JP5526368B2 - 非水電解質二次電池 - Google Patents
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Description
このため、負極の容量を大きくすることによって、正極容量に対する負極の不可逆容量を大きくし、放電時に負極から正極に戻ることのできるリチウムイオンの量を減らすことにより、正極の内部抵抗が高くなる正極の充電深度まで正極を放電できなくすることで、正極の内部抵抗の上昇を緩和することが考えられる。しかしながら、この場合は、負極活物質合剤層が厚くなり過ぎるため、出力特性が低下することが問題になる。
このような正極活物質は、出力回生特性に優れるため、EV用ないしHEV用電池として最適な特性を有する非水電解質二次電池が得られる。しかし、前述したようにこのような正極活物質は、初期充放電効率が低く、このような正極活物質を用いた非水電解質二次電池の放電カーブは、LiCoO2、LiMn2O4等のような初期充放電効率の高い正極活物質を用いた非水電解質二次電池の場合と比較すると、放電末期の内部抵抗が徐々に高くなるため、電池の出力電圧が比較的穏やかに低下する性質がある。
したがって、負極活物質合剤層の厚みを増やして負極の不可逆容量を増やすよりも、効率的、且つ正確に負極側の不可逆容量を大きくすることができ、放電末期において正極の内部抵抗が高い領域が使用されず、低い充電深度から高い充電深度までIV抵抗値を低い一定値に維持することができことが可能となる。
負極表面に酸化チタンを含む絶縁性の被覆層を形成しない場合の完成電池の不可逆容量を大きくするためには、例えば、正極活物質の量に対して負極活物質の量を多くする、あるいは不可逆容量の大きな活物質を用いることができる。また、負極表面に酸化チタンを含む絶縁性の被覆層を形成しない場合の完成電池の不可逆容量を小さくするためには、例えば、正極活物質の量に対して負極活物質の量を少なくする、あるいは不可逆容量の小さな負極活物質を用いることができる。
負極活物質の不可逆容量は、結晶性や比表面積を変化させることにより制御できる。
一般的に、結晶性が低い、あるいは比表面積が大きい場合、不可逆容量が大きくなる傾向がある。
ルチル化率(重量%)= 100−100/(1+1.2×Ir/Ia) (1)
最初に、実施例1及び比較例1のそれぞれの負極板の製造方法について述べ、次いで、実施例1及び比較例1に共通する非水電解質二次電池の具体的製造方法及びIV抵抗の測定方法等について説明する。
実施例1及び比較例1の負極活物質は次のようにして作製した。X線回折法による面間隔d002が3.36Åの天然黒鉛を機械的に球状処理した後、ピッチを黒鉛粉末95質量%に対して5質量%となるように被覆及び含浸し、不活性雰囲気下で1000℃にて10時間焼成した。また、得られた球状化低結晶性炭素被覆天然黒鉛にX線回折法による面間隔d002が3.39Åの炭素粉末を球状化低結晶性炭素被覆天然黒鉛93質量%に対して7質量%混合することにより負極活物質とした。得られた負極活物質の平均粒径は11.7μmであり、BET比表面積は7.2m2/gであった。
Li2CO3と(Ni0.35Co0.35Mn0.3)3O4とZrO2を、Liと(Ni0.35Co0.35Mn0.3)とZrとのモル比が1.07:0.925:0.005となるように混合した。この混合物を空気雰囲気中にて900℃で20時間焼成し、平均粒子径が9.5μmのLi1.07(Ni0.35Co0.35Mn0.3)0.925Zr0.005O2で表されるリチウム遷移金属複合酸化物を得て、正極活物質とした。以上のようにして得られた正極活物質と、導電剤としての炭素材料と、結着剤としてのポリフッ化ビニリデン(PVdF)とを、質量比で88:9:3となるように、NMPに添加して混練し、正極活物質合剤スラリーを作製した。作製した正極活物質合剤スラリーを正極芯体としての帯状のアルミニウム箔(厚さ12μm)の両面に塗布した後、乾燥させて正極活物質合剤層を形成した。その後、圧延ロールを用いて所定の充填密度になるまで圧延し、所定寸法に切断して正極板を作製した。
非水電解液を調製するにあたっては、環状カーボネートのエチレンカーボネート(EC)と、鎖状カーボネートのエチルメチルカーボネート(EMC)を体積比で3:7となるように混合させた混合溶媒に対して、溶質として六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)を1モル/リットルの割合で溶解させた。このようにして得られた溶液にビニレンカーボネート(VC)を1質量%だけ添加して非水電解液を調製した。
次いで、上述のように作製した正極板と、上述のようにして作製した実施例1及び比較例1の負極板とをそれぞれ用い、これらの間にポリエチ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、渦巻状にそれぞれ巻回して渦巻状電極群とした。前記正極板と負極板には長手方向に沿って未塗布部が形成されており、この未塗布部は渦巻状電極群のセパレータの端から突出された芯体端縁部を構成している。この渦巻状電極群の両端部に、それぞれ集電板をレーザー溶接により取り付けた後、金属製外装缶内に挿入し、集電板の端部に突設されたリード部の先端を電極端子機構に接続した。
尚、ここにおいて、非水電解質二次電池の放電容量、正極の初期充電容量、正極の単位面積当たりの初期充電容量は次のようにして測定した。また、以下で行う測定においても、これらと同一の測定方法を使用している。
25℃の室温下において、上述の方法で作製した非水電解質二次電池を1Itにて4.1V 定電流−定電圧充電を2時間行なった後、1/3Itにて3.0V 定電流−定電圧放電を5時間行い、このときの放電容量を非水電解質二次電池の放電容量とした。
上述の方法で作製した正極芯体の両面に正極活物質合剤層が形成された正極板を切り出し、両面に正極活物質合剤層が形成されている芯体の面積が12.5cm2となるように電極を作製し、対極、参照極にリチウム金属を用いて三電極式セルを作製した。25℃の室温下において、0.75mA/cm2の電流値で4.2V(v.s. Li/Li+)まで充電を行った後、0.25mA/cm2の電流値で4.2V(v.s. Li/Li+)まで充電を2段階にて行った際の充電容量を測定した。このようにして求めた充電容量を、完成電池に含まれる正極板において正極活物質合剤層が両面に形成された芯体の全面積当たりの充電容量に換算して、正極の初期充電容量とした。
正極の単位当たりの初期充電容量は、上述の正極の初期充電効率の測定方法により求めた正極の初期充電容量を、正極活物質合剤層が両面に形成された芯体の面積10cm2当たりの容量に換算することにより算出した。
[充電深度とIV抵抗値の関係]
25℃の室温下において、5Aの充電電流で各充電深度になるまで充電させた状態で、それぞれ10A、20A、30A、40A及び60Aの電流で10秒間放電を行い、それぞれの電池電圧を測定し、各電流値と電池電圧とをプロットして放電時におけるI―V特性を求め、得られた直線の傾きから放電時におけるIV抵抗(mΩ)を求めた。このようにして所定の充電深度におけるIV抵抗値を求めた。なお、放電によりずれた充電深度は5Aの定電流で充電することにより元の充電深度に戻した。この充電深度とIV抵抗の測定値との関係を図1に示した。また、IV抵抗を5A、10A、15A及び20Aの電流値で測定した場合の充電深度とIV抵抗値との関係を図2に示した。
実施例2は、正極板及び負極板を作製する際、正極活物質合剤スラリー及び負極活物質合剤スラリーの塗布量を、それぞれ実施例1の場合の2倍とする以外は実施例1と同様の方法により、非水電解質二次電池を作製した。こうして作製した実施例2の非水電解質二次電池における正極の単位面積当たりの初期充電容量は、40mAh/10cm2であった。また、実施例2の完成した非水電解質二次電池の放電容量は6.7Ahであった。
また、負極表面に被覆層を形成しない以外は実施例2と同様の方法で作製した非水電解質二次電池の不可逆容量(正極の初期充電容量−完成した非水電解質電池の放電容量)は、実施例2における正極の初期充電容量に対して23%であった。
比施例2は、正極板及び負極板を作製する際、正極活物質合剤スラリー及び負極活物質合剤スラリーの塗布量を、それぞれ比較例1の場合の2倍とする以外は比較例1と同様の方法により、非水電解質二次電池を作製した。比較例2の完成した非水電解質二次電池における正極の単位面積当たりの初期充電容量は、40mAh/10cm2であった。また比較例2の完成した非水電解質二次電池の放電容量は6.8Ahであった。
また、負極表面に被覆層を形成しない以外は比較例2と同様の方法で作製した非水電解質二次電池の不可逆容量(正極の初期充電容量−完成した非水電解質電池の放電容量)は、比較例2における正極の初期充電容量に対して23%であった。
比較例3は、正極板及び負極板を作製する際、正極活物質合剤スラリー及び負極活物質合剤スラリーの塗布量、をそれぞれ実施例1の場合の3倍とする以外は実施例1と同様の方法により、非水電解質二次電池を作製した。比較例3の完成した非水電解質二次電池における正極の単位面積当たりの初期充電容量は、60mAh/10cm2であった。また、比較例3の完成した非水電解質二次電池の放電容量は7.0Ahであった。
また、負極表面に被覆層を形成しない以外は比較例3と同様の方法で作製した非水電解質二次電池の不可逆容量(正極の初期充電容量−完成した非水電解質電池の放電容量)は、比較例3における正極の初期充電容量に対して23%であった。
比較例4は、正極板及び負極板を作製する際、正極活物質合剤スラリー及び負極活物質合剤スラリーの塗布量を、それぞれ比較例1の場合の3倍とする以外は比較例1と同様の方法により、非水電解質二次電池を作製した。比較例4の完成した非水電解質二次電池における正極の単位面積当たりの初期充電容量は、60mAh/10cm2であった。また、比較例3の完成した非水電解質二次電池の放電容量は7.1Ahであった。
また、負極表面に被覆層を形成しない以外は比較例4と同様の方法で作製した非水電解質二次電池の不可逆容量(正極の初期充電容量−完成した非水電解質電池の放電容量)は、比較例3における正極の初期充電容量に対して23%であった。
しかしながら、実施例1では比較例1と比較し、60A以上の大電流による充放電を行った場合の充電深度が20%よりも低い範囲におけるIV抵抗値が低い値となっており、実施例1では低い充電深度におけるIV抵抗値の増加を抑制できることが分かる。
Claims (6)
- 正極活物質としてリチウムイオンの吸蔵・放出が可能なLi1+aNixCoyMnzMbO2(M=Al、Ti、Zr、Nb、B、Mg、Moから選択される少なくとも一種の元素、0≦a≦0.3、0.1≦x≦1、0≦y≦0.5、0≦z≦0.9、0≦b≦0.01、a+b+x+y+z=1)で表されるリチウム遷移金属複合酸化物を含む正極と、負極活物質を含む負極と、非水電解質と、前記正負極の間に介装されたセパレータと、を有する非水電解質二次電池において、前記正極の単位面積当たりの初期充電容量が40mAh/10cm2以下であり、前記負極の表面には酸化チタンを含む絶縁性の被覆層が形成されていることを特徴とする非水電解質二次電池。
- 負極の表面に前記被覆層が形成されていない場合の完成電池の不可逆容量(正極の初期充電容量−完成電池の初期放電容量)が、正極の初期充電容量に対して30%以下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。
- 前記被覆層が酸化チタンとバインダーからなることを特徴とする請求項1又は2に記載の非水電解質二次電池。
- 前記被覆層の厚みが、1μm〜5μmであることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の非水電解質二次電池。
- 前記負極の充填密度が、1.0g/cc〜1.4g/ccであ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。
- 前記正極活物質がLi1+aNixCoyMnzMbO2(M=Zr、0≦a≦0.15、0.25≦x≦0.45、0.25≦y≦0.45、0.25≦z≦0.35、0≦b≦0.01、a+b+x+y+z=1)で表されるリチウム遷移金属複合酸化物であることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の非水電解質二次電池。
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