JP6288339B1 - リチウムイオン二次電池用電極材料、その製造方法、リチウムイオン二次電池用電極およびリチウムイオン二次電池 - Google Patents
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Abstract
Description
[2]粉体抵抗が1000Ω・cm以下である上記[1]に記載のリチウムイオン二次電池用電極材料。
[3]ラマン分光で測定したD3/D1の値が0.58以上0.67以下である上記[2]記載のリチウムイオン二次電池用電極材料。
[4]一般式LiFexMn1−x−yMyPO4(0.05≦x≦1.0、0≦y≦0.14、ただし、Mは、Mg、Ca、Co、Sr、Ba、Ti、Zn、B、Al、Ga、In、Si、Geおよび希土類元素から選択される少なくとも1種)で表される無機粒子を、7.3以上10.0以下のpHを有する水溶液に浸漬させる工程、水溶液に浸漬した無機粒子と、炭素被膜前駆体と、水とを含むスラリーを作製する工程、スラリーを乾燥してスラリーの乾燥物を作製する工程、および乾燥物を500℃以上1000℃以下の非酸化性雰囲気下にて焼成する工程を含み、無機粒子100質量部に対する、炭素元素に換算したときの炭素被膜前駆体の配合量が、1.0質量部以上5.0質量部以下であるリチウムイオン二次電池用電極材料の製造方法。
[5]上記[1]〜[3]のいずれか1つに記載のリチウムイオン二次電池用電極材料を含むリチウムイオン二次電池用電極。
[6]正極、負極および非水電解質を有するリチウムイオン二次電池であって、正極が上記[5]に記載のリチウムイオン二次電池用電極を有するリチウムイオン二次電池。
本実施形態のリチウムイオン二次電池用電極材料(以下、単に電極材料という)は、一般式LiFexMn1−x−yMyPO4(0.05≦x≦1.0、0≦y≦0.14、ただし、Mは、Mg、Ca、Co、Sr、Ba、Ti、Zn、B、Al、Ga、In、Si、Geおよび希土類元素から選択される少なくとも1種)で表される無機粒子と、無機粒子の表面を被覆する炭素質被膜とを含み、炭素量が0.8質量%以上2.5質量%以下であり、2nm以上10nm以下の細孔径の範囲における細孔容積が3×10−2cm3/g以上3×10−1cm3/g以下である。これにより炭素質被膜以外の余分なカーボンを減量しカーボン炭素質で被覆された活物質間距離を短縮でき、活物質間の電子伝導性を改善することができる。そして、反応点への高速電子供給が可能となり、低温下でのハイレート特性を満足する電極材料を実現することができる。
本実施形態の電極材料に使用される無機粒子は、一般式LiFexMn1−x−yMyPO4(0.05≦x≦1.0、0≦y≦0.14、ただし、Mは、Mg、Ca、Co、Sr、Ba、Ti、Zn、B、Al、Ga、In、Si、Geおよび希土類元素から選択される少なくとも1種)で表される無機粒子である。なお、希土類元素とは、ランタン系列であるLa、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、YbおよびLuの15元素のことである。また、本実施形態の電極材料に使用される無機粒子は、一般式LiFexMn1−x−yMyPO4で表される1種の無機粒子であってもよいし、2種以上組み合わせた無機粒子であってもよい。
炭素質被膜は、無機粒子の表面を被覆し、電極材料の電子伝導性を向上させる。炭素質被膜の被覆率は、好ましくは50%以上であり、より好ましくは70%以上である。炭素質被膜の被覆率が50%以上であると、炭素被覆膜からの電子供給が良好になり、無機粒子表面の反応点においてリチウムイオンの挿入脱離反応が速くなり、出力特性も改善される。
炭素質被膜の被覆率は、透過電子顕微鏡(TEM)およびエネルギー分散型X線分光器(EDX)等を用いて測定することができる。
この内部抵抗の評価方法としては、たとえば、電流休止法等が用いられる。この電流休止法では、内部抵抗は、配線抵抗、接触抵抗、電荷移動抵抗、リチウムイオン移動抵抗、正負電極におけるリチウム反応抵抗、正負極間距離によって定まる極間抵抗、リチウムイオンの溶媒和、脱溶媒和に関わる抵抗およびリチウムイオンのSEI(Solid Electrolyte Interface)移動抵抗の総和として測定される。
炭素質被膜の膜厚は、透過型電子顕微鏡を用いて測定することができる。
ここで、炭素質被膜の密度を上記の範囲に限定した理由は、炭素質被膜の炭素分によって計算される、炭素質被膜の密度が0.3g/cm3以上であれば、炭素質被膜が十分な電子伝導性を示すからである。一方、炭素質被膜の密度が1.5g/cm3以下であれば、炭素質被膜中に層状構造からなる黒鉛の微結晶が少量であるため、リチウムイオンが炭素質被膜中を拡散する際に黒鉛の微結晶による立体障害が生じない。これにより、リチウムイオン移動抵抗が高くなることがない。その結果、リチウムイオン二次電池の内部抵抗が上昇することがなく、リチウムイオン二次電池の高速充放電レートにおける電圧低下が生じない。
電極材料の炭素量は、0.8質量%以上2.5質量%以下であり、好ましくは0.9質量%以上2.0質量%以下であり、より好ましくは1.0質量%以上1.5質量%以下である。
電極材料の炭素量が0.8質量%未満であると、電極材料の電子伝導性を改善できず、高出力特性が悪くなる場合がある。また、電極材料の炭素量が2.5質量%よりも大きくなると、電子伝導性の改善に寄与しない炭素の増加により、充放電容量が低減する場合がある。
電極材料の2nm以上200nm以下の細孔径の範囲における細孔容積は、3×10−2cm3/g以上3×10−1cm3/g以下であり、好ましくは、4×10−2cm3/g以上2.7×10−1cm3/g以下であり、より好ましくは、4.5×10−2cm3/g以上2.5×10−1cm3/g以下である。
電極材料の2nm以上200nm以下の細孔径の範囲における細孔容積が3×10−2cm3/g未満または3×10−1cm3/gよりも大きいと、ハイレート特性およびサイクル特性の少なくとも一方が悪くなる。
電極材料の粉体抵抗は、好ましくは1000Ω・cm以下であり、より好ましくは900Ω・cm以下であり、さらに好ましくは870Ω・cm以下である。電極材料の粉体抵抗は、この電極材料を金型に投入して16kNの圧力にて加圧して成形体を作製し、その成形体の表面に4本のプローブを接触させるという四端子法にて測定することができる。
電極材料の粉体抵抗が1000Ω・cm以下であると、この電極材料を適用したリチウムイオン二次電池用電極の電子伝導性を向上させることができるとともに、低温下でのハイレート特性を良好にすることができる。
上述したように、炭素質被膜以外の余分なカーボンが増大すると、炭素質被膜を有する活物質粒子間距離が拡大し、活物質粒子間の接触抵抗が増大する。電極材料に含まれる炭素質被膜以外の余分なカーボン量(以下、余分カーボン量と呼ぶ)は、ラマン分光で測定したD3/D1の値により評価することができる。なお、D3は、波長532nmの可視光レーザーにて550〜680cm−1付近に現れるGバンドとDバンドピークの谷間の高さであり、D1は、波長532nmの可視光レーザーにて1200〜1400cm−1付近に現れるDバンドピークの高さである。
ラマン分光で測定したD3/D1の値は、好ましくは0.58以上0.67以下であり、より好ましくは0.58以上0.63以下であり、さらに好ましくは0.58以上0.60以下である。ラマン分光で測定したD3/D1の値が0.58以上0.67以下であると、余分な炭素質被膜以外のカーボンを減量しカーボン炭素質で被覆された活物質間距離を短縮することができ、活物質間の電子伝導性を改善することができる。そして、反応点への高速電子供給が可能となり、低温下でのハイレート特性を満足する電極材料を実現することができる。
本実施形態の電極材料の平均一次粒子径は、0.01μm以上5μm以下であることが好ましく、0.02μm以上2μm以下であることがより好ましい。
電極材料の平均一次粒子径が0.01μm以上であると、電極材料の比表面積が増えることで必要になる炭素の質量の増加を抑制し、リチウムイオン二次電池の充放電容量が低減することを抑制できる。一方、電極材料の平均一次粒子径が5μm以下であると、電極材料内でのリチウムイオンの移動または電子の移動にかかる時間が長くなることを抑制できる。これにより、リチウムイオン二次電池の内部抵抗が増加して出力特性が悪化することを抑制できる。
電極材料の一次粒子が複数個凝集した電極材料の凝集粒子の平均二次粒子径は、好ましくは0.5μm以上20μm以下であり、より好ましくは0.7μm以上10μm以下である。上記凝集粒子の平均二次粒子径が0.5μm以上であると、電極材料と導電助剤とバインダー樹脂(結着剤)と溶剤とを混合して、電極形成用ペーストを調製する際の導電助剤、及び結着剤の配合量を抑えることができ、電極材料層の単位質量あたりのリチウムイオン二次電池の電池容量を大きくすることができる。一方、上記凝集粒子の平均二次粒子径が20μm以下であると、電極材料層中の導電助剤や結着剤の分散性、均一性を高めることができる。その結果、本実施形態の電極材料を用いたリチウムイオン二次電池は、高速充放電における放電容量を大きくすることができる。
本実施形態の電極材料の製造方法は、一般式LiFexMn1−x−yMyPO4(0.05≦x≦1.0、0≦y≦0.14、ただし、Mは、Mg、Ca、Co、Sr、Ba、Ti、Zn、B、Al、Ga、In、Si、Geおよび希土類元素から選択される少なくとも1種)で表される無機粒子を、7.5以上10.0以下のpHを有する水溶液に浸漬させる工程(A)、水溶液に浸漬した無機粒子と、炭素被膜前駆体と、水とを含むスラリーを作製する工程(B)、スラリーを乾燥してスラリーの乾燥物を作製する工程(C)、および乾燥物を500℃以上1000℃以下の非酸化性雰囲気下にて焼成する工程(D)を含む。
工程(A)では、一般式LiFexMn1−x−yMyPO4(0.05≦x≦1.0、0≦y≦0.14、ただし、Mは、Mg、Ca、Co、Sr、Ba、Ti、Zn、B、Al、Ga、In、Si、Geおよび希土類元素から選択される少なくとも1種)で表される無機粒子の無機粒子を、7.5以上10.0以下のpHを有する水溶液に浸漬させる。
たとえば、LiFexMn1−x−yMyPO4は、Li源と2価の鉄塩とリン酸化合物と水とを混合して得られるスラリー状の混合物を、耐圧密閉容器を用いて水熱合成して得られる。Li源は、たとえば酢酸リチウム(LiCH3COO)および塩化リチウム(LiCl)等のリチウム塩ならびに水酸化リチウム(LiOH)からなる群から選択されるものである。2価の鉄塩には、たとえば塩化鉄(II)(FeCl2)、酢酸鉄(II)(Fe(CH3COO)2)および硫酸鉄(II)(FeSO4)等が挙げられる。リン酸化合物には、たとえばリン酸(H3PO4)、リン酸二水素アンモニウム(NH4H2PO4)およびリン酸水素二アンモニウム((NH4)2HPO4)等が挙げられる。
無機粒子を浸漬させる水溶液のpHは、7.3以上10.0以下であり、好ましくは7.5以上9.5以下であり、より好ましくは7.6以上9.2以下である。
無機粒子を浸漬させる水溶液のpHが7.3未満もしくは10.0よりも大きいと、無機粒子の表面に微小な酸化鉄を生成させることが難しい場合がある。なお、後述の乾燥物の焼成時に、有機化合物から放出される水素により、工程(B)で生成した酸化鉄が還元され、酸化鉄が電極材料から除去され、無機粒子の表面を被覆する炭素質被膜に細孔が形成されかつ余分なカーボンが焼成工程時に酸化分解されやすく、これにより、電極材料の2nm以上200nm以下の細孔径の範囲における細孔容積を、3×10−2cm3/g以上3×10−1cm3/g以下に制御することができる。
工程(B)では、水溶液に浸漬した無機粒子と、炭素被膜前駆体と、水とを含むスラリーを作製する。
ここで、有機化合物の炭素量換算の配合比が0.8質量部以上であると、二次電池を形成した場合に高速充放電レートにおける放電容量が高くなり、充分な充放電レート性能を実現することが可能になる。有機化合物の炭素量換算の配合比が2.5質量部以下であると、炭素質被膜の平均膜厚を3.0nm以下にすることができる。
無機粒子と有機化合物とを水に溶解あるいは分散させる方法としては、無機粒子が分散し、有機化合物が溶解または分散する方法であれば、とくに限定されない。有機化合物を溶解または分散させる装置には、たとえば、遊星ボールミル、振動ボールミル、ビーズミル、ペイントシェーカーおよびアトライタ等の媒体粒子を高速で攪拌する媒体攪拌型分散装置が挙げられる。また、有機化合物は構造中に酸素が多量に含まれる糖類が好まれる。単糖、二糖類がより好ましい。酸素が多いと焼成中に開裂する箇所が多くなり、カーボン層中の細孔を形成しやすい。
工程(C)では、スラリーを乾燥してスラリーの乾燥物を作製する。たとえば、このスラリーを高温雰囲気中、たとえば70℃以上250℃以下の大気中に噴霧し、乾燥させる。
工程(D)では、500℃以上1000℃以下、好ましくは600℃以上900℃以下の範囲内の焼成温度で乾燥物を焼成する。焼成時間は、たとえば0.1時間以上40時間以下である。
上述したように、この工程で、有機化合物から放出される水素により、工程(B)で生成した酸化鉄が還元され、酸化鉄が電極材料から除去される。そして、無機粒子の表面を被覆する炭素質被膜に細孔が形成されかつ活物質周辺の炭素質被膜以外の余分なカーボンが酸化分解により除去され、これにより、電極材料の2nm以上200nm以下の細孔径の範囲における細孔容積を、3×10−2cm3/g以上3×10−1cm3/g以下に制御することができる。
以上により、乾燥物中の有機化合物が熱分解して生成した炭素により無機粒子の1次粒子の表面が被覆され、よって、この無機粒子の1次粒子の間に炭素が介在した2次粒子からなる電極材料が得られる。
本実施形態のリチウムイオン二次電池用電極(以下、単に電極という)は、本実施形態の電極材料を含む。
本実施形態の電極を作製するには、上記の電極材料と、バインダー樹脂からなる結着剤と、溶媒とを混合して、電極形成用塗料または電極形成用ペーストを調製する。この際、必要に応じてカーボンブラック等の導電助剤を添加してもよい。
上記の結着剤、すなわちバインダー樹脂としては、たとえば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)樹脂、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)樹脂およびフッ素ゴム等が好適に用いられる。
上記の電極材料に対するバインダー樹脂の配合量は、とくに限定されないが、たとえば、電極材料100質量部に対してバインダー樹脂を1質量部以上30質量部以下、好ましくは3質量部以上20質量部以下とする。
次いで、この塗膜を加圧圧着し、乾燥して、金属箔の一方の面に電極材料層を有する集電体(電極)を作製する。
このようにして、本実施形態のリチウムイオン伝導性を損なうことなく、電子伝導性を向上させることができる電極を作製することができる。
本実施形態のリチウムイオン二次電池は、本実施形態の電極を正極として有する。
このリチウムイオン二次電池は、本実施形態の電極を正極として用いることにより、内部抵抗を低く抑えることができる。その結果、電圧が著しく低下するおそれもなく、高速の充放電を行うことができるリチウムイオン二次電池を提供することができる。
「実施例1」
(電極材料の作製)
水2L(リットル)に、4molの酢酸リチウム(LiCH3COO)、2molの硫酸鉄(II)(FeSO4)、2molのリン酸(H3PO4)を、全体量が4Lになるように混合し、均一なスラリー状の混合物を調製した。
次いで、この混合物を容量8Lの耐圧密閉容器に収容し、120℃にて1時間、水熱合成を行った。
次いで、得られた沈殿物を水洗し、ケーキ状の電極活物質(無機粒子)を得た。
pHが8.5になるように水酸化リチウム水溶液を調製した以外は、実施例1と同様にして、実施例2の試料を作製した。
pHが9.2になるように水酸化リチウム水溶液を調製した以外は、実施例1と同様にして、実施例3の試料を作製した。
pHが7.6になるように水酸化リチウム水溶液を調製し、フルクトースをカーボン原料として3.4g投入したこと以外は、実施例1と同様にして、実施例4の試料を作製した。
pHが8.5になるように水酸化リチウム水溶液を調製した以外は、実施例4と同様にして、実施例5の試料を作製した。
pHが9.2になるように水酸化リチウム水溶液を調製した以外は、実施例4と同様にして、実施例6の試料を作製した。
実施例1の試料の作製で使用した水酸化リチウム水溶液のpHを7.6にし、フェノール1.9gを投入した以外は、実施例1と同様にして、比較例1の試料を作製した。
実施例1の試料の作製で使用した水酸化リチウム水溶液のpHを8.5にし、フェノール1.9gを投入した以外は、実施例1と同様にして、比較例2の試料を作製した。
実施例1の試料の作製で使用した水酸化リチウム水溶液のpHを9.2にし、フェノール1.9gを投入した以外は、実施例1と同様にして、比較例3の試料を作製した。
pHが10.5になるように水酸化リチウム水溶液を調製した以外は、実施例1と同様にして、比較例5の試料を作製した。
pHが12になるように水酸化リチウム水溶液を調製した以外は、実施例1と同様にして、比較例6の試料を作製した。
実施例1〜6および比較例1〜5の試料について、以下の評価を行った。
窒素吸着量測定装置(マイクロトラックベル社製、型番:BELSORP−max)を使用して窒素吸着測定を実施し、実施例1〜7および比較例1〜6の試料の2nm以上200nm以下の細孔径の範囲における細孔分布をBJH法にて解析し、2nm以上200nm以下の細孔容積Vpを求めた。
炭素分析計((株)堀場製作所製、型番:EMIA−920V)を用いて実施例1〜6および比較例1〜5の試料の炭素量を測定した。
比表面積計(マウンテック社製、型番:MacsorbHM MODEL 1208)を用いて、実施例1〜6および比較例1〜5の試料における電極活物質の比表面積をそれぞれ測定した。
実施例1〜6および比較例1〜5の試料をそれぞれ金型に投入して16kNの圧力にて加圧して成形体をそれぞれ作製し、その成形体の表面に4本のプローブを接触させるという四端子法にて、実施例1〜6および比較例1〜5の試料の粉体抵抗を測定した。
顕微ラマン分光測定装置(HORIBA社製 LabRAM HR EVOLTION)を用いて、設定を減光フィルタ0,1%、分光器1300cm−1、露光時間50秒、積算回数10回、グレーティング600gr/mm、共焦点ホール150とし、波長532nmの可視光レーザーにて550〜680cm−1付近に現れるGバンドとDバンドピークの谷間の高さをD3とし、1200〜1400cm−1付近に現れるDバンドピークの高さをD1とし、D3をD1で割った値を余分なカーボン量として算出した。
0℃における10C放電容量については、実施例1〜6および比較例1〜6の試料を使用して作製したリチウムイオン二次電池を用いて評価した。
電極材料としての実施例1〜6および比較例1〜6の試料と、バインダーとしてのポリフッ化ビニリデン(PVdF)と、導電助剤としてのアセチレンブラック(AB)とを、質量比が90:5:5となるように混合し、さらに溶媒としてのN−メチル−2−ピロリジノン(NMP)を加えて流動性を付与し、スラリーを作製した。
次いで、このスラリーを厚み15μmのアルミニウム(Al)箔上に塗布し、乾燥した。その後、600kgf/cm2の圧力にて加圧し、2平方センチメートルの電極面積と1.6g/ccの電極密度とを有する、リチウムイオン二次電池の正極を作製した。
一方、炭酸エチレンと炭酸ジエチルとを1:1(質量比)にて混合し、さらに1MのLiPF6溶液を加えて、リチウムイオン伝導性を有する電解質溶液を作製した。
次いで、上記の電池用部材を上記の電解質溶液に浸漬し、リチウムイオン二次電池を作製した。
電池充放電装置(北斗電工(株)製、型番:SM8)を使用して、作製したリチウムイオン二次電池における0℃での10Cの放電容量を算出した。
また、実施例1〜6と比較例1〜5とを比較することにより、無機粒子を、7.3以上10.0以下のpHを有する水溶液に浸漬させ、無機粒子100質量部に対する、炭素元素に換算したときの炭素被膜前駆体の配合量を、1.0質量部以上5.0質量部以下にすることによって、低温下でのハイレート特性を改善することができる電極材料を得られることがわかった。
Claims (6)
- 一般式LiFexMn1−x−yMyPO4(0.05≦x≦1.0、0≦y≦0.14、ただし、Mは、Mg、Ca、Co、Sr、Ba、Ti、Zn、B、Al、Ga、In、Si、Geおよび希土類元素から選択される少なくとも1種)で表される無機粒子と、
前記無機粒子の表面を被覆する炭素質被膜とを含み、
炭素量が0.8質量%以上2.5質量%以下であり、
2nm以上200nm以下の細孔径の範囲における細孔容積が3×10−2cm3/g以上3×10―1cm3/g以下であるリチウムイオン二次電池用電極材料。 - 粉体抵抗が1000Ω・cm以下である請求項1に記載のリチウムイオン二次電池用電極材料。
- ラマン分光で測定したD3/D1の値が0.58以上0.67以下である請求項2記載のリチウムイオン二次電池用電極材料。
- 請求項1〜3のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池用電極材料の製造方法であって、
一般式LiFexMn1−x−yMyPO4(0.05≦x≦1.0、0≦y≦0.14、ただし、Mは、Mg、Ca、Co、Sr、Ba、Ti、Zn、B、Al、Ga、In、Si、Geおよび希土類元素から選択される少なくとも1種)で表される無機粒子を、7.3以上10.0以下のpHを有する水溶液に浸漬させる工程、
前記水溶液に浸漬した前記無機粒子と、炭素被膜前駆体と、水とを含むスラリーを作製する工程、
前記スラリーを乾燥して前記スラリーの乾燥物を作製する工程、および
前記乾燥物を500℃以上1000℃以下の非酸化性雰囲気下にて焼成する工程を含み、
前記無機粒子100質量部に対する、炭素元素に換算したときの前記炭素被膜前駆体の配合量が、1.0質量部以上5.0質量部以下であるリチウムイオン二次電池用電極材料の製造方法。 - 請求項1〜3のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池用電極材料を含むリチウムイオン二次電池用電極。
- 正極、負極および非水電解質を有するリチウムイオン二次電池であって、
前記正極が請求項5に記載のリチウムイオン二次電池用電極を有するリチウムイオン二次電池。
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