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JP5412298B2 - リチウムイオン二次電池用正極材料およびそれを用いたリチウムイオン二次電池 - Google Patents

リチウムイオン二次電池用正極材料およびそれを用いたリチウムイオン二次電池 Download PDF

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JP5412298B2
JP5412298B2 JP2010003556A JP2010003556A JP5412298B2 JP 5412298 B2 JP5412298 B2 JP 5412298B2 JP 2010003556 A JP2010003556 A JP 2010003556A JP 2010003556 A JP2010003556 A JP 2010003556A JP 5412298 B2 JP5412298 B2 JP 5412298B2
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Description

本発明は、高容量,高出力かつ高安全なリチウムイオン二次電池用正極材料およびリチウムイオン二次電池に関する。
プラグインハイブリッド自動車用電池として、リチウムイオン二次電池を採用するためには、高い安全性を維持しながら、低コスト化,低体積化,軽量化,高出力化が必要とされているため、正極材料には高容量,高出力かつ高安全であることが要求される。
特許文献1には、発熱開始温度の異なる二種類以上のリチウム含有化合物を有し、少なくても発熱開始温度が300℃以上である材料を有することが記載されている。
特許文献2には、リチウム化合物と、Mn,Ni,Coを含む一種類以上の遷移金属化合物と、焼成時の粒成長及び焼結を抑制する添加剤とを用いて作製したリチウム含有遷移金属化合物Aと、層状構造を有し、Li及び遷移金属としてNi,Coを含有するリチウム含有遷移金属複合酸化物粉体Bと、を混合してなるリチウム二次電池用正極活物質が記載されている。
特許文献3には、LiCoO2に少なくともZrとMgとの両方を含有させたリチウム遷移金属複合酸化物Aと、層状構造を有し、遷移金属として少なくともMnとNiとの両方を含有し、かつ、Moを含有するリチウム遷移金属複合酸化物Bと、を混合した正極材料が記載されている。
特開2007−048744号公報 特開2009−032647号公報 特開2006−164934号公報
従来の正極材料では、プラグインハイブリッド自動車用電池に必要とされるような高容量を得ることができない。
また、従来の正極材料では、電池が昇温した際に正極材料から放出される脱酸素量の低減および電池の放熱効果を利用することができないため、高Ni含有量の正極材料を用いた際に問題となる安全性を解決することはできない。
以上のように、従来技術では、プラグインハイブリッド自動車用電池に要求される高容量,高出力かつ高安全を達成することができなかった。
本発明は、プラグインハイブリッド自動車用電池に要求される高容量,高出力かつ高安全を達成することができるリチウムイオン二次電池用正極材料を提供するものである。
プラグインハイブリッド自動車用電池にリチウムイオン二次電池を採用するためには、高容量,高出力かつ高安全であることが要求される。
リチウムイオン二次電池においてこれらの特性は正極材料の性質と密接な関係がある。
組成式LiMO2(M:遷移金属)で表される層状系の正極材料において、高容量を得るためには、遷移金属層中のNi含有量を増やす必要がある。
しかし、高Ni含有量の正極材料は、充電時の構造安定性が低く、内部短絡などにより電池の温度が上昇した際に比較的低温で、正極材料中から放出された酸素と電解液とが反応し、大きな発熱反応が起こるため、電池が発火および破裂に至る危険性がある。
そこで、本発明のリチウムイオン二次電池用正極材料は、
組成式Lix1Nia1Mnb1Coc12
(0.2≦x1≦1.2,0.6≦a1≦0.9,0.05≦b1≦0.3,0.05≦c1≦0.3,a1+b1+c1=1.0)で表される第一の正極活物質と、
組成式Lix2Nia2Mnb2Coc2d22
(0.2≦x2≦1.2,0.7≦a2≦0.9,0.05≦b2<0.25,0.05≦c2<0.25,M=Al,Mg,0<d2≦0.06,a2+b2+c2+d2=1.0)で表される第二の正極活物質と、
組成式Lix3Nia3Mnb3Coc3d32
(0.2≦x3≦1.2,0.7≦a3≦0.9,0.05≦b3<0.25,0.05≦c3<0.25,M=Mo,W,0<d3≦0.06,a3+b3+c3+d3=1.0)で表される第三の正極活物質と、
を含むことを特徴とする。
また、第一および第二の正極活物質の平均二次粒径が、第三の正極活物質の平均二次粒径より大きいことが好ましい。
また、第三の正極活物質の平均二次粒径が、第一の正極活物質の平均二次粒径の二分の一以下であることが好ましい。
また、第一の正極活物質のNi含有量a1が0.7≦a1≦0.9であり、第二および第三の正極活物質のNi含有量a2,a3が0.8≦a2≦0.9,0.8≦a3≦0.9であることが好ましい。
また、リチウムイオン二次電池用正極材料に含まれる第一,第二,第三の正極活物質は、全ての正極活物質に占める割合が、それぞれ質量百分率で50%より低いことが好ましい。
さらに、こうしたこれらリチウムイオン二次電池用正極材料は、リチウムを吸蔵放出可能な正極と、リチウムを吸蔵放出可能な負極と、が非水電解質およびセパレータを介して形成されるリチウムイオン二次電池の正極の正極材料として使用できる。
これにより、本発明は、プラグインハイブリッド自動車用電池に要求される高容量,高出力かつ高安全を達成することができるリチウムイオン二次電池用正極材料を提供することができる。
充電状態の正極と電解液とを共に昇温した際のDSC測定結果を示す図。 リチウムイオン二次電池を示す断面図。
以下に、本実施形態の特徴について記載する。
本実施形態のリチウムイオン二次電池用正極材料は、
組成式Lix1Nia1Mnb1Coc12
(0.2≦x1≦1.2,0.6≦a1≦0.9,0.05≦b1≦0.3,0.05≦c1≦0.3,a1+b1+c1=1.0)で表される第一の正極活物質と、
組成式Lix2Nia2Mnb2Coc2d22
(0.2≦x2≦1.2,0.7≦a2≦0.9,0.05≦b2<0.25,0.05≦c2<0.25,M=Al,Mg,0<d2≦0.06,a2+b2+c2+d2=1.0)で表される第二の正極活物質と、
組成式Lix3Nia3Mnb3Coc3d32
(0.2≦x3≦1.2,0.7≦a3≦0.9,0.05≦b3<0.25,0.05≦c3<0.25,M=Mo,W,0<d3≦0.06,a3+b3+c3+d3=1.0)で表される第三の正極活物質と、
を含むことを特徴とする。
高Ni含有量の正極活物質は、高容量が得られるが、充電時の熱安定性が低いという欠点がある。
そこで、高Ni含有量の正極活物質に、第四の金属元素を添加し、発熱温度領域を高温化した材料と低温化した材料とを混合した。
本混合材料は、単一の高Ni含有の正極活物質と比較し、発熱温度領域が広がり、電池の放熱作用を最大限に利用できるため、電池が昇温した際に発火及び破裂に至る可能性を低減することができる。
また、本実施形態にかかる発熱温度領域を低温化した材料は、第四の金属元素として、Mo,Wを添加した高Ni含有量の正極活物質を用いた。
本材料は発熱温度領域を変化させるという効果と共に、リチウム脱離後、昇温したときに放出される酸素量を半分以下に低減することができるという効果を有する。
したがって、本材料は電池が昇温した際に起こる正極と電解液の発熱温度領域を広げ、電池の放熱を最大限に利用でき、かつ、総発熱量も低減できるという効果がある。
そこで、本材料を用いることにより、昇温した際に発火などに至る可能性を低減させたリチウムイオン二次電池用正極材料およびリチウムイオン二次電池を提供することができる。
さらに、第三の正極活物質の平均二次粒径が、第一,第二の正極活物質の平均二次粒径より小さいことを特徴とする。
第三の正極活物質は、Mo,Wを添加しているため、抵抗が高くなる。そこで、プラグインハイブリッド自動車用電池として採用するには、粒径を小さくし、リチウムの拡散距離を短くする必要がある。
また、正極材料に含まれるそれぞれの正極活物質の存在比を質量百分率で50%より低いとする。50%以上となると、昇温した際に、その正極活物質が原因で発生する発熱反応の影響が大きくなるため、安全性に問題がある。
次に、本実施形態のリチウムイオン二次電池は、リチウムを吸蔵放出可能な正極と、リチウムを吸蔵放出可能な負極と、が非水電解質およびセパレータを介して形成されるリチウムイオン二次電池であり、正極が正極活物質を有し、その正極活物質が、前記の第一の正極活物質と、第二の正極活物質と、第三の正極活物質とを含む。
また、第三の正極活物質の平均二次粒径が、第一の正極活物質の平均二次粒径の二分の一以下であることが好ましい。これは、粒径を小さくしたことによる効果がより顕著に現れ、かつ正極材料の充填率も向上するからである。
さらに、第一の正極活物質のNi含有量a1が0.7≦a1≦0.9であり、第二,第三の正極活物質のNi含有量a2,a3が0.8≦a2≦0.9,0.8≦a3≦0.9であることが好ましい。遷移金属層中のNi含有量を増やすことにより、高容量の正極材料を提供することができる。
ここで、本実施形態を実施するための実施例の一つを以下に示す。
本発明の実施例では、正極材料として、
組成式Lix1Nia1Mnb1Coc12
(0.2≦x1≦1.2,0.6≦a1≦0.9,0.05≦b1≦0.3,0.05≦c1≦0.3,a1+b1+c1=1.0)で表される第一の正極活物質と、
組成式Lix2Nia2Mnb2Coc2d22
(0.2≦x2≦1.2,0.7≦a2≦0.9,0.05≦b2<0.25,0.05≦c2<0.25,M=Al,Mg,0<d2≦0.06,a2+b2+c2+d2=1.0)で表される第二の正極活物質と、
組成式Lix3Nia3Mnb3Coc3d32
(0.2≦x3≦1.2,0.7≦a3≦0.9,0.05≦b3<0.25,0.05≦c3<0.25,M=Mo,W,0<d3≦0.06,a3+b3+c3+d3=1.0)で表される第三の正極活物質と、
を混合した材料を用いる。
ここで、第一の正極活物質のLiの量は、0.2≦x1≦1.2であるが、これはx1<0.2では、充電状態においてLi層中に存在するLiの量が少なく、層状の結晶構造を維持できないためである。また、1.2<x1では、複合酸化物における遷移金属の量が減少し、容量が低下するためである。
Niの量は、0.6≦a1≦0.9であるが、これはa1<0.6では、充放電反応に主に寄与するNiの含有量が減少し、容量が低下するためである。
Mnの量は、0.05≦b1≦0.3であるが、これはb1<0.05では、充電状態における構造が不安定になり、正極からの酸素放出温度が低下する。また、b1>0.3で
は、充放電反応に主に寄与するNiの含有量が減少し、容量が低下するためである。
Coの量は、0.05≦c1≦0.3であるが、これはc1<0.05では、充電状態における構造が不安定になり、充放電における正極活物質の体積変化が大きくなる。また、
c1>0.3では、充放電反応に主に寄与するNiの含有量が減少し、容量が低下するためである。
ここで、第二,第三の正極活物質のLiの量は、0.2≦x2≦1.2,0.2≦x3≦1.2であるが、これはx2<0.2,x3<0.2では、充電状態においてLi層中に存在するLiの量が少なく、層状の結晶構造を維持できないためである。また、1.2<x2,1.2<x3では、複合酸化物における遷移金属の量が減少し、容量が低下するためである。
Niの量は、0.7≦a2≦0.9,0.7≦a3≦0.9であるが、これはa2<0.7,a3<0.7では、充放電反応に主に寄与するNiの含有量が減少し、容量が低下するためである。
Mnの量は、0.05≦b2<0.25,0.05≦b3<0.25であるが、これはb2<0.05,b3<0.05では、充電状態における構造が不安定になり、正極からの酸素放出温度が低下する。また、b2≧0.25,b3≧0.25では、充放電反応に主に寄与するNiの含有量が減少し、容量が低下するためである。
Coの量は、0.05≦c2<0.25,0.05≦c3<0.25であるが、これはc2<0.05,c3<0.05では、充電状態における構造が不安定になり、充放電における正極活物質の体積変化が大きくなる。また、c2≧0.25,c3≧0.25では、充放電反応に主に寄与するNiの含有量が減少し、容量が低下するためである。
Mの量は、0<d2≦0.06,0<d3≦0.06であるが、これはd2>0.06,d3>0.06では、充放電反応に主に寄与するNiの含有量が減少し、容量が低下するためである。
(正極活物質の作製)
原料として、酸化ニッケル,二酸化マンガン,酸化コバルト,(酸化アルミニウム,酸化マグネシウム,酸化モリブテン,酸化タングステン)を使用し、所定の原子比となるように秤量した後に、純水を加えスラリーとした。
このスラリーを平均粒径が0.2μmとなるまでジルコニアのビーズミルで粉砕した。
このスラリーにポリビニルアルコール(PVA)溶液を固形分比に換算して1wt.%添加し、更に1時間混合し、スプレードライヤ−により造粒および乾燥させた。
この造粒粒子に対し、Li:(NiMnCoM)比が1.05:1となるように水酸化リチウムおよび炭酸リチウムを加えた。
次に、この粉末を850℃で10時間焼成することにより層状構造の結晶を有し、その後、解砕して正極活物質1−1を得た。
さらに、分級により粒径30μm以上の粗大粒子を除去した後、電極作製に用いた。
また、本実施例に関する正極活物質の作製方法は、上記の方法に限定されず、共沈法など、他の方法を用いてもよい。
以下に、合成した第一の正極活物質,第二の正極活物質および第三の正極活物質の遷移金属の組成比をそれぞれ下記の表1,表2,表3に示す。
Figure 0005412298
Figure 0005412298
Figure 0005412298
なお、表1,表2,表3に示した組成は、Li以外のものを示したものである。Liはほぼ1.05を示す。
正極活物質1−1と炭素系導電剤とを質量比で85:10.7になるように秤量し、メカノフュージョンを用いて活物質と導電剤を複合化した。
ここでは、ハイブリダイザーなどの機器を用いてそれぞれの活物質と導電剤とを複合化しても良い。
正極活物質2−1,3−1にも同様の操作を行った。
次に、複合化した三種類の材料を質量比で30:40:30になるように混合した。
この方法により、各々の活物質の表面に導電剤を高分散させ、粒子の表面に導電剤を被覆することができる。
この導電剤の被覆により、電子伝導性が向上するため、正極材料として用いた際に、大電流を流しても高容量が維持される。
また、異なる活物質を混合する際に活物質間に導電剤が存在するため、活物質間に導電性のネットワークが形成され、充放電反応に寄与しない孤立した活物質の割合を減少させることができ、高容量が維持できる。
一方で、活物質と導電剤との複合化を行わずに、三種類の活物質と導電剤とを混合した場合、各々の活物質の表面に導電剤が被覆されていないため、電子伝導性が低下する。さらに、各々の活物質と導電剤との混合状態が悪化し、活物質間の導電ネットワークの形成が困難となり、孤立した活物質の割合が増加し容量が減少する。
その後、三種類の活物質と導電剤との混合材料とNMPに溶解した結着剤を、混合材料と結着剤とが質量比で95.7:4.3になるように混合した。
均一に混合されたスラリーを、厚み20μmのアルミ集電体箔上に塗布した後、120℃で乾燥し、プレスにて電極密度が2.7g/cm3になるように圧縮成形した。
その後、直径15mmの円盤状に打ち抜き、正極を作製した。
作製した正極を用い、金属リチウムを負極,非水電解液(EC,DMCの体積比で1:2の混合溶媒に1.0モル/リットルのLiPF6を溶解させたもの)を用いて試作電池を作製した。
また、本実施例に関する試験電池において、使用する導電剤,結着剤,負極,電解液,電解質は、本実施例にて説明したものに限定されず、例えば以下のものを用いても良い。
導電剤としては、黒鉛,アセチレンブラック,カーボンブラックなどが挙げられる。
結着剤としては、ポリテトラフルオロエチレン,ゴム系バインダなどが挙げられる。
電解液としては、エチレンカーボネート,プロピレンカーボネート,ジメチルカーボネート,ジエチルカーボネート,メチルエチルカーボネート,γ−ブチルラクトン,テトラヒドロフラン,ジメトキシエタンなどが挙げられる。
電解質としては、LiBF4,LiClO4,LiAsF6,LiCF3SO3,LiN(CF3SO22などが挙げられる。
以下に、第一の正極活物質,第二の正極活物質および第三の正極活物質の混合比を、下記の表4,表5に示す。
Figure 0005412298
Figure 0005412298
次に前述の試作電池を用いて以下の試験を行った。
(充放電試験)
充電レートを0.1Cとし、4.3Vまで定電流/定電圧で充電後、0.1Cで2.5Vまで定電流放電した。
実施例1,2,4〜6,8〜10,12〜17,比較例1,4,6,10〜11では、得られた初回放電容量の値を後述する比較例1の初回放電容量の値で除した値を下記の表6,表7,表8(容量比)に示す。
また、実施例3,7比較例2,3,5,7では、得られた初回放電容量の値を後述する比較例2の初回放電容量の値で除した値を下記の表6,表7,表8に示す。
(示差走査熱量測定)
4.3Vまで定電流/定電圧で充電後、電極を試験電池から取り出し、DMCで洗浄後、直径3.5mmの円盤状に打ち抜き、サンプルパンにいれ、電解液を1μl(リットル)加え、密封した。
この試料を5℃/minで昇温させた時の発熱挙動を調べた。
実施例1,2,4〜6,8〜10,12〜17,比較例1,4,6,10〜11では、得られた発熱の最大値(最大発熱値)および発熱量の値を後述する比較例1の初回放電容量の値で除した値を下記の表6,表7,表8(最大発熱値比および発熱量比)に示す。
また、実施例3,7比較例2,3,5,7では、得られた発熱の最大値(最大発熱値)および発熱量の値を後述する比較例2の初回放電容量の値で除した値を下記の表6,表7,表8に示す。
(直流抵抗測定)
試験電池を用いて、室温の電極抵抗を測定した。
試験電池の開回路電圧が、3.7Vから4.4Vの範囲で定電流放電を行い、0.1秒間隔で放電時の電圧を記録した。
次に、開回路電圧からの10秒目の電圧低下を測定し、電極抵抗を求めた。
実施例1,2,4〜6,8〜10,12〜17,比較例1,4,6,1011では、得られた電極抵抗の値を後述する比較例1の初回放電容量の値で除した値を下記の表6,表7,表8(抵抗比)に示す。
また、実施例3,7比較例2,3,5,7では、得られた電極抵抗の値を後述する比較例2の初回放電容量の値で除した値を下記の表6,表7,表8に示す。
実施例2では、作製した正極活物質1−2,2−1,3−1を質量比で30:40:30になるように混合して正極活物質として用いた以外は、実施例1と同様の方法で試作電池を作製し、充放電試験,示差走査熱量測定および直流抵抗測定を行った。
実施例3では、作製した正極活物質1−3,2−1,3−1を質量比で30:40:30になるように混合して正極活物質として用いた以外は、実施例1と同様の方法で試作電池を作製し、充放電試験,示差走査熱量測定および直流抵抗測定を行った。
実施例4では、作製した正極活物質1−1,2−2,3−1を質量比で30:40:30になるように混合して正極活物質として用いた以外は、実施例1と同様の方法で試作電池を作製し、充放電試験,示差走査熱量測定および直流抵抗測定を行った。
実施例5では、作製した正極活物質1−1,2−3,3−1を質量比で30:40:30になるように混合して正極活物質として用いた以外は、実施例1と同様の方法で試作電池を作製し、充放電試験,示差走査熱量測定および直流抵抗測定を行った。
実施例6では、作製した正極活物質1−1,2−5,3−1を質量比で30:40:30になるように混合して正極活物質として用いた以外は、実施例1と同様の方法で試作電池を作製し、充放電試験,示差走査熱量測定および直流抵抗測定を行った。
実施例7では、作製した正極活物質1−2,2−6,3−1を質量比で30:40:30になるように混合して正極活物質として用いた以外は、実施例1と同様の方法で試作電池を作製し、充放電試験,示差走査熱量測定および直流抵抗測定を行った。
実施例8では、作製した正極活物質1−1,2−1,3−2を質量比で30:40:30になるように混合して正極活物質として用いた以外は、実施例1と同様の方法で試作電池を作製し、充放電試験,示差走査熱量測定および直流抵抗測定を行った。
実施例9では、作製した正極活物質1−1,2−1,3−3を質量比で30:40:30になるように混合して正極活物質として用いた以外は、実施例1と同様の方法で試作電池を作製し、充放電試験,示差走査熱量測定および直流抵抗測定を行った。
実施例10では、作製した正極活物質1−1,2−1,3−5を質量比で30:40:30になるように混合して正極活物質として用いた以外は、実施例1と同様の方法で試作電池を作製し、充放電試験,示差走査熱量測定および直流抵抗測定を行った。
実施例11では、作製した正極活物質1−2,2−1,3−6を質量比で30:40:30になるように混合して正極活物質として用いた以外は、実施例1と同様の方法で試作電池を作製し、充放電試験,示差走査熱量測定および直流抵抗測定を行った。
実施例12では、作製した正極活物質1−1,2−1,3−1を質量比で20:40:40になるように混合して正極活物質として用いた以外は、実施例1と同様の方法で試作電池を作製し、充放電試験,示差走査熱量測定および直流抵抗測定を行った。
実施例13では、作製した正極活物質1−1,2−1,3−1を質量比で40:20:40になるように混合して正極活物質として用いた以外は、実施例1と同様の方法で試作電池を作製し、充放電試験,示差走査熱量測定および直流抵抗測定を行った。
実施例14では、作製した正極活物質1−1,2−1,3−1を質量比で40:40:20になるように混合して正極活物質として用いた以外は、実施例1と同様の方法で試作電池を作製し、充放電試験,示差走査熱量測定および直流抵抗測定を行った。
実施例15では、作製した正極活物質1−1,2−1,3−8を質量比で30:40:30になるように混合して正極活物質として用いた以外は、実施例1と同様の方法で試作電池を作製し、充放電試験,示差走査熱量測定および直流抵抗測定を行った。
〔比較例1〕
比較例1では、作製した正極活物質1−2のみを正極活物質として用いた以外は、実施例1と同様の方法で試作電池を作製し、充放電試験,示差走査熱量測定および直流抵抗測定を行った。
〔比較例2〕
比較例2では、作製した正極活物質1−3のみを正極活物質として用いた以外は、実施例1と同様の方法で試作電池を作製し、充放電試験,示差走査熱量測定および直流抵抗測定を行った。
〔比較例3〕
比較例3では、作製した正極活物質1−4,2−1,3−1を質量比で30:40:30になるように混合して正極活物質として用いた以外は、実施例1と同様の方法で試作電池を作製し、充放電試験,示差走査熱量測定および直流抵抗測定を行った。
〔比較例4〕
比較例4では、作製した正極活物質1−1,2−4,3−1を質量比で30:40:30になるように混合して正極活物質として用いた以外は、実施例1と同様の方法で試作電池を作製し、充放電試験,示差走査熱量測定および直流抵抗測定を行った。
〔比較例5〕
比較例5では、作製した正極活物質1−2,2−7,3−1を質量比で30:40:30になるように混合して正極活物質として用いた以外は、実施例1と同様の方法で試作電池を作製し、充放電試験,示差走査熱量測定および直流抵抗測定を行った。
〔比較例6〕
比較例6では、作製した正極活物質1−1,2−1,3−4を質量比で30:40:30になるように混合して正極活物質として用いた以外は、実施例1と同様の方法で試作電池を作製し、充放電試験,示差走査熱量測定および直流抵抗測定を行った。
〔比較例7〕
比較例7では、作製した正極活物質1−2,2−1,3−7を質量比で30:40:30になるように混合して正極活物質として用いた以外は、実施例1と同様の方法で試作電池を作製し、充放電試験,示差走査熱量測定および直流抵抗測定を行った。
実施例16
実施例16では、作製した正極活物質1−1,2−1,3−1を質量比で50:20:30になるように混合して正極活物質として用いた以外は、実施例1と同様の方法で試作電池を作製し、充放電試験,示差走査熱量測定および直流抵抗測定を行った。
実施例17
実施例17では、作製した正極活物質1−1,2−1,3−1を質量比で20:50:30になるように混合して正極活物質として用いた以外は、実施例1と同様の方法で試作電池を作製し、充放電試験,示差走査熱量測定および直流抵抗測定を行った。
〔比較例10〕
比較例10では、作製した正極活物質1−1,2−1,3−1を質量比で20:30:50になるように混合して正極活物質として用いた以外は、実施例1と同様の方法で試作電池を作製し、充放電試験,示差走査熱量測定および直流抵抗測定を行った。
〔比較例11〕
比較例11では、作製した正極活物質1−1,2−1,3−9を質量比で30:40:30になるように混合して正極活物質として用いた以外は、実施例1と同様の方法で試作電池を作製し、充放電試験,示差走査熱量測定および直流抵抗測定を行った。
Figure 0005412298
Figure 0005412298
Figure 0005412298
表6に示した結果を考察すると、実施例1,2,4〜6,8〜10における放電容量は、比較例1より大きい値を示すことが明らかになった。
また、実施例3,7における放電容量は、比較例2より大きい値を示すことが明らかになった。
放電容量が大きい値を示したのは、それぞれの実施例で選択した正極材料は、遷移金属層中に存在するNi含有量が多いためだと考えられる。
また、実施例1,2,4〜6,8〜10における最大発熱値および発熱量は、比較例1より小さい値を示すことが明らかになった。
また、実施例3,7でも、比較例2より小さい値を示すことが明らかになった。
最大発熱値が減少したのは、それぞれの組成を持つ活物質の混合比が全て50%より低いためである。
また、発熱量の低減は、昇温した際に正極活物質から放出される酸素量を低減する効果を持つMo,Wを添加したためである。
また、抵抗は上昇したものの上昇率は10%以下であった。
一方、比較例4,6では、比較例1と比べ、容量増加および最大発熱値,発熱量低減を両立することはできなかった。
比較例3,5,7では、比較例2と比べ、容量増加および最大発熱値,発熱量低減を両立することはできなかった。
比較例4では、第二の正極活物質中にAlが8%存在するため、容量が低下した。
比較例6では、第三の正極活物質中にMoが8%存在するため、容量が低下した。
比較例3では、第一の正極活物質中のNi含有量が50%と少ないため、容量が低下した。
比較例5では、第二の正極活物質中のNi含有量が60%と少ないため、容量が低下した。
比較例7では、第三の正極活物質中のNi含有量が60%と少ないため、容量が低下した。
表7に示した結果を考察すると、実施例12〜14、16、17における放電容量は、比較例1より大きい値を示すことが明らかになった。
放電容量が大きい値を示したのは、それぞれの実施例で選択した正極材料は、遷移金属層中に存在するNi含有量が多いためだと考えられる。
また、実施例12〜14における最大発熱値および発熱量は、比較例1より小さい値を示すことが明らかになった。
最大発熱値が減少したのは、それぞれの組成を持つ活物質の混合比が全て50%より低いためである。
また、発熱量が低減したのは、昇温した際に正極活物質から放出される酸素量を低減する効果を持つMo,Wを添加したためである。
また、抵抗は上昇したものの上昇率は10%以下であった。
一方、比較例10では、比較例1と比べ、容量増加および発熱量低減を両立することはできなかった。
実施例16、17では第一,第二の正極活物質の混合比が50%であったため、最大発熱値が大きくなった。
また、比較例10では第三の正極活物質の混合比が50%であったため、放電容量が低下した。
表8に示した結果を考察すると、実施例15における放電容量は、比較例1より大きい値を示すことが明らかになった。
これは、実施例15で選択した正極活物質は、遷移金属層中に存在するNi含有量が多いためだと考えられる。
また、実施例15における最大発熱値および発熱量は、比較例1より小さい値を示すことが明らかになった。
最大発熱値が減少したのは、それぞれの組成を持つ活物質の混合比が全て50%より低いためである。
また、発熱量が低減したのは、昇温した際に正極活物質から放出される酸素量を低減する効果を持つMo,Wを添加したためである。
また、抵抗は上昇したものの上昇率は10%以下であった。
一方、比較例11では、比較例1と比べ、容量増加、発熱量低減,抵抗増加の抑制を両立することはできなかった。
比較例11では抵抗が高い第三の正極活物質の二次粒子径が大きいため抵抗が上昇したため、混合した正極材料としても抵抗上昇率は13.1%と大きい値を示した。
また、図1に、単一の遷移金属酸化物からなる正極活物質と、三種類以上の遷移金属酸化物からなる正極活物質とにおいて、充電状態の正極と電解液とを共に昇温した際のDSC測定結果を示す。
図1において、実施例1の正極材の示差走査熱量測定の結果1と比較例1の正極材の示差走査熱量測定の結果2とを比較すると明らかなように、電池が昇温したときに起こる正極と電解液の発熱温度領域を広げられることがわかる。
また、図2にリチウムイオン二次電池を示す断面図を示す。
図2に示すリチウムイオン二次電池は、集電体の両面に正極材料を塗布した正極板3と集電体の両面に負極材料を塗布した負極板4とをセパレータ5を介して形成し、これらを捲回して形成する。
こうした捲回体を電池缶6に挿入する。そして、負極板4を、負極リード片7を介して電池缶6に電気的に接続する。
また、電池缶6に密閉蓋部8を、パッキン9を介して形成する。そして、正極板3を、正極リード片10を介して密閉蓋部8に電気的に接続する。
なお、捲回体は絶縁板11によって絶縁される。
こうした、リチウムイオン二次電池の正極材料に本実施形態で示した材料を用いることにより、プラグインハイブリッド自動車用電池に要求される高容量,高出力かつ高安全を達成することができるリチウムイオン二次電池用正極材料を提供することができる。
本発明は、特に、リチウムイオン二次電池の正極材料として有望であり、プラグインハイブリッド自動車用のリチウムイオン二次電池に利用可能である。
1 実施例1の正極材の示差走査熱量測定の結果
2 比較例1の正極材の示差走査熱量測定の結果
3 正極板
4 負極板
5 セパレータ
6 電池缶
7 負極リード片
8 密閉蓋部
9 パッキン
10 正極リード片
11 絶縁板

Claims (8)

  1. 組成式Lix1Nia1Mnb1Coc12
    (0.2≦x1≦1.2,0.6≦a1≦0.9,0.05≦b1≦0.3,0.05≦c1≦0.3,a1+b1+c1=1.0)で表される第一の正極活物質と、
    組成式Lix2Nia2Mnb2Coc2d22
    (0.2≦x2≦1.2,0.7≦a2≦0.9,0.05≦b2<0.25,0.05≦c2<0.25,M=Al,Mg,0<d2≦0.06,a2+b2+c2+d2=1.0)で表される第二の正極活物質と、
    組成式Lix3Nia3Mnb3Coc3Md32
    (0.2≦x3≦1.2,0.7≦a3≦0.9,0.05≦b3<0.25,0.05≦c3<0.25,M=Mo,W,0<d3≦0.06,a3+b3+c3+d3=1.0)で表される第三の正極活物質と、
    炭素系導電剤と、
    を含み、
    前記第一の正極活物質、前記第二の正極活物質、および前記第三の正極活物質は、それぞれ前記炭素系導電剤と複合化されており、
    前記第三の正極活物質の質量比は、前記第一の正極活物質と前記第二の正極活物質と前記第三の正極活物質の質量の合計を100とすると、40以下であり、
    前記第三の正極活物質の平均二次粒径は、7.08μm以下であり、
    前記第一の正極活物質および前記第二の正極活物質の平均二次粒径は、前記第三の正極活物質の平均二次粒径よりも大きい、
    ことを特徴とするリチウムイオン二次電池用正極材料。
  2. 請求項1において、
    前記第三の正極活物質の平均二次粒径は、5.98μm〜6.86μmである、
    ことを特徴とするリチウムイオン二次電池用正極材料。
  3. 請求項1において、
    前記第一の正極活物質の平均二次粒径は、15.3μm〜16.7μmであり、
    前記第二の正極活物質の平均二次粒径は、13.2μm〜13.8μmである、
    ことを特徴とするリチウムイオン二次電池用正極材料。
  4. 請求項1において、
    前記第一の正極活物質と前記第二の正極活物質と前記第三の正極活物質の質量比は、R1:R2:R3(ただし、20≦R1≦40、20≦R2≦40、20≦R3≦40、およびR1+R2+R3=100)である、
    ことを特徴とするリチウムイオン二次電池用正極材料。
  5. 請求項1において、
    前記第三の正極活物質の平均二次粒径は、前記第一の正極活物質の平均二次粒径の二分の一以下である、
    ことを特徴とするリチウムイオン二次電池用正極材料。
  6. 請求項1において、
    前記第一の正極活物質のNi含有量a1は、0.7≦a1≦0.9であり、
    前記第二の正極活物質のNi含有量a2は、0.8≦a2≦0.9であり、
    前記第三の正極活物質のNi含有量a3は、0.8≦a3≦0.9である、
    ことを特徴とするリチウムイオン二次電池用正極材料。
  7. 請求項1において、
    前記リチウムイオン二次電池用正極材料に含まれる前記第一の正極活物質、前記第二の正極活物質、および前記第三の正極活物質は、全ての正極活物質に占める割合が、それぞれ質量百分率で50%より低い、
    ことを特徴とするリチウムイオン二次電池用正極材料。
  8. リチウムを吸蔵放出可能な正極と、リチウムを吸蔵放出可能な負極とが、非水電解質およびセパレータを介して配置されることで形成されるリチウムイオン二次電池において、
    前記正極が、請求項1に記載のリチウムイオン二次電池用正極材料を有することを特徴とするリチウムイオン二次電池。
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