JPH08213015A - リチウム二次電池用正極活物質及びリチウム二次電池 - Google Patents

リチウム二次電池用正極活物質及びリチウム二次電池

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JPH08213015A
JPH08213015A JP3631495A JP3631495A JPH08213015A JP H08213015 A JPH08213015 A JP H08213015A JP 3631495 A JP3631495 A JP 3631495A JP 3631495 A JP3631495 A JP 3631495A JP H08213015 A JPH08213015 A JP H08213015A
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lithium secondary
lt
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Yasunobu Iwakoshi
Kouji Sekai
孝二 世界
康申 岩越
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    • Y02E60/122Lithium-ion batteries

Abstract

(57)【要約】 【目的】 リチウム二次電池の自己放電特性やサイクル
特性を向上させることができる正極活物質を得る。 【構成】 層状結晶構造を有し、かつ次式 LiNiCo (0.8≦x≦1.2 、0.01≦a≦0.99 、
0.01≦b≦0.99、0.01≦c≦0.3 、
0.8≦a+b+c≦1.2 、MはAl、V、Mn、
Fe、Cu及びZnから選ばれる少なくとも1種の元
素)で表されるリチウム含有複合酸化物をリチウム二次
電池用正極活物質とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【0001】

【産業上の利用分野】本発明は、リチウム二次電池の正
極活物質として有用なリチウム含有複合酸化物に関す
る。

【0002】

【従来の技術】リチウム二次電池は、各種電子機器にお
いて、高出力、高エネルギー密度を達成できる充放電可
能なポータブル電源として注目されており、活発に研究
が進められている。

【0003】リチウム二次電池は、負極活物質としてリ
チウム又はリチウム化合物を使用するものであり、その
負極材料としては、一般に、リチウム(リチウムイオン
を含む)を可逆的にドープ、脱ドープできる導電性高分
子もしくは層状化合物(炭素材料、金属酸化物等)、金
属リチウム又はリチウム合金が使用されている。

【0004】一方、正極を形成する正極活物質として
は、スピネル類縁結晶構造を有するLiMnや層
構造を有するLiMeO(Me=Co、Ni)(特
公昭63−59507号公報)などのリチウムをドー
プ、脱ドープすることができる遷移金属とリチウムとの
複合酸化物が使用されている。

【0005】このようなリチウム二次電池において、自
己放電特性や構造安定性等の保存特性や電池のサイクル
特性は、電極活物質や電解液に依存しているため、これ
らの特性の改善のためには、電極活物質や電解液の改良
が不可欠となっている。そこで、従来よりこれらについ
て、種々の提案がなされている。

【0006】例えば、正極活物質に関しては、上述の層
構造を有するLiMeO(Me=Co、Ni)は、
リチウムを脱離させると4.0Vvs.Li/Li
上の電位を示すことや、リチウムの挿入脱離量が大きい
ことから、非水電解液リチウム二次電池用の正極活物質
として有用な酸化物となっているが、電極電位が高いた
め、電解液の分解や副反応が引き起こされやすいので、
自己放電や安全性上の問題点を有している。そこで、こ
れまでにLiCoO中のCo元素の一部をAl、I
n、Sn、W、Mn、Ta、Ti、Nb等の異種金属で
置換する試みがなされている。より具体的には、特開昭
63−121258号公報にはA
(Aはアルカリ金属で0.05≦x≦1.10 、B
は遷移金属で0.85≦y≦1.00 、CはAl、I
n又はSnで0.001≦z≦0.10 、DはA以外
のアルカリ金属;B以外の遷移金属;IIa 族元素;又は
Al、In、Sn、C、N及びOを除くIIIb〜VIb 族の
第2〜6周期の元素で0.001≦w≦0.10)が提
案されており、また、特開平3−201368号公報に
は、LiCo1−y(0.85≦x≦1.3
、0.05≦y≦0.35 、MはW、Mn、Ta、
Ti及びNbから選ばれる少なくとも一種)が提案され
ている。

【0007】また、リチウムとコバルトを含有する複合
酸化物中のコバルトを、より安価なニッケルに代えるこ
とについても研究されており、例えば、LiNi
1−y(0≦y≦1)(J.Power.Sources,43-44,
595(1993) )、LiNiO(J.Electrochem.Soc.,1
40,1862(1993) )等が提案されている。また、ニッケル
をマンガンに置換したLiMnNi1−y(0
≦y≦0.5)(Solid State Ionics,57,311(1992) )
等も提案されている。

【0008】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、リチウ
ムとニッケルを含有する複合酸化物中のニッケルの一部
を異種金属で置換するという従来の異種金属固溶による
正極活物質の改良によっては、正極活物質の特性を十分
に向上させることができず、放電容量の低下や活物質の
微粉化が問題となっている。したがって、それらは実用
化されるには至っていない。

【0009】本発明は、このような従来技術の課題を解
決しようとするものであり、リチウム二次電池の自己放
電特性や構造安定性等の保存特性や電池のサイクル特性
を向上させることのできる正極活物質を提供することを
目的とする。

【0010】

【課題を解決するための手段】本発明者は、LiNi
Co1−yの複合酸化物中のニッケル及びコバル
トの少なくとも一部を特定の元素で置換することにより
上記の目的を達成できることを見出し、本発明を完成さ
せるに至った。

【0011】即ち、本発明は、層状結晶構造を有し、次
式 LiNiCo (0.8≦x≦1.2 、0.01≦a≦0.99 、
0.01≦b≦0.99、0.01≦c≦0.3 、
0.8≦a+b+c≦1.2 、MはAl、V、Mn、
Fe、Cu及びZnから選ばれる少なくとも1種の元
素)で表されるリチウム含有複合酸化物からなることを
特徴とするリチウム二次電池用正極活物質を提供する。

【0012】また、このような正極活物質を正極に使用
し、負極活物質としてリチウム又はリチウム化合物を使
用したリチウム二次電池を提供する。

【0013】以下、本発明を詳細に説明する。

【0014】本発明の正極活物質は、LiNiCo
1−yの複合酸化物中のニッケル及びコバルトの一
部をAl、V、Mn、Fe、Cu及びZnから選ばれる
少なくとも1種の元素で置換したものであり、Li
Coであらわされるものである。ここ
で、xは、0.8〜1.2の範囲の数値をとり、好まし
くは1である。aは、b及びcに対して大きくする程、
安価なニッケルの割合を多くすることができるので、製
造コストを低下させる点からは好ましいが、ニッケルの
割合が多くなりすぎると自己放電特性やサイクル特性が
低下するので、aを0.01〜0.99範囲とし、bを
0.01〜0.99、cを0.01〜0.3、a+b+
cを0.8〜1.2とする。このcが小さすぎると本発
明の効果を得ることができず、大きすぎると層状の結晶
構造がくずれ、電池容量が低下するので好ましくない。

【0015】また、このリチウム含有複合酸化物は層状
の結晶構造を有するものとする。好ましくは、Li
oOと類似のα−NaFeO型結晶構造を有するも
のとする。これにより、リチウムを可逆的にドープ、脱
ドープできる正極活物質とすることができる。

【0016】このようなリチウム含有複合酸化物の製造
方法については特に制限はないが、例えば、各金属のモ
ル比が所定の値となるように原料の金属塩を混合し、そ
の混合物を焼成することにより得ることができる。

【0017】本発明のリチウム含有複合酸化物は、従来
のLi含有複合酸化物と同様に正極活物質として使用す
ることができる。例えば、公知の導電剤や結着剤と混合
し、成形することによりリチウム二次電池の正極として
有用なものとなる。この場合、本発明のリチウム含有複
合酸化物は、非水電解液リチウム二次電池、全固体リチ
ウム二次電池等のいずれのタイプのリチウム電池の正極
活物質としても使用することができる。

【0018】本発明のリチウム二次電池は、上述の本発
明のリチウム含有複合酸化物を正極活物質として使用し
たものであり、それ以外の構成は従来のリチウム二次電
池と同様にすることができる。

【0019】即ち、負極活物質としてはリチウム又はリ
チウム化合物を使用する。従って、負極はリチウムをド
ープ、脱ドープできる材料、金属リチウム又はリチウム
合金を使用して構成する。このような負極の構成材料の
うちリチウムをドープ、脱ドープできる材料としては、
例えば、熱分解炭素類、コークス類(ピッチコークス、
ニードルコークス、石油コークス等)、グラファイト
類、ガラス状炭素類、有機高分子化合物焼成体(フェノ
ール樹脂、フラン樹脂等を適当な温度で焼成し炭素化し
たもの)、炭素繊維、活性炭等の炭素質材料、あるいは
ポリアセチレン、ポリピロール等のポリマーなどを使用
することができる。また、リチウム合金としては、リチ
ウム−アルミニウム合金、リチウム−インジウム合金等
を使用することができる。また、このような材料から負
極を形成するに際しては、公知の結着剤等を添加するこ
とができる。

【0020】また、リチウム二次電池に非水電解液を使
用する場合にその非水電解液としては、従来の非水系リ
チウム二次電池に使用されている非水電解液と同様のも
のを使用することができる。すなわち、非水電解液の非
水溶媒としては、例えばプロピレンカーボネート、エチ
レンカーボネート、ブチレンカーボネート、ビニレンカ
ーボネート、γ−ブチロラクトン、スルホラン、1,2
−ジメトキシエタン、1,2−ジエトキシエタン、2−
メチルテトラヒドロフラン、3−メチル−1,3−ジオ
キソラン、プロピオン酸メチル、酪酸メチル、ジメチル
カーボネート、ジエチルカーボネート、ジプロピルカー
ボネート等を使用することができる。特に、電圧に安定
な点からプロピレンカーボネート、エチレンカーボネー
ト、ブチレンカーボネート、ビニレンカーボネート等の
環状カーボネート類、又はジメチルカーボネート、ジエ
チルカーボネート、ジプロピルカーボネート等の鎖状カ
ーボネート類を使用することが好ましい。また、このよ
うな非水溶媒は、1種または2種以上を組み合わせて使
用することができる。

【0021】また、非水溶媒に溶解させる電解質として
は、例えば、LiClO、LiAsF、LiP
、LiBF、LiCFSO、LiN(CF
SO等を使用でき、このうち特にLiPFやL
iBFを使用することが好ましい。

【0022】本発明の電池は、電池形状については特に
限定されることはない。円筒型、角型、コイン型、ボタ
ン型等の種々の形状にすることができる。

【0023】

【作用】本発明の正極活物質は、LiNiCo
(0.8≦x≦1.2 、0.01≦a≦0.99 、
0.01≦b≦0.99、0.8≦c≦0.3 、0.
08≦a+b+c≦1.2 、MはAl、V、Mn、F
e、Cu及びZnから選ばれる少なくとも1種の元素)
で表される。このリチウム含有複合酸化物は、Li
Co1−yの複合酸化物中のニッケル及びコバ
ルトの少なくとも一部を、Al、V、Mn、Fe、Cu
又はZnという特定の元素で置換したものからなるの
で、LiCoOに比して安価に得ることができる。
また、異種金属固溶による結晶構造の安定化により、自
己放電が顕著に抑制され、サイクル特性が向上したもの
となる。

【0024】

【実施例】以下、本発明を実施例により具体的に説明す
る。

【0025】実施例1 正極活物質を合成するために、市販の特級試薬の硝酸リ
チウムと炭酸ニッケルと四三酸化コバルトと水酸化アル
ミニウムを、Li:Ni:Co:Alのモル比が10:
8:1:1になるように秤量し、十分に混合した後、ア
ルミナ坩堝中に入れて酸素雰囲気で750℃で約15時
間焼成し、室温まで空冷した。得られた焼成物をX線回
折分析で調べたところ、層状結晶構造を有しており、所
期の正極活物質であることが確認できた。

【0026】このようにして得られた正極活物質を使用
し、次のようにしてリチウム二次電池を作製した。

【0027】合成した正極活物質を粉砕し、その粉砕物
とグラファイトとポリビニリデンフルオライドとを重量
比で、90:7:3の割合で秤量し、混合した。この混
合粉体を、直径15mmの円形に加圧成型してペレット
を得、これを減圧下120℃で12時間乾燥することに
より正極を作製した。

【0028】一方、負極としては、厚さ1.85mmの
リチウム箔を直径15mmの円形に打ち抜いたものを作
製した。非水電解液には、プロピレンカーボネート(P
C)にLiPFを1モル/リットルの割合で溶解した
ものを調製した。また、セパレータとしてポリプロピレ
ン製微孔薄膜を用意した。

【0029】そして、これら正極、負極、電解液及びセ
パレータを用いて、図1に示したように、負極缶1にリ
チウムメタル製負極2を圧着し、一方、正極缶6に正極
4を圧着し、両極の間にセパレータ3を配し、双方の電
池缶をガスケット5を介して封じることによりコイン型
電池(直径20mm、厚さ2.5mm)を作製した。

【0030】実施例2 正極活物質を合成するために、合成材料として、市販の
特級試薬の水酸化リチウムと酸化ニッケルと四三酸化コ
バルトと三二酸化バナジウムとを、Li:Ni:Co:
Vのモル比が10:8:1.9:0.1になるように秤
量した以外は、実施例1と同様に正極活物質を合成し、
さらにリチウム二次電池を作製した。

【0031】実施例3 正極活物質を合成するために、合成材料として、市販の
特級試薬の水酸化リチウムと酸化ニッケルと四三酸化コ
バルトと酸化マンガンとを、Li:Ni:Co:Mnの
モル比が10:7:2:1になるように秤量した以外
は、実施例1と同様に正極活物質を合成し、さらにリチ
ウム二次電池を作製した。

【0032】実施例4 正極活物質を合成するために、合成材料として、市販の
特級試薬の水酸化リチウムと炭酸ニッケルと四三酸化コ
バルトと三二酸化鉄とを、Li:Ni:Co:Feのモ
ル比が10:7:1:2になるように秤量した以外は、
実施例1と同様に正極活物質を合成し、さらにリチウム
二次電池を作製した。

【0033】実施例5 正極活物質を合成するために、合成材料として、市販の
特級試薬の水酸化リチウムと炭酸ニッケルと四三酸化コ
バルトと酸化銅とを、Li:Ni:Co:Cuのモル比
が10:7:2.5:0.5になるように秤量した以外
は、実施例1と同様に正極活物質を合成し、さらにリチ
ウム二次電池を作製した。

【0034】実施例6 正極活物質を合成するために、合成材料として、市販の
特級試薬の硝酸リチウムと酸化ニッケルと四三酸化コバ
ルトと酸化亜鉛とを、Li:Ni:Co:Znのモル比
が10:8:1.5:0.5になるように秤量した以外
は、実施例1と同様に正極活物質を合成し、さらにリチ
ウム二次電池を作製した。

【0035】比較例1 正極活物質を合成するために、合成材料として、市販の
特級試薬の水酸化リチウムと酸化ニッケルと四三酸化コ
バルトとを、Li:Ni:Coのモル比が10:9:1
になるように秤量した以外は、実施例1と同様に正極活
物質を合成し、さらにリチウム二次電池を作製した。

【0036】評価 実施例1〜6及び比較例1で得られた電池のサイクル特
性を評価するために、充放電サイクル試験を、充電電流
1mA、充電電圧4.2V、放電電流1mA、放電終止
電圧2.5Vという条件で行い、所定の充放電サイクル
ごとの容量保持率(%)を求めた。この結果を図2に示
す。

【0037】また、各電池の自己放電特性を評価するた
めに、4.2V充電状態で1週間室温で保存したときの
放電容量の減少率を自己放電率として求めた。この結果
を表1に示す。

【0038】

【表1】 図2から、実施例の電池は比較例1の電池に対していず
れもサイクル特性が向上していることがわかる。

【0039】また、実施例の電池はいずれも放電時の平
均作動電圧が3.5〜4.0Vの間であり、比較例の電
池と同様であった。したがって、実施例のように、リチ
ウム、ニッケル及びコバルト含有複合酸化物のニッケル
又はコバルトを特定の元素で置換した場合にも、置換し
ない場合と同様の動作電圧が得られることがわかる。

【0040】さらに、表1から、実施例の電池は自己放
電特性も向上していることがわかる。

【0041】

【発明の効果】リチウム二次電池の正極活物質として本
発明の正極活物質を使用すると、電池の自己放電特性や
構造安定性等の保存特性やサイクル特性を向上させるこ
とが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図1】実施例及び比較例で作製した電池の断面説明図
である。

【図2】実施例及び比較例の電池のサイクル特性図であ
る。

【符号の説明】

1 負極缶 2 リチウムメタル製負極 3 セパレータ 4 正極 5 ガスケット 6 正極缶

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 層状結晶構造を有し、次式 LiNiCo (0.8≦x≦1.2 、0.01≦a≦0.99 、
    0.01≦b≦0.99、0.01≦c≦0.3 、
    0.8≦a+b+c≦1.2 、MはAl、V、Mn、
    Fe、Cu及びZnから選ばれる少なくとも1種の元
    素)で表されるリチウム含有複合酸化物からなることを
    特徴とするリチウム二次電池用正極活物質。
  2. 【請求項2】 層状結晶構造が、α−NaFeO型結
    晶構造である請求項1記載のリチウム二次電池用正極活
    物質。
  3. 【請求項3】 負極活物質としてリチウム又はリチウム
    化合物を使用し、正極活物質として請求項1又は2記載
    の正極活物質を使用したリチウム二次電池。
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