JP7310118B2 - 正極材の製造方法 - Google Patents
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Description
1≦酸素[mol]/コバルト[mol]<2 ・・・(1)
<二次電池>
まず、本実施形態の正極材を用いた二次電池としてリチウム電池を例に挙げ、図1及び図2を参照して説明する。図1は第1実施形態の二次電池としてのリチウム電池の構成を示す概略斜視図、図2は第1実施形態の二次電池としてのリチウム電池の構造を示す概略断面図である。
図2に示すように、正極10は、正極活物質11pを含む基材11を有している。正極活物質11pは粒子状であって、正極活物質11p同士が接触した状態で成形されて基材11が構成されている。なお、図2では、図示の都合上、粒子状の正極活物質11pを模式的に球状として示したが、実際の正極活物質11pの外形は必ずしも球状ではなく、それぞれ不定形である。
1≦酸素[mol]/コバルト[mol]<2 ・・・(1)
つまり、物質11aは、酸化コバルト(2価)(CoO)よりもコバルトに対する酸素のモル比が小さい、例えば、Co3O4などのコバルトの酸化物である。このような正極10の厚みは、例えば150μm~200μmである。正極材としての正極10の製造方法の詳細については、後述するリチウム電池100の製造方法において説明する。
負極30に含まれる負極活物質としては、例えば、Nb2O5、V2O5、Ti2O2、In2O5、ZnO、SnO2、NiO、ITO(Snが添加された酸化インジウム)、AZO(アルミニウムが添加された酸化亜鉛)、GZO(ガリウムが添加された酸化亜鉛)、ATO(アンチモンが添加された酸化スズ)、FTO(フッ素が添加された酸化スズ)、TiO2のアナターゼ相、Li4Ti5O12、Li2Ti3O7などのTiを含むリチウム複合金属酸化物、Li、Si、Sn、Si-Mn、Si-Co、Si-Ni、In、Auなどの金属及び合金、炭素材料、炭素材料の層間にリチウムイオンが挿入された物質などを用いることができる。
正極10と負極30との間に設けられた電解質20は、固体電解質で構成されている。固体電解質としては、酸化物、硫化物、ハロゲン化物、窒化物、水素化物、ホウ化物などからなる結晶質または非晶質を用いることができる。
集電体41,42は、例えば、銅(Cu)、マグネシウム(Mg)、チタン(Ti)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、亜鉛(Zn)、アルミニウム(Al)、ゲルマニウム(Ge)、インジウム(In)、金(Au)、白金(Pt)、銀(Ag)、及びパラジウム(Pd)の金属群から選ばれる1種の金属(金属単体)や、該金属群から選ばれる2種以上の金属からなる合金などが用いられている。
次に、本実施形態の正極材としての正極10の製造方法を含むリチウム電池100の製造方法について、図3~図6を参照して説明する。図3は第1実施形態の二次電池としてのリチウム電池の製造方法を示すフローチャート、図4~図6は第1実施形態のリチウム電池の製造方法における工程を示す概略図である。
つまり、ラマンシフトが670cm-1以上700cm-1以下における相対強度のピークは、還元処理によって基材11の表面に形成された物質11aの存在を示すものであって、物質11aは、酸素とコバルトとのモル[mol]比が下記式(1)を満たすコバルトの酸化物(CoxOy)である。
1≦酸素[mol]/コバルト[mol]<2 ・・・(1)
(1)正極材としての正極10は、粒子状のコバルト酸リチウムを含む基材11と、基材11の表面に設けられ、酸素とコバルトとのモル[mol]比が下記式(1)を満たす物質11aと、を備えている。
1≦酸素[mol]/コバルト[mol]<2 ・・・(1)
上記式(1)で示される物質11aは、酸化コバルト(2価)(CoO)よりも酸素のモル比が小さいコバルトの酸化物(CoxOy)である。粒子状のコバルト酸リチウムを含む基材11の表面がコバルトの酸化物(CoxOy)により構成されることで、正極10の電気抵抗を低下させることができる。このような正極10を備えることによって、内部抵抗が従来よりも小さいリチウム電池100を提供することができる。
<他の二次電池>
次に、第2実施形態の二次電池について、上記第1実施形態と同様にリチウム電池を例に挙げ、図8を参照して説明する。図8は第2実施形態の二次電池としてのリチウム電池の構造を示す概略断面図である。第2実施形態のリチウム電池200は、上記第1実施形態のリチウム電池100に対して、正極材の構成を異ならせたものである。したがって、上記第1実施形態と同じ構成には、同じ符号を用いて、詳細な説明は省略する。
図8に示すように、正極210は、粒子状の正極活物質11pを含む基材11を有している。粒子状の正極活物質11p同士が接触した状態で成形されて基材11が構成されている。正極活物質11pはコバルト酸リチウム(LCO)である。
1≦酸素[mol]/コバルト[mol]<2 ・・・(1)
つまり、物質11aは、酸化コバルト(2価)(CoO)よりも酸素のモル比が小さいコバルトの酸化物(CoxOy)である。
次に、本実施形態の正極材としての正極210の製造方法を含むリチウム電池200の製造方法について、図9~図11を参照して説明する。図9は第2実施形態の二次電池としてのリチウム電池の製造方法を示すフローチャート、図10及び図11は第2実施形態の二次電池としてのリチウム電池の製造方法における工程を示す概略図である。
(5)正極210の基材11における内部の空隙には、第2電解質12が充填されていることから、正極活物質11pと第2電解質12とが接触することで活物質としてのLiイオンが伝導する伝導路が上記第1実施形態のリチウム電池100よりも増えて内部抵抗をより小さくすることができる。また、第2電解質12は活物質としてのLiを含むことから、上記第1実施形態のリチウム電池100よりもエネルギー密度が向上したリチウム電池200を提供できる。
<他の二次電池>
次に、第3実施形態の二次電池について、上記第1実施形態と同様にリチウム電池を例に挙げ、図12を参照して説明する。図12は第3実施形態の二次電池としてのリチウム電池の構造を示す概略断面図である。第3実施形態のリチウム電池300は、上記第1実施形態のリチウム電池100に対して、電解質として電解液を用いたものである。したがって、上記第1実施形態と同じ構成には、同じ符号を用いて、詳細な説明は省略する。
図12に示すように、正極310は、粒子状の正極活物質11pを含む基材11を有している。粒子状の正極活物質11p同士が接触した状態で成形されて基材11が構成されている。正極活物質11pはコバルト酸リチウム(LCO)である。
1≦酸素[mol]/コバルト[mol]<2 ・・・(1)
つまり、物質11aは、酸化コバルト(2価)(CoO)よりも酸素のモル比が小さいコバルトの酸化物(CoxOy)である。このような正極310の厚みは、例えば150μm~200μmである。
負極330に含まれる負極活物質としては、上記第1実施形態で説明したように、例えば、Nb2O5、V2O5、Ti2O2、In2O5、ZnO、SnO2、NiO、ITO(Snが添加された酸化インジウム)、AZO(アルミニウムが添加された酸化亜鉛)、GZO(ガリウムが添加された酸化亜鉛)、ATO(アンチモンが添加された酸化スズ)、FTO(フッ素が添加された酸化スズ)、TiO2のアナターゼ相、Li4Ti5O12、Li2Ti3O7などのTiを含むリチウム複合金属酸化物、Li、Si、Sn、Si-Mn、Si-Co、Si-Ni、In、Auなどの金属及び合金、炭素材料、炭素材料の層間にリチウムイオンが挿入された物質などを用いることができる。
本実施形態では、負極330として、厚みがおよそ100μmのリチウム金属箔を用いた。
セパレーター320は、多孔質な材料で構成されている。多孔質な材料としては、例えば、不織布や多孔性の樹脂フィルムなどが挙げられる。本実施形態では、厚みが15μmの多孔性ポリプロピレンフィルム(旭化成株式会社製のセルガード#2500;登録商標)を用いた。
電解液312は、活物質であるリチウムを含む化合物を非水系の溶媒に溶解させた溶液である。本実施形態では、電解液312として、エチレンカーボネートと炭酸ジエチルとを体積比1:1で混合した溶媒に、六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)を1mol/L(リットル)の濃度で溶解させたものを用いた。
正極310と接する集電体41は、厚みが例えば20μmのアルミニウム箔からなる。負極330に接する集電体42は、厚みが例えば20μmの銅箔からなる。なお、集電体41,42の構成材料はこれに限定されるものではなく、上記第1実施形態で説明したように、Au(金)などの金属や、2種以上の金属からなる合金を用いてもよい。
次に、本実施形態のリチウム電池300の製造方法について、図13、図14を参照して説明する。図13は第3実施形態の二次電池としてのリチウム電池の製造方法を示すフローチャート、図14は第3実施形態の二次電池としてのリチウム電池の製造方法における工程を示す概略図である。
(7)リチウム電池300は、電解質として電解液312を用いていることから、固体電解質を用いる場合に比べて、正極310における正極活物質11pと電解液312との間、及び負極330と電解液312との間において、リチウムイオンや電子が伝導する界面を十分に確保できる。すなわち、高いエネルギー密度を有すると共に、内部抵抗がより小さいリチウム電池300を提供あるいは製造することができる。
次に、上記第1実施形態から上記第3実施形態のリチウム電池の正極として用いられた正極材の実施例と比較例とを挙げて、具体的な効果について説明する。
実施例1の正極材は、上記第1実施形態のリチウム電池100の正極10として用いられたものである。具体的には、上記第1実施形態のリチウム電池100の製造方法におけるステップS1~ステップS4の工程を経て得られた正極材であって、LCOからなる正極活物質11pを含む基材11を還元処理することにより、基材11の表面に酸素とコバルトとのモル比が上述した式(1)を満たすコバルトの酸化物(CoxOy)からなる物質11aを形成した。実施例1における還元処理の条件は、グリーンシート法で形成された基材11をグラファイト90で挟み、アルゴン(Ar)ガスを含む還元雰囲気下で、800℃で2時間、加熱処理を施した。実施例1の正極材の厚みは160μmである。
実施例2の正極材は、実施例1の正極材に対して、還元処理における加熱時間を1時間としたものであり、他の構成は実施例1の正極材と同じである。
実施例3の正極材は、上記第2実施形態のリチウム電池200の正極210として用いられたものである。具体的には、上記第2実施形態のリチウム電池200の製造方法におけるステップS11~ステップS17の工程を経て得られた正極材であって、LCOからなる正極活物質11pを含む基材11を還元処理することにより、基材11の表面に酸素とコバルトとのモル比が上述した式(1)を満たすコバルトの酸化物(CoxOy)からなる物質11aを形成した。実施例3における還元処理の条件は、グリーンシート法で形成された基材11をグラファイト90で挟み、アルゴン(Ar)ガスを含む還元雰囲気下で、800℃で2時間、加熱処理を施した。また、ステップS15の第2電解質前駆体液の充填工程では、第2電解質12としてのLi6.6La3Zr1.3Sb0.5Ta0.2O12を形成する原料として、下記のゾルゲル溶液12SGを用いた。まず原料溶液として、LiNO3、La(NO3)3、Zr(OC4H9)4、Sb(OC4H9)3、Ta(OC2H5)5をそれぞれブトキシエタノールに溶解して質量モル濃度1.0mol/kgとしたものを調製した。続いて、調整によって得られた原料溶液としての、LiNO3溶液を6.6mmol(ミリモル)、La(NO3)3溶液を3mmol、Zr(OC4H9)4溶液を1.3mmol、Sb(OC4H9)3溶液を0.5mmol、およびTa(OC2H5)5溶液を0.2mmol、それぞれ計りとり、混合したものをゾルゲル溶液12SGとした。ステップS15でゾルゲル溶液12SGを基材11に充填後、ステップS16の焼成工程において、1000℃で8時間焼成した。さらに、ステップS17の研磨工程で、焼成後の基材11に研磨処理を施した。研磨処理後の実施例3の正極材の厚みは、およそ160μmである。
実施例4の正極材は、上記第3実施形態のリチウム電池300の正極310として用いられ、電解液312が充填されたものである。具体的には、上記第3実施形態のリチウム電池300の製造方法におけるステップS21~ステップS25の工程を経て得られた正極材であって、LCOからなる正極活物質11pを含む基材11を還元処理することにより、基材11の表面に酸素とコバルトとのモル比が上述した式(1)を満たすコバルトの酸化物(CoxOy)からなる物質11aを形成した。実施例4における還元処理の条件は、グリーンシート法で形成された基材11をグラファイト90で挟み、アルゴン(Ar)ガスを含む還元雰囲気下で、800℃で2時間、加熱処理を施した。また、ステップS25で基材11に集電体41を形成した後に、セパレーター320を設置せずに、電解液312を充填したものである。電解液312は、上述したように、エチレンカーボネートと炭酸ジエチルとを体積比1:1で混合した溶媒に、六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)を1mol/L(リットル)の濃度で溶解させたものである。電解液312を充填した後の実施例4の正極材の厚みはおよそ160μmである。
比較例1の正極材は、実施例1の正極材に対して、ステップS4の還元処理を行っていないものである。他の構成は、実施例1の正極材と同じである。
実施例1~実施例4、及び比較例1の正極材の電気抵抗を測定して評価した。電気抵抗の測定方法としては、実施例1~実施例4、及び比較例1の正極材において、基材の両面に金(Au)をスパッタして電極とし、電極間における電気抵抗を測定した。測定結果を以下の表1に示す。
A;100Ω・cm2未満
B;100Ω・cm2以上1000Ω・cm2未満
C;1000Ω・cm2以上
実施例1と実施例2の正極材における基材11内の空隙には、何も充填されていないが、アルゴン(Ar)ガスを含む還元雰囲気下で還元処理が行われているため、Arが含まれている可能性がある。一方で、実施例3の正極材における基材11内の空隙にはゾルゲル法により固体電解質であるLi6.6La3Zr1.3Sb0.5Ta0.2O12が形成されている。また、実施例4の正極材における基材11内の空隙には、電解液312が充填されている。
具体的には、図15は、正極10として実施例1の正極材を用いた上記第1実施形態のリチウム電池100において、25℃で、充放電電流を0.05Cとして、下限放電電圧を3.0V、上限充電電圧を4.0Vとし、充電、放電の各ステップの上限時間を20時間として、充放電における容量密度(mAh/g)の変化を示す充放電グラフである。
<電子機器>
次に、本実施形態の電子機器について、ウェアラブル機器を例に挙げて説明する。図16は第4実施形態の電子機器としてのウェアラブル機器の構成を示す斜視図である。
1≦酸素[mol]/コバルト[mol]<2 ・・・(1)
この構成によれば、ラマン分光法を用いて上記物質を分析したときのラマンシフトが、670cm-1以上700cm-1以下であれば、上記物質が、上記式(1)を満たしていることを証明できる。
この構成によれば、正極材に占める正極活物質としてのコバルト酸リチウムの体積をそれほど低下させずに、正極材の電気抵抗を低下させることができる。
本願の構成によれば、所望の放電容量が確保された二次電池を備えていることから、長時間に亘って使用可能な電子機器を提供することができる。
この方法によれば、グリーンシート法により電気抵抗が低減された正極材を効率的に製造することができる。
この方法によれば、グリーンシート法に比べて、成形物は結着剤や溶媒を含まないことから、電子伝導性に優れ電気抵抗が低減された正極材を製造することができる。
この方法によれば、コバルト酸リチウムに含まれる酸素をグラファイトによって還元して、基材の表面にコバルトの酸化物を形成できる。
この方法によれば、コバルト酸リチウムに含まれる酸素を水素によって還元して、基材の表面にコバルトの酸化物を形成できる。
Claims (2)
- 粒子状のコバルト酸リチウムを用いて基材を形成する第1工程と、
前記第1工程の後に行われ、酸素を還元する還元雰囲気下で前記基材を加熱して、前記基
材の表面に物質を形成する第2工程と、を備えた正極材の製造方法であって、
前記第1工程は、
前記粒子状のコバルト酸リチウムと、結着剤と、溶媒とを混ぜ合わせた混合物を成形して
シートとする工程と、
前記混合物の前記シートを加熱して、前記溶媒を除去する工程と、
加熱された前記シートを成形し、成形物を成形する工程と、
前記成形物を焼結して前記基材を形成する工程と、を含み、
前記物質は、コバルトの酸化物であって、前記酸化物の酸素とコバルトのモル比が下記式
(1)を満たすことを特徴とする
正極材の製造方法。
1≦酸素[mol]/コバルト[mol]<2・・・(1)。 - 前記第2工程において、前記基材はシート状のグラファイトで挟まれていることを特徴と
する請求項1に記載の正極材の製造方法。
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