JPWO2014156116A1 - 非水電解質二次電池用正極、非水電解質二次電池用正極の製造方法および非水電解質二次電池 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の実施形態に係る非水電解質二次電池は、正極と、負極と、非水電解質とを備える。本実施形態に係る非水電解質二次電池は、例えば、正極および負極がセパレータを介して巻回もしくは積層された電極体と、液状の非水電解質である非水電解液とが電池外装缶に収容された構成を有するが、これに限定されるものではない。以下に、非水電解質二次電池の各構成部材について詳述する。
本発明の実施の形態に係る非水電解質二次電池用正極は、Liを脱離挿入する正極活物質と結着剤と導電剤とを含む正極合剤層が正極集電体上に形成された正極板を備え、正極合剤層に含まれる正極活物質の少なくとも一部、結着剤の少なくとも一部、および導電剤の少なくとも一部のいずれの表面にも、W、Al、Mg、Ti、Zrおよび希土類元素から選ばれる少なくとも1つの元素を含む化合物が付着しているものである。
ス(CMC)、ポリエチレンオキシド(PEO)等の増粘剤と併用されてもよい。
負極としては、従来から用いられてきた負極を用いることができ、例えば、負極活物質と、結着剤とを水あるいは適当な溶媒で混合し、負極集電体に塗布し、乾燥し、圧延することにより得られる。負極活物質としては、例えば、リチウムを吸蔵放出可能な炭素材料、あるいはリチウムと合金を形成可能な金属またはその金属を含む合金化合物等が挙げられる。
非水電解質の溶媒としては、従来から用いられてきた溶媒を使用することができる。例えば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、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や、ジメチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、ジエチルカーボネート等の鎖状カーボネートや、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸プロピル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、γ−ブチロラクトン等のエステルを含む化合物や、プロパンスルトン等のスルホン基を含む化合物や、1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジエトキシエタン、テトラヒドロフラン、1,3−ジオキサン、1,4−ジオキサン、2−メチルテトラヒドロフラン等のエーテルを含む化合物や、ブチロニトリル、バレロニトリル、n−ヘプタンニトリル、スクシノニトリル、グルタルニトリル、アジポニトリル、ピメロニトリル、1,2,3−プロパントリカルボニトリル、1,3,5−ペンタントリカルボニトリル等のニトリルを含む化合物や、ジメチルホルムアミド等のアミドを含む化合物等を用いることができる。特に、これらのHの一部がFにより置換されている溶媒が好ましく用いられる。また、これらを単独または複数組み合わせて使用することができ、特に環状カーボネートと鎖状カーボネートとを組み合わせた溶媒や、さらにこれらに少量のニトリルを含む化合物やエーテルを含む化合物が組み合わされた溶媒が好ましい。
セパレータとしては、従来から用いられてきたセパレータを用いることができる。セパレータとしては、具体的には、ポリエチレンを含んでなるセパレータの他に、ポリエチレン層の表面にポリプロピレンを含んでなる層が形成されたものや、ポリエチレンのセパレータの表面にアラミド系樹脂等の樹脂等が塗布されたもの等が挙げられる。また、セパレータの表面にチタンやアルミニウムの酸化物等の無機フィラーが付着しているものを用いてもよい。
[正極の作製]
Li2CO3と、Ni0.50Co0.20Mn0.30(OH)2で表される共沈水酸化物とを、Liと遷移金属全体とのモル比が1.08:1になるように石川式らいかい乳鉢にて混合した。次に、この混合物を空気雰囲気中にて950℃で20時間熱処理後に粉砕することにより、平均二次粒子径が約15μmのLi1.08Ni0.50Co0.20Mn0.30O2で表されるニッケルコバルトマンガン酸リチウムを得た。
増粘剤であるCMC(カルボキシメチルセルロースナトリウム)を水に溶かした水溶液中に、負極活物質として人造黒鉛と、結着剤としてのSBR(スチレン−ブタジエンゴム)とを、負極活物質と結着剤と増粘剤の質量比が98:1:1の比率になるようにして加えた後に混練して、負極スラリーを作製した。この負極スラリーを銅箔からなる負極集電体の両面にできるだけ均一に塗布し、乾燥させ、圧延ローラにより圧延し、負極集電タブを取り付けることにより、負極を作製した。
エチレンカーボネート(EC)とメチルエチルカーボネート(MEC)とジエチルカーボネート(DEC)とを、3:6:1の体積比で混合した混合溶媒に対して、六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)を1.2モル/リットルの濃度になるように溶解した。さらにビニレンカーボネート(VC)を非水電解液全量に対して2.0質量%添加し、溶解させて、非水電解質を調製した。
このようにして得た正極および負極を、セパレータを介して対向するように巻取って巻取り体を作製し、アルゴン雰囲気下のグローボックス中にて、巻取り体を非水電解質とともにアルミニウムラミネートに封入することにより、厚み3.6mm、幅3.5cm、長さ6.2cmの非水電解質二次電池A1を作製した。
正極を浸漬する際の液をタングステン酸ナトリウム水溶液に代えて0.03モル/リットルの酢酸エルビウム水溶液を用いたこと以外は、上記実験例1と同様にして非水電解質二次電池A2を作製した。
正極をタングステン酸ナトリウム溶液に浸漬しなかったこと以外は上記実験例1と同様にして非水電解質二次電池A3を作製した。
実験例1で用いたニッケルコバルトマンガン酸リチウム粉末を、混練機(TKハイビスミックス、プライミクス株式会社製)にて混合しながら、タングステン酸ナトリウムを純水に溶解した溶液(0.51モル/L)を噴霧した。次いで、大気中、120℃で乾燥し、上記ニッケルコバルトマンガン酸リチウムの表面の一部にタングステン酸ナトリウムが付着した正極活物質を得た。
タングステン酸ナトリウムに代えて酢酸エルビウム4水和物を純水に溶解した溶液(0.12モル/L)を用いたこと以外は実験例4と同様にして正極活物質を得た。
上記の電池A1〜A5について下記条件にて充放電し、正極の電位を高電位にした場合のサイクル特性を評価した。
[1サイクル目の充放電条件]
・1サイクル目の充電条件
640mAの電流で電池電圧が4.35Vとなるまで定電流充電を行い、さらに、4.35Vの定電圧で電流値が32mAとなるまで定電圧充電を行った。
・1サイクル目の放電条件
800mAの定電流で電池電圧が3.00Vとなるまで定電流放電を行った。このときの放電容量を測定し、初期放電容量とした。
・休止
上記充電と放電との間の休止間隔は10分間とした。
250サイクル後の容量維持率[%]
=(250サイクル後の放電容量÷初期放電容量)×100
実験例1において、正極活物質のニッケルコバルトマンガン酸リチウムをコバルト酸リチウムに代えたことと、正極の充填密度を3.6g/ccとしたこと以外は、上記実験例1と同様にして非水電解質二次電池A6を作製した。ICP発光分析装置を用いたICP分析の結果、得られた正極板の表面および内部には、タングステン化合物がタングステン元素換算で0.20質量%含まれていた。また、走査型電子顕微鏡(SEM)にて正極板の表面及び断面を観察した結果、タングステン化合物(ほとんどがタングステン酸ナトリウム)からなる厚み0.5μmの層が、極板表面の一部に形成されていることが確認された。また、タングステン化合物は、正極活物質の表面の一部のみならず、導電剤の表面の一部や、結着剤の表面の一部にも付着していた。また、約1/10個の割合で正極活物質二次粒子に割れ(クラック)が生じており、割れにより生じた新生面(クラック表面)に、タングステン化合物が付着していることが確認された。
正極をタングステン酸ナトリウム溶液に浸漬しなかったこと以外は上記実験例6と同様にして非水電解質二次電池A7を作製した。
上記の電池A6,A7について下記条件にて充放電し、正極の電位を高電位にした場合のサイクル特性を評価した。
・1サイクル目の充電条件
750mAの電流で電池電圧が4.40Vとなるまで定電流充電を行い、さらに、4.40の定電圧で電流値が38mAとなるまで定電圧充電を行った。
・1サイクル目の放電条件
750mAの定電流で電池電圧が2.75となるまで定電流放電を行った。このときの放電容量を測定し、初期放電容量とした。
・休止
上記充電と放電との間の休止間隔は10分間とした。
150サイクル後の容量維持率[%]
=(150サイクル後の放電容量÷初期放電容量)×100
[正極活物質(ニッケルコバルトアルミニウム酸リチウム)の作製]
共沈により得られたNi0.82Co0.15Al0.03(OH)2で表されるニッケルコバルトアルミニウム複合水酸化物を600℃で酸化物にした。次に、LiOHと得られたニッケルコバルトアルミニウム複合酸化物とを、Liと遷移金属全体とのモル比が1.05:1になるように石川式らいかい乳鉢にて混合し、この混合物を酸素雰囲気中にて800℃で20時間熱処理後に粉砕することにより、平均二次粒径が約15μmのLi1.05Ni0.82Co0.15Al0.03O2で表されるニッケルコバルトアルミニウム酸リチウムの粒子を得た。
正極を浸漬する際の液をタングステン酸ナトリウム水溶液に代えて0.03モル/リットルの酢酸エルビウム水溶液を用いたこと以外は、上記実験例8と同様にして非水電解質二次電池A9を作製した。ICP発光分析装置を用いたICP分析の結果、得られた電池作製前の正極板の表面および内部には、エルビウム化合物がエルビウム元素換算で0.20質量%含まれていた。また、走査型電子顕微鏡(SEM)にて正極板の表面及び断面を観察した結果、エルビウム化合物(ほとんどが水酸化エルビウム)からなる厚み0.5μmの層が、極板表面の一部に形成されていることが確認された。また、エルビウム化合物は、正極活物質の表面の一部のみならず、導電剤の表面の一部や、結着剤の表面の一部にも付着していた。また、約1/4個の割合で正極活物質二次粒子に割れ(クラック)が生じており、割れにより生じた新生面(クラック表面)に、エルビウム化合物が付着していることが確認された。
正極をタングステン酸ナトリウム溶液に浸漬しなかったこと以外は上記実験例8と同様にして非水電解質二次電池A10を作製した。
上記の電池A8〜A10について下記条件にて充放電し、正極の電位を高電位にした場合のサイクル特性を評価した。
・1サイクル目の充電条件
475mAの電流で電池電圧が4.40Vとなるまで定電流充電を行い、さらに、4.40の定電圧で電流値が38mAとなるまで定電圧充電を行った。
・1サイクル目の放電条件
950mAの定電流で電池電圧が2.50となるまで定電流放電を行った。このときの放電容量を測定し、初期放電容量とした。
・休止
上記充電と放電との間の休止間隔は10分間とした。
100サイクル後の容量維持率[%]
=(100サイクル後の放電容量÷初期放電容量)×100
Claims (6)
- Liを脱離挿入する正極活物質と結着剤と導電剤とを含む正極合剤層が正極集電体上に形成された正極板を備える非水電解質二次電池用正極であって、
前記正極合剤層に含まれる前記正極活物質の少なくとも一部、前記結着剤の少なくとも一部、および前記導電剤の少なくとも一部のいずれの表面にも、W、Al、Mg、Ti、Zrおよび希土類元素から選ばれる少なくとも1つの元素を含む化合物が付着している、非水電解質二次電池用正極。 - 請求項1に記載の非水電解質二次電池用正極であって、
前記正極活物質の二次粒子のクラック表面に、W、Al、Mg、Ti、Zrおよび希土類元素から選ばれる少なくとも1つの元素を含む化合物が付着している、非水電解質二次電池用正極。 - 請求項1または請求項2に記載の非水電解質二次電池用正極であって、
前記元素が、Wおよび希土類元素から選ばれる少なくとも1つの元素である、非水電解質二次電池用正極。 - 請求項1から請求項3の何れかに記載の非水電解質二次電池用正極であって、
前記正極板の表面にも前記少なくとも1つの元素を含む化合物が付着している、非水電解質二次電池用正極。 - Liを脱離挿入する正極活物質と結着剤と導電剤とを含む正極合剤層を正極集電体上に形成した正極板を、W、Al、Mg、Ti、Zrおよび希土類元素から選ばれる少なくとも1つの元素を含む溶液に接触させて、前記正極合剤層に含まれる前記正極活物質の少なくとも一部、前記結着剤の少なくとも一部、および前記導電剤の少なくとも一部のいずれの表面にも、前記W、Al、Mg、Ti、Zrおよび希土類元素から選ばれる少なくとも1つの元素を含む化合物を付着させる、非水電解質二次電池用正極の製造方法。
- 正極と、負極と、非水電解質とを備える非水電解質二次電池であって、
前記正極は、Liを脱離挿入する正極活物質と結着剤と導電剤とを含む正極合剤層が正極集電体上に形成された正極板を備え、
前記正極合剤層に含まれる前記正極活物質の少なくとも一部、前記結着剤の少なくとも一部、および前記導電剤の少なくとも一部のいずれの表面にも、W、Al、Mg、Ti、Zrおよび希土類元素から選ばれる少なくとも1つの元素を含む化合物が付着している、非水電解質二次電池。
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