JP6443441B2 - 非水電解質二次電池用正極活物質及び非水電解質二次電池用正極 - Google Patents

非水電解質二次電池用正極活物質及び非水電解質二次電池用正極 Download PDF

Info

Publication number
JP6443441B2
JP6443441B2 JP2016507343A JP2016507343A JP6443441B2 JP 6443441 B2 JP6443441 B2 JP 6443441B2 JP 2016507343 A JP2016507343 A JP 2016507343A JP 2016507343 A JP2016507343 A JP 2016507343A JP 6443441 B2 JP6443441 B2 JP 6443441B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
positive electrode
lithium
active material
electrode active
electrolyte secondary
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.)
Active
Application number
JP2016507343A
Other languages
English (en)
Other versions
JPWO2015136892A1 (ja
Inventor
佐藤 大樹
大樹 佐藤
毅 小笠原
毅 小笠原
泰三 砂野
泰三 砂野
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sanyo Electric Co Ltd
Original Assignee
Sanyo Electric Co Ltd
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sanyo Electric Co Ltd filed Critical Sanyo Electric Co Ltd
Publication of JPWO2015136892A1 publication Critical patent/JPWO2015136892A1/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP6443441B2 publication Critical patent/JP6443441B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/48Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides
    • H01M4/52Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of nickel, cobalt or iron
    • H01M4/525Selection 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
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01FCOMPOUNDS OF THE METALS BERYLLIUM, MAGNESIUM, ALUMINIUM, CALCIUM, STRONTIUM, BARIUM, RADIUM, THORIUM, OR OF THE RARE-EARTH METALS
    • C01F17/00Compounds of rare earth metals
    • C01F17/20Compounds containing only rare earth metals as the metal element
    • C01F17/206Compounds containing only rare earth metals as the metal element oxide or hydroxide being the only anion
    • C01F17/224Oxides or hydroxides of lanthanides
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01GCOMPOUNDS CONTAINING METALS NOT COVERED BY SUBCLASSES C01D OR C01F
    • C01G51/00Compounds of cobalt
    • C01G51/40Complex oxides containing cobalt and at least one other metal element
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01GCOMPOUNDS CONTAINING METALS NOT COVERED BY SUBCLASSES C01D OR C01F
    • C01G51/00Compounds of cobalt
    • C01G51/40Complex oxides containing cobalt and at least one other metal element
    • C01G51/42Complex oxides containing cobalt and at least one other metal element containing alkali metals, e.g. LiCoO2
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052Li-accumulators
    • H01M10/0525Rocking-chair batteries, i.e. batteries with lithium insertion or intercalation in both electrodes; Lithium-ion batteries
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/13Electrodes for accumulators with non-aqueous electrolyte, e.g. for lithium-accumulators; Processes of manufacture thereof
    • H01M4/131Electrodes based on mixed oxides or hydroxides, or on mixtures of oxides or hydroxides, e.g. LiCoOx
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/362Composites
    • H01M4/366Composites as layered products
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/38Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of elements or alloys
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/62Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/62Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
    • H01M4/621Binders
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/62Selection of inactive substances as ingredients for active masses, e.g. binders, fillers
    • H01M4/624Electric conductive fillers
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01PINDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2004/00Particle morphology
    • C01P2004/51Particles with a specific particle size distribution
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01PINDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2004/00Particle morphology
    • C01P2004/60Particles characterised by their size
    • C01P2004/61Micrometer sized, i.e. from 1-100 micrometer
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01PINDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2004/00Particle morphology
    • C01P2004/60Particles characterised by their size
    • C01P2004/64Nanometer sized, i.e. from 1-100 nanometer
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01PINDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2004/00Particle morphology
    • C01P2004/80Particles consisting of a mixture of two or more inorganic phases
    • C01P2004/82Particles consisting of a mixture of two or more inorganic phases two phases having the same anion, e.g. both oxidic phases
    • C01P2004/84Particles consisting of a mixture of two or more inorganic phases two phases having the same anion, e.g. both oxidic phases one phase coated with the other
    • C01P2004/86Thin layer coatings, i.e. the coating thickness being less than 0.1 time the particle radius
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01PINDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2006/00Physical properties of inorganic compounds
    • C01P2006/40Electric properties
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052Li-accumulators
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M2004/026Electrodes composed of, or comprising, active material characterised by the polarity
    • H01M2004/028Positive electrodes
    • YGENERAL 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
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Geology (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)

Description

本発明は、非水電解質二次電池用正極活物質及び非水電解質二次電池用正極に関する。
リチウムイオン電池の高エネルギー密度化、高出力化に向け、活物質の容量を高くする方策や、単位体積あたりの活物質の充填量を増やすといった方策の他、電池の充電電圧を高くするという方策がある。しかしながら、電池の充電電圧を高くした場合、電解液が分解されやすくなるという問題があり、特に、高温で保存したり、高温で充放電サイクルと繰り返すと、放電容量が低下するといった問題を生じる。
このようなことを考慮して、正極活物質表面を改質する提案がなされている。例えば、特許文献1では表面がAlFやZnFなどでコーティングされたリチウム二次電池用正極活物質が提案されている。
また、特許文献2では、正極活物質粒子の表面をランタノイド酸化物で被覆し、活物質の化学的安定性を向上させることが提案されている。
特表2008−536285号公報 特開2009−4316号公報
しかしながら、上記特許文献1、2で開示された技術では、粒子径の小さい正極活物質を用いた場合に、電池の特性を十分に向上させることできないという課題があった。
上記課題を解決すべく、本発明に係る非水電解質二次電池用正極活物質は、リチウム含有遷移金属酸化物を備える非水電解質二次電池用正極活物質であって、 前記リチウム含有遷移金属酸化物の表面には、ジルコニウム、チタン、アルミニウム、マグネシウム及び希土類元素から選ばれる少なくとも一種の元素と、フッ素とが付着しており、前記リチウム含有遷移金属酸化物はコバルトを含み、前記リチウム含有遷移金属酸化物の平均粒径は10μm以下である、ことを特徴とする。
本発明に係る非水電解質二次電池用正極は、前記非水電解質二次電池用正極活物質と、導電剤と、結着剤とを含む。
本発明の非水電解質二次電池用正極活物質及び正極は、充電状態で高温下に晒されても、正極活物質からのコバルトの溶出が抑制される。
本発明の実施形態の一例であるコバルト酸リチウムの表面状態を示す説明図である。 実験1〜8の結果を示すグラフである。
以下、本発明の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。具体的な寸法比率等は、以下の説明を参酌して判断されるべきである。
本発明の実施形態の一例である非水電解質二次電池は、正極活物質を含む正極と、負極活物質を含む負極と、非水溶媒を含む非水電解質と、セパレータと、を備える。非水電解質二次電池の一例としては、正極及び負極がセパレータを介して巻回されてなる電極体と非水電解質とが外装体に収容された構造が挙げられる。
〔正極〕
正極は、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ことが好適である。正極集電体には、例えば、導電性を有する薄膜体、特にアルミニウムなどの正極の電位範囲で安定な金属箔や合金箔、アルミニウムなどの金属表層を有するフィルムが用いられる。正極活物質層は、正極活物質 の他に、導電材及び結着剤を含むことが好ましい。
図1に示すように、正極活物質20は、リチウム・コバルト含有遷移金属酸化物粒子21と、リチウム・コバルト含有遷移金属酸化物粒子21の表面の一部に付着した、ジルコニウム、チタン、アルミニウム、マグネシウム及び希土類元素から選ばれる少なくとも一種の元素を含む材料22(以下、材料22と記載することがある)と、フッ素を含む材料23(以下、材料23と記載することがある)とを備える。
リチウム・コバルト含有遷移金属酸化物粒子21の平均粒径は、10μm以下であることが好ましく、さらに好ましくは、7μm以下である。平均粒径が10μm以下であるリチウム・コバルト含有遷移金属酸化物粒子21の表面にジルコニウム、チタン、アルミニウム、マグネシウム及び希土類元素から選ばれる少なくとも一種の元素を含む材料22とフッ素を含む材料23とを付着させることで、充電状態において電解液中にコバルトが溶出するのを大きく抑制することができる。
リチウム・コバルト含有遷移金属酸化物粒子21の平均粒径は、2μm以上であることが好ましく、さらに好ましくは4μm以上である。平均粒径が2μm未満になるとリチウム・コバルト含有遷移金属酸化物粒子21の総表面積が大きくなり、リチウム・コバルト含有遷移金属酸化物粒子21の総表面積に対する、上記付着物による被覆率が低下する傾向がある。
リチウム・コバルト含有遷移金属酸化物粒子21の平均粒径は、レーザー回折散乱法で測定される粒度分布において体積積算値が50%となる粒径(体積平均粒径;Dv50)を意味する。Dv50は、例えばHORIBA製「LA-750」を用いて測定できる。
リチウム・コバルト含有遷移金属酸化物としては、リチウム・コバルト含有遷移金属酸化物中の遷移金属総量に対しコバルトを80モル%以上含むものが好ましい。例としては、コバルト酸リチウム、Ni−Co−Mn、Ni−Co−Al等のリチウム含有遷移金属酸化物が挙げられる。このうち、コバルト酸リチウムが好適である。リチウム・コバルト含有遷移金属酸化物は、Al、Mg、Ti、Zr等の物質を固溶していたり、粒界に含んでいたりしても良い。
材料22は、平均粒径が100nm以下の粒子であることが好ましい。さらに好ましくは、50nm以下の粒子である。平均粒径が100nmを超えると、リチウム・コバルト含有遷移金属酸化物粒子21に同量の材料22を付着させても、付着部位が一部に偏ってしまうため、上述の効果が十分に発揮されないことがある。材料22の平均粒径の下限は0.1nm以上であることが好ましく、特に1nm以上であることが好ましい。平均粒径が0.1nm未満となると、材料22が正極活物質表面を過剰に覆うことになる。
材料22は、ジルコニウム、チタン、アルミニウム、マグネシウム及び希土類元素から選ばれる少なくとも一種の元素を含む水酸化物、オキシ水酸化物及び炭酸化合物から選ばれる少なくとも一種であることが好ましい。また、材料22は、フッ素を含むことがあっても良い。
材料22の付着量は、リチウム含有遷移金属酸化物の総質量に対してジルコニウム、チタン、アルミニウム、マグネシウム及び希土類元素換算で、0.005質量%以上0.5質量%以下が好ましく、0.05質量%以上0.3質量%以下であることがより好ましい。これは、0.05質量%未満であるとコバルト溶出抑制効果が十分に発揮されず、0.5質量%を超えると表面の付着物が多すぎて抵抗が増加しすぎ、放電性が低下することがあるためである。
材料23は、平均粒子径が500nm以下であることが好ましい。さらに好ましくは300nm以下である。これは、大きすぎると電子伝導性の低いフッ素化合物で覆われすぎて放電性能が低下するおそれがあるためである。材料23の平均粒子径の下限は50nm以上であることが好ましく、特に100nm以上であることが好ましい。100nm未満となると、フッ素元素を含む材料23と材料22の金属元素によるコバルト溶出抑制効果が十分に発揮されないことがある。
材料23は、フッ素元素のみから構成されていてもよいが、アルカリ金属とフッ素とを含む化合物であることが好ましく、フッ化リチウム、フッ化ナトリウム、フッ化カリウムから選ばれる少なくとも一種であることがより好ましい。。材料23は、ジルコニウム、チタン、アルミニウム、マグネシウム及び希土類元素の何れかを含むことがあっても良い。
材料23の平均粒径は、材料22の平均粒径よりも、大きいことが好ましい。
材料23の付着量は、リチウム含有遷移金属酸化物の総質量に対してフッ素元素換算で、0.005質量%以上、1.0質量%以下が好ましく、特に0.01質量%以上、0.5質量%以下であることがより好ましい。
リチウム・コバルト含有遷移金属酸化物粒子21に付着する材料22及び材料23に含まれる、ジルコニウム、チタン、アルミニウム、マグネシウム及び希土類元素から選ばれる少なくとも一種の元素の総量と、フッ素元素の総量は、モル比で1:2〜1:4であることが好ましい。上記範囲にあると、材料22の金属元素と材料23のフッ素元素との相互作用が発揮されやすくなり、格子欠陥からのコバルト溶出が抑制できる。
上述した、ジルコニウム、チタン、アルミニウム、マグネシウム及び希土類元素から選ばれる少なくとも一種の元素を含む材料22及びフッ素を含む材料23の大きさは、走査型電子顕微鏡(SEM)にて観察したときの値である。
上記希土類元素としては、スカンジウム、イットリウム、ランタン、セリウム、プラセオジム、ネオジム、サマリウム、ユウロピウム、ガドリニウム、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウム、イッテルビウム、ルテチウムから選択される少なくとも一種を用いることができる。特に、ネオジム、サマリウム、エルビウム、ランタンを用いることが好ましい。
リチウム・コバルト含有遷移金属酸化物粒子21の表面に、ジルコニウム、チタン、アルミニウム、マグネシウム及び希土類元素から選ばれる少なくとも一種の元素とフッ素を付着する方法としては、例えば、正極活物質に希土類元素、ジルコニウム、マグネシウム、チタンやアルミニウムを含む水酸化物、オキシ水酸化物または炭酸化合物を付着させたのち、フッ素を含む水溶液を噴霧する方法によって得ることができる。フッ素を含む水溶液の溶質としては、例えば、NHF、NaF、KF等を好適に用いることが出来る。
正極活物質20は、1種単独で用いてもよいし、複数種を混合して用いてもよい。正極活物質20は、Coを含まない正極活物質と共に混合して用いることもできる。正極活物質の総量に対する正極活物質20の割合は、20質量%以上100質量%以下であることが好ましい。正極活物質20の割合が20質量%以上であれば、上述した電解液中へのコバルト溶出抑制効果が、十分に発現すると考えられる。
〔負極〕
負極は、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ことが好適である。負極集電体には、例えば、導電性を有する薄膜体、特に銅などの負極の電位範囲で安定な金属箔や合金箔、銅などの金属表層を有するフィルムが用いられる。負極合剤層は、負極活物質の他に、結着剤を含むことが好適である。結着剤としては、正極の場合と同様にポリテトラフルオロエチレン等を用いることもできるが、スチレン−ブタジエンゴム(SBR)やポリイミド等を用いることが好ましい。結着剤は、カルボキシメチルセルロース等の増粘剤と併用されてもよい。
負極活物質としてはリチウムを吸蔵放出可能な炭素材料、あるいはリチウムと合金を形成可能な金属またはその金属を含む合金化合物が挙げられる。炭素材料としては、天然黒鉛や難黒鉛化性炭素、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、合金化合物としては、リチウムと合金可能な金属を少なくとも1種類含むものが挙げられる。特に、リチウムと合金形成可能な元素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、エネルギー密度は低下するものの、負極材料としては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。
〔非水電解質〕
非水電解質の電解質塩としては、例えばLiClO、LiBF、LiPF、LiAlCl、LiSbF、LiSCN、LiCFSO、LiCFCO、LiAsF、LiB10Cl10、低級脂肪族カルボン酸リチウム、LiCl、LiBr、LiI、クロロボランリチウム、ホウ酸塩類、イミド塩類などを用いることができる。この中でも、イオン伝導性と電気化学的安定性の観点から、LiPFを用いることが好ましい。電解質塩は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。これら電解質塩は、非水電解質1Lに対し0.8〜1.5molの割合で含まれていることが好ましい。
非水電解質の溶媒としては、例えば、環状炭酸エステル、鎖状炭酸エステル、環状カルボン酸エステルなどが用いられる。環状炭酸エステルとしては、プロピレンカーボネート(PC)、エチレンカーボネート(EC)、フルオロエチレンカーボネート(FEC)、などが挙げられる。鎖状炭酸エステルとしては、ジエチルカーボネート(DEC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、ジメチルカーボネート(DMC)などが挙げられる。環状カルボン酸エステルとしては、γ−ブチロラクトン(GBL)、γ−バレロラクトン(GVL)などが挙げられる。鎖状カルボン酸エステルとしては、メチルプロピオネート(MP)フルオロメチルプロピオネート(FMP)が挙げられる。非水溶媒は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
〔セパレータ〕
セパレータには、イオン透過性及び絶縁性を有する多孔性シートが用いられる。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。セパレータの材質としては、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィンが好適である。
<実施例>
(実験1)
[正極の作成]
コバルト酸リチウム(平均粒径:7μm)に対して、MgとAlを各1.5モル%固溶したコバルト酸リチウム粒子500gを用意した。このコバルト酸リチウム粒子を1.5リットルの純水中に投入し、これを攪拌しながら、100mlの純水に硝酸エルビウム五水和物(Er(NO・5HO)1.13gを溶解させた水溶液を添加した。このとき、この溶液のpHが9になるように(pHが9を維持するように)10質量%の水酸化ナトリウム水溶液を適宜加えて、コバルト酸リチウム粒子の表面に水酸化エルビウムを付着させた。そして、これを吸引ろ過して処理物を濾取し、この処理物を120℃で乾燥させて、水酸化エルビウムが表面に分散かつ付着されたコバルト酸リチウム粒子を得た。
次に、得られた正極活物質を攪拌しながら、25gの純水に0.28gのフッ化アンモニウム(NHF)を溶解させた水溶液を噴霧した。その後、400℃で6時間空気中で熱処理した。
得られた正極活物質について、走査型電子顕微鏡(SEM)にて観察したところ、コバルト酸リチウムの表面の一部に、エルビウムを含む粒子と、フッ素を含む化合物(フッ化リチウム)が付着していることが認められた。エルビウムを含む粒子の平均粒径は100nm以下であった。フッ素を含む化合物の大きさは、200nm以下であった。エルビウムの付着量をICPにより測定したところ、コバルト酸リチウムに対して0.085質量%であった。イオンクロマトグラフィーによりフッ素の量を測定したところ、コバルト酸リチウムに対し0.029質量%であり、エルビウムとFのモル比は1:3であった。
得られた正極活物質と、アセチレンブラック粉末と、ポリフッ化ビニリデンとを、質量比で95:2.5:2.5の割合になるように、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)溶液中で混練し正極合剤スラリーを調製した。次に、この正極合剤スラリーを、アルミニウム箔から成る正極集電体の両面に均一に塗布、乾燥した後、圧延ローラにより圧延することにより、正極集電体の両面に正極合剤層が形成された正極を作製した。尚、この正極における活物質の充填密度は、3.2g/cmであった。
[負極の作製]
負極活物質の人造黒鉛と、カルボキシメチルセルロースナトリウムと、スチレン−ブタジエンゴムとを98:1:1の質量比で水溶液中において混合し、負極合剤スラリーを調製した。次に、この負極合剤スラリーを銅箔から成る負極集電体の両面に均一に塗布し、乾燥させ、圧延ローラにより圧延することにより、負極集電体の両面に負極合剤層が形成された負極を得た。尚、この負極における活物質の充填密度は1.65g/cmであっ
た。
〔非水電解質の調製〕
エチレンカーボネート(EC)とメチルエチルカーボネート(MEC)とジエチルカーボネート(DEC)とを、3:5:2の体積比で混合した混合溶媒に対し、六フッ化リン酸リチウム(LiPF)を1.0モル/リットルの濃度になるように溶解させて、非水電解質(非水電解液)を調製した。
〔電池の作製〕
上記正負極それぞれにリード端子を取り付け、これら両極間にセパレータを配置して渦巻き状に巻回した後、巻き芯を引き抜いて渦巻状の電極体を作製し、更にこの電極体を押し潰して、扁平型の電極体を得た。次に、この扁平型の電極体と上記非水電解液とを、アルミニウムラミネート製の外装体内に挿入し、封止して電池A1を作製した。電池A1の設計容量(4.40Vまで充電し、2.75Vまで放電したときの放電容量)は750mAhである。
(実験2)
正極活物質として、コバルト酸リチウム(平均粒径:10μm)を用いたこと以外は、上記実験1と同様にして電池A2を作製した。
(実験3)
正極活物質として、コバルト酸リチウム(平均粒径:16μm)を用いたこと以外は、上記実験1と同様にして電池B1を作製した。
(実験4)
正極活物質として、コバルト酸リチウム(平均粒径:23μm)を用いたこと以外は、上記実験1と同様にして電池B2を作製した。
(実験5)
正極活物質として、コバルト酸リチウム(平均粒径:28μm)を用いたこと以外は、上記実験1と同様にして電池B3を作製した。
(実験6)
正極活物質として、水酸化エルビウムが表面に分散かつ付着されたコバルト酸リチウム粒子(即ち、水酸化エルビウムが表面に分散かつ付着されているが、フッ素が付着されていないコバルト酸リチウム粒子)を用いたこと以外は、上記実験1と同様にして電池C1を作製した。
(実験7)
正極活物質として、コバルト酸リチウム(平均粒径:10μm)を用いたこと以外は、上記実験6と同様にして電池C2を作製した。
(実験8)
正極活物質として、コバルト酸リチウム(平均粒径:16μm)を用いたこと以外は、上記実験6と同様にして電池D1を作製した。
(実験9)
正極活物質として、コバルト酸リチウム(平均粒径:23μm)を用いたこと以外は、上記実験6と同様にして電池D2を作製した。
(実験10)
正極活物質として、コバルト酸リチウム(平均粒径:28μm)を用いたこと以外は、上記実験6と同様にして電池D3を作製した。
(実験例11)
硝酸エルビウム五水和物に代えて、硝酸サマリウム六水和物(Sm(NO・6HO)1.14gを用いたこと以外は、上記実験2と同様にして、電池E1を作製した。サマリウム、フッ素の付着量はそれぞれ0.085質量%、0.029質量%であり、サマリウムとフッ素のモル比は1:3であった。
(実験例12)
硝酸エルビウム五水和物に代えて、硝酸ネオジム六水和物(Nd(NO)・6HO)1.12gを用いたこと以外は、上記実験2と同様にして、電池F1を作製した。ネオジム、フッ素の付着量はそれぞれ0.074質量%、0.029質量%であり、ネオジムとフッ素のモル比は1:3であった。
(実験例13)
硝酸エルビウム五水和物に代えて、硝酸ランタン六水和物(La(NO)・6HO)1.11gを用いたこと以外は、上記実験2と同様にして、電池G1を作製した。ランタン、フッ素の付着量はそれぞれ0.071質量%、0.029質量%であり、ランタンとフッ素のモル比は1:3であった。
(実験例14)
硝酸エルビウム五水和物に代えて、硝酸ジルコニウム五水和物(Zr(NO・5HO)1.10gを用いたこと以外は、上記実験2と同様にして、電池H1を作製した。ジルコニウム、フッ素の付着量はそれぞれ0.046質量%、0.039質量%であり、ジルコニウムとフッ素のモル比は1:3であった。
(実験例15)
硝酸エルビウム五水和物に代えて、硝酸マグネシウム六水和物(Mg(NO・6HO)0.65gを用いたこと以外は、上記実験2と同様にして、電池I1を作製した。マグネシウム、フッ素の付着量はそれぞれ0.012質量%、0.019質量%であり、マグネシウムとフッ素のモル比は1:3であった。
(実験例16)
硝酸エルビウム五水和物に代えて、硝酸アルミニウム九水和物(Al(NO・9HO)0.96gを用いたこと以外は、上記実験2と同様にして、電池J1を作製した。アルミニウム、フッ素の付着量はそれぞれ0.014質量%、0.029質量%であり、アルミニウムとフッ素のモル比は1:3であった。
(実験例17)
正極活物質として、水酸化サマリウムが表面に分散かつ付着されたコバルト酸リチウム粒子(即ち、水酸化サマリウムが表面に分散かつ付着されているが、フッ素が付着されていないコバルト酸リチウム粒子)を用いたこと以外は、上記実験11と同様にして電池K1を作製した。
(実験例18)
正極活物質として、水酸化ネオジムが表面に分散かつ付着されたコバルト酸リチウム粒子(即ち、水酸化ネオジムが表面に分散かつ付着されているが、フッ素が付着されていないコバルト酸リチウム粒子)を用いたこと以外は、上記実験12と同様にして電池L1を作製した。
(実験例19)
正極活物質として、水酸化ランタンが表面に分散かつ付着されたコバルト酸リチウム粒子(即ち、水酸化ランタンが表面に分散かつ付着されているが、フッ素が付着されていないコバルト酸リチウム粒子)を用いたこと以外は、上記実験13と同様にして電池M1を作製した。
(実験例20)
正極活物質として、水酸化ジルコニウムが表面に分散かつ付着されたコバルト酸リチウム粒子(即ち、水酸化ジルコニウムが表面に分散かつ付着されているが、フッ素が付着されていないコバルト酸リチウム粒子)を用いたこと以外は、上記実験14と同様にして電池N1を作製した。
(実験例21)
正極活物質として、水酸化マグネシウムが表面に分散かつ付着されたコバルト酸リチウム粒子(即ち、水酸化マグネシウムが表面に分散かつ付着されているが、フッ素が付着されていないコバルト酸リチウム粒子)を用いたこと以外は、上記実験15と同様にして電池O1を作製した。
(実験例22)
正極活物質として、水酸化アルミニウムが表面に分散かつ付着されたコバルト酸リチウム粒子(即ち、水酸化アルミニウムが表面に分散かつ付着されているが、フッ素が付着されていないコバルト酸リチウム粒子)を用いたこと以外は、上記実験16と同様にして電池P1を作製した。
[実験1]
上記の各電池について、下記条件にて60℃65時間連続充電後のコバルトの溶出量抑制率を調べたので、各電池の結果を表1に示す。また、電池A1〜A2、B1〜B3、C1〜C2及びD1〜D3の結果を図2に示す。
〔充電条件〕
60℃の環境下で1.0It(750mA)の電流で電池電圧が4.40Vとなるまで定電流充電を行い、更に、4.40Vの電圧で定電圧充電を行った。充電は、定電流充電と定電圧充電を合わせて65時間行った。
〔コバルト溶出量の測定〕
充電後の上記各電池を解体し、取り出した負極板から縦2cm、横2cmの負極片を切り出した。負極片を株式会社島津製作所製のEDX−7000に搬入し、蛍光X線分析を行いコバルト元素の定量を行った。
また、平均粒径が7μm、10μm、16μm、23μm及び28μmのコバルト酸リチウム(希土類元素やフッ素が付着していないコバルト酸リチウム)を正極活物質としてそれぞれ用いたこと以外は上記実験1と同様に電池R1、R2、R3、R4及びR5を作成し、上記と同様にして60℃65時間連続充電後の負極片を取り出し、コバルト元素の定量を行った。
〔コバルト溶出抑制率の算出〕
以下の式(1)に基づき、電池A1〜A2、B1〜B3、C1〜C2、D1〜D3及びE1〜P1のコバルト溶出抑制率を算出した。式(1)においては、各電池において定量したコバルト元素量をS、電池R1〜R5のうち、各電池とコバルト酸リチウムの平均粒径が同じ電池において定量したコバルト元素量をTとした。例えば電池A1の場合、電池A1において定量したコバルト元素量をS、電池R1において定量したコバルト元素量をTとして、電池A1におけるコバルト溶出抑制率を算出した。
コバルト溶出抑制率(%)=100−(S/T)×100 ・・・(1)
Figure 0006443441
平均粒径が10μm以下であるコバルト酸リチウムを用いた場合について、コバルト酸リチウムにエルビウムとフッ素が付着している電池A1〜A2と、コバルト酸リチウムにエルビウムのみが付着しているB1〜B2とを比較すると、電池A1〜A2において、特にコバルトの溶出が大きく抑制されていることがわかる。これは、以下に示す理由によると考えられる。
コバルト酸リチウムは、充電状態においてコバルトの溶出が起こるが、特に、コバルト酸リチウムの平均粒径が10μm以下になると、原子空孔や結晶粒界等の格子欠陥が粒子表面に存在する確率が高くなる傾向があり、これらの格子欠陥を起点に、コバルトが溶出しやすくなると考えられる。ここで、エルビウムとフッ素とを、平均粒径が10μm以下のコバルト酸リチウムに付着させたことで、コバルトの溶出を抑制することができたと考えられる。
エルビウムのみを、平均粒径が10μm以下のコバルト酸リチウムに付着させた場合には、平均粒径が10μm以下のコバルト酸リチウムにおけるコバルトの溶出を十分に抑制することはできないと考えられる。
平均粒径が10μmよりも大きいコバルト酸リチウムを用いた場合について、コバルト酸リチウムにエルビウムとフッ素が付着している電池B1〜B3と、コバルト酸リチウムにエルビウムのみが付着しているD1〜D3とを比較すると、コバルト溶出抑制率に大差はみられなかった。これは、以下に示す理由によると考えられる。
コバルト酸リチウムは、充電状態においてコバルトの溶出が起こるが、コバルト酸リチウムの平均粒径が10μmよりも大きいと、平均粒径が10μm以下の場合と比較して、コバルトの溶出量がそれほど多くはないと考えられる。そのため、エルビウムとフッ素とをコバルト酸リチウムに付着させた場合と、エルビウムのみをコバルト酸リチウムに付着させた場合とで、コバルトの溶出を抑制する効果は変わらなかったと考えられる。
上記においては、エルビウムとフッ素が付着されたコバルト酸リチウムを例に挙げて説明したが、ジルコニウム、チタン、アルミニウム、マグネシウム及びサマリウム、ネオジム、ランタン等の希土類元素から選択される少なくとも1種類の元素と、フッ素とが付着しているコバルト酸リチウムを用いた場合、上記と同様の理由で、コバルトの溶出が抑制されると考えられる。
上記実施例においては、正極活物質は、コバルト酸リチウムを用いたが、コバルトを含有するリチウム含有遷移金属酸化物を用いても、コバルトの溶出が抑制されると考えられる。
20:正極活物質
21:リチウム・コバルト含有遷移金属酸化物粒子
22:ジルコニウム、チタン、アルミニウム、マグネシウム及び希土類元素から選ばれる少なくとも一種の元素を含む材料
23:フッ素を含む材料

Claims (6)

  1. リチウム含有遷移金属酸化物を備える非水電解質二次電池用正極活物質であって、
    前記リチウム含有遷移金属酸化物の表面には、ジルコニウム、チタン、アルミニウム、マグネシウム及び希土類元素から選ばれる少なくとも一種の元素を含む、水酸化物、オキシ水酸化物または炭酸化合物から選択される少なくとも一種の化合物と、フッ化リチウム、フッ化ナトリウム、フッ化カリウムから選択される少なくとも一種の化合物とが付着しており、
    前記リチウム含有遷移金属酸化物はコバルトを含み、
    前記リチウム含有遷移金属酸化物の平均粒径は2〜7μmである、非水電解質二次電池用正極活物質。
  2. 前記リチウム含有遷移金属酸化物は、コバルト酸リチウムである、請求項1に記載の非水電解質二次電池用正極活物質。
  3. 前記リチウム含有遷移金属酸化物の表面に付着するジルコニウム、チタン、アルミニウム、マグネシウム及び希土類元素の総量と、フッ素の総量は、モル比で1:2〜1:4である、請求項1または請求項2に記載の非水電解質二次電池用正極活物質。
  4. ジルコニウム、チタン、アルミニウム、マグネシウム及び希土類元素から選ばれる少なくとも一種の元素を含む、水酸化物、オキシ水酸化物または炭酸化合物から選択される少なくとも一種の前記化合物は、ネオジム、サマリウム、エルビウム、ランタンから選ばれるいずれか1種の元素を含む、請求項1〜請求項3の何れか1項に記載の非水電解質二次電池用正極活物質。
  5. 請求項1〜請求項4の何れか1項に記載の非水電解質二次電池用正極活物質と、導電剤と、結着剤とを含む非水電解質二次電池用正極。
  6. 正極活物質の総量に対する前記非水電解質二次電池用正極活物質の割合は20質量%以上である、請求項5に記載の非水電解質二次電池用正極。
JP2016507343A 2014-03-11 2015-03-05 非水電解質二次電池用正極活物質及び非水電解質二次電池用正極 Active JP6443441B2 (ja)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2014047175 2014-03-11
JP2014047175 2014-03-11
PCT/JP2015/001165 WO2015136892A1 (ja) 2014-03-11 2015-03-05 非水電解質二次電池用正極活物質及び非水電解質二次電池用正極

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPWO2015136892A1 JPWO2015136892A1 (ja) 2017-04-06
JP6443441B2 true JP6443441B2 (ja) 2018-12-26

Family

ID=54071350

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2016507343A Active JP6443441B2 (ja) 2014-03-11 2015-03-05 非水電解質二次電池用正極活物質及び非水電解質二次電池用正極

Country Status (4)

Country Link
US (1) US20170018772A1 (ja)
JP (1) JP6443441B2 (ja)
CN (1) CN106104869B (ja)
WO (1) WO2015136892A1 (ja)

Families Citing this family (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6311630B2 (ja) 2015-03-12 2018-04-18 トヨタ自動車株式会社 活物質複合粒子及びリチウム電池
JP6380221B2 (ja) * 2015-04-27 2018-08-29 トヨタ自動車株式会社 活物質複合粒子、電極活物質層および全固体リチウム電池
US11171924B2 (en) * 2015-10-14 2021-11-09 Adp, Inc. Customized web services gateway
CN116565296A (zh) 2016-07-05 2023-08-08 株式会社半导体能源研究所 锂离子二次电池
CN109478644B (zh) * 2016-08-10 2022-01-04 松下知识产权经营株式会社 非水电解质二次电池用正极、正极活性物质及其制造方法、及非水电解质二次电池
US20180145317A1 (en) * 2016-11-18 2018-05-24 Semiconductor Energy Laboratory Co., Ltd. Positive electrode active material, method for manufacturing positive electrode active material, and secondary battery
KR20240023214A (ko) 2017-05-19 2024-02-20 가부시키가이샤 한도오따이 에네루기 켄큐쇼 양극 활물질, 양극 활물질의 제작 방법, 및 이차 전지
CN111684644A (zh) * 2018-02-09 2020-09-18 株式会社村田制作所 锂离子二次电池
JP7555001B2 (ja) * 2019-10-30 2024-09-24 パナソニックIpマネジメント株式会社 二次電池用の正極活物質、及び二次電池
CN116864670A (zh) * 2020-03-18 2023-10-10 宁德新能源科技有限公司 正极活性材料及包含其的电化学装置
CN115836437A (zh) * 2020-03-18 2023-03-21 宁德新能源科技有限公司 一种电化学装置及包含该电化学装置的电子装置
CN111740164A (zh) 2020-06-24 2020-10-02 宁德新能源科技有限公司 一种电解液及电化学装置
CN113078309B (zh) * 2021-03-25 2023-07-28 宁德新能源科技有限公司 正极活性材料及使用其的电化学装置和电子装置

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100822013B1 (ko) * 2005-04-15 2008-04-14 주식회사 에너세라믹 불소화합물코팅 리튬이차전지 양극 활물질 및 그 제조방법
JP4715830B2 (ja) * 2007-10-19 2011-07-06 ソニー株式会社 正極活物質、正極および非水電解質二次電池
JP5697300B2 (ja) * 2008-09-11 2015-04-08 出光興産株式会社 正極合材の製造方法、及びそれを用いて得られる正極合材
JP5526636B2 (ja) * 2009-07-24 2014-06-18 ソニー株式会社 非水電解質二次電池の正極活物質、非水電解質二次電池の正極および非水電解質二次電池
CN101694874B (zh) * 2009-10-21 2012-01-11 南通瑞翔新材料有限公司 锂离子二次电池正极材料钴酸锂的制备方法
WO2012086277A1 (ja) * 2010-12-20 2012-06-28 三洋電機株式会社 非水電解質二次電池用正極及びその正極を用いた非水電解質二次電池
US20130309576A1 (en) * 2011-01-28 2013-11-21 Sanyo Electric Co., Ltd. Positive electrode active material for nonaqueous electrolyte secondary battery, method for producing the same, positive electrode for nonaqueous electrolyte secondary battery using the positive electrode active material, and nonaqueous electrolyte secondary battery using the positive electrode
JPWO2012176903A1 (ja) * 2011-06-24 2015-02-23 旭硝子株式会社 リチウムイオン二次電池用正極活物質の製造方法
WO2013002369A1 (ja) * 2011-06-30 2013-01-03 三洋電機株式会社 非水電解質二次電池及びその製造方法
KR20130033154A (ko) * 2011-09-26 2013-04-03 전자부품연구원 리튬 이차전지용 양극 활물질, 그의 제조방법 및 그를 포함하는 리튬이차전지
CN102569722B (zh) * 2012-02-20 2016-09-07 宁德新能源科技有限公司 一种锂离子二次电池及其正极
JPWO2014147983A1 (ja) * 2013-03-19 2017-02-16 三洋電機株式会社 非水電解質二次電池
WO2014156024A1 (ja) * 2013-03-27 2014-10-02 三洋電機株式会社 非水電解質二次電池

Also Published As

Publication number Publication date
WO2015136892A1 (ja) 2015-09-17
US20170018772A1 (en) 2017-01-19
JPWO2015136892A1 (ja) 2017-04-06
CN106104869A (zh) 2016-11-09
CN106104869B (zh) 2019-01-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6443441B2 (ja) 非水電解質二次電池用正極活物質及び非水電解質二次電池用正極
JP4660164B2 (ja) 非水電解質二次電池
JP6589866B2 (ja) 非水電解質二次電池用正極活物質
JP4307962B2 (ja) 非水電解質二次電池
JPWO2014156054A1 (ja) 非水電解質二次電池用正極活物質及びそれを用いた非水電解質二次電池
JP5036121B2 (ja) 非水電解質二次電池
JP6493406B2 (ja) 非水電解質二次電池用正極活物質
JP2005340056A (ja) 非水電解質二次電池
JP6522661B2 (ja) 非水電解質二次電池用正極活物質及び非水電解質二次電池
CN105190980B (zh) 非水电解质二次电池
JP6545711B2 (ja) 正極活物質及び非水電解質二次電池
JP6633049B2 (ja) 非水電解質二次電池
JP2004296098A (ja) 非水電解質二次電池
JP2015115105A (ja) リチウムイオン二次電池、リチウムイオン二次電池用正極活物質の製造方法、およびリチウムイオン二次電池用正極の製造方法
JP2004281158A (ja) 非水電解質二次電池
JP6256476B2 (ja) 非水電解質二次電池用正極活物質及びそれを用いた非水電解質二次電池
JP2010177207A (ja) 非水電解質二次電池
CN109478644B (zh) 非水电解质二次电池用正极、正极活性物质及其制造方法、及非水电解质二次电池
CN107836056B (zh) 非水电解质二次电池

Legal Events

Date Code Title Description
RD01 Notification of change of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7421

Effective date: 20170419

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20171106

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20180821

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20181016

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: 20181030

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20181112

R151 Written notification of patent or utility model registration

Ref document number: 6443441

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151

S531 Written request for registration of change of domicile

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313531

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350

S111 Request for change of ownership or part of ownership

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313111

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350