JP6818235B2 - 非水電解液二次電池 - Google Patents
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Description
正極活物質に対するLi3PO4の質量割合が1質量%未満だと、正極活物質表面に形成される被膜中のリン含有量が不足して、被膜中の有機成分が増加する。その結果、被膜による正極活物質保護機能が低下し、高温保存特性が悪くなる。正極活物質に対するLi3PO4の質量割合が5質量%を超えると、正極活物質表面に形成される被膜中のリン含有量が過剰となり、被膜中の無機成分の局所成長が生じて被膜の緻密性が低下する。その結果、高温保存特性が悪くなる。正極活物質に対するLi2WO4の質量割合が0.2質量%未満だと、被膜中のタングステン含有量が不足して、被膜中の有機成分が増加する。その結果、被膜による正極活物質保護機能が低下し、高温保存特性が悪くなる。正極活物質に対するLi2WO4の質量割合が0.9質量%を超えると、正極活物質表面に形成される被膜中のタングステン含有量が過剰となり、被膜中の無機成分の局所成長が生じて被膜の緻密性が低下する。その結果、高温保存特性が悪くなる。
したがって、Li3PO4の含有量と、Li2WO4の含有量とを適切に管理することによって、イオン伝導性(特に電荷担体となるイオンの伝導性)を有する緻密な被膜を正極活物質表面に形成することができ、高温保存時の正極活物質の劣化を抑制することができる。よって、このような構成によれば、正極活物質層にLi3PO4が添加された非水電解液二次電池であって、高温保存特性に優れる非水電解液二次電池を提供することができる。
このような構成によれば、非水電解液二次電池の抵抗が低下すると共に、容量が増大する。
ここに開示される非水電解液二次電池の好ましい一態様においては、Li3PO4は、平均粒子径が10μm以下の粒子状である。
このような構成によれば、被膜形成時のLi3PO4の分解が均一になりやすく、形成される被膜の緻密度をより高めることができ、非水電解液二次電池の高温保存特性をより向上させることができる。
また、「非水電解液二次電池」とは、非水電解液(典型的には、非水溶媒中に支持電解質を含む非水電解液)を備えた電池をいう。
正極活物質層54は、Li3PO4と、Li2WO4と、正極活物質とを含有する。
Li3PO4は、活物質表面での被膜形成に関与する成分であり、形成される被膜にはLi3PO4由来のリン原子が含有される。
Li3PO4は、正極活物質およびLi2WO4とは、固相が混ざり合うことなく別個の物質として存在する。Li3PO4は典型的には、正極活物質およびLi2WO4とは別個の粒子として存在する。
Li3PO4は、平均粒子径が10μm以下の粒子状であることが好ましい。このとき、被膜形成時のLi3PO4の分解が均一になりやすく、形成される被膜の緻密度をより高めることができ、リチウムイオン二次電池100の高温保存特性をより向上させることができる。一方、比表面積が大きくなることによるLi3PO4の過度の分解を防止する観点からは、Li3PO4は、平均粒子径が1μm以上の粒子状であることが好ましい。
なお、Li3PO4の平均粒子径は、例えば、溶媒にN−メチルピロリドンを用いたレーザ回折・散乱法により得られた累積粒度分布曲線において、微小粒子側から見た50%累積時の粒子径(D50)の値として測定することができる。
Li2WO4は、正極活物質およびLi3PO4とは、固相が混ざり合うことなく別個の物質として存在する。Li2WO4は典型的には、正極活物質およびLi3PO4とは別個の粒子として存在する。
Li2WO4が粒子状である場合、その平均粒子径には特に制限はなく、Li2WO4は、被膜形成のための分解が適度に起こるような表面積を有していることが好ましい。そこで、Li2WO4の平均粒子径は0.01μm以上15μm以下が好ましく、0.1μm以上12μm以下が好ましい。
なお、Li2WO4の平均粒子径は、例えば、溶媒にN−メチルピロリドンを用いたレーザ回折・散乱法により測定することができる。
当該リチウムニッケルマンガンコバルト系複合酸化物における、ニッケル、マンガン、およびコバルトの合計含有量に対するニッケルの含有量は、特に制限はないが、好ましくは34モル%以上である。このとき、リチウムイオン二次電池100の抵抗が低下すると共に、容量が増大する。正極活物質としてのリチウムニッケルマンガンコバルト系複合酸化物の性能を低下させない観点から、ニッケル、マンガン、およびコバルトの合計含有量に対するニッケルの含有量は、好ましくは60モル%以下である。
なお、当該リチウムニッケルマンガンコバルト系複合酸化物は、リチウム、ニッケル、マンガン、およびコバルト以外の金属元素(例、Zr、Mo、W、Mg、Ca、Na、Fe、Cr、Zn、Si、Sn、Al等)をさらに含有していてもよい。
正極活物質として好適には、下記式(I)で表されるリチウムニッケルマンガンコバルト系複合酸化物を用いることができる。
LiaNixMnyCozO2 (I)
ここで、aは、0.98≦a≦1.20を満たす。x、yおよびzは、x+y+z=1を満たす。xは、好ましくは0.20≦x≦0.60を満たし、より好ましくは0.34≦x≦0.60を満たす。yは、好ましくは0<y≦0.50を満たし、より好ましくは0<y≦0.40を満たす。zは、好ましくは0<z≦0.50を満たし、より好ましくは0<z≦0.40を満たす。
正極活物質層54は、本発明の効果を損なわない範囲内で、リチウムニッケルマンガンコバルト系複合酸化物以外の正極活物質をさらに含有していてもよい。
正極活物質の含有量は、正極活物質層54中(すなわち、正極活物質層54の全質量に対し)70質量%以上が好ましく、75質量%以上がより好ましい。
正極活物質に対するLi3PO4の質量割合が1質量%未満だと、正極活物質表面に形成される被膜中のリン含有量が不足して、被膜中の有機成分が増加する。その結果、被膜による正極活物質保護機能が低下し、高温保存特性が悪くなる。正極活物質に対するLi3PO4の質量割合が5質量%を超えると、正極活物質表面に形成される被膜中のリン含有量が過剰となり、被膜中の無機成分の局所成長が生じて被膜の緻密性が低下する。その結果、高温保存特性が悪くなる。
正極活物質に対するLi3PO4の質量割合は、好ましくは1.5質量%以上4.5質量%以下であり、より好ましくは2質量%以上4質量%以下である。
正極活物質に対するLi2WO4の質量割合が0.2質量%未満だと、被膜中のタングステン含有量が不足して、被膜中の有機成分が増加する。その結果、被膜による正極活物質保護機能が低下し、高温保存特性が悪くなる。正極活物質に対するLi2WO4の質量割合が0.9質量%を超えると、正極活物質表面に形成される被膜中のタングステン含有量が過剰となり、被膜中の無機成分の局所成長が生じて被膜の緻密性が低下する。その結果、高温保存特性が悪くなる。
正極活物質に対するLi2WO4の質量割合は、好ましくは0.25質量%以上0.85質量%以下であり、より好ましくは0.3質量%以上0.75質量%以下である。
導電材としては、例えばアセチレンブラック(AB)等のカーボンブラックやその他(例、グラファイト等)の炭素材料を好適に使用し得る。正極活物質層54中の導電材の含有量は、1質量%以上15質量%以下が好ましく、3質量%以上12質量%以下がより好ましい。
バインダとしては、例えばポリフッ化ビニリデン(PVdF)等を使用し得る。正極活物質層54中のバインダの含有量は、1質量%以上15質量%以下が好ましく、2質量%以上12質量%以下がより好ましい。
なお、正極活物質層54は、正極活物質、Li3PO4、Li2WO4、および任意成分を含有する正極活物質層形成用ペーストを作製し、正極集電体52上に塗布し、乾燥した後、必要に応じてプレス処理することにより形成することができる。正極活物質層形成用ペーストの調製方法には特に制限はない。例えば、正極活物質、Li3PO4、Li2WO4、および任意成分を溶媒(例えば、N−メチルピロリドン)に添加して混合することによりペーストを調製することができる。正極活物質粒子の表面を、Li3PO4粒子およびLi2WO4粒子の一方または両方で被覆処理した後、これをその他の成分および溶媒と混合してペーストを調製してもよい。導電材粒子の表面を、Li3PO4粒子およびLi2WO4粒子の一方または両方で被覆処理した後、これをその他の成分および溶媒と混合してペーストを調製してもよい。
負極活物質層中の負極活物質の含有量は、90質量%以上が好ましく、95質量%以上99質量%以下がより好ましい。負極活物質層中のバインダの含有量は、0.1質量%以上8質量%以下が好ましく、0.5質量%以上3質量%以下がより好ましい。負極活物質層中の増粘剤の含有量は、0.3質量%以上3質量%以下が好ましく、0.5質量%以上2質量%以下がより好ましい。
非水溶媒としては、一般的なリチウムイオン二次電池の電解液に用いられる各種のカーボネート類、エーテル類、エステル類、ニトリル類、スルホン類、ラクトン類等の有機溶媒を、特に限定なく用いることができる。具体例として、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ジエチルカーボネート(DEC)、ジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、モノフルオロエチレンカーボネート(MFEC)、ジフルオロエチレンカーボネート(DFEC)、モノフルオロメチルジフルオロメチルカーボネート(F−DMC)、トリフルオロジメチルカーボネート(TFDMC)等が挙げられる。このような非水溶媒は、1種を単独で、あるいは2種以上を適宜組み合わせて用いることができる。
支持塩としては、例えば、LiPF6、LiBF4、LiClO4等のリチウム塩(好ましくはLiPF6)を用いることができる。支持塩の濃度は、0.7mol/L以上1.3mol/L以下が好ましい。
これに対し本実施形態では、被膜形成に関与する成分として、Li3PO4およびLi2WO4が存在するため、これらが共に分解して、Li3PO4およびLi2WO4に由来する被膜であってリン原子およびタングステン原子を含有する被膜が、何らかの相互作用により緻密に形成される(推測では、Li、P、W、およびOが複合した無機物と、有機物とが適切に配置された緻密な被膜が形成される)。
したがって以上のように、正極活物質にリチウムニッケルマンガンコバルト系複合酸化物を用い、Li3PO4の含有量と、Li2WO4の含有量とを適切に管理することによって、リン原子およびタングステン原子を含有するイオン伝導性(特に電荷担体となるイオンの伝導性)を有する緻密な被膜を正極活物質表面に形成することができ、高温保存時の正極活物質の劣化を抑制することができる。よって、特定量のLi3PO4と、特定量のLi2WO4との組み合わせによって、高温保存特性(特に、高温保存時の容量劣化耐性)に優れるリチウムイオン二次電池100が提供される。
正極活物質として層状岩塩型構造のLiNi0.34Co0.33Mn0.33O2(LNCM)と、表1に示す平均粒子径を有するLi3PO4と、平均粒子径10μmのLi2WO4と、導電材としてのアセチレンブラック(AB)と、バインダとしてのポリフッ化ビニリデン(PVdF)とをLNCM:Li3PO4:Li2WO4:AB:PVdF=100:q:r:13:13の質量比(qおよびrは表1に示す値である)でN−メチル−2−ピロリドン(NMP)と混合し、正極活物質層形成用ペーストを調製した。このペーストを、アルミニウム箔上に塗布し、乾燥して正極活物質層を形成した。次いでプレス処理を行うことにより、正極シートを作製した。
また、負極活物質としての天然黒鉛(C)と、バインダとしてのスチレンブタジエンゴム(SBR)と、増粘剤としてのカルボキシメチルセルロース(CMC)とを、C:SBR:CMC=98:1:1の質量比でイオン交換水と混合して、負極活物質層形成用ペーストを調製した。このペーストを、銅箔上に塗布し、乾燥した後、プレスすることにより、負極シートを作製した。
また、セパレータシートとして多孔性ポリオレフィンシートを用意した。
エチレンカーボネート(EC)とエチルメチルカーボネート(EMC)とジメチルカーボネート(DMC)とを1:1:1の体積比で含む混合溶媒を準備し、これに支持塩としてのLiPF6を1.0mol/Lの濃度で溶解させて非水電解液を調製した。
上記の正極シート、負極シート、セパレータ、および非水電解液を用いて評価用リチウムイオン二次電池A1〜A5およびB1〜B7を作製した。
上記作製した各評価用リチウムイオン二次電池をSOC(State of Charge)80%に調整した後、55℃に設定した高温槽内で10日間保存した。その後、1Cの電流値で2サイクル充放電を行い、2サイクル目の放電容量を求めた。次いで、各評価用リチウムイオン二次電池について、放電容量の所定の基準値を100とした場合の放電容量の比を算出した。結果を表1に示す。
したがって、ここに開示される非水電解液二次電池は、高温保存特性に優れていることがわかる。
30 電池ケース
36 安全弁
42 正極端子
42a 正極集電板
44 負極端子
44a 負極集電板
50 正極シート(正極)
52 正極集電体
52a 正極活物質層非形成部分
54 正極活物質層
60 負極シート(負極)
62 負極集電体
62a 負極活物質層非形成部分
64 負極活物質層
70 セパレータシート(セパレータ)
100 リチウムイオン二次電池
Claims (3)
- 正極と、負極と、非水電解液と、を含む非水電解液二次電池であって、
前記正極は、正極活物質層を備え、
前記正極活物質層は、Li3PO4と、Li2WO4と、正極活物質としてリチウム、ニッケル、マンガン、およびコバルトを少なくとも含有するリチウム遷移金属複合酸化物とを含有し、
前記正極活物質に対するLi3PO4の質量割合は、1質量%以上5質量%以下であり、
前記正極活物質に対するLi2WO4の質量割合は、0.2質量%以上0.9質量%以下である、
非水電解液二次電池。 - 前記リチウム遷移金属複合酸化物における、ニッケル、マンガン、およびコバルトの合計含有量に対するニッケルの含有量は、34モル%以上である、請求項1に記載の非水電解液二次電池。
- Li3PO4は、平均粒子径が10μm以下の粒子状である、請求項1または2に記載の非水電解液二次電池。
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