JP6380608B2 - リチウム複合化合物粒子粉末の製造方法、リチウム複合化合物粒子粉末を非水電解質二次電池に用いる方法 - Google Patents
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Description
組成式1
Li1+xNi1−y−zCoyMzO2
M=B,Alの少なくとも1種以上、−0.02≦x≦0.02、0<y≦0.20、0<z≦0.10
組成式1
Li1+xNi1−y−zCoyMzO2
M=B,Alの少なくとも1種以上、−0.02≦x≦0.02、0<y≦0.20、0<z≦0.10
より好ましくは−0.015≦x≦0.015、0.001≦y≦0.18、0.001≦z≦0.09であり、更により好ましくは−0.01≦x≦0.01、0.01≦y≦0.15、0.01≦z≦0.08である。
産性の点からも好ましくなく、更には粒子結晶中からLiが引き抜かれる場合もあるため好ましくない。水洗時に用いる純水の温度が高いと粒子からのLi引き抜きが早くなり、余剰Liの水洗時に同時に結晶中からもLiが引き抜かれる場合があるため組成の制御が困難となる。これらを検討した結果、20℃以下、更に好ましくは10℃以下の純水で20分以内の水洗が好ましい。水洗した後、ろ別、乾燥して熱処理を行う。
保持時間は1〜5時間が好ましい。1時間より短い場合には表面の結晶性が不十分であり、5時間より長い場合には生産性とコストの面から好ましくない。
二次電池のサイクル特性の改善には、正極活物質を構成するリチウム複合化合物粒子粉末の粒子表面での劣化を抑制することが重要であり、高温保存特性などは電池内部でのガス発生をいかに抑制するかが重要となる。
不純物が電池内に存在すると様々な特性に影響を及ぼす。特に反応・合成時に余剰に添加したリチウム原料は粒子の表面に未反応のまま残存し、電池作成時より悪影響を及ぼす。酸化リチウム、水酸化リチウムが強アルカリとして働くと塗料化の際にゲル化をしたり、又は塗料保存性を悪化させる。また、炭酸リチウム化していると、電池の内部で充電時にガスを発生することとなり、サイクル特性や保存特性に悪影響を及ぼす。また、硫酸リチウムとして表面に存在すると、保存時にインピーダンス上昇を起こし、結果としてサイクル特性の劣化につながる。
正極活物質と導電剤であるアセチレンブラック及び結着剤のポリフッ化ビニリデンを重量比で85:10:5となるように精秤し、乳鉢で十分に混合してからN−メチル−2−ピロリドンに分散させて正極合剤スラリーを調整した。次に、このスラリーを集電体のアルミニウム箔に150μmの膜厚で塗布し、150℃で真空乾燥してからφ16mmの円板状に打ち抜き正極板とした。
金属リチウム箔をφ16mmの円板状に打ち抜いて負極を作製した。
炭酸エチレンと炭酸ジエチルとの体積比50:50の混合溶液に電解質として六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)を1モル/リットル混合して電解液とした。
アルゴン雰囲気のグローブボックス中でSUS316製のケースを用い、上記正極と負極の間にポリプロピレン製のセパレータを介し、さらに電解液を注入してCR2032型のコイン電池を作製した。
前記コイン型電池を用いて、二次電池の充放電試験を行った。測定条件としては、室温で、測定レートを1.0Cとし、カットオフ電圧は3.0〜4.3Vの間で充放電を繰り返した。レートが1.0Cの場合、0.2Cなどの場合に比べて短時間で充放電することになり(1Cでは1時間で行うのに対し、0.2Cでは5時間かけて行う。)、大きな電流密度で充放電を行うものである。
抵抗上昇は4.3Vまで充電したコインセルを60℃で4週間の保存を行い、その前後で交流インピーダンス測定し抵抗の上昇率を求めた。インピーダンス測定はSolartron社製1287型インターフェースと1252A型周波数応答アナライザからなる交流インピーダンス測定装置を用いて行った。
コバルトとニッケルとアルミニウムからなる水酸化物に水酸化リチウムを、Li/(Ni+Co+Al)が1.08となるような比率で混合し、酸素雰囲気で750℃で20時間、焼成してリチウム複合化合物粒子粉末を得た。解砕したリチウム複合化合物粒子粉末60gを300mlの水温が10℃の純水に懸濁し、20分間攪拌した後に、濾過、洗浄した。
120℃で1晩乾燥した後に、再度、解砕し、脱炭酸(CO2濃度20ppm)した酸素雰囲気のもと、850℃で2時間熱処理を行った。
Li/(Ni+Co+Al)が1.02となるような比率で混合し以降を実施例1と同様の処理で得られた粉末を洗浄、乾燥し、脱炭酸(濃度20ppm)した酸素雰囲気のもと800℃で2時間、熱処理を行った。
Li/(Ni+Co+Al)が1.02となるような比率で混合し以降を実施例1と同様の処理で得られた粉末を洗浄、乾燥し、脱炭酸(濃度20ppm)した空気雰囲気のもと800℃で2時間、熱処理を行った。
コバルトとニッケルとアルミニウムからなる水酸化物とホウ酸に水酸化リチウムを、Li/(Ni+Co+Al+B)が1.07となるような比率で混合し、酸素雰囲気で750℃で20時間、焼成してリチウム複合化合物粒子粉末を得た。解砕したリチウム複合化合物粒子粉末60gを実施例1と同様にして、洗浄した。
120℃で1晩乾燥した後に再度解砕し、脱炭酸(濃度20ppm)した酸素雰囲気のもと500℃で2時間、熱処理を行った。
Li/(Ni+Co+Al+B)が1.10となるような比率で混合し以降を実施例4と同様の処理で得られた粉末を洗浄、乾燥し、脱炭酸(濃度20ppm)した空気雰囲気のもと700℃で2時間、熱処理を行った。
Li/(Ni+Co+Al+B)が1.10となるような比率で混合し以降を実施例4と同様の処理で得られた粉末を洗浄、乾燥し、脱炭酸(濃度20ppm)した酸素雰囲気のもと600℃で2時間、熱処理を行った。
実施例1において、焼成して得られたリチウム複合化合物粒子粉末に洗浄処理を行っていないものである。得られた粒子を樹脂に包埋後、FIB加工を行ったのちに表面近傍の電子線回折を確認したところ(図4)、結晶性の低いR−3mに属する回折像が得られた。
実施例4において、焼成して得られたリチウム複合化合物粒子粉末に洗浄処理を行っていないものである。
実施例1で得られた粉末を洗浄・乾燥処理を行わず、リチウム複合化合物粒子粉末を脱炭酸(濃度20ppm)した酸素雰囲気のもと800℃で2時間熱処理を行った。
実施例2で得られた粉末を洗浄・乾燥処理したリチウム複合化合物粒子粉末を脱炭酸(濃度20ppm)した窒素雰囲気のもと600℃で2時間熱処理を行った。
実施例4で得られた粉末を洗浄・乾燥処理したリチウム複合化合物粒子粉末を脱炭酸(濃度20ppm)した酸素雰囲気のもと300℃で2時間熱処理を行った。
実施例5で得られた粉末を洗浄・乾燥処理したリチウム複合化合物粒子粉末を脱炭酸(濃度20ppm)した窒素雰囲気のもと850℃で2時間熱処理を行った。
実施例5で得られた粉末を洗浄・乾燥処理したリチウム複合化合物粒子粉末を脱炭酸されていない空気雰囲気(CO2濃度350ppm)のもと500℃で2時間熱処理を行った。
実施例5で得られた粉末を洗浄・乾燥処理したリチウム複合化合物粒子粉末を脱炭酸されていない酸素雰囲気(CO2濃度350ppm)のもと800℃で2時間熱処理を行った。得られた粒子を樹脂に包埋後、FIB加工を行ったのちに表面近傍の電子線回折を確認したところ(図5)、多結晶性的なR−3mに属する回折像が得られた。
処理なし(比較例1)では、図4に示すとおり、表面の結晶性は悪く、リチウムの動き
を阻害されることが予想される。また、熱処理あり・脱炭酸なし(比較例8)では、図5に示すとおり、比較例1に比べて結晶性は改善されるが、多結晶的であった。また、熱処理あり・脱炭酸あり(実施例1)では、図3に示すとおり、結晶性が改善されて、サイクル特性も改善されていることが確認された。
Claims (8)
- 以下に定義するリチウム複合化合物粒子粉末の製造方法であって、当該製造方法は、リチウム複合化合物粒子粉末を水溶媒で不純物を除去する工程(1)、該工程(1)を経たリチウム複合化合物粒子粉末を熱処理する工程(2)から成り、前記工程(1)において、用いるリチウム複合化合物粒子粉末の遷移金属とアルミニウムとホウ素との総モル数に対するリチウムの総モル数の比が1.02以上1.10以下であり、前記工程(2)の熱処理が、温度範囲500℃〜850℃で、炭酸濃度100ppm以下の空気中又は酸素中の雰囲気下で行われることを特徴とするリチウム複合化合物粒子粉末の製造方法。
組成式1で示されるリチウム複合化合物粒子粉末において、該リチウム複合化合物粒子粉末の粒子表面を飛行時間型二次イオン質量分析装置で分析したときの、イオン強度比A(LiO−/NiO2−)が0.3以下であって、且つ、イオン強度比B(Li3CO3 +/Ni+)が20以下であるリチウム複合化合物粒子粉末。
組成式1
Li1+xNi1−y−zCoyMzO2
M=B,Alの少なくとも1種以上、−0.02≦x≦0.02、0<y≦0.20、0<z≦0.10 - 平均2次粒子径が1〜30μm以下である請求項1記載のリチウム複合化合物粒子粉末の製造方法。
- リチウム複合化合物粒子粉末を水に分散させた2重量%の懸濁溶液における粉体pHが11.0以下である請求項1又は2記載のリチウム複合化合物粒子粉末の製造方法。
- カーボン含有率が300ppm以下である請求項1〜3のいずれかに記載のリチウム複合化合物粒子粉末の製造方法。
- 硫黄含有率が100ppm以下であって、イオン強度比C(LiSO3 −/NiO2 −)が0.3以下であり、且つ、ナトリウム含有量が100ppm以下である請求項1〜4のいずれかに記載のリチウム複合化合物粒子粉末の製造方法。
- 炭酸リチウム成分の含有量が0.30重量%以下であり、かつ水酸化リチウムの含有量が0.30重量%以下である請求項1〜5のいずれかに記載のリチウム複合化合物粒子粉末の製造方法。
- 比表面積が0.05〜0.7m2/gである請求項1〜6のいずれかに記載のリチウム複合化合物粒子粉末の製造方法。
- 請求項1〜7のいずれかに記載の製造方法で得られたリチウム複合化合物粒子粉末を非水電解液二次電池に用いる方法。
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