JPWO2008081839A1 - 非水電解質二次電池およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
(1−1)正極活物質の例
本実施の形態においては、対極にリチウム金属を用いた場合の初期充放電効率が100%未満の層状酸化物(以下、第1の層状酸化物と呼ぶ)と、対極にリチウム金属を用いた場合の初期充放電効率が100%以上の層状酸化物(以下、第2の層状酸化物と呼ぶ)とを混合することにより得られる正極活物質(以下、混合正極活物質と呼ぶ)を用いる。ここで、上記充放電効率(%)は、充電容量密度に対する放電容量密度の比率により定義される。この充放電効率(%)は、対極をリチウムとして測定された場合の充放電効率である。
次いで、初期充放電効率が100%未満の第1の層状酸化物、初期充放電効率が100%以上の第2の層状酸化物および混合正極活物質の作製方法について説明する。
び酸化コバルト(II III)を用意し、ナトリウム(Na)、コバルト(Co)およびマンガン(Mn)のモル数の比をこの順で表した場合に、例えば、Na:Co:Mn=0.7:0.5:0.5となるようにこれらを混合する。
リチウムイオンを吸蔵および放出することが可能な負極材料として、リチウム金属、珪素、炭素、錫、ゲルマニウム、アルミニウム、鉛、インジウム、ガリウム、リチウム含有合金、リチウムを予め吸蔵させた炭素材料、およびリチウムを予め吸蔵させた珪素材料よりなる群から選択された1種または複数の材料を用いることができる。
非水電解質としては、非水溶媒に電解質塩を溶解させたものを用いることができる。
上述の正極、負極および非水電解質を用いて、以下に示すように、非水電解質二次電池の試験セルを作製する。
初期充放電効率が100%未満の第1の層状酸化物は大きな容量密度を有するが、この第1の層状酸化物を正極活物質として単独で用いた場合、非水電解質5中に放出されたリチウムの一部が正極活物質に戻らない。一方、初期充放電効率が100%以上の第2の層状酸化物を正極活物質として単独で用いた場合、対極に相当量のリチウムが必要となる。本実施の形態においては、初期充放電効率が100%未満の第1の層状酸化物および初期充放電効率が100%以上の第2の層状酸化物の混合により作製された混合正極活物質を用いることによって、正極活物質中のリチウムを有効に利用することができる。その結果、高容量を維持しつつ、初期充放電効率を向上することが可能となる。
(a−1)充放電試験
上記実施の形態に基づいて、非水電解質二次電池の試験セルを作製し、作製した試験セルを用いて充放電試験を行った。用いた電流密度は、0.125mA/cm2であり、これは約1/5Itに相当する。なお、定格容量が1時間で完全に放電されるときの電流値を定格電流と呼び、1.0Cで表記され、これをSI(System International)単位系で表すと、1.0Itとなる。
表4に示すように、特に、初期充放電効率および初期放電容量密度に着目すれば、初期充放電効率と初期放電容量密度とのバランスをとるためには、初期充放電効率が100%未満の第1の層状酸化物(2)と初期充放電効率が100以上の第2の層状酸化物〈I〉との混合の割合は、35:65であることが好ましいことがわかった。
(b−1)試料A(第1の層状酸化物)
マンガン、ニッケルおよびコバルトの比が54:13:13(Mn:Ni:Co)である共沈物と水酸化リチウムとを900℃で20時間焼成した。それにより、試料AとしてLi1.2Mn0.54Co0.13Ni0.13O2を得た。試料Aは、第1の層状酸化物に相当する。
Na0.7Li0.1Mn0.5Co0.5O2(88%の硝酸リチウムと11%の塩化リチウムとの混合物)を溶融塩床に入れ、300℃で10時間保持した。それにより、試料BとしてLi0.81Mn0.5Co0.5O2を得た。試料Bは、第2の層状酸化物に相当する。
得られた試料Aおよび試料BのXRD測定を行った。その結果を図2および図3に示す。図2には試料Aおよび試料BのXRDプロファイリングが示され、図3には試料BのXRDプロファイリングの拡大図が示される。なお、図2および図3の下段には、粉末X線データベース(International Centre for Diffraction Data(ICDD))のPowder Diffraction File(PDF)より、空間群C2/cまたはC2/mに属するLi2MnO3(PDF#27−1252)のX線回折データが示される。
上記の試料Aと試料Bとを60:40(重量%)および50:50(重量%)で混合して2種類の混合正極活物質を作製した。これらの混合正極活物質を用いてそれぞれ試験セルを作製し、充放電試験を行った。なお、電流密度を20Itとし、充放電範囲を2.0V−4.8V(vs.Li/Li+)とした。
(c−1)正極の作製
実施例2の試料Aと試料Bとを50:50(重量%)で混合した混合正極活物質と、導電剤としての炭素と、結着剤としてのポリフッ化ビニリデンを溶かしたN−メチルー2−ピロリドン溶液とを、混合正極活物質、導電剤および結着剤の重量比が90:5:5となるように調整して混練し、正極スラリーを作製した。作製した正極スラリーを集電体としてのアルミニウム箔上に塗布した後に乾燥させ、正極極板を得た。その後、得られた正極極板を750×55mm2の長尺状に切り出し、正極を得た。
負極活物質としての黒鉛と、結着剤としてのスチレンブタジエンゴムと、増粘剤としてのカルボキシメチルセルロースを溶かした水溶液とを、負極活物質、結着剤および増粘剤の重量比が98:1:1となるように調整して混練し、負極スラリーを作製した。作製した負極スラリーを集電体としての銅箔上に塗布した後に乾燥させ、負極極板を得た。なお、負極スラリーの塗布量を負極/正極初回充電容量比が1.1となるように調整した。その後、得られた負極極板を785×58mm2の長尺状に切り出し、負極を得た。
図7は、実施例3で用いる巻取り型試験セルの一部切欠き斜視図である。図7に示すように、作製した正極11と負極12とをポリエチレン製のセパレータ13を介して対向させ、長さ方向に沿って巻き取ることにより、巻取り型電極体14を作製する。そして、略円筒状のラミネート容器15内に巻取り型電極体14を収納し、非水電解質を注液する。これにより、巻取り型試験セル16が完成する。
上記のように作製した巻取り型試験セル16を用いて充放電試験を行った。なお、充放電範囲を4.5−1.9V(vs.Li/Li+)とした。充電は、4.5Vまで1/25Itで行った後、充電終了電流を3mAとして4.5Vの定電圧で行った。放電は、1/25Itで行った。その結果を図8に示す。図8に示すように、充放電試験の結果、初期放電容量密度が641mAhであり、初期充放電効率が91%であった。
上記の試料Aと試料Bとを50:50(重量%)で混合した試料(以下、試料Cと呼ぶ)、および試料Aと試料Bとを40:60(重量%)で混合した試料(以下、試料Dと呼ぶ)について、DSC(Differential Scanning Calorimeter;示差走査熱量測定)を行った。
Claims (10)
- 正極活物質を含む正極と、負極と、リチウムイオンを含む非水電解質とを備え、
前記正極活物質は、
対極にリチウム金属を用いた場合の初期充放電効率が100%未満である第1の層状酸化物と、
ナトリウムおよびリチウムの少なくとも一方を含有しかつ対極にリチウム金属を用いた場合の初期充放電効率が100%以上である第2の層状酸化物とを含む、非水電解質二次電池。 - 前記第1の層状酸化物は、Li1+aMnxCoyNizO2を含み、
前記aは0より大きく0.34より小さく、前記x、yおよびzはそれぞれ0以上で1より小さく、前記a+x+y+zは0.95以上で1.05以下である、請求項1記載の非水電解質二次電池。 - 前記第2の層状酸化物は、LiANaBMnXCoYNZO2を含み、
前記Aは0以上で0.22以下であり、前記Bは0.6以上で0.8以下であり、前記X、YおよびZはそれぞれ0以上で1以下であり、前記X+Y+Zは0.95以上で1.05以下である、請求項1記載の非水電解質二次電池。 - 前記第2の層状酸化物は、空間群P63/mmcに帰属するP2構造を有するナトリウム酸化物を含む、請求項1記載の非水電解質二次電池。
- 前記第2の層状酸化物は、LiANaBMnXCoYNiZO2中のナトリウムの一部をリチウムでイオン交換することにより生成されるLiA+αNaB-αMnXCoYNiZO2を含み、
前記Aは0以上で0.22以下であり、前記Bは0.6以上で0.8以下であり、前記X、YおよびZはそれぞれ0以上で1以下であり、前記X+Y+Zは0.95以上で1.05以下であり、前記αは0より大きく前記B以下である、請求項1記載の非水電解質二次電池。 - 前記LiA+αNaB-αMnXCoYNiZO2は、空間群P63mcに属する、請求項5記載の非水電解質二次電池。
- 前記第2の層状酸化物は、空間群C2/mまたはC2/cに属するLi1+C〔MnDCo1-D〕1-CO2を固溶体または複合酸化物として30mol%未満の割合で含み、
前記Cは0以上1/3以下であり、前記Dは0より大きく1以下であることを特徴とする請求項1記載の非水電解質二次電池。 - 前記負極は、リチウム金属、珪素、炭素、錫、ゲルマニウム、アルミニウム、鉛、インジウム、ガリウム、リチウム含有合金、予めリチウムを吸蔵させた炭素材料、および予めリチウムを吸蔵させた珪素材料からなる群より選択された少なくとも1種を含む、請求項1記載の非水電解質二次電池。
- 正極活物質を含む正極を作製する工程と、
負極を作製する工程と、
リチウムイオンを含む非水電解質を作製する工程とを備え、
前記正極を作製する工程は、
対極にリチウム金属を用いた場合の初期充放電効率が100%未満である第1の層状酸化物を生成する工程と、
ナトリウムおよびリチウムの少なくとも一方を含有しかつ対極にリチウム金属を用いた場合の初期充放電効率が100%以上である第2の層状酸化物を生成する工程と、
前記第1の層状酸化物と前記第2の層状酸化物とを混合することにより前記正極活物質を作製する工程とを含む、非水電解質二次電池の製造方法。 - 前記第2の層状酸化物を生成する工程は、ナトリウム酸化物中のナトリウムの一部をリチウムでイオン置換することにより前記第2の層状酸化物を生成する工程を含む、請求項7記載の非水電解質二次電池の製造方法。
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