JP2021150130A - 多層型リチウムイオン二次電池用正極活物質及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
コア部(A)を被覆してなる、層厚み600nm〜5000nmの内層(B)と、さらに内層(B)を被覆してなる、層厚み2nm〜80nmの外層(C)
を有する多層型リチウムイオン二次電池用正極活物質であって、
コア部(A)が、下記式(I)又は式(II):
LiNiaCobMncM1 xO2・・・(I)
(式(I)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、xは、0.3≦a<1、0<b≦0.7、0<c≦0.7、0≦x≦0.3、かつ3a+3b+3c+(M1の価数)×x=3を満たす数を示す。)
LiNidCoeAlfM2 yO2・・・(II)
(式(II)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、yは、0.4≦d<1、0<e≦0.6、0<f≦0.3、0≦y≦0.3、かつ3d+3e+3f+(M2の価数)×y=3を満たす数を示す。)
で表されるリチウム複合酸化物二次粒子(a)からなり、
内層(B)が、下記式(III)又は式(III)':
LigMnhFeiM3 zPO4・・・(III)
(式(III)中、M3はCo、Ni、Mg、Ca、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd又はGdを示す。g、h、i、及びzは、0<g≦1.2、0≦h≦1.2、0≦i≦1.2、0≦z≦0.3、及びh+i≠0を満たし、かつg+(Mnの価数)×h+(Feの価数)×i+(M3の価数)×z=3を満たす数を示す。)
Mnh’Fei’M3 z'PO4・・・(III)'
(式(III)'中、M3は式(III)と同義である。h'、i'、及びz'は、0≦h'≦1.2、0≦i'≦1.2、0≦z'≦0.3、及びh'+i'≠0を満たし、かつ(Mnの価数)×h'+(Feの価数)×i'+(M3の価数)×z'=3を満たす数を示す。)で表され、かつ表面に炭素(x)が担持してなるリチウム系ポリアニオン粒子(b)からなり、
外層(C)が、グラファイト、グラフェン、カーボンブラック、及びカーボンナノファイバーから選ばれる水不溶性炭素粉末(c)からなり、
表面に炭素(x)が担持してなるリチウム系ポリアニオン粒子(b)の含有量と、リチウム複合酸化物二次粒子(a)の含有量との質量比((b):(a))が、5:95〜55:45である多層型リチウムイオン二次電池用正極活物質を提供するものである。
(P1)リチウム化合物と、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とリン酸化合物とから水熱反応物を得た後、或いは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とリン酸化合物とから水熱反応物を得た後、炭素(x)源を混合して噴霧乾燥し、表面に炭素(x)を担持してなるリチウム系ポリアニオン粒子(b)から形成されてなる造粒体(Z)を得る工程
(P2)圧縮力及びせん断力を付加した混合を行いながら、リチウム複合酸化物二次粒子(a)に造粒体(Z)を添加し、次いで水不溶性炭素粉末(c)を添加する工程
を備える上記多層型リチウムイオン二次電池用正極活物質の製造方法を提供するものである。
本発明の多層型リチウムイオン二次電池用正極活物質は、平均粒径3μm〜30μmの上記コア部(A)と、
コア部(A)を被覆してなる、層厚み600nm〜5000nmの上記内層(B)と、
さらに内層(B)を被覆してなる、層厚み2nm〜80nmの上記外層(C)
を有する多層構造、いわゆるコア部(内部)とシェル部(表層部)とを有するコア−シェル構造の粒子である。
このように、本発明の多層型リチウムイオン二次電池用正極活物質の中核としてのコア部(A)をリチウム複合酸化物二次粒子(a)が形成するなか、中間層としての内層(B)をリチウム系ポリアニオン粒子(b)が形成しながら、これらの最外殻として水不溶性炭素粉末(c)が外層(C)を形成してなる堅固な多層構造を呈しており、リチウム複合酸化物二次粒子とリチウム系ポリアニオン粒子とが強固に複合化しつつ、これらを堅固に外層(C)が被覆してなる。そのため、過酷な温度変化に対しても、リチウム複合酸化物二次粒子とリチウム系ポリアニオン粒子との複合化が乱されるのを有効に抑制することが可能になるとともに、堅固に被覆された外層(C)の存在とも相まって、高い導電率を保持することも可能となり、低温から高温にわたる幅広い温度変化に対応し得る安定した電池特性を示すことができる。
LiNiaCobMncM1 xO2・・・(I)
(式(I)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、xは、0.3≦a<1、0<b≦0.7、0<c≦0.7、0≦x≦0.3、かつ3a+3b+3c+(M1の価数)×x=3を満たす数を示す。)
LiNidCoeAlfM2 yO2・・・(II)
(式(II)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、yは、0.4≦d<1、0<e≦0.6、0<f≦0.3、0≦y≦0.3、かつ3d+3e+3f+(M2の価数)×y=3を満たす数を示す。)
で表されるリチウム複合酸化物二次粒子(a)からなる。
これらの粒子は、一次粒子が凝集することによって形成される。したがって、かかるリチウム複合酸化物二次粒子(a)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)」とも称する。
また、上記式(I)中のa、b、c、xは、0.3≦a<1、0<b≦0.7、0<c≦0.7、0≦x≦0.3、かつ3a+3b+3c+(M1の価数)×x=3を満たす数である。
また、上記式(II)中のd、e、f、yは、0.4≦d<1、0<e≦0.6、0<f≦0.3、0≦y≦0.3、かつ3d+3e+3f+(M2の価数)×y=3を満たす数である。
上記NCA系複合酸化物二次粒子(a)としては、具体的には、例えばLiNi0.8Co0.1Al0.1O2、LiNi0.8Co0.15Al0.03Mg0.03O2、LiNi0.8Co0.15Al0.03Zn0.03O2等からなる粒子が挙げられる。なかでもLiNi0.8Co0.15Al0.03Mg0.03O2からなる粒子が好ましい。
なお、リチウム複合酸化物二次粒子(a)の一次粒子の平均粒径は、SEM又はTEMの電子顕微鏡による観察において、100個の多層型リチウムイオン二次電池用正極活物質から測定されるリチウム複合酸化物二次粒子(a)の一次粒子の平均値を意味する。
なお、リチウム複合酸化物二次粒子(a)の平均粒径(D50)は、レーザ回折・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って、累積50%での粒径を意味する。
LigMnhFeiM3 zPO4・・・(III)
(式(III)中、M3は、Co、Ni、Mg、Ca、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd又はGdを示す。g、h、i、及びzは、0<g≦1.2、0≦h≦1.2、0≦i≦1.2、0≦z≦0.3、及びh+i≠0を満たし、かつg+(Mnの価数)×h+(Feの価数)×i+(M3の価数)×z=3を満たす数を示す。)
Mnh’Fei’M3 z'PO4・・・(III)'
(式(III)'中、M3は式(III)と同義である。h'、i'、及びz'は、0≦h'≦1.2、0≦i'≦1.2、0≦z'≦0.3、及びh'+i'≠0を満たし、かつ(Mnの価数)×h'+(Feの価数)×i'+(M3の価数)×z'=3を満たす数を示す。)で表され、前者はLi含有の粒子である一方、後者はLiを含有しない粒子ではあるものの、双方ともオリビン型構造を有するリチウム系ポリアニオン粒子(b)であり、その表面には、リチウム系ポリアニオン粒子(b)を被覆するように炭素(x)が担持してなる。
具体的には、例えばLiMnPO4、LiMn0.9Fe0.1PO4、LiMn0.8Fe0.2PO4、LiMn0.75Fe0.15Mg0.1PO4、LiMn0.75Fe0.19Zr0.015PO4、LiMn0.7Fe0.3PO4、LiMn0.6Fe0.4PO4、LiMn0.5Fe0.5PO4、Li1.2Mn0.63Fe0.27PO4、Li0.6Mn0.84Fe0.36PO4、Mn0.7Fe0.3PO4等が挙げられる。なかでも、LiMn0.7Fe0.3PO4、LiMn0.8Fe0.2PO4、Li1.2Mn0.63Fe0.27PO4、Li0.6Mn0.84Fe0.36PO4、又はMn0.7Fe0.3PO4が好ましい。
なお、リチウム系ポリアニオン粒子(b)の平均粒径は、一次粒子の平均粒径であり、SEM又はTEMの電子顕微鏡による観察において測定される平均値を意味する。
ここで、内層(B)の層厚みとは、SEM又はTEMの電子顕微鏡による観察において、100個の多層型リチウムイオン二次電池用正極活物質から測定される内層(B)の層厚みの平均値を意味する。
ここで、外層(C)の層厚みとは、内層(B)と同様、SEM又はTEMの電子顕微鏡による観察において、100個の多層型リチウムイオン二次電池用正極活物質から測定される内層(C)の層厚みの平均値を意味する。
なお、多層型リチウムイオン二次電池用正極活物質の平均粒径は、レーザ回折・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って、累積50%での粒径を意味する。
具体的には、本発明の多層型リチウムイオン二次電池用正極活物質の電気伝導度は、25℃での20MPa加圧時において、好ましくは5e−6S/cm〜5e−2S/cmであり、より好ましくは1e−5S/cm〜5e−2S/cmである。
具体的には、ラマン分光法によって求められるラマンスペクトルにおいて、水不溶性炭素粉末(c)由来の炭素に関わるDバンドのピーク強度(I(D)、ピーク位置:1350cm-1付近)とPO4 3-に関わるピーク強度(I(PO4)、ピーク位置:950cm-1付近)との強度比(I(PO4)/I(D))が、好ましくは0.001〜0.06であり、より好ましくは0.002〜0.06である。したがって、強度比(I(PO4)/I(D))がかかる範囲内であれば、コア部(A)を被覆してなる内層(B)の表面が、外層(C)により良好に被覆されていることを示す。
(P1)リチウム化合物と、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とリン酸化合物とから水熱反応物を得た後、或いは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とリン酸化合物とから水熱反応物を得た後、炭素(x)源を混合して噴霧乾燥し、表面に炭素(x)を担持してなるリチウム系ポリアニオン粒子(b)から形成されてなる造粒体(Z)を得る工程
(P2)圧縮力及びせん断力を付加した混合を行いながら、リチウム複合酸化物二次粒子(a)に造粒体(Z)を添加し、次いで水不溶性炭素粉末(c)を添加する工程
を備える。
これら所定の原料化合物から水熱反応物を得るには、具体的には、これらの原料化合物を含有するスラリー水を調製し、水熱反応に付せばよい。
なかでもリン酸を用い、これを混合物に滴下して少量ずつ加えながら混合するのが好ましく、混合した後に窒素をパージするのが好ましい。また、リン酸化合物を混合した後の混合物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い。
得られた造粒体(Z)は還元雰囲気又は不活性雰囲気中において焼成するのがよい。焼成条件としては、焼成温度が400℃〜800℃であり、焼成時間が10分〜3時間であるのが好ましい。
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し(製法a1)、得られたNCM系複合酸化物二次粒子(a)を用いてもよく、或いは
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し(製法a2)、得られたNCA系複合酸化物二次粒子(a)を用いてもよい。
次に、上記水溶液aに、水酸化ナトリウムや水酸化カリウム等のアルカリ剤を添加して水溶液bとし、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得る。次いで水溶液bを30℃〜60℃の温度で30分間〜120分間撹拌して、金属複合水酸化物を生成させる。
次いで、所望する複合酸化物の組成となるように、上記金属複合水酸化物とリチウム化合物を乾式混合し、酸素雰囲気下で焼成することにより、NCM系複合酸化物を得る。
最後に、得られた焼成物を水洗した後、濾過、及び乾燥してNCM系複合酸化物粒子(a)を得る。
なお、インペラの周速度とは、回転式攪拌翼(インペラ)の最外端部の速度を意味し、下記式(1)により表すことができ、また圧縮力及びせん断力を付加しながら混合する処理を行う時間は、インペラの周速度が遅いほど長くなるように、インペラの周速度によっても変動し得る。
インペラの周速度(m/s)=
インペラの半径(m)×2×π×回転数(rpm)÷60・・・(1)
なお、インペラを備える密閉容器を有した装置としては、例えば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)が挙げられる。
用いる水不溶性炭素粉末(c)としては、上記のとおり、グラファイト、グラフェン、カーボンブラック、及びカーボンナノファイバーから選ばれる1種又は2種以上が挙げられる。
具体的には、ここでのインペラの周速度は、リチウム複合酸化物二次粒子(a)に対して効果的に外層(C)を被覆し、得られる多層型リチウムイオン二次電池用正極活物質の内層(B)及び外層(C)の剥離を抑止する観点から、好ましくは15m/s〜45m/sであり、より好ましくは15m/s〜35m/sである。また、混合時間は、好ましくは3分間〜90分間であり、より好ましくは5分間〜60分間である。
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、かかる混合液に、滴下速度300ml/分で25%アンモニア水を滴下して、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、空気雰囲気下で800℃×5時間仮焼成して解砕した後、本焼成として空気雰囲気下で800℃×10時間焼成し、リチウム複合酸化物二次粒子(LiNi0.33Co0.33Mn0.34O2、平均粒径:10μm)を得た。
LiOH・H2O 4071g、及び水9.657L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75%のリン酸水溶液4204gを40mL/分で滴下して、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0.1mg/Lとした後、スラリーb2全量に対し、MnSO4・5H2O 3807g、FeSO4・7H2O 2684g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、160℃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。その後フィルタープレス装置で脱水し、脱水ケーキb4を得た。
脱水ケーキb4中のリチウム系ポリアニオン粒子の平均粒径は、100nmであった。
得られた脱水ケーキb4を8000g分取し、セルロースナノファイバー(FD100F、ダイセルファインケム社製)1200g、水8.5Lを添加して、固形分濃度30%のスラリー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10分間分散処理して全体を均一に混合させた後、スプレードライ装置(MDL−050M、藤崎電機株式会社製)を用いて乾燥温度130℃で噴霧乾燥し、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、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ン酸マンガン鉄リチウム二次粒子(LiMn0.7Fe0.3PO4、炭素(x)の担持量:2.0質量%、平均粒径:12μm)を得た。
ボールミルの混合時間を3時間とした以外、製造例1と同様にしてリチウム複合酸化物二次粒子(LiNi0.33Co0.33Mn0.34O2、平均粒径(D50):3μm)を得た。
ボールミルの混合時間を10分間とした以外、製造例1と同様にしてリチウム複合酸化物二次粒子(LiNi0.33Co0.33Mn0.34O2、平均粒径(D50):25μm)を得た。
製造例1で得られたリチウム複合酸化物二次粒子(a)450gと製造例2で得られたリチウム系ポリアニオン粒子(b)50gをノビルタ(ホソカワミクロン社製、NOB−130)を用いて2000rpmで10分間の複合化処理を行い、コア部(A)とこれを被覆してなる内層(B)とを有した予備粒子を得た。続けて、グラファイト(日本黒鉛社製、UP−5N)2.5gを添加し、2000rpmで5分間の複合化処理を行い、さらに内層(B)を被覆してなる外層(C)を有した多層型リチウムイオン二次電池用正極活物質を得た。
リチウム複合酸化物二次粒子(a)を350g、リチウム系ポリアニオン粒子(b)を150gとした以外、実施例1と同様にして多層型リチウムイオン二次電池用正極活物質を得た。
リチウム複合酸化物二次粒子(a)を250g、リチウム系ポリアニオン粒子(b)を250gとした以外、実施例1と同様にして多層型リチウムイオン二次電池用正極活物質を得た。
リチウム複合酸化物二次粒子(a)を350g、リチウム系ポリアニオン粒子(b)を150gとし、グラファイトの代わりにカーボンブラック(EC−600JD、ライオン・スペシャリティ・ケミカルズ社 一次粒子径34nm)2.5gを添加した以外、実施例1と同様にして多層型リチウムイオン二次電池用正極活物質を得た。
リチウム複合酸化物二次粒子(a)を350g、リチウム系ポリアニオン粒子(b)を150gとし、グラファイトの代わりにグラフェン(XG sciences社製、xGNP、平均粒径30μm)2.5gを添加した以外、実施例1と同様にして多層型リチウムイオン二次電池用正極活物質を得た。
リチウム複合酸化物二次粒子(a)を350g、リチウム系ポリアニオン粒子(b)を150g、グラファイトを0.5gとした以外、実施例1と同様にして多層型リチウムイオン二次電池用正極活物質を得た。
リチウム複合酸化物二次粒子(a)を350g、リチウム系ポリアニオン粒子(b)を150g、グラファイトを7.5gとした以外、実施例1と同様にして多層型リチウムイオン二次電池用正極活物質を得た。
リチウム複合酸化物二次粒子(d)を350gとし、リチウム系ポリアニオン粒子(b)を150g添加した以外、実施例1と同様にして多層型リチウムイオン二次電池用正極活物質を得た。
リチウム複合酸化物二次粒子(e)を350gとし、リチウム系ポリアニオン粒子(b)を150g添加した以外、実施例1と同様にして多層型リチウムイオン二次電池用正極活物質を得た。
リチウム複合酸化物二次粒子(a)を350g、リチウム系ポリアニオン粒子(b)を150g、グラファイトを10gとした以外、実施例1と同様にして多層型リチウムイオン二次電池用正極活物質を得た。
リチウム複合酸化物二次粒子(a)を350g、リチウム系ポリアニオン粒子(b)を150g、グラファイトを50gとした以外、実施例1と同様にして多層型リチウムイオン二次電池用正極活物質を得た。
リチウム複合酸化物二次粒子(a)を350g、リチウム系ポリアニオン粒子(b)を150gとし、グラファイトを添加することなく複合化処理を行った以外、実施例1と同様にして、コア部(A)と内層(B)のみを有する多層型リチウムイオン二次電池用正極活物質を得た。
製造例1で得られたリチウム複合酸化物二次粒子(a)350g、製造例2で得られたリチウム系ポリアニオン粒子(b)150g、及びグラファイト(日本黒鉛社製、UP−5N)2.5gをノビルタ(ホソカワミクロン社製、NOB−130)を用いて2000rpmで10分間の一括した複合化処理を行い、リチウムイオン二次電池用正極活物質を得た。
実施例及び比較例で得られた各正極活物質について、内層(B)の層厚みはSEMの電子顕微鏡を用い、外層(C)の層厚みはSEMの電子顕微鏡を用いて観察し、100個の粒子の層厚みを測定して平均値を求めた。
実施例及び比較例で得られた各正極活物質について、マイクロトラック・ベル社のMT3300EX IIを用いて粒度分布測定を行い、1μm以下の微粒子量(体積%)と平均粒径(D50)を求めた。
実施例及び比較例で得られた各正極活物質について、粉体抵抗装置(三菱ケミカルアナリティック社、MCP−PD51型)を用い、25℃での20MPa加圧時における電気伝導度(S/cm)を算出した。
実施例及び比較例で得られた各正極活物質について、ラマン分光光度計(NRS−1000、日本分光社製)を用いてラマン分光スペクトルを測定し、ピーク強度(I(D)、ピーク位置:1350cm-1付近)とPO4 3-に関わるピーク強度(I(PO4)、ピーク位置:950cm-1付近)を測定し、強度比(I(PO4)/I(D))を求めた。
上記リチウムイオン二次電池の作製中において調製した正極スラリーにつき、250℃における粘度を粘度計(LVDI−I+, Brookfield Engineering Laboratories社)にて測定した。
なお、かかる25℃における粘度が、1000〜5500mPa・sec(好ましくは1500〜5000mPa・sec)であれば、用いた正極活物質において微粒子の発生が有効に低減されており、集電体への塗工性に優れた正極スラリーであると評価することができる。
実施例及び比較例で得られた各正極活物質を用いて正極スラリーを調製した。具体的には、正極活物質、アセチレンブラック、ポリフッ化ビニリデンを質量比98:1:1の配合割合で混合し、得られた混合物100質量部に対して、N−メチル−2−ピロリドンを1質量部加えて充分混練し、正極スラリーを調製した。
次に、上記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、ポリプロピレンを用いた。これらの電池部品を露点が−50℃以下の雰囲気中にて常法により組み込み収容し、コイン型二次電池1(CR−2032)を得た。
得られたコイン型二次電池1を用い、放電容量測定装置(HJ−1001SD8、北斗電工社製)にて気温45℃環境での、0.2C(34mAh/g)、3C(510mAh/g)の放電容量を測定した。
さらに、気温45℃環境での1Cでの充放電の30回繰り返しによる、下記式(2)による容量維持率(サイクル特性)を求めた。
容量維持率(%)=(30サイクル後の放電容量)/(1サイクル後の放電容量)
×100 ・・・(2)
実施例及び比較例で得られた各正極活物質を用いて正極スラリーを調製した。具体的には、正極活物質、アセチレンブラック、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、得られた混合物100質量部に対して、N−メチル−2−ピロリドンを1質量部加えて充分混練し、正極スラリーを調製した。
次いで、リチウムイオン二次電池の作製1と同様にして、コイン型二次電池2(CR−2032)を得た。
得られたコイン型二次電池2を用い、0℃における5Cの放電容量を測定した。次いで、下記式(3)から電極密度を算出するとともに、下記式(4)から0℃環境下の正極体積エネルギー密度を算出した。
電極密度(g/cm3)=
正極中の正極活物質質量(mg)/電極体積(φ14mm×厚さ(μm))
・・・(3)
0℃環境下の正極体積エネルギー密度(Wh/g)=
0℃における放電容量(mAh/g)×平均電圧(V)×電極密度(g/cm3) ・・・(4)
そのため、比較例で得られた正極活物質に比して、電極密度及び0℃環境下の正極体積エネルギー密度及び45℃環境高温下での容量維持率について高い値を示しており、幅広い温度変化に晒されても安定して優れた電池特性を発現できることがわかる。
Claims (7)
- 平均粒径3μm〜30μmのコア部(A)と、
コア部(A)を被覆してなる、層厚み600nm〜5000nmの内層(B)と、
さらに内層(B)を被覆してなる、層厚み2nm〜80nmの外層(C)
を有する多層型リチウムイオン二次電池用正極活物質であって、
コア部(A)が、下記式(I)又は式(II):
LiNiaCobMncM1 xO2・・・(I)
(式(I)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、xは、0.3≦a<1、0<b≦0.7、0<c≦0.7、0≦x≦0.3、かつ3a+3b+3c+(M1の価数)×x=3を満たす数を示す。)
LiNidCoeAlfM2 yO2・・・(II)
(式(II)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、yは、0.4≦d<1、0<e≦0.6、0<f≦0.3、0≦y≦0.3、かつ3d+3e+3f+(M2の価数)×y=3を満たす数を示す。)
で表されるリチウム複合酸化物二次粒子(a)からなり、
内層(B)が、下記式(III)又は式(III)':
LigMnhFeiM3 zPO4・・・(III)
(式(III)中、M3はCo、Ni、Mg、Ca、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd又はGdを示す。g、h、i、及びzは、0<g≦1.2、0≦h≦1.2、0≦i≦1.2、0≦z≦0.3、及びh+i≠0を満たし、かつg+(Mnの価数)×h+(Feの価数)×i+(M3の価数)×z=3を満たす数を示す。)
Mnh’Fei’M3 z'PO4・・・(III)'
(式(III)'中、M3は式(III)と同義である。h'、i'、及びz'は、0≦h'≦1.2、0≦i'≦1.2、0≦z'≦0.3、及びh'+i'≠0を満たし、かつ(Mnの価数)×h'+(Feの価数)×i'+(M3の価数)×z'=3を満たす数を示す。)で表され、かつ表面に炭素(x)が担持してなるリチウム系ポリアニオン粒子(b)からなり、
外層(C)が、グラファイト、グラフェン、カーボンブラック、及びカーボンナノファイバーから選ばれる水不溶性炭素粉末(c)からなり、
表面に炭素(x)が担持してなるリチウム系ポリアニオン粒子(b)の含有量と、リチウム複合酸化物二次粒子(a)の含有量との質量比((b):(a))が、5:95〜55:45である多層型リチウムイオン二次電池用正極活物質。 - 水不溶性炭素粉末(c)の含有量が、リチウム複合酸化物二次粒子(a)と表面に炭素(x)が担持してなるリチウム系ポリアニオン粒子(b)との合計含有量100質量部に対し、0.05質量部〜1.7質量部である請求項1に記載の多層型リチウムイオン二次電池用正極活物質。
- リチウム系ポリアニオン粒子(b)の表面における炭素(x)の担持量が、リチウム系ポリアニオン粒子(b)100質量%中に0.1質量%以上18質量%未満である請求項1又は2に記載の多層型リチウムイオン二次電池用正極活物質。
- 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(x)が、セルロースナノファイバー由来の炭素(x1)又は水溶性炭素材料由来の炭素(x2)である請求項1〜3のいずれか1項に記載の多層型リチウムイオン二次電池用正極活物質。
- 25℃での20MPa加圧時における電気伝導度が、5e−6S/cm〜5e−2S/cmである請求項1〜4のいずれか1項に記載の多層型リチウムイオン二次電池用正極活物質。
- ラマン分光法によって求められるラマンスペクトルにおいて、水不溶性炭素粉末(c)由来の炭素に関わるDバンドのピーク強度(I(D))とPO4 3-に関わるピーク強度(I(PO4))との強度比(I(PO4)/I(D))が、0.002〜0.06である請求項1〜5のいずれか1項に記載の多層型リチウムイオン二次電池用正極活物質。
- 次の工程(P1)〜(P2):
(P1)リチウム化合物と、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とリン酸化合物とから水熱反応物を得た後、或いは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とリン酸化合物とから水熱反応物を得た後、炭素(x)源を混合して噴霧乾燥し、表面に炭素(x)を担持してなるリチウム系ポリアニオン粒子(b)から形成されてなる造粒体(Z)を得る工程
(P2)圧縮力及びせん断力を付加した混合を行いながら、リチウム複合酸化物二次粒子(a)に造粒体(Z)を添加し、次いで水不溶性炭素粉末(c)を添加する工程
を備える請求項1〜6のいずれか1項に記載の多層型リチウムイオン二次電池用正極活物質の製造方法。
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