JP6288941B2 - 固溶体活物質を含む正極活物質、該正極活物質を含む正極、および該正極を用いた非水電解質二次電池 - Google Patents
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Description
本実施形態に係る非水電解質二次電池は、本実施形態の正極活物質を使用した二次電池であれば特に制限はなく、典型的にはリチウムイオン二次電池が挙げられる。すなわち、本実施形態の正極と、リチウムイオンを挿入・脱離可能な負極活物質を含有する負極と、前記正極および前記負極の間に介在する電解質層とを備える非水電解質二次電池である。以下の説明では、リチウムイオン二次電池を例に挙げて説明するが、本発明はこれに限定されない。
正極は、負極とともにリチウムイオンの授受により電気エネルギーを生み出す機能を有する。正極は、集電体および正極活物質層を必須に含み、集電体の表面に正極活物質層が形成されてなる。
集電体は導電性材料から構成され、その一方の面または両面に正極活物質層が配置される。集電体を構成する材料に特に制限はなく、例えば、金属や、導電性高分子材料または非導電性高分子材料に導電性フィラーが添加された導電性を有する樹脂が採用されうる。
正極活物質層は特定の組成および特定の構造の正極活物質を必須に含む。前記正極活物質層は、それ以外の正極活物質、導電助剤、バインダ等の添加剤をさらに含んでもよい。
正極活物質は、充電時にリチウムイオンを放出し、放電時にリチウムイオンを吸蔵できる組成を有する。本実施形態の正極活物質は、以下の組成式(1):
図6(a)は、本実施形態の正極活物質粒子を構成する、Al2O3層−固溶体活物質(粒子)の界面付近の電子顕微鏡(SEM)で観察した様子を表す図面である。図6(b)は、本実施形態の正極活物質粒子を構成する、Al2O3層−固溶体活物質(粒子)の界面をXPSで観察した様子を表す図面である。図6(a)では、実施例3で作製した正極活物質である、固溶体活物質表面に2質量%アルミナ層を設けたサンプル(2wt%Al2O3 coated sample)を用いた。図6(b)では、比較例1で作製したアルミナ被覆されていない固溶体活物質を正極活物質としたサンプル(bare sample)用いた。更に実施例3で作製した固溶体活物質表面に2質量%アルミナ層を設けた正極活物質サンプル(2wt%Al2O3 coated sample)を用いた。このうち、実施例3で作製した固溶体活物質表面に2質量%アルミナ層を設けた正極活物質サンプルは、図6(a)より、アルミナ層(厚さ10nm;表1の実施例3参照)の表面から深さ方向に15〜20nmまで、アルゴンエッチングを行った。これにより、Al2O3層−固溶体活物質(粒子)の界面よりも活物質側の表層(深さ方向;5〜10nm)の元素分布を知ることができる。また、いずれの固溶体活物質にも、実施例1の組成式;Li1.5[Ni0.40Mn0.60Co0.40[Li]0.1]Ozで表されるものを用いた。
固溶体活物質や正極活物質の元素分析は、既存の元素分析装置を用いて行うことができる。図7(A)は、元素分析により固溶体活物質の組成式が判明した正極活物質のXRD(X線回折)パターンを示すチャートである。図7(A)では、アルミナ被覆されていない固溶体活物質を正極活物質として用いたサンプル(Bare sample)のXRD(X線回折)パターンを示すチャートを下図に示す。また下図と同じ固溶体活物質(粒子)表面に2質量%アルミナ層を設けた正極活物質サンプル(2wt%Al2O3 coated sample)のXRD(X線回折)パターンを示すチャートを上図に示す。いずれの固溶体活物質にも、実施例1の組成式;Li1.5[Ni0.40Mn0.60Co0.40[Li]0.1]Ozで表されるものを用いた。アルミナ被覆されていない固溶体活物質を正極活物質として用いたサンプル(Bare sample)は、比較例1で作製した正極活物質を用いた。固溶体活物質(粒子)表面に2質量%アルミナ層を設けた正極活物質サンプルは、実施例3で作製した正極活物質を用いた。図7(B)は、図7(A)中の2種(上図と下図)のパターンの(a)に示すピークを拡大して表示した図面である。図7(C)は、図7(A)中の2種(上図と下図)のパターンの(b)に示すピークを拡大して表示した図面である。また、図7に示すXRD(X線回折)は、SPring−8、BL2B2、λ=0.6Åとする放射光X線回折により測定したものである。
図9(a)は、活物質粒子のBF(Bright−field)−STEM Image(明視野−走査透過電子顕微鏡像)を表す図面である。図9(b)は、図9(a)と同一視野での活物質粒子のHAADF−STEM Image(高角度散乱暗視野−走査透過電子顕微鏡像)を表す図面である。測定対象は、活物質粒子(2次粒子)サイズが約2μmである、固溶体活物質(粒子)表面に2質量%のアルミナをコーティンして作製した実施例3の正極活物質粒子(2次粒子)を用いた。固溶体活物質には、実施例1の組成式;Li1.5[Ni0.40Mn0.60Co0.40[Li]0.1]Ozで表されるものを用いた。図10は、STEM−EDX(走査透過型電子顕微鏡−エネルギー分散型X線分光法)による定量マッピングデータを示した図面である。図10(a)は、図9(b)と同一のHAADF−STEM画像である。図10(b)は、HAADF−STEM(上段左の図10(a))と同一視野で測定したO(上段中央)のマッピングデータを示した図面である。図10(c)は、HAADF−STEM(上段左の図10(a))と同一視野で測定したAl(上段右)のマッピングデータを示した図面である。図10(d)は、HAADF−STEM(上段左の図10(a))と同一視野で測定したMn(下段左)のマッピングデータを示した図面である。図10(e)は、HAADF−STEM(上段左の図10(a))と同一視野で測定したCo(下段中央)のマッピングデータを示した図面である。図10(f)は、HAADF−STEM(上段左の図10(a))と同一視野で測定したNi(下段右)のマッピングデータを示した図面である。
図11(a)は、活物質粒子のBF(Bright−field)−STEM Image(明視野−走査透過電子顕微鏡像)を表す図面である。図11(b)は、図11(a)と同一視野での活物質粒子のHAADF−STEM Image(高角度散乱暗視野−走査透過電子顕微鏡像)を表す図面である。測定対象は、固溶体活物質表面に2質量%のアルミナをコーティンして作製した実施例3の正極活物質粒子(1次粒子)の固溶体活物質−アルミナ層界面、特に固溶体活物質側の表層の元素分布を観察対象とした。固溶体活物質には、実施例1の組成式;Li1.5[Ni0.40Mn0.60Co0.40[Li]0.1]Ozで表されるものを用いた。図11(b)の白っぽい側(右側)がアルミナ層であり、黒い部分(左側)が固溶体活物質である。図12は、図11(b)と同一のHAADF−STEM画像であり、元素分析によるAl元素の存在(浸入)を観察する領域(四角の枠で囲った4か所)を、画像中に丸数字の1〜4で区分けした図面である。図13(a)は、図12と同一のHAADF−STEM画像であり、元素分布の観察対象とする部分(画像中の丸数字の1の部分)の四角い枠を太線で示した図面である。図13(b)は、図13(a)の元素分布の観察対象の部分につき、元素分析した図面である。
本実施形態の正極活物質は、組成式(1);Li1.5[NiaMnbCoc[Li]d[X]e]Ozを表される固溶体活物質を有する。ここで、Xは、Ti、ZrおよびNbからなる少なくとも1種であり、0≦e≦0.5、a+b+c+d+e=1.5、0.1≦d≦0.4、1.1≦[a+b+c+e]≦1.4であり、zは、原子価を満足する酸素数で表される。組成式(1)の固溶体活物質は、X線回折(XRD)ピークとして、LiMO2は岩塩型層状構造を示す。Li2MnO3は、20−23°に超格子回折ピークが存在するが、その他は、LiMO2と同じ岩塩型層状構造を示す。したがって、Li2MnO3とLiMO2の固溶体系では、20−23°に超格子回折ピークが存在する岩塩型層状構造を示すことになる。即ち、組成式(1)の正極活物質は、X線回折(XRD)測定において、特定の複数の回折ピークを有している。上記組成式の正極活物質は、Li2MnO3とLiMnO2の固溶体系であり、複数の回折ピークのうち、20−23°の回折ピークは、Li2MnO3に特徴的な超格子回折ピークである。また、通常は、36.5−37.5°(101)、44−45°(104)および64−65(108)/65−66(110)の回折ピークは、LiMnO2の岩塩型層状構造に特徴的なものである。また、本実施形態では、岩塩型層状構造を示す回折ピークの一部として、(003)、(101)、(104)に回折ピークを有している(図8(a)のBare sample参照)。本実施形態の固溶体活物質には、これらの角度範囲に、岩塩型層状構造を示す回折ピーク以外のピーク、例えば不純物等に由来する他のピークが存在するものは含まれないことが好ましい。このような他のピークが存在する場合には、岩塩型層状構造以外の構造が固溶体活物質に含まれることを意味している。岩塩型層状構造以外の構造は含まれない方が、本実施形態のサイクル特性向上の効果を確実に得られる。
本実施形態では、上記組成式(1)の固溶体活物質(粒子)の表面に、アルミナ層が存在する。かかる構成により、上記組成式(1)の固溶体活物質による作用効果に加え、さらに固溶体活物質の表面にアルミナ被覆層が存在するため、遷移金属の酸化に伴う格子酸素の離脱が減少することで、酸素ガスの発生が減少し、結晶構造内に酸素欠陥の生成も減少する。またプラトー電位付近で充放電サイクルを繰り返したり、プラトー電位付近の電位に長期間暴露されても、固溶体活物質を構成している遷移金属(Mn、Niなど)の酸化に伴う溶出が抑制され、また酸素離脱も減少するため、性能及び耐久性が向上する。
本実施形態では、上記組成式(1)の固溶体活物質と、その表面にコートされたアルミナ被覆層の界面の該固溶体活物質側にAl元素が存在する領域を有することを特徴とするものである。これにより、上記組成式(1)の固溶体活物質及びアルミナ層による作用効果に加え、固溶体活物質粒子の表層にAl2O3被覆層を設け、さらに、固溶体活物質粒子の表層部にAl元素が侵入(存在)することで、上記改善効果が増大する。これは、Al元素が侵入することで、Li・Al含有化合物(層状LiCoO2と同様の結晶系・空間群をとるα−Li1−xAlO2)が生成し、上記改善効果の増大に寄与(関与)していると考えられる。
(a)第1工程
第1工程では、必要に応じて加えられるTi、ZrおよびNbの少なくとも一種のクエン酸塩(任意成分)と、融点が100℃〜350℃の遷移金属の有機酸塩とを混合する。Ti、ZrおよびNbの少なくとも一種のクエン酸塩は、好ましくは、クエン酸錯体水溶液の形態で混合する。Ti、ZrおよびNbの少なくとも一種のクエン酸錯体水溶液は、以下に限定はされないが、好ましくは以下のように調製できる。
本工程では、第1工程で得られた混合物を、100℃〜350℃、好ましくは200〜300℃で融解する。
本工程では、第2工程で得られた加熱溶融物(スラリー)を、第1工程で使用した遷移金属の有機酸塩の融点以上の温度で熱分解し、乾燥粉末である熱分解物を得る。複数の遷移金属の有機酸塩の融点がそれぞれ異なる場合には、最も高い融点以上の温度で熱分解する。より詳細には、溶融物をスプレー装置で、200〜600℃、より好ましくは200〜400℃で加熱噴霧することができる。
本工程では、第3工程で得られた熱分解物を、600〜1200℃、より好ましくは800〜1100℃で、5〜20時間、好ましくは10〜15時間焼成する。焼成の前に仮焼成を行ってもよく、その場合は、200〜700℃、より好ましくは300〜600℃で、1〜10時間、より好ましくは2〜6時間仮焼成することができる。このようにして、本実施形態の組成式(1)の固溶体活物質が得られる。
正極活物質の調製(固溶体活物質表面にアルミナをコーティングする工程)では、前記「組成式(1)の固溶体活物質の調製」で得られた固溶体活物質と硝酸アルミニウム溶液をpH7〜8で混合する第5工程と、第5工程で得られた固溶体活物質前駆体を乾燥する第6工程と、前記第6工程で得られた乾燥後の固溶体活物質前駆体を温度450℃±50℃で焼成する第7工程とを含む。これらの工程を経て上記固溶体活物質の粒子表面の一部ないし全部(50〜100%)に形成されるAl2O3層は、Liイオンの移動性が高く、さらに、遷移金属の溶出を抑制する効果が高いことが望まれる。さらに、水酸化アルミニウムの沈殿反応をpH7〜8の範囲で行い、尚且つ焼成温度を450℃±50℃、望ましくは、420℃〜480℃とすることで、固溶体活物質の粒子の表面の一部ないし全部(50〜100%)にAl2O3層が存在すると共に、該固溶体活物質粒子の表層にAl元素が侵入した該固溶体活物質(即ち、本実施形態の正極活物質)を製造できる。この結果、性能と耐久性に優れた電池を提供できる。以下、各工程について説明する。
本工程では、第4工程で得られた固溶体活物質と、硝酸アルミニウム溶液をpH7〜8で混合する。これにより、固溶体活物質前駆体を得ることができる。
本工程では、第5工程で得られた固溶体活物質前駆体を乾燥する。
本工程では、第6工程で乾燥された固溶体活物質前駆体を温度450℃±50℃で焼成する。
導電助剤とは、活物質層の導電性を向上させるために配合される添加物をいう。正極活物質層が導電性材料を含むことにより、正極活物質層の内部における電子ネットワークが効果的に形成され、電池の出力特性が向上しうる。
バインダは、活物質層中の構成部材同士または活物質層と集電体とを結着させて電極構造を維持する目的で添加される。
負極は、正極とともにリチウムイオンの授受により電気エネルギーを生み出す機能を有する。負極は、集電体および負極活物質層を必須に含み、集電体の表面に負極活物質層が形成されてなる。
負極に用いられうる集電体は、正極に用いられうる集電体と同様であるため、ここでは説明を省略する。
負極活物質層は負極活物質を含む。前記負極活物質層は、導電助剤、バインダ等の添加剤をさらに含んでもよい。
負極活物質は、放電時にリチウムイオンを放出し、充電時にリチウムイオンを吸蔵できる組成を有する。負極活物質は、リチウムを可逆的に吸蔵および放出できるものであれば特に制限されないが、負極活物質の例としては、SiやSnなどの金属、あるいはTiO、Ti2O3、TiO2、もしくはSiO2、SiO、SnO2などの金属酸化物、Li4/3Ti5/3O4もしくはLi7MnNなどのリチウムと遷移金属との複合酸化物、Li−Pb系合金、Li−Al系合金、Li、または炭素粉末、天然黒鉛、人造黒鉛、カーボンブラック、活性炭、カーボンファイバー、コークス、ソフトカーボン、もしくはハードカーボンなどの炭素材料などが好ましく挙げられる。このうち、リチウムと合金化する元素を用いることにより、従来の炭素系材料に比べて高いエネルギー密度を有する高容量および優れた出力特性の電池を得ることが可能となる。上記負極活物質は、単独で使用されてもあるいは2種以上の混合物の形態で使用されてもよい。上記のリチウムと合金化する元素としては、以下に制限されることはないが、具体的には、Si、Ge、Sn、Pb、Al、In、Zn、H、Ca、Sr、Ba、Ru、Rh、Ir、Pd、Pt、Ag、Au、Cd、Hg、Ga、Tl、C、N、Sb、Bi、O、S、Se、Te、Cl等が挙げられる。
負極に用いられうる導電助剤は、正極に用いられうる導電助剤と同様であるため、ここでは説明を省略する。
負極に用いられうるバインダは、正極に用いられうるバインダと同様であるため、ここでは説明を省略する。
電解質層は、正極と負極との間の空間的な隔壁(スペーサ)として機能する。また、これと併せて、充放電時における正負極間でのリチウムイオンの移動媒体である電解質を保持する機能をも有する。電解質層を構成する電解質に特に制限はなく、液体電解質、ならびに高分子ゲル電解質および高分子固体電解質などのポリマー電解質が適宜用いられうる。本実施形態では、液体電解質が好ましい。
リチウムイオン二次電池においては、電池外部に電流を取り出す目的で、集電体に電気的に接続された集電板(タブ)が外装材であるラミネートフィルムの外部に取り出されている。
シール部は、直列積層型電池に特有の部材であり、電解質層の漏れを防止する機能を有する。このほかにも、電池内で隣り合う集電体同士が接触したり、積層電極の端部の僅かな不ぞろいなどによる短絡が起こったりするのを防止することもできる。
負極および正極端子リードの材料は、公知の積層型二次電池で用いられるリードを用いることができる。なお、電池外装材から取り出された部分は、周辺機器や配線などに接触して漏電したりして製品(例えば、自動車部品、特に電子機器等)に影響を与えないように、耐熱絶縁性の熱収縮チューブなどにより被覆するのが好ましい。
外装材としては、従来公知の金属缶ケースを用いることができる。そのほか、図1に示すようなラミネートフィルム22を外装材として用いて、発電要素17をパックしてもよい。ラミネートフィルムは、例えば、ポリプロピレン、アルミニウム、ナイロンがこの順に積層されてなる3層構造として構成されうる。このようなラミネートフィルムを用いることにより、外装材の開封、容量回復材の添加、外装材の再封止を容易に行うことができる。
非水電解質二次電池の製造方法は特に制限されず、公知の方法により製造されうる。具体的には、(1)電極の作製、(2)単電池層の作製、(3)発電要素の作製、および(4)積層型電池の製造を含む。以下、非水電解質二次電池の製造方法について一例を挙げて説明するが、これに限定されるものではない。
電極(正極または負極)は、例えば、活物質スラリー(正極活物質スラリーまたは負極活物質スラリー)を調製し、当該活物質スラリーを集電体上に塗布、乾燥し、次いでプレスすることにより作製されうる。前記活物質スラリーは、上述した活物質(正極活物質または負極活物質)、および溶媒を含む。また、導電助剤、バインダをさらに含んでいてもよい。正極活物質スラリーは、上記特定の組成および構造の正極活物質を必須に含むため、本実施形態は正極も提供する。
単電池層は、(1)で作製した電極(正極および負極)を、電解質層を介して積層させることにより作製されうる。
発電要素は、単電池層の出力および容量、電池として必要とする出力および容量等を適宜考慮し、前記単電池層を積層して作製されうる。
電池の構成としては、角形、ペーパー型、積層型、円筒型、コイン型等、種々の形状を採用することができる。また構成部品の集電体や絶縁板等は特に限定されるものではなく、上記の形状に応じて選定すればよい。しかし、本実施形態では積層型電池が好ましい。積層型電池は、上記で得られた発電要素の集電体にリードを接合し、これらの正極リードまたは負極リードを、正極タブまたは負極タブに接合する。そして、正極タブおよび負極タブが電池外部に露出するように、発電要素をラミネートシート中に入れ、注液機により電解液を注液してから真空に封止することにより積層型電池が製造されうる。
さらに、本実施形態では、上記により得られた積層型電池の性能及び耐久性を高める観点から、さらに、以下の条件で初充電処理、ガス除去処理及び活性化処理を行うのが望ましい(実施例1参照)。この場合には、ガス除去処理ができるように、上記(4)の積層型電池の製造において、封止する際に、矩形形状にラミネートシート(外装材)の3辺を熱圧着により完全に封止(本封止)し、残る1辺は、熱圧着で仮封止しておく。残る1辺は、例えば、クリップ留め等により開閉自在にしてもよいが、量産化(生産効率)の観点からは、熱圧着で仮封止するのがよい。この場合には、圧着する温度、圧力を調整するだけでよい為である。熱圧着で仮封止した場合には、軽く力を加えることで開封でき、ガス抜き後、再度、熱圧着で仮封止してもよいし、最後的には熱圧着で完全に封止(本封止)すればよい。
電池のエージング処理は、以下のように実施するのが望ましい。25℃にて、定電流充電法で0.05C、4時間の充電(SOC約20%)を行う。次いで、25℃にて0.1Cレートで4.45Vまで充電した後、充電を止め、その状態(SOC約70%)で約2日間(48時間)保持する。
次に、最初(1回目)のガス除去処理として、以下の処理を行う。まず、熱圧着で仮封止した1辺を開封し、10±3hPaで5分間ガス除去を行った後、再度、熱圧着を行って仮封止を行う。さらに、ローラーで加圧(面圧0.5±0.1MPa)整形し電極とセパレータとを十分に密着させる。
次に、活性化処理法として、以下の電気化学前処理法を行う。
次に、最初(1回目)のガス除去処理として、以下の処理を行う。まず、熱圧着で仮封止した一辺を開封し、10±3hPaで5分間ガス除去を行った後、再度、熱圧着を行って本封止を行う。さらに、ローラーで加圧(面圧0.5±0.1MPa)整形し電極とセパレータとを十分に密着させる。
(固溶体活物質C1の調製)
1.硫酸マンガン・1水和物(分子量223.06g/mol)20.84g、
硫酸ニッケル・6水和物(分子量262.85g/mol)14.04g、
硫酸コバルト・7水和物(分子量281.10g/mol)15.02g、
を純水200gに加え、攪拌溶解し、混合溶液を調製した。
1.上記「固溶体活物質C1の調製」で得た固溶体活物質C1 10.0g、硝酸アルミニウム・9水和物(分子量375.13g/mol)0.37gを純水100gに加え、攪拌混合し、混合溶液を調製した。
・X線回折測定は、PANalytical社製XPertPRO MPDで行った。
・TEM−EDX測定は、日立ハイテクノロジーズ製 型式:H−8100+EDX(EDAX社製Genesis4000)
・SEM−EDX測定は、CarlZeiss製ULTRAplus+EDX(Bruker製QUANTAXFlash5010)
で行った。
・XPS測定は、アルバック・ファイ製 Quantum2000
で行った。
(正極用スラリーの組成)
正極用スラリーは下記組成とした。
導電助剤: 燐片状黒鉛 0.2重量部
アセチレンブラック 0.2重量部
バインダ: ポリフッ化ビニリデン(PVDF) 0.4重量部
溶媒: N−メチル−2−ピロリドン(NMP) 8.2重量部。
上記組成の正極用スラリーを次のように調製した。まず、50mlのディスポカップに、溶媒(NMP)にバインダを溶解した20%バインダ溶液2.0重量部に溶媒(NMP)4.0重量部を加え、攪拌脱泡機(自転公転ミキサー:あわとり錬太郎AR−100)で1分間攪拌してバインダ希釈溶液を作製した。次に、このバインダ希釈液に、導電助剤0.4重量部と正極活物質C1 9.2重量部と、溶媒(NMP)2.6重量部を加え、攪拌脱泡機で3分間攪拌し正極用スラリー(固形分濃度55重量%)とした。
20μm厚のアルミニウム集電箔の片面に、上記正極用スラリーを自動塗工装置(テスター産業製ドクターブレード:PI−1210自動塗工装置)により塗布した。続いて、この正極用スラリーを塗布した集電箔を、ホットプレートにて乾燥(100℃〜110℃、乾燥時間30分)を行い、正極活物質層に残留するNMP量を0.02重量%以下とするシート状正極を形成した。
上記シート状正極を、ローラープレスをかけて圧縮成形し、切断して、片面の正極活物質層の重量約11.0mg/cm2、密度2.65g/cm3の正極C1を作製した。
次に、この正極C1を用い真空乾燥炉にて乾燥処理を行った。乾燥炉内部に正極C1を設置した後、室温(25℃)にて減圧(100mmHg(1.33×104Pa))し乾燥炉内の空気を除去した。続いて、窒素ガスを流通(100cm3/分)しながら、10℃/分で120℃まで昇温し、120℃で再度減圧して炉内の窒素を排気したまま12時間保持した後、室温まで降温した。こうして正極表面の水分を除去した正極C1を得た。
(負極用スラリーの組成)
負極用スラリーは下記組成とした。
導電助剤: アセチレンブラック 0.1重量部
バインダ: ポリフッ化ビニリデン(PVDF) 0.5重量部
溶媒: N−メチル−2−ピロリドン(NMP) 10.0重量部。
上記組成の負極用スラリーを次のように調製した。まず、溶媒(NMP)にバインダを溶解した20%バインダ溶液2.5重量部に(NMP)5重量部を加えて、攪拌脱泡機1分間攪拌してバインダ希釈溶液を作製した。このバインダ希釈液に、導電助剤0.1重量部と負極活物質粉末9.4重量部と、溶媒(NMP)3.0重量部加え、攪拌脱泡機で3分間攪拌し負極用スラリー(固形分濃度50重量%)とした。
10μm厚の電解銅集電箔の片面に、上記負極用スラリーを自動塗工装置により塗布した。続いて、この負極スラリーを塗布した集電箔を、ホットプレートにて乾燥(100℃〜110℃、乾燥時間30分)を行い、負極活物質層に残留するNMP量を0.02重量%以下とするシート状負極を形成した。
得られたシート状負極を、ローラープレスをかけて圧縮成形し、切断して、片面の負極活物質層の重量約9.50mg/cm2、密度1.45g/cm3の負極A1を作製した。負極A1の表面を観察したところ、クラックの発生は見られなかった。
次に、上記手順で作製した負極A1を用い真空乾燥炉にて乾燥処理を行った。乾燥炉内部に負極A1を設置した後、室温(25℃)にて減圧(100mmHg(1.33×104Pa))し乾燥炉内の空気を除去した。続いて、窒素ガスを流通(100cm3/分)しながら、10℃/分で135℃まで昇温し、135℃で再度減圧して炉内の窒素を排気したまま12時間保持した後、室温まで降温した。こうして負極表面の水分を除去した負極A1を得た。
上記で得られた正極C1は、活物質層面積;縦2.5cm×横2.0cmになるように切り出し、これら2枚を集電体同士が向き合うようにして、未塗工面(アルミニウム集電箔のスラリーを塗工していない面)を合わせて集電箔部分をスポット溶接した。これにより、外周部をスポット溶接により一体化された2枚重ねの集電箔の両面に活物質層を有する正極を形成した。その後、さらに集電箔部分にアルミニウムの正極タブ(正極集電板)を溶接して正極C11を形成した。即ち、正極C11は、集電箔の両面に活物質層が形成された構成である。上記で得られた負極A1は、活物質層面積;縦2.7cm×横2.2cmになるように切り出し、その後、さらに集電箔部分に電解銅の負極タブを溶接して負極A11を形成した。即ち、負極A11は、集電箔の片面に活物質層が形成された構成である。
実施例1で作製したラミネート型電池を、以下の条件で初充電処理及び活性化処理を行い、性能を評価した。
電池のエージング処理は、以下のように実施した。25℃にて、定電流充電法で0.05C、4時間の充電(SOC約20%)を行った。次いで、25℃にて0.1Cレートで4.45Vまで充電した後、充電を止め、その状態(SOC約70%)で約2日間(48時間)保持した。
熱圧着で仮封止した一辺を開封し、10±3hPaで5分間ガス除去を行った後、再度、熱圧着を行い仮封止を行った。さらに、ローラーで加圧(面圧0.5±0.1MPa)整形し電極とセパレータとを十分に密着させた。
25℃にて、定電流充電法で0.1Cで電圧が4.45Vとなるまで充電した後、0.1Cで2.0Vまで放電するサイクルを2回行った。同様に、25℃にて、定電流充電法で0.1Cで4.55Vとなるまで充電した後、0.1Cで2.0Vまで放電するサイクルを1回、0.1Cで4.65Vとなるまで充電した後、0.1Cで2.0Vまで放電するサイクルを1回行った。更に、25℃にて、定電流充電法で、0.1Cで4.75Vとなるまで充電した後、0.1Cで2.0Vまで放電するサイクルを1回行った。
熱圧着で仮封止した一辺を開封し、10±3hPaで5分間ガス除去を行った後、再度、熱圧着を行い本封止を行った。さらに、ローラーで加圧(面圧0.5±0.1MPa)整形し電極とセパレータとを十分に密着させた。
電池の評価は、充電は、0.1Cレートにて最高電圧が4.5Vとなるまで充電した後、約1時間〜1.5時間保持する定電流定電圧充電法とし、放電は、電池の最低電圧が2.0Vとなるまで0.1Cレートで放電する定電流放電法で行った。いずれも、室温下で行った。このときの0.1Cレートでの放電容量を「0.1C放電容量(mAh/g)」として他の実施例、比較例と比較した。結果を表1に示す。
電池の寿命試験は、上記1.0Cレートでの充放電を、25℃で200サイクルを繰り返した。電池の評価は、充電は、0.1Cレートにて最高電圧が4.5Vとなるまで充電した後、約1時間〜1.5時間保持する定電流定電圧充電法とし、放電は、電池の最低電圧が2.0Vとなるまで0.1Cレートで放電する定電流放電法で行った。いずれも、室温下で行った。
実施例2〜5では、実施例1に準じて、実施例1で得られた固溶体活物質C1に、1質量%、2質量%、5質量%、10質量%のAl2O3をそれぞれコーティングした正極活物質C2、C3、C4、C5を用いて実施例2〜5の正極C2〜C5をそれぞれ作製した。その後も実施例1に準じて、実施例2〜5のラミネート型電池をそれぞれ作製し、電池特性の評価を行った。得られた結果を表1に示す。
実施例6では、以下の調製で得られた固溶体活物質C6を用いた以外、その他の条件は実施例2と同じとして、固溶体活物質C6に、1質量%Al2O3をコーティングした正極活物質C6を用いて実施例6の正極C6を作製した。その後も実施例2に準じて、実施例6のラミネート型電池を作製し、電池特性の評価を行った。得られた結果を表1に示す。
1.所定量の硫酸マンガン・1水和物(分子量223.06g/mol)、硫酸ニッケル・6水和物(分子量262.85g/mol)、硫酸コバルト・7水和物(分子量281.10g/mol)、を純水200gに加え、攪拌溶解し、混合溶液を調製した。
実施例7では、以下の調製で得られた固溶体活物質C7を用いた以外、その他の条件は実施例2と同じとして、固溶体活物質C7に、1質量%Al2O3をそれぞれコーティングした正極活物質C7を用いて実施例7の正極C7を作製した。その後も実施例2に準じて、実施例7のラミネート型電池を作製し、電池特性の評価を行った。得られた結果を表1に示す。
1.所定量の硫酸マンガン・1水和物(分子量223.06g/mol)、硫酸ニッケル・6水和物(分子量262.85g/mol)、硫酸コバルト・7水和物(分子量281.10g/mol)、を純水200gに加え、攪拌溶解し、混合溶液を調製した。
実施例8では、以下の調製で得られた固溶体活物質C8を用いた以外、その他の条件は実施例1と同じとして、固溶体活物質C8に、0.5質量%Al2O3をそれぞれコーティングした正極活物質C8を用いて実施例8の正極C8を作製した。その後も実施例1に準じて、実施例8のラミネート型電池を作製し、電池特性の評価を行った。得られた結果を表1に示す。
1.所定量の硫酸マンガン・1水和物(分子量223.06g/mol)、硫酸ニッケル・6水和物(分子量262.85g/mol)、硫酸コバルト・7水和物(分子量281.10g/mol)、を純水200gに加え、攪拌溶解し、混合溶液を調製した。
実施例9〜11では、実施例8に準じて、実施例8で得られた固溶体活物質C8に、1質量%、2質量%、5質量%のAl2O3をそれぞれコーティングした正極活物質C9、C10、C11を用いて実施例9〜11の正極C9〜C11をそれぞれ作製した。その後も実施例8に準じて、実施例9〜11のラミネート型電池をそれぞれ作製し、電池特性の評価を行った。得られた結果を表1に示す。
実施例12では、以下の調製で得られた固溶体活物質C12を用いた以外、その他の条件は実施例8と同じとして、固溶体活物質C12に、1質量%Al2O3をコーティングした正極活物質C12を用いて実施例12の正極C12を作製した。その後も実施例8に準じて、実施例12のラミネート型電池を作製し、電池特性の評価を行った。得られた結果を表1に示す。
1.所定量の硫酸マンガン・1水和物(分子量223.06g/mol)、硫酸ニッケル・6水和物(分子量262.85g/mol)、硫酸コバルト・7水和物(分子量281.10g/mol)、を純水200gに加え、攪拌溶解し、混合溶液を調製した。
実施例13では、以下の調製で得られた固溶体活物質C13を用いた以外、その他の条件は実施例8と同じとして、固溶体活物質C13に、1質量%Al2O3をコーティングした正極活物質C13を用いて実施例13の正極C13を作製した。その後も実施例8に準じて、実施例13のラミネート型電池を作製し、電池特性の評価を行った。得られた結果を表1に示す。
1.所定量の硫酸マンガン・1水和物(分子量223.06g/mol)、硫酸ニッケル・6水和物(分子量262.85g/mol)、硫酸コバルト・7水和物(分子量281.10g/mol)、を純水200gに加え、攪拌溶解し、混合溶液を調製した。
実施例14では、以下の調製で得られた固溶体活物質C14を用いた以外、その他の条件は実施例1と同じとして、固溶体活物質C14に、0.5質量%Al2O3をコーティングした正極活物質C14を用いて実施例14の正極C14を作製した。その後も実施例1に準じて、実施例14のラミネート型電池を作製し、電池特性の評価を行った。得られた結果を表1に示す。
1.無水クエン酸(分子量192.12g/mol)60g(0.3mol)をアセトン400mlに加え、60℃に加温し溶解した。
1.上記チタンクエン酸錯体水溶液(TiO2として5.0質量%)7.99gに、
酢酸マンガン・4水和物(分子量245.09g/mol)15.93g、
酢酸ニッケル・4水和物(分子量248.84g/mol)6.22g、
酢酸リチウム・2水和物(分子量102.02g/mol)15.31gを順に加えて、混合物を得た。
実施例15〜17では、実施例14に準じて、実施例14で得られた固溶体活物質C14に、1質量%、2質量%、5質量%のAl2O3をそれぞれコーティングした正極活物質C15、C16、C17を用いて実施例15〜17の正極C15〜C17を作製した。その後も実施例14に準じて、実施例15〜17のラミネート型電池をそれぞれ作製し、電池特性の評価を行った。得られた結果を表1に示す。
実施例18では、以下の調製で得られた固溶体活物質C18を用いた以外、その他の条件は実施例15と同じとして、固溶体活物質C18に、1質量%Al2O3をコーティングした正極活物質C18を用いて実施例18の正極C18を作製した。その後も実施例15に準じて、実施例18のラミネート型電池を作製し、電池特性の評価を行った。得られた結果を表1に示す。
1.無水クエン酸(分子量192.12g/mol)60g(0.3mol)をアセトン400mlに加え、60℃に加温し溶解した。
1.上記ジルコニウムクエン酸錯体水溶液(ZrO2として5.0質量%)7.99gに、
酢酸マンガン・4水和物(分子量245.09g/mol)15.93g、
酢酸ニッケル・4水和物(分子量248.84g/mol)6.22g、
酢酸リチウム・2水和物(分子量102.02g/mol)15.31gを順に加えて、混合物を得た。
実施例19では、実施例18と同様にしてジルコニウムクエン酸錯体水溶液を得た。その後、以下の調製で得られた固溶体活物質C19を用いた以外、その他の条件は実施例15と同じとして、固溶体活物質C19に、1質量%Al2O3をコーティングした正極活物質C19を用いて実施例19の正極C19を作製した。その後も実施例15に準じて、実施例19のラミネート型電池を作製し、電池特性の評価を行った。得られた結果を表1に示す。
1.上記ジルコニウムクエン酸錯体水溶液(ZrO2として5.0質量%)15.98gに、
酢酸マンガン・4水和物(分子量245.09g/mol)14.96g、
酢酸ニッケル・4水和物(分子量248.84g/mol)6.22g、
酢酸リチウム・2水和物(分子量102.02g/mol)15.31gを順に加えて、混合物を得た。
比較例1では、実施例1に準じて、固溶体活物質C1にAl2O3をコーティングしない正極活物質C20(=固溶体活物質C1)を用いて比較例1の正極C20を作製した。その後も実施例1に準じて、比較例1のラミネート型電池を作製し、電池特性の評価を行った。得られた結果を表1に示す。
比較例2では、実施例1に準じて、固溶体活物質C1表面へのアルミナコート処理後の焼成温度を、450℃から600℃に変更した以外、その他の条件は実施例1と同じとして、固溶体活物質C1に、0.5質量%Al2O3をそれぞれコーティングした正極活物質C21を用いて比較例2の正極C21を作製した。その後も実施例1に準じて、比較例2のラミネート型電池を作製し、電池特性の評価を行った。得られた結果を表1に示す。
10b 直列積層型電池、
11 負極集電体、
11a 最外層負極集電体、
12 負極活物質層、
13 電解質層、
14 正極集電体、
15 正極活物質層、
16 単電池層、
17 発電要素、
18 負極集電板、
19 正極集電板、
20 負極端子リード、
21 正極端子リード、
22 ラミネートフィルム、
23 集電体、
23a 最外層正極集電体、
23b 最外層負極集電体、
24 双極型電極、
25 シール部(絶縁部)。
Claims (13)
- 下記組成式(1):
前記固溶体活物質の表面に、アルミナをコーティングしたアルミナ被覆層が存在すると共に、該固溶体活物質と該アルミナ被覆層の界面の該固溶体活物質側にAl元素が存在する領域を有し、
該アルミナの含有量が、該固溶体活物質の表面に該アルミナ被覆層を設けた正極活物質全量に対して1〜5質量%の範囲であることを特徴とする非水電解質二次電池用正極活物質。 - 前記正極活物質のX線回折において層状岩塩構造ピークである(003)、(101)及び(104)にシフトを有することを特徴とする請求項1に記載の非水電解質二次電池用正極活物質。
- 前記正極活物質のX線回折において層状岩塩構造ピークである(003)、(101)及び(104)の各シフトが、前記固溶体活物質だけのX線回折における層状岩塩構造ピークに対して、
(003)が低角度側にシフトし、
(101)が高角度側にシフトし、
(104)が高角度側にシフトしてなることを特徴とする請求項2に記載の非水電解質二次電池用正極活物質。 - 前記正極活物質のX線回折において層状岩塩構造ピークである(003)、(101)及び(104)にシフトが観測されてなり、
各ピークシフト幅が、前記固溶体活物質だけの正極活物質のX線回折における層状岩塩構造ピークに対して、
(003):−0.08°≦Δθ<0.00°であり、
(101):0.00°<Δθ≦0.05°であり、
(104):0.00°<Δθ≦0.05°であることを特徴とする請求項2または3に記載の非水電解質二次電池用正極活物質。 - 前記Al元素が、前記固溶体活物質表面から該活物質内部に厚さ35nmまでの領域に存在してなることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池用正極活物質。
- 前記アルミナ被覆層は、前記固溶体活物質粒子の全体を被覆してなることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池用正極活物質。
- 前記アルミナ被覆層の平均厚さが1〜60nmの範囲であることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池用正極活物質。
- 下記組成式(1):
該固溶体活物質を調製する工程が、Ti、ZrおよびNbの少なくとも一種のクエン酸塩と、融点が100℃〜350℃の遷移金属の有機酸塩とを混合する第1工程と、
第1工程で得られた混合物を100℃〜350℃で融解する第2工程と、
第2工程で得られた溶融物を、前記融点以上の温度で熱分解する第3工程と、
第3工程で得られた熱分解物を焼成する第4工程と、
を含み、
前記固溶体活物質の表面にアルミナをコーティングする工程が、
前記固溶体活物質と硝酸アルミニウム溶液をpH7〜8で混合する第5工程と、
前記第5工程で得られた固溶体活物質前駆体を乾燥する第6工程と、
前記第6工程で得られた乾燥後の固溶体活物質前駆体を温度450℃±50℃で焼成する第7工程と、
を含み、
該アルミナのコーティング量が、該固溶体活物質の表面に該アルミナをコーティングしてアルミナ被覆層を設けた正極活物質全量に対して1〜5質量%の範囲であることを特徴とする非水電解質二次電池用正極活物質の製造方法。 - 前記第1工程において、さらにアルカリ金属の有機酸塩を混合する請求項8に記載の製造方法。
- 請求項1〜7のいずれか一項に記載の正極活物質を含む非水電解質二次電池用正極。
- 請求項10に記載の正極と、
リチウムイオンを挿入・脱離可能な負極活物質を含有する負極と、
前記正極および前記負極の間に介在する電解質層と、を備えてなることを特徴とする非水電解質二次電池。 - 前記負極活物質が、非晶質炭素層で表面が被覆され、且つ、鱗片状ではない黒鉛材料からなり、該負極活物質が、BET比表面積が0.8〜1.5m2/gの範囲にあり、タップ密度が0.9〜1.2g/cm3の範囲にあることを特徴とする請求項11に記載の非水電解質二次電池。
- 有機スルホン系化合物、有機ジスルホン系化合物、ビニレンカーボネート誘導体、エチレンカーボネート誘導体、エステル誘導体、2価フェノール誘導体、テルフェニル誘導体、ホスフェート誘導体およびフルオロリン酸リチウム誘導体の少なくとも一種の電解液用添加剤を含む、請求項11または12に記載の非水電解質二次電池。
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