JP7608345B2 - 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 - Google Patents
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Description
正極11は、正極芯体と、正極芯体の表面に設けられた正極合材層とを有する。正極芯体には、アルミニウムなどの正極11の電位範囲で安定な金属の箔、当該金属を表層に配置したフィルム等を用いることができる。正極合材層は、正極活物質、結着材、及び導電材を含み、正極リード20が接続される部分を除く正極芯体の両面に設けられることが好ましい。正極11は、例えば正極芯体の表面に正極活物質、結着材、及び導電材等を含む正極合材スラリーを塗布し、塗膜を乾燥させた後、圧縮して正極合材層を正極芯体の両面に形成することにより作製できる。
(1)D50が異なる2種のLiを含有しない複合化合物(X1)及び(X2)に、それぞれ水酸化リチウム等のLi源を添加して焼成し、D50の異なるリチウム複合酸化物(Y1)及び(Y2)を合成する。複合化合物の一例は、Ni、Co、Mnを含有する複合酸化物や水酸化物である。このとき、1種のリチウム複合酸化物を分級して、2種の平均粒子径を持つリチウム複合酸化物を得てもよい。分級には、従来公知の方法を適用できる。また、得られたリチウム複合酸化物(Y1)及び(Y2)は水洗してもよい。水洗することにより、リチウム複合酸化物(Y1)及び(Y2)の表面に存在するLiの量だけでなく、Y1及びY2の内部に存在するLiの量も減少し、水洗したY1及びY2の内部には空隙が生じる。
(2)複合酸化物(Y1)及び(Y2)のそれぞれにB源を添加、粒子表面にBを複合化させた後、焼成し、複合酸化物(Z1)と(Z2)を合成する。その後、複合酸化物(Z1)と(Z2)を混合して複合酸化物(Z)を得ることができる。B源の一例は、ホウ酸(H3BO3)である。複合化には、乾式粒子複合化装置(例えば、ホソカワミクロン株式会社製、NOB-130)などを用いる。このとき、B源と共に、水酸化リチウム等のLi源を添加させてもよい。
負極12は、負極芯体と、負極芯体の表面に設けられた負極合材層とを有する。負極芯体には、銅などの負極12の電位範囲で安定な金属の箔、当該金属を表層に配置したフィルム等を用いることができる。負極合材層は、負極活物質及び結着材を含み、例えば負極リード21が接続される部分を除く負極芯体の両面に設けられることが好ましい。負極12は、例えば負極芯体の表面に負極活物質、及び結着材等を含む負極合材スラリーを塗布し、塗膜を乾燥させた後、圧縮して負極合材層を負極芯体の両面に形成することにより作製できる。
セパレータ13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13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、セルロースなどが好適である。セパレータ13は、単層構造、積層構造のいずれであってもよい。セパレータの表面には、耐熱層などが形成されていてもよい。
[正極活物質の合成]
共沈により得られた、D50が12μmで組成がNi0.85Co0.08Mn0.07(OH)2のニッケルコバルトマンガン複合水酸化物と、D50が8μmで組成がNi0.85Co0.08Mn0.07(OH)2のニッケルコバルトマンガン複合水酸化物をそれぞれ500℃で焼成して、平均粒子径の大きいニッケルコバルトマンガン複合酸化物(X1)と、平均粒子径の小さいニッケルコバルトマンガン複合酸化物(Y1)を得た。
上記正極活物質と、アセチレンブラックと、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)を、96.3:2.5:1.2の固形分質量比で混合し、N-メチル-2-ピロリドン(NMP)を適量加えた後、これを混練して正極合材スラリーを調製した。当該正極合材スラリーをアルミニウム箔からなる正極芯体の両面に塗布し、塗膜を乾燥させた後、ローラーを用いて塗膜を圧延し、所定の電極サイズに切断して、正極芯体の両面に正極合材層が形成された正極を得た。なお、正極の一部に正極芯体の表面が露出した露出部を設けた。
負極活物質として天然黒鉛を用いた。負極活物質と、カルボキシメチルセルロースナトリウム(CMC-Na)と、スチレン-ブタジエンゴム(SBR)を、100:1:1の固形分質量比で水溶液中において混合し、負極合材スラリーを調製した。当該負極合材スラリーを銅箔からなる負極芯体の両面に塗布し、塗膜を乾燥させた後、ローラーを用いて塗膜を圧延し、所定の電極サイズに切断して、負極芯体の両面に負極合材層が形成された負極を得た。なお、負極の一部に負極芯体の表面が露出した露出部を設けた。
エチレンカーボネート(EC)と、エチルメチルカーボネート(EMC)と、ジメチルカーボネート(DMC)を、3:3:4の体積比で混合した混合溶媒に対して、六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)を1.0モル/リットルの濃度で溶解した。さらに、ビニレンカーボネート(VC)を上記混合溶媒に対して2.0質量%の濃度で溶解させた非水電解質を調製した。
上記正極の露出部にアルミニウムリードを、上記負極の露出部にニッケルリードをそれぞれ取り付け、ポリオレフィン製のセパレータを介して正極と負極を渦巻き状に巻回した後、径方向にプレス成形して扁平状の巻回型電極体を作製した。この電極体をアルミラミネートシートで構成される外装体内に収容し、上記非水電解質を注入した後、外装体の開口部を封止して、設計容量650mAhの非水電解質二次電池を得た。
X2とY2の各々に対して、水洗を行ったこと以外は、実施例1と同様にして非水電解質二次電池を作製した。
X2と、H3BO3を、Ni、Co、Mnの総量と、H3BO3中のBのモル比が、1:0.010となるように混合し、Y2と、H3BO3を、Ni、Co、Mnの総量と、H3BO3中のBのモル比が、1:0.010となるように混合したこと以外は、実施例1と同様に作製した。
X2と、H3BO3を、Ni、Co、Mnの総量と、H3BO3中のBのモル比が、1:0.010となるように混合し、Y2と、H3BO3を、Ni、Co、Mnの総量と、H3BO3中のBのモル比が、1:0.010となるように混合したこと以外は、実施例2と同様に作製した。
実施例及び比較例の各電池を、25℃の温度環境下、0.5Itの定電流で電池電圧が4.2Vになるまで充電を行い、4.2Vで電流値が0.02Itになるまで定電圧充電を行った。その後、電池を15分放置した。次に、0.05Itで電池電圧が2.5Vになるまで定電流放電を行い、0.05Itにおける放電容量C1を測定した。次に、4.2Vで電流値が0.02Itになるまで定電圧充電した後、電池を15分放置した。その後、2Itで電池電圧が2.5Vになるまで定電流放電を行い、2Itにおける放電容量C2を測定した。レート特性は、以下の式より算出した。
[ARC試験]
作製した電池を、25℃の環境下で、0.3Itの定電流で電池電圧が4.2Vになるまで充電を行い、その後、4.2Vの定電圧で電流値が0.05Itになるまで充電を行って、充電状態にした。その後、ARC試験装置内で電池を130℃まで昇温させた後に、電池平面部分に取り付けた熱電対により、電池温度を観察することで、断熱環境下での電池の自己発熱速度(℃/min)を測定した。電池の自己発熱速度が10℃/minに到達した際の電池温度を熱暴走温度と定義した。
11 正極
12 負極
13 セパレータ
14 電極体
16 外装缶
17 封口体
18,19 絶縁板
20 正極リード
21 負極リード
22 溝入部
23 内部端子板
24 下弁体
25 絶縁部材
26 上弁体
27 キャップ
28 ガスケット
Claims (3)
- Liを除く金属元素の総モル数に対して80モル%以上のNiを含有するリチウム遷移金属複合酸化物を含み、少なくとも当該リチウム遷移金属複合酸化物の粒子表面にBが存在する正極活物質であって、
前記リチウム遷移金属複合酸化物は、一般式Li a Ni b Co c M1 d M2 e B f O g (式中、0.8≦a≦1.2、b≧0.80、c≦0.15、0.01≦d≦0.12、0≦e≦0.05、0.001≦f≦0.020、1≦g≦2、b+c+d+e+f=1、M1はMn及びAlから選ばれる少なくとも1種以上の元素、M2は第4族~第6族から選ばれる少なくとも1種以上の元素)で表される複合酸化物であり、
粒径が体積基準の70%粒径(D70)より大きな粒子を第1粒子、粒径が体積基準の30%粒径(D30)より小さな粒子を第2粒子としたとき、
前記第2粒子におけるLiを除く金属元素の総モル数に対するBのモル分率は、前記第1粒子におけるLiを除く金属元素の総モル数に対するBのモル分率よりも大きい、非水電解質二次電池用正極活物質。 - 前記第1粒子及び前記第2粒子の表面において、Bは、Li及びBを含有するホウ素化合物の状態で存在する、請求項1に記載の非水電解質二次電池用正極活物質。
- 請求項1又は2に記載の正極活物質を含む正極と、
負極と、
非水電解質と、
を備えた、非水電解質二次電池。
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