(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2025-05-22
(45)【発行日】2025-05-30
(54)【発明の名称】非水電解質二次電池用正極活物質および非水電解質二次電池
(51)【国際特許分類】
H01M 4/505 20100101AFI20250523BHJP
H01M 4/525 20100101ALI20250523BHJP
【FI】
H01M4/505
H01M4/525
(21)【出願番号】P 2022503245
(86)(22)【出願日】2021-02-10
(86)【国際出願番号】 JP2021004883
(87)【国際公開番号】W WO2021172011
(87)【国際公開日】2021-09-02
【審査請求日】2023-11-28
(31)【優先権主張番号】P 2020033977
(32)【優先日】2020-02-28
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(73)【特許権者】
【識別番号】314012076
【氏名又は名称】パナソニックIPマネジメント株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001210
【氏名又は名称】弁理士法人YKI国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】李 柔信
(72)【発明者】
【氏名】夏井 竜一
(72)【発明者】
【氏名】日比野 光宏
(72)【発明者】
【氏名】名倉 健祐
【審査官】前田 寛之
(56)【参考文献】
【文献】特開2018-152256(JP,A)
【文献】特開2018-077965(JP,A)
【文献】特開2017-033817(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
H01M4/00-4/62
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
組成式Li
xMn
yNi
zGe
aM
bO
2-cF
c(式中、Mは
Co、Alから選択される少なくとも1種であり、1.0<x≦1.2、0.4≦y≦0.8、0≦z≦0.4、0<a<0.01、0<b<0.03、0<c<0.1、x+y+z+a+b≦2)で表されるリチウム遷移金属複合酸化物を含む、非水電解質二次電池用正極活物質。
【請求項2】
組成式Li
xMn
yNi
zGe
aM
bO
2-cF
cにおいて
、Mのモル比(b)は0<b<0.02である、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3】
組成式Li
xMn
yNi
zGe
aM
bO
2-cF
cにおいて、Geのモル比(a)は0.002≦a≦0.005である、請求項1または2に記載の非水電解質二次電池用正極活物質。
【請求項4】
請求項1~3のいずれか1項に記載の正極活物質を含む正極と、負極と、前記正極と前記負極の間に介在するセパレータと、非水電解質とを備える、非水電解質二次電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、非水電解質二次電池用正極活物質および当該正極活物質を用いた非水電解質二次電池に関する。
【背景技術】
【0002】
リチウムイオン電池等の非水電解質二次電池において、正極活物質は、入出力特性、容量、サイクル特性等の電池性能に大きく影響する。正極活物質には、一般的に、Ni、Co、Mn、Al等の金属元素を含有するリチウム遷移金属複合酸化物が使用されている。リチウム遷移金属複合酸化物は、その組成によって性質が大きく異なるため、添加元素の種類、量について数多くの検討が行われてきた。
【0003】
例えば、特許文献1には、組成式LixNi1-yCoy-zMzO2-aXbで表され、X線回折により測定されたa軸の格子定数が2.81~2.91Å、c軸の格子定数が13.7~14.4Åであり、(104)面の回折ピーク強度の(003)面のピーク強度に対する比が、0.3~0.8である非水電解質二次電池用正極活物質が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【発明の概要】
【0005】
遷移金属に対するLiのモル比が1を超えるリチウム過剰型の複合酸化物も提案されている。リチウム過剰型の複合酸化物は、高容量の次世代正極活物質として期待されているが、遷移金属が溶出し易い等の課題がある。リチウム過剰型の複合酸化物にFを添加することで、遷移金属の溶出が抑制され耐久性が改善されることが知られているが、充放電を繰り返すと作動電圧が低下するという問題があり、Fの添加ではこの問題を解決することはできない。
【0006】
本開示の一態様である非水電解質二次電池用正極活物質は、組成式LixMnyNizGeaMbO2-cFc(式中、MはTi、Co、Si、Al、Nb、W、Mo、P、Ca、Mg、Sb、Na、B、V、Cr、Fe、Cu、Zn、Sr、Zr、Ru、K、Biから選択される少なくとも1種であり、1.0<x≦1.2、0.4≦y≦0.8、0≦z≦0.4、0<a<0.01、0<b<0.03、0<c<0.1、x+y+z+a+b≦2)で表されるリチウム遷移金属複合酸化物を含む。
【0007】
本開示の一態様である非水電解質二次電池は、上記正極活物質を含む正極と、負極と、前記正極と前記負極の間に介在するセパレータと、非水電解質とを備える。
【0008】
本開示に係るリチウム過剰型の正極活物質は、電圧維持率が高く、サイクル特性に優れる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【
図1】
図1は、実施形態の一例である非水電解質二次電池の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0010】
上記のように、リチウム過剰型の複合酸化物にFを添加した場合、遷移金属の溶出が抑制され、複合酸化物の耐久性が改善されるが、その効果は十分であるとは言えずさらなる改善が求められている。本発明者らの検討の結果、Geの添加は耐久性の改善に寄与することが確認されたが、Geを添加するだけでは改善効果が小さい。Geは、酸素の脱離を抑制し、複合酸化物の構造を安定化させると考えられる。
【0011】
本発明者らは、さらに鋭意検討した結果、遷移金属として少なくともMnを含有するリチウム過剰型のF含有複合酸化物に、Geおよび特定の元素を1種類以上添加することにより、耐久性が大きく向上し、充放電時の電圧維持率が改善されることを見出した。
【0012】
以下、図面を参照しながら、本開示に係る非水電解質二次電池用正極活物質および当該正極活物質を用いた非水電解質二次電池の実施形態の一例について詳細に説明する。なお、以下で説明する複数の実施形態および変形例を選択的に組み合わせることは当初から想定されている。
【0013】
以下では、巻回型の電極体14が有底円筒形状の外装缶16に収容された円筒形電池を例示するが、外装体は円筒形の外装缶に限定されず、例えば角形の外装缶(角形電池)や、コイン形の外装缶(コイン形電池)であってもよく、金属層および樹脂層を含むラミネートシートで構成された外装体(ラミネート電池)であってもよい。また、電極体は複数の正極と複数の負極がセパレータを介して交互に積層された積層型の電極体であってもよい。
【0014】
図1は、実施形態の一例である非水電解質二次電池10の断面図である。
図1に示すように、非水電解質二次電池10は、巻回型の電極体14と、非水電解質と、電極体14および非水電解質を収容する外装缶16とを備える。電極体14は、正極11、負極12、およびセパレータ13を有し、正極11と負極12がセパレータ13を介して渦巻き状に巻回された巻回構造を有する。外装缶16は、軸方向一方側が開口した有底円筒形状の金属製容器であって、外装缶16の開口は封口体17によって塞がれている。以下では、説明の便宜上、電池の封口体17側を上、外装缶16の底部側を下とする。
【0015】
非水電解質は、非水溶媒と、非水溶媒に溶解した電解質塩とを含む。非水溶媒には、例えばエステル類、エーテル類、ニトリル類、アミド類、およびこれらの2種以上の混合溶媒等が用いられる。非水溶媒は、これら溶媒の水素の少なくとも一部をフッ素等のハロゲン原子で置換したハロゲン置換体を含有していてもよい。電解質塩には、例えばLiPF6等のリチウム塩が使用される。なお、非水電解質は液体電解質に限定されず、固体電解質であってもよい。
【0016】
電極体14を構成する正極11、負極12、およびセパレータ13は、いずれも帯状の長尺体であって、渦巻状に巻回されることで電極体14の径方向に交互に積層される。負極12は、リチウムの析出を防止するために、正極11よりも一回り大きな寸法で形成される。すなわち、負極12は、正極11よりも長手方向および幅方向(短手方向)に長く形成される。2枚のセパレータ13は、少なくとも正極11よりも一回り大きな寸法で形成され、例えば正極11を挟むように配置される。電極体14は、溶接等により正極11に接続された正極リード20と、溶接等により負極12に接続された負極リード21とを有する。
【0017】
電極体14の上下には、絶縁板18,19がそれぞれ配置される。
図1に示す例では、正極リード20が絶縁板18の貫通孔を通って封口体17側に延び、負極リード21が絶縁板19の外側を通って外装缶16の底部側に延びている。正極リード20は封口体17の内部端子板23の下面に溶接等で接続され、内部端子板23と電気的に接続された封口体17の天板であるキャップ27が正極端子となる。負極リード21は外装缶16の底部内面に溶接等で接続され、外装缶16が負極端子となる。
【0018】
外装缶16と封口体17の間にはガスケット28が設けられ、電池内部の密閉性が確保される。外装缶16には、側面部の一部が内側に張り出した、封口体17を支持する溝入部22が形成されている。溝入部22は、外装缶16の周方向に沿って環状に形成されることが好ましく、その上面で封口体17を支持する。封口体17は、溝入部22と、封口体17に対して加締められた外装缶16の開口端部とにより、外装缶16の上部に固定される。
【0019】
封口体17は、電極体14側から順に、内部端子板23、下弁体24、絶縁部材25、上弁体26、およびキャップ27が積層された構造を有する。封口体17を構成する各部材は、例えば円板形状またはリング形状を有し、絶縁部材25を除く各部材は互いに電気的に接続されている。下弁体24と上弁体26は各々の中央部で接続され、各々の周縁部の間には絶縁部材25が介在している。異常発熱で電池の内圧が上昇すると、下弁体24が上弁体26をキャップ27側に押し上げるように変形して破断することにより、下弁体24と上弁体26の間の電流経路が遮断される。さらに内圧が上昇すると、上弁体26が破断し、キャップ27の開口部からガスが排出される。
【0020】
以下、電極体14を構成する正極11、負極12、セパレータ13について、特に正極11を構成する正極活物質について詳説する。
【0021】
[正極]
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、アルミニウム合金など正極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、導電材、および結着材を含み、正極芯体の両面に設けられることが好ましい。正極11は、例えば正極芯体上に正極活物質、導電材、および結着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。
【0022】
正極合材層に含まれる導電材としては、カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、黒鉛等の炭素材料が例示できる。正極合材層に含まれる結着材としては、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)等のフッ素樹脂、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリイミド樹脂、アクリル樹脂、ポリオレフィン樹脂などが例示できる。これらの樹脂と、カルボキシメチルセルロース(CMC)またはその塩等のセルロース誘導体、ポリエチレンオキシド(PEO)などが併用されてもよい。
【0023】
正極活物質は、組成式LixMnyNizGeaMbO2-cFc(式中、MはTi、Co、Si、Al、Nb、W、Mo、P、Ca、Mg、Sb、Na、B、V、Cr、Fe、Cu、Zn、Sr、Zr、Ru、K、Biから選択される少なくとも1種であり、1.0<x≦1.2、0.4≦y≦0.8、0≦z≦0.4、0<a<0.01、0<b<0.03、0<c<0.1、x+y+z+a+b≦2)で表されるリチウム遷移金属複合酸化物を含む。当該複合酸化物は、遷移金属に対するLiのモル比が1を超えるLi過剰系材料であって、所定量のフッ化物イオンが導入され、Oの一部がFに置換されている。
【0024】
正極活物質は、上記組成式で表される複合酸化物を主成分とする。ここで、主成分とは、複合酸化物の構成成分のうち最も質量比率が高い成分を意味する。正極11には、正極活物質として、上記組成式で表される複合酸化物以外の複合酸化物(例えば、Li過剰系ではない複合酸化物や、フッ化物イオンを含有しない複合化合物)が併用されてもよいが、上記複合酸化物の含有量は50質量%以上であることが好ましく、実質的に100質量%であってもよい。なお、複合酸化物の組成は、ICP発光分光分析装置(Thermo Fisher Scientific製のiCAP6300)を用いて測定できる。
【0025】
上記組成式で表されるリチウム遷移金属複合酸化物は、Li、Mn、Geに加えて、Niを含有していてもよい。さらに、Ti、Co、Si、Al、Nb、W、Mo、P、Ca、Mg、Sb、Na、B、V、Cr、Fe、Cu、Zn、Sr、Zr、Ru、K、Biから選択される2種以上の元素を必須成分として含有する。中でも、Ti、Co、Nb、Sr、Mg、Al、Si、Wが好ましい。
【0026】
上記組成式において、MはCo、Alから選択される少なくとも1種であることが特に好ましい。すなわち、Mは(1)Co、(2)Al、(3)CoおよびAlのいずれかである。また、Mのモル比(b)は、0<b<0.02であることが好ましく、0.001≦b≦0.015がより好ましく、0.0002≦b≦0.010が特に好ましい。元素Mが上記(1)~(3)より選択される組み合わせである場合、電圧維持率の改善効果がより顕著に現れる。
【0027】
上記組成式において、Liのモル比(x)は、1.0<x≦1.2であって、好ましくは1.1≦x≦1.2である。Mnのモル比(y)は、0.4≦y≦0.8であって、好ましくは0.45≦y≦0.6である。Geのモル比(a)は、0<a<0.01であって、好ましくは0.001≦a≦0.007であり、より好ましくは0.002≦a≦0.005である。Li、Mn、Geのモル比が当該範囲内であれば、電圧維持率の改善効果がより顕著に現れる。Niは任意成分であるが、例えば、0.05≦z≦0.3の量で含有されることが好ましい。
【0028】
上記組成式で表されるリチウム遷移金属複合酸化物において、Li、Mn、Ni、Ge、Mの総モル量(x+y+z+a+b)は2以下であり、好ましくは2である。すなわち、当該複合酸化物は、Li過剰型の複合酸化物であって、カチオン過剰型の複合酸化物ではないことが好ましい。また、Fのモル比(c)は、0<c≦0.1であって、好ましくは0.05≦x≦0.085である。所定量のFを添加することにより、遷移金属の溶出が抑制され、耐久性が向上する。
【0029】
好適なリチウム遷移金属複合酸化物の具体例は、Mn、Ni、Geを含有し、かつCo、Alから選択される少なくとも1種を含有する、リチウム過剰型のF含有複合酸化物である。当該複合酸化物は、例えば、Mn、Ni、Ge、Co、Al、Li、O、F以外の元素を実質的に含有しない。Co、Alの各々のモル比は、0.01以下が好ましく、0.001~0.007がより好ましく、0.002~0.005が特に好ましく、例えばGeのモル比以下である。
【0030】
本実施形態のリチウム遷移金属複合酸化物は、例えば、Mn、Niを含有する炭酸塩と、Ge、Co、Al等をそれぞれ含有する化合物(例えば、酸化ゲルマニウム、硫酸コバルト、水酸化アルミニウムなど)と、フッ化リチウム(LiF)とを混合し、混合物を焼成することにより合成できる。焼成条件の一例は、700~900℃×10~30時間である。
【0031】
[負極]
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、負極活物質および結着材を含み、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、導電材、およ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。
【0032】
負極合材層には、負極活物質として、例えばリチウムイオンを可逆的に吸蔵、放出する炭素系活物質が含まれる。好適な炭素系活物質は、鱗片状黒鉛、塊状黒鉛、土状黒鉛等の天然黒鉛、塊状人造黒鉛(MAG)、黒鉛化メソフェーズカーボンマイクロビーズ(MCMB)等の人造黒鉛などの黒鉛である。また、負極活物質には、SiおよびSi含有化合物の少なくとも一方で構成されるSi系活物質が用いられてもよく、炭素系活物質とSi系活物質が併用されてもよい。
【0033】
負極合材層に含まれる導電材としては、正極11の場合と同様に、カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、黒鉛等の炭素材料を用いることができる。負極合材層に含まれる結着材には、正極11の場合と同様に、フッ素樹脂、PAN、ポリイミド、アクリル樹脂、ポリオレフィン等を用いることもできるが、スチレン-ブタジエンゴム(SBR)を用いることが好ましい。また、負極合材層は、さらに、CMCまたはその塩、ポリアクリル酸(PAA)またはその塩、ポリビニルアルコール(PVA)などを含むことが好ましい。中でも、SBRと、CMCまたはその塩、PAAまたはその塩を併用することが好適である。
【0034】
[セパレータ]
セパレータ13には、イオン透過性およ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、エチレンとαオレフィンの共重合体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13の表面には、無機粒子を含む耐熱層、アラミド樹脂、ポリイミド、ポリアミドイミド等の耐熱性の高い樹脂で構成される耐熱層などが形成されていてもよい。
【0035】
<実施例>
以下、実施例により本開示をさらに説明するが、本開示はこれらの実施例に限定されるものではない。
【0036】
<実施例1>
[リチウム遷移金属複合酸化物の合成]
Mn、Niを2:1のモル比で含有する炭酸塩と、酸化ゲルマニウムと、水酸化アルミニウムと、フッ化リチウムとを混合し、混合物を800℃で20時間、酸素気流下で焼成して、組成式Li1.167Mn0.55Ni0.275Ge0.02Al0.002O1.92F0.08で表されるリチウム遷移金属複合酸化物を得た。
【0037】
[正極の作製]
正極活物質として、上記リチウム遷移金属複合酸化物を用いた。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とを、7:2:1の固形分質量比で混合し、分散媒としてN-メチル-2-ピロリドン(NMP)を用いて、正極合材スラリーを調製した。次に、アルミニウム箔からなる正極芯体上に正極合材スラリーを塗布し、塗膜を乾燥、圧縮した後、所定の電極サイズに切断して正極を得た。
【0038】
[非水電解液の調製]
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)とを、所定の体積比で混合した。当該混合溶媒に、LiPF6を添加して非水電解液を得た。
【0039】
[試験セルの作製]
セパレータを介して上記正極とリチウム金属箔からなる負極を対向配置して電極体を構成し、コイン形の外装缶に電極体を収容した。外装缶に上記非水電解液を注入した後、外装缶を封止してコイン形の試験セル(非水電解質二次電池)を得た。
【0040】
試験セルについて、下記の方法で電圧維持率を評価し、その評価結果を正極活物質の組成と共に表1に示す。
【0041】
[電圧維持率の評価]
下記充放電条件で試験セルの充放電を行い、20サイクル目の平均作動電圧(V20)および1サイクル目の平均作動電圧(V1)から下記の式により電圧維持率を算出した。
【0042】
電圧維持率=(V20/V1)×100
充放電条件:0.05Cの定電流で電池電圧5.2VまでCC充電した後、20分間休止し、0.05Cの定電流で電池電圧2.5VまでCC放電を行った。この充放電サイクルを20回繰り返した。
【0043】
<実施例2、比較例1>
リチウム遷移金属複合酸化物の合成において、表1に示す組成が得られるように、原料の種類および原料の混合比を変更したこと以外(Ni、Mnの含有率は実施例1と同じ)は、実施例1と同様にして試験セルを作製し、電圧維持率の評価を行った。
【0044】
【0045】
表1に示すように、正極活物質として、Mn、Ni、Geを含有する、リチウム過剰型のF含有複合酸化物に、Co、Alから選択される少なくとも1種の元素を添加したものを用いた実施例の試験セルは、比較例の試験セルと比べて電圧維持率が高い。特に、Ge、Al、Coを含有する実施例2の正極活物質は、試験セルの電圧維持率を大きく向上させる。
【0046】
以上のように、遷移金属として少なくともMnを含有するリチウム過剰型のF含有複合酸化物に、Geと共に、Co、Al等から選択される特定の元素を少なくとも1種以上添加することにより、電圧維持率を大きく改善することができる。
【符号の説明】
【0047】
10 非水電解質二次電池
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