JP2019160571A - リチウム金属複合酸化物粉末、リチウム二次電池用正極活物質、正極、及びリチウム二次電池 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、電極を作製する際のプレス圧力による粒子割れの発生を抑制したリチウム金属複合酸化物粉末、該リチウム金属複合酸化物粉末を含有するリチウム二次電池用正極活物質、該リチウム二次電池用正極活物質を含有する正極、及び該正極を有するリチウム二次電池を提供することを課題とする。
[1]一次粒子が凝集して形成された二次粒子と、前記二次粒子とは独立して存在する単粒子と、から構成されたリチウム金属複合酸化物粉末であって、下記組成式(I)で表され、かつ、単粒子の数をa、二次粒子の数をbとしたとき、[a/(a+b)]が0.5<[a/(a+b)]<1.0を満たす、リチウム金属複合酸化物粉末。
Li[Lix(Ni(1−y−z−w)CoyMnzMw)1−x]O2 ・・・(I)
(ただし、MはFe、Cu、Ti、Mg、Al、W、B、Mo、Nb、Zn、Sn、Zr、Ga、La及びVからなる群より選択される1種以上の金属元素であり、−0.1≦x≦0.2、0≦y≦0.4、0≦z≦0.4、0≦w≦0.1を満たす。)
[2]前記組成式(I)において、0<x≦0.2である、[1]に記載のリチウム金属複合酸化物粉末。
[3]前記[a/(a+b)]が、0.8<[a/(a+b)]<1.0を満たす、[1]又は[2]に記載のリチウム金属複合酸化物粉末。
[4]前記単粒子の平均粒径が、0.5μm以上7μm以下である、[1]〜[3]のいずれか1つに記載のリチウム金属複合酸化物粉末。
[5]前記二次粒子の平均粒径が、2μm以上20μm以下である、[1]〜[4]のいずれか1つに記載のリチウム金属複合酸化物粉末。
[6][1]〜[5]のいずれか1つに記載のリチウム金属複合酸化物粉末を含有する、リチウム二次電池用正極活物質。
[7][6]に記載のリチウム二次電池用正極活物質を含有する正極。
[8][7]に記載の正極を有するリチウム二次電池。
本発明において、「二次粒子」とは、前記一次粒子が凝集することにより形成された粒子である。
本発明において、「単粒子」とは、前記二次粒子とは独立して存在し、外観上に粒界が存在しない粒子であって、例えば粒子径が0.5μm以上の粒子を意味する。
本実施形態は、一次粒子が凝集して形成された二次粒子と、前記二次粒子とは独立して存在する単粒子と、から構成されたリチウム金属複合酸化物粉末である。本実施形態のリチウム金属複合酸化物粉末は、下記組成式(I)で表され、かつ、単粒子の数をa、二次粒子の数をbとしたとき、[a/(a+b)]が0.5<[a/(a+b)]<1.0を満たす。
Li[Lix(Ni(1−y−z−w)CoyMnzMw)1−x]O2 ・・・(I)
(ただし、MはFe、Cu、Ti、Mg、Al、W、B、Mo、Nb、Zn、Sn、Zr、Ga、La及びVからなる群より選択される1種以上の金属元素であり、−0.1≦x≦0.2、0≦y≦0.4、0≦z≦0.4、0≦w≦0.1を満たす。)
単粒子は粒界が存在しないため、正極材の成型時の加圧操作による変形や破壊が起こらず、充放電時の膨張収縮にも耐えることができる。
本実施形態のリチウム金属複合酸化物粉末は、下記組成式(I)で表される。
Li[Lix(Ni(1−y−z−w)CoyMnzMw)1−x]O2 ・・・(I)
(ただし、MはFe、Cu、Ti、Mg、Al、W、B、Mo、Nb、Zn、Sn、Zr、Ga、La及びVからなる群より選択される1種以上の金属元素であり、−0.1≦x≦0.2、0≦y≦0.4、0≦z≦0.4、0≦w≦0.1を満たす。)
xの上限値と下限値は任意に組み合わせることができる。
yの上限値と下限値は任意に組み合わせることができる。
zの上限値と下限値は任意に組み合わせることができる。
wの上限値と下限値は任意に組み合わせることができる。
本実施形態のリチウム金属複合酸化物粉末は、単粒子数aと、二次粒子数bが下記の要件(II)を満たす。
0.5<[a/(a+b)]<1.0 ・・・(II)
本実施形態において、[a/(a+b)]が上記下限値以上であることにより、リチウム金属複合酸化物粉末全体に対して、単粒子の存在比率が多いリチウム金属複合酸化物粉末となる。
本実施形態のリチウム金属複合酸化物は、粒界が少なく、正極材成形時の粒子割れが生じにくい。このためリチウム二次電池用正極活物質として用いた場合に、加圧に対する強度が高く、電極密度を高めることが可能となる。これにより、電池エネルギー密度を向上させることができる。
また、充放電時の膨張収縮による割れが生じにくい。このため、リチウム二次電池用正極活物質として用いた場合に、サイクル特性を向上させることができる。
まず、リチウム金属複合酸化物粉末を、サンプルステージ上に貼った導電性シート上に載せ、日本電子株式会社製JSM−5510を用いて、加速電圧が20kVの電子線を照射してSEM観察を行う。SEM観察により得られた画像(SEM写真)から、粒子の総数が200以上となる任意の視野における独立して存在する単粒子を数え、その総数をaとする。また、同一の視野内における二次粒子の総数をbとする。同一の視野内における単粒子と二次粒子の合計数に対する単粒子aの割合a/(a+b)を算出する。
上記上限値及び下限値は任意に組み合わせることができる。本実施形態においては、とりわけ単粒子の平均粒径が、0.5μm以上7μm以下であることが好ましい。
上記上限値及び下限値は任意に組み合わせることができる。本実施形態においては、中でも二次粒子の平均粒径が、2μm以上20μm以下であることが好ましい。
まず、リチウム金属複合酸化物粉末を、サンプルステージ上に貼った導電性シート上に載せ、日本電子株式会社製JSM−5510を用いて、加速電圧が20kVの電子線を照射してSEM観察を行う。SEM観察により得られた画像(SEM写真)から任意に50個の単粒子を抽出し、それぞれの単粒子について、単粒子の投影像を一定方向から引いた平行線ではさんだ平行線間の距離(定方向径)を単粒子の粒子径として測定する。得られた単粒子の粒子径の算術平均値を、リチウム金属複合酸化物粉末の平均単粒子径とする。
また、リチウム金属複合酸化物粉末の二次粒子についての「平均二次粒子径」は、上記平均単粒子径の測定方法と同様の方法で測定される二次粒子の粒子径の算術平均値を指す。
本実施形態において、リチウム金属複合酸化物粉末の結晶構造は、層状構造であり、六方晶型の結晶構造又は単斜晶型の結晶構造であることがより好ましい。
本実施形態のリチウム金属複合酸化物粉末を製造するにあたって、まず、リチウム以外の金属、すなわち、Ni、Co及びMnから構成される必須金属、並びに、Fe、Cu、Ti、Mg、Al、W、B、Mo、Nb、Zn、Sn、Zr、Ga、La及びVのうちいずれか1種以上の任意金属を含む金属複合化合物を調製し、当該金属複合化合物を適当なリチウム塩と、不活性溶融剤と焼成することが好ましい。金属複合化合物としては、金属複合水酸化物又は金属複合酸化物が好ましい。以下に、リチウム金属複合酸化物粉末の製造方法の一例を、金属複合化合物の製造工程と、リチウム金属複合酸化物の製造工程とに分けて説明する。
金属複合化合物は、通常公知のバッチ共沈殿法又は連続共沈殿法により製造することが可能である。以下、金属として、ニッケル、コバルト及びマンガンを含む金属複合水酸化物を例に、その製造方法を詳述する。
なお、上記の例では、ニッケルコバルトマンガン複合水酸化物を製造しているが、ニッケルコバルトマンガン複合酸化物を調製してもよい。
上記金属複合酸化物又は金属複合水酸化物を乾燥した後、リチウム塩と混合する。また、本実施形態において、この混合と同時に不活性溶融剤を混合することが好ましい。
金属複合酸化物若しくは金属複合水酸化物、リチウム塩及び不活性溶融剤を含む、不活性溶融剤含有混合物を焼成することにより、不活性溶融剤の存在下で、混合物を焼成することになる。不活性溶融剤の存在下で焼成することにより、一次粒子同士が焼結して二次粒子が生成することを抑制できる。また、結晶性の高い一次粒子を得ることができる。
通常、保持温度が高くなればなるほど、単粒子の粒子径および二次粒子の粒子径は大きくなり、BET比表面積は小さくなる傾向にある。焼成における保持温度は、用いる遷移金属元素の種類、沈殿剤、不活性溶融剤の種類、量に応じて適宜調整すればよい。
本実施形態においては、保持温度の設定は、後述する不活性溶融剤の融点を考慮すればよく、不活性溶融剤の融点マイナス200℃以上不活性溶融剤の融点プラス200℃以下の範囲で行うことが好ましい。
保持温度として、具体的には、200℃以上1150℃以下の範囲を挙げることができ、300℃以上1050℃以下が好ましく、500℃以上1000℃以下がより好ましい。
これらの不活性溶融剤を用いることにより、得られるリチウム金属複合酸化物に含まれる単粒子数aと二次粒子数bの存在比率[a/(a+b)]を上記要件(II)の範囲に制御できる。さらに、単粒子と二次粒子の平均粒子径を本実施形態の好ましい範囲に制御できる。
本実施形態は、前記本実施形態のリチウム金属複合酸化物粉末を含有するリチウム二次電池用正極活物質である。
次いで、リチウム二次電池の構成を説明しながら、本実施形態のリチウム金属複合酸化物粉末を含有するリチウム二次電池用正極活物質を用いた正極、およびこの正極を有するリチウム二次電池について説明する。
(正極)
本実施形態の正極は、まず正極活物質、導電材およびバインダーを含む正極合剤を調整し、正極合剤を正極集電体に担持させることで製造することができる。
本実施形態の正極が有する導電材としては、炭素材料を用いることができる。炭素材料として黒鉛粉末、カーボンブラック(例えばアセチレンブラック)、繊維状炭素材料などを挙げることができる。カーボンブラックは、微粒で表面積が大きいため、少量を正極合剤中に添加することにより正極内部の導電性を高め、充放電効率および出力特性を向上させることができるが、多く入れすぎるとバインダーによる正極合剤と正極集電体との結着力、および正極合剤内部の結着力がいずれも低下し、かえって内部抵抗を増加させる原因となる。
本実施形態の正極が有するバインダーとしては、熱可塑性樹脂を用いることができる。この熱可塑性樹脂としては、ポリフッ化ビニリデン(以下、PVdFということがある。)、ポリテトラフルオロエチレン(以下、PTFEということがある。)、四フッ化エチレン・六フッ化プロピレン・フッ化ビニリデン系共重合体、六フッ化プロピレン・フッ化ビニリデン系共重合体、四フッ化エチレン・パーフルオロビニルエーテル系共重合体などのフッ素樹脂;ポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリオレフィン樹脂;を挙げることができる。
本実施形態の正極が有する正極集電体としては、Al、Ni、ステンレスなどの金属材料を形成材料とする帯状の部材を用いることができる。なかでも、加工しやすく、安価であるという点でAlを形成材料とし、薄膜状に加工したものが好ましい。
(負極)
本実施形態のリチウム二次電池が有する負極は、正極よりも低い電位でリチウムイオンのドープかつ脱ドープが可能であればよく、負極活物質を含む負極合剤が負極集電体に担持されてなる電極、および負極活物質単独からなる電極を挙げることができる。
負極が有する負極活物質としては、炭素材料、カルコゲン化合物(酸化物、硫化物など)、窒化物、金属又は合金で、正極よりも低い電位でリチウムイオンのドープかつ脱ドープが可能な材料が挙げられる。
負極が有する負極集電体としては、Cu、Ni、ステンレスなどの金属材料を形成材料とする帯状の部材を挙げることができる。なかでも、リチウムと合金を作り難く、加工しやすいという点で、Cuを形成材料とし、薄膜状に加工したものが好ましい。
本実施形態のリチウム二次電池が有するセパレータとしては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリオレフィン樹脂、フッ素樹脂、含窒素芳香族重合体などの材質からなる、多孔質膜、不織布、織布などの形態を有する材料を用いることができる。また、これらの材質を2種以上用いてセパレータを形成してもよいし、これらの材料を積層してセパレータを形成してもよい。
本実施形態のリチウム二次電池が有する電解液は、電解質および有機溶媒を含有する。
リチウム金属複合酸化物粉末を、サンプルステージ上に貼った導電性シート上に載せ、日本電子株式会社製JSM−5510を用いて、加速電圧が20kVの電子線を照射してSEM観察を行った。SEM観察により得られた画像(SEM写真)から、粒子の総数が200以上となる視野における独立して存在する単粒子を数え、その総数をaとした。また、同一の視野内における二次粒子の総数をbとした。同一の視野内における単粒子と二次粒子の合計数に対する一次粒子aの割合a/(a+b)を算出した。
1. 正極活物質1の製造
攪拌器およびオーバーフローパイプを備えた反応槽内に水を入れた後、水酸化ナトリウム水溶液を添加し、液温を50℃に保持した。
正極活物質1の組成分析を行い、組成式(I)に対応させたところ、x=0.02、y=0.20、z=0.20、w=0であった。
1.正極活物質2の製造
硫酸ニッケル水溶液と硫酸コバルト水溶液と硫酸マンガン水溶液とを、ニッケル原子とコバルト原子とマンガン原子との原子比が0.88:0.08:0.04となるように混合した以外は、実施例1と同様に操作してニッケルコバルトマンガン複合水酸化物2を得た。
正極活物質2の組成分析を行い、組成式(I)に対応させたところ、x=0.02、y=0.08、z=0.04、w=0であった。
1.正極活物質3の製造
正極活物質焼成時にK2SO4を添加せずに、焼成温度を900℃とした以外は実施例1と同様の方法で正極活物質3を得た。
正極活物質3の組成分析を行い、組成式(I)に対応させたところ、x=0、y=0.20、z=0.20、w=0であった。
1.正極活物質4の製造
正極活物質焼成時にK2SO4を添加せずに、ニッケルコバルトマンガン複合水酸化物粒子1と炭酸リチウム粉末とを、Li/(Ni+Co+Mn)=1.05となるように秤量して混合したとした以外は実施例1と同様の方法で正極活物質4を得た。
正極活物質4の組成分析を行い、組成式(I)に対応させたところ、x=0、y=0.20、z=0.20、w=0であった。
Claims (8)
- 一次粒子が凝集して形成された二次粒子と、
前記二次粒子とは独立して存在する単粒子と、から構成されたリチウム金属複合酸化物粉末であって、
下記組成式(I)で表され、かつ、単粒子の数をa、二次粒子の数をbとしたとき、[a/(a+b)]が0.5<[a/(a+b)]<1.0を満たす、リチウム金属複合酸化物粉末。
Li[Lix(Ni(1−y−z−w)CoyMnzMw)1−x]O2 ・・・(I)
(ただし、MはFe、Cu、Ti、Mg、Al、W、B、Mo、Nb、Zn、Sn、Zr、Ga、La及びVからなる群より選択される1種以上の金属元素であり、−0.1≦x≦0.2、0≦y≦0.4、0≦z≦0.4、0≦w≦0.1を満たす。) - 前記組成式(I)において、0<x≦0.2である、請求項1に記載のリチウム金属複合酸化物粉末。
- 前記[a/(a+b)]が、0.8<[a/(a+b)]<1.0を満たす、請求項1又は2に記載のリチウム金属複合酸化物粉末。
- 前記単粒子の平均粒径が、0.5μm以上7μm以下である、請求項1〜3のいずれか1項に記載のリチウム金属複合酸化物粉末。
- 前記二次粒子の平均粒径が、2μm以上20μm以下である、請求項1〜4のいずれか1項に記載のリチウム金属複合酸化物粉末。
- 請求項1〜5のいずれか1項に記載のリチウム金属複合酸化物粉末を含有する、リチウム二次電池用正極活物質。
- 請求項6に記載のリチウム二次電池用正極活物質を含有する正極。
- 請求項7に記載の正極を有するリチウム二次電池。
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A912 | Re-examination (zenchi) completed and case transferred to appeal board |
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C211 | Notice of termination of reconsideration by examiners before appeal proceedings |
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C22 | Notice of designation (change) of administrative judge |
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C22 | Notice of designation (change) of administrative judge |
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C13 | Notice of reasons for refusal |
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C22 | Notice of designation (change) of administrative judge |
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C23 | Notice of termination of proceedings |
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C03 | Trial/appeal decision taken |
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C30A | Notification sent |
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A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
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R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
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S531 | Written request for registration of change of domicile |
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R350 | Written notification of registration of transfer |
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