電池パック、電子機器、電動車両、蓄電装置および電力システムを提供することにある。
上述の課題を解決するために、本技術の正極は、第1活物質粒子と、第2活物質粒子と、第3活物質粒子とを含み、第2活物質粒子が、一次粒子が凝集した凝集粒子であり、第1活物質粒子の平均粒径D1、第2活物質粒子の平均粒径D2および第3活物質粒子の平均粒径D3が、D1>D2>D3の関係を満たし、第1活物質粒子の平均粒径D1は、12μm以上25μm以下であり、第2活物質粒子の平均粒径D2は、3μm以上12μm以下であり、第3活物質粒子の平均粒径D3は、1μm以上6μm以下であり、第1活物質粒子の含有量M1および第3活物質粒子の含有量M3の合計量に対する、第1活物質粒子の含有量M1の割合((M1/(M1+M3))×100)は、55vol%以上85vol%以下であり、第1活物質粒子の含有量M1および第3活物質粒子の含有量M3の合計量に対する、第3活物質粒子の含有量M3の割合((M3/(M1+M3))×100)は、15vol%以上45vol%以下であり、第3活物質粒子の含有量M3に対する第2活物質粒子の含有量M2の割合((M2/M3)×100)は、50vol%以下であり、第1活物質粒子の粒子崩壊率α1および第3活物質粒子の粒子崩壊率α2は、20%以下であり、かつ第2活物質粒子の粒子崩壊率βは、70%以上である。
本技術の正極活物質は、第1活物質粒子と、第2活物質粒子と、第3活物質粒子とを含み、第2活物質粒子が、一次粒子が凝集した凝集粒子であり、第1活物質粒子の平均粒径D1、第2活物質粒子の平均粒径D2および第3活物質粒子の平均粒径D3が、D1>D2>D3の関係を満たし、第1活物質粒子の平均粒径D1は、12μm以上25μm以下であり、第2活物質粒子の平均粒径D2は、3μm以上12μm以下であり、第3活物質粒子の平均粒径D3は、1μm以上6μm以下であり、第1活物質粒子の含有量M1および第3活物質粒子の含有量M3の合計量に対する、第1活物質粒子の含有量M1の割合((M1/(M1+M3))×100)は、55vol%以上85vol%以下であり、第1活物質粒子の含有量M1および第3活物質粒子の含有量M3の合計量に対する、第3活物質粒子の含有量M3の割合((M3/(M1+M3))×100)は、15vol%以上45vol%以下であり、第3活物質粒子の含有量M3に対する第2活物質粒子の含有量M2の割合((M2/M3)×100)は、50vol%以下であり、第1活物質粒子の粒子崩壊率α1および第3活物質粒子の粒子崩壊率α2は、20%以下であり、かつ第2活物質粒子の粒子崩壊率βは、70%以上である。
本技術の電池、電池パック、電子機器、電動車両、蓄電装置および電力システムは、上述の正極を備えるものである。
以上説明したように、本技術によれば、正極における活物質の体積密度を向上できる。
本技術の第1の実施形態に係る正極活物質の一構成例を示す概略図である。 図2Aは、プレスにより崩壊していな正極活物質粒子の一例を示す断面図である。図2Bは、プレスにより崩壊した正極活物質粒子の一例を示す断面図である。 図3Aは、プレス前の正極活物質の状態の一例を示す概略図である。図3Bは、プレス後の正極活物質の状態の一例を示す概略図である。 本技術の第2の実施形態に係る非水電解質二次電池の一構成例を示す断面図である。 図4に示した巻回電極体の一部を拡大して表す断面図である。 本技術の第3の実施形態に係る非水電解質二次電池の一構成例を示す分解斜視図である。 図6のVII−VII線に沿った巻回電極体の断面図である。 本技術の第4の実施形態に係る電池パックおよび電子機器の一構成例を示すブロック図である。 本技術の第5の実施形態に係る蓄電システムの一構成例を示す概略図である。 本技術の第6の実施形態に係る電動車両の一構成を示す概略図である。
本技術の実施形態について以下の順序で説明する。
1 第1の実施形態(正極活物質の例)
2 第2の実施形態(円筒型電池の例)
3 第3の実施形態(ラミネートフィルム型電池の例)
4 第4の実施形態(電池パックおよび電子機器の例)
5 第5の実施形態(蓄電システムの例)
6 第6の実施形態(電動車両の例)
<1 第1の実施形態>
[正極活物質の構成]
図1に示すように、本技術の第1の実施形態に係る正極活物質は、第1正極活物質粒子1と、第2正極活物質粒子2と、第3正極活物質粒子3とを含んでいる。第1正極活物質粒子1の平均粒径D1、第2正極活物質粒子2の平均粒径D2および第3正極活物質粒子3の平均粒径D3が、D1>D2>D3の関係を満たしている。以下では、第1正極活物質粒子1、第2正極活物質粒子2、第3正極活物質粒子3をそれぞれ、大粒子1、中粒子2、小粒子3という。また、大粒子1、中粒子2および小粒子3を特に区別しない場合には、単に活物質粒子という。また、図2A、図2Bに示すように、クラック1Cが発生している大粒子1を大粒子1A、1B、クラック2Cが発生している中粒子2を中粒子2A、砕けた中粒子2を中粒子2B、クラック3Cが発生している小粒子3を小粒子3A、3Bと符号を変えて表記する場合がある。
大粒子1、中粒子2および小粒子3はいずれも、一次粒子が凝集した凝集粒子である。
中粒子2を構成する一次粒子の平均粒径は、大粒子1および小粒子3を構成する一次粒子の平均粒径より大きいことが好ましい。中粒子2の平均圧壊強度を大粒子1および小粒子3の平均圧壊強度よりも低くすることができる、すなわち中粒子2の粒子崩壊率βを大粒子1の粒子崩壊率α1および小粒子3の粒子崩壊率α2よりも高くすることができるからである。大粒子1および小粒子3を構成する一次粒子の平均粒径は、例えば500nm以下である。中粒子2を構成する一次粒子の平均粒径は、例えば500nmより大きい。なお、大粒子1と小粒子3を構成する一次粒子の平均粒径は、異なっていてもよい。
大粒子1および小粒子3は、ほぼ球状を有している。中粒子2も、ほぼ球状を有していてもよいが、正極作成時のプレスにより中粒子2の多くは崩壊されるため、特に球状に限定されるものではなく、種々の形状を採用可能である。例えば、中粒子2が、ほぼ楕円体状、多面体状または不定形状などであってもよい。
(粒子崩壊率)
大粒子1の粒子崩壊率α1および小粒子3の粒子崩壊率α2は、20%以下である。大粒子1の粒子崩壊率α1および小粒子3の粒子崩壊率α2のうちの一方または両方が20%を超えると、この正極活物質を用いて正極を作製した場合、正極活物質と電解液との反応性などが大きいため、正極活物質層中の被膜形成が多く、電池の出力低下やサイクル悪化などを引き起こす虞がある。また、大粒子1の粒子崩壊率α1および小粒子3の粒子崩壊率α2のうちの一方または両方が20%を超えると、この正極活物質を含む正極合剤スラリーを塗工して乾燥した際に、大粒子1および小粒子3が六方最密充填構造またはそれに近い構造を有する粒子配置になり難い。このため、乾燥後に正極をプレスして圧縮したとしても、正極における活物質の体積密度(以下単に「正極の体積密度」という。)を向上することが困難となる虞がある。
中粒子2の粒子崩壊率βは、70%以上である。中粒子2の粒子崩壊率βが70%未満であると、この正極活物質を含む正極合剤スラリーを塗工して乾燥させた後にプレスした際に、崩壊する中粒子2の個数が少なく、正極活物質層内の空隙を十分に埋めることが困難となり、正極の体積密度が低下する虞がある。
(粒子崩壊率の測定方法)
大粒子1の粒子崩壊率α1は、次のようにして求められる。まず、正極活物質を用いて正極を作製する。なお、正極の作製方法について後述する。次に、日立製、イオンミリングシステムE−3500を用いて、正極の断面を作製し、日立ハイテクノロジーズ製の走査電子顕微鏡(Scanning Electron Microscope、以下「SEM」という。)を用いて、その断面SEM像を撮る。その後、画像解析ソフトを用いて、断面SEM像中から無作為に10個の大粒子1を選び出し、それらの大粒子1のうち崩壊が確認される粒子(具体的にはSEM像中にて観察された表面にて崩壊が確認される粒子)の個数を求める。次に、上述の崩壊した大粒子1の個数を求める処理を10枚の断面SEM像について行い、(10×10)個の大粒子1のうち、崩壊が確認された大粒子1の割合((N/100)×100、但し、Nは崩壊が確認された大粒子1の個数である。)を求めて、粒子崩壊率α1とする。なお、小粒子3の粒子崩壊率α2および中粒子2の粒子崩壊率βも上述の大粒子1の粒子崩壊率α1と同様にして求められる。
ここで、崩壊とは、(1)活物質粒子がクラックにより2つまたはそれ以上に完全に割れていることがSEM像にて観察される状態(図2B中、“クラック1Cが発生した大粒子1B”、“クラック3Cが発生した小粒子3B”参照)、または(2)活物質粒子が砕けて活物質粒子を構成する一次粒子間に空隙が多くなっていることがSEM像にて観察される状態(図2B中、“崩壊した中粒子2B”参照)をいう。但し、SEM像にて活物質粒子にクラックの発生が確認されるが、そのクラックにより活物質粒子が2つまたはそれ以上に割れていない状態(図2A中、“クラック1Cが発生した大粒子1A”、“クラック2Cが発生した中粒子2A”、“クラック3Cが発生した小粒子3A”参照)は、崩壊には含まないものとする。
なお、第1の実施形態においては、正極プレスにより崩壊した大粒子1および小粒子3は通常(1)の状態となるのに対して、正極プレスにより崩壊した中粒子2は通常(2)の状態となるように、大粒子1、中粒子2および小粒子3の凝集の状態は調整されている。
(平均粒径)
大粒子1の平均粒径D1は、12μm以上25μm以下であり、小粒子3の平均粒径D3は、1μm以上6μm以下であることが好ましい。大粒子1の平均粒径D1および小粒子3の平均粒径D3が上記範囲であると、この正極活物質を含む正極合剤スラリーを塗工し乾燥した際に、大粒子1および中粒子2が六方最密充填構造またはそれに近い構造を取りやすくなるため、正極の体積密度が向上する。
中粒子2の平均粒径D2は、3μm以上12μm以下であることが好ましい。中粒子2の平均粒径D2が12μmを超えると、この正極活物質を含む正極合剤スラリーを塗工して乾燥させた際に、大粒子1と小粒子3の隙間に中粒子2が入り込み難くなるために、正極の体積密度が向上し難くなる虞がある。一方、中粒子2の平均粒径D2が3μm未満であると、この正極活物質を含む正極合剤スラリーを塗工して乾燥させた後にプレスして中粒子2を崩壊させたとしても、崩壊した中粒子2によって大粒子1と小粒子3の間の隙間を効率的に埋めることが困難となる虞がある。また、この正極活物質を含む正極合剤スラリーを調製する際に、多量のバインダが必要になるため、電池特性が悪化する虞もある。
(平均粒径の測定方法)
大粒子1の平均粒径D1は、次のようにして求められる。まず、日立ハイテクノロジーズ製のSEMを用いて、正極活物質のSEM像を撮る。その後、画像解析ソフトを用いて、SEM像中から無作為に10個の大粒子1を選び出し、それらの大粒子1それぞれの面積(SEM像にて一方向から大粒子1を観察したときの面積)を求める。次に、大粒子1が球形であると仮定して、以下の式から粒径(直径)Rを求める。
R=2×(S/π)1/2
但し、Sは、一方向から大粒子1を観察したときの面積である。
上述の大粒子1の粒径を求める処理を10枚のSEM像について行い、得られた(10×10)個の大粒子1の粒径を単純に平均(算術平均)して大粒子1の平均粒径D1を求める。なお、中粒子2の平均粒径D2および小粒子3の平均粒径D3も、上述の大粒子1の平均粒径D1と同様にして求められる。
なお、上記平均粒径の測定の際には、SEM像中において大粒子1、中粒子2および小粒子3は以下のようにして判別される。大粒子1と小粒子3は大きさが明らかに異なっているため、SEM像中にて両者を容易に判別することが可能である。一方、大粒子1と中粒子2は、(1)活物質粒子の大きさ、(2)活物質粒子の崩壊性、および(3)活物質粒子(凝集粒子)を構成する一次粒子の大きさなどに基づき判別することが可能である。また、中粒子2と小粒子3も上述の(1)から(3)などに基づき判別することが可能である。
(大粒子と小粒子の配合比)
大粒子1の含有量M1および小粒子3の含有量M3の合計量に対する、大粒子1の含有量M1の割合R1(=(M1/(M1+M3))×100)は、55vol%以上85vol%以下であり、大粒子1の含有量M1および小粒子3の含有量M3の合計量に対する、小粒子3の含有量M3の割合R2(=(M3/(M1+M3))×100)は、15vol%以上45vol%以下であることが好ましい。割合R1、R2が上記範囲から外れると、この正極活物質を含む正極合剤スラリーを塗工して乾燥させた際に、大粒子1および小粒子3が六方最密充填構造またはそれに近い構造を有する二次粒子配置になり難くなる。このため、乾燥後に正極をプレスして圧縮したとしても、正極の体積密度を向上することが困難となる虞がある。
(大粒子と小粒子の配合比の算出方法)
割合R1、R2は、次のようにして求められる。まず、“平均粒径の測定方法”と同様にして、大粒子1の平均粒径D1および小粒子3の平均粒径D3を求める。次に、求めた平均粒径D1を粒径とする真球状の大粒子1と、求めた平均粒径D3を粒径とする真球状の小粒子3とが六方最密充填されていると仮定して、幾何充填計算によって大粒子1の含有量M1および小粒子3の含有量M3を求める。次に、これらの含有量M1、M3を用いて、割合R1、R2を求める。
(中粒子と小粒子の配合比)
小粒子3の含有量M3に対する中粒子2の含有量M2の割合R3(=(M2/M3)×100)は、50vol%以下であることが好ましい。割合R3が50vol%を超えると、この正極活物質を含む正極合剤スラリーを塗工して乾燥した際に、大粒子1と中粒子2から形成される隙間に小粒子3が存在するような状態になる。このため、乾燥後に正極をプレスして圧縮したとしても、大粒子1と中粒子2からなる隙間に小粒子3が密に詰まることは難しく、結果的に正極の体積密度を向上させることは困難となる虞がある。
(中粒子と小粒子の配合比の測定方法)
割合R3は、次のようにして求められる。まず、“平均粒径の測定方法”と同様にして、SEM像中から無作為に10個の中粒子2を選び出し、それらの中粒子2それぞれの面積(SEM像にて一方向から中粒子2を観察したときの面積)を求める。次に、上述の粒径を求める処理を10枚のSEM像について行い、(10×10)個の中粒子2それぞれの面積を求める。次に、上述の中粒子2の面積を求めたのと同様にして、(10×10)個の小粒子3それぞれの面積を求める。次に、求めた中粒子2および小粒子3の面積を用い、中粒子2および小粒子3が真球状であると仮定して、割合R3を求める。
(平均圧壊強度)
大粒子1および小粒子3の平均圧壊強度は、粒子崩壊率α1、α2の目安となる物性値であり、300MPa以上であることが好ましい。大粒子1および小粒子3の平均圧壊強度が300MPa未満であると、大粒子1の粒子崩壊率α1および小粒子3の粒子崩壊率α2が高くなりすぎるため、上述の粒子崩壊率α1、α2の範囲から外れてしまう虞がある。
中粒子2の平均圧壊強度は、粒子崩壊率βの目安となる物性値であり、100MPa以下であることが好ましい。中粒子2の平均圧壊強度が100MPaを超えると、中粒子2の粒子崩壊率βが低くなりすぎるため、上述の粒子崩壊率βの範囲から外れてしまう虞がある。
(平均圧壊強度の測定方法)
大粒子1の平均圧壊強度は、次のようにして求められる。上述した大粒子1の平均粒径D1の範囲内にある二次粒子を100個選び出し、島津製作所製、微小圧縮試験機MCT510を用いて、その二次粒子の1つ1つの粒子圧壊強度を測定し、得られた圧壊強度を単純に平均(算術平均)して平均圧壊強度を求める。なお、中粒子2の平均圧壊強度および小粒子3の平均圧壊強度も、上述の大粒子1の平均圧壊強度と同様にして求められる。
(活物質の組成)
大粒子1、中粒子2および小粒子3を構成する一次粒子は、電極反応物質であるリチウムを吸蔵および放出することが可能な正極活物質を含んでいる。リチウムを吸蔵および放出することが可能な正極活物質としては、エネルギー密度を高くするには、リチウムと遷移金属元素と酸素(O)とを含むリチウム含有化合物が好ましい。このようなリチウム含有化合物としては、層状岩塩型の構造を有するリチウム複合酸化物が好ましい。リチウム複合酸化物としては、遷移金属としてNiを含むものがより好ましい。Niを含むリチウム複合酸化物としては、例えば、リチウムとニッケルとコバルトとマンガンと酸素とを含むリチウム複合酸化物(以下「NCM」という。)、リチウムとニッケルとコバルトとアルミニウムと酸素とを含むリチウム複合酸化物(以下「NCA」という。)などを用いることでき、NCAを用いることが好ましい。正極の体積密度を特に向上できるからである。
大粒子1、小粒子3は、以下の式(1)で表される平均組成を有していることが好ましい。
Liv1Niw1M1’x1z1 ・・・(1)
(式中、0<v1<2、w1+x1≦1、0.2≦w1≦1、0≦x1≦0.7、0<z<3であり、M1’は、Co(コバルト)、Fe(鉄)、Mn(マンガン)、Cu(銅)、Zn(亜鉛)、Al(アルミニウム)、Cr(クロム)、V(バナジウム)、Ti(チタン)、Mg(マグネシウム)、Zr(ジルコニウム)などの遷移金属からなる元素を少なくとも1種類以上である。)
中粒子2は、以下の式(2)で表される平均組成を有していることが好ましい。
Liv2Niw2M2’x2z2 ・・・(2)
(式中、0<v2<2、w2+x2≦1、0.65≦w2≦1、0≦x2≦0.35、0<z2<3であり、M2’は、Co(コバルト)、Fe(鉄)、Mn(マンガン)、Cu(銅)、Zn(亜鉛)、Al(アルミニウム)、Cr(クロム)、V(バナジウム)、Ti(チタン)、Mg(マグネシウム)、Zr(ジルコニウム)などの遷移金属からなる元素を少なくとも1種類以上である。)
[正極の作製方法]
以下、図3A、図3Bを参照して、上述の正極活物質を用いた正極の作製方法の一例について説明する。
まず、例えば、上述の正極活物質と、導電剤と、結着剤とを混合して正極合剤を調製し、この正極合剤をN−メチル−2−ピロリドン(NMP)などの溶剤に分散させてペースト状の正極合剤スラリーを作製する。次に、図3Aに示すように、この正極合剤スラリー21Cを正極集電体21Aに塗布し溶剤を乾燥させる。この際、大粒子1および小粒子3は、六方最密充填構造またはそれに近い構造を取るように配置される傾向がある。一方、中粒子2は、そのように配置された大粒子1と小粒子3との隙間に配置される傾向がある。
次に、ロールプレス機などにより、乾燥した正極合剤スラリー21Cを圧縮成型し、正極活物質層を形成する。この際、線圧は、例えば10kN/cmである。これにより、図3Bに示すように、正極合剤スラリー21Cに含まれる大粒子1および小粒子3は僅かに変形するが、ほぼ球形状を維持する。大粒子1の粒子崩壊率α1および小粒子3の粒子崩壊率α2は、上述のように20%以下と低いため、ほとんどの大粒子1および小粒子3は崩壊せず、僅かに変形することを除けば大粒子1および小粒子3はプレス前の状態とほぼ同様である(図2A参照)。崩壊した少数の大粒子1および小粒子3は、クラックの発生により大粒子1および小粒子3が2つまたはそれ以上に完全に割れているが、プレス前の形状がほぼ維持されている状態にある(図2B参照)。これに対して、中粒子2の粒子崩壊率βは、上述のように70%以上と高いため、ほとんどの中粒子2は砕けて崩壊し、大粒子1と小粒子3との間の隙間を埋める(図2B参照)。崩壊していない少数の中粒子2は、僅かに変形することを除けばプレス前の状態とほぼ同様である(図2A参照)。以上により、目的とする正極21が得られる。
[効果]
第1の実施形態に係る正極活物質は、大粒子1と中粒子2と小粒子3とを含んでいる。中粒子2は1次粒子が凝集した凝集粒子であり、大粒子1の平均粒径D1、中粒子2の平均粒径D2および小粒子3の平均粒径D3が、D1>D2>D3の関係を満たす。大粒子1の粒子崩壊率α1および小粒子3の粒子崩壊率α2は、20%以下であり、かつ中粒子2の粒子崩壊率βは、70%以上である。このような構成を有する正極活物質をプレスして正極を作製すると、大粒子1および小粒子3が細密充填構造またはそれに近い構造で配置されやすくなる。また、プレスにより中粒子2の大部分は崩壊して砕け、大粒子1と小粒子3との間の隙間を埋める。したがって、正極の体積密度を向上できる。この正極を用いて電池を作製した場合には、電池を高容量化ができる。
正極の体積密度を向上する方法としては、プレス時のプレス圧を上げる方法や、複数回プレスを繰り返す方法が一般的に知られている。しかしながら、これらの機械的な方法を用いると、集電体の箔切れや正極に反りが生じたりすることがある。そのため、この方法では、正極自体が潰れやすいように設計することが必要である。一方、第1の実施形態では、平均粒径が異なる大粒子1、中粒子2および小粒子3を含む正極活物質を用い、正極内にて大粒子1および小粒子3を最密充填またはそれに近い状態で充填する。また、プレス時に一定割合以上の中粒子2を崩壊させて、正極内に存在する空隙部分を崩壊した中粒子2で埋める。これにより、正極の体積密度を向上させることができる。したがって、集電体の箔切れや正極に反りが生じたりすることを抑制できる。
[変形例]
第1の実施形態では、大粒子、中粒子および小粒子は、一次粒子が凝集した凝集粒子である場合について説明したが、本技術はこの例に限定されるものではない。例えば、大粒子および中粒子が、非凝集粒子としての一次粒子であり、中粒子が、一次粒子が凝集した凝集粒子であってもよい。
大粒子および小粒子が一次粒子である場合、大粒子および小粒子は、以下の式(3)で表される平均組成を有していることが好ましい。
Liv3Cow3M3’x3z3 ・・・(3)
(式中、0<v3<2、w3+x3≦1、0.8≦w3≦1、0≦x3≦0.2、0<z<3であり、M3’は、Ni(ニッケル)、Fe(鉄)、Mn(マンガン)、Cu(銅)、Zn(亜鉛)、Al(アルミニウム)、Cr(クロム)、V(バナジウム)、Ti(チタン)、Mg(マグネシウム)、Zr(ジルコニウム)などの遷移金属からなる元素を少なくとも1種類以上である。)
中粒子が凝集粒子である場合、中粒子は、以下の式(4)で表される平均組成を有していることが好ましい。
Liv4Niw4M4’x4z4 ・・・(4)
(式中、0<v4<2、w4+x4≦1、0.65≦w4≦1、0≦x4≦0.35、0<z4<3であり、M4’は、Co(コバルト)、Fe(鉄)、Mn(マンガン)、Cu(銅)、Zn(亜鉛)、Al(アルミニウム)、Cr(クロム)、V(バナジウム)、Ti(チタン)、Mg(マグネシウム)、Zr(ジルコニウム)などの遷移金属からなる元素を少なくとも1種類以上である。)
なお、本変形例に係る正極活物質においては、SEM像中にて大粒子1、中粒子2および小粒子3は以下のようにして判別される。大粒子1と小粒子3は大きさが明らかに異なっているため、SEM像中にて両者を容易に判別することが可能である。一方、大粒子1と中粒子2は、(1)活物質粒子の大きさ、(2)活物質粒子の崩壊性、(3)活物質粒子(凝集粒子)を構成する一次粒子の大きさ、および(4)活物質粒子が凝集粒子であるか否かなどに基づき判別することが可能である。また、中粒子2と小粒子3も上述の(1)から(4)などに基づき判別することが可能である。
<2 第2の実施形態>
第2の実施形態では、上述の第1の実施形態に係る正極活物質を含む正極を備える非水電解質二次電池について説明する。
[電池の構成]
以下、図4を参照しながら、本技術の第2の実施形態に係る非水電解質二次電池の一構成例について説明する。この非水電解質二次電池は、例えば、負極の容量が、電極反応物質であるリチウム(Li)の吸蔵および放出による容量成分により表されるいわゆるリチウムイオン二次電池である。この非水電解質二次電池はいわゆる円筒型といわれるものであり、ほぼ中空円柱状の電池缶11の内部に、一対の帯状の正極21と帯状の負極22とがセパレータ23を介して積層し巻回された巻回電極体20を有している。電池缶11は、ニッケル(Ni)のめっきがされた鉄(Fe)により構成されており、一端部が閉鎖され他端部が開放されている。電池缶11の内部には、電解質としての電解液が注入され、正極21、負極22およびセパレータ23に含浸されている。また、巻回電極体20を挟むように巻回周面に対して垂直に一対の絶縁板12、13がそれぞれ配置されている。
電池缶11の開放端部には、電池蓋14と、この電池蓋14の内側に設けられた安全弁機構15および熱感抵抗素子(Positive Temperature Coefficient;PTC素子)16とが、封口ガスケット17を介してかしめられることにより取り付けられている。これにより、電池缶11の内部は密閉されている。電池蓋14は、例えば、電池缶11と同様の材料により構成されている。安全弁機構15は、電池蓋14と電気的に接続されており、内部短絡あるいは外部からの加熱などにより電池の内圧が一定以上となった場合に、ディスク板15Aが反転して電池蓋14と巻回電極体20との電気的接続を切断するようになっている。封口ガスケット17は、例えば、絶縁材料により構成されており、表面にはアスファルトが塗布されている。
巻回電極体20の中心には、例えばセンターピン24が挿入されている。巻回電極体20の正極21にはアルミニウム(Al)などよりなる正極リード25が接続されており、負極22にはニッケルなどよりなる負極リード26が接続されている。正極リード25は安全弁機構15に溶接されることにより電池蓋14と電気的に接続されており、負極リード26は電池缶11に溶接され電気的に接続されている。
以下、図5を参照しながら、非水電解質二次電池を構成する正極21、負極22、セパレータ23、および電解液について順次説明する。
(正極)
正極21は、例えば、正極集電体21Aの両面に正極活物質層21Bが設けられた構造を有している。なお、図示はしないが、正極集電体21Aの片面のみに正極活物質層21Bを設けるようにしてもよい。正極集電体21Aは、例えば、アルミニウム箔、ニッケル箔あるいはステンレス箔などの金属箔により構成されている。正極活物質層21Bは、例えば、電極反応物質であるリチウムを吸蔵および放出することが可能な正極活物質を含んでいる。正極活物質層21Bは、必要に応じて添加剤をさらに含んでいてもよい。添加剤としては、例えば、導電剤および結着剤のうちの少なくとも1種を用いることができる。
(正極活物質)
正極活物質は、第1の実施形態に係る正極活物質である。正極21の断面SEM像を観察した場合、プレス後の正極21中において、プレスにより崩壊していない大粒子1、中粒子2および小粒子3は、通常以下の状態にある。
プレスにより崩壊していない大粒子1:クラックの発生は確認されず、プレス前とほぼ同様の形状(例えばほぼ球状)を維持している状態、またはクラックの発生が確認されるが、そのクラックにより大粒子1が2つまたはそれ以上に割れておらず、プレス前と同様の形状(例えばほぼ球状)を維持している状態(図2A中、“クラック1Cが発生していない大粒子1、”クラック1Cが発生している大粒子1A“参照)。
プレスにより崩壊していない中粒子2:プレスにより崩壊していない大粒子1と同様の状態(図2A中、“クラック2Cが発生していない中粒子2、”クラック2Cが発生している中粒子2A“参照)
プレスにより崩壊していない小粒子3:プレスにより崩壊していない大粒子1と同様の状態(図2A中、“クラック3Cが発生していない小粒子3、”クラック3Cが発生している小粒子3A“参照)
なお、正極21中における大粒子1の平均粒径D1、中粒子2の平均粒径D2および小粒子3の平均粒径D3はそれぞれ、プレス前後においてほぼ同一である。
一方、プレス後の正極21の断面SEM像を観察した場合、プレス後の正極21中において、プレスにより崩壊した大粒子1、中粒子2および小粒子3は、通常以下の状態にある。
プレスにより崩壊した大粒子1:クラックの発生により大粒子1が2つまたはそれ以上に完全に割れているが、プレス前の形状がほぼ維持されている状態(図2B中、“クラック1Cが発生した大粒子1B”参照)
プレスにより崩壊した中粒子2:中粒子2が砕けて中粒子2を構成する一次粒子間に空隙が多くなっている状態(図2B中、“崩壊により砕けた中粒子2B“参照)
プレスにより崩壊した小粒子3:プレスにより崩壊していない大粒子1と同様の状態(図2B中、“クラック3Cが発生した小粒子3B”参照)
(崩壊後の粒子からの崩壊前の粒子の判別方法)
大粒子1および小粒子3は崩壊しても上述のようにプレス前後で粒子形状がほぼ維持されるため、大粒子1および小粒子3に関しては、プレス後の正極21の断面SEM像に含まれる崩壊粒子が、崩壊前に大粒子1または小粒子3であったか否かを目視で判別できる。これに対して、中粒子2は崩壊すると上述のように砕けてしまうため、中粒子2に関して、プレス後の正極21の断面SEM像に含まれる崩壊粒子が、崩壊前に中粒子2であったか否かを目視で判別することは困難であるが、以下の方法により推定することが可能である。
まず、日立製、イオンミリングシステムE−3500を用いて、正極21の断面を作製し、日立ハイテクノロジーズ製のSEMを用いて、その断面SEM像を撮る。その後、画像解析ソフトを用いて、砕けた粒子片の面積を足しあわせて、崩壊前の粒子の面積Sを求める。次に、二次粒子が球形であると仮定して、以下の式から粒径(直径)Rを求める。
R=2×(S/π)1/2
次に、上述の粒径を求める処理を10枚のSEM像について行い、得られた(10×10)個の二次粒子の粒径を単純に平均(算術平均)して二次粒子の平均粒径を求める。次に、求めた二次粒子の平均粒径が、上述した中粒子2の平均粒径D2の範囲:3μm以上12μm以下に含まれるか否かを確認する。求めた二次粒子の平均粒径が、この平均粒径D2の範囲に含まれていると確認できた場合には、断面SEM像に含まれる崩壊粒子が、崩壊前に中粒子2であったと推定される。
粒子崩壊率、平均粒径、割合R1、R2(大粒子と小粒子の配合比)、および割合R3(中粒子と小粒子の配合比)の数値範囲は、上述の第1の実施形態と同様である。粒子崩壊率、平均粒径および割合R1、R2、R3は、プレス後の正極21中に含まれる大粒子、中粒子および小粒子を用いて、以下のようにして求められる。
(粒子崩壊率の測定方法)
プレス後の正極21における大粒子の粒子崩壊率α1は、次のようにして求められる。まず、日立製、イオンミリングシステムE−3500を用いて、正極21の断面を作製し、日立ハイテクノロジーズ製のSEMを用いて、その断面SEM像を撮る。このようにして撮られた断面SEM像を用いる以外は第1の実施形態と同様にして大粒子1の粒子崩壊率α1を求める。なお、小粒子3の粒子崩壊率α2および中粒子2の粒子崩壊率βも上述の大粒子1の粒子崩壊率α1と同様にして求められる。
(平均粒径および割合R1、R2、R3の測定方法)
平均粒径、割合R1、R2、R3も、上述の“粒子崩壊率の測定方法”と同様にして形成した断面SEM像を用いる以外は第1の実施形態と同様にして求めることができる。但し、中粒子2の面積を求める際には、撮影した断面SEM像中に、崩壊していない中粒子2が存在する場合には、その中粒子2を用いて中粒子2の面積を求めるようにする。一方、撮影した断面SEM像中に、崩壊していない中粒子2が存在しない場合には、上述の“崩壊後の粒子からの崩壊前の粒子の判別方法”にて説明したようにして、砕けた粒子片の面積を足しあわせて、崩壊前の中粒子2の面積を求めるようにする。なお、崩壊粒子が、崩壊前に中粒子2であったか否かは、上述した“崩壊後の粒子からの崩壊前の粒子の判別方法”により推測できる。
(正極の体積密度)
好適な正極21の体積密度は、大粒子、中粒子および小粒子を構成する正極活物質の種類によって異なる。例えば大粒子、中粒子および小粒子がNCAを含む場合、正極21の体積密度は、3.65g/cm3以上であることが好ましい。また、大粒子および小粒子がNCMを含み、中粒子がNCAを含む場合、正極21の体積密度は、3.45g/cm3以上であることが好ましい。大粒子および小粒子がコバルト酸リチウム(LiCoO2、以下「LCO」という。)を含み、中粒子がNCAを含む場合、正極21の体積密度は、3.80g/cm3以上であることが好ましい。
(体積密度の測定方法)
正極21の体積密度は、電池として組み立てられる前の、プレスした正極21から求められるものであってもよいし、電池を解体して取り出される正極21から求められるものであってもよい。但し、電池解体後の正極21を用いて体積密度を測定する場合には、解体前の電池を2.5Vまで放電した後に、電池を解体して取り出した正極21を用いるようにする。
(結着剤)
結着剤としては、例えば、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)、ポリアクリロニトリル(PAN)、スチレンブタジエンゴム(SBR)およびカルボキシメチルセルロース(CMC)などの樹脂材料、ならびにこれら樹脂材料を主体とする共重合体などから選択される少なくとも1種が用いられる。
(導電剤)
導電剤としては、例えば、黒鉛、カーボンブラックまたはケッチェンブラックなどの炭素材料が挙げられ、それらのうちの1種または2種以上が混合して用いられる。また、炭素材料の他にも、導電性を有する材料であれば金属材料または導電性高分子材料などを用いるようにしてもよい。
(負極)
負極22は、例えば、負極集電体22Aの両面に負極活物質層22Bが設けられた構造を有している。なお、図示はしないが、負極集電体22Aの片面のみに負極活物質層22Bを設けるようにしてもよい。負極集電体22Aは、例えば、銅箔、ニッケル箔またはステンレス箔などの金属箔により構成されている。
負極活物質層22Bは、リチウムを吸蔵および放出することが可能な1種または2種以上の負極活物質を含んでいる。負極活物質層22Bは、必要に応じて結着剤や導電剤などの添加剤をさらに含んでいてもよい。
なお、この非水電解質二次電池では、負極54または負極活物質の電気化学当量が、正極21の電気化学当量よりも大きくなっており、理論上、充電の途中において負極22にリチウム金属が析出しないようになっていることが好ましい。
(負極活物質)
負極活物質としては、例えば、難黒鉛化性炭素、易黒鉛化性炭素、黒鉛、熱分解炭素類、コークス類、ガラス状炭素類、有機高分子化合物焼成体、炭素繊維または活性炭などの炭素材料が挙げられる。このうち、コークス類には、ピッチコークス、ニードルコークスまたは石油コークスなどがある。有機高分子化合物焼成体というのは、フェノール樹脂やフラン樹脂などの高分子材料を適当な温度で焼成して炭素化したものをいい、一部には難黒鉛化性炭素または易黒鉛化性炭素に分類されるものもある。これら炭素材料は、充放電時に生じる結晶構造の変化が非常に少なく、高い充放電容量を得ることができると共に、良好なサイクル特性を得ることができるので好ましい。特に黒鉛は、電気化学当量が大きく、高いエネルギー密度を得ることができ好ましい。また、難黒鉛化性炭素は、優れたサイクル特性が得られるので好ましい。更にまた、充放電電位が低いもの、具体的には充放電電位がリチウム金属に近いものが、電池の高エネルギー密度化を容易に実現することができるので好ましい。
また、高容量化が可能な他の負極活物質としては、金属元素および半金属元素のうちの少なくとも1種を構成元素(例えば、合金、化合物または混合物)として含む材料も挙げられる。このような材料を用いれば、高いエネルギー密度を得ることができるからである。特に、炭素材料と共に用いるようにすれば、高エネルギー密度を得ることができると共に、優れたサイクル特性を得ることができるのでより好ましい。なお、本技術において、合金には2種以上の金属元素からなるものに加えて、1種以上の金属元素と1種以上の半金属元素とを含むものも含める。また、非金属元素を含んでいてもよい。その組織には固溶体、共晶(共融混合物)、金属間化合物またはそれらのうちの2種以上が共存するものがある。
このような負極活物質としては、例えば、リチウムと合金を形成することが可能な金属元素または半金属元素が挙げられる。具体的には、マグネシウム、ホウ素、アルミニウム、チタン、ガリウム(Ga)、インジウム(In)、ケイ素(Si)、ゲルマニウム(Ge)、スズ、鉛(Pb)、ビスマス(Bi)、カドミウム(Cd)、銀(Ag)、亜鉛、ハフニウム(Hf)、ジルコニウム、イットリウム(Y)、パラジウム(Pd)または白金(Pt)が挙げられる。これらは結晶質のものでもアモルファスのものでもよい。
負極活物質としては、短周期型周期表における4B族の金属元素または半金属元素を構成元素として含むものが好ましく、より好ましいのはケイ素およびスズの少なくとも一方を構成元素として含むものである。ケイ素およびスズは、リチウムを吸蔵および放出する能力が大きく、高いエネルギー密度を得ることができるからである。このような負極活物質としては、例えば、ケイ素の単体、合金または化合物や、スズの単体、合金または化合物や、それらの1種または2種以上の相を少なくとも一部に有する材料が挙げられる。
ケイ素の合金としては、例えば、ケイ素以外の第2の構成元素として、スズ、ニッケル、銅、鉄、コバルト、マンガン、亜鉛、インジウム、銀、チタン、ゲルマニウム、ビスマス、アンチモン(Sb)およびクロムからなる群のうちの少なくとも1種を含むものが挙げられる。スズの合金としては、例えば、スズ以外の第2の構成元素として、ケイ素、ニッケル、銅、鉄、コバルト、マンガン、亜鉛、インジウム、銀、チタン、ゲルマニウム、ビスマス、アンチモンおよびクロムからなる群のうちの少なくとも1種を含むものが挙げられる。
スズの化合物またはケイ素の化合物としては、例えば、酸素または炭素を含むものが挙げられ、スズまたはケイ素に加えて、上述した第2の構成元素を含んでいてもよい。
中でも、Sn系の負極活物質としては、コバルトと、スズと、炭素とを構成元素として含み、炭素の含有量が9.9質量%以上29.7質量%以下であり、かつスズとコバルトとの合計に対するコバルトの割合が30質量%以上70質量%以下であるSnCoC含有材料が好ましい。このような組成範囲において高いエネルギー密度を得ることができると共に、優れたサイクル特性を得ることができるからである。
このSnCoC含有材料は、必要に応じて更に他の構成元素を含んでいてもよい。他の構成元素としては、例えば、ケイ素、鉄、ニッケル、クロム、インジウム、ニオブ、ゲルマニウム、チタン、モリブデン、アルミニウム、リン(P)、ガリウムまたはビスマスが好ましく、2種以上を含んでいてもよい。容量またはサイクル特性を更に向上させることができるからである。
なお、このSnCoC含有材料は、スズと、コバルトと、炭素とを含む相を有しており、この相は結晶性の低いまたは非晶質な構造を有していることが好ましい。また、このSnCoC含有材料では、構成元素である炭素の少なくとも一部が、他の構成元素である金属元素または半金属元素と結合していることが好ましい。サイクル特性の低下はスズなどが凝集または結晶化することによるものであると考えられるが、炭素が他の元素と結合することにより、そのような凝集または結晶化を抑制することができるからである。
元素の結合状態を調べる測定方法としては、例えばX線光電子分光法(XPS)が挙げられる。XPSでは、炭素の1s軌道(C1s)のピークは、グラファイトであれば、金原子の4f軌道(Au4f)のピークが84.0eVに得られるようにエネルギー較正された装置において、284.5eVに現れる。また、表面汚染炭素であれば、284.8eVに現れる。これに対して、炭素元素の電荷密度が高くなる場合、例えば炭素が金属元素または半金属元素と結合している場合には、C1sのピークは、284.5eVよりも低い領域に現れる。すなわち、SnCoC含有材料について得られるC1sの合成波のピークが284.5eVよりも低い領域に現れる場合には、SnCoC含有材料に含まれる炭素の少なくとも一部が他の構成元素である金属元素または半金属元素と結合している。
なお、XPS測定では、スペクトルのエネルギー軸の補正に、例えばC1sのピークを用いる。通常、表面には表面汚染炭素が存在しているので、表面汚染炭素のC1sのピークを284.8eVとし、これをエネルギー基準とする。XPS測定では、C1sのピークの波形は、表面汚染炭素のピークとSnCoC含有材料中の炭素のピークとを含んだ形として得られるので、例えば市販のソフトウエアを用いて解析することにより、表面汚染炭素のピークと、SnCoC含有材料中の炭素のピークとを分離する。波形の解析では、最低束縛エネルギー側に存在する主ピークの位置をエネルギー基準(284.8eV)とする。
その他の負極活物質としては、例えば、リチウムを吸蔵および放出することが可能な金属酸化物または高分子化合物なども挙げられる。金属酸化物としては、例えば、チタン酸リチウム(Li4Ti512)などのチタンとリチウムとを含むリチウムチタン酸化物、酸化鉄、酸化ルテニウムまたは酸化モリブデンなどが挙げられる。高分子化合物としては、例えば、ポリアセチレン、ポリアニリンまたはポリピロールなどが挙げられる。
(結着剤)
結着剤としては、例えば、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリアクリロニトリル、スチレンブタジエンゴムおよびカルボキシメチルセルロースなどの樹脂材料、ならびにこれら樹脂材料を主体とする共重合体などから選択される少なくとも1種が用いられる。
(導電剤)
導電剤としては、正極活物質層21Bと同様の炭素材料などを用いることができる。
(セパレータ)
セパレータ23は、正極21と負極22とを隔離し、両極の接触による電流の短絡を防止しつつ、リチウムイオンを通過させるものである。セパレータ23は、例えば、ポリテトラフルオロエチレン、ポリプロピレンまたはポリエチレンなどの樹脂製の多孔質膜によって構成されており、これらの2種以上の多孔質膜を積層した構造とされていてもよい。中でも、ポリオレフィン製の多孔質膜は短絡防止効果に優れ、かつシャットダウン効果による電池の安全性向上を図ることができるので好ましい。特にポリエチレンは、100℃以上160℃以下の範囲内においてシャットダウン効果を得ることができ、かつ電気化学的安定性にも優れているので、セパレータ23を構成する材料として好ましい。他にも、化学的安定性を備えた樹脂を、ポリエチレンまたはポリプロピレンと共重合またはブレンド化した材料を用いることができる。あるいは、多孔質膜は、ポリプロピレン層と、ポリエチレン層と、ポリプロピレン層とを順次に積層した3層以上の構造を有していてもよい。
また、セパレータ23は、基材である多孔質膜の片面または両面に樹脂層が設けられていてもよい。樹脂層は、無機物が担持された多孔性のマトリックス樹脂層である。これにより、耐酸化性を得ることができ、セパレータ23の劣化を抑制できる。マトリックス樹脂としては、例えば、ポリフッ化ビニリデン、ヘキサフルオロプロピレン(HFP)、ポリテトラフルオロエチレンなどを用いることができ、また、これらの共重合体を用いることも可能である。
無機物としては、金属、半導体、またはこれらの酸化物、窒化物を挙げることができる。例えば、金属としては、アルミニウム、チタンなどを挙げることができ、半導体としては、ケイ素、ホウ素などを挙げることができる。また、無機物としては、実質的に導電性がなく、熱容量の大きいものが好ましい。熱容量が大きいと、電流発熱時のヒートシンクとして有用であり、電池の熱暴走をより抑制することが可能になるからである。このような無機物としては、アルミナ(Al23)、ベーマイト(アルミナの一水和物)、タルク、窒化ホウ素(BN)、窒化アルミニウム(AlN)、二酸化チタン(TiO2)、酸化ケイ素(SiOx)などの酸化物または窒化物が挙げられる。なお、上述した無機物は、基材としての多孔質膜に含有されていてもよい。
無機物の粒径としては、1nm〜10μmの範囲内が好ましい。1nmより小さいと、入手が困難であり、また入手できたとしてもコスト的に見合わない。10μmより大きいと電極間距離が大きくなり、限られたスペースで活物質充填量が十分得られず電池容量が低くなる。
樹脂層は、例えば、次のようにして形成することができる。すなわち、マトリックス樹脂、溶媒および無機物からなるスラリーを基材(多孔質膜)上に塗布し、マトリックス樹脂の貧溶媒且つ上記溶媒の親溶媒浴中を通過させて相分離させ、その後、乾燥させる。
(電解液)
正極活物質層21B、負極活物質層22Bおよびセパレータ23に含浸される電解液は、溶媒と、この溶媒に溶解された電解質塩とを含んでいる。電解液が、電池特性を向上するために、公知の添加剤を含んでいてもよい。
溶媒としては、炭酸エチレンまたは炭酸プロピレンなどの環状の炭酸エステルを用いることができ、炭酸エチレンおよび炭酸プロピレンのうちの一方、特に両方を混合して用いることが好ましい。サイクル特性を向上させることができるからである。
溶媒としては、また、これらの環状の炭酸エステルに加えて、炭酸ジエチル、炭酸ジメチル、炭酸エチルメチルまたは炭酸メチルプロピルなどの鎖状の炭酸エステルを混合して用いることが好ましい。高いイオン伝導性を得ることができるからである。
溶媒としては、さらにまた、2,4−ジフルオロアニソールまたは炭酸ビニレンを含むこと好ましい。2,4−ジフルオロアニソールは放電容量を向上させることができ、また、炭酸ビニレンはサイクル特性を向上させることができるからである。よって、これらを混合して用いれば、放電容量およびサイクル特性を向上させることができるので好ましい。
これらの他にも、溶媒としては、炭酸ブチレン、γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン、1,2−ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、1,3−ジオキソラン、4−メチル−1,3−ジオキソラン、酢酸メチル、プロピオン酸メチル、アセトニトリル、グルタロニトリル、アジポニトリル、メトキシアセトニトリル、3−メトキシプロピロニトリル、N,N−ジメチルフォルムアミド、N−メチルピロリジノン、N−メチルオキサゾリジノン、N,N−ジメチルイミダゾリジノン、ニトロメタン、ニトロエタン、スルホラン、ジメチルスルフォキシドまたはリン酸トリメチルなどが挙げられる。
なお、これらの非水溶媒の少なくとも一部の水素をフッ素で置換した化合物は、組み合わせる電極の種類によっては、電極反応の可逆性を向上させることができる場合があるので、好ましい場合もある。
電解質塩としては、例えばリチウム塩が挙げられ、1種を単独で用いてもよく、2種以上を混合して用いてもよい。リチウム塩としては、LiPF6、LiBF4、LiAsF6、LiClO4、LiB(C654、LiCH3SO3、LiCF3SO3、LiN(SO2CF32、LiC(SO2CF33、LiAlCl4、LiSiF6、LiCl、ジフルオロ[オキソラト−O,O']ホウ酸リチウム、リチウムビスオキサレートボレート、またはLiBrなどが挙げられる。中でも、LiPF6は高いイオン伝導性を得ることができるとともに、サイクル特性を向上させることができるので好ましい。
[電池電圧]
この非水電解質二次電池は、完全充電時における開回路電圧(すなわち電池電圧)が、例えば、例えば2.80V以上6.00V以下または3.60V以上6.00V以下、好ましくは4.25V以上6.00V以下または4.20V以上4.50V以下、さらに好ましくは4.30V以上4.55V以下の範囲内になるように設計されていてもよい。完全充電時における開回路電圧が、例えば正極活物質として層状岩塩型リチウム複合酸化物などを用いた電池において4.25V以上とされる場合は、4.20Vの電池と比較して、同じ正極活物質であっても単位質量当たりのリチウムの放出量が多くなるので、それに応じて正極活物質と負極活物質との量が調整され、高いエネルギー密度が得られるようになっている。
[電池の動作]
上述の構成を有する非水電解質二次電池では、充電を行うと、例えば、正極活物質層21Bからリチウムイオンが放出され、電解液を介して負極活物質層22Bに吸蔵される。また、放電を行うと、例えば、負極活物質層22Bからリチウムイオンが放出され、電解液を介して正極活物質層21Bに吸蔵される。
[電池の製造方法]
次に、本技術の第2の実施形態に係る非水電解質二次電池の製造方法の一例について説明する。
まず、上述の第1の実施形態と同様にして正極21を形成する。
また、例えば、負極活物質と、結着剤とを混合して負極合剤を調製し、この負極合剤をN−メチル−2−ピロリドンなどの溶剤に分散させてペースト状の負極合剤スラリーを作製する。次に、この負極合剤スラリーを負極集電体22Aに塗布し溶剤を乾燥させ、ロールプレス機などにより圧縮成型することにより負極活物質層22Bを形成し、負極22を作製する。
次に、正極集電体21Aに正極リード25を溶接などにより取り付けるとともに、負極集電体22Aに負極リード26を溶接などにより取り付ける。次に、正極21と負極22とをセパレータ23を介して巻回する。次に、正極リード25の先端部を安全弁機構15に溶接するとともに、負極リード26の先端部を電池缶11に溶接して、巻回した正極21および負極22を一対の絶縁板12、13で挟み電池缶11の内部に収納する。次に、正極21および負極22を電池缶11の内部に収納したのち、電解液を電池缶11の内部に注入し、セパレータ23に含浸させる。次に、電池缶11の開口端部に電池蓋14、安全弁機構15および熱感抵抗素子16を封口ガスケット17を介してかしめることにより固定する。これにより、図4に示した二次電池が得られる。
[効果]
第2の実施形態に係る電池は、第1の実施形態に係る正極活物質を含む正極21を用いるので、電池を高容量化することができる。
<3.第3の実施形態>
[電池の構成]
以下、図6を参照しながら、本技術の第3の実施形態に係る電池の一構成例について説明する。この電池は、いわゆるラミネートフィルム型電池といわれるものであり、扁平型または角型の形状を有している。この電池は、正極リード31および負極リード32が取り付けられた巻回電極体30をフィルム状の外装部材40の内部に収容したものであり、小型化、軽量化および薄型化が可能となっている。
正極リード31および負極リード32は、それぞれ、外装部材40の内部から外部に向かい例えば同一方向に導出されている。正極リード31および負極リード32は、例えば、アルミニウム、銅、ニッケルあるいはステンレスなどの金属材料によりそれぞれ構成されており、それぞれ薄板状または網目状とされている。
外装部材40は、例えば、ナイロンフィルム、アルミニウム箔およびポリエチレンフィルムをこの順に貼り合わせた矩形状のアルミラミネートフィルムにより構成されている。外装部材40は、例えば、ポリエチレンフィルム側と巻回電極体30とが対向するように配設されており、各外縁部が融着あるいは接着剤により互いに密着されている。外装部材40と正極リード31および負極リード32との間には、外気の侵入を防止するための密着フィルム41が挿入されている。密着フィルム41は、正極リード31および負極リード32に対して密着性を有する材料、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、変性ポリエチレンまたは変性ポリプロピレンなどのポリオレフィン樹脂により構成されている。
なお、外装部材40は、上述したアルミラミネートフィルムに代えて、他の構造を有するラミネートフィルム、ポリプロピレンなどの高分子フィルムまたは金属フィルムにより構成するようにしてもよい。あるいは、アルミニウム製フィルムを心材として、その片面または両面に高分子フィルムを積層したラミネートフィルムを用いても良い。
図7は、図6に示した巻回電極体30のVII−VII線に沿った断面図である。巻回電極体30は、正極33と負極34とをセパレータ35および電解質層36を介して積層し、巻回したものであり、最外周部は保護テープ37により保護されている。
正極33は、正極集電体33Aの片面あるいは両面に正極活物質層33Bが設けられた構造を有している。負極34は、負極集電体34Aの片面あるいは両面に負極活物質層34Bが設けられた構造を有しており、負極活物質層34Bと正極活物質層33Bとが対向するように配置されている。正極集電体33A、正極活物質層33B、負極集電体34A、負極活物質層34Bおよびセパレータ35の構成は、それぞれ第2の実施形態における正極集電体21A、正極活物質層21B、負極集電体22A、負極活物質層22Bおよびセパレータ23と同様である。
電解質層36は、電解液と、この電解液を保持する保持体となる高分子化合物とを含み、いわゆるゲル状となっている。ゲル状の電解質層36は高いイオン伝導率を得ることができると共に、電池の漏液を防止することができるので好ましい。電解液は、第1の実施形態に係る電解液である。高分子化合物としては、例えば、ポリアクリロニトリル、ポリフッ化ビニリデン、フッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンとの共重合体、ポリテトラフルオロエチレン、ポリヘキサフルオロプロピレン、ポリエチレンオキサイド、ポリプロピレンオキサイド、ポリフォスファゼン、ポリシロキサン、ポリ酢酸ビニル、ポリビニルアルコール、ポリメタクリル酸メチル、ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸、スチレン−ブタジエンゴム、ニトリル−ブタジエンゴム、ポリスチレンまたはポリカーボネートが挙げられる。特に電気化学的な安定性の点からはポリアクリロニトリル、ポリフッ化ビニリデン、ポリヘキサフルオロプロピレンあるいはポリエチレンオキサイドが好ましい。
なお、第2の実施形態にてセパレータ23の樹脂層の説明で述べた無機物と同様の無機物が、ゲル状の電解質層36に含まれていても良い。より耐熱性を向上できるからである。
[電池の製造方法]
次に、本技術の第3の実施形態に係る非水電解質二次電池の製造方法の一例について説明する。
まず、正極33および負極34のそれぞれに、溶媒と、電解質塩と、高分子化合物と、混合溶剤とを含む前駆溶液を塗布し、混合溶剤を揮発させて電解質層36を形成する。次に、正極集電体33Aの端部に正極リード31を溶接により取り付けると共に、負極集電体34Aの端部に負極リード32を溶接により取り付ける。次に、電解質層36が形成された正極33と負極34とをセパレータ35を介して積層し積層体としたのち、この積層体をその長手方向に巻回して、最外周部に保護テープ37を接着して巻回電極体30を形成する。最後に、例えば、外装部材40の間に巻回電極体30を挟み込み、外装部材40の外縁部同士を熱融着などにより密着させて封入する。その際、正極リード31および負極リード32と外装部材40との間には密着フィルム41を挿入する。これにより、図6および図7に示した二次電池が得られる。
また、この二次電池は、次のようにして作製してもよい。まず、上述のようにして正極33および負極34を作製し、正極33および負極34に正極リード31および負極リード32を取り付ける。次に、正極33と負極34とをセパレータ35を介して積層して巻回し、最外周部に保護テープ37を接着して、巻回体を形成する。次に、この巻回体を外装部材40に挟み、一辺を除く外周縁部を熱融着して袋状とし、外装部材40の内部に収納する。次に、溶媒と、電解質塩と、高分子化合物の原料であるモノマーと、重合開始剤と、必要に応じて重合禁止剤などの他の材料とを含む電解質用組成物を用意し、外装部材40の内部に注入する。
次に、電解質用組成物を外装部材40内に注入したのち、外装部材40の開口部を真空雰囲気下で熱融着して密封する。次に、熱を加えてモノマーを重合させて高分子化合物とすることによりゲル状の電解質層36を形成する。以上により、図6に示した二次電池が得られる。
<4.第4の実施形態>
第4の実施形態では、第2または第3の実施形態に係る非水電解質二次電池を備える電池パックおよび電子機器について説明する。
[電池パックおよび電子機器の構成]
以下、図8を参照して、本技術の第4の実施形態に係る電池パック300および電子機器400の一構成例について説明する。電子機器400は、電子機器本体の電子回路401と、電池パック300とを備える。電池パック300は、正極端子331aおよび負極端子331bを介して電子回路401に対して電気的に接続されている。電子機器400は、例えば、ユーザにより電池パック300を着脱自在な構成を有している。なお、電子機器400の構成はこれに限定されるものではなく、ユーザにより電池パック300を電子機器400から取り外しできないように、電池パック300が電子機器400内に内蔵されている構成を有していてもよい。
電池パック300の充電時には、電池パック300の正極端子331a、負極端子331bがそれぞれ、充電器(図示せず)の正極端子、負極端子に接続される。一方、電池パック300の放電時(電子機器400の使用時)には、電池パック300の正極端子331a、負極端子331bがそれぞれ、電子回路401の正極端子、負極端子に接続される。
電子機器400としては、例えば、ノート型パーソナルコンピュータ、タブレット型コンピュータ、携帯電話(例えばスマートフォンなど)、携帯情報端末(Personal Digital Assistants:PDA)、表示装置(LCD、ELディスプレイ、電子ペーパなど)、撮像装置(例えばデジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラなど)、オーディオ機器(例えばポータブルオーディオプレイヤー)、ゲーム機器、コードレスフォン子機、電子書籍、電子辞書、ラジオ、ヘッドホン、ナビゲーションシステム、メモリーカード、ペースメーカー、補聴器、電動工具、電気シェーバー、冷蔵庫、エアコン、テレビ、ステレオ、温水器、電子レンジ、食器洗い器、洗濯機、乾燥器、照明機器、玩具、医療機器、ロボット、ロードコンディショナー、信号機などが挙げられるが、これに限定されるものでなない。
(電子回路)
電子回路401は、例えば、CPU、周辺ロジック部、インターフェース部および記憶部などを備え、電子機器400の全体を制御する。
(電池パック)
電池パック300は、組電池301と、充放電回路302とを備える。組電池301は、複数の二次電池301aを直列および/または並列に接続して構成されている。複数の二次電池301aは、例えばn並列m直列(n、mは正の整数)に接続される。なお、図8では、6つの二次電池301aが2並列3直列(2P3S)に接続された例が示されている。二次電池301aとしては、第2または第3の実施形態に係る非水電解質二次電池が用いられる。
充放電回路302は、組電池301の充放電を制御する制御部である。具体的には、充電時には、充放電回路302は、組電池301に対する充電を制御する。一方、放電時(すなわち電子機器400の使用時)には、充放電回路302は、電子機器400に対する放電を制御する。
[変形例]
上述の第4の実施形態では、電池パック300が、複数の二次電池301aにより構成される組電池301を備える場合を例として説明したが、電池パック300が、組電池301に代えて1つの二次電池301aを備える構成を採用してもよい。
<5.第5の実施形態>
第5の実施形態では、第2または第3の実施形態に係る非水電解質二次電池を蓄電装置に備える蓄電システムについて説明する。この蓄電システムは、およそ電力を使用するものである限り、どのようなものであってもよく、単なる電力装置も含む。この電力システムは、例えば、スマートグリッド、家庭用エネルギー管理システム(HEMS)、車両など含み、蓄電も可能である。
[蓄電システムの構成]
以下、図9を参照して、第5の実施形態に係る蓄電システム(電力システム)100の構成例について説明する。この蓄電システム100は、住宅用の蓄電システムであり、火力発電102a、原子力発電102b、水力発電102cなどの集中型電力系統102から電力網109、情報網112、スマートメータ107、パワーハブ108などを介し、電力が蓄電装置103に供給される。これと共に、家庭内発電装置104などの独立電源から電力が蓄電装置103に供給される。蓄電装置103に供給された電力が蓄電される。蓄電装置103を使用して、住宅101で使用する電力が給電される。住宅101に限らずビルに関しても同様の蓄電システムを使用できる。
住宅101には、家庭内発電装置104、電力消費装置105、蓄電装置103、各装置を制御する制御装置110、スマートメータ107、パワーハブ108、各種情報を取得するセンサ111が設けられている。各装置は、電力網109および情報網112によって接続されている。家庭内発電装置104として、太陽電池、燃料電池などが利用され、発電した電力が電力消費装置105および/または蓄電装置103に供給される。電力消費装置105は、冷蔵庫105a、空調装置105b、テレビジョン受信機105c、風呂105dなどである。さらに、電力消費装置105には、電動車両106が含まれる。電動車両106は、電気自動車106a、ハイブリッドカー106b、電気バイク106cなどである。
蓄電装置103は、第2または第3の実施形態に係る非水電解質二次電池を備えている。スマートメータ107は、商用電力の使用量を測定し、測定された使用量を、電力会社に送信する機能を備えている。電力網109は、直流給電、交流給電、非接触給電の何れか一つまたは複数の組み合わせであってもよい。
各種のセンサ111は、例えば人感センサ、照度センサ、物体検知センサ、消費電力センサ、振動センサ、接触センサ、温度センサ、赤外線センサなどである。各種のセンサ111により取得された情報は、制御装置110に送信される。センサ111からの情報によって、気象の状態、人の状態などが把握されて電力消費装置105を自動的に制御してエネルギー消費を最小とすることができる。さらに、制御装置110は、住宅101に関する情報を、インターネットを介して外部の電力会社などに送信することができる。
パワーハブ108によって、電力線の分岐、直流交流変換などの処理がなされる。制御装置110と接続される情報網112の通信方式としては、UART(Universal Asynchronous Receiver-Transceiver:非同期シリアル通信用送受信回路)などの通信インターフェースを使う方法、Bluetooth(登録商標)、ZigBee、Wi−Fiなどの無線通信規格によるセンサーネットワークを利用する方法がある。Bluetooth(登録商標)方式は、マルチメディア通信に適用され、一対多接続の通信を行うことができる。ZigBeeは、IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers)802.15.4の物理層を使用するものである。IEEE802.15.4は、PAN(Personal Area Network) またはW(Wireless)PANと呼ばれる短距離無線ネットワーク規格の名称である。
制御装置110は、外部のサーバ113と接続されている。このサーバ113は、住宅101、電力会社、およびサービスプロバイダーのいずれかによって管理されていてもよい。サーバ113が送受信する情報は、たとえば、消費電力情報、生活パターン情報、電力料金、天気情報、天災情報、電力取引に関する情報である。これらの情報は、家庭内の電力消費装置(たとえばテレビジョン受信機)から送受信してもよいが、家庭外の装置(たとえば、携帯電話機など)から送受信してもよい。これらの情報は、表示機能を持つ機器、たとえば、テレビジョン受信機、携帯電話機、PDA(Personal Digital Assistants)などに、表示されてもよい。
各部を制御する制御装置110は、CPU(Central Processing Unit )、RAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)などで構成され、この例では、蓄電装置103に格納されている。制御装置110は、蓄電装置103、家庭内発電装置104、電力消費装置105、各種のセンサ111、サーバ113と情報網112により接続され、例えば、商用電力の使用量と、発電量とを調整する機能を有している。なお、その他にも、電力市場で電力取引を行う機能などを備えていてもよい。
以上のように、電力が火力発電102a、原子力発電102b、水力発電102cなどの集中型電力系統102のみならず、家庭内発電装置104(太陽光発電、風力発電)の発電電力を蓄電装置103に蓄えることができる。したがって、家庭内発電装置104の発電電力が変動しても、外部に送出する電力量を一定にしたり、または、必要なだけ放電するといった制御を行うことができる。例えば、太陽光発電で得られた電力を蓄電装置103に蓄えると共に、夜間は料金が安い深夜電力を蓄電装置103に蓄え、昼間の料金が高い時間帯に蓄電装置103によって蓄電した電力を放電して利用するといった使い方もできる。
なお、この例では、制御装置110が蓄電装置103内に格納される例を説明したが、スマートメータ107内に格納されてもよいし、単独で構成されていてもよい。さらに、蓄電システム100は、集合住宅における複数の家庭を対象として用いられてもよいし、複数の戸建て住宅を対象として用いられてもよい。
<6.第6の実施形態>
第6の実施形態では、第2または第3の実施形態に係る非水電解質二次電池を備える電動車両について説明する。
[電動車両の構成]
図10を参照して、本技術の第6の実施形態に係る電動車両の一構成について説明する。このハイブリッド車両200は、シリーズハイブリッドシステムを採用するハイブリッド車両である。シリーズハイブリッドシステムは、エンジンで動かす発電機で発電された電力、あるいはそれをバッテリーに一旦貯めておいた電力を用いて、電力駆動力変換装置203で走行する車である。
このハイブリッド車両200には、エンジン201、発電機202、電力駆動力変換装置203、駆動輪204a、駆動輪204b、車輪205a、車輪205b、バッテリー208、車両制御装置209、各種センサ210、充電口211が搭載されている。バッテリー208としては、第2または第3の実施形態に係る非水電解質二次電池が用いられる。
ハイブリッド車両200は、電力駆動力変換装置203を動力源として走行する。電力駆動力変換装置203の一例は、モータである。バッテリー208の電力によって電力駆動力変換装置203が作動し、この電力駆動力変換装置203の回転力が駆動輪204a、204bに伝達される。なお、必要な個所に直流−交流(DC−AC)あるいは逆変換(AC−DC変換)を用いることによって、電力駆動力変換装置203が交流モータでも直流モータでも適用可能である。各種センサ210は、車両制御装置209を介してエンジン回転数を制御したり、図示しないスロットルバルブの開度(スロットル開度)を制御したりする。各種センサ210には、速度センサ、加速度センサ、エンジン回転数センサなどが含まれる。
エンジン201の回転力は発電機202に伝えられ、その回転力によって発電機202により生成された電力をバッテリー208に蓄積することが可能である。
図示しない制動機構によりハイブリッド車両200が減速すると、その減速時の抵抗力が電力駆動力変換装置203に回転力として加わり、この回転力によって電力駆動力変換装置203により生成された回生電力がバッテリー208に蓄積される。
バッテリー208は、充電口211を介してハイブリッド車両200の外部の電源に接続されることで、その外部電源から充電口211を入力口として電力供給を受け、受けた電力を蓄積することも可能である。
図示しないが、非水電解質二次電池に関する情報に基づいて車両制御に関する情報処理を行なう情報処理装置を備えていてもよい。このような情報処理装置としては、例えば、非水電解質二次電池の残量に関する情報に基づき、電池残量表示を行う情報処理装置などがある。
なお、以上は、エンジンで動かす発電機で発電された電力、またはそれをバッテリーに一旦貯めておいた電力を用いて、モータで走行するシリーズハイブリッド車を例として説明した。しかしながら、エンジンとモータの出力をいずれも駆動源とし、エンジンのみで走行、モータのみで走行、エンジンとモータ走行という3つの方式を適宜切り替えて使用するパラレルハイブリッド車に対しても本技術は有効に適用可能である。さらに、エンジンを用いず駆動モータのみによる駆動で走行する所謂、電動車両に対しても本技術は有効に適用可能である。
以下、実施例により本技術を具体的に説明するが、本技術はこれらの実施例のみに限定されるものではない。
本実施例において、大粒子、中粒子、小粒子の平均粒径D1、D2、D3、粒子崩壊率α1、β、α2、および比率R1、R2は、上述の第1の実施形態にて説明した測定方法により求められたものである。
[実施例1]
まず、正極活物質として、以下の大粒子、中粒子および小粒子が混合されたものを準備した(表1参照)。
大粒子:LiNi0.8Co0.15Al0.052からなる平均粒径300nmの一次粒子が凝集した凝集粒子であり、その凝集粒子の平均粒径D1、粒子崩壊率α1がそれぞれ17μm、10%である、ほぼ球状の正極活物質粒子
中粒子:LiNi0.8Co0.15Al0.052からなる平均粒径800nmの一次粒子が凝集した凝集粒子であり、その凝集粒子の平均粒径D2、粒子崩壊率βがそれぞれ7μm、80%である、ほぼ球状の正極活物質粒子
小粒子:LiNi0.8Co0.15Al0.052からなる平均粒径300nmの一次粒子が凝集した凝集粒子であり、その凝集粒子の平均粒径D3、粒子崩壊率α2がそれぞれ4μm、10%である、ほぼ球状の正極活物質粒子
ここで、中粒子を構成する一次粒子の平均粒径を、大粒子および中粒子を構成する一次粒子の平均粒子より大きくしているのは、正極プレス時の粒子崩壊は一次粒子径が大きいほど起こりやすいためである。このような特徴を考慮して、実施例1では、各粒子の粒子崩壊率α1、α2、βを一次粒子の平均粒径により調製した。
なお、大粒子、中粒子および小粒子は、以下の関係(a)、(b)、(c)を満たすように混合比を調整した。
(a)大粒子の含有量M1および小粒子の含有量M3の合計量に対する、大粒子の含有量M1の割合R1(=(M1/(M1+M3))×100)は、75vol%である。
(b)大粒子の含有量M1および小粒子の含有量M3の合計量に対する、小粒子の含有量M3の割合R2(=(M3/(M1+M3))×100)は、25vol%である。
(c)小粒子の含有量M3に対する中粒子の含有量M2の割合R3(=(M2/M3)×100)は、30vol%である。
次に、準備した正極活物質97質量部と、導電剤であるグラファイト1.5質量部と、結着剤であるポリフッ化ビニリデン(PVDF)1.5質量部とを混合し、正極合剤を調製した。この正極合剤を溶剤であるN−メチル−2−ピロリドンに分散させてペースト状の正極合剤スラリーとした。次に、正極合剤スラリーを厚さ15μmの帯状アルミニウム箔よりなる正極集電体の一方の面に均一に塗布して乾燥させ、さらに他方の面にも塗布して乾燥させた後、ロールプレス機で圧縮成型して正極活物質層を形成した。この際、ロールプレス機の線圧は、10kN/cmとした。以上により、目的とする正極が得られた。
[実施例2、比較例1]
表1に示すように、小粒子の含有量M3に対する中粒子の含有量M2の割合R3を変更する以外は実施例1と同様にして正極を得た。
[実施例3〜5、比較例2〜4]
表1に示すように、大粒子の粒子崩壊率α1、中粒子の粒子崩壊率β、小粒子の粒子崩壊率α2を変更する以外は実施例1と同様にして正極を得た。
[実施例6〜10、比較例5〜10]
表1に示すように、大粒子の平均粒径D1、中粒子の平均粒径D2、小粒子の平均粒径D3を変更する以外は実施例1と同様にして正極を得た。
[実施例11]
表1に示すように、大粒子および小粒子としてLiNi0.5Co0.2Mn0.32からなる平均粒径300nmの一次粒子が凝集した凝集粒子を用いる以外は実施例1と同様にして正極を得た。
[実施例12、比較例11]
表1に示すように、中粒子の粒子崩壊率βを変更する以外は実施例11と同様にして正極を得た。
[比較例12]
表1に示すように、中粒子としてLiNi0.5Co0.2Mn0.32からなる平均粒径800nmの一次粒子が凝集した凝集粒子を用い、中粒子の粒子崩壊率βを変更する以外は実施例11と同様にして正極を得た。
[実施例13]
表1に示すように、大粒子としてLiCoO2からなる平均粒径17μmの一次粒子(非凝集粒子)用い、小粒子としてLiCoO2からなる平均粒径4μmの一次粒子(非凝集粒子)を用いる以外は実施例1と同様にして正極を得た。
[比較例13]
表1に示すように、中粒子の粒子崩壊率βを変更する以外は実施例13と同様にして正極を得た。
[評価]
上述のようにして得られた正極の体積密度を求めた。その結果を表1に示す。
表1は、実施例1〜13、比較例1〜13の正極の構成および評価結果を示す。
Figure 0006528666
D1:大粒子の平均粒径、D2:中粒子の平均粒径、D3:小粒子の平均粒径
α1:大粒子の粒子崩壊率、α2:小粒子の粒子崩壊率、β:中粒子の粒子崩壊率
R3:小粒子の含有量M3に対する中粒子の含有量M2の割合R3(=(M2/M3)×100)
表1から以下のことがわかる。
実施例1〜13では、大粒子、中粒子、小粒子の平均粒径D1、D2、D3が、D1=12〜25μm、D2=3〜12μm、D3=1〜6μmの関係を満たし、大粒子、中粒子、小粒子の配合比率がR1=55〜85vol%、R2=15〜45vol%、R3≦50vol%の関係を満たすように調整され、かつ大粒子、中粒子、小粒子の粒子崩壊率α1、β、α2がα1≦20%、70%≦β、α2≦20%の関係を満たしている。このため、正極の体積密度が向上している。
比較例1では、中粒子、小粒子の配合比率がR3≦50vol%の関係を満たすように調整されていない。このため、正極の体積密度が向上していない。
比較例2〜4では、大粒子、中粒子、小粒子の粒子崩壊率α1、β、α2がα1、α2≦20%、70%≦βの関係を満たしていない。このため、正極の体積密度が向上していない。
比較例5では、大粒子、中粒子、小粒子の平均粒径D1、D2、D3が、D1>D2>D3の関係を満たしていない。このため、正極の体積密度が向上していない。
比較例6〜10では、大粒子、中粒子、小粒子の平均粒径D1、D2、D3が、D1=12〜25μm、D2=3〜12μm、D3=1〜6μmの関係を満たしていない。このため、正極の体積密度が向上していない。
比較例11〜13では、中粒子の粒子崩壊率βが70%≦βの関係を満たしていない。このため、正極の体積密度が向上していない。
実施例11、12、比較例11、12では、正極の体積密度が他の実施例や比較例に比べて低くなる傾向が見られる。これは、NCMはNCAに比べて合成温度が高く、一次粒子間の焼結が進むなど両者の合成条件が異なり、NCMからなる一次粒子が凝集した二次粒子は潰れ難い粒子性状であることが要因である。
実施例13、比較例13では、大粒子および小粒子の材料としてNCAでなく、LCOを用いているが、大粒子、中粒子、小粒子が上記関係を満たすようなものであれば、正極の体積密度を向上させることができる。なお、大粒子および小粒子の材料としてLCOを用いた場合、大粒子および小粒子の材料としてNCAを用いた場合に比べ、正極の体積密度が高くなる傾向が見られる。これは、以下の理由による。すなわち、大粒子および小粒子としてLCOからなる一次粒子を用いた場合、大粒子および小粒子としてNCAからなる一次粒子が凝集した二次粒子を用いた場合に比べて、大粒子および小粒子に正極活物質が密に詰まっている。また、LCOからなる大粒子および小粒子の表面粗さは、NCAからなる大粒子および小粒子の表面粗さに比べて小さい。このため、大粒子および小粒子が、プレス時により潰れやすく、上述のような傾向を示すこととなる。なお、LCOからなる粒子は凝集粒子ではなく一次粒子であるため、凝集粒子であることが要求される中粒子の材料としてLCOを用いることは困難である。
以上、本技術の実施形態およびその変形例、ならびに実施例について具体的に説明したが、本技術は、上述の実施形態およびその変形例、ならびに実施例に限定されるものではなく、本技術の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。
例えば、上述の実施形態およびその変形例、ならびに実施例において挙げた構成、方法、工程、形状、材料および数値などはあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれと異なる構成、方法、工程、形状、材料および数値などを用いてもよい。
また、上述の実施形態およびその変形例、ならびに実施例の構成、方法、工程、形状、材料および数値などは、本技術の主旨を逸脱しない限り、互いに組み合わせることが可能である。
また、上述の実施形態および実施例では、円筒型およびラミネートフィルム型の電池に本技術を適用した例について説明したが、電池の形状は特に限定されるものではない。例えば、スマートウオッチ、ヘッドマウントディスプレイ、iGlass(登録商標)などのウェアラブル端末に搭載されるフレキシブル電池や、角型およびコイン型などの電池などに対しても本技術は適用可能である。
また、上述の実施形態および実施例では、巻回構造を有する電池に対して本技術を適用した例について説明したが、電池の構造はこれに限定されるものではなく、正極および負極を折り畳んだ構造、または積み重ねた構造を有する電池などに対しても本技術は適用可能である。
また、上述の実施形態および実施例では、電極が集電体と活物質層とを備える構成を例として説明したが、電極の構成はこれに限定されるもではない。例えば、電極が活物質層のみからなる構成としてもよい。
また、上述の実施形態および実施例では、正極が結着剤および導電剤を含む例について説明したが、結着剤および導電剤は必要に応じて添加すればよく、それらのうちの少なくとも一方を正極が含まないようにしてもよい。
上述の実施形態および実施例では、正極活物質および正極に本技術を適用した例について説明したが、本技術はこれに限定されるものではなく、負極活物質および負極に本技術を適用してもよい。
上述の実施形態および実施例では、大粒子および小粒子がほぼ球状である例について説明したが、本技術はこれに限定されるものではなく、大粒子および小粒子の形状は、例えば、ほぼ楕円体状または多面体状などであってもよい。
また、本技術は以下の構成を採用することもできる。
(1)
第1活物質粒子と、第2活物質粒子と、第3活物質粒子とを含み、
前記第2活物質粒子が、一次粒子が凝集した凝集粒子であり、
前記第1活物質粒子の平均粒径D1、前記第2活物質粒子の平均粒径D2および前記第3活物質粒子の平均粒径D3が、D1>D2>D3の関係を満たし、
前記第1活物質粒子の粒子崩壊率α1および前記第3活物質粒子の粒子崩壊率α2は、20%以下であり、かつ前記第2活物質粒子の粒子崩壊率βは、70%以上である正極。
(2)
前記第1活物質粒子および前記第3活物質粒子は、一次粒子が凝集した凝集粒子である(1)に記載の正極。
(3)
前記第1活物質粒子および前記第3活物質粒子は、一次粒子である(1)に記載の正極。
(4)
前記第1活物質粒子の平均粒径D1は、12μm以上25μm以下であり、
前記第2活物質粒子の平均粒径D2は、3μm以上12μm以下であり、
前記第3活物質粒子の平均粒径D3は、1μm以上6μm以下である(1)から(3)のいずれかに記載の正極。
(5)
前記第1活物質粒子の含有量M1および前記第3活物質粒子の含有量M3の合計量に対する、前記第1活物質粒子の含有量M1の割合((M1/(M1+M3))×100)は、55vol%以上85vol%以下であり、
前記第1活物質粒子の含有量M1および前記第3活物質粒子の含有量M3の合計量に対する、前記第3活物質粒子の含有量M3の割合((M3/(M1+M3))×100)は、15vol%以上45vol%以下であり、
前記第3活物質粒子の含有量M3に対する前記第2活物質粒子の含有量M2の割合((M2/M3)×100)は、50vol%以下である(1)から(4)のいずれかに記載の正極。
(6)
前記第1活物質粒子および前記第3活物質粒子の平均圧壊強度は、300MPa以上であり、
前記第2活物質粒子の平均圧壊強度は、100MPa以下である(1)から(5)のいずれかに記載の正極。
(7)
前記第1活物質粒子および前記第3活物質粒子は、以下の式(1)で表される平均組成を有し、前記第2活物質粒子は、以下の式(2)で表される平均組成を有する(2)に記載の正極。
Liv1Niw1M1’x1z1 ・・・(1)
(式中、0<v1<2、w1+x1≦1、0.2≦w1≦1、0≦x1≦0.7、0<z<3であり、M1’は、Co(コバルト)、Fe(鉄)、Mn(マンガン)、Cu(銅)、Zn(亜鉛)、Al(アルミニウム)、Cr(クロム)、V(バナジウム)、Ti(チタン)、Mg(マグネシウム)、Zr(ジルコニウム)などの遷移金属からなる元素を少なくとも1種類以上である。)
Liv2Niw2M2’x2z2 ・・・(2)
(式中、0<v2<2、w2+x2≦1、0.65≦w2≦1、0≦x2≦0.35、0<z2<3であり、M2’は、Co(コバルト)、Fe(鉄)、Mn(マンガン)、Cu(銅)、Zn(亜鉛)、Al(アルミニウム)、Cr(クロム)、V(バナジウム)、Ti(チタン)、Mg(マグネシウム)、Zr(ジルコニウム)などの遷移金属からなる元素を少なくとも1種類以上である。)
(8)
前記第1活物質粒子および前記第3活物質粒子は、以下の式(3)で表される平均組成を有し、前記第2活物質粒子は、以下の式(4)で表される平均組成を有する(3)に記載の正極。
Liv3Cow3M3’x3z3 ・・・(3)
(式中、0<v3<2、w3+x3≦1、0.8≦w3≦1、0≦x3≦0.2、0<z<3であり、M3’は、Ni(ニッケル)、Fe(鉄)、Mn(マンガン)、Cu(銅)、Zn(亜鉛)、Al(アルミニウム)、Cr(クロム)、V(バナジウム)、Ti(チタン)、Mg(マグネシウム)、Zr(ジルコニウム)などの遷移金属からなる元素を少なくとも1種類以上である。)
Liv4Niw4M4’x4z4 ・・・(4)
(式中、0<v4<2、w4+x4≦1、0.65≦w4≦1、0≦x4≦0.35、0<z4<3であり、M4’は、Co(コバルト)、Fe(鉄)、Mn(マンガン)、Cu(銅)、Zn(亜鉛)、Al(アルミニウム)、Cr(クロム)、V(バナジウム)、Ti(チタン)、Mg(マグネシウム)、Zr(ジルコニウム)などの遷移金属からなる元素を少なくとも1種類以上である。)
(9)
第1活物質粒子と、第2活物質粒子と、第3活物質粒子とを含み、
前記第2活物質粒子が、一次粒子が凝集した凝集粒子であり、
前記第1活物質粒子の平均粒径D1、前記第2活物質粒子の平均粒径D2および前記第3活物質粒子の平均粒径D3が、D1>D2>D3の関係を満たし、
前記第1活物質粒子の粒子崩壊率α1および前記第3活物質粒子の粒子崩壊率α2は、20%以下であり、かつ前記第2活物質粒子の粒子崩壊率βは、70%以上である正極活物質。
(10)
(1)から(8)のいずれかに記載の正極と、
負極と、
電解質と
を備える電池。
(11)
(10)に記載の電池と、
前記電池を制御する制御部と
を備える電池パック。
(12)
(10)に記載の電池を備え、
前記電池から電力の供給を受ける電子機器。
(13)
(10)に記載の電池と、
前記電池から電力の供給を受けて車両の駆動力に変換する変換装置と、
前記電池に関する情報に基づいて車両制御に関する情報処理を行う制御装置と
を備える電動車両。
(14)
(10)に記載の電池を備え、
前記電池に接続される電子機器に電力を供給する蓄電装置。
(15)
他の機器とネットワークを介して信号を送受信する電力情報制御装置を備え、
前記電力情報制御装置が受信した情報に基づき、前記電池の充放電制御を行う(14)に記載の蓄電装置。
(16)
(10)に記載の電池を備え、
前記電池から電力の供給を受ける電力システム。
(17)
発電装置または電力網から前記電池に電力が供給される(16)に記載の電力システム。
1 大粒子(第1活物質粒子)
2 中粒子(第2活物質粒子)
3 小粒子(第3活物質粒子)
11 電池缶
12、13 絶縁板
14 電池蓋
15 安全弁機構
15A ディスク板
16 熱感抵抗素子
17 ガスケット
20 巻回電極体
21 正極
21A 正極集電体
21B 正極活物質層
22 負極
22A 負極集電体
22B 負極活物質層
23 セパレータ
24 センターピン
25 正極リード
26 負極リード

Claims (17)

  1. 第1活物質粒子と、第2活物質粒子と、第3活物質粒子とを含み、
    前記第2活物質粒子が、一次粒子が凝集した凝集粒子であり、
    前記第1活物質粒子の平均粒径D1、前記第2活物質粒子の平均粒径D2および前記第3活物質粒子の平均粒径D3が、D1>D2>D3の関係を満たし、
    前記第1活物質粒子の平均粒径D1は、12μm以上25μm以下であり、
    前記第2活物質粒子の平均粒径D2は、3μm以上12μm以下であり、
    前記第3活物質粒子の平均粒径D3は、1μm以上6μm以下であり、
    前記第1活物質粒子の含有量M1および前記第3活物質粒子の含有量M3の合計量に対する、前記第1活物質粒子の含有量M1の割合((M1/(M1+M3))×100)は、55vol%以上85vol%以下であり、
    前記第1活物質粒子の含有量M1および前記第3活物質粒子の含有量M3の合計量に対する、前記第3活物質粒子の含有量M3の割合((M3/(M1+M3))×100)は、15vol%以上45vol%以下であり、
    前記第3活物質粒子の含有量M3に対する前記第2活物質粒子の含有量M2の割合((M2/M3)×100)は、50vol%以下であり、
    前記第1活物質粒子の粒子崩壊率α1および前記第3活物質粒子の粒子崩壊率α2は、20%以下であり、かつ前記第2活物質粒子の粒子崩壊率βは、70%以上である正極。
  2. 実質的に前記第1活物質粒子と、前記第2活物質粒子と、前記第3活物質粒子とからなる正極活物質を含む請求項1に記載の正極。
  3. 前記第1活物質粒子および前記第3活物質粒子は、一次粒子が凝集した凝集粒子である請求項1に記載の正極。
  4. 前記第1活物質粒子および前記第3活物質粒子は、一次粒子である請求項1に記載の正極。
  5. 前記第1活物質粒子および前記第3活物質粒子の平均圧壊強度は、300MPa以上であり、
    前記第2活物質粒子の平均圧壊強度は、100MPa以下である請求項1に記載の正極。
  6. 前記第1活物質粒子および前記第3活物質粒子は、以下の式(1)で表される平均組成を有し、前記第2活物質粒子は、以下の式(2)で表される平均組成を有する請求項に記載の正極。
    Liv1Niw1M1’x1z1 ・・・(1)
    (式中、0<v1<2、w1+x1≦1、0.2≦w1≦1、0≦x1≦0.7、0<z<3であり、M1’は、Co(コバルト)、Fe(鉄)、Mn(マンガン)、Cu(銅)、Zn(亜鉛)、Al(アルミニウム)、Cr(クロム)、V(バナジウム)、Ti(チタン)、Mg(マグネシウム)、Zr(ジルコニウム)からなる群から選択される少なくとも1である。)
    Liv2Niw2M2’x2z2 ・・・(2)
    (式中、0<v2<2、w2+x2≦1、0.65≦w2≦1、0≦x2≦0.35、0<z2<3であり、M2’は、Co(コバルト)、Fe(鉄)、Mn(マンガン)、Cu(銅)、Zn(亜鉛)、Al(アルミニウム)、Cr(クロム)、V(バナジウム)、Ti(チタン)、Mg(マグネシウム)、Zr(ジルコニウム)からなる群から選択される少なくとも1である。)
  7. 前記第1活物質粒子および前記第3活物質粒子は、以下の式(3)で表される平均組成を有し、前記第2活物質粒子は、以下の式(4)で表される平均組成を有する請求項に記載の正極。
    Liv3Cow3M3’x3z3 ・・・(3)
    (式中、0<v3<2、w3+x3≦1、0.8≦w3≦1、0≦x3≦0.2、0<z<3であり、M3’は、Ni(ニッケル)、Fe(鉄)、Mn(マンガン)、Cu(銅)、Zn(亜鉛)、Al(アルミニウム)、Cr(クロム)、V(バナジウム)、Ti(チタン)、Mg(マグネシウム)、Zr(ジルコニウム)からなる群から選択される少なくとも1である。)
    Liv4Niw4M4’x4z4 ・・・(4)
    (式中、0<v4<2、w4+x4≦1、0.65≦w4≦1、0≦x4≦0.35、0<z4<3であり、M4’は、Co(コバルト)、Fe(鉄)、Mn(マンガン)、Cu(銅)、Zn(亜鉛)、Al(アルミニウム)、Cr(クロム)、V(バナジウム)、Ti(チタン)、Mg(マグネシウム)、Zr(ジルコニウム)からなる群から選択される少なくとも1である。)
  8. 第1活物質粒子と、第2活物質粒子と、第3活物質粒子とを含み、
    前記第2活物質粒子が、一次粒子が凝集した凝集粒子であり、
    前記第1活物質粒子の平均粒径D1、前記第2活物質粒子の平均粒径D2および前記第3活物質粒子の平均粒径D3が、D1>D2>D3の関係を満たし、
    前記第1活物質粒子の平均粒径D1は、12μm以上25μm以下であり、
    前記第2活物質粒子の平均粒径D2は、3μm以上12μm以下であり、
    前記第3活物質粒子の平均粒径D3は、1μm以上6μm以下であり、
    前記第1活物質粒子の含有量M1および前記第3活物質粒子の含有量M3の合計量に対する、前記第1活物質粒子の含有量M1の割合((M1/(M1+M3))×100)は、55vol%以上85vol%以下であり、
    前記第1活物質粒子の含有量M1および前記第3活物質粒子の含有量M3の合計量に対する、前記第3活物質粒子の含有量M3の割合((M3/(M1+M3))×100)は、15vol%以上45vol%以下であり、
    前記第3活物質粒子の含有量M3に対する前記第2活物質粒子の含有量M2の割合((M2/M3)×100)は、50vol%以下であり、
    前記第1活物質粒子の粒子崩壊率α1および前記第3活物質粒子の粒子崩壊率α2は、20%以下であり、かつ前記第2活物質粒子の粒子崩壊率βは、70%以上である正極活物質。
  9. 実質的に前記第1活物質粒子と、前記第2活物質粒子と、前記第3活物質粒子とからなる請求項8に記載の正極活物質。
  10. 請求項1に記載の正極と、
    負極と、
    電解質と
    を備える電池。
  11. 請求項10に記載の電池と、
    前記電池を制御する制御部と
    を備える電池パック。
  12. 請求項10に記載の電池を備え、
    前記電池から電力の供給を受ける電子機器。
  13. 請求項10に記載の電池と、
    前記電池から電力の供給を受けて車両の駆動力に変換する変換装置と、
    前記電池に関する情報に基づいて車両制御に関する情報処理を行う制御装置と
    を備える電動車両。
  14. 請求項10に記載の電池を備え、
    前記電池に接続される電子機器に電力を供給する蓄電装置。
  15. 他の機器とネットワークを介して信号を送受信する電力情報制御装置を備え、
    前記電力情報制御装置が受信した情報に基づき、前記電池の充放電制御を行う請求項14に記載の蓄電装置。
  16. 請求項10に記載の電池を備え、
    前記電池から電力の供給を受ける電力システム。
  17. 発電装置または電力網から前記電池に電力が供給される請求項16に記載の電力システム。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6811032B2 (ja) * 2016-05-26 2021-01-13 株式会社エンビジョンAescジャパン リチウムイオン二次電池用正極
US11830672B2 (en) 2016-11-23 2023-11-28 KYOCERA AVX Components Corporation Ultracapacitor for use in a solder reflow process
WO2019031380A1 (ja) * 2017-08-08 2019-02-14 株式会社村田製作所 電極、電池、電池パック、車両、蓄電システム、電動工具及び電子機器
JP6994321B2 (ja) * 2017-08-28 2022-01-14 株式会社エンビジョンAescジャパン リチウムイオン二次電池用正極
KR102359103B1 (ko) * 2018-02-01 2022-02-08 주식회사 엘지에너지솔루션 이차전지용 양극 활물질, 그 제조방법 및 이를 포함하는 리튬 이차전지
EP3758122A4 (en) * 2018-02-22 2021-05-26 SANYO Electric Co., Ltd. NON-AQUEOUS ELECTROLYTE SECONDARY BATTERY
EP3780176A4 (en) * 2018-03-30 2021-05-26 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. SECONDARY BATTERY WITH ANHYDROUS ELECTROLYTE
WO2020137296A1 (ja) * 2018-12-28 2020-07-02 パナソニックIpマネジメント株式会社 非水電解質二次電池用正極活物質、及び非水電解質二次電池
EP3944362A4 (en) * 2019-03-18 2022-05-04 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. ACCUMULATOR
US20220181606A1 (en) * 2019-03-26 2022-06-09 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. Secondary battery
CN110429252B (zh) * 2019-07-19 2020-11-27 宁德新能源科技有限公司 正极及电化学装置
TWI735017B (zh) 2019-08-05 2021-08-01 輝能科技股份有限公司 活性材料球複合層
KR102608796B1 (ko) * 2019-11-14 2023-12-04 주식회사 엘지에너지솔루션 서로 다른 입경의 활물질을 포함하는 이중층 구조의 합제층을 포함하는 이차전지용 전극 및 이의 제조방법
US20230047021A1 (en) * 2020-01-31 2023-02-16 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. Positive electrode for secondary battery and secondary battery
JP7456671B2 (ja) * 2020-03-18 2024-03-27 エルジー・ケム・リミテッド リチウム二次電池用正極材、これを含む正極及びリチウム二次電池
CN111370668B (zh) * 2020-03-19 2021-11-16 湖南诚跃新能源有限公司 一种复合阴极的制浆方法
CN114041226A (zh) * 2020-03-27 2022-02-11 宁德新能源科技有限公司 电化学装置及包含其的电子装置
EP4071854A4 (en) * 2020-09-10 2023-03-22 Contemporary Amperex Technology Co., Limited ACTIVE ELECTRODE COMPOSITION AND METHOD FOR PREPARING IT, ELECTRODE, BATTERY AND APPARATUS
EP4266412A1 (en) * 2021-01-13 2023-10-25 Ningde Amperex Technology Limited Positive electrode material, electrochemical apparatus and power utilization device
CN116565153A (zh) * 2022-01-27 2023-08-08 宁德时代新能源科技股份有限公司 正极活性材料组合物、水系正极浆料、正极极片、二次电池及用电装置
KR20230168282A (ko) * 2022-06-02 2023-12-13 컨템포러리 엠퍼렉스 테크놀로지 씨오., 리미티드 리튬 이온 전지용 양극판, 이를 포함하는 리튬 이온 전지 및 전기 장치

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11213995A (ja) 1998-01-27 1999-08-06 Matsushita Electric Ind Co Ltd ニッケル−水素二次電池
JP4649691B2 (ja) * 1999-10-20 2011-03-16 株式会社豊田中央研究所 リチウム二次電池用正極
JP4972624B2 (ja) * 2008-09-30 2012-07-11 日立ビークルエナジー株式会社 リチウム二次電池用正極材料及びそれを用いたリチウム二次電池
CN102714315A (zh) * 2009-08-09 2012-10-03 美洲锂能公司 电活性颗粒及由其组成的电极和电池
CN103261090A (zh) * 2010-09-30 2013-08-21 艾纳G2技术公司 储能颗粒的增强式装填
JP2013045515A (ja) * 2011-08-22 2013-03-04 Sumitomo Electric Ind Ltd 非水電解質二次電池用正極活物質とその製造方法、非水電解質二次電池用正極および非水電解質二次電池
JP2013065468A (ja) * 2011-09-16 2013-04-11 Panasonic Corp リチウムイオン二次電池
WO2013046711A1 (ja) * 2011-09-28 2013-04-04 パナソニック株式会社 非水電解質二次電池用正極および非水電解質二次電池
JP2013191414A (ja) 2012-03-14 2013-09-26 Sony Corp 電池、センターピン、電池パック、電子機器、電動工具、電動車両、蓄電装置および電力システム
KR101411226B1 (ko) 2012-04-03 2014-06-23 삼성정밀화학 주식회사 리튬이온 이차전지용 리튬망간산화물 양극활물질 및 그것을 포함하는 리튬이온 이차전지
WO2013191179A1 (ja) * 2012-06-21 2013-12-27 Agcセイミケミカル株式会社 リチウムイオン二次電池用正極活物質及びその製造方法
JP2014067680A (ja) 2012-09-27 2014-04-17 Mitsubishi Chemicals Corp 非水系二次電池用黒鉛粒子及び、それを用いた非水系二次電池用負極並びに非水系二次電池
WO2015045719A1 (ja) * 2013-09-26 2015-04-02 Necエナジーデバイス株式会社 積層型リチウムイオン二次電池用正極

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