JP2018055808A - リチウムイオン二次電池および該リチウムイオン二次電池用の正極活物質 - Google Patents
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Abstract
【課題】ＹおよびＺｒを含有させることによってリチウムイオン二次電池の電池性能を向上させることができるリチウムイオン二次電池用正極活物質および該正極活物質が用いられたリチウムイオン二次電池を提供する。
【解決手段】ここで開示されるリチウムイオン二次電池用正極活物質は、リチウムイオン二次電池に用いられる正極活物質であって、少なくともリチウムとニッケルとを含む層状の結晶構造を有するリチウム遷移金属複合酸化物をコア粒子として備えており、コア粒子の表面の少なくとも一部に、リチウムとイットリウムとジルコニウムとを含む複合酸化物から構成された被覆層が形成されている。
【選択図】なし
【解決手段】ここで開示されるリチウムイオン二次電池用正極活物質は、リチウムイオン二次電池に用いられる正極活物質であって、少なくともリチウムとニッケルとを含む層状の結晶構造を有するリチウム遷移金属複合酸化物をコア粒子として備えており、コア粒子の表面の少なくとも一部に、リチウムとイットリウムとジルコニウムとを含む複合酸化物から構成された被覆層が形成されている。
【選択図】なし
Description
本発明は、リチウムイオン二次電池と、その正極に用いられる正極活物質に関する。
リチウムイオン二次電池、ニッケル水素電池等の二次電池は、近年、パソコンや携帯端末等のいわゆるポータブル電源や車両駆動用電源として好ましく用いられている。特に、軽量で高エネルギー密度が得られるリチウムイオン二次電池は、電気自動車、ハイブリッド自動車等の車両に搭載して用いられる高出力電源（例えば、車両の駆動輪に連結されたモータを駆動させる電源）として重要性が高まっている。
このようなリチウムイオン二次電池の正極は、導電性を有する箔体である正極集電体の表面に、粒状の正極活物質を含む正極活物質層が塗工されることにより形成される。このリチウムイオン二次電池用正極活物質（以下、単に「正極活物質」ともいう）としては、リチウムイオンを吸蔵および放出可能な材料であって、リチウム元素と一種または二種以上の遷移金属元素とを含むリチウム含有化合物（例えばリチウム遷移金属複合酸化物）が用いられている。かかるリチウム遷移金属複合酸化物としては、例えば、リチウムニッケル複合酸化物（例えばＬｉＮｉＯ２）、リチウムコバルト複合酸化物（例えばＬｉＣｏＯ２）、リチウムマンガン複合酸化物（例えばＬｉＭｎ２Ｏ４）、あるいはリチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物（例えばＬｉＮｉ１／３Ｃｏ１／３Ｍｎ１／３Ｏ２）のような三元系リチウム含有複合酸化物などが挙げられる。
また、この正極活物質には、種々の電池性能を向上させるために、上記した主体となる金属元素の他にイットリウム（Ｙ）、ジルコニウム（Ｚｒ）などが添加されている。
例えば、非特許文献１には、電池抵抗の低減やサイクル耐久性の向上のために、正極活物質にＹを添加して、リチウム遷移金属複合酸化物の結晶格子内にＹを存在させる技術が開示されている。また、特許文献１には、サイクル耐久性向上のためにリチウムニッケル複合酸化物にＺｒを含有させる技術が開示されている。
また、特許文献２には、充電状態における熱安定性と、高い放電容量とを両立させるために、リチウムニッケル複合酸化物のＮｉサイトを、３価元素で酸素との結合力の強いアルミニウム（Ａｌ）と、ＺｒおよびＹから選ばれる１種以上の元素で一定の比率で置換する技術が開示されている。
さらに、特許文献３、４には、リチウム遷移金属複合酸化物の表面にＹを含む化合物を形成する技術が開示されている。具体的には、特許文献３にはＹ２Ｏ３やＬｉ２ＹＯ３によって表面が覆われたリチウムコバルト複合酸化物を正極活物質として使用する技術が開示されており、特許文献４にはリチウム遷移金属複合酸化物の表面にＹ等の希土類元素の水酸化物やオキシ水酸化物を固着させる技術が開示されている。なお、特許文献４には、電池性能を低下させる好ましくない例として、Ｚｒの水酸化物や酸化物をリチウム遷移金属複合酸化物の表面に固着させた正極活物質が開示されている。
Ｍｅｎｇ Ｗａｎｇ，Ｙｕｎｂｏ Ｃｈｅｎ，Ｆｅｎｇ Ｗｕ，Ｙｕｅｆｅｎｇ Ｓｕ，Ｌｉｎ Ｃｈｅｎ，Ｄｏｎｇｌｉａｎｇ Ｗａｎｇ，"Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｙｔｔｒｉｕｍ ｓｕｂｓｔｉｔｕｔｅｄ ＬｉＮｉ０．３３Ｍｎ０．３３Ｃｏ０．３３Ｏ２ ｃａｔｈｏｄｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ｆｏｒ ｌｉｔｈｉｕｍ ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｃｅｌｌｓ"，Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｉｍｉｃａ Ａｃｔａ，２０１０，５５，８８１５−８８２０
しかしながら、リチウム遷移金属複合酸化物の結晶格子内にＹまたはＺｒを存在させた場合、ＹまたはＺｒは結晶格子内で不安定な状態で存在することとなるため結晶格子から溶出したり、結晶構造の崩壊を促したりするおそれがある。このため、上記した抵抗の低減やサイクル耐久性の向上などの効果を継続して発揮させることができず、十分な効果を得ることができない。
特に、ＹまたはＺｒの溶出が生じた場合には、溶出したＹまたはＺｒが負極側に泳動して負極の表面に還元析出することによって、抵抗が高いＳＥＩ（Ｓｏｌｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｉｎｔｅｒｐｈａｓｅ）層が形成される場合がある。これによって、負極におけるリチウムイオンの吸蔵や放出が阻害され、充電時に金属リチウムが析出する恐れがある。
特に、ＹまたはＺｒの溶出が生じた場合には、溶出したＹまたはＺｒが負極側に泳動して負極の表面に還元析出することによって、抵抗が高いＳＥＩ（Ｓｏｌｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｉｎｔｅｒｐｈａｓｅ）層が形成される場合がある。これによって、負極におけるリチウムイオンの吸蔵や放出が阻害され、充電時に金属リチウムが析出する恐れがある。
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その主な目的は、ＹおよびＺｒを含有させることによってリチウムイオン二次電池の電池性能を向上させることができるリチウムイオン二次電池用正極活物質および該正極活物質が用いられたリチウムイオン二次電池を提供することである。
上記目的を実現するべく、本発明によって以下の構成の正極活物質が提供される。
ここで開示される正極活物質は、リチウムイオン二次電池に用いられる正極活物質であって、少なくともリチウムとニッケルとを含む層状の結晶構造を有するリチウム遷移金属複合酸化物をコア粒子として備えている。
そして、ここで開示される正極活物質では、コア粒子の表面の少なくとも一部に、リチウムとイットリウムとジルコニウムとを含む複合酸化物から構成された被覆層が形成されている。
そして、ここで開示される正極活物質では、コア粒子の表面の少なくとも一部に、リチウムとイットリウムとジルコニウムとを含む複合酸化物から構成された被覆層が形成されている。
上記被覆層を構成するＬｉとＹとＺｒとを含む複合酸化物（以下、「Ｌｉ−Ｙ−Ｚｒ−Ｏ系化合物」ともいう）は、化学的に安定した化合物である。このため、ＹまたはＺｒを結晶格子内に存在させた正極活物質と異なり、かかるＬｉ−Ｙ−Ｚｒ−Ｏ系化合物を被覆層として備えた正極活物質では、ＹまたはＺｒの溶出によって負極表面でのＬｉ析出を生じさせるようなことがない。
さらに、ここで開示される正極活物質では、化学的に安定した被覆層によってコア粒子の表面が覆われているため、従来の技術のようにリチウム遷移金属複合酸化物であるコア粒子の結晶格子内にＹまたはＺｒが存在している場合であっても、コア粒子からＹまたはＺｒが溶出することを抑制して負極表面でのＬｉ析出の発生を防止することができる。
さらに、ここで開示される正極活物質では、化学的に安定した被覆層によってコア粒子の表面が覆われているため、従来の技術のようにリチウム遷移金属複合酸化物であるコア粒子の結晶格子内にＹまたはＺｒが存在している場合であっても、コア粒子からＹまたはＺｒが溶出することを抑制して負極表面でのＬｉ析出の発生を防止することができる。
また、ここで開示される正極活物質の好ましい一つの態様では、コア粒子を１００ｗｔ％としたときの前記被覆層の重量比が０．００５ｗｔ％〜０．１ｗｔ％である。
かかる態様によれば、コア粒子の表面を適切に覆うことができる程度の被覆層が形成されているとともに、十分な充放電を実施できる程度のコア粒子が形成されているため、電池性能をより適切に向上させることができる。
かかる態様によれば、コア粒子の表面を適切に覆うことができる程度の被覆層が形成されているとともに、十分な充放電を実施できる程度のコア粒子が形成されているため、電池性能をより適切に向上させることができる。
また、ここで開示される正極活物質の好ましい他の一つの態様では、リチウムと、ニッケルと、コバルトと、マンガンまたはアルミニウムとを含み、且つ、イットリウムとジルコニウムの両方を含んだ正極活物質であって、
ここで、ニッケルと、コバルトと、マンガンまたはアルミニウムとの合計モル数を１００ｍｏｌ％としたときのイットリウムおよびジルコニウムのそれぞれの含有量が、
イットリウム：０．２５〜１ｍｏｌ％
ジルコニウム：０．２５〜１ｍｏｌ％である。
かかる態様によれば、十分で過不足ない量の被覆層が形成されているため、上記した種々の電池性能の向上をより適切に発揮することができる。
ここで、ニッケルと、コバルトと、マンガンまたはアルミニウムとの合計モル数を１００ｍｏｌ％としたときのイットリウムおよびジルコニウムのそれぞれの含有量が、
イットリウム：０．２５〜１ｍｏｌ％
ジルコニウム：０．２５〜１ｍｏｌ％である。
かかる態様によれば、十分で過不足ない量の被覆層が形成されているため、上記した種々の電池性能の向上をより適切に発揮することができる。
また、本発明の他の一の側面として、上記正極活物質を備えるリチウムイオン二次電池が提供される。かかるリチウムイオン二次電池は、正極活物質からのＹまたはＺｒの溶出が抑制されており、負極表面でのＬｉ析出の発生が防止されているため、従来に比べて電池性能が向上している。
本明細書において「リチウムイオン二次電池」とは、電解質イオンとしてリチウムイオンを利用し、正負極間におけるリチウムイオンに伴う電荷の移動により充放電が実現される二次電池をいう。また、本明細書において「活物質」とは、正極側又は負極側において蓄電に関与する物質（化合物）をいい、リチウムイオン二次電池の充放電時において電荷担体であるリチウムイオンの吸蔵および放出に関与する物質をいう。
１．リチウムイオン二次電池用正極活物質
ここで開示される正極活物質は、リチウム遷移金属複合酸化物からなるコア粒子と、該コア粒子の表面に形成された被覆層とを備えている。
ここで開示される正極活物質は、リチウム遷移金属複合酸化物からなるコア粒子と、該コア粒子の表面に形成された被覆層とを備えている。
ここで開示される正極活物質は、好適な一形態として、下記の式（１）で表すことができる。なお、この式（１）は、コア粒子と被覆層の両方を含んだ正極活物質全体の元素組成を示す一般式である。
Ｌｉ１＋ｍＮｉｐＣｏｑＭｓＹαＺｒβＯ２＋δ （１）
上記した式（１）中のＭは、Ａｌ、Ｍｎ、Ｗ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｖ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｌａ、Ｃｅ、ＣａおよびＮａからなる群から選択される１種または２種以上の元素である。
また、上記した式（１）中のｍ、ｐ、ｑ、ｓは、それぞれ０≦ｍ≦０．５、０＜ｐ＜１、０≦ｑ≦０．６、０≦ｓ≦０．６、０．９≦ｐ＋ｑ＋ｓ≦１であり、δは電荷中性条件を満たすように定まる値である。そして、αおよびβは、それぞれ０＜α≦０．１、０＜β≦０．１である。
Ｌｉ１＋ｍＮｉｐＣｏｑＭｓＹαＺｒβＯ２＋δ （１）
上記した式（１）中のＭは、Ａｌ、Ｍｎ、Ｗ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｖ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｌａ、Ｃｅ、ＣａおよびＮａからなる群から選択される１種または２種以上の元素である。
また、上記した式（１）中のｍ、ｐ、ｑ、ｓは、それぞれ０≦ｍ≦０．５、０＜ｐ＜１、０≦ｑ≦０．６、０≦ｓ≦０．６、０．９≦ｐ＋ｑ＋ｓ≦１であり、δは電荷中性条件を満たすように定まる値である。そして、αおよびβは、それぞれ０＜α≦０．１、０＜β≦０．１である。
以下、ここで開示される正極活物質を構成するコア粒子と被覆層の各々について具体的に説明する。
（１）コア粒子
ここで開示される正極活物質は、少なくともＬｉとＮｉとを含む層状の結晶構造（典型的には、六方晶系に属する層状岩塩型構造）を有するリチウム遷移金属複合酸化物をコア粒子として備えている。
また、コア粒子を構成するリチウム遷移金属複合酸化物は、上記の通り、少なくともＬｉとＮｉとを含んでいればよく、さらに、Ｎｉ以外の遷移金属元素（すなわち、Ｃｏおよび上記式（１）中のＭで表される金属元素）を一種または二種以上含んでいてもよい。このリチウム遷移金属複合酸化物としては、例えば、リチウムニッケル複合酸化物、リチウムニッケルコバルト複合酸化物、あるいはリチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物のような三元系リチウム含有複合酸化物などが挙げられる。
ここで開示される正極活物質は、少なくともＬｉとＮｉとを含む層状の結晶構造（典型的には、六方晶系に属する層状岩塩型構造）を有するリチウム遷移金属複合酸化物をコア粒子として備えている。
また、コア粒子を構成するリチウム遷移金属複合酸化物は、上記の通り、少なくともＬｉとＮｉとを含んでいればよく、さらに、Ｎｉ以外の遷移金属元素（すなわち、Ｃｏおよび上記式（１）中のＭで表される金属元素）を一種または二種以上含んでいてもよい。このリチウム遷移金属複合酸化物としては、例えば、リチウムニッケル複合酸化物、リチウムニッケルコバルト複合酸化物、あるいはリチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物のような三元系リチウム含有複合酸化物などが挙げられる。
（２）被覆層
ここで開示される正極活物質では、上記したコア粒子の表面の少なくとも一部に、ＬｉとＹとＺｒとを含む複合酸化物（Ｌｉ−Ｙ−Ｚｒ−Ｏ系化合物）から構成された被覆層が形成されている。このＬｉ−Ｙ−Ｚｒ−Ｏ系化合物としては、Ｌｉ１−ａＹ１−ｂＺｒｂＯ２＋δ（ここで０≦ａ＜１、０＜ｂ＜０．５、δは電荷中性条件を満たすように定まる値である。）で表される化合物、例えば、Ｌｉ０．９Ｙ０．９Ｚｒ０．１Ｏ２などが挙げられる。なお、被覆層を形成する化合物には、上記コア粒子に由来する他の金属元素が微量含まれていてもよい。
ここで開示される正極活物質では、上記したコア粒子の表面の少なくとも一部に、ＬｉとＹとＺｒとを含む複合酸化物（Ｌｉ−Ｙ−Ｚｒ−Ｏ系化合物）から構成された被覆層が形成されている。このＬｉ−Ｙ−Ｚｒ−Ｏ系化合物としては、Ｌｉ１−ａＹ１−ｂＺｒｂＯ２＋δ（ここで０≦ａ＜１、０＜ｂ＜０．５、δは電荷中性条件を満たすように定まる値である。）で表される化合物、例えば、Ｌｉ０．９Ｙ０．９Ｚｒ０．１Ｏ２などが挙げられる。なお、被覆層を形成する化合物には、上記コア粒子に由来する他の金属元素が微量含まれていてもよい。
このＬｉ−Ｙ−Ｚｒ−Ｏ系化合物は化学的に安定している化合物であるため、リチウム遷移金属複合酸化物の結晶格子内に存在しているＹまたはＺｒのように、充放電中にＹまたはＺｒが被覆層から溶出して負極表面で析出するようなことがない。このため、ここで開示される正極活物質によれば、負極において金属Ｌｉが析出することを十分に抑制することができる。
また、ここで開示される正極活物質は、リチウムイオン二次電池のサイクル耐久性を従来の技術よりも大幅に向上させるという機能も有している。
具体的には、コア粒子の表面に形成された被覆層によって粒子表面が安定化しているため、活物質と電解液との副反応が抑制される。さらに、この被覆層は、活物質粒子同士の粒界において粒子の膨張収縮による応力を緩和する緩衝層としても機能することができるとともに、活物質粒子の機械的強度を向上させて粒子の割れの発生を抑制することもできる。ここで開示される正極活物質は、これらの機能によってサイクル耐久性を従来の技術よりも大幅に向上させることができる。
具体的には、コア粒子の表面に形成された被覆層によって粒子表面が安定化しているため、活物質と電解液との副反応が抑制される。さらに、この被覆層は、活物質粒子同士の粒界において粒子の膨張収縮による応力を緩和する緩衝層としても機能することができるとともに、活物質粒子の機械的強度を向上させて粒子の割れの発生を抑制することもできる。ここで開示される正極活物質は、これらの機能によってサイクル耐久性を従来の技術よりも大幅に向上させることができる。
さらに、本発明者は、ここで開示される正極活物質を使用したリチウムイオン二次電池について種々の実験を行った結果、充放電における抵抗値が従来よりも低減しており、高出力化されていることを発見した。この効果は、Ｌｉ−Ｙ−Ｚｒ−Ｏ系化合物の被覆層の結晶格子にＬｉが含まれており、充放電中にコア粒子の表面でＬｉが欠乏した場合に、Ｌｉを含む被覆層がＬｉ欠乏状態を緩和してＬｉイオンの脱挿入反応を促進するためと推測される。
なお、正極活物質全体として、Ｌｉと、Ｎｉと、Ｃｏと、ＭｎまたはＡｌを含み、且つ、ＹとＺｒを含んだ正極活物質の場合には、Ｌｉ以外の金属元素であるＮｉと、Ｃｏと、ＭｎまたはＡｌの合計モル数を１００ｍｏｌ％としたときのＹとＺｒのそれぞれの含有量を、
イットリウム：０．２５〜１ｍｏｌ％
ジルコニウム：０．２５〜１ｍｏｌ％とすることが好ましい。
このような割合でＺｒとＹとを含む正極活物質は、コア粒子の表面に十分で過不足ない量の被覆層を形成させることができるため、上記した種々の電池性能の向上の効果を十分に発揮することができる
イットリウム：０．２５〜１ｍｏｌ％
ジルコニウム：０．２５〜１ｍｏｌ％とすることが好ましい。
このような割合でＺｒとＹとを含む正極活物質は、コア粒子の表面に十分で過不足ない量の被覆層を形成させることができるため、上記した種々の電池性能の向上の効果を十分に発揮することができる
また、コア粒子を１００ｗｔ％としたときの被覆層の重量比は、０．００５ｗｔ％〜０．１ｗｔ％であると好ましく、０．０１ｗｔ％〜０．０５ｗｔ％であるとより好ましい。これにより、コア粒子の表面を適切に覆うことができる程度の被覆層が形成されているとともに、十分な充放電を実施できる程度のコア粒子が形成されているため、電池性能をより適切に向上させることができる。なお、このコア粒子に対する被覆層の重量比は、正極活物質の粉末に対して粉末Ｘ線回折を行った後、粉末Ｘ線回折の結果にリーベルト解析を行うことによって算出することができる。
なお、コア粒子を構成するリチウム遷移金属複合酸化物の結晶格子内には、Ｙおよび／またはＺｒが存在していてもよい。このように、コア粒子の結晶格子内にＹまたはＺｒを存在させることによって、従来技術と同様に電池抵抗の低減とサイクル耐久性の向上という効果を発揮させることができる。
ここで開示される正極活物質では、化学的に安定したＬｉ−Ｙ−Ｚｒ−Ｏ系化合物の被覆層がコア粒子の表面を覆っているため、結晶格子内にＹまたはＺｒが存在しているリチウム遷移金属複合酸化物を用いているにも関わらず、ＹまたはＺｒが溶出して金属Ｌｉ析出の原因となることを防止できる。
さらに、ＹまたはＺｒの溶出が防止されているため、電池の抵抗の低減とサイクル耐久性の向上といった効果を長期間維持することができる。
ここで開示される正極活物質では、化学的に安定したＬｉ−Ｙ−Ｚｒ−Ｏ系化合物の被覆層がコア粒子の表面を覆っているため、結晶格子内にＹまたはＺｒが存在しているリチウム遷移金属複合酸化物を用いているにも関わらず、ＹまたはＺｒが溶出して金属Ｌｉ析出の原因となることを防止できる。
さらに、ＹまたはＺｒの溶出が防止されているため、電池の抵抗の低減とサイクル耐久性の向上といった効果を長期間維持することができる。
２．リチウムイオン二次電池用正極活物質の製造方法
次に、ここで開示される正極活物質の製造方法について説明する。
次に、ここで開示される正極活物質の製造方法について説明する。
（１）コア粒子の作成
コア粒子は、一般的なリチウムイオン二次電池用正極活物質と同様の工程を経て作製される。具体的には、Ｌｉ以外の金属元素の供給源（原料）を所望の組成比となるように秤量して水系溶媒と混合することによって水性溶液を調製する。このＬｉ以外の金属元素の供給源としては、ニッケル供給源（硫酸ニッケル（ＮｉＳＯ４）などのニッケルを含む化合物）を少なくとも使用し、さらに目的の組成に応じて他の金属元素の供給源（例えば、硫酸コバルトなどのコバルト供給源や、硫酸マンガンなどのマンガン供給源）等を使用し得る。
コア粒子は、一般的なリチウムイオン二次電池用正極活物質と同様の工程を経て作製される。具体的には、Ｌｉ以外の金属元素の供給源（原料）を所望の組成比となるように秤量して水系溶媒と混合することによって水性溶液を調製する。このＬｉ以外の金属元素の供給源としては、ニッケル供給源（硫酸ニッケル（ＮｉＳＯ４）などのニッケルを含む化合物）を少なくとも使用し、さらに目的の組成に応じて他の金属元素の供給源（例えば、硫酸コバルトなどのコバルト供給源や、硫酸マンガンなどのマンガン供給源）等を使用し得る。
次に、調製した水性溶液に塩基性水溶液（水酸化ナトリウム水溶液など）を添加して撹拌し、上記金属の水酸化物を析出させて原料水酸化物（前駆体）を得る。
そして、得られた前駆体にリチウム供給源（炭酸リチウム、水酸化リチウム、硝酸リチウムなど）を所定量混合した後、酸化性雰囲気の下で７００℃〜１０００℃（例えば８００℃）、５時間〜２０時間（例えば１０時間）の焼成処理を行う。これによって得られた焼成体を、解砕することにより、層状結晶構造を有したリチウム遷移金属複合酸化物からなるコア粒子が得られる。
そして、得られた前駆体にリチウム供給源（炭酸リチウム、水酸化リチウム、硝酸リチウムなど）を所定量混合した後、酸化性雰囲気の下で７００℃〜１０００℃（例えば８００℃）、５時間〜２０時間（例えば１０時間）の焼成処理を行う。これによって得られた焼成体を、解砕することにより、層状結晶構造を有したリチウム遷移金属複合酸化物からなるコア粒子が得られる。
（２）被覆層の作成
次に、上記のようにして得られたコア粒子の表面の少なくとも一部に、Ｌｉ−Ｙ−Ｚｒ−Ｏ系化合物から構成された被覆層を形成する。以下、被覆層を形成する方法の一例を説明する。
次に、上記のようにして得られたコア粒子の表面の少なくとも一部に、Ｌｉ−Ｙ−Ｚｒ−Ｏ系化合物から構成された被覆層を形成する。以下、被覆層を形成する方法の一例を説明する。
（ａ）混合液の調製
先ず、ジルコニウム塩とイットリウム塩とを１：１の割合で混合した水溶液に、上記工程で得られたコア粒子を添加して混合液を調製する。このとき、Ｌｉ以外の金属元素に対するＺｒとＹの各々の割合が０．２５ｍｏｌ％〜１．０ｍｏｌ％になるように、ジルコニウム塩、イットリウム塩およびコア粒子のそれぞれの量を調整する。
先ず、ジルコニウム塩とイットリウム塩とを１：１の割合で混合した水溶液に、上記工程で得られたコア粒子を添加して混合液を調製する。このとき、Ｌｉ以外の金属元素に対するＺｒとＹの各々の割合が０．２５ｍｏｌ％〜１．０ｍｏｌ％になるように、ジルコニウム塩、イットリウム塩およびコア粒子のそれぞれの量を調整する。
（ｂ）前駆体の作成
次に、調製した混合液を加熱して蒸発させることによって、コア粒子の表面にＹとＺｒとを含む前駆体を作成する。このときの加熱温度は、例えば６０℃に設定する。
次に、調製した混合液を加熱して蒸発させることによって、コア粒子の表面にＹとＺｒとを含む前駆体を作成する。このときの加熱温度は、例えば６０℃に設定する。
（ｃ）焼成処理
次に、前駆体が表面に形成されたコア粒子を焼成する。具体的には、上記の構成で得られた粉体を４００℃〜６００℃（例えば５００℃）の温度条件で３時間〜１０時間（例えば５時間）焼成する。これによって、コア粒子表面のＬｉと前駆体中のＹとＺｒとが反応してコア粒子の表面にＬｉ−Ｙ−Ｚｒ−Ｏ系化合物の被覆層が形成される。
また、このときに前駆体に含まれるＹおよび／またはＺｒの一部がコア粒子に固溶して、リチウム遷移金属複合酸化物の結晶格子内にＹおよび／またはＺｒが存在するコア粒子が得られることがある。
次に、前駆体が表面に形成されたコア粒子を焼成する。具体的には、上記の構成で得られた粉体を４００℃〜６００℃（例えば５００℃）の温度条件で３時間〜１０時間（例えば５時間）焼成する。これによって、コア粒子表面のＬｉと前駆体中のＹとＺｒとが反応してコア粒子の表面にＬｉ−Ｙ−Ｚｒ−Ｏ系化合物の被覆層が形成される。
また、このときに前駆体に含まれるＹおよび／またはＺｒの一部がコア粒子に固溶して、リチウム遷移金属複合酸化物の結晶格子内にＹおよび／またはＺｒが存在するコア粒子が得られることがある。
なお、上記の工程を経て得られた正極活物質が、上記した式（１）を満たしているか否かは、正極活物質の粉末に対して粉末Ｘ線回折を行い、得られたピークを定性分析することによって確認することができる。
また、被覆層として形成された化合物の組成を確認するためには、得られた正極活物質の粉末を樹脂（例えばエポキシ樹脂）で包埋した後、集束イオンビーム（ＦＩＢ：Ｆｏｃｕｓｅｄ Ｉｏｎ Ｂｅａｍ）加工を施して粒子断面のＳＴＥＭ観察用試料を作製した後、走査透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ：Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）で観察する。そして、コア粒子の表面に形成された被覆層に対して、ＳＴＥＭ−ＥＤＸ分析を用いたスポット定量分析を実施することによって確認することもできる。
また、作製した正極活物質にＹとＺｒが含まれているか否かを確認するのみであれば、正極活物質を酸などで溶解した後にＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ）法を用いて元素分析するという簡易的な分析を行うこともできる。
なお、上記した方法では、予め作製したコア粒子の表面にＹとＺｒとを含む前駆体を形成して前駆体を焼成するという、いわゆるコーティング方法を使用して被覆層を有する正極活物質を作製しているが、ここで開示される正極活物質を作製する方法は上記の方法に限定されない。
３．リチウムイオン二次電池
次に、本発明の好適な一実施形態として、上記した正極活物質が正極に用いられたリチウムイオン二次電池を説明する。なお、以下では、捲回電極体を備えるリチウムイオン二次電池を例にして説明するが、本発明の使用態様を限定することを意図したものではない。例えば、本発明の正極活物質は、正極と負極を複数枚積層させた積層電極体に使用することもできる。
次に、本発明の好適な一実施形態として、上記した正極活物質が正極に用いられたリチウムイオン二次電池を説明する。なお、以下では、捲回電極体を備えるリチウムイオン二次電池を例にして説明するが、本発明の使用態様を限定することを意図したものではない。例えば、本発明の正極活物質は、正極と負極を複数枚積層させた積層電極体に使用することもできる。
図１は本実施形態に係るリチウムイオン二次電池の外形を模式的に示す斜視図である。図１に示すように、このリチウムイオン二次電池１００は、角形のケース５０の内部に電極体（図示省略）が収容されることにより構成されている。
（１）ケース
このケース５０は、上端が開放された扁平なケース本体５２と、その上端を塞ぐ蓋体５４とから構成されている。蓋体５４には、正極端子７０および負極端子７２が設けられている。図示は省略するが、正極端子７０はケース５０内で電極体の正極と電気的に接続されており、負極端子７２は負極と電気的に接続されている。
このケース５０は、上端が開放された扁平なケース本体５２と、その上端を塞ぐ蓋体５４とから構成されている。蓋体５４には、正極端子７０および負極端子７２が設けられている。図示は省略するが、正極端子７０はケース５０内で電極体の正極と電気的に接続されており、負極端子７２は負極と電気的に接続されている。
（２）電極体
次に、上記したケース５０の内部に収容される電極体の構造について説明する。図２は本実施形態に係るリチウムイオン二次電池の電極体を模式的に示す斜視図である。
本実施形態における電極体は、図２に示すように、長尺シート状の正極１０と負極２０を長尺シート状のセパレータ４０とともに積層して捲回することによって作製された扁平形状の捲回電極体８０である。
次に、上記したケース５０の内部に収容される電極体の構造について説明する。図２は本実施形態に係るリチウムイオン二次電池の電極体を模式的に示す斜視図である。
本実施形態における電極体は、図２に示すように、長尺シート状の正極１０と負極２０を長尺シート状のセパレータ４０とともに積層して捲回することによって作製された扁平形状の捲回電極体８０である。
（ａ）正極
図２における正極１０は、長尺シート状の正極集電体１２の両面に、正極活物質を含む正極活物質層１４を塗工することによって形成される。なお、正極１０の幅方向の一方の側縁部には、正極活物質層１４が塗工されていない正極活物質層非形成部１６が形成されており、この正極活物質層非形成部１６が上記正極端子７０（図１参照）と電気的に接続される。
図２における正極１０は、長尺シート状の正極集電体１２の両面に、正極活物質を含む正極活物質層１４を塗工することによって形成される。なお、正極１０の幅方向の一方の側縁部には、正極活物質層１４が塗工されていない正極活物質層非形成部１６が形成されており、この正極活物質層非形成部１６が上記正極端子７０（図１参照）と電気的に接続される。
そして、本実施形態においては、上記した正極活物質層１４に含まれる正極活物質として、リチウム遷移金属複合酸化物からなるコア粒子の表面に、Ｌｉ−Ｙ−Ｚｒ−Ｏ系化合物からなる被覆層が形成された正極活物質が用いられている。
これによって、上記したように、作製したリチウムイオン二次電池のＬｉ析出耐性やサイクル耐久性を向上させるとともに、電池抵抗を低減させることができる。
これによって、上記したように、作製したリチウムイオン二次電池のＬｉ析出耐性やサイクル耐久性を向上させるとともに、電池抵抗を低減させることができる。
また、正極活物質層１４は、上記した正極活物質に加えて、一般的なリチウムイオン二次電池において使用され得る一種または二種以上の材料を必要に応じて含有することができる。そのような材料の例として、導電助材が挙げられる。該導電助材としてはカーボン粉末やカーボンファイバー等のカーボン材料が好ましく用いられるが、ニッケル粉末等の導電性金属粉末等を用いてもよい。
その他、正極活物質層に使用され得る材料としては、バインダ（結着剤）として機能し得る各種のポリマー材料が挙げられる。このバインダには、例えばポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリ塩化ビニリデン（ＰＶＤＣ）などのポリマーを好ましく採用することができる。あるいは、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリアクリル酸（ＰＡＡ）等を用いてもよい。
その他、正極活物質層に使用され得る材料としては、バインダ（結着剤）として機能し得る各種のポリマー材料が挙げられる。このバインダには、例えばポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリ塩化ビニリデン（ＰＶＤＣ）などのポリマーを好ましく採用することができる。あるいは、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリアクリル酸（ＰＡＡ）等を用いてもよい。
（ｂ）負極
負極２０についても、正極１０と同様に、長尺シート状の負極集電体２２の両面に負極活物質を主成分とする負極活物質層２４が形成されている。そして、負極２０の幅方向の一方の側縁部に負極活物質層非形成部２６が形成されており、この負極活物質層非形成部２６が負極端子７２（図１参照）と電気的に接続されている。
負極２０についても、正極１０と同様に、長尺シート状の負極集電体２２の両面に負極活物質を主成分とする負極活物質層２４が形成されている。そして、負極２０の幅方向の一方の側縁部に負極活物質層非形成部２６が形成されており、この負極活物質層非形成部２６が負極端子７２（図１参照）と電気的に接続されている。
負極活物質としては特に制限されず、リチウムイオン二次電池の負極活物質として使用し得る各種の材料の１種を単独で、または２種以上を組み合わせる（混合または複合体化する）等して用いることができる。
好適例として、黒鉛（グラファイト）、難黒鉛化炭素（ハードカーボン）、易黒鉛化炭素（ソフトカーボン）、カーボンナノチューブ、或いはこれらを組み合わせた構造を有するもの等の炭素材料が挙げられる。エネルギー密度の観点から、これらの中でも黒鉛系材料（天然黒鉛（石墨）や人造黒鉛等）を好ましく用いることができる。
また、負極活物質は、上記した炭素系材料に限定されず、例えば、Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２等のリチウムチタン複合酸化物、リチウム遷移金属複合窒化物等のリチウム遷移金属複合酸化物を用いることもできる。
好適例として、黒鉛（グラファイト）、難黒鉛化炭素（ハードカーボン）、易黒鉛化炭素（ソフトカーボン）、カーボンナノチューブ、或いはこれらを組み合わせた構造を有するもの等の炭素材料が挙げられる。エネルギー密度の観点から、これらの中でも黒鉛系材料（天然黒鉛（石墨）や人造黒鉛等）を好ましく用いることができる。
また、負極活物質は、上記した炭素系材料に限定されず、例えば、Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２等のリチウムチタン複合酸化物、リチウム遷移金属複合窒化物等のリチウム遷移金属複合酸化物を用いることもできる。
また、負極活物質層２４についても、正極活物質層１４と同様に、バインダや各種添加剤を必要に応じて含有し得る。例えば、バインダには、前述した正極活物質層１４と同様のものを用いることができる。その他、増粘剤、分散剤等の各種添加剤を適宜使用することもできる。例えば、増粘剤としてはカルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）やメチルセルロース（ＭＣ）を好適に用いることができる。
（ｃ）セパレータ
セパレータ４０は、上記した正極１０と負極２０との間に介在するように配置されている。このセパレータ４０には、微小な孔を複数有する所定幅の帯状のシート材が用いられる。例えば、多孔質ポリオレフィン系樹脂で構成された単層構造のシート材或いは積層構造のシート材を用いることができる。また、かかるシート材の表面には、絶縁性を有する粒子の層をさらに形成してもよい。この絶縁性を有する粒子としては、絶縁性を有する無機フィラー（例えば、金属酸化物、金属水酸化物などのフィラー）、或いは、絶縁性を有する樹脂粒子（例えば、ポリエチレン、ポリプロピレンなどの粒子）などが挙げられる。
セパレータ４０は、上記した正極１０と負極２０との間に介在するように配置されている。このセパレータ４０には、微小な孔を複数有する所定幅の帯状のシート材が用いられる。例えば、多孔質ポリオレフィン系樹脂で構成された単層構造のシート材或いは積層構造のシート材を用いることができる。また、かかるシート材の表面には、絶縁性を有する粒子の層をさらに形成してもよい。この絶縁性を有する粒子としては、絶縁性を有する無機フィラー（例えば、金属酸化物、金属水酸化物などのフィラー）、或いは、絶縁性を有する樹脂粒子（例えば、ポリエチレン、ポリプロピレンなどの粒子）などが挙げられる。
（３）電解液
また、上記した捲回電極体８０とともにケース５０に収納される電解液（非水電解液）としては、従来からリチウムイオン二次電池に用いられる非水電解液と同様のものを特に限定なく使用することができる。
かかる非水電解液は、典型的には、非水溶媒に支持塩を含有させた組成を有している。上記非水溶媒としては、例えば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、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、１，２−ジメトキシエタン、１，２−ジエトキシエタン、テトラヒドロフラン、１，３−ジオキソラン等からなる群から選択された一種または二種以上を用いることができる。また、上記支持塩としては、例えば、ＬｉＰＦ６，ＬｉＢＦ４，ＬｉＡｓＦ６，ＬｉＣＦ３ＳＯ３，ＬｉＣ４Ｆ９ＳＯ３，ＬｉＮ（ＣＦ３ＳＯ２）２，ＬｉＣ（ＣＦ３ＳＯ２）３等のリチウム塩を用いることができる。一例として、エチレンカーボネート（ＥＣ）とジメチルカーボネート（ＤＭＣ）とエチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）との混合溶媒（例えば体積比３：４：３）にＬｉＰＦ６を約１ｍｏｌ／Ｌの濃度で含有させた非水電解液が挙げられる。
また、上記した捲回電極体８０とともにケース５０に収納される電解液（非水電解液）としては、従来からリチウムイオン二次電池に用いられる非水電解液と同様のものを特に限定なく使用することができる。
かかる非水電解液は、典型的には、非水溶媒に支持塩を含有させた組成を有している。上記非水溶媒としては、例えば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、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、１，２−ジメトキシエタン、１，２−ジエトキシエタン、テトラヒドロフラン、１，３−ジオキソラン等からなる群から選択された一種または二種以上を用いることができる。また、上記支持塩としては、例えば、ＬｉＰＦ６，ＬｉＢＦ４，ＬｉＡｓＦ６，ＬｉＣＦ３ＳＯ３，ＬｉＣ４Ｆ９ＳＯ３，ＬｉＮ（ＣＦ３ＳＯ２）２，ＬｉＣ（ＣＦ３ＳＯ２）３等のリチウム塩を用いることができる。一例として、エチレンカーボネート（ＥＣ）とジメチルカーボネート（ＤＭＣ）とエチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）との混合溶媒（例えば体積比３：４：３）にＬｉＰＦ６を約１ｍｏｌ／Ｌの濃度で含有させた非水電解液が挙げられる。
（４）リチウムイオン二次電池の構築
上記した各部材を用いてリチウムイオン二次電池を構築するに際しては、先ず、ケース本体５２の内部に捲回電極体８０を収容するとともに、非水電解液をケース本体５２内に配置（注液）する。その後、蓋体５４に設けられた各々の電極端子７０、７２を、捲回電極体８０の正極活物質層非形成部１６と負極活物質層非形成部２６に接続した後、蓋体５４によってケース本体５２上端の開口部を封止する。これによってリチウムイオン二次電池１００が構築される。
上記した各部材を用いてリチウムイオン二次電池を構築するに際しては、先ず、ケース本体５２の内部に捲回電極体８０を収容するとともに、非水電解液をケース本体５２内に配置（注液）する。その後、蓋体５４に設けられた各々の電極端子７０、７２を、捲回電極体８０の正極活物質層非形成部１６と負極活物質層非形成部２６に接続した後、蓋体５４によってケース本体５２上端の開口部を封止する。これによってリチウムイオン二次電池１００が構築される。
このようにして構築されたリチウムイオン二次電池では、正極活物質層に含まれる正極活物質として、リチウム遷移金属複合酸化物からなるコア粒子の表面にＬｉ−Ｙ−Ｚｒ−Ｏ系化合物である被覆層が形成されている正極活物質が用いられている。
このような構造を有した正極活物質は、上記したように、Ｌｉ析出耐性の向上、サイクル耐久性の向上、電池抵抗の低減などの種々の電池性能を向上させることができるため、従来よりも高性能なリチウムイオン二次電池を構築することができる。
このような構造を有した正極活物質は、上記したように、Ｌｉ析出耐性の向上、サイクル耐久性の向上、電池抵抗の低減などの種々の電池性能を向上させることができるため、従来よりも高性能なリチウムイオン二次電池を構築することができる。
［試験例］
以下、本発明に関する試験例を説明するが、試験例の説明は本発明を限定することを意図したものではない。
以下、本発明に関する試験例を説明するが、試験例の説明は本発明を限定することを意図したものではない。
本試験例では、コア粒子の表面にＬｉ−Ｙ−Ｚｒ−Ｏ系化合物の被覆層が形成されている正極活物質が電池性能に与える影響を調べるために以下の試験Ａと試験Ｂを行った。
１．試験Ａ
試験例１〜試験例１０の各々で異なる正極活物質を用いて正極を作製し、当該正極を用いて評価試験用のリチウムイオン二次電池を構築した。
試験例１〜試験例１０の各々で異なる正極活物質を用いて正極を作製し、当該正極を用いて評価試験用のリチウムイオン二次電池を構築した。
（１）正極活物質の作製
（ａ）試験例１〜試験例７の正極活物質の作製
表１に示すように、試験例１ではＺｒやＹが含まれていないリチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物（ＮＣＭ活物質）を正極活物質として作製し、試験例２〜４ではＺｒを含むＮＣＭ活物質を作製し、試験例５〜７ではＹを含むＮＣＭ活物質を作製した。
（ａ）試験例１〜試験例７の正極活物質の作製
表１に示すように、試験例１ではＺｒやＹが含まれていないリチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物（ＮＣＭ活物質）を正極活物質として作製し、試験例２〜４ではＺｒを含むＮＣＭ活物質を作製し、試験例５〜７ではＹを含むＮＣＭ活物質を作製した。
具体的には、硫酸ニッケルと硫酸コバルトと硫酸マンガンとの水性溶液を調製した後、ＮａＯＨを添加して中和しながら撹拌することによってゾル状の前駆体を得た。そして、この前駆体に炭酸リチウムを添加した後、酸化性雰囲気の下で９００℃、１５時間の焼成処理を行った。そして、得られた焼成体を粉砕することによって平均粒子径１０μｍのＮＣＭ活物質（ＬｉＮｉ１／３Ｃｏ１／３Ｍｎ１／３Ｏ２）を作製した。
なお、試験例２〜４では、硫酸ニッケルと硫酸コバルトと硫酸マンガンとの水性溶液に、表１中の「Ｚｒ添加量」に示す量のＺｒを添加することによってＺｒを含むＮＣＭ活物質を作製した。また、試験例５〜７では、表１中の「Ｙ添加量」に示す量のＹを添加することによってＹを含むＮＣＭ活物質を作製した。なお、表１中の「Ｚｒ添加量」と「Ｙ添加量」は、正極活物質全体に含まれるＬｉ以外の金属元素の合計モル数を１００ｍｏｌ％とした場合のモル比を示している。
なお、試験例２〜４では、硫酸ニッケルと硫酸コバルトと硫酸マンガンとの水性溶液に、表１中の「Ｚｒ添加量」に示す量のＺｒを添加することによってＺｒを含むＮＣＭ活物質を作製した。また、試験例５〜７では、表１中の「Ｙ添加量」に示す量のＹを添加することによってＹを含むＮＣＭ活物質を作製した。なお、表１中の「Ｚｒ添加量」と「Ｙ添加量」は、正極活物質全体に含まれるＬｉ以外の金属元素の合計モル数を１００ｍｏｌ％とした場合のモル比を示している。
（ｂ）試験例８〜１０の正極活物質の作製
試験例８〜１０では、上記した試験例１と同様の手順を経てＮＣＭ活物質を作製し、このＮＣＭ活物質をコア粒子として、該コア粒子の表面にＹおよびＺｒを含む被覆層を形成することによって正極活物質を作製した。
試験例８〜１０では、上記した試験例１と同様の手順を経てＮＣＭ活物質を作製し、このＮＣＭ活物質をコア粒子として、該コア粒子の表面にＹおよびＺｒを含む被覆層を形成することによって正極活物質を作製した。
具体的には、先ず、コア粒子であるＮＣＭ活物質を、硝酸ジルコニウムと硝酸イットリウムとを１：１の割合で混合した水溶液に添加して混合液を調製した。このとき、表１中の「Ｚｒ添加量」と「Ｙ添加量」に示すように、試験例８〜１０の各々で硝酸ジルコニウムと硝酸イットリウムの添加量を異ならせた。
次に、調製した混合液を６０℃に加熱して蒸発させた後、４５０℃で５時間焼成することによって、コア粒子であるＮＣＭ活物質の表面にＬｉ−Ｙ−Ｚｒ−Ｏ系化合物の被覆層が形成された正極活物質を作製した。
次に、調製した混合液を６０℃に加熱して蒸発させた後、４５０℃で５時間焼成することによって、コア粒子であるＮＣＭ活物質の表面にＬｉ−Ｙ−Ｚｒ−Ｏ系化合物の被覆層が形成された正極活物質を作製した。
（２）評価試験用のリチウムイオン二次電池の構築
評価試験用のリチウムイオン二次電池を構築する手順について具体的に説明する。
評価試験用のリチウムイオン二次電池を構築する手順について具体的に説明する。
（ａ）正極の作成
上記した通り、試験例１〜１０の各々で異なる正極活物質の粉末を用意し、分散媒（ＮＭＰ：Ｎメチルピロリドン）と、バインダ（ＰＶＤＦ）と、導電助剤（アセチレンブラック）と、分散剤とを混合して正極活物質層用のペーストを作成した。このとき、固形分が５０ｗｔ％になるように各々の材料を秤量し、プラネタリーミキサーを用いて混合した。なお、このペーストに含まれる正極活物質と導電助剤とバインダの質量比は９０：６：４に設定した。
上記した通り、試験例１〜１０の各々で異なる正極活物質の粉末を用意し、分散媒（ＮＭＰ：Ｎメチルピロリドン）と、バインダ（ＰＶＤＦ）と、導電助剤（アセチレンブラック）と、分散剤とを混合して正極活物質層用のペーストを作成した。このとき、固形分が５０ｗｔ％になるように各々の材料を秤量し、プラネタリーミキサーを用いて混合した。なお、このペーストに含まれる正極活物質と導電助剤とバインダの質量比は９０：６：４に設定した。
次に、シート状の正極集電体（アルミニウム箔）の両面に、ダイコータを用いて正極活物質層用のペーストを塗布し乾燥させた後、所定の圧力でプレスすることによってシート状の正極を作製した。
（ｂ）負極の作成
試験例１〜１０のいずれにおいても、平均粒子径２０μｍの天然黒鉛系材料（グラファイト）を負極活物質として使用して負極を作成した。具体的には、負極活物質と、バインダ（ＳＢＲ：スチレンーブタジエン共重合体）と、増粘剤（ＣＭＣ）とを分散溶媒（水）に混合させて負極活物質用のペーストを作成した。そして、この負極活物質用のペーストをシート状の負極集電体（銅箔）の両面に塗布し、乾燥させた後にプレスすることによりシート状の負極を作製した。なお、上記した負極活物質用のペーストにおける負極活物質とＳＢＲとＣＭＣの混合割合は９８：１：１に調整した。
試験例１〜１０のいずれにおいても、平均粒子径２０μｍの天然黒鉛系材料（グラファイト）を負極活物質として使用して負極を作成した。具体的には、負極活物質と、バインダ（ＳＢＲ：スチレンーブタジエン共重合体）と、増粘剤（ＣＭＣ）とを分散溶媒（水）に混合させて負極活物質用のペーストを作成した。そして、この負極活物質用のペーストをシート状の負極集電体（銅箔）の両面に塗布し、乾燥させた後にプレスすることによりシート状の負極を作製した。なお、上記した負極活物質用のペーストにおける負極活物質とＳＢＲとＣＭＣの混合割合は９８：１：１に調整した。
（ｃ）電池の作製
次に、上記した正極と負極をシート状のセパレータを介して積層させた後、積層体を捲回させて扁平状の捲回電極体を作製した。そして、作製した捲回電極体をケースの外部端子と接続した後、電解液とともにケース内に収容して密閉することにより評価試験用のリチウムイオン二次電池を構築した。なお、電解液としては、ＥＣとＤＭＣとＥＭＣとを３：４：３の体積比で含む混合溶媒に支持塩としてのＬｉＰＦ６を約１ｍｏｌ／リットルの濃度で含有させた非水電解液を使用した。
次に、上記した正極と負極をシート状のセパレータを介して積層させた後、積層体を捲回させて扁平状の捲回電極体を作製した。そして、作製した捲回電極体をケースの外部端子と接続した後、電解液とともにケース内に収容して密閉することにより評価試験用のリチウムイオン二次電池を構築した。なお、電解液としては、ＥＣとＤＭＣとＥＭＣとを３：４：３の体積比で含む混合溶媒に支持塩としてのＬｉＰＦ６を約１ｍｏｌ／リットルの濃度で含有させた非水電解液を使用した。
（３）評価試験
本試験例においては、試験例１〜試験例１０の評価試験用のリチウムイオン二次電池に対して（ａ）Ｌｉ析出耐性評価試験、（ｂ）サイクル耐久性評価試験、（ｃ）電池抵抗評価試験の３項目の評価試験を行った。
なお、本試験例においては、各々の評価試験を行う前に、評価対象のリチウムイオン二次電池の活性化処理を行った。具体的には、電流値を１／３Ｃに設定した定電流充電で４．２Ｖまで充電した後、電流値が１／５０Ｃになるまで定電圧充電を行って満充電状態とした。そして、電流値を１／３Ｃに設定した定電流放電を３Ｖまで行って、このときの容量を初期容量とした。なお、この活性化処理における温度は２５℃に設定した。
本試験例においては、試験例１〜試験例１０の評価試験用のリチウムイオン二次電池に対して（ａ）Ｌｉ析出耐性評価試験、（ｂ）サイクル耐久性評価試験、（ｃ）電池抵抗評価試験の３項目の評価試験を行った。
なお、本試験例においては、各々の評価試験を行う前に、評価対象のリチウムイオン二次電池の活性化処理を行った。具体的には、電流値を１／３Ｃに設定した定電流充電で４．２Ｖまで充電した後、電流値が１／５０Ｃになるまで定電圧充電を行って満充電状態とした。そして、電流値を１／３Ｃに設定した定電流放電を３Ｖまで行って、このときの容量を初期容量とした。なお、この活性化処理における温度は２５℃に設定した。
（ａ）Ｌｉ析出耐性評価試験
本評価においては、試験例１〜１０のリチウムイオン二次電池のＬｉ析出耐性を評価するために「規格化限界電流値」を測定した。
具体的には、各試験例のリチウムイオン二次電池を−１０℃の温度条件下に配置し、１Ｃ相当の電流値で４．２Ｖまで定電流充電を行った後、１Ｃの電流値で３Ｖまで定電流放電を行う充放電サイクルを１サイクルとし、この充放電サイクルを５０サイクル行った後、各々の電池を分解して負極上に金属Ｌｉが析出しているか否かを調べた。
そして、金属Ｌｉの析出が見られなかった場合には、上記した充放電サイクルにおける電流値を０．２Ｃ刻みで大きくして試験を繰り返し行い、金属Ｌｉの析出が確認された際の電流値を「規格化限界電流値」とした。
結果を表１に示す。なお、表１中の「規格化限界電流値」は、試験例１の測定結果を１００とした対数で示している。
本評価においては、試験例１〜１０のリチウムイオン二次電池のＬｉ析出耐性を評価するために「規格化限界電流値」を測定した。
具体的には、各試験例のリチウムイオン二次電池を−１０℃の温度条件下に配置し、１Ｃ相当の電流値で４．２Ｖまで定電流充電を行った後、１Ｃの電流値で３Ｖまで定電流放電を行う充放電サイクルを１サイクルとし、この充放電サイクルを５０サイクル行った後、各々の電池を分解して負極上に金属Ｌｉが析出しているか否かを調べた。
そして、金属Ｌｉの析出が見られなかった場合には、上記した充放電サイクルにおける電流値を０．２Ｃ刻みで大きくして試験を繰り返し行い、金属Ｌｉの析出が確認された際の電流値を「規格化限界電流値」とした。
結果を表１に示す。なお、表１中の「規格化限界電流値」は、試験例１の測定結果を１００とした対数で示している。
（ｂ）サイクル耐久性評価試験
本評価においては、試験例１〜１０のサイクル耐久性を評価するために「サイクル後の容量維持率」を測定した。
具体的には、各試験例のリチウムイオン二次電池を６０℃の温度条件下に配置し、２Ｃの電流値で４．２Ｖまで定電流充電を行った後、２Ｃの電流値で３Ｖまで定電流放電を行う充放電サイクルを１サイクルとし、この充放電サイクルを５００サイクル行った。
そして、各々の電池の容量を測定し、上記した初期容量を１００とした場合の測定結果の割合を「サイクル後容量維持率」とした。結果を表１に示す。
本評価においては、試験例１〜１０のサイクル耐久性を評価するために「サイクル後の容量維持率」を測定した。
具体的には、各試験例のリチウムイオン二次電池を６０℃の温度条件下に配置し、２Ｃの電流値で４．２Ｖまで定電流充電を行った後、２Ｃの電流値で３Ｖまで定電流放電を行う充放電サイクルを１サイクルとし、この充放電サイクルを５００サイクル行った。
そして、各々の電池の容量を測定し、上記した初期容量を１００とした場合の測定結果の割合を「サイクル後容量維持率」とした。結果を表１に示す。
（ｃ）電池抵抗評価試験
本評価においては、各試験例の電池抵抗を評価するために「規格化抵抗値」を測定した。
具体的には、先ず、各々の評価試験用の電池の開放電圧を、ＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）の５６％に相当する３．７０Ｖに調整した。そして、各々の電池を２５℃の温度条件下に配置し、端子間電圧が３．００Ｖになるまで定電流放電を行った。そして、放電開始から５秒目の時点での端子間電圧と電流値を測定し、測定結果に基づいて算出した抵抗値を「規格化抵抗値」とした。
算出結果を表１に示す。なお、表１中の「規格化抵抗値」は、試験例１の測定結果を１００とした対数で示している。
本評価においては、各試験例の電池抵抗を評価するために「規格化抵抗値」を測定した。
具体的には、先ず、各々の評価試験用の電池の開放電圧を、ＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）の５６％に相当する３．７０Ｖに調整した。そして、各々の電池を２５℃の温度条件下に配置し、端子間電圧が３．００Ｖになるまで定電流放電を行った。そして、放電開始から５秒目の時点での端子間電圧と電流値を測定し、測定結果に基づいて算出した抵抗値を「規格化抵抗値」とした。
算出結果を表１に示す。なお、表１中の「規格化抵抗値」は、試験例１の測定結果を１００とした対数で示している。
（４）試験結果
Ｌｉ析出耐性評価試験の結果（表１中の規格化限界電流値）を見ると、ＺｒやＹが結晶格子内に存在している試験例２〜７では、ＺｒやＹが添加されていない試験例１に比べて規格化限界電流値が低下しており、負極表面での金属Ｌｉの析出が発生しやすくなっていた。一方、ＺｒとＹの両方を含む被覆層を形成した試験例８〜１０では、規格化限界電流値が試験例１と同程度になっており、ＺｒやＹを添加しているにもかかわらず、金属Ｌｉの析出が抑制されていた。
Ｌｉ析出耐性評価試験の結果（表１中の規格化限界電流値）を見ると、ＺｒやＹが結晶格子内に存在している試験例２〜７では、ＺｒやＹが添加されていない試験例１に比べて規格化限界電流値が低下しており、負極表面での金属Ｌｉの析出が発生しやすくなっていた。一方、ＺｒとＹの両方を含む被覆層を形成した試験例８〜１０では、規格化限界電流値が試験例１と同程度になっており、ＺｒやＹを添加しているにもかかわらず、金属Ｌｉの析出が抑制されていた。
次に、サイクル耐久性評価試験の結果（表１中のサイクル後容量維持率）を見ると、試験例２〜１０の何れにおいても、試験例１よりもサイクル耐久性が向上していた。しかし、これらの試験例２〜１０の中でも、ＺｒとＹとを含む被覆層を形成した試験例８〜１０のサイクル耐久性が特に大きく向上していた。
また、電池抵抗評価試験の試験結果（表１中の規格化抵抗値）を見ると、Ｚｒのみが添加された試験例２〜４では抵抗値が試験例１よりも増大し、Ｙのみが添加された試験例５〜７では抵抗値が僅かに低減するという結果が得られた。一方、ＺｒとＹを含んだ被覆層を形成した試験例８〜１０では抵抗値が大幅に低減するという結果が得られた。
以上の結果より、ＮＣＭ活物質であるコア粒子の表面に、ＺｒとともにＹを含んだ被覆層が形成された正極活物質を用いることにより、Ｌｉ析出耐性、サイクル耐久性、電池抵抗の点において、従来よりも優れた電池性能を有するリチウムイオン二次電池を構築できることが確認できた。
２．試験Ｂ
次に、コア粒子に使用するリチウム遷移金属複合酸化物を変更しても、上記した試験Ａと同等の効果が得られるか否かについて調べるために試験Ｂを行った。
試験Ｂにおいては、コア粒子としてＬｉＮｉ１／３Ｃｏ１／３Ａｌ１／３Ｏ２で表わされるリチウムニッケルコバルトアルミニウム複合酸化物（ＮＣＡ活物質）を用いたことを除いて、試験Ａと同じ条件で試験を行った。試験結果を表２に示す。
次に、コア粒子に使用するリチウム遷移金属複合酸化物を変更しても、上記した試験Ａと同等の効果が得られるか否かについて調べるために試験Ｂを行った。
試験Ｂにおいては、コア粒子としてＬｉＮｉ１／３Ｃｏ１／３Ａｌ１／３Ｏ２で表わされるリチウムニッケルコバルトアルミニウム複合酸化物（ＮＣＡ活物質）を用いたことを除いて、試験Ａと同じ条件で試験を行った。試験結果を表２に示す。
表２に示すように、試験例１６〜１８は、規格化限界電流値、サイクル後容量維持率、規格化抵抗値の何れの項目においても他の試験例よりも好ましい結果が得られた。
このことから、コア粒子としてＮＣＡ活物質を用いた場合であっても、ＹとＺｒとを含む被覆層を形成することによって、Ｌｉ析出耐性の向上、サイクル耐久性の向上、電池抵抗の低減という従来よりも優れた電池性能を有するリチウムイオン二次電池を構築できることが確認できた。
このことから、コア粒子としてＮＣＡ活物質を用いた場合であっても、ＹとＺｒとを含む被覆層を形成することによって、Ｌｉ析出耐性の向上、サイクル耐久性の向上、電池抵抗の低減という従来よりも優れた電池性能を有するリチウムイオン二次電池を構築できることが確認できた。
以上、本発明を詳細に説明したが、上記実施形態は例示にすぎず、ここで開示される発明には上述の具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
ここに開示される技術により提供される非水電解液二次電池は、上記のように優れた性能を示すことから、各種用途向けの非水電解液二次電池として利用可能である。例えば、自動車等の車両に搭載されるモータ（電動機）用電源として好適に使用され得る。かかる非水電解液二次電池は、それらの複数個を直列および／または並列に接続してなる組電池の形態で使用されてもよい。したがって、ここに開示される技術によると、かかる非水電解液二次電池（組電池の形態であり得る。）を電源として備える車両（典型的には自動車、特にハイブリッド自動車、電気自動車、燃料電池自動車のような電動機を備える自動車）が提供され得る。
１０ 正極
１２ 正極集電体
１４ 正極活物質層
１６ 正極活物質層非形成部
２０ 負極
２２ 負極集電体
２４ 負極活物質層
２６ 負極活物質層非形成部
４０ セパレータ
５０ ケース
５２ ケース本体
５４ 蓋体
７０ 正極端子
７２ 負極端子
８０ 捲回電極体
１００ リチウムイオン二次電池
１２ 正極集電体
１４ 正極活物質層
１６ 正極活物質層非形成部
２０ 負極
２２ 負極集電体
２４ 負極活物質層
２６ 負極活物質層非形成部
４０ セパレータ
５０ ケース
５２ ケース本体
５４ 蓋体
７０ 正極端子
７２ 負極端子
８０ 捲回電極体
１００ リチウムイオン二次電池
Claims (4)
- リチウムイオン二次電池に用いられる正極活物質であって、
少なくともリチウムとニッケルとを含む層状の結晶構造を有するリチウム遷移金属複合酸化物をコア粒子として備えており、
前記コア粒子の表面の少なくとも一部に、リチウムとイットリウムとジルコニウムとを含む複合酸化物から構成された被覆層が形成されている、リチウムイオン二次電池用正極活物質。 - 前記コア粒子を１００ｗｔ％としたときの前記被覆層の重量比が０．００５ｗｔ％〜０．１ｗｔ％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活物質。
- リチウムと、ニッケルと、コバルトと、マンガンまたはアルミニウムとを含み、且つ、イットリウムとジルコニウムの両方を含んだ正極活物質であって、
ここで、前記ニッケルと、前記コバルトと、前記マンガンまたは前記アルミニウムとの合計モル数を１００ｍｏｌ％としたときの前記イットリウムおよび前記ジルコニウムのそれぞれの含有量が、
イットリウム：０．２５〜１ｍｏｌ％
ジルコニウム：０．２５〜１ｍｏｌ％である、請求項１または請求項２に記載のリチウムイオン二次電池用正極活物質。 - 請求項１から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活物質を備える、リチウムイオン二次電池。
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| JP2015149275A (ja) * | 2014-02-07 | 2015-08-20 | 三星エスディアイ株式会社Ｓａｍｓｕｎｇ ＳＤＩ Ｃｏ．，Ｌｔｄ． | 正極活物質、それを採用した正極及びリチウム電池、並びに該正極活物質の製造方法 |
-
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