JP6767180B2 - リチウム二次電池及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明の実施形態について詳細に説明する。リチウム二次電池は、電解液内で正極と負極とをセパレータを介して対向させて成り、正負極のリチウムイオンの吸蔵及び放出の方向に応じて充放電する。正極及び負極は、それぞれ活物質の層を集電体に一体化させて成る。正極活物質及び集電体、並びに負極活物質及び集電体は、各々圧着又はドクターブレード法等を用いてバインダーを介して接合される。正極活物質層は、必要に応じて導電助剤となるカーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、グラファイトなどの導電性カーボンを加えて混練して成型される。
正極活物質の層は、リチウムマンガン酸化物を主体とし、リチウムイオンを吸蔵及び放出可能な1種以上の他の金属化合物とが活物質として含有される。リチウムマンガン酸化物としては、LiMn2O4、LiMnO2、Li2MnO3が挙げられる。リチウムマンガン酸化物と他の活物質との混合割合は、質量比で50:50から90:10の範囲が好ましい。他の活物質は、次の1種又は2種以上の混合である。
負極活物質の層は、リチウムイオンを吸蔵及び放出可能な金属化合物粒子を含有し、この金属化合物粒子は、図1に示すように、三次元網目構造1を有する。三次元網目構造1は、ナノサイズの一次粒子2が結合して網目状に連なり、ナノサイズの空隙3が存在する。一次粒子2の結合界面には粒界が無く、一方で一次粒子2間に微小の細孔が多数存在する。この負極活物質において、三次元網目構造1は電子パスを形成し、空隙3は電解液の貯蔵地となり、一次粒子2間の細孔はイオンのパスになると考えられ、これらの相乗効果により負極活物質層の内部抵抗が減少するものと考えられる。
集電体は、典型的には、アルミニウム、銅、鉄、ニッケル、チタン、鋼、カーボン等の導電材料である。特に、高い熱伝導性と電子伝導性とを有しているアルミニウム又は銅が好ましい。集電体の形状は、膜状、箔状、板状、網状、エキスパンドメタル状、円筒状等の任意の形状を採用することができる。
集電体と一体化させるためのバインダーとしては、例えばフッ素系ゴム、ジエン系ゴム、スチレン系ゴム等のゴム類、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン等の含フッ素ポリマー、カルボキシメチルセルロース、ニトロセルロース等のセルロース、その他、ポリオレフィン樹脂、ポリイミド樹脂、アクリル樹脂、ニトリル樹脂、ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、ポリ酢酸ビニル樹脂、ポリビニルアルコール樹脂、エポキシ樹脂などを挙げることができる。これらのバインダーは、単独で使用しても良く、2種以上を混合して使用しても良い。
セパレータとしては、クラフト、マニラ麻、エスパルト、ヘンプ、レーヨン等のセルロースおよびこれらの混合紙、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、それらの誘導体などのポリエステル系樹脂、ポリテトラフルオロエチレン系樹脂、ポリフッ化ビニリデン系樹脂、ビニロン系樹脂、脂肪族ポリアミド、半芳香族ポリアミド、全芳香族ポリアミド等のポリアミド系樹脂、ポリイミド系樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、トリメチルペンテン樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、アクリル樹脂等の樹脂を単独で又は混合して用いることができる。
電解液は、リチウムイオン源となるリチウム塩を電解質として含有する非水電解液が挙げられる。リチウム塩としては、LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiN(SO2CF3)2、LiN(SO2C2F5)2、CF3SO3Li、LiC(SO2CF3)3、およびLiPF3(C2F5)3、またはこれらの混合物である。リチウム塩の濃度は、一般には0.1〜2.5mol/L、好ましくは0.5〜2mol/Lの範囲である。
(概略)
三次元網目構造1を有する負極活物質の製造方法を説明する。この負極活物質の製造方法は、以下に限定されるものではないが、次の3工程を経て製造することができる。まず、第1工程として、金属化合物粒子の前駆体とカーボン源とを複合化して第一の複合材料を得る。第1工程に続き第2工程として、第一の複合材料を非酸化雰囲気下で熱処理することによって、カーボン源からカーボンを生成するとともに、カーボンに担持された金属化合物粒子の前駆体を起点に金属化合物粒子を生成し、金属化合物粒子とカーボンとが複合化された第二の複合材料を得る。第2工程に続き第3工程として、第二の複合材料を酸素雰囲気下で熱処理することによって、金属化合物粒子の一次粒子を互いに結合させるとともに、カーボンを除去することで、三次元網目構造1の金属化合物粒子を得る。
金属化合物粒子の前駆体とカーボン源とを複合化して第一の複合材料を得る。金属化合物粒子の前駆体は、熱処理工程によって金属化合物粒子が生成される前の物質を言う。例えば、Mn、Co、Ni、V、Fe、Ti、Sn、Si、Ru、W、Zn、Al、Ge、Cu、Mo、Zn、Sc、Y、S及びNのうちの何れか1種以上の物質を含む金属化合物である。この構成化合物にリチウム源を加えたものを含むものである。
第二の複合材料を得る工程では、前記第一の複合材料を非酸化雰囲気下で熱処理することによって、金属化合物粒子を生成し、該金属化合物粒子とカーボンとが複合化された第二の複合材料を得る。非酸化雰囲気下とするのは、カーボン源の燃失を抑制するためであり、非酸化雰囲気としては不活性雰囲気と飽和水蒸気雰囲気が挙げられる。典型的には、非酸化雰囲気は真空中、窒素もしくはアルゴン雰囲気である。
この金属化合物粒子を得る工程では、第二の複合材料を酸素雰囲気下で熱処理することによって、カーボンを焼失させ、カーボンの部位に空隙を発生させる。また、この熱処理によって金属化合物粒子同士が反応して結合する。これによって、カーボン由来の空隙と、金属化合物粒子同士の結合とが相まって、金属化合物粒子が三次元網目構造となる。
(負極)
カーボンナノファイバ20gとテトライソプロポキシチタン245gとをイソプロピルアルコール1300gに添加して、テトライソプロポキシチタンをイソプロピルアルコールに溶解させた。チタンアルコキシドとカーボンナノファイバの質量比は、第二の複合材料においてチタン酸リチウムとカーボンナノファイバの質量比が約8:2となるように選択した。得られた液を、外筒と内筒の同心円筒からなり、内筒の側面に貫通孔が設けられ、外筒の開口部にせき板が配置されている反応器の内筒内に導入し、35000kgms−2の遠心力が液に印加されるように内筒を300秒間旋回させて、カーボンナノファイバを液に高分散させた。
リチウムマンガン酸化物であるLiMn2O4を7g量り取り、他の活物質としてリチウムコバルト酸化物であるLiCoO2を3g量り取った。量り取ったリチウムマンガン酸化物とリチウムコバルト酸化物を正極活物質とし、正極活物質の層におけるリチウムマンガン酸化物とリチウムコバルト酸化物の質量比は70:30とした。また、導電助剤としてアセチレンブラックを0.45g量り取り、バインダーとしてPVDFを固形分重量が0.21gとなるように量り取った。正極活物質の層における2種の正極活物質の合計とアセチレンブラックとPVDFの質量比は、94:4:2となる。
実施例2のリチウム二次電池では、リチウムマンガン酸化物であるLiMn2O4を7g量り取り、他の活物質としてニッケルコバルトアルミニウム酸化物であるLiNi0.8Co0.15Al0.05O2を3g量り取り、正極活物質としてリチウムマンガン酸化物とニッケルコバルトアルミニウム酸化物の2種の混合とした。その他、三次元網目構造のチタン酸リチウムを負極活物質とする点、アセチレンブラックを正極における導電助剤とする点、ポリフッ化ビニリデンをバインダーとする点、正極活物質の混合比、及び正極活物質の層の組成比等、実施例1と同じ条件でリチウム二次電池を作製した。
実施例3のリチウム二次電池では、リチウムマンガン酸化物としてLiMn2O4を7g量り取り、他の活物質としてニッケルコバルトマンガン酸化物であるLiNi1/3Co1/3Mn1/3O2を3g量り取り、正極活物質としてリチウムマンガン酸化物とニッケルコバルトマンガン酸化物の2種の混合とした。その他、三次元網目構造のチタン酸リチウムを負極活物質とする点、アセチレンブラックを正極における導電助剤とする点、ポリフッ化ビニリデンをバインダーとする点、正極活物質の混合比、及び正極活物質の層の組成比等、実施例1と同じ条件でリチウム二次電池を作製した。
比較例1のリチウム二次電池では、正極活物質をリチウムマンガン酸化物であるLiMn2O4のみとした。その他、三次元網目構造のチタン酸リチウムを負極活物質とする点、アセチレンブラックを正極における導電助剤とする点、ポリフッ化ビニリデンをバインダーとする点、及び正極活物質の層の組成比等、実施例1と同じ条件でリチウム二次電池を作製した。
実施例1で得られた負極活物質について、最終結果物の構造解析を行った。第1に、走査型電子顕微鏡により最終結果物の粒子全体像と結晶子を撮影し、粒子構造を解析した。図3は、最終結果物の断面を撮影したTEM像であり、倍率は一万倍である。図4は、高分解能透過電子顕微鏡により最終結果物の結晶子部分にフォーカスを当てたHRTEM像であり、倍率は10万倍である。図5は、高分解能透過電子顕微鏡により最終結果物の結晶子部分にフォーカスを当てたHRTEM像であり、倍率は40万倍である。
実施例1乃至3と比較例1のリチウム二次電池についてレート特性を評価した。レート特性は、放電電流密度と容量維持率との関係をいう。図9に、実施例1乃至3と比較例1の放電電流と容量維持率との関係を示す。図9において、横軸に放電電流密度を取り、0.5mA・cm−2の放電電流密度でリチウム二次電池を放電させたときの放電容量を100%として、各放電電流密度に対する容量の百分率を縦軸に取った。
Claims (6)
- リチウムイオンを吸蔵及び放出可能な金属化合物を含んで成る正極活物質層を含む正極と、
リチウムイオンを吸蔵及び放出可能な金属化合物を含んで成る負極活物質層を含む負極と、
前記正極と前記負極との間に介在するセパレータと、
前記正極と前記負極と前記セパレータに含浸する電解液と、
を備え、
前記正極活物質層は、リチウムマンガン酸化物と他の活物質との混合を含んで成り、
前記他の活物質は、リチウムコバルト酸化物、ニッケルコバルトアルミニウム酸化物、ニッケルコバルトマンガン酸化物及びリチウム燐酸化合物の群から選ばれる1種又は2種以上であり、
前記負極活物質層は、一次粒子が結合し空隙を有する三次元網目構造の金属化合物粒子を含んで成り、
前記金属化合物粒子を窒素ガス吸着測定法にて測定した細孔分布から換算される差分細孔容積において、10〜40nmの範囲の細孔径における差分細孔容積が0.01cm 3 /g以上の値を有すること、
を特徴とするリチウム二次電池。 - リチウムイオンを吸蔵及び放出可能な金属化合物を含んで成る正極活物質層を含む正極と、
リチウムイオンを吸蔵及び放出可能な金属化合物を含んで成る負極活物質層を含む負極と、
前記正極と前記負極との間に介在するセパレータと、
前記正極と前記負極と前記セパレータに含浸する電解液と、
を備え、
前記正極活物質層は、リチウムマンガン酸化物と他の活物質との混合を含んで成り、
前記他の活物質は、リチウムコバルト酸化物、ニッケルコバルトアルミニウム酸化物、ニッケルコバルトマンガン酸化物及びリチウム燐酸化合物の群から選ばれる1種又は2種以上であり、
前記負極活物質層は、一次粒子が結合し空隙を有する三次元網目構造のチタン酸リチウムの粒子を含んで成ること、
を特徴とするリチウム二次電池。 - 前記三次元網目構造の断面における空隙率が、7〜50%であること、
を特徴とする請求項1又は2に記載のリチウム二次電池。 - 前記正極活物質層のうち、前記リチウムマンガン酸化物と前記他の活物質は、質量比で50:50から90:10の範囲で含有すること、
を特徴とする請求項1乃至3の何れかに記載のリチウム二次電池。 - 前記チタン酸リチウムの粒子は、
チタン酸化物の結晶子が連なって前記三次元網目構造を有し、
前記結晶子の表面の一部にマグネリ相を有すること、
を特徴とする請求項2記載のリチウム二次電池。 - 金属化合物粒子の前駆体とカーボン源とを複合化して第一の複合材料を得る第1の工程と、
前記第一の複合材料を非酸化雰囲気下で熱処理することによって、金属化合物粒子を生成し、該金属化合物粒子とカーボンとが複合化された第二の複合材料を得る第2の工程と、
前記第二の複合材料を酸素雰囲気下で熱処理することによって、カーボンを除去した金属化合物粒子を得る第3の工程と、
前記第3の工程で得た、前記カーボンを除去した金属化合物粒子を負極活物質とする負極を作製する第4の工程と、
リチウムマンガン酸化物に対して、リチウムコバルト酸化物、ニッケルコバルトアルミニウム酸化物、ニッケルコバルトマンガン酸化物及びリチウム燐酸化合物の群から選ばれる1種又は2種以上を含む活物質層を含む正極を作成する第5の工程と、
前記第4の工程及び前記第5の工程で得られた前記正極と前記負極とをセパレータを介して対向させて電解液を含浸させた素子を形成する第6の工程と、
を含むこと、
を特徴とするリチウム二次電池の製造方法。
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