JP2012079688A - リチウム複合金属酸化物およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】Ni、Mn、CoおよびFeを含有するリチウム複合金属酸化物であって、BET比表面積が3m2/g以上15m2/g以下であるリチウム複合金属酸化物。
本発明によれば、従来のリチウム二次電池に比し、高い電流レートにおいて高い放電容量維持率を示す非水電解質二次電池を得ることができ、該二次電池は、特に、高い電流レートにおける高い放電容量維持率を要求される用途、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に極めて有用となる。
【選択図】なし
Description
<1>Ni、Mn、CoおよびFeを含有するリチウム複合金属酸化物であって、BET比表面積が3m2/g以上15m2/g以下であるリチウム複合金属酸化物。
<2>以下の(1)、(2)および(3)の工程をこの順で含むことを特徴とするリチウム複合金属酸化物の製造方法。
(1)Ni、Mn、Co、FeおよびSO4を含有する水溶液とアルカリとを接触させて共沈物を生成し、共沈物スラリーを得る工程。
(2)該共沈物スラリーから共沈物を得る工程。
(3)該共沈物とリチウム化合物とを混合して得られる混合物を650〜950℃の温度で保持して焼成してリチウム複合金属酸化物を得る工程。
Lia(Ni1-x-y-zMnxCoyFez)O2 (A)
(ここで、0.9≦a≦1.3、0.3≦x≦0.6、0.01≦y≦0.4、0.01≦z≦0.1、0.3≦x+y+z≦0.7である。)
(1)Ni、Mn、Co、FeおよびSO4を含有する水溶液とアルカリとを接触させて共沈物を生成し、共沈物スラリーを得る工程。
(2)該共沈物スラリーから共沈物を得る工程。
(3)該共沈物とリチウム化合物とを混合して得られる混合物を650〜950℃の温度で保持して焼成してリチウム複合金属酸化物を得る工程。
(2´)該共沈物スラリーを固液分離後、洗浄、乾燥して、共沈物を得る工程。
正極活物質と導電材(アセチレンブラックと黒鉛とを9:1(重量比)で混合したもの)との混合物に、バインダーとしてPVdF(N−メチル−2−ピロリドンを有機溶媒として用いた)を、活物質:導電材:バインダー(PVdF)=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とし、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。
(1)により得られた正極を用いて、コインセル(宝泉株式会社製)の下蓋にアルミ箔面を下に向けて正極を置き、その上に後述する積層フィルムセパレータ(ポリエチレン製多孔質フィルムの上に、耐熱多孔層を積層(厚み16μm))を置き、ここに電解液(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。)との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。))を300μl注入した。次に、負極として金属リチウムを用いて、前記金属リチウムを積層フィルムセパレータの上側に置き、ガスケットを介して上蓋をし、かしめ機でかしめて非水電解質二次電池(コイン型電池R2032)を作製した。なお、電池の組み立てはアルゴン雰囲気のグローブボックス内で行った。
上記のコイン型電池を用いて、以下に示す条件で放電レート試験を実施した。放電レート試験における0.2C放電容量、1C放電容量、5C放電容量および10C放電容量をそれぞれ以下のようにして求めた。
試験温度25℃
充電最大電圧4.3V、充電時間8時間、充電電流0.3mA/cm2
放電時は放電最小電圧を2.5Vで一定とし、放電電流を下記のように変えて放電を行った。10C(高い電流レート)における放電容量が高ければ高いほど、高い電流レートにおける高い放電容量維持率を示すことを意味する。
2サイクル目の放電(1C):放電電流1.5mA/cm2
3サイクル目の放電(5C):放電電流7.5mA/cm2
4サイクル目の放電(10C):放電電流15mA/cm2
1.リチウム複合金属酸化物の組成分析
リチウム複合金属酸化物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(SII製SPS3000)を用いて、リチウム複合金属酸化物の組成分析を行った。
測定する粉末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。
測定する粉末0.1gを、0.2wt%ヘキサメタりん酸ナトリウム水溶液50mlに投入し、該粉末を分散させた分散液を試料とし、これについてマルバーン社製マスターサイザー2000(レーザー回折散乱粒度分布測定装置)を用いて、粒度分布を測定し、体積基準の累積粒度分布曲線を得、50%累積時の微小粒子側から見た粒子径(D50)の値を粉末の平均粒子径とした。
リチウム複合金属酸化物を構成する粒子をサンプルステージ上に貼った導電性シート上に載せ、日本電子株式会社製JSM−5510を用いて、加速電圧が20kVの電子線を照射してSEM観察を行った。平均一次粒子径は、SEM観察により得られた画像(SEM写真)から任意に50個の一次粒子を抽出し、それぞれの粒子径を測定し、その平均値を算出することにより測定した。
1.リチウム複合金属酸化物の製造
ニッケルの水溶性塩として硫酸ニッケル六水和物、マンガンの水溶性塩として硫酸マンガン一水和物、コバルトの水溶性塩として硫酸コバルト七水和物、鉄の水溶性塩として硫酸鉄(II)七水和物を用い、Ni:Mn:Co:Feのモル比が0.49:0.3:0.2:0.01となるようにそれぞれ秤量し、純水に溶解してNi、MnおよびFeを含有する遷移金属水溶液を得た。この遷移金属水溶液に、アルカリ金属水溶液として水酸化カリウム水溶液を加えて共沈を行い、沈殿物を生成させて、共沈物スラリーを得た。得られたスラリーについて、固液分離を行い、蒸留水により洗浄して、遷移金属複合水酸化物を得た。150℃で乾燥させて共沈物Q1を得た。
共沈物Q1と、炭酸リチウムと、不活性溶融剤として硫酸カリウムとを乳鉢により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1000℃で6時間保持して焼成を行い、室温まで冷却し、焼成品を得て、これを粉砕し、蒸留水でデカンテーションによる洗浄を行い、ろ過し、300℃で6時間乾燥して粉末状のリチウム複合金属酸化物R1を得た。
前記R1を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、140、118、88、34であり、放電容量維持率(%)は、それぞれ100、84、63、24であり、放電容量維持率は十分ではなかった。
1.リチウム複合金属酸化物の製造
Ni:Mn:Co:Feのモル比が0.47:0.29:0.19:0.05となるようにした以外は、比較例1と同様の操作を行い、粉末状のリチウム複合金属酸化物R2を得た。
前記R2を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、114、90、45、16であり、放電容量維持率(%)は、それぞれ100、79、40、14であり、放電容量維持率は十分ではなかった。
1.遷移金属複合水酸化物の製造
ニッケルの水溶性塩として硫酸ニッケル六水和物、マンガンの水溶性塩として硫酸マンガン一水和物、コバルトの水溶性塩として硫酸コバルト七水和物、鉄の水溶性塩として硫酸鉄(II)七水和物を用い、Ni:Mn:Co:Feのモル比が0.49:0.3:0.2:0.01となるようにそれぞれ秤量し、純水に溶解してNi、MnおよびFeを含有する遷移金属水溶液を得た。この遷移金属水溶液に、アルカリ金属水溶液として水酸化カリウム水溶液を加えて共沈を行い、沈殿物を生成させて、共沈物スラリーを得た。得られたスラリーについて、固液分離を行い、蒸留水により洗浄して、遷移金属複合水酸化物を得た。150℃で乾燥させて共沈物A1を得た。
共沈物A1と、炭酸リチウムと、不活性溶融剤として硫酸カリウムとを乳鉢により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850℃で6時間保持して焼成を行い、室温まで冷却し、焼成品を得て、これを粉砕し、蒸留水でデカンテーションによる洗浄を行い、ろ過し、300℃で6時間乾燥して、粉末状のリチウム複合金属酸化物B1を得た。
前記B1を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、168、159、146、122であり、放電容量維持率(%)は、それぞれ100、95、87、73であり、放電容量維持率は高かった。
1.リチウム複合金属酸化物の製造
Ni:Mn:Co:Feのモル比が0.47:0.29:0.19:0.05となるようにした以外は、実施例1と同様の操作を行い、粉末状のリチウム複合金属酸化物B2を得た。
前記B2を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、164、153、138、116であり、放電容量維持率(%)は、それぞれ100、93、84、71であり、放電容量維持率は高かった。
1.リチウム複合金属酸化物の製造
Ni:Mn:Co:Feのモル比が0.59:0.2:0.2:0.01となるようにした以外は、実施例1と同様の操作を行い、粉末状のリチウム複合金属酸化物B3を得た。
前記B3を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、174、151、139、111であり、放電容量維持率(%)は、それぞれ100、87、80、64であり、放電容量維持率は高かった。
1.リチウム複合金属酸化物の製造
Ni:Mn:Co:Feのモル比が0.57:0.19:0.19:0.05となるようにした以外は、実施例1と同様の操作を行い、粉末状のリチウム複合金属酸化物B4を得た。
前記B4を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、168、142、135、116であり、放電容量維持率(%)は、それぞれ100、85、80、65であり、放電容量維持率は高かった。
1.リチウム複合金属酸化物の製造
Ni:Mn:Co:Feのモル比が0.46:0.47:0.03:0.04となるようにした以外は、実施例1と同様の操作を行い、粉末状のリチウム複合金属酸化物B5を得た。
前記B5を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、147、137、121、106であり、放電容量維持率(%)は、それぞれ100、93、82、72であり、放電容量維持率は高かった。
1.リチウム複合金属酸化物の製造
Ni:Mn:Co:Feのモル比が0.45:0.46:0.05:0.04となるようにした以外は、実施例1と同様の操作を行い、粉末状のリチウム複合金属酸化物B6を得た。
前記B6を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、149、140、124、103であり、放電容量維持率(%)は、それぞれ100、94、83、69であり、放電容量維持率は高かった。
1.リチウム複合金属酸化物の製造
Ni:Mn:Co:Feのモル比が0.42:0.43:0.10:0.05となるようにした以外は、実施例1と同様の操作を行い、粉末状のリチウム複合金属酸化物B7を得た。
前記B7を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、154、146、132、118であり、放電容量維持率(%)は、それぞれ100、95、86、77であり、放電容量維持率は高かった。
1.リチウム複合金属酸化物の製造
Ni:Mn:Co:Feのモル比が0.47:0.48:0.0:0.05となるようにした以外は、比較例1と同様の操作を行い、粉末状のリチウム複合金属酸化物R3を得た。
前記R3を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、110、70、33、18であり、放電容量維持率(%)は、それぞれ100、64、30、16であり、放電容量維持率は十分ではなかった。
1.リチウム複合金属酸化物の製造
混合物の焼成温度を950℃とした以外は、実施例7と同様の操作を行い、粉末状のリチウム複合金属酸化物R4を得た。
前記R4を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、148、125、104、63であり、放電容量維持率(%)は、それぞれ100、84、70、43であり、放電容量維持率は十分ではなかった。
1.リチウム複合金属酸化物の製造
水酸化リチウム一水和物、水酸化ニッケル(II)、酸化マンガン(III)、水酸化コバルト(II)および、水酸化鉄(III)を用い、Li:Ni:Mn:Co:Feのモル比が1.0:0.95:0.005:0.04:0.005となるようにそれぞれ秤量し、乳鉢中で混合した後、これらをそれぞれ乾燥空気雰囲気下において750℃で20時間熱処理し、その後、乳鉢で粉砕して、粉末状のリチウム複合金属酸化物R5を得た。
前記R5を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、165、135、94、40であり、放電容量維持率(%)は、それぞれ100、82、57、24であり、放電容量維持率は十分ではなかった。
1.リチウム複合金属酸化物の製造
Ni:Mn:Co:Feのモル比が0.47:0.48:0.0:0.05となるようにし、焼成温度を750℃とした以外は、実施例1と同様の操作を行い、粉末状のリチウム複合金属酸化物R6を得た。
前記R6を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、143、120、103、53であり、放電容量維持率(%)は、それぞれ100、84、72、37であり、放電容量維持率は十分ではなかった。
<1.リチウム複合金属酸化物の製造>
Ni:Mn:Co:Feのモル比が0.43:0.44:0.10:0.03となるようにし、かつ焼成温度を870℃とした以外は、実施例1と同様の操作を行い、粉末状のリチウム複合金属酸化物B8を得た。
上記B8を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、156、149、136、121であり、放電容量維持率(%)は、それぞれ100、96、87、78であり、放電容量維持率は高かった。
<1.リチウム複合金属酸化物の製造>
Ni:Mn:Co:Feのモル比が0.40:0.42:0.15:0.03となるようにした以外は、実施例1と同様の操作を行い、粉末状のリチウム複合金属酸化物B9を得た。
上記B9を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、156、150、140、114であり、放電容量維持率(%)は、それぞれ100、96、90、73であり、放電容量維持率は高かった。
(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。
多孔質フィルムとしては、ポリエチレン製多孔質膜(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膜を固定し、テスター産業株式会社製バーコーターにより、該多孔質膜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膜を一体にしたまま、貧溶媒である水中に浸漬させ、パラアラミド多孔質膜(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た積層フィルム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膜(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、0.03〜0.06μm程度の比較的小さな微細孔と0.1〜1μm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。
(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))(i=1〜n)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)}
Claims (14)
- Ni、Mn、CoおよびFeを含有するリチウム複合金属酸化物であって、BET比表面積が3m2/g以上15m2/g以下であるリチウム複合金属酸化物。
- レーザー回折散乱法によって測定される平均粒子径が0.1μm以上1μm未満である請求項1に記載のリチウム複合金属酸化物。
- 平均一次粒子径が、0.05μm以上0.4μm以下である請求項1または2に記載のリチウム複合金属酸化物。
- 以下の式(A)で表わされる請求項1〜3のいずれかに記載のリチウム複合金属酸化物。
Lia(Ni1-x-y-zMnxCoyFez)O2 (A)
(ここで、0.9≦a≦1.3、0.3≦x≦0.6、0.01≦y≦0.4、0.01≦z≦0.1、0.3≦x+y+z≦0.7である。)。 - 以下の(1)、(2)および(3)の工程をこの順で含むことを特徴とするリチウム複合金属酸化物の製造方法。
(1)Ni、Mn、Co、FeおよびSO4を含有する水溶液とアルカリとを接触させて共沈物を生成し、共沈物スラリーを得る工程。
(2)該共沈物スラリーから共沈物を得る工程。
(3)該共沈物とリチウム化合物とを混合して得られる混合物を650〜950℃の温度で保持して焼成してリチウム複合金属酸化物を得る工程。 - 前記(2)の工程が、以下の(2´)の工程である請求項5に記載の製造方法。
(2´)該共沈物スラリーを固液分離後、洗浄、乾燥して、共沈物を得る工程。 - Ni、Mn、Co、FeおよびSO4を含有する水溶液が、Niの硫酸塩、Mnの硫酸塩、Coの硫酸塩およびFeの硫酸塩を水に溶解して得られる水溶液である請求項5または6に記載の製造方法。
- Feの硫酸塩が、2価のFeの硫酸塩である請求項7に記載の製造方法。
- 請求項5〜8のいずれかに記載の製造方法によって得られるリチウム複合金属酸化物。
- 請求項1〜4および9のいずれかに記載のリチウム複合金属酸化物を主成分とする非水電解質二次電池用正極活物質。
- 請求項10に記載の非水電解質二次電池用正極活物質を有する非水電解質二次電池用正極。
- 請求項11に記載の非水電解質二次電池用正極を有する非水電解質二次電池。
- さらにセパレータを有する請求項12に記載の非水電解質二次電池。
- 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なる積層フィルムからなるセパレータである請求項13に記載の非水電解質二次電池。
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