JP2011142064A - 層状構造リチウム複合金属酸化物の製造方法 - Google Patents

層状構造リチウム複合金属酸化物の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】高い電流レートにおいてより高出力を示すことが可能な非水電解質二次電池を与えることのできるリチウム複合金属酸化物の製造方法を提供する。
【解決手段】遷移金属元素およびリチウム元素を、遷移金属元素に対するリチウム元素のモル比が1以上2以下の範囲となるように含有したリチウム複合金属酸化物原料を、Mの炭酸塩、Mの硫酸塩、Mの硝酸塩、Mのリン酸塩、Mの水酸化物、Mのモリブデン酸塩およびMのタングステン酸塩からなる群より選ばれる1種以上の不活性溶融剤(ここで、Mは、Na、K、Rb、Cs、Ca、Mg、SrおよびBaからなる群より選ばれる1種以上の元素を表す。)の存在下で焼成することを特徴とする層状構造リチウム複合金属酸化物の製造方法。
【選択図】なし

Description

本発明は、層状構造リチウム複合金属酸化物の製造方法に関する。特に、非水電解質二次電池用正極活物質に用いられる層状構造リチウム複合金属酸化物の製造方法に関する。
層状構造リチウム複合金属酸化物は、リチウム二次電池などの非水電解質二次電池に正極活物質として用いられている。リチウム二次電池は、既に携帯電話やノートパソコン等の電源として実用化されており、更に自動車用途や電力貯蔵用途などの中・大型用途においても、その適用が試みられている。
従来の層状構造リチウム複合金属酸化物の製造方法として、特許文献1には、炭酸ニッケルおよび硝酸リチウムの混合物からなるリチウム複合金属酸化物原料を、LiClからなる活性溶融剤の存在下で焼成して、層状構造リチウム複合金属酸化物である層状構造ニッケル酸リチウムを得る方法が記載されている。
特開平07−326356号公報
ところで、例えば、自動車用途や電動工具等のパワーツール用途の非水電解質二次電池には、高い電流レートにおいて高出力を示すことが要求される。本発明の目的は、高い電流レートにおいてより高出力を示すことが可能な非水電解質二次電池を与えることのできる層状構造リチウム複合金属酸化物の製造方法を提供することにある。
本発明は、下記の手段を提供する。
<1> 遷移金属元素およびリチウム元素を含有し、遷移金属元素に対するリチウム元素のモル比が1以上2以下であるリチウム複合金属酸化物原料を、Mの炭酸塩、Mの硫酸塩、Mの硝酸塩、Mのリン酸塩、Mの水酸化物、Mのモリブデン酸塩およびMのタングステン酸塩からなる群より選ばれる1種以上の化合物を含む不活性溶融剤(ここで、Mは、Na、K、Rb、Cs、Ca、Mg、SrおよびBaからなる群より選ばれる1種以上の元素を表す。)の存在下で焼成する工程を含む層状構造リチウム複合金属酸化物の製造方法。
<2> リチウム複合金属酸化物原料が、リチウムの化合物および遷移金属元素の化合物の混合物である<1>記載の方法。
<3> 遷移金属元素の化合物が、Feを含有する<2>記載の方法。
<4> 遷移金属元素の化合物が、さらに、Ni、MnおよびCoからなる群より選ばれる1種以上の元素を含有する<3>記載の方法。
<5> 不活性溶融剤が、Mの炭酸塩(ここでMは、上記と同じ意味を有する。)である<1>〜<4>のいずれかに記載の方法。
<6> Mの炭酸塩が、NaCOまたはKCOあるいはその両方である<5>に記載の方法。
<7> 焼成開始時に、不活性溶融剤が、リチウム複合金属酸化物原料100重量部に対して0.1重量部以上100重量部以下の量存在する<1>〜<6>のいずれかに記載の方法。
<8> 焼成の温度が、200℃〜1050℃の範囲である<1>〜<7>のいずれかに記載の方法。
<9> <1>〜<8>のいずれかに記載の方法によって得られた層状構造リチウム複合金属酸化物。
<10> <9>記載の層状構造リチウム複合金属酸化物を有する正極活物質。
<11> <10>記載の正極活物質を有する正極。
<12> <11>記載の正極を有する非水電解質二次電池。
<13> さらにセパレータを有する<12>記載の非水電解質二次電池。
<14> セパレータが、耐熱多孔層と多孔質フィルムとが積層されている積層フィルムからなる<13>記載の非水電解質二次電池。
本発明によれば、微粒でしかも結晶性の高い層状構造リチウム複合金属酸化物を得ることができる。該層状構造リチウム複合金属酸化物を用いれば、高い電流レートにおいてより高出力を示すことのできる非水電解質二次電池を与えることができ、該二次電池は、殊に、高い電流レートにおける高出力を要求される用途、すなわち自動車用や電動工具等のパワーツール用の非水電解質二次電池として有用である。
本発明の層状構造リチウム複合金属酸化物の製造方法は、遷移金属元素およびリチウム元素を含有し、遷移金属元素に対するリチウム元素のモル比が1以上2以下であるリチウム複合金属酸化物原料を、Mの炭酸塩、Mの硫酸塩、Mの硝酸塩、Mのリン酸塩、Mの水酸化物、Mのモリブデン酸塩およびMのタングステン酸塩からなる群より選ばれる1種以上の化合物を含む不活性溶融剤(ここで、Mは、Na、K、Rb、Cs、Ca、Mg、SrおよびBaからなる群より選ばれる1種以上の元素を表す。)の存在下で焼成する工程を含む。
遷移金属元素に対するリチウム元素のモル比が1未満の場合には、リチウム複合金属酸化物は、岩塩型構造もしくはスピネル型構造を有し易く、得られる非水電解質二次電池の高い電流レートにおける出力特性(以下、レート特性ということがある。)が十分ではない。また、上記モル比が2を超える場合には、リチウム複合金属酸化物は、過剰リチウムを多く有し、これが炭酸リチウムなどの不純物の生成を引き起こし、得られる非水電解質二次電池のレート特性が十分ではなく、高い放電容量も得難い。本発明において、得られる電池のレート特性をより高める観点では、遷移金属元素に対するリチウム元素のモル比は、1.05以上1.5以下であることが好ましい。
本発明において、リチウム複合金属酸化物原料は、焼成により層状構造リチウム複合金属酸化物となるものであれば特に限定されないが、好ましくは、リチウムの化合物および遷移金属元素の化合物の混合物である。遷移金属元素の化合物としては、遷移金属元素の酸化物、水酸化物(ここで、水酸化物はオキシ水酸化物も含む。以下同じ。)、塩化物、炭酸塩、硫酸塩、硝酸塩、シュウ酸塩、酢酸塩などを挙げることができ、これらは2種以上併用してもよい。リチウムの化合物としては、水酸化リチウム、水酸化リチウム一水和物、または炭酸リチウムが好ましく用いられ、これらは2種以上併用してもよい。遷移金属元素の化合物としては、遷移金属元素の水酸化物が好ましく用いられる。また、遷移金属元素の化合物は、複数の遷移金属元素を含有することが好ましく、この場合、遷移金属元素の化合物は、遷移金属元素を1種類含有する化合物を複数用いたものであってもよいが、遷移金属元素を複数種類含有する化合物であることがより好ましい。遷移金属元素を複数種類含有する化合物は、共沈により得ることができ、水酸化物であることが好ましい。
本発明において、遷移金属元素の化合物は、Feを含有することが好ましい。好ましいFeの量としては、遷移金属元素の合計量(モル)に対するFeの量(モル)の比が0.01以上0.5以下の範囲であり、より好ましくは0.02以上0.2以下の範囲である。また、得られる非水電解質二次電池のレート特性をさらにより高める観点で、遷移金属元素の化合物は、Feを含有し、さらに、Ni、MnおよびCoからなる群より選ばれる1種以上の元素を含有することが好ましく、Feを含有し、さらにNiおよび/またはMnを含有することがより好ましい。本発明においては、従来からの正極活物質に用いられているCo原料を用いなくても、高いレート特性を有する非水電解質二次電池を与える層状構造リチウム複合金属酸化物を得ることができる。
本発明において、不活性溶融剤は、焼成の際に、リチウム複合金属酸化物原料と反応し難いものであり、Mの炭酸塩、Mの硫酸塩、Mの硝酸塩、Mのリン酸塩、Mの水酸化物、Mのモリブデン酸塩およびMのタングステン酸塩からなる群より選ばれる1種以上の化合物を含む不活性溶融剤(ここで、Mは、Na、K、Rb、Cs、Ca、Mg、SrおよびBaからなる群より選ばれる1種以上の元素を表す。)を用いることができる。
Mの炭酸塩としては、NaCO、KCO、RbCO、CsCO、CaCO、MgCO、SrCO、BaCOを挙げることができ、融点について挙げると、NaCO(854℃)、KCO(899℃)、RbCO(837℃)、CsCO(793℃)、CaCO(825℃)、MgCO(990℃)、SrCO(1497℃)、BaCO(1380℃)である。
また、Mの硫酸塩としては、NaSO、KSO、RbSO、CsSO、CaSO、MgSO、SrSO、BaSOを挙げることができ、融点について挙げると、NaSO(884℃)、KSO(1069℃)、RbSO(1066℃)、CsSO(1005℃)、CaSO(1460℃)、MgSO(1137℃)、SrSO(1605℃)、BaSO(1580℃)である。
Mの硝酸塩としては、NaNO、KNO、RbNO、CsNO、Ca(NO、Mg(NO、Sr(NO、Ba(NOを挙げることができ、融点について挙げると、NaNO(310℃)、KNO(337℃)、RbNO(316℃)、CsNO(417℃)、Ca(NO(561℃)、Sr(NO(645℃)、Ba(NO(596℃)である。
Mのリン酸塩としては、NaPO、KPO、RbPO、CsPO、Ca(PO、Mg(PO、Sr(PO、Ba(POを挙げることができ、融点について挙げると、KPO(1340℃)、Mg(PO(1184℃)、Sr(PO(1727℃)、Ba(PO(1767℃)である。
Mの水酸化物としては、NaOH、KOH、RbOH、CsOH、Ca(OH)、Mg(OH)、Sr(OH)、Ba(OH)を挙げることができ、融点について挙げると、NaOH(318℃)、KOH(360℃)、RbOH(301℃)、CsOH(272℃)、Ca(OH)(408℃)、Mg(OH)(350℃)、Sr(OH)(375℃)、Ba(OH)(853℃)である。
Mのモリブデン酸塩としては、NaMoO、KMoO、RbMoO、CsMoO、CaMoO、MgMoO、SrMoO、BaMoOを挙げることができ、融点について挙げると、NaMoO(698℃)、KMoO(919℃)、RbMoO(958℃)、CsMoO(956℃)、CaMoO(1520℃)、MgMoO(1060℃)、SrMoO(1040℃)、BaMoO(1460℃)である。
Mのタングステン酸塩としては、NaWO、KWO、RbWO、CsWO、CaWO、MgWO、SrWO、BaWOを挙げることができ、融点について挙げると、NaWO(687℃)である。
また、これらの不活性溶融剤を2種以上用いることもできる。2種以上用いる場合は、融点が下がることもある。また、これらの不活性溶融剤の中でも、より結晶性が高く、しかも一次粒子間の凝集の少ない微粒の層状構造リチウム複合金属酸化物を得るための不活性溶融剤としては、Mの炭酸塩が好ましく、とりわけNaCOまたはKCOあるいはその両方が好ましく、これらの不活性溶融剤を用いることで、さらに高いレート特性を有する非水電解質二次電池を与える層状構造リチウム複合金属酸化物を得ることができる。また、必要に応じて、上記に挙げた不活性溶融剤以外の不活性溶融剤を併せて用いてもよい。該溶融剤としては、KCl、NH4Clなどの塩化物、KF、NH4Fなどのフッ化物等を挙げることができる。
本発明においては、焼成開始時に、不活性溶融剤が、リチウム複合金属酸化物原料100重量部に対して、0.1重量部以上100重量部以下の量存在することが好ましい。より好ましい不活性溶融剤の存在量は、0.5重量部以上90重量部以下の範囲、さらにより好ましくは1重量部以上80重量部以下の範囲である。
前記焼成の温度は、得られる層状構造リチウム複合金属酸化物のBET比表面積を調整する観点で重要な因子である。通常、焼成温度が高くなればなるほど、BET比表面積は小さくなる傾向にある。焼成温度を低くすればするほど、BET比表面積は大きくなる傾向にある。焼成の温度は、200℃以上1050℃以下の範囲であることが好ましく、より好ましくは650℃以上1050℃以下の範囲である。焼成温度の設定は、用いる不活性溶融剤の種類にも依存し、例えば、上記の不活性溶融剤の融点を考慮すればよく、融点マイナス100℃以上融点プラス100℃以下の範囲で行うことが好ましい。通常、焼成は、前記焼成温度にて保持して行われ、焼成温度で保持する時間は、通常0.1〜20時間であり、好ましくは0.5〜8時間である。焼成温度までの昇温速度は、通常50〜400℃/時間であり、焼成温度から室温までの降温速度は、通常10〜400℃/時間である。また、焼成の雰囲気としては、大気、酸素、窒素、アルゴンまたはそれらの混合ガスを用いることができるが、大気が好ましい。また、不活性溶融剤は、層状構造リチウム複合金属酸化物に残留していてもよいし、洗浄、蒸発等により除去されていてもよい。
また、焼成後において、得られる層状構造リチウム複合金属酸化物を、ボールミルやジェットミルなどを用いて粉砕してもよい。粉砕によって、層状構造リチウム複合金属酸化物のBET比表面積を調整することが可能な場合がある。また、粉砕と焼成を2回以上繰り返してもよい。また、層状構造リチウム複合金属酸化物は必要に応じて洗浄あるいは分級することもできる。
上記の本発明の製造方法により得られる層状構造リチウム複合金属酸化物は、高い電流レートにおいて高出力を示すことが可能な非水電解質二次電池の正極活物質として、有用である。
本発明の製造方法により得られる層状構造リチウム複合金属酸化物は、0.05μm以上1μm以下の粒径(平均値)の一次粒子と、一次粒子が凝集して形成された2μm以上100μm以下の粒径(平均値)の二次粒子との混合物からなることが好ましい。一次粒子、二次粒子の粒径(平均値)は、SEMで観察することにより、測定することができる。具体的に、平均値は、SEM写真に撮影されている一次粒子または二次粒子を任意に50個選択して、各粒子の最大径を測定して得られた値の平均値を求めることにより得られる。本発明の効果をより高める観点では、二次粒子の粒径(平均値)は2μm以上50μm以下であることがより好ましく、2μm以上10μm以下であることがさらにより好ましい。また、一次粒子の粒径(平均値)は、0.1μm以上0.5μm以下であることがより好ましく、0.1μm以上0.3μm以下であることがさらにより好ましい。
本発明の製造方法により得られる層状構造リチウム複合金属酸化物の結晶構造は、層状構造を有する。得られる非水電解質二次電池の放電容量の観点から、層状構造リチウム複合金属酸化物の結晶構造は、空間群R−3mまたはC2/mに帰属する結晶構造であることが好ましい。空間群R−3mは、六方晶型の結晶構造に含まれ、前記六方晶型の結晶構造は、P3、P31、P32、R3、P−3、R−3、P312、P321、P3112、P3121、P3212、P3221、R32、P3m1、P31m、P3c1、P31c、R3m、R3c、P−31m、P−31c、P−3m1、P−3c1、R−3m、R−3c、P6、P61、P65、P62、P64、P63、P−6、P6/m、P63/m、P622、P6122、P6522、P6222、P6422、P6322、P6mm、P6cc、P63cm、P63mc、P−6m2、P−6c2、P−62m、P−62c、P6/mmm、P6/mcc、P63/mcm、P63/mmcから選ばれるいずれか一つの空間群に帰属する。また、空間群C2/mは、単斜晶型の結晶構造に含まれ、前記単斜晶型の結晶構造は、P2、P21、C2、Pm、Pc、Cm、Cc、P2/m、P21/m、C2/m、P2/c、P21/c、C2/cから選ばれるいずれか一つの空間群に帰属する。なお、層状構造リチウム複合金属酸化物の結晶構造はCuKαを線源とする粉末X線回折測定により得られる粉末X線回折図形から同定することができる。
また、本発明において、層状構造リチウム複合金属酸化物における遷移金属元素が、Ni、Mn、CoおよびFeからなる群より選ばれる1種以上の遷移金属元素である場合には、本発明の効果を著しく損なわない範囲で、該遷移金属元素の一部を、他元素で置換してもよい。ここで、他元素としては、B、Al、Ga、In、Si、Ge、Sn、Mg、Sc、Y、Zr、Hf、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Tc、Ru、Rh、Ir、Pd、Cu、Ag、Zn等の元素を挙げることができる。
また、本発明の効果を著しく損なわない範囲で、本発明における層状構造リチウム複合金属酸化物を構成する粒子の表面に、該酸化物とは異なる化合物を付着させてもよい。該化合物としては、B、Al、Ga、In、Si、Ge、Sn、Mgおよび遷移金属元素からなる群より選ばれる1種以上の元素を含有する化合物、好ましくはB、Al、Mg、Ga、InおよびSnからなる群より選ばれる1種以上の元素を含有する化合物、より好ましくはAlの化合物を挙げることができる。また、該化合物として具体的には、前記元素の酸化物、水酸化物、オキシ水酸化物、炭酸塩、硝酸塩、および有機酸塩を挙げることができ、酸化物、水酸化物、またはオキシ水酸化物であることが好ましい。また、これらの化合物を混合して用いてもよい。これら化合物の中でも、特に好ましい化合物はアルミナである。また、付着後に加熱を行ってもよい。
本発明の製造方法によって得られる層状構造リチウム複合金属酸化物を有する正極活物質は、非水電解質二次電池に好適である。また、本発明において、正極活物質は、本発明の層状構造リチウム複合金属酸化物のみからなってもよいし、上記のように粒子表面に異なる化合物が付着されていてもよい。
上記正極活物質を有する正極を製造する方法として、非水電解質二次電池用の正極を製造する場合を例に挙げて、次に説明する。
正極は、正極活物質、導電材およびバインダーを含む正極合剤を正極集電体に担持させて製造する。前記導電材としては炭素材料を用いることができ、炭素材料としては、例えば、黒鉛粉末、カーボンブラック、アセチレンブラック、繊維状炭素材料などを挙げることができる。カーボンブラックやアセチレンブラックは、微粒で表面積が大きいため、少量正極合剤中に添加することにより正極内部の導電性を高め、充放電効率及びレート特性を向上させることができるが、多く入れすぎるとバインダーによる正極合剤と正極集電体との結着性を低下させ、かえって内部抵抗を増加させる原因となる。通常、正極合剤中の導電材の割合は、正極活物質100重量部に対して5重量部以上20重量部以下である。導電材として黒鉛化炭素繊維、カーボンナノチューブなどの繊維状炭素材料を用いる場合には、この割合を下げることも可能である。
前記バインダーとしては、熱可塑性樹脂を用いることができ、具体的には、ポリフッ化ビニリデン(以下、PVdFということがある。)、ポリテトラフルオロエチレン(以下、PTFEということがある。)、四フッ化エチレン・六フッ化プロピレン・フッ化ビニリデン系共重合体、六フッ化プロピレン・フッ化ビニリデン系共重合体、四フッ化エチレン・パーフルオロビニルエーテル系共重合体などのフッ素樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリオレフィン樹脂等が挙げられる。また、これらの二種以上を混合して用いてもよい。例えば、バインダーとしてフッ素樹脂およびポリオレフィン樹脂を用い、正極合剤に対する該フッ素樹脂の割合が1〜10重量%、該ポリオレフィン樹脂の割合が0.1〜2重量%となるように含有させることによって、正極集電体との結着性に優れた正極合剤を得ることができる。
前記正極集電体としては、Al、Ni、ステンレスなどを用いることができるが、薄膜に加工しやすく、安価であるという点でAlが好ましい。正極集電体に正極合剤を担持させる方法としては、加圧成型する方法、または有機溶媒などを用いて正極合剤をペースト化し、得られたペーストを正極集電体上に塗布し、乾燥後プレスするなどして固着する方法が挙げられる。ペースト化する場合、正極活物質、導電材、バインダー、有機溶媒からなるスラリーを作製する。有機溶媒としては、例えば、N,N―ジメチルアミノプロピルアミン、ジエチレントリアミン等のアミン系溶媒、テトラヒドロフラン等のエーテル系溶媒、メチルエチルケトン等のケトン系溶媒、酢酸メチル等のエステル系溶媒、ジメチルアセトアミド、N−メチル−2−ピロリドン等のアミド系溶媒等が挙げられる。
正極合剤のペーストを正極集電体へ塗布する方法としては、例えば、スリットダイ塗工法、スクリーン塗工法、カーテン塗工法、ナイフ塗工法、グラビア塗工法、静電スプレー法等が挙げられる。以上に挙げた方法により、非水電解質二次電池用正極を製造することができる。
上記の正極を用いて、非水電解質二次電池を製造する方法として、リチウム二次電池を製造する場合を例に挙げて、次に説明する。すなわち、セパレータ、負極、セパレータおよび上記の正極をこの順に、積層するまたは積層し巻回することにより得られる電極群を、電池ケース内に収納した後、電解液を含浸させて製造することができる。
前記の電極群の形状としては、例えば、該電極群を巻回の軸と垂直方向に切断したときの断面が、円、楕円、長方形、角がとれたような長方形等となるような形状を挙げることができる。また、電池の形状としては、例えば、ペーパー型、コイン型、円筒型、角型などの形状を挙げることができる。
前記負極は、正極よりも低い電位でリチウムイオンのドープ・脱ドープが可能であればよく、負極材料を含む負極合剤が負極集電体に担持されてなる電極、または負極材料単独からなる電極を挙げることができる。負極材料としては、炭素材料、カルコゲン化合物(酸化物、硫化物など)、窒化物、金属または合金で、正極よりも低い電位でリチウムイオンのドープ・脱ドープが可能な材料が挙げられる。また、これらの負極材料を混合して用いてもよい。
前記の負極材料につき、以下に例示する。前記炭素材料として、具体的には、天然黒鉛、人造黒鉛等の黒鉛、コークス類、カーボンブラック、熱分解炭素類、炭素繊維、有機高分子化合物焼成体などを挙げることができる。前記酸化物として、具体的には、SiO2、SiOなど式SiOx(ここで、xは正の実数)で表されるケイ素の酸化物、TiO2、TiOなど式TiOx(ここで、xは正の実数)で表されるチタンの酸化物、V25、VO2など式VOx(ここで、xは正の実数)で表されるバナジウムの酸化物、Fe34、Fe23、FeOなど式FeOx(ここで、xは正の実数)で表される鉄の酸化物、SnO2、SnOなど式SnOx(ここで、xは正の実数)で表されるスズの酸化物、WO3、WO2など一般式WOx(ここで、xは正の実数)で表されるタングステンの酸化物、Li4Ti512、LiVO2などのリチウムとチタンおよび/またはバナジウムとを含有する複合金属酸化物などを挙げることができる。前記硫化物として、具体的には、Ti23、TiS2、TiSなど式TiSx(ここで、xは正の実数)で表されるチタンの硫化物、V34、VS2、VSなど式VSx(ここで、xは正の実数)で表されるバナジウムの硫化物、Fe34、FeS2、FeSなど式FeSx(ここで、xは正の実数)で表される鉄の硫化物、Mo23、MoS2など式MoSx(ここで、xは正の実数)で表されるモリブデンの硫化物、SnS2、SnSなど式SnSx(ここで、xは正の実数)で表されるスズの硫化物、WS2など式WSx(ここで、xは正の実数)で表されるタングステンの硫化物、Sb23など式SbSx(ここで、xは正の実数)で表されるアンチモンの硫化物、Se53、SeS2、SeSなど式SeSx(ここで、xは正の実数)で表されるセレンの硫化物などを挙げることができる。前記窒化物として、具体的には、Li3N、Li3-xxN(ここで、AはNiおよび/またはCoであり、0<x<3である。)などのリチウム含有窒化物を挙げることができる。これらの炭素材料、酸化物、硫化物、窒化物は、併用して用いてもよく、結晶質または非晶質のいずれでもよい。また、これらの炭素材料、酸化物、硫化物、窒化物は、主に、負極集電体に担持して、電極として用いられる。
また、前記金属として、具体的には、リチウム金属、シリコン金属、スズ金属が挙げられる。また、前記合金としては、Li−Al、Li−Ni、Li−Siなどのリチウム合金、Si−Znなどのシリコン合金、Sn−Mn、Sn−Co、Sn−Ni、Sn−Cu、Sn−Laなどのスズ合金のほか、Cu2Sb、La3Ni2Sn7などの合金を挙げることもできる。これらの金属、合金は、主に、単独で電極として用いられる(例えば箔状で用いられる)。
上記負極材料の中で、電位平坦性が高い、平均放電電位が低い、サイクル性が良いなどの観点からは、天然黒鉛、人造黒鉛等の黒鉛を主成分とする炭素材料が好ましく用いられる。炭素材料の形状としては、例えば天然黒鉛のような薄片状、メソカーボンマイクロビーズのような球状、黒鉛化炭素繊維のような繊維状、または微粉末の凝集体のいずれでもよい。
前記の負極合剤は、必要に応じて、バインダーを含有してもよい。バインダーとしては、熱可塑性樹脂を挙げることができ、具体的には、PVdF、熱可塑性ポリイミド、カルボキシメチルセルロース、ポリエチレン、ポリプロピレンなどを挙げることができる。
前記の負極集電体としては、Cu、Ni、ステンレスなどを挙げることができ、リチウムと合金を作り難い点、薄膜に加工しやすいという点で、Cuを用いればよい。該負極集電体に負極合剤を担持させる方法としては、正極の場合と同様であり、加圧成型による方法、溶媒などを用いてペースト化し負極集電体上に塗布、乾燥後プレスし圧着する方法等が挙げられる。
前記セパレータとしては、多孔質フィルム、不織布、織布などの形態を有する材料を用いることができる。前記セパレータの材質としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリオレフィン樹脂、フッ素樹脂、含窒素芳香族重合体などの材質を挙げることができる。これらの材質を2種以上用いてセパレータとしてもよいし、前記のセパレータ材料が積層されていてもよい。セパレータとしては、例えば特開2000−30686号公報、特開平10−324758号公報等に記載のセパレータを挙げることができる。セパレータの厚みは電池の体積エネルギー密度が上がり、内部抵抗が小さくなるという点で、機械的強度が保たれる限り薄くした方がよく、通常5〜200μm程度、好ましくは5〜40μm程度である。
セパレータは、好ましくは、熱可塑性樹脂を含有する多孔質フィルムを有する。非水電解質二次電池においては、通常、正極−負極間の短絡等が原因で電池内に異常電流が流れた際に、電流を遮断して、過大電流が流れることを阻止(シャットダウン)する機能を有することが好ましい。ここで、シャットダウンは、通常の使用温度を越えた場合に、セパレータにおける多孔質フィルムの微細孔を閉塞することによりなされる。そしてシャットダウンした後、ある程度の高温まで電池内の温度が上昇しても、その温度により破膜することなく、シャットダウンした状態を維持することが好ましい。かかるセパレータとしては、耐熱多孔層と多孔質フィルムとが積層されている積層フィルムが挙げられ、該フィルムをセパレータとして用いることにより、本発明における二次電池の耐熱性をより高めることが可能となる。該積層フィルムにおいて、耐熱多孔層は、多孔質フィルムの両面に積層されていてもよい。
以下、前記の耐熱多孔層と多孔質フィルムとが積層されている積層フィルムについて説明する。
前記積層フィルムにおいて、耐熱多孔層は、多孔質フィルムよりも耐熱性の高い層である。該耐熱多孔層は、無機粉末から形成されていてもよいし、耐熱樹脂を含有していてもよい。耐熱多孔層が、耐熱樹脂を含有することにより、塗工などの容易な手法で、耐熱多孔層を形成することができる。耐熱樹脂としては、ポリアミド、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリカーボネート、ポリアセタール、ポリサルホン、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルケトン、芳香族ポリエステル、ポリエーテルサルホン、ポリエーテルイミドを挙げることができ、耐熱性をより高める観点で、ポリアミド、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルサルホン、ポリエーテルイミドが好ましく、より好ましくは、ポリアミド、ポリイミド、ポリアミドイミドである。さらにより好ましくは、芳香族ポリアミド(パラ配向芳香族ポリアミド、メタ配向芳香族ポリアミド)、芳香族ポリイミド、芳香族ポリアミドイミド等の含窒素芳香族重合体であり、とりわけ好ましくは芳香族ポリアミド、製造面で、特に好ましいのは、パラ配向芳香族ポリアミド(以下、「パラアラミド」ということがある。)である。また、耐熱樹脂として、ポリ−4−メチルペンテン−1、環状オレフィン系重合体を挙げることもできる。これらの耐熱樹脂を用いることにより、積層フィルムの耐熱性、すなわち、積層フィルムの熱破膜温度をより高めることができる。これらの耐熱樹脂のうち、含窒素芳香族重合体を用いる場合には、その分子内の極性によるためか、電解液との相性、すなわち、耐熱多孔層における保液性も向上する場合があり、非水電解質二次電池製造時における電解液の含浸の速度も高く、非水電解質二次電池の充放電容量もより高まる。
かかる積層フィルムの熱破膜温度は、耐熱樹脂の種類に依存し、使用場面、使用目的に応じ、選択使用される。より具体的には、耐熱樹脂として、上記含窒素芳香族重合体を用いる場合は400℃程度に、また、ポリ−4−メチルペンテン−1を用いる場合は250℃程度に、環状オレフィン系重合体を用いる場合は300℃程度に、夫々、熱破膜温度をコントロールすることができる。また、耐熱多孔層が、無機粉末からなる場合には、熱破膜温度を、例えば、500℃以上にコントロールすることも可能である。
上記パラアラミドは、パラ配向芳香族ジアミンとパラ配向芳香族ジカルボン酸ハライドの縮合重合により得られるものであり、アミド結合が芳香族環のパラ位またはそれに準じた配向位(例えば、4,4’−ビフェニレン、1,5−ナフタレン、2,6−ナフタレン等のような反対方向に同軸または平行に延びる配向位)で結合される繰り返し単位から実質的になるものである。具体的には、ポリ(パラフェニレンテレフタルアミド)、ポリ(パラベンズアミド)、ポリ(4,4’−ベンズアニリドテレフタルアミド)、ポリ(パラフェニレン−4,4’−ビフェニレンジカルボン酸アミド)、ポリ(パラフェニレン−2,6−ナフタレンジカルボン酸アミド)、ポリ(2−クロロ−パラフェニレンテレフタルアミド)、パラフェニレンテレフタルアミド/2,6−ジクロロパラフェニレンテレフタルアミド共重合体等のパラ配向型またはパラ配向型に準じた構造を有するパラアラミドが例示される。
前記の芳香族ポリイミドとしては、芳香族の二酸無水物とジアミンの縮重合で製造される全芳香族ポリイミドが好ましい。該二酸無水物の具体例としては、ピロメリット酸二無水物、3,3’,4,4’−ジフェニルスルホンテトラカルボン酸二無水物、3,3’,4,4’−ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物、2,2’−ビス(3,4―ジカルボキシフェニル)ヘキサフルオロプロパン、3,3’,4,4’−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物などが挙げられる。該ジアミンの具体例としては、オキシジアニリン、パラフェニレンジアミン、ベンゾフェノンジアミン、3,3’−メチレンジアニリン、3,3’−ジアミノベンソフェノン、3,3’−ジアミノジフェニルスルフォン、1,5’−ナフタレンジアミンなどが挙げられる。また、溶媒に可溶なポリイミドが好適に使用できる。このようなポリイミドとしては、例えば、3,3’,4,4’−ジフェニルスルホンテトラカルボン酸二無水物と、芳香族ジアミンとの重縮合物のポリイミドが挙げられる。
前記の芳香族ポリアミドイミドとしては、芳香族ジカルボン酸および芳香族ジイソシアネートを用いてこれらの縮合重合から得られるもの、芳香族二酸無水物および芳香族ジイソシアネートを用いてこれらの縮合重合から得られるものが挙げられる。芳香族ジカルボン酸の具体例としてはイソフタル酸、テレフタル酸などが挙げられる。また芳香族二酸無水物の具体例としては無水トリメリット酸などが挙げられる。芳香族ジイソシアネートの具体例としては、4,4’−ジフェニルメタンジイソシアネート、2,4−トリレンジイソシアネート、2,6−トリレンジイソシアネート、オルソトリランジイソシアネート、m−キシレンジイソシアネートなどが挙げられる。
また、イオン透過性をより高める観点で、耐熱多孔層の厚みは、1μm以上10μm以下、さらには1μm以上5μm以下、特に1μm以上4μm以下という薄い耐熱多孔層であることが好ましい。また、耐熱多孔層は微細孔を有し、その孔のサイズ(直径)は通常3μm以下、好ましくは1μm以下である。また、耐熱多孔層が、耐熱樹脂を含有する場合には、さらに、耐熱多孔層は、後述のフィラーを含有することもできる。
前記積層フィルムにおいて、多孔質フィルムは、微細孔を有し、シャットダウン機能を有することが好ましい。この場合、多孔質フィルムは、熱可塑性樹脂を含有する。多孔質フィルムにおける微細孔のサイズは通常3μm以下、好ましくは1μm以下である。多孔質フィルムの空孔率は、通常30〜80体積%、好ましくは40〜70体積%である。非水電解質二次電池において、通常の使用温度を越えた場合には、熱可塑性樹脂を含有する多孔質フィルムは、それを構成する熱可塑性樹脂の軟化により、微細孔を閉塞することができる。
前記熱可塑性樹脂は、非水電解質二次電池における電解液に溶解しないものを選択すればよい。具体的には、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリオレフィン樹脂、熱可塑性ポリウレタン樹脂を挙げることができ、これらの2種以上の混合物を用いてもよい。より低温で軟化してシャットダウンさせる観点で、ポリエチレンを含有することが好ましい。ポリエチレンとして、具体的には、低密度ポリエチレン、高密度ポリエチレン、線状ポリエチレン等のポリエチレンを挙げることができ、分子量が100万以上の超高分子量ポリエチレンを挙げることもできる。多孔質フィルムの突刺し強度をより高める観点では、該フィルムを構成する熱可塑性樹脂は、少なくとも超高分子量ポリエチレンを含有することが好ましい。また、多孔質フィルムの製造面において、熱可塑性樹脂は、低分子量(重量平均分子量1万以下)のポリオレフィンからなるワックスを含有することが好ましい場合もある。
また、積層フィルムにおける多孔質フィルムの厚みは、通常、3〜30μmであり、さらに好ましくは3〜25μmである。また、本発明において、積層フィルムの厚みとしては、通常40μm以下、好ましくは、20μm以下である。また、耐熱多孔層の厚みをA(μm)、多孔質フィルムの厚みをB(μm)としたときには、A/Bの値が、0.1以上1以下であることが好ましい。
また、耐熱多孔層が、耐熱樹脂を含有する場合には、耐熱多孔層は、1種以上のフィラーを含有していてもよい。フィラーは、その材質として、有機粉末、無機粉末またはこれらの混合物のいずれから選ばれるものであってもよい。フィラーを構成する粒子は、その平均粒子径が、0.01μm以上1μm以下であることが好ましい。
前記有機粉末としては、例えば、スチレン、ビニルケトン、アクリロニトリル、メタクリル酸メチル、メタクリル酸エチル、グリシジルメタクリレート、グリシジルアクリレート、アクリル酸メチル等の単独あるいは2種類以上の共重合体、ポリテトラフルオロエチレン、4フッ化エチレン−6フッ化プロピレン共重合体、4フッ化エチレン−エチレン共重合体、ポリビニリデンフルオライド等のフッ素系樹脂;メラミン樹脂;尿素樹脂;ポリオレフィン;ポリメタクリレート等の有機物からなる粉末が挙げられる。該有機粉末は、単独で用いてもよいし、2種以上を混合して用いることもできる。これらの有機粉末の中でも、化学的安定性の点で、ポリテトラフルオロエチレン粉末が好ましい。
前記無機粉末としては、例えば、金属酸化物、金属窒化物、金属炭化物、金属水酸化物、炭酸塩、硫酸塩等の無機物からなる粉末が挙げられ、これらの中でも、導電性の低い無機物からなる粉末が好ましく用いられる。具体的に例示すると、アルミナ、シリカ、二酸化チタン、または炭酸カルシウムからなる粉末が挙げられる。該無機粉末は、単独で用いてもよいし、2種以上を混合して用いることもできる。これらの無機粉末の中でも、化学的安定性の点で、アルミナ粉末が好ましい。ここで、フィラーを構成する粒子のすべてがアルミナ粒子であることがより好ましく、さらにより好ましいのは、フィラーを構成する粒子のすべてがアルミナ粒子であり、その一部または全部が略球状のアルミナ粒子である実施形態である。因みに、耐熱多孔層が、無機粉末から形成される場合には、上記例示の無機粉末を用いればよく、必要に応じてバインダーと混ぜて用いればよい。
耐熱多孔層が耐熱樹脂を含有する場合のフィラーの含有量としては、フィラーの材質の比重にもよるが、例えば、フィラーを構成する粒子のすべてがアルミナ粒子である場合には、耐熱多孔層の総重量を100としたとき、フィラーの重量は、通常5以上95以下であり、20以上95以下であることが好ましく、より好ましくは30以上90以下である。これらの範囲は、フィラーの材質の比重により、適宜設定できる。
フィラーを構成する粒子の形状としては、略球状、板状、柱状、針状、ウィスカー状、繊維状等が挙げられ、いずれの形状の粒子も用いることができる。均一な孔を形成しやすいことから、フィラーを構成する粒子は、略球状粒子であることが好ましい。略球状粒子としては、粒子のアスペクト比(粒子の長径/粒子の短径)が1以上1.5以下の範囲の値である粒子が挙げられる。粒子のアスペクト比は、電子顕微鏡写真により測定することができる。
本発明において、セパレータは、イオン透過性との観点から、ガーレー法による透気度において、透気度が50〜300秒/100ccであることが好ましく、50〜200秒/100ccであることがさらに好ましい。また、セパレータの空孔率は、通常30〜80体積%、好ましくは40〜70体積%である。セパレータは空孔率の異なるセパレータを積層したものであってもよい。
二次電池において、電解液は、通常、電解質および有機溶媒を含有する。電解質としては、LiClO4、LiPF6、LiAsF6、LiSbF6、LIBF4、LiCF3SO3、LiN(SO2CF32、LiN(SO2252、LiN(SO2CF3)(COCF3)、Li(C49SO3)、LiC(SO2CF33、Li210Cl10、LiBOB(ここで、BOBは、bis(oxalato)borateのことである。)、低級脂肪族カルボン酸リチウム塩、LiAlCl4などのリチウム塩が挙げられ、これらの2種以上の混合物を使用してもよい。リチウム塩として、通常、これらの中でもフッ素を含むLiPF6、LiAsF6、LiSbF6、LiBF4、LiCF3SO3、LiN(SO2CF32およびLiC(SO2CF33からなる群から選ばれた少なくとも1種を含むものを用いる。
また前記電解液において、有機溶媒としては、例えばプロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、4−トリフルオロメチル−1,3−ジオキソラン−2−オン、1,2−ジ(メトキシカルボニルオキシ)エタンなどのカーボネート類;1,2−ジメトキシエタン、1,3−ジメトキシプロパン、ペンタフルオロプロピルメチルエーテル、2,2,3,3−テトラフルオロプロピルジフルオロメチルエーテル、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフランなどのエーテル類;ギ酸メチル、酢酸メチル、γ−ブチロラクトンなどのエステル類;アセトニトリル、ブチロニトリルなどのニトリル類;N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミドなどのアミド類;3−メチル−2−オキサゾリドンなどのカーバメート類;スルホラン、ジメチルスルホキシド、1,3−プロパンサルトンなどの含硫黄化合物、または上記の有機溶媒にさらにフッ素置換基を導入したものを用いることができ、これらのうちの二種以上を混合して用いてもよい。中でもカーボネート類を含む混合溶媒が好ましく、環状カーボネートと非環状カーボネートの混合溶媒、または環状カーボネートとエーテル類の混合溶媒がさらに好ましい。環状カーボネートと非環状カーボネートの混合溶媒としては、動作温度範囲が広く、負荷特性に優れ、かつ負極の活物質として天然黒鉛、人造黒鉛等の黒鉛材料を用いた場合でも難分解性であるという点で、エチレンカーボネート、ジメチルカーボネートおよびエチルメチルカーボネートを含む混合溶媒が好ましい。また、特に優れた安全性向上効果が得られる点で、LiPF6等のフッ素を含むリチウム塩およびフッ素置換基を有する有機溶媒を含む電解液を用いることが好ましい。ペンタフルオロプロピルメチルエーテル、2,2,3,3−テトラフルオロプロピルジフルオロメチルエーテル等のフッ素置換基を有するエーテル類とジメチルカーボネートとを含む混合溶媒は、大電流放電特性にも優れており、さらに好ましい。
上記の電解液の代わりに固体電解質を用いてもよい。固体電解質としては、例えばポリエチレンオキサイド系の高分子化合物、ポリオルガノシロキサン鎖もしくはポリオキシアルキレン鎖の少なくとも1種以上を含む高分子化合物などの有機系高分子電解質を用いることができる。また、高分子化合物に非水電解液を保持させたタイプの電解質、いわゆるゲルタイプの電解質を用いることもできる。またLi2S−SiS2、Li2S−GeS2、Li2S−P25、Li2S−B23、Li2S−SiS2−Li3PO4、Li2S−SiS2−Li2SO4などの硫化物を含む無機系固体電解質を用いてもよい。これら固体電解質を用いて、安全性をより高めることができることがある。また、本発明の非水電解質二次電池において、固体電解質を用いる場合には、固体電解質がセパレータの役割を果たす場合もあり、その場合には、セパレータを必要としないこともある。
次に、本発明を実施例によりさらに詳細に説明する。尚、層状構造リチウム複合金属酸化物(正極活物質)の評価、充放電試験、放電レート試験は、次のようにして行った。
1.充放電試験
正極活物質と導電材(アセチレンブラックと黒鉛を1:9の重量比で混合したもの)の混合物に、バインダーとしてPVdFのN−メチル−2−ピロリドン(以下、NMPということがある。)溶液を、正極活物質:導電材:バインダー=86:10:4(重量比)の組成となるように加えて混練することによりペーストを得て、集電体となる厚さ40μmのAl箔に該ペーストを塗布して150℃で8時間真空乾燥を行い、正極を得た。
得られた正極と、電解液としてのエチレンカーボネート(以下、ECということがある。)とジメチルカーボネート(以下、DMCということがある。)とエチルメチルカーボネート(以下、EMCということがある。)の30:35:35(体積比)混合液にLiPF6を1モル/リットルとなるように溶解したもの(以下、LiPF6/EC+DMC+EMCと表すことがある。)と、セパレータとしてのポリプロピレン多孔質膜と、負極としての金属リチウムとを組み合わせてコイン型電池(R2032)を作製した。
上記のコイン型電池を用いて、25℃保持下、以下に示す条件で放電レート試験を実施した。放電レート試験は、放電時の放電電流を変えて放電容量を測定し、以下に従い、放電容量維持率を計算した。

<放電レート試験>
充電最大電圧4.3V、充電時間8時間、充電電流0.2mA/cm2
放電時は放電最小電圧を3.0Vで一定とし、各サイクルにおける放電電流を下記のように変えて放電を行った。下記の10Cにおける放電(高い電流レート)による放電容量が高ければ高いほど、高出力を示すことを意味する。
1、2サイクル目の放電(0.2C):放電電流0.2mA/cm2
3サイクル目の放電(1C):放電電流1.0mA/cm2
4サイクル目の放電(5C):放電電流5.0mA/cm2
5サイクル目の放電(10C):放電電流10mA/cm2

<放電容量維持率>
放電容量維持率(%)=所定回数のサイクルにおける放電容量/初回放電容量×100
2.層状構造リチウム複合金属酸化物のBET比表面積の測定
粉末1gを窒素雰囲気中150℃、15分間乾燥した後、マイクロメリティックス製フローソーブII2300を用いて測定した。
3.層状構造リチウム複合金属酸化物の組成分析
粉末を塩酸に溶解させた後、誘導結合プラズマ発光分析法(SPS3000、以下ICP−AESと呼ぶことがある)を用いて測定した。
4.層状構造リチウム複合金属酸化物の粉末X線回折測定
層状構造リチウム複合金属酸化物の粉末X線回折測定は株式会社リガク製RINT2500TTR型を用いて行った。測定は、層状構造リチウム複合金属酸化物を専用の基板に充填し、CuKα線源を用いて、回折角2θ=10°〜90°の範囲にて行い、粉末X線回折図形を得た。
実施例1
1.層状構造リチウム複合金属酸化物の製造
ポリプロピレン製ビーカー内で、蒸留水200mlに、水酸化カリウム83.88gを添加し、攪拌することにより、水酸化カリウムを溶解し、水酸化カリウム水溶液(アルカリ水溶液)を得た。また、ガラス製ビーカー内で、蒸留水200mlに、塩化ニッケル(II)六水和物13.07g、塩化マンガン(II)四水和物11.38gおよび塩化鉄(II)四水和物2.49gを添加して、攪拌することによりこれらを溶解し、ニッケル−マンガン−鉄混合水溶液を得た。前記水酸化カリウム水溶液を攪拌しながら、これに前記ニッケル−マンガン−鉄混合水溶液を滴下することにより、共沈物を生成させ、共沈物スラリーを得た。
次いで、共沈物スラリーについて、ろ過・蒸留水洗浄を行い、得られた固形分を100℃で乾燥させて共沈物(遷移金属元素の水酸化物)を得た。2.00gの該共沈物と、1.16gの水酸化リチウム一水和物と、1.16gのKCO(不活性溶融剤の量は、リチウム複合金属酸化物原料100重量部に対して36重量部である。)とをメノウ乳鉢を用いて乾式混合して混合物を得た。次いで、該混合物をアルミナ製焼成容器に入れ、電気炉を用いて大気雰囲気中900℃で6時間保持することにより該混合物の焼成を行い、室温まで冷却し、焼成物を得た。該焼成物を粉砕して得られた粉砕物を、蒸留水でデカンテーションにより洗浄し、ろ過することにより得られた固形分を、100℃で8時間乾燥して、粉末B1を得た。
粉末B1の組成分析の結果、Li:Ni:Mn:Feのモル比は、1.12:0.44:0.46:0.10であった。また、粉末B1のBET比表面積は、7.9m2/gであり、粉末B1のSEM観察における一次粒子の粒子径は、その平均値が0.1μmであった。また、粉末X線回折測定の結果、粉末B1の結晶構造は、R−3mの空間群に帰属する層状構造であることがわかった。
2.非水電解質二次電池の放電レート試験
粉末B1を正極活物質として用いてコイン型電池を作製し、該電池の放電レート試験を行ったところ、0.2C、1C、5C、10Cにおける放電容量(mAh/g)は、それぞれ、119、102、79、63であり、放電容量維持率(%)は、それぞれ100、86、66、53であった。該電池の10Cにおける放電容量および放電容量維持率は、それぞれ、後述の比較例1における粉末A1を正極活物質として用いたコイン型電池の10Cにおける放電容量および放電容量維持率よりも高かった。
実施例2
1.層状構造リチウム複合金属酸化物の製造
ポリプロピレン製ビーカー内で、蒸留水200mlに、水酸化カリウム83.88gを添加し、攪拌することにより、水酸化カリウムを溶解し、水酸化カリウム水溶液(アルカリ水溶液)を得た。また、ガラス製ビーカー内で、蒸留水200mlに、塩化ニッケル(II)六水和物13.96g、塩化マンガン(II)四水和物11.87gおよび塩化鉄(II)四水和物1.24gを添加して、攪拌することによりこれらを溶解し、ニッケル−マンガン−鉄混合水溶液を得た。前記水酸化カリウム水溶液を攪拌しながら、これに前記ニッケル−マンガン−鉄混合水溶液を滴下することにより、共沈物を生成させ、共沈物スラリーを得た。
次いで、共沈物スラリーについて、ろ過・蒸留水洗浄を行い、得られた固形分を100℃で乾燥させて共沈物(遷移金属元素の水酸化物)を得た。2.85gの該共沈物と、1.51gの炭酸リチウムと、0.40gのKCO(不活性溶融剤の量は、リチウム複合金属酸化物原料100重量部に対して9重量部である。)とをメノウ乳鉢を用いて乾式混合して混合物を得た。次いで、該混合物をアルミナ製焼成容器に入れ、電気炉を用いて大気雰囲気中900℃で6時間保持することにより該混合物の焼成を行い、室温まで冷却し、焼成物を得た。該焼成物を粉砕して得られた粉砕物を、蒸留水でデカンテーションにより洗浄し、ろ過することにより得られた固形分を、100℃で8時間乾燥して、粉末Bを得た。
粉末B2の組成分析の結果、Li:Ni:Mn:Feのモル比は、1.15:0.47:0.48:0.05であった。また、粉末BのBET比表面積は、8.2m2/gであり、粉末B2のSEM観察における一次粒子の粒子径は、その平均値が0.1μmであった。また、粉末X線回折測定の結果、粉末B2の結晶構造は、R−3mの空間群に帰属する層状構造であることがわかった。
2.非水電解質二次電池の放電レート試験
粉末B2を正極活物質として用いてコイン型電池を作製し、該電池の放電レート試験を行ったところ、0.2C、1C、5C、10Cにおける放電容量(mAh/g)は、それぞれ、140、133、116、104であり、放電容量維持率(%)は、それぞれ100、95、83、74であった。該電池の10Cにおける放電容量および放電容量維持率は、それぞれ、後述の比較例1における粉末A1を正極活物質として用いたコイン型電池の10Cにおける放電容量および放電容量維持率よりも高かった。
実施例3
1.層状構造リチウム複合金属酸化物の製造
ポリプロピレン製ビーカー内で、蒸留水200mlに、水酸化カリウム83.88gを添加し、攪拌することにより、水酸化カリウムを溶解し、水酸化カリウム水溶液(アルカリ水溶液)を得た。また、ガラス製ビーカー内で、蒸留水200mlに、塩化ニッケル(II)六水和物13.96g、塩化マンガン(II)四水和物11.87gおよび塩化鉄(II)四水和物1.24gを添加して、攪拌することによりこれらを溶解し、ニッケル−マンガン−鉄混合水溶液を得た。前記水酸化カリウム水溶液を攪拌しながら、これに前記ニッケル−マンガン−鉄混合水溶液を滴下することにより、共沈物を生成させ、共沈物スラリーを得た。
次いで、共沈物スラリーについて、ろ過・蒸留水洗浄を行い、得られた固形分を100℃で乾燥させて共沈物(遷移金属元素の水酸化物)を得た。2.85gの該共沈物と、1.51gの炭酸リチウムと、0.40gのKCOと、0.60gのKCl(リチウム複合金属酸化物原料100重量部に対して、不活性溶融剤のKCOは9重量部、不活性溶融剤のKClは14重量部である。)とをメノウ乳鉢を用いて乾式混合して混合物を得た。次いで、該混合物をアルミナ製焼成容器に入れ、電気炉を用いて大気雰囲気中930℃で6時間保持することにより該混合物の焼成を行い、室温まで冷却し、焼成物を得た。該焼成物を粉砕して得られた粉砕物を、蒸留水でデカンテーションにより洗浄し、ろ過することにより得られた固形分を、100℃で8時間乾燥して、粉末Bを得た。
粉末B3の組成分析の結果、Li:Ni:Mn:Feのモル比は、1.21:0.47:0.48:0.05であった。また、粉末BのBET比表面積は、2.4m2/gであり、粉末B3のSEM観察における一次粒子の粒子径は、その平均値が0.3μmであった。また、粉末X線回折測定の結果、粉末B3の結晶構造は、R−3mの空間群に帰属する層状型の結晶構造であることがわかった。
2.非水電解質二次電池の放電レート試験
粉末B3を正極活物質として用いてコイン型電池を作製し、該電池の放電レート試験を行ったところ、0.2C、1C、5C、10Cにおける放電容量(mAh/g)は、それぞれ、130、116、92、79であり、容量維持率(%)は、それぞれ100、89、71、61であった。該電池の10Cにおける放電容量および容量維持率は、それぞれ、後述の比較例1における粉末A1を正極活物質として用いたコイン型電池の10Cにおける放電容量および容量維持率よりも高かった。
実施例4
1.層状構造リチウム複合金属酸化物の製造
ポリプロピレン製ビーカー内で、蒸留水200mlに、水酸化カリウム83.88gを添加し、攪拌することにより、水酸化カリウムを溶解し、水酸化カリウム水溶液(アルカリ水溶液)を得た。また、ガラス製ビーカー内で、蒸留水200mlに、塩化ニッケル(II)六水和物13.96g、塩化マンガン(II)四水和物11.87gおよび塩化鉄(II)四水和物1.24gを添加して、攪拌することによりこれらを溶解し、ニッケル−マンガン−鉄混合水溶液を得た。前記水酸化カリウム水溶液を攪拌しながら、これに前記ニッケル−マンガン−鉄混合水溶液を滴下することにより、共沈物を生成させ、共沈物スラリーを得た。
次いで、共沈物スラリーについて、ろ過・蒸留水洗浄を行い、得られた固形分を100℃で乾燥させて共沈物(遷移金属元素の水酸化物)を得た。4.00gの該共沈物と、2.14gの炭酸リチウムと、0.30gのKCOと、0.36gのKSO(リチウム複合金属酸化物原料100重量部に対して、不活性溶融剤のKCOは5重量部、不活性溶融剤のKSOは6重量部である。)とをメノウ乳鉢を用いて乾式混合して混合物を得た。次いで、該混合物をアルミナ製焼成容器に入れ、電気炉を用いて大気雰囲気中900℃で6時間保持することにより該混合物の焼成を行い、室温まで冷却し、焼成物を得た。該焼成物を粉砕して得られた粉砕物を、蒸留水でデカンテーションにより洗浄し、ろ過することにより得られた固形分を、100℃で8時間乾燥して、粉末Bを得た。
粉末Bの組成分析の結果、Li:Ni:Mn:Feのモル比は、1.11:0.47:0.48:0.05であった。また、粉末BのBET比表面積は、8.5m2/gであり、粉末BのSEM観察における一次粒子の粒子径は、その平均値が0.1μmであった。また、粉末X線回折測定の結果、粉末Bの結晶構造は、R−3mの空間群に帰属する層状構造であることがわかった。
2.非水電解質二次電池の放電レート試験
粉末Bを正極活物質として用いてコイン型電池を作製し、該電池の放電レート試験を行ったところ、0.2C、1C、5C、10Cにおける放電容量(mAh/g)は、それぞれ、141、132、115、99であり、放電容量維持率(%)は、それぞれ100、94、82、70であった。該電池の10Cにおける放電容量および放電容量維持率は、それぞれ、後述の比較例1における粉末A1を正極活物質として用いたコイン型電池の10Cにおける放電容量および放電容量維持率よりも高かった。
実施例5
1.層状構造リチウム複合金属酸化物の製造
ポリプロピレン製ビーカー内で、蒸留水200mlに、水酸化カリウム83.88gを添加し、攪拌することにより、水酸化カリウムを溶解し、水酸化カリウム水溶液(アルカリ水溶液)を得た。また、ガラス製ビーカー内で、蒸留水200mlに、塩化ニッケル(II)六水和物13.96g、塩化マンガン(II)四水和物11.87gおよび塩化鉄(II)四水和物1.24gを添加して、攪拌することによりこれらを溶解し、ニッケル−マンガン−鉄混合水溶液を得た。前記水酸化カリウム水溶液を攪拌しながら、これに前記ニッケル−マンガン−鉄混合水溶液を滴下することにより、共沈物を生成させ、共沈物スラリーを得た。
次いで、共沈物スラリーについて、ろ過・蒸留水洗浄を行い、得られた固形分を100℃で乾燥させて共沈物(遷移金属元素の水酸化物)を得た。4.00gの該共沈物と、2.14gの炭酸リチウムと、0.47gのNaCO(不活性溶融剤の量は、リチウム複合金属酸化物原料100重量部に対して8重量部である。)とをメノウ乳鉢を用いて乾式混合して混合物を得た。次いで、該混合物をアルミナ製焼成容器に入れ、電気炉を用いて大気雰囲気中900℃で6時間保持することにより該混合物の焼成を行い、室温まで冷却し、焼成物を得て、該焼成物を粉砕して得られた粉砕物を、蒸留水でデカンテーションにより洗浄し、ろ過することにより得られた固形分を、100℃で8時間乾燥して、粉末Bを得た。
粉末Bの組成分析の結果、Li:Ni:Mn:Feのモル比は、1.14:0.47:0.48:0.05であった。また、粉末BのBET比表面積は、9.2m2/gであり、粉末BのSEM観察における一次粒子の粒子径は、その平均値が0.1μmであった。また、粉末X線回折測定の結果、粉末Bの結晶構造は、R−3mの空間群に帰属する層状構造であることがわかった。
2.非水電解質二次電池の放電レート試験
粉末Bを正極活物質として用いてコイン型電池を作製し、該電池の放電レート試験を行ったところ、0.2C、1C、5C、10Cにおける放電容量(mAh/g)は、それぞれ、145、136、120、96であり、放電容量維持率(%)は、それぞれ100、94、83、66であった。該電池の10Cにおける放電容量および放電容量維持率は、それぞれ、後述の比較例1における粉末A1を正極活物質として用いたコイン型電池の10Cにおける放電容量および放電容量維持率よりも高かった。
実施例6
1.層状構造リチウム複合金属酸化物の製造
ポリプロピレン製ビーカー内で、蒸留水200mlに、水酸化カリウム83.88gを添加し、攪拌することにより、水酸化カリウムを溶解し、水酸化カリウム水溶液(アルカリ水溶液)を得た。また、ガラス製ビーカー内で、蒸留水200mlに、塩化ニッケル(II)六水和物13.96g、塩化マンガン(II)四水和物11.87gおよび塩化鉄(II)四水和物1.24gを添加して、攪拌することによりこれらを溶解し、ニッケル−マンガン−鉄混合水溶液を得た。前記水酸化カリウム水溶液を攪拌しながら、これに前記ニッケル−マンガン−鉄混合水溶液を滴下することにより、共沈物を生成させ、共沈物スラリーを得た。
次いで、共沈物スラリーについて、ろ過・蒸留水洗浄を行い、得られた固形分を100℃で乾燥させて共沈物(遷移金属元素の水酸化物)を得た。4.00gの該共沈物と、2.14gの炭酸リチウムと、0.31gのKCOと、0.39gのKPO(リチウム複合金属酸化物原料100重量部に対して、不活性溶融剤のKCOは5重量部、不活性溶融剤のKPOは6重量部である。)とをメノウ乳鉢を用いて乾式混合して混合物を得た。次いで、該混合物をアルミナ製焼成容器に入れ、電気炉を用いて大気雰囲気中900℃で6時間保持することにより該混合物の焼成を行い、室温まで冷却し、焼成物を得た。該焼成物を粉砕して得られた粉砕物を、蒸留水でデカンテーションにより洗浄し、ろ過することにより得られた固形分を、100℃で8時間乾燥して、粉末Bを得た。
粉末Bの組成分析の結果、Li:Ni:Mn:Feのモル比は、1.09:0.47:0.48:0.05であった。また、粉末BのBET比表面積は、8.5m2/gであり、粉末BのSEM観察における一次粒子の粒子径は、その平均値が0.1μmであった。また、粉末X線回折測定の結果、粉末Bの結晶構造は、R−3mの空間群に帰属する層状構造であることがわかった。
2.非水電解質二次電池の放電レート試験
粉末Bを正極活物質として用いてコイン型電池を作製し、該電池の放電レート試験を行ったところ、0.2C、1C、5C、10Cにおける放電容量(mAh/g)は、それぞれ、144、135、118、106であり、放電容量維持率(%)は、それぞれ100、94、82、74であった。該電池の10Cにおける放電容量および放電容量維持率は、それぞれ、後述の比較例1における粉末A1を正極活物質として用いたコイン型電池の10Cにおける放電容量および放電容量維持率よりも高かった。
実施例7
1.層状構造リチウム複合金属酸化物の製造
ポリプロピレン製ビーカー内で、蒸留水200mlに、水酸化カリウム83.88gを添加し、攪拌することにより、水酸化カリウムを溶解し、水酸化カリウム水溶液(アルカリ水溶液)を得た。また、ガラス製ビーカー内で、蒸留水200mlに、塩化ニッケル(II)六水和物13.96g、塩化マンガン(II)四水和物11.87gおよび塩化鉄(II)四水和物1.24gを添加して、攪拌することによりこれらを溶解し、ニッケル−マンガン−鉄混合水溶液を得た。前記水酸化カリウム水溶液を攪拌しながら、これに前記ニッケル−マンガン−鉄混合水溶液を滴下することにより、共沈物を生成させ、共沈物スラリーを得た。
次いで、共沈物スラリーについて、ろ過・蒸留水洗浄を行い、得られた固形分を100℃で乾燥させて共沈物(遷移金属元素の水酸化物)を得た。2.87gの該共沈物と、1.44gの炭酸リチウムと、0.32gのNaCOと、0.43gのNaSO(リチウム複合金属酸化物原料100重量部に対して、不活性溶融剤のNaCOは7重量部、不活性溶融剤のNaSOは10重量部である。)とをメノウ乳鉢を用いて乾式混合して混合物を得た。次いで、該混合物をアルミナ製焼成容器に入れ、電気炉を用いて大気雰囲気中950℃で6時間保持することにより該混合物の焼成を行い、室温まで冷却し、焼成物を得た。該焼成物を粉砕して得られた粉砕物を、蒸留水でデカンテーションにより洗浄し、ろ過することにより得られた固形分を、100℃で8時間乾燥して、粉末Bを得た。
粉末Bの組成分析の結果、Li:Ni:Mn:Feのモル比は、1.09:0.47:0.48:0.05であった。また、粉末BのBET比表面積は、6.4m2/gであり、粉末BのSEM観察における一次粒子の粒子径は、その平均値が0.1μmであった。また、粉末X線回折測定の結果、粉末Bの結晶構造は、R−3mの空間群に帰属する層状構造であることがわかった。
2.非水電解質二次電池の放電レート試験
粉末Bを正極活物質として用いてコイン型電池を作製し、該電池の放電レート試験を行ったところ、0.2C、1C、5C、10Cにおける放電容量(mAh/g)は、それぞれ、140、125、118、106であり、放電容量維持率(%)は、それぞれ100、89、84、76であった。該電池の10Cにおける放電容量および放電容量維持率は、それぞれ、後述の比較例1における粉末A1を正極活物質として用いたコイン型電池の10Cにおける放電容量および放電容量維持率よりも高かった。
実施例8(KMoO系フラックス)
1.層状構造リチウム複合金属酸化物の製造
ポリプロピレン製ビーカー内で、蒸留水200mlに、水酸化カリウム83.88gを添加し、攪拌することにより、水酸化カリウムを溶解し、水酸化カリウム水溶液(アルカリ水溶液)を得た。また、ガラス製ビーカー内で、蒸留水200mlに、塩化ニッケル(II)六水和物13.96g、塩化マンガン(II)四水和物11.87gおよび塩化鉄(II)四水和物1.24gを添加して、攪拌することによりこれらを溶解し、ニッケル−マンガン−鉄混合水溶液を得た。前記水酸化カリウム水溶液を攪拌しながら、これに前記ニッケル−マンガン−鉄混合水溶液を滴下することにより、共沈物を生成させ、共沈物スラリーを得た。
次いで、共沈物スラリーについて、ろ過・蒸留水洗浄を行い、得られた固形分を100℃で乾燥させて共沈物(遷移金属元素の水酸化物)を得た。2.00gの該共沈物と、1.05gの炭酸リチウムと、0.27gのKMoO(不活性溶融剤の量は、リチウム複合金属酸化物原料100重量部に対して9重量部である。)とをメノウ乳鉢を用いて乾式混合して混合物を得た。次いで、該混合物をアルミナ製焼成容器に入れ、電気炉を用いて大気雰囲気中870℃で6時間保持することにより該混合物の焼成を行い、室温まで冷却し、焼成物を得た。該焼成物を粉砕して得られた粉砕物を、蒸留水でデカンテーションにより洗浄し、ろ過することにより得られた固形分を、100℃で8時間乾燥して、粉末Bを得た。
粉末Bの組成分析の結果、Li:Ni:Mn:Feのモル比は、1.19:0.46:0.49:0.05であった。また、粉末BのBET比表面積は、4.5m2/gであり、粉末BのSEM観察における一次粒子の粒子径は、その平均値が0.1μmであった。また、粉末X線回折測定の結果、粉末Bの結晶構造は、R−3mの空間群に帰属する層状構造であることがわかった。
2.非水電解質二次電池の放電レート試験
粉末Bを正極活物質として用いてコイン型電池を作製し、該電池の放電レート試験を行ったところ、0.2C、1C、5C、10Cにおける放電容量(mAh/g)は、それぞれ、148、135、117、103であり、放電容量維持率(%)は、それぞれ100、92、80、70であった。該電池の10Cにおける放電容量および放電容量維持率は、それぞれ、後述の比較例1における粉末A1を正極活物質として用いたコイン型電池の10Cにおける放電容量および放電容量維持率よりも高かった。
実施例9(NaMoO系フラックス)
1.層状構造リチウム複合金属酸化物の製造
ポリプロピレン製ビーカー内で、蒸留水200mlに、水酸化カリウム83.88gを添加し、攪拌することにより、水酸化カリウムを溶解し、水酸化カリウム水溶液(アルカリ水溶液)を得た。また、ガラス製ビーカー内で、蒸留水200mlに、塩化ニッケル(II)六水和物13.96g、塩化マンガン(II)四水和物11.87gおよび塩化鉄(II)四水和物1.24gを添加して、攪拌することによりこれらを溶解し、ニッケル−マンガン−鉄混合水溶液を得た。前記水酸化カリウム水溶液を攪拌しながら、これに前記ニッケル−マンガン−鉄混合水溶液を滴下することにより、共沈物を生成させ、共沈物スラリーを得た。
次いで、共沈物スラリーについて、ろ過・蒸留水洗浄を行い、得られた固形分を100℃で乾燥させて共沈物(遷移金属元素の水酸化物)を得た。2.00gの該共沈物と、1.05gの炭酸リチウムと、0.27gのNaMoO(不活性溶融剤の量は、リチウム複合金属酸化物原料100重量部に対して9重量部である。)とをメノウ乳鉢を用いて乾式混合して混合物を得た。次いで、該混合物をアルミナ製焼成容器に入れ、電気炉を用いて大気雰囲気中870℃で6時間保持することにより該混合物の焼成を行い、室温まで冷却し、焼成物を得た。該焼成物を粉砕して得られた粉砕物を、蒸留水でデカンテーションにより洗浄し、ろ過することにより得られた固形分を、100℃で8時間乾燥して、粉末Bを得た。
粉末Bの組成分析の結果、Li:Ni:Mn:Feのモル比は、1.11:0.46:0.49:0.05であった。また、粉末BのBET比表面積は、5.4m2/gであり、粉末BのSEM観察における一次粒子の粒子径は、その平均値が0.1μmであった。また、粉末X線回折測定の結果、粉末Bの結晶構造は、R−3mの空間群に帰属する層状構造であることがわかった。
2.非水電解質二次電池の放電レート試験
粉末Bを正極活物質として用いてコイン型電池を作製し、該電池の放電レート試験を行ったところ、0.2C、1C、5C、10Cにおける放電容量(mAh/g)は、それぞれ、145、134、116、101であり、放電容量維持率(%)は、それぞれ100、92、80、70であった。該電池の10Cにおける放電容量および放電容量維持率は、それぞれ、後述の比較例1における粉末A1を正極活物質として用いたコイン型電池の10Cにおける放電容量および放電容量維持率よりも高かった。
実施例10
1.層状構造リチウム複合金属酸化物の製造
ポリプロピレン製ビーカー内で、蒸留水200mlに、水酸化カリウム83.88gを添加し、攪拌することにより、水酸化カリウムを溶解し、水酸化カリウム水溶液(アルカリ水溶液)を得た。また、ガラス製ビーカー内で、蒸留水200mlに、塩化ニッケル(II)六水和物13.96g、塩化マンガン(II)四水和物11.87gおよび塩化鉄(II)四水和物1.24gを添加して、攪拌することによりこれらを溶解し、ニッケル−マンガン−鉄混合水溶液を得た。前記水酸化カリウム水溶液を攪拌しながら、これに前記ニッケル−マンガン−鉄混合水溶液を滴下することにより、共沈物を生成させ、共沈物スラリーを得た。
次いで、共沈物スラリーについて、ろ過・蒸留水洗浄を行い、得られた固形分を100℃で乾燥させて共沈物(遷移金属元素の水酸化物)を得た。2.87gの該共沈物と、1.53gの炭酸リチウムと、0.17gのNaCOと、0.46gのNaWO(リチウム複合金属酸化物原料100重量部に対して、不活性溶融剤のNaCOは4重量部、不活性溶融剤のNaWOは10重量部である。)とをメノウ乳鉢を用いて乾式混合して混合物を得た。次いで、該混合物をアルミナ製焼成容器に入れ、電気炉を用いて大気雰囲気中900℃で6時間保持することにより該混合物の焼成を行い、室温まで冷却し、焼成物を得た。該焼成物を粉砕することにより得られた粉砕物を、蒸留水でデカンテーションにより洗浄し、ろ過することにより得られた固形分を、100℃で8時間乾燥して、粉末B10を得た。
粉末B10の組成分析の結果、Li:Ni:Mn:Feのモル比は、1.21:0.47:0.48:0.05であった。また、粉末B10のBET比表面積は、8.0m2/gであり、粉末B10のSEM観察における一次粒子の粒子径は、その平均値が0.2μmであった。また、粉末X線回折測定の結果、粉末B10の結晶構造は、R−3mの空間群に帰属する層状構造であることがわかった。
2.非水電解質二次電池の放電レート試験
粉末B10を正極活物質として用いてコイン型電池を作製し、該電池の放電レート試験を行ったところ、0.2C、1C、5C、10Cにおける放電容量(mAh/g)は、それぞれ、144、136、121、108であり、放電容量維持率(%)は、それぞれ100、94、84、75であった。該電池の10Cにおける放電容量および放電容量維持率は、それぞれ、後述の比較例1における粉末A1を正極活物質として用いたコイン型電池の10Cにおける放電容量および放電容量維持率よりも高かった。
実施例11
1.層状構造リチウム複合金属酸化物の製造
ポリプロピレン製ビーカー内で、蒸留水200mlに、水酸化カリウム83.88gを添加し、攪拌することにより、水酸化カリウムを溶解し、水酸化カリウム水溶液(アルカリ水溶液)を得た。また、ガラス製ビーカー内で、蒸留水200mlに、塩化ニッケル(II)六水和物13.96g、塩化マンガン(II)四水和物11.87gおよび塩化鉄(II)四水和物1.24gを添加して、攪拌することによりこれらを溶解し、ニッケル−マンガン−鉄混合水溶液を得た。前記水酸化カリウム水溶液を攪拌しながら、これに前記ニッケル−マンガン−鉄混合水溶液を滴下することにより、共沈物を生成させ、共沈物スラリーを得た。
次いで、共沈物スラリーについて、ろ過・蒸留水洗浄を行い、得られた固形分を100℃で乾燥させて共沈物(遷移金属元素の水酸化物)を得た。2.87gの該共沈物と、1.53gの炭酸リチウムと、0.22gのNaCOと、0.52gのKWO(リチウム複合金属酸化物原料100重量部に対して、不活性溶融剤のNaCOは5重量部、不活性溶融剤のKWOは12重量部である。)とをメノウ乳鉢を用いて乾式混合して混合物を得た。次いで、該混合物をアルミナ製焼成容器に入れ、電気炉を用いて大気雰囲気中900℃で6時間保持することにより該混合物の焼成を行い、室温まで冷却し、焼成物を得た。該焼成物を粉砕して得られた粉砕物を、蒸留水でデカンテーションにより洗浄し、ろ過し、100℃で8時間乾燥して、粉末B11を得た。
粉末B11の組成分析の結果、Li:Ni:Mn:Feのモル比は、1.26:0.47:0.48:0.05であった。また、粉末B11のBET比表面積は、5.9m2/gであり、粉末B11のSEM観察における一次粒子の粒子径は、その平均値が0.1μmであった。また、粉末X線回折測定の結果、粉末B11の結晶構造は、R−3mの空間群に帰属する層状構造であることがわかった。
2.非水電解質二次電池の放電レート試験
粉末B11を正極活物質として用いてコイン型電池を作製し、該電池の放電レート試験を行ったところ、0.2C、1C、5C、10Cにおける放電容量(mAh/g)は、それぞれ、145、136、120、108であり、放電容量維持率(%)は、それぞれ100、94、82、74であった。該電池の10Cにおける放電容量および放電容量維持率は、それぞれ、後述の比較例1における粉末A1を正極活物質として用いたコイン型電池の10Cにおける放電容量および放電容量維持率よりも高かった。
実施例12
1.層状構造リチウム複合金属酸化物の製造
ポリプロピレン製ビーカー内で、蒸留水200mlに、水酸化カリウム83.88gを添加し、攪拌することにより、水酸化カリウムを溶解し、水酸化カリウム水溶液(アルカリ水溶液)を得た。また、ガラス製ビーカー内で、蒸留水200mlに、塩化ニッケル(II)六水和物13.96g、塩化マンガン(II)四水和物11.87gおよび塩化鉄(II)四水和物1.24gを添加して、攪拌することによりこれらを溶解し、ニッケル−マンガン−鉄混合水溶液を得た。前記水酸化カリウム水溶液を攪拌しながら、これに前記ニッケル−マンガン−鉄混合水溶液を滴下することにより、共沈物を生成させ、共沈物スラリーを得た。
次いで、共沈物スラリーについて、ろ過・蒸留水洗浄を行い、得られた固形分を100℃で乾燥させて共沈物(遷移金属元素の水酸化物)を得た。2.87gの該共沈物と、1.72gの水酸化リチウム一水和物と、2.69gのNaNO(リチウム複合金属酸化物原料100重量部に対して、不活性溶融剤のNaNOは59重量部である。)とをメノウ乳鉢を用いて乾式混合して混合物を得た。次いで、該混合物をアルミナ製焼成容器に入れ、電気炉を用いて大気雰囲気中300℃で6時間保持することにより該混合物の焼成を行い、室温まで冷却し、焼成物を得た。該焼成物を粉砕して得られた粉砕物を、蒸留水でデカンテーションにより洗浄し、ろ過することにより得られた固形分を、100℃で8時間乾燥して、粉末B12を得た。
粉末B12の組成分析の結果、Li:Ni:Mn:Feのモル比は、0.52:0.47:0.48:0.05であった。また、粉末B12のBET比表面積は、74.5m2/gであり、粉末B12のSEM観察における一次粒子の粒子径は、その平均値が0.05μmであった。また、粉末X線回折測定の結果、粉末B12の結晶構造は、R−3mの空間群に帰属する層状構造であることがわかった。
2.非水電解質二次電池の放電レート試験
粉末B12を正極活物質として用いてコイン型電池を作製し、該電池の放電レート試験を行ったところ、0.2C、1C、5C、10Cにおける放電容量(mAh/g)は、それぞれ、110、86、40、22であり、放電容量維持率(%)は、それぞれ100、79、36、20であった。該電池の10Cにおける放電容量および放電容量維持率は、それぞれ、後述の比較例1における粉末Aを正極活物質として用いたコイン型電池の10Cにおける放電容量および放電容量維持率よりも高かった。
比較例1
1.層状構造リチウム複合金属酸化物の製造
ポリプロピレン製ビーカー内で、蒸留水200mlに、水酸化カリウム83.88gを添加し、攪拌することにより、水酸化カリウムを溶解し、水酸化カリウム水溶液(アルカリ水溶液)を得た。また、ガラス製ビーカー内で、蒸留水200mlに、塩化ニッケル(II)六水和物13.90g、塩化マンガン(II)四水和物13.95gおよび塩化鉄(III)六水和物4.05gを添加して、攪拌することによりこれらを溶解し、ニッケル−マンガン−鉄混合水溶液を得た。前記水酸化カリウム水溶液を攪拌しながら、これに前記ニッケル−マンガン−鉄混合水溶液を滴下することにより、共沈物を生成させ、共沈物スラリーを得た。
次いで、共沈物スラリーについて、ろ過・蒸留水洗浄を行い、得られた固形分を100℃で乾燥させて共沈物(遷移金属元素の水酸化物)を得た。2.00gの該共沈物と、1.16gの水酸化リチウム一水和物とをメノウ乳鉢を用いて乾式混合して混合物を得た(該混合物には、不活性溶融剤は含有されていない)。次いで、該混合物をアルミナ製焼成容器に入れ、電気炉を用いて大気雰囲気中900℃で6時間保持することにより該混合物の焼成を行い、室温まで冷却し、焼成物を得た。該焼成物を粉砕することにより得られた粉砕物を、蒸留水でデカンテーションにより洗浄し、ろ過することにより得られた固形分を、100℃で8時間乾燥して、粉末A1を得た。
粉末A1の組成分析の結果、Li:Ni:Mn:Feのモル比は、1.30:0.41:0.49:0.10であった。また、粉末AのBET比表面積は、0.3m2/gであり、粉末A1のSEM観察における一次粒子の粒子径は、その平均値が0.7μmであった。また、粉末X線回折測定の結果、粉末A1の結晶構造は、R−3mの空間群に帰属する結晶構造であることがわかった。
2.非水電解質二次電池の放電レート試験
粉末A1を正極活物質として用いてコイン型電池を作製し、放電レート試験を行ったところ、0.2C、1C、5C、10Cにおける放電容量(mAh/g)は、それぞれ、76、51、22、14であり、放電容量維持率(%)は、それぞれ100、67、29、18であった。粉末A1を用いたコイン型電池の10Cにおける放電容量および放電容量維持率は十分ではなかった。
比較例2
1.層状構造リチウム複合金属酸化物の製造
比較例1と同様にして得られた共沈物(遷移金属元素の水酸化物)を用いて、2.85gの該共沈物と、2.32gの炭酸リチウムと、0.13gの塩化リチウム(リチウム複合金属酸化物原料100重量部に対して、塩化リチウムは2.5重量部である。)とをメノウ乳鉢を用いて乾式混合して混合物を得る(該混合物には、不活性溶融剤は含有されていない)。次いで、比較例1と同様にして、該混合物の焼成を行い、得られる焼成物について、比較例1と同様にして、粉末Aを得る。
粉末Aと同様に、粉末AのBET比表面積は、実施例1〜12における各粉末のそれと比較して、小さくなり、粉末Aの一次粒子の粒子径の平均値は、実施例1〜12における各粉末のそれと比較して、大きくなる。
2.非水電解質二次電池の放電レート試験
粉末Aを正極活物質として用いてコイン型電池を作製し、該電池の放電レート試験を行うと、該電池の10Cにおける放電容量および放電容量維持率のそれぞれは、比較例1と同様に、実施例1〜12における各電池の10Cにおける放電容量および放電容量維持率と比較して、小さくなる。
製造例1(積層フィルムの製造)
(1)塗工液の製造
NMP4200gに塩化カルシウム272.7gを溶解した後、パラフェニレンジアミン132.9gを添加して完全に溶解させた。得られた溶液に、テレフタル酸ジクロライド243.3gを徐々に添加して重合し、パラアラミドを得て、さらにNMPで希釈して、濃度2.0重量%のパラアラミド溶液(A)を得た。得られたパラアラミド溶液100gに、アルミナ粉末(a)2g(日本アエロジル社製、アルミナC、平均粒子径0.02μm)とアルミナ粉末(b)2g(住友化学株式会社製スミコランダム、AA03、平均粒子径0.3μm)とをフィラーとして計4g添加して混合し、ナノマイザーで3回処理し、さらに1000メッシュの金網で濾過、減圧下で脱泡して、スラリー状塗工液(B)を製造した。パラアラミドおよびアルミナ粉末の合計重量に対するアルミナ粉末(フィラー)の重量は、67重量%となる。
(2)積層フィルムの製造および評価
多孔質フィルムとしては、ポリエチレン製多孔質フィルム(膜厚12μm、透気度140秒/100cc、平均孔径0.1μm、空孔率50%)を用いた。厚み100μmのPETフィルムの上に上記ポリエチレン製多孔質フィルムを固定し、テスター産業株式会社製バーコーターにより、該多孔質フィルムの上にスラリー状塗工液(B)を塗工した。PETフィルム上の塗工された該多孔質フィルムを一体にしたまま、貧溶媒である水中に浸漬させ、パラアラミド多孔質層(耐熱多孔層)を析出させた後、溶媒を乾燥させて、耐熱多孔層と多孔質フィルムとが積層されている積層フィルム1を得た。積層フィルム1の厚みは16μmであり、パラアラミド多孔質層(耐熱多孔層)の厚みは4μmであった。積層フィルム1の透気度は180秒/100cc、空孔率は50%であった。積層フィルム1における耐熱多孔層の断面を走査型電子顕微鏡(SEM)により観察をしたところ、0.03μm〜0.06μm程度の比較的小さな微細孔と0.1μm〜1μm程度の比較的大きな微細孔とを有することがわかった。尚、積層フィルムの評価は以下の方法で行った。
<積層フィルムの評価>
(A)厚み測定
積層フィルムの厚み、多孔質フィルムの厚みは、JIS規格(K7130−1992)に従い、測定した。また、耐熱多孔層の厚みとしては、積層フィルムの厚みから多孔質フィルムの厚みを差し引いた値を用いた。
(B)ガーレー法による透気度の測定
積層フィルムの透気度は、JIS P8117に基づいて、株式会社安田精機製作所製のデジタルタイマー式ガーレー式デンソメータで測定した。
(C)空孔率
得られた積層フィルムのサンプルを一辺の長さ10cmの正方形に切り取り、重量W(g)と厚みD(cm)を測定した。サンプル中のそれぞれの層の重量(Wi(g))を求め、Wiとそれぞれの層の材質の真比重(真比重i(g/cm3))とから、それぞれの層の体積を求めて、次式より空孔率(体積%)を求めた。
空孔率(体積%)=100×{1−(W1/真比重1+W2/真比重2+・・+Wn/真比重n)/(10×10×D)}
上記実施例のそれぞれにおいて、セパレータとして、製造例1により得られた積層フィルムを用いれば、熱破膜温度をより高めることのできるリチウム二次電池を得ることができる。

Claims (14)

  1. 遷移金属元素およびリチウム元素を含有し、遷移金属元素に対するリチウム元素のモル比が1以上2以下であるリチウム複合金属酸化物原料を、Mの炭酸塩、Mの硫酸塩、Mの硝酸塩、Mのリン酸塩、Mの水酸化物、Mのモリブデン酸塩およびMのタングステン酸塩からなる群より選ばれる1種以上の化合物を含む不活性溶融剤(ここで、Mは、Na、K、Rb、Cs、Ca、Mg、SrおよびBaからなる群より選ばれる1種以上の元素を表す。)の存在下で焼成する工程を含む層状構造リチウム複合金属酸化物の製造方法。
  2. リチウム複合金属酸化物原料が、リチウムの化合物および遷移金属元素の化合物の混合物である請求項1記載の方法。
  3. 遷移金属元素の化合物が、Feを含有する請求項2記載の方法。
  4. 遷移金属元素の化合物が、さらに、Ni、MnおよびCoからなる群より選ばれる1種以上の元素を含有する請求項3記載の方法。
  5. 不活性溶融剤が、Mの炭酸塩(ここでMは、上記と同じ意味を有する。)である請求項1〜4のいずれかに記載の方法。
  6. Mの炭酸塩が、NaCOまたはKCOあるいはその両方である請求項5に記載の方法。
  7. 焼成開始時に、不活性溶融剤が、リチウム複合金属酸化物原料100重量部に対して0.1重量部以上100重量部以下の量存在する請求項1〜6のいずれかに記載の方法。
  8. 焼成の温度が、200℃〜1050℃の範囲である請求項1〜7のいずれかに記載の方法。
  9. 請求項1〜8のいずれかに記載の方法によって得られた層状構造リチウム複合金属酸化物。
  10. 請求項9記載の層状構造リチウム複合金属酸化物を有する正極活物質。
  11. 請求項10記載の正極活物質を有する正極。
  12. 請求項11記載の正極を有する非水電解質二次電池。
  13. さらにセパレータを有する請求項12記載の非水電解質二次電池。
  14. セパレータが、耐熱多孔層と多孔質フィルムとが積層されている積層フィルムからなる請求項13記載の非水電解質二次電池。
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