JP2008166207A - 正極合剤、ならびに非水電解質二次電池およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】非水電解質二次電池は、正極11と、負極12と、非水電解質とを備え、正極が、オリビン型結晶構造を有する正極活物質と、充放電に寄与しない無機酸化物とを含み、正極活物質の粒子径Aが、0.1μm以上0.5μm以下の範囲内であり、正極活物質の粒子径Aと無機酸化物の粒子径Bとが、A>Bの関係を有する。これにより、正極11のける導電助剤や結着剤などの分散状態を改善することができる。
【選択図】図3
Description
(1)活物質の粒子径を小さくし、比表面積を大きくする。
(2)活物質の粒子表面に炭素などの導電助剤を担持させる。
(3)正極合剤を作製する際、カーボンブラックや繊維状炭素などを添加する。
(4)結着力の高い結着剤(バインダ)を使用し、構成部材の密着力を向上させる。
オリビン型結晶構造の正極活物質を含む正極における電子伝導性は低いので、高出力用途への展開を図るにためは、さらに高い出力特性が望まれている。そして、この要望に応えるべく、上記(1)〜(4)の方法が提案されている。しかしながら、上記方法だけでは、電気自動車やハイブリッド自動車などに用いられる高出力用途の電池に適応するためには依然として出力特性が不十分であり、更なる出力向上が望まれる。
また、本発明者らの知見によれば、上記(1)および(3)の方法を採用すると寿命特性が悪化するという別な問題が発生してしまう。すなわち、本発明者らの知見によれば、(1)活物質自体の粒子径を小さくし、比表面積を大きくすることや、(3)比表面積の大きなカーボンブラックなどを添加することで、出力特性を向上させる場合、塗布電極を作製する際に必要となるスラリー性状を安定化させるために、結着剤の必要量が増大する。このため、高温下において結着剤の膨潤度の影響が大きくなり、活物質間および活物質と集電体との間の電子伝導性が劣化し、結果として、寿命特性が悪化してしまう。
オリビン型結晶構造の正極活物質を含む正極を作製する場合、一般的に、粒子径の小さい正極活物質を使用し、且つ、その粒子径よりもさらに小さく比表面積の大きい炭素粉末などの導電助剤を使用して電極の電子伝導性を高めることが行われる。このようにして電子伝導性を高めると、導電助剤、結着剤およびオリビン型結晶構造を有する正極活物質を溶媒と混合し電極作製用のスラリーを作製するときに導電助剤や結着剤が正極活物質粒子と凝集し、導電助剤本来の役割が損なわれてしまい、その結果として正極の電子伝導性が損なわれるという問題につながる。
上記(1)および(3)の方法を採用すると結着剤の添加量の必要量が増加するため、結着剤の分散状態が粗悪化し偏析すると、高温下において結着剤が局所的に膨潤して、活物質間の電子伝導性が劣化し、その結果、寿命特性が悪化してしまう。具体的には、高温下でサイクル試験を実施すると、結着剤の膨潤により、活物質間の電子伝導性が従来のコバルト(Co)やニッケル(Ni)などの層状酸化物に比べ大きく損なわれ、寿命特性に悪影響が生じる。
オリビン型結晶構造を有する正極活物質と、充放電に寄与しない無機酸化物とを含み、
正極活物質の粒子径Aが、0.1μm以上0.5μm以下の範囲内であり、
正極活物質の粒子径Aと無機酸化物の粒子径Bとが、A>Bの関係を有することを特徴とする非水電解質二次電池用の正極合剤である。
正極と、負極と、非水電解質とを備え、
正極が、オリビン型結晶構造を有する正極活物質と、充放電に寄与しない無機酸化物とを含み、
正極活物質の粒子径Aが、0.1μm以上0.5μm以下の範囲内であり、
正極活物質の粒子径Aと無機酸化物の粒子径Bとが、A>Bの関係を有することを特徴とする非水電解質二次電池である。
オリビン型結晶構造を有する正極活物質と、充放電に寄与しない無機酸化物とを混合分散する工程と、
分散した正極活物質および無機酸化物により正極を作製する工程と
を備え、
正極活物質の粒子径Aが、0.1μm以上0.5μm以下の範囲内であり、
正極活物質の粒子径Aと無機酸化物の粒子径Bとが、A>Bの関係を有することを特徴とする非水電解質二次電池の製造方法である。
(1−1)非水電解質二次電池の構成
図1は、本発明の第1の実施形態による非水電解質二次電池の構成の一例を示す分解斜視図である。図1に示すように、この非水電解質二次電池は、正極リード3および負極リード4が取り付けられた電池素子1をフィルム状の外装部材2の内部に収容したものであり、小型化、軽量化および薄型化が可能となっている。
LixM1PO4
(式中、M1は、コバルト(Co)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、ニッケル(Ni)、マグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、ホウ素(B)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、ニオブ(Nb)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、モリブデン(Mo)、カルシウム(Ca)、ストロンチウム(Sr)、タングステン(W)およびジルコニウム(Zr)からなる群のうちの少なくとも1種を表す。xは、0.9≦x≦1.1の範囲内の値である。なお、リチウムの組成は充放電の状態によって異なり、xの値は完全放電状態における値を表している。)
上述のように構成された非水電解質二次電池は、例えば以下のようにして製造することができる。
正極11は以下のようにして作製する。まず、例えば、正極活物質と、充放電に寄与しない無機酸化物と、結着剤と、導電助剤とを混合して正極合剤を調製し、この正極合剤をN−メチルピロリドンなどの溶剤に分散させてペースト状の正極合剤塗料を作製する。次に、これを正極集電体11Aの両面に塗布、乾燥後、プレスすることにより正極合剤層11Bを形成する。その後、これを図4に示す形状などに切断し、正極11を得る。
負極12は以下のようにして作製した。まず、例えば、負極活物質と、結着剤と、導電助剤とを混合して負極合剤を調製し、この負極合剤をN−メチルピロリドンなどの溶剤に分散させてペースト状の負極合剤塗料を作製する。次に、これを負極集電体12Aの両面に塗布、乾燥後、プレスすることにより負極合剤層12Bを形成する。その後、これを図5に示す形状などに切断し、負極12を得る。
電池素子1を以下のようにしてを作製する。まず、ポリプロピレン製微多孔フィルムなどを図6に示す形状に切断し、セパレータ13を作製する。次に、上述のようにして得られた複数枚の負極12、正極11およびセパレータ13を、例えば、図3に示すように、負極12、セパレータ13、正極11、・・・、正極11、セパレータ13、負極12の順で積層して電池素子を作製する。
(a)本発明では、無機酸化物に導電助剤と結着剤とを付着させ、この無機酸化物を正極活物質に分散させるのに対して、文献3に記載された発明では、無機酸化物に導電助剤と結着剤とを付着させるものではない。
(b)本発明では、正極活物質の粒子径Aが0.1μm〜0.5μmの範囲内であるのに対して、文献3に記載された発明では、正極活物質の粒子径Aが1μm以上である。
(c)本発明では、正極活物質の粒子径Aと無機酸化物の粒子径Bとが、A>Bの関係を有するのに対して、文献3に記載された発明では、このような粒子径の関係が選択されていない。
また、文献3には、オリビン型結晶構造を有する正極活物質に関する実際のデータに関しては記載されていない。
次に、本発明の第2の実施形態について説明する。この第2の実施形態による非水電解質二次電池は、第1の実施形態の二次電池において、液状の電解質である電解液の代わりに、ゲル状の電解質層を用いるものである。なお、上述の第1の実施形態と同様の部分には同一の符号を付してその説明を省略する。
図7は、第2の実施形態による非水電解質二次電池に用いられる電池素子の構成の一例を示す断面図である。電池素子15は、正極11と負極12とをセパレータ13および電解質層14を介して積層したものである。
上述のように構成された非水電解質二次電池は、例えば、次のようにして製造することができる。
まず、正極11および負極12のそれぞれに、溶媒と、電解質塩と、高分子化合物と、混合溶剤とを含む前駆溶液を塗布し、混合溶剤を揮発させて電解質層14を形成する。その後の工程は、電解質層14が形成された正極11および負極12を用いる以外のことは上述の第1の実施形態と同様にして、非水電解質二次電池を得ることができる。
(3−1)非水電解質二次電池の構成
次に、図8〜9を参照しながら、本発明の第3の実施形態による二次電池の構成について説明する。
上述のように構成された非水電解質二次電池は、例えば、以下のようにして製造することができる。
(正極作製)
正極は以下のようにして作製した。まず、粒子径Aが0.1μmであり、炭素を3wt%含有したリン酸鉄リチウム90重量部、ポリフッ化ビニリデン5重量部、カーボンブラック5重量部、分量外のN−メチルピロリドンをミキサーで混錬、さらに所望の粘度になるようにN−メチルピロリドン(NMP)を添加し分散させ、正極合剤塗料を得た。次に、これを厚さ15μmのアルミニウム箔の両面に塗布、乾燥後、プレスすることにより正極合剤層を形成した。このときアルミニウム箔が両面に露出した部分を約30mm残した。その際、両面の塗布端が略同一線上となるようにした。その後、これを図4に示す形状に切断し、正極を得た。
負極は以下のようにして作製した。まず、人造黒鉛90重量部、ポリフッ化ビニリデン5重量部、カーボンブラック5重量部、分量外のN−メチルピロリドンを混錬し、負極合剤塗料を得た。次に、これを厚さ15μmの銅箔の両面に塗布、乾燥後、プレスすることにより負極合剤層を形成した。このとき銅箔が両面に露出した部分を約30mm残した。その際、両面の塗布端が略同一線上となるようにした。その後、これを図5に示す形状に切断し、負極を得た。
電池素子は以下のようにして作製した。まず、厚さ25μmのポリプロピレン製微多孔フィルムを図6に示す形状に切断し、これをセパレータとした。次に、上述のようにして得られた負極9枚、正極8枚、セパレータ16枚を、図3に示すように、負極、セパレータ、正極、・・・、正極、セパレータ、負極の順で積層した。これにより、正極合剤層、セパレータおよび負極合剤層からなる基本積層単位を16層分内包する電池素子が得られた。なお、電池素子の上下最外層は負極合剤層となるが、これらの部分は正極と対向していないため電池反応には寄与するものではない。また、この積層に際しては、積層方向から見て、正極合剤層の投影面が負極合剤層の投影面の内側に収まるように、負極と正極の相対位置を調整した。
正極は以下のようにして作製した。まず、粒子径Aが0.1μmであり、炭素を3wt%含有するリン酸鉄リチウムの粉末と、粒子径Bが0.05μmであるAl2O3の粉末とを準備した。次に、Al2O3を3重量部、ポリフッ化ビニリデン5重量部、カーボンブラック2重量部、リン酸鉄リチウム90重量部となるように各粉末を秤量した。Al2O3、ポリフッ化ビニリデン、カーボンブラックを加えてミキサーで混錬した後、リン酸鉄リチウムを混合分散した。さらに、所望の粘度になるようにN−メチルピロリドンを添加し分散させ、正極合剤塗料を得た。これを厚さ15μmのアルミニウム箔の両面に塗布、乾燥後、プレスすることにより正極合剤層を形成した。このときアルミニウム箔の両面に露出した部分を約30mm残した。その際、両面の塗布端が略同一線上となるようにした。その後、これを図4に示す形状に切断し、正極を得た。
Al2O3の粉末の粒子径Bを0.1μm、0.5μm、1μm、1.5μmとする以外は実施例1−1と同様にして非水電解質二次電池を得た。
正極活物質の粒子径Aを0.5μmとする以外は実施例1−1、比較例1−1〜1−5と同様にして非水電解質二次電池を得た。
正極活物質の粒子径Aを1μmとする以外は実施例1−1、比較例1−1〜1−5と同様にして非水電解質二次電池を得た。
比較例2−1と同様にして非水電解質二次電池を得た。
まず、粒子径Aが0.5μmであるリン酸鉄リチウムの粉体と、粒子径Bが0.05μm、0.1μmであるAl2O3の粉末を準備した。次に、これらのAl2O3の粉末それぞれと、リン酸鉄リチウムの粉末とを乾式混合し、リン酸鉄リチウムの表面にAl2O3を被覆して正極活物質を得た。
上述のようにして得られた積層型の非水電解質二次電池の直流抵抗(DCR:Direct Current Resistance)を測定した。測定は、電池の充電状態が50%の状態で、5A、10A、15A、20Aでそれぞれ10sec間電流を流した際の電圧値を測定し、電流と電圧をプロットした直線の傾きをDCRとして算出する方法で行った。その結果を表1および図10に示す。なお、図10におけるDCR比は、Al2O3を正極に添加せずに作製した電池の直流抵抗(DCR1)に対するAl2O3を正極に添加して作製した電池の直流抵抗(DCR2)の比率(DCR2/DCR1)である。
(1)リン酸鉄リチウムの粒子径Aよりも小さい粒子径BのAl2O3を添加した場合、DCRを低減できる傾向がある。
(2)リン酸鉄リチウムの粒子径Aが1μmである場合、DCRの低減効果が小さくなる。これは、リン酸鉄リチウムの粒子径Aが大きいために、フィラーであるAl2O3の添加効果が得にくいものと推定される。なお、粒子径0.1μmが取り扱える粒子径のほぼ限界である。
(3)リン酸鉄リチウムに対してAl2O3を分散させた場合にはDCRを低減できるのに対して、正極活物質の粒子にAl2O3を被覆した場合にはDCRを低減できず、DCRがほぼ一定である。
以上の点を考慮すると、出力特性を向上させるためには、リン酸鉄リチウムに対してAl2O3を分散させると共に、リン酸鉄リチウムの粒子径Aを0.1μm〜0.5μmの範囲内とし、リン酸鉄リチウムの粒径AとAl2O3の粒径BとがA>Bの関係を満たすようにすることが好ましい。
正極は以下のようにして作製した。まず、粒子径Aが0.5μmであり、炭素を3wt%含有したリン酸鉄リチウムの粉末を準備した。次に、粒子径Bが0.1μmのAl2O30〜7重量部、ポリフッ化ビニリデン5重量部、カーボンブラック2重量部、リン酸鉄リチウム86〜93重量部となるように各粉末を秤量した。次に、Al2O3、ポリフッ化ビニリデン、カーボンブラックを加えてミキサーで混錬した後、リン酸鉄リチウムを混合分散した。さらに、所望の粘度になるようにN−メチルピロリドンを添加し分散させ、正極合剤塗料を得た。これを厚さ15μmのアルミニウム箔の両面に塗布、乾燥後、プレスすることにより正極合剤層を形成した。このときアルミニウム箔が両面に露出した部分を約30mm残した。その際、両面の塗布端が略同一線上となるようにした。これを図4に示す形状に切断し、正極を得た。
上述のようにして得られた積層型の非水電解質二次電池のDCRを測定した。測定は、電池の充電状態が50%の状態で、5A、10A、15A、20Aでそれぞれ10sec間電流を流した際の電圧値を測定し、電流と電圧をプロットした直線の傾きをDCRをとして算出する方法で行った。DCR測定後、45℃で300回充放電を繰り返した後のDCRを測定し、その変化率を確認した。その結果を表2および図11,12に示す。
なお、DCR変化率は以下の式により算出したものである。
DCR変化率[%]=(サイクル試験後のDCR/サイクル試験前のDCR)×100−100
(1)サイクル試験前のDCRは、Al2O3を添加すると急激に低下し、その後、添加量1wt%まで低下する。そして、1wt%〜5wt%まではほぼ一定であり、5wt%を超えると上昇する。また、サイクル試験後のDCRもサイクル試験前のDCRとほぼ同様の傾向を示す。
(2)DCR変化率は、添加量0.1wt%まで急激に低下し、0.1wt%〜5wt%まではほぼ一定であり、5wt%を超えると著しく上昇する。
なお、添加量が5wt%を超えるとDCRが増加する傾向があるのは、Al2O3の微粒子が電極中で分散しにくくなるためと推測される。また、添加量が5wt%を超えた場合には、体積エネルギー密度の低下も招いてしまうことになる。また、Al2O3の添加により、45℃での充放電サイクル試験後のDCR変化率が低減されるのは、Al2O3の添加により結着剤の局所的な凝集が改善され、膨潤の影響が小さくなるためと推測される。
以上の点を考慮すると、高温下における寿命特性を向上するためには、Al2O3の添加量は0.1wt%〜5wt%以下の範囲内であることが好ましいことが分かる。
正極は以下のようにして作製した。まず、粒子径Aが0.5μmであり、炭素を3wt%含有したリン酸鉄リチウムの粉末を準備した。次に、粒子径Bが0.1μmであるAl2O33重量部、ポリフッ化ビニリデン5重量部、カーボンブラック1〜4重量部、リン酸鉄リチウム94〜91重量部となるように各粉末を秤量した。次に、Al2O3をN−メチルピロリドンに分散させ、カーボンブラックとポリフッ化ビニリデンとを加えてミキサーで混錬し、その後、リン酸鉄リチウムを加え混合分散した後、所望の粘度になるようにN−メチルピロリドンをさらに添加、分散させ、正極合剤塗料を得た。これを厚さ15μmのアルミニウム箔の両面に塗布、乾燥後、プレスすることにより正極合剤層を形成した。このときアルミニウム箔が両面に露出した部分を約30mm残した。その際、両面の塗布端が略同一線上となるようにした。これを図4に示す形状に切断し、正極を得た。
導電助剤として繊維状炭素を用いる以外のことは実施例6−1〜6−4と同様にして非水電解質二次電池を得た。
Al2O3を添加せずに正極を作製する以外は実施例6−1〜6−4と同様にして非水電解質二次電池を得た。
上述のようにして得られた積層型の非水電解質二次電池のDCRを測定した。測定は、電池の充電状態が50%の状態で、5A、10A、15A、20Aでそれぞれ10sec間電流を流した際の電圧値を測定し、電流と電圧をプロットした直線の傾きをDCRとして算出する方法で行った。その結果を図13,14に示す。
以上の点を考慮すると、導電助剤の添加量は1.5wt%以上であることが好ましく、より好ましくは2wt%以上であることが分かる。
正極は以下のようにして作製した。まず、粒子径Aが0.5μmであり、炭素を3wt%含有したリン酸鉄リチウムの粉末を準備した。次に、粒子径Bが0.1μmであるZrO2を3重量部、ポリフッ化ビニリデン5重量部、カーボンブラック2重量部、リン酸鉄リチウム90重量部を秤量した。次に、ZrO2とカーボンブラックとポリフッ化ビニリデンを加えて、ミキサーで混錬し、その後、リン酸鉄リチウムを加え混合分散した後、所望の粘度になるようにN−メチルピロリドンをさらに添加、分散させ、正極合剤塗料を得た。これを厚さ15μmのアルミニウム箔の両面に塗布、乾燥後、プレスすることにより正極合剤層を形成した。このときアルミニウム箔が両面に露出した部分を約30mm残した。その際には両面の塗布端が略同一線上となるようにした。これを図4に示す形状に切断し、正極を得た。
上述のようにして得られた積層型電池の直流抵抗を測定した。測定は、電池の充電状態が50%の状態で、5A、10A、15A、20Aでそれぞれ10sec間電流を流した際の電圧値を測定し、電流と電圧をプロットした直線の傾きを直流抵抗をとして算出する方法で行った。その結果を図15に示す。
ZrO2に代えて粒子径Bが0.1μmであるBi2O3を用いる以外は実施例8−1〜8−5、比較例7−1と同様にして二次電池を作製し、DCRを評価した。その結果を図16に示す。
ZrO2に代えて粒子径Bが0.1μmであるLa2O3を用いる以外は実施例8−1〜8−5、比較例7−1と同様にして二次電池を作製し、DCRを評価した。その結果を図16に示す。
ZrO2に代えて粒子径Bが0.1μmであるNd2O3を用いる以外は実施例8−1〜8−5、比較例7−1と同様にして二次電池を作製し、DCRを評価した。その結果を図16に示す。
2 外装部材
3,35 正極リード
4,36 負極リード
11,31 正極
11A,31A 正極集電体
11B,31B 正極合剤層
12,32 負極
12A,32A 負極集電体
12B,32B 負極合剤層
13,33 セパレータ
21 電池缶
22,23 絶縁版
24 電池蓋
25 安全弁機構
26 熱感抵抗素子
27 ガスケット
30 巻回電極体
Claims (9)
- オリビン型結晶構造を有する正極活物質と、充放電に寄与しない無機酸化物とを含み、
上記正極活物質の粒子径Aが、0.1μm以上0.5μm以下の範囲内であり、
上記正極活物質の粒子径Aと上記無機酸化物の粒子径Bとが、A>Bの関係を有することを特徴とする非水電解質二次電池用の正極合剤。 - 上記無機酸化物の含有量が、0.1wt%以上5wt%以下の範囲内であることを特徴とする請求項1記載の非水電解質二次電池用の正極合剤。
- 導電助剤をさらに含み、
上記導電助剤の含有量が、2wt%以上10wt%以下の範囲内であることを特徴とする請求項1記載の非水電解質二次電池用の正極合剤。 - 上記無機酸化物が、Al2O3、ZrO2、Sc2O3、Y2O3、Bi2O3、La2O3、CeO2、Nd2O3およびSm2O3からなる群のうちの少なくとも1種であることを特徴とする請求項1記載の非水電解質二次電池用の正極合剤。
- 上記無機酸化物は分散されていることを特徴とする請求項1記載の非水電解質二次電池用の正極合剤。
- 上記無機酸化物の粒子表面には、導電助剤または結着剤の少なくとも一方が付着されていることを特徴とする請求項5記載の非水電解質二次電池用の正極合剤。
- 正極と、負極と、非水電解質とを備え、
上記正極が、オリビン型結晶構造を有する正極活物質と、充放電に寄与しない無機酸化物とを含み、
上記正極活物質の粒子径Aが、0.1μm以上0.5μm以下の範囲内であり、
上記正極活物質の粒子径Aと上記無機酸化物の粒子径Bとが、A>Bの関係を有することを特徴とする非水電解質二次電池。 - 上記無機酸化物が、上記正極内に分散されていることを特徴とする請求項7記載の非水電解質二次電池。
- オリビン型結晶構造を有する正極活物質と、充放電に寄与しない無機酸化物とを混合分散する工程と、
分散した上記正極活物質および上記無機酸化物により正極を作製する工程と
を備え、
上記正極活物質の粒子径Aが、0.1μm以上0.5μm以下の範囲内であり、
上記正極活物質の粒子径Aと上記無機酸化物の粒子径Bとが、A>Bの関係を有することを特徴とする非水電解質二次電池の製造方法。
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