JP2013069583A - 非水電解質二次電池用活物質、非水電解質二次電池用電極及び非水電解質二次電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】六方晶構造を有するリチウム遷移金属複合酸化物を含有する非水電解質二次電池用活物質であって、前記リチウム遷移金属複合酸化物は、Co、Ni及びMnを含む遷移金属元素Me、並びに、Liを含有し、前記全遷移金属元素Meに対するLiのモル比Li/Meが1.25〜1.60であり、前記全遷移金属元素Me中のCoのモル比Co/Meが0.02〜0.23であり、前記全遷移金属元素Me中のMnのモル比Mn/Meが0.63〜0.72であり、電位4.8V(vs.Li/Li+)まで電気化学的に酸化したとき、エックス線回折図上六方晶構造の単一相として観察されるものであることを特徴とする。
【選択図】図1
Description
さらに、電位5.0V(vs.Li/Li+)まで電気化学的に酸化したときでも、エックス線回折図上六方晶構造の単一相として観察されることが好ましい。
遷移金属元素Meに対するLiのモル比Li/Meが1.25〜1.60(a/(x+y+z)が1.25〜1.60)、Meに対するCoのモル比Co/Meが0.02〜0.23(x/(x+y+z)が0.02〜0.23)、Meに対するMnのモル比Mn/Meが0.63〜0.72(z/(x+y+z)が0.63〜0.72)を満たすリチウム遷移金属複合酸化物を活物質として用いることにより、放電容量が大きいリチウム二次電池を得ることができる。
なかでも、初期充放電効率が優れた非水電解質二次電池を得ることができるという観点から、前記遷移金属元素Meに対するLiのモル比Li/Meが1.25〜1.40であるものを選択することが好ましい。
本願明細書では、以下、結晶構造に関し、「(003)面」、「(104)面」、「(108)面」及び「(110)面」というミラー指数を用いて説明をするが、これらは結晶構造モデルとして空間群R3−mに帰属した場合のミラー指数である。一方、結晶構造モデルとして空間群P3112に帰属した場合、上記に対応するミラー指数はそれぞれ「(003)面」、「(114)面」、「(118)面」及び「(300)面」となる。従って、結晶構造モデルとして空間群P3112に帰属した場合には、本願明細書中の「(104)面」との記載は「(114)面」と、「(108)面」との記載は「(118)面」と、「(110)面」との記載は「(300)面」と、それぞれ読み替えて解釈されなければならない。
本発明の非水電解質二次電池用活物質は、基本的に、活物質を構成する金属元素(Li,Mn,Co,Ni)を、目的とする活物質(リチウム遷移金属複合酸化物)の組成通りに含有するように原料を調整し、最終的にこの原料を焼成すること、によって得ることができる。但し、Li原料の量については、焼成中にLi原料の一部が消失することを見込んで、1〜5%程度過剰に仕込むことが好ましい。
焼成温度が高すぎると、得られた活物質が酸素放出反応を伴って崩壊すると共に、主相の六方晶に加えて単斜晶のLi[Li1/3Mn2/3]O2型に規定される相が、固溶相としてではなく、分相して観察される傾向があり、このような材料は、活物質の可逆容量が大きく減少するので好ましくない。このような材料では、X線回折図上35°付近及び45°付近に不純物ピークが観察される。従って、焼成温度は、活物質の酸素放出反応の影響する温度未満とすることが重要である。活物質の酸素放出温度は、本発明に係る組成範囲においては、概ね1000℃以上であるが、活物質の組成によって酸素放出温度に若干の差があるので、あらかじめ活物質の酸素放出温度を確認しておくことが好ましい。特に試料に含まれるCo量が多いほど前駆体の酸素放出温度は低温側にシフトすることが確認されているので注意が必要である。活物質の酸素放出温度を確認する方法としては、焼成反応過程をシミュレートするために、共沈前駆体とリチウム化合物を混合したものを熱重量分析(DTA−TG測定)に供してもよいが、この方法では測定機器の試料室に用いている白金が揮発したLi成分により腐食されて機器を痛めるおそれがあるので、あらかじめ500℃程度の焼成温度を採用してある程度結晶化を進行させた組成物を熱重量分析に供するのが良い。
また、発明者らは、本発明活物質の回折ピークの半値幅を詳細に解析することで800℃までの温度で合成した試料においては格子内にひずみが残存しており、それ以上の温度で合成することでほとんどひずみを除去することができることを確認した。また、結晶子のサイズは合成温度が上昇するに比例して大きくなるものであった。よって、本発明活物質の組成においても、系内に格子のひずみがほとんどなく、かつ結晶子サイズが十分成長した粒子を志向することで良好な放電容量を得られるものであった。具体的には、格子定数に及ぼすひずみ量が1%以下、かつ結晶子サイズが100nm以上に成長しているような合成温度(焼成温度)を採用することが好ましいことがわかった。これらを電極として成型して充放電をおこなうことで膨張収縮による変化も見られるが、充放電過程においても結晶子サイズは50nm以上を保っていることが得られる効果として好ましい。即ち、焼成温度を上記した活物質の酸素放出温度にできるだけ近付けるように選択することにより、はじめて、可逆容量が顕著に大きい活物質を得ることができる。
本願明細書に記載した合成条件及び合成手順を採用することにより、上記のような高性能の正極活物質を得ることができる。とりわけ、充電上限電位を4.5Vより低く設定した場合、例えば4.4Vや4.3Vといった充電上限電位を設定した場合でも高い放電容量を得ることができる非水電解質二次電池用正極活物質とすることができる。
硫酸コバルト7水和物4.6873g、硫酸ニッケル6水和物6.5743g及び硫酸マンガン5水和物22.110gを秤量し、これらの全量をイオン交換水200mlに溶解させ、Co;Ni:Mnのモル比が12.5:18.75:68.75となる0.67Mの硫酸塩水溶液を作製した。一方、2dm3の反応槽に750mlのイオン交換水を注ぎ、CO2ガスを30minバブリングさせることにより、イオン交換水中にCO2を溶解させた。反応槽の温度を50℃(±2℃)に設定し、攪拌モーターを備えたパドル翼を用いて反応槽内を700rpmの回転速度で攪拌しながら、前記硫酸塩水溶液を3ml/minの速度で滴下した。ここで、滴下の開始から終了までの間、0.67Mの炭酸ナトリウム及び0.067Mのアンモニアを含有する水溶液を適宜滴下することにより、反応槽中のpHが常に8.6(±0.05)を保つように制御した。滴下終了後、反応槽内の攪拌をさらに1h継続した。攪拌の停止後、12h以上静置した。
Co、Ni及びMnの各元素がそれぞれ12.5:18.75:68.75のモル比で溶解している硫酸塩水溶液を作製した。一方、イオン交換水を満たした反応槽の温度を70℃に保ち、NaOH水溶液を滴下してpHを10.3に調整した。次いで、不活性ガスをバブリングさせることによって、溶存酸素を除去した。この反応層には、反応槽内部の液面が一定の高さを超えるとその排出口から溶液が排出されるように排出口が設けられている。また、反応槽内には、撹拌羽が備えられていると共に、攪拌時に上下方向の対流を生じさせるための円筒型の対流板が固定されている。反応槽内を攪拌させながら、前記硫酸塩水溶液を11.5ml/minの送液速度で滴下した。前記硫酸塩水溶液を滴下している間、前記排出口から反応生成物を含む溶液一部が反応槽の外へ排出されるが、前記硫酸塩水溶液の全量を滴下し終わるまでの排出溶液は、反応槽内に戻さず、廃棄した。滴下操作を継続している間、反応槽の温度を70℃に保つと共に、pHを監視しながらpHが常に10.3±0.1の範囲内に収まるようにNaOH水溶液を適宜滴下した。滴下終了後、攪拌を停止し、12h以上静止した。次に、共沈生成物を濾別し、空気雰囲気中、常圧下において、オーブンで140℃にて乾燥させた。乾燥後、共沈生成物を粒径を揃える程度に軽く粉砕した。これにより乾燥粉末を得た。
炭酸リチウム(Li2CO3)と水酸化コバルト(Co(OH)2)と水酸化ニッケル(Ni(OH)2)とオキシ水酸化マンガン(MnOOH)とを、Li、Co、Ni、Mnの各元素が、150:12.5:18.75:68.75の比率となるように秤量し、乳鉢をもちいて各原料を十分に混合および粉砕した。次いで、得られた混合物2gを空気中において1000℃で12時間焼成した。このようにして、比較例2に係るリチウム遷移金属複合酸化物を得た。
炭酸リチウム(Li2CO3)と水酸化コバルト(Co(OH)2)と水酸化ニッケル(Ni(OH)2)とオキシ水酸化マンガン(MnOOH)とを、Li、Co、Ni、Mnの各元素が、130:12.6:18.4:69.0の比率となるように秤量し、乳鉢をもちいて各原料を十分に混合および粉砕した。次いで、得られた混合物2gを空気中において900℃で10時間焼成した。このようにして、比較例3に係るリチウム遷移金属複合酸化物を得た。
実施例1及び比較例1、2のそれぞれのリチウム遷移金属複合酸化物を非水電解質二次電池用正極活物質として用いて、以下の手順で非水電解質二次電池を作製し、電池特性を評価した。
共沈炭酸塩前駆体と炭酸リチウムの混合比率及び焼成温度について、表2〜3の記載に沿って変更したことを除いては、実施例1と同様にして、リチウム遷移金属複合酸化物を合成した。
また、実施例2〜55についても、電位4.8V(vs.Li/Li+)まで電気化学的に酸化したとき、エックス線回折上六方晶構造の単一相として観察されるものであることが確認された。
Claims (5)
- 六方晶構造を有するリチウム遷移金属複合酸化物を含有する非水電解質二次電池用活物質であって、前記リチウム遷移金属複合酸化物は、Co、Ni及びMnを含む遷移金属元素Me、並びに、Liを含有し、前記遷移金属元素Meに対するLiのモル比Li/Meが1.25〜1.60であり、前記遷移金属元素Me中のCoのモル比Co/Meが0.02〜0.23であり、前記遷移金属元素Me中のMnのモル比Mn/Meが0.63〜0.72であり、電位4.8V(vs.Li/Li+)まで電気化学的に酸化したとき、エックス線回折図上六方晶構造の単一相として観察されるものであることを特徴とする非水電解質二次電池用活物質。
- 六方晶構造を有するリチウム遷移金属複合酸化物を含有する非水電解質二次電池用活物質であって、前記リチウム遷移金属複合酸化物は、Co、Ni及びMnを含む遷移金属元素Me、並びに、Liを含有し、前記遷移金属元素Meに対するLiのモル比Li/Meが1.25〜1.60であり、前記遷移金属元素Me中のCoのモル比Co/Meが0.02〜0.23であり、前記遷移金属元素Me中のMnのモル比Mn/Meが0.63〜0.72であり、電位5.0V(vs.Li/Li+)まで電気化学的に酸化したとき、エックス線回折図上六方晶構造の単一相として観察されるものであることを特徴とする非水電解質二次電池用活物質。
- 前記リチウム遷移金属複合酸化物は、Co、Ni及びMnを含む化合物の共沈前駆体とリチウム化合物とを混合して焼成したものである請求項1又は2に記載の非水電解質二次電池用活物質。
- 請求項1〜3のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池用活物質を含有する非水電解質二次電池用電極。
- 請求項4に記載の非水電解質二次電池用電極を備えた非水電解質二次電池。
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