JP5803539B2 - リチウム含有複合酸化物粉末の製造方法 - Google Patents
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Description
少なくともマンガンおよびニッケルを含む金属含有原料とリチウム水酸化物とを、該金属含有原料に含まれる金属元素に対する該リチウム水酸化物に含まれるリチウムの原子比が、前記リチウムマンガンニッケル系酸化物の金属元素に対するリチウムの化学量論比の1.0倍を超え1.1倍以下となるように調製された反応原料を900℃以上で加熱する加熱反応工程を含むことを特徴とする。
前記加熱反応工程は、前記反応原料にさらに塩化リチウムを配合させて、前記金属含有原料をリチウム水酸化物および塩化リチウムの溶融塩中で反応させる工程であり、
さらに、前記加熱反応工程後の前記溶融塩を冷却する冷却工程と、生成された前記リチウムマンガンニッケル系酸化物を冷却後の固形物から回収する回収工程と、を含むことを特徴としてもよい。
本発明のリチウム含有複合酸化物粉末は、少なくともリチウム、マンガンおよびニッケルを含み結晶構造がスピネル構造に属するリチウムマンガンニッケル系酸化物からなる粒子を含む。リチウムマンガンニッケル系酸化物は、二次電池の正極活物質として用いた場合に高いカットオフ電圧(たとえばLi基準で4.8V以上まで充電)で使用されることで、エネルギー密度が高くなり容量増加が期待される化合物である。
次に、上記本発明のリチウム含有複合酸化物粉末の製造方法について、各工程を説明する。リチウム含有酸化物粉末の製造方法は、主として加熱反応工程を含む。
加熱反応工程において、反応原料は、さらに塩化リチウムを含んでもよい。この場合、反応原料は、上記の配合割合の金属含有原料およびリチウム水酸化物にさらに塩化リチウムを含むため、加熱反応工程では、リチウム水酸化物および塩化リチウムの溶融塩中で金属含有原料を反応させることになる。その結果、生成物の一次粒子の凝集が抑制される。これ以下、塩化リチウムを用いた本発明のリチウム含有複合酸化物粉末の製造方法を説明するが、既に説明した塩化リチウムを用いないリチウム含有複合酸化物粉末の製造方法と異なる点のみを説明する。特記しない事項は、既に説明した塩化リチウムを用いないリチウム含有複合酸化物粉末の製造方法と同様である。
本発明のリチウム含有複合酸化物は、非水電解液二次電池のような二次電池、たとえばリチウムイオン二次電池用正極活物質として用いることができる。以下に、上記複合酸化物を含む正極活物質を用いた非水電解液二次電池を説明する。非水電解液二次電池は、主として、正極、負極および非水電解液を備える。また、一般の非水電解液二次電池と同様に、正極と負極の間に挟装されるセパレータを備える。
0.67molの無水水酸化リチウム(LiOH、25.6g)と、金属化合物原料として前駆体(100g)と、を混合して原料混合物を調製した。以下に、前駆体の合成手順を説明する。
活性酸素量(%)={(2×V2−V1)×0.00080/試料量}×100
上記の式において、V1およびV2の単位はmL、試料量の単位はgである。そして、試料中のMn量(ICP測定値)と活性酸素量からMnの平均価数を算出した。
実施例1で調製した原料混合物を用い、LiNi0.5Mn1.5O4を低温で合成した。
実施例1で調製した原料混合物を用い、LiNi0.5Mn1.5O4を低温で合成した。
0.67molの無水水酸化リチウム(LiOH、25.6g)と、金属化合物原料として前駆体(100g)と、を混合して原料混合物を調製した。前駆体は、実施例1と同じ前駆体を用いた。したがって、原料混合物に含まれるLi、MnおよびNiのモル比は、Li:(Ni+Mn)=1.05:2となり、このLi量は、目的のLiNi0.5Mn1.5O4のNiおよびMnに対するLiの化学量論比(Li:(Ni+Mn)=1:2)の1.05倍であった。
塩化リチウムを用いず塩化ナトリウムを用い、合成温度を変更した他は実施例2と同様にして、LiNi0.5Mn1.5O4を合成した。
上記の手順で合成された実施例および比較例のリチウム含有複合酸化物粉末を、走査電子顕微鏡(SEM)を用いて観察した。各リチウム含有複合酸化物粉末の観察結果を、図1〜図5にそれぞれ示した。
実施例1 : 8μm
比較例1−1:950nm
比較例1−2: 80nm(ただし二次粒子は多結晶粒子)
実施例2 :1.3μm
比較例2 :620nm
低温低湿物理吸着によるBET法(吸着質:窒素)を用い、各実施例のリチウム含有複合酸化物粉末の比表面積を測定した。結果は次の通りであった。
実施例1 : 0.61m2/g
比較例1−1: 1.28m2/g
比較例1−2: 3.23m2/g
実施例2 : 0.79m2/g
比較例2 : 1.59m2/g
実施例1および2のリチウム含有複合酸化物粉末を、透過型電子顕微鏡(TEM)で観察し、加速電圧200kVの条件下の制限視野電子線回折を行い、単結晶の同定および評価を行った。一つの粒子全体を制限視野に入れた制限視野電子線回折パターンは、いずれの粒子を観察しても、単結晶の特徴を示す規則的な回折点が観察された。また、一つの粒子における同一の面内の異なる位置から得られる回折パターンは、互いに同一の面指数を示す回折点として観察された。したがって、一次粒子は結晶粒界のない単結晶粒子であることがわかった。
上記の手順で合成された実施例1、比較例1−1および1−2のリチウム含有複合酸化物粉末を、それぞれ正極活物質として用い、三種類の二次電池を作製した。
図1〜図3は、本焼成の温度が異なるLiNi0.5Mn1.5O4粉末のSEM像である。本焼成の温度は、図1(実施例1)が1000℃、図2(比較例1−1)が800℃、図3(比較例1−2)が650℃であった。非常に低温で本焼成を行った比較例1−2では、粗大な粒子を含む粉末が合成されたが、この粒子は、非常に微細な単結晶粒子から構成される多結晶の二次粒子であった。比較例1−2よりも高い温度で本焼成を行った比較例1−1では、微細な単結晶一次粒子が複数集まって二次粒子を形成した。この二次粒子が、単結晶の凝集体であるか単結晶が焼結結合した粗大粒子であるかの判別は困難であるが、二次粒子を構成する一次粒子の平均粒径は1μm未満の微細な粒子であった。さらに高い温度で本焼成を行った実施例1では、1.2〜9.5μm程度の粒径の単結晶一次粒子からなる粉末が得られた。
Claims (6)
- 少なくともリチウム、マンガンおよびニッケルを含み結晶構造がスピネル構造に属するリチウムマンガンニッケル系酸化物からなる単結晶の一次粒子を含み、該一次粒子の平均粒径である平均一次粒径が1μm以上50μm以下のリチウム含有複合酸化物粉末の製造方法であって、
少なくともマンガンおよびニッケルを含む金属含有原料とリチウム水酸化物とを、該金属含有原料に含まれる金属元素に対する該リチウム水酸化物に含まれるリチウムの原子比が、前記リチウムマンガンニッケル系酸化物の金属元素に対するリチウムの化学量論比の1.0倍を超え1.1倍以下となるように調製された反応原料を900℃以上で加熱する加熱反応工程を含むことを特徴とするリチウム含有複合酸化物粉末の製造方法。 - 前記加熱反応工程の前に、少なくともマンガンイオンおよびニッケルイオンを含む水溶液をアルカリ性にして前記金属含有原料を沈殿物として得る金属含有原料合成工程を含む請求項1に記載のリチウム含有複合酸化物粉末の製造方法。
- 前記加熱反応工程は、930℃以上1300℃以下で前記反応原料を加熱する工程である請求項1または2に記載のリチウム含有複合酸化物粉末の製造方法。
- 前記加熱反応工程は、前記金属含有原料と前記リチウム水酸化物とを、該金属含有原料に含まれる金属元素に対する該リチウム水酸化物に含まれるリチウムの原子比が、前記リチウムマンガンニッケル系酸化物の金属元素に対するリチウムの化学量論比の1.05倍以上1.1倍以下となるように調製する工程である請求項1、2または3に記載のリチウム含有複合酸化物粉末の製造方法。
- 請求項1〜4のいずれかに記載のリチウム含有複合酸化物粉末の製造方法において、
前記加熱反応工程は、前記反応原料にさらに塩化リチウムを配合させて、前記金属含有原料をリチウム水酸化物および塩化リチウムの溶融塩中で反応させる工程であり、
さらに、前記加熱反応工程後の前記溶融塩を冷却する冷却工程と、生成された前記リチウムマンガンニッケル系酸化物を冷却後の固形物から回収する回収工程と、を含むことを特徴とするリチウム含有複合酸化物粉末の製造方法。 - 前記金属含有原料に含まれる前記金属元素に対する塩化リチウムに含まれるリチウムの原子比が、前記リチウムマンガンニッケル系酸化物の金属元素に対するリチウムの化学量論比の5倍以上15倍以下である請求項5に記載のリチウム含有複合酸化物粉末の製造方法。
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