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JP4878683B2 - リチウム二次電池 - Google Patents

リチウム二次電池 Download PDF

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JP4878683B2
JP4878683B2 JP2001014117A JP2001014117A JP4878683B2 JP 4878683 B2 JP4878683 B2 JP 4878683B2 JP 2001014117 A JP2001014117 A JP 2001014117A JP 2001014117 A JP2001014117 A JP 2001014117A JP 4878683 B2 JP4878683 B2 JP 4878683B2
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明はリチウムイオンの吸蔵・放出が可能な正極活物質を含有する正極と、リチウムイオンの吸蔵・放出が可能な負極活物質を含有する負極と、非水系電解液とを備えたリチウム二次電池に係わり、特に、正極活物質の改良に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、小型ビデオカメラ、携帯電話、ノートパソコン等の携帯用電子・通信機器等に用いられる電池として、リチウムイオンの挿入・脱離が可能な炭素材料などを負極活物質とし、リチウム含有コバルト酸化物(LiCoO2)、リチウム含有ニッケル酸化物(LiNiO2)等のリチウム含有遷移金属酸化物を正極活物質材料とするリチウム二次電池が、小型軽量でかつ高容量な電池として実用化されるようになった。
【0003】
ところで、リチウム含有コバルト酸化物(LiCoO2)やリチウム含有ニッケル酸化物(LiNiO2)等のリチウム含有遷移金属酸化物は電池容量が大きい反面、充電状態での熱的安定性が低く、しかも、原材料たるコバルトやニッケルが高価で、資源的にも埋蔵量に限りがあるという問題があった。そこで、スピネル型結晶構造を有するリチウム含有マンガン酸化物(LiMn24)を正極活物質材料とするリチウム二次電池が提案されるようになった。このリチウム含有マンガン酸化物(LiMn24)は、原材料たるマンガンが資源的に豊富に存在して、安価であり、かつ充電状態での熱的安定性が高くて電池の安全性が向上することから、リチウム二次電池用正極活物質材料として有望視されている材料の一つである。
【0004】
しかしながら、スピネル型結晶構造を有するリチウム含有マンガン酸化物(LiMn24)は熱的安定性には優れるが、電池容量、充放電サイクル特性には問題があった。これは、リチウム含有マンガン酸化物(LiMn24)は充電時に収縮し、放電時に膨張する性質を有するため、充放電サイクルが進行するに伴って、この電極に体積変化が生じる。すると、この体積変化に起因して活物質粒子同士が解離するようになって、集電効率が低下するためと考えられている。一方、リチウム含有コバルト酸化物(LiCoO2)は充電時に膨張し、放電時に収縮する性質を有する。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、充電時に収縮し、放電時に膨張する性質を有するスピネル型結晶構造を有するリチウム含有マンガン酸化物(LiMn24)と、充電時に膨張し、放電時に収縮する性質を有するリチウム含有コバルト酸化物(LiCoO2)とを混合した混合正極活物質を用いることが特開平4−171660号公報にて提案されるようになった。
この特開平4−171660号公報にて提案された正極においては、リチウム含有マンガン酸化物(LiMn24)とリチウム含有コバルト酸化物(LiCoO2)とを混合して用いることで、リチウム含有マンガン酸化物(LiMn24)よりも高容量化し、リチウム含有コバルト酸化物(LiCoO2)よりも熱的安定性が向上することとなる。
【0006】
しかしながら、リチウム含有マンガン酸化物(LiMn24)とリチウム含有コバルト酸化物(LiCoO2)とを単に混合しただけでは、充放電サイクル特性が向上しないことが明らかになった。これは、リチウム含有マンガン酸化物(LiMn24)の膨張・収縮の幅と、リチウム含有コバルト酸化物(LiCoO2)の収縮・膨張の幅とが異なっているため、充放電サイクルが進行するに伴って、次第に活物質粒子同士が解離するようになるためである。
【0007】
そこで、本発明は上記問題点を解消するためになされたものであって、スピネル型結晶構造を有するリチウム含有マンガン酸化物とリチウム含有コバルト酸化物が混合された混合正極活物質を用いても、正極合剤の充填密度を最適化して充放電サイクルの進行に伴う活物質粒子同士の解離を抑制して、サイクル特性が向上したリチウム二次電池を得られるようにすることを目的とするものである。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明のリチウム二次電池に用いる正極は、コバルト酸リチウムとスピネル型マンガン酸リチウムとが混合された混合正極活物質を主体とした正極合剤が正極集電体に保持されており、この混合正極活物質中のコバルト酸リチウムの質量比Xが0.3≦X≦0.5の範囲になるように混合されているとともに、正極合剤の充填密度Y(g/cm3)が0.5X+2.6≦Y≦0.6X+3.0の範囲になるように正極集電体に保持されている。なお、正極合剤の充填密度Yは、正極集電体の体積を除いた正極の単位体積当たりの合剤の質量(g/cm3)を意味している。
【0009】
充放電サイクルの進行に伴う活物質同士の解離を抑制するためには、スピネル型マンガン酸リチウムとコバルト酸リチウムを混合することにより、充放電時の各酸化物の体積変化を相殺し、かつこの混合正極活物質を用いた正極合剤の充填密度を最適化しなければならないが、いずれかの酸化物が少なすぎた場合には各酸化物の体積変化を相殺しきれなくなり、その結果、サイクル特性が向上しなくなる。このため、コバルト酸リチウムの混合質量比は0.3以上で、0.5以下(コバルト酸リチウムの質量比をXとすると、0.3≦X≦0.5)とするのが望ましい。
【0010】
この場合、コバルト酸リチウムとスピネル型マンガン酸リチウムとからなる混合正極活物質を主体とする正極合剤(具体的には、混合正極活物質と導電剤と結着剤とが混合されたもの)の充填密度が小さいと、充放電サイクルが進行するに伴って活物質粒子同士が解離して、活物質粒子間の電子伝導性が低下してサイクル特性が低下するようになる。また、正極合剤の充填密度が大きいと、過剰な加圧力により活物質粒子にひび割れが生じるとともに、正極中への電解液の含液性が低下してサイクル特性が低下するようになる。
そこで、種々の実験を行った結果、正極合剤の充填密度をY(g/cm3)とすると、0.5X+2.6≦Y≦0.6X+3.0(g/cm3)の範囲の充填密度になるように正極集電体に保持されているのが好ましい。
【0011】
なお、本発明に用いるスピネル型マンガン酸リチウムは、組成式がLi1+XMn2-YZ4(但し、MはB,Mg,Ca,Sr,Ba,Ti,V,Cr,Fe,Co,Ni,Cu,Al,In,Nb,Mo,W,Y,Rhから選択される少なくとも一種の元素であり、0.54≦((1+X)+Z)/(2−Y)≦0.62で、−0.15≦X≦0.15で、Y≦0.5で、0≦Z≦0.1である)で表される組成のものであれば同様な結果が得られるが、このうち、特に優れた高温特性(高温での充放電サイクル、高温保存性等)を示すためには、Mg添加系あるいはAl添加系のものを用いるのが望ましい。
【0012】
また、コバルト酸リチウムとしては、組成式がLiCo1-XX2(但し、MはB,Mg,Ca,Sr,Ba,Ti,V,Cr,Fe,Ni,Cu,Al,In,Nb,Mo,W,Y,Rhから選択される少なくとも一種の元素であり、0≦X≦0.1である)で表されるコバルト酸リチウムを用いれば、同様な結果が得られるが、このうち、特に優れた放電特性を示すためには、Cr添加系、Mn添加系、Al添加系、Ti添加系のものを用いるのが望ましい。
【0013】
【発明の実施の形態】
ついで、本発明の実施の形態を以下に説明する。
1.混合正極活物質の作製
まず、正極活物質として、平均粒径が5μmのコバルト酸リチウム(LiCoO2)粉末と、平均粒径が10μmのスピネル型マンガン酸リチウム(Li1.07Mn1.89Mg0.044)粉末とをそれぞれ公知の方法で合成した。ついで、これらのコバルト酸リチウム(LiCoO2)粉末とマンガン酸リチウム(Li1.07Mn1.89Mg0.044)粉末とを下記の表1に示すような混合質量比で混合して、各混合正極活物質α、β、γ、δ、ε、ζ、ηをそれぞれ作製した。
【0014】
【表1】
Figure 0004878683
【0015】
2.正極の作製
(1)正極a
ついで、得られた混合正極活物質β(LiCoO2が0.90で、Li1.07Mn1.89Mg0.044が0.10のもの)を用い、この混合正極活物質βが85質量部で、導電剤としてのカーボンブラックが10質量部で、結着剤としてのフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(ヘキサフルオロプロピレンを10wt%含む)が5質量部となるように混合して、正極合剤を作製した。
ついで、得られた正極合剤をN−メチルピロリドン(NMP)と混合して正極スラリーとした後、この正極スラリーを厚みが20μmの正極集電体(アルミニウム箔またはアルミニウム合金箔)の両面にドクターブレード法により塗布(なお、正極リードを取り付けるために間欠塗布により未塗布部を設けた)して、正極集電体の両面に正極合剤層を形成した。
これを乾燥させた後、圧縮ローラを用いて正極合剤の充填密度が3.2g/cm3となるように圧延し、所定寸法(例えば幅が40mmで、長さが280mm)に切断して、正極aを作製した。
【0016】
(2)正極b〜e
また、混合正極活物質γ(LiCoO2が0.70で、Li1.07Mn1.89Mg0.044が0.30のもの)を用い、この混合正極活物質γが85質量部で、導電剤としてのカーボンブラックが10質量部で、結着剤としてのフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(ヘキサフルオロプロピレンを10wt%含む)が5質量部となるように混合して、正極合剤を作製した。
ついで、得られた正極合剤をN−メチルピロリドン(NMP)と混合して正極スラリーとした後、この正極スラリーを厚みが20μmの正極集電体(アルミニウム箔またはアルミニウム合金箔)の両面にドクターブレード法により塗布(なお、正極リードを取り付けるために間欠塗布により未塗布部を設けた)して、正極集電体の両面に正極合剤層を形成した。
【0017】
これを乾燥させた後、圧縮ローラを用いて正極合剤の充填密度が3.7g/cm3、3.4g/cm3、3.0g/cm3、2.8g/cm3となるように圧延し、所定寸法(例えば幅が40mmで、長さが280mm)に切断して、正極b〜eを作製した。なお、充填密度が3.7g/cm3のものを正極bとし、充填密度が3.4g/cm3のものを正極cとし、充填密度が3.0g/cm3のものを正極dとし、充填密度が2.8g/cm3のものを正極eとした。
【0018】
(3)正極f〜i
また、混合正極活物質δ(LiCoO2が0.50で、Li1.07Mn1.89Mg0.044が0.50のもの)を用い、この混合正極活物質δが85質量部で、導電剤としてのカーボンブラックが10質量部で、結着剤としてのフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(ヘキサフルオロプロピレンを10wt%含む)が5質量部となるように混合して、正極合剤を作製した。
ついで、得られた正極合剤をN−メチルピロリドン(NMP)と混合して正極スラリーとした後、この正極スラリーを厚みが20μmの正極集電体(アルミニウム箔またはアルミニウム合金箔)の両面にドクターブレード法により塗布(なお、正極リードを取り付けるために間欠塗布により未塗布部を設けた)して、正極集電体の両面に正極合剤層を形成した。
【0019】
これを乾燥させた後、圧縮ローラを用いて正極合剤の充填密度が3.6g/cm3、3.2g/cm3、2.9g/cm3、2.7g/cm3となるように圧延し、所定寸法(例えば幅が40mmで、長さが280mm)に切断して、正極f〜iを作製した。なお、充填密度が3.6g/cm3のものを正極fとし、充填密度が3.2g/cm3のものを正極gとし、充填密度が2.9g/cm3のものを正極hとし、充填密度が2.7g/cm3のものを正極iとした。
【0020】
(4)正極j〜m
また、混合正極活物質ε(LiCoO2が0.30で、Li1.07Mn1.89Mg0.044が0.70のもの)を用い、この混合正極活物質εが85質量部で、導電剤としてのカーボンブラックが10質量部で、結着剤としてのフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(ヘキサフルオロプロピレンを10wt%含む)が5質量部となるように混合して、正極合剤を作製した。
ついで、得られた正極合剤をN−メチルピロリドン(NMP)と混合して正極スラリーとした後、この正極スラリーを厚みが20μmの正極集電体(アルミニウム箔またはアルミニウム合金箔)の両面にドクターブレード法により塗布(なお、正極リードを取り付けるために間欠塗布により未塗布部を設けた)して、正極集電体の両面に正極合剤層を形成した。
【0021】
これを乾燥させた後、圧縮ローラを用いて正極合剤の充填密度が3.4g/cm3、3.1g/cm3、2.8g/cm3、2.7g/cm3となるように圧延し、所定寸法(例えば幅が40mmで、長さが280mm)に切断して、正極j〜mを作製した。なお、充填密度が3.4g/cm3のものを正極jとし、充填密度が3.1g/cm3のものを正極kとし、充填密度が2.8g/cm3のものを正極lとし、充填密度が2.7g/cm3のものを正極mとした。
【0022】
(5)正極n
また、混合正極活物質ζ(LiCoO2が0.10で、Li1.07Mn1.89Mg0.044が0.90のもの)を用い、この混合正極活物質ζが85質量部で、導電剤としてのカーボンブラックが10質量部で、結着剤としてのフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(ヘキサフルオロプロピレンを10wt%含む)が5質量部となるように混合して、正極合剤を作製した。
ついで、得られた正極合剤をN−メチルピロリドン(NMP)と混合して正極スラリーとした後、この正極スラリーを厚みが20μmの正極集電体(アルミニウム箔またはアルミニウム合金箔)の両面にドクターブレード法により塗布(なお、正極リードを取り付けるために間欠塗布により未塗布部を設けた)して、正極集電体の両面に正極合剤層を形成した。
これを乾燥させた後、圧縮ローラを用いて正極合剤の充填密度が3.0g/cm3となるように圧延し、所定寸法(例えば幅が40mmで、長さが280mm)に切断して、正極nを作製した。
【0023】
(6)正極o
さらに、得られた混合正極活物質α(LiCoO2が0.95で、Li1.07Mn1.89Mg0.044が0.05のもの)を用い、この混合正極活物質αが85質量部で、導電剤としてのカーボンブラックが10質量部で、結着剤としてのフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(ヘキサフルオロプロピレンを10wt%含む)が5質量部となるように混合して、正極合剤を作製した。
ついで、得られた正極合剤をN−メチルピロリドン(NMP)と混合して正極スラリーとした後、この正極スラリーを厚みが20μmの正極集電体(アルミニウム箔またはアルミニウム合金箔)の両面にドクターブレード法により塗布(なお、正極リードを取り付けるために間欠塗布により未塗布部を設けた)して、正極集電体の両面に正極合剤層を形成した。
これを乾燥させた後、圧縮ローラを用いて正極合剤の充填密度が3.2g/cm3となるように圧延し、所定寸法(例えば幅が40mmで、長さが280mm)に切断して、正極oを作製した。
【0024】
(7)正極p,q
また、混合正極活物質γ(LiCoO2が0.70で、Li1.07Mn1.89Mg0.044が0.30のもの)を用い、この混合正極活物質γが85質量部で、導電剤としてのカーボンブラックが10質量部で、結着剤としてのフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(ヘキサフルオロプロピレンを10wt%含む)が5質量部となるように混合して、正極合剤を作製した。
ついで、得られた正極合剤をN−メチルピロリドン(NMP)と混合して正極スラリーとした後、この正極スラリーを厚みが20μmの正極集電体(アルミニウム箔またはアルミニウム合金箔)の両面にドクターブレード法により塗布(なお、正極リードを取り付けるために間欠塗布により未塗布部を設けた)して、正極集電体の両面に正極合剤層を形成した。
これを乾燥させた後、圧縮ローラを用いて正極合剤の充填密度が3.9g/cm3、2.6g/cm3となるように圧延し、所定寸法(例えば幅が40mmで、長さが280mm)に切断して、正極p,qを作製した。なお、充填密度が3.9g/cm3のものを正極pとし、充填密度が2.6g/cm3のものを正極qとした。
【0025】
(8)正極r,s
また、混合正極活物質δ(LiCoO2が0.50で、Li1.07Mn1.89Mg0.044が0.50のもの)を用い、この混合正極活物質δが85質量部で、導電剤としてのカーボンブラックが10質量部で、結着剤としてのフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(ヘキサフルオロプロピレンを10wt%含む)が5質量部となるように混合して、正極合剤を作製した。
ついで、得られた正極合剤をN−メチルピロリドン(NMP)と混合して正極スラリーとした後、この正極スラリーを厚みが20μmの正極集電体(アルミニウム箔またはアルミニウム合金箔)の両面にドクターブレード法により塗布(なお、正極リードを取り付けるために間欠塗布により未塗布部を設けた)して、正極集電体の両面に正極合剤層を形成した。
これを乾燥させた後、圧縮ローラを用いて正極合剤の充填密度が3.8g/cm3、2.5g/cm3となるように圧延し、所定寸法(例えば幅が40mmで、長さが280mm)に切断して、正極r,sを作製した。なお、充填密度が3.8g/cm3のものを正極rとし、充填密度が2.5g/cm3のものを正極sとした。
【0026】
(9)正極t,u
また、混合正極活物質ε(LiCoO2が0.30で、Li1.07Mn1.89Mg0.044が0.70のもの)を用い、この混合正極活物質εが85質量部で、導電剤としてのカーボンブラックが10質量部で、結着剤としてのフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(ヘキサフルオロプロピレンを10wt%含む)が5質量部となるように混合して、正極合剤を作製した。
ついで、得られた正極合剤をN−メチルピロリドン(NMP)と混合して正極スラリーとした後、この正極スラリーを厚みが20μmの正極集電体(アルミニウム箔またはアルミニウム合金箔)の両面にドクターブレード法により塗布(なお、正極リードを取り付けるために間欠塗布により未塗布部を設けた)して、正極集電体の両面に正極合剤層を形成した。
これを乾燥させた後、圧縮ローラを用いて正極合剤の充填密度が3.6g/cm3、2.5g/cm3となるように圧延し、所定寸法(例えば幅が40mmで、長さが280mm)に切断して、正極t,uを作製した。なお、充填密度が3.6g/cm3のものを正極tとし、充填密度が2.5g/cm3のものを正極uとした。
【0027】
(10)正極v
また、混合正極活物質η(LiCoO2が0.05で、Li1.07Mn1.89Mg0.044が0.95のもの)を用い、この混合正極活物質ηが85質量部で、導電剤としてのカーボンブラックが10質量部で、結着剤としてのフッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(ヘキサフルオロプロピレンを10wt%含む)が5質量部となるように混合して、正極合剤を作製した。
ついで、得られた正極合剤をN−メチルピロリドン(NMP)と混合して正極スラリーとした後、この正極スラリーを厚みが20μmの正極集電体(アルミニウム箔またはアルミニウム合金箔)の両面にドクターブレード法により塗布(なお、正極リードを取り付けるために間欠塗布により未塗布部を設けた)して、正極集電体の両面に正極合剤層を形成した。
これを乾燥させた後、圧縮ローラを用いて正極合剤の充填密度が3.0g/cm3となるように圧延し、所定寸法(例えば幅が40mmで、長さが280mm)に切断して、正極vを作製した。
【0028】
3.負極の作製
天然黒鉛粉末が95質量部で、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後、これをN−メチルピロリドン(NMP)と混合して負極スラリーを調製した。この後、得られた負極スラリーを厚みが18μmの負極集電体(銅箔)の両面にドクターブレード法により塗布して、負極集電体の両面に活物質層を形成した。これを乾燥させた後、圧縮ローラを用いて所定の厚みになるまで圧延し、所定寸法(例えば幅が42mmで、長さが300mm)に切断して負極を作製した。
なお、負極活物質としては、天然黒鉛以外に、リチウムイオンを吸蔵・脱離し得るカーボン系材料、例えば、カーボンブラック、コークス、ガラス状炭素、炭素繊維、またはこれらの焼成体、あるいはリチウム、リチウムを主体とする合金、非晶質酸化物等の公知のものを用いてもよい。
【0029】
4.リチウム二次電池の作製
ついで、上述のように作製した各正極a〜nおよび各正極o〜vと、上述のようにして作製した負極とをそれぞれ用い、これらの間にポリプロピレン製微多孔膜からなるセパレータを介在させて積層した後、これらを渦巻状にそれぞれ巻回して渦巻状電極群とした。これらをそれぞれ円筒状の金属製外装缶に挿入した後、各集電体から延出する集電タブを各端子に溶接し、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、LiPF6を1モル/リットル溶解した非水電解液を注入した。この後、外装缶の開口部に絶縁パッキングを介して正極蓋を取り付けた後、封口してリチウム二次電池A〜NおよびO〜Vをそれぞれ作製した。
【0030】
ここで、正極aを用いたものをリチウム二次電池Aとし、正極bを用いたものをリチウム二次電池Bとし、正極cを用いたものをリチウム二次電池Cとし、正極dを用いたものをリチウム二次電池Dとし、正極eを用いたものをリチウム二次電池Eとし、正極fを用いたものをリチウム二次電池Fとし、正極gを用いたものをリチウム二次電池Gとし、正極hを用いたものをリチウム二次電池Hとし、正極iを用いたものをリチウム二次電池Iとし、正極jを用いたものをリチウム二次電池Jとし、正極kを用いたものをリチウム二次電池Kとし、正極lを用いたものをリチウム二次電池Lとし、正極mを用いたものをリチウム二次電池Mとし、正極nを用いたものをリチウム二次電池Nとした。
【0031】
た、正極oを用いたものをリチウム二次電池Oとし、正極pを用いたものをリチウム二次電池Pとし、正極qを用いたものをリチウム二次電池Qとし、正極rを用いたものをリチウム二次電池Rとし、正極sを用いたものをリチウム二次電池Sとし、正極tを用いたものをリチウム二次電池Tとし、正極uを用いたものをリチウム二次電池Uとし、正極vを用いたものをリチウム二次電池Vとした。
【0032】
なお、混合溶媒としては、上述したエチレンカーボネート(EC)にジエチルカーボネート(DEC)を混合したもの以外に、水素イオンを供給する能力のない非プロトン性溶媒を使用し、例えば、プロピレンカーボネート(PC)、ビニレンカーボネート(VC)、ブチレンカーボネート(BC)、γ−ブチロラクトン(GBL)等の有機溶媒や、これらとジメチルカーボネート(DMC)、メチルエチルカーボネート(EMC)、1,2−ジエトキシエタン(DEE)、1,2−ジメトキシ工タン(DME)、エトキシメトキシエタン(EME)などの低沸点溶媒との混合溶媒を用いてもよい。また、これらの溶媒に溶解される溶質としては、LiPF6以外に、LiBF4、LiCF3SO3、LiAsF6、LiN(CF3SO22、LiC(CF3SO23、LiCF3(CF23SO3等を用いてもよい。さらに、ポリマー電解質、ポリマーに非水電解液を含浸させたようなゲル状電解質、固体電解質なども使用できる。
【0033】
5.リチウム二次電池の充放電試験
これらの各電池A〜NおよびO〜Vを用いて、室温(約25℃)で、60mAの充電電流で、電池電圧が4.2Vになるまで定電流充電した後、600mAの放電電流で電池電圧が3.1Vになるまで放電させるという充放電を1サイクルとして、充放電サイクルを繰り返して行い、1サイクル目の放電容量に対する300サイクル目の放電容量を容量維持率(容量維持率(%)=(300サイクル目の放電容量/1サイクル目の放電容量)×100)として求める、下記の表2に示すような結果となった。
【0034】
【表2】
Figure 0004878683
【0035】
6.試験結果の検討
上記表2の結果から、混合正極活物質γ(コバルト酸リチウムの混合比が0.7で、スピネル型マンガン酸リチウムの混合比が0.3のもの)を用い、充填密度を変化させた正極p,b,c,d,e,qを使用したリチウム二次電池P,B,C,D,E,Qにおいて、充填密度を横軸とし、容量維持率を縦軸としてグラフで表すと図1に示すような結果となった。
また、混合正極活物質δ(コバルト酸リチウムの混合比が0.5で、スピネル型マンガン酸リチウムの混合比が0.5のもの)を用い、充填密度を変化させた正極r,f,g,h,i,sを使用したリチウム二次電池R,F,G,H,I,Sにおいて、充填密度を横軸とし、容量維持率を縦軸としてグラフで表すと図2に示すような結果となった。
さらに、混合正極活物質ε(コバルト酸リチウムの混合比が0.3で、スピネル型マンガン酸リチウムの混合比が0.7のもの)を用い、充填密度を変化させた正極t,j,k,l,m,uを使用したリチウム二次電池T,J,K,L,M,Uにおいて、充填密度を横軸とし、容量維持率を縦軸としてグラフで表すと図3に示すような結果となった。
【0036】
なお、図1〜3においては、混合正極活物質β(コバルト酸リチウムの混合比が0.90で、スピネル型マンガン酸リチウムの混合比が0.10のもの)を用いた正極a(充填密度は3.2g/cm3)を使用したリチウム二次電池A、混合正極活物質ζ(コバルト酸リチウムの混合比が0.10で、スピネル型マンガン酸リチウムの混合比が0.90のもの)を用いた正極n(充填密度は3.0g/cm3)を使用したリチウム二次電池N、混合正極活物質α(コバルト酸リチウムの混合比が0.95で、スピネル型マンガン酸リチウムの混合比が0.05のもの)を用いた正極o(充填密度は3.2g/cm3)を使用したリチウム二次電池O、混合正極活物質η(コバルト酸リチウムの混合比が0.05で、スピネル型マンガン酸リチウムの混合比が0.95のもの)を用いた正極v(充填密度は3.0g/cm3)を使用したリチウム二次電池Vの各容量維持率も併せて示している。
【0037】
図1の結果から明らかなように、混合正極活物質γ(コバルト酸リチウムの混合比が0.7で、スピネル型マンガン酸リチウムの混合比が0.3のもの)を用いた場合は、正極b,c,d,eを使用したリチウム二次電池B,C,D,Eの容量維持率が高く、正極p,qを使用したリチウム二次電池P,Qの容量維持率が低いことが分かる。また、図2の結果から明らかなように、混合正極活物質δ(コバルト酸リチウムの混合比が0.5で、スピネル型マンガン酸リチウムの混合比が0.5のもの)を用いた場合は、正極f,g,h,iを使用したリチウム二次電池F,G,H,Iの容量維持率が高く、正極r,sを使用したリチウム二次電池R,Sの容量維持率が低いことが分かる。さらに、図3の結果から明らかなように、混合正極活物質ε(コバルト酸リチウムの混合比が0.3で、スピネル型マンガン酸リチウムの混合比が0.7のもの)を用いた場合は、正極j,k,l,mを使用したリチウム二次電池J,K,L,Mの容量維持率が高く、正極t,uを使用したリチウム二次電池T,Uの容量維持率が低いことが分かる。
【0038】
即ち、図1〜図3の結果から、いずれの混合正極活物質γ,δ,εを用いても、容量維持率を大きくするためには正極合剤の充填密度を最適な範囲に規制する必要があることが分かる。そこで、コバルト酸リチウムの混合比を横軸(X軸)とし、正極合剤の充填密度を縦軸(Y軸)としてプロットすると図4に示すような結果となった。なお、図4においては、図1〜図3で容量維持率が高いリチウム二次電池A,B,C,D,E,F,G,H,I,J,K,L,M,Nを○印で示し、容量維持率が低いリチウム二次電池O,P,Q,R,S,T,U,Vを×印で示している。
【0039】
ここで、図4において、○印と×印を区画する下限線(図4の下方の点線)を引くと、Y=0.4X+2.5という式が得られ、○印と×印を区画する上限線(図4の上方の点線)を引くと、Y=0.6X+3.3という式が得られる。このことから、コバルト酸リチウムの混合比をXとした場合の正極合剤の充填密度Y(g/cm3)は、0.4X+2.5≦Y≦0.6X+3.3の関係を有する範囲に規制することが望ましいということができる。
これは、充填密度(Y)が0.4X+2.5より小さくなると、充放電サイクルが進行するに伴って、活物質粒子同士が解離して、これらの粒子間の電子伝導性が低下して容量維持率(サイクル特性)が低下したと考えられる。また、充填密度(Y)が0.6X+3.3より大きくなると、電極形成時の過剰な加圧力により活物質粒子にひび割れが生じるとともに、電極中への電解液の含液性が低下して容量維持率(サイクル特性)が低下したと考えられる。
【0040】
さらに、図4において、○印の内で容量維持率がより高い○印と容量維持率が若干低い○印とを区画する下限線(図4の下方の実線)を引くと、Y=0.5X+2.6という式が得られ、上限線(図4の上方の実線)を引くと、Y=0.6X+3.0という式が得られる。このことから、コバルト酸リチウムの混合比をXとした場合の正極合剤の充填密度Y(g/cm3)は、0.5X+2.6≦Y≦0.6X+3.0の関係を有する範囲に規制すると、さらに容量維持率(サイクル特性)が向上したリチウム二次電池を得ることが可能となる。
【0041】
ついで、正極合剤の充填密度(Y)(g/cm3)が0.5X+2.6以上で0.6X+3.0以下である、正極a(X=0.90,Y=3.2),d(X=0.70,Y=3.0),g(X=0.50,Y=3.2),k(X=0.30,Y=3.1),n(X=0.10,Y=3.0),o(X=0.95,Y=3.2),v(X=0.05,Y=3.0)を用いたリチウム二次電池A,D,G,K,N,O,Vにおいて、コバルト酸リチウムの混合比を横軸とし容量維持率を縦軸で表すと、図5に示すような結果となった。
【0042】
図5の結果から明らかなように、コバルト酸リチウムの混合比が0.1以上で0.9以下、好ましくは0.3以上で0.5以下にすると、容量維持率が大きくなることが分かる。これは、充放電サイクルの進行に伴う活物質同士の解離を抑制するためには、スピネル型マンガン酸リチウムとコバルト酸リチウムを混合することにより、充放電時の各酸化物の体積変化を相殺し、かつこの混合正極活物質を用いた正極合剤の充填密度を最適化しなければならないが、いずれかの酸化物が少なすぎた場合には各酸化物の体積変化を相殺しきれなくなり、その結果、サイクル特性が向上しなくなるためである。このことから、コバルト酸リチウムの混合比は0.1以上で0.9以下、好ましくは0.3以上で0.5以下にすることが望ましいということができる。
【0043】
そして、図4の結果および図5の結果を総合すると、コバルト酸リチウムの混合比は0.1以上で0.9以下、好ましくは0.3以上で0.5以下、かつ、コバルト酸リチウムの混合比をXとした場合の正極合剤の充填密度(Y)(g/cm3)は、0.4X+2.5≦Y≦0.6X+3.3、好ましくは0.5X+2.6≦Y≦0.6X+3.0の関係を有する範囲に規制すると、容量維持率(サイクル特性)が向上したリチウム二次電池を得ることが可能となる。
【0044】
上述したように、本発明においては、正極活物質はコバルト酸リチウムとスピネル型マンガン酸リチウムとが混合された混合正極活物質からなり、この混合正極活物質中のコバルト酸リチウムの質量比Xが0.1≦X≦0.9の範囲、好ましくは0.3≦X≦0.5の範囲になるように混合されているとともに、正極合剤の充填密度Y(g/cm3)が0.4X+2.5≦Y≦0.6X+3.3(g/cm3)、好ましくは0.5X+2.6≦Y≦0.6X+3.0の関係を有する範囲になるように規制しているので、容量維持率(サイクル特性)が向上したリチウム二次電池を得ることが可能となる。
【0045】
なお、上述した実施の形態においては、スピネル型マンガン酸リチウムとしてLi1.07Mn1.89Mg0.044を用いる例について説明したが、スピネル型マンガン酸リチウムとしては、組成式がLi1+XMn2-YZ4(但し、MはB,Mg,Ca,Sr,Ba,Ti,V,Cr,Fe,Co,Ni,Cu,Al,In,Nb,Mo,W,Y,Rhから選択される少なくとも一種の元素であり、0.54≦((1+X)+Z)/(2−Y)≦0.62で、−0.15≦X≦0.15で、Y≦0.5で、0≦Z≦0.1である)で表される組成のものも同様な結果が得られる。このうち、特に優れた高温特性(高温での充放電サイクル、高温保存性等)を示すためには、Mg添加系あるいはAl添加系のものを用いるのが望ましい。
【0046】
また、上述した実施の形態においては、コバルト酸リチウムとしてLiCoO2を用いる例について説明したが、コバルト酸リチウムとしては、組成式がLiCo1-XX2(但し、MはB,Mg,Ca,Sr,Ba,Ti,V,Cr,Fe,Ni,Cu,Al,In,Nb,Mo,W,Y,Rhから選択される少なくとも一種の元素であり、0≦X≦0.1である)で表される組成のものも同様な結果が得られる。このうち、特に優れた放電特性を示すためには、Cr添加系、Mn添加系、Al添加系、Ti添加系のものを用いるのが望ましい。
【図面の簡単な説明】
【図1】 コバルト酸リチウムの混合比を0.7とした場合の正極合剤の充填密度と容量維持率の関係を示す図である。
【図2】 コバルト酸リチウムの混合比を0.5とした場合の正極合剤の充填密度と容量維持率の関係を示す図である。
【図3】 コバルト酸リチウムの混合比を0.3とした場合の正極合剤の充填密度と容量維持率の関係を示す図である。
【図4】 コバルト酸リチウムの混合比と正極合剤の充填密度の関係を示す図である。
【図5】 コバルト酸リチウムの混合比と容量維持率の関係を示す図である。

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含有する正極と、リチウムイオンの吸蔵・放出が可能な負極活物質を含有する負極と、非水系電解液とを備えたリチウム二次電池であって、
    前記正極はコバルト酸リチウムとスピネル型マンガン酸リチウムとが混合された混合正極活物質を主体とした正極合剤が正極集電体に保持されており、
    前記混合正極活物質中の前記コバルト酸リチウムの質量比Xが0.3≦X≦0.5の範囲になるように混合されているとともに、
    前記正極合剤の充填密度Y(g/cm3)が0.5X+2.6≦Y≦0.6X+3.0の範囲になるように前記正極集電体に保持されていることを特徴とするリチウム二次電池。
  2. 前記スピネル型マンガン酸リチウムは組成式がLi1+XMn2-YZ4(但し、MはB,Mg,Ca,Sr,Ba,Ti,V,Cr,Fe,Co,Ni,Cu,Al,In,Nb,Mo,W,Y,Rhから選択される少なくとも一種の元素であり、0.54≦((1+X)+Z)/(2−Y)≦0.62で、−0.15≦X≦0.15で、Y≦0.5で、0≦Z≦0.1である)で表されることを特徴とする請求項1に記載のリチウム二次電池。
  3. 前記Li1+XMn2-YZ4で表されるスピネル型マンガン酸リチウムのMはAlまたはMgであることを特徴とする請求項に記載のリチウム二次電池。
  4. 前記Li1+XMn2-YZ4で表されるスピネル型マンガン酸リチウムはLi1.07Mn1.89Mg0.044であることを特徴とする請求項または請求項に記載のリチウム二次電池。
  5. 前記コバルト酸リチウムは組成式がLiCo1-XX2(但し、MはB,Mg,Ca,Sr,Ba,Ti,V,Cr,Fe,Ni,Cu,Al,In,Nb,Mo,W,Y,Rhから選択される少なくとも一種の元素であり、0≦X≦0.1である)で表されることを特徴とする請求項1から請求項のいずれかに記載のリチウム二次電池。
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