JPH10106543A - リチウム電池及びその電極の製造方法 - Google Patents

リチウム電池及びその電極の製造方法

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JPH10106543A
JPH10106543A JP8259895A JP25989596A JPH10106543A JP H10106543 A JPH10106543 A JP H10106543A JP 8259895 A JP8259895 A JP 8259895A JP 25989596 A JP25989596 A JP 25989596A JP H10106543 A JPH10106543 A JP H10106543A
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lithium battery
group
composite oxide
oxide
energy density
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JP8259895A
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Katsuhiko Kosugi
勝彦 小杉
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来より一層の高エネルギー密度化が可能な
リチウム電池及びその電極の製造方法を提供する。 【解決手段】 Liと7A族又は8A族の遷移金属(C
o、Ni、Mn及びFe等)と前記遷移金属と異なる遷
移金属、Na、K、Rb、Cs、Al、Ga、In、T
l、B、Mg、Ca、Sr、Ba及びPbからなる群か
ら選択された少なくとも1種の元素により構成され、少
なくとも一部が六方晶系結晶構造をもつ複合酸化物から
なる正極活物質は、Liを富加して得られる複合酸化物
であり、これを所定の形状に成形し、正極活物質として
使用してリチウム電池の電極を製造する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、Liと遷移金属を
含む複合酸化物を正極活物質としたリチウム電池及びそ
の電極の製造方法に関し、Liを従来よりも多量に加え
て、高いエネルギー密度を得たリチウム電池及びその電
極の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】図9はスパイラル型のリチウム電池を示
す断面図である。このリチウム電池においては、シート
状の正極(正極活物質)3及び負極4がセパレータ5を
挟んで対向配置され、これらがスパイラル状に巻かれて
電池ケース7内に装入されている。この電池ケース7の
外側にはジャケット6が配設されている。また、電池ケ
ース7の底部には負極端子2が設けられており、上部に
はベントダイアグラム8、ベントスパイク9及び正極キ
ャップ1が配設されている。
【0003】従来、リチウム電池の正極活物質を構成す
るものとして、5A族のV及び6A族のCrのアモルフ
ァス化遷移金属酸化物(a−V25及びa−Cr38
粒子が使用されている。また、7A族又は8A族の遷移
金属を用いた正極活物質としては、LiCoO2及びL
iNiO2等の結晶化酸化物粒子(六方晶系)がある。
更に、六方晶系でないLiXMeY2型の結晶化酸化物
もある。但し、MeはCo、Ni、Mn、Al、B等で
ある。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
a−V25及びa−Cr38アモルファス化遷移金属酸
化物を使用したリチウム電池はエネルギー密度が低いと
いう難点がある。
【0005】また、LiMeO2型の六方晶系結晶構造
の酸化物は、モル比でLi/Meが1.2以上(即ち、
Li1.2MeO2以上)となるようにLiを富加すること
ができず、このためこの六方晶系酸化物も高エネルギー
密度化を図ることができないという問題点がある。
【0006】即ち、LiCoO2は、通常、図10に示
すように六方晶系結晶構造を有し、Liサイト、Coサ
イト及びOサイトに層状構造をなす。しかし、この構造
の場合、図11に示すように、Li/Coモル比で1.
2以上となるように過剰のLi源を投入して混合原料1
2を得、これを焼成しても、焼成後には、一定の構造を
組むLiCoO2層10とそれ以外の不純物層11とに
2層分離してしまう。このように、従来、LiXCoO2
において、X≧1.2とする六方晶系結晶構造をもつ複
合酸化物の製造は困難である。
【0007】一方、従来のLiXMeO2型の非六方晶系
結晶構造の酸化物においては、Liの富加は可能である
が、結晶構造自体が不安定であり、電池の放電容量が小
さく、またサイクル寿命特性が悪いという問題点があ
る。
【0008】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであって、六方晶構造を保持したままLiの富加を可
能とし、これにより、高容量で高エネルギー密度のリチ
ウム電池を得ることができるリチウム電池及びその電極
の製造方法を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】本願請求項1の発明に係
るリチウム電池は、周期律表の7A族及び8A族から選
択された少なくとも1種の遷移金属をMe、このMeと
は異なる遷移金属をMtとし、Mt、Na、K、Rb、
Cs、Al、Ga、In、Tl、B、Mg、Ca、S
r、Ba及びPbからなる群から選択された少なくとも
1種の元素をAとしたとき、LiXMeY(1-Y)(1+X)
(但し、1.3≦X≦2.5、0.5≦Y≦0.99
9)で現わされる組成を有し、六方晶の結晶構造をもつ
複合酸化物からなる正極活物質を有することを特徴とす
る。
【0010】本願請求項2の発明に係るリチウム電池の
電極の製造方法は、周期律表の7A族及び8A族から選
択された少なくとも1種の遷移金属をMe、このMeと
は異なる遷移金属をMtとし、Mt、Na、K、Rb、
Cs、Al、Ga、In、Tl、B、Mg、Ca、S
r、Ba及びPbからなる群から選択された少なくとも
1種の元素をAとしたとき、Me酸化物とAを含む酸化
物とLi酸化物とを混合する工程と、この混合物を60
0乃至1200℃に30分以上加熱して焼成し少なくと
も一部が六方晶の結晶構造をもつ複合酸化物を得る工程
と、この複合酸化物から所定の形状の電極を形成する工
程とを有することを特徴とする。
【0011】本願請求項3の発明に係るリチウム電池の
電極の製造方法は、周期律表の7A族及び8A族から選
択された少なくとも1種の遷移金属をMe、このMeと
は異なる遷移金属をMtとし、Mt、Na、K、Rb、
Cs、Al、Ga、In、Tl、B、Mg、Ca、S
r、Ba及びPbからなる群から選択された少なくとも
1種の元素をAとしたとき、Me酸化物と Aを含む炭
酸塩、硝酸塩又は水酸化物の1種とLiを含む炭酸塩、
硝酸塩又は水酸化物の1種とを混合する工程と、この混
合物を600乃至1200℃に5乃至72時間加熱して
焼成し少なくとも一部が六方晶の結晶構造をもつ複合酸
化物を得る工程と、この複合酸化物から所定の形状の電
極を形成する工程とを有することを特徴とする。
【0012】本発明においては、LiMeO2 型の六方
晶系結晶構造をもつ複合酸化物に適当な元素を加えるこ
とにより、2層分離を生じさせずにLiの富加を可能と
する。これにより、この複合酸化物を正極活物質とする
電極のリチウム電池は高容量化及び高エネルギー密度化
が可能となる。
【0013】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例について、
具体的に説明する。リチウム電池の電極に使用する正極
活物質として、Liと高酸化力の7A族及び8A族の遷
移金属Meとこの遷移金属とは異なる添加元素Aを含む
酸化物等を使用する。従来、7A族又は8A族の遷移金
属により構成された正極活物質は結晶化しており、層構
造をもつ。本発明においては、従来のLiMeO2 型の
六方晶系結晶構造の複合酸化物にLiを富加することに
より、リチウム電池のより一層の高エネルギー化を実現
するものである。
【0014】以下、正極活物質としてLiCoO2 を使
用した場合について、リチウム電池のエネルギー密度を
向上することができなかった理由を説明する。正極活物
質としてLiCoO2 を使用した場合、下記化学式1に
示す反応が起こる。
【0015】
【化1】 CoO2+Li++e- ← → LiCoO2 この反応は、Coのみに着目した場合に、下記化学式2
のように表すことができる。
【0016】
【化2】 Co4+ ← → Co3+
【0017】理論的には、CoO2 -の1分子に対してL
+の1イオンが結合する。しかし、正極活物質が結晶
性LiCoO2であるとすると、その層状構造からLi+
イオンが2次元的にしか移動できない。結晶性LiCo
2では、層状構造の層間距離及び方向性によりLi+
オンの拡散が律速される。また、ある量(約50%)以
上のLi+イオンを取り出すとその層状構造が破壊し、
Li+イオンの出入れが不可となる。このため、従来は
リチウム電池のエネルギー密度を向上させることが困難
であった。
【0018】そこで、Liを富加してLi+イオンを増
加させることにより、Li+イオンの拡散を促進しよう
としても、図11に示すように、焼成後にはある一定の
構造を組む部分10と不純物層11とに2層分離してし
まう。このため、Liを富加することができなかった。
【0019】しかしながら、本発明のように、LiX
Y(1-Y)(1+X)で現わされる複合酸化物において、
例えば、MeにCo、AにMnを夫々選択した場合、
0.5≦Y≦0.999の範囲において、LiXCoY
(1-Y)(1+X)の構造をとり、更にLiを富加しても2
層分離が生じることなく、六方晶系結晶構造の複合酸化
物が得られる。これは(Co+Mn)サイトにLiが置
換しており、それはMnを加えることにより可能になっ
ていることによると考えられる。このLiの富加により
複合酸化物は、Li(1/2+X/2){Li(X/2-1/2)CoY
(1-Y)}O(1+X)で現わされ、安定化した六方晶系結晶
構造をもつと考えられる。このようにLiが富加された
複合酸化物が得られ、これを所定の電極の形状に成形し
て正極活物質が得られる。
【0020】前述のとおり、本実施例においては、Li
の富加が可能となり、得られた複合酸化物を正極活物質
とする電極を有するリチウム電池は高容量でエネルギー
密度が著しく向上する。
【0021】
【実施例】次に、本発明に係るリチウム電池の電極を製
造し、その特性を調べた結果について説明する。
【0022】実施例1 Li22、Co34 及びMnO2の酸化物を使用して、
LiXMnYCo(1-Y)(1+X)又はLiXCoYMn(1-Y)
(1+X)で現わされる複合酸化物を作成した。
【0023】〔1〕先ず、前記LiXMnYCo(1-Y)
(1+X)において、Xを1.3に固定し、(1−Y)を0
〜0.5(即ち、0.5≦Y≦1)まで変化させて種々
の組成の試料を作成した。Li22、Co34 及びM
nO2の酸化物をLi1.3MnYCo(1-Y)2.3に合わせ
て、Li、Co及びMnのモル比で夫々計算し秤量し
た。これらの酸化物を混合し、大気中において1000
℃に20時間加熱して、焼成した。得られた試料をX線
回折法により調べたところ、全て六方晶系の単一な結晶
構造であった。
【0024】この混合物を使用して、図9に示すスパイ
ラル型のリチウム電池を組み立てた。この電池のサイズ
は直径が18mm、長さが65mmであり、重量が40
gである。これらの電池の充放電特性を調べた結果を図
1に示す。図1は横軸にLi1. 3MnYCo(1-Y)2.3
複合酸化物における(1−Y)をとり、縦軸にリチウム
電池のエネルギー密度をとって両者の関係を示すグラフ
図である。この図1から明らかなように、Li1.3MnY
Co(1-Y)2.3で現される複合酸化物は、Xが1.3
の場合、0.001≦(1−Y)≦0.5の範囲におい
て、エネルギー密度が従来の同サイズのリチウム電池
(エネルギー密度が約280Wh/リットル)に比して著し
く向上した。
【0025】〔2〕次に、前記LiXCoYMn(1-Y)
(1+X)において、(1−Y)を0.05(即ち、Yを
0.95)に固定し、X≧1で変化させて種々の組成の
試料を作成した。Li22、Co34 及びMnO2の酸
化物をLiXCo0.95Mn0.05( 1+X)に合わせて、L
i、Co及びMnのモル比で夫々計算し秤量した。
【0026】これらの酸化物を混合し、大気中において
1000℃に20時間加熱して焼成した。得られた試料
をX線回折法により調べたところ、全て六方晶系の単一
な結晶構造であった。
【0027】同様に、この混合物を使用してスパイラル
型のリチウム電池を組み立てた。これらの電池の充放電
特性を調べた結果を図2に示す。図2は横軸にLiX
0.9 5Mn0.05(1+X)の複合酸化物におけるXをと
り、縦軸にリチウム電池のエネルギー密度をとって両者
の関係を示すグラフ図である。この図2から明らかなよ
うに、本実施例の複合酸化物はLiXCo0.95Mn0.05
(1+X)で現わされ、1≦X≦2.5の範囲において、
エネルギー密度が従来の同サイズのリチウム電池(エネ
ルギー密度が約280Wh/リットル)に比して著しく向上
した。
【0028】実施例2 Li22、Co34及びMnO2の酸化物を使用して、
LiXCoYMn(1-Y)(1+X)において、Xを1.3に固
定し、Yを0.95に固定した。Li22、Co34
びMnO2の酸化物をLi1.3Co0.95Mn0.052.3
合わせてLi、Co及びMnのモル比で夫々計算し秤量
した後、これらの酸化物を混合した。
【0029】〔1〕先ず、これらの混合酸化物を100
0℃に0.01〜240時間加熱して焼成した。得られ
た試料をX線回折法により調べたところ、1.0時間以
上の焼成条件では六方晶系の結晶構造を有していた。ま
た、1.0時間未満の試料については一部原料が残存し
たと思われるピーク値が存在するものの、六方晶系の結
晶構造を有していた。
【0030】この複合酸化物物を使用して、スパイラル
型のリチウム電池を組み立てた。これらの電池の充放電
特性を調べた結果を図3に示す。図3は横軸に焼成時間
をとり、縦軸にリチウム電池のエネルギー密度をとって
両者の関係を示すグラフ図である。この図3から明らか
なように、本実施例の複合酸化物は0.5時間以上加熱
すると、エネルギー密度が従来の同サイズのリチウム電
池(エネルギー密度が約280Wh/リットル)に比して著
しく向上した。
【0031】〔2〕次に、これら混合酸化物を500〜
1400℃に1.0時間加熱して、焼成した。得られた
試料をX線回折法により調べたところ、700℃未満の
焼成条件では一部に残存原料のピーク値が存在し、11
00℃以上に加熱した場合には一部分解したと思われる
Li22、Co34 及びCoOの六方晶系結晶の酸化
物のピーク値が存在した。
【0032】この複合酸化物を使用して、スパイラル型
のリチウム電池を組み立てた。これらの電池の充放電特
性を調べた結果を図4に示す。図4は横軸に焼成温度を
とり、縦軸にリチウム電池のエネルギー密度をとって両
者の関係を示すグラフ図である。この図4から明らかな
ように、本実施例の複合酸化物は600〜1200℃の
範囲で加熱した場合、エネルギー密度が従来の同サイズ
のリチウム電池(エネルギー密度が約280Wh/リット
ル)に比して著しく向上した。
【0033】以上の図3及び図4から明らかなように、
Li1.3Co0.95Mn0.052.3で現わされる複合酸化物
は、600〜1200℃に、0.5時間以上加熱する焼
成条件の場合は、エネルギー密度が従来の同サイズのリ
チウム電池(エネルギー密度が約280Wh/リットル)に
比して著しく向上している。
【0034】実施例3 実施例1の原料Li22 及びMnO2に替えて、夫々L
2CO3及びMnCO3を使用して、実施例1と同様な
方法で試料を作成した。
【0035】図5は横軸にLi1.3MnYCo(1-Y)2.3
の複合酸化物における(1−Y)をとり、縦軸にリチウ
ム電池のエネルギー密度をとって両者の関係を示すグラ
フ図である。この図5から明らかなように、本実施例の
複合酸化物はLi1.3MnYCo(1-Y)2.3で現される
複合酸化物は、Xが1.3の場合、0.001≦(1−
Y)≦0.5の範囲において、エネルギー密度が従来の
同サイズのリチウム電池(エネルギー密度が約280w
h/リットル)に比して著しく向上した。
【0036】また、図6は横軸にLiXCo0.95Mn
0.05(1+X)の複合酸化物におけるXをとり、縦軸にリ
チウム電池のエネルギー密度をとって両者の関係を示す
グラフ図である。この図6から明らかなように、本実施
例の複合酸化物はLiXCo0.95Mn0.05(1+X) で現
わされ、1≦X≦2.5の範囲において、エネルギー密
度が従来の同サイズのリチウム電池(エネルギー密度が
約280Wh/リットル)に比して著しく向上した。
【0037】実施例4 実施例1のCo及びMnの替りに請求項1にて規定した
Me及びAの種々の元素を使用し、更にLi及びAにつ
いては、酸化物以外に請求項3に規定した各種の塩を使
用して、実施例1と同様な方法で試料を作成した。。
【0038】得られた試料をX線回折法により調べたと
ころ、全て六方晶系の単一な結晶構造であった。
【0039】図7は横軸にLi1.3MeY(1-Y)2.3
複合酸化物における(1−Y)をとり、縦軸にリチウム
電池のエネルギー密度をとって両者の関係を示すグラフ
図である。この図7から明らかなように、本実施例の複
合酸化物はLi1.3MeY(1 -Y)2.3 で現わされ、X
が1.3の場合、0.001≦(1−Y)≦0.5の範
囲において、全てのMe及びAに対して、エネルギー密
度は図中の斜線領域内にあり、従来の同サイズのリチウ
ム電池(エネルギー密度が約280wh/リットル)に比し
てエネルギー密度が著しく向上した。
【0040】また、図8は横軸にLiXMe0.950.05
(1+X)の複合酸化物におけるXをとり、縦軸にリチウ
ム電池のエネルギー密度をとって両者の関係を示すグラ
フ図である。この図8から明らかなように、本実施例の
複合酸化物はLiXMe0.950 .05(1+X) で現わさ
れ、1≦X≦2.5の範囲において、全てのMe及びA
に対して、エネルギー密度が図中の斜線領域内にあり、
従来の同サイズのリチウム電池(エネルギー密度が約2
80wh/リットル)に比してエネルギー密度が著しく向上
した。
【0041】
【発明の効果】以上説明したように、本発明に係るリチ
ウム電池は、Liを極めて富加することのできる六方晶
系結晶構造を有する複合酸化物からなる正極活物質であ
り、従来に比してエネルギー密度が著しく向上する。
【図面の簡単な説明】
【図1】 原料としてLi22、Co34及びMnO2
の酸化物を使用した場合のLi1.3MnYCo(1-Y)
2.3で現わされる複合酸化物において、(1−Y)とリ
チウム電池のエネルギー密度との関係を示すグラフ図で
ある。
【図2】 原料としてLi22、Co34及びMnO2
の酸化物を使用した場合のLiXCo0.95Mn0.05
(1+X)で現される複合酸化物において、Xとリチウム電
池のエネルギー密度との関係を示すグラフ図である。
【図3】 Li1.3Co0.95Mn0.052.3で現される複
合酸化物の製造条件において、混合物の焼成温度100
0℃における保持時間とリチウム電池のエネルギー密度
との関係を示すグラフ図である。
【図4】 Li1.3Co0.95Mn0.052.3で現される複
合酸化物の製造条件において、混合物の焼成温度とリチ
ウム電池のエネルギー密度との関係を示すグラフ図であ
る。
【図5】 原料としてLi2CO3 、Co34及びMn
CO3の酸化物を使用した場合のLi1.3MnYCo(1-Y)
2.3で現される複合酸化物において、(1−Y)とリ
チウム電池のエネルギー密度との関係を示すグラフ図で
ある。
【図6】 原料としてLi2CO3 、Co34及びMn
CO3の酸化物を使用した場合のLiXCo0.95Mn0.05
(1+X)で現わされる複合酸化物において、Xとリチウ
ム電池のエネルギー密度との関係を示すグラフ図であ
る。
【図7】 遷移金属Meを含む各種酸化物と添加元素A
を含む各種酸化物、炭酸塩、硝酸塩又は水酸化物の夫々
原料を使用した場合のLi1.3MeY(1-Y)2.3で現わ
される複合酸化物において、(1−Y)とリチウム電池
のエネルギー密度との関係を示すグラフ図である。
【図8】 遷移金属Meを含む各種酸化物と添加元素A
を含む各種酸化物と炭酸塩、硝酸塩又は水酸化物の夫々
原料を使用した場合のLiXMe0.950.05(1+X)で現
わされる複合酸化物において、Xとリチウム電池のエネ
ルギー密度との関係を示すグラフ図である。
【図9】 リチウム電池の一例を示す断面図である。
【図10】 LiCoO2の六方晶の結晶構造である。
【図11】 焼成前に過剰のLi源が投入された複合酸
化物に対し、焼成後に複合酸化物と不純物に2層分離す
る状態になることを示す模式図である。
【符号の説明】
1・・・正極キャップ、2・・・負極端子、3・・・正
極、4・・・負極、5・・・セパレータ、6・・・ジャ
ケット、7・・・電池ケース、8・・・ベントダイアグ
ラム、9・・・ベントスパイク、10・・・LiCoO
2層、11・・・不純物層、12・・・焼成前における
Li富加した炭酸塩と遷移金属酸化物との混合物

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 周期律表の7A族及び8A族から選択さ
    れた少なくとも1種の遷移金属をMe、このMeとは異
    なる遷移金属をMtとし、Mt、Na、K、Rb、C
    s、Al、Ga、In、Tl、B、Mg、Ca、Sr、
    Ba及びPbからなる群から選択された少なくとも1種
    の元素をAとしたとき、LiXMeY(1 -Y)(1+X)(但
    し、1.3≦X≦2.5、0.5≦Y≦0.999)で
    現わされる組成を有し、六方晶の結晶構造をもつ複合酸
    化物からなる正極活物質を有することを特徴とするリチ
    ウム電池。
  2. 【請求項2】 周期律表の7A族及び8A族から選択さ
    れた少なくとも1種の遷移金属をMe、このMeとは異
    なる遷移金属をMtとし、Mt、Na、K、Rb、C
    s、Al、Ga、In、Tl、B、Mg、Ca、Sr、
    Ba及びPbからなる群から選択された少なくとも1種
    の元素をAとしたとき、Meの酸化物とAの酸化物とL
    i酸化物とを混合する工程と、この混合物を600乃至
    1200℃に30分以上加熱して焼成し少なくとも一部
    が六方晶の結晶構造をもつ複合酸化物を得る工程と、こ
    の複合酸化物から所定の形状の電極を形成する工程とを
    有することを特徴とするリチウム電池の電極の製造方
    法。
  3. 【請求項3】 周期律表の7A族及び8A族から選択さ
    れた少なくとも1種の遷移金属をMe、このMeとは異
    なる遷移金属をMtとし、Mt、Na、K、Rb、C
    s、Al、Ga、In、Tl、B、Mg、Ca、Sr、
    Ba及びPbからなる群から選択された少なくとも1種
    の元素をAとしたとき、Meの酸化物とAの炭酸塩、硝
    酸塩又は水酸化物とLiの炭酸塩、硝酸塩又は水酸化物
    とを混合する工程と、この混合物を600乃至1200
    ℃に5乃至72時間加熱して焼成し少なくとも一部が六
    方晶の結晶構造をもつ複合酸化物を得る工程と、この複
    合酸化物から所定の形状の電極を形成する工程とを有す
    ることを特徴とするリチウム電池の電極の製造方法。
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