JP2004002066A

JP2004002066A - コバルト酸化物粒子粉末及びその製造法、非水電解質二次電池用正極活物質及びその製造法並びに非水電解質二次電池

Info

Publication number: JP2004002066A
Application number: JP2002156224A
Authority: JP
Inventors: Hideaki Maeda; 前田　英明; Masaichi Fujino; 藤野　昌市; Hiroyasu Watanabe; 渡邊　浩康; Hideaki Sadamura; 貞村　英昭
Original assignee: Toda Kogyo Corp
Current assignee: Toda Kogyo Corp
Priority date: 2002-05-29
Filing date: 2002-05-29
Publication date: 2004-01-08
Anticipated expiration: 2022-05-29
Also published as: JP4553095B2

Abstract

【課題】本発明は、二次電池としての初期放電容量を維持し、且つ、高温下での充放電サイクル特性が改善された非水電解質二次電池を得ることができる正極活物質及び該正極活物質の前駆体であるコバルト酸化物粒子粉末を提供する。
【解決手段】Ｎｉ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｃａから選ばれる一種又は二種以上の異種金属元素を含有するコバルト酸化物粒子粉末は、コバルト塩とＮｉ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｃａから選ばれる一種又は二種以上の異種金属元素の塩とを含有する溶液をアルカリ水溶液により中和し、次いで、酸化反応を行って得ることができる。該コバルト酸化物粒子粉末とリチウム化合物とを混合し、熱処理して得られる正極活物質は、前記異種金属元素を含有するコバルト酸リチウム粒子粉末であり、平均粒子径が１．０〜２０μｍであり、ｃ軸の格子定数が０．１７７ｘ＋１４．０５１（Å）で示される値以上である。

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、二次電池としての初期放電容量を維持し、且つ、高温下での充放電サイクル特性が改善された非水電解質二次電池を得ることができる正極活物質及び該正極活物質の前駆体であるコバルト酸化物粒子粉末を提供する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＡＶ機器やパソコン等の電子機器のポータブル化、コードレス化が急速に進んでおり、これらの駆動用電源として小型、軽量で高エネルギー密度を有する二次電池への要求が高くなっている。このような状況下において、充放電電圧が高く、充放電容量も大きいという長所を有するリチウムイオン二次電池が注目されている。
【０００３】
従来、４Ｖ級の電圧をもつ高エネルギー型のリチウムイオン二次電池に有用な正極活物質としては、スピネル型構造のＬｉＭｎ_２Ｏ_４、ジグザグ層状構造のＬｉＭｎＯ_２、層状岩塩型構造のＬｉＣｏＯ_２、ＬｉＣｏ_１−ＸＮｉ_ＸＯ_２、ＬｉＮｉＯ_２等が一般的に知られており、なかでもＬｉＣｏＯ_２を用いたリチウムイオン二次電池は高い充放電電圧と充放電容量を有する点で優れているが、更なる特性改善が求められている。
【０００４】
即ち、ＬｉＣｏＯ_２を用いたリチウムイオン二次電池は充放電の繰り返しを行うと放電容量が低下する傾向がある。この原因として、リチウムイオンのインサーション反応の際にＬｉＣｏＯ_２の格子が膨張・収縮することによって、ＬｉＣｏＯ_２の結晶構造が崩壊し、充放電サイクル特性の劣化につながっているものと推定されている。
【０００５】
ノートパソコンなど二次電池で作動する装置はその使用に伴って高温になるため、二次電池として高温下での充放電サイクル特性に優れた二次電池が要求されている。
【０００６】
また、ＬｉＣｏＯ_２を用いた二次電池は高い電圧で作動することができるが、高電圧のため電解液との反応が起こりやすく、充放電サイクル特性が低下しやすい。
【０００７】
そこで、高温下での充放電サイクル特性に優れたＬｉＣｏＯ_２が要求されている。
【０００８】
従来、結晶構造の安定化、充放電サイクル特性などの諸特性改善のために、コバルト酸リチウム粒子粉末にアルミニウムやニッケル、チタン、カルシウム、鉄を含有させる方法（特開昭６２−２６４５６０号公報、特開昭６３−２１１５６４号公報、特開昭６３−２９９０５６号公報、特開平３−２０１３６８号公報、特開平１１−７９５８号公報、特開２０００−１２０２２号公報、特開２０００−１２３８３４号公報等）、湿式法によって異種金属元素を含有させる方法（特開平１０−１３１６号公報）及びコバルト酸リチウムの格子定数を制御することによって特性を向上させる方法（特開平６−１８１０６２号公報）等が知られている。
【０００９】
また、前記諸特性を満たすコバルト酸リチウム粒子粉末を得るためには、前駆体であるコバルト酸化物粒子粉末が反応性に優れていることが必要とされている。そこで、湿式反応によって微細な酸化コバルト粒子粉末を得る製造法（特開平１０−３２４５２３号公報、特開２００２−６８７５０号公報）が知られている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
前記諸特性を満たす正極活物質及びコバルト酸化物粒子粉末は、現在最も要求されているところであるが、未だ得られていない。
【００１１】
即ち、前出特開昭６２−２６４５６０号公報、特開昭６３−２１１５６４号公報、特開昭６３−２９９０５６号公報、特開平３−２０１３６８号公報、特開平１１−７９５８号公報、特開２０００−１２０２２号公報及び特開２０００−１２３８３４号公報には、コバルト化合物、リチウム化合物及び異種金属塩を乾式で混合させて、異種金属元素を含有するコバルト酸リチウム粒子粉末を得ることが記載されているが、異種金属の組成分布が不均一になり、リチウムイオンの出入りに伴い結晶構造の収縮膨張が起こって結晶格子が崩壊しやすく、充放電サイクル特性に優れるとは言い難いものである。
【００１２】
また、前出特開平１０−１３１６号公報には、コバルト化合物と、異種金属元素を水酸化リチウム水溶液中に分散させて、加熱処理を行ってコバルト酸リチウム粒子を得ることが記載されているが、水熱処理を行う必要があり粒子サイズが小さく粉体特性に優れるとは言い難いものである。
【００１３】
また、特開平６−１８１０６２号公報には、ｃ軸の格子定数が１４．０５Å以上であるコバルト酸リチウムが記載されているが、異種金属元素を含有させた場合と比較して充放電サイクル特性の改善効果が小さい。
【００１４】
また、前出特開平１０−３２４５２３号公報及び特開２００２−６８７５０号公報には湿式反応によって微細な酸化コバルト粒子粉末を得る製造法が記載されているが、酸化コバルト粒子粉末には、Ｎｉ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｃａ等の異種金属元素が含有されておらず、当該酸化コバルト粒子粉末を用いて得られるコバルト酸リチウム粒子粉末からなる正極活物質は、本発明に係る正極活物質に対して熱安定性が十分とは言い難いものである。
【００１５】
そこで、本発明は、初期放電容量に優れ、且つ、高温下での充放電サイクル特性に優れた非水電解質二次電池用正極活物質及び該正極活物質の前駆体であるコバルト酸化物粒子粉末を得ることを技術的課題とする。
【００１６】
【課題を解決する為の手段】
前記技術的課題は、次の通りの本発明によって達成できる。
【００１７】
即ち、本発明は、Ｎｉ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｃａから選ばれる一種又は二種以上の異種金属元素を含有するコバルト酸化物粒子粉末であり、組成（Ｃｏ_{（１−ｘ）}Ｍ_ｘ）_３Ｏ_４（０．００１≦ｘ≦０．１５、ＭはＮｉ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｃａから選ばれる一種又は二種以上の異種金属元素である。）であって、ＢＥＴ比表面積値が０．５〜５０ｍ^２／ｇ、平均粒子径が０．０１〜０．１μｍであることを特徴とするコバルト酸化物粒子粉末である（本発明１）。
【００１８】
また、本発明は、コバルト塩とＮｉ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｃａから選ばれる一種又は二種以上の異種金属元素の塩とを含有する溶液をアルカリ水溶液により中和し、次いで、酸化反応を行って前記異種金属元素を含有するコバルト酸化物粒子を得ることを特徴とする本発明１のコバルト酸化物粒子粉末の製造法である（本発明２）。
【００１９】
また、本発明は、コバルト酸化物粒子の粒子表面が、Ｎｉ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｃａから選ばれる一種又は二種以上の異種金属元素の水酸化物で被覆されているコバルト酸化物粒子であり、組成（１−ｘ）Ｃｏ_３Ｏ_４・３ｘＭ（ＯＨ）_ｙ（０．００１≦ｘ≦０．１５、ＭはＮｉ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｃａから選ばれる一種又は二種以上の異種金属元素、ｙは異種金属元素Ｍの価数である。）であって、ＢＥＴ比表面積値が０．５〜５０ｍ^２／ｇ、平均粒子径が０．０１〜０．１μｍであることを特徴とするコバルト酸化物粒子粉末である（本発明３）。
【００２０】
また、本発明は、コバルト塩を含有する溶液をアルカリ水溶液により中和した後、酸化反応を行ってコバルト酸化物粒子を得、次いで、当該コバルト酸化物粒子を含有する水懸濁液にＮｉ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｃａから選ばれる一種又は二種以上の異種金属元素の塩を添加し、次いで、水懸濁液のｐＨを調整してコバルト酸化物粒子の粒子表面にＮｉ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｃａから選ばれる一種又は二種以上の異種金属元素の水酸化物を被覆処理することを特徴とする本発明３のコバルト酸化物粒子粉末の製造法である（本発明４）。
【００２１】
また、本発明は、組成がＬｉＣｏ_{（１−ｘ）}Ｍ_ｘＯ_２（０．００１≦ｘ≦０．１５、ＭはＮｉ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｃａから選ばれる一種又は二種以上の異種金属元素である。）であり、平均粒子径が１．０〜２０μｍであり、ｃ軸の格子定数が０．１７７ｘ＋１４．０５１（Å）で示される値以上であることを特徴とする非水電解質二次電池用正極活物質である（本発明５）。
【００２２】
また、本発明は、本発明１又は本発明３のコバルト酸化物粒子粉末とリチウム化合物とを混合し、熱処理することを特徴とする本発明５の非水電解質二次電池用正極活物質の製造法である（本発明６）。
【００２３】
また、本発明は、本発明５の非水電解質二次電池用正極活物質を含有する正極を用いたことを特徴とする非水電解質二次電池である（本発明７）。
【００２４】
本発明の構成をより詳しく説明すれば次の通りである。
【００２５】
先ず、本発明１に係るコバルト酸化物粒子粉末について述べる。
【００２６】
本発明１に係るコバルト酸化物粒子粉末は、Ｎｉ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｃａから選ばれる一種又は二種以上の異種金属元素を含有するコバルト酸化物粒子粉末であり、組成は（Ｃｏ_{（１−ｘ）}Ｍ_ｘ）_３Ｏ_４（０．００１≦ｘ≦０．１５、ＭはＮｉ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｃａから選ばれる一種又は二種以上の異種金属元素）である。
【００２７】
本発明１に係るコバルト酸化物粒子粉末の異種金属元素の含有量ｘが０．００１未満の場合には、コバルト酸化物粒子粉末を用いて得られる正極活物質の高温下での充放電サイクル特性が十分とは言い難いものとなる。０．１５を越える場合には、コバルト酸リチウム単相を得ることが困難であり、工業的に生産するのが困難である。
【００２８】
本発明１に係るコバルト酸化物粒子粉末の平均粒子径は０．０１〜１．０μｍであり、０．０１μｍ未満及び１．０μｍを越える場合には工業的に生産することが困難である。好ましくは０．０１〜０．１５μｍであり、より好ましくは０．０５〜０．１２μｍである。
【００２９】
本発明１に係るコバルト酸化物粒子粉末のＢＥＴ比表面積値は０．５〜５０ｍ^２／ｇであり、０．５ｍ^２／ｇ未満の場合には、工業的に生産することが困難であり、５０ｍ^２／ｇを越える場合には、混合及び熱処理等における工程での粉体特性が優れるとは言い難い。より好ましくは１．０〜４０ｍ^２／ｇであり、更により好ましくは５．０〜３０ｍ^２／ｇである。
【００３０】
本発明１に係るコバルト酸化物粒子は、コバルトと異種金属元素が原子レベルで均一に分布しているため、リチウム化合物と混合し熱処理を行った場合、異種金属元素が均一にコバルトサイトに置換することが可能となる。
【００３１】
まず、本発明１に係るコバルト酸化物粒子粉末の製造法（本発明２）について述べる。
【００３２】
本発明１に係るコバルト酸化物粒子粉末は、コバルト塩を含有する溶液に異種金属元素塩の水溶液を添加し、更に、アルカリ水溶液を加えて中和反応を行った後、酸化反応を行って得ることができる。
【００３３】
アルカリ水溶液としては、例えば水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、炭酸ナトリウム、アンモニア等の水溶液であり、水酸化ナトリウム、炭酸ナトリウム又はそれらの混合溶液を用いるのが好ましい。
【００３４】
異種金属元素の添加量は、コバルトに対して０．０１〜２０ｍｏｌ％である。好ましくは２〜１８ｍｏｌ％である。
【００３５】
中和反応に用いるアルカリ量は、含有する全金属塩の中和分に対して当量比１．０〜１．２を添加することが好ましい。
【００３６】
酸化反応は、酸素含有ガスを通気することによって行う。反応温度は３０℃以上が好ましく、より好ましくは３０〜９５℃である。反応時間は５〜２０時間行うことが好ましい。
【００３７】
次に、本発明３に係るコバルト酸化物粒子粉末について述べる。
【００３８】
本発明３に係るコバルト酸化物粒子粉末は、粒子表面が異種金属元素の水酸化物で被覆されたコバルト酸化物粒子であって、組成（１−ｘ）Ｃｏ_３Ｏ_４・３ｘＭ（ＯＨ）_ｙ（０．００１≦ｘ≦０．１５、ＭはＮｉ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｃａから選ばれる一種又は二種以上の異種金属元素、ｙは異種金属元素Ｍの価数）である。
【００３９】
本発明３に係るコバルト酸化物粒子粉末の異種金属元素の含有量ｘが０．００１未満の場合には、コバルト酸化物粒子粉末を用いて得られる正極活物質の高温下での充放電サイクル特性が十分とは言い難いものとなる。０．１５を越える場合には、コバルト酸リチウム単相を得ることが困難であり、工業的に生産するのが困難である。
【００４０】
本発明３に係るコバルト酸化物粒子の平均粒子径は０．０１〜５．０μｍであり、０．０１μｍ未満及び５．０μｍを越える場合には工業的に生産するのが困難である。好ましくは０．０１〜０．１５μｍであり、より好ましくは０．０５〜０．１２μｍである。
【００４１】
本発明３に係るコバルト酸化物粒子粉末のＢＥＴ比表面積値は０．５〜５０ｍ^２／ｇであり、０．５ｍ^２／ｇ未満の場合には、工業的に生産するのが困難であり、５０ｍ^２／ｇを越える場合には、混合及び熱処理等における工程での粉体特性が優れるとは言い難い。より好ましくは１．０〜４０ｍ^２／ｇである。更により好ましくは５．０〜３０ｍ^２／ｇである。
【００４２】
本発明３に係るコバルト酸化物粒子粉末は、異種金属元素の水酸化物をコバルト酸化物粒子に表面処理しており、サブミクロンのコバルト酸化物粒子を用いているので、リチウム化合物と混合し熱処理を行った場合、均一にコバルトサイトに置換することが可能となる。
【００４３】
次に、本発明３に係る正極活物質の製造法（本発明４）について述べる。
【００４４】
本発明３に係るコバルト酸化物粒子は、コバルト塩を含有する水溶液に、アルカリ水溶液を加えて中和反応を行った後、酸化反応を行いコバルト酸化物粒子を得、次いで、前記コバルト酸化物粒子を含有する溶液に異種金属元素の水溶液を添加し、更に、アルカリ水溶液を加えて異種金属元素の水酸化物によってコバルト酸化物粒子の粒子表面を被覆することによって得ることができる。
【００４５】
アルカリ水溶液としては、前記アルカリ水溶液と同様である。
【００４６】
異種金属元素の添加量はコバルトに対して０．１〜２０ｍｏｌ％である。好ましくは１〜１８ｍｏｌ％である。
【００４７】
コバルト酸化物粒子を得る中和反応に用いるアルカリ水溶液の添加量は、コバルト塩の中和分に対して当量比１．０〜１．２を添加することが好ましい。
【００４８】
酸化反応は、酸素含有ガスを通気することによって行う。反応温度は３０℃以上が好ましく、より好ましくは３０〜９５℃である。反応時間は５〜２０時間が好ましい。
【００４９】
また、異種金属元素の水酸化物の表面処理に用いるアルカリ水溶液の添加量は、異種金属塩の中和分に対して当量比１．０〜１．２を添加することが好ましい。
【００５０】
表面処理を行う場合の反応溶液のｐＨ値は８〜１４が好ましい。
【００５１】
次に、本発明５に係る非水電解質リチウム二次電池用正極活物質（以下、「正極活物質」という）について述べる。
【００５２】
本発明においては、組成をＬｉＣｏ_{（１−ｘ）}Ｍ_ｘＯ_２とした場合、異種金属元素含有量ｘは０．００１〜０．１５である。０．００１未満の場合は充放電サイクル特性の向上に対する効果が小さく、０．１５を超える場合には初期放電容量が著しく低下する。好ましくは０．０１〜０．１０である。
【００５３】
本発明における異種金属元素は、Ｎｉ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｃａである。異種金属元素をコバルトサイトに置換することによって、ｃ軸の格子定数が伸長し充放電サイクル特性が向上する。
【００５４】
本発明に係る正極活物質のｃ軸の格子定数は０．１７７ｘ＋１４．０５１（Å）で示される値以上である。ｃ軸の格子定数が前記範囲未満の場合には、リチウムイオンの脱挿入反応に伴う格子の伸縮膨張が顕著になり、充放電サイクル特性が低下する。ｃ軸の格子定数の上限値は１４．１８０Å程度であり、異種元素の置換量を増加させることによって１４．１８０Åを超える正極活物質を得ることができるが、初期放電容量も低下することになるため好ましくない。また、ａ軸の格子定数は２．８１０〜２．８３０Åが好ましく、より好ましくは２．８１５〜２．８２５Åである。
【００５５】
本発明に係る正極活物質の平均粒子径は１．０〜２０μｍが好ましい。平均粒子径が１μｍ未満の場合には、充填密度の低下や電解液との反応性が増加するため好ましくない。２０μｍを超える場合には、工業的に生産することが困難となる。好ましくは２．０〜１０μｍである。
【００５６】
本発明に係る正極活物質のＢＥＴ比表面積は０．１〜２．５ｍ^２／ｇが好ましい。ＢＥＴ比表面積値が０．１ｍ^２／ｇ未満の場合には、工業的に生産することが困難となる。２．５ｍ^２／ｇを超える場合には充填密度の低下や電解液との反応性が増加するため好ましくない。より好ましくは０．１〜２．０ｍ^２／ｇ、更により好ましくは０．１〜１．７ｍ^２／ｇである。
【００５７】
本発明に係る正極活物質の結晶子サイズは、４００〜１２００Åであることが好ましい。
【００５８】
次に、本発明５に係る正極活物質の製造法（本発明６）について述べる。
【００５９】
本発明５に係る正極活物質は、前記本発明１又は本発明３のコバルト酸化物とリチウム化合物とを混合し、熱処理を行う。
【００６０】
本発明１又は本発明３のコバルト酸化物とリチウム化合物の混合は、均一に混合することができれば乾式、湿式のどちらでもよい。
【００６１】
リチウムの混合比は、コバルト及び異種金属元素に対してモル比で０．９５〜１．０５であることが好ましい。
【００６２】
熱処理温度は、高温規則相であるＬｉＣｏＯ_２が生成する６００℃〜９００℃であることが好ましい。６００℃以下の場合には擬スピネル構造を有する低温相であるＬｉＣｏＯ_２が生成し、９００℃以上の場合にはリチウムとコバルトの位置がランダムである高温不規則相のＬｉＣｏＯ_２が生成する。
【００６３】
次に、本発明７に係る二次電池について述べる。
【００６４】
本発明に係る正極活物質を用いて正極を製造する場合には、常法に従って、導電剤と結着剤とを添加混合する。導電剤としてはアセチレンブラック、カーボンブラック、黒鉛等が好ましく、結着剤としてはポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン等が好ましい。
【００６５】
本発明に係る正極活物質を用いて二次電池を製造する場合には、前記正極、負極及び電解質から構成される。
【００６６】
負極活物質としては、リチウム金属、リチウム／アルミニウム合金、リチウム／スズ合金、グラファイトや黒鉛等を用いることができる。
【００６７】
また、電解液の溶媒としては、炭酸エチレンと炭酸ジエチルの組み合わせ以外に、炭酸プロピレン、炭酸ジメチル等のカーボネート類や、ジメトキシエタン等のエーテル類の少なくとも１種類を含む有機溶媒を用いることができる。
【００６８】
さらに、電解質としては、六フッ化リン酸リチウム以外に、過塩素酸リチウム、四フッ化ホウ酸リチウム等のリチウム塩の少なくとも１種類を上記溶媒に溶解して用いることができる。
【００６９】
本発明に係る正極活物質を用いて製造した二次電池は、初期放電容量が１４０〜１６０ｍＡｈ／ｇが好ましく、より好ましくは１４５〜１６０ｍＡｈ／ｇ、６０℃での５０サイクル後の容量維持率が９０％以上が好ましく、より好ましくは９２〜９９％である。
【００７０】
【発明の実施の形態】
本発明の代表的な実施の形態は、次の通りである。
【００７１】
正極活物質の同定は、粉末Ｘ線回折（ＲＩＧＡＫＵ　Ｃｕ−Ｋα　４０ｋＶ　４０ｍＡ）を用いた。また、前記粉末Ｘ線回折の各々の回折ピークから格子定数を計算した。
【００７２】
正極活物質の結晶子サイズは、前記粉末Ｘ線回折の各々の回折ピークから計算した。
【００７３】
また、元素分析にはプラズマ発光分析装置（セイコー電子工業製　ＳＰＳ４０００）を用いた。
【００７４】
正極活物質の電池特性は、下記製造法によって正極、負極及び電解液を調製しコイン型の電池セルを作製して評価した。
【００７５】
＜正極の作製＞
正極活物質と導電剤であるアセチレンブラック及び結着剤のポリフッ化ビニリデンを重量比で８５：１０：５となるように精秤し、乳鉢で十分に混合してからＮ−メチル−２−ピロリドンに分散させて正極合剤スラリーを調整した。次に、このスラリーを集電体のアルミニウム箔に１５０μｍの膜厚で塗布し、１５０℃で真空乾燥してからφ１６ｍｍの円板状に打ち抜き正極板とした。
【００７６】
＜負極の作製＞
金属リチウム箔をφ１６ｍｍの円板状に打ち抜いて負極を作製した。
【００７７】
＜電解液の調製＞
炭酸エチレンと炭酸ジエチルとの体積比５０：５０の混合溶液に電解質として六フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ_６）を１モル／リットル混合して電解液とした。
【００７８】
＜コイン型電池セルの組み立て＞
アルゴン雰囲気のグローブボックス中でＳＵＳ３１６製のケースを用い、上記正極と負極の間にポリプロピレン製のセパレータを介し、さらに電解液を注入してＣＲ２０３２型のコイン電池を作製した。
【００７９】
＜電池評価＞
前記コイン型電池を用いて、二次電池の充放電試験を行った。測定条件としては、６０℃の温度下で、正極に対する電流密度を０．２ｍＡ／ｃｍ^２とし、カットオフ電圧が３．０Ｖから４．２５Ｖの間で充放電を繰り返した。
【００８０】
＜コバルト酸化物粒子粉末の製造（本発明２による製造）＞
コバルトを含有する溶液に、硫酸アルミニウム（コバルトに対して５．３ｍｏｌ％）を添加し、コバルト及びアルミニウムの中和分に対して１．０５当量の水酸化ナトリウム水溶液を添加し中和反応させた。次いで、空気を吹き込んで９０℃で２０時間酸化反応を行った。得られたアルミニウム含有コバルト酸化物粒子は、Ｃｏ_３Ｏ_４単相であり、Ａｌ含有量が５．３ｍｏｌ％（（Ｃｏ_{（１−ｘ）}Ａｌ_ｘ）_３Ｏ_４におけるｘは、０．０５）、平均粒子径が０．０５μｍ、ＢＥＴ比表面積値が２３ｍ^２／ｇであった。
【００８１】
＜正極活物質の製造＞
前記アルミニウム含有コバルト酸化物とリチウム化合物とを、リチウム／（コバルト＋アルミニウム）のモル比が１．０３となるよう所定量を十分混合し、混合粉を酸化雰囲気下、９００℃で１０時間焼成してアルミニウム含有コバルト酸リチウム粒子粉末を得た。
【００８２】
得られたアルミニウム含有コバルト酸リチウム粒子粉末は、平均粒子径５．０μｍ、ＢＥＴ比表面積値は０．５ｍ^２／ｇ、ａ軸の格子定数が２．８１７Å、ｃ軸の格子定数が１４．０６４Å、結晶子サイズは６４２Åであった。Ａｌ含有量はＬｉＣｏ_{（１−ｘ）}Ａｌ_ｘＯ_２とした場合にｘが０．０５であった。
【００８３】
前記正極活物質を用いて作製したコイン型電池は、初期放電容量が１５０ｍＡｈ／ｇ、６０℃での５０サイクル後の容量維持率が９５％／５０ｃｙｃｌｅであった。
【００８４】
【作用】
本発明において最も重要な点は、異種金属元素を含有するコバルト酸リチウム粒子粉末からなる正極活物質を用いた二次電池は、二次電池としての初期放電容量を維持し、充放電反応に伴う充放電サイクル特性に優れ、しかも、高温下でも充放電サイクル特性が劣化しないという点である。
【００８５】
本発明において正極活物質のｃ軸の格子定数が大きいのは、コバルト酸化物粒子を合成する段階であらかじめ異種金属元素を含有させるか、又は、異種金属元素の水酸化物をコバルト酸化物粒子の表面に付着させることによって、原子レベルでコバルトと異種金属元素が均一に分布し、該コバルト酸化物粒子を用いて得られる正極活物質は、異種金属元素がコバルトサイトに均一に置換することによるものと本発明者は推定している。
【００８６】
また、正極活物質のｃ軸の格子定数があらかじめ大きいので、リチウムイオンの脱挿入反応が容易に行われ、リチウムイオンの脱挿入反応に伴う結晶構造のｃ軸方向の収縮膨張による格子の崩壊を抑制することができるものと推定している。従って、高温下での充放電サイクル特性も優れるものと考えている。
【００８７】
一方、リチウム化合物、コバルト化合物及び異種金属元素を乾式混合し仮焼した場合には、異種金属元素の組成分布が不均一となり、本発明の効果は得られない。
【００８８】
本発明において初期放電容量を保持できるのは、本来のＬｉＣｏＯ_２が有する初期放電容量を低下させない範囲で異種金属元素を含有させたことによる。
【００８９】
【実施例】
次に、実施例並びに比較例を挙げる。
【００９０】
実施例１〜６
異種金属元素の種類及び含有量を種々変化させた以外は前記発明の実施の形態と同様にしてコバルト酸化物粒子粉末を得た。
【００９１】
このときの製造条件及び得られたコバルト酸化物粒子粉末の諸特性を表１に示す。
【００９２】
【表１】

【００９３】
実施例７〜１２
コバルト酸化物粒子粉末の種類、リチウムの混合割合及び焼成温度を種々変化させた以外は前記発明の実施の形態と同様にして正極活物質を得た。
【００９４】
このときの製造条件を表２に、得られた正極活物質の諸特性及びコイン型電池の電池特性を表３に示す。
【００９５】
比較例１は異種金属元素を含有しないコバルト酸化物粒子粉末であり、比較例３は異種金属元素を含有しないコバルト酸リチウムである。比較例４〜１１は、比較例２に示した特性を有するコバルト酸化物粒子粉末、異種金属元素の原料及びリチウム原料を乾式法により混合し、９００℃で焼成して異種金属元素を含有するコバルト酸リチウムを得た。
【００９６】
このときの製造条件を表２に、得られた正極活物質の諸特性及びコイン型電池の電池特性を表３に示す。
【００９７】
【表２】

【００９８】
【表３】

【００９９】
実施例１３（本発明３による製造）
０．５ｍｏｌ／ｌのコバルトを含有する溶液に、コバルトの中和分に対して１．０５当量の水酸化ナトリウム水溶液を添加し中和反応させた。次いで、空気を吹き込みながら９０℃で２０時間酸化反応を行ってコバルト酸化物粒子を得た。得られたコバルト酸化物粒子を含有する溶液中に、硫酸ニッケルをコバルトに対して５．３ｍｏｌ％を添加し、さらに中和分の水酸化ナトリウム水溶液を添加してコバルト酸化物粒子の粒子表面を水酸化ニッケルによって表面処理した。このときの反応溶液のｐＨは１１であった。得られた水酸化ニッケルを表面処理したコバルト酸化物粒子はＣｏ_３Ｏ_４単相であって、Ｎｉ含有量が５．３ｍｏｌ％（（１−ｘ）Ｃｏ_３Ｏ_４・３ｘＮｉ（ＯＨ）_２におけるｘは０．０５）、平均粒子径が０．０５μｍ、ＢＥＴ比表面積値が２７．５ｍ^２／ｇであった。
【０１００】
実施例２３
前記水酸化ニッケルを表面処理したコバルト酸化物粒子とリチウム化合物とを、リチウム／（コバルト＋ニッケル）のモル比が１．０３ｍｏｌ％となるように所定量を十分混合し、混合粉を酸化雰囲気下、９００℃で１０時間焼成してニッケル含有コバルト酸リチウム粒子粉末を得た。
【０１０１】
得られたニッケル含有コバルト酸リチウム粒子粉末はＸ線回折の結果、コバルト酸リチウム単相であり不純物相は存在しなかった。また、平均粒子径５．０μｍ、ＢＥＴ比表面積値は０．５ｍ^２／ｇ、ａ軸の格子定数が２．８２０Å、ｃ軸の格子定数が１４．０７５Å、結晶子サイズは６５３Åであった。Ｎｉ含有量はＬｉＣｏ_１−ｘＮｉ_ｘＯ_２とした場合にｘが０．０５であった。
【０１０２】
前記正極活物質を用いて作製したコイン型電池は、初期放電容量が１５８ｍＡｈ／ｇ、６０℃での５０サイクル後の容量維持率が９８％／５０ｃｙｃｌｅであった。
【０１０３】
実施例１４〜２２
各種金属元素の水酸化物による表面処理における異種金属元素の種類及び含有量を種々変化させた以外は前記実施例１３と同様にしてコバルト酸化物粒子粉末を得た。
【０１０４】
このときの製造条件及び得られたコバルト酸化物粒子粉末の諸特性を表４に示す。
【０１０５】
実施例２４〜３２
コバルト酸化物粒子粉末の種類及びリチウムの混合割合を種々変化させた以外は前記実施例２３と同様にして正極活物質を得た。
【０１０６】
このときの製造条件を表５に、得られた正極活物質の諸特性及びコイン型電池の電池特性を表６に示す。
【０１０７】
【表４】

【０１０８】
【表５】

【０１０９】
【表６】

【０１１０】
本発明に係る正極活物質を用いて作製したコイン型電池は、初期放電容量１４０〜１６０ｍＡｈ／ｇを保持し、６０℃での５０サイクル後の容量維持率が９１％以上と高いレベルにある。
【０１１１】
また、比較例に示す通り、各元素を乾式法により混合して含有した場合では、高温時の充放電サイクル特性の改善効果が見られない。
【０１１２】
【発明の効果】
本発明に係る正極活物質を用いることで、二次電池としての初期放電容量を維持し、且つ、高温下での充放電サイクル特性が改善された非水電解質二次電池を得ることができる。

Claims

Ｎｉ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｃａから選ばれる一種又は二種以上の異種金属元素を含有するコバルト酸化物粒子粉末であり、組成（Ｃｏ_{（１−ｘ）}Ｍ_ｘ）_３Ｏ_４（０．００１≦ｘ≦０．１５、ＭはＮｉ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｃａから選ばれる一種又は二種以上の異種金属元素である。）であって、ＢＥＴ比表面積値が０．５〜５０ｍ^２／ｇ、平均粒子径が０．０１〜０．１μｍであることを特徴とするコバルト酸化物粒子粉末。
コバルト塩とＮｉ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｃａから選ばれる一種又は二種以上の異種金属元素の塩とを含有する溶液をアルカリ水溶液により中和し、次いで、酸化反応を行って前記異種金属元素を含有するコバルト酸化物粒子を得ることを特徴とする請求項１記載のコバルト酸化物粒子粉末の製造法。
コバルト酸化物粒子の粒子表面が、Ｎｉ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｃａから選ばれる一種又は二種以上の異種金属元素の水酸化物で被覆されているコバルト酸化物粒子であり、組成（１−ｘ）Ｃｏ_３Ｏ_４・３ｘＭ（ＯＨ）_ｙ（０．００１≦ｘ≦０．１５、ＭはＮｉ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｃａから選ばれる一種又は二種以上の異種金属元素、ｙは異種金属元素Ｍの価数である。）であって、ＢＥＴ比表面積値が０．５〜５０ｍ^２／ｇ、平均粒子径が０．０１〜０．１μｍであることを特徴とするコバルト酸化物粒子粉末。
コバルト塩を含有する溶液をアルカリ水溶液により中和した後、酸化反応を行ってコバルト酸化物粒子を得、次いで、当該コバルト酸化物粒子を含有する水懸濁液にＮｉ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｃａから選ばれる一種又は二種以上の異種金属元素の塩を添加し、次いで、水懸濁液のｐＨを調整してコバルト酸化物粒子の粒子表面にＮｉ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｃａから選ばれる一種又は二種以上の異種金属元素の水酸化物を被覆処理することを特徴とする請求項３記載のコバルト酸化物粒子粉末の製造法。
組成がＬｉＣｏ_{（１−ｘ）}Ｍ_ｘＯ_２（０．００１≦ｘ≦０．１５、ＭはＮｉ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｃａから選ばれる一種又は二種以上の異種金属元素である。）であり、平均粒子径が１．０〜２０μｍであり、ｃ軸の格子定数が０．１７７ｘ＋１４．０５１（Å）で示される値以上であることを特徴とする非水電解質二次電池用正極活物質。
請求項１又は請求項３記載のコバルト酸化物粒子粉末とリチウム化合物とを混合し、熱処理することを特徴とする請求項５記載の非水電解質二次電池用正極活物質の製造法。
請求項５記載の非水電解質二次電池用正極活物質を含有する正極を用いたことを特徴とする非水電解質二次電池。