JP6567442B2 - リチウム二次電池の充放電方法 - Google Patents

Description

本発明は、リチウム二次電池の充放電方法に関する。

近年、リチウム二次電池は、高エネルギー密度を有する等の理由から広く普及し、携帯電話やデジタルカメラ、ノートパソコン等の携帯用小型機器の電源として搭載されている。また、リチウム二次電池は、エネルギー資源枯渇問題や地球温暖化等の観点から、ハイブリッド自動車や電気自動車、または太陽光や風力等の自然エネルギー発電による電力貯蔵用等の大型産業用途への開発が進められている。リチウム二次電池は、これらの電源の利用拡大のために更なる高密度化、長寿命化が求められている。

このようなリチウム二次電池は、正極と負極との間でリチウムイオンを移動させて充放電を行う。リチウム二次電池の正極活物質は、現在、リチウム金属酸化物であるコバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ₂）、マンガン酸リチウム（ＬｉＭｎ₂Ｏ₄）、ニッケル酸リチウム（ＬｉＮｉＯ₂）、リン酸鉄リチウム（ＬｉＦｅＰＯ₄）等のリチウムを含む金属酸化物または金属リン酸化物が実用化され、または商品化を目指して開発が進められている。

負極活物質は、グラファイトなどの炭素材料や、リチウムチタン酸化物（Ｌｉ₄Ｔｉ₅Ｏ₁₂）が用いられ、これら活物質を含む正極と負極の間には、内部短絡を防止するためのセパレータが介在されている。セパレータは、一般的にポリオレフィンからなる微孔性薄膜が使用されている。

ところで、負極活物質である金属リチウムは単位重量当たりの電気量が３．８６Ａｈ／ｇと大きい特徴を持つ。このため、最も理論エネルギー密度を持つ、高容量のリチウム二次電池の実現のために、金属リチウムを負極活物質として用いる研究が再び進められている。

しかしながら、負極活物質に金属リチウムを用いるリチウム二次電池は充放電の繰り返しにおいて、金属リチウムの負極表面からリチウムがデンドライト状に成長し、デンドライト状のリチウムが正極と負極の間に介在したセパレータを貫通して正極に達し、内部短絡を起こす課題があった。

このようなことから、例えば特許文献１には正極の主活物質としてＬｉＣｏＯ₂を、副活物質として初期から放電可能な材料（例えば二酸化マンガン）を用いる非水電解質二次電池が記載されている。

特許文献１の第２頁左上欄には、リチウムのデンドライト状の成長のメカニズムが記載されている。デンドライト状の成長の主な要因は、１）電池組立直後の負極の金属リチウムの表面に炭酸リチウムまたは水酸化リチウムのような不活性被膜が形成されていること、２）正極活物質としてリチウムコバルト複合酸化物（ＬｉＣｏＯ₂）を用いた場合、充放電サイクルが充電から始まり、初回の充電時において、正極から放出されたリチウムイオン（Ｌｉ⁺）が負極の金属リチウム表面にリチウムとして還元析出し、負極の金属リチウム表面に形成された不活性被膜が除去されないこと、である。負極の金属リチウム表面の不活性被膜が除去されないと、リチウムが負極の金属リチウム表面に不均一かつ偏って析出し、その後の充放電サイクルの充電時に、負極表面に析出するリチウムが偏って析出したリチウムを起点としてデンドライト状に成長し、セパレータを貫通して正極に達し、内部短絡を起こす。

特許文献１では、正極活物質として主活物質であるＬｉＣｏＯ₂の他に、副活物質である初期から放電可能な材料（例えば二酸化マンガン）を用いているため、充放電時において、初回から放電を行うことができる。すなわち、負極から金属リチウムをリチウムイオンとして放出できる。このため、電池組立直後のリチウムイオンの放出により負極の金属リチウム表面に形成された炭酸リチウムまたは水酸化リチウムのような不活性被膜が除去される。その結果、初回放電後の充電時にはリチウムイオンが良好な表面状態を有する負極の金属リチウム表面に還元析出するため、負極の金属リチウム表面からリチウムがデンドライト状に成長するのを抑制することが可能になる。

しかしながら、前記特許文献１に開示された副活物質である初期から放電可能な材料（例えば二酸化マンガン）は、主活物質(例えばＬｉＣｏＯ₂）に比べて充放電に伴うリチウムの吸蔵・放出による膨張・収縮が大きい性質を有する。そのため、前記副活物質を含むリチウム二次電池を繰り返し充放電すると、当該副活物質の結晶構造に負荷が加わる。このため、当該副活物質を含む正極層にクラックが発生したり、正極集電体から正極層が剥離したりする。その結果、リチウム二次電池の容量または充放電サイクル特性が低下する課題があった。

特開平４−２０６２６７号公報

本発明は前記課題を解決し、リチウムのデンドライト状の成長を抑制しつつ正極の正極層を安定化ができ、高容量と充放電サイクル特性の向上とを同時に実現することが可能なリチウム二次電池の充放電方法を提供するものである。

上記の課題を解決するために、本発明によると、正極、負極、セパレータおよび非水電解質を備えたリチウム二次電池の充放電方法であって、正極は、それぞれリチウムを吸蔵および放出することが可能な第１の活物質および第２の活物質を含む正極活物質を含有する正極層を備え、第１の活物質は、リチウムチタン系複合酸化物であり、第２の活物質はリチウム含有化合物（前記リチウムチタン系複合酸化物を除く）であり、第１の活物質は第１の活物質および第２の活物質の合量に対して、１質量％以上３０質量％以下の割合で含有され、負極は金属リチウムを負極活物質として含み、二次電池の組立後の充放電を放電から初め、初回放電時の放電カットオフ電圧を第１の活物質の反応電位とし、初回放電以降の放電時の放電カットオフ電圧を第１の活物質と反応しない電位とすることを特徴とするリチウム二次電池の充放電方法が提供される。

本発明によれば、リチウムのデンドライト状の成長を抑制しつつ、正極の正極層を安定化ができ、高容量と充放電サイクル特性の向上とを同時に実現することが可能なリチウム二次電池の充放電方法を提供できる。

実施形態に係る積層型のリチウム二次電池の一例を示す斜視図である。 図１の積層型のリチウム二次電池のII−II線に沿う断面図である。

以下、実施形態に係るリチウム二次電池の充放電方法を詳細に説明する。

実施形態に係るリチウム二次電池の充放電方法は、正極、負極、セパレータおよび非水電解質を備えたリチウム二次電池の充放電方法である。正極は、それぞれリチウムを吸蔵および放出することが可能な第１の活物質および第２の活物質を含む正極活物質を含有する正極層を備える。第１の活物質はリチウムチタン系複合酸化物であり、第２の活物質はリチウム含有化合物（前記リチウムチタン系複合酸化物を除く）である。第１の活物質は、第１の活物質および第２の活物質の合量に対して、１質量％以上３０質量％以下の割合で含有される。負極は、金属リチウムを負極活物質として含む。二次電池の組立後の充放電を放電から初め、初回放電時の放電カットオフ電圧を第１の活物質の反応電位とし、初回放電以降の放電時の放電カットオフ電圧を第１の活物質と反応しない電位とする。

このようなリチウムチタン系複合酸化物を第１の活物質として含む正極活物質は、当該正極活物質を含む正極を前記負極と共にリチウム二次電池に組込むと、初回に放電から始めることが可能になり、充放電の繰り返しにおいて負極の金属リチウム表面からリチウムがデンドライト状に成長するのを抑制することができる。その結果、リチウム二次電池の高容量化と充放電サイクル特性の向上とを同時に達成することが可能になる。

すなわち、リチウムチタン系複合酸化物（例えば、Ｌｉ₄Ｔｉ₅Ｏ₁₂)は、リチウムを吸蔵及び放出することが可能で、次の充放電反応式（１）に示すように初回に放電から始めることが可能である。このため、当該リチウムチタン系複合酸化物を活物質として含む正極および金属リチウムを活物質として含む、負極を備えたリチウム二次電池の組立後の充放電を放電から始めることが可能になる。当該初回放電では、負極の金属リチウム表面からリチウム（Ｌｉ）がイオンとして非水電解質に放出され、セパレータを通して正極側に移動し、正極のリチウムチタン系複合酸化物に吸蔵される。

Ｌｉ₄Ｔｉ₅Ｏ₁₂＋３Ｌｉ＋３ｅ⁻⇔Ｌｉ₇Ｔｉ₅Ｏ₁₂ …（１）
なお、前記式（１）において右方向の反応が放電反応、左方向の反応が充電反応である。

また、リチウムチタン系複合酸化物（第1の活物質)が第１の活物質と第２の活物質の合量に対して１質量％以上３０質量％以下の割合で含有するため、初回放電において十分な量のリチウムイオンを負極の金属リチウム表面から放出できる。

さらに、初回放電時の放電カットオフ電圧をリチウムチタン系複合酸化物の反応電位とすることにより、リチウムチタン系複合酸化物にリチウムをほぼ完全に吸蔵可能にし得る状態になるまで放電を続行できる。その結果、負極の金属リチウム表面からのリチウムイオンの放出量を増大できる。

従って、前述したリチウム二次電池の組立後の充放電を放電から始めることが可能であること、正極括物質中のリチウムチタン系複合酸化物の含有割合を規定すること、および初回放電時のカットオフ電圧をリチウムチタン系複合酸化物の反応電位とすることによって、初回放電において、負極の金属リチウム表面からのリチウムイオンの放出量を著しく増大できる。負極の金属リチウム表面からのリチウムイオンの放出は、電池組立直後の負極の金属リチウム表面に形成された炭酸リチウムまたは水酸化リチウムのような不活性被膜を破壊して除去できる。初回放電後の充電において、リチウム含有化合物を含む正極活物質からリチウムイオンが放出され、当該リチウムイオンは負極の金属リチウム表面でリチウムを還元析出する。この還元析出において、金属リチウム表面は不活性被膜が除去されているため、リチウムは金属リチウム表面に偏って析出することなく、金属リチウム表面に均一に析出する。その結果、充放電の繰り返しにおいて、負極の金属リチウム表面からリチウムがデンドライト状に成長するのを抑制して、リチウムのデンドライト状の成長に伴う負極と正極間の内部短絡を防止できる。それ故、単位重量当たりの電気量が３．８６Ａｈ／ｇと大きい特徴を持つ金属リチウムを負極活物質として安全に使用できるため、リチウム二次電池の高容量化を実現することができる。

また、実施形態の第１の活物物質であるリチウムチタン系複合酸化物は充放電に伴う結晶構造の崩壊はなく、結晶安定性が高いものの、リチウムチタン系複合酸化物は、プラトー電圧がリチウム含有化合物に比較して低く、例えばＬｉ₄Ｔｉ₅Ｏ₁₂のプラトー電圧は１．５Ｖである。そのため、リチウムチタン系複合酸化物が充放電に関与すると、リチウム含有化合物のみで充放電を行う場合に比較して放電電圧が低下するおそれがある。

このようなことから、初回放電以降の放電時の放電カットオフ電圧をリチウムチタン系複合酸化物と反応しない電位とする。すなわち、初回放電以降の放電カットオフ電圧を専ら、負極の金属リチウムから放出したリチウムイオンが専らリチウム含有化合物に吸蔵され、リチウムチタン系複合酸化物に吸蔵されない電位に変更する。これによって、その後の充放電サイクルにおいてリチウムチタン系複合酸化物ではリチウムの吸蔵・放出が起きず、充放電には関与しない条件にすることができる。その結果、リチウムチタン系複合酸化物のプラトー電圧が低い場合でも、初回放電以降の充放電サイクルの繰り返し時に、リチウムチタン系複合酸化物がリチウムの吸蔵・放出がなされないため、第２の活物質（リチウム含有化合物）がもつ高い電池電圧を維持できる。

次に、実施形態に係る充放電方法に用いるリチウム二次電池の構成および充放電条件について説明する。

＜正極＞
正極は、例えば正極集電体と、当該正極集電体の一方または両方の面に形成された正極層とを備える。正極層は、例えば正極活物質、導電材および結着剤を含む。

実施形態において、正極活物質は、第１の活物質および第２の活物質を含む。

第１の活物質は、リチウムを吸蔵および放出することが可能なリチウムチタン系複合酸化物からなる。リチウムチタン系複合酸化物は、一般式Ｌｉ₄Ｔｉ_5-ｘＭ１_ｘＯ₁₂にて表されるものが好ましい。一般式中のＭ１は、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｃｒ、ＭｎおよびＧａからなる群より選ばれる少なくとも１つ以上の元素であり、ｘは０≦ｘ＜５である。Ｍ１の元素のうち、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅを用いることが好ましい。リチウムチタン系複合酸化物は、ｘ＝０の場合、すなわちＴｉが前記元素Ｍ１で置換されない場合、Ｌｉ₄Ｔｉ₅Ｏ₁₂で表される。

第２の活物質は、リチウムを吸蔵および放出することが可能なリチウム含有化合物（前記リチウムチタン系複合酸化物を除く）であれば特に限定されない。当該リチウム含有化合物は、リチウム含有金属酸化物（前記リチウムチタン系複合酸化物を除く）またはリン酸金属リチウムであることが好ましい。リチウム含有金属酸化物は、例えばリチウムコバルト複合酸化物（例えばＬｉＣｏＯ₂）、リチウムマンガン複合酸化物（例えばＬｉＭｎＯ₂、Ｌｉ₂ＭｎＯ₃またはＬｉＭｎ₂Ｏ₄）、リチウムニッケル複合酸化物（例えばＬｉＮｉＯ₂）、リチウムコバルト鉄複合酸化物（例えばＬｉＣｏ_0.5Ｆｅ_0.5Ｏ₂）、リチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物（例えばＬｉ（Ｎｉ_ｘＣｏ_ｙＭｎ_1-ｘ-ｙ）Ｏ₂（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１））、リチウム鉄リン複合酸化物（例えばＬｉＦｅＰＯ₄）等が挙げられる。第２の活物質は、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ₂）、マンガン酸リチウム（ＬｉＭｎＯ₂、Ｌｉ₂ＭｎＯ₃またはＬｉＭｎ₂Ｏ₄）、ニッケルコバルトマンガン酸リチウムおよびリン酸鉄リチウムの群から選ばれる少なくとも１つであることが好ましい。

これら第２の活物質のプラトー電圧は、マンガン酸リチウム（ＬｉＭｎ₂Ｏ₄）：４.０Ｖ、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ₂）：３．９Ｖ、リン酸鉄リチウム（ＬｉＦｅＰＯ₄）：３．４Ｖ、ニッケルコバルトマンガン酸リチウム（ＬｉＮｉ_0.5Ｃｏ_0.2Ｍｎ_0.3Ｏ₂）：３．８Ｖ、である。なお、前述した第１の活物質であるリチウムチタン系複合酸化物（Ｌｉ₄Ｔｉ₅Ｏ₁₂）のプラトー電圧は１．５Ｖである。

正極活物質は、リチウムチタン系複合酸化物（第１の活物質）を、第１の活物質および第２の活物質の合量に対して、１質量％以上３０質量％以下の割合で含有する。より好ましいリチウムチタン系複合酸化物の割合は、第１の活物質および第２の活物質の合量に対して、５質量％以上２０質量％である。正極活物質は、例えば、第１の活物質（１質量％以上３０質量％以下）、および第２の活物質（７０質量％以上９９質量％以下）からなる。

第１の活物質および第２の活物質の合量に対して、リチウムチタン系複合酸化物（第１の活物質）の割合が１質量％未満にすると、初回放電時に負極の金属リチウム表面から放出されるリチウムイオン量が低下してリチウムイオンの放出に伴う金属リチウム表面の不活性被膜の破壊、除去が不十分になる。その結果、リチウムのデンドライト状の成長を効果的に防止することが困難になる。

第１の活物質および第２の活物質の合量に対して、リチウムチタン系複合酸化物（第１の活物質）の割合が３０質量％を超えると、リチウム二次電池の放電容量が低下する。すなわち、正極活物質のリチウムチタン系複合酸化物（第１の活物質）の割合が多くなると、リチウム含有化合物（第２の活物質）の割合が相対的に少なくなる。実施形態に係る充放電方法では、初回放電以降の放電を含む充放電ではリチウム含有化合物（第２の活物質）のみを関与させるため、正極活物質中に占めるリチウム含有化合物の割合が減少するとリチウム二次電池の放電容量を低下させる。

正極集電体は、特に限定されるものではなく、公知または市販のものを使用することができる。例えば、アルミニウムなどの金属箔、ラス加工またはエッチング処理された金属箔等が挙げられる。

導電材は、特に限定されるものではなく、公知または市販のものを使用することができる。例えば、アセチレンブラック、ケッチェンブラックなどのカーボンブラック、カーボンナノチューブ、炭素繊維、活性炭、黒鉛等が挙げられる。

結着剤は、特に限定されるものではなく、公知または市販のものを使用することができる。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）、ポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、エチレン−プロピレン共重合体、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）、アクリル樹脂等が挙げられる。

なお、正極は例えば次に示す方法で作製することができる。最初に、前述した正極活物質、導電材および結着剤を溶剤に分散させて正極スラリーを調製する。つづいて、正極集電体の一方または両方の面に正極スラリーを塗布した後、乾燥して正極層を形成して正極を作製する。

溶剤は、特に限定されるものではなく、リチウム二次電池で一般に用いられる溶剤を用いることができる。溶剤は、例えば、Ｎ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド（ＤＭＡ）等が挙げられる。なお、結着剤としてポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）を用いる場合には、Ｎ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）を溶剤に用いるのが好ましい。

＜負極＞
負極は、例えば、負極集電体と、当該負極集電体の一方または両方の面に形成された金属リチウムを含む負極活物質を備える。負極活物物質は、例えば金属リチウム単独、または金属リチウムおよびカーボンブラックの混合物を挙げることができる。

負極集電体は、特に限定されるものではなく、公知または市販のものを使用することができる。負極集電体は、例えば、銅または銅合金からなる圧延箔、電解箔、多孔体等を用いることができる。

＜非水電解質＞
非水電解質は、液体状の場合、非水溶媒および電解質を含む。

非水溶媒は、主成分として環状カーボネートおよび鎖状カーボネートを含有する。環状カーボネートは、エチレンカーボネート（ＥＣ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、およびブチレンカーボネート（ＢＣ）から選ばれる少なくとも一つであることが好ましい。鎖状カーボネートは、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、およびエチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）等から選ばれる少なくとも一つであることが好ましい。

電解質は、特に限定されるものではなく、リチウム二次電池で一般に用いられるリチウム塩の電解質を用いることができる。例えば、ＬｉＰＦ₆、ＬｉＡｓＦ₆、ＬｉＢＦ₄、ＬｉＣＦ₃ＳＯ₃、ＬｉＮ（Ｃ_ｍＦ_2ｍ＋1ＳＯ₂）（Ｃ_nＦ_2n＋1ＳＯ₂）（ｍ、ｎは１以上の整数）、ＬｉＣ（Ｃ_ｐＦ_2ｐ＋1ＳＯ₂）（Ｃ_ｑＦ_2ｑ＋1ＳＯ₂）（Ｃ_ｒＦ_2ｒ＋1ＳＯ₂）（ｐ、ｑ、ｒは１以上の整数）、ジフルオロ（オキサラト）ホウ酸リチウム等を用いることができる。これらの電解質は、一種類で使用してもよく、また二種類以上組み合わせて使用してもよい。また、この電解質は非水溶媒に対して０．１〜１．５モル／Ｌ、好ましくは０．５〜１．５モル／Ｌの濃度で溶解することが望ましい。

非水電解質は、分子内に不飽和結合を有し、還元重合が可能な有機物を含有してもよい。当該有機物を非水電解質に添加すると、当該有機物は負極活物質の還元力による悪影響を防止することができる。この結果、非水電解質に含まれる電解質の分解を抑制することが可能となる。当該有機物としては、例えばフルオロエチレンカーボネート（ＦＥＣ）、ビニレンカーボネート（ＶＣ）、ビニルエチレンカーボネート等のカーボネートの誘導体の他、不飽和のカルボン酸エステル類、リン酸エステル類、ホウ酸エステル類、およびアルコール類等を用いることができる。特に、フルオロエチレンカーボネートや、ビニレンカーボネートを用いるのが好ましい。

＜セパレータ＞
セパレータは、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂などのポリオレフィン樹脂の微多孔膜または不織布を用いることができる。微多孔膜または不織布は単層であっても、多層構造であってもよい。セパレータは、特にポリイミド樹脂を基材とした三次元構造が好ましい。

＜充放電条件＞
リチウム二次電池の組立後の充放電を放電から初め、初回放電時の放電カットオフ電圧はリチウムチタン系複合酸化物（第１の活物質）の反応電位とする。リチウムチタン系複合酸化物が、例えばＬｉ₄Ｔｉ₅Ｏ₁₂である場合、反応電位は１．０Ｖである。

初回放電以降の放電時の放電カットオフ電圧は、リチウムチタン系複合酸化物（第１の活物質）と反応しない電位とする。リチウムチタン系複合酸化物が、例えばＬｉ₄Ｔｉ₅Ｏ₁₂である場合、反応しない電位は当該Ｌｉ₄Ｔｉ₅Ｏ₁₂の反応電位より１.０〜２.０Ｖ高い、２.０〜３.０Ｖにすることが好ましい。

初回放電以降の放電時の放電カットオフ電圧は、リチウムチタン系複合酸化物（第１の活物質）と反応しない電位とし、同時にリチウム含有化合物の反応電位とする。リチウムチタン系複合酸化物がＬｉ₄Ｔｉ₅Ｏ₁₂である場合、反応しない電位を当該Ｌｉ₄Ｔｉ₅Ｏ₁₂の反応電位より高い２.０〜３.０Ｖにすることにより、前述したリチウム含有化合物であるリチウム含有金属酸化物またはリチウム含有金属リン化合物の反応電位になる。

実施形態に係るリチウム二次電池の形状は特に限定されないが、例えばコイン型、ボタン型、シート型、積層型、円筒型、角形等が挙げられる。

以下、積層型のリチウム二次電池を例にして、実施形態に係るリチウム二次電池の構造を図面を参照して説明する。図１は、積層型のリチウム二次電池の一例を示す斜視図、図２は図１のII−II線に沿う断面図である。

積層型のリチウム二次電池１は、ラミネートフィルムからなる袋状の外装体２を備えている。外装体２内には、電極群３が収納されている。ラミネートフィルムは、例えば複数枚(例えば２枚）のプラスチックフィルムをそれらのフィルム間にアルミニウム箔のような金属箔を挟んで積層した構造を有する。２枚のプラスチックフィルムのうち、一方のプラスチックフィルムは熱融着性樹脂フィルムが用いられる。外装体２は、２枚のラミネートフィルムを熱融着性樹脂フィルムが互いに対向するように重ね、外周部を熱シールすることにより袋状に形成される。電極群３は、外装体２の開口部を通して挿入され、外装体２の開口部を熱融着して封止することにより、外装体２内に気密に収納される。

電極群３は、図２に示すように正極４と負極５とそれら正極４、負極５の間に介在されたセパレータ６とを負極５が最外層に位置するように複数積層した構造を有する。正極４は、正極集電体４２と当該集電体４２の両面に形成された正極層４１，４１とから構成されている。正極層４１、４１は、例えば正極活物質、導電材および結着剤を含む。実施形態において、正極活物質はそれぞれリチウムを吸蔵および放出することが可能なリチウムチタン系複合酸化物を第１の活物質、リチウム含有化合物（前記リチウムチタン系複合酸化物を含まない）を第２の活物質として含む。第１の活物質は、第１の活物質および第２の活物質の合量に対して、１質量％以上３０質量％以下の割合で含有する。

最外層に位置する負極５は、負極集電体５２と、当該集電体５２のセパレータ６と対向する面に形成された金属リチウムからなる負極層５１とから構成されている。最外層に位置する負極５を除く、正極４間に位置する負極５は、負極集電体５２と、当該集電体５２の両面に形成された金属リチウムからなる負極層５１，５１とから構成されている。

正極４は、例えば図２に示すように、正極集電体４２が正極層４１の例えば右側面から延出した正極リード４３を有する。各正極リード４３は、外装体２内において先端側で束ねられ、互いに接合されている。正極端子７は、一端が正極リード４３の接合部に接合され、かつ他端が外装体２の封止部を通して外部に延出している。負極５は、例えば図２に示すように負極集電体５２が負極層５１の例えば左側面から延出した負極リード５３を有する。各負極リード５３は、外装体２内において先端側で束ねられ、互いに接合されている。負極端子８は、一端が負極リード５３の接合部に接合され、かつ他端が外装体２の封止部を通して外部に延出している。

以下、本発明は実施例を詳細に説明する。

(実施例１〜８および比較例１〜５)
［正極１の作製］
正極活物質は、第１の活物質であるリチウムチタン系複合酸化物（Ｌｉ₄Ｔｉ₅Ｏ₁₂）１質量％と、第２の活物質であるコバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ₂）９９質量％と、とを混合して調製した。つづいて、正極活物質に導電材としてアセチレンブラック６．０質量％、結着剤としてポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）４．０質量％をそれぞれ添加して混合し、当該混合物に溶剤としてＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）質量％を添加して正極スラリーを調製した。次に、アルミニウム箔上に正極スラリーを塗工量が１２０ｇ／ｍ^２となるよう塗布し、１００℃で乾燥した。その後、電極密度が３．３ｇ／ｃｃになるまでプレス加工して正極１を作製した。

［正極２〜８の作製］
第１の活物質であるＬｉ₄Ｔｉ₅Ｏ₁₂が、第２の活物質であるＬｉＣｏＯ₂とＬｉ₄Ｔｉ₅Ｏ₁₂の合量に対して、０質量％、０．５質量％、５質量％、１０質量％、２０質量％、３０質量％、４０質量％の割合で含有する正極活物質を用いた以外、前記正極１の作製方法と同様な方法により正極２〜８をそれぞれ作製した。

［正極９〜１１の作製］
第１の活物質である２０質量％のリチウムチタン系複合酸化物（Ｌｉ₄Ｔｉ₅Ｏ₁₂）と、それぞれ第２の活物質である８０質量％のマンガン酸リチウム（ＬｉＭｎ₂Ｏ₄）、リン酸鉄リチウム（ＬｉＦｅＰＯ₄）、ニッケルコバルトマンガン酸リチウム（ＬｉＮｉ_0.5Ｃｏ_0.2Ｍｎ_0.3Ｏ₂）とを混合した正極活物質を用いた以外、前記正極１の作製方法と同様な方法により正極９〜１１を作製した。

［評価セルの組立］
前記各正極を作用極として用いて３極式評価セルを組立てた。評価セルは、両端封止円筒形状を有する例えばポリプロピレンからなる外装体を備えている。外装体内には、各正極から切出した円形の作用極と当該作用極より寸法の大きい円形の対極とがそれら作用極と対極の間にセパレータを挟んで配置している。すなわち、作用極、セパレータおよび対極の積層方向は外装体の円筒部の軸と平行している。参照極は、矩形板状をなし、外装体内に作用極、セパレータおよび対極の上方に近接して当該矩形板状表面が前記積層方向と平行するように配置されている。

作用極および対極の各端子は、外装体の対向する封止部からそれぞれ外部に延出されている。参照極の端子は、外装体の円筒部から外部に延出されている。非水電解液は、前記外装体内にその内部全体を満たすように収容されている。前述した作用極、対極および参照極のそれぞれの端子には、電源（試験装置）と接続するためのリード線が取付けられている。後述する充放電サイクル試験では、作用極および対極から導出されるリード線を介し所定電流を流した。また、作用極および参照極から導出されるリード線を介し、電圧測定を行った。

前記対極および参照極は、金属リチウムから作られている。セパレータは、微多孔質ポリエチレン膜からなる。非水電解液は、エチレンカーボネート（ＥＣ）、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）の混合非水溶媒（体積比、ＥＣ：ＥＭＣ：ＤＭＣ＝２：５：３）にＬｉＰＦ₆を１．３モル／Ｌ溶解させて調製した。

［充放電サイクル試験の充放電条件］
得られた実施例１〜８および比較例１〜５の前記各評価セルについて、以下の充放電条件１〜４で充放電サイクル試験を行い、１サイクル目の放電容量、１００サイクル目の放電容量、放電容量維持率（（１）式に示す）、１サイクル目の放電平均電圧［Ｖ］を求めた。その結果を下記表１に示す。

なお、放電容量維持率は次式（１）から算出した。

放電容量維持率（％）＝
（１００サイクル目の放電容量／１サイクル目の放電容量）×１００…（１）
（充放電条件１）
初回 ：１．０Ｖまで０．１Ｃ放電 （１回）
活性化 ：４．３Ｖまで０．２Ｃ充電、２．５Ｖまで０．２Ｃ放電 （４回）
サイクル：４．３Ｖまで０．５Ｃ充電、２．５Ｖまで０．５Ｃ放電 （１００回）
（充放電条件２）
初回 ：１．０Ｖまで０．１Ｃ放電 （１回）
活性化 ：４．３Ｖまで０．２Ｃ充電、１．０Ｖまで０．２Ｃ放電 （４回）
サイクル：４．３Ｖまで０．５Ｃ充電、１．０Ｖまで０．５Ｃ放電 （１００回）
（充放電条件３）
初回 ：２．５Ｖまで０．１Ｃ放電 （１回）
活性化 ：４．３Ｖまで０．２Ｃ充電、２．５Ｖまで０．２Ｃ放電 （４回）
サイクル：４．３Ｖまで０．５Ｃ充電、２．５Ｖまで０．５Ｃ放電 （１００回）
（充放電条件４）
初回 ：４．３Ｖまで０．１Ｃ充電、２．７５Ｖまで０．１Ｃ放電 （１回）
活性化 ：４．３Ｖまで０．２Ｃ充電、２．７５Ｖまで０．２Ｃ放電 （４回）
サイクル：４．３Ｖまで０．５Ｃ充電、２．７５Ｖまで０．５Ｃ放電 （１００回）

前記表１から明らかなように、第１の活物質であるリチウムチタン系複合酸化物（Ｌｉ₄Ｔｉ₅Ｏ₁₂）と第２の活物質であるコバルト酸リチウムとからなり、Ｌｉ₄Ｔｉ₅Ｏ₁₂がコバルト酸リチウムとＬｉ₄Ｔｉ₅Ｏ₁₂の合量に対して１〜３０質量％含有する正極活物質を含む正極１、４〜７をそれぞれ作用極として備えるセルを用い、各セルを充放電条件１（初回放電のカットオフ電圧をＬｉ₄Ｔｉ₅Ｏ₁₂の反応電位（１．０Ｖ）、初回放電以降のカットオフ電圧をＬｉ₄Ｔｉ₅Ｏ₁₂と反応しない電位（２．５Ｖ））で充放電を行う実施例１〜５では、充放電の繰り返しによるリチウムのデンドライト状の成長が抑制ないし防止されるため、１００サイクル目でも高い放電容量と高い放電容量維持率の両方を達成できることがわかる。

初回放電以降の放電でのカットオフ電圧をＬｉ₄Ｔｉ₅Ｏ₁₂と反応しない電位（２．５Ｖ）にすることによって、この後の充放電サイクルの繰り返しで、プラトー電圧の低いＬｉ₄Ｔｉ₅Ｏ₁₂が充放電反応に関与しないため、充放電サイクルにおいて、第２の活物質（コバルト酸リチウム）の持つ高い電池電圧を維持できる。

特に、Ｌｉ₄Ｔｉ₅Ｏ₁₂がコバルト酸リチウムとＬｉ₄Ｔｉ₅Ｏ₁₂の合量に対して５〜２０質量％含有する正極活物質を含む正極４〜６をそれぞれ作用極として備えるセルを用いた実施例２〜４では、充放電の繰り返しによるリチウムのデンドライト状の成長の抑制効果が高くなるため、１００サイクル目においてより高い放電容量とより高い放電容量維持率を示すことがわかる。

これに対し、Ｌｉ₄Ｔｉ₅Ｏ₁₂を含まない正極活物質を含有する正極２を作用極として備えるセルを用い、当該セルを充放電条件４（初回が充電）で充放電を行う比較例１は１００サイクル目での放電容量および放電容量維持率がいずれも低いことがわかる。これは、充放電での初回が充電であるため、充放電の繰り返しによりリチウムのデンドライト状の成長により１００サイクル目の放電容量が低くなったものと推定される。

一方、リチウムチタン系複合酸化物であるＬｉ₄Ｔｉ₅Ｏ₁₂が本発明の範囲の上限（３０質量％）を超える正極活物質を含有する正極８を作用極として備えるセルを用い、当該セルを実施例１〜８と同様な充放電条件１で充放電を行う比較例３は１００サイクル目での放電容量維持率が高いものの、放電容量が低いことがわかる。これは、充放電の繰り返しによるリチウムのデンドライト状の成長を抑制できるものの、初回の放電以降の放電、その後の充放電で充放電に関与しないＬｉ₄Ｔｉ₅Ｏ₁₂が正極活物質に占める割合が多く、充放電に関与するコバルト酸リチウムが相対的に減少するため、１００サイクル目の放電容量が低くなったものと推定される。

また、比較例４は初回放電でのカットオフ電圧と初回放電以降の放電でのカットオフ電圧が同じで、それらのカットオフ電圧をＬｉ₄Ｔｉ₅Ｏ₁₂の反応電位（１．０Ｖ）にしている。このため、初回放電以降の充放電ではリチウム含有化合物であるコバルト酸リチウムのみならず、リチウムチタン系複合酸化物であるＬｉ₄Ｔｉ₅Ｏ₁₂も充放電反応に関与するため、Ｌｉ₄Ｔｉ₅Ｏ₁₂の低いプラトー電圧によって、充放電サイクル中の電池電圧が低下する。このような比較例４の充放電時の問題から、１サイクル目の放電平均電圧が実施例４の当該電圧（３．８３Ｖ）と比べて３．２５Ｖに低下する。

比較例５は、初回放電でのカットオフ電圧と初回放電以降の放電でのカットオフ電圧が同じで、それらのカットオフ電圧をＬｉ₄Ｔｉ₅Ｏ₁₂と反応しない電位（２．５Ｖ）にしている。このため、初回放電時での負極の金属リチウム表面からのリチウムイオンの放出量が不足し、金属リチウム表面の改質が不十分になるため、初回放電以降の放電、その後の充放電の繰り返しによってリチウムのデンドライト状の成長が起こる。このような比較例５の充放電時の問題から、１００サイクル目での放電容量維持率および放電容量が、実施例４の放電容量維持率（８２％）、放電容量（９８ｍＡｈ/ｇ）と比較して、それぞれ５３％、６０ｍＡｈ／ｇと低くなる。

また、表２示すように、リチウムコバルト複合酸化物（リチウム含有化合物）の代わりにリチウム含有化合物であるマンガン酸リチウム、リン酸鉄リチウム、ニッケルコバルトマンガン酸リチウムとリチウムチタン系複合酸化物であるＬｉ₄Ｔｉ₅Ｏ₁₂とからそれぞれなり、Ｌｉ₄Ｔｉ₅Ｏ₁₂が各リチウム含有化合物とＬｉ₄Ｔｉ₅Ｏ₁₂の合量に対して２０質量％含有する正極活物質を含む正極９〜１１をそれぞれ作用極として備えるセルを用い、各セルを充放電条件１（初回放電のカットオフ電圧をＬｉ₄Ｔｉ₅Ｏ₁₂の反応電位（１．０Ｖ）とし、初回放電以降のカットオフ電圧をＬｉ₄Ｔｉ₅Ｏ₁₂と反応しない電位とする）で充放電を行う実施例６〜８も、リチウム含有化合物がリチウムコバルト複合酸化物である正極活物質を含む正極６（Ｌｉ₄Ｔｉ₅Ｏ₁₂の割合が２０質量％）を作用極として備えるセルを用いる実施例４と同様、１００サイクル目においてより高い放電容量とより高い放電容量維持率を示すことがわかる。

１…リチウム二次電池、２…外装体、３…電極群、４…正極、５…負極、４１…正極層、４２…正極集電体、４３…正極リード、５１…負極層、５２…負極集電体、５３…負極リード、６…セパレータ、７…正極端子、８…負極端子

Claims (6)

1. 正極、負極、セパレータおよび非水電解質を備えたリチウム二次電池の充放電方法であって、
   前記正極は、それぞれリチウムを吸蔵および放出することが可能な第１の活物質および第２の活物質を含む正極活物質を含有する正極層を備え、
   前記第１の活物質は、リチウムチタン系複合酸化物であり、
   前記第２の活物質は、リチウム含有化合物（前記リチウムチタン系複合酸化物を除く）であり、
   前記第１の活物質は、前記第１の活物質および前記第２の活物質の合量に対して、１質量％以上３０質量％以下の割合で含有され、
   前記負極は、金属リチウムを負極活物質として含み、
   前記二次電池の組立後の充放電を放電から始め、初回放電時の放電カットオフ電圧を前記第１の活物質の反応電位とし、二回目以降の放電時の放電カットオフ電圧を前記第１の活物質と反応しない電位とすることを特徴とするリチウム二次電池の充放電方法。
2. 前記リチウムチタン系複合酸化物は、一般式Ｌｉ₄Ｔｉ_5−ｘＭ１_ｘＯ₁₂（ここで、Ｍ１はＣｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｃｒ、ＭｎおよびＧａからなる群より選ばれる少なくとも１つ以上の元素、ｘは０≦ｘ＜５である）にて表されることを特徴とする請求項１に記載のリチウム二次電池の充放電方法。
3. 前記二回目以降の放電時の放電カットオフ電圧は、前記第１の活物質と反応しない電位で、かつ前記第２の活物質の反応電位であることを特徴とする請求項１または２に記載のリチウム二次電池の充放電方法。
4. 前記二回目以降の放電時の放電カットオフ電圧を前記第１の活物質の反応電位よりも１.０乃至２.０Ｖ高い電位で行うことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のリチウム二次電池の充放電方法。
5. 前記リチウムチタン系複合酸化物は、Ｌｉ₄Ｔｉ₅Ｏ₁₂であり、前記リチウム含有化合物は、リチウム含有金属酸化物（前記リチウムチタン系複合酸化物を除く）またはリチウム含有金属リン化合物であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のリチウム二次電池の充放電方法。
6. 前記リチウム含有化合物は、コバルト酸リチウム、マンガン酸リチウム（ＬｉＭｎＯ₂、Ｌｉ₂ＭｎＯ₃、ＬｉＭｎ₂Ｏ₄）、ニッケルコバルトマンガン酸リチウムおよびリン酸鉄リチウムの群から選ばれる少なくとも１つであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のリチウム二次電池の充放電方法。

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