JP2015135792A - リチウムイオン二次電池用正極及びリチウムイオン二次電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】
本発明のリチウムイオン二次電池用正極は、一般式がLi1+xNi1−x−yMyO2(但し、MはNi以外の遷移金属元素であるCr、Co、Cuから選択される1種の元素を表し、また式中のx、yは、それぞれ、0.2≦x<0.333、0<y<0.4を満たす)で表され、ニッケル層内にリチウムおよび一般式中のM遷移金属元素が存在する層とリチウム層とが交互に重なる層状構造を有するリチウム過剰ニッケル含有酸化物であることを特徴とする結晶性粒子を正極活物質として備えている。
【選択図】 図5
Description
〔1〕 一般式がLi1+xNi1−x−yMyO2(但し、MはNi以外の遷移金属元素であるCr、Co、Cuから選択される1種の元素を表し、また式中のx、yは、それぞれ、0.2≦x<0.333、0<y<0.4を満たす)で表され、ニッケル層内にリチウムおよび一般式中のM遷移金属元素が存在する層とリチウム層とが交互に重なる層状構造を有するリチウム過剰ニッケル含有酸化物である結晶性粒子を、正極活物質として有することを特徴とするリチウムイオン二次電池用正極。
〔2〕 前記正極活物質の出発原料を混合し、ついで得られる原料混合物を600℃〜1100℃の温度で、15MPa〜5GPa(1GPa〜3GPaであることが特に好ましい。)の圧力下に加熱して製造することを特徴とする前記〔1〕に記載のリチウムイオン二次電池用正極。
〔3〕 前記製造が、酸素供給過剰の状態で行われることを特徴とする前記〔2〕に記載のリチウムイオン二次電池用正極。
〔4〕 前記〔1〕から〔3〕のいずれかに記載の正極を備えるリチウムイオン二次電池。
(実施例1)
(1)酸化ニッケルの合成
水酸化ニッケル(Ni(OH)2)粒子を粉砕し、大気雰囲気下550℃で12時間焼成することにより、一次径がナノサイズの酸化ニッケル(NiO)を得た。
(2)正極活物質の合成
過酸化リチウム(Li2O2)、合成した酸化ニッケル、一次径がナノサイズの四酸化三コバルト(Co3O4)を出発原料として用いた。なお、これら出発材料はアルゴンガス雰囲気下で保管管理したものを用いた。これらの出発原料を、Li/(Ni+Co)=1.5のモル比(x=0.2)、Co/Ni=1/3のモル比となるように粉砕混合し、混合した粉末を白金セル内に充填させた。このセルを、キュービックアンビル型高圧装置を用いて,2GPaの圧力下、700℃で1時間焼成することにより、リチウム過剰ニッケルコバルト含有酸化物を得た。得られたリチウム過剰ニッケルコバルト含有酸化物は粉末X線回折の測定により、X線回折パターンにおいて2θ=21°〜25°付近に構造内の不規則配列に由来した複数の回折反射ピーク(図1の拡大図)がある構造の層状結晶構造であった(図1)。また、図1中の2θ=45°付近のピークを拡大したX線回折パターンを、コバルトを含まないLi/Ni=1.5のモル比(x=0.2)で合成したX線回折パターン(比較例2)と伴に図2に示す。コバルトを含有した合成粒子は、コバルトを含有しない合成粒子に比べて、X線回折ピークが高角度側にシフトしており、これはコバルトがニッケルと置換固溶して結晶中に取り込まれていることを示すものである。ゆえに、2θ=21°〜25°付近の回折線はニッケル層内にリチウムおよびコバルトが配列していると推測され、ニッケル層内にリチウムおよびコバルトが存在する層とリチウム層が交互に重なる層状構造が形成された。ICP発光分光分析法による各元素量の分析によりLi1.20Ni0.60Co0.20O2の組成であることを確認した。
実施例1と同じ出発原料を用いて、Li/(Ni+Co)=1.8のモル比(x=2/7)、Co/Ni=1/3のモル比で、実施例1と同様にして合成した。合成した粒子は分析より、Li1.28Ni0.54Co0.18O2の組成であった。
実施例1と同じ出発原料を用いて、Li/(Ni+Co)=1.91のモル比(x=5/16)、Co/Ni=1/3のモル比で、実施例1と同様にして合成した。合成した粒子は分析より、Li1.31Ni0.52Co0.17O2の組成であった。
実施例と同じ過酸化リチウム、合成した酸化ニッケルを出発原料とし、Li/Ni=1.2(x=0.09)のモル比とした以外は実施例と同様に実施した。得られたリチウム過剰ニッケル含有化合物は分析より、Li1.09Ni0.91O2の組成であることを確認し、X線回折パターンでは層状構造であるが、構造内の不規則配列に由来した回折反射が観測されず、実施例1とは異なる状態を有していた(図1)。これはニッケル層内にリチウムの存在量がかなり少ないことを表している。
出発原料をLi/Ni=1.5(x=0.2)のモル比とした以外は比較例1と同様に実施した。得られた粒子は分析より、Li1.19Ni0.80O2のリチウム過剰ニッケル含有酸化物組成であることを確認し、X線回折パターンでは実施例1と同様に構造内の不規則配列に由来した回折反射が観測され、ニッケル層内にリチウムが存在する層とリチウム層が交互に重なる層状構造が形成された(図1)。
得られた実施例1、比較例1、比較例2の正極活物質を、導電剤としてのアセチレンブラック、及びバインダーとしてのポリビニリデンフルオライド(PVdF)と、重量比で45:45:10となるように混合し、この混合物に、NMP(N−メチル−2−ピロリドン)を添加し、混合してスラリーを調製した。
〔リチウム二次電池の作製〕
得られた正極を用いて、リチウム二次電池としてテストセルを作製した。テストセルは、Li金属を負極として用い、正極と負極の間にセパレータを配置して作製した。非水電解液としては、エチレンカーボネート(EC)とエチルメチルカーボネート(EMC)を体積比で3:7に混合した混合溶媒に、1M(モル/リットル)となるようにLiPF6(六フッ化リン酸リチウム)を添加して作製した電解液を用いた。
上記のようにして得られたテストセルについて、2Vと4.8Vの間で充放電を行い、テストセルを評価した。充放電における電流は22mA/gとした。
Claims (4)
- 一般式がLi1+xNi1−x−yMyO2(但し、MはNi以外の遷移金属元素であるCr、Co、Cuから選択される1種の元素を表し、また式中のx、yは、それぞれ、0.2≦x<0.333、0<y<0.4を満たす)で表され、ニッケル層内にリチウムおよび一般式中のM遷移金属元素が存在する層とリチウム層とが交互に重なる層状構造を有するリチウム過剰ニッケル含有酸化物である結晶性粒子を、正極活物質として有することを特徴とするリチウムイオン二次電池用正極。
- 前記正極活物質の出発原料を混合し、ついで得られる原料混合物を600℃〜1100℃の温度で、15MPa〜5GPaの圧力下に加熱して製造することを特徴とする請求項1に記載のリチウムイオン二次電池用正極。
- 前記製造が、酸素供給過剰の状態で行われることを特徴とする請求項2に記載のリチウムイオン二次電池用正極。
- 請求項1から請求項3のいずれかに記載の正極を備えるリチウムイオン二次電池。
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