JP2015181113A - リチウムイオン二次電池用正極材料 - Google Patents
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Abstract
Description
なかでも、LiCoO2を正極材料として用い、リチウム合金又はグラファイト若しくはカーボンファイバーなどのカーボンを負極として用いたリチウム二次電池は、4V級の高い電圧が得られるため、高エネルギー密度を有する電池として広く使用されている。
これらの問題を解決するために、従来、種々の検討がされてきた。例えば、リチウムニッケルコバルト複合酸化物を水に分散させた後、ろ過して得られる正極材料や、リチウムニッケルコバルト複合酸化物を水に分散させ、さらにリン酸を加えた後、ろ過して得られる正極材料や、コバルト酸リチウムを硫酸、硝酸又は塩酸を含む酸性の水溶液中で撹拌した後、ろ過して得られる正極材料が提案されている(特許文献1、特許文献2参照)。
また、Zr(OC3H7)4を溶解した2−プロパノール溶液に、リチウムニッケルマンガン複合酸化物を分散させ、撹拌して、ろ過した後、次いで、500℃で熱処理をして得られる正極材料が提案されている(特許文献5参照)。
また、Zrが溶解した水溶液と、リチウムコバルト複合酸化物を混合、焼成して得られる正極材料が提案されている(特許文献6参照)
例えば、特許文献1及び特許文献2に記載の正極材料においては、リチウム複合酸化物の粒子表面を洗浄することにより、粒子表面のアルカリ化合物を除去でき、遊離アルカリ量の減少が見られるが、粒子表面が水や酸性度の高い酸と接触するため、正極材料の粒子表面からリチウム、ニッケル、コバルト又はマンガンのイオンが溶出して、結晶構造が不安定になり、充放電サイクル耐久性の極端な悪化が見られ、実用に耐えられるものではなかった。
そこで、本発明は、充放電サイクル耐久性に優れ、遊離アルカリ量が低く、高い放電容量、高い充填性及び高い体積容量密度を有する正極材料、該正極材料を含む正極、並びに該正極材料を含むリチウムイオン二次電池の提供を目的とする。
るジルコニウム水溶液に接触させた後、ジルコニウム水溶液からリチウム複合酸化物を分離することで得られる正極材料を用いることで、上記課題を達成できることを見出した。
(1)一般式LiaNibCocMndMeO2(ただし、MはNi、Co及びMn以外の遷移金属元素、アルミニウム、スズ、亜鉛並びにアルカリ土類金属からなる群から選ばれる少なくとも1種の元素を表す。0.95≦a≦1.2、0≦b≦1、0≦c≦1、0≦d≦0.6、0≦e≦0.2、a+b+c+d+e=2)で表されるリチウム複合酸化物を、ジルコニウムの濃度が5〜1000ppmであるジルコニウム水溶液に接触させた後、リチウム複合酸化物からジルコニウム水溶液を分離して正極材料を得ることを特徴とするリチウムイオン二次電池用正極材料の製造方法。
(2)前記正極材料を、さらに50〜1000℃の温度で加熱する、上記(1)に記載の製造方法。
(3)前記ジルコニウム水溶液が、炭酸ジルコニウムアンモニウム、フッ化ジルコニウムアンモニウム、塩化ジルコニル、硝酸ジルコニル、炭酸ジルコニル、塩基性炭酸ジルコニウム、炭酸ジルコニウムカリウム、及び有機酸でキレート形成した水溶性ジルコニウム塩からなる群から選ばれる少なくとも1種の化合物を溶解する水溶液である、上記(1)又は(2)に記載の製造方法。
(4)前記ジルコニウム水溶液のpHが3〜12である、上記(1)〜(3)のいずれかに記載の製造方法。
(5)前記ジルコニウム水溶液を、リチウム複合酸化物に対して、質量比で1〜20倍接触させる、上記(1)〜(4)のいずれかに記載の製造方法。
(6)前記正極材料に含まれる、ジルコニウムの量が、10〜800ppmである、上記(1)〜(5)のいずれかに記載の製造方法。
(7)前記正極材料に含まれる遊離アルカリ量が、0.8mol%以下である、上記(1)〜(6)のいずれかに記載の製造方法。
(8)前記リチウム複合酸化物が、前記一般式において、0.97≦a≦1.1、0.2≦b≦0.8、0.1≦c≦0.4、0.1≦d≦0.4、0≦e≦0.1、で表される、上記(1)〜(7)のいずれかに記載の製造方法。
(9)上記(1)〜(8)のいずれかに記載の製造方法で得られる正極材料、導電剤、バインダー及び溶媒を混合して、得られるスラリーを金属箔に塗布した後、加熱により溶媒を除去して、得られることを特徴とするリチウムイオン二次電池用正極の製造方法。
(10)上記(9)の製造方法で得られる正極に、セパレータ、及び負極を積層して、電池ケースに収納した後、電解液を注入して、得られることを特徴とするリチウムイオン二次電池の製造方法。
(11)正極材料、導電剤及びバインダーを含む正極であって、該正極材料が上記(1)〜(8)のいずれかに記載の方法で得られる正極材料であることを特徴とするリチウムイオン二次電池用正極。
(12)正極、負極、及び電解液を含み、かつ該正極が上記(11)に記載の正極であることを特徴とするリチウムイオン二次電池。
本発明で得られる正極材料が、何故に上記の優れた特性を有するかについて、そのメカニズムは必ずしも明らかではないが、次のように推定される。
一般に、リチウム複合酸化物は、リチウム源と、ニッケル、コバルト及びマンガンなどを含む遷移金属源とを混合して、得られる原料混合物を焼成して得られる。該リチウム複合酸化物中には、結晶格子の格子点から外れて存在するリチウム原子や、反応が不十分で残存したリチウム化合物といったアルカリ化合物が存在する。かかるリチウム複合酸化物からなる正極材料を使用した電池において充放電を繰り返すと、上記アルカリ化合物が粒子表面や粒子の粒界から電解液中に溶出し、正極材料の組成が変化したり、電解液の分解を促進したりするため、塗工性や保存特性といった電池性能の劣化の原因となる。
一方、本発明により、リチウム複合酸化物の粒子を所定の濃度範囲にあるジルコニウム水溶液に接触させることによりアルカリ化合物を効率よく除去できる。また、リチウム、ニッケル、コバルト、マンガンなどの溶出を抑制し、例え溶出した場合も溶出した原子のサイトにジルコニウムが置換するため、充放電サイクル耐久性が悪化しないものと考えられる。さらに、リチウム複合酸化物におけるアルカリ化合物の存在量が減少すると、これを使用するスラリーのゲル化が抑制されるため塗工性が向上し、かつ電池内で発生する気体が減少するため保存特性が向上するものと考えられる。
また、大容量のリチウムイオン二次電池が安価に得られることから、1.05≦a≦1.2、0.1≦b≦0.3、0.05≦c≦0.20、0.45≦d≦0.60、0≦e≦0.03が好ましい。また、本発明で用いるリチウム複合酸化物は、その酸素原子の一部をフッ素原子で置換することにより電池のレート特性や安全性を向上してもよい。かかる場合、酸素原子の0.001〜5モル%をフッ素原子で置換するのが好ましく、0.5〜3モル%をフッ素原子で置換するのがより好ましい。
また、大容量のリチウムイオン二次電池が安価に得られることから、0.45≦d≦0.60であり、モル比a/(b+c+d+e)は、1.05〜1.20であることが好ましく、1.10〜1.20がさらに好ましい。かかるリチウム複合酸化物の好ましい具体例としては、Li1.2Ni0.175Co0.10Mn0.525O2、Li1.2Ni0.175Co0.05Mn0.575O2、Li1.2Ni0.175Co0.10Mn0.525O1.98F0.02、Li1.17(Ni1/6Co1/6Mn4/6)0.83O2等が挙げられる。
本発明において、リチウム複合酸化物の粒子の平均粒子径は、8〜25μmが好ましく、10〜20μmがより好ましい。また、リチウム複合酸化物の比表面積は、BET法により測定され、0.1〜1.5m2/gが好ましく、0.15〜1.2m2/gがより好ましく、0.20〜1.0m2/gが特に好ましい。
本発明で得られる正極材料を用いたリチウム電池の形状には特に制約はない。シート状、フィルム状、折り畳み状、巻回型有底円筒形、ボタン形などが用途に応じて選択される。
ニッケル、コバルト、マンガンの原子比がNi:Co:Mn=6:2:2となるように硫酸ニッケルと硫酸コバルトと硫酸マンガンを溶解した水溶液に、水溶液のpHが11.0、温度が50℃になるように、硫酸アンモニウム水溶液と、水酸化ナトリウム水溶液とを、撹拌しながら連続的に供給して、共沈物を析出させた。オーバーフロー方式で反応系内の液量を調節し、オーバーフローした共沈スラリーをろ過、水洗し、次いで80℃で乾燥することにより、ニッケルコバルトマンガン複合水酸化物の粉末を得た。該複合水酸化物の粉末の比表面積は5.6m2/g、平均粒子径D50は11.8μmであった。
得られた正極材料の粒子は、プレス密度が2.73g/cm3であり、粒子に含まれるジルコニウム量は120ppmであった。ジルコニウム水溶液由来のジルコニウムの量、すなわちジルコニウム残量(Zr残量)は120ppmであった。
上記正極材料の粉末と、アセチレンブラックと、ポリフッ化ビニリデン粉末とを90/5/5の質量比で混合し、N−メチルピロリドンを添加してスラリーを作製し、これを厚さ20μmのアルミニウム箔にドクターブレードを用いて片面塗工した。得られたアルミニウムシートを乾燥し、ロールプレス圧延を3回行うことによりリチウム電池用の正極体シートを作製した。
その簡易密閉セル型リチウム電池を、25℃にて正極活物質1gにつき170mAの電流で上限電圧4.3Vとし、CCCVモード3時間(170mAの一定電流で充電を行い、電池電圧が上限電圧に達した後は上限電圧の一定電圧で充電を行った。合計の充電時間を3時間とする)で充電した後、正極活物質1gにつき85mAの電流値で2.75Vまで放電して、初期放電容量を求めた。また、この電池について、同じ条件で充電と放電を繰り返し、充放電サイクル試験を30回行った。その結果、25℃、2.75〜4.3Vにおける正極活物質の初期放電容量は167.4mAh/gであり、30回充放電サイクル後の容量維持率は94.5%であった。
ジルコニウム水溶液として、ジルコニウム濃度が500ppmのジルコニウム水溶液を用いた他は例1と同様にして、正極材料を合成して、各特性を測定した。ジルコニウム水溶液のpHは9.1であり、分離後のジルコニウム水溶液のpHは10.8であった。その結果、得られた正極材料の平均粒子径D50は14.6μm、D10は7.8μm、D90は26.1μmであり、比表面積は0.28m2/gであり、プレス密度は2.83g/cm3であった。また、得られた正極材料の遊離アルカリ量は0.39mol%であり、ジルコニウム残量は320ppmであった。初期放電容量は166.8mAh/gであり、30回充放電サイクル後の容量維持率は94.2%であった。
ジルコニウム水溶液として、ジルコニウム濃度が1000ppmのジルコニウム水溶液を用いた他は例1と同様にして、正極材料を合成して、各特性を測定した。ジルコニウム水溶液のpHは9.1であり、分離後のジルコニウム水溶液のpHは10.1であった。その結果、得られた正極材料の平均粒子径D50は14.5μm、D10は7.8μm、D90は26.3μmであり、比表面積は0.28m2/gであり、プレス密度は2.81g/cm3であった。この正極材料の遊離アルカリ量は0.47mol%であり、ジルコニウム残量は670ppmであった。初期放電容量は164.2mAh/gであり、容量維持率は95.4%であった。
ジルコニウム水溶液として、ジルコニウム濃度が20ppmのジルコニウム水溶液を用いた他は例1と同様にして、正極材料を合成して、各特性を測定した。ジルコニウム水溶液のpHは8.9であり、分離後のジルコニウム水溶液のpHは11.9であった。その結果、得られた正極材料の平均粒子径D50は15.4μm、D10は8.0μm、D90は31.3μmであり、比表面積は0.29m2/gであり、プレス密度は2.75g/cm3であった。この正極材料の遊離アルカリ量は0.58mol%であり、ジルコニウム残量は22ppmであった。初期放電容量は169.6mAh/gであり、容量維持率は94.2%であった。
ジルコニウム水溶液として、ジルコニウム濃度が5ppmのジルコニウム水溶液を用いた他は例1と同様にして、正極材料を合成して、各特性を測定した。ジルコニウム水溶液のpHは8.9であり、分離後のジルコニウム水溶液のpHは11.9であった。その結果、得られた正極材料の平均粒子径D50は15.2μm、D10は7.9μm、D90は27.3μmであり、比表面積は0.29m2/gであり、プレス密度は2.75g/cm3であった。この正極材料の遊離アルカリ量は0.54mol%であり、ジルコニウム残量は10ppmであった。初期放電容量は168.3mAh/gであり、容量維持率は89.1%であった。
例1において、ジルコニウム水溶液と接触させなかった他は例1と同様にして、正極材料を合成した。すなわち、例1で得られたLi1.02(Ni0.6Co0.2Mn0.2)0.98O2の組成を有するリチウム複合酸化物をそのまま正極材料として用いて、各特性を測定した。この正極材料の平均粒子径D50は14.0μm、D10は7.6μm、D90は28.5μmであり、比表面積は0.29m2/gであり、プレス密度は2.79g/cm3であった。この正極材料の遊離アルカリ量は1.27mol%であった。例1と同様の操作で電極の塗工を行ったところ、塗工性が悪く、塗工、乾燥、ローラープレスした後の電極の一部でアルミニウム箔から正極材料の剥落が確認された。剥落のなかった電極部位を用いて電池を作製したところ、初期放電容量は167.7mAh/gであり、容量維持率は94.7%であった。
ジルコニウム水溶液の代わりに純水を使用した他は例1と同様にして、正極材料を合成して、各特性を測定した。水のpHは6.7であり、分離後の水のpHは12.1であった。その結果、得られた正極材料の平均粒子径D50は16.1μm、D10は8.4μm、D90は29.9μmであり、比表面積は0.22m2/gであり、プレス密度は2.72g/cm3であった。この正極材料の遊離アルカリ量は0.54mol%であった。初期放電容量は167.3mAh/gであり、容量維持率は79.3%であった。
ジルコニウム水溶液として、ジルコニウム濃度が1ppmのジルコニウム水溶液を用いた他は例1と同様にして、正極材料を合成して、各特性を測定した。ジルコニウム水溶液のpHは8.8であり、分離後のジルコニウム水溶液のpHは11.9であった。その結果、得られた正極材料の平均粒子径D50は14.6μm、D10は8.0μm、D90は26.0μmであり、比表面積は0.26m2/gであり、プレス密度は2.86g/cm3であった。この正極材料の遊離アルカリ量は0.53mol%であり、粒子に含まれるジルコニウム量は確認できず、ジルコニウム残量は10ppm未満であった。初期放電容量は166.5mAh/gであり、容量維持率は80.1%であった。
ジルコニウム水溶液として、ジルコニウム濃度が3000ppmのジルコニウム水溶液を用いた他は例1と同様にして、正極材料を合成して、各特性を測定した。ジルコニウム水溶液のpHは9.3であり、分離後のジルコニウム水溶液のpHは9.8であった。その結果、得られた正極材料の平均粒子径D50は14.7μm、D10は8.1μm、D90は26.7μmであり、比表面積は0.25m2/gであり、プレス密度は2.82g/cm3であった。この正極材料の遊離アルカリ量は0.46mol%であり、ジルコニウム残量は1600ppmであった。初期放電容量は162.4mAh/gであり、容量維持率は93.4%であった。
ジルコニウム含量が14.1質量%の炭酸ジルコニウムアンモニウム水溶液(日本軽金属社製)1.33gに水を加えて30gとし、ジルコニウム水溶液を得た。なお、用いた炭酸ジルコニウムアンモニウムの化学式は(NH4)2[Zr(CO3)2(OH)2]である。次いで、例1と同様にして合成したLi1.02(Ni0.6Co0.2Mn0.2)0.98O2の組成を有するリチウム複合酸化物の粉末(200g)に、このジルコニウム水溶液を加えて、混合して、ろ過することなく、かき混ぜながら80℃で加熱して、乾燥させて混合物を得た。さらに、この混合物を400℃で5時間加熱して、正極材料の粉末を得た。この正極材料の平均粒子径D50は13.6μm、D10は6.9μm、D90は25.3μmであり、比表面積は0.54m2/gであり、プレス密度は2.73g/cm3であった。この正極材料の遊離アルカリ量は1.01mol%であり、ジルコニウム残量は940ppmであった。例1と同様の操作で電極の塗工を行ったところ、塗工性が悪く、塗工、乾燥、ローラープレスした後の電極の一部でアルミニウム箔から正極材料の剥落が確認された。剥落のなかった電極部位を用いて電池を作製したところ、初期放電容量は168.0mAh/gであり、容量維持率は94.0%であった。
コバルト、アルミニウム、マグネシウム、ジルコニウムの原子比がCo:Al:Mg:Zr=0.969:0.015:0.015:0.001となるように硫酸コバルトと硫酸アルミニウムと硫酸マグネシウムと硫酸ジルコニウムを溶解した水溶液に、pHが11.0、温度が50℃になるように、硫酸アンモニウム水溶液と、水酸化ナトリウム水溶液とを、攪拌しながら連続的に供給して、共沈物を析出させた。オーバーフロー方式で反応系内の液量を調節し、オーバーフローした共沈スラリーをろ過、水洗し、ついで80℃で乾燥することにより、コバルトアルミニウムマグネシウムジルコニウム複合水酸化物の粉末を得た。該複合水酸化物の粉末の比表面積は5.0m2/g、平均粒子径D50は12.7μmであり、粉末に含有されるジルコニウム量は930ppmであった。
ニッケル、コバルト、マンガンの原子比がNi:Co:Mn=3:3:3となるように硫酸ニッケルと硫酸コバルトと硫酸マンガンを溶解した水溶液に、水溶液のpHが11.0、温度が50℃になるように、硫酸アンモニウム水溶液と、水酸化ナトリウム水溶液とを、撹拌しながら連続的に供給して、共沈物を析出させた。オーバーフロー方式で反応系内の液量を調節し、オーバーフローした共沈スラリーをろ過、水洗し、ついで80℃で乾燥することにより、ニッケルコバルトマンガン複合水酸化物の粉末を得た。該複合水酸化物の粉末の比表面積は11.0m2/g、平均粒子径D50は10.8μmであり、粉末に含有されるジルコニウムは検出されなかった。
ジルコニウム水溶液として、ジルコニウム源にフッ化ジルコニウムアンモニウムを用い、ジルコニウム濃度が100ppmであるジルコニウム水溶液を用いた他は例1と同様にして正極材料の粉末を合成した。なお、用いたフッ化ジルコニウムアンモニウムの化学式は(NH4)2[ZrF6]である。また、ジルコニウム水溶液のpHは3.3であり、分離後のジルコニウム水溶液のpHは11.5であった。正極材料の平均粒子径D50は14.4μm、D10は7.7μm、D90は26.5μmであり、比表面積は0.31m2/gであり、プレス密度は2.78/cm3であった。この正極材料の遊離アルカリ量は0.53mol%であり、ジルコニウム残量は150ppmであった。初期放電容量は167.0mAh/gであり、容量維持率は93.0%であった。
ジルコニウム水溶液の代わりに、濃度が0.01質量%となるようにZr(OC3H7)4を溶解させたイソプロパノール溶液、すなわちジルコニウム濃度8ppmのイソプロパノール溶液を用い、かつ加熱温度を500℃として、1時間加熱した他は例1と同様にして、正極材料の粉末を合成した。正極材料の平均粒子径D50は13.6μm、D10は7.0μm、D90は26.0μmであり、比表面積は0.29m2/gであり、プレス密度は2.85/cm3であった。この正極材料の遊離アルカリ量は1.31mol%であった。例1と同様の操作で電極の塗工を行ったところ、塗工性が悪く、塗工、乾燥、ローラープレスした後の電極の一部でアルミニウム箔から正極材料の剥落が確認された。剥落のなかった電極部位を用いて電池を作製したところ、初期放電容量は167.3mAh/gであり、容量維持率は87.8%であった。
これらの実施例においては、リチウム複合酸化物をジルコニウム水溶液から分離した後の加熱工程における加熱温度を表1に記載の温度とした以外は例1と同様にして、正極材料を合成した。また、例1と同様に各特性を測定した結果を表1に合わせて示す。
なお、2009年10月29日に出願された日本特許出願2009−249372号の明細書、特許請求の範囲、及び要約書の全内容をここに引用し、本発明の明細書の開示として、取り入れるものである。
Claims (6)
- 一般式LiaNibCocMndMeO2(ただし、MはNi、Co及びMn以外の遷移金属元素、アルミニウム、スズ、亜鉛並びにアルカリ土類金属からなる群から選ばれる少なくとも1種の元素を表す。0.95≦a≦1.2、0≦b≦1、0≦c≦1、0≦d≦0.6、0≦e≦0.2、a+b+c+d+e=2)で表され、かつ、ジルコニウム含有量が10〜800ppmであり、遊離アルカリ含有量が0.8mol%以下であるリチウム含有複合酸化物を含むリチウムイオン二次電池用正極材料。
- 前記リチウム含有複合酸化物の平均粒子径が8〜25μmである、請求項1に記載のリチウムイオン二次電池用正極材料。
- 前記リチウム含有複合酸化物のプレス密度が2.7〜3.6g/cm3である、請求項1または2に記載のリチウムイオン二次電池用正極材料。
- 前記リチウム含有複合酸化物のBRT法により測定される比表面積が0.1〜1.5
m2/gである、請求項1〜3のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池用正極材料。 - 請求項1〜4のいずれか1項に記載の正極材料、導電剤及びバインダーを含むリチウムイオン二次電池用正極。
- 請求項5に記載の正極、負極、及び電解液を含むリチウムイオン二次電池。
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