JP2002124262A - リチウム二次電池用正極活物質及びその製造方法 - Google Patents

リチウム二次電池用正極活物質及びその製造方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明はリチウム二次電池用正極活物質及び
その製造方法に関するものであり、この正極活物質はリ
チウム化合物を含む、コア及びコア上に形成されたコー
ティング元素のヒドロキシド、オキシヒドロキシド、オ
キシカーボネート及びヒドロキシカーボネートからなる
群より選択される少なくとも一種以上のコーティング物
質を含む表面処理層からなる。 【解決手段】 少なくとも一種以上のリチウム化合物を
含む、コア及びコア上に形成されたコーティング元素の
ヒドロキシド、オキシヒドロキシド、オキシカーボネー
ト及びヒドロキシカーボネートからなる群より選択され
る少なくとも一種以上のコーティング物質を含む表面処
理層からなるリチウム二次電池用正極活物質。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明はリチウム二次電池用
正極活物質及びその製造方法に関し、さらに詳しくは寿
命、放電電位、電力量特性などのような電気化学的特性
及び熱的安定性が向上したリチウム二次電池用正極活物
質及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】現在商業化されて使用されているリチウ
ム二次電池は平均放電電位が3.7V、つまり4V台の
電池であって、3Cと称される携帯用電話、ノートブッ
クコンピュータ、カムコーダ等に急速に適用されており
デジタル時代の心臓に該当する要素である。
【0003】リチウム二次電池は可逆的にリチウムイオ
ンの挿入及び脱離が可能な物質を正極及び負極として用
い、前記正極と負極との間に有機電解液またはポリマー
電解液を充填して製造し、リチウムイオンが正極及び負
極で挿入/脱離する時の酸化、還元反応によって電気エ
ネルギーを生成する。
【0004】リチウム二次電池の負極活物質としてはリ
チウム金属が用いられていたが、リチウム金属を用いた
場合デンドライト(dendrite)の形成による電
池短絡によって爆発の危険性があるため、リチウム金属
の代わりに非晶質炭素または結晶質炭素などの炭素系物
質に代替されてきている。特に、最近は容量を増加させ
るために炭素系物質にボロンを添加してボロンコーティ
ングされたグラファイト(BOC)が用いられている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】正極活物質としてはカ
ルコゲナイド(chalcogenide)化合物が用
いられており、その例としてLiCoO、LiMn
、LiNiO、LiNi1-xCo(0<x
<1)、LiMnOなどの複合金属酸化物が研究され
ている。前記正極活物質のうちLiMn、LiM
nOなどのMn系正極活物質は合成しやすく、価格が
比較的安く、環境に対する汚染の恐れも少ないため魅力
ある物質ではあるが、容量が少ないという短所がある。
LiCoO は良好な電気電導度と高い電池電圧、そし
て優れた電極特性を示し、現在商業化して市販されてい
る代表的な正極活物質であるが、値段が高いという短所
がある。LiNiOは前記に言及した正極活物質のう
ちで最も価格が安く、最も高い放電容量の電池特性を示
しているが、合成するのが難しいという短所を持ってい
る。
【0006】リチウム二次電池の正極活物質として全世
界に流通されている電池の95%以上が高価なLiCo
を用いており、このようなLiCoOを代替しよ
うとする努力が多く行われている。LiCoO粉末を
正極素材として用いるリチウム二次電池は寿命特性が比
較的優れており、放電平坦性も優れてはいるが、寿命延
長や電力特性の向上などの性能改善に対する要求があ
り、多くの研究が行われている。
【0007】このような正極素材であるLiCoO
改良法の一つとして、Coの一部を他の金属酸化物に置
換する研究が進められてきたが、SONYはAl
を約1乃至5重量%ドーピングして、Coの一部をAl
に置換したLiCo1-xAl粉末を開発して量
産している。また、A&TB(Ashai&Thosib
a Battery Co.)はSnOをドーピング
してCoの一部をSnに置換した正極活物質を開発して
いる。
【0008】また、米国特許第5,292,601号に
はLiCoOの性能を改善させた活物質としてLi
MO(MはCo、Ni及びMnのうち一種以上の元素
であり、xは0.5乃至1である)が記載されている。
米国特許第5,705,291号には酸化ホウ素、ホウ
酸、水酸化リチウム、酸化アルミニウム、リチウムアル
ミネート、リチウムメタボレート、二酸化ケイ素、リチ
ウムシリケートまたはこれらの混合物を含む組成物とリ
チアテッドインタカレーション化合物(lithiat
ed intercalation compoun
d)を混合し、これを400℃を超える温度で焼成して
前記リチアテッドインタカレーション化合物の表面を酸
化物でコーティングする内容が記述されている。
【0009】特開平9-55210号にはリチウム-ニッ
ケル系酸化物をCo、Al、Mnのアルコキシドでコー
ティングした後、熱処理して製造される正極活物質が記
載されており、特開平11-16566号にはTi、A
l、Sn、Bi、Cu、Si、Ga、W、Zr、Bまた
はMoの金属或いはこれらの酸化物でコーティングされ
たリチウム系酸化物が記載されており、特開平11-1
85758号にはリチウムマンガン酸化物の表面に金属
酸化物触媒を共沈法でコーティングした後、熱処理する
正極活物質が記載されている。
【0010】リチウム二次電池は最近電子機器が小型、
軽量化されるに伴って、ますます高容量、長寿命、電力
量特性などの電気化学的特性に優れた電池を開発するた
めの研究が進められている。また、熱露出、燃焼、過充
電状態でも電池システムの安全性と信頼性を確保するた
めに正極活物質の熱的安全性を向上させようという努力
が加速化されている。
【0011】本発明は詳述した問題点を解決するための
ものであって、本発明の目的は寿命、放電電位、電力量
特性など電気化学的特性に優れたリチウム二次電池用正
極活物質を提供することにある。
【0012】本発明の他の目的は、熱的安定性に優れた
リチウム二次電池用正極活物質を提供することにある。
【0013】更に、本発明の他の目的は、生産性が優れ
ていて経済的なリチウム二次電池用正極活物質の製造方
法を提供することにある。
【0014】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、本発明者らは鋭意研究を行った結果、リチウム化合
物を含むコア及びコア上に形成された表面処理層がコー
ティング元素のヒドロキシド、オキシヒドロキシド、オ
キシカーボネート及びヒドロキシカーボネートからなる
群より選択される少なくとも一種以上のコーティング物
質を含む、リチウム二次電池用正極活物質を使用する方
法を見出した。
【0015】本発明者らはまた、リチウム化合物をコー
ティング物質源(coatingmaterial s
ource)の有機溶液または水溶液でコーティング
し、コーティングされたリチウム化合物を乾燥する工程
を含むリチウム二次電池用正極活物質の製造方法を見出
した。
【0016】
【発明の実施の形態】以下、本発明をさらに詳細に説明
する。
【0017】本発明は本出願人によって出願され、金属
酸化物がコーティングされた正極活物質が記述された大
韓民国特許出願98−42956号(公開1999−7
1411号)を改良したものである。
【0018】本発明におけるリチウム二次電池用正極活
物質は、リチウム化合物を含むコアと、このコア上に形
成されコアを囲んでいる表面処理層が、コーティング元
素のヒドロキシド、オキシヒドロキシド、オキシカーボ
ネート及びヒドロキシカーボネートからなる群より選択
される、少なくとも一種以上のコーティング物質を含む
ことを特徴とする。表面処理層としては、コーティング
元素のヒドロキシドまたはオキシヒドロキシドが好まし
い。また、コーティング物質は非晶質、結晶質の何れで
あってもよい。
【0019】コーティング物質としては、コーティング
元素が有機溶媒または水に溶解されているものであれば
いずれのものも使用可能である。このようなコーティン
グ元素としては、Mg、Al、Co、K、Na、Ca、
Si、Ti、V、Sn、Ge、Ga、B、As、Zrま
たはこれらの混合物が好ましい。コーティング物質にお
けるコーティング元素の含量は、正極活物質に対して2
×10−5乃至2重量%であるのが好ましく、0.00
1乃至2重量%であるのがさらに好ましい。
【0020】前記表面処理層の厚さは0.1乃至300
nmであるのが好ましく、より好ましくは0.1乃至1
00nmであり、更に好ましくは0.1乃至50nmで
ある。表面に形成された表面処理層の厚さが0.1nm
未満であれば表面処理による効果が僅かであり、厚さが
300nmを超えるとコーティング層の厚さが厚すぎて
好ましくない。
【0021】本発明における正極活物質のコアは、少な
くとも一種以上のリチウム化合物を含み、好ましくは下
記の化学式1乃至11からなる群より選択される少なく
とも一種以上の化合物を含む。
【0022】
【化4】[化学式1] LixMn1-yM'yA2 [化学式2] LixMn1-yM'yO2-zAz [化学式3] LixMn2O4-zAz [化学式4] LixMn2-yM'yA4 [化学式5] LixM1-yM"yA2 [化学式6] LixMO2-zAz [化学式7] LixNi1-yCoyO2-zAz [化学式8] LixNi1-y-zCoyM"zAα [化学式9] LixNi1-y-zMnyM'zAα [化学式10] LixNi1-y-zCoyM"zO2-αXα [化学式11] LixNi1-y-zMnyM'zO2-αXα (前記式において、0.95≦x≦1.1、0≦y≦
0.5、0≦z≦0.5、0≦α≦2であり、MはNi
またはCoであり、M´はAl、Ni、Co、Cr、F
e、Mg、Sr、V、Sc、Y、La、Ce、Pr、N
d、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、E
r、Tm、Yb、Lu、Ac、Th、Pa、U、Np、
Pu、Am、Cm、Bk、Cf、Es、Fm、Md、N
o及びLrからなる群より選択される少なくとも一種以
上の元素であり、M"はAl、Cr、Mn、Fe、M
g、Sr、V、Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、P
m、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、T
m、Yb、Lu、Ac、Th、Pa、U、Np、Pu、
Am、Cm、Bk、Cf、Es、Fm、Md、No及び
Lrからなる群より選択される少なくとも一種以上の元
素であり、AはO、F、S及びPからなる群より選択さ
れる元素であり、XはO、F、S及びPからなる群より
選択される元素である。)
【0023】本発明の一実施例によると、前記コアはリ
チウム−コバルトカルコゲナイド化合物とAlO(O
H)またはAl(OH)とを含む表面処理層からな
る。また、本発明の他の実施例によると、前記コアはリ
チウム−マンガンまたはリチウム−コバルトカルコゲナ
イド化合物とHB(OH)を含む表面処理層からな
る。
【0024】前記構成を有する本発明におけるリチウム
二次電池用正極活物質は、現在商業化されて用いられて
いるLiCoO、LiNi1-x-y粉末
に比べ、寿命(cycle life)、放電電位(d
icharge potential)、電力量(po
wer)など電気化学的特性及び熱的安定性に優れてい
る。
【0025】以下、本発明の製造方法をより詳細に説明
する。本発明におけるリチウム二次電池用正極活物質
は、少なくとも一種以上のリチウム化合物を、コーティ
ング物質源の有機溶液または水溶液でコーティング(e
ncapsulating)する。
【0026】コーティング物質源の有機溶液は、コーテ
ィング元素またはコーティング元素のアルコキシド、
塩、酸化物を有機溶媒に溶解、或いはこれらの混合物を
還流させて製造することができる。また、コーティング
物質源の水溶液は、コーティング元素の塩または酸化物
を水に溶解、或いはこれらの混合物を還流させて製造す
ることができる。有機溶媒または水に溶解可能な適当な
コーティング元素の形態はこの分野の通常の知識によっ
て選択することができる。例えば、溶媒として有機溶媒
を用いると、コーティング物質源としてコーティング元
素、コーティング元素のアルコキシド、塩または酸化物
を用いることができ、溶媒として水を用いるとコーティ
ング物質源としてコーティング元素の塩または酸化物を
用いることができる。
【0027】コーティング元素は有機溶媒または水に溶
解できるものであればいずれも使用可能であるが、この
ようなコーティング元素としてはMg、Al、Co、
K、Na、Ca、Si、Ti、V、Sn、Ge、Ga、
B、As、Zrまたはこれらの混合物が好ましい。
【0028】コーティング溶液のうち、使用可能な有機
溶媒としては、メタノール、エタノールまたはイソプロ
パノールのようなアルコール、ヘキサン、クロロホル
ム、テトラヒドロフラン、エーテル、メチレンクロライ
ド、アセトンなどが挙げられる。
【0029】有機溶液の代表的な例としてはコーティン
グ元素のアルコキシド溶液が挙げられる。アルコキシド
溶液はコーティング元素をメタノール、エタノールまた
はイソプロパノールのようなアルコールに混合した後、
これを還流させて製造、或いは、メトキシド、エトキシ
ドまたはイソプロポキシドのようなコーティング元素の
アルコキシドをアルコールに溶解して製造することがで
きる。例えば、シリケートをエタノールに溶解して製造
したテトラエチルオルトシリケート溶液が挙げられる。
また、ボロンを含むコーティング溶液としては、B
またはHBOを有機溶媒または水に溶解、或い
は、Bを有機溶媒または水に溶解した後に乾燥
し、得られたHB(OH)を更に有機溶媒または水に
溶解したものが挙げられる。
【0030】コーティング元素の塩または酸化物の代表
的な例としてはアンモニウムバナデート(NH
)のようなバナジウム酸塩、バナジウムオキサイド
(V )などがある。
【0031】コーティング溶液におけるコーティング物
質源の濃度は、有機溶液または水溶液に対して好ましく
は0.1乃至50重量%であり、さらに好ましくは5乃
至30重量%である。コーティング物質源の濃度が0.
1重量%より低いと、リチウム化合物をコーティングす
る効果が現れず、濃度が50%を超えるとコーティング
層の厚さが厚すぎて好ましくない。
【0032】コーティング方法としては、スパッタリン
グ法、CVD(ChemicalVapor Depo
sition)法、ディップコーティング(dip c
oating)のような浸漬方法など汎用コーティング
方法を用いることができる。このようなコーティングの
方法の中で最も簡便な方法は、単純に正極活物質粉末を
コーティング溶液に添加して混合物を製造し(混合工
程)、溶媒を除去する方法(溶媒除去工程)である浸漬
法である。
【0033】次に、コーティング粉末を常温乃至200
℃で1乃至24時間乾燥させる。
【0034】また、コーティング方法は詳述した方法の
以外にも、混合工程、溶媒除去工程、その後の工程であ
る乾燥工程を同時に実施する一元化工程(one-sh
otprocess)を実施することができ、この方法
は工程が簡単であるため経済的利点があると共に、表面
にコーティング元素のヒドロキシド、オキシヒドロキシ
ド、オキシカーボネート及びヒドロキシカーボネートか
らなる群より選択される、少なくとも一種以上のコーテ
ィング物質を含む表面処理層を均一に形成することがで
きて好ましい。
【0035】上述した一元化工程について詳細に説明す
ると、リチウム化合物とコーティング物質源の有機溶液
または水溶液を混合器に投入し、攪拌しながらこの混合
器の温度を上昇させる。この時、乾燥速度を向上させる
ためにブローイング(blowing)ガスを注入する
ことが好ましい。ブローイングガスとしては、CO
水分のないガスとして窒素ガスまたはアルゴンガスなど
の非活性ガスが好ましい。ブローイングガスの注入の代
わりに真空状態を維持することによっても、乾燥速度を
向上させることができる。
【0036】コーティング物質源の有機溶液または水溶
液は、リチウム化合物表面にコーティングされるが、そ
の際過剰のコーティング物質源の有機溶液または水溶液
は、外部温度の上昇及び攪拌によって蒸発されて除去さ
れる。したがって、混合工程、溶媒除去工程及び乾燥工
程を各々実施する必要なく、一つの混合器で一元化され
た工程で実施することができる。
【0037】混合器としてはリチウム化合物とコーティ
ング物質源の有機溶液または水溶液をよく混合させるこ
とができ、温度を上昇させることができればよく、特別
な制約はない。また、ブローイングガスを注入すること
ができ、真空状態を維持することができるものがより好
ましい。図1に熱交換機が取り付けられた混合器を示し
た。図1に示したように、混合器の上部にブローイング
ガスである窒素ガスを注入し、熱交換機を通して温水を
循環させる。
【0038】一元化コーティング工程を実施した場合に
は、上述のように、乾燥工程がコーティングと同時に行
われるので、別途、乾燥工程を設ける必要はない。
【0039】このような乾燥工程によって、表面に形成
されたコーティング物質源は、大気中にある水分と反応
してヒドロキシドに変化する。その結果、正極活物質の
表面にヒドロキシドを含む表面処理層が形成される。こ
の時、乾燥工程を変化させて前記表面処理層がオキシヒ
ドロキシド、オキシカーボネートまたはヒドロキシカー
ボネートを含むようにすることができる。例えば、炭酸
ガス雰囲気で乾燥すればオキシカーボネートまたはヒド
ロキシカーボネートを含む表面処理層を形成することが
できる。また、ヒドロキシド、オキシヒドロキシド、オ
キシカーボネート及びヒドロキシカーボネートの中から
選択される2種以上の混合物を含むようにすることもで
きる。
【0040】コーティング及び乾燥工程によって形成さ
れた表面処理層の厚さは0.1乃至300nmであるの
が好ましく、さらに、0.1乃至100nmが好まし
く、1.0乃至50nmが最も好ましい。表面に形成さ
れた表面処理層の厚さが0.1nm未満である場合には
表面処理による効果が僅かであり、厚さが300nmを
超えるとコーティング層の厚さが厚すぎて好ましくな
い。
【0041】本発明における正極活物質表面処理層内
の、コーティング元素の含量は正極活物質に対して2×
10-5乃至2重量%であるのが好ましく、0.001
乃至2重量%であるのがさらに好ましい。コーティング
元素の含量はリチウム化合物に添加されたコーティング
物質源の量から計算することもでき、ICP方法のよう
な一般的な定量分析法で実際的に測定することもでき
る。
【0042】本発明の一実施例によって製造されたヒド
ロキシド含有表面処理層の形成過程を図2(a)に示し
た。このように表面に形成されたヒドロキシド含有表面
処理層は内部抵抗を小さくすることができるので放電電
位の低下を減少させ、電流密度(C-rate)の変化
による高い放電電位特性を維持する特性を示し、このよ
うな表面特性が改善された正極活物質を電池に適用する
場合、より優れた寿命特性と放電電位低下特性が現れて
電力量(power)向上が期待される。
【0043】前述のように、本発明におけるリチウム二
次電池用正極活物質はコーティング工程を実施した後、
熱処理工程を実施せず乾燥工程のみを実施する。従来の
方法ではコーティング工程を実施した後、乾燥工程と熱
処理工程を実施して表面に金属酸化物層が形成された正
極活物質を製造する(図2(b))。この場合、表面に
形成された金属酸化物層のイオンの伝導度が比較的低
く、内部抵抗が増加し放電電位及び電力量特性を低下さ
せる要因となる。しかし、本発明ではこのような熱処理
工程を実施しなため、表面に金属酸化物ではないヒドロ
キシド、オキシヒドロキシド、オキシカーボネート、ヒ
ドロキシカーボネートまたはこれらの混合物を含む表面
処理層が形成された正極活物質を製造することができ、
この様な正極活物質は金属酸化物層が形成された正極活
物質に比べて驚くべき充放電特性を示すことが明らかと
なった。
【0044】本発明におけるコーティング工程に一元化
工程を用いた場合と、従来技術による製造方法との比較
を容易にするために、各工程のフローチャートを図3に
示した。従来のコーティング工程は金属有機溶液または
水溶液とリチウム化合物を混合し(混合工程)、この混
合物から溶媒を除去した後(溶媒除去工程)、得られた
スラリを80乃至100℃において乾燥し微細な粉末を
製造(乾燥工程)した後、熱処理後に分級して正極活物
質粉末を得る方法を用いた。
【0045】これに対し、図3に記載した本発明におけ
る製造方法は、混合工程、溶媒除去工程及び乾燥工程を
一つの容器内で一元化した工程(one-shot p
rocess)で実施することにより、簡便でしかも経
済的にリチウム二次電池用正極活物質を製造することが
でき、尚かつ従来の方法よりさらに均一にコーティング
することが可能である。また、熱処理工程を実施しない
ことによって熱処理時間を節約し熱処理装置にかかる費
用を節減することができ、従来の製造工程に比べ、生産
性の向上、原価節減等の経済的効果を得ることもでき
る。
【0046】本発明における表面処理層が形成された正
極活物質は、そのまま電池の正極活物質として用いるこ
ともでき、所望の平均粒径を得るために分級(siev
ing)して用いることもできる。分級しない場合に
は、表面に形成された物質と同一の粉末形態の物質が除
去されずに正極活物質スラリ内にそのまま存在するよう
になる。本発明者はこのような表面処理層と同一物質で
あるヒドロキシド、オキシヒドロキシド、オキシカーボ
ネート、ヒドロキシカーボネートまたはこれらの混合物
の粉末が、正極活物質スラリ内に存在することによっ
て、活物質の熱的安定性がさらに向上することを見出し
た。
【0047】一般に、リチウム二次電池の安全性(sa
fety)評価方法のうち、代表的なものとして充電状
態で釘を貫通させる実験が、最も重要な安全性実験の中
の一つとして知られている。この時、充電された電池の
安全性に影響を与える因子として多様なものがあるが、
特に充電された正極と、この極板に含浸されている電解
液の反応による発熱反応が重要である。
【0048】例えば、LiCoO活物質を含むコイン
電池を一定の電位に充電すればLiCoOはLi
1-xCoOの構造を有するが、この充電状態での活
物質に対するDSC(differential sc
anning calorimetry)測定から得ら
れる、発熱温度、発熱量、及び発熱カーブに基づいて、
活物質の熱的安全性を判断することができる。充電状態
のLi1-xCoO活物質は不安定であるため電池内
部の温度が高まれば金属、つまり、コバルトと結合され
ている酸素が金属から解離される。解離された酸素は電
池内部で電解液と反応して電池が爆発する可能性を与え
る。したがって、酸素分解温度(発熱温度)とこの時の
発熱量とは電池の安定性を示す重要な因子である。
【0049】本発明における正極活物質のDSC測定に
よると、従来の表面処理しない正極活物質の発熱温度に
比べて、約30℃以上高い230℃以上の発熱温度を有
し、発熱量もはるかに減少して優れた熱的安定性を示
す。
【0050】本発明で用いたリチウム化合物は商業的に
流通される化合物を用いることも可能であり、または合
成されたリチウム化合物を用いることができ、これらリ
チウム化合物を混合して用いることもできる。
【0051】本発明におけるリチウム化合物の合成方法
は次の通りである。まず、リチウム塩及び金属塩を所望
の当量比に混合する。リチウム塩としては、一般にリチ
ウム二次電池用正極活物質の製造に用いられているもの
であればいずれも用いることができ、その代表的な例と
してリチウムナイトレート、リチウムアセテートまたは
水酸化リチウムが挙げられる。金属塩としてはマンガン
塩、コバルト塩、ニッケル塩またはニッケルマンガン塩
を用いることができる。マンガン塩としてはマンガンア
セテートまたはマンガンジオキシドなどを用いることが
でき、コバルト塩としてはコバルトオキサイド、コバル
トナイトレートまたはコバルトカーボネートを用いるこ
とができ、ニッケル塩としては水酸化ニッケル、硝酸ニ
ッケルまたはニッケルアセテートを用いることができ
る。ニッケルマンガン塩はニッケル塩とマンガン塩とを
共沈方法で沈殿させて製造されたものを用いることがで
きる。金属塩としてマンガン塩、コバルト塩、ニッケル
塩またはニッケルマンガン塩と共にフッ素塩、硫黄塩ま
たはリン塩を沈殿させたものを、用いることも可能であ
る。フッ素塩としては弗化マンガンまたは弗化リチウム
を用いることができ、硫黄塩としてはマンガンスルファ
イドまたはリチウムスルファイドを用いることができ、
リン塩としてはマンガンリン酸塩(mangnase
phospate)を用いることができる。これらマン
ガン塩、コバルト塩、ニッケル塩、ニッケルマンガン
塩、フッ素塩、硫黄塩及びリン塩は上述した化合物に限
られるわけではない。
【0052】混合方法としては、例えば、モルタルグラ
インダー混合(mortar grindermixi
ng)を用いることができ、この時、リチウム塩及び金
属塩の反応を促進するために、エタノール、メタノー
ル、水、アセトンなど、適切な溶媒を添加し溶媒が殆ど
なくなるまで(solvent-free)モルタルグ
ラインダー混合を実施するのが好ましい。
【0053】得られた混合物は、約400乃至600℃
の温度で1次熱処理して準結晶性(semi-crys
talline)状態の前駆体粉末を製造する。熱処理
温度が400℃より低ければリチウム塩と金属塩との反
応が十分でないという問題点がある。また、熱処理して
製造された前駆体粉末を、乾燥後または熱処理後に、乾
燥空気をブローイング(blowing)しながら常温
で再混合(remixing)させてリチウム塩を均一
に分布させることも可能である。
【0054】得られた準結晶性前駆体粉末を、700乃
至900℃の温度で約10乃至15時間程2次熱処理す
る。2次熱処理温度が700℃より低ければ結晶性物質
が形成され難い問題点がある。熱処理工程は乾燥空気ま
たは酸素をブローイングする条件下で1乃至5℃/分の
速度で昇温して実施し、各熱処理温度で一定の時間維持
した後、自然冷却することからなる。
【0055】次に、製造された化学式1乃至11の化合
物からなる群より選択される化合物の粉末を、常温で再
混合させてリチウム塩をさらに均一に分布させるのが好
ましい。
【0056】
【実施例】以下、本発明の好ましい実施例及び比較例を
記載する。しかし、下記の実施例は本発明の好ましい一
実施例であり、本発明が下記の実施例に限られるわけで
はない。
【0057】比較例1 正極活物質として平均粒径が10μmであるLiCoO
粉末を用いて活物質/導電材/バインダーを94/3/3
の重量比にして正極活物質スラリを製造した。この時、
導電材としては炭素を用い、バインダーとしてはポリビ
ニリデンフルオライドを用いた。正極活物質スラリを約
100μm厚さでアルミニウム箔上にキャスティングし
てコイン電池用正極極板を製造した。製造された正極極
板を直径1.6cmにパンチングし、電解液として1M
LiPFが溶解されたエチレンカーボネートとジメ
チルカーボネートの混合溶媒(1:1体積比)及び対極
としてリチウム金属を用いてグローブボックス内でコイ
ン半電池を製造した。
【0058】比較例2 正極活物質として平均粒径が15μmであるLiMn
粉末を用いたことを除いては前記比較例1と同様な
方法で実施した。
【0059】比較例3 正極活物質としてLiNi0.9Sr0.002Co
0.1粉末を用いたことを除いては比較例1と同様
な方法で実施した。
【0060】比較例4 1重量%のアルミニウムイソプロポキシド粉末を99重
量%のエタノールに溶解させてアルミニウムイソプロポ
キシド溶液を製造した。この溶液に平均粒径が10μm
であるLiCoO粉末を浸して攪拌し、LiCoO
粉末の表面にアルミニウムイソプロポキシド溶液が十分
に反応するようにし、溶媒を除去した後、100℃オー
ブンで約12時間程度乾燥した。乾燥された粉末を50
0℃において10時間乾燥空気を吹き込みながら熱処理
し、表面にAl層が形成された正極活物質を製造
した。製造された正極活物質と、導電材として炭素、バ
インダーとしてポリビニリデンフルオライドを、活物質
/導電材/バインダーを94/3/3の重量比にして正極活
物質スラリ組成物を製造した。製造された正極活物質ス
ラリ組成物を約100μmの厚さでアルミニウム箔上に
キャスティングしてコイン電池用正極極板を製造した。
製造された正極極板を直径1.6cmにパンチングし、
電解液として1M LiPFが溶解されたエチレンカ
ーボネートとジメチルカーボネートとの混合溶媒(1:
1体積比)を用いてグローブボックス内でコイン電池を
製造した。
【0061】比較例5 5重量%濃度のアルミニウムイソプロポキシド溶液を用
い、熱処理温度を600℃に変更したことを除いては比
較例4と同様な方法で実施した。
【0062】比較例6 LiCoO粉末の代わりにLiNi0.9Sr
0.002Co0.1粉末を用いたことを除いては
比較例4と同様な方法で実施した。
【0063】比較例7 5重量%濃度のアルミニウムイソプロポキシド溶液を用
いてLiNi0.9Sr0.002Co0.1粉末
をコーティングしたことを除いては比較例4と同様な方
法で実施した。
【0064】比較例8 熱処理温度を600℃に変更したことを除いて比較例4
と同様な方法で実施した。
【0065】実施例1 1重量%のアルミニウムイソプロポキシド粉末を99重
量%エタノールに溶解して1重量%濃度のアルミニウム
イソプロポキシド溶液を製造した。アルミニウムイソプ
ロポキシド溶液と、平均粒径が10μmであるLiCo
とを図1に示した装置である混合器に入れて約10
分間混合した。恒温槽の温度を60℃に固定させた後、
水を循環(water circulation)させ
ると同時に窒素ガスを注入しながら(purgin
g)、約1時間程度攪拌して表面にAl(OH)層が
形成されたLiCoO正極活物質粉末を製造した。得
られた正極活物質粉末を用いて活物質/導電材/バインダ
ーを94/3/3の重量比に正極活物質スラリを製造し
た。この時、導電材としては炭素を用い、バインダーと
してはポリビニリデンフルオライドを用いた。前記正極
活物質スラリ(合剤)を約100μmの厚さでアルミ箔上
にキャスティングしてコイン電池用正極極板を製造し
た。このような極板を直径1.6cmにパンチングし、
対極としてリチウム金属を用いて、電解液として1M
LiPFが溶解されたエチレンカーボネートとジメチ
ルカーボネートとの混合溶媒を用いてグローブボックス
内でコイン半電池を製造した。
【0066】実施例2 1重量%のアルミニウムイソプロポキシドを99重量%
のエタノールに溶解させてアルミニウムイソプロポキシ
ド溶液を製造した。このエタノール溶液に平均粒径が1
0μmであるLiCoO粉末を浸して攪拌し、LiC
oO粉末の表面とアルミニウムイソプロポキシドが十
分に反応するようにして溶媒を除去した後、100℃オ
ーブンで約12時間程度乾燥した。製造された正極活物
質を用いて実施例1と同様な方法でコイン半電池を製造
した。
【0067】実施例3 5重量%のアルミニウムイソプロポキシド溶液を用いた
ことを除いて実施例2と同様な方法で実施した。
【0068】実施例4 10重量%濃度のアルミニウムイソプロポキシド溶液を
用いたことを除いては実施例2と同様な方法で実施し
た。
【0069】実施例5 10重量%濃度のアルミニウムイソプロポキシド溶液を
コーティングして表面にAl(OH)層が形成された
LiCoO正極活物質粉末を製造した後、325メッ
シュスクリーンを通過させて44μmの平均粒径を有す
る粉末を得たことを除いて実施例2と同様な方法で実施
した。
【0070】実施例6 LiCoO粉末の代わりにLiNi0.9Sr
0.002Co0.1粉末を用いたことを除いては
実施例2と同様な方法で実施した。
【0071】実施例7 LiNi0.9Sr0.002Co0.1粉末を5
重量%のアルミニウムイソプロポキシド溶液でコーティ
ングしたことを除いては実施例2と同様な方法で実施し
た。
【0072】実施例8 アルミニウムイソプロポキシド溶液の代りに、Al(N
を水に添加して製造した1重量%のアルミニウ
ムナイトレート水溶液でコーティングした後、100℃
オーブンで約24時間程度乾燥したことを除いては実施
例2と同様な方法で実施した。
【0073】実施例9 アルミニウムイソプロポキシド溶液の代りに、Al(N
を水に添加して製造した5重量%のアルミニウ
ムナイトレート水溶液でコーティングした後、100℃
オーブンで約24時間程度乾燥したことを除いては実施
例2と同様な方法で実施した。
【0074】実施例10 アルミニウムイソプロポキシド溶液の代りに、Al(N
を水に添加して製造した10重量%のアルミニ
ウムナイトレート水溶液でコーティングした後、100
℃オーブンで約24時間程度乾燥したことを除いては実
施例2と同様な方法で実施した。
【0075】実施例11 1重量%のB粉末を99重量%のエタノールに溶
解させてボロンエトキシド溶液を製造した。このボロン
エトキシド溶液に平均粒径が10μmであるLiCoO
粉末を浸して攪拌し、LiCoO粉末の表面とボロ
ンエトキシドが十分に反応するようにした後、100℃
オーブンで約12時間程度乾燥して表面にBH(OH)
コーティング層が形成された正極活物質を製造した。
この正極活物質を含むコイン電池は実施例2と同様な方
法で製造した。
【0076】実施例12 5重量%のボロンエトキシド溶液をコーティング溶液と
して用いたことを除いて実施例11と同様な方法で実施
した。
【0077】実施例13 10重量%のボロンエトキシド溶液をコーティング溶液
として用いた他は実施例11と同様な方法で実施した。
【0078】実施例14 15μmの平均粒径を有するLiMn粉末を1重
量%のボロンエトキシド溶液でコーティングしたことを
除いて実施例11と同様な方法で実施した。
【0079】実施例15 15μmの平均粒径を有するLiMn粉末を10
重量%のボロンエトキシド溶液でコーティングしたこと
を除いて実施例11と同様な方法で実施した。
【0080】実施例16 Li1.03Ni0.69Mn0.19Co0.1Al
0.07Mg0.07を1重量%のボロンエトキシ
ド溶液でコーティングしたことを除いて実施例11と同
様な方法で実施した。
【0081】実施例17 LiNi0.9Co0.1Sr0.002を1重量
%のボロンエトキシド溶液でコーティングしたことを除
いて実施例11と同様な方法で実施した。
【0082】正極活物質のSEM写真 実施例2と3及び比較例5の方法で製造されたリチウム
二次電池用正極活物質のSEM写真を図4(a)、4
(b)及び5(a)に各々示した。表面処理しなかった
LiCoOのSEM写真は図5(b)に示した。図4
(a)〜5(b)に示したように、熱処理を実施せず乾
燥工程のみを実施した実施例2及び3の正極活物質の表
面(図4(a)、4(b))は純水LiCoO粉末表
面(図5(b))と類似に滑らかであるが、熱処理を実
施した比較例5の正極活物質(図5(a))は表面に形
成された金属酸化物の塊りによって凸凹した表面を有す
ることが分かる。
【0083】正極活物質のTEM写真 実施例2と比較例5で製造された正極活物質の断面を示
したTEM写真を各々図6(a)と図6(b)に示し
た。図6(a)から本発明の実施例2によって製造され
た正極活物質は表面に非晶質Al(OH)層が形成さ
れたのを確認することができる。これに比べて比較例5
によって製造した正極活物質の断面を示した図6(b)
を見てみると、LiCoOのCoとアルミニウムイソ
プロポキシドとが熱処理時に反応して生成されたCo-
Al-O結合を有する酸化物(CoAl)とその
上にAl粒子が形成されていることを確認するこ
とができる。
【0084】正極活物質のXRD結晶構造 比較例1及び実施例2〜5の正極活物質粉末に対してX
RD結晶構造を分析し、その結果を図7に示した。図7
のように本発明の実施例による正極活物質のXRDパタ
ーンが比較例1のXRDパターンと殆ど差異がないと示
された。つまり、本発明の表面処理工程が正極活物質の
結晶構造を変化させていないことを確認することができ
た。
【0085】充放電特性測定 比較例1と8、実施例2〜5のリチウム二次電池用正極
活物質を0.1C及び1Cで各々充放電を実施した後、
放電特性を図8及び図9に各々示した。図8及び図9に
示したように、実施例2〜5の正極活物質の放電特性は
表面処理しなかった比較例1に比べて低率と高率で全て
優れていると示された。また、前記実施例2〜5の放電
特性が低率(0.1C)では比較例8より多少優れた特
性を示したが(図8)、高率(1C)では比較例8より
非常に優れた放電特性を示した(図9)。
【0086】サイクル寿命特性評価 実施例2〜5及び比較例1(表面処理しなかったLiC
oO)のコイン電池に対してサイクル寿命特性を評価
した。0.1C(1サイクル)、0.2C(3サイク
ル)及び0.5C(10サイクル)及び1C(10サイ
クル)順に連続的に充放電速度(電流密度)を変化させ
ながら4.3V〜2.75Vの電圧範囲で充放電を実施
して放電容量を測定し、その結果を図10に示した。図
10に示された放電容量を整理すると下記の通りであ
る。
【0087】
【表1】
【0088】表1に記載されたように、本発明の実施例
による正極活物質を含むコイン電池の充放電特性が比較
例1(表面処理しなかったLiCoO)より優れてい
ると示された。
【0089】比較例2(表面処理しなかったLiMn
)、実施例14および15のコイン電池に対してC
−rateを変化させながら4.3V〜2.75Vの電
圧範囲で60℃の高温で充放電を行い、放電容量を測定
しその結果を図11に示した。図11に示すように、実
施例14と15の電池は初期放電容量が比較例2に比べ
て優れていることが示された。また、比較例2のサイク
ル特性は30サイクルをすぎると急激に減少する反面、
実施例14と15の電池は殆ど容量が減少しなかった。
このように、実施例14と15の電池が高温寿命特性に
優れたのは正極活物質の表面に形成されたBH(OH)
がLiMn粉末の表面を囲んでいて高温で寿命
低下の原因になるMnの溶出を防止するためである。し
たがって、本発明による実施例14と15の正極活物質
は比較例2(LiMn)の高温での寿命劣化の問
題を解決することができると見られる。
【0090】平均放電電位測定 比較例1と8、実施例2〜5の正極活物質を含むコイン
電池に対して0.1C(1サイクル)、0.2C(3サ
イクル)及び0.5C(10サイクル)及び1C(10
サイクル)順に連続的にC−rateを変化させながら
4.3V〜2.75Vの電圧範囲で充放電を行い平均放
電電位を測定し下記の表2に示した。
【0091】
【表2】
【0092】表2の結果から分かるように、本発明の実
施例によるコイン電池は表面処理しなかった比較例1に
比べて低率(0.1C)では同一な水準の放電電位を示
したが、高率(1C)では0.06V以上の高い放電電
位を示した。また、従来の方法で製造された比較例8よ
り高い放電電位を見せた。これから本発明による正極活
物質を含む電池の放電電位がはるかに優れていることが
分かった。
【0093】比較例8の正極活物質は表面層にイオンの
伝導度が比較的悪い金属酸化物が形成されていて、内部
抵抗が増加することによって放電電位及び電力特性が低
下する。一方、ヒドロキシドが表面に形成された実施例
2〜5の場合には相対的に内部抵抗を小さくして放電電
位の下落を少なくし、C-rate変化による高い放電
電位特性を維持すると示される。したがって、実施例2
〜5の正極活物質を電池に適用する場合、より優れた寿
命特性と放電電位特性が現れて電力量向上特性を示すと
期待される。
【0094】熱的安定性評価 本発明による正極活物質の熱的安定性を測定するために
次の通りにDSC分析を実施した。比較例1、比較例
8、実施例4及び実施例5のコイン電池を4.3Vに充
電した後、充電量を測定して下記の表3に示した。
【0095】
【表3】
【0096】コイン電池を4.3Vに充電した結果、充
電量は162〜168mAh/gに現れ、充電後、OC
Vは全て4.28Vに維持された。
【0097】更に、4.3Vに充電したコイン電池を乾
燥室(dry room)で解体して極板を分離した。
分離された極板でアルミニウム箔上に塗布されていた活
物質のみを約10mg程度採取して910 DSC(T
A Instrument社製品)を用いてDSC分析
を実施した。DSC分析は空気雰囲気下で25〜300
℃の間の温度範囲で3℃/分の昇温速度でスキャニング
して実施した。DSC分析結果は図12に示した。
【0098】図12のように、表面処理しなかった比較
例1のLiCoOは約190〜220℃の範囲で大き
な発熱ピークを示した。充電状態のLiCoO活物質
はLi1-xCoOの構造を有するが、このLi1-x
CoOのCo-O結合が弱くなって分解されてO
発生する。このような現象は電池の安全性を低下させる
要因となる。発熱ピークはCo-O結合が分解されて発
生するOが電解液と反応して大きな発熱を起こすこと
に起因したものである。表面コーティングの後、熱処理
した比較例8の正極活物質は発熱ピークの面積が表面処
理しなかった比較例1に比べてはるかに減少したが、発
熱温度は多少高い温度に位置移動(shift)した。
しかし、実施例4と5の活物質の発熱ピークは比較例1
や比較例8の発熱ピークより高い温度である240〜2
50℃に移動することが確認される。これは実施例4と
5の正極活物質の分解温度が比較例1や比較例8の正極
活物質より約30℃以上向上することを示したものであ
る。また、ピークの面積も比較例1に比べて非常に小さ
くなるため発熱量もはるかに減少することが分かる。こ
のようなCo-O分解温度(酸素遊離温度)の上昇と発
熱量の減少は実施例4と5の正極活物質が熱的安定性に
優れているということを示す。つまり、本発明における
表面処理した正極活物質は、表面処理しなかった場合ま
たは既存の熱処理方法によって製造された正極活物質に
比べて熱的安定性が向上することを示す。また、分級し
なかった実施例4の正極活物質が分級した実施例5の正
極活物質より熱的安定性に優れていることが明らかとな
った。これはコーティング後に残存するアルミニウムオ
キシヒドロキシド(AlO(OH))またはアルミニウ
ムヒドロキシド(Al(OH))粉末が正極活物質の
熱的安定性をさらに向上させるものと見られる。
【0099】10重量%のボロンエトキシド溶液で表面
処理した実施例13の正極活物質に対して実施例4と5
と同様な方法でDSC分析を実施した結果を図13に示
した。比較を容易にするために比較例1のDSC分析結
果を共に図示した。図13のように、実施例13の正極
活物質が表面処理しなかった比較例1より発熱温度が3
0℃以上上昇しただけでなく、発熱量においてもはるか
に減少したことが分かった。
【0100】比較例1と8、実施例4と5の正極活物質
を含む2000mAh円筒形電池20個に対して燃焼、
熱露出、過充電試験を行った。比較例8と実施例4の電
池をバーナーで加熱した後の写真を図14(a)乃至1
4(b)に示した。比較例1と8の電池は相当数破裂さ
れたが、実施例4と5の電池はバーナーで加熱しても電
池の形態が保存された。燃焼試験はバーナーで電池を加
熱して電池の破裂率を計算し、熱露出試験は150℃に
おいて電池を熱露出させた場合、電池が破裂(爆発)す
るまでの時間を測定し、過充電試験は電池を1Cに過充
電する場合の漏液率を調査した。その結果を下記の表4
に記載した。
【0101】
【表4】
【0102】表面処理層の構造 本発明における正極活物質の表面処理層の物質を確認す
るために、次のような実験を行った。アルミニウムイソ
プロポキシド粉末5gとエタノール溶液95gとを互い
に混合した後、約3時間攪拌しアルミニウムイソプロポ
キシド溶液を製造した。この溶液を3個のビーカーに各
々入れた後、1番目のビーカーは100℃オーブンで1
日間乾燥し(サンプル1)、2番目のビーカーは130
℃オーブンで1日間乾燥し(サンプル2)、3番目のビ
ーカーは600℃熱処理炉に入れて1日間熱処理して
(サンプル3)それぞれの粉末状態のサンプルを得た。
【0103】サンプル1の粉末の構造を知るためにサン
プル1の粉末とKBrとを混合してペレット(pell
et)形態に作り、FT-IR分析を実施した。その結
果を図15に示した(a)。サンプル1の粉末に対して
ATR(Attenuated Total Refl
ectance)方法で測定して図15に共に示した
(b)。このFT−IR分析結果はAlO(OH)と一
致する結果となった。
【0104】また、サンプル1の粉末及びAl
対してラマン分光分析を実施した結果を図16に示し
た。図16に示すようにサンプル1の粉末は熱処理して
得られたAl粉末と明確に区別されるパターンを
示した。
【0105】また、130℃において乾燥した粉末(サ
ンプル2:非晶質Al(OH))と600℃において
熱処理した粉末(サンプル3:Al)のXRDパ
ターンを測定して図17に示した。図17に示したよう
に、Al(OH)とAlとのXRDパターンは
明確に区別されることが分かる。2種類の粉末は共に非
晶質形態を示した。図18に示したJCPDSカードに
示されている参照データと比較した結果、130℃にお
いて乾燥した粉末の場合はJCPDS No.83-2
256で提示しているAl(OH)の非晶質形態と推
測され、600℃において熱処理した場合はJCPDS
No.02-1373で提示しているAlの非
晶質形態と推測される。これらの結果から、本発明にお
ける実施例1乃至10によって製造された活物質の表面
は全て非晶質Al(OH)コーティング層であると見
られる。
【0106】B5gとエタノール95gを混合し
た後、約1時間攪拌し透明な5重量%のボロンエトキシ
ド溶液を製造した。この溶液を100℃オーブンで10
時間乾燥して白い微細粉末(サンプル4)を得た。この
粉末と市販されているB に対しXRDを測定した
結果を図19に示した。図19のように、市販のB
はきれいなパターンを示さない反面、サンプル4の粉
末はきれいな単一相(single phase)のX
RDパターンであることが分かる。このようなサンプル
4のXRDパターンがJCPDSカード番号72-10
67号の物質に該当するものであって、結晶質ヒドロゲ
ンボレート(hydrogen borate、BH
(OH))であることが確認された。これらの結果よ
り、本発明における実施例11〜15によって製造され
た活物質の表面は、全て結晶質コーティング層であると
見られる。
【0107】
【発明の効果】以上説明したように、本発明におけるリ
チウム二次電池用正極活物質は表面にイオン伝導度の優
れたヒドロキシド、オキシヒドロキシド、オキシカーボ
ネート、ヒドロキシカーボネートまたはこれらの中の少
なくも2種以上の混合物を含む表面処理層が形成されて
いるので、内部抵抗を小さくすることができ、放電電位
の下落を少なくしC-rate変化による高い放電電位
特性を維持する特性を示すことができる。このような正
極活物質を電池に適用した場合、優れた寿命特性と高い
放電電位特性が得られ、電力量(Power)の向上が
期待される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明におけるリチウム二次電池用正極活物質
製造工程のうち、コーティング工程で用いられる装置を
概略的に示した図面。
【図2】(a)LiCoOを用いて、本発明における
製造方法によって最終正極活物質が生成される過程を簡
略的に示した工程図。 (b)LiCoOを用いて、従来の方法によって熱処
理工程の後に得られた最終正極活物質が生成される過程
を簡略的に示した工程図。
【図3】本発明におけるリチウム二次電池用正極活物質
の製造工程のうち、一元化製造工程と従来の製造工程と
を比較して示した工程図。
【図4】本発明における実施例2、3及び比較例5によ
って製造されたリチウム二次電池用正極活物質とLiC
oOとの表面を示したSEM写真。
【図5】本発明における実施例2、3及び比較例5によ
って製造されたリチウム二次電池用正極活物質とLiC
oOとの表面を示したSEM写真。
【図6】本発明における実施例2及び比較例5によって
製造されたリチウム二次電池用正極活物質の断面を示し
たTEM写真。
【図7】本発明における実施例2乃至5及び比較例1に
よって製造されたリチウム二次電池用正極活物質のXR
Dパターンを示した図面。
【図8】本発明における実施例2乃至5と比較例1及び
8の方法で製造された正極活物質を0.1Cに充放電を
実施して得た放電特性を示したグラフ。
【図9】本発明における実施例2乃至5と比較例1及び
8の方法で製造された正極活物質を1Cに充放電を実施
して得た放電特性を示したグラフ。
【図10】本発明における実施例2乃至5と比較例1と
の正極活物質のサイクル特性を示したグラフ。
【図11】本発明における実施例14乃至15と比較例
2との正極活物質の高温サイクル特性を示したグラフ。
【図12】本発明における実施例4乃至5と比較例1乃
至8の正極活物質のDSC分析結果を示したグラフ。
【図13】本発明における実施例13と比較例1との正
極活物質のDSC分析結果を示したグラフ。
【図14】本発明における比較例8と実施例4との正極
活物質を含む円筒形電池の安全性実験結果を示した写
真。
【図15】本発明における正極活物質のコーティング粉
末のFT-IR分析結果を示した図面。
【図16】本発明における正極活物質のコーティング粉
末とAlとのラマン分光分析結果を示した図面。
【図17】Al(OH)とAlのXRDパター
ンを示したグラフ。
【図18】Al(OH)とAlの比較データが
記載されているJCPDSカード。
【図19】本発明における正極活物質のコーティング粉
末とBのXRDパターンを示した図面。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 5H029 AJ05 AJ14 AK03 AL06 AM03 AM05 AM07 CJ22 CJ28 EJ01 EJ12 HJ01 HJ02 HJ04 5H050 AA05 AA07 AA19 BA17 CA08 CA09 CB07 DA02 DA09 EA23 FA18 GA02 GA10 GA22 HA01 HA02 HA04 HA12

Claims (36)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 少なくとも一種以上のリチウム化合物を
    含むコア、及びコア上に形成される表面処理層中に、コ
    ーティング元素のヒドロキシド、オキシヒドロキシド、
    オキシカーボネート及びヒドロキシカーボネートからな
    る群より選択される、少なくとも一種以上のコーティン
    グ物質を含むことを特徴とする、リチウム二次電池用正
    極活物質。
  2. 【請求項2】 前記リチウム化合物が下記の化学式1乃
    至11からなる群より選択される少なくとも一種以上の
    化合物である、請求項1に記載のリチウム二次電池用正
    極活物質。 【化1】[化学式1] LixMn1-yM'yA2 [化学式2] LixMn1-yM'yO2-zAz [化学式3] LixMn2O4-zAz [化学式4] LixMn2-yM'yA4 [化学式5] LixM1-yM"yA2 [化学式6] LixMO2-zAz [化学式7] LixNi1-yCoyO2-zAz [化学式8] LixNi1-y-zCoyM"zAα [化学式9] LixNi1-y-zMnyM'zAα [化学式10] LixNi1-y-zCoyM"zO2-αXα [化学式11] LixNi1-y-zMnyM'zO2-αXα (前記式において、0.95≦x≦1.1、0≦y≦
    0.5、0≦z≦0.5、0≦α≦2であり、MはNi
    またはCoであり、M´はAl、Ni、Co、Cr、F
    e、Mg、Sr、V、Sc、Y、La、Ce、Pr、N
    d、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、E
    r、Tm、Yb、Lu、Ac、Th、Pa、U、Np、
    Pu、Am、Cm、Bk、Cf、Es、Fm、Md、N
    o及びLrからなる群より選択される少なくとも一種以
    上の元素であり、M"はAl、Cr、Mn、Fe、M
    g、Sr、V、Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、P
    m、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、T
    m、Yb、Lu、Ac、Th、Pa、U、Np、Pu、
    Am、Cm、Bk、Cf、Es、Fm、Md、No及び
    Lrからなる群より選択される少なくとも一種以上の元
    素であり、AはO、F、S及びPからなる群より選択さ
    れる元素であり、XはO、F、S及びPからなる群より
    選択される元素である。)
  3. 【請求項3】 前記コーティング元素が有機溶媒または
    水に溶解可能なものである、請求項1に記載のリチウム
    二次電池用正極活物質。
  4. 【請求項4】 前記コーティング元素がMg、Al、C
    o、K、Na、Ca、Si、Ti、Sn、V、Ge、G
    a、B、As、Zr及びこれらの混合物からなる群より
    選択される少なくとも一種以上の金属である、請求項3
    に記載のリチウム二次電池用正極活物質。
  5. 【請求項5】 前記表面処理層を構成する化合物が非晶
    質または結晶質である、請求項1に記載のリチウム二次
    電池用正極活物質。
  6. 【請求項6】 前記表面処理層の厚さが0.1乃至30
    0nmである、請求項1に記載のリチウム二次電池用正
    極活物質。
  7. 【請求項7】 前記表面処理層の厚さが0.1乃至10
    0nmである、請求項6に記載のリチウム二次電池用正
    極活物質。
  8. 【請求項8】 前記表面処理層の厚さは0.1乃至50
    nmである、請求項7に記載のリチウム二次電池用正極
    活物質。
  9. 【請求項9】 前記表面処理層内のコーティング元素の
    含量が正極活物質に対して2×10-5乃至2重量%で
    ある、請求項1に記載のリチウム二次電池用正極活物
    質。
  10. 【請求項10】 前記表面処理層内のコーティング元素
    の含量が正極活物質に対して0.001乃至2重量%で
    ある、請求項9に記載のリチウム二次電池用正極活物
    質。
  11. 【請求項11】 少なくとも一種以上のリチウム化合物
    を、コーティング物質の有機溶液または水溶液からなる
    コーティング液でコーティングし、このコーティングさ
    れた化合物を乾燥する工程を含む、リチウム二次電池用
    正極活物質の製造方法。
  12. 【請求項12】 前記リチウム化合物が下記の化学式1
    乃至11からなる群より選択される少なくとも一種以上
    の化合物である、請求項11に記載のリチウム二次電池
    用正極活物質の製造方法。 【化2】[化学式1] LixMn1-yM'yA2 [化学式2] LixMn1-yM'yO2-zAz [化学式3] LixMn2O4-zAz [化学式4] LixMn2-yM'yA4 [化学式5] LixM1-yM"yA2 [化学式6] LixMO2-zAz [化学式7] LixNi1-yCoyO2-zAz [化学式8] LixNi1-y-zCoyM"zAα [化学式9] LixNi1-y-zMnyM'zAα [化学式10] LixNi1-y-zCoyM"zO2-αXα [化学式11] LixNi1-y-zMnyM'zO2-αXα (前記式において、0.95≦x≦1.1、0≦y≦
    0.5、0≦z≦0.5、0≦α≦2であり、MはNi
    またはCoであり、M´はAl、Ni、Co、Cr、F
    e、Mg、Sr、V、Sc、Y、La、Ce、Pr、N
    d、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、E
    r、Tm、Yb、Lu、Ac、Th、Pa、U、Np、
    Pu、Am、Cm、Bk、Cf、Es、Fm、Md、N
    o及びLrからなる群より選択される少なくとも一種以
    上の元素であり、M"はAl、Cr、Mn、Fe、M
    g、Sr、V、Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、P
    m、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、T
    m、Yb、Lu、Ac、Th、Pa、U、Np、Pu、
    Am、Cm、Bk、Cf、Es、Fm、Md、No及び
    Lrからなる群より選択される少なくとも一種以上の元
    素であり、AはO、F、S及びPからなる群より選択さ
    れる元素であり、XはO、F、S及びPからなる群より
    選択される元素である。)
  13. 【請求項13】 前記コーティング液が、少なくとも一
    種以上のコーティング元素、コーティング元素のアルコ
    キシド、塩または酸化物を含む有機溶液であることを特
    徴とする、請求項11記載のリチウム二次電池用正極活
    物質の製造方法。
  14. 【請求項14】 前記コーティング液が、少なくとも一
    種以上のコーティング元素、コーティング元素のアルコ
    キシド、塩または酸化物を有機溶媒と混合し、これを還
    流することによって得られることを特徴とする、請求項
    11記載のリチウム二次電池用正極活物質の製造方法。
  15. 【請求項15】 前記コーティング液が、少なくとも一
    種以上のコーティング元素の塩または酸化物の水溶液で
    あることを特徴とする、請求項11記載のリチウム二次
    電池用正極活物質の製造方法。
  16. 【請求項16】 前記コーティング液が、少なくとも一
    種以上のコーティング元素の塩または酸化物を水と混合
    し、これを還流することによって得られることを特徴と
    する、請求項11記載のリチウム二次電池用正極活物質
    の製造方法。
  17. 【請求項17】 前記コーティング液が、有機溶媒また
    は水に溶解されるコーティング元素を含む、請求項11
    に記載のリチウム二次電池用正極活物質の製造方法。
  18. 【請求項18】 前記コーティング元素がMg、Al、
    Co、K、Na、Ca、Si、Ti、Sn、V、Ge、
    Ga、B、As、Zr及びこれらの混合物からなる群よ
    り選択される少なくとも一種以上のコーティング元素で
    ある、請求項17に記載の正極活物質の製造方法。
  19. 【請求項19】 前記有機溶液または水溶液内のコーテ
    ィング物質源の濃度が0.1乃至50重量%である、請
    求項11に記載の正極活物質の製造方法。
  20. 【請求項20】 前記有機溶液または水溶液内のコーテ
    ィング物質源の濃度が5乃至30重量%である、請求項
    19に記載のリチウム二次電池用正極活物質の製造方
    法。
  21. 【請求項21】 前記コーティング工程が、前記リチウ
    ム化合物とコーティング物質源の有機溶液または水溶液
    を混合器に投入して温度を上昇させて実施する一元化工
    程である、請求項11に記載のリチウム二次電池用正極
    活物質の製造方法。
  22. 【請求項22】 前記コーティング工程の混合器内に、
    少なくともブローイングガスを注入、または混合器を真
    空状態に維持する段階のいずれか一方を含むことを特徴
    とする、請求項21に記載のリチウム二次電池用正極活
    物質の製造方法。
  23. 【請求項23】 前記製造方法が分級工程をさらに含
    む、請求項11に記載のリチウム二次電池用正極活物質
    の製造方法。
  24. 【請求項24】 少なくとも一種以上のリチウム化合物
    を含むコア、及びコア上に形成された表面処理層中に、
    コーティング元素のヒドロキシドまたはオキシヒドロキ
    シドを含む、リチウム二次電池用正極活物質。
  25. 【請求項25】 前記リチウム化合物が下記の化学式1
    乃至11からなる群より選択される少なくとも一種以上
    の化合物である、請求項24に記載のリチウム二次電池
    用正極活物質。 【化3】[化学式1] LixMn1-yM'yA2 [化学式2] LixMn1-yM'yO2-zAz [化学式3] LixMn2O4-zAz [化学式4] LixMn2-yM'yA4 [化学式5] LixM1-yM"yA2 [化学式6] LixMO2-zAz [化学式7] LixNi1-yCoyO2-zAz [化学式8] LixNi1-y-zCoyM"zAα [化学式9] LixNi1-y-zMnyM'zAα [化学式10] LixNi1-y-zCoyM"zO2-αXα [化学式11] LixNi1-y-zMnyM'zO2-αXα (前記式において、0.95≦x≦1.1、0≦y≦
    0.5、0≦z≦0.5、0≦α≦2であり、MはNi
    またはCoであり、M´はAl、Ni、Co、Cr、F
    e、Mg、Sr、V、Sc、Y、La、Ce、Pr、N
    d、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、E
    r、Tm、Yb、Lu、Ac、Th、Pa、U、Np、
    Pu、Am、Cm、Bk、Cf、Es、Fm、Md、N
    o及びLrからなる群より選択される少なくとも一種以
    上の元素であり、M"はAl、Cr、Mn、Fe、M
    g、Sr、V、Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、P
    m、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、T
    m、Yb、Lu、Ac、Th、Pa、U、Np、Pu、
    Am、Cm、Bk、Cf、Es、Fm、Md、No及び
    Lrからなる群より選択される少なくとも一種以上の元
    素であり、AはO、F、S及びPからなる群より選択さ
    れる元素であり、XはO、F、S及びPからなる群より
    選択される元素である。)
  26. 【請求項26】 前記コーティング元素が有機溶媒また
    は水に溶解可能なものである、請求項24に記載のリチ
    ウム二次電池用正極活物質。
  27. 【請求項27】 前記コーティング元素がMg、Al、
    Co、K、Na、Ca、Si、Ti、Sn、V、Ge、
    Ga、B、As、Zr及びこれらの混合物からなる群よ
    り選択される少なくとも一種以上の金属である、請求項
    26に記載のリチウム二次電池用正極活物質。
  28. 【請求項28】 前記表面処理層を構成する化合物が非
    晶質または結晶質である、請求項24に記載のリチウム
    二次電池用正極活物質。
  29. 【請求項29】 前記表面処理層内のコーティング元素
    の含量が正極活物質に対して2×10-5乃至2重量%
    である、請求項24に記載のリチウム二次電池用正極活
    物質。
  30. 【請求項30】 前記表面処理層内のコーティング元素
    の含量が正極活物質に対して0.001乃至2重量%で
    ある、請求項29に記載のリチウム二次電池用正極活物
    質。
  31. 【請求項31】 リチウム-コバルトカルコゲナイド化
    合物を含むコア及びコア上に形成された表面処理層がA
    lO(OH)又はAl(OH)を含むリチウム二次電
    池用正極活物質。
  32. 【請求項32】 前記表面処理層内のAlの含量が正極
    活物質に対して2×10-5乃至2重量%である、請求
    項31に記載のリチウム二次電池用正極活物質。
  33. 【請求項33】 前記表面処理層内のAlの含量が正極
    活物質に対して0.001乃至2重量%である、請求項
    32に記載のリチウム二次電池用正極活物質。
  34. 【請求項34】 リチウム-マンガンまたはリチウム−
    コバルトカルコゲナイド化合物を含むコア、及びコア上
    に形成された表面処理層がBH(OH)を含むリチウ
    ム二次電池用正極活物質。
  35. 【請求項35】 前記表面処理層内のBの含量が正極活
    物質に対して2×10-5乃至2重量%である、請求項
    34に記載のリチウム二次電池用正極活物質。
  36. 【請求項36】 前記表面処理層内のBの含量が正極活
    物質に対して0.001乃至2重量%である、請求項3
    5に記載のリチウム二次電池用正極活物質。
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