CN110235289A - 正极活性物质、正极和锂离子二次电池 - Google Patents
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Abstract
本发明的正极活性物质是锂离子二次电池用正极中使用的正极活性物质,其包含:通式(A):LiαNixCoyM1 (1‑x‑y)O2(其中,0<α≤1.15,0.90<x≤0.98,0<y≤0.10、0<(1‑x‑y))所示的正极活性物质粒子A;和通式(B):LiβNiaCobM2 (1‑a‑b)O2(其中,0<β≤1.15,0.70≤a≤0.90,0<b≤0.20,0<(1‑a‑b))所示的正极活性物质粒子B,所述M1和所述M2分别为选自Li、B、Mg、Al、Fe和Mn中的一种或两种以上。
Description
技术领域
本发明涉及正极活性物质、正极和锂离子二次电池。
背景技术
锂离子二次电池因能量密度高,充放电循环特性优异,因此被广泛用作移动电话、笔记本电脑等小型便携式设备用的电源。
另外,近年来,由于对于环境问题的考虑和对于节能化的意识的提高,对于电动汽车、混合动力汽车、电力存储领域这样的要求大容量且长寿命的大型电池的需求也在提高。
一般而言,锂离子二次电池主要由以下构成:包含能够吸储并释放锂离子的碳材料作为负极活性物质的负极、包含能够吸储并释放锂离子的锂复合氧化物作为正极活性物质的正极、隔开负极和正极的间隔件、以及在非水溶剂中溶解有锂盐的非水电解液。
对于锂离子二次电池的外包装材料,代替金属罐,还使用了能够实现轻量化、薄型化、且可采用比金属罐更自由的形状的金属薄膜、或将金属薄膜与热熔接性树脂膜层叠而得的层压膜。
以高容量化、长寿命化、量产稳定性提高为目标,对锂离子二次电池要求进一步提高特性。
作为锂离子二次电池的高容量化的对策例,可举出例如专利文献1和专利文献2所记载的方法。
专利文献1记载了包含用过渡金属置换镍酸锂的一部分镍而得的镍复合氧化物的正极活性物质。
并且,专利文献2记载了将导入了不同种元素的锂镍复合氧化物与导入了不同种元素的锂钴复合氧化物混合而使用的技术。
特别是,近年来,为了锂离子二次电池的高容量化,研究了应用镍酸锂的镍的存在比率高的物质。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开2000-30693号公报
专利文献2:日本特开2002-319398号公报
发明内容
发明要解决的问题
然而,镍的存在比率高的锂镍复合氧化物与其他实用化的正极活性物质相比,有寿命特性变差的倾向。这会妨碍锂镍复合氧化物在锂离子二次电池中的应用。
因此,要求使锂离子二次电池高容量化,并且改善寿命特性。
本发明是鉴于上述情况而完成的,提供一种能够实现具有充分的能量密度、并且寿命特性得以改善的锂离子二次电池的正极活性物质、和具有充分的能量密度、并且寿命特性得以改善的锂离子二次电池。
用于解决问题的手段
根据本发明,提供一种正极活性物质,其是锂离子二次电池用正极中使用的正极活性物质,其包含:
通式(A):LiαNixCoyM1 (1-x-y)O2(其中,0<α≤1.15、0.90<x≤0.98、0<y≤0.10、0<(1-x-y))所示的正极活性物质粒子A、和
通式(B):LiβNiaCobM2 (1-a-b)O2(其中,0<β≤1.15、0.70≤a≤0.90、0<b≤0.20、0<(1-a-b))所示的正极活性物质粒子B,
上述M1和上述M2分别为选自Li、B、Mg、Al、Fe和Mn中的一种或两种以上。
另外,根据本发明,提供一种正极,其具备正极活性物质层,该正极活性物质层包含上述正极活性物质、粘结剂和导电助剂。
另外,根据本发明,提供一种锂离子二次电池,其至少具备:能够嵌入、脱出锂的负极、电解液和上述正极。
发明效果
根据本发明,能够提供一种能够实现具有充分的能量密度、并且寿命特性得以改善的锂离子二次电池的正极活性物质、和具有充分的能量密度、并且寿命特性得以改善的锂离子二次电池。
附图说明
上述目的、和其他目的、特征及优点通过以下所述的合适的实施方式、及其随附的以下附图而更加明确。
图1是示出本发明所述的实施方式的锂离子二次电池的结构的一例的截面图。
图2是示出正极活性物质粒子A与正极活性物质粒子B的充放电时的反应电位的变化的图。
具体实施方式
以下使用附图对本发明的实施方式进行说明。需要说明的是,图中各构成要素概略性地示出能够理解本发明的程度的形状、大小和配置关系,与实际尺寸不同。另外,数值范围的“~”在没有特别说明的情况下,表示从以上至以下的范围。
<正极活性物质>
本实施方式所述的正极活性物质是锂离子二次电池用正极中使用的正极活性物质,其包含:通式(A):LiαNixCoyM1(1-x-y)O2(其中,0<α≤1.15、0.90<x≤0.98、0<y≤0.10、0<(1-x-y))所示的正极活性物质粒子A、和通式(B):LiβNiaCobM2 (1-a-b)O2(其中,0<β≤1.15、0.70≤a≤0.90、0<b≤0.20、0<(1-a-b))所示的正极活性物质粒子B。此处,上述M1和上述M2分别为选自Li、B、Mg、Al、Fe和Mn中的一种或两种以上。
此处,正极活性物质粒子A和正极活性物质粒子B优选例如具有层状晶体结构。
根据本实施方式所述的正极活性物质,可实现具有充分的能量密度、并且寿命特性得以改善的锂离子二次电池。
能够实现这种锂离子二次电池的理由并不一定明确,可考虑以下理由。
具有层状晶体结构的镍复合氧化物中,特别是对于Ni比率多达超过9成的镍复合氧化物,与其他实用化的正极活性物质相比,充放电容量大。然而,因充放电循环导致的粒子的膨胀收缩而容易引起粒子开裂。并且,因后述的层内不均匀反应而导致该粒子开裂加速地发生,由此导电路径被切断,引起充放电循环后的容量急剧地降低的现象。
另外,由于锂离子二次电池的充放电而流过电流的情况下,发生正极活性物质层内的厚度方向的电阻极化,从在负极对向侧的正极活性物质层表面周围存在的正极活性物质粒子优先地进行充放电反应,正极集电体侧周围的正极活性物质粒子延迟地进行充放电反应。由于锂离子二次电池的高容量化、高输出化而比以往流过更大电流的情况下,正极活性物质层内的厚度方向的电阻极化也增大,发生仅负极对向侧的正极活性物质层表面周围存在的正极活性物质粒子进行充放电反应的、层内不均匀充放电反应现象。
若重复进行这种层内不均匀充放电反应的循环,则仅负极对向侧的正极活性物质层表面周围存在的正极活性物质粒子进行充放电反应,因此以少量重复次数就会容易发生负极对向侧的正极活性物质层表面周围存在的正极活性物质粒子的容量降低。若产生容量降低了的正极活性物质粒子,则容量降低了的正极活性物质粒子所紧靠的集电体侧存在的正极活性物质粒子因层内不均匀反应而优先地进行充放电反应,因此该正极活性物质粒子也在少量的重复充放电的重复次数下发生容量降低。其结果,通过进一步重复进行循环,产生正极活性物质层内的正极活性物质粒子的容量劣化从负极对向侧向集电体侧快速地推进的现象,其结果是锂离子二次电池的循环特性急剧地劣化。
正极活性物质粒子A与正极活性物质粒子B具有大致同等的晶体结构,但因置换一部分镍的元素及其比率不同,因此如图2那样地充放电的反应电位稍微不同。这种正极活性物质粒子A与正极活性物质粒子B存在于正极活性物质层内的情况下,即使因层内不均匀充放电反应而使负极对向侧的正极活性物质层表面周围进行充放电反应时,集电体侧周围存在的反应电位低的正极活性物质粒子也能够进行充放电反应,因此,正极活性物质层内的作为正极活性物质粒子的整体的充放电反应能够更均匀地进行充放电反应。其结果是,能够防止负极对向侧的正极活性物质表面存在的正极活性物质粒子的优先的容量劣化,并能够抑制随之而来的正极活性物质层内的急剧的容量劣化。
其结果是,可认为:通过在正极活性物质层中使用放电容量大的Ni比率多达超过9成的镍复合氧化物的正极活性物质粒子A、和与其他正极活性物质相比容量较大的正极活性物质B,从而能够提供高能量密度且长寿命的锂离子二次电池。
另外,对于具有层状晶体结构的正极活性物质粒子A而言,锂残留物变多,该锂残留物成为产生与充放电相伴的分解气体的主要原因,与此相对,对于正极活性物质粒子B而言,可以使锂残留物较少地制造。
通过调整这些正极活性物质粒子A和正极活性物质粒子B的混合量,并设为不明显产生分解气体的阈值以下的混合比,从而能够制造与充放电相伴的分解气体导致的体积膨胀进一步减少的锂离子二次电池。
关于正极活性物质粒子A与正极活性物质粒子B的混合比,将正极活性物质粒子A与正极活性物质粒子B的合计设为100质量份时,从进一步提高寿命特性的观点出发,优选正极活性物质粒子A的配合量为3质量份以上且97质量份以下、并且正极活性物质粒子B的配合量为3质量份以上且97质量份以下,从进一步提高寿命特性和能量密度的平衡的观点出发,更优选正极活性物质粒子A的配合量为40质量份以上且97质量份以下、并且正极活性物质粒子B的配合量为3质量份以上且60质量份以下,特别优选正极活性物质粒子A的配合量为70质量份以上且97质量份以下、并且正极活性物质粒子B的配合量为3质量份以上且30质量份以下。
在通式(A):LiαNixCoyM1 (1-x-y)O2(其中,0<α≤1.15、0.90<x≤0.98、0<y≤0.10、0<(1-x-y))所示的正极活性物质粒子A中,α优选为0.80以上且1.10以下、更优选为0.95以上且1.05以下,x优选为超过0.90且为0.95以下、更优选为超过0.90且为0.93以下,y优选为0.01以上且0.10以下、更优选为0.02以上且0.08以下、进一步优选为0.03以上且0.07以下。
在通式(B):LiβNiaCobM2 (1-a-b)O2(其中,0<β≤1.15、0.70≤a≤0.90、0<b≤0.20、0<(1-a-b))所示的正极活性物质粒子B中,β优选为0.80以上且1.10以下、更优选为0.95以上且1.05以下,a优选为0.75以上且0.85以下,b优选为0.05以上且0.20以下、更优选为0.10以上且0.18以下。
上述M1和上述M2分别为选自Li、B、Mg、Al、Fe和Mn中的一种或两种以上,优选为选自Al和Mn中的至少一种,更优选为Al。
正极活性物质粒子A、正极活性物质粒子B的制造方法没有特别限定,可以通过通常公知的方法制造。例如,可以根据日本特许第3614670号所记载的方法制造。
<正极>
本实施方式所述的正极具备包含本实施方式所述的正极活性物质、以及根据需要的粘结剂、和导电助剂的正极活性物质层。
另外,本实施方式所述的正极具备例如集电体和在该集电体上设置的正极活性物质层。
本实施方式所述的正极活性物质层含有上述本实施方式所述的正极活性物质。
本实施方式所述的正极活性物质层也可以包含其他正极活性物质,但从能量密度的观点出发,关于正极活性物质层中的正极活性物质粒子A和正极活性物质粒子B的合计含量,在将正极活性物质层的整体设为100质量%时,优选为50质量%以上、更优选为75质量%以上、进一步优选为85质量%以上、进一步更优选90质量%以上、特别优选95质量%以上。正极活性物质层中的正极活性物质粒子A和正极活性物质粒子B的合计含量的上限没有特别限定,例如为100质量%以下。
正极活性物质层的厚度没有特别限定,可以根据期望的特性进行适当设定。例如,可以从能量密度的观点出发设定得较厚,也可以从输出特性的观点出发设定得较薄。正极活性物质层的厚度例如可以在10~250μm的范围内适当设定,优选为20~200μm、更优选为50~180μm。
正极活性物质层也可以根据需要而含有导电助剂。作为导电助剂,没有特别限定,可以使用例如炭黑、科琴黑、乙炔黑、天然石墨、人造石墨、碳纤维等通常使用的导电助剂。
另外,正极活性物质层也可以根据需要而含有粘结剂。作为粘结剂没有特别限定,例如在将N-甲基-吡咯烷酮(NMP)作为溶剂的情况下,可以使用聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏氟乙烯(PVDF)等通常使用的粘结剂,在将水作为溶剂的情况下,可以使用苯乙烯-丁二烯系橡胶等通常使用的粘结剂,此外,作为增稠剂可以使用羧甲基纤维素、甲基纤维素、羟甲基纤维素等通常使用的增稠剂。
关于正极活性物质层中的导电助剂的含量,在将正极活性物质层的整体设为100质量%时,优选为0.1~10质量%、更优选为1~10质量%。
关于正极活性物质层中的粘结剂的含量,在将正极活性物质层的整体设为100质量%时,优选为0.1~10质量%、更优选为1~10质量%。
若导电助剂和粘结剂的比例为上述上限值以下,则锂离子二次电池用的正极活性物质的比例变大,每单位重量的容量变大,因此优选。若导电助剂和粘结剂的比例为上述下限值以上,则导电性变得更良好,或者可抑制电极剥离,因此优选。
另外,正极活性物质层的密度优选设为2.55~3.45g/cm3。若将正极活性物质层的密度设为上述范围内,则在高放电倍率下使用时的放电容量提高,因此优选。
作为正极集电体,可以使用铝、不锈钢、镍、钛或它们的合金等,关于其形状可举出箔、平板状、网状等。特别是可以适宜地使用铝箔。
<锂离子二次电池>
接下来,对本实施方式所述的锂离子二次电池10进行说明。图1是示出本发明所述的实施方式的锂离子二次电池10的结构的一例(层压型)的截面图。如图1所示,本实施方式所述的锂离子二次电池10至少具备:能够嵌入、脱出锂的负极、电解液、和本实施方式所述的正极。另外,可以在正极和负极之间设置间隔件5。正极和负极的电极对可以设置多个。
锂离子二次电池10具有:例如包含含有铝箔等金属的正极集电体3、和在其上设置的含有正极活性物质的正极活性物质层1的正极;以及包含含有铜箔等金属的负极集电体4、和在其上设置的含有负极活性物质的负极活性物质层2的负极。正极和负极例如以正极活性物质层1与负极活性物质层2对置的方式隔着包含无纺布、聚丙烯微多孔膜等的间隔件5而层叠。该电极对被容纳于例如包含铝层压膜的外装体6、7所形成的容器内。正极集电体3连接有正极接头9,负极集电体4连接有负极接头8,这些接头被引出至容器之外。容器内注入有电解液而被密封。也可以设为多个电极对层叠而得的电极组收纳于容器内的结构。需要说明的是,本实施方式中,为了便于说明而夸大表现附图,本发明的技术范围不被限定于附图所示的方式。
本实施方式所述的锂离子二次电池10可以根据公知的方法制作。
电极可以使用例如层叠体、卷绕体。作为外装体,可以适宜使用金属外装体、铝层压外装体。电池的形状可以为硬币型、纽扣型、片型、圆筒型、方型、扁平型等任意形状。
(负极)
本实施方式所述的负极具备包含负极活性物质、以及根据需要的粘结剂、和导电助剂的负极活性物质层。
另外,本实施方式所述的负极具备例如集电体、和在该集电体上设置的负极活性物质层。
作为本实施方式所述的负极活性物质,可以使用锂金属、碳材料、Si系材料等能够吸储、释放锂的材料。作为碳材料,可举出能吸储锂的石墨、非晶质碳、金刚石状碳、富勒烯、碳纳米管、碳纳米角等。作为Si系材料,可以使用Si、SiO2、SiOx(0<x≤2)、含Si复合材料等。另外,也可以使用包含2种以上上述材料的复合物。作为负极活性物质而使用锂金属的情况下,可以通过熔液冷却方式、液体急冷方式、雾化方式、真空蒸镀方式、溅射方式、等离子体CVD方式、光CVD方式、热CVD方式、溶胶-凝胶方式、等合适的方式来形成负极。另外,碳材料的情况下,可以通过将碳与聚偏氟乙烯(PVDF)等粘结剂混合,在NMP等溶剂中分散混炼,将其涂布于负极集电体上等的方法、蒸镀法、CVD法、溅射法等方法来形成负极。
关于负极活性物质的平均粒径,从抑制充放电时的副反应并抑制充放电效率的降低的方面出发,优选为1μm以上、更优选为2μm以上、进一步优选为5μm以上,从输入输出特性、电极制作方面的观点(电极表面的平滑性等)出发,优选为80μm以下、更优选为40μm以下。此处,平均粒径是指基于激光衍射散射法的粒度分布(体积基准)的累计值50%时的粒径(中值粒径:D50)。
负极活性物质层中根据需要也可以含有导电助剂、粘结剂。作为导电助剂、粘结剂,可以使用与前述正极活性物质层中能够使用的物质相同的物质。
作为负极集电体,可以使用铜、不锈钢、镍、钛或它们的合金。
(电解液)
作为电解液,可以使用碳酸亚乙酯(EC)、碳酸亚丙酯(PC)、碳酸亚乙烯酯(VC)、碳酸亚丁酯(BC)等环状碳酸类;碳酸甲乙酯(EMC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸二丙酯(DPC)等链状碳酸类;脂肪族羧酸酯类;γ-丁内酯等γ-内酯类;链状醚类;环状醚类等有机溶剂中的1种、或2种以上的混合物。进而,可以在这些有机溶剂中溶解锂盐。
间隔件主要包含树脂制的多孔膜、织布、无纺布等,作为该树脂成分,可以使用例如聚丙烯、聚乙烯等聚烯烃树脂、聚酯树脂、丙烯酸类树脂、苯乙烯树脂或尼龙树脂等。特别是聚烯烃系微多孔膜的离子透过性、将正极与负极物理性隔离的性能优异,因此优选。另外,根据需要,间隔件也可以形成包含无机物粒子的层,作为无机物粒子,可举出绝缘性的氧化物、氮化物、硫化物、碳化物等。其中,优选包含TiO2、Al2O3。
外装容器可以使用包含挠性膜的壳体、罐壳体等,从电池的轻量化的观点出发优选使用挠性膜。挠性膜可以使用在成为基材的金属层的表面和背面设置有树脂层的膜。金属层可以选择防止电解液的漏出或来自外部的水分浸入等具有阻隔性的金属层,可以使用铝、不锈钢等。在金属层的至少一个面设置有例如改性聚烯烃等热熔接性树脂层。使挠性膜的热熔接性树脂层彼此对置,将容纳电极层叠体的部分的周围进行热熔接,由此形成外装容器。在成为形成有热熔接性的树脂层的面相反侧的面的外装体表面可以设置尼龙膜、聚酯膜等树脂层。
在电极的制造中,作为用于在集电体上形成活性物质层的装置,可以使用实施刮刀涂布、模具涂布、凹版涂布、转印方式、蒸镀方式等各种涂布方法的装置、或这些涂布装置的组合。
本实施方式中为了精度良好地形成活性物质的涂布端部,特别优选使用模具涂布。作为基于模具涂布的活性物质的涂布方式,大致有沿着长条的集电体的长度方向连续地形成活性物质的连续涂布方式、和沿着集电体的长度方向交替重复形成活性物质的涂布部和未涂布部的间歇涂布方式这2种,可以适当选择这些方式。
以上,参照附图对本发明的实施方式进行了叙述,但这些是本发明的例示,也可以采用上述以外的各种构成。
实施例
下面使用以下的实施例和比较例来说明本发明。需要说明的是,本发明不限定于以下的实施例。
(实施例1~8、比较例1和2)
准备作为正极活性物质粒子A的平均粒径为13.4μm、BET比表面积为0.25m2/g的具有层状晶体结构的镍复合氧化物(LiNi0.92Co0.05Al0.03O2)、和作为正极活性物质粒子B的平均粒径为6.5μm、BET比表面积为0.45m2/g的具有层状晶体结构的镍复合氧化物(LiNi0.80Co0.15Al0.05O2)。将这些正极活性物质粒子与作为导电助剂的炭黑进行干式混合。将所得的混合物均匀地分散于溶解有作为粘结剂的偏氟乙烯树脂(PVDF)的N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)中来制作浆料,制成浆料A。浆料A中的固体成分比率设为正极活性物质粒子A∶正极活性物质粒子B∶导电助剂∶PVDF=89.24∶2.76∶4∶4(质量%)。此时的正极活性物质粒子A与正极活性物质粒子B的质量比为97∶3。
将浆料A涂布于成为正极集电体的铝金属箔(厚度20μm)上之后,使NMP蒸发,由此在铝金属箔上制作具有正极活性物质粒子A和正极活性物质粒子B的正极活性物质层(膜厚85μm),将其设为实施例1的正极片。
另外,除了将正极活性物质粒子A与正极活性物质粒子B的混合比变更为表1所示的值(质量比)以外,与实施例1同样地,分别制作表1所记载的实施例2~8以及比较例1和2的正极片。
(评价)
作为负极活性物质使用了天然石墨。以成为天然石墨:PVDF=90:10(质量%)的比率的方式进行混合并分散于NMP,将其涂布于成为负极集电体4的铜箔(厚度10μm)上来制作负极片。电解液使用溶解有作为电解质的1mol/L的LiPF6的非水电解液。然后,将负极片和正极片隔着包含聚乙烯的间隔件5进行层叠,分别制作层压型二次电池。
使用通过上述方法制作的层压型二次电池,评价高温循环特性。在温度45℃时,设为充电倍率1.0C、放电倍率1.0C、充电终止电压4.2V、放电终止电压2.5V。容量维持率(%)是500次循环后的放电容量(mAh)除以第10次循环的放电容量(mAh)而得的值。表1所示的放电容量(mAh/g)是第1次循环的层压型二次电池的容量(Ah)除以正极活性物质的重量(g)而得的值。表1中一并示出所得的容量维持率和放电容量。
[表1]
由各实施例和比较例的容量维持率的比较可知:使用了实施例的正极活性物质的锂离子二次电池与使用了比较例的正极活性物质的锂离子二次电池相比,放电容量与容量维持率的平衡优异。因此,可以理解本实施方式所述的正极活性物质能够有助于锂离子二次电池的长期寿命特性的提高。
本申请要求基于2017年1月20日提出的日本申请特愿2017-008123号的优先权,其全部公开内容援引至本文中。
Claims (6)
1.一种正极活性物质,其是锂离子二次电池用正极中使用的正极活性物质,其包含:
通式(A):LiαNixCoyM1 (1-x-y)O2所示的正极活性物质粒子A,其中,0<α≤1.15,0.90<x≤0.98,0<y≤0.10、0<(1-x-y);和
通式(B):LiβNiaCobM2 (1-a-b)O2所示的正极活性物质粒子B,其中,0<β≤1.15,0.70≤a≤0.90,0<b≤0.20,0<(1-a-b),
所述M1和所述M2分别为选自Li、B、Mg、Al、Fe和Mn中的一种或两种以上。
2.根据权利要求1所述的正极活性物质,其中,
将所述正极活性物质粒子A与所述正极活性物质粒子B的合计设为100质量份时,
所述正极活性物质粒子A的配合量为3质量份以上且97质量份以下,
所述正极活性物质粒子B的配合量为3质量份以上且97质量份以下。
3.根据权利要求1所述的正极活性物质,其中,
将所述正极活性物质粒子A与所述正极活性物质粒子B的合计设为100质量份时,
所述正极活性物质粒子A的配合量为40质量份以上且97质量份以下,
所述正极活性物质粒子B的配合量为3质量份以上且60质量份以下。
4.根据权利要求1~3中任一项所述的正极活性物质,其中,
正极活性物质粒子A和正极活性物质粒子B具有层状晶体结构。
5.一种正极,其具备正极活性物质层,该正极活性物质层包含权利要求1~4中任一项所述的正极活性物质、粘结剂和导电助剂。
6.一种锂离子二次电池,其至少具备:能够嵌入、脱出锂的负极、电解液和权利要求5所述的正极。
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