JPWO2014049976A1 - 非水電解質二次電池 - Google Patents
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Abstract
Description
aの値が0.95以下であると、結晶構造の安定性が低下するため、サイクル経過時の容量維持や大電流放電特性が十分でなくなる。一方、aの値が1.20以上であるとガス発生が多くなるからである。
xの値が0.30未満であったりyの値が0.40を超えると充放電容量が徐々に低下する。一方、xの値が0.80を超えたり、yの値が0.10未満になると、徐々に活物質内部のリチウム拡散速度が低下し、反応の律速段階が活物質表面から内部へと遷移するために十分な効果が発揮できなくなる。
また、zの値が0.10未満になると、ニッケルの一部と結晶構造中のリチウムとの元素配置の置換が生じ易くなり、大電流放電特性の低下が生じる。zの値が0.50を超えると、構造が不安定となり活物質合成時に安定的にニッケルコバルトマンガン酸リチウムを得るのが困難となる。
aの値が0.95以下であると、結晶構造の安定性が低下するため、サイクル経過時の容量維持や大電流放電特性が十分でなくなる。一方、aの値が1.20以上であると、ガス発生が多くなるからである。
xの値が0.50未満であったり、yの値が0.50を超えると、充放電容量が徐々に低下する。一方、zの値が0.10を超えると、活物質内部のリチウム拡散速度が低下し、反応の律速段階が活物質表面から内部へと遷移するために十分な効果が発揮できなくなる。
また、xの値が0.99を超えていたり、zの値が0.01未満であったり、yの値が0.01未満であると、構造安定性が低下する。
また、非水電解質の非水系溶媒としてイオン性液体を用いることもでき、この場合、カチオン種、アニオン種については特に限定されるものではないが、低粘度、電気化学的安定性、疎水性の観点から、カチオンとしては、ピリジニウムカチオン、イミダゾリウムカチオン、4級アンモニウムカチオンを、アニオンとしては、フッ素含有イミド系アニオンを用いた組合せが特に好ましい。
(実施例)
〔正極活物質の合成〕
LiNi0.55Co0.20Mn0.25O2で表されるニッケルコバルトマンガン酸リチウムの粒子1000g(10.34mol)を3リットルの純水に投入し攪拌した。次に、これに硝酸エルビウム5水和物4.58g(10.33mmol)を溶解した溶液を加えた。この際、10質量%の水酸化ナトリウム水溶液を適宜加え、ニッケルコバルトマンガン酸リチウムを含む溶液のpHが9となるように調整した。次いで、吸引濾過、水洗した後、空気雰囲気中において400℃の温度で5時間熱処理をし、表面にオキシ水酸化エルビウムが均一に付着したニッケルコバルトマンガン酸リチウムを得た。尚、上記オキシ水酸化エルビウムの付着量は、エルビウム元素換算で、上記ニッケルコバルトマンガン酸リチウムの遷移金属の総モル量に対して0.1モル%であった。
上記正極活物質94質量部に、炭素導電剤としてのカーボンブラック4質量部と、結着剤としてのポリフッ化ビニリデン2質量部とを混合し、更に、NMP(N−メチル−2−ピロリドン)を適量加えることにより正極スラリーを調製した。次に、該正極スラリーを、アルミニウムからなる正極集電体の両面に塗布、乾燥した。最後に、ローラーを用いて圧延し、所定の電極サイズに切り取り、更に、正極リードを取り付けることにより、正極を作製した。
負極活物質としての人造黒鉛を97.5質量部と、増粘剤としてのカルボキシメチルセルロースを1質量部と、結着剤としてのスチレンブタジエンゴム1.5質量部とを混合し、純水を適量加えて負極スラリーを調製した。次に、この負極スラリーを銅箔からなる負極集電体の両面に塗布、乾燥した。最後に、ローラーを用いて圧延し、所定の電極サイズに切り取り、更に、負極リードを取り付けることにより、負極を作製した。
EC(エチレンカーボネート)とEMC(エチルメチルカーボネート)とDMC(ジメチルカーボネート)とPC(プロピレンカーボネート)とFEC(フルオロエチレンカーボネート)を10:10:65:5:10の体積比で混合した混合溶媒に、溶質としてのLiPF6を1.5モル/リットルの濃度となるように、またリチウムビスオキサラトボレートを0.01モル/リットルの濃度となるように溶解させて非水電解液を調製した。
上記正極と上記負極とを、ポリエチレン製微多孔膜から成るセパレータを介して対向配置した後、巻き芯を用いて渦巻状に巻回した。次に、巻き芯を引き抜いて渦巻状の電極体を作製し、この電極体を金属製の外装缶に挿入した後、上記非水電解液を注入し、更に封口することによって、電池サイズが直径18mmで、高さ65mmの18650型の非水電解質二次電池(容量:2.1Ah)を作製した。 このようにして作製した電池を、以下、電池Aと称する。
ニッケルコバルトマンガン酸リチウムの表面に、オキシ水酸化エルビウムの付着を行わず、電解液にリチウムビスオキサラトボレートを添加しなかったこと以外は、上記実施例と同様にして電池を作製した。このようにして作製した電池を、以下、電池Z1と称する。
電解液にリチウムビスオキサラトボレートを添加しなかったこと以外は、上記実施例と同様にして電池を作製した。このようにして作製した電池を、以下、電池Z2と称する。
ニッケルコバルトマンガン酸リチウムの表面に、オキシ水酸化エルビウムの付着を行わなかったこと以外は、上記実施例と同様にして電池を作製した。このようにして作製した電池を、以下、電池Z3と称する。
上記電池A、Z1〜Z3について、下記条件で低温放電性能を調べた。
・充放電条件
25℃の温度条件下、1It(2.1A)の充電電流で電池電圧が4.35Vまで定電流充電を行い、更に、電池電圧4.35Vの定電圧で電流が0.02It(0.042A)になるまで定電圧充電を行った。次に、−20℃の環境へ移し、9.52It(20A)の放電電流で定電流放電するという条件にて、放電開始から0.1秒後の電池電圧を測定した。結果を表1に示す。
(実施例1)
電解液にリチウムビスオキサラトボレートを0.03モル/リットルの濃度となるように溶解させて非水電解液を調製したこと以外は、上記第1実施例の実施例と同様にして電池を作製した。このようにして作製した電池を、以下、電池B1と称する。
電解液にリチウムビスオキサラトボレートを0.06モル/リットルの濃度となるように溶解させて非水電解液を調製したこと以外は、上記第1実施例の実施例と同様にして電池を作製した。このようにして作製した電池を、以下、電池B2と称する。
電解液にリチウムビスオキサラトボレートを0.1モル/リットルの濃度となるように溶解させて非水電解液を調製したこと以外は、上記第1実施例の実施例と同様にして電池を作製した。このようにして作製した電池を、以下、電池B3と称する。
電解液にリチウムビスオキサラトボレートを0.2モル/リットルの濃度となるように溶解させて非水電解液を調製したこと以外は、上記第1実施例の実施例と同様にして電池を作製した。このようにして作製した電池を、以下、電池B4と称する。
上記電池B1〜B4について、上記第1実施例と同様の条件で低温放電性能を調べ、放電開始から0.1秒後の電池電圧を測定した。結果を表2に示す。
(実施例1)
[正極活物質の合成]
LiNi0.55Co0.20Mn0.25O2で表されるニッケルコバルトマンガン酸リチウムに代えて、LiNi0.35Co0.35Mn0.30O2で表されるニッケルコバルトマンガン酸リチウムを用いたこと以外は、第1実施例の実施例と同様にして正極活物質を合成し、表面にオキシ水酸化エルビウムが均一に付着したニッケルコバルトマンガン酸リチウムを得た。尚、上記オキシ水酸化エルビウムの付着量は、エルビウム元素換算で、上記ニッケルコバルトマンガン酸リチウムの遷移金属の総モル量に対して0.1モル%であった。
上記正極活物質を用い、第1実施例の実施例と同様にして正極スラリーを調整した。次に、該スラリーをアルミニウムからなる正極集電体の両面に塗布、乾燥した。塗布量は、片面あたり200g/m2であった。最後に、ローラーを用いて圧延し、所定の電極サイズに切り取り、更に、正極リードを取り付けることにより、正極(塗布面積2.5cm×5.0cm)となる作用極を作製した。
負極となる対極と、参照極には、共にリチウム金属を用いた。
EC(エチレンカーボネート)とEMC(エチルメチルカーボネート)とDMC(ジメチルカーボネート)を3:3:4の体積比で混合した混合溶媒に、溶質としてのLiPF6を1.0モル/リットルの濃度となるように、さらに、ビニレンカーボネートを1質量%、また、リチウムビスオキサラトボレートを0.1モル/リットルの濃度となるように溶解させて非水電解液を調製した。
図2に示すように、上記正極(作用極)11と上記負極(対極)12の間、及び上記正極(作用極)11と参照極14との間に、それぞれセパレータ13を配し、これらをアルミラミネート15で包み込むことにより、アルミラミネートセル(三電極式試験電池)を作製した。このようにして作製した電池を、以下、電池C1と称する。
非水電解液にリチウムビスオキサラトボレートを添加しなかったこと以外は、上記第3実施例の実施例1と同様にして電池を作製した。このようにして作製した電池を、以下、電池Y1と称する。
正極活物質の合成において、硝酸エルビウム5水和物に代えて硝酸ランタン6水和物を用い、LiNi0.35Co0.35Mn0.30O2の表面にオキシ水酸化ランタンが
均一に付着したニッケルコバルトマンガン酸リチウムを得たこと以外は、上記第3実施例の実施例1と同様にして電池を作製した。このようにして作製した電池を、以下、電池C2と称する。
非水電解液にリチウムビスオキサラトボレートを添加しなかったこと以外は、上記第3実施例の実施例2と同様にして電池を作製した。このようにして作製した電池を、以下、電池Y2と称する。
正極活物質の合成において、硝酸エルビウム5水和物に代えて硝酸ネオジム6水和物を用い、LiNi0.35Co0.35Mn0.30O2の表面にオキシ水酸化ネオジムが均一に付着したニッケルコバルトマンガン酸リチウムを得たこと以外は、上記第3実施例の実施例1と同様にして電池を作製した。このようにして作製した電池を、以下、電池C3と称する。
非水電解液にリチウムビスオキサラトボレートを添加しなかったこと以外は、上記第3実施例の実施例3と同様にして電池を作製した。このようにして作製した電池を、以下、電池Y3と称する。
正極活物質の合成において、硝酸エルビウム5水和物に代えて硝酸サマリウム6水和物を用い、LiNi0.35Co0.35Mn0.30O2の表面にオキシ水酸化サマリウムが均一に付着したニッケルコバルトマンガン酸リチウムを得たこと以外は、上記第3実施例の実施例1と同様にして電池を作製した。このようにして作製した電池を、以下、電池C4と称する。
非水電解液にリチウムビスオキサラトボレートを添加しなかったこと以外は、上記第3実施例の実施例4と同様にして電池を作製した。このようにして作製した電池を、以下、電池Y4と称する。
ニッケルコバルトマンガン酸リチウムの表面に、オキシ水酸化エルビウムの付着を行わなかったこと以外は、上記第3実施例の実施例1と同様にして電池を作製した。このようにして作製した電池を、以下、電池Y5と称する。
非水電解液にリチウムビスオキサラトボレートを添加しなかったこと以外は、上記第3実施例の比較例5と同様にして電池を作製した。このようにして作製した電池を、以下、電池Y6と称する。
上記電池C1〜C4、Y1〜Y6について、下記条件で放電性能を調べた。
・充放電条件1
25℃の温度条件下、0.1It(0.01A)の電流密度で4.5V(vs.Li/Li+)まで定電流充電し、更に、4.5V(vs.Li/Li+)の定電位で電流密度が0.02It(0.002A)になるまで定電位充電した。さらに、0.1It(0.01A)の電流密度で2.5V(vs.Li/Li+)まで定電流放電した。
・充放電条件2(サイクル試験)
さらに、25℃の温度条件下、2It(0.2A)の電流密度で4.5V(vs.Li/Li+)まで定電流充電し、更に、4.5V(vs.Li/L
i+)の定電位で電流密度が0.02It(0.002A)になるまで定電位充電した。次に各セルをそれぞれ、2It(0.2A)の電流密度で2.5V(vs.Li/Li+)まで定電流放電する条件を10回繰り返し、10サイクル後の容量維持率を測定した。結果を表3に示す。
尚、電池C1〜C4及び電池Y1〜Y6の10サイクル後の容量維持率は、電池C1の10サイクル後の容量維持率を100としたときの相対値を示す。
(実施例1)
〔正極活物質の合成〕
第1実施例の実施例と同様にして、正極活物質を合成した。
上記正極活物質を用い、第1実施例の実施例と同様にして正極スラリーを調整した。次に、該スラリーをアルミニウムからなる正極集電体の片面に塗布、乾燥した。塗布量は、100g/m2であった。最後に、所定の電極サイズに切り取り、ローラーを用いて圧延し、更に、正極リードを取り付けることにより、正極(塗布面積2.5cm×5.0cm)となる作用極を作製した。
負極となる対極と、参照極とには、共にリチウム金属を用いた。
EC(エチレンカーボネート)とEMC(エチルメチルカーボネート)とDMC(ジメチルカーボネート)を3:3:4の体積比で混合した混合溶媒に、溶質としてのLiPF6を1.0モル/リットルの濃度となるように、さらに、ビニレンカーボネートを1質量%、また、リチウムビスオキサラトボレートを0.1モル/リットルの濃度となるように溶解させて非水電解液を調製した。
図2に示すように、上記正極(作用極)11と上記負極(対極)12の間、及び上記正極11と参照極14との間に、それぞれセパレータ13を配し、これらをアルミラミネート15で包み込むことにより、アルミラミネートセル(三電極式試験電池)を作製した。このようにして作製した電池を、以下、電池D1と称する。
LiNi0.55Co0.20Mn0.25O2で表されるニッケルコバルトマンガン酸リチウムに代えて、LiNi0.35Co0.35Mn0.30O2で表されるニッケルコバルトマンガン酸リチウムを正極活物質として用いたこと以外は、第1実施例の実施例と同様にして電池を作製した。尚、オキシ水酸化エルビウムの付着量は、エルビウム元素換算で、上記ニッケルコバルトマンガン酸リチウムの遷移金属の総モル量に対して0.1モル%であった。このようにして作製した電池を、以下、電池D2と称する。
LiNi0.55Co0.20Mn0.25O2で表されるニッケルコバルトマンガン酸リチウムに代えて、LiNi0.80Co0.15Al0.05O2で表されるニッケルコバルトアルミニウム酸リチウムを正極活物質として用いたこと以外は、第1実施例の実施例と同様にして電池を作製した。尚、オキシ水酸化エルビウムの付着量は、エルビウム元素換算で、上記ニッケルコバルトアルミニウム酸リチウムの遷移金属の総モル量に対して0.1モル%であった。このようにして作製した電池を、以下、電池D3と称する。
LiNi0.55Co0.20Mn0.25O2で表されるニッケルコバルトマンガン酸リチウムに代えて、LiCoO2で表されるコバルト酸リチウムを正極活物質として用いたこと以外は、第1実施例の実施例と同様にして電池を作製した。尚、オキシ水酸化エルビウムの付着量は、エルビウム元素換算で、上記コバルト酸リチウムの遷移金属の総モル量に対して0.1モル%であった。このようにして作製した電池を、以下、電池D4と称する。
電解液にリチウムビスオキサラトボレートを添加しなかったこと以外は、上記第4実施例の実施例1と同様にアルミラミネートセルを作製した。このようにして作製した電池を、以下、電池X1と称する。
電解液にリチウムビスオキサラトボレートを添加しなかったこと以外は、上記第4実施例の実施例2と同様にアルミラミネートセルを作製した。このようにして作製した電池を、以下、電池X2と称する。
電解液にリチウムビスオキサラトボレートを添加しなかったこと以外は、上記第4実施例の実施例3と同様にアルミラミネートセルを作製した。このようにして作製した電池を、以下、電池X3と称する。
電解液にリチウムビスオキサラトボレートを添加しなかったこと以外は、上記第4実施例の実施例4と同様にアルミラミネートセルを作製した。このようにして作製した電池を、以下、電池X4と称する。
上記電池D1〜D4、X1〜X4について、下記条件で放電性能を調べた。
・充放電条件1
25℃の温度条件下、0.1It(0.0025A)の電流密度で4.5V(vs.Li/Li+)まで定電流充電し、更に、4.5V(vs.Li/Li+)の定電位で電流密度が0.02It(0.0005A)になるまで定電位充電した。さらに、0.1It(0.0025A)の電流密度で2.5V(vs.Li/Li+)まで定電流放電した。
・充放電条件2(サイクル試験)
さらに、25℃の温度条件下、2It(0.05A)の電流密度で4.5V(vs.Li/Li+)まで定電流充電し、更に、4.5V(vs.Li/Li+)の定電位で電流密度が0.02It(0.0005A)になるまで定電位充電した。次に各セルをそれぞれ、2It(0.05A)の電流密度で2.5V(vs.Li/Li+)まで定電流放電する条件を10回繰り返し、10サイクル後の容量維持率を測定した。結果を表4に示す。
尚、電池D2〜D4及びX1〜X4の10サイクル後の容量維持率は、電池D1の10サイクル後の容量維持率を100としたときの相対値を示す。
上記の理由で、リチウム含有遷移金属酸化物にNiを含む場合には、活物質中のNiの平均酸化数が2.9未満であるニッケルコバルトマンガン酸リチウムを用いることが望ましく、活物質中のNiの平均酸化数が2.66未満であるニッケルコバルトマンガン酸リチウムを用いることがより望ましい。これは、Niの平均酸化数が3であるニッケルコバルトアルミニウム酸リチウムでは、活物質表面でのNiOからなる抵抗層の割合が多くなるからである。
2…負極
3…セパレータ
4…電極体
5…負極缶
6…封口体
10…円筒型非水電解質二次電池
11…正極(作用極)
12…負極(対極)
13…セパレータ
14…参照極
15…アルミラミネート
20…三電極式試験電池
Claims (6)
- 正極活物質を含む正極と、負極と、非水電解質と、を備え、
前記正極活物質は、表面に希土類の化合物が付着したリチウム含有遷移金属酸化物を含み、前記非水電解質は、オキサラト錯体をアニオンとするリチウム塩を含む、非水電解質二次電池。 - 前記リチウム塩が、ホウ素またはリンのオキサラト化合物である、請求項1に記載の非水電解質二次電池。
- 前記リチウム塩が、リチウムビスオキサラトボレートである、請求項1または2に記載の非水電解質二次電池。
- 前記リチウムビスオキサラトボレートの濃度が前記非水電解質からなる電解液に対して0.005モル/リットル以上0.5モル/リットル以下である請求項1〜3のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池。
- 前記希土類の化合物が、希土類の水酸化物、希土類のオキシ水酸化物、または希土類の酸化物である、請求項1〜4のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池。
- 前記リチウム含有遷移金属酸化物が、層状構造を有し、かつ一般式LiMeO2(但し、Meは、Ni、Co及びMn及びAlからなる群から選ばれた少なくとも一種)で表わされる、請求項1〜5のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池。
Applications Claiming Priority (5)
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---|---|---|---|
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JP2012217926 | 2012-09-28 | ||
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