JP6102562B2 - リチウムイオン二次電池 - Google Patents
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LiNibCocMndMgeO2 (1)
ただし、(1)式のb,c,dは、1/3<b≦0.6、0.1≦c<1/3、0.2≦d<1/3、0≦e≦0.1、及びb+c+d+e=1を満たす。
また、前記添加剤は、シクロヘキシルベンゼン、ビフェニル、フルオロビフェニル、炭素数1〜10のアルキル基を有するアルキルビフェニル,ターフェニルから成る群から選択される少なくとも1つであることが好ましい。
本発明の実施形態にかかるリチウムイオン二次電池100の1例を、図1を参照して説明する。リチウムイオン二次電池100は、負極10、セパレータ20、正極30、容器70、及び、電解液を主として備える。
負極10は、負極集電体12、及び、負極集電体12の両面に設けられた負極活物質層14を有する。
高分子材料の例は、ポリアセチレン、ポリピロールである。
本実施形態では、特に、負極活物質は、Si相及びSiO2相を有する珪素酸化物粉を含む。
バインダは、活物質を集電体に固定する。バインダの例は、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、フッ素ゴム等の含フッ素樹脂、ポリプロピレン、ポリエチレン等の熱可塑性樹脂、ポリイミド、ポリアミドイミド等のイミド系樹脂、アルコキシシリノレ基含有樹脂である。バインダの量は、活物質100質量部に対して、1〜30質量部とすることができる。
正極30は、正極集電体32、及び、正極集電体32の両面に設けられた正極活物質層34を備える。正極集電体32は導電材料からなる。正極集電体の材料の例は、アルミニウムなどの金属である。
LiNibCocMndMgeO2 (1)
ただし、(1)式のb,c,dは、1/3<b≦0.6、0.1≦c<1/3、0.2≦d<1/3、0≦e≦0.1、及びb+c+d+e=1を満たす。このような酸化物は、各金属元素源(酸化物、塩等)を所望の比率で混合し、焼成することにより得ることができる。0.35≦bを満たすことが好ましく、0.4≦bを満たすことがより好ましい。また、e≦0.05が好ましい。また、c<dも好ましい。
正極活物質は、さらに、(1)式のリチウム酸化物の粒子の表面に付着したジルコニウム酸化物(例えば、ZrO2等)の粒子を含有することができる。
セパレータ20は、負極10と正極30とを隔離し、両極の接触による電流の短絡を防止しつつ、リチウムイオンを通過させるものである。セパレータ20の例は、ポリテトラフルオロエチレン、ポリプロピレン、あるいはポリエチレンなどの熱可塑性樹脂製の多孔質膜である。セパレータ20の厚みは特に限定されないが、例えば、10〜50μmとすることができる。
電解液は、電解質と、この電解質を溶解する溶媒と、過充電条件下で重合してガスを発生する添加剤と、を含む。電解質は、負極活物質層14、セパレータ20、正極活物質層34内に含浸されている。
また、電解質は、さらに、LiBF4、LiPF6等のフッ素塩に含まれる一対のFをC2O4で置換したリチウム塩(例えば、LiPF2(C2O4)2)を含むこともできる。この塩の添加量は、0.01〜0.06mol/Lとすることができる。
溶媒は、環状カーボネートと鎖状カーボネートとの混合物であることができる。
これらの添加剤を複数添加しても良い。例えば、ビフェニルとシクロヘキシルベンゼンの組み合わせが挙げられる。
添加剤の量は、電解液全体に対して、合計で、2〜7質量%とすることができる。
容器70は、負極10、セパレータ20、正極30、及び、電解液を収容する。容器の材料や形態は特に限定されず、樹脂、金属などを公知の種々の物を使用できる。容器が導電材料である場合、容器70内において、負極10、セパレータ20、及び、正極30は、絶縁シート90に覆われていることが好ましい。
容器70は開口を有し、開口にはガスケット82が配置されている。ガスケット82は、中央に開口82aを有する。ガスケット82の上面には、開口82aを覆うように、ダイアフラム84が設けられている。ダイアフラム84は、開口82aに面する部分に、開口82aの内部に向かって突出する窪み84bを有する。また、ダイアフラム84の上面には、窪み84bを取り囲む溝84gが形成されている。ガスケット82の下面には、その一部がガスケットの84の開口84aと面するように導電部材86が設けられている。導電部材86の上面と、ダイアフラム84の窪み84bとが接触している。ダイアフラム84の上には、窪み84bを覆うカバー88が設けられている。ダイアフラム84、及び、カバー88は、導電性を有する。カバー88は、開口88aを有する。容器70の端部は、ガスケット82の外面に対してかしめられ、これにより、カバー88、ダイアフラム84、及び、ガスケット82が、容器70に固定され、電池が密閉される。
このようなリチウムイオン二次電池は、過充電時にガスの発生が多くなり、電流遮断機構を作動させやすい。この理由は明らかではないが、ニッケル成分がコバルト及びマンガン成分よりも多いリチウム酸化物は、過充電状態で上記添加剤と反応しやすいことが考えられる。
(負極の製造)
市販のSiO粉を不活性ガス雰囲気中で900℃の温度下で、2時間加熱処理し、SiOを不均化した。得られた珪素酸化物粉1を、CuKαを使用したX線回折(XRD)測定を行ったところ、単体珪素と二酸化珪素とに由来するピークが得られ、珪素酸化物は、Si相と、SiO2相とを含むことが確認された。得られた珪素酸化物粉の粒度分布を調べたところ、粒径D50は4.4μmであった。
LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2、アセチレンブラック、及び、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)を、88:6:6の質量比で混合し、さらに、溶媒(N−メチル−2−ピロリドン(NMP))を加えてスラリーを得た。このスラリーを、アルミニウム箔の片面に塗布し、溶媒をホットプレートにより80℃で30分乾燥させ、プレスし、さらに、120℃で6時間加熱した。このようにして、25mm×30mmの正極活物質層を有する正極を得た。
27mm×32mmの大きさ及び25μmの厚みを有するポリエチレン多孔質製のセパレータを用意した。このセパレータを、正極及び負極の間に挟んで、積層体を得た。この積層体を、アルミニウム箔の両面を樹脂でラミネートした容器内に収容し、さらに、容器内に電解液を供給し、その後、容器をシールし、リチウムイオン二次電池を得た。電解液は、溶媒と電解質(1mol/dm3のLiPF6及び0.01mol/dm3のLiPF2(C2O4)2)とを含み、溶媒は、エチレンカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジメチルカーボネート、フルオロエチレンカーボネートを、質量比で2.6:3:4:0.4含んでいた。さらに、電解液に、ビフェニル(2質量%)及びシクロヘキシルベンゼン(2質量%)を添加した。
正極活物質を、LiNi0.48Co0.2Mn0.3Mg0.02O2とする以外は参考例1と同様にした。
100重量部のLiNi0.48Co0.2Mn0.3O2に対して、ジルコニウム酸化物(ZrO2)粒子を0.5重量部添加した正極活物質を用いた以外は参考例1と同様にした。
正極活物質を、LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2とする以外は参考例1と同様にした。
また、参考例1及び比較例1の電池系のサイクリックボルタンメトリーの試験結果を、図2に示す。参考例1では、分解のピークが比較例1に比して高電位側にずれると共に、高電位における電流量すなわちガス発生量も高くなっていることがわかる。このことは、ビフェニルが分解しにくくなり、このために、高電位においてビフェニルとシクロヘキシルベンゼンとが共存するためにシクロヘキシルベンゼンがより分解しやすくなったことが考えられる。
Claims (2)
- (1)式で表される組成のリチウム酸化物を含有する正極、
負極、
過充電条件下で重合してガスを発生する添加剤を含む電解液、
前記正極、前記負極、及び、前記電解液を収容する容器、
前記正極又は前記負極と、前記容器の外部とを電気的に接続する電流経路、及び、
前記容器内の圧力上昇に応じて前記電流経路を遮断する電流遮断機構、を備え、
前記正極は、さらに、前記リチウム酸化物の粒子の表面に付着したジルコニウム酸化物の粒子を含有し、
前記添加剤は、シクロヘキシルベンゼン及びビフェニルである、リチウムイオン二次電池。
LiNibCocMndMgeO2 (1)
ただし、(1)式のb,c,dは、1/3<b≦0.6、0.1≦c<1/3、0.2≦d<1/3、0≦e≦0.1、及びb+c+d+e=1を満たす。 - 前記負極は、Si相及びSiO2相を含有する珪素酸化物と、黒鉛と、を含有する、請求項1に記載のリチウムイオン二次電池。
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