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JP2000228195A - リチウム二次電池 - Google Patents

リチウム二次電池

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JP2000228195A
JP2000228195A JP11029013A JP2901399A JP2000228195A JP 2000228195 A JP2000228195 A JP 2000228195A JP 11029013 A JP11029013 A JP 11029013A JP 2901399 A JP2901399 A JP 2901399A JP 2000228195 A JP2000228195 A JP 2000228195A
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lithium secondary
active material
positive electrode
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NGK Insulators Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 マンガン酸リチウムを正極活物質として用い
た、内部抵抗が小さく、充放電サイクル特性の良好なリ
チウム二次電池を提供する。 【解決手段】 リチウム二次電池の正極活物質として、
結晶子サイズが58nm以上であり、及び/又は格子歪
が0.09%以下である立方晶スピネル構造を有するマ
ンガン酸リチウムを用いる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】 本発明は、携帯型電子機器
の作動電源、電気自動車あるいはハイブリッド電気自動
車等のモータ駆動電源として使用される二次電池の中
で、マンガン酸リチウムを正極活物質として用いた、内
部抵抗が小さく、充放電サイクル特性の良好なリチウム
二次電池に関する。
【0002】
【従来の技術】 近年、携帯電話、VTR、ノート型コ
ンピュータ等の携帯型電子機器の小型軽量化が加速度的
に進行しており、その電源用電池としては、正極活物質
にリチウム遷移元素複合酸化物を、負極活物質に炭素質
材料を、電解液にLiイオン電解質を有機溶媒に溶解し
た有機電解液を用いた二次電池が用いられるようになっ
てきている。
【0003】 このような電池は、一般的にリチウム二
次電池、もしくはリチウムイオン電池と称せられてお
り、エネルギー密度が大きく、また単電池電圧も約4V
程度と高い特徴を有することから、前記携帯型電子機器
のみならず、最近の環境問題を背景に、低公害車として
積極的な一般への普及が図られている電気自動車(以
下、「EV」と記す。)或いはハイブリッド電気自動車
(以下、「HEV」と記す。)のモータ駆動電源として
も注目を集めている。
【0004】 このようなリチウム二次電池において
は、その電池容量や充放電サイクル特性(以下、「サイ
クル特性」という。)は、使用する正極活物質の材料特
性に依存するところが大きい。正極活物質として用いら
れるリチウム遷移元素複合酸化物には、具体的には、コ
バルト酸リチウム(LiCoO2)やニッケル酸リチウ
ム(LiNiO2)、マンガン酸リチウム(LiMn2
4)等がある。
【0005】 この中で、LiMn24は、原料が安価
であり、また、出力密度が大きく、電位が高いという特
徴がある一方で、充放電サイクルの繰り返しに伴って徐
々に放電容量が減少し、良好なサイクル特性が得られ難
いことが問題となっていた。しかし、このような欠点
は、近年、結晶構造や組成の検討が進められ、改善の方
向に向かっている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】 リチウム二次電池に
使用される正極活物質については、その種類にかかわら
ず、電池の内部抵抗を小さくすべく、正極活物質の抵抗
(電子伝導抵抗)を低減すること、換言すれば正極活物
質の電子伝導性を向上させることは、電池特性を向上さ
せる観点から最も重要な課題である。特に、EVやHE
Vのモータ駆動用電源として用いられる大容量のリチウ
ム二次電池においては、電池の内部抵抗を低減すること
は、加速、登坂等に必要な大電流の放電を可能とし、ま
た、充放電効率を高めるために極めて重要である。
【0007】 この課題を解決する一つの手段として、
従来から、正極活物質にアセチレンブラック等の導電性
微粒子を添加して電子伝導性を改良し、電池の内部抵抗
を低減する試みが行われている。これは上述したリチウ
ム遷移元素複合酸化物は、リチウムイオン伝導性と電子
伝導性とを併せ持つ混合導電体であるが、その電子伝導
性が必ずしも大きなものとは言えないことに起因する。
【0008】 しかし、アセチレンブラックの添加は、
正極活物質の充填量を減少させるために電池容量を低下
させる問題がある。また、アセチレンブラックはカーボ
ンの一種であって半導体であるため電子伝導性の向上に
も限界があると考えられる。更に、アセチレンブラック
は嵩高く、電極板の作製上、取り扱い難い等の生産工程
上の問題もある。従って、その添加量は、内部抵抗の低
減というプラスの効果と、電池容量の低下というマイナ
スの効果、製造の容易さ等を比較考量して、適量に設定
されることとなる。
【0009】 そこで発明者らは、LiMn24スピネ
ルに焦点を当て、正極活物質そのものに要求される低抵
抗特性が、どのような材料の合成方法に依存し、また、
その結果として得られるどのような正極活物質自体の有
する特性により発現されるかについて鋭意検討を行い、
本発明に到達した。
【0010】
【課題を解決するための手段】 即ち、本発明によれ
ば、結晶子サイズが58nm以上であり、及び/又は格
子歪が0.09%以下である、立方晶スピネル構造を有
するマンガン酸リチウムを正極活物質に用いてなること
を特徴とするリチウム二次電池、が提供される。
【0011】 ここで、マンガン酸リチウムについて
は、そのLi/Mn比が0.5超であることが好まし
い。マンガン酸リチウムの合成は、所定比に調整された
各元素の塩及び/又は酸化物の混合物を、酸化雰囲気、
650℃〜1000℃の範囲で5時間〜50時間かけて
焼成して行われるが、ここで、焼成を2回以上行うこと
により、結晶特性の向上が図られる。この場合には、焼
成回数を重ねる毎に、焼成温度を前回の焼成温度よりも
高くすることが好ましく、更に各回の焼成後に粉砕処理
を行うと、組成の均一化が図られ、好ましい。この粉砕
処理における粉砕粉の平均粒径は、10μm以下とする
ことが好ましい。
【0012】
【発明の実施の形態】 本発明のリチウム二次電池にお
いては、正極活物質として、立方晶スピネル構造を有す
るマンガン酸リチウムが用いられる。ここで、立方晶ス
ピネル構造を有するマンガン酸リチウムは、化学量論組
成はLiMn24で表されるが、本発明においては、こ
のような化学量論組成のものに限られず、遷移元素であ
るMnの一部を1種類以上の元素Mで置換したLiMX
Mn2-X4(xは置換量を表す。)も好適に用いられ
る。このような元素置換を行った場合には、そのLi/
Mn比は、MnをLiで置換したLi過剰の場合には
(1+x)/(2−x)となり、またLi以外の置換元
素Mで置換した場合には1/(2−x)となるので、い
ずれの場合であっても常にLi/Mn比>0.5とな
る。
【0013】 ここで、置換元素Mとしては、Li、F
e、Mn、Ni、Mg、Zn、B、Al、Co、Cr、
Si、Ti、Sn、P、V、Sb、Nb、Ta、Mo、
Wが挙げられる。なお、置換元素Mにあっては、理論
上、Liは+1価、Fe、Mn、Ni、Mg、Znは+
2価、B、Al、Co、Crは+3価、Si、Ti、S
nは+4価、P、V、Sb、Nb、Taは+5価、M
o、Wは+6価のイオンとなり、LiMn24中に固溶
する元素であるが、Co、Snについては+2価の場
合、Fe、Sb及びTiについては+3価の場合、Mn
については+3価、+4価の場合、Crについては+4
価、+6価の場合もあり得る。従って、各種の置換元素
Mは混合原子価を有する状態で存在する場合があり、ま
た、酸素の量については、必ずしも理論化学組成で表さ
れるように4であることを必要とせず、結晶構造を維持
するための範囲内で欠損して、あるいは過剰に存在して
いても構わない。
【0014】 さて、本発明においては、このようなL
iMn24スピネルを用いる場合に、その結晶子サイズ
として58nm以上のものが用いられる。後述する実施
例にも示されるように、このような条件が満たされる場
合に、正極活物質の抵抗が低減し、電池特性の向上が図
られる。ここで、結晶子とは、一般的にクリスタレット
と呼ばれているものであり、顕微鏡的若しくは超顕微鏡
的な小さい単結晶をいい、本発明におけるこの結晶子の
大きさ、即ち結晶子サイズは、粉末X線回折法による回
折像を、Wilson法により解析して得られる値であ
る。具体的には、本発明における結晶子サイズは、「理
学電機(株)、RINT2000シリーズアプリケーシ
ョンソフトウェア「結晶子の大きさ格子歪の解析」3
版、1996.10.16」により求めて決定された値
である。
【0015】 また、本発明においては、LiMn24
スピネルを用いる場合に、格子歪が0.09%以下のも
のも好適に用いられる。この条件を満足する場合にも電
池の内部抵抗の低減が図られる。格子歪とは、一般的に
言われているように、結晶の一部に欠陥や外部からの応
力等によって結晶格子の規則性が保たれずに、格子配列
に乱れが生じている状態をいい、このような格子歪もま
た、上述した結晶子サイズの決定と同様に、Wilso
n法を用いて行うことができる。
【0016】 従って、結晶子サイズと格子歪を、その
他の解析方法によって求めた場合には、本発明での規定
値と異なってくる場合があるが、本発明の趣旨がこのよ
うな解析方法の違いによる影響を受けないことはいうま
でもない。なお、結晶子サイズと格子歪の双方が、同時
に上記条件を満足する場合には、これらの電池特性に与
える効果が特に大きく発揮され、結果的に電池の内部抵
抗が低減され、最も好ましい。
【0017】 次に、上述した結晶子サイズ及び/又は
格子歪を有するLiMn24スピネルの合成方法につい
て説明する。合成原料としては、各元素(元素置換を行
う場合には置換元素Mを含む)の塩及び/又は酸化物が
用いられる。各元素の塩は特に限定されるものではない
が、原料として純度が高くしかも安価なものを使用する
ことが好ましいことはいうまでもない。また、昇温時や
焼成時に有害な分解ガスが発生しない炭酸塩、水酸化
物、有機酸塩を用いることが好ましい。但し、硝酸塩や
塩酸塩、硫酸塩等を用いることもできる。なお、Li原
料については、通常、酸化物Li2Oは化学的に不安定
なために使用されることは少なく、水酸化物や炭酸塩が
好適に用いられる。
【0018】 このような原料を所定比に混合したもの
を、先ず酸化雰囲気、650℃〜1000℃の範囲で、
5時間〜50時間かけて焼成する。ここで、酸化雰囲気
とは、一般に炉内試料が酸化反応を起こす酸素分圧を有
する雰囲気を指し、具体的には、大気雰囲気、酸素雰囲
気等が該当する。
【0019】 この第1回目の焼成後においては、組成
の均一性が必ずしも良好ではなく、結晶子は小さく、格
子歪も大きなものとなり易い。しかし、Li/Mn比>
0.5を満足する場合、即ち、化学量論組成に対してM
nの元素置換を行った場合、特にLiやTiによりMn
の一部を置換してなるLi過剰の組成においては、1回
の焼成によって結晶子サイズ及び/又は格子歪みが、所
定の条件を満足しやすくなることが実験的に確認され
た。この理由は明らかではないが、置換元素Mの添加に
よって結晶格子の安定化が図られ、また、合成時の相雰
囲気が変化して結晶成長に適した雰囲気、例えば、液相
雰囲気や気相雰囲気が現出しやすくなっていることによ
るものと推測される。
【0020】 このように、一部の組成では、1回の焼
成によって結晶子サイズ及び/又は格子歪を所定条件の
ものとすることができるが、合成条件の組成依存性を小
さくするためには、焼成を複数回に分けて行うことが好
ましい。この場合において、組成の均一化の観点から、
第1回目の焼成後に粉砕処理を行い、その上で第2回目
以降の焼成を行うことが、更に好ましい。焼成回数は、
大きくは焼成温度と焼成時間に依存し、焼成温度が低い
場合及び/又は焼成時間が短い場合には、多くの焼成回
数を必要とする。また、置換元素Mの種類によっては、
組成の均一化の観点から、焼成回数を多くすることが好
ましい場合もある。この場合は置換元素Mの添加によっ
て、結晶成長に適する相雰囲気が形成され難いと考えら
れる場合である。
【0021】 但し、焼成回数を多くすることは、それ
だけ生産工程が長くなることを意味するため、焼成回数
は必要最小限に止めることが好ましい。このような複数
回の焼成を行って得られた試料は、1回の焼成を行って
得られた試料よりも、XRDチャート上でのピーク形状
が鋭く突出していることから、結晶性の向上が図られて
いることを確認することができる。
【0022】 粉砕処理は各回の焼成後に行うがその方
法には限定はなく、例えば、ボールミルや振動ミル、気
流粉砕機等を用いて行うことができる。粉砕処理は、ま
た、粒径の均一化にも寄与するが、組成の均一化の効果
を十分に得るためには、粉砕処理は、粉砕試料の平均粒
径が10μm以下となるように行うことが好ましい。な
お、この場合の平均粒径は、粉体を蒸留水に超音波分散
し、レーザ回折法を用いて測定した値である。
【0023】 なお、焼成温度が600℃未満と低い場
合には、焼成物のXRDチャートに原料の残留を示すピ
ーク、例えばリチウム源として炭酸リチウム(Li2
3)を用いた場合にはLi2CO3のピークが観察さ
れ、単相生成物が得られない。一方、焼成温度が100
0℃より高い場合には、目的とする結晶系の化合物以外
に、高温相が生成し、単相生成物が得られなくなる。
【0024】 以上の通り、本発明の条件を満足するL
iMn24スピネルを用いることにより、正極活物質の
電子伝導性の改善が図られ、或いは導電補助材としてて
添加されるアセチレンブラック等の微粉末の分散状態が
改善されて、電池の内部抵抗が低減される。このこと
は、電池の充放電によるジュール熱の発生が抑制される
こととなるため、充放電効率が高められる他、電極活物
質や電解液に対する熱的な負荷が低減されることとな
り、サイクル特性の向上もまた図られる。こうして、充
放電の繰り返しによる経時的な電池容量の減少が抑制さ
れるという優れた効果が得られる。更に、添加するアセ
チレンブラック等の添加量を低減することが可能となる
ことから、生産性の向上、エネルギー密度の向上といっ
た効果をも得ることができるようになる。
【0025】 このような内部抵抗の低減と正極容量の
確保、サイクル特性の向上は、特に大量の電極活物質を
用いる大容量電池において特に顕著に現れる。従って、
その用途としては、例えばEVやHEVのモータ駆動用
電源が挙げられ、所定の加速性能、登坂性能といった走
行性能が維持され、また、1回の充電当たりの継続走行
距離が長く保たれるという効果が得られる。但し、この
ことは、コイン電池等の小容量電池に本発明を適用する
ことを排除することを意味しない。
【0026】 なお、電池の作製に当たって使用される
他の材料は、特に限定されるものではなく、従来公知の
種々の材料を用いることができる。例えば、負極活物質
としては、ソフトカーボンやハードカーボンといったア
モルファス系炭素質材料や、高黒鉛化炭素材料等の人造
黒鉛、あるいは天然黒鉛といった炭素質材料が用いられ
る。
【0027】 また、有機電解液としては、エチレンカ
ーボネート(EC)、ジエチルカーボネート(DE
C)、ジメチルカーボネート(DMC)といった炭酸エ
ステル系のもの、プロピレンカーボネート(PC)やγ
−ブチロラクトン、テトラヒドロフラン、アセトニトリ
ル等の有機溶媒の単独溶媒もしくは混合溶媒に、電解質
としてのLiPF6やLiBF4等のリチウム錯体フッ素
化合物、あるいはLiClO4といったリチウムハロゲ
ン化物等を1種類もしくは2種類以上を溶解したものを
用いることができる。
【0028】
【実施例】 続いて、本発明の実施例について説明する
が、本発明が以下の実施例に限定されるものでないこと
はいうまでもない。
【0029】 (正極活物質LiMn24スピネル等の
合成)出発原料として、市販のLi2CO3、MnO2
粉末を用い、表1に示す実施例1〜10及び比較例1・
2の組成となるように秤量、混合し、大気雰囲気で、同
じく表1記載の1回目焼成条件にて焼成した。比較例1
・2及び実施例10については1回目の焼成により得ら
れた粉末を試料とした。一方、実施例1〜9について
は、1回目の焼成の後に平均粒径が10μm以下となる
ように粉砕処理を行い、その後に、表1記載の2回目焼
成条件にて焼成を行い、試料を得た。
【0030】
【表1】
【0031】 (結晶子サイズ及び格子歪の測定)得ら
れた各種試料の結晶子サイズ及び格子歪は、回転対陰極
型ターゲット(Cu)及びグラファイトモノクロメータ
を有するX線回折装置(RINT 2500、理学電機
(製))を用いて、ゴニオ半径185mm、発散スリッ
ト(DS)1/2゜、散乱スリット(SS)1/2゜、
受光スリット(RS)0.15mmで、粉末X線回折法
(XRD)により測定した。ここで、X線源にはCuK
α線を用い、管電圧50kV、管電流300mAの条件
で、回折角2θ=10゜〜70゜に出現するLiMn2
4スピネルのピーク位置から、Wilson法により
結晶子サイズ及び格子歪を求めた。なお、ピーク位置及
び装置関数の決定に当たってはSi単結晶(SRM64
0b)を内部標準試料として使用した。
【0032】 (電池の作製)作製した各種の試料と導
電材たるアセチレンブラック粉末、並びに結着材たるポ
リフッ化ビニリデンを、重量比で50:2:3の比で混
合し、正極材料を作製した。その正極材料0.02gを
300kg/cm2の圧力で直径20mmφの円板状に
プレス成形し、正極とした。この正極と、エチレンカー
ボネートとジエチルカーボネートが等体積比で混合され
た有機溶媒に電解質としてのLiPF6を1mol/L
の濃度となるように溶解して作製した電解液、カーボン
からなる負極、及び正極と負極を隔てるセパレータとを
用いてコインセルを作製した。
【0033】 (電池の内部抵抗の測定)上述のように
して作製したコインセルの内部抵抗は、正極活物質の容
量に応じて1Cレートの定電流−定電圧で4.1Vまで
充電し、同じく1Cレートの定電流で2.5Vまで放電
させる充放電試験を1サイクルのみ行い、充電終了後の
休止状態での電位と、放電開始直後での電位との差(電
位差)を放電電流で除することにより、電池の内部抵抗
を求めた。
【0034】 (試験結果)コインセルの内部抵抗と結
晶子サイズとの関係を図1に、また、コインセルの内部
抵抗と格子歪との関係を図2にそれぞれ示す。実施例6
・8では、格子サイズは58nm以上であるが、格子歪
は0.1%以上と大きくなっている。これは焼成温度を
高くしたことにより、結晶成長は促進されたが、反対に
欠陥が生じやすくなって格子歪が大きくなったものと考
えられる。一方、実施例7・9では、格子歪は0.09
%よりも小さくなっているが、結晶子サイズは55nm
以下と小さくなっており、この場合は実施例6・8とは
反対に、焼成温度が低いことで結晶成長が抑制された代
わりに、欠陥が生じ難くなっていたと考えられる。
【0035】 しかしながら、これら実施例6〜9にお
いては、比較例1・2と比較してコインセルの内部抵抗
が小さくなっていることから、格子サイズと格子歪の少
なくとも一方が所定条件を満たすことにより、電池の抵
抗低減が図られることが確認された。
【0036】 また、LiMn24スピネルの組成にか
かわらず、実施例1〜5の2回の焼成により作製したL
iMn24スピネルでは、図1から結晶子サイズが58
nm以上となっており、同時に図2から明らかなよう
に、格子歪が0.09%以下に抑えられており、コイン
セルの内部抵抗が小さくなっていることが確認された。
つまり、結晶子サイズと格子歪が所定の値を有する場合
には、格子サイズと格子歪の少なくとも一方が所定条件
を満たす場合と同様に、また、確実に内部抵抗の小さい
電池の作製が可能となることが明らかとなった。
【0037】 これら実施例1〜9に対して、結晶子サ
イズと格子歪の両方が所定の条件を満たしていない場
合、即ち比較例1・2の場合には、コインセルの内部抵
抗が大きくなっていることが確認された。実施例10で
は、1回の焼成にもかかわらず、結晶サイズが58n
m、格子歪が0.09%と、両方の値が本発明で規定す
る境界値となっており、低抵抗なコインセルが得られ
た。これは実施例10の組成の効果によるものと考えら
れるが、同じ組成である実施例3〜5のように適切な温
度範囲において2回の焼成を行うことにより、結晶子サ
イズと格子歪を境界値から離れたより好適な値のものと
することが可能となる。
【0038】
【発明の効果】 上述の通り、本発明のリチウム二次電
池によれば、正極活物質として電子伝導性が改善された
低抵抗なLiMn24スピネルを用いることによって電
池の内部抵抗の低減が図られ、これにより充放電効率の
向上、サイクル特性の向上が図られるという優れた効果
を奏する。また、従来多量に使用されていた導電助剤の
添加量を低減することができ、これにより、電池容量及
びエネルギー密度の向上が図られるという効果をも奏す
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】 結晶子サイズとコインセルの内部抵抗との関
係を示すグラフである。
【図2】 格子歪とコインセルの内部抵抗との関係を示
すグラフである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 5H003 AA02 AA04 BA01 BA04 BB05 BC01 BC06 BD00 BD01 BD02 BD03 5H014 AA01 BB01 EE10 HH00 HH01 HH06 5H029 AJ03 AJ05 AK03 AL06 AL07 AL08 AM03 AM04 AM05 AM07 BJ03 BJ16 CJ02 CJ28 DJ17 HJ02 HJ05 HJ13 HJ14

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 結晶子サイズが58nm以上であり、及
    び/又は格子歪が0.09%以下である、立方晶スピネ
    ル構造を有するマンガン酸リチウムを正極活物質に用い
    てなることを特徴とするリチウム二次電池。
  2. 【請求項2】 当該マンガン酸リチウムにおけるLi/
    Mn比が0.5超であることを特徴とする請求項1記載
    のリチウム二次電池。
  3. 【請求項3】 当該マンガン酸リチウムが、所定比に調
    整された各元素の塩及び/又は酸化物の混合物を、酸化
    雰囲気、650℃〜1000℃の範囲で、5時間〜50
    時間かけて焼成して得られたものであることを特徴とす
    る請求項1又は2記載のリチウム二次電池。
  4. 【請求項4】 少なくとも2回以上、前記焼成条件にて
    焼成して得られたものであることを特徴とする請求項3
    記載のリチウム二次電池。
  5. 【請求項5】 焼成回数を重ねる毎に、焼成温度を前回
    の焼成温度よりも高くすることを特徴とする請求項4記
    載のリチウム二次電池。
  6. 【請求項6】 各回の焼成後に粉砕処理が行われたもの
    であることを特徴とする請求項5記載のリチウム二次電
    池。
  7. 【請求項7】 当該粉砕処理における粉砕粉の平均粒径
    を10μm以下としたことを特徴とする請求項6記載の
    リチウム二次電池。
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