JP6654582B2 - リチウムイオン二次電池用正極合材およびその利用 - Google Patents
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Description
例えば、本発明者が特許文献1に記載の技術を検討した結果、かかる技術では、低密度低密度の粒状バナジウム酸化物によって正極合材層の表面がコーティングされており、バナジウム酸化物と正極活物質とが点接触になっていたため、十分な電子パスを形成できていないことが分かった。
また、特許文献2に記載の技術においては、正極合材層内に粒状の導電性酸化物が分散しており、上記した特許文献1と同様に、粒状の正極活物質と導電性酸化物とが点接触となっていた。
ここで、かかるリチウムイオン二次電池用正極合材では、正極活物質の表面の少なくとも一部に、導電性酸化物の一次粒子が集合した粒状領域と、導電性酸化物が膜状に成形された膜状領域とが付着しており、粒状領域における一次粒子の断面TEM観察に基づいた平均粒子径が0.3nm以上であり、膜状領域の断面TEM観察において、粒子径が0.3nm以上の粒子が認められず、かつ、2nm以上の空隙が認められない。
かかる正極合材において、導電性酸化物からなる膜状領域は、0.3nm以上の粒子と2nm以上の空隙が認められないという非常に密な状態で正極活物質に付着しているため、正極活物質の表面に面で接触して広範な電子パスを形成し、正極における抵抗を大幅に低減させることができる。
一方、かかる正極合材の粒状領域は、平均粒子径が0.3nm以上という比較的に大きな一次粒子が集合することによって形成されているため、正極活物質表面における粒状領域が付着している箇所では、当該一次粒子と正極活物質とが点で接触しているため、かかる接点において電子パスが形成されているとともに、当該接点以外の部分において正極活物質の表面を露出させて正極活物質と電解質とが接触する面積を十分に確保することができるため、正極活物質と電解質との接触面積の低下による反応抵抗の増加を抑制することができる。
以上のように、ここで開示される正極合材によれば、導電性酸化物からなる膜状領域が付着している箇所において広範な電子パスを形成して正極における抵抗を大幅に低減させることができるとともに、粒状領域が付着している箇所において正極活物質と電解質との接触面積を十分に確保して反応抵抗の増加を抑制することができるため、従来の正極合材に比べて電池性能を大幅に向上させることができる。
MO2 (1)
(ただし、上記した式(1)中のMは、Va族、VIa族、VIIa族、VIII族およびIb族の遷移金属元素から選択される1種または2種以上の元素である)で示される金属酸化物、または、一般式(2):
ABO3 (2)
(ただし、上記した式(2)中のAは、2価の典型元素、ランタノイド元素またはこれらの組み合わせからなる群から選択される1種または2種以上の元素であり、BはIVa族、Va族、VIa族、VIIa族、VIII族およびIb族の遷移金属元素から選択される1種または2種以上の元素である)で示されるペロブスカイト構造を有する金属酸化物である。
上記した一般式(1):MO2で示される金属酸化物や、一般式(2):ABO3で示されるペロブスカイト構造を有する金属酸化物は、正極活物質との間で好適な電子パスを形成することができるため、正極における抵抗をより適切に低減させて電池性能をより好適に向上させることができる。
かかる酸化物ルテニウムやランタンマンガンコバルト複合酸化物は、上記した一般式(1)や一般式(2)で示される金属酸化物の中でも、特に適切に正極における抵抗を低減させることができるため、構築後のリチウムイオン二次電池の電池性能をより好適に向上させることができる。
Li1+αNixCoyMnzMβO2−γAγ (3)
(ただし、上記した式(3)中のMは、Zr、Mo、W、Mg、Ca、Na、Fe、Cr、Zn、Si、Sn、Al、およびBからなる群から選択される1種または2種以上の元素であり、式(3)中のAは、F、Cl、Brからなる群から選択される1種または2種以上の元素であり、x、y、z、α、β、γは、それぞれ、0≦α≦0.7、0≦x<0.9、0≦y<0.4、x+y+z≒1、0≦β≦0.1、0≦γ≦0.5である)で示されるリチウム複合酸化物である。
かかる一般式(3)で示されるようなリチウム複合酸化物は、イオン伝導性が高いため高エネルギー密度の電池の構築に貢献し得るとともに、熱安定性にも優れているため電池耐久性の向上にも貢献することができる。
導電性酸化物の被覆率が高すぎると正極活物質と電解質との接触面積が小さくなる虞がある一方で、低すぎると十分な電子パスを形成することができなくなる虞がある。本態様は、かかる知見に基づいたものであり、正極活物質の表面における導電性酸化物の被覆率を11%〜40%にすることによって、正極活物質と電解質との接触面積を十分に確保するとともに、十分な電子パスを形成しているため、電池性能をより適切に向上させることができる。
本発明者が種々の実験と検討を行った結果、ここで開示される正極合材では、粒状領域の平均粒子径と膜状領域の膜厚とがリチウムイオン二次電池の電池性能(規格化電池抵抗)に大きな影響を与えることが分かった。そして、更に実験を重ねた結果、粒状領域の平均粒子径を0.6nm〜55nmとし、膜状領域の膜厚を0.5nm〜50nmとすることによって、規格化電池抵抗が低い高性能なリチウムイオン二次電池を構築できることが分かった。本態様は、かかる知見に基づいてなされたものである。
このように、粒状領域と膜状領域とを相互に接触させることによって、該接触部分において、十分な電子パスを形成することができるとともに、正極活物質と電解質との接触面積を適切に確保することができるため、より好適に電池性能を向上させることができる。
そして、ここで開示されるリチウムイオン二次電池では、正極活物質の表面の少なくとも一部に、導電性酸化物の一次粒子が集合した粒状領域と、導電性酸化物が膜状に成形された膜状領域とが付着しており、粒状領域における一次粒子の断面TEM観察に基づいた平均粒子径が0.3nm以上であり、膜状領域の断面TEM観察において、粒子径が0.3nm以上の粒子が認められず、かつ、2nm以上の空隙が認められない。
ここで開示されるリチウムイオン二次電池は、正極活物質の表面の一部に導電性酸化物からなる粒状領域と膜状領域とが付着している上記の正極合材を用いて正極合材層が形成されている。このため、正極における抵抗が適切に低減されており、かつ、正極における反応抵抗の上昇が抑制されているため、従来よりも優れた電池性能を発揮することができる。
図1は本実施形態に係る正極合材の断面TEM写真である。図1に示すように、本実施形態に係る正極合材には、正極活物質1と、導電性酸化物からなる粒状領域2aと膜状領域2bとが含まれている。以下、各々について具体的に説明する。
本実施形態における正極活物質1は、少なくともリチウムを含む層状の結晶構造を有するリチウム複合酸化物から構成されている。なお、本実施形態における正極活物質1の形状は粒状であり、図1は当該粒状の正極活物質1の表面近傍を拡大した断面TEM写真である。かかる粒状の正極活物質1の断面TEM写真に基づく平均粒子径は、1μm〜20μm(好ましくは2μm〜10μm)程度である。
Li1+αNixCoyMnzMβO2−γAγ (3)
なお、上記の一般式(3)中のMは、Zr、Mo、W、Mg、Ca、Na、Fe、Cr、Zn、Si、Sn、Al、およびBからなる群から選択される1種または2種以上の元素である。また、一般式(3)中のAは、F、Cl、Brからなる群から選択される1種または2種以上の元素であり、x、y、z、α、β、γは、それぞれ、0≦α≦0.7、0≦x<0.9、0≦y<0.4、x+y+z≒1、0≦β≦0.1、0≦γ≦0.5である。
(a)導電性酸化物の組成
上記したように、本実施形態に係る正極合材には導電性酸化物が含まれている。本発明における導電性酸化物には、例えば、下記の一般式(1)で示されるような金属酸化物を用いることが好ましい。
MO2 (1)
なお、上記した一般式(1)中のMは、Va族、VIa族、VIIa族、VIII族およびIb族の遷移金属元素から選択される1種または2種以上の元素である。
上記した一般式(1):MO2で示される金属酸化物の具体例としては、二酸化ルテニウム(RuO2)、二酸化バナジウム(VO2)、二酸化クロム(CrO2)、二酸化モリブデン(MoO2)、二酸化タングステン(WO2)、二酸化レニウム(ReO2)、二酸化ニオブ(NbO2)、二酸化ロジウム(RhO2)、二酸化イリジウム(IrO2)、二酸化パラジウム(PdO2)、二酸化白金(PtO2)、二酸化オスミウム(OsO2)などが挙げられる。
ABO3 (2)
なお、上記した一般式(2)中のAは、2価の典型元素、ランタノイド元素またはこれらの組み合わせからなる群から選択される1種または2種以上の元素である。また、一般式(2)中のBはIVa族、Va族、VIa族、VIIa族、VIII族およびIb族の遷移金属元素から選択される1種または2種以上の元素である。
そして、かかる一般式(2):ABO3で示される金属複合酸化物としては、例えば、ランタンマンガンコバルト複合酸化物(例えば、LaMn0.5Co0.5O3)、ランタンニッケル複合酸化物(LaNiO3)やバナジン酸ストロンチウム(SrVO3)、バナジン酸カルシウム(CaVO3)、鉄酸ストロンチウム(SrFeO3)、チタン酸ランタン(LaTiO3)、クロム酸ストロンチウム(SrCrO3)、クロム酸カルシウム(CaCrO3)、ルテニウム酸カルシウム(CaRuO3)、ルテニウム酸ストロンチウム(SrRuO3)、イリジウム酸ストロンチウム(SrIrO3)などを用いることができる。
図1に示すように、本実施形態に係る正極合材では、正極活物質1の表面の少なくとも一部に、上記した導電性酸化物の一次粒子が集合した粒状領域2aと、当該導電性酸化物が膜状に成形された膜状領域2bとが付着している。
次に、上記した本実施形態に係る正極合材の製造方法について説明する。
正極活物質は、一般的なリチウムイオン二次電池用の正極活物質と同様の工程を経て作製することができる。具体的には、Li以外の金属元素の供給源(原料)を所望の組成比となるように秤量して水系溶媒と混合することによって水性溶液を調製する。このLi以外の金属元素の供給源としては、例えば、Ni、Co、Mnなどの添加金属元素の硫酸塩(硫酸ニッケル:NiSO4、硫酸コバルト:CoSO4、硫酸マンガン:MnSO4など)を使用し得る。
そして、得られたゾル状の前駆体にリチウム供給源(炭酸リチウム、水酸化リチウム、硝酸リチウムなど)を所定量混合した後、酸化性雰囲気の下で700℃〜1000℃(例えば900℃)、1時間〜20時間(例えば15時間)の焼成処理を行う。これによって得られた焼成体を、所望の粒子径(例えば平均粒子径10μm)に粉砕することにより、層状の結晶構造を有するリチウム複合酸化物からなる粒状の正極活物質が得られる。
本実施形態に係る製造方法においては、上記のようにして得られた正極活物質の表面の少なくとも一部に、導電性酸化物の一次粒子が集合した粒状領域と、導電性酸化物が膜状に成形された膜状領域とを付着させる。
このように、膜状領域が付着した正極活物質の粉末と、導電性酸化物の粉末とを混合してメカノケミカル処理を施すことによって各々の粒子に機械的エネルギーが付与されるため、正極活物質の表面の少なくとも一部に、上記した膜状領域と、導電性酸化物の一次粒子が集合した粒状領域とを付着させることができる。
そして、本実施形態に係る正極合材は、上記のようにして得られた正極活物質と導電性酸化物との複合材料を所定の分散媒に分散させた後に、その他の添加剤を適宜添加することによって作製することができる。なお、分散媒やその他の添加物については、一般的なリチウムイオン二次電池に用いられるものを特に制限なく用いることができ、本発明を特徴付けるものではないため、ここでは説明を省略する。
次に、上記した実施形態に係る正極合材を用いて正極を作製したリチウムイオン二次電池について具体的に説明する。なお、以下では、捲回電極体を備えるリチウムイオン二次電池を例にして説明するが、本発明の使用態様を限定することを意図したものではない。例えば、本発明の正極活物質は、複数枚の正極と負極とを交互に積層させた積層電極体に使用することもできる。
ケース50は、上端が開放された扁平なケース本体52と、その上端の開口部を塞ぐ蓋体54とから構成されている。蓋体54には、正極端子70および負極端子72が設けられている。図示は省略するが、正極端子70はケース50内の電極体の正極と電気的に接続されており、負極端子72は負極と電気的に接続されている。
次に、上記したケース50の内部に収容される電極体について説明する。図3はリチウムイオン二次電池の電極体を模式的に示す斜視図である。本実施形態における電極体は、図3に示すように、長尺シート状の正極10と負極20を長尺シート状のセパレータ40とともに積層して捲回することによって作製される捲回電極体80である。
図3における正極10では、長尺シート状の正極集電体12の両面に、正極活物質を含む正極合材層14が付与されている。そして、正極10の幅方向の一方の側縁部には、正極合材層14が塗工されていない正極合材層非形成部16が形成されており、この正極合材層非形成部16が上記した正極端子70(図2参照)と電気的に接続される。
かかる正極合材層14では、正極活物質1(図1参照)の表面の少なくとも一部に、導電性酸化物の一次粒子が集合した粒状領域2aと、導電性酸化物が膜状に成形された膜状領域2bとが付着している。このような正極合材層14を形成することによって、正極10における抵抗を低減させて電池性能を向上させることができる。
負極20についても、正極10と同様に、長尺シート状の負極集電体22の両面に負極活物質を主成分とする負極合材層24が付与されている。そして、負極20の幅方向の一方の側縁部に負極合材層非形成部26が形成されており、この負極合材層非形成部26が負極端子72(図1参照)と電気的に接続されている。
また、負極活物質は、上記した炭素系材料に限定されず、例えば、Li4Ti5O12等のリチウムチタン複合酸化物、リチウム遷移金属複合窒化物等のリチウム複合酸化物を用いることもできる。また、負極合材層24についても、正極合材層14と同様に、一般的なリチウムイオン二次電池に用いられる各種添加剤を必要に応じて添加することができる。
セパレータ40は、上記した正極10と負極20との間に介在するように配置されている。このセパレータ40には、微小な孔を複数有する所定幅の帯状のシート材が用いられる。セパレータ40の材料は、一般的なリチウムイオン二次電池に用いられるものと同様のものを用いることができ、例えば、多孔質ポリオレフィン系樹脂等を用いることができる。
また、上記した捲回電極体80とともにケース50に収納される電解質としては、一般的なリチウムイオン二次電池に用いられる電解質と同様のもの(例えば非水電解液)を特に限定なく使用することができる。かかる非水電解液の具体例としては、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)との混合溶媒(例えば体積比3:4:3)にLiPF6を約1mol/Lの濃度で含有させたものが挙げられる。
上記した各部材を備えたリチウムイオン二次電池を構築するに際しては、先ず、ケース本体52の内部に捲回電極体80を収容するとともに、電解質をケース本体52内に充填(注液)する。その後、蓋体54に設けられた各々の電極端子70、72を、捲回電極体80の正極合材層非形成部16と負極合材層非形成部26に接続した後、蓋体54でケース本体52上端の開口部を封止する。これによってリチウムイオン二次電池100が構築される。
以下、本発明に関する試験例を説明するが、試験例の説明は本発明を限定することを意図したものではない。
(1)試験例1〜試験例5
試験例1〜試験例5の各々で異なる正極合材を用いて正極を作製し、当該正極を用いて評価試験用のリチウムイオン二次電池を構築した。
評価試験用のリチウムイオン二次電池を構築する手順について具体的に説明する。
上記した通り、試験例1〜試験例5の各々で異なる正極合材を使用して正極を作製した。具体的には、試験例1〜試験例5の各々で正極活物質と導電性酸化物との複合材料を用意し、該複合材料を分散媒(NMP:Nメチルピロリドン)に分散させるとともに、バインダ(PVDF)と、導電助剤(アセチレンブラック)とを添加してペースト状の正極合材を調製した。このとき、固形分が56wt%になるように各々の材料を秤量し、プラネタリーミキサーを用いて混合した。なお、この正極合材に含まれる正極活物質と導電助剤とバインダと分散剤の質量比は80:8:2:0.2に設定した。
試験例1〜試験例5の各々で平均粒子径20μmの天然黒鉛系材料(グラファイト)を負極活物質として使用して負極を作製した。具体的には、負極活物質と、バインダ(SBR:スチレンーブタジエン共重合体)と、増粘剤(CMC)とを分散溶媒(水)に混合させてペースト状の負極合材を調製した。そして、この負極合材をシート状の負極集電体(銅箔)の両面に塗布し、乾燥させた後にプレスすることによりシート状の負極を作製した。なお、上記した負極合材における負極活物質とSBRとCMCの混合割合は98:1:1に調整した。
次に、上記した正極と負極をシート状のセパレータを介して積層させた後、積層体を捲回して扁平状の捲回電極体を作製した。そして、作製した捲回電極体をケースの外部端子と接続した後、電解質とともにケース内に収容して密閉することにより評価試験用のリチウムイオン二次電池を構築した。なお、電解質としては、ECとDMCとEMCとを1:1:1の体積比で含む混合溶媒に支持塩としてのLiPF6を約1mol/リットルの濃度で含有させた非水電解液を使用した。
本試験例においては、試験例1〜試験例5の評価試験用のリチウムイオン二次電池に対して電池抵抗評価試験を行った。なお、本試験例においては、後述の評価試験を行う前に、評価対象のリチウムイオン二次電池の活性化処理を行った。具体的には、電流値を1/3Cに設定した定電流充電で4.2Vまで充電した後、電流値が1/50Cになるまで定電圧充電を行って満充電状態とした。そして、電流値を1/3Cに設定した定電流放電を3Vまで行って、このときの容量を初期容量とした。なお、この活性化処理における温度は25℃に設定した。
上記の試験結果より、試験例1では、規格化抵抗値が試験例2〜4よりも大幅に低下するという結果が得られた。このことから、一般式:MO2で示される導電性酸化物であるRuO2からなる粒状領域と膜状領域の両方を正極活物質の表面に付着させることによって、正極活物質と導電性酸化物との間に適切な電子パスを形成するとともに、正極活物質と電解質との接触面積を十分に確保することによって、高性能なリチウムイオン二次電池を構築できることが確認できた。
次に、上記したように、導電性酸化物からなる粒状領域と膜状領域の両方を正極活物質の表面に付着させた場合に、当該導電性酸化物の正極活物質表面における被覆率が電池性能に与える影響を調べるために試験Bを行った。
試験Bにおいては、以下の表2に示すように、導電性酸化物の被覆率を異ならせたことを除いて試験Aの試験例1と同じ条件で構築したリチウムイオン二次電池(試験例6〜9)に対して規格化抵抗値の測定を行った。なお、下記の表2では、比較対照として、試験Aにおける試験例1と試験例4の結果も記載した。
次に、導電性酸化物からなる粒状領域と膜状領域の両方を正極活物質の表面に付着させた正極合材において、導電性酸化物の粒状領域の平均粒子径と、膜状領域の膜厚が電池性能に与える影響を調べるために試験Cを行った。
試験Cにおいては、以下の表3に示すように、粒状領域の平均粒子径と膜状領域の膜厚を異ならせたことを除いて試験Bの試験例6と同じ条件で構築したリチウムイオン二次電池(試験例10〜16)に対して規格化抵抗値の測定を行った。
2a 粒状領域
2b 膜状領域
10 正極
12 正極集電体
14 正極合材層
16 正極合材層非形成部
20 負極
22 負極集電体
24 負極合材層
26 負極合材層非形成部
40 セパレータ
50 ケース
52 ケース本体
54 蓋体
70 正極端子
72 負極端子
80 捲回電極体
100 リチウムイオン二次電池
Claims (7)
- リチウムイオン二次電池の正極に用いられる正極合材であって、
少なくともリチウムを含む層状の結晶構造を有するリチウム複合酸化物からなる粒状の正極活物質と、導電性酸化物とを含み、
ここで、前記正極活物質の表面の少なくとも一部に、前記導電性酸化物の一次粒子が集合した粒状領域と、前記導電性酸化物が膜状に成形された膜状領域とが付着しており、
前記粒状領域における前記一次粒子の断面TEM観察に基づいた平均粒子径が0.3nm以上であり、
前記膜状領域の断面TEM観察において、粒子径が0.3nm以上の粒子が認められず、かつ、2nm以上の空隙が認められない、リチウムイオン二次電池用正極合材。 - 前記導電性酸化物は、一般式(1):
MO2 (1)
(ただし、上記した式(1)中のMは、Va族、VIa族、VIIa族、VIII族およびIb族の遷移金属元素から選択される1種または2種以上の元素である)で示される金属酸化物、または、一般式(2):
ABO3 (2)
(ただし、上記した式(2)中のAは、2価の典型元素、ランタノイド元素またはこれらの組み合わせからなる群から選択される1種または2種以上の元素であり、BはIVa族、Va族、VIa族、VIIa族、VIII族およびIb族の遷移金属元素から選択される1種または2種以上の元素である)で示されるペロブスカイト構造を有する金属酸化物である、請求項1に記載のリチウムイオン二次電池用正極合材。 - 前記導電性酸化物が酸化ルテニウムまたはランタンマンガンコバルト複合酸化物である、請求項2に記載のリチウムイオン二次電池用正極合材。
- 前記正極活物質の表面における前記導電性酸化物の断面TEM観察に基づいた被覆率が11%〜40%である、請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載のリチウムイオン二次電池用正極合材。
- 前記粒状領域の断面TEM観察に基づいた平均粒子径が0.6nm〜55nmであり、
前記膜状領域の断面TEM観察に基づいた膜厚が0.5nm〜50nmである、請求項1〜請求項4のいずれか一項に記載のリチウムイオン二次電池用正極合材。 - 前記粒状領域と前記膜状領域の少なくとも一部が相互に接触している、請求項1〜請求項5のいずれか一項に記載のリチウムイオン二次電池用正極合材。
- 正極集電体上に正極合材層が付与されている正極と、負極集電体上に負極合材層が付与されている負極と、非水電解質と、を備えるリチウムイオン二次電池であって、
前記正極合材層に、少なくともリチウムを含む層状の結晶構造を有するリチウム複合酸化物からなる粒状の正極活物質と、導電性酸化物とが含まれており、
ここで、前記正極活物質の表面の少なくとも一部に、前記導電性酸化物の一次粒子が集合した粒状領域と、前記導電性酸化物が膜状に成形された膜状領域とが付着しており、
前記粒状領域における前記一次粒子の断面TEM観察に基づいた平均粒子径が0.3nm以上であり、
前記膜状領域の断面TEM観察において、粒子径が0.3nm以上の粒子が認められず、かつ、2nm以上の空隙が認められない、リチウムイオン二次電池。
Priority Applications (5)
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