JP2022546323A - 正極活物質、その製造方法、およびこれを含むリチウム二次電池 - Google Patents
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Abstract
Description
空隙率(%)=(リチウム金属酸化物粒子断面Aの空隙面積/リチウム金属酸化物粒子断面Aの面積)×100
(式1中、Aはリチウム金属酸化物粒子の直径を含む断面の面積である)
LixNiaCobMncM1dM2eO2
上記化学式1中、M1およびM2はそれぞれZr、Ti、Mg、Al、Ni、Mn、Zn、Fe、Cr、MoおよびWのうちの少なくとも一つであり、xは0.90≦x≦1.07、aは0.65≦a≦0.99、bは0<b≦0.3、cは0<c≦0.3、dは0<d<0.01、eは0<e<0.01であり、a+b+c+d+e=1である。
ボロン化合物を構成する原料であるLiOH・H2OとH3BO3を量論比で秤量して混合した後、これを600℃大気下で4時間焼成して合成した。
その後、2プローブ法(2 probe method)でACインピーダンスアナライザ(AC impedance analyzer)を用いて7MHzから1Hzまで半円を測定した。測定された半円の直径からイオン伝導度を計算した。このとき、計算されたイオン伝導度は約1.2×10-6S/cmであった。
1)正極活物質前駆体の製造
ニッケル原料物質としてはNiSO4・6H2O、コバルト原料物質としてはCoSO4・7H2O、マンガン原料物質としてはMnSO4・H2Oを用いた。これら原料を蒸留水に溶解させて2.5Mの金属塩水溶液を製造した。
共沈反応器を準備した後、共沈反応時金属イオンの酸化を防止するためにN2をパージ(purging)し、反応器温度は50℃を維持した。
前記共沈反応器に金属塩水溶液およびキレーティング剤としてNH4(OH)を投入した。また、pH調節のためにNaOHを使用した。共沈工程によって得られた沈殿物をろ過し、蒸留水で洗浄した後、100℃オーブンで24時間乾燥して正極活物質前駆体を製造した。
製造された前駆体の組成は(Ni0.71Co0.10Mn0.19)(OH)2であり、平均粒径(D50)は11.0μmであった。
前記1)で製造した正極活物質前駆体1モルを基準にして、LiOH・H2O(三全化学、battery grade)1.05モル、ZrO2(Aldrich、4N)0.0022モル、Al(OH)3(Aldrich、4N)0.007モル、Li3BO3 0.005モルを均一に混合して混合物を製造した。
前記混合物をチューブ炉(tube furnace)に装入して酸素を流入させながら焼成した後、常温に冷却した。
その次に、冷却生成物を蒸留水を用いて水洗した後にろ過し乾燥させ、その後、H3BO3(Aldrich)を乾式混合した。前記混合物を300~350℃で5時間熱処理してボロン(B)が表面にコーティングされた正極活物質を製造した。
1)正極活物質前駆体の製造
実施例1の1)と同一であり、前駆体の平均粒径(D50)が4μmになるように実施した。
Li3BO3を0.0025モル添加したことを除いては実施例1の2)と同様な方法で正極活物質を製造した。
実施例1の1)と同様な方法で正極活物質前駆体を製造した。
その後、Li3BO3を0.003モル添加したことを除いては実施例1の2)と同様な方法で正極活物質を製造した。
実施例1の1)と同様な方法で正極活物質前駆体を製造した。
その後、Li3BO3を0.001モル添加したことを除いては実施例1の2)と同様な方法で正極活物質を製造した。
実施例1の1)と同様な方法で正極活物質前駆体を製造した。
その後、Li3BO3を0.007モル添加したことを除いては実施例1の2)と同様な方法で正極活物質を製造した。
実施例1の1)と同様な方法で正極活物質前駆体を製造した。
その後、Li3BO3を0.01モル添加したことを除いては実施例1の2)と同様な方法で正極活物質を製造した。
実施例1の1)と同様な方法で正極活物質前駆体を製造した。
その後、Li3BO3を投入しないことを除いては実施例1の2)と同様な方法で正極活物質を製造した。
実施例2の1)と同様な方法で正極活物質前駆体を製造した。
その後、Li3BO3を投入しないことを除いては実施例1の2)と同様な方法で正極活物質を製造した。
実施例2の1)と同様な方法で正極活物質前駆体を製造した。
その後、Li3BO3を0.0015モル添加したことを除いては実施例1の2)と同様な方法で正極活物質を製造した。
実施例2の1)と同様な方法で正極活物質前駆体を製造した。
その後、Li3BO3を0.001モル添加したことを除いては実施例1の2)と同様な方法で正極活物質を製造した。
実施例2の1)と同様な方法で正極活物質前駆体を製造した。
その後、Li3BO3を0.005モル添加したことを除いては実施例1の2)と同様な方法で正極活物質を製造した。
実施例2の1)と同様な方法で正極活物質前駆体を製造した。
その後、Li3BO3を0.007モル添加したことを除いては実施例1の2)と同様な方法で正極活物質を製造した。
比較例1の大粒径正極活物質と比較例2の小粒径正極活物質を重量比で7:3範囲で均一混合してバイモーダル型正極活物質を製造した。
実施例1の大粒径正極活物質と実施例2の小粒径正極活物質を重量比で7:3範囲で均一混合してバイモーダル型正極活物質を製造した。
実施例1の1)と同様な方法で正極活物質前駆体を製造した。
その後、Li3BO3を0.005モル添加したことを除いては実施例1の2)と同様な方法で正極活物質を製造し、H3BO3を用いた乾式表面コーティング工程は省略した。
1)正極活物質前駆体の製造
実施例1の1)と同様な方法で正極活物質前駆体を製造した。
前記1)で製造した正極活物質前駆体1モルを基準にして、LiOH・H2O(三全化学、battery grade)1.05モル、ZrO2(Aldrich、4N)0.0022モル、Al(OH)3(Aldrich、4N)0.007モルを均一に混合して混合物を製造した。
前記混合物をチューブ炉(tube furnace)に装入して酸素を流入させながら焼成した後、常温に冷却した。
その次に、冷却生成物を蒸留水を用いて水洗した後にろ過し乾燥させ、その後、H3BO3(Aldrich)を0.005モル乾式混合した。その後、再び蒸留水を正極活物質重量に対して10wt%添加して追加的に混合した。これを真空乾燥機内で10mTorr以下の真空度を維持しながら100℃まで昇温させて1次的に水を乾燥した。その後、2次に190℃まで昇温して最終的に正極活物質を製造した。
実施例1の1)と同様な方法で正極活物質前駆体を製造した。
その後、Li3BO3を0.0005モル添加したことを除いては実施例1の2)と同様な方法で正極活物質を製造した。
実施例1の1)と同様な方法で正極活物質前駆体を製造した。
その後、Li3BO3を0.015モル添加したことを除いては実施例1の2)と同様な方法で正極活物質を製造した。
1)正極活物質前駆体の製造
実施例1の1)と同様な方法で正極活物質前駆体を製造した。
前記1)で製造した正極活物質前駆体1モルを基準にして、LiOH・H2O(三全化学、battery grade)1.05モル、ZrO2(Aldrich、4N)0.0022モル、Al(OH)3(Aldrich、4N)0.007モル、Li3BO3 0.005モルを均一に混合して混合物を製造した。
このとき、Li3BO3は前記製造例1と同様な方法で製造され平均粒径が1.7μmに粉砕されたものを使用した。
前記混合物をチューブ炉(tube furnace)に装入して酸素を流入させながら焼成した後、常温に冷却した。
その次に、冷却生成物を蒸留水を用いて水洗した後にろ過し乾燥させ、その後、H3BO3(Aldrich)を乾式混合した。前記混合物を300~350℃で5時間熱処理してボロン(B)が表面にコーティングされた正極活物質を製造した。
実施例1および比較例4で製造した正極活物質をFIB(Focused Ion Beam、SEIKO 3050SE)で断面を切断しSTEM(Scanning Transmission Electron Microscopy、JEOL ARM 200F)分析装備で正極活物質断面を分析して図3a、図4aに示した。
実施例1および比較例1によって製造した正極活物質に対してSEM分析を通じて1次粒子の平均粒度(D50)を測定した。図5には比較例1の正極活物質に対する結果を示し、図6には実施例1の正極活物質に対する結果を示した。
実施例1~2および比較例1~2によって製造された正極活物質に対して、CuKα線を使用してX線回折測定で格子定数を測定した。測定されたa軸長さおよびc軸長さと結晶軸間の距離比(c/a軸比)を下記表1に示した。
R-ファクター={I(006)+I(102)}/I(101)
実施例1および比較例1によって製造した正極活物質に対して粒子強度を測定した。粒子強度は光学式顕微鏡と圧着用圧力ロッドが装着された装備(Micro particle compression test、Shimadzu社のMCT-W500)を用いて測定した。
St=2.8×P/(πd2)
St:粒子強度(tensile strength(MPa))
P:印加圧力(test force(N))
d:粒子の直径(particle diameter(mm))
実施例1~12、比較例1~4および参考例1~3によって製造された正極活物質を用いて2032コイン型半電池を製造した後、電気化学評価を行った。
具体的には、正極活物質、ポリビニリデンフルオライドバインダー(商品名:KF1100)およびデンカブラック導電材を92.5:3.5:4の重量比で混合し、この混合物を固形分が約30重量%になるようにN-メチル-2-ピロリドン(N-Methyl-2-pyrrolidone)溶媒に添加して正極活物質スラリーを製造した。
前記スラリーをドクターブレード(Doctor blade)を用いて正極集電体であるアルミニウム箔(Al foil、厚さ:15μm)上にコーティングし、乾燥した後に圧延して正極を製造した。前記正極のローディング量は約14mg/cm2であり、圧延密度は約3.1g/cm3であった。
前記正極、リチウム金属負極(厚さ200μm、Honzo metal)、電解液とポリプロピレンセパレータを使用して通常の方法で2032コイン型半電池を製造した。前記電解液は1M LiPF6をエチレンカーボネート、ジメチルカーボネートおよびエチルメチルカーボネート(EMC)の混合溶媒(混合比EC:DMC:EMC=3:4:3体積%)に溶解させて混合溶液を製造した後、ここにビニレンカーボネート(VC)1.5重量%を添加して使用した。
前記(1)で製造されたコイン型半電池を常温(25℃)で10時間エイジング(aging)した後、充放電テストを行った。
容量評価は170mAh/gを0.1C rateで評価基準容量とし、充放電条件は定電流(CC)/定電圧(CV)3V~4.3V、1/20Cカット-オフ条件を適用した。初期容量は0.1C充電/0.1C放電1回充放電を実施して、放電容量を測定した後、その結果を放電容量として下記表2に示した。
実施例1によって製造された正極活物質の1次粒子表面に対してTEM構造分析を行って結果を図12aに示した。前記TEM構造分析は、球面収差補正透過電子顕微鏡(Cs-Corrected Transmission Electron Microscopy、JEOL社、JEM-ARM200F、x20K、200kV)を用いて結晶性を分析したものである。
Claims (20)
- 1次粒子を含む2次粒子形態のリチウム金属酸化物粒子であり、
前記1次粒子表面の少なくとも一部にボロン化合物を含むコーティング層が位置し、
前記ボロン化合物は非晶質構造を含む、正極活物質。 - 前記ボロン化合物は、LiおよびBを含む、請求項1に記載の正極活物質。
- 少なくとも一部にボロン化合物を含む前記1次粒子は、前記リチウム金属酸化物粒子の内部に位置する、請求項1に記載の正極活物質。
- 前記リチウム金属酸化物粒子の粒子強度は151MPa~200MPaである、請求項1に記載の正極活物質。
- 下記式1で表される前記リチウム金属酸化物粒子の空隙率は0.3%~7%である、請求項1に記載の正極活物質。
[式1]
空隙率(%)=(リチウム金属酸化物粒子断面Aの空隙面積/リチウム金属酸化物粒子断面Aの面積)×100
(式1中、Aはリチウム金属酸化物粒子の直径を含む断面の面積である) - 前記1次粒子の平均粒径(D50)は、同一温度で焼成し前記1次粒子表面の少なくとも一部にボロン化合物を含むコーティング層が位置しない場合と比較して1.3倍~2.5倍増加した、請求項1に記載の正極活物質。
- 前記1次粒子の平均粒径(D50)は、0.3μm~2μmである、請求項6に記載の正極活物質。
- 前記リチウム金属酸化物粒子は複数(plural)であり、
平均粒径(D50)が10μm~30μmである大粒子、
平均粒径(D50)が1μm~6μmである小粒子、および
前記大粒子および前記小粒子が混合されたバイモーダル粒子のうちの少なくとも一つである、請求項1に記載の正極活物質。 - 前記大粒子のX線回折による(110)面の回折ピークの半値幅FWHM(110)は0.14°~0.18°であり、
前記小粒子のX線回折による(110)面の回折ピークの半値幅FWHM(110)は0.15°~0.19°である、請求項8に記載の正極活物質。 - 前記ボロン化合物は、Li3BO3、LiBO2、Li3B3O5、Li6B4O9、Li6.52B18O0.7、Li7.4B18O0.7、Li7.8B18O0.9およびLi2B4O7のうちの少なくとも一つを含む、請求項1に記載の正極活物質。
- 前記2次粒子内前記ボロン化合物の含量は0.001モル~0.01モルである、請求項1に記載の正極活物質。
- 前記2次粒子内金属のうちのニッケルの含量は0.65モル~0.99モルである、請求項1に記載の正極活物質。
- 前記リチウム金属酸化物は、前記2次粒子内にAlおよびZrのうちの少なくとも一つをさらに含む、請求項1に記載の正極活物質。
- 前記リチウム金属酸化物粒子の表面に位置する表面層をさらに含む、請求項1に記載の正極活物質。
- 前記表面層は、B、Zr、Al、W、Nb、P、Ce、Ti、Ta、Co、SiおよびMnからなるグループより選択された一つ以上を含む、請求項1に記載の正極活物質。
- ボロン化合物を含むコーティング層形成物質を製造する段階;
共沈反応器内金属塩水溶液を投入して金属前駆体を得る段階;および
前記コーティング層形成物質、前記金属前駆体およびリチウム原料物質を混合した後に焼成して正極活物質を得る段階;
を含み、
前記コーティング層形成物質は微粒子粉末として提供される、正極活物質の製造方法。 - 前記微粒子粉末の平均粒径は0.1μm~1.5μmである、請求項16に記載の正極活物質の製造方法。
- 前記ボロン化合物を含むコーティング層形成物質を製造する段階は、
前記ボロン化合物を構成する原料物質を混合して焼成する段階;および
前記焼成された焼成物を粉砕する段階を含む、請求項16に記載の正極活物質の製造方法。 - 前記正極活物質を得る段階は、
前記コーティング層形成物質、前記金属前駆体およびリチウム原料物質を混合した後に焼成して焼成体を製造する段階;および
前記焼成体表面に位置する表面層を形成する段階を含む、請求項16に記載の正極活物質の製造方法。 - 請求項1~15のいずれか一項に記載の正極活物質を含む正極;
負極活物質を含む負極;および
前記正極および負極の間に位置する電解質
を含む、リチウム二次電池。
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