JP2006302542A - リチウム二次電池正極用のリチウム含有複合酸化物の製造方法 - Google Patents

リチウム二次電池正極用のリチウム含有複合酸化物の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】体積容量密度、安全性、充放電サイクル耐久性、及び低温特性に優れたリチウム二次電池正極用のリチウム含有複合酸化物の製造方法を提供する。
【解決手段】一般式Lipxyza(但し、Nは、Co、Mn及びNiから選ばれる少なくとも1種の元素であり、Mは、N元素以外の遷移金属元素、Al及びアルカリ土類金属元素から選ばれる少なくとも1種の元素である。0.9≦p≦1.2、0.97≦x≦1.00、0≦y≦0.03、1.9≦z≦2.2、x+y=1、0≦a≦0.02)で表され、リチウム源、N元素源、M元素源及びフッ素源の混合物粉末を酸素含有雰囲気中で700〜1100℃で焼成するリチウム含有複合酸化物の製造方法であって、N元素源が、N元素を含有しかつ分子内にカルボン酸基又はカルボン酸基及び水酸基を合計で2つ以上含有するカルボン酸塩の水溶液を、N元素源粉末に含浸させた含浸物の乾燥粉末である。
【選択図】なし

Description

本発明は、体積容量密度が大きく、安全性が高く、充放電サイクル耐久性及び低温特性に優れた、リチウム二次電池正極用のリチウム含有複合酸化物の製造方法、製造されたリチウム含有複合酸化物を含むリチウム二次電池用正極及びリチウム二次電池に関する。
近年、機器のポータブル化、コードレス化が進むにつれ、小型、軽量でかつ高エネルギー密度を有するリチウム二次電池などの非水電解液二次電池に対する要求がますます高まっている。かかる非水電解液二次電池用の正極活物質には、LiCoO2、LiNiO2、LiNi0.8Co0.22、LiMn24、LiMnO2などのリチウムと遷移金属の複合酸
化物が知られている。
なかでも、リチウム含有複合酸化物(LiCoO2)を正極活物質として用い、リチウム合金、グラファイト、カーボンファイバーなどのカーボンを負極として用いたリチウム二次電池は、4V級の高い電圧が得られるため、高エネルギー密度を有する電池として広く使用されている。
しかしながら、LiCoO2を正極活物質として用いた非水系二次電池の場合、正極電極層の単位体積当たりの容量密度及び安全性の更なる向上が望まれるとともに、充放電サイクルを繰り返し行うことにより、その電池放電容量が徐々に減少するというサイクル特性の劣化、重量容量密度の問題、あるいは低温での放電容量低下が大きいという問題などがあった。
これらの問題を解決するために、特許文献1には、正極活物質であるLiCoO2の平均粒径を3〜9μm、及び粒径3〜15μmの粒子群の占める体積を全体積の75%以上とし、かつCuKαを線源とするX線回折によって測定される2θ=約19°と2θ=45°との回折ピーク強度比を特定値とすることにより、塗布特性、自己放電特性、サイクル性に優れた活物質とすることが提案されている。更に、特許文献1には、LiCoO2の粒径が1μm以下又は25μm以上の粒径分布を実質的に有さないものが好ましい態様として提案されている。しかし、かかる正極活物質では、塗布特性ならびにサイクル特性は向上するものの、安全性、体積容量密度、重量容量密度を充分に満足するものは得られていない。
また、電池特性に関する課題を解決するために、特許文献2には、Co原子の5〜35%をW、Mn、Ta、Ti又はNbで置換することがサイクル特性改良のために提案されている。また、特許文献3には、格子定数のc軸長が14.051Å以下であり、結晶子の(110)方向の結晶子径が45〜100nmである、六方晶系のLiCoO2を正極活物質とすることによりサイクル特性を向上させることが提案されている。
更に、特許文献4には、式LixNi1-m2(式中、0<x<1.1、0≦m≦1である。)を有し、一次粒子が板状ないし柱状であり、かつ(体積基準累積95%径−体積基準累積5%径)/体積基準累積5%径が3以下で、平均粒径が1〜50μmを有するリチウム複合酸化物が、重量あたりの初期放電容量が高く、また充放電サイクル耐久性に優れることが開示されている。
また、特許文献5には、平均粒子径0.01〜2μmを有する、コバルト水酸化物やコバルトオキシ水酸化物やコバルト酸化物の一次粒子を凝集させて平均粒子径0.5〜30μmの二次粒子を形成したコバルト化合物粉末をリチウム化することが提案されている。しかし、この場合にも高い体積容量密度の正極物質は得られず、また、サイクル特性、安全性や大電流放電特性の点でもなお充分ではない。
また、特許文献6及び特許文献7には、ゾルーゲル法で異種金属元素でコバルト酸リチウム粒子を被覆する方法も提案されている。しかし、被覆されたコバルト酸リチウムは、電池性能、即ち放電容量、充放電サイクル耐久性や安全性も不満足でありかつ、出発原料であるアルコキシドは実験室的には適した材料であっても、工業的に採用するには高価すぎて採用できないものである。また、アルコキシドは水分に対して非常に敏感で加水分解し易いため、アルコキシドが空気中の水分に影響を受けないような反応装置を必要とし、設備費が高くコストアップの要因となるなど経済的問題がある。
また、特許文献8にはコバルト酸リチウム粒子に、(NH42HPO4とAl(NO3)・3H2Oに水を添加して得られるコロイドコーティング液を作用させる提案もあるが、被覆されたコバルト酸リチウムは、その電池性能、即ち放電容量、充放電サイクル耐久性や安全性も不満足である。
上記のように、上記従来の技術では、リチウム複合酸化物を正極活物質に用いたリチウム二次電池において、体積容量密度、安全性、塗工均一性、サイクル特性更には低温特性などの全てを充分に満足するものは未だ得られていない。
特開平6−243897号公報 特開平3−201368号公報 特開平10−312805号公報 特開平10−72219号公報 特開2002−60225号公報 特開2000−306584号公報 特開2002−279991号公報 特開2003−7299号公報
本発明は、体積容量密度が大きく、安全性が高く、充放電サイクル耐久性に優れ、更には、低温特性に優れた、リチウム二次電池正極用のリチウム含有複合酸化物の製造方法、製造されたリチウム含有複合酸化物を含む、リチウム二次電池用正極、及びリチウム二次電池の提供を目的とする。
本発明者は、鋭意研究を続けたところ、以下の知見を通じて本発明に到達した。即ち、一般式Lipxyza(但し、Nは、Co、Mn及びNiからなる群から選ばれる少なくとも1種の元素であり、Mは、N元素以外の遷移金属元素、Al及びアルカリ土類金属元素からなる群から選ばれる少なくとも1種の元素である。0.9≦p≦1.2、0.97≦x≦1.00、0≦y≦0.03、1.9≦z≦2.2、x+y=1、0≦a≦0.02)で表される、コバルト酸リチウムなどのリチウム含有複合酸化物の高い体積容量密度を得るには、単位体積内の充填性が高いことが必要である。リチウム含有複合酸化物の充填性は原料物性の影響が大きいため、原料段階から充填性の高い、緻密な原料物性が要求される。しかしながら、原料は一次粒子が分散して空隙を形成したり、一次粒子が凝集して二次粒子を形成したときも、凝集した一次粒子と一次粒子の隙間に空隙をつくり、緻密な原料を作製することは概して難しい。
しかしながら、本発明者は、コバルトなどのN元素源として、N元素を含有しかつ分子内にカルボン酸基又はカルボン酸基及び水酸基を合計で2つ以上含有するカルボン酸塩の水溶液を、N元素源粉末に含浸させた含浸物の乾燥粉末を使用することにより、この課題を達成し得ることを見出した。かかる含浸物の乾燥粉末をにおいては、コバルトなどのN元素原料粉体にN元素を含む水溶液が浸透し、乾燥を経て、N元素原料粉体の一次粒子間、または二次粒子を構成する一次粒子の隙間にN元素を含む溶液の乾燥物が析出し、空隙がN元素で埋められた緻密なN元素原料が得られると考えられる。この緻密なN元素原料を用いてリチウム含有複合酸化物を作製すると、空隙が少なく緻密であるため、さらに、溶液の乾燥物であるN元素はリチウムとの反応性が高いため、結晶粒が成長しやくすく、また粒内に空隙が残らないため、一つ一つの粒子が密になり充填性が良くなり、体積容量密度と電池性能に優れたリチウム二次電池正極用のリチウム含有複合酸化物が得られると考えられる。
本発明では、さらに必要に応じて、N元素の置換元素であるM元素も水溶液で作用させることにより、リチウム含有複合酸化物におけるコバルトなどのN元素が極めて充分にかつ均一にMにより置換されることにより、上記の課題が良好に達成され、更に、安全性が高く、充放電サイクル耐久性に優れ、低温特性に優れた、リチウム二次電池正極用のリチウム含有複合酸化物が得られる。これは、従来法による場合には、後記する比較例である、例10及び例11に示されるように良好な結果は得られないのに比べて対照的である。
かくして、本発明は以下の構成を要旨とするものである。
(1)一般式Lipxyza(但し、Nは、Co、Mn及びNiからなる群から選ばれる少なくとも1種の元素であり、Mは、N元素以外の遷移金属元素、Al及びアルカリ土類金属元素からなる群から選ばれる少なくとも1種の元素である。0.9≦p≦1.2、0.97≦x≦1.00、0≦y≦0.03、1.9≦z≦2.2、x+y=1、0≦a≦0.02)で表され、リチウム源、N元素源、及び必要に応じて含有されるM元素源及びフッ素源の混合物粉末を酸素含有雰囲気中で700〜1100℃で焼成するリチウム含有複合酸化物の製造方法であって、N元素源が、N元素を含有しかつ分子内にカルボン酸基又はカルボン酸基及び水酸基を合計で2つ以上含有するカルボン酸塩の水溶液を、N元素源粉末に含浸させた含浸物の乾燥粉末をであることを特徴とするリチウム二次電池正極用のリチウム含有複合酸化物の製造方法。
(2)前記N元素源粉末の平均粒径(D50)が2〜25μmである上記(1)に記載の製造方法
(3)得られるリチウム含有複合酸化物に含有されるN元素のうち0.1〜20重量%が、N元素を含有するカルボン酸塩の水溶液から供される上記(1)又は(2)に記載の製造方法。
(4)前記カルボン酸塩が、M元素を含むカルボン酸塩である上記(1)〜(3)に記載の製造方法。
(5)前記カルボン酸が、炭素数2〜8の脂肪族カルボン酸であり、クエン酸、蓚酸及び酒石酸からなる群から選ばれる少なくとも1種である上記(1)〜(4)のいずれかに記載の製造方法。
(6)前記カルボン酸塩の水溶液のpHが2〜12である上記(1)〜(5)のいずれかに記載の製造方法。
(7)前記カルボン酸塩の水溶液を、N元素源粉末に含浸した後、乾燥により水分を除去した後、リチウム源粉末及び、必要に応じてM元源粉末及びフッ素減と混合して得られる乾燥混合物粉末を酸素含有雰囲気において850〜1050℃で焼成する上記(1)〜(6)のいずれかに記載の製造方法。
(8)前記カルボン酸塩の水溶液を、N元素源粉末とリチウム源粉末、必要に応じてM元素源粉末及びフッ素源に含浸及び乾燥により水分を除去した乾燥混合粉末を酸素含有雰囲気において850〜1050℃で焼成する上記(1)〜(6)のいずれかに記載の製造方法。
(9)N元素源粉末が、水酸化コバルト、オキシ水酸化コバルト、四三酸化コバルト及び炭酸コバルトからなる群から選ばれる少なくとも1種の平均粒径(D50)が2〜25μmの粉末である上記(1)〜(8)のいずれかに記載の製造方法。
(10)N元素源粉末が、ニッケル-コバルト共沈水酸化物、ニッケル−コバルト共沈オキシ水酸化物、ニッケル−コバルト共沈酸化物、ニッケル-マンガン共沈水酸化物、ニッケル−マンガン共沈オキシ水酸化物、ニッケル−マンガン共沈酸化物、ニッケル-コバルト-マンガン共沈水酸化物、ニッケル−コバルト−マンガン共沈オキシ水酸化物及びニッケル-コバルト−マンガン酸化物からなる群から選ばれる少なくとも1種の平均粒径(D50)が2〜25μmの粉末である上記(1)〜(9)のいずれかに記載の製造方法。
(11)M元素が、Ti、Zr、Hf、Nb、Ta、Mg、Sn、Zn、及びAlからなる群から選ばれる少なくとも1種である上記(1)〜(10)のいずれかに記載の製造方法。
(12)リチウム含有複合酸化物が、CuKαを線源とするX線回折によって測定される、2θ=66〜67°の(110)面の回折ピークの積分幅0.08〜1.40、表面積0.1〜0.7m2/g、発熱開始温度160℃以上を有する、上記(1)〜(11)のいずれかに記載の製造方法。
(13)上記(1)〜(12)のいずれかに記載の製造方法により製造されたリチウム含有複合酸化物を含むリチウム二次電池用正極。
(14)上記(13)に記載された正極を使用したリチウム二次電池。
本発明によれば、体積容量密度が大きく、安全性が高く、充放電サイクル耐久性に優れ、更には、低温特性に優れた、リチウム二次電池正極用リチウムコバルト複合酸化物などのリチウム含有複合酸化物の製造方法、製造されたリチウム含有複合酸化物を含む、リチウム二次電池用正極、及びリチウム二次電池が提供される。
本発明で製造されるリチウム二次電池正極用のリチウム含有複合酸化物は、一般式Lipxyzaで表される。かかる一般式における、p、x、y、z及びaは上記に定義される。なかでも、p、x、y、z及びaは下記が好ましい。0.97≦p≦1.03、0.98≦x≦1.00、0.0005≦y≦0.02、1.95≦z≦2.05、x+y=1、0.001≦a≦0.01。ここで、aが0より大きいときには、酸素原子の一部がフッ素原子で置換された複合酸化物になるが、この場合には、得られた正極活物質の安全性が向上する。
N元素は、Co、Mn及びNiからなる群から選ばれる少なくとも1種の元素である。なかでも、Co、Ni、CoとNi、MnとNi、CoとNiとMnである場合が好ましい。M元素は、N元素以外の遷移金属元素、アルミニウム、錫、亜鉛、及びアルカリ土類金属からなる群から選ばれる少なくとも1種の元素である。ここで、遷移金属元素は周期表の4族、5族、6族、7族、8族、9族、10族、11族及び12族の遷移金属を表す。なかでも、M元素は、Ti、Zr、Hf、Nb、Ta、Mg、Sn、Zn及びAlからなる群から選ばれる少なくとも1つの元素が好ましい。特に、容量発現性、安全性、サイクル耐久性などの見地より、Ti、Zr、Nb、Mg又はAlが好ましい。
本発明において、製造されたリチウム複合酸化物中に含有されるN元素のうち、N元素を含有しかつ分子内にカルボン酸基又はカルボン酸基及び水酸基を合計で2つ以上含有するカルボン酸塩の水溶液から供給されるN元素量は、好ましくは0.1〜20重量%、特に好ましくは0.3〜5重量%であるのが好適である。20重量%を超えて水溶液からN元素を供給するとN元素原料粉体に水溶液が浸透できず、微粉状のN元素として析出して好ましくない。一方、0.1重量%よりも少ないときにはN元素の添加量が少なくなり、好ましくない。
本発明において、特に、N元素の置換元素であるM元素がAlとMgからなり、AlとMgが原子比で好ましくは1/3〜3/1、特に好ましくは2/3〜3/2であり、かつyが好ましくは、0.005≦y≦0.025、特に好ましくは0.01≦y≦0.02である場合には、電池性能のバランス、即ち、初期重量容量密度、安全性、充放電サイクル安定性のバランスがよいので特に好ましい。また、本発明において、M元素がMgとM2(M2はTi、Zr、Ta、及びNbからなる群から選ばれる少なくとも1種の元素である)とからなり、M2とMgが原子比で好ましくは1/40〜2/1好ましくは1/30〜1/5であり、かつyが好ましくは0.005≦y≦0.025、特に好ましくは0.01≦y≦0.02である場合には、電池性能のバランス、即ち、初期重量容量密度、初期体積容量密度、安全性、充放電サイクル安定性のバランスがよいので特に好ましい。
また、本発明において、M元素がZrとMgからなり、ZrとMgが原子比で好ましくは1/40〜2/1好ましくは1/30〜1/5であり、かつyが好ましくは0.005≦y≦0.025、特に好ましくは0.01≦y≦0.02である場合には、電池性能のバランス、即ち、初期重量容量密度、初期体積容量密度、安全性、充放電サイクル安定性のバランスがよいので特に好ましい。
また、本発明において、MがMgとAlであり、かつZrが共存していると、特に電池性能のバランス、即ち、初期重量容量密度、初期体積容量密度、安全性、充放電サイクル安定性のバランスがよいので特に好ましい。この場合、MgとAlの合計モル数の1/2〜1/20のZrの共存が好ましい。
更に、本発明において、N元素がCoである場合、リチウム複合酸化物中のLiと、N元素とM元素の合計のモル比Li/(N+M)は、特に1.00〜1.03であることが好ましい。この場合、リチウム複合酸化物の粒成長が促進され、より高密度な粒子を得ることができる。
本発明において、上記M元素及び/又はFを含有せしめる場合は、M元素及びFは、いずれもリチウム含有複合酸化物粒子の表面に存在していることが好ましい。これらの元素が表面に存在することにより、少量の添加で電池性能の低下を招来することなく、安全性、充放電サイクル特性等の重要な電池特性を改良できる。これらの元素が表面に存在は、正極粒子についての、分光分析、例えば、XPS分析を行うことにより判断できる。
本発明は、N元素源として、N元素を含有しかつ分子内にカルボン酸基又はカルボン酸基及び水酸基を合計で2つ以上含有するカルボン酸塩の水溶液を、N元素源粉末に含浸させた含浸物の乾燥粉末を使用することが必要である。ここで使用されるカルボン酸は、例えば酢酸、プロピオン酸のようにカルボン酸基が分子内に1つのみであるとM元素の溶解度が低いので好ましくない。複数のカルボン酸基があったり、カルボン酸基の他に水酸基を有すると、M元素の水溶液における溶解度が高くできるので好ましい。特にカルボン酸基が2〜4個であったり、さらに水酸基が1〜4個共存する分子構造が溶解度を高くできるので好ましい。カルボン酸は、炭素数2〜8の脂肪族カルボン酸が好ましい。炭素数が9以上であるとM元素の溶解度が低下するので好ましくない。特に好ましい炭素数は2〜6である。
上記炭素数2〜8のカルボン酸好ましいカルボン酸としては、クエン酸、酒石酸、蓚酸、マロン酸、リンゴ酸、葡萄酸、乳酸であり、特にクエン酸及び酒石酸、蓚酸はM元素の溶解度を高くでき、比較的安価であるので好ましい。蓚酸のように酸性度の高いカルボン酸を用いるときは、水溶液のpHが2未満であるとN原料が溶解しやすくなるので、アンモニア等の塩基を添加してpHを2〜12にすることが好ましい。pHが12を超えるとN元素原料が溶解しやすくなるので好ましくない。
本発明で使用される上記カルボン酸塩の水溶液の濃度は、後の工程で乾燥により水媒体を除去する必要がある点から高濃度の方が好ましい。しかし、高濃度過ぎると粘度が高くなり、正極活物質を形成する他の元素源粉末との均一混合性が低下し、またN元素原料粉体に溶液が浸透しにくくなるので、好ましくは1〜30重量%、特には4〜20重量%が好ましい。
カルボン酸か塩の水溶液を形成する媒体には、N元素源や必要に応じて使用される元素M源への溶解度を高めるために、メタノール、エタノールなどのアルコールや、錯体を形成させる効果のあるポリオールなどを含有させることができる。ポリオールとしては、エチレングリコール、プロピレングリコール、ジエチレングリコール、ジプロピレングリコール、ポリエチレングリコール、ブタンジオールグリセリン等が例示される。その場合の含有量としては、好ましくは1〜20重量%である。
本発明で使用されるN元素源としては、N元素がコバルトの場合には、炭酸コバルト、水酸化コバルト、オキシ水酸化コバルト、酸化コバルトなどが好ましく使用される。特に水酸化コバルトあるいはオキシ水酸化コバルトは、性能が発現しやすいので好ましい。また、N元素がニッケルの場合には、水酸化ニッケル、オキシ水酸化ニッケル、酸化ニッケルなどが好ましく使用される。また、N元素がマンガンの場合には、二酸化マンガンや炭酸マンガンが好ましく使用される。
また、N元素源は、ニッケル−コバルト共沈水酸化物、ニッケル−コバルト共沈オキシ水酸化物、ニッケル−コバルト共沈酸化物、ニッケル−マンガン共沈水酸化物、ニッケル−マンガン共沈オキシ水酸化物、ニッケル−マンガン共沈酸化物、ニッケル−コバルト−マンガン共沈水酸化物、ニッケル−コバルト−マンガン共沈オキシ水酸化物、またはニッケル-コバルト−マンガン酸化物が好ましい。更に具体的には、ニッケルとコバルトを含むN元素源は、Ni0.8Co0.2OOH、Ni0.8Co0.2(OH)などが、ニッケルとマンガンを含むN元素源はNi0.5Mn0.5OOHなどが、ニッケルとコバルトとマンガンを含むN元素源はNi0.4Co0.2Mn0.4OOH、Ni1/3Co1/3Mn1/3OOHなどがそれぞれ好ましく例示される。
N元素源の粉末は、平均粒径(D50)2〜25μmの粉末が用いられる。平均粒径(D50)とは、体積基準累積50%の粒径をいう。平均粒径が2μm未満であると、正極粉末の充填性が低下するので好ましくない。また平均粒径が25μmを超すと、均一な塗工電極面が得られなかったり、大電流放電特性が低下するので好ましくない。好ましい平均粒径は4〜16μmである。ここで平均粒径は、凝集体粒子の場合は二次凝集粒子の平均粒径を意味する。本発明では、一次粒子が凝集して二次粒子を形成したN元素源化合物が好適に使用される。
本発明で使用されるリチウム源としては、炭酸リチウムあるいは水酸化リチウムが好ましく使用される。特に炭酸リチウムが安価で好ましい。リチウム源は、平均粒径(D50)2〜25μmの粉末が好ましく用いられる。フッ素源としては、金属フッ化物、LiF、MgF2などが選択される。
本発明で使用される、N元素、及び必要に応じてM元素を含有する上記カルボン酸塩の水溶液用のN元素源、またはM元素源としては、固体の酸化物、水酸化物、炭酸塩、硝酸塩等の無機塩や、酢酸塩、シュウ酸塩、クエン酸塩等の有機塩、及び有機金属キレート錯体や、金属アルコキシドをキレート等で安定化した化合物でもよい。なかでも、本発明では、使用するカルボン酸塩水溶液に均一に溶解又は分散するものがより好ましく、酸化物、水酸化物、オキシ水酸化物、水溶性の炭酸塩、硝酸塩、酢酸塩、シュウ酸塩やクエン酸塩がより好ましい。なかでもクエン酸塩が溶解度が大きく好ましい。また、シュウ酸塩やクエン酸塩水溶液はpHが低いので、N元素源粉体に含浸させる過程でN元素源粉体からN元素を溶解してしまう場合があるが、そのときにはカルボン酸塩水性液にアンモニアを添加して、好ましくはpHを2〜12にするのが好ましい。
本発明で使用されるN元素、または必要に応じてM元素を含有するカルボン酸塩水性液を作成する時には、必要に応じて加温しながら行うと好ましい。好ましくは40℃〜80℃、特に好ましくは50℃〜70℃に加温するとよい。加温によって、N元素源、M元素源の溶解が容易にすすみ、N元素源、M元素源を短時間に安定して溶解することができる。
本発明においては、N元素及び必要に応じてM元素を含有し、かつと分子内にカルボン酸基又はカルボン酸基と水酸基を合計で2つ以上含有するカルボン酸塩の水溶液を、好ましくは平均粒径2〜25μmのN元素源粉末に含浸させる工程を含むリチウム含有複合酸化物の製造する方法には、幾つかの態様があるが、その好ましい態様としては、次の(A)又は(B)が挙げられる。
(A)上記カルボン酸塩の水溶液を、N元素源粉末に含浸し乾燥により水分を除去した後、リチウム源粉末及び、必要に応じてM元素源粉末及びフッ素源と混合して得られる乾燥混合物粉末を酸素含有雰囲気において850〜1050℃で焼成する。
(B)前記カルボン酸塩の水溶液を、N元素源粉末とリチウム源粉末と、必要に応じてM元素源粉末及びフッ素源とを実質的に同時に含浸及び乾燥により水分を除去した乾燥混合末を酸素含有雰囲気において850〜1050℃で焼成する。
上記(A)及び(B)の如き手段において、M元素源は、粉末の形態ばかりでなく、上記したように、その一部又は全部が、好ましくは、前記カルボン酸塩の水溶液に溶解されて使用される。一方、M元素源を粉末として使用する場合は、これらの粉末の平均粒径は、特に制限されるものではないが、好ましくは0.1〜25μm、特に好ましくは0.5〜15μmが選択される。また、M元素源の使用量は、本発明で製造する正極活物質の一般式である上記Lipxyzaの範囲内で所望とする各元素の比率になるようにされる。
上記(A)及び(B)の手段におけるカルボン酸塩の水溶液を、N元素源粉末に含浸せしめる方法としては、該粉末に該水溶液をスプレー噴霧することにより含浸させることも可能である。しかし、タンクに該水溶液中に該N元素源粉末を投入して攪拌して含浸させたり、さらに好ましくは2軸スクリュウニーダー、アキシアルミキサー、パドルミキサー、タービュライザーなどを使用し、スラリーを形成するように充分に均一に混合することにより含浸させることが好ましい。スラリー中の固形分濃度としては、均一に混合される限り高い濃度の方が好ましいが、通常、固体/液体比は30/70〜90/10、特に好ましくは50/50〜80/20が好適である。また、上記スラリーの状態で減圧処理を行うと、N元素源粉末に溶液がより浸透し好ましい。
上記カルボン酸塩の水溶液と、N元素源粉末、又はN元素源粉末、リチウム源粉末、及び必要に応じてM元素源粉末及びフッ素源と得られる混合物からの水媒体の除去は、好ましくは50〜200℃、特に好ましくは80〜120℃にて、通常1〜10時間乾燥することにより行われる。混合物中の水媒体は後の焼成工程で焼却されるために、この段階で必ずしも完全に除去する必要はないが、焼成工程で水分を飛ばすのに多量のエネルギーが必要になるので、できる限り除去しておくのが好ましい。水媒体除去の工業的方法としては、スプレードライヤー、フラッシュドライイヤー、ベルトドライヤー、パドルドライヤー、2軸スクリュウドライヤーが例示されるが、なかでも2軸スクリュウドライヤーが好ましい。2軸スクリュウドライヤーとしては、サーモプロセッサや、パドルドライヤーが挙げられる。
混合物からの水媒体を除去した後の焼成は、上記(A)及び(B)の手段においては、酸素含有雰囲気下において700〜1100℃で行われる。かかる焼成温度が、700℃より小さい場合にはリチウム複合酸化物化が不完全となり、逆に1100℃を超える場合には充放電サイクル耐久性や初期容量が低下してしまう。特に、焼成温度は850〜1050℃が好適である。
このようにして製造されるリチウム含有複合酸化物は、その平均粒径D50が好ましくは5〜30μm、特に好ましくは8〜25μm、比表面積が好ましくは0.1〜0.7m2/g、特に好ましくは0.15〜0.5m2/g、CuKαを線源とするX線回折によって測定される2θ=66.5±1°の(110)面回折ピーク半値幅が好ましくは0.08〜0.14°特に好ましくは0.08〜0.12°、かつプレス密度がNがコバルトの場合、好ましくは3.65〜4.10g/cm3、特に好ましくは3.70〜4.00g/cm3であるのが好適である。本発明は従来技術に較べて、高いプレス密度が得られる特徴を有する。本発明において、プレス密度とはリチウム複合酸化物粉末を2トン/cmの圧力でプレスしたときの粉末の見かけ密度を意味する。また、本発明のリチウム含有複合酸化物は、含有される残存アルカリ量が0.03重量%以下が好ましく、特には0.01重量%以下であるのが好適である。
かかるリチウム含有複合酸化物からリチウム二次電池用の正極を製造する場合には、かかる複合酸化物の粉末に、アセチレンブラック、黒鉛、ケッチエンブラックなどのカーボン系導電材と結合材を混合することにより形成される。上記結合材には、好ましくは、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリアミド、カルボキシメチルセルロース、アクリル樹脂等が用いられる。本発明のリチウム含有複合酸化物の粉末、導電材及び結合材を溶媒又は分散媒を使用し、スラリー又は混練物とされる。これをアルミニウム箔、ステンレス箔などの正極集電体に塗布などにより担持せしめてリチウム二次電池用の正極が製造される。
本発明のリチウム含有複合酸化物を正極活物質に用いるリチウム二次電池において、セパレータとしては、多孔質ポリエチレン、多孔質ポリプロピレンのフィルムなどが使用される。また、電池の電解質溶液の溶媒としては、種々の溶媒が使用できるが、なかでも炭酸エステルが好ましい。炭酸エステルは環状、鎖状いずれも使用できる。環状炭酸エステルとしては、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート(EC)などが例示される。鎖状炭酸エステルとしては、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート(DEC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、メチルプロピルカーボネート、メチルイソプロピルカーボネートなどが例示される。
本発明では、上記炭酸エステルを単独で又は2種以上を混合して使用できる。また、他の溶媒と混合して使用してもよい。また、負極活物質の材料によっては、鎖状炭酸エステルと環状炭酸エステルを併用すると、放電特性、サイクル耐久性、充放電効率が改良できる場合がある。
また、本発明のリチウム含有複合酸化物を正極活物質に用いるリチウム二次電池においては、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(例えばアトケム社製:商品名カイナー)あるいはフッ化ビニリデン−パーフルオロプロピルビニルエーテル共重合体を含むゲルポリマー電解質としてもよい。上記の電解質溶媒又はポリマー電解質に添加される溶質としては、ClO4 、CF3SO3 、BF4 、PF6 、AsF6 、SbF6 、CF3CO2 、(CF3SO22などをアニオンとするリチウム塩のいずれか1種以上が好ましく使用される。上記リチウム塩からなる電解質溶媒又はポリマー電解質に対して、0.2〜2.0mol/l(リットル)の濃度で添加するのが好ましい。この範囲を逸脱すると、イオン伝導度が低下し、電解質の電気伝導度が低下する。なかでも、0.5〜1.5mol/lが特に好ましい。
本発明のリチウム含有複合酸化物を正極活物質に用いるリチウム電池において、負極活物質には、リチウムイオンを吸蔵、放出可能な材料が用いられる。この負極活物質を形成する材料は特に限定されないが、例えばリチウム金属、リチウム合金、炭素材料、周期表14、又は15族の金属を主体とした酸化物、炭素化合物、炭化ケイ素化合物、酸化ケイ素化合物、硫化チタン、炭化ホウ素化合物などが挙げられる。炭素材料としては、種々の熱分解条件で有機物を熱分解したものや人造黒鉛、天然黒鉛、土壌黒鉛、膨張黒鉛、鱗片状黒鉛などを使用できる。また、酸化物としては、酸化スズを主体とする化合物が使用できる。負極集電体としては、銅箔、ニッケル箔などが用いられる。かかる負極は、上記活物質を有機溶媒と混練してスラリーとし、該スラリーを金属箔集電体に塗布、乾燥、プレスして得ることにより好ましくは製造される。
本発明のリチウム含有複合酸化物を正極活物質に用いるリチウム電池の形状には特に制約はない。シート状、フィルム状、折り畳み状、巻回型有底円筒形、ボタン形などが用途に応じて選択される。
以下に実施例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されないことはもちろんである。
[例1]実施例
コバルト含量が44.9%の炭酸コバルト2.7gとクエン酸8.6gを、水70gに溶解した。この溶液と、平均粒径D50が13μmのオキシ水酸化コバルト198.1gを混合含浸し、80℃で乾燥した。得られた乾燥粉と、炭酸リチウム76.7gをLi/Coモル比1.01で混合し、大気中950度で12時間焼成した。焼成物を解砕し得られたリチウム含有複合酸化物粉末の粒度分布をレーザー散乱式粒度分布測定装置を用いて水溶媒中にて測定した結果、平均粒径D50が17.7μm、D10が9.2μm、D90が30.2μmであり、BET法により求めた比表面積が0.18m2/gの略球状のLi1.005Co0.995からなるリチウム含有複合酸化物粉末を得た。
このリチウム含有複合酸化物粉末について、X線回折装置(理学電機社製RINT 2100型)を用いてX線回折スペクトルを得た。CuKα線を使用した粉末X線回折において、2θ=66.5±1°の(110)面の回折ピーク半値幅は0.113°であった。この粉末のプレス密度は3.73g/cm3であった。
上記のリチウム含有複合酸化物粉末と、アセチレンブラックと、ポリフッ化ビニリデン粉末とを90/5/5の重量比で混合し、N−メチルピロリドンを添加してスラリーを作製し、厚さ20μmのアルミニウム箔にドクターブレードを用いて片面塗工した。乾燥し、ロールプレス圧延を5回行うことによりリチウム電池用の正極体シートを作製した。
そして、上記正極体シートを打ち抜いたものを正極に用い、厚さ500μmの金属リチウム箔を負極に用い、負極集電体にニッケル箔20μmを使用し、セパレータには厚さ25μmの多孔質ポリプロピレンを用い、さらに電解液には、濃度1MのLiPF6/EC+DEC(1:1)溶液(LiPF6を溶質とするECとDECとの体積比(1:1)の混合溶液を意味する。後記する溶媒もこれに準じる。)を用いてステンレス製簡易密閉セル型リチウム電池をアルゴングローブボックス内で2個組み立てた。
上記1個の電池については、25℃にて正極活物質1gにつき75mAの負荷電流で4.3Vまで充電し、正極活物質1gにつき75mAの負荷電流にて2.5Vまで放電して初期放電容量を求めた。また、この電池について、引き続き充放電サイクル試験を30回行なった。その結果、25℃、2.5〜4.3Vにおける正極電極層の初期重量容量密度は、163mAh/gであり、30回充放電サイクル後の容量維持率は95.1%であった。
また、他方の電池については、それぞれ4.3Vで10時間充電し、アルゴングローブボックス内で解体し、充電後の正極体シートを取り出し、その正極体シートを洗浄後、径3mmに打ち抜き、ECとともにアルミカプセルに密閉し、走査型差動熱量計(DSC)にて5℃/分の速度で昇温して発熱開始温度を測定した。その結果、4.3V充電品の発熱開始温度は163℃であった。
[例2] 実施例
コバルト含量が44.9%の炭酸コバルト2.7gと、マグネシウム含量が25.8%の炭酸マグネシウム1.0gと、アルミニウム含量が17.7%の乳酸アルミニウム4.7gと、クエン酸16.6gと、水140gに溶解した。この溶液と、平均粒径D50が13μmのオキシ水酸化コバルト195.5gを混合含浸し、80℃で乾燥した。得られた乾燥粉と、炭酸リチウム77.2gを混合し、Li/(Co+Mg+Al)モル比を1.01として、大気中950度で12時間焼成した他は例1と同様の操作を行った。
得られたLi1.005(Co0.98Mg0.005Al0.0150.995からなるリチウム含有複合酸化物の平均粒径D50は17.7μm、D10が9.6μm、D90が26.7μm、比表面積は0.17m/g、(110)面の回析ピーク半値巾は、0.111°、プレス密度は3.70g/cm、初期容量は152mAh/g、容量維持率は98.9%、発熱開始温度は168℃であった。
[例3] 実施例
コバルト含量が44.9%の炭酸コバルト8.1gと、マグネシウム含量が25.8%の炭酸マグネシウム1.0gと、アルミニウム含量が17.7%の乳酸アルミニウム4.7gと、クエン酸33.9gと、水240gに溶解した。この溶液と、平均粒径D5013μmのオキシ水酸化コバルト191.6gを混合含浸し、80℃で乾燥した。得られた乾燥粉と、炭酸リチウム77.2gをLi/(Co+Al+Mg)モル比を1.01として混合し、大気中950度で12時間焼成した他は例1と同様の操作を行った。
得られたLi1.005(Co0.98Mg0.005Al0.0150.995からなるリチウム含有複合酸化物の平均粒径D50は20.4μm、D10が8.3μm、D90が44.8μm、比表面積は0.20m/g、(110)面の回析ピーク半値巾は、0.111°、プレス密度は3.85g/cm、初期容量は153mAh/g、容量維持率は99.1%、発熱開始温度は168℃であった。
[例4] 実施例
コバルト含量が44.9%の炭酸コバルト13.5gと、マグネシウム含量が25.8%の炭酸マグネシウム1.0gと、アルミニウム含量が17.7%の乳酸アルミニウム4.7gと、クエン酸51.3gと、水360gに溶解した。この溶液と、平均粒径D5013μmのオキシ水酸化コバルト187.7gを混合含浸し、80℃で乾燥した。得られた乾燥粉と、炭酸リチウム77.3gを混合し、Li/(Co+Al+Mg)モル比を1.01として、大気中950度で12時間焼成した他は例1と同様の操作を行った。
得られたLi1.005(Co0.98Mg0.005Al0.0150.995リチウム含有複合酸化物の平均粒径D50は22.5μm、D10が7.3μm、D90が50.1μm、比表面積は0.25m/g、(110)面の回析ピーク半値巾は、0.120°、プレス密度は3.98g/cm3、初期容量は152mAh/g、容量維持率は98.5%、発熱開始温度は170℃であった。
[例5] 実施例
コバルト含量が61.6%の水酸化コバルト2.0gと、マグネシウム含量が25.8%の炭酸マグネシウム1.0gと、アルミニウム含量が17.7%の乳酸アルミニウム4.7gと、クエン酸16.6gを水140gに加え、60℃に加温して溶解した。この溶液と、平均粒径D50が13μmのオキシ水酸化コバルト195.5gを混合含浸し、80℃で乾燥した。得られた乾燥粉と、炭酸リチウム77.2gをLi/(Co+Al+Mg)モル比を1.01として混合し、大気中950度で12時間焼成した他は例1と同様の操作を行った。
得られたLi1.005(Co0.98Mg0.005Al0.0150.995からなるリチウム含有複合酸化物の平均粒径D50は17.3μm、D10が6.7μm、D90が38.1μm、比表面積は0.18m/g、(110)面の回析ピーク半値巾は、0.116°、プレス密度は3.72g/cm、初期容量は152mAh/g、容量維持率は98.8%、発熱開始温度は168℃であった。
[例6] 実施例
コバルト含量が44.9%の炭酸コバルト2.7gと、マグネシウム含量が25.8%の炭酸マグネシウム1.0gと、アルミニウム含量が17.7%の乳酸アルミニウム4.7gと、クエン酸16.6gを水140gに溶解した。この溶液と、平均粒径D50が20μmの水酸化コバルト191.0gを混合し、80℃で乾燥した。得られた乾燥粉と、炭酸リチウム77.2gをLi/(Co+Al+Mg)モル比を1.01として混合し、大気中950度で12時間焼成した他は例1と同様の操作を行った。
得られたLi1.005(Co0.98Mg0.005Al0.0150.995からなるリチウム含有複合酸化物の平均粒径D50は20.2μm、D10が16.3μm、D90が33.0μm、比表面積は0.18m/g、(110)面の回析ピーク半値巾は、0.106°、プレス密度は3.79g/cm、初期容量は153mAh/g、容量維持率は99.2%、発熱開始温度は169℃であった。
[例7] 実施例
コバルト含量が44.9%の炭酸コバルト2.7gと、マグネシウム含量が25.8%の炭酸マグネシウム1.0gと、アルミニウム含量が17.7%の乳酸アルミニウム4.7gと、クエン酸16.6gを水140gに溶解した。この溶液と、平均粒径D50が2.5μmの四三酸化コバルト160.6gを混合含浸し、80℃で乾燥した。得られた乾燥粉と、炭酸リチウム77.2gをLi/(Co+Al+Mg)モル比を1.03として混合し、大気中1000度で12時間焼成した他は例1と同様の操作を行った。
得られたLi1.015(Co0.98Mg0.005Al0.0150.985からなるリチウム含有複合酸化物の平均粒径D50は15.1μm、D10が5.0μm、D90が31.5μm、比表面積は0.38m/g、(110)面の回析ピーク半値巾は、0.118°、プレス密度は3.80g/cm、初期容量は151mAh/g、容量維持率は97.7%、発熱開始温度は167℃であった。
[例8] 実施例
コバルト含量が44.9%の炭酸コバルト2.6gと、クエン酸8.2gを水70gに溶解した。この溶液と、平均粒径D50が10.2μmの(Ni0.333Co0.323Mn0.333)OOH粉末186.0gを混合含浸し、80℃で乾燥した。得られた乾燥粉と、炭酸リチウム80.8gをLi/(Co+Ni+Mn)のモル比を1.05として大気中1000度で12時間焼成し、Li1.024(Ni1/3Co1/3Mn1/30.976を得た。この焼成物を解砕し得られたリチウム含有複合酸化物粉末を用いた他は例1と同様の操作を行った。得られたリチウム含有複合酸化物の平均粒径D50は12.9μm、D10が2.1μm、D90が18.2μm、比表面積は0.37m/g、プレス密度は3.50g/cm、初期容量は160mAh/g、容量維持率は94.2%、発熱開始温度は197℃であった。
[例9] 実施例
コバルト含量が44.9%の炭酸コバルト2.7gと、クエン酸16.6gを水140gに溶解した。この溶液と、平均粒径12μmのNi0.82Co0.18(OH)粉末196.0gを混合含浸し、80℃で乾燥した。得られた乾燥粉と、水酸化リチウム49.3gをLi/(Ni+Co)モル比を1.00として760度で酸素50容積%の雰囲気12時間焼成し、LiNi0.82Co0.18を得た。この焼成物を解砕し得られたリチウム含有複合酸化物粉末を用いた他は例1と同様の操作を行った。得られたリチウム含有複合酸化物の平均粒径D50は14.2μm、D10が6.3μm、D90が18.3μm、比表面積は0.36m/g、プレス密度は3.45g/cm、初期容量は189mAh/g、容量維持率は98.4%であった。
[例10] 比較例
平均粒径13μmのオキシ水酸化コバルト200.0gと、炭酸リチウム76.6gをLi/Coモル比1.01で混合し、大気中950℃で12時間焼成した他は例1と同様の操作を行った。
得られたLi1.005Co0.9952であるリチウム含有複合酸化物の平均粒径D50は17.8μm、D10が9.3μm、D90が32.7μm、比表面積は0.21m/g、プレス密度は3.54g/cm、初期容量は162mAh/g、容量維持率は94.8%、発熱開始温度は161℃であった。
[例11] 比較例
平均粒径13μmのオキシ水酸化コバルト198.9gと、炭酸リチウム77.0gと、マグネシウム含量が41.7%の水酸化マグネシウム1.2g粉末とをLi/(Co+Mg)モル比1.01で混合し、コバルト水溶液を用いなかった他は例1と同様に、大気中950℃で12時間焼成した。
得られたLi1.005(Co0.99Mg0.010.995であるリチウム含有複合酸化物の平均粒径D50は17.0μm、D10が8.8μm、D90が29.1μm、比表面積は0.25m/g、プレス密度は3.49g/cm、初期容量は161mAh/g、容量維持率は97.5%、発熱開始温度は160℃であった。
[例12] 比較例
マグネシウム含量が25.8%の炭酸マグネシウム1.0gと、アルミニウム含量が17.7%の乳酸アルミニウム4.7gと、クエン酸7.9gを水60gに溶解した。この溶液と、平均粒径13μmのオキシ水酸化コバルト197.5gを混合含浸し、80℃で乾燥した。得られた乾燥粉と、炭酸リチウム77.2gをLi(Co+Al+Mg)モル比を1.01として混合し、炭酸コバルトを用いなかった他は、大気中950度で12時間焼成した他は例4と同様の操作を行った。
得られたLi1.005(Co0.98Mg0.005Al0.0150.995であるリチウム含有複合酸化物の平均粒径D50は17.3μm、D10が9.4μm、D90が25.0μm、比表面積は0.16m/g、プレス密度は3.61g/cm、初期容量は151mAh/g、容量維持率は98.2%、発熱開始温度は166℃であった。

Claims (14)

  1. 一般式Lipxyza(但し、Nは、Co、Mn及びNiからなる群から選ばれる少なくとも1種の元素であり、Mは、N元素以外の遷移金属元素、Al及びアルカリ土類金属元素からなる群から選ばれる少なくとも1種の元素である。0.9≦p≦1.2、0.97≦x≦1.00、0≦y≦0.03、1.9≦z≦2.2、x+y=1、0≦a≦0.02)で表され、リチウム源、N元素源、及び必要に応じて含有されるM元素源及びフッ素源の混合物粉末を酸素含有雰囲気中で700〜1100℃で焼成するリチウム含有複合酸化物の製造方法であって、N元素源が、N元素を含有しかつ分子内にカルボン酸基又はカルボン酸基及び水酸基を合計で2つ以上含有するカルボン酸塩の水溶液を、N元素源粉末に含浸させた含浸物の乾燥粉末であることを特徴とするリチウム二次電池正極用のリチウム含有複合酸化物の製造方法。
  2. 前記N元素源粉末の平均粒径(D50)が2〜25μmである請求項1に記載の製造方法。
  3. 得られるリチウム含有複合酸化物に含有されるN元素のうち0.1〜20重量%が、N元素を含有するカルボン酸塩の水溶液から供される請求項1又は2に記載の製造方法。
  4. 前記カルボン酸塩が、M元素を含むカルボン酸塩である請求項1〜3のいずれかに記載の製造方法。
  5. 前記カルボン酸が、炭素数2〜8の脂肪族カルボン酸であり、クエン酸、蓚酸及び酒石酸からなる群から選ばれる少なくとも1種である請求項1〜4に記載の製造方法。
  6. 前期カルボン酸塩の水溶液のpHが2〜12である請求項1〜5のいずれかに記載の製造方法。
  7. 前記カルボン酸塩の水溶液を、N元素源粉末に含浸及び乾燥により水分を除去した後、リチウム源粉末及び、必要に応じてM元源粉末及びフッ素減と混合して得られる乾燥混合物粉末を酸素含有雰囲気において850〜1050℃で焼成する請求項1〜6のいずれかに記載の製造方法。
  8. 前記カルボン酸塩の水溶液を、N元素源粉末とリチウム源粉末、必要に応じてM元素源粉末及びフッ素源に含浸し、乾燥により水分を除去した乾燥混合粉末を酸素含有雰囲気において850〜1050℃で焼成する請求項1〜6のいずれかに記載の製造方法。
  9. N元素源粉末が、水酸化コバルト、オキシ水酸化コバルト、四三酸化コバルト及び炭酸コバルトからなる群から選ばれる少なくとも1種の平均粒径(D50)が2〜25μmの粉末である請求項1〜8のいずれかに記載の製造方法。
  10. N元素源粉末が、ニッケル-コバルト共沈水酸化物、ニッケル−コバルト共沈オキシ水酸化物、ニッケル−コバルト共沈酸化物、ニッケル-マンガン共沈水酸化物、ニッケル−マンガン共沈オキシ水酸化物、ニッケル−マンガン共沈酸化物、ニッケル-コバルト-マンガン共沈水酸化物、ニッケル−コバルト−マンガン共沈オキシ水酸化物及びニッケル-コバルト−マンガン酸化物からなる群から選ばれる少なくとも1種の平均粒径(D50)が2〜25μmの粉末である請求項1〜8のいずれかに記載の製造方法。
  11. M元素が、Ti、Zr、Hf、Nb、Ta、Mg、Sn、Zn、及びAlからなる群から選ばれる少なくとも1種である請求項1〜10のいずれかに記載の製造方法。
  12. リチウム含有複合酸化物が、CuKαを線源とするX線回折によって測定される、2θ=66〜67°の(110)面の回折ピークの積分幅0.08〜1.40、表面積0.1〜0.7m2/g、及び発熱開始温度が160℃以上を有する、請求項1〜11のいずれかに記載の製造方法。
  13. 請求項1〜12のいずれかに記載の製造方法により製造されたリチウム含有複合酸化物を含むリチウム二次電池用正極。
  14. 請求項13に記載された正極を使用したリチウム二次電池。
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