JP7002433B2 - 正極材料とこれを用いた二次電池 - Google Patents
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Description
図1は、一実施形態に係る正極材料1の模式的な断面図である。特に限定することを意図したものではないが、以下では、正極材料1を例として、ここに開示される技術を具体的に説明する。
Li1+αNixCoyMn(1-x-y)MI zO2+βMII γ (I)
(ただし、αは、-0.1≦α≦0.7である。βは、電荷の中性条件を満たすように定まる値(典型的には-0.5≦β、例えば-0.5≦β≦0.5)である。γは、0≦γ≦0.5である。xは、0.1≦x≦0.9である。yは、0.1≦y≦0.4である。zは、0≦z≦0.1である。MIおよびMIIは、それぞれ、含んでいてもよく、含んでいなくてもよい。0<zのとき、MIは、Zr,Mo,W,Mg,Ca,Na,Fe,Cr,Zn,Si,Sn,Alのうちの1種または2種以上の元素である。0<γのとき、MIIは、ハロゲン元素(例えば、F,Cl,Br)のうちの1種または2種以上の元素である。);で表される複合酸化物が挙げられる。
正極材料1は、二次電池の正極に好適に用いることができる。二次電池の正極は、典型的には、正極集電体と、上記正極集電体上に固着された正極活物質層と、を有している。正極集電体としては、例えばアルミニウム等の金属箔が例示される。正極活物質層は、少なくとも正極材料1を含んでいる。正極活物質層は、正極材料1の他に、導電材やバインダ、分散剤等の任意の成分を含んでもよい。導電材としては、例えば、カーボンブラック、典型的には、アセチレンブラックやケッチェンブラック等の炭素材料が例示される。バインダとしては、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)等のハロゲン化ビニル樹脂や、ポリエチレンオキサイド(PEO)等のポリアルキレンオキサイドが例示される。
上記正極は、二次電池の構築に好適に用いることができる。なお、本明細書において、「二次電池」とは、繰り返し使用可能な蓄電池(二次電池)および蓄電素子全般を包含する用語である。二次電池は、例えば、リチウム二次電池、ニッケル水素電池、リチウムイオンキャパシタ、電気二重層キャパシタ等であってもよい。一例として、リチウム二次電池は、典型的には、上記正極と、負極と、電解質とを備えている。
正極材料1を正極に含んだ二次電池は、各種用途に利用可能であるが、従来品に比べて優れたハイレート特性を有するものである。例えば、ハイレート出力特性とハイレートサイクル特性とを高いレベルで兼ね備えるものである。したがって、ここに開示される二次電池は、このような特徴を活かして、例えば、高出力密度が要求される用途で好ましく用いることができる。具体的には、例えば、車両に搭載されるモーター用の動力源(駆動用電源)として好ましく用いることができる。車両の種類は特に限定されないが、一例として、プラグインハイブリッド自動車(PHV)、ハイブリッド自動車(HV)、電気自動車(EV)等の自動車が挙げられる。なお、二次電池は、複数個が直列および/または並列に接続された組電池の形態で使用されてもよい。
[正極材料の用意]
<例1> まず、正極活物質として、平均粒径が10μmの粒子状のリチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物(層状構造、LiNi0.33Co0.33Mn0.33O2)を用意した。また、チタン酸バリウム(BaTiO3、ペロブスカイト型構造)を用意した。次に、チタン酸バリウムをボールミルに投入し、1500rpmの回転速度で、20分間粉砕処理して、チタン酸バリウムの結晶性を変化させた。例1では、これを誘電体材料とした。次に、正極活物質と誘電体材料とをメカノケミカル装置に投入し、5分間処理を行った。これにより、正極活物質の表面に誘電体材料(BaTiO3)が付着した複合粒子を作製した。例1では、この複合粒子を正極材料として用いた。
<比較例2,3>比較例2,3では、チタン酸バリウムのボールミルでの粉砕処理時間を、それぞれ、5分、40分と変更し、チタン酸バリウムの結晶性を変化させたこと以外は、上記例1と同様に複合粒子を作製し、正極材料として用いた。
<例2~5> 例2~5では、チタン酸バリウムのボールミルでの粉砕処理時間を、10~30分の範囲で変更し、チタン酸バリウムの結晶性を変化させたこと以外は、上記例1と同様に複合粒子を作製し、正極材料として用いた。
上記正極材料(例1~5、比較例2~3)のX線回折測定を行った。測定装置や測定条件は以下のとおりである。そして、まず、得られたX線回折パターン(縦軸:回折強度、横軸:回折角度2θ(rad))から、誘電体材料に由来するピークを抽出した。次に、抽出されたピークの中で最も強度の大きなピーク(最強線)を特定した。そして、最強線のピークトップが2θ=31~32°の範囲にあることを確認した後、最強線の半値幅xを算出した。結果を表1の該当欄に示す。
測定装置:Ultima IV(株式会社リガク製)
ターゲット:CuKα線 黒鉛モノクロメーター
スリット:発散スリット=1°、受光スリット=0.1mm、散乱スリット=1°
測定範囲:10~100°
ステップ幅:0.02°
上記正極材料(例1~5、比較例1~3)を用いて、リチウム二次電池を構築した。
具体的には、まず、上記正極材料と、導電材としてのアセチレンブラック(AB)と、バインダとしてのポリフッ化ビニリデン(PVdF)とを、質量比が、正極活物質:AB:PVdF=80:8:2となるように秤量した。次に、これらの材料を、固形分率が56質量%となるように、プラネタリーミキサーを用いて、N-メチル-2-ピロリドン(NMP)中で混合して、正極スラリーを調製した。この正極スラリーを、ダイコータを用いて、帯状のアルミニウム箔(正極集電体)の長手方向に沿って塗付し、乾燥させた。そして、乾燥させた正極スラリーをアルミニウム箔と共にプレスした。これにより、正極集電体上に正極活物質層を備えた帯状の正極シートを作製した。
上記作製したリチウム二次電池に対して、25℃の温度環境下で、電圧が4.2Vとなるまで1/3Cのレートで定電流(CC)充電した後、電流が1/50Cとなるまで定電圧(CV)充電した。次に、電圧が3Vとなるまで1/3Cのレートで定電流(CC)放電した。このときのCC放電容量を初期容量とした。なお、「1C」とは、正極活物質の理論容量から予測される電池容量(Ah)を1時間で充電できる電流値を意味する。
上記活性化処理したリチウム二次電池を、25℃の温度環境下で、解放電圧が3.70Vの状態に調整した。次に、-5℃の温度環境下において、20Cのレートで、端子間電圧が3.3VとなるまでCC放電を行い、このときのCC放電容量を測定した。結果を表1に示す。なお、表1には、比較例1に係るリチウム二次電池の放電容量を基準(1.00)として規格化した値を示している。
上記活性化処理したリチウム二次電池を60℃の恒温槽に入れて、電池温度を安定させた。そして、60℃の温度環境下において、3.3V~4.2Vの電圧範囲で、合計200サイクルのハイレート充放電を行った。このとき、充放電は、10Cの充放電レートで定電流方式により行った。200サイクルの充放電後に恒温槽からリチウム二次電池を取り出し、初期容量と同様の方法でCC放電容量を測定した。そして、200サイクル後のCC放電容量を初期容量で除して、容量保持率を算出した。結果を表1に示す。なお、表1には、比較例1に係るリチウム二次電池の容量保持率を基準(1.00)として規格化した値を示している。
上記活性化処理したリチウム二次電池を、25℃の温度環境下で、電圧が4.2Vとなるまで1/3CのレートでCC充電した後、電流が1/10CとなるまでCV充電して、満充電状態とした。次に、リチウム二次電池の外表面に熱電対を張り付けた。そして、満充電状態となったリチウム二次電池に対して、25℃の温度環境下で、電池中央付近に直径3mmの鉄製の釘を10mm/secの速度で貫通させた。このときのリチウム二次電池の最高温度を測定した。結果を表1に示す。なお、表1には、最高温度が200℃未満の場合を「〇」と示し、最高温度が200℃以上の場合を「×」と示している。
<例6~8> 例6~8は、誘電体材料の種類を表2に示すものに変更したこと以外は、上記試験例Iの例2と同様である。具体的には、チタン酸バリウムにかえて、チタン酸ストロンチウム(例6)、チタン酸バリウムランタン(例7)、チタン酸鉛(例8)を誘電体材料として用いた。そして、試験例Iと同様にリチウム二次電池を構築し、各種評価を行った。結果を表2に示す。なお、表2の放電容量および容量維持率は、比較例1の結果を基準(1.00)として規格化した値を示している。
<例9~14> 例9~14では、ABO3-δ型の結晶構造を有する誘電体材料(BaTiO3)のA元素とB元素のモル比c(A元素/B元素)を、表3に示すように0.910~0.995の範囲で変更したこと以外は、上記試験例Iの例2と同様である。具体的には、誘電体材料の作製時に、A元素とB元素との配合比を変更し、得られた誘電体材料を用いた。そして、試験例Iと同様にリチウム二次電池を構築し、各種評価を行った。結果を表3に示す。なお、表3の放電容量は、比較例1の結果を基準(1.00)として規格化した値を示している。
<例15~19> 例15~19では、ABO3-δ型の結晶構造を有する誘電体材料(BaTiO3)の酸素欠損量δを、表4に示すように0.05~0.4の範囲で変更したこと以外は、上記試験例IIIの例11と同様である。具体的には、誘電体材料をボールミルで粉砕処理した後、600~800℃の温度で熱処理してから使用した。そして、試験例Iと同様にリチウム二次電池を構築し、各種評価を行った。結果を表4に示す。なお、表4の放電容量および容量維持率は、比較例1の結果を基準(1.00)として規格化した値を示している。
<例20~26> 例20~26では、正極活物質100モル%に対する誘電体材料の含有比率(モル%)を表5に示すように変更したこと以外は、上記試験例IVの例7と同様である。具体的には、正極活物質と誘電体材料との混合比(モル比)を、正極活物質:誘電体材料=100モル%:0.005~11.000モル%の範囲で混合し、得られた複合粒子を正極材料として用いた。そして、試験例Iと同様にリチウム二次電池を構築し、各種評価を行った。結果を表5に示す。なお、表5の放電容量および容量維持率は、比較例1の結果を基準(1.00)として規格化した値を示している。
<比較例4~8> 比較例4~8では、上記試験例Iの比較例1と同様に、表6に示す種類の正極活物質をそのまま正極材料として用いた。具体的には、リチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物にかえて、リチウムコバルト複合酸化物(比較例4)、リチウムマンガン複合酸化物(比較例5)、リチウムニッケル複合酸化物(比較例6)、リチウムニッケルマンガン複合酸化物(比較例7)、リチウムニッケルコバルトアルミニウム複合酸化物(比較例8)を正極活物質として用いた。
<例27~31> 例27~31は、正極活物質の種類を表6に示すものに変更したこと以外は、上記試験例Iの例2と同様である。なお、例27~31では、誘電体材料の最強線の半値幅xは、全て0.24radに統一している。
そして、試験例Iと同様にリチウム二次電池を構築し、各種評価を行った。結果を表6に示す。なお、表6の放電容量および容量維持率は、それぞれ正極活物質のみの場合の結果を基準(1.00)として規格化した値を示している。
2 正極活物質
4 誘電体材料
Claims (6)
- 正極活物質と、前記正極活物質の表面に配置され、ペロブスカイト型の結晶構造を有する誘電体材料と、を含有する正極材料であって、
CuKα線を用いたX線回折測定によって得られるX線回折パターン(縦軸:回折強度、横軸:回折角度2θ(rad))において、前記誘電体材料に由来するピークの中で最も強度の大きな最強線が、2θ=31~32°の範囲にあり、かつ、前記最強線の半値幅xが、次の式:0.22≦x≦0.33;を満たす、正極材料。 - 前記誘電体材料が、
Sr,Ba,Laのうちの少なくとも1つの元素と、
Ti元素と、
を含む化合物である、
請求項1に記載の正極材料。 - 前記誘電体材料が、ABO3-δ型の結晶構造(ただし、δは酸素欠損量である。)を有し、かつ、Bサイトの元素に対するAサイトの元素のモル比が、0.920以上0.993以下である、
請求項1または2に記載の正極材料。 - 前記誘電体材料が、ABO3-δ型の結晶構造(ただし、δは、0.1≦δ≦0.3を満たす正の数である。)を有する、
請求項1から3のいずれか1項に記載の正極材料。 - 前記誘電体材料の含有比率が、前記正極活物質を100モル%としたときに、0.01モル%以上10モル%以下である、
請求項1から4のいずれか1項に記載の正極材料。 - 請求項1から5のいずれか1項に記載の正極材料を正極に備える二次電池。
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