JP2015201388A - 非水系二次電池用正極活物質及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
コア粒子は公知のリチウム遷移金属複合酸化物を用いれば良い。例えばコバルト酸リチウム(LiCoO2)、ニッケル酸リチウム(LiNiO2)、スピネル構造のマンガン酸リチウム(LiMn2O4)、ニッケルコバルトマンガン酸リチウム(Li(Ni,Co,Mn)O2)、オリビン構造のリン酸鉄リチウム(LiFePO4)等がある。
被覆層は、ホウ素及びタングステンからなる群より選択される少なくとも一種の元素Mと、ニオブとを含む。正極活物質がこれら特定の少なくとも二種の元素を含有する被覆層を有することで、固体電解質と正極活物質との界面抵抗が劇的に低下し、結果として全固体二次電池の放電容量が増加する。また、正極活物質全体の結晶構造が安定化し、高電流で充放電しても非水電解液中の電解質と正極活物質との反応が抑制される。
まず、コア粒子1の表面に、元素Mを含む化合物からなる第一の被覆原料2を付着させ(図1の(a))、第一の被覆粒子3を得る(図1の(b))。図1の(b)において、第一の被覆原料2はコア粒子1の表面全体を均一に被覆しているが、このような形態は一例にすぎず、必ずしもこのような形態である必要はない。
得られる第一の被覆粒子は、さらに熱処理を施してもよい。熱処理によって、第一の被覆原料とコア粒子の一部が反応し、コア粒子の表面のより多くの領域が第一の被覆原料等で被覆される。この結果、全固体二次電池においては放電容量がより増加する。そのため、第一の熱処理工程は全固体二次電池用正極活物質を得る場合に特に好ましい。
得られる第一の被覆粒子3の表面に、ニオブを含む化合物からなる第二の被覆原料4を付着させ(図1の(c))、第二の被覆粒子5を得、(図1の(d))正極活物質とする。図1の(d)において、第二の被覆原料2は第一の被覆粒子3の表面全体を均一に被覆しているが、このような形態は一例にすぎず、必ずしもこのような形態である必要はない。また、図1の(d)において、第二の被覆粒子5は二層からなる被覆層を有しているが、このような形態は一例にすぎず、必ずしもこのような形態である必要はない。また、被覆層は第一の被覆原料に由来する領域と第二の被覆原料に由来する領域とが明確に区別される必要はない。
得られる第二の被覆粒子は、さらに熱処理を施してもよい。熱処理によって被覆が強固になるので好ましい。
実施例1におけるコア粒子を比較用に用いた。
実施例5におけるコア粒子を比較用に用いた。
実施例5と同様のリチウム遷移金属複合酸化物をコア粒子とし、高速せん断型ミキサーで撹拌しながら市販の酸化ニオブゾル(ニオブとして5%含有)を、コア粒子に対してニオブとして0.5mol%となる量だけ滴下し、第二の混合物を得た。滴下後、第二の混合物を大気中450℃で10時間熱処理し、目的の正極組成物を得た。
実施例1〜4及び比較例1の正極活物質を用いて全固体二次電池を作製し、電池特性を評価した。
アルゴン雰囲気下で硫化リチウム及び五硫化リンを、その物質量比が7:3となるように秤量した。秤量物をメノウ乳鉢で粉砕混合し、硫化物ガラスを得た。これを固体電解質として用いた。
正極活物質60重量部、固体電解質36重量部及びVGCF(気相法炭素繊維)4重量部を混合し、正極合材を得た。
厚さ0.05mmのインジウム箔を直径11.00mmの円形にくり抜き、負極とした。
内径11.00mmの円筒状外型に外径11.00mmの円柱状下型を、外型下部から挿入した。下型の上端は外型の中間に位置に固定した。この状態で外型の上部から下型の上端に固体電解質80mgを投入した。投入後、外形11.00mmの円柱状上型を外型の上部から挿入した。挿入後、上型の上方から90MPaの圧力をかけて、固体電解質を成形し、固体電解質層とした。成形後上型を外型の上部から引き抜き、外型の上部から固体電解質層の上部に正極合材20mgを投入した。投入後、再度上型を挿入し、今度は360MPaの圧力をかけて正極合材を成形し、正極層とした。成形後上型を固定し、下型の固定を解除して外型の下部から引き抜き、下型の下部から固体電解質層の下部に負極を投入した。投入後、再度下型を挿入し、下型の下方から150MPaの圧力をかけて負極を成形し、負極層とした。圧力をかけた状態で下型を固定し、上型に正極端子、下型に負極端子を取り付け、全固体二次電池を得た。
電流密度0.195μA/cm2、充電電圧4.0Vで定電流定電圧充電を行った。充電後、電流密度0.195μA/cm2、放電電圧1.9Vで定電流放電を行い、放電容量Qdを測定した。
実施例5及び比較例2、3の正極活物質を用いて非水電解液二次電池を作製し、電池特性を評価した。
正極組成物85重量部、アセチレンブラック10重量部、及びPVDF(ポリフッ化ビニリデン)5.0重量部を、NMP(ノルマルメチル−2−ピロリドン)に分散させて正極スラリーを調製した。得られる正極スラリーをアルミニウム箔に塗布し、乾燥後ロールプレス機で圧縮成形し、所定サイズに裁断して正極を得た。
人造黒鉛97.5重量部、CMC(カルボキシメチルセルロース)1.5重量部、及びSBR(スチレンブタジエンゴム)1.0重量部を水に分散させて負極スラリーを調製した。得られた負極スラリーを銅箔に塗布し、乾燥後ロールプレス機で圧縮成形し、所定サイズに裁断して負極を得た。
EC(エチレンカーボネイト)とMEC(メチルエチルカーボネイト)を体積比率3:7で混合し、溶媒とした。得られる混合溶媒に六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)をその濃度が、1mol/lになるように溶解させて、非水電解液を得た。
上記正極と負極の集電体に、それぞれリード電極を取り付けたのち120℃で真空乾燥を行った。次いで、正極と負極との間に多孔性ポリエチレンからなるセパレータを配し、袋状のラミネートパックにそれらを収納した。収納後60℃で真空乾燥して各部材に吸着した水分を除去した。真空乾燥後、ラミネートパック内に、先述の非水電解液を注入、封止し、ラミネートタイプの非水電解液二次電池を得た。
非水電解液二次電池に微弱電流でエージングを行い、正極及び負極に電解質を十分なじませた。エージング後、電池を45℃に設定した恒温槽内に入れ、充電電圧4.4V、充電電流2.0C(1C:1時間で放電が終了する電流)での充電と、放電電圧2.75V、放電電流2.0Cでの放電を1サイクルとし、充放電を繰り返した。nサイクル目の放電容量を1サイクル目の放電容量で除した値を、nサイクル目の放電容量維持率Qs(n)とした。Qs(n)が高いことは、サイクル特性が良いことを意味する。
非水電解液二次電池に微弱電流を流してエージングを行い、正極及び負極に電解質を十分なじませた。その後、高電流での放電と、微弱電流での充電を繰り返した。10回目の充電における充電容量を電池の全充電容量とした。11回目の放電後、全充電容量の4割まで充電した。11回目の充電後、電池を−25℃に設定した恒温槽内に入れ、6時間置いた後、放電電流0.02A、0.04A、0.06Aで放電し、各放電時の電圧を測定した。横軸に電流を、縦軸に電圧をとって交点をプロットし、交点を結んだ直線の傾きの絶対値を直流内部抵抗Rとした。Rが低いことは、出力特性が良いことを意味する。
2 第一の被覆原料
3 第一の被覆粒子
4 第二の被覆原料
5 第二の被覆粒子
Claims (10)
- リチウム遷移金属複合酸化物からなるコア粒子と、前記コア粒子の表面に存在する被覆層とを含み、
前記被覆層は、ホウ素及びタングステンからなる群より選択される少なくとも一種の元素Mと、ニオブとを含む被覆層である、
非水系二次電池用正極活物質。 - 前記被覆層における前記元素Mの、前記コア粒子に対する物質量比が0.1以上5.0以下である、請求項1に記載の正極活物質。
- 前記被覆層における前記ニオブの、前記コア粒子に対する物質量比が0.1以上5.0以下である、請求項1又は2に記載の正極活物質。
- 前記被覆層における前記元素Mの前記ニオブに対する物質量比が0.01以上50.0以下である請求項1乃至3のいずれか一項に記載の正極活物質。
- 前記リチウム遷移金属複合酸化物が、一般式LiaNi1−x−yCoxMnyLzO2(0.95≦a≦1.2、0.10≦x≦0.35、0.20≦y≦0.35、0≦z≦0.02、LはW、Zr、Mo及びNbからなる群より選択される少なくとも一種の元素)で表される、請求項1乃至4のいずれか一項に記載の正極活物質。
- リチウム遷移金属複合酸化物からなるコア粒子と、前記コア粒子の表面に存在し、ホウ素及びタングステンからなる群より選択される少なくとも一種の元素Mとニオブとを含む被覆層と、を含む非水系二次電池用正極活物質の製造方法であって、
前記コア粒子の表面に元素Mを含む化合物からなる第一の被覆原料を付着させて第一の被覆粒子を得る第一の被覆工程と、
前記第一の被覆粒子の表面にニオブを含む化合物からなる第二の被覆原料を付着させて第二の被覆粒子を得る第二の被覆工程と、
を含む、製造方法。 - 前記第一の被覆粒子を熱処理する第一の熱処理工程をさらに含む、請求項6に記載の製造方法。
- 前記第二の被覆粒子を熱処理する第二の熱処理工程をさらに含む、請求項6又は7に記載の製造方法。
- 前記第一の熱処理工程における熱処理温度が150℃以上800℃以下である、請求項7に記載の製造方法。
- 前記第二の熱処理工程における熱処理温度が250℃以上500℃以下である、請求項8に記載の製造方法。
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