JP2018200863A - リチウムイオン二次電池用正極活物質複合体又はナトリウムイオン二次電池用正極活物質複合体、これらを用いた二次電池、並びにこれらの製造方法 - Google Patents

リチウムイオン二次電池用正極活物質複合体又はナトリウムイオン二次電池用正極活物質複合体、これらを用いた二次電池、並びにこれらの製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】リチウムイオン二次電池又はナトリウムイオン二次電池の正極材料として用いた際、高温サイクル特性を有効に向上させることのできるリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体又はナトリウムイオン二次電池用正極活物質複合体を提供する。【解決手段】下記式(I):LiNiaCobMncM1xO2・・・(I)、又は、下記式(II):LiNidCoeAlfM2yO2・・・(II)、で表される1種以上のリチウム複合酸化物粒子からなるリチウム複合酸化物二次粒子(A)の表面及び内部空隙において、リチウム複合酸化物粒子と特定のリチウム系ポリアニオン粒子(B)とが複合化してなり、かつリチウム複合酸化物二次粒子(A)の含有量と、リチウム系ポリアニオン粒子(B)の含有量との質量比(A):(B)が、95:5〜50:50であるリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体。【選択図】図1

Description

本発明は、二次電池における高温サイクル特性を有効に高めることのできる、層状岩塩構造を有するリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体又はナトリウムイオン二次電池用正極活物質複合体、これらを正極材料として含むリチウムイオン二次電池又はナトリウムイオン二次電池、並びにこれらリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体又はナトリウムイオン二次電池用正極活物質複合体の製造方法に関する。
従来より、リチウム複合酸化物は高出力及び高容量のリチウムイオン二次電池を構成できる正極活物質として使用されている。かかるリチウム複合酸化物は、リチウム原子層と遷移金属原子層とが、酸素原子層を介して交互に積み重なった層状結晶構造を呈し、遷移金属の1原子あたりに1個のリチウム原子が含まれる、いわゆる層状岩塩構造を有することでも知られている。
こうしたリチウム複合酸化物を正極活物質として用いたリチウムイオン二次電池では、リチウムイオンがリチウム複合酸化物に脱離・挿入されることによって充電・放電が行われるが、通常、充放電サイクルを重ねるにつれて容量低下が生じ、特に長期間使用すると、電池の容量低下が著しくなるおそれがある。これは、充電時にリチウム複合酸化物の遷移金属成分が電解液へ溶出することにより、かかる結晶構造の崩壊が生じやすくなることが原因であると考えられている。とくに高温になるほど遷移金属の溶出量は多くなり、サイクル特性に与える影響は大きい。また、リチウム複合酸化物の結晶構造の崩壊が生じると、リチウム複合酸化物の遷移金属成分が周囲の電解液へ溶出し、熱的安定性が低下して安全性が損なわれるおそれもある。
ところが、例えば車載用電池に使用される電池材料には、1000サイクル以上もの多数回にわたる充放電サイクルを経ても一定以上の電池容量を維持できるような、優れた耐久性能を有することが要求されており、これに応じるべく種々の開発がなされている。例えば、特許文献1には、平均粒径が1μm〜8μmの一次粒子が凝集して平均粒径が5μm〜30μmの二次粒子を形成し、該二次粒子の空隙率が30%以下のリチウム複合酸化物が開示されている。また、特許文献2には、真密度を4.40g/cm〜4.80g/cmとし、高い体積エネルギー密度を有しつつ、正極活物質内に適度な空隙を存在させたリチウム複合酸化物が開示されており、コア部のリチウム複合酸化物と、コア部とは異なる組成を有するシェル部のリチウム複合酸化物とを有する電極活物質の具体例も記載されている。
一方、リチウムは希少有価物質であることから、リチウム複合酸化物と同様の層状岩塩構造を有し、リチウムイオンに替わりナトリウムイオンにより充放電を行うことのできるナトリウム複合酸化物の開発も行われている。例えば、特許文献3には、Fe、Mn、Ni、Co又はTiを含む、サイクル特性に優れたナトリウム複合酸化物が開示されている。
特開2001−85006号公報 国際公開第2014/133069号パンフレット 特開2010−80424号公報
しかしながら、これらいずれの文献に記載の技術においても、リチウム複合酸化物又はナトリウム複合酸化物のサイクル特性を充分に向上させるのは困難であり、さらなる改善を要する状況である。
したがって、本発明の課題は、リチウムイオン二次電池又はナトリウムイオン二次電池の正極活物質として用いた際、高温サイクル特性を有効に向上させることのできるリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体又はナトリウムイオン二次電池用正極活物質複合体を提供することである。
そこで、本発明者らは鋭意検討を重ねた結果、特定のリチウム複合酸化物粒子からなるリチウム複合酸化物二次粒子の表面及び内部空隙において、リチウム複合酸化物粒子と、リチウム複合酸化物二次粒子に対して特定の質量比を有する特定のリチウム系ポリアニオン粒子とを複合化させることにより、リチウムイオン二次電池の正極材料として用いた際、電解液との反応を効果的に抑制して、多数回にわたる充放電サイクルを経ても出力の低下を生じないリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体が得られることを見出した。
また、特定のナトリウム複合酸化物粒子からなるナトリウム複合酸化物二次粒子の表面及び内部空隙において、ナトリウム複合酸化物粒子と、ナトリウム複合酸化物二次粒子に対して特定の質量比を有する特定のナトリウム系ポリアニオン粒子とを複合化させることにより、ナトリウムイオン二次電池の正極材料として用いた際、電解液との反応を効果的に抑制して、多数回にわたる充放電サイクルを経ても出力の低下を生じないナトリウムイオン二次電池用正極活物質複合体が得られることをも見出した。
すなわち、本発明は、下記式(I):
LiNiCoMn ・・・(I)
(式(I)中、MはMg、Ti、Nb、Fe、Cr、Si、Al、Ga、V、Zn、Cu、Sr、Mo、Zr、Sn、Ta、W、La、Ce、Pb、Bi及びGeから選ばれる1種又は2種以上の元素を示す。a、b、c、xは、0.3≦a<1、0<b≦0.7、0<c≦0.7、0≦x≦0.3、かつ3a+3b+3c+(Mの価数)×x=3を満たす数を示す。)
又は、下記式(II):
LiNiCoAl ・・・(II)
(式(II)中、MはMg、Ti、Nb、Fe、Cr、Si、Ga、V、Zn、Cu、Sr、Mo、Zr、Sn、Ta、W、La、Ce、Pb、Bi及びGeから選ばれる1種又は2種以上の元素を示す。d、e、f、yは、0.4≦d<1、0<e≦0.6、0<f≦0.3、0≦y≦0.3、かつ3d+3e+3f+(Mの価数)×y=3を満たす数を示す。)
で表される1種以上のリチウム複合酸化物粒子からなるリチウム複合酸化物二次粒子(A)の表面及び内部空隙において、下記式(V):
LiCoNi PO・・・(V)
(式(V)中、MはFe、Mn、Ca、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd又はGdを示す。s、g、h、及びiは、0.8≦s≦1.2、0≦g≦1.2、0≦h≦1.2、0≦i≦0.3、g+h≠0、及び0.8≦(g+h+i)≦1.2を満たし、かつs+2g+2h+(Mの価数)×i=3を満たす数を示す。)
又は、下記式(VI):
LiCoNi SiO・・・(VI)
(式(VI)中、MはFe、Mn、Ca、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd又はGdを示す。t、j、k、及びlは、1.6≦t≦2.4、0≦j≦1.2、0≦k≦1.2、0≦l≦1.2、j+k≠0、及び0.8≦(j+k+l)≦1.2を満たし、かつt+2j+2k+(Mの価数)×l=4を満たす数を示す。)
で表され、少なくともコバルト又はニッケルのいずれかを含むリチウム系ポリアニオン粒子(B)と、リチウム複合酸化物粒子とが複合化してなり、かつ
リチウム複合酸化物二次粒子(A)の含有量と、リチウム系ポリアニオン粒子(B)の含有量との質量比((A):(B))が、95:5〜50:50であるリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体を提供するものである。
また、本発明は、下記式(III):
NaNia’Cob’Mnc’ x’・・・(III)
(式(III)中、MはMg、Ti、Nb、Fe、Cr、Si、Al、Ga、V、Zn、Cu、Sr、Mo、Zr、Sn、Ta、W、La、Ce、Pb、Bi及びGeから選ばれる1種又は2種以上の元素を示す。a’、b’、c’、x’は、0.3≦a’<1、0<b’≦0.7、0<c’≦0.7、0≦x’≦0.3、かつ3a’+3b’+3c’+(Mの価数)×x’=3を満たす数を示す。)
又は、下記式(IV):
NaNid’Coe’Alf’ y’・・・(IV)
(式(IV)中、MはMg、Ti、Nb、Fe、Cr、Si、Ga、V、Zn、Cu、Sr、Mo、Zr、Sn、Ta、W、La、Ce、Pb、Bi及びGeから選ばれる1種又は2種以上の元素を示す。d’、e’、f’、y’は、0.4≦d’<1、0<e’≦0.6、0<f’≦0.3、0≦y’≦0.3、かつ3d’+3e’+3f’+(Mの価数)×y’=3を満たす数を示す。)
で表される、1種以上のナトリウム複合酸化物粒子からなるナトリウム複合酸化物二次粒子(D)の表面及び内部空隙において、下記式(VII):
NaCog’Nih’ i’PO・・・(VII)
(式(VII)中、MはFe、Mn、Ca、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd又はGdを示す。w、g’、h’、及びi’は、0.8≦w≦1.2、0≦g’≦1.2、0≦h’≦1.2、0≦i’≦0.3、g’+h’≠0、及び0.8≦(g’+h’+i’)≦1.2を満たし、かつw+2g’+2h’+(Mの価数)×i’=3を満たす数を示す。)
又は、下記式(VIII):
NaCoj’Nik’10 l’SiO・・・(VIII)
(式(VIII)中、M10はFe、Mn、Ca、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd又はGdを示す。x、j’、k’、及びl’は、1.6≦x≦2.4、0≦j’≦1.2、0≦k’≦1.2、0≦l’≦1.2、j’+k’≠0、及び0.8≦(j’+k’+l’)≦1.2を満たし、かつx+2j’+2k’+(M10の価数)×l’=4を満たす数を示す。)
で表され、少なくともコバルト又はニッケルのいずれかを含むナトリウム系ポリアニオン粒子(E)と、ナトリウム複合酸化物粒子とが複合化してなり、かつ
ナトリウム複合酸化物二次粒子(D)の含有量と、ナトリウム系ポリアニオン粒子(E)の含有量との質量比((D):(E))が、95:5〜50:50であるナトリウムイオン二次電池用正極活物質複合体を提供するものである。
さらに、本発明は、リチウム複合酸化物二次粒子(A)の表面及び内部空隙において、リチウム複合酸化物粒子とリチウム系ポリアニオン粒子(B)とを複合化する工程を備える上記リチウムイオン二次電池用正極活物質複合体の製造方法に関する。
また、本発明は、ナトリウム複合酸化物二次粒子(D)の表面及び内部空隙において、ナトリウム複合酸化物粒子とナトリウム系ポリアニオン粒子(E)とを複合化する工程を備える上記ナトリウムイオン二次電池用正極活物質複合体の製造方法に関する。
本発明のリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体又はナトリウムイオン二次電池用正極活物質複合体によれば、層状岩塩構造を有しながらも結晶構造の崩壊を防止し、これを正極材料として用いることにより得られるリチウムイオン二次電池又はナトリウムイオン二次電池において、高温サイクル特性を有効に高めることができる。
図1(a)は、実施例1で得られたリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体粒子のTEM写真である。また、図1(b)〜(c)は、実施例1で得られたリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体粒子の断面のTEM−EDXの元素分布の写真であり、図1(b)はNi元素の分布を示し、図1(c)はP元素の分布を示す。 図2(a)は、実施例2で得られたリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体粒子のTEM写真である。また、図2(b)〜(c)は、実施例2で得られたリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体粒子の断面のTEM−EDXの元素分布の写真であり、図2(b)はNi元素の分布を示し、図2(c)はSi元素の分布を示す。
以下、本発明について詳細に説明する。
本発明のリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体は、下記式(I):
LiNiCoMn ・・・(I)
(式(I)中、MはMg、Ti、Nb、Fe、Cr、Si、Al、Ga、V、Zn、Cu、Sr、Mo、Zr、Sn、Ta、W、La、Ce、Pb、Bi及びGeから選ばれる1種又は2種以上の元素を示す。a、b、c、xは、0.3≦a<1、0<b≦0.7、0<c≦0.7、0≦x≦0.3、かつ3a+3b+3c+(Mの価数)×x=3を満たす数を示す。)
又は、下記式(II):
LiNiCoAl ・・・(II)
(式(II)中、MはMg、Ti、Nb、Fe、Cr、Si、Ga、V、Zn、Cu、Sr、Mo、Zr、Sn、Ta、W、La、Ce、Pb、Bi及びGeから選ばれる1種又は2種以上の元素を示す。d、e、f、yは、0.4≦d<1、0<e≦0.6、0<f≦0.3、0≦y≦0.3、かつ3d+3e+3f+(Mの価数)×y=3を満たす数を示す。)
で表される1種以上のリチウム複合酸化物粒子からなるリチウム複合酸化物二次粒子(A)の表面及び内部空隙において、下記式(V):
LiCoNi PO・・・(V)
(式(V)中、MはFe、Mn、Ca、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd又はGdを示す。s、g、h、及びiは、0.8≦s≦1.2、0≦g≦1.2、0≦h≦1.2、0≦i≦0.3、g+h≠0、及び0.8≦(g+h+i)≦1.2を満たし、かつs+2g+2h+(Mの価数)×i=3を満たす数を示す。)
又は、下記式(VI):
LiCoNi SiO・・・(VI)
(式(VI)中、MはFe、Mn、Ca、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd又はGdを示す。t、j、k、及びlは、1.6≦t≦2.4、0≦j≦1.2、0≦k≦1.2、0≦l≦1.2、j+k≠0、及び0.8≦(j+k+l)≦1.2を満たし、かつt+2j+2k+(Mの価数)×l=4を満たす数を示す。)
で表され、少なくともコバルト又はニッケルのいずれかを含むリチウム系ポリアニオン粒子(B)と、リチウム複合酸化物粒子とが複合化してなり、かつ
リチウム複合酸化物二次粒子(A)の含有量と、リチウム系ポリアニオン粒子(B)の含有量との質量比((A):(B))が、95:5〜50:50である。
また、本発明のナトリウムイオン二次電池用正極活物質複合体は、下記式(III):
NaNia’Cob’Mnc’ x’・・・(III)
(式(III)中、MはMg、Ti、Nb、Fe、Cr、Si、Al、Ga、V、Zn、Cu、Sr、Mo、Zr、Sn、Ta、W、La、Ce、Pb、Bi及びGeから選ばれる1種又は2種以上の元素を示す。a’、b’、c’、x’は、0.3≦a’<1、0<b’≦0.7、0<c’≦0.7、0≦x’≦0.3、かつ3a’+3b’+3c’+(Mの価数)×x’=3を満たす数を示す。)
又は、下記式(IV):
NaNid’Coe’Alf’ y’・・・(IV)
(式(IV)中、MはMg、Ti、Nb、Fe、Cr、Si、Ga、V、Zn、Cu、Sr、Mo、Zr、Sn、Ta、W、La、Ce、Pb、Bi及びGeから選ばれる1種又は2種以上の元素を示す。d’、e’、f’、y’は、0.4≦d’<1、0<e’≦0.6、0<f’≦0.3、0≦y’≦0.3、かつ3d’+3e’+3f’+(Mの価数)×y’=3を満たす数を示す。)
で表される、1種以上のナトリウム複合酸化物粒子からなるナトリウム複合酸化物二次粒子(D)の表面及び内部空隙において、下記式(VII):
NaCog’Nih’ i’PO・・・(VII)
(式(VII)中、MはFe、Mn、Ca、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd又はGdを示す。w、g’、h’、及びi’は、0.8≦w≦1.2、0≦g’≦1.2、0≦h’≦1.2、0≦i’≦0.3、g’+h’≠0、及び0.8≦(g’+h’+i’)≦1.2を満たし、かつw+2g’+2h’+(Mの価数)×i’=3を満たす数を示す。)
又は、下記式(VIII):
NaCoj’Nik’10 l’SiO・・・(VIII)
(式(VIII)中、M10はFe、Mn、Ca、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd又はGdを示す。x、j’、k’、及びl’は、1.6≦x≦2.4、0≦j’≦1.2、0≦k’≦1.2、0≦l’≦1.2、j’+k’≠0、及び0.8≦(j’+k’+l’)≦1.2を満たし、かつx+2j’+2k’+(M10の価数)×l’=4を満たす数を示す。)
で表され、少なくともコバルト又はニッケルのいずれかを含むナトリウム系ポリアニオン粒子(E)と、ナトリウム複合酸化物粒子とが複合化してなり、かつ
ナトリウム複合酸化物二次粒子(D)の含有量と、ナトリウム系ポリアニオン粒子(E)の含有量との質量比((D):(E))が、95:5〜50:50である。
上記式(I)で表されるリチウム複合酸化物(いわゆるLi−Ni−Co−Mn酸化物であり、以後「Li−NCM系複合酸化物」と称する。)粒子、及び上記式(III)で表されるナトリウム複合酸化物(いわゆるNa−Ni−Co−Mn酸化物であり、以後「Na−NCM系複合酸化物」と称する。また、Li−NCM系複合酸化物とNa−NCM系複合酸化物を「NCM系複合酸化物」と総称する。)粒子、並びに
上記式(II)で表されるリチウムニッケル複合酸化物(いわゆるLi−Ni−Co−Al酸化物であり、以後「Li−NCA系複合酸化物」と称する。)粒子、及び上記式(IV)で表されるナトリウムニッケル複合酸化物(いわゆるNa−Ni−Co−Al酸化物であり、以後「Na−NCA系複合酸化物」と称する。また、Li−NCA系複合酸化物とNa−NCA系複合酸化物を「NCA系複合酸化物」と総称する。)粒子は、いずれも層状岩塩構造を有する粒子である。
これらの粒子は、凝集することによって、リチウム複合酸化物二次粒子(A)又はナトリウム複合酸化物二次粒子(D)を形成する。したがって、これら二次粒子についても、同様に「NCA系複合酸化物二次粒子」、「NCA系複合酸化物二次粒子」等と称する。
上記式(I)中のM、又は上記式(III)中のMは、Mg、Ti、Nb、Fe、Cr、Si、Al、Ga、V、Zn、Cu、Sr、Mo、Zr、Sn、Ta、W、La、Ce、Pb、Bi及びGeから選ばれる1種又は2種以上の元素を示す。
また、上記式(I)中のa、b、c、xは、0.3≦a<1、0<b≦0.7、0<c≦0.7、0≦x≦0.3、かつ3a+3b+3c+(Mの価数)×x=3を満たす数であり、上記式(III)中のa’、b’、c’、x’は、0.3≦a’<1、0<b’≦0.7、0<c’≦0.7、0≦x’≦0.3、かつ3a’+3b’+3c’+(Mの価数)×x’=3を満たす数を示すである。
上記式(I)又は式(III)で表されるNCM系複合酸化物粒子において、Ni、Co及びMnは、電子伝導性に優れ、電池容量及び出力特性に寄与することが知られている。また、サイクル特性の観点からは、かかる遷移元素の一部が他の金属元素M又はMにより置換されていることが好ましい。これら金属元素M又はMにより置換されることにより、式(I)又は式(III)で表されるNCM系複合酸化物粒子の結晶構造が安定化されるため、充放電を繰り返しても結晶構造の崩壊が抑制でき、優れたサイクル特性が実現し得ると考えられる。
上記式(I)で表されるLi−NCM系複合酸化物粒子としては、具体的には、例えばLiNi0.33Co0.33 Mn0.342、LiNi0.8Co0.1Mn 0.12、LiNi0.6Co0.2Mn 0.22、LiNi0.2Co0.4Mn0.42、LiNi0.33Co0.31Mn0.33Mg0.032、及びLiNi0.33Co0.31Mn0.33Zn0.032等からなる粒子が挙げられる。なかでも、放電容量を重視する場合には、LiNi0.8Co0.1Mn 0.12、LiNi0.6Co0.2Mn 0.22等のNi量の多い組成からなる粒子が好ましく、サイクル特性を重視する場合には、LiNi0.33Co0.33 Mn0.342、LiNi0.33Co0.31Mn0.33Mg0.032等のNi量の少ない組成からなる粒子が好ましい。
また、上記式(III)で表されるNa−NCM系複合酸化物粒子としては、具体的には、例えばNaNi0.33Co0.33 Mn0.342、NaNi0.8Co0.1Mn 0.12、NaNi0.6Co0.2Mn 0.22、NaNi0.2Co0.4Mn0.42、NaNi0.33Co0.31Mn0.33Mg0.032、及びNaNi0.33Co0.31Mn0.33Zn0.032等からなる粒子が挙げられる。なかでも、放電容量を重視する場合には、NaNi0.8Co0.1Mn 0.12、NaNi0.6Co0.2Mn 0.22等のNi量の多い組成からなる粒子が好ましく、サイクル特性を重視する場合には、NaNi0.33Co0.33 Mn0.342、NaNi0.33Co0.31Mn0.33Mg0.032等のNi量の少ない組成からなる粒子が好ましい。
さらに、互いに組成が異なる2種以上の上記式(I)で表されるLi−NCM系複合酸化物粒子は、コア部(内部)とシェル部(表層部)とを有するコア−シェル構造のLi−NCA系複合酸化物二次粒子(A)を形成していてもよい。
また、互いに組成が異なる2種以上の上記式(III)で表されるNa−NCM系複合酸化物粒子は、コア部(内部)とシェル部(表層部)とを有するコア−シェル構造のNa−NCA系複合酸化物二次粒子(D)を形成していてもよい。
このコア−シェル構造を形成してなるNCM系複合酸化物二次粒子(A)又は(D)とすることによって、電解液に溶出しやすいNi濃度の高いNCM系複合酸化物粒子をコア部に配置し、電解液に接するシェル部にはNi濃度の低いNCM系複合酸化物粒子を配置することができるので、サイクル特性の低下の抑制と安全性の確保をより向上させることができる。このとき、コア部は1相であってもよいし、組成の異なる2相以上で構成していてもよい。コア部を2相以上で構成する態様として、同心円状に複数の相が層状となって積層された構造でもよいし、コア部の表面から中心部に向けて遷移的に組成が変化する構造でもよい。
さらに、シェル部は、コア部の外側に形成されてなるものであればよく、コア部同様に1相であってもよいし、組成の異なる2相以上で構成していてもよい。
このような組成が異なる2種以上のLi−NCM系複合酸化粒子によってコア−シェル構造を形成してなるLi−NCM系複合酸化物二次粒子(A)として、具体的には(コア部)−(シェル部)が、例えば(LiNi0.8Co0.1Mn 0.12)−(LiNi0.2Co0.4Mn0.42)、(LiNi0.8Co0.1Mn 0.12)−(LiNi0.33Co0.33 Mn0.342)、及び(LiNi0.8Co0.1Mn 0.12)−(LiNi0.33Co0.31Mn0.33Mg0.032)等からなる粒子が挙げられる。
また、組成が異なる2種以上のNa−NCM系複合酸化物粒子によってコア−シェル構造を形成してなるNa−NCM系複合酸化物二次粒子(D)として、具体的には(コア部)−(シェル部)が、例えば(NaNi0.8Co0.1Mn 0.12)−(NaNi0.2Co0.4Mn0.42)、(NaNi0.8Co0.1Mn 0.12)−(NaNi0.33Co0.33 Mn0.342)、又は(NaNi0.8Co0.1Mn 0.12)−(NaNi0.33Co0.31Mn0.33Mg0.032)等からなる粒子が挙げられる。
上記式(I)又は式(III)で表されるNCM系複合酸化物粒子の一次粒子としての平均粒径は、好ましくは500nm以下であり、より好ましくは300nm以下である。このように、NCM系複合酸化物粒子の一次粒子としての平均粒径を少なくとも500nm以下にすることで、リチウムイオン又はナトリウムイオンの挿入及び脱離に伴う上記一次粒子の膨張収縮量を抑制することができ、粒子割れを有効に防止することができる。なお、上記一次粒子の平均粒径の下限値は特に限定されないが、ハンドリングの観点から、50nm以上が好ましい。
また、上記一次粒子が凝集して形成するNCM系複合酸化物二次粒子(A)又は(D)の平均粒径は、好ましくは25μm以下であり、より好ましくは20μm以下である。かかる二次粒子の平均粒径が25μm以下であると、高温サイクル特性に優れた電池を得ることができる。なお、上記二次粒子の平均粒径の下限値は特に限定されないが、ハンドリングの観点から1μm以上が好ましく、5μm以上がより好ましい。
ここで、平均粒径とは、SEM又はTEMの電子顕微鏡による観察において、数十個の粒子の粒径(長軸の長さ)の測定値の平均値を意味する。
なお、本明細書において、NCM系複合酸化物二次粒子(A)又は(D)は、各々の二次粒子を形成してなる一次粒子のみを含み、リチウム系ポリアニオン粒子(B)又はナトリウム系ポリアニオン粒子(E)を含まない。
上記式(I)で表されるLi−NCM系複合酸化物粒子、又は上記式(III)で表されるNa−NCM系複合酸化物粒子が、NCM系複合酸化物二次粒子(A)又は(D)においてコア−シェル構造を形成してなる場合、コア部を形成する一次粒子としての平均粒径は、好ましくは50nm〜500nmであり、より好ましくは50nm〜300nmである。そして、上記一次粒子が凝集して形成するコア部の平均粒径は、好ましくは1μm〜25μmであり、より好ましくは1μm〜20μmである。
また、かかるコア部の表面を被覆するシェル部を構成するLi−NCM系複合酸化物粒子の一次粒子としての平均粒径、又はNa−NCM系複合酸化物粒子の一次粒子としての平均粒径は、好ましくは50nm〜500nmであり、より好ましくは50nm〜300nmであって、かかる一次粒子が凝集して形成するシェル部の層厚は、好ましくは0.1μm〜5μmであり、より好ましくは0.1μm〜2.5μmである。
上記式(I)又は式(III)で表されるNCM系複合酸化物粒子からなる二次粒子(A)又は(D)の表面では、NCM系複合酸化物粒子とリチウム系ポリアニオン粒子(B)又はナトリウム系ポリアニオン粒子(E)とが複合化して、リチウム系ポリアニオン粒子(B)又はナトリウム系ポリアニオン粒子(E)が、かかる二次粒子の表面を被覆するように存在しているため、NCM系複合酸化物粒子に含まれる金属(Ni、Co、Mn、M又はM)の溶出を効果的に抑制することができる。上記式(I)又は式(III)で表されるNCM系複合酸化物からなる二次粒子(A)又は(D)の内部空隙率は、リチウムイオン又はナトリウムイオンの挿入に伴うLi−NCM系複合酸化物又はNa−NCM系複合酸化物の膨張を各々の二次粒子の内部空隙内で許容させる観点から、NCM系複合酸化物二次粒子の100体積%中、4体積%〜12体積%が好ましく、5体積%〜10体積%がより好ましい。
次に、式(II)で示されるLi−NCA系複合酸化物粒子、及び式(IV)で示されるNa−NCA系複合酸化物粒子を説明する。
上記式(II)中のM、又は上記式(IV)中のMは、Mg、Ti、Nb、Fe、Cr、Si、Ga、V、Zn、Cu、Sr、Mo、Zr、Sn、Ta、W、La、Ce、Pb、Bi及びGeから選ばれる1種又は2種以上の元素を示す。
また、上記式(II)中のd、e、f、yは、0.4≦d<1、0<e≦0.6、0<f≦0.3、0≦y≦0.3、かつ3d+3e+3f+(Mの価数)×y=3を満たす数であり、上記式(IV)中のd’、e’、f’、y’は、0.4≦d’<1、0<e’≦0.6、0<f’≦0.3、0≦y’≦0.3、かつ3d’+3e’+3f’+(Mの価数)×y’=3を満たす数である。
上記式(II)又は式(IV)で表されるNCA系複合酸化物粒子は、式(I)又は式(III)で表されるNCM系複合酸化物粒子よりも、さらに電池容量及び出力特性に優れている。加えて、Alの含有により、雰囲気中の湿分による変質も生じ難く、安全性にも優れている。
上記式(II)で表されるLi−NCA系複合酸化物粒子としては、具体的には、例えばLiNi0.33Co0.33Al0.342、LiNi0.8Co0.1Al0.12、LiNi0.8Co0.15Al0.03Mg0.032、LiNi0.8Co0.15Al0.03Zn0.032等からなる粒子が挙げられる。なかでもLiNi0.8Co0.15Al0.03Mg0.032からなる粒子が好ましい。
また、上記式(IV)で表されるNa−NCA系複合酸化物粒子としては、具体的には、例えばNaNi0.33Co0.33Al0.342、NaNi0.8Co0.1Al0.12、NaNi0.8Co0.15Al0.03Mg0.032、NaNi0.8Co0.15Al0.03Zn0.032等からなる粒子が挙げられる。なかでもNaiNi0.8Co0.15Al0.03Mg0.032からなる粒子が好ましい。
上記式(II)又は式(IV)で表されるNCA系複合酸化物の一次粒子としての平均粒径、及び上記一次粒子が凝集して形成される複合酸化物二次粒子(A)又は(D)の平均粒径、並びにかかる二次粒子の内部空隙率は、上記のNCM系複合酸化物粒子と同様である。すなわち、上記式(II)又は式(IV)で表されるNCA系複合酸化物粒子の一次粒子としての平均粒径は、好ましくは500nm以下であり、より好ましくは300nm以下であり、上記一次粒子からなるNCA系複合酸化物二次粒子(A)又は(D)の平均粒径は、好ましくは25μm以下であり、より好ましくは20μm以下である。また、上記式(II)又は式(IV)で表されるNCA系複合酸化物からなるNCA系複合酸化物二次粒子(A)又は(D)の内部空隙率は、かかる二次粒子の体積100%中、4体積%〜12体積%が好ましく、5体積%〜10体積%がより好ましい。
かかる平均粒径及び内部空隙率を有することで、上記式(II)又は式(IV)で表されるNCA系複合酸化物粒子からなる二次粒子(A)又は(D)の表面では、NCA系複合酸化物粒子とリチウム系ポリアニオン粒子(B)又はナトリウム系ポリアニオン粒子(E)とが複合化して、リチウム系ポリアニオン粒子(B)又はナトリウム系ポリアニオン粒子(E)が、かかる二次粒子の表面を被覆するように存在しているため、NCA系複合酸化物粒子に含まれる金属(Ni、Co、Al、M又はM)の溶出を効果的に抑制することができる。
本発明のリチウム複合酸化物二次粒子(A)は、上記式(I)で表されるLi−NCM系複合酸化物粒子と上記式(II)で表されるLi−NCA系複合酸化物粒子が混在していてもよい。その混在状態は、上記式(I)で表されるLi−NCM系複合酸化物粒子である一次粒子と上記式(II)で表されるLi−NCA系複合酸化物粒子である一次粒子が共存してなる二次粒子を形成してもよく、また上記式(I)で表されるLi−NCM系複合酸化物粒子のみからなる二次粒子と上記式(II)で表されるLi−NCA系複合酸化物粒子のみからなる二次粒子とが混在してもよく、さらには上記式(I)で表されるLi−NCM系複合酸化物粒子である一次粒子と上記式(II)で表されるLi−NCA系複合酸化物粒子である一次粒子が共存してなる二次粒子、上記式(I)で表されるLi−NCM系複合酸化物粒子のみからなる二次粒子及び上記式(II)で表されるLi−NCA系複合酸化物粒子のみからなる二次粒子とが混在するものであってもよい。そして、上記式(I)で表されるLi−NCM系複合酸化物粒子のみからなる二次粒子である場合、互いに組成が異なる2種以上のLi−NCM系複合酸化物粒子によって、コア−シェル構造を形成してなるものであってもよい。
また、本発明のナトリウム複合酸化物二次粒子(D)は、上記式(III)で表されるNa−NCM系複合酸化物粒子と上記式(IV)で表されるNa−NCA系複合酸化物粒子が混在していてもよい。その混在状態は、上記式(III)で表されるNa−NCM系複合酸化物粒子である一次粒子と上記式(IV)で表されるNa−NCA系複合酸化物粒子である一次粒子が共存してなる二次粒子を形成してもよく、また上記式(III)で表されるNa−NCM系複合酸化物粒子のみからなる二次粒子と上記式(IV)で表されるNa−NCA系複合酸化物粒子のみからなる二次粒子とが混在してもよく、さらには上記式(III)で表されるNa−NCM系複合酸化物粒子である一次粒子と上記式(IV)で表されるNa−NCA系複合酸化物粒子である一次粒子が共存してなる二次粒子、上記式(III)で表されるNa−NCM系複合酸化物粒子のみからなる二次粒子及び上記式(IV)で表されるNa−NCA系複合酸化物粒子のみからなる二次粒子とが混在するものであってもよい。そして、上記式(III)で表されるNa−NCM系複合酸化物粒子のみからなる二次粒子である場合、互いに組成が異なる2種以上のNa−NCM系複合酸化物粒子によって、コア−シェル構造を形成してなるものであってもよい。
上記式(I)又は上記式(III)で表されるNCM系複合酸化物粒子と上記式(II)又は上記式(IV)で表されるNCA系複合酸化物粒子が混在する場合の、NCM系複合酸化物粒子とNCA系複合酸化物粒子の割合(質量%)は、求める電池特性によって適宜調整すればよい。例えば、レート特性を重視する場合には、上記式(I)又は上記式(III)で表されるNCM系複合酸化物粒子が占める割合を高くするのが好ましく、具体的には、NCM系複合酸化物粒子とNCA系複合酸化物粒子の質量比(NCM系複合酸化物:NCA系複合酸化物)は、99.9:0.1〜60:40であるのが好ましい。また、例えば、電池容量を重視する場合には、上記式(II)又は上記式(IV)で表されるNCA系複合酸化物粒子が占める割合を高くするのが好ましく、具体的には、例えばNCM系複合酸化物粒子とNCA系複合酸化物粒子の質量比(NCM系複合酸化物:NCA系複合酸化物)は、40:60〜0.1:99.9であるのが好ましい。
上記NCM系二次粒子(A)又は(D)、或いはNCA系複合酸化物二次粒子(A)又は(D)は、その内部空隙に水不溶性炭素粒子(C)が包埋されるとともに、その表面に水不溶性炭素粒子(C)が担持されてなるものであってもよい。
水不溶性炭素粒子(C)とは、25℃の水100gに対する溶解量が、水不溶性炭素粒子の炭素原子換算量で0.4g未満である水不溶性の炭素材料であって、焼成等せずともそのもの自体が導電性を有するものである。かかる水不溶性炭素粒子(C)の材料としては、グラファイト、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、及びサーマルブラックから選ばれる1種又は2種以上が挙げられる。なかでも、ハンドリング及び吸着水分量低減の観点から、グラファイトが好ましい。グラファイトとしては、人造グラファイト(鱗片状、塊状、土状、グラフェン)、天然グラファイトのいずれであってもよい。
水不溶性炭素粒子(C)のBET比表面積は、吸着水分量を効果的に低減する観点から、好ましくは1m/g〜750m/gであり、より好ましくは3m/g〜500m/gである。また、かかる水不溶性炭素粒子(C)の平均粒径は、NCM系二次粒子(A)又は(D)、或いはNCA系複合酸化物二次粒子(A)又は(D)と良好に複合化させる観点から、好ましくは0.1μm〜10μmであり、より好ましくは0.1μm〜5μmである。
上記リチウム複合酸化物二次粒子(A)又はナトリウム複合酸化物二次粒子(D)の内部空隙に包埋されるとともに、表面に担持される水不溶性炭素粒子(C)の包埋量及び担持量の合計量は、リチウムイオン二次電池用正極活物質複合体又はナトリウムイオン二次電池用正極活物質複合体中に、0.5質量%〜20質量%であり、より好ましくは0.5質量%〜15質量%であり、さらに好ましくは0.5質量%〜10質量%である。
また、リチウム複合酸化物二次粒子(A)又はナトリウム複合酸化物二次粒子(D)の含有量と水不溶性炭素粒子(C)の含有量との質量比((A):(C)、又は(D):(C))は、99.9:0.1〜90:10が好ましく、98:2〜92:8がより好ましい。
次に、上記リチウム系ポリアニオン粒子(B)、及び上記ナトリウム系ポリアニオン粒子(E)を説明する。
リチウム複合酸化物二次粒子(A)の表面及び内部空隙において、リチウム複合酸化物粒子と複合化される、リチウム系ポリアニオン粒子(B)は、下記式(V):
LiCoNi PO・・・(V)
(式(V)中、MはFe、Mn、Ca、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd又はGdを示す。s、g、h、及びiは、0.8≦s≦1.2、0≦g≦1.2、0≦h≦1.2、0≦i≦0.3、g+h≠0、及び0.8≦(g+h+i)≦1.2を満たし、かつs+2g+2h+(Mの価数)×i=3を満たす数を示す。)
又は、下記式(VI):
LiCoNi SiO・・・(VI)
(式(VI)中、MはFe、Mn、Ca、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd又はGdを示す。t、j、k、及びlは、1.6≦t≦2.4、0≦j≦1.2、0≦k≦1.2、0≦l≦1.2、j+k≠0、及び0.8≦(j+k+l)≦1.2を満たし、かつt+2j+2k+(Mの価数)×l=4を満たす数を示す。)
で表され、少なくともコバルト、又はニッケルのいずれかを含む化合物であり、良好なリチウムイオン伝導性をもたらし得る化合物である。リチウム系ポリアニオン粒子(B)のリチウムイオン伝導度は、1×10−7S/cm以上であることが好ましく、1×10−6S/cm以上であることがより好ましい。
なお、リチウム系ポリアニオン粒子(B)は、リチウム複合酸化物の一次粒子と複合化していてもよく、リチウム複合酸化物の一次粒子が凝集してなる二次粒子(A)の一部と直接複合化していてもよい。
上記式(V)で表されるリチウム系ポリアニオン粒子(B)としては、具体的には、例えばLiCoPO、LiCo0.75Ni0.25PO、LiCo0.7Ni0.2Mn0.1PO、LiCo0.7Ni0.2Fe0.1PO、Li0.9Co1.05PO、Li1.1Co0.95PO、Li1.1Co0.75Ni0.20PO等が挙げられる。なかでも、LiCoPO、又はLiCo0.7Ni0.2Mn0.1POが好ましい。
また、上記式(VI)で表されるリチウム系ポリアニオン粒子(B)としては、具体的には、例えばLiCoSiO、LiCo0.5Ni0.5SiO、LiCo0.4Ni0.4Mn0.2SiO、LiCo0.4Ni0.4Fe0.2SiO、Li2.2Co0.9SiO、Li1.8Co1.1SiO、Li2.2Co0.5Ni0.4SiO等が挙げられる。なかでも、LiCoSiO、又はLiCo0.4Ni0.4Mn0.2SiOが好ましい。
さらに、リチウム系ポリアニオン粒子(B)は、上記式(V)又は(VI)で表されるリチウム系ポリアニオン粒子からなるコア部(内部)とシェル部(表層部)を有するコア−シェル構造を形成してなるものであってもよい。
このリチウム系ポリアニオン粒子(B)のコア−シェル構造によって、リチウム系ポリアニオン粒子(B)から電解液に溶出しやすいMn含有量の多いリチウム系ポリアニオンをコア部に配置し、電解液に接するシェル部にはMn含有量の少ないリチウム系ポリアニオンを配置したり、人体や環境に対する毒性の強いCo含有量の多いリチウム系ポリアニオンをコア部に配置し、電解液に接するシェル部にはCo含有量の少ないリチウム系ポリアニオンを配置したりすることによって、リチウム系ポリアニオン粒子に起因するサイクル特性の低下の抑制と安全性の確保をより向上させることができる。このとき、コア部は1相であってもよいし、組成の異なる2相以上で構成していてもよい。コア部を2相以上で構成する態様として、同心円状に複数の相が層状となって積層された構造でもよいし、コア部の表面から中心部に向けて遷移的に組成が変化する構造でもよい。
さらに、シェル部は、コア部の外側に形成されてなるものであればよく、コア部同様に1相であってもよいし、組成の異なる2相以上で構成していてもよい。
このような組成が異なる2種以上のリチウム系ポリアニオン粒子によってコア−シェル構造を形成してなるリチウム系ポリアニオン粒子(B)として、具体的には(コア部)−(シェル部)が、例えば(LiCoPO)−(LiNiPO)、(LiCo0.8Mn0.2PO)−(LiNiPO)、(LiCoPO)−(LiFe0.3Ni0.7PO)、(Li2CoSiO)−(Li2NiSiO)、(Li2Co0.8Mn0.2SiO)−(Li2NiSiO)、又は(Li2CoSiO)−(Li2Fe0.3Ni0.7SiO)等からなる粒子が挙げられる。
また、ナトリウム複合酸化物二次粒子(D)の表面及び内部空隙において、ナトリウム複合酸化物と複合化される、ナトリウム系ポリアニオン粒子(E)は、下記式(VII):
NaCog’Nih’ i’PO・・・(VII)
(式(VII)中、MはFe、Mn、Ca、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd又はGdを示す。w、g’、h’、及びi’は、0.8≦w≦1.2、0≦g’≦1.2、0≦h’≦1.2、0≦i’≦0.3、g’+h’≠0、及び0.8≦(g’+h’+i’)≦1.2を満たし、かつw+2g’+2h’+(Mの価数)×i’=3を満たす数を示す。)
又は、下記式(VIII):
NaCoj’Nik’10 l’SiO・・・(VIII)
(式(VIII)中、M10はFe、Mn、Ca、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd又はGdを示す。x、j’、k’、及びl’は、1.6≦x≦2.4、0≦j’≦1.2、0≦k’≦1.2、0≦l’≦1.2、j’+k’≠0、及び0.8≦(j’+k’+l’)≦1.2を満たし、かつx+2j’+2k’+(M10の価数)×l’=4を満たす数を示す。)
で表され、少なくともコバルト、又はニッケルのいずれかを含む化合物であり、良好なナトリウムイオン伝導性をもたらし得る化合物である。ナトリウム系ポリアニオン粒子(E)のナトリウムイオン伝導度は、1×10−7S/cm以上であることが好ましく、1×10−6S/cm以上であることがより好ましい。
なお、ナトリウム系ポリアニオン粒子(E)は、ナトリウム複合酸化物粒子である一次粒子と複合化していてもよく、ナトリウム複合酸化物粒子である一次粒子が凝集してなる二次粒子(D)の一部と直接複合化していてもよい。
上記式(VII)で表されるナトリウム系ポリアニオン粒子(E)としては、具体的には、例えばLiCoPO、NaCo0.75Ni0.25PO、NaCo0.7Ni0.2Mn0.1PO、NaCo0.7Ni0.2Fe0.1PO、Na0.9Co1.05PO、Na1.1Co0.95PO、Na1.1Co0.75Ni0.20PO等が挙げられる。なかでも、NaCoPO、又はNaCo0.7Ni0.2Mn0.1POが好ましい。
さらに、上記式(VIII)で表されるナトリウム系ポリアニオン粒子(E)としては、具体的には、例えばNaCoSiO、NaCo0.5Ni0.5SiO、NaCo0.4Ni0.4Mn0.2SiO、NaCo0.4Ni0.4Fe0.2SiO、Li2.2Co0.9SiO、Li1.8Co1.1SiO、Li2.2Co0.5Ni0.4SiO等が挙げられる。なかでも、NaCoSiO、又はNaCo0.4Ni0.4Mn0.2SiOが好ましい。
さらに、ナトリウム系ポリアニオン粒子(E)は、上記式(VII)又は(VIII)で表されるナトリウム系ポリアニオン粒子からなるコア部(内部)とシェル部(表層部)を有するコア−シェル構造を形成してなるものであってもよい。
このナトリウム系ポリアニオン粒子(E)のコア−シェル構造によって、ナトリウム系ポリアニオン粒子(E)から電解液に溶出しやすいMn含有量の多いナトリウム系ポリアニオンをコア部に配置し、電解液に接するシェル部にはMn含有量の少ないナトリウム系ポリアニオンを配置したり、人体や環境に対する毒性の強いCo含有量の多いナトリウム系ポリアニオンをコア部に配置し、電解液に接するシェル部にはCo含有量の少ないナトリウム系ポリアニオンを配置したりすることによって、ナトリウム系ポリアニオン粒子に起因するサイクル特性の低下の抑制と安全性の確保をより向上させることができる。このとき、コア部は1相であってもよいし、組成の異なる2相以上で構成していてもよい。コア部を2相以上で構成する態様として、同心円状に複数の相が層状となって積層された構造でもよいし、コア部の表面から中心部に向けて遷移的に組成が変化する構造でもよい。
さらに、シェル部は、コア部の外側に形成されてなるものであればよく、コア部同様に1相であってもよいし、組成の異なる2相以上で構成していてもよい。
このような組成が異なる2種以上のナトリウム系ポリアニオン粒子によってコア−シェル構造を形成してなるナトリウム系ポリアニオン粒子(E)として、具体的には(コア部)−(シェル部)が、例えば、(NaCoPO)−(NaNiPO)、(NaCo0.8Mn0.2PO)−(NaNiPO)、(NaCoPO)−(NaFe0.3Ni0.7PO)、(Na2CoSiO)−(Na2NiSiO)、(Na2Co0.8Mn0.2SiO)−(Na2NiSiO)、又は(Na2CoSiO)−(Na2Fe0.3Ni0.7SiO)等からなる粒子が挙げられる。
上記式(V)又は上記式(VI)で表されるリチウム系ポリアニオン粒子(B)、並びに上記式(VII)又は上記式(VIII)で表されるナトリウム系ポリアニオン粒子(E)の形状は特に限定されないが、かかるリチウム系ポリアニオン粒子(B)、及びナトリウム系ポリアニオン粒子(E)の平均粒径は、リチウム複合酸化物二次粒子(A)又はナトリウム複合酸化物二次粒子(D)の表面及び内部空隙において、リチウム複合酸化物粒子又はナトリウム複合酸化物粒子と密に複合化させる観点から、10nm〜500nmが好ましく、10nm〜300nmがより好ましい。
なお、コア−シェル構造を形成してなるリチウム系ポリアニオン粒子(B)及びナトリウム系ポリアニオン粒子(E)の平均粒径も上記と同様に、10nm〜500nmであって、好ましくは10nm〜300nmである。
上記リチウム複合酸化物二次粒子(A)の含有量と、上記リチウム系ポリアニオン粒子(B)の含有量との質量比((A):(B))は、95:5〜50:50であって、90:10〜50:50が好ましく、85:15〜50:50がより好ましい。
また、上記ナトリウム複合酸化物二次粒子(D)の含有量と、上記ナトリウム系ポリアニオン粒子(E)の含有量との質量比((D):(E))は、95:5〜50:50であって、90:10〜50:50が好ましく、85:15〜50:50がより好ましい。
また、上記複合酸化物二次粒子(A)又は(D)は、その内部空隙に水不溶性炭素粒子(C)が包埋されるとともに、その表面に水不溶性炭素粒子(C)が担持されてなるものである場合、複合酸化物二次粒子(A)又は(D)の含有量と、上記リチウム系ポリアニオン粒子(B)又はナトリウム系ポリアニオン粒子(E)並びに上記水不溶性炭素粒子(C)の合計含有量との質量比((A):((B)+(C))、又は(D):((E)+(C)))は、好ましくは95:5〜50:50であって、90:10〜50:50が好ましく、85:15〜50:50がより好ましい。
さらに、上記複合酸化物二次粒子(A)又は(D)中の、リチウム系ポリアニオン粒子(B)又はナトリウム系ポリアニオン粒子(E)と、水不溶性炭素粒子(C)との質量比((B):(C)、又は(E):(C))は、95:5〜70:30が好ましく、90:10〜75:25がより好ましい。
本発明のリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体の製造方法又はナトリウムイオン二次電池用正極活物質複合体の製造方法は、リチウム複合酸化物二次粒子(A)又はナトリウム複合酸化物二次粒子(D)の表面及び内部空隙において、リチウム複合酸化物粒子又はナトリウム複合酸化物粒子とリチウム系ポリアニオン粒子(B)又はナトリウム系ポリアニオン粒子(E)とを複合化する工程を備える。
具体的には、リチウムイオン二次電池用正極活物質複合体の製造方法又はナトリウムイオン二次電池用正極活物質複合体の製造方法は、次の工程(X)〜(Z):
(X)リチウム化合物又はナトリウム化合物、ニッケル化合物、コバルト化合物、及びマンガン化合物を含有する混合粉体を焼成して、式(I)又は式(III)の複合酸化物二次粒子(A)又は(D)を得るか、或いは
リチウム化合物又はナトリウム化合物、ニッケル化合物、コバルト化合物、及びアルミニウム化合物を含有する混合粉体を焼成して、式(II)又は式(IV)の複合酸化物二次粒子(A)又は(D)を得る工程、
(Y)リチウム化合物又はナトリウム化合物、コバルト化合物又はニッケル化合物の少なくとも1つ、及びリン酸化合物又はケイ酸化合物、並びに工程(X)で得られたリチウム複合酸化物二次粒子(A)、或いはナトリウム複合酸化物二次粒子(D)を水熱反応に付して、リチウム複合酸化物二次粒子(A)又はナトリウム複合酸化物二次粒子(D)の表面及び内部空隙において、リチウム複合酸化物粒子又はナトリウム複合酸化物粒子とリチウム系ポリアニオン粒子(B)又はナトリウム系ポリアニオン粒子(E)とが複合化されたリチウム系複合物又はナトリウム系複合物を得る工程、及び
(Z)工程(Y)で得られたリチウム系複合物又はナトリウム系複合物を洗浄し、乾燥する工程
を備える。
次に、リチウムイオン二次電池用正極活物質複合体の製造方法について、より具体的に説明する。なお、ナトリウムイオン二次電池用正極活物質複合体の製造方法については、リチウムイオン二次電池用正極活物質複合体の製造方法における「リチウム」の文言を「ナトリウム」に置き換えればよい。
工程(X)は、リチウム化合物、ニッケル化合物、コバルト化合物、及びマンガン化合物を含有する混合粉体を焼成して、式(I)の複合酸化物二次粒子(A)を得るか、或いはリチウム化合物、ニッケル化合物、コバルト化合物、及びアルミニウム化合物を含有する混合粉体を焼成して、式(II)の複合酸化物二次粒子(A)を得る工程である。
式(I)のLi−NCM系複合酸化物を得るには、原料化合物、例えば、ニッケル化合物、コバルト化合物、及びマンガン化合物を、所望する複合酸化物の組成となるように水に溶解させて水溶液Aを得る。かかるニッケル化合物、コバルト化合物、及びマンガン化合物としては、例えば、当該金属元素の硫酸塩、硝酸塩、炭酸塩、酢酸塩、シュウ酸塩、酸化物、水酸化物、ハロゲン化物等が挙げられる。具体的には、例えば、硫酸ニッケル、硫酸コバルト、硫酸マンガン、酢酸ニッケル、酢酸コバルト、酢酸マンガン等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
この過程で、必要に応じて、さらに所望する複合酸化物の組成になるように、活物質材料を構成する層状のリチウム金属複合酸化物の一部を置換する金属元素(M)として、Mg、Ti、Nb、Fe、Cr、Si、Al、Ga、V、Zn、Cu、Sr、Mo、Zr、Sn、Ta、W、La、Ce、Pb、Bi及びGeから選ばれる1種又は2種以上の元素を混入させてもよい。
次に、上記水溶液Aに、アルカリ溶液を添加して水溶液Bとし、溶解している金属水分を中和反応によって共沈させ、金属複合水酸化物を得る。アルカリ溶液は、水溶液BのpHが、10〜14に保持するのに充分な量を滴下する。アルカリ溶液としては、例えば、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、炭酸ナトリウム、アンモニア等の水溶液を用いることができるが、水酸化ナトリウム、炭酸ナトリウム又はそれらの混合溶液を用いることが好ましい。
上記水溶液Bを撹拌して、金属複合水酸化物を生成させるが、この反応中の水溶液Bの温度は、30℃以上が好ましく、より好ましくは30℃〜60℃である。また、水溶液Bの撹拌時間は、30分間〜120分間が好ましく、30分間〜60分間がより好ましい。
撹拌後、水溶液Bを濾過して金属複合水酸化物を回収する。回収した金属複合水酸化物は、水で洗浄後、乾燥するのが好ましい。
次いで、所望する複合酸化物の組成となるように、上記金属複合水酸化物とリチウム化合物を乾式混合し、酸素雰囲気下で焼成することにより、式(I)のLi−NCM系複合酸化物を得ることができる。リチウム化合物としては、例えば、水酸化リチウム又はその水和物、過酸化リチウム、硝酸リチウム、炭酸リチウム等を好適に使用することができる。金属複合水酸化物とリチウム化合物の乾式混合は、ボールミルやVブレンダー等の、通常の乾式混合機又は混合造粒装置等を用いることができ、自公転可能な遊星ボールミルを用いるのがより好ましい。
上記金属複合水酸化物とリチウム化合物の混合物の焼成は、2段階(仮焼成及び本焼成)で行うことが好ましい。上記混合物中の水酸化物や炭酸塩からの水分子や二酸化炭素等の加熱分解成分を、仮焼成で除去した後に本焼成を行うことによって、効率よく式(I)のLi−NCM系複合酸化物を得ることができる。仮焼成の条件としては、特に限定されるものではないが、昇温速度は室温から1℃/分〜20℃/分であることが好ましい。また、雰囲気は、大気雰囲気又は酸素雰囲気であることが好ましい。また、焼成温度は、400℃〜1000℃であることが好ましく、450℃〜750℃であることがより好ましい。さらに、焼成時間は1時間〜20時間であることが好ましく、1時間〜10時間であることがより好ましい。
次の本焼成の条件としては、特に限定されるものではないが、仮焼成した後、乳鉢等で解砕された上記仮焼成物は、再度、室温から昇温速度1℃/分〜20℃/分で加熱される。この際の雰囲気は、空気中ないし酸素雰囲気下であることが好ましい。また、焼成温度は、600℃〜1200℃であることが好ましく、650℃〜900℃であることがより好ましい。さらに、焼成時間は3時間〜30時間であることが好ましく、5時間〜25時間であることがより好ましい。
この2段階の焼成には、酸素雰囲気、除湿及び除炭酸処理を施した乾燥空気雰囲気等の酸素濃度が20質量%以上のガス雰囲気に調整した電気炉、ロータリーキルン、管状炉、プッシャー炉等を用いることができる。
Li−NCM系複合酸化物の一次粒子の平均粒径は、本焼成の焼成温度を調整することにより制御することができる。上記式(I)のLi−NCM系複合酸化物の一次粒子の平均粒径を50nm〜500nmとするには、焼成温度を好ましくは700℃〜1000℃、より好ましくは750℃〜900℃とすればよい。
さらに、複合酸化物二次粒子の内部空隙率は、本焼成の焼成時間を調整することにより制御することができる。上記式(I)のLi−NCM系複合酸化物粒子である一次粒子からなる複合酸化物二次粒子(A)の内部空隙率を4体積%〜12体積%とするには、焼成時間を好ましくは6時間〜12時間、より好ましくは8時間〜10時間とすればよい。
最後に、得られた焼成物を水洗した後、濾過、乾燥して式(I)の複合酸化物二次粒子(A)を得る。ここで、上記乾燥は二段階で行い、第一段階の乾燥を、Li−NCM系複合酸化物の二次粒子中の水分(気化温度300℃で測定した水分率)が1質量%以下になるまでは90℃以下で乾燥し、その後、第二段階の乾燥を120℃以上で行うのが好ましい。水分量の測定は、例えば、カールフィッシャー水分計を用いて測定すればよい。
コア−シェル構造を有するLi−NCM系複合酸化物を製造する場合、上記工程(X)の本焼成で得られた複合酸化物二次粒子をコア部とし、かかるコア部を構成する複合酸化物二次粒子の表面上に組成の異なるLi−NCM系複合酸化物が生成するように、工程(X)を繰り返せばよい。このシェル部を生成するための工程を工程(x)と称する。
工程(x)において、シェル部となるLi−NCM系複合酸化物を得るには、上記工程(X)における水溶液Aの製造方法と同様にして、所望するLi−NCM系複合酸化物の組成に対応する水溶液aを得た後、上記工程(X)における水溶液Bの製造方法と同様にして、金属複合水酸化物を含む水溶液bを得る。
次に、上記水溶液bに、上記工程(X)の本焼成で得られたコア部を構成する複合酸化物二次粒子を混合撹拌し、室温から1℃/分〜20℃/分の昇温速度で100℃〜110℃まで加熱し、空気中ないし酸素雰囲気下、かかる加熱温度範囲で加熱しながら攪拌して水分を90%以上蒸発させる。これにより、コア部を構成する複合酸化物二次粒子の表面に、シェル部を構成するLi−NCM系複合酸化物粒子の原材料を共沈させることができる。なお、加熱温度を調整することで、シェル部の厚さを制御することができる。
上記工程を経ることにより得られた粒子を、工程(X)と同様にして二段階焼成及び二段階乾燥に付した後、水洗し、次いで濾過、及び乾燥して、コア−シェル構造を有するリチウム複合酸化物二次粒子(A)を得る。
次に、工程(X)において、式(II)の複合酸化物二次粒子(A)を得る場合につき、具体的に説明する。
式(II)の複合酸化物二次粒子(A)を得るには、原料化合物、例えば、ニッケル化合物、コバルト化合物、及びアルミニウム化合物を、所望する複合酸化物の組成となるように水に溶解させて水溶液A’を得る。かかるニッケル化合物、コバルト化合物、及びアルミニウム化合物としては、例えば、当該金属元素の硫酸塩、硝酸塩、炭酸塩、酢酸塩、シュウ酸塩、酸化物、水酸化物、ハロゲン化物などが挙げられる。具体的には、例えば、硫酸ニッケル、硫酸コバルト、硫酸アルミニウム、酢酸ニッケル、酢酸コバルト、酢酸アルミニウム等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。この過程で、必要に応じて、さらに所望する複合酸化物の組成になるように、活物質材料を構成する層状のリチウム金属複合酸化物の一部を置換する金属元素(M)として、Mg、Ti、Nb、Fe、Cr、Si、Ga、V、Zn、Cu、Sr、Mo、Zr、Sn、Ta、W、La、Ce、Pb、Bi及びGeから選ばれる1種又は2種以上の元素を混入させてもよい。
次に、上記水溶液A’に、アルカリ剤を添加して水溶液B’とし、溶解している金属水分を中和反応によって共沈させ、金属複合水酸化物を得る。アルカリ剤は、水溶液B’のpHが10〜14に保持するのに充分な量を滴下する。アルカリ剤としては、例えば、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、炭酸ナトリウム、アンモニア等の水溶液を用いることができるが、アンモニア、水酸化ナトリウム、炭酸ナトリウム又はそれらの混合溶液を用いることが好ましい。
上記水溶液B’を撹拌して、金属複合水酸化物を生成させるが、この反応中の水溶液B’の温度は、40℃以上が好ましく、より好ましくは40℃〜60℃である。また、水溶液B’の撹拌時間は、30分間〜120分間が好ましく、30分間〜60分間がより好ましい。
嵩密度の高い金属複合水酸化物とするために、上記反応後の水溶液B’に、さらに次亜塩素酸ソーダや過酸化水素水等の酸化剤を添加してもよい。
撹拌後、水溶液B’を濾過して金属複合水酸化物を回収する。回収した金属複合水酸化物は、焼成して金属複合酸化物とするのが好ましい。金属複合酸化物としてリチウム化合物と反応させることで、得られるLi−NCA系複合酸化物の品位が安定するとともに、リチウムと均一かつ充分に反応させることができる。
金属複合酸化物を得るための焼成条件は、特に限定されるものではなく、例えば、大気雰囲気下、好ましくは500℃〜1100℃、より好ましくは600℃〜900℃の温度で焼成すればよい。
次いで、所望する複合酸化物の組成となるように、上記金属複合酸化物とリチウム化合物を乾式混合し、酸素雰囲気下で焼成することにより、式(II)のLi−NCA系複合酸化物を得ることができる。リチウム化合物としては、特に限定されるものではなく、例えば、水酸化リチウム又はその水和物、過酸化リチウム、硝酸リチウム、炭酸リチウム等が、好適に使用できる。金属複合酸化物とリチウム化合物の乾式混合は、ボールミルやVブレンダー等の、通常の乾式混合機又は混合造粒装置等を用いることができ、焼成には、酸素雰囲気、除湿及び除炭酸処理を施した乾燥空気雰囲気等の酸素濃度が20質量%以上のガス雰囲気に調整した電気炉、ロータリーキルン、管状炉、プッシャー炉等を用いることができる。
上記金属複合酸化物とリチウム化合物の混合物の焼成は、焼成温度が650℃〜850℃であることが好ましく、700℃〜800℃であることがより好ましい。650℃未満の焼成温度では、得られるLi−NCA系複合酸化物の結晶が未発達で構造的に不安定であり、充放電で容易に構造が破壊される。一方、焼成温度が850℃を超えると、Li−NCA系複合酸化物の層状構造が崩れ、リチウムイオンの挿入・脱離が困難になる。焼成時間は、5時間〜20時間であることが好ましく、6時間〜10時間であることがより好ましい。
さらに、リチウム化合物の結晶水又は炭酸を取り除くために、NCM系複合酸化物と同様にして、2段階焼成するのが好ましく、その場合には、第一段階の仮焼成を400℃〜600℃で1時間以上行い、続いて第二段階の本焼成を650℃〜850℃で5時間以上行えばよい。
最後に、得られた焼成物を水洗した後、濾過、及び乾燥して式(II)の複合酸化物二次粒子(A)を得る。焼成物を水洗する際のスラリー濃度は、200g/L〜4000g/Lが好ましく、500g/L〜2000g/Lがより好ましい。このスラリー濃度が200g/L未満であると、Li−NCA系複合酸化物の二次粒子からリチウムの脱離が生じるおそれがある。
また、水洗に使用する水に炭酸ガスが多く含まれていると、炭酸リチウムが式(II)の複合酸化物二次粒子(A)に析出するため、水洗に用いる水の電気伝導率は、10μS/cm未満がこのましく、1μS/cm以下の水がより好ましい。
本発明の製造方法では、この工程(X)において、水洗、濾過の後に行う乾燥は、二段階で行う必要がある。第一段階の乾燥を、二次粒子中の水分(気化温度300℃で測定した水分率)が1質量%以下になるまでは90℃以下で乾燥し、その後、第二段階の乾燥を120℃以上で行う。
工程(Y)は、リチウム化合物、コバルト化合物又はニッケル化合物の少なくとも1つ、及びリン酸化合物又はケイ酸化合物、並びに工程(X)で得られたリチウム複合酸化物二次粒子(A)を水熱反応に付して、
リチウム複合酸化物二次粒子(A)の表面及び内部空隙において、リチウム複合酸化物粒子とリチウム系ポリアニオン粒子(B)とが複合化されたリチウム系複合物を得る工程である。
工程(Y)は、リチウム化合物を含むスラリーa1に、リン酸化合物又はケイ酸化合物を添加し、次いで少なくともコバルト化合物又はニッケル化合物を含む金属塩、及びリチウム複合酸化物二次粒子(A)を添加してスラリーa2を得た後に、スラリーa2を水和反応に付する工程である。
スラリーa2におけるリチウム化合物の含有量は、水100質量部に対し、好ましくは5質量部〜50質量部であり、より好ましくは7質量部〜45質量部である。より具体的には、リン酸化合物を用いた場合、スラリーa2におけるリチウム化合物の含有量は、水100質量部に対し、好ましくは5質量部〜50質量部であり、より好ましくは10質量部〜45質量部である。また、ケイ酸化合物を用いた場合、スラリーa2におけるリチウム化合物の含有量は、水100質量部に対し、好ましくは5質量部〜40質量部であり、より好ましくは7質量部〜35質量部である。
スラリーa1にリン酸化合物又はケイ酸化合物を添加する前に、予めスラリーa1を撹拌しておくのが好ましい。かかるスラリーa1の撹拌時間は、好ましくは1分間〜15分間であり、より好ましくは3分間〜10分間である。また、スラリーa1の温度は、好ましくは20℃〜90℃であり、より好ましくは20℃〜70℃である。
リン酸化合物として水溶液であるリン酸を用いる場合、スラリーa1にリン酸を添加するにあたり、スラリーa1を撹拌しながらリン酸を滴下するのが好ましい。スラリーa1にリン酸を滴下して少量ずつ加えることで、スラリーa1中において良好に反応が進行し、LiPOがスラリーa1中で均一に分散しつつ生成される。
リン酸の上記スラリーa1への滴下速度は、好ましくは15mL/分〜50mL/分であり、より好ましくは20mL/分〜45mL/分であり、さらに好ましくは28mL/分〜40mL/分である。また、リン酸を滴下しながらのスラリーa1の撹拌時間は、好ましくは0.5時間〜24時間であり、より好ましくは3時間〜12時間である。さらに、リン酸を滴下しながらのスラリーa1の撹拌速度は、好ましくは200rpm〜700rpmであり、より好ましくは250rpm〜600rpmであり、さらに好ましくは300rpm〜500rpmである。
リン酸化合物又はケイ酸化合物を添加した後のスラリーa1は、リン酸又はケイ酸1モルに対し、リチウムを2.0モル〜4.0モル含有するのが好ましく、2.0モル〜3.1モル含有するのがより好ましく、このような量となるよう、上記リチウム化合物と、リン酸化合物又はケイ酸化合物を用いればよい。より具体的には、リン酸化合物を用いた場合、リン酸化合物を添加した後のスラリーa1は、リン酸1モルに対し、リチウムを2.7モル〜3.3モル含有するのが好ましく、2.8モル〜3.1モル含有するのがより好ましく、ケイ酸化合物を用いた場合、ケイ酸化合物を添加した後のスラリーa1は、ケイ酸1モルに対し、リチウムを2.0モル〜4.0モル含有するのが好ましく、2.0モル〜3.0モル含有するのがより好ましい。
リン酸化合物又はケイ酸化合物を添加した後のスラリーa1に対して窒素をパージすることにより、かかるスラリーa1中での反応を完了させて、LiPO又はケイ酸塩前駆体をスラリーとして得る。窒素がパージされると、スラリーa1中の溶存酸素濃度が低減された状態で反応を進行させることができ、また得られるLiPO又はケイ酸塩前駆体を含有するスラリーの溶存酸素濃度も効果的に低減されるため、次いで添加する金属塩の酸化を抑制することができる。かかるLiPO又はケイ酸塩前駆体を含有するスラリー中において、それらは微細な分散粒子として存在する。
窒素をパージする際における圧力は、好ましくは0.1MPa〜0.2MPaであり、より好ましくは0.1MPa〜0.15MPaである。また、リン酸化合物又はケイ酸化合物を添加した後のスラリーa1の温度は、好ましくは20℃〜80℃であり、より好ましくは20℃〜60℃である。また、反応時間は、好ましくは5分間〜60分間であり、より好ましくは15分間〜45分間である。
さらに、窒素をパージする際、反応を良好に進行させる観点から、リン酸化合物又はケイ酸化合物を添加した後のスラリーa1を撹拌するのが好ましい。このときの撹拌速度は、好ましくは200rpm〜700rpmであり、より好ましくは250rpm〜600rpmである。
また、より効果的にLiPO又はケイ酸塩前駆体の微細化を図る観点から、リン酸化合物又はケイ酸化合物を添加した後のスラリーa1中における溶存酸素濃度を0.5mg/L以下とするのが好ましく、0.2mg/L以下とするのがより好ましい。
次いで、スラリーa1に少なくともコバルト化合物又はニッケル化合物を含む金属塩、及びリチウム複合酸化物二次粒子(A)を添加してスラリーa2を得る。少なくともコバルト化合物又はニッケル化合物を含む金属塩の合計添加量は、スラリーa2中に含有されるリン酸イオン又はケイ酸イオン1モルに対し、好ましくは0.99モル〜1.01モルであり、より好ましくは0.995モル〜1.005モルである。また、コバルト又はニッケル以外の金属(M又はM)塩を用いる場合、コバルト化合物、ニッケル化合物、及び金属(M又はM)塩の合計添加量は、得られたスラリーa2中のリン酸又はケイ酸1モルに対し、好ましくは0.99モル〜1.01モルであり、より好ましくは0.995モル〜1.005モルである。
なお、コバルト化合物、ニッケル化合物、金属(M又はM)塩及びリチウム複合酸化物二次粒子(A)の添加順序は、特に限定されない。また、これらの金属塩を添加する際に、必要に応じて酸化防止剤を添加してもよい。かかる酸化防止剤としては、亜硫酸ナトリウム(NaSO)、ハイドロサルファイトナトリウム(Na)、アンモニア水等を使用することができる。酸化防止剤の添加量は、過剰に添加されることによりリチウム系ポリアニオン粒子(C)の生成が抑制されるのを防止する観点から、コバルト化合物、ニッケル化合物、金属(M又はM)塩の合計1モルに対し、好ましくは0.01モル〜1モルであり、より好ましくは0.03モル〜0.5モルである。
リチウム複合酸化物二次粒子(A)の添加量は、上記の少なくともコバルト化合物又はニッケル化合物を含む金属塩のスラリーa2への添加量100質量部に対して、好ましくは60質量部〜800質量部であり、より好ましくは70質量部〜650質量部である。
次いで、工程(Y)では、得られたスラリーa2を水熱反応に付して、リチウム複合酸化物二次粒子(A)の表面及び内部空隙において、リチウム複合酸化物粒子とリチウム系ポリアニオン粒子(B)とが複合化されたリチウム系複合物(A)を得る工程である。上記工程で得られたスラリーa2をそのまま、上記リチウム系ポリアニオン粒子(B)の前駆体として用いるため、工程の簡略化を図ることが可能である上、極めて微細な粒子であって正極材料として非常に有用なポリアニオン正極活物質を、リチウム複合酸化物二次粒子(A)の表面及び内部空隙に複合化したリチウム系複合物を得ることができる。
水熱反応に付する際に用いる水の使用量は、金属塩の溶解性、撹拌の容易性、及び合成の効率等の観点から、スラリーa2中に含有されるリチウム複合酸化物二次粒子(A)1質量部に対し、好ましくは10質量部〜100質量部であり、より好ましくは20質量部〜50質量部である。
水熱反応に付する際の温度は、100℃以上であればよく、130℃〜180℃が好ましい。水熱反応は耐圧容器中で行うのが好ましく、130℃〜180℃で反応を行う場合、この時の圧力は0.3MPa〜0.9MPaであるのが好ましく、140℃〜160℃で反応を行う場合の圧力は0.3MPa〜0.6MPaであるのが好ましい。水熱反応時間は0.1時間〜48時間が好ましく、さらに0.2時間〜24時間が好ましい。
コア−シェル構造を形成してなるリチウム系ポリアニオン粒子(B)を製造する場合、上記工程(Y)で得られたリチウム系ポリアニオン粒子をコア部とし、かかるコア部を構成するリチウム系ポリアニオン粒子の表面上に、組成の異なるリチウム系ポリアニオン組成物bを生成させるべく、リチウム系ポリアニオン組成物bが生成するように調整されたスラリーa2に、上記工程で得られたリチウム系ポリアニオン粒子を混合した後、上記と同様に水熱反応を行えばよい。
この工程を繰り返すことによって、2層以上の組成の異なるリチウム系ポリアニオン組成物からなる、同心円状の層構造を有するリチウム系ポリアニオン粒子(B)を得ることができる。
この際、コアとなるリチウム系ポリアニオン粒子の粒子径の制御は、かかるリチウム系ポリアニオン粒子を生成させる際の水熱反応の温度、圧力及び時間を調整することによって行うことができ、またシェルとなるリチウム系ポリアニオン組成物bの被覆厚さの制御は、リチウム系ポリアニオン組成物bを生成させる際の水熱反応の温度、圧力及び時間を調整することによって行うことができる。
上記コア−シェル構造を形成してなるリチウム系ポリアニオン粒子(B)の製造において、繰り返し回数が2回目以降であるときの、スラリーa2中でのリチウム系ポリアニオン組成物bを生成するための原料化合物の含有量は、リチウム系ポリアニオン組成物bによる被覆層を均一に形成する観点から、スラリーa2 100質量%中、0.5質量%〜10質量%が好ましい。
工程(Z)は、工程(Y)で得られたリチウム系複合物を洗浄し、乾燥する工程である。
上記工程(Y)において、水熱反応に付した後に得られたスラリーを固液分離し、目的物であるリチウム系複合物を固形分として得る。固液分離に用いる装置としては、例えば、フィルタープレス機、遠心濾過機等が挙げられる。なかでも、効率的に固形分を得る観点から、フィルタープレス機を用いるのが好ましい。
次に、回収されたリチウム系複合物を、かかるリチウム系複合物の乾燥質量1質量部に対して10質量部〜60質量部の洗浄水によって洗浄する。これにより、アニオン成分等の不純物を効果的に除去することができる。洗浄水の量は、リチウム系複合物の乾燥質量1質量部に対し、10質量部〜60質量部であって、好ましくは10質量部〜40質量部である。また、洗浄水の温度は、不純物を効果的に除去する観点から、好ましくは10℃〜80℃であり、より好ましくは10℃〜70℃である。
洗浄後のリチウム系複合物は、乾燥することにより単離されて、リチウムイオン二次電池用正極活物質複合体となる。乾燥手段としては、凍結乾燥、真空乾燥が用いられる。
上記リチウム複合酸化物二次粒子(A)の表面において、リチウム系ポリアニオン粒子(B)がリチウム複合酸化物粒子と複合化して、かかる表面を被覆している程度は、X線光電子分光法(XPS)によって評価することができる。具体的には、得られたリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体に数keVの軟X線を照射すると、かかる軟X線の照射を受けた部位から、かかる部位を構成する元素に固有のエネルギー値を持つ光電子が放出されるので、リチウム複合酸化物二次粒子(A)から放出されるNi2p3/2のピークを解析した得られる3価のNiに相当するピーク強度と、リチウム系ポリアニオン粒子(B)から放出されるP2p又はSi2pのピーク強度を比較することで、リチウムイオン二次電池用正極活物質複合体の表面が露出している部位の面積比、すなわち、かかるリチウム系ポリアニオン粒子(B)がリチウム複合酸化物二次粒子(A)を被覆している程度が分かる。このピーク強度比(Ni2p3/2の3価のNiのピーク強度)/(P2pのピーク強度)、又は(Ni2p1/2のピーク強度)/(Si2pのピーク強度)は、好ましくは0.1以下であり、より好ましくは0.05以下である。かかるピーク強度比であれば、得られたリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体の表面は、リチウム系ポリアニオン粒子(B)によって、密に被覆されている。
さらに、元素分布の確認できる透過型電子顕微鏡(TEM−EDX)によって、上記リチウム複合酸化物二次粒子(A)の表面及び内部空隙中で、リチウム複合酸化物粒子と複合化したリチウム系ポリアニオン粒子(B)を直接観察することができる。具体的には、リチウムイオン二次電池用正極活物質複合体の破断面や研磨面について、電子像とP又はSiの分布像を観察することで、リチウムイオン二次電池用正極活物質複合体中におけるリチウム複合酸化物粒子とリチウム系ポリアニオン粒子(B)との複合化部位を確認することができる。
また、水不溶性炭素粒子(C)が、NCM系二次粒子(A)又は(D)或いはNCA系複合酸化物二次粒子(A)又は(D)の内部空隙に包埋されるとともに、その表面に担持されてなるリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体の製造方法又はナトリウムイオン二次電池用正極活物質複合体の製造方法は、さらに水不溶性炭素粒子(C)を用い、リチウム複合酸化物二次粒子(A)又はナトリウム複合酸化物二次粒子(D)の表面に水不溶性炭素粒子(C)を担持する工程を備えるのが好ましい。すなわち、かかるリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体の製造方法又はナトリウムイオン二次電池用正極活物質複合体の製造方法は、具体的には、次の工程(X’)〜(Z’):
(X’)リチウム化合物又はナトリウム化合物、ニッケル化合物、コバルト化合物、及びマンガン化合物を含有する混合粉体を焼成して、式(I)又は式(III)のNCM系複合酸化物を得るか、或いは
リチウム化合物又はナトリウム化合物、ニッケル化合物、コバルト化合物、及びアルミニウム化合物を含有する混合粉体を焼成して、式(II)又は式(IV)のNCA系複合酸化物を得る工程、
(Y’)水不溶性炭素粒子(C)、リチウム化合物又はナトリウム化合物、コバルト化合物又はニッケル化合物の少なくとも1つ、及びリン酸化合物又はケイ酸化合物、並びに工程(I’)で得られたリチウム複合酸化物二次粒子(A)、又はナトリウム複合酸化物二次粒子(D)を水熱反応に付して、
リチウム複合酸化物二次粒子(A)の表面及び内部空隙において、リチウム複合酸化物粒子とリチウム系ポリアニオン粒子(B)とが複合化され、さらにリチウム複合酸化物二次粒子(A)の内部空隙に水不溶性炭素粒子(C)が包埋され、加えてリチウム複合酸化物の二次粒子(A)の表面に水不溶性炭素粒子(C)が担持されたリチウム系複合物、又は
ナトリウム複合酸化物二次粒子(D)の表面及び内部空隙において、ナトリウム複合酸化物粒子とナトリウム系ポリアニオン粒子(E)とが複合化され、さらにナトリウム複合酸化物二次粒子(D)の内部空隙に水不溶性炭素粒子(C)が包埋され、加えてナトリウム複合酸化物二次粒子(D)の表面に水不溶性炭素粒子(C)が担持されたナトリウム系複合物を得る工程、及び、
(Z’)工程(Y’)で得られたリチウム系複合物又はナトリウム系複合物を洗浄し、乾燥する工程
を備える。
次に、水不溶性炭素粒子(C)を用いるリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体の製造方法について、より具体的に説明する。なお、ナトリウムイオン二次電池用正極活物質複合体の製造方法については、リチウムイオン二次電池用正極活物質複合体の製造方法における「リチウム」の文言を「ナトリウム」に置き換えればよい。
水不溶性炭素粒子(C)を用いるリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体の製造方法において、上記工程(X’)は上記工程(X)と同様であるので、工程(Y’)以降について説明する。
工程(Y’)は、工程(X’)で得られた、リチウム複合酸化物二次粒子(A)と、リチウム系ポリアニオン粒子(B)の原料であるリチウム化合物、コバルト化合物又はニッケル化合物の少なくとも1つ、及びリン酸化合物又はケイ酸化合物、さらに水不溶性炭素粒子(C)を混合したスラリーを水熱反応に付して、リチウム複合酸化物二次粒子(A)の表面及び内部空隙において、リチウム複合酸化物粒子とリチウム系ポリアニオン粒子(B)とが複合化するとともに、かかるリチウム複合酸化物二次粒子(A)の内部空隙に水不溶性炭素粒子(C)が包埋されるとともに、リチウム複合酸化物二次粒子(A)の表面に水不溶性炭素粒子(C)が担持されるリチウム系複合物(B)を得る工程である。
工程(Y’)は、上記工程(Y)で用いた製造方法と同様にして、所定の原料化合物を水熱反応に付する工程である。すなわち、かかる工程(Y’)では、工程(X’)で得られたLi−NCM系複合酸化物、又はLi−NCA系複合酸化物の少なくとも1種以上からなる複合酸化物二次粒子(A)、及びリチウム系ポリアニオン粒子(B)の原料であるリチウム化合物、コバルト化合物又はニッケル化合物の少なくとも1つを含む金属塩、及びリン酸化合物又はケイ酸化合物、並びに水不溶性炭素粒子(C)を水熱反応に付して、上記リチウム系複合物を得る。
また、工程(Y’)における水不溶性炭素粒子(C)の取扱いは、上記工程(Y)におけるリチウム複合酸化物二次粒子(A)と同様であればよい。
すなわち、工程(Y’)は、リチウム化合物を含むスラリーa1’に、リン酸化合物又はケイ酸化合物を添加し、次いで少なくともコバルト化合物又はニッケル化合物を含む金属塩、及びリチウム複合酸化物二次粒子(A)と水不溶性炭素粒子(C)を添加してスラリーa2’を得た後に、スラリーa2’を水和反応に付する工程である。
さらに、工程(Y’)では、リチウム複合酸化物二次粒子(A)の含有量と、上記リチウム系ポリアニオン粒子(B)及び上記水不溶性炭素粒子(C)の合計含有量との質量比((A):((B)+(C)))が、上記量的関係となるように、リチウム複合酸化物二次粒子(A)の使用量、リチウム系ポリアニオン粒子(B)の原料であるリン酸化合物又はケイ酸化合物、少なくともコバルト化合物又はニッケル化合物を含む金属塩の添加量、及び上記水不溶性炭素粒子(C)の添加量を調整する。
ここで、リチウム系ポリアニオン粒子(B)の原料であるリン酸化合物又はケイ酸化合物の使用量と、少なくともコバルト化合物又はニッケル化合物を含む金属塩の使用量のモル比は、上記工程(Y)と同じである。すなわち、リン酸1モルに対してはリチウムを2.7モル〜3.3モル、ケイ酸1モルに対してはリチウムを2.0モル〜4.0モル、リン酸イオン又はケイ酸イオン1モルに対して金属塩の合計添加量は、0.99モル〜1.01モルである。
工程(Z’)は、工程(Y’)で得られたリチウム系複合物を洗浄し、乾燥してリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体を得る工程であり、上記工程(Z)で用いた製造方法と同様である。すなわち、上記工程(Y’)の水熱反応に付した後に得られたスラリーを固液分離してリチウム系複合物を得た後、かかるリチウム系複合物の乾燥質量1質量部に対して10質量部〜60質量部の洗浄水によって洗浄し、乾燥すればよい。
得られたリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体において、リチウム複合酸化物二次粒子(A)の表面において、リチウム系ポリアニオン粒子(B)がリチウム複合酸化物粒子と複合化して、かかる表面を被覆し、水不溶性炭素粒子(C)が担持されている程度は、X線光電子分光法(XPS)によって評価することができる。具体的には、リチウム複合酸化物二次粒子(A)から放出されるNi2p3/2のピークを解析して得られる3価のNiに相当するピーク強度と、リチウム系ポリアニオン粒子(B)から放出されるP2p又はSi2pのピーク強度及び水不溶性炭素粒子(C)から放出されるP2p又はSi2pとC1sとのピーク強度の合計を比較することで、リチウムイオン二次電池用正極活物質複合体の表面が露出している部位の面積比、すなわち、かかるリチウム系ポリアニオン粒子(B)又は水不溶性炭素粒子(C)が、リチウム複合酸化物二次粒子(A)を被覆している程度が分かる。このピーク強度比(Ni2p3/2の3価のNiのピーク強度)/((P2pのピーク強度)+(C1sのピーク強度))、又は(Ni2p3/2の3価のNiのピーク強度)/((Si2pのピーク強度)+(C1sのピーク強度))は、好ましくは0.1以下、より好ましくは0.05以下である。かかるピーク強度比であれば、得られたリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体の表面は、リチウム系ポリアニオン粒子(B)と水不溶性炭素粒子(C)によって、密に被覆されている。
本発明の二次電池用正極活物質複合体を正極材料として適用し、これを含むリチウムイオン二次電池又はナトリウムイオン二次電池である二次電池としては、正極と負極と電解液とセパレータを必須構成とするものであれば特に限定されない。
ここで、負極については、リチウムイオン又はナトリウムイオンを充電時には吸蔵し、かつ放電時には放出することができれば、その材料構成で特に限定されるものではなく、公知の材料構成のものを用いることができる。たとえば、リチウム金属、ナトリウム金属、グラファイト又は非晶質炭素等の炭素材料等である。そしてリチウムイオン又はナトリウムイオンを電気化学的に吸蔵・放出し得るインターカレート材料で形成された電極、特に炭素材料を用いることが好ましい。
電解液は、有機溶媒に支持塩を溶解させたものである。有機溶媒は、通常リチウムイオン二次電池やナトリウムイオン二次電池の電解液の用いられる有機溶媒であれば特に限定されるものではなく、例えば、カーボネート類、ハロゲン化炭化水素、エーテル類、ケトン類、ニトリル類、ラクトン類、オキソラン化合物等を用いることができる。
支持塩は、その種類が特に限定されるものではないが、リチウムイオン二次電池の場合、LiPF、LiBF、LiClO及びLiAsFから選ばれる無機塩、該無機塩の誘導体、LiSOCF、LiC(SOCF及びLiN(SOCF、LiN(SO及びLiN(SOCF)(SO)から選ばれる有機塩、並びに該有機塩の誘導体の少なくとも1種であることが好ましい。また、ナトリウムイオン二次電池の場合、NaPF、NaBF、NaClO及びNaAsFから選ばれる無機塩、該無機塩の誘導体、NaSOCF、NaC(SOCF及びNaN(SOCF、NaN(SO及びNaN(SOCF)(SO)から選ばれる有機塩、並びに該有機塩の誘導体の少なくとも1種であることが好ましい。
セパレータは、正極及び負極を電気的に絶縁し、電解液を保持する役割を果たすものである。たとえば、多孔性合成樹脂膜、特にポリオレフィン系高分子(ポリエチレン、ポリプロピレン)の多孔膜を用いればよい。
上記の構成を有するリチウムイオン二次電池又はナトリウムイオン二次電池の形状としては、特に制限を受けるものではなく、コイン型、円筒型,角型等種々の形状や、ラミネート外装体に封入した不定形状であってもよい。
以下、本発明について、実施例に基づき具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
[製造例1:濃度勾配の無いLi−NCM系複合酸化物粒子の製造]
Ni:Co:Mnのモル比が1:1:1となるように、硫酸ニッケル六水和物 263g、硫酸コバルト七水和物 281g、硫酸マンガン五水和物 241g、及び水 3Lを混合した後、かかる混合液に25%アンモニア水を、滴下速度300mL/分で滴下して、pHが11の金属複合水酸化物を含むスラリーA1を得た。
次いで、スラリーA1をろ過、乾燥して、金属複合水酸化物の混合物B1を得た後、かかる混合物B1に炭酸リチウム37gをボールミルで混合して粉末混合物C1を得た。
得られた粉末混合物C1を、空気雰囲気下で800℃×5時間仮焼成して解砕した後、本焼成として空気雰囲気下で800℃×10時間焼成し、Li−NCM系複合酸化物(LiNi0.33Co0.33Mn0.34)の二次粒子を得た。(二次粒子の平均粒径:10μm)
以後、上記複合酸化物粒子をLi−NCM−1と称する。
[製造例2:濃度勾配の有るLi−NCM系複合酸化物粒子の製造]
Ni:Co:Mnのモル比が0.53:0.735:0.735となるように、硫酸ニッケル六水和物334g、硫酸コバルト七水和物159g、硫酸マンガン五水和物136g、及び水2.4Lを混合し、Ni−poor水溶液A2を得た。また、Ni:Co:Mnのモル比が0.9:0.05:0.05となるように、硫酸ニッケル六水和物142g、硫酸コバルト七水和物9g、硫酸マンガン五水和物7g及び水0.6Lを混合し、Ni−rich水溶液B2を得た。Ni−rich水溶液B2をポンプで撹拌しながら、25%アンモニア水を滴下速度300mL/分で滴下して、pHが11の金属複合水酸化物を含むスラリーC2を得た。得られたスラリーC2を撹拌しながら、Ni−poor水溶液A2全量を加え、かかるスラリーに25%アンモニア水を、滴下速度300mL/分で滴下して、pHが11の金属複合水酸化物を含むスラリーD2を得た。次いで、スラリーD2をろ過、乾燥して、金属複合水酸化物の混合物E2を得た後、かかる混合物E2に水酸化リチウム一水和物22gをボールミルで混合して粉末混合物F2を得た。得られた粉末混合物F2を、空気雰囲気下で840℃×10時間焼成し、NiならびにCo、Mnに濃度傾斜のついた(粒子の中心:Ni−rich、Co、Mn−poor)Li−NCM系複合酸化物(平均組成:LiNi0.6Co0.2Mn0.2)の二次粒子(平均粒径10μm)を得た。
以後、上記複合酸化物粒子をLi−NCM−2と称する。
[製造例3:Li−NCA系複合酸化物粒子の製造]
Li:Ni:Co:Alのモル比が1:0.8:0.15:0.05となるように、炭酸リチウム370g、炭酸ニッケル950g、炭酸コバルト150g、炭酸アルミニウム58g、及び水3Lを混合した後、ボールミルで混合して粉末混合物A3を得た。得られた粉末混合物A3を、空気雰囲気下で800℃×5時間仮焼成して解砕した後、本焼成として空気雰囲気下で800℃×24時間焼成し、NCA系複合酸化物(LiNi0.8Co0.15Al0.05)の二次粒子を得た。(二次粒子の平均粒径:10μm)
以後、上記複合酸化物粒子をLi−NCAと称する。
[製造例4:LiCoPO/C粒子の製造]
LiOH・HO 1272g、及び水 4Lを混合してスラリーA4を得た。スラリーA4を、25℃の温度に保持しながら3分間撹拌しつつ85%のリン酸水溶液 1153gを35mL/分で滴下し、続いてセルロースナノファイバー(セリッシュ(登録商標)KY−100G、ダイセルファインケム製、繊維径4〜100nm)707gを添加して、攪拌速度400rpmで12時間撹拌して、リン酸三リチウムを含むスラリーB4を得た。次に、得られたスラリーB4全量に対し、CoSO・7HO 2108gを添加してスラリーC4を得た。
次いで、得られたスラリーC4をオートクレーブに投入し、170℃で1時間水熱反応を行った。オートクレーブ内の圧力は、0.8MPaであった。生成した結晶をろ過し、次いで結晶1質量部に対し、12質量部の水により洗浄した。洗浄した結晶を−50℃で12時間凍結乾燥して複合体D4を得た。得られた複合体D4を1000g分取し、これに水1Lを添加してスラリーE4とした後、スラリーE4を超音波攪拌機(T25、IKA社製)で1分間分散処理して、全体を均一に呈色させた。
均一な呈色を示すスラリーE4を、スプレードライ装置(MDL−050M、藤崎電機株式会社製)を用いてスプレードライに付した後、アルゴン水素雰囲気下(水素濃度3%)、700℃で1時間焼成して、1.2質量%のセルロースナノファイバー由来の炭素が担持されたリチウム系ポリアニオン粒子LiCoPO(炭素の量=1.2質量%)を得た。(一次粒子の平均粒径:100nm)
以後、上記リチウム系ポリアニオン粒子をLCP/C−1と称する。
[製造例5:LiCoSiO/C粒子の製造]
LiOH・HO 428g、NaSiO・nHO 1397g、及び水 3.75Lを混合してスラリーA5を得た。スラリーA5に、CoSO・7HO 1054g、セルロースナノファイバー(セリッシュ(登録商標)KY−100G)784gを添加後、撹拌して、スラリーB5を得た。
次いで、得られたスラリーB5をオートクレーブに投入し、150℃で12時間水熱反応を行った。オートクレーブ内の圧力は、0.4MPaであった。生成した結晶をろ過し、次いで結晶1質量部に対し、12質量部の水により洗浄した。洗浄した結晶を−50℃で12時間凍結乾燥して複合体C5を得た。得られた複合体C5を500g分取し、これに水500mLを添加してスラリーD5とした後、スラリーD5を超音波攪拌機(T25)で1分間分散処理して、全体を均一に呈色させた。
均一な呈色を示すスラリーD5を、スプレードライ装置(MDL−050M)を用いてスプレードライに付した後、アルゴン水素雰囲気下(水素濃度3%)、650℃で1時間焼成して、3.0質量%のセルロースナノファイバー由来の炭素が担持されたリチウム系ポリアニオン粒子LiCoSiO(炭素の量=3.0質量%)を得た。(一次粒子の平均粒径:40nm)
以後、上記リチウム系ポリアニオン粒子をLCS/C−1と称する。
[製造例6:Li1.2Co0.9PO/C粒子の製造]
LiCO519g、(NHPO・3HO 2402g、Co(CHCOO)・4HO 2644g及び水4Lをボールミルで混合し、スラリーA6を得た。次いで、スラリーA6をろ過、乾燥して、粉末混合物B6を得た。得られた粉末混合物B6を、N雰囲気下で700℃×10時間焼成した。得られた複合体C5を1000g分取し、これにセルロースナノファイバー(Wma−10002、スギノマシン社製、繊維径4nm〜20nm)224g、水1Lを添加して、スラリーD6を得た。得られたスラリーD6を超音波攪拌機(T25、IKA社製)で1分間分散処理して、全体を均一に呈色させた後、スプレードライ装置(MDL−050M、藤崎電機株式会社製)を用いてスプレードライに付して造粒体E6を得た。得られた造粒体E6を、アルゴン水素雰囲気下(水素濃度3%)、700℃で1時間焼成して、2.0質量%のセルロースナノファイバー由来の炭素が担持されたリン酸コバルトリチウム粒子(Li1.2Co0.9PO、炭素の量=2.0質量%、平均粒径:100nm)を得た。
以後、上記リチウム系ポリアニオン粒子をLCP/C−2と称する。
[製造例7:Li2.2Co0.9SiO4/C粒子の製造]
LiCO930g、ケイ酸 1100g、Mn(CHCOO)・4HO 2585g及び水3.75Lをボールミルで混合し、スラリーA7を得た。次いで、スラリーA7をろ過、乾燥して、粉末混合物B7を得た。得られた粉末混合物B7を、N雰囲気下で700℃×10時間焼成した。固相反応後、生成した結晶1質量部に対し12質量部の水により洗浄した。洗浄した結晶を−50℃で12時間凍結乾燥して複合体C7を得た。得られた複合体C7を500g分取し、これにセルロースナノファイバー(Wma−10002、スギノマシン社製、繊維径4nm〜20nm)112g、水500mLを添加して、スラリーD7を得た。得られたスラリーD7を超音波攪拌機(T25、IKA社製)で1分間分散処理して、全体を均一に呈色させた後、スプレードライ装置(MDL−050M、藤崎電機株式会社製)を用いてスプレードライに付して造粒体E7を得た。得られた造粒体E7を、アルゴン水素雰囲気下(水素濃度3%)、650℃で1時間焼成して、2.0質量%のセルロースナノファイバー由来の炭素が担持されたケイ酸鉄コバルトリチウム粒子(Li2.2Co0.9SiO4、炭素の量=2.0質量%、平均粒径:50nm)を得た。
以後、上記リチウム系ポリアニオン粒子をLCS/C−2と称する。
[製造例8:濃度勾配の無いNa−NCM系複合酸化物粒子の製造]
Ni:Co:Mnのモル比が1:1:1となるように、硫酸ニッケル六水和物 263g、硫酸コバルト七水和物 281g、硫酸マンガン五水和物 241g、及び水 3Lを混合した後、かかる混合液に25%アンモニア水を、滴下速度300mL/分で滴下して、pHが11の金属複合水酸化物を含むスラリーA8を得た。
次いで、スラリーA8に、炭酸ナトリウム 53gを混合して得たスラリーB8をろ過し、乾燥して得た紛体を、空気雰囲気下で800℃×5時間仮焼成して解砕した後、本焼成として空気雰囲気下で800℃×10時間焼成し、Na−NCM系複合酸化物(NaNi0.33Co0.33Mn0.34)の二次粒子を得た。(二次粒子の平均粒径:10μm)
以後、上記複合酸化物粒子をNa−NCM−1と称する。
[製造例9:濃度勾配の有るNa−NCM系複合酸化物粒子の製造]
Ni:Co:Mnのモル比が0.53:0.735:0.735となるように、硫酸ニッケル六水和物334g、硫酸コバルト七水和物159g、硫酸マンガン五水和物136g、及び水2.4Lを混合し、Ni−poor水溶液A9を得た。また、Ni:Co:Mnのモル比が0.9:0.05:0.05となるように、硫酸ニッケル六水和物142g、硫酸コバルト七水和物9g、硫酸マンガン五水和物7g及び水0.6Lを混合し、Ni−rich水溶液B9を得た。Ni−rich水溶液B9をポンプで撹拌しながら、25%アンモニア水を滴下速度300mL/分で滴下して、pHが11の金属複合水酸化物を含むスラリーC9を得た。得られたスラリーC9を撹拌しながら、Ni−poor水溶液A9全量を加え、かかるスラリーに25%アンモニア水を、滴下速度300mL/分で滴下して、pHが11の金属複合水酸化物を含むスラリーD9を得た。次いで、スラリーD9をろ過、乾燥して、金属複合水酸化物の混合物E9を得た後、かかる混合物E9に水酸化ナトリウム21gをボールミルで混合して粉末混合物F9を得た。得られた粉末混合物F9を、空気雰囲気下で840℃×10時間焼成し、NiならびにCo、Mnに濃度傾斜のついた(粒子の中心:Ni−rich、Co、Mn−poor)Na−NCM系複合酸化物(平均組成:NaNi0.6Co0.2Mn0.2)の二次粒子(平均粒径10μm)を得た。
以後、上記複合酸化物粒子をNa−NCM−2と称する。
[製造例10:Na−NCA系複合酸化物粒子の製造]
Na:Ni:Co:Alのモル比が1:0.8:0.15:0.05となるように、炭酸ナトリウム530g、炭酸ニッケル950g、炭酸コバルト150g、炭酸アルミニウム58g、及び水3Lを混合した後、ボールミルで混合して粉末混合物A10を得た。得られた粉末混合物A10を、空気雰囲気下で800℃×5時間仮焼成して解砕した後、本焼成として空気雰囲気下で800℃×24時間焼成し、NCA系複合酸化物(NaNi0.8Co0.15Al0.05)の二次粒子を得た。(二次粒子の平均粒径:10μm)
以後、上記複合酸化物粒子をNa−NCAと称する。
[製造例11:NaCoPO/C粒子の製造]
NaOH 1213g、及び水 4Lを混合してスラリーA11を得た。スラリーA11を、25℃の温度に保持しながら3分間撹拌しつつ85%のリン酸水溶液 1153gを35mL/分で滴下し、続いてセルロースナノファイバー(セリッシュ(登録商標)KY−100G)707gを添加して、攪拌速度400rpmで12時間撹拌して、リン酸三ナトリウムを含むスラリーB11を得た。次に、得られたスラリーB11全量に対し、CoSO・7HO 2108gを添加してスラリーC11を得た。
次いで、得られたスラリーC11をオートクレーブに投入し、170℃で1時間水熱反応を行った。オートクレーブ内の圧力は、0.8MPaであった。生成した結晶をろ過し、次いで結晶1質量部に対し、12質量部の水により洗浄した。洗浄した結晶を−50℃で12時間凍結乾燥して複合体D11を得た。得られた複合体D11を1000g分取し、これに水1Lを添加してスラリーE11とした後、スラリーE11を超音波攪拌機(T25)で1分間分散処理して、全体を均一に呈色させた。
均一な呈色を示すスラリーE11を、スプレードライ装置(MDL−050M)を用いてスプレードライに付した後、アルゴン水素雰囲気下(水素濃度3%)、700℃で1時間焼成して、1.2質量%のセルロースナノファイバー由来の炭素が担持されたNaCoPO粒子(炭素の量=1.2質量%)を得た。(一次粒子の平均粒径:100nm)
以後、上記ナトリウム系ポリアニオン粒子をNCP/C−1と称する。
[製造例12:NaCoSiO/C粒子の製造]
NaOH 408g、NaSiO・nHO 1397g、及び水 3.75Lを混合してスラリーA12を得た。スラリーA12に、CoSO・7HO 1054g、セルロースナノファイバー(セリッシュ(登録商標)KY−100G)784gを添加後、撹拌して、スラリーB12を得た。
次いで、得られたスラリーB12をオートクレーブに投入し、150℃で12時間水熱反応を行った。オートクレーブ内の圧力は、0.4MPaであった。生成した結晶をろ過し、次いで結晶1質量部に対し、12質量部の水により洗浄した。洗浄した結晶を−50℃で12時間凍結乾燥して複合体C12を得た。得られた複合体C12を500g分取し、これに水500mLを添加してスラリーD12とした後、スラリーD12を超音波攪拌機(T25)で1分間分散処理して、全体を均一に呈色させた。
均一な呈色を示すスラリーD12を、スプレードライ装置(MDL−050M)を用いてスプレードライに付した後、アルゴン水素雰囲気下(水素濃度3%)、650℃で1時間焼成して、3.0質量%のセルロースナノファイバー由来の炭素が担持されたNaCoSiO粒子(炭素の量=3.0質量%)を得た。(一次粒子の平均粒径:40nm)
以後、上記ナトリウム系ポリアニオン粒子をNCS/C−1と称する。
[製造例13:Na1.2Co0.9PO/C粒子の製造]
NaCO744g、(NHPO・3HO 2402g、Co(CHCOO)・4HO 2643g、及び水4Lをボールミルで混合し、スラリーA13を得た。次いで、スラリーA13をろ過、乾燥して、粉末混合物B13を得た。得られた粉末混合物B11を、N雰囲気下で700℃×10時間焼成した。得られた複合体C13を1000g分取し、これにセルロースナノファイバー(Wma−10002、スギノマシン社製、繊維径4〜20nm)224g、水1Lを添加して、スラリーD13を得た。得られたスラリーD13を超音波攪拌機(T25、IKA社製)で1分間分散処理して、全体を均一に呈色させた後、スプレードライ装置(MDL−050M、藤崎電機株式会社製)を用いてスプレードライに付して造粒体E13を得た。得られた造粒体E13を、アルゴン水素雰囲気下(水素濃度3%)、700℃で1時間焼成して、2.0質量%のセルロースナノファイバー由来の炭素が担持されたリン酸コバルトナトリウム粒子(Na1.2Co0.9PO、炭素の量=2.0質量%、平均粒径:100nm)を得た。
以後、上記ナトリウム系ポリアニオン粒子をNCP/C−2と称する。
[製造例14:Na2.2Co0.9SiO4/C粒子の製造]
NaCO1334g、ケイ酸 1100g、Mn(CHCOO)・4HO 2585g、及び水3.75Lをボールミルで混合し、スラリーA14を得た。次いで、スラリーA14をろ過、乾燥して、粉末混合物B14を得た。得られた粉末混合物B14を、N雰囲気下で700℃×10時間焼成した。得られた複合体C14を500g分取し、これにセルロースナノファイバー(Wma−10002、スギノマシン社製、繊維径4〜20nm)112g、水500mLを添加して、スラリーD14を得た。得られたスラリーD14を超音波攪拌機(T25、IKA社製)で1分間分散処理して、全体を均一に呈色させた後、スプレードライ装置(MDL−050M、藤崎電機株式会社製)を用いてスプレードライに付して造粒体E14を得た。得られた造粒体E14を、アルゴン水素雰囲気下(水素濃度3%)、650℃で1時間焼成して、2.0質量%のセルロースナノファイバー由来の炭素が担持されたケイ酸コバルトナトリウム粒子(Na2.2Co0.9SiO4、炭素の量=2.0質量%、平均粒径:50nm)を得た。
以後、上記ナトリウム系ポリアニオン粒子をNCS/C−2と称する。
[実施例1:Li−NCM−1 95%+LiCoPO5%複合体]
LiOH・HO 0.64g、及び水 30mLを混合してスラリーa1を得た。スラリーa1を、25℃の温度に保持しながら3分間撹拌しつつ85%のリン酸水溶液 0.57gを35mL/分で滴下し、攪拌速度400rpmで12時間撹拌して、リン酸三リチウムを含むスラリーb1を得た。次に、得られたスラリーb1全量に対し、CoSO・7HO 1.41g、及び製造例1で得られたLi−NCM−1 15.7gを添加して、スラリーc1を得た。
次いで、得られたスラリーc1をオートクレーブに投入し、150℃で1時間水熱反応を行った。オートクレーブ内の圧力は、0.4MPaであった。生成した結晶をろ過し、次いで結晶1質量部に対し、12質量部の水により洗浄した。洗浄した結晶を−50℃で12時間凍結乾燥して、二次粒子の表面及び内部空隙において、Li−NCM−1とLiCoPOとが複合化してなる複合体(Li−NCM−1/LiCoPO=95/5)を得た。(二次粒子の平均粒径:11μm)
[実施例2:Li−NCM−1 95%+LiCoSiO5%複合体]
LiOH・HO 0.21g、NaSiO・nHO 0.69g、製造例1で得られたLi−NCM−1 8.0g及び水 30mLを混合してスラリーa2を得た。スラリーa2に、CoSO・7HO 0.70gを添加後、撹拌して、スラリーb2を得た。
次いで、得られたスラリーb2をオートクレーブに投入し、150℃で12時間水熱反応を行った。オートクレーブ内の圧力は、0.4MPaであった。生成した結晶をろ過し、次いで結晶1質量部に対し、12質量部の水により洗浄した。洗浄した結晶を−50℃で12時間凍結乾燥して、二次粒子の表面及び内部空隙において、Li−NCM−1とLiCoSiOとが複合化してなるLi−NCM−1とLiCoSiOの複合体(Li−NCM−1/LiCoSiO=95/5)を得た。(二次粒子の平均粒径:11μm)
[実施例3:Li−NCM−2 95%+LiCoPO5%複合体]
Li−NCM−1の代わりに製造例2で得たLi−NCM−2 15.7gを用いた以外、実施例1と同様にして、二次粒子の表面及び内部空隙において、Li−NCM−2とLiCoPOとが複合化してなるLi−NCM−2とLiCoPOの複合体(Li−NCM−2/LiCoPO=95/5)を得た。(二次粒子の平均粒径:11μm)
[実施例4:Li−NCM−2 95%+LiCoSiO5%複合体]
Li−NCM−1の代わりに製造例2で得たLi−NCM−2 8.0gを用いた以外、実施例2と同様にして、二次粒子の表面及び内部空隙において、Li−NCM−2とLiCoSiOとが複合化してなるLi−NCM−2とLiCoSiOの複合体(Li−NCM−2/LiCoSiO=95/5)を得た。(二次粒子の平均粒径:11μm)
[実施例5:Li−NCM−1 95%+Li1.2Co0.9PO5%複合体]
LiOH・H2Oを0.77gとした以外、実施例1と同様にして、二次粒子の表面及び内部空隙において、Li−NCM−1とLi1.2Co0.9POとが複合化してなるLi−NCM−1とLi1.2Co0.9POの複合体(Li−NCM−1/Li1.2Co0.9PO=95/5)を得た。(二次粒子の平均粒径:11μm)
[実施例6:Li−NCM−1 95%+Li2.2Co0.9PO5%複合体]
LiOH・H2Oを0.23gとした以外、実施例2と同様にして、二次粒子の表面及び内部空隙において、Li−NCM−1とLi2.2Co0.9POとが複合化してなるLi−NCM−1とLi2.2Co0.9POの複合体(Li−NCM−1/Li2.2Co0.9PO=95/5)を得た。(二次粒子の平均粒径:11μm)
[実施例7:Li−NCA 95%+LiCoPO5%複合体]
LiOH・H2O 0.64g、及び水 30mLを混合してスラリーa7を得た。スラリーa7を、25℃の温度に保持しながら2〜3分間撹拌しつつ85%のリン酸水溶液 0.57gを35mL/分で滴下し、12時間、速度400rpmで撹拌することによりリン酸三リチウム混合液b7を得た。次に、得られたリン酸三リチウムを含有する混合液b7全量に対し、CoSO4・7H2O 1.41gおよび製造例3で得たLi−NCA 15.7gを添加して、混合液c7を得た。
次いで、得られた混合液c7をオートクレーブに投入し、150℃で1時間水熱反応を行った。オートクレーブ内の圧力は、0.4MPaであった。生成した結晶をろ過し、次いで結晶1質量部に対し、12質量部の水により洗浄した。洗浄した結晶を−50℃で12時間凍結乾燥して二次粒子の表面及び内部空隙において、Li−NCAとLiCoPOとが複合化してなる複合体(Li−NCA/LiCoPO=95/5)を得た。(二次粒子の平均粒径:11μm)
[実施例8:Li−NCA 95%+LiCoSiO5%複合体]
LiOH・H2O 0.21g、Na4SiO4・nH2O 0.69g、及び製造例3のLi−NCA 8.00gに超純水 30mLを混合してスラリーa8を得た。スラリーa8に、CoSO4・7H2O 0.70gを添加し、混合して混合液b8を得た。
次いで、得られた混合液b8をオートクレーブに投入し、150℃で12時間水熱反応を行った。オートクレーブの圧力は0.4MPaであった。生成した結晶をろ過し、次いで結晶1質量部に対し、12質量部の水により洗浄した。洗浄した結晶を−50℃で12時間凍結乾燥して、二次粒子の表面及び内部空隙において、Li−NCAとLiCoSiOとが複合化してなるLi−NCAとLiCoSiOの複合体(Li−NCA/LiCoSiO=95/5)を得た。(二次粒子の平均粒径:11μm)
[実施例9:Li−NCM−1 47.5%+Li−NCA 47.5%+LiCoPO5%複合体]
Li−NCM−1 を7.85gとして、製造例3で得たLi−NCA 7.85g用いた以外、実施例1と同様にして、二次粒子の表面及び内部空隙において、Li−NCM−1、Li−NCA及びLiCoPOとが複合化してなるLi−NCM−1、Li−NCA及びLiCoPOの複合体(Li−NCM−1/Li−NCA/LiCoPO=47.5/47.5/5)を得た。(二次粒子の平均粒径:11μm)
[実施例10:Li−NCM−1 47.5%+Li−NCA 47.5%+LiCoSiO5%複合体]
Li−NCM−1 を4gとして、製造例3で得たLi−NCA 4g用いた以外、実施例2と同様にして、Li−NCM−1、Li−NCA及びLiCoSiOとが複合化してなるLi−NCM−1、Li−NCA及びLiCoSiOの複合体(Li−NCM−1/Li−NCA/LiCoSiO=47.5/47.5/5)を得た。(二次粒子の平均粒径:11μm)
[実施例11:Na−NCM−1 95%+NaCoPO5%複合体]
NaOH 0.61g、及び水 30mLを混合してスラリーa11を得た。スラリーa11を、25℃の温度に保持しながら3分間撹拌しつつ85%のリン酸水溶液 0.57gを35mL/分で滴下し、攪拌速度400rpmで12時間撹拌して、リン酸三ナトリウムを含むスラリーb11を得た。次に、得られたスラリーb11全量に対し、CoSO・7HO 1.41g、及び製造例8で得られたNa−NCM−1 15.7gを添加して、スラリーc11を得た。
次いで、得られたスラリーc11をオートクレーブに投入し、150℃で1時間水熱反応を行った。オートクレーブ内の圧力は、0.4MPaであった。生成した結晶をろ過し、次いで結晶1質量部に対し、12質量部の水により洗浄した。洗浄した結晶を−50℃で12時間凍結乾燥して、二次粒子の表面及び内部空隙において、Na−NCM−1とNaCoPOとが複合化してなる複合体(Na−NCM−1/NaCoPO=95/5)を得た。(二次粒子の平均粒径:11μm)
[実施例12:Na−NCM−1 95%+NaCoSiO5%複合体]
NaOH 0.20g、NaSiO・nHO 0.69g、製造例8で得られたNa−NCM−1 8.0g及び水 30mLを混合してスラリーa2を得た。スラリーa2に、CoSO・7HO 0.70gを添加後、撹拌して、スラリーb2を得た。
次いで、得られたスラリーb2をオートクレーブに投入し、150℃で12時間水熱反応を行った。オートクレーブ内の圧力は、0.4MPaであった。生成した結晶をろ過し、次いで結晶1質量部に対し、12質量部の水により洗浄した。洗浄した結晶を−50℃で12時間凍結乾燥して、二次粒子の表面及び内部空隙において、Na−NCM−1とNaCoSiOとが複合化してなるLi−NCM−1とNaCoSiOの複合体(Li−NCM−1/NaCoSiO=95/5)を得た。(二次粒子の平均粒径:11μm)
[実施例13:Na−NCM−2 95%+NaCoPO5%複合体]
Na−NCM−1の代わりに製造例9で得たNa−NCM−2 15.7gを用いた以外、実施例11と同様にして、二次粒子の表面及び内部空隙において、Na−NCM−2とNaCoPOとが複合化してなるNa−NCM−2とNaCoPOの複合体(Na−NCM−2/NaCoPO=95/5)を得た。(二次粒子の平均粒径:11μm)
[実施例14:Na−NCM−2 95%+NaCoSiO5%複合体]
Na−NCM−1の代わりに製造例9で得たNa−NCM−2 8.0gを用いた以外、実施例12と同様にして、二次粒子の表面及び内部空隙において、Na−NCM−2とNaCoSiOとが複合化してなるNa−NCM−2とNaCoSiOの複合体(Na−NCM−2/NaCoSiO=95/5)を得た。(二次粒子の平均粒径:11μm)
[実施例15:Na−NCM−1 95%+Na1.2Co0.9PO5%複合体]
NaOHを0.73gとした以外、実施例11と同様にして、二次粒子の表面及び内部空隙において、Na−NCM−1とNa1.2Co0.9POとが複合化してなるNa−NCM−1とNa1.2Co0.9POの複合体(Na−NCM−1/Na1.2Co0.9PO=95/5)を得た。(二次粒子の平均粒径:11μm)
[実施例16:Na−NCM−1 95%+Na2.2Co0.9PO5%複合体]
NaOHを0.22gとした以外、実施例12と同様にして、二次粒子の表面及び内部空隙において、Na−NCM−1とNa2.2Co0.9POとが複合化してなるNa−NCM−1とNa2.2Co0.9POの複合体(Na−NCM−1/Na2.2Co0.9PO=95/5)を得た。(二次粒子の平均粒径:11μm)
[実施例17:Na−NCA 95%+NaCoPO5%複合体]
NaOH0.61g、及び水30mLを混合してスラリーa17を得た。スラリーa17を、25℃の温度に保持しながら2〜3分間撹拌しつつ85%のリン酸水溶液 0.57gを35mL/分で滴下し、12時間、速度400rpmで撹拌することによりリン酸三ナトリウム混合液b17を得た。次に、得られたリン酸三ナトリウムを含有する混合液b17全量に対し、CoSO4・7H2O 1.41gおよび製造例10で得たNa−NCA 15.7gを添加して、混合液c17を得た。
次いで、得られた混合液c17をオートクレーブに投入し、150℃で1時間水熱反応を行った。オートクレーブ内の圧力は、0.4MPaであった。生成した結晶をろ過し、次いで結晶1質量部に対し、12質量部の水により洗浄した。洗浄した結晶を−50℃で12時間凍結乾燥して二次粒子の表面及び内部空隙において、Na−NCAとNaCoPOとが複合化してなる複合体(Na−NCA/NaCoPO=95/5)を得た。(二次粒子の平均粒径:11μm)
[実施例18:Li−NCA 95%+LiCoSiO5%複合体]
NaOH0.20g、Na4SiO4・nH2O 0.69g、及び製造例10のNa−NCA 8gに超純水 30mLを混合してスラリーa18を得た。スラリーa18に、CoSO4・7H2O 0.70gを添加し、混合して混合液b18を得た。
次いで、得られた混合液b18をオートクレーブに投入し、150℃で12時間水熱反応を行った。オートクレーブの圧力は0.4MPaであった。生成した結晶をろ過し、次いで結晶1質量部に対し、12質量部の水により洗浄した。洗浄した結晶を−50℃で12時間凍結乾燥して、二次粒子の表面及び内部空隙において、Na−NCAとNaCoSiOとが複合化してなるNa−NCAとNaCoSiOの複合体(Na−NCA/NaCoSiO=95/5)を得た。(二次粒子の平均粒径:11μm)
[実施例19:Na−NCM−1 47.5%+Na−NCA 47.5%+NaCoPO5%複合体]
Na−NCM−1 を7.85gとして、製造例10で得たNa−NCA 7.85g用いた以外、実施例11と同様にして、二次粒子の表面及び内部空隙において、Na−NCM−1、Na−NCA及びNaCoPOとが複合化してなるNa−NCM−1、Na−NCA及びNaCoPOの複合体(Na−NCM−1/Na−NCA/NaCoPO=47.5/47.5/5)を得た。(二次粒子の平均粒径:11μm)
[実施例20:Na−NCM−1 47.5%+Na−NCA 47.5%+NaCoSiO5%複合体]
Na−NCM−1 を4gとして、製造例10で得たNa−NCA 4g用いた以外、実施例12と同様にして、Na−NCM−1、Na−NCA及びNaCoSiOとが複合化してなるNa−NCM−1、Na−NCA及びNaCoSiOの複合体(Na−NCM−1/Na−NCA/NaCoSiO=47.5/47.5/5)を得た。(二次粒子の平均粒径:11μm)
[比較例1:Li−NCM−1 95%+LCP/C−1 5%凝集体]
製造例1で得たLi−NCM−1 475gと、製造例4で得られたLCP/C−1 25gを、ノビルタ(ホソカワミクロン社製、NOB130)を用いて、20m/s(3000rpm)で5分間、圧縮力及びせん断力を付加しながら混合して、Li−NCM−1とLCP/C−1とが互いの表面のみにおいて複合化してなる凝集体(Li−NCM−1/LCP/C−1=95/5)を得た。(二次粒子の平均粒径:13μm)
[比較例2:Li−NCM−1 95%+LCS/C−1 5%凝集体]
LCP/C−1の代わりに、製造例5で得られたLCS/C−1を用いた以外、比較例1と同様にして、圧縮力及びせん断力を付加しながら混合して、Li−NCM−1とLCS/C−1とが互いの表面のみにおいて複合化してなる凝集体(Li−NCM−1/LCS/C−1=95/5)を得た。(二次粒子の平均粒径:13μm)
[比較例3:Li−NCM−2 95%+LCP/C−1 5%凝集体]
Li−NCM−1の代わりに、製造例2で得たLi−NCM−2を用いた以外、比較例1と同様にして、圧縮力及びせん断力を付加しながら混合して、Li−NCM−2とLCP/C−1とが互いの表面のみにおいて複合化してなる凝集体(Li−NCM−2/LCP/C−1=95/5)を得た。(二次粒子の平均粒径:13μm)
[比較例4:Li−NCM−2 95%+LCS/C−1 5%凝集体]
Li−NCM−1の代わりに、製造例2で得たLi−NCM−2を用い、LCP/C−1の代わりに、製造例5で得られたLCS/C−1を用いた以外、比較例1と同様にして、圧縮力及びせん断力を付加しながら混合して、Li−NCM−2とLCS/C−1とが互いの表面のみにおいて複合化してなる凝集体(Li−NCM−2/LCS/C−1=95/5)を得た。(二次粒子の平均粒径:13μm)
[比較例5:Li−NCM−1 95%+LCP/C−2 5%凝集体]
LCP/C−1の代わりに、製造例6で得られたLCP/C−2を用いた以外、比較例1と同様にして、圧縮力及びせん断力を付加しながら混合して、Li−NCM−1とLCP/C−2とが互いの表面のみにおいて複合化してなる凝集体(Li−NCM−1/LCP/C−2=95/5)を得た。(二次粒子の平均粒径:13μm)
[比較例6:Li−NCM−1 95%+LCS/C−2 5%凝集体]
LCP/C−1の代わりに、製造例7で得られたLCS/C−2を用いた以外、比較例1と同様にして、圧縮力及びせん断力を付加しながら混合して、Li−NCM−1とLCS/C−2とが互いの表面のみにおいて複合化してなる凝集体(Li−NCM−1/LCS/C−2=95/5)を得た。(二次粒子の平均粒径:13μm)
[比較例7:Li−NCA 95%+LCP/C−1 5%凝集体]
Li−NCM−1の代わりに、製造例3で得たLi−NCAを用いた以外、比較例1と同様にして、圧縮力及びせん断力を付加しながら混合して、Li−NCAとLCP/C−1とが互いの表面のみにおいて複合化してなる凝集体(Li−NCA/LCP/C−1=95/5)を得た。(二次粒子の平均粒径:13μm)
[比較例8:Li−NCA 95%+LCS/C−1 5%凝集体]
Li−NCM−1の代わりに、製造例3で得たLi−NCAを用い、LCP/C−1の代わりに、製造例5で得られたLCS/C−1を用いた以外、比較例1と同様にして、圧縮力及びせん断力を付加しながら混合して、Li−NCAとLCS/C−1とが互いの表面のみにおいて複合化してなる凝集体(Li−NCA/LCS/C−1=95/5)を得た。(二次粒子の平均粒径:13μm)
[比較例9:Li−NCM−1 47.5%+Li−NCA 47.5%+LCP/C−1 5%凝集体]
Li−NCM−1を237.5gとして、製造例3で得たLi−NCAを237.5g用いた以外、比較例1と同様にして、圧縮力及びせん断力を付加しながら混合して、Li−NCM−1、Li−NCA、及びLCP/C−1とが互いの表面のみにおいて複合化してなる凝集体(Li−NCM−1/Li−NCA/LCP/C−1=47.5/47.5/5)を得た。(二次粒子の平均粒径:13μm)
[比較例10:Li−NCM−1 47.5%+Li−NCA 47.5%+LCS/C−1 5%凝集体]
Li−NCM−1を237.5gとして、製造例3で得たLi−NCAを237.5g用い、LCP/C−1の代わりに、製造例5で得られたLCS/C−1を用いた以外、比較例1と同様にして、圧縮力及びせん断力を付加しながら混合して、Li−NCM−1、Li−NCA、及びLCS/C−1とが互いの表面のみにおいて複合化してなる凝集体(Li−NCM−1/Li−NCA/LCS/C−11=47.5/47.5/5)を得た。(二次粒子の平均粒径:13μm)
[比較例11:Na−NCM−1 95%+NCP/C−1 5%凝集体]
製造例8で得たNa−NCM−1 475gと、製造例11で得られたNCP/C−1 25gを、ノビルタ(ホソカワミクロン社製、NOB130)を用いて、20m/s(3000rpm)で5分間、圧縮力及びせん断力を付加しながら混合して、Na−NCM−1とNCP/C−1とが互いの表面のみにおいて複合化してなる凝集体(Na−NCM−1/NCP/C−1=95/5)を得た。(二次粒子の平均粒径:13μm)
[比較例12:Na−NCM−1 95%+NCS/C−1 5%凝集体]
NCP/C−1の代わりに、製造例12で得られたNCS/C−1を用いた以外、比較例11と同様にして、圧縮力及びせん断力を付加しながら混合して、Na−NCM−1とNCS/C−1とが互いの表面のみにおいて複合化してなる凝集体(Na−NCM−1/NCS/C−1=95/5)を得た。(二次粒子の平均粒径:13μm)
[比較例13:Na−NCM−2 95%+NCP/C−1 5%凝集体]
Na−NCM−1の代わりに、製造例9で得たNa−NCM−2を用いた以外、比較例11と同様にして、圧縮力及びせん断力を付加しながら混合して、Na−NCM−2とNCP/C−1とが互いの表面のみにおいて複合化してなる凝集体(Na−NCM−2/NCP/C−1=95/5)を得た。(二次粒子の平均粒径:13μm)
[比較例14:Na−NCM−2 95%+NCS/C−1 5%凝集体]
Na−NCM−1の代わりに、製造例9で得たNa−NCM−2を用い、NCP/C−1の代わりに、製造例12で得られたNCS/C−1を用いた以外、比較例11と同様にして、圧縮力及びせん断力を付加しながら混合して、Na−NCM−2とNCS/C−1とが互いの表面のみにおいて複合化してなる凝集体(Na−NCM−2/NCS/C−1=95/5)を得た。(二次粒子の平均粒径:13μm)
[比較例15:Na−NCM−1 95%+NCP/C−2 5%凝集体]
NCP/C−1の代わりに、製造例13で得られたNCP/C−2を用いた以外、比較例11と同様にして、圧縮力及びせん断力を付加しながら混合して、Na−NCM−1とNCP/C−2とが互いの表面のみにおいて複合化してなる凝集体(Na−NCM−1/NCP/C−2=95/5)を得た。(二次粒子の平均粒径:13μm)
[比較例16:Na−NCM−1 95%+NCS/C−2 5%凝集体]
NCP/C−1の代わりに、製造例14で得られたNCS/C−2を用いた以外、比較例11と同様にして、圧縮力及びせん断力を付加しながら混合して、Na−NCM−1とNCS/C−2とが互いの表面のみにおいて複合化してなる凝集体(Na−NCM−1/NCS/C−2=95/5)を得た。(二次粒子の平均粒径:13μm)
[比較例17:Na−NCA 95%+NCP/C−1 5%凝集体]
Na−NCM−1の代わりに、製造例10で得たNa−NCAを用いた以外、比較例11と同様にして、圧縮力及びせん断力を付加しながら混合して、Na−NCAとNCP/C−1とが互いの表面のみにおいて複合化してなる凝集体(Na−NCA/NCP/C−1=95/5)を得た。(二次粒子の平均粒径:13μm)
[比較例18:Na−NCA 95%+NCS/C−1 5%凝集体]
Na−NCM−1の代わりに、製造例10で得たNa−NCAを用い、NCP/C−1の代わりに、製造例12で得られたNCS/C−1を用いた以外、比較例11と同様にして、圧縮力及びせん断力を付加しながら混合して、Na−NCAとNCS/C−1とが互いの表面のみにおいて複合化してなる凝集体(Na−NCA/NCS/C−1=95/5)を得た。(二次粒子の平均粒径:13μm)
[比較例19:Na−NCM−1 47.5%+Na−NCA 47.5%+NCP/C−1 5%凝集体]
Na−NCM−1を237.5gとして、製造例10で得たNa−NCAを237.5g用いた以外、比較例11と同様にして、圧縮力及びせん断力を付加しながら混合して、Na−NCM−1、Na−NCA、及びNCP/C−1とが互いの表面のみにおいて複合化してなる凝集体(Na−NCM−1/Na−NCA/NCP/C−1=47.5/47.5/5)を得た。(二次粒子の平均粒径:13μm)
[比較例20:Na−NCM−1 47.5%+Na−NCA 47.5%+NCS/C−1 5%凝集体]
Na−NCM−1を237.5gとして、製造例10で得たNa−NCAを237.5g用い、NCP/C−1の代わりに、製造例12で得られたNCS/C−1を用いた以外、比較例11と同様にして、圧縮力及びせん断力を付加しながら混合して、Na−NCM−1、Na−NCA、及びNCS/C−1とが互いの表面のみにおいて複合化してなる凝集体(Na−NCM−1/Na−NCA/NCS/C−11=47.5/47.5/5)を得た。(二次粒子の平均粒径:13μm)
≪X線光電子分光法による被覆率の算出≫
実施例1〜20の複合体、及び比較例1〜20の凝集体を用いてX線光電子分光にて測定を行い、それらの表面に存在する材料を解析した。具体的には、得られたX線光電子分光スペクトルにおけるNCM系複合酸化物由来のNi2p3/2のピークを解析した得られる3価のNiに相当するピーク強度aを、ポリアニオン由来のP2p又はSi2pのピーク強度bで割ったピーク強度比a/bを算出した。結果を表1及び表2に示す。
≪TEMによる被覆状態の観察≫
本発明のリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体につき、複合酸化物の二次粒子の表面及び内部空隙において、複合酸化物粒子とポリアニオン粒子とが複合化されていることを確認した。具体的には、実施例1及び実施例2のリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体粒子の断面について、TEM−EDX(日本電子株式会社製JEM−ARM200F)による元素分布の分析を行った。
実施例1のTEM写真と元素分布図を図1に、実施例2のTEM写真と元素分布図を図2に示す。
≪電解液への金属溶出量≫
実施例1〜20の複合体、及び比較例1〜20の凝集体を正極材料として用い、リチウムイオン二次電池又はナトリウムイオン二次電池の正極を作製した。具体的には、得られた実施例1〜20の複合体、又は比較例1〜20の凝集体、ケッチェンブラック、ポリフッ化ビニリデンを質量比90:5:5の配合割合で混合し、これにN−メチル−2−ピロリドンを加えて充分混練し、正極スラリーを調製した。正極スラリーを厚さ20μmのアルミニウム箔からなる集電体に塗工機を用いて塗布し、80℃で12時間の真空乾燥を行った。その後、φ14mmの円盤状に打ち抜いてハンドプレスを用いて16MPaで2分間プレスし、正極とした。
次いで、上記正極を用いてコイン型二次電池を構築した。負極には、φ15mmに打ち抜いたリチウム箔(リチウムイオン二次電池の場合)又はナトリウム箔(ナトリウムイオン電池の場合)を用いた。電解液には、エチレンカーボネート及びエチルメチルカーボネートを体積比3:7の割合で混合した混合溶媒に、LiPF(リチウムイオン二次電池の場合)又はNaPF(ナトリウムイオン二次電池の場合)を1mol/Lの濃度で溶解したものを用いた。セパレータには、ポリプロピレンなどの高分子多孔フィルムなど、公知のものを用いた。これらの電池部品を露点が−50℃以下の雰囲気で常法により組み込み収容し、コイン型二次電池(CR−2032)を得た。
得られた二次電池に対し、充電を行った。具体的には、電流1CA(リチウムイオン二次電池の場合は170mA/g、ナトリウムイオン二次電池の場合は154mA/g)、電圧4.5Vの定電流とした。
その後、かかる二次電池を解体し、取り出した正極を炭酸ジメチルで洗浄後、電解液に浸した。このときの電解液は、エチレンカーボネート及びエチルメチルカーボネートを体積比1:1の割合で混合した混合溶媒に、LiPF(リチウムイオン二次電池の場合)又はNaPF(ナトリウムイオン二次電池の場合)を1mol/Lの濃度で溶解したものを用いた。正極を浸した電解液を密閉容器に入れ、70℃で1週間静置した。
静置後、正極を取り出した電解液を0.45μmのディスミックフィルタで濾過し、硝酸により酸分解した。酸分解した電解液に含まれるLi−NCM系複合酸化物又はNa−NCM系複合酸化物由来のMn、Co、Niを、ICP発光分光法を用いて定量した。結果を表3及び表4に示す。
≪高温サイクル特性の評価≫
上記の電解液への金属溶出量の評価で製造した二次電池を用いて、高温サイクル特性を評価した。具体的には、充電条件を電流0.5CA(リチウムイオン二次電池の場合は85mA/g、ナトリウムイオン二次電池の場合は77mA/g)、電圧4.25Vの定電流充電とし、放電条件を0.5CA、終止電圧3.0Vの定電流放電とし、0.5CAにおける放電容量を求めた。さらに、同じ充放電条件の100サイクル繰り返し試験を行い、下記式(1)により容量保持率(%)を求めた。なお、充放電試験は全て45℃で行った。
結果を表5及び表6に示す。
容量保持率(%)=(100サイクル後の放電容量)/(1サイクル後の放電容量)
×100 ・・・(1)
表5及び表6から明らかなように、実施例で得られた複合体を正極材料として使用したリチウムイオン二次電池及びナトリウムイオン二次電池は、比較例で得られた凝集体を正極材料として使用したリチウムイオン二次電池及びナトリウムイオン二次電池と比べ、高い容量保持率を有しており、高温サイクル特性に優れることがわかる。
さらに、表3及び表4から明らかなように、実施例で得られた複合体を正極材料として使用したリチウムイオン二次電池及びナトリウムイオン二次電池は、電極から電解液への金属の溶出量が少なく、安全性においても優れていることがわかる。

Claims (21)

  1. 下記式(I):
    LiNiCoMn ・・・(I)
    (式(I)中、MはMg、Ti、Nb、Fe、Cr、Si、Al、Ga、V、Zn、Cu、Sr、Mo、Zr、Sn、Ta、W、La、Ce、Pb、Bi及びGeから選ばれる1種又は2種以上の元素を示す。a、b、c、xは、0.3≦a<1、0<b≦0.7、0<c≦0.7、0≦x≦0.3、かつ3a+3b+3c+(Mの価数)×x=3を満たす数を示す。)
    又は、下記式(II):
    LiNiCoAl ・・・(II)
    (式(II)中、MはMg、Ti、Nb、Fe、Cr、Si、Ga、V、Zn、Cu、Sr、Mo、Zr、Sn、Ta、W、La、Ce、Pb、Bi及びGeから選ばれる1種又は2種以上の元素を示す。d、e、f、yは、0.4≦d<1、0<e≦0.6、0<f≦0.3、0≦y≦0.3、かつ3d+3e+3f+(Mの価数)×y=3を満たす数を示す。)
    で表される1種以上のリチウム複合酸化物粒子からなるリチウム複合酸化物二次粒子(A)の表面及び内部空隙において、下記式(V):
    LiCoNi PO・・・(V)
    (式(V)中、MはFe、Mn、Ca、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd又はGdを示す。s、g、h、及びiは、0.8≦s≦1.2、0≦g≦1.2、0≦h≦1.2、0≦i≦0.3、g+h≠0、及び0.8≦(g+h+i)≦1.2を満たし、かつs+2g+2h+(Mの価数)×i=3を満たす数を示す。)
    又は、下記式(VI):
    LiCoNi SiO・・・(VI)
    (式(VI)中、MはFe、Mn、Ca、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd又はGdを示す。t、j、k、及びlは、1.6≦t≦2.4、0≦j≦1.2、0≦k≦1.2、0≦l≦1.2、j+k≠0、及び0.8≦(j+k+l)≦1.2を満たし、かつt+2j+2k+(Mの価数)×l=4を満たす数を示す。)
    で表され、少なくともコバルト又はニッケルのいずれかを含むリチウム系ポリアニオン粒子(B)と、リチウム複合酸化物粒子とが複合化してなり、かつ
    リチウム複合酸化物二次粒子(A)の含有量と、リチウム系ポリアニオン粒子(B)の含有量との質量比((A):(B))が、95:5〜50:50であるリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体。
  2. リチウム複合酸化物二次粒子(A)が、互いに組成が異なる2種以上の式(I)で表されるリチウム複合酸化物粒子によって、コア部とシェル部とを有するコア−シェル構造を形成してなる請求項1に記載のリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体。
  3. さらに、水不溶性炭素粒子(C)が、リチウム複合酸化物二次粒子(A)の内部空隙に包埋されてなるとともにリチウム複合酸化物二次粒子(A)の表面に担持してなり、かつ
    リチウム複合酸化物二次粒子(A)の含有量と、リチウム系ポリアニオン粒子(B)及び水不溶性炭素粒子(C)の合計含有量との質量比((A):((B)+(C)))が、95:5〜50:50である請求項1又は2に記載のリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体。
  4. リチウム系ポリアニオン粒子(B)の含有量と、水不溶性炭素粒子(C)の含有量との質量比((B):(C))が、95:5〜70:30である請求項3に記載のリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体。
  5. リチウム複合酸化物二次粒子(A)の平均粒径が、1μm〜25μmである請求項1〜4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複合体。
  6. リチウム系ポリアニオン粒子(B)のリチウムイオン伝導度が、1×10−7S/cm以上である請求項1〜5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複合体。
  7. 下記式(III):
    NaNia’Cob’Mnc’ p’・・・(III)
    (式(III)中、MはMg、Ti、Nb、Fe、Cr、Si、Al、Ga、V、Zn、Cu、Sr、Mo、Zr、Sn、Ta、W、La、Ce、Pb、Bi及びGeから選ばれる1種又は2種以上の元素を示す。a’、b’、c’、p’は、0.3≦a’<1、0<b’≦0.7、0<c’≦0.7、0≦p’≦0.3、かつ3a’+3b’+3c’+(Mの価数)×p’=3を満たす数を示す。)
    又は、下記式(IV):
    NaNid’Coe’Alf’ q’・・・(IV)
    (式(IV)中、MはMg、Ti、Nb、Fe、Cr、Si、Ga、V、Zn、Cu、Sr、Mo、Zr、Sn、Ta、W、La、Ce、Pb、Bi及びGeから選ばれる1種又は2種以上の元素を示す。d’、e’、f’、q’は、0.4≦d’<1、0<e’≦0.6、0<f’≦0.3、0≦q’≦0.3、かつ3d’+3e’+3f’+(Mの価数)×q’=3を満たす数を示す。)
    で表される、1種以上のナトリウム複合酸化物粒子からなるナトリウム複合酸化物二次粒子(D)の表面及び内部空隙において、下記式(VII):
    NaCog’Nih’ i’PO・・・(VII)
    (式(VII)中、MはFe、Mn、Ca、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd又はGdを示す。w、g’、h’、及びi’は、0.8≦w≦1.2、0≦g’≦1.2、0≦h’≦1.2、0≦i’≦0.3、g’+h’≠0、及び0.8≦(g’+h’+i’)≦1.2を満たし、かつw+2g’+2h’+(Mの価数)×i’=3を満たす数を示す。)
    又は、下記式(VIII):
    NaCoj’Nik’10 l’SiO・・・(VIII)
    (式(VIII)中、M10はFe、Mn、Ca、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd又はGdを示す。x、j’、k’、及びl’は、1.6≦x≦2.4、0≦j’≦1.2、0≦k’≦1.2、0≦l’≦1.2、j’+k’≠0、及び0.8≦(j’+k’+l’)≦1.2を満たし、かつx+2j’+2k’+(M10の価数)×l’=4を満たす数を示す。)
    で表され、少なくともコバルト又はニッケルのいずれかを含むナトリウム系ポリアニオン粒子(E)と、ナトリウム複合酸化物粒子とが複合化してなり、かつ
    ナトリウム複合酸化物二次粒子(D)の含有量と、ナトリウム系ポリアニオン粒子(E)の含有量との質量比((D):(E))が、95:5〜50:50であるナトリウムイオン二次電池用正極活物質複合体。
  8. ナトリウム複合酸化物二次粒子(D)が、互いに組成が異なる2種以上の式(III)で表されるナトリウム複合酸化物粒子によって、コア部とシェル部とを有するコア−シェル構造を形成してなる請求項7に記載のナトリウムイオン二次電池用正極活物質複合体。
  9. さらに、水不溶性炭素粒子(C)が、ナトリウム複合酸化物二次粒子(D)の内部空隙に包埋されてなるとともにナトリウム複合酸化物二次粒子(D)の表面に担持してなり、かつ
    ナトリウム複合酸化物二次粒子(D)の含有量と、ナトリウム系ポリアニオン粒子(E)及び水不溶性炭素粒子(C)の合計含有量との質量比((D):((E)+(C)))が、95:5〜50:50である請求項7又は8に記載のナトリウムイオン二次電池用正極活物質複合体。
  10. ナトリウム系ポリアニオン粒子(E)の含有量と、水不溶性炭素粒子(C)の含有量との質量比((E):(C))が、95:5〜70:30である請求項9に記載のナトリウムイオン二次電池用正極活物質複合体。
  11. ナトリウム複合酸化物二次粒子(D)の平均粒径が、1μm〜25μmである請求項7〜10のいずれか1項に記載のナトリウムイオン二次電池用正極活物質複合体。
  12. ナトリウム系ポリアニオン粒子(E)のリチウムイオン伝導度が、1×10−7S/cm以上である請求項7〜11のいずれか1項に記載のナトリウムイオン二次電池用正極活物質複合体。
  13. X線光電子分光法によるピーク強度比(Ni2p3/2の3価のNiのピーク強度)/(P2pのピーク強度)又は(Ni2p3/2のピーク強度)/(Si2pのピーク強度)が、0.1以下である請求項1〜6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複合体、又は請求項7〜12のいずれか1項に記載のナトリウムイオン二次電池用正極活物質複合体。
  14. X線光電子分光法によるピーク強度比(Ni2p3/2の3価のNiのピーク強度)/((P2pのピーク強度)+(C1sのピーク強度))又は(Ni2p3/2の3価のNiピーク強度)/((Si2pのピーク強度)+(C1sのピーク強度))が、0.1以下である請求項3〜6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複合体、又は請求項9〜12のいずれか1項に記載のナトリウムイオン二次電池用正極活物質複合体。
  15. 請求項13又は14に記載のリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体を正極材料として含むリチウムイオン二次電池、或いは請求項13又は14に記載のナトリウムイオン二次電池用正極活物質複合体を正極材料として含むナトリウムイオン二次電池。
  16. リチウム複合酸化物二次粒子(A)の表面及び内部空隙において、リチウム複合酸化物粒子とリチウム系ポリアニオン粒子(B)とを複合化する工程を備える請求項1〜6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複合体の製造方法。
  17. リチウム複合酸化物二次粒子(A)の内部空隙に水不溶性炭素粒子(C)を包埋するとともに、リチウム複合酸化物二次粒子(A)の表面に水不溶性炭素粒子(C)を担持する工程を備える請求項3〜6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複合体の製造方法。
  18. 複合化する工程が、水熱合成法を用いて行う工程である請求項16又は17に記載のリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体の製造方法。
  19. ナトリウム複合酸化物二次粒子(D)の表面及び内部空隙において、ナトリウム複合酸化物粒子とナトリウム系ポリアニオン粒子(E)とを複合化する工程を備える請求項7〜12のいずれか1項に記載のナトリウムイオン二次電池用正極活物質複合体の製造方法。
  20. ナトリウム複合酸化物二次粒子(D)の内部空隙に水不溶性炭素粒子(C)を包埋するとともに、ナトリウム複合酸化物二次粒子(D)の表面に水不溶性炭素粒子(C)を担持する工程を備える請求項9〜12のいずれか1項に記載のナトリウムイオン二次電池用正極活物質複合体の製造方法。
  21. 複合化する工程が、水熱合成法を用いて行う工程である請求項19又は20に記載のナトリウムイオン二次電池用正極活物質複合体の製造方法。
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