JP2005222956A - 非水電解液二次電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】少なくともスピネル構造のリチウム遷移金属複合酸化物を有する正極活物質を用いた非水電解液二次電池であって、前記リチウム遷移金属複合酸化物は、一次粒子およびその凝集体である二次粒子の一方または両方からなる粒子の形態で存在し、前記各粒子に、前記各粒子における遷移金属およびリチウムに起因する発光電圧値の三乗根のそれぞれを座標成分とする二次元座標を与えて、座標平面上の点として表し、原点を通る一次回帰直線を求めたときに、前記一次回帰直線に対する前記各点の誤差の絶対偏差が0.25以下である非水電解液二次電池。
【選択図】図1
Description
また、非水電解液二次電池を電気自動車に利用する場合、5年以上の電池寿命が要求されており、サイクル特性を改善する必要がある。更に、その場合、大電流を放電する必要があり、負荷特性の更なる向上が要求されている。
電解液に溶出したマンガンイオンは、負極表面に析出し、リチウムイオンの負極材料への挿入および負極材料からの脱離の妨げとなり、内部抵抗の増加を招く。その結果、充放電を繰り返し行っていくと、放電容量の低下を引き起こすことになる。
また、正極を構成するLiMn2 O4 結晶から電解液へのマンガンイオンの溶出は、正極および電解液の変質および劣化を伴う。このような電池を構成する各材料の変質および劣化は、サイクル特性の低下の原因となる。
更に、この電解液に溶出したマンガンイオンは、電解液中のエステル化合物の分解反応を促進するという説がある。このエステル化合物の分解によって、CO2 等のガスが発生し、電池の膨れが引き起こされる。
そして、このマンガンイオンの溶出は、充放電を行った場合に起きるだけでなく、単に放置しておいた場合にも起こることが知られている。
また、正極活物質としては、非水電解液二次電池の保存中にもマンガンイオンの溶出が起こらない、保存特性に優れるものが好ましい。
更に、上述したことは、遷移金属としてマンガンを用いたLiMn2 O4 だけでなく、その他の遷移金属(例えば、チタン)を用いた、スピネル構造のリチウム遷移金属複合酸化物についても同様に言えることである。
したがって、本発明の目的は、少なくともスピネル構造のリチウム遷移金属複合酸化物を有する正極活物質を用いた非水電解液二次電池であって、電池特性、特に、サイクル特性、負荷特性、保存特性等に優れ、かつ、電池の膨れが少ない非水電解液二次電池を提供することである。
(1)少なくともスピネル構造のリチウム遷移金属複合酸化物を有する正極活物質を用いた非水電解液二次電池であって、
前記リチウム遷移金属複合酸化物は、一次粒子およびその凝集体である二次粒子の一方または両方からなる粒子の形態で存在し、
前記各粒子に、前記各粒子における遷移金属およびリチウムに起因する発光電圧値の三乗根のそれぞれを座標成分とする二次元座標を与えて、座標平面上の点として表し、原点を通る一次回帰直線を求めたときに、
前記一次回帰直線に対する前記各点の誤差の絶対偏差が0.25以下である非水電解液二次電池。
本発明者は、更に、リチウム遷移金属複合酸化物の粒子ごとの組成比のばらつきは、各粒子に、前記各粒子における遷移金属およびリチウムに起因する発光電圧値の三乗根のそれぞれを座標成分とする二次元座標を与えて、座標平面上の点として表し、原点を通る一次回帰直線を求めたときに、前記一次回帰直線に対する前記各点の誤差の絶対偏差で表すことができること、および、前記誤差の絶対偏差が0.25以下であるときに、サイクル特性、保存特性および電池の膨れが実用的なものになる程度に、遷移金属のイオンの溶出が抑制されることを見出した。
そして、本発明者は、これらの知見に基づいて、上記(1)の非水電解液二次電池を完成させたのである。
更に、本発明者の知見によれば、粒子ごとの組成比のばらつきを抑え、粒子レベルでの組成比の均一性を高めることにより、負荷時の放電電位が高くなり、負荷時の容量維持率も向上するため、出力特性も向上すると考えられる。
0.1≦(D10/D50)<1、
1<(D90/D50)≦3および
5μm≦D50≦40μm
のすべてを満足する上記(1)に記載の非水電解液二次電池。
また、本発明者は、ホウ素はフラックス(flux)として作用し結晶性が高まるため、ホウ素の添加により、保存特性、負荷特性および出力特性を損なわずに、サイクル特性が更に向上することを見出した。
本発明者は、これらの知見に基づいて、上記(5)の非水電解液二次電池を完成させた。
即ち、マンガンイオンの溶出を抑制するためには、Li/Mnモル比を大きくすることが効果的である。しかしながら、Li/Mnモル比を大きくしていくと、充放電容量が低下する。また、リチウムマンガン複合酸化物の粒子ごとの組成比のばらつきが大きいと、平均組成のLi/Mnモル比を大きくしても、Li/Mnモル比の小さい粒子からのマンガンイオンの溶出が起こる。
上記(1)の非水電解液二次電池においては、粒子ごとの組成比のばらつきを少なくすることで、遷移金属のイオンの溶出を抑制しているが、これにより、充放電容量が低下せず、かつ、マンガンイオンの溶出を効果的に抑制することができる範囲にLi/Mnモル比を調整することができる。
本発明者は、これらの知見に基づいて、Li/Mnモル比の好適範囲を決定し、上記(6)の非水電解液二次電池を完成させたのである。したがって、上記(6)の非水電解液二次電池は、サイクル特性、負荷特性、保存特性および充放電容量に優れ、かつ、電池の膨れが少ない。
本発明に用いられる正極活物質は、少なくともスピネル構造(スピネル型の結晶構造)のリチウム遷移金属複合酸化物を有する。「スピネル構造」とは、複酸化物でAB2 O4 型の化合物(AとBは金属元素)にみられる代表的結晶構造型の一つである。
図4は、スピネル構造のリチウム遷移金属複合酸化物の結晶構造を示す模式図である。図4において、リチウム原子1は8aサイトの四面体サイトを占有し、酸素原子2は32eサイトを占有し、遷移金属原子3(および、場合により過剰のリチウム原子)は16dサイトの八面体サイトを占有している。
「発光電圧値」は、リチウム遷移金属複合酸化物の粒子をマイクロ波プラズマ中に導入して、前記粒子を原子状に分解させて励起させ、励起された原子の発する発光スペクトルを電圧として検出したときの値である。本発明においては、リチウム遷移金属複合酸化物の各粒子において、遷移金属原子およびリチウム原子に起因する発光電圧値を求める。
ついで、Y=aX(aは定数)で表される原点を通る一次回帰直線(近似直線)を最小二乗法により求め、図1および図2中に表した。
ここで、誤差の絶対偏差Eは、下記式(2)で表される。
一方、誤差の絶対偏差が大きすぎると、リチウムマンガン複合酸化物の粒子ごとの組成比にばらつきが大きくなり、Li/Mnモル比の小さい粒子からのマンガンイオンの溶出が起こりやすくなる。この結果、サイクル特性、保存特性が低下し、電池の膨れも生じる場合がある。
本発明においては、各粒子における組成比を、誤差の絶対偏差により制御することにより、上記各効果を実現している。
0.1≦(D10/D50)<1、
1<(D90/D50)≦3および
5μm≦D50≦40μm
のすべてを満足するのが好ましい。
D10、D50およびD90が上記関係式を満足することにより、サイクル特性、保存特性、負荷特性および出力特性の向上を損なうことなく、かつ、電池の膨れの抑制を損なうことなく、更に、極板密度を向上させることができる。
0.2≦(D10/D50)≦0.9、
1.2≦(D90/D50)≦2および
7μm≦D50≦30μm
のすべてを満足するのが好ましい。
0.7≦(D10/D50)<1、
1<(D90/D50)≦1.3および
7μm≦D50≦15μm
のすべてを満足するのが好ましい。この場合、サイクル特性、保存特性、負荷特性および出力特性に特に優れる。
0.2≦(D10/D50)≦0.7、
1.3≦(D90/D50)≦2および
15μm≦D50≦36μm
のすべてを満足するのが好ましい。この場合、サイクル特性、保存特性、負荷特性および出力特性に優れ、かつ、極板密度にもより優れる。
アルミニウムおよび/またはマグネシウムを有すると、結晶構造が安定化するため、保存特性、負荷特性および出力特性を損なわずに、サイクル特性が優れたものになり、かつ、電池の膨れを更に抑制することができる。更に、ホウ素はフラックスとして作用し、結晶成長を促進させ、更に、サイクル特性および保存特性を向上させる。
aは、0より大きいのが好ましく、また、0.15以下であるのが好ましい。化学量論比よりも過剰量のリチウムと、アルミニウムおよび/またはマグネシウムとの相乗効果によって、更に、結晶構造の安定化が図られ、更に、サイクル特性が向上すると考えられる。
態様(ii)において、aは、0より大きいのが好ましい。リチウムでマンガンの一部を置換することにより、サイクル特性が向上すると考えられる。
態様(ii)において、bは、0より大きいのが好ましく、0.05以上であるのがより好ましい。アルミニウムおよび/またはマグネシウムを有すると、結晶構造が安定化するため、保存特性、負荷特性および出力特性を損なわずに、サイクル特性が優れたものになり、かつ、電池の膨れを更に抑制することができる。bは0.15以下であるのが好ましい。bが大きすぎると、放電容量が低下する。
態様(ii)において、cは、0より大きいのが好ましく、0.001以上であるのがより好ましい。ホウ素はフラックスとして作用し、結晶成長を促進させ、更に、サイクル特性および保存特性を向上させる。cは0.01以下であるのが好ましい。cが大きすぎると、サイクル特性が低下する。
態様(iv)において、aは、0.02以上であるのが好ましく、また、0.08以下であるのが好ましい。態様(ii)の場合と同様の理由による。
態様(iv)において、Xは、フッ素および/または塩素であるのが好ましい。dは、0.01以上であるのが好ましく、また、0.03以下であるのが好ましい。態様(iii)の場合と同様の理由による。
態様(iv)において、eは0.001以上であるのが好ましく、また、0.01以下であるのが好ましい。態様(ii)の場合と同様の理由による。
硫黄の含有量は、リチウム遷移金属複合酸化物と硫黄の合計に対して、0.03〜0.3重量%であるのが好ましい。0.03重量%より少ないと、電子の移動抵抗が低減しにくい場合がある。0.3重量%より多いと、水分吸着により電池の膨れが生じる場合がある。
硫酸根は、硫酸イオン、硫酸イオンからその電荷を除いた原子の集団およびスルホ基を含む。アルカリ金属の硫酸塩、アルカリ土類金属の硫酸塩、有機硫酸塩ならびに有機スルホン酸およびその塩からなる群から選ばれる少なくとも1種に基づくのが好ましい。
中でも、アルカリ金属の硫酸塩およびアルカリ土類金属の硫酸塩からなる群から選ばれる少なくとも1種に基づくのが好ましく、アルカリ金属の硫酸塩に基づくのがより好ましい。これらは、強酸強塩基の結合からなるため、化学的に安定だからである。
態様(v)においては、上記各元素を有することで、各元素の相乗効果により、高い充放電容量を有し、かつ、結着性および表面の平滑性に優れる正極板を得ることができる。
また、eは、0.0017以上であるのがより好ましく、また、0.02以下であるのが好ましい。eが小さすぎると、電子の移動抵抗が低くなる場合がある。eが大きすぎると、水分吸着により電池の膨れが生じる場合がある。
その他の点については、態様(v)の場合と同様である。
態様(vii)において、ナトリウムおよび/またはカルシウム以外の元素を有する理由は、態様(i)〜(vi)と同様である。
態様(viii)において、eは、0.0017以上であるのが好ましく、また、0.02以下であるのが好ましい。eが小さすぎると、電子の移動抵抗が低くなる場合がある。eが大きすぎると、水分吸着により電池の膨れが生じる場合がある。
その他の点については、態様(vii)の場合と同様である。
リチウム遷移金属複合酸化物の粒子の表面におけるマグネシウムの存在割合が上記範囲であると、粒子の表面においてマグネシウムが均一に存在するため、遷移金属のイオンの溶出を抑制する効果に優れる。
本発明において、粒子の表面におけるマグネシウムの存在状態は、特に限定されない。
まず、波長分散型X線分光装置(WDX)を装備した電子線マイクロアナライザ(EPMA)によって、リチウム遷移金属複合酸化物の粒子群について、粒子の表面のマグネシウムの存在状態を観察する。ついで、観察視野中、単位面積あたりのマグネシウム量が最も多い部分(マグネシウムのピークが最も大きい部分)を選択し、この部分を通過する線分(例えば、長さ300μmの線分)に沿ってライン分析を行う。ライン分析において、上記単位面積あたりのマグネシウム量が最も多い部分におけるピークの値を100%としたときのピークが4%以上の部分の長さの合計を、上記線分の長さで除した商を、「リチウム遷移金属複合酸化物の粒子の表面におけるマグネシウムの存在割合」とする。なお、ライン分析を複数回(例えば、10回)行うことによって、「リチウム遷移金属複合酸化物の粒子の表面におけるマグネシウムの存在割合」の平均値を用いるのが好ましい。
上記方法においては、マグネシウムのピークが4%未満の部分は、マグネシウム量が最も多い部分との差が大きいため、マグネシウムが存在しない部分とみなす。
したがって、結晶子径が大きいほど、結晶性に優れ、結晶構造の歪みが少ないことになる。なお、本発明に用いられるような、スピネル構造のリチウム遷移金属複合酸化物においては、以下に示す(400)結晶子径により、単位格子の配列の規則性の程度を示すことができる。
上記のように粒子の粒度分布を制御することによって、二次凝集体からなる粗大粒子が含まれないようにすることができるため、平滑性に優れた正極塗布面を得ることができる。
後述する化合物を各構成元素が所定の組成比となるように混合して、原料混合物を得る。原料混合物に用いられる化合物は、目的とする組成を構成する元素に応じて選択される。
混合の方法は、特に限定されず、例えば、粉末状の化合物をそのまま混合して原料混合物とする方法;水および/または有機溶媒を用いてスラリー状として混合した後、乾燥させて原料混合物とする方法;上述した化合物の水溶液を混合して沈殿させ、得られた沈殿物を乾燥させて原料混合物とする方法;これらを併用する方法が挙げられる。
リチウム化合物は、特に限定されないが、例えば、Li2 CO3 、LiOH、LiOH・H2 O、Li2 O、LiCl、LiNO3 、Li2 SO4 、LiHCO3 、Li(CH3 COO) 、フッ化リチウム、臭化リチウム、ヨウ化リチウム、過酸化リチウムが挙げられる。中でも、Li2 CO3 、LiOH、LiOH・H2 O、Li2 O、LiCl、LiNO3 、Li2 SO4 、LiHCO3 、Li(CH3 COO) が好ましい。
マンガン化合物は、粒子の粒度分布において、体積累積頻度が10%、50%および90%に達する粒径をそれぞれ、d10、d50およびd90としたとき、d10が5〜25μm、d50が7〜40μm、d90が10〜60μmのものを用いるのが好ましい。このような粒度分布を有するマンガン化合物を得るために、らいかい乳鉢、ボールミル、振動ミル、ジェットミル等を使用することができる。また、種々の分級装置を使用することもできる。
アルミニウム化合物は、特に限定されないが、例えば、Al2 O3 、Al(NO3 )3 、Al2 (SO4 )3 、Al2 (CO3 )3 、Al(CH3 COO)3 が挙げられる。
ハロゲン化合物は、特に限定されないが、例えば、NH4 F、NH4 Cl、NH4 Br、NH4 I、LiF、LiCl、LiBr、LiI、MnF2 、MnCl2 、MnBr2 、MnI2 、フッ化水素、フッ化酸素、フッ化水素酸、塩化水素、塩酸、酸化塩素、フッ化酸化塩素、酸化臭素、フルオロ硫酸臭素、ヨウ化水素、酸化ヨウ素、過ヨウ素酸が挙げられる。中でも、NH4 F、NH4 Cl、NH4 Br、NH4 I、LiF、LiCl、LiBr、LiI、MnF2 、MnCl2 、MnBr2 、MnI2 が好ましい。
また、上述した各元素の2種以上を含有する化合物を用いてもよい。
上述したマンガン化合物およびマグネシウム化合物から調製した、所定の組成比のマンガンイオンおよびマグネシウムイオンを含有する水溶液を、かくはんしている純水中に滴下する。
ついで、炭酸水素アンモニウム水溶液を滴下し、マンガンおよびマグネシウムを沈殿させ、マンガンおよびマグネシウムの塩を得る。なお、炭酸水素アンモニウム水溶液の代わりに、水酸化ナトリウム水溶液、炭酸水素ナトリウム水溶液、水酸化カリウム水溶液、水酸化リチウム水溶液等のアルカリ溶液を用いることもできる。
ついで、原料混合物を焼成する。焼成の温度、時間、雰囲気等は、特に限定されず、目的に応じて適宜決定することができる。
焼成温度は、650℃以上であるのが好ましく、700℃以上であるのがより好ましい。焼成温度が低すぎると、未反応の原料が正極活物質に残留し、正極活物質の本来の特徴を生かせない場合がある。また、焼成温度は、1100℃以下であるのが好ましく、950℃以下であるのがより好ましい。焼成温度が高すぎると、正極活物質の粒径が大きくなり過ぎて電池特性が低下する場合がある。また、Li2 MnO3 、LiMnO2 等の副生成物が生成しやすくなり、単位重量あたりの放電容量の低下、サイクル特性の低下、動作電圧の低下を招く場合がある。
焼成時間は、一般に、1〜24時間であるのが好ましく、6〜12時間であるのがより好ましい。焼成時間が短すぎると、原料粒子間の拡散反応が進行しない。焼成時間が長すぎると、拡散反応がほぼ完了した後の焼成が無駄となり、また、焼結による粗大粒子が形成されてしまう場合がある。
酸素濃度を制御した雰囲気中で焼成を行うと、結晶構造中の酸素欠損の発生を抑制することができ、結晶の歪みがほとんどなく、(400)結晶子径が大きい、リチウム遷移金属複合酸化物の粉末を製造することができる。
特に、酸素濃度18体積%以上の酸化雰囲気が好ましい。酸素濃度が18体積%以上の酸化雰囲気中で焼成を行うと、結晶構造中に十分な酸素が供給され、(400)結晶子径が600〜1200オングストロームの粉末が得られる。
本発明の非水電解液二次電池は、例えば、従来公知の非水電解液二次電池において、正極活物質の少なくとも一部として上述した正極活物質を用いた構成とすればよく、他の構成は特に限定されない。以下、リチウムイオン二次電池を例に挙げて説明する。
溶媒としては、例えば、ジメトキシエタン、ジエトキシエタン、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、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、メチルホルメート、γ−ブチロラクトン、2−メチルテトラヒドロフラン、ジメチルスルホキシド、スルホラン等の有機溶媒が挙げられる。これらは単独でまたは2種以上を混合して用いることができる。
上述した溶媒と電解質とを混合して電解液とする。ここで、ゲル化剤等を添加し、ゲル状として使用してもよい。また、吸湿性ポリマーに吸収させて使用してもよい。更に、無機系または有機系のリチウムイオンの導電性を有する固体電解質を使用してもよい。
上述した正極活物質の粉末に、アセチレンブラック、黒鉛等のカーボン系導電剤、結着剤および結着剤の溶媒または分散媒とを混合することにより正極合剤を調製する。得られた正極合剤をスラリーまたは混練物とし、アルミニウム箔等の集電体に塗布し、または担持させ、プレス圧延して正極活物質層を集電体に形成させる。
図5は、正極の模式的な断面図である。図5に示されているように、正極13は、正極活物質5を結着剤4により集電体12上に保持させてなる。
また、本発明に用いられる正極活物質は、結着剤と混練するときも、流動性に優れ、また、結着剤の高分子と絡まりやすく、優れた結着性を有する。
更に、本発明に用いられる正極活物質は、粗大粒子を含まず、球状であるため、作製した正極の塗膜面の表面が平滑性に優れたものになる。このため、正極板の塗膜面は結着性に優れ、はがれにくくなる。また、表面が平滑で充放電に伴う塗膜面表面のリチウムイオンの出入りが均一に行われるため、サイクル特性において顕著な改善がみられる。
図6は、円筒型電池の模式的な断面図である。図6に示されるように、円筒型電池20においては、集電体12上に正極活物質層を形成させた正極13と、集電体12上に負極活物質層を形成させた負極11とが、セパレーター14を介して、繰り返し積層されている。
図7は、コイン型電池の模式的な部分断面図である。図7に示されるように、コイン型電池30においては、集電体12上に正極活物質層を形成させた正極13と、負極11とが、セパレーター14を介して、積層されている。
図8は、角型電池の模式的な斜視図である。図8に示されるように、角型電池40においては、集電体12上に正極活物質層を形成させた正極13と、集電体12上に負極活物質層を形成させた負極11とが、セパレーター14を介して、繰り返し積層されている。
また、照明機器、エアコン、テレビ、ステレオ、温水器、冷蔵庫、オーブン電子レンジ、食器洗浄器、洗濯機、乾燥器、ゲーム機器、玩具、ロードコンディショナ、医療機器、自動車、電気自動車、ゴルフカート、電動カート、電力貯蔵システム等の電源としても用いることができる。
更に、用途は、民生用に限定されず、軍需用または宇宙用とすることもできる。
〔実施例1〕
粒子の粒度分布における体積累積頻度が10%、50%および90%に達する粒径(d10、d50およびd90)が、それぞれ11μm、14μmおよび18μmである、マンガンおよびマグネシウムの炭酸塩を水洗し、乾燥させた後、オルトホウ酸および炭酸リチウムと混合させた。得られた混合物を約800℃で約10時間焼成した。得られた焼成物を粉砕して、正極活物質を得た。
得られた正極活物質の組成は、Li1.09Mn1.94Mg0.01B0.008 O4 であった。硫酸根の含有量は、リチウム遷移金属複合酸化物と硫酸根の合計に対して0.5重量%であった。Fe含有量は、リチウム遷移金属複合酸化物とFeの合計に対して7ppmであった。
マンガンおよびマグネシウムの炭酸塩と、オルトホウ酸と、炭酸リチウムとの混合比を変更した以外は、実施例1と同様の方法により、正極活物質を得た。
得られた正極活物質の組成は、Li1.08Mn1.94Mg0.01B0.005 O4 であった。硫酸根の含有量は、リチウム遷移金属複合酸化物と硫酸根の合計に対して0.4重量%であった。Fe含有量は、リチウム遷移金属複合酸化物とFeの合計に対して2ppmであった。
マンガンおよびマグネシウムの炭酸塩と、オルトホウ酸と、炭酸リチウムとの混合比を変更した以外は、実施例1と同様の方法により、正極活物質を得た。
得られた正極活物質の組成は、Li1.05Mn1.95Mg0.01B0.005 O4 であった。硫酸根の含有量は、リチウム遷移金属複合酸化物と硫酸根の合計に対して0.4重量%であった。Fe含有量は、リチウム遷移金属複合酸化物とFeの合計に対して2ppmであった。
マンガンおよびマグネシウムの炭酸塩と、オルトホウ酸と、炭酸リチウムとの混合比を変更した以外は、実施例1と同様の方法により、正極活物質を得た。
得られた正極活物質の組成はLi1.05Mn1.95Mg0.01B0.008 O4 であった。
d10、d50およびd90が、それぞれ23μm、31μmおよび48μmである、マンガンおよびマグネシウムの炭酸塩を水洗し、乾燥させた後、オルトホウ酸および炭酸リチウムと混合させた。得られた混合物を約800℃で約10時間焼成した。得られた焼成物を粉砕して、正極活物質を得た。
得られた正極活物質の組成は、Li1.08Mn1.95Mg0.01B0.0002O4 であった。硫酸根の含有量は、リチウム遷移金属複合酸化物と硫酸根の合計に対して0.5重量%であった。Fe含有量は、リチウム遷移金属複合酸化物とFeの合計に対して8ppmであった。
マンガンおよびマグネシウムの炭酸塩と、オルトホウ酸と、炭酸リチウムとの混合比を変更した以外は、実施例5と同様の方法により、正極活物質を得た。
得られた正極活物質の組成は、Li1.08Mn1.95Mg0.01B0.003 O4 であった。硫酸根の含有量は、リチウム遷移金属複合酸化物と硫酸根の合計に対して0.5重量%であった。Fe含有量は、リチウム遷移金属複合酸化物とFeの合計に対して5ppmであった。
d10、d50およびd90が、それぞれ20μm、29μmおよび41μmである、マンガンおよびマグネシウムの炭酸塩を水洗し、乾燥させた後、オルトホウ酸および炭酸リチウムと混合させた。得られた混合物を約800℃で約10時間焼成した。得られた焼成物を粉砕して、正極活物質を得た。
得られた正極活物質の組成は、Li1.08Mn1.94Mg0.01B0.005 O4 であった。
d10、d50およびd90が、それぞれ10μm、13μmおよび18μmである、マンガンおよびマグネシウムの炭酸塩を水洗し、乾燥させた後、オルトホウ酸および炭酸リチウムと混合させた。得られた混合物を約800℃で約10時間焼成した。得られた焼成物を粉砕して、正極活物質を得た。
得られた正極活物質の組成は、Li1.08Mn1.94Mg0.01B0.005 O4 であった。硫酸根の含有量は、リチウム遷移金属複合酸化物と硫酸根の合計に対して0.4重量%であった。Fe含有量は、リチウム遷移金属複合酸化物とFeの合計に対して5ppmであった。
d10、d50およびd90が、それぞれ9μm、12μmおよび16μmであるマンガンの炭酸塩を水洗し、乾燥させた後、オルトホウ酸、炭酸リチウムおよび水酸化アルミニウムと混合させた。得られた混合物を約800℃で約10時間焼成した。得られた焼成物を粉砕して、正極活物質を得た。
得られた正極活物質の組成は、Li1.08Mn1.94Al0.04B0.005 O4 であった。硫酸根の含有量は、リチウム遷移金属複合酸化物と硫酸根の合計に対して0.4重量%であった。Fe含有量は、リチウム遷移金属複合酸化物とFeの合計に対して2ppmであった。
マンガンおよびマグネシウムの炭酸塩と、オルトホウ酸と、炭酸リチウムとの混合比を変更した以外は、実施例8と同様の方法により、正極活物質を得た。
得られた正極活物質の組成は、Li1.07Mn1.94Mg0.04B0.005 O4 であった。硫酸根の含有量は、リチウム遷移金属複合酸化物と硫酸根の合計に対して0.4重量%であった。Fe含有量は、リチウム遷移金属複合酸化物とFeの合計に対して16ppmであった。
d10、d50およびd90が、それぞれ0.4μm、9.6μmおよび28.3μmである二酸化マンガンと、炭酸リチウムと、炭酸マグネシウムと、オルトホウ酸とを乾式混合して原料混合物の粉末を得た。得られた原料混合物を大気雰囲気中で830℃で11時間焼成した。得られた焼成物を粉砕して、正極活物質を得た。
得られた正極活物質の組成は、Li1.10Mn1.93Mg0.01B0.0083O4 であった。硫酸根の含有量は、リチウム遷移金属複合酸化物と硫酸根の合計に対して1.2重量%であった。Fe含有量は、リチウム遷移金属複合酸化物とFeの合計に対して40ppmであった。
(1)正極活物質の構成
実施例1および比較例1で得られた正極活物質について、WDXを装備したEPMAを用いて、上述した方法により、長さ300μmの線分に沿ってライン分析を行った。結果を図9および図10に示す。
図9より、実施例1で得られた正極活物質においては、表面に存在するマグネシウムの存在状態が均一であることが分かる。リチウム遷移金属複合酸化物の粒子の表面におけるマグネシウムの存在割合は、84.5%であった。
図10より、比較例1で得られた正極活物質においては、表面に存在するマグネシウムの存在状態が不均一である(偏っている)ことが分かる。リチウム遷移金属複合酸化物の粒子の表面におけるマグネシウムの存在割合は、2.0%であった。
得られた正極活物質の元素分析を、各元素の発光電圧により元素分析を行うパーティクルアナライザ「PT−1000」(横河電気(株)製)を用いて、実施した。上記式(1)および(2)から、遷移金属およびリチウムに起因する発光電圧に基づく誤差の絶対偏差を求めた。
得られた正極活物質の比表面積を、窒素ガスを用いた定圧式BET吸着法により測定した。
また、得られた正極活物質の粒度分布を、レーザー回折散乱法により測定し、D10、D50、D90、粒子径の標準偏差、および、体積基準の粒子径が50μm以上である粒子の割合を求めた。
得られた正極活物質についてX線回折法を行った。X線回折法は、X線回折装置(RINT2500V、理学電気社製)を用い、X線源としてCuKα1を用い、管電流100mA、管電圧40kVの条件で行った。X線回折法により得られたX線回折パターンを基に、上記式(3)で表されるシェラーの式から、正極活物質の(400)結晶子径を求めた。
得られた正極活物質を110℃で15時間乾燥させた後、エチレンカーボネート/ジエチルカーボネート=3/7の混合溶媒にLiPF6 を1mol/Lの濃度で溶解した電解液と混合させて85℃で48日間保存した。これをフィルターろ過により正極活物質を取り除いた後、ICP分光分析法によりMnの溶出量(電解液の重量に対するMn元素の重量)を測定した。Mnの溶出量が少ないほど保存特性に優れると言える。
正極活物質粉末95重量部およびポリフッ化ビニリデンのノルマルメチルピロリドン溶液(ポリフッ化ビニリデン量として5重量部)を混練してペーストを調製し、これをドクターブレード法にてアルミニウム極板に塗布し、乾燥させて正極板とした。正極板を所定の大きさ(5cm2 )に裁断した後、一軸プレス機にて極板を加圧した。加圧後の極板の厚さと重量から極板密度を算出した。
第1表から明らかなように、本発明の非水電解液二次電池に用いられる正極活物質は、比較例1の正極活物質に比べて、Mnの溶出量が低く、保存特性に優れていた。また、本発明の非水電解液二次電池に用いられる正極活物質は、比較例1の正極活物質に比べて、極板密度が同等であった。
上記で得られた各正極活物質を用いて、負極がリチウム金属である試験用二次電池、負極がカーボンである試験用二次電池および円筒電池を作製して、以下のようにして評価した。
負極がリチウム金属である試験用二次電池は以下のように作製した。
正極活物質の粉末90重量部と、導電剤となる炭素粉末5重量部と、ポリフッ化ビニリデンのノルマルメチルピロリドン溶液(ポリフッ化ビニリデン量として5重量部)とを混練してペーストを調製し、これを正極集電体に塗布し乾燥させて正極板とした。得られた正極板を用い、負極がリチウム金属である試験用二次電池を作製した。
充電電位4.3V、放電電位2.85V、放電負荷0.2C(なお、1Cは、1時間で放電が終了する電流負荷である。以下、同じ。)の条件で、負極がリチウム金属である試験用二次電池を放電させた。このときの放電容量を0.2C初期放電容量とした。
また、充電電位4.3V、放電電位3.0V、放電負荷0.24Cの条件で、負極がリチウム金属である試験用二次電池を放電させた。このときの放電容量を0.24C初期放電容量とした。
0.2C初期放電容量の測定時に、3.3Vから2.85Vまで放電する間の容量変化を測定し、放電末期の膨れを評価した。放電末期の膨れが小さいほどサイクル特性に優れると言える。
充電電位4.3V、放電電位2.85V、放電負荷0.2Cの条件で、負極がリチウム金属である試験用二次電池を放電させた。このとき、放電容量の値を初期放電容量とし、充電容量の値を初期充電容量とした。得られた初期放電容量の値を初期充電容量で除して、初期効率を求めた。
充電電位4.3V、放電電位2.85V、放電負荷2.0Cの条件で、負極がリチウム金属である試験用二次電池を放電させた。このときの放電容量を負荷放電容量とした。
負極がリチウム金属である試験用二次電池を用いて、充電電位4.3V、放電電位2.85V、放電負荷0.2Cの条件で、初期放電容量を測定した後、充電電位4.3V、放電電位2.85V、放電負荷2.0Cの条件で、負荷放電容量を測定した。得られた負荷放電容量の値を初期放電容量で除して、放電負荷2.0Cのときの負荷効率を求めた。
第2表から明らかなように、本発明の非水電解液二次電池は、初期放電容量および負荷放電容量のいずれにも優れ、初期効率および負荷効率のいずれにも優れ、かつ、サイクル特性に優れていた。
負極がリチウム金属である試験用二次電池の場合と同様の方法により、正極板を得た。得られた正極板を用い、負極がカーボンである試験用二次電池を作製した。
充電電位4.2V、放電電位2.75V、放電負荷0.2Cの条件で、負極がカーボンである試験用二次電池の充放電を43サイクル行った。43サイクル後の放電容量を測定した。
43サイクル後の放電容量の測定時に、3.3Vから2.85Vまで放電する間の容量変化を測定し、放電末期の膨れを評価した。放電末期の膨れが小さいほどサイクル特性に優れると言える。
43サイクル充放電を行った後、負極がカーボンである試験用二次電池を分解し、負極およびセパレーターを取り出し、負極およびセパレーターに付着したMnを溶解させて濃縮し、ICP分光分析法によりMn溶出量(負極およびセパレーターから溶解させたMn元素の重量)を測定した。Mn溶出量が少なければ、サイクル特性および保存特性に優れると言える。
充電電位4.2V、放電電位2.75V、放電負荷1.0Cの条件で充放電を繰り返し行い、43サイクル後の放電容量を測定した。得られた43サイクル後の放電容量の値を1サイクル後の放電容量の値で除して、43サイクル後の放電容量維持率を求め、サイクル特性を評価した。
第3表から明らかなように、本発明の非水電解液二次電池は、サイクル特性および保存特性に優れていた。
円筒電池は、以下のようにして作製した。
負極がリチウム金属である試験用二次電池の場合と同様の方法により、正極板を得た。また、負極活物質として炭素材料を用い、正極板の場合と同様にして負極集電体に塗布し乾燥させて負極板とした。セパレーターには多孔性プロピレンフィルムを用いた。電解液には、エチレンカーボネート/メチルエチルカーボネート=3/7(体積比)の混合溶媒にLiPF6 を1mol/Lの濃度になるように溶解させた溶液を用いた。正極板、負極板およびセパレーターを薄いシート状に成形し、これを巻回させて金属円筒形の電池ケースに収納し、電池ケース内に電解液を注入して、リチウムイオン電池の円筒電池を得た。
充電電位4.2V、放電電位2.75V、放電負荷2Cの条件で充放電を繰り返し行い、200サイクル後の放電容量を測定した。得られた200サイクル後の放電容量の値を1サイクル後の放電容量の値で除して、200サイクル後の放電容量維持率を求め、サイクル特性を評価した。
60℃において、充電電位4.2V、放電電位2.75V、放電負荷2Cの条件で充放電を繰り返し行い、200サイクル後の放電容量を測定した。得られた200サイクル後の放電容量の値を1サイクル後の放電容量の値で除して、高温放電容量維持率を求め、高温サイクル特性を評価した。
充電電位4.2V、放電電位2.75V、放電負荷0.2Cの条件で、初期放電容量を測定した後、充電電位4.2V、放電電位2.75V、放電負荷2.0Cの条件で、負荷放電容量を測定した。得られた負荷放電容量の値を初期放電容量で除して、放電負荷2.0Cのときの負荷効率を求めた。
充電電位4.2V、放電電圧2.75V、放電負荷0.2Cの条件で、初期放電容量および電力量を測定した。得られた電力量の値を初期放電容量で除して、平均電位を求めた。
第4表から明らかなように、本発明の非水電解液二次電池は、サイクル特性および高温サイクル特性のいずれにも優れ、かつ、負荷時の平均電位が高く、負荷容量維持率に優れていた。
2 32eサイト
3 16dサイト
4 結着剤
5 正極活物質
11 負極
12 集電体
13 正極
14 セパレーター
20 円筒型電池
30 コイン型電池
40 角型電池
Claims (1)
- 少なくともスピネル構造のリチウム遷移金属複合酸化物を有する正極活物質を用いた非水電解液二次電池であって、
前記リチウム遷移金属複合酸化物は、一次粒子およびその凝集体である二次粒子の一方または両方からなる粒子の形態で存在し、
前記各粒子に、前記各粒子における遷移金属およびリチウムに起因する発光電圧値の三乗根のそれぞれを座標成分とする二次元座標を与えて、座標平面上の点として表し、原点を通る一次回帰直線を求めたときに、
前記一次回帰直線に対する前記各点の誤差の絶対偏差が0.25以下である非水電解液二次電池。
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