JP6457570B2 - リチウムイオン二次電池用正極活物質複合体、及びその製造方法 - Google Patents
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Description
Li2MnaM1 bSiO4・・・(1)
(式(1)中、M1はMg、Ni、Ca、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd又はGdを示す。a、及びbは、0.8≦a≦1、0≦b≦0.2、及び2a+(M1の価数)×b=2を満たす数を示す。)
で表されるケイ酸リチウム系化合物(1)が、下記式(2):
Li2CocFedNieM2 fSiO4・・・(2)
(式(2)中、M2はCa、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd又はGdを示す。c、d、e及びfは、0≦c≦1、0≦d≦1、0≦e≦1、0≦f≦0.2、及び2c+2d+2e+(M2の価数)×f=2を満たし、かつc+d+e≠0を満たす数を示す。)
で表されるケイ酸リチウム系化合物(2)で被覆されてなり、かつ最表面をリチウムイオン伝導体が被覆してなるリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体を提供するものである。
(I)リチウム化合物、ケイ酸化合物、及び少なくともマンガン化合物を含む金属化合物を含有するスラリーAを調製し、水熱反応に付してスラリーBを得る工程、
(II)得られたスラリーBに、リチウム化合物、ケイ酸化合物、並びに少なくともコバルト化合物、鉄化合物、又はニッケル化合物を含む金属化合物を添加してスラリーCを調製し、水熱反応に付してスラリーDを得る工程、
(III)得られたスラリーDに、リチウム化合物、及びリチウムイオン伝導体用金属化合物を添加してスラリーEを調製し、水熱反応に付した後、焼成する工程
を備える上記リチウムイオン二次電池用正極活物質複合体の製造方法を提供するものである。
本発明のリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体は、下記式(1):
Li2MnaM1 bSiO4・・・(1)
(式(1)中、M1はMg、Ni、Ca、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd又はGdを示す。a、及びbは、0.8≦a≦1、0≦b≦0.2、及び2a+(M1の価数)×b=2を満たす数を示す。)
で表されるケイ酸リチウム系化合物(1)が、下記式(2):
Li2CocFedNieM2 fSiO4・・・(2)
(式(2)中、M2はCa、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd又はGdを示す。c、d、e及びfは、0≦c≦1、0≦d≦1、0≦e≦1、0≦f≦0.2、及び2c+2d+2e+(M2の価数)×f=2を満たし、かつc+d+e≠0を満たす数を示す。)
で表されるケイ酸リチウム系化合物(2)で被覆されてなり、かつ最表面をリチウムイオン伝導体が被覆してなる。
すなわち、本発明のリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体は、いずれもポリアニオン型正極活物質であるケイ酸リチウム系化合物(1)及びケイ酸リチウム系化合物(2)を含みつつ、ケイ酸リチウム系化合物(1)が核(内部コア)を形成する一方、かかるケイ酸リチウム系化合物(1)とは組成の異なるケイ酸リチウム系化合物(2)がケイ酸リチウム系化合物(1)を被覆する(外部コア)、第一のコアシェル構造を呈するポリアニオン型正極活物質(コア)に、さらにリチウムイオン伝導体(シェル)が被覆して第二のコアシェル構造を呈する、3層構造を有する複合体である。
Li2MnaM1 bSiO4・・・(1)
(式(1)中、M1はMg、Ni、Ca、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd又はGdを示す。a、及びbは、0.8≦a≦1、0≦b≦0.2、及び2a+(M1の価数)×b=2を満たす数を示す。)
で表され、少なくともマンガンを含む化合物であり、後述するケイ酸リチウム系化合物(2)に比べ、より優れた放電容量を発現し得る化合物である。
Li2CocFedNieM2 fSiO4・・・(2)
(式(2)中、M2はCa、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd又はGdを示す。c、d、e及びfは、0≦c≦1、0≦d≦1、0≦e≦1、0≦f≦0.2、及び2c+2d+2e+(M2の価数)×f=2を満たし、かつc+d+e≠0を満たす数を示す。)
で表され、少なくともコバルト、鉄、又はニッケルのいずれかを含む化合物であり、上記ケイ酸リチウム系化合物(1)に比べ、より高い導電性をもたらし得る化合物である。
このようなケイ酸リチウム系化合物(2)が上記ケイ酸リチウム系化合物(1)を被覆することにより、これらの化合物によってコアシェル構造を呈するポリアニオン型正極活物質粒子が形成され、かかるポリアニオン型正極活物質粒子は、内部から外部へと移行するにつれ、上記ケイ酸リチウム系化合物(2)の濃度が次第に高まるような構造を有することにより、コアシェル構造を呈する粒子の導電性を向上させ、後述するリチウムイオン伝導体とも相まって優れたサイクル特性を発揮することができるものと推定される。
(I)リチウム化合物、ケイ酸化合物、及び少なくともマンガン化合物を含む金属化合物を含有するスラリーAを調製し、水熱反応に付してスラリーBを得る工程、
(II)得られたスラリーBに、リチウム化合物、ケイ酸化合物、並びに少なくともコバルト化合物、鉄化合物、又はニッケル化合物を含む金属化合物を添加してスラリーCを調製し、水熱反応に付してスラリーDを得る工程、
(III)得られたスラリーDに、リチウム化合物、及びリチウムイオン伝導体用金属化合物を添加してスラリーEを調製し、水熱反応に付した後、焼成する工程
を備える製造方法により、得ることができる。
すなわち、本願発明では、上記特許文献2にも記載されるように、所定の原料を用いつつ所望の正極活物質を得るにあたり、全工程中において2度水熱反応に付するのみならず、さらにもう1度水熱反応に付して、全工程中において3度にわたり水熱反応を付することにより、コアシェル構造を有するポリアニオン型正極活物質の最表面が、さらにリチウムイオン伝導体で被覆されてなるリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体を製造することができる。
工程(I)で用いるリチウム化合物としては、フッ化リチウム、塩化リチウム、臭化リチウム、ヨウ化リチウム等のリチウム金属塩、水酸化リチウム、炭酸リチウム等が挙げられ、なかでも水酸化リチウムを使用するのが好ましい。
スラリーA中におけるリチウム化合物の含有量は、スラリーAを調製する際に用いる水100質量部に対し、好ましくは5〜40質量部であり、より好ましくは7〜35質量部である。
スラリーA中におけるケイ酸化合物の含有量は、ケイ酸1モルに対し、リチウム化合物のリチウムが2.0〜4.0モルの量であるのが好ましく、2.0〜3.0モルの量であるのがより好ましい。
また、スラリーA中における金属化合物の含有量は、水100質量部に対し、好ましくは2〜50質量部であり、より好ましくは4〜40質量部である。
工程(II)で用いる金属化合物は、少なくともコバルト化合物、鉄化合物、又はニッケル化合物を含み、かかるコバルト化合物、鉄化合物、及びニッケル化合物のほか、さらに、Ca、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd又はGd等から選ばれる1種又は2種以上の金属を含む化合物を用いてもよい。これらの金属化合物としては、例えばフッ化物、塩化物、ヨウ化物等のハロゲン化遷移金属塩、硫酸遷移金属塩の他、有機酸遷移金属塩、並びにこれらの水和物等が挙げられる。このうち、有機酸遷移金属塩を構成する有機酸としては、炭素数1〜20の有機酸、さらに炭素数2〜12の有機酸が好ましい。さらに好ましくは、シュウ酸、フマル酸等のジカルボン酸、乳酸等のヒドロキシカルボン酸、酢酸等の脂肪酸が挙げられる。
また、スラリーC中における金属化合物の含有量は、水100質量部に対し、好ましくは0.5〜40質量部であり、より好ましくは1〜25質量部である。
また、スラリーE中における、リチウムイオン伝導体原料化合物の含有量は、後述する工程(III)で用いる水100質量部に対し、好ましくは0.05〜10質量部であり、より好ましくは0.05〜7質量部である。
乾燥手段は、凍結乾燥、真空乾燥が用いられ、凍結乾燥が好ましい。
焼成は、還元雰囲気又は不活性雰囲気中で行うのが好ましく、ケイ酸化合物の結晶成長を抑制しつつリチウムイオン伝導体を生成させる観点から、焼成温度は、好ましくは500〜800℃であり、より好ましくは550〜750℃である。また焼成時間は、好ましくは10分〜10時間であり、より好ましくは1〜5時間である。
LiOH・H2O 4.28g、Na4SiO4・nH2O 13.97gに超純水50mLを混合した後、さらにMnSO4・5H2O 12.05gを添加して混合し、スラリー水Aを得た。得られたスラリー水Aをオートクレーブに投入して、150℃で6時間水熱反応を行い、スラリー水Bを得た。なお、オートクレーブの圧力は0.4MPaであった。
生成した結晶をろ過し、次いで得られた結晶を、かかる結晶1質量部に対して12質量部の水により洗浄した後、−50℃で12時間凍結乾燥して、粉末を得た。得られた粉末を還元雰囲気下で600℃で1時間焼成して、複合体(Li2MnSiO4(LMS)/Li2CoSiO4(LCS)/Li4Ti5O12=80質量%/16質量%/4質量%)を得た。
スラリー水Bに添加するLiOH・H2Oを1.71g、Na4SiO4・nH2Oを5.59gとし、さらに添加するCoSO4・7H2Oを5.62gとした以外、実施例1と同様にして、複合体(Li2MnSiO4/Li2CoSiO4/Li4Ti5O12=69質量%/28質量%/3質量%)を得た。
実施例1と同様にしてスラリーDを得た後、かかるスラリーDをろ過し、次いで得られた結晶を、かかる結晶1質量部に対して12質量部の水により洗浄した後、−50℃で12時間凍結乾燥して、粉末を得た。得られた粉末 2.0gにグルコース 0.5g及び超純水10mLを加え、混合・乾燥した後、還元雰囲気下で600℃で1時間焼成して、複合体(Li2MnSiO4/Li2CoSiO4/C=80質量%/16質量%/4質量%)を得た。
実施例1と同様にしてスラリーBを得た後、かかるスラリーB 80.3gに対し、添加するLiOH・H2Oを1.71g、Na4SiO4・nH2Oを5.59gとし、さらに添加するCoSO4・7H2Oを5.62gとした以外、実施例1と同様にしてスラリーEを得た。
得られたスラリーEをろ過し、次いで、得られた結晶を、かかる結晶1質量部に対して12質量部の水により洗浄した後、−50℃で12時間凍結乾燥して、粉末を得た。得られた粉末 2.0gにグルコース 0.5g及び超純水10mLを加え、混合・乾燥した後、還元雰囲気下で600℃で1時間焼成して、複合体(Li2MnSiO4/Li2CoSiO4/C=69質量%/28質量%/3質量%)を得た。
実施例1〜2及び比較例1〜2で得られた複合体を正極活物質として用い、リチウムイオン二次電池の正極を作製した。具体的には、得られた複合体、ケッチェンブラック、ポリフッ化ビニリデンを質量比75:20:5の配合割合で混合し、これにN−メチル−2−ピロリドンを加えて充分混練し、正極スラリーを調製した。正極スラリーを厚さ20μmのアルミニウム箔からなる集電体に塗工機を用いて塗布し、80℃で12時間の真空乾燥を行った。
その後、φ14mmの円盤状に打ち抜いてハンドプレスを用いて16MPaで2分間プレスし、正極とした。
次いで、上記の正極を用いてコイン型二次電池を構築した。負極には、φ15mmに打ち抜いたリチウム箔(リチウムイオン二次電池の場合)を用いた。電解液には、エチレンカーボネート及びエチルメチルカーボネートを体積比3:7の割合で混合した混合溶媒に、LiPF6を1mol/Lの濃度で溶解したものを用いた。セパレータには、ポリプロピレンなどの高分子多孔フィルムなど、公知のものを用いた。これらの電池部品を露点が−50℃以下の雰囲気で常法により組み込み収容し、コイン型二次電池(CR−2032)を製造した。
容量保持率(%)=(20サイクル後の放電容量)/(1サイクル後の放電容量)
×100 ・・・(X)
結果を表1に示す。
TEM写真及びTEM−EDXの元素分布を図1に示す。
Claims (8)
- 下記式(1):
Li2MnaM1 bSiO4・・・(1)
(式(1)中、M1はMg、Ni、Ca、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd又はGdを示す。a、及びbは、0.8≦a≦1、0≦b≦0.2、及び2a+(M1の価数)×b=2を満たす数を示す。)
で表されるケイ酸リチウム系化合物(1)が、下記式(2):
Li2CocFedNieM2 fSiO4・・・(2)
(式(2)中、M2はCa、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd又はGdを示す。c、d、e及びfは、0<c≦1、0≦d≦1、0≦e≦1、0≦f≦0.2、及び2c+2d+2e+(M2の価数)×f=2を満たし、かつc+d+e≠0を満たす数を示す。)
で表されるケイ酸リチウム系化合物(2)で被覆されてなり、ケイ酸リチウム系化合物(1)の含有量とケイ酸リチウム系化合物(2)の含有量との質量比((1)/(2))が2〜30であり、かつ
最表面をLi4Ti5O12、Li2TiO3、LixNa1-xTi6O14(0≦x≦1)、Li3PO4、及びLi3VO4から選ばれる1種又は2種以上であるリチウムイオン伝導体が被覆してなるリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体。 - リチウムイオン伝導体の含有量が、0.5〜15質量%である請求項1に記載のリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体。
- ケイ酸リチウム系化合物(1)の含有量が、30〜97質量%である請求項1又は2に記載のリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体。
- 次の工程(I)〜(III):
(I)リチウム化合物、ケイ酸化合物、及び少なくともマンガン化合物を含む金属化合物を含有するスラリーAを調製し、水熱反応に付してスラリーBを得る工程、
(II)得られたスラリーBに、リチウム化合物、ケイ酸化合物、並びに少なくともコバルト化合物、鉄化合物、又はニッケル化合物を含む金属化合物を添加してスラリーCを調製し、水熱反応に付してスラリーDを得る工程、
(III)得られたスラリーDに、リチウム化合物、及びリチウムイオン伝導体用金属化合物を添加してスラリーEを調製し、水熱反応に付した後、焼成する工程
を備える請求項1〜3のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体の製造方法。 - 工程(III)で用いるリチウムイオン伝導体用金属化合物が、TiOSO4、H3PO4、及びVOSO4・nH2O(3≦n≦4)から選ばれる1種又は2種以上である請求項4に記載のリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体の製造方法。
- 工程(III)における焼成温度が、500〜800℃である請求項4又は5に記載のリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体の製造方法。
- 工程(III)で用いるスラリーE中の、リチウムイオン伝導体用金属化合物の含有量が、水100質量部に対し、0.05〜10質量部である請求項4〜6のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体の製造方法。
- 工程(II)で用いるスラリーC中の、少なくともコバルト化合物、鉄化合物、又はニッケル化合物を含む金属化合物の含有量が、水100質量部に対し、0.5〜40質量部である請求項4〜7のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体の製造方法。
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