JP2021073666A - 正極活物質、および、電池 - Google Patents

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Abstract

【課題】高容量の電池を実現するための正極活物質を提供する。【解決手段】空間群ＦＭ３−Ｍに属する結晶構造を有し、下記の組成式（１）により表される化合物と、リチウムイオン導電体とを含む、正極活物質。ＬｉｘＭｅｙＯαＦβ・・・式（１）ここで、前記Ｍｅは、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ａｌ、Ｂ、Ｃｅ、Ｓｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｐｒ、Ｔｉ、Ｗ、Ｇｅ、Ｍｏ、Ｓｎ、Ｂｉ、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｙ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｅｒ、Ｌａ、Ｓｍ、Ｙｂ、Ｖ、Ｃｒ、からなる群より選択される一種または二種以上の元素であり、かつ、下記の条件、１．７≦ｘ≦２．２、０．８≦ｙ≦１．３、１≦α≦２．５、０．５≦β≦２、を満たす。【選択図】図１

Description

本開示は、電池用の正極活物質、および、電池に関する。
特許文献１には、空間群Ｒ３−Ｍに属する結晶構造を有し、式ＬｉｗＭｘＯｙＸｚ（ＭはＣｏ又はＮｉ又はＭｎ又はＶ又はＦｅ又はＴｉ、Ｘは少なくとも１種以上のハロゲン元素、０．２≦ｗ≦２．５、０．８≦ｘ≦１．２５、１≦ｙ≦２、０＜ｚ≦１）で表される正極活物質が、開示されている。
特開平７−０３７６１７号公報
従来技術においては、高容量の電池の実現が望まれる。
本開示の一様態における正極活物質は、空間群ＦＭ３−Ｍに属する結晶構造を有し、下記の組成式（１）により表される化合物と、リチウムイオン導電体とを含む、正極活物質。
ＬｉｘＭｅｙＯαＦβ・・・式（１）
ここで、前記Ｍｅは、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ａｌ、Ｂ、Ｃｅ、Ｓｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｐｒ、Ｔｉ、Ｗ、Ｇｅ、Ｍｏ、Ｓｎ、Ｂｉ、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｙ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｅｒ、Ｌａ、Ｓｍ、Ｙｂ、Ｖ、Ｃｒ、からなる群より選択される一種または二種以上の元素であり、かつ、下記の条件、１．７≦ｘ≦２．２、
０．８≦ｙ≦１．３、１≦α≦２．５、０．５≦β≦２、を満たす。
本開示によれば、高容量の電池を実現できる。
図１は、実施の形態２における電池の一例である電池１０の概略構成を示す断面図である。 図２は、実施例１の正極活物質の粉末Ｘ線回折チャートを示す図である。
以下、本開示の実施の形態が、説明される。
（実施の形態１）
実施の形態１における正極活物質は、空間群ＦＭ３−Ｍに属する結晶構造を有し、下記の組成式（１）により表される化合物と、リチウムイオン導電体とを含む、正極活物質。
ＬｉｘＭｅｙＯαＦβ・・・式（１）
ここで、前記Ｍｅは、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ａｌ、Ｂ、Ｃｅ、Ｓｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｐｒ、Ｔｉ、Ｗ、Ｇｅ、Ｍｏ、Ｓｎ、Ｂｉ、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｙ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｅｒ、Ｌａ、Ｓｍ、Ｙｂ、Ｖ、Ｃｒ、からなる群より選択される少なくとも一種（すなわち、当該群より選択される一種または二種以上の元素）であり、
かつ、下記の条件、
１．７≦ｘ≦２．２、
０．８≦ｙ≦１．３、
１≦α≦２．５、
０．５≦β≦２、
を満たす。
以上の構成によれば、高容量の電池を実現できる。
上述の化合物を含む正極活物質を用いて、例えばリチウムイオン電池を構成する場合、３．３Ｖ程度の酸化還元電位（Ｌｉ／Ｌｉ＋基準）を有する。また、概ね、２４５ｍＡｈ／ｇ以上の容量を有する。
また、上述の化合物は、組成式（１）においてｘが１．７よりも小さい場合、利用できるＬｉ量が少なくなる。このため、容量が不十分となる。
また、上述の化合物は、組成式（１）においてｘが２．２より大きい場合（言い換えれば、ｙが０．８よりも小さい場合）、利用できる遷移金属の酸化還元反応が少なくなる。この結果、酸素の酸化還元反応を多く利用することになる。これにより、結晶構造が不安定化する。このため、容量が不十分となる。
また、上述の化合物は、組成式（１）においてαが１よりも小さい場合（言い換えれば、βが２よりも大きい場合）、電気陰性度の高いＦの影響が強くなる。この結果、電子伝導性が低下する。このため、容量が不十分となる。
また、上述の化合物は、組成式（１）においてαが２．５よりも大きい場合（言い換えれば、βが０．５よりも小さい場合）、電気陰性度の高いＦの影響が弱まる。この結果、カチオン−アニオンの相互作用が低下する。これにより、Ｌｉが脱離した際に構造が不安定化する。このため、容量が不十分となる。
また、実施の形態１における正極活物質においては、組成式（１）で表される化合物は、空間群ＦＭ３−Ｍに属する結晶構造（岩塩型の結晶構造）を有する。
組成式（１）において、ＬｉとＭｅの比率は、｛Ｌｉｘ／Ｍｅｙ｝で示される。
ここで、１．７≦ｘ≦２．２である。また、０．８≦ｙ≦１．３である。
したがって、ＬｉとＭｅの比率は、理論的には、１．３１≦｛Ｌｉｘ／Ｍｅｙ｝≦２．７５であり、１よりも大きな値となる。
すなわち、Ｍｅ１原子あたりのＬｉ原子数は、例えば、従来の正極活物質であるＬｉＭｎＯ２に比べて、大きい。
組成式（１）で表される化合物は、ＬｉとＭｅが同じサイトに位置していると考えられる。
このため、組成式（１）で表される化合物は、例えば、従来の正極活物質であるＬｉＭｎＯ２よりも、Ｍｅ１原子あたりに、より多くのＬｉを挿入および脱離させることが可能である。
したがって、実施の形態１における正極活物質は、高容量のリチウムイオン電池を実現するのに、適している。
空間群Ｒ３−Ｍで規定される層状構造では、Ｌｉを多く引き抜いた際に、層状を維持できずに構造崩壊する。
一方で、本開示の化合物のような空間群ＦＭ３−Ｍで規定される岩塩型の結晶構造であれば、Ｌｉを多く引き抜いても、構造崩壊せずに、構造を安定に維持できる。
また、実施の形態１の正極活物質は、リチウムイオン導電体を含む。例えば、上述の化合物の表面の少なくとも一部に、リチウムイオン導電体が存在する。このため、表面におけるＬｉイオンの拡散性が向上する。これにより、さらに高容量の電池を実現できる。
なお、実施の形態１における正極活物質は、リチウムイオン導電体が含まれる量が、組成式（１）で表される化合物の５質量部よりも大きい場合、界面抵抗が大きくなる。このため、容量が不十分となる場合がある。
そこで、実施の形態１における正極活物質において、リチウムイオン導電体が含まれる量は、組成式（１）で表される化合物の５質量％以下であってもよい。
以上の構成によれば、界面抵抗の増加を抑制できる。その結果、より高容量の電池を実現できる。
また、実施の形態１における正極活物質において、リチウムイオン導電体が含まれる量は、組成式（１）で表される化合物の０．５質量％以上、かつ、１質量％以下、であってもよい。
以上の構成によれば、より高容量の電池を実現できる。
また、リチウムイオン導電体は、ＬｉＢＯ２、Ｌｉ３ＰＯ４、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＮｂＯ２、から選択される少なくとも一種であってもよい。
以上の構成によれば、より高容量の電池を実現できる。
なお、リチウムイオン導電体としては、ＬｉＢＯ２、Ｌｉ３ＰＯ４、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＮｂＯ２、ＬｉＡｌＯ２、Ｌｉ２ＳＯ４、Ｌｉ２ＭｏＯ４、Ｌｉ４ＳｉＯ４、Ｌｉ４ＦｅＯ４、Ｌｉ４ＺｒＯ４、Ｌｉ２ＣＯ３、ＬｉＷ２Ｏ７、Ｌｉ３ＶＯ４、ＬｉＣｌ、ＬｉＢｒ、ＬｉＩ、Ｌｉ２Ｓｅ、および、各種のリチウムイオン伝導ガラス（例えば、Ｌｉ２Ｏ−Ｂ２Ｏ３、Ｌｉ２Ｏ−Ａｌ２Ｏ３、Ｌｉ２Ｏ−ＳｉＯ４、Ｌｉ２Ｏ−Ｐ２Ｏ５、ＬｉＦ−ＢＦ３、ＬｉＦ−ＡｌＦ３、ＬｉＦ−ＶＦ３）、など、が用いられうる。
なお、実施の形態１における正極活物質においては、リチウムイオン導電体は、組成式（１）で表される化合物の少なくとも一部の表面を、被覆していてもよい。
もしくは、実施の形態１における正極活物質においては、リチウムイオン導電体は、組成式（１）で表される化合物の表面の少なくとも一部と、固溶体を形成していてもよい。
また、実施の形態１における正極活物質は、上述の化合物を、主成分として、含んでもよい。
以上の構成によれば、より高容量の電池を実現できる。
なお、実施の形態１の正極活物質は、上述の化合物を主成分として含みながら、さらに、不可避的な不純物、または、上述の化合物を合成する際に用いられる出発原料および副生成物および分解生成物など、を含んでいてもよい。
また、実施の形態１における正極活物質においては、上述の化合物は、組成式（１）において、ｘ＋ｙ＝α＋β＝３、を満たす化合物であってもよい。
以上の構成によれば、より高容量の電池を実現できる。
また、実施の形態１における正極活物質においては、上述の化合物は、Ｌｉ２ＭｎＯ２Ｆ、または、Ｌｉ２ＣｏＯ２Ｆ、であってもよい。
以上の構成によれば、より高容量の電池を実現できる。
また、実施の形態１における正極活物質においては、組成式（１）におけるＭｅは、ＭｎとＣｏとＮｉとＦｅから選ばれる一種の元素、または、ＮｉとＣｏとＭｎとからなる固溶体、または、ＮｉとＣｏとＡｌとからなる固溶体、のうちのいずれかであってもよい。
以上の構成によれば、より高容量の電池を実現できる。
また、実施の形態１における正極活物質においては、上述の化合物は、組成式（１）において、１．７９≦ｘ＋ｙ≦２．１８、を満たす化合物であってもよい。
以上の構成によれば、より高容量の電池を実現できる。
また、実施の形態１における正極活物質においては、上述の化合物は、組成式（１）において、１．８９≦ｘ＋ｙ≦２、を満たす化合物であってもよい。
以上の構成によれば、より高容量の電池を実現できる。
また、実施の形態１における正極活物質においては、上述の化合物は、組成式（１）において、０．７９≦β≦１、を満たす化合物であってもよい。
以上の構成によれば、より高容量の電池を実現できる。
＜化合物の作製方法＞
以下に、実施の形態１の正極活物質に含まれる上述の化合物の製造方法の一例が、説明される。
組成式（１）で表される化合物は、例えば、次の方法により、作製されうる。
Ｌｉを含む原料、Ｆを含む原料、および、Ｍｅを含む原料を用意する。例えば、Ｌｉを含む原料としては、Ｌｉ２Ｏ、Ｌｉ２Ｏ２等の酸化物、ＬｉＦ、Ｌｉ２ＣＯ３、ＬｉＯＨ等の塩類、ＬｉＭｅＯ２、ＬｉＭｅ２Ｏ４等のリチウム複合遷移金属酸化物、など、が挙げられる。また、Ｆを含む原料としては、ＬｉＦ、遷移金属フッ化物、など、が挙げられる。Ｍｅを含む原料としては、Ｍｅ２Ｏ３等の各種の酸化状態の酸化物、ＭｅＣＯ３、ＭｅＮＯ３等の塩類、Ｍｅ（ＯＨ）２、ＭｅＯＯＨ等の水酸化物、ＬｉＭｅＯ２、ＬｉＭｅ２Ｏ４等のリチウム複合遷移金属酸化物、など、が挙げられる。例えば、ＭｅがＭｎの場合には、Ｍｎを含む原料としては、Ｍｎ２Ｏ３等の各種の酸化状態の酸化マンガン、ＭｎＣＯ３、ＭｎＮＯ３等の塩類、Ｍｎ（ＯＨ）２、ＭｎＯＯＨ等の水酸化物、ＬｉＭｎＯ２、ＬｉＭｎ２Ｏ４等のリチウム複合遷移金属酸化物、など、が挙げられる。
これらの原料を、組成式（１）に示したモル比となるように、原料を秤量する。
これにより、組成式（１）における「ｘ、ｙ、α、および、β」を、組成式（１）で示す範囲において、変化させることができる。
秤量した原料を、例えば、乾式法または湿式法で混合し、１０時間以上メカノケミカルに反応させることで、組成式（１）で表される化合物を得ることができる。例えば、ボールミルなどの混合装置を使用することができる。
用いる原料、および、原料混合物の混合条件を調整することにより、実質的に、組成式（１）で表される化合物を得ることができる。
前駆体にリチウム遷移金属複合酸化物を用いることで、各種元素のミキシングのエネルギーを、より低下させることができる。これにより、より純度の高い、組成式（１）で表される化合物が、得られる。
得られた組成式（１）で示される化合物の組成は、例えば、ＩＣＰ発光分光分析法および不活性ガス溶融−赤外線吸収法により決定することができる。
また、粉末Ｘ線分析によって結晶構造の空間群を決定することにより、組成式（１）で示される化合物を同定することができる。
以上のように、実施の形態１のある一様態における正極活物質の製造方法は、原料を用意する工程（ａ）と、原料をメカノケミカルに反応させることにより正極活物質を得る工程（ｂ）と、を包含する。
また、上述の工程（ａ）は、ＬｉおよびＦを含む原料とＭｅを含む原料とを、Ｍｅに対してＬｉが１．３１以上２．３３以下のモル比となる割合で混合し、混合原料を調整する工程を、包含してもよい。
このとき、上述の工程（ａ）は、原料となるリチウム遷移金属複合酸化物を、公知の方法で作製する工程を、包含してもよい。
また、上述の工程（ａ）においては、Ｍｅに対してＬｉが１．７以上２．０以下のモル比となる割合で混合し、混合原料を調整する工程を、包含してもよい。
また、上述の工程（ｂ）においては、ボールミルを用いてメカノケミカルに原料を反応させる工程を、包含してもよい。
以上のように、組成式（１）で表される化合物は、前駆体（例えば、ＬｉＦ、Ｌｉ２Ｏ、酸化遷移金属、リチウム複合遷移金属、など）を、遊星型ボールミルを用いて、メカノケミカルの反応をさせることによって、合成され得る。
このとき、前駆体の混合比を調整することで、より多くのＬｉ原子を含ませることができる。
一方、上記の前駆体を固相法で反応させる場合は、より安定な化合物に分解される。
すなわち、前駆体を固相法で反応させる作製方法などでは、空間群ＦＭ３−Ｍに属する結晶構造を有し、かつ、組成式（１）で表される化合物を、得ることはできない。
得られたＬｉｘＭｅｙＯαＦβへのリチウムイオン導電体での表面処理は、任意の方法を用いてもよい。例えば、ゾル―ゲル法、遊星ボールミルなどを用いてもよい。
（第２の実施形態）
以下、実施の形態２が説明される。なお、上述の実施の形態１と重複する説明は、適宜、省略される。
実施の形態２における電池は、上述の実施の形態１における正極活物質を含む正極と、負極と、電解質と、を備える。
以上の構成によれば、高容量の電池を実現できる。
すなわち、上述の実施の形態１で説明されたように、正極活物質が、Ｍｅ１原子に対して、多くのＬｉ原子を含む。したがって、高容量の電池を実現することが可能となる。
また、上述の実施の形態１で説明されたように、正極活物質が、リチウムイオン導電体を含む。したがって、さらに高容量の電池を実現できる。
実施の形態２における電池は、例えば、リチウムイオン二次電池、非水電解質二次電池、など、として、構成されうる。
すなわち、実施の形態２における電池において、例えば、負極は、リチウムを吸蔵および放出しうる（リチウムを吸蔵および放出する特性を有する）負極活物質を含んでもよい。
また、実施の形態２における電池において、例えば、電解質は、非水電解質（例えば、非水電解液）であってもよい。
図１は、実施の形態２における電池の一例である電池１０の概略構成を示す断面図である。
図１に示されるように、電池１０は、正極２１と、負極２２と、セパレータ１４と、ケース１１と、封口板１５と、ガスケット１８と、を備えている。
セパレータ１４は、正極２１と負極２２との間に、配置されている。
正極２１と負極２２とセパレータ１４とには、非水電解質（例えば、非水電解液）が含浸されている。
正極２１と負極２２とセパレータ１４とによって、電極群が形成されている。
電極群は、ケース１１の中に収められている。
ガスケット１８と封口板１５とにより、ケース１１が閉じられている。
正極２１は、正極集電体１２と、正極集電体１２の上に配置された正極活物質層１３と、を備えている。
正極集電体１２は、例えば、金属材料（アルミニウム、ステンレス、アルミニウム合金、など）で作られている。
なお、正極集電体１２を省略し、ケース１１を正極集電体として使用することも可能である。
正極活物質層１３は、上述の実施の形態１における正極活物質を含む。
正極活物質層１３は、必要に応じて、例えば、添加剤（導電剤、イオン伝導補助剤、結着剤、など）を含んでいてもよい。
負極２２は、負極集電体１６と、負極集電体１６の上に配置された負極活物質層１７と、を備えている。
負極集電体１６は、例えば、金属材料（銅、ニッケル、アルミニウム、ステンレス、アルミニウム合金、など）で作られている。
なお、負極集電体１６を省略し、封口板１５を負極集電体として使用することも可能である。
負極活物質層１７は、負極活物質を含んでいる。
負極活物質層１７は、必要に応じて、例えば、添加剤（導電剤、イオン伝導補助剤、結着剤、など）を含んでいてもよい。
負極活物質として、金属材料、炭素材料、酸化物、窒化物、錫化合物、珪素化合物、など、が使用されうる。
金属材料は、単体の金属であってもよい。もしくは、金属材料は、合金であってもよい。金属材料の例として、リチウム金属、リチウム合金、など、が挙げられる。
炭素材料の例として、天然黒鉛、コークス、黒鉛化途上炭素、炭素繊維、球状炭素、人造黒鉛、非晶質炭素、など、が挙げられる。
容量密度の観点から、珪素（Ｓｉ）、錫（Ｓｎ）、珪素化合物、錫化合物、を好適に使用できる。珪素化合物および錫化合物は、それぞれ、合金または固溶体であってもよい。
珪素化合物の例として、ＳｉＯｘ（ここで、０．０５＜ｘ＜１．９５）が挙げられる。また、ＳｉＯｘの一部の珪素を他の元素で置換することによって得られた化合物（合金又は固溶体）も使用できる。ここで、他の元素とは、ホウ素、マグネシウム、ニッケル、チタン、モリブデン、コバルト、カルシウム、クロム、銅、鉄、マンガン、ニオブ、タンタル、バナジウム、タングステン、亜鉛、炭素、窒素及び錫からなる群より選択される少なくとも１種である。
錫化合物の例として、Ｎｉ２Ｓｎ４、Ｍｇ２Ｓｎ、ＳｎＯｘ（ここで、０＜ｘ＜２）、ＳｎＯ２、ＳｎＳｉＯ３、など、が挙げられる。これらから選択される１種の錫化合物が、単独で使用されてもよい。もしくは、これらから選択される２種以上の錫化合物の組み合わせが、使用されてもよい。
また、負極活物質の形状は特に限定されない。負極活物質としては、公知の形状（粒子状、繊維状、など）を有する負極活物質が使用されうる。
また、リチウムを負極活物質層１７に補填する（吸蔵させる）ための方法は、特に限定されない。この方法としては、具体的には、（ａ）真空蒸着法などの気相法によってリチウムを負極活物質層１７に堆積させる方法、（ｂ）リチウム金属箔と負極活物質層１７とを接触させて両者を加熱する方法がある。いずれの方法においても、熱によってリチウムを負極活物質層１７に拡散させることができる。また、リチウムを電気化学的に負極活物質層１７に吸蔵させる方法もある。具体的には、リチウムを有さない負極２２およびリチウム金属箔（正極）を用いて電池を組み立てる。その後、負極２２にリチウムが吸蔵されるように、その電池を充電する。
正極２１および負極２２の結着剤としては、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、アラミド樹脂、ポリアミド、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリアクリルニトリル、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸メチルエステル、ポリアクリル酸エチルエステル、ポリアクリル酸ヘキシルエステル、ポリメタクリル酸、ポリメタクリル酸メチルエステル、ポリメタクリル酸エチルエステル、ポリメタクリル酸ヘキシルエステル、ポリ酢酸ビニル、ポリビニルピロリドン、ポリエーテル、ポリエーテルサルフォン、ヘキサフルオロポリプロピレン、スチレンブタジエンゴム、カルボキシメチルセルロース、など、が使用されうる。または、結着剤として、テトラフルオロエチレン、ヘキサフルオロエチレン、ヘキサフルオロプロピレン、パーフルオロアルキルビニルエーテル、フッ化ビニリデン、クロロトリフルオロエチレン、エチレン、プロピレン、ペンタフルオロプロピレン、フルオロメチルビニルエーテル、アクリル酸、ヘキサジエン、からなる群より選択される２種以上の材料の共重合体が、使用されてもよい。さらに、上述の材料から選択される２種以上の材料の混合物が、結着剤として、使用されてもよい。
正極２１および負極２２の導電剤としては、グラファイト、カーボンブラック、導電性繊維、フッ化黒鉛、金属粉末、導電性ウィスカー、導電性金属酸化物、有機導電性材料、など、が使用されうる。グラファイトの例としては、天然黒鉛および人造黒鉛が挙げられる。カーボンブラックの例としては、アセチレンブラック、ケッチェンブラック（登録商標）、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、サーマルブラックが挙げられる。金属粉末の例としては、アルミニウム粉末が挙げられる。導電性ウィスカーの例としては、酸化亜鉛ウィスカーおよびチタン酸カリウムウィスカーが挙げられる。導電性金属酸化物の例としては、酸化チタンが挙げられる。有機導電性材料の例としては、フェニレン誘導体が挙げられる。
セパレータ１４としては、大きいイオン透過度および十分な機械的強度を有する材料が使用されうる。このような材料の例としては、微多孔性薄膜、織布、不織布、など、が挙げられる。具体的に、セパレータ１４は、ポリプロピレン、ポリエチレンなどのポリオレフィンで作られていることが望ましい。ポリオレフィンで作られたセパレータ１４は、優れた耐久性を有するだけでなく、過度に加熱されたときにシャットダウン機能を発揮できる。セパレータ１４の厚さは、例えば、１０〜３００μｍ（又は１０〜４０μｍ）の範囲にある。セパレータ１４は、１種の材料で構成された単層膜であってもよい。もしくは、セパレータ１４は、２種以上の材料で構成された複合膜（または、多層膜）であってもよい。セパレータ１４の空孔率は、例えば、３０〜７０％（又は３５〜６０％）の範囲にある。「空孔率」とは、セパレータ１４の全体の体積に占める空孔の体積の割合を意味する。「空孔率」は、例えば、水銀圧入法によって測定される。
非水電解液は、非水溶媒と、非水溶媒に溶けたリチウム塩と、を含む。
非水溶媒としては、環状炭酸エステル溶媒、鎖状炭酸エステル溶媒、環状エーテル溶媒、鎖状エーテル溶媒、環状エステル溶媒、鎖状エステル溶媒、フッ素溶媒、など、が使用されうる。
環状炭酸エステル溶媒の例としては、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、など、が挙げられる。
鎖状炭酸エステル溶媒の例としては、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、など、が挙げられる。
環状エーテル溶媒の例としては、テトラヒドロフラン、１，４−ジオキサン、１，３−ジオキソラン、など、が挙げられる。
鎖状エーテル溶媒としては、１，２−ジメトキシエタン、１，２−ジエトキシエタン、など、が挙げられる。
環状エステル溶媒の例としては、γ−ブチロラクトン、など、が挙げられる。
鎖状エステル溶媒の例としては、酢酸メチル、など、が挙げられる。
フッ素溶媒の例としては、フルオロエチレンカーボネート、フルオロプロピオン酸メチル、フルオロベンゼン、フルオロエチルメチルカーボネート、フルオロジメチレンカーボネート、など、が挙げられる。
非水溶媒として、これらから選択される１種の非水溶媒が、単独で、使用されうる。もしくは、非水溶媒として、これらから選択される２種以上の非水溶媒の組み合わせが、使用されうる。
非水電解液には、フルオロエチレンカーボネート、フルオロプロピオン酸メチル、フルオロベンゼン、フルオロエチルメチルカーボネート、フルオロジメチレンカーボネートからなる群より選択される少なくとも１種のフッ素溶媒が含まれていてもよい。
これらのフッ素溶媒が非水電解液に含まれていると、非水電解液の耐酸化性が向上する。
その結果、高い電圧で電池１０を充電する場合にも、電池１０を安定して動作させることが可能となる。
リチウム塩としては、ＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＳｂＦ６、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＳＯ３ＣＦ３、ＬｉＮ（ＳＯ２ＣＦ３）２、ＬｉＮ（ＳＯ２Ｃ２Ｆ５）２、ＬｉＮ（ＳＯ２ＣＦ３）（ＳＯ２Ｃ４Ｆ９）、ＬｉＣ（ＳＯ２ＣＦ３）３、など、が使用されうる。リチウム塩として、これらから選択される１種のリチウム塩が、単独で、使用されうる。もしくは、リチウム塩として、これらから選択される２種以上のリチウム塩の混合物が、使用されうる。リチウム塩の濃度は、例えば、０．５〜２ｍｏｌ／リットルの範囲にある。
なお、実施の形態２における電池は、コイン型、円筒型、角型、シート型、ボタン型、扁平型、積層型、など、種々の形状の電池として、構成されうる。
＜実施例１＞
［正極活物質の作製］
ＬｉＦとＬｉ２ＯとＭｎ２Ｏ３をＬｉＦ／Ｌｉ２Ｏ／Ｍｎ２Ｏ３＝１．０／０．５／０．５モル比でそれぞれ秤量した。
得られた原料を、適量のφ３ｍｍのジルコニア製ボールと共に、４５ｃｃジルコニア製容器に入れ、アルゴングローブボックス内で密閉した。
アルゴングローブボックスから取り出し、遊星型ボールミルで、６００ｒｐｍで３０時間処理した。
得られた化合物に対して、粉末Ｘ線回折測定を実施した。
測定の結果が、図２に示される。
得られた化合物の空間群は、ＦＭ３−Ｍであった。
また、得られた化合物の組成を、ＩＣＰ発光分光分析法および不活性ガス溶融―赤外線吸収法により求めた。
その結果、得られた化合物の組成は、Ｌｉ２ＭｎＯ２Ｆであった。
得られた化合物１ｇを、１０ｇの水に０．０１ｇのＬｉＢＯ２を溶解させて作製したＬｉＢＯ２水溶液に入れ、攪拌した後、乾燥させ、正極活物質を得た。
得られた正極活物質を、走査型電子顕微鏡および透過型電子顕微鏡で観察したところ、Ｌｉ２ＭｎＯ２Ｆの表面の一部を、ＬｉＢＯ２が、被覆していた。
［電池の作製］
次に、７０質量部の上述の化合物と、２０質量部の導電剤と、１０質量部のポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）と、適量の２−メチルピロリドン（ＮＭＰ）とを、混合した。これにより、正極合剤スラリーを得た。
２０μｍの厚さのアルミニウム箔で形成された正極集電体の片面に、正極合剤スラリーを塗布した。
正極合剤スラリーを乾燥および圧延することによって、正極活物質層を備えた厚さ６０μｍの正極板を得た。
得られた正極板を、直径１２．５ｍｍの円形状に打ち抜くことによって、正極を得た。
また、厚さ３００μｍのリチウム金属箔を、直径１４．０ｍｍの円形状に打ち抜くことによって、負極を得た。
また、フルオロエチレンカーボネート（ＦＥＣ）とエチレンカーボネート（ＥＣ）とエチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）とを、１：１：６の体積比で混合して、非水溶媒を得た。
この非水溶媒に、ＬｉＰＦ６を、１．０ｍｏｌ／リットルの濃度で、溶解させることによって、非水電解液を得た。
得られた非水電解液を、セパレータ（セルガード社製、品番２３２０、厚さ２５μｍ）に、染み込ませた。
セルガード（登録商標）２３２０は、ポリプロピレン層とポリエチレン層とポリプロピレン層とで形成された、３層セパレータである。
上述の正極と負極とセパレータとを用いて、露点が−５０℃に管理されたドライボックスの中で、ＣＲ２０３２規格のコイン型電池を、作製した。
＜実施例２〜４＞
上述の実施例から、ＬｉＢＯ２の添加量を、それぞれ変えた。
表１に、実施例２〜４のＬｉＢＯ２の添加量が示される。
これ以外は、上述の実施例１と同様にして、実施例２〜４の正極活物質を合成した。
また、実施例２〜４の正極活物質を用いて、上述の実施例１と同様にして、コイン型電池を作製した。
＜実施例５＞
実施例１と同様にして、Ｌｉ２ＭｎＯ２Ｆを合成した。
さらに、ＬｉＢＯ２を、Ｌｉ２ＭｎＯ２Ｆの使用量に対して１質量部となるように秤量した。
Ｌｉ２ＭｎＯ２ＦとＬｉＢＯ２とを、適量のφ３ｍｍのジルコニア製ボールと共に、４５ｃｃジルコニア製容器に入れ、アルゴングローブボックス内で密閉した。
アルゴングローブボックスから取り出し、遊星型ボールミルで、６００ｒｐｍで５時間処理した。
得られた正極活物質を、走査型電子顕微鏡および透過型電子顕微鏡で観察したところ、Ｌｉ２ＭｎＯ２Ｆの表面に、ＬｉＢＯ２が、一部、固溶していた。
＜実施例６および実施例７＞
上述の実施例５から、添加するリチウムイオン導電体を、それぞれ、変えた。
表１に、実施例６および実施例７の添加するリチウムイオン導電体と、添加量と、が示される。
これ以外は、実施例６および実施例７の正極活物質を用いて、上述の実施例１と同様にして、コイン型電池を作製した。
＜実施例８＞
公知の手法を用いてコバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ２）を得た。
得られたコバルト酸リチウムの空間群は、Ｒ３−Ｍであった。
ＬｉＦとＬｉＣｏＯ２をＬｉＦ／ＬｉＣｏＯ２＝１．０／１．０モル比でそれぞれ秤量した。
得られた原料を、適量のφ３ｍｍのジルコニア製ボールと共に、４５ｃｃジルコニア製容器に入れ、アルゴングローブボックス内で密閉した。
アルゴングローブボックスから取り出し、遊星型ボールミルで、６００ｒｐｍで３０時間処理した。
得られた化合物に対して、粉末Ｘ線回折測定を実施した。
得られた化合物の空間群は、ＦＭ３−Ｍであった。
また、得られた化合物の組成を、ＩＣＰ発光分光分析法および不活性ガス溶融―赤外線吸収法により求めた。
その結果、得られた化合物の組成は、Ｌｉ２ＣｏＯ２Ｆであった。
得られた化合物と１質量部のＬｉＢＯ２を、適量のφ３ｍｍのジルコニア製ボールと共に、４５ｃｃジルコニア製容器に入れ、アルゴングローブボックス内で密閉した。
アルゴングローブボックスから取り出し、遊星型ボールミルで、６００ｒｐｍで５時間処理した。
得られた正極活物質を、走査型電子顕微鏡および透過型電子顕微鏡で観察したところ、Ｌｉ２ＣｏＯ２Ｆの表面に、ＬｉＢＯ２が、一部、固溶していた。
また、得られた実施例８の正極活物質を用いて、上述の実施例１と同様にして、コイン型電池を作製した。
＜比較例１＞
ＬｉＦとＬｉ２ＯとＭｎ２Ｏ３をＬｉＦ／Ｌｉ２Ｏ／Ｍｎ２Ｏ３＝１．０／０．５／０．５モル比でそれぞれ秤量した。
得られた原料を、適量のφ３ｍｍのジルコニア製ボールと共に、４５ｃｃジルコニア製容器に入れ、アルゴングローブボックス内で密閉した。
アルゴングローブボックスから取り出し、遊星型ボールミルで、６００ｒｐｍで３０時間処理した。
得られた化合物に対して、粉末Ｘ線回折測定を実施した。
得られた化合物の空間群は、ＦＭ３−Ｍであった。
また、得られた化合物の組成を、ＩＣＰ発光分光分析法および不活性ガス溶融―赤外線吸収法により求めた。
その結果、得られた化合物の組成は、Ｌｉ２ＭｎＯ２Ｆであった。
また、得られた比較例１の正極活物質を用いて、上述の実施例１と同様にして、コイン型電池を作製した。
＜比較例２＞
公知の手法を用いてコバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ２）を得た。
得られたコバルト酸リチウムの空間群は、Ｒ３−Ｍであった。
ＬｉＦとＬｉＣｏＯ２をＬｉＦ／ＬｉＣｏＯ２＝１．０／１．０モル比でそれぞれ秤量した。
得られた原料を、適量のφ３ｍｍのジルコニア製ボールと共に、４５ｃｃジルコニア製容器に入れ、アルゴングローブボックス内で密閉した。
アルゴングローブボックスから取り出し、遊星型ボールミルで、６００ｒｐｍで３０時間処理した。
得られた化合物に対して、粉末Ｘ線回折測定を実施した。
得られた化合物の空間群は、ＦＭ３−Ｍであった。
また、得られた化合物の組成を、ＩＣＰ発光分光分析法および不活性ガス溶融―赤外線吸収法により求めた。
その結果、得られた化合物の組成は、Ｌｉ２ＣｏＯ２Ｆであった。
また、得られた比較例２の正極活物質を用いて、上述の実施例１と同様にして、コイン型電池を作製した。
＜電池の評価＞
正極に対する電流密度を１．０ｍＡ／ｃｍ２に設定し、５．２Ｖの電圧に達するまで、実施例１の電池を充電した。
その後、放電終止電圧を１．５Ｖに設定し、１．０ｍＡ／ｃｍ２の電流密度で、実施例１の電池を放電させた。
放電容量は、２７６ｍＡｈ／ｇであった。
また、実施例１と同様にして、比較例１のコイン型電池の容量を測定した。
比較例１の電池の放電容量は、２７０ｍＡｈ／ｇであった。
また、実施例１と同様にして、実施例２〜８および比較例２のコイン型電池の容量を測定した。
以上の結果が、表１に示される。
Figure 2021073666
表１に示されるように、実施例１〜７の電池は、２７２〜２７６ｍＡｈ／ｇの初回放電容量を有する。
すなわち、実施例１〜７の電池の初回放電容量は、比較例１の電池の初回放電容量よりも、大きい。
この理由としては、実施例１〜７では、Ｌｉ２ＭｎＯ２Ｆの表面にリチウムイオン導電体が存在することにより、表面での界面抵抗が減少し、放電容量が大きくなったことが考えられる。
また、表１に示されるように、実施例２および３の電池の放電容量は、実施例１の電池の放電容量よりも、小さい。
この理由としては、実施例２および３では、Ｌｉ２ＭｎＯ２Ｆの表面におけるリチウムイオン導電体が少ないため、表面での界面抵抗の低減効果が少なくなり、放電容量が小さくなったことが考えられる。
また、表１に示されるように、実施例４の電池の放電容量は、実施例１の電池の放電容量よりも、小さい。
この理由としては、実施例４では、充放電に関与しないリチウムイオン導電体の量が多いため、放電容量が小さくなったことが考えられる。
また、表１に示されるように、実施例５の電池の放電容量は、実施例１の電池の放電容量と同じであった。
この理由としては、リチウムイオン導電体の存在形態が、被覆および固溶のいずれの場合でも、表面における界面抵抗低減効果が発現するためであることが考えられる。
また、表１に示されるように、実施例６および７の電池の放電容量は、実施例１の電池の放電容量よりも小さい。
この理由としては、表面における界面抵抗低減効果が、リチウムイオン導電体の種類によって異なることによるものと考えられる。
また、表１に示されるように、実施例８の電池の放電容量は、比較例２の電池の放電容量よりも小さい。
この理由としては、実施例８では、Ｌｉ２ＣｏＯ２Ｆの表面にリチウムイオン導電体が存在することにより、表面での界面抵抗が減少し、放電容量が大きくなったことが考えられる。
このように、Ｍｅがいずれの上述の元素または上述の元素を含む固溶体からなる場合においても、リチウムイオン導電体が存在することにより、高容量化することができると考えられる。
なお、表１に示されるように、リチウムイオン導電体の添加量が０．５質量部未満の場合（例えば、添加量＝０．１質量部である実施例２）、表面における界面抵抗低減効果が少ない。この結果、放電容量は減少した。
また、表１に示されるように、リチウムイオン導電体の添加量が１質量部よりも大きい場合（例えば、添加量＝５質量部である実施例４）、充放電に寄与しないリチウムイオン導電体の量が増えるため、放電容量は減少した。
以上の結果から、リチウムイオン導電体の添加量が、０．５質量部以上、かつ、１質量部以下、を満たすことで、放電容量をより高めることができることがわかった。
本開示の正極活物質は、二次電池などの電池の正極活物質として、好適に利用されうる。
１０ 電池
１１ ケース
１２ 正極集電体
１３ 正極活物質層
１４ セパレータ
１５ 封口板
１６ 負極集電体
１７ 負極活物質層
１８ ガスケット
２１ 正極
２２ 負極

Claims (9)

  1. 空間群ＦＭ３−Ｍに属する結晶構造を有し、下記の組成式（１）により表される化合物と、リチウムイオン導電体とを含み、
    前記リチウムイオン導電体は、前記化合物の少なくとも一部の表面を、被覆している、
    正極活物質。
    ＬｉｘＭｅｙＯαＦβ・・・式（１）
    ここで、前記Ｍｅは、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｂ、Ｃｅ、Ｓｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｐｒ、Ｔｉ、Ｗ、Ｇｅ、Ｍｏ、Ｓｎ、Ｂｉ、Ｃｕ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｙ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｅｒ、Ｌａ、Ｓｍ、Ｙｂ、からなる群より選択される一種または二種以上の元素であり、
    かつ、下記の条件、
    １．７≦ｘ≦２．２、
    ０．８≦ｙ≦１．３、
    １≦α≦２．５、
    ０．５≦β≦２、
    を満たす。
  2. 前記リチウムイオン導電体が含まれる量は、前記化合物の５質量％以下である、
    請求項１に記載の正極活物質。
  3. 前記リチウムイオン導電体が含まれる量は、前記化合物の０．５質量％以上、かつ、１質量％以下、である、
    請求項２に記載の正極活物質。
  4. 前記リチウムイオン導電体は、ＬｉＢＯ２、Ｌｉ３ＰＯ４、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＮｂＯ２、から選択される少なくとも一種である、
    請求項１から３のいずれか一項に記載の正極活物質。
  5. 前記リチウムイオン導電体は、前記化合物の表面の少なくとも一部と、固溶体を形成している、
    請求項１から４のいずれか一項に記載の正極活物質。
  6. 前記化合物を、主成分として、含む、
    請求項１から５のいずれか一項に記載の正極活物質。
  7. ｘ＋ｙ＝α＋β＝３、を満たす、
    請求項１から６のいずれか１項に記載の正極活物質。
  8. 請求項１から７のいずれか一項に記載の正極活物質を含む正極と、
    負極と、
    電解質と、
    を備える、
    電池。
  9. 前記負極は、リチウムを吸蔵および放出する特性を有する負極活物質を含み、
    前記電解質は、非水電解液である、
    請求項８に記載の電池。
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