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JP5019892B2 - 非水電解質二次電池 - Google Patents

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Description

本発明は非水電解質に関し、特に電池容量が低下することなく、熱安定性及び高温サイクル特性が顕著に向上した非水電解質二次電池に関する。
携帯型の電子機器の急速な普及に伴い、それに使用される電池への要求仕様は、年々厳しくなり、特に小型・薄型化、高容量でサイクル特性が優れ、性能の安定したものが要求されている。そして、二次電池分野では他の電池に比べて高エネルギー密度であるリチウム非水電解質二次電池が注目され、このリチウム非水電解質二次電池の占める割合は二次電池市場において大きな伸びを示している。
図1は、従来から作製されている円筒形の非水電解質二次電池を縦方向に切断して示す斜視図である。この非水電解質二次電池10は、正極11と負極12とがセパレータ13を介して巻回された渦巻状電極体14を使用し、この渦巻状電極体14の上下にそれぞれ絶縁板15及び16を配置した後、これを負極端子を兼ねるスチール製の円筒形の電池外装缶17の内部に収容し、負極12の集電タブ12aを電池外装缶17の内側底部に溶接するとともに正極11の集電タブ11aを安全装置が組み込まれた電流遮断封口体18の底板部に溶接し、この電池外装缶17の開口部から所定の非水電解液を注入した後、電流遮断封口体18によって電池外装缶17を密閉することにより製造されている。このような非水電解質二次電池は、電池性能や電池の信頼性が高いという優れた効果を奏するものである。
この非水電解質二次電池に使用される負極活物質としては、黒鉛、非晶質炭素などの炭素質材料が広く用いられている。その理由は、炭素質材料は、リチウム金属やリチウム合金に匹敵する放電電位を有しながらも、デンドライトが成長することがないために安全性が高く、さらに初期効率に優れ、電位平坦性も良好であり、また、密度も高いという優れた性質を有しているためである。
また、非水電解液の非水溶媒としては、カーボネート類、ラクトン類、エーテル類、エステル類などが単独であるいは2種類以上が混合されて使用されているが、これらの中では特に誘電率が大きく、非水電解液のイオン伝導度が大きいカーボネート類が多く使用されている。
また、正極活物質としては、コバルト酸リチウム(LiCoO)、マンガン酸リチウム(LiMnO)、スピネル型マンガン酸リチウム(LiMn)、ニッケル酸リチウム(LiNiO)、鉄酸リチウム(LiFeO)等のリチウム複合酸化物が炭素材料からなる負極と組み合わせることにより高エネルギー密度の4V級の非水電解質二次電池が得られることが知られている。このうち、特に各種電池特性が他のものに対して優れていることから、コバルト酸リチウムが多く使用されている。しかし、コバルトは高価であると共に資源としての存在量が少ないため、このコバルト酸リチウムを非水電解質二次電池の正極活物質として使用し続けるには非水電解質二次電池のさらなる高性能化及び高寿命化が望まれている。
このようなコバルト酸リチウムを正極活物質として用いた非水電解質二次電池の更なる高性能化及び高寿命化には、電池の高容量化及びサイクル寿命の向上が必須の課題である。正極活物質であるコバルト酸リチウムは、充電時にリチウム基準で4V以上の電位に曝されるため、充放電サイクルを重ねるとコバルト酸リチウム中のコバルトが溶出することによって劣化し、負荷性能が低下するとともに放電容量が低下する。そこで、正極活物質であるLiCoOの合成時に、他の遷移元素Mを添加含有させ、一般式LiCo1−xで表される異種金属元素添加コバルト酸リチウムとしたものが採用されるようになってきている。この一般式LiCo1−xで表される異種金属元素添加コバルト酸リチウムは、使用時のコバルトの溶出が抑制されるため、コバルト酸リチウムを単独で使用した場合と同等ないしはそれ以上の各種電池特性が達成されている。
この異種金属元素としてマグネシウムを用いると、特に熱的安定性が優れることも知られている。たとえば、下記特許文献1には、正極活物質としてマグネシウムを添加したコバルト酸リチウムを用いることにより、サイクル特性及び高温充電保存特性が改良された非水電解質二次電池が得られることが示されている。このマグネシウムを添加したコバルト酸リチウムは、コバルト1原子に対してリチウムとマグネシウムの原子比がそれぞれ0.5〜1.0:0.5〜0となるように炭酸リチウムと炭酸マグネシウムとを秤量し、十分に混合した後に加熱分解させることにより製造されたものである。
また、下記特許文献2には正極活物質としてリチウム化合物と添加元素Mを共沈することにより得られた異種金属元素添加共沈酸化コバルト(ただし、添加元素Mは、Mg、Al、Cu、Znの中から選ばれる少なくとも1種)を用いることにより、活物質比容量が高く、優れた充放電サイクル特性を有し、電池厚み増加を抑制し得る非水電解質二次電池が得られることが示されている。同じく下記特許文献3には、正極活物質として一般式LiCo(式中、MはMg、Al、Si、Ti、Zn、Zr及びSnから選択された少なくとも1種の元素を示す)で表される異種金属元素添加コバルト酸リチウムを使用すると、相転移が抑制され、結晶構造の崩壊が少なく、高容量を維持しつつ充電時の熱安定性が改善されるとともに、良好な充放電特性を実現し得ることが示されている。
更に、下記特許文献4には、正極活物質として、リチウムとコバルトを含む複合酸化物の粒子からなり、前記複合酸化物はMg、Cu、及びZnよりなる群から選択された元素M1と、Al、Ca、Ba、Sr、Y及びZrからなる群から選択された元素M2とからなり、元素M1は前記粒子中に均一に分布しており、元素M1は前記粒子の内部よりも表層部に多く分布しているものを用いることにより、正極活物質のタップ密度を減少させずにサイクル特性と熱安定性の向上を達成し得る非水電解液二次電池が得られることが示されている。
特開平 4−171659号公報 2002−198051号公報 特開2003− 45426号公報 特開2004− 47437号公報
上述のように、正極活物質としてコバルト酸リチウムの合成時に異種金属元素としてのMg等を共沈により均質に添加した異種金属元素添加コバルト酸リチウムを使用した非水電解質二次電池は、コバルト酸リチウムを単独で用いた場合に比べて、優れたサイクル特性及び熱安定性等を示すことが知られている。しかしながら、異種金属元素添加コバルト酸リチウム中の異種金属元素の添加量が多くなるとその分だけ非水電解質二次電池の電池容量が低下するとともに、サイクル特性が低下する。逆に、異種金属元素添加コバルト酸リチウム中の異種金属元素の添加量を減らしてコバルト酸リチウムの含有割合を増大させると、一応非水電解質二次電池の高容量化の達成は可能であるが、サイクル特性及び熱安定性等が低下する。したがって、従来の非水電解質二次電池においては、正極活物質であるコバルト酸リチウムへ異種金属元素を添加した場合、サイクル特性、熱安定性等の向上効果と電池容量の増大化の両立は困難であった。
発明者等は、上述のような従来技術の問題点を解決すべく種々実験を重ねた結果、マグネシウム添加量が異なる2種類の異種金属元素添加コバルト酸リチウムを所定の混合比で混合した正極活物質を使用すると、電池容量を低下させることなく、熱安定性、高温サイクル特性が顕著に向上した非水電解質二次電池が得られることを見出し、本発明を完成するに至ったのである。
すなわち、本発明は、少なくともマグネシウムが均質に分散するように焼結された2種類のLiCoOを所定の混合比で混合したものを正極活物質として使用した、特に電池容量が低下することなく、熱安定性、高温サイクル特性が顕著に向上した非水電解質二次電池を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明の非水電解質二次電池は、リチウムイオンの吸蔵・放出が可能な正極活物質を有する正極と、リチウムイオンの吸蔵・放出が可能な負極活物質を有する負極と、非水電解質とを備えた非水電解質二次電池において、前記正極活物質は、マグネシウムがコバルトに対して3〜5mol%均質に添加されたコバルト酸リチウムAとマグネシウムがコバルトに対して0.1〜1mol%均質に添加されたコバルト酸リチウムBの両者を含み、前記コバルト酸リチウムA:コバルト酸リチウムB=2:8〜8:2の混合比で混合されていることを特徴とする。
本発明においては、マグネシウムが3〜5mol%均質に添加されたコバルト酸リチウムAと、マグネシウムが0.1〜1mol%均質に添加されたコバルト酸リチウムBとを同時に使用することが必要である。コバルト酸リチウムA中のマグネシウム添加量が3mol%未満であると熱的安定性及び高温サイクル特性が低下し、また、コバルト酸リチウムA中のマグネシウム添加量が5mol%を超えると電池の初期容量及び高温サイクル特性が低下する。更に、コバルト酸リチウムB中のマグネシウム添加量が0.1mol%未満であると熱的安定性が低下し、また、コバルト酸リチウムB中のマグネシウム添加量が1mol%を超えると高温サイクル特性が低下する。
また、本発明においては、上記のコバルト酸リチウムAとコバルト酸リチウムBとを、A:B=2:8〜8:2の混合比で混合したものを正極活物質とすることが必須である。コバルト酸リチウム中のマグネシウムの添加量を増やしすぎると熱安定性は向上するものの高温サイクル特性が低下しやすいが、コバルト酸リチウム中のマグネシウム添加量を抑えた成分(コバルト酸リチウムB)を添加することによって、正極活物質の表面が安定するために電解液の分解が少なくなり、高温サイクル特性の低下が抑制される。コバルト酸リチウムAの添加割合が少なくなりすぎると熱安定性が低下し、コバルト酸リチウムAの添加割合が多くなりすぎると高温サイクル特性が悪化する。
また、本発明においては、非水電解質二次電池を構成する非水溶媒(有機溶媒)としては、カーボネート類、ラクトン類、エーテル類、エステル類などを使用することができ、これら溶媒の2種類以上を混合して用いることもできる。これらの中ではカーボネート類、ラクトン類、エーテル類、ケトン類、エステル類などが好ましく、カーボネート類がさらに好適に用いられる。
具体例としては、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ブチレンカーボネート(BC)、ビニレンカーボネート(VC)、シクロペンタノン、スルホラン、3−メチルスルホラン、2、4−ジメチルスルホラン、3−メチル−1、3オキサゾリジン−2−オン、ジメチルカーボネート(DMC)、メチルエチルカーボネート(MEC)、ジエチルカーボネート(DEC)、メチルプロピルカーボネート、メチルブチルカーボネート、エチルプロピルカーボネート、エチルブチルカーボネート、ジプロピルカーボネート、γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン、1、2−ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、1、3−ジオキソラン、酢酸メチル、酢酸エチル、1、4−ジオキサンなどを挙げることができる。
なお、本発明における非水電解液の溶質としては、非水電解質二次電池において一般に溶質として用いられるリチウム塩を用いることができる。このようなリチウム塩としては、LiPF、LiBF、LiCFSO、LiN(CFSO、LiN(CSO、LiN(CFSO)(CSO)、LiC(CFSO、LiC(CSO、LiAsF、LiClO、Li10Cl10、Li12Cl12など及びそれらの混合物が例示される。これらの中でも、LiPF(ヘキサフルオロリン酸リチウム)が好ましく用いられる。前記非水溶媒に対する溶質の溶解量は、0.5〜2.0mol/Lとするのが好ましい。また、これらの非水溶媒及び溶質を適当な高分子に含有させてゲル状としたものを用いることもできる。
係る態様の非水電解質二次電池に置いては、前記コバルト酸リチウムA及びコバルト酸リチウムBの少なくとも一方には更にジルコニウムがコバルトに対して0.01〜1mol%均質に添加されていることが好ましい。
コバルト酸リチウムA及びコバルト酸リチウムBの両方にマグネシウムが含有されていれば、ジルコニウムが添加されていても或いは添加されていなくても、一応熱的安定性が良好な結果が得られる。しかしながら、コバルト酸リチウムA又はコバルト酸リチウムBのいずれか一方のみに更にジルコニウムが0.01mol%以上添加されていると、高温サイクル特性が更に良好となり、コバルト酸リチウムA及びコバルト酸リチウムBの両方に更にジルコニウムが0.01mol%以上添加されていると、非常に良好な高温サイクル特性が得られるようになる。ただし、コバルト酸リチウムA又はコバルト酸リチウムB中のジルコニウム添加量が1mol%を超えると却って初期容量が低下するので好ましくない。なお、コバルト酸リチウムA及びコバルト酸リチウムB中のジルコニウムの添加量が0.01mol%未満ではジルコニウム添加の効果が表れない。
また、係る態様の非水電解質に次電池においては、前記コバルト酸リチウムA及びコバルト酸リチウムBは、コバルト及びマグネシウムを含む酸水溶液からコバルトと共にマグネシウムを共沈させることによって得たコバルト化合物を用いて製造されたものであることが好ましい。更に、前記コバルト酸リチウムA及びコバルト酸リチウムBは、コバルト、マグネシウム及びジルコニウムを含む酸水溶液からコバルトと共にマグネシウム及びジルコニウムを共沈させることによって得たコバルト化合物を用いて製造されたものであることが好ましい。
すなわち、本発明においては、異種金属元素としてのマグネシウム又はマグネシウムとジルコニアをコバルト酸リチウムの合成用原料であるコバルト化合物(例えば、炭酸コバルト(CoCO)、水酸化コバルト(Co(OH))等)の調製時に均質に分散するように含有させることが必要である。例えば、共沈法のような手法を用いることにより、異種元素を均質に分散させることが可能となり、所定の効果を奏するようになる。
また、係る態様の非水電解質二次電池においては、前記負極活物質は炭素質物からなることが好ましい。
電池電圧は正極の電位と負極の電位との差で示されるので、電池電圧を大きくすることにより電池の容量を大きくすることができるが、負極活物質として電位の低い炭素質物(リチウム基準で約0.1V)を用いると、電池電圧が高く、正極活物質の利用率の高い非水電解質二次電池が得られる。上記炭素物質としては、天然黒鉛、人造黒鉛、カーボンブラック、コークス、ガラス状炭素、炭素繊維、又はこれらの焼成体の一種あるいは複数種混合したものが使用可能である。
本発明によれば、以下に各種実施例及び比較例を基に詳細に述べるように、電池容量が低下することなく、熱安定性、高温サイクル特性が顕著に向上した非水電解質二次電池が得られる。
以下、本願発明を実施するための最良の形態を実施例及び比較例を用いて詳細に説明する。ただし、以下に示す実施例は、本発明の技術思想を具体化するための非水電解質二次電池の一例を例示するものであって、本発明をこの実施例に特定することを意図するものではなく、本発明は特許請求の範囲に示した技術思想を逸脱することなく種々の変更を行ったものにも均しく適用し得るものである。
[実施例1〜3]
最初に、実施例1〜3の非水電解質二次電池の具体的製造方法について説明する。
[正極活物質の作製]
正極活物質である異種金属元素添加コバルト酸リチウムは次のようにして作製した。まず、硫酸コバルト(CoSO)の水溶液に、コバルトに対して0.5mol%に相当する硫酸ジルコニウム(Zr(SO)と、下記表1に示した組成となるように硫酸マグネシウム(MgSO)をそれぞれ添加した。その後、炭酸水素ナトリウム(NaHCO)を加え、炭酸コバルト(CoCO)を沈殿させると同時にジルコニウム及びマグネシウムを共沈させた。
炭酸水素ナトリウムを添加する前の水溶液中には各種のイオンが均質に混合されているため、得られた炭酸コバルトの沈殿にはジルコニウム及びマグネシウムが均質に分散している。この後、このジルコニウム及びマグネシウムが共沈した炭酸コバルトを酸素存在下において熱分解反応を起こさせ、コバルト源の出発原料としてのジルコニウム及びマグネシウムが共沈にて均質に含有された四酸化三コバルト(Co)を得た。
次いで、リチウム源の出発原料として炭酸リチウム(LiCO)を用い、リチウムとコバルトとのモル比が5:5となるように、炭酸リチウムとジルコニウム及びマグネシウムが共沈にて均質に含有された四酸化三コバルトとを秤量した。その後、これらの化合物を乳鉢で混合した後、得られた混合物を空気中850℃で20時間焼成して、ジルコニウム及びマグネシウムを含有するコバルト酸リチウムの焼成体を合成した。この後、合成した焼成体を平均粒径が10μmになるまで粉砕して、それぞれマグネシウム添加量が異なるコバルト酸リチウムA及びコバルト酸リチウムBを得た。
このように所定の条件に基づいて合成されたコバルト酸リチウムA及びコバルト酸リチウムBは、更に5:5の配合比で混合した後、正極活物質として使用した。得られた正極活物質中のジルコニウム及びマグネシウムの添加量は、ICP(Inductively Coupled Plasma:誘導結合プラズマ)発光分析法により分析して求めた。
[正極の作製]
表1に示した組成となるように調製された正極活物質粉末が85質量部、正極導電材としての炭素粉末が10質量部、結着剤としてのポリフッ化ビニリデン(PVdF)粉末が5質量部となるように混合した。更に、これらの混合物をN−メチルピロリドン(NMP)溶液と混合してスラリーを調製した。このスラリーを厚さ20μmのアルミニウム製の正極集電体の両面にドクターブレード法により塗布し、正極集電体の両面に活物質合剤層を形成した。その後、乾燥した後に圧縮ローラーを用いて厚さ160μmに圧縮し、短辺の長さが55mm、長辺の長さが500mmの正極を作成した。
[負極の作製]
天然黒鉛粉末が95質量部、PVdF粉末が5質量部となるよう混合し、これをNMP溶液と混合してスラリーを調製した。次いで、このスラリーを厚さ18μmの銅製の集電体の両面にドクターブレード法により塗布し、その後、乾燥した後に圧縮ローラーを用いて厚さ155μmに圧縮し、短辺の長さが57mm、長辺の長さが550mmの負極を作製した。なお、黒鉛の電位はLi基準で0.1Vである。また、正極及び負極の活物質充填量は、設計基準となる正極活物質の電位において、正極と負極の充電容量比(負極充電容量/正極充電容量)を1.1となるように調整した。
[電解液の作製]
エチレンカーボネート(EC)とジエチルカーボネート(DEC)との等体積混合溶媒に、LiPFを1mol/Lとなるように溶解して電解液とし、これを電池作製に供した。
[電池の作製]
上記の正極、負極及び電解液を用いて、実施例1〜3に係る図1に示した構成の円筒形の非水電解質二次電池(高さ65mm、直径18mm)を作製した。なお、セパレ一夕にはポリプロピレン製微多孔膜を用いた。製造された実施例1〜3に係る非水電解質二次電池の設計容量は1600mAhである。
次に、比較例1〜11及び実施例4〜14の非水電解質二次電池の具体的製造方法について説明する。
[比較例1〜4]
比較例1〜4の非水電解質二次電池は、正極活物質中のコバルト酸リチウムA及びコバルト酸リチウムBに添加するマグネシウム量を表1に示したとおり変更したこと以外は実施例1〜3と同様にして作製した。
[実施例4及び5、比較例5及び6]
実施例4及び5、比較例5及び6の非水電解質二次電池は、コバルト酸リチウムAのマグネシウムの添加量を3mol%、ジルコニウム添加量を0.5mol%とし、コバルト酸リチウムBのマグネシウム添加量を0.1mol%、ジルコニウム添加量を0.5mol%とし、コバルト酸リチウムAとコバルト酸リチウムBの混合比を1:9(比較例5)、2:8(実施例4)、8:2(実施例5)及び9:1(比較例6)と変化させたこと以外は実施例1〜3と同様にして作製した。
[実施例6〜12、比較例7]
実施例6〜12の非水電解質二次電池は、コバルト酸リチウムAのマグネシウム添加量を3mol%、ジルコニウム添加量を表3に示したとおり、0mol%〜2mol%まで変化させ、コバルト酸リチウムBのマグネシウム添加量を0.1mol%、ジルコニウムを表3に示したとおり、0mol%〜2mol%まで変化させた以外は実施例1〜3と同様にして作製した。また、比較例7の非水電解質二次電池は、マグネシウム及びジルコニウムとも無添加のコバルト酸リチウムを単独で用いた以外は実施例1〜3と同様にして作製した。
[実施例13及び14、比較例8〜11]
実施例13及び14、比較例8〜11の非水電解質二次電池は、コバルト酸リチウムAのジルコニウムを無添加とし、マグネシウム添加量を表4に示したとおり2mol%〜6mol%まで変化させ、コバルト酸リチウムBのジルコニウムを無添加とし、マグネシウム添加量を表4に示したとおり0.1mol%〜2mol%まで変化させた以外は実施例1〜3と同様にして作製した。
次に各実施例及び比較例に共通する非水電解質二次電池の各種特性の測定方法について説明する。
[電池初期容量の測定]
上述のようにして作製した実施例1〜14及び比較例1〜11の各電池について、25℃において、1It=1600mAの定電流で充電し、電池の電圧が4.2Vになった後は4.2Vの定電圧で充電電流値が30mAになるまで初期充電した。この初期充電した電池について1Itの定電流で電池電圧が2.75Vに達するまで放電を行い、この時の放電容量を初期容量として求めた。
[DSC発熱開始温度]
実施例1〜14及び比較例1〜11の各電池について、25℃において、1Itの定電流で4.3Vまで充電した後、ドライボックス中で分解し、ジメチルカーボネートで洗浄後に真空乾燥を行ったものをサンプルとした。このサンプル4mgに対してエチレンカーボネートを1mg加え、アルゴン雰囲気下でアルミニウム製のセル中に封じ、示差走査熱量計にて5℃/minで昇温し、自己発熱を開始する温度を測定した。
[高温サイクル試験]
各電池を、60℃の温度環境で、1It=1600mAの定電流で充電し、電池の電圧が4.2Vになった後は4.2Vの定電圧で充電電流値が30mAになるまで1回目の充電を行った。この1回目の充電を行った電池について1Itの定電流で電池電圧が2.75Vに達するまで放電を行い、1サイクル目の放電容量を求めた。次いで、このような充放電を300サイクル繰り返して行い、下記の計算式に従って容量維持率として高温サイクル試験結果(%)を求めた。
高温サイクル試験結果(%)
=(300サイクル目の放電容量/1サイクル目の放電容量)×100
実施例1〜3及び比較例1〜4の結果を纏めて表1に、実施例4及び5、比較例5及び6の結果を実施例1の結果と共に纏めて表2に、実施例6〜12及び比較例7の結果を実施例1の結果と共に纏めて表3に、実施例13、14及び比較例8〜11の結果を実施例6の結果と共に纏めて表4に、それぞれ示した。
Figure 0005019892
表1は、コバルト酸リチウムA及びコバルト酸リチウムBのそれぞれについて、ジルコニウムの添加量を一定(0.5mol%)とし、マグネシウムの添加量を変化させた場合の結果を示している。この表1に示した結果から以下のことが分かる。すなわち、コバルト酸リチウムA中のマグネシウム添加量が多くなると初期容量の低下が見られる。ジルコニウム及びマグネシウムの添加量が増大すると、相対的に電極反応に関与するコバルト酸リチウムの含有量が減少するため、電池容量の低下に繋がったものと認められる。
一方、DSC発熱温度が190℃を超えているのは、コバルト酸リチウムAのマグネシウム添加量が3mol%以上の場合である。また、高温サイクル試験結果が85%を超えているのは、コバルト酸リチウムAのマグネシウム添加量が3〜5mol%かつコバルト酸リチウムBのマグネシウム添加量が0.1〜1mol%の場合である。したがって、DSC発熱温度が190℃を超え、高温サイクル試験結果が85%以上という両方の条件を満たすためには、コバルト酸リチウムAのマグネシウム添加量が3〜5mol%かつコバルト酸リチウムBのマグネシウム添加量が0.1〜1mol%が好ましいことが分かる。
Figure 0005019892
表2は、コバルト酸リチウムAとコバルト酸リチウムBのそれぞれの組成を一定とし、コバルト酸リチウムAとコバルト酸リチウムBの混合比を変えた場合の測定結果である。表2に示した結果から次のことが分かる。ずなわち、DSC発熱温度が190℃を超えているのは、コバルト酸リチウムAとコバルト酸リチウムBの混合比が2:8〜9:1の場合である。また、高温サイクル試験結果が85%を超えているのはコバルト酸リチウムAとコバルト酸リチウムBの混合比が2:8〜8:2の場合である。
このことは、コバルト酸リチウム中のマグネシウムの添加量を増やしすぎると熱安定性は向上するものの高温サイクル特性が低下しやすいが、コバルト酸リチウム中のマグネシウム添加量を抑えた成分(コバルト酸リチウムB)を添加することによって、正極活物質の表面が安定するために電解液の分解が少なくなり、高温サイクル特性の低下が抑制されたものと推定される。したがって、DSC発熱温度が190℃を超え、高温サイクル試験結果が85%以上という両方の条件を満たすためには、コバルト酸リチウムAとコバルト酸リチウムBの混合比が2:8〜8:2となるようにすることが好ましいことが分かる。
Figure 0005019892
表3は、コバルト酸リチウムA及びコバルト酸リチウムBのそれぞれについて、マグネシウムの添加量を一定とし、ジルコニウムの添加量を変化させた場合の結果と、ジルコニウム及びマグネシウムの両者とも含まないコバルト酸リチウム単独の場合(比較例7)の結果を示している。表3に示した結果から以下のことが分かる。すなわち、コバルト酸リチウムA及びコバルト酸リチウムB中にマグネシウムが含有されていれば、ジルコニウムの含有の如何に拘わらず、DSC発熱開始温度は190℃以上の結果が得られており、高温サイクル試験結果もジルコニウム及びマグネシウムの両者とも含まないコバルト酸リチウム単独の場合よりも良好な結果が得られている。
ただし、コバルト酸リチウムA又はコバルト酸リチウムBのいずれかのみに更にジルコニウムが0.01mol%含有されている場合には、高温サイクル試験結果は一応良好な結果が得られているが、コバルト酸リチウムA及びコバルト酸リチウムBの両者共にジルコニウムが0.01mol%以上含有されていると、非常に良好な高温サイクル試験結果が得られている。ただし、コバルト酸リチウムA又はコバルト酸リチウムB中のジルコニウム添加量が2mol%以上となると却って初期容量が低下する。一方、コバルト酸リチウムA及びコバルト酸リチウムBともにジルコニウムの添加量が0.01mol%未満ではジルコニウム添加の効果が表れない。
そのため、コバルト酸リチウムA及びコバルト酸リチウムBのそれぞれにマグネシウムが含有されている場合、コバルト酸リチウムA及びコバルト酸リチウムBの少なくとも一方にジルコニウムが0.01〜1.0mol%含有されていれば、一応の熱安定性及び高温サイクル試験結果が良好な非水電解質二次電池が得られることが分かる。ただし、コバルト酸リチウムA及びコバルト酸リチウムBの両者とも更にジルコニウムが0.01〜1.0mol%含有されていれば、より熱安定性及び高温サイクル試験結果が良好な非水電解質二次電池が得られることが分かる。
Figure 0005019892
表4は、コバルト酸リチウムA及びコバルト酸リチウムBのそれぞれについて、ジルコニウムを含まず、マグネシウムの添加量を変化させた場合の結果を示している。表4に示した結果から以下のことが分かる。すなわち、DSC発熱温度が190℃以上となるのは、コバルト酸リチウムA及びコバルト酸リチウムBのそれぞれについてマグネシウムが含有されている場合である。
一方、コバルト酸リチウムAのマグネシウム添加量が3mol%の場合、コバルト酸リチウムBのマグネシウム添加量が0〜1molであれば高温サイクル特性は70%以上の結果が得られているが、コバルト酸リチウムBのマグネシウム添加量が2molになれば高温サイクル特性は却って低下する。また、コバルト酸リチウムBのマグネシウム添加量が0.1molの場合、コバルト酸リチウムAのマグネシウム添加量が3〜5mol%であれば高温サイクル特性は70%以上の結果が得られているが、コバルト酸リチウムAのマグネシウム添加量が5mol%を超えると初期容量及び高温サイクル特性は却って悪化する。
したがって、コバルト酸リチウムA及びコバルト酸リチウムB共にジルコニウムを含まない場合、コバルト酸リチウムA中のマグネシウム添加量が3〜5mol%であり、かつ、コバルト酸リチウムB中のマグネシウム添加量が0.1〜1mol%であれば、初期容量の低下もなく、優れた熱安定性と高温サイクル特性を示すことが分かる。ただし、表4に示した結果と表1〜3に示した結果を対比すると明らかなように、コバルト酸リチウムA及びコバルト酸リチウムB共にマグネシウムだけでなくジルコニウムも含むものとした方が最も良好な結果が得られることが分かる。
円筒形の非水電解質二次電池を縦方向に切断して示す斜視図である。
符号の説明
10:非水電解質二次電池、11:正極、11a:集電タブ、12:負極、12a:集電タブ、13:セパレータ、14:渦巻状電極体、15、16:絶縁板、17:電池外装缶、18:電流遮断封口体

Claims (5)

  1. リチウムイオンの吸蔵・放出が可能な正極活物質を有する正極と、リチウムイオンの吸蔵・放出が可能な負極活物質を有する負極と、非水電解質とを備えた非水電解質二次電池において、前記正極活物質は、マグネシウムがコバルトに対して3〜5mol%均質に添加されたコバルト酸リチウムAとマグネシウムがコバルトに対して0.1〜1mol%均質に添加されたコバルト酸リチウムBの両者を含み、前記コバルト酸リチウムA:コバルト酸リチウムB=2:8〜8:2の混合比で混合されていることを特徴とする非水電解質二次電池。
  2. 前記コバルト酸リチウムA及びコバルト酸リチウムBの少なくとも一方には更にジルコニウムがコバルトに対して0.01〜1mol%均質に添加されていることを特徴とする請求項1に記載の非水電解質二次電池。
  3. 前記コバルト酸リチウムA及びコバルト酸リチウムBは、コバルト及びマグネシウムを含む酸水溶液からコバルトと共にマグネシウムを共沈させることによって得たコバルト化合物を用いて製造されたものであることを特徴とする請求項1に記載の非水電解質二次電池。
  4. 前記コバルト酸リチウムA及びコバルト酸リチウムBは、コバルト、マグネシウム及びジルコニウムを含む酸水溶液からコバルトと共にマグネシウム及びジルコニウムを共沈させることによって得たコバルト化合物を用いて製造されたものであることを特徴とする請求項2に記載の非水電解質二次電池。
  5. 前記負極活物質は炭素質物からなることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の非水電解質二次電池。
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