Deprecated: The each() function is deprecated. This message will be suppressed on further calls in /home/zhenxiangba/zhenxiangba.com/public_html/phproxy-improved-master/index.php on line 456
JP4547587B2 - Lithium secondary battery - Google Patents
[go: Go Back, main page]

JP4547587B2 - Lithium secondary battery - Google Patents

Lithium secondary battery Download PDF

Info

Publication number
JP4547587B2
JP4547587B2 JP2000176885A JP2000176885A JP4547587B2 JP 4547587 B2 JP4547587 B2 JP 4547587B2 JP 2000176885 A JP2000176885 A JP 2000176885A JP 2000176885 A JP2000176885 A JP 2000176885A JP 4547587 B2 JP4547587 B2 JP 4547587B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
lithium
secondary battery
lithium secondary
active material
negative electrode
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2000176885A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2001357885A (en
Inventor
要二 竹内
良雄 右京
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Central R&D Labs Inc
Original Assignee
Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toyota Central R&D Labs Inc filed Critical Toyota Central R&D Labs Inc
Priority to JP2000176885A priority Critical patent/JP4547587B2/en
Publication of JP2001357885A publication Critical patent/JP2001357885A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP4547587B2 publication Critical patent/JP4547587B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries

Landscapes

  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、リチウムの吸蔵・脱離現象を利用したリチウム二次電池、特に耐久性に優れたリチウム二次電池に関する。
【0002】
【従来の技術】
パソコン、ビデオカメラ、携帯電話等の小型化に伴い、情報関連機器、通信機器の分野では、これらの機器に用いる電源として、高エネルギー密度であるという理由から、リチウム二次電池が実用化され広く普及するに至っている。また一方で、自動車の分野においても、環境問題、資源問題から電気自動車の開発が急がれており、この電気自動車用の電源としても、リチウム二次電池が検討されている。
【0003】
リチウム二次電池は、他の二次電池と比較して高価であることから、優れた耐久性が要求される。つまり、充放電サイクルを繰り返した場合であってもその容量が極端に低下しないといったサイクル特性、充電状態で長時間放置した場合であってもその容量が低下しないといった保存特性等が良好であることが要求される。さらに、上述したような自動車用電源等の苛酷な環境下に置かれる等の場合は、特にその要求は厳しいものとなる。
【0004】
現在主流となっているリチウム二次電池は、LiCoO2等のリチウム遷移金属複合酸化物を正極活物質とする正極と、炭素物質を負極活物質とする負極と、リチウム塩を有機溶媒に溶解した非水電解液とを主要な構成要素として構成されている。そして、耐久性の向上を目指して、それぞれの構成要素について、種々の技術の開発が行われている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者は、リチウム二次電池の耐久性について、数多くの実験、研究を重ねた結果、リチウム二次電池の耐久性を悪化させる主な原因の一つとして、正極活物質の崩壊という現象にたどり着いた。一般に、正極活物質となるリチウム遷移金属複合酸化物は、単結晶に近い微細な1次粒子が凝集して2次粒子を構成し、この2次粒子が粉末粒子となる粉状体である。そして、正極は、このようなリチウム遷移金属複合酸化物を導電材と共に結着剤で結着して形成されている。リチウム遷移金属複合酸化物の1次粒子は、リチウムの吸蔵・脱離に伴い膨張・収縮することから、2次粒子内に生じるストレスによって凝集した1次粒子の粒界においてその結合が解かれ、2次粒子が崩壊する。この2次粒子の崩壊は、正極内の電子伝導を阻害し、活物質として利用されるリチウム遷移金属複合酸化物の割合が減少することで、リチウム二次電池の容量は低下する。以上が、本発明者が見出した耐久性を悪化させる一つの原因である。
【0006】
リチウム二次電池では、上記正極に対向させる負極に用いる負極活物質に炭素物質を用いるのが一般的である。種々ある炭素物質の中でも、理論容量が大きいという理由から、結晶化度の進行した黒鉛質材料が好んで用いられる。そして、さらに黒鉛質材料の中でも、ピッチ類を400℃前後で加熱する過程で得られる光学的異方性を有するメソフェーズ小球体を2800℃程度の温度で焼成した球晶人造黒鉛(黒鉛化メソフェーズ小球体(MCMB))を用いるのが、より適しているとされている。その理由は、球状粒子であるため、充填密度の向上に寄与することに加え、結晶子がラメラ状に配列し結晶子端面が粒子全表面に露出していることから、リチウムの吸蔵・脱離がスムーズに行われ、大電流特性についても優れているからである。
【0007】
ところが、本発明者が実験により確認したところ、リチウム遷移金属複合酸化物を正極活物質とし、黒鉛質材料のみからなる炭素物質を負極活物質とする場合、耐久性に劣るものとなっている。この理由はは、負極の電位が低くなりすぎ、正極活物質であるリチウム遷移金属複合酸化物に吸蔵・脱離するリチウム量を制御できず、上記2次粒子の崩壊につながることに起因すると考えられる。そして、本発明者は、何らかの手段を用いて負極の電位を上昇させ、リチウム遷移金属複合酸化物に吸蔵・脱離するリチウム量を制御することが、耐久性の向上に有効であるとの知見を得た。
【0008】
また、本発明者の行った実験によれば、負極活物質に上記球晶人造黒鉛を用いた場合にも、耐久性、特に保存特性が低下することが明らかになった。負極は、炭素物質を結着剤で結着して形成され、負極内の電気伝導は炭素物質粒子の接触によって保たれている。球晶人造黒鉛を用いた場合、負極内において活物質粒子どうしの接触は、その形状的特徴から点接触に近いものとなる。したがって、負極の膨潤、リチウムの吸蔵・脱離に伴う負極活物質の体積変化に追従できず、活物質粒子どうしの接触が断たれやすく、負極内の電気伝導性が低下する。これが、球晶人造黒鉛を負極活物質に用いた場合の耐久性低下の原因と考えられる。そして、本発明者は、負極活物質となる炭素物質の粒子形状を適正化することも、耐久性の向上に有効であるとの知見を得た。
【0009】
本発明は、上記知見に基づいてなされたものであり、リチウム遷移金属複合酸化物を正極活物質とし、炭素物質を負極活物質とするリチウム二次電池において、負極活物質の改善により、サイクル特性、保存特性等の耐久性に優れたリチウム二次電池を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
(1)本発明のリチウム二次電池は、リチウム遷移金属複合酸化物を正極活物質として用いた正極と、ホウ素を添加した非球晶黒鉛質材料と易黒鉛化性炭素材料とを混合した炭素物質混合物を負極活物質として用いた負極とを備えてなることを特徴とする。つまり、主たる炭素物質となる黒鉛質材料はその粒子形状を適正化するとともに別途他元素を添加したもであり、その黒鉛化質材料と補助的に混合するところの炭素物質である黒鉛化していない炭素材料との混合物を負極活物質として用いるリチウム二次電池である。
【0011】
黒鉛質材料は結晶性が高く、リチウムイオンの吸蔵される明確なステージをもつことからリチウムイオンの吸蔵・脱離がスムーズに行われ、反応電位が低く可逆的に充放電可能な容量が大きい。これに対して易黒鉛化性炭素材料は、コークス等に代表される炭素材料で、黒鉛化度が低く結晶性が低い物質で、反応電位が比較的高く、不可逆的な容量は大きいものの、可逆的にリチウムイオンを吸蔵・脱離できる容量が小さい。この異なる2種の炭素物質を混合させた炭素物質混合物は、負極活物質として用いた場合、電池容量を大きく保つと共に、通常充放電範囲におけるリチウムイオンの正負極間の移動を効果的に制限して、大量のリチウムの吸蔵・離脱に起因する正極活物質であるリチウム遷移金属複合酸化物の2次粒子粒子の崩壊を抑制することができる。したがって、そのような炭素物質混合物を負極活物質として用いる本発明のリチウム二次電池は、サイクル特性等の耐久性の良好な二次電池となる。
【0012】
また、易黒鉛化性炭素材料のもつ不可逆容量の大きさにより、二次電池が一旦過充電に陥った場合であっても、負極表面へのデンドライトの析出を効果的に防止でき、過充電時の安全性にも優れたリチウム二次電池となる。
【0013】
黒鉛質材料はその粒子が非球晶のものとする。つまり、リチウムイオンの吸蔵・脱離がスムーズに行うことができる点で好適とされている黒鉛化メソフェーズ小球体等の球状の粒子からなる黒鉛質材料を使用せず、板状、角状、不定形といった非球形の粒子からなる黒鉛質材料を主たる炭素物質として使用するものである。このような炭素物質によって負極を形成した場合、負極内における粒子どうしの接触点が多くなることで、負極内の電子伝導性を良好に、つまり負極内部抵抗を小さくすることができる。したがって、非球晶黒鉛質材料を構成炭素物質とする炭素物質混合物を負極活物質として用いた本発明のリチウム二次電池は、放電容量の大きなリチウム二次電池となる。
【0014】
また、負極内における粒子どうしの接触点が多いことは、負極の膨潤、リチウムの吸蔵・脱離に伴う負極活物質である炭素物質の体積変化等によっても、負極内の電気伝導性を高く保つことができることから、サイクル特性が良好であり、充電状態での保存による容量劣化が少ないつまり保存特性の良好なリチウム二次電池を構成することができる。すなわち本発明のリチウム二次電池は、耐久性に優れたリチウム二次電池となる。特に、電池反応が活性化する高温環境下においてもその機能を充分に発揮することから、高温での耐久性にも優れたリチウム二次電池となる。
【0015】
さらに、非球晶黒鉛質材料は、ホウ素が添加されたものである。ホウ素は、黒鉛質材料の結晶性を高めるのに寄与する。ホウ素が添加され結晶性を高めることにより、黒鉛質材料へのリチウムの吸蔵・脱離がスムーズとなる。したがって、ホウ素を添加元素として添加した黒鉛質材料を混合した炭素物質を負極活物質とする本発明のリチウム二次電池は、容量の大きなかつ入出力特性に優れたリチウム二次電池となる。
(2)本発明のリチウム二次電池は、正極活物質となるリチウム遷移金属複合酸化物を、組成式LiNixM1yM2z2(M1はCo、Mnから選ばれる少なくとも1種;M2はAl、B、Fe、Cr、Mgから選ばれる少なくとも1種;x+y+z=1;0.5<x<0.95;0.01<y<0.4;0.001<z<0.2)で表される規則配列層状岩塩構造のリチウムニッケル複合酸化物とする態様で実施することができる。
【0016】
リチウム二次電池では、種々のリチウム遷移金属複合酸化物を正極活物質として用いることができる。現在主流を成すのは基本組成をLiCoO2とする規則配列層状岩塩構造リチウムコバルト複合酸化物である。しかし、このリチウムコバルト複合酸化物は、その主たる構成元素であるCoが極めて高価であることから、これを正極活物質に用いたリチウム二次電池は高価にならざるを得ない。本態様のリチウム二次電池では、主要構成元素を比較的安価なNiとする規則配列層状岩塩構造リチウムニッケル複合酸化物を正極活物質に用いることで、安価なリチウム二次電池となる。
【0017】
ところが、リチウムニッケル複合酸化物は、リチウムコバルト複合酸化物に比較して、リチウムの吸蔵・脱離に伴う体積変化が大きく、2次粒子が崩壊し易いという欠点を有する。この点を考慮すれば、通常充放電範囲におけるリチウムイオンの正負極間の移動を効果的に制限して、大量のリチウムの吸蔵・離脱に起因する正極活物質であるリチウム遷移金属複合酸化物の2次粒子粒子の崩壊を抑制するという上記負極の機能が十分に発揮されることになる。したがって、上記炭素物質混合物を負極活物質とする負極と組み合わせることは、耐久性向上というメリットを充分に活かせるリチウム二次電池となる。
【0018】
規則配列層状岩塩構造リチウムニッケル複合酸化物は、基本組成をLiNiO2とするものであるが、本態様のリチウム二次電池では、結晶構造におけるNiサイトの一部を他の元素で置換したものである。この他元素による置換は、リチウムニッケル複合酸化物の、結晶構造の安定化等を目的とするものであり、Niサイトが置換された上記リチウムニッケル複合酸化物を正極活物質とする本態様のリチウム二次電池は、より耐久性に優れたリチウム二次電池となる。
【0019】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明のリチウム二次電池の実施形態について、負極活物質となる炭素物質混合物、正極活物質となるリチウム遷移金属複合酸化物、それらを正極活物質および負極活物質に用いたリチウム二次電池の構成の順に詳しく説明する。
(1)炭素物質混合物
(a)黒鉛質材料
本発明のリチウム二次電池の負極活物質となる炭素物質混合物を構成する主たる炭素物質は、ホウ素を添加した非球晶黒鉛質材料とする。人造の黒鉛質材料は、石炭や石油から得られるピッチ類を原料とした易黒鉛化性炭素材料(例えば、コークス、メソフェーズピッチ系炭素繊維、熱分解気相成長炭素繊維等)を2800℃以上の高温度で焼成することによって製造することができる。
【0020】
その粒子が非球晶のものであればよく、つまり、黒鉛化メソフェーズ小球体等の球状の粒子からなる黒鉛質材料でなければよく、種々の人造黒鉛質材料を用いることができる。実際に、本発明者の行った実験によれば、黒鉛化メソフェーズ小球体を負極活物質に用いたリチウム二次電池では、60℃の環境温度における充放電サイクル試験後に20℃の温度下で1週間放置し、さらにその後に充放電サイクル試験を行った結果では、容量低下は著しいものとなった。
【0021】
次に説明するホウ素添加を考慮すれば、ピッチを熱処理して得られる不定形の粒子を有する黒鉛質材料であることが望ましい。また、結晶化の進んだ黒鉛質材料であることが望ましく、結晶化を示すパラメータとして結晶構造における面間隔d002を採用すれば、d002≦0.34nmとなるような黒鉛質材料であることが望ましい。この好適範囲のものに比べ、d002>0.34nmのものでは、不可逆容量が大きくなり、リチウムの利用率が低下するからである。
【0022】
ホウ素の添加は、人造黒鉛製造の際、ピッチに酸化ホウ素(B23)の形で添加すればよい。より詳しく説明すれば、例えば、ピッチに対して酸化ホウ素を所定量添加し、これを窒素ガスによるバブリングを行いつつ300〜700℃の温度下で3〜24時間程度熱処理を行った後、不活性ガス雰囲気中で2800〜3000℃の温度下30分〜24時間程度焼成して、ホウ素が添加された非球晶黒鉛質材料を製造することができる。
【0023】
ホウ素の添加割合は、非球晶黒鉛化材料全体を100wt%とした場合、0.05〜10wt%とすることが望ましい。この好適範囲のものと比べ、0.05wt%未満の場合は、黒鉛化が不十分つまり結晶性が悪いため、不可逆容量が大きくなり、また、10wt%を超える場合は、添加したホウ素による結晶の歪みが大きく、リチウムが吸蔵されるステージが減少し、容量低下をもたらすからである。上記製造方法による場合、ピッチに添加する酸化ホウ素の上記所定量を、ホウ素換算で0.05〜10wt%とすればよい。なお、より望ましくは、0.1〜5wt%するのがよい。
【0024】
黒鉛質材料は、その平均粒径が5μm以上50μm以下となるような粉状体であることが望ましい。この好適範囲のものに比べ、5μm未満の場合は、電池を構成した場合にLiの不可逆容量が増大することとなり、50μmを超える場合は、電極作製において負極合材を塗工する際に、箔状の集電体が切れる可能性が高くなるからである。
【0025】
(b)易黒鉛化性炭素材料
本発明のリチウム二次電池の負極活物質となる炭素物質混合物に補助的に混合する炭素物質は、易黒鉛化性炭素材料とする。易黒鉛化性炭素材料とは、熱処理を施すことによって容易にその構造を容易に代え得る炭素材料で、高温度で焼成することにより容易に黒鉛化する炭素材料を意味する。コークス、メソフェーズピッチ系炭素繊維、熱分解気相成長炭素繊維等、種々のものを用いることができる。黒鉛化が進行していない材料であることが望ましく、上記パラメータである面間隔d002を採用すれば、d002≧0.34nmとなるような易黒鉛化性炭素材料であることが望ましい。
【0026】
種々ある易黒鉛化性炭素材料の中でも、本発明のリチウム二次電池の場合は、コークスを用いることが望ましい。コークスは、極めて安価であるというメリットを有する。また、黒鉛が炭素網間にあるステージにリチウムを吸蔵するのに対して、コークスには明確なステージが存在しないため、黒鉛に比較してリチウムが吸蔵されるサイトを数多くもつと考えられる。可逆的に吸蔵・脱離できるリチウム量は少ないが、潜在的な(不可逆的な)リチウム吸蔵能力が高い材料である。したがって、通常充放電範囲におけるリチウムイオンの正負極間の移動を制限して、正極活物質であるリチウム遷移金属複合酸化物の結晶構造の崩壊を効率的に抑制し、リチウム二次電池のサイクル特性等の耐久性を向上させことができ、また、二次電池が過充電に陥った場合の安全性もより高いものとなる。
【0027】
易黒鉛化性炭素材料は、その平均粒径が1μm以上50μm以下となるような粉状体であることが望ましい。この好適範囲のものに比べ、1μm未満の場合は、Liの不可逆容量が大きくなり、50μmを超える場合は、電極の電子伝導性が低下し、電池の内部抵抗が大きくなるからである。
【0028】
(c)炭素物質の混合
ホウ素を添加した非球晶黒鉛質材料と易黒鉛化性炭素材料との混合は、その方法を特に限定するものでなく、例えば、ボールミル、超音波分散等の機器を用いて充分均一になるように行えばよい。
【0029】
両者の混合割合は、重量比において、非球晶黒鉛質材料:易黒鉛化性炭素材料=9:1〜6:4となるような割合とするのが望ましい。この好適範囲のものに比べ、非球晶黒鉛質材料の割合が大きすぎる場合は、初期容量は大きいがサイクル劣化も大きく、耐久性向上の効果が充分に得られないからであり、また、易黒鉛化性炭素材料の割合が大きすぎる場合は、リチウム二次電池の容量自体がが低下しすぎるからである。
(2)リチウム遷移金属複合酸化物
(a)組成および結晶構造
本発明のリチウム二次電池では、正極活物質としてリチウム遷移金属複合酸化物を用いる。構成する遷移金属の種類、結晶構造の違いにより種々のリチウム遷移金属複合酸化物が存在するが、正極活物質として既に公知のリチウム遷移金属酸化物を用いればよい。
【0030】
4V級という高い電池電圧を有するリチウム二次電池を構成できるという観点からは、基本組成をLiCoO2とする規則配列層状岩塩構造リチウムコバルト複合酸化物、基本組成をLiNiO2とする規則配列層状岩塩構造リチウムニッケル複合酸化物、基本組成をLiMnO2とする層状岩塩構造リチウムマンガン複合酸化物、基本組成をLiMn24とするスピネル構造リチウムマンガン複合酸化物を用いることが望ましい。これらの中でも、理論容量が大きくかつ比較的安価であるという利点を考慮すれば、基本組成をLiNiO2とする規則配列層状岩塩構造リチウムニッケル複合酸化物を用いることがより望ましい。
【0031】
なお、ここで、「基本組成を〜とする」とは、その組成式で表される組成のものだけでなく、結晶構造におけるLi、Co、Ni、Mn等のサイトの一部を他の元素で置換したものをも含むことを意味する。さらに、化学量論組成のものだけでなく、一部の元素が欠損等した非化学量論組成のものをも含むことを意味する。
【0032】
基本組成をLiNiO2とする規則配列層状岩塩構造リチウムニッケル複合酸化物を用いる場合、その組成が、組成式LiNiab2(MはCo、Mn、Al、B、Fe、Cr、Mgから選ばれる少なくとも1種;0.5<a<0.95;a+b=1)で表されるものが望ましい。そしてさらに、組成式LiNixM1yM2z2(M1はCo、Mnから選ばれる少なくとも1種;M2はAl、B、Fe、Cr、Mgから選ばれる少なくとも1種;x+y+z=1;0.5<x<0.95;0.01<y<0.4;0.001<z<0.2)で表されるものがより望ましい。
【0033】
この、LiNixM1yM2z2は、役割の異なるM1、M2の2種以上の元素でNiサイトの一部を置換したものとなっている。置換されずに残存するNiの割合、つまり組成式におけるxの値は、0.5<x<0.95とするのが望ましい。この好適範囲のものに比べ、x≦0.5の場合は、層状岩塩構造のものだけでなく、スピネル構造等の第2の相が生成し、容量の低下しすぎるからであり、また、x≧0.95の場合は、置換効果が少なすぎて、目的とする良好な耐久性の電池を構成できないからである。なお、0.7<x<0.9の範囲とするのがさらに好ましい。
【0034】
Co、Mnから選ばれる元素M1は、主に、リチウムニッケル複合酸化物の結晶構造を安定化する役割を果たす。M1での結晶構造安定化により、非水電解液二次電池のサイクル特性は良好に保たれ、特に高温下での充放電および高温下での貯蔵による電池容量の劣化が抑制される。サイクル特性の改善効果を充分に発揮させるために、M1の置換割合、つまり組成式におけるyの値は0.01<y<0.4とすることが望ましい。この好適範囲のものに比べ、y≦0.01の場合は、構成される二次電池の結晶構造安定化が充分でないため耐久性が良好ではなく、y≧0.4の場合はリチウムニッケル複合酸化物の結晶性が低下し好ましくない。なお、0.05<y<0.3とするのがより好ましい。さらに、Coには、元素置換による容量低下を抑えるとともに、Li(Co,Ni)O2は全固溶型であり、結晶性の低下を最小限にとどめるという利点があることから、これを考慮すれば、M1にCoを用いることがより望ましい。
【0035】
Al、B、Fe、Cr、Mgから選ばれる元素M2は、主に、酸素放出に伴う活物質の分解反応を抑え、熱安定性を向上させるという役割を果たす。この役割のため、M2の置換割合、つまり組成式におけるzの値は、0.001<z<0.2とするのが望ましい。この好適範囲のものの比べ、z≦0.001の場合は、安全性に対して充分な効果が得られなくなり、z≧0.2の場合は、正極の容量が低下してしまうため好ましくない。なお、0.004<z<0.1とするのがより好ましい。さらに、Alには、熱安定性を向上させつつ、容量低下を最小限に抑えるという利点があることから、これを考慮すれば、M2にAlを用いることがより望ましい。
【0036】
(b)粒子構造
正極活物質として用いるリチウム遷移金属複合酸化物は、一般に、粉末状のものを用いる。この場合、その粉末粒子は、単結晶に近い1次粒子が凝集して2次粒子を形成している。1次粒子の粒径および2次粒子の粒径もリチウム二次電池の耐久性に影響を与える。上述したように、リチウム二次電池の耐久性を悪化させる主な原因の一つとして、リチウムの吸蔵・脱離に伴い1次粒子の粒界においてその結合が解かれ、2次粒子が崩壊するという現象が考えられる。この現象は、リチウム遷移金属複合酸化物を用いる限り、上記手段によっても全く無くすことはできないと考えられる。そこで、2次粒子が崩壊した場合でも、正極内の電気伝導性の低下を小さく抑えるために、比較的大きな1次粒子が比較的少ない個数凝集して2次粒子を構成することが望ましい。
【0037】
より具体的には、リチウム遷移金属複合酸化物は、1次粒子の平均粒径が0.5〜10μmであり、かつ、2次粒子の平均粒径が5〜50μmとなるような粒子構造の粉状体であることが望ましい。この好適範囲のものに比べ、2次粒子の平均粒径が5μm未満の場合は、ペースト状の正極合材の調整時にこのペーストがゲル化しやすく、集電体への塗工が困難になり、また、50μmを超える場合は、均一な電極作製が困難となるからである。1次粒子の平均粒径が0.5μm未満の場合は、小さい1次粒子が数多く凝集することで2次粒子が崩壊した際の電子伝導性の低下が大きくなり、また、10μmを超える場合は、2次粒子も大きくなり、均一な電極作製が困難となるからである。
【0038】
(c)合成方法
リチウム遷移金属複合酸化物の合成方法は、特に限定するものでなく、固相反応法、溶液からの析出を経てそれを焼成する方法、噴霧燃焼法、溶融塩法等種々の方法によって合成することができる。
【0039】
その一例を示せば、組成式LiNixCoyAlz2で表される規則配列層状岩塩構造リチウムニッケル複合酸化物を固相反応法によって製造する場合、リチウム源となるLiOH・H2O、Li2CO3等と、ニッケル源となるNi(OH)2等と、それぞれコバルト源、アルミニウム源となるCo34、Al(OH)3等とを、目的とするリチウムニッケル複合酸化物の組成に応じた割合でそれぞれ混合し、酸素気流中あるいは空気中において、750〜900℃程度の温度で、12〜120時間程度の時間焼成することによって、合成することができる。
(3)リチウム二次電池の構成
本発明のリチウム二次電池は、上記リチウム遷移金属複合酸化物を正極活物質とした正極と、上記炭素物質混合物を負極活物質とした負極と、正極および負極との間に挟装されるセパレータ、非水電解液等を主要構成要素として構成することができる。
【0040】
(a)正極
正極は、正極活物質となる上記リチウム遷移金属複合酸化物の粉状体に導電材および結着剤を混合し、適当な溶剤を加えてペースト状の正極合材としたものを、アルミニウム等の金属箔製の集電体表面に塗布乾燥し、必要に応じて電極密度を高めるべく圧縮して形成することができる。導電材は、正極の電気伝導性を確保するためのものであり、カーボンブラック、アセチレンブラック、黒鉛等の炭素物質粉状体の1種又は2種以上を混合したものを用いることができる。結着剤は、活物質粒子および導電材粒子を繋ぎ止める役割を果たすものでポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、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を用いることができる。これら活物質、導電材、結着剤を分散させる溶剤としては、N−メチル−2−ピロリドン等の有機溶剤を用いることができる。
【0041】
(b)負極
負極は、負極活物質となる上記炭素物質混合物の粉状体に結着剤を混合し、溶剤として水を加えてペースト状にした負極合材を、銅等の金属箔集電体の表面に塗布乾燥し、必要に応じて電極密度を高めるべく圧縮して形成することができる。正極同様、結着剤には、ポリフッ化ビニリデン等の含フッ素樹脂を用いることができ、また、活物質、結着剤を分散させる溶剤としてN−メチル−2−ピロリドン等の有機溶剤を用いることができる。
【0042】
(c)セパレータ、非水電解液
正極および負極に挟装させるセパレータは、正極と負極とを分離し電解液を保持するものであり、ポリエチレン、ポリプロピレン等の薄い微多孔膜を用いることができる。
【0043】
非水電解液は、電解質としてのリチウム塩を有機溶媒に溶解させたものである。リチウム塩は有機溶媒に溶解することによって解離し、リチウムイオンとなって電解液中に存在する。使用できるリチウム塩としては、LiBF4、LiPF6、LiClO4、LiCF3SO3、LiAsF6、LiN(CF3SO22、LiN(C25SO22等が挙げられる。これらのリチウム塩は、それぞれ単独で用いてもよく、また、これらのもののうち2種以上のものを併用することもできる。
【0044】
リチウム塩を溶解させる有機溶媒には、非プロトン性の有機溶媒を用いる。例えば、環状カーボネート、鎖状カーボネート、環状エステル、環状エーテルあるいは鎖状エーテル等の1種または2種以上からなる混合溶媒を用いることができる。環状カーボネートの例示としてはエチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ビニレンカーボネート等が、鎖状カーボネートの例示としては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等が、環状エステルの例示としてはガンマブチロラクトン、ガンマバレロラクトン等が、環状エーテルの例示としてはテトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン等が、鎖状エーテルの例示としてはジメトキシエタン、エチレングリコールジメチルエーテル等がそれぞれ挙げられる。これらのもののうちいずれか1種を単独で用いることも、また2種以上を混合させて用いることもできる。
【0045】
なお、上記セパレータおよび非水電解液という構成に代えて、ポリエチレンオキシド等の高分子量ポリマーとLiClO4やLiN(CF3SO22等のリチウム塩を使用した高分子固体電解質を用いることもでき、また、上記非水電解液をポリアクリロニトリル等の固体高分子マトリクスにトラップさせたゲル電解質を用いることもできる。
【0046】
(d)その他
以上の構成要素によって構成される本発明のリチウム二次電池であるが、その形状は円筒型、積層型、コイン型等、種々のものとすることができる。いずれの形状を採る場合であっても、上記構成要素を電池ケースに収納し、正極集電体および負極集電体から外部に通ずる正極端子および負極端子までの間を集電用リード等を用いて接続し、電池ケースを密閉して電池系を外部と離隔し、リチウム二次電池が完成される。
(4)以上、本発明のリチウム二次電池の実施形態について、負極活物質となる炭素物質混合物、正極活物質となるリチウム遷移金属複合酸化物、それらを正極活物質および負極活物質に用いたリチウム二次電池の構成の項目に分けて説明したが、上述した実施形態は一実施形態にすぎず、本発明のリチウム二次電は、上記実施形態を始めとして、当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した種々の形態で実施することができる。
【0047】
【実施例】
上記実施形態に基づいて実際に本発明のリチウム二次電池を、実施例として、作製した。また、これと比較すべく、上記実施形態から外れる構成の炭素物質を負極活物質としたリチウム二次電池を、比較例として、作製した。そして、実施例および比較例のリチウム二次電池を充放電サイクル試験に供し、本発明のリチウム二次電池が耐久性に優れていることを確認した。以下、これらについて説明する。
(1)作製したリチウム二次電池
(a)実施例1
負極活物質となる炭素物質を、ホウ素を添加した非球晶黒鉛質材料と易黒鉛化性炭素材料との炭素物質混合物とした。黒鉛化材料は、ピッチに酸化ホウ素を所定量添加し、このピッチを窒素バブリング下400℃で5時間熱処理した後、アルゴン雰囲気下において3000℃で30分間焼成して製造したものを用いた。ホウ素の添加割合は、黒鉛質材料全体を100wt%とした場合における1wt%とした。この人造の黒鉛質材料は、その粒子形状が不定形をなし、平均粒径が約20μmであった。また、混合する易黒鉛化性炭素材料には、平均粒径約10μmのコークスを用いた。非球晶黒鉛質材料と易黒鉛化性炭素材料との混合比は、7:3とした。
【0048】
正極活物質となるリチウム遷移金属複合酸化物には、組成式LiNi0.85Co0.1Al0.052で表される規則配列層状岩塩構造のリチウムニッケル複合酸化物を用いた。このリチウムニッケル複合酸化物は、固相反応法で合成したものであり、1次粒子は平均粒径で約20μm、そのほとんどが0.8〜3μmの範囲にあり、そのような1次粒子が凝集して、平均粒径約13μmの2次粒子を形成する粒子構造を有するものである。
【0049】
正極は、まず、正極活物質となる上記リチウムニッケル複合酸化物85重量部に、導電材としてのアセチレンブラックを10重量部、結着剤としてのポリフッ化ビニリデンを5重量部混合し、溶剤として適量のN−メチル−2−ピロリドンを添加して、ペースト状の正極合材を調製し、次いで、このペースト状の正極合材を厚さ20μmのアルミニウム箔集電体の両面に塗布し、乾燥させ、その後ロールプレスにて圧縮し、正極合材の厚さが片面当たり40μmのシート状のものを作製した。このシート状の正極は54mm×450mmの大きさに裁断して用いた。
【0050】
対向させる負極は、まず、負極活物質となる上記炭素物質混合物の90重量部に、結着剤としてのポリフッ化ビニリデンを10重量部混合し、溶剤として適量のN−メチル−2−ピロリドンを添加し、ペースト状の負極合材を調製し、次いで、このペースト状の負極合材を厚さ10μmの銅箔集電体の両面に塗布し、乾燥させ、その後ロールプレスにて圧縮し、負極合材の厚さが片面当たり50μmのシート状のものを作製した。このシート状の負極は56mm×500mmの大きさに裁断して用いた。
【0051】
上記それぞれ正極および負極を、それらの間に厚さ25μm、幅58mmのポリエチレン製セパレータを挟んで捲回し、ロール状の電極体を形成した。そして、その電極体を18650型円筒形電池ケース(外径18mmφ、長さ65mm)に挿設し、非水電解液を注入し、その電池ケースを密閉して円筒型リチウム二次電池を作製した。なお、非水電解液は、エチレンカーボネートとジエチルカーボネートとを体積比で7:3に混合した混合溶媒に、LiPF6を1Mの濃度で溶解したものを用いた。このリチウム二次電池を、実施例1のリチウム二次電池とした。
【0052】
(b)実施例2
上記実施例1のリチウム二次電池において、負極活物質となる炭素物質混合物の混合比を変更したリチウム二次電池である。炭素物質混合物は、上記非球晶黒鉛質材料と上記易黒鉛化性炭素材料との混合比を、9:1とした。他の構成は実施例1のリチウム二次電池と同様とした。このリチウム二次電池を、実施例2のリチウム二次電池とした。
【0053】
(c)実施例3
上記実施例1のリチウム二次電池において、正極活物質となるリチウム遷移金属複合酸化物を変更したリチウム二次電池である。リチウム遷移金属複合酸化物には、組成式LiNi0.85Mn0.152で表される規則配列層状岩塩構造のリチウムニッケル複合酸化物を用いた。このリチウムニッケル複合酸化物は、固相反応法で合成したものであり、平均粒径で約1μmの1次粒子が凝集して、平均粒径約15μmの2次粒子を形成する粒子構造を有するものである。他の構成は実施例1のリチウム二次電池と同様とした。このリチウム二次電池を、実施例3のリチウム二次電池とした。
【0054】
(d)比較例1
上記実施例1のリチウム二次電池において、負極活物質となる炭素物質混合物のを構成する上記非球晶黒鉛化材料代えて、黒鉛化メソフェーズ小球体を主たる炭素物質として用いたリチウム二次電池である。粒子形状は略球形をなしており、平均粒径が約25μmであった。他の構成は実施例1のリチウム二次電池と同様とした。このリチウム二次電池を、比較例1のリチウム二次電池とした。
【0055】
(e)比較例2
上記実施例1のリチウム二次電池において、負極活物質となる炭素物質を易黒鉛化性炭素材料を混合せず、上記非球晶黒鉛化材料のみからなる炭素物質を負極活物質とするリチウム二次電池である。他の構成は実施例1のリチウム二次電池と同様とした。このリチウム二次電池を、比較例2のリチウム二次電池とした。
【0056】
(f)参考例
このリチウム二次電池は、耐久性悪化の主原因が正極活物質となるリチウム遷移金属複合酸化物の2次粒子の崩壊であることを実証するために作製したリチウム二次電池である。正極活物質となるリチウム遷移金属複合酸化物には、実施例1のリチウム二次電池における場合と同じ組成式LiNi0.85Co0.1Al0.052で表される規則配列層状岩塩構造のリチウムニッケル複合酸化物であるが、その粒子構造の異なるものを用いた。このリチウムニッケル複合酸化物は、固相反応法で合成したものであり、1次粒子は平均粒径で約0.15μm、そのほとんどが0.1〜0.2μmの範囲にあり、そのような1次粒子が凝集して、平均粒径約25μmの2次粒子を形成する粒子構造を有するものである。他の構成は実施例1のリチウム二次電池と同様とした。このリチウム二次電池を、参考例のリチウム二次電池とした。
(2)充放電サイクル試験
上記実施例、比較例、参考例のそれぞれのリチウム二次電池を充放電サイクル試験に供した。充放電サイクル試験は、リチウム二次電池の実使用温度範囲の上限と目される60℃の高温環境下で行った。その条件は、電流密度2mA/cm2の定電流で充電上限電圧4.1Vまで充電を行い、次いで電流密度2mA/cm2の定電流で放電下限電圧3.0Vまで放電を行う充放電を1サイクルとし、このサイクルを3000サイクル以上繰り返すものとした。そして、各サイクルにおける放電容量を測定するものとした。
【0057】
この充放電サイクル試験の結果として、下記表1に、それぞれのリチウム二次電池の正極活物質単位重量当たりの初期放電容量(1サイクル目の放電容量)および3000サイクル後の放電容量維持率(3000サイクル目の放電容量/初期放電容量×100%)を示す。また、図1には、実施例1および比較例1のリチウム二次電池の各サイクルにおける放電容量維持率をグラフにして示す。
【0058】
【表1】

Figure 0004547587
【0059】
(3)耐久性の評価
上記表1から明らかなように、易黒鉛化性炭素材料であるコークスを混合してない、つまり黒鉛質材料のみからなる炭素物質を負極活物質に用いた比較例3のリチウム二次電池は、極めて放電容量維持率が低く、サイクル特性が悪いものとなってる。また、易黒鉛化性炭素材料を混合した炭素物質混合物を負極活物質に用いた比較例1のリチウム二次電池であっても、主たる炭素物質として粒子が球形の黒鉛質材料を混合していることから、放電容量維持率はやはり低く、サイクル特性は良好ではない。
【0060】
これに対し、ホウ素を添加した非球晶黒鉛質材料と易黒鉛化性炭素材料とを混合した炭素物質混合物を負極活物質とする実施例のそれぞれのリチウム二次電池は、いずれも高い放電容量容量維持率を示し、サイクル特性の良好なリチウム二次電池となっている。図1は、サイクル劣化の違いを巧く示しており、この図からも実施例のリチウム二次電池が良好なサイクル特性を有することが判る。これらのことから、本発明のリチウム二次電池が耐久性に優れたリチウム二次電池となることが確認できる。なお、充放電サイクル試験が60℃という高温環境下で行われていることから、高温使用時の耐久性にも優れたリチウム二次電池であるといえる。
【0061】
炭素材料混合物における非球晶黒鉛質材料と易黒鉛化性炭素材料との混合比の異なる実施例1および実施例2のリチウム二次電池の両者を比較すれば、易黒鉛化性炭素材料であるコークスの混合比が大きい実施例1のリチウム二次電池のほうが、初期放電容量が小さくなるものの放電容量維持率において高い値を示すことが判る。したがって、この結果から、非球晶黒鉛質材料と易黒鉛化性炭素材料との混合比は、目的とするリチウム二次電池の特性に応じ、好適な範囲で任意に選択すればよいことが確認できる。
【0062】
正極活物質となるリチウムニッケル複合酸化物の組成の異なる実施例1および実施例3のリチウム二次電池の両者を比較すれば、Niサイトの一部をCoおよびAlで置換したものを用いた実施例1のリチウム二次電池のほうが、Mnで置換したものを用いた実施例2のリチウム二次電池より、初期放電容量および容量維持率の両者に優れていることが判る。このことから、より高い耐久性を有するリチウム二次電池とするためには、正極活物質となるリチウム遷移金属複合酸化物の組成についても考慮するのが望ましいことが確認できる。
【0063】
なお、微細な1次粒子が凝集して2次粒子を形成するリチウムニッケル複合酸化物を正極活物質用いた参考例のリチウム二次電池では、放電容量維持率が低いことが判る。このことから、サイクル劣化等の耐久性悪化の主要因の一つが、上述したようなリチウム遷移金属複合酸化物の2次粒子の崩壊にあることが確認できる。したがって、実施例のそれぞれのリチウム二次電池との比較からすれば、非球晶黒鉛質材料と易黒鉛化性炭素材料とを混合した炭素物質混合物を負極活物質とする本発明のリチウム二次電池は、通常充放電範囲におけるリチウムイオンの正負極間の移動を効果的に制限できることでこの2次粒子の崩壊が抑制され、耐久性の高いリチウム二次電池となることが確認できる。
【0064】
【発明の効果】
本発明は、リチウム遷移金属複合酸化物を正極活物質として用いた正極を有するリチウム二次電池を、対向する負極の負極活物質をホウ素を添加した非球晶黒鉛質材料と易黒鉛化性炭素材料とを混合した炭素物質混合物からなるように構成するものである。このような構成をもつ本発明のリチウム二次電池では、電池容量を大きく保ちつつ、通常充放電範囲におけるリチウムイオンの正負極間の移動を効果的に制限して、大量のリチウムの吸蔵・離脱に起因する正極活物質であるリチウム遷移金属複合酸化物の2次粒子粒子の崩壊を抑制することができる。したがって、本発明のリチウム二次電池は、サイクル特性等の耐久性の良好な二次電池となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 充放電サイクル試験の結果として、実施例1および比較例1のリチウム二次電池の各サイクルにおける放電容量維持率をグラフにして示す。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a lithium secondary battery using a lithium occlusion / desorption phenomenon, and more particularly to a lithium secondary battery excellent in durability.
[0002]
[Prior art]
With the miniaturization of personal computers, video cameras, mobile phones, etc., in the fields of information-related equipment and communication equipment, lithium secondary batteries have been put into practical use because of their high energy density as the power source used for these equipment. It has become widespread. On the other hand, in the field of automobiles, the development of electric vehicles has been urgently caused by environmental problems and resource problems, and lithium secondary batteries have been studied as power sources for the electric vehicles.
[0003]
Lithium secondary batteries are expensive compared to other secondary batteries, and therefore require excellent durability. In other words, the cycle characteristics such that the capacity does not extremely decrease even when the charge / discharge cycle is repeated, and the storage characteristics such that the capacity does not decrease even when left for a long time in the charged state are good. Is required. Furthermore, the requirement is particularly severe when the vehicle is placed in a harsh environment such as the above-described automobile power source.
[0004]
Lithium secondary batteries that are currently mainstream are LiCoO 2 The main components are a positive electrode using a lithium transition metal composite oxide as a positive electrode active material, a negative electrode using a carbon material as a negative electrode active material, and a non-aqueous electrolyte in which a lithium salt is dissolved in an organic solvent. Yes. Various technologies have been developed for each component aiming at improving durability.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
As a result of repeated experiments and researches on the durability of lithium secondary batteries, the present inventor is one of the main causes of deterioration of the durability of lithium secondary batteries. I arrived. In general, a lithium transition metal composite oxide serving as a positive electrode active material is a powdery body in which fine primary particles close to a single crystal are aggregated to form secondary particles, and the secondary particles become powder particles. The positive electrode is formed by binding such a lithium transition metal composite oxide together with a conductive material with a binder. Since the primary particles of the lithium transition metal composite oxide expand and contract with the insertion and extraction of lithium, the bonds are released at the grain boundaries of the primary particles aggregated by the stress generated in the secondary particles, Secondary particles collapse. The collapse of the secondary particles inhibits the electron conduction in the positive electrode, and the ratio of the lithium transition metal composite oxide used as the active material is reduced, so that the capacity of the lithium secondary battery is reduced. The above is one cause for deteriorating the durability found by the present inventors.
[0006]
In a lithium secondary battery, a carbon material is generally used as a negative electrode active material used for a negative electrode opposed to the positive electrode. Among various carbon materials, a graphite material having a high degree of crystallinity is preferably used because of its large theoretical capacity. Further, among graphite materials, mesophase small spheres having optical anisotropy obtained in the process of heating pitches at around 400 ° C. are sintered at a temperature of about 2800 ° C. (graphitized mesophase small). It is considered more suitable to use a sphere (MCMB). The reason for this is spherical particles, which contributes to an improvement in packing density, and in addition, the crystallites are arranged in a lamellar shape and the crystallite end faces are exposed on the entire surface of the particles, so lithium is occluded / desorbed. This is because the process is performed smoothly and the large current characteristics are also excellent.
[0007]
However, the present inventors have confirmed through experiments that when the lithium transition metal composite oxide is used as the positive electrode active material and the carbon material consisting only of the graphite material is used as the negative electrode active material, the durability is inferior. This is because the potential of the negative electrode becomes too low, the amount of lithium occluded / desorbed in the lithium transition metal composite oxide, which is the positive electrode active material, cannot be controlled, and this leads to the collapse of the secondary particles. It is done. And the present inventor has found that it is effective for improving the durability to increase the potential of the negative electrode by some means and to control the amount of lithium occluded / desorbed in the lithium transition metal composite oxide. Got.
[0008]
Further, according to experiments conducted by the present inventor, it has been clarified that durability, particularly storage characteristics, is deteriorated even when the spherulite artificial graphite is used as the negative electrode active material. The negative electrode is formed by binding a carbon material with a binder, and electrical conduction in the negative electrode is maintained by contact of the carbon material particles. When spherulite artificial graphite is used, the contact between the active material particles in the negative electrode is close to point contact due to its shape characteristics. Therefore, the volume change of the negative electrode active material accompanying the swelling of the negative electrode and the insertion / extraction of lithium cannot be followed, the contact between the active material particles is easily cut off, and the electrical conductivity in the negative electrode is lowered. This is considered to be a cause of a decrease in durability when spherulite artificial graphite is used as the negative electrode active material. And this inventor acquired the knowledge that optimizing the particle shape of the carbon substance used as a negative electrode active material is also effective in the improvement of durability.
[0009]
The present invention has been made based on the above knowledge, and in a lithium secondary battery using a lithium transition metal composite oxide as a positive electrode active material and a carbon material as a negative electrode active material, the cycle characteristics are improved by improving the negative electrode active material. An object of the present invention is to provide a lithium secondary battery excellent in durability such as storage characteristics.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
(1) The lithium secondary battery of the present invention is a carbon obtained by mixing a positive electrode using a lithium transition metal composite oxide as a positive electrode active material, a non-spherulitic graphite material added with boron, and a graphitizable carbon material. And a negative electrode using the material mixture as a negative electrode active material. In other words, the graphitic material that is the main carbon material is a graphitic material that is not carbonized as a carbon material that is supplementarily mixed with the graphitized material, while the particle shape is optimized and other elements are added separately. It is a lithium secondary battery using a mixture with a carbon material as a negative electrode active material.
[0011]
Graphite material has high crystallinity and has a clear stage in which lithium ions are occluded, so that lithium ions are occluded / desorbed smoothly, and has a low reaction potential and a large capacity for reversible charge / discharge. In contrast, graphitizable carbon materials are carbon materials typified by coke, etc., which are substances with low graphitization degree and low crystallinity, relatively high reaction potential and large irreversible capacity, but reversible. The capacity to store and desorb lithium ions is small. When used as a negative electrode active material, this carbon material mixture obtained by mixing two different types of carbon materials keeps the battery capacity large and effectively restricts the movement of lithium ions between the positive and negative electrodes in the normal charge / discharge range. Thus, the collapse of the secondary particle particles of the lithium transition metal composite oxide, which is the positive electrode active material, caused by the large amount of lithium insertion / extraction can be suppressed. Therefore, the lithium secondary battery of the present invention using such a carbon material mixture as the negative electrode active material is a secondary battery having good durability such as cycle characteristics.
[0012]
In addition, due to the irreversible capacity of the graphitizable carbon material, even when the secondary battery is once overcharged, it is possible to effectively prevent dendrite from being deposited on the negative electrode surface. The lithium secondary battery is excellent in safety.
[0013]
The graphite material has non-spherical particles. In other words, without using a graphitic material composed of spherical particles such as graphitized mesophase spherules, which is suitable in that occlusion / desorption of lithium ions can be performed smoothly, it is plate-shaped, square-shaped, imperfect. A graphite material composed of non-spherical particles such as regular shapes is used as the main carbon substance. When the negative electrode is formed of such a carbon material, the number of contact points between particles in the negative electrode increases, so that the electron conductivity in the negative electrode can be improved, that is, the negative electrode internal resistance can be reduced. Therefore, the lithium secondary battery of the present invention using a carbon material mixture containing a non-spherulitic graphite material as a constituent carbon material as a negative electrode active material is a lithium secondary battery having a large discharge capacity.
[0014]
In addition, the large number of contact points between particles in the negative electrode keeps the electric conductivity in the negative electrode high due to the swelling of the negative electrode and the volume change of the carbon material, which is the negative electrode active material accompanying the insertion and extraction of lithium. Therefore, it is possible to configure a lithium secondary battery that has good cycle characteristics and little capacity deterioration due to storage in a charged state, that is, good storage characteristics. That is, the lithium secondary battery of the present invention is a lithium secondary battery excellent in durability. In particular, the lithium secondary battery is excellent in durability at high temperatures because the function is sufficiently exhibited even in a high temperature environment where the battery reaction is activated.
[0015]
Furthermore, the non-spherulitic graphite material is one to which boron is added. Boron contributes to increasing the crystallinity of the graphite material. By adding boron and improving crystallinity, insertion / extraction of lithium to / from the graphite material becomes smooth. Therefore, the lithium secondary battery of the present invention using the carbon material mixed with the graphite material added with boron as the additive element as the negative electrode active material is a lithium secondary battery having a large capacity and excellent input / output characteristics.
(2) The lithium secondary battery of the present invention comprises a lithium transition metal composite oxide serving as a positive electrode active material and a composition formula LiNi x M1 y M2 z O 2 (M1 is at least one selected from Co and Mn; M2 is at least one selected from Al, B, Fe, Cr and Mg; x + y + z = 1; 0.5 <x <0.95; 0.01 <y <0.4; 0.001 <z <0.2) It can implement in the aspect made into the lithium nickel complex oxide of the regular arrangement layered rock salt structure represented.
[0016]
In the lithium secondary battery, various lithium transition metal composite oxides can be used as the positive electrode active material. At present, the basic composition is LiCoO. 2 It is an ordered array layered rock salt structure lithium cobalt complex oxide. However, in this lithium cobalt composite oxide, Co, which is the main constituent element, is extremely expensive, so a lithium secondary battery using this as a positive electrode active material must be expensive. The lithium secondary battery of this embodiment is an inexpensive lithium secondary battery by using a regularly arranged layered rock salt structure lithium nickel composite oxide whose main constituent element is relatively inexpensive Ni as the positive electrode active material.
[0017]
However, the lithium-nickel composite oxide has a drawback in that the volume change accompanying the insertion and extraction of lithium is large compared to the lithium-cobalt composite oxide, and the secondary particles are easily collapsed. Considering this point, it is possible to effectively limit the movement of lithium ions between the positive and negative electrodes in the normal charge / discharge range, and the lithium transition metal composite oxide, which is a positive electrode active material resulting from the insertion and extraction of a large amount of lithium. The negative electrode function of suppressing the collapse of the secondary particle particles is sufficiently exhibited. Therefore, combining the carbon material mixture with a negative electrode using a negative electrode active material provides a lithium secondary battery that can fully utilize the merit of improved durability.
[0018]
An ordered layered rock salt structure lithium nickel composite oxide has a basic composition of LiNiO. 2 However, in the lithium secondary battery of this embodiment, a part of the Ni site in the crystal structure is substituted with another element. The substitution by other elements is aimed at stabilizing the crystal structure of the lithium nickel composite oxide, and the lithium nickel composite oxide in which the Ni site is substituted is used as the positive electrode active material. The secondary battery is a lithium secondary battery with higher durability.
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, with respect to an embodiment of the lithium secondary battery of the present invention, a carbon material mixture serving as a negative electrode active material, a lithium transition metal composite oxide serving as a positive electrode active material, and a lithium secondary battery using these as a positive electrode active material and a negative electrode active material. Detailed description will be given in the order of the configuration of the next battery.
(1) Carbon material mixture
(A) Graphite material
The main carbon substance which comprises the carbon substance mixture used as the negative electrode active material of the lithium secondary battery of the present invention is a non-spherulitic graphite material to which boron is added. The artificial graphite material is a graphitizable carbon material (for example, coke, mesophase pitch-based carbon fiber, pyrolytic vapor-grown carbon fiber, etc.) made from pitches obtained from coal or petroleum. It can be manufactured by firing at a high temperature.
[0020]
The particles only need to be non-spherulitic, that is, they should not be graphite materials composed of spherical particles such as graphitized mesophase microspheres, and various artificial graphite materials can be used. Actually, according to experiments conducted by the present inventors, in a lithium secondary battery using graphitized mesophase spherules as a negative electrode active material, a charge / discharge cycle test at an environmental temperature of 60 ° C. was performed at a temperature of 20 ° C. As a result of being left for a week and then conducting a charge / discharge cycle test, the capacity drop was remarkable.
[0021]
Considering the boron addition described below, it is desirable that the graphite material has irregular particles obtained by heat-treating the pitch. Further, the graphite material is preferably crystallized in advance, and the interplanar spacing d in the crystal structure is a parameter indicating crystallization. 002 If d is adopted, d 002 A graphite material that satisfies ≦ 0.34 nm is desirable. Compared to this preferred range, d 002 This is because the irreversible capacity is increased and the utilization rate of lithium is decreased when the thickness is> 0.34 nm.
[0022]
Boron is added to the pitch during the production of artificial graphite. 2 O Three ). More specifically, for example, a predetermined amount of boron oxide is added to the pitch, and after heat treatment at a temperature of 300 to 700 ° C. for about 3 to 24 hours while bubbling with nitrogen gas, the inertness is obtained. A non-spherulitic graphite material to which boron is added can be produced by firing at a temperature of 2800 to 3000 ° C. for about 30 minutes to 24 hours in a gas atmosphere.
[0023]
The addition ratio of boron is desirably 0.05 to 10 wt% when the entire non-spherical graphitized material is 100 wt%. Compared to this preferred range, if it is less than 0.05 wt%, the graphitization is insufficient, that is, the crystallinity is poor, so the irreversible capacity increases, and if it exceeds 10 wt%, the crystal of the added boron This is because the strain is large and the number of stages in which lithium is occluded decreases, resulting in a decrease in capacity. In the case of the above manufacturing method, the predetermined amount of boron oxide added to the pitch may be 0.05 to 10 wt% in terms of boron. More desirably, the content is 0.1 to 5 wt%.
[0024]
The graphite material is desirably a powdery material having an average particle size of 5 μm or more and 50 μm or less. If it is less than 5 μm compared to this preferred range, the irreversible capacity of Li will increase when the battery is constructed, and if it exceeds 50 μm, the foil will be used when applying the negative electrode mixture in electrode preparation. This is because there is a high possibility that the current collector will be cut.
[0025]
(B) Easily graphitizable carbon material
The carbon material supplementarily mixed with the carbon material mixture that becomes the negative electrode active material of the lithium secondary battery of the present invention is an easily graphitizable carbon material. An easily graphitizable carbon material is a carbon material whose structure can be easily replaced by heat treatment, and means a carbon material that is easily graphitized by firing at a high temperature. Various materials such as coke, mesophase pitch carbon fiber, and pyrolytic vapor grown carbon fiber can be used. Desirably, the material is not graphitized, and the above-mentioned parameter is the surface spacing d. 002 If d is adopted, d 002 It is desirable that the graphitizable carbon material be ≧ 0.34 nm.
[0026]
Among various graphitizable carbon materials, it is desirable to use coke in the case of the lithium secondary battery of the present invention. Coke has the advantage of being extremely inexpensive. In addition, while graphite stores lithium in a stage between carbon nets, coke does not have a clear stage, so it is considered that there are more sites where lithium is stored than graphite. Although the amount of lithium that can be reversibly occluded / desorbed is small, it is a material with a high potential (irreversible) lithium occlusion capacity. Therefore, by limiting the movement of lithium ions between the positive and negative electrodes in the normal charge / discharge range, the collapse of the crystal structure of the lithium transition metal composite oxide, which is the positive electrode active material, is effectively suppressed, and the cycle characteristics of the lithium secondary battery The durability when the secondary battery is overcharged can also be improved.
[0027]
The graphitizable carbon material is desirably a powdery material having an average particle size of 1 μm or more and 50 μm or less. This is because, when the thickness is less than 1 μm, the irreversible capacity of Li increases when it is less than 1 μm, and when it exceeds 50 μm, the electron conductivity of the electrode decreases and the internal resistance of the battery increases.
[0028]
(C) Mixing of carbon materials
The mixing of the non-spherulitic graphite material to which boron is added and the graphitizable carbon material is not particularly limited, and for example, it may be sufficiently uniform using a device such as a ball mill or ultrasonic dispersion. You can go to
[0029]
The mixing ratio of the two is preferably such that the ratio of non-spherical graphite material: graphitizable carbon material = 9: 1 to 6: 4 in the weight ratio. This is because when the proportion of the non-spherical graphite material is too large as compared with this preferred range, the initial capacity is large but the cycle deterioration is large, and the effect of improving the durability cannot be sufficiently obtained. This is because when the ratio of the graphitizable carbon material is too large, the capacity of the lithium secondary battery itself is too low.
(2) Lithium transition metal composite oxide
(A) Composition and crystal structure
In the lithium secondary battery of the present invention, a lithium transition metal composite oxide is used as the positive electrode active material. Various lithium transition metal composite oxides exist depending on the type of transition metal and the crystal structure, and a known lithium transition metal oxide may be used as the positive electrode active material.
[0030]
From the viewpoint that a lithium secondary battery having a high battery voltage of 4V class can be constructed, the basic composition is LiCoO. 2 The ordered composition layered rock salt structure lithium cobalt composite oxide, the basic composition is LiNiO 2 A regularly arranged layered rock salt structure lithium nickel composite oxide with a basic composition of LiMnO 2 Layered rock salt structure lithium manganese composite oxide with basic composition LiMn 2 O Four It is desirable to use a spinel structure lithium manganese composite oxide. Among these, considering the advantages of large theoretical capacity and relatively low cost, the basic composition is LiNiO. 2 It is more desirable to use a lithium-nickel composite oxide with an ordered layered rock salt structure.
[0031]
Here, “the basic composition is assumed to be” means not only the composition represented by the composition formula but also a part of sites such as Li, Co, Ni, Mn, etc. in the crystal structure to other elements. It is meant to include those substituted with. Furthermore, it means that not only a stoichiometric composition but also a non-stoichiometric composition in which some elements are deficient or the like is included.
[0032]
The basic composition is LiNiO 2 When using a regularly arranged layered rock salt structure lithium nickel composite oxide, the composition is LiNi a M b O 2 (M is preferably at least one selected from Co, Mn, Al, B, Fe, Cr, and Mg; 0.5 <a <0.95; a + b = 1). And further, the composition formula LiNi x M1 y M2 z O 2 (M1 is at least one selected from Co and Mn; M2 is at least one selected from Al, B, Fe, Cr and Mg; x + y + z = 1; 0.5 <x <0.95; 0.01 <y <0.4; 0.001 <z <0.2) is more preferable.
[0033]
This LiNi x M1 y M2 z O 2 Is a part of the Ni site substituted by two or more elements of M1 and M2 having different roles. The ratio of Ni remaining without replacement, that is, the value of x in the composition formula is preferably 0.5 <x <0.95. Compared with this preferred range, when x ≦ 0.5, not only the layered rock salt structure but also the second phase such as the spinel structure is formed, and the capacity is too low. In the case of ≧ 0.95, the replacement effect is too small, and the intended battery with good durability cannot be constructed. In addition, it is more preferable to set it as the range of 0.7 <x <0.9.
[0034]
The element M1 selected from Co and Mn mainly serves to stabilize the crystal structure of the lithium nickel composite oxide. By stabilizing the crystal structure at M1, the cycle characteristics of the non-aqueous electrolyte secondary battery are kept good, and battery capacity deterioration due to charging / discharging at high temperature and storage at high temperature is suppressed. In order to sufficiently exhibit the effect of improving the cycle characteristics, it is desirable that the substitution ratio of M1, that is, the value of y in the composition formula is 0.01 <y <0.4. When y ≦ 0.01, the durability of the secondary battery is not sufficiently stabilized when y ≦ 0.01, and when y ≧ 0.4, lithium nickel composite The crystallinity of the oxide is undesirably lowered. It is more preferable that 0.05 <y <0.3. Further, in Co, capacity reduction due to element substitution is suppressed, and Li (Co, Ni) O 2 Is an all solid solution type and has the advantage of minimizing the decrease in crystallinity, so considering this, it is more desirable to use Co for M1.
[0035]
The element M2 selected from Al, B, Fe, Cr, and Mg plays a role of mainly suppressing the decomposition reaction of the active material accompanying oxygen release and improving the thermal stability. Because of this role, the substitution ratio of M2, that is, the value of z in the composition formula is preferably 0.001 <z <0.2. Compared to this preferred range, when z ≦ 0.001, a sufficient effect on safety cannot be obtained, and when z ≧ 0.2, the capacity of the positive electrode is reduced, which is not preferable. Note that 0.004 <z <0.1 is more preferable. Furthermore, since Al has the advantage of minimizing capacity reduction while improving thermal stability, it is more desirable to use Al for M2 in consideration of this.
[0036]
(B) Particle structure
Generally, a lithium transition metal composite oxide used as a positive electrode active material is in a powder form. In this case, in the powder particles, primary particles close to single crystals are aggregated to form secondary particles. The primary particle size and the secondary particle size also affect the durability of the lithium secondary battery. As described above, as one of the main causes for deteriorating the durability of the lithium secondary battery, the bond is broken at the grain boundary of the primary particles with the occlusion / desorption of lithium, and the secondary particles are collapsed. This phenomenon can be considered. It is considered that this phenomenon cannot be completely eliminated by the above means as long as the lithium transition metal composite oxide is used. Therefore, even when the secondary particles collapse, it is desirable to form secondary particles by aggregating a relatively small number of relatively large primary particles in order to suppress a decrease in electrical conductivity in the positive electrode.
[0037]
More specifically, the lithium transition metal composite oxide has a particle structure in which the average particle size of the primary particles is 0.5 to 10 μm and the average particle size of the secondary particles is 5 to 50 μm. A powdery body is desirable. If the average particle size of the secondary particles is less than 5 μm, compared to this preferred range, this paste is likely to gel when adjusting the paste-like positive electrode mixture, making it difficult to apply to the current collector, Further, if it exceeds 50 μm, it is difficult to produce a uniform electrode. When the average particle size of the primary particles is less than 0.5 μm, many small primary particles are aggregated, resulting in a large decrease in electron conductivity when the secondary particles are collapsed. This is because the secondary particles also become large and it is difficult to produce a uniform electrode.
[0038]
(C) Synthesis method
The method of synthesizing the lithium transition metal composite oxide is not particularly limited, and may be synthesized by various methods such as a solid phase reaction method, a method of firing it after precipitation from a solution, a spray combustion method, a molten salt method, and the like. Can do.
[0039]
For example, the composition formula LiNi x Co y Al z O 2 LiOH · H used as a lithium source in the case of producing a lithium nickel composite oxide with a regularly arranged layered rock salt structure represented by the solid phase reaction method 2 O, Li 2 CO Three And Ni (OH) as a nickel source 2 Etc., Co to be a cobalt source and an aluminum source, respectively. Three O Four , Al (OH) Three Are mixed in proportions according to the composition of the target lithium nickel composite oxide and fired at a temperature of about 750 to 900 ° C. for about 12 to 120 hours in an oxygen stream or in air. Can be synthesized.
(3) Configuration of lithium secondary battery
The lithium secondary battery of the present invention includes a positive electrode using the lithium transition metal composite oxide as a positive electrode active material, a negative electrode using the carbon material mixture as a negative electrode active material, and a separator sandwiched between the positive electrode and the negative electrode In addition, a nonaqueous electrolytic solution or the like can be configured as a main component.
[0040]
(A) Positive electrode
A positive electrode is a mixture of a conductive material and a binder mixed with the above lithium transition metal composite oxide powder that becomes a positive electrode active material, and an appropriate solvent is added to form a paste-like positive electrode mixture such as aluminum. It can be formed by applying and drying on the surface of a current collector made of metal foil and, if necessary, compressing to increase the electrode density. The conductive material is for ensuring the electrical conductivity of the positive electrode, and a mixture of one or two or more carbon material powders such as carbon black, acetylene black, and graphite can be used. The binder plays a role of connecting the active material particles and the conductive material particles, and a fluororesin such as polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, and fluororubber, and a thermoplastic resin such as polypropylene and polyethylene can be used. . An organic solvent such as N-methyl-2-pyrrolidone can be used as a solvent for dispersing these active material, conductive material, and binder.
[0041]
(B) Negative electrode
The negative electrode is prepared by mixing a binder into a powdery body of the above carbon material mixture that becomes a negative electrode active material, and adding a paste as a solvent to the surface of a metal foil current collector such as copper. It can be formed by applying and drying, and compressing to increase the electrode density as necessary. As with the positive electrode, a fluorine-containing resin such as polyvinylidene fluoride can be used as the binder, and an organic solvent such as N-methyl-2-pyrrolidone is used as a solvent for dispersing the active material and the binder. Can do.
[0042]
(C) Separator, non-aqueous electrolyte
The separator sandwiched between the positive electrode and the negative electrode separates the positive electrode and the negative electrode and holds the electrolytic solution, and a thin microporous film such as polyethylene or polypropylene can be used.
[0043]
The nonaqueous electrolytic solution is obtained by dissolving a lithium salt as an electrolyte in an organic solvent. The lithium salt is dissociated by dissolving in an organic solvent, and becomes lithium ions and exists in the electrolytic solution. LiBF that can be used is LiBF Four , LiPF 6 LiClO Four , LiCF Three SO Three , LiAsF 6 , LiN (CF Three SO 2 ) 2 , LiN (C 2 F Five SO 2 ) 2 Etc. These lithium salts may be used alone, or two or more of these may be used in combination.
[0044]
As the organic solvent for dissolving the lithium salt, an aprotic organic solvent is used. For example, a mixed solvent composed of one or more of cyclic carbonate, chain carbonate, cyclic ester, cyclic ether, chain ether and the like can be used. Examples of cyclic carbonates are ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, vinylene carbonate, etc., examples of chain carbonates are dimethyl carbonate, diethyl carbonate, methyl ethyl carbonate, etc., examples of cyclic esters are gamma butyrolactone, gamma valero. Examples of lactones include cyclic ethers such as tetrahydrofuran and 2-methyltetrahydrofuran, and examples of chain ethers include dimethoxyethane and ethylene glycol dimethyl ether. Any one of these may be used alone, or two or more may be mixed and used.
[0045]
Instead of the separator and the non-aqueous electrolyte, a high molecular weight polymer such as polyethylene oxide and LiClO are used. Four And LiN (CF Three SO 2 ) 2 It is also possible to use a solid polymer electrolyte using a lithium salt such as a gel electrolyte, or a gel electrolyte obtained by trapping the non-aqueous electrolyte in a solid polymer matrix such as polyacrylonitrile.
[0046]
(D) Other
The lithium secondary battery of the present invention constituted by the above-described constituent elements can have various shapes such as a cylindrical type, a laminated type, and a coin type. Regardless of the shape, the above components are housed in a battery case, and a current collecting lead or the like is used between the positive electrode current collector and the negative electrode current collector to the positive electrode terminal and the negative electrode terminal. The battery case is sealed and the battery system is separated from the outside to complete the lithium secondary battery.
(4) As mentioned above, about embodiment of the lithium secondary battery of this invention, the carbon material mixture used as a negative electrode active material, the lithium transition metal complex oxide used as a positive electrode active material, and these were used for the positive electrode active material and the negative electrode active material. Although the description is divided into the configuration items of the lithium secondary battery, the embodiment described above is only one embodiment, and the lithium secondary battery of the present invention is based on the knowledge of those skilled in the art including the above embodiment. It can be implemented in various forms with various changes and improvements.
[0047]
【Example】
The lithium secondary battery of the present invention was actually produced as an example based on the above embodiment. In addition, in order to compare with this, a lithium secondary battery using a carbon material having a configuration deviating from the above embodiment as a negative electrode active material was produced as a comparative example. And the lithium secondary battery of the Example and the comparative example was used for the charging / discharging cycle test, and it confirmed that the lithium secondary battery of this invention was excellent in durability. Hereinafter, these will be described.
(1) Produced lithium secondary battery
(A) Example 1
The carbon material used as the negative electrode active material was a carbon material mixture of a non-spherulitic graphite material to which boron was added and a graphitizable carbon material. The graphitized material was prepared by adding a predetermined amount of boron oxide to pitch, heat-treating this pitch at 400 ° C. for 5 hours under nitrogen bubbling, and then firing it at 3000 ° C. for 30 minutes in an argon atmosphere. The addition ratio of boron was 1 wt% when the entire graphite material was 100 wt%. This artificial graphite material had an irregular particle shape and an average particle diameter of about 20 μm. Further, coke having an average particle diameter of about 10 μm was used as the easily graphitizable carbon material to be mixed. The mixing ratio of the non-spherical graphite material and the easily graphitizable carbon material was 7: 3.
[0048]
The lithium transition metal composite oxide used as the positive electrode active material includes a composition formula LiNi 0.85 Co 0.1 Al 0.05 O 2 A lithium nickel composite oxide with an ordered layered rock salt structure represented by This lithium nickel composite oxide is synthesized by a solid phase reaction method, and the primary particles have an average particle diameter of about 20 μm, most of which are in the range of 0.8 to 3 μm. It has a particle structure that aggregates to form secondary particles having an average particle size of about 13 μm.
[0049]
First, the positive electrode active material is mixed with 85 parts by weight of the lithium nickel composite oxide, 10 parts by weight of acetylene black as a conductive material, and 5 parts by weight of polyvinylidene fluoride as a binder, and an appropriate amount as a solvent. N-methyl-2-pyrrolidone was added to prepare a paste-like positive electrode mixture, and then this paste-like positive electrode mixture was applied to both sides of an aluminum foil current collector having a thickness of 20 μm and dried. Thereafter, the sheet was compressed by a roll press to produce a sheet-like material having a positive electrode mixture thickness of 40 μm per side. This sheet-like positive electrode was cut into a size of 54 mm × 450 mm and used.
[0050]
For the negative electrode to be opposed, first, 90 parts by weight of the above carbon material mixture serving as the negative electrode active material is mixed with 10 parts by weight of polyvinylidene fluoride as a binder, and an appropriate amount of N-methyl-2-pyrrolidone is added as a solvent. The paste-like negative electrode mixture is then applied to both sides of a 10 μm thick copper foil current collector, dried, and then compressed by a roll press. A sheet having a thickness of 50 μm per side was prepared. This sheet-like negative electrode was cut into a size of 56 mm × 500 mm and used.
[0051]
Each of the positive electrode and the negative electrode was wound with a polyethylene separator having a thickness of 25 μm and a width of 58 mm interposed therebetween to form a roll-shaped electrode body. Then, the electrode body was inserted into a 18650 type cylindrical battery case (outer diameter 18 mmφ, length 65 mm), a non-aqueous electrolyte was injected, and the battery case was sealed to produce a cylindrical lithium secondary battery. . The non-aqueous electrolyte is LiPF in a mixed solvent in which ethylene carbonate and diethyl carbonate are mixed at a volume ratio of 7: 3. 6 Was dissolved at a concentration of 1M. This lithium secondary battery was referred to as the lithium secondary battery of Example 1.
[0052]
(B) Example 2
The lithium secondary battery of Example 1 is a lithium secondary battery in which the mixing ratio of the carbon material mixture serving as the negative electrode active material is changed. In the carbon substance mixture, the mixing ratio of the non-spherical graphite material and the graphitizable carbon material was 9: 1. Other configurations were the same as those of the lithium secondary battery of Example 1. This lithium secondary battery was referred to as the lithium secondary battery of Example 2.
[0053]
(C) Example 3
The lithium secondary battery of Example 1 is a lithium secondary battery in which a lithium transition metal composite oxide serving as a positive electrode active material is changed. The lithium transition metal composite oxide has a composition formula LiNi 0.85 Mn 0.15 O 2 A lithium nickel composite oxide with an ordered layered rock salt structure represented by This lithium nickel composite oxide is synthesized by a solid phase reaction method, and has a particle structure in which primary particles having an average particle diameter of about 1 μm aggregate to form secondary particles having an average particle diameter of about 15 μm. Is. Other configurations were the same as those of the lithium secondary battery of Example 1. This lithium secondary battery was referred to as the lithium secondary battery of Example 3.
[0054]
(D) Comparative Example 1
In the lithium secondary battery of Example 1, a lithium secondary battery using graphitized mesophase microspheres as the main carbon material instead of the non-spherulitic graphitized material constituting the carbon material mixture as the negative electrode active material. is there. The particle shape was substantially spherical, and the average particle size was about 25 μm. Other configurations were the same as those of the lithium secondary battery of Example 1. This lithium secondary battery was used as the lithium secondary battery of Comparative Example 1.
[0055]
(E) Comparative Example 2
In the lithium secondary battery of Example 1 above, the lithium secondary battery in which the carbon material that is the negative electrode active material is not mixed with the graphitizable carbon material, and the carbon material that is made of only the non-spherulitic graphitized material is the negative electrode active material. Next battery. Other configurations were the same as those of the lithium secondary battery of Example 1. This lithium secondary battery was used as the lithium secondary battery of Comparative Example 2.
[0056]
(F) Reference example
This lithium secondary battery is a lithium secondary battery manufactured in order to demonstrate that the main cause of deterioration in durability is the collapse of secondary particles of a lithium transition metal composite oxide that becomes a positive electrode active material. The lithium transition metal composite oxide serving as the positive electrode active material has the same composition formula LiNi as in the lithium secondary battery of Example 1. 0.85 Co 0.1 Al 0.05 O 2 A lithium nickel composite oxide with a regular array layered rock salt structure represented by: This lithium nickel composite oxide is synthesized by a solid phase reaction method, and the primary particles have an average particle size of about 0.15 μm, most of which are in the range of 0.1 to 0.2 μm. It has a particle structure in which primary particles aggregate to form secondary particles having an average particle size of about 25 μm. Other configurations were the same as those of the lithium secondary battery of Example 1. This lithium secondary battery was used as a lithium secondary battery of a reference example.
(2) Charge / discharge cycle test
Each of the lithium secondary batteries of the above Examples, Comparative Examples, and Reference Examples was subjected to a charge / discharge cycle test. The charge / discharge cycle test was performed in a high temperature environment of 60 ° C., which is regarded as the upper limit of the actual use temperature range of the lithium secondary battery. The condition is that the current density is 2 mA / cm. 2 The battery is charged to a charging upper limit voltage of 4.1 V at a constant current of 2 mA / cm 2 Charging / discharging for discharging to a discharge lower limit voltage of 3.0 V at a constant current of 1 cycle was defined as 1 cycle, and this cycle was repeated 3000 cycles or more. The discharge capacity in each cycle was measured.
[0057]
As a result of this charge / discharge cycle test, the following Table 1 shows the initial discharge capacity per unit weight of the positive electrode active material (discharge capacity at the first cycle) and the discharge capacity maintenance rate after 3000 cycles (3000). Cycle discharge capacity / initial discharge capacity × 100%). FIG. 1 is a graph showing the discharge capacity maintenance ratio in each cycle of the lithium secondary batteries of Example 1 and Comparative Example 1.
[0058]
[Table 1]
Figure 0004547587
[0059]
(3) Durability evaluation
As is clear from Table 1 above, the lithium secondary battery of Comparative Example 3 in which coke, which is an easily graphitizable carbon material, is not mixed, that is, a carbon material made of only a graphite material is used as the negative electrode active material. The discharge capacity retention rate is extremely low, and the cycle characteristics are poor. Further, even in the lithium secondary battery of Comparative Example 1 using a carbon material mixture in which an easily graphitizable carbon material is mixed as a negative electrode active material, a graphite material having spherical particles as a main carbon material is mixed. Therefore, the discharge capacity maintenance rate is still low, and the cycle characteristics are not good.
[0060]
On the other hand, each of the lithium secondary batteries of the examples in which the carbon material mixture obtained by mixing the non-spherulitic graphite material added with boron and the easily graphitizable carbon material is used as the negative electrode active material has a high discharge capacity. The lithium secondary battery has a capacity retention rate and good cycle characteristics. FIG. 1 skillfully shows the difference in cycle deterioration, and it can be seen from this figure that the lithium secondary battery of the example has good cycle characteristics. From these things, it can confirm that the lithium secondary battery of this invention turns into a lithium secondary battery excellent in durability. In addition, since the charge / discharge cycle test is performed in a high temperature environment of 60 ° C., it can be said that the lithium secondary battery is excellent in durability at high temperature use.
[0061]
Comparing the lithium secondary batteries of Example 1 and Example 2 having different mixing ratios of the non-spherulitic graphite material and the easily graphitizable carbon material in the carbon material mixture, it is an easily graphitizable carbon material. It can be seen that the lithium secondary battery of Example 1 having a larger coke mixing ratio shows a higher value in the discharge capacity retention ratio although the initial discharge capacity is smaller. Therefore, from this result, it is confirmed that the mixing ratio of the non-spherulitic graphite material and the graphitizable carbon material may be arbitrarily selected within a suitable range according to the characteristics of the target lithium secondary battery. it can.
[0062]
Comparing both the lithium secondary batteries of Example 1 and Example 3 having different compositions of the lithium nickel composite oxide serving as the positive electrode active material, an example in which a part of the Ni site was replaced with Co and Al was used. It can be seen that the lithium secondary battery of Example 1 is superior in both the initial discharge capacity and the capacity retention rate than the lithium secondary battery of Example 2 using the one substituted with Mn. From this, it can be confirmed that in order to obtain a lithium secondary battery having higher durability, it is desirable to consider the composition of the lithium transition metal composite oxide serving as the positive electrode active material.
[0063]
In addition, it can be seen that the lithium secondary battery of the reference example using the lithium nickel composite oxide in which fine primary particles aggregate to form secondary particles uses a positive electrode active material has a low discharge capacity retention rate. From this, it can be confirmed that one of the main causes of durability deterioration such as cycle deterioration is the collapse of the secondary particles of the lithium transition metal composite oxide as described above. Therefore, according to the comparison with each lithium secondary battery of the example, the lithium secondary battery of the present invention using a carbon substance mixture obtained by mixing a non-spherulitic graphite material and a graphitizable carbon material as the negative electrode active material. It can be confirmed that the battery can effectively limit the movement of lithium ions between the positive and negative electrodes in the normal charge / discharge range, so that the secondary particles are prevented from collapsing and become a highly durable lithium secondary battery.
[0064]
【The invention's effect】
The present invention relates to a lithium secondary battery having a positive electrode using a lithium transition metal composite oxide as a positive electrode active material, a non-spherulitic graphitic material to which boron is added as a negative electrode active material of an opposing negative electrode, and graphitizable carbon. It comprises so that it may consist of a carbon substance mixture which mixed material. In the lithium secondary battery of the present invention having such a configuration, a large amount of lithium is occluded / released by effectively restricting the movement of the lithium ion between the positive and negative electrodes in the normal charge / discharge range while keeping the battery capacity large. The secondary particle particles of the lithium transition metal composite oxide that is the positive electrode active material resulting from the above can be prevented from collapsing. Therefore, the lithium secondary battery of the present invention is a secondary battery having good durability such as cycle characteristics.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows, as a graph, discharge capacity retention rates in respective cycles of lithium secondary batteries of Example 1 and Comparative Example 1 as a result of a charge / discharge cycle test.

Claims (2)

リチウム遷移金属複合酸化物を正極活物質として用いた正極と、
ホウ素を添加した非球晶黒鉛質材料と易黒鉛化性炭素材料とを混合した炭素物質混合物を負極活物質として用いた負極とを、
備えてなるリチウム二次電池。
A positive electrode using a lithium transition metal composite oxide as a positive electrode active material;
A negative electrode using, as a negative electrode active material, a carbon material mixture obtained by mixing a non-spherulitic graphite material added with boron and an easily graphitizable carbon material;
A lithium secondary battery provided.
前記リチウム遷移金属複合酸化物は、組成式LiNixM1yM2z2(M1はCo、Mnから選ばれる少なくとも1種;M2はAl、B、Fe、Cr、Mgから選ばれる少なくとも1種;x+y+z=1;0.5<x<0.95;0.01<y<0.4;0.001<z<0.2)で表される規則配列層状岩塩構造のリチウムニッケル複合酸化物である請求項1に記載のリチウム二次電池。The lithium transition metal composite oxide, the composition formula LiNi x M1 y M2 z O 2 (M1 is Co, at least one selected from Mn; at least one M2 is selected Al, B, Fe, Cr, from Mg; x + y + z = 1; 0.5 <x <0.95; 0.01 <y <0.4; 0.001 <z <0.2) The lithium secondary battery according to claim 1.
JP2000176885A 2000-06-13 2000-06-13 Lithium secondary battery Expired - Fee Related JP4547587B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2000176885A JP4547587B2 (en) 2000-06-13 2000-06-13 Lithium secondary battery

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2000176885A JP4547587B2 (en) 2000-06-13 2000-06-13 Lithium secondary battery

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2001357885A JP2001357885A (en) 2001-12-26
JP4547587B2 true JP4547587B2 (en) 2010-09-22

Family

ID=18678550

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2000176885A Expired - Fee Related JP4547587B2 (en) 2000-06-13 2000-06-13 Lithium secondary battery

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP4547587B2 (en)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009070598A (en) * 2007-09-11 2009-04-02 Hitachi Vehicle Energy Ltd Lithium secondary battery
JP6639889B2 (en) * 2015-12-10 2020-02-05 日立オートモティブシステムズ株式会社 Rechargeable battery
CN111244398A (en) * 2018-11-28 2020-06-05 上海杉杉科技有限公司 Composite graphite negative electrode material, lithium ion battery, preparation method and application
CN119725497A (en) * 2025-01-03 2025-03-28 万向一二三股份公司 A doped graphite negative electrode material and its preparation method and application

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10188958A (en) * 1996-12-21 1998-07-21 Toyota Central Res & Dev Lab Inc Negative electrode for lithium secondary battery
JPH10334888A (en) * 1997-05-29 1998-12-18 Ricoh Co Ltd Negative electrode for non-aqueous electrolyte secondary battery and non-aqueous electrolyte secondary battery using the negative electrode
JPH1167215A (en) * 1997-08-22 1999-03-09 Ricoh Co Ltd Non-aqueous electrolyte secondary battery
JPH1173964A (en) * 1997-08-29 1999-03-16 Ricoh Co Ltd Non-aqueous electrolyte secondary battery
JPH11339798A (en) * 1998-05-25 1999-12-10 Kawasaki Steel Corp Method for producing carbon material for secondary battery negative electrode and obtained carbon material

Also Published As

Publication number Publication date
JP2001357885A (en) 2001-12-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9065116B2 (en) Lithium secondary battery positive electrode and lithium secondary battery
JP4963330B2 (en) Lithium iron composite oxide for positive electrode active material of lithium secondary battery, method for producing the same, and lithium secondary battery using the same
KR102321261B1 (en) Negative electrode active material for lithium secondary battery and lithium secondary battery comprising the same
JP4186507B2 (en) Carbon-containing lithium iron composite oxide for positive electrode active material of lithium secondary battery and method for producing the same
CN105280880B (en) Positive electrode for non-aqueous electrolyte secondary battery, non-aqueous electrolyte secondary battery, and system thereof
JP2020518960A (en) Positive electrode active material, method for producing the same, and lithium secondary battery including the same
JP4734684B2 (en) Positive electrode active material for lithium secondary battery, method for producing the same, lithium secondary battery using the same, and aging treatment method for the secondary battery
JP2000294240A (en) Lithium composite oxide for positive electrode active material of lithium secondary battery and lithium secondary battery using the same
JP2001126733A (en) Non-aqueous electrolyte battery
JP4752085B2 (en) Negative electrode for lithium secondary battery
JP2000340262A (en) Aging treatment method for lithium secondary battery
JP4650774B2 (en) Lithium nickel composite oxide for positive electrode active material of lithium secondary battery and lithium secondary battery using the same
JP5586116B2 (en) Positive electrode mixture for lithium secondary battery and use thereof
US7655356B2 (en) Nonaqueous electrolyte secondary battery
JP2000200624A (en) Non-aqueous electrolyte secondary battery
JP2000260479A (en) Lithium ion secondary battery
JP2002151154A (en) Lithium secondary battery
JP2002128526A (en) Lithium transition metal composite oxide for positive electrode active material of lithium secondary battery and lithium secondary battery using the same
JP2000268878A (en) Lithium ion secondary battery
JP4547587B2 (en) Lithium secondary battery
JP2005056581A (en) Non-aqueous electrolyte secondary battery carbon material and non-aqueous electrolyte secondary battery using the same
JP4581196B2 (en) Positive electrode for lithium secondary battery
JP5189466B2 (en) Lithium secondary battery
JP2001110424A (en) Lithium secondary battery positive electrode conductive material and positive electrode for lithium secondary battery using the same as conductive material
JP2007031233A (en) Method for producing graphite material

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20070420

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20100120

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20100610

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20100623

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130716

Year of fee payment: 3

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130716

Year of fee payment: 3

S531 Written request for registration of change of domicile

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313532

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130716

Year of fee payment: 3

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130716

Year of fee payment: 3

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140716

Year of fee payment: 4

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees