JP4242079B2 - リチウム二次電池用正極活物質及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明はリチウム二次電池用正極活物質及びその製造方法に関し、詳しくは簡単な工程で優れた寿命特性を示す正極活物質を製造することができるリチウム二次電池用正極活物質の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
リチウム二次電池は可逆的にリチウムイオンの挿入及び脱離が可能な物質を正極及び負極として用い、前記正極と負極の間に有機電解液またはポリマー電解液を充填して製造し、リチウムイオンが正極及び負極で挿入/脱離される時の酸化、還元反応によって電気エネルギーを生成する。
【0003】
リチウム二次電池の負極活物質としてはリチウム金属が用いられてきたが、リチウム金属を用いる場合デンドライト(dendrite)の形成による電池短絡によって爆発する危険性があるため、リチウム金属の代わりに非晶質炭素または結晶質炭素などの炭素系物質に代替されている。
【0004】
正極活物質としてはカルコゲナイド(chalcogenide)化合物が用いられており、その例としてLiCoO2、LiMn2O4、LiNiO2、LiNi1 - xCoxO2(0<x<1)、LiMnO2などの複合金属酸化物が研究されている。前記正極活物質中のLiMn2O4、LiMnO2などのMn-系正極活物質は合成しやすく、値段が比較的安く、環境に対する汚染も少ないので魅力のある物質ではあるが、容量が小さいという短所をもっている。また、LiNiO2は前述した正極活物質の中で最も値段が安く、最も高い放電容量の電池特性を示しているが合成し難い短所を有している。さらに、LiCoO2は良好な電気伝導度と高い電池電圧そして優れた電極特性を示し、現在Sony社等で商業化され市販されている代表的な正極活物質であるが、高価であるという問題点がある。
【0005】
一般的に前記複合金属酸化物は原料酸化物等の混合物を固状反応させて合成される。固状反応とは固体状態の原料粉末を混合した後、焼成してボールミルする工程を数回反復して目的とする化合物を製造する方法である。例えば、Sony社ではLixCoO2活物質をCo(OH)2またはCo3O4などの酸化物を用いて800〜900℃で数十時間熱処理した後、粉砕、粒度分別等の過程を経て製造している。また、松下では2段階連続焼結工程を用いて、第1段階では400〜580℃でLiOHとNi酸化物とCo酸化物を反応させて1次的に初期酸化物を形成し、第2段階では800℃で数十時間熱処理して完全な結晶性物質を合成している。また、LiMn2O4活物質もLiOHとMnO2などのような金属酸化物を用いて詳述した固状反応によって合成されている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前記従来の複合金属酸化物を製造する方法は複雑な段階を経て、多くの設備と時間を必要とするという短所がある。また既存の複合金属酸化物による合成法は合成温度が比較的高く、反応物の粒子の大きさが比較的に大きく生成され、活物質粒子の形状(Morphology)や表面特性(表面積、気孔の大きさ)などの物理的性質を調節するのが難しい。
【0007】
活物質の物理的性質は電池の電気化学的特性に大きな影響を及ぼす重要な要因で、電池の特性を極大化するためにはこれら活物質が有する物理的性質を任意に調節できなければならない。つまり、電池の特性は、合成した活物質である複合金属酸化物の物理的性質によって相当な影響を受けるが、固状法によって高い温度で合成された複合金属酸化物の活物質は、初期出発物質の性質によってだけ左右されるために、物理的性質を変化させるのが非常に難しい。従って、最終合成された複合金属酸化物活物質粉末の物理的性質を変化させようとする方法及び研究が非常に活発に進行している。
【0008】
特に、良好な電気伝導度と高い電池電圧及び優れた電極特性を見せるLiCoO2は、Co3O4などの高価な酸化物を使用して800〜900℃程度の高温で数十時間熱処理を行い合成しているために価格が非常に高いという問題点を抱えている。
【0009】
本発明は前述した問題点を解決するためのものであって、本発明の目的は簡単な工程で正極活物質を製造することができるリチウム二次電池用正極活物質の製造方法を提供することにある。
【0010】
本発明の他の目的は、経済的に正極活物質を製造することができるリチウム二次電池用正極活物質の製造方法を提供することにある。
【0011】
本発明の他の目的は、優れた寿命特性を示すリチウム二次電池用正極活物質を提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】
詳述した目的を達成するために、本発明はリチウム塩及び金属塩をKOH若しくはNaOHの水溶液上、またはKOH若しくはNaOHの有機溶液上で還流反応させることによるリチウム二次電池用正極活物質の製造方法を提供する。
【0013】
本発明はまた、球形または類似球形の形状を有していて、10nm乃至10μmの粒度を有し、0.1乃至5m2/gの表面積を有するリチウム二次電池用正極活物質を提供する。本発明の正極活物質は下記の化学式1乃至14から選択される化合物である。
[化学式1]
LixMnA2
[化学式2]
LixMnO2-zAz
[化学式3]
LixMn1-yM´yA2
[化学式4]
LixMn1-yM´yO2-zAz
[化学式5]
LixMn2O4
[化学式6]
LixMn2O4-zAz
[化学式7]
LixMn2-yM´yA4
[化学式8]
LixBA2
[化学式9]
LixBO2-zAz
[化学式10]
LixB1-yM〃 yA2
[化学式11]
LixNi1-yCoyA2
[化学式12]
LixNi1-yCoyO2-zAz
[化学式13]
LixNi1-y-zCoyM〃 zA2
[化学式14]
Lix'Ni1-y'Mny'M´z'Aα
(前記式において、0.95≦x≦1.1、0.01≦y≦0.1、0.01≦z≦0.5、0.95≦x´≦1、0.01≦y´≦0.5、0.01≦z´≦0.1、0.01≦α≦0.5であり、 M´はAl、Cr、Mn、Fe、Mg、La、Ce、Sr及びVからなる群より選択される遷移金属またはランタノイド金属のうちの少なくとも一つ以上の金属であり、M〃はAl、Cr、Co、Mg、La、Ce、Sr及びVからなる群より選択される遷移金属またはランタナイド金属のうちの一つ以上の金属であり、AはO、F、S及びPからなる群より選択され、BはNiまたはCoである。)
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、本発明をさらに詳細に説明する。
【0015】
本発明はリチウム二次電池用正極活物質で良好な電気伝導度と高い電池電圧及び優れた電極特性を見せるが、価格が高いために使用するのが難しかったコバルト系正極活物質を簡単な工程を用いて経済的に製造することができる製造方法に関する。
【0016】
また、本発明の製造方法は、コバルト系正極活物質だけでなく、マンガン系、ニッケル系、ニッケルコバルト系正極活物質にも適用することができる。
【0017】
本発明の製造方法は、リチウム塩と金属塩を、KOH若しくはNaOHの水溶液上、またはKOH若しくはNaOHの有機溶液上で還流反応させた後、還流反応物を乾燥して下記の化学式1乃至14の化合物を製造する。つまり、本発明は熱処理工程を実施する必要なく単に還流反応だけで結晶性化合物を製造することができる。
【0018】
本発明で利用した還流法(reflux)とは一般的に反応物を反応容器に投入した後、温度を増加させて反応物から揮発性溶媒を揮発させ、この揮発した溶媒を冷却してその一部を再び前記反応容器に戻す方法をいう。つまり、この方法は溶液状態で反復して蒸発⇔凝縮過程を経て粒子を生成、成長させて化合物を製造する方法である。この方法は主に、有機化合物の合成に用いられる方法である。
【0019】
本発明で還流反応は50乃至500℃、好ましくは50乃至200℃で12時間乃至96時間実施する。反応温度が50℃未満になれば低い反応エネルギーによって反応が進行しない問題点があり、500℃を超過する場合には反応装置製作上の問題点がある。また、反応時間が12時間未満である場合には反応が完結しない問題点があり、96時間の間反応させれば十分である、それ以上反応させる必要はない。
【0020】
前記リチウム塩としてはリチウムナイトレート、リチウムアセテートまたはリチウムヒドロキシドを使用することができ、前記金属塩としてはマンガン塩、コバルト塩、ニッケル塩またはこれらの混合物を用いることができる。前記マンガン塩としては、マンガンアセテートまたはマンガンジオキシドを用いることができ、前記コバルト塩としては、コバルトヒドロキシド、コバルトナイトレートまたはコバルトカーボネートを、前記ニッケル塩としては、ニッケルヒドロキシド、ニッケルナイトレートまたはニッケルアセテートを用いることができる。また、マンガンフルオライドまたはリチウムフルオライドのようなフルオライド塩、またはマンガンスルファイドまたはリチウムスルファイドのようなスルファイド塩、またはH3PO4のようなフォスフォロース塩をさらに用いることもできる。前記リチウム塩、マンガン塩、コバルト塩、ニッケル塩、フルオライド塩、スルファイド塩またはフォスフォロース塩は一般的にリチウム二次電池に用いられるものであり、本発明は前記化合物に限られるわけではない。
【0021】
前記溶液としては、KOH若しくはNaOHの塩基性化合物を水に溶解して製造された塩基性水溶液、またはKOH若しくはNaOHを有機溶媒に溶解して製造した有機溶液を用いることができる。前記有機溶媒としては、メタノール、エタノールまたはプロパノールのようなアルコール、エーテルまたはアセトンを用いることができるが、これに限られるわけではない。
【0022】
前記KOHまたはNaOHの塩基性水溶液は、pH7乃至14、好ましくはpH10乃至14の塩基を用いるのが好ましい。水溶液のpHが7未満である場合には反応が進まない問題点がある。
[化学式1]LixMnA2
[化学式2]LixMnO2−zAz
[化学式3]LixMn1−yM’yA2
[化学式4]LixMn1−yM’yO2−zAz
[化学式5]LixMn2O4
[化学式6]LixMn2O4−zAz
[化学式7]LixMn2−yM’yA4
[化学式8]LixBA2
[化学式9]LixBO2−zAz
[化学式10]LixB1−yM”yA2
[化学式11]LixNi1−yCoyA2
[化学式12]LixNi1−yCoyO2−zAz
[化学式13]LixNi1−y−zCoyM”zA2
[化学式14]Lix’Ni1−y’Mny’M’z’Aα
(前記式において、0.95≦x≦1.1、0.01≦y≦0.1、0.01≦z≦0.5、0.95≦x’≦1、0.01≦y’≦0.5、0.01≦z’≦0.1、0.01≦α≦0.5であり、M’はAl、Cr、Mn、Fe、Mg、La、Ce、Sr及びVからなる群より選択される遷移金属またはランタノイド金属のうちの少なくとも一つ以上の金属であり、M”はAl、Cr、Co、Mg、La、Ce、Sr及びVからなる群より選択される遷移金属またはランタナイド金属のうちの一つ以上の金属であり、AはO、F、S及びPからなる群より選択され、BはNiまたはCoである。)
【0023】
以下、本発明の製造方法を添付した図面を参照して説明する。図1に示したように、還流装置のメスフラスコ(volumetric flask)などの容器3にリチウム塩と金属塩、及びKOH若しくはNaOHの塩基性水溶液、またはKOH若しくはNaOHの有機溶液からなる溶液を入れる。
【0024】
次に、ホットプレート1を用いて温度計5で測定して温度が50乃至500℃、好ましくは50乃至200℃になるまで増加させた後、その温度で12時間乃至96時間攪拌しながら還流反応させる。この時、リチウム塩、金属塩、及びKOH若しくはNaOHの塩基性水溶液、またはKOH若しくはNaOHの有機溶液からなる溶液の混合物で、還流工程を連続的に経てシード(seed)を通じて前記化学式1乃至14の結晶性化合物が製造される。反応が完結した後、得られた溶液をろ過して80乃至150℃で10乃至15時間乾燥して下記の化学式1乃至14の化合物粉末を製造する。
【0025】
詳述した還流方法で製造された正極活物質はその形状が球形または類似球形を有して、10nm乃至10μmの粒径を有し、0.1乃至5m2/gの表面積を有する。このように、本発明の正極活物質は球形または類似球形を有することによって、極板の製造時に充填密度を増加させることができる。正極活物質の粒径が10nmより小さければ電池の安全性(safetyまたはthermalstability)に問題点があり、10μmより大きければ反応性(kinetics)に問題点がある。また、正極活物質の表面積が0.1m2/gより小さければ電池の安全性(safetyまたはthermal stability)に問題点があり、5m2/gより大きければ反応性(kinetics)に問題点がある。
【0026】
以下、本発明の好ましい実施例及び比較例を記載する。しかし、下記の実施例は本発明の好ましい一実施例だけであり、本発明が下記の実施例に限られるわけではない。
【0027】
(実施例1)
出発物質としてLiOHとCo(OH)2及びKOH水溶液を還流装置のメスフラスコ(volumetric flask)に入れた後、ホットプレートの温度を180℃まで増加させた。この温度で、前記混合物を24時間攪拌して還流反応させた。反応が終わった後、得られた溶液をろ過して得た粉末を100℃で12時間乾燥して最終LiCoO2正極活物質粉末を合成した。
【0028】
(実施例2)
還流反応を200℃で実施したことを除いては前記実施例1と同一の方法で実施した。
【0029】
(実施例3)
還流反応を130℃で実施したことを除いては前記実施例1と同一の方法で実施した。
【0030】
(実施例4)
還流反応を100℃で実施したことを除いては前記実施例1と同一の方法で実施した。
【0031】
(比較例1)
LiCoO2(Nippon Chem C-5(平均粒度が5μm))粉末を正極活物質として使用した。
【0032】
前記実施例1乃至2及び比較例1のSEM(Scanning Electron−ic Microscopy)を図2、図3及び図4に各々示した。図2乃至図4に示したように実施例1乃至2の方法で製造された活物質はその大きさが1μm以下の微粒子が多数かたまって約1μmの大きさで粒子が形成されたのに反し、比較例1の活物質は平均5μmの単一粒子で形成されていることが分かる。また、実施例1乃至2の活物質の形状が比較例1の活物質より球形に近い類似球形であることが分かる。
【0033】
また、前記実施例1乃至3の方法で製造された活物質のXRDパターンを図5に(b)、(a)及び(c)で示し、比較例1の活物質のXRDパターンを図6に示した。図5に示したように、実施例1乃至3の方法で製造された活物質のXRDパターンが図6と類似しているような結果になったので、実施例1乃至3の方法で製造された活物質はLiCoO2の構造を有することが分かる。
【0034】
同時に、前記実施例2の方法で製造された活物質と比較例1の活物質を用いてリチウム二次電池を製造した。活物質と導電剤及びバインダーを94:3:3の重量比で混合した後、この混合物にN-メチルピロリドンを添加して正極活物質スラリーを製造した。この正極活物質スラリーをAlフォイルにキャスティングして正極を製造し、リチウム対極を使用してリチウム二次コイン電池を製造した。電解液としては1M LiPF6が溶解されたエチレンカーボネートとジメチルカーボネートの混合物(1:1体積比)を使用した。
【0035】
製造された実施例2及び比較例1の活物質を利用した電池の充放電特性及び寿命特性を測定してその結果を図7及び図8に示した。充放電電位は4.3V-2.75Vで電気化学的特性を評価し、寿命特性は0.1Cで1回、0.2Cで3回、0.5Cで10回、最後に1Cで86回を連続的に充放電を実施して測定した。図7に示したように、充電特性は比較例1の活物質を利用した電池と類似しているが、放電特性は多少落ちることが分かる。しかし、図8に示したように、実施例2の活物質を利用した電池は1C高率充放電条件で86回サイクル後、約50mAh/gの容量減少を示したが、比較例1の活物質を利用した電池は120mAh/gの容量減少を示したことが分かる。従って、実施例2の活物質を利用した電池が比較例1の活物質を利用した電池に比べて寿命特性が優れていることが分かる。
【0036】
【発明の効果】
詳述したように、本発明の還流法を用いて製造された正極活物質は充放電寿命の特性が優れている。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明で利用した還流装置を示した断面図である。
【図2】本発明の一実施例によって製造された正極活物質のSEM写真である。
【図3】本発明の他の実施例によって製造された正極活物質のSEM写真である。
【図4】比較例の正極活物質のSEM写真である。
【図5】本発明の実施例によって製造された正極活物質のXRDパターンを示したグラフである。
【図6】比較例の正極活物質のXRDパターンを示したグラフである。
【図7】本発明の実施例の正極活物質を用いて製造された電池の充放電特性を示したグラフである。
【図8】本発明の実施例及び比較例の正極活物質を用いて製造された電池の寿命特性を示したグラフである。
【符号の説明】
1 容器
3 ホットプレート
5 温度計
Claims (6)
- リチウム塩及び金属塩をKOH若しくはNaOHの塩基性水溶液上、またはKOH若しくはNaOHの有機溶液上で還流反応させることによりリチウム二次電池用正極活物質を製造することを特徴とする、リチウム二次電池用正極活物質の製造方法。
- 前記正極活物質は下記の化学式1乃至14の化合物から選択される、請求項1に記載のリチウム二次電池用正極活物質の製造方法。
[化学式1]LixMnA2
[化学式2]LixMnO2−zAz
[化学式3]LixMn1−yM’yA2
[化学式4]LixMn1−yM’yO2−zAz
[化学式5]LixMn2O4
[化学式6]LixMn2O4−zAz
[化学式7]LixMn2−yM’yA4
[化学式8]LixBA2
[化学式9]LixBO2−zAz
[化学式10]LixB1−yM”yA2
[化学式11]LixNi1−yCoyA2
[化学式12]LixNi1−yCoyO2−zAz
[化学式13]LixNi1−y−zCoyM”zA2
[化学式14]Lix’Ni1−y’Mny’M’z’Aα
(前記式において、0.95≦x≦1.1、0.01≦y≦0.1、0.01≦z≦0.5、0.95≦x’≦1、0.01≦y’≦0.5、0.01≦z’≦0.1、0.01≦α≦0.5であり、M’はAl、Cr、Mn、Fe、Mg、La、Ce、Sr及びVからなる群より選択される遷移金属またはランタノイド金属のうちの少なくとも一つ以上の金属であり、M”はAl、Cr、Co、Mg、La、Ce、Sr及びVからなる群より選択される遷移金属またはランタナイド金属のうちの一つ以上の金属であり、AはO、F、S及びPからなる群より選択され、BはNiまたはCoである。) - 前記還流反応は100乃至500℃の温度で12乃至96時間実施する、請求項1に記載のリチウム二次電池用正極活物質の製造方法。
- 前記塩基性水溶液のpHは7乃至14である、請求項1に記載のリチウム二次電池用正極活物質の製造方法。
- 請求項 1 に記載の製造方法によって製造された、下記の化学式1乃至14の化合物から選択され、球形または類似球形の形状を有し、10nm乃至1μm未満の粒度を有し、0.1乃至5m2/gの表面積を有するリチウム二次電池用正極活物質。
[化学式1]LixMnA2
[化学式2]LixMnO2−zAz
[化学式3]LixMn1−yM’yA2
[化学式4]LixMn1−yM’yO2−zAz
[化学式5]LixMn2O4
[化学式6]LixMn2O4−zAz
[化学式7]LixMn2−yM’yA4
[化学式8]LixBA2
[化学式9]LixBO2−zAz
[化学式10]LixB1−yM”yA2
[化学式11]LixNi1−yCoyA2
[化学式12]LixNi1−yCoyO2−zAz
[化学式13]LixNi1−y−zCoyM”zA2
[化学式14]Lix’Ni1−y’Mny’M’z’Aα
(前記式において、0.95≦x≦1.1、0.01≦y≦0.1、0.01≦z≦0.5、0.95≦x’≦1、0.01≦y’≦0.5、0.01≦z’≦0.1、0.01≦α≦0.5であり、M’はAl、Cr、Mn、Fe、Mg、La、Ce、Sr及びVからなる群より選択される遷移金属またはランタノイド金属のうちの少なくとも一つ以上の金属であり、M”はAl、Cr、Co、Mg、La、Ce、Sr及びVからなる群より選択される遷移金属またはランタナイド金属のうちの一つ以上の金属であり、AはO、F、S及びPからなる群より選択され、BはNiまたはCoである。) - 前記正極活物質はリチウム塩及び金属塩をKOH若しくはNaOHの塩基性水溶液上、またはKOH若しくはNaOHの有機溶液上で還流反応させる段階で製造されたものである、請求項5に記載のリチウム二次電池用正極活物質。
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