JPWO2014175352A1 - リチウムイオン二次電池用正極及びそれを含むリチウムイオン二次電池 - Google Patents
リチウムイオン二次電池用正極及びそれを含むリチウムイオン二次電池 Download PDFInfo
- Publication number
- JPWO2014175352A1 JPWO2014175352A1 JP2015513815A JP2015513815A JPWO2014175352A1 JP WO2014175352 A1 JPWO2014175352 A1 JP WO2014175352A1 JP 2015513815 A JP2015513815 A JP 2015513815A JP 2015513815 A JP2015513815 A JP 2015513815A JP WO2014175352 A1 JPWO2014175352 A1 JP WO2014175352A1
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- positive electrode
- active material
- volume
- electrode active
- lithium
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M4/13—Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
- H01M4/136—Electrodes based on inorganic compounds other than oxides or hydroxides, e.g. sulfides, selenides, tellurides, halogenides or LiCoFy
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
- H01M10/05—Accumulators with non-aqueous electrolyte
- H01M10/052—Li-accumulators
- H01M10/0525—Rocking-chair batteries, i.e. batteries with lithium insertion or intercalation in both electrodes; Lithium-ion batteries
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
- H01M4/48—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides
- H01M4/52—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of nickel, cobalt or iron
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
- H01M4/48—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides
- H01M4/52—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of nickel, cobalt or iron
- H01M4/525—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of nickel, cobalt or iron of mixed oxides or hydroxides containing iron, cobalt or nickel for inserting or intercalating light metals, e.g. LiNiO2, LiCoO2 or LiCoOxFy
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
- H01M4/58—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic compounds other than oxides or hydroxides, e.g. sulfides, selenides, tellurides, halogenides or LiCoFy; of polyanionic structures, e.g. phosphates, silicates or borates
- H01M4/5825—Oxygenated metallic salts or polyanionic structures, e.g. borates, phosphates, silicates, olivines
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M4/62—Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
- H01M4/621—Binders
- H01M4/622—Binders being polymers
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M4/62—Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
- H01M4/624—Electric conductive fillers
- H01M4/625—Carbon or graphite
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M2004/021—Physical characteristics, e.g. porosity, surface area
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
- H01M2004/026—Electrodes composed of, or comprising, active material characterised by the polarity
- H01M2004/028—Positive electrodes
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/10—Energy storage using batteries
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
- Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
- Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
- Secondary Cells (AREA)
Abstract
Description
リチウムイオン二次電池は、その主たる構成要素として正極、負極、電解液、セパレータ及び外装材を有する。また、上記正極は、正極活物質、導電材、集電体及びバインダー(結着剤)により構成される。
(i)正極活物質としてのリチウム含有金属酸化物の単位格子の格子定数a、b及びcが、特定の範囲であること
(ii)正極活物質層の空隙率が、特定の範囲であること
(iii)リチウム含有金属酸化物の容積と導電材の容積の合計値が、特定の範囲であること
で、サイクル特性が向上したリチウム二次電池用正極を提供できることを見出し、本発明に至った。
前記正極活物質層が、下記一般式(1)
LiFe1-xZrxP1-ySiyO4 (1)
(但し、0<x<1であり、0<y<1である)
で表される単位格子を有するリチウム含有金属酸化物と、導電材とを含む層であり、集電体の単位面積当たり、0.82×10-3〜7.87×10-3cm3/cm2の容積の空隙を有し、
前記単位格子が、10.326≦a≦10.335、6.006≦b≦6.012、4.685≦c≦4.714の格子定数を有し、
前記リチウム含有金属酸化物の容積と導電材の容積の合計値が、集電体の単位面積当たり、1.61×10-3〜6.46×10-3cm3/cm2であるリチウムイオン二次電池用正極が提供される。
本発明では、更に、下記要件
(1)正極活物質層が、30〜52%の容積割合の空隙を有する
(2)リチウム含有金属酸化物の容積と導電材の容積が、1:0.06〜0.23の比を有する
(3)リチウム含有金属酸化物の容積と導電材の容積の合計値が、正極活物質層の容積の40〜65%の割合を有する
(4)x及びyが、0.015≦x≦0.095及び0.025≦y≦0.19の範囲である
(5)x及びyが、1:1〜2の比を有する
のいずれかを備える場合、リチウムイオン二次電池のサイクル特性をより向上しうる正極及びサイクル特性がより向上したリチウムイオン二次電池を提供できる。
(I)正極
正極は、集電体と、集電体の少なくとも一方面に形成された正極活物質としてのリチウム含有金属酸化物を含む正極活物質層を備えている。
リチウム含有金属酸化物は、下記一般式(1)
LiFe1-xZrxP1-ySiyO4 (1)
(但し、0<x<1であり、0<y<1である)
で表される単位格子を有している。
また、x及びyは、サイクル特性をより向上する観点から、1:1〜2の比を有することが好ましい。
一般式(1)の組成を有するほとんどのリチウム含有金属酸化物はオリビン型構造を有するが、オリビン型構造を有さない構成であってもよい。
リチウム含有金属酸化物は、0.3〜30μmの平均粒子径を有していることが好ましい。より好ましい平均粒子径は、3〜18μmである。
リチウム含有金属酸化物は、原料として、各元素の炭酸塩、水酸化物、塩化物、硫酸塩、酢酸塩、酸化物、シュウ酸塩、硝酸塩、アルコキシド等の組合せを用いることにより製造できる。原料には水和水が含まれていてもよい。製造方法としては、焼成法、固相法、ゾルゲル法、溶融急冷法、メカノケミカル法、共沈法、水熱法、噴霧熱分解法等の方法を用いることができる。これら方法の内、不活性雰囲気(例えば、窒素雰囲気)下での焼成法(焼成条件は、400〜650℃で1〜24時間)が簡便である。
リチウム含有金属酸化物は、導電性を向上するために、その表面が炭素で被覆されていてもよい。被覆は、リチウム含有金属酸化物全面でもよく、一部でもよい。
炭素の被覆方法は、特に限定されず、公知の方法を利用できる。例えば、リチウム含有金属酸化物の原料に、炭素源となる化合物を混合し、得られた混合物を不活性雰囲気下で焼成することにより被覆する方法が挙げられる。炭素源となる化合物は、原料がリチウム含有金属酸化物に変化することを妨げない化合物を使用する必要がある。そのような化合物としては、糖類では、スクロース、フルクトース等が挙げられる。あるいはポリエーテル類ではポリエチレングリコールやポリプロピレングリコール等が挙げられる。また、ポリビニルアルコールやポリアクリルアミド、カルボキシメチルセルロース、ポリ酢酸ビニル等の炭素を含有する高分子であれば使用することができる。
炭素源となる化合物は、リチウム含有金属酸化物の原料との合計に対して、5〜30重量%の範囲で使用することが好ましい。
正極活物質層は、正極活物質としての上記リチウム含有金属酸化物及び導電材とを少なくとも含む。
正極活物質層は、集電体の単位面積当たり、0.82×10-3〜7.87×10-3cm3/cm2の容積の空隙を有している。空隙の容積が0.82×10-3cm3/cm2未満の場合、空隙内の電解液の副反応による析出物で、リチウムの移動が阻害されることによって、サイクル特性が低下することがある。7.87×10-3cm3/cm2より大きい場合、導電パスが不十分で、レート特性が低下すると共に、電池のエネルギー密度が低下することがある。
空隙の容積は、例えば、次の方法により調整できる。空隙の容積を上げる場合は、プレス加工時のプレス間隔を大きくすることで、下げる場合は、プレス加工時のプレス間隔を小さくすることで、調整できる。
正極活物質層は、集電体の単位面積当たり、2.80×10-3〜15.8×10-3cm3/cm2の容積を有していることが好ましい。容積が2.80×10-3cm3/cm2未満の場合、電極1枚当りの容量が減少するため、ある容量の電池を作製する場合に電池に含まれる集電体の枚数及びセパレータ等の部材が増加する結果、製造コストが増加するし、加えて容量密度の低下につながることがある。15.8×10-3cm3/cm2より大きい場合、集電体に電極スラリーを塗工する際に、塗工したスラリーの乾燥に時間がかかり生産性が低下することがある。より好ましい容積は4.17×10-3〜13.2×10-3cm3/cm2である。
なお、上記容積は、正極活物質層中のリチウム含有金属酸化物及び導電材の平均粒子径から算出された値であり、その算出法は実施例の欄に記載する。
導電材としては、アセチレンブラック、カーボン、グラファイト、天然黒鉛、人造黒鉛、ニードルコークス等を用いることができる。
バインダー(結着剤)としては、(メタ)アクリル系樹脂、ポリテトラフルオロエチレン、ポリビニリデンフルオライド、ポリビニルクロライド、エチレンプロピレンジエンポリマー、スチレンブタジエンゴム、アクリロニトリル−ブタジエンゴム、フッ素ゴム、ポリ酢酸ビニル、ポリエチレン、ニトロセルロース等を用いることができる。
有機溶剤としては、N−メチル−2−ピロリドン、トルエン、シクロヘキサン、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、メチルエチルケトン、酢酸メチル、アクリル酸メチル、ジエチルトリアミン、N,N−ジメチルアミノプロピルアミン、エチレンオキシド、テトラヒドロフラン等を用いることができる。
集電体としては、連続孔を持つ発泡(多孔質)金属、ハニカム状に形成された金属、焼結金属、エキスパンドメタル、不織布、板、箔、孔開きの板、孔開きの箔等を用いることができる。
正極活物質層の厚さは、0.01〜2mm程度が好ましい。厚すぎると導電性が低下し、薄すぎると単位面積当たりの容量が低下するので好ましくない。なお、塗布並びに乾燥によって得られた正極活物質層は、リチウム含有金属酸化物の充填密度を高めるためプレス等により圧縮してもよい。
本発明のリチウムイオン二次電池は、上記正極と、負極と、正極と負極との間に位置するセパレータとを備えている。
負極は、負極活物質層を備えている。
負極活物質層は公知の方法により作製できる。具体的には、正極活物質層の作製法で説明した方法と同様にして作製できる。つまり、正極活物質層の作製法で説明した結着剤と導電材と増粘剤、負極活物質と混合した後、この混合粉末をシート状に成形し、当該成形体をステンレス、銅等の導電体網(集電体)に圧着すればよい。また、上記混合粉末を正極活物質層の作製法で説明した公知の有機溶剤と混合して得られたスラリーを銅等の集電体上に塗布することにより作製することもできる。
人造黒鉛としては、メソカーボンマイクロビーズ、メソフェーズピッチ粉末、等方性ピッチ粉末等を黒鉛化して得られる黒鉛が挙げられる。また、非晶質炭素を表面に付着させた黒鉛粒子も使用できる。これらの中で、天然黒鉛は、安価でかつリチウムの酸化還元電位に近く、高エネルギー密度電池が構成できるためより好ましい。
また、リチウム遷移金属酸化物、リチウム遷移金属窒化物、遷移金属酸化物、酸化シリコン等も負極活物質として使用可能である。これらの中で、Li4Ti5O12は電位の平坦性が高く、かつ充放電による体積変化が小さいためより好ましい。
リチウムイオン二次電池は、通常、正極と負極間に非水電解質を備えている。非水電解質としては、例えば、有機電解液、ゲル状電解質、高分子固体電解質、無機固体電解質、溶融塩等を用いることができる。この内、有機電解液が、電池の製造容易性の観点から一般に使用されている。
有機電解液は、電解質塩と有機溶媒とを含む。
また、PC、EC及びブチレンカーボネート等の環状カーボネート類は高沸点溶媒であるため、GBLと混合する溶媒として好適である。
セパレータとしては、多孔質材料又は不織布等が挙げられる。セパレータの材質としては、上述した、電解質中に含まれる有機溶媒に対して溶解したり膨潤したりしないものが好ましい。具体的には、ポリエステル系ポリマー、ポリオレフィン系ポリマー(例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン)、エーテル系ポリマー、ガラスのような無機材料等が挙げられる。
電池容器のような他の部材についても従来公知のリチウムイオン二次電池に使用される各種材料を使用でき、特に制限はない。
リチウムイオン二次電池は、例えば、正極と負極と、それらの間に挟まれたセパレータとからなる積層体を備えている。積層体は、例えば短冊状の平面形状を有していてもよい。また、円筒型や扁平型の電池を作製する場合は、積層体を巻き取ってもよい。
積層体は、その1つ又は複数が電池容器の内部に挿入される。通常、正極及び負極は電池の外部導電端子に接続される。その後に、正極、負極及びセパレータを外気より遮断するために電池容器を密閉する。
更に、金属箔に熱可塑性樹脂を貼り付けたラミネート膜で密封する方法も使用できる。
なお、密封時に電解質注入用の開口部を設けてもよい。
(正極活物質の合成)
(1)正極活物質A1
出発原料にリチウム源としてLiCH3COO、鉄源としてFe(NO3)3・9H2O、ジルコニウム源としてZrCl4、リン源としてH3PO4(85%)、シリコン源としてSi(OC2H5)4とを使用した。リチウム源であるLiCH3COOを131.96gとして、Li:Fe:Zr:P:Siがモル比で1:0.95:0.05:0.95:0.05となるように上記各原料を秤量した。これらを3LのC2H5OH(溶媒)に溶解させ、溶液を室温でスターラーにて48時間攪拌した。その後、40℃の恒温槽内にて溶液から溶媒を除去し、茶褐色の粉末を得た。
単相粉末の平均粒子径は、粒子体積の累積度が50%となる値D50を意味し、レーザー回折・散乱式粒度分布測定装置を用いて測定された値である。
正極活物質A1をメノウ乳鉢にて粉砕し、理学社製X線解析装置MiniFlexIIにより粉末X線回折パターンを得た。測定条件は電圧30kV、電流15mA、発散スリット1.25°、受光スリット0.3mm、散乱スリット1.25°、2θの範囲が10°〜90°、1ステップ0.02°に設定し、最大ピークの強度が800〜1500になるようにステップ毎の計測時間を調整した。次に、得られた粉末X線回折パターンについて、「RIETAN−FP」(F. Izumi and K. Momma, "Three-dimensional visualization in powder diffraction," Solid State Phenom., 130, 15-20 (2007))を用いて、表1に示すパラメータを初期値として「ins」ファイルを作成し、「DD3.bat」を使用してリートベルト解析による構造解析を行い、「.lst」ファイルより、各パラメータを読み取り、格子定数を決定した(S値(収束度合)は1.1〜1.3)
Li:Fe:Zr:P:Siがモル比で1:0.975:0.025:0.975:0.025となるように各原料を秤量したこと以外は正極活物質A1と同様にして正極活物質A2(平均粒子径9.2μm及び真密度3.45g/cm3)を得た。得られた正極活物質A2の格子定数は(a,b,c)=(10.330,6.008,4.694)であった。
Li:Fe:Zr:P:Siがモル比で1:0.975:0.025:0.95:0.05となるように各原料を秤量したこと以外は正極活物質A1と同様にして正極活物質A3(平均粒子径9.2μm及び真密度3.45g/cm3)を得た。得られた正極活物質A3の格子定数は(a,b,c)=(10.327,6.007,4.693)であった。
Li:Fe:Zr:P:Siがモル比で1:0.965:0.035:0.965:0.035となるように各原料を秤量したこと以外は正極活物質A1と同様にして正極活物質A4(平均粒子径9.2μm及び真密度3.45g/cm3)を得た。得られた正極活物質A4の格子定数は(a,b,c)=(10.326,6.007,4.693)であった。
Li:Fe:Zr:P:Siがモル比で1:0.905:0.095:0.81:0.19となるように各原料を秤量したこと以外は正極活物質A1と同様にして正極活物質A5(平均粒子径9.2μm及び真密度3.45g/cm3)を得た。得られた正極活物質A5の格子定数は(a,b,c)=(10.335,6.012,4.714)であった。
Li:Fe:Zr:P:Siがモル比で1:0.985:0.015:0.97:0.03となるように各原料を秤量したこと以外は正極活物質A1と同様にして正極活物質A6(平均粒子径9.2μm及び真密度3.45g/cm3)を得た。得られた正極活物質A6の格子定数は(a,b,c)=(10.326,6.006,4.685)であった。
市販のLiFePO4(住友大阪セメント社製)を正極活物質A7(平均粒子径9.2μm及び真密度3.45g/cm3)とした。正極活物質A7の格子定数は(a,b,c)=(10.325,6.004,4.683)であった。
Li:Fe:Zr:P:Siがモル比で1:0.9:0.1:0.8:0.2となるように各原料を秤量したこと以外は正極活物質A1と同様にして正極活物質A8(平均粒子径9.2μm及び真密度3.45g/cm3)を得た。得られた正極活物質A5の格子定数は(a,b,c)=(10.337,6.015,4.720)であった。
Li:Fe:Zr:P:Siがモル比で1:0.925:0.075:0.85:0.15となるように各原料を秤量したこと以外は正極活物質A1と同様にして正極活物質A9(平均粒子径9.2μm及び真密度3.45g/cm3)を得た。得られた正極活物質A6の格子定数は(a,b,c)=(10.338,6.005,4.691)であった。
表2に正極活物質の原料のZr/Siモル比、格子定数、真密度及び平均粒子径をまとめて示す。
(1)正極
上記正極活物質A1、アセチレンブラック(導電材、平均粒子径0.035μm、真密度1.8g/cm3、電気化学工業社製)、アクリル系樹脂(バインダー、固形分濃度29.9重量%、JSR社製)、カルボキシメチルセルロース(増粘剤、第一工業製薬社製)を、100:6:27:1.2の重量(g)で、フィルミックス80−50型(プライミクス社製)を用いて室温下で78.8gのイオン交換水と攪拌混合することで、水性の正極ペーストを得た。この正極ペーストを、圧延アルミニウム箔(厚さ:20μm)の両面上にダイコーターを用いて塗布した。片面塗布量(固形分)は、正極活物質、アセチレンブラック、アクリル系樹脂、カルボキシメチルセルロースの順で5:0.30:0.35:0.003mg/cm2であった。得られた塗膜を、空気中100℃で10分間乾燥し(乾燥時厚さ68μm)、プレス加工することで、集電体上に厚さ48μmの正極活物質層を備えた正極P1(塗工面サイズ:28mm(縦)×28mm(横))を得た。
正極活物質の容積と導電材の容積の合計値は1.62×10-3cm3/cm2であり、正極活物質層の空隙の容積は0.84×10-3cm3/cm2であった。
(i)正極活物質の容積は、その平均粒子径と、集電体の単位面積当たりの正極活物質の粒子数の積算値を意味する。
(ii)導電材の容積は、その平均粒子径と、集電体の単位面積当たりの正極活物質の粒子数の積算値を意味する。導電材の平均粒子径は、正極活物質と同様の方法で得られた値を意味する。
(iii)正極活物質層の空隙の容積は、正極活物質層の容積から、この層を構成する固形分である正極活物質及び導電材の容積を差し引いて得られる値を意味する。正極活物質層の容積は、この層の厚さ×縦×横の積算値を意味する。
天然黒鉛(日立化成工業社製)、スチレンブタジエンゴム(バインダー、固形分濃度40.1重量%、日本ゼオン社製)、カルボキシメチルセルロース(増粘剤、ダイセル社製)を、100:2:1の重量(g)で、2軸遊星プラネタリミキサー(プライミクス社製)を用いて100gのイオン交換水と室温下で攪拌混練することで、水性の負極ペーストを得た。この負極ペーストを、圧延銅箔(厚さ:10μm)の片面上にダイコーターを用いて塗布した。得られた塗膜を、空気中100℃で10分間乾燥し、プレス加工することで、集電体上に厚さ20μmの負極活物質層を備えた負極(塗工面サイズ:30mm(縦)×30mm(横))を得た。
図1(a)に示す手順で図1(b)に示す電池を作製した。
まず、正極1及び負極2を130℃で24時間減圧乾燥した後に、ドライAr雰囲気下のグローボックス内に入れた。次に、正極1に接着フィルム3付きのアルミニウム製タブリード4を、負極2に接着フィルム5付きのニッケル製のタブリード6をそれぞれ超音波溶接した。グローボックス内で、負極2の塗工面7が隠れるようにセパレータ(微多孔膜、サイズ:30mm(縦)×30mm(横)×25μm(厚さ)、ポリポア社製)9を積載し、塗工面が中心に重なるように正極1を重ね単セル10を作製した。8は正極1の塗工面を意味する。
なお、電解液の注液量は、各電池で使用する電極の厚さ(正極と負極の合計値)に準じて適宜決定しており、実際に作製した電池の正極、負極及びセパレータに電解液が十分浸透する量とした。
正極活物質A2を使用し、正極活物質層の空隙の容積を1.56×10-3cm3/cm2とすること以外は、実施例1と同様にして電池を得た。
(実施例3)
正極活物質A3を使用し、正極活物質層の空隙の容積を1.76×10-3cm3/cm2とすること以外は、実施例1と同様にして電池を得た。
正極活物質A4を使用し、片面塗布量(固形分)を、正極活物質、アセチレンブラック、アクリル系樹脂、カルボキシメチルセルロースの順で8:0.48:0.56:0.005mg/cm2とし、正極活物質層の空隙の容積を2.86×10-3cm3/cm2とすること以外は、実施例1と同様にして電池を得た。
(実施例5)
正極活物質A5を使用し、片面塗布量(固形分)を、正極活物質、アセチレンブラック、アクリル系樹脂、カルボキシメチルセルロースの順で8:0.48:0.56:0.005mg/cm2とし、正極活物質層の空隙の容積を2.86×10-3cm3/cm2とすること以外は、実施例1と同様にして電池を得た。
片面塗布量(固形分)を、正極活物質、アセチレンブラック、アクリル系樹脂、カルボキシメチルセルロースの順で14.2:0.85:0.99:0.009mg/cm2とし、正極活物質層の空隙の容積を5.07×10-3cm3/cm2とすること以外は、実施例1と同様にして電池を得た。
(実施例7)
正極活物質A6を使用し、片面塗布量(固形分)を、正極活物質、アセチレンブラック、アクリル系樹脂、カルボキシメチルセルロースの順で12:0.72:0.83:0.008mg/cm2とし、正極活物質層の空隙の容積を4.57×10-3cm3/cm2とすること以外は、実施例1と同様にして電池を得た。
片面塗布量(固形分)を、正極活物質、アセチレンブラック、アクリル系樹脂、カルボキシメチルセルロースの順で18.4:1.10:1.28:0.012mg/cm2とし、正極活物質層の空隙の容積を7.84×10-3cm3/cm2とすること以外は、実施例1と同様にして電池を得た。
(実施例9)
片面塗布量(固形分)を、正極活物質、アセチレンブラック、アクリル系樹脂、カルボキシメチルセルロースの順で19.8:1.19:1.38:0.012mg/cm2とし、正極活物質層の空隙の容積を7.22×10-3cm3/cm2とすること以外は、実施例1と同様にして電池を得た。
正極活物質層の空隙の容積を0.66×10-3cm3/cm2とすること以外は、実施例1と同様にして電池を得た。
(比較例2)
片面塗布量(固形分)を、正極活物質、アセチレンブラック、アクリル系樹脂、カルボキシメチルセルロースの順で18.4:1.10:1.28:0.012mg/cm2とし、正極活物質層の空隙の容積を7.97×10-3cm3/cm2とすること以外は、実施例1と同様にして電池を得た。
片面塗布量(固形分)を、正極活物質、アセチレンブラック、アクリル系樹脂、カルボキシメチルセルロースの順で21:1.26:1.46:0.13mg/cm2とし、正極活物質層の空隙の容積を7.03×10-3cm3/cm2とすること以外は、実施例1と同様にして電池を得た。
(比較例4)
正極活物質A7を使用し、片面塗布量(固形分)を、正極活物質、アセチレンブラック、アクリル系樹脂、カルボキシメチルセルロースの順で8.0:0.48:0.56:0.005mg/cm2とし、正極活物質層の空隙の容積を2.86×10-3cm3/cm2とすること以外は、実施例1と同様にして電池を得た。
正極活物質A8を使用し、片面塗布量(固形分)を、正極活物質、アセチレンブラック、アクリル系樹脂、カルボキシメチルセルロースの順で8.0:0.48:0.55:0.005mg/cm2とし、正極活物質層の空隙の容積を2.85×10-3cm3/cm2とすること以外は、実施例1と同様にして電池を得た。
(比較例6)
正極活物質A9を使用し、片面塗布量(固形分)を、正極活物質、アセチレンブラック、アクリル系樹脂、カルボキシメチルセルロースの順で12.0:0.72:0.83:0.008mg/cm2とし、正極活物質層の空隙の容積を4.57×10-3cm3/cm2とすること以外は、実施例1と同様にして電池を得た。
(1)レート特性 作製した電池を25℃環境下で0.1Cで3.6Vまで充電し、0.1Cで2.0Vまで放電し、0.1C容量を、0.1Cで3.6Vまで充電し、1Cで2.0Vまで放電することで、1C容量を測定し、レート特性(1C/0.1C)を算出した。なお、正極の理論容量から算出される容量を1時間で充電又は放電する電流を1Cとした。
作製した電池を25℃環境下で1Cで3.6Vまで充電し、1Cで2.0Vまで放電する過程を1サイクルとし、3500サイクル繰り返し、1サイクル目の放電容量と3500サイクル目の放電容量を比較することで3500サイクルでのサイクル特性を算出した。
得られた結果を、表3に示す。
Claims (9)
- 集電体と、前記集電体の少なくとも一方面に形成された正極活物質層とを備え、
前記正極活物質層が、下記一般式(1)
LiFe1-xZrxP1-ySiyO4 (1)
(但し、0<x<1であり、0<y<1である)
で表される単位格子を有するリチウム含有金属酸化物と、導電材とを含む層であり、集電体の単位面積当たり、0.82×10-3〜7.87×10-3cm3/cm2の容積の空隙を有し、
前記単位格子が、10.326≦a≦10.335、6.006≦b≦6.012、4.685≦c≦4.714の格子定数を有し、
前記リチウム含有金属酸化物の容積と導電材の容積の合計値が、集電体の単位面積当たり、1.61×10-3〜6.46×10-3cm3/cm2であるリチウムイオン二次電池用正極。 - 前記リチウム含有金属酸化物の容積は、集電体の単位体積あたり、1.40×10-3〜5.80×10-3cm3/cm2である請求項1に記載のリチウムイオン二次電池用正極。
- 前記導電材の容積は、集電体の単位体積あたり、0.16×10-3〜0.67×10-3cm3/cm2である請求項1または2に記載のリチウムイオン二次電池用正極。
- 前記リチウム含有金属酸化物の容積と導電材の容積が、1:0.06〜0.23の比を有する請求項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正極。
- 前記リチウム含有金属酸化物の容積と導電材の容積の合計値は、前記正極活物質層の容積の40〜65%の割合である請求項1〜4のいずれか1つに記載のリチウムイオン二次電池用正極。
- 前記x及びyが、0.015≦x≦0.095及び0.025≦y≦0.19の範囲である請求項1〜5のいずれか1つに記載のリチウムイオン二次電池用正極。
- 前記x及びyが、1:1〜2の比を有する請求項1〜6のいずれか1つに記載のリチウムイオン二次電池用正極。
- 前記正極活物質層は更にバインダーと増粘剤を含み、前記バインダーはアクリル系樹脂であり、前記増粘剤はカルボキシメチルセルロースであり、前記導電材はアセチレンブラックであり、
集電体単位面積当たりの前記正極活物質、前記アセチレンブラック、前記アクリル樹脂と前記カルボキシメチルセルロースのそれぞれの容積が、5〜19.8、0.3〜1.19、0.35〜1.38、0.003〜0.012mg/cm2である請求項6又は7に記載のリチウムイオン二次電池用正極。 - 請求項1〜8のいずれか1つに記載の正極と、負極と、前記正極と前記負極との間に位置するセパレータとを備えたリチウムイオン二次電池。
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2013094454 | 2013-04-26 | ||
JP2013094454 | 2013-04-26 | ||
PCT/JP2014/061474 WO2014175352A1 (ja) | 2013-04-26 | 2014-04-23 | リチウムイオン二次電池用正極及びそれを含むリチウムイオン二次電池 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPWO2014175352A1 true JPWO2014175352A1 (ja) | 2017-02-23 |
JP6416082B2 JP6416082B2 (ja) | 2018-10-31 |
Family
ID=51791919
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2015513815A Expired - Fee Related JP6416082B2 (ja) | 2013-04-26 | 2014-04-23 | リチウムイオン二次電池用正極及びそれを含むリチウムイオン二次電池 |
Country Status (4)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US9735420B2 (ja) |
JP (1) | JP6416082B2 (ja) |
CN (1) | CN105122508B (ja) |
WO (1) | WO2014175352A1 (ja) |
Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2006524884A (ja) * | 2003-04-30 | 2006-11-02 | ユニベルシテ ドゥ モントリオール | 溶融塩電解質系電池用ポリマーバインダー |
WO2010134579A1 (ja) * | 2009-05-22 | 2010-11-25 | シャープ株式会社 | 正極活物質、正極及び非水二次電池 |
JP2011253629A (ja) * | 2010-05-31 | 2011-12-15 | Sharp Corp | 正極活物質、正極及び非水電解質二次電池 |
JP2012014987A (ja) * | 2010-07-01 | 2012-01-19 | Sharp Corp | 正極活物質、正極及び非水電解質二次電池 |
JP2012204003A (ja) * | 2011-03-23 | 2012-10-22 | Sharp Corp | 正極活物質、正極及び非水系二次電池 |
WO2014010526A1 (ja) * | 2012-07-11 | 2014-01-16 | シャープ株式会社 | 非水電解質二次電池 |
JP2014010977A (ja) * | 2012-06-28 | 2014-01-20 | Sharp Corp | 非水電解液二次電池用電極およびそれを用いた非水電解液二次電池 |
Family Cites Families (14)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP4337875B2 (ja) | 2006-12-29 | 2009-09-30 | ソニー株式会社 | 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 |
US20090104517A1 (en) * | 2007-10-17 | 2009-04-23 | Toyotaka Yuasa | Cathode active material and lithium ion secondary battery containing the same |
RU2402114C1 (ru) * | 2009-08-18 | 2010-10-20 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-технический центр "Электрохимическая энергетика" (ООО "НТЦ "Электрохимическая энергетика") | Наноразмерный композиционный материал, содержащий модифицированный наноразмерный фосфат лития-железа и углерод |
JP5551019B2 (ja) * | 2009-09-02 | 2014-07-16 | シャープ株式会社 | 正極活物質、正極及び非水二次電池 |
EP2355214B1 (fr) * | 2010-01-28 | 2013-12-25 | Prayon | Accumulateurs au lithium à base de phosphate de fer lithié et de carbone |
FR2958797B1 (fr) * | 2010-04-13 | 2012-04-27 | Commissariat Energie Atomique | Structuration d'electrode de piles a combustible a membrane echangeuse de protons |
JP5463207B2 (ja) * | 2010-05-28 | 2014-04-09 | シャープ株式会社 | 正極活物質、正極及び非水電解質二次電池 |
US20120088157A1 (en) * | 2010-10-08 | 2012-04-12 | Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. | Electrode material, power storage device, and electronic device |
JP5698951B2 (ja) * | 2010-10-19 | 2015-04-08 | シャープ株式会社 | 正極活物質及びその製造方法、正極ならびに非水電解質二次電池 |
WO2012137391A1 (ja) * | 2011-04-07 | 2012-10-11 | 日本碍子株式会社 | リチウム二次電池の正極活物質及びリチウム二次電池 |
JP5451681B2 (ja) * | 2011-05-09 | 2014-03-26 | シャープ株式会社 | 正極活物質、正極及び非水系二次電池 |
CN107104243B (zh) * | 2012-01-24 | 2019-09-27 | 艾诺维克斯公司 | 用于能量存储装置的离子透过结构 |
JP6135253B2 (ja) | 2012-06-07 | 2017-05-31 | ソニー株式会社 | 電極、リチウム二次電池、電池パック、電動車両、電力貯蔵システム、電動工具および電子機器 |
KR20140013885A (ko) * | 2012-07-24 | 2014-02-05 | 가부시키가이샤 히타치세이사쿠쇼 | 리튬 이온 이차 전지 |
-
2014
- 2014-04-23 CN CN201480021812.2A patent/CN105122508B/zh not_active Expired - Fee Related
- 2014-04-23 JP JP2015513815A patent/JP6416082B2/ja not_active Expired - Fee Related
- 2014-04-23 US US14/782,492 patent/US9735420B2/en not_active Expired - Fee Related
- 2014-04-23 WO PCT/JP2014/061474 patent/WO2014175352A1/ja active Application Filing
Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2006524884A (ja) * | 2003-04-30 | 2006-11-02 | ユニベルシテ ドゥ モントリオール | 溶融塩電解質系電池用ポリマーバインダー |
WO2010134579A1 (ja) * | 2009-05-22 | 2010-11-25 | シャープ株式会社 | 正極活物質、正極及び非水二次電池 |
JP2011253629A (ja) * | 2010-05-31 | 2011-12-15 | Sharp Corp | 正極活物質、正極及び非水電解質二次電池 |
JP2012014987A (ja) * | 2010-07-01 | 2012-01-19 | Sharp Corp | 正極活物質、正極及び非水電解質二次電池 |
JP2012204003A (ja) * | 2011-03-23 | 2012-10-22 | Sharp Corp | 正極活物質、正極及び非水系二次電池 |
JP2014010977A (ja) * | 2012-06-28 | 2014-01-20 | Sharp Corp | 非水電解液二次電池用電極およびそれを用いた非水電解液二次電池 |
WO2014010526A1 (ja) * | 2012-07-11 | 2014-01-16 | シャープ株式会社 | 非水電解質二次電池 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
US9735420B2 (en) | 2017-08-15 |
JP6416082B2 (ja) | 2018-10-31 |
US20160056453A1 (en) | 2016-02-25 |
CN105122508A (zh) | 2015-12-02 |
WO2014175352A1 (ja) | 2014-10-30 |
CN105122508B (zh) | 2018-04-06 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US10651458B2 (en) | Negative electrode for lithium secondary battery and lithium secondary battery | |
JP5271975B2 (ja) | 正極活物質、正極及び非水電解質二次電池 | |
JP2015167065A (ja) | 非水電解質二次電池 | |
JP2014017199A (ja) | リチウム二次電池用電極およびその製造方法並びにリチウム二次電池およびその製造方法 | |
JP2016192385A (ja) | 負極活物質およびその製造方法、負極、ならびに電池 | |
JP2014010977A (ja) | 非水電解液二次電池用電極およびそれを用いた非水電解液二次電池 | |
JP2012022791A (ja) | 正極活物質、正極及び非水電解質二次電池 | |
JP5451671B2 (ja) | 正極活物質、正極及び非水系二次電池 | |
JP5451681B2 (ja) | 正極活物質、正極及び非水系二次電池 | |
JP5463208B2 (ja) | 正極活物質、正極及び非水電解質二次電池 | |
JP5482115B2 (ja) | 非水系二次電池用活物質および非水系二次電池 | |
JP5957536B2 (ja) | 正極活物質および正極並びに非水電解質二次電池 | |
JP6102615B2 (ja) | 負極活物質及びそれを用いた二次電池 | |
JP5463222B2 (ja) | 正極活物質、正極及び非水電解質二次電池 | |
WO2014175350A1 (ja) | リチウムイオン二次電池 | |
JP6068819B2 (ja) | 非水電解質二次電池用正極の製造方法 | |
WO2015019851A1 (ja) | 正極活物質、正極及びリチウムイオン二次電池 | |
JP6416082B2 (ja) | リチウムイオン二次電池用正極及びそれを含むリチウムイオン二次電池 | |
JP5539802B2 (ja) | 非水電解質二次電池用正極活物質、非水電解質二次電池用正極および非水電解質二次電池 | |
WO2014021395A1 (ja) | 非水電解質二次電池用正極活物質 | |
JP5463207B2 (ja) | 正極活物質、正極及び非水電解質二次電池 | |
JP6302751B2 (ja) | 正極活物質、正極及び非水電解質二次電池 | |
WO2015107822A1 (ja) | リチウムイオン二次電池 | |
WO2015107839A1 (ja) | 正極活物質 | |
JP2023137643A (ja) | 電極、蓄電デバイス及び電極の製造方法 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20170323 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20180206 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20180404 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20180904 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20181003 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 6416082 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |