JP2020100549A - リチウム遷移金属複合酸化物粉末、ニッケル含有遷移金属複合水酸化物粉末、リチウム二次電池用正極活物質、リチウム二次電池用正極及びリチウム二次電池 - Google Patents
リチウム遷移金属複合酸化物粉末、ニッケル含有遷移金属複合水酸化物粉末、リチウム二次電池用正極活物質、リチウム二次電池用正極及びリチウム二次電池 Download PDFInfo
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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、リチウム二次電池用正極活物質として用いた場合に放電レート特性およびサイクル特性が高いリチウム遷移金属複合酸化物粉末、ニッケル含有遷移金属複合水酸化物、リチウム二次電池用正極活物質、リチウム二次電池用正極及びリチウム二次電池を提供することを目的とする。
[1]下記要件(1)及び(2)を満たすリチウム遷移金属複合酸化物粉末。
要件(1):45MPaの圧力でリチウム遷移金属複合酸化物粉末を圧縮したときのプレス密度Aと、リチウム遷移金属複合酸化物粉末のタップ密度Bとの比(A/B)が、1.8以上3.5以下である。
要件(2):前記プレス密度Aは、2.7g/cm3を超える。
[2]前記リチウム遷移金属複合酸化物粉末は一次粒子を含み、前記一次粒子の平均粒子径は、1μm以上である、[1]に記載のリチウム遷移金属複合酸化物粉末。
[3]下記式(I)を満たす、[1]又は[2]に記載のリチウム遷移金属複合酸化物粉末。
Li[Lix(Ni(1−y−z−w)CoyMnzMw)1−x]O2 ・・・(I)
(ただし、−0.1≦x≦0.2、0≦y≦0.4、0≦z≦0.4、0≦w≦0.1、y+z+w<1、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種以上の元素を表す。)[4]BET比表面積が0.1m2/g以上3m2/g以下である、[1]〜[3]のいずれか1つに記載のリチウム遷移金属複合酸化物粉末。
[5]粒度分布測定における平均粒子径(D50)が1μm以上5μm以下である、[1]〜[4]のいずれか1つに記載のリチウム遷移金属複合酸化物粉末。
[6]下記要件(イ)及び(ロ)を満たすニッケル含有遷移金属複合水酸化物粉末。
要件(イ):45MPaの圧力で前記ニッケル含有遷移金属複合水酸化物粉末を圧縮したときのプレス密度Xと、前記ニッケル含有遷移金属複合水酸化物粉末のタップ密度Yとの比(X/Y)が、1.5以上2.5以下である。
要件(ロ):前記プレス密度Xは、1.8g/cm3を超える。
[7]金属元素のモル比率を表す下記式(II)において、0≦a≦0.4、0≦b≦0.4、0≦c≦0.1である、[6]に記載のニッケル含有遷移金属複合水酸化物粉末。
Ni:Co:Mn:M1=(1−a−b−c):a:b:c ・・・(II)
(ただし、M1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種以上の元素である。)[8][1]〜[5]の何れか1つに記載のリチウム遷移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。
[9][8]に記載のリチウム二次電池用正極活物質を含有するリチウム二次電池用正極。
[10][9]に記載のリチウム二次電池用正極を有するリチウム二次電池。
本実施形態は、下記要件(1)及び(2)を満たすリチウム遷移金属複合酸化物粉末である。
要件(1):45MPaの圧力でリチウム遷移金属複合酸化物粉末を圧縮したときのプレス密度Aと、リチウム遷移金属複合酸化物粉末のタップ密度Bとの比(A/B)が、1.8以上3.5以下である。
要件(2):前記プレス密度Aは、2.7g/cm3を超える。
「サイクル特性」とは、初期放電容量に対する放電サイクルを繰り返したのちの放電容量の維持率をいう。この維持率が高ければ高いほど充放電サイクルを繰り返したときの電池容量低下を抑制できるため、電池性能として好ましい。
本実施形態において、45MPaの圧力でリチウム遷移金属複合酸化物粉末を圧縮したときのプレス密度をAとする。リチウム遷移金属複合酸化物粉末のタップ密度をBとする。本実施形態においては、この比(A/B)が1.8以上3.5以下である。A/Bは、1.82以上が好ましく、1.84以上がより好ましく、1.86以上が特に好ましい。
また、A/Bは、3.0以下が好ましく、2.95以下がより好ましく、2.9以下が特に好ましい。
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。組み合わせの例としては、1.82以上3.0以下、1.84以上2.95以下、1.86以上2.9以下が挙げられる。
要件(1)が上記上限値を超えると、タップ密度が小さすぎる、換言すれば粒子内部あるいは粒子間の空隙が多い粉末となりやすい。このような粉末は、正極を製造する際のプレス工程による正極の体積変化が大きくなりすぎるために粒子が割れやすくサイクル特性が不良となりやすい。
本実施形態におけるプレス密度の測定方法について、図2を参照して説明する。
図2に示すプレス密度測定装置40は、治具41、42、43を有する。
治具41は、円筒状の形状を有する。治具41の内部空間41aは円柱状である。内部空間41aの内径LDは、15mmである。
粉末Xの厚み(mm)=LB+Lx−LA−LC ・・・(P1)
プレス密度A=粉末質量÷粉末体積 ・・・(P2)
式(P2)中、粉末体積とは、上記の式(P1)により算出した粉末Xの厚み(mm)と、治具43が粉末Xに接触する接触面43Aの面積との積である。
タップ密度は、JIS R 1628−1997記載の方法で求めた値を用いる。
本実施形態において、上述の方法により算出するプレス密度Aは、2.7g/cm3を超え、2.75g/cm3以上が好ましく、2.8g/cm3以上がより好ましい。プレス密度Aが上記下限値以下であると、粒子内部あるいは粒子間の空隙が多い粉末となり、粒子割れが生じやすく、サイクル特性が不良となりやすい。
プレス密度Aの上限値は限定されないが、一例として、3.6g/cm3以下が挙げられる。
本実施形態のリチウム遷移金属複合酸化物粉末は、一次粒子と、前記一次粒子が凝集して形成された二次粒子とを含む。ここで、「一次粒子」とは、電子顕微鏡等で粒子を観察した場合に、粒子表面に明確な粒界が見られない粒子である。「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。
まず、リチウム遷移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個の一次粒子を抽出し、それぞれの一次粒子について、一次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)を一次粒子の粒子径として測定する。得られた一次粒子の粒子径の算術平均値を、リチウム遷移金属複合酸化物粉末の平均一次粒子径とする。
本実施形態のリチウム遷移金属複合酸化物粉末は、下記組成式(I)で表されることが好ましい。
Li[Lix(Ni(1−y−z−w)CoyMnzMw)1−x]O2 ・・・(I)
(ただし、−0.1≦x≦0.2、0≦y≦0.4、0≦z≦0.4、0≦w≦0.1、y+z+w<1、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種以上の元素を表す。)
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。
本実施形態においては、0<x≦0.2であることが好ましく、0<x≦0.1であることがより好ましい。
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。
本実施形態においては、0<y≦0.4であることが好ましい。
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。
これらの金属であれば、内部抵抗が低く、放電レート特性とサイクル特性に優れた正極を製造できる。
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遷移金属複合酸化物粉末のBET比表面積は、0.1m2/g以上3m2/g以下であることが好ましい。BET比表面積は、0.2m2/g以上が好ましく、0.3m2/g以上がより好ましく、0.5m2/g以上が特に好ましい。また、2.5m2/g以下が好ましく、2.0m2/g以下、1.8m2/g以下が特に好ましい。
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。
BET比表面積は下記の方法により測定できる。リチウム遷移金属複合酸化物粉末1gを窒素雰囲気中、105℃で30分間乾燥させた後、マウンテック社製Macsorb(登録商標)を用いて測定する。
本実施形態のリチウム遷移金属複合酸化物粉末の平均粒子径(D50)は、1μm以上5μm以下であることが好ましい。
平均粒子径(D50)は、1.1μm以上が好ましく、1.2μm以上がより好ましく、1.3μm以上が特に好ましい。また、4.9μm以下が好ましく、4.8μm以下がより好ましく、4.7μm以下が特に好ましい。
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。組み合わせの例としては、1.1μm以上4.9μm以下、1.2μm以上4.8μm以下、1.3μm以上4.7μm以下が挙げられる。
本実施形態において、リチウム遷移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。
本実施形態は、下記要件(イ)及び(ロ)を満たすニッケル含有遷移金属複合水酸化物粉末である。本実施形態のニッケル含有遷移金属複合水酸化物粉末は、リチウム二次電池用正極活物質の前駆体として好適に使用できる。
要件(イ):45MPaの圧力で前記ニッケル含有遷移金属複合水酸化物粉末を圧縮したときのプレス密度Xと、前記ニッケル含有遷移金属複合水酸化物粉末のタップ密度Yとの比(X/Y)が、1.5以上2.5以下である。
要件(ロ):前記プレス密度Xは、1.8g/cm3を超える。
本実施形態のニッケル含有遷移金属複合水酸化物粉末は、45MPaの圧力で圧縮したときのプレス密度Xと、ニッケル含有遷移金属複合水酸化物粉末のタップ密度Yとの比(X/Y)が、1.5以上2.5以下であり、1.55以上2.45以下が好ましく、1.6以上2.4以下がより好ましく、1.65以上2.35以下が特に好ましい。
前記プレス密度Xは、前記リチウム遷移金属複合酸化物粉末の要件(1)において説明した、プレス密度の測定方法と同様の方法により測定できる。
本実施形態のニッケル含有遷移金属複合水酸化物粉末は、プレス密度Xは、1.8g/cm3を超え、1.85g/cm3以上が好ましく、1.9g/cm3以上がより好ましく、2.0g/cm3以上が特に好ましい。また、プレス密度Xの上限値は限定されないが、一例をあげると、2.7g/cm3以下が挙げられる。
ニッケル含有遷移金属複合水酸化物粉末のタップ密度は限定されないが、一例をあげると、0.8g/cm3以上1.6g/cm3以下が挙げられる。
本実施形態のニッケル含有遷移金属複合水酸化物粉末は、金属元素のモル比率を表す下記式(II)において、0≦a≦0.4、0≦b≦0.4、0≦c≦0.1であることが好ましい。
Ni:Co:Mn:M1=(1−a−b−c):a:b:c ・・・(II) (ただし、M1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種以上の元素である。)
前記式(II)におけるaは、0.01以上が好ましく、0.05以上がより好ましく、0.06以上が特に好ましい。また、aは0.40以下が好ましく、0.35以下がより好ましく、0.3以下がさらに好ましい。
前記式(II)におけるbは、0.01以上が好ましく、0.02以上がより好ましく、0.04以上が特に好ましい。また、bは0.40以下が好ましく、0.35以下がより好ましく、0.3以下がさらに好ましい。
前記式(II)におけるcは、0であってもよいが、0を超えることが好ましく、0.0005以上がより好ましく、0.001以上が特に好ましい。また、cは0.09以下が好ましく、0.08以下がより好ましく、0.07以下が特に好ましい。
前記式(II)におけるM1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種以上の元素である。
本実施形態のリチウム遷移金属複合酸化物粉末の製造方法について説明する。
本実施形態のリチウム遷移金属複合酸化物粉末の製造方法は、以下の(1)、(2)、(3)をこの順で含む製造方法であることが好ましい。
(1)前駆体であるニッケル含有遷移金属複合水酸化物粉末の製造工程。
(2)前記ニッケル含有遷移金属複合水酸化物粉末とリチウム化合物とを混合し、混合物を得る混合工程。
(3)前記混合物を焼成し、リチウム遷移金属複合酸化物粉末を得る工程。
まず、リチウム以外の金属、すなわち、必須金属であるニッケルと、コバルト、マンガン、アルミニウムといった任意金属とを含むニッケル含有遷移金属複合水酸化物を調製する。前記ニッケル含有遷移金属複合水酸化物を熱処理してニッケル含有遷移金属複合酸化物としてもよいが、本実施形態においては、前記式(II)で表されるニッケル含有遷移金属複合水酸化物を用いることが好ましい。
上記コバルト塩溶液の溶質であるコバルト塩としては、例えば硫酸コバルト、硝酸コバルト、塩化コバルト及び酢酸コバルトのうちの何れかを使用することができる。
上記マンガン塩溶液の溶質であるマンガン塩としては、例えば硫酸マンガン、硝酸マンガン、塩化マンガン及び酢酸マンガンのうちの何れかを使用することができる。
以上の金属塩は前記式(II)の組成比に対応する割合で用いられる。また、溶媒として水が使用される。
本実施形態においては、アルカリが含まれる洗浄液で洗浄することが好ましく、水酸化ナトリウム溶液で洗浄することがより好ましい。
本実施形態においては、ニッケル含有遷移金属複合水酸化物を粉砕する工程を有することが好ましい。粉砕工程により、前記要件(イ)及び(ロ)を満たすように制御できる。
前記要件(1)及び(2)を満たすリチウム遷移金属酸化物を得たときに放電レート特性およびサイクル特性をさらに向上することができる。
中でも気流式粉砕機であるジェットミルまたはカウンタージェットミルによって粉砕すると、一次粒子間の凝集を解いて粉砕することができる。
本工程は、リチウム化合物と、ニッケル含有遷移金属複合水酸化物とを混合し、混合物を得る工程である。
本発明に用いるリチウム化合物は、炭酸リチウム、硝酸リチウム、酢酸リチウム、水酸化リチウム、酸化リチウム、塩化リチウム、フッ化リチウムのうち何れか一つ、又は、二つ以上を混合して使用することができる。これらの中では、水酸化リチウム及び炭酸リチウムのいずれか一方又は両方が好ましい。
また、水酸化リチウムが不純物として炭酸リチウムを含む場合には、水酸化リチウム中の炭酸リチウムの含有量は5質量%以下であることが好ましい。
前記ニッケル含有遷移金属複合水酸化物を乾燥させた後、リチウム化合物と混合する。乾燥条件は、特に制限されないが、例えば、下記の乾燥条件1)〜2)のいずれかが挙げられる。
1)ニッケル含有遷移金属複合水酸化物が酸化・還元されない条件。具体的には、酸化物同士、又は水酸化物同士で乾燥する条件である。
2)ニッケル含有遷移金属複合水酸化物が酸化される条件。具体的には、水酸化物から酸化物へ酸化する乾燥条件である。
また、ニッケル含有遷移金属複合水酸化物が還元される条件としては、不活性ガス雰囲気下、ヒドラジン、亜硫酸ナトリウム等の還元剤を使用すればよい。
上記リチウム化合物と、ニッケル含有遷移金属複合水酸化物粉末との混合物の焼成温度としては、特に制限はないが、充電容量を高める観点から、600℃以上であることが好ましく、650℃以上であることがより好ましい。また、焼成温度としては、特に制限はないが、Liの揮発を防止でき、目標とする組成のリチウム遷移金属複合酸化物を得る意味で、1100℃以下であることが好ましく、1050℃以下であることがより好ましい。
焼成温度の上記上限値と下限値は任意に組み合わせることができる。
本発明において、「昇温開始」とは、仮焼成をする場合には仮焼成の昇温開始時点を、複数の加熱工程を含む場合には、最初の加熱工程の昇温開始時点を意味する。
混合工程において不活性溶融剤を添加した場合には、焼成後のリチウム遷移金属複合酸化物粉末を洗浄し、残留する不活性溶融剤を除去する。洗浄には、純水やアルカリ性洗浄液を用いることができる。アルカリ性洗浄液としては、例えば、LiOH(水酸化リチウム)、NaOH(水酸化ナトリウム)、KOH(水酸化カリウム)、Li2CO3(炭酸リチウム)、Na2CO3(炭酸ナトリウム)、K2CO3(炭酸カリウム)および(NH4)2CO3(炭酸アンモニウム)からなる群より選ばれる1種以上の無水物並びにその水和物の水溶液を挙げることができる。また、アルカリとして、アンモニアを使用することもできる。
得たリチウム遷移金属複合酸化物は解砕することが好ましい。解砕工程により、前記要件(1)及び(2)を満たすように制御できる。
解砕工程は、気流式粉砕機、分級機構付衝突式粉砕機、ピンミル、ボールミル、ジェットミル、分級ローター付カウンタージェットミルなどを用いて実施することが好ましい。
中でもピンミルによって解砕すると、一次粒子の粉砕を避けつつ、一次粒子間の凝集を解砕することができる。
次いで、リチウム二次電池の構成を説明しながら、本実施形態により製造されるリチウム遷移金属複合酸化物を用いたリチウム二次電池用正極活物質を、リチウム二次電池の正極活物質として用いた正極、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。
プレス密度は、図2に示すプレス密度測定装置40を用いて測定した。
粉末Xの厚み(mm)=LB+Lx−LA−LC ・・・(P1)
プレス密度A=粉末質量÷粉末体積 ・・・(P2)
式(P2)中、粉末体積とは、上記の式(P1)により算出した粉末Xの厚み(mm)と、治具43が粉末Xに接触する接触面43Aの面積との積である。
JIS R 1628−1997記載の方法により測定した。
上記の方法により測定したプレス密度とタップ密度の比を求めた。下記表1中、「A」はプレス密度を意味する。「B」はタップ密度を意味する。「A/B」はプレス密度とタップ密度の比を意味する。
後述の方法で製造されるリチウム遷移金属複合酸化物粉末の組成分析は、各々得られた前記粉末を塩酸に溶解させた後、誘導結合プラズマ発光分析装置(エスアイアイ・ナノテクノロジー株式会社製、SPS3000)を用いて行った。
リチウム遷移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。5000倍の倍率のSEM観察により得られた画像(SEM写真)から任意に50個の一次粒子を抽出し、それぞれの一次粒子について、一次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)を一次粒子の粒子径として測定した。得られた一次粒子の粒子径の算術平均値を、リチウム遷移金属複合酸化物粉末の平均一次粒子径とする。
リチウム遷移金属複合酸化物粉末1gを窒素雰囲気中、105℃で30分間乾燥させた後、マウンテック社製Macsorb(登録商標)を用いて測定した。
レーザー回折粒度分布計(株式会社堀場製作所製、型番:LA−950)を用い、リチウム遷移金属複合酸化物0.1gを、0.2質量%ヘキサメタリン酸ナトリウム水溶液50mlに投入し、該粉末を分散させた分散液を得た。得られた分散液について粒度分布を測定し、体積基準の累積粒度分布曲線を得る。得られた累積粒度分布曲線において、50%累積時の微小粒子側から見た粒子径(D50)の値を、リチウム遷移金属複合酸化物の平均粒子径とする。
後述する製造方法で得られるリチウム遷移金属複合酸化物と導電材(アセチレンブラック)とバインダー(PVdF)とを、リチウム遷移金属複合酸化物:導電材:バインダー=92:5:3(質量比)の組成となるように加えて混練することにより、ペースト状の正極合剤を調製した。正極合剤の調製時には、N−メチル−2−ピロリドンを有機溶媒として用いた。
以下の操作を、アルゴン雰囲気のグローブボックス内で行った。
<リチウム二次電池用正極の作製>で作製したリチウム二次電池用正極を、コイン型電池R2032用のパーツ(宝泉株式会社製)の下蓋にアルミ箔面を下に向けて置き、その上にセパレータ(ポリエチレン製多孔質フィルム)を置いた。ここに電解液を300μl注入した。電解液は、エチレンカーボネート(以下、ECと称することがある。)とジメチルカーボネート(以下、DMCと称することがある。)とエチルメチルカーボネート(以下、EMCと称することがある。)の30:35:35(体積比)混合液に、LiPF6を1.0mol/lとなるように溶解したもの(以下、LiPF6/EC+DMC+EMCと表すことがある。)を用いた。
次に、負極として金属リチウムを用いて、前記負極を積層フィルムセパレータの上側に置き、ガスケットを介して上蓋をし、かしめ機でかしめてリチウム二次電池(コイン型ハーフセルR2032。以下、「ハーフセル」と称することがある。)を作製した。
上記の方法で作製したハーフセルを用いて、初期充放電後に、放電レート試験とサイクル試験を実施し、放電レート特性、およびサイクル特性を評価した。
前記初期充放電は、試験温度25℃において、充放電ともに電流0.2CAにてそれぞれ定電流定電圧充電と定電流放電を行った。組成式(I)において1−y−z−w≧0.8の場合、充電最大電圧4.35V、放電最小電圧2.8Vとし、組成式(I)において1−y−z−w<0.8の場合、充電最大電圧4.3V、放電最小電圧2.5Vとした。
(組成式(I)において1−y−z−w≧0.8の場合)
試験温度25℃
充電最大電圧4.35V、充電電流1CA、定電流定電圧充電
放電最小電圧2.8V、放電電流0.2CAまたは10CA、定電流放電 (組成式(I)において1−y−z−w<0.8の場合)
試験温度25℃
充電最大電圧4.3V、充電電流1CA、定電流定電圧充電
放電最小電圧2.5V、放電電流0.2CAまたは10CA、定電流放電
・・10CA/0.2CA放電容量比率
10CA/0.2CA放電容量比率(%)
=10CAにおける放電容量/0.2CAにおける放電容量×100
(組成式(I)において1−y−z−w≧0.8の場合)
試験温度25℃
充電最大電圧4.35V、充電電流0.5CA、定電流定電圧充電
放電最小電圧2.8V、放電電流1CA、定電流放電 (組成式(I)において1−y−z−w<0.8の場合)
試験温度25℃
充電最大電圧4.3V、充電電流1CA、定電流定電圧充電
放電最小電圧2.5V、放電電流1CA、定電流放電
・リチウム遷移金属複合酸化物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、反応槽内へ窒素ガスを導入した。反応槽内の液温は、70℃に保持した。
・リチウム遷移金属複合酸化物2の製造
実施例1−1の過程で得たニッケル含有遷移金属複合水酸化物2と水酸化リチウム一水和物粉末と硫酸カリウム粉末を、Li/(Ni+Co+Mn)=1.26(mol/mol)、K2SO4/(LiOH+K2SO4)=0.1(mol/mol)となるように秤量して混合した後、酸素雰囲気下790℃で10時間焼成して、リチウム遷移金属複合酸化物粉末を得た。上記粉末と液温を5℃に調整した純水とを、全体量に対して上記粉末重量の割合が0.3になるように混合し作製したスラリーを20分間撹拌させた後、脱水した。さらに、液温5℃に調整した純水を用いて、上記粉末の2倍重量のシャワー水で洗浄した後、脱水し、150℃で乾燥した。乾燥後、10000rpmの回転数で運転したピンミルに投入し、解砕することにより、リチウム遷移金属複合酸化物2を得た。リチウム遷移金属複合酸化物2の組成分析の結果、組成式(I)において、x=0.02、y=0.08、z=0.04、w=0であった。
・リチウム遷移金属複合酸化物3の製造
実施例1−1の過程で得たニッケル含有遷移金属複合水酸化物2と水酸化リチウム一水和物粉末と硫酸カリウム粉末を、Li/(Ni+Co+Mn)=1.26(mol/mol)、K2SO4/(LiOH+K2SO4)=0.1(mol/mol)となるように秤量して混合した後、酸素雰囲気下820℃で10時間焼成して、リチウム遷移金属複合酸化物粉末を得た。上記粉末と液温を5℃に調整した純水とを、全体量に対して上記粉末重量の割合が0.3になるように混合し作製したスラリーを20分間撹拌させた後、脱水した。さらに、液温5℃に調整した純水を用いて、上記粉末の2倍重量のシャワー水で洗浄した後、脱水し、150℃で乾燥した。乾燥後、10000rpmの回転数で運転したピンミルに投入し、解砕することにより、リチウム遷移金属複合酸化物3を得た。リチウム遷移金属複合酸化物3の組成分析の結果、組成式(I)において、x=0.02、y=0.08、z=0.04、w=0であった。
・リチウム遷移金属複合酸化物4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、反応槽内に窒素ガスを導入した。反応槽内の液温は、50℃に保持した。
・リチウム遷移金属複合酸化物5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、反応槽内に窒素ガスを導入した。反応槽内の液温は50℃に保持した。
・リチウム遷移金属複合酸化物6の製造
実施例2−1の過程で得たニッケル含有遷移金属複合水酸化物4と水酸化リチウム一水和物粉末と硫酸カリウム粉末を、Li/(Ni+Co+Mn)=1.26(mol/mol)、K2SO4/(LiOH+K2SO4)=0.1(mol/mol)となるように秤量して混合した後、酸素雰囲気下790℃で10時間焼成して、リチウム遷移金属複合酸化物粉末を得た。上記粉末と液温を5℃に調整した純水とを、全体量に対して上記粉末重量の割合が0.3になるように混合し作製したスラリーを20分間撹拌させた後、脱水した。さらに、液温5℃に調整した純水を用いて、上記粉末の2倍重量をシャワー水として加えた後、脱水し、150℃で乾燥した。乾燥後、10000rpmの回転数で運転したピンミルに投入し、解砕することにより、リチウム遷移金属複合酸化物6を得た。リチウム遷移金属複合酸化物6の組成分析の結果、組成式(I)においてx=0.02、y=0.07、z=0.02、w=0であった。
・リチウム遷移金属複合酸化物7の製造
実施例2−1の過程で得たニッケル含有遷移金属複合水酸化物4と水酸化リチウム一水和物粉末とを、Li/(Ni+Co+Mn)=1.10(mol/mol)となるように秤量して混合した後、酸素雰囲気下760℃で6時間焼成して、リチウム遷移金属複合酸化物粉末を得た。上記粉末と液温を5℃に調整した純水とを、全体量に対して上記粉末重量の割合が0.3になるように混合し作製したスラリーを20分間撹拌させた後、脱水し、150℃で乾燥することにより、リチウム遷移金属複合酸化物7を得た。リチウム遷移金属複合酸化物7の組成分析の結果、組成式(I)においてx=0.01、y=0.07、z=0.02、w=0であった。
・リチウム遷移金属複合酸化物8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、反応槽内に窒素ガスを導入した。反応槽内の液温を30℃に保持した。
・リチウム遷移金属複合酸化物9の製造
実施例3の過程で得たニッケル含有遷移金属複合水酸化物6と水酸化リチウム一水和物粉末と硫酸カリウム粉末を、Li/(Ni+Co+Mn)=1.26(mol/mol)となるように秤量して混合した後、酸素雰囲気下940℃で5時間焼成して、リチウム金属複合酸化物粉末を得た。上記粉末と液温を5℃に調整した純水とを、全体量に対して上記粉末重量の割合が0.3になるように混合し作製したスラリーを20分間撹拌させた後、脱水した。さらに、液温5℃に調整した純水を用いて、上記粉末の2倍重量をシャワー水として加えた後、脱水し、150℃で乾燥し、リチウム遷移金属複合酸化物9を得た。
リチウム遷移金属複合酸化物9の組成分析の結果、組成式(I)においてx=0.10、y=0.20、z=0.30、w=0であった。
Claims (10)
- 下記要件(1)及び(2)を満たすリチウム遷移金属複合酸化物粉末。
要件(1):45MPaの圧力でリチウム遷移金属複合酸化物粉末を圧縮したときのプレス密度Aと、リチウム遷移金属複合酸化物粉末のタップ密度Bとの比(A/B)が、1.8以上3.5以下である。
要件(2):前記プレス密度Aは、2.7g/cm3を超える。 - 前記リチウム遷移金属複合酸化物粉末は一次粒子を含み、前記一次粒子の平均粒子径は、1.0μm以上である、請求項1に記載のリチウム遷移金属複合酸化物粉末。
- 下記式(I)を満たす、請求項1又は2に記載のリチウム遷移金属複合酸化物粉末。
Li[Lix(Ni(1−y−z−w)CoyMnzMw)1−x]O2 ・・・(I)
(ただし、−0.1≦x≦0.2、0≦y≦0.4、0≦z≦0.4、0≦w≦0.1、y+z+w<1、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種以上の元素を表す。) - BET比表面積が0.1m2/g以上3m2/g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遷移金属複合酸化物粉末。
- 粒度分布測定における平均粒子径(D50)が1μm以上5μm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遷移金属複合酸化物粉末。
- 下記要件(イ)及び(ロ)を満たすニッケル含有遷移金属複合水酸化物粉末。
要件(イ):45MPaの圧力でニッケル含有遷移金属複合水酸化物粉末を圧縮したときのプレス密度Xと、ニッケル含有遷移金属複合水酸化物粉末のタップ密度Yとの比(X/Y)が、1.5以上2.5以下である。
要件(ロ):前記プレス密度Xは、1.8g/cm3を超える。 - 金属元素のモル比率を表す下記式(II)において、0≦a≦0.4、0≦b≦0.4、0≦c≦0.1である、請求項6に記載のニッケル含有遷移金属複合水酸化物粉末。
Ni:Co:Mn:M1=(1−a−b−c):a:b:c ・・・(II) (ただし、M1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種以上の元素である。) - 請求項1〜5の何れか1項に記載のリチウム遷移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8に記載のリチウム二次電池用正極活物質を含有するリチウム二次電池用正極。
- 請求項9に記載のリチウム二次電池用正極を有するリチウム二次電池。
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