JP2020172419A - 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、及びリチウム金属複合酸化物粉末の製造方法 - 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、リチウム二次電池の正極活物質として用いた場合に、リチウム二次電池の初回充放電効率と、サイクル維持率を向上できるリチウム金属複合酸化物粉末、及びこれを用いたリチウム二次電池用正極活物質、及びリチウム金属複合酸化物粉末の製造方法を提供することを目的とする。
[1]層状構造を有するリチウム金属複合酸化物粉末であって、少なくともLiとNiと元素Xと元素Mとを含有し、前記元素Xは、Co、Mn、Fe、Cu、Ti、Mg、Al、W、Mo、Nb、Zn、Sn、Zr、Ga及びVからなる群より選択される1種以上の元素であり、前記元素Mは、B、Si、S及びPからなる群より選択される1種以上の元素であり、前記リチウム金属複合酸化物粉末をXPSにより測定したときに得られるスペクトルが、下記要件(1)及び要件(2)を満たす、リチウム金属複合酸化物粉末。
要件(1)
結合エネルギーが52eVから58eVの範囲にピークトップを有する。前記範囲のスペクトルを53.5±1.0eVにピークトップを有するピークAと、55.5±1.0eVにピークトップを有するピークBとへ、波形分離する。ピークAとピークBとの積分強度の比(P(A)/P(B))の値が、0.3以上3.0以下である。
要件(2)
Li1sスペクトルのピーク面積に基づいて求められるリチウム量(X(Li))と、元素Mのスペクトルのピーク面積に基づいて求めた元素Mの元素量(X(M))との比(X(M)/X(Li))が、0.2以上2.0以下である。
[2]下記組成式(I)で表される、[1]に記載のリチウム金属複合酸化物粉末。
Li[Lin1(Ni(1−n−w)XnMw)1−n1]O2 ・・・(I)
(元素Mは、B、Si、S及びPからなる群より選択される1種以上の元素である。元素Xは、Co、Mn、Fe、Cu、Ti、Mg、Al、W、Mo、Nb、Zn、Sn、Zr、Ga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。ただし、−0.1≦n1≦0.2、0<n≦0.8、0<w≦0.05、n+w<1である。)
[3] Li1sスペクトルとNi2pスペクトルと前記元素Xのスペクトルのピーク面積より算出されるリチウム原子濃度をX(Li)とし、ニッケル原子濃度をX(Ni)とし、元素Xの原子濃度をX(X)としたとき、ニッケルおよび元素Xの合計原子濃度に対するリチウムの原子濃度の比(X(Li)/{X(Ni)+X(X)})が1.0以上5.0以下である、[1]又は[2]に記載のリチウム金属複合酸化物粉末。
[4]前記元素Mのスペクトルと、Ni2pスペクトルと、前記元素Xのスペクトルのピーク面積より算出される元素Mの原子濃度をX(M)とし、ニッケル原子濃度をX(Ni)とし、元素Xの原子濃度をX(X)としたとき、ニッケルおよび元素Xの合計原子濃度に対する元素Mの原子濃度の比(X(M)/{X(Ni)+X(X)})が0.3以上6.0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]湿式粒度分布測定から求めた50%累積径であるである平均粒子径D50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]リチウム二次電池用正極活物質の前駆体と、リチウム化合物とを混合して第1の混合物を得る工程と、前記第1の混合物を焼成し、原料化合物を得る工程と、原料化合物と元素Mを含有する化合物を混合して第2の混合物を得る工程と、前記第2の混合物を酸化性雰囲気下で加熱する熱処理工程とを含むリチウム金属複合酸化物の製造方法であって、前記元素Mを含有する化合物のBET比表面積が、0.14m2/g以上2.0m2/g以下である、リチウム金属複合酸化物粉末の製造方法。
[8]前記熱処理工程後に得られるリチウム金属複合酸化物が下記組成式(I)で表される、[7]に記載のリチウム金属複合酸化物粉末の製造方法。
Li[Lin1(Ni(1−n−w)XnMw)1−n1]O2 ・・・(I)
(Mは、B、Si、S及びPからなる群より選択される1種以上の元素である。Xは、Co、Mn、Fe、Cu、Ti、Mg、Al、W、Mo、Nb、Zn、Sn、Zr、Ga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。ただし、−0.1≦n1≦0.2、0<n≦0.8、0<w≦0.05、n+w<1である。)
[9]前記第2の混合物を得る工程において、原料化合物のBET比表面積S1と元素Mを含有する化合物のBET比表面積S2との比(S1/S2)が、0.2以上10以下となるように、原料化合物と元素Mを含有する化合物とを混合する、[7]又は[8]に記載のリチウム金属複合酸化物粉末の製造方法。
[10]前記第2の混合物を得る工程において、原料化合物の仕込みの全量(100mol%)に対して、前記元素Mの化合物のモル量が、0mol%を超え5mol%以下である、[7]〜[9]のいずれか1つに記載のリチウム金属複合酸化物粉末の製造方法。
[11]前記熱処理工程において、250℃以上550℃以下の温度で加熱を行う、[7]〜[10]のいずれか1つに記載のリチウム金属複合酸化物粉末の製造方法。
[12][6]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。
[13][12]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、層状構造を有する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、少なくともLiとNiと元素X及び元素Mとを含有する。
元素Xは、Co、Mn、Fe、Cu、Ti、Mg、Al、W、Mo、Nb、Zn、Sn、Zr、Ga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。
元素Mは、B、Si、S及びPからなる群より選択される1種以上の元素である。
結合エネルギーが52eVから58eVの範囲にピークトップを有する。前記範囲のスペクトルを53.5±1.0eVにピークトップを有するピークAと、55.5±1.0eVにピークトップを有するピークBとへ波形分離する。ピークAとピークBとの面積の比(P(A)/P(B))の値が、0.3以上3.0以下である。
本実施形態においては、リチウム金属複合酸化物粒子にAlKα線を励起X線として照射したときに、リチウム金属複合酸化物粒子表面から放出される光電子の結合エネルギーが52〜58eVの領域をLi1sスペクトルとして分析する。
本実施形態において、XPSの検出深さが粒子表面から数nm〜10nmであることより、ピークBの大きさは、リチウム金属複合酸化物粒子の最表面部分に存在するリチウム化合物の存在量に相当する。
ピークAの面積:ピークAの左右両側の最下点を結ぶ線とピークAの曲線との間に形成される山状部分の面積
ピークBの面積:ピークBの左右両側の最下点を結ぶ線とピークBの曲線との間に形成される山状部分の面積
Li1sスペクトルのピーク面積に基づいて求められるリチウム量(X(Li))と、元素Mのスペクトルのピーク面積に基づいて求めた元素Mの元素量(X(M))との比(X(M)/X(Li))が、0.2以上2.0以下である。X(M)/X(Li)の値は、0.25以上1.9以下が好ましく、0.3以上1.8以下が好ましく、0.4以上1.6以下がより好ましく、0.5以上1.2以下が特に好ましい。
Li[Lin1(Ni(1−n−w)XnMw)1−n1]O2 ・・・(I)
(元素Mは、B、Si、S及びPからなる群より選択される1種以上の元素である。
元素Xは、Co、Mn、Fe、Cu、Ti、Mg、Al、W、Mo、Nb、Zn、Sn、Zr、Ga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。
ただし、−0.1≦n1≦0.2、0<n≦0.8、0<w≦0.05、n+w<1である。)
n1の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、0<n1≦0.2であることが好ましく、0<n1≦0.1であることがより好ましい。
n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<n≦0.5であることが好ましい。
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。
本実施形態においては、0.001≦w≦0.05以下が好ましい。
Li[Lin1(Ni(1−y−z−w)CoyQzMw)1−n1]O2 ・・・(I)−1
(ただし、−0.1≦n1≦0.2、0<y≦0.4、0<z≦0.4、0<w≦0.1、y+z+w<1、元素Qは、Mn、Fe、Cu、Ti、Mg、Al、W、Mo、Nb、Zn、Sn、Zr、Ga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。)
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≦0.35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。
本実施形態においては、0<z≦0.35であることが好ましい。
(X(Li)/{X(Ni)+X(X)})が、前記上限値以下、下限値以上であると、リチウム金属複合酸化物の粒子表面においてNi元素および元素Xの合計量に対して、リチウム元素が多く存在することを意味する。このような場合、電池の充放電反応においてリチウム金属複合酸化物へのリチウムイオンの脱離・挿入を促進し、初回充放電効率が向上する。
リチウム金属複合酸化物の粒子全体の組成を表す前記組成式(I)において、元素Mと、Ni元素、元素Mおよび元素Xの合計量との比(w/{w+n+(1−n−w)})はwの値と等しくなる。
つまり、前記組成式(I)において0<w≦0.05であり、(X(M)/{X(Ni)+X(X)}}の値が前記上限値以下、下限値以上であると(X(M)/{X(Ni)+X(X)}}の値は前記wの値より大きくなる。この場合には、リチウム金属複合酸化物の粒子表面に元素Mが適度に偏析していること意味する。
前記50%累積径(D50)の上限値は、20μm以下が好ましく、18μm以下がより好ましく、15μm以下がさらに好ましい。
50%累積径(D50)の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、2μm以上20μm以下が好ましく、2.5μm以上18μm以下がより好ましく、2.5μm以上15μm以下がさらに好ましい。
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の製造方法は、リチウム二次電池用正極活物質の前駆体と、リチウム化合物とを混合して第1の混合物を得る工程と、前記第1の混合物を焼成し、原料化合物を得る工程と、原料化合物と元素Mを含有する化合物とを混合して第2の混合物を得る工程と、前記第2の混合物を酸化性雰囲気下で加熱する熱処理工程とを含む。
本実施形態のリチウム金属複合酸化物粉末の製造方法において、熱処理工程後に得られるリチウム金属複合酸化物粉末が前記組成式(I)で表されることが好ましく、前記組成式(I)−1で表されることがより好ましい。
本工程は、リチウム化合物と、前駆体とを混合し、第1の混合物を得る工程である。
リチウム金属複合酸化物粉末を製造するにあたり、まず、リチウム二次電池用正極活物質の前駆体を製造する。
前駆体は、ニッケルと、元素X(Co、Mn、Fe、Cu、Ti、Mg、Al、W、Mo、Nb、Zn、Sn、Zr、Ga及びV)のうちいずれか1種以上の金属を含む複合金属化合物である。複合金属化合物としては、複合金属水酸化物又は複合金属酸化物が好ましい。
以下において、リチウム二次電池用正極活物質の前駆体を「前駆体」又は「複合金属化合物」と記載する場合がある。
複合金属化合物は、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複合金属水酸化物を例に、その製造方法を詳述する。
反応に際しては、反応槽の温度が例えば20℃以上80℃以下、好ましくは30℃以上70℃以下の範囲内で制御する。
酸素含有ガスとしては、酸素ガス、空気、又はこれらと窒素ガスなどの酸素非含有ガスとの混合ガスが挙げられる。酸素含有ガス中の酸素濃度を調整しやすい観点から、上記の中でも混合ガスであることが好ましい。
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1種、又は、2種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。
前記前駆体を乾燥させた後、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)〜3)のいずれかが挙げられる。
1)前駆体が酸化・還元されない条件。具体的には、酸化物が酸化物のまま維持される乾燥条件、又は水酸化物が水酸化物のまま維持される乾燥条件である。
2)前駆体が酸化される条件。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。
3)前駆体が還元される条件。具体的には、酸化物から水酸化物へ還元する乾燥条件である。
また、前駆体が還元される条件では、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。
金属原子の数に対するリチウム原子の数の比は、1.05以上が好ましく、1.10以上がより好ましい。ニッケル含有複合金属水酸化物及びリチウム化合物の混合物を後の焼成工程において焼成することによって、リチウム−ニッケル含有複合金属酸化物が得られる。
本工程は、リチウム化合物と、前駆体との混合物を焼成し、原料化合物を得る工程である。
焼成温度が上記下限値以上であると、強固な結晶構造を有するリチウム二次電池用正極活物質を得ることができる。また、焼成温度が上記上限値以下であると、二次粒子表面のリチウムの揮発を低減できる。
本明細書における焼成温度とは、焼成炉内雰囲気の温度を意味し、かつ本焼成工程での保持温度の最高温度(以下、最高保持温度と呼ぶことがある)であり、複数の加熱工程を有する本焼成工程の場合、各加熱工程のうち、最高保持温度で加熱した際の温度を意味する。
本実施形態において、最高保持温度に達する加熱工程の昇温速度は80℃/時間以上が好ましく、100℃/時間以上がより好ましく、150℃/時間以上が特に好ましい。
最高保持温度に達する加熱工程の昇温速度は、焼成装置において、昇温を開始した時間から後述の保持温度に到達するまでの時間から算出される。
本実施形態において、元素Mを含有する化合物は、元素Mを含有する粉末状の化合物である。元素Mを含有する化合物は、BET比表面積が0.1m2/g以上2.5m2/g以下である。元素Mを含有する化合物のBET比表面積は、0.14m2/g以上2.0m2/g以下が好ましく、0.2m2/g以上1.8m2/g以下がより好ましく、0.3m2/g以上1.6m2/g以下が特に好ましい。
元素Mを含有する化合物のBET比表面積が0.14m2/g以上2.0m2/g以下であると、後述の熱処理工程において元素Mの化合物が溶融した場合に元素Mの化合物が、粉末である原料化合物と融着しやすい。この場合、後述の熱処理工程において、元素Mを含む化合物が溶融したときに熱処理容器内壁へ固着することを防止できる。
元素Mを含有する化合物と、原料化合物とを混合したのち、除湿した酸化性のガスの雰囲気下で第2の混合物を熱処理する。ガスの種類として空気または酸素が好ましい。ガスの湿度の指標として、露点は−10℃以下が好ましく、−20℃以下がより好ましく、−30℃以下が特に好ましい。
熱処理温度は、元素Mを含有する化合物の混合量によって適宜調整してもよい。元素Mを含有する化合物の混合量と焼成温度との組み合わせとして、元素Mを含有する化合物の混合量が、原料化合物の仕込み量の全量(100モル%)に対して0.015モル%以下の場合には、250℃を超え500℃以下の熱処理温度とすることが好ましく、元素Mを含有する化合物の混合量が、原料化合物の仕込み量の全量(100モル%)に対して0.015モル%を超える場合には、400℃を超え500℃以下の熱処理温度とすることが好ましい。
元素Mを含有する化合物のBET比表面積を前記下限値以上上限値以下としつつ、熱処理温度を前記範囲内で制御することにより、本実施形態のリチウム金属複合酸化物粉末を要件(1)〜(2)の範囲内に調整することができる。
・洗浄工程
本実施形態においては、熱処理後のリチウム金属複合酸化物粉末は純水やアルカリ性洗浄液などを洗浄液として用いて洗浄することが好ましい。
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種以上の無水物の水溶液並びに前記無水物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。
本実施形態においては、上記リチウム化合物と、前駆体とを混合して第1の混合物を得る工程において、不活性溶融剤を添加してもよい。
元素Mの化合物と混合する原料混合物、および、熱処理工程後のリチウム遷移金属複合酸化物は、解砕してもよい。解砕を施すことにより、後述の分級工程時において、分級後粒子の収率を向上させることができる。解砕工程は、ピンミルを用いて行うことが好ましい。ピンミルによる解砕工程を例にあげると、ピンミルの回転数は5000rpm以上が好ましく、10000rpm以上がより好ましい。
・分級工程
熱処理工程後の得られたリチウム金属複合酸化物粉末は、適宜分級され、リチウム二次電池に適用可能なリチウム二次電池用正極活物質とされる。
次いで、本実施形態の正極活物質の用途として好適なリチウム二次電池の構成を説明する。
さらに、本実施形態の正極活物質粉末を含有するリチウム二次電池用正極活物質の用途として好適な正極について説明する。
さらに、正極の用途として好適なリチウム二次電池について説明する。
(正極)
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。
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。
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。
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。
以上に挙げられた方法により、正極を製造することができる。
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。
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。
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。
後述の方法で製造されるリチウム金属複合酸化物粉末の組成分析は、得られたリチウム複合金属化合物の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。
マウンテック社製Macsorb(登録商標)を用いてBET比表面積を測定した(単位:m2/g)。リチウム金属複合酸化物粉末のBET比表面積を測定する場合、前処理として窒素雰囲気中、105℃で30分間乾燥させた。その他に、元素M供給源の粉末のBET比表面積を測定する場合は、前処理を実施せず、乾燥状態の粉末を用いて測定した。
本実施形態において、前駆体と、原料化合物と、リチウム金属複合酸化物の平均粒子径D50は、湿式法により測定した。具体的には、粉末0.1gを0.2質量%ヘキサメタりん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レーザー回折粒度分布計(マルバーン製、MS2000)を用いて、粒度分布を測定し、体積基準の累積粒度分布曲線を得た。累積粒度分布曲線において、50%累積時の粒子径の値を、平均粒子径D50とした。
本実施形態において、元素Mを含有する化合物は水溶性の化合物であるため、平均粒子径D50を乾式法により測定した。具体的には、粉末2gを用いてレーザー回折粒度分布計(マルバーン製、MS2000)により乾式粒度分布を測定し、体積基準の累積粒度分布曲線を得た。累積粒度分布曲線において、50%累積時の粒子径の値を、平均粒子径D50とした。
X線光電子分光分析装置として、ThermoFisher Scientific社製K-Alpha」を用い、リチウム1s、ニッケル2pのスペクトルと、前記元素Mのスペクトル(後述の実施例においてホウ素1s)、前記元素Xのスペクトル(後述の実施例においてコバルト2p、マンガン2p、ジルコニウム3d)を測定した。X線源にはAlKα線を用い、測定時には帯電中和のために中和銃(加速電圧0.3V、電流100μA)を使用した。測定の条件として、スポットサイズ=400μm、PassEnergy=50eV、Step=0.1eV、Dwelltime=500msとした。得られたXPSスペクトルについて、ThermoFisherScientific社製Avantageデータシステムを用い、後述のピーク面積や原子濃度を算出した。炭素1sスペクトルにおいて表面汚染炭化水素に帰属されるピークを284.6eVとして帯電補正した。
結合エネルギーが52〜58eVのスペクトル、すなわちリチウム1sのスペクトルについて、53.5±1.0eVにピークトップを有するピークAの半値幅を1.0±0.2eV、55.5±1.0eVにピークトップを有するピークBの半値幅を1.5±0.3eVとして、波形分離を行った。得られたピークAとピークBについて、ピーク面積P(A)とP(B)を算出、さらにその比P(A)/P(B)を算出した。
リチウム1s、ニッケル2pのスペクトルと、前記元素Mのスペクトル(後述の実施例においてホウ素1s)、前記元素Xのスペクトル(後述の実施例においてコバルト2p、マンガン2p、ジルコニウム3d等)について、各元素のスペクトルのピーク面積より各元素の原子濃度(atm%)を算出し、さらに元素の比率としてX(Li)/{X(Ni)+X(X)}と、X(M)/{X(Ni)+X(X)}を算出した。同様に、X(M)/X(Li)を算出した。
後述する製造方法で得られるリチウム金属複合酸化物粉末と導電材(アセチレンブラック)とバインダー(PVdF)とを、リチウム金属複合酸化物粉末: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とジメチルカーボネートとエチルメチルカーボネートの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を用いた。
上記の方法で作製したハーフセルを用いて、初回充放電効率試験とサイクル試験を実施し、二次電池の性能の指標として、初回充放電効率およびサイクル容量維持率を評価した。
試験温度25℃において、充放電ともに電流設定値0.2CAとし、それぞれ定電流定電圧充電と定電流放電を行った。リチウム金属複合酸化物中のニッケルと元素Xの合計量に対するニッケル量のモル比Ni/(Ni+X)の値に応じて、試験電圧へ変更し、Ni/(Ni+X)<0.75の場合は、充電最大電圧4.3V、放電最小電圧2.5Vとした。Ni/(Ni+X)≧0.75の場合は、充電最大電圧4.35V、放電最小電圧2.8Vとした。
初回充放電試験における初回充電容量と初回放電容量から、下記の式で初回充放電効率を算出した。初回充放電効率が高いほど、リチウム金属複合酸化物中のリチウムイオンを効率的に利用できることを意味し、電池性能として望ましい。
初回充放電効率(%)=
初回放電容量(mAh/g)/初回充電容量(mAh/g)×100
サイクル試験は、初回充放電に続いて行い、試験温度は25℃とした。充放電サイクルの繰り返し回数は50回とした。電流設定値0.5CAとし、それぞれ定電流定電圧充電と定電流放電を行った。リチウム金属複合酸化物中のニッケルと元素Xの合計量に対するニッケル量のモル比Ni/(Ni+X)の値に応じて、以下の電流設定値、および試験電圧へ変更した。
Ni/(Ni+X)<0.75の場合
充電:電流設定値1CA、最大電圧4.3V、定電圧定電流充電
放電:電池設定値1CA、最小電圧2.5V、定電流放電
Ni/(Ni+X)≧0.75の場合
充電:電流設定値0.5CA、最大電圧4.35V、定電圧定電流充電
放電:電池設定値1CA、最小電圧2.8V、定電流放電
サイクル試験における1サイクル目の放電容量と50サイクル目の放電容量から、下記の式でサイクル容量維持率とした。サイクル容量維持率が高いほど、充放電を繰り返した後の電池の容量低下が抑制されるため、電池性能として望ましい。
サイクル容量維持率(%)=
1サイクル目の放電容量(mAh/g)/50サイクル目の放電容量(mAh/g) ×100
熱処理工程後、熱処理容器内に付着するリチウム金属複合酸化物粉末をブラシにより除去し、除去後の熱処理容器の内壁に残る固形物を固着物と判定した。さらに、固着物を目視で確認し白色の固着物が存在していた場合に、固着が有ると判定した。固着物が発生する場合には固着物を除去するために定期的な設備停止や清掃作業が必要となるため、固着物が発生しないことがリチウム金属複合酸化物粉末の生産性の観点で望ましい。
・リチウム金属複合酸化物粉末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た。反応槽内の液温は、50℃に保持した。
リチウム金属複合酸化物粉末1の製造方法におけるS1/S2、およびXPS測定結果、電池性能の結果を下記表1及び表2に記載する。
・リチウム金属複合酸化物粉末2の製造
BET比表面積(S2)が0.15m2/gのホウ酸Bと実施例1の過程で得た原料化合物1を、モル比としてB/(Ni+X)=0.005となるように混合し、混合物3を得た。その後、混合物3をムライト・コージェライト製の匣鉢に充填し、熱処理炉へ静置の状態で投入した。熱処理炉内は除湿空気を連続的に供給した雰囲気とし、400℃で5時間の熱処理を行った。熱処理後、16000rpmの回転数で運転したピンミルにより熱処理後の粉末を解砕し、リチウム金属複合酸化物粉末2を得た。熱処理終了後の匣鉢に残る粉末を除去し、内壁を目視したところ、固着物は発生していなかった。
リチウム金属複合酸化物粉末2の組成分析の結果、B/(Ni+X)=0.0042であって、組成式(I)および組成式(I)−1においてn1=0.015、n=0.448、w=0.004、y=0.199、z=0.245であった。リチウム金属複合酸化物粉末2の平均粒子径D50は4.2μmであった。
リチウム金属複合酸化物粉末2の製造方法におけるS1/S2、およびXPS測定結果、電池性能の結果を下記表1及び表2に記載する。
・リチウム金属複合酸化物粉末3の製造
前記ホウ酸Aと実施例1の過程で得た原料化合物1とを、モル比としてB/(Ni+X)=0.020となるように混合し、混合物4を得た。その後、炉心管内に除湿した空気を連続的に供給しつつ、炉心管を500℃に加熱した状態で、混合物4を連続的にロータリーキルンへ投入し、加熱部滞留時間として2時間熱処理した。熱処理後、16000rpmの回転数で運転したピンミルにより解砕し、リチウム金属複合酸化物粉末3を得た。また、上記条件のロータリーキルンによる熱処理を連続して15時間行った。熱処理終了後、ロータリーキルンの炉心管内に残る粉末を除去し、炉心管の内壁を目視したところ、固着物は発生していなかった。
リチウム金属複合酸化物粉末3の組成分析の結果、B/(Ni+X)=0.015であって、組成式(I)および組成式(I)−1においてn1=0.004、n=0.443、w=0.015、y=0.197、z=0.242であった。また、リチウム金属複合酸化物粉末3の平均粒子径D50は4.2μmであった。
リチウム金属複合酸化物粉末3の製造方法におけるS1/S2、およびXPS測定結果、電池性能の結果を下記表1及び表2に記載する。
・リチウム金属複合酸化物粉末4の製造
BET比表面積(S2)が0.12m2/gのホウ酸Cと実施例1の過程で得た原料化合物1とを、モル比としてB/(Ni+X)=0.030となるように混合し、混合物5を得た。その後、炉心管内に除湿した空気を連続的に供給しつつ、炉心管を500℃に加熱した状態で、混合物5を連続的にロータリーキルンへ投入し、加熱部滞留時間として2時間熱処理することにより、リチウム金属複合酸化物粉末4を得た。
さらに上記条件のロータリーキルンによる熱処理を連続して15時間行った。熱処理終了後、ロータリーキルンの炉心管内に残る粉末を除去し、炉心管の内壁を目視すると、白色の固着物が確認された。さらに固着物を剥がしとって得られた粉末の組成分析を行った結果、固着物の主元素はホウ素であった。
リチウム金属複合酸化物粉末4の組成分析の結果、B/(Ni+X)=0.020であって、組成式(I)および組成式(I)−1においてn1=−0.003、n=0.441、w=0.019、y=0.195、z=0.242であった。また、リチウム金属複合酸化物粉末4の平均粒子径D50は4.0μmであった。
リチウム金属複合酸化物粉末4の製造方法におけるS1/S2、XPS測定結果、電池性能の結果を下記表1及び表2に記載する。
・リチウム金属複合酸化物粉末5の製造
前記ホウ酸Bと実施例1の過程で得た原料化合物1とを、ニッケル、コバルト、マンガン、およびホウ素のモル比がB/(Ni+X)=0.020となるように混合し、混合物6を得た。この混合物6をリチウム金属複合酸化物粉末5とした。
リチウム金属複合酸化物粉末5の組成分析の結果、B/(Ni+X)=0.020であって、組成式(I)および組成式(I)−1においてn1=0.003、n=0.443、w=0.019、y=0.195、z=0.244であった。また、リチウム金属複合酸化物粉末5の平均粒子径D50は3.7μmであった。
リチウム金属複合酸化物粉末5の製造方法におけるS1/S2、XPS測定結果、電池性能の結果を下記表1及び表2に記載する。
・リチウム金属複合酸化物粉末6の製造
実施例1の過程で得た原料化合物1を、リチウム金属複合酸化物粉末6とした。
リチウム金属複合酸化物粉末6の組成分析の結果、B/(Ni+Co+Mn)=0であって、組成式(I)および(I)−1においてn1=0.021、n=0.447、w=0.000、y=0.196、z=0.247であった。リチウム金属複合酸化物粉末6の平均粒子径D50は4.0μmであった。
リチウム金属複合酸化物粉末6のXPS測定結果、電池性能の結果を下記表1及び表2に記載する。
・リチウム金属複合酸化物粉末7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た。反応槽内の液温は50℃に保持した。
熱処理終了後の匣鉢に残る粉末を除去し、内壁を目視したところ、固着物は発生していなかった。
リチウム金属複合酸化物粉末7の組成分析の結果、B/(Ni+X)=0.018であって、組成式(I)および組成式(I)−1においてn1=0.010、n=0.091、w=0.017、y=0.069、z=0.022であった。また、リチウム金属複合酸化物粉末7の平均粒子径D50は3.0μmであった。
リチウム金属複合酸化物粉末7の製造方法におけるS1/S2、およびXPS測定結果、電池性能の結果を下記表1及び表2に記載する。
・リチウム金属複合酸化物粉末8の製造
実施例5の過程で得た原料化合物2を、比較例3に用いるリチウム金属複合酸化物粉末8とした。リチウム金属複合酸化物粉末8の組成分析の結果、B/(Ni+X)=0であって、組成式(I)および組成式(I)−1においてn1=0.013、n=0.086、w=0、y=0.067、z=0.020であった。また、リチウム金属複合酸化物粉末8の平均粒子径D50は3.0μmであった。
リチウム金属複合酸化物粉末8のXPS測定結果、電池性能の結果を下記表1及び表2に記載する。
・リチウム金属複合酸化物粉末9の製造
実施例5の過程で得た原料化合物2を、アルミナ製の匣鉢に充填し、熱処理炉に静置の状態で投入した。熱処理炉内には酸素ガスを連続的に供給し、300℃で5時間の熱処理を行った。熱処理後の得られた粉末をリチウム金属複合酸化物粉末9とした。
リチウム金属複合酸化物粉末9の組成分析の結果、B/(Ni+X)=0であって、組成式(I)および組成式(I)−1においてn1=0.013、n=0.086、w=0、y=0.067、z=0.02であった。また、リチウム金属複合酸化物粉末9の平均粒子径D50は3.0μmであった。
リチウム金属複合酸化物粉末9のXPS測定結果、電池性能の結果を下記表1及び表2に記載する。
図3に、比較例1のリチウム金属複合酸化物のXPS測定にて得られたLi1sスペクトルを示す。
図4に、実施例5のリチウム金属複合酸化物のXPS測定にて得られたLi1sスペクトル及び波形分離で得たピークAとピークBを示す。
図5に、比較例3のリチウム金属複合酸化物のXPS測定にて得られたLi1sスペクトル及び波形分離で得たピークAとピークBを示す。
Claims (11)
- 層状構造を有するリチウム金属複合酸化物粉末であって、少なくともLiとNiと元素Xと元素Mとを含有し、前記元素Xは、Co、Mn、Fe、Cu、Ti、Mg、Al、W、Mo、Nb、Zn、Sn、Zr、Ga及びVからなる群より選択される1種以上の元素であり、前記元素Mは、B、Si、S及びPからなる群より選択される1種以上の元素であり、前記リチウム金属複合酸化物粉末をXPSにより測定したときに得られるスペクトルが、下記要件(1)及び要件(2)を満たす、リチウム金属複合酸化物粉末。
要件(1)
結合エネルギーが52eVから58eVの範囲にピークトップを有する。前記範囲のスペクトルを53.5±1.0eVにピークトップを有するピークAと、55.5±1.0eVにピークトップを有するピークBとへ、波形分離する。ピークAとピークBとの積分強度の比(P(A)/P(B))の値が、0.3以上3.0以下である。
要件(2)
Li1sスペクトルのピーク面積に基づいて求められるリチウム量(X(Li))と、元素Mのスペクトルのピーク面積に基づいて求めた元素Mの元素量(X(M))との比(X(M)/X(Li))が、0.2以上2.0以下である。 - 下記組成式(I)で表される、請求項1に記載のリチウム金属複合酸化物粉末。
Li[Lin1(Ni(1−n−w)XnMw)1−n1]O2 ・・・(I)
(元素Mは、B、Si、S及びPからなる群より選択される1種以上の元素である。
元素Xは、Co、Mn、Fe、Cu、Ti、Mg、Al、W、Mo、Nb、Zn、Sn、Zr、Ga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。
ただし、−0.1≦n1≦0.2、0<n≦0.8、0<w≦0.05、n+w<1である。) - Li1sスペクトルとNi2pスペクトルと前記元素Xのスペクトルのピーク面積より算出されるリチウム原子濃度をX(Li)とし、ニッケル原子濃度をX(Ni)とし、元素Xの原子濃度をX(X)としたとき、
ニッケルおよび元素Xの合計原子濃度に対するリチウムの原子濃度の比(X(Li)/{X(Ni)+X(X)})が1.0以上5.0以下である、請求項1又は2に記載のリチウム金属複合酸化物粉末。 - 前記元素Mのスペクトルと、Ni2pスペクトルと、前記元素Xのスペクトルのピーク面積より算出される元素Mの原子濃度をX(M)とし、ニッケル原子濃度をX(Ni)とし、元素Xの原子濃度をX(X)としたとき、
ニッケルおよび元素Xの合計原子濃度に対する元素Mの原子濃度の比(X(M)/{X(Ni)+X(X)})が0.3以上6.0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。 - 湿式粒度分布測定から求めた50%累積径であるである平均粒子径D50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。
- リチウム二次電池用正極活物質の前駆体と、リチウム化合物とを混合して第1の混合物を得る工程と、前記第1の混合物を焼成し、原料化合物を得る工程と、原料化合物と元素Mを含有する化合物を混合して第2の混合物を得る工程と、前記第2の混合物を酸化性雰囲気下で加熱する熱処理工程とを含むリチウム金属複合酸化物の製造方法であって、前記元素Mを含有する化合物のBET比表面積が、0.14m2/g以上2.0m2/g以下である、リチウム金属複合酸化物粉末の製造方法。
- 前記熱処理工程後に得られるリチウム金属複合酸化物が下記組成式(I)で表される、請求項7に記載のリチウム金属複合酸化物粉末の製造方法。
Li[Lin1(Ni(1−n−w)XnMw)1−n1]O2 ・・・(I)
(Mは、B、Si、S及びPからなる群より選択される1種以上の元素である。Xは、Co、Mn、Fe、Cu、Ti、Mg、Al、W、Mo、Nb、Zn、Sn、Zr、Ga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。ただし、−0.1≦n1≦0.2、0<n≦0.8、0<w≦0.05、n+w<1である。) - 前記第2の混合物を得る工程において、原料化合物のBET比表面積S1と元素Mを含有する化合物のBET比表面積S2との比(S1/S2)が、0.2以上10以下となるように、原料化合物と元素Mを含有する化合物とを混合する、請求項7又は8に記載のリチウム金属複合酸化物粉末の製造方法。
- 前記第2の混合物を得る工程において、原料化合物の仕込みの全量(100mol%)に対して、前記元素Mの化合物のモル量が、0mol%を超え5mol%以下である、請求項7〜9のいずれか1項に記載のリチウム金属複合酸化物粉末の製造方法。
- 前記熱処理工程において、250℃以上550℃以下の温度で加熱を行う、請求項7〜10のいずれか1項に記載のリチウム金属複合酸化物粉末の製造方法。
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