JP2016143539A - 非水電解質二次電池用正極材料及びその製造方法、並びに非水電解質二次電池 - Google Patents
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Abstract
Description
(2)ラマンスペクトルにおいて、650cm−1〜700cm−1の範囲にショルダーピークを有する上記(1)に記載の非水電解質二次電池用正極材料。
(3)粒子が、Li、Zr、Ti、Al、Mg、Ni、Mn、Zn及びPからなる群より選択される1種以上の元素を含む酸化物又はフッ化物によってさらに被覆され、前記元素の原子数が、リチウム含有コバルト酸化物の分子数の10%以下である上記(1)又は(2)に記載の非水電解質二次電池用正極材料。
(4)上記(1)に記載の非水電解質二次電池用正極材料の製造方法であって、
リチウム含有コバルト酸化物を合成する工程と、
合成したリチウム含有コバルト酸化物に対して、Li2CO3及び/又はLiOHを混合する工程と、
950℃以上1100℃以下の温度範囲で、2時間以上20時間以内のアニール処理を行う工程とを含む前記非水電解質二次電池用正極材料の製造方法。
(5)上記(1)に記載の非水電解質二次電池用正極材料の製造方法であって、
リチウム含有コバルト酸化物の原料にLi2CO3及び/又はLiOHを混合する工程と、
950℃以上1100℃以下の温度範囲で、5時間以上48時間以内のアニール処理を行う工程とを含む前記非水電解質二次電池用正極材料の製造方法。
(6)上記(1)〜(3)のいずれかに記載の非水電解質二次電池用正極材料を含む正極と、負極と、セパレータと、非水電解質とを備える非水電解質二次電池。
(7)正極が、上記(1)〜(3)のいずれかに記載の非水電解質二次電池用正極材料に加えて、一般組成式Li1+aNi1−b−c−dCobMncM’dO2−e(式中、M’はAl、Mg、Zr、V、W、Mo、Cr、Ti、B、Si、Fe、P、F、S及びClからなる群より選択される1種以上の元素であり、0≦a≦0.05、0≦b≦0.02、0.01≦c≦0.03、0.001≦d≦0.03、0≦e≦0.01である)で表されるリチウム含有ニッケル・コバルト・マンガン酸化物を、前記リチウム含有ニッケル・コバルト・マンガン酸化物及びリチウム含有コバルト酸化物の合計に対し5質量%以上50質量%以下の割合で含む上記(6)に記載の非水電解質二次電池。
(8)室温で且つ0.1C以下の負荷率で5Vまで充電したときの正極の充電曲線を電圧で微分することによって得られるdQ/dV曲線の最も高電位に確認されるピークの電位が、4.64V以上である上記(6)又は(7)に記載の非水電解質二次電池。
一般組成式Li1+xCo1−yMyO2−δ (1)
(式中、MはNi、Mn、Al、Mg、Zr、V、W、Mo、Cr、Bi、Cu、Ti、Si、Fe、P、F及びClからなる群より選択される1種以上の元素であり、0≦x≦0.1、0≦y≦0.1、0≦δ≦0.02である)で表されるリチウム含有コバルト酸化物を含有する粒子を含み、その最表面は、スピネル構造を有していることを特徴とする。ここで、粒子の最表面とは、粒子の表面部分の厚さ100nm以内の領域をいう。上記正極材料を用いることによって、高容量であり、かつ高温・高電圧での連続充電が可能な非水電解質二次電池が得られる。
本発明に係る非水電解質二次電池用正極材料は、例えば、Li化合物、Co化合物、M化合物等を適当な割合で混合した混合物粉末を焼成することにより作製することができる。その他、特に限定されることなく、共沈法等により得られるLiを除く前駆体の水酸化物をLi化合物と混合し焼成することによって作製することも可能である。
(式中、M’はAl、Mg、Zr、V、W、Mo、Cr、Ti、B、Si、Fe、P、F、S及びClからなる群より選択される1種以上の元素であり、0≦a≦0.05、0≦b≦0.02、0.01≦c≦0.03、0.001≦d≦0.03、0≦e≦0.01である)で表されるリチウム含有ニッケル・コバルト・マンガン酸化物が挙げられる。このリチウム含有ニッケル・コバルト・マンガン酸化物を組み合わせる場合、リチウム含有ニッケル・コバルト・マンガン酸化物及びリチウム含有コバルト酸化物の合計に対し5質量%以上50質量%以下の割合で含むことが好ましい。
<正極材料の合成>
Li化合物としてLi2CO3、Co化合物としてCo3O4を適当な混合割合で乳鉢に収容して混合した後、ペレット状に固め、マッフル炉を用いて、大気圧の大気雰囲気中にて、950℃で24時間熱処理を行った。
正極材料として、上記一般組成式LiCoO2のリチウム含有コバルト酸化物の粉末を、バインダとしてPVDFを含有したNMP溶液中に分散させて混合液を調製した。NMP溶液の質量に占めるPVDFの質量は10%である。また、上記組成のリチウム含有コバルト酸化物とNMP溶液の質量比は、95:5とした。この混合液に、導電助剤としてカーボンブラックを2.5質量部添加し、乳鉢内で混練し、さらにNMPを加えて粘度を調節して正極合剤スラリーを調製した。
所定の厚さの金属リチウム圧延板を直径16mmの円盤状に加工して負極を作製した。
体積比で1:2のエチレンカーボネートとジエチルカーボネートを混合した溶媒に、六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)を1モル濃度(mol/l)となるように溶解させて非水電解質を調製した。
上記の正極、負極及び非水電解質を用いて、扁平形の電池を組み立てた。図3は、組み立てた非水電解質二次電池1の断面を模式的に示したものである。組み立ては次のように行った。
実施例1の正極材料の合成条件を変えて、Co3O4とLi2CO3の混合比がLi/Co=1.03となる割合で混合し、電気炉を用いて大気雰囲気中にて、1000℃で20時間熱処理を行うことで、正極材料として一般組成式LiCoO2で表されるリチウム含有コバルト酸化物の粒子からなる正極材料を合成した。この正極材料を用いて、上記実施例1と同様の手順で実施例2に係る非水電解質二次電池を作製した。
実施例1のアニール処理条件を変えて、Li2CoO3を分子量比で10%加えて、乳鉢を用いて混ぜ、管状電気炉を用いて酸素ガス雰囲気中(酸素ガス流量0.5L/分)にて、1000℃で10時間熱処理を行うことで、正極材料として一般組成式Li1.05CoO1.98で表されるリチウム含有コバルト酸化物の粒子からなる正極材料を合成した。この正極材料を用いて、上記実施例1と同様の手順で実施例3に係る非水電解質二次電池を作製した。
実施例1にNi化合物としてNi(OH)2を添加して、それ以外は実施例1と同様の手順で、正極材料として一般組成式LiCo0.95Ni0.05O2で表されるリチウム含有コバルト酸化物を合成した。この正極材料を用いて、上記実施例1と同様の手順で実施例4に係る非水電解質二次電池を作製した。
実施例4と同様の手順で、正極材料として一般組成式LiCo0.98Ni0.02O2で表されるリチウム含有コバルト酸化物を合成した。この正極材料を用いて、上記実施例1と同様の手順で実施例5に係る非水電解質二次電池を作製した。
実施例4で用いたNi化合物に代えて、Mg化合物としてMg(OH)2を用い、それ以外は実施例1と同様の手順で、正極材料として一般組成式LiCo0.99Mg0.01O2で表されるリチウム含有コバルト酸化物を合成した。この正極材料を用いて、上記実施例1と同様の手順で実施例6に係る非水電解質二次電池を作製した。
実施例4で用いたNi化合物に代えて、Al化合物としてAl(OH)3を用い、それ以外は実施例1と同様の手順で、正極材料として一般組成式Li1.01Co0.97Al0.03O2で表されるリチウム含有コバルト酸化物を合成した。この正極材料を用いて、上記実施例1と同様の手順で実施例7に係る非水電解質二次電池を作製した。
実施例4で用いたNi化合物に代えて、Bi化合物としてBi(OH)2を用い、それ以外は実施例1と同様の手順で、正極材料として一般組成式Li1.01Co0.995Bi0.005O2で表されるリチウム含有コバルト酸化物を合成した。この正極材料を用いて、上記実施例1と同様の手順で実施例8に係る非水電解質二次電池を作製した。
実施例4で用いたNi化合物に代えて、V化合物としてV2O5を用い、それ以外は実施例1と同様の手順で、正極材料として一般組成式Li1.01Co0.97V0.03O2で表されるリチウム含有コバルト酸化物を合成した。この正極材料を用いて、上記実施例1と同様の手順で実施例9に係る非水電解質二次電池を作製した。
実施例4で用いたNi化合物に代えて、Ti化合物としてTiO2を用い、それ以外は実施例1と同様の手順で、正極材料として一般組成式Li1.01Co0.97Ti0.03O2で表されるリチウム含有コバルト酸化物を合成した。この正極材料を用いて、上記実施例1と同様の手順で実施例10に係る非水電解質二次電池を作製した。
実施例4で用いたNi化合物に代えて、Mn化合物としてMn(OH)2を用い、それ以外は実施例1と同様の手順で、正極材料として一般組成式Li1.01Co0.99Mn0.01O2で表されるリチウム含有コバルト酸化物を合成した。この正極材料を用いて、上記実施例1と同様の手順で実施例11に係る非水電解質二次電池を作製した。
実施例4で用いたNi化合物に代えて、Zr化合物としてZrO2を用い、それ以外は実施例1と同様の手順で、正極材料として一般組成式Li1.01Co0.995Zr0.005O2で表されるリチウム含有コバルト酸化物を合成した。この正極材料を用いて、上記実施例1と同様の手順で実施例12に係る非水電解質二次電池を作製した。
実施例4で用いたNi化合物に加えて、Mg化合物としてMg(OH)2を用い、それ以外は実施例1と同様の手順で、正極材料として一般組成式Li1.01Co0.97Ni0.02Mg0.01O2で表されるリチウム含有コバルト酸化物を合成した。この正極材料を用いて、上記実施例1と同様の手順で実施例13に係る非水電解質二次電池を作製した。
実施例13で用いたNi、Mg化合物に加えて、Zr化合物としてZrO2を用い、それ以外は実施例1と同様の手順で、正極材料として一般組成式LiCo0.965Ni0.02Mg0.01Zr0.005O2で表されるリチウム含有コバルト酸化物を合成した。この正極材料を用いて、上記実施例1と同様の手順で実施例14に係る非水電解質二次電池を作製した。
実施例13と同様の手順で、正極材料として一般組成式Li1.01Co0.97Ni0.02Mg0.01O2で表されるリチウム含有コバルト酸化物を合成した。次に、pH値が9以上11以下、温度が60℃以上80℃以下に調整された水酸化リチウム水溶液中に上記非水電解質二次電池用正極材料粉末を撹拌し分散させた後、Al(NO3)3・9H2Oを滴下した。このときpH値が変化しないように、アンモニア水を同時に滴下することでAl(OH)3共沈物が生成された。その後、5時間以上撹拌しつづけ、随時水酸化リチウムでpH値が変動しないように調整した。次に、吸引ろ過によって、Al(OH)3が付着した正極材料粉末と水溶液を分離し、超純水で洗浄、80℃で24時間真空乾燥させた。この粉末を400℃で10時間、大気雰囲気で焼成した。このような工程により、正極材料の表面に形成された酸化物被膜におけるAlの原子数が、リチウム含有コバルト酸化物の分子数の1%である酸化物被覆の正極材料を作製した。この正極材料を用いて、実施例1と同様の手順で実施例15に係る非水電解質二次電池を作製した。
実施例13と同様の手順で、正極材料として一般組成式Li1.01Co0.97Ni0.02Mg0.01O2で表されるリチウム含有コバルト酸化物を合成した。次に、ジルコニウムイソプロポキシドをイソプロピルアルコール溶媒に溶解させ、上記非水電解質二次電池用正極材料粉末と共に60℃で10時間撹拌し、80℃で乾燥させた。この粉末を400℃、大気雰囲気で10時間焼成した。このような工程により、正極材料の表面に形成された酸化物被膜におけるZrの原子数が、リチウム含有コバルト酸化物の分子数の1%である酸化物被覆の正極材料を作製した。この正極材料を用いて、実施例1と同様の手順で実施例16に係る非水電解質二次電池を作製した。
実施例13と同様の手順で、正極材料として一般組成式Li1.01Co0.97Ni0.02Mg0.01O2で表されるリチウム含有コバルト酸化物を合成した。次に、pH値が9以上11以下、温度が60℃に調整された水酸化リチウム水溶液中に上記非水電解質二次電池用正極材料粉末を撹拌し分散させた後、窒化アルミニウム水和物を入れた。そこへフッ化アンモニウム水溶液を少しずつ滴下し、10時間以上撹拌した後、吸引ろ過し、超純水で洗浄してから80℃で24時間真空乾燥させた。この粉末を窒素ガス雰囲気中で10時間焼成した。このような工程により、正極材料表面に形成されたAlF3被膜におけるAlの原子数が、リチウム含有コバルト酸化物の分子数の1%であるフッ化物被覆の正極材料を作製した。この正極材料を用いて、実施例1と同様の手順で実施例17に係る非水電解質二次電池を作製した。
実施例1とはアニール処理条件を変えて、Li2CoO3を分子量比で0%加え、乳鉢を用いて混ぜ、管状電気炉を用いて酸素ガス雰囲気中(酸素ガス流量0.5mL/分)にて、1000℃で10時間熱処理を行うことで、正極材料として一般組成式Li0.98CoO2で表されるリチウム含有コバルト酸化物の粒子からなる非水電解質二次電池用正極材料を合成した。この正極材料を用いて、実施例1と同様の手順で比較例1に係る非水電解質二次電池を作製した。
実施例1とはアニール処理条件を変えて、Li2CoO3を分子量比で1.5%加え、乳鉢を用いて混ぜ、マッフル炉を用いて大気雰囲気中にて、1000℃で10時間熱処理を行うことで、正極材料として一般組成式LiCoO2で表されるリチウム含有コバルト酸化物の粒子からなる非水電解質二次電池用正極材料を合成した。この正極材料を用いて、実施例1と同様の手順で比較例2に係る非水電解質二次電池を作製した。
実施例1とはアニール処理条件を変えて、Li2CoO3を分子量比で6%加え、乳鉢を用いて混ぜ、マッフル炉を用いて大気雰囲気中にて、1000℃で10時間熱処理を行うことで、正極材料として一般組成式Li1.10CoO1.95で表されるリチウム含有コバルト酸化物の粒子からなる非水電解質二次電池用正極材料を合成した。この正極材料を用いて、実施例1と同様の手順で比較例3に係る非水電解質二次電池を作製した。
実施例4のアニール処理を実施せずに合成して、正極材料として一般組成式Li0.99Co0.95Ni0.05O2で表されるリチウム含有コバルト酸化物の粒子からなる非水電解質二次電池用正極材料を合成した。この正極材料を用いて、実施例1と同様の手順で比較例4に係る非水電解質二次電池を作製した。
実施例4のアニール処理条件を変えて、Li2CoO3を分子量比で1.0%加え、乳鉢を用いて混ぜ、管状電気炉を用いて酸素ガス雰囲気中(酸素ガス流量0.5L/分)にて、1000℃で10時間熱処理を行うことで、正極材料として一般組成式Li0.97Co0.95Ni0.05O2で表されるリチウム含有コバルト酸化物の粒子からなる非水電解質二次電池用正極材料を合成した。この正極材料を用いて、実施例1と同様の手順で比較例5に係る非水電解質二次電池を作製した。
実施例6のアニール処理を実施せずに合成して、正極材料として一般組成式LiCo0.99Mg0.01O2で表されるリチウム含有コバルト酸化物の粒子からなる非水電解質二次電池用正極材料を合成した。この正極材料を用いて、実施例1と同様の手順で比較例6に係る非水電解質二次電池を作製した。
実施例6のアニール処理を実施せずに合成して、正極材料として一般組成式LiCo0.99Mg0.01O2で表されるリチウム含有コバルト酸化物の粒子からなる非水電解質二次電池用正極材料を合成した。次に、実施例15と同様の手順でこの正極材料の表面に、Alの原子数がリチウム含有コバルト酸化物の分子数の1%であるAl酸化物を被覆した後、実施例1と同様の手順で比較例7に係る非水電解質二次電池を作製した。
実施例13のアニール処理を実施せずに合成して、正極材料として一般組成式Li1.01Co0.97Ni0.02Mg0.01O2で表されるリチウム含有コバルト酸化物の粒子からなる非水電解質二次電池用正極材料を合成した。次に、実施例15と同様の手順でこの正極材料の表面に、Alの原子数がリチウム含有コバルト酸化物の分子数の1%であるAl酸化物を被覆した後、実施例1と同様の手順で比較例8に係る非水電解質二次電池を作製した。
実施例1〜17及び比較例1〜8の各非水電解質二次電池について、次の要領で初期充電容量とサイクル特性、保存試験及び連続充電特性を測定した。
室温(25℃)にて、負荷率0.05Cの電流で電池電圧が4.45Vとなるまで定電流で充電を行い、その後、4.45V vs Li/Li+の定電圧で電流が負荷率0.005Cになるまで充電した。その測定結果を表2に示す。
初期充電終了後、1時間放置し、負荷率0.05Cの電流で電池電圧が2.5Vとなるまで定電流で放電を行った。この工程を2サイクル繰り返し、1日放置して初期化した。
初期充電終了後、1時間放置し、負荷率0.05Cの電流で電池電圧が2.5Vとなるまで定電流で放電を行った。この工程を2サイクル繰り返し、1日放置して初期化した。
初期充電終了後、1時間放置し、負荷率0.05Cの電流で電池電圧が2.5Vとなるまで定電流で放電を行った。この工程を2サイクル繰り返し、1日放置して初期化した。
実施例1、2及び3と、比較例1及び2に係る非水電解質二次電池は、いずれも初期充放電容量が188mAh/g〜189mAh/gであり、サイクル試験後の容量維持率は80%を下回った。一方で、保存試験の結果と連続充電特性に差がみられた。実施例1、2及び3の場合は、保存試験後の容量維持率が80%以上となるが、比較例1及び2の場合は、80%未満となった。また、連続充電特性に関しては、実施例1、2及び3は比較例1及び2の4倍程度となっていた。このような保存試験の結果及び連続充電特性に生じた差は、複数の劣化モードによるものと考えられるが、特に実施例1、2及び3の場合は、構造安定なスピネル構造が最外殻に存在することで、リチウム含有コバルト酸化物特有の電解液との副反応による、不均化や還元によるCo溶出が抑制されたことに起因していると考えられる。
2 正極
3 セパレータ
4 負極
5 押さえ板
6 板ばね
7 蓋
8 絶縁リング
9 絶縁パッキン
10 絶縁スリーブ
11 ナット
12 ボルト
13 容器
Claims (8)
- 一般組成式Li1+xCo1−yMyO2−δ(式中、MはNi、Mn、Al、Mg、Zr、V、W、Mo、Cr、Bi、Cu、Ti、Si、Fe、P、F及びClからなる群より選択される1種以上の元素であり、0≦x≦0.1、0≦y≦0.1、0≦δ≦0.02である)で表されるリチウム含有コバルト酸化物を含有する粒子を含み、前記粒子の最表面は、スピネル構造を有している非水電解質二次電池用正極材料。
- ラマンスペクトルにおいて、650cm−1〜700cm−1の範囲にショルダーピークを有する請求項1に記載の非水電解質二次電池用正極材料。
- 粒子が、Li、Zr、Ti、Al、Mg、Ni、Mn、Zn及びPからなる群より選択される1種以上の元素を含む酸化物又はフッ化物によってさらに被覆され、前記元素の原子数が、リチウム含有コバルト酸化物の分子数の10%以下である請求項1又は2に記載の非水電解質二次電池用正極材料。
- 請求項1に記載の非水電解質二次電池用正極材料の製造方法であって、
リチウム含有コバルト酸化物を合成する工程と、
合成したリチウム含有コバルト酸化物に対して、Li2CO3及び/又はLiOHを混合する工程と、
950℃以上1100℃以下の温度範囲で、2時間以上20時間以内のアニール処理を行う工程とを含む前記非水電解質二次電池用正極材料の製造方法。 - 請求項1に記載の非水電解質二次電池用正極材料の製造方法であって、
リチウム含有コバルト酸化物の原料にLi2CO3及び/又はLiOHを混合する工程と、
950℃以上1100℃以下の温度範囲で、5時間以上48時間以内のアニール処理を行う工程とを含む前記非水電解質二次電池用正極材料の製造方法。 - 請求項1〜3のいずれかに記載の非水電解質二次電池用正極材料を含む正極と、負極と、セパレータと、非水電解質とを備える非水電解質二次電池。
- 正極が、請求項1〜3のいずれかに記載の非水電解質二次電池用正極材料に加えて、一般組成式Li1+aNi1−b−c−dCobMncM’dO2−e(式中、M’はAl、Mg、Zr、V、W、Mo、Cr、Ti、B、Si、Fe、P、F、S及びClからなる群より選択される1種以上の元素であり、0≦a≦0.05、0≦b≦0.02、0.01≦c≦0.03、0.001≦d≦0.03、0≦e≦0.01である)で表されるリチウム含有ニッケル・コバルト・マンガン酸化物を、前記リチウム含有ニッケル・コバルト・マンガン酸化物及びリチウム含有コバルト酸化物の合計に対し5質量%以上50質量%以下の割合で含む請求項6に記載の非水電解質二次電池。
- 室温で且つ0.1C以下の負荷率で5Vまで充電したときの正極の充電曲線を電圧で微分することによって得られるdQ/dV曲線の最も高電位に確認されるピークの電位が、4.64V以上である請求項6又は7に記載の非水電解質二次電池。
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