JP6329311B2 - 正極活物質及びその製造方法、並びに非水電解質二次電池 - Google Patents
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Description
前記正極活物質を正極とし、リチウム箔を負極とした非水電解質二次電池にて、以下の条件(1)で充放電を行った際に、5サイクル目の放電での電圧Vと電池容量Qとに基づき、横軸に電圧Vをとり、縦軸に電池容量Qを電圧Vで微分したdQ/dV値をとったグラフにおいて、
|a|:3.9Vよりも大きく4.4V以下の範囲にピークトップを持つピーク1のピークトップのdQ/dV値の絶対値
|b|:3.5Vよりも大きく3.9V以下の範囲にピークトップを持つピーク2のピークトップのdQ/dV値の絶対値
|c|:2.0V以上3.5V以下の範囲にピークトップを持つピーク3のピークトップのdQ/dV値の絶対値
としたとき、
ピーク強度比r=|c|/(|a|+|b|+|c|)
が0<r≦0.25を満たすことを特徴とする正極活物質である(本発明1)。
条件(1)
25℃環境下
1サイクル目:2.0V〜4.6V
充電0.07C(cccv)、放電0.07C(cc)
2サイクル目:2.0V〜4.6V
充電0.07C(cc)、放電0.07C(cc)
3サイクル目:2.0V〜4.3V
充電0.1C(cc)、放電0.1C(cc)
4サイクル目:2.0V〜4.3V
充電0.1C(cc)、放電1C(cc)
5サイクル目:2.0V〜4.45V
充電0.1C(cc)、放電1C(cc)
ただし、CはCレートで、時間率を表しており、1Cは270mA/gとする。
(1−α)(LiNixCoyMnzO2)・αLi2MnO3 (I)
で表され、前記組成式(I)中、x+y+z=1と仮定し、かつ、Liの平均価数を+1価、Coの平均価数を+3価、Mnの平均価数を+4価、Oの平均価数を−2価と仮定したとき、αが0.21≦α≦0.40であり、xが0.45≦x≦0.51であり、yが0≦y≦0.12であり、Niの平均価数が+1.90価〜+2.25価であることが好ましい(本発明2)。
NiとMnとの割合(モル比)が、Ni:Mn=0.25〜0.45:0.55〜0.75となるように、ニッケル化合物及びマンガン化合物を配合して混合溶液を調製するか、又は
NiとCoとMnとの割合(モル比)が、Ni:Co:Mn=0.25〜0.45:0.02〜0.10:0.50〜0.70となるように、ニッケル化合物、コバルト化合物、及びマンガン化合物を配合して混合溶液を調製し、
前記混合溶液を用いて、炭酸塩前駆体化合物を合成することが好ましい(本発明5)。
まず、本発明に係る正極活物質について述べる。
(1−α)(LiNixCoyMnzO2)・αLi2MnO3 (I)
で表すことができる。該組成式(I)中、x+y+z=1と仮定し、かつ、Liの平均価数を+1価、Coの平均価数を+3価、Mnの平均価数を+4価、Oの平均価数を−2価と仮定したとき、α、x、y、及びNiの平均価数は、各々以下の範囲であることが好ましい。
|a|:3.9Vよりも大きく4.4V以下の範囲にピークトップを持つピーク1のピークトップのdQ/dV値の絶対値(mAhg−1V−1)
|b|:3.5Vよりも大きく3.9V以下の範囲にピークトップを持つピーク2のピークトップのdQ/dV値の絶対値(mAhg−1V−1)
|c|:2.0V以上3.5V以下の範囲にピークトップを持つピーク3のピークトップのdQ/dV値の絶対値(mAhg−1V−1)
としたとき、
ピーク強度比r=|c|/(|a|+|b|+|c|)
が0<r≦0.25を満たす。
条件(1)
25℃環境下
1サイクル目:2.0V〜4.6V
充電0.07C(cccv)、放電0.07C(cc)
2サイクル目:2.0V〜4.6V
充電0.07C(cc)、放電0.07C(cc)
3サイクル目:2.0V〜4.3V
充電0.1C(cc)、放電0.1C(cc)
4サイクル目:2.0V〜4.3V
充電0.1C(cc)、放電1C(cc)
5サイクル目:2.0V〜4.45V
充電0.1C(cc)、放電1C(cc)
ただし、CはCレートで、時間率を表しており、1Cは270mA/gである。
エネルギー密度維持率
=(26サイクル目の放電のエネルギー密度/7サイクル目の放電のエネルギー密度)×100
として求められる。該エネルギー密度維持率は、好ましくは93%以上であり、より好ましくは94%以上である。
条件(2)
25℃環境下
1サイクル目:2.0V〜4.6V
充電0.07C(cccv)、放電0.07C(cc)
2サイクル目:2.0V〜4.6V
充電0.07C(cc)、放電0.07C(cc)
3サイクル目:2.0V〜4.6V
充電0.1C(cc)、放電0.1C(cc)
4サイクル目:2.0V〜4.6V
充電0.1C(cc)、放電0.2C(cc)
5サイクル目:2.0V〜4.6V
充電0.1C(cc)、放電0.5C(cc)
6サイクル目:2.0V〜4.6V
充電0.1C(cc)、放電1C(cc)
7サイクル目〜26サイクル目:2.0V〜4.6V
充電0.2C(cc)、放電0.5C(cc)
ただし、CはCレートで、時間率を表しており、1Cは270mA/gである。
次に、本発明に係る正極活物質の製造方法について述べる。
次に、本発明に係る正極活物質を含有する正極を備えた非水電解質二次電池について述べる。
本発明では、ピーク強度比rの値を0<r≦0.25という特定範囲内に調整することで、充放電を繰り返した時の電圧降下が小さく、エネルギー密度が高く、しかもエネルギー密度維持率も高い、特定組成の正極活物質を得ることができる。また、本発明では、コストが高くレアメタルであるCoの量が低減されているにも関わらず、高い電池特性を示す正極活物質を得ることができる。
本明細書において、正極活物質の組成は、該正極活物質0.2gの試料を25mlの20%塩酸溶液中で加熱溶解させ、冷却後100mlメスフラスコに移して、純水を入れ調整液を作製し、測定にはICAP[Optima8300、(株)パーキンエルマー製]を用いて各元素を定量して決定する。
本明細書において、正極活物質を用いたコインセルは、次の手順で作製するものとする。まず、正極活物質を84重量%と、導電剤としてのアセチレンブラックを4重量%及びグラファイトKS−6を4重量%と、結着剤としてのN−メチルピロリドンに溶解したポリフッ化ビニリデンを8重量%とを混合した後、Al金属箔に塗布し、110℃にて乾燥してシートを作製する。このシートを15mmΦに打ち抜いた後、3t/cm2で圧着したものを正極とする。本発明においては、正極の塗布量は10mg/cm2、正極の圧延後の密度は2.5g/cm3であった。負極は、16mmΦに打ち抜いた厚さ500μmの金属リチウムとする。電解液は、1mol/LのLiPF6を溶解したECとDMCとを、EC:DMC=1:2(体積比)で混合した溶液とする。これら正極、負極、及び電解液を用いて、2032型コインセルを作製する。
0.1mol/Lの硫酸ニッケル水溶液、0.1mol/Lの硫酸マンガン水溶液を準備した。前記硫酸ニッケル水溶液及び前記硫酸マンガン水溶液をニッケルとマンガンとのモル比がNi:Mn=0.35:0.65となるように混合して、混合溶液を得た。1mol/Lの炭酸ナトリウム水溶液を準備した。密閉型反応槽に水を8L入れ、窒素ガスを流通させながら40℃に保持した。前記混合溶液と前記炭酸ナトリウム水溶液とを、撹拌しながら、前記反応槽に、5mL/mimの速度で連続的に滴下した。同時に、pH=8.00(±0.01)となるように、前記炭酸ナトリウム水溶液を滴下した。反応中は濃縮装置により濾液のみを系外に排出し、固形分は反応槽に滞留させながら、500rpmで20時間攪拌した。反応後、共沈生成物のスラリーを採取した。採取したスラリーを濾過、水洗した。水洗後、120℃で一晩乾燥させ、共沈前駆体の粉末を得た。
|a|=171mAhg−1V−1
|b|=257mAhg−1V−1
|c|=64mAhg−1V−1
r=0.13
エネルギー密度:944Wh/kg
エネルギー密度維持率:96.3%
実施例1において、ニッケルとコバルトとマンガンとのモル比がNi:Co:Mn=0.35:0.05:0.60となるように、硫酸ニッケル水溶液、硫酸コバルト水溶液及び硫酸マンガン水溶液の混合溶液を加えたほかは、実施例1と同様にして共沈前駆体の粉末を得た。
実施例1において、ニッケルとコバルトとマンガンとのモル比がNi:Co:Mn=0.310:0.055:0.635となるように、硫酸ニッケル水溶液、硫酸コバルト水溶液及び硫酸マンガン水溶液の混合溶液を加えたほかは、実施例1と同様にして共沈前駆体の粉末を得た。
実施例1と同様にして、共沈前駆体の粉末を得た。得られた共沈前駆体は、(Ni0.35Mn0.65)CO3(炭酸塩前駆体化合物)であった。リチウムと該共沈前駆体との割合(モル比)がLi/(Ni+Mn)=1.30となるように、炭酸リチウム粉末を秤量し、充分に共沈前駆体と混合した。これを、電気炉を用いて、酸化性雰囲気で900℃にて5時間焼成し、リチウム複合酸化物粒子粉末を得た。
実施例1において、pH=8.50(±0.01)となるように、炭酸ナトリウム水溶液を反応槽に滴下したほかは、実施例1と同様にして共沈前駆体の粉末を得た。
実施例2において、pH=7.50(±0.01)となるように、炭酸ナトリウム水溶液を反応槽に滴下したほかは、実施例2と同様にして共沈前駆体の粉末を得た。
実施例3において、pH=9.00(±0.01)となるように、炭酸ナトリウム水溶液を反応槽に滴下したほかは、実施例3と同様にして共沈前駆体の粉末を得た。
実施例1において、pH=9.50(±0.01)となるように、炭酸ナトリウム水溶液を反応槽に滴下したほかは、実施例1と同様にして共沈前駆体の粉末を得た。得られた共沈前駆体は、(Ni0.35Mn0.65)CO3(炭酸塩前駆体化合物)であった。リチウムと該共沈前駆体との割合(モル比)がLi/(Ni+Mn)=1.30となるように、炭酸リチウム粉末を秤量し、充分に共沈前駆体と混合した。これを、電気炉を用いて、酸化性雰囲気で900℃にて5時間焼成し、リチウム複合酸化物粒子粉末を得た。
実施例1において、ニッケルとコバルトとマンガンとのモル比がNi:Co:Mn=0.35:0.10:0.55となるように、硫酸ニッケル水溶液、硫酸コバルト水溶液及び硫酸マンガン水溶液の混合溶液を加えたほかは、実施例1と同様にして共沈前駆体の粉末を得た。
実施例1において、ニッケルとコバルトとマンガンとのモル比がNi:Co:Mn=0.42:0.05:0.53となるように、硫酸ニッケル水溶液、硫酸コバルト水溶液及び硫酸マンガン水溶液の混合溶液を加えたほかは、実施例1と同様にして共沈前駆体の粉末を得た。
実施例1において、ニッケルとコバルトとマンガンとのモル比がNi:Co:Mn=0.20:0.13:0.67となるように、硫酸ニッケル水溶液、硫酸コバルト水溶液及び硫酸マンガン水溶液の混合溶液を加えたほかは、実施例1と同様にして共沈前駆体の粉末を得た。
実施例1において、ニッケルとコバルトとマンガンとのモル比がNi:Co:Mn=0.25:0.10:0.65となるように、硫酸ニッケル水溶液、硫酸コバルト水溶液及び硫酸マンガン水溶液の混合溶液を加えたほかは、実施例1と同様にして共沈前駆体の粉末を得た。
比較例1において、pH=7.50(±0.01)となるように、炭酸ナトリウム水溶液を反応槽に滴下したほかは、比較例1と同様にして共沈前駆体の粉末を得た。
比較例2において、pH=9.00(±0.01)となるように、炭酸ナトリウム水溶液を反応槽に滴下したほかは、比較例2と同様にして共沈前駆体の粉末を得た。
比較例3において、pH=9.50(±0.01)となるように、炭酸ナトリウム水溶液を反応槽に滴下したほかは、比較例3と同様にして共沈前駆体の粉末を得た。
比較例4において、pH=8.50(±0.01)となるように、炭酸ナトリウム水溶液を反応槽に滴下したほかは、比較例4と同様にして共沈前駆体の粉末を得た。
実施例1と同様にして、共沈前駆体の粉末を得た。得られた共沈前駆体は、(Ni0.35Mn0.65)CO3(炭酸塩前駆体化合物)であった。リチウムと該共沈前駆体との割合(モル比)がLi/(Ni+Mn)=1.30となるように、炭酸リチウム粉末を秤量し、充分に共沈前駆体と混合した。これを、電気炉を用いて、酸化性雰囲気で830℃にて5時間焼成し、正極活物質を得た。
実施例2と同様にして、共沈前駆体の粉末を得た。得られた共沈前駆体は、(Ni0.35Co0.05Mn0.60)CO3(炭酸塩前駆体化合物)であった。リチウムと該共沈前駆体との割合(モル比)がLi/(Ni+Co+Mn)=1.25となるように、炭酸リチウム粉末を秤量し、充分に共沈前駆体と混合した。これを、電気炉を用いて、酸化性雰囲気で1100℃にて5時間焼成し、正極活物質を得た。
実施例3において、pH=6.50(±0.01)となるように、炭酸ナトリウム水溶液を反応槽に滴下したほかは、実施例3と同様にして共沈前駆体の粉末を得た。
実施例1において、pH=13.50(±0.01)となるように、炭酸ナトリウム水溶液を反応槽に滴下したほかは、実施例1と同様にして共沈前駆体の粉末を得た。得られた共沈前駆体は、(Ni0.35Mn0.65)CO3(炭酸塩前駆体化合物)であった。リチウムと該共沈前駆体との割合(モル比)がLi/(Ni+Mn)=1.30となるように、炭酸リチウム粉末を秤量し、充分に共沈前駆体と混合した。これを、電気炉を用いて、酸化性雰囲気で900℃にて5時間焼成し、リチウム複合酸化物粒子粉末を得た。
Claims (7)
- Liと、Niと、Mnと、任意にCoとを含有する層状リチウム複合酸化物からなる正極活物質であって、
前記正極活物質を正極とし、リチウム箔を負極とした非水電解質二次電池にて、以下の条件(1)で充放電を行った際に、5サイクル目の放電での電圧Vと電池容量Qとに基づき、横軸に電圧Vをとり、縦軸に電池容量Qを電圧Vで微分したdQ/dV値をとったグラフにおいて、
|a|:3.9Vよりも大きく4.4V以下の範囲にピークトップを持つピーク1のピークトップのdQ/dV値の絶対値
|b|:3.5Vよりも大きく3.9V以下の範囲にピークトップを持つピーク2のピークトップのdQ/dV値の絶対値
|c|:2.0V以上3.5V以下の範囲にピークトップを持つピーク3のピークトップのdQ/dV値の絶対値
としたとき、
ピーク強度比r=|c|/(|a|+|b|+|c|)
が0<r≦0.25を満たすことを特徴とする、正極活物質:
条件(1)
25℃環境下
1サイクル目:2.0V〜4.6V
充電0.07C(cccv)、放電0.07C(cc)
2サイクル目:2.0V〜4.6V
充電0.07C(cc)、放電0.07C(cc)
3サイクル目:2.0V〜4.3V
充電0.1C(cc)、放電0.1C(cc)
4サイクル目:2.0V〜4.3V
充電0.1C(cc)、放電1C(cc)
5サイクル目:2.0V〜4.45V
充電0.1C(cc)、放電1C(cc)
ただし、CはCレートで、時間率を表しており、1Cは270mA/gとする。 - 以下の組成式(I):
(1−α)(LiNixCoyMnzO2)・αLi2MnO3 (I)
で表され、前記組成式(I)中、x+y+z=1と仮定し、かつ、Liの平均価数を+1価、Coの平均価数を+3価、Mnの平均価数を+4価、Oの平均価数を−2価と仮定したとき、αが0.21≦α≦0.40であり、xが0.45≦x≦0.51であり、yが0≦y≦0.12であり、Niの平均価数が+1.90価〜+2.25価である、請求項1に記載の正極活物質。 - 条件(1)における1サイクル目の放電のエネルギー密度が880Wh/kg〜1100Wh/kgである、請求項1又は2に記載の正極活物質。
- 請求項1〜3のいずれか1つに記載の正極活物質の製造方法であって、
Niと、Mnと、任意にCoとを含有する炭酸塩前駆体化合物を、pH6.8〜13.2の条件で合成して、Liと、前記Ni、前記Mn、及び前記Coとのモル比であるLi/(Ni+Co+Mn)が1.25〜1.39となるように、リチウム化合物と前記炭酸塩前駆体化合物とを混合し、酸化性雰囲気で840℃〜1000℃で焼成して層状リチウム複合酸化物を生成することを特徴とする、正極活物質の製造方法。 - NiとMnとの割合(モル比)が、Ni:Mn=0.25〜0.45:0.55〜0.75となるように、ニッケル化合物及びマンガン化合物を配合して混合溶液を調製するか、又は
NiとCoとMnとの割合(モル比)が、Ni:Co:Mn=0.25〜0.45:0.02〜0.10:0.50〜0.70となるように、ニッケル化合物、コバルト化合物、及びマンガン化合物を配合して混合溶液を調製し、
前記混合溶液を用いて、炭酸塩前駆体化合物を合成する、請求項4に記載の正極活物質の製造方法。 - 正極活物質に対してアルミニウム化合物が0.1wt%〜0.7wt%となるように、層状リチウム複合酸化物の一次粒子及び/又は二次粒子の表面に、前記アルミニウム化合物を被覆及び/又は固溶させる、請求項4又は5に記載の正極活物質の製造方法。
- 請求項1〜3のいずれか1つに記載の正極活物質を含有する正極を備えた、非水電解質二次電池。
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