JP6822181B2 - 非水電解質蓄電素子及びその製造方法 - Google Patents
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Description
装置:KRATOS ANALYTICAL社の「AXIS NOVA」
X線源:単色化AlKα
加速電圧:15kV
分析面積:700μm×300μm
測定範囲:P2p=142〜125eV、Mn2p3/2=660〜634.8eV、C1s=300〜272eV
測定間隔:0.1eV
測定時間:P2p=72.3秒/回、測定時間Mn2p3/2=60.2秒/回、C1s=70.0秒/回
積算回数:P2p=15回、Mn2p3/2=15回、C1s=8回
相対感度係数:P2p=1.19 Mn2p3/2=13.9 C1s=1
本発明の一実施形態に係る蓄電素子は、正極、負極及び非水電解質を有する。以下、蓄電素子の一例として、非水電解質二次電池について説明する。上記正極及び負極は、通常、セパレータを介して積層又は巻回により交互に重畳された電極体を形成する。この電極体はケースに収納され、このケース内に非水電解質が充填される。上記非水電解質は、正極と負極との間に介在する。また、上記ケースとしては、非水電解質二次電池のケースとして通常用いられる公知のアルミニウムケース、樹脂ケース等を用いることができる。
上記正極は、正極基材、及びこの正極基材に直接又は中間層を介して配される正極合材層を有する。
上記負極は、負極基材、及びこの負極基材に直接又は中間層を介して配される負極合材層を有する。上記中間層は正極の中間層と同様の構成とすることができる。
上記セパレータの材質としては、例えば織布、不織布、多孔質樹脂フィルム等が用いられる。これらの中でも、強度の観点から多孔質樹脂フィルムが好ましく、非水電解質の保液性の観点から不織布が好ましい。上記セパレータの主成分としては、強度の観点から例えばポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィンが好ましく、耐酸化分解性の観点から例えばポリイミドやアラミド等が好ましい。また、これらの樹脂を複合してもよい。
上記非水電解質としては、一般的な非水電解質蓄電素子に通常用いられる公知の非水電解質が使用できる。上記非水電解質は、非水溶媒と、この非水溶媒に溶解されている電解質塩を含む。
当該蓄電素子は、公知の製造方法を組み合わせて製造することができるが、以下の方法により製造することが好ましい。すなわち、本発明の一実施形態に係る非水電解質蓄電素子の製造方法は、
(1)正極合材ペーストを用いて初期充電前の正極を製造すること、及び
(2)上記正極合材ペーストを用いて形成された初期充電前の正極を備える初期充電前の非水電解質蓄電素子を初期充電すること
を備える。
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、上記態様の他、種々の変更、改良を施した態様で実施することができる。例えば、上記正極又は負極において、中間層を設けなくてもよい。また、当該非水電解質蓄電素子の正極又は負極において、正極合材又は負極合材は明確な層を形成していなくてもよい。例えば上記正極又は負極は、メッシュ状の基材に正極合材又は負極合材が担持された構造などであってもよい。
(初期充電前の正極の作製)
正極活物質として、組成式Li1.18Ni0.10Co0.17Mn0.55O2で表される、炭酸塩前駆体由来のリチウム遷移金属複合酸化物を用いた。この正極活物質のBET比表面積は7.1m2/g、タップ密度は2.0g/cm3、JIS−Z−8819−2(2001年)に準拠し計算される体積基準積算分布が10%となる値(D10)は10μm、D50は12μm、及び上記体積基準積算分布が90%となる値(D90)は16μmであった。分散媒としてN−メチルピロリドン(NMP)を用い、正極活物質としてのリチウム遷移金属複合酸化物、導電剤としてのアセチレンブラック(AB)、及びバインダーとしてのポリフッ化ビニリデン(PVDF)を固形分換算で94:4.5:1.5の質量比で混合した。この混合物に、添加剤として、正極活物質の質量に対して1質量%のホスホン酸(H3PO3)を添加し、正極合材ペーストを得た。この正極合材ペーストを、正極基材であるアルミニウム箔の片面に塗布し、100℃で乾燥することにより、正極基材上に正極合材を形成した。正極合材ペーストの塗布量は、固形分で13.5mg/cm2とした。このようにして、初期充電前の正極を得た。
負極活物質としてグラファイト、バインダーとしてスチレン−ブタジエン・ゴム、及び分散媒として水を用い、負極合材ペーストを作製した。なお、負極活物質とバインダーとの質量比率は97:3とした。この負極合材ペーストを負極基材である銅箔の片面に塗布し、100℃で乾燥した。負極合材の塗布量は、固形分で11.5mg/cm2とした。このようにして、負極を得た。
ECとEMCとを体積比3:7の割合で混合した混合溶媒に、ヘキサフルオロリン酸リチウム(LiPF6)を1.0mol/lの濃度で溶解させ、非水電解質を調製した。
セパレータとして、ポリエチレン及びポリプロピレンを含むポリオレフィン製微多孔膜の片面に無機層が形成されたセパレータを用いた。このセパレータを介して、上記初期充電前の正極と上記負極とを積層することにより電極体を作製した。この電極体を金属樹脂複合フィルム製のケースに収納し、内部に上記非水電解質を注入した後、熱溶着により封口し、小型ラミネートセルである初期充放電前の非水電解質蓄電素子を組み立てた。
組立後の初期充放電前の非水電解質蓄電素子について、以下の条件にて初期充放電を行った。25℃で4.50Vまで0.1Cの定電流充電したのちに、4.50Vで定電圧充電した。充電の終了条件は、充電電流が0.02Cになるまでとした。このときの正極電位は、4.60V(vs.Li/Li+)であった。充電後に10分間の休止を設けた後に、25℃で2.00Vまで0.1Cの定電流で放電した。この初期充放電工程を経て、実施例1の非水電解質蓄電素子(二次電池)を完成させた。なお、上記初期充放電は、25℃の恒温槽内で行った。
初期充放電の際の温度を表1に示すとおりとしたこと以外は、実施例1と同様にして、実施例2〜4の非水電解質蓄電素子を得た。
正極合材ペーストの作製においてホスホン酸を添加せず、初期充放電の際の温度を表1に示すとおりとしたこと以外は、実施例1と同様にして、比較例1〜4の非水電解質蓄電素子を得た。
正極合材ペーストの作製においてホスホン酸を添加せず、非水電解質に1質量%の濃度でトリス(トリメチルシリル)ホスフェート)(TMSP)を添加し、初期充放電の際の温度を表1に示すとおりとしたこと以外は、実施例1と同様にして、比較例5の非水電解質蓄電素子を得た。
(放電容量確認試験)
上記手順を経て完成した各非水電解質蓄電素子について、以下の条件にて初期容量確認試験を行った。25℃で4.35Vまで0.1Cの定電流充電したのちに、4.35Vで定電圧充電した。充電の終了条件は、充電電流が0.02Cになるまでとした。充電終止時の正極電位は、4.45V(vs.Li/Li+)であった。充電後に10分間の休止を設けたのちに、25℃で2.00Vまで1Cで定電流放電した。これにより、初期の放電容量を測定した。正極活物質質量あたりの1Cにおける放電容量を表1に示す。
初期容量確認試験後の放電末状態の各非水電解質蓄電素子を露点−60℃以下のアルゴン雰囲気中にて解体して正極を取り出し、ジメチルカーボネートで洗浄したのち、常温で減圧乾燥した。得られた正極をアルゴン雰囲気中にてトランスファーベッセルに封入し、上記した条件にて正極の正極合材表面のXPS測定を行った。得られたスペクトルから、上記した方法により、P2pのピーク位置及びピーク高さ、並びにMn2p3/2のピーク高さを求めた。また、両ピーク高さから、Mn2p3/2とP2pとのピーク高さ比(Mn2p3/2/P2p)を求めた。得られたP2pのピーク位置及びピーク高さ比(Mn2p3/2/P2p)を表1に示す。
各非水電解質蓄電素子について、0.1Cで定電流放電したこと以外は、上記放電容量確認試験と同様にして、0.1Cにおける放電容量を測定した。この測定値と、上記放電容量確認試験の1Cにおける放電容量の測定値から、高率放電性能を示す指標として、これらの放電容量比((1Cにおける放電容量/0.1Cにおける放電容量)×100(%))を求めた。この値を表1に示す。
各非水電解質蓄電素子を、45℃の恒温槽内に2時間保管した後、4.35Vまで1Cの定電流充電したのちに、4.35Vで定電圧充電した。充電の終了条件は、充電電流が0.02Cになるまでとした。充電後に10分間の休止を設けた後に、2.00Vまで1Cで定電流放電した。これら充電及び放電の工程を1サイクルとして、このサイクルを40サイクル繰り返した。充電、放電及び休止ともに、45℃の恒温槽内で行った。
2 電極体
3 電池容器
4 正極端子
4’ 正極リード
5 負極端子
5’ 負極リード
20 蓄電ユニット
30 蓄電装置
Claims (4)
- リチウム遷移金属複合酸化物とリン原子とを含む正極合材を有する正極を備え、
上記リチウム遷移金属複合酸化物がα−NaFeO2型の結晶構造を有し、リチウム(Li)と遷移金属(Me)とのモル比(Li/Me)が1より大きく、上記遷移金属がマンガン(Mn)を含み、上記遷移金属に占める上記マンガンのモル比(Mn/Me)が0.5より大きく、
X線光電子分光法による上記正極合材のスペクトルにおいて、Mn2p3/2とP2pとのピーク高さ比(Mn2p3/2/P2p)が1以下である非水電解質蓄電素子。 - 上記X線光電子分光法による上記正極合材のスペクトルにおいて、P2pのピーク位置が135eV以下である請求項1の非水電解質蓄電素子。
- 35℃以上の温度環境下で行う初期充電により、正極を備える非水電解質蓄電素子を製造することを備え、
上記初期充電前の正極は、リンのオキソ酸及びリチウム遷移金属複合酸化物を含む正極合材ペーストを用いて形成され、
上記リチウム遷移金属複合酸化物がα−NaFeO 2 型の結晶構造を有し、リチウム(Li)と遷移金属(Me)とのモル比(Li/Me)が1より大きく、上記遷移金属がマンガン(Mn)を含み、上記遷移金属に占める上記マンガンのモル比(Mn/Me)が0.5より大きい非水電解質蓄電素子の製造方法。 - 上記正極合材ペーストを用いて上記初期充電前の正極を製造することをさらに備える請求項3の非水電解質蓄電素子の製造方法。
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