JP2013147416A - ニッケル複合水酸化物とその製造方法、非水系電解質二次電池用正極活物質とその製造方法、および非水系電解質二次電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】原料となるニッケル複合水酸化物の粒度分布を制御し、微細一次粒子からなる中心部と、この中心部の外側に存在し、前記一次粒子よりも大きな板状の一次粒子からなる外殻部を有する構造の複合水酸化物を、晶析時のpH制御により、核生成工程と粒子成長工程に分離するとともに、それぞれの工程における反応雰囲気と、それぞれの工程において供給される金属化合物におけるマンガン含有量とを、それぞれ制御しつつ、得る。
【選択図】図1
Description
一般式(a):NixCoyAlzMntMs(x+y+z+t+s=1、0≦y≦0.8、0≦z≦0.1、0.1≦t≦0.8、0≦s≦0.05、Mは、Mg、Ca、Ti、V、Cr、Zr、Nb、MoおよびWからなる群より選ばれる少なくとも1種の添加元素)の組成比で金属元素を含有する金属化合物とアンモニウムイオン供給体を含む核生成用水溶液を、液温25℃基準でpH値が12.0〜14.0となるように制御して、酸素濃度が1容量%を超える酸化性雰囲気中で核生成を行う核生成工程と、
前記核生成工程において形成された核を含有する粒子成長用水溶液を、液温25℃基準でpH値が10.5〜12.0となるように制御して、前記核を成長させる粒子成長工程であって、該粒子成長工程の開始から終了までの時間全体に対して、該粒子成長工程の開始時から1%〜15%の範囲で、前記酸化性雰囲気から酸素濃度1容量%以下の酸素と不活性ガスの混合雰囲気に切り替え、かつ、供給される金属化合物を、一般式(b):NixCoyAlzMntMs(x+y+z+t+s=1、0≦y≦0.3、0≦z≦0.1、0≦t<0.05、0≦s≦0.05、Mは、Mg、Ca、Ti、V、Cr、Zr、Nb、MoおよびWからなる群より選ばれる少なくとも1種の添加元素)の組成比で金属元素を含有する金属化合物に切り替える粒子成長工程と、
を備えるとともに、
少なくとも前記核生成用水溶液に含まれる金属化合物および前記粒子成長工程において供給される金属化合物のいずれにもアルミニウムが含まれていない場合には、前記粒子成長工程で得られたニッケル複合水酸化物に、アルミニウム化合物を被覆する工程をさらに備える、ことを特徴とする。
前記ニッケル複合水酸化物を105℃〜750℃の温度で熱処理する工程と、
前記熱処理後のニッケル複合水酸化物に対して、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、
前記混合工程で形成された前記リチウム混合物を、酸化性雰囲気中、700℃〜800℃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。
(粒子の組成)
本発明の複合水酸化物は、一般式(1):NixCoyAlzMntMs(OH)2+a(x+y+z+t+s=1、0≦y≦0.3、0<z≦0.1、0.001<t≦0.05、0≦s≦0.05、0≦a≦0.5、Mは、Mg、Ca、Ti、V、Cr、Zr、Nb、MoおよびWからなる群より選ばれる少なくとも1種の添加元素)で表される組成を有する。
本発明の複合水酸化物は、図4に例示されるように、略球状の粒子である。具体的には、図5に例示されるように、この複合水酸化物は、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から構成されており、さらに詳細には、微細一次粒子が凝集して形成された中心部と、この中心部の外側に存在し、前記微細一次粒子よりも大きな板状一次粒子が凝集して形成された外殻部を有する構造となっている。
本発明の複合水酸化物は、二次粒子の平均粒径が、3μm〜15μm、好ましくは3μm〜7μmに調整されている。平均粒径を3μm〜15μmとすることで、本発明の複合水酸化物を原料として得られる正極活物質であるニッケル複合酸化物(以下、「複合酸化物」という)についても、所定の平均粒径(2μm〜15μm)に調整することが可能となる。このように、複合水酸化物の粒径は、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。
本発明の複合水酸化物は、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以下となるように調整されている。正極活物質の粒度分布は、原料である複合水酸化物の粒度分布の影響を強く受けるため、複合水酸化物に微粒子あるいは粗大粒子が混入していると、正極活物質にも同様の粒子が存在するようになる。すなわち、〔(d90−d10)/平均粒径〕が0.55を超え、粒度分布が広い状態であると、正極活物質にも微粒子あるいは粗大粒子が存在するようになる。
本発明の複合水酸化物の製造方法は、晶析反応により、一般式(1)により表される複合水酸化物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。
a)核生成工程
図1に示すように、まず、金属の組成比が、複合水酸化物に関する一般式(2)に対応するように、一般式(a):NixCoyAlzMntMs(x+y+z+t+s=1、0≦y≦0.8、0≦z≦0.1、0.1≦t≦0.8、0≦s≦0.05、Mは、Mg、Ca、Ti、V、Cr、Zr、Nb、MoおよびWからなる群より選ばれる少なくとも1種の添加元素)の組成比となるように、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。
核生成工程の終了後、前記核生成用水溶液のpH値を、液温25℃基準でpH値が10.5〜12.0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値の制御は、アルカリ水溶液の供給量を調節することにより行う。
複合水酸化物(二次粒子)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を得ることができる。
以上のように、本発明の複合水酸化物の製造方法においては、核生成工程では核生成が優先して起こり、核の成長はほとんど生じず、逆に、粒子成長工程では核成長のみが生じ、ほとんど新しい核は生成されない。このため、核生成工程では、粒度分布の範囲が狭く均質な核を形成させることができ、また、粒子成長工程では、均質に核を成長させることができる。したがって、本発明の複合水酸化物の製造方法では、粒度分布の範囲が狭く、均質な複合水酸化物を得ることが可能となる。
図2に示す別実施形態のように、核生成用水溶液とは別に、粒子成長工程に適したpH値、アンモニウムイオン濃度に調整された成分調整水溶液を形成しておき、この成分調整水溶液に、別の反応槽で核生成工程を行って生成した核を含有する水溶液(核生成用水溶液、好ましくは核生成用水溶液から液体成分の一部を除去したもの)を添加して反応水溶液とし、この反応水溶液を粒子成長用水溶液として粒子成長工程を行ってもよい。
本発明の核生成工程における反応雰囲気は、酸化性雰囲気、より具体的には、反応槽内の空間の酸素濃度が1容量%を超える酸化性雰囲気とする必要がある。酸素濃度が10容量%を超える酸化性雰囲気が好ましく、制御が容易な大気雰囲気(酸素濃度:21容量%)とすることが特に好ましい。酸素濃度が1容量%を超える雰囲気とすることで、一次粒子の平均粒径を0.01μm〜0.3μmとすることができる。酸素濃度が1容量%以下では、中心部の一次粒子の平均粒径が0.3μmを超えることがある。酸素濃度の上限は、特に限定されるものではないが、30容量%を超えると、一次粒子の平均粒径が0.01μm未満となる場合があり、好ましくない。
このように、本発明では、各工程において、それぞれの目的に応じて、反応雰囲気を制御するとともに、混合水溶液の組成を変更する必要がある。すなわち、本発明の複合水酸化物が有する粒子構造は、上述したように、核生成工程および粒子成長工程における、混合水溶液の組成および反応雰囲気を制御することにより形成される。すなわち、核生成工程と粒子成長工程の初期の一部を酸化性雰囲気とし、かつ、混合水溶液の組成を一般式(a)で表わされる組成とすることで、微細一次粒子からなり、空隙が多い低密度の中心部が形成され、その後の粒子成長工程において、酸化性雰囲気から切り替えて、弱酸化性から非酸化性の範囲の雰囲気とするとともに、混合水溶液の組成を一般式(b)で表される組成に切り替えることで、前記中心部の外側に、微細一次粒子よりも大きな板状一次粒子からなり、緻密で高密度の外殻部を有する二次粒子構造を形成することができ、かつ、複合水酸化物の二次粒子の組成を全体として一般式(1)で表される組成とすることができる。
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12.0〜14.0の範囲となるように制御する必要がある。pH値が14.0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12.0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、核生成のみを起こすことができ、生成される核を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。
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、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。このような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値制御の容易さから、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。
反応水溶液中のアンモニア濃度は、以下の問題を生じさせないために、好ましくは3g/L〜25g/Lの範囲内で一定値に保持する。アンモニアは錯化剤として作用するため、アンモニア濃度が3g/L未満であると、金属イオンの溶解度を一定に保持することができず、形状および粒径が整った複合水酸化物の一次粒子が形成されず、ゲル状の核が生成しやすいため粒度分布も広がりやすい。一方、上記アンモニア濃度が25g/Lを超える濃度では、金属イオンの溶解度が大きくなり過ぎ、反応水溶液中に残存する金属イオン量が増えて、組成のずれなどが起きる。
本発明の複合水酸化物の構成元素である、ニッケル、コバルト、アルミニウムおよびマンガンの供給源としては、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、塩酸塩などが挙げられる。たとえば、硫酸ニッケル、硫酸マンガン、硫酸コバルト、硫酸アルミニウム、アルミン酸ナトリウムが好ましく用いられる。
本発明において、少なくとも前記核生成用水溶液に含まれる金属化合物および前記粒子成長工程において供給される金属化合物のいずれにもアルミニウムが含まれていない場合には、前記粒子成長工程で得られた複合水酸化物に、アルミニウム化合物を被覆する工程をさらに備える必要がある。
混合水溶液の濃度は、金属化合物の合計で1mol/L〜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するため好ましくない。一方、混合水溶液の塩濃度が2.2mol/Lを超えると、常温での飽和濃度を超えるため、結晶が再析出して設備の配管を詰まらせるなどの危険がある。
反応槽内において、反応液の温度は、好ましくは20℃以上、特に好ましくは20℃〜60℃に設定する。反応液の温度が20℃未満の場合、溶解度が低いため核発生が起こりやすく制御が難しくなる。一方、60℃を超えると、アンモニアの揮発が促進されるため、所定のアンモニア濃度を保つために、過剰のアンモニウムイオン供給体を添加しなければならならず、コスト高となる。
本発明の複合水酸化物の製造方法では、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。このような装置を採用すると、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(4):Li1+uNixCoyAlzMntMsO2(−0.05≦u≦0.20、x+y+z+t+s=1、0≦y≦0.3、0<z≦0.1、0.001<t≦0.05、0≦s≦0.05、Mは、Mg、Ca、Ti、V、Cr、Zr、Nb、MoおよびWからなる群より選ばれる少なくとも1種の添加元素)で表されるリチウムニッケル複合酸化物であって、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。
本発明の正極活物質において、リチウムの過剰量を示すuは、−0.05以上0.20以下の範囲とする。リチウムの過剰量uが−0.05未満の場合、得られた正極活物質を用いた非水系電解質二次電池における正極の反応抵抗が大きくなるため、電池の出力が低くなってしまう。一方、リチウムの過剰量uが0.20を超える場合、上記正極活物質を電池の正極に用いた場合の初期放電容量が低下するとともに、正極の反応抵抗も増加してしまう。リチウムの過剰量uは、この反応抵抗をより低減させるためには0.00以上0.15以下とすることが好ましい。
本発明の正極活物質は、平均粒径が2μm〜15μmの範囲にある。平均粒径が2μm未満では、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15μmを超えると、正極活物質の比表面積が低下して、正極と電解液との界面が減少するため、正極の抵抗が上昇して電池の出力特性が低下する。
図6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2μm〜15μmである、きわめて均質性が高いリチウムニッケル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7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、たとえば、2032型コイン電池の正極に用いた場合、185mAh/g以上の高い初期放電容量、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、一般式(4)により表される正極活物質を製造する方法であって、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、複合水酸化物を、105℃〜750℃の温度に加熱して熱処理する工程であり、複合水酸化物に含有されている水分を除去するものである。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(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。ここで、上記熱処理粒子には、熱処理工程において残留水分を除去された複合水酸化物のみならず、熱処理工程で酸化物に転換された複合酸化物、もしくはこれらが混合したものも含まれる。
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、リチウムニッケル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ことにより、熱処理粒子中に、リチウムを含有する物質中のリチウムが拡散し、リチウムニッケル複合酸化物が形成される。
リチウム混合物の焼成は、650℃〜800℃で、より好ましくは700℃〜800℃で、さらに好ましくは740℃〜770℃で行われる。
焼成時間のうち、焼成温度での保持時間は、少なくとも2時間以上とすることが好ましく、より好ましくは、4時間〜24時間である。2時間未満では、リチウムニッケル複合酸化物の生成が十分に行われないことがある。
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、焼成温度より低い温度、具体的には100℃〜500℃の温度で、1時間〜10時間程度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容量%〜100容量%の雰囲気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さらに好ましい。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。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。
焼成によって得られたリチウムニッケル複合酸化物は、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、該リチウムニッケル複合酸化物を解砕することが好ましい。これにより、リチウムニッケル複合酸化物、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。
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り、以下、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。このようなセパレータは、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。
SO2)2、およびそれらの複合塩などを用いることができる。
本発明の非水系電解質二次電池は、上述した構成からなり、本発明の正極活物質を用いた正極を有しているので、たとえば、後述する実施例で構成した2032型コイン電池の場合では、185mAh/g以上の高い初期放電容量、6Ω以下の正極抵抗が得られ、高容量で高出力となる。しかも、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、安全性においても優れているといえる。
本発明の二次電池は、上記特性を有するので、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。
[複合水酸化物の製造]
複合水酸化物を、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、正極活物質および二次電池の作製には、特に断りのない限りは、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、水を半分の量まで入れて撹拌しながら、槽内温度を40℃に設定した。このときの反応槽内は、大気雰囲気(酸素濃度:21容量%)とした。この反応槽内の水に、25質量%水酸化ナトリウム水溶液と25質量%アンモニア水を適量加えて、液温25℃基準で、槽内の反応液のpH値が13.0となるように調整した。さらに、該反応液中のアンモニア濃度を15g/Lに調節して反応前水溶液とした。
核生成終了後、反応水溶液のpH値が液温25℃基準で11.6になるまで35質量%硫酸を添加して、反応水溶液のpH値が11.6に到達した後、反応水溶液(粒子成長用水溶液)に、再度、25質量%水酸化ナトリウム水溶液の供給を再開し、pH値を液温25℃基準で11.6に制御したまま、15分間の晶析を継続し粒子成長を行った後、給液を一旦停止し、反応槽内空間の酸素濃度が0.2容量%以下となるまで窒素ガスを5L/minで流通させた。
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、Ni0.79Co0.16Al0.03Mn0.02(OH)2+a(0≦a≦0.5)であった。
上記複合水酸化物を、空気(酸素:21容量%)気流中にて、700℃で6時間の熱処理を行って、複合酸化物に転換して回収した。
複合水酸化物と同様の方法で、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4.4μmであり、〔(d90−d10)/平均粒径〕値は、0.43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8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、初期放電容量および正極抵抗は、以下のように定義した。
複合水酸化物の製造工程における粒子成長工程において、大気雰囲気から窒素雰囲気への切り替えおよび原液の切り替えを、粒子成長工程時間全体に対して開始時から4.2%の時点で行ったこと以外は、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。なお、得られた複合水酸化物および正極活物質の組成は、Ni0.80Co0.16Al0.03Mn0.01(OH)2+a(0≦a≦0.5)およびLi1.06Ni0.80Co0.16Al0.03Mn0.01O2であり、複合水酸化物は、実施例1と同様に針状、薄片状の微細一次粒子(粒径およそ0.3μm)からなる中心部と、該中心部の外側にこの微細一次粒子よりも大きい板状の一次粒子(粒径0.7μm)からなる外殻部とにより構成されていた。
複合水酸化物の製造工程における粒子成長工程において、大気雰囲気から窒素雰囲気への切り替えおよび原液の切り替えを、粒子成長工程時間全体に対して開始時から2.1%の時点で行ったこと以外は、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。なお、得られた複合水酸化物および正極活物質の組成は、Ni0.81Co0.15Al0.03Mn0.01(OH)2+a(0≦a≦0.5)およびLi1.06Ni0.81Co0.15Al0.03Mn0.01O2であり、複合水酸化物は実施例1と同様に針状、薄片状の微細一次粒子(粒径およそ0.3μm)からなる中心部と、該中心部の外側にこの微細一次粒子よりも大きい板状の一次粒子(粒径0.8μm)からなる外殻部とにより構成されていた。
複合水酸化物の製造工程において、アルミニウムを添加せず、得られた水酸化物に、一般式(1)においてt=0.03となるように、アルミン酸ナトリウムを用いた被覆法によりアルミニウム化合物を表面に被覆することにより、アルミニウムを添加したこと以外は、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るとともに評価した。なお、得られた複合水酸化物および正極活物質の組成は、Ni0.79Co0.16Al0.03Mn0.02(OH)2+a(0≦a≦0.5)およびLi1.06Ni0.79Co0.16Al0.03Mn0.02O2であり、複合水酸化物は、実施例1と同様に針状、薄片状の微細一次粒子(粒径およそ0.3μm)からなる中心部と、該中心部の外側にこの微細一次粒子よりも大きい板状の一次粒子(粒径0.8μm)からなる外殻部とにより構成されていた。
複合水酸化物の製造工程において、粒子成長工程における、大気雰囲気から窒素雰囲気への切り替えを、粒子成長工程の開始時から20分、すなわち、粒子成長工程時間全体に対して開始時から8.3%の時点で行ったこと以外は、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。得られた複合水酸化物および正極活物質の組成は、Ni0.78Co0.17Al0.03Mn0.03(OH)2+a(0≦a≦0.5)およびLi1.06Ni0.78Co0.17Al0.03Mn0.03O2であり、複合水酸化物は実施例1と同様に針状、薄片状の微細一次粒子(粒径0.3μm)からなる中心部と、該中心部の外側にこの微細一次粒子よりも大きい板状の一次粒子(粒径0.5μm)からなる外殻部とにより構成されていた。
複合水酸化物の製造工程において、粒子成長工程における、大気雰囲気から窒素雰囲気への切り替えを、粒子成長工程の開始時から20分で行ったこと、晶析時間を合計で8時間としたこと以外は、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るとともに評価した。なお、粒子成長工程における反応槽からの上澄み液の抜き出しは、2時間おきにおこなった。また、実施例6では、大気雰囲気から窒素雰囲気への切り替えは粒子成長工程時間全体に対して開始時から4.2%の時点で行ったことになる。
複合水酸化物の製造工程において、粒子成長工程における、大気雰囲気から窒素雰囲気への切り替えを、粒子成長工程の開始時から35分、すなわち、粒子成長工程時間全体に対して開始時から16.6%の時点で行ったこと以外は、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。得られた複合水酸化物および正極活物質の組成は、Ni0.75Co0.18Al0.03Mn0.05(OH)2+a(0≦a≦0.5)およびLi1.06Ni0.75Co0.18Al0.03Mn0.05O2であり、複合水酸化物は、実施例1と同様に針状の微細一次粒子(粒径0.3μm)からなる中心部と、該中心部の外側にこの微細一次粒子よりも大きい板状の一次粒子(粒径0.5μm)からなる外殻部とにより構成されていた。一方、正極活物質は、製造工程での粒子の破壊や焼結が発生したため、その後の評価を中止した。
複合水酸化物の製造工程において、核生成工程で用いた混合水溶液の各金属の元素モル比をNi:Co:Mn=1:1:8となるように調整したこと、粒子成長工程における、大気雰囲気から窒素雰囲気への切り替えを、粒子成長工程の開始時から30分、すなわち粒子成長工程時間全体に対して開示から12.5%の時点で行ったこと以外は、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。得られた複合水酸化物および正極活物質の組成は、Ni0.73Co0.14Al0.03Mn0.10(OH)2+a(0≦a≦0.5)およびLi1.06Ni0.73Co0.14Al0.03Mn0.10O2であり、複合水酸化物は、実施例4と同様に針状の微細一次粒子(粒径0.3μm)からなる中心部と、該中心部の外側にこの微細一次粒子よりも大きい板状の一次粒子(粒径0.5μm)からなる外殻部とにより構成されていた。
粒成長工程における大気雰囲気から窒素雰囲気への切り替え、および、混合溶液の切り替えを粒子成長工程の開始時から行ったこと以外は、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。得られた複合水酸化物および正極活物質の組成は、Ni0.82Co0.15Al0.03Mn0.001(OH)2+a(0≦a≦0.5)およびLi1.06Ni0.82Co0.15Al0.03Mn0.001O2であり、複合水酸化物は、中心部に針状の微細一次粒子が見られたが、中心部の大きさは十分ではなく、大きい板状の一次粒子が占める割合が大きかった。このため、得られた正極活物質は中実構造であった。
核生成工程における混合溶液および粒子成長工程における大気雰囲気から窒素雰囲気への切り替えまでの混合溶液を、窒素雰囲気工程と同じマンガンを含まないニッケルコバルトからなる溶液を使用したこと以外は、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るとともに評価した。得られた複合水酸化物および正極活物質の組成は、Ni0.82Co0.15Al0.03(OH)2+a(0≦a≦0.5)およびLi1.06Ni0.82Co0.15Al0.03O2であり、複合水酸化物は中心部に針状の微細一次粒子はほとんど見られず、大きい板状の一次粒子から構成されていた。このため、得られた正極活物質は中実構造であった。
核生成工程における混合溶液および粒子成長工程における大気雰囲気から窒素雰囲気への切り替えまでの混合溶液を、各金属の元素モル比が、Ni:Co:Mn=80:15:5(Al=0)となるように調整したこと以外は、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るとともに評価した。得られた複合水酸化物および正極活物質の組成は、Ni0.82Co0.15Al0.03Mn0.003(OH)2+a(0≦a≦0.5)およびLi1.06Ni0.82Co0.15Al0.03Mn0.003O2であり、複合水酸化物は中心部に針状の微細一次粒子はほとんど見られず、大きい板状の一次粒子から構成されていた。このため、得られた正極活物質は中実構造であった。
実施例1〜6の複合水酸化物および正極活物質は、本発明に従って製造されたため、平均粒径および粒度分布の広がりを示す指標である〔(d90−d10)/平均粒径〕値のいずれもが、好ましい範囲にあり、均一で適度な粒径を有する粒子となっている。また、いずれの正極活物質も、凝集した一次粒子が焼結している外殻部と、その内側の中空部とからなる構造を備えている。これらの正極活物質を用いたコイン型電池は、初期放電容量が高く、サイクル特性に優れ、正極抵抗も低いものとなっており、優れた特性を有した電池となっている。
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)
- 晶析反応により、一般式(1):NixCoyAlzMntMs(OH)2+a(x+y+z+t+s=1、0≦y≦0.3、0<z≦0.1、0.001<t≦0.05、0≦s≦0.05、0≦a≦0.5、Mは、Mg、Ca、Ti、V、Cr、Zr、Nb、MoおよびWからなる群より選ばれる少なくとも1種の添加元素)で表されるニッケル複合水酸化物の製造方法であって、
一般式(a):NixCoyAlzMntMs(x+y+z+t+s=1、0≦y≦0.8、0≦z≦0.1、0.1≦t≦0.8、0≦s≦0.05、Mは、Mg、Ca、Ti、V、Cr、Zr、Nb、MoおよびWからなる群より選ばれる少なくとも1種の添加元素)の組成比で金属元素を含有する金属化合物とアンモニウムイオン供給体を含む核生成用水溶液を、液温25℃基準でpH値が12.0〜14.0となるように制御して、酸素濃度が1容量%を超える酸化性雰囲気中で核生成を行う核生成工程と、
前記核生成工程において形成された核を含有する粒子成長用水溶液を、液温25℃基準でpH値が10.5〜12.0となるように制御して、前記核を成長させる粒子成長工程であって、該粒子成長工程の開始から終了までの時間全体に対して、該粒子成長工程の開始時から1%〜15%の範囲で、前記酸化性雰囲気から酸素濃度1容量%以下の酸素と不活性ガスの混合雰囲気に切り替え、かつ、供給される金属化合物を、一般式(b):NixCoyAlzMntMs(x+y+z+t+s=1、0≦y≦0.3、0≦z≦0.1、0≦t<0.05、0≦s≦0.05、Mは、Mg、Ca、Ti、V、Cr、Zr、Nb、MoおよびWからなる群より選ばれる少なくとも1種の添加元素)の組成比で金属元素を含有する金属化合物に切り替える粒子成長工程と、
を備えるとともに、
少なくとも前記核生成用水溶液に含まれる金属化合物および前記粒子成長工程において供給される金属化合物のいずれにもアルミニウムが含まれていない場合には、前記粒子成長工程で得られたニッケルコバルト複合水酸化物に、アルミニウム化合物を被覆する工程をさらに備える、
ことを特徴とする、ニッケル複合水酸化物の製造方法。 - 前記酸化性雰囲気の酸素濃度が10容量%以上である、請求項1に記載のニッケル複合水酸化物の製造方法。
- 前記粒子成長工程における前記雰囲気および供給される金属化合物の切り替えを、前記粒子成長工程の開始時から2%〜12.5%の範囲で行う、請求項1に記載のニッケル複合水酸化物の製造方法。
- 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、請求項1に記載のニッケル複合水酸化物の製造方法。
- 前記混合雰囲気の酸素濃度が、0.5容量%以下である、請求項1に記載のニッケル複合水酸化物の製造方法。
- 前記粒子成長工程において、前記粒子成長用水溶液のうちの液体部分の一部を排出する、請求項1に記載のニッケル複合水酸化物の製造方法。
- 前記核生成工程および前記粒子成長工程において、前記核生成用水溶液および前記粒子成長用水溶液のアンモニア濃度を3g/L〜25g/Lの範囲内に維持する、請求項1に記載のニッケル複合水酸化物の製造方法。
- 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種以上の添加元素の化合物を被覆する工程をさらに含む、請求項1に記載のニッケル複合水酸化物の製造方法。
- 一般式(1):NixCoyAlzMntMs(OH)2+a(x+y+z+t+s=1、0≦y≦0.3、0<z≦0.1、0.001<t≦0.05、0≦s≦0.05、0≦a≦0.5、Mは、Mg、Ca、Ti、V、Cr、Zr、Nb、MoおよびWからなる群より選ばれる少なくとも1種の添加元素)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からなり、該二次粒子は、平均粒径が3μm〜15μm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以下であって、
前記二次粒子は、一般式(2):NixCoyAlzMntMs(OH)2+a(x+y+z+t+s=1、0≦y≦0.8、0≦z≦0.1、0.1≦t≦0.8、0≦s≦0.05、0≦a≦0.5、Mは、Mg、Ca、Ti、V、Cr、Zr、Nb、MoおよびWからなる群より選ばれる少なくとも1種の添加元素)で表される複合水酸化物の微細一次粒子からなる中心部と、
該中心部の外側に存在し、一般式(3):NixCoyAlzMntMs(OH)2+a(x+y+z+t+s=1、0≦y≦0.3、0≦z≦0.1、0≦t<0.05、0≦s≦0.05、0≦a≦0.5、Mは、Mg、Ca、Ti、V、Cr、Zr、Nb、MoおよびWからなる群より選ばれる少なくとも1種の添加元素)で表される複合水酸化物であって、前記微細一次粒子よりも大きな板状一次粒子からなる外殻部と、
を有し、
アルミニウムが、前記中心部および外殻部の少なくとも一方に存在するか、または、前記二次粒子の表面にアルミニウム化合物として存在する、
ことを特徴とする、ニッケル複合水酸化物。 - 前記微細一次粒子は、平均粒径が0.01μm〜0.3μmであり、前記板状一次粒子は、平均粒径が0.3μm〜3μmである、請求項9に記載のニッケル複合水酸化物。
- 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5%〜45%である、請求項9に記載のニッケル複合水酸化物。
- 前記アルミニウムが、前記二次粒子の内部に均一に分布している、および/または、前記アルミニウム化合物が、前記二次粒子の表面を均一に被覆している、請求項9に記載のニッケル複合水酸化物。
- 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している、および/または、前記1種以上の添加元素の化合物が、前記二次粒子の表面を均一に被覆している、請求項9に記載のニッケル複合水酸化物。
- 一般式(4):Li1+uNixCoyAlzMntMsO2(−0.05≦u≦0.20、x+y+z+t+s=1、0≦y≦0.3、0<z≦0.1、0.001<t≦0.05、0≦s≦0.05、Mは、Mg、Ca、Ti、V、Cr、Zr、Nb、MoおよびWからなる群より選ばれる少なくとも1種の添加元素)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からなり、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複合酸化物からなる非水系電解質二次電池用正極活物質の製造方法であって、
請求項9〜13のいずれかに記載のニッケルコバルトアルミニウム複合水酸化物を105℃〜750℃の温度で熱処理する工程と、
前記熱処理後のニッケル複合水酸化物またはニッケル複合酸化物に対して、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、
前記混合工程で形成された前記リチウム混合物を、酸化性雰囲気中、700℃〜800℃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、1:0.95〜1.2となるように調整される、請求項14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、焼成前に予め350℃〜800℃の温度で仮焼を行う、請求項14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容量%〜100容量%の酸素を含有する雰囲気とする、請求項14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(4):Li1+uNixCoyAlzMntMsO2(−0.05≦u≦0.20、x+y+z+t+s=1、0≦y≦0.3、0<z≦0.1、0.001<t≦0.05、0≦s≦0.05、Mは、Mg、Ca、Ti、V、Cr、Zr、Nb、MoおよびWからなる群より選ばれる少なくとも1種の添加元素)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からなり、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コバルトアルミニウム複合酸化物からなる非水系電解質二次電池用正極活物質であって、平均粒径が2μm〜15μm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、凝集した一次粒子が焼結している外殻部と、その内側に存在する中空部とからなる中空構造を備える、ことを特徴とする非水系電解質二次電池用正極活物質。
- 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5%〜35%である、請求項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18または19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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