JP2012254889A - ニッケルマンガン複合水酸化物粒子とその製造方法、非水系電解質二次電池用正極活物質とその製造方法、ならびに、非水系電解質二次電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】晶折反応によってニッケルマンガン複合水酸化物粒子を得る際に、少なくともNi化合物とMn化合物を含み、ニッケル、マンガンおよびコバルトと錯イオンを形成する錯イオン形成剤を含まない核生成用水溶液を、液温が60℃以上、液温25℃基準のpH値が11.5〜13.5となるように制御し、核生成を行った後、該形成された核を含有する粒子成長用水溶液を、液温が60℃以上、液温25℃基準のpH値が9.5〜11.5、かつ核生成工程におけるpH値よりも低いpH値となるように制御して前記核を成長させる。
【選択図】図1
Description
少なくともニッケルを含有する金属化合物およびマンガンを含有する金属化合物を含み、ニッケル、マンガンおよびコバルトと錯イオンを形成する錯イオン形成剤を実質的に含まない核生成用水溶液を、液温が60℃以上、かつ、液温25℃を基準として測定するpH値が11.5〜13.5となるように制御し、微細一次粒子からなる中心部である核を生成する核生成工程と、
前記核生成工程において形成された核を含有し、ニッケル、マンガンおよびコバルトと錯イオンを形成する錯イオン形成剤を実質的に含まない粒子成長用水溶液を、液温が60℃以上、液温25℃を基準として測定するpH値が9.5〜11.5、かつ、核生成工程におけるpH値よりも低いpH値となるように制御して、前記核の外面に該微細一次粒子よりも大きな板状または針状の一次粒子からなる外殻部を成長させる粒子成長工程とを備えることを特徴とする。
本発明のニッケルマンガン複合水酸化物粒子を、105〜750℃の温度で熱処理する熱処理工程と、前記熱処理後の粒子に対してリチウム化合物を混合して、リチウム混合物を形成する混合工程と、該混合工程で形成された前記混合物を、酸化性雰囲気中、800〜980℃の温度で焼成する焼成工程とを備えることを特徴とする。
本発明のニッケルマンガン複合水酸化物粒子は、一般式:NixMnyCozMt(OH)2+a(x+y+z+t=1、0.3≦x≦0.7、0.1≦y≦0.55、0≦z≦0.4、0≦t≦0.1、0≦a≦0.5、Mは、Mg、Ca、Al、Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Wから選択される1種以上の添加元素)で表され、複数の一次粒子が凝集して形成された略球状の二次粒子であり、該二次粒子は、平均粒径が3〜7μmであり、粒度分布の広がりを示す指標である〔(d90−d10)/平均粒径〕が0.55以下であり、微細一次粒子からなる中心部を有し、中心部の外側に該微細一次粒子よりも大きな板状または針状の一次粒子からなり、厚さが0.3〜3μmである外殻部を有するものである。
本発明の複合水酸化物粒子は、図5に例示されるように、略球状の粒子である。具体的には、図6に例示されるように、複数の一次粒子が凝集して形成された略球状の二次粒子となっており、さらに詳細には、粒子内部は微細一次粒子からなる中心部を有し、中心部の外側に該微細一次粒子よりも大きな板状または針状の一次粒子からなる外殻部を有する構造を備えている。かかる構造により、本発明の正極活物質であるリチウムニッケルマンガン複合酸化物を形成する焼結工程において、粒子内へのリチウムの拡散が十分に行われるため、リチウムの分布が均一で良好な正極活物質が得られる。
本発明の複合水酸化物粒子は、その平均粒径が、3〜7μm、好ましくは3.5〜6.5μm、さらに好ましくは4.0〜5.5μmに調整されている。平均粒径を3〜7μmとすることで、本発明の複合水酸化物粒子を原料として得られる正極活物質を所定の平均粒径(2〜8μm)に調整することができる。このように、複合水酸化物粒子の粒径は、得られる正極活物質の粒径と相関するため、この正極活物質を正極材料に用いた電池の特性に影響するものである。
本発明の複合水酸化物粒子は、その粒度分布の広がりを示す指標である〔(d90−d10)/平均粒径〕が、0.55以下、好ましくは0.52以下、さらに好ましくは、0.50以下となるように調整されている。
本発明の複合水酸化物粒子は、その組成が、以下の一般式で表されるように調整される。このような組成を有するニッケルマンガン複合水酸化物を原料として、リチウムニッケルマンガン複合酸化物を製造すれば、このリチウムニッケルマンガン複合酸化物を正極活物質とする電極を電池に用いた場合に、測定される正極抵抗の値を低くできるとともに、電池性能を良好なものとすることができる。
(x+y+z+t=1、0.3≦x≦0.7、0.1≦y≦0.55、0≦z≦0.4、0≦t≦0.1、0≦a≦0.5、Mは、Mg、Ca、Al、Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Wから選択される1種以上の添加元素)
本発明の複合水酸化物粒子の製造方法は、晶析反応によってニッケルマンガン複合水酸化物粒子を製造する方法であって、a)核生成を行う核生成工程と、b)核生成工程において生成された核を成長させる粒子成長工程とから構成されている。
図1に示すように、まず、少なくともニッケルおよびマンガンを含有する複数の金属化合物を所定の割合で水に溶解させ、混合水溶液を作製する。本発明の複合水酸化物粒子の製造方法では、得られる複合水酸化物粒子における上記各金属の組成比は、混合水溶液における各金属の組成比と原則として同様となる。
核生成工程の終了後、反応槽内の雰囲気および60℃以上の温度を維持しつつ、前記核生成用水溶液のpH値を、液温25℃基準で9.5〜11.5、好ましくは9.5〜11.0、かつ、核生成工程におけるpH値よりも低いpH値となるように調整して、粒子成長工程における反応水溶液である粒子成長用水溶液を得る。具体的には、この調整時のpHの制御は、アルカリ水溶液の供給量を調節することにより行う。
上述のように、核生成工程においては、反応水溶液のpH値が、液温25℃基準で11.5〜13.5、好ましくは11.8〜13.3、さらに好ましくは12.0〜13.1の範囲となるように制御する必要がある。pH値が13.5を超える場合、生成する核が微細になり過ぎ、反応水溶液がゲル化する問題がある。また、pH値が11.5未満では、核生成とともに核の成長反応が生じるので、生成される核の粒度分布の範囲が広くなり不均質なものとなってしまう。すなわち、核生成工程において、上述の範囲に反応水溶液のpH値を制御することで、核の成長を抑制してほぼ核生成のみを起こすことができ、形成される核も均質かつ粒度分布の範囲が狭いものとすることができる。
核生成工程において生成する核の量は、特に限定されるものではないが、粒度分布の良好な複合水酸化物粒子を得るためには、全体量、つまり、複合水酸化物粒子を得るために供給する全金属塩の0.1%から2%とすることが好ましく、1.5%以下とすることがより好ましい。上述のように、この核生成量は、予備試験により反応水溶液への金属塩の添加量と得られる核の量との関係を求めておくことによって、制御することができる。
上記複合水酸化物粒子の粒径は、粒子成長工程の時間により制御できるので、所望の粒径に成長するまで粒子成長工程を継続すれば、所望の粒径を有する複合水酸化物粒子を得ることができる。
ニッケル、マンガン、コバルトの金属源としては、目的とする金属を含有する化合物を用いる。使用する化合物は、水溶性の化合物を用いることが好ましく、硝酸塩、硫酸塩、塩酸塩などがあげられる。水酸化物粒子への混入ないしは廃液処理などの観点から、これらのうち、硫酸塩、たとえば、硫酸ニッケル、硫酸マンガン、硫酸コバルトを用いることが好ましい。
添加元素(Mg、Ca、Al、Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Wから選択される1種以上の元素)源としては、水溶性の化合物を用いることが好ましく、たとえば、硫酸チタン、ペルオキソチタン酸アンモニウム、シュウ酸チタンカリウム、硫酸バナジウム、バナジン酸アンモニウム、硫酸クロム、クロム酸カリウム、硫酸ジルコニウム、硝酸ジルコニウム、シュウ酸ニオブ、モリブデン酸アンモニウム、タングステン酸ナトリウム、タングステン酸アンモニウムなどを用いることができる。
混合水溶液の濃度は、金属化合物の合計で1〜2.6mol/L、好ましくは1.5〜2.2mol/Lとすることが好ましい。混合水溶液の濃度が1mol/L未満では、反応槽当たりの晶析物量が少なくなるために生産性が低下して好ましくない。
反応槽内において、反応温度を、60℃以上、好ましくは60〜90℃、特に好ましくは60〜80℃となるように調節する必要がある。このような反応温度の範囲とすることにより、錯イオン形成剤を添加することなく、ニッケル、マンガンおよびコバルトの金属を適切かつ一定の溶解度で晶析反応に必要な量だけ溶解させることが可能となる。反応温度が60℃未満の場合、温度が低いためニッケル、マンガンおよびコバルトの溶解度が低くなり過ぎ、核が生成しやすくなり、その制御が困難となる傾向がある。なお、90℃を超えても晶析反応は可能であるが、水の揮発が促進されるため反応系の制御が困難となり、工業的には、高温に保つためのコストや安全上のリスクが高まるため好ましくない。
反応水溶液中のpHを調整するアルカリ水溶液については、ニッケル、マンガンおよびコバルトの錯イオンを形成しないものであれば、特に限定されるものではなく、たとえば、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムなどのアルカリ金属水酸化物水溶液を用いることができるが、コストや取扱いの容易性の観点から水酸化ナトリウムが好ましい。かかるアルカリ金属水酸化物の場合、直接、反応水溶液中に供給してもよいが、反応槽内における反応水溶液のpH制御の容易さから、水溶液として反応槽内の反応水溶液に添加することが好ましい。
核生成工程においては、コバルト、マンガンの酸化を抑制して粒子を安定して生成させる観点から、反応槽内空間の酸素濃度を好ましくは10容量%以下、より好ましくは5容量%以下、さらに好ましくは1容量%以下に制御する必要がある。粒子成長工程でも酸化制御が重要であり、反応槽内空間の酸素濃度を同様に制御する必要がある。雰囲気中の酸素濃度は、たとえば、窒素、アルゴンなどの不活性ガスを用いて調整することができる。雰囲気中の酸素濃度が所定の濃度となるように調節するための手段としては、たとえば、当該雰囲気中に常に一定量の雰囲気ガスを流通させることが挙げられる。
上記核生成工程および粒子成長工程における晶析時間は、目的とする複合水酸化物粒子の粒径などにより適宜選択されるものである。たとえば、硫酸ニッケルと硫酸マンガンの混合水溶液(1.8mol/L)と水酸化ナトリウム水溶液(25質量%)を用いて、本発明の所定の範囲にある二次粒子を得ようとする場合には、核生成工程を20秒〜4分、粒子成長工程を3時間〜4時間とすることが好ましい。核生成工程が20秒未満の場合には十分な量の核を生成することができず、4分を超える場合には、核が多くなり過ぎ、凝集による粒径、粒度のバラツキを生じる問題がある。一方、粒子成長工程が3時間未満の場合、粒子成長に要する時間が十分でないので粒径の制御が困難となり、均一な二次粒子を得ることができない。また、4時間を超える場合は、二次粒子の平均粒径が所望の範囲を超えたり、生産効率が悪化するという問題が生じる。なお、生産効率の観点から、核生成工程を30秒〜3分30秒、粒子成長工程を3時間30〜4時間とすることがより好ましい。
本発明の複合水酸化物粒子の製造方法では、反応が完了するまで生成物を回収しない方式の装置を用いる。たとえば、撹拌機が設置された通常に用いられるバッチ反応槽などである。かかる装置を採用すると、一般的なオーバーフローによって生成物を回収する連続晶析装置のように、成長中の粒子がオーバーフロー液と同時に回収されるという問題が生じないため、粒度分布が狭く粒径の揃った粒子を得ることができる。
本発明の正極活物質は、一般式:Li1+uNixMnyCozMtO2(−0.05≦u≦0.50、x+y+z+t=1、0.3≦x≦0.7、0.1≦y≦0.55、0≦z≦0.4、0≦t≦0.1、Mは、Mg、Ca、Al、Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Wから選択される1種以上の添加元素)で表されるリチウムニッケルマンガン複合酸化物粒子であって、層状構造を有する六方晶系の結晶構造を有するものである。なお、層状構造を有する六方晶系の構造をとる正極活物質は、スピネル構造正極活物質と比較して、理論容量密度やサイクル特性に優れるという利点がある。
本発明の正極活物質は、リチウムニッケルマンガン複合酸化物粒子であるが、その組成が、上記一般式で表されるように調整される。
本発明の正極活物質は、平均粒径が2〜8μmである。平均粒径が2μm未満の場合には、正極を形成したときに粒子の充填密度が低下して、正極の容積あたりの電池容量が低下する。一方、平均粒径が8μmを超えると、正極活物質の比表面積が低下して、電池の電解液との界面が減少することにより、正極の抵抗が上昇して電池の出力特性が低下する。
図7に例示されるように、本発明の正極活物質は、粒度分布の広がりを示す指標である〔(d90−d10)/平均粒径〕が0.60以下であり、平均粒径が2〜8μmである、きわめて均質性が高いリチウムニッケルマンガン複合酸化物の二次粒子により構成される。
本発明の正極活物質は、図8に例示するように、二次粒子内部の中空部とその外側の外殻部で構成される中空構造を有する点に特徴がある。このような中空構造とすることにより、反応表面積を大きくすることができ、かつ、外殻部の一次粒子間の粒界あるいは空隙から電解液が浸入して、粒子内部の中空側の一次粒子表面における反応界面でもリチウムの挿脱入が行われるため、Liイオン、電子の移動が妨げられず、出力特性を高くすることができる。
本発明の正極活物質は、比表面積が1〜2m2/gm、好ましくは1.2〜1.8m2/gmである。比表面積が1m2/g以上であると、正極活物質と電解液との反応面積が十分に大きいので、かかる正極活物質で形成された正極を使用した電池は高出力電池が可能となる。一方、比表面積が大きくなり過ぎると、粒径が小さくなり過ぎ、限られた容積の電池内に充電可能な活物質量が減少して、電池の容積あたりの容量が減少する。このため、本発明の正極活物質においては、比表面積の上限を2m2/gとしている。
上記正極活物質は、たとえば、2032型コイン電池の正極に用いた場合、コバルトを添加しない場合において200mAh/g以上、コバルトを原子比でリチウム以外の全金属元素の30%程度添加した場合においても150mAh/g以上の高い初期放電容量と、低い正極抵抗および高いサイクル容量維持率が得られるものとなり、非水系電解質二次電池用正極活物質として優れた特性を示すものである。
本発明の正極活物質の製造方法は、上記平均粒径、粒度分布、粒子構造および組成となるように正極活物質を製造できるのであれば、特に限定されないが、以下の方法を採用すれば、該正極活物質をより確実に製造できるので、好ましい。
熱処理工程は、ニッケルマンガン複合水酸化物粒子(以下、単に「複合水酸化物粒子」という)を105〜750℃の温度に加熱して熱処理する工程であり、複合水酸化物粒子に含有されている水分を除去している。この熱処理工程を行うことによって、粒子中に焼成工程まで残留している水分を一定量まで減少させることができる。これにより、得られる製造される正極活物質中の金属の原子数やリチウムの原子数の割合がばらつくことを防ぐことができる。
混合工程は、上記熱処理工程において熱処理された複合水酸化物粒子(以下、「熱処理粒子」という)などと、リチウムを含有する物質、たとえば、リチウム化合物とを混合して、リチウム混合物を得る工程である。
焼成工程は、上記混合工程で得られたリチウム混合物を焼成して、六方晶系の層状リチウムニッケルマンガン複合酸化物を形成する工程である。焼成工程においてリチウム混合物を焼成すると、熱処理粒子に、リチウムを含有する物質中のリチウムが拡散するので、リチウムニッケルマンガン複合酸化物が形成される。
リチウム混合物の焼成は、800〜980℃で、より好ましくは820〜960℃で行われる。
焼成時間のうち、所定温度での保持時間は、少なくとも1時間以上とすることが好ましく、より好ましくは、2〜12時間である。1時間未満では、リチウムニッケルマンガン複合酸化物の生成が十分に行われないことがある。保持時間終了後、特に限定されるものではないが、リチウム混合物を匣鉢に積載して焼成する場合には匣鉢の劣化を抑止するため、降下速度を2〜10℃/minとして、200℃以下になるまで雰囲気を冷却することが好ましい。
特に、リチウム化合物として、水酸化リチウムや炭酸リチウムを使用した場合には、焼成する前に、焼成温度より低く、かつ、350〜800℃、好ましくは450〜780℃の温度で1〜10時間程度、好ましくは3〜6時間、保持して仮焼することが好ましい。すなわち、水酸化リチウムや炭酸リチウムと熱処理粒子の反応温度において仮焼することが好ましい。この場合、水酸化リチウムや炭酸リチウムの上記反応温度付近で保持すれば、熱処理粒子へのリチウムの拡散が十分に行われ、均一なリチウムニッケルマンガン複合酸化物を得ることができる。
焼成時の雰囲気は、酸化性雰囲気とすることが好ましく、酸素濃度が18〜100容量%とすることがより好ましく、上記酸素濃度の酸素と不活性ガスの混合雰囲気とすることが特に好ましい。すなわち、焼成は、大気ないしは酸素気流中で行うことが好ましい。酸素濃度が18容量%未満であると、リチウムニッケルマンガン複合酸化物の結晶性が十分でない状態になる可能性がある。特に電池特性を考慮すると、酸素気流中で行うことが好ましい。
焼成によって得られたリチウムニッケルマンガン複合酸化物粒子は、凝集もしくは軽度の焼結が生じている場合がある。この場合には、解砕してもよく、これにより、リチウムニッケルマンガン複合酸化物、つまり、本発明の正極活物質を得ることができる。なお、解砕とは、焼成時に二次粒子間の焼結ネッキングなどにより生じた複数の二次粒子からなる凝集体に、機械的エネルギを投入して、二次粒子自体をほとんど破壊することなく二次粒子を分離させて、凝集体をほぐす操作のことである。なお、解砕の方法はピンミル、ハンマーミルなどの公知の手段を用いることができるが、その際、二次粒子を破壊しないように解砕力を適切に調整することが好ましい。
本発明の非水系電解質二次電池は、上記非水系電解質二次電池用正極活物質を正極材料に用いた正極を採用したものである。まず、本発明の非水系電解質二次電池の構造を説明する。
まず、本発明の二次電池の特徴である正極について説明する。正極は、シート状の部材であり、本発明の正極活物質を含有する正極合材ペーストを、たとえば、アルミニウム箔製の集電体の表面に塗布乾燥して形成されている。
負極は、銅などの金属箔集電体の表面に、負極合材ペーストを塗布し、乾燥して形成されたシート状の部材である。この負極は、負極合材ペーストを構成する成分やその配合、集電体の素材などは異なるものの、実質的に前記正極と同様の方法によって形成され、正極と同様に、必要に応じて各種処理が行われる。
セパレータは、正極と負極との間に挟み込んで配置されるものであり、正極と負極とを分離し、電解質を保持する機能を有している。かかるセパレータは、たとえば、ポリエチレンやポリプロピレンなどの薄い膜で、微細な孔を多数有する膜を用いることができるが、上記機能を有するものであれば、特に限定されない。
非水系電解液は、支持塩としてのリチウム塩を有機溶媒に溶解したものである。
本発明の非水系電解質二次電池は、上記構成であり、本発明の正極活物質を用いた正極を有しているので、150mAh/g以上、好ましくは155mAh/gの高い初期放電容量、10Ω以下、好ましくは9Ω以下の低い正極抵抗が得られ、高容量で高出力となる。また、200サイクル容量維持率も80%以上、好ましくは85%以上とすることができ、サイクル特性においても優れており、さらに、従来のリチウムニッケル系酸化物の正極活物質との比較においても、熱安定性が高く、安全性においても良好であるといえる。
本発明の二次電池は、上記性質を有するので、常に高容量を要求される小型携帯電子機器(ノート型パーソナルコンピュータや携帯電話端末など)の電源に好適である。
[複合水酸化物粒子の製造]
複合水酸化物粒子を、以下のようにして作製した。なお、すべての実施例を通じて、複合水酸化物粒子、正極活物質および二次電池の作製には、和光純薬工業株式会社製試薬特級の各試料を使用した。
まず、反応槽(34L)内に、水を7Lまで入れて撹拌しながら、槽内温度を70℃に設定し、窒素ガスを30分間流通させ、反応槽内空間の酸素濃度を1%以下に保持した。この反応槽内の水に、25質量%水酸化ナトリウム水溶液を適量加えて、液温25℃基準で、槽内の反応前水溶液のpH値が13.1となるように調整した。
核生成終了後、槽内温度を60℃以上に維持しつつ、反応水溶液のpH値が液温25℃基準で10.6になるまで硫酸を添加した。反応水溶液のpH値が10.6に到達した後、反応水溶液(粒子成長用水溶液)に、再度、混合水溶液と25質量%水酸化ナトリウム水溶液の供給を再開して、pH値を液温25℃基準で10.6に制御したまま、4時間晶析を行った。そして、生成物を水洗、濾過、乾燥させて複合水酸化物粒子を得た。
得られた複合水酸化物について、その試料を無機酸により溶解した後、ICP発光分光法により化学分析を行ったところ、その組成は、Ni0.5Mn0.5(OH)2+a(0≦a≦0.5)であった。
上記複合水酸化物粒子を、大気(酸素:21容量%)雰囲気において、700℃で6時間の熱処理を行って、複合酸化物粒子に転換して回収した。
複合水酸化物粒子と同様の方法で、得られた正極活物質の粒度分布を測定したところ、平均粒径は4.3μmであり、〔(d90−d10)/平均粒径〕値は0.55であった。
得られた正極活物質の評価には、2032型コイン電池を使用した。図9に示すように、このコイン型電池1は、ケース2と、このケース2内に収容された電極3とから構成されている。
得られたコイン型電池1の性能を評価する、初期放電容量、サイクル容量維持率、正極抵抗は、以下のように定義した。
Li/Me=1.25となるように水酸化リチウムと複合酸化物粒子を混合したこと、焼成温度を850℃としたこと以外は、実施例1と同様にして、非水系電解質二次電池用正極活物質を得た。
槽内温度を65℃に設定し、反応前水溶液のpH値を、液温25℃基準で12.8に調節するとともに、硫酸ニッケル、硫酸コバルト、硫酸マンガン、硫酸ジルコニウムを水に溶かして、各金属の元素モル比が、Ni:Co:Mn:Zr=33.2:33.1:33.3:0.5となるようにして得た1.8mol/Lの混合水溶液を用い、核生成時の反応水溶液のpH値を12.8に制御したこと以外は、実施例1と同様にして複合水酸化物粒子を得た。
晶析反応時に、タングステン酸ナトリウム水溶液を同時に連続的に添加したこと以外は、実施例3と同様にして、複合水酸化物粒子を得た。
硫酸ニッケル、硫酸コバルト、硫酸マンガン、硫酸ジルコニウムを水に溶かして、各金属の元素モル比が、Ni:Co:Mn:Zr=33.2:33.1:33.2:0.5となるようにして得た1.8mol/Lの混合水溶液を用いるとともに、晶析反応時に、タングステン酸ナトリウム水溶液を同時に連続的に添加したこと以外は、実施例1と同様にして、複合水酸化物粒子を得た。
核生成用水溶液とは別に用意した成分調整溶液に、核生成工程終了後の核生成用水溶液を添加して反応水溶液とし、この反応水溶液を粒子成長水溶液として粒子成長工程を行ったこと以外は、実施例1と同様に複合水酸化物粒子を得た。なお、前記成分調整水溶液は、硫酸ニッケルと硫酸マンガンを水に溶かして得た1.8mol/Lの混合水溶液と、25質量%の水酸化ナトリウム水溶液とを混合してpH値を10.6に調整したものであった。
粒子成長工程の途中で、一度、混合水溶液および水酸化ナトリウム水溶液の供給および攪拌を停止して核や複合水酸化物を沈降させて、粒子成長水溶液の上澄み液を排出したこと以外は、実施例1と同様にして、複合水酸化物粒子を得た。
上部にオーバーフロー用配管を備えた連続晶析用の反応槽を用いて、大気雰囲気中で、反応水溶液のpH値を液温25℃基準で11.0の一定値に保ちながら、実施例1と同様の混合水溶液と、10g/Lのアンモニア水溶液および25質量%の水酸化ナトリウム溶液を一定流量で連続的に加えて、オーバーフローするスラリーを連続的に回収する、一般的な方法により晶析を行った。槽内温度は40℃に維持した。反応槽内の平均滞留時間を10時間として、連続槽内が平衡状態になってから、スラリーを回収して、固液分離して、晶析物を得たこと以外は、実施例1と同様にして、非水系電解質二次電池用正極活物質を得るとともに評価した。
晶析反応中に25質量%アンモニア水を液中アンモニア濃度が15g/Lとなるように添加し、槽内温度を40℃として、核生成pHを12.8、核成長pHを11.6としたこと以外は、実施例3と同様にして、複合水酸化物粒子を得た。
槽内温度を40℃とし、粒子成長時のpHを11.6とし、焼成条件を1050℃、10時間としたこと以外は、実施例3と同様にして、複合水酸化物粒子を得た。
2 ケース
2a 正極缶
2b 負極缶
2c ガスケット
3 電極
3a 正極
3b 負極
3c セパレータ
上記核生成工程および粒子成長工程における晶析時間は、目的とする複合水酸化物粒子の粒径などにより適宜選択されるものである。たとえば、硫酸ニッケルと硫酸マンガンの混合水溶液(1.8mol/L)と水酸化ナトリウム水溶液(25質量%)を用いて、本発明の所定の範囲にある二次粒子を得ようとする場合には、核生成工程を20秒〜4分、粒子成長工程を3時間〜4時間とすることが好ましい。核生成工程が20秒未満の場合には十分な量の核を生成することができず、4分を越える場合には、核が多くなり過ぎ、凝集による粒径、粒度のバラツキを生じる問題がある。一方、粒子成長工程が3時間未満の場合、粒子成長に要する時間が十分でないので粒径の制御が困難となり、均一な二次粒子を得ることができない。また、4時間を超える場合は、二次粒子の平均粒径が所望の範囲を超えたり、生産効率が悪化するという問題が生じる。なお、生産効率の観点から、核生成工程を30秒〜3分30秒、粒子成長工程を3時間30分〜4時間とすることがより好ましい。
本発明の正極活物質は、比表面積が1〜2m2/g、好ましくは1.2〜1.8m2/gである。比表面積が1m2/g以上であると、正極活物質と電解液との反応面積が十分に大きいので、かかる正極活物質で形成された正極を使用した電池は高出力電池が可能となる。一方、比表面積が大きくなり過ぎると、粒径が小さくなり過ぎ、限られた容積の電池内に充電可能な活物質量が減少して、電池の容積あたりの容量が減少する。このため、本発明の正極活物質においては、比表面積の上限を2m2/gとしている。
本発明の非水系電解質二次電池は、上記構成であり、本発明の正極活物質を用いた正極を有しているので、150mAh/g以上、好ましくは155mAh/g以上の高い初期放電容量、10Ω以下、好ましくは9Ω以下の低い正極抵抗が得られ、高容量で高出力となる。また、200サイクル容量維持率も80%以上、好ましくは85%以上とすることができ、サイクル特性においても優れており、さらに、従来のリチウムニッケル系酸化物の正極活物質との比較においても、熱安定性が高く、安全性においても良好であるといえる。
晶析反応中に25質量%アンモニア水を液中アンモニア濃度が15g/Lとなるように添加し、槽内温度を40℃として、核生成pHを12.8、粒子成長pHを11.6としたこと以外は、実施例3と同様にして、複合水酸化粒子を得た。
2 ケース
2a 正極缶
2b 負極缶
2c ガスケット
3 電極
3a 正極
3b 負極
3c セパレータ
Claims (20)
- 晶析反応によって,
一般式:NixMnyCozMt(OH)2+a(x+y+z+t=1、0.3≦x≦0.7、0.1≦y≦0.55、0≦z≦0.4、0≦t≦0.1、0≦a≦0.5、Mは添加元素であり、Mg、Ca、Al、Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Wから選択される1種以上の元素)で表されるニッケルマンガン複合水酸化物粒子を製造する製造方法であって、
少なくともニッケルを含有する金属化合物およびマンガンを含有する金属化合物を含み、ニッケル、マンガンおよびコバルトと錯イオンを形成する錯イオン形成剤を含まない核生成用水溶液を、液温が60℃以上、かつ、液温25℃を基準として測定するpH値が11.5〜13.5となるように制御して、微細一次粒子からなる中心部である核を生成する核生成工程と、
前記核生成工程において形成された核を含有し、ニッケル、マンガンおよびコバルトと錯イオンを形成する錯イオン形成剤を実質的に含まない粒子成長用水溶液を、液温が60℃以上、液温25℃を基準として測定するpH値が9.5〜11.5、かつ、核生成工程におけるpH値よりも低いpH値となるように制御して、前記核の外面に該微細一次粒子よりも大きな板状または針状の一次粒子からなる外殻部を成長させる粒子成長工程と、
を備えることを特徴とするニッケルマンガン複合水酸化物粒子の製造方法。 - 前記核生成工程および粒子成長工程において、反応槽内の酸素濃度を10容量%以下に制御することを特徴とする請求項1に記載のニッケルマンガン複合水酸化物粒子の製造方法。
- 前記粒子成長用水溶液として、前記核生成工程が終了した前記核生成用水溶液のpH値を調整して形成されたものを用いることを特徴とする、請求項1または2に記載のニッケルマンガン複合水酸化物粒子の製造方法。
- 前記粒子成長用水溶液として、前記核生成工程において形成された核を含有する水溶液を、該核を形成した核生成用水溶液とは異なる、ニッケル、マンガンおよびコバルトと錯イオンを形成する錯イオン形成剤を実質的に含まず、液温が60℃以上、液温25℃を基準として測定するpH値が9.5〜11.5、かつ、核生成工程におけるpH値よりも低いpH値となるように制御された成分調整用水溶液に対して添加したものを用いることを特徴とする、請求項1または2に記載のニッケルマンガン複合水酸化物粒子の製造方法。
- 前記粒子成長用水溶液の液体成分の一部を除去した後に、前記粒子成長工程を開始することを特徴とする、請求項4に記載のニッケルマンガン複合水酸化物粒子の製造方法。
- 前記粒子成長工程で得られたニッケル複合水酸化物に、前記1種以上の添加元素を含む化合物を被覆することを特徴とする、請求項1〜5のいずれかに記載のニッケルマンガン複合水酸化物粒子の製造方法。
- 一般式:NixMnyCozMt(OH)2+a(x+y+z+t=1、0.3≦x≦0.7、0.1≦y≦0.55、0≦z≦0.4、0≦t≦0.1、0≦a≦0.5、Mは、Mg、Ca、Al、Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Wから選択される1種以上の添加元素)で表され、複数の一次粒子が凝集して形成された略球状の二次粒子であり、該二次粒子は、平均粒径が3〜7μmであり、粒度分布の広がりを示す指標である〔(d90−d10)/平均粒径〕が0.55以下であり、微細一次粒子からなる中心部を有し、中心部の外側に該微細一次粒子よりも大きな板状または針状の一次粒子からなり、厚さが0.3〜3μmである外殻部を有することを特徴とする、ニッケルマンガン複合水酸化物粒子。
- 前記微細一次粒子は、平均粒径0.01〜0.3μmであり、前記微細一次粒子よりも大きな板状または針状の一次粒子は、平均粒径0.3〜3μmであることを特徴とする、請求項7に記載のニッケルマンガン複合水酸化物粒子。
- 前記外殻部の厚さは、前記二次粒子の粒径に対する比率で10〜45%であることを特徴とする、請求項7または8に記載のニッケルマンガン複合水酸化物粒子。
- 前記1種以上の添加元素が、前記二次粒子の内部に均一に分布および/または該二次粒子の表面を均一に被覆していることを特徴とする、請求項7〜9のいずれかに記載のニッケルマンガン複合水酸化物粒子。
- 請求項1〜6のいずれかに記載の製造方法によって生成されたものであることを特徴とする、請求項7〜10のいずれかに記載のニッケルマンガン複合水酸化物粒子。
- 一般式:Li1+uNixMnyCozMtO2(−0.05≦u≦0.50、x+y+z+t=1、0.3≦x≦0.7、0.1≦y≦0.55、0≦z≦0.4、0≦t≦0.1、Mは添加元素であり、Mg、Ca、Al、Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Wから選択される1種以上の元素)で表され、層状構造を有する六方晶系の結晶構造を有するリチウムニッケルマンガン複合酸化物からなる正極活物質の製造方法であって、
請求項7〜11のいずれかに記載のニッケルマンガン複合水酸化物粒子に対してリチウム化合物を混合して、リチウム混合物を形成する混合工程と、該混合工程で形成された前記混合物を、酸化性雰囲気中、800〜980℃の温度で焼成する焼成工程とを備えることを特徴とする、非水系電解質二次電池用正極活物質の製造方法。 - 前記リチウム混合物は、該リチウム混合物に含まれるリチウム以外の金属の原子数の和とリチウムの原子数との比が、1:0.95〜1.5となるように調整されることを特徴とする、請求項12に記載の非水系電解質二次電池用正極活物質の製造方法。
- 前記混合工程において、混合前にあらかじめ105〜750℃の温度でニッケルマンガン複合水酸化物粒子を熱処理することを特徴とする請求項12または13に記載の非水系電解質二次電池用正極活物質の製造方法。
- 前記焼成工程において、焼成前にあらかじめ350〜800℃の温度で仮焼を行うことを特徴とする、請求項12〜14のいずれかに記載の非水系電解質二次電池用正極活物質の製造方法。
- 前記焼成工程における酸化性雰囲気を、18〜100容量%の酸素を含有する雰囲気とすることを特徴とする、請求項12〜15のいずれかに記載の非水系電解質二次電池用正極活物質の製造方法。
- 一般式:Li1+uNixMnyCozMtO2(−0.05≦u≦0.50、x+y+z+t=1、0.3≦x≦0.7、0.1≦y≦0.55、0≦z≦0.4、0≦t≦0.1、Mは添加元素であり、Mg、Ca、Al、Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Wから選択される1種以上の元素)で表され、層状構造を有する六方晶系リチウム含有複合酸化物により構成されるリチウムニッケルマンガン複合酸化物からなる正極活物質であって、平均粒径が2〜8μmであり、粒度分布の広がりを示す指標である〔(d90−d10)/平均粒径〕が0.60以下であり、比表面積が1〜2m2/gであり、粒子内部の中空部とその外側の外殻部で構成される中空構造を有し、該外殻部の厚さが0.5〜2.5μmであることを特徴とする、非水系電解質二次電池用正極活物質。
- 前記外殻部の厚さは、前記リチウムニッケルマンガン複合酸化物粒子の粒径に対する比率で5〜45%であることを特徴とする、請求項17に記載の非水系電解質二次電池用正極活物質。
- 請求項12〜15のいずれかに記載の製造方法によって生成されたものであることを特徴とする、請求項17または18に記載の非水系電解質二次電池用正極活物質。
- 正極が、請求項17〜19のいずれかに記載の非水系電解質二次電池用正極活物質によって形成されていることを特徴とする、非水系電解質二次電池。
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