JP2018049848A - 改善されたリチウムマンガン酸化物組成物 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】充電式リチウムイオン電池における正極材料として用いられるのに適する、改善されたLMO組成物が提供される。このLMO組成物は、追加の金属によりドープされてもよいしドープされなくてもよい。このLMO組成物は、酸分解からLMOを保護するLiF表面処理が施される。改善されたLMOから製造される正極は、改善された容量損失特性を有する。
【選択図】図1a
Description
2LiPF6 + 6H2O → Li2O + P2O5+ 12HF
得られたHFが正極の金属酸化物を攻撃する。例えば、LiMn2O4(LiMn3+Mn4+O4とも表される)などのスピネル型材料を正極材料として用いる場合には、このスピネル型材料は、下記反応式に表されるように、HFと反応する。
4H++ 2LiMn3+Mn4+O4→3λMnO2+ Mn2++ 2Li++ 2H2O
この反応では時間の経過と共に、水を生成し、それがまた更なるHFを生成するため、この反応は正極材料を完全に分解することになる。反応が進行するにしたがって、マンガンイオンはセパレータを通過し、負極において固体電解質界面(SEI層)の一部となる。マンガンイオンをSEI層に添加することにより、電池の容量の損失の一因となるイオンの流れを阻害することができる。
・一般式Li1+xMyMn2-x-yO4(式中、0<x<0.25、0<y<0.5、およびMはAl、Cr、Ga、In、およびScからなる群より選択される1以上の3価金属である)または一般式Li[Li(1-2x)/3MyMn(2-x)/3Nix-y]O2(式中、0<x<0.5、0<y<0.25、x>y、およびMはCa、Cu、Mg、およびZnから選択される1以上の金属である)を有する正極活性材料を選択するステップ;
・水中にLiF粒子を含むスラリーを作製するステップ;
・スラリーを約40°C〜60°Cの温度に加熱するステップ;
・選択された正極活性材料をスラリー中に混合するステップ;
・スラリーが均一な分散物になるまで、LiFと正極活性材料とを含むスラリーを撹拌するステップ;
・乾燥工程により、スラリーから水分を取り除くステップ;
・LiFを活性化させるのに充分な時間にわたって約450°C〜850°Cの温度で、得られた固形物を加熱するステップ;
・LiFによる表面処理を施された正極活性材料の形態で最終組成物を得るステップ。
Li1+xMyMn2-x-yO4
(式中、0<x<0.25、0<y<0.5、およびMはAl、Cr、Ga、In、およびScからなる群より選択される1以上の3価金属である))
を有するスピネル型材料、または一般式:
Li[Li(1-2x)/3MyMn(2-x)/3Nix-y]O2
(式中、0<x<0.5、0<y<0.25、x>y、およびMはCa、Cu、Mg、およびZnから選択される1以上の金属である)
を有する層状LMO材料が含まれるが、必ずしもこれらに限定されるわけではない。
図面は、活性な正極材料(すなわち、LiF処理LMO)の初期容量と、充電/放電のサイクルを繰り返した後の正極の容量とをmAh/gで表している。コイン型電池はすべて、60°Cにて放電率1Cおよび充電率C/3でサイクルが実施され、各セルは、60分間にわたって指示電圧3ボルトまで放電を行った後、180分間にわたって指示電圧4.3ボルトまで再充電した。
図2は、未処理LMO(ラインA)、下記実施例6において説明される、LiF非含有であるが850°Cにて1回熱処理されたLMO(ラインB)、下記実施例7において説明される、850°Cにて熱処理されLiFによる表面処理を施されたLMO(ラインC)から製造される正極についての容量試験の結果を示す。
図3において、ラインDは、LiF非含有LMOから製造される正極についての容量を示す。ラインEは、LiF処理を施されているが熱処理されていないLMOを用いて製造される正極の容量を示す。ラインFは、850°Cにて2回熱処理されたLiF/LMOから製造される正極の容量を示す。
図4において、ラインDは、図3のラインDに対応する。ラインGは、LiF非含有であるが850°Cにて1回熱処理されたLMOから製造される正極の容量を示す。ラインHは、850°Cにて1回熱処理された、LiFによる表面処理を施されたLMOから製造される正極の容量を示す。
図5において、ラインDは図3および4のラインDに対応し、ラインFは図3のラインFに対応する。ラインGおよびHは、図4のラインGおよびHに対応する。ラインJは、LiF非含有であるが850°Cにて2回熱処理されたLMOから製造される正極の容量を示す。図5に示されているように、ラインJはラインFおよびHよりも大きい初期容量を有するが、ラインJはラインFおよびHよりも容量損失率が高い。理論に拘泥されることを望むのではないが、本発明者らは、LMOを2回熱処理することにより、LMOの欠陥の数が減少し、これが容量の増加につながった、と考えている。
図6に関して、ラインKは、1.4重量%のCrでドープされたがLiFを含有しないLMOであって、それにより式(Li1.05Cr0.05Mn1.9O4)で表される最終LMOをもたらすLMOを示す。ラインKの材料は、初期容量が118.2 mAh/gであり、300サイクルの後の容量が78.0 mAh/gであった。ラインLは、2倍量のCr (2.9重量%)でドープされたがLiFを含有しないLMOであって、それにより式(Li1.05Cr0.1Mn1.85O4)で表される最終LMOをもたらすLMOを示す。ラインLのLMOは、初期容量が115.9 mAh/gであり、300サイクルの後の容量が83.2 mAh/gであった。ラインMは、わずか1.4重量%のCrでドープされたが、ラインMのLMOは、LiF処理を施され850°Cにて熱処理された。ラインMのLMOは、式(Li1.05Cr0.05Mn1.9O4)で表される。ラインMの材料は、初期容量が118.2 mAh/gであり、300サイクルの後の容量が99.5 mAh/gであった。図6に示されているように、LiF処理は、構造内にドーパントを追加するよりも、LMOの容量の安定化に対してさらに一層効果的である。表1は、図2〜5に示される各サンプルについての個々のサイクル値(mAh/g)を示す。
組成式Li1.06Al0.18Mn1.76O4を有するスピネル型材料は、下記の通り製造された。216.0gのMn2O3、59.62gのLi2CO3、および14.036gのAl2O3を一緒に混合し、混合物をその後、(材料を充分に混合するのに充分であるが、粒径を減少させない)2時間にわたってボールミルにかけた。この混合物をその後、850°Cにて10時間にわたってボックス型炉中のセラミック皿において加熱した。(この10時間の熱処理によって、初期のLMO材料が形成される。LiF表面処理剤の適用は一般的に、更なる加熱処理ステップを含む。)10時間熱処理してLMOを製造した後、温度は、2°C/分の速度で850°Cから室温へと降下させた。得られる従来のLMO生成物はその後、-325メッシュスクリーンに通した。
コイン型リチウム電池は、導電助剤として30重量%のカーボンブラック、バインダーとして5重量%のフッ化ポリビニリデン(PVDF)、および65重量%の実施例1の正極活性材料を含む正極ディスク、Liフォイル負極、ならびに等重量部のエチレンカーボネーとジメチルカーボネートとの混合物中に溶解された1M LiPF6から構成される電解質を用いて作製された。コイン型電池は、60°Cにて放電率1Cおよび充電率C/3でサイクルが実施された。図3中のラインDは、実施例1において製造された従来の熱処理されていないLMO材料から作製され、実施例2において作製されたコイン型電池の正極に組み込まれた、正極材料の容量値を示す。
従来のLMOに熱処理をさらに施すことによる効果を証明するために、約50gの実施例1で得られたLi1.06Al0.18Mn1.76O4が、850°Cにて2時間にわたってボックス型炉中のセラミック皿において加熱した。温度は、2°C/分の速度で850°Cから室温へと降下させた。この材料を-325メッシュスクリーンに通した後、実施例2において作製されるコイン型リチウム電池において試験された。図4中のラインGは、熱処理された従来のLMOから製造される正極材料についての容量値を示す。
2回の加熱処理ステップと組み合わせたLiF処理の効果を証明するために、201.4 gの実施例1で得られたLi1.06Al0.18Mn1.76O4と2.0 gのLiF(1重量%)とを混合し、ボールミルに2時間かけた。この混合物20gを850°Cで2時間ボックス型炉中に置いたセラミックるつぼ中にて加熱した。一旦冷却し、乳鉢と乳棒を用いて粉末を手動で混合して確実に均一にし、850°Cで更に2時間再加熱した。ボックス型炉の温度は、2°C/分の速度で室温へと降下させた。この材料を-325メッシュスクリーンに通した後、実施例2において作製されるコイン型リチウム電池において試験された。図3中のラインFは、LiF処理LMOから製造される正極材料の容量値を示す。図3は、熱処理された従来のLMOおよび熱処理されていない従来のLMOより優れた、LiF表面処理を施され2回の加熱処理を用いて製造されたLMOを組み込んだ正極を用いることによりコイン型電池にもたらされる改善を明確に実証している。
組成式Li1.06Cr0.1Mn1.84O4を有するスピネル型材料を用いて、従来のLMOが、下記の通り製造された。37.784kgのMn2O3、2.017kgのCr2O3、および10.185kgのLi2CO3を振動ミルに入れ、セラミック粉砕媒体を用いて45分間混合した。このステップは、約700kgのスピネル型プレミックスが得られるまで繰り返した。このプレミックスはその後、すべての加熱ゾーンにおいて温度を850°Cに設定した回転か焼炉内で反応させた。1回目の通過の間は、か焼炉に酸素高含有雰囲気が流された。その後の通過は、か焼炉に通常の空気流を通すことにより達成された。材料は、850°Cでの総滞留時間が10時間となるまで、か焼炉を繰り返し通過させた。材料はその後、加熱ゾーンの温度を低下させながら、か焼炉をさらにもう1回通過させた。これにより、約1.5°C/分の速度で600°Cまでゆっくり冷却することができた。冷却された生成物は、-325メッシュスクリーンに通した後、実施例2において作製されるコイン型リチウム電池において試験された。図2中のラインAは、加熱処理されないLiF非含有LMOから製造される正極材料についての容量値を示す。
実施例5のLMOに対する加熱処理の効果を実証するために、約25kgの実施例5において製造されたLi1.06Cr0.1Mn1.84O4は、滞留時間4〜5時間を達成するのに充分な速度で850°Cの回転か焼炉を通過させた。材料はその後、加熱ゾーンの温度を約1.5°C/分の速度で600°Cまでゆっくり冷却しながら、回転か焼炉の2回目の通過を実施した。冷却された生成物は、-325メッシュスクリーンに通した後、実施例2において作製されるコイン型リチウム電池において試験された。図2中のラインBは、熱処理された従来のLMOから製造される正極材料についての容量値を示す。
LiF処理および1回の加熱処理ステップの効果を実証するために、4.4kgの実施例5で製造されたLi1.06Cr0.1Mn1.84O4と44gのLiFとを混合した。この混合物は、振動ミルに入れ、セラミック粉砕媒体を用いて45分間混合した。このステップは、約70kgのLiF処理スピネル型プレミックスが得られるまで繰り返した。このプレミックスはその後、滞留時間4〜5時間を達成するのに充分な速度で850°Cの回転か焼炉を通過させた。材料はその後、加熱ゾーンの温度を約1.5°C/分の速度で600°Cまでゆっくり冷却しながら、回転か焼炉の2回目の通過を実施した。冷却された生成物は、-325メッシュスクリーンに通した後、実施例2において作製されるコイン型リチウム電池において試験された。図2中のラインCは、加熱処理されたLiF処理LMOから製造される正極材料についての容量値を示す。図2は、熱処理された従来のLMOおよび熱処理されていない従来のLMOより優れた、LiF表面処理を施され1回の加熱処理を用いて製造されたLMOを組み込んだ正極を用いることによりコイン型電池にもたらされる改善を明確に実証している。
Claims (27)
- Li1+xMyMn2-x-yO4(式中、0<x<0.25、0<y<0.5、およびMはAl、Cr、Ga、In、およびScからなる群より選択される1以上の3価金属である)またはLi[Li(1-2x)/3MyMn(2-x)/3Nix-y]O2(式中、0<x<0.5、0<y<0.25、x>y、およびMはCa、Cu、Mg、およびZnから選択される1以上の金属である)からなる群より正極活性出発材料を選択するステップと;
選択された前記出発材料とLiF粒子とを乾式混合するステップであって、得られる乾式混合物が0.25重量%〜2.5重量%のLiFを含む、ステップと;
得られる乾式混合物を、LiFを活性化させるために充分な時間にわたって約700°C〜850°Cの温度で加熱することにより、正極活性材料の表面にLiFが施された正極活性材料の形態で最終組成物を得るステップ
とを含む、LiF表面処理を有するリチウムマンガン酸化物化合物の製造方法。 - Li1+xMyMn2-x-yO4(式中、0<x<0.25、0<y<0.5、およびMはAl、Cr、Ga、In、およびScからなる群より選択される1以上の3価金属である)またはLi[Li(1-2x)/3MyMn(2-x)/3Nix-y]O2(式中、0<x<0.5、0<y<0.25、x>y、およびMはCa、Cu、Mg、およびZnから選択される1以上の金属である)からなる群より出発材料を選択するステップと;
選択された前記出発材料とLiF粒子とを乾式混合するステップであって、得られる乾式混合物が0.25重量%〜2.5重量%のLiFを含む、ステップと;
得られる乾式混合物を、約700°C〜850°Cの温度で充分な時間にわたって加熱することにより、正極活性材料の表面にLiFが施された正極活性材料の形態で最終組成物を得るステップ
とを含む、LiF表面処理を有するリチウムマンガン酸化物化合物の製造方法。 - 一般式Li1+xMyMn2-x-yO4(式中、0<x<0.25、0<y<0.5、およびMはAl、Cr、Ga、In、およびScからなる群より選択される1以上の3価金属である)または一般式Li[Li(1-2x)/3MyMn(2-x)/3Nix-y]O2(式中、0<x<0.5、0<y<0.25、x>y、およびMはCa、Cu、Mg、およびZnから選択される1以上の金属である)を有する正極活性材料からなる群より出発材料を選択するステップと;
選択された前記出発材料とLiF粒子とを乾式混合するステップであって、得られる乾式混合物が0.25重量%〜2.5重量%のLiFを含む、ステップと;
得られる乾式混合物を、約700°C〜850°Cの温度で加熱することにより、LiF表面処理が施された最終組成物を得るステップと;
前記LiF表面処理が施された最終組成物を用いて正極材料を作製するステップであって、前記正極材料が、60分間にわたる指示電圧3ボルトまでの完全な放電と180分間にわたる指示電圧4.3ボルトまでの再充電とを60°Cにおいてサイクルさせた場合に、200サイクルの後、100mAh/g超の容量を有する、ステップ
とを含む、正極材料の製造方法。 - 前記出発材料が、Li1.06Al0.18Mn1.76O4、Li1.06Mn1.94O4、Li1.06Cr0.1Mn1.84O4、Li1.05Al0.12Mn1.83O4、Li1.07Mn1.73O4、Li1.17Cu0.05Ni0.2O2、Li1.17Mg05Ni0.2O2、Li1.17Ca0.05Ni0.2O2、およびLi1.17Zn0.05Ni0.2O2からなる群より選択される、請求項1〜3のいずれか1項に記載の方法。
- 乾式混合するステップは、約10°C〜約30°Cの温度で行う、請求項1〜3のいずれか1項に記載の方法。
- 乾式混合するステップは、LiFが均一に分散されるまで継続される、請求項1〜3のいずれか1項に記載の方法。
- 乾式混合するステップは20〜60分間継続され、乾式混合するステップは、前記選択された出発材料またはLiFの粒径を減少させない、請求項6に記載の方法。
- 前記乾式混合物を加熱するステップは、約2時間〜約6時間継続される、請求項1〜3のいずれか1項に記載の方法。
- 前記乾式混合物を加熱するステップは、雰囲気条件下で実施される、請求項1〜3のいずれか1項に記載の方法。
- 前記得られる最終組成物は、約4μm〜約28μmの粒径を有する、請求項1〜3のいずれか1項に記載の方法。
- 前記得られる最終組成物は、約0.25重量%〜2.5重量%のLiFを含む、請求項1〜3のいずれか1項に記載の方法。
- 一般式Li1+xMyMn2-x-yO4(式中、0<x<0.25、0<y<0.5、およびMはAl、Cr、Ga、In、およびScからなる群より選択される1以上の3価金属である)または一般式Li[Li(1-2x)/3MyMn(2-x)/3Nix-y]O2(式中、0<x<0.5、0<y<0.25、x>y、およびMはCa、Cu、Mg、およびZnから選択される1以上の金属である)を有する正極活性材料からなる群より出発材料を選択するステップと;
水中にLiF粒子を含むスラリーを作製するステップと;
スラリーを約40°C〜60°Cの温度に加熱するステップと;
選択された出発材料をスラリー中に混合するステップと;
スラリーがLiFと出発物質の均一な分散物になるまで、LiFと出発材料とを含むスラリーを撹拌するステップと;
スラリーを乾燥させることにより、固形分を分離するステップと;
LiFを活性化させるのに充分な時間にわたって約450°C〜850°Cの温度で、得られた固形物を加熱することにより、正極活性材料の表面にLiFが施された正極活性材料の形態で最終組成物を得るステップ
とを含む、改善されたリチウムマンガン酸化物化合物を製造するための方法。 - 前記出発材料が、Li1.06Al0.18Mn1.76O4、Li1.06Mn1.94O4、Li1.06Cr0.1Mn1.84O4、Li1.05Al0.12Mn1.83O4、Li1.07Mn1.73O4、Li1.17Cu0.05Ni0.2O2、Li1.17Mg05Ni0.2O2、Li1.17Ca0.05Ni0.2O2、およびLi1.17Zn0.05Ni0.2O2からなる群より選択される、請求項12に記載の方法。
- 得られる正極材料は、約4μm〜約28μmの粒径を有する、請求項12に記載の方法。
- 得られる正極材料は、約0.25重量%〜2.5重量%のLiFを含む、請求項12に記載の方法。
- 前記方法が、正極材料を作製するステップをさらに含み、
前記正極材料が、60分間にわたる指示電圧3ボルトまでの完全な放電と180分間にわたる指示電圧4.3ボルトまでの再充電とを60°Cにおいてサイクルさせた場合に、200サイクルの後、100mAh/g超の容量を有する、
請求項12に記載の方法。 - 前記方法が、前記スラリーから除去された前記固形物を乾燥させるステップをさらに含み、
前記乾燥させるステップが、約50°C〜140°Cの温度で実施される、
請求項12に記載の方法。 - 一般式Li1+xMyMn2-x-yO4(式中、0<x<0.25、0<y<0.5、およびMはAl、Cr、Ga、In、およびScからなる群より選択される1以上の3価金属である)または一般式Li[Li(1-2x)/3MyMn(2-x)/3Nix-y]O2(式中、0<x<0.5、0<y<0.25、x>y、およびMはCa、Cu、Mg、およびZnから選択される1以上の金属である)を有する正極活性材料と;
前記正極活性材料に施されるLiF
とを含む正極組成物であって、
前記正極組成物が、38.6°、44.84°、および65.46°にX線回折ピークを有する、正極組成物。 - 前記正極活性材料が、Li1.06Al0.18Mn1.76O4、Li1.06Mn1.94O4、Li1.06Cr0.1Mn1.84O4、Li1.05Al0.12Mn1.83O4、Li1.07Mn1.73O4、Li1.17Cu0.05Ni0.2O2、Li1.17Mg05Ni0.2O2、Li1.17Ca0.05Ni0.2O2、およびLi1.17Zn0.05Ni0.2O2からなる群より選択される、請求項18に記載の正極組成物。
- 前記正極組成物が、Mn2O3を実質的に含まない、請求項18に記載の正極組成物。
- 前記正極組成物の0.25重量%〜2.5重量%がLiFである、請求項18に記載の正極組成物。
- 得られる正極組成物が、約4μm〜約30μmのメジアン粒径を有する、請求項18に記載の正極組成物。
- 一般式Li1+xMyMn2-x-yO4(式中、0<x<0.25、0<y<0.5、およびMはAl、Cr、Ga、In、およびScからなる群より選択される1以上の3価金属である)または一般式Li[Li(1-2x)/3MyMn(2-x)/3Nix-y]O2(式中、0<x<0.5、0<y<0.25、x>y、およびMはCa、Cu、Mg、およびZnから選択される1以上の金属である)を有する正極活性材料と;
前記正極活性材料に施されるLiF表面処理剤
とを含む、正極組成物であって、
前記正極組成物が、200サイクルの後、100mAh/g超の容量を有する、正極組成物。 - 前記正極活性材料が、Li1.06Al0.18Mn1.76O4、Li1.06Mn1.94O4、Li1.06Cr0.1Mn1.84O4、Li1.05Al0.12Mn1.83O4、Li1.07Mn1.73O4、Li1.17Cu0.05Ni0.2O2、Li1.17Mg05Ni0.2O2、Li1.17Ca0.05Ni0.2O2、およびLi1.17Zn0.05Ni0.2O2からなる群より選択される、請求項23に記載の正極組成物。
- 前記正極組成物は、約0.25重量%〜約2.5重量%のLiFを含む、請求項23に記載の正極組成物。
- 約0.1重量%〜約15重量%のドープ金属をさらに含む、請求項23に記載の正極組成物。
- 前記ドープ金属が、Mg、Al、Cr、Fe、Ni、Co、Ga、In、Sc、In、Cu、またはZnからなる群より選択される、請求項26に記載の正極組成物。
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