JP6688650B2 - 非水電解質二次電池用正極及び非水電解質二次電池 - Google Patents
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Description
LixNiyMn2−y−zMzO4 (1)
化学式1中、Mは、特定遷移金属及びアルミニウムから選択される何れか1種以上の金属元素であり、特定遷移金属は、ニッケル(Ni)及びマンガン(Mn)を除く遷移金属であり、x、y、zは、0.02≦x≦1.10、0.25≦y≦0.6、0.0<z≦0.10の範囲内の値である。
以下では、図1を参照して、上述した本発明の一実施形態に係る非水電解質二次電池10の具体的な構成について説明を行う。図1は、本発明の一実施形態に係る非水電解質二次電池の構成を説明する説明図である。
LixNiyMn2−y−zMzO4 (1)
化学式1中、Mは、特定遷移金属及びアルミニウムから選択される何れか1種以上の金属元素である。特定遷移金属は、ニッケル及びマンガンを除く遷移金属である。x、y、zは、0.02≦x≦1.10、0.25≦y≦0.6、0.0<z≦0.10の範囲内の値である。
(3−1.正極活物質の製造方法)
まず、正極活物質の製造方法について説明する。正極活物質の製造方法は、特に制限されないが、例えば、共沈法を用いることできる。以下では、かかる共沈法を用いた正極活物質の製造方法について一例を挙げて説明を行う。
続いて、非水電解質二次電池10の製造方法の一例について説明する。なお、以下に説明する製造方法はあくまで一例であり、他の方法で非水電解質二次電池10を製造可能であることはもちろんである。
以下では、本実施形態に係る実施例について説明する。
(1−1.正極活物質の作製)
まず、硫酸ニッケル6水和物(NiSO4・6H2O)、及び硫酸マンガン5水和物(MnSO4・5H2O)をイオン交換水に溶解させて、混合水溶液を製造した。ここで、硫酸ニッケル6水和物、及び硫酸マンガン5水和物の総質量は、混合水溶液の総質量に対して20質量%程度とした。各元素のモル比Ni:Mnは5:15とした。
以下の処理によりコインハーフセルを作製した。まず、天然黒鉛(日本黒鉛工業社製)、スチレンブタジエンゴム(SBR),CMCを1:1:1の質量比で秤量したものをイオン交換水に分散させてスラリーを形成した。ついで、このスラリーを正極集電体21となるアルミ箔上に塗工し、乾燥させることで、アルミ箔上に被覆層21aを形成した。ここで、スラリー中の天然黒鉛の濃度及び塗工量は、被覆層21a中の天然黒鉛の面密度が0.07mg/cm2となるように調整した。被覆層21aの厚さは0.5μmとした。
以下の表1に示す充放電レート(rate)にてハーフセルの充放電を行った。CC−CVは定電流定電圧を意味し、CCは定電流を意味する。充放電時の温度は45℃とした。カットオフ電圧は3.0〜4.9V(Li/Li+)とした。ただし、63サイクル目の充電は1/20*Cをカットオフとした。
導電助剤をBET比表面積125m2/gのアセチレンブラック(デンカ社製)とした他は実施例1と同様の処理を行った。結果を表2にまとめて示す。
導電助剤をBET比表面積39m2/gのアセチレンブラック(デンカ社製)とした他は実施例1と同様の処理を行った。結果を表2にまとめて示す。
硫酸ニッケル6水和物(NiSO4・6H2O)及び硫酸マンガン5水和物(MnSO4・5H2O)に加え、硫酸アルミニウム16水和物(Al2(SO4)3・16H2O)を使用した他は、実施例1と同様の工程を行うことで、Li1.03Ni0.5Mn1.45Al0.05O4で示される正極活物質を作製した。また、導電助剤としてBET比表面積125m2/gのアセチレンブラック(デンカ社製)を使用した。他は実施例1と同様の処理を行った。結果を表2にまとめて示す。
硫酸ニッケル6水和物(NiSO4・6H2O)及び硫酸マンガン5水和物(MnSO4・5H2O)に加え、硫酸アルミニウム16水和物(Al2(SO4)3・16H2O)を使用した他は、実施例1と同様の工程を行うことで、Li1.03Ni0.5Mn1.49Al0.01O4で示される正極活物質を作製した。また、導電助剤としてBET比表面積125m2/gのアセチレンブラック(デンカ社製)を使用した。他は実施例1と同様の処理を行った。結果を表2にまとめて示す。
硫酸ニッケル6水和物(NiSO4・6H2O)及び硫酸マンガン5水和物(MnSO4・5H2O)に加え、硫酸銅5水和物(CuSO4・5H2O)を使用した他は、実施例1と同様の工程を行うことで、Li1.03Ni0.5Mn1.45Cu0.01O4で示される正極活物質を作製した。また、導電助剤としてBET比表面積125m2/gのアセチレンブラック(デンカ社製)を使用した。他は実施例1と同様の処理を行った。結果を表2にまとめて示す。
硫酸ニッケル6水和物(NiSO4・6H2O)及び硫酸マンガン5水和物(MnSO4・5H2O)に加え、硫酸亜鉛7水和物(ZnSO4・7H2O)を使用した他は、実施例1と同様の工程を行うことで、Li1.03Ni0.5Mn1.49Zn0.02O4で示される正極活物質を作製した。また、導電助剤としてBET比表面積125m2/gのアセチレンブラック(デンカ社製)を使用した。他は実施例1と同様の処理を行った。結果を表2にまとめて示す。
硫酸ニッケル6水和物(NiSO4・6H2O)及び硫酸マンガン5水和物(MnSO4・5H2O)に加え、硫酸亜鉛7水和物(ZnSO4・7H2O)を使用した他は、実施例1と同様の工程を行うことで、Li1.03Ni0.5Mn1.49Zn0.01O4で示される正極活物質を作製した。また、導電助剤としてBET比表面積125m2/gのアセチレンブラック(デンカ社製)を使用した。他は実施例1と同様の処理を行った。結果を表2にまとめて示す。
導電助剤をBET比表面積206m2/gのアセチレンブラック(デンカ社製)とした他は実施例1と同様の処理を行った。結果を表2にまとめて示す。
導電助剤をBET比表面積215m2/gのアセチレンブラック(デンカ社製)とした他は実施例1と同様の処理を行った。結果を表2にまとめて示す。
被覆層21aを設けなかった他は実施例1と同様の処理を行った。結果を表2にまとめて示す。
被覆層21aを設けなかった他は実施例2と同様の処理を行った。結果を表2にまとめて示す。
被覆層21aを設けなかった他は実施例4と同様の処理を行った。結果を表2にまとめて示す。
被覆層21aを設けなかった他は実施例6と同様の処理を行った。結果を表2にまとめて示す。
被覆層21aを設けなかった他は実施例7と同様の処理を行った。結果を表2にまとめて示す。
被覆層21aを設けなかった他は実施例8と同様の処理を行った。結果を表2にまとめて示す。
導電助剤をBET比表面積377m2/gのファーネスブラック(ライオン・スペシャリティ・ケミカルズ社製)とした他は実施例1と同様の処理を行った。結果を表2にまとめて示す。
導電助剤をBET比表面積800m2/gのファーネスブラック(ライオン・スペシャリティ・ケミカルズ社製)とした他は実施例1と同様の処理を行った。結果を表2にまとめて示す。
比較例9では、正極活物質を以下の工程で作製した。まず、硫酸コバルト5水和物をイオン交換水に溶解させ、混合水溶液を製造した。ここで、硫酸コバルト5水和物の質量は、混合水溶液の総質量に対して、20質量%とした。
被覆層21aを設けなかった他は比較例9と同様の処理を行った。結果を表2にまとめて示す。
比較例11では、正極活物質を以下の工程で作製した。まず、硫酸ニッケル6水和物、硫酸マンガン7水和物、および硫酸コバルト5水和物をイオン交換水に溶解させ、混合水溶液を製造した。ここで、硫酸ニッケル6水和物、硫酸マンガン7水和物、および硫酸コバルト5水和物の総質量は、混合水溶液の総質量に対して、20質量%とした。また、硫酸ニッケル6水和物、硫酸マンガン7水和物、および硫酸コバルト5水和物は、Ni、Co、およびMnの各元素のモル比Ni:Co:Mnが20:20:60となるように混合した。
被覆層21aを設けなかった他は比較例11と同様の処理を行った。結果を表2にまとめて示す。
まず、実施例1〜10と比較例1〜6とを比較すると、実施例1〜10は、比較例1〜6よりもサイクル寿命が著しく向上した。むしろ、比較例1〜6では、サイクル寿命が急速に劣化したため、有意な値を得ることができなかった。比較例1〜6では、正極集電体21が被覆層21aで覆われていないため、充放電時に正極集電体21からアルミニウムイオンが溶出したと考えられる。なお、比較例1〜6では、1サイクル目の充放電によって正極集電体21上に不動態膜が形成されていると推定されるが、このような不動態膜によってもアルミニウムイオンの溶出は抑制できないことが明らかとなった。そして、このアルミニウムイオンが負極上に析出し、サイクル寿命を著しく劣化させたと考えられる。これに対し、実施例1〜10では、正極集電体21が被覆層21aで覆われているため、アルミニウムイオンの溶出が抑制できたと考えられる。したがって、スピネル型結晶構造の正極活物質と、被覆層21aで覆われた正極集電体21とを組み合わせることで、高いエネルギー密度を実現することができ、かつ、サイクル寿命が大きく改善された。
20 正極
21 正極集電体
21a 被覆層
22 正極活物質層
30 負極
31 負極集電体
32 負極活物質層
40 セパレータ層
Claims (9)
- 正極集電体と、
黒鉛を含み、前記正極集電体を被覆する被覆層と、
以下の化学式1で示される組成を有する正極活物質と、
BET比表面積が35〜350m2/gである導電助剤と、を備えることを特徴とする、非水電解質二次電池用正極。
LixNiyMn2−y−zMzO4 (1)
前記化学式1中、Mは、ニッケル及びマンガンを除く遷移金属及びアルミニウムから選択される何れか1種以上の金属元素であり、
x、y、zは、0.02≦x≦1.10、0.25≦y≦0.6、0.0≦z≦0.10の範囲内の値である。 - 前記化学式1中、Mは、アルミニウム(Al)、クロム(Cr)、鉄(Fe)、バナジウム(V)、マグネシウム(Mg)、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、タングステン(W)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、ガリウム(Ga)、インジウム(In)、スズ(Sn)、ランタン(La)、セリウム(Ce)からなる群から選択される1種または2種以上の金属元素であることを特徴とする、請求項1記載の非水電解質二次電池用正極。
- 前記化学式1中、yは、0.40≦y<0.60の範囲内の値であることを特徴とする、請求項1または2記載の非水電解質二次電池用正極。
- 前記導電助剤のBET比表面積は、45〜350m2/gであることを特徴とする、請求項1〜3のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池用正極。
- 前記導電助剤のBET比表面積は、100〜300m2/gであることを特徴とする、請求項1〜4のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池用正極。
- 前記導電助剤のBET比表面積は、120〜220m2/gであることを特徴とする、請求項1〜5の何れか1項に記載の非水電解質二次電池用正極。
- 前記導電助剤は、カーボンブラックを含むことを特徴とする、請求項1〜6の何れか1項に記載の非水電解質二次電池用正極。
- 請求項1〜7の何れか1項に記載の非水電解質二次電池用正極を含むことを特徴とする、非水電解質二次電池。
- 電解液の溶媒として、フルオロ系の非水溶媒を少なくとも1種以上含んでいることを特徴とする、請求項8記載の非水電解質二次電池。
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