JP2011187435A - 非水電解質二次電池 - Google Patents

非水電解質二次電池 Download PDF

Info

Publication number
JP2011187435A
JP2011187435A JP2010242877A JP2010242877A JP2011187435A JP 2011187435 A JP2011187435 A JP 2011187435A JP 2010242877 A JP2010242877 A JP 2010242877A JP 2010242877 A JP2010242877 A JP 2010242877A JP 2011187435 A JP2011187435 A JP 2011187435A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
active material
electrode active
positive electrode
secondary battery
electrolyte secondary
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2010242877A
Other languages
English (en)
Inventor
Fumiharu Niina
史治 新名
Akihiro Suzuki
章弘 鈴木
Shingo Tode
晋吾 戸出
Tomokazu Yoshida
智一 吉田
Yoshinori Kida
佳典 喜田
Hiroyuki Fujimoto
洋行 藤本
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sanyo Electric Co Ltd
Original Assignee
Sanyo Electric Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sanyo Electric Co Ltd filed Critical Sanyo Electric Co Ltd
Priority to JP2010242877A priority Critical patent/JP2011187435A/ja
Priority to KR1020110001774A priority patent/KR20110093610A/ko
Priority to CN2011100337492A priority patent/CN102148356A/zh
Priority to US13/023,951 priority patent/US20110195309A1/en
Publication of JP2011187435A publication Critical patent/JP2011187435A/ja
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • H01M10/052Li-accumulators
    • H01M10/0525Rocking-chair batteries, i.e. batteries with lithium insertion or intercalation in both electrodes; Lithium-ion batteries
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/48Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides
    • H01M4/52Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of nickel, cobalt or iron
    • H01M4/525Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of nickel, cobalt or iron of mixed oxides or hydroxides containing iron, cobalt or nickel for inserting or intercalating light metals, e.g. LiNiO2, LiCoO2 or LiCoOxFy
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/05Accumulators with non-aqueous electrolyte
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/48Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/48Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides
    • H01M4/485Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of mixed oxides or hydroxides for inserting or intercalating light metals, e.g. LiTi2O4 or LiTi2OxFy
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/48Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides
    • H01M4/50Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of manganese
    • H01M4/505Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic oxides or hydroxides of manganese of mixed oxides or hydroxides containing manganese for inserting or intercalating light metals, e.g. LiMn2O4 or LiMn2OxFy
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)

Abstract

【課題】正極活物質に主成分としてNiとMnとを含む安価なリチウム含有遷移金属酸化物を用いた非水電解質二次電池において、正極活物質を改良し、様々な温度条件下における出力特性を向上させて、ハイブリッド自動車等の電源として好適に利用できるようにする。
【解決手段】正極活物質を含む正極と、負極活物質を含む負極と、非水系溶媒に溶質を溶解させた非水電解液とを備えた非水電解質二次電池において、正極活物質に、主成分としてNiとMnとを含む層状構造を有するリチウム含有遷移金属複合酸化物からなる正極活物質粒子1の表面に、Li-Nb-O化合物とLi-Ni-Nb-O化合物とから選択される少なくとも1種のニオブ含有物2が焼結されたものを用いる。
【選択図】図1

Description

本発明は、正極活物質を含む正極と、負極活物質を含む負極と、非水系溶媒に溶質を溶解させた非水電解液とを備えた非水電解質二次電池及びこの非水電解質二次電池の正極に用いる正極活物質に関するものである。特に、非水電解質二次電池における正極の正極活物質に、主成分としてNiとMnとを含む層状構造を有するリチウム含有遷移金属複合酸化物を用いるにあたり、この正極活物質を改良し、様々な温度条件下における出力特性を向上させて、ハイブリッド型電気自動車等の電源として好適に利用できるようにした点に特徴を有するものである。
近年、携帯電話、ノートパソコン、PDA等のモバイル機器の小型化・軽量化が著しく進行しており、また多機能化に伴って消費電力も増加しており、これらの電源として使用される非水電解質二次電池においても、軽量化及び高容量化の要望が高まっている。
また、近年においては、車両からの排ガスによる環境問題を解決するため、自動車のガソリンエンジンと電気モーターを併用したハイブリッド型電気自動車の開発が進められている。
そして、このような電気自動車の電源としては、一般にニッケル・水素蓄電池が広く用いられているが、より高容量かつ高出力な電源として、非水電解質二次電池を利用することが検討されている。
ここで、上記のような非水電解質二次電池においては、その正極の正極活物質として、コバルト酸リチウム(LiCoO2)等のコバルトを主成分とするリチウム含有遷移金属複合酸化物が主に用いられている。
しかし、上記の正極活物質に使用されるコバルトは稀少な資源であり、コストが高くつくと共に、安定した供給が困難になる等の問題があり、特に、ハイブリッド型電気自動車等の電源として使用する場合には、多くの量のコバルトが必要になって、電源としてのコストが非常に高くなるという問題があった。
このため、近年においては、安価で安定した供給が行える正極活物質として、コバルトに代えてニッケルやマンガンを主成分とする正極活物質の検討が行われている。
例えば、層状構造を有するニッケル酸リチウム(LiNiO2)は、大きな放電容量が得られる材料として期待されているが、高温での熱安定性に劣ると共に、過電圧が大きいという課題があった。
また、スピネル型構造を有するマンガン酸リチウム(LiMn24)は、マンガン資源が豊富で安価であるという利点があるが、エネルギー密度が小さく、また高温環境下でマンガンが非水電解液中に溶出しやすいという課題があった。
このため、近年においては、コストが低く、かつ熱安定性に優れるという観点から、遷移金属の主成分がニッケルとマンガンとの2元素から構成されて層状構造を有するリチウム含有遷移金属複合酸化物が注目されている。
例えば、特許文献1においては、コバルト酸リチウムとほぼ同等のエネルギー密度を有し、ニッケル酸リチウムのように安全性が低下したり、マンガン酸リチウムのように高温環境下でマンガンが非水電解液中に溶出したりすることのない正極活物質として、層状構造を有しニッケルとマンガンとを含み、ニッケルとマンガンとの原子比率の誤差が10原子%以内である菱面体構造を有するリチウム含有複合酸化物が提案されている。
しかし、この特許文献1に示されるリチウム含有遷移金属複合酸化物の場合、コバルト酸リチウムに比べて、高率充放電特性が著しく劣り、電気自動車等の電源として使用することは困難であるという問題があった。
また、特許文献2においては、少なくともニッケル及びマンガンを含有する層状構造を有するリチウム含有遷移金属複合酸化物において、上記のニッケル及びマンガンの一部をコバルトで置換した単相カソード材料が提案されている。
しかし、この特許文献2に示される単相カソード材料の場合、ニッケル及びマンガンの一部を置換させるコバルトの量が多くなると、前記のようにコストが高くつくという問題が生じる一方、置換させるコバルトの量を少なくすると、高率充放電特性が大きく低下するという問題があった。
また、特許文献3においては、リチウムニッケル複合酸化物の表面に酸化ニオブ又は酸化チタンを存在させて焼成した正極活物質が示されており、このように酸化ニオブ又は酸化チタンを存在させてリチウムニッケル複合酸化物の表面に焼成することにより、熱安定性の高いリチウムニッケル複合酸化物が得られることが示されている。
しかし、この特許文献3に示されるように、非水電解質二次電池の正極活物質に、リチウムニッケル複合酸化物、例えば、その実施例に示されるLiNi0.82Co0.15Al0.032のようなリチウムニッケル複合酸化物の表面に、酸化ニオブ又は酸化チタンを存在させて焼成させたものを用いた場合においても、高率充放電特性や低温での充放電特性などが低下し、様々な温度条件下における出力特性を向上させることができなかった。
また、特許文献4においては、層状構造を有するリチウム遷移金属複合酸化物にIVa族元素とVa族元素とを添加させた正極活物質を用いて、IV抵抗を低減させるようにしたものが提案されている。
しかし、このように層状構造を有するリチウム遷移金属複合酸化物にIVa族元素とVa族元素とを添加させた正極活物質を用いた場合にも、IV抵抗を十分に低減させることができず、また、高温で保存した後においては、初期に比べてIV抵抗が増大しており、依然として、ハイブリッド型電気自動車等の電源として好適に利用することができなかった。
特開2007−12629号公報 特許第3571671号公報 特許第3835412号公報 特開2007−273448号公報
本発明は、正極活物質を含む正極と、負極活物質を含む負極と、非水系溶媒に溶質を溶解させた非水電解液とを備えた非水電解質二次電池における上記のような様々な問題を解決することを課題とするものである。
そして、本発明においては、非水電解質二次電池における正極の正極活物質に、主成分としてNiとMnとを含む層状構造を有する安価なリチウム含有遷移金属複合酸化物を用いるにあたり、この正極活物質を改良し、様々な温度条件下における出力特性、および高温保存後の出力特性を向上させ、ハイブリッド型電気自動車等の電源として好適に利用できるようにすることを課題とするものである。
本発明においては、上記のような課題を解決するため、非水電解質二次電池用の正極活物質として、主成分としてNiとMnとを含む層状構造を有するリチウム含有遷移金属複合酸化物からなる正極活物質粒子の表面に、Li-Nb-O化合物とLi-Ni-Nb-O化合物とから選択される少なくとも1種のニオブ含有物が焼結されたものを用いるようにした。尚、主成分にNiとMnとを含むとは、遷移金属の総量に対するNiとMnとの総量の割合が、50モル%を超えている場合をいう。
ここで、正極活物質粒子にニオブ含有物であるLi-Nb-O化合物やLi-Ni-Nb-O化合物が焼結された状態では、図1に示すように、正極活物質粒子1にニオブ含有物2が焼結されて固溶部3が存在する状態になり、固溶されて拡散した元素は、正極活物質粒子1断面の透過型電子顕微鏡(TEM)によるエネルギー分散型蛍光X線分析法(EDX)より確認することができる。一方、正極活物質粒子にニオブ含有物を添加しただけのものや、焼結させる二次焼成温度が低い場合は、図2に示すように、正極活物質粒子1にニオブ含有物2が単に付着された状態で、固溶部3は存在していない。
上記のリチウム含有遷移金属複合酸化物は、一般式Li1+xNiMnCo2+d(式中、x,a,b,c,dはx+a+b+c=1、0<x≦0.1、0≦c/(a+b)<0.40、0.7≦a/b≦3.0、−0.1≦d≦0.1の条件を満たす)で表されるものであることが望ましく、特に、0≦c/(a+b)<0.35、0.7≦a/b≦2.0であることが望ましく、その中でも、0≦c/(a+b)<0.15、0.7≦a/b≦1.5であることが望ましい。
上記の一般式に示されるリチウム含有遷移金属複合酸化物において、コバルトの組成比cと、ニッケルの組成比aと、マンガンの組成比bとが0≦c/(a+b)<0.40の条件で満たすものを用いるのは、コバルトの割合を低くして、正極活物質の材料コストを低減させるためであり、より好ましくは0≦c/(a+b)<0.35の条件で満たすもの、さらに好ましくは0≦c/(a+b)<0.15の条件で満たすものを用いるようにする。
そして、本発明においては、このようにコバルトの割合が低くてコストが安価なリチウム含有遷移金属複合酸化物を正極活物質に用いた非水電解質二次電池において、様々な温度条件下における出力特性を向上させて、ハイブリッド型電気自動車等の電源として好適に用いることができるようにした。
ここで、上記のリチウム含有遷移金属複合酸化物において、ニッケルNiの組成比aと、マンガンMnの組成比bとが0.7≦a/b≦3.0の条件を満たすものを用いるのは、a/bの値が3.0を超えてNiの割合が多くなった場合には、このリチウム含有遷移金属複合酸化物における熱安定性が極端に低下して、発熱がピークになる温度が低くなって安全性が極端に低下する。一方、a/bの値が0.7未満になると、Mn組成の割合が多くなり、不純物層が生じて容量が低下するためである。特に、熱安定性を高めると共に容量の低下を抑制するためには、0.7≦a/b≦1.5の条件を満たすものを用いることがより好ましい。
また、上記のリチウム含有遷移金属複合酸化物において、リチウムLiの組成比(1+x)におけるxが0<x≦0.1の条件を満たすものを用いるのは、0<xの条件を満たすようにすると、その出力特性が向上されるようになる。一方、x>0.1になると、このリチウム含有遷移金属複合酸化物の表面に残留するアルカリが多くなって、電池を作製する工程においてスラリーにゲル化が生じると共に、酸化還元反応を行う遷移金属量が低下して容量が低下するためである。このため、より好ましくは0.05≦x≦0.1の条件を満たすものを用いるようにし、更に好ましくは0.07≦x≦0.1の条件を満たすものを用いるようにする。
また、上記のリチウム含有遷移金属複合酸化物において、酸素Oの組成比(2+d)におけるdが−0.1≦d≦0.1の条件を満たすようにするのは、上記のリチウム含有遷移金属複合酸化物が酸素欠損状態や酸素過剰状態になって、その結晶構造が損なわれるのを防止するためである。
なお、上記のリチウム含有遷移金属複合酸化物には、ホウ素(B)、フッ素(F)、マグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、チタン(Ti)、クロム(Cr)、バナジウム(V)、鉄(Fe)、銅(Cr)、亜鉛(Zn)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、ジルコニウム(Zr)、錫(Sn)、タングステン(W)、ナトリウム(Na)、カリウム(K)からなる群れから選択される少なくとも一種が含まれていてもよい。
そして、本発明のように、主成分としてNiとMnとを含む層状構造を有するリチウム含有遷移金属複合酸化物からなる正極活物質粒子の表面に、Li-Nb-O化合物とLi-Ni-Nb-O化合物とから選択される少なくとも1種のニオブ含有物を焼結させると、このように焼結させたニオブによって正極活物質と非水電解液との界面が改質され、これにより電荷移動反応が促進されて、様々な温度条件下における出力特性が改善されると考えられる。これは、上記のように正極活物質粒子の表面に焼結されて存在するニオブが、上記のリチウム含有遷移金属複合酸化物に含まれるNi、特にNi2+に選択的に作用し、これにより正極と非水電解液との界面の抵抗が下がって、出力特性が向上すると考えられる。
ここで、正極活物質粒子の表面に焼結させるLi-Nb-O化合物やLi-Ni-Nb-O化合物は、特に限定されないが、Li-Nb-O化合物としては、例えば、LiNbO3、LiNb38、Li2Nb821、Li3NbO4、Li7NbO6等があげられ、またLi-Ni-Nb-O化合物としては、例えば、Li3NiNbO6等があげられ、またこれらの中間生成物であってもよい。
また、本発明の正極活物質において、上記のリチウム含有遷移金属複合酸化物からなる正極活物質粒子に対して上記のニオブ含有化合物を焼結させるにあたり、そのニオブの量が少ないと、ニオブによる上記のような作用効果が十分に得られなくなる一方、ニオブの量が多くなりすぎると、導電性がないニオブ含有物によって、リチウム含有遷移金属複合酸化物の表面が広く覆われる(被覆部位が多くなり過ぎる)ため、電池の充放電特性が低下する。このため、本発明の正極活物質においては、正極活物質中におけるニオブの量を0.05質量%以上、2.00質量%以下にすることが好ましく、より好ましくは0.20質量%以上、1.50質量%以下にする。
また、上記の正極活物質粒子の粒径が大きくなりすぎると、放電性能が低下する一方、粒径が小さくなりすぎると、非水電解液との反応性が高くなって保存特性等が低下するため、正極活物質粒子における一次粒子の体積平均粒径が0.5μm以上、2μm以下であり、二次粒子の体積平均粒径が4μm以上、15μm以下のものを用いることが好ましい。
そして、上記のような本発明の正極活物質を製造するにあたっては、例えば、一次焼成させて少なくともNiとMnとを含む層状構造を有するリチウム含有遷移金属複合酸化物からなる正極活物質粒子を得る工程と、この正極活物質粒子にニオブ含有物を添加したものを上記の一次焼成より低い温度で二次焼成させて、上記の正極活物質粒子の表面にLi-Nb-O化合物とLi-Ni-Nb-O化合物とから選択される少なくとも1種のニオブ含有物を焼結させる工程とを行うようにすることができる。
また、上記のように一次焼成させて少なくともNiとMnとを含む層状構造を有するリチウム含有遷移金属複合酸化物からなる正極活物質粒子を得るにあたっては、原料として、Li化合物と、遷移金属複合水酸化物又は遷移金属複合酸化物とを組み合わせ、これらを適当な温度で一次焼成させるようにする。
ここで、正極活物質粒子の原料に用いるLi化合物の種類は特に限定されないが、例えば、水酸化リチウム、炭酸リチウム、塩化リチウム、硫酸リチウム、酢酸リチウム及びこれらの水和物の群から選択される1種又は2種以上のものを用いることができる。また、上記の原料を一次焼成させる焼成温度は、原料となる上記の遷移金属複合水酸化物又は遷移金属複合酸化物の組成や粒子サイズ等により異なるため、一義的に定めることは困難であるが、一般的に700℃〜1100℃の範囲であり、好ましくは800℃〜1000℃の範囲で焼成させることができる。
また、上記のように正極活物質粒子にニオブ含有物を添加したものを上記の一次焼成より低い温度で二次焼成させて、上記の正極活物質粒子の表面にLi-Nb-O化合物とLi-Ni-Nb-O化合物とから選択される少なくとも1種のニオブ含有物を焼結させるにあたっては、例えば、上記の正極活物質粒子と所定量のニオブ含有物をメカノフュージョン等の方法を用いて混合させて、ニオブ含有物を正極活物質粒子の表面に付着させた後、これを二次焼成させて焼結させるようにすることができる。
ここで、正極活物質粒子と混合させる上記のニオブ含有物の種類は、特に限定されないが、例えば、フッ化ニオブ、塩化ニオブ、臭化ニオブ、ヨウ化ニオブ、窒化ニオブ、炭化ニオブ、ケイ化ニオブ、アルミ化ニオブの群から選択される1種又は2種以上のものを用いることができる。なお、正極活物質にリチウムやニオブ以外の不純物が含まれるのを防止する点からは、酸化ニオブやニオブ酸リチウムなどの酸化物を用いることがより好ましい。
また、上記のように正極活物質粒子にニオブ含有物を添加したものを二次焼成させる焼成温度は、正極活物質粒子における遷移金属の組成、形状、粒子サイズ、また添加するニオブ含有物の種類、形状、粒子サイズ等により異なるため、一義的に定めることは困難であるが、上記の一次焼成時における焼成温度よりも低い温度で、一般的には400℃〜1000℃の範囲、好ましくは、500℃〜900℃の範囲で二次焼成させるようにする。
ここで、二次焼成させる温度を一次焼成時の焼成温度より低くするのは、一次焼成時の焼成温度以上の温度で二次焼成させると、添加したニオブ含有物が正極活物質粒子の内部に取り込まれて、この正極活物質粒子の粒子成長が進み、焼結されたニオブによって正極活物質と非水電解液との界面が改質される効果が低減して、出力特性の低下や保存特性などを向上させることができなくなるためである。また、二次焼成させる温度が400℃より低くなると、正極活物質粒子とニオブ含有物とが適切に反応されず、添加した酸化ニオブ等のニオブ含有物がLi-Nb-O化合物やLi-Ni-Nb-O化合物に変化せずに、そのままの状態で正極活物質粒子の表面に存在して、正極活物質と非水電解液との界面を適切に改質させることができなくなるためである。
そして、上記のように正極活物質粒子にニオブ含有物を添加したものを適切な温度で二次焼成させると、上記のように正極活物質粒子の表面にLi-Nb-O化合物やLi-Ni-Nb-O化合物からなるニオブ含有物が適切に焼結され、走査型電子顕微鏡(SEM)により正極活物質粒子の表面に上記のニオブ含有物の粒子が存在することを確認することができる。また、正極活物質における遷移金属の総量に対して、上記のニオブ含有物におけるニオブの量が0.5mol%程度存在すれば、X線回折測定(XRD)によって上記のニオブ含有物のピークを確認することができる。
そして、正極活物質を含む正極と、負極活物質を含む負極と、非水系溶媒に溶質を溶解させた非水電解液とを備えた本発明の非水電解質二次電池においては、その正極に、上記のような正極活物質を用いるようにした。
ここで、本発明の非水電解質二次電池においては、上記のような正極活物質に対して、さらに他の正極活物質と混合させて使用することも可能である。そして、混合させる他の正極活物質は、可逆的にリチウムを挿入・脱離可能な化合物であれば特に限定されず、例えば、安定した結晶構造を維持したままリチウムの挿入脱離が可能である層状構造や、スピネル型構造や、オリビン型構造を有するものを用いることができる。
また、本発明の非水電解質二次電池において、その負極に用いる負極活物質は、リチウムを可逆的に吸蔵・放出できるものでれば特に限定されず、例えば、炭素材料や、リチウムと合金化する金属或いは合金材料や、金属酸化物等を用いることができる。なお、材料コストの観点からは、負極活物質に炭素材料を用いることが好ましく、例えば、天然黒鉛、人造黒鉛、メソフェーズピッチ系炭素繊維(MCF)、メソカーボンマイクロビーズ(MCMB)、コークス、ハードカーボン、フラーレン、カーボンナノチューブ等を用いることができる。特に、高率充放電特性を向上させる観点からは、負極活物質に黒鉛材料を低結晶性炭素で被覆した炭素材料を用いることが好ましい。
また、本発明の非水電解質二次電池において、非水電解液に用いる非水系溶媒としては、従来から非水電解質二次電池において一般に使用されている公知の非水系溶媒を用いることができ、例えば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ビニレンカーボネート等の環状カーボネートや、ジメチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、ジエチルカーボネート等の鎖状カーボネートを用いることができる。特に、低粘度、低融点でリチウムイオン伝導度の高い非水系溶媒として、環状カーボネートと鎖状カーボネートとの混合溶媒を用いることが好ましく、この混合溶媒における環状カーボネートと鎖状カーボネートとの体積比を2:8〜5:5の範囲にすることが好ましい。
また、非水電解液の非水系溶媒としてイオン性液体を用いることもでき、この場合、カチオン種、アニオン種については特に限定されるものではないが、低粘度、電気化学的安定性、疎水性の観点から、カチオンとしては、ピリジニウムカチオン、イミダゾリウムカチオン、4級アンモニウムカチオンを、アニオンとしては、フッ素含有イミド系アニオンを用いた組合せが特に好ましい。
また、上記の非水電解液に用いる溶質としても、従来から非水電解質二次電池において一般に使用されている公知のリチウム塩を用いることができる。そして、このようなリチウム塩としては、P、B、F、O、S、N、Clの中の一種類以上の元素を含むリチウム塩を用いることができ、具体的には、LiPF6、LiBF4、LiCF3SO3、LiN(FSO22、LiN(CF3SO22、LiN(C25SO22、LiN(CF3SO2)(C49SO2)、LiC(C25SO23、LiAsF6、LiClO4等のリチウム塩及びこれらの混合物を用いることができる。特に、非水電解質二次電池における高率充放電特性や耐久性を高めるためには、LiPF6を用いることが好ましい。
また、本発明の非水電解質二次電池において、上記の正極と負極との間に介在させるセパレータとしては、正極と負極との接触による短絡を防ぎ、かつ非水電解液を含浸して、リチウムイオン伝導性が得られる材料であれば特に限定されるものではなく、例えば、ポリプロピレン製やポリエチレン製のセパレータ、ポリプロピレン−ポリエチレンの多層セパレータ等を用いることができる。
本発明においては、非水電解質二次電池用の正極活物質として、主成分としてNiとMnとを含む層状構造を有するリチウム含有遷移金属複合酸化物からなる正極活物質粒子の表面に、Li-Nb-O化合物とLi-Ni-Nb-O化合物とから選択される少なくとも1種のニオブ含有物が焼結されたものを用いるようにしたため、このように焼結されたニオブによって正極活物質と非水電解液との界面が改質されるようになった。
この結果、このような正極活物質を用いた非水電解質二次電池においては、主成分としてNiとMnとを含む層状構造を有する安価なリチウム含有遷移金属複合酸化を用いた場合にも、上記のようにニオブ含有物が焼結された正極活物質と非水電解液との界面が改質されて、界面における電荷移動反応が促進され、これにより様々な温度条件下における出力特性が改善されて、ハイブリッド型電気自動車等の電源として好適に利用できるようになった。
本発明において、正極活物質粒子にニオブ含有物を焼結させた状態を示した模式図である。 正極活物質粒子にニオブ含有物を単に付着させただけの従来例の模式図である。 本発明の実施例1において作製した正極活物質をSEMにより観察した状態を示した図である。 本発明の実施例及び比較例において作製した正極を作用極に用いた三電極式試験セルの概略説明図である。 本発明の実施例2において作製した正極活物質をSEMにより観察した状態を示した図である。 本発明の比較例2において作製した正極活物質をSEMにより観察した状態を示した図である。 本発明の比較例3において作製した正極活物質をSEMにより観察した状態を示した図である。 本発明の比較例4において作製した正極活物質をSEMにより観察した状態を示した図である。
以下、本発明に係る非水電解質二次電池用の正極活物質及び非水電解質二次電池について実施例を挙げて具体的に説明すると共に、実施例における正極活物質を用いた非水電解質二次電池においては、様々な温度条件下における出力特性が改善されることを、比較例を挙げて明らかにする。なお、本発明の非水電解質二次電池用の正極活物質及び非水電解質二次電池は下記の実施例に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において適宜変更して実施できるものである。
(実施例1)
実施例1においては、正極活物質を作製するにあたり、主成分としてNiとMnとを含む層状構造を有するリチウム含有遷移金属複合酸化物からなる正極活物質粒子として、LiOHと、共沈法によって得たNi0.60Mn0.40(OH)2とを所定の割合で混合し、これらを空気中において1000℃で一次焼成させて、層状構造を有するLi1.06Ni0.56Mn0.382からなる正極活物質粒子を得た。なお、このようにして得たLi1.06Ni0.56Mn0.382からなる正極活物質粒子の一次粒子の体積平均粒径は約1μmであり、また二次粒子の体積平均粒径は約7μmであった。
そして、上記のLi1.06Ni0.56Mn0.382からなる正極活物質粒子と、平均粒径が150nmのNb25とを所定の割合で混合した後、これを空気中において700℃で1時間二次焼成し、上記の正極活物質粒子の表面にニオブ含有酸化物が焼結された正極活物質を作製した。なお、このようにして作製した正極活物質中におけるニオブの量は0.90質量%になっていた。
ここで、上記のようにして作製した正極活物質について、走査型電子顕微鏡(SEM)により観察し、その結果を図3に示した。
また、上記の正極活物質を、エネルギー分散型蛍光X線分析装置(EDX)を用いて調べた結果、この正極活物質においては、上記のLi1.06Ni0.56Mn0.382からなる正極活物質粒子の表面に、平均粒径が約150nmのニオブ含有酸化物からなる微粒子が焼結されて付着していることが確認された。
さらに、上記のようにニオブ含有酸化物からなる微粒子が焼結されて付着された正極活物質粒子を、XRD(X線回折法)によって解析した結果、上記のNb25に基づくピークは確認されず、Nb25と上記の正極活物質粒子の表面におけるLiとが反応して生成されたLiNbO3に基づくピークが確認され、上記のニオブ含有酸化物はLiNbO3であることが分かった。
次に、上記の正極活物質と、導電剤の気相成長炭素繊維(VGCF)と、結着剤のポリフッ化ビニリデンを溶解させたN−メチル−2−ピロリドン溶液とを、正極活物質と導電剤と結着剤の質量比が92:5:3となるように調整し、これらを混練させて正極合剤のスラリーを作製した。そして、このスラリーをアルミニウム箔からなる正極集電体の上に塗布し、これを乾燥させた後、圧延ローラーにより圧延し、これにアルミニウムの集電タブを取りつけて正極を作製した。
そして、図4に示すように、上記のようにして作製した正極を作用極11として用いる一方、負極となる対極12及び参照極13にそれぞれ金属リチウムを用い、また非水電解液14として、エチレンカーボネートとメチルエチルカーボネートとジメチルカーボネートとを3:3:4の体積比で混合させた混合溶媒にLiPF6を1mol/lの濃度になるように溶解させ、さらにビニレンカーボネートを1質量%溶解させたものを用いて、三電極式試験セルを作製した。
(実施例2)
実施例2においては、実施例1における正極活物質の作製において、上記のLi1.06Ni0.56Mn0.382からなる正極活物質粒子と、平均粒径が150nmのNb25とを混合させたものを、空気中において二次焼成させる際の焼成温度を850℃にし、それ以外は、実施例1の場合と同様にして正極活物質を作製した。そして、このように作製した正極活物質を用い、上記の実施例1の場合と同様にして、実施例2の三電極式試験セルを作製した。
ここで、上記のようにして作製した正極活物質についても、走査型電子顕微鏡(SEM)により観察し、その結果を図5に示した。
また、上記の正極活物質を、エネルギー分散型蛍光X線分析装置(EDX)を用いて調べた結果、この正極活物質においても、上記のLi1.06Ni0.56Mn0.382からなる正極活物質粒子の表面に、平均粒径が約150nmのニオブ含有酸化物からなる微粒子が焼結されて付着していることが確認された。
さらに、上記のようにニオブ含有酸化物からなる微粒子が焼結されて付着された正極活物質粒子を、XRD(X線回折法)によって解析した結果、上記のNb25に基づくピークは確認されず、Nb25と上記の正極活物質粒子の表面におけるLiやNiとが反応して生成されたLi3Ni2NbO6に基づくピークが確認され、上記のニオブ含有酸化物はLi3Ni2NbO6であることが分かった。
(比較例1)
比較例1においては、実施例1における正極活物質の作製において、上記のLi1.06Ni0.56Mn0.382からなる正極活物質粒子に対して上記のNb25を混合させずに、この正極活物質粒子をそのまま正極活物質として使用し、それ以外は、上記の実施例1の場合と同様にして、比較例1の三電極式試験セルを作製した。
(比較例2)
比較例2においては、実施例1における正極活物質の作製において、上記のLi1.06Ni0.56Mn0.382からなる正極活物質粒子と、平均粒径が150nmのNb25とを混合させるだけで、これを空気中において二次焼成させないようにし、それ以外は、実施例1の場合と同様にして正極活物質を作製した。そして、このように作製した正極活物質を用い、上記の実施例1の場合と同様にして、比較例2の三電極式試験セルを作製した。
ここで、上記のように作製した正極活物質を、走査型電子顕微鏡(SEM)により観察し、その結果を図6に示した。
また、この正極活物質を、エネルギー分散型蛍光X線分析装置(EDX)を用いて調べた結果、上記のLi1.06Ni0.56Mn0.382からなる正極活物質粒子の表面に、平均粒径が約150nmのニオブ含有酸化物からなる微粒子が付着していることが確認された。
そして、上記のようにニオブ含有酸化物からなる微粒子が付着された正極活物質粒子を、XRD(X線回折法)によって解析した結果、上記のNb25に基づくピークだけが確認され、上記のニオブ含有酸化物はNb25であることが分かった。
(比較例3)
比較例3においては、実施例1における正極活物質の作製において、上記のLi1.06Ni0.56Mn0.382からなる正極活物質粒子と、平均粒径が150nmのNb25とを混合させたものを、空気中において二次焼成させる際の焼成温度を400℃にし、それ以外は、実施例1の場合と同様にして正極活物質を作製した。そして、このように作製した正極活物質を用い、上記の実施例1の場合と同様にして、比較例3の三電極式試験セルを作製した。
ここで、上記のようにして作製した正極活物質を、走査型電子顕微鏡(SEM)により観察し、その結果を図7に示した。
また、上記の正極活物質を、エネルギー分散型蛍光X線分析装置(EDX)を用いて調べた結果、上記のLi1.06Ni0.56Mn0.382からなる正極活物質粒子の表面に、平均粒径が約150nmのニオブ含有酸化物からなる微粒子が焼結されて付着していることが確認された。
そして、上記のようにニオブ含有酸化物からなる微粒子が焼結されて付着された正極活物質粒子を、XRD(X線回折法)によって解析した結果、上記のNb25と正極活物質粒子の表面におけるLi等とが反応して生成された生成物に基づくピークは確認されず、Nb25に基づくピークだけが確認され、上記のニオブ含有酸化物はNb25であることが分かった。
(比較例4)
比較例4においては、実施例1における正極活物質の作製において、上記のLi1.06Ni0.56Mn0.382からなる正極活物質粒子と、平均粒径が150nmのNb25とを混合させたものを、空気中において二次焼成させる際の焼成温度を1000℃にし、それ以外は、実施例1の場合と同様にして正極活物質を作製した。そして、このように作製した正極活物質を用い、上記の実施例1の場合と同様にして、比較例4の三電極式試験セルを作製した。
ここで、上記のように作製した正極活物質を、走査型電子顕微鏡(SEM)とエネルギー分散型蛍光X線分析装置(EDX)とを用いて調べ、図8にSEMにより観察した結果を示した。この結果、この正極活物質においては、上記のLi1.06Ni0.56Mn0.382からなる正極活物質粒子の表面に、ニオブ含有酸化物からなる微粒子が付着している様子は確認されなかった。
また、この正極活物質を、XRD(X線回折法)によって解析した結果、前記の実施例2の場合と同様に、Nb25と正極活物質粒子におけるLiやNiとが反応して生成されたLi3Ni2NbO6に基づくピークが確認された。
このため、この比較例4の正極活物質においては、上記の正極活物質粒子中にニオブが固溶されてLi3Ni2NbO6の状態になっていると考えられる。
次に、上記のように作製した実施例1,2及び比較例1〜4の各三電極式試験セルを、それぞれ25℃の温度条件下において、0.2mA/cm2の電流密度で4.3V(vs.Li/Li+)まで定電流充電を行い、4.3V(vs.Li/Li+)の定電圧で電流密度が0.04mA/cm2になるまで定電圧充電を行った後、0.2mA/cm2の電流密度で2.5V(vs.Li/Li+)まで定電流放電を行った。そして、この時における放電容量を上記の各三電極式試験セルの定格容量とした。
次に、上記の各三電極式試験セルを、上記のようにして定格容量の50%まで充電させた時点、すなわち充電深度(SOC)が50%の時点において、各三電極式試験セルについて、それぞれ25℃と−30℃との条件で放電した時の出力を測定した。
そして、Nb25を添加させていない正極活物質を使用した比較例1の三電極式試験セルにおけるそれぞれの条件での出力を100として、実施例1,2及び比較例1〜4の各三電極式試験セルにおけるそれぞれの条件での出力特性を算出し、その結果を表1に示した。
また、上記のようにして出力特性を測定した後、上記の各三電極式試験セルを、それぞれ25℃の温度条件下において、0.2mA/cm2の電流密度で4.3V(vs.Li/Li+)まで定電流充電を行い、4.3V(vs.Li/Li+)の定電圧で電流密度が0.04mA/cm2になるまで定電圧充電を行った後、各三電極式試験セルをそれぞれ60℃の恒温槽内で20日間保存させた。
そして、このように保存させた後の各三電極式試験セルを、それぞれ0.2mA/cm2の電流密度で2.5V(vs.Li/Li+)まで定電流放電させ、その後、前記の場合と同様に、各三電極式試験セルを定格容量の50%まで充電させた時点、すなわち充電深度(SOC)が50%の時点において、各三電極式試験セルについて、それぞれ25℃と−30℃との条件で放電した時の出力を測定した。
そして、前記の場合と同様に、Nb25を添加させていない正極活物質を使用した比較例1の三電極式試験セルにおけるそれぞれの条件での出力を100として、実施例1,2及び比較例1〜4の各三電極式試験セルにおけるそれぞれの条件での保存後の出力特性を算出し、その結果を表1に示した。
この結果、主成分としてNiとMnとを含む層状構造を有するリチウム含有遷移金属複合酸化物であるLi1.06Ni0.56Mn0.382からなる正極活物質粒子にニオブ含有物のNb25を添加させて二次焼成し、上記の正極活物質粒子の表面に、LiNbO3やLi3Ni2NbO6からなるLi-Nb-O化合物やLi-Ni-Nb-O化合物を焼結させた正極活物質を用いた実施例1,2の三電極式試験セルは、Li1.06Ni0.56Mn0.382からなる正極活物質粒子にニオブ含有物のNb25を添加させなかった正極活物質に用いた比較例1の三電極式試験セルに比べて、充電深度(SOC)が50%における25℃と−30℃との条件での出力特性が、保存前及び60℃の恒温槽内で20日間保存した後の何れにおいても大きく向上していた。
これに対して、Li1.06Ni0.56Mn0.382からなる正極活物質粒子にニオブ含有物のNb25を添加させただけの正極活物質を用いた比較例2の三電極試験セルや、Li1.06Ni0.56Mn0.382からなる正極活物質粒子にニオブ含有物のNb25を添加させた後の二次焼成温度が低くて、正極活物質粒子の表面に付着されたニオブ含有物のNb25のままである正極活物質を用いた比較例3の三電極試験セルにおいては、充電深度(SOC)が50%における25℃と−30℃との条件での出力特性が、比較例1の三電極式試験セルと同程度で、これらの出力特性が向上されていなかった。
また、Li1.06Ni0.56Mn0.382からなる正極活物質粒子にニオブ含有物のNb25を添加させて二次焼成するにあたり、二次焼成温度が高くなって正極活物質粒子中にニオブが固溶され、正極活物質粒子中にニオブがLi3Ni2NbO6の状態で存在する正極活物質を用いた比較例4の三電極試験セルの場合、充電深度(SOC)が50%における25℃と−30℃との条件での出力特性が、60℃の恒温槽内で20日間保存する前では、上記の実施例1,2の三電極式試験セルと同様に、比較例1の三電極式試験セルに比べて大きく向上していた。しかし、60℃の恒温槽内で20日間保存した後では、この比較例4の三電極試験セルにおける上記の出力特性が、比較例1の三電極式試験セルと同程度であり、保存後の出力特性は向上されていなかった。これは、上記のように二次焼成温度が高くした場合には、正極活物質粒子中にニオブが固溶されてLi3Ni2NbO6の状態になり、正極活物質粒子の表面にLi-Nb-O化合物やLi-Ni-Nb-O化合物の粒子が存在しておらず、またニオブがLi3Ni2NbO6の状態になって固溶されて、上記の正極活物質粒子が成長して一次粒子が粗大化した結果、上記のように保存後の出力特性が低下したと考えられる。
(実施例3) 実施例3においては、正極活物質を作製するにあたり、Li2CO3と、Ni0.5Co0.2Mn0.3(OH)で表される共沈水酸化物とを、所定の割合で混合し、これらを空気中において900℃で10時間焼成して、層状構造を有するLi1.07Ni0.46Co0.19Mn0.282をからなる正極活物質粒子を得た。そして、この正極活物質粒子と平均粒径が150nmのNb25とを混合させ、実施例1と同様に、空気中において700℃で1時間二次焼成して正極活物質を作製した。ここで、上記のようにして得た正極活物質粒子の一次粒子の体積平均粒径は約1μmであり、また二次粒子の体積平均粒径は約6μmであった。
また、上記のように作製した正極活物質について、走査電子顕微鏡(SEM)及びエネルギー分散型蛍光X線分析装置(EDX)を用いて調べた結果、上記のLi1.07Ni0.46Co0.19Mn0.282からなる正極活物質粒子の表面に、実施例1と同様に平均粒径が約150nmのニオブ含有酸化物からなる微粒子が焼結されて付着していることが確認された。
さらに、上記のようにニオブ含有酸化物からなる微粒子が焼結されて付着された正極活物質粒子を、XRD(X線回折法)によって解析した結果、上記のNb25に基づくピークは確認されず、Nb25と上記の正極活物質粒子の表面におけるLiとが反応して生成されたLiNbO3に基づくピークが確認され、上記のニオブ含有酸化物はLiNbO3であることが分かった。
そして、このように作製した正極活物質を用いた以外は、実施例1と同様にして、実施例3の三電極式試験用セルを作製した。
(実施例4)
実施例4においては、実施例3における正極活物質の作製において、上記のLi1.07Ni0.46Co0.19Mn0.282からなる正極活物質粒子と、平均粒径が150nmのNb25とを混合させたものを、空気中において二次焼成させる際の焼成温度を850℃にし、それ以外は、実施例3の場合と同様にして正極活物質を作製した。そして、このように作製した正極活物質を用い、上記の実施例3の場合と同様にして、実施例4の三電極式試験セルを作製した。
ここで、上記のように作製した正極活物質についても走査電子顕微鏡(SEM)及びエネルギー分散型蛍光X線分析装置(EDX)を用いて調べた結果、上記のLi1.07Ni0.46Co0.19Mn0.282からなる正極活物質粒子の表面に、実施例1と同様に平均粒径が約150nmのニオブ含有酸化物からなる微粒子が焼結されて付着していることが確認された。
さらに、上記のようにニオブ含有酸化物からなる微粒子が焼結されて付着された正極活物質粒子を、XRD(X線回折法)によって解析した結果、上記のNb25に基づくピークは確認されず、Nb25と上記の正極活物質粒子の表面におけるLiやNiとが反応して生成されたLi3Ni2NbO6に基づくピークが確認され、上記のニオブ含有酸化物はLi3Ni2NbO6であることが分かった。
(比較例5)
比較例5においては、実施例3における正極活物質の作製において、Li1.07Ni0.46Co0.19Mn0.282からなる正極活物質粒子に対してNb25を混合させずに、この正極活物質粒子をそのまま正極活物質として使用し、それ以外は、上記の実施例3の場合と同様にして、比較例5の三電極式試験セルを作製した。
次に、上記の実施例3,4及び比較例5の各三電極式試験用セルを、それぞれ25℃の温度条件下において、0.2mA/cm2の電流密度で4.3V(vs.Li/Li+)まで定電流充電を行い、4.3V(vs.Li/Li+)の定電圧で電流密度が0.04mA/cm2になるまで定電圧充電を行った後、0.2mA/cm2の電流密度で2.5V(vs.Li/Li+)まで定電流放電を行った。そして、この時における放電容量を上記の各三電極式試験セルの定格容量とした。
次に、上記の各三電極式試験セルを、上記のようにして定格容量の50%まで充電させた時点、すなわち充電深度(SOC)が50%の時点において、各三電極式試験セルについて、それぞれ25℃と−30℃との条件で放電した時の出力を測定した。そして、Nb25を添加させていない正極活物質を使用した比較例5の三電極式試験セルにおけるそれぞれの条件での出力を100として、実施例3,4及び比較例5の各三電極式試験セルにおけるそれぞれの条件での出力特性を算出し、その結果を表2に示した。
この結果、リチウム含有遷移金属複合酸化物としてLi1.07Ni0.46Co0.19Mn0.282からなる正極活物質粒子にニオブ含有物のNb25を添加させて二次焼成し、上記の正極活物質粒子の表面に、LiNbO3やLi3Ni2NbO6からなるLi-Nb-O化合物やLi-Ni-Nb-O化合物を焼結させた正極活物質を用いた実施例3、4の三電極式試験用セルは、Li1.07Ni0.46Co0.19Mn0.282からなる正極活物質粒子にニオブ含有物のNb25を添加させなかった正極活物質に用いた比較例5の三電極式試験用セルと比べて、充電深度(SOC)が50%における25℃と−30℃との条件での出力特性が、保存前及び60℃の恒温槽内で20日間保存した後の何れにおいても大きく向上していた。
(比較例6)
比較例6においては、正極活物質を作製するにあたり、LiOHと、共沈法によって得たNi0.78Co0.19Al0.03(OH)2とを所定の割合で混合し、これを酸素雰囲気中にて750℃で20時間一次焼成させて、層状構造を有するLi1.02Ni0.78Co0.19Al0.032からなる正極活物質粒子を得た。なお、このようにして得た正極活物質粒子の一次粒子の体積平均粒径は約1.0μmであり、また二次粒子の体積平均粒径は約12.5μmであった。
そして、上記のLi1.02Ni0.78Co0.19Al0.032からなる正極活物質粒子と、平均粒径が150nmのNb25とを所定の割合で混合した後、これを空気中において700℃で1時間二次焼成し、上記の正極活物質粒子の表面にニオブ含有酸化物が焼結された正極活物質を作製した。ここで、このようにして作製した正極活物質中におけるニオブの量は0.45質量%になっていた。
また、上記のようにして作製した正極活物質を、走査型電子顕微鏡(SEM)エネルギー分散型蛍光X線分析装置(EDX)を用いて調べた結果、この正極活物質においては、上記のLi1.02Ni0.78Co0.19Al0.032からなる正極活物質粒子の表面に、平均粒径が約150nmのニオブ含有酸化物からなる微粒子が焼結されて付着していることが確認された。
そして、上記の正極活物質を用い、上記の実施例1の場合と同様にして、比較例6の三電極式試験セルを作製した。
(比較例7)
比較例7においては、比較例6における正極活物質の作製において、上記のLi1.02Ni0.78Co0.19Al0.032からなる正極活物質粒子に対して上記のNb25を混合させずに、この正極活物質粒子をそのまま正極活物質として使用し、それ以外は、比較例6と同様に、上記の実施例1の場合と同様にして、比較例7の三電極式試験セルを作製した。
次に、上記のように作製した比較例6,7の各三電極式試験セルを、それぞれ25℃の温度条件下において、0.2mA/cm2の電流密度で4.3V(vs.Li/Li+)まで定電流充電を行い、4.3V(vs.Li/Li+)の定電圧で電流密度が0.04mA/cm2になるまで定電圧充電を行った後、0.2mA/cm2の電流密度で2.5V(vs.Li/Li+)まで定電流放電を行った。そして、この時における放電容量を上記の各三電極式試験セルの定格容量とした。
次に、上記の各三電極式試験セルを、上記のようにして定格容量の50%まで充電させた時点、すなわち充電深度(SOC)が50%の時点において、各三電極式試験セルについて、それぞれ25℃で放電した時の出力を測定した。
そして、Nb25を添加させていない正極活物質を使用した比較例6の三電極式試験セルにおける出力を100として、比較例6,7の三電極式試験セルにおける出力特性を算出し、その結果を表3に示した。
この結果、比較例6,7における三電極式試験セルのように、Li1.02Ni0.78Co0.19Al0.032で表されるリチウムニッケル複合酸化物を正極活物質粒子に用いた場合、この正極活物質粒子の表面にニオブ含有酸化物からなる微粒子を焼結させた正極活物質を用いた比較例6の三電極式試験セルと、この正極活物質粒子だけからなる正極活物質を用いた比較例7の三電極式試験セルとでは、上記の出力特性は略同じであった。
このため、正極活物質粒子の表面にLi-Nb-O化合物やLi-Ni-Nb-O化合物からなるニオブ含有酸化物からなる微粒子を焼結させた正極活物質を用いることによって出力特性が向上される効果が得られるのには、正極活物質粒子として、上記のように主成分にNiとMnとを含む層状構造を有するリチウム含有遷金属複合酸化物を用いた場合における特有の効果であるということが分かった。
1 正極活物質粒子
2 ニオブ含有物
3 固溶部
10 三電極式試験セル
11 作用極(正極)
12 対極(負極)
13 参照極
14 非水電解液

Claims (9)

  1. 主成分としてNiとMnとを含む層状構造を有するリチウム含有遷移金属複合酸化物からなる正極活物質粒子の表面に、Li-Nb-O化合物とLi-Ni-Nb-O化合物とから選択される少なくとも1種のニオブ含有物が焼結されてなることを特徴とする非水電解質二次電池用の正極活物質。
  2. 請求項1に記載の非水電解質二次電池用の正極活物質において、上記のリチウム含有遷移金属複合酸化物が、一般式Li1+xNiaMnbCoc2+d(式中、x,a,b,c,dはx+a+b+c=1、0.7≦a+b、0<x≦0.1、0≦c/(a+b)<0.40、0.7≦a/b≦3.0、−0.1≦d≦0.1の条件を満たす。)で表されることを特徴とする非水電解質二次電池用の正極活物質。
  3. 請求項2に記載の非水電解質二次電池用の正極活物質において、上記の一般式Li1+xNiMnCo2+dにおけるa,b,c,が、0≦c/(a+b)<0.35、0.7≦a/b≦2.0の条件を満たすことを特徴とする非水電解質二次電池用の正極活物質。
  4. 請求項3に記載の非水電解質二次電池用の正極活物質において、上記の一般式Li1+xNiMnCo2+dにおけるa,b,c,が、0≦c/(a+b)<0.15、0.7≦a/b≦1.5となっている、請求項3に記載の非水電解質二次電池。
  5. 請求項1〜請求項4の何れか1項に記載の非水電解質二次電池用の正極活物質において、正極活物質中におけるニオブの量が0.05質量%以上、2.00質量%以下であることを特徴とする非水電解質二次電池用の正極活物質。
  6. 請求項5に記載の非水電解質二次電池用の正極活物質において、正極活物質中におけるニオブの量が0.20質量%以上、1.50質量%以下であることを特徴とする非水電解質二次電池用の正極活物質。
  7. 請求項1〜請求項6の何れか1項に記載の非水電解質二次電池用の正極活物質において、上記の正極活物質粒子における一次粒子の体積平均粒径が0.5μm以上、2μm以下であり、二次粒子の体積平均粒径が4μm以上、15μm以下であることを特徴とする非水電解質二次電池用の正極活物質。
  8. 請求項1〜請求項7の何れか1項に記載の非水電解質二次電池用の正極活物質を製造するにあたり、一次焼成させて少なくともNiとMnとを含む層状構造を有するリチウム含有遷移金属複合酸化物からなる正極活物質粒子を得る工程と、この正極活物質粒子にニオブ含有物を添加したものを上記の一次焼成より低い温度で二次焼成させて、上記の正極活物質粒子の表面にLi-Nb-O化合物とLi-Ni-Nb-O化合物とから選択される少なくとも1種のニオブ含有物を焼結させる工程とを有することを特徴とする非水電解質二次電池用の正極活物質の製造方法。
  9. 正極活物質を含む正極と、負極活物質を含む負極と、非水系溶媒に溶質を溶解させた非水電解液とを備えた非水電解質二次電池において、上記の正極活物質に、請求項1〜請求項7の何れか1項に記載の非水電解質二次電池用の正極活物質を用いたことを特徴とする非水電解質二次電池。
JP2010242877A 2010-02-09 2010-10-29 非水電解質二次電池 Pending JP2011187435A (ja)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2010242877A JP2011187435A (ja) 2010-02-09 2010-10-29 非水電解質二次電池
KR1020110001774A KR20110093610A (ko) 2010-02-09 2011-01-07 비수 전해질 이차 전지
CN2011100337492A CN102148356A (zh) 2010-02-09 2011-01-28 非水电解质二次电池
US13/023,951 US20110195309A1 (en) 2010-02-09 2011-02-09 Nonaqueous electrolyte secondary battery

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2010026048 2010-02-09
JP2010026048 2010-02-09
JP2010242877A JP2011187435A (ja) 2010-02-09 2010-10-29 非水電解質二次電池

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2011187435A true JP2011187435A (ja) 2011-09-22

Family

ID=44353969

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2010242877A Pending JP2011187435A (ja) 2010-02-09 2010-10-29 非水電解質二次電池

Country Status (4)

Country Link
US (1) US20110195309A1 (ja)
JP (1) JP2011187435A (ja)
KR (1) KR20110093610A (ja)
CN (1) CN102148356A (ja)

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2015076323A1 (ja) * 2013-11-22 2015-05-28 住友金属鉱山株式会社 非水系電解質二次電池用正極活物質及びその製造方法、並びに非水系電解質二次電池
JP2015122298A (ja) * 2013-11-22 2015-07-02 住友金属鉱山株式会社 非水系電解質二次電池用正極活物質の製造方法、非水系電解質二次電池用正極活物質及びこれを用いた非水系電解質二次電池
JP2015122299A (ja) * 2013-11-22 2015-07-02 住友金属鉱山株式会社 非水系電解質二次電池用正極活物質の製造方法、非水系電解質二次電池用正極活物質及びこれを用いた非水系電解質二次電池
JPWO2017154631A1 (ja) * 2016-03-08 2019-01-17 住友金属鉱山株式会社 非水系電解質二次電池用正極電極とこれに用いられる正極活物質、及びこれを利用した二次電池
US10256461B2 (en) 2012-09-25 2019-04-09 Sanyo Electric Co., Ltd. Nonaqueous electrolyte secondary battery and positive electrode active material for nonaqueous electrolyte secondary batteries
US10522830B2 (en) 2013-11-22 2019-12-31 Sumitomo Metal Mining Co., Ltd. Positive electrode active material for nonaqueous electrolyte secondary batteries and production method thereof, and nonaqueous electrolyte secondary battery
JP2020004587A (ja) * 2018-06-27 2020-01-09 住友金属鉱山株式会社 リチウムイオン二次電池用正極活物質とその製造方法、リチウムイオン二次電池用正極、及び、リチウムイオン二次電池
JP2020031055A (ja) * 2018-08-22 2020-02-27 エコプロ ビーエム カンパニー リミテッドEcopro Bm Co., Ltd. 正極活物質およびこれを含むリチウム二次電池
WO2020262101A1 (ja) * 2019-06-28 2020-12-30 パナソニックIpマネジメント株式会社 非水電解質二次電池用正極活物質、非水電解質二次電池、及び非水電解質二次電池用正極活物質の製造方法
WO2020262100A1 (ja) * 2019-06-28 2020-12-30 パナソニックIpマネジメント株式会社 非水電解質二次電池用正極活物質、非水電解質二次電池、及び非水電解質二次電池用正極活物質の製造方法

Families Citing this family (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5681427B2 (ja) * 2010-09-28 2015-03-11 Dowaホールディングス株式会社 リチウム−遷移金属酸化物粉体およびその製造方法、リチウムイオン電池用正極活物質、並びにリチウムイオン二次電池
CN102881873B (zh) * 2012-09-28 2015-05-13 广东中科信泰新能源有限公司 层状富锂材料的制备方法
CN103094553A (zh) * 2013-01-12 2013-05-08 上海大学 一种锂离子电池正极材料表面改性的方法
DE102014205356A1 (de) * 2014-03-21 2015-09-24 Robert Bosch Gmbh Elektrode für eine Lithium-Zelle
JP6195118B2 (ja) * 2014-09-02 2017-09-13 トヨタ自動車株式会社 非水電解液二次電池
HUE048034T2 (hu) * 2015-04-23 2020-05-28 Umicore Nv Katódanyag újratölthetõ lítiumion-akkumulátorhoz
WO2018012015A1 (ja) * 2016-07-14 2018-01-18 三井金属鉱業株式会社 全固体型リチウム二次電池用正極活物質
CN109891642B (zh) * 2016-08-31 2022-08-26 住友金属矿山株式会社 非水系电解质二次电池用正极活性物质和其制造方法、和非水系电解质二次电池
KR102603503B1 (ko) 2016-12-26 2023-11-20 스미토모 긴조쿠 고잔 가부시키가이샤 비수계 전해질 이차 전지용 정극 활물질과 그의 제조 방법 및 비수계 전해질 이차 전지
JP7110611B2 (ja) * 2018-02-06 2022-08-02 住友金属鉱山株式会社 非水系電解質二次電池用正極活物質とその製造方法、非水系電解質二次電池用正極活物質の評価方法、および非水系電解質二次電池
JP7292265B2 (ja) * 2018-03-21 2023-06-16 ファクトリアル インク. ニッケルコバルトアルミニウム三元系リチウムイオン電池の正極材料、その製法、ならびにリチウムイオン電池
US20220149354A1 (en) * 2019-02-27 2022-05-12 Mitsui Mining & Smelting Co., Ltd. Active material, positive electrode mixture using same, and solid-state battery
KR20210007858A (ko) * 2019-07-11 2021-01-20 니치아 카가쿠 고교 가부시키가이샤 정극 활물질 및 그 제조방법
CN110380054A (zh) * 2019-08-02 2019-10-25 北方奥钛纳米技术有限公司 一种钛铌氧化物电极材料及其制备方法、锂离子纽扣电池
KR20230088717A (ko) * 2020-10-15 2023-06-20 바스프 에스이 코팅된 캐소드 활물질을 제조하기 위한 방법

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6660432B2 (en) * 2000-09-14 2003-12-09 Ilion Technology Corporation Lithiated oxide materials and methods of manufacture
JP3835412B2 (ja) * 2003-02-21 2006-10-18 三菱化学株式会社 表面修飾リチウムニッケル複合酸化物を用いた正極活物質、正極材料、リチウム二次電池、及び前記表面修飾リチウムニッケル複合酸化物の製造方法
JP5153135B2 (ja) * 2006-03-09 2013-02-27 三洋電機株式会社 非水電解質二次電池
CN101232095A (zh) * 2008-02-02 2008-07-30 广州市鹏辉电池有限公司 锂离子电池正极活性物质及其电池

Cited By (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10256461B2 (en) 2012-09-25 2019-04-09 Sanyo Electric Co., Ltd. Nonaqueous electrolyte secondary battery and positive electrode active material for nonaqueous electrolyte secondary batteries
JP7001081B2 (ja) 2013-11-22 2022-01-19 住友金属鉱山株式会社 非水系電解質二次電池用正極活物質の製造方法、及び非水系電解質二次電池の製造方法
JP2015122298A (ja) * 2013-11-22 2015-07-02 住友金属鉱山株式会社 非水系電解質二次電池用正極活物質の製造方法、非水系電解質二次電池用正極活物質及びこれを用いた非水系電解質二次電池
JP2015122299A (ja) * 2013-11-22 2015-07-02 住友金属鉱山株式会社 非水系電解質二次電池用正極活物質の製造方法、非水系電解質二次電池用正極活物質及びこれを用いた非水系電解質二次電池
WO2015076323A1 (ja) * 2013-11-22 2015-05-28 住友金属鉱山株式会社 非水系電解質二次電池用正極活物質及びその製造方法、並びに非水系電解質二次電池
JP2019186220A (ja) * 2013-11-22 2019-10-24 住友金属鉱山株式会社 非水系電解質二次電池用正極活物質の製造方法、非水系電解質二次電池用正極活物質及びこれを用いた非水系電解質二次電池
JP2019186221A (ja) * 2013-11-22 2019-10-24 住友金属鉱山株式会社 非水系電解質二次電池用正極活物質の製造方法、非水系電解質二次電池用正極活物質及びこれを用いた非水系電解質二次電池
US10522830B2 (en) 2013-11-22 2019-12-31 Sumitomo Metal Mining Co., Ltd. Positive electrode active material for nonaqueous electrolyte secondary batteries and production method thereof, and nonaqueous electrolyte secondary battery
JP7001082B2 (ja) 2013-11-22 2022-01-19 住友金属鉱山株式会社 非水系電解質二次電池用正極活物質の製造方法、及び非水系電解質二次電池の製造方法
JPWO2017154631A1 (ja) * 2016-03-08 2019-01-17 住友金属鉱山株式会社 非水系電解質二次電池用正極電極とこれに用いられる正極活物質、及びこれを利用した二次電池
JP2020004587A (ja) * 2018-06-27 2020-01-09 住友金属鉱山株式会社 リチウムイオン二次電池用正極活物質とその製造方法、リチウムイオン二次電池用正極、及び、リチウムイオン二次電池
JP7222188B2 (ja) 2018-06-27 2023-02-15 住友金属鉱山株式会社 リチウムイオン二次電池用正極活物質とその製造方法、リチウムイオン二次電池用正極、及び、リチウムイオン二次電池
JP2020031055A (ja) * 2018-08-22 2020-02-27 エコプロ ビーエム カンパニー リミテッドEcopro Bm Co., Ltd. 正極活物質およびこれを含むリチウム二次電池
WO2020262101A1 (ja) * 2019-06-28 2020-12-30 パナソニックIpマネジメント株式会社 非水電解質二次電池用正極活物質、非水電解質二次電池、及び非水電解質二次電池用正極活物質の製造方法
WO2020262100A1 (ja) * 2019-06-28 2020-12-30 パナソニックIpマネジメント株式会社 非水電解質二次電池用正極活物質、非水電解質二次電池、及び非水電解質二次電池用正極活物質の製造方法

Also Published As

Publication number Publication date
US20110195309A1 (en) 2011-08-11
KR20110093610A (ko) 2011-08-18
CN102148356A (zh) 2011-08-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP2011187435A (ja) 非水電解質二次電池
JP6072688B2 (ja) 非水電解質二次電池及び非水電解質二次電池の製造方法
JP6102934B2 (ja) 非水電解質二次電池及び非水電解質二次電池用正極活物質
JP5078334B2 (ja) 非水電解質二次電池
JP2011070789A (ja) 非水電解質二次電池
JP5128018B1 (ja) 非水電解質二次電池
JP2009224307A (ja) 非水電解質二次電池及びその製造方法
JP5671831B2 (ja) 窒化リチウム−遷移金属複合酸化物の製造方法、窒化リチウム−遷移金属複合酸化物およびリチウム電池
JP5132048B2 (ja) 非水電解質二次電池
WO2011016553A1 (ja) 非水電解質二次電池
JP5991718B2 (ja) 非水電解質二次電池の正極活物質及び非水電解質二次電池
WO2010035681A1 (ja) 非水電解質二次電池
JP2008300180A (ja) 非水電解質二次電池
JP2008311209A (ja) 非水電解質二次電池
JP2009217981A (ja) 非水電解質二次電池
JP2014146473A (ja) 非水電解質二次電池、及び非水電解質二次電池用正極活物質
JP2009218112A (ja) 非水電解質二次電池及びその製造方法
JP2014060029A (ja) 非水電解質二次電池
JP7278652B2 (ja) 二次電池用正極活物質、その製造方法およびこれを含むリチウム二次電池
JP5666561B2 (ja) 非水電解質二次電池
KR20090091053A (ko) 비수전해질 이차 전지 및 그의 제조 방법
WO2023276526A1 (ja) 非水電解質二次電池