JP2022031070A - 非水電解質二次電池用正極活物質及びそれを用いた非水電解質二次電池 - Google Patents
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Abstract
Description
Me(OH)2+LiOH・H2O+1/4O2 → LiMeO2+5/2H2O
MeO+LiOH+1/4O2 → LiMeO2+1/2H2O
リチウムとニッケルと任意にリチウム及びニッケル以外の他の元素とを含有するリチウムニッケル複合酸化物からなり、
前記リチウムニッケル複合酸化物の二次粒子を構成する一次粒子について、下記式(α):
(D90-D10)/D50 (α)
(式中、
D10:個数基準の一次粒子サイズの粒子径分布の積算値が10%に相当する粒子径
D50:個数基準の一次粒子サイズの粒子径分布の積算値が50%に相当する粒子径(平均粒子径)
D90:個数基準の一次粒子サイズの粒子径分布の積算値が90%に相当する粒子径
である)
で表されるスパンの変動係数が17%以下であることを特徴とする。
リチウムとニッケルと任意にリチウム及びニッケル以外の他の元素とを含有するリチウムニッケル複合酸化物からなり、
前記リチウムニッケル複合酸化物の二次粒子を構成する一次粒子について、D50(個数基準の一次粒子サイズの粒子径分布の積算値が50%に相当する粒子径(平均粒子径))の変動係数が19%以下であることを特徴とする。
本発明に係る非水電解質二次電池用正極活物質は、リチウム(Li)とニッケル(Ni)と任意にLi及びNi以外の他の元素とを含有するリチウムニッケル複合酸化物からなる。そして、該リチウムニッケル複合酸化物の二次粒子を構成する一次粒子は、以下の特徴を有する。
(正極活物質A)
下記式(α):
(D90-D10)/D50 (α)
(式中、
D10:一次粒子サイズ分布の積算値が10%に相当する粒子径
D50:一次粒子サイズ分布の積算値が50%に相当する粒子径(平均粒子径)
D90:一次粒子サイズ分布の積算値が90%に相当する粒子径
である)
で表されるスパンの変動係数が17%以下である。
(正極活物質B)
D50(一次粒子サイズ分布の積算値が50%に相当する粒子径(平均粒子径))の変動係数が19%以下である。
(D90-D10)/D50 (α)
(式中、
D10:一次粒子サイズ分布の積算値が10%に相当する粒子径
D50:一次粒子サイズ分布の積算値が50%に相当する粒子径(平均粒子径)
D90:一次粒子サイズ分布の積算値が90%に相当する粒子径
である)
で表されるスパン(span、単位なし)は、一次粒子サイズ分布のシャープさを示しており、均一なリチウム化反応及び均一な結晶成長が行われたか否かを表している。該スパンの変動係数は、小さいほど好ましく、大き過ぎる場合は、二次粒子内に一次粒子の大小が存在しており、前記粒界における問題が解決されない。また、結晶構造においても、結晶成長の度合いの違いが組成等の歪みとなり、一種の欠陥として存在してしまい、割れの要因となってしまう。
D10(μm):一次粒子サイズ分布の積算値が10%に相当する粒子径
D50(μm):一次粒子サイズ分布の積算値が50%に相当する粒子径(平均粒子径)
D90(μm):一次粒子サイズ分布の積算値が90%に相当する粒子径
変動係数(%)=(標準偏差/平均値)×100
LiaNibM1-bO2 (I)
(式中、Mは、Li、Ni、及びO以外の元素、0.95≦a≦1.40、0.2<b<1である)
で表される組成を有することが好ましい。
(X線回折条件)
線源:Cu-Kα
加速電圧及び電流:45kV及び200mA
サンプリング幅:0.02deg.
走査幅:15deg.~122deg.
スキャンスピード:1.0ステップ/秒
発散スリット:2/3deg.
受光スリット幅:0.15mm
散乱スリット:2/3deg.
本発明に係る非水電解質二次電池用正極活物質は、例えば以下の工程を順次行う方法にて製造することが好ましい。
工程(1):少なくともNiを含有する前駆体複合化合物を合成し、該前駆体複合化合物とリチウム化合物とを混合して混合物を調製する。
工程(2):前記工程(1)で調製した混合物を予備焼成する。
工程(3):前記工程(2)にて予備焼成した混合物を本焼成する。
まず、少なくともNiを含有する一次粒子が集まってなる凝集系である前駆体複合化合物を合成する際に、その方法には特に限定がなく、例えば、ニッケル化合物の水溶液と、目的とする正極活物質の組成に応じた他の元素を含む化合物の水溶液各種とを含む水溶液を、例えば水酸化ナトリウム水溶液、アンモニア溶液等のアルカリ水溶液を母液として撹拌させている反応槽内に滴下し、水酸化ナトリウム等も滴下しながら、pHが適切な範囲となるようにモニタリングして制御し、湿式反応によって共沈させ、例えば水酸化物、該水酸化物を仮焼した酸化物、炭酸塩等として得る方法を採用することができる。
LiaNibM1-bO2 (I)
(式中、Mは、Li、Ni、及びO以外の元素、0.95≦a≦1.40、0.2<b<1である)
で表される組成を有する場合、Niの量と各種他の元素の量との割合、すなわち、前記式(I)中のbは、0.2<b<1、さらには0.3<b<1、またさらには0.4<b<1、よりさらには0.5<b<1、特には0.8<b<1であることが好ましい。
LiaNibM1-bO2 (I)
(式中、Mは、Li、Ni、及びO以外の元素、0.95≦a≦1.40、0.2<b<1である)
で表される組成を有する場合、Liの量と、Niの量及び任意に各種他の元素の量の合計量との割合、すなわち、前記式(I)中のaは、は、0.95≦a≦1.25、さらには0.96≦a≦1.15であることが好ましい。
前記のとおり、少なくともNiを含有する正極活物質を製造する際に、焼成においてリチウム化反応及び結晶成長が行われ、該リチウム化反応は、一定の酸素分圧が必要となる。該リチウム化反応により、リチウムニッケル複合化合物が得られると共に、リチウム化合物として、例えば水酸化リチウムを用いた場合は水(水蒸気)が発生し、例えば炭酸リチウムを用いた場合は炭酸ガスが発生し、その後、昇温して所定の温度とすることで、結晶成長が促される。
ロータリーキルンの炉内での混合物の充填率(混合粉の容積/ロータリーキルン内容積で表される百分率)は、ロータリーキルンの種類に応じて、原料(混合物)のガスインプット速度及び滞留時間を変化させることによって調整することができ、滞留時間は、レトルト傾動角及びレトルト回転数を変化させることによって調整することができるが、例えば、5%~40%、さらには5~20%が好ましい。該充填率が高過ぎる場合には、焼成物の品質が低下する恐れがある。該充填率が低過ぎる場合には、充分な生産性が得られない恐れがある。
レトルト周速度は、前記レトルト回転数を変化させることによって調整することができ、例えば、1m/min~6m/minの範囲であることが好ましい。該レトルト周速度が低過ぎる場合には、炉内で混合物の粉体層が入れ替わらず、水蒸気が系外に出難くなる恐れがある。該レトルト周速度が高過ぎる場合には、混合物粉体の分離が促進されてしまう恐れがある。
炉内風速及び露点はいずれも、前記ガスインプット速度を変化させることによって調整することができる。該ガスインプット速度が低く、露点が高過ぎる場合には、特に混合物を投入するレトルト部において結露が起こり、混合物中のリチウム化合物からLiが溶解することによる、一次粒子や二次粒子の不規則な凝集/焼結等が発生し、本発明にあるような粒径を得ることができず、焼成物の品質が低下する恐れがある。該ガスインプット速度が高く、炉内風速が高過ぎる場合には、混合物粉体の選択的飛散(分離)を招く恐れがある。
予備焼成される混合物に対する昇温速度は、ロータリーキルンの温度設定により調整することができる。該昇温速度が低過ぎる場合には、充分な生産性が得られない恐れがある。該昇温速度が高過ぎる場合には、リチウム化反応が不充分で局所的なリチウム化反応が起き、均一性が得られないことから、焼成物の品質が低下する恐れがある。
予備焼成される混合物の最高温度は、ロータリーキルンの温度設定(レトルト表面温度設定)により調整することができる。本発明において、目的とする正極活物質が、前記特定範囲のスパンの変動係数及び/又は前記特定範囲のD50の変動係数を有するようにすることを考慮すると、予備焼成される混合物の最高温度は、500℃~650℃、さらには510℃~640℃、特には520℃~630℃に調整されていることが好ましい。該最高温度が前記下限値を下回る場合には、後の本焼成において、焼成物(リチウムニッケル複合酸化物)の品質が低下する恐れがある。該最高温度が前記上限値を上回る場合には、リチウム化反応と並行して結晶成長が進行してしまい、焼成物の品質が低下する恐れがある。予備焼成される混合物の最高温度がこのような範囲となるようにするには、前記混合物の充填率を考慮しながら、ロータリーキルンのレトルト表面温度を、例えば、530℃~800℃、さらには550℃~780℃、特には700℃~750℃となるように設定することが好ましい。
予備焼成中にロータリーキルンの炉内で、特に、混合物を投入する入口付近では、水分を含んだ混合物粉体が付着し易くなる場合があるので、付着物が生じた際にこれを効率よく落下させるための、例えばエアノッカー、電磁ノッカー等の外部設備を備えたロータリーキルンを使用することが好ましい。
予備焼成される混合物中のリチウム化合物は、例えば500μmを超える粒径を有するような粗大粒子を含まないように、必要に応じて予め粉砕されていることが好ましい。また、該リチウム化合物の粒度が小さすぎると混合物が嵩高くなるため、ロータリーキルン内で分離し易くなることから、均一性が低下する恐れもあり、加えて、ロータリーキルンでの処理速度が低下することから、生産性が低下する恐れもあるので、適度な粒径となるように調整することが好ましい。
前記工程(2)にて予備焼成した混合物を本焼成する際には、確実かつ均一に結晶成長を進行させて、所望の結晶構造を有する正極活物質を得ることが重要である。工程(3)にて本焼成を行うために、例えば、匣鉢や坩堝に混合物を充填して焼成する静置炉、ローラーハースキルン等の設備を用いることもでき、また予備焼成と同様にロータリーキルンを用いることもできるが、結晶化に適した条件を微調整できる焼成炉やその手段を用いることが好ましい。
本発明の非水電解質二次電池は、例えば前記のごとく製造される本発明の正極活物質を含有する正極を備えたものであり、該非水電解質二次電池は、該正極、負極、及び電解質を含む電解液から構成される。
本発明の正極活物質は、非水電解質二次電池に、長期の充放電サイクルに供した際にも、その粒界部からの割れを抑制できるので、非水電解質二次電池に、充分な電池容量及び優れたサイクル特性を付与することができる。
硫酸ニッケル水溶液、硫酸コバルト水溶液、及び硫酸アルミニウム水溶液を、NiとCoとAlとの割合(モル比)がNi:Co:Al=90:5:5となるように混合して、混合水溶液を得た。反応槽内には事前に、水酸化ナトリウム水溶液300g及びアンモニア水500gを添加した純水10Lを母液として準備し、0.7L/minの流量の窒素ガスにより反応槽内を窒素雰囲気とし、反応も窒素雰囲気で行った。
硫酸ニッケル水溶液、硫酸コバルト水溶液、及び硫酸マンガン水溶液を、NiとCoとMnとの割合(モル比)がNi:Co:Mn=85:10:5となるように混合して、混合水溶液を得た。反応槽内には事前に、水酸化ナトリウム水溶液300g及びアンモニア水500gを添加した純水10Lを母液として準備し、0.7L/minの流量の窒素ガスにより反応槽内を窒素雰囲気とし、反応も窒素雰囲気で行った。
前駆体複合化合物及び正極活物質の組成を、次の方法にて決定した。前駆体複合化合物又は正極活物質0.2gの試料を25mLの20%塩酸溶液中で加熱溶解させ、冷却後100mLメスフラスコに移して、純水を入れ調整液を調製した。該調整液について、ICP-AES[Optima8300、(株)パーキンエルマー製]を用いて各元素を定量した。
正極活物質を用いた2032型コインセルを、各々次の方法にて作製した正極、負極、及び電解液を用いて製造した。
(正極)
導電剤としてアセチレンブラック及びグラファイトを、アセチレンブラック:グラファイト=1:1(重量比)で用い、バインダーとしてポリフッ化ビニリデンを用いて、正極活物質、導電剤、及びバインダーを、正極活物質:導電剤:バインダー=90:6:4(重量比)となるように配合し、これらをN-メチルピロリドンに混合したスラリーをアルミニウム箔上に塗布した。これを110℃で乾燥してシートを作製し、このシートを15mmΦに打ち抜いた後、合材の密度が3.0g/cm3となるように圧延したものを正極とした。
(負極)
16mmΦに打ち抜いた厚さ500μmのリチウム箔を負極とした。
(電解液)
炭酸エチレン(EC)及び炭酸ジメチル(DMC)の混合溶媒を、EC:DMC=1:2(体積比)となるように調製し、これに、電解質である1MのLiPF6を混合した溶液を電解液とした。
前記方法にて製造したコインセルを用い、25℃の環境下で、4.30V(上限電圧)まで20mA/gの電流密度で定電流充電後、電流が2mA/gとなるまで定電圧充電を行った。このときの容量を初期充電容量(mAh/g)とした。
初期充放電効率(%)=(初期放電容量/初期充電容量)×100
前記方法にて製造したコインセルを用い、60℃の環境下で、4.30V(上限電圧)まで100mA/gの電流密度で定電流充電後、電流密度が2mA/gとなるまで定電圧充電を行った。次いで、5分間休止した後、同環境下で、3.00Vまで200mA/gの電流密度で定電流放電を行い、5分間休止した。この操作を1サイクルとし、100サイクルの充放電を行った。1サイクル目の放電容量の測定値及び100サイクル目の放電容量の測定値を用い、下記式に基づいてサイクル維持率を算出した。
サイクル維持率(%)
=(100サイクル目の放電容量/1サイクル目の放電容量)×100
前記前駆体複合化合物1と無水水酸化リチウムとを、LiとNi、Co、及びAlの合計量との割合(モル比)が、Li/(Ni+Co+Al)=1.02となるように秤量し、混合機を用いてこれらを混合して混合物を調製した。なお、粒径が500μmを超える粗大な無水水酸化リチウム粒子が混合物中に含まれないように、予め粉砕して用いた。
(ロータリーキルン条件)
充填率:20%
レトルト周速度:レトルト回転数を1.3rpmに調整
傾動角:1/100に調整
炉内風速及び露点:ガスインプット速度を50L/minに調整
昇温速度:レトルト表面温度を下記のとおりに設定
混合物紛体の最高温度:600℃
レトルト表面温度:630℃
実施例1において、前記前駆体複合化合物1の代わりに前記前駆体複合化合物2を用い、LiとNi、Co、及びMnの合計量との割合(モル比)が、Li/(Ni+Co+Mn)=1.04となるように秤量して混合物を調製し、混合物粉体の最高温度が630℃になるようにレトルト表面温度を調整した以外は、実施例1と同様にして混合物粉体を予備焼成した。
前記前駆体複合化合物1と無水水酸化リチウムとを、LiとNi、Co、及びAlの合計量との割合(モル比)が、Li/(Ni+Co+Al)=1.02となるように秤量し、混合機を用いてこれらを混合して混合物を調製した。なお、粒径が500μmを超える粗大な無水水酸化リチウム粒子が混合物中に含まれないように、予め粉砕して用いた。
比較例1において、前記前駆体複合化合物1の代わりに前記前駆体複合化合物2を用い、LiとNi、Co、及びMnの合計量との割合(モル比)が、Li/(Ni+Co+Mn)=1.04となるように秤量して混合物を調製し、混合物粉体の最高温度が630℃となるように調整した以外は、比較例1と同様にして混合物粉体を予備焼成した。
Claims (4)
- リチウムとニッケルと任意にリチウム及びニッケル以外の他の元素とを含有するリチウムニッケル複合酸化物からなる正極活物質であって、
前記リチウムニッケル複合酸化物の二次粒子を構成する一次粒子について、下記式(α):
(D90-D10)/D50 (α)
(式中、
D10:個数基準の一次粒子サイズの粒子径分布の積算値が10%に相当する粒子径
D50:個数基準の一次粒子サイズの粒子径分布の積算値が50%に相当する粒子径(平均粒子径)
D90:個数基準の一次粒子サイズの粒子径分布の積算値が90%に相当する粒子径
である)
で表されるスパンの変動係数が17%以下であることを特徴とする、非水電解質二次電池用正極活物質。 - リチウムとニッケルと任意にリチウム及びニッケル以外の他の元素とを含有するリチウムニッケル複合酸化物からなる正極活物質であって、
前記リチウムニッケル複合酸化物の二次粒子を構成する一次粒子について、D50(個数基準の一次粒子サイズの粒子径分布の積算値が50%に相当する粒子径(平均粒子径))の変動係数が19%以下であることを特徴とする、非水電解質二次電池用正極活物質。 - 下記式(I):
LiaNibM1-bO2 (I)
(式中、Mは、Li、Ni、及びO以外の元素で、Co、Al、及びMnの少なくとも1つを含み、0.95≦a≦1.40、0.2<b<1である)
で表される組成を有する、請求項1又は2に記載の非水電解質二次電池用正極活物質。 - 前記式(I)において、0.95≦a≦1.25、0.8<b<1である、請求項3に記載の非水電解質二次電池用正極活物質。
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