JP5368627B2 - リチウムイオン電池用正極活物質、リチウムイオン電池用正極、及び、リチウムイオン電池 - Google Patents

リチウムイオン電池用正極活物質、リチウムイオン電池用正極、及び、リチウムイオン電池 Download PDF

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Description

本発明は、リチウムイオン電池用正極活物質、リチウムイオン電池用正極、及び、リチウムイオン電池に関する。
リチウムイオン電池の正極活物質には、一般にリチウム含有遷移金属酸化物が用いられている。具体的には、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ2）、ニッケル酸リチウム（ＬｉＮｉＯ2）、マンガン酸リチウム（ＬｉＭｎ2Ｏ4）等であり、特性改善（高容量化、サイクル特性、保存特性、内部抵抗低減、レート特性）や安全性を高めるためにこれらを複合化することが進められている。車載用やロードレベリング用といった大型用途におけるリチウムイオン電池には、これまでの携帯電話用やパソコン用とは異なった特性が求められている。
電池特性の改善には、従来、種々の方法が用いられており、例えば特許文献１には、
ＬｉxＮｉ1-yＭyＯ2-δ
（０．８≦ｘ≦１．３、０＜ｙ≦０．５であり、Ｍは、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｖ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｇａ、Ｂｉ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｇｅ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｂｅ、Ｂ、Ｃａ、Ｓｃ及びＺｒからなる群から選ばれる少なくとも一種の元素を示し、δは酸素欠損又は酸素過剰量に相当し、−０．１＜δ＜０．１を表す。）の組成で表されるリチウムニッケル複合酸化物を分級機に通し、粒子径の大きい物と小さい物とに平衡分離粒子径Ｄｈ＝１〜１０μｍで分離し、粒子径の大きい物と小さい物を、重量比で０：１００〜１００：０で配合することを特徴とするリチウム二次電池用正極材料の製造方法が開示されている。そして、これによれば、レート特性と容量のさまざまなバランスのリチウム二次電池用正極材料を容易に製造できる、と記載されている。
特許第４１７５０２６号公報
特許文献１に記載のリチウムニッケル複合酸化物は、その組成式中の酸素量が過剰のものであるが、それでもなお高品質のリチウムイオン電池用正極活物質としては改善の余地がある。
そこで、本発明は、良好な電池特性を有するリチウムイオン電池用正極活物質を提供することを課題とする。
本発明者らは、鋭意検討した結果、正極活物質の酸素量と電池特性との間に密接な相関関係があることを見出した。すなわち、正極活物質の酸素量がある値以上であるとき、特に良好な電池特性が得られることを見出した。また、酸素量がある値以上である正極活物質において、粉体の平均粒径を制御することにより、より良好な電池特性が得られることを見出した。
上記知見を基礎にして完成した本発明は一側面において、
組成式：ＬｉxＮｉ1-yＭyＯ2+α
（前記式において、Ｍは必須成分としてのＣｏ、及び、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｇｅ、Ａｌ、Ｂｉ、Ｓｎ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｂ及びＺｒから選択される１種以上であり、０．９≦ｘ≦１．２であり、０＜ｙ≦０．７であり、α＞０．０５である。）
で表され、
平均粒子径(Ｄ５０)が５〜１５μｍであるリチウムイオン電池用正極活物質である。
ここで、「Ｄ５０」とは、体積基準の積算分率で５０％に相当する粒子径のことをいう。
本発明に係るリチウムイオン電池用正極活物質は一実施形態において、平均粒子径(Ｄ５０)が７〜１３μｍである。
本発明に係るリチウムイオン電池用正極活物質は別の実施形態において、Ｍが、Ｍｎ及びＣｏから選択される１種以上である。
本発明に係るリチウムイオン電池用正極活物質は更に別の実施形態において、組成式において、α＞０．１５である。
本発明に係るリチウムイオン電池用正極活物質は更に別の実施形態において、組成式において、α＞０．２０である。
本発明に係るリチウムイオン電池用正極活物質は更に別の実施形態において、粒度分布において、Ｄ９０が２０μｍ以下である。ここで、「Ｄ９０」とは、体積基準の積算分率で９０％に相当する粒子径のことをいう。
本発明は、別の側面において、本発明に係るリチウムイオン電池用正極活物質を用いたリチウムイオン電池用正極である。
本発明は、更に別の側面において、本発明に係るリチウムイオン電池用正極を用いたリチウムイオン電池である。
本発明によれば、良好な電池特性を有するリチウムイオン電池用正極活物質を提供することができる。
（リチウムイオン電池用正極活物質の構成）
本発明のリチウムイオン電池用正極活物質の材料としては、一般的なリチウムイオン電池用正極用の正極活物質として有用な化合物を広く用いることができるが、特に、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ2）、ニッケル酸リチウム（ＬｉＮｉＯ2）、マンガン酸リチウム（ＬｉＭｎ2Ｏ4）等のリチウム含有遷移金属酸化物を用いるのが好ましい。このような材料を用いて作製される本発明のリチウムイオン電池用正極活物質は、
組成式：ＬｉxＮｉ1-yＭyＯ2+α
（前記式において、Ｍは必須成分としてのＣｏ、及び、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｇｅ、Ａｌ、Ｂｉ、Ｓｎ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｂ及びＺｒから選択される１種以上であり、０．９≦ｘ≦１．２であり、０＜ｙ≦０．７であり、α＞０．０５である。）
で表される。
リチウムイオン電池用正極活物質における全金属に対するリチウムの比率が０．９〜１．２であるが、これは、０．９未満では、安定した結晶構造を保持し難く、１．２超では電池の高容量が確保できなくなるためである。
本発明のリチウムイオン電池用正極活物質は、酸素が組成式において上記のようにＯ2+α（α＞０．０５）と示され、過剰に含まれており、リチウムイオン電池に用いた場合、容量、レート特性及び容量保持率等の電池特性が良好となる。また、酸素が過剰に含まれていることにより、製造工程における焼成を十分に行うことができるため、粒子形状や大きさが均一化する。ここで、αについて、好ましくはα＞０．１５であり、より好ましくはα＞０．２０である。
本発明のリチウムイオン電池用正極活物質は、一次粒子、一次粒子が凝集して形成された二次粒子、又は、一次粒子及び二次粒子の混合物で構成されている。これらの一次粒子、一次粒子が凝集して形成された二次粒子、又は、一次粒子及び二次粒子の混合物の平均粒子径(Ｄ５０)は５〜１５μｍである。平均粒子径(Ｄ５０)が５〜１５μｍであれば、ばらつきが抑制された粉体となり、リチウムイオン電池の電極作製時の活物質の均一な塗布が可能となり、さらに電極組成のばらつきを抑制することができる。このため、リチウムイオン電池に用いたときに、レート特性及びサイクル特性が良好となる。平均粒子径(Ｄ５０)は、１３μｍ以下であるのが好ましく、７〜１３μｍであるのがより好ましい。
本発明のリチウムイオン電池用正極活物質は、粒度分布において、Ｄ９０が２０μｍ以下である。Ｄ９０が２０μｍ以下であれば、粒子間の反応のバラツキが小さくなりよりレート特性やサイクル特性が向上する効果を奏する。Ｄ９０は１３〜２０μｍであるのが好ましい。
（リチウムイオン電池用正極及びそれを用いたリチウムイオン電池の構成）
本発明の実施形態に係るリチウムイオン電池用正極は、例えば、上述の構成のリチウムイオン電池用正極活物質と、導電助剤と、バインダーとを混合して調製した正極合剤をアルミニウム箔等からなる集電体の片面または両面に設けた構造を有している。また、本発明の実施形態に係るリチウムイオン電池は、このような構成のリチウムイオン電池用正極を備えている。
（リチウムイオン電池用正極活物質の製造方法）
次に、本発明の実施形態に係るリチウムイオン電池用正極活物質の製造方法について詳細に説明する。
まず、金属塩溶液を作製する。当該金属は、Ｎｉ、及び、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｇｅ、Ａｌ、Ｂｉ、Ｓｎ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｂ及びＺｒから選択される１種以上である。また、金属塩は硫酸塩、塩化物、硝酸塩、酢酸塩等であり、特に硝酸塩が好ましい。これは、焼成原料中に不純物として混入してもそのまま焼成できるため洗浄工程が省けることと、硝酸塩が酸化剤として機能し、焼成原料中の金属の酸化を促進する働きがあるためである。金属塩に含まれる各金属を所望のモル比率となるように調整しておく。これにより、正極活物質中の各金属のモル比率が決定する。
次に、炭酸リチウムを純水に懸濁させ、その後、上記金属の金属塩溶液を投入して金属炭酸塩溶液スラリーを作製する。このとき、スラリー中に微小粒のリチウム含有炭酸塩が析出する。なお、金属塩として硫酸塩や塩化物等熱処理時にそのリチウム化合物が反応しない場合は飽和炭酸リチウム溶液で洗浄した後、濾別する。硝酸塩や酢酸塩のように、そのリチウム化合物が熱処理中にリチウム原料として反応する場合は洗浄せず、そのまま濾別し、乾燥することにより焼成前駆体として用いることができる。
次に、濾別したリチウム含有炭酸塩を乾燥することにより、リチウム塩の複合体（リチウムイオン電池正極材用前駆体）の粉末を得る。
次に、乾燥して得られたリチウムイオン電池正極材用前駆体の粉末を、篩、又は、市販の分級装置等を用いて分級し、１〜３０μｍの粒径の粉末のみを得る。
次に、所定の大きさの容量を有する焼成容器を準備し、この焼成容器に分級した１〜３０μｍの粒径のリチウムイオン電池正極材用前駆体の粉末を充填する。次に、リチウムイオン電池正極材用前駆体の粉末が充填された焼成容器を、焼成炉へ移設し、焼成を行う。焼成は、酸素雰囲気下で所定時間加熱保持することにより行う。また、１０１〜２０２ＫＰａでの加圧下で焼成を行うと、さらに組成中の酸素量が増加するため、好ましい。
その後、焼成容器から粉末を取り出し、市販の粉砕装置等を用いて解砕を行うことにより正極活物質の粉体を得る。このときの解砕は、所望のメディアン径及び安息角が得られるように、適宜粉砕強度及び粉砕時間を調整して行う。
以下、本発明及びその利点をより良く理解するための実施例を提供するが、本発明はこれらの実施例に限られるものではない。
（実施例１〜１５）
まず、表１に記載の投入量の炭酸リチウムを純水３．２リットルに懸濁させた後、金属塩溶液を４．８リットル投入した。ここで、金属塩溶液は、各金属の硝酸塩の水和物を、各金属が表１に記載の組成比になるように調整し、また全金属モル数が１４モルになるように調整した。
なお、炭酸リチウムの懸濁量は、製品（リチウムイオン二次電池正極材料、すなわち正極活物質）をＬｉxＮｉ1-yＭyＯ2+αでｘが表１の値となる量であって、それぞれ次式で算出されたものである。
Ｗ（ｇ）＝７３．９×１４×（１＋０．５Ｘ）×Ａ
上記式において、「Ａ」は、析出反応として必要な量の他に、ろ過後の原料に残留する炭酸リチウム以外のリチウム化合物によるリチウムの量をあらかじめ懸濁量から引いておくために掛ける数値である。「Ａ」は、硝酸塩や酢酸塩のように、リチウム塩が焼成原料として反応する場合は０．９であり、硫酸塩や塩化物のように、リチウム塩が焼成原料として反応しない場合は１．０である。
この処理により溶液中に微小粒のリチウム含有炭酸塩が析出したが、この析出物を、フィルタープレスを使用して濾別した。
続いて、析出物を乾燥してリチウム含有炭酸塩（リチウムイオン電池正極材用前駆体）を得た。
次に、乾燥して得たリチウム含有炭酸塩を篩にかけて、１〜３０μｍの粒径のものに分級した。
次に、焼成容器を準備し、この焼成容器内にリチウム含有炭酸塩を充填した。次に、焼成容器を、大気圧下、酸素雰囲気炉に入れて、表１に記載の焼成温度で１０時間加熱保持した後冷却して酸化物を得た。
次に、得られた酸化物を小型粉砕機（ホソカワミクロンＡＣＭ-2ＥＣ）を用いて平均粒径５〜１５μｍに解砕し、リチウムイオン二次電池正極材の粉末を得た。
（実施例１６）
実施例１６として、原料の各金属を表１に示すような組成とし、金属塩を塩化物とし、リチウム含有炭酸塩を析出させた後、飽和炭酸リチウム溶液で洗浄し、濾過する以外は、実施例１〜１５と同様の処理を行った。
（実施例１７）
実施例１７として、原料の各金属を表１に示すような組成とし、金属塩を硫酸塩とし、リチウム含有炭酸塩を析出させた後、飽和炭酸リチウム溶液で洗浄し、濾過する以外は、実施例１〜１５と同様の処理を行った。
（実施例１８）
実施例１８として、原料の各金属を表１に示すような組成とし、焼成を大気圧下ではなく１２０ＫＰａの加圧下で行った以外は、実施例１〜１５と同様の処理を行った。
（比較例１〜３）
比較例１〜３として、原料の各金属を表１に示すような組成とし、前駆体乾燥後の分級を行わず、且つ、最後の酸化物の解砕を平均粒径が５μｍ以下もしくは２０μｍ以上になるように行った点以外は、実施例１〜１５と同様の処理を行った。
（比較例４〜７）
比較例４〜７として、原料の各金属を表１に示すような組成とし、酸素雰囲気炉ではなく空気雰囲気炉で焼成工程を行った点以外は、比較例１と同様の処理を行った。
（評価）
−正極材組成の評価−
各正極材中の金属含有量は、誘導結合プラズマ発光分光分析装置（ＩＣＰ−ＯＥＳ）で測定し、各金属の組成比（モル比）を算出し、表１の通りとなったことを確認した。また、酸素含有量はＬＥＣＯ法で測定しαを算出した。
−平均粒径（Ｄ５０）及びＤ９０の評価−
各正極材の粉末を採取し、Ｄ５０及びＤ９０をレーザー回折型粒度分布測定装置（島津製作所 ＳＡＬＤ−３０００）によって測定した。
−電池特性の評価−
各正極材と、導電材と、バインダーとを８５：８：７の割合で秤量し、バインダーを有機溶媒（Ｎ−メチルピロリドン）に溶解したものに、正極材料と導電材とを混合してスラリー化し、Ａｌ箔上に塗布して乾燥後にプレスして正極とした。続いて、対極をＬｉとした評価用の２０３２型コインセルを作製し、電解液に１Ｍ−ＬｉＰＦ6をＥＣ−ＤＭＣ（１：１）に溶解したものを用いて、電流密度０．２Ｃの際の放電容量を測定した。また電流密度０．２Ｃのときの電池容量に対する電流密度２Ｃのときの、放電容量の比を算出してレート特性を得た。さらに、容量保持率は、室温で１Ｃの放電電流で得られた初期放電容量と１００サイクル後の放電容量を比較することによって測定した。
これらの結果を表１に示す。
Figure 0005368627

Claims (3)

  1. 組成式：ＬｉxＮｉ1-yＭyＯ2+α
    （前記式において、Ｍは必須成分としてのＣｏ、及び、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｓｎ及びＭｇから選択される１種以上であり、０．９≦ｘ≦１．２であり、０＜ｙ≦０．７であり、α＞０．１５である。）
    で表され、
    粒度分布において、平均粒径（Ｄ５０）が７〜１３μｍであり、Ｄ９０が２０μｍ以下であるリチウムイオン電池用正極活物質の製造方法であり、
    リチウムイオン電池用正極活物質の焼成前駆体の粉末を準備する工程と、
    前記焼成前駆体の粉末を分級して１〜３０μｍの粒径の粉末のみを得る工程と、
    前記分級した１〜３０μｍの粒径の焼成前駆体の粉末を焼成し、解砕することで前記の粒度分布を有する正極活物質を得る工程と、
    を備えたリチウムイオン電池用正極活物質の製造方法。
  2. 前記Ｍが、Ｍｎ及びＣｏから選択される１種以上である請求項１に記載のリチウムイオン電池用正極活物質の製造方法。
  3. 前記組成式において、α＞０．２０である請求項１又は２に記載のリチウムイオン電池用正極活物質の製造方法。
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