JP2016528707A - リチウムイオンバッテリー用カソード組成物 - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、2013年8月22日に出願された米国特許仮出願第61/868,905号の優先権を主張するものであり、その全開示内容が参照により本明細書に組み込まれる。
米国政府は、米国エネルギー省によって承諾された契約番号DE−EE0005499の条件下で本発明に対する特定の権利を有することができる。
本開示は、リチウムイオン電気化学電池用のカソードとして有用な組成物に関する。
活性電極材料をSuper P導電性カーボンブラック(MMM Carbon(Belgium)より入手)とブレンドした。ポリビニリデン(Polyvinylidine)ジフルオライド(PVDF)(Aldrich Chemical Coより入手)をN−メチルピロリドン(NMP)溶液(Aldrich Chemical Coより入手)に溶解して濃度約7重量%のPVDF溶液を作製した。PVDF溶液及びN−メチルピロリドン(NMP)溶剤を、活性電極材料及びSuper Pの混合物に添加し、続いて遊星形ミキサー/脱気装置Kurabo Mazerustar KK−50S(Kurabo Industries Ltdから入手)を用いてスラリー分散液を形成した。分散スラリーをコーティングバーを用いて金属箔(カソード活性材料にAl、グラファイト又は合金などのアノード材料にCu)にコーティングし、110℃で4時間乾燥させて複合電極コーティングを形成した。コーティングは、90重量%の活性材料、5重量%のSuper P、及び5重量%のPVDFからなっていた。活性カソードの使用量は約8mg/cm2である。MCMB型のグラファイト(E−One Moli Energy Ltdから入手した)を活性アノード材料として用いた。活性アノードの使用量は約9.4mg/cm2である。
10リットルの閉鎖型攪拌槽型反応器は、3つの入口、ガス出口、加熱マントル、及びpHプローブを備えた。この槽に、1Mの脱気した水酸化アンモニウム溶液を4リットル加えた。攪拌を開始し、温度を60℃に維持した。槽はアルゴン流により不活性に維持された。1つの入口を介して、NiSO4 .6H2O及びMnSO4 .H2O(Ni/Mnモル比2:1)の2M溶液を4ml/分の速度で注入した。第2の入口を介して、NaOHの50パーセント水溶液を、槽内を10.0の一定pHに維持する速度で加えた。第3の入口を介して、1MのNH4OH濃度を維持するように調整された速度で、濃水酸化アンモニウム水溶液(concentrated aqueous ammonium hydroxide)を反応器に添加した。1000rpmの攪拌を維持した。10時間後、硫酸塩及び水酸化アンモニウム流を止め、pHを10.0に制御しながら60℃及び1000rpmにて12時間にわたって反応を維持した。生じた沈殿物を濾過し、慎重に数回洗浄し、110℃にて10時間にわたり乾燥させて、球状粒子の形態の乾燥金属水酸化物を得た。
当業者に既知の通り、カソード電極及びアノード電極を円形状に打ち抜いて、2325コイン電池に組み込んだ。アノードはMCMB型グラファイト又はリチウム金属箔であった。CELGARD 2325微多孔性膜(PP/PE/PP)(厚さ25ミクロン、Celgard,Charlotte(North Carolina)から入手)の1層を用いてカソードとアノードとを分離した。カソード、膜、及びアノードが確実に濡れるように、100μLの電解質を添加した。コイン電池を封止して、続いてMaccor series 2000電池サイクラー(Maccor Inc.(Tulsa,Oklahoma,USA)から入手)を用いて30℃又は50℃の温度でサイクルした。
実施例1のカソード粉末(3重量%のLaPO4で表面処理したNMC442(Li[Lix(Ni0.42Mn0.42Co0.16)1−x]O2(xは〜0.05))を以下のように調製した。166.99gのLa(NO3)3.6H2O(≧98%、Sigma−Aldrichより入手)及び51.023gのNH4)2HPO4(≧98%、Sigma−Aldrichより入手)をステンレス鋼製の円筒形容器内で800mlの脱イオン(DI)水に溶解して2時間攪拌した。続いて3.0kgのカソード粉末NMC442(3MからBC−723Kとして入手可能、Li[Lix(Ni0.42Mn0.42Co0.16)1−x]O2(Xは〜0.05))を容器に少しずつ添加してスラリーを作製した。必要に応じて、滑らかなスラリーの攪拌を維持するために少量の脱イオン水を添加した。スラリーを一晩攪拌した後、水分がほとんど乾燥して攪拌が停止されるまで攪拌しながら約80℃までゆっくりと加熱した。続いてオーブン内で容器を100℃で一晩加熱して、水分を完全に乾燥させた。容器(contanied)内の粉末を混転してゆるませ、続いて800℃で4時間焼成した。使用前に粉末を孔径75μmの篩に通した。
比較実施例1のカソード粉末を、粉末を500℃で4時間焼成した以外は実施例1と同じ方法で調製した。
実施例2のカソード粉末(3重量%のLiCoPO4で表面処理したNMC442(Li[Lix(Ni0.42Mn0.42Co0.16)1−x]O2(xは〜0.05))を以下のように調製した。162.93gのCo(NO3)2・6H2O(Sigma−Aldrichから入手)及び73.895gの(NH4)2HPO4(Sigma−Aldrichから入手)をステンレス鋼製の円筒形容器の800mlの脱イオン水に溶解して、続いて一晩攪拌した。実施例1にある通りの3.0kgのカソード粉末NMC442(3MからBC−723Kとして入手可能、Li[Lix(Ni0.42Mn0.42Co0.16)1−x]O2(Xは〜0.05))を容器に少しずつ添加してスラリーを作製した。滑らかな攪拌を維持するため、必要に応じて少量の脱イオン水を添加した。約30分間の攪拌後、20.685gのLi2CO3(Sigma−Aldrichから入手)を容器に添加した。スラリーを、水分がほとんど乾燥して攪拌が停止されるまで攪拌しながら約80℃で加熱した。続いて容器を100℃のオーブン内に一晩配置して、水分を完全に乾燥させた。容器内の粉末を混転してゆるませ、続いて800℃で4時間焼成した。使用前に粉末を孔径75μmの篩に通した。
実施例3のカソード粉末(3重量%のLaPO4で表面処理したNMC532(Li[Lix(Ni0.50Mn0.30Co0.20)1−x]O2(xは〜0.03))を実施例1と同じ方法で調製した。NMC532はUmicore KoreaからTX10として入手した。
実施例4のカソード粉末(3重量%のLiCoPO4で表面処理したNMC532(Li[Lix(Ni0.50Mn0.30Co0.20)1−x]O2(xは〜0.03))を実施例2と同じ方法で調製した。NMC532はUmicore KoreaからTX10として入手した。
実施例5のカソード粉末(3重量%のLaPO4で表面処理したNMC111(Li[Lix(Ni0.333Mn0.333Co0.333)1−x]O2(xは〜0.03))を実施例1と同じ方法で調製した。NMC111は3MからBC−618Kとして入手した。
実施例6のカソード粉末(3重量%のLiCoPO4で表面処理したNMC111(Li[Lix(Ni0.333Mn0.333Co0.333)1−x]O2(xは〜0.03))を実施例2と同じ方法で調製した。NMC111は3MからBC−618Kとして入手した。
実施例7のカソード粉末(3重量%のLiCoPO4で表面処理したNi0.56Mn0.40Co0.04(Li[Lix(Ni0.56Mn0.40Co0.04)1−x]O2(xは〜0.09))を、実施例2と同じ方法で調製した。Ni0.56Mn0.40Co0.04酸化物(Li[Lix(Ni0.56Mn0.40Co0.04)1−x]O2(xは〜0.09))を、下記のプロセスによって得た。
実施例8のカソード粉末(3重量%のCa1.5PO4で表面処理したNMC442(Li[Lix(Ni0.42Mn0.42Co0.16)1−x]O2(xは〜0.05))を以下のように調製した。6.85gのCa(NO3)2・4H2O(≧98%、Sigma−Aldrichより入手)及び2.55gのNH4)2HPO4(≧98%、Sigma−Aldrichより入手)をステンレス鋼製の円筒形容器の約80mlの脱イオン水に溶解した。2時間攪拌した後、100gのカソード粉末NMC442(3MからBC−723Kとして、Li[Lix(Ni0.42Mn0.42Co0.16)1−x]O2(Xは〜0.05))を容器に少しずつ添加してスラリーを作製した。必要に応じて、滑らかなスラリーの攪拌を維持するために少量の脱イオン水を添加した。一晩攪拌した後、水分がほとんど乾燥して攪拌が停止されるまで攪拌しながら容器を約80℃までゆっくりと加熱した。続いて容器を100℃のオーブン内に一晩配置して、水分を完全に乾燥させた。容器内の粉末を混転してゆるませ、続いて800℃で2時間焼成した。使用前に粉末を孔径75μmの篩に通した。
実施例9のカソード粉末(1.5重量%のLaPO4で表面処理したNMC442(Li[Lix(Ni0.42Mn0.42Co0.16)1−x]O2(xは〜0.05))を以下のように調製した。83.89gのLa(NO3)3.6H2O(≧98%、Sigma−Aldrichより入手)及び25.452gのNH4)2HPO4(≧98%、Sigma−Aldrichより入手)をステンレス鋼製の円筒形容器の800mlの脱イオン水に溶解して2時間攪拌した。3.0kgのカソード粉末NMC442(3MからBC−723Kとして入手可能、Li[Lix(Ni0.42Mn0.42Co0.16)1−x]O2(Xは〜0.05))を容器に少しずつ添加してスラリーを作製した。必要に応じて、滑らかなスラリーの攪拌を維持するために少量の脱イオン水を添加した。一晩攪拌した後、水分がほとんど乾燥して攪拌が停止されるまで、攪拌しながら容器を約80℃までゆっくりと加熱した。続いて容器を100℃のオーブン内に一晩配置して、水分を完全に乾燥させた。容器内の粉末を混転してゆるませ、続いて800℃で4時間焼成した。使用前に粉末を孔径75μmの篩に通した。
実施例10のカソード粉末(1.5重量%のLiCoPO4で表面処理したNMC442(Li[Lix(Ni0.42Mn0.42Co0.16)1−x]O2(xは〜0.05))を以下のように調製した。2.714gのCo(NO3)2.6H2O(Sigma−Aldrichから入手)及び1.242gのNH4)2HPO4(Sigma−Aldrichから入手)をステンレス鋼製の円筒形容器内で約80mlの脱イオン水に溶解して一晩攪拌した。実施例1にある通りの100gのカソード粉末NMC442(3MからBC−723Kとして入手可能、Li[Lix(Ni0.42Mn0.42Co0.16)1−x]O2(Xは〜0.05))を容器に少しずつ添加してスラリーを作製した。必要に応じて、滑らかなスラリーの攪拌を維持するために少量の脱イオン水を添加した。約30分間の攪拌後、0.348gのLi2CO3(Sigma−Aldrichから入手)を容器に添加した。攪拌しながら、水分がほとんど乾燥して攪拌が停止されるまで、容器を約80℃までゆっくりと加熱した。続いて容器を100℃のオーブン内に一晩配置して、水分を完全に乾燥させた。容器内の粉末を混転してゆるませ、続いて800℃で4時間焼成した。使用前に粉末を孔径75μmの篩に通した。
比較実施例2のカソード粉末(3重量%のLaF3で表面処理したNMC442(Li[Lix(Ni0.42Mn0.42Co0.16)1−x]O2(xは〜0.05))を以下のように調製した。6.63gのLa(NO3)3・6H2O(≧98%、Sigma−Aldrichから入手)及び1.70gの(NH4)F(≧98%、Sigma−Aldrichから入手)をステンレス鋼製の円筒形容器内で約100mlの脱イオン水に溶解して2時間攪拌した。100gのカソード粉末NMC442(3MからBC−723Kとして入手可能、Li[Lix(Ni0.42Mn0.42Co0.16)1−x]O2(Xは〜0.05))を容器に少しずつ添加してスラリーを作製した。必要に応じて、滑らかなスラリーの攪拌を維持するために少量の脱イオン水を添加した。一晩攪拌した後、水分がほとんど乾燥して攪拌が停止されるまで、攪拌しながら容器を約80℃までゆっくりと加熱した。続いて容器を100℃のオーブン内に一晩配置して、水分を完全に乾燥させた。容器内の粉末を混転してゆるませ、続いて800℃で2時間焼成した。使用前に粉末を孔径75μmの篩に通した。
比較実施例3のカソード粉末(3重量%のCaF2で表面処理したNMC442(Li[Lix(Ni0.42Mn0.42Co0.16)1−x]O2(xは〜0.05))を以下のように調製した。9.07gのCa(NO3)2・4H2O(≧98%、Sigma−Aldrichから入手)及び2.85gの(NH4)F(≧98%、Sigma−Aldrichから入手)をステンレス鋼製の円筒形容器内の約100mlの脱イオン水に溶解して2時間攪拌した。100gのカソード粉末NMC442(3MからBC−723Kとして入手可能、Li[Lix(Ni0.42Mn0.42Co0.16)1−x]O2(Xは〜0.05))を容器に少しずつ添加してスラリーを作製した。必要に応じて、滑らかなスラリーの攪拌を維持するために少量の脱イオン水を添加した。一晩攪拌した後、水分がほとんど乾燥して攪拌が停止されるまで、攪拌しながら容器を約80℃までゆっくりと加熱した。続いて容器を100℃のオーブン内に一晩配置して、水分を完全に乾燥させた。容器内の粉末を混転してゆるませ、続いて800℃で2時間焼成した。使用前に粉末を孔径75μmの篩に通した。
比較実施例4のカソード粉末を、粉末を500℃で焼成した以外は実施例8と同じ方法で調製した。
比較実施例4のカソード粉末を、粉末を500℃で焼成した以外は実施例8と同じ方法で調製した。
比較実施例6のカソード粉末を、粉末を500℃で焼成した以外は実施例2と同じ方法で調製した。
実施例11のカソード粉末(3重量%のLiCoPO4で表面処理したコア−シェル型NMC酸化物(コアとしてLi[Li0.091Ni0.606Mn0.303]O2が67モル%、及びシェルとしてLi[Li0.091Ni0.15Co0.15Mn0.609]O2が33モル%))を、実施例2と同じ方法で調製した。コア−シェル型NMC酸化物は、PCT特許出願第WO 2012/112316 A1号(参照により本願に組み込まれる)で開示される、上述のプロセスに基づいて得られた。
実施例12のカソード粉末(2重量%のLiCoPO4で表面処理したコア−シェル型NMC酸化物(コアとしてLi[Li0.091Ni0.606Mn0.303]O2が67モル%、及びシェルとしてLi[Li0.091Ni0.15Co0.15Mn0.609]O2が33モル%))を、上述され、かつPCT特許出願第WO 2012/112316 A1号に開示されるコア−シェル型NMC水酸化物を用いて以下の通り調製した。
実施例13のカソード粉末(2重量%のLi(3−2x)MxPO4(MはNi、Co、Mn又は任意の組み合わせ)で表面処理したコア−シェル型NMC酸化物(コアとしてLi[Li0.091Ni0.606Mn0.303]O2を67モル%、及びシェルとしてLi[Li0.091Ni0.15Co0.15Mn0.609]O2を33モル%)を、上述され、かつPCT特許出願第WO 2012/112316 A1号に開示されるコア−シェル型NMC水酸化物を用いて以下の通り調製した。
Claims (12)
- カソード組成物であって、
式Li[Lix(NiaMnbCoc)1−x]O2を有し、式中0<x<0.3、0<a<1、0<b<1、0<c<1、a+b+c=1、a/b≦1である粒子と、
LifCog[PO4]1−f−g(0≦f<1、0≦g<1)を含み、前記粒子の外部表面上に配置されているコーティング組成物と、を含み、
前記組成物がO3型構造を有し、
前記コーティング組成物を含む前記カソード組成物が、750℃以上の温度で少なくとも30分間焼成された、カソード組成物。 - カソード組成物であって、
式Li[Lix(NiaMnbCoc)1−x]O2を有し、式中0<x<0.3、0<a<1、0<b<1、0<c<1、a+b+c=1である粒子と、
Mh[PO4]1−h(0<h<1)を含み、式中MがCa、Sr、Ba、Y、任意の希土類元素(REE)、又はこれらの組み合わせを含み、前記粒子の外部表面上に配置されているコーティング組成物と、を含み、
前記粒子がO3型構造を有し、
前記コーティング組成物を含む前記カソード組成物が、750℃以上の温度で少なくとも30分間焼成された、カソード組成物。 - 前記リン酸塩系コーティングが式Cah[PO4]1−hを有する材料を含み、式中0<h<1である、請求項2に記載のカソード組成物。
- 前記リン酸塩系コーティングが式Lah[PO4]1−hを有する材料を含み、式中0<h<1である、請求項2に記載のカソード組成物。
- 前記組成物が単相の形態である、請求項1〜4のいずれか一項に記載のリチウム遷移金属酸化物組成物。
- カソード組成物であって、
複合粒子であって、
O3結晶構造を有する層状リチウム金属酸化物を含むコアであって、
前記層状リチウム金属酸化物がニッケル、マンガン、又はコバルトを含み、
前記層状リチウム金属酸化物がリチウムイオン電池のカソードに組み込まれ、前記リチウムイオン電池が対Li/Li+で少なくとも4.6ボルトまで充電され、続いて放電された場合に、前記層状リチウム金属酸化物が3.5ボルト未満でdQ/dVピークを示さず、
前記コアが前記複合粒子の原子の合計モルを基準に、前記複合粒子の30〜85モル%を構成するコアと、
前記コアを包囲するO3結晶構造を有するシェル層であって、
前記シェル層が酸素欠損層状リチウム金属酸化物、及びLifMg[PO4]1−f−g(式中MがCo、Ni、若しくはMn又はこれらの組み合わせであり、0≦f<1、0≦g<1である)、又は
Mh[PO4]1−h(0<h<1)(式中MがCa、Sr、Ba、Y、La、任意の希土類元素(REE)、又はこれらの組み合わせを含む)から選択されるコーティング組成物を含むシェル層と、を含む複合粒子を含み、
前記コーティング組成物が前記粒子の外部表面上に配置されており、
前記コーティング組成物を含む前記カソード組成物が、750℃以上の温度で少なくとも30分間焼成された、カソード組成物。 - 前記シェル組成物が1以下のNi/Mn原子比を有する、請求項6に記載のカソード組成物。
- 前記複合粒子の容量が前記コアの容量よりも大きい、請求項6に記載のカソード組成物。
- 前記シェル層が、Li[Li0.2Mn0.54Ni0.13Co0.13]O2及びLi[Li0.06Mn0.525Ni0.415]O2からなる群から選択される、請求項6〜8のいずれか一項に記載のカソード組成物。
- カソード組成物を作製する方法であって、
請求項1〜9のいずれか一項に記載のカソード組成物を形成する工程と、
前記カソード組成物を750℃以上の温度で少なくとも30分間加熱する工程と、を含む、方法。 - アノードと、
請求項1〜9のいずれか一項に記載の組成物を含むカソードと、
電解質と、を含む、リチウムイオンバッテリー。 - 式Li[Lix(NiaMnbCoc)1−x]O2を有し、式中0<x<0.3、0<a<1、0<b<1、0<c<1、a+b+c=1である粒子と、
Mh[PO4]1−h(0<h<1)を含み、式中MがCa、Sr、Ba、Y、任意の希土類元素(REE)、又はこれらの組み合わせを含み、前記粒子の外部表面上に配置されているコーティング組成物と、を含み、
前記粒子がO3型構造を有し、
Cu−Ka波長を用いたX線回折パターンにおいて30〜35°の間で観察される回折ピークが存在する、カソード組成物。
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