JP6565916B2 - 非水電解質二次電池 - Google Patents
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Description
本実施形態の一例である非水電解質二次電池は、リチウム遷移金属複合酸化物を含む正極と、リチウムイオンを挿入脱離可能な炭素材料を含む負極と、非水電解液とを備えた非水電解質二次電池において、リチウム遷移金属複合酸化物はNiを含み、リチウム遷移金属複合酸化物は一次粒子が凝集して形成された二次粒子からなり、リチウム遷移金属複合酸化物中のNiが、リチウム遷移金属複合酸化物中のリチウムを除く全金属元素におけるモル換算で主成分であり、一次粒子及び二次粒子の少なくとも一方の表面にタングステン化合物が付着し、非水電解液が環状カーボネートと鎖状カーボネートからなり、鎖状カーボネートと環状カーボネートとの体積比(鎖状カーボネート/環状カーボネート)が3以上、9未満であるものである。
図3に示されるように、負極14は、負極集電体14aと、負極集電体14a上に形成された負極合剤層14bとを備える。負極集電体14aには、例えば、導電性を有する薄膜体、特に銅などの負極の電位範囲で安定な金属箔や合金箔、銅などの金属表層を有するフィルムが用いられる。負極合剤層は、負極活物質の他に、増粘剤及び結着剤を含むことが好適である。増粘剤としては、カルボキシメチルセルロース、カルボキシアルキルセルロース、ヒドロキシアルキルセルロース又はアルコキシセルロース等を用いることが好ましい。結着剤としてはスチレン−ブタジエンゴム(SBR)やポリイミド等を用いることが好ましい。
正極は、正極集電体と、正極集電体上に形成された正極活物質層とで構成される。正極集電体には、例えば、導電性を有する薄膜体、特にアルミニウムなどの正極の電位範囲で安定な金属箔や合金箔、アルミニウムなどの金属表層を有するフィルムが用いられる。正極活物質層は、正極活物質の他に、導電材及び結着剤を含むことが好ましい。
非水電解質は、非水系溶媒と、非水系溶媒に溶解した電解質塩とを含む。非水電解質は、液体電解質(非水電解液)に限定されず、ゲル状ポリマー等を用いた固体電解質であってもよい。
セパレータには、例えば、イオン透過性及び絶縁性を有する多孔性シートが用いられる。多孔性シートの具体例としては、微多孔薄膜、織布、不織布等が挙げられる。
(実験例1)
[正極の作製]
[正極合剤スラリーの調整]
リチウム含有遷移金属複合酸化物としてのLiNi0.82Co0.15Al0.03O2で表されるリチウムニッケルコバルトアルミニウム複合酸化物に、酸化タングステン(WO3)を混合した後、200℃で熱処理することにより、リチウムニッケルコバルトアルミニウム複合酸化物の表面にタングステン化合物が付着した正極活物質を得た。
負極活物質としての黒鉛粉末100質量部と、増粘剤としてのカルボキシメチルセルロース(CMC)1質量部と、結着剤としてのスチレンブタジエンゴム(SBR)1質量部となるように混合し、さらに水を適宜加えた後、負極合剤スラリーを調製した。
偏平状の巻回電極体の作製には、上記正極を1枚、上記負極を1枚、ポリエチレン製微多孔膜からなるセパレータを1枚用いた。まず、正極と負極とをセパレータを介して互いに絶縁した状態で対向させた。次に、円柱形の巻き芯を用いて、渦巻き状に巻回した。この際、正極集電タブ及び負極集電タブは、共に電極内においてそれぞれ最外周側に位置するように配置した。その後、巻き芯を引き抜いて巻回電極体を作製した後、押し潰して、偏平状の巻回電極体を得た。この偏平状の巻回電極体は、正極と負極とがセパレータを介して積層された構造を有している。
エチレンカーボネート(EC)と、ジメチルカーボネート(DMC)と、エチルメチルカーボネート(EMC)とを、20:60:20の体積比で混合した。さらに、電解質としての六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)を、上記混合溶媒に対して1.3モル/リットルの濃度になるように溶解させて、非水電解液を調製した。
このようにして調製した非水電解液と上記偏平状の巻回電極体とを、アルゴン雰囲気下のグローブボックス中にて、アルミニウム製のラミネート外装体内に挿入し、図1及び図2に示される構造を有する、非水電解質二次電池10を作製した。ラミネート外装体11の外周縁端部はヒートシール部18により密封した。
正極活物質にLiNi0.82Co0.15Al0.03O2で表されるリチウムニッケルコバルトアルミニウム複合酸化物を用いたこと以外は、上記実験例1と同様にして非水電解質二次電池を作製した。
負極合剤スラリーを調整する際に、負極活物質としての黒鉛粉末96質量部と、負極活物質としての炭素の被覆層を有するSiOを4質量部と、増粘剤としてのカルボキシメチルセルロース(CMC)1質量部と、結着剤としてのスチレンブタジエンゴム(SBR)1質量部となるように混合したこと以外は、上記実験例1と同様にして非水電解質二次電池を作製した。
非水電解液を調整する際、実験例1の非水電解液に、さらにジフルオロリン酸リチウムを、上記混合溶媒に対して1.0質量%溶解させたこと以外は、上記実験例1と同様にして非水電解質二次電池を作製した。
非水電解液を調整する際、実験例3の非水電解液に、さらにジフルオロリン酸リチウムを、上記混合溶媒に対して1.0質量%溶解させたこと以外は、上記実験例3と同様にして非水電解質二次電池を作製した。
リチウム遷移金属複合酸化物を焼成する際にタングステン酸化物を添加し、リチウム遷移金属複合酸化物内にタングステンを固溶させたこと以外は、上記実験例1と同様にして非水電解質二次電池を作製した。
リチウム遷移金属複合酸化物を焼成する際にタングステン酸化物を添加し、リチウム遷移金属複合酸化物内にタングステンを固溶させたこと以外は、上記実験例4と同様にして非水電解質二次電池を作製した。
<高温保存試験>
[ガス発生量の算出]
上記のようにして作製された電池A1〜電池A7及び電池Z1の各電池について、25℃下で、以下の条件で充電し、85℃の恒温槽で72時間保存した。その後、ラミネート外装体の延在部(予備室)の厚みを測定した。その結果を表1に示す。
・充電条件
0.5It(407mA)の電流で電池電圧が4.2Vとなるまで、定電流充電を行った。さらに、4.2Vの電圧で電流値が0.02It(16mA)となるまで定電圧充電を行った。
(実験例8)
非水電解液を調整する際、実験例1の非水電解液に、さらにジフルオロリン酸リチウムを、上記混合溶媒に対して0.1質量%溶解させたこと以外は、上記実験例1と同様にして非水電解質二次電池を作製した。
非水電解液を調整する際、実験例1の非水電解液に、さらにジフルオロリン酸リチウムを、上記混合溶媒に対して0.5質量%溶解させたこと以外は、上記実験例1と同様にして非水電解質二次電池を作製した。
非水電解液を調整する際、実験例1の非水電解液に、さらにジフルオロリン酸リチウムを、上記混合溶媒に対して2.0質量%溶解させたこと以外は、上記実験例1と同様にして非水電解質二次電池を作製した。
(実験例11)
リチウム含有遷移金属複合酸化物としてのLiNi0.91Co0.06Al0.03O2で表されるリチウムニッケルコバルトアルミニウム複合酸化物に酸化タングステン(WO3)を混合した後、200℃で熱処理することにより、リチウムニッケルコバルトアルミニウム複合酸化物の表面にタングステン化合物が付着した正極活物質を得たこと以外は、上記実験例1と同様にして非水電解質二次電池を作製した。
正極活物質にLiNi0.91Co0.06Al0.03O2で表されるリチウムニッケルコバルトアルミニウム複合酸化物を用いたこと以外は、上記実験例11と同様にして非水電解質二次電池を作製した。
非水電解液を調整する際、実験例11の非水電解液に、さらにジフルオロリン酸リチウムを、上記混合溶媒に対して1.0質量%溶解させたこと以外は、上記実験例11と同様にして非水電解質二次電池を作製した。
(実験例14)
リチウム含有遷移金属複合酸化物としてのLiNi0.94Co0.03Al0.03O2で表されるリチウムニッケルコバルトアルミニウム複合酸化物に酸化タングステン(WO3)を混合した後、200℃で熱処理することにより、リチウムニッケルコバルトアルミニウム複合酸化物の表面にタングステン化合物が付着した正極活物質を得たこと以外は、上記実験例1と同様にして非水電解質二次電池を作製した。
正極活物質にLiNi0.82Co0.15Al0.03O2で表されるリチウムニッケルコバルトアルミニウム複合酸化物を用いたこと以外は、上記実験例14と同様にして非水電解質二次電池を作製した。
非水電解液を調整する際、実験例14の非水電解液に、さらにジフルオロリン酸リチウムを、上記混合溶媒に対して1.0質量%溶解させたこと以外は、上記実験例14と同様にして非水電解質二次電池を作製した。
(実験例17)
実験例1で非水電解液を調整する際、エチレンカーボネート(EC)と、ジメチルカーボネート(DMC)と、エチルメチルカーボネート(EMC)とを、25:37.5:37.5の体積比で混合し、さらにジフルオロリン酸リチウムを、上記混合溶媒に対して1.0質量%溶解させたこと以外は、上記実験例1と同様にして非水電解質二次電池を作製した。
実験例17で非水電解液を調整する際、ジフルオロリン酸リチウムを混合溶媒に対して1.0質量%溶解させたこと以外は、上記実験例17と同様にして非水電解質二次電池を作製した。
(実験例19)
実験例1で非水電解液を調整する際、エチレンカーボネート(EC)と、ジメチルカーボネート(DMC)と、エチルメチルカーボネート(EMC)とを、3:4:3の体積比で混合したこと以外は、上記実験例1と同様にして非水電解質二次電池を作製した。
実験例1で非水電解液を調整する際、エチレンカーボネート(EC)と、ジメチルカーボネート(DMC)とを、1:9の体積比で混合したこと以外は、上記実験例1と同様にして非水電解質二次電池を作製した。
[正極利用率の算出]
上記のようにして作製された電池A1及び電池Z7〜電池Z9の各電池について、25℃下で、以下の条件で充放電を行い、正極利用率を算出した。その結果を表6に示す。
・充電条件
0.5It(407mA)の電流で電池電圧が4.2Vとなるまで、定電流充電を行った。さらに、4.2Vの電圧で電流値が0.02It(16mA)となるまで定電圧充電を行った。そして、1.0It(814mA)の電流で電池電圧が2.5Vとなるまで定電流放電を行った。
正極利用率 = 1.0It放電容量/正極活物質重量・・・(1)
11 ラミネート外装体
12 巻回電極体
13 正極
14 負極
14a 負極集電体
14b 負極合剤層
14c 負極活物質
14d 負極活物質
15 セパレータ
16 正極集電タブ
17 負極集電タブ
18 ヒートシール部
19 延在部
Claims (3)
- リチウム遷移金属複合酸化物を含む正極と、リチウムイオンを挿入脱離可能な炭素材料を含む負極と、非水電解液とを備えた非水電解質二次電池において、
前記リチウム遷移金属複合酸化物は、前記リチウム遷移金属複合酸化物中のリチウムを除く全金属元素に対して91モル%以上のNiを含み、
前記リチウム遷移金属複合酸化物は一次粒子が凝集して形成された二次粒子からなり、
前記一次粒子及び前記二次粒子の少なくとも一方の表面にタングステンの酸化物またはタングステンのリチウム複合酸化物から選ばれる少なくとも1種が付着し、
前記非水電解液が環状カーボネートと鎖状カーボネートからなる溶媒及びジフルオロリン酸リチウムを備え、
前記鎖状カーボネートと前記環状カーボネートとの体積比(鎖状カーボネート/環状カーボネート)が3以上、9未満であり、前記ジフルオロリン酸リチウムは、前記溶媒に対し0.1wt%以上、2wt%未満含有される、非水電解質二次電池。 - 前記負極が、珪素および/または珪素化合物を含有する請求項1に記載の非水電解質二次電池。
- 前記リチウム遷移金属複合酸化物が、一般式LiaNixCoyAlzO2(0.9≦a≦1.2、0.91≦x<1、0<y<0.20、0<z≦0.05、x+y+z=1)で表されるリチウム含有遷移金属複合酸化物である請求項1または2に記載の非水電解質二次電池。
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