JP2023523668A - 正極活物質、その製造方法、及びそれを含む正極を含むリチウム二次電池 - Google Patents
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Abstract
Description
前記リチウム遷移金属酸化物粒子表面に配されたリン含有コーティング層と、を含み、
前記リチウム遷移金属酸化物粒子が、表面から粒子中心方向に、Co原子の濃度が低減する濃度勾配領域を含む正極活物質が提供される。
前記リチウム遷移金属酸化物粒子、Co元素含有化合物、P元素含有化合物を混合し、正極活物質前駆体を得る段階と、
前記正極活物質前駆体を熱処理し、正極活物質を得る段階と、を含み、
前記正極活物質は、表面にリン含有コーティング層を含み、表面から粒子中心方向に、Co原子の濃度が低減する濃度勾配領域を含む正極活物質の製造方法が提供される。
Li1-xNaxM1-(α+β+γ)WαMgβTiγO2-aSa・・・(化学式1)
Li1-x’Nax’Niy1’Coy2’Mny3’Wα’Mgβ’Tiγ’O2-a’Sa’ ・・・(化学式2)
Li1-x”Nax”Niy1”Coy2”Aly3”Wα”Mgβ”Tiγ”O2-a”Sa” ・・・(化学式3)
Li1-x’’’Nax’’’Niy1’’’Coy2’’’Wα’’’Mgβ’’’Tiγ’’’O2-a’’’Sa’’’ ・・・(化学式4)
0<x’≦0.01、0<α’≦0.01、0<β’≦0.005、0<γ’≦0.005、0<a’≦0.01、0<α’+β’+γ’≦0.02、0.48≦y1’<1、0<y2’≦0.2、0<y3’≦0.3、y1’+y2’+y3’+α’+β’+γ’=1でもある。
0<x”≦0.01、0<α”≦0.01、0<β”≦0.005、0<γ”≦0.005、0<a”≦0.01、0<α”+β”+γ”≦0.02、0.73≦y1”<1、0<y2”≦0.2、0<y3”≦0.05、y1”+y2”+y3”+α”+β”+γ”=1でもある。
0<x’’’≦0.01、0<α’’’≦0.01、0<β’’’≦0.005、0<γ’’’≦0.005、0<a’’’≦0.01、0<α’’’+β’’’+γ’’’≦0.02、0.78≦y1’’’<1、0<y2’’’≦0.2、y1’’’+y2’’’+α’’’+β’’’+γ’’’=1でもある。
LiaPbOc・・・(化学式5)
0<a≦3、0<b≦1、及び0<c≦4である。
Li1-xNaxM1-(α+β+γ)WαMgβTiγO2-aSa・・・(化学式1)
前記化学式1で、
Mは、W、Mg、Ti、Na及びSを除いたアルカリ金属元素、アルカリ土類金属元素、遷移金属元素、ポスト遷移金属及び非金属元素のうちから選択された1種以上の元素であり、
0<x≦0.01、0<α≦0.01、0<β≦0.005、0<γ≦0.005、0<a≦0.01、0<α+β+γ≦0.02である。
実施例1
100gのNi0.8Co0.1Mn0.1(OH)2、及び41.8gのLi2CO3、3.0gのWO3、0.27gのMgCO3、0.24gのTiO2、0.45gのNaOH、並びに0.75gの(NH4)2Sを、約15分機械的に混合する。混合された粉末を、1,000℃で4時間、及び700℃で10時間熱処理し、リチウム遷移金属酸化物粒子を得た。
次に、エタノール内に、2gの酢酸コバルト、2gの(NH4)2HPO4を溶解させた混合溶液に、100gの前記リチウム遷移金属酸化物粒子を添加した後、30分間撹拌し、80℃で乾燥させ、エタノールを除去した後、800℃で3時間焼成し、正極活物質を得た。得られた正極活物質の具体的な組成は、表1で確認することができる。
100gのNi0.90Co0.05Al0.05(OH)2、及び42.4gのLi2CO3、3.0gのWO3、0.27gのMgCO3、0.24gのTiO2、0.45gのNaOH、並びに0.75gの(NH4)2Sを、約15分機械的に混合する。混合された粉末を、970℃で4時間、及び700℃で10時間熱処理し、リチウム遷移金属酸化物粒子を得た。
次に、エタノール内に、2gの酢酸コバルト、2gの(NH4)2HPO4を溶解させた混合溶液に、100gの前記リチウム遷移金属酸化物粒子を添加した後、30分間撹拌し、80℃で乾燥させ、エタノールを除去した後、800℃で3時間焼成し、正極活物質を得た。得られた正極活物質の具体的な組成は、表1で確認することができる。
100gのNi0.9Co0.1(OH)2、及び42.0gのLi2CO3、3.0gのWO3、0.27gのMgCO3、0.24gのTiO2、0.45gのNaOH、並びに0.75gの(NH4)2Sを、約15分機械的に混合する。混合された粉末を、970℃で4時間、及び700℃で10時間熱処理し、リチウム遷移金属酸化物粒子を得た。
次に、エタノール内に、2gの酢酸コバルト、2gの(NH4)2HPO4を溶解させた混合溶液に、100gの前記リチウム遷移金属酸化物粒子を添加した後、30分間撹拌し、80℃で乾燥させ、エタノールを除去した後、800℃で3時間焼成し、正極活物質を得た。得られた正極活物質の具体的な組成は、表1で確認することができる。
100gのNi0.8Co0.1Mn0.1(OH)2、及び41.8gのLi2CO3、3.0gのWO3、0.27gのMgCO3、0.24gのTiO2、0.45gのNaOH、並びに0.75gの(NH4)2Sを、約15分機械的に混合する。混合された粉末を、1,000℃で4時間、及び700℃で10時間熱処理し、正極活物質を得た。得られた正極活物質の具体的な組成は、表1で確認することができる。
100gのNi0.8Co0.1Mn0.1(OH)2、及び41.8gのLi2CO3、0.27gのMgCO3、0.24gのTiO2を、約15分機械的に混合する。混合された粉末を、1,000℃で4時間、及び700℃で10時間熱処理し、正極活物質を得た。得られた正極活物質の具体的な組成は、表1で確認することができる。
100gのNi0.8Co0.1Mn0.1(OH)2、及び41.8gのLi2CO3、0.27gのMgCO3、0.45gのNaOHを、約15分機械的に混合する。混合された粉末を、1,000℃で4時間、及び700℃で10時間熱処理し、正極活物質を得た。得られた正極活物質の具体的な組成は、表1で確認することができる。
100gのNi0.8Co0.1Mn0.1(OH)2、及び41.8gのLi2CO3、0.75gの(NH4)2Sを、約15分機械的に混合する。混合された粉末を、1,000℃で4時間、及び700℃で10時間熱処理し、正極活物質を得た。得られた正極活物質の具体的な組成は、、表1で確認することができる。
100gのNi0.8Co0.1Mn0.1(OH)2、及び41.8gのLi2CO3、0.27gのMgCO3、0.45gのNaOHを、約15分機械的に混合する。混合された粉末を、1,000℃で4時間、及び700℃で10時間熱処理し、リチウム遷移金属酸化物粒子を得た。
次に、エタノール内に、2gの(NH4)2HPO4を溶解させた溶液に、100gのリチウム遷移金属酸化物粒子を添加した後、30分間撹拌した。次に、80℃で乾燥させ、エタノール溶媒を除去した後、800℃で3時間焼成し、正極活物質を得た。得られた正極活物質の具体的な組成は、表1で確認することができる。
100gのNi0.8Co0.1Mn0.1(OH)2、及び41.8gのLi2CO3を、約15分機械的に混合する。混合された粉末を、1,000℃で4時間、及び700℃で10時間熱処理し、リチウム遷移金属酸化物粒子を得た。
次に、エタノール内に、2gの酢酸コバルトを溶解させた溶液に、100gのリチウム遷移金属酸化物粒子を添加し、30分間撹拌した。次に、80℃で乾燥させ、エタノール溶媒を除去した後、800℃で3時間焼成し、正極活物質を得た。得られた正極活物質の具体的な組成は、表1で確認することができる。
100gのNi0.90Co0.05Al0.05(OH)2、及び42.4gのLi2CO3、3.0gのWO3、0.27gのMgCO3、0.24gのTiO2、0.45gのNaOH、並びに0.75gの(NH4)2Sを、約15分機械的に混合する。混合された粉末を、970℃で4時間、及び700℃で10時間熱処理し、リチウム遷移金属酸化物粒子を得た。得られた正極活物質の具体的な組成は、表1で確認することができる。
100gのNi0.9Co0.1(OH)2、及び42.0gのLi2CO3、3.0gのWO3、0.27gのMgCO3、0.24gのTiO2、0.45gのNaOH、並びに0.75gの(NH4)2Sを、約15分機械的に混合する。混合された粉末を、970℃で4時間、及び700℃で10時間熱処理し、リチウム遷移金属酸化物粒子を得た。得られた正極活物質の具体的な組成は、表1で確認することができる。
実施例4
実施例1で得た正極活物質:導電材:バインダを、94:3:3の重量比で混合し、スラリーを製造した。ここで、前記導電材としては、カーボンブラックを使用し、前記バインダとしては、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)をN-メチル-2-ピロリドン溶媒に溶解させて使用した。
前記スラリーをAl集電体に均一に塗布し、110℃で2時間乾燥させ、正極電極を製造した。極板のローディングレベルは、11.0mg/cm2であり、電極密度は、3.6g/ccであった。
前記製造された正極を作業電極として使用し、リチウムホイルを相対電極として使用し、エチレンカーボネート(EC)/EMC(エチルメチルカーボネート)/DEC(ジエチルカーボネート)を3/4/3の体積比で混合した混合溶媒に、リチウム塩としてLiPF6を、1.3Mの濃度になるように添加した液体電解液を使用し、一般的に知られている工程により、CR2032ハーフセルを作製した。
実施例1で得た正極活物質の代わりに、実施例2,3で得た正極活物質をそれぞれ使用した点を除いては、実施例4と同一方法でハーフセルを作製した。
実施例1で得た正極活物質の代わりに、比較例1ないし7で得た正極活物質をそれぞれ使用した点を除いては、実施例4と同一方法でハーフセルを作製した。
実施例1及び比較例1で合成された正極活物質につき、700-ES(Varian)装備を利用し、ICP(inductively coupled plasma)分析を進め、その結果は、下記表2に記載されている。
実施例1及び比較例1で合成された正極活物質の外観を、Verios 460(FEI社)装備を利用し、SEM(scanning electron microscope)イメージを得て、図1に示した。また、Cilas 1090(Scinco社)装備を利用し、粒度分布を測定し、下記表3及び図2に示した。
実施例1及び比較例1のそれぞれで合成された正極活物質10gと、脱イオン水(D.I.W)溶液とを、350rpmで30分撹拌させた後、40g溶液をフィルタした後、さらに100g脱イオン水(D.I.W)を添加し、電位差滴定器(potentiometric titrator)(888 Titrando、Metrohm)を利用して測定し、その結果は、下記表4に記載されている。
実施例1及び比較例1で得た正極活物質につき、高解像度透過電子顕微鏡(HR-TEM:high resolution transmission electron microscopy)を利用して写真を撮り、エネルギー分散型X線分析(EDX:energy dispersive X-ray spectroscopy)を進めた。その結果は、下記の表5及び表6、及び図3及び図4A,Bに示されている。
実施例4ないし6、及び比較例8ないし14で作製したハーフセルを、10時間休止させた後、0.1Cで4.3VまでCCモードで充電した後、0.05Cに該当する電流までCVモードで充電を進めた。次に、0.1Cで、3.0VまでCCモードで放電し、化成工程を完了した。
次に、常温(25℃)において、0.5Cで、4.3VまでCCモードで充電した後、0.05Cに該当する電流までCVモードで充電を進めた。次に、1Cで、3.0VまでCCモードで放電を進め、この過程を総50回反復した。
初期容量につき、50回の充電後及び放電後の容量維持率を計算し、その結果は、下記表7に示されている。また、サイクルによる容量維持率を示したグラフは、図5ないし図7に示されている。
Claims (20)
- Liの一部がNaで置換され、Ni原子及びCo原子を含むリチウム遷移金属酸化物粒子と、
前記リチウム遷移金属酸化物粒子表面に配されたリン含有コーティング層と、を含み、
前記リチウム遷移金属酸化物粒子が、表面から粒子中心方向に、Co原子の濃度が低減する濃度勾配領域を含む、正極活物質。 - 前記濃度勾配領域は、前記リチウム遷移金属酸化物粒子表面から粒子中心方向に、Ni原子の濃度が増大する、請求項1に記載の正極活物質。
- 前記濃度勾配領域は、前記リチウム遷移金属酸化物粒子表面から中心方向に、500nm距離までの領域を含む、請求項1に記載の正極活物質。
- 前記リチウム遷移金属酸化物粒子は、下記化学式1で表されるリチウム遷移金属酸化物を含む、請求項1に記載の正極活物質:
Li1-xNaxM1-(α+β+γ)WαMgβTiγO2-aSa・・・(化学式1)
前記化学式1で、
Mは、W、Mg、Ti、Na及びSを除いたアルカリ金属元素、アルカリ土類金属元素、遷移金属元素、ポスト遷移金属及び非金属元素のうちから選択された1種以上の元素であり、
0<x≦0.01、0<α≦0.01、0<β≦0.005、0<γ≦0.005、0<a≦0.01、0<α+β+γ≦0.02である。 - 前記化学式1で、β及びγは、それぞれ0<β≦0.003、0<γ≦0.003である、請求項1に記載の正極活物質。
- 前記Mは、Ni、Co、Mn、Al、V、Ca、Zr、B及びPのうちから選択された1種以上の元素である、請求項1に記載の正極活物質。
- 前記Mは、Ni、Co、Mn及びAlのうちから選択された1種以上の元素である、請求項6に記載の正極活物質。
- 前記リチウム遷移金属酸化物は、単一粒子である、請求項1に記載の正極活物質。
- 前記リチウム遷移金属酸化物は、単結晶である、請求項1に記載の正極活物質。
- 前記リチウム遷移金属酸化物は、下記化学式2ないし4のうちいずれか一つで表される、請求項1に記載の正極活物質。
Li1-x’Nax’Niy1’Coy2’Mny3’Wα’Mgβ’Tiγ’O2-a’Sa’ ・・・(化学式2)
Li1-x”Nax”Niy1”Coy2”Aly3”Wα”Mgβ”Tiγ”O2-a”Sa” ・・・(化学式3)
Li1-x’’’Nax’’’Niy1’’’Coy2’’’Wα’’’Mgβ’’’Tiγ’’’O2-a’’’Sa’’’ ・・・(化学式4)
前記化学式2で、
0<x’≦0.01、0<α’≦0.01、0<β’≦0.005、0<γ’≦0.005、0<a’≦0.01、0<α’+β’+γ’≦0.02、0.48≦y1’<1、0<y2’≦0.2、0<y3’≦0.3、y1’+y2’+y3’+α’+β’+γ’=1であり、
前記化学式3で、
0<x”≦0.01、0<α”≦0.01、0<β”≦0.005、0<γ”≦0.005、0<a”≦0.01、0<α”+β”+γ”≦0.02、0.73≦y1”<1、0<y2”≦0.2、0<y3”≦0.05、y1”+y2”+y3”+α”+β”+γ”=1であり、
前記化学式4で、
0<x’’’≦0.01、0<α’’’≦0.01、0<β’’’≦0.005、0<γ’’’≦0.005、0<a’’’≦0.01、0<α’’’+β’’’+γ’’’≦0.02、0.78≦y1’’’<1、0<y2’’’≦0.2、y1’’’+y2’’’+α’’’+β’’’+γ’’’=1である。 - 前記化学式2で、0<β’≦0.003、0<γ’≦0.003、0<α’+β’+γ’≦0.016であり、
前記化学式3で、0<β”≦0.003、0<γ”≦0.003、0<α”+β”+γ”≦0.016であり、
前記化学式4で、0<β’’’≦0.003、0<γ’’’≦0.003、0<α’’’+β’’’+γ’’’≦0.016である、請求項10に記載の正極活物質。 - 前記リチウム遷移金属酸化物の平均粒径(D50)は、0.1μmないし20μmである、請求項1に記載の正極活物質。
- 前記リン含有コーティング層は、下記化学式5で表される化合物を含む、請求項1に記載の正極活物質:
LiaPbOc・・・(化学式5)
0<a≦3、0<b≦1、及び0<c≦4である。 - 前記コーティング層は、250nm以下の厚みを有する、請求項1に記載の正極活物質。
- Liの一部がNaで置換され、Ni原子及びCo原子を含むリチウム遷移金属酸化物粒子を準備する段階と、
前記リチウム遷移金属酸化物粒子、Co元素含有化合物、P元素含有化合物を混合し、正極活物質前駆体を得る段階と、
前記正極活物質前駆体を焼成し、正極活物質を得る段階と、を含み、
前記正極活物質は、表面にリン含有コーティング層を含み、表面から粒子中心方向に、Co原子の濃度が低減する濃度勾配領域を含む、正極活物質の製造方法 - 前記リチウム遷移金属酸化物粒子を準備する段階は、
Li元素含有化合物、Na元素含有化合物、W元素含有化合物、Mg元素含有化合物、Ti元素含有化合物、M元素含有化合物及びS元素含有化合物を混合し、リチウム遷移金属酸化物前駆体を得る段階と、
前記リチウム遷移金属酸化物前駆体を熱処理し、下記化学式1で表されるリチウム遷移金属酸化物粒子を含む正極活物質を得る段階と、を含む、請求項15に記載の正極活物質の製造方法:
Li1-xNaxM1-(α+β+γ)WαMgβTiγO2-aSa・・・(化学式1)
前記化学式1で、
Mは、W、Mg、Ti、Na及びSを除いたアルカリ金属元素、アルカリ土類金属元素、遷移金属元素、ポスト遷移金属及び非金属元素のうちから選択された1種以上の元素であり、
0<x≦0.01、0<α≦0.01、0<β≦0.005、0<γ≦0.005、0<a≦0.01、0<α+β+γ≦0.02である。 - 前記混合段階は、機械的混合する段階を含む、請求項16に記載の正極活物質の製造方法。
- 前記熱処理段階は、第1熱処理段階及び第2熱処理段階を含み、
前記第1熱処理段階の熱処理温度は、前記第2熱処理段階の熱処理温度より高い、請求項16に記載の正極活物質の製造方法。 - 前記焼成する段階は、500℃ないし900℃の温度で1ないし6時間行われる、請求項15に記載の正極活物質の製造方法。
- 請求項1ないし14のうちいずれか1項に記載の正極活物質を含む正極と、
負極と、
電解質と、を含むリチウム二次電池。
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