JPWO2015045400A1 - 偏平形非水電解質二次電池及びそれを用いた組電池 - Google Patents
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Abstract
Description
[実験例1]
まず、実験例1の偏平形非水電解質二次電池の構成を説明する。
炭酸リチウムLi2CO3と、共沈により得られた[Ni0.35Co0.35Mn0.30](OH)2で表されるニッケルコバルトマンガン複合水酸化物とを、Liと遷移金属全体とのモル比が1.10:1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1000℃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Li1.06[Ni0.33Co0.33Mn0.28]O2で表されるリチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物を得た。
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、負極活物質としての人造黒鉛と、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、負極合剤スラリーを作製した。この負極合剤スラリーを銅箔からなる負極集電体の両面に均一に塗布し、乾燥した後、圧延ローラにより圧延し、負極集電体の表面に負極集電タブを取り付けることにより、負極集電体の両面に負極合剤層が形成された負極板を作製した。
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)とジメチルカーボネート(DMC)を、25℃で3:3:4の体積比で混合した混合溶媒に対し、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)を電解液全量に対して1質量%添加し溶解させて、非水電解液を調製した。
偏平状の巻取り体の作製には、上記正極板を1枚、上記負極板を1枚、ポリエチレン製微多孔膜からなるセパレータを2枚用いた。まず、正極板16と負極板17とをセパレータ18(図2B参照)を介して互いに絶縁した状態で対向させ、図1に示したように、正極タブ11、負極タブ12共に最外周側となるようにして、円柱型の巻き芯で渦巻き状に巻回した後、巻き芯を引き抜いて巻回電極体を作製した後、押し潰して、偏平状の巻取り体13を得た。この偏平状の巻取り体13は、正極板16と負極板17とがセパレータ18を介して積層された構造を有している。
正極活物質として、Ta2O5を混合させていないLi1.06[Ni0.33Co0.33Mn0.28]O2で表されるリチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物を用いた以外は、上記実験例1と同様にして、実験例2の偏平形非水電解質二次電池を作製した。
構成圧をかけないこと以外は、上記実験例1と同様にして、実験例3の偏平形非水電解質二次電池を作製した。
正極活物質として、Ta2O5を混合させていないLi1.06[Ni0.33Co0.33Mn0.28]O2で表されるリチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物を用い、構成圧をかけないこと以外は上記実験例1と同様にして、実験例4の偏平形非水電解質二次電池を作製した。
上述のようにして作製された実験例1〜4の偏平形非水電解質二次電池について、それぞれ以下の条件で充放電を繰り返し、40サイクル後の正極の抵抗を測定した。
・1サイクル目の充電条件
700mAの定電流で電池電圧が4.4V(正極電位はリチウム基準で4.5V)となるまで定電流充電を行い、電池電圧が4.4Vに達した後は、4.4Vの定電圧で電流値が35mA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
700mAの定電流で電池電圧が3.0Vとなるまで定電流放電を行った。
・休止
上記充電と放電との間の休止間隔は10分間とした。
[実験例5]
電池にかける構成圧を、0.0883MPa(0.9kgf/cm2)に代えて0.13MPaにした以外は、上記実験例1と同様にして実験例5の偏平形非水電解質二次電池を作製した。
電池にかける構成圧を、0.0883MPa(0.9kgf/cm2)に代えて0.22MPaにした以外は、上記実験例1と同様にして実験例6の偏平形非水電解質二次電池を作製した。
[参考実験例1]
まず、参考実験例1で用いた三電極式試験用セルの構成を説明する。
炭酸リチウムLi2CO3と、共沈により得られた[Ni0.55Co0.10Mn0.35](OH)2で表されるニッケルコバルトマンガン複合水酸化物とを、Liと遷移金属全体とのモル比が1.10:1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960℃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Li1.07[Ni0.51Co0.10Mn0.32]O2で表されるリチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物を得た。
正極活物質を作製する際に、熱処理温度を930℃にしたこと以外は、上記参考実験例1と同様にして三電極式試験用セルを作製した。このようにして作製した三電極式試験用セルを、以下、参考実験例2の電池と称する。
正極活物質を作製する際に、熱処理温度を900℃にしたこと以外は、上記参考実験例1と同様にして三電極式試験用セルを作製した。このようにして作製した三電極式試験用セルを、以下、参考実験例3の電池と称する。
正極活物質を作製する際に、熱処理温度を870℃にしたこと以外は、上記参考実験例1と同様にして三電極式試験用セルを作製した。このようにして作製した三電極式試験用セルを、以下、参考実験例4の電池と称する。
まず、上述のようにして作製された参考実験例1〜4の電池について、それぞれ以下の条件で充放電し、初回放電容量及び50サイクル後の正極活物質の二次粒子内部の割れの有無を評価した。
・1サイクル目の充電条件
0.2mA/cm2の電流密度で正極電位が4.3V(vs.Li/Li+)となるまで定電流充電を行い、正極電位が4.3V(vs.Li/Li+)に達した後は、4.3Vの定電圧で電流密度が0.04mA/cm2になるまで定電圧充電を行った。
・1サイクル目の放電条件
0.2mA/cm2の電流密度で電池電圧が2.5V(vs.Li/Li+)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、初回放電容量とした。
・休止
上記充電と放電との間の休止間隔は10分間とした。
2.0mA/cm2の電流密度で正極電位が4.3V(vs.Li/Li+)となるまで定電流充電を行い、正極電位が4.3V(vs.Li/Li+)に達した後は、4.3Vの定電圧で電流密度が0.04mA/cm2になるまで定電圧充電を行った。
・2サイクル目以降の放電条件
2.0mA/cm2の電流密度で電池電圧が2.5V(vs.Li/Li+)となるまで定電流放電を行った。
・休止
上記充電と放電との間の休止間隔は10分間とした。
上記とは別に、参考実験例1〜4で得られた正極活物質を用い、正極活物質の平均結晶子サイズを、Pawley法で求めた積分幅よりHalder−wagner法を用いて評価した。正極活物質の平均結晶子サイズは、以下の方法で求めた。
1)X線回折用標準資料(National Institute of Standards and Technology(NIST) Standard Reference Materials(SRM) 660b(LaB6))のX線回折パターンから、ミラー指数(100)、(110)、(111)、(200)、(210)、(211)、(220)、(221)、(310)、(311)の10本のピークを用いてPawley法で分割型擬voigt関数を用いて、積分強度、ピーク高さから積分幅β1を算出。
測定サンプルに由来する積分幅β=β2−β1・・・(a)
4)Halder−wagner法を用いて、β2/tan2θをβ/(tanθsinθ)に対してプロットして近似する直線の傾きから測定サンプルに由来する平均結晶子サイズLを算出。
・2θ=37.9°付近にあるミラー指数(006)で指数付けされるピーク
・2θ=38.4°付近にあるミラー指数(012)で指数付けされるピーク
・2θ=44.5°付近にあるミラー指数(104)で指数付けされるピーク
・2θ=48.6°付近にあるミラー指数(015)で指数付けされるピーク
・2θ=58.6°付近にあるミラー指数(107)で指数付けされるピーク
・2θ=64.4°付近にあるミラー指数(018)で指数付けされるピーク
・2θ=65.0°付近にあるミラー指数(110)で指数付けされるピーク
・2θ=68.3°付近にあるミラー指数(113)で指数付けされるピーク
上記した正極活物質の平均結晶子サイズ、初回放電容量、サイクル後の粒子割れの有無を表3に纏めて示す。
11 正極タブ
12 負極タブ
13 偏平状の巻取り体
14 外装体
15 閉口部
16 正極板
17 負極板
18 セパレータ
21 二次粒子
22 一次粒子
23 割れ
24 割れ
Claims (10)
- リチウムを可逆的に吸蔵・放出可能な正極活物質を含む正極合剤層が形成された正極板と、リチウムを可逆的に吸蔵・放出可能な負極活物質を含む負極合剤層が形成された負極板と、前記正極板と前記負極板とがセパレータを介して積層された構造を有する電極体と、非水電解液と、を備えた偏平形非水電解質二次電池であって、
前記正極合剤層中には、周期律表の第5族に帰属される元素Mよりなる群から選択される少なくとも1種を含む化合物が存在しており、
前記電池は、外部より正極板、負極板及びセパレータの積層方向に圧力が加えられている、偏平形非水電解質二次電池。 - 前記正極活物質は、複数の一次粒子からなる正極活物質が凝集して形成された二次粒子を含む、請求項1に記載の偏平形非水電解質二次電池。
- 前記正極活物質は、Pawley法で求めた積分幅よりHalder−wagner法を用いて求めた平均結晶子サイズが450Å以上である、請求項1又は2に記載の偏平形非水電解質二次電池。
- 前記正極合剤層の充填密度は、2.2g/cm3以上3.4g/cm3以下である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の偏平形非水電解質二次電池。
- 前記圧力は、9.81×10−3MPa以上である、請求項1〜4のいずれか1項に記載の偏平形非水電解質二次電池。
- 前記正極合剤層中に存在している化合物は、前記正極活物質の二次粒子の表面に部分的に付着している、請求項1〜5のいずれか1項に記載の偏平形非水電解質二次電池。
- 前記正極合剤層中に存在している化合物は、Taを含む化合物である、請求項1〜6のいずれか1項に記載の偏平形非水電解質二次電池。
- 前記正極合剤層中に存在している化合物は、水酸化物、酸化物、オキシ水酸化物、炭酸化合物、燐酸化合物及びフッ素含有化合物から選ばれた少なくとも1種である、請求項1〜7のいずれか1項に記載の偏平形非水電解質二次電池。
- 複数の偏平形非水電解質二次電池が、直列、並列又は直並列に接続された組電池であって、
リチウムを可逆的に吸蔵・放出可能な正極活物質を含む正極合剤層が形成された正極板と、リチウムを可逆的に吸蔵・放出可能な負極活物質を含む負極合剤層が形成された負極板と、前記正極板と前記負極板とがセパレータを介して積層された構造を有する電極体と、非水電解液と、を備え、
前記正極合剤層中には、周期律表の第5族に帰属される元素Mよりなる群から選択される少なくとも1種を含む化合物が存在しており、
前記組電池を構成する前記複数の偏平形非水電解質二次電池は、正極板、負極板及びセパレータの積層方向に配列されるとともに、前記配列方向に偏平形非水電解質二次電池が互いに拘束されており、前記偏平形非水電解質二次電池は、外部より正極板、負極板及びセパレータの積層方向に拘束圧が加えられている、組電池。 - 前記拘束圧は、9.81×10−3MPa以上である、請求項9に記載の組電池。
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