JPWO2019198351A1

JPWO2019198351A1 - 非水電解質二次電池

Info

Publication number: JPWO2019198351A1
Application number: JP2020513102A
Authority: JP
Inventors: 諒風間; 雄太黒田; 学滝尻
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2018-04-10
Filing date: 2019-02-22
Publication date: 2021-04-22
Anticipated expiration: 2039-02-22
Also published as: CN111937195A; WO2019198351A1; CN111937195B; US20210167396A1; JP7373732B2

Abstract

本開示の一態様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、正極は、正極集電体と、正極集電体の表面に設けられ、正極活物質及び正極添加剤を含む正極活物質層とを有する。正極活物質は、リチウム以外の金属の総量に対して５０モル％以上のニッケルを含み、かつ、圧縮破壊強度が１３０ＭＰａ以上であるリチウムニッケル複合酸化物を含有する。正極添加剤は、逆蛍石型構造を有するリチウム含有金属酸化物を含有する。

Description

本開示は非水電解質二次電池に関する。

非水電解質二次電池は、電気機器等の電源として使用されており、さらに、電気自動車（ＥＶ、ＨＥＶ等）の電源としても使用されつつある。そして、非水電解質二次電池は、例えば、エネルギー密度の向上、出力密度の向上、サイクル特性の向上等の更なる特性向上が望まれている。

例えば、特許文献１には、金属酸化物を含む正極活物質と、リチウム銅酸化物、リチウム鉄酸化物及びリチウムマンガン酸化物から選択される酸化物のうち一つ以上を含む正極添加物と、を含む正極と、チタン含有酸化物を含む負極活物質を有する負極と、非水電解質とを備える非水電解質二次電池が記載されている。

また特許文献２には、層状結晶構造を有するリチウム含有遷移金属酸化物からなる正極活物質を含む正極と、Ｔｉ系酸化物からなる負極活物質と、負極活物質よりも貴な電位でリチウムと反応するフッ素化系炭素からなる添加剤と、を含む負極とを備え、負極の電位変化によって電池電圧が放電終止電圧に達するように構成した非水電解質二次電池が記載されている。

特開２０１７−１６８２５５号公報国際公開第２０１３／１４５７２１号パンフレット

非水電解質二次電池では、電池として使用される正極の平均作動電圧（例えば、２．８Ｖ〜４．３Ｖｖｓ．Ｌｉ／Ｌｉ^＋）において、１サイクル目の充電と放電の間には充放電容量差がある。この充放電容量差は、充電により正極から放出されたが、放電では吸蔵できないリチウムイオンの量に相当する不可逆容量である。また、正極の１サイクル目の充電容量に対する放電容量の比率は正極の充放電効率と称される。正極の不可逆容量が大きく、充放電効率が低下した非水電解質二次電池では、放電末期において、負極電位の上昇に先立って正極電位が低下して電池電圧が放電終止電圧に達する正極規制となる傾向にある。正極規制となった非水電解質二次電池では、放電末期の正極電位の急激な低下により、正極活物質の構造劣化が引き起こされ、充放電サイクル特性が低下することがある。

本開示の課題は、充放電サイクルの放電末期における正極活物質の構造劣化を抑制し、充放電サイクル特性が改善された非水電解質二次電池を提供することにある。

本開示の一態様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、正極は、正極集電体と、正極集電体の表面に設けられ、正極活物質及び正極添加剤を含む正極活物質層とを有し、正極活物質は、リチウム以外の金属の総量に対して５０モル％以上のニッケルを含み、かつ、圧縮破壊強度が１３０ＭＰａ以上であるリチウムニッケル複合酸化物を含有し、正極添加剤は、逆蛍石型構造を有するリチウム含有金属酸化物を含有する。

本開示によれば、充放電サイクルの放電末期における放電終止を規制する側の極を制御し、かつ正極活物質の構造劣化を抑制し、充放電サイクル特性が改善された非水電解質二次電池を提供することが可能となる。

従来技術では、正極活物質の特定のニッケル含有量の範囲において、電池の放電末期を正極規制とした場合、正極活物質の放電深度が深くなり、粒子構造が保てず耐久性が低下するという課題が発生していた。例えば、特許文献２では、正極電位の低下に先立って負極電位が上昇して電池電圧が放電終止電圧に達する負極規制にすることにより、層状結晶構造を有する正極活物質の単極電位が大きく変化する放電末期領域でリチウムの挿入脱離に伴う結晶構造変化を抑制することが可能となり、電池の耐久性を改善するというような手段がとられている。一方でこのように負極規制とした場合、負極表面での被膜（ＳＥＩ）形成などの副反応による、活物質であるリチウムの消費が顕著となり、サイクル特性の低下が生じる。

そこで、本発明者らは鋭意検討した結果、正極添加剤として逆蛍石型構造を有するリチウム含有金属酸化物を含有するとともに、正極活物質として、リチウム以外の金属の総量に対して５０モル％以上のニッケルを含み、かつ、圧縮破壊強度が１３０ＭＰａ以上であるリチウムニッケル複合酸化物を同時に使用することにより、電池の放電終止を規制する側の極の制御と正極の放電末期の粒子構造の安定化による、相乗効果で、電池の耐久性が飛躍的に改善することを見出だした。この効果は正極添加剤として逆蛍石型構造を有するリチウム含有金属酸化物を用いたのみでは、正極活物質の粒界が不安定で粒子構造が保てないため十分な効果が得られない。あるいは、圧縮破壊強度が１３０ＭＰａ以上であるリチウムニッケル複合酸化物のみでは、負極でのリチウム消費により、電池の容量支配極が負極規制となりやすく十分な効果が得られない。

以下に、本開示の一態様である非水電解質二次電池の実施形態について説明する。以下で説明する実施形態は一例であって、本開示はこれに限定されるものではない。

＜非水電解質二次電池＞
実施形態の一例である非水電解質二次電池は、正極と、負極と、非水電解質と、セパレータと、電池ケースとを備える。具体的には、正極及び負極がセパレータを介して巻回されてなる巻回型の電極体と、非水電解質とが電池ケースに収容された構造を有する。電極体は、巻回型の電極体に限定されず、正極及び負極がセパレータを介して積層されてなる積層型の電極体など、他の形態の電極体が適用されてもよい。

電極体及び非水電解質を収容する電池ケースとしては、円筒形、角形、コイン形、ボタン形等の金属製ケース、金属箔を樹脂シートでラミネートしたシートを成型して得られた樹脂製ケース（ラミネート型電池）などが例示できる。

以下、実施形態の一例である非水電解質二次電池に用いられる正極、負極、非水電解質、セパレータについて詳述する。

＜正極＞
正極は、例えば金属箔等の正極集電体と、正極集電体上に設けられ、正極活物質及び正極添加剤を含む正極活物質層とで構成される。正極集電体には、アルミニウムなどの正極の電位範囲で安定な金属の箔、当該金属を表層に配置したフィルム等を用いることができる。

正極活物質層に含まれる正極活物質は、リチウム以外の金属の総量に対して５０モル％以上のニッケルを含み、かつ、圧縮破壊強度が１３０ＭＰａ以上であるリチウムニッケル複合酸化物（以下「ＬｉＮｉ複合酸化物」とも記載する）を含有する。正極活物質層に含まれる正極添加剤として、逆蛍石型構造を有するリチウム含有金属酸化物（以下「Ｌｉ含有酸化物」とも記載する）を含有する。正極活物質層は、導電材及び結着材を更に含むことが好適である。

正極は、例えば、正極活物質、正極添加剤、導電材、結着材等を含む正極合材スラリーを正極集電体の表面に塗布し、塗膜を乾燥することによって、正極集電体の表面に正極活物質層を形成した後、当該正極活物質層を圧延することにより作製できる。正極集電体の厚さは、特に制限されないが、例えば１０μｍ以上１００μｍ以下程度である。

［正極活物質］
本実施形態に係る非水電解質二次電池に用いられる正極活物質は、リチウムと、リチウム以外の金属の総量に対して５０モル％以上のニッケルとを含むＬｉＮｉ複合酸化物を主成分として含む。ここで「主成分として含む」とは、正極活物質の総量に対する第１複合酸化物の含有量が、例えば９０質量％以上、好ましくは９９質量％以上であることである。

ＬｉＮｉ複合酸化物は、少なくともリチウム（Ｌｉ）とニッケル（Ｎｉ）とを含む。複合酸化物におけるリチウムの含有量は、例えば、リチウム以外の金属の総量に対して９０モル％以上１２０モル％以下であることが好ましい。この範囲でリチウムを含有することにより、非水電解質二次電池の充放電容量を向上できるためである。

ＬｉＮｉ複合酸化物は、上述の通り、リチウム以外の金属の総量に対して５０モル％以上のニッケルを含有する。ＬｉＮｉ複合酸化物がこの範囲でニッケルを含有することにより、放電末期における負極電位の上昇を抑え、負極の耐久性を向上させるとともに、容量を向上することができる。この観点、並びに、１サイクル目の充放電効率が低く正極規制となり易く、本実施形態によるサイクル特性の劣化抑制効果が高いことから、ＬｉＮｉ複合酸化物は、リチウム以外の金属の総量に対して８０モル％以上のニッケルを含有することが好ましく、８５モル％以上のニッケルを含有することが好ましい。ニッケル含有量の上限は特に制限されないが、熱安定性の観点から、ＬｉＮｉ複合酸化物はリチウム以外の金属の総量に対して９５モル％以下のニッケルを含有することが好ましい。

ＬｉＮｉ複合酸化物は、例えば、一般式Ｌｉ_ａＮｉ_ｘＭ_１−ｘＯ_２で表すことができる。式中、Ｍはリチウム及びニッケル以外の金属元素を表し、ａ及びｘはそれぞれ、０．９≦ｘ≦１．２、０．５≦ｘ≦１を満たす。

上記一般式における金属元素Ｍは、例えば、Ｎｉ以外の遷移金属元素、アルカリ土類金属元素、第１２族〜第１４族元素から選ばれる少なくとも１種以上の金属元素が挙げられる。金属元素Ｍの具体例としては、例えば、コバルト（Ｃｏ）、アルミニウム（Ａｌ）、マンガン（Ｍｎ）、マグネシウム（Ｍｇ）、カルシウム（Ｃａ）、クロム（Ｃｒ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、モリブデン（Ｍｏ）、ケイ素（Ｓｉ）、チタン（Ｔｉ）、鉄（Ｆｅ）、ホウ素（Ｂ）、銅（Ｃｕ）、亜鉛（Ｚｎ）、錫（Ｓｎ）、バリウム（Ｂａ）及びストロンチウム（Ｓｒ）等が挙げられる。上記一般式における金属元素Ｍとしては、コバルト、アルミニウム及びマンガンが好ましい。

ＬｉＮｉ複合酸化物は、非水電解質二次電池の耐久性の観点から、コバルトを含有することが好ましく、例えば、リチウム以外の金属（上記一般式におけるＮｉ及びＭ）の総量に対して３モル％以上１５モル％以下のコバルトを含有することがより好ましい。

ＬｉＮｉ複合酸化物は、アルミニウムを含有することが好ましく、例えば、リチウム以外の金属（上記一般式におけるＮｉ及びＭ）の総量に対して１モル％以上５モル％以下のアルミニウムを含有することが好ましい。ＬｉＮｉ複合酸化物がアルミニウムを含有することにより、非水電解質二次電池の耐久性をより向上できるためである。また、５モル％以下の量でアルミニウムを含有することにより、非水電解質二次電池の充放電容量をより向上できるためである。

なお、上記一般式で表されるＬｉＮｉ複合酸化物は、必ずしも、ニッケル及び金属元素Ｍの総量と酸素原子とのモル比が厳密に１：２であるものに限定されない。例えば、当該モル比が１：１．９以上１：２．１以下である場合であっても、上記一般式で表されるＬｉＮｉ複合酸化物に含まれるものとして取り扱うことができる。

正極活物質に含まれるＬｉＮｉ複合酸化物、及び、後述する正極添加剤に含まれるＬｉ含有酸化物の組成は、例えば、ＩＣＰ発光分光分析装置（例えば、ＴｈｅｒｍｏＦｉｓｈｅｒＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃ社製、商品名「ｉＣＡＰ６３００」等）を用いて測定することができる。

本実施形態に係る非水電解質二次電池に用いられる正極活物質は、１３０ＭＰａ以上の圧縮破壊強度を有する粒子である。圧縮破壊強度（Ｓｔ）は、正極活物質の硬さを評価する尺度であり、「日本鉱業会誌」８１巻、９３２号、１９６５年１２月号、１０２４〜１０３０頁に記載される数式Ｓｔ＝２．８Ｐ／（πｄ^２）（式中、Ｐは粒子にかかった荷重を示し、ｄは粒径を示す）により算出される。圧縮破壊強度は、粒径の２乗で除するため粒径の依存度が高く、小さい粒子ほど圧縮破壊強度が大きい結果となる。ゆえに、圧縮破壊強度については、所定の粒径であるときの圧縮破壊強度として規定することが好ましい。正極活物質の圧縮破壊強度は、例えば、微小圧縮試験機（株式会社島津製作所製、形式名「ＭＣＴ−Ｗ２０１」）等を用いて測定することができる。

正極活物質は、粒径を８μｍ程度に規定したときの圧縮破壊強度が１３０ＭＰａ以上であることが好ましい。なお「粒径が８μｍ程度」とは、例えば、粒径が８μｍ±５％以内の範囲に含まれることをいう。本実施形態では、正極活物質の当該圧縮破壊強度が１３０ＭＰａ以上であることにより、正極活物質の構造がより強固となり、放電末期における構造劣化を抑制することができる。その結果、本実施形態に係る非水電解質二次電池の長期サイクル時の容量劣化が抑制され、サイクル特性を改善することができる。

また、正極活物質の当該圧縮破壊強度は２３０ＭＰａ以下であることが好ましく、２００ＭＰａ以下であることがより好ましい。当該圧縮破壊強度が上記範囲にあると、正極作製時の圧延による正極集電体となる金属箔の損傷を抑えることができる。

圧縮破壊強度が上記の範囲にある正極活物質は、例えば、正極活物質にケイ素を含有させることによって作製することができる。より具体的には、下記の方法で合成することができる。まず、リチウム含有化合物と、ニッケル及び上記一般式のＭで表される金属元素を含有する化合物と、ケイ素含有化合物とを、目的とするＬｉＮｉ複合酸化物に基づく混合比率で混合する。リチウム含有化合物としては、例えばリチウムの水酸化物、塩化物、硝酸塩、炭酸塩等が挙げられる。ニッケル及び上記一般式のＭで表される金属元素を含有する化合物としては、例えば酸化物、水酸化物、塩化物、硝酸塩、炭酸塩、硫酸塩、有機酸塩等が挙げられる。ケイ素含有化合物としては、一酸化ケイ素（ＳｉＯ）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）等が挙げられる。次いで、得られた混合物を焼成することにより、ケイ素を含有するＬｉＮｉ複合酸化物を合成することができる。当該混合物の焼成は、大気中又は酸素気流中で行う。焼成温度は６００〜１１００℃程度であり、焼成時間は、焼成温度が６００〜１１００℃である場合、１〜１０時間程度である。

このようにして合成されるＬｉＮｉ複合酸化物では、ケイ素が他の金属元素と固溶していると考えられる。正極活物質に含有されているケイ素は、いずれの形態で含まれていてもよいが、ＬｉＮｉ複合酸化物と固溶していることが好ましい。ケイ素がＬｉＮｉ複合酸化物と固溶している場合、ケイ素と酸素の結合が強化され、結晶格子がより強固になり、正極活物質の圧縮破壊強度を向上させることができるためである。ケイ素と固溶しているＬｉＮｉ複合酸化物は、上記一般式Ｌｉ_ｘＮｉ_ｙＭ_ｚＯ_２で表され、Ｍがケイ素を含む化合物に相当する。

ケイ素を含有する正極活物質は、一次粒子が凝集した二次粒子で構成され、一次粒子どうしの接合部（粒界）にケイ素化合物を含有するものであってもよい。このときのケイ素化合物としては、例えば、ＳｉＯ_２及びＳｉＯ等のケイ素酸化物やリチウムと珪素の酸化物であるケイ酸リチウムが挙げられる。

正極活物質に含まれるケイ素の含有量は、正極活物質の圧縮破壊強度が上記の範囲となるように適宜調整すればよい。正極活物質の圧縮破壊強度向上の観点から、ケイ素の含有量は、正極活物質を構成するＬｉＮｉ複合酸化物に含まれるリチウム以外の金属元素の総量に対して、０．１モル％以上が好ましく、０．５モル％以上がより好ましい。また、上述の正極集電体の損傷を抑える観点と、正極活物質の結晶構造の安定化の観点から、ケイ素の含有量は、当該リチウム以外の金属元素の総量に対して、５モル％以下が好ましく、３モル％以下がより好ましい。

なお、圧縮破壊強度が上記の範囲にある正極活物質を作製する方法は、正極活物質にケイ素を含有させる方法に限定されるものではない。

正極活物質の二次粒子の体積平均粒径は、例えば１μｍ以上５０μｍ以下であり、好ましくは５μｍ以上２０μｍ以下である。体積平均粒径とは、レーザー回折散乱法で測定される正極活物質の体積平均粒径であって、粒度分布において体積積算値が５０％となる粒径を意味する。正極活物質の体積平均粒径は、例えばレーザ回折散乱式粒度分布測定装置（株式会社堀場製作所製）を用いて測定することができる。

［正極添加剤］
本実施形態に係る非水電解質二次電池では、正極活物質とともに逆蛍石型構造を有するＬｉ含有酸化物で構成される正極添加剤を正極に使用する。これにより、放電末期における負極電位の上昇を抑え、負極の耐久性を向上させることができる。逆蛍石型結晶構造とは、負電荷を有するアニオンによって構成される面心立方格子の四面体サイトに正電荷を有するカチオンが入る結晶構造である。すなわち、単位格子あたり４個のアニオンで構成されており、かつ最大で８個のカチオンの原子が入り得る。逆蛍石型構造としては、例えば、空間群Ｆｍ３ｍに属する結晶構造が挙げられる。

Ｌｉ含有酸化物としては、例えば、アニオンが主として酸素原子で構成され、カチオンが主としてリチウムで構成されているＬｉ_２Ｏ等、並びに、アニオンが主として酸素原子で構成され、カチオンがリチウム及び少なくとも１種の遷移金属元素等を含むＬｉ含有酸化物等が挙げられる。リチウム及び少なくとも１種の遷移金属元素等で構成されるＬｉ含有酸化物は、例えば一般式Ｌｉ_ｂＭｅ_ｙＯ_４で表される酸化物であり、式中、４≦ｂ≦７、０．５≦ｙ≦１．５を満たし、ＭｅはＣｏ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｇａ、Ｇｅ、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｓｎから選択される少なくとも１種の遷移金属等を示す。

逆蛍石型構造を有する正極添加剤は、充電時にリチウムを放出し、放電時にはリチウムを吸蔵するため、Ｌｉ含有酸化物中のリチウムの組成比は変化する。このとき、リチウム以外に遷移金属元素等を含有するＬｉ含有酸化物では、電荷中性の法則から当該遷移金属元素の酸化数が変化し、Ｌｉの吸蔵／放出による電荷の増減が補償される。Ｌｉ含有酸化物としては、上述の電荷補償の観点、正極添加剤の合成の容易さ、比較的軽量であること等から、リチウム鉄酸化物、リチウム銅酸化物及びリチウムマンガン酸化物からなる群より選択される少なくとも１つを含むことが好ましい。

リチウム鉄酸化物としては、例えばＬｉ_５ＦｅＯ_４、ＬｉＦｅＯ_２、ＬｉＦｅ_５Ｏ_８、Ｌｉ_３Ｆｅ_５Ｏ_８、Ｌｉ_２Ｆｅ_３Ｏ_４、Ｌｉ_５Ｆｅ_５Ｏ_８、及びＬｉ_２Ｆｅ_３Ｏ_５からなる群より選択される１つ以上の酸化物が挙げられる。リチウム銅酸化物としては、例えばＬｉ_２ＣｕＯ_２、ＬｉＣｕＯ、Ｌｉ_６ＣｕＯ_４、Ｌｉ_２Ｃｕ_２Ｏ_３、ＬｉＣｕ_３Ｏ_３、ＬｉＣｕ_２Ｏ_２、ＬｉＣｕＯ_２、Ｌｉ_３Ｃｕ_２Ｏ_４、Ｌｉ_３ＣｕＯ_３、及びＬｉＣｕ_３Ｏ_３からなる群より選択される１つ以上の酸化物が挙げられる。リチウムマンガン酸化物としては、例えばＬｉＭｎＯ_２、Ｌｉ_２ＭｎＯ_３、Ｌｉ_３ＭｎＯ_４、ＬｉＭｎ_３Ｏ_４、Ｌｉ_４Ｍｎ_５Ｏ_１２、及びＬｉＭｎＯ_４からなる群より選択される１つ以上の酸化物が挙げられる。中でも、Ｌｉ含有酸化物は、初回充電時の安定性及び溶解性の観点から、リチウム鉄酸化物であることが好ましく、Ｌｉ_５ＦｅＯ_４であることが特に好ましい。

正極添加剤として使用するＬｉ含有酸化物は、例えば、上述のＬｉＮｉ複合酸化物の合成方法と同様にして、合成することができる。より具体的には、まず、リチウム含有化合物と、上記一般式のＭｅで表される遷移金属元素を含有する化合物とを、目的とするＬｉ含有酸化物に基づく混合比率で混合する。リチウム含有化合物としては、例えばリチウムの水酸化物、塩化物、硝酸塩、炭酸塩等が挙げられる。上記一般式のＭｅで表される遷移金属元素を含有する化合物としては、例えば酸化物、水酸化物、塩化物、硝酸塩、炭酸塩、硫酸塩、有機酸塩等が挙げられる。次いで、得られた混合物を焼成することにより、リチウムと少なくとも１種の遷移元素とを含有し、逆蛍石型構造を有するＬｉ含有酸化物を合成することができる。当該混合物の焼成は、大気中又は酸素気流中で行う。焼成温度は６００〜１１００℃程度であり、焼成時間は、焼成温度が６００〜１１００℃である場合、１〜１０時間程度である。

正極活物質層における正極添加剤の含有量は、放電末期の負極電位の上昇をより抑制できるため、正極活物質層（正極活物質、正極添加剤、導電材及び結着材）の総量に対して０．１質量％以上であることが好ましく、０．５質量％以上であることがより好ましい。また、電池の容量を確保し、エネルギー密度を高く維持するため、正極活物質層における正極添加剤の含有量は、正極活物質層の総量に対して１０質量％以下が好ましく、５質量％以下がより好ましい。

正極活物質層における逆蛍石型構造を有する正極添加剤の存在は、粉末Ｘ線回折法に基づく公知の方法で解析することができる。例えば、Ｌｉ_５ＦｅＯ_４はＸ線回折パターンにおいて、回折角（２θ）＝２３．７°付近に出現する逆蛍石型構造の（１２１）面の回折ピークを検出することによって、逆蛍石型構造を有する正極添加剤の存在を確認することができる。

［導電材］
正極活物質層に含まれる導電材の例としては、カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック及び黒鉛等の炭素材料等が挙げられる。これらは、単独で用いてもよく、２種類以上を組み合わせて用いてもよい。導電材の含有量は、正極活物質層（正極活物質、正極添加剤、導電材及び結着材）の総量に対して、例えば０．１質量％以上２０質量％以下であればよく、０．１質量％以上１０質量％以下が好ましい。

［結着材］
正極活物質層に含まれる結着材の例としては、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）及びポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）等のフッ素系樹脂、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）、ポリイミド系樹脂、アクリル系樹脂、並びに、ポリオレフィン系樹脂等が挙げられる。結着材は、単独で用いてもよく、２種類以上を組み合わせて用いてもよい。また、これらの結着材に、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）又はその塩（ＣＭＣ−Ｎａ、ＣＭＣ−Ｋ、ＣＭＣ−ＮＨ_４等、また部分中和型の塩であってもよい）、ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）等を併用してもよい。結着剤の含有量は、正極活物質層（正極活物質、正極添加剤、導電材及び結着材）の総量に対して、例えば０．１質量％以上２０質量％以下であればよく、０．１質量％以上１０質量％以下が好ましい。

＜負極＞
負極は、例えば金属箔等の負極集電体と、負極集電体の表面に形成された負極活物質層とを備える。負極集電体には、銅などの負極の電位範囲で安定な金属の箔、銅などの負極の電位範囲で安定な金属を表層に配置したフィルム等を用いることができる。負極活物質層は、リチウムイオンを吸蔵・脱離可能な負極活物質の他に、結着材を含むことが好適である。結着材は増粘剤と併用されてもよい。

負極は、例えば負極集電体上に負極活物質、結着材及び増粘剤等を含む負極合材スラリーを塗布し、塗膜を乾燥させた後、圧延して負極活物質層を集電体の両面に形成することにより作製できる。負極集電体の厚さは、集電性、機械的強度等の観点から、５μｍ以上４０μｍ以下が好ましく、１０μｍ以上２０μｍ以下がより好ましい。

負極活物質としては、例えば天然黒鉛、人造黒鉛、リチウム、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、リチウム合金、予めリチウムを吸蔵させた炭素並びに珪素、及びこれらの合金並びに混合物等を用いることができる。

結着材としては、例えば、正極の場合と同様に、フッ素系高分子、ゴム系高分子等を用いてもよく、また、スチレンーブタジエン共重合体（ＳＢＲ）又はこの変性体等を用いてもよい。増粘剤としては、例えば、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）、ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）等が挙げられる。これらは、１種単独で用いてもよいし、２種以上を組み合わせて用いてもよい。

＜非水電解質＞
非水電解質は、非水溶媒と、非水溶媒に溶解した電解質塩とを含む。

電解質塩は、リチウム塩であることが好ましい。リチウム塩には、従来の非水電解質二次電池において支持塩として一般に使用されているものを用いることができる。例えば、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＣｌＯ_４、ＬｉＰＦ_６、ＬｉＡｓＦ_６、ＬｉＳｂＦ_６、ＬｉＡｌＣｌ_４、ＬｉＳＣＮ、ＬｉＣＦ_３ＳＯ_３、ＬｉＣ（Ｃ_２Ｆ_５ＳＯ_２）_３、ＬｉＣＦ_３ＣＯ_２、Ｌｉ（Ｐ（Ｃ_２Ｏ_４）Ｆ_４）、Ｌｉ（Ｐ（Ｃ_２Ｏ_４）Ｆ_２）、ＬｉＰＦ_６−ｘ（Ｃ_ｎＦ_２ｎ＋１）_ｘ（１≦ｘ≦６、ｎは１又は２）、ＬｉＢ_１０Ｃｌ_１０、ＬｉＣｌ、ＬｉＢｒ、ＬｉＩ、クロロボランリチウム、低級脂肪族カルボン酸リチウム、Ｌｉ_２Ｂ_４Ｏ_７、Ｌｉ（Ｂ（Ｃ_２Ｏ_４）_２）［リチウム−ビスオキサレートボレート（ＬｉＢＯＢ）］、Ｌｉ（Ｂ（Ｃ_２Ｏ_４）Ｆ_２）等のホウ酸塩類、ＬｉＮ（ＦＳＯ_２）_２、ＬｉＮ（Ｃ_ｌＦ_２ｌ＋１ＳＯ_２）（Ｃ_ｍＦ_２ｍ＋１ＳＯ_２）｛ｌ、ｍは０以上の整数｝等のイミド塩類、Ｌｉ_ｘＰ_ｙＯ_ｚＦ_α（ｘは１〜４の整数、ｙは１又は２、ｚは１〜８の整数、αは１〜４の整数）等が挙げられる。これらの中では、ＬｉＰＦ_６やＬｉ_ｘＰ_ｙＯ_ｚＦ_α（ｘは１〜４の整数、ｙは１又は２、ｚは１〜８の整数、αは１〜４の整数）等が好ましい。Ｌｉ_ｘＰ_ｙＯ_ｚＦ_αとしては、例えばモノフルオロリン酸リチウム、ジフルオロリン酸リチウム等が挙げられる。リチウム塩は、これらを１種単独で用いてもよいし、複数種を混合して用いてもよい。

非水電解質に用いる非水溶媒としては、環状カーボネート類、鎖状カーボネート類、カルボン酸エステル類が例示できる。具体的には、エチレンカーボネート（ＥＣ）、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、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類；ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、メチルプロピルカーボネート、エチルプロピルカーボネート、メチルイソプロピルカーボネート等の鎖状カーボネート類；プロピオン酸メチル（ＭＰ）、プロピオン酸エチル、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸プロピル等の鎖状カルボン酸エステル；及び、γ−ブチロラクトン（ＧＢＬ）、γ−バレロラクトン（ＧＶＬ）等の環状カルボン酸エステル等が挙げられる。

非水電解質に用いる非水溶媒の他の例としては、エーテル類、ニトリル類、及び、ジメチルホルムアミド等のアミド類が例示できる。環状エーテル類としては、例えば、１，３−ジオキソラン、４−メチル−１，３−ジオキソラン、テトラヒドロフラン、２−メチルテトラヒドロフラン、プロピレンオキシド、１，２−ブチレンオキシド、１，３−ジオキサン、１，４−ジオキサン、１，３，５−トリオキサン、フラン、２−メチルフラン、１，８−シネオール、クラウンエーテル等が挙げられる。

鎖状エーテル類としては、例えば、１，２−ジメトキシエタン、ジエチルエーテル、ジプロピルエーテル、ジイソプロピルエーテル、ジブチルエーテル、ジヘキシルエーテル、エチルビニルエーテル、ブチルビニルエーテル、メチルフェニルエーテル、エチルフェニルエーテル、ブチルフェニルエーテル、ペンチルフェニルエーテル、メトキシトルエン、ベンジルエチルエーテル、ジフェニルエーテル、ジベンジルエーテル、ｏ−ジメトキシベンゼン、１，２−ジエトキシエタン、１，２−ジブトキシエタン、ジエチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールジエチルエーテル、ジエチレングリコールジブチルエーテル、１，１−ジメトキシメタン、１，１−ジエトキシエタン、トリエチレングリコールジメチルエーテル、テトラエチレングリコールジメチルエーテル等が挙げられる。

ニトリル類としては、例えば、アセトニトリル、プロピオニトリル、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、グルタロニトリル、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が挙げられる。

非水電解質はハロゲン置換体を含んでいてもよい。ハロゲン置換体の例としては、例えば、４−フルオロエチレンカーボネート（ＦＥＣ）等のフッ素化環状炭酸エステル、フッ素化鎖状炭酸エステル、メチル３，３，３−トリフルオロプロピオネート（ＦＭＰ）等のフッ素化鎖状カルボン酸エステル等が挙げられる。

＜セパレータ＞
セパレータには、例えば、イオン透過性及び絶縁性を有する多孔性シート等が用いられる。多孔性シートの具体例としては、微多孔薄膜、織布、不織布等が挙げられる。セパレータの材質としては、ポリエチレン、ポリプロピレン等のオレフィン系樹脂、セルロース等が好適である。セパレータは、セルロース繊維層及びオレフィン系樹脂等の熱可塑性樹脂繊維層を有する積層体であってもよい。また、ポリエチレン層及びポリプロピレン層を含む多層セパレータであってもよく、セパレータの表面にアラミド系樹脂等の樹脂が塗布されたものを用いてもよい。

以下、実施例及び比較例を挙げ、本開示をより具体的に詳細に説明するが、本開示は、以下の実施例に限定されるものではない。

＜実施例１＞
［正極活物質の作製］
ＮｉＳＯ_４、ＣｏＳＯ_４及びＡｌ_２（ＳＯ_４）_３を水溶液中で混合して共沈させることにより、Ｎｉ_０．８８Ｃｏ_０．０９Ａｌ_０．０３（ＯＨ）_２の組成式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得た。それを焼成して、ニッケルコバルトアルミニウム複合酸化物を作製した。次に、当該複合酸化物と、炭酸リチウムとをらいかい乳鉢を用いて混合した。この混合物における、リチウムと、リチウム以外の金属（Ｎｉ、Ｃｏ、Ａｌ）との混合比（モル比）は１．０３：１．０であった。更に、リチウム以外の金属（Ｎｉ、Ｃｏ、Ａｌ）に対してＳｉが１モル％となる量のＳｉＯを、当該混合物に加えた。この混合物を空気中において９００℃で１０時間焼成した後、粉砕することにより、Ｓｉを含有するＬｉＮｉ複合酸化物からなる正極活物質ａ１を作製した。

ＩＣＰ発光分光分析装置（ＴｈｅｒｍｏＦｉｓｈｅｒＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃ社製、商品名「ｉＣＡＰ６３００」）を用いてＩＣＰ発光分析法により正極活物質ａ１の元素分析を行ったところ、正極活物質ａ１は組成式Ｌｉ_１．０３Ｎｉ_０．８８Ｃｏ_０．０９Ａｌ_０．０３Ｓｉ_{０．００５}Ｏ_２で表されるＬｉＮｉ複合酸化物で構成されていた。即ち、正極活物質ａ１は、正極活物質ａ１の総量にＬｉＮｉ複合酸化物を構成するリチウム以外の金属（Ｎｉ、Ｃｏ、Ａｌ）に対して０．５モル％のＳｉを含有していた。また、レーザ回折散乱式粒度分布測定装置（株式会社堀場製作所製）を用いて測定した結果、正極活物質ａ１の体積平均粒径は１２μｍであった。

正極活物質ａ１の圧縮破壊強度（Ｓｔ）を測定した。圧縮破壊強度の測定は、下記の測定条件で、粒径が８μｍ程度（８μｍ±５％以内）である５個の正極活物質ａ１に対して行い、得られた測定値の平均を正極活物質ａ１の圧縮破壊強度とした。測定の結果、正極活物質ａ１の圧縮破壊強度は１３０ＭＰａであった。
＜測定条件＞
試験温度：常温（２５℃）
試験装置：微小圧縮試験機、株式会社島津製作所製、形式名「ＭＣＴ−Ｗ２０１」
上部加圧圧子：直径５０μｍの平面
測定モード：圧縮試験
試験荷重：９０ｍＮ
負荷速度：２．６４７８ｍＮ／秒

［正極添加剤の作製］
炭酸リチウムと、Ｆｅ_２Ｏ_３で表される酸化物とを、ＬｉとＬｉ以外の金属元素（Ｆｅ）のモル比が５：１になるようにらいかい乳鉢にて混合した。当該混合物を窒素雰囲気中にて６００℃で１２時間熱処理した後、粉砕することにより、Ｌｉ含有酸化物からなる正極添加剤ｂ１を作製した。

正極活物質ａ１と同様に、正極添加剤ｂ１の元素分析を行ったところ、組成式Ｌｉ_５ＦｅＯ_４で表されるＬｉ含有酸化物で構成されていた。レーザ回折散乱式粒度分布測定装置（株式会社堀場製作所製）を用いて測定した結果、正極添加剤ｂ１の体積平均粒径は１０μｍであった。また、正極添加剤ｂ１の結晶構造を、粉末Ｘ線回折装置（株式会社リガク製、商品名「ＲＩＮＴ２２００」、線源Ｃｕ−Ｋα）を用いて、粉末Ｘ線回折法により解析した。測定条件は２θ／θ連続スキャン方式で、１５°から１２０°までを０．０２ステップで１分あたり４°の速さで測定した。測定電圧／電流は４０ｋＶ／４０ｍＡ、発散スリット１°、散乱スリット１°、受光スリット０．３ｍｍ、モノクロ受光スリットなしとした。解析の結果、正極添加剤ｂ１の結晶構造は空間群Ｆｍ３ｍに帰属する逆蛍石型構造であった。

［正極の作製］
正極活物質ａ１と、正極添加剤ｂ１を１００：１．５の質量比で混合した後、この正極活物質混合体と、カーボンブラックと、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）とを、１００：１：１の質量比で混合した。当該混合物に分散媒としてＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）を添加して混練し、正極合材スラリーを調製した。次に、正極集電体であるアルミニウム箔の表面に正極合材スラリーを塗布し、塗膜を乾燥させた後、圧延ローラにより圧延した。このようにして、アルミニウム箔の両面に正極活物質層が形成された正極を作製した。

［負極の作製］
黒鉛と、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）と、スチレン−ブタジエンゴム（ＳＢＲ）とを、１００：１：１の質量比で混合し、水を添加した。これを混合機（プライミクス製、Ｔ．Ｋ．ハイビスミックス）を用いて攪拌し、負極合材スラリーを調製した。次に、負極集電体である銅箔の表面に負極合材スラリーを塗布し、塗膜を乾燥させた後、圧延ローラにより圧延した。このようにして、銅箔の両面に負極活物質層が形成された負極を作製した。

［非水電解質の調製］
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、３０：３０：４０の体積比（室温）で混合した。当該混合溶媒に、調製後の非水電解質における濃度が１．３モル／Ｌとなる量のＬｉＰＦ_６を溶解させ、さらに、調製後の非水電解質における濃度が０．３質量％となる量のビニレンカーボネートを溶解させて、非水電解質を調製した。

［電池の作製］
上記の正極及び負極をそれぞれ所定の寸法にカットした後、上記正極にアルミニウムリードを、上記負極にニッケルリードをそれぞれ取り付けた。ポリエチレン製の微多孔膜をセパレータとして用い、セパレータを介して正極及び負極を渦巻き状に巻回することにより巻回型の電極体を作製した。この電極体を、外径１８ｍｍ、高さ６５ｍｍの有底円筒形状の電池ケース本体に収容し、上記非水電解質を注入した後、ガスケット及び封口体により電池ケース本体の開口部を封口して、１８６５０型の円筒形非水電解質二次電池を作製した。これを実施例１の電池Ａ１と称する。

＜比較例１＞
ニッケルコバルトアルミニウム複合酸化物と炭酸リチウムとの混合物にＳｉＯを添加しなかったこと以外は、実施例１の正極活物質ａ１の作製方法と同様にして、Ｓｉを含有しないＮｉ−Ｃｏ−Ａｌ系の第１複合酸化物ａ２（正極活物質）を作製した。ＩＣＰ発光分析法による元素分析の結果、正極活物質ａ２は組成式Ｌｉ_１．１Ｎｉ_０．８８Ｃｏ_０．０９Ａｌ_０．０３Ｏ_２で表されるＬｉＮｉ複合酸化物で構成されていた。レーザ回折散乱式粒度分布測定装置（株式会社堀場製作所製）を用いて測定した結果、正極活物質ａ２の体積平均粒径は１１μｍであった。また、正極活物質ａ２の圧縮破壊強度（Ｓｔ）は１１０ＭＰａであった。

正極の作製において、正極活物質ａ２と、カーボンブラックと、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）とを、１００：１：１の質量比で混合して得られる混合物を使用し、正極添加剤ｂ１を使用しなかったこと以外は実施例１と同様にして、円筒形非水電解質二次電池（電池Ｂ１）を作製した。

＜比較例２＞
正極の作製において、正極活物質ａ１に換えて正極活物質ａ２を使用したこと以外は実施例１と同様にして、円筒形非水電解質二次電池（電池Ｂ２）を作製した。

＜比較例３＞
正極の作製において、正極活物質ａ１と、カーボンブラックと、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）とを、１００：１：１の質量比で混合して得られる混合物を使用し、正極添加剤ｂ１を使用しなかったこと以外は実施例１と同様にして、円筒形非水電解質二次電池（電池Ｂ３）を作製した。

［サイクル特性試験］
上記で作製した実施例１の電池Ａ１、比較例１〜３の電池Ｂ１〜Ｂ３を用いて、２５℃の温度条件下、充放電電流１Ｉｔ（１Ｉｔは電池容量を１時間で放電する電流値であり、ここでは１Ｉｔを３０００ｍＡとする）、充電終止電圧４．１Ｖ、放電終止電圧３Ｖで充放電を１回行った。この１サイクル目の放電時の放電容量を測定した。次いで、２５℃の温度条件下、充放電電流１Ｉｔ、充電終止電圧４．１Ｖ、放電終止電圧３Ｖでの充放電サイクル試験を５０回行い、５０サイクル目の放電時の放電容量を測定した。

実施例１の電池Ａ１、及び比較例１〜３の電池Ｂ１〜Ｂ３について、１サイクル目の放電容量に対する５０サイクル目の放電容量の比率である容量劣化率を算出した。比較例１の電池Ｂ１の５０サイクル後の容量劣化率を基準（１００％）として、実施例１の電池Ａ１及び比較例２〜３の電池Ｂ２〜Ｂ３の５０サイクル後の容量劣化率を算出した。その結果を表１に示す。

表１の結果から明らかなように、比較例１の電池Ｂ１に対して、逆蛍石型構造を有する第２複合酸化物が正極活物質層に含まれる比較例２の電池Ｂ２、及び、正極活物質の圧縮破壊強度を高めた比較例３の電池Ｂ３では、充放電サイクル特性の改善効果が見られなかった。これに対し、逆蛍石型構造を有する第２複合酸化物が正極活物質層に含まれ、且つ、正極活物質の圧縮破壊強度を高めた実施例１の電池Ａ１では、比較例１の電池Ｂ１に比較して容量劣化率が低下し、充放電サイクル特性が格段に向上したことを示した。

Claims

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、正極集電体と、前記正極集電体の表面に設けられ、正極活物質及び正極添加剤を含む正極活物質層とを有し、
前記正極活物質は、リチウム以外の金属の総量に対して５０モル％以上のニッケルを含み、かつ、圧縮破壊強度が１３０ＭＰａ以上であるリチウムニッケル複合酸化物を含有し、
前記正極添加剤は、逆蛍石型構造を有するリチウム含有金属酸化物を含有する、非水電解質二次電池。
前記正極添加剤の前記正極活物質層に対する含有量が０．５質量％以上５質量％以下である、請求項１に記載の非水電解質二次電池。
前記リチウム含有金属酸化物が、リチウム鉄酸化物、リチウム銅酸化物及びリチウムマンガン酸化物からなる群より選択される少なくとも１つを含む、請求項１又は２に記載の非水電解質二次電池。
前記リチウム含有金属酸化物がＬｉ_５ＦｅＯ_４である、請求項３に記載の非水電解質二次電池。
前記正極活物質がケイ素を更に含有する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の非水電解質二次電池。
前記ケイ素の含有量が、前記リチウムニッケル複合酸化物に含まれるリチウム以外の金属の総量に対して０．１モル％以上５モル％以下である、請求項５に記載の非水電解質二次電池。