JP2013193888A - 非水電解質二次電池用リチウム複合酸化物粒子粉末及びその製造方法、並びに非水電解質二次電池 - Google Patents

非水電解質二次電池用リチウム複合酸化物粒子粉末及びその製造方法、並びに非水電解質二次電池 Download PDF

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Abstract

【課題】 本発明は、負荷特性、サイクル特性に優れたリチウム複合酸化物粒子粉末を提供する。
【解決手段】 ニッケル・コバルト・マンガン系化合物粒子粉末、ジルコニウム原料、リチウム原料を混合、焼成して得ることができる、Ｚｒ化合物が粒子表面に存在しており、且つ、前記Ｚｒ化合物の化学式がＬｉｘ（Ｚｒ１−ｙＡｙ）Ｏｚ（ｘ、ｙ及びｚは、２．０≦ｘ≦８．０、０≦ｙ≦１．０、２．０≦ｚ≦６．０）で表され、Ｚｒ含有量が０．０５〜１．０ｗｔ％であるリチウム複合酸化物粒子粉末を正極活物質として用いることにより、高温での電気抵抗が低く、高温でのサイクル特性及び高温レート特性に優れたリチウムイオン二次電池を製造することが出来る。
【選択図】 なし

Description

本発明は、高温での電気抵抗が低く、高温でのサイクル特性及び高温レート特性に優れたリチウム複合酸化物粒子粉末を提供する。
近年、ＡＶ機器やパソコン等の電子機器のポータブル化、コードレス化が急速に進んでおり、これらの駆動用電源として小型、軽量で高エネルギー密度を有する二次電池への要求が高くなっている。このような状況下において、充放電電圧が高く、充放電容量も大きいという長所を有するリチウムイオン二次電池が注目されている。
従来、４Ｖ級の電圧をもつ高エネルギー型のリチウムイオン二次電池に有用な正極活物質としては、スピネル型構造のＬｉＭｎ２Ｏ４、ジグザグ層状構造のＬｉＭｎＯ２、層状岩塩型構造のＬｉＣｏＯ２、ＬｉＣｏ１−ＸＮｉＸＯ２、ＬｉＮｉＯ２等が一般的に知られている。なかでもＬｉＣｏＯ２を用いたリチウムイオン二次電池は高い充放電電圧と充放電容量を有する点で優れているが、Ｃｏが高価であることから、ＬｉＣｏＯ２に代わる様々な正極活物質が研究されている。
一方、ＬｉＮｉＯ２を用いたリチウムイオン二次電池は高い充放電容量を有する電池として注目されている。しかし、この材料は、充電時の熱安定性及び充放電サイクル耐久性に劣るため、更なる特性改善が求められている。
即ち、ＬｉＮｉＯ２はリチウムを引き抜いた際に、Ｎｉ３＋がＮｉ４＋となりヤーンテラー歪を生じ、リチウムを０．４５引き抜いた領域で六方晶から単斜晶へ、さらに引き抜くと単斜晶から六方晶と結晶構造が変化する。そのため、充放電反応を繰り返すことによって、結晶構造が不安定となり、サイクル特性が悪くなる、又酸素放出による電解液との反応などが起こり、電池の熱安定性及び保存特性が悪くなるといった特徴があった。この課題を解決する為に、ＬｉＮｉＯ２のＮｉの一部にＣｏ、Ａｌ、Ｍｎ、Ｔｉなどを添加した材料の研究が行われてきている。
即ち、ＬｉＮｉＯ２のＮｉの一部を異種元素で置換することによって、置換元素が有する特性を付与することが可能となる。例えば、ＬｉＮｉＯ２にＣｏを置換した場合、少ないＣｏ量でも、高い充放電電圧と充放電容量を有することが期待できる。一方、ＬｉＭｎ２Ｏ４はＬｉＮｉＯ２又はＬｉＣｏＯ２に対して安定な系ではあるが、結晶構造が異なるため置換できる量には制限がある。
そこで、Ｃｏ、Ｍｎで置換したＬｉＮｉＯ２において、充填性が高く結晶構造が安定なＣｏ、Ｍｎで置換したＬｉＮｉＯ２を得るためには、組成、物性及び結晶性、粒度分布を制御したニッケル・コバルト・マンガン系前駆体を用いる必要がある。
一方、近年の電気自動車などへの用途では、より高温での使用など厳しい使用環境での、より高い安定性及び高寿命であることが求められている。即ち、二次電池として、高温下でのサイクル特性及び高温レート特性に優れることが求められている。
従来、リチウム複合酸化物粒子粉末に異種金属を添加することでサイクル特性等を改善することが知られている（特許文献１〜４）。
国際公開２００７／１０２４０７号 特開２００６−１２６１６号公報 特開２００６−２５３１４０号公報 特表２０１０−５３５６９９号公報 国際公開２００７／０５２７１２号
前記諸特性を満たすリチウム複合酸化物粒子粉末は現在最も要求されているところであるが、未だ得られていない。
前出特許文献１、２、３、４に記載されたように、前駆体の生成反応時にＺｒを添加する方法で、リチウム複合酸化物粒子内にＺｒが均一に分布させた場合表面改質効果が十分とは言い難い。Ｚｒはリチウム複合酸化物結晶構造の中に置換されることがないためリチウム複合酸化物の結晶性が低くなり、熱的な安定性が低下するばかりでなく、表面の活性も抑制されることがないためにサイクル特性や高電圧での耐久性が改善されない。
また、前出特許文献１、５に記載されたように、リチウム複合酸化物とした後でＺｒを表面に添加して５００℃以下で熱処理する方法では、Ｚｒ化合物が十分効果を発揮するＬｉ２ＺｒＯ３には成りえないので、効果が期待できない。
前記技術的課題は、次の通りの本発明によって達成できる。
即ち、本発明は、ニッケル、コバルト及びマンガンを含有するリチウム複合酸化物粒子粉末であって、該リチウム複合酸化物粒子粉末の粒子表面にＺｒ化合物が存在しており、且つ、前記Ｚｒ化合物の化学式がＬｉｘ（Ｚｒ１−ｙＡｙ）Ｏｚ（ｘ、ｙ及びｚは、２．０≦ｘ≦８．０、０≦ｙ≦１．０、２．０≦ｚ≦６．０、Ａ：Ｍｇ、Ａｌ、Ｃａ、Ｔｉ、Ｙ、Ｓｎ、Ｃｅから選ばれる少なくとも１種）で表され、Ｚｒ含有量が０．０５〜１．０ｗｔ％であることを特徴とするリチウム複合酸化物粒子粉末である（本発明１）。
また、本発明は、粒子表面に存在するＺｒ化合物の一次粒子の平均粒径が２．０μｍ以下である請求項１記載のリチウム複合酸化物粒子粉末である（本発明２）。
また、本発明は、粒子表面に存在するＺｒ化合物において、ｘ＝２である請求項１又は２記載のリチウム複合酸化物粒子粉末である（本発明３）。
また、本発明は、ニッケル・コバルト・マンガン系化合物粒子粉末、ジルコニウム化合物及びリチウム化合物を混合し、次いで、焼成するリチウム複合酸化物粒子粉末の製造方法において、ニッケル・コバルト・マンガン系化合物粒子粉末の挙動粒子の平均粒径が１．０μｍから２５．０μｍである本発明１〜３のいずれかに記載のリチウム複合酸化物粒子粉末の製造方法である（本発明４）。
また、本発明は、ニッケル・コバルト・マンガン系化合物粒子粉末、ジルコニウム化合物及びリチウム化合物を混合し、次いで、焼成するリチウム複合酸化物粒子粉末の製造方法において、前記ニッケル・コバルト・マンガン系化合物粒子粉末の挙動粒子の平均粒径が１．０〜２５．０μｍであり、且つ、前記ジルコニウム化合物は、挙動粒子の平均粒径が４．０μｍ以下の酸化ジルコニウムである請求項６記載のリチウム複合酸化物粒子粉末の製造方法である（本発明５）。
また、本発明は、本発明１〜３のいずれかに記載のリチウム複合酸化物粒子粉末を正極活物質またはその一部として用いた非水電解質二次電池である（本発明６）。
本発明に係るリチウム複合酸化物粒子粉末は、高温での電気抵抗が低く、高温でのサイクル特性及び高温レート特性に優れた非水電解質二次電池が得られるので、非水電解質二次電池用の正極活物質として好適である。
実施例１で得られたリチウム複合酸化物粒子粉末のＳＥＭ像である。 実施例１で得られたリチウム複合酸化物粒子粉末のＳＥＭ像（図１）に対応するＺｒマッピングした図である。
本発明の構成をより詳しく説明すれば次の通りである。
先ず、本発明に係るリチウム複合酸化物粒子粉末について述べる。
本発明に係るリチウム複合酸化物粒子粉末は、Ｌｉ（Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｎ）Ｏ２化合物を主成分とするリチウム複合酸化物粒子粉末の粒子表面にＺｒ化合物が存在するものである。リチウム複合酸化物粒子粉末の粒子表面にＺｒ化合物を存在させることによって、当該リチウム複合酸化物粒子粉末を二次電池の正極活物質として用いた場合に、高温での電気抵抗が低く、高温でのサイクル特性及びレート特性に優れた二次電池が得られるものである。
粒子表面に存在させるＺｒ化合物は、化学式がＬｉｘ（Ｚｒ１−ｙＡｙ）Ｏｚ（ｘ、ｙ及びｚは、２．０≦ｘ≦８．０、０≦ｙ≦１．０、２．０≦ｚ≦６．０）で表される。
ｘ、ｙ、ｚが前記範囲外の場合には、表面改質効果が十分とは言い難い。Ｚｒ化合物は好ましくは化学式：Ｌｉ２ＺｒＯ３（空間群：Ｃ２／ｃ）、Ｌｉ６Ｚｒ２Ｏ７、Ｌｉ４ＺｒＯ４、Ｌｉ８ＺｒＯ６である。より好ましくはｘが２のＬｉ２ＺｒＯ３である。
粒子表面に存在するＺｒ化合物は、Ａ元素である、Ｍｇ、Ａｌ、Ｃａ、Ｔｉ、Ｙ、Ｓｎ、Ｃｅから選ばれる少なくとも１種である元素を含有してもよい。前記Ａ元素を含有することによって、よりサイクル特性が向上する。
本発明に係るリチウム複合酸化物粒子粉末における前記Ｚｒ化合物のＺｒ含有量が粒子全体に対して０．０５〜１．０ｗｔ％である。Ｚｒ含有量が０．０５ｗｔ％未満の場合、サイクル特性が改善されない。Ｚｒ含有量が１．０ｗｔ％を超える場合、初期放電容量が減少する。より好ましいＺｒ含有量は０．０５〜０．８ｗｔ％である。
粒子表面に存在するＺｒ化合物の一次粒子の平均粒径は２．０μｍ以下であることが好ましい。Ｚｒ化合物の一次粒子の平均粒径が２．０μｍを超える場合には、表面改質効果が十分とは言い難い。より好ましい一次粒子の平均粒径は０．１〜１．５μｍである。
本発明に係るリチウム複合酸化物粒子粉末のニッケル、コバルト及びマンガン組成比は、Ｎｉ：Ｃｏ：Ｍｎのモル比（ｍｏｌ％）をａ：ｂ：ｃとした場合、ａが５〜６５ｍｏｌ％、ｂが５〜６５ｍｏｌ％、ｃが５〜５５ｍｏｌ％である（ただし、ａ＋ｂ＋ｃ＝１００ｍｏｌ％である）ことが好ましい。前記組成の範囲以外の場合は、原材料価格、リチウム複合酸化物化時の製造方法、物理特性、電池特性含め総合的にバランスの取れた範囲を逸脱し、何れかの観点でバランスを崩すものであり好ましくない。より好ましい組成比はＮｉ：Ｃｏ：Ｍｎのモル比（ｍｏｌ％）をａ：ｂ：ｃとした場合、ａが５〜６０ｍｏｌ％、ｂが５〜５５ｍｏｌ％、ｃが５〜３５ｍｏｌ％であり、更により好ましくはａが５〜５５ｍｏｌ％、ｂが５〜５５ｍｏｌ％、ｃが５〜３５ｍｏｌ％である。
本発明に係るリチウム複合酸化物粒子粉末の金属元素（Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、異種元素）の総モル数に対するＬｉのモル数比は１．００〜１．２０が好ましい。１．００より低いとその分だけ電池容量が低下する。１．２０よりも多いと電池容量に寄与しない余分なＬｉが増えるだけで、結果的に重量および体積当たりの電池容量が低下する。
なお、リチウム複合酸化物粒子粉末の粒子内部には、Ｆ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｐ、Ｃａ、Ｔｉ、Ｙ、Ｓｎ、Ｂｉ、Ｃｅから選ばれる１種以上の元素（以下、「異種元素」とする）をニッケル・コバルト・マンガン系化合物粒子粉末中の金属元素（Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、異種元素）の総モル数に対して０．０５〜５．０ｍｏｌ％含有してもよい。
本発明に係るリチウム複合酸化物粒子粉末の挙動粒子の平均粒径（Ｄ５０）は１．０〜２５．０μｍが好ましい。平均粒径が１μｍ未満の場合には、充填密度の低下と安全性が低下する。２５．０μｍを超える場合には、工業的に生産することが困難となる。より好ましい挙動粒子の平均粒径（Ｄ５０）は３．０〜１５．０μｍ、更により好ましくは４．０〜１２．０μｍである。
なお、本発明に係るリチウム複合酸化物粒子粉末のＢＥＴ比表面積は１．０ｍ２／ｇ以下が好ましい。ＢＥＴ比表面積が１．０ｍ２／ｇを超える場合には充填密度の低下や電解液との反応性が増加するため好ましくない。
本発明に係るリチウム複合酸化物粒子粉末の電気抵抗率（Ω・ｃｍ）は、１．０×１０４〜１．０×１０７Ω・ｃｍであることが好ましい。リチウム複合酸化物粒子粉末の電気抵抗率が１．０×１０７Ω・ｃｍより高いと、電池の正極材として電気抵抗が高すぎるため、電圧が低くなるなど電池特性を大きく損なうことになる。電気抵抗率が１．０×１０４Ω・ｃｍより低くなることは、酸化物として考えにくい。なお、リチウム複合酸化物粒子粉末の電気抵抗率は、直径２０ｍｍφの金型に試料を８．００ｇ入れて、５０ＭＰａの圧力をかけたときの体積抵抗率（Ω・ｃｍ）である。
次に、本発明に係るリチウム複合酸化物粒子粉末の製造法について述べる。
本発明においては、あらかじめニッケル・コバルト・マンガン系化合物粒子粉末を作製し、該ニッケル・コバルト・マンガン系化合物粒子粉末とリチウム化合物とジルコニウム化合物とを混合し、焼成して得ることができる。
前記ニッケル・コバルト・マンガン系化合物粒子粉末の製造方法は特に限定されるものではないが、例えば、アルカリ溶液中に、ニッケル、コバルト及びマンガンを含有する金属塩を含有する溶液とアルカリ溶液とを同時に滴下し、中和、沈殿反応を行ってニッケル・コバルト・マンガン系化合物粒子を含有する反応スラリーを得、該反応スラリーを濾過、水洗し、必要により乾燥して、ニッケル・コバルト・マンガン系化合物粒子粉末（水酸化物、オキシ水酸化物、酸化物又はそれらの混合物）得ることができる。
必要に応じて、Ｍｇ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｓｎ等の異種元素を微量添加してもよく、あらかじめニッケル、コバルト、マンガン酸塩と混合する方法、ニッケル、コバルト、マンガン酸塩と同時に添加する方法、反応途中で反応溶液に添加する方法、のいずれの手段を用いても構わない。
本発明に係るリチウム複合酸化物粒子粉末は、前記ニッケル・コバルト・マンガン系化合物粒子粉末、ジルコニウム化合物、リチウム化合物を混合、焼成して得られるものであり、前記ニッケル・コバルト・マンガン系化合物粒子粉末は、挙動粒子の平均粒径が１．０から２５．０μｍ程度の化合物が好ましい。
ニッケル・コバルト・マンガン系化合物粒子粉末の挙動粒子の平均粒径が１μｍ未満の場合、充填密度が低下するだけでなく、後に添加するジルコニウム化合物と容易に反応し、ジルコニウムが粒子内部まで拡散するためジルコニウム添加による効果も発揮できず、さらに本来の電池容量の点でも好ましくない。挙動粒子が２５．０μｍを超えるニッケル・コバルト・マンガン系化合物粒子粉末は工業的に生産することが困難である。
また、ジルコニウム化合物は、挙動粒子の平均粒径が４．０μｍ以下の酸化ジルコニウムであることが好ましい。
ジルコニウム化合物の挙動粒子の平均粒径が４．０μｍを超える場合、ジルコニウム化合物が未反応のまま残留したりＺｒ化合物が単独で生成し、リチウム複合酸化物の表面改質効果が不十分となる。より好ましい平均粒径は０．１〜２．０μｍである。
ジルコニウム化合物の添加割合は、ニッケル・コバルト・マンガン系化合物粒子粉末中の金属元素（Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、異種元素）の総モル数に対してＺｒが０．３〜１．５ｍｏｌ％となるように添加する。
リチウム複合酸化物粒子粉末の粒子表面に、Ｍｇ、Ａｌ、Ｃａ、Ｔｉ、Ｙ、Ｓｎ、Ｃｅから選ばれる少なくとも１種であるＡ元素を含有するＬｉｘ（Ｚｒ１−ｙＡｙ）Ｏｚを存在させる場合には、ジルコニウム原料とともに、前記Ａ元素の化合物を添加・混合すればよい。
リチウムの混合比は、ニッケル・コバルト・マンガン系化合物粒子粉末中の金属元素（Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、異種金属）の総モル数に対して１．００〜１．２０であることが好ましい。
焼成温度は、９００℃以上であることが好ましい。９００℃未満の場合には、目標とする結晶性の良い層状岩塩型構造のリチウム複合酸化物になり得ない、もしくは、リチウム化自体が不完全となり、リチウムイオン電池とした時に、充放電容量などの電池特性が十分に発揮できなくなる。焼成時の雰囲気は酸化性ガス雰囲気が好ましい。反応時間は５〜３０時間が好ましい。
次に、本発明に係るリチウム複合酸化物粒子粉末からなる正極活物質を用いた正極について述べる。
本発明に係るリチウム複合酸化物粒子粉末からなる正極活物質を用いて正極を製造する場合には、常法に従って、導電剤と結着剤とを添加混合する。導電剤としてはアセチレンブラック、カーボンブラック、黒鉛等が好ましく、結着剤としてはポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン等が好ましい。
なお、正極を製造する際には、本発明に係るリチウム複合酸化物粒子粉末について挙動粒子の平均粒径（Ｄ５０）が異なる２種類以上を併用してもよい。
本発明に係るリチウム複合酸化物粒子粉末を用いて製造される二次電池は、前記正極、負極及び電解質から構成される。
負極活物質としては、リチウム金属、リチウム／アルミニウム合金、リチウム／スズ合金、グラファイトや黒鉛等を用いることができる。
また、電解液の溶媒としては、炭酸エチレンと炭酸ジエチルの組み合わせ以外に、炭酸プロピレン、炭酸ジメチル等のカーボネート類や、ジメトキシエタン等のエーテル類の少なくとも１種類を含む有機溶媒を用いることができる。
さらに、電解質としては、六フッ化リン酸リチウム以外に、過塩素酸リチウム、四フッ化ホウ酸リチウム等のリチウム塩の少なくとも１種類を上記溶媒に溶解して用いることができる。
本発明に係る正極活物質を用いて製造した二次電池は、初期放電容量が１５０〜１７０ｍＡｈ／ｇであり、後述する評価法で測定したレート特性（高負荷容量維持率）が９５％以上、サイクル特性（サイクル容量維持率）８５％以上の優れた特性を示す。
＜作用＞
本発明において重要な点は、リチウム複合酸化物粒子の粒子表面にＬｉｘ（Ｚｒ１−ｙＡｙ）ＯｚからなるＺｒ化合物を存在させることによって、該リチウム複合酸化物粒子粉末を二次電池の正極活物質として用いた場合には、高温での電気抵抗が低く、高温でのサイクル特性及びレート特性に優れた二次電池が得られるという事実である。
本発明に係るリチウム複合酸化物粒子粉末が二次電池の正極活物質として優れた特性を有する理由として、リチウム複合酸化物粒子粉末の粒子表面に前記Ｚｒ化合物が存在することによって、リチウム複合酸化物の電気化学特性を損なうことなく、表面活性を抑制できるためであると本発明者は推定している。
より具体的には、Ｚｒ化合物（Ｌｉ２ＺｒＯ３）による効果のメカニズムは、十分解明できていないが本発明者らは以下のように推定している。通常、リチウムイオン二次電池には、電解質、正極の添加剤としてフッ素含有化合物が用いられている。これらのフッ素化合物は、リチウムイオン電池として充放電を繰り返していると、電解液中にＨＦが発生し、それがリチウム複合酸化物からのＭｎの溶出を起こしたり、負極への電解液・電極間物質（ＳＥＩ）の析出を促し電池特性が劣化していくと考えられているが、その電解液中に発生するＨＦをＺｒ化合物（Ｌｉ２ＺｒＯ３など）が何らかの作用で捕捉するのではないかと考えている。
なお、Ｚｒ化合物がリチウム複合酸化物粒子粉末の表面に存在せず粒子内部に存在する場合には、Ｚｒはリチウム複合酸化物粒子の結晶構造の中に置換されることがないためリチウム複合酸化物粒子の結晶性が低くなり、熱的な安定性が低下するばかりでなく、表面の活性も抑制されることがないためにサイクル特性や高電圧での耐久性が改善されないものと本発明者は推定している。
本発明の代表的な実施の形態は次の通りである。
挙動粒子の平均粒径（Ｄ５０）はレーザー式粒度分布測定装置マイクロトラックＨＲＡ［日揮装（株）製］を用いて湿式レーザー法で測定した体積基準の平均粒径である。
尚、試料にはヘキサメタリン酸ソーダーを添加し、超音波分散した後に測定を行った。
一次粒子径は、ＳＥＭ像から平均値を読み取った。
被覆又は存在させる粒子の存在状態はエネルギー分散型Ｘ線分析装置付き走査電子顕微鏡ＳＥＭ−ＥＤＸ［（株）日立ハイテクノロジーズ製］を用いて観察した。
試料の同定は、粉末Ｘ線回折（ＲＩＧＡＫＵ Ｃｕ−Ｋα ４０ｋＶ ４０ｍＡ）を用いた。Ｚｒ化合物の結晶相の同定も同様に行った。
比表面積はＭａｃｓｏｒｂ ＨＭ ｍｏｄｅｌ−１２０８（マウンテック社製）を用いて、ＢＥＴ法にて測定した。
粉末の電気抵抗率は、直径２０ｍｍφの金型に試料を８．００ｇ入れて、５０ＭＰａの圧力をかけたときの抵抗値を粉体抵抗率測定システム（ロレスタ）を用いて測定し、体積抵抗率（Ω・ｃｍ）で示した。
正極活物質の電池特性は、下記製造法によって正極、負極及び電解液を調整しコイン型の電池セルを作製して評価した。
＜電池構成＞
サイクル評価に係るコインセルについては、Ｎ−メチルピロリドン溶媒中に、本発明による正極活物質粒子粉末であるリチウム複合酸化物粒子粉末を９４重量％、導電材としてケッチェンブラックを０．５重量％、グラファイトを２．５重量％、ポリフッ化ビニリデン３重量％とを投入混練した後、Ａｌ金属箔に塗布し１２０℃にて乾燥した。このシートを１４ｍｍΦに打ち抜いた後、３ｔ／ｃｍ２で圧着し、正極とした。
対極は水溶媒中に、グラファイト負極活物質を９４重量％、導電材としてアセチレンブラックを２重量％、増粘剤としてカルボキシメチルセルロースを２重量％、バインダーとしてスチレンブタジエンゴムを２重量％投入混練した後、Ｃｕ金属箔に塗布し９０℃にて乾燥した。このシートを１６ｍｍΦに打ち抜いた後、３ｔ／ｃｍ２で圧着し、負極とした。
電解液は１ｍｏｌ／ＬのＬｉＰＦ６を溶解したＥＣとＤＭＣを体積比で１：２で混合した溶液を用いて２０３２型コインセルを作製した。
サイクル評価以外の充放電特性、レート特性および直流抵抗測定に用いるコインセルには、上記の正極電極の大きさを１６ｍｍΦとし、負極はリチウム箔を１８ｍｍΦに打ち抜いたものを用意した。
＜電池評価＞
初期充放電特性は、室温で充電は４．３Ｖまで０．２Ｃの電流密度にて行った後、９０分間低電圧充電を行い、放電を３．０Ｖまで０．２Ｃの電流密度にて行い、その時の初期充電容量、初期放電容量及び初期効率を測定した。
レート特性は、２５℃、６０℃それぞれの温度において、０．２Ｃでの放電容量測定（ａ）を行なった後に再度０．２Ｃで充電を行ない、その後に５．０Ｃで放電容量を測定（ｂ）して、ｂ／ａ×１００（％）として決定した。
また、サイクル特性については、６０℃において、カットオフが２．５Ｖから４．２Ｖの間で３０１サイクルの充放電を行い、初回充放電に対する３０１サイクル目の放電容量の割合とした。尚、充放電レートに関しては、１００サイクルに一回の周期で０．１Ｃレートの充放電を行った以外は、１．０Ｃのレートで加速的に充放電を繰り返した。
直流抵抗の測定については、−１０℃、６０℃それぞれの温度において、ＳＯＣ１００％状態から放電方向に１Ｃ相当のパルス電流を流し、このときの電圧変動と電流値からオームの法則に基づいて抵抗値を算出した。
サイクル試験後の負極表面のＥＤＸ分析については、該当するコインセルをＡｒ充填したグローブボックス中で解体し取り出した負極を、ジメチルカーボネートで洗浄して電解液を洗浄除去、その後、真空脱気してジメチルカーボネートを除去したものをＥＤＸ分析した。
実施例１
２ｍｏｌ／ｌの硫酸ニッケルと硫酸コバルトおよび硫酸マンガンをＮｉ：Ｃｏ：Ｍｎ＝１：１：１になるように混合した水溶液と５．０ｍｏｌ／ｌアンモニア水溶液を、同時に反応槽内に供給した。反応槽は羽根型攪拌機で常に攪拌を行い、同時にｐＨ＝１１．５±０．５となるように２ｍｏｌ／ｌの水酸化ナトリウム水溶液を自動供給した。生成したニッケル・コバルト・マンガン水酸化物はオーバーフローされ、オーバーフロー管に連結された濃縮槽で濃縮し、反応槽へ循環を行い、反応槽と沈降槽中のニッケル・コバルト・マンガン水酸化物濃度が４ｍｏｌ／ｌになるまで４０時間反応を行った。
反応後、取り出した懸濁液を、フィルタープレスを用いて水洗を行った後、乾燥を行い、Ｎｉ：Ｃｏ：Ｍｎ＝１：１：１の平均二次粒子径（Ｄ５０）が１０．３μｍのニッケル・コバルト・マンガン水酸化物粒子を得た。
得られたニッケル・コバルト・マンガン水酸化物粒子粉末と炭酸リチウムと酸化ジルコニウムを、リチウム／（ニッケル＋コバルト＋マンガン）のモル比が１．０５となるように、またジルコニウム／（ニッケル＋コバルト＋マンガン＋ジルコニウム）のモル比が０．０１となるように各々所定量を十分混合し、この混合物を大気中で、９５０℃にて１０時間焼成し、解砕した。
得られた焼成物の化学組成は、ＩＣＰ分析の結果、Ｎｉ：Ｃｏ：Ｍｎのモル比（ｍｏｌ％）で、３３．０１：３３．７１：３３．２８であり、ニッケル、コバルト及びマンガンの総量に対するＬｉのモル比（リチウム／（ニッケル＋コバルト＋マンガン））は１．０４であった。また、Ｚｒ組成は８４００ｐｐｍであった。平均粒子径Ｄ５０は９．５７μｍ、ＢＥＴ比表面積は０．３６ｍ２／ｇであった。
得られたリチウム複合酸化物粒子粉末のＳＥＭ写真を図１に示す。図１と同じ視野においてＺｒマッピングした写真を図２に示す。図２ではＺｒ元素が存在する部分において白くなっている。図１と図２において円で囲んだ部分は同じ部分である。図１の粒子表面に存在する化合物は、図２からＺｒを含有する化合物であることが確認された。そして、図１及び図２からＺｒ化合物は粒子表面に偏在していることが確認された。
一方、得られたリチウム複合酸化物粒子粉末のＸ線回折パターンによれば、Ｌｉ（ＮｉＣｏＭｎ）Ｏ２系化合物の回折ピークとともに、Ｌｉ２ＺｒＯ３のピークが確認された。
前記正極活物質を用いて作製したコイン型電池は、初期放電容量が１５６．５ｍＡｈ／ｇであった。また、レート特性は７４．２％、サイクル特性は６９．２％であった。
実施例２〜５、比較例１〜２
ニッケル・コバルト・マンガン水酸化物粒子粉末と酸化ジルコニウムの挙動粒子の平均粒径及びＺｒの含有量を種々変化させた以外は、前記実施例１と同様にして、リチウム複合酸化物からなる正極活物質を得た。
このときの製造条件、及び得られた正極活物質の諸特性を表１及び表２に示す。
なお、実施例２〜５で得られたリチウム複合酸化物粒子粉末について、実施例１と同様にしてＺｒ化合物の存在状態及び結晶構造を確認したところ、粒子表面にＬｉ２ＺｒＯ３で存在することを確認した。
比較例３
実施例１の前駆体の合成において、２ｍｏｌ／ｌの硫酸ニッケルと硫酸コバルトおよび硫酸マンガンをモル比においてＮｉ：Ｃｏ：Ｍｎ＝１：１：１になるように混合するところを、そこに硫酸ジルコニウムを加えて、Ｎｉ：Ｃｏ：Ｍｎ：Ｚｒ＝３３：３３：３３：１となるように混合し、その水溶液と５．０ｍｏｌ／ｌアンモニア水溶液を、同時に反応槽内に供給した。続けて実施例１と同様に反応し、さらに乾燥処理して、Ｎｉ：Ｃｏ：Ｍｎ：Ｚｒ＝３３：３３：３３：１の平均二次粒子径（Ｄ５０）が１０．３μｍのジルコニウム含有ニッケル・コバルト・マンガン水酸化物粒子を得た。その後、得られたジルコニウム含有ニッケル・コバルト・マンガン水酸化物粒子粉末と炭酸リチウムを、リチウム／（ニッケル＋コバルト＋マンガン）のモル比が１．０５となるように所定量を十分混合し、この混合物を大気中で、９５０℃にて１０時間焼成し、解砕した。
得られた正極活物質の諸特性を表１及び表２に示す。
比較例３で得られた正極活物質について、ＳＥＭ観察、Ｘ線回折パターンから、Ｚｒ化合物は粒子表面に存在しないことが確認された。
粒子内部にＺｒ化合物が存在する場合には、Ｚｒはリチウム複合酸化物粒子の結晶構造の中に置換されることがないためリチウム複合酸化物粒子の結晶性が低くなり、熱的な安定性が低下するばかりでなく、表面の活性も抑制されることがないためにサイクル特性や高電圧での耐久性が改善されないものと本発明者は推定している。
比較例４
実施例１のように合成・乾燥して、前駆体のニッケル・コバルト・マンガン水酸化物粒子粉末を得て、続いて得られたニッケル・コバルト・マンガン水酸化物粒子粉末と炭酸リチウムを、リチウム／（ニッケル＋コバルト＋マンガン）のモル比が１．０５となるように所定量を十分混合し、この混合物を大気中で、９５０℃にて１０時間焼成し、解砕した。得られたリチウム複合酸化物粒子粉末に、酸化ジルコニウム粉末をモル比においてＮｉ：Ｃｏ：Ｍｎ：Ｚｒ＝３３：３３：３３：１となるように所定量を十分混合し、この混合物を大気中で、５００℃にて３時間焼成して解砕した。
得られた正極活物質の諸特性を表１及び表２に示す。
比較例４で得られた正極活物質について、ＳＥＭ観察、Ｘ線回折パターンから、Ｚｒ化合物は粒子表面に存在すること及びＺｒ化合物がＺｒＯ２化合物であることが確認された。
実施例と比較例とを対比すると、本発明に係るリチウム複合酸化物粒子粉末は、高温でのサイクル特性及び高温レート特性に優れた非水電解質二次電池が得られることが分かる。具体的には、実施例１及び２は、比較例１、３及び４に対して、６０℃でのレート特性、６０℃でのサイクル特性に優れるともに、サイクル特性評価後の負極へのＦ、Ｐ、Ｍｎの析出が少ないことが分かる。また、同様に、実施例３及び４は、比較例２に対して、優れた特性を有することが明らかである。
本発明に係るリチウム複合酸化物粒子粉末は、負荷特性、サイクル特性及び熱安定性に優れるので、二次電池用の正極活物質として好適である。

Claims (6)

  1. ニッケル、コバルト及びマンガンを含有するリチウム複合酸化物粒子粉末であって、該リチウム複合酸化物粒子粉末の粒子表面にＺｒ化合物が存在しており、且つ、前記Ｚｒ化合物の化学式がＬｉｘ（Ｚｒ１−ｙＡｙ）Ｏｚ（ｘ、ｙ及びｚは、２．０≦ｘ≦８．０、０≦ｙ≦１．０、２．０≦ｚ≦６．０、Ａ：Ｍｇ、Ａｌ、Ｃａ、Ｔｉ、Ｙ、Ｓｎ、Ｃｅから選ばれる少なくとも１種）で表され、Ｚｒ含有量が０．０５〜１．０ｗｔ％であることを特徴とするリチウム複合酸化物粒子粉末。
  2. 粒子表面に存在するＺｒ化合物の一次粒子の平均粒径が２．０μｍ以下である請求項１記載のリチウム複合酸化物粒子粉末。
  3. 粒子表面に存在するＺｒ化合物において、ｘ＝２である請求項１又は２記載のリチウム複合酸化物粒子粉末。
  4. ニッケル・コバルト・マンガン系化合物粒子粉末、ジルコニウム化合物及びリチウム化合物を混合し、次いで、焼成するリチウム複合酸化物粒子粉末の製造方法において、ニッケル・コバルト・マンガン系化合物粒子粉末の挙動粒子の平均粒径が１．０μｍから２５．０μｍである請求項１〜３のいずれかに記載のリチウム複合酸化物粒子粉末の製造方法。
  5. ニッケル・コバルト・マンガン系化合物粒子粉末、ジルコニウム化合物及びリチウム化合物を混合し、次いで、焼成するリチウム複合酸化物粒子粉末の製造方法において、前記ニッケル・コバルト・マンガン系化合物粒子粉末の挙動粒子の平均粒径が１．０〜２５．０μｍであり、且つ、前記ジルコニウム化合物は、挙動粒子の平均粒径が４．０μｍ以下の酸化ジルコニウムである請求項４記載のリチウム複合酸化物粒子粉末の製造方法。
  6. 請求項１〜３のいずれかに記載のリチウム複合酸化物粒子粉末を正極活物質またはその一部として用いた非水電解質二次電池。
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