JP6242401B2 - コア材料の元素および1種またはそれ以上の金属酸化物の混合物によってコーティングされたリチウム金属酸化物粒子 - Google Patents
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Description
3の典型的な充填密度が達成される。著者はまた、高い圧縮密度が好ましく、モノリシック、ジャガイモ形、非凝塊形成された一次LiCoO2粒子が得られることを強調する。しかしながら、より大きいモノリシックの粒子を達成するためのより大きいLi:CO過剰の使用は、より低いCレートおよびより低い放電容量とともに低い電気化学的性能をもたらし、これは、粒径増加によって達成されるエネルギー密度増加を相殺する。またそのような高いLi:Co値は、pH、遊離塩基含有量および炭素含有量を増加させ、これは、充電した陰極の安全性、貯蔵および張り出し性を低下させる。Levasseurは、Chem.Mater.,2002,14,3584−3590において、7Li MAS NMRによって明示されるような構造的欠陥濃度の増加と、Li:Co過剰の増加との明白な関係を確立する。
は、群Mg、Ti、Fe、Cu、Ca、Ba、Y、Sn、Sb、Na、Zn、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、Sc、Ce、Pr、Nd、Gd、Dy、ErおよびYbからのいずれか1種またはそれ以上の元素を含んでなり、M’’’は、群F、P、S、Zrからのいずれか1種またはそれ以上の元素を含んでなる)を有する。元素F、PおよびSは、LiF、Li3PO4およびLi2SO4の形態下で表面上に存在してもよい。もう1つの実施形態において、リチウム金属酸化物粉末の表面のM’およびM’’の濃度は、粉末のバルクのM’およびM’’の濃度の少なくとも5倍である。さらにもう1つの実施形態において、M’およびM’’は、Al、Mg、Ti、ならびにNd、NbおよびErのいずれか1種またはそれ以上からなり、Al含有量は0.1〜1モル%であり、Mg含有量は0.1〜1モル%であり、そしてTi含有量は0.1〜0.5モル%である。種々の実施形態のリチウム金属酸化物粉末は、少なくとも5μm、好ましくは少なくとも8μm、およびより好ましくは少なくとも12μmの平均粒径D50を有してもよい。一実施形態において、粉末は、少なくとも15μmの平均粒径D50を有する。
− 第1のCoまたはCoおよびM’を含んでなる、ならびに第1のLiを含んでなる前
駆体粉末の第1の混合物であって、>1.01のLi対金属モル比を有する第1の混合物を提供するステップと、
− 少なくとも600℃の温度T1で、酸素を含んでなる雰囲気で第1の混合物を焼結し、それによって、Liが濃縮されたリチウム金属酸化物化合物を得るステップと、
− 第2のCoまたはCoおよびM’を含んでなる前駆体粉末を提供するステップと、
− Liが濃縮されたリチウム金属酸化物化合物と、第2のCoまたはCoおよびM’を含んでなる前駆体粉末とを混合して、それによって、Li対Mモル比が0.98〜1.01、好ましくは0.99〜1.00である第2の混合物を得るステップと、
− 少なくとも600℃の温度T2で、酸素を含んでなる雰囲気で第2の混合物を焼結するステップと
を含んでなる製造方法を提供することができる。「Liが濃縮された」とは、Li含有量がLiMO2化合物の化学量論的な量より高いことを意味する。この方法で、Liが濃縮されたリチウム金属酸化物化合物のLi対金属モル比は、0.98〜1.01の最終Li対金属比(第2の混合物中)を与えるために、第2の混合物中に混合される第2のCoまたはCoおよびM’を含んでなる前駆体粉末の量を決定するために使用される。
− 第1のCoまたはCoおよびM’を含んでなる、ならびに第1のLiを含んでなる前駆体粉末の第1の混合物であって、>1.01のLi対金属モル比を有する第1の混合物を提供するステップと、
− 少なくとも600℃の温度T1で、酸素を含んでなる雰囲気で第1の混合物を焼結し、それによって、Liが濃縮されたリチウム金属酸化物化合物を得るステップと、
− 第2のCoまたはCoおよびM’を含んでなる前駆体粉末を提供するステップと、
− Liが濃縮されたリチウム金属酸化物化合物と、第2のCoまたはCoおよびM’を含んでなる前駆体粉末とを混合して、それによって、Li対Mモル比が0.98〜1.01、好ましくは0.99〜1.00である第2の混合物を得るステップと、
− 少なくとも600℃の温度T2で、酸素を含んでなる雰囲気で第2の混合物を焼結するステップと
を含んでなり、第1のCoまたはCoおよびM’を含んでなる、第1のLiを含んでなる、ならびに第2のCoまたはCoおよびM’を含んでなる前駆体粉末のいずれか1種またはそれ以上が、Mg、Ti、Fe、Cu、Ca、Ba、Sn、Sb、Na、ZnおよびSiからなる群の少なくとも1種の元素をさらに含んでなり、かつ第1のCoまたはCoおよびM’を含んでなる、第1のLiを含んでなる、ならびに第2のCoまたはCoおよびM’を含んでなる前駆体粉末のいずれか1種またはそれ以上が、4d遷移金属および希土類金属からなる群の少なくとも1種の金属をさらに含んでなる製造方法を提供することができる。この方法で、Liが濃縮されたリチウム金属酸化物化合物のLi対金属モル比は、0.98〜1.01の最終Li対金属比(第2の混合物中)を与えるために、第2の混合物中に混合される第2のCoまたはCoおよびM’を含んでなる前駆体粉末の量を決定するために使用される。CoおよびM’を含んでなる前駆体が少なくとも1種のNまたはN’ドーパントをさらに含んでなることを記載することによって、この粉末が化合物、例えば、Co3O4およびAl2O3、ならびにNまたはN’前駆体、例えば、TiO2、ZrO2およびMgOの混合物からなることを意味することもできる。同様に、Liを含
んでなる前駆体は、例えば、Li2CO3およびTiO2およびMgOの混合物であってもよい。また、表面層がN’をベースとする酸化物を含んでなる方法の実施形態において、N’は、Y、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、Sc、Ce、Pr、Nd、Gd、DyおよびErからなる群のいずれか1種またはそれ以上でもよい。さらなる実施形態において、第1のCoまたはCoおよびM’を含んでなる、ならびに第1のLiを含んでなる前駆体粉末の第1の混合物であって、>1.01のLi対金属モル比を有する第1の混合物を提供するステップにおいて、Li対金属モル比は1.02〜1.12である。
− 少なくとも600℃の温度T1で、酸素を含んでなる雰囲気で第1の混合物を焼結し、それによって、Liが濃縮されたリチウム金属酸化物化合物を得るステップと、
− Liが濃縮されたリチウム金属酸化物化合物と、4d遷移金属および希土類金属からなる群のいずれか1種またはそれ以上の金属の酸化物または塩とを混合して、それによって、第2の混合物を得るステップと、
− 第2のCoまたはCoおよびM’を含んでなる前駆体粉末を提供するステップと、
− 第2の混合物と、第2のCoまたはCoおよびM’を含んでなる前駆体粉末と、Mg、Ti、Fe、Cu、Ca、Ba、Sn、Sb、Na、ZnおよびSiからなる群の少なくとも1種の元素の酸化物とを混合して、それによって、Li対Mモル比が0.98〜1.01、好ましくは0.99〜1.00である第3の混合物を得るステップと、
− 少なくとも600℃の温度T2で、酸素を含んでなる雰囲気で第3の混合物を焼結するステップと
を含んでなる製造方法を提供することができる。本代替の一実施形態において、4d遷移金属および希土類金属からなる群の少なくとも1種の金属は、Zr、Nb、ErおよびNdからなる群に属している。もう1つの実施形態において、4d遷移金属および希土類金属からなる群のいずれか1種またはそれ以上の金属の塩は、水和硝酸塩からなる。これらの代替実施形態において、第3の混合物は、Li2CO3をさらに含んでなってもよい。また、これらの代替実施形態において、第2の混合物と、第2のCoまたはCoおよびM’を含んでなる前駆体粉末と、Mg、Ti、Fe、Cu、Ca、Ba、Sn、Sb、Na、ZnおよびSiからなる群の少なくとも1種の元素の酸化物とを混合するステップは、第2の混合物をCo3O4、MgO、Al2O3およびTiO2と混合することを含む。
。Liが濃縮されたリチウム金属酸化物および第2のMを含んでなる前駆体粉末の粒子は、第2の燃焼時にバイモーダル粒径分布を保持する。さらにもう1つの実施形態において、バイモーダル粒径粉末の圧縮密度は、Liが濃縮されたリチウム金属酸化物の圧縮密度よりも少なくとも0.1g/cm3高い。
)、TiO2、Li2TiO3、SiO2、LiεSiλOπ(2≦ε≦8、1≦λ≦2および3≦π≦7)、Li2ZrO3、Li6Zr2O7、LiNbO3、LiNdO2、LiErO2であることを考察する。これらの仮定は、XPS実験によって支持され、Co、MgおよびTi、Al、Zr、Er、Nd、Nbに関して観察される結合エネルギーは酸素環境で典型的であり、そして上記の酸化物の粒子の低い電気伝導率は、より強い絶縁体であることが予想される。CoおよびM’(Al、B、Ga)の結合エネルギーは、トリゴナルR−3m結晶系で記載されるLiMO2に見出されるOおよびLi環境で典型的である。コア材料(Li、M、O)の元素、ならびに無機N−およびN’をベースとする酸化物の混合物からなる表面層が記載される場合、「N−またはN’−をベースとする」酸化物は、Li原子を組み込むそれらの酸化物も意味する。
(i)表面は、LiOHおよびLi2CO3などのリチウム塩が実質的に存在しない。そのような特徴は、張り出し性および貯蔵特性が相当に改善されるため、ハイエンドポリマーまたはプリズムセルなどの特に高密度高圧用途で望ましい。
(ii)驚くべきことに、NおよびN’が濃縮された表面粒子は、電子遮断特性も特徴としている。著者は、酸化したNおよびN’をベースとする種の蓄積は、低い電子伝導率の原因となり、そして電解質からの物理的分離をもたらし、さらに望ましくない副反応を防止することを考察する。
(i)NおよびN’含有量:NおよびN’含有量が増加する時に、厚さは増加する。
(ii)粉末材料の粒径分布。所与の量のNおよびN’に関して、粒径が小さいほど、表面層は薄い。増加する分極化の増加、そして最終的にはより低いレート性能をもたらすため、非常に厚い層は望ましくない。逆に、電解質に対する不良な遮蔽を提供し、そして外的な反応を防止する際に効率的ではないため、薄すぎる層も不都合である。
化物との混合物からなり、Nが、Mg、Ti、Fe、Cu、Ca、Ba、Y、Sn、Sb、Na、Zn、ZrおよびSiからなる群のいずれか1種またはそれ以上の金属であり、かつN’が、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、Sc、Ce、Pr、Nd、Gd、DyおよびErからなる群のいずれか1種またはそれ以上の金属である、リチウム金属酸化物粉末製造のための方法実施形態において、
この方法は、
(i)第1のCoまたはCoおよびM’を含んでなる、ならびに第1のLiを含んでなる前駆体粉末の第1の混合物であって、>1.01のLi対金属モル比を有する第1の混合物を提供するステップと、
(ii)少なくとも600℃の温度T1で、酸素を含んでなる雰囲気で第1の混合物を焼結し、それによって、Liが濃縮されたリチウム金属酸化物粉末を得るステップと、
(iii)第2のCoまたはCoおよびM’を含んでなる前駆体粉末を提供するステップと、
(iv)Liが濃縮されたリチウム金属酸化物化合物と、第2のCoまたはCoおよびM’を含んでなる前駆体粉末とを混合して、それによって、Li対Mモル比が0.98〜1.01、好ましくは0.99〜1.00である第2の混合物を得るステップと、
(v)少なくとも600℃の温度T2で、酸素を含んでなる雰囲気で第2の混合物を焼結するステップと
を含んでなり、Liが濃縮されたリチウム金属酸化物粉末、第1のCoまたはCoおよびM’を含んでなる、第1のLiを含んでなる、ならびに第2のCoまたはCoおよびM’含んでなる前駆体粉末のいずれか1種またはそれ以上が、Mg、Ti、Fe、Cu、Ca、Ba、Y、Sn、Sb、Na、Zn、ZrおよびSiからなる群の少なくとも1種の元素をさらに含んでなり、同一またはもう1種の前駆体が、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、Sc、Ce、Pr、Nd、Gd、DyおよびErからなる群の少なくとも1種の金属を含んでなる。
、Na、Zn、Zr、Si、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、Sc、Ce、Pr、Nd、Gd、DyおよびErからなるN、N’ドーパント元素群の少なくとも1種の元素をさらに含んでなる場合に改善される。N、N’元素を含んでなる適切な化合物の例は、サブミクロン粒径を有する酸化物(例えば、MgO、TiO2、SiO2)、フルオライト(例えば、MgF2)である。N’元素を含んでなる適切な化合物の例は、好ましくは、サブミクロン酸化物粉末、例えば、ZrO2、Nb2O5、Nd2O3、Er2O3、水和硝酸塩、例えば、Nd(NO3)3・6H2OおよびEr(NO3)3・5H2Oおよびフッ化物である。
− 少なくとも2つの寄与を含有するNMRシグナル、
− 粒子の表面の多量のリチウム塩および炭素、
− 10−4S/cm2より高い電気伝導度、
− 低い電気化学的性能、すなわち、低いCレートおよび低い放電容量
をさらに特徴とする。
− 約0ppmを中心とする独特のNMR寄与、
− 粒子の表面の極めて低い量のリチウム塩および炭素、
− 10−5S/cm未満の電気伝導度、
− 改善された電気化学的性能、すなわち、高いCレートおよび高い放電容量
を特徴とする。
01の範囲にあることを意味する。著者は、目標とされたLi:Mが1.01より高い場合、電気化学的性能、例えば、より低い放電容量およびより低い高圧安定性、ならびに物理的特性、例えば、塩基含有量および炭素含有量の増加が、得られる材料で劣っていることを観察した。同様に、目標とされたLi:Mが0.98より低い場合、材料は、非常に良好な高圧安定性を保持するが、2つの望ましくない効果を受ける:(i)より少ない活物質が入手可能であり、かつ放電容量は低下する、ならびに(ii)コバルトをベースとする尖晶石で濃縮された表面は粒子の表面で形成され、それはセル分極化を増加させる。
電気伝導度の測定は、4プローブ構造で、63.7MPaの印加圧力下で実行される。明細書および請求項において、63.7MPaの実際の圧力が印加された時に、丸められて63MPaの値が記載される。
測定のために、160mAh/gの比容量を選択する。例えば、2Cの放電に関して、320mA/gの比電流を使用する。以下の表は、この明細書中で全てのコインセルに使用される試験の説明である。
不可逆性容量Qirr(%)は、((CQ1−DQ1)/CQ1)×100である。
レート性能は、それぞれ、0.1CでのDQに対する0.2、0.5、1、2および3CのDQの比によって定義され、変換されて、%で表される。
100サイクルあたりの0.1Cでの%で表される容量低下レートは、以下の通り計算される:(1−(DQ31/DQ7))×100/23。同様に、100サイクルあたりの1Cでの容量低下レートは:(1−(DQ32/DQ8))×100/23である。
0.1Cおよび1Cでのエネルギー低下レートは、容量低下レートと同様の方法で算出されるが、放電容量DQの代わりに、放電エネルギー(DQ×平均放電電圧として定義される)が計算に使用される。
分極化はサイクル1で測定されて、第1の充電と第1の放電との間の平均電圧間の差異として定義される。
7Liマジックアングルスピニング(MAS)NMRスペクトルは、標準2.5mm Bruker MAプローブを用いて、116MHz(7.05T magnet)でBruker 300 Avance分光計で記録する。シングルパルスとHahnエコーシーケンスの組み合わせは、MAS条件(30kHzスピニング速度)で使用される。tπ/2=2.0μ秒のシングルパルスシーケンスは、分光計の待ち時間のため、sin(x
)/xベースライン補正によるファーストオーダーフェージングプロセスを必要とする。ローターシンクロナイズドHahnエコーシーケンス(tπ/2−τ1−tπ−τ2)(τ1=τ2は、1ローター期間、すなわち、33.33マイクロ秒に等しい)を使用して、全てのシグナルの位相調整を促進し、そして、電子スピンとの相互作用を焦点を定めている間のレシーバー待ち時間の間失われる可能な非常に広範囲にわたるシグナルの観察を確実にする。90°パルス持続はtπ/2=2.0μ秒に等しい。100秒のリサイクル時間が使用される。ppmで表される等方性化学シフトは、外部参照としてH2O中に溶解される1M LiClを使用して得られる。
Li:Co化学量論的に制御されたリチウムコバルトをベースとする酸化物の調製
これらの実施例は、約−0.5ppmを中心とするシングルLi寄与によって特徴決定される7Li MAS NMRスペクトルおよび増加したT1スピン−格子緩和時間を特徴とする、Li:Co化学量論的に制御された、ドーピングされたリチウムコバルトをベースとする酸化物が、高電圧サイクリング安定性によっても特徴づけられることを実証する。改善された安定性、シングル寄与7Li MAS NMRスペクトルおよびより長いT1は、リチウム対金属比を最適化することによって得られる。
実施例1および2の特徴決定は、Liが化学量論的に制御される、すなわち、1.00±0.01のLi/Co比を有するLiCoO2をベースとする陰極材料であって、Li原子が、3価反磁性金属によって取り囲まれる単一部位を占有するコアを含んでなり、そしてコア材料(Li、Co)の元素ならびにMgおよびTiを含んでなる無機金属酸化物を含んでなる電子遮断表面を有する陰極材料は、高圧用途のために改善された特徴を示すことを実証する。
実施例2の調製(Ex2と記載):94モル%のLCO−1および6モル%の0.25モル%Tiおよび0.5モル%MgドーピングCo(OH)2(それぞれ94.28重量%および5.72重量%に相当する)を、0.990±0.002の最終Li:Coモル比を目標として混合する。均一な混合物をアルミナるつぼに配置して、一定空気流下で925℃で12時間加熱した。冷却後、得られた粉末(Ex2)をふるいがけし、特徴決定する。Ex2の平均粒径は20μmであることが見出される。
実施例3の特徴決定は、Liが化学量論的に制御されるLiCoO2をベースとする陰極材料であって、Li原子が、3価反磁性金属によって取り囲まれる単一部位を占有し、CoがAl3+によって部分的に置換されるコアを含んでなり、そしてコア材料(Li、CoおよびAl)の元素ならびにMgおよびTiを含んでなる無機金属酸化物を含んでなる電子遮断表面を有する陰極材料は、改善された高圧用途特徴および高い圧縮密度を示すことを実証する。
実施例4の特徴決定は、Liが化学量論的に制御されるLiCoO2をベースとする陰極材料であって、Liが、3価反磁性金属によって取り囲まれる単一部位を占有するコアを含んでなり、そしてコア材料(Li、Co)の元素ならびにMgおよびTiを含んでなる無機金属酸化物を含んでなる電子遮断表面を有する陰極材料は、高いCレートおよび高平均電圧の維持が必要とされる高動力用途で適切であることを実証する。
実施例5の特徴決定は、1.00±0.01のリチウム化学量論を目標とする場合、高い電気化学的性能のみが達成されることを実証する。リチウム過化学量論は、通常到達水
準のLiCoO2をベースとする材料で観察され、これは放電容量、Cレートおよび高電圧安定性の系統的減損を導く。
本発明によって調製されたリチウムコバルトをベースとする酸化物の物理的および電気化学的特性の変化は、Li:M化学量論を制御し、調整するために使用される第2の燃焼の前後に特徴決定される。
表面像形成は、走査電子顕微鏡(SEM)を使用して実行され、図1に示される。全ての試料は、第2の燃焼の前後にモノリシック粒子形態学を特徴とする。第2の燃焼ステップの後、粒子の表面は明らかな変化を受ける:LCO−1、LCO−3およびLCO−4の表面は、ダストおよび細片で覆われ、これは第2の燃焼後のEx1、Ex2、Ex3お
よびEx4の平滑な表面と対照的である。
リチウムコバルトをベースとする酸化物の結晶構造は、X線回折によって調査する。LCO−1および実施例1のXRDパターンを図2に示す。全てのピークは、層状LiCoO2相で典型的な通常の格子定数a=2.815Åおよびc=14.05Åを有する菱面体セルを使用してR−3m空間群で示される。不純物相、すなわち、コバルトをベースとする酸化物Co3O4およびCoOは観察されない。同様の構造モデルおよび同様の格子パラメーターを使用して、同様にLCO−3、LCO−4、Ex3およびEx4のXRDパターンは解釈される。LiOHおよびLi2CO3などの大きい表面塩基含有量を含有しているが、LCO−1、LCO−3およびLCO−4のXRDパターンでは、そのような化合物を識別することが不可能であり、このことは、それらの含有量がXRD検出限界の下にあり、かつ/または表面塩基が非晶質形であることを暗示する。
139,Issues 1−2,2 January 2001,Pages 47−56およびGaudin et al.,J.Phys.Chem.B,2001,105,8081−8087)と良好に一致する。
種々の材料の表面塩基および炭素含有量を表2に記載する。塩基および炭素含有量は、LCO−1、LCO−3およびLCO−4比較して、Ex1、Ex2、Ex3およびEx4に関して、第2の燃焼後に強く減少する。この結果は、SEMで示すように、LCO−1、LCO−3およびLCO−4の表面は、LiOHおよびLi2CO3などの未反応の過剰なLi塩で部分的に覆われ、Ex1、Ex2、Ex3およびEx4の表面は、そのような不純物をほとんど含まないことを支持する。
LCO−1およびEx1の粒子の表面の化学組成は、XPSによって調査された。フルスケールXPSスペクトルを図4aおよび4bに示し、LCO−1およびEx1の定量的結果に関しては表3に記載する。
−リチウム1s、酸素1sおよび炭素1s XPSスペクトルは、図5(b)および5(d)(Li1s)、ならびに図6(a)および6(c)(O1s)、ならびに図6(b)および6(d)(C1s)で示される。Li2CO3からの激しいピークは、それぞれ、55.7eV、532eVおよび290.2eVを中心とするLi1s、O1sおよびC1sの特徴的な結合エネルギーによってLCO−1に関して観察される。Li2COは、LCO−1粒子の表面で26原子%であると推定される。これらの寄与はEx1で存在せず、このことは、粒子の表面にはリチウム塩がほとんどないことを暗示する。
−図5dに示されるように、約50eVの良好に解像されたMg2p XPSピークはEx1に関してのみ観察される。LCO−1およびEx1は、約0.005に等しい同一のMg:Co比を特徴とするが、Ex1の表面で測定されるMg:Co比は約0.37であり、LCO−1より約2桁高くなることが示される。MgO様環境は、図7(c)で示されるように、300〜400eVの範囲で観察される典型的なMg KLL Auger構造によって確認される(Davoisne et al.,Astronomy an
d Astrophysics,2008,482,541を参照のこと)。LCO−1の表面のマグネシウムの不在は、マグネシウムがLCO−1の構造内に残存することを暗示する。
−図7(a)および7(b)は、両試料に関して、それぞれ、458.5および464eVにおける2成分Ti2p3/2およびTi2p5/2を有するTi2pのXPSスペクトルを示す。これらの結合エネルギーは、6倍酸素環境におけるTi4+の排除的な存在と良好に一致する(Tanaka et al.,Corrosion Science,2008,50,2111およびEl Ouatani et al.,Journal of The Electrochemical Society,2009,156,A4687も参照のこと)。本系のTi4+の可能なホスト構造は、TiO2およびLi2TiO3である。同様に、LCO−1およびEx1の表面で測定されたTi:Co比は0.1に近く、Ti:Coブレンド比(約0.0025)の40倍より高い。またLCO−1と比較して、Ex1粒子の表面のTi量はわずかに高い。
種々の材料の電気伝導度は表4に記載される。
i)7Li NMRにより明らかであるようにバルク構造的欠陥の低下(下記参照)、
これによって、Li:Co=1.00を有するLi化学量論的LiCoO2のバンド遮断特性を向上させる。
ii)Ex1、Ex2、Ex3およびEx4の第2の燃焼の間に生じるCo、MgおよびTi酸化物をベースとする種の遮断によるLiCoO2粒子のその場コーティング。後者は、それぞれ、10−8S/cmおよび6.02*10−7S/cm未満であると測定される商業的に入手可能なMgO(Kyowa Chemicals)およびTiO2(Cosmo Chemicals KA300)の非常に低い電気伝導度によって支持される。コバルトをベースとする尖晶石不純物を含有するEx2に関連して、Co3O4の伝導率が10−6S/cm未満であることは一般に受け入れられる。
ペアレント相および実施例の圧縮密度を測定し、結果を表5に示す。
。驚くべきことに、Ex3は2つの寄与の質量中心が約3および18μmである第2の燃焼後のバイモーダル粒径分布を保持する。2つのGaussian関数で実験データに適合することによって決定される3μm寄与の体積フラクションは、3および18μmの粒子の初期の組成と良好に一致して、13%に達する。3および18μmの粒子の凝塊形成は、第2の燃焼時には生じず、これは、2つの要因の一方または両方によって防がれると考えられる:(a)XPSによって以前明らかにされた通り、粒子の表面のMgおよびTi種の蓄積、ならびに(b)「リチウムフラックス効果」によって粒子のさらなる成長を防ぐリチウム化学量論の制御。過剰なリチウム(最終Li:Co>1.01)で、ならびにMgおよびTiドーパントなしで再燃焼される試料のバイモーダル分布を維持する努力は失敗し、そして大きい粒子凝塊形成および融合が観察され、圧縮密度のより強い減少がもたらされる。
LCO−1に関しては図9、Ex1に関しては図10、Ex2に関しては図12、LCO−3に関しては図13、Ex3に関しては図14、LCO−4に関しては図15、そしてEx4に関しては図16に、種々の実施例の7Liマジックアングルスピニング核磁気共鳴(MAS NMR)スペクトルを示す。2つの型のパターンを識別することができる:
− LCO−1、LCO−3およびLCO−4は、複数の寄与を有する複雑な7Li MAS NMRパターンを有する。約−0.5ppmを中心とする主要な反磁性寄与および関連するスピニング側波帯に加えて、LCO−1スペクトルは、約185ppm、5ppm、−7ppmおよび−16ppmで複数の常磁性寄与を特徴とし、リチウムイオンに関していくつかの異なる常磁性電子−スピン金属環境を示す。
− 他方では、Ex1、Ex2、Ex3およびEx4は、−0.5ppm±0.25ppmを中心とするLi共鳴および関連するスピニング側波帯を特徴とする。
− S.Levasseur,Chem.Mater.2003,15,348−354に記載の通り、層状リチウムコバルトをベースとする酸化物の過リチウム化は、局所的電荷保存のため、正四角錐形状を占有し、かつ中間体常磁性スピン状態構造を有し、不対電子が軌道にあるCo3+イオンを導く、酸素不足の存在を好む。
− 種々のスピンおよび原子価状態のコバルトイオンの存在を誘導するドーパントの効果。例えば、最近の研究で、LiCoO2においてCo3+をMg2+で置換することは、実質的な酸素不足をもたらすことが示された(Luo et al.,J.Electrochem.Soc,2010,157,782を参照のこと)。同様に、この酸素不足は、常磁性中間体スピン状態Co3+イオンの存在を好む。局所的電荷保存理由のため、Ti4+原子価状態に存在する場合、CoのためのTi置換は、Ti3+常磁性不純物またはCo2+常磁性不純物も誘導するということを合理的に仮定することもできる。
論的に制御されたLiCoO2を含んでなることを確立する。
実施例1〜4の電気化学的性能を表7に示す。電気化学的特性は、LCO−1、LCO−3およびLCO−4と比較して予想外に改善される。4.3Vにおいて、Ex1、Ex2、Ex3およびEx4は、LCO−1、LCO−3およびLCO−4と比較して、非常に小さい不可逆性容量およびより良好なレート性能を示す。Ex1、Ex2、Ex3およ
びEx4の4.5V高圧性能は向上し、非常に高い容量および非常に良好なサイクル寿命を特徴とする。Ex1、Ex2、Ex3およびEx4の4.6V性能は、40%未満の1Cにおける容量低下によって特別であり、これは著者知識の範囲で文献に無比である。これらのデータは、7Li MAS NMRによって明示されるような相対的に低い欠陥濃度と、化学量論的に制御されたLiCo1−xMxO2の改善された高圧特性との間の完全な相関を示す。
本実施例は、ZrまたはNbなどの4d元素ならびにNdおよびErなどの希土類元素を含む他の表面組成物が可能なことを実証する。Li:M=1.00±0.01およびMg、Ti、Zr、Nb、NdおよびErを含有する遮断表面を有する試料は、非常に良好な高圧特性を有する。
実施例6aは、第1のステップで、LCO−6をナノサイズZrO2粉末と混合することによって調製される。第2のステップにおいて、89.046重量%のLCO−6/ZrO2および10.954重量%のCo3O4(平均粒径3μm)を混合する。Co3O4、Li2CO3、Al2O3、TiO2およびMgO粉末は、以下の最終モル比を調節するために添加される:Li:(Co+Al)=1.000、ならびにAl=0.180モル%、Ti=0.283モル%、Mg=0.348モル%およびZr=0.200モル%(Co含有量に対して表される)。均一な混合物をアルミナるつぼに配置し、一定空気流下で12時間980℃で加熱する。冷却後、得られた粉末(Ex6a)をふるいがけし、特徴決定する。Ex6aの平均粒径は16μmであることが見出され、そして図4に示されるものと同様にバイモーダル分布が得られる。
この実施例は、MgおよびTIを含まないLi1.00CoO2は、Ex1〜6と比較して、非常に高い放電容量および良好なレート性能を有するが、遮断保護層が形成されず、より高い電子伝導率および低い高圧サイクル安定性を有することを実証する。
本実施例は、マグネシウム含有量が増加した時、表面層の遮断性が増加することを実証する。Li1.00CoO2コアの表面層の遮断性を増加させることによって、材料の安全性を改善することができる。
実施例9の調製:89.046重量%のLCO−6および10.954重量%のCo3O4(平均粒径3μm)を混合することによって調製される。Co3O4、Li2CO3、
Al2O3、TiO2およびMgO粉末に、以下の最終モル比を調節するために添加される:Li:(Co+Al)=1.000、ならびにAl=0.180モル%、Ti=0.283モル%、Mg=0.348モル%(Co含有量に対して表される)。大量生産装置を使用して、均一な混合物をアルミナるつぼに配置し、一定空気流下で12時間980℃で加熱する。冷却後、得られた粉末(Ex9)をふるいがけし、特徴決定する。Ex9の平均粒径は16μmであることが見出され、バイモーダル分布が得られる。
Claims (36)
- コア材料と表面層とからなり、前記コア材料がLi、金属Mおよび酸素の元素からなる層状結晶構造を有し、Li対Mのモル比が0.98〜1.01であり、前記金属Mが式M=Co1−aM’aを有し、0<a≦0.03であり、M’は、Al、GaおよびBからなる群のいずれか1種またはそれ以上の金属であり、かつ前記表面層が、コア材料の前記元素と、無機NおよびN’をベースとする酸化物との混合物からなり、Nが、Mg、Ti、Fe、Cu、Ca、Ba、Sn、Sb、Na、ZnおよびSiからなる群のいずれか1種またはそれ以上の金属であり、かつN’が、4d遷移金属および希土類金属からなる群のいずれか1種またはそれ以上の金属である、再充電可能電池において陰極材料として使用するためのリチウム金属酸化物粉末。
- N’が、Y、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、Sc、Ce、Pr、Nd、Gd、Dy、YbおよびErからなる群のいずれか1種またはそれ以上の金属である、請求項1に記載のリチウム金属酸化物粉末。
- 少なくとも5μmの平均粒径D50を有する、請求項1または2に記載のリチウム金属酸化物粉末。
- 前記表面層の厚さが100nm未満である、請求項1または2に記載のリチウム金属酸化物粉末。
- 前記表面層が、2000ppm未満のLiF、Li3PO4およびLi2SO4のいずれか1種またはそれ以上をさらに含んでなる、請求項1または2に記載のリチウム金属酸化物粉末。
- 前記コア材料の前記金属が反磁性である、請求項1または2に記載のリチウム金属酸化物粉末。
- 前記コア材料中、Liが3価反磁性金属によって取り囲まれる結晶学的部位を占有する、請求項6に記載のリチウム金属酸化物粉末。
- 少なくとも3.40g/cm3の圧縮密度を有する、請求項1または2に記載のリチウム金属酸化物粉末。
- 25℃で、0.1Cの放電レートで、Li+/Liに対して3.0〜4.6でサイクルされる陰極の活性成分として使用される場合、少なくとも200mAh/gの可逆性電極容量を有する、請求項1または2に記載のリチウム金属酸化物粉末。
- 60%未満の1Cレート容量低下値を有する、請求項9に記載のリチウム金属酸化物粉末。
- M’がAlからなり、前記Al含有量が0.1〜1モル%であり、NがMgおよびTiからなり、前記Mg含有量が0.1〜1モル%であり、前記Ti含有量が0.1〜0.5モル%であり、かつN’が、Zr、Nd、ErおよびNbのいずれの1つからなり、前記N’含有量が0.1〜1モル%である、請求項1または2に記載のリチウム金属酸化物粉末。
- 50μmol/g未満の全塩基含有量を有する、請求項1または2に記載のリチウム金属酸化物粉末。
- 50ppm未満の炭素含有量を有する、請求項1または2に記載のリチウム金属酸化物粉末。
- 10−4S/cm未満の電気伝導度を有する、請求項1または2に記載のリチウム金属酸化物粉末。
- 前記表面層にはLi2CO3およびLiOHが実質的にない、請求項1または2に記載のリチウム金属酸化物粉末。
- 前記粉末が、小さい粒径フラクションがD50≦5μmを有し、かつ3〜20体積%であり、大きい粒径フラクションがD50≧12μmを有するバイモーダル粒子形状分布を有する、請求項1または2に記載のリチウム金属酸化物粉末。
- 前記粉末が、小さい粒径フラクションのモードおよび大きい粒径フラクションのモードの比率が1/3未満であるバイモーダル粒子形状分布を有する、請求項1または2に記載のリチウム金属酸化物粉末。
- 前記コア材料には、酸素空孔、および前記コアの層状結晶構造のMO2層中のMに対するLi置換が実質的にない、請求項1または2に記載のリチウム金属酸化物粉末。
- 前記コア材料が、常磁性金属、例えば、Co2+、ならびに中間体スピンCo3+およびCo4+を実質的に含まない、請求項1または2に記載のリチウム金属酸化物粉末。
- コア材料と表面層とからなり、前記コア材料がLi、金属Mおよび酸素の元素からなる層状結晶構造を有し、Li対Mのモル比が0.98〜1.01であり、前記金属Mが式M
=Co1−aM’aを有し、0<a≦0.03であり、M’は、Al、GaおよびBからなる群のいずれか1種またはそれ以上の金属であり、かつ前記表面層が、前記コア材料の前記元素と、無機NおよびN’をベースとする酸化物との混合物からなり、Nが、Mg、Ti、Fe、Cu、Ca、Ba、Sn、Sb、Na、ZnおよびSiからなる群のいずれか1種またはそれ以上の金属であり、かつN’が、4d遷移金属および希土類金属からなる群の少なくとも1種の金属であるリチウム金属酸化物粉末の製造方法であって、
− 第1のCoまたはCoおよびM’を含んでなる、ならびに第1のLiを含んでなる前駆体粉末の第1の混合物であって、>1.01のLi対M金属モル比を有する第1の混合物を提供するステップと、
− 少なくとも600℃の温度T1で、酸素を含んでなる雰囲気で前記第1の混合物を焼結し、それによって、Liが濃縮されたリチウム金属酸化物化合物を得るステップと、
− 第2のCoまたはCoおよびM’を含んでなる前駆体粉末を提供するステップと、
− 前記Liが濃縮されたリチウム金属酸化物化合物と、前記第2のCoまたはCoおよびM’を含んでなる前駆体粉末とを混合して、それによって、Li対Mモル比が0.98〜1.01である第2の混合物を得るステップと、
− 少なくとも600℃の温度T2で、酸素を含んでなる雰囲気で前記第2の混合物を焼結するステップと
を含んでなり、前記第1のCoまたはCoおよびM’を含んでなる、前記第1のLiを含んでなる、ならびに前記第2のCoまたはCoおよびM’を含んでなる前駆体粉末のいずれか1種またはそれ以上が、Mg、Ti、Fe、Cu、Ca、Ba、Sn、Sb、Na、ZnおよびSiからなる群の少なくとも1種の元素をさらに含んでなり、かつ前記第1のCoまたはCoおよびM’を含んでなる、前記第1のLiを含んでなる、ならびに前記第2のCoまたはCoおよびM’を含んでなる前駆体粉末のいずれか1種またはそれ以上が、4d遷移金属および希土類金属からなる群の少なくとも1種の金属をさらに含んでなる製造方法。 - コア材料と表面層とからなり、前記コア材料がLi、金属Mおよび酸素の元素からなる層状結晶構造を有し、Li対Mのモル比が0.98〜1.01であり、前記金属Mが式M=Co1−aM’aを有し、0≦a≦0.05であり、M’は、Al、GaおよびBからなる群のいずれか1種またはそれ以上の金属であり、かつ前記表面層が、前記コア材料の前記元素と、無機NおよびN’をベースとする酸化物との混合物からなり、Nが、Mg、Ti、Fe、Cu、Ca、Ba、Sn、Sb、Na、ZnおよびSiからなる群のいずれか1種またはそれ以上の金属であり、かつN’が、4d遷移金属および希土類金属からなる群の少なくとも1種の金属であるリチウム金属酸化物粉末の製造方法であって、
− 第1のCoまたはCoおよびM’を含んでなる前駆体粉末、ならびに第1のLiを含んでなる前駆体粉末の第1の混合物であって、>1.01のLi対M金属モル比を有する第1の混合物を提供するステップと、
− 少なくとも600℃の温度T1で、酸素を含んでなる雰囲気で前記第1の混合物を焼結し、それによって、Liが濃縮されたリチウム金属酸化物化合物を得るステップと、
− 前記Liが濃縮されたリチウム金属酸化物化合物を、4d遷移金属および希土類金属からなる群の少なくとも1種の金属の酸化物または塩と混合し、それによって第2の混合物を得るステップと、
− 第2のCoまたはCoおよびM’を含んでなる前駆体粉末を提供するステップと、
− 前記第2の混合物と、前記第2のCoまたはCoおよびM’を含んでなる前駆体粉末とを混合して、それによって、Li対Mモル比が0.98〜1.01である第3の混合物を得るステップと、
− 少なくとも600℃の温度T2で、酸素を含んでなる雰囲気で前記第3の混合物を焼結するステップと
を含んでなり、前記第1のCoまたはCoおよびM’を含んでなる、前記第1のLiを含んでなる、ならびに前記第2のCoまたはCoおよびM’を含んでなる前駆体粉末のいず
れか1種またはそれ以上が、Mg、Ti、Fe、Cu、Ca、Ba、Sn、Sb、Na、ZnおよびSiからなる群の少なくとも1種の元素をさらに含んでなる製造方法。 - 前記第2のCoまたはCoおよびM’を含んでなる前駆体粉末を提供するステップが、− 第3のCoまたはCoおよびM’を含んでなる前駆体粉末を提供するサブステップと、
− 第2のLiを含んでなる前駆体粉末を提供するサブステップと、
− 0.9未満のLi対金属モル比を有する前記第2のLiを含んでなる前駆体粉末が得られるように、前記第3のCoまたはCoおよびM’を含んでなる前駆体粉末を前記第2のLiを含んでなる前駆体粉末と混合するサブステップと
を含んでなり、前記第3のCoまたはCoおよびM’を含んでなる、ならびに前記第2のLiを含んでなる前駆体粉末のいずれか一方または両方が、Mg、Ti、Fe、Cu、Ca、Ba、Sn、Sb、Na、ZnおよびSiからなる群の少なくとも1種の元素をさらに含んでなり、かつ前記第3のCoまたはCoおよびM’を含んでなる、ならびに前記第2のLiを含んでなる前駆体粉末のいずれか一方または両方が、4d遷移金属および希土類金属からなる群の少なくとも1種の金属をさらに含んでなる、請求項20または21に記載の方法。 - 前記4d遷移金属および希土類金属からなる群の少なくとも1種の金属が、Y、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、Sc、Ce、Pr、Nd、Gd、DyおよびErからなる群に属する、請求項20または21に記載の方法。
- 前記第1、第2および第3のM’を含んでなる前駆体粉末のいずれか1種またはそれ以上がAl2O3からなる、請求項22に記載の方法。
- 前記第1の混合物が、1.02〜1.12のLi対金属モル比を有する、請求項20または21に記載の方法。
- 前記第2のCoまたはCoおよびM’を含んでなる前駆体粉末中のCoまたはCoおよびM’対前記Liが濃縮されたリチウム金属酸化物化合物中の前記金属のモル比が0.01〜0.30である、請求項20または21に記載の方法。
- 前記第1のCoまたはCoおよびM’を含んでなる、ならびに前記第1のLiを含んでなる前駆体粉末のいずれか一方または両方が炭素をさらに含んでなり、かつLiが濃縮されたリチウム金属酸化物化合物が、少なくとも50ppmの炭素含有量を有する、請求項20または21に記載の方法。
- a=0であり、かつ前記第1および第2のCoを含んでなる前駆体粉末が、酸化コバルト、コバルトオキシヒドロキシド、水酸化コバルト、炭酸コバルトおよびシュウ酸コバルトからなる群のいずれか1種である、請求項20または21に記載の方法。
- 前記第1のCoまたはCoおよびM’を含んでなる、前記第1のLiを含んでなる、ならびに前記第2のCoまたはCoおよびM’を含んでなる前駆体粉末のいずれか1種またはそれ以上が、F、PおよびSのいずれか1種またはそれ以上をさらに含んでなり、かつ前記表面層が、2000ppm未満のLiF、Li3PO4およびLi2SO4のいずれか1種またはそれ以上をさらに含んでなる、請求項20または21に記載の方法。
- 前記Liが濃縮されたリチウム金属酸化物ならびに前記第2のCoまたはCoおよびM’を含んでなる前駆体粉末の平均粒径の比率が少なくとも3:1である、請求項20または21のいずれか一項に記載の方法。
- コア材料と表面層とからなり、前記コア材料がLi、金属Mおよび酸素の元素からなる層状結晶構造を有し、Li対Mのモル比が0.98〜1.01であり、前記金属Mが式M=Co1−aM’aを有し、0≦a≦0.05であり、M’は、Al、GaおよびBからなる群のいずれか1種またはそれ以上の金属であり、かつ前記表面層が、前記コア材料の前記元素と、無機NおよびN’をベースとする酸化物との混合物からなり、Nが、Mg、Ti、Fe、Cu、Ca、Ba、Sn、Sb、Na、ZnおよびSiからなる群のいずれか1種またはそれ以上の金属であり、かつN’が、4d遷移金属および希土類金属からなる群のいずれか1種またはそれ以上の金属であるリチウム金属酸化物粉末の製造方法であって、
− 第1のCoまたはCoおよびM’を含んでなる、ならびに第1のLiを含んでなる前駆体粉末の第1の混合物であって、>1.01のLi対M金属モル比を有する第1の混合物を提供するステップと、
− 少なくとも600℃の温度T1で、酸素を含んでなる雰囲気で前記第1の混合物を焼結し、それによって、Liが濃縮されたリチウム金属酸化物化合物を得るステップと、
− 前記Liが濃縮されたリチウム金属酸化物化合物を、4d遷移金属および希土類金属からなる群のいずれか1種またはそれ以上の金属の酸化物または塩と混合し、それによって第2の混合物を得るステップと、
− 第2のCoまたはCoおよびM’を含んでなる前駆体粉末を提供するステップと、
− 前記第2の混合物と、前記第2のCoまたはCoおよびM’を含んでなる前駆体粉末と、Mg、Ti、Fe、Cu、Ca、Ba、Sn、Sb、Na、ZnおよびSiからなる群の少なくとも1種の元素の酸化物とを混合して、それによって、Li対Mモル比が0.98〜1.01である第3の混合物を得るステップと、
− 少なくとも600℃の温度T2で、酸素を含んでなる雰囲気で前記第3の混合物を焼結するステップと
を含んでなる製造方法。 - 前記4d遷移金属および希土類金属からなる群の少なくとも1種の金属が、Zr、Nb、ErおよびNdからなる群に属する、請求項31に記載の方法。
- 前記4d遷移金属および希土類金属からなる群のいずれか1種またはそれ以上の金属の塩が水和硝酸塩からなる、請求項21または31に記載の方法。
- 前記第3の混合物がLi2CO3をさらに含んでなる、請求項31に記載の方法。
- 前記第2の混合物と、前記第2のCoまたはCoおよびM’を含んでなる前駆体粉末と、Mg、Ti、Fe、Cu、Ca、Ba、Sn、Sb、Na、ZnおよびSiからなる群の少なくとも1種の元素の酸化物とを混合するステップが、前記第2の混合物を、Co3O4、MgO、Al2O3およびTiO2と混合することを含む、請求項31または32に記載の方法。
- 電気化学的セルにおける陰極としての請求項1〜19のいずれか一項に記載のリチウム金属酸化物粉末の使用。
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