JP3112138B2 - 含リチウム金属ハロゲン化酸化物およびその製造法 - Google Patents
含リチウム金属ハロゲン化酸化物およびその製造法Info
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- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/10—Energy storage using batteries
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明はリチウム電池の正極活物
質として有用な含リチウム金属ハロゲン化酸化物および
その製造法に関する。
質として有用な含リチウム金属ハロゲン化酸化物および
その製造法に関する。
【０００２】
【従来の技術】負極活物質にリチウムを用いたリチウム
電池は、高いエネルギーを有することから、数々の方面
でその二次電池化が試みられてきた。負極活物質に純金
属リチウムを用いた場合、充放電の繰り返しに伴う負極
リチウムの針状析出、いわゆるデンドライトの生成が問
題となっている。即ち針状析出リチウムがセパレータを
突き破り、正極に到達することによって電池内部での短
絡が起こり、電池性能が著しく低下する性能面と、内部
短絡によって過大な電流が流れることによる温度の異常
上昇で有機電解液の揮発が起こり、電池内圧上昇が最悪
の場合、破裂、爆発を引き起こすと言った安全性の面で
問題となっている。特に安全性の面では、電池の破裂後
は化学的に活性で反応性の高い金属リチウムが空気中の
水分と反応し、Ｌｉ＋Ｈ2 Ｏ→ＬｉＯＨ＋１／２Ｈ2 に
よる水素ガスと反応熱がさらに安全性を低下させる。
電池は、高いエネルギーを有することから、数々の方面
でその二次電池化が試みられてきた。負極活物質に純金
属リチウムを用いた場合、充放電の繰り返しに伴う負極
リチウムの針状析出、いわゆるデンドライトの生成が問
題となっている。即ち針状析出リチウムがセパレータを
突き破り、正極に到達することによって電池内部での短
絡が起こり、電池性能が著しく低下する性能面と、内部
短絡によって過大な電流が流れることによる温度の異常
上昇で有機電解液の揮発が起こり、電池内圧上昇が最悪
の場合、破裂、爆発を引き起こすと言った安全性の面で
問題となっている。特に安全性の面では、電池の破裂後
は化学的に活性で反応性の高い金属リチウムが空気中の
水分と反応し、Ｌｉ＋Ｈ2 Ｏ→ＬｉＯＨ＋１／２Ｈ2 に
よる水素ガスと反応熱がさらに安全性を低下させる。
【０００３】このようなデンドライトによる問題を解決
するために、一応の対策として負極にＬｉ−Ａｌ合金な
どのリチウム合金や充放電に伴い、リチウムイオンの収
容、放出が可能なリチウムイオン保持体、例えばリチウ
ム−グラファイトインターカレート化合物が負極に用い
られている。しかし、このような活物質を負極に用いた
場合、負極の放電および充電時の過電圧が大きく、特に
リチウム−グラファイトインターカレート化合物は放電
または充電の進行に伴う電位変化が大きく、放電作動電
圧が低下すること、充電終止電圧を高く設定しなければ
ならないことがデメリットとなる。放電作動電圧が低下
すると、高エネルギーであるリチウム電池の特長がスポ
イルされる。
するために、一応の対策として負極にＬｉ−Ａｌ合金な
どのリチウム合金や充放電に伴い、リチウムイオンの収
容、放出が可能なリチウムイオン保持体、例えばリチウ
ム−グラファイトインターカレート化合物が負極に用い
られている。しかし、このような活物質を負極に用いた
場合、負極の放電および充電時の過電圧が大きく、特に
リチウム−グラファイトインターカレート化合物は放電
または充電の進行に伴う電位変化が大きく、放電作動電
圧が低下すること、充電終止電圧を高く設定しなければ
ならないことがデメリットとなる。放電作動電圧が低下
すると、高エネルギーであるリチウム電池の特長がスポ
イルされる。
【０００４】そこで、正極活物質に電位が高く、充放電
時の電位平坦性に優れた活物質、いわゆる４Ｖ級リチウ
ム電池の活物質が登場し、実用化されている。一般に４
Ｖ級リチウム電池の正極活物質には、ＬｉＣｏＯ2 やＬ
ｉＮｉＯ2 等がある。
時の電位平坦性に優れた活物質、いわゆる４Ｖ級リチウ
ム電池の活物質が登場し、実用化されている。一般に４
Ｖ級リチウム電池の正極活物質には、ＬｉＣｏＯ2 やＬ
ｉＮｉＯ2 等がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】近年の電子デバイスの
発展に伴って、その電子デバイスの電源となる電池に対
する高エネルギー密度化が強く要望されている。それに
応えるための方策のひとつとして電池電圧を高くするこ
とが挙げられる。そのために正極電位そしてその還元電
位を高くすること、および負極電位そしてその酸化電位
を低くすることが必要であるが、まだ十分とはいえな
い。
発展に伴って、その電子デバイスの電源となる電池に対
する高エネルギー密度化が強く要望されている。それに
応えるための方策のひとつとして電池電圧を高くするこ
とが挙げられる。そのために正極電位そしてその還元電
位を高くすること、および負極電位そしてその酸化電位
を低くすることが必要であるが、まだ十分とはいえな
い。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、かかる問
題点を解決すべく鋭意検討した結果、リチウムイオン伝
導が可能な固体状あるいは液体状の電解質を用いるリチ
ウム電池において、正極活物質として有用な含リチウム
金属ハロゲン化酸化物を見出し本発明に到達した。
題点を解決すべく鋭意検討した結果、リチウムイオン伝
導が可能な固体状あるいは液体状の電解質を用いるリチ
ウム電池において、正極活物質として有用な含リチウム
金属ハロゲン化酸化物を見出し本発明に到達した。
【０００７】 すなわち本発明は、一般式ＬｉwＭxＯyＸz （Ｉ） （ここで、ＭはＣｏあるいはＮｉあるいはＭｎあるいは
ＶあるいはＦｅあるいはＴｉを示し、Ｘは少なくとも１
種以上のハロゲン元素を示す。ｗは０．２≦ｗ≦２．
５、ｘは０．８≦ｘ≦１．２５、ｙは１≦ｙ≦２、ｚは
０＜ｚ＜０．２５である。）で表される含リチウム金属
ハロゲン化酸化物、およびリチウム金属酸化物ＬｉwＭx
Ｏy（ここで、ＭはＣｏあるいはＮｉあるいはＭｎある
いはＶあるいはＦｅあるいはＴｉを示す。ｗは０．２≦
ｗ≦２．５、ｘは０．８≦ｘ≦１．２５、ｙは１≦ｙ≦
２である。）をガス状ハロゲン化合物と接触反応させる
ことを特徴とする一般式（Ｉ）で表される含リチウム金
属ハロゲン化酸化物の製造法を提供するものである。
ＶあるいはＦｅあるいはＴｉを示し、Ｘは少なくとも１
種以上のハロゲン元素を示す。ｗは０．２≦ｗ≦２．
５、ｘは０．８≦ｘ≦１．２５、ｙは１≦ｙ≦２、ｚは
０＜ｚ＜０．２５である。）で表される含リチウム金属
ハロゲン化酸化物、およびリチウム金属酸化物ＬｉwＭx
Ｏy（ここで、ＭはＣｏあるいはＮｉあるいはＭｎある
いはＶあるいはＦｅあるいはＴｉを示す。ｗは０．２≦
ｗ≦２．５、ｘは０．８≦ｘ≦１．２５、ｙは１≦ｙ≦
２である。）をガス状ハロゲン化合物と接触反応させる
ことを特徴とする一般式（Ｉ）で表される含リチウム金
属ハロゲン化酸化物の製造法を提供するものである。
【０００８】ここで、各パラメータの数値範囲の設定理
由について説明する。０．２≦ｗ≦２．５としたのは次
の理由によるものである。充電することによって正極活
物質からＬｉ+が脱離する、すなわちｘが小さくなる。
しかし満充電によっても充電で脱離しきれないＬｉ+が
あり、それがｘの値にして０．２に相当する。逆に放電
によってＬｉ+が正極活物質に収容される、すなわちｘ
が大きくなる。しかしｘが大きくなって２．５を超える
と充放電可逆性が著しく低下するからである。０．８≦
ｘ≦１．２５としたのは、金属Ｍが充放電に伴い価数変
化をし、その充放電可逆性を維持する範囲にしているか
らである。１≦ｙ≦２、０＜ｚ＜０．２５としたのは、
ｚが０．２５を上回るとハロゲン元素のＬｉとの強い反
応性により、充放電可逆性が低下してしまうためであ
る。
由について説明する。０．２≦ｗ≦２．５としたのは次
の理由によるものである。充電することによって正極活
物質からＬｉ+が脱離する、すなわちｘが小さくなる。
しかし満充電によっても充電で脱離しきれないＬｉ+が
あり、それがｘの値にして０．２に相当する。逆に放電
によってＬｉ+が正極活物質に収容される、すなわちｘ
が大きくなる。しかしｘが大きくなって２．５を超える
と充放電可逆性が著しく低下するからである。０．８≦
ｘ≦１．２５としたのは、金属Ｍが充放電に伴い価数変
化をし、その充放電可逆性を維持する範囲にしているか
らである。１≦ｙ≦２、０＜ｚ＜０．２５としたのは、
ｚが０．２５を上回るとハロゲン元素のＬｉとの強い反
応性により、充放電可逆性が低下してしまうためであ
る。
【０００９】ここで本発明の含リチウム金属ハロゲン化
酸化物の製造に用いられるリチウム金属酸化物Ｌｉw Ｍ
x Ｏy は、炭酸リチウムあるいは硝酸リチウムと、上記
Ｍで示した金属炭酸塩あるいは金属硝酸塩とを混合し、
固体−固体反応による熱分解により得られる。
酸化物の製造に用いられるリチウム金属酸化物Ｌｉw Ｍ
x Ｏy は、炭酸リチウムあるいは硝酸リチウムと、上記
Ｍで示した金属炭酸塩あるいは金属硝酸塩とを混合し、
固体−固体反応による熱分解により得られる。
【００１０】次にこのリチウム金属酸化物をハロゲン化
処理することにより含リチウム金属ハロゲン化酸化物を
得ることができる。ここでハロゲン化処理剤としては、
ガス状ハロゲン化物が用いられ、例えばＮＦ3 、ＣｌＦ
3 、ＢｒＦ5 、Ｆ2 等が好ましく、特にフッ化物が最適
である。
処理することにより含リチウム金属ハロゲン化酸化物を
得ることができる。ここでハロゲン化処理剤としては、
ガス状ハロゲン化物が用いられ、例えばＮＦ3 、ＣｌＦ
3 、ＢｒＦ5 、Ｆ2 等が好ましく、特にフッ化物が最適
である。
【００１１】また、ハロゲン化処理は、リチウム金属酸
化物を圧力１〜７６０Ｔｏｒｒの範囲、温度２０〜４５
０℃の範囲で１分〜１０時間処理する。圧力が７６０Ｔ
ｏｒｒ以上でも反応は進行するが、加圧になるため装置
が複雑になり経済的でない。また温度は、２０℃以下だ
と反応が遅く、４５０℃以上だと反応速度が速くて制御
が困難となり好ましくない。
化物を圧力１〜７６０Ｔｏｒｒの範囲、温度２０〜４５
０℃の範囲で１分〜１０時間処理する。圧力が７６０Ｔ
ｏｒｒ以上でも反応は進行するが、加圧になるため装置
が複雑になり経済的でない。また温度は、２０℃以下だ
と反応が遅く、４５０℃以上だと反応速度が速くて制御
が困難となり好ましくない。
【００１２】本発明による新規な含リチウム金属ハロゲ
ン化酸化物を正極活物質に用いることにより、リチウム
電池における電池電圧および放電作動電圧が高く、その
工業的価値は極めて高いものである。
ン化酸化物を正極活物質に用いることにより、リチウム
電池における電池電圧および放電作動電圧が高く、その
工業的価値は極めて高いものである。
【００１３】
【実施例】以下に本発明を実施例によって説明するが、
これにより本発明が制限されるものではない。
これにより本発明が制限されるものではない。
【００１４】実施例１ 炭酸リチウムあるいは硝酸リチウムと、炭酸コバルトあ
るいは硝酸コバルトとをモル比でＬｉ：Ｃｏ＝１：１と
なるよう混合し、固体−固体反応による熱分解生成物を
得た。この生成物をＸ線回折分析した結果、ＬｉＣｏＯ
2 の単一相（図１（Ａ））であることが確認された。
るいは硝酸コバルトとをモル比でＬｉ：Ｃｏ＝１：１と
なるよう混合し、固体−固体反応による熱分解生成物を
得た。この生成物をＸ線回折分析した結果、ＬｉＣｏＯ
2 の単一相（図１（Ａ））であることが確認された。
【００１５】次に、ハロゲン化処理剤としてＮＦ3 ガス
を用い、この生成物を１０Ｔｏｒｒの圧力で２００℃、
１時間保持し、ハロゲン化処理した。得られた正極活物
質（Ｌｉw Ｃｏx Ｏy Ｆz ）のＸ線回折分析した結果を
図１（Ｂ）に示す。これはフッ素化処理を行う前のＬｉ
ＣｏＯ2 の回折線と変化はなかった。従ってフッ素化処
理を行っても結晶構造の基本骨格は崩されることなく、
Ｏ原子とＦ原子とが置換されたものである。また、Ｘ線
光電子分光分析（ＸＰＳ）の結果を図２に示す。フッ素
化処理を行うことにより、Ｆ１ｓのピークが増大し、Ｃ
ｏ２ｐ、Ｏ１ｓのピークに変化がないことから、各元素
の結合を変えることなくフッ素化反応が進行したことが
わかる。また、この試料をエッチングすることにより、
Ｆ１ｓのピークが小さくなっていくことも認められてお
り、フッ素化は試料粒子表面層の方がより多く進行して
いるものと考えられる。さらにこの試料のＳＥＭ観察を
行った結果、フッ素化処理前後での試料表面形態に変化
が認められなかった。フッ素化処理反応前後の重量変化
からその組成はＬｉＣｏＯ2 Ｆ0.02であることがわかっ
た。
を用い、この生成物を１０Ｔｏｒｒの圧力で２００℃、
１時間保持し、ハロゲン化処理した。得られた正極活物
質（Ｌｉw Ｃｏx Ｏy Ｆz ）のＸ線回折分析した結果を
図１（Ｂ）に示す。これはフッ素化処理を行う前のＬｉ
ＣｏＯ2 の回折線と変化はなかった。従ってフッ素化処
理を行っても結晶構造の基本骨格は崩されることなく、
Ｏ原子とＦ原子とが置換されたものである。また、Ｘ線
光電子分光分析（ＸＰＳ）の結果を図２に示す。フッ素
化処理を行うことにより、Ｆ１ｓのピークが増大し、Ｃ
ｏ２ｐ、Ｏ１ｓのピークに変化がないことから、各元素
の結合を変えることなくフッ素化反応が進行したことが
わかる。また、この試料をエッチングすることにより、
Ｆ１ｓのピークが小さくなっていくことも認められてお
り、フッ素化は試料粒子表面層の方がより多く進行して
いるものと考えられる。さらにこの試料のＳＥＭ観察を
行った結果、フッ素化処理前後での試料表面形態に変化
が認められなかった。フッ素化処理反応前後の重量変化
からその組成はＬｉＣｏＯ2 Ｆ0.02であることがわかっ
た。
【００１６】同じく１０Ｔｏｒｒの圧力で１００℃およ
び４００℃で、１時間保持し、ハロゲン化処理したもの
は、分析の結果その組成は、それぞれＬｉＣｏＯ2 Ｆ
0.0001（１００℃処理）とＬｉＣｏＯ2 Ｆ0.02（４００
℃処理）であった。
び４００℃で、１時間保持し、ハロゲン化処理したもの
は、分析の結果その組成は、それぞれＬｉＣｏＯ2 Ｆ
0.0001（１００℃処理）とＬｉＣｏＯ2 Ｆ0.02（４００
℃処理）であった。
【００１７】実施例２ 実施例１で得られたＬｉＣｏＯ2 を用い、ＣｌＦ3 ガス
によりハロゲン化処理した。処理は、１０Ｔｏｒｒの圧
力で２００℃の条件で１時間保持した。得られた正極活
物質（Ｌｉw Ｃｏx Ｏy Ｆz ）のＸ線回折分析した結果
を図１（Ｃ）に示す。これはフッ素化処理を行う前のＬ
ｉＣｏＯ2 の回折線と変化はなかった。またこれを実施
例１と同様な分析を行った結果、その組成は、ＬｉＣｏ
Ｏ2 Ｆ0. 02であることがわかった。
によりハロゲン化処理した。処理は、１０Ｔｏｒｒの圧
力で２００℃の条件で１時間保持した。得られた正極活
物質（Ｌｉw Ｃｏx Ｏy Ｆz ）のＸ線回折分析した結果
を図１（Ｃ）に示す。これはフッ素化処理を行う前のＬ
ｉＣｏＯ2 の回折線と変化はなかった。またこれを実施
例１と同様な分析を行った結果、その組成は、ＬｉＣｏ
Ｏ2 Ｆ0. 02であることがわかった。
【００１８】実施例３ 実施例１で得られたＬｉＣｏＯ2 を用い、ＢｒＦ5 ガス
によりハロゲン化処理した。処理は、１０Ｔｏｒｒの圧
力で２００℃の条件で１時間保持した。得られた正極活
物質（Ｌｉw Ｃｏx Ｏy Ｆz ）のＸ線回折分析した結果
を図１（Ｄ）に示す。これはフッ素化処理を行う前のＬ
ｉＣｏＯ2 の回折線と変化はなかった。またこれを実施
例１と同様な分析を行った結果、その組成は、ＬｉＣｏ
Ｏ2 Ｆ0. 01であることがわかった。
によりハロゲン化処理した。処理は、１０Ｔｏｒｒの圧
力で２００℃の条件で１時間保持した。得られた正極活
物質（Ｌｉw Ｃｏx Ｏy Ｆz ）のＸ線回折分析した結果
を図１（Ｄ）に示す。これはフッ素化処理を行う前のＬ
ｉＣｏＯ2 の回折線と変化はなかった。またこれを実施
例１と同様な分析を行った結果、その組成は、ＬｉＣｏ
Ｏ2 Ｆ0. 01であることがわかった。
【００１９】
【発明の効果】本発明により、正極活物質として有用で
ある含リチウム金属ハロゲン化酸化物を容易に製造で
き、リチウム電池性能を向上させることが可能になっ
た。
ある含リチウム金属ハロゲン化酸化物を容易に製造で
き、リチウム電池性能を向上させることが可能になっ
た。
【図１】本発明の正極活物質のＸ線回折図を示したもの
で、（Ｂ）は実施例１、（Ｃ）は実施例２、（Ｄ）は実
施例３により製造した本発明の正極活物質で、（Ａ）は
ＬｉＣｏＯ2 の単一相を示す。
で、（Ｂ）は実施例１、（Ｃ）は実施例２、（Ｄ）は実
施例３により製造した本発明の正極活物質で、（Ａ）は
ＬｉＣｏＯ2 の単一相を示す。
【図２】Ｘ線光電子分光分析（ＸＰＳ）の結果を示す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ Ｃ０１Ｇ 51/00 Ｃ０１Ｇ 51/00 Ｃ Ｈ０１Ｍ 4/02 Ｈ０１Ｍ 4/02 Ｃ (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) C01G 53/00 C01G 51/00 H01M 4/02 ＢＥＩＬＳＴＥＩＮ（ＳＴＮ)
Claims (2)
- 【請求項１】 一般式ＬｉwＭxＯyＸz （Ｉ） （ここで、ＭはＣｏあるいはＮｉあるいはＭｎあるいは
ＶあるいはＦｅあるいはＴｉを示し、Ｘは少なくとも１
種以上のハロゲン元素を示す。ｗは０．２≦ｗ≦２．
５、ｘは０．８≦ｘ≦１．２５、ｙは１≦ｙ≦２、ｚは
０＜ｚ＜０．２５である。）で表される含リチウム金属
ハロゲン化酸化物。 - 【請求項２】 リチウム金属酸化物ＬｉwＭxＯy（ここ
で、ＭはＣｏあるいはＮｉあるいはＭｎあるいはＶある
いはＦｅあるいはＴｉを示す。ｗは０．２≦ｗ≦２．
５、ｘは０．８≦ｘ≦１．２５、ｙは１≦ｙ≦２であ
る。）をガス状ハロゲン化合物と接触反応させることを
特徴とする請求項１に記載の一般式（Ｉ）で表される含
リチウム金属ハロゲン化酸化物の製造法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP05178420A JP3112138B2 (ja) | 1993-07-20 | 1993-07-20 | 含リチウム金属ハロゲン化酸化物およびその製造法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP05178420A JP3112138B2 (ja) | 1993-07-20 | 1993-07-20 | 含リチウム金属ハロゲン化酸化物およびその製造法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0733443A JPH0733443A (ja) | 1995-02-03 |
| JP3112138B2 true JP3112138B2 (ja) | 2000-11-27 |
Family
ID=16048194
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP05178420A Expired - Lifetime JP3112138B2 (ja) | 1993-07-20 | 1993-07-20 | 含リチウム金属ハロゲン化酸化物およびその製造法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3112138B2 (ja) |
Cited By (13)
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| US8394534B2 (en) | 2009-08-27 | 2013-03-12 | Envia Systems, Inc. | Layer-layer lithium rich complex metal oxides with high specific capacity and excellent cycling |
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| KR100307164B1 (ko) * | 1999-06-12 | 2001-11-01 | 김순택 | 리튬 이차 전지용 양극 활물질 및 그를 포함하는 리튬 이차 전지 |
| US6322928B1 (en) | 1999-09-23 | 2001-11-27 | 3M Innovative Properties Company | Modified lithium vanadium oxide electrode materials and products |
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