JP6527201B2 - 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 - Google Patents
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- Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
Description
LiNiaCobMncM1 xO2・・・(I)
(式(I)中、M1はMg、Ti、Nb、Fe、Cr、Si、Al、Ga、V、Zn、Cu、Sr、Mo、Zr、Sn、Ta、W、La、Ce、Pb、Bi及びGeから選ばれる1種又は2種以上の元素を示す。a、b、c、xは、0.3≦a<1、0<b≦0.7、0<c≦0.7、0≦x≦0.3、かつ3a+3b+3c+(M1の価数)×x=3を満たす数を示す。)
LiNidCoeAlfM2 yO2 ・・・(II)
(式(II)中、M2はMg、Ti、Nb、Fe、Cr、Si、Ga、V、Zn、Cu、Sr、Mo、Zr、Sn、Ta、W、La、Ce、Pb、Bi及びGeから選ばれる1種又は2種以上の元素を示す。d、e、f、yは、0.4≦d<1、0<e≦0.6、0<f≦0.3、0≦y≦0.3、かつ3d+3e+3f+(M2の価数)×y=3を満たす数を示す。)
で表されるリチウム複合酸化物粒子からなるリチウム複合酸化物二次粒子(A)の表面において、下記式(III):
LiFemMnnM3 oPO4・・・(III)
(式(III)中、M3はCo、Ca、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd又はGdを示す。m、n、及びoは、0≦m≦1、0≦n≦1、0≦o≦0.3、及びm+n≠0を満たし、かつ2m+2n+(M3の価数)×o=2を満たす数を示す。)
で表され、かつ表面に炭素が担持されたリチウム系ポリアニオン粒子(B)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の製造方法であって、次の工程(X)〜(Z):
(X)リチウム化合物、ニッケル化合物、コバルト化合物、及びマンガン化合物を含有する混合粉体、或いはリチウム化合物、ニッケル化合物、コバルト化合物、及びアルミニウム化合物を含有する混合粉体を焼成して、リチウム複合酸化物二次粒子(A)を得る工程、
(Y)リチウム化合物、少なくとも鉄化合物又はマンガン化合物を含む金属化合物及びリン酸化合物を水熱反応に付して得られたリチウム系ポリアニオン一次粒子、及び炭素源を含むスラリーを噴霧乾燥して造粒した後に焼成して、空隙率が45〜80体積%に調整されてなり、かつ表面に炭素が担持されたリチウム系ポリアニオン粒子(B)からなる造粒体(C)を得る工程、並びに
(Z)工程(X)で得られるリチウム複合酸化物二次粒子(A)と、工程(Y)で得られる造粒体(C)とを、圧縮力及びせん断力を付加しながら混合して、造粒体(C)を崩壊させながら、リチウム複合酸化物二次粒子(A)と表面に炭素が担持されたリチウム系ポリアニオン粒子(B)とを複合化する工程
を備える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の製造方法は、下記式(I)、又は(II):
LiNiaCobMncM1 xO2・・・(I)
(式(I)中、M1はMg、Ti、Nb、Fe、Cr、Si、Al、Ga、V、Zn、Cu、Sr、Mo、Zr、Sn、Ta、W、La、Ce、Pb、Bi及びGeから選ばれる1種又は2種以上の元素を示す。a、b、c、xは、0.3≦a<1、0<b≦0.7、0<c≦0.7、0≦x≦0.3、かつ3a+3b+3c+(M1の価数)×x=3を満たす数を示す。)
LiNidCoeAlfM2 yO2 ・・・(II)
(式(II)中、M2はMg、Ti、Nb、Fe、Cr、Si、Ga、V、Zn、Cu、Sr、Mo、Zr、Sn、Ta、W、La、Ce、Pb、Bi及びGeから選ばれる1種又は2種以上の元素を示す。d、e、f、yは、0.4≦d<1、0<e≦0.6、0<f≦0.3、0≦y≦0.3、かつ3d+3e+3f+(M2の価数)×y=3を満たす数を示す。)
で表されるリチウム複合酸化物粒子からなるリチウム複合酸化物二次粒子(A)の表面において、下記式(III):
LiFemMnnM3 oPO4・・・(III)
(式(III)中、M3はCo、Ca、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd又はGdを示す。m、n、及びoは、0≦m≦1、0≦n≦1、0≦o≦0.3、及びm+n≠0を満たし、かつ2m+2n+(M3の価数)×o=2を満たす数を示す。)
で表され、かつ表面に炭素が担持されたリチウム系ポリアニオン粒子(B)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の製造方法であって、次の工程(X)〜(Z):
(X)リチウム化合物、ニッケル化合物、コバルト化合物、及びマンガン化合物を含有する混合粉体、或いはリチウム化合物、ニッケル化合物、コバルト化合物、及びアルミニウム化合物を含有する混合粉体を焼成して、リチウム複合酸化物二次粒子(A)を得る工程、
(Y)リチウム化合物、少なくとも鉄化合物又はマンガン化合物を含む金属化合物及びリン酸化合物を水熱反応に付して得られたリチウム系ポリアニオン一次粒子、及び炭素源を含むスラリーを噴霧乾燥して造粒した後に焼成して、空隙率が45〜80体積%に調整されてなり、かつ表面に炭素が担持されたリチウム系ポリアニオン粒子(B)からなる造粒体(C)を得る工程、並びに
(Z)工程(X)で得られるリチウム複合酸化物二次粒子(A)と、工程(Y)で得られる造粒体(C)とを、圧縮力及びせん断力を付加しながら混合して、造粒体(C)を崩壊させながら、リチウム複合酸化物二次粒子(A)と表面に炭素が担持されたリチウム系ポリアニオン粒子(B)とを複合化する工程
を備える。
LiNiaCobMncM1 xO2・・・(I)
(式(I)中、M1はMg、Ti、Nb、Fe、Cr、Si、Al、Ga、V、Zn、Cu、Sr、Mo、Zr、Sn、Ta、W、La、Ce、Pb、Bi及びGeから選ばれる1種又は2種以上の元素を示す。a、b、c、xは、0.3≦a<1、0<b≦0.7、0<c≦0.7、0≦x≦0.3、かつ3a+3b+3c+(M1の価数)×x=3を満たす数を示す。)
LiNidCoeAlfM2 yO2 ・・・(II)
(式(II)中、M2はMg、Ti、Nb、Fe、Cr、Si、Ga、V、Zn、Cu、Sr、Mo、Zr、Sn、Ta、W、La、Ce、Pb、Bi及びGeから選ばれる1種又は2種以上の元素を示す。d、e、f、yは、0.4≦d<1、0<e≦0.6、0<f≦0.3、0≦y≦0.3、かつ3d+3e+3f+(M2の価数)×y=3を満たす数を示す。)
で表されるリチウム複合酸化物粒子からなる二次粒子であり、式(I)で表されるリチウム複合酸化物二次粒子(A)、式(II)で表されるリチウム複合酸化物二次粒子(A)ともに、正極活物質を構成する層状型岩塩構造を有する粒子である。
この工程で、必要に応じて、さらに所望するリチウム複合酸化物の組成になるよう、リチウム複合酸化物の一部を置換する金属(M1)元素として、Mg、Ti、Nb、Fe、Cr、Si、Al、Ga、V、Zn、Cu、Sr、Mo、Zr、Sn、Ta、W、La、Ce、Pb、Bi及びGeから選ばれる1種又は2種以上の元素を混入させてもよい。
撹拌した後、水溶液bを濾過することによって金属複合水酸化物を回収すればよい。回収した金属複合水酸化物は、水で洗浄した後、乾燥するのが好ましい。
得られた仮焼成物を乳鉢等で解砕した後、適量のバインダーを混合して造粒し、本焼成するのがよい。本焼成した後に得られた焼成物が、リチウム複合酸化物二次粒子(A)である。
こうした2段階の焼成には、酸素雰囲気、除湿及び除炭酸処理を施した乾燥空気雰囲気等の、ガス雰囲気中の酸素濃度が20質量%以上に調整された電気炉、ロータリーキルン、管状炉、プッシャー炉等を用いることができる。
なお、本明細書において、粒子の平均粒径とは、SEM又はTEMの電子顕微鏡による観察において測定される、数十個の粒子の粒径(長軸の長さ)の平均値を意味する。
この過程で、必要に応じて、さらに所望する複合酸化物の組成になるよう、リチウム金属複合酸化物の一部を置換する金属(M2)元素として、Mg、Ti、Nb、Fe、Cr、Si、Ga、V、Zn、Cu、Sr、Mo、Zr、Sn、Ta、W、La、Ce、Pb、Bi及びGeから選ばれる1種又は2種以上の元素を混入させてもよい。
有用な正極活物質を得るべく、嵩密度の高い金属複合水酸化物とする観点から、中和反応後の水溶液b'に、さらに次亜塩素酸ソーダや過酸化水素水等の酸化剤を添加してもよい。
金属複合水酸化物から金属複合酸化物を得るための焼成条件は、特に限定されるものではなく、例えば、大気雰囲気下、好ましくは500℃〜1100℃、より好ましくは600〜900℃の焼成温度とすればよい。
また、水洗する際に用いる水の電気伝導率は、かかる水に炭酸ガスが多く含まることによって、リチウム複合酸化物二次粒子(A)に炭酸リチウムが析出するのを回避する観点から、10μS/cm未満であるのが好ましく、1μS/cm以下であるのがより好ましい。
さらに乾燥は、2段階で行うのがよい。1段階目の乾燥は、リチウム複合酸化物二次粒子中の水分(気化温度300℃で測定した水分率)が1質量%以下になるまで、90℃以下で行う。その後、2段階目の乾燥を120℃以上で行うのが好ましい。
LiFemMnnM3 oPO4・・・(III)
(式(III)中、M3はCo、Ca、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd又はGdを示す。m、n、及びoは、0≦m≦1、0≦n≦1、0≦o≦0.3、及びm+n≠0を満たし、かつ2m+2n+(M3の価数)×o=2を満たす数を示す。)
で表され、表面に炭素が担持されてなる粒子であり、正極活物質を構成するオリビン型構造を有する粒子である。かかる粒子(B)からなる空隙率の高い造粒体(C)を工程(Y)によって得ることにより、従来の方法のように、リチウム系ポリアニオン一次粒子を堅固に凝集させて得られた堅牢な二次粒子を用いるのに比べ、後述する工程(Z)において、過度な負荷を与えることなく、容易に造粒体(C)を崩壊させるとともに、かかる粒子(B)によってリチウム複合酸化物二次粒子(A)の表面を良好に被覆させることができる。
(i)リチウム化合物を含む混合物(c−1)に、リン酸化合物を混合して複合体(c−2)を得る工程、
(ii)得られた複合体(c−2)と、少なくとも鉄化合物又はマンガン化合物を含む金属化合物を含有するスラリー(c−3)を水熱反応に付して複合体(c−4)を得る工程、
(iii)得られた複合体(c−4)と、炭素源(d)を含むスラリー(c−5)を調整後、スラリー(c−5)を噴霧乾燥して、リチウム系ポリアニオン粒子と炭素源(d)からなる予備造粒体(c−6)を得る工程、並びに
(iv)得られた予備造粒体(c−6)を還元雰囲気又は不活性雰囲気中で焼成して、表面に炭素が担持されたリチウム系ポリアニオン粒子(B)からなる造粒体(C)を得る工程
を備えるのが好ましい。
用い得るリチウム化合物としては、水酸化リチウム(例えばLiOH、LiOH・H2O)、炭酸リチウム、硫酸リチウム、酢酸リチウムが挙げられる。なかでも、水酸化リチウムが好ましい。
混合物(c−1)中におけるリチウム化合物の含有量は、水100質量部に対し、好ましくは5〜50質量部であり、より好ましくは7〜45質量部である。
なお、混合物(c−1)を撹拌する際、さらに混合物(c−1)の沸点温度以下に冷却するのが好ましい。具体的には、80℃以下に冷却するのが好ましく、20〜60℃に冷却するのがより好ましい。
また、窒素をパージする際、反応を良好に進行させる観点から、リン酸化合物を混合した後の混合物(c−1)を撹拌するのが好ましい。このときの撹拌速度は、好ましくは200〜700rpmであり、より好ましくは250〜600rpmである。
これら金属(M3)化合物を用いる場合、鉄化合物、マンガン化合物、及び金属(M3)化合物の合計添加量は、上記工程(i)において得られた複合体(c−2)中のリン酸1モルに対し、好ましくは0.99〜1.01モルであり、より好ましくは0.995〜1.005モルである。
得られた複合体(c−4)は、ろ過後、水で洗浄し、再度ろ過することにより含水率が10〜50質量%のケーキとして回収できる。なお、ろ過手段には、減圧ろ過、加圧ろ過、遠心ろ過等を用いることができるが、操作の簡便性等からフィルタープレス等の加圧ろ過が好ましい。
ここで、複合体(c−4)の平均粒径とは、上記粒子の平均粒径と同様の測定により得られる値の平均値を意味する。
ここで、粒度分布測定におけるD50値とは、レーザー回折・散乱法に基づく体積基準の粒度分布により得られる値であり、D50値は累積50%での粒径(メジアン径)を意味する。
造粒体(C)の崩壊強度(KN/mm)=10/(t0−t10) ・・・(1)
式(1)中のt0は、直径20mmの円筒容器内に表面に炭素が担持されたリチウム系ポリアニオン粒子(B)からなる造粒体(C)を3g投入し、高さ1cmからの落下によるタッピングを10回繰返した後の密充填状態における造粒体(C)の層厚(mm)を示し、t10は、かかる密充填状態の造粒体(C)に、上部から10KNの荷重を掛けた際の造粒体(C)の層厚(mm)を示す。
また、かかる複合化を行う装置として、ローター工具を備えた高速攪拌混合機であるアイリッヒインテンシブミキサー(日本アイリッヒ社製)を用いた場合、かかるローター工具の回転数は、好ましくは2000〜8000rpmであり、より好ましくは2000〜6000rpmである。また、複合化する時間は、好ましくは1〜10分であり、より好ましくは1〜7分である。
例えば、上記複合化を、回転数2000〜5000rpmで回転するインペラを備える密閉容器内で1〜8分間行う場合、密閉容器に投入する上記混合物の量は、有効容器(インペラを備える密閉容器のうち、上記混合物を収容可能な部位に相当する容器)1cm3当たり、好ましくは0.1〜0.7gであり、より好ましくは0.15〜0.4gである。
Ni:Co:Mnのモル比が1:1:1となるように、硫酸ニッケル六水和物 263g、硫酸コバルト七水和物 281g、硫酸マンガン五水和物 241g、及び水 3Lを混合した後、かかる混合溶液に25%アンモニア水を、滴下速度300ml/分で滴下して、pHが11の金属複合水酸化物を含むスラリーx1を得た。
次いで、スラリーx1をろ過、乾燥して、金属複合水酸化物の混合物x2を得た後、かかる混合物x2に炭酸リチウム37gをボールミルで混合して粉末混合物x3を得た。
得られた粉末混合物x3を、大気雰囲気下で800℃×5時間仮焼成して解砕した後に造粒し、次いで本焼成として大気雰囲気下で800℃×10時間焼成し、リチウム複合酸化物二次粒子(A)(LiNi0.33Co0.33Mn0.34O2、平均粒径10μm)を得た。
LiOH・H2O 4071g、及び水9.657Lを混合してスラリーb1を得た。次いで、得られたスラリーb1を、25℃の温度に保持しながら3分間撹拌しつつ75%のリン酸水溶液4204gを40mL/分で滴下して、Li3PO4を含むスラリーb2を得た。
得られたスラリーb2に窒素パージして、スラリーb2の溶存酸素濃度を0.1mg/Lとした後、スラリーb2全量に対し、MnSO4・5H2O 3807g、FeSO4・7H2O 2684gを添加してスラリーb3を得た。添加したMnSO4とFeSO4のモル比(マンガン化合物:鉄化合物)は、70:30であった。
次いで、得られたスラリーb3をオートクレーブに投入し、170℃で0.5時間水熱反応を行った。オートクレーブ内の圧力は0.8MPaであった。水熱反応後、生成した結晶をろ過し、次いで結晶1質量部に対し12質量部の水により洗浄した。その後フィルタープレス装置で脱水し、脱水ケーキb4を得た。
脱水ケーキb4中のリチウム系ポリアニオン粒子の平均粒径は、100nmであった。
得られた脱水ケーキb4を8000g分取し、セルロースナノファイバー(KY100G、ダイセルファインケム社製)1200g、水8.5Lを添加して、固形分濃度30質量%のスラリーb5を得た。得られたスラリーb5を超音波攪拌機(T25、IKA社製)で10分間分散処理して全体を均一に呈色させた後、スプレードライ装置(MDL−050M、藤崎電機株式会社製)を用いて乾燥温度130℃で噴霧乾燥し、予備造粒体b6を得た。
得られた予備造粒体b6を、アルゴン水素雰囲気下(水素濃度3%)、700℃で1時間焼成して、2.0質量%のセルロースナノファイバー由来の炭素が表面に担持されたリン酸マンガン鉄リチウム二次粒子(B−1)からなる造粒体(C−1)(LiMn0.7Fe0.3PO4、炭素の量=2.0質量%、平均粒径:11μm、空隙率51体積%、タップ密度0.8g/cm3)を得た。
脱水ケーキb4に添加する水の量を12Lに変更して固形分濃度25質量%のスラリーb5を得た後、噴霧乾燥における乾燥温度を140℃に変更した以外、製造例2と同様にして、2.0質量%のセルロースナノファイバー由来の炭素が表面に担持されたリン酸マンガン鉄リチウム二次粒子(B−2)からなる造粒体(C−2)(LiMn0.7Fe0.3PO4、炭素の量=2.0質量%、平均粒径:8μm、空隙率56体積%、タップ密度0.8g/cm3)を得た。
脱水ケーキb4に添加する水の量を17Lに変更して固形分濃度20質量%のスラリーb5を得た後、噴霧乾燥における乾燥温度を150℃に変更した以外、製造例2と同様にして、2.0質量%のセルロースナノファイバー由来の炭素が表面に担持されたリン酸マンガン鉄リチウム二次粒子(B−3)からなる造粒体(C−3)(LiMn0.7Fe0.3PO4、炭素の量=2.0質量%、平均粒径:8μm、空隙率74体積%、タップ密度0.7g/cm3)を得た。
スラリーb2全量に対し、FeSO4・7H2O 8945gのみを添加してスラリーb3を得た以外、製造例2と同様にして、2.0質量%のセルロースナノファイバー由来の炭素が担持されたリン酸鉄リチウム二次粒子(B−4)からなる造粒体(C−4)(LiFePO4、炭素の量=2.0質量%、平均粒径:10μm、空隙率52体積%、タップ密度0.9g/cm3)を得た。
スラリーb2全量に対し、FeSO4・7H2O 8945gのみを添加してスラリーb3を得た後、得られた脱水ケーキb4に添加する水の量を12Lに変更して固形分濃度25質量%のスラリーb5を得て、噴霧乾燥における乾燥温度を140℃に変更した以外、製造例2と同様にして、2.0質量%のセルロースナノファイバー由来の炭素が表面に担持されたリン酸鉄リチウム二次粒子(B−5)からなる造粒体(C−5)(LiFePO4、炭素の量=2.0質量%、平均粒径:9μm、空隙率61体積%、タップ密度0.8g/cm3)を得た。
スラリーb2全量に対し、FeSO4・7H2O 8945gのみを添加してスラリーb3を得た後、得られた脱水ケーキb4に添加する水の量を17Lに変更して固形分濃度20質量%のスラリーb5を得て、噴霧乾燥における乾燥温度を150℃に変更した以外、製造例2と同様にして、2.0質量%のセルロースナノファイバー由来の炭素が表面に担持されたリン酸鉄リチウム二次粒子(B−6)からなる造粒体(C−6)(LiFePO4、炭素の量=2.0質量%、平均粒径:9μm、空隙率70体積%、タップ密度0.7g/cm3)を得た。
脱水ケーキb4に添加する水の量を0.5Lに変更して固形分濃度55質量%のスラリーb5を得た後、噴霧乾燥における乾燥温度を180℃に変更した以外、製造例2と同様にして、2.0質量%のセルロースナノファイバー由来の炭素が表面に担持されたリン酸マンガン鉄リチウム二次粒子(B−7)からなる造粒体(C−7)(LiMn0.7Fe0.3PO4、炭素の量=2.0質量%、平均粒径:11μm、空隙率6体積%、タップ密度1.2g/cm3)を得た。
脱水ケーキb4に添加する水の量を0.5Lに変更して固形分濃度55質量%のスラリーb5を得た後、噴霧乾燥における乾燥温度を200℃に変更した以外、製造例2と同様にして、2.0質量%のセルロースナノファイバー由来の炭素が表面に担持されたリン酸マンガン鉄リチウム二次粒子(B−8)からなる造粒体(C−8)(LiMn0.7Fe0.3PO4、炭素の量=2.0質量%、平均粒径:10μm、空隙率9体積%、タップ密度1.2g/cm3)を得た。
脱水ケーキb4に添加する水の量を1.5Lに変更して固形分濃度50質量%のスラリーb5を得た後、噴霧乾燥における乾燥温度を200℃に変更した以外、製造例2と同様にして、2.0質量%のセルロースナノファイバー由来の炭素が表面に担持されたリン酸マンガン鉄リチウム二次粒子(B−9)からなる造粒体(C−9)(LiMn0.7Fe0.3PO4、炭素の量=2.0質量%、平均粒径:20μm、空隙率14体積%、タップ密度1.1g/cm3)を得た。
スラリーb2全量に対し、FeSO4・7H2O 8945gのみを添加してスラリーb3を得た後、脱水ケーキb4に添加する水の量を2.5Lに変更して固形分濃度45質量%のスラリーb5を得た以外、製造例2と同様にして、2.0質量%のセルロースナノファイバー由来の炭素が担持されたリン酸鉄リチウム二次粒子(B−10)からなる造粒体(C−10)(LiFePO4、炭素の量=2.0質量%、平均粒径:12μm、空隙率27体積%、タップ密度1.0g/cm3)を得た。
スラリーb2全量に対し、FeSO4・7H2O 8945gのみを添加してスラリーb3を得た後、得られた脱水ケーキb4に添加する水の量を8Lに変更して固形分濃度30質量%のスラリーK5を得て、噴霧乾燥における乾燥温度を170℃に変更した以外、製造例2と同様にして、2.0質量%のセルロースナノファイバー由来の炭素が担持されたリン酸鉄リチウム二次粒子(B−11)からなる造粒体(C−11)(LiFePO4、炭素の量=2.0質量%、平均粒径:15μm、空隙率44体積%、タップ密度1.0g/cm3)を得た。
製造例1で得られた複合体(A)350gと、製造例2で得られた造粒体(C−1)150gを、メカノフュージョン(ホソカワミクロン社製、AMS−Lab)を用いて、2600rpmで5分間の複合化処理を行い、リチウムイオン二次電池用正極活物質複合体(Z−1)(粒子(A):粒子(B−1)=70:30(質量比))を得た。
製造例2で得られた造粒体(C−1)の代わりに、製造例3で得られた造粒体(C−2)を用いた以外、実施例1と同様にして、リチウムイオン二次電池用正極活物質複合体(Z−2)(粒子(A):粒子(B−2)=70:30(質量比))を得た。
製造例1で得られた複合体(A)450gと、製造例4で得られた造粒体(C−3)50gを、メカノフュージョン(ホソカワミクロン社製、AMS−Lab)を用いて、2600rpmで5分間の複合化処理を行い、リチウムイオン二次電池用正極活物質複合体(Z−3)(粒子(A):粒子(B−3)=90:10(質量比))を得た。
製造例2で得られた造粒体(C−1)の代わりに、製造例5で得られた造粒体(C−4)を用いた以外、実施例1と同様にして、リチウムイオン二次電池用正極活物質複合体(Z−4)(粒子(A):粒子(B−4)=70:30(質量比))を得た。
製造例2で得られた造粒体(C−1)の代わりに、製造例6で得られた造粒体(C−5)を用いた以外、実施例1と同様にして、リチウムイオン二次電池用正極活物質複合体(Z−5)(粒子(A):粒子(B−5)=70:30(質量比))を得た。
製造例1で得られた複合体(A)400gと、製造例7で得られた造粒体(C−6)100gを、メカノフュージョン(ホソカワミクロン社製、AMS−Lab)を用いて、2600rpmで5分間の複合化処理を行い、リチウムイオン二次電池用正極活物質複合体(Z−6)(粒子(A):粒子(B−6)=80:20(質量比))を得た。
製造例2で得られた造粒体(C−1)の代わりに、製造例8で得られた造粒体(C−7)を用いた以外、実施例1と同様にして、リチウムイオン二次電池用正極活物質複合体(Z−7)(粒子(A):粒子(B−7)=70:30(質量比))を得た。
製造例2で得られた造粒体(C−1)の代わりに、製造例9で得られた造粒体(C−8)を用いた以外、実施例1と同様にして、リチウムイオン二次電池用正極活物質複合体(Z−8)(粒子(A):粒子(B−8)=70:30(質量比))を得た。
製造例1で得られた複合体(A)400gと、製造例10で得られた造粒体(C−9)100gを、メカノフュージョン(ホソカワミクロン社製、AMS−Lab)を用いて、2600rpmで5分間の複合化処理を行い、リチウムイオン二次電池用正極活物質複合体(Z−9)(粒子(A):粒子(B−9)=80:20(質量比))を得た。
製造例2で得られた造粒体(C−1)の代わりに、製造例11で得られた造粒体(C−10)を用いた以外、実施例1と同様にして、リチウムイオン二次電池用正極活物質複合体(Z−10)(粒子(A):粒子(B−10)=70:30(質量比))を得た。
製造例1で得られた複合体(A)450gと、製造例12で得られた造粒体(C−11)50gを、メカノフュージョン(ホソカワミクロン社製、AMS−Lab)を用いて、2600rpmで5分間の複合化処理を行い、リチウムイオン二次電池用正極活物質複合体(Z−11)(粒子(A):粒子(B−11)=90:10(質量比))を得た。
実施例及び比較例で用いた造粒体(C)について、崩壊強度を評価した。具体的には、造粒体(C)を直径20mmの円筒容器内に3g投入し、高さ1cmからの落下によるタッピングを10回繰返した後の密充填状態における造粒体(C)の層厚t0(mm)と、かかる密充填状態の造粒体(C)に、上部から10KNの荷重を掛けた際の造粒体(C)の層厚t10(mm)を計測した後、上記式(1)にしたがって崩壊強度を算出した。
結果を表1に示す。
実施例及び比較例で得られたリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体(Z)について、X線光電子分光法(XPS)を用いて複合体粒子表面に存在する元素を分析した。
具体的には、得られたX線光電子分光スペクトル(使用装置:日本電子社製 JPS9010MX)におけるNCM由来のNi2p3/2のピーク強度と、粒子(B)由来のP2pのピーク強度及びC1sのピーク強度から、下記式(2)によりXPSピーク強度比(C)を求めた。このXPSピーク強度比(C)は、値が小さいほどリチウム複合酸化物二次粒子(A)表面がリチウム系ポリアニオン粒子(B)に被覆されていることを示す。
結果を表2に示す。
XPSピーク強度比(C)=(Ni2p3/2のピーク強度)/
((P2pのピーク強度)+(C1sのピーク強度)) ・・・(2)
実施例及び比較例で得られたリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体(Z)2gとN−メチル−2−ピロリドン10gを、高速ミキサー(プライミクス社製フィルミックス40L型)を用いて2000rpmで3分間攪拌混練した。かかる攪拌混練処理は、実際の二次電池の製造工程における集電体への正極スラリーの塗布工程を強調的に模擬した処理であり、実際の塗布工程で付加されるせん断力以上の力が複合体(Z)に付加されることとなる。
攪拌混練処理後のスラリーを、温風乾燥機を用いて80℃×12時間乾燥した後、回収したリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体(Z)について、上記と同様にX線光電子分光法を用いて得られたXPSピーク強度比(D)を求め、前記の攪拌混練処理前のXPSピーク強度比との比率((XPSピーク強度比(D))/(XPSピーク強度比(C)))から、リチウム複合酸化物二次粒子(A)表面におけるリチウム系ポリアニオン粒子(B)の被覆強度を評価した。
このXPSピーク強度比の比率(D/C)は、値が小さく、1に近いほどリチウム複合酸化物二次粒子(A)表面に強固に表面に炭素が担持されたリチウム系ポリアニオン粒子(B)が被覆していることを示す。
結果を表2に示す。
全ての実施例及び比較例で得られたリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体を正極材料として用い、リチウムイオン二次電池の正極を作製した。具体的には、得られたリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体、アセチレンブラック、ポリフッ化ビニリデンを質量比90:5:5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)を得た。
その後、かかる二次電池を解体し、取り出した正極を炭酸ジメチルで洗浄後、電解液に浸した。このときの電解液は、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1:1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。正極を浸した電解液を密閉容器に入れ、70℃で1週間静置した。
静置後、正極を取り出した電解液を0.45μmのディスミックフィルタで濾過し、硝酸により酸分解した。酸分解した電解液に含まれるリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体由来のMn、Co、Niを、ICP発光分光法(使用装置:堀場製作所製 ULTIMA2)を用いて定量した。
結果を表2に示す。
上記の電解液への遷移金属溶出量の評価で製造した二次電池を用いて、放電容量測定装置(HJ−1001SD8、北斗電工製)にて気温30℃環境での、0.2C(34mAh/g)及び3C(510mAh/g)の初期放電容量を測定した。
結果を表2に示す。
それ故、得られる二次電池において、良好な放電容量を発現している。
Claims (10)
- 下記式(I)、又は(II):
LiNiaCobMncM1 xO2・・・(I)
(式(I)中、M1はMg、Ti、Nb、Fe、Cr、Si、Al、Ga、V、Zn、Cu、Sr、Mo、Zr、Sn、Ta、W、La、Ce、Pb、Bi及びGeから選ばれる1種又は2種以上の元素を示す。a、b、c、xは、0.3≦a<1、0<b≦0.7、0<c≦0.7、0≦x≦0.3、かつ3a+3b+3c+(M1の価数)×x=3を満たす数を示す。)
LiNidCoeAlfM2 yO2 ・・・(II)
(式(II)中、M2はMg、Ti、Nb、Fe、Cr、Si、Ga、V、Zn、Cu、Sr、Mo、Zr、Sn、Ta、W、La、Ce、Pb、Bi及びGeから選ばれる1種又は2種以上の元素を示す。d、e、f、yは、0.4≦d<1、0<e≦0.6、0<f≦0.3、0≦y≦0.3、かつ3d+3e+3f+(M2の価数)×y=3を満たす数を示す。)
で表されるリチウム複合酸化物粒子からなるリチウム複合酸化物二次粒子(A)の表面において、下記式(III):
LiFemMnnM3 oPO4・・・(III)
(式(III)中、M3はCo、Ca、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd又はGdを示す。m、n、及びoは、0≦m≦1、0≦n≦1、0≦o≦0.3、及びm+n≠0を満たし、かつ2m+2n+(M3の価数)×o=2を満たす数を示す。)
で表され、かつ表面に炭素が担持されたリチウム系ポリアニオン粒子(B)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の製造方法であって、次の工程(X)〜(Z):
(X)リチウム化合物、ニッケル化合物、コバルト化合物、及びマンガン化合物を含有する混合粉体、或いはリチウム化合物、ニッケル化合物、コバルト化合物、及びアルミニウム化合物を含有する混合粉体を焼成して、リチウム複合酸化物二次粒子(A)を得る工程、
(Y)リチウム化合物、少なくとも鉄化合物又はマンガン化合物を含む金属化合物及びリン酸化合物を水熱反応に付して得られたリチウム系ポリアニオン一次粒子、及び炭素源を含む固形分濃度13〜30質量%のスラリーを、熱風の供給量G(L/分)とスラリーの供給量S(L/分)の比G/Sが500〜10000で噴霧乾燥して造粒した後に焼成して、空隙率が45〜80体積%に調整されてなり、かつ表面に炭素が担持されたリチウム系ポリアニオン粒子(B)からなる平均粒径5〜15μmの造粒体(C)を得る工程、並びに
(Z)工程(X)で得られるリチウム複合酸化物二次粒子(A)と、工程(Y)で得られる造粒体(C)とを、圧縮力及びせん断力を付加しながら混合して、造粒体(C)を崩壊させながら、リチウム複合酸化物二次粒子(A)と表面に炭素が担持されたリチウム系ポリアニオン粒子(B)とを複合化する工程
を備える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(Y)において、噴霧乾燥の温度が110〜160℃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の製造方法。
- 工程(Y)において、スラリーを噴霧乾燥して造粒した後に焼成する温度が、600〜800℃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の製造方法。
- 工程(Y)において用いるスラリー中の炭素源の含有量が、スラリーにおける水100質量部に対し、0.1〜20質量部である請求項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(Z)において複合化する時間が、1〜10分である請求項1〜4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(Y)で得られる造粒体(C)のタップ密度が、1.0g/cm3未満である請求項1〜5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(Y)で得られる造粒体(C)の崩壊強度が、1.8KN/mm以下である請求項1〜6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。
- リチウム系ポリアニオン粒子(B)の表面に担持された炭素が、セルロースナノファイバー由来の炭素又は水溶性炭素材料由来の炭素である請求項1〜7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。
- リチウム系ポリアニオン粒子(B)の表面に担持された炭素が、セルロースナノファイバー由来の炭素である1〜7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。
- 工程(Y)において、用いるリチウム系ポリアニオン一次粒子の平均粒径が50〜250nmである請求項1〜9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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