JP2016026981A - リチウム含有複合酸化物およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
空間群R−3mで、c軸格子定数が14.208〜14.228Å、a軸格子定数とc軸格子定数が3a+5.615≦c≦3a+5.655の関係を満たす結晶構造を有し、
XRDパターンにおける(003)のピークと(104)のピークとの積分強度比(I003/I104)が1.21〜1.39であることを特徴とするリチウム含有複合酸化物。
[3]XRDパターンにおける(110)の結晶子サイズが400〜760Åである[1]または[2]に記載のリチウム含有複合酸化物。[4]平均粒子径D50が0.1〜30μmである[1]〜[3]のいずれかに記載のリチウム含有複合酸化物。
[5]下記R−factorが、0.37〜0.44である[1]〜[4]のいずれかに記載のリチウム含有複合酸化物。 R−factor:XRDパターンにおける(102)、(006)および(101)のピークの積分強度(I102、I006、I101)から式2を用いて算出される値である。
[7]Ni、CoおよびMnを必須として含む複合化合物とリチウム化合物とを混合し、得られた混合物を酸素含有雰囲気中で焼成する[1]〜[6]のいずれかに記載のリチウム含有複合酸化物の製造方法。[8]前記複合化合物が、Ni、CoおよびMnを含有する水酸化物であって、該水酸化物のXRDパターンにおける(100)の結晶子サイズが130〜300Åである[7]に記載のリチウム含有複合酸化物の製造方法。
[9][1]〜[6]のいずれかに記載のリチウム含有複合酸化物、バインダー、および導電材を含むリチウムイオン二次電池用正極。[10][9]に記載の正極、セパレータ、負極および非水電解質を含むリチウムイオン二次電池。
本発明のリチウム含有複合酸化物(以下、本複合酸化物という)は、必須成分としてLi、Ni、CoおよびMnを含む。そして、本複合酸化物は、必要に応じて任意成分を含有する。任意成分としては、リチウム含有複合酸化物の種々の電池特性を高める点で、F、Mg、Ca、Sr、Ba、AlまたはZrが好ましい。
R−factor=(I102+I006)/I101 式2
本複合酸化物の平均粒子径D50は、0.1〜30μmが好ましい。D50が、0.1μm以上であれば、電極密度を高くできる。また、D50が30μm以下であれば、充放電効率やレート特性に優れる。同様の観点で、D50は、1〜13μmがより好ましく、5〜10μmがさらに好ましい。
本複合酸化物は、Ni、CoおよびMnを必須として含む化合物とリチウム源とを混合し、得られた混合物を焼成して製造することが好ましい。以下、本明細書において、Ni、CoおよびMnを必須として含む化合物で、リチウム源と混合、焼成することでリチウム含有複合酸化物を得ることができる化合物をリチウム含有複合酸化物の前駆体(以下、単に前駆体という)と呼ぶ。本複合酸化物の製造においては、必要に応じて前駆体とリチウム源との混合においてLi、Ni、CoおよびMn以外の他の元素を含む化合物を用いる。
本発明のリチウムイオン二次電池用正極(以下、本正極という)は、正極活物質として本複合酸化物を用いることを特徴とする。すなわち、本正極は、本複合酸化物、バインダーおよび導電材を含む。本正極は、正極集電体上に本複合酸化物、バインダーおよび導電材を含む層(以下、正極活物質含有層)を有する。正極活物質含有層の厚みは、20〜80μmが好ましく、30〜50μmがより好ましい。
本複合酸化物を使用すれば、加圧する際の圧力が低くても電極密度、および電流密度が高い正極活物質含有層を形成できる。そのため、加圧する際に高圧に耐えうる丈夫な製造設備は不要である。また、加圧圧力が低いことで、正極を製造する際の正極の破損による歩留まり低下が抑制でき、更にはリチウムイオン二次電池に用いる際の安全性の低下を抑制することができる。
本発明のリチウムイオン二次電池(以下、本電池という)は、本正極を用いることを特徴とする。すなわち、少なくとも、本正極、セパレータ、負極および非水電解質を含む。
炭素材料としては、難黒鉛化性炭素、人造黒鉛、天然黒鉛、熱分解炭素類、コークス類、グラファイト類、ガラス状炭素類、有機高分子化合物焼成体、炭素繊維、活性炭、カーボンブラック類などが挙げられる。
非水電解液としては、有機溶媒と電解質塩とを適宜組み合わせて調製したものが挙げられる。
有機溶媒としては、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネートおよびこれらの混合物を好適に使用できる。電解質塩としては、LiClO4、LiPF6、LiBF4、CF3SO3Li、LiCl、LiBrなどが挙げられる。
複合水酸化物およびリチウム含有複合酸化物に含まれる金属成分の組成比はICP分析により測定した。表2におけるリチウム含有複合酸化物の組成比(p、x、y、z、q)はLipNixCoyMnzZrqO2で表される化学式の係数である。
粉末X線回折測定装置(株式会社リガク社製、粉末X線回折装置SmartLab)により、CuKα線を用いて複合水酸化物およびリチウム含有複合酸化物のXRD測定を行った。試料ホルダーを30rpmで回転させながら、1°/分のスキャン速度で回折角2θが15〜75°を走査してXRDスペクトルを得た。また、XRDの回折ピークの積分強度は、XRD装置に付属のソフトウエア(株式会社リガク社製、粉末X線回折装置SmartLabに付属のPDXL)を用いて算出した。
XRDスペクトルから例1〜16のリチウム含有複合酸化物は、全て空間群R−3mの単相であることが確認された。
XRDスペクトルからリチウム含有複合酸化物の(003)、(101)、(006)、(012)、(104)、(015)、(009)、(107)、(018)、(110)および(113)の回折ピーク角度を用いて格子定数を算出した。また、内標準Si(NIST製、Silicon Powder 640dを約2重量%添化混合)の(111)、(220)および(311)の回折ピークを用いて、装置由来の角度ずれを補正してa軸とc軸の格子定数を算出した。
XRDパターンからリチウム含有複合酸化物の(003)と(104)の回折ピーク積分強度を算出し、これらの比からI003/I104を算出した。
XRDパターンからリチウム含有複合酸化物の(110)および(003)の回折ピークからシェラーの式により結晶子サイズを算出した。
R−factorは(102)、(006)および(101)のピーク強度を用いて上記した式2((I102+I006)/I101)から算出した。
複合水酸化物およびリチウム含有複合酸化物を水中に超音波を用いて分散させ、レーザ回折/散乱式粒子径分布測定装置(装置名;MT−3300EX、日機装株式会社製)により測定を行い、頻度分布及び累積体積分布曲線を得た。得られた累積体積分布曲線より、複合水酸化物およびリチウム含有複合酸化物のD10、D50、およびD90を求めた。
複合水酸化物およびリチウム含有複合酸化物の比表面積は、比表面積測定装置(装置名;HM model−1208、マウンテック社製)を用いてBET(Brunauer Emmett Teller)法で測定した。吸着ガスとして窒素ガスを用いた。
複合水酸化物およびリチウム含有複合酸化物のタップ密度、タップ密度測定器(装置名;タップデンサー KYT−4000K、セイシン企業株式会社製)を用いて測定した。20mLのプラスチック製タッピングセルに複合水酸化物およびリチウム含有複合酸化物を充填し、20mmのストロークで700回タッピングを行った後の容積からタップ密度を計算した。
30mLのスクリュー管瓶にリチウム含有複合酸化物1gと純水50gを加え、スターラにて30分間撹拌した後に濾過した。平沼自動適定装置(装置名:COM−1750、株式会社日立ハイテク製)を用いて、得られた濾液に対して、0.02mol/Lの塩酸で終点pH4.0まで中和適定を行った。滴定量から、リチウム含有複合酸化物に含まれるLi1molあたりの水中への残存アルカリ量(mol%)を計算した。
硫酸ニッケル(硫酸ニッケル(II)六水和物、和光純薬工業株式会社製)、硫酸コバルト(硫酸コバルト(II)七水和物、和光純薬工業株式会社製)、および硫酸マンガン(硫酸マンガン(II)五水和物、和光純薬工業株式会社製)をイオン交換水に溶解して得た溶液を濾過して、2.15mol/Lの硫酸ニッケルと1.60mol/Lの硫酸コバルトと1.25mol/Lの硫酸マンガンを含有する硫酸塩水溶液を調製した。
硫酸塩水溶液に含まれる硫酸塩の濃度を、それぞれ硫酸ニッケルを2.25mol/L、硫酸コバルトを1.50mol/Lおよび硫酸マンガンを1.25mol/Lとすること以外は、例1と同様にして複合水酸化物粉末を製造した。
例2に記載の方法で得られた複合水酸化物200.00g、炭酸リチウム86.96g、および酸化ジルコニウム0.81gを用いて、焼成温度を909℃とすること以外は、例1と同様にしてリチウム含有複合酸化物を得た。
例2に記載の方法で得られた複合水酸化物200.00g、炭酸リチウム86.96g、および酸化ジルコニウム0.81gを用いて、焼成温度を919℃とすること以外は、例1と同様にしてリチウム含有複合酸化物を得た。
硫酸塩水溶液に含まれる硫酸塩の濃度を、それぞれ硫酸ニッケルを2.35mol/L、硫酸コバルトを1.50mol/Lおよび硫酸マンガンを1.15mol/Lとすること以外は、例1と同様にして複合水酸化物粉末を製造した。
例5に記載の方法で得られた複合水酸化物200.00g、炭酸リチウム87.00gを用いて、焼成温度を919℃とすること以外は例1と同様にしてリチウム含有複合酸化物を得た。
硫酸塩水溶液に含まれる硫酸塩の濃度を、それぞれ硫酸ニッケルを2.25mol/L、硫酸コバルトを1.50mol/Lおよび硫酸マンガンを1.00mol/Lとすること以外は、例1と同様にして複合水酸化物粉末を製造した。
例7に記載の方法で得られた複合水酸化物200.00g、炭酸リチウム84.07g、および酸化ジルコニウム0.81gを用いて、焼成温度を822℃とすること以外は例1と同様にしてリチウム含有複合酸化物を得た。
硫酸塩水溶液に含まれる硫酸塩の濃度を、それぞれ硫酸ニッケルを1.75mol/L、硫酸コバルトを1.75mol/Lおよび硫酸マンガンを1.5mol/Lとすること以外は、例1と同様にして複合水酸化物粉末を製造した。
硫酸塩水溶液に含まれる硫酸塩の濃度を、それぞれ硫酸ニッケルを2mol/L、硫酸コバルトを1.5mol/Lおよび硫酸マンガンを1.5mol/Lとすること以外は、例1と同様にして複合水酸化物粉末を製造した。
硫酸塩水溶液に含まれる硫酸塩の濃度を、それぞれ硫酸ニッケルを2.5mol/L、硫酸コバルトを1mol/Lおよび硫酸マンガンを1.5mol/Lとすること以外は、例1と同様にして複合水酸化物粉末を製造した。
例11に記載の方法で得られた複合水酸化物200.00gと、炭酸リチウム87.18gを用いて、焼成温度を922℃とすること以外は例1と同様にしてリチウム含有複合酸化物を得た。
硫酸塩水溶液に含まれる硫酸塩の濃度を、それぞれ硫酸ニッケルを2.6mol/L、硫酸コバルトを1mol/Lおよび硫酸マンガンを1.4mol/Lとすること以外は、例1と同様にして複合水酸化物粉末を製造した。
硫酸塩水溶液に含まれる硫酸塩の濃度を、それぞれ硫酸ニッケルを3mol/L、硫酸コバルトを0.5mol/Lおよび硫酸マンガンを1.5mol/Lとすること以外は、例1と同様にして複合水酸化物粉末を製造した。
例7に記載の方法で得られた複合水酸化物200.00gと、炭酸リチウム8.82gを用いて、焼成温度を941℃とすること以外は例1と同様にしてリチウム含有複合酸化物を得た。
例7に記載の方法で得られた複合水酸化物200.00gと、炭酸リチウム8.82gを用いて、焼成温度を965℃とすること以外は、例1と同様にしてリチウム含有複合酸化物を得た。
下記のとおり作製した電池1〜16について、以下の電池特性の評価を行った。これらの結果を表4に示す。電池特性は特に言及しない限り25℃の条件で測定した値である。各種電池特性は、TOSCAT−3000(東洋システム株式会社製)を用いて測定した。
正極活物質(リチウム含有複合酸化物)1gにつき192mAの負荷電流で4.3Vまで充電し、正極活物質1gにつき32mAの負荷電流にて2.75Vまで放電した。4.3V〜2.75Vにおける放電容量を初期容量とし、初期効率を、初回放電容量/初回充電容量×100(単位:%)で算出した。
25℃の環境温度にて、正極活物質1gにつき192mAの負荷電流で4.3Vまで充電し、正極活物質1gにつき32mAの負荷電流にて2.75Vまで放電した。この時に得られた容量の1/2の容量を算出し、当該容量まで正極活物質1gにつき32mAの負荷電流で所定時間充電した。引続き、環境温度を−30℃まで下げて6時間保持した後、正極活物質1gにつき800mAの負荷電流で10秒間放電した。10秒間で低下した電圧(ΔV)を低温出力特性とした。
正極活物質1gにつき192mAの負荷電流で4.3Vまで充電し、正極活物質1gにつき32mAの負荷電流(0.2Cレート)にて2.75Vまで放電した。次いで、正極活物質1gにつき192mAの負荷電流で4.3Vまで充電し、正極活物質1gにつき480mAの負荷電流(1Cレート)にて2.75Vまで放電した。更に、正極活物質1gにつき192mAの負荷電流で4.3Vまで充電し、正極活物質1gにつき800mAの負荷電流(5Cレート)にて2.75Vまで放電した。0.2Cレートでの容量に対する1Cレートおよび5Cレートでの容量の割合(単位:%)をそれぞれレート特性として算出した。
正極活物質1gにつき192mAの負荷電流で4.3Vまで充電し、正極活物質1gにつき32mAの負荷電流にて2.75Vまで放電した。次いで正極活物質1gにつき192mAの負荷電流で4.3Vまで充電し、正極活物質1gにつき480mAの負荷電流にて2.75Vまで放電した。更に、正極活物質1gにつき192mAの負荷電流で4.3Vまで充電し、正極活物質1gにつき800mAの負荷電流にて2.75Vまで放電した。
例1〜16のリチウム含有複合酸化物を正極活物質として正極を作製した。リチウム含有複合酸化物、アセチレンブラック(商品名:デンカブラック、電気化学工業株式会社製)および、ポリフッ化ビニリデン(商品名:KFL#1120、呉羽化学工業株式会社製)を12.1質量%含むポリフッ化ビニリデン溶液(溶媒:N−メチルピロリドン)を混合し、更にN−メチルピロリドンを添加してスラリーを作製した。リチウム含有複合酸化物、アセチレンブラックおよびポリフッ化ビニリデンの質量比は、リチウム含有複合酸化物/アセチレンブラック/ポリフッ化ビニリデン=90/5/5とした。
上記作成した正極体シートを正極とし、ステンレス鋼製簡易密閉セル型のリチウム二次電池をアルゴングローブボックス内で組み立てた。例1〜16のリチウム含有複合酸化物を有する正極シートを用いて組み立てたリチウム二次電池を、それぞれ電池1〜16とする。
・負極:平均厚み500μmの金属リチウム箔(リチウムフォイル、本荘ケミカル株式会社製)
・負極集電体:平均厚み1mmのステンレス鋼板
・セパレータ:平均厚み25μmの多孔質ポリプロピレン(セルガード#2500、セルガード社製)
・電解液:濃度1mol/dm3のLiPF6溶液。ただし、溶媒は、エチレンカーボネート(EC)、ジメチルカーボネート(DMC)およびエチルメチルカーボネート(EMC)を体積比1:1:1で混合した混合液。
このことから、本発明のリチウム含有複合酸化物は、初期特性、サイクル特性、およびレート特性の電池特性を犠牲にすることなく、低温特性を向上させていると言える。このような優れた低温特性が示されたのは、a軸とc軸の格子定数が、従来のリチウム含有複合酸化物に比べて小さく、かつ、3a+5.615≦c≦3a+5.655の関係を満たしているためと考えられる。そして、その結果、1次粒子中でLiが拡散しやすいリチウム含有複合酸化物の結晶構造であるためと考えられる。
Claims (10)
- Li、Ni、CoおよびMnを必須として含むリチウム含有複合酸化物であり、
空間群R−3mで、c軸格子定数が14.208〜14.228Å、a軸格子定数とc軸格子定数が3a+5.615≦c≦3a+5.655の関係を満たす結晶構造を有し、
XRDパターンにおける(003)のピークと(104)のピークとの積分強度比(I003/I104)が1.21〜1.39であることを特徴とするリチウム含有複合酸化物。 - XRDパターンにおける(110)の結晶子サイズが400〜760Åである請求項1または2のいずれかに記載のリチウム含有複合酸化物。
- 平均粒子径D50が0.1〜30μmである請求項1〜3のいずれか1項に記載のリチウム含有複合酸化物。
- XRDパターンにおける(003)の結晶子サイズが700〜1200Åである請求項1〜5のいずれか1項に記載のリチウム含有複合酸化物。
- Ni、CoおよびMnを必須として含む複合化合物とリチウム化合物とを混合し、得られた混合物を酸素含有雰囲気中で焼成する請求項1〜6のいずれか1項に記載のリチウム含有複合酸化物の製造方法。
- 前記複合化合物が、Ni、CoおよびMnを含有する水酸化物であって、該水酸化物のXRDパターンにおける(100)の結晶子サイズが130〜300Åである請求項7に記載のリチウム含有複合酸化物の製造方法。
- 請求項1〜6のいずれかに1項に記載のリチウム含有複合酸化物、バインダー、および導電材を含むリチウムイオン二次電池用正極。
- 請求項9記載の正極、セパレータ、負極および非水電解質を含むリチウムイオン二次電池。
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