JP5159048B2 - 非水電解質二次電池 - Google Patents
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Description
LiMn2 O4 +Li+ +e- →Li2 Mn2 O4 ・・・(2)
このように、LiMn2 O4 を正極活物質として用い、4V領域および3V領域の電圧を利用することによって、300mAh/gに近い大きな理論容量密度が得られる。
LiMn2 O4 +Li+ +e- →Li2 Mn2 O4 ・・・(2)
被覆材料は、電子伝導性およびリチウムイオン伝導性の一方または両方を有してもよい。この場合、充放電反応時において正極活物質の電子伝導性が向上されること、または、リチウムイオンの吸蔵および放出が円滑に行われることが期待できる。それにより、充放電サイクル特性がより良好となる。
本実施の形態の正極活物質は、満放電状態において基本骨格として結晶系(結晶構造)が正方晶系のマンガン酸リチウム(Li2 Mn2 O4 )を含む。
LiMn2 O4 +Li+ +e- →Li2 Mn2 O4 ・・・(2)
また、正極活物質Li2 Mn2 O4 の表面の少なくとも一部が、当該正極活物質の一次粒子の大きさ(直径)よりも小さな一次粒子からなる材料(以下、被覆材料と称する)により覆われている。このように、正極活物質の一次粒子の大きさよりも小さな一次粒子を用いることにより、正極活物質の表面を覆い易くなる。
非水電解質としては、非水溶媒に電解質塩を溶解させたものを用いることができる。
本実施の形態では、リチウムイオンを吸蔵および放出することが可能な材料を用いる。この材料の例として、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、リチウム含有合金、およびリチウムと炭素とを含む化合物よりなる群から選択された1種または複数の材料を用いることができる。なお、リチウムと炭素とを含む上記化合物の例として、例えば黒鉛の層間にリチウムが挿入されたグラファイト層間化合物が挙げられる。
上記の正極、負極および非水電解質を用いて、以下に示すように、非水電解質二次電池を作製する。
本実施の形態においては、マンガン酸リチウム(LiMn2 O4 )と炭素との混合物をメカニカルミリング処理することにより得た正極活物質を用いることによって、上式(1)および上式(2)の放電反応において良好な充放電サイクル特性を得ることが可能である。それにより、高いエネルギー密度を得ることができる。なお、メカニカルミリング処理の時間は30分以下であることが好ましい。
以下、各実施例の非水電解質二次電池およびこれを用いた充放電試験について詳細に説明する。
(6−a−1)実施例1の非水電解質二次電池
スピネル構造を有するマンガン酸リチウム(LiMn2 O4 )と、被覆材料の炭素とを、90:5の割合で秤量した後、上記マンガン酸リチウムと炭素との混合物を作製した。
比較例1の非水電解質二次電池が実施例1の非水電解質二次電池と異なる点は、炭素を用いたメカニカルミリング処理を行わず、マンガン酸リチウム(LiMn2 O4 )そのものを正極活物質として用いた点である。
実施例1および比較例1で作製した非水電解質二次電池において、25℃の温度環境下において、5mAの定電流で参照極3を基準とする作用極2の電位が4.3Vに達するまで充電を行った後、参照極3を基準とする作用極2の電位が1.0Vに達するまで放電を行うサイクルを10サイクル実施した。
(6−b−1)実施例2および比較例2の各正極活物質
実施例2では、スピネル構造を有するマンガン酸リチウム(LiMn2 O4 )と、被覆材料の炭素とを、90:5の割合で秤量した後、上記マンガン酸リチウムと炭素との混合物を作製した。
実施例2および比較例2の各正極活物質をそれぞれ走査型電子顕微鏡(SEM)により観察した。
(6−c−1)実施例3の非水電解質二次電池
スピネル構造を有するマンガン酸リチウム(LiMn2 O4 )と、被覆材料の炭素とを、90:5の割合で秤量した後、上記マンガン酸リチウムと炭素との混合物を作製した。
比較例3の非水電解質二次電池が実施例3の非水電解質二次電池と異なる点は、炭素を用いたメカニカルミリング処理を行わず、マンガン酸リチウム(LiMn2 O4 )そのものを正極活物質として用いた点である。
放電終止電圧を1.5Vとした点を除き、上述の実施例1および比較例1と同様に充放電試験を行った。
マンガン酸リチウム(LiMn2 O4 )と炭素との混合物をメカニカルミリング処理することにより得た正極活物質を用いることによって、上式(1)および上式(2)の放電反応において良好な充放電サイクル特性を得ることが可能であることがわかった。それにより、高いエネルギー密度を得ることができることがわかった。なお、被覆材料として炭素を用いる場合のメカニカルミリング処理の時間は30分以下であることが好ましいことがわかった。
上記実施の形態および実施例1〜3においては、被覆材料として炭素を用いる場合について説明したが、以下、被覆材料としてリン酸鉄リチウム(LiFePO4 )を用いる場合について説明する。
マンガン酸リチウム(LiMn2 O4 )とリン酸鉄リチウム(LiFePO4 )との混合物をメカニカルミリング処理することにより得た正極活物質を用いることによって、上式(1)および上式(2)の放電反応において良好な充放電サイクル特性を得ることが可能である。それにより、高いエネルギー密度を得ることができる。なお、メカニカルミリング処理の時間は約120分であることが好ましい。
(9−a)実施例4および比較例4
(9−a−1)実施例4の非水電解質二次電池
スピネル構造を有するマンガン酸リチウム(LiMn2 O4 )と、被覆材料のリン酸鉄リチウム(LiFePO4 )とを、90:5の割合で秤量した後、上記マンガン酸リチウムとリン酸鉄リチウムとの混合物を作製した。
比較例4の非水電解質二次電池が実施例4の非水電解質二次電池と異なる点は、リン酸鉄リチウム(LiFePO4 )を用いたメカニカルミリング処理を行わず、マンガン酸リチウム(LiMn2 O4 )そのものを正極活物質として用いた点である。
放電終止電圧を1.5Vとした点を除き、上述の実施例1および比較例1と同様に充放電試験を行った。
マンガン酸リチウム(LiMn2 O4 )とリン酸鉄リチウム(LiFePO4 )との混合物をメカニカルミリング処理することにより得た正極活物質を用いることによって、上式(1)および上式(2)の放電反応において良好な充放電サイクル特性を得ることが可能であることがわかった。それにより、高いエネルギー密度を得ることができることがわかった。なお、被覆材料としてリン酸鉄リチウムを用いる場合のメカニカルミリング処理の時間は120分であることが好ましいことがわかった。
2 作用極
3 参照極
4 セパレータ
5 非水電解質
10 セル容器
Claims (6)
- 正極活物質を含む正極と、負極と、非水電解質とを備え、
満放電状態時において前記正極活物質は、正方晶系のLi2+x Mn2−yMzO4+qを含み、前記xおよび前記qは−1よりも大きく1未満であり、前記yおよび前記zは0以上0.5以下であり、前記Mはクロム、鉄、コバルト、ニッケル、銅、アルミニウムおよびマグネシウムよりなる群から選択される1種または複数種を含み、
前記正極活物質の表面の少なくとも一部が、当該正極活物質の一次粒子の大きさよりも小さい一次粒子からなる被覆材料により覆われており、
前記被覆材料は、リン酸鉄リチウムを含むことを特徴とする非水電解質二次電池。 - 前記正極活物質の表面の少なくとも一部が、メカニカルミリング処理によって前記被覆材料により覆われたことを特徴とする請求項1記載の非水電解質二次電池。
- 放電終止時においてリチウム金属を基準とする前記正極活物質の電位が2.8V以下であることを特徴とする請求項1又は2記載の非水電解質二次電池。
- 充電終止時においてリチウム金属を基準とする前記正極活物質の電位が4.2V以上であることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の非水電解質二次電池。
- 少なくとも一部の表面が前記被覆材料により覆われた前記正極活物質が400℃未満の温度で熱処理されたことを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の非水電解質二次電池。
- 最初の充放電を行う前段階における前記正極活物質は、表面の少なくとも一部がリン酸鉄リチウムにより覆われた立方晶系のLiMn2O4を基本骨格とし、
最初の充放電を行う前段階における前記負極は、満放電状態時において前記正極活物質の基本骨格が正方晶系のLi2Mn2O4に変化するために十分なリチウムを含むことを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の非水電解質二次電池。
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