JP2511667B2 - リチウム二次電池 - Google Patents

リチウム二次電池

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JP2511667B2 JP62043552A JP4355287A JP2511667B2 JP 2511667 B2 JP2511667 B2 JP 2511667B2 JP 62043552 A JP62043552 A JP 62043552A JP 4355287 A JP4355287 A JP 4355287A JP 2511667 B2 JP2511667 B2 JP 2511667B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はリチウム二次電池に係わり、さらに詳しくは
その正極活物質の改良に関する。
〔従来の技術〕
従来、リチウム二次電池用の正極活物質としては、二
硫化チタン、二硫化モリブデンなどの硫化物が提案され
ており、すでに一部実用化されている。
しかし、これらの硫化物系活物質は、電池電圧が3V以
下で、エネルギー密度の高い電池を得る観点からは、電
池電圧が低いという問題がある。
そこで、よりエネルギー密度が高い電池を得るため、
LiCoO2を正極活物質として用いることが検討されている
(例えば、米国特許4,567,031号明細書)。
しかしながら、このLiCoO2を二次電池に用いた場合の
充放電サイクルと容量の劣化の関係は、いまだまったく
報告されていない。
そこで、本発明者らは、このLiCoO2を正極活物質とし
て用いたリチウム二次電池の充放電サイクル特性を調べ
たところ、充放電サイクルに伴う容量劣化が大きいとい
う欠点があった。
〔発明が解決しようとする問題点〕
本発明は、LiCoO2系活物質を用いた電池が充放電サイ
クルに伴って容量劣化を引き起こすという問題点を解決
し、充放電サイクル特性の良好なリチウム二次電池を提
供することを目的とする。
〔問題点を解決するための手段〕
本発明は、LiCoO2に少量のNiを固溶化させることによ
り、充放電サイクルに伴う容量劣化を抑制したものであ
る。
すなわち、本発明は、正極活物質として、式(I) Li(Co1-yNiy)O2 (I) (式中、yは0.1≦y≦0.4)で示される状態に合成され
たリチウム(コバルト−ニッケル)酸化物から充電によ
りリチウムの一部を抜いた式(II) Lix(Co1-yNiy)O2 (II) (式中、xは0<x<1で、yは0.1≦y≦0.4である)
で示されるリチウム(コバルト−ニッケル)酸化物を用
いることにより、充放電サイクルに伴う容量劣化を抑制
して、充放電サイクル特性の良好なリチウム二次電池を
提供したものである。また、上記式(II)で示されるリ
チウム(コバルト−ニッケル)酸化物を正極活物質とし
て用いた電池では、電池電圧が約3.5〜4.6V(Liが0〜
1の範囲で変動するので、それに伴って電池電圧も変動
する)と硫化物系活物質を用いた電池より高く、高エネ
ルギー密度が期待できる。
本発明では、上記のようにLiCoO2に少量のNiを固溶化
させることにより充放電サイクルに伴う容量劣化を抑制
するが、このように少量のNiを固溶化させたLix(Co1-y
Niy)O2が充放電サイクルに伴う容量の劣化を抑制する
のは、次の理由によるものと考えられる。
まず、二次電池において、充放電サイクルに伴って容
量が劣化する主な原因を考えると、次の3点が挙げられ
る。
活物質粒子の微粉化などの物理的変化。
活物質の結晶構造、結合状態、組成などの変化。
活物質と電解液の反応(例えば、LixCoO2では、酸
素が解離し、放出されて電解液を酸化またはポリマー化
する反応)。
ところが、Niを添加したLix(Co1-yNiy)O2では、LiC
oO2に比べて開路電圧が低下し、この電圧低下が酸化力
を小さくし、その結果、電解液との反応性が低下して、
充放電サイクルに伴う容量の劣化が抑制されるものと考
えられる。つまり、Lix(Co1-yNiy)O2が充放電サイク
ルに伴う容量劣化を抑制するのは、前記の容量劣化原
因の生起を抑制することによるものと考えられる。
ただし、Niの添加量が多くなると、かえって充放電サ
イクル特性が低下する。この原因は、現在のところ必ず
しも明確ではないが、Niの多い領域では前記の変化に
よる劣化が大きくなるものと考えられる。
本発明においては、Lix(Co1-yNiy)O2で示されるリ
チウム(コバルト−ニッケル)酸化物の式中のxの値を
0<x<1にするが、これは充放電により、Liを上記範
囲で自由に可変でき、いずれの値のものでも使用するこ
とができるからである。そして、yの値に関しては、前
述のような関係もあって、yの値を0.1≦y≦0.4にする
が、これはyの値が0.1より小さい場合は、固溶化するN
i量が少なすぎて、充放電サイクルに伴う容量劣化を抑
制する効果が充分に発揮されず、一方、yの値が0.4よ
り大きくなると、Ni量の増加により、前述のように劣化
原因が大きくなって、かえって充放電サイクル特性が
低下することになるからである。
〔実施例〕
つぎに実施例をあげて本発明をさらに詳細に説明す
る。
実施例1 Li(Co1-yNiy)O2を合成した、yは0.3である。これ
を式(I)にしたがって表示するとLi(Co0.7Ni0.3)O2
である。
合成は以下に示すように行われた。まず、CoとNiをCo
イオンおよびNiイオンを含む水溶液中から炭酸塩(通常
の条件下では、塩基性炭酸塩になる)として共沈させて
均一な混合物とし、このようにして得られた沈澱物を水
洗後、アルゴン中140℃で乾燥したのち、Li2CO3と混合
し、空気中(N2/O2=80/20)、920℃で3時間加熱して
反応させ、エア・クエンチ(加熱した試料を25℃の大気
中に取り出して急冷する方法)することによってLi(Co
0.7Ni0.3)O2の合成を行った。試料の加熱にあたって試
料を収容するのに使用したボートはAl2O3を主成分とす
るものである。
上記CoとNiの水溶液中での共沈は以下のように行っ
た。
ニッケルとコバルトとをモル比で30:70〔Ni/Co=30/7
0(モル比)〕の割合でNiCl・6H2OとCoCl2・6H2Oを炭酸
ガスを飽和した純水に溶解し、この溶液にNaHCO3水溶液
を加え、放置して共沈させた。
上記のようにして合成されたLi(Co0.7Ni0.3)O2を用
い、これに電子伝導助剤としてりん片状黒鉛を10重量%
の割合で加え、混合したのち、3t/cm2で加圧成形して、
直径9mm、厚さ約0.3mmの成形体を作製した。得られた成
形体を正極として用い第1図に示す電池(モデルセル)
を作製した。
第1図において、A部は上記電池の要部拡大図であ
り、図中、1は負極で、この負極1はLi0.1V2O5粉末に1
0重量%のりん片状黒鉛と5重量%のポリテトラフルオ
ロエチレンとを加え、混合したのち加圧成形した直径16
mm、厚さ約2mmの成形体よりなるものである。そして、
負極活物質として使用されたLi0.1V2O5はヘキサン中でV
2O5にη−ブチルリチウム(η−C4H9Li)を反応させて
合成したものである。2は正極で、この正極2は前記の
ようにして合成されたLi(Co0.7Ni0.3)O2から充電によ
りリチウムの一部を抜いたLix(Co0.7Ni0.3)O2(ただ
し、式中のxは0<x<1である)を正極活物質とする
加圧成形体よりなるものである。
3はプロピレンカーボネートと1,2−ジメトキシエタ
ンとの容量比2:1の混合溶媒にLiBF4を1mol/溶解して
なる溶解液で、4はポリプロピレン不織布からなるセパ
レータである。5はLi0.1V2O5を活物質とする加圧成形
体よりなるリファレンス極であり、6はポリプロピレン
製の容器で、7は白金のリード線をスポット溶接した白
金エキスパンド網よりなる集電体である。
そして、この電池の正極の理論電気量は充放電領域を
Lix(Co1-yNiy)O2(0<x<1)として15mAh、負極の
理論電気量は充放電領域をLixV2O5(0≦x≦1)とし
て70mAhであり、負極の電気量の方が正極の電気量より
過剰となるように設定されている。
実施例2 Li(Co1-yNiy)O2のyの値を0.1に合成し、このLi(C
o0.9Ni0.1)O2から充電によりリチウムの一部を抜いたL
ix(Co0.9Ni0.1)O2(ただし、式中のxは0<x<1で
ある)を正極活物質として用いたほかは実施例1と同様
にして電池を作製した。
実施例3 Li(Co1-yNiy)O2のyの値を0.2に合成し、このLi(C
o0.8Ni0.2)O2から充電によりリチウムの一部を抜いたL
ix(Co0.8Ni0.2)O2(ただし、式中のxは0<x<1で
ある)を正極活物質として用いたほかは実施例1と同様
にして電池を作製した。
実施例4 Li(Co1-yNiy)O2のyの値を0.4に合成し、このLi(C
o0.6Ni0.4)O2から充電によりリチウムの一部を抜いたL
ix(Co0.6Ni0.4)O2(ただし、式中のxは0<x<1で
ある)を正極活物質として用いたほかは実施例1と同様
にして電池を作製した。
比較例1 Li(Co1-yNiy)O2のyの値を0、つまりLiCoO2を合成
し、このLiCoO2から充電によりリチウムの一部を抜いた
LixCoO2(ただし、式中のxは0<x<1である)を正
極活物質として用いたほかは実施例1と同様にして電池
を作製した。
比較例2 Li(Co1-yNiy)O2のyの値を0.5に合成し、このLi(C
o0.5Ni0.5)O2から充電によりリチウムの一部を抜いたL
ix(Co0.5Ni0.5)O2(ただし、式中のxは0<x<1で
ある)を正極活物質として用いたほかは実施例1と同様
にして電池を作製した。
比較例3 Li(Co1-yNiy)O2のyの値を0.6に合成し、このLi(C
o0.4Ni0.6)O2から充電によりリチウムの一部を抜いたL
ix(Co0.4Ni0.6)O2(ただし、式中のxは0<x<1で
ある)を正極活物質として用いたほかは実施例1と同様
にして電池を作製した。
つぎに、上記実施例1〜4お電池および比較例1〜3
の電池の充放電を行った。充放電は、充電電流、放電電
流とも0.318A(正極の単位断面積あたり0.5mA/cm2)で
1.0〜0Vの電圧間で行われた。
第1表に上記実施例1〜4の電池および比較例1〜3
の電池の充放電サイクル試験における充放電可能なサイ
クル数を示す。ただし、第1表に示す充放電可能なサイ
クル数とは、比較的充放電初期の段階(具体的にはサイ
クル5回目)の充放電容量値の50%に容量が劣化した時
を終点として決めたものである。また、第1表において
は、Ni量の変化に伴うサイクル数の変化を明らかにする
ために、Ni量(つまり、yの値)の順に配列して表示し
ている。したがって、表示順序は前記した実施例や比較
例の記載順序とは異なる順序になっている。
第1表に示すように、実施例1〜4の電池は、Niを含
まないLiCoO2を正極活物質として用いた比較例1の電池
に比べて、充放電可能なサイクル数が大きく、Niを添加
して固溶化させた効果が認められる。しかし、Niが多く
なった比較例2や比較例3の電池では、かえってサイク
ル数が小さくなった。これは前述したように、Ni量が多
くなったために充放電によって活物質の結晶構造、結合
状態あるいは組成などの変化が大きくなったためである
と考えられる。
以上の結果より、Niの固溶量が10〜40mol%の組成領
域、つまりLix(Co1-yNiy)O2(0.1≦y≦0.4)でサイ
クル劣化が小さく、正極活物質として好ましいものであ
ることが明らかになった。
なお、上記実施例では、充放電サイクルに伴う容量劣
化を調べるのに、モデルセルによる試験を行ったが、こ
れは実装電池では負極などの正極活物質以外の電池構成
部材の影響が現れ、正極活物質の相違による充放電サイ
クルに伴う容量劣化の差異が正確に現れにくくなるから
である。
また、上記実施例等では、Li(Co1-yNiy)O2を炭酸塩
によるCoとNiの共沈により合成したが、Niを含む酸化物
(例えばNiO)とCoを含む酸化物(例えばCoO)とをボー
ルミルなどにより混合したのち、リチウムの炭酸塩また
はリチウムの酸化物と混合し、加熱することによって合
成してもよい。また、NiCoO2などのCoとNiの両者を含む
酸化物を用いて合成してもよい。
そして、本発明では、正極活物質として用いるリチウ
ム(コバルト−ニッケル)酸化物をLix(Co1-yNiy)O2
と表現したが、遷移金属(CoNi)の部分が上記式におけ
る化学量論比より若干過剰(約5%以下の範囲で)にな
ることがある。また、酸化物では、酸化欠陥によりO2
2−δ(δ≦0.3)となることがあるが、これらも本
発明の範疇に含まれるものである。
また、実施例では、電解液としてプロピレンカーボネ
ートと1,2−ジメトキシエタンとの混合溶媒にLiBF4を溶
解したものを用いたが、それに代えて、他の電解液、例
えばプロピレンカーボネートにLiBF4を溶解した電解液
を用いてもよい。
以上は、CoにNiを固溶化させる場合を示したが、これ
にTi、V、Cr、Feなどの遷移金属を加えた2種類以上の
金属をCoに固溶化させる場合も同様の効果が期待でき
る。
〔発明の効果〕
以上説明したように、本発明では、LiCoO2に10〜40mo
l%のNiを固溶させた式(I) Li(Co1-yNiy)O2 (I) (式中、yは0.1≦y≦0.4)で示される状態に合成され
たリチウム(コバルト−ニッケル)酸化物から充電によ
りリチウムの一部を抜いた式(II) Lix(Co1-yNiy)O2 (II) (式中、xは0<x<1で、yは0.1≦y≦0.4である)
で示されるリチウム(コバルト−ニッケル)酸化物を正
極活物質として用いることにより、LiCoO2を正極活物質
として用いる場合に比べて、充放電サイクル特性を向上
させることができた。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明に係るリチウム二次電池の一例を示す断
面図である。 1……負極、2……正極

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】リチウム二次電池において、式(I) Li(Co1-yNiy)O2 (I) (式中、yは0.1≦y≦0.4である)で示される状態に合
    成されたリチウム(コバルト−ニッケル)酸化物から充
    電によりリチウムの一部を抜いた式(II) Lix(Co1-yNiy)O2 (II) (式中、xは0<x<1で、yは0.1≦y≦0.4である)
    で示されるリチウム(コバルト−ニッケル)酸化物を正
    極活物質として用いたことを特徴とするリチウム二次電
    池。
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