JP2020155272A - リチウムイオン二次電池用正極活物質複合体及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】リチウム複合酸化物粒子の表面にリチウム系ポリアニオン粒子を存在させつつ、水分を吸着しにくい性質を付与して、安定した電池特性を発現するリチウムイオン二次電池を実現す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を提供する。【解決手段】特定の式で表される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)の表面において、特定の式で表されるリチウム系ポリアニオン粒子(B)が担持してなるとともに、リチウム系ポリアニオン粒子(B)の表面にリチウム系固体電解質(D)及び炭素(C)が担持してなり、リチウム系ポリアニオン粒子(B)の表面におけるリチウム系固体電解質(D)の担持量と炭素(C)の担持量との質量比((D):(C))が、1:5〜7:1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】なし

Description

本発明は、水分吸着量を有効に低減す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、及びその製造方法に関する。
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が、かかる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、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。この原因は、充電時に遷移金属成分が電解液へ溶出することにより、リチウム複合酸化物の結晶構造の崩壊が生じやすくなることにあると考えられている。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。
こうしたなか、より優れた電池特性を有するリチウムイオン二次電池を実現すべく、種々の正極活物質が開発されている。例えば、特許文献1には、リチウム複合酸化物粒子の表面の少なくとも一部にリチウム系ポリアニオン粒子と炭素材料の混合物である被覆層が形成されてなる正極活物質が開示されており、電子伝導性や高温特性を高める試みがなされている。また、特許文献2には、リチウム系ポリアニオン粒子がリチウム複合酸化物の表面に部分的に接するようにメカニカルミリング処理された正極活物質が開示されており、充放電密度や熱安定性の向上を図っている。さらに特許文献3では、表面に良好な導電性を持つ炭素コート層を有するリチウム系ポリアニオン粒子をリチウム複合酸化物に被覆させて、サイクル特性や保存特性を高め得る正極活物質を得ている。
特開2004−319129号公報 特開2007−335245号公報 特開2008−210701号公報
しかしながら、本発明者らの検討により、上記特許文献に記載の技術であっても、二次電池を形成した際、その放電容量は未だ不充分であることが判明した。そして、さらなる本発明者らの検討により、炭素材料のみでリチウム系ポリアニオン粒子の表面の全てを被覆するのは困難であるために、リチウム系ポリアニオン粒子の表面が炭素材料で被覆されずに露出して雰囲気中の湿分により変質してしまい、これが電池特性を劣化させる大きな要因であることが判明した。
したがって、本発明の課題は、リチウム複合酸化物粒子の表面にリチウム系ポリアニオン粒子を存在させつつ、水分を吸着しにくい性質を付与して、安定した電池特性を発現するリチウムイオン二次電池を実現す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を提供することにある。
そこで本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を行った結果、特定のリチウム複合酸化物二次粒子(A)の表面に特定のリチウム系ポリアニオン粒子(B)が担持してなるとともに、リチウム系ポリアニオン粒子(B)の表面にもリチウム系固体電解質と炭素が担持してなるリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体であれば、水分吸着量を効果的に低減して、得られるリチウムイオン二次電池の電池物性の向上を有効に図ることが可能になることを見出した。
したがって、本発明は、下記式(1)、又は(2):
LiNiaCobMnc1 w2・・・(1)
(式(1)中、M1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、wは、0.3≦a<1、0<b≦0.7、0<c≦0.7、0≦w≦0.3、かつ3a+3b+3c+(M1の価数)×w=3を満たす数を示す。)
LiNidCoeAlf2 x2 ・・・(2)
(式(2)中、M2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、xは、0.4≦d<1、0<e≦0.6、0<f≦0.3、0≦x≦0.3、かつ3d+3e+3f+(M2の価数)×x=3を満たす数を示す。)
で表される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)の表面において、下記式(3)、又は(4):
LigMnhFei3 yPO4 ・・・(3)
(式(3)中、M3はCo、Ni、Ca、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd又はGdを示す。g、h、i、及びyは、0<g≦1.2、0.3≦h≦1、0≦i≦0.7、及び0≦y≦0.3を満たし、かつg+(Mnの価数)×h+(Feの価数)×i+(M3の価数)×y=3を満たす数を示す。)
LijMnkFel4 zSiO4 ・・・(4)
(式(4)中、M4はCo、Ni、Ca、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd、Al、Zn、V又はGdを示す。j、k、l、及びzは、0<j≦2.4、0≦k≦1.2、0≦l≦1.2、0≦z≦1.2、及びk+l≠0を満たし、かつj+(Mnの価数)×k+(Feの価数)×l+(M4の価数)×z=4を満たす数を示す。)
で表されるリチウム系ポリアニオン粒子(B)が担持してなるとともに、リチウム系ポリアニオン粒子(B)の表面にリチウム系固体電解質(D)及び炭素(C)が担持してなり、
リチウム系ポリアニオン粒子(B)の表面におけるリチウム系固体電解質(D)の担持量と炭素(C)の担持量との質量比((D):(C))が、1:5〜7:1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、次の工程(I)〜(IV):
次の工程(I)〜(IV):
(I)リチウム化合物、少なくとも鉄化合物又はマンガン化合物を含む金属化合物、リン酸化合物又はケイ酸化合物を含むスラリーを調製した後、水熱反応に付してリチウム系ポリアニオン一次粒子を得る工程、
(II)得られたリチウム系ポリアニオン一次粒子、及びリチウム系固体電解質(D)の原料化合物を含む、固形分濃度が10質量%〜35質量%のスラリーを調製した後、熱風の供給量G(L/分)とスラリー(b−5)の供給量S(L/分)の比(G/S)が500〜10000で噴霧乾燥して造粒物を得る工程、
(III)得られた造粒物を、500℃〜800℃で10分間〜3時間焼成して、空隙率が45体積%〜80体積%の予備造粒物(b)を得る工程、並びに
(IV)得られた予備造粒物(b)とリチウム複合酸化物二次粒子(A)とを圧縮力及びせん断力を付加しながら混合して、予備造粒物(b)を崩壊させながら、リチウム系ポリアニオン粒子(B)の表面にリチウム系固体電解質(D)及び炭素(C)を担持させるとともに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)とを複合化する工程
を備え、
工程(I)において調製するスラリー、又は工程(II)において調製するスラリーのいずれか一方が、さらに炭素源(C')が添加されてなるスラリーであるか、或いは
工程(IV)において、予備造粒物(b)とリチウム複合酸化物二次粒子(A)とともに水不溶性炭素材料(C4)を添加して、圧縮力及びせん断力を付加しながら混合す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を提供するものである。
本発明のリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体によれば、粒子表面にリチウム系固体電解質と炭素とが補い合いながら有効に担持されてなることにより、水分を吸着しにくい性質が付与されるため、エネルギー密度の大きいリチウム複合酸化物粒子と構造安定性に優れたリチウム系ポリアニオン粒子との両方の特性を良好に兼ね備えることができる。
したがって、かかる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適用すれば、優れた電池特性を発現するリチウムイオン二次電池を実現することが可能となる。
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(1)、又は(2):
LiNiaCobMnc1 w2・・・(1)
(式(1)中、M1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、wは、0.3≦a<1、0<b≦0.7、0<c≦0.7、0≦w≦0.3、かつ3a+3b+3c+(M1の価数)×w=3を満たす数を示す。)
LiNidCoeAlf2 x2 ・・・(2)
(式(2)中、M2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、xは、0.4≦d<1、0<e≦0.6、0<f≦0.3、0≦x≦0.3、かつ3d+3e+3f+(M2の価数)×x=3を満たす数を示す。)
で表される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)の表面において、下記式(3)、又は(4):
LigMnhFei3 yPO4 ・・・(3)
(式(3)中、M3はCo、Ni、Ca、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd又はGdを示す。g、h、i、及びyは、0<g≦1.2、0.3≦h≦1、0≦i≦0.7、及び0≦y≦0.3を満たし、かつg+(Mnの価数)×h+(Feの価数)×i+(M3の価数)×y=3を満たす数を示す。)
LijMnkFel4 zSiO4 ・・・(4)
(式(4)中、M4はCo、Ni、Ca、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd、Al、Zn、V又はGdを示す。j、k、l、及びzは、0<j≦2.4、0≦k≦1.2、0≦l≦1.2、0≦z≦1.2、及びk+l≠0を満たし、かつj+(Mnの価数)×k+(Feの価数)×l+(M4の価数)×z=4を満たす数を示す。)
で表されるリチウム系ポリアニオン粒子(B)が担持してなるとともに、リチウム系ポリアニオン粒子(B)の表面にリチウム系固体電解質(D)及び炭素(C)が担持してなり、
リチウム系ポリアニオン粒子(B)の表面におけるリチウム系固体電解質(D)の担持量と炭素(C)の担持量との質量比((D):(C))が、1:5〜7:1である。
本発明のリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体を構成するリチウム複合酸化物二次粒子(A)は、下記式(1)、又は(2):
LiNiaCobMnc1 w2・・・(1)
(式(1)中、M1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、wは、0.3≦a<1、0<b≦0.7、0<c≦0.7、0≦w≦0.3、かつ3a+3b+3c+(M1の価数)×w=3を満たす数を示す。)
LiNidCoeAlf2 x2 ・・・(2)
(式(2)中、M2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、xは、0.4≦d<1、0<e≦0.6、0<f≦0.3、0≦x≦0.3、かつ3d+3e+3f+(M2の価数)×x=3を満たす数を示す。)
で表されるリチウム複合酸化物粒子からなる二次粒子であり、層状型岩塩構造を有する粒子である。
上記式(1)で表されるリチウム複合酸化物粒子(いわゆるLi−Ni−Co−Mn酸化物であり、以後「NCM系複合酸化物」と称する。)及び上記式(2)で表されるリチウム複合酸化物粒子(いわゆるLi−Ni−Co−Al酸化物であり、以後「NCA系複合酸化物」と称する。)も層状型岩塩構造を有する粒子であり、凝集することによって、リチウム複合酸化物二次粒子(A)を形成する。したがって、二次粒子についても、同様に「NCM系複合酸化物二次粒子(A)」、「NCA系複合酸化物二次粒子(A)」等と称する。
上記式(1)で表されるNCM系複合酸化物粒子は、リチウム複合酸化物二次粒子(A)を形成する。式(1)中のM1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(1)中のa、b、c、wは、0.3≦a<1、0<b≦0.7、0<c≦0.7、0≦w≦0.3、かつ3a+3b+3c+(M1の価数)×w=3を満たす数である。
上記式(1)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M1により置換されていることが好ましい。これら金属元素M1により置換されることにより、式(1)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(1)で表される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、LiNi0.8Co0.1Mn0.12、LiNi0.6Co0.2Mn0.22、LiNi0.2Co0.4Mn0.42、LiNi0.33Co0.31Mn0.33Mg0.032、又はLiNi0.33Co0.31Mn0.33Zn0.032等が挙げられる。なかでも、放電容量を重視する場合には、LiNi0.8Co0.1Mn0.12、LiNi0.6Co0.2Mn0.22、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。
さらに、互いに組成が異なる2種以上の上記式(1)で表される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−シェル構造のリチウム複合酸化物二次粒子(A)(NCM系複合酸化物二次粒子(A))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)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(LiNi0.8Co0.1Mn0.12)−(LiNi0.2Co0.4Mn0.42)、(LiNi0.8Co0.1Mn0.12)−(LiNi0.33Co0.33Mn0.342)、又は(LiNi0.8Co0.1Mn0.12)−(LiNi0.33Co0.31Mn0.33Mg0.032)等からなる粒子が挙げられる。
さらに、上記式(1)で表されるNCM系複合酸化物粒子は、金属酸化物、金属フッ化物又は金属リン酸塩で被覆されていてもよい。これら金属酸化物、金属フッ化物又は金属リン酸塩でNCM系複合酸化物粒子を被覆することによって、電解液へのNCM系複合酸化物粒子からの金属成分(Ni、Mn、Co、M1)の溶出を抑制することができる。かかる被覆物としては、CeO2、SiO2、MgO、Al23、ZrO2、TiO2、ZnO、RuO2、SnO2、CoO、Nb25、CuO、V25、MoO3、La23、WO3、AlF3、NiF2、MgF2、Li3PO4、Li427、LiPO3、Li2PO3F、及びLiPO22から選択される1種又は2種以上、或いはこれらの複合化物を用いることができる。
上記式(1)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。
ここで、平均粒径とは、SEM又はTEMの電子顕微鏡観察において、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し、以後の説明においても同義である。
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)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、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。
なお、本明細書において、NCM系複合酸化物二次粒子(A)は、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)や炭素(C)を含まない。
上記式(1)で表されるNCM系複合酸化物粒子が、NCM系複合酸化物二次粒子(A)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(1)で表されるNCM系複合酸化物粒子からなるNCM系複合酸化物二次粒子(A)の内部空隙率は、リチウムイオンの挿入に伴うNCM系複合酸化物の膨張を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(A)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。
かかる平均粒径及び内部空隙率を有することで、上記式(1)で表されるNCM系複合酸化物粒子からなるNCM系複合酸化物二次粒子(A)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)とが複合化して、リチウム系ポリアニオン粒子(B)が、かかるNCM系複合酸化物二次粒子(A)の表面を被覆するように担持されて存在しているため、NCM系複合酸化物粒子に含まれる金属成分(Ni、Co、Mn、M1)の溶出を効果的に抑制することができる。
上記式(2)で表されるNCA系複合酸化物粒子は、上記NCM系複合酸化物粒子と同様、リチウム複合酸化物二次粒子(A)を形成する。式(2)中のM2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(2)中のd、e、f、xは、0.4≦d<1、0<e≦0.6、0<f≦0.3、0≦x≦0.3、かつ3d+3e+3f+(M2の価数)×x=3を満たす数である。
上記式(2)で表されるNCA系複合酸化物粒子は、式(1)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(2)で表される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。
さらに、上記式(2)で表されるNCA系複合酸化物粒子は、金属酸化物、金属フッ化物又は金属リン酸塩で被覆されていてもよい。これら金属酸化物、金属フッ化物又は金属リン酸塩でNCA系複合酸化物粒子を被覆することによって、電解液へのNCA系複合酸化物粒子からの金属成分(Ni、Al、Co、M2)の溶出を抑制することができる。かかる被覆物としては、CeO2、SiO2、MgO、Al23、ZrO2、TiO2、ZnO、RuO2、SnO2、CoO、Nb25、CuO、V25、MoO3、La23、WO3、AlF3、NiF2、MgF2、Li3PO4、Li427、LiPO3、Li2PO3F、及びLiPO22から選択される1種又は2種以上、或いはこれらの複合化物を用いることができる。
上記式(2)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)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(A)と同様である。すなわち、上記式(2)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)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(2)で表されるNCA系複合酸化物粒子からなるNCA系複合酸化物二次粒子(A)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(2)で表されるNCA系複合酸化物粒子からなるNCA系複合酸化物二次粒子(A)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)とが複合化して、リチウム系ポリアニオン粒子(B)が、かかる二次粒子の表面を被覆するように担持されて存在しているため、NCA系複合酸化物粒子に含まれる金属成分(Ni、Co、Al、M2)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(1)で表されるNCM系複合酸化物粒子と上記式(2)で表される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(1)で表されるNCM系複合酸化物粒子である一次粒子と上記式(2)で表される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(1)で表されるNCM系複合酸化物粒子のみからなる二次粒子と上記式(2)で表される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(1)で表されるNCM系複合酸化物粒子である一次粒子と上記式(2)で表される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(1)で表されるNCM系複合酸化物粒子のみからなる二次粒子と上記式(2)で表される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(1)で表されるNCA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NCA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(1)で表されるNCM系複合酸化物粒子と上記式(2)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(1)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(2)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。
本発明のリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体を構成するリチウム系ポリアニオン粒子(B)は、下記式(3)、又は式(4):
LigMnhFei3 yPO4 ・・・(3)
(式(3)中、M3はCo、Ni、Ca、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd又はGdを示す。g、h、i、及びyは、0<g≦1.2、0.3≦h≦1、0≦i≦0.7、及び0≦y≦0.3を満たし、かつg+(Mnの価数)×h+(Feの価数)×i+(M3の価数)×y=3を満たす数を示す。)
LijMnkFel4 zSiO4 ・・・(4)
(式(4)中、M4はCo、Ni、Ca、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd、Al、Zn、V又はGdを示す。j、k、l、及びzは、0<j≦2.4、0≦k≦1.2、0≦l≦1.2、0≦z≦1.2、及びk+l≠0を満たし、かつj+(Mnの価数)×k+(Feの価数)×l+(M4の価数)×z=4を満たす数を示す。)
で表されるオリビン型構造を有する粒子であり、その表面には、リチウム系固体電解質(D)及び炭素(C)が1:5〜7:1の質量比((D):(C))の量で担持されてなる。さらに、かかるリチウム系ポリアニオン粒子(B)は、リチウム複合酸化物二次粒子(A)の表面を良好に被覆するように、リチウム複合酸化物粒子と複合化しつつ担持されてなる。
上記式(3)で表されるリチウム系ポリアニオン粒子(B)としては、リチウムイオン二次電池用正極活物質複合体の平均放電電圧の観点から、0.5≦g≦1.2が好ましく、0.6≦g≦1.1がより好ましく、0.65≦g≦1.05がさらに好ましい。具体的には、例えばLiMnPO4、LiMn0.9Fe0.1PO4、LiMn0.8Fe0.2PO4、LiMn0.75Fe0.15Mg0.1PO4、LiMn0.75Fe0.19Zr0.03PO4、LiMn0.7Fe0.3PO4、LiMn0.6Fe0.4PO4、LiMn0.5Fe0.5PO4、Li1.2Mn0.63Fe0.27PO4、Li0.6Mn0.84Fe0.36PO4等が挙げられ、なかでもLiMn0.8Fe0.2PO4、Li1.2Mn0.63Fe0.27PO4、又はLi0.6Mn0.84Fe0.36PO4が好ましい。
また、上記式(4)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Li2Mn0.45Fe0.45Co0.1SiO4、Li2Mn0.54Fe0.36Al0.066SiO4、Li2Mn0.45Fe0.45Zn0.1SiO4、Li2Mn0.54Fe0.360.066SiO4、Li2Mn0.658Fe0.282Zr0.02SiO4、Li2.2Mn0.594Fe0.252Zr0.027SiO4、Li1.2Mn0.294Fe0.392Zr0.042SiO4等が挙げられ、中でもLi2Mn0.658Fe0.282Zr0.02SiO4、Li2.2Mn0.594Fe0.252Zr0.027SiO4、又はLi1.2Mn0.294Fe0.392Zr0.042SiO4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(3)又は式(4)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−シェル構造を形成す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、電解液に接し易いシェル部には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(LiMnPO4)−(LiFePO4)、(LiMn0.5Co0.5PO4)−(LiFePO4)、(Li2MnSiO4)−(LiFePO4)、又は(Li2MnSiO4)−(Li2FeSiO4)等からなる粒子が挙げられる。
上記式(3)又は式(4)で表されるリチウム系ポリアニオン粒子(B)の平均粒径は、リチウム複合酸化物二次粒子(A)の表面のみにおいて、リチウム複合酸化物粒子と密に複合化する観点から、リチウム系ポリアニオン粒子(B)が式(3)で表される場合には、好ましくは50nm〜200nmであり、より好ましくは50nm〜150nmであり、さらに好ましくは50nm〜100nmである。また、リチウム系ポリアニオン粒子(B)が式(4)で表される場合には、好ましくは20nm〜200nmであり、より好ましくは20nm〜150nmであり、さらに好ましくは20nm〜100nmである。
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)の平均粒径は、かかるリチウム系ポリアニオン粒子(B)に式(3)で表されるリチウム系ポリアニオンを含む場合には、好ましくは50nm〜200nmであり、より好ましくは50nm〜150nmであり、さらに好ましくは50nm〜100nmであり、式(3)で表されるリチウム系ポリアニオンを含まない場合には、好ましくは20nm〜200nmであり、より好ましくは20nm〜150nmであり、さらに好ましくは20nm〜100nmである。
上記式(3)又は式(4)で表されるリチウム系ポリアニオン粒子(B)の25℃での20MPa加圧時における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。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の上限値は特に限定されない。
上記リチウム系ポリアニオン粒子(B)は、その表面にリチウム系固体電解質(D)及び炭素(C)が担持されてなる。これらリチウム系ポリアニオン粒子(B)の表面におけるリチウム系固体電解質(D)の担持量と炭素(C)の担持量との質量比((D):(C))は、1:5〜7:1であって、好ましくは1:3〜6:1であり、より好ましくは1:2〜5:1である。
具体的には、リチウム系固体電解質(D)の担持量は、リチウム系ポリアニオン粒子(B)が式(3)で表される場合には、リチウム系固体電解質(D)及び炭素(C)が担持されてなるリチウム系ポリアニオン粒子(B)全量100質量%中に、好ましくは0.1質量%〜11質量%であり、より好ましくは0.5質量%〜7質量%であり、さらに好ましくは1質量%〜3質量%である。また、リチウム系ポリアニオン粒子(B)が式(4)で表される場合には、リチウム系固体電解質(D)及び炭素(C)が担持されてなるリチウム系ポリアニオン粒子(B)全量100質量%中に、好ましくは0.1質量%〜12質量%であり、より好ましくは0.5質量%〜7質量%であり、さらに好ましくは1質量%〜3質量%である。
また、上記リチウム系ポリアニオン粒子(B)の表面における炭素(C)の担持量は、リチウム系固体電解質(D)及び炭素(C)が担持されてなるリチウム系ポリアニオン粒子(B)全量100質量%中に、好ましくは0.1質量%〜12質量%であり、より好ましくは0.3質量%〜7質量%であり、さらに好ましくは0.5質量%〜5質量%である。
さらに、上記リチウム系ポリアニオン粒子(B)の表面におけるリチウム系固体電解質(D)及び炭素(C)の合計担持量は、リチウム系ポリアニオン粒子(B)が式(3)で表される場合には、リチウム系固体電解質(D)及び炭素(C)が担持されてなるリチウム系ポリアニオン粒子(B)全量100質量%中に、好ましくは2質量%〜16質量%であり、より好ましくは2.5質量%〜15質量%であり、さらに好ましくは3質量%〜12質量%である。また、リチウム系ポリアニオン粒子(B)が式(4)で表される場合には、リチウム系固体電解質(D)及び炭素(C)が担持されてなるリチウム系ポリアニオン粒子(B)全量100質量%中に、好ましくは2質量%〜17質量%であり、より好ましくは2.5質量%〜16質量%であり、さらに好ましくは3質量%〜12質量%である。
上記リチウム系ポリアニオン粒子(B)の表面において、ともに担持されるリチウム系固体電解質(D)及び炭素(C)の担持状態は、炭素(C)が担持されたリチウム系ポリアニオン粒子(B)が、その表面の全体が覆われるようにリチウム系固体電解質(D)を担持していてもよく、又、粒子の表面の全体を覆うようにリチウム系固体電解質(D)が担持されたリチウム系ポリアニオン粒子(B)に、炭素(C)が担持されていてもよい。
上記リチウム系ポリアニオン粒子(B)の表面の全体に担持されるリチウム系固体電解質(D)が形成することとなるリチウム系固体電解質被覆層の厚さは、好ましくは1nm〜10nmであり、より好ましくは1nm〜8nmであり、さらに好ましくは1nm〜5nmである。
ここで、リチウム系固体電解質被覆層の厚さとは、リチウム系ポリアニオン粒子(B)の断面(クロスセクション)に関するTEM観察において、十個のリチウム系ポリアニオン粒子(B)表面におけるリチウム系固体電解質被覆層の厚さの測定値の平均値を意味し、以後の説明においても同義である。
本発明のリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体における、リチウム複合酸化物二次粒子(A)の含有量と、表面にリチウム系固体電解質(D)及び炭素(C)が担持されてなるリチウム系ポリアニオン粒子(B)の含有量(リチウム系固体電解質(D)及び炭素(C)の担持量を含む)との質量比((A):(B))は、好ましくは95:5〜55:45であり、より好ましくは90:10〜55:45であり、さらに好ましくは85:15〜55:45である。
リチウム系ポリアニオン粒子(B)の表面に担持される、リチウム系固体電解質(D)とは、少なくとも良好なリチウムイオン伝導性を有するものであり、後述する製造方法において、炭素源を炭化するための焼成工程において形成される必要があることから、焼成雰囲気が還元性であっても得ることができるリチウム系固体電解質である。具体的には、例えば、Li3PO4−Li4SiO4及びLi1.3Al0.3Ti1.7(PO43のいずれか1種以上が挙げられ、なかでもLi1.3Al0.3Ti1.7(PO43が好ましい。
上記リチウム系固体電解質(D)の平均粒径は、好ましくは1nm〜10nmであり、より好ましくは1nm〜8nmであり、さらに好ましくは1nm〜5nmである。
ここで、リチウム系固体電解質(D)の平均粒径は、リチウム系ポリアニオン粒子(B)の断面(クロスセクション)に関するTEM観察において、リチウム系ポリアニオン粒子(B)表面部における回折コントラストで識別される、数十個のリチウム系固体電解質粒子の粒径(長軸の長さ)の測定値の平均値を意味し、以後の説明においても同義である。
リチウム系ポリアニオン粒子(B)の表面に、上記リチウム系固体電解質(D)とともに担持される炭素(C)は、リチウム系ポリアニオン粒子(B)と炭素源(C')とが一緒に焼成されることによって、リチウム系ポリアニオン粒子(B)の表面上に堅固に担持されるか、リチウム系ポリアニオン粒子(B)とともに圧縮力及びせん断力を付加されながら混合されて、リチウム系ポリアニオン粒子(B)の表面上に堅固に担持される。焼成されて炭素(C)となる炭素源(C')として、セルロースナノファイバー(C'-1)、リグノセルロースナノファイバー(C'-2)、水溶性炭素材料(C'-3)から選ばれる1種又は2種以上が挙げられ、また圧縮力及びせん断力を付加されながら混合される炭素(C)として、水不溶性炭素材料(C4)が挙げられる。
上記炭素源(C')としてのセルロースナノファイバー(C'-1)とは、全ての植物細胞壁の約5割を占める骨格成分であって、かかる細胞壁を構成する植物繊維をナノサイズまで解繊等することにより得ることができる軽量高強度繊維であり、セルロースナノファイバー(C'-1)由来の炭素(C1)は、周期的構造を有する。かかるセルロースナノファイバー(C'-1)の繊維径は、1nm〜100nmであり、水への良好な分散性も有している。また、セルロースナノファイバー(C'-1)を構成するセルロース分子鎖では、炭素による周期的構造が形成されていることから、これが炭化されつつ、上記リチウム系ポリアニオン粒子(B)とも相まって、かかる粒子の表面に堅固に担持されることにより、良好な電子伝導性を付与することができる。
上記炭素源(C')としてのリグノセルロースナノファイバー(C'-2)とは、セルロースナノファイバー(C'-1)よりもさらに優れた水への分散性を有している。そして、リグノセルロースナノファイバー(C'-2)が炭化されてなる炭素(C2)は、セルロースナノファイバー由来の周期的構造とリグニン由来の三次元網目構造を有する複合的な三次元構造を形成し、上記リチウム系ポリアニオン粒子(B)に有効に担持されることができる。かかるリグノセルロースナノファイバー(C'-2)の繊維径は、30nm〜1000nmである。
上記炭素源(C')としての水溶性炭素材料(C'-3)とは、25℃の水100gに、水溶性炭素材料(C'-3)の炭素原子換算量で0.4g以上、好ましくは1.0g以上溶解する炭素材料を意味し、炭化されることで炭素として上記リチウム系ポリアニオン粒子(B)の表面に存在することとなる。かかる水溶性炭素材料(C'-3)としては、例えば、糖類、ポリオール、ポリエーテル、及び有機酸から選ばれる1種又は2種以上が挙げられる。より具体的には、例えば、グルコース、フルクトース、ガラクトース、マンノース等の単糖類;マルトース、スクロース、セロビオース等の二糖類;デンプン、デキストリン等の多糖類;エチレングリコール、プロピレングリコール、ジエチレングリコール、ポリエチレングリコール、ブタンジオール、プロパンジオール、ポリビニルアルコール、グリセリン等のポリオールやポリエーテル;クエン酸、酒石酸、アスコルビン酸等の有機酸が挙げられる。なかでも、溶媒への溶解性及び分散性を高めて炭素源として効果的に機能させる観点から、グルコース、フルクトース、スクロース、デキストリンが好ましく、グルコースがより好ましい。
なお、リチウム系ポリアニオン粒子(B)の表面に存在する、セルロースナノファイバー(C'-1)由来の炭素(C1)、リグノセルロースナノファイバー(C'-2)由来の炭素(C2)、又は水溶性炭素材料(C'-3)由来の炭素(C3)の原子換算量(炭素の担持量)は、リチウム系ポリアニオン粒子(B)について炭素・硫黄分析装置を用いて測定した炭素量として、確認することができる。
炭素(C)としてリチウム系ポリアニオン粒子(B)に担持される水不溶性炭素材料(C4)とは、25℃の水100gに対する溶解量が、水不溶性炭素材料(C4)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。かかる水不溶性炭素材料(C4)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、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。水不溶性炭素材料(C4)の平均粒径は、複合化の観点から、好ましくは0.5μm〜20μmであり、より好ましくは1.0μm〜15μmである。
なお、表面にリチウム系固体電解質(D)及び炭素(C)が担持されてなる式(3)又は式(4)で表されるリチウム系ポリアニオン粒子(B)は、リチ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、リチウム複合酸化物粒子である一次粒子が凝集してなるリチウム複合酸化物二次粒子(A)の一部と直接複合化していてもよい。
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平均粒径は、好ましくは2μm〜30μmであり、より好ましくは3μm〜20μmであり、特に好ましくは5μm〜15μmである。かかる正極活物質複合体の平均粒径が2μmよりも小さい場合、タップ密度が低下して作成した電極に十分な剥離強度が付与できず、電池のサイクル特性が低下するおそれがある。また、平均粒径が30μmよりも大きい場合、電極を均一に塗工することが困難になって均一な電極が得られず、電池の放電容量が低下するおそれがある。
また、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タップ密度は、好ましくは1.0g/cm3〜2.0g/cm3であり、より好ましくは1.2g/cm3〜2.0g/cm3である。かかる正極活物質複合体のタップ密度が1.0g/cm3よりも小さい場合、上述のとおり電池のサイクル特性が低下するおそれがある。
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、次の工程(I)〜(IV):
(I)リチウム化合物、少なくとも鉄化合物又はマンガン化合物を含む金属化合物、リン酸化合物又はケイ酸化合物を含むスラリーを調製した後、水熱反応に付してリチウム系ポリアニオン一次粒子を得る工程、
(II)得られたリチウム系ポリアニオン一次粒子、及びリチウム系固体電解質(D)の原料化合物を含むスラリーを調製した後、噴霧乾燥して造粒物を得る工程、
(III)得られた造粒物を焼成して、空隙率が45体積%〜80体積%の予備造粒物(b)を得る工程、並びに
(IV)得られた予備造粒物(b)とリチウム複合酸化物二次粒子(A)とを圧縮力及びせん断力を付加しながら混合して、予備造粒物(b)を崩壊させながら、リチウム系ポリアニオン粒子(B)の表面にリチウム系固体電解質(D)及び炭素(C)を担持させるとともに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)とを複合化する工程
を備え、
工程(I)において調製するスラリー、又は工程(II)において調製するスラリーのいずれか一方が、さらに炭素源(C')が添加されてなるスラリーであるか、或いは
工程(IV)において、予備造粒物(b)とリチウム複合酸化物二次粒子(A)とともに水不溶性炭素材料(C4)を添加して、圧縮力及びせん断力を付加しながら混合す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より得ることができる。このように、リチウム系ポリアニオン粒子(B)からなる空隙率の高い予備造粒物(b)を得る工程(III)を経ることにより、リチウム系ポリアニオンの一次粒子を堅固に凝集させて得られた堅牢な二次粒子を用いる従来の製造方法に比べ、続く工程(IV)において過度な負荷を与えることなく容易に予備造粒物(b)を崩壊させ、細粒化することができる。かかる予備造粒物(b)は、細粒化されながらリチウム系ポリアニオン粒子(B)を分離、放出することとなり、リチウム複合酸化物二次粒子(A)の表面にリチウム系ポリアニオン粒子(B)を効率的かつ良好に接触させつつ担持させることが可能となる。
そして、炭素源(C')を用いる場合には、工程(I)において調製するスラリー、又は工程(II)において調製するスラリーのいずれか一方のスラリーに添加すればよい。かかる炭素源(C')としては、上記と同様、セルロースナノファイバー(C'-1)、リグノセルロースナノファイバー(C'-2)、又は水溶性炭素材料(C'-3)を用いればよい。
本発明の製造方法が備える工程(I)は、リチウム化合物、少なくとも鉄化合物又はマンガン化合物を含む金属化合物、リン酸化合物又はケイ酸化合物を水熱反応に付して、リチウム系ポリアニオン一次粒子を得る工程である。
より具体的には、次の工程(i)〜(ii):
(i)リチウム化合物を含む混合物(b−1)に、リン酸化合物又はケイ酸化合物を混合して前駆体(b−2)を得る工程、
(ii)得られた前駆体(b−2)と、少なくとも鉄化合物又はマンガン化合物を含む金属化合物を含有するスラリー(b−3)を水熱反応に付してリチウム系ポリアニオン一次粒子(b−4)を得る工程、
を備えるのが好ましい。
ここで、工程(ii)において、スラリー(b−3)を調製するにあたり、さらに炭素源(C')を添加してもよい。その場合、続く工程(II)において調製するスラリーには、炭素源(C')を添加しなければよい。
工程(i)は、リチウム化合物を含む混合物(b−1)に、リン酸化合物又はケイ酸化合物を混合して前駆体(b−2)を得る工程である。
用い得るリチウム化合物としては、水酸化リチウム(例えばLiOH、LiOH・H2O)、炭酸リチウム、硫酸リチウム、酢酸リチウムが挙げられる。なかでも、水酸化リチウムが好ましい。
混合物(b−1)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、工程(i)においてリン酸化合物を用いた場合、混合物(b−1)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、混合物(b−1)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。
混合物(b−1)にリン酸化合物又はケイ酸化合物を混合する前に、予め混合物(b−1)を撹拌しておくのが好ましい。かかる混合物(b−1)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、混合物(b−1)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。
工程(i)で用いるリン酸化合物としては、オルトリン酸(H3PO4、リン酸)、メタリン酸、ピロリン酸、三リン酸、四リン酸、リン酸アンモニウム、リン酸水素アンモニウム等が挙げられる。なかでもリン酸を用いるのが好ましく、70質量%〜90質量%濃度の水溶液として用いるのが好ましい。かかる工程(i)では、混合物(b−1)にリン酸を混合するにあたり、混合物(b−1)を撹拌しながらリン酸を滴下するのが好ましい。混合物(b−1)にリン酸を滴下して少量ずつ加えることで、混合物(b−1)中において良好に反応が進行して、複合体(b−2)がスラリー中で均一に分散しつつ生成され、かかる複合体(b−2)が不要に凝集するのをも効果的に抑制することができる。
リン酸の上記混合物(b−1)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混合物(b−1)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混合物(b−1)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。
なお、混合物(b−1)を撹拌する際、さらに混合物(b−1)の沸点温度以下に冷却するのが好ましい。具体的には、80℃以下に冷却するのが好ましく、20℃〜60℃に冷却するのがより好ましい。
工程(i)で用いるケイ酸化合物としては、反応性のあるシリカ化合物であれば特に限定されず、非晶質シリカ、Na4SiO4(例えばNa4SiO4・H2O)等が挙げられる。
リン酸化合物又はケイ酸化合物を混合した後の混合物(b−1)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、工程(i)においてリン酸化合物を用いた場合、リン酸化合物を混合した後の混合物(b−1)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、工程(i)においてケイ酸化合物を用いた場合、ケイ酸化合物を混合した後の混合物(b−1)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混合した後の混合物(b−1)に対して窒素をパージすることにより、かかる混合物(b−1)中での反応を完了させて、リチウム系ポリアニオン粒子の前駆体(b−2)を混合物(b−1)中に生成させる。窒素がパージされると、混合物(b−1)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、また得られる前駆体(b−2)を含有する混合物(b−1)中の溶存酸素濃度も効果的に低減されるため、次の工程で添加する鉄化合物やマンガン化合物等の酸化を抑制することができる。かかる前駆体(b−2)を含有する混合物(b−1)中において、リチウム系ポリアニオン粒子の前駆体(b−2)は、微細な分散粒子として存在する。かかる前駆体(b−2)は、例えば、工程(i)においてリン酸化合物を用いた場合、リン酸三リチウム(Li3PO4)として得られる。
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混合した後の混合物(b−1)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。例えば、工程(i)においてリン酸化合物を用いた場合、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。
また、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混合した後の混合物(b−1)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、より効果的に前駆体(b−2)の分散粒子表面における酸化を抑制し、分散粒子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混合した後の混合物(b−1)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。
上記工程(ii)では、工程(i)で得られた前駆体(b−2)と、少なくとも鉄化合物又はマンガン化合物を含む金属化合物を含有するスラリー(b−3)を水熱反応に付して、リチウム系ポリアニオン一次粒子(b−4)を得る工程である。上記工程(i)により得られた前駆体(b−2)を、混合物(b−1)のまま、リチウム系ポリアニオン粒子の前駆体として用い、これに少なくとも鉄化合物又はマンガン化合物を含む金属化合物を添加して、スラリー(b−3)として用いるのが好ましい。これにより、工程を簡略化させつつ、目的とするリチウム系ポリアニオン一次粒子(b−4)が極めて微細な粒子になる。
用い得る鉄化合物としては、酢酸鉄、硝酸鉄、硫酸鉄等が挙げられる。これらは1種単独で用いてもよく、2種以上組み合わせて用いてもよい。なかでも、リチウム系ポリアニオン粒子(B)の電池特性を高める観点から、硫酸鉄が好ましい。
用い得るマンガン化合物としては、酢酸マンガン、硝酸マンガン、硫酸マンガン等が挙げられる。これらは1種単独で用いてもよく、2種以上組み合わせて用いてもよい。なかでも、リチウム系ポリアニオン粒子(B)の電池特性を高める観点から、硫酸マンガンが好ましい。
金属化合物として、鉄化合物とマンガン化合物の双方を用いる場合、これらマンガン化合物及び鉄化合物の使用モル比(マンガン化合物:鉄化合物)は、好ましくは99:1〜1:99であり、より好ましくは90:10〜10:90である。また、これら鉄化合物及びマンガン化合物の合計添加量は、スラリー(b−3)中に含有されるLi3PO4 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。
さらに、必要に応じて、金属化合物として、鉄化合物及びマンガン化合物以外の金属(M3又はM4)塩を用いてもよい。金属化合物におけるM3又はM4は、上記式(III)〜(IV)中のM3又はM4と同義であり、かかる金属化合物として、硫酸塩、ハロゲン化合物、有機酸塩、及びこれらの水和物等を用いることができる。これらは1種単独で用いてもよく、2種以上用いてもよい。なかでも、電池物性を高める観点から、硫酸塩を用いるのがより好ましい。
これら金属(M3又はM4)化合物を用いる場合、鉄化合物、マンガン化合物、及び金属(M3又はM4)塩の合計添加量は、上記工程(i)において得られた前駆体(b−2)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。
ここで、さらに炭素源(C')を添加してスラリー(b−3)を調製する場合、かかる炭素源(C')の添加量は、スラリー(b−3)中の前駆体(b−2)100質量部に対し、好ましくは0.01〜15質量部であり、より好ましくは0.02〜10質量部であり、さらに好ましくは0.03〜5質量部である。
水熱反応に付する際に用いる水の使用量は、用いる金属化合物の溶解性、撹拌の容易性、及び合成の効率等の観点から、スラリー(b−3)中に含有されるリン酸又はケイ酸イオン1モルに対し、好ましくは10モル〜50モルであり、より好ましくは12.5モル〜45モルである。より具体的には、スラリー(b−3)中に含有されるイオンがリン酸イオンの場合、水熱反応に付する際に用いる水の使用量は、好ましくは10モル〜30モルであり、より好ましくは12.5モル〜25モルである。また、スラリー(b−3)中に含有されるイオンがケイ酸イオンの場合、水熱反応に付する際に用いる水の使用量は、好ましくは10モル〜50モルであり、より好ましくは12.5モル〜45モルである。
工程(ii)において、鉄化合物、マンガン化合物及び金属(M3又はM4)化合物の添加順序は特に制限されない。炭素源(C')を添加する場合にも同様である。また、これらの金属化合物を添加するとともに、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(Na2SO3)、ハイドロサルファイトナトリウム(Na224)、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でリチウム系ポリアニオン一次粒子(b−4)の生成が抑制されるのを防止する観点から、鉄化合物、マンガン化合物及び必要に応じて用いる金属(M3又はM4)化合物の合計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。
鉄化合物、マンガン化合物及び必要に応じて用いる金属(M3又はM4)化合物や酸化防止剤を添加することにより得られるスラリー(b−3)中におけるリチウム系ポリアニオン一次粒子(b−4)の含有量は、好ましくは10質量%〜50質量%であり、より好ましくは15質量%〜45質量%であり、さらに好ましくは20質量%〜40質量%である。
工程(ii)における水熱反応は、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6分間〜48時間が好ましく、さらに12分間〜24時間が好ましい。
得られたリチウム系ポリアニオン一次粒子(b−4)は、上記式(3)〜(4)で表されるリチウム系ポリアニオン粒子であり、ろ過して得られたリチウム系ポリアニオン一次粒子(b−4)を含むろ過ケーキを水で洗浄し、乾燥することによりリチウム系ポリアニオン粒子を一次粒子として単離できる。なお、乾燥手段は、凍結乾燥、真空乾燥が用いられる。
得られるリチウム系ポリアニオン一次粒子(b−4)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5m2/g〜40m2/gであり、より好ましくは5m2/g〜20m2/gである。リチウム系ポリアニオン一次粒子(b−4)のBET比表面積が5m2/g未満であると、リチウム系ポリアニオン粒子(B)が大きくなりすぎてしまうおそれがある。また、BET比表面積が40m2/gを超えると、二次電池用正極活物質複合体の吸着水分量が増大して電池特性に影響を与えるおそれがある。
本発明の製造方法が備える工程(II)は、得られたリチウム系ポリアニオン一次粒子、及びリチウム系固体電解質(D)の原料化合物を含むスラリーを調製した後、噴霧乾燥して造粒物を得る工程である。より具体的には、工程(I)で得られたリチウム系ポリアニオン一次粒子(b−4)、及びリチウム系固体電解質(D)の原料化合物を含むスラリー(b−5)を調整後、スラリー(b−5)を噴霧乾燥して、リチウム系ポリアニオン一次粒子(b−4)、及びリチウム系固体電解質(D)の原料化合物を含む造粒体(b−6)を得る工程である。
ここで、スラリー(b−5)を調製するにあたり、さらに炭素源(C')を添加してもよい。その場合、上記工程(I)において調製するスラリーには、炭素源(C')を添加しなければよい。したがって、いずれの場合においても、最終的には噴霧乾燥に処するスラリー(b−5)に炭素源(C')が含まれることとなり、得られる造粒体(b−6)にも炭素源(C')が含まれることとなる。そして、かかる造粒体(b−6)を用いて次工程(III)を経ることにより、リチウム系ポリアニオン粒子(B)の表面に炭素(C)が担持されることとなる。
なお、本発明の製造方法において、上記工程(I)及び工程(II)で炭素源(C')を用いない場合、後述する工程(IV)において、水不溶性炭素材料(C4)を用いればよい。
スラリー(b−5)における、リチウム系ポリアニオン一次粒子(b−4)の含有量は、水100質量部に対し、好ましくは10質量部〜30質量部であり、より好ましくは15質量部〜30質量部である。かかる含有量となるように、上記のリチウム系ポリアニオン一次粒子(b−4)を含む水洗浄後のろ過ケーキを用いればよい。
造粒体(b−6)を構成するリチウム系固体電解質(D)の原料化合物は、次工程(III)において焼成されることにより、リチウム系固体電解質(D)を生成するものである。用いる原料化合物としては、スラリー(b−5)に溶解するものが好ましく、リチウム系固体電解質(D)を構成する各元素、具体的には、チタン、リチウム、アルミニウム、ケイ素、ホウ素、リンの水酸化物、炭酸塩、硫酸塩、酢酸塩等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
リチウム系ポリアニオン粒子(B)の表面に、次工程(III)において焼成されることにより、上記原料化合物から生成するリチウム系固体電解質(D)を担持させる場合、スラリー(b−5)における、上記リチウム系固体電解質(D)の原料化合物の合計含有量は、リチウム系ポリアニオン粒子(B)及びかかる粒子表面に担持されるリチウム系固体電解質(D)及び炭素(C)の合計量100質量%に対し、0.1質量%〜11質量%となるような量であるのが望ましい。具体的には、例えばスラリー(b−5)における水100質量部に対し、好ましくは0.05質量部〜40質量部であり、より好ましくは0.05質量部〜20質量部である。
工程(II)においてスラリー(b−5)に炭素源(C')を添加する場合、スラリー(b−5)における、セルロースナノファイバー(C'-1)及び/又はリグノセルロースナノファイバー(C'-2)の含有量は、その炭素原子換算量が、リチウム系ポリアニオン粒子(B)及びかかる粒子表面に担持されるリチウム系固体電解質(D)及び炭素(C)の合計量100質量%に対し、0.1質量%〜12質量%となるような量であるのが望ましい。
具体的には、例えば炭素源(C')として、セルロースナノファイバー(C'-1)及び/又はリグノセルロースナノファイバー(C'-2)を用いる場合、かかる炭素源(C')の添加量は、スラリー(b−5)における水100質量部に対し、炭素原子換算量で好ましくは0.05質量部〜40質量部であり、より好ましくは0.05質量部〜15質量部である。また炭素源(C')として、水溶性炭素材料(C'-3)を用いる場合、かかる炭素源(C')の添加量は、スラリー(b−5)における水100質量部に対し、炭素原子換算量で好ましくは0.05質量部〜35質量部であり、より好ましくは0.05質量部〜13質量部である。
さらに炭素源(C')として、セルロースナノファイバー(C'-1)及び/又はリグノセルロースナノファイバー(C'-2)と、水溶性炭素材料(C'-3)とを用いる場合、スラリー(b−5)における、これら炭素源(C')の合計含有量は、リチウム系ポリアニオン粒子(B)及びかかる粒子表面に担持されるリチウム系固体電解質(D)及び炭素(C)の合計量100質量%に対し、炭素原子換算量で0.1質量%〜12質量%となるようにすればよい。
得られるスラリー(b−5)には、最終的には、リチウム系ポリアニオン粒子(B)とともに、炭素源(C')として、セルロースナノファイバー(C'-1)、リグノセルロースナノファイバー(C'-2)及び/又は水溶性炭素材料(C'-3)が含まれることとなる。かかるスラリー(b−5)を調製するにあたり、リチウム系ポリアニオン粒子(B)と炭素源(C')を均一に分散させる観点から、分散機(ホモジナイザー)を用いた処理を行うことが好ましい。かかる分散機としては、例えば、離解機、叩解機、低圧ホモジナイザー、高圧ホモジナイザー、グラインダー、カッターミル、ボールミル、ジェットミル、短軸押出機、2軸押出機、超音波攪拌機、家庭用ジューサーミキサー等が挙げられる。なかでも、分散効率の観点から、超音波攪拌機が好ましい。スラリー(b−5)の分散均一性の程度は、例えば、UV・可視光分光装置を使用した光線透過率や、E型粘度計を使用した粘度で定量的に評価することもでき、また目視によって白濁度が均一であることを確認することで、簡便に評価することもできる。分散機で処理する時間は、好ましくは1分間〜30分間であり、より好ましくは2分間〜15分間である。
炭素源(C')としてセルロースナノファイバー(C'-1)及び/又はリグノセルロースナノファイバー(C'-2)を用いた場合、上記スラリー(b−5)は、未だ凝集状態にあるセルロースナノファイバーを有効に取り除く観点から、さらに、湿式分級することが好ましい。湿式分級には、篩や市販の湿式分級機を使用することができる。篩の目開きは、用いるセルロースナノファイバー(C'-1)及び/又はリグノセルロースナノファイバー(C'-2)の繊維長により変動し得るが、作業効率の観点から、150μm前後であるのが好ましい。
以上より、得られるスラリー(b−5)の固形分濃度は、好ましくは10質量%〜35質量%であり、より好ましくは15質量%〜30質量%である。
次いで、得られたスラリー(b−5)を噴霧乾燥して、造粒体(b−6)を得る。かかる造粒体(b−6)は、次工程(III)を経ることによって、表面にリチウム系固体電解質(D)及び炭素(C)が担持されたリチウム系ポリアニオン粒子(B)により形成されてなる予備造粒物(b)となる。本発明の製造方法では、リチウム系ポリアニオン一次粒子(b−4)を堅固に凝集させてなる堅牢な二次粒子を用いることを回避して、過度な負荷を与えることなく容易に崩壊させることのできる予備造粒物(b)を用いるため、かかる予備造粒物(b)を構成してなる、表面に炭素(C)が担持されたリチウム系ポリアニオン粒子(B)を、過大なせん断力等を必要とすることなく、リチウム複合酸化物二次粒子(A)の表面に担持させることを可能とする。
噴霧乾燥の際の熱風温度は、110℃〜160℃が好ましく、120℃〜140℃がより好ましい。かかる熱風の供給量G(L/分)と、スラリー(b−5)の供給量S(L/分)の比(G/S)は、500〜10000が好ましく、1000〜9000がより好ましい。
工程(II)で得られる造粒体(b−6)の粒径は、レーザー回折・散乱法に基づく粒度分布におけるD50値で、好ましくは5μm〜14μmであり、より好ましくは5μm〜12μmである。
ここで、粒度分布測定におけるD50値とは、レーザー回折・散乱法に基づく体積基準の粒度分布により得られる値であり、D50値は累積50%での粒径(メジアン径)を意味する。
本発明の製造方法が備える工程(IV)は、工程(II)で得られた造粒体(b−6)を焼成して、空隙率が45体積%〜80体積%の予備造粒物(b)を得る工程である。かかる工程(IV)を経ることにより、予備造粒物(b)を構成するリチウム系ポリアニオン粒子(B)の表面にリチウム系固体電解質(D)及び炭素(C)をより堅固に担持させつつ、空隙率を45体積%〜80体積%に調整された、適度な崩壊性を有する予備造粒物(b)を形成させることができる。
焼成温度は、リチウム系固体電解質(D)を有効に生成させる観点、炭素源(C')を有効に炭化させる観点、及び予備造粒物(b)の空隙率を45体積%〜80体積%に調整して適度な崩壊性を付与する観点から、好ましくは500℃〜800℃であり、より好ましくは600℃〜770℃であり、特に好ましくは650℃〜750℃である。また、焼成時間は、好ましくは10分間〜3時間、より好ましくは30分間〜1.5時間とするのがよい。
表面にリチウム系固体電解質(D)及び炭素(C)が担持されたリチウム系ポリアニオン粒子(B)からなる予備造粒物(b)の空隙率は、水銀圧入法に基づく空隙率で、45体積%〜80体積%であって、好ましくは50体積%〜80体積%である。
また、表面にリチウム系固体電解質(D)及び炭素(C)が担持されたリチウム系ポリアニオン粒子(B)からなる予備造粒物(b)のタップ密度は、好ましくは1.0g/cm3未満であり、より好ましくは0.6g/cm3〜0.9g/cm3である。
さらに、表面にリチウム系固体電解質(D)及び炭素(C)が担持されたリチウム系ポリアニオン粒子(B)からなる予備造粒物(b)の平均粒径は、レーザー回折・散乱法に基づく粒度分布におけるD50値で、好ましくは5μm〜15μmであり、より好ましくは5μm〜12μmである。
表面にリチウム系固体電解質(D)及び炭素(C)が担持されたリチウム系ポリアニオン粒子(B)からなる予備造粒物(b)の崩壊強度は、好ましくは1.8KN/mm以下であり、より好ましくは1.75KN/mm以下である。かかる崩壊強度とは、表面にリチウム系固体電解質(D)及び炭素(C)が担持されたリチウム系ポリアニオン粒子(B)からなる予備造粒物(b)の圧縮による崩壊のし易さを示し、下記式(5)により求められる値を意味する。
予備造粒物(b)の崩壊強度(KN/mm)=10/(t0−t10) ・・・(5) 式(5)中のt0は、直径20mmの円筒容器内に表面にリチウム系固体電解質(D)及び炭素(C)が担持されたリチウム系ポリアニオン粒子(B)からなる予備造粒物(b)を3g投入し、高さ1cmからの落下によるタッピングを10回繰返した後の密充填状態における予備造粒物(b)の層厚(mm)を示し、t10は、かかる密充填状態の予備造粒物(b)に、上部から10KNの荷重を掛けた際の予備造粒物(b)の層厚(mm)を示す。
本発明の製造方法が備える工程(IV)は、工程(III)で得られた予備造粒物(b)とリチウム複合酸化物二次粒子(A)とを圧縮力及びせん断力を付加しながら混合して、予備造粒物(b)を崩壊させながら、表面にリチウム系固体電解質(D)及び炭素(C)を担持されたリチウム系ポリアニオン粒子(B)とリチウム複合酸化物二次粒子(A)とを複合化する工程である。かかる工程を経ることにより、リチウム複合酸化物二次粒子(A)表面に、予備造粒物(b)が崩壊してなる、微細であって、その表面にリチウム系固体電解質(D)及び炭素(C)が担持されたリチウム系ポリアニオン粒子(B)を、緻密かつ広範囲に被覆するように担持させてなるリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体を得ることができる。
工程(IV)では、圧縮力及びせん断力を付加しながら混合する前に、リチウム複合酸化物二次粒子(A)と上記予備造粒物(b)の混合物を、充分に乾式混合するのが好ましい。乾式混合の方法としては、ボールミルやVブレンダー等の、通常の乾式混合機による混合であるのが好ましく、自公転可能な遊星ボールミルによる混合がより好ましい。
圧縮力及びせん断力を付加しながら混合する(以下、「複合化する」ともいう)処理は、インペラやローター工具等を備える密閉容器で行うのがよい。かかる密閉容器を備える装置として、高速せん断ミル、ブレード型混練機、高速混合機等が挙げられ、具体的には、例えば、粒子設計装置 COMPOSI、メカノハイブリット、高性能流動式混合機FMミキサー(日本コークス工業社製)微粒子複合化装置 メカノフュージョン、ノビルタ(ホソカワミクロン社製)、表面改質装置ミラーロ、ハイブリダイゼーションシステム(奈良機械製作所社製)、アイリッヒインテンシブミキサー(日本アイリッヒ社製)を好適に用いることができる。上記複合化する処理条件としては、温度が、好ましくは5℃〜80℃、より好ましくは10℃〜50℃である。また、雰囲気としては、特に限定されないが、不活性ガス雰囲気又は還元性ガス雰囲気であるのが好ましい。
より具体的には、例えば、複合化を行う装置として、インペラを備えた乾式粒子複合化装置であるノビルタ(ホソカワミクロン社製)を用いる場合、かかるインペラの回転数は、上記予備造粒物(b)を効率的に崩壊させつつ、リチウム複合酸化物二次粒子(A)の表面に、表面にリチウム系固体電解質(D)及び炭素(C)が担持されたリチウム系ポリアニオン粒子(B)が良好に被覆するよう担持した複合酸化物を得る観点から、好ましくは2000rpm〜6000rpmであり、より好ましくは2000rpm〜4000rpmである。また、複合化する時間は、好ましくは1分間〜10分間であり、より好ましくは1分間〜7分間である。
また、かかる複合化を行う装置として、ローター工具を備えた高速攪拌混合機であるアイリッヒインテンシブミキサー(日本アイリッヒ社製)を用いた場合、かかるローター工具の回転数は、好ましくは2000rpm〜8000rpmであり、より好ましくは2000rpm〜6000rpmである。また、複合化する時間は、好ましくは1分間〜10分間であり、より好ましくは1分間〜7分間である。
工程(IV)における、上記複合化する時間及び/又はインペラ等の回転数は、密閉容器に投入するリチウム複合酸化物二次粒子(A)と予備造粒物(b)の混合物の量に応じて適宜調整する必要がある。そして、密閉容器を稼動させることにより、インペラ等と密閉容器内壁との間でこれら混合物に圧縮力及びせん断力が付加されつつ、予備造粒物(b)を良好に崩壊させながら、リチウム複合酸化物二次粒子(A)と、表面にリチウム系固体電解質(D)及び炭素(C)が担持されたリチウム系ポリアニオン粒子(B)とを複合化する処理を行うことが可能となり、上記リチウム複合酸化物二次粒子(A)の表面において、上記表面にリチウム系固体電解質(D)及び炭素(C)が担持されたリチウム系ポリアニオン粒子(B)が良好に複合化されて被覆するよう担持してなる、リチウムイオン二次電池用正極活物質複合体を得ることができる。
例えば、上記複合化を、回転数2000rpm〜5000rpmで回転するインペラを備える密閉容器内で1分間〜8分間行う場合、密閉容器に投入する上記混合物の量は、有効容器(インペラを備える密閉容器のうち、上記混合物を収容可能な部位に相当する容器)1cm3当たり、好ましくは0.1g〜0.7gであり、より好ましくは0.15g〜0.4gである。
工程(IV)において複合化させるリチウム複合酸化物二次粒子(A)の配合量と、表面にリチウム系固体電解質(D)及び炭素(C)が担持されたリチウム系ポリアニオン粒子(B)の配合量との質量比(粒子(A):粒子(B))は、リチウム複合酸化物二次粒子(A)の表面に良好に表面にリチウム系固体電解質(D)及び炭素(C)が担持されたリチウム系ポリアニオン粒子(B)を担持させる観点から、好ましくは95:5〜60:40であり、より好ましくは92:8〜65:35であり、さらに好ましくは90:10〜70:30である。かかる量となるよう、上記混合物中における予備造粒物(b)の量を調整すればよい。
なお、本発明の製造方法では、上記方法のほか、前記工程で炭素源(C')を一切用いることなく、かかる工程(IV)において炭素(C)として水不溶性炭素材料(C4)を用いてもよい。この場合、工程(III)において得られるリチウム系ポリアニオン粒子(B)は、その表面にリチウム系固体電解質(D)のみが担持されてなり、工程(IV)において、予備造粒物(b)とリチウム複合酸化物二次粒子(A)に、さらに水不溶性炭素材料(C4)を添加して、圧縮力及びせん断力を付加しながら混合すればよい。工程(IV)において水不溶性炭素材料(C4)を添加する場合、リチウム複合酸化物二次粒子(A)の配合量と、表面にリチウム系固体電解質(D)が担持されたリチウム系ポリアニオン粒子(B)及び水不溶性炭素材料(C4)の合計配合量との質量比(粒子(A):(粒子(B)+水不溶性炭素材料(C4)))は、好ましくは95:5〜60:40であり、より好ましくは92:8〜65:35であり、さらに好ましくは90:10〜70:30である。かかる量となるよう、上記混合物中における予備造粒物(b)及び水不溶性炭素材料(C4)の配合量を調整すればよい。
なお、上記リチウム複合酸化物二次粒子(A)の表面において、上記表面にリチウム系固体電解質(D)及び炭素(C)が担持されたリチウム系ポリアニオン粒子(B)が複合化されて被覆するよう担持してなる程度は、X線光電子分光法(XPS)によるピーク強度比((Ni2p3/2のピーク強度)/(P2pのピーク強度+C1sのピーク強度))、すなわちリチウム複合酸化物二次粒子(A)から放出されるNi2p3/2のピーク強度と、表面にリチウム系固体電解質(D)及び炭素(C)が担持されたリチウム系ポリアニオン粒子(B)から放出されるP2p及びC1sのピーク強度の比の値により確認できる。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、当該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のピークを解析して得られる3価のNiに相当するピーク強度と、表面にリチウム系固体電解質(D)及び炭素(C)が担持されたリチウム系ポリアニオン粒子(B)から放出されるP2p及びC1sのピーク強度の合計とを比較することで、リチウムイオン二次電池用正極活物質複合体の表面となっている材料の面積比、すなわち、かかる表面にリチウム系固体電解質(D)及び炭素(C)が担持された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)を被覆するよう担持している程度が分かる。
より具体的には、本発明により製造されるリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体は、得られる二次電池において優れた放電特性及び安全性を確保する観点から、かかるXPSによるピーク強度比((Ni2p3/2のピーク強度)/(P2pのピーク強度+C1sのピーク強度))は、通常0.04以下であり、好ましくは0.03以下であり、より好ましくは0.02以下である。
さらに、上記のXPSによるピーク強度比について、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一定のせん断力を加える前後におけるXPSピーク強度比を比較することで、リチウム複合酸化物二次粒子(A)の表面への、表面にリチウム系固体電解質(D)及び炭素(C)が担持されたリチウム系ポリアニオン粒子(B)の被覆強度を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2gとN−メチル−2−ピロリドン10gを高速ミキサー(プライミクス社製フィルミックス40L型)を用いて2000rpmで3分間攪拌混練して得られたスラリーに、温風乾燥して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ついて、上記と同様にXPSによるピーク強度比((Ni2p3/2のピーク強度)/(P2pのピーク強度+C1sのピーク強度))を求めた後、前記のせん断力を加える前のXPSピーク強度比との比((せん断力を加えた後のピーク強度比)/(せん断力を加える前のピーク強度比))(以後、この比を「被覆強度」と称す。)を求めればよい。この被覆強度は、値が小さく、1に近いほどリチウム複合酸化物二次粒子に強固にリチウム系ポリアニオン粒子が被覆していることを示す。
工程(IV)で用いるリチウム複合酸化物二次粒子(A)(上記式(1)で表されるNCM系複合酸化物二次粒子又は上記式(2)で表されるNCA系複合酸化物二次粒子)は、次の製造方法により得てもよい。
上記式(2)で表されるNCM系複合酸化物二次粒子(A)を得るには、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する。具体的には、まずニッケル化合物、コバルト化合物、及びマンガン化合物を所望するリチウム複合酸化物の組成となるよう、水に溶解させて水溶液aを得るのがよい。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、これら金属元素の硫酸塩、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、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。
この工程で、必要に応じて、さらに所望するリチウム複合酸化物の組成になるよう、リチウム複合酸化物の一部を置換する金属(M1)元素として、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、撹拌しながら溶解している金属成分を中和反応によって共沈させ、金属複合水酸化物を生成させる。ここで用いるアルカリ溶液は、水溶液bがpH10〜14を保持するのに充分な量で滴下するのが好ましい。かか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、なかでも水酸化ナトリウム、炭酸ナトリウム又はこれらの混合溶液を用いるのが好ましい。
上記中和反応中における水溶液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。撹拌した後、水溶液bを濾過することによって金属複合水酸化物を回収すればよい。回収した金属複合水酸化物は、水で洗浄した後、乾燥するのが好ましい。
次いで、NCM系複合酸化物の組成となるよう、回収した金属複合水酸化物とリチウム化合物を乾式混合し、得られた混合粉体を酸素雰囲気下で焼成すればよい。ここで用い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、炭酸リチウム等が挙げられる。金属複合水酸化物とリチウム化合物の乾式混合では、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。
上記混合粉体の焼成は、2段階(仮焼成及び本焼成)で行うことが好ましい。2段階の焼成とすることにより、仮焼成において、混合粉体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除去した後、本焼成を行うこととなり、効率よくNCM系複合酸化物二次粒子(A)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、焼成雰囲気は、大気雰囲気又は酸素雰囲気であることが好ましい。焼成温度は、700℃〜1000℃であることが好ましく、650℃〜750℃であることがより好ましい。さらに、焼成時間は、3時間〜20時間であることが好ましく、4時間〜6時間であることがより好ましい。
得られた仮焼成物を乳鉢等で解砕した後、適量のバインダーを混合して造粒し、本焼成するのがよい。本焼成した後に得られた焼成物が、NCM系複合酸化物二次粒子(A)である。
本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、再度室温から昇温速度1℃/分〜20℃/分とするのがよい。また、焼成雰囲気は、大気雰囲気又は酸素雰囲気であることが好ましい。焼成温度は、本焼成後に得られるNCM系複合酸化物二次粒子(A)を構成するNCM系複合酸化物の一次粒子の平均粒径を、所望の値に制御する観点から、700℃〜1200℃であることが好ましく、700℃〜1000℃であるのがより好ましく、750℃〜900℃であることがさらに好ましい。さらに、焼成時間は、3時間〜20時間であることが好ましく、8時間〜10時間であることがより好ましい。
こうした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、ガス雰囲気中の酸素濃度が20質量%以上に調整された電気炉、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。
上記式(2)で示されるNCA系複合酸化物二次粒子(A)を得るには、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する。具体的には、まずニッケル化合物、コバルト化合物、及びアルミニウム化合物を所望するリチウム複合酸化物の組成となるよう、水に溶解させて水溶液a'を得るのがよい。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、これら金属元素の硫酸塩、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、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、リチウム金属複合酸化物の一部を置換する金属(M2)元素として、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、アルカリ溶液を添加して水溶液b'とし、撹拌しながら溶解している金属成分を中和反応によって共沈させ、金属複合水酸化物を生成させる。ここで用いるアルカリ溶液は、水溶液b'がpH10〜14を保持するのに充分な量を滴下するのが好ましい。かか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、なかでもアンモニア、水酸化ナトリウム、炭酸ナトリウム又はこれらの混合溶液を用いることが好ましい。
上記中和反応中の水溶液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。
有用な正極活物質を得るべく、嵩密度の高い金属複合水酸化物とする観点から、中和反応後の水溶液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。
撹拌した後、水溶液b'を濾過することによって金属複合水酸化物を回収すればよい。回収した金属複合水酸化物は、得られるリチウム複合酸化物の品位を安定化させる観点、及びリチウムと均一かつ充分に反応させる観点から、焼成して金属複合酸化物とするのが好ましい。
金属複合水酸化物から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℃の焼成温度とすればよい。
次いで、所望するリチウム複合酸化物の組成となるよう、上記焼成により得られた金属複合酸化物とリチウム化合物を乾式混合し、得られた混合粉体を酸素雰囲気下で焼成すればよい。ここで用い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、炭酸リチウム等が挙げられる。金属複合酸化物とリチウム化合物の乾式混合では、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る。また、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、ガス雰囲気中の酸素濃度が20質量%以上に調整された電気炉、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。
上記混合粉体の焼成条件としては、得られるリチウム複合酸化物の結晶が未発達で構造的に不安定になるのを回避する観点、及びリチウム複合酸化物の層状構造が崩壊してリチウムイオンの挿入、脱離が困難になるのを回避する観点から、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。また、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。
上記混合粉体の焼成は、2段階(仮焼成及び本焼成)で行うことが好ましい。2段階の焼成とすることにより、仮焼成において、混合粉体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除去した後、本焼成を行うこととなり、効率よくNCA系複合酸化物二次粒子(A)を得ることができる。仮焼成の条件としては、焼成温度400℃〜600℃で、焼成時間を1時間以上とするのが好ましく、仮焼成で得られた焼成物を乳鉢等で解砕した後、適量のバインダーを混合して得た造粒物を本焼成に付す。本焼成の条件としては、焼成温度650℃〜850℃で、焼成時間を5時間以上とするのが好ましい。
最後に、本焼成で得られた焼成物を水洗した後、濾過、乾燥して、NCA系複合酸化物二次粒子(A)を得る。本焼成で得られた焼成物を水洗する際のスラリー濃度は、得られるNCA系複合酸化物二次粒子(A)からリチウムの脱離が生じるのを抑止する観点から、200g/L〜4000g/Lが好ましく、500g/L〜2000g/Lがより好ましい。
また、水洗する際に用いる水の電気伝導率は、かかる水に炭酸ガスが多く含まることによって、NCA系複合酸化物二次粒子(A)に炭酸リチウムが析出するのを回避する観点から、10μS/cm未満であるのが好ましく、1μS/cm以下であるのがより好ましい。
さらに乾燥は、2段階で行うのがよい。1段階目の乾燥は、リチウム複合酸化物二次粒子中の水分(気化温度300℃で測定した水分率)が1質量%以下になるまで、90℃以下で行う。その後、2段階目の乾燥を120℃以上で行うのが好ましい。
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としては、正極と負極と電解液とセパレータ、若しくは正極と負極と固体電解質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、グラファイト、シリコン系(Si、SiOx)、チタン酸リチウム又は非晶質炭素等の炭素材料等を用いることができる。そしてリチ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。さらに、2種以上の上記の負極材料を併用してもよく、たとえばグラファイトとシリコン系の組み合わせを用いることができる。
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、一般的にリチ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、LiPF6、LiBF4、LiClO4及びLiAsF6から選ばれる無機塩、該無機塩の誘導体、LiSO3CF3、LiC(SO3CF32及びLiN(SO3CF32、LiN(SO2252及びLiN(SO2CF3)(SO249)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。
固体電解質は、正極及び負極を電気的に絶縁し、高いリチウムイオン電導性を示すものであり、上記リチウム系固体電解質(D)と同一であってもよく異なっていてもよい。例えば、La0.51Li0.34TiO2.94、Li1.3Al0.3Ti1.7(PO43、Li7La3Zr212、Li3PO4−Li4SiO4、50Li4SiO4・50Li3BO3、Li2.9PO3.30.46、Li3.6Si0.60.44、Li1.07Al0.69Ti1.46(PO43、Li1.5Al0.5Ge1.5(PO43、Li10GeP212、Li3.25Ge0.250.754、30Li2S・26B23・44LiI、63Li2S・36SiS2・1Li3PO4、57Li2S・38SiS2・5Li4SiO4、70Li2S・30P25、50Li2S・50GeS2、Li7311、Li3.250.954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:リチウム複合酸化物二次粒子(A−1)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、かかる混合溶液に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A2を得た後、かかる混合物A2に炭酸リチウム37gを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、大気雰囲気下で800℃×5時間仮焼成して解砕した後に造粒し、次いで本焼成として大気雰囲気下で800℃×10時間焼成し、リチウム複合酸化物二次粒子(A−1)(LiNi0.33Co0.33Mn0.342、平均粒径10μm)を得た。
[製造例2:リチウム複合酸化物二次粒子(A−2)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A4を得た。得られた粉末混合物A4を、大気雰囲気下で800℃×5時間仮焼成して解砕した後、本焼成として大気雰囲気下で800℃×24時間焼成し、リチウム複合酸化物二次粒子(A−2)(LiNi0.8Co0.15Al0.052、平均粒径10μm)を得た。
[製造例3:リチウム系ポリアニオン粒子(B−1)の製造]
LiOH・H2O 1272g、及び水4Lを混合してスラリーB1を得た。次いで、得られたスラリーB1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(Wma−10002、スギノマシン社製、繊維径4〜20nm)5892gを添加して、速度400rpmで12時間撹拌して、Li3PO4を含むスラリーB2を得た。
得られたスラリーB2に窒素パージして、スラリーB2の溶存酸素濃度を0.5mg/Lとした後、スラリーB2全量に対し、MnSO4・5H2O 1688g、FeSO4・7H2O 834gを添加してスラリーB3を得た。添加したMnSO4とFeSO4のモル比(マンガン化合物:鉄化合物)は、70:30であった。
次いで、得られたスラリーB3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。水熱反応後、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B4を得た。
得られた複合体B4を1000g分取し、LiNO3 3.59g、Al(NO33・9H2O 4.5g、TiCl4 12.92g、H3PO4 11.76gと、水1Lを添加し、さらにpH調整剤として28%アンモニア水43.71gを添加して、スラリーB5を得た。得られたスラリーB5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)を用いて噴霧乾燥に付して造粒体B6を得た。
得られた造粒体B6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、1.0質量%のLi1.3Al0.3Ti1.7(PO43と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チウム系ポリアニオン粒子(B−1)(LiMn0.7Fe0.3PO4、リチウム系固体電解質の担持量=1.0質量%、炭素の担持量=2.0質量%、平均粒径:100nm)を得た。
[製造例4:リチウム系ポリアニオン粒子(B−2)の製造]
製造例3のリチウム系ポリアニオン粒子(B−1)において、得られた複合体B4 1000gに対する、LiNO3の添加量を3.59gから17.95gに、Al(NO33・9H2Oの添加量を4.5gから22.5gに、TiCl4の添加量を12.92gから64.6gに、H3PO4の添加量を11.76gから58.8gに、pH調整剤である28%アンモニア水の添加量を43.71gから218.6gに変更した以外、製造例3と同じにして、5.0質量%のLi1.3Al0.3Ti1.7(PO43と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チウム系ポリアニオン粒子(B−2)(LiMn0.7Fe0.3PO4、リチウム系固体電解質の担持量=5.0質量%、炭素の担持量=2.0質量%、平均粒径:100nm)を得た。
[製造例5:リチウム系ポリアニオン粒子(B−3)の製造]
製造例3のリチウム系ポリアニオン粒子(B−1)において、得られた複合体B4 1000gに対する、LiNO3の添加量を3.59gから35.9gに、Al(NO33・9H2Oの添加量を4.5gから45gに、TiCl4の添加量を12.92gから129.2gに、H3PO4の添加量を11.76gから117.6gに、pH調整剤である28%アンモニア水の添加量を43.71gから437.1gに変更した以外、製造例3と同じにして、10.0質量%のLi1.3Al0.3Ti1.7(PO43と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チウム系ポリアニオン粒子(B−3)(LiMn0.7Fe0.3PO4、リチウム系固体電解質の担持量=10.0質量%、炭素の担持量=2.0質量%、平均粒径:100nm)を得た。
[製造例6:リチウム系ポリアニオン粒子(B−4)の製造]
製造例3のリチウム系ポリアニオン粒子(B−1)において、得られた複合体B4 1000gに対する、LiNO3の添加量を3.59gから53.85gに、Al(NO33・9H2Oの添加量を4.5gから67.5gに、TiCl4の添加量を12.92gから193.8gに、H3PO4の添加量を11.76gから176.4gに、pH調整剤である28%アンモニア水の添加量を43.71gから655.8gに変更した以外、製造例3と同じにして、15.0質量%のLi1.3Al0.3Ti1.7(PO43と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チウム系ポリアニオン粒子(B−4)(LiMn0.7Fe0.3PO4、リチウム系固体電解質の担持量=15.0質量%、炭素の担持量=2.0質量%、平均粒径:100nm)を得た。
[製造例7:リチウム系ポリアニオン粒子(B−5)の製造]
製造例3のリチウム系ポリアニオン粒子(B−1)において、得られた複合体B4 1000gに対する、LiNO3の添加量を3.59gから71.8gに、Al(NO33・9H2Oの添加量を4.5gから90gに、TiCl4の添加量を12.92gから258.4gに、H3PO4の添加量を11.76gから235.2gに、pH調整剤である28%アンモニア水の添加量を43.71gから874.2gに変更した以外、製造例3と同じにして、20.0質量%のLi1.3Al0.3Ti1.7(PO43と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チウム系ポリアニオン粒子(B−5)(LiMn0.7Fe0.3PO4、リチウム系固体電解質の担持量=20.0質量%、炭素の担持量=2.0質量%、平均粒径:100nm)を得た。
[製造例8:リチウム系ポリアニオン粒子(B−6)の製造]
製造例3のリチウム系ポリアニオン粒子(B−1)において、得られた複合体B4に水1Lのみを添加した以外、製造例3と同じにして、2.0質量%のセルロースナノファイバー由来の炭素のみが担持されたリチウム系ポリアニオン粒子(B−6)(LiMn0.7Fe0.3PO4、リチウム系固体電解質の担持量=0.0質量%、炭素の担持量=2.0質量%、平均粒径:100nm)を得た。
[製造例9:リチウム系ポリアニオン粒子(B−7)の製造]
製造例3のリチウム系ポリアニオン粒子(B−1)において、スラリーB1へのセルロースナノファイバーの添加量を5892gから35352gに変更し、得られた複合体B4に水1Lのみを添加した以外、製造例3と同じにして、12.0質量%のセルロースナノファイバー由来の炭素のみが担持されたリチウム系ポリアニオン粒子(B−7)(LiMn0.7Fe0.3PO4、リチウム系固体電解質の担持量=0.0質量%、炭素の担持量=12.0質量%、平均粒径:100nm)を得た。
[製造例10:リチウム系ポリアニオン粒子(C−1)の製造]
LiOH・H2O 428g、Na4SiO4・nH2O 1397g、セルロースナノファイバー(同上)2946g、及び水3.75Lを混合してスラリーC1を得た。次いで、得られたスラリーC1に、MnSO4・5H2O 793g、FeSO4・7H2O 392g、及びZr(SO42・4H2O 53gを添加し、混合してスラリーC2を得た。このとき、添加したFeSO4、MnSO4及びZr(SO42のモル比(鉄化合物:マンガン化合物:ジルコニウム化合物)は、28:66:3であった。
次いで、得られたスラリーC2をオートクレーブに投入し、170℃で3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。水熱反応後、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C3を得た。
得られた複合体C3を500g分取し、LiNO3 1.80g、Al(NO33・9H2O 2.25g、TiCl4 6.46g、H3PO4 5.88gと、水0.5Lを添加し、さらにpH調整剤として28%アンモニア水21.86gを添加して、スラリーC4を得た。得られたスラリーC4を超音波攪拌機(同上)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(同上)を用いて噴霧乾燥に付して造粒体C5を得た。
得られた造粒体C5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、1.0質量%のLi1.3Al0.3Ti1.7(PO43と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チウム系ポリアニオン粒子(C−1)(Li2Mn0.66Fe0.28Zr0.03SiO4、リチウム系固体電解質の担持量=1.0質量%、炭素の担持量=2.0質量%、平均粒径:50nm)を得た。
[製造例11:リチウム系ポリアニオン粒子(C−2)の製造]
製造例10のリチウム系ポリアニオン粒子(C−1)において、得られた複合体C3 500gに対する、LiNO3の添加量を1.80gから8.98gに、Al(NO33・9H2Oの添加量を2.25gから11.25gに、TiCl4の添加量を6.46gから32.3gに、H3PO4の添加量を5.88gから29.4gに、pH調整剤である28%アンモニア水の添加量を21.86gから109.3gに変更した以外、製造例10と同じにして、5.0質量%のLi1.3Al0.3Ti1.7(PO43と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チウム系ポリアニオン粒子(C−2)(Li2Mn0.66Fe0.28Zr0.03SiO4、リチウム系固体電解質の担持量=5.0質量%、炭素の担持量=2.0質量%、平均粒径:50nm)を得た。
[製造例12:リチウム系ポリアニオン粒子(C−3)の製造]
製造例10のリチウム系ポリアニオン粒子(C−1)において、得られた複合体C3 500gに対する、LiNO3の添加量を1.80gから18.0gに、Al(NO33・9H2Oの添加量を2.25gから22.5gに、TiCl4の添加量を6.46gから64.6gに、H3PO4の添加量を5.88gから58.8gに、pH調整剤である28%アンモニア水の添加量を21.86gから218.6gに変更した以外、製造例10と同じにして、10.0質量%のLi1.3Al0.3Ti1.7(PO43と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チウム系ポリアニオン粒子(C−3)(Li2Mn0.66Fe0.28Zr0.03SiO4、リチウム系固体電解質の担持量=10.0質量%、炭素の担持量=2.0質量%、平均粒径:50nm)を得た。
[製造例13:リチウム系ポリアニオン粒子(C−4)の製造]
製造例10のリチウム系ポリアニオン粒子(C−1)において、得られた複合体C3 500gに対する、LiNO3の添加量を1.80gから26.9gに、Al(NO33・9H2Oの添加量を2.25gから33.8gに、TiCl4の添加量を6.46gから96.9gに、H3PO4の添加量を5.88gから88.2gに、pH調整剤である28%アンモニア水の添加量を21.86gから327.9gに変更した以外、製造例10と同じにして、15.0質量%のLi1.3Al0.3Ti1.7(PO43と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チウム系ポリアニオン粒子(C−4)(Li2Mn0.66Fe0.28Zr0.03SiO4、リチウム系固体電解質の担持量=15.0質量%、炭素の担持量=2.0質量%、平均粒径:50nm)を得た。
[製造例14:リチウム系ポリアニオン粒子(C−5)の製造]
製造例10のリチウム系ポリアニオン粒子(C−1)において、得られた複合体C3 500gに対する、LiNO3の添加量を1.80gから35.9gに、Al(NO33・9H2Oの添加量を2.25gから45.0gに、TiCl4の添加量を6.46gから129.2gに、H3PO4の添加量を5.88gから117.6gに、pH調整剤である28%アンモニア水の添加量を21.86gから437.2gに変更した以外、製造例10と同じにして、20.0質量%のLi1.3Al0.3Ti1.7(PO43と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チウム系ポリアニオン粒子(C−5)(Li2Mn0.66Fe0.28Zr0.03SiO4、リチウム系固体電解質の担持量=20.0質量%、炭素の担持量=2.0質量%、平均粒径:50nm)を得た。
[製造例15:リチウム系ポリアニオン粒子(C−6)の製造]
製造例10のリチウム系ポリアニオン粒子(C−1)において、得られた複合体C3に水0.5Lのみを添加した以外、製造例10と同じにして、2.0質量%のセルロースナノファイバー由来の炭素のみが担持されたリチウム系ポリアニオン粒子(C−6)(Li2Mn0.66Fe0.28Zr0.03SiO4、リチウム系固体電解質の担持量=0.0質量%、炭素の担持量=2.0質量%、平均粒径:50nm)を得た。
[製造例16:リチウム系ポリアニオン粒子(C−7)の製造]
製造例10のリチウム系ポリアニオン粒子(C−1)において、スラリーC1中のセルロースナノファイバーの含有量を2946gから17676gに変更し、得られた複合体C3に水1Lのみを添加した以外、製造例10と同じにして、12.0質量%のセルロースナノファイバー由来の炭素のみが担持されたリチウム系ポリアニオン粒子(C−7)(Li2Mn0.66Fe0.28Zr0.03SiO4、リチウム系固体電解質の担持量=0.0質量%、炭素の担持量=12.0質量%、平均粒径:50nm)を得た。
[実施例1:リチウム複合酸化物二次粒子(A−1)+リチウム系ポリアニオン粒子(B−1)]
製造例1で得られたリチウム複合酸化物二次粒子(A−1)300gと、製造例3で得られたリチウム系ポリアニオン粒子(B−1)200gを、メカノフュージョン(ホソカワミクロン社製、AMS−Lab)を用いて、2600rpm(20m/秒)で10分間の複合化処理を行い、NCM系複合酸化物二次粒子(A)の表面を、1質量%のリチウム固体電解質と2質量%の炭素が担持されたリチウム系ポリアニオン粒子(B)が担持されたリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体(P−1)(二次粒子(A):粒子(B)=60:40(質量比)、平均粒径13μm、タップ密度1.4g/cm3)を得た。
[実施例2:リチウム複合酸化物二次粒子(A−1)+リチウム系ポリアニオン粒子(B−2)]
製造例3で得られたリチウム系ポリアニオン粒子(B−1)200gを、製造例4で得られたリチウム系ポリアニオン粒子(B−2)200gに変更した以外、実施例1と同様にして、NCM系複合酸化物二次粒子(A)の表面を、5質量%のリチウム固体電解質と2質量%の炭素が担持されたリチウム系ポリアニオン粒子(B)が担持されたリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体(P−2)(二次粒子(A):粒子(B)=60:40(質量比)、平均粒径13μm、タップ密度1.4g/cm3)を得た。
[実施例3:リチウム複合酸化物二次粒子(A−1)+リチウム系ポリアニオン粒子(B−3)]
製造例3で得られたリチウム系ポリアニオン粒子(B−1)200gを、製造例5で得られたリチウム系ポリアニオン粒子(B−3)200gに変更した以外、実施例1と同様にして、NCM系複合酸化物二次粒子(A)の表面を、10質量%のリチウム固体電解質と2質量%の炭素が担持されたリチウム系ポリアニオン粒子(B)が担持されたリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体(P−3)(二次粒子(A):粒子(B)=60:40(質量比)、平均粒径13μm、タップ密度1.4g/cm3)を得た。
[実施例4:リチウム複合酸化物二次粒子(A−2)+リチウム系ポリアニオン粒子(B−1)]
製造例1で得られたリチウム複合酸化物二次粒子(A−1)300gを、製造例2で得られたリチウム複合酸化物二次粒子(A−2)300gに変更した以外、実施例1と同様にして、NCA系複合酸化物二次粒子(A)の表面を、1質量%のリチウム固体電解質と2質量%の炭素が担持されたリチウム系ポリアニオン粒子(B)が担持されたリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体(P−4)(二次粒子(A):粒子(B)=60:40(質量比)、平均粒径13μm、タップ密度1.4g/cm3)を得た。
[実施例5:リチウム複合酸化物二次粒子(A−2)+リチウム系ポリアニオン粒子(B−2)]
製造例1で得られたリチウム複合酸化物二次粒子(A−1)300gを、製造例2で得られたリチウム複合酸化物二次粒子(A−2)300gに、さらに、製造例3で得られたリチウム系ポリアニオン粒子(B−1)200gを、製造例4で得られたリチウム系ポリアニオン粒子(B−2)200gに変更した以外、実施例1と同様にして、NCA系複合酸化物二次粒子(A)の表面を、5質量%のリチウム固体電解質と2質量%の炭素が担持されたリチウム系ポリアニオン粒子(B)が担持されたリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体(P−5)(二次粒子(A):粒子(B)=60:40(質量比)、平均粒径13μm、タップ密度1.4g/cm3)を得た。
[実施例6:リチウム複合酸化物二次粒子(A−2)+リチウム系ポリアニオン粒子(B−3)]
製造例1で得られたリチウム複合酸化物二次粒子(A−1)300gを、製造例2で得られたリチウム複合酸化物二次粒子(A−2)300gに、さらに、製造例3で得られたリチウム系ポリアニオン粒子(B−1)200gを、製造例5で得られたリチウム系ポリアニオン粒子(B−3)200gに変更した以外、実施例1と同様にして、NCA系複合酸化物二次粒子(A)の表面を、10質量%のリチウム固体電解質と2質量%の炭素が担持されたリチウム系ポリアニオン粒子(B)が担持されたリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体(P−6)(二次粒子(A):粒子(B)=60:40(質量比)、平均粒径13μm、タップ密度1.4g/cm3)を得た。
[比較例1:リチウム複合酸化物二次粒子(A−1)+リチウム系ポリアニオン粒子(B−6)]
製造例3で得られたリチウム系ポリアニオン粒子(B−1)200gを、製造例8で得られたリチウム系ポリアニオン粒子(B−6)200gに変更した以外、実施例1と同様にして、NCM系複合酸化物二次粒子(A)の表面を、2質量%の炭素のみが担持されたリチウム系ポリアニオン粒子(B)が担持されたリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体(P−7)(二次粒子(A):粒子(B)=60:40(質量比)、平均粒径13μm、タップ密度1.4g/cm3)を得た。
[比較例2:リチウム複合酸化物二次粒子(A−1)+リチウム系ポリアニオン粒子(B−7)]
製造例3で得られたリチウム系ポリアニオン粒子(B−1)200gを、製造例9で得られたリチウム系ポリアニオン粒子(B−7)200gに変更した以外、実施例1と同様にして、NCM系複合酸化物二次粒子(A)の表面を、12質量%の炭素のみが担持されたリチウム系ポリアニオン粒子(B)が担持されたリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体(P−8)(二次粒子(A):粒子(B)=60:40(質量比)、平均粒径13μm、タップ密度1.4g/cm3)を得た。
[比較例3:リチウム複合酸化物二次粒子(A−1)+リチウム系ポリアニオン粒子(B−4)]
製造例3で得られたリチウム系ポリアニオン粒子(B−1)200gを、製造例6で得られたリチウム系ポリアニオン粒子(B−4)200gに変更した以外、実施例1と同様にして、NCM系複合酸化物二次粒子(A)の表面を、15質量%のリチウム固体電解質と2質量%の炭素が担持されたリチウム系ポリアニオン粒子(B)が担持されたリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体(P−9)(二次粒子(A):粒子(B)=60:40(質量比)、平均粒径13μm、タップ密度1.4g/cm3)を得た。
[比較例4:リチウム複合酸化物二次粒子(A−1)+リチウム系ポリアニオン粒子(B−5)]
製造例3で得られたリチウム系ポリアニオン粒子(B−1)200gを、製造例7で得られたリチウム系ポリアニオン粒子(B−5)200gに変更した以外、実施例1と同様にして、NCM系複合酸化物二次粒子(A)の表面を、20質量%のリチウム固体電解質と2質量%の炭素が担持されたリチウム系ポリアニオン粒子(B)が担持されたリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体(P−10)(二次粒子(A):粒子(B)=60:40(質量比)、平均粒径13μm、タップ密度1.4g/cm3)を得た。
[比較例5:リチウム複合酸化物二次粒子(A−2)+リチウム系ポリアニオン粒子(B−6)]
製造例1で得られたリチウム複合酸化物二次粒子(A−1)300gを、製造例2で得られたリチウム複合酸化物二次粒子(A−2)300gに、さらに、製造例3で得られたリチウム系ポリアニオン粒子(B−1)200gを、製造例8で得られたリチウム系ポリアニオン粒子(B−6)200gに変更した以外、実施例1と同様にして、NCA系複合酸化物二次粒子(A)の表面を、2質量%の炭素のみが担持されたリチウム系ポリアニオン粒子(B)が担持されたリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体(P−11)(二次粒子(A):粒子(B)=60:40(質量比)、平均粒径13μm、タップ密度1.4g/cm3)を得た。
[比較例6:リチウム複合酸化物二次粒子(A−1)+リチウム系ポリアニオン粒子(B−7)]
製造例1で得られたリチウム複合酸化物二次粒子(A−1)300gを、製造例2で得られたリチウム複合酸化物二次粒子(A−2)300gに、さらに、製造例3で得られたリチウム系ポリアニオン粒子(B−1)200gを、製造例9で得られたリチウム系ポリアニオン粒子(B−7)200gに変更した以外、実施例1と同様にして、NCA系複合酸化物二次粒子(A)の表面を、12質量%の炭素のみが担持されたリチウム系ポリアニオン粒子(B)が担持されたリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体(P−12)(二次粒子(A):粒子(B)=60:40(質量比)、平均粒径13μm、タップ密度1.4g/cm3)を得た。
[比較例7:リチウム複合酸化物二次粒子(A−2)+リチウム系ポリアニオン粒子(B−4)]
製造例1で得られたリチウム複合酸化物二次粒子(A−1)300gを、製造例2で得られたリチウム複合酸化物二次粒子(A−2)300gに、さらに、製造例3で得られたリチウム系ポリアニオン粒子(B−1)200gを、製造例6で得られたリチウム系ポリアニオン粒子(B−4)200gに変更した以外、実施例1と同様にして、NCA系複合酸化物二次粒子(A)の表面を、15質量%のリチウム固体電解質と2質量%の炭素が担持されたリチウム系ポリアニオン粒子(B)が担持されたリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体(P−13)(二次粒子(A):粒子(B)=60:40(質量比)、平均粒径13μm、タップ密度1.4g/cm3)を得た。
[比較例8:リチウム複合酸化物二次粒子(A−2)+リチウム系ポリアニオン粒子(B−5)]
製造例1で得られたリチウム複合酸化物二次粒子(A−1)300gを、製造例2で得られたリチウム複合酸化物二次粒子(A−2)300gに、さらに、製造例3で得られたリチウム系ポリアニオン粒子(B−1)200gを、製造例7で得られたリチウム系ポリアニオン粒子(B−5)200gに変更した以外、実施例1と同様にして、NCA系複合酸化物二次粒子(A)の表面を、20質量%のリチウム固体電解質と2質量%の炭素が担持されたリチウム系ポリアニオン粒子(B)が担持されたリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体(P−14)(二次粒子(A):粒子(B)=60:40(質量比)、平均粒径13μm、タップ密度1.4g/cm3)を得た。
[実施例7:リチウム複合酸化物二次粒子(A−1)+リチウム系ポリアニオン粒子(C−1)]
製造例3で得られたリチウム系ポリアニオン粒子(B−1)200gを、製造例10で得られたリチウム系ポリアニオン粒子(C−1)200gに変更した以外、実施例1と同様にして、NCM系複合酸化物二次粒子(A)の表面を、1質量%のリチウム固体電解質と2質量%の炭素が担持されたリチウム系ポリアニオン粒子(B)が担持されたリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体(S−1)(二次粒子(A):粒子(B)=60:40(質量比)、平均粒径13μm、タップ密度1.4g/cm3)を得た。
[実施例8:リチウム複合酸化物二次粒子(A−1)+リチウム系ポリアニオン粒子(C−2)]
製造例3で得られたリチウム系ポリアニオン粒子(B−1)200gを、製造例11で得られたリチウム系ポリアニオン粒子(C−2)200gに変更した以外、実施例1と同様にして、NCM系複合酸化物二次粒子(A)の表面を、5質量%のリチウム固体電解質と2質量%の炭素が担持されたリチウム系ポリアニオン粒子(B)が担持されたリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体(S−2)(二次粒子(A):粒子(B)=60:40(質量比)、平均粒径13μm、タップ密度1.4g/cm3)を得た。
[実施例9:リチウム複合酸化物二次粒子(A−1)+リチウム系ポリアニオン粒子(C−3)]
製造例3で得られたリチウム系ポリアニオン粒子(B−1)200gを、製造例12で得られたリチウム系ポリアニオン粒子(C−3)200gに変更した以外、実施例1と同様にして、NCM系複合酸化物二次粒子(A)の表面を、10質量%のリチウム固体電解質と2質量%の炭素が担持されたリチウム系ポリアニオン粒子(B)が担持されたリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体(S−3)(二次粒子(A):粒子(B)=60:40(質量比)、平均粒径13μm、タップ密度1.4g/cm3)を得た。
[実施例10:リチウム複合酸化物二次粒子(A−2)+リチウム系ポリアニオン粒子(C−1)]
製造例1で得られたリチウム複合酸化物二次粒子(A−1)300gを、製造例2で得られたリチウム複合酸化物二次粒子(A−2)300gに変更し、製造例3で得られたリチウム系ポリアニオン粒子(B−1)200gを、製造例10で得られたリチウム系ポリアニオン粒子(C−1)200gに変更した以外、実施例1と同様にして、NCA系複合酸化物二次粒子(A)の表面を、1質量%のリチウム固体電解質と2質量%の炭素が担持されたリチウム系ポリアニオン粒子(B)が担持されたリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体(S−4)(二次粒子(A):粒子(B)=60:40(質量比)、平均粒径13μm、タップ密度1.4g/cm3)を得た。
[実施例11:リチウム複合酸化物二次粒子(A−2)+リチウム系ポリアニオン粒子(C−2)]
製造例1で得られたリチウム複合酸化物二次粒子(A−1)300gを、製造例2で得られたリチウム複合酸化物二次粒子(A−2)300gに、さらに、製造例3で得られたリチウム系ポリアニオン粒子(B−1)200gを、製造例11で得られたリチウム系ポリアニオン粒子(C−2)200gに変更した以外、実施例1と同様にして、NCA系複合酸化物二次粒子(A)の表面を、5質量%のリチウム固体電解質と2質量%の炭素が担持されたリチウム系ポリアニオン粒子(B)が担持されたリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体(S−5)(二次粒子(A):粒子(B)=60:40(質量比)、平均粒径13μm、タップ密度1.4g/cm3)を得た。
[実施例12:リチウム複合酸化物二次粒子(A−2)+リチウム系ポリアニオン粒子(C−3)]
製造例1で得られたリチウム複合酸化物二次粒子(A−1)300gを、製造例2で得られたリチウム複合酸化物二次粒子(A−2)300gに、さらに、製造例3で得られたリチウム系ポリアニオン粒子(B−1)200gを、製造例12で得られたリチウム系ポリアニオン粒子(C−3)200gに変更した以外、実施例1と同様にして、NCA系複合酸化物二次粒子(A)の表面を、10質量%のリチウム固体電解質と2質量%の炭素が担持されたリチウム系ポリアニオン粒子(B)が担持されたリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体(S−6)(二次粒子(A):粒子(B)=60:40(質量比)、平均粒径13μm、タップ密度1.4g/cm3)を得た。
[比較例9:リチウム複合酸化物二次粒子(A−1)+リチウム系ポリアニオン粒子(C−6)]
製造例3で得られたリチウム系ポリアニオン粒子(B−1)200gを、製造例15で得られたリチウム系ポリアニオン粒子(C−6)200gに変更した以外、実施例1と同様にして、NCM系複合酸化物二次粒子(A)の表面を、2質量%の炭素のみが担持されたリチウム系ポリアニオン粒子(B)が担持されたリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体(S−7)(二次粒子(A):粒子(B)=60:40(質量比)、平均粒径13μm、タップ密度1.4g/cm3)を得た。
[比較例10:リチウム複合酸化物二次粒子(A−1)+リチウム系ポリアニオン粒子(C−7)]
製造例3で得られたリチウム系ポリアニオン粒子(B−1)200gを、製造例16で得られたリチウム系ポリアニオン粒子(C−7)200gに変更した以外、実施例1と同様にして、NCM系複合酸化物二次粒子(A)の表面を、12質量%の炭素のみが担持されたリチウム系ポリアニオン粒子(B)が担持されたリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体(S−8)(二次粒子(A):粒子(B)=60:40(質量比)、平均粒径13μm、タップ密度1.4g/cm3)を得た。
[比較例11:リチウム複合酸化物二次粒子(A−1)+リチウム系ポリアニオン粒子(C−4)]
製造例3で得られたリチウム系ポリアニオン粒子(B−1)200gを、製造例13で得られたリチウム系ポリアニオン粒子(C−4)200gに変更した以外、実施例1と同様にして、NCM系複合酸化物二次粒子(A)の表面を、15質量%のリチウム固体電解質と2質量%の炭素が担持されたリチウム系ポリアニオン粒子(B)が担持されたリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体(S−9)(二次粒子(A):粒子(B)=60:40(質量比)、平均粒径13μm、タップ密度1.4g/cm3)を得た。
[比較例12:リチウム複合酸化物二次粒子(A−1)+リチウム系ポリアニオン粒子(C−5)]
製造例3で得られたリチウム系ポリアニオン粒子(B−1)200gを、製造例14で得られたリチウム系ポリアニオン粒子(C−5)200gに変更した以外、実施例1と同様にして、NCM系複合酸化物二次粒子(A)の表面を、20質量%のリチウム固体電解質と2質量%の炭素が担持されたリチウム系ポリアニオン粒子(B)が担持されたリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体(S−10)(二次粒子(A):粒子(B)=60:40(質量比)、平均粒径13μm、タップ密度1.4g/cm3)を得た。
[比較例13:リチウム複合酸化物二次粒子(A−2)+リチウム系ポリアニオン粒子(C−6)]
製造例1で得られたリチウム複合酸化物二次粒子(A−1)300gを、製造例2で得られたリチウム複合酸化物二次粒子(A−2)300gに、さらに、製造例3で得られたリチウム系ポリアニオン粒子(B−1)200gを、製造例15で得られたリチウム系ポリアニオン粒子(C−6)200gに変更した以外、実施例1と同様にして、NCA系複合酸化物二次粒子(A)の表面を、2質量%の炭素のみが担持されたリチウム系ポリアニオン粒子(B)が担持されたリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体(S−11)(二次粒子(A):粒子(B)=60:40(質量比)、平均粒径13μm、タップ密度1.4g/cm3)を得た。
[比較例14:リチウム複合酸化物二次粒子(A−2)+リチウム系ポリアニオン粒子(C−7)]
製造例1で得られたリチウム複合酸化物二次粒子(A−1)300gを、製造例2で得られたリチウム複合酸化物二次粒子(A−2)300gに、さらに、製造例3で得られたリチウム系ポリアニオン粒子(B−1)200gを、製造例16で得られたリチウム系ポリアニオン粒子(C−7)200gに変更した以外、実施例1と同様にして、NCA系複合酸化物二次粒子(A)の表面を、12質量%の炭素のみが担持されたリチウム系ポリアニオン粒子(B)が担持されたリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体(S−12)(二次粒子(A):粒子(B)=60:40(質量比)、平均粒径13μm、タップ密度1.4g/cm3)を得た。
[比較例15:リチウム複合酸化物二次粒子(A−2)+リチウム系ポリアニオン粒子(C−4)]
製造例1で得られたリチウム複合酸化物二次粒子(A−1)300gを、製造例2で得られたリチウム複合酸化物二次粒子(A−2)300gに、さらに、製造例3で得られたリチウム系ポリアニオン粒子(B−1)200gを、製造例13で得られたリチウム系ポリアニオン粒子(C−4)200gに変更した以外、実施例1と同様にして、NCA系複合酸化物二次粒子(A)の表面を、15質量%のリチウム固体電解質と2質量%の炭素が担持されたリチウム系ポリアニオン粒子(B)が担持されたリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体(S−13)(二次粒子(A):粒子(B)=60:40(質量比)、平均粒径13μm、タップ密度1.4g/cm3)を得た。
[比較例16:リチウム複合酸化物二次粒子(A−2)+リチウム系ポリアニオン粒子(C−5)]
製造例1で得られたリチウム複合酸化物二次粒子(A−1)300gを、製造例2で得られたリチウム複合酸化物二次粒子(A−2)300gに、さらに、製造例3で得られたリチウム系ポリアニオン粒子(B−1)200gを、製造例14で得られたリチウム系ポリアニオン粒子(C−5)200gに変更した以外、実施例1と同様にして、NCA系複合酸化物二次粒子(A)の表面を、20質量%のリチウム固体電解質と2質量%の炭素が担持されたリチウム系ポリアニオン粒子(B)が担持されたリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体(S−14)(二次粒子(A):粒子(B)=60:40(質量比)、平均粒径13μm、タップ密度1.4g/cm3)を得た。
[実施例101:リチウム複合酸化物二次粒子(A−2)+リチウム系ポリアニオン粒子(B−1)]
実施例4の、製造例2で得られたリチウム複合酸化物二次粒子(A−2)300gを450gに、製造例3で得られたリチウム系ポリアニオン粒子(B−1)200gを50gに変更した以外、実施例4と同様にして、NCA系複合酸化物二次粒子(A)の表面を、1質量%のリチウム固体電解質と2質量%の炭素が担持されたリチウム系ポリアニオン粒子(B)が担持されたリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体(P−101)(二次粒子(A):粒子(B)=90:10(質量比)、平均粒径11.5μm、タップ密度1.6g/cm3)を得た。
[実施例102:リチウム複合酸化物二次粒子(A−2)+リチウム系ポリアニオン粒子(B−2)]
実施例5の、製造例2で得られたリチウム複合酸化物二次粒子(A−2)300gを450gに、製造例4で得られたリチウム系ポリアニオン粒子(B−2)200gを50gに変更した以外、実施例5と同様にして、NCA系複合酸化物二次粒子(A)の表面を、5質量%のリチウム固体電解質と2質量%の炭素が担持されたリチウム系ポリアニオン粒子(B)が担持されたリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体(P−102)(二次粒子(A):粒子(B)=90:10(質量比)、平均粒径11.5μm、タップ密度1.6g/cm3)を得た。
[実施例103:リチウム複合酸化物二次粒子(A−2)+リチウム系ポリアニオン粒子(B−3)]
実施例6の、製造例2で得られたリチウム複合酸化物二次粒子(A−2)300gを450gに、製造例5で得られたリチウム系ポリアニオン粒子(B−3)200gを50gに変更した以外、実施例6と同様にして、NCA系複合酸化物二次粒子(A)の表面を、10質量%のリチウム固体電解質と2質量%の炭素が担持されたリチウム系ポリアニオン粒子(B)が担持されたリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体(P−103)(二次粒子(A):粒子(B)=90:10(質量比)、平均粒径11.5μm、タップ密度1.6g/cm3)を得た。
[比較例101:リチウム複合酸化物二次粒子(A−2)+リチウム系ポリアニオン粒子(B−6)]
比較例5の、製造例2で得られたリチウム複合酸化物二次粒子(A−2)300gを450gに、製造例8で得られたリチウム系ポリアニオン粒子(B−6)200gを50gに変更した以外、比較例5と同様にして、NCA系複合酸化物二次粒子(A)の表面を、2質量%の炭素のみが担持されたリチウム系ポリアニオン粒子(B)が担持されたリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体(P−104)(二次粒子(A):粒子(B)=90:10(質量比)、平均粒径11.5μm、タップ密度1.6g/cm3)を得た。
[比較例102:リチウム複合酸化物二次粒子(A−1)+リチウム系ポリアニオン粒子(B−7)]
比較例6の、製造例2で得られたリチウム複合酸化物二次粒子(A−2)300gを450gに、製造例9で得られたリチウム系ポリアニオン粒子(B−7)200gを50gに変更した以外、比較例6と同様にして、NCA系複合酸化物二次粒子(A)の表面を、12質量%の炭素のみが担持されたリチウム系ポリアニオン粒子(B)が担持されたリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体(P−105)(二次粒子(A):粒子(B)=90:10(質量比)、平均粒径11.5μm、タップ密度1.6g/cm3)を得た。
[実施例104:リチウム複合酸化物二次粒子(A−2)+リチウム系ポリアニオン粒子(C−1)]
実施例10の、製造例2で得られたリチウム複合酸化物二次粒子(A−2)300gを450gに、製造例10で得られたリチウム系ポリアニオン粒子(C−1)200gを50gに変更した以外、実施例10と同様にして、NCA系複合酸化物二次粒子(A)の表面を、1質量%のリチウム固体電解質と2質量%の炭素が担持されたリチウム系ポリアニオン粒子(B)が担持されたリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体(S−101)(二次粒子(A):粒子(B)=90:10(質量比)、平均粒径11.5μm、タップ密度1.6g/cm3)を得た。
[実施例105:リチウム複合酸化物二次粒子(A−2)+リチウム系ポリアニオン粒子(C−2)]
実施例11の、製造例2で得られたリチウム複合酸化物二次粒子(A−2)300gを450gに、製造例11で得られたリチウム系ポリアニオン粒子(C−2)200gを50gに変更した以外、実施例11と同様にして、NCA系複合酸化物二次粒子(A)の表面を、5質量%のリチウム固体電解質と2質量%の炭素が担持されたリチウム系ポリアニオン粒子(B)が担持されたリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体(S−102)(二次粒子(A):粒子(B)=90:10(質量比)、平均粒径11.5μm、タップ密度1.6g/cm3)を得た。
[実施例106:リチウム複合酸化物二次粒子(A−2)+リチウム系ポリアニオン粒子(C−3)]
実施例12の、製造例2で得られたリチウム複合酸化物二次粒子(A−2)300gを450gに、製造例12で得られたリチウム系ポリアニオン粒子(C−3)200gを50gに変更した以外、実施例12と同様にして、NCA系複合酸化物二次粒子(A)の表面を、10質量%のリチウム固体電解質と2質量%の炭素が担持されたリチウム系ポリアニオン粒子(B)が担持されたリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体(S−103)(二次粒子(A):粒子(B)=90:10(質量比)、平均粒径11.5μm、タップ密度1.6g/cm3)を得た。
[比較例103:リチウム複合酸化物二次粒子(A−2)+リチウム系ポリアニオン粒子(C−6)]
比較例13の、製造例2で得られたリチウム複合酸化物二次粒子(A−2)300gを450gに、製造例15で得られたリチウム系ポリアニオン粒子(C−6)200gを50gに変更した以外、比較例13と同様にして、NCA系複合酸化物二次粒子(A)の表面を、2質量%の炭素のみが担持されたリチウム系ポリアニオン粒子(B)が担持されたリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体(S−104)(二次粒子(A):粒子(B)=90:10(質量比)、平均粒径11.5μm、タップ密度1.6g/cm3)を得た。
[比較例104:リチウム複合酸化物二次粒子(A−1)+リチウム系ポリアニオン粒子(C−7)]
比較例14の、製造例2で得られたリチウム複合酸化物二次粒子(A−2)300gを450gに、製造例16で得られたリチウム系ポリアニオン粒子(C−7)200gを50gに変更した以外、比較例14と同様にして、NCA系複合酸化物二次粒子(A)の表面を、12質量%の炭素のみが担持されたリチウム系ポリアニオン粒子(B)が担持されたリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体(S−105)(二次粒子(A):粒子(B)=90:10(質量比)、平均粒径11.5μm、タップ密度1.6g/cm3)を得た。
《吸着水分量の測定》
実施例1〜12、101〜106及び比較例1〜16、101〜104で得られた全てのリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体について、温度20℃、相対湿度50%の環境に1日間静置して平衡に達するまで水分を吸着させ、温度150℃まで昇温して20分間保持した後、さらに温度250℃まで昇温して20分間保持したときの、250℃に昇温し終わった時を始点とし、250℃での恒温状態を終えたときを終点とした間に揮発した水分量をカールフィッシャー水分計(MKC−610、京都電子工業(株)製)で測定した。
レート特性の評価結果とともに、測定結果を表1〜2に示す。
《レート特性の評価》
実施例1〜12、101〜106及び比較例1〜16、101〜104で得られた全て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用い、リチウムイオン二次電池の正極を作製した。具体的には、得られた各リチウムイオン二次電池用正極活物質複合体、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、LiPF6を1mol/Lの濃度で溶解したものを用いた。セパレータには、高分子多孔フィルムを用いた。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。
得られた二次電池を用い、充放電試験を行った。具体的には、電流34mA/g、電圧4.25Vの定電流充電後に、電流34mA/g、終止電圧3.0Vの定電流放電とし、電流密度34mA/g(0.2C)における放電容量を求めた。さらに、同条件で定電流充電を行い、電流密度510mA/g、終止電圧3.0Vの定電流放電とし、電流密度510mA/g(3C)における放電容量を求めた。なお、充放電試験は全て30℃で行った。
吸着水分量の測定結果とともに、結果を表1〜2に示す。
また、得られた放電容量から、下記式(x)により放電容量比(%)を求めた。結果を表1〜2に示す。
放電容量比(%)=(3Cにおける放電容量)/
(0.2Cにおける放電容量)×100 ・・・(x)
Figure 2020155272
Figure 2020155272
表1〜2の結果より、実施例では、水分吸着量が有効に低減され、良好な放電容量及びレート特性(放電容量比)を示していることがわかる。
一方、比較例1、2、5、6、9、10、13、14、101、102、103、104では、リチウム系ポリアニオン粒子(B)が炭素(C)のみを担持しているに留まることから、その全てで水分吸着量が高い値となっており、放電容量又はレート特性の少なくとも1つは実施例よりも低いことがわかる。また、比較例3、4、7、8、11、12、15、16では、リチウム系ポリアニオン粒子(B)にリチウム固体電解質(D)が過剰な量で担持されていることから、水分吸着量は実施例と同等程度に低減されてはいるものの、リチウム系ポリアニオン粒子(B)の電子伝導性が低下してしまい、放電容量が低い値を示す結果に至っている。

Claims (7)

  1. 下記式(1)、又は(2):
    LiNiaCobMnc1 w2・・・(1)
    (式(1)中、M1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、wは、0.3≦a<1、0<b≦0.7、0<c≦0.7、0≦w≦0.3、かつ3a+3b+3c+(M1の価数)×w=3を満たす数を示す。)
    LiNidCoeAlf2 x2 ・・・(2)
    (式(2)中、M2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、xは、0.4≦d<1、0<e≦0.6、0<f≦0.3、0≦x≦0.3、かつ3d+3e+3f+(M2の価数)×x=3を満たす数を示す。)
    で表される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)の表面において、下記式(3)、又は(4):
    LigMnhFei3 yPO4 ・・・(3)
    (式(3)中、M3はCo、Ni、Ca、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd又はGdを示す。g、h、i、及びyは、0<g≦1.2、0.3≦h≦1、0≦i≦0.7、及び0≦y≦0.3を満たし、かつg+(Mnの価数)×h+(Feの価数)×i+(M3の価数)×y=3を満たす数を示す。)
    LijMnkFel4 zSiO4 ・・・(4)
    (式(4)中、M4はCo、Ni、Ca、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd、Al、Zn、V又はGdを示す。j、k、l、及びzは、0<j≦2.4、0≦k≦1.2、0≦l≦1.2、0≦z≦1.2、及びk+l≠0を満たし、かつj+(Mnの価数)×k+(Feの価数)×l+(M4の価数)×z=4を満たす数を示す。)
    で表されるリチウム系ポリアニオン粒子(B)が担持してなるとともに、リチウム系ポリアニオン粒子(B)の表面にリチウム系固体電解質(D)及び炭素(C)が担持してなり、
    リチウム系ポリアニオン粒子(B)の表面におけるリチウム系固体電解質(D)の担持量と炭素(C)の担持量との質量比((D):(C))が、1:5〜7:1であるリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体。
  2. リチウム系ポリアニオン粒子(B)の表面に担持してなる炭素(C)が、セルロースナノファイバー由来の炭素(C1)、リグノセルロースナノファイバー由来の炭素(C2)、水溶性炭素材料由来の炭素(C3)、及び水不溶性炭素材料(C4)から選ばれる1種以上である請求項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. リチウム系固体電解質(D)が、Li3PO4−Li4SiO4及びLi1.3Al0.3Ti1.7(PO43のいずれか1種以上である請求項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. リチウム複合酸化物二次粒子(A)の含有量と、リチウム系固体電解質(D)及び炭素(C)が表面に担持されてなる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、95:5〜55:45である請求項1〜3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。
  5. 次の工程(I)〜(IV):
    (I)リチウム化合物、少なくとも鉄化合物又はマンガン化合物を含む金属化合物、リン酸化合物又はケイ酸化合物を含むスラリーを調製した後、水熱反応に付してリチウム系ポリアニオン一次粒子を得る工程、
    (II)得られたリチウム系ポリアニオン一次粒子、及びリチウム系固体電解質(D)の原料化合物を含む、固形分濃度が10質量%〜35質量%のスラリーを調製した後、熱風の供給量G(L/分)とスラリー(b−5)の供給量S(L/分)の比(G/S)が500〜10000で噴霧乾燥して造粒物を得る工程、
    (III)得られた造粒物を、500℃〜800℃で10分間〜3時間焼成して、空隙率が45体積%〜80体積%の予備造粒物(b)を得る工程、並びに
    (IV)得られた予備造粒物(b)とリチウム複合酸化物二次粒子(A)とを圧縮力及びせん断力を付加しながら混合して、予備造粒物(b)を崩壊させながら、リチウム系ポリアニオン粒子(B)の表面にリチウム系固体電解質(D)及び炭素(C)を担持させるとともに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)とを複合化する工程
    を備え、
    工程(I)において調製するスラリー、又は工程(II)において調製するスラリーのいずれか一方が、さらに炭素源(C')が添加されてなるスラリーであるか、或いは
    工程(IV)において、予備造粒物(b)とリチウム複合酸化物二次粒子(A)とともに水不溶性炭素材料(C4)を添加して、圧縮力及びせん断力を付加しながら混合する請求項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の製造方法。
  6. リチウム系固体電解質(D)が、Li1.3Al0.3Ti1.7(PO43である請求項5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。
  7. 工程(III)における焼成が、還元性ガス雰囲気中又は不活性ガス雰囲気中で行われる請求項5又は6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。
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