JP2022507056A - リチウム化遷移金属酸化物を製造するためのプロセス - Google Patents

Abstract

スループットおよび焼成に関する以前の問題を解決する、リチウム化遷移金属酸化物などの電気化学的活性材料を形成するためのプロセスを提供する。そのプロセスは、焼成前にカリウムを含む加工添加剤の存在下で材料を形成し、増大した一次粒子グレインサイズを有する活性材料を生成することを含む。【選択図】図１

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１８年１１月９日に出願された米国仮出願第６２／７５７，８７５号に基づき、優先権を主張し、その全内容は参照により本明細書に組み込まれる。

本発明は、一次または二次電池での使用に好適な電気化学的活性材料の形成に関し、より具体的には、リチウム化遷移金属酸化物の形成に関する。

電池で使用するための電気化学的活性材料の形成には、典型的には、２つの主要なステップが含まれる。第一に、前駆体は、共沈反応などによって形成され、それにより、遷移金属が水酸化物または炭酸塩の形態で相互混合されて、前駆体粉末を形成する。次いで、この前駆体は、リチウム化合物と混合され、高温下で焼成されて、活性材料を形成する。

これらのプロセスで形成される活性材料の電気化学的性能を改善し、製造コストを削減することが強く望まれている。リチウムイオン電池に使用するための電極材料の性能は、電極材料の粒子径を小さくすることによって改善される。これは、一般に、小さい粒子径の３つの主な利点によるものである。第一に、より小さな粒子径は、より大きな表面積と相関があり、改善された電荷移動速度論をもたらすと考えられる。第二に、小さな粒子径は、粒子の内部へのリチウムイオンの拡散動力学を改善し、より高い充電／放電速度でより大きな容量をもたらす。最後に、粒子が小さいほど、電解質との有効な接触面が大きくなり、電解質からリチウムイオンが取り込まれる可能性が高くなり、電池の電力密度が向上する。このように、活性材料の粒子径を小さくする試みは現在進行中の研究分野である。最近の開発により、ナノスケールの粒子径を達成することができた。

電池性能を改善するためのこれまでの取り組みは、多くの点で成功しているが、これらの活性材料の完全な理論的能力を十分に発揮するには至っていない。このように、電気化学電池で使用するための電気化学的活性材料を形成する改善されたプロセスに関するニーズが存在している。

以下の概要は、本開示に固有の革新的な機能のいくつかの理解を容易にするために提供しており、完全な説明を意図するものではない。明細書全体、特許請求の範囲、図面、および要約を全体として捉えることによって、本開示のさまざまな態様を完全に理解することができる。

リチウム化遷移金属酸化物などの電気化学的活性材料の結果として生じる電気化学的容量を改善する方法を提供する。プロセスは、遷移金属前駆体、加工添加剤、およびリチウム化合物を相互混合して、活性材料前駆体を形成することと、酸化性雰囲気中で、その活性材料前駆体を、任意選択で７００℃以上の温度に加熱することであって、グレインサイズを有する複数の一次粒子を有するリチウム化遷移金属酸化物を形成するのに十分な焼成時間加熱する、加熱することと、を含む、リチウム化遷移金属酸化物の形成を含む。１つの特定の理論に限定されることなく、酸化性雰囲気における活性物質の改善された輸送は、加工添加剤と組み合わせて活性材料前駆体のグレインサイズを増大させることによって、任意選択で、事前に定義された範囲内のグレインサイズを形成することによって、達成され、得られる材料全体が改善される。任意選択で、第１の焼成の前に、加工添加剤を系に加える。任意選択で、活性材料前駆体を、第１の焼成に供し（任意選択で、加工添加剤への曝露の前に）、次いで、得られた粒子を加工添加剤と相互混合して、第１の焼成後に達成された第１のグレインサイズよりも大きいグレインサイズを有する第２のリチウム化遷移金属酸化物を形成する。次いで、第２のリチウム化遷移金属前駆体は、第２の焼成に供することができる。処理助剤は、任意選択でカリウムを含み、任意選択でカリウム塩、任意選択でカリウムの炭酸塩または水酸化物である。加工添加剤は、０．１重量パーセント～１０重量パーセントで存在し得る。いくつかの態様では、改善結果は、２μｍ以上、任意選択で２μｍ～１５μｍ、任意選択で４μｍ～１５μｍのグレインサイズを有する粒子を形成することによって達成され得る。いくつかの態様では、活性材料前駆体におけるリチウムの遷移金属に対するモル比は０．８～１．１である。いくつかの態様では、遷移金属前駆体としては、任意選択で、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｖ、Ｃｒ、Ｓｎ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｗ、Ｆｅ、Ｓｉ、Ｂ、他の遷移金属、または希土類元素、またはそれらの任意の組み合わせが挙げられる。リチウム化合物は、任意選択で、水酸化リチウム、酸化リチウム、炭酸リチウム、硝酸リチウム、硫酸リチウム、酢酸リチウム、過酸化リチウム、炭酸水素リチウム、ハロゲン化リチウム、またはそれらの組み合わせである。任意選択で、加熱のステップは、酸化性雰囲気、任意選択で酸素富化またはオゾン富化雰囲気であり、「富化」とは、海抜での地球大気中の酸素またはオゾンレベルと比較している。加熱のステップは、任意選択で７００℃～１０００℃の温度である。焼成時間は、任意選択で１～６０時間である。本明細書で提供されるプロセスから生じる形成されたリチウム化遷移金属酸化物は、任意選択で、４０ニュートン未満の粉砕強度を有する。リチウム化遷移金属酸化物は、任意選択で圧潰され、任意選択で電気化学電池でのその後の使用または他の所望の使用のために事前に充填される。

図面に記載された態様は、本質的に説明的かつ例示的であり、特許請求の範囲によって定義される主題を限定することを意図するものではない。説明的な態様の以下の詳細な説明は、以下の図面と併せて読むと理解することができる。
いくつかの態様に従って、本明細書で提供されるリチウム化遷移金属酸化物を形成するプロセスの概略図を示している。 Ｋ_２ＣＯ_３加工添加剤の非存在下で形成され、焼成された、比較的小さい一次粒子グレインサイズを示しているＬｉＮｉＯ_２粒子の走査型電子顕微鏡画像（５μｍスケール）を示している。 Ｋ_２ＣＯ_３加工添加剤の存在下で形成され、焼成された、比較的大きい一次粒子グレインサイズを示しているＬｉＮｉＯ_２粒子の走査型電子顕微鏡画像（５μｍスケール）を示している。 Ｋ_２ＣＯ_３加工添加剤の非存在下で形成され、焼成された、比較的小さい一次粒子グレインサイズを示しているＬｉＮｉ_０．８Ｃｏ_０．１Ｍｎ_０．１Ｏ_２粒子の走査型電子顕微鏡画像（２．５μｍスケール）を示している。 Ｋ_２ＣＯ_３加工添加剤の存在下で形成され、焼成された、比較的大きい一次粒子グレインサイズを示しているＬｉＮｉ_０．８Ｃｏ_０．１Ｍｎ_０．１Ｏ_２粒子の走査型電子顕微鏡画像（２．５μｍスケール）を示している。

本開示は、任意選択で電気化学電池において使用するための電気化学的活性材料を形成する新しいプロセスに関する。そのような活性材料の組成または構造に焦点を当てる代わりに、本発明は、焼成時間を短縮し、いくつかの態様では、焼成後の材料の硬度を低減することによって、電気化学的活性材料を製造するために必要な時間を短縮する。焼成前に意図的に比較的大きな一次粒子径を形成することで、焼成反応のスループットが向上し、焼成および下流プロセスでのマテリアルハンドリングが改善されることが見出された。電気化学的活性材料を製造する従来の方法では、最終的な一次粒子径は５００ｎｍ未満となる。これらの小さな一次粒子径は、電気化学的性能のために望ましいと考えられる。しかしながら、本発明者らは、最終的な焼成の前に、一次粒子のサイズを増大させることによって、製造時間／コストを削減して性能を改善できることを見出した。このように、本発明のプロセスは、それらが比較的大きなグレインサイズをもたらし、場合により直径が２μｍ以上のオーダーのグレインサイズをもたらすという点で、従来の方法と全く矛盾している。それは、焼成反応に供される材料のこれらの比較的大きなグレインサイズである。

さらに、提供されるプロセスは、少なくともより大きなスループットおよび電気化学的活性材料のより効果的な形成によって、コスト削減のニーズに対処する。製造コストの見積もりは、電気化学的活性材料の製造において本明細書に記載されるような大きなグレインサイズの使用は、従来のプロセスと比較して、コストが有意に削減されることを示唆している。

本明細書で使用される場合、「リチウム化遷移金属酸化物」という用語は、材料が焼成に供されたリチウムおよび少なくとも１つの遷移金属を含有する金属酸化物、任意選択で混合金属酸化物を指す。

本明細書で使用される場合、「遷移金属前駆体」という用語は、水酸化物、酸化物、オキシ水酸化物、炭酸塩、または硝酸塩の形態の遷移金属を指す。

本明細書で使用される場合、「リチウム化合物」という用語は、水酸化リチウム、酸化リチウム、炭酸リチウム、硝酸リチウム、硫酸リチウム、酢酸リチウム、過酸化リチウム、炭酸水素リチウム、またはハロゲン化リチウムの形態のリチウム含有組成物を指す。

本明細書で使用される場合、「活性材料前駆体」という用語は、リチウム化合物と、遷移金属前駆体と、いくつかの態様では、本明細書で提供される加工添加剤との相互混合生成物を指す。

本明細書で使用される場合、「焼成」という用語は、材料の化学変換を引き起こすように酸化性雰囲気の存在下での熱処理として理解される。

本明細書に提供される温度は、任意選択で、記載の通りの絶対数であるか、または記載の通りの絶対数から±１０℃と定義されるおおよその温度である。

本明細書で使用される「グレインサイズ」とは、本明細書で提供される加工添加剤の非存在下で生成された材料と比較して、増加した直径（平均断面寸法）を有するが識別可能な構造であり、典型的には０．５マイクロメートル（μｍ）以上のグレインサイズである。グレインサイズは、標準的な粒子径アナライザーではなく、透過型電子顕微鏡などの顕微鏡で測定される。

Ｌｉを任意選択で可逆的に挿入するのに好適な電気化学的活性材料を形成するプロセスを提供する。任意選択で、電気化学的活性材料は、遷移金属酸化物、リン酸鉄、チタン酸塩活性材料、他の元素成分を含む場合も含まない場合もあるＬｉＭｎＯ系、または他の元素成分を含む場合も含まない場合もあるＬｉＣｏＯ系である。遷移金属酸化物の電気化学的活性材料の実例としては、ＬｉＮｉＭＯ（式中、Ｍは、任意の材料であり、任意の遷移金属、希土類、またはそれらの組み合わせであり得る）に基づく化学物質が挙げられるが、それらに限定されない。本開示の多くは、原子ベースで主にＮｉであるものなどの遷移金属酸化物の電気化学的活性材料に関するものであるが、一次粒子のグレインサイズを増大させ、焼成するプロセスは、他の電気化学的活性材料にも同様に適用可能であることが理解される。

カリウムを含む加工添加剤を活性材料前駆体と相互混合することによって、焼成反応中に、比較的大きなグレインサイズの一次粒子が獲得され得ることを見出した。１つの特定の理論に限定するものではないが、より大きなグレインサイズは、焼成中に、酸化性雰囲気またはその成分の改善された輸送を促進し、それによって、短縮された焼成時間で好適な最終生成物の形成を可能にすると考えられる。さらに、本明細書で提供されるプロセスのいくつかの態様は、従来の方法と比較して硬度が低下した材料を提供し、それによって、電極または他の好適な用途への最終的な組み込みのためのその後の加工性を改善する。このように、いくつかの態様では、本開示で提供されるプロセスは、遷移金属前駆体、リチウム化合物、および加工添加剤を相互混合して、活性材料前駆体を形成することと、酸化性雰囲気中で、その活性材料前駆体を、７００℃以上の温度に加熱することであって、０．５ｍｍ以上の一次粒子のグレインサイズを有するリチウム化遷移金属酸化物を形成するのに十分な焼成時間加熱する、加熱することと、を含む。いくつかの態様では、遷移金属前駆体とリチウム化合物を最初に相互混合し、第１の焼成に供した後、次いで、その粒子を加工添加剤との相互混合に供し、第２の焼成反応に供して、比較的より大きな一次粒子のグレインサイズを形成する。

プロセスは、加工添加剤と組み合わせる前に、またはそれと同時に、活性材料前駆体を形成することを含むことが理解される。活性材料前駆体は、Ｌｉ化合物と遷移金属前駆体とを相互混合することによって形成される。任意選択で、活性材料前駆体は、他の材料の非存在下で、または加工添加剤の非存在下で、遷移金属前駆体とＬｉ化合物とを相互混合することによって、形成される。任意選択で、焼成に供した後に、活性材料前駆体と加工添加剤を組み合わせる。あるいは、加工添加剤は、遷移金属前駆体およびＬｉ化合物と同時に相互混合され、それによって、Ｌｉ化合物および遷移金属前駆体は、加工添加剤と組み合わせる前に、任意選択で、有意または意図的に相互混合されなかった。

本明細書で使用されるリチウム化合物は、電気化学的活性材料の形成のために当技術分野で知られている任意の好適なリチウム化合物であり、任意選択で、水酸化リチウム、酸化リチウム、炭酸リチウム、硝酸リチウム、硫酸リチウム、酢酸リチウム、過酸化リチウム、炭酸水素リチウム、ハロゲン化リチウム、またはそれらの組み合わせである。

リチウム化合物は、遷移金属前駆体と相互混合される。遷移金属前駆体は、当技術分野で知られている任意の方法によって形成することができる。いくつかの態様では、遷移金属前駆体は、共沈反応によって形成することができ、それによって、水酸化物、炭酸塩、硝酸塩、または他の既知の好適な遷移金属形態が、溶液を形成するために使用される。溶液のｐＨを調整することにより、遷移金属の沈殿物が遷移金属前駆体を形成する。

遷移金属前駆体と、リチウム化合物と、任意選択で加工添加剤とを相互混合するステップは、さまざまな温度で、任意選択で０℃～１００℃以上、任意選択で１０℃～４０℃で実施することができる。相互混合は、任意の好適な圧力、任意選択で約１気圧で実施することができる。

遷移金属は、電気化学電池での使用に好適な任意の遷移金属であり得る。遷移金属の実例としては、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｖ、Ｃｒ、Ｓｎ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｗ、Ｆｅ、Ｓｉ、Ｂ、または他の遷移金属が挙げられるが、それらに限定されない。任意選択で、本明細書で使用される遷移金属は、希土類金属を含むかまたは含まない。希土類金属は、任意選択で、特にＬａ、Ｎｄ、Ｙである。いくつかの態様では、遷移金属前駆体としては、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ、またはそれらの組み合わせが挙げられるが、それらに限定されない。いくつかの態様では、遷移金属前駆体はＮｉを含む。

いくつかの態様では、遷移金属前駆体は、遷移金属前駆体中の他の遷移金属と比較した原子百分率（ａｔ％）で、１０ａｔ％以上、任意選択で２０ａｔ％以上、任意選択で３０ａｔ％以上、任意選択で４０ａｔ％以上、任意選択で５０ａｔ％以上、任意選択で６０ａｔ％以上、任意選択で７０ａｔ％以上、任意選択で８０ａｔ％以上、任意選択で９０ａｔ％以上、任意選択で９５ａｔ％以上、任意選択で９６ａｔ％以上、任意選択で９７ａｔ％以上、任意選択で９８ａｔ％以上、任意選択で９９ａｔ％以上のＮｉを含む。任意選択で、Ｎｉの原子百分率は、７０ａｔ％～９９ａｔ％以上である。任意選択で、Ｎｉの原子百分率は、８０ａｔ％～９９ａｔ％以上である。任意選択で、Ｎｉの原子百分率は、９０ａｔ％～９９ａｔ％以上である。任意選択で、Ｎｉは、Ｎｉが実質的に１００ａｔ％で存在するように、材料において設計された、または材料中に存在する唯一の遷移金属である。

任意選択で、遷移金属前駆体は、Ｎｉおよび１つ以上の他の遷移金属を含む。１つ以上の他の遷移金属（Ｎｉ以外）は、任意選択で、各々独立して、０ａｔ％～９０ａｔ％、任意選択で１ａｔ％～９０ａｔ％で存在する。任意選択で、１つ以上の他の遷移金属は、各々独立して、０ａｔ％～５０ａｔ％、任意選択で１ａｔ％～５０ａｔ％で存在する。任意選択で、１つ以上の他の遷移金属は、各々独立して、１ａｔ％～３０ａｔ％、任意選択で１ａｔ％～２０ａｔ％、任意選択で１ａｔ％～１０ａｔ％、１ａｔ％～７ａｔ％、１ａｔ％～５ａｔ％、２ａｔ％～２０ａｔ％、５ａｔ％～２０ａｔ％、１０ａｔ％～２０ａｔ％で存在する。任意選択で、Ｎｉ以外の１、２、３以上の他の遷移金属が、遷移金属前駆体中に存在する。

いくつかの態様による本明細書で提供されるプロセスの利点は、高度に浄化または精製される材料に関する必要条件を否定して、原料のままの前駆体材料を使用できる点にある。例えば、ニッケルを遷移金属前駆体として使用する場合、Ｎｉは鉱山グレードであり得る。遷移金属前駆体は、鉱山グレードであり得るか、またはさらに処理または精製され得る。

遷移金属前駆体は、リチウム化合物および任意選択で加工添加剤と相互混合されて、活性材料前駆体を形成する。相互混合は、実質的に均質な材料を形成するように任意選択で実行され、それによって、材料の優れた混合が達成され、Ｌｉ化合物と遷移金属前駆体との間の密接な接触が達成される。Ｋａｗａｔａ Ｓｕｐｅｒ ＰｉｃｃｏｌｏミキサーまたはＥｉｒｉｃｈミキサーなどの高剪断ミキサーを使用してもよい。ピンタイプのブレード、スタータイプのブレード、またはマイクログラニュレーションタイプのブレードなど、任意の好適な混合ブレードを使用することができる。ブレードの先端速度は、材料に供給されるせん断または摩擦の量と相関関係がある。先端速度は、任意選択で５～３０メートル／秒（ｍ／ｓ）、任意選択で１０～２５ｍ／ｓである。

Ｌｉの遷移金属に対する化学量論比は、任意の好適な比、任意選択で０．８～１．１、またはそれらの間の任意の値または範囲であり得る。任意選択で、Ｌｉの遷移金属に対する比は、０．９～１．１、任意選択で０．９５～１．１、任意選択で０．９５～１．０５であり得る。Ｎｉ含有活性材料前駆体の場合、化学量論比は、材料中のＬｉとＮｉ間の比として測定される。Ｌｉの遷移金属に対する化学量論比は、当技術分野で知られている任意の方法で測定することができる。実例として、任意選択で、Ｊ．Ｒ．Ｄｅａｎ（Ｐｒａｃｔｉｃａｌ Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ，Ｃｈｉｃｈｅｓｔｅｒ，Ｅｎｇｌａｎｄ：Ｗｉｌｅｙ，２００５，６５－８７）、およびＷｅｌｚとＳｐｅｒｌｉｎｇ（Ａｔｏｍｉｃ Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ，３ｒｄ ｅｄ．，Ｗｅｉｎｈｅｉｍ，Ｇｅｒｍａｎｙ：Ｗｉｌｅｙ ＶＣＨ，１９９９，２２１－２９４）によって説明されている標準的な方法を使用する誘導結合プラズマ原子発光分光学（ＩＣＰ）または原子吸収分光学。実例として、各サンプルの化学組成は、Ｖａｒｉａｎ Ｌｉｂｅｒｔｙ １００誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）システムによって調べることができる。

いくつかの態様では、プロセスは、第１のグレインサイズを有する複数の一次粒子を有する第１の活性材料前駆体の形成を含む。このように、活性材料前駆体は、従来の技術に従って形成され、したがって、とりわけ、そのような材料に典型的である顆粒サイズ、多孔性、密度などのパラメータによって定義され得る。任意選択で、第１の活性材料前駆体を焼成反応に供して、第１のグレインサイズを有する複数の一次粒子を有する第１のリチウム化遷移金属酸化物を生成する。次いで、この第１の遷移金属酸化物は、任意選択で、加工添加剤と相互混合され、得られた混合物は、第２の結晶化反応に供されて、第１のグレインサイズよりも大きい第２のグレインサイズを有する複数の一次粒子を有する第２のリチウム化遷移金属酸化物を生成する。

グレインサイズは、任意の既知のプロセスを使用して決定してもよいが、任意選択で、顕微鏡法によって得られる。任意選択で、グレインサイズは、材料をふるいにかけること、走査型電子顕微鏡法、透過型電子顕微鏡法によって、または、例えば、グレインサイズが標準的な粒子径アナライザーにとっては大きすぎるか、または材料が、標準的な粒子径アナライザーでの分析に好適ではない態様では、他の好適な方法によって、得ることができる。任意選択で、グレインサイズは、最大８ミリメートル（ｍｍ）を超える粒子径を測定することができるＳｙｍｐａＴｅｃ Ｈｅｌｏｓ粒子径アナライザーなどの粒子アナライザーを使用して、得られる。

本明細書で提供されるプロセスにおいて、リチウム化遷移金属酸化物は、０．５マイクロメートル（μｍ）以上のグレインサイズを有する複数の一次粒子で形成され、そのグレインサイズは、当技術分野で認められている方法を使用する球の直径と関連している。任意選択で、グレインサイズは、０．５μｍ～１５μｍ、またはそれらの間の任意の値もしくは範囲である。任意選択で、グレインサイズは２μｍ～１５μｍである。任意選択で、グレインサイズは４μｍ～１５μｍである。任意選択で、グレインサイズは、０．５μｍ以上、０．６μｍ、０．７μｍ、０．８μｍ、０．９μｍ、１μｍ、２μｍ、３μｍ、４μｍ、５μｍ、６μｍ、７μｍ、８μｍ、９μｍ、１０μｍ、１１μｍ、１２μｍ、１３μｍ、１４μｍ、１５μｍ、またはそれらを超える。任意選択で、グレインサイズは、０．５μｍ～１０μｍ、０．５μｍ～９μｍ、０．５μｍ～８μｍ、０．５μｍ～７μｍ、０．５μｍ～６μｍ、０．５μｍ～５μｍ、０．５μｍ～４μｍ、１μｍ～１５μｍ、１μｍ～１０μｍ、１μｍ～９μｍ、１μｍ～８μｍ、１μｍ～７μｍ、１μｍ～６μｍ、１μｍ～５μｍ、２μｍ～１５μｍ、２μｍ～１０μｍ、２μｍ～９μｍ、２μｍ～８μｍ、２μｍ～７μｍ、２μｍ～６μｍ、２μｍ～４μｍ、２μｍ～４μｍ、または２μｍ～３μｍ、４μｍ～１５μｍ、４μｍ～１０μｍ、４μｍ～９μｍ、４μｍ～８μｍ、４μｍ～７μｍ、４μｍ～６μｍ、または４μｍ～５μｍである。

リチウム遷移金属酸化物は、任意選択で、２μｍ以上、任意選択で４μｍ以上のグレインサイズを有する複数の一次粒子を含み、活性材料前駆体または１つ以上の遷移金属前駆体と、リチウム化合物と、１つ以上の加工添加剤とを組み合わせることによって、形成され得る。加工添加剤は、カリウム、任意選択でカリウム塩を含む化合物である。特定の態様では、加工添加剤は、カリウムの炭酸塩または水酸化物、実例としてはＫ_２ＣＯ_３またはＫＯＨである。任意選択で、加工添加剤はＫＯＨを含む。

加工添加剤は、本明細書に提供されているプロセスにおいて、０．１％～１０％の重量パーセント、またはその間の任意の値または範囲で、他の所望の材料と組み合わされ、ここで、重量パーセントは、合計した活性材料前駆体内における他の材料に対する比較である。任意選択で、加工助剤は、０．１％～２０％、任意選択で０．１％～１０％、任意選択で０．１％～８％、任意選択で０．１％～７％、任意選択で０．１％～５％、任意選択で０．１％～１％、任意選択で０．１％、０．２％、０．３％、０．４％、０．５％、０．６％、０．７％、０．８％、０．９％、１％、２％、３％、４％、５％、６％、７％、８％、９％、１０％、１１％、１２％、１３％、１４％、１５％、１６％、１７％、１８％、１９％、２０％、またはそれらを超える重量パーセントで存在する。

加工助剤は、単純な添加、噴霧、または他の好適な方法によって、活性材料前駆体と組み合わせてもよい。

活性材料前駆体、任意選択でその成分、および１つ以上の加工添加剤は、コーティングされた、または実質的に均一に混合された相互混合された混合物を提供するように相互混合される。加工助剤による活性材料前駆体の形成は、リチウム化合物を遷移金属前駆体と相互混合するステップと同じまたは異なる容器内で実施することができ、またはそれは同じ容器内で起こり得る。

本明細書で提供される得られるリチウム化遷移金属酸化物は、任意選択で、本明細書で提供される加工助剤なしで従来の方法によって形成された組成的に同一の材料よりも低い粉砕強度を有する。粉砕強度は、当技術分野で認められている標準的な手順で測定することができる。任意選択で、粉砕強度は４０ニュートン未満である。任意選択で、破砕強度は、４０ニュートン以下、任意選択で３５ニュートン以下、任意選択で３０ニュートン以下、任意選択で２５ニュートン以下、任意選択で２０ニュートン以下、任意選択で１５ニュートン以下、任意選択で１０ニュートン以下、任意選択で９ニュートン以下、任意選択で８ニュートン以下、任意選択で７ニュートン以下、任意選択で６ニュートン以下、任意選択で５ニュートン以下、任意選択で４ニュートン以下、任意選択で３ニュートン以下であり、任意選択で。ニュートン未満。任意選択で、粉砕強度は、本明細書で提供される加工助剤なしで従来の方法によって形成された組成的に同一の材料の粉砕強度に比べて６０％以下であり、任意選択で５０％以下、任意選択で４０％以下、任意選択で３０％以下である。

単独で、または本明細書で提供される加工添加剤の存在下で、活性材料前駆体を形成した後、得られた材料は、焼成などの固相反応に供される。本開示の焼成プロセスにはサガーを使用することができるが、得られるリチウム化遷移金属酸化物の所望のグレインサイズを達成するための加工時間の短縮に起因して、焼成プロセスが改善される。標準的なキルンおよび匣鉢に加えて、本材料は、流動床焼成炉、ロータリーキルン、ローラーハースキルン、または他のそのようなデバイスで焼成することができる。

焼成プロセスは、焼成温度および酸化性雰囲気中で、リチウム化遷移金属酸化物の形成に好適な焼成時間、行なわれる。焼成温度は、任意選択で摂氏７００度（℃）以上の任意の温度である。焼成温度は、任意選択で７００℃～１０００℃またはそれらの間の任意の値または範囲である。任意選択で、焼成温度は、７５０℃～９５０℃、任意選択で７５０℃～９００℃である。

焼成時間は、任意選択で、０．２～６０時間、またはその間の任意の値または範囲である。任意選択で、焼成時間は、０．２～５０時間、任意選択で１～５０時間、任意選択で１～６０時間、任意選択で１０～５０時間、任意選択で１０～２０時間である。任意選択で、焼成時間は、６０時間未満、任意選択で５０時間未満、任意選択で４０時間未満、任意選択で３０時間未満、任意選択で２５時間未満、任意選択で２０時間未満、任意選択で１５時間未満、任意選択で１０時間未満である。

焼成は、活性材料前駆体を酸化するのに好適な雰囲気で行われる。大気は、好適な量または濃度の酸化剤、任意選択で、酸素、オゾン、または他の好適な薬剤、任意選択で酸素富化雰囲気の形態の酸化性雰囲気を含むことができ、それによって酸素濃度は海面の周囲地球空気中よりも高い。任意選択で、雰囲気は空気である。雰囲気は、任意選択で好適な圧力で、任意選択で約１気圧で、提供される。その雰囲気は、流速で活性材料前駆体と任意選択で接触して、オーブン中で所望の数の雰囲気交換を提供する。１時間あたりの大気交換の数は、任意選択で３～１５０、任意選択で３～１００、任意選択で５～１５０、任意選択で５～１００である。

得られたリチウム遷移金属酸化物は、任意選択で、１つ以上の後焼成プロセスに供される。いくつかの態様では、リチウム遷移金属酸化物は、骨材のサイズを小さくするために、または骨材を粉末化して下流のプロセスを改善するために、粉砕、粉砕、または他のプロセスに供されて、混合物の均一性を確保し、バインダー、導電性化合物、または電極の形成に好適な他の材料との相互混合を改善する。

リチウム遷移金属酸化物は、一次または二次電気化学電池で使用され得る。一次電気化学電池で使用されるとき、リチウム遷移金属酸化物は、一次電池に組み込まれる前に、当技術分野で認識されているように、予充電ステップに供され得る。

本発明のさまざまな態様を、以下の非限定的な例によって例示する。実施例は、例示を目的とするものであり、本発明のいかなる実施も限定しない。本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、変形および修正を行うことができることが理解されよう。

実施例１：
活性材料前駆体を、精製した水酸化ニッケルを使用して形成する。６．７ｇの水酸化ニッケル（米国特許第６，４３２，５８０号および同第６，４４４，３６３号に記載されている）、３．３５ｇの水酸化リチウム（ＬｉＯＨ＊Ｈ_２Ｏ）、および０．１ｇのＫ_２ＣＯ_３（２重量％（水酸化ニッケルに対して））。ＳＰＥＸ ＣＥＴＲＩＰＲＥＰ ８０００ミキサー／ミラーを使用して、材料を２０分間乾式混合して均一にする。対照として、組成的に同一の材料を、Ｋ_２ＣＯ_３を除いて形成する。

得られた活性材料前駆体を、２１ＳＣＦＨの流量（約１００の交換速度）でＯ_２を流しながら、８８５℃で焼成に供する。焼成は１５時間行う。得られた焼成された顆粒のいくつかは、乳鉢および乳棒を使用して手動で粉砕し、任意選択で、下流の電気化学的分析のための標準技術によって事前に充填する。

Ｋ_２ＣＯ_３の非存在下または存在下で形成された材料の粒子トポロジーについて、エネルギー分散型分光分析（ＥＤＳ）を備えたＪＥＯＬ－ＪＳＭ６３２０Ｆ走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ，ＪＥＯＬ，Ｔｏｋｙｏ，Ｊａｐａｎ）を使用したＳＥＭによる、それぞれ２Ａおよび２Ｂに示した対応する顕微鏡写真を用いて、研究する。リチウム化遷移金属酸化物の一次粒子は、比較的小さな一次粒子グレインサイズを示し、洗浄後の平均サイズは典型的には３．６μｍ未満である。対照的に、活性材料前駆体が、加工添加剤としてのＫ_２ＣＯ_３の存在下で形成されるとき、得られる一次粒子のグレインサイズは、典型的には平均して７．８８μｍ以上である。

リチウム化遷移金属酸化物材料は、粉砕し、その後の電気化学的分析のために標準手順に従って事前充填する。電気化学的研究は、Ｈｇ／ＨｇＯ参照電極に対して半電池構成で、３０％ＫＯＨ溶液において、行なう。リチウム化遷移金属酸化物材料は、テフロン（登録商標）化アセチレンブラック（ＴＡＢ－２）と５０％ｗ／ｗで混合し、ニッケルスクリーン上で圧縮することによって、試験用のカソード粉末に成形する。電池を、Ｈｇ／ＨｇＯ参照電極に対して－０．８Ｖまで９ｍＡ／ｇの一定速度で連続的に放電させる。得られた材料の容量、粒子径、および破砕強度を表１に示す。

実施例２：
ＬｉＮｉ_０．８Ｃｏ_０．１Ｍｎ_０．１Ｏ_２のリチウム化カソード材料を、５グラムの前駆体Ｎｉ_０．８Ｃｏ_０．１Ｍｎ_０．１（ＯＨ）_２を、１．４グラムのＬｉＯＨおよび０．１ｇのＫ_２ＣＯ_３（２重量％（混合金属水酸化物に対して））に添加することによって調製する。対照の材料は、同様ではあるが、Ｋ_２ＣＯ_３が存在しない状態で形成する。材料は、ＳＰＥＸ ＣＥＴＲＩＰＲＥＰ ８０００ミキサー／ミラーを使用して、２０分間、機械的に混合する。次いで、得られた粉末混合物を８５０℃で１５時間焼結する。次いで、得られたリチウム化複合材料を２５℃に冷却する。

Ｋ_２ＣＯ_３の非存在下または存在下で形成されたＮＣＭ８１１材料の粒子トポロジーについて、エネルギー分散型分光分析（ＥＤＳ）を備えたＪＥＯＬ－ＪＳＭ６３２０Ｆ走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ，ＪＥＯＬ，Ｔｏｋｙｏ，Ｊａｐａｎ）を使用したＳＥＭによる、それぞれ３Ａおよび３Ｂに示した対応する顕微鏡写真を用いて、研究する。相対的な粒子径を表２に示す。

電気化学的分析の場合、焼成後に得られた材料を、乳鉢／乳棒で粉砕し、標準技術によって事前充填する。脱リチウム化カソード材料は、対極としてリチウム金属を使用して、ＣＲ２０３２コイン電池の容量レベルおよびサイクル寿命に関して研究する。リチウム化複合材料は、ＴｉｍｃａｌのカーボンＳｕｐｅｒ６５（７．５重量％）、ＴｉｍｃａｌのグラファイトＫＳ１０（７．５重量％）、および６重量％のＰＶＤＦ（Ｋｙｎａｒ）バインダーと混合することにより、試験用のカソード粉末に成形する。次いで、無水溶媒（１－メチル－２ピロリジノン）を粉末混合物に添加して、スラリーを形成した。次いで、そのスラリーをアルミニウム基材上にコーティングした。そのコーティングを、８５℃で数時間乾燥し、約６０μｍの最終厚さにカレンダーした。カソードおよびアノードの材料は、Ｎｏｖｏｌｙｔｅ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎからの、エチレンカーボネート（ＥＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、およびジエチルカーボネート（ＤＥＣ）の１：１：１体積混合物中に溶解したＬｉＰＦ_６の１Ｍ溶液からなる電解質で湿潤させたミクロ多孔質ポリプロピレンセパレーター（ＭＴＩ ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）によって分離する。電池を、圧着し、リチウム化複合材料の容量およびサイクル寿命を調べるために使用した。電池の組み立ておよび圧着はグローブボックス内で行った。

Ｓｏｌａｔｒｏｎ １４７０ Ｂａｔｔｅｒｙ Ｔｅｓｔ ＵｎｉｔおよびＡｒｂｉｎ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ ｂａｔｔｅｒｙ ｔｅｓｔｅｒｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍを使用して、容量およびサイクル性能を決定するために、カソード材料の試験を、定電流充放電（０．１Ｃ）で行なった。コイン電池は、４．３Ｖ～３．０Ｖの電圧で充放電した。サイクリング性能試験は、１８ｍＡ／ｇの充電電流および放電電流の各々で実行した。

特定の態様（複数の場合あり）の前述の説明は、本質的に単なる例示であり、本発明、その適用、または使用の範囲を限定することを決して意図するものではなく、当然変化し得る。本開示は、本明細書に含まれる非限定的な定義および専門用語に関連して提供される。これらの定義および専門用語は、本発明の範囲または実施に対する制限として機能するようには設計されていないが、例示および説明の目的でのみ提示される。プロセスまたは組成物は、個々のステップの順序として、または特定の材料を使用して説明されるが、ステップまたは材料は、本発明の説明が、当業者によって容易に理解される多くの仕方で配置された複数の部分またはステップを含み得るように、交換可能であり得る。

第１、第２、第３などの用語は、さまざまな要素、成分、領域、層、および／またはセクションを記述するために本明細書で使用することができるが、これらの要素、成分、領域、層、および／またはセクションは、これらの用語によって限定されるべきではない、ことが理解されよう。これらの用語は、１つの要素、成分、領域、層、またはセクションを、別の要素、成分、領域、層、またはセクションと区別するためにのみ使用される。したがって、以下で考察される「第１の要素」、「成分」、「領域」、「層」、または「セクション」は、本明細書の教示から逸脱することなく、第２の（または他の）要素、成分、領域、層、またはセクションと称することができよう。

本明細書で使用される専門用語は、特定の実施形態のみを説明するためのものであり、限定することを意図するものではない。本明細書で使用される場合、単数形「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、内容が明確に別段の指示をしない限り、「少なくとも１つ」を含む複数形を含むことを意図している。「または」は「および／または」を意味している。本明細書で使用される場合、「および／または」という用語は、関連する列挙されたアイテムの１つ以上の任意および全ての組み合わせを含む。本明細書で使用される場合、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」および／もしくは「含んでいる（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、または「含む、挙げられる（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」および／もしくは「含んでいる（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」という用語は、記載された特徴、領域、整数、ステップ、操作、要素、および／または成分の存在を明記するが、１つ以上の他の特徴、領域、整数、ステップ、操作、要素、成分、および／またはそれらの群の存在または追加を排除しない、ことがさらに理解されよう。「またはそれらの組み合わせ」という用語は、前述の要素の少なくとも１つを含む組み合わせを意味する。

他に定義されない限り、本明細書で使用される全ての用語（技術用語および科学用語を含む）は、本開示が属する技術分野における当業者によって一般に理解されるのと同じ意味を有する。一般的に使用される辞書で定義されているような用語は、関連技術および本開示の文脈におけるそれらの意味と一致する意味を有すると解釈されるべきであり、本明細書で明示的に定義されていない限り、理想的または過度に形式的な意味で解釈されない、ことがさらに理解されよう。

本明細書に示され、かつ説明されたものに加えて、本発明のさまざまな修正は、上記の当業者には明らかであろう。そのような修正は、添付の特許請求の範囲内にあることも意図される。

本明細書で言及されている特許、刊行物、および出願は、本発明が関係する当業者のレベルを示唆している。これらの特許、刊行物、および出願は、各々の特許、刊行物、または出願が参照により本明細書に具体的かつ個別に組み込まれた場合と同程度に、参照により本明細書に組み込まれる。

前述の説明は、本発明の特定の態様を例示するものであるが、それらの実施を限定することを意味するものではない。

Claims (22)

1. リチウム化遷移金属酸化物粒子を形成するためのプロセスであって、
   １つ以上の遷移金属前駆体と、リチウム化合物と、カリウムを含む加工添加剤とを混合して、活性材料前駆体を形成することと、
   酸化性雰囲気中で、前記活性材料前駆体を、７００℃以上の温度に加熱することであって、グレインサイズを有する複数の一次粒子を有するリチウム化遷移金属酸化物を形成するのに十分な焼成時間加熱する、加熱することと、を含む、プロセス。
2. 前記加工添加剤が、カリウムの炭酸塩または水酸化物、あるいはそれらの組み合わせを含む、請求項１に記載のプロセス。
3. 前記一次粒子が、２μｍ以上のグレインサイズを有する、請求項１に記載のプロセス。
4. 前記一次粒子が、４μｍ～１５μｍのグレインサイズを有する、請求項１に記載のプロセス。
5. 前記リチウム化遷移金属酸化物を結合剤と混合することをさらに含む、請求項１～４のいずれか一項以上に記載のプロセス。
6. 前記活性材料前駆体におけるリチウムの遷移金属に対するモル比が、０．８～１．１である、請求項１～４のいずれか一項以上に記載のプロセス。
7. 前記加工添加剤が、０．１重量パーセント～１０重量パーセントで存在する、請求項１～４のいずれか一項以上に記載のプロセス。
8. 前記遷移金属前駆体が、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｈｆ、Ｖ、Ｃｒ、Ｓｎ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｗ、Ｆｅ、Ｓｉ、Ｚｎ、Ｂ、他の遷移金属、希土類元素、またはそれらの組み合わせを含む、請求項１～４のいずれか一項以上に記載のプロセス。
9. 前記リチウム化合物が、水酸化リチウム、酸化リチウム、炭酸リチウム、硝酸リチウム、硫酸リチウム、酢酸リチウム、過酸化リチウム、炭酸水素リチウム、ハロゲン化リチウム、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項１～４のいずれか一項以上に記載のプロセス。
10. 前記リチウム化遷移金属酸化物粒子を粉砕することをさらに含む、請求項１～４のいずれか一項以上に記載のプロセス。
11. 前記加熱ステップが、流動床焼成炉、ロータリーキルン、またはローラーハースキルン内に存在する、請求項１～４のいずれか一項以上に記載のプロセス。
12. 前記酸化性雰囲気が、酸素富化雰囲気である、請求項１～４のいずれか一項以上に記載のプロセス。
13. 前記リチウム化遷移金属酸化物が、４０ニュートン未満の粉砕強度を有する、請求項１～４のいずれか一項以上に記載のプロセス。
14. 前記温度が、７００℃～１０００℃である、請求項１～４のいずれか一項以上に記載のプロセス。
15. 前記時間が、０．２～６０時間である、請求項１～４のいずれか一項以上に記載のプロセス。
16. リチウム化遷移金属酸化物を形成するためのプロセスであって、
    ニッケル含有材料とリチウム化合物とを相互混合して、活性材料前駆体を形成することと、
    酸化性雰囲気中で、前記活性材料前駆体を、７００℃以上の温度に加熱することであって、第１のグレインサイズを有する複数の一次粒子を有する第１のリチウム化遷移金属酸化物粒子を形成するのに十分な焼成時間加熱する、加熱することと、
    前記第１のリチウム化遷移金属酸化物粒子を、カリウムを含む加工添加剤と相互混合して、第２のリチウム化遷移金属酸化物粒子を形成することと、
    前記第２の活性材料前駆体を、酸化性雰囲気中で７００℃以上の温度に加熱して粒子を形成することと、を含み、それにより前記複数の一次粒子が第２のグレインサイズを有し、それにより前記第２のグレインサイズが前記第１のグレインサイズよりも大きい、プロセス。
17. 前記第２のリチウム化遷移金属酸化物が、２μｍ以上の第２のグレインサイズを有する複数の一次粒子を有する、請求項１６に記載のプロセス。
18. 前記第２のグレインサイズが、６μｍ～１５μｍである、請求項１６のいずれか一項に記載のプロセス。
19. 前記ニッケル含有材料が、一酸化ニッケル、水酸化ニッケル、オキシ水酸化ニッケル、三二酸化ニッケル、炭酸ニッケル、硝酸ニッケル、またはそれらの任意の組み合わせを含む、請求項１６～１８のいずれか一項に記載のプロセス。
20. 前記ニッケル含有材料が、Ａｌ、Ｃｏ、Ｍｎ、またはそれらの任意の組み合わせをさらに含む、請求項１６～１８のいずれか一項に記載のプロセス。
21. 前記リチウム化合物が、水酸化リチウム、酸化リチウム、炭酸リチウム、硝酸リチウム、硫酸リチウム、酢酸リチウム、過酸化リチウム、炭酸水素リチウム、ハロゲン化リチウム、およびそれらの組み合わせからなる群から選択される、請求項１６～１８のいずれか一項以上に記載のプロセス。
22. 前記加工添加剤が、全体として活性材料前駆体の０．５重量パーセント～５重量パーセントで存在する、請求項１６～１８のいずれか一項に記載のプロセス。

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