JP2019067506A - 非水電解質二次電池用正極活物質及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
非水電解質二次電池用正極活物質は、スピネル構造を有し、ニッケル及びマンガンを含むリチウム遷移金属複合酸化物を含む。リチウム遷移金属複合酸化物は、ニオブが固溶する表面領域を有する。表面領域では、ニッケルとマンガンの総量に対するニオブ量のモル比(Nb/(Ni+Mn))が、表面から深さ方向への距離0.3nmまでの領域において表面から深さ方向への距離に応じて減少する。
LixNipMnqNbrM1 sO4 (I)
式中、x、p、q、r及びsは、1≦x≦1.3、0.3≦p≦0.6、1.2≦q≦1.7、0.001≦r≦0.05、0≦s≦0.2、p+q+r+s≦2を満たし、M1はAl、Mg、Si、Ti、Cr、Fe、Co、Cu、Zn及びGaからなる群から選択される少なくとも1種である。
非水電解質二次電池用電極は、集電体と、集電体上に配置され、上述した非水電解質二次電池用正極活物質を含む正極活物質層とを備える。係る電極を備える非水電解質二次電池は、良好な出力特性とサイクル特性とを両立できる。
非水電解質二次電池は、前記非水電解質二次電池用電極を備える。非水電解質二次電池は、非水電解質二次電池用電極に加えて、非水電解質二次電池用負極、非水電解質、セパレータ等を備えて構成される。非水電解質二次電池における、負極、非水電解質、セパレータ等については例えば、特開2002−075367号公報、特開2011−146390号公報、特開2006−12433号公報(これらは、その開示内容全体が参照により本明細書に組み込まれる)等に記載された、非水電解質二次電池用のものを適宜用いることができる。
正極活物質の製造方法は、スピネル構造を有し、ニッケル及びマンガンを含むリチウム遷移金属複合酸化物を含む母材を準備する母材準備工程と、前記母材と、ニオブを含むゾル又は溶液とを接触させてニオブ付着物を得る付着工程と、前記ニオブ付着物を500℃より高い温度で熱処理して熱処理物を得る熱処理工程と、を含む。ニオブ付着物を特定温度で熱処理することで、良好な出力特性とサイクル特性を示す非水電解質二次電池を構成可能な正極活物質を効率的に製造することができる。
LixNipMnqM1 rO4 (II)
式中、x、p、q及びrは、1≦x≦1.3、0.3≦p≦0.6、1.2≦q≦1.7、0≦r≦0.2、p+q+r≦2を満たし、M1はAl、Mg、Si、Ti、Cr、Fe、Co、Cu、Zn及びGaからなる群から選択される少なくとも1種である。
LixNipMnqNbrM1 sO4 (I)
式中、x、p、q、r及びsは、1≦x≦1.3、0.3≦p≦0.6、1.2≦q≦1.7、0.001≦r≦0.05、0≦s≦0.2、p+q+r+s≦2を満たし、M1はAl、Mg、Si、Ti、Cr、Fe、Co、Cu、Zn及びGaからなる群から選択される少なくとも1種である。
まず以下の実施例及び比較例における物性の測定方法について説明する。BET比表面積については、窒素ガス吸着法((株)マウンテック製Macsorb Model−1201)を用いて求めた。平均粒径についてはレーザー回折式粒径分布測定装置((株)島津製作所製SALD−3100)を用いて、体積基準の累積粒度分布を測定し、小粒径側からの体積累積50%に対応する粒径を求め平均粒径(D50)とした。
(種生成工程)
反応槽内に、水を30kg入れて撹拌しながら、窒素ガスを流通し、槽内温度を50℃に設定した。反応槽内空間の酸素濃度を10体積%以下に保持した後、25質量%水酸化ナトリウム水溶液を197g加えて、反応槽内の溶液のpH値を11以上に調整した。次に、硫酸ニッケル溶液と硫酸マンガン溶液を混合し、ニッケルとマンガンをモル比25:75で含み、ニッケルとマンガンの総イオン濃度が1.7mol/Lとなるように混合水溶液を調製した。反応槽内の溶液を撹拌しながら、調製した混合水溶液を4.76L加え、種晶を含む液媒体を調製した。
前記種生成工程後、50℃に温度維持したまま、70%硫酸をpHが8.9から9.2になるように投入した。その後、25%質量水酸化ナトリウムの452モル分と、混合水溶液の201モル分とをそれぞれ反応槽内へ一定流量で18時間以上投入した。この時のpHは7.5から8.5で維持されていた。投入終了後に50℃に反応槽内を維持したまま25%質量水酸化ナトリウム水溶液を2.1kg投入した。この時の反応槽内のpH値は11.7であった。得られたニッケル及びマンガンを含む水酸化物の50%粒径D50は6.0μmであった。次に生成した沈殿物を水洗、濾過して複合水酸化物を得た。得られた複合水酸化物を大気雰囲気下、300℃で12時間、熱処理を行い、Ni/Mn=0.25/0.75の組成比率を有する複合酸化物を得た。
得られた複合酸化物と炭酸リチウムとをLi:(Ni+Mn)=1.1:2となるように混合し、原料混合物を得た。得られた原料混合物を大気中835℃で11時間焼成の後、600℃で4時間焼成し、焼結体を得た。得られた焼結体を解砕し、樹脂製ボールミルにて15分間の分散処理を行い乾式篩にかけ粉状体として母材を得た。
以上により、BET比表面積が0.78m2/gであり、体積平均粒径が4.9μmであり、組成式:Li1.1Ni0.5Mn1.5O4で表されるリチウム遷移金属複合酸化物を得た。
得られたリチウム遷移金属複合酸化物900gに対して、ニオブ源として濃度が4.2質量%である多木化学株式会社製のNb2O5ゾルを用い、ミキサーにてリチウム遷移金属複合酸化物を撹拌しながらゾルを105g滴下する事で、ニオブ付着物を得た。その後、大気中600℃で9時間熱処理を施した。得られた熱処理物を樹脂製ボールミルにて合成工程後の母材と同じ体積平均粒径となるように分散処理を行い、乾式篩にかけて、Nb処理を施したリチウム遷移金属複合酸化物として正極活物質を得た。得られたリチウム遷移金属複合酸化物はBET比表面積が0.79m2/gであり、組成式:Li1.1Ni0.5Mn1.49Nb0.01O4で表される。
熱処理温度を表1に示すように、700℃、750℃、800℃及び830℃にそれぞれ変更したこと以外は、実施例1と同様にして、実施例2から5の正極括物質を製造した。
実施例1で準備した母材を比較例1の正極活物質とした。
熱処理温度を表1に示すように350℃に変更したこと以外は、実施例1と同様にして、比較例2の正極括物質を製造した。
表面領域のニッケルとマンガンとニオブの分析
上記で得られた正極活物質を用いて、以下の手順で表面領域におけるニオブ含有量を評価した。
クエン酸三ナトリウム(無水)1.775gとクエン酸(無水)0.015gを秤量して100mLのメスフラスコに全量移した。メスフラスコに純水を投入し、最終液量を100mLに調整した。こうしてpH7.0のクエン酸系のブランク緩衝液(以下、緩衝液Aとする)を得た。
クエン酸三ナトリウム(無水)1.775gとクエン酸(無水)0.015gを秤量して100mLのメスフラスコに全量移した。メスフラスコに純水を投入し、最終液量を100mLに調整後、アスコルビン酸を0.015g添加した。こうしてpH7.0のクエン酸系のアスコルビン酸0.015%緩衝液(以下、緩衝液Bとする。)を得た。
クエン酸三ナトリウム(無水)1.775gとクエン酸(無水)0.015gを秤量して100mLのメスフラスコに全量移した。メスフラスコに純水を投入し、最終液量を100mLに調整後、アスコルビン酸を0.1g添加した。こうしてpH7.0のクエン酸系のアスコルビン酸0.1%緩衝液(以下、緩衝液Cとする。)を得た。
各実施例および比較例のリチウム遷移金属複合酸化物10gを100mlのポリ容器に精秤し、上記の緩衝液Aの20mLをポリ瓶容器に加え、ミックスローターで撹拌して、リチウム遷移金属複合酸化物を最外面から徐々に10分間溶解処理して部分溶解物を得た。溶解処理終了後、ポリ瓶容器の内容物を取り出して濾過し、溶け残ったリチウム遷移金属複合酸化物を除去した。上記緩衝液Bと緩衝液Cを用いて同様にそれぞれ溶解処理を行った。
溶解工程で得られた濾液から各々1mLを試料として採取し希釈後、誘導結合プラズマ分析により各元素の定量分析を行った。分析結果に基づいて、各元素の含量(モル/l)を算出した。以下緩衝液Aを用いた場合のニオブ濃度をC0 Nb、緩衝液Bを用いた場合のニオブ濃度をC0.015 Nb、ニッケル濃度をC0.015 Ni及びマンガン濃度をC0.015 Mnとし、緩衝液Cを用いたニオブ濃度をC0.1 Nb、ニッケル濃度をC0.1 Ni及びマンガン濃度をC0.1 Mnとした。
(溶解工程)
リチウム遷移金属複合酸化物0.2gを100mLのコニカルビーカーに精秤し、6M塩酸20mLを入れ20分間加熱溶解した。溶解終了後、200mLのメスフラスコに全量移した。メスフラスコに純水を投入し、液量を200mLに調整した後、不溶分を濾過した。
溶解工程で得られた濾液から、10mLを試料として採取し希釈後、誘導結合プラズマ分析により各元素の定量分析を行った。分析結果に基づいて、ニッケル、マンガンの濃度(モル/l)を算出した。以下ニッケル濃度をC1 Ni及びマンガン濃度をC1 Mnとする。
(溶解工程)
リチウム遷移金属複合酸化物0.1gを100mLのコニカルビーカーに精秤し、硫酸アンモニウム約1.5gを加えた。混合後、conc.H2SO4を2mL添加し、25分間加熱溶融した。放冷後、6M塩酸5mL、純水15mLを加え、10分間加熱溶解させた。溶解終了後、100mLのメスフラスコに全量移した。メスフラスコに純水を投入し、液量を100mLに調整した。
溶解工程で得られた溶液について、誘導結合プラズマ分析によりニオブの定量分析を行った。分析結果に基づいて、ニオブ濃度(モル/l)を算出した。以下ニオブ濃度をC1 Nbとする。
Nb/(Ni+Mn)0.1=(C0.1 Nb−C0 Nb)/(C0.1 Ni+C0.1 Mn)
D50 0.1=D50×{(C1 Nb−C0 Nb+C1 Ni+C1 Mn)−(C0.1 Nb−C0 Nb+C0.1 Ni+C0.1 Mn)}/(C1 Nb−C0 Nb+C1 Ni+C1 Mn)
Ddepth 0.1=(D50−D50 0.1)/2
同様にして0.015質量%アスコルビン酸溶液におけるニッケルとマンガンの総量に対するニオブ量のモル比Nb/(Ni+Mn)0.015と部分溶解物の平均粒径D50 0.015とDdepth 0.015を算出した。
表面からの深さに対する、NiとMnの総量に対するNb量のモル比の関係を図4に示す。
上記で得られた正極活物質について、走査型電子顕微鏡(SEM;加速電圧1.5kV)を用いて表面観察を行った。結果を図1から図3に示す。
図1は母材、図2は比較例2の正極活物質、図3は実施例2の正極活物質の表面観察結果である。図1及び図2から、比較例2の正極活物質ではニオブ化合物が表面に付着していることが分かる。また図3では、表面に付着したニオブ化合物が観察されず、ニオブが表面に固溶していることが分かる。
上記で得られた正極活物質について、BET比表面積を測定した。母材に対する熱処理物のBET比表面積の比を算出し、併せて結果を表1に示す。
上記で得られた正極活物質を用いて、以下の手順で評価用電池を作製した。
正極活物質90質量部、アセチレンブラック5質量部、及びポリフッ化ビニリデン(PVDF)5質量部をN−メチル−2−ピロリドン(NMP)に分散させて正極合剤を調製した。得られた正極合剤を、集電体としてのアルミニウム箔に塗布し、乾燥後ロールプレス機で圧縮成形した後、所定のサイズに裁断することにより、正極を作製した。
人造黒鉛97.5重量部、CMC(カルボキシメチルセルロース)1.5重量部及びSBR(スチレンブタジエンゴム)1.0重量部を純水に分散、溶解させて負極スラリーを調製した。得られた負極スラリーを銅箔からなる集電体に塗布し、乾燥後ロールプレス機で圧縮成形し、所定のサイズに裁断することにより、負極を作製した。
正極及び負極の集電体に各々リード電極を取り付けた後、正極と負極との間にセパレータを配し、袋状のラミネートパックにそれらを収納した。次いで、これを65℃で真空乾燥させて、各部材に吸着した水分を除去した。その後、アルゴン雰囲気下でラミネートパック内に電解液を注入し、封止して評価用電池を作製した。電解液としては、エチレンカーボネート(EC)とメチルエチルカーボネート(MEC)とを体積比3:7で混合し、六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)を濃度が1mol/lになるように溶解させたものを用いた。こうして得られた評価用電池を25℃の恒温槽に入れ、微弱電流でエージングを行った後に、以下の評価を行った。
エージング後の評価用電池を25℃及び−25℃の環境下に置き、直流内部抵抗の測定を行った。満充電電圧4.75Vにおける充電深度50%まで定電流充電を行った後、特定の電流iによるパルス放電を10秒間行い、10秒目の電圧Vを測定した。横軸に電流i、縦軸に電圧Vをとって交点をプロットし、交点を結んだ直線の傾きを直流内部抵抗(DC−IR)とした。なお、25℃の場合は、電流i=0.06A、0.11A、0.16A、0.21A及び0.26Aとし、−25℃の場合は電流i=0.03A、0.05A、0.08A、0.105A及び0.13Aとした。DC−IRが低いことは、出力特性が良好であることを意味する。結果を表1に示す。
60℃の温度条件下で充放電サイクル試験を行った。充放電サイクル試験は、充電電流1.0C(1C=1時間で放電が終了する電流)の定電流で充電上限電圧4.75Vまで充電を行い、次いで1.0Cの定電流で放電下限電圧3.5Vまで放電を行う充放電を1サイクルとし、このサイクルを合計100サイクル行うものとした。そして、サイクル毎に、放電容量を測定し、(100サイクル目の放電容量/1サイクル目の放電容量)×100という式を用いて、100サイクルにおける容量維持率(%)を計算した。耐久性が高いことは、寿命特性が良いことを意味する。結果を表1に示す。
Claims (14)
- スピネル構造を有し、ニッケル及びマンガンを含むリチウム遷移金属複合酸化物を含み、
前記リチウム遷移金属複合酸化物は、ニオブが固溶する表面領域を有し、
前記表面領域におけるニッケルとマンガンの総量に対するニオブ量のモル比が、表面から深さ方向への距離0.3nmまでの領域において表面から深さ方向への距離に応じて減少する非水電解質二次電池用正極活物質。 - 前記表面領域におけるニッケルとマンガンの総量に対するニオブ量のモル比が、表面から深さ方向への距離0.3nmまでの領域において表面から深さ方向への距離に応じて減少する、その減少率が0.14/nm以上である請求項1に記載の非水電解質二次電池用正極活物質。
- 前記表面領域におけるニッケルとマンガンの総量に対するニオブ量のモル比が、表面から深さ方向への距離0.5nmまでの領域において表面から深さ方向への距離に応じて減少し、その減少率が、0.14/nm以上である請求項1又は2に記載の非水電解質二次電池用正極活物質。
- 前記減少率が、0.5/nm以上である請求項2又は3に記載の非水電解質二次電池用正極活物質。
- 前記リチウム遷移金属複合酸化物の表面におけるニッケルとマンガンの総量に対するニオブ量のモル比が0.1以上である請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池用正極活物質。
- 前記リチウム遷移金属複合酸化物のBET比表面積が0.5m2/g以上1.5m2/g以下である請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池用正極活物質。
- 前記リチウム遷移金属複合酸化物は、下式で表される組成を有する請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池用正極活物質。
LixNipMnqNbrM1 sO4
(式中、x、p、q、r及びsは、1≦x≦1.3、0.3≦p≦0.6、1.2≦q≦1.7、0.001≦r≦0.05、0≦s≦0.2、p+q+r+s≦2を満たし、M1はAl、Mg、Si、Ti、Cr、Fe、Co、Cu、Zn及びGaからなる群から選択される少なくとも1種である。) - スピネル構造を有し、ニッケル及びマンガンを含むリチウム遷移金属複合酸化物を含む母材を準備することと、
前記母材と、ニオブを含むゾル又は溶液とを接触させてニオブ付着物を得ることと、
前記ニオブ付着物を500℃より高い温度で熱処理して熱処理物を得ることと、
を含む非水電解質二次電池用正極活物質の製造方法。 - 前記熱処理の温度が600℃以上780℃以下である請求項8に記載の製造方法。
- 前記母材は、BET比表面積が0.5m2/g以上1.5m2/g以下である請求項8又は請求項9に記載の製造方法。
- 前記熱処理物のBET比表面積の前記母材のBET比表面積に対する比が、0.8以上1.2以下である請求項8から請求項10のいずれか1項に記載の製造方法。
- 前記ニオブを含むゾル又は溶液に含まれるニオブ量が、前記ニッケル及びマンガンを含むリチウム遷移金属複合酸化物に対して0.5mol%以上2mol%以下である請求項8から請求項11のいずれか1項に記載の製造方法。
- 前記熱処理物は、ニオブが固溶する表面領域を有し、前記表面領域におけるニッケルとマンガンの総量に対するニオブ量のモル比が、表面から深さ方向への距離0.3nmまでの領域において表面から深さ方向への距離に応じて減少し、その減少率が0.14/nm以上である請求項8から請求項12のいずれか1項に記載の製造方法。
- 前記熱処理物は、下式で表される組成を有するリチウム遷移金属複合酸化物を含む請求項8から請求項13のいずれか1項に記載の製造方法。
LixNipMnqNbrM1 sO4
(式中、x、p、q、r及びsは、1≦x≦1.3、0.3≦p≦0.6、1.2≦q≦1.7、0.001≦r≦0.05、0≦s≦0.2、p+q+r+s≦2を満たし、M1はAl、Mg、Si、Ti、Cr、Fe、Co、Cu、Zn及びGaからなる群から選択される少なくとも1種である。)
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