JP2014118335A - リチウム複合酸化物およびその製造方法、そのリチウム複合酸化物を含む二次電池用正極活物質、それを含む二次電池用正極、ならびにそれを正極として用いるリチウムイオン二次電池 - Google Patents
リチウム複合酸化物およびその製造方法、そのリチウム複合酸化物を含む二次電池用正極活物質、それを含む二次電池用正極、ならびにそれを正極として用いるリチウムイオン二次電池 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】正極活物質として用いた場合に、体積当たりの放電容量が高く、常温よりも高い温度雰囲気内で使用したときのサイクル特性に優れ、さらに熱安定性に優れるリチウムイオン二次電池を得ることができるリチウム複合酸化物の提供。
【解決手段】粒子状であってコアおよびシェルから構成され、前記コアはリチウム複合酸化物Aからなり、前記シェルはリチウム複合酸化物Bからなりハイブリッド型リチウム複合酸化物と、粒子状であって単一組成のリチウム複合酸化物Cからなる非ハイブリッド型リチウム複合酸化物とを主成分として含み、前記リチウム複合酸化物A、前記リチウム複合酸化物Bおよび前記リチウム複合酸化物Cの各々は、層状リチウム複合酸化物、スピネル型リチウム複合酸化物等からなる、混合型リチウム複合酸化物。
【選択図】図4
【解決手段】粒子状であってコアおよびシェルから構成され、前記コアはリチウム複合酸化物Aからなり、前記シェルはリチウム複合酸化物Bからなりハイブリッド型リチウム複合酸化物と、粒子状であって単一組成のリチウム複合酸化物Cからなる非ハイブリッド型リチウム複合酸化物とを主成分として含み、前記リチウム複合酸化物A、前記リチウム複合酸化物Bおよび前記リチウム複合酸化物Cの各々は、層状リチウム複合酸化物、スピネル型リチウム複合酸化物等からなる、混合型リチウム複合酸化物。
【選択図】図4
Description
本発明はリチウム複合酸化物およびその製造方法、そのリチウム複合酸化物を含む二次電池用正極活物質、それを含む二次電池用正極、ならびにそれを正極として用いるリチウムイオン二次電池に関する。
リチウム電池は、他の電池に比べて大きなエネルギー密度を持ち、軽く、長時間使用できるという特徴を有し、携帯電話、PHS、小型コンピューター等の携帯機器類用電源、電力貯蔵用電源、電気自動車用電源等として用いるために開発が進められている。
このようなリチウム電池は、リチウム含有複合酸化物を含む正極活物質からなる正極と、カーボン等のリチウムを吸蔵・放出することができる材料を活物質とする負極と、非水電解液を含むセパレータまたは固体電解質とを、主要構成成分として備えている。
そして、これら構成要素のうち、正極活物質として検討されているものには、リチウムコバルト複合酸化物(LiCoO2)、リチウムニッケル複合酸化物(LiNiO2)、リチウムマンガン複合酸化物(LiMn2O4)等がある。特に、リチウムコバルト複合酸化物を正極に用いた電池については、優れた初期容量特性やサイクル特性を得るための開発がこれまで数多く行われており、すでに実用化に至っている。
しかし、コバルトが希少資源であるため、リチウムコバルト複合酸化物を正極に用いたリチウムイオン二次電池は高価である。そこで、コバルトよりも安価で高エネルギー密度を実現できる代替材料が求められており、すでにいくつかの提案がなされている。
そして、これら構成要素のうち、正極活物質として検討されているものには、リチウムコバルト複合酸化物(LiCoO2)、リチウムニッケル複合酸化物(LiNiO2)、リチウムマンガン複合酸化物(LiMn2O4)等がある。特に、リチウムコバルト複合酸化物を正極に用いた電池については、優れた初期容量特性やサイクル特性を得るための開発がこれまで数多く行われており、すでに実用化に至っている。
しかし、コバルトが希少資源であるため、リチウムコバルト複合酸化物を正極に用いたリチウムイオン二次電池は高価である。そこで、コバルトよりも安価で高エネルギー密度を実現できる代替材料が求められており、すでにいくつかの提案がなされている。
例えば特許文献1には、表面処理された非水電解質二次電池用の複合正極活物質の製造方法であって、正極活物質と表面処理成分とをあらかじめ混合し、次いで、高速せん断作用を有する装置で被覆処理することを特徴とする非水電解二次電池用のリチウム遷移金属複合酸化物である正極化物質の製造方法が記載されている。
しかしながら、特許文献1等に記載の従来のリチウム複合酸化物を正極活物質として用いた電池の体積当たり放電容量は十分には高くなく、また、常温より高い温度で使用したときのサイクル特性が低いという問題点があることを、本発明者は見出した。さらに、本発明者は、特許文献1等に記載の従来のリチウム複合酸化物を正極活物質として用いた電池は、熱安定性に改善の余地がある点を見出した。
本発明は上記のような従来のリチウム複合酸化物の問題点を解決するものである。すなわち、それを正極活物質として用いた場合に、体積当たりの放電容量が高く、常温よりも高い温度雰囲気内で使用したときのサイクル特性に優れ、さらに熱安定性に優れるリチウムイオン二次電池を得ることができるリチウム複合酸化物およびその製造方法を提供することを目的とする。また、このようなリチウム複合酸化物を含む正極活物質を提供することを目的とする。また、この正極活物質を用いたリチウムイオン二次電池用正極を提供することを目的とする。さらに、この正極を用いたリチウムイオン二次電池を提供することを目的とする。
本発明者は上記課題を解決するため鋭意検討し、本発明を完成させた。
本発明は以下の(1)〜(11)である。
(1)粒子状であって、各々の粒子はコアおよび前記コアを被覆するシェルから構成され、前記シェルは1層以上からなり、前記コアはリチウム複合酸化物Aからなり、前記シェルはリチウム複合酸化物Bからなり、前記コアと前記シェルとは異なる物質からなる、ハイブリッド型リチウム複合酸化物と、
粒子状であって、各々の粒子は単一組成のリチウム複合酸化物Cからなる非ハイブリッド型リチウム複合酸化物と、
を主成分として含み、
前記リチウム複合酸化物A、前記リチウム複合酸化物Bおよび前記リチウム複合酸化物Cの各々は、層状リチウム複合酸化物、スピネル型リチウム複合酸化物、逆スピネル型リチウム複合酸化物、ケイ酸塩型リチウム複合酸化物、およびオリビン型リチウム複合酸化物からなる群から選ばれる少なくとも1つを主成分とする、混合型リチウム複合酸化物。
(2)前記層状リチウム複合酸化物は下記式(I)で表され、
前記スピネル型リチウム複合酸化物、前記逆スピネル型リチウム複合酸化物、前記ケイ酸塩型リチウム複合酸化物、および前記オリビン型リチウム複合酸化物は下記式(II)で表される、上記(1)に記載の混合型リチウム複合酸化物。
式(I):Li(1+x)M1 (1-x-p)M2 pO(2-a)
式(II):Li(y+z)M1 (2-z-q)M2 qO(4-b)
ただし、式(I)および式(II)において、M1はMn、Ni、Co、Mg、Fe、AlおよびCrからなる群から選ばれる少なくとも1つの元素であり、M2はB、P、Pb、Sb、SiおよびVからなる群から選ばれる少なくとも1つの元素であり、0≦x≦0.5、1.0≦y≦2.0、0≦z≦0.2、0≦p≦1.0、0≦q≦1.0、0<1−x−p、0≦a≦1.0、0≦b≦1.0である。
(3)前記ハイブリッド型リチウム複合酸化物と前記非ハイブリッド型リチウム複合酸化物とを、9.9:0.1〜0.1:9.9の質量比で含む、上記(1)または(2)に記載の混合型リチウム複合酸化物。
(4)前記ハイブリッド型リチウム複合酸化物において、前記コアと前記シェルとの質量比が9.9:0.1〜6:4である、上記(1)〜(3)のいずれかに記載の混合型リチウム複合酸化物。
(5)前記リチウム複合酸化物Aと前記リチウム複合酸化物Cとが同一物質である、上記(1)〜(4)のいずれかに記載の混合型リチウム複合酸化物。
(6)前記コアを構成するリチウム複合酸化物Aと、前記シェルを構成するリチウム複合酸化物Bとを含む混合体を得た後、前記混合体へ圧縮力およびせん断力を加えて前記ハイブリッド型リチウム複合酸化物を得る複合化工程を備え、上記(1)〜(5)のいずれかに記載の混合型リチウム複合酸化物が得られる、混合型リチウム複合酸化物の製造方法。
(7)さらに、
少なくともリチウム源を溶媒に含有させた状態で粉砕混合し、得られたスラリーを乾燥し、焼成して、前記リチウム複合酸化物Aを得る調製工程[1]と、
少なくともリチウム源を溶媒に含有させた状態で粉砕混合し、得られたスラリーを乾燥し、焼成して、前記リチウム複合酸化物Bを得る調製工程[2]と、
ハイブリッド型リチウム複合酸化物と前記リチウム複合酸化物Cとを混合する混合工程と、
を備える、上記(6)に記載の混合型リチウム複合酸化物の製造方法。
(8)前記複合化工程が、
前記リチウム複合酸化物Aと前記リチウム複合酸化物Bとを含む混合体を得た後、前記混合体へ圧縮力およびせん断力を加え、その後、さらに前記リチウム複合酸化物Bを加えて、再度、圧縮力およびせん断力を加える工程である、上記(6)または(7)に記載の混合型リチウム複合酸化物の製造方法。
(9)上記(1)〜(5)のいずれかに記載の混合型リチウム複合酸化物を含む正極活物質。
(10)上記(9)に記載の正極活物質を含むリチウムイオン二次電池用正極。
(11)上記(10)に記載のリチウムイオン二次電池用正極と、負極と、電解液とを有する、リチウムイオン二次電池。
本発明は以下の(1)〜(11)である。
(1)粒子状であって、各々の粒子はコアおよび前記コアを被覆するシェルから構成され、前記シェルは1層以上からなり、前記コアはリチウム複合酸化物Aからなり、前記シェルはリチウム複合酸化物Bからなり、前記コアと前記シェルとは異なる物質からなる、ハイブリッド型リチウム複合酸化物と、
粒子状であって、各々の粒子は単一組成のリチウム複合酸化物Cからなる非ハイブリッド型リチウム複合酸化物と、
を主成分として含み、
前記リチウム複合酸化物A、前記リチウム複合酸化物Bおよび前記リチウム複合酸化物Cの各々は、層状リチウム複合酸化物、スピネル型リチウム複合酸化物、逆スピネル型リチウム複合酸化物、ケイ酸塩型リチウム複合酸化物、およびオリビン型リチウム複合酸化物からなる群から選ばれる少なくとも1つを主成分とする、混合型リチウム複合酸化物。
(2)前記層状リチウム複合酸化物は下記式(I)で表され、
前記スピネル型リチウム複合酸化物、前記逆スピネル型リチウム複合酸化物、前記ケイ酸塩型リチウム複合酸化物、および前記オリビン型リチウム複合酸化物は下記式(II)で表される、上記(1)に記載の混合型リチウム複合酸化物。
式(I):Li(1+x)M1 (1-x-p)M2 pO(2-a)
式(II):Li(y+z)M1 (2-z-q)M2 qO(4-b)
ただし、式(I)および式(II)において、M1はMn、Ni、Co、Mg、Fe、AlおよびCrからなる群から選ばれる少なくとも1つの元素であり、M2はB、P、Pb、Sb、SiおよびVからなる群から選ばれる少なくとも1つの元素であり、0≦x≦0.5、1.0≦y≦2.0、0≦z≦0.2、0≦p≦1.0、0≦q≦1.0、0<1−x−p、0≦a≦1.0、0≦b≦1.0である。
(3)前記ハイブリッド型リチウム複合酸化物と前記非ハイブリッド型リチウム複合酸化物とを、9.9:0.1〜0.1:9.9の質量比で含む、上記(1)または(2)に記載の混合型リチウム複合酸化物。
(4)前記ハイブリッド型リチウム複合酸化物において、前記コアと前記シェルとの質量比が9.9:0.1〜6:4である、上記(1)〜(3)のいずれかに記載の混合型リチウム複合酸化物。
(5)前記リチウム複合酸化物Aと前記リチウム複合酸化物Cとが同一物質である、上記(1)〜(4)のいずれかに記載の混合型リチウム複合酸化物。
(6)前記コアを構成するリチウム複合酸化物Aと、前記シェルを構成するリチウム複合酸化物Bとを含む混合体を得た後、前記混合体へ圧縮力およびせん断力を加えて前記ハイブリッド型リチウム複合酸化物を得る複合化工程を備え、上記(1)〜(5)のいずれかに記載の混合型リチウム複合酸化物が得られる、混合型リチウム複合酸化物の製造方法。
(7)さらに、
少なくともリチウム源を溶媒に含有させた状態で粉砕混合し、得られたスラリーを乾燥し、焼成して、前記リチウム複合酸化物Aを得る調製工程[1]と、
少なくともリチウム源を溶媒に含有させた状態で粉砕混合し、得られたスラリーを乾燥し、焼成して、前記リチウム複合酸化物Bを得る調製工程[2]と、
ハイブリッド型リチウム複合酸化物と前記リチウム複合酸化物Cとを混合する混合工程と、
を備える、上記(6)に記載の混合型リチウム複合酸化物の製造方法。
(8)前記複合化工程が、
前記リチウム複合酸化物Aと前記リチウム複合酸化物Bとを含む混合体を得た後、前記混合体へ圧縮力およびせん断力を加え、その後、さらに前記リチウム複合酸化物Bを加えて、再度、圧縮力およびせん断力を加える工程である、上記(6)または(7)に記載の混合型リチウム複合酸化物の製造方法。
(9)上記(1)〜(5)のいずれかに記載の混合型リチウム複合酸化物を含む正極活物質。
(10)上記(9)に記載の正極活物質を含むリチウムイオン二次電池用正極。
(11)上記(10)に記載のリチウムイオン二次電池用正極と、負極と、電解液とを有する、リチウムイオン二次電池。
本発明によれば、それを正極活物質として用いた場合に、体積当たりの放電容量が高く、常温よりも高い温度雰囲気内で使用したときのサイクル特性に優れ、さらに熱安定性に優れるリチウムイオン二次電池を得ることができるリチウム複合酸化物およびその製造方法を提供することができる。また、このようなリチウム複合酸化物を含む正極活物質を提供することができる。また、この正極活物質を用いたリチウムイオン二次電池用正極を提供することができる。さらに、この正極を用いたリチウムイオン二次電池を提供することができる。
本発明は、粒子状であって、各々の粒子はコアおよび前記コアを被覆するシェルから構成され、前記シェルは1層以上からなり、前記コアはリチウム複合酸化物Aからなり、前記シェルはリチウム複合酸化物Bからなり、前記コアおよび前記シェルは異なる物質からなる、ハイブリッド型リチウム複合酸化物と、粒子状であって、各々の粒子は単一組成のリチウム複合酸化物Cからなる非ハイブリッド型リチウム複合酸化物と、を主成分として含み、前記リチウム複合酸化物A、前記リチウム複合酸化物Bおよび前記リチウム複合酸化物Cの各々は、層状リチウム複合酸化物、スピネル型リチウム複合酸化物、逆スピネル型リチウム複合酸化物、ケイ酸塩型リチウム複合酸化物、およびオリビン型リチウム複合酸化物からなる群から選ばれる少なくとも1つを主成分とする、混合型リチウム複合酸化物である。
このような混合型リチウム複合酸化物を、以下では「本発明の複合酸化物」ともいう。
このような混合型リチウム複合酸化物を、以下では「本発明の複合酸化物」ともいう。
<本発明の複合酸化物>
本発明の複合酸化物について説明する。
本発明の複合酸化物はタップ密度が高く、さらに、それを正極活物質として用いたリチウムイオン二次電池は、常温よりも高い温度(60℃程度)でのサイクル特性が特に優れることを本発明者は見出した。タップ密度(g/cc)が高いので、タップ密度と初期放電容量(mAh/g)との積である体積当たりの放電容量(mAh/cc)が高くなる。例えば二次電池を電気自動車の電池として用いる場合、限られたスペースにどれだけの電気量を収納できるかが重要となるので、単位体積当たりの放電容量がより高いことが好ましい。本発明の複合酸化物を正極活物質として用いた二次電池は、この単位体積当たりの放電容量が高く、かつ常温よりも高い温度でのサイクル特性(以下、単に「高温サイクル特性」ともいう)に優れる。
また、本発明の複合酸化物を正極活物質として用いたリチウムイオン二次電池は、熱安定性に優れることを本発明者は見出した。熱安定性に優れるほど、電池の安全性が高いので好ましい。
本発明の複合酸化物について説明する。
本発明の複合酸化物はタップ密度が高く、さらに、それを正極活物質として用いたリチウムイオン二次電池は、常温よりも高い温度(60℃程度)でのサイクル特性が特に優れることを本発明者は見出した。タップ密度(g/cc)が高いので、タップ密度と初期放電容量(mAh/g)との積である体積当たりの放電容量(mAh/cc)が高くなる。例えば二次電池を電気自動車の電池として用いる場合、限られたスペースにどれだけの電気量を収納できるかが重要となるので、単位体積当たりの放電容量がより高いことが好ましい。本発明の複合酸化物を正極活物質として用いた二次電池は、この単位体積当たりの放電容量が高く、かつ常温よりも高い温度でのサイクル特性(以下、単に「高温サイクル特性」ともいう)に優れる。
また、本発明の複合酸化物を正極活物質として用いたリチウムイオン二次電池は、熱安定性に優れることを本発明者は見出した。熱安定性に優れるほど、電池の安全性が高いので好ましい。
本発明の複合酸化物は、ハイブリッド型リチウム複合酸化物と、非ハイブリッド型リチウム複合酸化物とを主成分として含む複合型リチウム複合酸化物である。
ここで「主成分」とは、含有率が70質量%以上であることを意味する。すなわち、本発明の複合酸化物において、ハイブリッド型リチウム複合酸化物と非ハイブリッド型リチウム複合酸化物との合計の含有率は70質量%以上である。この含有率は80質量%以上であることが好ましく、90質量%以上であることがより好ましく、95質量%以上であることがより好ましく、99質量%以上であることがより好ましく、100質量%である、すなわち、本発明の複合酸化物は、実質的に前記ハイブリッド型リチウム複合酸化物と前記非ハイブリッド型リチウム複合酸化物とから構成されることがさらに好ましい。ここで「実質的になる」とは、原料や製造過程から不可避的に含まれる不純物や破損物は含まれ得るが、それ以外は含まないことを意味する。なお、以下に示す本発明の説明において「主成分」および「実質的に」は、このような意味で用いる。
本発明の複合酸化物は、ハイブリッド型リチウム複合酸化物および非ハイブリッド型リチウム複合酸化物を主成分とするが、それら以外のその他成分を含んでもよい。その他成分として、例えば、LTO(Li4Ti5O12)、後述する固体電解質、その他リチウムを含まない酸化物が挙げられる。
本発明の複合酸化物は、前記ハイブリッド型リチウム複合酸化物と前記非ハイブリッド型リチウム複合酸化物とを、9.9:0.1〜0.1:9.9の質量比で含むことが好ましい。この質量比は、9:1〜1:9であることがより好ましく、8:2〜2:8であることがより好ましく、7:3〜3:7であることがより好ましく、6:4〜4:6であることがさらに好ましい。
体積当たりの放電容量がより高く、常温よりも高い温度雰囲気内で使用したときのサイクル特性がより優れ、さらにより熱安定性に優れるリチウムイオン二次電池を得ることができるからである。
体積当たりの放電容量がより高く、常温よりも高い温度雰囲気内で使用したときのサイクル特性がより優れ、さらにより熱安定性に優れるリチウムイオン二次電池を得ることができるからである。
本発明の複合酸化物の平均粒子径(メジアン径)は、2〜30μmであることが好ましく、5〜20μmであることがより好ましく、10μm程度であることがさらに好ましくい。
体積当たりの放電容量がより高く、さらに常温よりも高い温度雰囲気内で使用したときのサイクル特性がより優れるリチウムイオン二次電池を得ることができるからである。
体積当たりの放電容量がより高く、さらに常温よりも高い温度雰囲気内で使用したときのサイクル特性がより優れるリチウムイオン二次電池を得ることができるからである。
なお、本発明の複合酸化物の平均粒子径(メジアン径)は、次の方法で測定した値を意味するものとする。
初めに、室温大気中で、本発明の複合酸化物をヘキサメタリン酸ナトリウム水溶液に添加し、超音波分散し撹拌することで分散させてスラリーとする。次に、このスラリーを80〜90%の透過率となるように調節した後、レーザー回折/散乱式粒度分布測定装置を用いて積算粒度分布(体積基準)を測定する。このようにして測定した粒度分布から求めたメジアン径を、平均粒子径とする。
後述するハイブリッド型リチウム複合酸化物(リチウム複合酸化物A、リチウム複合酸化物B)および非ハイブリッド型リチウム複合酸化物(リチウム複合酸化物C)の平均粒子径についても、このような方法で測定した値を意味するものとする。
初めに、室温大気中で、本発明の複合酸化物をヘキサメタリン酸ナトリウム水溶液に添加し、超音波分散し撹拌することで分散させてスラリーとする。次に、このスラリーを80〜90%の透過率となるように調節した後、レーザー回折/散乱式粒度分布測定装置を用いて積算粒度分布(体積基準)を測定する。このようにして測定した粒度分布から求めたメジアン径を、平均粒子径とする。
後述するハイブリッド型リチウム複合酸化物(リチウム複合酸化物A、リチウム複合酸化物B)および非ハイブリッド型リチウム複合酸化物(リチウム複合酸化物C)の平均粒子径についても、このような方法で測定した値を意味するものとする。
本発明の複合酸化物のBET比表面積は、0.3〜5.0m2/gであることが好ましく、1.0〜3.0m2/gであることがより好ましく、1.5〜2.5m2/gであることがさらに好ましい。
本発明の複合酸化物のBET比表面積は、連続流動法によるBET1点法測定で求める値とする。具体的には、使用する吸着ガスおよびキャリアガスは共に、窒素、空気およびヘリウムの混合ガスであり、試料を前記混合ガスにより450℃以下の温度で過熱脱気し、次いで液体窒素により冷却して前記混合ガスを吸着させ、室温に戻して吸着された窒素ガスを脱着させ、熱伝導度検出器によって検出し、脱着ピークとしてその量を求め、試料の比表面積として算出する。このようなBET比表面積は、公知のBET式粉体比表面積測定装置を用いて測定することができる。
後述するハイブリッド型リチウム複合酸化物(リチウム複合酸化物A、リチウム複合酸化物B)および非ハイブリッド型リチウム複合酸化物(リチウム複合酸化物C)のBET比表面積についても、このような方法で測定した値を意味するものとする。
本発明において、単に「比表面積」と記した場合、「BET比表面積」を意味するものとする。
後述するハイブリッド型リチウム複合酸化物(リチウム複合酸化物A、リチウム複合酸化物B)および非ハイブリッド型リチウム複合酸化物(リチウム複合酸化物C)のBET比表面積についても、このような方法で測定した値を意味するものとする。
本発明において、単に「比表面積」と記した場合、「BET比表面積」を意味するものとする。
本発明の複合酸化物のタップ密度は、0.5〜5.0g/ccであることが好ましく、1.0〜3.0g/ccであることがより好ましく、2.0g/cc程度であることがさらに好ましい。
本発明の複合酸化物においてタップ密度は、従来公知のかさ密度測定器を用いて測定する。具体的には、20mlのメスシリンダーに測定対象物の粉末を10.0g充填し、所定の速度で60回振とうさせた後の体積を目盛りから読み取り、求めるものとする。
後述するハイブリッド型リチウム複合酸化物(リチウム複合酸化物A、リチウム複合酸化物B)および非ハイブリッド型リチウム複合酸化物(リチウム複合酸化物C)のタップ密度についても、このような方法で測定した値を意味するものとする。
後述するハイブリッド型リチウム複合酸化物(リチウム複合酸化物A、リチウム複合酸化物B)および非ハイブリッド型リチウム複合酸化物(リチウム複合酸化物C)のタップ密度についても、このような方法で測定した値を意味するものとする。
<ハイブリッド型リチウム複合酸化物>
ハイブリッド型リチウム複合酸化物について説明する。
ハイブリッド型リチウム複合酸化物は、粒子状であって、各々の粒子はコアおよび前記コアを被覆するシェルから構成され、前記シェルは1層以上からなり、前記コアはリチウム複合酸化物Aからなり、前記シェルはリチウム複合酸化物Bからなり、前記コアと前記シェルとは異なる物質からなる。
ハイブリッド型リチウム複合酸化物について説明する。
ハイブリッド型リチウム複合酸化物は、粒子状であって、各々の粒子はコアおよび前記コアを被覆するシェルから構成され、前記シェルは1層以上からなり、前記コアはリチウム複合酸化物Aからなり、前記シェルはリチウム複合酸化物Bからなり、前記コアと前記シェルとは異なる物質からなる。
ハイブリッド型リチウム複合酸化物は粒子状である。すなわち、粒子の集合体である。
そして、その集合体を構成する粒子は、各々、コアをシェルが覆っている態様である。
図1はハイブリッド型リチウム複合酸化物の一態様のSEM像(倍率:5000倍)である。図1より、ハイブリッド型リチウム複合酸化物が粒子状であることが理解される。
図2はハイブリッド型リチウム複合酸化物の一態様であって、コアが組成式:Li1.03Mn1.87Al0.10O4で表されるスピネル型リチウム複合酸化物であり、シェルが組成式:LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2で表される層状リチウム複合酸化物であるものについて、SEM−EDSを用いて3300倍に拡大した写真である。また、図2(a)は1粒のハイブリッド型複合酸化物の断面写真、図2(b)はCo元素分布、図2(c)はMn元素分布、図2(d)はNi元素分布を示している。図2より、Mn元素はほぼ均一に分布しているものの、CoおよびNiは外縁側に偏在していることがわかる。すなわち、図2に示されるハイブリッド型リチウム複合酸化物は、コアをシェルが覆っている態様であることが理解される。
そして、その集合体を構成する粒子は、各々、コアをシェルが覆っている態様である。
図1はハイブリッド型リチウム複合酸化物の一態様のSEM像(倍率:5000倍)である。図1より、ハイブリッド型リチウム複合酸化物が粒子状であることが理解される。
図2はハイブリッド型リチウム複合酸化物の一態様であって、コアが組成式:Li1.03Mn1.87Al0.10O4で表されるスピネル型リチウム複合酸化物であり、シェルが組成式:LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2で表される層状リチウム複合酸化物であるものについて、SEM−EDSを用いて3300倍に拡大した写真である。また、図2(a)は1粒のハイブリッド型複合酸化物の断面写真、図2(b)はCo元素分布、図2(c)はMn元素分布、図2(d)はNi元素分布を示している。図2より、Mn元素はほぼ均一に分布しているものの、CoおよびNiは外縁側に偏在していることがわかる。すなわち、図2に示されるハイブリッド型リチウム複合酸化物は、コアをシェルが覆っている態様であることが理解される。
ハイブリッド型リチウム複合酸化物において、コアに対するシェルの被覆率は、1%以上であることが好ましく、3%以上であることがより好ましく、5%以上であることがさらに好ましい。
体積当たりの放電容量がより高く、常温よりも高い温度雰囲気内で使用したときのサイクル特性がより優れ、さらにより熱安定性に優れるリチウムイオン二次電池を得ることができるからである。
体積当たりの放電容量がより高く、常温よりも高い温度雰囲気内で使用したときのサイクル特性がより優れ、さらにより熱安定性に優れるリチウムイオン二次電池を得ることができるからである。
コアに対するシェルの被覆率について、リチウム複合酸化物AがCoおよびMnを含み、かつリチウム複合酸化物BがMnを含みCoを含まない場合を例として挙げて説明する。
初めにハイブリッド型リチウム複合酸化物およびリチウム複合酸化物Aの各々のX線光電子分光スペクトル(XPS)測定を行い、Co2pおよびMn3pのスペクトル面積から、各々のMn/Coの表面組成比を算出する。そして、次の式より、被覆率を算出する。
被覆率(%)=(1−(ハイブリッド型リチウム複合酸化物のMn/Co組成比)/(リチウム複合酸化物AのMn/Co組成比))×100
初めにハイブリッド型リチウム複合酸化物およびリチウム複合酸化物Aの各々のX線光電子分光スペクトル(XPS)測定を行い、Co2pおよびMn3pのスペクトル面積から、各々のMn/Coの表面組成比を算出する。そして、次の式より、被覆率を算出する。
被覆率(%)=(1−(ハイブリッド型リチウム複合酸化物のMn/Co組成比)/(リチウム複合酸化物AのMn/Co組成比))×100
前記コアと前記シェルとの質量比は9.9:0.1〜6:4であることが好ましく、9.5:0.5〜6.5:3.5であることがより好ましく、9:1〜7:3であることがさらに好ましい。
体積当たりの放電容量がより高く、常温よりも高い温度雰囲気内で使用したときのサイクル特性がより優れ、さらにより熱安定性に優れるリチウムイオン二次電池を得ることができるからである。
体積当たりの放電容量がより高く、常温よりも高い温度雰囲気内で使用したときのサイクル特性がより優れ、さらにより熱安定性に優れるリチウムイオン二次電池を得ることができるからである。
前記シェルは1層以上であり、2層以上であってもよい。ただし、5層以下であることが好ましく、3層以下であることがより好ましい。
前記シェルが2層からなり、第1層が層状リチウム複合酸化物からなり、それを覆う第2層がスピネル型リチウム複合酸化物からなることが好ましい。ここで第1層を形成する層状リチウム複合酸化物が固溶体化合物であることがより好ましい。ここで、層状リチウム複合酸化物、スピネル型リチウム複合酸化物および固溶体化合物については後に詳細に説明する。
前記シェルが2層からなり、第1層が層状リチウム複合酸化物からなり、それを覆う第2層がスピネル型リチウム複合酸化物からなることが好ましい。ここで第1層を形成する層状リチウム複合酸化物が固溶体化合物であることがより好ましい。ここで、層状リチウム複合酸化物、スピネル型リチウム複合酸化物および固溶体化合物については後に詳細に説明する。
ハイブリッド型リチウム複合酸化物の平均粒子径(メジアン径)は、2〜30μmであることが好ましく、4〜20μmであることがより好ましく、4〜10μmであることがより好ましく、8μm程度であることがさらに好ましくい。
体積当たりの放電容量がより高く、さらに常温よりも高い温度雰囲気内で使用したときのサイクル特性がより優れるリチウムイオン二次電池を得ることができるからである。
体積当たりの放電容量がより高く、さらに常温よりも高い温度雰囲気内で使用したときのサイクル特性がより優れるリチウムイオン二次電池を得ることができるからである。
ハイブリッド型リチウム複合酸化物のBET比表面積は、0.3〜5.0m2/gであることが好ましく、1.0〜3.0m2/gであることがより好ましく、1.5〜2.5m2/gであることがさらに好ましい。
ハイブリッド型リチウム複合酸化物のタップ密度は、1.5〜5.0g/ccであることが好ましく、2.0〜4.0g/ccであることがより好ましく、2.5g/cc程度であることがさらに好ましい。
ハイブリッド型リチウム複合酸化物において、コアを構成するリチウム複合酸化物Aおよびシェルを構成するリチウム複合酸化物Bの各々は、二次粒子の集合体であることが好ましい。
ここで、結晶子(単結晶部)の集合体であり、5000倍のSEM観察において視認できる最少の粒子単位を一次粒子、また一次粒子が焼結してなる、ハンドリングにおいて一粒の粒子として振る舞う粒子を二次粒子と定義する。
図3はコアを構成するリチウム複合酸化物Aの一態様をSEMを用いて観察して得た拡大写真であり、図3(a)は200倍、図3(b)は1000倍、図3(c)は5000倍、図3(d)は10000倍に拡大して得た写真である。図3(a)は概ね、二次粒子のリチウム複合酸化物Aを示していると考えられる。図3(b)および図3(c)からは、リチウム複合酸化物Aが、一次粒子が集合している二次粒子であることが理解される。図3(d)からリチウム複合酸化物Aにおける一次粒子が観察できる。
シェルを構成するリチウム複合酸化物Bおよび後述するリチウム複合酸化物Cも、同様の態様である。
シェルを構成するリチウム複合酸化物Bおよび後述するリチウム複合酸化物Cも、同様の態様である。
ハイブリッド型リチウム複合酸化物において、コアを構成するリチウム複合酸化物Aの一次粒子の平均粒子径は0.1〜5.0μmであることが好ましく、0.8〜3.0μmであることがより好ましく、1.0〜2.0μmであることがさらに好ましい。
ハイブリッド型リチウム複合酸化物において、シェルを構成するリチウム複合酸化物Bの一次粒子の平均粒子径は0.01〜5.0μmであることが好ましく、0.02〜3.0μmであることがより好ましく、0.03〜1.0μmであることがさらに好ましくい。
ここで一次粒子の平均粒子径とは、前述の一次粒子(結晶子の集合体)のメジアン径を意味するものとする。
ハイブリッド型リチウム複合酸化物において、シェルを構成するリチウム複合酸化物Bの一次粒子の平均粒子径は0.01〜5.0μmであることが好ましく、0.02〜3.0μmであることがより好ましく、0.03〜1.0μmであることがさらに好ましくい。
ここで一次粒子の平均粒子径とは、前述の一次粒子(結晶子の集合体)のメジアン径を意味するものとする。
また、一次粒子のメジアン径は、走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて、ハイブリッド型リチウム複合酸化物を倍率30万倍で写真撮影し、得られた写真から任意に500個を選び、ノギスを用いてリチウム複合酸化物Aまたはリチウム複合酸化物Bの各々における一次粒子の投影面積円相当径を測定して積算粒度分布(体積基準)を求め、それより平均粒子径(メジアン径)を算出して求める値とする。
ハイブリッド型リチウム複合酸化物において、コアを構成するリチウム複合酸化物Aの二次粒子の平均粒子径は2〜30μmであることが好ましく、5〜20μmであることがより好ましく、10μm程度であることがさらに好ましくい。
ハイブリッド型リチウム複合酸化物において、シェルを構成するリチウム複合酸化物Bの二次粒子の平均粒子径は2〜20μmであることが好ましく、3〜10μmであることがより好ましく、6μm程度であることがさらに好ましい。
ハイブリッド型リチウム複合酸化物において、シェルを構成するリチウム複合酸化物Bの二次粒子の平均粒子径は2〜20μmであることが好ましく、3〜10μmであることがより好ましく、6μm程度であることがさらに好ましい。
ここで二次粒子は、前述のように一次粒子が焼結してなるものである。
また、二次粒子の平均粒子径とは、二次粒子のメジアン径を意味するものとする。
また、二次粒子の平均粒子径とは、二次粒子のメジアン径を意味するものとする。
また、二次粒子の平均粒子径は、次の方法で測定した値を意味するものとする。
初めに、室温大気中で、コアを構成するリチウム複合酸化物Aまたはシェルを構成するリチウム複合酸化物Bをヘキサメタリン酸ナトリウム水溶液に添加し、超音波分散し撹拌することで分散させてスラリーとする。次に、このスラリーを80〜90%の透過率となるように調節した後、レーザー回折/散乱式粒度分布測定装置を用いて積算粒度分布(体積基準)を測定する。このようにして測定した粒度分布から求めたメジアン径を二次粒子径とする。
初めに、室温大気中で、コアを構成するリチウム複合酸化物Aまたはシェルを構成するリチウム複合酸化物Bをヘキサメタリン酸ナトリウム水溶液に添加し、超音波分散し撹拌することで分散させてスラリーとする。次に、このスラリーを80〜90%の透過率となるように調節した後、レーザー回折/散乱式粒度分布測定装置を用いて積算粒度分布(体積基準)を測定する。このようにして測定した粒度分布から求めたメジアン径を二次粒子径とする。
ハイブリッド型リチウム複合酸化物において、コアを構成するリチウム複合酸化物AのBET比表面積は、0.1〜2.0m2/gのものであることが好ましく、0.2〜1.5m2/gのものであることがより好ましく、0.3〜1.0m2/gのものであることがさらに好ましい。
ハイブリッド型リチウム複合酸化物において、シェルを構成するリチウム複合酸化物BのBET比表面積は、0.1〜5.0m2/gのものであることが好ましく、0.2〜3.0m2/gのものであることがより好ましく、0.5〜2.0m2/gのものであることがさらに好ましい。
ハイブリッド型リチウム複合酸化物において、シェルを構成するリチウム複合酸化物BのBET比表面積は、0.1〜5.0m2/gのものであることが好ましく、0.2〜3.0m2/gのものであることがより好ましく、0.5〜2.0m2/gのものであることがさらに好ましい。
ハイブリッド型リチウム複合酸化物において、コアを構成するリチウム複合酸化物Aのタップ密度は、1.0〜5.0g/ccであることが好ましく、1.5〜3.0g/ccであることがより好ましく、2.0g/ccであることがさらに好ましい。
ハイブリッド型リチウム複合酸化物において、シェルを構成するリチウム複合酸化物Bのタップ密度は0.5〜3.0g/ccであることが好ましく、1.0〜2.0g/ccであることがより好ましく、1.3g/ccであることがさらに好ましい。
ハイブリッド型リチウム複合酸化物において、シェルを構成するリチウム複合酸化物Bのタップ密度は0.5〜3.0g/ccであることが好ましく、1.0〜2.0g/ccであることがより好ましく、1.3g/ccであることがさらに好ましい。
リチウム複合酸化物Aおよびリチウム複合酸化物Bの組成等については、後に詳細に説明する。
前記コアはリチウム複合酸化物Aからなり、前記シェルはリチウム複合酸化物Bからなるが、前記コアと前記シェルとは異なる物質からなる。例えば、前記コアと前記シェルとが共に層状リチウム複合酸化物を主成分とするものであってもよいが、この場合、前記コアを構成する物質と前記シェルを構成する物質とは組成や粒径等が異なる。例えば、前記コアが層状リチウム複合酸化物の中の固溶体化合物であって、前記シェルが固溶体化合物以外の層状リチウム複合酸化物であってよい。逆に、前記コアが前記固溶体化合物以外の層状リチウム複合酸化物であって、前記シェルが前記固溶体化合物であってよい。
また、前記シェルが2層以上である場合、複数のシェルの層の中の一部が前記コアと同一物質であってもよい。この場合、前記コアと前記シェル(複数の層を含むシェル)とは異なる物質と見なすものとする。ただし、シェルにおける複数の層の中の前記コアと接している層については、前記コアと異なる物質とする。
また、前記シェルが2層以上である場合、複数のシェルの層の中の一部が前記コアと同一物質であってもよい。この場合、前記コアと前記シェル(複数の層を含むシェル)とは異なる物質と見なすものとする。ただし、シェルにおける複数の層の中の前記コアと接している層については、前記コアと異なる物質とする。
<非ハイブリッド型リチウム複合酸化物>
非ハイブリッド型リチウム複合酸化物について説明する。
非ハイブリッド型リチウム複合酸化物は粒子状である。すなわち、粒子の集合体である。
そして、その集合体を構成する粒子の各々は、単一組成のリチウム複合酸化物Cからなる。すなわち1粒の粒子においては単一組成のリチウム複合酸化物Cからなる。よって、非ハイブリッド型リチウム複合酸化物は、異なる種類のリチウム複合酸化物Cからなる複数種類の粒子を含む場合がある。
よって、非ハイブリッド型リチウム複合酸化物は、前述のコアおよび前記コアを被覆するシェルから構成されるハイブリッド型リチウム複合酸化物とは異なる構造を備える。
非ハイブリッド型リチウム複合酸化物について説明する。
非ハイブリッド型リチウム複合酸化物は粒子状である。すなわち、粒子の集合体である。
そして、その集合体を構成する粒子の各々は、単一組成のリチウム複合酸化物Cからなる。すなわち1粒の粒子においては単一組成のリチウム複合酸化物Cからなる。よって、非ハイブリッド型リチウム複合酸化物は、異なる種類のリチウム複合酸化物Cからなる複数種類の粒子を含む場合がある。
よって、非ハイブリッド型リチウム複合酸化物は、前述のコアおよび前記コアを被覆するシェルから構成されるハイブリッド型リチウム複合酸化物とは異なる構造を備える。
非ハイブリッド型リチウム複合酸化物を構成するリチウム複合酸化物Cは、二次粒子を構成要素の1つとして含むものであることが好ましく、二次粒子の集合体であることがより好ましい。
ここで一次粒子および二次粒子の定義は、前述のリチウム複合酸化物Aおよびリチウム複合酸化物Bの場合と同様である。
ここで一次粒子および二次粒子の定義は、前述のリチウム複合酸化物Aおよびリチウム複合酸化物Bの場合と同様である。
非ハイブリッド型リチウム複合酸化物を構成するリチウム複合酸化物Cは、一次粒子の平均粒子径が0.1〜5.0μmのものであることが好ましく、0.2〜3.0μmのものであることがより好ましく、0.3〜2.0μmのものであることがさらに好ましい。
ここで一次粒子の平均粒子径は、前述のリチウム複合酸化物Aおよびリチウム複合酸化物Bの場合と同様に、一次粒子(結晶子の集合体)のメジアン径を意味するものとする。
また、一次粒子の平均粒子径(メジアン径)の定義についても、前述のリチウム複合酸化物Aおよびリチウム複合酸化物Bの場合と同様とする。
ここで一次粒子の平均粒子径は、前述のリチウム複合酸化物Aおよびリチウム複合酸化物Bの場合と同様に、一次粒子(結晶子の集合体)のメジアン径を意味するものとする。
また、一次粒子の平均粒子径(メジアン径)の定義についても、前述のリチウム複合酸化物Aおよびリチウム複合酸化物Bの場合と同様とする。
非ハイブリッド型リチウム複合酸化物を構成するリチウム複合酸化物Cは、二次粒子の平均粒子径が2〜30μmのものであることが好ましく、3〜25μmのものであることがより好ましく、5〜20μmのものであることがさらに好ましい。
ここで二次粒子は、前述のリチウム複合酸化物Aおよびリチウム複合酸化物Bの場合と同様に、一次粒子が焼結してなるものであり、二次粒子の平均粒子径とは、二次粒子のメジアン径を意味するものとする。
また、二次粒子の平均粒子径(メジアン径)の定義についても、前述のリチウム複合酸化物Aおよびリチウム複合酸化物Bの場合と同様とする。
ここで二次粒子は、前述のリチウム複合酸化物Aおよびリチウム複合酸化物Bの場合と同様に、一次粒子が焼結してなるものであり、二次粒子の平均粒子径とは、二次粒子のメジアン径を意味するものとする。
また、二次粒子の平均粒子径(メジアン径)の定義についても、前述のリチウム複合酸化物Aおよびリチウム複合酸化物Bの場合と同様とする。
非ハイブリッド型リチウム複合酸化物を構成するリチウム複合酸化物Cは、BET比表面積が0.1〜3.0m2/gのものであることが好ましく、0.2〜2.0m2/gのものであることがより好ましく、0.3〜1.5m2/gのものであることがさらに好ましい。
非ハイブリッド型リチウム複合酸化物を構成するリチウム複合酸化物Cは、タップ密度は、1.0〜5.0g/ccであることが好ましく、1.5〜3.0g/ccであることがより好ましく、1.7g/cc程度であることがさらに好ましい。
<リチウム複合酸化物A、リチウム複合酸化物Bおよびリチウム複合酸化物C>
次に、リチウム複合酸化物A、リチウム複合酸化物Bおよびリチウム複合酸化物Cの組成等について説明する。
前記コアを構成する前記リチウム複合酸化物Aは、層状リチウム複合酸化物、スピネル型リチウム複合酸化物、逆スピネル型リチウム複合酸化物、ケイ酸塩型リチウム複合酸化物、およびオリビン型リチウム複合酸化物からなる群から選ばれる少なくとも1つを主成分とする。
これらの中でも、リチウム複合酸化物Aは、層状リチウム複合酸化物またはスピネル型リチウム複合酸化物であることが好ましい。
次に、リチウム複合酸化物A、リチウム複合酸化物Bおよびリチウム複合酸化物Cの組成等について説明する。
前記コアを構成する前記リチウム複合酸化物Aは、層状リチウム複合酸化物、スピネル型リチウム複合酸化物、逆スピネル型リチウム複合酸化物、ケイ酸塩型リチウム複合酸化物、およびオリビン型リチウム複合酸化物からなる群から選ばれる少なくとも1つを主成分とする。
これらの中でも、リチウム複合酸化物Aは、層状リチウム複合酸化物またはスピネル型リチウム複合酸化物であることが好ましい。
前記シェルを構成する前記リチウム複合酸化物Bは、層状リチウム複合酸化物、スピネル型リチウム複合酸化物、逆スピネル型リチウム複合酸化物、ケイ酸塩型リチウム複合酸化物、およびオリビン型リチウム複合酸化物からなる群から選ばれる少なくとも1つを主成分とする。
これらの中でも、リチウム複合酸化物Bは、層状リチウム複合酸化物またはスピネル型リチウム複合酸化物であることが好ましい。
これらの中でも、リチウム複合酸化物Bは、層状リチウム複合酸化物またはスピネル型リチウム複合酸化物であることが好ましい。
前記非ハイブリッド型リチウム複合酸化物を構成する前記リチウム複合酸化物Cは、層状リチウム複合酸化物、スピネル型リチウム複合酸化物、逆スピネル型リチウム複合酸化物、ケイ酸塩型リチウム複合酸化物、およびオリビン型リチウム複合酸化物からなる群から選ばれる少なくとも1つを主成分とする。
これらの中でも、リチウム複合酸化物Cは、層状リチウム複合酸化物またはスピネル型リチウム複合酸化物であることが好ましい。
これらの中でも、リチウム複合酸化物Cは、層状リチウム複合酸化物またはスピネル型リチウム複合酸化物であることが好ましい。
本発明の複合酸化物は、リチウム複合酸化物Aが層状リチウム複合酸化物であって、リチウム複合酸化物Bがスピネル型リチウム複合酸化物であって、さらにリチウム複合酸化物Cが層状リチウム複合酸化物であることが好ましい。
体積当たりの放電容量がより高く、常温よりも高い温度雰囲気内で使用したときのサイクル特性がより優れ、さらにより熱安定性に優れるリチウムイオン二次電池を得ることができるからである。
体積当たりの放電容量がより高く、常温よりも高い温度雰囲気内で使用したときのサイクル特性がより優れ、さらにより熱安定性に優れるリチウムイオン二次電池を得ることができるからである。
本発明の複合酸化物は、リチウム複合酸化物Aがスピネル型リチウム複合酸化物であって、リチウム複合酸化物Bが層状リチウム複合酸化物であって、さらにリチウム複合酸化物Cがスピネル型リチウム複合酸化物であることが好ましい。
体積当たりの放電容量がより高く、常温よりも高い温度雰囲気内で使用したときのサイクル特性がより優れ、さらにより熱安定性に優れるリチウムイオン二次電池を得ることができるからである。
体積当たりの放電容量がより高く、常温よりも高い温度雰囲気内で使用したときのサイクル特性がより優れ、さらにより熱安定性に優れるリチウムイオン二次電池を得ることができるからである。
本発明の複合酸化物は、前記リチウム複合酸化物Aと前記リチウム複合酸化物Cとが同一物質であることが好ましく、前記リチウム複合酸化物Aと前記リチウム複合酸化物Cとが同一の層状リチウム複合酸化物であることがより好ましい。
体積当たりの放電容量がより高く、常温よりも高い温度雰囲気内で使用したときのサイクル特性がより優れ、さらにより熱安定性に優れるリチウムイオン二次電池を得ることができるからである。
体積当たりの放電容量がより高く、常温よりも高い温度雰囲気内で使用したときのサイクル特性がより優れ、さらにより熱安定性に優れるリチウムイオン二次電池を得ることができるからである。
層状リチウム複合酸化物について説明する。
層状リチウム複合酸化物とは、α−NaFeO2型とも呼ばれる、酸化物イオンが六方晶構造をとり、立方最密充填となっていると考えられるものである。
また、層状リチウム複合酸化物には、LiCoO2やLiNiO2をベースとする固溶体化合物も含まれるものとする。この固溶体化合物には、LiNi0.5Mn0.5O2、LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2等が含まれる。また、固溶体化合物として、γLi4/3M2/3O2・(1−γ)LiMO2(0<γ<1。Mは本発明の複合酸化物におけるM1およびM2からなる群から選ばれる少なくとも1つ。)の態様のものが含まれるとする。
また、層状リチウム複合酸化物における固溶体化合物以外は、空間群R−3mの結晶構造を備えると考えられる。
層状リチウム複合酸化物とは、α−NaFeO2型とも呼ばれる、酸化物イオンが六方晶構造をとり、立方最密充填となっていると考えられるものである。
また、層状リチウム複合酸化物には、LiCoO2やLiNiO2をベースとする固溶体化合物も含まれるものとする。この固溶体化合物には、LiNi0.5Mn0.5O2、LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2等が含まれる。また、固溶体化合物として、γLi4/3M2/3O2・(1−γ)LiMO2(0<γ<1。Mは本発明の複合酸化物におけるM1およびM2からなる群から選ばれる少なくとも1つ。)の態様のものが含まれるとする。
また、層状リチウム複合酸化物における固溶体化合物以外は、空間群R−3mの結晶構造を備えると考えられる。
層状リチウム複合酸化物は、下記式(I)で表される層状リチウム複合酸化物であることが好ましい。
式(I):Li(1+x)M1 (1-x-p)M2 pO(2-a)
式(I)においてxは、0≦x≦0.5の範囲であるが、0<x≦(1/3)であることが好ましく、0.05≦x≦0.15であることがより好ましい。
また、前記コアが式(I)で表される、前記固溶体化合物を主成分とするリチウム複合酸化物Aからなる場合、式(I)におけるxは、0.1〜0.5であることが好ましく、0.2〜0.4であることがより好ましい。
xは、M1と置換しているLi量を意味する。本発明において式(I)で表されるリチウム複合酸化物は、M1の一部がLiと置換していることが好ましい。すなわち、リチウムイオン電池の正極活物質として用いられるリチウム複合酸化物の組成式におけるLiの原子数(組成比)の理論値より過剰のLiが含まれていることが好ましい。この場合、過剰のLiの一部または全部に見合う分だけM1量を少なくすることにより、Liの少なくとも一部がM1と置換した構造をとる。
Liの置換量(x)が多くなると、電池の充放電容量は若干低下するものの、常温よりも高温でのサイクル特性が向上する傾向がある。しかしながら、xが0.5より大きくなっても常温よりも高温でのサイクル特性は大きくは向上し難い傾向がある。また、Li総量(1+x)が1.0未満になると不純物となる異相が生成され、電池の充放電性能が低下する傾向がある。
Liの置換量(x)が多くなると、電池の充放電容量は若干低下するものの、常温よりも高温でのサイクル特性が向上する傾向がある。しかしながら、xが0.5より大きくなっても常温よりも高温でのサイクル特性は大きくは向上し難い傾向がある。また、Li総量(1+x)が1.0未満になると不純物となる異相が生成され、電池の充放電性能が低下する傾向がある。
式(I)において、M1はMn、Ni、Co、Mg、Fe、AlおよびCrからなる群から選ばれる少なくとも1つの元素であり、Mn、NiおよびCoからなる群から選ばれる少なくとも1つの元素であることが好ましい。
なお、式(I)におけるM1と、式(II)におけるM1とは、同じであっても異なっていてもよい。例えば式(I)におけるM1が、NiおよびCo(例えばリチウム複合酸化物がLiNi0.5Co0.5O2)や、Mn、NiおよびCo(例えばリチウム複合酸化物がLiNi0.5Co0.2Mn0.3O2)であり、式(II)におけるM1がMn(例えばリチウム複合酸化物がLi1.03Mn1.87Al0.10O4)であってもよい。
M1の存在量である1−x−pは0よりも大きい。1−x−pの下限は0.5であることが好ましく、0.66であることがより好ましい。1−x−pが小さすぎると容量が保持できないからである。
式(I)において、元素M2はB、P、Pb、Sb、SiおよびVからなる群から選ばれる少なくとも1つの元素である。これらの中で好ましい元素はBである。
なお、式(I)におけるM2と、式(II)におけるM2とは、同じであっても異なっていてもよい。例えば式(I)におけるM2が、Ni、Co、Mn(例えばリチウム複合酸化物がLiNi0.5Co0.2Mn0.3O2)であり、式(II)におけるM2がAl(例えばリチウム複合酸化物がLi1.03Mn1.87Al0.10O4)であってもよい。
M2の置換量であるp(M2として複数種類の元素を含む場合は、それらの合計)は0≦p≦1であり、上限は0.1であることが好ましく、0.05であることがより好ましい。正極活物質として用いたときに、常温よりも高温でのサイクル特性が向上する傾向があるからである。置換量pが高すぎると正極活物質として用いたときのリチウムイオン二次電池の放電容量が低下する傾向がある。
なお、pは0となる場合がある。この場合、式(I)で表されるリチウム複合酸化物はM2を含まない。すなわち、式(I)で表されるリチウム複合酸化物は、Li(1+x)M1 (1-x)O(2-a)で表される組成となる場合もある。
一方、式(I)において0<1−x−pであるので、式(I)で表されるリチウム複合酸化物はM1を必ず含む。
なお、pは0となる場合がある。この場合、式(I)で表されるリチウム複合酸化物はM2を含まない。すなわち、式(I)で表されるリチウム複合酸化物は、Li(1+x)M1 (1-x)O(2-a)で表される組成となる場合もある。
一方、式(I)において0<1−x−pであるので、式(I)で表されるリチウム複合酸化物はM1を必ず含む。
式(I)において、aはO(酸素)の欠損量を示している。
式(I)においてaは0≦a≦1.0を満たし、a=0であることが好ましい。
酸素欠損量が小さいと(すなわちaが小さいと)充放電試験における3.2V以下容量が小さくなる傾向がある。酸素欠損量が小さいと結晶構造が安定し、常温よりも高温でのサイクル特性が向上する傾向がある。
式(I)においてaは0≦a≦1.0を満たし、a=0であることが好ましい。
酸素欠損量が小さいと(すなわちaが小さいと)充放電試験における3.2V以下容量が小さくなる傾向がある。酸素欠損量が小さいと結晶構造が安定し、常温よりも高温でのサイクル特性が向上する傾向がある。
式(I)で表される層状リチウム複合酸化物として、具体的には、LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2、LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2、LiMn0.5Ni0.5O2、LiMn1/3Ni1/3Co1/3O2、Li4/3M2/3O2(Mは本発明の複合酸化物におけるM1およびM2からなる群から選ばれる少なくとも1つ。)が例示される。
スピネル型リチウム複合酸化物について説明する。
スピネル型リチウム複合酸化物とは、立方晶系の構造を備え、空間群Fd−3mの対称性を有するものである。理想的な構造では、アニオンであるO(酸素)が立方最密充填し、その隙間にカチオンが充填されていると考えられる。
また、従来、作動電位が5Vレベルと高い5V型または5V級と呼ばれる場合がある置換型のスピネル型リチウム複合酸化物も、本発明におけるスピネル型リチウム複合酸化物に含まれるものとする。
スピネル型リチウム複合酸化物は、式(II)で表されるスピネル型リチウム複合酸化物であることが好ましい。
式(II)で表されるスピネル型リチウム複合酸化物については、後に詳細に説明する。
スピネル型リチウム複合酸化物とは、立方晶系の構造を備え、空間群Fd−3mの対称性を有するものである。理想的な構造では、アニオンであるO(酸素)が立方最密充填し、その隙間にカチオンが充填されていると考えられる。
また、従来、作動電位が5Vレベルと高い5V型または5V級と呼ばれる場合がある置換型のスピネル型リチウム複合酸化物も、本発明におけるスピネル型リチウム複合酸化物に含まれるものとする。
スピネル型リチウム複合酸化物は、式(II)で表されるスピネル型リチウム複合酸化物であることが好ましい。
式(II)で表されるスピネル型リチウム複合酸化物については、後に詳細に説明する。
逆スピネル型リチウム複合酸化物について説明する。
逆スピネル型リチウム複合酸化物とは、空間群Fd−3mをとり、LiAMB4(Mは遷移元素)の一般式において、Aが四面体サイト、M(遷移元素)とリチウムがランダムに八面体サイトを占める構造を備えるものである。
逆スピネル型リチウム複合酸化物は、式(II)で表される逆スピネル型リチウム複合酸化物であることが好ましい。
式(II)で表される逆スピネル型リチウム複合酸化物については、後に詳細に説明する。
逆スピネル型リチウム複合酸化物とは、空間群Fd−3mをとり、LiAMB4(Mは遷移元素)の一般式において、Aが四面体サイト、M(遷移元素)とリチウムがランダムに八面体サイトを占める構造を備えるものである。
逆スピネル型リチウム複合酸化物は、式(II)で表される逆スピネル型リチウム複合酸化物であることが好ましい。
式(II)で表される逆スピネル型リチウム複合酸化物については、後に詳細に説明する。
ケイ酸塩型リチウム複合酸化物について説明する。
ケイ酸塩型リチウム複合酸化物とは、Li2MSiO4(M:Mn、Fe、Co、Ni等の遷移元素)と表され、結晶学的には斜方晶、空間群Pmn21に属し、Li3PO4と類似した構造である。酸素原子は共有結合によりとSiと結合し、(SiO4)4-ポリアニオンを形成している。
ケイ酸塩型リチウム複合酸化物は、式(II)で表されるケイ酸塩型リチウム複合酸化物であることが好ましい。
式(II)で表されるケイ酸塩型リチウム複合酸化物については、後に詳細に説明する。
ケイ酸塩型リチウム複合酸化物とは、Li2MSiO4(M:Mn、Fe、Co、Ni等の遷移元素)と表され、結晶学的には斜方晶、空間群Pmn21に属し、Li3PO4と類似した構造である。酸素原子は共有結合によりとSiと結合し、(SiO4)4-ポリアニオンを形成している。
ケイ酸塩型リチウム複合酸化物は、式(II)で表されるケイ酸塩型リチウム複合酸化物であることが好ましい。
式(II)で表されるケイ酸塩型リチウム複合酸化物については、後に詳細に説明する。
オリビン型リチウム複合酸化物について説明する。
オリビン型リチウム複合酸化物とは、LiMPO4(M:Mn、Fe、Co、Ni等の遷移元素)と表され、結晶学的には斜方晶、空間群Pnma(No.62)に属し、MO6八面体が頂点共有によってジグザグに連なっていて、bc面に平行な層を形成し、この八面体とPO4四面体は頂点共有で結合しており、これによって三次元のネットワークを形成され、MとPとがOを介した結合を有している構造を備えるものである。
オリビン型リチウム複合酸化物は、式(II)で表されるオリビン型リチウム複合酸化物であることが好ましい。
式(II)で表されるオリビン型リチウム複合酸化物については、後に詳細に説明する。
オリビン型リチウム複合酸化物とは、LiMPO4(M:Mn、Fe、Co、Ni等の遷移元素)と表され、結晶学的には斜方晶、空間群Pnma(No.62)に属し、MO6八面体が頂点共有によってジグザグに連なっていて、bc面に平行な層を形成し、この八面体とPO4四面体は頂点共有で結合しており、これによって三次元のネットワークを形成され、MとPとがOを介した結合を有している構造を備えるものである。
オリビン型リチウム複合酸化物は、式(II)で表されるオリビン型リチウム複合酸化物であることが好ましい。
式(II)で表されるオリビン型リチウム複合酸化物については、後に詳細に説明する。
前記スピネル型リチウム複合酸化物、前記逆スピネル型リチウム複合酸化物、前記ケイ酸塩型リチウム複合酸化物、および前記オリビン型リチウム複合酸化物は、下記式(II)で表されるものであることが好ましい。
式(II):Li(y+z)M1 (2-z-q)M2 qO(4-b)
式(II)においてyは、1.0≦y≦2.0の範囲であるが、1.0≦y≦1.2であることが好ましく、1.0≦y≦1.1であることがより好ましく、y=1.0であることがさらに好ましい。yが1.0に近いほどリチウム複合酸化物はスピネル型に近い。yが2.0に近いほどリチウム複合酸化物はケイ酸塩型に近い。
式(II)においてzは、0≦z≦0.2の範囲であるが、0<z≦0.2であることが好ましく、0.03≦z≦0.15であることがより好ましい。
zは、M1と置換しているLi量を意味する。本発明において式(II)で表されるリチウム複合酸化物は、M1の一部がLiと置換していることが好ましい。すなわち、リチウムイオン電池の正極活物質として用いられるリチウム複合酸化物の組成式におけるLiの原子数(組成比)の理論値より過剰のLiが含まれていることが好ましい。この場合、過剰のLiの一部または全部に見合う分だけM1量を少なくすることにより、Liの少なくとも一部がM1と置換した構造をとる。
Liの置換量(z)が多くなると、電池の充放電容量は若干低下するものの、常温よりも高温でのサイクル特性が向上する傾向がある。しかしながら、zが0.2より大きくなっても常温よりも高温でのサイクル特性は大きくは向上し難い傾向がある。また、Li総量(y+z)が1.0未満になると不純物となる異相が生成され、電池の充放電性能が低下する傾向がある。
zは、M1と置換しているLi量を意味する。本発明において式(II)で表されるリチウム複合酸化物は、M1の一部がLiと置換していることが好ましい。すなわち、リチウムイオン電池の正極活物質として用いられるリチウム複合酸化物の組成式におけるLiの原子数(組成比)の理論値より過剰のLiが含まれていることが好ましい。この場合、過剰のLiの一部または全部に見合う分だけM1量を少なくすることにより、Liの少なくとも一部がM1と置換した構造をとる。
Liの置換量(z)が多くなると、電池の充放電容量は若干低下するものの、常温よりも高温でのサイクル特性が向上する傾向がある。しかしながら、zが0.2より大きくなっても常温よりも高温でのサイクル特性は大きくは向上し難い傾向がある。また、Li総量(y+z)が1.0未満になると不純物となる異相が生成され、電池の充放電性能が低下する傾向がある。
式(II)において、M1はMn、Ni、Co、Mg、Fe、AlおよびCrからなる群から選ばれる少なくとも1つの元素であり、Mnおよび/またはAlを含むことが好ましい。
M1の存在量である2−z−qは0よりも大きい。2−z−qの下限は0.66であることが好ましく、0.8であることがより好ましい。2−z−qが小さすぎると容量が保持できないからである。
また、2−z−qの上限は2.0であるが、1.95であることが好ましく、1.90であることがより好ましい。2−z−qが大きすぎるとサイクル特性が劣化する可能性があるからである。
また、2−z−qの上限は2.0であるが、1.95であることが好ましく、1.90であることがより好ましい。2−z−qが大きすぎるとサイクル特性が劣化する可能性があるからである。
M1がMnを含む場合、式(II)は次のような式(II−1)と表すことができる。
式(II−1):Li(y+z)Mn(2-z-q-r)M11 rM2 qO(4-b)
式(II−1)においてM11はM1におけるMn以外の元素、すなわち、Ni、Co、Mg、Fe、AlおよびCrからなる群から選ばれる少なくとも1つの元素であり、rはM11の置換量を意味し、0≦r≦2.0である。
また、0<2−z−q−rとする。2−z−q−rの好ましい上限と好ましい下限については、前述の2−z−qの場合と同様である。
式(II−1):Li(y+z)Mn(2-z-q-r)M11 rM2 qO(4-b)
式(II−1)においてM11はM1におけるMn以外の元素、すなわち、Ni、Co、Mg、Fe、AlおよびCrからなる群から選ばれる少なくとも1つの元素であり、rはM11の置換量を意味し、0≦r≦2.0である。
また、0<2−z−q−rとする。2−z−q−rの好ましい上限と好ましい下限については、前述の2−z−qの場合と同様である。
M11の置換量であるr(M11として複数種類の元素を含む場合は、それらの合計)は好ましくは0≦r≦1.0、より好ましくは0.02≦r≦0.2、さらに好ましくは0.1程度である。正極活物質として用いたときに、一定の放電容量を確保し、常温よりも高温でのサイクル特性を維持することができるからである。なお、M11の置換量が多くなり過ぎると、正極活物質として用いたときの電池の常温よりも高温でのサイクル特性は向上するものの、電池の放電容量が低下してしまう場合がある。
式(II)において、元素M2はB、P、Pb、Sb、SiおよびVからなる群から選ばれる少なくとも1つの元素である。これらの中で好ましい元素はBである。
M2の置換量であるq(M2として複数種類の元素を含む場合は、それらの合計)は0≦q≦1.0であり、上限は0.1であることが好ましく、0.05であることがより好ましい。正極活物質として用いたときに、常温よりも高温でのサイクル特性が向上する傾向があるからである。置換量qが高すぎると正極活物質として用いたときのリチウムイオン二次電池の放電容量が低下する傾向がある。
なお、qは0となる場合がある。この場合、式(II)で表されるリチウム複合酸化物はM2を含まない。すなわち、式(II)で表されるリチウム複合酸化物は、Li(y+z)M1 (2-z)O(4-b)で表される組成となる場合もある。
なお、qは0となる場合がある。この場合、式(II)で表されるリチウム複合酸化物はM2を含まない。すなわち、式(II)で表されるリチウム複合酸化物は、Li(y+z)M1 (2-z)O(4-b)で表される組成となる場合もある。
式(II)において、bはO(酸素)の欠損量を示している。
式(II)においてbは0≦b≦1.0を満たし、b=0であることが好ましい。
酸素欠損量が小さいと(すなわちbが小さいと)充放電試験における3.2V以下容量が小さくなる傾向がある。酸素欠損量が小さいと結晶構造が安定し、常温よりも高温でのサイクル特性が向上する傾向がある。
式(II)においてbは0≦b≦1.0を満たし、b=0であることが好ましい。
酸素欠損量が小さいと(すなわちbが小さいと)充放電試験における3.2V以下容量が小さくなる傾向がある。酸素欠損量が小さいと結晶構造が安定し、常温よりも高温でのサイクル特性が向上する傾向がある。
式(II)で表されるスピネル型リチウム複合酸化物、式(II)で表される逆スピネル型リチウム複合酸化物、式(II)で表されるケイ酸塩型リチウム複合酸化物、または式(II)で表されるオリビン型リチウム複合酸化物として、具体的には、LiMn2-γMγO4(M:Ni、Co、Mg、Fe、AlおよびCrからなる群から選ばれる少なくとも1つの元素)、LiMnMPO4(M:Ni、CoおよびFeからなる群から選ばれる少なくとも1つの元素)、Li2MSiO4(M:本発明の複合酸化物におけるM1およびM2からなる群から選ばれる少なくとも1つ。)が例示され、より具体的には、LiMn2O4、Li1.03Mn1.86Al0.10O4、Li1.06Mn1.83Al0.10B0.01O4、LiMn(Ni、Co)VO4が例示される。
このような本発明の複合酸化物を正極活物質として用いてなる二次電池の初期放電容量は、110mAh/g以上、好ましくは120mAh/g以上、より好ましくは130mAh/g以上、より好ましくは140mAh/g以上、さらに好ましくは150mAh/g以上となり得る。
なお、本発明においてリチウムイオン二次電池の初期放電容量(mAh/g)は、次のように測定するものとする。
初めに、本発明の複合酸化物を85質量%、アセチレンブラックを7.5質量%、ポリフッ化ビニリデンを7.5質量%の割合で秤量し、ノルマルメチルピロリドンに分散させて合剤を得る。そして、得られた合剤を約0.1mmの厚さとなるようにAl箔上に塗布して、約110℃で真空乾燥した後、14mmφのポンチを用いて打ち抜き、正極を作製する。
次に、得られた正極を試験極とし、この試験極とリチウム金属箔(厚さ0.2μm)とをセパレーター(商品名:セルガード)を介してコイン型電池ケース内に積層して配置した後、体積比1:1のエチレンカーボネートとジメチルカーボネートとの混合溶媒に1mol/LのLiPF6を溶解した電解液を注入して試験用コインセルを作成する。
次に、このようにして作成した試験用コインセルについて初期放電容量を測定する。具体的には、充電終止電圧を4.3V、電流密度を0.5mA/cm2とする定電流・定電圧充電(電圧が4.3Vになった後は、4.3Vの一定電圧にて充電する)を行い、放電終止電圧を3.0V、電流密度を0.5mA/cm2とする定電流放電を行った際の正極活物質単位質量あたりの初期充電容量(mAh/g)および初期放電容量(mAh/g)を測定する。
本発明では、このようにして測定して得た値を、初期放電容量とする。
なお、本発明においてリチウムイオン二次電池の初期放電容量(mAh/g)は、次のように測定するものとする。
初めに、本発明の複合酸化物を85質量%、アセチレンブラックを7.5質量%、ポリフッ化ビニリデンを7.5質量%の割合で秤量し、ノルマルメチルピロリドンに分散させて合剤を得る。そして、得られた合剤を約0.1mmの厚さとなるようにAl箔上に塗布して、約110℃で真空乾燥した後、14mmφのポンチを用いて打ち抜き、正極を作製する。
次に、得られた正極を試験極とし、この試験極とリチウム金属箔(厚さ0.2μm)とをセパレーター(商品名:セルガード)を介してコイン型電池ケース内に積層して配置した後、体積比1:1のエチレンカーボネートとジメチルカーボネートとの混合溶媒に1mol/LのLiPF6を溶解した電解液を注入して試験用コインセルを作成する。
次に、このようにして作成した試験用コインセルについて初期放電容量を測定する。具体的には、充電終止電圧を4.3V、電流密度を0.5mA/cm2とする定電流・定電圧充電(電圧が4.3Vになった後は、4.3Vの一定電圧にて充電する)を行い、放電終止電圧を3.0V、電流密度を0.5mA/cm2とする定電流放電を行った際の正極活物質単位質量あたりの初期充電容量(mAh/g)および初期放電容量(mAh/g)を測定する。
本発明では、このようにして測定して得た値を、初期放電容量とする。
また、本発明の複合酸化物を正極活物質として用いてなる二次電池の、常温よりも高い温度でのサイクル容量維持率は81.0%以上、好ましくは83.0%以上、より好ましくは85.0%以上、さらに好ましくは88.0%以上となり得る。
なお、本発明において二次電池の常温よりも高い温度でのサイクル容量維持率(%)は、次のように測定するものとする。
初めに、上記のリチウムイオン二次電池の初期放電容量(mAh/g)を測定する場合と同様の方法で試験用コインセルを作成する。
そして、得られた試験用コインセルを60℃の恒温槽に設置し、上記の初期放電容量の測定と同様に、充電終止電圧を4.3Vまで、放電終止電圧を3.0Vまでの電位規制の条件で0.5mA/cm2の定電流充電を100回行い、1サイクル目の放電容量(初期放電容量)に対する、100サイクル目の放電容量の割合(百分率、%)を、常温よりも高い温度でのサイクル容量維持率とする。
なお、本発明において二次電池の常温よりも高い温度でのサイクル容量維持率(%)は、次のように測定するものとする。
初めに、上記のリチウムイオン二次電池の初期放電容量(mAh/g)を測定する場合と同様の方法で試験用コインセルを作成する。
そして、得られた試験用コインセルを60℃の恒温槽に設置し、上記の初期放電容量の測定と同様に、充電終止電圧を4.3Vまで、放電終止電圧を3.0Vまでの電位規制の条件で0.5mA/cm2の定電流充電を100回行い、1サイクル目の放電容量(初期放電容量)に対する、100サイクル目の放電容量の割合(百分率、%)を、常温よりも高い温度でのサイクル容量維持率とする。
<本発明の複合酸化物の製造方法>
本発明の複合酸化物の製造方法について説明する。
本発明の複合酸化物の製造方法は特に限定されないが、前記リチウム複合酸化物Aと前記リチウム複合酸化物Bとを含む混合体を得た後、前記混合体へ圧縮力およびせん断力を加えて、本発明の複合酸化物を得る複合化工程を備える、混合型リチウム複合酸化物の製造方法であることが好ましい。
本発明の複合酸化物の製造方法について説明する。
本発明の複合酸化物の製造方法は特に限定されないが、前記リチウム複合酸化物Aと前記リチウム複合酸化物Bとを含む混合体を得た後、前記混合体へ圧縮力およびせん断力を加えて、本発明の複合酸化物を得る複合化工程を備える、混合型リチウム複合酸化物の製造方法であることが好ましい。
また、本発明の複合酸化物の製造方法は、前記複合化工程に、さらに調製工程[1]、調製工程[2]、調製工程[3]および混合工程を備える製造方法であることが好ましい。すなわち、少なくともリチウム源を溶媒に含有させた状態で粉砕混合し、得られたスラリーを乾燥し、焼成して、前記リチウム複合酸化物Aを得る調製工程[1]と、少なくともリチウム源を溶媒に含有させた状態で粉砕混合し、得られたスラリーを乾燥し、焼成して、前記リチウム複合酸化物Bを得る調製工程[2]と、少なくともリチウム源を溶媒に含有させた状態で粉砕混合し、得られたスラリーを乾燥し、焼成して、前記リチウム複合酸化物Cを得る調製工程[3]と、前記リチウム複合酸化物Aと前記リチウム複合酸化物Bとを含む混合体を得た後、前記混合体へ圧縮力およびせん断力を加えて、ハイブリッド型リチウム複合酸化物を得る複合化工程と、ハイブリッド型リチウム複合酸化物と前記リチウム複合酸化物Cとを混合する混合工程とを備える、混合型リチウム複合酸化物の製造方法であることが好ましい。
このような好ましい製造方法を、以下では「本発明の製造方法」ともいう。
このような好ましい製造方法を、以下では「本発明の製造方法」ともいう。
前述のように、本発明の複合酸化物では、リチウム複合酸化物Aとリチウム複合酸化物Cとが同一物質であることが好ましい。この場合、調製工程[1]において得られるリチウム複合酸化物Aをリチウム複合酸化物Cとして用いればよいので、本発明の製造方法において調製工程[3]を省略することができる。
調製工程[1]、調製工程[2]、調製工程[3]、複合化工程および混合工程について、以下に説明する。
<調製工程[1]>
調製工程[1]について説明する。
調製工程[1]では、リチウム源を溶媒に含有させる。
調製工程[1]について説明する。
調製工程[1]では、リチウム源を溶媒に含有させる。
リチウム源としては、リチウム原子を含む無機または有機の化合物(すなわち、リチウム化合物)を用いることができる。例えば、水酸化リチウム、炭酸リチウム、硝酸リチウム、酢酸リチウムを用いることができる。これらの中でも水酸化リチウムおよび/または炭酸リチウムを用いることが好ましい。有害ガスの生成を抑制できるからである。
調製工程[1]では、リチウム源に加え、さらにM1を含む原料および/またはM2を含む原料を溶媒に含有させることが好ましい。
M1を含む原料としては、Mn、Ni、Co、Mg、Fe、AlおよびCrからなる群から選ばれる少なくとも1つの元素を含む化合物を用いることができる。
M1を含む原料はマンガン源を含むことが好ましい。
マンガン源としては、マンガン原子を含む無機または有機の化合物(すなわち、マンガン化合物)を用いることができる。例えば、酸化マンガン、炭酸マンガン、炭酸マンガン水和物、水酸化マンガン、オキシ水酸化マンガンを用いることができる。これらの中でも酸化マンガンを用いることが好ましく、Mn3O4を用いることがより好ましい。工業原料として安価に入手でき、さらに、より容量維持率が高いリチウムイオン二次電池が得られる傾向があるからである。
M1を含む原料はマンガン源を含むことが好ましい。
マンガン源としては、マンガン原子を含む無機または有機の化合物(すなわち、マンガン化合物)を用いることができる。例えば、酸化マンガン、炭酸マンガン、炭酸マンガン水和物、水酸化マンガン、オキシ水酸化マンガンを用いることができる。これらの中でも酸化マンガンを用いることが好ましく、Mn3O4を用いることがより好ましい。工業原料として安価に入手でき、さらに、より容量維持率が高いリチウムイオン二次電池が得られる傾向があるからである。
M1を含む原料としては、例えば、塩基性炭酸ニッケル、塩基性炭酸コバルト、マグネシア、ヘマタイト、アルミナ、水酸化アルミニウム(Al(OH)3)、酸化クロムなどを用いることができる。これらの中でもAlを含む化合物を用いることが好ましく、水酸化アルミニウム(Al(OH)3)をより好ましく用いることができる。工業的に安価に入手でき、より容量維持率が高いリチウムイオン二次電池が得られる傾向があるからである。
M2を含む原料としては、B、P、Pb、Sb、SiおよびVからなる群から選ばれる少なくとも1つの元素を含む化合物を用いることができる。元素M2はBであることが好ましい。
例えばM2がBを含む場合は、ホウ素を含む原料として、ホウ酸(H3BO3)、三酸化二ホウ酸(B2O3)を用いることができ、ホウ酸(H3BO3)を用いることが好ましい。工業原料として安価に入手できるからである。
また、M2を含む原料としては、P2O5、PbO、Sb2O3、SiO2およびV2O5などを用いることができる。
M2がBを含むと、後に焼成する際の焼結性が高まり、粒子径が成長し、得られるリチウムイオン二次電池の容量維持率の向上に寄与するものと、本発明者は推定している。
例えばM2がBを含む場合は、ホウ素を含む原料として、ホウ酸(H3BO3)、三酸化二ホウ酸(B2O3)を用いることができ、ホウ酸(H3BO3)を用いることが好ましい。工業原料として安価に入手できるからである。
また、M2を含む原料としては、P2O5、PbO、Sb2O3、SiO2およびV2O5などを用いることができる。
M2がBを含むと、後に焼成する際の焼結性が高まり、粒子径が成長し、得られるリチウムイオン二次電池の容量維持率の向上に寄与するものと、本発明者は推定している。
本発明の製造方法において、M2を含む原料は、後述する焼成の際に、スピネル結晶の生成および成長を促進させる。すなわち、スピネル結晶の生成過程で元素M2の酸化物が融剤として作用して、結晶の生成および成長を促進し、さらに結晶子の集合体である一次粒子の成長を促進すると考えられる。
リチウム源と、M1を含む原料および/またはM2を含む原料とを用いる場合、溶媒に含有させる上記のようなリチウム源、M1を含む原料およびM2を含む原料の比率は、式(I)または式(II)で表される組成のリチウム複合酸化物が得られるように調整することが好ましい。
リチウム源(好ましくはさらにM1を含む原料およびM2を含む原料)を含有させる溶媒は特に限定されず、例えば従来公知の溶媒、例えば水(純水等)、エタノール、アセトンなどを用いることができるが、水を用いることが好ましい。
また、これらの原料は、溶媒中の固形分濃度が好ましくは5〜40質量%、より好ましくは10〜35質量%、さらに好ましくは15〜25質量%となるように含有させる。
また、これらの原料は、溶媒中の固形分濃度が好ましくは5〜40質量%、より好ましくは10〜35質量%、さらに好ましくは15〜25質量%となるように含有させる。
調製工程[1]では、リチウム源(好ましくはさらにM1を含む原料およびM2を含む原料)を前記溶媒中に含有させ、その状態で粉砕混合する。
粉砕混合の方法は特に限定されないものの、ビーズミル等を用いた湿式微粉砕機を用いた湿式粉砕法が好ましい。
また、この粉砕は、固形分の平均粒子径(D50)が0.50μm以下であるスラリーが得られるまで行うことが好ましい。平均粒子径(D50)が0.50μm以下となるように粉砕混合すると、スラリー中で固形分が均一な状態となり易い。また、得られるリチウムイオン二次電池における常温よりも高温での容量維持率が高くなる傾向があるからである。この平均粒子径は0.40μm以下であることが好ましく、0.30μm以下であることがより好ましい。
また、平均粒子径は0.10μm以上であることが好ましく、0.15μm以上であることがより好ましい。粉砕で粒径を小さくし過ぎると以降の工程でのハンドリングが悪くなるからである。
粉砕混合の方法は特に限定されないものの、ビーズミル等を用いた湿式微粉砕機を用いた湿式粉砕法が好ましい。
また、この粉砕は、固形分の平均粒子径(D50)が0.50μm以下であるスラリーが得られるまで行うことが好ましい。平均粒子径(D50)が0.50μm以下となるように粉砕混合すると、スラリー中で固形分が均一な状態となり易い。また、得られるリチウムイオン二次電池における常温よりも高温での容量維持率が高くなる傾向があるからである。この平均粒子径は0.40μm以下であることが好ましく、0.30μm以下であることがより好ましい。
また、平均粒子径は0.10μm以上であることが好ましく、0.15μm以上であることがより好ましい。粉砕で粒径を小さくし過ぎると以降の工程でのハンドリングが悪くなるからである。
なお、スラリー中の固形分の平均粒子径(D50)は、室温大気中で、スラリーにヘキサメタリン酸ナトリウム水溶液を添加し、超音波分散および撹拌によって分散させ、このスラリーを30〜60%の透過率となるように調節し、レーザー回折/散乱式粒度分布測定装置を用いて積算粒度分布(体積基準)を測定し、その粒度分布から求めたメジアン径を意味するものとする。
また、この粉砕は、固形分におけるD90の粒子径が0.50μm以下であるスラリーが得られるまで行うことが好ましい。このD90の粒子径は0.40μm以下であることがより好ましく、0.30μm以下であることがさらに好ましい。得られるリチウムイオン二次電池における常温よりも高温での容量維持率が高くなる傾向があるからである。
なお、スラリー中の固形分のD90の粒子径は、室温大気中で、スラリーにヘキサメタリン酸ナトリウム水溶液を添加し、超音波分散および撹拌によって分散させ、このスラリーを30〜60%の透過率となるように調節し、レーザー回折/散乱式粒度分布測定装置を用いて積算粒径分布(体積基準)を測定し、その積算粒度分布が90%となる粒径を意味するものとする。
次に、このようにして得たスラリーを乾燥して前駆体を得る。ここでスラリーの乾燥はバンド乾燥機、棚型乾燥機などを用いた乾燥方法であってよいが、噴霧乾燥であることが好ましい。噴霧乾燥とは、スラリーを噴霧し、霧状とした後または霧状としながら、乾燥することである。所望の条件で噴霧乾燥して、得られる前駆体の粒子径を所望の範囲内に調整することができる。
噴霧乾燥の方法は特に制限されず、例えば、高速回転するアトマイザにスラリーを流入させることによってアトマイザのスリットからスラリー成分の液滴を吐出させ、適当な乾燥ガス温度や送風量を用いて飛散した液滴を迅速に乾燥させる方法が挙げられる。このときスラリー流量は好ましくは0.5〜700kg/h、より好ましくは1〜600kg/h、さらに好ましくは300〜550kg/h、アトマイザ回転数は好ましくは10,000〜40,000rpm、より好ましくは20,000〜35,000rpm、さらに好ましくは28,000〜32,000rpmとする。飛散した液滴を迅速に乾燥させるように、適当な温度や送風等の処理が施されるが、乾燥塔上部から下部に向かいダウンフローで乾燥ガスを導入することが好ましい。
噴霧乾燥はスプレードライヤーを用いて行うことが好ましい。また、スプレードライヤーの乾燥用熱風の入口温度を好ましくは60〜500℃、より好ましくは250〜450℃、さらに好ましくは300〜400℃、出口温度を好ましくは80〜250℃、より好ましくは100〜200℃、さらに好ましくは130〜160℃とする。
噴霧乾燥はスプレードライヤーを用いて行うことが好ましい。また、スプレードライヤーの乾燥用熱風の入口温度を好ましくは60〜500℃、より好ましくは250〜450℃、さらに好ましくは300〜400℃、出口温度を好ましくは80〜250℃、より好ましくは100〜200℃、さらに好ましくは130〜160℃とする。
次に、上記のようにして得た前駆体を焼成する。
ここで、焼成方法は酸素含有雰囲気中で行われる方法であれば特に限定されず、例えば従来公知の方法、例えばトンネル炉、マッフル炉、ロータリーキルン等を用いる焼成方法が挙げられる。
ここで、焼成方法は酸素含有雰囲気中で行われる方法であれば特に限定されず、例えば従来公知の方法、例えばトンネル炉、マッフル炉、ロータリーキルン等を用いる焼成方法が挙げられる。
また、焼成温度は600〜1200℃であることが好ましい。また、650℃以上であることが好ましく、700℃以上であることがより好ましく、750℃以上であることがさらに好ましい。前記前駆体がホウ素を含む場合、650〜900℃にて焼成すると、常温よりも高い温度でのサイクル特性が向上する傾向があることを本発明者は見出した。
また、焼成温度は1100℃以下であることが好ましく、1050℃以下であることがより好ましい。焼成温度が高すぎると結晶構造中から酸素が離脱し、電池性能が低下する傾向がある。
また、焼成温度は1100℃以下であることが好ましく、1050℃以下であることがより好ましい。焼成温度が高すぎると結晶構造中から酸素が離脱し、電池性能が低下する傾向がある。
上記のような焼成温度で前記前駆体を焼成する時間は0.1〜10hであることが好ましく、3〜9hであることがより好ましく、4〜8hであることがより好ましく、5.5〜6.5hであることがさらに好ましい。
このような調製工程[1]によって、前記リチウム複合酸化物Aを得ることができる。
<調製工程[2]>
調製工程[2]について説明する。
調製工程[2]では、リチウム源を溶媒に含有させる。
調製工程[2]では、リチウム源に加え、さらにM1を含む原料および/またはM2を含む原料を溶媒に含有させることが好ましい。
調製工程[2]について説明する。
調製工程[2]では、リチウム源を溶媒に含有させる。
調製工程[2]では、リチウム源に加え、さらにM1を含む原料および/またはM2を含む原料を溶媒に含有させることが好ましい。
リチウム源、M1を含む原料およびM2を含む原料としては、前述の調製工程[1]において用いたものを用いることができる。
リチウム源と、M1を含む原料および/またはM2を含む原料とを用いる場合、溶媒に含有させる上記のようなリチウム源、M1を含む原料およびM2を含む原料の比率は、式(II)または式(II)で表される組成のリチウム複合酸化物が得られるように調整することが好ましい。
リチウム源(好ましくはさらにM1を含む原料およびM2を含む原料)を含有させる溶媒についても、前述の調製工程[1]と同様とすることができる。溶媒中の固形分濃度等についても同様である。
また、粉砕混合についても、前述の調製工程[1]の場合と同様とすることができる。粉砕の程度についても同様とすることができる。
また、スラリーを乾燥して前駆体を得る方法についても、前述の調製工程[1]の場合と同様とすることができる。
また、前駆体を焼成する方法についても、前述の調製工程[1]の場合と同様とすることができる。
このような調製工程[2]によって、前記リチウム複合酸化物Bを得ることができる。
<調製工程[3]>
調製工程[3]について説明する。
調製工程[3]では、リチウム源を溶媒に含有させる。
調製工程[3]では、リチウム源に加え、さらにM1を含む原料および/またはM2を含む原料を溶媒に含有させることが好ましい。
調製工程[3]について説明する。
調製工程[3]では、リチウム源を溶媒に含有させる。
調製工程[3]では、リチウム源に加え、さらにM1を含む原料および/またはM2を含む原料を溶媒に含有させることが好ましい。
リチウム源、M1を含む原料およびM2を含む原料としては、前述の調製工程[1]において用いたものを用いることができる。
リチウム源と、M1を含む原料および/またはM2を含む原料とを用いる場合、溶媒に含有させる上記のようなリチウム源、M1を含む原料およびM2を含む原料の比率は、式(II)または式(II)で表される組成のリチウム複合酸化物が得られるように調整することが好ましい。
リチウム源(好ましくはさらにM1を含む原料およびM2を含む原料)を含有させる溶媒についても、前述の調製工程[1]と同様とすることができる。溶媒中の固形分濃度等についても同様である。
また、粉砕混合についても、前述の調製工程[1]の場合と同様とすることができる。粉砕の程度についても同様とすることができる。
また、スラリーを乾燥して前駆体を得る方法についても、前述の調製工程[1]の場合と同様とすることができる。
また、前駆体を焼成する方法についても、前述の調製工程[1]の場合と同様とすることができる。
このような調製工程[3]によって、前記リチウム複合酸化物Cを得ることができる。
<複合化工程>
複合化工程について説明する。
複合化工程では、前記リチウム複合酸化物Aと前記リチウム複合酸化物Bとを含む混合体を得た後、前記混合体へ圧縮力およびせん断力を加える。
複合化工程について説明する。
複合化工程では、前記リチウム複合酸化物Aと前記リチウム複合酸化物Bとを含む混合体を得た後、前記混合体へ圧縮力およびせん断力を加える。
前記混合体は、前記リチウム複合酸化物Aと前記リチウム複合酸化物Bとを混合して得ることが好ましい。
混合体を得る際の前記リチウム複合酸化物Aと前記リチウム複合酸化物Bとの混合比は特に限定されないが、これらの質量比(リチウム複合酸化物Aの質量:リチウム複合酸化物Bの質量)を、9.9:0.1〜0.1:9.9(好ましくは9.5:0.5〜5:5、より好ましくは9:1〜6:4)とすることがさらに好ましい。
このような混合比とすると、体積当たりの放電容量がより高く、さらに常温よりも高い温度雰囲気内で使用したときのサイクル特性がより優れるリチウムイオン二次電池を得ることができるからである。
このような混合比とすると、体積当たりの放電容量がより高く、さらに常温よりも高い温度雰囲気内で使用したときのサイクル特性がより優れるリチウムイオン二次電池を得ることができるからである。
前記混合体を得た後、前記混合体へ圧縮力およびせん断力を加える。
圧縮力およびせん断力を加える方法は特に限定されないが、従来公知の複合化装置を用いて、前記混合体へ圧縮力およびせん断力を加えることができる。
複合化装置は、回転容器の遠心力によって回転容器の内側に固定された原料をインナピースで押し付けて回転容器との間に挟むようにして、圧縮力とせん断力を加える装置である。
圧縮力およびせん断力を加える方法は特に限定されないが、従来公知の複合化装置を用いて、前記混合体へ圧縮力およびせん断力を加えることができる。
複合化装置は、回転容器の遠心力によって回転容器の内側に固定された原料をインナピースで押し付けて回転容器との間に挟むようにして、圧縮力とせん断力を加える装置である。
このような複合化装置を用いて、前記混合体へ圧縮力およびせん断力を加える場合、好ましい運転条件は次の通りである。
前記混合体を回転容器内に80〜100cc充填し、回転数5000〜7000rpmで行い、温度上昇が止まり、装置の電流値が低下し、一定となったところで終了するのが好ましい。
前記混合体を回転容器内に80〜100cc充填し、回転数5000〜7000rpmで行い、温度上昇が止まり、装置の電流値が低下し、一定となったところで終了するのが好ましい。
前記複合化工程が、前記リチウム複合酸化物Aと前記リチウム複合酸化物Bとを含む混合体を得た後、前記混合体へ圧縮力およびせん断力を加え、その後、さらに前記リチウム複合酸化物Bを加え、再度、圧縮力およびせん断力を加える工程であることが好ましい。
例えば、初めに、複合化工程によって得られる本発明の複合酸化物に含まれるリチウム複合酸化物Aとリチウム複合酸化物Bとの混合比(リチウム複合酸化物Aの質量:リチウム複合酸化物Bの質量)が9.9:0.1〜0.1:9.9(好ましくは9.5:0.5〜5:5、より好ましくは9:1〜6:4)となるように、リチウム複合酸化物Aとリチウム複合酸化物Bとを秤量する。
次に、リチウム複合酸化物Bの一部(例えば20〜80質量%、好ましくは40〜60質量%、より好ましくは50質量%程度)を前記リチウム複合酸化物Aと混合して混合体を得る。
次に、複合化装置等を用いて、前記混合体へ圧縮力およびせん断力を加える。
次に、残りの前記リチウム複合酸化物Bを加えて、再度、圧縮力およびせん断力を加えることが好ましい。
体積当たりの放電容量がより高く、さらに常温よりも高い温度雰囲気内で使用したときのサイクル特性がより優れるリチウムイオン二次電池を得ることができるからである。
次に、リチウム複合酸化物Bの一部(例えば20〜80質量%、好ましくは40〜60質量%、より好ましくは50質量%程度)を前記リチウム複合酸化物Aと混合して混合体を得る。
次に、複合化装置等を用いて、前記混合体へ圧縮力およびせん断力を加える。
次に、残りの前記リチウム複合酸化物Bを加えて、再度、圧縮力およびせん断力を加えることが好ましい。
体積当たりの放電容量がより高く、さらに常温よりも高い温度雰囲気内で使用したときのサイクル特性がより優れるリチウムイオン二次電池を得ることができるからである。
このような複合化工程によって、ハイブリッド型リチウム複合酸化物を得ることができる。
<混合工程>
混合工程について説明する。
混合工程は、ハイブリッド型リチウム複合酸化物とリチウム複合酸化物Cとを混合する工程である。
ハイブリッド型リチウム複合酸化物とリチウム複合酸化物Cとを混合する方法は特に限定されない。例えば従来公知の方法を適用することができる。例えば従来公知の混合機を用いて混合することができる。
また、ハイブリッド型リチウム複合酸化物とリチウム複合酸化物Cとを混合した後、焼成してもよい。焼成方法は特に限定されず、例えば、前述の調製工程[1]の場合と同様とすることができる。
このような混合工程によって、本発明の複合酸化物を得ることができる。
混合工程について説明する。
混合工程は、ハイブリッド型リチウム複合酸化物とリチウム複合酸化物Cとを混合する工程である。
ハイブリッド型リチウム複合酸化物とリチウム複合酸化物Cとを混合する方法は特に限定されない。例えば従来公知の方法を適用することができる。例えば従来公知の混合機を用いて混合することができる。
また、ハイブリッド型リチウム複合酸化物とリチウム複合酸化物Cとを混合した後、焼成してもよい。焼成方法は特に限定されず、例えば、前述の調製工程[1]の場合と同様とすることができる。
このような混合工程によって、本発明の複合酸化物を得ることができる。
<本発明の正極活物質>
本発明の正極活物質について説明する。
本発明の正極活物質は、本発明の複合酸化物を用いた非水系電解質二次電池用正極活物質である。
本発明の正極活物質は、本発明の複合酸化物を80質量%以上含むことが好ましく、90質量%以上含むことがより好ましく、実質的に100質量%含む、すなわち本発明の複合酸化物から実質的になることがさらに好ましい。
本発明の正極活物質について説明する。
本発明の正極活物質は、本発明の複合酸化物を用いた非水系電解質二次電池用正極活物質である。
本発明の正極活物質は、本発明の複合酸化物を80質量%以上含むことが好ましく、90質量%以上含むことがより好ましく、実質的に100質量%含む、すなわち本発明の複合酸化物から実質的になることがさらに好ましい。
本発明の正極活物質は、本発明の複合酸化物の他に、LTO(Li4Ti5O12)、後述する固体電解質、その他リチウムを含まない酸化物を含むことができる。また、これらに代表される物質を本発明の複合酸化物の表面に塗布したものを、本発明の正極活物質として用いることもできる。
<本発明の正極およびその製造方法>
本発明の正極は、本発明の正極活物質を用いてなるものであれば、例えば従来公知の正極と同様の態様であってよい。例えば、本発明の正極活物質に必要に応じて導電助剤、結着剤などを添加し混合したものからなる層を集電体上に形成してなるものが挙げられる。具体的には、本発明の正極活物質に導電助剤、結着剤およびN−メチルピロリドンなどの有機溶媒を混練してインク(スラリー)を調製し、このインクを集電体のアルミ箔に塗布し乾燥した後、ローラープレス機にかけることにより得ることができる。ローラープレス機にかけることによって、正極活物質と集電体との接触を良くすると共に正極活物質の密度を高めることができる。また、本発明の正極活物質に導電助剤および結着剤を充分混合したのち、ローラープレスでシート状に成形して正極を得ることができる。
ここで、導電助剤として、黒鉛(天然黒鉛、人造黒鉛、膨張黒鉛など)やアセチレンブラック、ケッチェンブラックなどのカーボンブラック系材料などが挙げられる。
また、結着剤として、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、エチレンプロピレンジエンゴム、フッ素ゴム、スチレンブタジエン、セルロース系樹脂、ポリアクリル酸などが挙げられる。
また、集電体についても限定されず、例えば従来公知のネット状、シート状、フィルム状のものを用いることができる。
本発明の正極は、本発明の正極活物質を用いてなるものであれば、例えば従来公知の正極と同様の態様であってよい。例えば、本発明の正極活物質に必要に応じて導電助剤、結着剤などを添加し混合したものからなる層を集電体上に形成してなるものが挙げられる。具体的には、本発明の正極活物質に導電助剤、結着剤およびN−メチルピロリドンなどの有機溶媒を混練してインク(スラリー)を調製し、このインクを集電体のアルミ箔に塗布し乾燥した後、ローラープレス機にかけることにより得ることができる。ローラープレス機にかけることによって、正極活物質と集電体との接触を良くすると共に正極活物質の密度を高めることができる。また、本発明の正極活物質に導電助剤および結着剤を充分混合したのち、ローラープレスでシート状に成形して正極を得ることができる。
ここで、導電助剤として、黒鉛(天然黒鉛、人造黒鉛、膨張黒鉛など)やアセチレンブラック、ケッチェンブラックなどのカーボンブラック系材料などが挙げられる。
また、結着剤として、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、エチレンプロピレンジエンゴム、フッ素ゴム、スチレンブタジエン、セルロース系樹脂、ポリアクリル酸などが挙げられる。
また、集電体についても限定されず、例えば従来公知のネット状、シート状、フィルム状のものを用いることができる。
<本発明の二次電池>
本発明の二次電池について説明する。
本発明の二次電池は、正極として本発明の正極を用いること以外は、通常のリチウムイオン二次電池と同様の構成であってよく、円筒型、角型、コイン型、ボタン型などであってよい。すなわち、正極、負極および非水系電解質を主たる電池構成要素とし、これら要素が、例えば電池缶内に封入されている。正極および負極はそれぞれリチウムイオンの担持体として作用し、充電時には、リチウムイオンが負極中に吸蔵され、放電時には負極から離脱する。
本発明の二次電池について説明する。
本発明の二次電池は、正極として本発明の正極を用いること以外は、通常のリチウムイオン二次電池と同様の構成であってよく、円筒型、角型、コイン型、ボタン型などであってよい。すなわち、正極、負極および非水系電解質を主たる電池構成要素とし、これら要素が、例えば電池缶内に封入されている。正極および負極はそれぞれリチウムイオンの担持体として作用し、充電時には、リチウムイオンが負極中に吸蔵され、放電時には負極から離脱する。
負極は特に限定されず、例えば従来公知の負極と同様の態様であってよい。例えば、負極活物質としては、リチウムやリチウム−アルミニウムで代表されるリチウム合金を用いることができ、また、黒鉛、熱分解炭素類、コークス類、ガラス状炭素類、有機高分子化合物の焼成体、メソカーボンマイクロビーズ、炭素繊維、活性炭などのリチウムイオンを可逆的に吸蔵・放出できる炭素系材料を用いることもできる。例えば集電体は、正極の場合と同様のものを用いることができる。
負極は、負極活物質がリチウムやリチウム合金の場合は、そのまま用いるか、あるいは集電体に圧着することによって製造することができる。また、負極活物質がリチウムイオンを吸蔵放出可能な炭素系材料(グラファイト、カーボンブラックなど)の場合は、必要に応じて正極の場合と同様の結着剤を負極活物質に添加して混合し、溶剤を用いてペースト状にし、得られた負極合剤含有ペーストを銅箔などからなる負極集電体に塗布し、乾燥して負極合剤層を形成し、必要に応じて加圧成形する工程を経ることによって製造することができる。
負極は、負極活物質がリチウムやリチウム合金の場合は、そのまま用いるか、あるいは集電体に圧着することによって製造することができる。また、負極活物質がリチウムイオンを吸蔵放出可能な炭素系材料(グラファイト、カーボンブラックなど)の場合は、必要に応じて正極の場合と同様の結着剤を負極活物質に添加して混合し、溶剤を用いてペースト状にし、得られた負極合剤含有ペーストを銅箔などからなる負極集電体に塗布し、乾燥して負極合剤層を形成し、必要に応じて加圧成形する工程を経ることによって製造することができる。
非水系電解質としては有機系電解質、ポリマー電解質、固体電解質などを用いることができる。ここで、有機系電解質とはリチウム塩が非水溶媒に加えられたものであり、ポリマー電解質とは、リチウム塩が高分子化合物に加えられたものである。
ここで、リチウム塩としては、例えば、LiBF4、LiClO4、LiAsF6、LiPF6、LiCF3SO3、LiCF3CO2、LiSCN、LiBr、LiI、Li2SO4、Li2B10Cl10、LiN(SO2CF3)2、LiN(SO2C2F5)2が挙げられる。これらの中でもLiBF4(四フッ化ホウ酸リチウム)は、電解質中に存在する水分との反応性がより低いので、安全性により優れ、サイクル特性、レート特性(高率放電特性)および初期特性などの優れたリチウム電池を得易い。
有機系電解質中のリチウム塩の濃度は0.1〜3.0mol/lが好ましく、0.2〜2.0mol/lがより好ましい。非水系電解質のイオン電導率が高くなり、非水系電解質中にリチウム塩が析出し難く、高性能な電池性能を備えるリチウム電池が得られるからである。
有機系電解質中のリチウム塩の濃度は0.1〜3.0mol/lが好ましく、0.2〜2.0mol/lがより好ましい。非水系電解質のイオン電導率が高くなり、非水系電解質中にリチウム塩が析出し難く、高性能な電池性能を備えるリチウム電池が得られるからである。
有機系電解質の非水溶媒としては、例えば従来公知のものを用いることができ、エチレンカーボネート、γ−ブチロラクトン、プロピレンカーボネートおよびビニレンカーボネートの混合溶媒を好ましく使用することができる。エチレンカーボネート、γ−ブチロラクトンおよびプロピレンカーボネートは、誘電率が高いことから、イオン伝導を確実に起こすことができ、さらに、非水溶媒にビニレンカーボネートを含有させることにより、充電時において、エチレンカーボネート、γ−ブチロラクトンおよびプロピレンカーボネートの分解を確実に抑制可能なビニレンカーボネート由来の皮膜を負極上に形成できるので、充電をより十分に行うことができる。
有機系電解質は、リチウム塩および非水溶媒の他に、さらに他の有機溶媒を含んでもよい。
非水系電解質をポリマー電解質とする場合には、可塑剤(非水電解液)でゲル化されたマトリクス高分子化合物を含むが、このマトリクス高分子化合物としては、ポリエチレンオキサイドやその架橋体などのエーテル系樹脂、ポリメタクリレート系樹脂、ポリアクリレート系樹脂、ポリビニリデンフルオライドやビニリデンフルオライド−ヘキサフルオロプロピレン共重合体などのフッ素系樹脂などを単独、もしくは混合して用いることができる。
これらの中で、酸化還元安定性の観点などから、ポリビニリデンフルオライドやビニリデンフルオライド−ヘキサフルオロプロピレン共重合体などのフッ素系樹脂を用いることが好ましい。
これらの中で、酸化還元安定性の観点などから、ポリビニリデンフルオライドやビニリデンフルオライド−ヘキサフルオロプロピレン共重合体などのフッ素系樹脂を用いることが好ましい。
ポリマー電解質の作製は特に限定されないが、例えば、マトリックスを構成する高分子化合物、リチウム塩および溶媒を混合し、加熱して溶融・溶解する方法が挙げられる。また、混合用有機溶媒に、高分子化合物、リチウム塩、および溶媒を溶解させた後、混合用有機溶媒を蒸発させる方法、重合性モノマー、リチウム塩および溶媒を混合し、紫外線、電子線または分子線などを照射して、重合性モノマーを重合させ、ポリマーを得る方法などを挙げることができる。
ポリマー電解質中の溶媒の割合は10〜90質量%が好ましく、30〜80質量%がより好ましい。このような割合であると、導電率が高く、機械的強度が強く、フィルム化しやすい。
ポリマー電解質中の溶媒の割合は10〜90質量%が好ましく、30〜80質量%がより好ましい。このような割合であると、導電率が高く、機械的強度が強く、フィルム化しやすい。
固体電解質としては、例えばリチウムイオンを含む酸化物系急冷ガラス、硫化物ベースのオキシスルフィド系超イオン伝導ガラスなどのガラス系固体電解質、ポリエーテルなどの高分子に、Li塩が溶解・分散した高分子固体電解質などが挙げられる。
また高分子固体電解質は、溶媒成分を含むゲル状であってもよい。
また高分子固体電解質は、溶媒成分を含むゲル状であってもよい。
本発明の二次電池は、正極と負極とが直接接触することを防ぐセパレータを有することが好ましい。
セパレータは特に限定されず、例えば従来公知のものを用いることができ、例えば織布、不織布、合成樹脂製微多孔膜などが挙げられる。合成樹脂製微多孔膜が好適であるが、なかでもポリオレフィン系微多孔膜が、厚さ、膜強度、膜抵抗の面で好適である。具体的には、ポリエチレンおよびポリプロピレン製微多孔膜、またはこれらを複合した微多孔膜等である。
なお、非水系電解質として有機系電解質またはポリマー電解質を用いる場合、通常セパレータが使用されるが、固体電解質の場合、セパレータを使用せずに固体電解質をセパレータとしてもよい。
セパレータは特に限定されず、例えば従来公知のものを用いることができ、例えば織布、不織布、合成樹脂製微多孔膜などが挙げられる。合成樹脂製微多孔膜が好適であるが、なかでもポリオレフィン系微多孔膜が、厚さ、膜強度、膜抵抗の面で好適である。具体的には、ポリエチレンおよびポリプロピレン製微多孔膜、またはこれらを複合した微多孔膜等である。
なお、非水系電解質として有機系電解質またはポリマー電解質を用いる場合、通常セパレータが使用されるが、固体電解質の場合、セパレータを使用せずに固体電解質をセパレータとしてもよい。
本発明の二次電池の製造方法は特に限定されず、例えば従来公知の方法で製造することができる。例えば、リチウム電池用セパレータを介して本発明の正極と前記負極とを積層する前または積層した後に非水系電解質を注液し、最終的に、外装材で封止することによって製造することができる。外装材としては、例えば、ニッケルメッキした鉄、ステンレススチール、アルミニウム、金属箔を樹脂フィルムで挟み込んだ構成の金属樹脂複合フィルム等が挙げられる。
以下に本発明の実施例について説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
<実施例1>
[リチウム複合酸化物Aの調製]
リチウム源として水酸化リチウム(LiOH・H2O)および炭酸リチウム(Li2CO3)、ニッケル源として水酸化ニッケル(Ni(OH)2)、コバルト源としてCo3O4、マンガン源として電解二酸化マンガン(γ−MnO2)を用意した。そして、それぞれの原料を、最終的に得られるリチウム複合酸化物の組成が、Li1.01Ni0.33Co0.33Mn0.33O2となるように秤量した。
[リチウム複合酸化物Aの調製]
リチウム源として水酸化リチウム(LiOH・H2O)および炭酸リチウム(Li2CO3)、ニッケル源として水酸化ニッケル(Ni(OH)2)、コバルト源としてCo3O4、マンガン源として電解二酸化マンガン(γ−MnO2)を用意した。そして、それぞれの原料を、最終的に得られるリチウム複合酸化物の組成が、Li1.01Ni0.33Co0.33Mn0.33O2となるように秤量した。
次に、これらの秤量した原料を混合し、ここへ固形分濃度が33.3質量%となるように純水を加えた後、湿式粉砕機(アシザワファインテック社製:スターミルラボスターLMZ−06)を用いて粉砕し、スラリーを得た。ここで、スラリー中の固形分の平均粒子径(メジアン径)が0.18μmになるまで粉砕した。粉砕においては600mlのベッセルを用いた。
なお、スラリー中の固形分の平均粒子径(メジアン径)は、レーザー回折/散乱式粒度分布測定装置(堀場製作所:LA−950v2)を用いて求めた。具体的には室温大気中で、スラリーにヘキサメタリン酸ナトリウム水溶液を添加し、超音波分散および撹拌によって分散させ、30〜60%の透過率となるように調節した後、上記の装置を用いて屈折率2.20の条件で、積算粒度分布(体積基準)を測定して求めた。
次に、粉砕後のスラリーについて、ディスク型スプレードライヤー(大川原化工機社製:L−8型スプレードライヤー)を用いて噴霧乾燥を行った。ここで乾燥ガスとして空気を用いた。また、バグフィルター差圧が0.15kPaとなるよう調整し、乾燥ガスの入口温度は200℃に調整した。スラリー流量は2kg/hとし、スラリー/空気を突出する二流体ノズルは、空気圧が0.05MPaとなるようにした。このような噴霧乾燥を行うことで、粒子状の前駆体[1]を得た。
次に、得られた前駆体[1]を200℃/hで1000℃まで昇温し、1000℃で6時間空気中にて焼成した後、室内にて放冷することで室温まで冷却して、目標組成の層状リチウム複合酸化物を得た。
得られた層状リチウム複合酸化物について、平均粒子径(メジアン径)を、レーザー回折/散乱式粒度分布測定装置(堀場製作所:LA−950v2)を用いて求めた。具体的には室温大気中で、スラリーにヘキサメタリン酸ナトリウム水溶液を添加し、超音波分散および撹拌によって分散させ、30〜60%の透過率となるように調節した後、上記の装置を用いて屈折率2.2の条件で、積算粒度分布(体積基準)を測定して求めた。
その結果、平均粒子径は10.2μmであった。
その結果、平均粒子径は10.2μmであった。
また、得られた層状リチウム複合酸化物のタップ密度をかさ密度測定器(筒井理化学器機社製)を用いて測定した。具体的には、20mlのメスシリンダーに層状リチウム複合酸化物の粉末を10.0g充填し、所定の速度で60回振とうさせた後の体積を目盛りから読み取り、タップ密度を求めた。
その結果、層状リチウム複合酸化物のタップ密度は1.7g/ccであった。
その結果、層状リチウム複合酸化物のタップ密度は1.7g/ccであった。
[リチウム複合酸化物Bの調製]
次に、リチウム源として炭酸リチウム(Li2CO3)、マンガン源として四酸化マンガン(Mn3O4)、アルミニウム源として水酸化アルミニウム(Al(OH)3)、ホウ素源としてホウ酸(H3BO3)を用意した。そして、それぞれの原料を、最終的に得られるリチウム複合酸化物の組成が、Li1.018Mn1.822Al0.15B0.01O4となるように秤量した。
次に、リチウム源として炭酸リチウム(Li2CO3)、マンガン源として四酸化マンガン(Mn3O4)、アルミニウム源として水酸化アルミニウム(Al(OH)3)、ホウ素源としてホウ酸(H3BO3)を用意した。そして、それぞれの原料を、最終的に得られるリチウム複合酸化物の組成が、Li1.018Mn1.822Al0.15B0.01O4となるように秤量した。
次に、リチウム源として炭酸リチウム(Li2CO3)へ固形分濃度が12質量%となるように純水を加えた後、湿式粉砕機(アシザワファインテック社製:スターミルラボスターLMZ−06)を用いて90分間、粉砕した。そして、ここへ残りの原料(マンガン源、アルミニウム源およびホウ素源)を加え、さらに、固形分濃度が33.3質量%となるように純水を加えた後、さらに粉砕してスラリーを得た。ここで、スラリー中の固形分の平均粒子径(メジアン径)が0.20μmになるまで粉砕した。粉砕においては600mlのベッセルを用いた。
なお、スラリー中の固形分の平均粒子径(メジアン径)の測定方法は同様である。
なお、スラリー中の固形分の平均粒子径(メジアン径)の測定方法は同様である。
次に、前述のリチウム複合酸化物A(層状リチウム複合酸化物)の場合と同様に、粉砕後のスラリーについて、ディスク型スプレードライヤーを用いて噴霧乾燥を行い、粒子状の前駆体[2]を得た。ディスク型スプレードライヤーの運転条件等も同様とした。ただし、スラリー/空気を突出する二流体ノズルは、空気圧が0.10MPaとなるようにした。
次に、得られた前駆体[2]を200℃/hで750℃まで昇温し、750℃で6時間空気中にて焼成した。その後、50℃/hで550℃まで降温し、それ以降は室内にて放冷することで室温まで冷却して、目標組成のスピネル型リチウム複合酸化物を得た。
得られたスピネル型リチウム複合酸化物について、前述のリチウム複合酸化物A(層状複合酸化物)の場合と同様の方法で平均粒子径(メジアン径)を用いて求めた。
その結果、平均粒子径は10.2μmであった。
その結果、平均粒子径は10.2μmであった。
また、得られたスピネル型リチウム複合酸化物のタップ密度を、前述のリチウム複合酸化物A(層状複合酸化物)の場合と同様の方法で測定した。
その結果、スピネル型リチウム複合酸化物のタップ密度は0.61g/ccであった。
その結果、スピネル型リチウム複合酸化物のタップ密度は0.61g/ccであった。
[ハイブリッド型複合酸化物の調製]
次に、リチウム複合酸化物A(層状リチウム複合酸化物)163.4gとリチウム複合酸化物B(スピネル型リチウム複合酸化物)9.1gとをメカノフュージョン装置(ホソカワミクロン社製、MECHANO FUSION AMS−Mini)内へ投入した。
そして、5000rpmの回転数で運転を開始したところ、装置内の温度が上昇し、装置の負荷を示す電流値が一時的に3.5Aとなった。その後、運転開始から50分後には装置内の温度は46.3℃、電流値は3.2Aで安定したため、運転を中断した。
次に、リチウム複合酸化物A(層状リチウム複合酸化物)163.4gとリチウム複合酸化物B(スピネル型リチウム複合酸化物)9.1gとをメカノフュージョン装置(ホソカワミクロン社製、MECHANO FUSION AMS−Mini)内へ投入した。
そして、5000rpmの回転数で運転を開始したところ、装置内の温度が上昇し、装置の負荷を示す電流値が一時的に3.5Aとなった。その後、運転開始から50分後には装置内の温度は46.3℃、電流値は3.2Aで安定したため、運転を中断した。
次に、メカノフュージョン装置内へ、リチウム複合酸化物B(スピネル型リチウム複合酸化物)9.1gを投入し、同条件で、運転を再開した。その後、同様に、装置の負荷を示す電流値が一時的に3.6Aとなり、運転開始から50分後には装置内の温度は42.8℃、電流値は3.2Aで安定したため、運転を停止し、処理を完了した。
このような処理を行い、層状リチウム複合酸化物の表面にスピネル型リチウム複合酸化物の層が形成されたハイブリッド型リチウム複合酸化物を得た。
得られたハイブリッド型リチウム複合酸化物における層状リチウム複合酸化物とスピネル型リチウム複合酸化物との質量比は、9:1である。
得られたハイブリッド型リチウム複合酸化物における層状リチウム複合酸化物とスピネル型リチウム複合酸化物との質量比は、9:1である。
得られたハイブリッド型複合酸化物について、平均粒子径(メジアン径)を、レーザー回折/散乱式粒度分布測定装置(堀場製作所:LA−950v2)を用いて求めた。具体的には室温大気中で、スラリーにヘキサメタリン酸ナトリウム水溶液を添加し、超音波分散および撹拌によって分散させ、30〜60%の透過率となるように調節した後、上記の装置を用いて屈折率2.2の条件で、積算粒度分布(体積基準)を測定して求めた。
その結果、ハイブリッド型複合酸化物の平均粒子径は6.9μmであった。
その結果、ハイブリッド型複合酸化物の平均粒子径は6.9μmであった。
得られたハイブリッド型複合酸化物のタップ密度をかさ密度測定器(筒井理化学器機社製)を用いて測定した。具体的には、20mlのメスシリンダーにハイブリッド型複合酸化物の粉末を10.0g充填し、所定の速度で60回振とうさせた後の体積を目盛りから読み取り、タップ密度を求めた。
その結果、ハイブリッド型複合酸化物のタップ密度は2.5g/ccであった。
その結果、ハイブリッド型複合酸化物のタップ密度は2.5g/ccであった。
[本発明の複合酸化物の調製]
上記のようにして得られた層状リチウム複合酸化物とハイブリッド型複合酸化物とを、質量比1:1で混合して本発明の複合酸化物を得た。すなわち、リチウム複合酸化物Aとして調整した層状リチウム複合酸化物を、リチウム複合酸化物Cとしても用いた。
上記のようにして得られた層状リチウム複合酸化物とハイブリッド型複合酸化物とを、質量比1:1で混合して本発明の複合酸化物を得た。すなわち、リチウム複合酸化物Aとして調整した層状リチウム複合酸化物を、リチウム複合酸化物Cとしても用いた。
また、得られた本発明の複合酸化物のタップ密度を、前述のリチウム複合酸化物A(層状複合酸化物)の場合と同様の方法で測定した。
その結果、本発明の複合酸化物のタップ密度は2.1g/ccであった。
その結果、本発明の複合酸化物のタップ密度は2.1g/ccであった。
このような方法で得られた本発明の複合酸化物を用いてリチウムイオン二次電池を作製し、電池評価を行った。
<初期充放電容量の測定>
本発明の複合酸化物を85質量%、アセチレンブラックを7.5質量%、ポリフッ化ビニリデンを7.5質量%の割合で秤量し、ノルマルメチルピロリドンに分散させて合剤を得た。そして、得られた合剤を約0.1mmの厚さとなるようにAl箔上に塗布して、約110℃で真空乾燥した後、14mmφのポンチを用いて打ち抜き、正極を作製した。
得られた正極を試験極とし、この試験極とリチウム金属箔(厚さ0.2μm)とをセパレーター(商品名:セルガード)を介してコイン型電池ケース内に積層して配置した後、体積比1:1のエチレンカーボネートとジエチルカーボネートとの混合溶媒に1mol/LのLiPF6を溶解した電解液を注入して試験用コインセルを作成した。
このようにして作成した試験用コインセルについて初期充放電容量を測定した。具体的には、充電終止電圧を4.3V、電流密度を0.5mA/cm2とする定電流・定電圧充電(電圧が4.3Vになった後は、4.3Vの一定電圧にて充電する)を行い、放電終止電圧を3.0V、電流密度を0.5mA/cm2とする定電流放電を行った際の正極活物質単位質量あたりの初期充電容量(mAh/g)および初期放電容量(mAh/g)を測定した。なお、充電は、充電開始から10時間が経過した時、または電流が0.001Cになった時に終了とした。
その結果を第1表に示す。
本発明の複合酸化物を85質量%、アセチレンブラックを7.5質量%、ポリフッ化ビニリデンを7.5質量%の割合で秤量し、ノルマルメチルピロリドンに分散させて合剤を得た。そして、得られた合剤を約0.1mmの厚さとなるようにAl箔上に塗布して、約110℃で真空乾燥した後、14mmφのポンチを用いて打ち抜き、正極を作製した。
得られた正極を試験極とし、この試験極とリチウム金属箔(厚さ0.2μm)とをセパレーター(商品名:セルガード)を介してコイン型電池ケース内に積層して配置した後、体積比1:1のエチレンカーボネートとジエチルカーボネートとの混合溶媒に1mol/LのLiPF6を溶解した電解液を注入して試験用コインセルを作成した。
このようにして作成した試験用コインセルについて初期充放電容量を測定した。具体的には、充電終止電圧を4.3V、電流密度を0.5mA/cm2とする定電流・定電圧充電(電圧が4.3Vになった後は、4.3Vの一定電圧にて充電する)を行い、放電終止電圧を3.0V、電流密度を0.5mA/cm2とする定電流放電を行った際の正極活物質単位質量あたりの初期充電容量(mAh/g)および初期放電容量(mAh/g)を測定した。なお、充電は、充電開始から10時間が経過した時、または電流が0.001Cになった時に終了とした。
その結果を第1表に示す。
<60℃・100サイクル容量維持率の測定>
初期充放電容量を測定する場合と同様の方法で試験用コインセルを作製した。
そして、試験用コインセルを60℃の恒温槽に設置し、上記の初期充放電容量の測定と同様に、充電終止電圧を4.3Vまで、放電終止電圧を3.0Vまでの電位規制の条件で0.5mA/cm2の定電流充電を100回行い、次式によりサイクル容量維持率を求めた。
サイクル容量維持率(%)=(100回目の放電容量/1回目の放電容量)×100
測定結果を第1表に示す。
初期充放電容量を測定する場合と同様の方法で試験用コインセルを作製した。
そして、試験用コインセルを60℃の恒温槽に設置し、上記の初期充放電容量の測定と同様に、充電終止電圧を4.3Vまで、放電終止電圧を3.0Vまでの電位規制の条件で0.5mA/cm2の定電流充電を100回行い、次式によりサイクル容量維持率を求めた。
サイクル容量維持率(%)=(100回目の放電容量/1回目の放電容量)×100
測定結果を第1表に示す。
<示差走査熱量の測定>
本発明の複合酸化物を70質量%、アセチレンブラックを25質量%、ポリフッ化ビニリデンを5質量%の割合で秤量し、自動乳鉢装置(日陶科学、AMM−1000)を用いて、80rpmで30分間混練した。混練物をローラープレスにかけた後、14mmφのポンチを用いて打ち抜き、正極を作製した。得られた正極を試験極とし、この試験極とリチウム金属箔(厚さ0.2μm)とをセパレーター(商品名:セルガード)を介してコイン型電池ケース内に積層して配置した後、体積比1:1のエチレンカーボネートとジエチルカーボネートとの混合溶媒に1mol/LのLiPF6を溶解した電解液を注入して試験用コインセルを作成した。
そして、試験用コインセルを30℃の恒温槽に設置し、充電終止電圧を4.3V、電流密度を0.5mA/cm2として定電流充電を行い、充電開始から10時間が経過した時、または電流が0.001Cになった時に終了とした。
次に、試験用コインセルから正極(試験極)をArで満たされたグローブボックス内で取り出し、ジエチルカーボネートで洗浄した後、12時間真空乾燥した。
次に、乾燥したハイブリッド正極材の電極を2mmφのポンチを用いて打ち抜いた。そのときの電極重量は、1.8mgだった。このハイブリッド型複合酸化物に、体積比1:1のエチレンカーボネートとジエチルカーボネートとの混合溶媒に1mol/LのLiPF6を溶解した電解液5.2mgを注入して測定用セルを作成した。
本発明の複合酸化物を70質量%、アセチレンブラックを25質量%、ポリフッ化ビニリデンを5質量%の割合で秤量し、自動乳鉢装置(日陶科学、AMM−1000)を用いて、80rpmで30分間混練した。混練物をローラープレスにかけた後、14mmφのポンチを用いて打ち抜き、正極を作製した。得られた正極を試験極とし、この試験極とリチウム金属箔(厚さ0.2μm)とをセパレーター(商品名:セルガード)を介してコイン型電池ケース内に積層して配置した後、体積比1:1のエチレンカーボネートとジエチルカーボネートとの混合溶媒に1mol/LのLiPF6を溶解した電解液を注入して試験用コインセルを作成した。
そして、試験用コインセルを30℃の恒温槽に設置し、充電終止電圧を4.3V、電流密度を0.5mA/cm2として定電流充電を行い、充電開始から10時間が経過した時、または電流が0.001Cになった時に終了とした。
次に、試験用コインセルから正極(試験極)をArで満たされたグローブボックス内で取り出し、ジエチルカーボネートで洗浄した後、12時間真空乾燥した。
次に、乾燥したハイブリッド正極材の電極を2mmφのポンチを用いて打ち抜いた。そのときの電極重量は、1.8mgだった。このハイブリッド型複合酸化物に、体積比1:1のエチレンカーボネートとジエチルカーボネートとの混合溶媒に1mol/LのLiPF6を溶解した電解液5.2mgを注入して測定用セルを作成した。
次に、測定用セルを用いて示差走査熱量を測定した。具体的には、SII製 EXSTAR6000を用い、10℃/minで室温から400℃まで測定した。
得られたDSC曲線を図4に示す。また、DSC曲線について室温から300℃まで積分して得られる発熱量を第1表に示す。
得られたDSC曲線を図4に示す。また、DSC曲線について室温から300℃まで積分して得られる発熱量を第1表に示す。
<比較例1>
実施例1と同様の方法で、層状リチウム複合酸化物を得た。
そして、層状リチウム複合酸化物を用いて、実施例1と同様の方法でリチウムイオン二次電池を作製し、電池評価を行った。
初期放電容量(mAh/g)および60℃・100サイクル容量維持率の測定結果を第1表に示す。
実施例1と同様の方法で、層状リチウム複合酸化物を得た。
そして、層状リチウム複合酸化物を用いて、実施例1と同様の方法でリチウムイオン二次電池を作製し、電池評価を行った。
初期放電容量(mAh/g)および60℃・100サイクル容量維持率の測定結果を第1表に示す。
次に、得られた層状リチウム複合酸化物を用いて、実施例1と同様の方法で示差走査熱量を測定した。
得られたDSC曲線を図4に示す。また、発熱量を第1表に示す。
得られたDSC曲線を図4に示す。また、発熱量を第1表に示す。
第1表より、実施例1の場合、タップ密度が高く、体積当たりの初期放電容量が高く、60℃・100サイクル容量維持率が高いことがわかる。
また、図4より、実施例1の場合、熱安定性に優れることがわかる。
また、図4より、実施例1の場合、熱安定性に優れることがわかる。
Claims (11)
- 粒子状であって、各々の粒子はコアおよび前記コアを被覆するシェルから構成され、前記シェルは1層以上からなり、前記コアはリチウム複合酸化物Aからなり、前記シェルはリチウム複合酸化物Bからなり、前記コアと前記シェルとは異なる物質からなる、ハイブリッド型リチウム複合酸化物と、
粒子状であって、各々の粒子は単一組成のリチウム複合酸化物Cからなる非ハイブリッド型リチウム複合酸化物と、
を主成分として含み、
前記リチウム複合酸化物A、前記リチウム複合酸化物Bおよび前記リチウム複合酸化物Cの各々は、層状リチウム複合酸化物、スピネル型リチウム複合酸化物、逆スピネル型リチウム複合酸化物、ケイ酸塩型リチウム複合酸化物、およびオリビン型リチウム複合酸化物からなる群から選ばれる少なくとも1つを主成分とする、混合型リチウム複合酸化物。 - 前記層状リチウム複合酸化物は下記式(I)で表され、
前記スピネル型リチウム複合酸化物、前記逆スピネル型リチウム複合酸化物、前記ケイ酸塩型リチウム複合酸化物、および前記オリビン型リチウム複合酸化物は下記式(II)で表される、請求項1に記載の混合型リチウム複合酸化物。
式(I):Li(1+x)M1 (1-x-p)M2 pO(2-a)
式(II):Li(y+z)M1 (2-z-q)M2 qO(4-b)
ただし、式(I)および式(II)において、M1はMn、Ni、Co、Mg、Fe、AlおよびCrからなる群から選ばれる少なくとも1つの元素であり、M2はB、P、Pb、Sb、SiおよびVからなる群から選ばれる少なくとも1つの元素であり、0≦x≦0.5、1.0≦y≦2.0、0≦z≦0.2、0≦p≦1.0、0≦q≦1.0、0<1−x−p、0≦a≦1.0、0≦b≦1.0である。 - 前記ハイブリッド型リチウム複合酸化物と前記非ハイブリッド型リチウム複合酸化物とを、9.9:0.1〜0.1:9.9の質量比で含む、請求項1または2に記載の混合型リチウム複合酸化物。
- 前記ハイブリッド型リチウム複合酸化物において、前記コアと前記シェルとの質量比が9.9:0.1〜6:4である、請求項1〜3のいずれか一項に記載の混合型リチウム複合酸化物。
- 前記リチウム複合酸化物Aと前記リチウム複合酸化物Cとが同一物質である、請求項1〜4のいずれか一項に記載の混合型リチウム複合酸化物。
- 前記コアを構成するリチウム複合酸化物Aと、前記シェルを構成するリチウム複合酸化物Bとを含む混合体を得た後、前記混合体へ圧縮力およびせん断力を加えて前記ハイブリッド型リチウム複合酸化物を得る複合化工程を備え、請求項1〜5のいずれか一項に記載の混合型リチウム複合酸化物が得られる、混合型リチウム複合酸化物の製造方法。
- さらに、
少なくともリチウム源を溶媒に含有させた状態で粉砕混合し、得られたスラリーを乾燥し、焼成して、前記リチウム複合酸化物Aを得る調製工程[1]と、
少なくともリチウム源を溶媒に含有させた状態で粉砕混合し、得られたスラリーを乾燥し、焼成して、前記リチウム複合酸化物Bを得る調製工程[2]と、
ハイブリッド型リチウム複合酸化物と前記リチウム複合酸化物Cとを混合する混合工程と、
を備える、請求項6に記載の混合型リチウム複合酸化物の製造方法。 - 前記複合化工程が、
前記リチウム複合酸化物Aと前記リチウム複合酸化物Bとを含む混合体を得た後、前記混合体へ圧縮力およびせん断力を加え、その後、さらに前記リチウム複合酸化物Bを加えて、再度、圧縮力およびせん断力を加える工程である、請求項6または7に記載の混合型リチウム複合酸化物の製造方法。 - 請求項1〜5のいずれか一項に記載の混合型リチウム複合酸化物を含む正極活物質。
- 請求項9に記載の正極活物質を含むリチウムイオン二次電池用正極。
- 請求項10に記載のリチウムイオン二次電池用正極と、負極と、電解液とを有する、リチウムイオン二次電池。
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CN111095629A (zh) * | 2017-12-11 | 2020-05-01 | 株式会社Lg化学 | 锂二次电池用正极活性材料、其制备方法以及包含所述正极活性材料的锂二次电池用正极和锂二次电池 |
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-
2012
- 2012-12-18 JP JP2012275800A patent/JP2014118335A/ja active Pending
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