JPWO2019176389A1 - 非水電解質二次電池 - Google Patents

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Abstract

本開示は、電池の高温保存による容量低下を抑制することが可能な非水電解質二次電池を提供することを目的とする。非水電解質二次電池（１０）は、正極活物質を含む正極（１１）と、負極（１２）と、フッ素含有化合物を含む非水電解質と、を備え、前記正極活物質は、Ｌｉ、Ｎｉ及びＷを含む複合酸化物Ａと、Ｌｉ、Ｎｉ及び任意要素のＷを含む複合酸化物Ｂと、を有し、前記複合酸化物Ａ中のＷの含有量は、５ｍｏｌ％以上であり、前記複合酸化物Ｂ中のＷの含有量は、０．５ｍｏｌ％以下であり、前記複合酸化物Ａと前記複合酸化物Ｂの総量に対する前記複合酸化物Ａの質量比率は、０．００２％以上０．１％以下である。

Description

本発明は、非水電解質二次電池に関する。
近年、高出力、高エネルギー密度の二次電池として、正極、負極、及び非水電解質を備え、正極と負極との間でリチウムイオン等を移動させて充放電を行う非水電解質二次電池が広く利用されている。
非水電解質二次電池の正極に用いられる正極活物質としては、リチウムニッケル複合酸化物、リチウムコバルト複合酸化物、リチウムマンガン複合酸化物等が知られている。これらの中で、リチウムニッケル複合酸化物は、リチウムコバルト複合酸化物等と比べて、安価で高容量の電池を製造することができる正極活物質として期待されている。
例えば、特許文献１〜３には、電池特性を向上させる等の目的で、タングステンを含むリチウムニッケル複合酸化物を正極活物質として用いた非水電解質二次電池が提案されている。
特開２００２−７５３６７号公報 特開２０１２−７９４６４号公報 国際公開第２０１５／１４１１７９号
ところで、フッ素含有化合物を含む非水電解質を用いた非水電解質二次電池では、高温保存時に、フッ素含有化合物が分解して、フッ化水素が発生する場合がある。発生したフッ化水素は、正極活物質中の遷移金属の溶出を伴う副反応を引き起こし、電池容量を低下させる場合がある。このような、電池の高温保存による容量低下は、リチウムニッケル複合酸化物において顕著である。
そこで、本開示は、リチウムニッケル複合酸化物を含む正極活物質、及びフッ素含有化合物を含む非水電解質を用いた非水電解質二次電池において、電池の高温保存による容量低下を抑制することが可能な非水電解質二次電池を提供することを目的とする。
本開示の一態様である非水電解質二次電池は、正極活物質を含む正極と、負極と、フッ素含有化合物を含む非水電解質と、を備え、前記正極活物質は、Ｌｉ、Ｎｉ及びＷを含む複合酸化物Ａと、Ｌｉ、Ｎｉ及び任意要素のＷを含む複合酸化物Ｂと、を有し、前記複合酸化物Ａ中のＷの含有量は、５ｍｏｌ％以上であり、前記複合酸化物Ｂ中のＷの含有量は、０．５ｍｏｌ％以下であり、前記複合酸化物Ａと前記複合酸化物Ｂの総量に対する前記複合酸化物Ａの質量比率は、０．００２％以上０．１％以下であることを特徴とする。
本開示の一態様によれば、リチウムニッケル複合酸化物を含む正極活物質、及びフッ素含有化合物を含む非水電解質を用いた非水電解質二次電池において、電池の高温保存による容量低下を抑制することが可能となる。
図１は実施形態の一例である非水電解質二次電池の断面図である。
本発明者らは、鋭意検討した結果、所定量以上のＷを含むリチウムニッケル複合酸化物は、電池の高温保存時に、非水電解質中のフッ素含有化合物の分解により発生するフッ化水素をトラップする能力が高いことを見出し、以下に説明する態様の非水電解質二次電池を想到するに至った。
本開示の一態様である非水電解質二次電池は、正極活物質を含む正極と、負極と、フッ素含有化合物を含む非水電解質と、を備え、前記正極活物質は、Ｌｉ、Ｎｉ及びＷを含む複合酸化物Ａと、Ｌｉ、Ｎｉ及び任意要素のＷを含む複合酸化物Ｂと、を有し、前記複合酸化物Ａ中のＷの含有量は、５ｍｏｌ％以上であり、前記複合酸化物Ｂ中のＷの含有量は、０．５ｍｏｌ％以下であり、前記複合酸化物Ａと前記複合酸化物Ｂの総量に対する前記複合酸化物Ａの質量比率は、０．００２％以上０．１％以下であることを特徴とする。
本開示の一態様である非水電解質二次電池によれば、電池の高温保存時に発生するフッ化水素が、５ｍｏｌ％以上のＷを含む複合酸化物Ａによって効率的にトラップされると推察される。ここで、複合酸化物Ａ中の遷移金属は、トラップしたフッ化水素により溶出する。したがって、複合酸化物Ａの含有量が増えれば増えるほど、遷移金属の溶出量も増えるため、電池の高温保存時における容量は低下する傾向にある。しかし、本開示の一態様である非水電解質のように、５ｍｏｌ％以上のＷを含む複合酸化物Ａと０．５ｍｏｌ％以下のＷを含む複合酸化物Ｂとの総量に対する複合酸化物Ａの質量比率を０．００２％以上０．１％以下とすることで、比率の非常に小さい複合酸化物Ａにより効率的にフッ化水素をトラップさせて、その複合酸化物Ａから主に遷移金属を溶出させ、比率の大きい複合酸化物Ｂからの遷移金属の溶出を抑えることができるため、結果として遷移金属の全溶出量を抑えることが可能となる。その結果、電池の高温保存による電池容量の低下が抑制されると考えられる。なお、５ｍｏｌ％以上のＷを含む複合酸化物Ａの比率が増えれば増えるほど、電池の初期容量は低下する傾向にあるが、本開示の一態様である非水電解質二次電池は、５ｍｏｌ％以上のＷを含む複合酸化物Ａの比率は非常に少ないため、電池の初期容量の低下を抑制することも可能である。
以下、実施形態の一例について詳細に説明する。実施形態の説明で参照する図面は、模式的に記載されたものであり、図面に描画された構成要素の寸法比率などは、現物と異なる場合がある。
図１は、実施形態の一例である非水電解質二次電池の断面図である。図１に示す非水電解質二次電池１０は、正極１１及び負極１２がセパレータ１３を介して巻回されてなる巻回型の電極体１４と、非水電解質と、電極体１４の上下にそれぞれ配置された絶縁板１８，１９と、上記部材を収容する電池ケース１５と、を備える。電池ケース１５は、有底円筒形状のケース本体１６と、ケース本体１６の開口部を塞ぐ封口体１７とにより構成される。なお、巻回型の電極体１４の代わりに、正極及び負極がセパレータを介して交互に積層されてなる積層型の電極体など、他の形態の電極体が適用されてもよい。また、電池ケース１５としては、円筒形、角形、コイン形、ボタン形等の金属製ケース、樹脂シートをラミネートして形成された樹脂製ケース（ラミネート型電池）などが例示できる。
ケース本体１６は、例えば有底円筒形状の金属製容器である。ケース本体１６と封口体１７との間にはガスケット２８が設けられ、電池内部の密閉性が確保される。ケース本体１６は、例えば側面部の一部が内側に張出した、封口体１７を支持する張り出し部２２を有する。張り出し部２２は、ケース本体１６の周方向に沿って環状に形成されることが好ましく、その上面で封口体１７を支持する。
封口体１７は、電極体１４側から順に、フィルタ２３、下弁体２４、絶縁部材２５、上弁体２６、及びキャップ２７が積層された構造を有する。封口体１７を構成する各部材は、例えば円板形状又はリング形状を有し、絶縁部材２５を除く各部材は互いに電気的に接続されている。下弁体２４と上弁体２６は各々の中央部で互いに接続され、各々の周縁部の間には絶縁部材２５が介在している。内部短絡等による発熱で内圧が上昇すると、例えば下弁体２４が上弁体２６をキャップ２７側に押し上げるように変形して破断し、下弁体２４と上弁体２６の間の電流経路が遮断される。さらに内圧が上昇すると、上弁体２６が破断し、キャップ２７の開口部からガスが排出される。
図１に示す非水電解質二次電池１０では、正極１１に取り付けられた正極リード２０が絶縁板１８の貫通孔を通って封口体１７側に延び、負極１２に取り付けられた負極リード２１が絶縁板１９の外側を通ってケース本体１６の底部側に延びている。正極リード２０は封口体１７の底板であるフィルタ２３の下面に溶接等で接続され、フィルタ２３と電気的に接続された封口体１７の天板であるキャップ２７が正極端子となる。負極リード２１はケース本体１６の底部内面に溶接等で接続され、ケース本体１６が負極端子となる。
正極１１、負極１２、セパレータ１３、非水電解質について詳述する。
＜正極＞
正極１１は、例えば金属箔等の正極集電体と、正極集電体上に形成された正極活物質層とで構成される。正極集電体には、アルミニウムなどの正極の電位範囲で安定な金属の箔、当該金属を表層に配置したフィルム等を用いることができる。正極活物質層は、例えば、正極活物質、結着剤、導電剤等を含む。
正極１１は、例えば、正極活物質、結着剤、導電剤等を含む正極合剤スラリーを正極集電体上に塗布・乾燥することによって、正極集電体上に正極活物質層を形成し、当該正極活物質層を圧延することにより得られる。
正極活物質は、Ｌｉ、Ｎｉ、及びＷを含む複合酸化物Ａと、Ｌｉ、Ｎｉ、及び任意要素のＷを含む複合酸化物Ｂと、を有する。
複合酸化物Ａ中のＷの含有量は、５ｍｏｌ％以上であれば特に制限されるものではないが、例えば、フッ化水素をより効率的に補足する点で、７ｍｏｌ％以上であることが好ましい。複合酸化物Ａ中のＷの含有量の上限値は、例えば、充放電反応を効率的に行わせる等の点で、２０ｍｏｌ％以下であることが好ましい。複合酸化物Ａ中のＷの含有量は、例えば、複合酸化物Ａを加熱した酸溶液で溶解し、この溶解液を誘導結合プラズマ発光分光分析法（ＩＣＰ−ＡＥＳ）にて分析することで求められる。
複合酸化物Ａは、例えば、電池の初期容量を向上させる等の点で、一般式ＬｉｘＮｉ１−ｙーｚＷｙＭｚＯ２−γで表されることが好ましい。式中、Ｍは、Ｎｉ、Ｗ以外の遷移金属元素、２族元素、及び１３族元素から選ばれる少なくとも１種の元素であり、０．８５≦ｘ≦１．０５、０．０５≦ｙ≦０．２、０．０１≦ｚ≦０．５、−０．２≦γ≦０．２である。
複合酸化物Ａに含まれるＮｉ、Ｗ以外の遷移金属元素は、例えば、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｖ、Ｔｉ、Ｆｅ等が挙げられるが、これらの中では、正極活物質の結晶構造の安定化等の点で、Ｃｏ、Ｍｎが好ましい。２族元素は、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ及びＲａであるが、これらの中では、電池の長寿命化等の点で、Ｍｇ、Ｃａが好ましい。１３族元素は、Ｂ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｔｌ及びＮｈであるが、これらの中では、正極活物質の熱安定の向上等の点で、Ａｌが好ましい。
複合酸化物Ｂ中のＷの含有量は、０．５ｍｏｌ％以下であれば特に制限されるものではないが、例えば、電池の充放電サイクル特性の低下を抑制する等の点で、０．１ｍｏｌ％以上０．５ｍｏｌ％以下であることが好ましい。複合酸化物Ｂ中のＷの含有量も上記同様に、誘導結合プラズマ発光分光分析法（ＩＣＰ−ＡＥＳ）にて分析することで求められる。
複合酸化物Ｂは、例えば、電池の充放電サイクル特性の低下を抑制する等の点で、一般式ＬｉｘＮｉ１−ｙ−ｚＷｙＭｚＯ２−γで表されることが好ましい。式中、Ｍは、Ｎｉ、Ｗ以外の遷移金属元素、２族元素、及び１３族元素から選ばれる少なくとも１種の元素であり、０．８５≦ｘ≦１．０５、０．００２≦ｙ≦０．０５、０．０１≦ｚ≦０．５、−０．２≦γ≦０．２である。
複合酸化物Ｂに含まれるＮｉ、Ｗ以外の遷移金属元素は、例えば、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｚｒ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｖ、Ｔｉ、Ｆｅ等が挙げられるが、これらの中では、正極活物質の結晶構造の安定化等の点で、Ｃｏ、Ｍｎが好ましい。２族元素は、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ及びＲａであるが、これらの中では、電池の長寿命化等の点で、Ｍｇ、Ｃａが好ましい。１３族元素は、Ｂ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｔｌ及びＮｈであるが、これらの中では、正極活物質の熱安定性の向上等の点で、Ａｌが好ましい。
複合酸化物Ａと複合酸化物Ｂの総量に対する複合酸化物Ａの質量比率は、電池の高温保存における容量低下を抑制する点で、０．００２％以上０．１％以下であり、好ましくは０．０２％以上０．０８％以下である。
正極活物質の総量に対する複合酸化物Ａの含有量は、例えば、電池の高温保存における容量低下をより抑制する等の点で、０．００２質量％以上０．１質量％以下であることが好ましく、０．０２質量％以上０．０８質量％以下であることがより好ましい。正極活物質の総量に対する複合酸化物Ｂの含有量は、電池の初期容量を向上させる等の点で、５０質量％以上９９．９９８質量％以下であることが好ましく、７０質量％以上９９．９９８質量％以下であることがより好ましい。なお、正極活物質は、複合酸化物Ａ及びＢ以外のリチウム複合酸化物を含んでいてもよく、例えば、ＬｉＣｏＯ２やＬｉＭｎ２Ｏ４等のＮｉ非含有のＬｉ複合酸化物等を含んでいてもよい。
複合酸化物Ａ，Ｂの製造方法の一例について説明する。
複合酸化物Ａ，Ｂの製造方法は、例えば、Ｎｉ水酸化物とＬｉ化合物とを混合し、この混合物を焼成して、Ｌｉ及びＮｉを含む複合酸化物を得る第１工程と、Ｗ化合物を含む溶液とＬｉ及びＮｉを含む複合酸化物とを、Ｗの含有量が所定量となるように混合し、この混合物を加熱して、Ｌｉ、Ｎｉ及びＷを含む複合酸化物を得る第２工程と、を有する。
第１工程のＮｉ水酸化物は、Ｎｉの他に、ＣｏやＡｌ等の他の元素を含む複合水酸化物でもよい。このような複合水酸化物は、例えば、Ｎｉ塩、Ｃｏ塩及びＡｌ塩等の水溶液を撹拌しながら、水酸化ナトリウム等のアルカリ溶液を滴下し、ｐＨをアルカリ側（例えば８．５〜１１．５）に調整することにより、Ｎｉ、Ｃｏ及びＡｌ等を含む複合水酸化物を析出（共沈）させる。Ｎｉ塩等は、特に限定されるものではなく、硫酸塩、塩化物、硝酸塩等が挙げられる。第１工程のＬｉ化合物は、例えば、水酸化リチウム、炭酸リチウム等である。
第１工程における混合物の焼成温度は、例えば、５００℃〜９００℃の範囲であり、焼成時間は、例えば、１時間〜２０時間の範囲である。
複合酸化物Ａを製造する場合、第２工程では、Ｗ化合物を含む溶液とＬｉ及びＮｉを含む複合酸化物とを、複合酸化物に対してＷが５ｍｏｌ％以上となるように混合する。また、複合酸化物Ｂを製造する場合、第２工程では、Ｗ化合物を含む溶液とＬｉ及びＮｉを含む複合酸化物とを、複合酸化物に対してＷが０．５ｍｏｌ％以下となるように混合する。
第２工程のＷ化合物を含む溶液は、Ｗ化合物が溶解し易いように、アルカリ溶液とすることが好ましい。Ｗ化合物は、例えば、酸化タングステン、タングステン酸塩等である。
第２工程における混合物の加熱温度は、例えば１００℃〜３００℃の範囲であり、加熱時間は、例えば、１時間〜２０時間の範囲である。
以下に、正極活物質層に含まれるその他の材料について説明する。
正極活物質層に含まれる導電剤としては、例えば、カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、黒鉛等の炭素粉末等が挙げられる、これらは、１種単独でもよいし、２種以上を組み合わせて用いてもよい。
正極活物質層に含まれる結着剤としては、例えば、フッ素系高分子、ゴム系高分子等が挙げられる。フッ素系高分子としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）、またはこれらの変性体等が挙げられ、ゴム系高分子としては、例えば、エチレン−プロピレン−イソプレン共重合体、エチレン−プロピレン−ブタジエン共重合体等が挙げられる。これらは、１種単独でもよいし、２種以上を組み合わせて使用してもよい。
＜負極＞
負極１２は、例えば金属箔等の負極集電体と、負極集電体上に形成された負極活物質層とを備える。負極集電体には、銅などの負極の電位範囲で安定な金属の箔、当該金属を表層に配置したフィルム等を用いることができる。負極活物質層は、例えば、負極活物質、結着剤、増粘剤等を含む。
負極１２は、例えば、負極活物質、増粘剤、結着剤を含む負極合剤スラリーを負極集電体上に塗布・乾燥することによって、負極集電体上に負極活物質層を形成し、当該負極活物質層を圧延することにより得られる。
負極活物質層に含まれる負極活物質としては、リチウムイオンを吸蔵・放出することが可能な材料であれば特に制限されるものではなく、例えば、炭素材料、リチウムと合金を形成することが可能な金属またはその金属を含む合金や化合物等が挙げられる。炭素材料としては、天然黒鉛、難黒鉛化性炭素、人造黒鉛等のグラファイト類、コークス類等を用いることができる。リチウムと合金形成可能な金属としてはケイ素やスズであることが好ましく、これらが酸素と結合した、酸化ケイ素や酸化スズ等も用いることもできる。また、上記炭素材料とケイ素やスズの化合物とを混合したものを用いることができる。上記の他、チタン酸リチウム等の金属リチウムに対する充放電の電位が、炭素材料等より高いものも用いることができる。
負極活物質層に含まれる結着剤としては、例えば、正極の場合と同様にフッ素系高分子、ゴム系高分子等を用いることもできるが、スチレン−ブタジエン共重合体（ＳＢＲ）又はこの変性体等を用いてもよい。負極活物質層に含まれる結着剤としては、正極の場合と同様にフッ素系樹脂、ＰＡＮ、ポリイミド系樹脂、アクリル系樹脂、ポリオレフィン系樹脂等を用いることができる。水系溶媒を用いて負極合剤スラリーを調製する場合は、スチレン−ブタジエンゴム（ＳＢＲ）、ＣＭＣ又はその塩、ポリアクリル酸（ＰＡＡ）又はその塩（ＰＡＡ−Ｎａ、ＰＡＡ−Ｋ等、また部分中和型の塩であってもよい）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）等を用いることが好ましい。
負極活物質層に含まれる増粘剤としては、例えば、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）、ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）等が挙げられる。これらは、１種単独でもよく、２種以上を組み合わせて用いてもよい。
＜非水電解質＞
非水電解質は、非水溶媒と、非水溶媒に溶解した電解質とを含む。非水電解質は、フッ素含有化合物を含む。ここで、非水電解質に含まれるフッ素含有化合物は、非水溶媒に含まれるフッ素含有化合物でもよいし、電解質に含まれるフッ素含有化合物でもよいし、その両方でもよい。すなわち、非水電解質は、（１）フッ素含有化合物を含む非水溶媒と、フッ素含有化合物を含まない電解質とを含む態様、（２）フッ素含有化合物を含まない非水溶媒と、フッ素含有化合物を含む電解質とを含む態様、（３）フッ素含有化合物を含む非水溶媒と、フッ素含有化合物を含む電解質とを含む態様等がある。
非水溶媒としてのフッ素含有化合物は、例えば、フルオロエチレンカーボネート（ＦＥＣ）、１，２−ジフルオロエチレンカーボネート、１，２，３−トリフルオロプロピレンカーボネート、２，３−ジフルオロ−２，３−ブチレンカーボネート、１，１，１，４，４，４−ヘキサフルオロ−２，３−ブチレンカーボネート等が挙げられ、特に、高温環境下でのフッ化水素の発生量が抑制される点等から、ＦＥＣが好ましい。
非水溶媒は、フッ素含有化合物の他に、例えば、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、メチルプロピルカーボネート、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ビニレンカーボネートなどの有機溶媒を含んでいてもよい。これらは、単独でもよいし或いは２種以上を組み合わせてもよい。
非水溶媒としてのフッ素含有化合物は、非水電解質中に２質量％以上２５質量％以下の範囲で含まれることが好ましい。フッ素含有化合物の含有量が上記範囲内の場合、上記範囲外の場合と比較して、電池の充放電サイクル特性の低下等が抑制される場合がある。
電解質としてのフッ素含有化合物は、例えば、ＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＳｂＦ６、ＬｉＣＦ３ＳＯ３等のリチウム及びフッ素含有化合物が好ましいが、例えば、ＡｇＦ、ＣｏＦ２、ＣｏＦ３、ＣｕＦ、ＣｕＦ２、ＦｅＦ２、ＦｅＦ３、ＭｎＦ２、ＭｎＦ３、ＳｎＦ２、ＳｎＦ４、ＴｉＦ３、ＴｉＦ４、ＺｒＦ４等のＬｉを含まないフッ素含有化合物でもよい。これらは、単独でもよいし或いは２種以上を組み合わせてもよい。
電解質は、フッ素含有化合物の他に、例えば、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＡｌＣｌ４、ＬｉＳＣＮ、ＬｉＢ１０Ｃｌ１０、ＬｉＣｌ、ＬｉＢｒ、ＬｉＩ、Ｌｉ２Ｂ４Ｏ７等のフッ素を含まないリチウム塩等を含んでいてもよい。これらは、単独でもよいし或いは２種以上を組み合わせてもよい。
電解質の濃度は、例えば、非水溶媒１Ｌ当たり０．８〜１．８ｍｏｌとすることが好ましい。
＜セパレータ＞
セパレータ１３は、例えば、イオン透過性及び絶縁性を有する多孔性シート等が用いられる。多孔性シートの具体例としては、微多孔薄膜、織布、不織布等が挙げられる。セパレータ１３の材質としては、ポリエチレン、ポリプロピレン等のオレフィン系樹脂、セルロースなどが好適である。セパレータ１３は、セルロース繊維層及びオレフィン系樹脂等の熱可塑性樹脂繊維層を有する積層体であってもよい。また、ポリエチレン層及びポリプロピレン層を含む多層セパレータであってもよく、セパレータの表面にアラミド系樹脂、セラミック等の材料が塗布されたものを用いてもよい。
以下、実施例により本発明をさらに説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
＜実施例１＞
［複合酸化物Ａの作製］
硫酸ニッケルと、硫酸コバルトと、硫酸アルミニウムとをモル比で８７：９：４となるように水溶液中で混合し、共沈させることにより、Ｎｉ、Ｃｏ及びＡｌ複合水酸化物を得た。この複合水酸化物と水酸化リチウム一水和物とをモル比で１：１．０３となるように混合し、この混合物を７５０℃で１２時間焼成することにより、Ｎｉ、Ｃｏ及びＡｌを含む複合酸化物を得た。
次に、水酸化リチウムと酸化タングステンとをモル比で２：１となるように水溶液中で混合し、Ｗを含む水溶液を調製した。Ｗを含む水溶液とＮｉ、Ｃｏ及びＡｌを含む複合酸化物とを、当該複合酸化物に対しＷが５．５ｍｏｌ％となるように混合し、この混合物を１２０℃で１２時間加熱することにより、Ｌｉ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ａｌ及びＷを含み、Ｗの含有量が５．５ｍｏｌ％である複合酸化物Ａを得た。
［複合酸化物Ｂの作製］
上記Ｗを含む水溶液と上記Ｎｉ、Ｃｏ及びＡｌを含む複合酸化物とを、当該複合酸化物に対しＷが０．３ｍｏｌ％となるように混合し、この混合物を１２０℃で１２時間乾燥することにより、Ｌｉ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ａｌ及びＷを含み、Ｗの含有量が０．３ｍｏｌ％である複合酸化物Ｂを得た。
[正極の作製]
上記複合酸化物ＡとＢの総量に対する上記複合酸化物Ａの質量比率が０．００２％となるように、上記複合酸化物ＡとＢとを混合した。この混合物を実施例１の正極活物質とした。
上記正極活物質と、導電剤としてのアセチレンブラックと、結着剤としてのポリフッ化ニリデンとを、質量比で８０：１０：１０となるように混合した後、Ｎ−メチル−２−ピロリドンを加えて、正極合剤スラリーを調製した。次いで、この正極合剤スラリーを、アルミニウム箔からなる正極集電体の両面に塗布し、これを１１０℃で真空乾燥させることにより、正極集電体の両面に正極活物質層が形成された正極を作製した。
［負極の作製］
負極活物質としての黒鉛、増粘剤としてのカルボキシメチルセルロースのナトリウム塩、結着剤としてのスチレン−ブタジエン共重合体を、質量比で９８：１：１となるように混合し、この混合物を水と共に混練して、負極合剤スラリーを調製した。次に、負極合剤スラリーを、銅箔からなる負極集電体の両面に塗布し、１１０℃で真空乾燥させ後圧延し、負極集電体の両面に負極活物質層が形成された負極を作製した。
[非水電解液の調製]
エチレンカーボネートと、ジエチルカーボネートとを、体積比で１：１となるように混合し、この混合溶媒に対して、フルオロエチレンカーボネートを２質量％添加することにより非水溶媒を調製した。当該非水溶媒に、６フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ６）を１モル／リットルの濃度で溶解させることにより非水電解液を調製した。
[電池の作製]
正極、負極、正極と負極との間に配置したセパレータとを渦巻き状に巻回して、渦巻状の電極体を作製した。そして、正極集電体の一部にアルミニウム製の正極リードを溶接し、負極集電体の一部にニッケル製の負極リードを溶接した。この電極体を、直径１８ｍｍ、高さ６５ｍｍの有底円筒状のケース本体に収容し、負極リードをケース本体に溶接すると共に、正極リードを封口体に溶接した。そして、ケース本体の開口部から、上記非水電解液を５．２ｍＬ注入し、封口体でケース本体の開口部を封口して、非水電解質二次電池を作製した。
＜実施例２＞
上記複合酸化物ＡとＢの総量に対する上記複合酸化物Ａの質量比率が０．０２％となるように、上記複合酸化物ＡとＢとを混合した。この混合物を実施例２の正極活物質としたこと以外、実施例１と同様に非水電解質二次電池を作製した。
＜実施例３＞
上記複合酸化物ＡとＢの総量に対する上記複合酸化物Ａの質量比率が０．０４％となるように、上記複合酸化物ＡとＢとを混合した。この混合物を実施例３の正極活物質としたこと以外、実施例１と同様に非水電解質二次電池を作製した。
＜実施例４＞
上記複合酸化物ＡとＢの総量に対する上記複合酸化物Ａの質量比率が０．０６％となるように、上記複合酸化物ＡとＢとを混合した。この混合物を実施例４の正極活物質としたこと以外、実施例１と同様に非水電解質二次電池を作製した。
＜実施例５＞
上記複合酸化物ＡとＢの総量に対する上記複合酸化物Ａの質量比率が０．０８％となるように、上記複合酸化物ＡとＢとを混合した。この混合物を実施例５の正極活物質としたこと以外、実施例１と同様に非水電解質二次電池を作製した。
＜実施例６＞
上記複合酸化物ＡとＢの総量に対する上記複合酸化物Ａの質量比率が０．１％となるように、上記複合酸化物ＡとＢとを混合した。この混合物を実施例６の正極活物質としたこと以外、実施例１と同様に非水電解質二次電池を作製した。
＜比較例１＞
上記複合酸化物Ａを用いず、上記複合酸化物Ｂを比較例１の正極活物質としたこと以外は、実施例１と同様に非水電解質二次電池を作製した。
＜比較例２＞
上記複合酸化物ＡとＢの総量に対する上記複合酸化物Ａの質量比率が０．００１％となるように、上記複合酸化物ＡとＢとを混合した。この混合物を比較例２の正極活物質としたこと以外、実施例１と同様に非水電解質二次電池を作製した。
＜比較例３＞
上記複合酸化物ＡとＢの総量に対する上記複合酸化物Ａの質量比率が１．０％となるように、上記複合酸化物ＡとＢとを混合した。この混合物を比較例３の正極活物質としたこと以外、実施例１と同様に非水電解質二次電池を作製した。
＜比較例４＞
上記複合酸化物Ｂを用いず、上記複合酸化物Ａを比較例４の正極活物質としたこと以外は、実施例１と同様に非水電解質二次電池を作製した。
[初期放電容量の測定]
環境温度２５℃の下、各実施例及び各比較例の電池を、最大電流値０．３Ｉｔで電池電圧が４．２Ｖになるまで定電流充電した後、電流値が０．０５Ｉｔになるまで、４．２Ｖで定電圧充電した。その後、放電終止電圧を２．５Ｖに設定して、０．２Ｉｔの定電流で放電した。この時の放電容量を初期放電容量とした。
[高温保存試験]
上記充放電後の各実施例及び各比較例の電池に対して、環境温度２５℃の下、最大電流値０．３Ｉｔで電池電圧が４．２Ｖになるまで定電流充電した。その後、環境温度５５℃で、各電池を６０日間保存した。そして、保存後の各電池を、放電終止電圧を２．５Ｖに設定して、０．２Ｉｔの定電流で放電した。この時の放電容量を高温保存後の放電容量とした。そして、以下の式により、各実施例及び各比較例の電池の容量維持率を求めた。この値が高いほど、電池の高温保存における容量低下が抑制されていることを示している。
容量維持率＝（高温保存後の放電容量／初期放電容量）×１００
表１に、各実施例及び各比較例における高温保存後の容量維持率を示す。
Figure 2019176389
実施例１〜６の電池はいずれも、比較例１〜４の電池と比べて、高温保存後の容量維持率は低い値を示した。このことから、正極活物質を含む正極と、負極と、フッ素含有化合物を含む非水電解質と、を備える非水電解質二次電池において、Ｌｉ、Ｎｉ及びＷを含み、Ｗの含有量が５ｍｏｌ％以上である複合酸化物Ａと、Ｌｉ、Ｎｉ及び任意要素のＷを含み、Ｗの含有量が０．５ｍｏｌ％以下である複合酸化物Ｂと、を有し、前記複合酸化物Ａと前記複合酸化物Ｂの総量に対する前記複合酸化物Ａの質量比率が、０．００２％以上０．１％以下である正極活物質を用いることで、電池の高温保存における容量低下が抑制されることがわかる。
１０ 非水電解質二次電池、１１ 正極、１２ 負極、１３ セパレータ、１４ 電極体、１５ 電池ケース、１６ ケース本体、１７ 封口体、１８，１９ 絶縁板、２０ 正極リード、２１ 負極リード、２２ 張り出し部、２３ フィルタ、２４ 下弁体、２５ 絶縁部材、２６ 上弁体、２７ キャップ、２８ ガスケット。
本開示の一態様である非水電解質二次電池によれば、電池の高温保存時に発生するフッ化水素が、５ｍｏｌ％以上のＷを含む複合酸化物Ａによって効率的にトラップされると推察される。ここで、複合酸化物Ａ中の遷移金属は、トラップしたフッ化水素により溶出する。したがって、複合酸化物Ａの含有量が増えれば増えるほど、遷移金属の溶出量も増えるため、電池の高温保存時における容量は低下する傾向にある。しかし、本開示の一態様である非水電解質二次電池のように、５ｍｏｌ％以上のＷを含む複合酸化物Ａと０．５ｍｏｌ％以下のＷを含む複合酸化物Ｂとの総量に対する複合酸化物Ａの質量比率を０．００２％以上０．１％以下とすることで、比率の非常に小さい複合酸化物Ａにより効率的にフッ化水素をトラップさせて、その複合酸化物Ａから主に遷移金属を溶出させ、比率の大きい複合酸化物Ｂからの遷移金属の溶出を抑えることができるため、結果として遷移金属の全溶出量を抑えることが可能となる。その結果、電池の高温保存による電池容量の低下が抑制されると考えられる。なお、５ｍｏｌ％以上のＷを含む複合酸化物Ａの比率が増えれば増えるほど、電池の初期容量は低下する傾向にあるが、本開示の一態様である非水電解質二次電池は、５ｍｏｌ％以上のＷを含む複合酸化物Ａの比率は非常に少ないため、電池の初期容量の低下を抑制することも可能である。
負極活物質層に含まれる結着剤としては、例えば、正極の場合と同様にフッ素系高分子、ゴム系高分子等を用いることもできるが、スチレン−ブタジエン共重合体（ＳＢＲ）又はこの変性体等を用いてもよい。負極活物質層に含まれる結着剤としては、フッ素系樹脂、ＰＡＮ、ポリイミド系樹脂、アクリル系樹脂、ポリオレフィン系樹脂等を用いることができる。水系溶媒を用いて負極合剤スラリーを調製する場合は、スチレン−ブタジエンゴム（ＳＢＲ）、ＣＭＣ又はその塩、ポリアクリル酸（ＰＡＡ）又はその塩（ＰＡＡ−Ｎａ、ＰＡＡ−Ｋ等、また部分中和型の塩であってもよい）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）等を用いることが好ましい。
上記正極活物質と、導電剤としてのアセチレンブラックと、結着剤としてのポリフッ化ビニリデンとを、質量比で８０：１０：１０となるように混合した後、Ｎ−メチル−２−ピロリドンを加えて、正極合剤スラリーを調製した。次いで、この正極合剤スラリーを、アルミニウム箔からなる正極集電体の両面に塗布し、これを１１０℃で真空乾燥させることにより、正極集電体の両面に正極活物質層が形成された正極を作製した。
実施例１〜６の電池はいずれも、比較例１〜４の電池と比べて、高温保存後の容量維持率は高い値を示した。このことから、正極活物質を含む正極と、負極と、フッ素含有化合物を含む非水電解質と、を備える非水電解質二次電池において、Ｌｉ、Ｎｉ及びＷを含み、Ｗの含有量が５ｍｏｌ％以上である複合酸化物Ａと、Ｌｉ、Ｎｉ及び任意要素のＷを含み、Ｗの含有量が０．５ｍｏｌ％以下である複合酸化物Ｂと、を有し、前記複合酸化物Ａと前記複合酸化物Ｂの総量に対する前記複合酸化物Ａの質量比率が、０．００２％以上０．１％以下である正極活物質を用いることで、電池の高温保存における容量低下が抑制されることがわかる。

Claims (4)

  1. 正極活物質を含む正極と、負極と、フッ素含有化合物を含む非水電解質と、を備え、
    前記正極活物質は、Ｌｉ、Ｎｉ及びＷを含む複合酸化物Ａと、Ｌｉ、Ｎｉ及び任意要素のＷを含む複合酸化物Ｂと、を有し、
    前記複合酸化物Ａ中のＷの含有量は、５ｍｏｌ％以上であり、
    前記複合酸化物Ｂ中のＷの含有量は、０．５ｍｏｌ％以下であり、
    前記複合酸化物Ａと前記複合酸化物Ｂの総量に対する前記複合酸化物Ａの質量比率は、０．００２％以上０．１％以下である、非水電解質二次電池。
  2. 前記非水電解質中の前記フッ素含有化合物の含有量は、２質量％以上２５質量％以下である、請求項１に記載の非水電解質二次電池。
  3. 前記複合酸化物Ａは、一般式ＬｉｘＮｉ１−ｙーｚＷｙＭｚＯ２−γ（式中、Ｍは、Ｎｉ、Ｗ以外の遷移金属元素、２族元素、及び１３族元素から選ばれる少なくとも１種の元素であり、０．８５≦ｘ≦１．０５、０．０５≦ｙ≦０．２、０．０１≦ｚ≦０．５、−０．２≦γ≦０．２）で表される、請求項１又は２に記載の非水電解質二次電池。
  4. 前記複合酸化物Ｂは、一般式ＬｉｘＮｉ１−ｙーｚＷｙＭｚＯ２−γ（式中、Ｍは、Ｎｉ、Ｗ以外の遷移金属元素、２族元素、及び１３族元素から選ばれる少なくとも１種の元素であり、０．８５≦ｘ≦１．０５、０．００２≦ｙ≦０．０５、０．０１≦ｚ≦０．５、−０．２≦γ≦０．２）で表される、請求項１〜３のいずれか１項に記載の非水電解質二次電池。

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