JP2024064976A - 正極活物質、正極およびこれを含むリチウム二次電池 - Google Patents
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Abstract
【課題】リチウム過剰のリチウムマンガン系酸化物の低い単位体積当たりのエネルギー密度を改善するためのバイモーダルタイプの正極活物質を提供すること。【解決手段】前記第1リチウムマンガン系酸化物と前記第2リチウムマンガン系酸化物は、C2/m空間群に属する相とR3-m空間群に属する相が固溶または複合した酸化物であり、前記第1リチウムマンガン系酸化物および前記第2リチウムマンガン系酸化物は、それぞれ独立して、複数の大粒径一次粒子が凝集した形態の二次粒子および複数の小粒径一次粒子が凝集した形態の二次粒子から選択される少なくとも1つの形態の二次粒子を含み、かつ、前記第1リチウムマンガン系酸化物および前記第2リチウムマンガン系酸化物から選択される少なくとも1つは、複数の大粒径一次粒子が凝集した形態の二次粒子を含む、正極活物質である。【選択図】なし
Description
本発明は、正極活物質、正極およびこれを含むリチウム二次電池に関し、より具体的には、本発明は、リチウム過剰のリチウムマンガン系酸化物の低い単位体積当たりのエネルギー密度を改善するためのバイモーダルタイプの正極活物質、正極およびこれを含むリチウム二次電池に関する。
電池は、正極と負極に電気化学的反応が可能な物質を使用することによって電力を貯蔵する。前記電池の代表的な例としては、正極および負極においてリチウムイオンがインターカレーション/デインターカレーションされる際の化学電位(chemical potential)の差によって電気エネルギーを貯蔵するリチウム二次電池がある。
前記リチウム二次電池は、リチウムイオンの可逆的なインターカレーション/デインターカレーションが可能な物質を正極と負極活物質として使用し、前記正極と負極の間に有機電解液またはポリマー電解質を充填させて製造する。
リチウム二次電池の正極活物質として使用される代表的な物質としては、リチウム複合酸化物がある。前記リチウム複合酸化物は、LiCoO2、LiMn2O4、LiNiO2、LiMnO2またはNi、Co、MnまたはAlなどが複合化された酸化物などがある。
前記正極活物質のうちLiCoO2は、寿命特性および充放電効率に優れていて、最も多く使用されているが、原料として使用されるコバルトの資源的限界に起因して高価であるから、価格競争力に限界があるという短所を有している。
LiMnO2、LiMn2O4などのリチウムマンガン酸化物は、熱的安全性に優れ、価格が安いという長所があるが、容量が小さく、高温特性が悪いという問題点がある。また、LiNiO2系正極活物質は、高い放電容量の電池特性を示しているが、Liと遷移金属間のカチオンミキシング(cation mixing)問題に起因して合成が難しく、それによって、レート特性に大きな問題点がある。
また、このようなカチオンミキシングの深化程度に応じて多量のLi副産物が発生する。前記Li副産物は、大部分がLiOHおよびLi2CO3を含み、正極ペーストの製造時にゲル(gel)化を引き起こしたり、電極製造後、反復された充放電によってガスを発生させる原因となる恐れがある。また、前記Li副産物のうち残留のLi2CO3は、セルのスウェリング現象を増加させて寿命特性を低下させる原因として作用する。
このような従来の正極活物質の短所を補完するための様々な候補物質が提案されている。
一例として、遷移金属のうちMnが過量で含まれると同時に、リチウムの含有量が遷移金属の含有量の合計より多いリチウム過剰のリチウムマンガン系酸化物をリチウム二次電池用正極活物質として使用しようとする研究が行われている。このようなリチウム過剰のリチウムマンガン系酸化物は、リチウム過剰の層状系酸化物(overlithiated layered oxide;OLO)とも称される。
前記OLOは、理論的に高電圧作動環境下で高容量を発揮することができるという長所があるが、実際に酸化物中に過量で含まれたMnに起因して相対的に電気伝導度が低く、これによって、OLOを使用したリチウム二次電池のレート特性が低いという短所がある。このように、レート特性が低い場合、リチウム二次電池の充放電サイクル時に充放電容量および寿命効率(サイクル容量維持率;capacity retention)が低下する問題点が現れる。
また、OLOは、素材の特性上、粒子内の空隙率が高いので、単位体積当たりのエネルギー密度が低いという短所が存在する。
上述した問題点を解決するために、OLOの組成を変更する研究が続いてきたが、今のところは、このような試みが商用化レベルに達していないのが現状である。
リチウム二次電池の市場では、電気自動車用リチウム二次電池の成長が市場の牽引役としての役割をしている中で、これによって、リチウム二次電池に使用される正極活物質の需要も、持続的に増加している。
例えば、従来、安全性の確保などの観点から、リチウムリン酸鉄(lithium iron phosphate;LFP)を使用したリチウム二次電池が主に使用されてきたが、最近になってLFPに比べて重量当たりのエネルギー容量が大きいニッケル系リチウム複合酸化物の使用が拡大する傾向にある。
また、最近、高容量のリチウム二次電池の正極活物質として主に使用されるニッケル系リチウム複合酸化物は、ニッケル、コバルトおよびマンガンまたはニッケル、コバルトおよびアルミニウムのように3元系金属元素が必須的に使用される。しかしながら、コバルトは、需給が不安定なだけでなく、他の原料に比べて過度に高価なので、コバルトの含有量を減らしたりコバルトを排除できる新しい組成の正極活物質が必要である。
このような諸般の状況を考慮するとき、リチウム過剰のリチウムマンガン系酸化物は、前述した市場の期待に応えることができるが、まだ前記リチウムマンガン系酸化物が商用化されたニッケル-コバルト-マンガン(NCM)またはニッケル-コバルト-アルミニウム(NCA)組成の3元系リチウム複合酸化物のような正極活物質の代替としては電気化学的特性や安定性が不十分であるという限界がある。
例えば、OLOは、素材の組成(過剰のリチウムを含む)および構造的特性(粒子内の空隙率が高い)に起因して単位体積当たりのエネルギー密度が低いという短所は前述した。
しかしながら、前記リチウムマンガン系酸化物をそれぞれ小粒子と大粒子に分けて調製した後、前記小粒子と前記大粒子の混合物としてバイモーダルタイプの正極活物質を提供することによって、リチウム過剰のリチウムマンガン系酸化物の低い単位体積当たりのエネルギー密度を改善することができることが本発明者により確認された。
これによって、本発明は、リチウム過剰のリチウムマンガン系酸化物の低い単位体積当たりのエネルギー密度を改善するためのバイモーダルタイプの正極活物質を提供することを目的とする。
また、本発明は、小粒子および大粒子のうち少なくとも1つが一次粒子の成長が誘導された二次粒子を含むようにすることによって、バイモーダルタイプの正極活物質の単位体積当たりのエネルギー密度をさらに改善することが可能な正極活物質を提供することを目的とする。
特に、小粒子および大粒子のうち少なくとも1つに含まれた一次粒子の成長が誘導された二次粒子は、前記二次粒子の内部空隙率(一次粒子間の空隙率)が減少することにより、バイモーダルタイプの正極活物質の単位体積当たりのエネルギー密度の改善に寄与することができる。
また、小粒子および大粒子のうち少なくとも1つに含まれた一次粒子の成長が誘導された二次粒子は、比表面積が減少することにより、前記二次粒子の比表面積が減少することにより、高電圧条件下で初期電池反応時に副反応により電池性能が急激に低下することを防止することができる。
また、本発明は、本願に定義されたバイモーダルタイプの正極活物質を含む正極を使用することによって、従来OLO中に過量で存在するリチウムおよびマンガンによるレート特性などを含むリチウム二次電池の電気化学的特性が低下することを防止し、高電圧駆動時に前記正極活物質と電解液間の副反応を減らすことによって高い安定性を実現することが可能なリチウム二次電池を提供することを目的とする。
上述した技術的課題を解決するための本発明の一態様によれば、小粒子としての第1リチウムマンガン系酸化物および大粒子としての第2リチウムマンガン系酸化物を含むバイモーダルタイプの正極活物質が提供される。
前記バイモーダルタイプの正極活物質を構成する前記第1リチウムマンガン系酸化物と前記第2リチウムマンガン系酸化物は、C2/m空間群に属する相とR3-m空間群に属する相が固溶または複合した酸化物である。
一般的に、商用化されたニッケル-コバルト-マンガン(NCM)またはニッケル-コバルト-アルミニウム(NCA)組成の3元系リチウム複合酸化物は、R3-m空間群に属する相が単相(single phase)で存在するのに対し、本願に定義されたリチウム過剰のリチウムマンガン系酸化物は、C2/m空間群に属する相とR3-m空間群に属する相が固溶または複合したことを特徴とする。
一実施例において、前記第1リチウムマンガン系酸化物および前記第2リチウムマンガン系酸化物は、複数の一次粒子が凝集して形成された二次粒子を含む。
具体的には、前記第1リチウムマンガン系酸化物および前記第2リチウムマンガン系酸化物は、それぞれ独立して、複数の大粒径一次粒子が凝集した形態の二次粒子および複数の小粒径一次粒子が凝集した形態の二次粒子から選択される少なくとも1つの形態の二次粒子を含む。
この際、前記第1リチウムマンガン系酸化物および前記第2リチウムマンガン系酸化物から選択される少なくとも1つが複数の大粒径一次粒子が凝集した形態の二次粒子を含むようにすることによって、バイモーダルタイプの正極活物質の単位体積当たりのエネルギー密度を改善することができる。
一実施例において、前記第1リチウムマンガン系酸化物中、複数の大粒径一次粒子が凝集した形態の二次粒子と複数の小粒径一次粒子が凝集した形態の二次粒子は、10:90~100:0の重量比で含まれ得る。
ここで、前記大粒径一次粒子の短軸長さの平均値は、100nm以上500nm以下であり、前記小粒径一次粒子の短軸長さの平均値は、50nm以上300nm以下であり、かつ、前記小粒径一次粒子の短軸長さの平均値は、前記大粒径一次粒子の短軸長さの平均値より小さい。
前記一次粒子の短軸長さの平均値は、前記二次粒子のSEM像から前記二次粒子の表面に露出した前記一次粒子に対して測定(例えば、前記二次粒子のSEM像から前記二次粒子の表面に露出した前記一次粒子のうち短軸長さが長い順に選ばれた20個の一次粒子から計算)できる。
一実施例において、前記第2リチウムマンガン系酸化物中、複数の大粒径一次粒子が凝集した形態の二次粒子と複数の小粒径一次粒子が凝集した形態の二次粒子は、10:90~100:0の重量比で含まれ得る。
ここで、前記大粒径一次粒子の短軸長さの平均値は、100nm以上500nm以下であり、前記小粒径一次粒子の短軸長さの平均値は、50nm以上300nm以下であり、かつ、前記小粒径一次粒子の短軸長さの平均値は、前記大粒径一次粒子の短軸長さの平均値より小さい。
前記第1リチウムマンガン系酸化物および前記第2リチウムマンガン系酸化物は、それぞれ独立して、ニッケル、コバルトおよびマンガンから選択される少なくとも1つを含んでもよい。
より具体的には、前記第1リチウムマンガン系酸化物および前記第2リチウムマンガン系酸化物は、それぞれ独立して、下記の化学式1で表され得る。
[化学式1]
rLi2MnO3-b′Xb′・(1-r)LiaM1xM2yM3zO2-bXb
(ここで、
M1は、NiおよびMnから選択される少なくとも1つであり、
M2は、Ni、Mn、Co、Al、P、Nb、B、Si、Ti、Zr、Ba、K、Mo、Fe、Cu、Cr、Zn、Na、Ca、Mg、Pt、Au、Eu、Sm、W、Ce、V、Ta、Sn、Hf、GdおよびNdから選択される少なくとも1つであり、
M3は、W、MoおよびNbから選択される少なくとも1つであり、
M1~M3は、互いに重複せず、
XおよびX′は、前記リチウムマンガン系酸化物に存在する酸素のうち少なくとも一部を置換可能なハロゲンであり、
0<r≦0.7、0<a≦1、0≦b≦0.1、0≦b′≦0.1、0<x≦1、0≦y<1、0≦z≦0.1および0<x+y+z≦1である。)
rLi2MnO3-b′Xb′・(1-r)LiaM1xM2yM3zO2-bXb
(ここで、
M1は、NiおよびMnから選択される少なくとも1つであり、
M2は、Ni、Mn、Co、Al、P、Nb、B、Si、Ti、Zr、Ba、K、Mo、Fe、Cu、Cr、Zn、Na、Ca、Mg、Pt、Au、Eu、Sm、W、Ce、V、Ta、Sn、Hf、GdおよびNdから選択される少なくとも1つであり、
M3は、W、MoおよびNbから選択される少なくとも1つであり、
M1~M3は、互いに重複せず、
XおよびX′は、前記リチウムマンガン系酸化物に存在する酸素のうち少なくとも一部を置換可能なハロゲンであり、
0<r≦0.7、0<a≦1、0≦b≦0.1、0≦b′≦0.1、0<x≦1、0≦y<1、0≦z≦0.1および0<x+y+z≦1である。)
前記第1リチウムマンガン系酸化物および前記第2リチウムマンガン系酸化物から選択される少なくとも1つは、金属カチオンドーパントおよびハロゲンアニオンドーパントから選択される少なくとも1つのドーパントでドープされた二次粒子を含んでもよいし、好ましくは、前記複数の大粒径一次粒子が凝集した形態の二次粒子が金属カチオンドーパントおよびハロゲンアニオンドーパントから選択される少なくとも1つのドーパントでドープされてもよい。
この際、前記金属カチオンドーパントは、W、MoおよびNbから選択される少なくとも1つであり、前記ハロゲンアニオンドーパントは、フッ素であってもよい。
また、本発明の他の態様によれば、上述した正極活物質を含む正極が提供される。
また、本発明のさらに他の態様によれば、上述した正極が使用されたリチウム二次電池が提供される。
本発明によれば、商用化されたニッケル-コバルト-マンガン(NCM)またはニッケル-コバルト-アルミニウム(NCA)組成の3元系リチウム複合酸化物と比較するとき、電気化学的特性および/または安定性の観点から様々な不利な部分がある従来のリチウム過剰のリチウムマンガン系酸化物の限界を改善することが可能である。
具体的には、本発明によれば、前記リチウムマンガン系酸化物をそれぞれ小粒子と大粒子に分けて調製した後、小粒子と大粒子の混合物としてバイモーダルタイプの正極活物質を提供することによって、リチウム過剰のリチウムマンガン系酸化物の低い単位体積当たりのエネルギー密度を一定部分改善することができる。
また、本発明によれば、小粒子および大粒子のうち少なくとも1つが一次粒子の成長が誘導された二次粒子(大粒径一次粒子が凝集した形態の二次粒子)を含むようにすることによって、バイモーダルタイプの正極活物質の単位体積当たりのエネルギー密度をさらに改善することが可能である。
特に、小粒子および大粒子のうち少なくとも1つに含まれた大粒径一次粒子が凝集した形態の二次粒子は、内部空隙率(一次粒子間の空隙率)が減少することにより、バイモーダルタイプの正極活物質の単位体積当たりのエネルギー密度のさらなる改善に寄与することができる。
また、小粒子および大粒子のうち少なくとも1つに含まれた大粒径一次粒子が凝集した形態の二次粒子は、比表面積が減少することにより、高電圧条件下で初期電池反応時に副反応により電池性能が急激に低下することを防止することができる。
例えば、小粒子および/または大粒子の比表面積が減少する場合、小粒子および/または大粒子と前記電解液間の副反応を減らすことが可能である。特に、前記リチウムマンガン系酸化物のようなOLOは、高電圧作動環境下で高容量を発揮するという長所があるが、前記リチウムマンガン系酸化物と前記電解液間の副反応が起こる可能性は、作動電圧が高まるほど促進され得るという点から、前記リチウムマンガン系酸化物と前記電解液間の副反応を減らすことが重要である。
したがって、小粒子および/または大粒子と前記電解液間の副反応が減少することにより、本願に定義されたバイモーダルタイプの正極活物質として使用したリチウム二次電池の安定性と寿命を向上させることができる。特に、電解液に対する副反応が抑制された正極活物質は、リチウム二次電池をより高電圧で駆動することが可能である。
上述した効果とともに本発明の具体的な効果は、以下発明を実施するための具体的な事項を説明しつつ共に記述する。
本発明をより容易に理解するため、便宜上、特定用語を本願に定義する。本願において特に定義しない限り、本発明で用いられた科学用語及び技術用語は、当技術分野における通常の知識を有する者にとって一般的に理解される意味を有する。また、文脈上、特に指定しない限り、単数形態の用語は、それの複数形態も含むものであり、複数形態の用語は、それの単数形態も含むものと理解すべきである。
以下、本発明の幾つかの実施例によるリチウム過剰のリチウムマンガン系酸化物を含む正極活物質および前記正極活物質を含むリチウム二次電池についてより詳細に説明することとする。
正極活物質
本発明の一態様によれば、C2/m空間群に属する相とR3-m空間群に属する相が固溶または複合したリチウムマンガン系酸化物を含む正極活物質が提供される。
本発明の一態様によれば、C2/m空間群に属する相とR3-m空間群に属する相が固溶または複合したリチウムマンガン系酸化物を含む正極活物質が提供される。
ここで、前記リチウムマンガン系酸化物は、平均粒径を基準として小粒子としての第1リチウムマンガン系酸化物および大粒子としての第2リチウムマンガン系酸化物に分類され得、本願に定義された正極活物質は、小粒子としての第1リチウムマンガン系酸化物および大粒子としての第2リチウムマンガン系酸化物を含むバイモーダルタイプの正極活物質である。
前記リチウムマンガン系酸化物は、少なくともリチウム、ニッケルおよびマンガンを含む。この際、前記リチウムマンガン系酸化物は、前記リチウムマンガン系酸化物に存在するリチウムの含有量が他の遷移金属の含有量の合計より多くて(一般的にリチウムマンガン系酸化物中のリチウム以外の全金属元素に対するリチウムのモル比(Li/Metal molar ratio)が1より大きい場合)、リチウム過剰の層状系酸化物(overlithiated layered oxide;OLO)とも称される。
また、前記リチウムマンガン系酸化物は、ニッケル、コバルトおよびマンガンから選択される少なくとも1つを含む。すなわち、前記第1リチウムマンガン系酸化物および前記第2リチウムマンガン系酸化物は、それぞれ独立して、ニッケル、コバルトおよびマンガンから選択される少なくとも1つを含む。
一般的に、商用化されたニッケル-コバルト-マンガン(NCM)またはニッケル-コバルト-アルミニウム(NCA)組成の3元系リチウム複合酸化物は、リチウムを除いた全金属元素中のマンガンの含有量が20mol%以下である点を考慮するとき、前記リチウムマンガン系酸化物は、商用化された3元系リチウム複合酸化物に対して全金属元素中にマンガン(例えば、50mol%以上、好ましくは、55mol%~75mol%)が占める割合が相対的に高い。
また、商用化されたニッケル-コバルト-マンガン(NCM)またはニッケル-コバルト-アルミニウム(NCA)組成の3元系リチウム複合酸化物は、リチウムを除いた全金属元素中のニッケルの含有量が60mol%以上(high-Niタイプの場合、80mol%以上)である点を考慮するとき、前記リチウムマンガン系酸化物は、商用化された3元系リチウム複合酸化物に対して全金属元素中にニッケルが占める割合(例えば、50mol%未満、好ましくは、25mol%~45mol%)が相対的に低い。
本願に定義されたリチウムマンガン系酸化物から測定されたLi/Metal molar ratioは、ニッケル-コバルト-マンガン(NCM)またはニッケル-コバルト-アルミニウム(NCA)のような3元系リチウム複合酸化物より大きいという差異も存在する。例えば、ニッケル-コバルト-マンガン(NCM)またはニッケル-コバルト-アルミニウム(NCA)のような3元系リチウム複合酸化物のLi/Metal molar ratioは、ほぼ1に近い値を有する。一方、本願に定義されたリチウムマンガン系酸化物のLi/Metal molar ratioは、1より大きく、好ましくは、1.1~1.7の値を有する。
前述した組成の差異点にもかかわらず、前記リチウムマンガン系酸化物もリチウムイオンのインターカレーション/デインターカレーションが可能な複合金属酸化物としての役割をすることができる。
一実施例において、前記第1リチウムマンガン系酸化物および前記第2リチウムマンガン系酸化物は、複数の一次粒子が凝集して形成された二次粒子を含む。
具体的には、前記第1リチウムマンガン系酸化物および前記第2リチウムマンガン系酸化物は、それぞれ独立して、複数の大粒径一次粒子が凝集した形態の二次粒子および複数の小粒径一次粒子が凝集した形態の二次粒子から選択される少なくとも1つの形態の二次粒子を含む。
本願において前記小粒径一次粒子および前記大粒径一次粒子は、前記一次粒子の短軸長さの平均値を基準として分類され得る。
本願において使用される用語である「小粒径(small diameter)」および「大粒径(large diameter)」は、二次粒子を構成する一次粒子サイズを説明するために使用される相対的な概念の用語である。これによって、用語「小粒径(small diameter)」および「大粒径(large diameter)」は、二次粒子のサイズを説明するために使用される用語である「小粒子(small particle)」および「大粒子(large particle)」とは区別される意味を有するものと理解すべきである。
もし前記第1リチウムマンガン系酸化物または前記第2リチウムマンガン系酸化物が、それぞれ一次粒子サイズが異なる二次粒子を含むとき、前記二次粒子のうち相対的に小さい平均粒径を有する一次粒子が凝集した形態の二次粒子を構成する一次粒子を「小粒径一次粒子」とも称することができる。反対に、前記二次粒子のうち相対的に大きい平均粒径を有する一次粒子が凝集した形態の二次粒子を構成する一次粒子を「大粒径一次粒子」とも称することができる。
前記小粒径一次粒子および前記大粒径一次粒子は、本願に定義された範囲内で多様な形状を有してもよい。
従来のリチウム過剰のリチウムマンガン系酸化物は、複数の一次粒子が凝集した二次粒子形態である一般的に数~数十nmの平均粒径を有する一次粒子が凝集した形態を有する。
一方、本願に定義されたリチウムマンガン系酸化物を構成する前記一次粒子は、0.05μm~5μm、好ましくは、0.05μm~1.0μmの平均粒径を有してもよい。より具体的には、前記小粒径一次粒子は、0.05μm~5μm、好ましくは、0.05μm~1.0μm、より好ましくは、0.10μm~0.50μmの平均粒径を有してもよく、前記大粒径一次粒子は、0.05μm~5μm、好ましくは、0.05μm~1.0μm、より好ましくは、0.15μm~0.75μmの平均粒径を有してもよい。
例えば、前記第1リチウムマンガン系酸化物が複数の大粒径一次粒子が凝集した形態の二次粒子および複数の小粒径一次粒子が凝集した形態の二次粒子を同時に含む場合、複数の大粒径一次粒子が凝集した形態の二次粒子を構成する大粒径一次粒子の平均粒径は、複数の小粒径一次粒子が凝集した形態の二次粒子を構成する小粒径一次粒子の平均粒径より大きい。
前記一次粒子の長軸長さ、前記一次粒子の短軸長さ、前記一次粒子の長軸長さと短軸長さの比(長軸長さ/短軸長さ)および前記一次粒子の平均粒径([長軸長さ+短軸長さ]/2)は、二次粒子の表面に露出した一次粒子の長軸長さと短軸長さをそれぞれ測定した後、これらの平均値として計算することができる。
例えば、前記二次粒子の表面に露出した全一次粒子から測定された結果の平均値または前記二次粒子の表面に露出した一次粒子のうち選ばれた複数の一次粒子から測定された結果(例えば、または、前記二次粒子のSEM像から前記二次粒子の表面に露出した前記一次粒子のうち短軸長さが長い順に選ばれた複数(例えば、10個の一次粒子、20個の一次粒子など)の一次粒子から計算)の平均値が使用できる。
前記一次粒子の平均粒径が0.1μmより小さい場合、前記一次粒子で構成された前記リチウムマンガン系酸化物(二次粒子)の比表面積が相対的に大きい。この場合、リチウム二次電池の貯蔵中または作動中に前記リチウムマンガン系酸化物と電解液が副反応を起こす可能性が高くなる。
一方、前記一次粒子の平均粒径が5μmより大きい場合、前記一次粒子の成長が過度に誘導されることにより、前記一次粒子内のリチウムイオンの拡散経路も長くなる。前記一次粒子内のリチウムイオンの拡散経路が過度に長い場合、前記一次粒子内のリチウムイオンの移動性および前記一次粒子を媒介とするリチウムイオンの拡散性が低下し、これは、前記一次粒子で構成された前記リチウムマンガン系酸化物(二次粒子)の抵抗を高める原因となる。
前記第1リチウムマンガン系酸化物は、複数の小粒径一次粒子が凝集した形態の二次粒子から選択される少なくとも1つの形態の二次粒子のみを含むか、複数の大粒径一次粒子が凝集した形態の二次粒子のみを含むか、複数の大粒径一次粒子が凝集した形態の二次粒子および複数の小粒径一次粒子が凝集した形態の二次粒子を含んでもよい。
前記第2リチウムマンガン系酸化物は、複数の小粒径一次粒子が凝集した形態の二次粒子から選択される少なくとも1つの形態の二次粒子のみを含むか、複数の大粒径一次粒子が凝集した形態の二次粒子のみを含むか、複数の大粒径一次粒子が凝集した形態の二次粒子および複数の小粒径一次粒子が凝集した形態の二次粒子を含んでもよい。
この際、前記第1リチウムマンガン系酸化物および前記第2リチウムマンガン系酸化物から選択される少なくとも1つは、複数の大粒径一次粒子が凝集した形態の二次粒子を含むことによって、本願に定義されたバイモーダルタイプの正極活物質の単位体積当たりのエネルギー密度を改善することができる。
一実施例において、前記第1リチウムマンガン系酸化物中の、複数の大粒径一次粒子が凝集した形態の二次粒子と複数の小粒径一次粒子が凝集した形態の二次粒子は、10:90~100:0の重量比で含まれ得る。この際、前記小粒径一次粒子の短軸長さの平均値は、前記大粒径一次粒子の短軸長さの平均値より小さい。
前記大粒径一次粒子の短軸長さの平均値は、100nm以上500nm以下、好ましくは、150nm以上400nm以下であってもよい。前述したように、前記大粒径一次粒子の短軸長さの平均値としては、複数の大粒径一次粒子が凝集した形態の二次粒子の表面に露出した全一次粒子または複数の大粒径一次粒子が凝集した形態の二次粒子の表面に露出した一次粒子のうち短軸長さが長い順に選ばれた複数(例えば、10個の一次粒子、20個の一次粒子など)の一次粒子から測定された短軸長さの平均値が使用できる。
前記大粒径一次粒子の短軸長さの平均値が100nmより小さい場合、実質的に前記小粒径一次粒子と粒子サイズが似ているので、複数の大粒径一次粒子が凝集した形態の二次粒子および複数の小粒径一次粒子が凝集した形態の二次粒子を使用しても、単位体積当たりのエネルギー密度が改善される程度が僅かである。
一方、前記大粒径一次粒子の短軸長さの平均値が500nmより大きいというのは、前記大粒径一次粒子の成長が全般的に過度に誘導されたことを意味する。前記一次粒子の成長が不要に促進されることにより、前記一次粒子内のリチウムイオンの移動性および前記一次粒子を媒介とするリチウムイオンの拡散性が低下する恐れがある。
また、前記二次粒子の表面に露出した前記大粒径一次粒子の短軸長さの偏差を減らす観点から、前記二次粒子の表面に露出した前記大粒径一次粒子に対して測定された短軸長さの最小値は、50nm以上、好ましくは、80nm以上であり、前記二次粒子の表面に露出した前記大粒径一次粒子に対して測定された短軸長さの最大値は、1μm以下、好ましくは、750nm以下、より好ましくは、500nm以下であってもよい。前記二次粒子の表面に露出した前記大粒径一次粒子の短軸長さの偏差が少ないほど前記二次粒子の表面kineticを均一に維持することが可能である。
前記小粒径一次粒子の短軸長さの平均値は、50nm以上300nm以下、好ましくは、60nm以上200nm以下であってもよい。前述したように、前記小粒径一次粒子の短軸長さの平均値としては、複数の小粒径一次粒子が凝集した形態の二次粒子の表面に露出した全一次粒子、または、複数の小粒径一次粒子が凝集した形態の二次粒子の表面に露出した一次粒子のうち、短軸長さが長い順に選ばれた複数(例えば、10個の一次粒子、20個の一次粒子など)の一次粒子から測定された短軸長さの平均値が使用できる。
前記小粒径一次粒子の短軸長さの平均値が50nmより小さい場合、前記小粒径一次粒子で構成された二次粒子の比表面積が相対的に大きくなるにつれて前記リチウム二次電池の貯蔵中または作動中に前記リチウムマンガン系酸化物と電解液が副反応を起こす可能性が高くなる。
一方、前記小粒径一次粒子の短軸長さの平均値が300nmより大きい場合、実質的に前記大粒径一次粒子と粒子サイズが似ているので、複数の大粒径一次粒子が凝集した形態の二次粒子および複数の小粒径一次粒子が凝集した形態の二次粒子を使用しても、単位体積当たりのエネルギー密度が改善される程度が僅かである。
また、前記二次粒子の表面に露出した前記小粒径一次粒子の短軸長さの偏差を減らす観点から、前記二次粒子の表面に露出した前記小粒径一次粒子に対して測定された短軸長さの最小値は、20nm以上、好ましくは、40nm以上であり、前記二次粒子の表面に露出した前記小粒径一次粒子に対して測定された短軸長さの最大値は、500nm以下、好ましくは、300nm以下であってもよい。前記二次粒子の表面に露出した前記小粒径一次粒子の短軸長さの偏差が少ないほど前記二次粒子の表面kineticを均一に維持することが可能である。
前記一次粒子サイズの差にもかかわらず、複数の大粒径一次粒子が凝集した形態の二次粒子と複数の小粒径一次粒子が凝集した形態の二次粒子の平均粒径の差は有意でなくてもよい。例えば、複数の大粒径一次粒子が凝集した形態の二次粒子を構成する一次粒子の数が複数の小粒径一次粒子が凝集した形態の二次粒子を構成する一次粒子の数より少ない場合、複数の大粒径一次粒子が凝集した形態の二次粒子と複数の小粒径一次粒子が凝集した形態の二次粒子の平均粒径が似ていてもよい。
すなわち、前記第1リチウムマンガン系酸化物を構成する複数の大粒径一次粒子が凝集した形態の二次粒子と複数の小粒径一次粒子が凝集した形態の二次粒子は、2μm~5μmの平均粒径を有する。
また、前記大粒径一次粒子が凝集した形態の二次粒子の断面SEM像から測定された前記一次粒子間の空隙率(interparticle porosity)は、前記小粒径一次粒子が凝集した形態の二次粒子の断面SEM像から測定された前記一次粒子間の空隙率より小さいことが好ましい。
具体的には、前記大粒径一次粒子が凝集した形態の二次粒子の断面SEM像から測定された前記一次粒子間の空隙率(interparticle porosity)は、10%以下、好ましくは、5%以下であってもよい。
また、前記二次粒子の断面SEM像から設定された前記二次粒子の中心から前記二次粒子の表面までの距離をrといい、前記二次粒子の中心から距離が0.5r~1.0rの領域を外部バルク領域というとき、前記大粒径一次粒子が凝集した形態の二次粒子の断面SEM像から測定された前記外部バルク領域内の空隙率は、小粒径一次粒子が凝集した形態の二次粒子の断面SEM像から測定された前記外部バルク領域内の空隙率より小さくてもよい。
具体的には、前記大粒径一次粒子が凝集した形態の二次粒子の断面SEM像から測定された前記外部バルク領域内の空隙率は、1%以下、0.5%以下であってもよい。
前記大粒径一次粒子が凝集した形態の二次粒子内の前記大粒径一次粒子間の空隙が減少するにつれて、前記第1リチウムマンガン系酸化物、ひいては、前記第1リチウムマンガン系酸化物を含むバイモーダルタイプの正極活物質の単位体積当たりのエネルギー密度が向上することができる。
すなわち、バイモーダルタイプの正極活物質中で、前記第1リチウムマンガン系酸化物を構成する複数の小粒径一次粒子が凝集した形態の二次粒子の一部を複数の大粒径一次粒子が凝集した形態の二次粒子に変わったり、前記第1リチウムマンガン系酸化物が複数の大粒径一次粒子が凝集した形態の二次粒子のみを含むようにすることによって、単に小粒子と大粒子が共存するバイモーダル形態の正極活物質より単位体積当たりのエネルギー密度をさらに向上させることができる。
一実施例において、前記第2リチウムマンガン系酸化物中で、複数の大粒径一次粒子が凝集した形態の二次粒子と複数の小粒径一次粒子が凝集した形態の二次粒子は、10:90~100:0の重量比で含まれ得る。この際、前記小粒径一次粒子の短軸長さの平均値は、前記大粒径一次粒子の短軸長さの平均値より小さい。
前記大粒径一次粒子の短軸長さの平均値は、100nm以上500nm以下、好ましくは、130nm以上400nm以下であってもよい。前述したように、前記大粒径一次粒子の短軸長さの平均値としては、複数の大粒径一次粒子が凝集した形態の二次粒子の表面に露出した全一次粒子または複数の大粒径一次粒子が凝集した形態の二次粒子の表面に露出した一次粒子のうち短軸長さが長い順に選ばれた複数(例えば、10個の一次粒子、20個の一次粒子など)の一次粒子から測定された短軸長さの平均値が使用できる。
前記大粒径一次粒子の短軸長さの平均値が100nmより小さい場合、実質的に前記小粒径一次粒子と粒子サイズが似ているので、複数の大粒径一次粒子が凝集した形態の二次粒子および複数の小粒径一次粒子が凝集した形態の二次粒子を使用しても、単位体積当たりのエネルギー密度が改善される程度が僅かである。
一方、前記大粒径一次粒子の短軸長さの平均値が500nmより大きいというのは、前記大粒径一次粒子の成長が全般的に過度に誘導されたことを意味する。前記一次粒子の成長が不要に促進されるにつれて前記一次粒子内のリチウムイオンの移動性および前記一次粒子を媒介とするリチウムイオンの拡散性が低下する恐れがある。
また、前記二次粒子の表面に露出した前記大粒径一次粒子の短軸長さの偏差を減らすという観点から、前記二次粒子の表面に露出した前記大粒径一次粒子に対して測定された短軸長さの最小値は、50nm以上、好ましくは、75nm以上であり、前記二次粒子の表面に露出した前記大粒径一次粒子に対して測定された短軸長さの最大値は、1μm以下、好ましくは、750nm以下、より好ましくは、500nm以下であってもよい。前記二次粒子の表面に露出した前記大粒径一次粒子の短軸長さの偏差が少ないほど前記二次粒子の表面kineticを均一に維持することが可能である。
前記小粒径一次粒子の短軸長さの平均値は、50nm以上300nm以下、好ましくは、60nm以上200nm以下であってもよい。前述したように、前記小粒径一次粒子の短軸長さの平均値としては、複数の小粒径一次粒子が凝集した形態の二次粒子の表面に露出した全一次粒子または複数の小粒径一次粒子が凝集した形態の二次粒子の表面に露出した一次粒子のうち短軸長さが長い順に選ばれた複数(例えば、10個の一次粒子、20個の一次粒子など)の一次粒子から測定された短軸長さの平均値が使用できる。
前記小粒径一次粒子の短軸長さの平均値が50nmより小さい場合、前記小粒径一次粒子で構成された二次粒子の比表面積が相対的に大きくなるにつれて前記リチウム二次電池の貯蔵中または作動中に前記リチウムマンガン系酸化物と電解液が副反応を起こす可能性が高くなる。
一方、前記小粒径一次粒子の短軸長さの平均値が300nmより大きい場合、実質的に前記大粒径一次粒子と粒子サイズが似ているので、複数の大粒径一次粒子が凝集した形態の二次粒子および複数の小粒径一次粒子が凝集した形態の二次粒子を使用しても単位体積当たりのエネルギー密度が改善される程度が僅かである。
また、前記二次粒子の表面に露出した前記小粒径一次粒子の短軸長さの偏差を減らすという観点から、前記二次粒子の表面に露出した前記小粒径一次粒子に対して測定された短軸長さの最小値は、20nm以上、好ましくは、40nm以上であり、前記二次粒子の表面に露出した前記小粒径一次粒子に対して測定された短軸長さの最大値は、500nm以下、好ましくは、300nm以下であってもよい。前記二次粒子の表面に露出した前記小粒径一次粒子の短軸長さの偏差が少ないほど前記二次粒子の表面kineticを均一に維持することが可能である。
前記一次粒子サイズの差にもかかわらず、複数の大粒径一次粒子が凝集した形態の二次粒子と複数の小粒径一次粒子が凝集した形態の二次粒子の平均粒径の差は有意でなくてもよい。例えば、複数の大粒径一次粒子が凝集した形態の二次粒子を構成する一次粒子の数が複数の小粒径一次粒子が凝集した形態の二次粒子を構成する一次粒子の数より少ない場合、複数の大粒径一次粒子が凝集した形態の二次粒子と複数の小粒径一次粒子が凝集した形態の二次粒子の平均粒径が似ていてもよい。
また、前記大粒径一次粒子が凝集した形態の二次粒子の断面SEM像から測定された前記一次粒子間の空隙率(interparticle porosity)は、前記小粒径一次粒子が凝集した形態の二次粒子の断面SEM像から測定された前記一次粒子間の空隙率より小さいことが好ましい。
具体的には、前記大粒径一次粒子が凝集した形態の二次粒子の断面SEM像から測定された前記一次粒子間の空隙率(interparticle porosity)は、15%以下、好ましくは、10%以下、より好ましくは、5%以下であってもよい。
また、前記二次粒子の断面SEM像から設定された前記二次粒子の中心から前記二次粒子の表面までの距離をrといい、前記二次粒子の中心から距離が0.5r~1.0rの領域を外部バルク領域というとき、前記大粒径一次粒子が凝集した形態の二次粒子の断面SEM像から測定された前記外部バルク領域内の空隙率は、小粒径一次粒子が凝集した形態の二次粒子の断面SEM像から測定された前記外部バルク領域内の空隙率より小さくてもよい。
具体的には、前記大粒径一次粒子が凝集した形態の二次粒子の断面SEM像から測定された前記外部バルク領域内の空隙率は、1%以下、0.5%以下であってもよい。
前記大粒径一次粒子が凝集した形態の二次粒子内の前記大粒径一次粒子間の空隙が減少するにつれて、前記第2リチウムマンガン系酸化物、ひいては、前記第2リチウムマンガン系酸化物を含むバイモーダルタイプの正極活物質の単位体積当たりのエネルギー密度が向上することができる。
すなわち、バイモーダルタイプの正極活物質のうち前記第2リチウムマンガン系酸化物を構成する複数の小粒径一次粒子が凝集した形態の二次粒子の一部を複数の大粒径一次粒子が凝集した形態の二次粒子に変えたり、前記第2リチウムマンガン系酸化物が複数の大粒径一次粒子が凝集した形態の二次粒子のみを含むようにすることによって、単に小粒子と大粒子が共存するバイモーダル形態の正極活物質より単位体積当たりのエネルギー密度をさらに向上させることができる。
前記第2リチウムマンガン系酸化物の平均粒径と前記第1リチウムマンガン系酸化物の平均粒径の差が3μm以上、好ましくは、4μm以上になるようにすることによって、バイモーダル正極活物質の単位体積当たりのエネルギー密度を高めることができる。
この際、前記第1リチウムマンガン系酸化物の長軸方向の長さと短軸方向の長さの平均値([長軸長さ+短軸長さ]/2)として計算される平均粒径は、2μm~5μmであってもよく、前記第2リチウムマンガン系酸化物の長軸方向の長さと短軸方向の長さの平均値([長軸長さ+短軸長さ]/2)として計算される平均粒径は、6μm~14μmであってもよい。
前述したように、本願において使用される用語である「小粒子(small particle)」および「大粒子(large particle)」は、二次粒子サイズを説明するために使用される相対的な概念の用語であり、本願において小粒子は、第1リチウムマンガン系酸化物を称し、大粒子は、第2リチウムマンガン系酸化物を称すものと理解すべきである。
また、バイモーダル正極活物質の単位体積当たりのエネルギー密度を最適化するために、前記正極活物質中で、前記第1リチウムマンガン系酸化物および前記第2リチウムマンガン系酸化物は、10:90~80:20の重量比で含まれることが好ましい。
前記第1リチウムマンガン系酸化物は、前記第2リチウムマンガン系酸化物間の空隙内に充填された形態で存在したり、前記第2リチウムマンガン系酸化物の表面に付着したり、前記第1リチウムマンガン系酸化物同士が凝集した形態にも存在していてもよい。
前記正極活物質中で、前記第2リチウムマンガン系酸化物に比べて前記第1リチウムマンガン系酸化物の割合が過度に少ない場合、前記第2リチウムマンガン系酸化物が形成する空隙内に前記第1リチウムマンガン系酸化物が十分に充填されにくい。
一方、前記正極活物質中で、前記第2リチウムマンガン系酸化物に比べて前記第1リチウムマンガン系酸化物の割合が過度に多い場合、前記正極活物質の単位体積当たりのエネルギー密度が低下することがある。
本願に定義された前記第1リチウムマンガン系酸化物および前記第2リチウムマンガン系酸化物は、それぞれ独立して、下記の化学式1で表され得る。
[化学式1]
rLi2MnO3-b′Xb′・(1-r)LiaM1xM2yM3zO2-bXb
ここで、
M1は、NiおよびMnから選択される少なくとも1つであり、
M2は、Ni、Mn、Co、Al、P、Nb、B、Si、Ti、Zr、Ba、K、Mo、Fe、Cu、Cr、Zn、Na、Ca、Mg、Pt、Au、Eu、Sm、W、Ce、V、Ta、Sn、Hf、GdおよびNdから選択される少なくとも1つであり、
M3は、W、MoおよびNbから選択される少なくとも1つであり、
M1~M3は、互いに重複せず、
XおよびX′は、前記リチウムマンガン系酸化物に存在する酸素のうち少なくとも一部を置換可能なハロゲンであり、
0<r≦0.7、0<a≦1、0≦b≦0.1、0≦b′≦0.1、0<x≦1、0≦y<1、0≦z≦0.1および0<x+y+z≦1である。
rLi2MnO3-b′Xb′・(1-r)LiaM1xM2yM3zO2-bXb
ここで、
M1は、NiおよびMnから選択される少なくとも1つであり、
M2は、Ni、Mn、Co、Al、P、Nb、B、Si、Ti、Zr、Ba、K、Mo、Fe、Cu、Cr、Zn、Na、Ca、Mg、Pt、Au、Eu、Sm、W、Ce、V、Ta、Sn、Hf、GdおよびNdから選択される少なくとも1つであり、
M3は、W、MoおよびNbから選択される少なくとも1つであり、
M1~M3は、互いに重複せず、
XおよびX′は、前記リチウムマンガン系酸化物に存在する酸素のうち少なくとも一部を置換可能なハロゲンであり、
0<r≦0.7、0<a≦1、0≦b≦0.1、0≦b′≦0.1、0<x≦1、0≦y<1、0≦z≦0.1および0<x+y+z≦1である。
前記化学式1においてM1がNiである場合、M2は、Mnを含んでもよいし、M1がMnである場合、M2は、Niを含んでもよい。また、M1がNiおよびMnである場合、M2は、存在しないか、または存在する場合、NiおよびMnを除いた他の元素であってもよい。
XおよびX′として使用可能なハロゲンの種類は、周期律表を参照し、かつ、F、Cl、Brおよび/またはIなどが使用でき、好ましくは、Fが使用できる。
一実施例において、前記大粒径一次粒子が凝集した形態の二次粒子を合成するために、前記リチウムマンガン系酸化物の酸化物前駆体の焼成時に前記一次粒子の成長を誘導しながら、前記酸化物前駆体に金属カチオンドーパントおよび/またはハロゲンアニオンドーパントをドープさせる方法を使用することができる。
この際、前記金属カチオンドーパントは、W、MoおよびNbから選択される少なくとも1つを含んでもよいし、前記ハロゲンアニオンドーパントは、フッ素を含んでもよい。
前記化学式1において前記金属カチオンドーパントは、M3で表示され、前記ハロゲンアニオンドーパントは、Xで表される。
前述したように、前記リチウムマンガン系酸化物を構成する前記一次粒子の成長を誘導するとき、ハロゲンをドープさせる場合、好ましくは、前記リチウムマンガン系酸化物に存在する酸素のうち少なくとも一部は、ハロゲンで置換されてもよい。
前記リチウムマンガン系酸化物を構成する前記一次粒子の結晶成長や粒子成長を誘導するためにハロゲンドーピングなしに相対的に高い温度で熱処理する過焼成方式を使用する場合、前記一次粒子の成長が可能ではあるが、前記一次粒子の結晶構造に損傷が発生して前記正極活物質の早期劣化が発生する可能性がある。
前記一次粒子の成長時にアニオンドーパントとしてフッ素を使用する場合、前記一次粒子を媒介とするリチウムイオンの拡散性が低下することを緩和する範囲内で前記一次粒子の成長を誘導することができる。
前記一次粒子に対するフッ素ドーピングのために、LiF、MgF2、HF、F2、XeF2、TbF4、CeF4、CoF3、AgF2、MoF3、AgF、CuF2、FeF3、CuF、VF3、CrF3、ZrF4、BaF2、CaF2、AlF3、NH4F、CeF3およびCsFから選択される少なくとも1つ、好ましくは、LiFおよびMgF2から選択される少なくとも1つのアニオンドーパントが使用できる。
前記酸化物前駆体の焼成時に前述したアニオンドーパント以外にM3含有ドーパントをさらに使用して同時ドーピングを誘導する場合、前記一次粒子が板状に成長する代わりに、球形に近く成長することができる。
前記M3含有ドーパントでは、タングステン、モリブデンおよびニオブから選択される少なくとも1つの元素を含む水酸化物、酸化物、炭酸化物、窒化物、硫化物およびリン酸化物から選択される少なくとも1つが使用できる。
前述したように、前記酸化物前駆体の焼成時に前述したアニオンドーパントおよびM3含有ドーパントを併用して前記一次粒子に対する同時ドーピングおよび前記一次粒子の成長を誘導する場合、前記一次粒子の形状が球形に近づくと同時に、前記一次粒子が凝集して形成された前記二次粒子の空隙率を減らすことが可能である。
前記リチウムマンガン系酸化物内の空隙率を減らす場合、単位体積当たりの容量を高めて、前記リチウムマンガン系酸化物を含む正極活物質の不十分な電気化学的特性を補完することができる。
また、前記酸化物前駆体の焼成時に前述したアニオンドーパントおよびM3含有ドーパントを併用して前記一次粒子に対する同時ドーピングおよび前記一次粒子の成長を誘導する場合、特に前記二次粒子の表面部における空隙率を減らすのに有効である。
前記化学式1で表されるリチウムマンガン系酸化物は、コバルトを選択的に含んでもよい。前記リチウムマンガン系酸化物がコバルトを含む場合、前記リチウムマンガン系酸化物中で、全金属元素のモル数に対して前記コバルトのモル分率は、20%以下、好ましくは、15%以下、より好ましくは、10%以下であってもよい。他の場合において、前記化学式1で表されるリチウムマンガン系酸化物は、コバルトを含まないコバルトフリー(cobalt-free)組成を有してもよい。
前記化学式1で表されるリチウムマンガン系酸化物から測定されたLi/Metal molar ratioは、1より大きく、好ましくは、1.1~1.7であってもよい。前記リチウムマンガン系酸化物から測定されたLi/Metal molar ratioが少なくとも1より大きい値を有する場合、リチウム過剰のリチウムマンガン系酸化物を形成することが可能である。また、前記リチウムマンガン系酸化物がC2/m空間群に属する相とR3-m空間群に属する相が固溶または複合した固溶体を適切に形成すると同時に、高電圧作動環境下で高容量を発揮するようにするために、前記リチウムマンガン系酸化物のLi/Metal molar ratioは、1.1~1.7であることが好ましい。
また、C2/m空間群に属する相とR3-m空間群に属する相が固溶または複合した固溶体を適切に形成するために、前記化学式1で表されるリチウムマンガン系酸化物に存在するリチウムを除いた全金属元素中のマンガンの含有量は、50mol%以上であることが好ましい。前記リチウムマンガン系酸化物が高電圧作動環境下で高容量を発揮するOLOの特性を有することができるように、前記リチウムマンガン系酸化物に存在するリチウムを除いた全金属元素中のマンガンの含有量は、50mol%以上80mol%未満であることがより好ましく、55mol%~75mol%であることがさらに好ましい。前記リチウムマンガン系酸化物中のマンガンの含有量が80mol%を超過する場合、リチウム二次電池に対する化成および/または作動中に前記リチウムマンガン系酸化物内での遷移金属(特にマンガン)の移動により相転移が発生することがある。このような相転移は、スピネル相を形成し、前記リチウムマンガン系酸化物中で不純物として作用する前記スピネル相は、リチウム二次電池の充放電サイクル時に充放電容量の減少または電圧降下(voltage decay)を誘発することができる。
C2/m空間群に属する相とR3-m空間群に属する相が固溶または複合した固溶体を適切に形成するために、前記化学式1で表されるリチウムマンガン系酸化物に存在するリチウムを除いた全金属元素中のニッケルの含有量は、50mol%未満であることが好ましい。
前記リチウムマンガン系酸化物中のニッケルの含有量が50mol%以上の場合、C2/m相が十分に形成されにくいか、C2/m空間群に属する相とR3-m空間群に属する相が十分な固溶体を形成せず、リチウム二次電池に対する化成および/または作動中に相分離を引き起こすことができる。
一般的に商用化されたニッケル-コバルト-マンガン(NCM)またはニッケル-コバルト-アルミニウム(NCA)組成の3元系リチウム複合酸化物は、R3-m空間群に属する相が単相(single-phase)で存在する。
一方、前記化学式1で表されるリチウム過剰のリチウムマンガン系酸化物は、rLi2MnO3で表されるC2/m空間群に属する相(以下「C2/m相」という)の酸化物と(1-r)LiaM1xM2yM3zO2-bXbで表されるR3-m空間群に属する相(以下「R3-m相」という)の酸化物が固溶または複合した複合酸化物として存在する。例えば、前記リチウムマンガン系酸化物は、C2/m相の酸化物とR3-m相の酸化物が固溶体を形成した状態で存在していてもよい。
この際、C2/m空間群に属する相とR3-m空間群に属する相が単に物理的および/または化学的に結合したり付着した状態の複合酸化物は、本願に定義された固溶体に該当しない。
例えば、C2/m空間群に属する相を有する金属酸化物とR3-m空間群に属する相を有する金属酸化物を混合してR3-m空間群に属する相を有する金属酸化物で表面がコートされたC2/m空間群に属する相を有する複合酸化物は、本願に定義された固溶体に該当しない。
前記化学式1で表されるリチウムマンガン系酸化物において、rが0.7を超過する場合、前記リチウムマンガン系酸化物中でC2/m相の酸化物であるLi2MnO3の割合が過度に多くなり、これによって、正極活物質中でマンガンの含有量が過度に多くなって放電容量が低下する恐れがある。すなわち、前記リチウムマンガン系酸化物中で、相対的に抵抗が大きいC2/m相の酸化物を十分に活性化させて表面kineticを改善するためには、R3-m相の酸化物が所定の割合以上で存在することが好ましい。
リチウム二次電池
本発明の他の態様によれば、正極集電体および前記正極集電体上に形成された上記の正極活物質の層を含む正極を提供することができる。ここで、前記正極活物質層は、正極活物質として上述した本発明の様々な実施例によるリチウムマンガン系酸化物を含んでもよい。
本発明の他の態様によれば、正極集電体および前記正極集電体上に形成された上記の正極活物質の層を含む正極を提供することができる。ここで、前記正極活物質層は、正極活物質として上述した本発明の様々な実施例によるリチウムマンガン系酸化物を含んでもよい。
したがって、リチウムマンガン系酸化物に関する具体的な説明を省略し、以下では、残りの前述しない構成のみについて説明する。また、以下では、便宜上、上述したリチウムマンガン系酸化物を正極活物質と称する。
前記正極集電体は、電池に化学的変化を誘発せず導電性を有するものであれば特に制限されるものではなく、例えば、ステンレススチール、アルミニウム、ニッケル、チタン、焼成炭素又はアルミニウムやステンレススチールの表面に炭素、ニッケル、チタン、銀などで表面処理したものなどが用いられてもよい。また、前記正極集電体は、通常3~500μmの厚さを有してもよく、前記集電体の表面上に微細な凹凸を形成して正極活物質の接着力を高めることもできる。例えば、フィルム、シート、ホイル、ネット、多孔質体、発泡体、不織布などの様々な形態で使用されてもよい。
前記正極活物質層は、前記正極活物質とともに導電材及び必要に応じて選択的にバインダーを含む正極スラリー組成物を前記正極集電体に塗布して製造されてもよい。
このとき、前記正極活物質は、正極活物質層の総重量に対して80wt%~99wt%、より具体的には、85wt%~98.5wt%の含量で含まれてもよい。前記含量範囲に含まれるとき、優れた容量特性を示すことができるが、必ずしもこれに制限されるものではない。
前記導電材は、電極に導電性を付与するために使用されるものであり、構成される電池において、化学変化を引き起こすことなく電子伝導性を有するものであれば、特に制限なく使用可能である。具体例としては、天然黒鉛や人造黒鉛などの黒鉛、カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラック、炭素繊維などの炭素系物質、銅、ニッケル、アルミニウム、銀などの金属粉末または金属繊維、酸化亜鉛、チタン酸カリウムなどの導電性ウィスカー、酸化チタンなどの導電性金属酸化物、またはポリフェニレン誘導体などの伝導性高分子などが挙げられ、これらのうち1種単独または2種以上の混合物が用いられてもよい。前記導電材は、正極活物質層の総重量に対して0.1wt%~15wt%で含まれてもよい。
前記バインダーは、正極活物質粒子間の付着及び正極活物質と集電体との接着力を向上させる役割を果たす。具体例としては、ポリビニリデンフルオライド(PVDF)、ビニリデンフルオライド-ヘキサフルオロプロピレンコポリマー(PVDF-co-HFP)、ポリビニルアルコール、ポリアクリロニトリル(polyacrylonitrile)、カルボキシメチルセルロース(CMC)、デンプン、ヒドロキシプロピルセルロース、再生セルロース、ポリビニルピロリドン、テトラフルオロエチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン-プロピレン-ジエンポリマー(EPDM)、スルホン化-EPDM、スチレンブタジエンゴム(SBR)、フッ素ゴム、またはこれらの多様な共重合体などが挙げられ、これらのうち、1種単独または2種以上の混合物が用いられてもよい。前記バインダーは、正極活物質層の総重量に対して0.1~15wt%で含まれてもよい。
前記正極は、前記正極活物質を用いることを除いては、通常の正極製造方法によって製造されてもよい。具体的には、前記正極活物質及び選択的に、バインダー及び導電材を溶媒中に溶解又は分散させて製造した正極スラリー組成物を正極集電体上に塗布した後、乾燥及び圧延することにより製造してもよい。
前記溶媒としては、当該技術分野で一般的に用いられる溶媒であってよく、ジメチルスルホキシド(dimethyl sulfoxide、DMSO)、イソプロピルアルコール(isopropyl alcohol)、N-メチルピロリドン(NMP)、アセトン(acetone)または水などが挙げられ、これらのうち1種単独または2種以上の混合物が用いられてもよい。前記溶媒の使用量は、スラリーの塗布厚さ、製造収率を考慮して、前記正極活物質、導電材及びバインダーを溶解又は分散させ、その後、正極製造のための塗布時に優れた厚さ均一度を示すことができる粘度を持たせる程度であれば十分である。
また、他の実施例において、前記正極は、前記正極スラリー組成物を別途の支持体上にキャストした後、この支持体から剥離して得られたフィルムを正極集電体上にラミネーションすることによって製造されてもよい。
また、本発明のさらに他の態様によれば、前述の正極を含む電気化学素子が提供されてもよい。前記電気化学素子は、具体的には、電池、キャパシタなどであってもよく、より具体的には、リチウム二次電池であってもよい。
前記リチウム二次電池は、具体的には、正極、前記正極と対向して位置する負極、及び前記正極と前記負極との間に介在するセパレータ及び電解質を含んでもよい。ここで、前記正極は、前述の通りであるので、便宜上、具体的な説明を省略し、以下では、前述しない残りの構成についてのみ具体的に説明する。
前記リチウム二次電池は、前記正極、前記負極及び前記セパレータの電極組立体を収納する電池容器及び前記電池容器を封止する封止部材を選択的にさらに含んでもよい。
前記負極は、負極集電体及び前記負極集電体上に位置する負極活物質層とを含んでもよい。
前記負極集電体は、電池に化学的変化を誘発することなく高い導電性を有するものであれば、特に制限されるものではなく、例えば、銅、ステンレススチール、アルミニウム、ニッケル、チタン、焼成炭素、銅やステンレススチールの表面に炭素、ニッケル、チタン、銀などで表面処理したもの、アルミニウム-カドミウム合金などが用いられてもよい。また、前記負極集電体は、通常、3μm~500μmの厚さを有してもよく、正極集電体と同様に、前記集電体の表面に微細な凹凸を形成して負極活物質の結合力を強化させることもできる。例えば、フィルム、シート、ホイル、ネット、多孔質体、発泡体、不織布などの様々な形態で使用されてもよい。
前記負極活物質層は、前記負極活物質とともに導電材及び必要に応じて選択的にバインダーとを含む負極スラリー組成物を前記負極集電体に塗布して製造されてもよい。
前記負極活物質としては、リチウムの可逆的なインターカレーション及びデインターカレーションが可能な化合物が使用されてもよい。具体例としては、人造黒鉛、天然黒鉛、黒鉛化炭素繊維、非晶質炭素などの炭素質材料、Si、Al、Sn、Pb、Zn、Bi、In、Mg、Ga、Cd、Si合金、Sn合金またはAl合金などのリチウムと合金化が可能な金属質化合物、SiOβ(0<β<2)、SnO2、バナジウム酸化物、リチウムバナジウム酸化物のようにリチウムをドープ及び脱ドープ可能な金属酸化物、またはSi-C複合体またはSn-C複合体のように前記金属質化合物と炭素質材料を含む複合物などが挙げられ、これらのいずれか1つまたは2つ以上の混合物が使用されてもよい。また、前記負極活物質として金属リチウム薄膜が用いられてもよい。また、炭素材料としては、低結晶炭素及び高結晶性炭素などがすべて用いられてもよい。低結晶性炭素としては、軟化炭素(soft carbon)及び硬化炭素(hard carbon)が代表的であり、高結晶性炭素としては無定形、板状、鱗片状、球状又は繊維状の天然黒鉛又は人造黒鉛、キッシュ黒鉛(Kish graphite)、熱分解炭素(pyrolytic carbon)、液晶ピッチ系炭素繊維(mesophase pitch based carbon fiber)、炭素微小球体(meso-carbon microbeads)、液晶ピッチ(Mesophase pitches)及び石油と石炭系コークス(petroleum or coal tar pitch derived cokes)などの高温焼成炭素が代表的である。
前記負極活物質は、負極活物質層の全重量を基準に80wt%~99wt%で含まれてもよい。
前記バインダーは、導電材、活物質及び集電体間の結合に助力する成分として、通常、負極活物質層の全重量を基準に0.1wt%~10wt%で添加されてもよい。このようなバインダーの例としては、ポリビニリデンフルオリド(PVDF)、ポリビニルアルコール、カルボキシメチルセルロース(CMC)、デンプン、ヒドロキシプロピルセルロース、再生セルロース、ポリビニルピロリドン、テトラフルオロエチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン-プロピレン-ジエンポリマー(EPDM)、スルホン化-EPDM、スチレン-ブタジエンゴム、ニトリル-ブタジエンゴム、フッ素ゴム、これらの多様な共重合体などが挙げられる。
前記導電材は、負極活物質の導電性をさらに向上させるための成分として、負極活物質層の全重量を基準に10wt%以下、好ましくは、5wt%以下で添加されてもよい。このような導電材は、当該電池に化学的変化を誘発することなく導電性を有するものであれば特に制限されるものではなく、例えば、天然黒鉛や人造黒鉛などの黒鉛、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラックなどのカーボンブラック、炭素繊維や金属繊維などの導電性繊維、フッ化カーボン、アルミニウム、ニッケル粉末などの金属粉末、酸化亜鉛、チタン酸カリウムなどの導電性ウィスカー、酸化チタンなどの導電性金属酸化物、ポリフェニレン誘導体などの導電性材料などが用いられてもよい。
一実施例において、前記負極活物質層は、負極集電体上に負極活物質、及び選択的にバインダー及び導電材を溶媒中に溶解又は分散させて製造した負極スラリー組成物を塗布して乾燥することにより製造されるか、または前記負極スラリー組成物を別途の支持体上にキャスティングした後、この支持体から剥離して得られたフィルムを負極集電体上にラミネーションすることにより製造されてもよい。
また、他の実施例において、前記負極活物質層は、負極集電体上に負極活物質、及び選択的にバインダー及び導電材を溶媒中に溶解又は分散させて製造した負極スラリー組成物を塗布して乾燥するか、または前記負極スラリー組成物を別途の支持体上にキャスティングした後、この支持体から剥離して得られたフィルムを負極集電体上にラミネーションすることにより製造されてもよい。
一方、前記リチウム二次電池において、セパレータは、負極と正極を分離してリチウムイオンの移動通路を提供するもので、通常、リチウム二次電池においてセパレータとして使用されるものであれば、特に制限なく使用可能であり、特に電解質のイオン移動に対して低抵抗であるとともに電解液含湿能力に優れていることが好ましい。具体的には、多孔性高分子フィルム、例えば、エチレン単独重合体、プロピレン単独重合体、エチレン/ブテン共重合体、エチレン/ヘキセン共重合体及びエチレン/メタクリレート共重合体などのポリオレフィン系高分子で製造した多孔性高分子フィルムまたはこれらの2層以上の積層構造体が用いられてもよい。また、通常の多孔性不織布、例えば、高融点のガラス繊維、ポリエチレンテレフタレート繊維などからなる不織布が用いられてもよい。また、耐熱性または機械的強度を確保するため、セラミック成分または高分子物質が含まれたコーティングされたセパレータが使用されてもよく、選択的に単層または多層構造として使用されてもよい。
また、本発明において用いられる電解質としては、リチウム二次電池の製造時に使用可能な有機系液体電解質、無機系液体電解質、固体高分子電解質、ゲル状高分子電解質、固体無機電解質、溶融型無機電解質などが挙げられ、これらに限定されるものではない。
具体的には、前記電解質は、有機溶媒及びリチウム塩を含んでもよい。
前記有機溶媒としては、電池の電気化学的反応に関与するイオンが移動可能な媒質の役割を果たすものであれば、特に制限なく使用されてもよい。具体的には、前記有機溶媒としては、メチルアセテート(methyl acetate)、エチルアセテート(ethyl acetate)、γ-ブチロラクトン(γ-butyrolactone)、ε-カプロラクトン(ε-caprolactone)などのエステル系溶媒、ジブチルエーテル(dibutyl ether)またはテトラヒドロフラン(tetrahydrofuran)などのエーテル系溶媒、シクロヘキサノン(cyclohexanone)などのケトン系溶媒、ベンゼン(benzene)、フルオロベンゼン(fluorobenzene)などの芳香族炭化水素系溶媒、ジメチルカーボネート(dimethylcarbonate、DMC)、ジエチルカーボネート(diethylcarbonate、DEC)、メチルエチルカーボネート(methylethylcarbonate、MEC)、エチルメチルカーボネート(ethylmethylcarbonate、EMC)、エチレンカーボネート(ethylene carbonate、EC)、プロピレンカーボネート(propylene carbonate、PC)などのカーボネート系溶媒、エチルアルコール、イソプロピルアルコールなどのアルコール系溶媒、R-CN(Rは、炭素数2~20の直鎖状、分岐状または環構造の炭化水素基であり、二重結合芳香環またはエーテル結合を含んでもよい。)などのニトリル類、ジメチルホルムアミドなどのアミド類、1,3-ジオキソランなどのジオキソラン類、またはスルホラン(sulfolane)類などが使用されてもよい。これらの中でもカーボネート系溶媒が好ましく、電池の充放電性能を高めることができる高いイオン伝導度及び高誘電率を有する環状カーボネート(例えば、エチレンカーボネートまたはプロピレンカーボネートなど)と、低粘度の線状カーボネート系化合物(例えば、エチルメチルカーボネート、ジメチルカーボネート又はジエチルカーボネートなど)の混合物がより好ましい。この場合、環状カーボネートと鎖状カーボネートは、約1:1~約1:9の体積比で混合して使用すると電解液の性能が優秀になりうる。
前記リチウム塩は、リチウム二次電池において使用されるリチウムイオンを提供できる化合物であれば、特に制限なく使用されてもよい。具体的には、前記リチウム塩は、LiPF6、LiClO4、LiAsF6、LiBF4、LiSbF6、LiAlO4、LiAlCl4、LiCF3SO3、LiC4F9SO3、LiN(C2F5SO3)、LiN(C2F5SO2)2、LiN(CF3SO2)2、LiCl、LiI、またはLiB(C2O4)2などが使用されてもよい。前記リチウム塩の濃度は、0.1~2.0Mの範囲内で使用することが好ましい。リチウム塩の濃度が前記範囲に含まれると、電解質が適切な伝導度及び粘度を有するため、優れた電解質性能を示すことができ、リチウムイオンが効果的に移動しうる。
本願において用いられる電解質が固体電解質である場合、例えば、硫化物系固体電解質、酸化物系固体電解質、窒化物系固体電解質、ハロゲン化物系固体電解質などのような固体無機電解質が使用されてもよく、好ましくは、硫化物系固体電解質が使用されてもよい。
硫化物系固体電解質の材料としては、Li、X元素(ここで、Xは、P、As、Sb、Si、Ge、Sn、B、Al、GaおよびInから選ばれる少なくとも1つである)およびSを含有する固体電解質が使用されてもよい。前記硫化物系固体電解質材料の例としては、Li2S-P2S5、Li2S-P2S-LiX(ここで、Xは、IまたはClのようなハロゲン元素である)、Li2S-P2S5-Li2O、Li2S-P2S5-Li2O-LiI、Li2S-SiS2、Li2S-SiS2-LiI、Li2S-SiS2-LiBr、Li2S-SiS2-LiCl、Li2S-SiS2-B2S3-LiI、Li2S-SiS2-P2S5-LiI、Li2S-B2S3、Li2S-P2S5-ZmSn(ここで、m、nは、整数であり、Zは、Ge、ZnまたはGaである)、Li2S-GeS2、Li2S-SiS2-Li3PO4、Li2S-SiS2-LipMOq(ここで、p、qは、整数であり、Mは、P、Si、Ge、B、Al、GaまたはInである)などがある。
固体電解質、好ましくは、硫化物系固体電解質は、非晶質または結晶質であってもよく、非晶質と結晶質が混合された状態であってもよい。
酸化物系固体電解質の材料としては、Li7La3Zr2O12、Li7-xLa3Zr1-xNbxO12、Li7-3xLa3Zr2AlxO12、Li3xLa2/3-xTiO3、Li1+xAlxTi2-x(PO4)3、Li1+xAlxGe2-x(PO4)3、Li3PO4、Li3+xPO4-xNx(LiPON)、Li2+2xZn1-xGeO4(LISICON)などがある。
前述した固体電解質は、正極と負極の間に別途の層(固体電解質層)として配置されてもよい。また、前記固体電解質は、前記固体電解質層と独立して前記正極の正極活物質層内に一部含まれたり、前記固体電解質は、前記固体電解質層と独立して前記負極の負極活物質層内に一部含まれ得る。
前記電解質には、前記電解質構成成分の他に、電池の寿命特性向上、電池容量の減少抑制、電池の放電容量の向上などを目的として、例えば、ジフルオロエチレンカーボネートなどのハロアルキレンカーボネート系化合物、ピリジン、トリエチルホスファイト、トリエタノールアミン、環状エーテル、エチレンジアミン、n-グライム(glyme)、ヘキサリン酸トリアミド、ニトロベンゼン誘導体、硫黄、キノンイミン染料、N-置換オキサゾリジノン、N,N-置換イミダゾリジン、エチレングリコールジアルキルエーテル、アンモニウム塩、ピロール、2-メトキシエタノールまたは三塩化アルミニウムなどの添加剤がさらに1種以上含まれてもよい。このとき、前記添加剤は、電解質の総重量に対して0.1~5wt%で含まれてもよい。
前記のように本発明による正極活物質を含むリチウム二次電池は、優れた放電容量、出力特性及び寿命特性を安定的に示すため、携帯電話、ノートパソコン、デジタルカメラなどの携帯用機器、及びハイブリッド電気自動車(hybrid electric vehicle、HEV)などの電気自動車分野などに有用である。
本発明によるリチウム二次電池の外形は、特に制限がないが、缶を用いた円筒状、角状、ポーチ(pouch)状またはコイン(coin)状などであってもよい。また、リチウム二次電池は、小型デバイスの電源として使用される電池セルに使用できるだけでなく、複数の電池セルを含む中大型電池モジュールに単位電池としても好ましく使用されてもよい。
本発明のさらに他の態様によれば、前記リチウム二次電池を単位セルとして含む電池モジュール及び/又はこれを含む電池パックを提供しうる。
前記電池モジュールまたは前記電池パックは、パワーツール(Power Tool)と、電気自動車(Electric Vehicle、EV)、ハイブリッド電気自動車、及びプラグインハイブリッド電気自動車(Plug-in Hybrid Electric Vehicle、PHEV)を含む電気自動車と、または電力貯蔵用システムのいずれか1つ以上の中大型デバイスの電源として利用できる。
以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明する。ただし、これらの実施例は、本発明を例示するためのものであり、本発明の範疇がこれらの実施例によって制限されるとは解釈されない。
製造例1.正極活物質の製造
製造例1-1.第1リチウムマンガン系酸化物(A-1)の製造
(a)前駆体の製造
反応器内にNiSO4・6H2OおよびMnSO4・H2Oが40:60のモル比で混合した水溶液、NaOHおよびNH4OHを投入しながら撹拌した。反応器内の温度を、45℃に保って、反応器内にN2ガスを投入しながら前駆体合成反応を行った。反応完了後、洗浄および脱水して、Ni0.4Mn0.6(OH)2組成の水酸化物前駆体(平均粒径3.0μm、粒径の調整には公知の方法を使用できる。)を得た。
製造例1-1.第1リチウムマンガン系酸化物(A-1)の製造
(a)前駆体の製造
反応器内にNiSO4・6H2OおよびMnSO4・H2Oが40:60のモル比で混合した水溶液、NaOHおよびNH4OHを投入しながら撹拌した。反応器内の温度を、45℃に保って、反応器内にN2ガスを投入しながら前駆体合成反応を行った。反応完了後、洗浄および脱水して、Ni0.4Mn0.6(OH)2組成の水酸化物前駆体(平均粒径3.0μm、粒径の調整には公知の方法を使用できる。)を得た。
(b)第1熱処理
O2雰囲気の焼成炉を2℃/minの速度で昇温した後、550℃に保って、前記工程(a)で得られた水酸化物前駆体を5時間熱処理した後、炉冷(furnace cooling)して、酸化物状態の前駆体を得た。
O2雰囲気の焼成炉を2℃/minの速度で昇温した後、550℃に保って、前記工程(a)で得られた水酸化物前駆体を5時間熱処理した後、炉冷(furnace cooling)して、酸化物状態の前駆体を得た。
(c)第2熱処理
前記工程(b)で得た酸化物状態の前駆体およびリチウム原料物質であるLiOH(Li/Metal molar ratio=1.25)を混合して、混合物を調製した。
次に、O2雰囲気の焼成炉を2℃/minの速度で昇温した後、900℃に保って、前記混合物を8時間熱処理した後、炉冷(furnace cooling)して、第1リチウムマンガン系酸化物(A-1)を得た。
前記工程(b)で得た酸化物状態の前駆体およびリチウム原料物質であるLiOH(Li/Metal molar ratio=1.25)を混合して、混合物を調製した。
次に、O2雰囲気の焼成炉を2℃/minの速度で昇温した後、900℃に保って、前記混合物を8時間熱処理した後、炉冷(furnace cooling)して、第1リチウムマンガン系酸化物(A-1)を得た。
製造例1-2.第1リチウムマンガン系酸化物(A-2)の製造
(a)前駆体の製造
反応器内にNiSO4・6H2OおよびMnSO4・H2Oが40:60のモル比で混合した水溶液、NaOHおよびNH4OHを投入しながら撹拌した。反応器内の温度を、45℃に保って、反応器内にN2ガスを投入しながら前駆体合成反応を行った。反応完了後、洗浄および脱水して、Ni0.4Mn0.6(OH)2組成の水酸化物前駆体(平均粒径3.0μm、粒径の調整には公知の方法を使用できる。)を得た。
(a)前駆体の製造
反応器内にNiSO4・6H2OおよびMnSO4・H2Oが40:60のモル比で混合した水溶液、NaOHおよびNH4OHを投入しながら撹拌した。反応器内の温度を、45℃に保って、反応器内にN2ガスを投入しながら前駆体合成反応を行った。反応完了後、洗浄および脱水して、Ni0.4Mn0.6(OH)2組成の水酸化物前駆体(平均粒径3.0μm、粒径の調整には公知の方法を使用できる。)を得た。
(b)第1熱処理
O2雰囲気の焼成炉を2℃/minの速度で昇温した後、550℃に保って、前記工程(a)で得られた水酸化物前駆体を5時間熱処理した後、炉冷(furnace cooling)して、酸化物状態の前駆体を得た。
O2雰囲気の焼成炉を2℃/minの速度で昇温した後、550℃に保って、前記工程(a)で得られた水酸化物前駆体を5時間熱処理した後、炉冷(furnace cooling)して、酸化物状態の前駆体を得た。
(c)第2熱処理
前記工程(b)で得た酸化物状態の前駆体、リチウム原料物質であるLiOH(Li/Metal molar ratio=1.25)、前記前駆体中のリチウムを除いた金属元素基準フッ素(F)の含有量が1.0mol%となるように秤量したLiFおよび前記前駆体中のリチウムを除いた金属元素基準タングステン(W)の含有量が0.75mol%となるように秤量したWO3を混合して、混合物を調製した。
次に、O2雰囲気の焼成炉を2℃/minの速度で昇温した後、900℃に保って、前記混合物を8時間熱処理した後、炉冷(furnace cooling)して、第1リチウムマンガン系酸化物(A-2)を得た。
前記工程(b)で得た酸化物状態の前駆体、リチウム原料物質であるLiOH(Li/Metal molar ratio=1.25)、前記前駆体中のリチウムを除いた金属元素基準フッ素(F)の含有量が1.0mol%となるように秤量したLiFおよび前記前駆体中のリチウムを除いた金属元素基準タングステン(W)の含有量が0.75mol%となるように秤量したWO3を混合して、混合物を調製した。
次に、O2雰囲気の焼成炉を2℃/minの速度で昇温した後、900℃に保って、前記混合物を8時間熱処理した後、炉冷(furnace cooling)して、第1リチウムマンガン系酸化物(A-2)を得た。
製造例1-3.第2リチウムマンガン系酸化物(B-1)の製造
(a)前駆体の製造
反応器内にNiSO4・6H2OおよびMnSO4・H2Oが40:60のモル比で混合した水溶液、NaOHおよびNH4OHを投入しながら撹拌した。反応器内の温度を、45℃に保って、反応器内にN2ガスを投入しながら前駆体合成反応を行った。反応完了後、洗浄および脱水して、Ni0.4Mn0.6(OH)2組成の水酸化物前駆体(平均粒径12.0μm、粒径の調整には公知の方法を使用できる。)を得た。
(a)前駆体の製造
反応器内にNiSO4・6H2OおよびMnSO4・H2Oが40:60のモル比で混合した水溶液、NaOHおよびNH4OHを投入しながら撹拌した。反応器内の温度を、45℃に保って、反応器内にN2ガスを投入しながら前駆体合成反応を行った。反応完了後、洗浄および脱水して、Ni0.4Mn0.6(OH)2組成の水酸化物前駆体(平均粒径12.0μm、粒径の調整には公知の方法を使用できる。)を得た。
(b)第1熱処理
O2雰囲気の焼成炉を2℃/minの速度で昇温した後、550℃に保って、前記工程(a)で得られた水酸化物前駆体を5時間熱処理した後、炉冷(furnace cooling)して、酸化物状態の前駆体を得た。
O2雰囲気の焼成炉を2℃/minの速度で昇温した後、550℃に保って、前記工程(a)で得られた水酸化物前駆体を5時間熱処理した後、炉冷(furnace cooling)して、酸化物状態の前駆体を得た。
(c)第2熱処理
前記工程(b)で得た酸化物状態の前駆体およびリチウム原料物質であるLiOH(Li/Metal molar ratio=1.25)を混合して、混合物を調製した。
次に、O2雰囲気の焼成炉を2℃/minの速度で昇温した後、900℃に保って、前記混合物を8時間熱処理した後、炉冷(furnace cooling)して、第2リチウムマンガン系酸化物(B-1)を得た。
前記工程(b)で得た酸化物状態の前駆体およびリチウム原料物質であるLiOH(Li/Metal molar ratio=1.25)を混合して、混合物を調製した。
次に、O2雰囲気の焼成炉を2℃/minの速度で昇温した後、900℃に保って、前記混合物を8時間熱処理した後、炉冷(furnace cooling)して、第2リチウムマンガン系酸化物(B-1)を得た。
製造例1-4.第2リチウムマンガン系酸化物(B-2)の製造
(a)前駆体の製造
反応器内にNiSO4・6H2OおよびMnSO4・H2Oが40:60のモル比で混合した水溶液、NaOHおよびNH4OHを投入しながら撹拌した。反応器内の温度を、45℃に保って、反応器内にN2ガスを投入しながら前駆体合成反応を行った。反応完了後、洗浄および脱水して、Ni0.4Mn0.6(OH)2組成の水酸化物前駆体(平均粒径12.0μm、粒径の調整には公知の方法を使用できる。)を得た。
(a)前駆体の製造
反応器内にNiSO4・6H2OおよびMnSO4・H2Oが40:60のモル比で混合した水溶液、NaOHおよびNH4OHを投入しながら撹拌した。反応器内の温度を、45℃に保って、反応器内にN2ガスを投入しながら前駆体合成反応を行った。反応完了後、洗浄および脱水して、Ni0.4Mn0.6(OH)2組成の水酸化物前駆体(平均粒径12.0μm、粒径の調整には公知の方法を使用できる。)を得た。
(b)第1熱処理
O2雰囲気の焼成炉を2℃/minの速度で昇温した後、550℃に保って、前記工程(a)で得られた水酸化物前駆体を5時間熱処理した後、炉冷(furnace cooling)して、酸化物状態の前駆体を得た。
O2雰囲気の焼成炉を2℃/minの速度で昇温した後、550℃に保って、前記工程(a)で得られた水酸化物前駆体を5時間熱処理した後、炉冷(furnace cooling)して、酸化物状態の前駆体を得た。
(c)第2熱処理
前記工程(b)で得た酸化物状態の前駆体、リチウム原料物質であるLiOH(Li/Metal molar ratio=1.25)、前記前駆体中のリチウムを除いた金属元素基準フッ素(F)の含有量が1.0mol%となるように秤量したLiFおよび前記前駆体中のリチウムを除いた金属元素基準タングステン(W)の含有量が0.75mol%となるように秤量したWO3を混合して、混合物を調製した。
次に、O2雰囲気の焼成炉を2℃/minの速度で昇温した後、900℃に保って、前記混合物を8時間熱処理した後、炉冷(furnace cooling)して、第2リチウムマンガン系酸化物(B-2)を得た。
前記工程(b)で得た酸化物状態の前駆体、リチウム原料物質であるLiOH(Li/Metal molar ratio=1.25)、前記前駆体中のリチウムを除いた金属元素基準フッ素(F)の含有量が1.0mol%となるように秤量したLiFおよび前記前駆体中のリチウムを除いた金属元素基準タングステン(W)の含有量が0.75mol%となるように秤量したWO3を混合して、混合物を調製した。
次に、O2雰囲気の焼成炉を2℃/minの速度で昇温した後、900℃に保って、前記混合物を8時間熱処理した後、炉冷(furnace cooling)して、第2リチウムマンガン系酸化物(B-2)を得た。
製造例2.正極活物質の製造
製造例1によって製造された第1リチウムマンガン系酸化物および第2リチウムマンガン系酸化物を下記の表1に記載された重量比で混合して、正極活物質を製造した。
製造例1によって製造された第1リチウムマンガン系酸化物および第2リチウムマンガン系酸化物を下記の表1に記載された重量比で混合して、正極活物質を製造した。
製造例3.リチウム二次電池の製造
製造例2によって製造された正極活物質90wt%、カーボンブラック4.5wt%、PVDFバインダー5.5wt%のそれぞれをN-メチル-2ピロリドン(NMP)に分散させて、正極スラリーを製造した。前記正極スラリーを厚さ15μmのアルミニウム薄膜に均一に塗布し、135℃で真空乾燥して、リチウム二次電池用正極を製造した。
製造例2によって製造された正極活物質90wt%、カーボンブラック4.5wt%、PVDFバインダー5.5wt%のそれぞれをN-メチル-2ピロリドン(NMP)に分散させて、正極スラリーを製造した。前記正極スラリーを厚さ15μmのアルミニウム薄膜に均一に塗布し、135℃で真空乾燥して、リチウム二次電池用正極を製造した。
前記正極に対してリチウムホイルを対電極(counter electrode)とし、多孔性ポリエチレン膜(Celgard 2300、厚さ:25μm)をセパレータとし、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が2:4:4の体積比で混合された溶媒にLiPF6が1.15Mの濃度で存在する電解液を使用してハーフセルを製造した。
実験例1.リチウムマンガン系酸化物の像分析
(1)製造例1-1~製造例1-4によって製造されたそれぞれのリチウムマンガン系酸化物から二次粒子を選別した後、走査電子顕微鏡で撮影して、SEM像を収得した。
(1)製造例1-1~製造例1-4によって製造されたそれぞれのリチウムマンガン系酸化物から二次粒子を選別した後、走査電子顕微鏡で撮影して、SEM像を収得した。
次に、Image analyzerプログラムを使用してSEM像から1つの前記二次粒子を選び、その二次粒子の表面に露出した一次粒子のうち短軸長さが長い順に20個の一次粒子を選定した後、それぞれ長軸長さと短軸長さを測定した。前記測定結果から前記一次粒子の短軸長さの平均値A、前記一次粒子の短軸長さの最大値B、前記一次粒子の短軸長さの最小値C、前記一次粒子の粒径の平均値D、前記一次粒子の粒径の最大値Eおよび前記一次粒子の粒径の最小値Fをそれぞれ算出した。前記一次粒子の粒径は、前記一次粒子の長軸長さと短軸長さの平均([長軸長さ+短軸長さ]/2)で計算した。
(2)また、選別された二次粒子それぞれをCross-section Polisher(加速電圧5.0kV、4時間ミーリング)で断面処理した後、走査電子顕微鏡で撮影して、断面SEM像を収得した。
次に、Image analyzerプログラムを使用して断面SEM像から前記二次粒子の断面から気孔の数Gを計数し、断面空隙率Hを算出した。
前記断面空隙率Hは、前記断面SEM像を2進化した後、前記二次粒子の断面の全面積に対して前記二次粒子内に存在する全空隙の面積の合計の比を計算した([前記二次粒子内に存在する全空隙の面積の合計/前記二次粒子の断面の全面積]/100)。
また、前記2進化された断面SEM像から前記二次粒子の中心を設定し、前記二次粒子の中心から前記二次粒子の表面までの距離をrというとき、前記二次粒子の中心から距離が0.5r~1.0rの領域を外部バルク領域と定義した。
前記外部バルク領域の断面の全面積に対して前記外部バルク領域内に存在する全空隙の面積の合計で割って外部バルク空隙率(I)([前記外部バルク領域内に存在する全空隙の面積の合計/前記外部バルク領域の全面積]×100)を算出した。
前記測定結果は、下記の表2に示した。
実験例2.正極活物質の圧縮密度の測定
製造例2によって製造されたそれぞれの正極活物質3gをペレタイザーを使用して下記の表3に記載された圧力条件で5秒間加圧した後、圧縮密度を測定した。
製造例2によって製造されたそれぞれの正極活物質3gをペレタイザーを使用して下記の表3に記載された圧力条件で5秒間加圧した後、圧縮密度を測定した。
前記測定結果は、下記の表3に示した。
比較例1~比較例3の結果を参照すると、比較例1(A-2を含むユニモーダルタイプの正極活物質)および比較例2(B-2を含むユニモーダルタイプの正極活物質)より比較例3(A-1およびB-1を含むバイモーダルタイプの正極活物質)の2.5トン圧縮密度が若干さらに高いことを確認できるが、比較例2および比較例3の間に4.5トン圧縮密度の有意差がないことを確認することができる。
一方、前記第1リチウムマンガン系酸化物および前記第2リチウムマンガン系酸化物から選択される少なくとも1つが複数の大粒径一次粒子が凝集した形態の二次粒子を含む実施例1~実施例6の結果を参照すると、比較例1~比較例3よりも2.5トン圧縮密度および4.5トン圧縮密度がいずれも有意な向上効果があることを確認することができる。
実験例3.リチウム二次電池の電気化学的特性の評価
製造例3で製造されたリチウム二次電池(ハーフセル)に対して電気化学分析装置(Toyo、Toscat-3100)を利用して25℃、電圧範囲2.0V~4.6V、0.1C~5.0Cの放電率を適用した充放電実験を通じて初期充電容量、初期放電容量、体積当たりの容量、初期可逆効率およびレート特性(放電容量の割合;rate capability(C-rate))を測定した。前記体積当たりの容量は、初期放電容量と圧縮密度(表3の4.5トン圧縮密度)を乗算して計算した。
製造例3で製造されたリチウム二次電池(ハーフセル)に対して電気化学分析装置(Toyo、Toscat-3100)を利用して25℃、電圧範囲2.0V~4.6V、0.1C~5.0Cの放電率を適用した充放電実験を通じて初期充電容量、初期放電容量、体積当たりの容量、初期可逆効率およびレート特性(放電容量の割合;rate capability(C-rate))を測定した。前記体積当たりの容量は、初期放電容量と圧縮密度(表3の4.5トン圧縮密度)を乗算して計算した。
また、同じリチウム二次電池に対し25℃、2.0V~4.6Vの駆動電圧範囲内で1C/1Cの条件で50回充放電を実施した後、初期放電容量に対して50サイクル目の放電容量の割合(サイクル容量維持率;capacity retention)を測定した。
前記測定結果は、下記の表4に示した。
前記表4の結果を参照すると、前記第1リチウムマンガン系酸化物および前記第2リチウムマンガン系酸化物から選択される少なくとも1つが複数の大粒径一次粒子が凝集した形態の二次粒子を含む実施例1~実施例6の結果を参照すると、比較例1~比較例3より単位体積当たりの容量が向上したことを確認することができる。
以上、本発明の実施例について説明したが、当該技術分野における通常の知識を有する者であれば特許請求の範囲に記載された本発明の思想から逸脱しない範囲内で、構成要素の付加、変更、削除又は追加などにより本発明を多様に修正及び変更させることができ、これも本発明の権利範囲内に含まれるといえる。
Claims (24)
- 小粒子としての第1リチウムマンガン系酸化物および大粒子としての第2リチウムマンガン系酸化物を含むバイモーダルタイプの正極活物質であって、
前記第1リチウムマンガン系酸化物と前記第2リチウムマンガン系酸化物は、C2/m空間群に属する相とR3-m空間群に属する相が固溶または複合した酸化物であり、
前記第1リチウムマンガン系酸化物および前記第2リチウムマンガン系酸化物は、それぞれ独立して、複数の大粒径一次粒子が凝集した形態の二次粒子および複数の小粒径一次粒子が凝集した形態の二次粒子から選択される少なくとも1つの形態の二次粒子を含み、かつ、
前記第1リチウムマンガン系酸化物および前記第2リチウムマンガン系酸化物から選択される少なくとも1つは、複数の大粒径一次粒子が凝集した形態の二次粒子を含む、正極活物質。 - 前記第1リチウムマンガン系酸化物中で、複数の大粒径一次粒子が凝集した形態の二次粒子と複数の小粒径一次粒子が凝集した形態の二次粒子は、10:90~100:0の重量比で含まれる、請求項1に記載の正極活物質。
- 前記大粒径一次粒子の短軸長さの平均値は、100nm以上500nm以下であり、
前記小粒径一次粒子の短軸長さの平均値は、50nm以上300nm以下であり、かつ、
前記小粒径一次粒子の短軸長さの平均値は、前記大粒径一次粒子の短軸長さの平均値より小さい、請求項2に記載の正極活物質。 - 前記大粒径一次粒子が凝集した形態の二次粒子の断面SEM像から測定された前記一次粒子間の空隙率(interparticle porosity)は、前記小粒径一次粒子が凝集した形態の二次粒子の断面SEM像から測定された前記一次粒子間の空隙率より小さい、請求項2に記載の正極活物質。
- 前記大粒径一次粒子が凝集した形態の二次粒子の断面SEM像から測定された前記一次粒子間の空隙率(interparticle porosity)は、10%以下である、請求項4に記載の正極活物質。
- 前記二次粒子の断面SEM像から設定された前記二次粒子の中心から前記二次粒子の表面までの距離をrといい、前記二次粒子の中心から距離が0.5r~1.0rの領域を外部バルク領域というとき、
前記大粒径一次粒子が凝集した形態の二次粒子の断面SEM像から測定された前記外部バルク領域内の空隙率は、小粒径一次粒子が凝集した形態の二次粒子の断面SEM像から測定された前記外部バルク領域内の空隙率より小さい、請求項2に記載の正極活物質。 - 前記大粒径一次粒子が凝集した形態の二次粒子の断面SEM像から測定された前記外部バルク領域内の空隙率は、1%以下である、請求項6に記載の正極活物質。
- 前記第1リチウムマンガン系酸化物の平均粒径は、2μm~5μmである、請求項1に記載の正極活物質。
- 前記第2リチウムマンガン系酸化物中で、複数の大粒径一次粒子が凝集した形態の二次粒子と複数の小粒径一次粒子が凝集した形態の二次粒子は、10:90~100:0の重量比で含まれる、請求項1に記載の正極活物質。
- 前記大粒径一次粒子の短軸長さの平均値は、100nm以上500nm以下であり、
前記小粒径一次粒子の短軸長さの平均値は、50nm以上300nm以下であり、かつ、
前記小粒径一次粒子の短軸長さの平均値は、前記大粒径一次粒子の短軸長さの平均値より小さい、請求項9に記載の正極活物質。 - 前記大粒径一次粒子が凝集した形態の二次粒子の断面SEM像から測定された前記一次粒子間の空隙率(interparticle porosity)は、前記小粒径一次粒子が凝集した形態の二次粒子の断面SEM像から測定された前記一次粒子間の空隙率より小さい、請求項9に記載の正極活物質。
- 前記大粒径一次粒子が凝集した形態の二次粒子の断面SEM像から測定された前記一次粒子間の空隙率(interparticle porosity)は、15%以下である、請求項11に記載の正極活物質。
- 前記二次粒子の断面SEM像から設定された前記二次粒子の中心から前記二次粒子の表面までの距離をrといい、前記二次粒子の中心から距離が0.5r~1.0rの領域を外部バルク領域というとき、
前記大粒径一次粒子が凝集した形態の二次粒子の断面SEM像から測定された前記外部バルク領域内の空隙率は、小粒径一次粒子が凝集した形態の二次粒子の断面SEM像から測定された前記外部バルク領域内の空隙率より小さい、請求項9に記載の正極活物質。 - 前記大粒径一次粒子が凝集した形態の二次粒子の断面SEM像から測定された前記外部バルク領域内の空隙率は、6%以下である、請求項13に記載の正極活物質。
- 前記第2リチウムマンガン系酸化物の平均粒径は、6μm~14μmである、請求項1に記載の正極活物質。
- 前記正極活物質中で、前記第1リチウムマンガン系酸化物および前記第2リチウムマンガン系酸化物は、10:90~80:20の重量比で含まれる、請求項1に記載の正極活物質。
- 前記第1リチウムマンガン系酸化物および前記第2リチウムマンガン系酸化物は、それぞれ独立して、ニッケル、コバルトおよびマンガンから選択される少なくとも1つを含む、請求項1に記載の正極活物質。
- 前記第1リチウムマンガン系酸化物および前記第2リチウムマンガン系酸化物から選択される少なくとも1つは、金属カチオンドーパントおよびハロゲンアニオンドーパントから選択される少なくとも1つのドーパントでドープされた二次粒子を含む、請求項1に記載の正極活物質。
- 前記金属カチオンドーパントは、W、MoおよびNbから選択される少なくとも1つである、請求項18に記載の正極活物質。
- 前記ハロゲンアニオンドーパントは、フッ素である、請求項18に記載の正極活物質。
- 前記複数の大粒径一次粒子が凝集した形態の二次粒子は、金属カチオンドーパントおよびハロゲンアニオンドーパントから選択される少なくとも1つのドーパントでドープされた、請求項18に記載の正極活物質。
- 前記第1リチウムマンガン系酸化物および前記第2リチウムマンガン系酸化物は、それぞれ独立して、下記の化学式1で表される、請求項1に記載の正極活物質。
[化学式1]
rLi2MnO3-b′Xb′・(1-r)LiaM1xM2yM3zO2-bXb
(ここで、
M1は、NiおよびMnから選択される少なくとも1つであり、
M2は、Ni、Mn、Co、Al、P、Nb、B、Si、Ti、Zr、Ba、K、Mo、Fe、Cu、Cr、Zn、Na、Ca、Mg、Pt、Au、Eu、Sm、W、Ce、V、Ta、Sn、Hf、GdおよびNdから選択される少なくとも1つであり、
M3は、W、MoおよびNbから選択される少なくとも1つであり、
M1~M3は、互いに重複せず、
XおよびX′は、前記リチウムマンガン系酸化物に存在する酸素のうち少なくとも一部を置換可能なハロゲンであり、
0<r≦0.7、0<a≦1、0≦b≦0.1、0≦b′≦0.1、0<x≦1、0≦y<1、0≦z≦0.1および0<x+y+z≦1である) - 請求項1から22のいずれか一項に記載の正極活物質を含む正極。
- 請求項23に記載の正極を使用するリチウム二次電池。
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