JP6207329B2 - 非水二次電池用正極材料及びその製造方法、並びに該非水二次電池用正極材料を用いた非水二次電池用正極合剤層、非水二次電池用正極及び非水二次電池 - Google Patents
非水二次電池用正極材料及びその製造方法、並びに該非水二次電池用正極材料を用いた非水二次電池用正極合剤層、非水二次電池用正極及び非水二次電池 Download PDFInfo
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Description
即ち、本発明は、以下の非水二次電池用正極材料及びその製造方法、並びに該非水二次電池用正極材料を用いた非水二次電池用正極合剤層、非水二次電池用正極及び非水二次電池を包含する。
項1.コア部及び該コア部を被覆するシェル部を備える非水二次電池用正極材料であって、
前記コア部は、一般式(1):
LiNi1−x−y−zCoxMnyMzO2
[式中、MはNi、Co及びMn以外の遷移金属;xは0.2〜0.4;yは0.2〜0.4;zは0〜0.1である。]
で示される組成を有する複合酸化物からなり、
前記シェル部は、Alを含有する材料からなり、
該Alを含有する材料は層状岩塩型の結晶構造を有するリチウムアルミニウム酸化物であり、且つ、
表面から1nmの深さにおけるNi、Co、Mn及びAlの原子濃度をそれぞれCNi1、CCo1、CMn1及びCAl1とし、表面から10nmの深さにおけるNi、Co、Mn及びAlの原子濃度をそれぞれCNi10、CCo10、CMn10及びCAl10とした際に、CAl1と(CNi1+CCo1+CMn1+CAl1)との比:CAl1/(CNi1+CCo1+CMn1+CAl1)が0.3〜0.6であり、CAl10と(CNi10+CCo10+CMn10+CAl10)との比:CAl10/(CNi10+CCo10+CMn10+CAl10)が0.05以下であり、CMn1とCMn10との比:CMn1/CMn10が0.4以下である、
非水二次電池用正極材料。
項2.CCo1とCCo10との比:CCo1/CCo10が0.8以下である、項1に記載の非水二次電池用正極材料。
項3.前記シェル部の含有量が、シェル部を構成する物質の組成がAl2O3であるとして換算した場合に、コア部100重量部に対して、0.3〜1.5重量部である、項1又は2に記載の非水二次電池用正極材料。
項4.項1〜3のいずれかに記載の非水二次電池用正極材料の製造方法であって、
(A)一般式(1):
LiNi1−x−y−zCoxMnyMzO2
[式中、MはNi、Co及びMn以外の遷移金属;xは0.2〜0.4;yは0.2〜0.4;zは0〜0.1である。]
で示される組成を有する複合酸化物粒子に、炭素数3以上のアルキル基を有するアルミニウムアルコキシド、ポリオール類及び塩基を用いたゾルゲル法により、Alを含有する材料で被覆する工程を備える、製造方法。
項5.前記炭素数3以上のアルキル基を有するアルミニウムアルコキシドが、アルミニウムイソプロポキシドである、項4に記載の製造方法。
項6.前記ポリオール類が、ジプロピレングリコールである、項4又は5に記載の製造方法。
項7.前記塩基が、アンモニアである、項4〜6のいずれかに記載の製造方法。
項8.前記工程(A)が、
(a1)一般式(1):
LiNi1−x−y−zCoxMnyMzO2
[式中、MはNi、Co及びMn以外の遷移金属;xは0.2〜0.4;yは0.2〜0.4;zは0〜0.1である。]
で示される組成を有する複合酸化物粒子、炭素数3以上のアルキル基を有するアルミニウムアルコキシド、及びポリオール類を有機溶媒に分散させて分散液を調製する工程、
(a2)前記分散液に塩基及び水を添加し、前記複合酸化物粒子表面にゲル皮膜を形成する工程、及び
(a3)前記ゲル皮膜を形成した酸化物粒子に、ろ過乾燥及び加熱焼成を施す工程を備える、項6〜9のいずれかに記載の製造方法。
項9.項1〜3のいずれかに記載の非水二次電池用正極材料を含む非水二次電池用正極合剤層。
項10.項9に記載の正極合剤層が、正極集電体の片面又は両面に形成されている、非水二次電池用正極。
項11.項10に記載の非水二次電池用正極を備える、非水二次電池。
項12.4.6V以上の高充電電圧で用いる、項11に記載の非水二次電池。
項13.項11又は12に記載の非水二次電池を有する機器。
本発明の非水二次電池用正極材料は、非水二次電池用正極活物質である一般式(1):
LiNi1−x−y−zCoxMnyMzO2
[式中、MはNi、Co及びMn以外の遷移金属;xは0.2〜0.4;yは0.2〜0.4;zは0〜0.1である。]
で示される組成を有する複合酸化物の表面全体を、アルミニウムを含有する材料からなるシェル部で被覆したものである。
本発明の非水二次電池用正極材料に用いるコア部としての複合酸化物粒子は、一般式(1):
LiNi1−x−y−zCoxMnyMzO2
[式中、MはNi、Co及びMn以外の遷移金属;xは0.2〜0.4;yは0.2〜0.4;zは0〜0.1である。]
で示される組成を有する。
本発明では、シェル形成後に加熱してシェル元素と活物質元素が相互に拡散した層を活物質表面近傍に形成する。よって、シェル部を構成する材料としては、活物質と同じ層状岩塩型の結晶構造(LiMO2型の構造(Mは金属))となって固溶できる材料が好ましい。また、充電時には活物質からLiが脱離するが、高電圧充電では特に活物質の表面近傍で過度にLiが減少し、格子歪が増大して結晶構造が不安定になる。これを抑制するため、表面近傍に形成される相互拡散層(シェル部)には充電時にもLiを脱離しない性質が必要であり、そのためには電気化学的に不活性な成分が存在する必要がある。このような観点から、拡散層にはLiAlO2が形成されることが望ましく、LiAlO2を形成するためのシェル材料としてはAlを含有する酸化物が好ましい。
4.6V程度の高電圧充電時には、正極活物質から約80%のリチウム(Li)が脱離している。そのため、正極活物質の特に表面近傍での結晶構造変化が大きくなり、それがサイクル特性の劣化原因になる。
本発明の非水二次電池用正極材料の製造方法としては、上記した条件を満足するシェル部(Alを含有する材料からなる皮膜)を複合酸化物粒子の表面に形成できる方法であれば特に限定はなく適用できる。
(A)一般式(1):
LiNi1−x−yCoxMnyO2
[式中、xは0.2〜0.4;yは0.2〜0.4である。]
で示される組成を有する複合酸化物粒子に、炭素数3以上のアルキル基を有するアルミニウムアルコキシド、ポリオール類及び塩基を用いたゾルゲル法により、Alを含有する材料で被覆する工程
を備えることにより、複合酸化物粒子表面にAlを含有する材料からなる皮膜(シェル部)を非常に均一な皮膜とすることができ、充放電時の抵抗を低減するとともに、結晶構造を十分安定化させることができることを見出した。
(a1)一般式(1):
LiNi1−x−yCoxMnyO2
[式中、xは0.2〜0.4;yは0.2〜0.4である。]
で示される組成を有する複合酸化物粒子、炭素数3以上のアルキル基を有するアルミニウムアルコキシド、及びポリオール類を有機溶媒に分散させて分散液を調製する工程、
(a2)前記分散液に塩基及び水を添加し、前記複合酸化物粒子表面にゲル皮膜を形成する工程、及び
(a3)前記ゲル皮膜を形成した酸化物粒子に、ろ過乾燥及び加熱焼成を施す工程
を備える製造方法とすることが好ましい。
工程(a1)では、具体的には、有機溶媒中に上記アルミニウムアルコキシドを溶解させた後、ポリオール類を添加して攪拌し、次いで、上記した複合酸化物粒子を添加して攪拌することが好ましい。
塩基としては、特に制限されないが、アンモニア、水酸化ナトリウム、ヒドロオキシルアミン、ピリジン等が挙げられ、安全性や取り扱い易さの観点から、アンモニアが好ましい。これらの塩基は、一種単独で用いてもよいし、二種以上を組合せて用いてもよい。
上記した工程(a2)により複合酸化物粒子表面に、ゲル皮膜を形成することができる。これをろ過乾燥及び加熱焼成を施すことにより、このゲル皮膜を重合体皮膜に変え、複合酸化物粒子表面に、非常に均一な皮膜(シェル部)を形成することができる。また、この焼成により、LiAlO2に対するLiNiO2、LiCoO2、及びLiMnO2の固溶性の違いによって、本発明の正極材料の最表面には、Mn及びCoの存在量が少なくなると考えられる。
上記した方法で得られる本発明の正極材料は、非水二次電池用の正極活物質として有効に用いることができる。
非水二次電池の構造については特に限定はなく、上記した本発明の正極材料を含む正極を有するものであればよく、その他の構成及び構造については、従来から知られている非水二次電池で採用されている構成及び構造を適用することができる。通常は、正極、負極、セパレータ及び非水電解質を少なくとも有する非水電解質二次電池とすればよい。
<正極活物質の被覆処理>
アルミニウムトリイソプロポキシド(ATI)1.25質量%を溶解したヘプタン溶液16g(ATI0.2g)に、予めジプロピレングリコール(DPG)とイソプロピルアルコール(IPA)とを35:65の質量比で混合させた溶媒1gを加えて攪拌し、そこにLiNi0.33Co0.33Mn0.33O2活物質粉体(平均粒子径10μm)10gを加えて攪拌分散させた。ここで、分散液中のDPGとATI中のAlのモル比は3:1とした。またATIの仕込み量は、形成される皮膜組成をAl2O3とした場合の活物質に対する質量比(以下、これを「被覆量」と言うこともある)で0.5質量%とした。
被覆処理した正極活物質90質量部と、導電助剤(アセチレンブラック,平均粒子径 50nm)5質量部と、高分子バインダー(PVDF,ポリフッ化ビニリデン)5質量部とを混合して正極合剤とし、これをN−メチル−2−ピロリドン(NMP)に分散させて、正極合剤層形成用ペーストを調製した。この正極合剤層形成用ペーストを、厚みが15μmのアルミニウム箔からなる正極集電体の片面に塗布し、乾燥して正極合剤層を形成し、プレスした後に120℃で乾燥して正極シート材を得た。プレス後の正極合剤層の厚さは40μmとした。この正極シート材を20mm×20mmの面積に打ち抜いて正極とした。
電池の組み立てはアルゴングローブボックスの中で行った。負極にはリチウム金属を用い、セパレータには多孔性のポリプロピレンフィルムを用いた。電池外装体にはアルミラミネートフィルムを用いた。セパレータを介して正極と負極を対向させた積層体を外装体内に装填し、一部を残して外装体の外周を溶着封止した。次に、外装体内にエチレンカーボネートとジエチルカーボ ネートとの体積比3:7の混合溶媒に、LiPF6を1mol/Lの濃度で溶解させた電解液を200μL注入した。注入後に外装体を完全に溶着封止し、非水二次電池を得た。
正極活物質の被覆処理において、被覆量を1質量%とした以外は実施例1と同じ方法で、正極活物質の被覆処理、正極の作製及び電池の組み立てを行った。
正極活物質の被覆処理において、被覆量を1質量%とし、且つ、焼成温度を600℃とした以外は実施例1と同じ方法で、正極活物質の被覆処理、正極の作製及び電池の組み立てを行った。
正極活物質の被覆処理において、被覆量を1質量%とし、且つ、コア部となる活物質粉体として、LiNi0.33Co0.33Mn0.33O2活物質粉体(平均粒子径10μm)ではなく、LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2活物質粉体(平均粒子径10μm)を用いた以外は実施例1と同じ方法で、正極活物質の被覆処理、正極の作製及び電池の組み立てを行った。
正極活物質の被覆処理において、被覆量を1質量%とし、且つ、コア部となる活物質粉体として、LiNi0.33Co0.33Mn0.33O2活物質粉体(平均粒子径10μm)ではなく、LiNi0.3Co0.4Mn0.3O2活物質粉体(平均粒子径10μm)を用いた以外は実施例1と同じ方法で、正極活物質の被覆処理、正極の作製及び電池の組み立てを行った。
正極活物質の被覆処理において、被覆量を1質量%とし、且つ、コア部となる活物質粉体として、LiNi0.33Co0.33Mn0.33O2活物質粉体(平均粒子径10μm)ではなく、LiNi0.5Co0.3Mn0.2O2活物質粉体(平均粒子径10μm)を用いた以外は実施例1と同じ方法で、正極活物質の被覆処理、正極の作製及び電池の組み立てを行った。
正極活物質の被覆処理において、被覆量を1質量%とし、且つ、コア部となる活物質粉体として、LiNi0.33Co0.33Mn0.33O2活物質粉体(平均粒子径10μm)ではなく、LiNi0.3Co0.3Mn0.4O2活物質粉体(平均粒子径10μm)を用いた以外は実施例1と同じ方法で、正極活物質の被覆処理、正極の作製及び電池の組み立てを行った。
正極活物質の被覆処理において、被覆量を1質量%とし、且つ、添加剤として、DPGではなく、エチル3−オキソブタネート(3−オキソ酢酸エチル、EOB)を用いた以外は実施例1と同じ方法で、正極活物質の被覆処理、正極の作製及び電池の組み立てを行った。
正極活物質の被覆処理において、被覆量を1質量%とし、且つ、反応前駆体として、ATIではなく、アルミニウムトリエトキシド(ATE)を用いた以外は実施例1と同じ方法で、正極活物質の被覆処理、正極の作製及び電池の組み立てを行った。
正極活物質の被覆処理において、被覆量を1質量%とし、且つ、添加剤であるDPGを用いなかった以外は実施例1と同じ方法で、正極活物質の被覆処理、正極の作製及び電池の組み立てを行った。
正極活物質の被覆処理において、被覆量を0.25質量%とした以外は実施例1と同じ方法で、正極活物質の被覆処理、正極の作製及び電池の組み立てを行った。
正極活物質の被覆処理において、被覆量を2質量%とした以外は実施例1と同じ方法で、正極活物質の被覆処理、正極の作製及び電池の組み立てを行った。
正極活物質の被覆処理において、被覆量を2質量%とし、且つ、焼成温度を600℃とした以外は実施例1と同じ方法で、正極活物質の被覆処理、正極の作製及び電池の組み立てを行った。
被覆処理をした正極活物質の表面近傍の組成をSTEM−EDX法で分析した。樹脂包埋した活物質を研磨して断面を露出させ、これをFIB(Focused Ion Beem)装置を用いて30nmの厚さまで薄膜化して分析試料とした。分析には球面収差補正STEM装置を用いた。加速電圧は200kVとした。STEM観察とEDX分析によっての活物質表面から1nmの深さの箇所と10nmの深さの箇所の組成を分析し、各々の箇所におけるAl、Ni、Co及びMnの原子濃度を算出した。
(1)初期特性評価
作製した非水二次電池を、20℃で、電池電圧が4.7Vに達するまで0.05C(LiNi0.33Co0.33Mn0.33O2の理論容量278mAh/gを1Cとする)の定電流で充電し、4.7Vに達した後は定電圧で充電電流が0.005C未満になるまで充電した。その後、0.05Cの定電流で電池電圧が2.5Vになるまで放電した。この一連の操作を1サイクルとして繰り返し、3サイクルまでの充放電特性を測定した。
初期特性を測り終えた電池を、20℃で、電池電圧が4.7Vに達するまで1Cの定電流で充電し、4.7Vに達した後は定電圧で充電電流が0.1C未満になるまで充電した。その後、1Cの定電流で電池電圧が2.5Vになるまで放電した。この一連の操作を1サイクルとして、100サイクルまで充放電を繰り返した。そして、(100サイクル目の放電量/2サイクル目の放電容量)×100(%)を放電容量維持率とした。
Claims (13)
- コア部及び該コア部を被覆するシェル部を備える非水二次電池用正極材料であって、
前記コア部は、一般式(1):
LiNi1−x−y−zCoxMnyMzO2
[式中、MはNi、Co及びMn以外の遷移金属;xは0.2〜0.4;yは0.2〜0.4;zは0〜0.1である。]
で示される組成を有する複合酸化物からなり、
前記シェル部は、Alを含有する材料からなり、
該Alを含有する材料は層状岩塩型の結晶構造を有するリチウムアルミニウム酸化物であり、且つ、
表面から1nmの深さにおけるNi、Co、Mn及びAlの原子濃度をそれぞれCNi1、CCo1、CMn1及びCAl1とし、表面から10nmの深さにおけるNi、Co、Mn及びAlの原子濃度をそれぞれCNi10、CCo10、CMn10及びCAl10とした際に、CAl1と(CNi1+CCo1+CMn1+CAl1)との比:CAl1/(CNi1+CCo1+CMn1+CAl1)が0.3〜0.6であり、CAl10と(CNi10+CCo10+CMn10+CAl10)との比:CAl10/(CNi10+CCo10+CMn10+CAl10)が0.05以下であり、CMn1とCMn10との比:CMn1/CMn10が0.4以下である、
非水二次電池用正極材料。 - CCo1とCCo10との比:CCo1/CCo10が0.8以下である、請求項1に記載の非水二次電池用正極材料。
- 前記シェル部の含有量が、シェル部を構成する物質の組成がAl2O3であるとして換算した場合に、コア部100重量部に対して、0.3〜1.5重量部である、請求項1又は2に記載の非水二次電池用正極材料。
- 請求項1〜3のいずれかに記載の非水二次電池用正極材料の製造方法であって、
(A)一般式(1):
LiNi1−x−y−zCoxMnyMzO2
[式中、MはNi、Co及びMn以外の遷移金属;xは0.2〜0.4;yは0.2〜0.4;zは0〜0.1である。]
で示される組成を有する複合酸化物粒子に、炭素数3以上のアルキル基を有するアルミニウムアルコキシド、ポリオール類及び塩基を用いたゾルゲル法により、Alを含有する材料で被覆する工程
を備える、製造方法。 - 前記炭素数3以上のアルキル基を有するアルミニウムアルコキシドが、アルミニウムイソプロポキシドである、請求項4に記載の製造方法。
- 前記ポリオール類が、ジプロピレングリコールである、請求項4又は5に記載の製造方法。
- 前記塩基が、アンモニアである、請求項4〜6のいずれかに記載の製造方法。
- 前記工程(A)が、
(a1)一般式(1):
LiNi1−x−y−zCoxMnyMzO2
[式中、MはNi、Co及びMn以外の遷移金属;xは0.2〜0.4;yは0.2〜0.4;zは0〜0.1である。]
で示される組成を有する複合酸化物粒子、炭素数3以上のアルキル基を有するアルミニウムアルコキシド、及びポリオール類を有機溶媒に分散させて分散液を調製する工程、
(a2)前記分散液に塩基及び水を添加し、前記複合酸化物粒子表面にゲル皮膜を形成する工程、及び
(a3)前記ゲル皮膜を形成した酸化物粒子に、ろ過乾燥及び加熱焼成を施す工程
を備える、請求項4〜7のいずれかに記載の製造方法。 - 請求項1〜3のいずれかに記載の非水二次電池用正極材料を含む非水二次電池用正極合剤層。
- 請求項9に記載の正極合剤層が、正極集電体の片面又は両面に形成されている、非水二次電池用正極。
- 請求項10に記載の非水二次電池用正極を備える、非水二次電池。
- 4.6V以上の高充電電圧で用いる、請求項11に記載の非水二次電池。
- 請求項11又は12に記載の非水二次電池を有する機器。
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