JP2018147696A - 非水系電解質二次電池用正極活物質 - Google Patents
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Abstract
Description
リチウム(Li)と、マンガン(Mn)と、ニッケル(Ni)と、元素M(M)とを、物質量比が、Li:Mn:Ni:M=t:2−x−y:x:y(ただし、0.96≦t≦1.25、0.40≦x≦0.60、0≦y≦0.20)となるように含むスピネル型酸化物であり、
前記元素Mが、マグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、ケイ素(Si)、チタン(Ti)、クロム(Cr)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、銅(Cu)、及び亜鉛(Zn)の群から選択される少なくとも1種の元素であり、
リチウム席占有率が95%以上である非水系電解質二次電池用正極活物質を提供する。
[非水系電解質二次電池用正極活物質]
まず、本実施形態の非水系電解質二次電池用正極活物質の一構成例について説明する。
なお、元素Mは、マグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、ケイ素(Si)、チタン(Ti)、クロム(Cr)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、銅(Cu)、及び亜鉛(Zn)の群から選択される少なくとも1種の元素とすることができる。
(組成)
本実施形態の非水系電解質二次電池用正極活物質(以下、単に「正極活物質」とも記載する)はリチウム(Li)、マンガン(Mn)、及びニッケル(Ni)を含有するスピネル型構造を有する酸化物とすることができる。また、本実施形態の正極活物質は、さらに任意の添加元素である元素Mを含有するスピネル型構造を有する酸化物とすることもできる。
(Li席占有率について)
本発明の発明者らは、二次電池とした場合に、平均電圧を向上することができる正極活物質について、鋭意検討を行った。
(比表面積)
本実施形態の正極活物質は、比表面積が0.30m2/g以上1.50m2/g以下の粉末とすることが好ましい。特に本実施形態の正極活物質は、比表面積が0.50m2/g以上1.50m2/g以下の粉末であることがより好ましい。
(粒子構造)
本実施形態の正極活物質はSEM(走査型電子顕微鏡)やTEM(透過型電子顕微鏡)などの電子顕微鏡で観察した場合に、一次粒子が多数凝集した二次粒子と、単独の一次粒子とから選択された1種以上を含むことが好ましい。
(体積平均粒径)
本実施形態の正極活物質は、レーザー光回折散乱式の粒度分布計で計測した場合、体積平均粒径が2μm以上8μm以下の粉末とすることが好ましい。本実施形態の正極活物質は、特に体積平均粒径が3μm以上8μm以下であることがより好ましく、3μm以上6μm以下であることがさらに好ましい。
[非水系電解質二次電池用正極活物質の製造方法]
本実施形態の非水系電解質二次電池用正極活物質の製造方法の一構成例について説明する。なお、本実施形態の非水系電解質二次電池用正極活物質の製造方法により、既述の正極活物質を製造することができる。このため、正極活物質に関連して既に説明した事項の一部は説明を省略する。
前駆体晶析工程で得た正極活物質前駆体と、リチウム化合物とを混合し、酸素含有雰囲気下において、800℃以上1000℃以下の温度、及び650℃以上750℃以下の温度で焼成し、リチウムマンガンニッケル複合酸化物を得るリチウムマンガンニッケル複合酸化物生成工程。
(前駆体晶析工程)
はじめに、マンガンを含有する金属化合物等、複数の金属化合物を所定の割合で水に溶解させ、混合水溶液を作製する。具体的には例えば、マンガンを含有する金属化合物、ニッケルを含有する金属化合物、及び場合によってはさらに元素Mを含有する金属化合物を水に溶解させ、混合水溶液を作製することができる。この時の各金属の組成比が最終的に得られる正極活物質中のリチウムを除く各金属の組成比と同じになるように混合水溶液を作製することが好ましい。そのため、混合水溶液中における各金属の組成比が、本実施形態の正極活物質中におけるリチウムを除く各金属の組成比と同じ組成比となるように、水に溶解させる金属化合物の割合を調整して、混合水溶液を作製することが好ましい。具体的には各元素の物質量比がMn:Ni:M=(2−x−y):x:yとなるように作製することができる。なお、x、yは既述の正極活物質の場合と同様の範囲であることが好ましく、例えば0.40≦x≦0.60、0≦y≦0.20を満たすことが好ましい。
(リチウムマンガンニッケル複合酸化物生成工程)
リチウムマンガンニッケル複合酸化物生成工程では、例えば以下のリチウム混合物調製ステップ、第1焼成ステップ、第2焼成ステップを実施できる。
(水洗工程)
水洗工程では、リチウムマンガンニッケル複合酸化物生成工程で得たリチウムマンガンニッケル複合酸化物を水洗し、化学量論比に対して余剰のリチウム化合物を除去することができる。
[非水系電解質二次電池]
次に、本実施形態の非水系電解質二次電池の一構成例について説明する。
(正極)
まず正極について説明する。
(負極)
銅などの金属箔集電体の表面に、負極合材ペーストを塗布し、乾燥して形成されたシート状の部材である。
(セパレータ)
セパレータは、正極と負極との間に挟み込んで配置されるものであり、正極と負極とを分離し、電解質を保持する機能を有している。
(非水系電解質)
非水系電解質は、支持塩としてのリチウム塩を有機溶媒に溶解したものである。
[実施例1]
以下の手順により正極活物質を作製し、評価を行った。
(正極活物質の作製方法)
まず、正極活物質であるリチウムマンガンニッケル複合酸化物の作製方法、条件について説明する。
(a)前駆体晶析工程
はじめに、反応槽(5L)内に、水を半分の量まで入れて撹拌しながら、槽内温度を40℃に設定した。また、反応槽内は、窒素雰囲気(酸素濃度:1容量%以下)とした。前駆体晶析工程が終了するまで、反応槽内は槽内温度が40℃、槽内雰囲気は、酸素濃度が1容量%以下の窒素雰囲気となるように保持しており、以下の初期水溶液や、反応水溶液についても40℃に保持している。
(b)リチウムマンガンニッケル複合酸化物生成工程
前駆体晶析工程で得られた複合水酸化物粒子に、該複合水酸化物粒子に含まれるマンガン、ニッケルの原子数の総和に対して、リチウムの含有量が60原子%となるように秤量した炭酸リチウムを加え、混合することにより、リチウム混合物を得た(リチウム混合物調製ステップ)。なお、混合する際には、ターブラーシェーカーミキサ(株式会社ダルトン製、T2F)を用いた。
(c)水洗工程
リチウムマンガンニッケル複合酸化物生成工程で得られたリチウムマンガンニッケル複合酸化物100gを、300gのイオン交換水に分散させスラリーを作製した。そして得られたスラリーを10分間撹拌した。
(正極活物質の評価方法)
上述の手順により得られた正極活物質の粉末について、評価を行った。評価方法について以下に説明する。
(a)組成、水分率の評価
得られた正極活物質について、ICP発光分光分析器(VARIAN社製、725ES)を用いて組成の評価を行った。その結果、得られた正極活物質は、Li、Mn、Niのモル比が、Li:Mn:Ni=1.00:1.50:0.50で表され、正極活物質であるリチウムマンガンニッケル複合酸化物に含まれるマンガン、ニッケルの原子数の総和に対して、リチウムの含有量は50原子%であることを確認した。
(b)結晶構造
J−PARC施設内のiMATERIAを用いた中性子回折測定を行い、得られた正極活物質について、中性子回折パターンを得た。中性子線回折装置は、J−PARC(Japan Proton Accelerator Research Complex)大強度陽子加速器施設)内のBL20に設置された茨城県材料構造解析装置(iMATERIA)を用いた。
(c)比表面積、体積平均粒径
得られた正極活物質の粉末の比表面積を、全自動BET比表面積測定装置(株式会社マウンテック製、マックソーブ)を用いて測定した。その結果、正極活物質の粉末の比表面積が0.96m2/gであることを確認した。
(二次電池の作製方法)
コイン型電池10は、ケース11と、このケース11内に収容された電極12とから構成されている。
得られたコイン型電池10の性能の評価方法について説明する。
[実施例2]
リチウムマンガンニッケル複合酸化物生成工程の、リチウム混合物調製ステップにおける複合水酸化物前駆体と炭酸リチウムとの混合を、マンガン、ニッケルの原子数の総和に対して、リチウムの含有量が55原子%となるように調整した点以外は実施例1と同様の手順で正極活物質を調製し、評価を行った。また、実施例1と同様に、得られた正極活物質を用いて二次電池を作製し、評価を行った。評価結果を表に示す。
[実施例3〜実施例5]
前駆体晶析工程において、混合水溶液を調製する際に、硫酸マンガン、硫酸ニッケル、と元素Mの硫酸塩とを、マンガンとニッケルと元素Mのモル比が、Mn:Ni:M=1.50:0.45:0.05となるように純水に溶解して、2.0mol/Lの混合水溶液を調製した。そして、係る混合水溶液を用いた点以外は、実施例1と同様にして正極活物質を調製し、評価を行った。また、実施例1と同様に、得られた正極活物質を用いて二次電池を作製し、評価を行った。評価結果を表1に示す。
なお、元素Mとして、実施例3ではコバルト(Co)を、実施例4では鉄(Fe)を、実施例5ではチタン(Ti)をそれぞれ用いた。
[比較例1]
リチウムマンガンニッケル複合酸化物生成工程の、リチウム混合物調製ステップにおける複合水酸化物前駆体と炭酸リチウムとの混合を、マンガン、ニッケルの原子数の総和に対して、リチウムの含有量が50原子%となるように調整した点、及び水洗工程を実施しなかった点以外は実施例1と同様の手順で正極活物質を調製し、評価を行った。また、実施例1と同様に、得られた正極活物質を用いて二次電池を作製し、評価を行った。評価結果を表に示す。
[比較例2〜4]
前駆体晶析工程において、混合水溶液を調製する際に、硫酸マンガン、硫酸ニッケル、と元素Mの硫酸塩とを、マンガンとニッケルと元素Mのモル比が、Mn:Ni:M=1.50:0.45:0.05となるように純水に溶解して、2.0mol/Lの混合水溶液を調製した。そして、係る混合水溶液を用いた点以外は、比較例1と同様にして正極活物質を調製し、評価を行った。また、実施例1と同様に、得られた正極活物質を用いて二次電池を作製し、評価を行った。評価結果を表1に示す。
なお、元素Mとして、比較例3ではコバルト(Co)を、比較例4では鉄(Fe)を、比較例5ではチタン(Ti)をそれぞれ用いた。
Claims (3)
- リチウム(Li)と、マンガン(Mn)と、ニッケル(Ni)と、元素M(M)とを、物質量比が、Li:Mn:Ni:M=t:2−x−y:x:y(ただし、0.96≦t≦1.25、0.40≦x≦0.60、0≦y≦0.20)となるように含むスピネル型酸化物であり、
前記元素Mが、マグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、ケイ素(Si)、チタン(Ti)、クロム(Cr)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、銅(Cu)、及び亜鉛(Zn)の群から選択される少なくとも1種の元素であり、
リチウム席占有率が95%以上である非水系電解質二次電池用正極活物質。 - 体積平均粒径が2μm以上8μm以下の粉末である請求項1に記載の非水系電解質二次電池用正極活物質。
- 比表面積が0.30m2/g以上1.50m2/g以下の粉末である請求項1または2に記載の非水系電解質二次電池用正極活物質。
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