JP2018506141A - 正極活物質及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
<化学式1>Li1+aNibM1cM2dO2
(前記<化学式1>で0.95≧b≧0.75であり、a+b+c=1であり、
M1はCo、B、Ba、Cr、F、Li、Mo、P、Sr、Ti、及びZrからなるグループから選択されるいずれか一つ以上であり、
M2はMn、Al、B、Ba、Cr、F、Li、Mo、P、Sr、Ti、及びZrからなるグループから選択されるいずれか一つ以上である)
本発明による正極活物質の残留リチウムが0.6wt%以下であることを特徴とする。
正極活物質を準備する第1ステップ;
Alを含む化合物と前記正極活物質とを混合して熱処理する第2ステップを含む本発明による正極活物質の製造方法を提供する。
本発明による正極活物質の製造方法において、前記Alを含む化合物はAl(OH)3、Al2O3、Al(NO3)3、Al2(SO4)3、AlCl3、AlH3、AlF3、及びAlPO4などからなるグループから選択されることを特徴とする。
前記第1ステップ後、第2ステップの間に
水洗溶液を温度を一定に維持しながら準備する第1−1ステップ;
前記水洗溶液に正極活物質を入れて撹拌する第1−2ステップ;
水洗された正極活物質を乾燥させる第1−3ステップ;をさらに含むことを特徴とする。
回分式反応器(batch reactor)(容量70L、回転モーターの出力80W以上)に蒸溜水20リットルとキレーティング剤としてアンモニアを840gを入れた後、反応器内の温度を50℃に維持しながらモータを400rpmで撹拌した。
第2ステップとして、硫酸ニッケル、硫酸コバルト、及び硫酸マンガンのモル比が9:1:0の割合で混合された2.5M濃度の第1前駆体水溶液を2.2リットル/時間で、28%濃度のアンモニア水溶液を0.15リットル/時間で反応器に連続投入した。また、pHの調整のために25%濃度の水酸化ナトリウム水溶液を供給して、pHが11に維持されるようにした。インペラ速度は400rpmに調節した。作られた第1前駆体水溶液とアンモニア、水酸化ナトリウム溶液を反応器内に連続して27L投入した。
次に、第3ステップとして、硫酸ニッケル、硫酸コバルト、及び硫酸マンガンのモル比が65:15:20の割合で混合された2.5M濃度の濃度勾配層形成用水溶液を作って前記回分式反応器(batch reactor)の他の別途の撹拌機で前記第2ステップで製造された硫酸ニッケル、硫酸コバルト、及び硫酸マンガンのモル比が9:1:0の割合で混合された2.5M濃度の第1前駆体水溶液の容量を10Lに固定させた後、2.2リットル/時間の速度で投入しながら撹拌して、第2前駆体水溶液を作って、同時に前記回分式反応器(batch reactor)に導入した。前記第2前駆体水溶液のうちの硫酸ニッケル、硫酸コバルト、及び硫酸マンガンのモル比がシェル層の濃度である4:2:4になるまで前記濃度勾配層形成用水溶液を混合しながら回分式反応器(batch reactor)に導入し、28%濃度のアンモニア水溶液は0.08L/時間の速度で投入し、水酸化ナトリウム溶液はpHが11になるように維持した。この際、投入された第2前駆体水溶液とアンモニア、水酸化ナトリウム溶液は17Lである。
正極活物質粒子をAl化合物と乾式または湿式コーティング後、720℃で熱処理を実施した。
NCA系列の正極活物質を製造するために、先に公沈反応によりNiCo(OH)2前駆体を製造した。前記金属複合水酸化物と水酸化リチウムを1:1.02のモル比で混合した後、2℃/minの昇温速度で加熱した後、750℃で20時間焼成させて正極活物質粉末を得た。
正極活物質粒子をAl化合物と乾式または湿式コーティング後、720℃で熱処理を実施した。
前記実施例2及び比較例6で製造された活物質のXRDを測定し、その結果を図1に示した。
図1で、本発明の実施例2で製造された粒子の場合、比較例とは異なり、45゜〜46゜でピークが観察されることが分かる。
前記実施例10及び比較例6で製造された活物質の粒子強度を測定し、その結果を図2に示した。
図2で、本発明の実施例2で製造された粒子の場合、比較例の粒子より粒子強度が20%位改善されることが分かる。
未反応リチウムの測定はpH適正によりpH4になるまで使われた0.1M HClの量で測定する。先に、正極活物質5gをDIW 100mlに入れて15分間撹拌した後、フィルタリングし、フィルタリングされた溶液50mlを取った後、ここに0.1M HClを加えて、pH変化に従うHCl消耗量を測定してQ1、Q2を決定し、以下の計算式に従って未反応LiOH及びLi2CO3を計算した。
M1 = 23.94 (LiOH Molecular weight)
M2 = 73.89 (Li2CO3 Molecular weight)
SPL Size = (Sample weight × Solution Weight) / Water Weight
LiOH(wt %) = [(Q1-Q2)×C×M1×100]/(SPL Size ×1000)
Li2CO3 (wt%)=[2×Q2×C×M2/2×100]/(SPL Size×1000)
このような方法を適用して前記実施例及び比較例で製造されたNCA系列リチウム複合酸化物において未反応LiOH及びLi2CO3の濃度を測定した結果は、次の<表2>及び図3の通りである。
前記実施例及び比較例で製造された正極活物質を正極に使用し、リチウム金属を負極に使用して、各々のコインセルを製造し、C/10充電及びC/10放電速度(1C=150mA/g)で3〜4.3Vの間で充放電実験を遂行した結果を図5及び前記<表2>及び図4に示した。
連続的な濃度勾配を有するNCM系正極活物質である実施例3の高温貯蔵前・後のインピーダンスを測定し、その結果を<表2>及び図5に示した。
図5で、洗浄及び表面処理を実施しない比較例2に比べてAl化合物コーティング後、熱処理を実施した実施例3の貯蔵前・後のインピーダンスが減少したことを確認することができる。
本発明は、表面にLiAlO2を含む正極活物質及びその製造方法に関するものであって、正極活物質はアルミニウムでドーピングして表面に存在する残留リチウムがアルミニウムと反応してLiAlO2として存在することによって、残留リチウムを減少させるだけでなく、粒子強度を増加させる効果を示す点で非常に有用であるということができる。
Claims (10)
- 表面にLiAlO2を含むことを特徴とする、正極活物質。
- XRDで2θが45〜46でピークを示すLiAlO2を含むことを特徴とする、請求項1に記載の正極活物質。
- 前記正極活物質は、以下の<化学式1>で表示されることを特徴とする、請求項1に記載の正極活物質。
<化学式1>Li1+aNibM1cM2dO2
(前記<化学式1>で0.95≧b≧0.75であり、a+b+c=1であり、
M1はCo、B、Ba、Cr、F、Li、Mo、P、Sr、Ti、及びZrからなるグループから選択されるいずれか一つ以上であり、
M2はMn、Al、B、Ba、Cr、F、Li、Mo、P、Sr、Ti、及びZrからなるグループから選択されるいずれか一つ以上である)。 - 前記正極活物質の残留リチウムが0.6wt%以下であることを特徴とする、請求項1に記載の正極活物質。
- 粒子強度が150MPa以上であることを特徴とする、請求項1に記載の正極活物質。
- 正極活物質を準備する第1ステップと、
Alを含む化合物と前記正極活物質とを混合して撹拌する第2ステップと、
を含むことを特徴とする、請求項1による正極活物質の製造方法。 - 前記Alを含む化合物は、Al(OH)3、Al2O3、Al(NO3)3、Al2(SO4)3、AlCl3、AlH3、AlF3、及びAlPO4などからなるグループから選択されることを特徴とする、請求項6に記載の正極活物質の製造方法。
- 前記第1ステップ後、第2ステップの間に
水洗溶液を温度を一定に維持しながら準備する第1−1ステップと、
前記水洗溶液に正極活物質を入れて撹拌する第1−2ステップと、
水洗された正極活物質を乾燥させる第1−3ステップと、
をさらに含むことを特徴とする、請求項7に記載の正極活物質の製造方法。 - 前記水洗溶液は蒸溜水またはアルカリ水溶液であることを特徴とする、請求項8に記載の正極活物質の製造方法。
- 前記乾燥させるステップでは、
乾燥温度80〜200℃、乾燥時間5〜20時間で真空乾燥されることを特徴とする、請求項8に記載の正極活物質の製造方法。
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