JP5791877B2 - 正極活物質、この正極活物質の製造方法、及び、正極活物質を用いた非水電解質二次電池 - Google Patents
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Description
(1)高リチウム含有遷移金属複合酸化物の表面を、Al2O3或いはLiNiPO4で被覆したものを正極活物質として用いる提案(下記非特許文献1、2参照)。
(2)層状構造を有する正極活物質の表面を、LiMn2O4等のスピネル構造を有する正極活物質で被覆するような提案(下記特許文献1参照)。
(4)ニッケル系の正極活物質と(NH4)2SO4とを乾式混合した後、700℃で熱処理するような提案(下記特許文献2参照)。
(1)の提案では、サイクル特性をある程度向上させるできるものの、表面にスピネル構造の正極活物質が存在しないので、負荷特性が低下したり、例え向上しても飛躍的な向上は図れない。
(2)の提案では、中心部に配置された層状構造の正極活物質と表面部に配置されたスピネル構造の正極活物質とは構造が異なり、しかも、構造が異なるのみならず、それら正極活物質の組成も異なる。このため、中心部に配置された正極活物質と表面部に配置された正極活物質との間には境界が生じ、この境界によって、正極活物質粒子内でのリチウムの拡散が制限される。したがって、負荷特性を飛躍的に向上させることはできない。
(3)の提案では、正極活物質の表面改質効果により、初期充放電効率を向上させることができるものの、酸により正極活物質の表面が損傷して、サイクル特性が低下する。
(4)の提案では、本発明のようなマンガン系の正極活物質に適用した場合には、正極活物質の構造が異なること、及び、熱処理温度が高いこと等に起因して、放電容量の減少や充放電効率や負荷特性の低下を招来する。
また、正極活物質の粒径は制限されないので、正極活物質の粒径を小さくすることに起因するエネルギー密度の低下を防止できる。更に、熱処理温度が高いこと等に起因して放電容量が減少したり、充放電効率が低下したりすることも抑制できる。
また、上記sとtとの値は、正極活物質粒子の全体における値であり、正極活物質粒子の表面に近いほど、sとtとの値が大きくなっている。これは、層状構造からスピネル構造に変化するにしたがい、酸素とリチウムとが抜けていくからである。
−q―rNipCoqArO2-t(0<x<0.33、0<p<0.5、0<q<0.33、0≦r<0.05、0<p+q+r<0.66、0<s<0.3、0<t<0.15であり、AはZr、またはNbである)で表されることが望ましく、また、上記高リチウム含有遷移金属複合酸化物粒子のラマン強度比〔I(635)/I(605)〕が、0.6<I(635)/I(605)<1.5に規制されることが望ましい。更に、上記層状構造を成す中心部が、空間群C2/m、又は、空間群C2/cに属する構造を少なくとも含むことが望ましい。これらの構成であれば、正極活物質粒子内でのリチウムの拡散がより円滑に行われ、且つ、正極活物質粒子におけるリチウムの挿入、離脱がより容易となるため、上記作用効果が一層発揮される。
正極活物質は充放電を繰り返すと、遷移金属が溶出して正極活物質が劣化するため、サイクル特性が低下することがある。しかし、上記の如く粒子の表面上に保護層が形成されていれば、充放電を繰り返した場合であっても遷移金属の溶出を抑制できるので、正極活物質の劣化が抑えられて、サイクル特性が向上する。
O 2-t (0<x<0.33、0<y<0.66、0<s<0.3、0<t<0.15であり、Mはマンガンを除く少なくとも1つの遷移金属である)で表される高リチウム含有遷移金属複合酸化物粒子を、第1の還元剤を含む水溶液に浸漬する第1ステップと、を有し、上記第1の還元剤がNH4H2PO4、(NH4)2HPO4、及びH3PO4から成るリン酸塩群から選択される少なくとも1種、クエン酸ニアンモニウム、アルコルビル酸又は(NH4)2SO4であることを特徴とする。
尚、熱処理温度を200〜500℃に規制するのは、200℃未満であれば、上述した第1の還元剤の分解が生じない一方、500℃を超えると、正極活物質粒子への酸素吸収を促し、放電容量が低下するからである。
熱処理温度をこのように規制すれば、第1の還元剤の分解反応がより円滑に生じると共に、正極活物質粒子への酸素吸収が一層抑制されて、放電容量の低下をより十分に抑えることができるからである。
上記構成の如く第1の還元剤としてリン酸塩が用いられたときには、Li3PO4が正極活物質粒子の表面に残留物として生成されるが、このLi3PO4は水溶性ではないため、容易に取り除くことはできない。したがって、Li3PO4は正極活物質粒子の表面で保護層としての働きを発揮するということから、充放電を繰り返し行っても、正極活物質から遷移金属原子が溶出するのを抑制でき、その結果サイクル特性が向上する。但し、高リチウム含有遷移金属複合酸化物粒子の総量に対する第1の還元剤の量(以下、単に、第1の還元剤の量と称するときがある)が5質量%を超えると、Li3PO4の残存量が多くなり過ぎて、正極活物質の割合が低下することと、保護層が厚くなり過ぎる結果、放電容量が低下することがある。一方、第1の還元剤の量が1質量%未満であると、正極活物質粒子の表面近傍部でスピネル構造へ十分に変化しないため、負荷特性を十分に向上させることができない場合がある。したがって、リン酸塩を第1の還元剤として用いる場合には、第1の還元剤の量は1〜5質量%に規制するのが望ましい。
このように第1の還元剤の量を規制するのは、第1の還元剤として上記リン酸塩を用いた場合の理由と同様の理由である。
第1の還元剤の量を1質量%以上に規制するのは、第1の還元剤として上記リン酸塩を用いた場合の理由と同様の理由である。一方、第1の還元剤の量を20質量%以下に規制するのは、第1の還元剤として上記リン酸塩を用いた場合の理由とは異なる。(NH4)2SO4を第1の還元剤として用いる場合には、Li2SO4が粒子表面に残留物として生成されるが、この残留物は水溶性であるので、容易に除去できる。したがって、保護層が厚くなり過ぎて放電容量が低下するといった不都合はない。しかしながら、上限を規定するのは、第1の還元剤の量が20質量%を超えると、反応量が多くなり過ぎて、層状構造を有する部分が小さくなり過ぎる結果、放電電位が低下したり、初期充放電効率が100%を越えたりするといった不都合が生じうるという理由による。
このような構成であれば、第1の還元剤としてリン酸塩を用いた場合と同様、正極活物質から遷移金属原子が溶出することを防ぐことができるので、サイクル特性が向上する。尚、上記第2の還元剤が(NH4)2HPO4である場合には、Li3PO4で表される保護層が形成され、上記第2の還元剤がH3BO3である場合にはB2O3で表される保護層が形成される。
(実施例1−1)
上記発明を実施するための形態と同様にして試験セルを作製した。
このようにして作製した試験セルを、以下、本発明セルA1と称する。
正極活物質の作製時に、NH4H2PO4の割合を、それぞれ、2質量%、5質量%、10質量%とした他は、上記実施例1−1と同様にして電池を作製した。
このようにして作製した電池を、以下それぞれ、本発明セルA2〜A4と称する。
正極活物質の作製時に、第1の還元剤として、NH4H2PO4の代わりにH3PO4を用い、且つ、H3PO4の割合を5.1質量%とした他は、上記実施例1−1と同様にして電池を作製した。
このようにして作製した電池を、以下、本発明セルBと称する。
正極活物質の作製時に、第1の還元剤として、NH4H2PO4の代わりに(NH4)2HPO4を用い、且つ、(NH4)2HPO4の割合をそれぞれ、2質量%、5質量%、10質量%とした他は、上記実施例1−1と同様にして電池を作製した。
このようにして作製した電池を、以下それぞれ、本発明セルC1〜C3と称する。
正極活物質の作製時に、第1の還元剤として、NH4H2PO4の代わりに(NH4)2SO4を用い、且つ、(NH4)2SO4の割合をそれぞれ、2質量%、5質量%、10質量%、20質量%とし、しかも、熱処理後に正極活物質粒子を水洗した他は、上記実施例1−1と同様にして電池を作製した。
このようにして作製した電池を、以下それぞれ、本発明セルD1〜D4と称する。
正極活物質の作製時に、第1の還元剤として、NH4H2PO4の代わりに(NH4)2SO4を用い、且つ、(NH4)2SO4の割合を15質量%とし、しかも、熱処理後に正極活物質粒子を水洗した他は、上記実施例1−1と同様にして電池を作製した。
このようにして作製した電池を、以下それぞれ、本発明セルD5と称する。
正極活物質の作製時に、第1の還元剤として、NH4H2PO4の代わりにクエン酸二アンモニウム〔(NH4)2HC6H5O7〕を用い、且つ、クエン酸二アンモニウムの割合をそれぞれ、5質量%、10質量%とした他は、上記実施例1−1と同様にして電池を作製した。
このようにして作製した電池を、以下それぞれ、本発明セルE1、E2と称する。
正極活物質の作製時に、第1の還元剤として、NH4H2PO4の代わりにアスコルビン酸〔C6H8O6〕を用い、且つ、アスコルビン酸の割合をそれぞれ、5質量%、10質量%とした他は、上記実施例1−1と同様にして電池を作製した。
このようにして作製した電池を、以下それぞれ、本発明セルF1、F2と称する。
正極活物質の作製時に、NH4H2PO4を用いて表面処理を行わない(Li1.20Mn0.54Ni0.13Co0.13O2で表される高リチウム含有遷移金属複合酸化物粒子を、そのまま正極活物質として用いる)他は、上記実施例1と同様にして試験セルを作製した。
このようにして作製した試験セルを、以下、比較セルZと称する。
正極活物質の作製時に、第1の還元剤として、(NH4)2HPO4の代わりに、(NH4)2HPO4+3LiOHを用いた〔尚、例えば、(NH4)2HPO4が2質量%の本発明セルD1に対応する比較セルY1の場合には、(NH4)2HPO4が2質量%とLiOH.H2Oが1.9質量%(即ち、(NH4)2PO4とLiOH.H2Oとのモル比が1:3)となるように添加されている〕他は、それぞれ、上記実施例3−1〜3−3と同様にして電池を作製した。
このようにして作製した電池を、以下それぞれ、比較セルY1〜Y3と称する。
熱処理温度を、300℃ではなく700℃とした他は、上記実施例1-4と同様にして試験セルを作製した。
このようにして作製した試験セルを、以下、比較セルXと称する。
Li1.20Mn0.54Ni0.13Co0.13O2で表される高リチウム含有遷移金属複合酸化物粒子を、当該遷移金属複合酸化物に対して2質量%の(NH4)2SO4を固体状態で添加し、これらを細かく砕いた後、混合物を700℃で5時間、空気中で熱処理をするという処理を行った(尚、正極活物質の水洗は行っていない)他は、上記実施例4−1と同様にして試験セルを作製した。尚、この試験セルにおける正極活物質は、上述の特許文献2に示した方法と同様の方法で作製したものである。
このようにして作製した試験セルを、以下、比較セルWと称する。
Li1.20Mn0.54Ni0.13Co0.13O2で表される高リチウム含有遷移金属複合酸化物の表面処理として、以下に示す酸処理を行った他は、実施例1と同様にして試験セルを作製した。
上記金属複合酸化物から成る正極活物質を、1.2Nの硫酸(H2SO4)溶液内にて30分間混合攪拌した(尚、この撹拌中に、酸性溶液のH+が活物質のLi+と交換する)。次に溶液を水洗した後、濾過し、更に得られた粉末を300℃で5時間空気中で熱処理した。
このようにして作製した試験セルを、以下、比較セルVと称する。
上記本発明セルA1〜A4、B、C1〜C3、D1〜D4、E1、E2、F1、F2及び比較セルZを、下記条件で充放電し、初期放電容量(1サイクル目の放電容量)、下記(1)式で示される初期充放電効率、下記(2)式で示されるサイクル特性、及び、下記(3)式で示される負荷特性を調べたので、その結果を表1に示す。
初期充放電効率(%)=
[1サイクル目の放電容量/1サイクル目の充電容量]×100・・・(1)
〔初期充放電効率における充放電条件〕
・充電条件
20.0mA/gの電流密度で、正極の電位が4.8V(vs.Li/Li+)になるまで定電流充電するという条件
・放電条件
20.0mA/gの電流密度で、正極の電位が2.0V(vs.Li/Li+)になるまで定電流放電するという条件
サイクル特性(%)=
[29サイクル目の放電容量/1サイクル目の放電容量]×100・・・(2)
(a)1〜9、11〜19、21〜29サイクル目の充放電条件
・充電条件
100.0mA/gの電流密度で、正極の電位が4.8V(vs.Li/Li+)になるまで定電流充電するという条件
・放電条件
100.0mA/gの電流密度で、正極の電位が2.0V(vs.Li/Li+)になるまで定電流放電するという条件
20.0mA/gの電流密度で、正極の電位が4.8V(vs.Li/Li+)になるまで定電流充電するという条件
・放電条件
20.0mA/gの電流密度で、正極の電位が2.0V(vs.Li/Li+)になるまで定電流放電するという条件
負荷特性(%)=
[2サイクル目の放電容量/1サイクル目の放電容量]×100・・・(3)
(a)1サイクル目の充放電条件
・充電条件
20.0mA/gの電流密度で、正極の電位が4.8V(vs.Li/Li+)になるまで定電流充電するという条件
・放電条件
10.0mA/gの電流密度で、正極の電位が2.0V(vs.Li/Li+)になるまで定電流放電するという条件
・充電条件
上記(a)の充電条件と同じ
・放電条件
300.0mA/gの電流密度で、正極の電位が2.0V(vs.Li/Li+)になるまで定電流放電するという条件
表1に示すように、正極活物質粒子に表面処理がされていない比較セルZでは負荷特性が74.3%であるのに対して、正極活物質粒子に表面処理がされた本発明セルA1〜A4、B、C1〜C3、D1〜D4、E1、E2、F1、F2では、負荷特性が74.8〜83.8%であって、全て比較セルZより大きくなっていることが認められる。また、比較セルZでは初期放電容量が242mAh/g、初期充放電効率が75.9%であるのに対して、本発明セルA1〜A4、B、C1〜C3、D1〜D4、E1、E2、F1、F2では初期放電容量が235.9〜270.4mAh/g、初期充放電効率が75.4〜96.5%であって、比較電池Zと同等かそれ以上となっていることが認められる。したがって、正極活物質を第1の還元剤〔NH4H2PO4、H3PO4、(NH4)2HPO4、(NH4)2SO4、クエン酸二アンモニウム、又は、アスコルビン酸〕で処理することによって、負荷特性等が向上することがわかる。
表1から明らかなように、第1の還元剤として(NH4)2SO4を用いた本発明セルD1〜D4は、本発明セルA1〜A4に比べ、サイクル特性が低下していることが認められる。これは、本発明セルA1〜A4であれば、Li3PO4が正極活物質粒子の表面に残留物として生成され(即ち、図2に示すように、表面にLi3PO4等から成る保護層4が形成され)、これが正極活物質粒子を保護する。したがって、正極活物質粒子から遷移金属原子が溶出したり、電解液が分解したりするのが抑制されるので、サイクル特性が向上する。これに対して、本発明セルD1〜D4では、図1に示すように、正極活物質粒子の表面に保護層が形成されないため、充放電サイクル経過に伴って、正極活物質から遷移金属原子が溶出したり、電解液が分解したりすることがあるため、サイクル特性が若干低下する。但し、本発明セルD1〜D4の正極活物質粒子であっても、第1の還元剤による熱処理を終了した後に、Al2O3等で正極活物質粒子の表面を被覆すれば、サイクル特性を向上させることができる。
上記比較セルY1〜Y3を充放電し、初期放電容量、初期充放電効率、及び負荷特性を調べたので、その結果を表2に示す。尚、充放電条件及び初期充放電効率と負荷特性との算出方法は上記実験1と同様である。また、比較のために、上記本発明セルC1〜C3の結果についても、表2に示す。
上記比較セルXを充放電し、初期放電容量及び初期充放電効率を調べたので、その結果を表3に示す。尚、充放電条件及び初期充放電効率の算出方法は上記実験1と同様である。また、比較のために、上記本発明セルA4の結果についても、表3に示す。
上記比較セルWを充放電し、初期放電容量及び初期充放電効率を調べたので、その結果を表4に示す。尚、充放電条件及び初期充放電効率の算出方法は上記実験1と同様である。また、比較のために、上記本発明セルD1の結果についても、表4に示す。
上記実験3、4の結果を考慮して、本発明における熱処理温度の最適範囲について調べた。実験は、第1の還元剤としてそれぞれ、10質量%の(NH4)2HPO4(本発明セルC3で使用)、10質量%の(NH4)2SO4(本発明セルD3で使用)を用い、上記正極活物質粒子のTGA(熱重量分析)を行った。尚、具体的には、5℃/分で温度上昇させつつ、質量変化率を調べた。
上記本発明セルD4に用いられる正極活物質粒子と比較セルZに用いられる正極活物質粒子とのXRD測定(線源はCuKα、測定範囲2θ=10°〜80°)を行なったので、そのXRDパターンを図6に示す。
上記本発明セルD2〜D4に用いられる正極活物質粒子と比較セルZに用いられる正極活物質粒子とのラマン分光測定を行なったので、その結果を表6に示す。ラマン分光測定は物質にレーザーを照射し、散乱される光を分光器によって観測する分析法であり、活物質の表面状態を確認できる。第1の還元剤による処理により活物質粒子の表面状態は変化することがわかる。605cm-1のピーク〔以下、I(605)と表示することがある〕は層状構造に由来するものであり、635cm-1のピーク〔以下、I(635)と表示することがある〕はスピネル構造に由来する。層状構造とスピネル構造との割合はラマンの強度比からわかる。
表6から明らかなように、第1の還元剤による処理を行った本発明セルD2〜D4は、第1の還元剤による処理を行っていない比較セルZに比べて、ラマン強度比〔I(635)/I(605)〕が高くなっていることが認められる。また、第1の還元剤の割合が多くなるにしたがって、ラマン強度比が高くなっていることも認められる(D4>D3>D2)。したがって、本発明セルD2〜D4においては、活物質粒子の表面側にスピネル構造が存在することが証明でき、また、第1の還元剤の割合が多くなる程、スピネル構造の割合が増加することがわかる。尚、本発明者らが検討したところ、特に、0.6<I(635)/I(605)<1.5の範囲において、層状構造とスピネル構造との割合は最適となることがわかった。
上記本発明セルD3〜D4に用いられる正極活物質粒子と比較セルZに用いられる正極活物質粒子との元素分析を、誘導結合プラズマ法(ICP)で行なったので、その結果を図7に示す。尚、酸素の量は、ICP測定に用いた正極活物質の全量から、ICP測定によって得られたリチウム量と遷移金属量とを減算することにより算出した。図7から明らかなように、第1の還元剤による処理により、正極活物質からリチウムと酸素とが、モル比で2:1の割合で、が引き抜かれていることがわかる。
また、上記本発明セルD3〜D4に用いられる正極活物質粒子と比較セルZに用いられる正極活物質粒子とにおける、リチウムの量と、遷移金属の量と、酸素の量との割合を表7に示す。比較セルZに用いられる正極活物質粒子(全て層状構造であって、スピネル構造を有していない正極活物質)の酸素と遷移金属との割合は2.58対1である。一方、理論上、スピネル構造における酸素と遷移金属の割合は2対1である。したがって、第1の還元剤による処理により酸素/遷移金属の割合が低下する本発明セルD3〜D4では、正極活物質にスピネル構造が存在することがわかる。
前記非特許文献1で示した発明(余剰リチウムを活物質から除去することにより活物質の初期サイクル特性を向上させることを目的とするものであり、活物質表面を改質するための高リチウム含有遷移金属複合酸化物を酸処理する方法)と本発明との違いを明らかにするために、本発明セルD3に用いられた正極活物質粒子と比較セルVに用いられた正極活物質粒子とのサイクリック・ボルタメトリー分析を行ったので、その結果を図8に示す。
(実施例1〜3)
高リチウム含有遷移金属複合酸化物として、Li1.16Mn0.5Co0.17Ni0.17O2を用いた他は、上記第1実施例の実施例4−1〜4−3と同様にして電池を作製した。
このようにして作製した電池を、以下それぞれ、本発明セルG1〜G3と称する。
高リチウム含有遷移金属複合酸化物として、Li1.16Mn0.5Co0.17Ni0.17O2を用いた他は、上記第1実施例の比較例1と同様にして電池を作製した。
このようにして作製した電池を、以下、比較セルUと称する。
上記本発明セルG1〜G3及び比較セルUを充放電し、初期放電容量、初期充放電効率、及び負荷特性を調べたので、その結果を表8に示す。尚、充放電条件及び初期充放電効率と負荷特性との算出方法は上記第1実施例の実験1と同様である。
(実施例1〜3)
高リチウム含有遷移金属複合酸化物として、Li1.13Mn0.47Co0.2Ni0.2O2を用いた他は、上記第1実施例の実施例4−1〜4−3と同様にして電池を作製した。
このようにして作製した電池を、以下それぞれ、本発明セルH1〜H3と称する。
高リチウム含有遷移金属複合酸化物として、Li1.13Mn0.47Co0.2Ni0.2O2を用いた他は、上記第1実施例の比較例1と同様にして電池を作製した。
このようにして作製した電池を、以下、比較セルTと称する。
上記本発明セルH1〜H3及び比較セルTを充放電し、初期放電容量、初期充放電効率、及び負荷特性を調べたので、その結果を表9に示す。尚、充放電条件及び初期充放電効率と負荷特性との算出方法は上記第1実施例の実験1と同様である。
(実施例1)
前記第2のステップ(熱処理ステップ)の終了後に、第2の還元剤としての2質量%の(NH4)2HPO4を付着させて80℃で乾燥させ、その後300℃で5時間熱処理を行った(第3ステップ)他は、上記第1実施例の実施例4−3と同様にして電池を作製した。
このようにして作製した電池を、以下、本発明セルI1と称する。
第2の還元剤として、2質量%のH3BO3を用いた他は、上記実施例1と同様にして電池を作製した。
このようにして作製した電池を、以下、本発明セルI2と称する。
高リチウム含有遷移金属複合酸化物として、Li1.20Mn0.54Co0.13Ni0.13O2に0.5%のMgがドープされたもの(Li1.20Mn0.53Co0.13Ni0.13Mg0.01O2)を用いた他は、それぞれ、上記第1実施例の実施例4−3、上記実施例1と同様にして電池を作製した。
このようにして作製した電池を、以下それぞれ、本発明セルJ1、J2と称する。
高リチウム含有遷移金属複合酸化物として、Li1.20Mn0.54Co0.13Ni0.13O2に0.5%のZrがドープされたもの(Li1.20Mn0.53Co0.13Ni0.13Zr0.01O2)を用いた他は、それぞれ、上記第1実施例の実施例4−3、上記実施例1、上記実施例2と同様にして電池を作製した。
このようにして作製した電池を、以下それぞれ、本発明セルK1〜K3と称する。
高リチウム含有遷移金属複合酸化物として、Li1.20Mn0.54Co0.13Ni0.13O2に0.5%のNbがドープされたもの(Li1.20Mn0.53Co0.13Ni0.13Nb0.01O2)を用いた他は、それぞれ、上記第1実施例の実施例4−3、上記実施例1と同様にして電池を作製した。
このようにして作製した電池を、以下それぞれ、本発明セルL1、L2と称する。
高リチウム含有遷移金属複合酸化物として、それぞれ、Li1.20Mn0.53Co0.13Ni0.13Mg0.01O2、Li1.20Mn0.53Co0.13Ni0.13Zr0.01O2、Li1.20Mn0.53Co0.13Ni0.13Nb0.01O2を用いた他は、上記第1実施例の比較例と同様にして電池を作製した。
このようにして作製した電池を、以下それぞれ、比較セルS、R、Qと称する。
上記本発明セルI1、I2、J1、J2、K1〜K3、L1、L2及び比較セルS、R、Qを充放電し、初期放電容量、初期充放電効率、負荷特性、及びサイクル特性を調べたので、その結果を表10に示す。尚、充放電条件及び初期充放電効率と負荷特性との算出方法は上記第1実施例の実験1と同様である。
表10から明らかなように、第3ステップを施していない(第2の還元剤による処理を行っていない)本発明セルD3や、第3ステップを施した(第2の還元剤による処理を行った)本発明セルI1、I2は、比較セルZに比べて、初期放電容量が大きく、初期充放電効率や負荷特性が向上し、更にサイクル特性も向上していることが認められる。但し、第3ステップを施した本発明セルI1、I2と、第3ステップを施していない本発明セルD3とは、サイクル特性が略同等であることがわかる。
表10から明らかなように、第3ステップを施していない本発明セルJ1、K1、L1や、第3ステップを施した本発明セルJ2、K2、K3、L2は、比較セルS、R、Qに比べて、初期放電容量が大きく、初期充放電効率や負荷特性が向上していることが認められる。しかし、サイクル特性については、第3ステップを施していない本発明セルJ1、K1、L1は、比較セルS、R、Qに比べて低下していることが認められる一方、第3ステップを施した本発明セルJ2、K2、K3、L2は、比較セルS、R、Qに比べて向上していることが認められる。これは、第2の還元剤による処理を行うことにより、正極活物質の表面に保護層が形成され、これによって、正極活物質から遷移金属原子が溶出するのを抑止できることに起因すると考えられる。
(1)第1ステップに用いる第1の還元剤としては、上記NH4H2PO4等に限定するものではなく、NH4NO3、NH4HCO3、NH4Cl、上記(NH4)2HPO4等以外のアンモニウム系化合物、及び、乳酸、ギ酸、酢酸、クエン酸、シュウ酸等の有機酸を用いても良い。また、第1の還元剤として、2以上の還元剤を混合して用いても良く、更に、一の還元剤を用いて熱処理を行った後、他の還元剤を用いて熱処理を行う(複数回の表面処理を行う)ことも可能である。
(2)高リチウム含有遷移金属複合酸化物粒子のBET比表面積や粒径は限定されるものではなく、如何なるBET比表面積や粒径のものであっても本発明を適用できる。
(4)本発明の高リチウム含有遷移金属複合酸化物としては、Nb、Zr、Mo、Ti、Mg等がドープされたものを用いても良い。
(6)高リチウム含有遷移金属複合酸化物粒子は、空間群R3−mに属する構造を含んでも良い。この場合は、空間群C2/mと空間群R3−mとの複合体、又は空間群C2/cと空間群R3−mの複合体となる。
(7)第3ステップで用いる第2の還元剤としては、上記NH4H2PO4とH3BO3に限定するものではなく、(NH4)2HPO4、Al(OH)3、Al(NO3),Mg(OH)2、Ti(OCH3)4、Zr(OC2H5)4等の化合物を用いても良い。また、上記保護層の形成方法は第2の還元剤を用いる方法に限定するものではなく、正極活物質の表面に保護層を、機械的に形成する方法であっても良い。
2:表面近傍部
3:最表面部
Claims (5)
- 化学式Li1+x-sMn1−x−yMyO2-t(0<x<0.33、0<y<0.66、0<s<0.3、0<t<0.15であり、Mはマンガンを除く少なくとも1つの遷移金属である)で表される高リチウム含有遷移金属複合酸化物粒子を有する非水電解質二次電池用正極活物質であって、
上記高リチウム含有遷移金属複合酸化物粒子は、中心部の結晶構造が層状構造を成す一方、表面近傍部においては中心側から表面側にいくにつれて、結晶構造が層状構造からスピネル構造に徐々に変化し、且つ、上記層状構造と上記スピネル構造とにおける上記Mnと上記Mとの比率が同一となっており、
上記化学式中のs及びtの値は、正極活物質粒子の全体における値であって、
上記層状構造を成す中心部が、空間群C2/m、又は、空間群C2/cに属する構造を少なくとも含む、非水電解質二次電池用正極活物質。 - 上記高リチウム含有遷移金属複合酸化物粒子は、化学式Li1+x-sMn1−x−p−q−rNipCoqArO2-t(0<x<0.33、0<p<0.5、0<q<0.33、0≦r<0.05、0<p+q+r<0.66、0<s<0.3、0<t<0.15であり、AはZr、またはNbである)で表される、請求項1に記載の非水電解質二次電池用正極活物質。
- 上記高リチウム含有遷移金属複合酸化物粒子のラマン強度比〔I(635)/I(605)〕が、0.6<I(635)/I(605)<1.5に規制される、請求項1又は2に記載の非水電解質二次電池用正極活物質。
- 上記高リチウム含有遷移金属複合酸化物粒子の表面上に保護層が形成されている、請求項1〜3の何れか1項に記載の非水電解質二次電池用正極活物質。
- 請求項1〜4の何れか1項に記載の正極活物質を含む正極と、負極と、非水電解液とを含む、非水電解質二次電池。
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