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
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Description
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。
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。
非水電解質の電解質塩としては、例えばLiClO4、LiBF4、LiPF6、LiAlCl4、LiSbF6、LiSCN、LiCF3SO3、LiCF3CO2、LiAsF6、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、LiPF6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。
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(NO3)3・5H2O)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。
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/cm3であっ
た。
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(LiPF6)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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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(NO3)3・6H2O)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。
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(NO3)3・6H2O)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。
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(NO3)3・6H2O)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。
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(NO3)4・5H2O)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。
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(NO3)2・6H2O)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。
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(NO3)3・9H2O)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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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)
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)
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
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