CN107112584B - 非水电解液二次电池和非水电解液二次电池的正极 - Google Patents

非水电解液二次电池和非水电解液二次电池的正极 Download PDF

Info

Publication number
CN107112584B
CN107112584B CN201680004645.XA CN201680004645A CN107112584B CN 107112584 B CN107112584 B CN 107112584B CN 201680004645 A CN201680004645 A CN 201680004645A CN 107112584 B CN107112584 B CN 107112584B
Authority
CN
China
Prior art keywords
positive electrode
active material
negative electrode
rock salt
secondary battery
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201680004645.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN107112584A (zh
Inventor
高冈步
仓津将人
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kaneka Corp
Original Assignee
Kaneka Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Kaneka Corp filed Critical Kaneka Corp
Publication of CN107112584A publication Critical patent/CN107112584A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN107112584B publication Critical patent/CN107112584B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/48Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides
    • H01M4/52Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of nickel, cobalt or iron
    • H01M4/525Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of nickel, cobalt or iron of mixed oxides or hydroxides containing iron, cobalt or nickel for inserting or intercalating light metals, e.g. LiNiO2, LiCoO2 or LiCoOxFy
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052Li-accumulators
    • H01M10/0525Rocking-chair batteries, i.e. batteries with lithium insertion or intercalation in both electrodes; Lithium-ion batteries
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/056Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes
    • H01M10/0564Accumulators with non-aqueous electrolyte characterised by the materials used as electrolytes, e.g. mixed inorganic/organic electrolytes the electrolyte being constituted of organic materials only
    • H01M10/0566Liquid materials
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/131Electrodes based on mixed oxides or hydroxides, or on mixtures of oxides or hydroxides, e.g. LiCoOx
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/362Composites
    • H01M4/364Composites as mixtures
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/48Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/48Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides
    • H01M4/483Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides for non-aqueous cells
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/48Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides
    • H01M4/485Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of mixed oxides or hydroxides for inserting or intercalating light metals, e.g. LiTi2O4 or LiTi2OxFy
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/48Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides
    • H01M4/50Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of manganese
    • H01M4/505Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of manganese of mixed oxides or hydroxides containing manganese for inserting or intercalating light metals, e.g. LiMn2O4 or LiMn2OxFy
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M2004/021Physical characteristics, e.g. porosity, surface area
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M2004/026Electrodes composed of, or comprising, active material characterised by the polarity
    • H01M2004/028Positive electrodes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M2010/4292Aspects relating to capacity ratio of electrodes/electrolyte or anode/cathode
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)

Abstract

本发明提供一种非水电解液二次电池,其即使在负极使用钛化合物,在循环试验中产生的气体量也飞跃地减少且循环稳定性优异。该非水电解液二次电池具有封入体,该封入体封入有正极、非水电解液以及夹着间隔件与正极对置的负极,负极含有钛化合物作为负极活性物质,将其设为如下构成:间隔件具有电绝缘性,正极含有尖晶石型锰酸锂和层状岩盐型化合物作为正极活性物质,尖晶石型锰酸锂的数均粒径为10μm~20μm,且比表面积为0.05m2/g~0.4m2/g,层状岩盐型化合物相对于尖晶石型锰酸锂100重量份含有2重量份~5重量份,并且层状岩盐型化合物的数均粒径为3μm~9μm,且比表面积为0.3m2/g~0.6m2/g。

Description

非水电解液二次电池和非水电解液二次电池的正极
技术领域
本发明涉及非水电解液二次电池和非水电解液二次电池的正极。
背景技术
近年来,作为移动设备、或混合动力汽车、电动汽车、家庭用蓄电池等用途,正在积极进行非水电解液二次电池的研究开发。
这些领域所用的非水电解液二次电池要求高安全性和长寿命性。
因此,非水电解液二次电池中,满足其要求的锂离子二次电池受到关注,其中,特别开发出正极活性物质使用尖晶石型锰酸锂、负极活性物质使用钛化合物的锂离子二次电池。
然而,有时该负极活性物质使用钛化合物的锂离子二次电池在充电等时电解液和负极活性物质反应而产生反应气体。若产生该反应气体,则阻碍电极间的锂离子的迁移,存在循环稳定性下降的问题。
因此,专利文献1中提出了一种二次电池,其使用尖晶石型锰酸锂作为正极,进而,在正极中添加有钴酸锂。
根据专利文献1的电池,利用在尖晶石型锰酸锂中添加的具有层状晶体结构的锂复合氧化物,可以抑制电池内产生的气体量。
此外,作为与本发明相关的公报,有专利文献2~4。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开2000-215884号公报
专利文献2:日本特开2013-051202号公报
专利文献3:国际公开第2012/023501号
专利文献4:国际公开第03/081698号
发明内容
在专利文献1中,即使使钴酸锂的添加量为最低限度,也需要相对于全部活性物质为5重量%以上。
然而,如专利文献1这样的使用不同正极活性物质的混合正极的情况下,在充放电时尖晶石型锰酸锂和钴酸锂会暴露于同样的电位环境。因此,如专利文献1所述,若增加钴酸锂相对于尖晶石型锰酸锂的添加量,则有时会产生钴酸锂、镍酸锂的材料比尖晶石型锰酸锂更早劣化的情况。因此,有时这种使用不同正极活性物质的混合正极在长期的循环试验中会由于材料的不同而容量维持率下降,需要改善。
因此,本发明的目的在于提供一种非水电解液二次电池,其使用尖晶石型锰酸锂作为正极活性物质、使用钛化合物作为负极活性物质、在正极中添加有层状岩盐型化合物,其能够抑制气体的产生且与以往相比能够提高循环特性。
本发明的发明人等鉴于上述情况反复进行了深入研究,其结果发现,通过将层状岩盐型化合物相对于尖晶石型锰酸锂的添加量设为特定范围内,且将这两者的材料的数均粒径和比表面积设为特定范围内,可得到长期抑制电解液·电极间的反应气体的产生且循环特性稳定的电池。
即,本发明的发明人在使用尖晶石型锰酸锂和层状岩盐型化合物作为正极活性物质、使用钛化合物作为负极活性物质的体系中,为了维持良好的循环特性,通过与专利文献1相比减少了层状岩盐型化合物的添加量,且设计层状岩盐型化合物的数均粒径和比表面积,可提高层状岩盐型化合物的气体产生抑制效果,实现兼具气体产生的抑制和良好的循环特性。
然而,仅设计层状岩盐型化合物的添加量与层状岩盐型化合物的数均粒径和比表面积无法兼具气体产生的抑制和良好的循环特性。因此,本发明的发明人着眼于作为第3因素的尖晶石型锰酸锂与层状岩盐型化合物的比率,反复进行了研究,其结果发现,仅在以下的(1)~(3)满足特定范围时,可以达成兼具气体产生的抑制和良好的循环特性,如果(1)~(3)因素中的任一个偏离该特定范围,则无法达成气体产生的抑制和良好的循环特性中的任一者。
(1)层状岩盐型化合物的添加量
(2)尖晶石型锰酸锂的数均粒径和比表面积
(3)层状岩盐型化合物的数均粒径和比表面积
以该发现为基础导出的本发明的一个方式是一种非水电解液二次电池,其具有封入体,该封入体封入有正极、非水电解液、以及夹着间隔件与上述正极对置的负极,上述负极含有钛化合物作为负极活性物质,上述间隔件具有电绝缘性,上述正极含有尖晶石型锰酸锂和层状岩盐型化合物作为正极活性物质,上述尖晶石型锰酸锂的数均粒径为10μm~20μm,且比表面积为0.05m2/g~0.4m2/g,上述层状岩盐型化合物相对于尖晶石型锰酸锂100重量份含有2重量份~5重量份,并且,上述层状岩盐型化合物的数均粒径为3μm~9μm,且比表面积为0.3m2/g~0.6m2/g。
这里所说的“数均粒径”是指一次粒子凝聚而成的二次粒子的数均粒径,在不存在一次粒子凝聚而成的二次粒子的情况下是指一次粒子。此外,在粒子为球状的情况下,是将直径以个数计算出平均值而得的值;在为球状以外的情况下,是由使用扫描型电子显微镜(SEM)、透射型电子显微镜(TEM)等电子显微镜得到的观察图像对每个粒子测定粒子的最大边,以个数算出平均值而得的值。以下也设为同样的定义。
为了算出数均粒径的平均值,优选用SEM等电子显微镜观察对任意的50个以上的粒子进行观察而算出,从更准确地算出的观点出发,更优选对任意的100个以上的粒子进行观察而算出。
这里所说的“比表面积”是指单位质量的表面积,表示基于BET法的测定结果而算出的BET比表面积。
根据本方式,使用尖晶石型锰酸锂作为正极活性物质,使用钛化合物作为负极活性物质,因此成为高安全性和长寿命性的电池。
此外,根据本方式,即使在使用钛化合物作为负极活性物质构成负极,采用使用尖晶石型锰酸锂作为正极活性物质且为了抑制气体产生而在正极活性物质中添加钴酸锂等层状岩盐型化合物而成的混合电极构成正极的情况下,不仅在试验初期而且在试验后期也能够长时间使循环试验中产生的气体量飞跃地减少。
即,根据本方式,即使进行长期的使用,也可以维持层状岩盐型化合物的气体抑制效果,且抑制由层状岩盐型化合物劣化所致的电池整体的循环特性的下降。
本方式的电池具有这样的不仅在试验初期而且在试验后期也能够长时间使循环试验中产生的气体量飞跃地减少的效果(以下也称为长期气体产生抑制效果)的理由尚不明确。然而,认为能够以如下方式进行说明。
首先,认为存在如下趋势:在循环试验初期,由于电解液在作为负极活性物质的钛化合物的负极异常活性点被分解而产生氢气。然后,所产生的氢气被正极活性物质所含的层状岩盐型化合物某种程度地吸留。
此外,该钛化合物的负极异常活性点是通过使用反复充放电的如循环试验这样的电池,在负极活性物质的表面经时地形成固体电解质界面(SEI)被膜,负极异常活性点被该SEI被膜被覆。与之相伴,约束在负极异常活性点的氢的产生。
接着,在循环试验后期,正极活性物质中形成主要伴随着材料劣化的正极异常活性点。然后,存在电解液在该正极异常活性点被分解而产生二氧化碳的趋势。
这里,对于各正极活性物质的添加量、数均粒径和比表面积对气体产生的影响,在以下进行考察。
首先,在循环试验初期,从充分吸留在负极异常活性点所产生的氢气的观点出发,层状岩盐型化合物需要某种程度的添加量,但若过量添加层状岩盐型化合物,则也与增加循环试验后期的正极异常活性点的数量相关,因此其添加量需要抑制在一定限度。
此外,一般而言,尖晶石型锰酸锂由锂离子的***·脱离所致的膨胀和收缩少,难以发生劣化。即,尖晶石型锰酸锂是难以产生正极异常活性点的材料。
另一方面,层状岩盐型化合物由于氢或锂离子的***(吸留)·脱离而产生膨胀和收缩,容易发生劣化。即,层状岩盐型化合物是容易产生正极异常活性点的材料。
由此,本方式中,制成相对于难以产生正极异常活性点的尖晶石型锰酸锂100重量份含有容易产生正极异常活性点的层状岩盐型化合物2~5重量份的正极。即,本方式的正极与以往相比减少层状岩盐型化合物的添加量。
为了使这种添加量少的层状岩盐型化合物发挥充分的氢气吸留性能,需要减小层状岩盐型化合物的数均粒径且增大比表面积。
由此,本方式中,为了抑制因存在氢气所引起的不良影响,使用数均粒径小、比表面积大的层状岩盐型化合物。
通过组合如此最优化的正极和含有钛化合物的负极,可以在循环试验初期排除由存在气体所致的不良影响,可以制作高性能的电池。
然而,在循环试验后期,在一定的情况下,超过预期地产生由存在气体所致的不良影响。
对该现象进行了研究,其结果,在使用更小的数均粒径且更大的比表面积的层状岩盐型化合物的情况下显著。此外,在使用更大的数均粒径且更小的比表面积的层状岩盐型化合物的情况下也会产生。
前者的理由是在前者的层状岩盐型化合物中,由于反复使用,相对于粒子内部的层状结构整齐的区域,粒子表面的层状结构紊乱的区域的比率增加。然后,可以推测对应于这样的比率的增大,成为产生二氧化碳的原因的正极异常活性点增加,因此产生大量气体。
由此,本方式中,为了抑制由二氧化碳的产生所致的不良影响,将层状岩盐型化合物设为3μm以上的数均粒径,并且,设为0.6m2/g以下的比表面积。
后者的理由是在层状岩盐型化合物中,若将数均粒径设为一定以上,则会在反复进行循环试验中产生龟裂。其结果,可以推测成为与使用数均粒径小的层状岩盐型化合物的前者的情况相同的结果。
由此,本方式中,为了抑制由二氧化碳的产生所致的不良影响,层状岩盐型化合物设为9μm以下的数均粒径,并且,设为0.3m2/g以上的比表面积。
进而,本发明的发明人等发现,为了排除由氢气和二氧化碳的存在所致的不良影响,需要根据层状岩盐型化合物的粒径等参数设计尖晶石型锰酸锂的粒径等参数。
具体而言,发现需要将其数均粒径设为10~20μm,且将比表面积设为0.05~0.4m2/g。即,发现尖晶石型锰酸锂的粒径需要设为层状岩盐型化合物的粒径的1.1~6.7倍。
此外,即使是暂时被认为稳定性优异的尖晶石型锰酸锂,由于层状岩盐型化合物的膨胀和收缩,有时在与其邻接的部分也会产生正极异常活性点。
因此,为了防止在尖晶石型锰酸锂中与层状岩盐型化合物邻接的部分产生正极异常活性点,认为增大各个尖晶石型锰酸锂的粒径而使小的层状岩盐型化合物粒子存在于邻接的大的尖晶石型锰酸锂粒子的间隙是有效的。
通过这样做,成为在对尖晶石型锰酸锂粒子不产生影响的情况下层状岩盐型化合物粒子能够膨胀和收缩的状态。
此外,认为在正极中,为了使充分的电极反应和锂离子的扩散产生而实现性能的提高,尖晶石型锰酸锂粒子具有一定的比表面积是有效的。
另外,吸留有一定量的氢气的层状岩盐型化合物比较稳定,伴随着由氢气的吸留所致的稳定性的提高,膨胀和收缩也变小。即,认为在一定的循环试验后的正极中,由于这些原因,正极异常活性点难以产生。
由以上推测可知,在本方式中,取得层状岩盐型化合物稳定的氢气的量与在循环试验初期产生的氢总量的平衡,达到长期气体产生抑制效果。
若概括以上考察,则在本方式中,由于层状岩盐型化合物的数均粒径为3~9μm,因此在充放电时具备规定的氢气吸留能力,二氧化碳的产生少。由于与其对应的尖晶石型锰酸锂的数均粒径为10~20μm,因此不会成为二氧化碳的产生的原因,可得到一定以上的电池性能。层状岩盐型化合物的添加量为2~5重量份,因此可以实质上吸留循环试验初期的氢气的总量,不易对电池性能产生不良影响。
优选的方式为,上述尖晶石型锰酸锂是选自Li1+xAlyMn2-x-yO4(0≤x≤0.1,0<y≤0.1)和Li1+xMgyMn2-x-yO4(0≤x≤0.1,0<y≤0.1)中的1种以上。
优选的方式为,在将上述正极的单位面积的电容设为A、将上述负极的单位面积的电容设为B时,上述负极相对于上述正极的电容比B/A满足下述式(1)。
0.8≤B/A≤1.3 (1)
更优选的方式为,上述负极相对于上述正极的电容比B/A为1.0以上。
优选的方式为,上述正极具有上述正极活性物质扩展成面状的正极活性物质层,上述负极具有上述负极活性物质扩展成面状的负极活性物质层,在将上述正极活性物质层的上述间隔件侧的面的面积设为C、将上述负极活性物质层的上述间隔件侧的面的面积设为D时,面积比D/C满足下述式(2)。
0.8≤D/C≤1.2 (2)
更优选的方式为,上述负极活性物质层的上述间隔件侧的面的面积相对于上述正极活性物质层的上述间隔件侧的面的面积的比D/C为1.0以上。
上述方式优选上述正极具备含有上述正极活性物质且与上述负极对置的面积C的正极活性物质层。
上述方式优选上述负极具备含有上述负极活性物质且与上述正极对置的面积D的负极活性物质层。
优选的方式是,上述钛化合物是选自Li4Ti5O12、H2Ti12O25和TiO2(B)中的1种以上。
优选的方式是,上述层状岩盐型化合物是选自钴酸锂、镍钴铝酸锂和镍钴锰酸锂中的1种以上。
优选的方式是,上述层状岩盐型化合物的数均粒径为5μm~7μm,且比表面积为0.4m2/g~0.5m2/g。
优选的方式为,具备多个以上述正极和上述负极夹着上述间隔件的二次电池单元,邻接的二次电池单元并联地电连接。
本发明的一个方式是一种非水电解液二次电池,其具有封入体,该封入体封入有正极、非水电解液、以及夹着间隔件与上述正极对置的负极,上述负极含有钛化合物作为负极活性物质,上述钛化合物是选自Li4Ti5O12、H2Ti12O25和TiO2(B)中的1种以上,上述间隔件具有电绝缘性,上述正极含有尖晶石型锰酸锂和层状岩盐型化合物作为正极活性物质,上述尖晶石型锰酸锂的数均粒径为10μm~20μm,且比表面积为0.05m2/g~0.4m2/g,并且,上述尖晶石型锰酸锂是选自Li1+xAlyMn2-x-yO4(0≤x≤0.1,0<y≤0.1)和Li1+xMgyMn2-x-yO4(0≤x≤0.1,0<y≤0.1)中的1种以上,上述层状岩盐型化合物相对于尖晶石型锰酸锂100重量份含有2重量份~5重量份,并且,上述层状岩盐型化合物的数均粒径为3μm~9μm,且比表面积为0.3m2/g~0.6m2/g,上述层状岩盐型化合物是选自钴酸锂、镍钴铝酸锂和镍钴锰酸锂中的1种以上。
根据本方式,使用尖晶石型锰酸锂作为正极活性物质,因此可形成高安全性和长寿命性的电池。
此外,根据本方式,即使在使用钛化合物作为负极活性物质形成二次电池的情况下,也可以发挥长期气体产生抑制效果,不仅在试验初期而且在试验后期也能够长时间使循环试验中产生的气体量飞跃地减少。
本发明的一个方式是一种非水电解液二次电池的正极,其具有尖晶石型锰酸锂和层状岩盐型化合物作为正极活性物质,上述层状岩盐型化合物相对于上述尖晶石型锰酸锂100重量份含有2重量份~5重量份,上述尖晶石型锰酸锂的数均粒径为10μm~20μm,且比表面积为0.05m2/g~0.4m2/g,上述层状岩盐型化合物的数均粒径为3μm~9μm,且比表面积为0.3m2/g~0.6m2/g。
根据本方式,使用尖晶石型锰酸锂作为正极活性物质,因此可以形成高安全性和长寿命性的电池。
此外,根据本方式,即使在使用钛化合物作为所构成的非水电解液二次电池的负极活性物质而形成二次电池的情况下,也可以发挥长期气体产生抑制效果,不仅在试验初期而且在试验后期也能够长时间使循环试验中产生的气体量飞跃地减少。
根据本发明,可以制成不仅在试验初期而且在试验后期也能够长时间使循环试验中产生的气体量飞跃地减少且循环稳定性优异的二次电池。
附图说明
图1是本发明的非水电解液二次电池的一个实施方式的截面示意图。
图2是示意性地表示本发明的第1实施方式的非水电解液二次电池的立体图。
图3是图2的非水电解液二次电池的截面图。
具体实施方式
若对本发明的一个实施方式进行说明,则如下所述。另外,本发明不限定于以下说明。
本发明的非水电解液二次电池10如由图1、图3读取的那样,具有封入体8,该封入体8封入有正极2、非水电解液6、负极1、以及夹持于正极2与负极1之间的由电绝缘材料构成的间隔件3。在封入体8内,在正极2、负极1和间隔件3的至少表面上存在负责锂离子传导的非水电解液6。
如图3所示,本实施方式的非水电解液二次电池10在封入体8内具备多个负极1和多个正极2,在这些正极2和负极1的各自之间配置有间隔件3。
此外,各正极2和各负极1与端子7电连接。
与正极2和负极1电连接的各端子7、7具有至少延伸至封入体8的外侧的端子延伸部9、9。即,非水电解液二次电池10从封入体8伸出各端子7、7的端子延伸部9、9。
换言之,对于非水电解液二次电池10,与各负极1连接的负极端子71的一部分和与各正极2连接的正极端子72的一部分分别伸出至外部。
非水电解液二次电池10是层叠多个由正极2/间隔件3/负极1或由负极1/间隔件3/正极2构成的层叠体形式的二次电池单元5并安装其它必要的构件等而形成电极群。具体而言,非水电解液二次电池10依次层叠正极2/间隔件3/负极1/负极1/间隔件3/正极2/正极2/间隔件3/负极1。其后,优选将该电极群封入至层压膜等外装而形成封入体,具有该封入体作为主体。
此外,卷绕二次电池单元5并安装其它必要的构件等而形成电极群后,优选将该电极群封入至层压膜等外装而形成封入体8,具有该封入体8作为主体。
这里,正极2和负极1是指在集电体22、32上形成含有参与电极反应的各电极的活性物质的活性物质层23、33的部分。
将含有正极2或负极1的构件与正极端子72或负极端子71连接而成的构件称为正极构件20或负极构件21。
即,正极2是指在集电体22上层叠有至少含有正极活性物质的正极活性物质层23的部分,负极1是指在集电体32上层叠有至少含有负极活性物质的负极活性物质层33的部分。
以下,对本发明的第1实施方式的非水电解液二次电池10进一步详细地进行说明。
第1实施方式的非水电解液二次电池10如由图2、图3读取的那样,是所谓的层压型的锂离子二次电池。
非水电解液二次电池10在封入体8内内置有多个二次电池单元5。即,如图3所示,非水电解液二次电池10层叠有多段负极1、间隔件3和正极2层叠而成的二次电池单元5,并将其封入至封入体8内。
具体而言,非水电解液二次电池10依次层叠有正极构件20/间隔件3/负极构件21/间隔件3/正极构件20/间隔件3/负极构件21。即,非水电解液二次电池10依次层叠有正极2/间隔件3/负极1/负极1/间隔件3/正极2/正极2/间隔件3/负极1。
二次电池单元5是在正极构件20的正极2与负极构件21的负极1之间夹持间隔件3而构成的。
此外,如图3所示,非水电解液二次电池10在封入体8的内部填充有非水电解液6,各二次电池单元5的电极构件21、20的电极1、2的至少活性物质部分浸渗于非水电解液6。
<正极构件和负极构件>
正极构件20和负极构件21是具有多个电极形成构件15、16且将各电极形成构件15、16的端部与导电性的端子72、71连接而成的构件。
电极形成构件15、16是在导电性的集电体22、32上形成有含有各电极2、1的活性物质的活性物质层23、33而成的构件。
各电极形成构件15、16的集电体22、32和端子72、71可以制成不同构件,但也可以制成含有集电体22、32部分和端子72、71部分的同一构件。
本实施方式的正极构件20具有多个在扩展成面状的集电体22的单面或两面的一部分层叠有正极活性物质层23的正极形成构件15。即,正极形成构件15在单面或两面的一部分具备正极2。
各正极形成构件15将各个端部连接,在一个正极形成构件15的集电体22的端部连接作为与集电体22为不同构件的正极端子72。
本实施方式的负极构件21具有多个在扩展成面状的集电体32的单面或两面的一部分层叠有负极活性物质层33的负极形成构件16。即,负极形成构件16在单面或两面的一部分具备负极1。
各负极形成构件16将各个端部连接,在一个负极形成构件16的集电体32的端部连接作为与集电体32为不同构件的负极端子71。
即,本实施方式的二次电池单元5在层叠方向邻接的正极2、2间和负极1、1间成为相同的电位且并联地电连接。
在各正极2和各负极1中,供给电极反应的面的外形上的面积的偏差即最大面积/最小面积的比率优选分别为1~1.3。即,在各正极2和各负极1中,各正极2或各负极1的活性物质层23、33的与集电体22、32为相反侧的面且在封入体8内暴露于非水电解液6的外观上的面(本说明书中称为极反应面)的最大面积/最小面积的比率优选分别为1~1.3。换言之,作为各正极20和各负极21夹着的间隔件3侧的面的极反应面的、最大面积与最小面积的比率优选为1~1.3。
此外,二次电池10更优选在每个正极2、2或每个负极1、1使极反应面的面积实质上相同。
这里所说的“实质上相同”是指最大值与最小值的差为最大值的1%以下。即,这里所说的“最大面积与最小面积的比率实质上相同”是指小面积与最大面积的差为最大面积的1%以下。
通过设为该范围,可以提高各电极2、1中的电极反应的均匀性,可以成为高可靠性的电池。此外,可以使电池10紧凑。控制正极2和负极1的极反应面的面积例如可以通过在向集电体22、32涂布用于形成活性物质层23、33的浆料时对涂布宽度进行控制来进行。
正极构件20或负极构件21至少将活性物质层23、33和集电体22、32的部分以及端子72、71的一部分封入至封入体8。
在这些端子72、71的剩余部分被引出至封入体8的外侧的状态下封入,形成从封入体8伸出的延伸部26、36。换言之,端子25、35形成有从封入体8露出至外部的端子延伸部26、36。该端子延伸部26、36能够与外部设备电连接,能够供给充放电等用途。
即,二次电池10将正极构件20的一部分封入至封入体8内,并且将其剩余部分作为正极端子延伸部26引出至封入体8的外侧,从而能够与外部设备电连接。同样地,二次电池10将负极构件21的一部分封入至封入体8内,并且将其剩余部分作为负极端子延伸部36引出至封入体8的外侧,从而能够与外部设备电连接。
本实施方式中,与正极构件20电连接的端子延伸部26和与负极构件21电连接的端子延伸部36在互相背离的方向延伸。
此外,表示各正极2、2的单位面积的电容和各负极1、1的单位面积的电容的各电极间的偏差的单位面积的最大电容/最小电容的比率优选为1~1.3。
各正极2、2间的单位面积的最大电容与单位面积的最小电容的比率优选为1~1.3。同样地,负极1、1间的单位面积的最大电容与单位面积的最小电容的比率优选为1~1.3。
二次电池10更优选在每个正极2、2或每个负极1、1使其单位面积的电容实质上相同。
通过这样做,可以提高在各电极中的电极反应的均匀性,可以制成高可靠性的电池。此外,可以使电池整体的尺寸紧凑。
正极2和负极1的单位面积的电容的控制可以通过在集电体22、32上形成活性物质层23、33时以形成于集电体22、32的单位面积的活性物质层23、33的重量进行控制的方法来进行控制。此外,正极2和负极1的单位面积的电容的控制例如可以以涂布活性物质层时的涂布厚度进行控制。
此外,在使每个正极2的单位面积的电容实质上相同并且使每个负极1的单位面积的电容实质上相同的情况下,若将正极2的单位面积的电容设为A、将负极1的单位面积的电容设为B,则其电容比B/A从通过取得正极2中的电极反应与负极1中的电极反应的平衡来制成高可靠性的电池的观点出发,优选满足下述式(1)。
0.8≤B/A≤1.3 (1)
在电容比B/A的值小于0.8时,在互相夹着间隔件3而对置的负极1和正极2中,有可能负极1的电容与正极2的电容相比变得非常小。因此,在过充电时负极1的电位成为锂的析出电位,存在电池发生短路的危险性。
另一方面,在电容比B/A大于1.3时,在互相夹着间隔件3而对置的负极1和正极2中,有可能不参与电池反应的负极活性物质发生过量的副反应,有时在封入体8内伴随着该副反应产生不需要的气体。
进而,更优选电容比B/A为1.0以上,即,满足下述式(1′)。
1.0≤B/A≤1.3 (1′)
通过设为该范围,正极2的电容与负极1的电容相比一定程度变小,因此能够以正极2的电位变化来限制伴随着充放电的电压变化。即,能够设为正极限制。
通过设为该正极限制,能够使正极活性物质的使用量停留在所需的最小限度,该正极活性物质具有在循环试验后期产生成为二氧化碳产生的原因的正极异常活性点的可能性。
这里,循环试验后期的二氧化碳的产生与实质上全部被吸留于构成正极2的活性物质层23的一部分的层状岩盐型活性物质的循环试验初期的氢气的产生相比,长期存在深远的影响。
进而,在使每个正极2、2和每个负极1、1的极反应面的面积分别实质上相同,且使每个正极2和每个负极1的单位面积的电容分别实质上相同的情况下,夹着间隔件3与正极2对置的一侧的负极活性物质层33的面积D与夹着间隔件3与负极1对置的一侧的正极2的正极活性物质层23的面积C的面积比D/C优选满足下述式(2)。
即,负极活性物质层33的间隔件3侧的面积D与正极活性物质层23的间隔件3侧的面积C的面积比D/C优选满足上述式(2)。
0.8≤D/C≤1.2 (2)
若负极活性物质层33与正极活性物质层23的面积比D/C为该范围,则可以适度地保持正极2中的电极反应与负极1中的电极反应的平衡,可以制成高可靠性的电池。
此外,在负极活性物质层33与正极活性物质层23的面积比D/C小于0.8时,有可能负极1的电容与正极2相比变得非常小。因此,在过充电时负极1的电位成为锂的析出电位,有时产生电池10发生短路的危险性。
另一方面,在面积比D/C大于1.2时,在负极活性物质层33中,存在大量未夹着间隔件3与正极2对置的部分。因此,有可能在该部分不参与电池反应的负极活性物质发生过量的副反应,有时在封入体8内伴随着该副反应产生不需要的气体。
进而,面积比D/C更优选为1.0以上。即,面积比D/C更优选满足下述式(2′)。
1.0≤D/C≤1.2 (2′)
通过将面积比D/C设为1.0以上,容易形成正极限制。此外,可以介由间隔件3以将发生短路时的安全性优异的钛化合物作为主要成分的负极活性物质层33覆盖正极活性物质层23的整面,因此成为安全性更加优异的电池。
各电极2、1的每1cm2的电容从取得增大电池10的容量且也增大其输出密度的平衡的观点出发,各极反应面优选为0.5mAh~4.0mAh。
对于正极2,每1cm2的电容更优选各极反应面为3.0mAh以下。
若每1cm2的电容小,则为了制成所需的容量的电池,有时会成为大的电池。另一方面,若欲增大每1cm2的电容,则存在输出密度变小的趋势。
各电极2、2(1、1)的单位面积的电容的算出可以在制作各电极2、2(各电极1、1)后,制作以锂金属为对电极的半电池,对该半电池的充放电特性进行测定而算出。
(正极)
正极2具有在电池10充电时将锂离子释放至非水电解液6且介由正极端子25供给电子的功能。此外,正极2具有在电池10放电时从非水电解液6接受锂离子且介由正极端子25接收电子的功能。正极2与非水电解液6之间可以进行锂离子的***·脱离。
(负极)
负极1具有在电池10充电时从非水电解液6接受锂离子且介由负极端子35接收电子的功能。此外,负极1具有在电池10放电时将锂离子释放至非水电解液6,且介由负极端子35供给电子的功能。负极1与非水电解液6之间能够进行锂离子的***·脱离。
<活性物质层>
构成活性物质层23、33的材料至少含有各电极2、1的活性物质。构成活性物质层23、33的材料除了含有各电极2、1的活性物质以外,为了提高该活性物质层23、33的性能,也可以含有导电助材、粘合剂。优选通过将含有这些材料的混合物作为活性物质层23、33形成于集电体22、32上来制成正极2或负极1。
即,构成正极2的正极活性物质层23至少含有正极活性物质,也可以根据需要含有导电助材、粘合剂。
同样地,构成负极1的负极活性物质层33至少含有负极活性物质,也可以根据需要含有导电助材、粘合剂。
本实施方式的活性物质层23、33均利用在电极活性物质中混合有导电助材和粘合剂的混合物形成。
作为活性物质层23、33的形成方法,从制作方法的容易性的观点出发,优选如下方法:在电极2、1的活性物质中混合有导电助材、粘合剂而成的混合物中添加溶剂而制作浆料,然后,在将所得的浆料涂布于集电体22、32上后,使其干燥等而除去溶剂来制作的方法。
活性物质层23、33优选在集电体22、32上形成后压缩至所需的厚度、密度。
作为压缩方法,没有特别限定,例如可使用辊压机、油压机等进行。
活性物质层23、33的平均厚度(在轧制的情况下为该轧制后的平均厚度)优选为10μm~200μm。
若使活性物质层23、33的平均厚度小于10μm,则有时难以得到所需的电容。
另一方面,若使活性物质层23、33的平均厚度厚于200μm,则有时难以得到所需的输出密度。
活性物质层23、33的密度(在轧制的情况下为该轧制后的密度)优选为1.0g/cm3~4.0g/cm3
若活性物质层23、33的密度小于1.0g/cm3,则各电极2、1的活性物质与集电体22、32、导电助材等之间的接触变得不充分,电极2、1的电子传导性下降。其结果,有时电池10整体的内部电阻增大。
另一方面,若活性物质层23、33的密度大于4.0g/cm3,则非水电解液6难以渗透至各电极2、1的活性物质层23、33内,有时锂传导性下降。此外,有时电池10的内部电阻增大。
尤其是正极2的活性物质层23的密度更优选通过实施轧制等而设为2.0g/cm3以上,进一步优选设为2.2g/cm3~3.5g/cm3,从充分取得平衡的观点出发,特别优选设为2.5g/cm3~3.0g/cm3
另一方面,负极1的活性物质层33的密度更优选通过实施轧制等而设为1.5g/cm3以上,进一步优选为1.6g/cm3~2.3g/cm3,从充分取得平衡的观点出发,特别优选设为1.8g/cm3~2.2g/cm3
在集电体22、32上形成活性物质层23、33的方法没有特别限定。
在集电体22、32上形成活性物质层23、33的方法例如优选为将上述浆料利用刮涂机、模涂机、逗号涂布机等涂布后除去溶剂(溶媒)的方法或利用喷雾器涂布后除去溶剂(溶媒)的方法。
从操作容易的观点出发,除去上述浆料所含的溶剂的方法优选使用烤箱、真空烤箱进行干燥。
作为除去溶剂的环境,可举出室温或高温的空气、不活性气体和真空状态等。
此外,除去溶剂的温度没有特别限定。
从一边防止活性物质层23、33的材料的分解、粘合剂的劣化,一边缩短溶剂除去所需的时间的观点出发,除去溶剂的温度优选在60℃~300℃下进行,更优选在80℃~250℃下进行,进一步在230℃以下进行。
另外,形成各电极2、1的活性物质层23、33的前后顺序可以任意在前,也可以在后。即,可以在形成构成负极1的活性物质层33后形成构成正极2的活性物质层23,也可以相反。
浆料的制作方法没有特别限定。
从均匀地混合在电极2、1的活性物质中混合有导电助材、粘合剂而成的混合物与溶剂的观点出发,浆料的制作优选使用自转公转搅拌机、球磨机、行星式混合器、喷射磨机或薄膜旋转型搅拌机。
从操作性的观点出发,浆料的制作优选使用自转公转搅拌机、行星式混合器或薄膜旋转型搅拌机。
此外,浆料的制作可以在形成在电极2、1的活性物质中混合导电助材、粘合剂而成的混合物后添加溶剂而制作,也可以一同混合上述混合物的材料和溶剂而制作。
作为上述溶剂,优选为非水溶剂或水。
作为非水溶剂,没有特别限定。作为非水溶剂,例如可举出N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、甲基乙基酮、乙酸甲酯、乙酸乙酯和四氢呋喃等。此外,也可以在它们中添加分散剂、增稠剂。
非水溶剂优选为挥发性溶剂。
浆料的固体成分浓度从将其粘度设为适于形成活性物质层23、33的值的观点出发,优选设为30wt%~80wt%。
<活性物质>
非水电解液二次电池10含有尖晶石型锰酸锂和层状岩盐型活性物质(层状岩盐型化合物)的至少2种作为构成正极2的正极活性物质的主要成分。此外,非水电解液二次电池10含有钛化合物作为构成负极1的负极活性物质的主要成分。
各电极2、1的活性物质通常以粉体的方式供给。
各电极2、1的活性物质的粉体的体积密度优选为0.2g/cm3~2.2g/cm3,更优选为2.0g/cm3以下。
若为该范围,则在使用活性物质的粉体制作上述混合物的浆料时,可以使所需的溶剂量适当,可以使与导电助剂、粘合剂的混合容易。
(正极活性物质)
如上所述,正极活性物质含有尖晶石型锰酸锂和层状岩盐型活性物质(层状岩盐型化合物)的至少2种正极活性物质作为主要成分。
尖晶石型锰酸锂是即使反复充放电,材料的膨胀和收缩也少且难以发生材料劣化的材料。由此,通过使用尖晶石型锰酸锂作为正极活性物质,可以制成长期可靠性高且寿命长的电池。
作为正极活性物质的尖晶石型锰酸锂是由Li1+xMyMn2-x-yO4(0≤x≤0.2,0<y≤0.6,M为属于第2~13族且第3、4周期的元素)表示的化合物。
上述化学式的“M”是选自属于第2~13族且第3~4周期的元素中的至少1种。
从难以发生锰溶出等且提高循环稳定性的效果大的方面出发,上述化学式的“M”优选为Al、Mg、Zn、Co、Fe或Cr,更优选为Al、Mg、Zn或Cr,进一步优选为Al、Mg或Zn。
在上述化学式的x为x<0的情况下,存在正极活性物质的电容减少的趋势。
此外,在x>0.2的情况下,存在含有大量碳酸锂等杂质的趋势。在上述化学式的y为y=0的情况下,存在正极活性物质的稳定性变低的趋势。此外,在上述化学式的y为y>0.6的情况下,存在含有大量M的氧化物等杂质的趋势。
这些之中,从提高稳定性的效果大的方面出发,成为正极活性物质的尖晶石型锰酸锂优选为选自Li1+xAlyMn2-x-yO4(0≤x≤0.1,0<y≤0.1)、Li1+xMgyMn2-x-yO4(0≤x≤0.1,0<y≤0.1)、Li1+xZnyMn2-x-yO4(0≤x≤0.1,0<y≤0.1)和Li1+xCryMn2-x-yO4(0≤x≤0.1,0<y≤0.1)中的1种,更优选为Li1+xAlyMn2-x-yO4(0≤x≤0.1,0<y≤0.1)或Li1+xMgyMn2-x-yO4(0≤x≤0.1,0<y≤0.1),进一步优选设为Li1+xAlyMn2-x-yO4(0≤x≤0.1,0<y≤0.1)。
此外,从可得到更大的效果出发,成为正极活性物质的尖晶石型锰酸锂对于前面的化合物(Li1+xAlyMn2-x-yO4(0≤x≤0.1,0<y≤0.1))特别优选设为0.03≤y≤0.1。
本实施方式的尖晶石型锰酸锂采用选自Li1+xAlyMn2-x-yO4(0≤x≤0.1,0<y≤0.1)和Li1+xMgyMn2-x-yO4(0≤x≤0.1,0<y≤0.1)中的1种以上。
尖晶石型锰酸锂的粉体的外观上的数均粒径从最大限度地得到气体产生抑制效果的观点出发,优选为10μm~20μm,从使循环特性特别稳定的观点出发,更优选为15μm~20μm。
尖晶石型锰酸锂的粉体的比表面积从得到所需的输出密度的观点出发,优选为0.05m2/g~0.4m2/g,从使循环特性特别稳定的观点出发,更优选为0.1m2/g~0.3m2/g。
如上所述,本实施方式的二次电池10使用钛化合物作为构成负极1的负极活性物质。
作为正极活性物质的层状岩盐型活性物质是采用层状岩盐型的晶体结构的活性物质,体现负极活性物质使用该钛化合物时的气体产生抑制效果。
层状岩盐型活性物质抑制气体产生的机理尚不明确,但层状岩盐型活性物质具有吸留气体的效果,尤其是在层状岩盐型的活性物质维持充电状态时具有更高的气体抑制效果。即,具有层状岩盐型的晶体结构的层状岩盐型活性物质具有如下优点:作为电解质的非水电解液6在作为负极活性物质的钛化合物的负极异常活性点被分解,吸留所产生的气体,抑制电池性能劣化。
另一方面,层状岩盐型活性物质每次反复充放电都破坏层状的晶体结构。其结果,具有如下缺点:正极2的电容自身下降,或者非水电解液6在所产生的正极异常活性点被分解,产生气体。
因此,在用作正极2时,需要将相对于尖晶石型锰酸锂100重量份的层状岩盐型活性物质的使用量保持在规定的范围内。
通常,为了用少量的层状岩盐型活性物质发挥充分的吸留性能,认为只要减小层状岩盐型活性物质的数均粒径,进而,增大比表面积即可。
然而,在数均粒径小的层状岩盐型活性物质中,相对于粒子内部的层状结构整齐的区域,粒子表面的层状结构紊乱的区域的比率增加。
若粒子表面的层状结构紊乱的区域的比率增加,则容易产生正极异常活性点,在所产生的正极异常活性点作为电解质的非水电解液6分解而产生二氧化碳等,同样地电池性能下降。
进而,一定以上的数均粒径的层状岩盐型活性物质由于长期使用而产生龟裂,其结果,成为与使用小的数均粒径的层状岩盐型活性物质的情况相同的结果。
由这种观点出发,在本实施方式中,为了在充放电时具备规定的氢气吸留能力、且二氧化碳产生少、维持稳定的电池性能,设定层状岩盐型活性物质的含量、数均粒径和比表面积的范围。
具体而言,本实施方式的层状岩盐型活性物质含有相对于正极2的全部活性物质重量为1质量%以上且小于5质量%。具体而言,层状岩盐型活性物质相对于尖晶石型锰酸锂100重量份含有2重量份~5重量份。
从取得气体产生抑制效果与层状岩盐型活性物质的材料劣化的平衡的观点出发,层状岩盐型活性物质的外观上的数均粒径为3μm~9μm。
从循环特性特别稳定出发,层状岩盐型活性物质的外观上的数均粒径优选为5μm~7μm。
在数均粒径小于3μm时,粒子的比表面积变高,因此有可能层状结构紊乱的区域变多,循环特性劣化。
此外,在数均粒径大于9μm时,气体吸留的表面活性点相对于体积少,因此难以得到充分的气体抑制效果。
从取得气体产生抑制效果与层状岩盐型活性物质的材料劣化的平衡的观点出发,本实施方式的层状岩盐型活性物质的比表面积为0.3m2/g~0.6m2/g。
从循环特性特别稳定出发,层状岩盐型活性物质的比表面积优选为0.4m2/g~0.5m2/g。
在比表面积小于0.3m2/g时,气体吸留的表面活性点少,因此难以得到充分的气体抑制效果。
在比表面积大于0.6m2/g时,有可能层状结构紊乱的区域变多,循环特性变差。
层状岩盐型活性物质是采用层状岩盐型的晶体结构的层状岩盐型化合物,只要采用层状岩盐型的晶体结构则没有特别限定。
层状岩盐型活性物质例如可举出由LiMeO2(Me为过渡金属)表示的锂镍复合氧化物(例如LiNiO2)、锂钴复合氧化物(LiCoO2)、锂镍钴复合氧化物(例如LiNi1-yCoyO2)、锂镍钴锰复合氧化物(LiNixCoyMn1-y-zO2,x+y+z=1)、使锂过量的例如LiMnO3和Li2MnO3与LixMeO2的固溶体等。
从气体抑制效果大出发,层状岩盐型活性物质优选为钴酸锂(LiCoO2)、镍钴铝酸锂(LiNi0.8Co0.15Al0.05O2)或镍钴锰酸锂(LiNixCoyMn1-y-zO2,x+y+z=1),特别优选为钴酸锂(LiCoO2)。
通过使用钴酸锂(LiCoO2)作为层状岩盐型活性物质,可以进一步增大氢吸留效果。
因此,通过使用钴酸锂(LiCoO2),能够减少层状岩盐型活性物质的添加量,其结果,能够进一步减少长期的二氧化碳的产生。因此,电池性能的长期可靠性提高。
此外,构成这些层状岩盐型活性物质的化合物可以是上述化合物中的1种,也可以使用2种以上。
本实施方式的层状岩盐型活性物质采用选自钴酸锂、镍钴铝酸锂和镍钴锰酸锂中的1种以上。
层状岩盐型活性物质也可以用聚乙二醇等有机物、氧化铝、氧化镁、氧化锆、氧化钛等无机物、以及碳材料等涂布表面。
(负极活性物质)
负极1的负极活性物质的主要成分为钛化合物。
这里所说的“主要成分”是指决定性能的成分。
该钛化合物与作为同样的金属氧化物的钴酸化合物等正极活性物质材料、碳等负极活性物质材料这样的以往的电极活性物质材料相比,锂离子的***·脱离的反应中的活性物质的膨胀收缩小。因此,与含有以往的电极活性物质材料作为主要成分的以往的电极相比,伴随着膨胀收缩的非水电解液6的搅拌效果较小。
由此,作为某种一定以上的锂离子脱嵌的场所,需要确保比以往的电极更大的负极比表面积。
因此,负极1的比表面积优选为1m2/g~100m2/g。
在小于1m2/g的情况下,锂离子脱嵌的场所较少,因此有可能无法取出所需的电池容量。
另一方面,在大于100m2/g的情况下,容易进行锂离子脱嵌以外的副反应、例如非水电解液6的分解反应,在这种情况下,其结果,也有可能无法取出所需的电池容量。
负极1的比表面积更优选设为2m2/g~50m2/g。
若为该范围,则可以确保可体现所需的电池容量的锂离子脱嵌的场所,且可以减少除锂离子的脱嵌以外的副反应。
负极1的比表面积进一步优选为3m2/g~30m2/g。
若为该范围,则可以使副反应的进行最小,且可以在锂离子脱嵌时也取得平衡。
负极1的比表面积可以通过负极活性物质、导电助材和粘合剂的种类和配合比来进行控制。此外,负极1的比表面积也可以通过将电极压缩至所需的厚度来控制。
负极活性物质以相对于全部负极活性物质大于50质量%的成分(主成分)的方式含有钛化合物。
除钛化合物以外的负极活性物质材料也可以以低于50质量%的比例含有Nb等除锂、钛以外的元素。
负极活性物质优选含有80质量%以上的钛化合物,且含有20质量%以下的除钛化合物以外的负极活性物质材料,更优选制成含有微量的Nb等除锂、钛以外的元素的钛化合物。
作为钛化合物,优选为钛酸化合物、钛酸锂、二氧化钛等。此外,为了提高导电性或提高稳定性,这些钛化合物也可以用碳材料、金属氧化物或高分子等覆盖。
作为钛酸化合物,优选为H2Ti3O7、H2Ti4O9、H2Ti5O11或H2Ti6O13、H2Ti12O25,从循环特性稳定出发,更优选为H2Ti12O25
作为钛酸锂,优选为尖晶石结构、Rams Delight型,作为分子式,优选由Li4Ti5O12表示。在尖晶石结构的情况下,锂离子的***·脱离的反应中的活性物质的膨胀收缩小。
作为二氧化钛,优选为锐钛矿型、青铜型(TiO2(B)),从高效地进行锂的***·脱离出发,更优选为青铜型。此外,也可以使用锐钛矿型和青铜型的混合物。
特别优选使钛化合物为Li4Ti5O12,由于能够具备安全性、稳定性更优异的负极,因此可得到安全性、稳定性优异的非水电解液二次电池。
本实施方式的钛化合物采用选自Li4Ti5O12、H2Ti12O25和TiO2(B)中的1种以上。
<导电助剂>
活性物质层23、33缺乏电子导电性,因此含有导电助剂。
正极2的活性物质层23所含的导电助剂没有特别限定,从廉价的方面出发,优选为碳材料。
负极1的活性物质层33所含的导电助材没有特别限定,可使用金属材料、碳材料。
作为上述碳材料,可举出天然石墨、人造石墨、气相沉积碳纤维、碳纳米管、乙炔黑、科琴黑和炉法炭黑等。
这些碳材料可以使用1种,也可以并用2种以上。
作为上述金属材料,优选为选自铜和镍中的1种以上。
正极2的活性物质层23所含的导电助材的量相对于正极活性物质100重量份,优选为1重量份~30重量份,更优选为2重量份~10重量份。
负极1的活性物质层33所含的导电助材的量相对于负极活性物质100重量份,优选为0.5重量份~30重量份,从输出功率与能量密度的平衡良好的方面出发,更优选为1重量份~10重量份。
通过设为上述范围内,可以确保正极2或负极1的各电极的导电性。此外,通过设为上述范围内,可以维持与后述的粘合剂的粘接性,且充分地得到与集电体的粘接性。
<粘合剂>
为了使各活性物质粘结于集电体22、32,活性物质层23、33优选含有粘合剂。
粘合剂没有特别限定,优选使用选自聚偏二氟乙烯(PVdF)、聚四氟乙烯(PTFE)、苯乙烯-丁二烯橡胶、聚酰亚胺和它们的衍生物中的至少1种以上。
从平衡粘结力与能量密度的观点出发,正极2的各活性物质层23所含的粘合剂的量相对于正极2的活性物质100重量份,优选设为1重量份~30重量份,更优选为2重量份~15重量份。
同样地,从平衡粘结力与能量密度的观点出发,负极1的各活性物质层33所含的粘合剂的量相对于负极1的活性物质100重量份,优选设为1重量份~30重量份,更优选为2重量份~15重量份。
通过设为这种范围内,可以确保正极2或负极1的各电极的导电性。此外,通过设为这种范围内,可以维持各电极的活性物质与导电助材的粘接性,且充分地得到与集电体22、32的粘接性。
从正极2或负极1的制作容易性的观点出发,粘合剂优选溶解或分散于非水溶剂或水。
作为非水溶剂,没有特别限定,例如,可举出N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、甲基乙基酮、乙酸甲酯、乙酸乙酯、四氢呋喃等。也可以在它们中添加分散剂、增稠剂。
<集电体>
如上所述,电极2、1是在集电体22、32上形成作为包含活性物质的材料层的活性物质层23、33的构件。
为了制成高性能且紧凑的电池,优选在该集电体22、32的两面形成成为相同电极的活性物质层23,23(33、33)。
即,二次电池10优选在集电体22的两面形成正极活性物质层23、23。同样地,二次电池10优选在集电体32的两面形成负极活性物质层33、33。
当然,二次电池10也可以在集电体22的单面形成正极活性物质层23。
集电体22、32是从各活性物质层23、33进行集电的构件。
集电体22、32只要具有导电性且可以作为各电极的芯材使用,则可使用各种形状的集电体。
从廉价且可容易地获得的观点出发,集电体22、32优选使用片状或膜状的集电箔。
作为集电体22、32的材料,可使用铝、铝的合金、在除铝以外的金属(铜、SUS、镍、钛和它们的合金)的表面上被覆在正极2、负极1的电位下不发生反应的金属(例如,正极2中为铝,负极1中为铝、铜)而成的材料等。
从廉价且可容易地获得的观点出发,集电体22、32的材料优选为铝。
尤其是,从正极反应环境下的稳定性的观点出发,正极2中使用的集电体22的材料更优选为以JIS标准1030、1050、1085、1N90、1N99等为代表的高纯度铝。
集电体22、32的厚度没有特别限定,优选为10μm~100μm。
在小于10μm时,从制作的观点出发难以处理,在厚于100μm的情况下,从经济的观点出发变得不利。
<间隔件>
间隔件3设置于正极2与负极1之间、或者二次电池单元5、5之间,具有一边阻止它们之间的电子、空穴的传导一边进行它们之间的锂离子的传导的作为介质的功能,至少不具有电子、空穴的传导性。
间隔件3也可以含有各种增塑剂、抗氧化剂、阻燃剂,也可以被金属氧化物等被覆。
间隔件3的材料由电绝缘材料形成,具有电绝缘性。
间隔件3的材料优选仅由电阻率至少108Ω·cm以上的材料构成。
间隔件3的材料例如可举出由尼龙、纤维素、聚砜、聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯、聚丙烯腈、聚酰亚胺、聚酰胺、PET和将它们的2种以上复合而成的物质构成的织布、无纺布、微多孔膜等。
从实用性的观点出发,间隔件3的材料优选为选自纤维素无纺布、聚丙烯、聚乙烯和PET中的1种以上,更优选为聚丙烯、聚乙烯和纤维素无纺布。
非水电解液二次电池10中使用的间隔件3与电极2、1的面积比没有特别限定,优选满足下述式(3)。
1.0≤F/E≤1.5 (3)
(其中,E表示在正极2和负极1中与间隔件3对置的一侧的面的面积大的电极的面积,F表示间隔件3的面积)。
间隔件3的面积与在电极2、1中取最大面积的正极2或负极1的面积的比(F/E)小于1时,有可能夹着间隔件3而邻接的正极2与负极1接触而发生短路。
在面积比(F/E)大于1.5时,封入体8等外装所需的体积变大,无法使电池10紧凑。因此,有时单位尺寸的电池10的输出密度下降。
间隔件3的平均厚度优选为10μm~100μm。
在间隔件3的平均厚度小于10μm时,有可能正极2与负极1直接接触,在间隔件3的平均厚度厚于100μm时,有可能电池10的内部电阻变高。
从经济性、操作性的观点出发,间隔件3的平均厚度更优选为15μm~50μm。
<非水电解液>
二次电池10的封入体8内所含的非水电解液6的量没有特别限定。
封入体8内所含的非水电解液6的量优选电池容量每1Ah为0.1mL以上。若为该范围,则可以充分保证伴随着电极反应的锂离子的传导,可以体现所需的电池性能。
非水电解液6可以预先含于正极2、负极1和间隔件3。此外,非水电解液6也可以在将在正极2侧与负极1侧之间配置有间隔件3的构件进行卷绕或层叠后进行添加。
非水电解液6没有特别限定,可以使用使溶质溶解于非水溶剂而成的电解液、将使溶质溶解于非水溶剂而成的电解液浸渗于高分子而成的凝胶电解质等。
此外,本发明所涉及的非水电解液6中也可以含有微量的阻燃剂、稳定化剂等添加剂。
作为非水溶剂,由于在非水电解液二次电池10的工作电位下难以发生溶剂的分解,因此优选为非质子性溶剂,更优选为包含非质子性极性溶剂的非质子性溶剂。
非水溶剂进一步优选上述非质子性极性溶剂为选自环状的非质子性溶剂和链状的非质子性溶剂中的1种以上。
非水溶剂特别优选设为由环状非质子性极性溶剂和链状非质子性极性溶剂构成的非水溶剂。
作为环状非质子性极性溶剂,可例示环状碳酸酯、环状酯、环状砜和环状醚等。
作为上述环状碳酸酯,可举出碳酸亚乙酯、碳酸亚丙酯、氟代碳酸亚乙酯、碳酸亚丁酯等。
作为链状非质子性极性溶剂,可例示乙腈、链状碳酸酯、链状羧酸酯和链状醚等。
作为链状碳酸酯,可例示碳酸二甲酯、碳酸二乙酯、碳酸甲乙酯等。
更具体而言,链状碳酸酯可使用碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯、碳酸二乙酯、碳酸二丙酯、碳酸甲丙酯、碳酸亚乙酯、氟代碳酸亚乙酯、碳酸亚丙酯、碳酸亚丁酯、γ-丁内酯、1,2-二甲氧基乙烷、环丁砜、二氧戊环、丙酸甲酯等。
构成非水电解液6的非水溶剂可以使用这些溶剂中的1种,也可以混合使用2种以上。
此外,非水溶剂优选使用混合2种以上的这些溶剂而成的溶剂。通过这样做,可以提高后述的作为支持电解质的溶质的溶解性。此外,可以提高锂离子的传导性。
构成非水电解液6的溶质没有特别限定。
从容易溶解于上述非水溶剂出发,溶质优选例如LiClO4、LiBF4、LiPF6、LiAsF6、LiCF3SO3、LiBOB(双草酸硼酸锂,Lithium Bis(Oxalato)Borate)、LiN(SO2CF3)2等,更优选为LiPF6
非水电解液6所含的溶质的浓度优选为0.5mol/L~2.0mol/L。
在小于0.5mol/L时,有时无法体现所需的锂离子传导性,另一方面,若高于2.0mol/L,则有时溶质无法溶解到该浓度以上。
上述的实施方式中,通过电极形成构件15、15彼此接触,且一个电极形成构件15与正极端子72接触,能够与外部设备连接,但本发明不限定于此。例如,如图1所示,也可以电极形成构件15、15彼此不接触而利用正极端子72将电极形成构件15、15彼此电连接。此外,在这种情况下,利用正极端子72的电极形成构件15、15彼此的连接可以在封入体8的内部连接,也可以在封入体8的外部连接。
同样地,在上述的实施方式中,通过电极形成构件16、16彼此接触,且一个电极形成构件16与负极端子71接触,能够与外部设备连接,但本发明不限定于此。例如,如图1所示,也可以电极形成构件16、16彼此不接触而利用负极端子71将电极形成构件16、16彼此电连接。此外,在这种情况下,利用负极端子71的电极形成构件16、16彼此的连接可以在封入体8的内部连接,也可以在封入体8的外部连接。
上述的实施方式中,从封入体8的内部开始正极构件20的正极端子72和负极构件21的负极端子71在互相背离的方向延伸,但本发明不限定于此,正极构件20的正极端子72和负极构件21的负极端子71的从封入体8的内部起的延伸方向没有特别限定。例如,也可以从封入体8的内部开始正极构件20的正极端子72和负极构件21的负极端子71在相同的方向延伸。
上述的实施方式中,对所谓的层压型的锂离子二次电池进行了说明,但本发明不限定于此。也可以应用在方型、硬币型、纽扣型等其它锂离子二次电池。
实施例
以下,通过实施例进一步具体地说明本发明,但本发明不限定于这些实施例,在不变更其主旨的范围内可以适当变更。实施例、比较例中的二次电池的评价通过以下方法进行。
(充放电循环试验的方法)
充放电循环试验通过如下方式实施:在下述循环条件下,最初从充电开始实施,在下述充电条件1和放电条件1下反复进行放电和充电,最后进行放电。应予说明,以下所记载的电压不是锂金属基准,而是非水电解液二次电池的电压。
循环条件
电池环境温度:60℃
单位循环:将充电1次和放电1次作为1个循环。
反复循环数:400个循环
充放电条件
充电条件1:以0.5C的恒定电流充电至电压达到2.7V为止,其后,维持2.7V以恒定电压充电,其后,在电流为0.02C的时刻结束充电。
放电条件1:以1.0C的恒定电流放电至电压减少到2.0V为止,在2.0V的时刻结束放电。
这里所说的“C”是将为了以1小时充电或放电非水电解液二次电池的全部容量所需的电流值定义为1C而得的。例如0.02C是指其电流值的0.02倍。此外,例如0.5C为1/2C,因此表示为了以2小时充电或放电非水电解液二次电池的全部容量所需的电流值。
(容量维持率和气体产生量的测定方法)
容量维持率是指将在前述的循环条件下实施充放电循环试验后的放电容量与第1次循环的放电容量比较时的百分比值。
气体产生量通过如下方式求出:预先在作为电池的封入体的外装的铝层压片材上设置气袋作为封入体的容积的一部分,然后,使充放电循环中产生的气体储存在该气袋中,通过阿基米德法测定充放电循环试验前后的电池的体积。
(电池的评价基准)
作为制作的电池的评价基准,将充放电循环试验后的容量维持率为85%以上且单位容量的气体产生量为1mL/Ah以下的情况设为合格。
接下来,对各电极的制作方法进行说明。
首先,对正极的制作方法进行说明。
(作为正极活性物质的尖晶石型锰酸锂的制造)
使用文献(Electrochemical and Solid-State Letters,9(12),A557(2006))所记载的方法制造Li1.1Al0.1Mn1.8O4(以下也称为LAMO)的粉末,得到具有下述表1的物性的Li1.1Al0.1Mn1.8O4A~F。
应予说明,“数均粒径”是以SEM等的电子显微镜观察对任意的100个粒子进行观察,采用其平均的粒径。
[表1]
表1
尖晶石型锰酸锂 数均粒径(μm) 比表面积(m<sup>2</sup>/g)
A 7 0.7
B 11 0.4
C 14 0.3
D 17 0.2
E 21 0.1
F 24 0.08
(作为正极活性物质的钴酸锂的制造)
以钴原子与锂原子的原子比为1∶1.03的方式称量钴氢氧化物和氢氧化锂一水合物。然后,将称量的钴氢氧化物的干燥粉末和氢氧化锂一水合物充分地混合,将所得的混合物在大气环境中以850℃的温度煅烧规定的时间,从而得到钴酸锂(以下也称为LCO)。通过粉碎所得的钴酸锂,得到数均粒径为20μm以下的具有下述表2的物性的钴酸锂G~L。
[表2]
表2
钴酸锂 数均粒径(μm) 比表面积(m<sup>2</sup>/g)
G 2 1
H 4 0.7
I 4 0.6
J 6 0.5
K 8 0.3
L 13 0.1
(正极的制作)
将这些粉末各100重量份、导电助材(乙炔黑)5重量份和粘合剂(固体成分浓度8wt%,NMP溶液)5重量份进行混合而制备这些材料的混合物的浆料。
接着,在170℃对将该浆料涂布于作为集电体的铝箔(15μm)而成的电极片材进行真空干燥。其后,将电极片材冲压成4cm×6cm的大小,从而得到在集电体上形成有活性物质层的下述表3的各正极1~17。
下述表3的锰酸锂∶钴酸锂的比表示正极中使用的活性物质中的尖晶石型锰酸锂与钴酸锂的重量比。
另外,该涂布是实施对作为集电体的铝箔的单面实施而制成单面电极和对铝箔的两面实施而制成两面电极这两种情况,制作两种电极。
[表3]
表3
正极 尖晶石型锰酸锂 钴酸锂 锰酸锂∶钴酸锂
1 D J 100∶0
2 D J 100∶1
3 D J 100∶2
4 D J 100∶4
5 D J 100∶7
6 D J 100∶10
7 D G 100∶4
8 D H 100∶4
9 D I 100∶4
10 D J 100∶4
11 D K 100∶4
12 D L 100∶4
13 A J 100∶4
14 B J 100∶4
15 C J 100∶4
16 E J 100∶4
17 F J 100∶4
如由表3读取的那样,正极4和正极10是相同的电极。
(正极1~17的电容测定)
对于将以这种方式制作的各正极作为工作电极、将锂电极作为对电极的半电池,通过以下方法实施充放电试验,从而测定各正极的电容。
应予说明,以下所记载的电压值是以全部锂电极为基准的值。
首先,将制成单面电极的各正极冲压成16mmΦ并作为工作电极,将锂金属板冲压成16mmΦ并作为对电极,以工作电极(单面涂布的涂布面为内侧)/间隔件/对电极(锂金属板)的顺序在试验单元(HS Cell,宝泉株式会社制)内进行层叠。然后,在试验单元中加入0.15mL的非水电解液(使用碳酸亚乙酯:二甲基碳酸酯=3:7(容积比率)作为溶剂,使用LiPF6=1mol/L作为溶质),制作半电池。
将该半电池在25℃放置一天后,与充放电试验装置(HJ1005SD8,北斗电工株式会社制)连接,在25℃以0.4mA反复进行5次恒定电流充电和恒定电流放电,将第5次的放电量的结果作为正极的电容。
此时,恒定电流充电中的结束电压设为4.25V,恒定电流放电中的结束电压设为3.0V。其结果,正极1~17的单位面积的电容均为1.6~1.7mAh/cm2的范围内。
(负极1的制作)
使用钛酸锂即Li4Ti5O12的粉末作为负极活性物质,通过以下方法制作负极1。
负极1:Li4Ti5O12(以下也称为LTO)
首先,通过文献(Journal of Electrochemical Society,142,1431(1995))所记载的方法制造Li4Ti5O12的粉末。
接着,将100重量份的该粉末、5重量份的导电助材(乙炔黑)以及固体成分成为5重量份的量的粘合剂(固体成分浓度5wt%,NMP溶液)进行混合而制备浆料。
接着,将该浆料涂布于作为集电体的铝箔(15μm)而形成电极片材,将该电极片材在170℃进行真空干燥。其后,将所得的电极片材冲压成4.3cm×6.3cm的大小,从而得到在集电体上形成有活性物质层的负极1。即,得到以Li4Ti5O12为负极活性物质的负极1。此外,制作单面电极和两面电极这两者。
(负极2的制作)
使用青铜型二氧化钛即TiO2(B)的粉末作为负极活性物质,通过以下方法制作负极2。
负极2:TiO2(B)
首先,通过文献(Journal of Electrochemical Society,159,A49-A54(2012))所记载的方法制造TiO2(B)的粉末。
接着,使用该粉末100重量份,通过与负极1同样的方法制备浆料,将该浆料涂布于作为集电体的铝箔(15μm)而形成电极片材,将该电极片材在170℃进行真空干燥。其后,将所得的电极片材冲压成4.3cm×6.3cm的大小,从而得到在集电体上形成有活性物质层的负极2。即,得到以青铜型二氧化钛即TiO2(B)为负极活性物质的负极2。
(负极3的制作)
使用钛酸化合物即H2Ti12O25的粉末作为负极活性物质,通过以下方法制作负极3。
负极3:H2Ti12O25(以下也称为HTO)
首先,通过文献(Journal of Electrochemical Society,158,A546-A549(2011))所记载的方法制造H2Ti12O25的粉末。
接着,使用该粉末100重量份,通过与负极1同样的方法制备浆料,将该浆料涂布于作为集电体的铝箔(15μm)而形成电极片材,将该电极片材在170℃进行真空干燥。其后,将所得的电极片材冲压成4.3cm×6.3cm的大小,从而得到在集电体上形成有活性物质层的负极3。即,得到以钛酸化合物即H2Ti12O25为负极活性物质的负极3。
(负极1~3的电容测定)
通过与正极1~17同样的方法测定以这种方式制作的各负极的电容。
其中,恒定电流充电中的结束电压设为2.0V,恒定电流放电中的结束电压设为1.0V。其结果,负极1~3的单位面积的电容均为1.8mAh/cm2
使用所制作的两面电极,通过以下所记载的方法制作实施例1~8和比较例1~10的电池。正极和负极的种类分别如表4所记载。
(电池的制作)
使用13片的正极、14片的负极,将其各自介由纤维素无纺布(25μm,30cm2)以正极和负极交替的方式叠合。其后,使这些正极汇集而振动熔敷于1个正极端子,使这些负极汇集而振动熔敷于1个负极端子,从而得到具备端子的电极群。
接着,将具备该端子的电极群放入袋状的铝层压片材,使端子部分地延伸至铝层压片材的外侧。
进而,在铝层压片材内放入5.5mL的非水电解液(使用碳酸亚乙酯:碳酸二甲酯=3:7(体积比)作为非水溶剂,使用LiPF6=1mol/L作为属于支持电解质的溶质)。一边对该袋内进行减压一边封装袋的开口部,进而,熟成12小时,从而得到非水电解液二次电池。
对于实施例1~8、比较例1~10的非水电解液二次电池,在其正极端子和负极端子的上述延伸部间,连接充放电装置而实施反复充放电的上述充放电循环试验,测定电池的容量维持率和气体量产生量。将结果记载于表4,总结表1~4而示于表5。
[表4]
表4
如表4、表5所示,实施例1~8的电池全部合格,比较例1~10的电池全部不合格。即,实施例1~8的电池在充放电循环试验后的容量维持率为85%以上,且单位容量的气体产生量为1mL/Ah以下。
尤其是实施例3、7、8的电池的容量维持率示出94%以上的高值,充放电循环试验后的气体量也少至0.2mL/Ah以下,因此可以说在实施例1~8的电池中是优异的电池。
实施例3、7、8的电池的循环特性良好且气体产生量显著少的理由尚不明确,但认为是因为,通过使用具有适度的数均粒径和比表面积的尖晶石型锰酸锂(LAMO)和层状岩盐型活性物质(LCO),可抑制由反复充放电所致的正极的材料劣化,高效地吸留从负极的钛化合物产生的气体。
另一方面,比较例1作为正极活性物质不含有具有气体抑制效果的层状岩盐型活性物质(LCO)。因此,认为没有气体抑制效果,产生气体,因此内部电阻增大,容量维持率变低。
同样地,比较例2中,作为正极活性物质,具有气体抑制效果的层状岩盐型活性物质(LCO)为1重量份,较少。因此,认为无法充分吸留所产生的气体,气体产生量多于1mL/Ah。
此外,虽然比较例3和比较例4含有具有气体抑制效果的层状岩盐型活性物质(LCO)作为正极活性物质,但比较例3为7重量份,比较例4为10重量份,正极活性物质层内的层状岩盐型活性物质(LCO)的含量较多。因此,认为通过反复充放电,层状岩盐型活性物质(LCO)的粒子表面的层状结构紊乱的区域增加,发生材料的龟裂等劣化而该部分成为异常活性点。
因此,认为在比较例3和比较例4中,气体产生量反而变多,并且内部电阻增大而容量维持率变低。
因此,若考虑到实施例1、3和比较例1~4的结果以及测定误差等,则为了在抑制气体产生的同时得到稳定的循环特性,认为作为尖晶石型锰酸锂(LAMO)与层状岩盐型活性物质(LCO)的混合比率,相对于尖晶石型锰酸锂100重量份添加2重量份~5重量份的层状岩盐型活性物质是最佳的。
在比较例5~7的电池中,相对于尖晶石型锰酸锂(LAMO)的重量,适量含有2重量份~5重量份的具有气体抑制效果的层状岩盐型活性物质(LCO)作为正极活性物质。
然而,在比较例5和比较例6的电池中,气体产生量多。这是因为,层状岩盐型活性物质(LCO)的粒子细,比表面积高,因此通过反复循环,层状岩盐型活性物质(LCO)的粒子表面的层状结构紊乱的区域增加。其结果,认为会发生材料的龟裂等劣化,该部分成为异常活性点而电解液被分解,产生气体。此外,认为该气体是与层状岩盐型活性物质(LCO)所吸留的气体不同种类的气体,因此气体产生量反而变多。
另一方面,比较例7的电池中,气体产生量也多。这是因为,层状岩盐型活性物质(LCO)的粒子大,比表面积低,因此,结果气体吸留能力变低。其结果,认为在比较例7的电池中,气体产生变多。
因此,根据实施例2~4和比较例5~7的结果,为了在抑制气体产生的同时得到稳定的循环特性,认为层状岩盐型活性物质(LCO)的粒子保持在数均粒径为3~9μm且比表面积为0.3~0.6m2/g的范围是最佳的。
在比较例8~10的电池中,相对于尖晶石型锰酸锂(LAMO)的重量,适量含有2重量份~5重量份的具有气体抑制效果的层状岩盐型活性物质(LCO)作为正极活性物质。进而,在比较例8~10的电池中,将层状岩盐型活性物质(LCO)的粒子保持在数均粒径为3~9μm且比表面积为0.3~0.6m2/g的范围。
然而,在比较例8的电池中,气体产生量多,容量维持率也低。
该现象的明确的理由尚不明确,但认为有可能,由于尖晶石型锰酸锂的数均粒径小、比表面积大,因此通过反复循环而发生劣化,产生与层状岩盐型活性物质所吸留的气体不同的气体。
另一方面,在比较例9~10的电池中,虽然气体产生量少,但容量维持率低。
认为这是因为尖晶石型锰酸锂的数均粒径大、比表面积少,因此输出特性差,容量维持率变低。
因此,根据实施例5、6和比较例8~10的结果,为了在抑制气体产生的同时得到稳定的循环特性,认为尖晶石型锰酸锂(LAMO)的粒子保持在数均粒径为10~20μm且比表面积为0.05~0.4m2/g的范围是最佳的。
由以上结果可知,通过同时满足以下的(1)~(3)的条件,成为充放电循环试验后的容量维持率为85%以上且单位容量的气体产生量为1mL/Ah以下的高性能的二次电池。
(1)相对于尖晶石型锰酸锂100重量份,含有层状岩盐型化合物2~5重量份。
(2)尖晶石型锰酸锂的数均粒径为10~20μm,且比表面积为0.05~0.4m2/g。
(3)层状岩盐型化合物的数均粒径为3~9μm,且比表面积为0.3~0.6m2/g。
符号说明
1 负极
2 正极
3 间隔件
6 非水电解液
8 封入体
10 非水电解液二次电池

Claims (11)

1.一种非水电解液二次电池,其特征在于,具有封入体,该封入体封入有正极、非水电解液以及夹着间隔件与所述正极对置的负极,所述负极含有钛化合物作为负极活性物质,
所述间隔件具有电绝缘性,
所述正极含有尖晶石型锰酸锂和层状岩盐型化合物作为正极活性物质,
所述尖晶石型锰酸锂的数均粒径为10μm~20μm,且比表面积为0.05m2/g~0.4m2/g,
所述层状岩盐型化合物相对于尖晶石型锰酸锂100重量份含有2重量份~5重量份,
并且,所述层状岩盐型化合物的数均粒径为3μm~9μm,且比表面积为0.3m2/g~0.6m2/g,
所述层状岩盐型化合物是钴酸锂。
2.如权利要求1所述的非水电解液二次电池,其特征在于,所述尖晶石型锰酸锂是选自Li1+xAlyMn2-x-yO4和Li1+xMgyMn2-x-yO4中的1种以上,其中,0≤x≤0.1,0<y≤0.1。
3.如权利要求1或2所述的非水电解液二次电池,其特征在于,在将所述正极的单位面积的电容设为A、将所述负极的单位面积的电容设为B时,所述负极相对于所述正极的电容比B/A满足下述式(1),
0.8≤B/A≤1.3 (1)。
4.如权利要求3所述的非水电解液二次电池,其特征在于,所述负极相对于所述正极的电容比B/A为1.0以上。
5.如权利要求1或2所述的非水电解液二次电池,其特征在于,
所述正极具有所述正极活性物质扩展成面状的正极活性物质层,
所述负极具有所述负极活性物质扩展成面状的负极活性物质层,
在将所述正极活性物质层的所述间隔件侧的面的面积设为C、将所述负极活性物质层的所述间隔件侧的面的面积设为D时,面积比D/C满足下述式(2),
0.8≤D/C≤1.2 (2)。
6.如权利要求5所述的非水电解液二次电池,其特征在于,所述负极活性物质层的所述间隔件侧的面的面积相对于所述正极活性物质层的所述间隔件侧的面的面积的比D/C为1.0以上。
7.如权利要求1所述的非水电解液二次电池,其特征在于,所述钛化合物是选自Li4Ti5O12、H2Ti12O25和TiO2(B)中的1种以上。
8.如权利要求1或2所述的非水电解液二次电池,其特征在于,所述层状岩盐型化合物的数均粒径为5μm~7μm,且比表面积为0.4m2/g~0.5m2/g。
9.如权利要求1或2所述的非水电解液二次电池,其特征在于,
具备多个以所述正极和所述负极夹着所述间隔件的二次电池单元,
将邻接的二次电池单元并联地电连接。
10.一种非水电解液二次电池,其特征在于,具有封入体,该封入体封入有正极、非水电解液以及夹着间隔件与所述正极对置的负极,所述负极含有钛化合物作为负极活性物质,
所述钛化合物是选自Li4Ti5O12、H2Ti12O25和TiO2(B)中的1种以上,
所述间隔件具有电绝缘性,
所述正极含有尖晶石型锰酸锂和层状岩盐型化合物作为正极活性物质,
所述尖晶石型锰酸锂的数均粒径为10μm~20μm,且比表面积为0.05m2/g~0.4m2/g,
并且所述尖晶石型锰酸锂是选自Li1+xAlyMn2-x-yO4和Li1+xMgyMn2-x-yO4中的1种以上,其中,0≤x≤0.1,0<y≤0.1,
所述层状岩盐型化合物相对于尖晶石型锰酸锂100重量份含有2重量份~5重量份,
并且所述层状岩盐型化合物的数均粒径为3μm~9μm,且比表面积为0.3m2/g~0.6m2/g,
所述层状岩盐型化合物是钴酸锂。
11.一种非水电解液二次电池的正极,其特征在于,
具有尖晶石型锰酸锂和层状岩盐型化合物作为正极活性物质,
所述层状岩盐型化合物相对于所述尖晶石型锰酸锂100重量份含有2重量份~5重量份,
所述尖晶石型锰酸锂的数均粒径为10μm~20μm,且比表面积为0.05m2/g~0.4m2/g,
所述层状岩盐型化合物的数均粒径为3μm~9μm,且比表面积为0.3m2/g~0.6m2/g,
所述层状岩盐型化合物是钴酸锂。
CN201680004645.XA 2015-02-12 2016-02-05 非水电解液二次电池和非水电解液二次电池的正极 Active CN107112584B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2015-025579 2015-02-12
JP2015025579 2015-02-12
PCT/JP2016/053536 WO2016129527A1 (ja) 2015-02-12 2016-02-05 非水電解液二次電池及び非水電解液二次電池の正極

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN107112584A CN107112584A (zh) 2017-08-29
CN107112584B true CN107112584B (zh) 2019-12-17

Family

ID=56615006

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201680004645.XA Active CN107112584B (zh) 2015-02-12 2016-02-05 非水电解液二次电池和非水电解液二次电池的正极

Country Status (5)

Country Link
US (1) US10651468B2 (zh)
EP (1) EP3258529B1 (zh)
JP (1) JP6746506B2 (zh)
CN (1) CN107112584B (zh)
WO (1) WO2016129527A1 (zh)

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6873035B2 (ja) * 2015-04-28 2021-05-19 株式会社カネカ 梱包物
EP3522284B1 (en) * 2016-09-29 2023-03-01 Kabushiki Kaisha Toshiba Nonaqueous electrolyte battery and battery pack
WO2018198612A1 (ja) * 2017-04-28 2018-11-01 株式会社カネカ 非水電解質二次電池およびその製造方法
JP6927307B2 (ja) 2017-07-25 2021-08-25 株式会社村田製作所 リチウムイオン二次電池
CN110998960B (zh) * 2017-07-25 2023-07-07 株式会社村田制作所 锂离子二次电池
CN110998931B (zh) * 2017-08-30 2023-04-04 株式会社村田制作所 正极活性物质、正极、电池、电池包、电子设备、电动车辆、蓄电装置以及电力***
JP7041023B2 (ja) * 2018-07-31 2022-03-23 トヨタ自動車株式会社 リチウムイオン電池用正極活物質及びリチウムイオン電池
CN112086617A (zh) * 2020-09-03 2020-12-15 星恒电源(滁州)有限公司 高锂离子导通正极片及其制备方法
CN114512659B (zh) * 2020-11-17 2023-10-20 松山湖材料实验室 改性尖晶石结构正极活性材料以及制备方法,正极,锂离子二次电池

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1221049C (zh) * 2000-09-29 2005-09-28 三洋电机株式会社 非水电解质二次电池
CN101223658A (zh) * 2005-08-16 2008-07-16 株式会社Lg化学 阴极活性材料及包含该活性材料的锂二次电池
CN101300695A (zh) * 2005-11-10 2008-11-05 日产自动车株式会社 二次电池用电极、以及使用其的二次电池
CN101388448A (zh) * 2006-09-14 2009-03-18 日产自动车株式会社 非水电解质二次电池的正极及采用它的非水电解质二次电池
JP2010153258A (ja) * 2008-12-25 2010-07-08 Toshiba Corp 非水電解質電池

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3754218B2 (ja) 1999-01-25 2006-03-08 三洋電機株式会社 非水電解質電池用正極及びその製造方法、ならびこの正極を用いた非水電解質電池及びその製造方法
JP4878687B2 (ja) * 2001-02-23 2012-02-15 三洋電機株式会社 リチウム二次電池
WO2003081698A1 (fr) 2002-03-27 2003-10-02 Yuasa Corporation Substance active pour electrode positive et batterie a electrolyte non aqueuse renfermant ladite substance
JP2008098142A (ja) 2006-09-14 2008-04-24 Nissan Motor Co Ltd 非水電解質二次電池用正極およびこれを用いた非水電解質二次電池
JP5565465B2 (ja) 2010-08-20 2014-08-06 株式会社村田製作所 非水電解質二次電池
JP6098062B2 (ja) 2011-08-02 2017-03-22 三菱化学株式会社 非水系電解液及びそれを用いた非水系電解液二次電池
KR101515361B1 (ko) * 2012-04-18 2015-05-06 주식회사 엘지화학 양극 활물질 및 이를 포함하는 리튬 이차전지
WO2013161949A1 (ja) * 2012-04-27 2013-10-31 三井金属鉱業株式会社 マンガン系スピネル型リチウム遷移金属酸化物
JP6516999B2 (ja) 2013-10-22 2019-05-22 ツキオカフィルム製薬株式会社 容器及び食品分離シート材
EP3096388B1 (en) * 2014-01-16 2019-03-20 Kaneka Corporation Nonaqueous electrolyte secondary battery and battery pack of same
US9735430B2 (en) * 2014-01-23 2017-08-15 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Electrode, power storage device, and electronic device
JP6873035B2 (ja) * 2015-04-28 2021-05-19 株式会社カネカ 梱包物

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1221049C (zh) * 2000-09-29 2005-09-28 三洋电机株式会社 非水电解质二次电池
CN101223658A (zh) * 2005-08-16 2008-07-16 株式会社Lg化学 阴极活性材料及包含该活性材料的锂二次电池
CN101300695A (zh) * 2005-11-10 2008-11-05 日产自动车株式会社 二次电池用电极、以及使用其的二次电池
CN101388448A (zh) * 2006-09-14 2009-03-18 日产自动车株式会社 非水电解质二次电池的正极及采用它的非水电解质二次电池
JP2010153258A (ja) * 2008-12-25 2010-07-08 Toshiba Corp 非水電解質電池

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
High-Temperature Storage Performance of Li-Ion Batteries Using a Mixture of Li-Mn Spinel and Li-Ni-Co-Mn Oxide as a Positive Electrode Material;Hideki Kitao etc;《Electrochemical and Solid-State Letters》;20051231;第8卷(第2期);第A88页右栏 *

Also Published As

Publication number Publication date
EP3258529B1 (en) 2020-07-01
WO2016129527A1 (ja) 2016-08-18
EP3258529A4 (en) 2018-07-04
JP6746506B2 (ja) 2020-08-26
US10651468B2 (en) 2020-05-12
JPWO2016129527A1 (ja) 2017-11-24
US20180034053A1 (en) 2018-02-01
CN107112584A (zh) 2017-08-29
EP3258529A1 (en) 2017-12-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107112584B (zh) 非水电解液二次电池和非水电解液二次电池的正极
JP2024056867A (ja) 改善された性能を有するエネルギー貯蔵装置についての組成および方法
US8399132B2 (en) Niobium oxide-containing electrode and lithium battery including the same
CN107431240B (zh) 包装件
JP5246747B2 (ja) リチウムイオン二次電池用負極、およびそれを用いたリチウムイオン二次電池
JP6581981B2 (ja) 非水電解質二次電池およびこれを複数個接続してなる組電池
JP6656370B2 (ja) リチウムイオン二次電池および組電池
JP2014006971A (ja) 非水電解質二次電池及びそれを用いた組電池
JP2012129095A (ja) 非水電解質二次電池用バイポーラ電極、および、それを用いた非水電解質二次電池。
TWI600195B (zh) 非水電解質二次電池及使用其之組電池
JP7003775B2 (ja) リチウムイオン二次電池
JP2015187929A (ja) 非水電解質二次電池
CN110476291B (zh) 非水电解质二次电池及其制造方法
JP2014086382A (ja) 非水電解質二次電池の製造方法及びそれにより製造された電池
JP2014238946A (ja) 非水電解質二次電池の製造方法及び製造された電池
JP2014072062A (ja) 非水電解質二次電池及び組電池
JP2019021563A (ja) リチウムイオン二次電池およびその製造方法
JP2022176525A (ja) 負極活物質、負極、電池セル
JP2014203658A (ja) 非水電解質二次電池
JP2016207611A (ja) 非水電解質二次電池及びこれを複数個接続してなる組電池及びその製造方法。
KR20140058267A (ko) 리튬이차전지용 양극활물질, 이것의 제조방법 및 이를 포함하는 리튬이차전지

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant