JP2023085141A - リチウム二次電池用正極活物質、リチウム二次電池用正極及びリチウム二次電池 - Google Patents
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Abstract
Description
[1]層状構造を有するリチウム二次電池用正極活物質であって、前記リチウム二次電池用正極活物質の平均アスペクト比である第1平均アスペクト比が0.755以上1.000以下であり、前記リチウム二次電池用正極活物質の平均包絡度が0.983以上1.000以下である、リチウム二次電池用正極活物質。
[2]前記リチウム二次電池用正極活物質の平均円形度が0.910以上1.000以下である、[1]に記載のリチウム二次電池用正極活物質。
[3]前記第1平均アスペクト比が0.755以上0.999以下である、[1]又は[2]に記載のリチウム二次電池用正極活物質。
[4]前記リチウム二次電池用正極活物質の平均粒子径より小さい粒子径をもつ粒子のアスペクト比である第2平均アスペクト比が、前記第1平均アスペクト比よりも0.003以上大きい、[3]に記載のリチウム二次電池用正極活物質。
[5]前記第1平均アスペクト比が、前記平均粒子径以上の粒子径をもつ粒子のアスペクト比である第3平均アスペクト比よりも0.004以上大きい、[4]に記載のリチウム二次電池用正極活物質。
[6]式(A)で表される、[1]~[5]の何れか1つに記載のリチウム二次電池用正極活物質。
Li[Lix(Ni(1-y-z)CoyXz)1-x]O2 ・・・(A)
(式A中、Xは、Mn、Cu、Ti、Mg、Al、W、Mo、Nb、Zn、Sn、Zr、Ga、B、Si、S及びPからなる群より選択される1種以上の元素であり、-0.1≦x≦0.2、0≦y≦0.4、0≦z≦0.5及びy+z<1を満たす。)
[7][1]~[6]の何れか1つに記載のリチウム二次電池用正極活物質を含有するリチウム二次電池用正極。
[8][7]に記載のリチウム二次電池用正極を有するリチウム二次電池。
本明細書においては、以下に示す条件で充放電サイクルを50回繰り返す試験を行って測定した値をサイクル維持率とする。
充電最大電圧4.3V、充電電流0.5CA、定電流定電圧充電
放電最小電圧2.5V、放電電流1CA、定電流放電
本実施形態のCAMは、層状構造を有するリチウム二次電池用正極活物質であって、CAMの平均アスペクト比である第1平均アスペクト比が0.755以上1.000以下であり、リチウム二次電池用正極活物質の平均包絡度が0.983以上1.000以下である。
Li[Lix(Ni(1-y-z)CoyXz)1-x]O2 ・・・(A)
(式(A)中、Xは、Mn、Cu、Ti、Mg、Al、W、Mo、Nb、Zn、Sn、Zr、Ga、B、Si、S及びPからなる群より選択される1種以上の元素であり、-0.1≦x≦0.2、0≦y≦0.4、0≦z≦0.5、及びy+z<1を満たす。)
次にCAMの製造方法について説明する。CAMの製造方法は、MCCの製造、MCCとリチウム化合物との混合、MCCとリチウム化合物との混合物の一次焼成、一次焼成により得られた反応物の二次焼成を少なくとも含んでいる。
MCCは、金属複合水酸化物、金属複合酸化物、及びこれらの混合物のいずれであってもよい。金属複合水酸化物及び金属複合酸化物は、一例として下記式(A’)で表されるモル比率で、Ni、Co及びXを含む。
Ni:Co:X=(1-y-z):y:z (A’)
(式(A’)中、Xは、Mn、Cu、Ti、Mg、Al、W、Mo、Nb、Zn、Sn、Zr、Ga、B、Si、S及びPからなる群より選択される1種以上の元素であり、0≦y≦0.4、0≦z≦0.5、及びy+z<1を満たす。)
本工程は、リチウム化合物とMCCとを混合し、混合物を得る工程である。
MCCとリチウム化合物との混合物は、一次焼成され、反応物が形成される。本実施形態において一次焼成とは、後述の二次焼成における焼成温度(焼成工程が複数の焼成段階を有する場合は、最も低い温度で実施される焼成段階における焼成温度)よりも低い温度で焼成することである。一次焼成は、複数回行ってもよい。
解砕された反応物は、二次焼成される。二次焼成は上述の流動式焼成炉を用いて行われる。焼成炉としてロータリーキルンを用いる場合、焼成炉である回転筒の内径は、50-2000mmであることが好ましく、60-1900mmであることがより好ましい。二次焼成の焼成雰囲気として、所望の組成に応じて大気、酸素、窒素、アルゴン又はこれらの混合ガス等が用いられる。焼成雰囲気が酸素含有雰囲気である場合、焼成雰囲気における酸素濃度は、21-100体積%であることが好ましく、25-100体積%であることがより好ましい。
二次焼成を行った後、CAMを解砕してもよい。CAMの解砕は、例えばピンミル及びディスクミル等による解砕が挙げられる。ピンミルによる反応物の解砕条件としては、例えば、回転数が300-20000rpmとなるようにピンミルを運転することが挙げられる。ディスクミルによる反応物の解砕条件としては、例えば、回転数が12-1200rpmとなるようにピンミルを運転することが挙げられる。二次焼成後のCAMをこのような条件で解砕することによって、CAMの第1~第3平均アスペクト比、平均包絡度及び平均円形度を上述の範囲に制御しやすい。
リチウムイオンの揮発量は、熱処理温度により制御することができる。
次いで、本実施形態のCAMを用いる場合の好適なリチウム二次電池の構成を説明する。
リチウム二次電池に本実施形態のCAMを適用する場合、CAMとして本実施形態のCAM以外のCAMを含んでいてもよい。例えば、CAMの総質量(100質量%)に対する本実施形態のCAMの含有割合は、70質量%以上が好ましく、80質量%以上がより好ましい。
さらに、本実施形態のCAMを用いる場合に好適なリチウム二次電池用正極(以下、正極と称することがある。)について説明する。
さらに、正極の用途として好適なリチウム二次電池について説明する。
(正極)
正極は、まずCAM、導電材及びバインダーを含む正極合剤を調製し、正極合剤を正極集電体に担持させることで製造することができる。
正極が有する導電材としては、炭素材料を用いることができる。炭素材料として黒鉛粉末、カーボンブラック(例えばアセチレンブラック)及び繊維状炭素材料などを挙げることができる。
正極が有するバインダーとしては、熱可塑性樹脂を用いることができる。この熱可塑性樹脂としては、ポリイミド樹脂;ポリフッ化ビニリデン(以下、PVdFということがある。)、ポリテトラフルオロエチレンなどのフッ素樹脂;ポリエチレン及びポリプロピレンなどのポリオレフィン樹脂、WO2019/098384A1またはUS2020/0274158A1に記載の樹脂を挙げることができる。
正極が有する正極集電体としては、Al、Ni又はステンレスなどの金属材料を形成材料とする帯状の部材を用いることができる。
以上に挙げられた方法により、正極を製造することができる。
リチウム二次電池が有する負極は、正極よりも低い電位でリチウムイオンのドープかつ脱ドープが可能であればよく、負極活物質を含む負極合剤が負極集電体に担持されてなる電極、及び負極活物質単独からなる電極を挙げることができる。
負極が有する負極活物質としては、炭素材料、カルコゲン化合物(酸化物又は硫化物など)、窒化物、金属又は合金で、正極よりも低い電位でリチウムイオンのドープかつ脱ドープが可能な材料が挙げられる。
負極が有する負極集電体としては、Cu、Ni又はステンレスなどの金属材料を形成材料とする帯状の部材を挙げることができる。
リチウム二次電池が有するセパレータとしては、例えば、ポリエチレン及びポリプロピレンなどのポリオレフィン樹脂、フッ素樹脂又は含窒素芳香族重合体などの材質からなる、多孔質膜、不織布又は織布などの形態を有する材料を用いることができる。また、これらの材質を2種以上用いてセパレータを形成してもよいし、これらの材料を積層してセパレータを形成してもよい。また、JP-A-2000-030686又はUS20090111025A1に記載のセパレータを用いてもよい。
リチウム二次電池が有する電解液は、電解質及び有機溶媒を含有する。
次いで、全固体リチウム二次電池の構成を説明しながら、本発明の一態様に係るCAMを用いた正極、及びこの正極を有する全固体リチウム二次電池について説明する。
本実施形態の正極110は、CAM層111と正極集電体112とを有している。
本実施形態のCAM層111に含まれる固体電解質としては、リチウムイオン伝導性を有し、公知の全固体リチウム二次電池に用いられる固体電解質を採用することができる。このような固体電解質としては、無機電解質及び有機電解質を挙げることができる。無機電解質としては、酸化物系固体電解質、硫化物系固体電解質及び水素化物系固体電解質を挙げることができる。有機電解質としては、ポリマー系固体電解質を挙げることができる。各電解質としては、WO2020/208872A1、US2016/02335
10A1、US2012/0251871A1、US2018/0159169A1に記
載の化合物が挙げられ、例えば、以下の化合物が挙げられる。
酸化物系固体電解質としては、例えば、ペロブスカイト型酸化物、NASICON型酸化物、LISICON型酸化物及びガーネット型酸化物などが挙げられる。各酸化物の具
体例は、WO2020/208872A1、US2016/0233510A1、US2
020/0259213A1に記載の化合物が挙げられ、例えば、以下の化合物が挙げられる。
硫化物系固体電解質としては、Li2S-P2S5系化合物、Li2S-SiS2系化合物、Li2S-GeS2系化合物、Li2S-B2S3系化合物、LiI-Si2S-P2S5系化合物、LiI-Li2S-P2O5系化合物、LiI-Li3PO4-P2S5系化合物及びLi10GeP2S12系化合物などを挙げることができる。
水素化物系固体電解質材料としては、LiBH4、LiBH4-3KI、LiBH4-PI2、LiBH4-P2S5、LiBH4-LiNH2、3LiBH4-LiI、LiNH2、Li2AlH6、Li(NH2)2I、Li2NH、LiGd(BH4)3Cl、Li2(BH4)(NH2)、Li3(NH2)I及びLi4(BH4)(NH2)3などを挙げることができる。
ポリマー系固体電解質として、例えばポリエチレンオキサイド系の高分子化合物及びポリオルガノシロキサン鎖及びポリオキシアルキレン鎖からなる群から選ばれる1種以上を含む高分子化合物などの有機系高分子電解質を挙げることができる。また、高分子化合物に非水電解液を保持させた、いわゆるゲルタイプのものを用いることもできる。
CAM層111が有する導電材としては、上述の(導電材)で説明した材料を用いることができる。また、正極合剤中の導電材の割合についても同様に上述の(導電材)で説明した割合を適用することができる。また、正極が有するバインダーとしては、上述の(バインダー)で説明した材料を用いることができる。
正極110が有する正極集電体112としては、上述の(正極集電体)で説明した材料を用いることができる。
負極120は、負極活物質層121と負極集電体122とを有している。負極活物質層121は、負極活物質を含む。また、負極活物質層121は、固体電解質及び導電材を含んでいてもよい。負極活物質、負極集電体、固体電解質、導電材及びバインダーは、上述したものを用いることができる。
固体電解質層130は、上述の固体電解質を有している。
[1]層状構造を有するリチウム二次電池用正極活物質であって、前記リチウム二次電池用正極活物質の平均アスペクト比である第1平均アスペクト比が0.760-0.998以下であり、前記リチウム二次電池用正極活物質の平均包絡度が0.983-0.998以下である、リチウム二次電池用正極活物質。
[2]前記リチウム二次電池用正極活物質の平均円形度が0.915-0.998以下である、[1]に記載のリチウム二次電池用正極活物質。
[3]前記リチウム二次電池用正極活物質の平均粒子径より小さい粒子径をもつ粒子のアスペクト比である第2平均アスペクト比が、前記第1平均アスペクト比よりも0.003以上大きい、[1]又は[2]に記載のリチウム二次電池用正極活物質。
[4]前記第1平均アスペクト比が、前記平均粒子径以上の粒子径をもつ粒子のアスペクト比である第3平均アスペクト比よりも0.004以上大きい、[3]に記載のリチウム二次電池用正極活物質。
[5]式(A)で表される、[1]~[4]の何れか一項に記載のリチウム二次電池用正極活物質。
Li[Lix(Ni(1-y-z)CoyXz)1-x]O2 ・・・(A)
(式A中、Xは、Mn、Cu、Ti、Mg、Al、W、Mo、Nb、Zn、Sn、Zr、Ga、B、Si、S及びPからなる群より選択される1種以上の元素であり、0<x≦0.10、0.05≦y≦0.30、0.05≦z≦0.35及びy+z<1を満たす。)
[6][1]~[5]の何れか一項に記載のリチウム二次電池用正極活物質を含有するリチウム二次電池用正極。
[7][6]に記載のリチウム二次電池用正極を有するリチウム二次電池。
後述の方法で製造されるCAMの組成分析は、上述の「CAMの組成分析」の方法により行った。
CAMの第1~第3平均アスペクト比、平均包絡度、平均円形度、平均粒子径及び粒度分布は、静的自動画像分析装置(モフォロギ4、マルバーン・パナリティカル社)により、上述の方法にて測定した。
後述する製造方法で得られるCAMと導電材(アセチレンブラック)とバインダー(PVdF)とを、CAM:導電材:バインダー=92:5:3(質量比)の組成となるように加えて混練することにより、ペースト状の正極合剤を調製した。正極合剤の調製時には、NMPを有機溶媒として用いた。
以下の操作を、アルゴン雰囲気のグローブボックス内で行った。
<リチウム二次電池用正極の作製>で作製したリチウム二次電池用正極を、コイン型電池R2032用のパーツ(宝泉株式会社製)の下蓋にアルミ箔面を下に向けて置き、その上に積層フィルムセパレータ(ポリエチレン製多孔質フィルムの上に、耐熱多孔層を積層した厚さが16μmの積層体)を置いた。ここに電解液を300μl注入した。電解液は、エチレンカーボネートとジメチルカーボネートとエチルメチルカーボネートの16:10:74(体積比)混合液に、LiPF6を1.3mol/Lとなるように溶解し、炭酸ビニレンを1.0%溶解させたものを用いた。
次に、負極として金属リチウムを用いて、前記負極を積層フィルムセパレータの上側に置き、ガスケットを介して上蓋をし、かしめ機でかしめてリチウム二次電池(コイン型ハーフセルR2032。以下、「コイン型ハーフセル」と称することがある。)を作製した。
上述の方法で作成されたリチウム二次電池について、上述の「サイクル維持率」の測定方法に記載の方法で測定した。
攪拌器及びオーバーフローパイプを備えた反応槽内に水を入れた後、水酸化ナトリウム水溶液を添加し、液温を50℃に保持した。
実施例1に記載の方法で得られた混合物1を内径が100mmの回転筒を有するロータリーキルン(ノリタケTCF社製)に投入し、回転速度1.08rpm、焼成炉内の温度を680℃とし、酸素含有雰囲気下で2時間保持して加熱し、反応物2を得た。
実施例1に記載の方法で混合物1を得た。この混合物1をローラーハースキルン(ノリタケカンパニーリミテド社製)の焼成炉内で酸素含有雰囲気下、650℃、5時間保持して混合物1を焼成し、金属複合酸化物1と水酸化リチウムとの反応物C1を得た。
攪拌器及びオーバーフローパイプを備えた反応槽内に水を入れた後、水酸化ナトリウム水溶液を添加し、液温を50℃に保持した。
実施例1~2及び比較例1~2のCAMの焼成条件、第1平均アスペクト比、平均包絡度、平均粒子径、粒度分布、第2平均アスペクト比-第1平均アスペクト比、第1平均アスペクト比-第3平均アスペクト比、平均円形度及び各CAMを使用したコイン型ハーフセルのサイクル維持率を表4に示す。
Claims (8)
- 層状構造を有するリチウム二次電池用正極活物質であって、前記リチウム二次電池用正極活物質のアスペクト比である第1平均アスペクト比が0.755以上1.000以下であり、前記リチウム二次電池用正極活物質の平均包絡度が0.983以上1.000以下である、リチウム二次電池用正極活物質。
- 前記リチウム二次電池用正極活物質の平均円形度が0.910以上1.000以下である、請求項1に記載のリチウム二次電池用正極活物質。
- 前記第1平均アスペクト比が0.755以上0.999以下である、請求項1又は2に記載のリチウム二次電池用正極活物質。
- 前記リチウム二次電池用正極活物質の平均粒子径より小さい粒子径をもつ粒子のアスペクト比である第2平均アスペクト比が、前記第1平均アスペクト比よりも0.003以上大きい、請求項3に記載のリチウム二次電池用正極活物質。
- 前記第1平均アスペクト比が、前記平均粒子径以上の粒子径をもつ粒子のアスペクト比である第3平均アスペクト比よりも0.004以上大きい、請求項4に記載のリチウム二次電池用正極活物質。
- 式(A)で表される、請求項1~5の何れか1つに記載のリチウム二次電池用正極活物質。
Li[Lix(Ni(1-y-z)CoyXz)1-x]O2 ・・・(A)
(式A中、Mは、Mn、Cu、Ti、Mg、Al、W、Mo、Nb、Zn、Sn、Zr、Ga、B、Si、S及びPからなる群より選択される1種以上の元素であり、-0.1≦x≦0.2、0≦y≦0.4、0≦z≦0.5、及びy+z<1を満たす。) - 請求項1~6の何れか1つに記載のリチウム二次電池用正極活物質を含有するリチウム二次電池用正極。
- 請求項7に記載のリチウム二次電池用正極を有するリチウム二次電池。
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