JP2024503159A - リチウム遷移金属酸化物、リチウム二次電池用正極添加剤およびそれを含むリチウム二次電池 - Google Patents
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Abstract
本発明はリチウム遷移金属酸化物、リチウム二次電池用正極添加剤およびそれを含むリチウム二次電池に関する。本発明によれば、電解質との副反応を最小化してリチウム二次電池の充放電時ガスの発生を抑制できるリチウム遷移金属酸化物が提供される。
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本出願は２０２１年１月２２日付韓国特許出願第１０－２０２１－０００９３３７号、２０２１年８月１２日付韓国特許出願第１０－２０２１－０１０６７７４号、２０２１年８月１２日付韓国特許出願第１０－２０２１－０１０６７７５号、および２０２１年８月１２日付韓国特許出願第１０－２０２１－０１０６７７６号に基づく優先権の利益を主張し、該当韓国特許出願の文献に開示されたすべての内容は本明細書の一部として含まれる。
本出願は２０２１年１月２２日付韓国特許出願第１０－２０２１－０００９３３７号、２０２１年８月１２日付韓国特許出願第１０－２０２１－０１０６７７４号、２０２１年８月１２日付韓国特許出願第１０－２０２１－０１０６７７５号、および２０２１年８月１２日付韓国特許出願第１０－２０２１－０１０６７７６号に基づく優先権の利益を主張し、該当韓国特許出願の文献に開示されたすべての内容は本明細書の一部として含まれる。
本発明はリチウム遷移金属酸化物、リチウム二次電池用正極添加剤およびそれを含むリチウム二次電池に関する。
電子機器の多機能化とともに消費電力の増加につれ、リチウム二次電池の容量を増やし、その充放電効率を改善しようとする多くの試みがなされている。
一例として、リチウム二次電池の正極にＮｉ８０％以上の正極活物質を正極材として適用し、負極にＳｉＯ、ＳｉまたはＳｉＣのような金属または金属系の負極活物質を天然黒鉛または人造黒鉛などの炭素系負極活物質と共に適用する技術が提案されている。
金属および金属酸化物系の負極活物質は炭素系負極活物質より高容量の発現を可能にする。しかし、金属および金属酸化物系の負極活物質は充放電時体積変化が黒鉛に比べてはるかに大きいので、負極内の金属および金属酸化物の含有量を１５％以上に増加させることは難しい。また、金属および金属酸化物を負極内に追加する場合は初期充放電で不可逆的な反応が起きてリチウムの損失が炭素系負極活物質を適用した場合に比べて大きい。そのため金属および金属酸化物系の負極活物質を適用した場合は電池の容量が大きくなるほど損失されるリチウムの量が増え、これによる初期容量の減少幅も大きくなる。
そこでリチウム二次電池の容量を増やしたり不可逆容量を減らしたりするための多様な方案が研究されてきた。その一つが初期状態でＳＥＩ層（ｓｏｌｉｄ ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ ｉｎｔｅｒｐｈａｓｅ ｌａｙｅｒ）の形成に消耗するリチウムをバッテリ内で補充する概念である予備リチウム化（ｐｒｅｌｉｔｈｉａｔｉｏｎ）である。
バッテリ内で予備リチウム化をするための多様な方法が提案されてきた。
一例として、バッテリ駆動前に負極をあらかじめ電気化学的にリチウム化（ｌｉｔｈｉａｔｉｏｎ）する方法である。しかし、リチウム化された負極は大気中で非常に不安定であり、電気化学的リチウム化方法は工程をスケールアップ（ｓｃａｌｅ‐ｕｐ）することには困難がある。
他の一例として、負極にリチウム金属またはリチウムシリサイド（ｌｉｔｈｉｕｍ ｓｉｌｉｃｉｄｅ，ＬｉｘＳｉ）粉末をコートする方法である。しかし、前記粉末は反応性が高く大気安定性が低下するので、負極にコーティング時適した溶媒および工程条件を確立することが難しい問題がある。
正極で予備リチウム化する方法としては、負極で消耗するリチウムの量だけの正極材をさらに多くコートする方法がある。しかし、正極材自体の低い容量のため、追加される正極材の量が増加し、増加する正極材の量だけ最終バッテリのエネルギ密度および重量当たりの容量が減少する。
そこで、正極でバッテリの予備リチウム化に適した素材は最初の充電時リチウムが既存の正極材より少なくとも二倍以上多く脱離され、以後の放電時にはリチウムと反応しない不可逆的な特性を持たなければならない。このような条件を満たす添加剤を犠牲陽極材（ｓａｃｒｉｆｉｃｉａｌ ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ｍａｔｅｒｉａｌｓ）という。
商用バッテリの場合、積層された正極、分離膜および負極を含むケースに電解質を注入した後、最初に充／放電動作を実行するフォーメーション（ｆｏｒｍａｔｉｏｎ）工程を経る。この過程で負極上にＳＥＩ層形成反応が起き、電解質の分解によってガスが発生する。前記フォーメーション工程で犠牲陽極材はリチウムをあげて分解されて電解質と反応し、その過程で発生したＮ２、Ｏ２、ＣＯ２などのガスはガスポケット除去工程により回収される。
前記犠牲陽極材としてはリチウムが豊富な金属酸化物の過リチウム化陽極材（ｏｖｅｒ－ｌｉｔｈｉａｔｅｄ ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ｍａｔｅｒｉａｌｓ）が多く使用されている。前記過リチウム化陽極材（ｏｖｅｒ－ｌｉｔｈｉａｔｅｄ ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ｍａｔｅｒｉａｌｓ）としては逆蛍石（ａｎｔｉ－ｆｌｕｏｒｉｔｅ）構造であるＬｉ６ＣｏＯ４、Ｌｉ５ＦｅＯ４およびＬｉ６ＭｎＯ４などが良く知られている。これらの理論容量はＬｉ６ＣｏＯ４が９７７ｍＡｈ／ｇ、Ｌｉ５ＦｅＯ４が８６７ｍＡｈ／ｇ、そしてＬｉ６ＭｎＯ４が１００１ｍＡｈ／ｇであり、犠牲陽極材として使用するのに十分な容量を有している。その中でＬｉ６ＣｏＯ４の電気伝導度が最も優れて犠牲陽極材として使用するのに良い電気化学的特性を有している。
Ｌｉ６ＣｏＯ４はフォーメーション工程で段階的に脱離および分解されて結晶相が崩れ、この過程で必然的でＯ２ガスが発生する。理想的な場合、Ｌｉ６ＣｏＯ４はフォーメーション工程以後充放電サイクル時追加的なガスが発生してはならない。充放電時持続的なガスが発生する場合、バッテリ内部の圧力が増加して電極間の距離が遠くなりバッテリ容量およびエネルギ密度が減少し得る。はなはだしい場合、バッテリが圧力に耐え切れずに爆発事故が起きる可能性がある。
したがって、充放電サイクル時追加的なガスが発生しないようにＬｉ６ＣｏＯ４の最終結晶相を電気化学的活性がないように非活性化したり安定化できる技術の開発が求められている。
本発明は、電解質との副反応を抑制してリチウム二次電池の正極でのガス発生を緩和できるリチウム遷移金属酸化物を提供する。
本発明は、前記リチウム遷移金属酸化物の製造方法を提供する。
本発明は、前記リチウム遷移金属酸化物を含むリチウム二次電池用正極添加剤を提供する。
本発明は、前記遷移金属酸化物を含むリチウム二次電池用正極を提供する。
本発明は、前記リチウム二次電池用正極添加剤を含むリチウム二次電池用正極を提供する。
そして、本発明は前記二次電池用正極を含むリチウム二次電池を提供する。
発明の一実施形態によれば、
異種元素を含むリチウムコバルト酸化物であって、
前記異種元素は、第４周期遷移金属；および第２族元素、第１３族元素、第１４族元素、第５周期遷移金属、および第６周期遷移金属からなる群より選ばれた１種以上を含み、
レーザ回折散乱式粒度分布測定による１０．０μｍ～２５．０μｍの累積５０％粒径（Ｄ５０）、および１０．０～６０．０の最大粒径（Ｄｍａｘ）と最小粒径（Ｄｍｉｎ）の比率（Ｄｍａｘ／Ｄｍｉｎ）を有する、
リチウム遷移金属酸化物が提供される。
異種元素を含むリチウムコバルト酸化物であって、
前記異種元素は、第４周期遷移金属；および第２族元素、第１３族元素、第１４族元素、第５周期遷移金属、および第６周期遷移金属からなる群より選ばれた１種以上を含み、
レーザ回折散乱式粒度分布測定による１０．０μｍ～２５．０μｍの累積５０％粒径（Ｄ５０）、および１０．０～６０．０の最大粒径（Ｄｍａｘ）と最小粒径（Ｄｍｉｎ）の比率（Ｄｍａｘ／Ｄｍｉｎ）を有する、
リチウム遷移金属酸化物が提供される。
発明の他の一実施形態によれば、
リチウム酸化物、コバルト酸化物および異種元素酸化物を固相混合する第１段階；および
前記第１段階で得られた混合物を不活性雰囲気および５５０℃～７５０℃の温度下で焼成して前記リチウム遷移金属酸化物を得る第２段階
を含む、前記リチウム遷移金属酸化物の製造方法が提供される。
リチウム酸化物、コバルト酸化物および異種元素酸化物を固相混合する第１段階；および
前記第１段階で得られた混合物を不活性雰囲気および５５０℃～７５０℃の温度下で焼成して前記リチウム遷移金属酸化物を得る第２段階
を含む、前記リチウム遷移金属酸化物の製造方法が提供される。
発明のまた他の一実施形態によれば、
前記リチウム遷移金属酸化物を含むリチウム二次電池用正極添加剤が提供される。
前記リチウム遷移金属酸化物を含むリチウム二次電池用正極添加剤が提供される。
発明のまた他の一実施形態によれば、
正極活物質、バインダ、導電材、および前記リチウム遷移金属酸化物を含む、リチウム二次電池用正極が提供される。
正極活物質、バインダ、導電材、および前記リチウム遷移金属酸化物を含む、リチウム二次電池用正極が提供される。
発明のまた他の一実施形態によれば、
正極活物質、バインダ、導電材、および前記リチウム二次電池用正極添加剤を含む、リチウム二次電池用正極が提供される。
正極活物質、バインダ、導電材、および前記リチウム二次電池用正極添加剤を含む、リチウム二次電池用正極が提供される。
発明のまた他の一実施形態によれば、
前記リチウム二次電池用正極；負極；分離膜；および電解質を含む、リチウム二次電池が提供される。
前記リチウム二次電池用正極；負極；分離膜；および電解質を含む、リチウム二次電池が提供される。
以下、発明の実施形態による前記リチウム遷移金属酸化物、前記リチウム遷移金属酸化物の製造方法、前記リチウム二次電池用正極添加剤、前記リチウム二次電池用正極、および前記リチウム二次電池についてより詳細に説明する。
本明細書および請求範囲で使用された用語や単語は通常的または辞典的な意味に限定して解釈されるべきでなく、発明者自らは発明を最も最善の方法で説明するために用語の概念を適切に定義できるという原則に則して発明の技術的思想に合う意味および概念で解釈されなければならない。
本明細書で特に定義されない限り、すべての技術的用語および科学的用語は本発明が属する通常の技術者によって一般的に理解される意味と同じ意味を有する。本発明で説明に使用される用語は単に特定の具体例を効果的に記述するためであり、本発明を制限することを意図しない。
本明細書で使用される単数形は文脈上明らかに逆の意味を示さない限り複数形も含む。
本明細書で使用される「含む」の意味は、特定の特性、領域、整数、段階、動作、要素および／または成分を具体化し、他の特定の特性、領域、整数、段階、動作、要素、成分および／または群の存在や付加を除外させるものではない。
本明細書で使用される「含む」の意味は、特定の特性、領域、整数、段階、動作、要素および／または成分を具体化し、他の特定の特性、領域、整数、段階、動作、要素、成分および／または群の存在や付加を除外させるものではない。
本発明は多様な変更を加えることができ、様々な形態を有することができるため、特定の実施例を例示して下記で詳細に説明する。しかし、これは本発明を特定の開示形態に限定するためではなく、前記思想および技術範囲に含まれるすべての変更、均等物ないし代替物を含むものとして理解しなければならない。
本明細書で、例えば「～上に」、「～上部に」、「～下部に」、「～隣に」などで二つの部分の位置関係が説明される場合、「すぐに」または「直接」という表現が使用されない限り二つの部分の間に一つ以上の他の部分が位置することができる。
本明細書で、例えば「～後に」、「～に次いで」、「～次に」、「～前に」など時間的前後関係が説明される場合、「すぐに」または「直接」という表現が使用されない限り連続的でない場合も含むことができる。
本明細書で「少なくとも一つ」の用語は、一つ以上の関連項目から提示可能なすべての組み合わせを含むものとして理解しなければならない。
本明細書で使用された用語の「正極添加剤」は電池の初期充電時リチウムが既存の正極材より少なくても二倍以上多く脱離され、かつ後の放電時にはリチウムと反応しない不可逆的な特性を有する物質を意味する。前記正極添加剤は犠牲陽極材（ｓａｃｒｉｆｉｃｉａｌ ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ｍａｔｅｒｉａｌｓ）ともいえる。前記正極添加剤はリチウム損失を補償するので、結果的に電池の損失される容量を復旧して電池の容量が増加し、ガス発生を抑制することによって、電池が爆発することを防止して電池の寿命特性および安全性を改善することができる。
本明細書で使用された用語の「結晶相の安定化」とは、異種元素が導入されたリチウムコバルト酸化物系正極添加剤を含むリチウム二次電池の初期充電以後に発生する無定形ＣｏＯ２の酸化性を抑制することを意味する。前記無定形ＣｏＯ２の酸化性を抑制することによってＣｏＯ２と電解質の副反応を防止してガスの発生を抑制することができる。
Ｉ．リチウム遷移金属酸化物
発明の一実施形態によれば、
異種元素を含むリチウムコバルト酸化物であって、
前記異種元素は、第４周期遷移金属を含み；第２族元素、第１３族元素、第１４族元素、第５周期遷移金属、および第６周期遷移金属からなる群より選ばれた１種以上を含み、
レーザ回折散乱式粒度分布測定による１０．０μｍ～２５．０μｍの累積５０％粒径（Ｄ５０）、および１０．０～６０．０の最大粒径（Ｄｍａｘ）と最小粒径（Ｄｍｉｎ）の比率（Ｄｍａｘ／Ｄｍｉｎ）を有する、
リチウム遷移金属酸化物が提供される。
発明の一実施形態によれば、
異種元素を含むリチウムコバルト酸化物であって、
前記異種元素は、第４周期遷移金属を含み；第２族元素、第１３族元素、第１４族元素、第５周期遷移金属、および第６周期遷移金属からなる群より選ばれた１種以上を含み、
レーザ回折散乱式粒度分布測定による１０．０μｍ～２５．０μｍの累積５０％粒径（Ｄ５０）、および１０．０～６０．０の最大粒径（Ｄｍａｘ）と最小粒径（Ｄｍｉｎ）の比率（Ｄｍａｘ／Ｄｍｉｎ）を有する、
リチウム遷移金属酸化物が提供される。
本発明者らの継続的な研究結果、前記のような組成と粒度分布を満たすリチウム遷移金属酸化物は電解質との副反応を最小化してリチウム二次電池の充放電時正極でのガス発生を抑制できながらも優れた電池性能の確保を可能にすることが確認された。これは前記リチウム遷移金属酸化物に前記組成の異種元素が導入されて前記粒度分布を満たすことによってより安定化された結晶相を維持し、初期充電容量の減少を最小化することによるものであると予想される。これにより、前記リチウム遷移金属酸化物はリチウム二次電池の安全性と寿命特性の向上を可能にする。
前記リチウム遷移金属酸化物は前記組成を満たす２種以上の異種元素を含むことによりＬｉ６ＣｏＯ４のようなリチウムコバルト酸化物に比べて結晶相の安定化が可能である。本発明における前記結晶相の安定化は、前記リチウムコバルト酸化物を含むリチウム二次電池の初期充電以後に形成される無定形ＣｏＯ２の酸化性を抑制することを意味する。
これと関連して、Ｌｉ６ＣｏＯ４を含むリチウム二次電池を完全に充電した後Ｘ線回折（ＸＲＤ）により電極の結晶相を確認すると、無定形（ａｍｏｒｐｈｏｕｓ）のパターンがない傾向を示す。フォーメーション（ｆｏｒｍａｔｉｏｎ）工程でＬｉ６ＣｏＯ４は初期にＣｏ２＋陽イオンがＣｏ４＋陽イオンに酸化され、以後にはＯ２－陰イオンが酸化されることによってガスが発生する。充電が完了するとＣｏＯ２（Ｃｏ４＋）の組成になるが、前記組成では結晶性を示さないためパターンが観察されない。
Ｃｏ４＋陽イオンの場合、そのまま置いたり放電（還元反応）時Ｃｏ２＋陽イオンやＣｏ３＋陽イオンに還元しようとする傾向性である酸化性が大きいので、周辺にある電解質を酸化させて副反応が起きる。前記副反応によってカーボネート類のような電解質が分解されてＣＯ２、ＣＯ、Ｈ２のようなガスが発生する。以後充放電サイクルが行われると、充電時還元されたＣｏ２＋陽イオンやＣｏ３＋陽イオンがＣｏ４＋陽イオンに酸化され、放電時再びＣｏ４＋陽イオンがＣｏ２＋陽イオンやＣｏ３＋陽イオンに還元され、前記副反応によって持続的にガスが発生する。
このような副反応を抑制するためにはＣｏ４＋陽イオンが還元しようとする傾向性である酸化性を抑制する必要がある。例えば、異種元素を導入してＣｏ４＋陽イオンの酸化数を安定化する方法が挙げられる。
前記リチウム遷移金属酸化物において、電池の充放電時固定された酸化数を有し得る異種元素を導入することによってＣｏ４＋陽イオンの平均酸化数を減らす効果を期待することができる。これにより、Ｃｏ４＋陽イオンの酸化性が抑制されることができ、前記副反応によるガスの発生が抑制されることができる。
ただし、電池の充放電時固定された酸化数を有し得る異種元素の導入量が増加するほど初期充電容量が相対的に減少し、電気伝導度が減少する傾向を示し得る。したがって、前記異種元素のメイン元素として４周期遷移金属を導入するが、前記メイン元素の電気化学的性質を補完できるサブ元素を共に導入することによって、前記結晶相の安定化効果を発現させ、かつ優れた電池性能の確保が可能になる。
前記リチウム遷移金属酸化物はＬｉ６ＣｏＯ４に２種以上の異種元素が合金またはドーピングされて導入された組成を有する。
ここで、前記「合金」とは、リチウム遷移金属酸化物のうちリチウムを除いた金属元素全体を基準として前記異種元素が１０モル％以上で導入されたものを意味する。そして、前記「ドーピング」とは、リチウム遷移金属酸化物のうちリチウムを除いた金属元素全体を基準として前記異種元素が１０モル％未満で導入されたものを意味する。
前記リチウム遷移金属化合物は第４周期遷移金属を前記異種元素のうちメイン元素として含む。
そして、前記リチウム遷移金属化合物は第２族元素、第１３族元素、第１４族元素、第５周期遷移金属、および第６周期遷移金属からなる群より選ばれた１種以上の元素を前記異種元素のうちサブ元素として含む。
具体的には、前記第４周期遷移金属はＳｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、およびＺｎからなる群より選ばれる１種以上を含む。
そして、前記第２族元素はＭｇ、Ｃａ、Ｓｒ、およびＢａからなる群より選ばれる１種以上を含み；前記第１３族元素はＡｌ、ＧａおよびＩｎからなる群より選ばれる１種以上を含み；前記第１４族元素はＳｉ、ＧｅおよびＳｎからなる群より選ばれる１種以上を含み；前記第５周期遷移金属はＹ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｃ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、およびＣｄからなる群より選ばれる１種以上を含み；前記第６周期遷移金属はＬｕ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、およびＡｕからなる群より選ばれる１種以上を含む。
好ましくは、リチウムコバルト酸化物との合金またはドーピングの容易性そして結晶相の安定化の側面から、前記異種元素のうち前記メイン元素として第４周期遷移金属であるＺｎを含み得て；前記サブ元素としてＡｌ、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、およびＷからなる群より選ばれた１種以上の元素を含み得る。
Ｚｎ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、およびＷはＬｉ６ＣｏＯ４の結晶相である逆蛍石（ａｎｔｉ－ｆｌｕｏｒｉｔｅ）格子構造内のＣｏサイトによく置換され、かつ自体酸化数は変わらない特性を有する。例えば、ＺｎはＬｉ６ＺｎＯ４結晶相が存在し、Ｌｉ６ＣｏＯ４との合金も容易に形成され、その酸化数も２＋から変わらないため、初期充電以後Ｃｏ４＋陽イオンの酸化性を効果的に抑制することができる。
前記異種元素はリチウムコバルト酸化物の逆蛍石（ａｎｔｉ－ｆｌｕｏｒｉｔｅ）格子構造内で存在できるかどうかと、電池の充放電時固定された酸化数を有するかどうかを考慮して選択される。
一例として、前記第４周期遷移金属のうちＺｎはＬｉ６ＺｎＯ４結晶相が存在し、Ｌｉ６ＣｏＯ４との合金も容易に形成され、その酸化数も２＋から変わらないため、初期充電以後Ｃｏ４＋陽イオンの酸化性を効果的に抑制することができる。
他の一例として、前記組成を満たさないＬｉ５ＦｅＯ４およびＬｉ６ＭｎＯ４の場合は逆蛍石（ａｎｔｉ－ｆｌｕｏｒｉｔｅ）格子構造を形成することができる。しかし、Ｍｎは２＋、３＋、４＋、および７＋の複数の酸化数を有し、Ｆｅは２＋および３＋の複数の酸化数を有する。これにより、前記リチウムコバルト酸化物の原材料であるＣｏＯ、ＭｎＯおよびＦｅ２Ｏ３などを混合後焼成時、ＭｎまたはＦｅが酸化してＣｏ２＋陽イオンが還元されて単一結晶相の逆蛍石（ａｎｔｉ－ｆｌｕｏｒｉｔｅ）格子構造でないＣｏ０、すなわちＣｏ金属が生成されることができる。単一結晶相の合金されたＬｉ６ＣｏＯ４が生成されたとしてもＭｎでもＦｅの場合、作動電圧内で酸化数が変わりやすいので初期充電以後Ｃｏ４＋陽イオンの酸化性を抑制しにくい。
前記リチウム遷移金属酸化物からリチウムを除いた金属元素全体を基準として前記異種元素は５モル％～８０モル％で含まれ得る。
結晶相の安定化効果が発現できるようにするために、前記異種元素の含有量はリチウムを除いた金属元素全体を基準として５モル％以上であることが好ましい。ただし、過量の異種元素が導入される場合、前記リチウム遷移金属酸化物の電気伝導度が低下して電極の抵抗が増加し、電池の性能が劣る。したがって、前記異種元素の含有量はリチウムを除いた金属元素全体を基準として８０モル％以下であることが好ましい。
具体的には、前記異種元素の含有量はリチウムを除いた金属元素全体を基準として５モル％以上、あるいは１０モル％以上、あるいは１５モル％以上；そして８０モル％以下、あるいは７０モル％以下、あるいは６０モル％以下であり得る。
好ましくは、前記異種元素の含有量は、リチウムを除いた金属元素全体を基準として１０モル％～８０モル％、あるいは１０モル％～７０モル％、あるいは１５モル％～７０モル％、あるいは１５モル％～６０モル％であり得る。
さらに、前記異種元素の含有量の範囲内で前記メイン元素（第４周期遷移金属）および前記サブ元素（第２族元素、第１３族元素、第１４族元素、第５周期遷移金属、および第６周期遷移金属からなる群より選ばれた１種以上の元素）の含有量比が決定される。
一例として、前記異種元素のうち第４周期遷移金属は、前記リチウム遷移金属酸化物からリチウムを除いた金属元素全体を基準として１０モル％～７０モル％で含まれ得る。
結晶相の安定化効果が発現できるようにするために、前記リチウム遷移金属酸化物における第４周期遷移金属の含有量はリチウムを除いた金属元素全体を基準として１０モル％以上であることが好ましい。ただし、過量の異種元素が導入される場合、前記リチウム遷移金属酸化物の電気伝導度が低下して電極の抵抗が増加し、電池の性能が劣る。したがって、前記リチウム遷移金属酸化物における第４周期遷移金属の含有量はリチウムを除いた金属元素全体を基準として７０モル％以下であることが好ましい。
具体的には、前記リチウム遷移金属酸化物における第４周期遷移金属の含有量は、リチウムを除いた金属元素全体を基準として１０モル％以上、あるいは１５モル％以上、あるいは２０モル％以上；そして７０モル％以下、あるいは５０モル％以下、あるいは３０モル％以下であり得る。
好ましくは、前記リチウム遷移金属酸化物における第４周期遷移金属の含有量は、リチウムを除いた金属元素全体を基準として１０モル％～７０モル％、あるいは１５モル％～７０モル％、あるいは１５モル％～５０モル％、あるいは２０モル％～５０モル％、あるいは２０モル％～３０モル％であり得る。
前記リチウム遷移金属酸化物の結晶相の安定化効果は、前記異種元素の含有量に比例すると期待される。しかし、電気化学的に非活性であるＺｎのような異種元素の導入量が増加するほど初期充電容量が相対的に減少し、電気伝導度が減少する傾向を示すことができる。
したがって、前記異種元素のうち前記サブ元素の含有量はリチウムを除いた金属元素全体を基準として１モル％以上であることが好ましい。
ただし、過量の異種元素が導入される場合、前記リチウム遷移金属酸化物の電気伝導度が低下して電極の抵抗が増加し、電池の性能が劣る。したがって、前記リチウム遷移金属酸化物における前記サブ元素の含有量は、リチウムを除いた金属元素全体を基準として２０モル％以下であることが好ましい。
具体的には、前記リチウム遷移金属酸化物における前記サブ元素の含有量は、リチウムを除いた金属元素全体を基準として１モル％以上、あるいは２モル％以上、あるいは３モル％以上；そして２０モル％以下、あるいは１７モル％以下、あるいは１５モル％以下であり得る。
好ましくは、前記リチウム遷移金属酸化物における前記サブ元素の含有量は、リチウムを除いた金属元素全体を基準として１モル％～２０モル％、あるいは２モル％～２０モル％、あるいは２モル％～１７モル％、あるいは３モル％～１７モル％、あるいは３モル％～１５モル％であり得る。
前記リチウム遷移金属酸化物は下記化学式１で表される：
［化学式１］
Ｌｉ６Ｃｏ１－ｘ－ｙＺｎｘＭｙＯ４
前記化学式１において、
Ｍは第２族元素、第１３族元素、第１４族元素、第５周期遷移金属、または第６周期遷移金属であり、
ｘは０．１～０．７であり、
ｙは０．０１～０．２である。
［化学式１］
Ｌｉ６Ｃｏ１－ｘ－ｙＺｎｘＭｙＯ４
前記化学式１において、
Ｍは第２族元素、第１３族元素、第１４族元素、第５周期遷移金属、または第６周期遷移金属であり、
ｘは０．１～０．７であり、
ｙは０．０１～０．２である。
好ましくは、前記化学式１において、ＭはＡｌ、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、およびＷからなる群より選ばれた１種以上の元素であり得る。
前記化学式１において前記ｘは０．１～０．７であり、ｙは０．０１～０．２である。
具体的には、前記ｘは０．１以上、あるいは０．１５以上、あるいは０．２以上；そして０．７以下、あるいは０．５以下、あるいは０．３以下であり得る。好ましくは、前記ｘは０．１～０．７、あるいは０．１５～０．７、あるいは０．１５～０．５、あるいは０．２～０．５、あるいは０．２～０．３であり得る。
具体的には、前記ｘは０．１以上、あるいは０．１５以上、あるいは０．２以上；そして０．７以下、あるいは０．５以下、あるいは０．３以下であり得る。好ましくは、前記ｘは０．１～０．７、あるいは０．１５～０．７、あるいは０．１５～０．５、あるいは０．２～０．５、あるいは０．２～０．３であり得る。
前記ｙは０．０１以上、あるいは０．０２以上、あるいは０．０３以上；そして０．２以下、あるいは０．１７以下、あるいは０．１５以下であり得る。好ましくは、前記ｙは０．０１～０．２、あるいは０．０２～０．２、あるいは０．０２～０．１７、あるいは０．０３～０．１７、あるいは０．０３～０．１５であり得る。
そして、前記化学式１において、ｘ＋ｙ値は０．０５以上、あるいは０．１０以上、あるいは０．１５以上、あるいは０．２０以上；そして０．８０以下、あるいは０．７０以下、あるいは０．６０以下、あるいは０．５０以下であることが好ましい。
すなわち、前記リチウム遷移金属酸化物の結晶相安定化効果の発現のために、前記化学式１において、ｘ＋ｙ値は０．０５以上、あるいは０．１０以上、あるいは０．１５以上、あるいは０．２０以上であることが好ましい。ただし、前記ｘ＋ｙ値が過度に大きい場合、前記リチウム遷移金属酸化物の電気伝導度が低下して電池の性能が低下し得る。したがって、前記化学式１においてｘ＋ｙ値は０．８０以下、あるいは０．７０以下、あるいは０．６０以下、あるいは０．５０以下であることが好ましい。
具体的には、前記化学式１において、ｘ＋ｙ値は０．０５～０．８０、あるいは０．１０～０．８０、あるいは０．１５～０．８０、あるいは０．１５～０．７０、あるいは０．１５～０．６０、あるいは０．２０～０．６０、あるいは０．２０～０．５０であり得る。
好ましくは、前記リチウム遷移金属酸化物は、Ｌｉ６Ｃｏ０．７７Ｚｎ０．２Ａｌ０．０３Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．７６Ｚｎ０．２Ａｌ０．０４Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．７５Ｚｎ０．２Ａｌ０．０５Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．７Ｚｎ０．２５Ａｌ０．０５Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．６５Ｚｎ０．２５Ａｌ０．１Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．６７Ｚｎ０．３Ａｌ０．０３Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．６６Ｚｎ０．３Ａｌ０．０４Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．６５Ｚｎ０．３Ａｌ０．０５Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．６Ｚｎ０．３Ａｌ０．１Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．７７Ｚｎ０．２Ｍｇ０．０３Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．７６Ｚｎ０．２Ｍｇ０．０４Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．７５Ｚｎ０．２Ｍｇ０．０５Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．７Ｚｎ０．２５Ｍｇ０．０５Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．６７Ｚｎ０．３Ｍｇ０．０３Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．６６Ｚｎ０．３Ｍｇ０．０４Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．６５Ｚｎ０．３Ｍｇ０．０５Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．７７Ｚｎ０．２Ｔｉ０．０３Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．７６Ｚｎ０．２Ｔｉ０．０４Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．７５Ｚｎ０．２Ｔｉ０．０５Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．７２Ｚｎ０．２５Ｔｉ０．０３Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．６７Ｚｎ０．３Ｔｉ０．０３Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．６６Ｚｎ０．３Ｔｉ０．０４Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．６５Ｚｎ０．３Ｔｉ０．０５Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．７７Ｚｎ０．２Ｚｒ０．０３Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．７６Ｚｎ０．２Ｚｒ０．０４Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．７５Ｚｎ０．２Ｚｒ０．０５Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．７２Ｚｎ０．２５Ｚｒ０．０３Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．６７Ｚｎ０．３Ｚｒ０．０３Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．６６Ｚｎ０．３Ｚｒ０．０４Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．６５Ｚｎ０．３Ｚｒ０．０５Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．７７Ｚｎ０．２Ｎｂ０．０３Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．７６Ｚｎ０．２Ｎｂ０．０４Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．７５Ｚｎ０．２Ｎｂ０．０５Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．６７Ｚｎ０．３Ｎｂ０．０３Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．６６Ｚｎ０．３Ｎｂ０．０４Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．６５Ｚｎ０．３Ｎｂ０．０５Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．７７Ｚｎ０．２Ｗ０．０３Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．７６Ｚｎ０．２Ｗ０．０４Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．７５Ｚｎ０．２Ｗ０．０５Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．６７Ｚｎ０．３Ｗ０．０３Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．６６Ｚｎ０．３Ｗ０．０４Ｏ４、およびＬｉ６Ｃｏ０．６５Ｚｎ０．３Ｗ０．０５Ｏ４からなる群より選ばれた１種以上の化合物を含み得る。
一方、前記リチウム遷移金属酸化物は、レーザ回折散乱式粒度分布測定による１０．０μｍ～２５．０μｍの累積５０％粒径（Ｄ５０）、および１０．０～６０．０の最大粒径（Ｄｍａｘ）と最小粒径（Ｄｍｉｎ）の比率（Ｄｍａｘ／Ｄｍｉｎ）を有する。
そして、前記リチウム遷移金属酸化物は、レーザ回折散乱式粒度分布測定による３．０μｍ～１０．０μｍの累積５％粒径（Ｄ５）および２０．０μｍ～４５．０μｍの累積９５％粒径（Ｄ９５）を有する。
前記レーザ回折散乱式粒度分布測定は、前記リチウム遷移金属酸化物を分散媒に分散させ、ここにレーザ光を照射してこのとき生じる散乱光（前方散乱光）を集光して得られる回折像から粒度分布を求める方法である。前記レーザ回折散乱式粒度分布測定は比較的簡易で、かつ迅速であり、優れた測定精度で粒度分布を得ることができる。
ここで、前記累積５０％粒径（Ｄ５０）とは、レーザ回折散乱式粒度分布測定装置を用いて測定した粒径の小さい側から質量を基準として累積５０％までの粒径を意味する。
前記リチウム遷移金属酸化物は１０．０μｍ～２５．０μｍの累積５０％粒径（Ｄ５０）を有する。
過度に大きい比表面積により電解質との副反応が深化することを防止するために、前記Ｄ５０値は１０．０μｍ以上であることが好ましい。ただし、粒径が過度に大きい場合、前記リチウム遷移金属酸化物を含む正極材を電流集電体上に均一にコートすることが難しく、乾燥後圧延過程で前記電流集電体の損傷を誘発し得る。したがって、前記Ｄ５０値は２５．０μｍ以下であることが好ましい。
具体的には、前記リチウム遷移金属酸化物は、１０．０μｍ以上、あるいは１０．５μｍ以上、あるいは１１．０μｍ以上、あるいは１１．５μｍ以上；そして２５．０μｍ以下、あるいは２４．０μｍ以下、あるいは２３．０μｍ以下、あるいは２２．０μｍ以下の前記Ｄ５０値を有することができる。
好ましくは、前記リチウム遷移金属酸化物は、１０．５μｍ～２５．０μｍ、あるいは１０．５μｍ～２４．０μｍ、あるいは１１．０μｍ～２４．０μｍ、あるいは１１．０μｍ～２３．０μｍ、あるいは１１．５μｍ～２３．０μｍ、あるいは１１．５μｍ～２２．０μｍの前記Ｄ５０値を有することができる。
そして、前記リチウム遷移金属酸化物は１０．０～６０．０の最大粒径（Ｄｍａｘ）と最小粒径（Ｄｍｉｎ）の比率（Ｄｍａｘ／Ｄｍｉｎ）を有する。
前記Ｄｍａｘ／Ｄｍｉｎ値は小さいほど好ましい。しかし、粒子の粉砕および分級過程でリチウム遷移金属酸化物の損失量を最小化し、収得率を極大化するために、前記Ｄｍａｘ／Ｄｍｉｎ値は１０．０以上であることが好ましい。
一方、最大粒径と最小粒径の差が過度に大きい場合、粒径が小さい粒子の容量が過度に発現し得、これによって電解質との副反応が激しくなる。そして、粒径が大きい粒子は小さい粒子に比べて比表面積が小さく相対的に容量が低く発現する。そのため前記リチウム遷移金属酸化物粒子の平均的な特性を結晶できず、これを電池に適用することは難しく再現性の側面で好ましくない。したがって、前記Ｄｍａｘ／Ｄｍｉｎ値は６０．０以下であることが好ましい。
具体的には、前記リチウム遷移金属酸化物は、１０．０以上、あるいは１１．０以上、あるいは１２．０以上、あるいは１３．０以上、あるいは１４．０以上、あるいは１５．０以上；そして６０．０以下、あるいは５９．０以下、あるいは５８．０以下、あるいは５７．０以下の前記Ｄｍａｘ／Ｄｍｉｎ値を有することができる。
好ましくは、前記リチウム遷移金属酸化物は、１１．０～６０．０、あるいは１１．０～５９．０、あるいは１２．０～５９．０、あるいは１２．０～５８．０、あるいは１３．０～５８．０、あるいは１３．０～５７．０、あるいは１４．０～５７．０、あるいは１５．０～５７．０の前記Ｄｍａｘ／Ｄｍｉｎ値を有することができる。
前記リチウム遷移金属酸化物は３０．０μｍ～９０．０μｍの最大粒径（Ｄｍａｘ）および１．０μｍ～５．０μｍの最小粒径（Ｄｍｉｎ）を有する。
具体的には、前記リチウム遷移金属酸化物は、３０．０μｍ以上、あるいは３２．０μｍ以上、あるいは３４．０μｍ以上、あるいは３６．０μｍ以上、あるいは３８．０μｍ以上；そして９０．０μｍ以下、あるいは８９．５μｍ以下、あるいは８９．０μｍ以下、あるいは８８．５μｍ以下、あるいは８８．０μｍ以下の前記Ｄｍａｘ値を有することができる。好ましくは、前記リチウム遷移金属酸化物は、３２．０μｍ～９０．０μｍ、あるいは３２．０μｍ～８９．５μｍ、あるいは３４．０μｍ～８９．５μｍ、あるいは３４．０μｍ～８９．０μｍ、あるいは３６．０μｍ～８９．０μｍ、あるいは３６．０μｍ～８８．５μｍ、あるいは３８．０μｍ～８８．５μｍ、あるいは３８．０μｍ～８８．０μｍの前記Ｄｍａｘ値を有することができる。
そして、前記リチウム遷移金属酸化物は、１．０μｍ以上、あるいは１．１μｍ以上、あるいは１．２μｍ以上；そして５．０μｍ以下、あるいは４．５μｍ以下、あるいは４．０μｍ以下、あるいは３．５μｍ以下、あるいは３．０μｍ以下の前記Ｄｍｉｎ値を有することができる。好ましくは、前記リチウム遷移金属酸化物は、１．０μｍ～４．５μｍ、あるいは１．１μｍ～４．５μｍ、あるいは１．１μｍ～４．０μｍ、あるいは１．１μｍ～３．５μｍ、あるいは１．２μｍ～３．５μｍ、あるいは１．２μｍ～３．０μｍの前記Ｄｍｉｎ値を有することができる。
さらに、前記リチウム遷移金属酸化物は３．０μｍ～１０．０μｍの累積５％粒径（Ｄ５）および２０．０μｍ～４５．０μｍの累積９５％粒径（Ｄ９５）を有する。
具体的には、前記リチウム遷移金属酸化物は、３．０μｍ以上、あるいは３．５μｍ以上、あるいは４．０μｍ以上、あるいは４．５μｍ以上、あるいは５．０μｍ以上；そして１０．０μｍ以下、あるいは９．９μｍ以下、あるいは９．８μｍ以下の前記Ｄ５値を有することができる。好ましくは、前記リチウム遷移金属酸化物は３．５μｍ～１０．０μｍ、あるいは４．０μｍ～１０．０μｍ、あるいは４．０μｍ～９．９μｍ、あるいは４．５μｍ～９．９μｍ、あるいは４．５μｍ～９．８μｍ、あるいは５．０μｍ～９．８μｍの前記Ｄ５値を有することができる。
そして、前記リチウム遷移金属酸化物は、２０．０μｍ以上、あるいは２０．５μｍ以上、あるいは２１．０μｍ以上；そして４５．０μｍ以下、あるいは４４．０μｍ以下、あるいは４３．０μｍ以下の前記Ｄ９５値を有することができる。好ましくは、前記リチウム遷移金属酸化物は、２０．５μｍ～４５．０μｍ、あるいは２０．５μｍ～４４．０μｍ、あるいは２１．０μｍ～４４．０μｍ、あるいは２１．０μｍ～４３．０μｍの前記Ｄ９５値を有することができる。
非制限的な例として、前記リチウム遷移金属酸化物は、３０．０μｍ～７０．０μｍの前記Ｄｍａｘ値と１０．０～３０．０の前記Ｄｍａｘ／Ｄｍｉｎ値を有するものであり得る。前記Ｄｍａｘ値と前記Ｄｍａｘ／Ｄｍｉｎ値を満たすリチウム遷移金属酸化物は、前記化学式１において前記Ｍが１３族元素、好ましくはＡｌである化合物であり得る。
前記リチウム遷移金属酸化物はリチウム二次電池の充放電時不可逆的にリチウムをあげる特性を有する。特に、前記リチウム遷移金属酸化物は電解質との副反応が抑制されてリチウム二次電池の安全性と寿命特性の向上を可能にする。
ＩＩ．リチウム遷移金属酸化物の製造方法
発明の他の一実施形態によれば、
リチウム酸化物、コバルト酸化物および異種元素酸化物を固相混合する第１段階；および
前記第１段階で得られた混合物を不活性雰囲気および５５０℃～７５０℃の温度下で焼成して前記リチウム遷移金属酸化物を得る第２段階
を含む、前記リチウム遷移金属酸化物の製造方法が提供される。
発明の他の一実施形態によれば、
リチウム酸化物、コバルト酸化物および異種元素酸化物を固相混合する第１段階；および
前記第１段階で得られた混合物を不活性雰囲気および５５０℃～７５０℃の温度下で焼成して前記リチウム遷移金属酸化物を得る第２段階
を含む、前記リチウム遷移金属酸化物の製造方法が提供される。
前記第１段階ではリチウム酸化物、コバルト酸化物および異種元素酸化物を含む原料混合物が準備される。
前記リチウム酸化物としてはＬｉ２Ｏのようにリチウムを含む酸化物が特に制限なく使用されることができる。
また、前記コバルト酸化物としてはＣｏＯのようにコバルトを含む酸化物が特に制限なく使用されることができる。
前記異種元素に関する事項は、前記「Ｉ．リチウム遷移金属酸化物」の項目で説明した内容に代える。
前記異種元素酸化物としては第４周期遷移金属酸化物；および第２族元素、第１３族元素、第１４族元素、第５周期遷移金属、および第６周期遷移金属からなる群より選ばれた１種以上の元素の酸化物が使用されることができる。非制限的な例として、前記異種元素酸化物としてはＺｎＯ、Ｍｇ、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、Ｎｂ２Ｏ５、およびＷＯ３のように前記異種元素を含む酸化物が特に制限なく使用されることができる。
前記原料混合物は前記「Ｉ．リチウム遷移金属酸化物」で説明した化学量論比に合うように前記リチウム酸化物、前記コバルト酸化物および前記異種元素酸化物を固相混合して準備される。
前記第２段階では前記第１段階で得られた原料混合物を不活性雰囲気および５５０℃～７５０℃の温度下で焼成することによって前記リチウム遷移金属酸化物を得る。
前記第２段階はＡｒ、Ｎ２、Ｎｅ、およびＨｅのような不活性気体を使用して形成される不活性雰囲気下で行われる。
前記第２段階では、前記第１段階で得られた混合物を不活性雰囲気下で１．４℃／ｍｉｎ～２．０℃／ｍｉｎの昇温速度で加熱して前記焼成温度に到達するようにすることが好ましい。
前記昇温速度が過度に遅い場合、結晶シードがゆっくり形成されて結晶の成長が持続して粒子が過度に大きくなる。したがって、前記昇温速度は１．４℃／ｍｉｎ以上であることが好ましい。ただし、前記昇温速度が過度にはやい場合、結晶シードが非常に速い速度で多量生成され、粒子の成長時間が相対的に不足して結晶性が相対的に低くなり、粒子の大きさも相対的に小さくなる。したがって、前記昇温速度は２．０℃／ｍｉｎ以下であることが好ましい。
前記昇温速度が過度に遅い場合、結晶シードがゆっくり形成されて結晶の成長が持続して粒子が過度に大きくなる。したがって、前記昇温速度は１．４℃／ｍｉｎ以上であることが好ましい。ただし、前記昇温速度が過度にはやい場合、結晶シードが非常に速い速度で多量生成され、粒子の成長時間が相対的に不足して結晶性が相対的に低くなり、粒子の大きさも相対的に小さくなる。したがって、前記昇温速度は２．０℃／ｍｉｎ以下であることが好ましい。
具体的には、前記昇温速度は、１．４０℃／ｍｉｎ以上、あるいは１．４５℃／ｍｉｎ以上、あるいは１．５０℃／ｍｉｎ以上；そして２．００℃／ｍｉｎ以下、あるいは１．９５℃／ｍｉｎ以下、あるいは１．９０℃／ｍｉｎ以下であり得る。好ましくは、前記昇温速度は１．４０℃／ｍｉｎ～２．００℃／ｍｉｎ、あるいは１．４５℃／ｍｉｎ～２．００℃／ｍｉｎ、あるいは１．４５℃／ｍｉｎ～１．９５℃／ｍｉｎ、あるいは１．５０℃／ｍｉｎ～１．９５℃／ｍｉｎ、あるいは１．５０℃／ｍｉｎ～１．９０℃／ｍｉｎであり得る。
前記焼成は５５０℃～７５０℃の温度下で行われる。
適正な速度で結晶シード（ｓｅｅｄ）が生成されるようにするために、前記焼成温度は５５０℃以上であることが好ましい。ただし、焼成温度が過度に高い場合は成長した結晶粒子どうしがかたまる焼結現象が起き得る。したがって、前記焼成温度は７５０℃以下であることが好ましい。
具体的には、前記焼成温度は、５５０℃以上、あるいは５８０℃以上、あるいは６００℃以上；そして７５０℃以下、あるいは７２０℃以下、あるいは７００℃以下であり得る。好ましくは、前記焼成温度は５８０℃～７５０℃、あるいは５８０℃～７２０℃、あるいは６００℃～７２０℃、あるいは６００℃～７００℃であり得る。
前記焼成は前記焼成温度下で２時間～２０時間の間行われる。前記焼成時間は異種元素がリチウムコバルト酸化物に合金またはドーピングの形態で導入されて結晶が安定化するのに所要する時間を考慮して調節することができる。具体的には、前記焼成時間は、２時間以上、あるいは３時間以上、あるいは４時間以上；そして２０時間以下、あるいは１９時間以下、あるいは１８時間以下であり得る。好ましくは、前記焼成時間は３時間～２０時間、あるいは３時間～１９時間、あるいは４時間～１９時間、あるいは４時間～１８時間であり得る。
前記第２段階で得られる前記リチウム遷移金属酸化物は、レーザ回折散乱式粒度分布測定による１０．０μｍ～２５．０μｍの累積５０％粒径（Ｄ５０）、および１０．０～６０．０の最大粒径（Ｄｍａｘ）と最小粒径（Ｄｍｉｎ）の比率（Ｄｍａｘ／Ｄｍｉｎ）を有することができる。必要に応じて、前記リチウム遷移金属酸化物が前記Ｄ５０値の範囲に該当するように粉砕および分級する段階が行われてもよい。
選択的に、前記前記第２段階で得られた前記化学式１で表される化合物を洗浄して乾燥する段階が行われてもよい。
非制限的な例として、前記洗浄工程は前記化学式１の化合物および洗浄液を１：２～１：１０の重量比で混合して攪拌する方法で行われ得る。前記洗浄液としては蒸溜水、アンモニア水などが使用されることができる。前記乾燥は１００℃～２００℃あるいは１００℃～１８０℃の温度で１時間～１０時間の間熱処理する方法で行われ得る。
ＩＩＩ．リチウム二次電池用正極添加剤
発明の他の一実施形態によれば、
前記リチウム遷移金属酸化物を含むリチウム二次電池用正極添加剤が提供される。
発明の他の一実施形態によれば、
前記リチウム遷移金属酸化物を含むリチウム二次電池用正極添加剤が提供される。
前記リチウム遷移金属酸化物は電解質との副反応を最小化してリチウム二次電池の充放電時正極でのガス発生を抑制することができる。したがって、前記リチウム遷移金属酸化物を含むリチウム二次電池用正極添加剤はリチウム二次電池の安全性と寿命特性の向上を可能にする。
前記リチウム遷移金属酸化物を含むリチウム二次電池用正極添加剤はリチウム二次電池の充放電時不可逆的にリチウムをあげる特性を有する。したがって、前記リチウム二次電池用正極添加剤はリチウム二次電池用正極に含まれて予備リチウム化（ｐｒｅｌｉｔｈｉａｔｉｏｎ）のための犠牲陽極材（ｓａｃｒｉｆｉｃｉａｌ ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ｍａｔｅｒｉａｌｓ）の役割を遂行することができる。
前記リチウム遷移金属酸化物に関する事項は、前記「Ｉ．リチウム遷移金属酸化物」の項目で説明した内容に代える。
前記リチウム遷移金属酸化物はＬｉ６ＣｏＯ４に２種以上の異種元素が合金またはドーピングされて導入された組成を有する。
前記リチウム遷移金属化合物は第４周期遷移金属を前記異種元素のうちメイン元素として含む。
そして、前記リチウム遷移金属化合物は、第２族元素、第１３族元素、第１４族元素、第５周期遷移金属、および第６周期遷移金属からなる群より選ばれた１種以上の元素を前記異種元素のうちサブ元素として含む。
具体的には、前記第４周期遷移金属は、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、およびＺｎからなる群より選ばれる１種以上を含む。
そして、前記第２族元素はＭｇ、Ｃａ、Ｓｒ、およびＢａからなる群より選ばれる１種以上を含み；前記第１３族元素はＡｌ、ＧａおよびＩｎからなる群より選ばれる１種以上を含み；前記第１４族元素はＳｉ、ＧｅおよびＳｎからなる群より選ばれる１種以上を含み；前記第５周期遷移金属はＹ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｃ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、およびＣｄからなる群より選ばれる１種以上を含み；前記第６周期遷移金属はＬｕ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、およびＡｕからなる群より選ばれる１種以上を含む。
好ましくは、リチウムコバルト酸化物との合金またはドーピングの容易性そして結晶相の安定化の側面から、前記異種元素のうち前記メイン元素として第４周期遷移金属であるＺｎを含み得；前記サブ元素としてＡｌ、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、およびＷからなる群より選ばれた１種以上の元素を含み得る。
前記リチウム遷移金属酸化物からリチウムを除いた金属元素全体を基準として前記異種元素は５モル％～８０モル％で含まれ得る。
前記異種元素のうち第４周期遷移金属は、前記リチウム遷移金属酸化物からリチウムを除いた金属元素全体を基準として１０モル％～７０モル％で含まれ得る。
前記異種元素のうち第２族元素、第１３族元素、第１４族元素、第５周期遷移金属、および第６周期遷移金属からなる群より選ばれた１種以上の異種元素は、前記リチウム遷移金属酸化物からリチウムを除いた金属元素全体を基準として１モル％～２０モル％で含まれ得る。
前記リチウム遷移金属酸化物は下記化学式１で表される：
［化学式１］
Ｌｉ６Ｃｏ１－ｘ－ｙＺｎｘＭｙＯ４
前記化学式１において、
Ｍは第２族元素、第１３族元素、第１４族元素、第５周期遷移金属、または第６周期遷移金属であり、
ｘは０．１～０．７であり、
ｙは０．０１～０．２である。
［化学式１］
Ｌｉ６Ｃｏ１－ｘ－ｙＺｎｘＭｙＯ４
前記化学式１において、
Ｍは第２族元素、第１３族元素、第１４族元素、第５周期遷移金属、または第６周期遷移金属であり、
ｘは０．１～０．７であり、
ｙは０．０１～０．２である。
好ましくは、前記化学式１において、ＭはＡｌ、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、およびＷからなる群より選ばれた１種以上の元素であり得る。
好ましくは、前記リチウム遷移金属酸化物は、Ｌｉ６Ｃｏ０．７７Ｚｎ０．２Ａｌ０．０３Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．７６Ｚｎ０．２Ａｌ０．０４Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．７５Ｚｎ０．２Ａｌ０．０５Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．７Ｚｎ０．２５Ａｌ０．０５Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．６５Ｚｎ０．２５Ａｌ０．１Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．６７Ｚｎ０．３Ａｌ０．０３Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．６６Ｚｎ０．３Ａｌ０．０４Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．６５Ｚｎ０．３Ａｌ０．０５Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．６Ｚｎ０．３Ａｌ０．１Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．７７Ｚｎ０．２Ｍｇ０．０３Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．７６Ｚｎ０．２Ｍｇ０．０４Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．７５Ｚｎ０．２Ｍｇ０．０５Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．７Ｚｎ０．２５Ｍｇ０．０５Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．６７Ｚｎ０．３Ｍｇ０．０３Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．６６Ｚｎ０．３Ｍｇ０．０４Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．６５Ｚｎ０．３Ｍｇ０．０５Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．７７Ｚｎ０．２Ｔｉ０．０３Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．７６Ｚｎ０．２Ｔｉ０．０４Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．７５Ｚｎ０．２Ｔｉ０．０５Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．７２Ｚｎ０．２５Ｔｉ０．０３Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．６７Ｚｎ０．３Ｔｉ０．０３Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．６６Ｚｎ０．３Ｔｉ０．０４Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．６５Ｚｎ０．３Ｔｉ０．０５Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．７７Ｚｎ０．２Ｚｒ０．０３Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．７６Ｚｎ０．２Ｚｒ０．０４Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．７５Ｚｎ０．２Ｚｒ０．０５Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．７２Ｚｎ０．２５Ｚｒ０．０３Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．６７Ｚｎ０．３Ｚｒ０．０３Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．６６Ｚｎ０．３Ｚｒ０．０４Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．６５Ｚｎ０．３Ｚｒ０．０５Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．７７Ｚｎ０．２Ｎｂ０．０３Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．７６Ｚｎ０．２Ｎｂ０．０４Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．７５Ｚｎ０．２Ｎｂ０．０５Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．６７Ｚｎ０．３Ｎｂ０．０３Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．６６Ｚｎ０．３Ｎｂ０．０４Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．６５Ｚｎ０．３Ｎｂ０．０５Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．７７Ｚｎ０．２Ｗ０．０３Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．７６Ｚｎ０．２Ｗ０．０４Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．７５Ｚｎ０．２Ｗ０．０５Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．６７Ｚｎ０．３Ｗ０．０３Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．６６Ｚｎ０．３Ｗ０．０４Ｏ４、およびＬｉ６Ｃｏ０．６５Ｚｎ０．３Ｗ０．０５Ｏ４からなる群より選ばれた１種以上の化合物を含み得る。
前記リチウム遷移金属酸化物は、レーザ回折散乱式粒度分布測定による１０．０μｍ～２５．０μｍの累積５０％粒径（Ｄ５０）、および１０．０～６０．０の最大粒径（Ｄｍａｘ）と最小粒径（Ｄｍｉｎ）の比率（Ｄｍａｘ／Ｄｍｉｎ）を有する。
前記リチウム遷移金属酸化物は、レーザ回折散乱式粒度分布測定による３０．０μｍ～９０．０μｍの最大粒径（Ｄｍａｘ）および１．０μｍ～５．０μｍの最小粒径（Ｄｍｉｎ）を有する。
そして、前記リチウム遷移金属酸化物は、レーザ回折散乱式粒度分布測定による３．０μｍ～１０．０μｍの累積５％粒径（Ｄ５）および２０．０μｍ～４５．０μｍの累積９５％粒径（Ｄ９５）を有する。
ＩＶ．リチウム二次電池用正極
発明の他の一実施形態によれば、リチウム二次電池用正極が提供される。
発明の他の一実施形態によれば、リチウム二次電池用正極が提供される。
前記リチウム二次電池用正極は正極活物質、バインダ、導電材、および前記リチウム遷移金属酸化物を含み得る。
また、前記リチウム二次電池用正極は正極活物質、バインダ、導電材、および前記リチウム二次電池用正極添加剤を含み得る。
前記リチウム遷移金属酸化物および前記リチウム二次電池用正極添加剤はリチウム二次電池の充放電時不可逆的にリチウムをあげる特性を有する。したがって、前記リチウム遷移金属酸化物および前記リチウム二次電池用正極添加剤は、リチウム二次電池用正極に含まれて予備リチウム化（ｐｒｅｌｉｔｈｉａｔｉｏｎ）のための犠牲陽極材（ｓａｃｒｉｆｉｃｉａｌ ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ｍａｔｅｒｉａｌｓ）の役割を遂行することができる。
好ましくは、前記リチウム二次電池用正極は、正極活物質、導電材、前記犠牲陽極材、およびバインダを含む正極材；そして、前記正極材を支持する電流集電体を含む。
ここで、前記犠牲陽極材は前記リチウム遷移金属酸化物または前記リチウム二次電池用正極添加剤である。前記犠牲陽極材に関する事項は、前記「Ｉ．リチウム遷移金属酸化物」および「ＩＩＩ．リチウム二次電池用正極添加剤」の項目で説明した内容に代える。
高容量電池に行くほど電池の容量を増やすために負極内の負極活物質の比率をより高めなければならず、そのためＳＥＩ層に消耗するリチウムの量もともに増加する。そのため負極のＳＥＩ層に消耗するリチウムの量を計算した後、正極の方に適用すべき犠牲陽極材の量を逆算して電池の設計容量を定めることができる。
一実施形態によれば、前記犠牲陽極材は前記正極材の総重量に対して０重量％超１５重量％以下で含まれ得る。
前記ＳＥＩ層の形成に消耗する不可逆リチウムを補償するために、前記犠牲陽極材の含有量は前記正極材の総重量に対して０重量％超であることが好ましい。
ただし、前記犠牲陽極材が過量に含まれる場合、可逆的な充放電容量を示す前記正極活物質の含有量が減ってバッテリの容量が減少し、電池内に残余リチウムが負極にプレーティングされて電池のショートを誘発したり安全性を阻害し得る。したがって、前記犠牲陽極材の含有量は前記正極材の総重量に対して１５重量％以下であることが好ましい。
具体的には、前記犠牲陽極材の含有量は、前記正極材の総重量に対して０重量％超、あるいは０．５重量％以上、あるいは１重量％以上、あるいは２重量％以上、あるいは３重量％以上；そして、１５重量％以下、あるいは１２重量％以下、あるいは１０重量％以下であり得る。
好ましくは、前記犠牲陽極材の含有量は、前記正極材の総重量に対して０．５重量％～１５重量％、あるいは１重量％～１５重量％、あるいは１重量％～１２重量％、あるいは２重量％～１２重量％、あるいは２重量％～１０重量％、あるいは３重量％～１０重量％であり得る。
前記正極活物質としては本発明が属する技術分野でリチウム二次電池に適用可能であると知らされている化合物が特に制限なく使用されることができる。
非制限的な例として、前記正極活物質は、ＮＣＭ（Ｌｉ［Ｎｉ，Ｃｏ，Ｍｎ］Ｏ２）、ＮＣＭＡ（Ｌｉ［Ｎｉ，Ｃｏ，Ｍｎ，Ａｌ］Ｏ２）、ＬｉＣｏＯ２、ＬｉＮｉＯ２、ＬｉＭｎＯ２、ＬｉＭｎ２Ｏ２、ＬｉＮｉ１－ｄＣｏｄＯ２、ＬｉＣｏ１－ｄＭｎｄＯ２、ＬｉＮｉ１－ｄＭｎｄＯ２（以上で０≦ｄ＜１）、Ｌｉ（ＮｉａＣｏｂＭｎｃ）Ｏ４（０＜ａ＜２，０＜ｂ＜２，０＜ｃ＜２，ａ＋ｂ＋ｃ＝２）、ＬｉＭｎ２－ｅＮｉｅＯ４、ＬｉＭｎ２－ｅＣｏｅＯ４（以上０＜ｅ＜２）、ＬｉＣｏＰＯ４、およびＬｉＦｅＰＯ４などであり得る。前記正極活物質としては上述した例の１種あるいは２種以上の混合物が使用されることができる。
一実施形態によれば、前記正極活物質は前記正極材の総重量に対して８０重量％～９５重量％で含まれ得る。
具体的には、前記正極活物質の含有量は、前記正極材の総重量に対して８０重量％以上、あるいは８２重量％以上、あるいは８５重量％以上；そして、９５重量％以下、あるいは９３重量％以下、あるいは９０重量％以下であり得る。
好ましくは、前記正極活物質の含有量は、前記正極材の総重量に対して８２重量％～９５重量％、あるいは８２重量％～９３重量％、あるいは８５重量％～９３重量％、あるいは８５重量％～９０重量％であり得る。
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る。
前記導電材としては電池の化学変化を引き起こさず、かつ電子伝導性を有するものであれば特に制限なく使用されることができる。非制限的な例として、前記導電材はカーボンブラック、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；天然黒鉛や人造黒鉛などの黒鉛；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であり得る。前記導電材としては上述した例の１種あるいは２種以上の混合物が使用されることができる。
前記導電材の含有量は適切な水準の導電性を発現しながらもバッテリの容量減少を誘発しない範囲で調節されることができる。好ましくは、前記導電材の含有量は前記正極材の総重量に対して１重量％～１０重量％あるいは１重量％～５重量％であり得る。
前記バインダは前記正極材を前記電流集電体によく付着させるために使用されるものである。
非制限的な例として、前記バインダはポリビニリデンフルオリド（ＰＶｄＦ）、ビニリデンフルオリド－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）、澱粉、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）、フッ素ゴムなどであり得る。前記バインダとしては上述した例の１種あるいは２種以上の混合物が使用されることができる。
前記バインダの含有量は適切な水準の接着性を発現しながらもバッテリの容量減少を誘発しない範囲で調節されることができる。好ましくは、前記バインダの含有量は前記正極材の総重量に対して１重量％～１０重量％あるいは１重量％～５重量％であり得る。
前記電流集電体としては本発明が属する技術分野でリチウム二次電池の正極に適用可能であると知らされている素材が特に制限なく使用されることができる。
非制限的な例として、前記電流集電体としては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；またはアルミニウムやステンレススチール表面に炭素、ニッケル、チタン、銀などで表面処理したものなどが使用されることができる
好ましくは、前記電流集電体は３μｍ～５００μｍの厚さを有することができる。前記正極材の接着力を高めるために、前記電流集電体はその表面に微細な凹凸が形成されたものであり得る。前記電流集電体はフィルム、シート、箔、ネット、多孔質体、発泡体、不織布体など多様な形態を有することができる。
前記リチウム二次電池用正極は、前記正極活物質、前記導電材、前記犠牲陽極材、およびバインダを含む正極材を前記電流集電体上に積層して形成されることができる。
Ｖ．リチウム二次電池
発明の他の一実施形態によれば、
前記リチウム二次電池用正極；負極；分離膜；および電解質を含む、リチウム二次電池が提供される。
発明の他の一実施形態によれば、
前記リチウム二次電池用正極；負極；分離膜；および電解質を含む、リチウム二次電池が提供される。
前記リチウム二次電池は前記リチウム遷移金属酸化物または前記リチウム二次電池用正極添加剤を含む正極を備える。これにより、前記リチウム二次電池は充放電時正極でのガス発生が抑制されることができ、向上した安全性と寿命特性を示すことができる。そして、前記リチウム二次電池は高い放電容量、優れた出力特性および容量維持率を示すことができる。
これにより、前記リチウム二次電池は携帯電話、ノートブックコンピュータ、タブレットコンピュータ、モバイルバッテリ、デジタルカメラのような携帯用電子機器分野；および電気自動車、電気バイク、パーソナルモビリティデバイスのような移動手段分野で向上した性能と安全性を有するエネルギ供給源として用いられることができる。
前記リチウム二次電池は正極と負極の間に分離膜を介在して巻き取りされた電極組立体と、前記電極組立体が内蔵されるケースを含み得る。そして、前記正極、前記負極および前記分離膜は電解質に含浸されている。
前記リチウム二次電池は角型、円筒形、パウチ型など多様な形態を有することができる。
前記正極に関する事項は前記「ＩＶ．リチウム二次電池用正極」の項目で説明した内容に代える。
前記負極は負極活物質、導電材およびバインダを含む負極材；そして前記負極材を支持する電流集電体を含み得る。
前記負極活物質はリチウムイオンを可逆的にインターカレーション（ｉｎｔｅｒｃａｌａｔｉｏｎ）およびデインターカレーション（ｄｅｉｎｔｅｒｃａｌａｔｉｏｎ）できる物質、リチウム金属、リチウム金属の合金、リチウムにドープおよび脱ドープ可能な物質、および遷移金属酸化物を含み得る。
前記リチウムイオンを可逆的にインターカレーションおよびデインターカレーションできる物質としては、炭素質物質として結晶質炭素、非晶質炭素またはこれらの混合物を例に挙げることができる。具体的には、前記炭素質物質は天然黒鉛、人造黒鉛、キッシュ黒鉛（Ｋｉｓｈ ｇｒａｐｈｉｔｅ）、熱分解炭素（ｐｙｒｏｌｙｔｉｃ ｃａｒｂｏｎ）、メソフェースピッチ（ｍｅｓｏｐｈａｓｅ ｐｉｔｃｈｅｓ）、メソフェースピッチ系炭素繊維（ｍｅｓｏｐｈａｓｅ ｐｉｔｃｈ ｂａｓｅｄ ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒ）、炭素微小球体（ｍｅｓｏ－ｃａｒｂｏｎ ｍｉｃｒｏｂｅａｄｓ）、石油または石炭系コークス（ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ ｏｒ ｃｏａｌ ｔａｒ ｐｉｔｃｈ ｄｅｒｉｖｅｄ ｃｏｋｅｓ）、軟化炭素（ｓｏｆｔ ｃａｒｂｏｎ）、および硬化炭素（ｈａｒｄ ｃａｒｂｏｎ）などであり得る。
前記リチウム金属の合金はＮａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓ、Ｆｒ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｓｉ、Ｓｂ、Ｐｂ、Ｉｎ、Ｚｎ、Ｂａ、Ｒａ、Ｇｅ、Ａｌ、Ｓｎ、Ｂｉ、Ｇａ、およびＣｄからなる群より選ばれる金属とリチウムの合金であり得る。
前記リチウムにドープおよび脱ドープ可能な物質はＳｉ、Ｓｉ－Ｃ複合体、ＳｉＯｘ（０＜ｘ＜２）、Ｓｉ－Ｑ合金（前記Ｑはアルカリ金属、アルカリ土金属、第１３族元素、第１４族元素、第１５族元素、第１６族元素、遷移金属、希土類元素、およびこれらの組み合わせからなる群より選択される元素である；ただし、Ｓｉは除く）、Ｓｎ、ＳｎＯ２、Ｓｎ－Ｒ合金（前記Ｒはアルカリ金属、アルカリ土金属、第１３族元素、第１４族元素、第１５族元素、第１６族元素、遷移金属、希土類元素、およびこれらの組み合わせからなる群より選択される元素である；ただし、Ｓｎは除く。）などであり得る。そして、前記リチウムにドープおよび脱ドープ可能な物質としては、前記例のうち少なくとも一つとＳｉＯ２を混合して使用することができる。前記ＱおよびＲは、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｒａ、Ｓｃ、Ｙ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｒｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｄｂ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｓｇ、Ｔｃ、Ｒｅ、Ｂｈ、Ｆｅ、Ｐｂ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｈｓ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｂ、Ａｌ、Ｇａ、Ｓｎ、Ｉｎ、Ｔｌ、Ｇｅ、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｓ、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｐｏなどであり得る。
そして、前記遷移金属酸化物はバナジウム酸化物、リチウムバナジウム酸化物、リチウムチタン酸化物などであり得る。
好ましくは、前記負極は炭素質物質およびケイ素化合物からなる群より選ばれた１種以上の負極活物質を含み得る。
ここで、前記炭素質物質は、先立って例示した天然黒鉛、人造黒鉛、キッシュ黒鉛、熱分解炭素、メソフェースピッチ、メソフェースピッチ系炭素繊維、炭素微小球体、石油または石炭系コークス、軟化炭素、および硬化炭素からなる群より選ばれた１種以上の物質である。そして、前記ケイ素化合物は、先立って例示したＳｉを含む化合物、すなわちＳｉ、Ｓｉ－Ｃ複合体、ＳｉＯｘ（０＜ｘ＜２）、前記Ｓｉ－Ｑ合金、これらの混合物、またはこれらのうち少なくとも一つとＳｉＯ２の混合物であり得る。
一実施形態によれば、前記負極活物質は前記負極材の総重量に対して８５重量％～９８重量％で含まれ得る。
具体的には、前記負極活物質の含有量は、前記負極材の総重量に対して８５重量％以上、あるいは８７重量％以上、あるいは９０重量％以上；そして、９８重量％以下、あるいは９７重量％以下、あるいは９５重量％以下であり得る。
好ましくは、前記負極活物質の含有量は、前記負極材の総重量に対して８５重量％～９７重量％、あるいは８７重量％～９７重量％、あるいは８７重量％～９５重量％、あるいは９０重量％～９５重量％であり得る。
前記負極材に含まれる前記導電材と前記バインダ、そして前記電流集電体に対しては前記「ＩＶ．リチウム二次電池用正極」の項目で説明した内容に代える。
前記分離膜は正極と負極を分離してリチウムイオン移動通路を提供する。前記分離膜としては本発明が属する技術分野でリチウム二次電池のセパレータに適用可能であると知らされているものであれば特に制限なく使用されることができる。前記分離膜は電解質のイオン移動に対して低い抵抗を有し、電解質に対するぬれ性に優れるものが好ましい。
具体的には前記分離膜はポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン－ブテン共重合体、エチレン－ヘキセン共重合体、エチレン－メタクリレート共重合体などのようなポリオレフィン系高分子で製造された多孔性高分子フィルムであり得る。前記分離膜は前記多孔性高分子フィルムが２層以上で積層された多層膜であり得る。前記分離膜はガラス繊維、ポリエチレンテレフタレート繊維などを含む不織布であり得る。そして、前記分離膜は耐熱性または機械的強度確保のためにセラミック成分または高分子物質がコートされたものであり得る。
一方、前記電解質としては本発明が属する技術分野でリチウム二次電池に適用できると知らされているものであれば特に制限なく使用されることができる。例えば、前記電解質は有機系液体電解質、無機系液体電解質、固体ポリマー電解質、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であり得る。
具体的には、前記電解質は非水性有機溶媒およびリチウム塩を含み得る。
前記非水性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できる媒質役割をすることができるものであれば、特に制限なく使用されることができる。
具体的には、前記非水性有機溶媒は、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）、およびε－カプロラクトン（ε－ｃａｐｒｏｌａｃｔｏｎｅ）のようなエステル系溶媒；ジブチルエーテル（ｄｉｂｕｔｙｌ ｅｔｈｅｒ）およびテトラヒドロフラン（ｔｅｔｒａｈｙｄｒｏｆｕｒａｎ）のようなエーテル系溶媒；シクロヘキサノン（ｃｙｃｌｏｈｅｘａｎｏｎｅ）のようなケトン系溶媒；ベンゼン（ｂｅｎｚｅｎｅ）、およびフルオロベンゼン（ｆｌｕｏｒｏｂｅｎｚｅｎｅ）のような芳香族炭化水素系溶媒；ジメチルカーボネート（ｄｉｍｅｔｈｙｌ ｃａｒｂｏｎａｔｅ，ＤＭＣ）、ジエチルカーボネート（ｄｉｅｔｈｙｌ ｃａｒｂｏｎａｔｅ，ＤＥＣ）、メチルエチルカーボネート（ｍｅｔｈｙｌ ｅｔｈｙｌ ｃａｒｂｏｎａｔｅ，ＭＥＣ）、エチルメチルカーボネート（ｅｔｈｙｌ ｍｅｔｈｙｌ ｃａｒｂｏｎａｔｅ，ＥＭＣ）、エチレンカーボネート（ｅｔｈｙｌｅｎｅ ｃａｒｂｏｎａｔｅ，ＥＣ）、およびプロピレンカーボネート（ｐｒｏｐｙｌｅｎｅ ｃａｒｂｏｎａｔｅ、ＰＣ）のようなカーボネート系溶媒；エチルアルコールおよびイソプロピルアルコールのようなアルコール系溶媒；Ｒ－ＣＮ（ＲはＣ２～Ｃ２０の直鎖状、分枝状または環構造の炭化水素基であり、二重結合方向環またはエーテル結合を含み得る）のようなニトリル類；ジメチルホルムアミドのようなアミド類；１，３－ジオキソランのようなジオキソラン類；およびスルホラン（ｓｕｌｆｏｌａｎｅ）などであり得る。
前記例の中でも前記非水性有機溶媒としてカーボネート系溶媒が好ましく使用されることができる。
特に、電池の充放電性能および前記犠牲陽極材との相容性を考慮し、前記非水性有機溶媒としてイオン電導度およ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、プロピレンカーボネート）および底粘度の線状カーボネート（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、ジエチルカーボネート）の混合物が好ましく使用されることができる。この場合、前記環状カーボネートと前記線状カーボネートを１：１～１：９の体積比で混合して使用することが上述した性能の発現に有利である。
また、前記非水性有機溶媒としてはエチレンカーボネート（ＥＣ）とエチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）を１：２～１：１０の体積比で混合したもの；またはエチレンカーボネート（ＥＣ）、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）およびジメチルカーボネート（ＤＭＣ）を１～３：１～９：１の体積比で混合したものが好ましく使用されることができる。
前記電解質に含まれる前記リチウム塩は前記非水性有機溶媒に溶解して電池内でリチウムイオンの供給源として作用して基本的なリチウム二次電池の作動を可能にし、正極と負極の間のリチウムイオン移動を促進する役割をする。
具体的には、前記リチウム塩はＬｉＰＦ６、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＳｂＦ６、ＬｉＡｌ０４、ＬｉＡｌＣｌ４、ＬｉＣＦ３ＳＯ３、ＬｉＣ４Ｆ９ＳＯ３、ＬｉＮ（Ｃ２Ｆ５ＳＯ３）２、ＬｉＮ（Ｃ２Ｆ５ＳＯ２）２、ＬｉＮ（ＣＦ３ＳＯ２）２、ＬｉＮ（ＳＯ２Ｆ）２（ＬｉＦＳＩ，ｌｉｔｈｉｕｍ ｂｉｓ（ｆｌｕｏｒｏｓｕｌｆｏｎｙｌ）ｉｍｉｄｅ）、ＬｉＣｌ、ＬｉＩ、およびＬｉＢ（Ｃ２Ｏ４）２などであり得る。好ましくは、前記リチウム塩はＬｉＰＦ６、ＬｉＦＳＩ、およびこれらの混合物であり得る。
前記リチウム塩は前記電解質に０．１Ｍ～２．０Ｍの濃度で含まれ得る。前記濃度範囲で含まれるリチウム塩は、前記電解質に適切な伝導度と粘度を付与することによって優れた電解質性能を示すようにする。
選択的に、前記電解質には電池の寿命特性向上、電池容量減少抑制、電池の放電容量向上などを目的とした添加剤が含まれ得る。
例えば、前記添加剤はジフルオロエチレンカーボネートのようなハロアルキレンカーボネート系化合物、ピリジン、トリメチルホスファイト、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（ｎ－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、三塩化アルミニウムなどであり得る。前記添加剤は前記電解質の総重量に対して０．１重量％～５重量％で含まれ得る。
本発明によるリチウム遷移金属酸化物は、異種元素が導入されて安定化された格子構造を維持できることにより電解質との副反応を最小化してリチウム二次電池の充放電時ガス発生を抑制することができる。前記リチウム遷移金属酸化物を含むリチウム二次電池用正極添加剤はリチウム二次電池の安全性と寿命特性の向上を可能にする。
以下、発明の具体的な実施例により発明の作用と効果を具体的に説明する。ただし、これは発明の理解を助けるための例示として提示される。以下の実施例により発明の権利範囲がいかなる意味でも限定されることを意図するものではなく、本発明の範疇および技術思想の範囲内で多様な変更および修正が可能であることは通常の技術者にとって明白である。
実施例１
（１）リチウム遷移金属酸化物の合成
Ｌｉ２Ｏ、ＣｏＯ、ＺｎＯおよびＭｇＯをＬｉ：Ｃｏ：Ｚｎ：Ｍｇ＝６：０．７７：０．２：０．０３のモル比で固相混合して原料混合物を準備した。
（１）リチウム遷移金属酸化物の合成
Ｌｉ２Ｏ、ＣｏＯ、ＺｎＯおよびＭｇＯをＬｉ：Ｃｏ：Ｚｎ：Ｍｇ＝６：０．７７：０．２：０．０３のモル比で固相混合して原料混合物を準備した。
前記原料混合物をＡｒ雰囲気下で１．６℃／ｍｉｎの昇温速度で６時間の間昇温させた後、６００℃で１２時間の間焼成してＬｉ６Ｃｏ０．７７Ｚｎ０．２Ｍｇ０．０３Ｏ４であるリチウム遷移金属酸化物を得た。
粉砕機（Ｊａｗ ｃｒｕｓｈｅｒ）を用いて前記リチウム遷移金属酸化物を粉砕した後粉ふるい機（ｓｉｅｖｅ ｓｈａｋｅｒ）を用いて分級した。
前記リチウム遷移金属酸化物および蒸溜水を１：２の重量比で混合して攪拌して前記リチウム遷移金属酸化物を洗浄した。洗浄された前記リチウム遷移金属酸化物を１８０℃で１時間の間熱処理して乾燥した。
（２）リチウム二次電池の製造
正極添加剤として前記リチウム遷移金属酸化物（Ｌｉ６Ｃｏ０．７７Ｚｎ０．２Ｍｇ０．０３Ｏ４）、導電材としてカーボンブラック、およびバインダとしてポリビニリデンフルオリド（ＰＶｄＦ）を９５：３：２の重量比で有機溶媒（Ｎ－メチルピロリドン）に混合して正極材スラリーを製造した。厚さ１５μｍのアルミニウム箔である電流集電体の一面に前記正極材スラリーを塗布し、圧延および乾燥して正極を製造した。参考までに、本実験では前記正極材に正極活物質を添加しなかった。正極活物質を添加したものは下記実施例６に提示される。
正極添加剤として前記リチウム遷移金属酸化物（Ｌｉ６Ｃｏ０．７７Ｚｎ０．２Ｍｇ０．０３Ｏ４）、導電材としてカーボンブラック、およびバインダとしてポリビニリデンフルオリド（ＰＶｄＦ）を９５：３：２の重量比で有機溶媒（Ｎ－メチルピロリドン）に混合して正極材スラリーを製造した。厚さ１５μｍのアルミニウム箔である電流集電体の一面に前記正極材スラリーを塗布し、圧延および乾燥して正極を製造した。参考までに、本実験では前記正極材に正極活物質を添加しなかった。正極活物質を添加したものは下記実施例６に提示される。
負極活物質として天然黒鉛、導電材としてカーボンブラック、バインダとしてカルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）を９５：３：２の重量比で有機溶媒（Ｎ－メチルピロリドン）に混合して負極材スラリーを製造した。厚さ１５μｍの銅箔である電流集電体の一面に前記負極材スラリーを塗布し、圧延および乾燥して負極を製造した。
エチレンカーボネート（ＥＣ）、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）およびジメチルカーボネート（ＤＭＣ）を３：４：３の体積比で混合した非水性有機溶媒を準備した。前記非水性有機溶媒に０．７Ｍ濃度のＬｉＰＦ６および０．５Ｍ濃度のＬｉＦＳＩであるリチウム塩を溶解させて電解質を製造した。
前記正極と負極の間に分離膜である多孔性ポリエチレンを介在して電極組立体を製造し、前記電極組立体をケース内部に位置させた。前記ケース内部に前記電解質を注入してパウチセル形態のリチウム二次電池を製造した。
実施例２
ＭｇＯの代わりにＡｌ２Ｏ３を使用したことを除いては、前記実施例１と同じ方法で（１）Ｌｉ６Ｃｏ０．７７Ｚｎ０．２Ａｌ０．０３Ｏ４であるリチウム遷移金属酸化物と（２）を正極添加剤として含むリチウム二次電池を製造した。
ＭｇＯの代わりにＡｌ２Ｏ３を使用したことを除いては、前記実施例１と同じ方法で（１）Ｌｉ６Ｃｏ０．７７Ｚｎ０．２Ａｌ０．０３Ｏ４であるリチウム遷移金属酸化物と（２）を正極添加剤として含むリチウム二次電池を製造した。
実施例３
ＭｇＯの代わりにＴｉＯ２を使用したことを除いては、前記実施例１と同じ方法で（１）Ｌｉ６Ｃｏ０．７７Ｚｎ０．２Ｔｉ０．０３Ｏ４であるリチウム遷移金属酸化物と（２）を正極添加剤として含むリチウム二次電池を製造した。
ＭｇＯの代わりにＴｉＯ２を使用したことを除いては、前記実施例１と同じ方法で（１）Ｌｉ６Ｃｏ０．７７Ｚｎ０．２Ｔｉ０．０３Ｏ４であるリチウム遷移金属酸化物と（２）を正極添加剤として含むリチウム二次電池を製造した。
実施例４
ＭｇＯの代わりにＺｒＯ２を使用したことを除いては、前記実施例１と同じ方法で（１）Ｌｉ６Ｃｏ０．７７Ｚｎ０．２Ｚｒ０．０３Ｏ４であるリチウム遷移金属酸化物と（２）を正極添加剤として含むリチウム二次電池を製造した。
ＭｇＯの代わりにＺｒＯ２を使用したことを除いては、前記実施例１と同じ方法で（１）Ｌｉ６Ｃｏ０．７７Ｚｎ０．２Ｚｒ０．０３Ｏ４であるリチウム遷移金属酸化物と（２）を正極添加剤として含むリチウム二次電池を製造した。
実施例５
ＭｇＯの代わりにＮｂ２Ｏ５を使用したことを除いては、前記実施例１と同じ方法で（１）Ｌｉ６Ｃｏ０．７７Ｚｎ０．２Ｎｂ０．０３Ｏ４であるリチウム遷移金属酸化物と（２）を正極添加剤として含むリチウム二次電池を製造した。
ＭｇＯの代わりにＮｂ２Ｏ５を使用したことを除いては、前記実施例１と同じ方法で（１）Ｌｉ６Ｃｏ０．７７Ｚｎ０．２Ｎｂ０．０３Ｏ４であるリチウム遷移金属酸化物と（２）を正極添加剤として含むリチウム二次電池を製造した。
実施例６
Ｌｉ２Ｏ、ＣｏＯ、ＺｎＯおよびＡｌ２Ｏ３をＬｉ：Ｃｏ：Ｚｎ：Ａｌ＝６：０．７：０．２５：０．０５のモル比で固相混合した原料混合物を使用したことを除いては、前記実施例１と同じ方法で（１）Ｌｉ６Ｃｏ０．７Ｚｎ０．２５Ａｌ０．０５Ｏ４であるリチウム遷移金属酸化物と（２）を正極添加剤として含むリチウム二次電池を製造した。
Ｌｉ２Ｏ、ＣｏＯ、ＺｎＯおよびＡｌ２Ｏ３をＬｉ：Ｃｏ：Ｚｎ：Ａｌ＝６：０．７：０．２５：０．０５のモル比で固相混合した原料混合物を使用したことを除いては、前記実施例１と同じ方法で（１）Ｌｉ６Ｃｏ０．７Ｚｎ０．２５Ａｌ０．０５Ｏ４であるリチウム遷移金属酸化物と（２）を正極添加剤として含むリチウム二次電池を製造した。
実施例７
Ａｌ２Ｏ３の代わりにＭｇＯを使用したことを除いては、前記実施例６と同じ方法で（１）Ｌｉ６Ｃｏ０．７Ｚｎ０．２５Ｍｇ０．０５Ｏ４であるリチウム遷移金属酸化物と（２）を正極添加剤として含むリチウム二次電池を製造した。
Ａｌ２Ｏ３の代わりにＭｇＯを使用したことを除いては、前記実施例６と同じ方法で（１）Ｌｉ６Ｃｏ０．７Ｚｎ０．２５Ｍｇ０．０５Ｏ４であるリチウム遷移金属酸化物と（２）を正極添加剤として含むリチウム二次電池を製造した。
実施例８
Ｌｉ２Ｏ、ＣｏＯ、ＺｎＯおよびＴｉＯ２をＬｉ：Ｃｏ：Ｚｎ：Ｔｉ＝６：０．７２：０．２５：０．０３のモル比で固相混合した原料混合物を使用したことを除いては、前記実施例１と同じ方法で（１）Ｌｉ６Ｃｏ０．７２Ｚｎ０．２５Ｔｉ０．０３Ｏ４であるリチウム遷移金属酸化物と（２）を正極添加剤として含むリチウム二次電池を製造した。
Ｌｉ２Ｏ、ＣｏＯ、ＺｎＯおよびＴｉＯ２をＬｉ：Ｃｏ：Ｚｎ：Ｔｉ＝６：０．７２：０．２５：０．０３のモル比で固相混合した原料混合物を使用したことを除いては、前記実施例１と同じ方法で（１）Ｌｉ６Ｃｏ０．７２Ｚｎ０．２５Ｔｉ０．０３Ｏ４であるリチウム遷移金属酸化物と（２）を正極添加剤として含むリチウム二次電池を製造した。
実施例９
ＴｉＯ２の代わりにＺｒＯ２を使用したことを除いては、前記実施例８と同じ方法で（１）Ｌｉ６Ｃｏ０．７２Ｚｎ０．２５Ｚｒ０．０３Ｏ４であるリチウム遷移金属酸化物と（２）を正極添加剤として含むリチウム二次電池を製造した。
ＴｉＯ２の代わりにＺｒＯ２を使用したことを除いては、前記実施例８と同じ方法で（１）Ｌｉ６Ｃｏ０．７２Ｚｎ０．２５Ｚｒ０．０３Ｏ４であるリチウム遷移金属酸化物と（２）を正極添加剤として含むリチウム二次電池を製造した。
実施例１０
Ｌｉ２Ｏ、ＣｏＯ、ＺｎＯおよびＡｌ２Ｏ３をＬｉ：Ｃｏ：Ｚｎ：Ａｌ＝６：０．６５：０．３：０．０５のモル比で固相混合した原料混合物を使用したことを除いては、前記実施例１と同じ方法で（１）Ｌｉ６Ｃｏ０．６５Ｚｎ０．３Ａｌ０．０５Ｏ４であるリチウム遷移金属酸化物と（２）を正極添加剤として含むリチウム二次電池を製造した。
Ｌｉ２Ｏ、ＣｏＯ、ＺｎＯおよびＡｌ２Ｏ３をＬｉ：Ｃｏ：Ｚｎ：Ａｌ＝６：０．６５：０．３：０．０５のモル比で固相混合した原料混合物を使用したことを除いては、前記実施例１と同じ方法で（１）Ｌｉ６Ｃｏ０．６５Ｚｎ０．３Ａｌ０．０５Ｏ４であるリチウム遷移金属酸化物と（２）を正極添加剤として含むリチウム二次電池を製造した。
実施例１１
Ｌｉ２Ｏ、ＣｏＯ、ＺｎＯおよびＡｌ２Ｏ３をＬｉ：Ｃｏ：Ｚｎ：Ａｌ＝６：０．６５：０．２５：０．１のモル比で固相混合した原料混合物を使用したことを除いては、前記実施例１と同じ方法で（１）Ｌｉ６Ｃｏ０．６５Ｚｎ０．２５Ａｌ０．１Ｏ４であるリチウム遷移金属酸化物と（２）を正極添加剤として含むリチウム二次電池を製造した。
Ｌｉ２Ｏ、ＣｏＯ、ＺｎＯおよびＡｌ２Ｏ３をＬｉ：Ｃｏ：Ｚｎ：Ａｌ＝６：０．６５：０．２５：０．１のモル比で固相混合した原料混合物を使用したことを除いては、前記実施例１と同じ方法で（１）Ｌｉ６Ｃｏ０．６５Ｚｎ０．２５Ａｌ０．１Ｏ４であるリチウム遷移金属酸化物と（２）を正極添加剤として含むリチウム二次電池を製造した。
実施例１２
Ｌｉ２Ｏ、ＣｏＯ、ＺｎＯおよびＡｌ２Ｏ３をＬｉ：Ｃｏ：Ｚｎ：Ａｌ＝６：０．６：０．３：０．１のモル比で固相混合した原料混合物を使用したことを除いては、前記実施例１と同じ方法で（１）Ｌｉ６Ｃｏ０．６Ｚｎ０．３Ａｌ０．１Ｏ４であるリチウム遷移金属酸化物と（２）を正極添加剤として含むリチウム二次電池を製造した。
Ｌｉ２Ｏ、ＣｏＯ、ＺｎＯおよびＡｌ２Ｏ３をＬｉ：Ｃｏ：Ｚｎ：Ａｌ＝６：０．６：０．３：０．１のモル比で固相混合した原料混合物を使用したことを除いては、前記実施例１と同じ方法で（１）Ｌｉ６Ｃｏ０．６Ｚｎ０．３Ａｌ０．１Ｏ４であるリチウム遷移金属酸化物と（２）を正極添加剤として含むリチウム二次電池を製造した。
実施例１３
正極の製造時正極活物質をさらに添加し、負極の製造時負極活物質の組成を変更したことを除いては、前記実施例６と同じ方法でリチウム二次電池を製造した。
具体的には、正極活物質としてＮＣＭＡ（Ｌｉ［Ｎｉ，Ｃｏ，Ｍｎ，Ａｌ］Ｏ２）系化合物、ＮＴＡ－Ｘ１２Ｍ、Ｌ＆Ｆ）、正極添加剤として前記リチウム遷移金属酸化物（Ｌｉ６Ｃｏ０．７Ｚｎ０．２５Ａｌ０．０５Ｏ４）、導電材としてカーボンブラック、およびバインダとしてポリビニリデンフルオリド（ＰＶｄＦ）を９３．８：１．２：３：２の重量比で有機溶媒（Ｎ－メチルピロリドン）に混合して正極材スラリーを製造した。厚さ１５μｍのアルミニウム箔である電流集電体の一面に前記正極材スラリーを塗布し、圧延および乾燥して正極を製造した。
正極の製造時正極活物質をさらに添加し、負極の製造時負極活物質の組成を変更したことを除いては、前記実施例６と同じ方法でリチウム二次電池を製造した。
具体的には、正極活物質としてＮＣＭＡ（Ｌｉ［Ｎｉ，Ｃｏ，Ｍｎ，Ａｌ］Ｏ２）系化合物、ＮＴＡ－Ｘ１２Ｍ、Ｌ＆Ｆ）、正極添加剤として前記リチウム遷移金属酸化物（Ｌｉ６Ｃｏ０．７Ｚｎ０．２５Ａｌ０．０５Ｏ４）、導電材としてカーボンブラック、およびバインダとしてポリビニリデンフルオリド（ＰＶｄＦ）を９３．８：１．２：３：２の重量比で有機溶媒（Ｎ－メチルピロリドン）に混合して正極材スラリーを製造した。厚さ１５μｍのアルミニウム箔である電流集電体の一面に前記正極材スラリーを塗布し、圧延および乾燥して正極を製造した。
負極活物質として天然黒鉛とＳｉＯの混合物（重量比＝９：１）、導電材としてカーボンブラック、バインダとしてカルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）を９５：３：２の重量比で有機溶媒（Ｎ－メチルピロリドン）に混合して負極材スラリーを製造した。厚さ１５μｍの銅箔である電流集電体の一面に前記負極材スラリーを塗布し、圧延および乾燥して負極を製造した。
前記正極と負極の間に分離膜である多孔性ポリエチレンを介在して電極組立体を製造し、前記電極組立体をケース内部に位置させた。前記ケース内部に前記電解質を注入してパウチセル形態のリチウム二次電池を製造した。
比較例１
ＺｎＯおよびＭｇＯを添加せず、Ｌｉ２ＯおよびＣｏＯをＬｉ：Ｃｏ＝６：１のモル比で混合したことを除いては、前記実施例１と同じ方法で（１）Ｌｉ６ＣｏＯ４であるリチウム遷移金属酸化物と（２）を正極添加剤として含むリチウム二次電池を製造した。
ＺｎＯおよびＭｇＯを添加せず、Ｌｉ２ＯおよびＣｏＯをＬｉ：Ｃｏ＝６：１のモル比で混合したことを除いては、前記実施例１と同じ方法で（１）Ｌｉ６ＣｏＯ４であるリチウム遷移金属酸化物と（２）を正極添加剤として含むリチウム二次電池を製造した。
比較例２
ＭｇＯを添加せず、Ｌｉ２Ｏ、ＣｏＯおよびＺｎＯをＬｉ：Ｃｏ：Ｚｎ＝６：０．７：０．３のモル比で混合したことを除いては、前記実施例１と同じ方法で（１）Ｌｉ６Ｃｏ０．７Ｚｎ０．３Ｏ４であるリチウム遷移金属酸化物と（２）を正極添加剤として含むリチウム二次電池を製造した。
ＭｇＯを添加せず、Ｌｉ２Ｏ、ＣｏＯおよびＺｎＯをＬｉ：Ｃｏ：Ｚｎ＝６：０．７：０．３のモル比で混合したことを除いては、前記実施例１と同じ方法で（１）Ｌｉ６Ｃｏ０．７Ｚｎ０．３Ｏ４であるリチウム遷移金属酸化物と（２）を正極添加剤として含むリチウム二次電池を製造した。
比較例３
正極の製造時正極添加剤としてＬｉ６Ｃｏ０．７Ｚｎ０．２５Ａｌ０．０５Ｏ４の代わりに前記比較例１で得たＬｉ６ＣｏＯ４を使用したことを除いては、前記実施例１３と同じ方法でリチウム二次電池を製造した。
正極の製造時正極添加剤としてＬｉ６Ｃｏ０．７Ｚｎ０．２５Ａｌ０．０５Ｏ４の代わりに前記比較例１で得たＬｉ６ＣｏＯ４を使用したことを除いては、前記実施例１３と同じ方法でリチウム二次電池を製造した。
比較例４
正極の製造時正極添加剤としてＬｉ６Ｃｏ０．７Ｚｎ０．２５Ａｌ０．０５Ｏ４の代わりに前記比較例２で得たＬｉ６Ｃｏ０．７Ｚｎ０．３Ｏ４を使用したことを除いては、前記実施例１３と同じ方法でリチウム二次電池を製造した。
正極の製造時正極添加剤としてＬｉ６Ｃｏ０．７Ｚｎ０．２５Ａｌ０．０５Ｏ４の代わりに前記比較例２で得たＬｉ６Ｃｏ０．７Ｚｎ０．３Ｏ４を使用したことを除いては、前記実施例１３と同じ方法でリチウム二次電池を製造した。
比較例５
正極の製造時正極活物質としてＮＣＭＡ（Ｌｉ［Ｎｉ，Ｃｏ，Ｍｎ，Ａｌ］Ｏ２）系化合物、ＮＴＡ－Ｘ１２Ｍ、Ｌ＆Ｆ）、正極添加剤として前記リチウム遷移金属酸化物（Ｌｉ６Ｃｏ０．７Ｚｎ０．２５Ａｌ０．０５Ｏ４）のの代わりにＤＮ２Ｏ（Ｌｉ２ＮｉＯ２，ポスコケミカル）、導電材としてカーボンブラック、およびバインダとしてポリビニリデンフルオリド（ＰＶｄＦ）を９１．２：３．８：３：２の重量比で混合したことを除いては、前記実施例１３と同じ方法でリチウム二次電池を製造した。
正極の製造時正極活物質としてＮＣＭＡ（Ｌｉ［Ｎｉ，Ｃｏ，Ｍｎ，Ａｌ］Ｏ２）系化合物、ＮＴＡ－Ｘ１２Ｍ、Ｌ＆Ｆ）、正極添加剤として前記リチウム遷移金属酸化物（Ｌｉ６Ｃｏ０．７Ｚｎ０．２５Ａｌ０．０５Ｏ４）のの代わりにＤＮ２Ｏ（Ｌｉ２ＮｉＯ２，ポスコケミカル）、導電材としてカーボンブラック、およびバインダとしてポリビニリデンフルオリド（ＰＶｄＦ）を９１．２：３．８：３：２の重量比で混合したことを除いては、前記実施例１３と同じ方法でリチウム二次電池を製造した。
比較例６
正極の製造時前記正極添加剤を添加しなかったことを除いては、前記実施例１３と同じ方法でリチウム二次電池を製造した。
正極の製造時前記正極添加剤を添加しなかったことを除いては、前記実施例１３と同じ方法でリチウム二次電池を製造した。
試験例１
レーザ回折散乱式粒度分布測定装置（モデル名：Ｐａｒｔｉｃａ ＬＡ－９６０Ｖ２，製造会社：ＨＯＲＩＢＡ）を用いて前記実施例１～１２および比較例１、２から得たリチウム遷移金属酸化物に対する粒度分布を測定した。この時、前記リチウム遷移金属酸化物の分散媒としてＮ－メチルピロリドン（Ｎ－ｍｅｔｈｙｌ ｐｙｒｒｏｌｉｄｏｎ）（ＮＭＰ）を使用して測定を行った。
レーザ回折散乱式粒度分布測定装置（モデル名：Ｐａｒｔｉｃａ ＬＡ－９６０Ｖ２，製造会社：ＨＯＲＩＢＡ）を用いて前記実施例１～１２および比較例１、２から得たリチウム遷移金属酸化物に対する粒度分布を測定した。この時、前記リチウム遷移金属酸化物の分散媒としてＮ－メチルピロリドン（Ｎ－ｍｅｔｈｙｌ ｐｙｒｒｏｌｉｄｏｎ）（ＮＭＰ）を使用して測定を行った。
前記表１を参照すると、実施例のリチウム遷移金属酸化物は１０．０μｍ～２５．０μｍのＤ５０値および１０．０～６０．０のＤｍａｘ／Ｄｍｉｎ値を同時に満たすことが確認される。
比較例１および２を参照すると、Ｌｉ６ＣｏＯ４にＺｎが導入されて粒子のＤ５０値が大きくなる傾向が観察される。
そして、追加で導入する元素によって粒度分布に差が現れる。特にＺｎが導入されたリチウム遷移金属酸化物にＡｌが追加で導入されると相対的にＤｍｉｎ値は大きくなり、Ｄｍａｘ値は小さくなる傾向を示す。例えば、Ａｌが導入された実施例２、６、１０、１１、および１２の場合は３０μｍ未満のＤｍａｘ／Ｄｍｉｎ値を示すが、これはＭｇ、Ｔｉ、ＺｒまたはＮｂが導入された実施例１、３、４、５、７、および９でのＤｍａｘ／Ｄｍｉｎ値に比べて小さいことを確認することができる。Ｔｉが導入された実施例８の場合は３０μｍ未満のＤｍａｘ／Ｄｍｉｎ値を示すが、他の酸化物に比べて相対的に大きいＤｍａｘ値（８７．７μｍ）を示す。
試験例２
実施例１～１２、比較例１および２のリチウム二次電池について下記のような方法で充放電ｃｙｃｌｅ累積による累積ガス発生量を測定し、測定された累積充電容量によるガス発生量を表２、図１および図２に示す。高温貯蔵時間による累積ガス発生量は表３に示す。
実施例１～１２、比較例１および２のリチウム二次電池について下記のような方法で充放電ｃｙｃｌｅ累積による累積ガス発生量を測定し、測定された累積充電容量によるガス発生量を表２、図１および図２に示す。高温貯蔵時間による累積ガス発生量は表３に示す。
（１）Ｆｏｒｍａｔｉｏｎ（初期充電）容量および充放電容量の測定
パウチセル形態のリチウム二次電池を４５℃下で０．１Ｃで４．２５Ｖまで定電流－定電圧充電および２．５Ｖまで定電流放電、充放電間２０分休息してサイクルを行った後、ｆｏｒｍａｔｉｏｎ容量および充放電容量を測定した。
パウチセル形態のリチウム二次電池を４５℃下で０．１Ｃで４．２５Ｖまで定電流－定電圧充電および２．５Ｖまで定電流放電、充放電間２０分休息してサイクルを行った後、ｆｏｒｍａｔｉｏｎ容量および充放電容量を測定した。
（２）充放電累積による累積ガス発生量の測定
前記（１）の充放電条件でリチウム二次電池を作動させた後、ガス発生量を測定しようとする時点でのパウチセルを放電状態でしばらく回収した。比重計（ＭＡＴＳＵＨＡＫＵ，ＴＷＤ－１５０ＤＭ）を用いて、前記パウチセルの元の重量と水中での重量差を測定して前記パウチセル内の体積の変化を計算し、体積の変化量を電極活物質重量で割って重量当たりガス発生量を計算した。
前記（１）の充放電条件でリチウム二次電池を作動させた後、ガス発生量を測定しようとする時点でのパウチセルを放電状態でしばらく回収した。比重計（ＭＡＴＳＵＨＡＫＵ，ＴＷＤ－１５０ＤＭ）を用いて、前記パウチセルの元の重量と水中での重量差を測定して前記パウチセル内の体積の変化を計算し、体積の変化量を電極活物質重量で割って重量当たりガス発生量を計算した。
（３）高温貯蔵による累積ガス発生量の測定
パウチセル形態のリチウム二次電池を４５℃温度条件で０．１Ｃで４．２５Ｖまで定電流－定電圧充電した後、回収してｆｏｒｍａｔｉｏｎ容量を測定した後６０℃チャンバに保管する。１週間間隔でリチウム二次電池をチャンバから取り出して比重計（ＭＡＴＳＵＨＡＫＵ，ＴＷＤ－１５０ＤＭ）を用いて前記パウチセルの元の重量と水中での重量差を測定して前記パウチセル内の体積の変化を計算し、体積の変化量を電極活物質重量で割って重量当たりガス発生量を計算した。
パウチセル形態のリチウム二次電池を４５℃温度条件で０．１Ｃで４．２５Ｖまで定電流－定電圧充電した後、回収してｆｏｒｍａｔｉｏｎ容量を測定した後６０℃チャンバに保管する。１週間間隔でリチウム二次電池をチャンバから取り出して比重計（ＭＡＴＳＵＨＡＫＵ，ＴＷＤ－１５０ＤＭ）を用いて前記パウチセルの元の重量と水中での重量差を測定して前記パウチセル内の体積の変化を計算し、体積の変化量を電極活物質重量で割って重量当たりガス発生量を計算した。
下記表２はｆｏｒｍａｔｉｏｎ（０ｔｈ充放電）後１ｓｔ、２ｎｄ、１０ｔｈ、３０ｔｈおよび５０ｔｈ累積サイクル後の累積ガス発生量を示す。
前記表２および図１に示すように、実施例１～５は比較例１および２に比べて初期充電容量が小さかった。しかし、５０ｔｈｃｙｃｌｅ以後の累積ガス発生量は実施例１～５いずれも１ｍＬ／ｇ内で顕著に優れたガス低減効果を示した。特に、実施例１は実施例のうち最も大きい初期充電容量を有し、累積ガス発生量も比較的に少なかった。実施例２は初期充電容量が多少低かったが累積ガス発生量が最も低く優れたガス低減効果を有することが確認された。
前記表２および図２に示すように、ＴｉとＺｒの場合、異種元素の追加による追加的なガス減少の効果は相対的に微小であった。実施例６、１０、１１、および１２を参照すると、Ａｌのモル含有量が高いほどガス低減に卓越した効果を奏することが確認された。
下記表３はｆｏｒｍａｔｉｏｎ（０ｔｈ充放電）後６０℃で保管して１週、２週、３週および４週後の累積ガス発生量を示す。
下記表３はｆｏｒｍａｔｉｏｎ（０ｔｈ充放電）後６０℃で保管して１週、２週、３週および４週後の累積ガス発生量を示す。
前記表３に示すように、実施例１～５は６０℃の高温貯蔵での累積ガス発生量が１ｍＬ／ｇ以内で比較例１および２に比べて顕著に優れたガス低減効果を有することが確認された。
実施例６～１２を参照すると、Ａｌが導入されたリチウム遷移金属酸化物の場合、高温貯蔵でのガス低減に卓越した効果を奏することが確認された。
試験例３
正極活物質と正極添加剤を混合して適用した実施例１３および比較例３～６のリチウム二次電池について下記のような方法で充放電ｃｙｃｌｅ累積による容量維持率（ｃｙｃｌｅ ｒｅｔｅｎｔｉｏｎ）および累積ガス発生量を測定し、測定された容量維持率および累積ガス発生量を図３および表４に示す。
正極活物質と正極添加剤を混合して適用した実施例１３および比較例３～６のリチウム二次電池について下記のような方法で充放電ｃｙｃｌｅ累積による容量維持率（ｃｙｃｌｅ ｒｅｔｅｎｔｉｏｎ）および累積ガス発生量を測定し、測定された容量維持率および累積ガス発生量を図３および表４に示す。
（１）Ｆｏｒｍａｔｉｏｎ（初期充電）容量および充放電容量の測定
パウチセル形態のリチウム二次電池を４５℃温度条件で０．１Ｃで４．２５Ｖまで定電流－定電圧充電および２．５Ｖまで定電流放電、充放電間２０分休息してサイクルを行った後、ｆｏｒｍａｔｉｏｎ容量および１００ｔｈｃｙｃｌｅまでの充放電容量を測定した。
パウチセル形態のリチウム二次電池を４５℃温度条件で０．１Ｃで４．２５Ｖまで定電流－定電圧充電および２．５Ｖまで定電流放電、充放電間２０分休息してサイクルを行った後、ｆｏｒｍａｔｉｏｎ容量および１００ｔｈｃｙｃｌｅまでの充放電容量を測定した。
（２）充放電累積による累積ガス発生量の測定
前記（１）の充放電条件でリチウム二次電池を作動させた後、ガス発生量を測定しようとする時点でのパウチセルを放電状態でしばらく回収した。比重計（ＭＡＴＳＵＨＡＫＵ，ＴＷＤ－１５０ＤＭ）を用いて、前記パウチセルの元の重量と水中での重量差を測定して前記パウチセル内の体積の変化を計算し、体積の変化量を電極活物質重量で割って重量当たりガス発生量を計算した。
前記（１）の充放電条件でリチウム二次電池を作動させた後、ガス発生量を測定しようとする時点でのパウチセルを放電状態でしばらく回収した。比重計（ＭＡＴＳＵＨＡＫＵ，ＴＷＤ－１５０ＤＭ）を用いて、前記パウチセルの元の重量と水中での重量差を測定して前記パウチセル内の体積の変化を計算し、体積の変化量を電極活物質重量で割って重量当たりガス発生量を計算した。
（３）高温貯蔵による累積ガス発生量の測定
パウチセル形態のリチウム二次電池を４５℃温度条件で０．１Ｃで４．２５Ｖまで定電流－定電圧充電した後、回収してｆｏｒｍａｔｉｏｎ容量を測定した後６０℃チャンバに保管する。１週間間隔でリチウム二次電池をチャンバから取り出して比重計（ＭＡＴＳＵＨＡＫＵ，ＴＷＤ－１５０ＤＭ）を用いて前記パウチセルの元の重量と水中での重量差を測定して前記パウチセル内の体積の変化を計算し、体積の変化量を電極活物質重量で割って重量当たりガス発生量を計算した。
パウチセル形態のリチウム二次電池を４５℃温度条件で０．１Ｃで４．２５Ｖまで定電流－定電圧充電した後、回収してｆｏｒｍａｔｉｏｎ容量を測定した後６０℃チャンバに保管する。１週間間隔でリチウム二次電池をチャンバから取り出して比重計（ＭＡＴＳＵＨＡＫＵ，ＴＷＤ－１５０ＤＭ）を用いて前記パウチセルの元の重量と水中での重量差を測定して前記パウチセル内の体積の変化を計算し、体積の変化量を電極活物質重量で割って重量当たりガス発生量を計算した。
下記表４はｆｏｒｍａｔｉｏｎ（０ｔｈ充放電）容量、以後の５０ｔｈおよび１００ｔｈ累積サイクル後の累積ガス発生量および１００ｔｈｃｙｃｌｅ後の放電容量維持率を示す。
前記表４および図３に示すように、実施例１３および比較例３～５の放電容量は正極添加剤（犠牲陽極材）を適用しなかった比較例６に比べてより大きく示された。これは負極でＳＥＩ層の形成に消費される不可逆リチウムを犠牲陽極材が補償するものと見ることができる。
反面、比較例６の場合、不可逆リチウムを補償する犠牲陽極材がないので、正極材でのリチウムを消費することにより放電容量の減少が起きて２０１．３ｍＡｈ／ｇの放電容量を示した。
実施例１３の１００ｔｈｃｙｃｌｅでの累積ガス発生量は０．０７ｍＬ／ｇであって、比較例３の０．２４ｍＬ／ｇおよび比較例４の０．１６ｍＬ／ｇより少なく、犠牲陽極材を適用しなかった比較例６の０．２０ｍＬ／ｇよりも少ない数値である。これは実施例１３で比較例４のＺｎが導入されたＬｉ６Ｃｏ０．７Ｚｎ０．３Ｏ４にＡｌを追加で導入することによってＺｎのみを導入した時より初期充電後に形成されたＣｏＯ２をより効果的に安定化して電解質との副反応を効果的に防止し、これによる追加的なガス発生を抑制したことによるものと見ることができる。
比較例５の５０ｔｈｃｙｃｌｅでの累積ガス発生量は０．０２ｍＬ／ｇで最も少ないが、５０ｔｈｃｙｃｌｅから１００ｔｈｃｙｃｌｅまでのガス発生増加量が０．０９ｍＬ／ｇで、以後ガス発生が持続的に増加する可能性がある。これは比較例３も同様である。反面、実施例１３の場合、５０ｔｈｃｙｃｌｅから１００ｔｈｃｙｃｌｅまでのガス発生増加量が０．０２ｍＬ／ｇで、充放電ｃｙｃｌｅが持続するほどガス発生が抑制されていると見ることができる。
Ｃｏ系犠牲陽極材が適用された実施例１３、比較例３、および比較例４では１００ｔｈ ｃｙｃｌｅでの容量維持率が８８．２％以上で示された。Ｎｉ系犠牲陽極材が適用された比較例５と犠牲陽極材を適用しなかった比較例６は、容量維持率がそれぞれ８６．３％および８６．２％で実施例１３に比べて顕著に低く示された。特にＡｌを追加で導入した実施例１３の場合、容量維持率が９１．７％で大きく改善されることを確認した。これは先立って累積ガス発生量で見たように、Ａｌを追加導入することで初期充電以後の結晶相を安定化することによって電解質との副反応を防止するからであると考えることができる。
これによりＣｏ系犠牲陽極材、特に前記化学式１の組成を有する犠牲陽極材を実際の正極材が含まれたリチウム二次電池に適用した時、初期放電容量を補填し、電池内でのガス発生量が抑制されるだけでなく、１００ｔｈ ｃｙｃｌｅ以後の容量維持率も優れることを確認することができる。
下記表５はｆｏｒｍａｔｉｏｎ（０ｔｈ充電）後７２℃で保管して１週、２週、３週および４週後の累積ガス発生量を示す。
前記表５に示すように、実施例１３は４週後の累積ガス発生量が０．１５ｍＬ／ｇで最も少なかった。これは充放電ｃｙｃｌｅ結果と同様にＬｉ６ＣｏＯ４に導入された異種元素が初期充電後形成されたＣｏＯ２を効果的に安定化して電解質との副反応を防止し、これによる追加的なガス発生を抑制するからであるといえる。
また、実施例１３は犠牲陽極材を適用しなかった比較例６よりもガスがより少なく発生したが、これは実験誤差であり得、あるいはリチウム二次電池に含まれた正極添加剤がガス発生抑制だけでなく発生したガスを吸収する可能性があると予想される。
以上、本発明は限られた実施例と図面によって説明されたが、本発明はこれによって限定されず、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者によって本発明の技術思想と下記に記載される特許請求の範囲の均等範囲内で多様な修正および変形が可能であることはもちろんである。
Claims (16)
- 異種元素を含むリチウムコバルト酸化物であって、
前記異種元素は、第４周期遷移金属を含み、さらに第２族元素、第１３族元素、第１４族元素、第５周期遷移金属、および第６周期遷移金属からなる群より選ばれた１種以上を含み、
レーザ回折散乱式粒度分布測定による１０．０μｍ～２５．０μｍの累積５０％粒径（Ｄ５０）、および１０．０～６０．０の最大粒径（Ｄｍａｘ）と最小粒径（Ｄｍｉｎ）の比率（Ｄｍａｘ／Ｄｍｉｎ）を有する、リチウム遷移金属酸化物。 - 前記リチウム遷移金属酸化物はレーザ回折散乱式粒度分布測定による３．０μｍ～１０．０μｍの累積５％粒径（Ｄ５）および２０．０μｍ～４５．０μｍの累積９５％粒径（Ｄ９５）を有する、請求項１に記載のリチウム遷移金属酸化物。
- 前記第４周期遷移金属はＳｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、およびＺｎからなる群より選ばれる１種以上を含み、
前記第２族元素はＭｇ、Ｃａ、Ｓｒ、およびＢａからなる群より選ばれる１種以上を含み、
前記第１３族元素はＡｌ、ＧａおよびＩｎからなる群より選ばれる１種以上を含み、
前記第１４族元素はＳｉ、ＧｅおよびＳｎからなる群より選ばれる１種以上を含み、
前記第５周期遷移金属はＹ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｃ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、およびＣｄからなる群より選ばれる１種以上を含み、
前記第６周期遷移金属はＬｕ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、およびＡｕからなる群より選ばれる１種以上を含む、請求項１または２に記載のリチウム遷移金属酸化物。 - 前記異種元素は、Ｚｎを含み、さらにＡｌ、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、およびＷからなる群より選ばれた１種以上を含む、請求項１または２に記載のリチウム遷移金属酸化物。
- 前記異種元素は前記リチウム遷移金属酸化物からリチウムを除いた金属元素全体を基準として５モル％～８０モル％で含まれる、請求項１から４のいずれか一項に記載のリチウム遷移金属酸化物。
- 前記異種元素のうち第４周期遷移金属は前記リチウム遷移金属酸化物からリチウムを除いた金属元素全体を基準として１０モル％～７０モル％で含まれ、
前記異種元素のうち第２族元素、第１３族元素、第１４族元素、第５周期遷移金属、および第６周期遷移金属からなる群より選ばれた１種以上の元素は前記リチウム遷移金属酸化物からリチウムを除いた金属元素全体を基準として１モル％～２０モル％で含まれる、請求項１から４のいずれか一項に記載のリチウム遷移金属酸化物。 - 前記リチウム遷移金属酸化物は下記化学式１で表され、
［化学式１］
Ｌｉ６Ｃｏ１－ｘ－ｙＺｎｘＭｙＯ４
前記化学式１において、
Ｍは第２族元素、第１３族元素、第１４族元素、第５周期遷移金属、または第６周期遷移金属であり、
ｘは０．１～０．７であり、
ｙは０．０１～０．２である、請求項１または２に記載のリチウム遷移金属酸化物。 - 前記ＭはＡｌ、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、およびＷからなる群より選ばれた１種以上である、請求項７に記載のリチウム遷移金属酸化物。
- 前記リチウム遷移金属酸化物は、Ｌｉ６Ｃｏ０．７７Ｚｎ０．２Ａｌ０．０３Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．７６Ｚｎ０．２Ａｌ０．０４Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．７５Ｚｎ０．２Ａｌ０．０５Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．７Ｚｎ０．２５Ａｌ０．０５Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．６５Ｚｎ０．２５Ａｌ０．１Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．６７Ｚｎ０．３Ａｌ０．０３Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．６６Ｚｎ０．３Ａｌ０．０４Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．６５Ｚｎ０．３Ａｌ０．０５Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．６Ｚｎ０．３Ａｌ０．１Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．７７Ｚｎ０．２Ｍｇ０．０３Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．７６Ｚｎ０．２Ｍｇ０．０４Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．７５Ｚｎ０．２Ｍｇ０．０５Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．７Ｚｎ０．２５Ｍｇ０．０５Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．６７Ｚｎ０．３Ｍｇ０．０３Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．６６Ｚｎ０．３Ｍｇ０．０４Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．６５Ｚｎ０．３Ｍｇ０．０５Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．７７Ｚｎ０．２Ｔｉ０．０３Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．７６Ｚｎ０．２Ｔｉ０．０４Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．７５Ｚｎ０．２Ｔｉ０．０５Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．７２Ｚｎ０．２５Ｔｉ０．０３Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．６７Ｚｎ０．３Ｔｉ０．０３Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．６６Ｚｎ０．３Ｔｉ０．０４Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．６５Ｚｎ０．３Ｔｉ０．０５Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．７７Ｚｎ０．２Ｚｒ０．０３Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．７６Ｚｎ０．２Ｚｒ０．０４Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．７５Ｚｎ０．２Ｚｒ０．０５Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．７２Ｚｎ０．２５Ｚｒ０．０３Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．６７Ｚｎ０．３Ｚｒ０．０３Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．６６Ｚｎ０．３Ｚｒ０．０４Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．６５Ｚｎ０．３Ｚｒ０．０５Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．７７Ｚｎ０．２Ｎｂ０．０３Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．７６Ｚｎ０．２Ｎｂ０．０４Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．７５Ｚｎ０．２Ｎｂ０．０５Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．６７Ｚｎ０．３Ｎｂ０．０３Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．６６Ｚｎ０．３Ｎｂ０．０４Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．６５Ｚｎ０．３Ｎｂ０．０５Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．７７Ｚｎ０．２Ｗ０．０３Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．７６Ｚｎ０．２Ｗ０．０４Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．７５Ｚｎ０．２Ｗ０．０５Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．６７Ｚｎ０．３Ｗ０．０３Ｏ４、Ｌｉ６Ｃｏ０．６６Ｚｎ０．３Ｗ０．０４Ｏ４、およびＬｉ６Ｃｏ０．６５Ｚｎ０．３Ｗ０．０５Ｏ４からなる群より選ばれた１種以上の化合物を含む、請求項１または２に記載のリチウム遷移金属酸化物。
- リチウム酸化物、コバルト酸化物および異種元素酸化物を固相混合する第１段階、および
前記第１段階で得られた混合物を不活性雰囲気および５５０℃～７５０℃の温度下で焼成して請求項１から９のいずれか一項に記載のリチウム遷移金属酸化物を得る第２段階
を含む、リチウム遷移金属酸化物の製造方法。 - 前記第２段階は、前記第１段階で得られた混合物を不活性雰囲気下で１．４℃／ｍｉｎ～２．０℃／ｍｉｎの昇温速度で加熱して５５０℃～７５０℃の温度下で２時間～２０時間の間焼成を行う、請求項１０に記載のリチウム遷移金属酸化物の製造方法。
- 請求項１から９のいずれか一項に記載のリチウム遷移金属酸化物を含む、リチウム二次電池用正極添加剤。
- 正極活物質、バインダ、導電材、および請求項１から９のいずれか一項に記載のリチウム遷移金属酸化物を含む、リチウム二次電池用正極。
- 正極活物質、バインダ、導電材、および請求項１２に記載のリチウム二次電池用正極添加剤を含む、リチウム二次電池用正極。
- 請求項１３または１４に記載のリチウム二次電池用正極、負極、分離膜、および電解質を含む、リチウム二次電池。
- 前記負極は炭素質物質およびケイ素化合物からなる群より選ばれた１種以上の負極活物質を含む、請求項１５に記載のリチウム二次電池。
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