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JP3504195B2 - リチウム二次電池正極活物質およびリチウム二次電池 - Google Patents

リチウム二次電池正極活物質およびリチウム二次電池

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JP3504195B2
JP3504195B2 JP26139499A JP26139499A JP3504195B2 JP 3504195 B2 JP3504195 B2 JP 3504195B2 JP 26139499 A JP26139499 A JP 26139499A JP 26139499 A JP26139499 A JP 26139499A JP 3504195 B2 JP3504195 B2 JP 3504195B2
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JP
Japan
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lithium
positive electrode
active material
electrode active
secondary battery
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雅也 高橋
真一 鳶島
弘次 武井
庸司 櫻井
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Nippon Telegraph and Telephone Corp
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  • Secondary Cells (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はリチウム二次電池正極活
物質およびリチウム二次電池に関し、特に正極活物質の
改良に関わり、電池の放電容量の増加と充放電サイクル
特性の向上を目指すものである。
【0002】
【従来の技術】リチウム金属、リチウム合金あるいはリ
チウムイオンを吸蔵、放出可能な物質を負極活物質とす
るリチウム二次電池は、高い電圧と優れた可逆性を特徴
としている。特に正極活物質としてリチウムと遷移金属
との複合酸化物を用い、負極活物質として炭素系材料を
用いたリチウムイオン二次電池は、従来の鉛二次電池や
ニッケル−カドミウム二次電池などに比べ軽量で容量も
大きいため携帯電話やノート型パーソナルコンピュータ
ーなどの電子機器に広く用いられている。
【0003】現在一般に用いられているリチウムイオン
二次電池の正極活物質としては主にLiCoOが用い
られているが、LiCoOの原料であるコバルトは埋
蔵量が少なく、しかも限られた地域でしか産出しないた
め、価格の面からも原料の安定供給の面からもリチウム
イオン二次電池の正極活物質として好ましくない。
【0004】これに対して産出量が多く安価な鉄を原料
に用いたLiFePOがリチウム二次電池の正極材料
として動作することが特開平9−134725号などに
より明らかにされている。またLiFePOの鉄をコ
バルトで置換し電池電圧を制御することが特開平9−1
34724号に示されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかし、LiFePO
は電池充放電時のリチウムの挿入脱離反応が遅く、電
池内への正極活物質の充填密度を高めるためにLiFe
PO粒子のサイズを大きくすると、ごく小さな電流で
しか満足な容量での充放電ができないという問題があ
る。
【0006】また、LiFePOにコバルトを添加し
た場合、コバルトの酸化還元反応はリチウム金属の標準
電位に対して5V程度の高い電位で起るが、充電電圧が
4.3Vを越えると現在のリチウムイオン二次電池に使
用されている電解液では電解液自身の酸化分解が起り、
この様な高い電圧での充放電はサイクル特性を劣化させ
る恐れが強い。高い電圧でも安定な電解液の開発が進め
られているものの、現在のところ実用化されているもの
はなく、必要以上にコバルトを添加することはコストの
点からも電池の寿命の点からも好ましくない。
【0007】従って、本発明は、前述した従来の課題を
解決するためになされたものであり、その目的は、安価
で4V以下の電圧で充放電が可能なリン酸鉄リチウム系
材料を正極に用いたリチウム二次電池の、実用的な電流
での放電容量を高めることにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】この様な目的を達成する
ために本発明によるリチウム二次電池正極活物質は、一
般式LiFe1−yPO(0<z≦1)で与え
られるオリビン構造のリン酸化合物で、元素Xは該リン
酸化合物を構成している状態では、リチウム金属の標準
電位に対して3Vから4Vの電位領域で電気化学的に安
定な物質であり、なおかつyが0<y≦0.3である物
であって、前記リン酸化合物中の元素Xがマグネシウ
ム、亜鉛の少なくとも1種類であることを特徴とする。
【0009】また、本発明によるリチウム二次電池は、
請求項1記載のリチウム二次電池正極活物質を正極活物
質として含み、リチウム金属、リチウム合金またはリチ
ウムイオンを吸蔵、放出可能な物質を負極活物質とし
て、さらにリチウムイオンが前記正極活物質や前記負極
活物質と電気化学反応をするための移動を行いうる物質
を電解質として含むことを特徴とする
【0010】本発明をさらに詳しく説明すると、本発明
によるリチウム二次電池の正極活物質は、一般式Li
Fe1−yPO(0<z≦1)で与えられるオリ
ビン構造のリン酸化合物で、元素Xは該リン酸化合物を
構成している状態では、リチウム金属の標準電位に対し
て3Vから4Vの電位領域で電気化学的に安定な物質で
あり、なおかつyが0<y≦0.3である物質である。
【0011】上述の様な一般的にリン酸鉄リチウムと呼
ばれている物質はLiFePO(z=1)で表され、
構造を保ったままでリチウムをこれ以上挿入することは
できない。この材料を電池の正極として用いた場合、充
電を行うとリチウムが正極から抜けて行き、組成はFe
POに近づき(zが小さくなる)、充電した電池を放
電すると、電解液中のリチウムが正極中に挿入され、組
成がLiFePO(z=1)に戻っていく。電池の放
電容量や作製を考えるとz=1の材料が最も好ましい
が、この様にzの値は連続的に変化するため、不定比な
組成であるz=0.9などの組成の物質でも、一般的な
定比の組成であるz=1のリン酸鉄リチウムと同等の機
構で動作する電池が作成可能である。このため、上記式
中、zは 0<z≦1で示される。
【0012】LiFePOを正極材料に用いたリチウ
ム二次電池においては、その充電の際にリチウムが脱離
するとともに鉄イオンが2価から3価に変化する。リチ
ウムが脱離した結果、その部分の結晶構造(オリビン構
造 )が不安定になり部分的にリチウムの移動経路が塞
がれてしまい、更に内部にあるリチウムが脱離しにくく
なることが、LiFePOを正極材料に用いたリチウ
ム二次電池において実用的な充放電電流では十分な容量
が得られない原因と考えられる。
【0013】また、この構造の不安定さが充放電サイク
ルを繰り返すことによる放電容量の減少を引き起こすこ
とが考えられる。これに対して、リン酸化合物を構成し
ている状態でリチウム金属の標準電位に対して3Vから
4Vの電位領域で電気化学的に安定な亜鉛等の元素で一
部の鉄を置き換えると、充電を行っても亜鉛等の置換し
た元素は2価のままで酸化されず、置換した元素に隣接
するリチウムも脱離せずに結晶内に残る。このため、充
電を行っても置換を行った部分は結晶構造が変化しにく
く、リチウムの移動経路が確保されるために容量が増大
すると共にサイクル安定性を向上させるものと考えられ
る。
【0014】しかし、脱離しないリチウムは充放電に関
与しないため、この様な置換をあまり多く行うと電池の
容量が減少してしまう。発明者は種々の実験を行い、容
量増加の効果が見られる鉄元素の置換量が30%(0<
y≦0.3 )以下、好ましくは10%〜30%(0.
1≦y≦0.3 )、さらに好ましくは10〜20%
(0.1≦y≦0.2) である事を見いだした。
【0015】なお、ここで述べたリチウム金属の標準電
位に対して3Vから4Vの電位領域で電気化学的に安定
な元素とは、まずアルカリ金属やアルカリ土類金属など
のように、リチウム金属の標準電位に対して3V未満の
電位で酸化還元が起り、それ以上高い電圧では安定な元
素や、あるいはコバルトやニッケルなどのようにリン酸
鉄リチウムの鉄と置換された状態では、リチウム金属の
標準電位に対して3V未満の電位で2価から金属に還元
され、3Vから4Vの電位領域では酸化還元が起らず、
4Vを越える電位で2価から3価に酸化されるような元
素をさす。
【0016】従って、置換する金属は、リン酸鉄リチウ
ムのオリビン構造を維持したまま鉄と置換するために
は、3Vから4Vの電位領域で2価のイオンであるのが
よい。本発明においては置換する元素としてはマグネシ
ム、亜を使用する
【0017】
【実施例】以下に図面を参照して本発明の実施例をより
詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施例のみに限
定されるものではない。
【0018】
【参考例1】図1は本発明によるリチウム二次電池の一
実施例による構成を示した電池断面図である。図中、1
は封口板、2は金属リチウム負極、3はガスケット、4
はセパレータ、5は正極ペレット、6は正極ケースを示
す。
【0019】図1の正極ペレット5に含まれる正極活物
質であるLiFe0.7Co0.3POは下記の方法
で作製した。
【0020】まず原料である炭酸リチウム(LiCO
)とシュウ酸鉄2水和物(FeC・2HO)
と酢酸コバルト4水和物(Co(CHCOO)・4
O)とリン酸水素二アンモニウム((NH
PO)をモル比で0.5:0.7:0.3:1となる
ように混合して坩堝に入れ、アルゴン雰囲気下で800
℃で24時間焼成することにより作製した。得られた物
質のX線回折チャートを図2に示す。
【0021】報告されているLiFePOのX線回折
チャート(JCPDS 15−0760)とほぼ一致し
ており、オリビン構造を維持したまま鉄がコバルトによ
って置換されていることが分かる。この正極活物質70
重量%と導電剤であるアセチレンブラック25重量%及
び結着剤であるポリテトラフルオロエチレン5重量%を
混練し、粘土状の塊としたものを2軸ローラーで厚さ
0.6mm程度に圧延してからポンチで直径15mmの
円板状に打ち抜いて正極ペレット(5)を作製した。図
3に LiFePOのオリビン構造を示す。黒丸がリ
チウム原子を、八面体は6個の酸素で囲まれた鉄を、四
面体は4個の酸素で囲まれたリンをそれぞれ示してい
る。
【0022】次にステンレス製の封口板1上に金属リチ
ウムの負極2を加圧配置したものをポリプロピレン製ガ
スケット3の凹部に挿入し、負極の上にポリプロピレン
製で微孔性のセパレータ4、正極ペレット5をこの順序
に配置し、電解液として、エチレンカーボネートとジメ
チルカーボネートの等積混合溶媒にLiPFを1mo
l/dm濃度に溶解した電解液を適量注入して含浸さ
せた後に、ステンレス製の正極ケース6を被せてかしめ
ることにより、厚さ2mm、直径23mmのコイン型電
池を作製した。作製した電池の充放電特性を充電終止電
圧4.0V、放電終止電圧3.0V、1mA定電流とい
う条件で充放電を行って評価した。
【0023】図4に10サイクル目の充放電曲線を示
す。放電電位は、既に知られている置換を行っていない
リン酸鉄リチウムを正極に、リチウム金属を負極に用い
た電池の電圧とほぼ同一であり、鉄イオンの酸化還元に
より充放電が行われていることが分かる。放電容量は1
サイクル目から10サイクル目にかけていくらか増加し
その後はほぼ一定の容量を示した。
【0024】また、50サイクル目の容量は5.6mA
hであった。初期50サイクルのサイクル回数と放電容
量の関係を図5に示す。また元素Xによる鉄の置換量y
と50サイクル目の放電容量の関係を図6に示す。さら
に電池の正極活物質組成式、置換量yと50サイクル目
の放電容量を表1に示す。
【0025】
【比較例1】元素Xを含まない正極活物質であるLiF
ePOを下記の方法で作製した。まず原料である炭酸
リチウム(LiCO)とシュウ酸鉄2水和物(Fe
・2HO)とリン酸水素二アンモニウム
((NHHPO)をモル比で0.5:1:1と
なるように混合して坩堝に入れ、アルゴン雰囲気下で8
00℃で24時間焼成することにより作製した。
【0026】得られた正極活物質を用いて参考例1と同
一の方法により正極ペレット及びコイン型電池を作製し
た。参考例1と同一の条件で充放電特性を評価したとこ
ろ、1サイクル目の放電容量は参考例1に示した電池よ
り高かったものの、5サイクル目から放電容量が参考例
1に示した電池に比べて低くなり、50サイクル目では
参考例1に示した電池の84%に相当する4.7mAh
の容量しか得られなかった。
【0027】初期50サイクルのサイクル回数と放電容
量の関係を図5に、また元素Xによる鉄の置換量yと5
0サイクル目の放電容量の関係を図6に、さらに電池の
正極活物質組成式、置換量yと50サイクル目の放電容
量を表1に、それぞれ参考例1の値と併せて示す。
【0028】
【表1】
【0029】
【参考例2】正極ペレットに含まれる正極活物質である
LiFe0.8Co0.2POを下記の方法で作製し
た。まず原料である炭酸リチウム(LiCO)とシ
ュウ酸鉄2水和物(FeC・2HO)と酢酸コ
バルト4水和物(Co(CHCOO)・4HO)
とリン酸水素二アンモニウム((NHHPO
をモル比で0.5:0.8:0.2:1となるように混
合して坩堝に入れ、アルゴン雰囲気下で800℃で24
時間焼成することにより作製した。
【0030】得られた正極活物質を用いて参考例1と同
一の方法により正極ペレット及びコイン型電池を作製し
た。参考例1と同一の条件で充放電特性を評価したとこ
ろ放電容量が2サイクル目から比較例1に示した電池に
比べて高くなり、50サイクル目では比較例1に示した
電池の1.43倍にあたる6.7mAhの容量が得られ
た。
【0031】初期50サイクルのサイクル回数と放電容
量の関係を図5に、また元素Xによる鉄の置換量yと5
0サイクル目の放電容量の関係を図6に、さらに電池の
正極活物質組成式、置換量yと50サイクル目の放電容
量を表1に、それぞれ参考例1及び比較例1の特性と併
せて示す。
【0032】
【参考例3】正極ペレットに含まれる正極活物質である
LiFe0.9Co0.1POを下記の方法で作製し
た。まず原料である炭酸リチウム(LiCO)とシ
ュウ酸鉄2水和物(FeC・2HO)と酢酸コ
バルト4水和物(Co(CHCOO)・4HO)
とリン酸水素二アンモニウム((NHHPO
をモル比で0.5:0.9:0.1:1となるように混
合して坩堝に入れ、アルゴン雰囲気下で800℃で24
時間焼成することにより作製した。
【0033】得られた正極活物質を用いて参考例1と同
一の方法によりコイン型電池を作製した。参考例1と同
一の条件で充放電特性を評価したところ放電容量が5サ
イクル目から比較例1に示した電池に比べて高くなり、
50サイクル目では比較例1に示した電池の1.04倍
に相当する4.9mAhの容量が得られた。
【0034】初期50サイクルのサイクル回数と放電容
量の関係を図5に、また元素Xによる鉄の置換量yと5
0サイクル目の放電容量の関係を図6に、さらに電池の
正極活物質組成式、置換量yと50サイクル目の放電容
量を表1にそれぞれ参考例1、2及び比較例1の特性と
併せて示す。
【0035】
【比較例2】正極ペレットに含まれる正極活物質である
LiFe0.6Co0.4POを下記の方法で作製し
た。まず原料である炭酸リチウム(LiCO)とシ
ュウ酸鉄2水和物(FeC・2HO)と酢酸コ
バルト4水和物(Co(CHCOO)・4HO)
とリン酸水素二アンモニウム((NHHPO
をモル比で0.5:0.6:0.4:1となるように混
合して坩堝に入れ、アルゴン雰囲気下で800℃で24
時間焼成することにより作製した。
【0036】得られた正極活物質を用いて参考例1と同
一の方法によりコイン型電池を作製した。参考例1と同
一の条件で充放電特性を評価したところ放電容量が1サ
イクル目から50サイクル目まで常に比較例1に示した
電池に比べて低くなり、50サイクル目では比較例1に
示した電池の0.91倍に当たる4.3mAhの容量し
か示さなかった。
【0037】初期50サイクルのサイクル回数と放電容
量の関係を図5に、また元素Xによる鉄の置換量yと5
0サイグル目の放電容量の関係を図6に、さらに電池の
正極活物質組成式、置換量yと50サイクル目の放電容
量を表1に、それぞれ参考例1から3及び比較例1の特
性と併せて示す。
【0038】
【実施例1】正極ペレットに含まれる正極活物質である
LiFe0.8Zn0.2POを下記の方法で作製し
た。まず原料である水酸化リチウム1水和物(LiOH
・HO)とシュウ酸鉄2水和物(FeC・2H
O)と酢酸亜鉛2水和物(Zn(CHCOO)
2HO)とリン酸水素二アンモニウム((NH
HPO)をモル比で1:0.8:0.2:1となるよ
うに混合して坩堝に入れ、アルゴン雰囲気下で800℃
で24時間焼成することにより作製した。
【0039】得られた正極活物質を用いて参考例1と同
一の方法によりコイン型電池を作製した。参考例1と同
一の条件で充放電特性を評価したところ放電容量は1サ
イクル目から比較例1に示した電池に比べて高くなり、
参考例2をやや上回るサイクル回数依存性を示した。ま
た、50サイクル目では比較例1に示した電池の1.4
9倍に相当する7.0mAhの容量が得られた。
【0040】初期50サイクルのサイクル回数と放電容
量の関係を図5に、また、電池の正極活物質組成式、置
換量yと50サイクル目の放電容量を表1に、それぞれ
参考例1から3及び比較例1、2の特性と併せて示す。
【0041】
【実施例2】正極ペレットに含まれる正極活物質である
LiFe0.85Mg0.15POを下記の方法で作
製した。まず原料である水酸化リチウム1水和物(Li
OH・HO)とシュウ酸鉄2水和物(FeC
2HO)と酸化マグネシウム(MgO)とリン酸水素
二アンモニウム((NHHPO)をモル比で
1:0.85:0.15:1となるように混合して坩堝
に入れ、アルゴン雰囲気下で800℃で24時間焼成す
ることにより作製した。
【0042】得られた正極活物質を用いて参考例1と同
一の方法によりコイン型電池を作製した。参考例1と同
一の条件で充放電特性を評価したところ放電容量は1サ
イクル目から比較例1に示した電池に比べて高くなり、
参考例2とほぼ同様なサイクル回数依存性を示した。
【0043】50サイクル目では比較例1に示した電池
の1.45倍に当たる6.8mAhの容量が得られた。
実施例に示した電池の正極活物質組成式、置換量yと
50サイクル目の放電容量を表1に、実施例1、参考例
1から及び比較例1、2の特性と併せて示す。
【0044】
【参考例4】正極ペレットに含まれる正極活物質である
LiFe0.8Ni0.2POを下記の方法で作製し
た。まず原料である水酸化リチウム1水和物(LiOH
・HO)と酢酸鉄((CHCOO)Fe)と酸化
ニッケル(NiO)とリン酸水素二アンモニウム((N
HPO)をモル比で1:0.8:0.2:1
となるように混合して坩堝に入れ、アルゴン雰囲気下で
800℃で24時間焼成することにより作製した。
【0045】得られた正極活物質を用いて参考例1と同
一の方法によりコイン型電池を作製した。参考例1と同
一の条件で充放電特性を評価したところ放電容量は1サ
イクル目から比較例1に示した電池に比べて高くなり、
参考例2をやや下回るサイクル回数依存性を示した。ま
た、50サイクル目では比較例1に示した電池の1.3
8倍に相当する6.5mAhの容量が得られた。参考例
に示した電池の正極活物質組成式、置換量yと50サ
イクル目の放電容量を表1に、実施例1,2参考例1か
及び比較例1、2の特性と併せて示す。
【0046】なお、前述した実施例において、正極とし
てはペレット状に整形したものを用いたが、N−メチル
−2−ピロリドンの様な溶媒に正極活物質とポリフッ化
ビニリデンの様なバインダを加えてスラリーを作製し、
それを金属箔上に薄く塗布乾燥した塗布電極の様な形状
でも構わない。
【0047】また、負極材料としてはリチウム金属を用
いたが、他にリチウム合金、黒鉛やコークスなどの炭素
系材料、タングステン酸化物、ニオブ酸化物、バナジウ
ム酸化物、スズ酸化物などの金属酸化物、リチウムマン
ガン窒化物やリチウムコバルト窒化物、リチウム鉄窒化
物などのリチウム遷移金属複合窒化物、硫化鉄や硫化モ
リブデン等の金属カルコゲナイトなどでも構わない。
【0048】さらに電解液としてはエチレンカーボネー
トとジメチルカーボネートの等積混合溶媒にLiPF
を1mol/dm濃度に溶解した電解液を用いたが、
従来の非水系リチウム二次電池と同様なものも使用可能
である。
【0049】例えば溶媒としてはジメトキシエタン、2
−メチルテトラヒドロフラン、エチレンカーボネート、
メチルホルメート、ジメチルスルホキシド、プロピレン
カーボネート、アセトニトリル、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
などを単独で、あるいは2種類以上を混合して使用する
ことが可能である。
【0050】また、溶質としては実施例において用いた
LiPF以外にも、例えば、LiClO、LiBF
、LiAsF、LiCFSO等でも構わない。
更に、ポリマー電解質、固体電解質、常温溶融塩等も使
用可能である。また、セパレータや電池ケース等の構造
材料等の他の要素についても従来公知の各種材料が使用
可能である。さらに電池形状についても実施例において
はボタン型としたが、特に制限されるものではなく、円
筒型、角型等の形状でもかまわない。
【0051】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によるリチ
ウム二次電池によれば、正極活物質として、リン酸鉄リ
チウム中の鉄を、リン酸化合物を構成している状態では
リチウム金属の標準電位に対して3Vから4Vの電位領
域で電気化学的に安定な物質により30%以下の割合で
置き換えた化合物を用いることにより、無置換のリン酸
鉄リチウムに比べて電解液の分解による電池寿命の低下
が起りにくい4V以下での充放電において放竃容量やサ
イクル特性を向上させることができた。従って経済的に
優れてなおかつ電池特性の良好なリチウム二次電池の実
現が可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明によるリチウム二次電池の一実施例によ
る構成を示した断面図。
【図2】本発明のリチウム二次電池の参考例1において
正極活物質として用いたLiFe0.7Co0.3PO
のX線回折パターンを示した図。
【図3】LiFePOのオリビン構造を示す図。
【図4】本発明のリチウム二次電池の参考例1における
電池の充放電曲線を示した図。
【図5】本発明のリチウム二次電池の参考例1〜3、実
施例1におけるサイクル回数と放電容量の関係を比較例
1、2における関係と併せて示した図。
【図6】本発明のリチウム二次電池の参考例1〜3にお
ける元素Xによる鉄の置換量yと放電容量の関係を比較
例1、2における関係と併せて示した図。
【符号の説明】
1 封口板 2 金属リチウム負極 3 ガスケット 4 セパレータ 5 正極ペレット 6 正極ケース
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 櫻井 庸司 東京都千代田区大手町二丁目3番1号 日本電信電話株式会社内 (56)参考文献 特開 平9−134724(JP,A) 特開 平9−134725(JP,A) 国際公開00/060679(WO,A1) 国際公開00/060680(WO,A1) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01M 4/58 H01M 4/02 H01M 10/40

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 一般式LiFe1−yPO(0
    <z≦1)で与えられるオリビン構造のリン酸化合物
    で、元素Xは該リン酸化合物を構成している状態では、
    リチウム金属の標準電位に対して3Vから4Vの電位領
    域で電気化学的に安定な物質であり、なおかつyが0<
    y≦0.3である物質であって、前記リン酸化合物中の
    元素Xがマグネシウム、亜鉛の少なくとも1種類である
    ことを特徴とするリチウム二次電池正極活物質
  2. 【請求項2】 請求項1記載のリチウム二次電池正極活
    物質を正極活物質として含み、リチウム金属、リチウム
    合金またはリチウムイオンを吸蔵、放出可能な物質を負
    極活物質として、さらにリチウムイオンが前記正極活物
    質や前記負極活物質と電気化学反応をするための移動を
    行いうる物質を電解質として含むことを特徴とするリチ
    ウム二次電池。
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