JP6315998B2 - 負極及び非水電解質電池 - Google Patents
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第1の実施形態によると、負極が提供される。この負極は負極材料層を具備する。この負極材料層は、複数の負極活物質粒子と、第2の導電助剤とを含む。複数の負極活物質粒子のそれぞれは、単斜晶型ニオブチタン複合酸化物粒子と、単斜晶型ニオブチタン複合酸化物粒子の表面の少なくとも一部に接した第1の導電助剤とを含む。第2の導電助剤は、第1の導電助剤に接している。第2の導電助剤は、負極活物質粒子間に配されている。第1の導電助剤は、負極材料層からラマン分光法により得られるラマンスペクトルにおいて、1300cm-1〜1400cm-1の振動数領域内に現れるDバンドと、1550cm-1〜1650cm-1の振動数領域内に現れるGバンドとを有する。また、第1の導電助剤は、このラマンスペクトルにおいて、Gバンドのピーク強度のDバンドのピーク強度に対する比が0.5〜1.3の範囲内にある。第2の導電助剤は、負極材料層からラマン分光法により得られるラマンスペクトルにおいて、1300cm-1〜1400cm-1の振動数領域内に現れるDバンドと、1550cm-1〜1650cm-1の振動数領域内に現れるGバンドとを有する。第2の導電助剤は、このラマンスペクトルにおいて、Gバンドのピーク強度のDバンドのピーク強度に対する比が1.5〜10の範囲内にある。
第2の実施形態によると、非水電解質電池が提供される。この非水電解質電池は、負極と、正極と、非水電解質とを具備する。負極は、第1の実施形態に係る負極である。
負極の各材料としては、第1の実施形態の説明で述べたものを用いることができる。
正極活物質としては、例えば、酸化物、硫化物、又はポリマーを用いることができる。酸化物及び硫化物の例には、リチウムを吸蔵する二酸化マンガン(MnO2)、酸化鉄、酸化銅、酸化ニッケル、リチウムマンガン複合酸化物(例えば、LixMn2O4またはLixMnO2)、リチウムニッケル複合酸化物(例えば、LixNiO2)、リチウムコバルト複合酸化物(例えば、LixCoO2)、リチウムニッケルコバルト複合酸化物(例えば、LiNi1-yCoyO2)、リチウムマンガンコバルト複合酸化物(例えば、LixMnyCo1-yO2)、スピネル構造を有するリチウムマンガンニッケル複合酸化物(例えば、LixMn2-yNiyO4)、オリビン構造を有するリチウムリン酸化物(例えば、LixFePO4、LixFe1-yMnyPO4、LixCoPO4)、硫酸鉄[Fe2(SO4)3]、バナジウム酸化物(例えば、V2O5)、及び、リチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物が含まれる。ここで、0<x≦1であり、0<y≦1である。活物質として、これらの化合物を単独で用いてもよく、或いは、複数の化合物を組合せて用いてもよい。
セパレータは、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、セルロース、またはポリフッ化ビニリデン(PVdF)を含む多孔質フィルム、または、合成樹脂製不織布から形成されてよい。ポリエチレン又はポリプロピレンから形成された多孔質フィルムは、一定温度において溶融して、電流を遮断することが可能である。よって、それらのフィルムを用いる非水電解質電池は、安全性を更に向上できる。
外装部材として、ラミネートフィルム製容器又は金属製容器を用いることができる。外装部材の形状は、扁平型(薄型)、角型、円筒型、コイン型、ボタン型、シート型、又は積層型であってよい。外装部材の形状及び大きさは電池寸法に応じて任意に設計できる。例えば、携帯用電子機器等に積載される小型電池用外装部材、又は、二輪乃至四輪の自動車等に積載される大型電池用外装部材が使用される。
負極端子は、アルミニウム、又は、Mg、Ti、Zn、Mn、Fe、Cu、又はSiから選択される少なくとも一つの元素を含有するアルミニウム合金から形成することができる。負極集電体との接触抵抗を低減するために、負極端子は負極集電体と同様の材料から形成されることが好ましい。
正極端子は、アルミニウム、又は、Mg、Ti、Zn、Ni、Cr、Mn、Fe、Cu、又はSiから選択される少なくとも一つの元素を含有するアルミニウム合金から形成されることが好ましい。正極集電体との接触抵抗を低減するために、正極端子は正極集電体と同様の材料から形成されることが好ましい。
非水電解質としては、液状非水電解質又はゲル状非水電解質を用いることができる。液状非水電解質は、電解質を非水溶媒中に溶解させることにより調製される。ゲル状非水電解質は、液状電解質と高分子材料とを複合化することにより調製される。
以下、実施例に基づいて上記実施形態をさらに詳細に説明する。
実施例1では、図3及び図4に示す非水電解質電池1を以下のようにして製造した。
まず、一般式Lix M1M22O7±δ(0≦x≦5、0≦δ≦0.3)で表される単斜晶型複合酸化物のうち、x=0、M1=Ti、M2=NbであるTiNb2O7を合成し
た。
熱分解重量法によって、負極活物質粒子53中の炭素51の含有量は、TiNb2O7粒子50の重量100部に対し、3.4部であることを確認した。
正極活物質としてリチウムニッケルコバルト酸化物(LiNi0.8Co0.2O2)の粉末を用いた。この正極活物質を91重量%の割合で含み、アセチレンブラックを2.5重量%及びグラファイトを3重量%の割合で含み且つポリフッ化ビニリデン(PVdF)を3.5重量%の割合で含む正極合剤を調製した。この正極合剤をNMPに加えて、正極作製用スラリーを調製した。
上記のように作製した正極4と、厚さ20μmのポリエチレン製多孔質フィルムからなるセパレータ6と、上記のように作製した負極5と、もう一枚のセパレータ6とをこの順序で積層させて、積層体を得た。この際、図2に示すように、正極4の正極材料層4aと負極5の負極材料層5aとが、セパレータ6を介して対向するように積層させた。この積層体を、負極5が最外周に位置するように渦巻き状に捲回して電極群アセンブリを作製した。これを90℃で加熱プレスすることにより、図3に示すような、幅38mm、高さ78mm、厚さ2.0mmの偏平状電極群3を作製した。
次に、ラミネートフィルムからなる外装部材2を用意した。ラミネートフィルムは、厚さが40μmのアルミニウム箔とその両面に形成されたポリプロピレン層とで構成され、厚さは0.1mmであった。
エチレンカーボネート(EC)とメチルエチルカーボネート溶媒(EMC)とを1:2の体積比となるよう混合し、混合溶媒を調製した。
電極群3を収容した外装部材2内に、上記のように調製した非水電解液を注入して封入した。かくして、電池ユニット1を作製した。
電池ユニット1を、0.2Cレートで電池電圧が3.2Vになるまで充電し、そのまま3.2Vで3時間放置した。このときの状態の電池ユニット1の充電率を100%、すなわち満充電とした。また、そのときの充電容量を初回充電容量とした。その後、非水電解質電池1を0.2Cレートで電池電圧が1.2Vになるまで放電した。この時の放電容量を初回放電容量とした。更に初回放電容量を初回充電容量で除したものを初回充放電効率とした。その後、再度充電して充電率を50%に調整し、非水電解質電池1を完成させた。
初回放電容量を測定後、非水電解質電池1を30℃環境で、満充電になるまで充電した。電池を30分間放置し、5Cレートで1.2Vになるまで放電した。この時の放電容量を初回放電容量で除したものをレート特性とした。
レート特性を評価後、非水電解質電池1を30℃環境で、充放電を繰り返しサイクル特性を測定した。充電は1Cレートで3.2Vになるまで充電し、そのまま3.2Vで1時間放置した。その後、30分間放置し、1Cレートで電池電圧が1.2Vになるまで放電を行なった。30分間放置し再び充電を繰り返した。以上の充放電を50回繰り返した後、再び0.2Cレートで電池電圧が3.2Vになるまで充電し、そのまま3.2Vで3時間放置した。その後、非水電解質電池1を0.2Cレートで電池電圧が1.2Vになるまで放電した。この時の放電容量を初回放電容量で除したものをサイクル後の容量維持率とした。
実施例1の非水電解質電池1から、先に説明したように負極5を取り出した。
実施例2では、第2の導電助剤52として、カーボンナノチューブを用いた以外は実施例1と同様にして、非水電解質電池1を作製した。
実施例3では、TiNb2O7粒子へのカーボンコートを行なう際に焼成温度を850℃にした以外は実施例1と同様にして、非水電解質電池1を作製した。
比較例1では、第2の導電助剤としてカーボンブラックを用いた以外は実施例1と同様にして、非水電解質電池を作製した。
TiNb2O7粒子へのカーボンコートを行わなかった以外は実施例1と同様にして、非水電解質電池を作製した。
負極活物質粒子としてチタン酸リチウムLi4Ti5O12を用いた以外は実施例1と同様にして、非水電解質二次電池を作製した。なお、比較例3では、偏平状電極群3の大きさを実施例1と同じになるように調整した。
チタン酸リチウム粒子へのカーボンコートを行わなかった以外は比較例3と同様にして、非水電解質二次電池を作製した。
実施例2及び3並びに比較例1〜3の非水電解質電池に対して、実施例1の非水電解質電池と同様にして、初回放電容量の測定、初回充放電効率測定、寿命試験、レート特性評価及びラマンスペクトルの測定を行った。その結果を、実施例1の結果と合わせて、以下の表1に示す。
以下に、本願の出願当初の特許請求の範囲に記載していた発明を付記する。
[1]複数の負極活物質粒子であって、それぞれが、単斜晶型ニオブチタン複合酸化物粒子と、前記単斜晶型ニオブチタン複合酸化物粒子の表面の少なくとも一部に接した第1の導電助剤とを含む負極活物質粒子と、前記第1の導電助剤に接し且つ前記負極活物質粒子間に配された第2の導電助剤とを含む負極材料層を具備し、前記第1の導電助剤は、前記負極材料層からラマン分光法により得られるラマンスペクトルにおいて、1300cm -1 〜1400cm -1 の振動数領域内に現れるDバンドと、1550cm -1 〜1650cm -1 の振動数領域内に現れるGバンドとを有し、前記Gバンドのピーク強度の前記Dバンドのピーク強度に対する比が0.5〜1.3の範囲内にあり、前記第2の導電助剤は、前記負極材料層からラマン分光法により得られるラマンスペクトルにおいて、1300cm -1 〜1400cm -1 の振動数領域内に現れるDバンドと、1550cm -1 〜1650cm -1 の振動数領域内に現れるGバンドとを有し、前記Gバンドのピーク強度の前記Dバンドのピーク強度に対する比が1.5〜10の範囲内にあることを特徴とする負極。
[2]前記第1の導電助剤は、前記単斜晶型ニオブチタン複合酸化物粒子の表面の全体に接していることを特徴とする[1]に記載の負極。
[3]前記第2の導電助剤が、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、及びグラファイトからなる群より選択される少なくとも1種を含むことを特徴とする[2]に記載の負極。
[4]複数の前記負極活物質粒子は、それぞれ、複数の前記単斜晶型ニオブチタン複合酸化物粒子が凝集してなる二次粒子であり、複数の前記負極活物質粒子のそれぞれの表面の少なくとも一部に前記第1の導電助剤が存在していることを特徴とする[1]に記載の負極。
[5][2]に記載の負極と、正極と、非水電解質とを具備することを特徴とする非水電解質電池。
Claims (5)
- 複数の負極活物質粒子であって、それぞれが、単斜晶型ニオブチタン複合酸化物の複数の一次粒子が凝集してなる二次粒子と、前記二次粒子の表面の少なくとも一部に接した第1の導電助剤とを含む負極活物質粒子と、
前記第1の導電助剤に接し且つ前記負極活物質粒子間に配された第2の導電助剤と
を含む負極材料層を具備し、
前記第1の導電助剤は、前記負極材料層からラマン分光法により得られるラマンスペクトルにおいて、1300cm-1〜1400cm-1の振動数領域内に現れるDバンドと、1550cm-1〜1650cm-1の振動数領域内に現れるGバンドとを有し、前記Gバンドのピーク強度の前記Dバンドのピーク強度に対する比が0.5〜1.3の範囲内にあり、
前記第2の導電助剤は、前記負極材料層からラマン分光法により得られるラマンスペクトルにおいて、1300cm-1〜1400cm-1の振動数領域内に現れるDバンドと、1550cm-1〜1650cm-1の振動数領域内に現れるGバンドとを有し、前記Gバンドのピーク強度の前記Dバンドのピーク強度に対する比が1.5〜10の範囲内にある負極。 - 前記第1の導電助剤は、前記複数の一次粒子のそれぞれの表面の全体に接している請求項1に記載の負極。
- 前記第2の導電助剤が、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、及びグラファイトからなる群より選択される少なくとも1種を含む請求項1又は2に記載の負極。
- 前記第1の導電助剤の前記Gバンドのピーク強度の前記Dバンドのピーク強度に対する比が1.0〜1.3の範囲内にある請求項1〜3の何れか1項に記載の負極。
- 請求項1〜4の何れか1項に記載の負極と、
正極と、
非水電解質と
を具備する非水電解質電池。
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