JP6428648B2 - 非水電解質二次電池用正極活物質及びこれを用いた非水電解質二次電池、非水電解質二次電池用正極活物質の製造方法 - Google Patents
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Description
LiOH ⇔ Li+ + 1/2O2− + 1/2H2O ・・・(1)
Li2CO3 ⇔ 2Li+ + O2− + CO2 ・・・(2)
Ni(II)O + Li+ + O2− ⇔ LiNi(III)O2 ・・・(3)
本実施形態の一例である正極活物質は、一般式Li1+aNixMyO2(式中、MはCo、Mn及びAlから選択される少なくとも1種の元素であり、−0.01≦a<0.1、0.7≦x≦1.0、0≦y≦0.3、x+y=1)で表されるリチウム含有遷移金属酸化物を含み、上記リチウム含有遷移金属酸化物には、周期律表のVIA族元素から選択される少なくとも1種の元素が、上記Ni及びMの総量に対して0mol%より多く1.0mol%以下含有されており、上記リチウム含有遷移金属酸化物のLi席占有率が99%以上で、且つ、結晶歪が0.15%以下のものであることが好ましい。
[正極]
正極は、例えば、正極集電体と、正極集電体上に形成された正極合剤層とを含む。正極合剤層は、正極活物質の他に、結着剤、導電剤などを含むことができる。正極は、例えば、正極活物質と、結着剤と、導電剤などを混合して正極合剤スラリーを調整し、得られた正極合剤スラリーを正極集電体に塗布し、乾燥させることにより作製することができる。
負極も上記正極と同様に、負極活物質と、結着剤と、導電剤などを混合して負極合剤スラリーを調整し、得られた負極合剤スラリーを負極集電体に塗布し、乾燥させることにより作製することができる。
非水電解質の溶媒は特に限定するものではなく、非水電解質二次電池に従来から用いられてきた溶媒を使用することができる。例えば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ビニレンカーボネート等の環状カーボネートや、ジメチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、ジエチルカーボネート等の鎖状カーボネートや、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸プロピル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、γ−ブチロラクトン等のエステルを含む化合物や、プロパンスルトン等のスルホン基を含む化合物や、1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジエトキシエタン、テトラヒドロフラン、1,2−ジオキサン、1,4−ジオキサン、2−メチルテトラヒドロフラン等のエーテルを含む化合物や、ブチロニトリル、バレロニトリル、n−ヘプタンニトリル、スクシノニトリル、グルタルニトリル、アジポニトリル、ピメロニトリル、1,2,3−プロパントリカルボニトリル、1,3,5−ペンタントリカルボニトリル等のニトリルを含む化合物や、ジメチルホルムアミド等のアミドを含む化合物等を用いることができる。特に、これらのHの一部がFにより置換されている溶媒が好ましく用いられる。また、これらを単独又は複数組み合わせて使用することができ、特に環状カーボネートと鎖状カーボネートとを組み合わせた溶媒や、さらにこれらに少量のニトリルを含む化合物やエーテルを含む化合物が組み合わされた溶媒が好ましい。
セパレータとしては、従来から用いられてきたセパレータを用いることができる。具体的には、ポリエチレンからなるセパレータのみならず、ポリエチレンの表面にポリプロピレンからなる層が形成されたものや、ポリエチレンのセパレータの表面にアラミド系の樹脂等が塗布されたものを用いても良い。
(実験例1)
[正極活物質の合成]
Ni0.82Co0.15Al0.03Oで表されるニッケルコバルトアルミニウム酸化物と、炭酸リチウムLi2CO3と、酸化タングステンWO3とを、Ni0.82Co0.15Al0.03とLiとWのモル比が1.000:1.035:0.005となるように乳鉢で混合し、得られた混合物を純度95%の酸素気流中850℃で20時間焼成した。これにより、Ni、Co、Alの総量に対しWを0.5mol%含むリチウム含有遷移金属酸化物が得られた。このようにして合成したリチウム含有遷移金属酸化物を、以下、正極活物質A1と称す。
Ni0.82Co0.15Al0.03Oで表されるニッケルコバルトアルミニウム酸化物と、水酸化リチウムLiOH・H2Oとを、Ni0.82Co0.15Al0.03とLiのモル比が1.000:1.035となるように乳鉢で混合し、得られた混合物を純度95%の酸素気流中760℃で20時間焼成した。このようにして合成したリチウム含有遷移金属酸化物を、以下、正極活物質Z1と称す。
焼成温度を760℃に代えて800℃としたこと以外は、上記実験例2と同様にしてリチウム含有遷移金属酸化物を合成した。このようにして合成したリチウム含有遷移金属酸化物を、以下、正極活物質Z2と称す。
焼成温度を760℃に代えて850℃としたこと以外は、上記実験例2と同様にしてリチウム含有遷移金属酸化物を合成した。このようにして合成したリチウム含有遷移金属酸化物を、以下、正極活物質Z3と称す。
Ni0.82Co0.15Al0.03Oで表されるニッケルコバルトアルミニウム酸化物と、LiOH・H2Oと、WO3とを、Ni0.82Co0.15Al0.03とLiとWのモル比が1.000:1.035:0.005となるように乳鉢で混合し、得られた混合物を純度95%の酸素気流中850℃で20時間焼成した。これにより、Ni、Co、Alの総量に対しWを0.5mol%含むリチウム含有遷移金属酸化物が得られた。このようにして合成したリチウム含有遷移金属酸化物を、以下、正極活物質Z4と称す。
Ni0.82Co0.15Al0.03Oで表されるニッケルコバルトアルミニウム酸化物と、Li2CO3とを、Ni0.82Co0.15Al0.03とLiのモル比が1.000:1.035となるように乳鉢で混合し、得られた混合物を純度95%の酸素気流中850℃で20時間焼成した。このようにして合成したリチウム含有遷移金属酸化物を、以下、正極活物質Z5と称す。
正極活物質の評価には、XRD(X線回折装置:ブルカー・エイエックスエス製 New D8 ADVANCE)を用いた。上記実験例1〜6で得られた正極活物質A1及びZ1〜Z5をそれぞれXRD測定し、XRD測定によって得られたデータをリートベルト解析により精密化した。その際、3bサイトにおけるNi組成は可変、Co、Al組成は不変とした。その後、精密化したデータを用い、下記の算出方法により、正極活物質A1及びZ1〜Z5のそれぞれのLi席占有率及び結晶歪を求め、結果を表1に示した。
3aサイトの占有率100%から3aサイトに存在するNi量を減算することにより、3aサイトに存在するLi量、即ちLi席占有率を算出した。
結晶歪は、Williamson−Hallの式(下記式(4))を用いて算出した。ここで、βは回折ピークの積分幅であり、下記式(5)から算出される。また、θは回折角、λはX線の波長、εは結晶歪、Kはシェラー定数、Dは結晶子サイズである。各回折ピークの(βcosθ)/λと(2sinθ)/λをプロットし、最小二乗法により傾きε、即ち結晶歪を算出した。
(βcosθ)/λ=ε・(2sinθ)/λ+K/D ・・・(4)
β=IN/IP (IN:回折ピークの積分値、IP:回折ピーク強度)・・・(5)
(実験例7)
原料を混合する際に、Ni0.82Co0.15Al0.03OとLiとWのモル比を、1.000:1.035:0.005に代えて、1.000:1.035:0.010としたこと以外は、上記実験例1と同様にして正極活物質を合成した。これにより、Ni、Co、Alの総量に対しWを1.0mol%含むリチウム含有遷移金属酸化物が得られた。このようにして合成したリチウム含有遷移金属酸化物を、以下、正極活物質A2と称す。
原料を混合する際に、Ni0.82Co0.15Al0.03OとLiとWのモル比を、1.000:1.035:0.005に代えて、1.000:1.035:0.020としたこと以外は、上記実験例1と同様にして正極活物質を合成した。これにより、Ni、Co、Alの総量に対しWを2.0mol%含むリチウム含有遷移金属酸化物が得られた。このようにして合成したリチウム含有遷移金属酸化物を、以下、正極活物質Z6と称す。
(実験例9)
原料を混合する際に、WO3に代えて酸化モリブデンMoO3を用いたこと以外は、上記実験例1と同様にして正極活物質を合成した。このようにして得られた正極活物質を、以下、正極活物質A3と称す。
リチウム含有遷移金属酸化物の原料を混合する際に、WO3に代えて酸化ニオブNb2O5を用いたこと以外は、上記実験例1と同様にして正極活物質を合成した。このようにして得られた正極活物質を、以下、正極活物質Z7と称す。
リチウム含有遷移金属酸化物の原料を混合する際に、WO3に代えて酸化ジルコニウムZrO2を用いたこと以外は、上記実験例1と同様にして正極活物質を合成した。このようにして得られた正極活物質を、以下、正極活物質Z8と称す。
リチウム含有遷移金属酸化物の原料を混合する際に、WO3に代えて酸化チタンTiO2を用いたこと以外は、上記実験例1と同様にして正極活物質を合成した。このようにして得られた正極活物質を、以下、正極活物質Z9と称す。
(実験例13)
得られた混合物を、純度95%の酸素気流中850℃で20時間焼成する代わりに、空気気流中850℃で20時間焼成したこと以外は、上記実験例1と同様にして正極活物質を合成した。このようにして得られた正極活物質を、以下、正極活物質Z10と称す。
(実験例14)
上記実験例1と同様にして正極活物質を合成した後、得られた正極活物質を純水7ml中に粉砕し、スターラーで10分間撹拌し、水洗を行った。その後、溶液を吸引ろ過により、ろ過液を除去した。
ろ紙上に残った残留物を、真空中180℃で2時間乾燥した。このようにして得られた正極活物質を、以下、正極活物質A4と称す。
正極活物質に含まれる残留アルカリ量を、滴定法により測定した。
上記で得られた正極活物質A1及びA4の残留アルカリ量を算出し、下記表5に示した。
(実験例15)
[正極の作製]
実験例1で作製した正極活物質100質量部に、導電剤としてのアセチレンブラックを1質量部、結着剤としてのポリビニリデンフルオライド(PVdF)を0.9質量部混合し、さらに溶剤としてN−メチル−2−ピロリドン(NMP)を適量加えることにより、正極合剤スラリーを調整した。次に、正極合剤スラリーをアルミニウムからなる正極集電体に塗布、乾燥した。最後に、所定の電極サイズに切り取り、ローラーを用いて圧延し、正極リードを取り付けることにより正極を作製した。
図1に示すような三電極式試験セル10を作製した。この際、上記正極を作用極11として用いる一方、負極となる対極12及び参照極13にそれぞれ金属リチウムを用いた。また、非水電解液14として、エチレンカーボネートとメチルエチルカーボネートとジメチルカーボネートとを30:30:40の体積比で混合させた混合溶媒に、LiPF6を1.0モル/リットルの濃度になるように溶解させ、さらにビニレンカーボネートを1質量%溶解させたものを用いた。このようにして作製した正極を、以下、三電極式試験セルBと称す。
上記実験例1で作製した正極活物質に代えて、上記実験例14で作製した正極活物質を用いたこと以外は、上記と同様にして三電極式試験セルを作製した。このようにして作製した正極を、以下、三電極式試験セルCと称す。
上記実験例1で作製した正極活物質に代えて、上記実験例6で作製した正極活物質を用いたこと以外は、上記と同様にして三電極式試験セルを作製した。このようにして作製した正極を、以下、三電極式試験セルYと称す。
上記で作製した三電極式試験セルB、C及びYを、下記の充放電条件で充放電を行い、初回放電容量密度を求めた。その結果を表6に示す。
25℃の温度条件下において、0.2mA/cm2の電流密度で4.3V(vs.Li/Li+)まで定電流充電を行い、4.3V(vs.Li/Li+)の定電圧で電流密度が0.04mA/cm2になるまで定電圧充電を行った後、0.2mA/cm2の電流密度で2.5V(vs.Li/Li+)まで定電流放電を行った。
さらに、水洗を行った正極活物質A4を用いたセルCは、同様の条件で水洗しなかった正極活物質A1を用いたセルBと比較し、高い初回放電容量密度を示した。これは、正極活物質表面の残留アルカリを水洗により除去することによって、正極活物質表面からLiイオンがスムーズに放出、吸蔵されようになったため、水洗後の初回放電容量密度が高くなったと推察される。
以上のことから、本発明に係る正極活物質としては、焼成後に水洗を行うことが更に好ましく、この場合活物質中の残留アルカリ量としては、0.5wt%以下であることが更に好ましい。
11 作用極(正極)
12 対極(負極)
13 参照極
14 非水電解液
Claims (7)
- 一般式Li1+aNixMyO2(式中、MはCo、Mn及びAlから選択される少なくとも1種の元素であり、−0.01≦a<0.1、0.82≦x≦1.0、0≦y≦0.3、x+y=1)で表されるリチウム含有遷移金属酸化物を含み、
前記リチウム含有遷移金属酸化物には、周期律表のVIA族元素から選択される少なくとも1種の元素が、前記Ni及びMの総モル量に対して0mol%より多く1.0mol%以下含有されており、
前記リチウム含有遷移金属酸化物のLi席占有率が99%以上で、且つ、結晶歪が0.15%以下である、非水電解質二次電池用正極活物質。 - 前記周期律表のVIA族元素が、W及びMoから選択される少なくとも1種の元素である、請求項1に記載の非水電解質二次電池用正極活物質。
- 請求項1又は2に記載の正極活物質を用いた正極と、
リチウムを吸蔵、放出可能な負極活物質を用いた負極と、
前記正負極間に配置されたセパレータと、
非水電解質と、を備える非水電解質二次電池。 - 一般式(NixMy)O(式中、MはCo、Mn及びAlから選択される少なくとも1種の元素であり、0.82≦x≦1.0、0≦y≦0.3、x+y=1)で表される遷移金属酸化物と、Li2CO3と、周期律表のVIA族元素を含む化合物とを混合し、得られた混合物を焼成する、非水電解質二次電池用正極活物質の製造方法であって、
前記Ni及びMの総量に対する前記周期律表のVIA族元素が、0mol%より多く1.0mol%以下である、非水電解質二次電池用正極活物質の製造方法。 - 前記焼成温度が、750℃以上950℃以下である、請求項4に記載の非水電解質二次電池用正極活物質の製造方法。
- 前記周期律表のVIA族元素が、W及びMoから選択される少なくとも1種の元素である、請求項4又は5に記載の非水電解質二次電池用正極活物質の製造方法。
- 前記焼成後に得られる焼成物を水洗する、請求項4〜6の何れか1項に記載の非水電解質二次電池用正極活物質の製造方法
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