JP6538859B2 - 高電圧リチウムイオンバッテリのためのリチウムニッケルマンガンコバルト酸化物のカソード用粉末 - Google Patents
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Description
a)0.20≦z≦0.55。
b)0.15≦x≦0.20、0.40≦z≦0.55及び1≦Li:M≦1.10。
c)A=Al又はA=Al及びCaであり、0.005≦k≦0.02。
d)A=Al又はA=Al及びCa、k=0.01±0.005、x=0.20±0.02、y=0.40±0.05、z=0.40±0.05及び1≦Li:M≦1.10。
リチウムM’酸化物粉末[ここで、M’=Niz(Ni1/2Mn1/2)yCox、0.15≦x≦0.30、0.10≦z≦0.55及びx+y+z=1である]、及びAlを含むAの第1の供給源を含む、第1の混合物を用意するステップと、
第1の混合物を、少なくとも500℃の第1の焼結温度に加熱するステップと、
第1の焼結温度にて、第1の期間にわたり、第1の混合物を焼結するステップと、
第1の焼結した混合物を、好ましくは室温に冷却するステップと、
フッ素含有ポリマー、及びAlを含むAの第2の供給源を、焼結した混合物の混合物に添加し、それにより第2の混合物を得るステップと、
第2の混合物を250〜500℃の第2の焼結温度に加熱するステップと、
第2の焼結温度にて、第2の期間にわたり、第2の混合物を焼結し、それにより、リチウム金属酸化物粉末を得、粉末を冷却するステップとを含む、本発明によるリチウム金属酸化物粉末を作製するための方法を提供することができる。一実施形態において、0.20≦z≦0.55である。別の実施形態では、第1の焼結温度は、650〜750℃であり、第2の焼結温度は、350〜400℃である。これらの温度範囲は、望ましい生成物の性質を得るのに有効であることが証明された。一実施形態において、第1の焼結ステップの第1の期間及び第2の焼結ステップの第2の期間のいずれも、5〜10時間である。別の実施形態において、Aの第1の供給源及び第2の供給源のうちのいずれか一方又は両方は、Al2O3である。CaOもAに添加され得る。この実施形態において、Aの第1の供給源及び第2の供給源のうちのいずれか一方又は両方は、CaO、TiO2、MgO、WO3、ZrO2、Cr2O3及びV2O5からなる群から選択される、いずれか1つ以上の化合物を更に含み得る。別の実施形態において、Aの供給源は、D50<100nm及びBET≧50m2/gを有するナノアルミナ粉末を含む。この供給源は、D50<200nm及びBET≧30m2/gを有するサブマイクロメートルCaO粉末も含み得る。第2の焼結ステップ中、添加されるアルミナの結晶性構造は、最終生成物でも保存され、これは望ましい生成物の性質を得るために有利である。更に別の態様において、第2の混合物におけるフッ素含有ポリマーの量は、0.1〜2重量%、好ましくは0.2〜0.5重量%である。別の実施形態では、フッ素含有ポリマーはPVDFホモポリマー、又はPVDFコポリマー、又はPVDF−HFP(ヘキサフルオロプロピレン)ポリマー、又はPTFE(ポリテトラフルオロエチレン)ポリマーである。本発明による更なる方法の実施形態は、先に記載されている別の方法の実施形態により包含される特徴を組み合わせることにより提供され得ることは明らかである。
実施例で使用される実験的試験
a)フルセルの作製
a.1)スラリーの作製及びコーティング
スラリーは、NMPを備えた700gのNMCカソード材料、47.19gのsuper P(登録商標)(Timcalの導電性カーボンブラック)及びNMP溶液中の393.26gの10重量%PVDF系結合剤と混合することにより調製する。混合物を遊星型混合器で2.5時間混合する。混合中、追加のNMPを添加する。混合物を、Disper混合器に移し、更にNMPを添加しながら1.5時間混合する。使用されるNMPの全量は典型的に、423.57gである。スラリー中の最終的な固体含有量は、約65重量%である。スラリーをコーティングラインに移す。二重コーティングされた電極を準備する。電極表面は、平滑である。電極のローディングは、9.6mg/cm2である。電極を、ロール圧縮機によって圧縮し、約3.2g/cm3の電極密度を得る。電極は、以下に記載されているように、パウチセル型フルセルの調製に使用される。
フルセル試験の目的に関しては、準備した正極(カソード)を、典型的にはグラファイト型炭素である負極(アノード)及び多孔性の電気的絶縁膜(セパレータ)と組み立てる。フルセルは、以下の主なステップにより準備される:(a)電極のスリッティング、(b)電極の乾燥、(c)ジェリーロールの巻き上げ及び(d)包装。
3.0V〜4.35V又は4.4VでToscat−3100コンピュータ制御定電流サイクル実行ステーション(東洋システム株式会社)を使用して、25℃(=RT)及び45℃(=HT)の両方にて、CC/CV(定電流/定電圧)モードで、1Cレート(充電セルを1時間以内に放電する電流に相当する)でフルセルにサイクルを実行する。サイクル安定性試験において、初期容量の少なくとも80%が残るサイクル数まで測定する。
完全に充電したセルを、90℃にて4時間オーブン中に保存する。活物質と電解液との反応により、フルセルにおいてガスが生成され、バッテリの厚さの増加(膨張)が引き起こされる。オーブンでの保存の前後で、フルセルの厚さを測定する。報告されている値は、%増加で表現されている、増加したフルセルの厚さ対最初の厚さの比である。
ULVAC−PHI(Q2)からのQuantera SXM(商標)で測定を実行する。単色Al−Κα−放射線及び1200×500μmの面積にわたりスキャンする100μmのスポットサイズ(高感度モード)を使用して、測定を行う。測定角度Θは45°であり、この設定で、情報深さは約7nmである。
(a)リチウム及びニッケルマンガンコバルト前駆体をブレンドするステップ:炭酸リチウム及び混合Ni−Mn−Coオキシ水酸化物を、垂直一軸混合器で乾燥粉末混合プロセスにより、均一にブレンドする。ブレンド比は、Li1.01(Ni0.4(Ni1/2Mn1/2)0.4Co0.2)0.99O2を得ることを目標とし、これは、分析技術、例えばICPにより容易に検証できる。
(b)酸化雰囲気中で合成するステップ:ステップ(a)からの粉末混合物を、酸化雰囲気中でトンネル炉にて焼結する。焼結温度は>900℃であり、滞留時間は約10時間である。乾燥空気は、酸化ガスとして使用される。
(c)摩砕:焼結後、試料をグラインディングマシンでD50=11〜12μmの粒径分布に摩砕する。スパンは1.20である。スパンは、DXXを粒径分析の体積分布の対応するXX値とした場合、(D90−D10)/D50として定義される。
(d)ワンステップAlドーピング及びアルミナコーティング:ステップ(c)からの1kgのLi1.01(Ni0.4(Ni1/2Mn1/2)0.4Co0.2)0.99O2粉末で、混合器を満たし(この実施例では2L Henschel型混合器)、2gのヒュームドアルミナ(Al2O3)ナノ粉末を同様に添加する。均一に混合した(通常1000rpmで30分間)後で、酸化雰囲気中で、箱型炉にて混合物を焼結する。焼結温度は700℃であり、滞留時間は約5時間である。乾燥空気は、酸化ガスとして使用される。この温度での焼結ステップの後で、Alは、リチウム金属酸化物(コア)にドーピングされていることが検証でき、表面自体がきわめて薄いAl2O3コーティングで覆われているが、Al含有量の増加に応じて表面に生じた濃度勾配がXPS測定により示される。このステップの後で、材料は、全体式Li1.01((Ni0.4(Ni1/2Mn1/2)0.4Co0.2)0.996Al0.004)0.99O2により表すことができる。
(e)アルミナ及びLiFコーティング:プロセス(d)から得られた1kgの粉末で、混合器を満たし(この実施例では2L Henschel型混合器)、2gのヒュームドアルミナ(Al2O3)ナノ粉末及び3gフッ化ポリビニリデン(PVDF)粉末を同様に添加する。均一に混合した(通常1000rpmで30分間)後で、酸化雰囲気中で、箱型炉にて混合物を焼結する。焼結温度は375℃であり、滞留時間は約5時間である。乾燥空気は、酸化ガスとして使用される。ステップ(d)で生じた表面層は、PVDFに対するバリアを作り出さないで、内部表面に存在するLiと反応し、LiFを形成する。第2の焼結ステップの後で、表面層は、コアの元素、LiF及びAl2O3の混合物であることが検証できる。最終的なAl含有量は、0.8mol%(ICPにより決定できる)である。
ステップ(a)、(b)及び(c)は、実施例1と同じであり、続いて:
(d)ワンステップAlドーピング及びアルミナコーティング:ステップ(c)からの1kgのLi1.01(Ni0.4(Ni1/2Mn1/2)0.4Co0.2)0.99O2粉末で、混合器を満たし(この実施例では2L Henschel型混合器)、2gのヒュームドアルミナ(Al2O3)ナノ粉末を同様に添加する。均一に混合した(通常1000rpmで30分間)後で、酸化雰囲気中で、箱型炉にて混合物を焼結する。焼結温度は500℃であり、滞留時間は約10時間である。乾燥空気は、酸化ガスとして使用される。この温度での焼結ステップの後で、Alは、リチウム金属酸化物(コア)にドーピングされていることが検証でき、表面自体がきわめて薄いAl2O3コーティングで覆われているが、Al含有量の増加に応じて表面に生じた濃度勾配がXPS測定により示される。このステップの後で、材料は、全体式Li1.01((Ni0.4(Ni1/2Mn1/2)0.4Co0.2)0.996Al0.004)0.99O2により表すことができる。
実施例3:本発明による粉末は、Umicore(大韓民国)のパイロットラインで、以下のステップにより製造される:
ステップ(a)、(b)及び(c)は、実施例1と同じであり、続いて:
(d)ワンステップAlドーピング及びアルミナコーティング:ステップ(c)からの1kgのLi1.01(Ni0.4(Ni1/2Mn1/2)0.4Co0.2)0.99O2粉末で、混合器を満たし(この実施例では2L Henschel型混合器)、1gのヒュームドアルミナ(Al2O3)ナノ粉末を同様に添加する。均一に混合した(通常1000rpmで30分間)後で、酸化雰囲気中で、箱型炉にて混合物を焼結する。焼結温度は500℃であり、滞留時間は約10時間である。乾燥空気は、酸化ガスとして使用される。この温度での焼結ステップの後で、Alは、リチウム金属酸化物(コア)にドーピングされていることが検証でき、表面自体がきわめて薄いAl2O3コーティングで覆われているが、Al含有量の増加に応じて表面に生じた濃度勾配がXPS測定により示される。このステップの後で、材料は、全体式Li1.01((Ni0.4(Ni1/2Mn1/2)0.4Co0.2)0.998Al0.002)0.99O2により表すことができる。
(e)アルミナ及びLiFコーティング:プロセス(d)から得られた1kgの粉末で、混合器を満たし(この実施例では2L Henschel型混合器)、4gのヒュームドアルミナ(Al2O3)ナノ粉末及び3gフッ化ポリビニリデン(PVDF)粉末を同様に添加する。均一に混合した(通常1000rpmで30分間)後で、酸化雰囲気中で、箱型炉にて混合物を焼結する。焼結温度は400℃であり、滞留時間は約5時間である。乾燥空気は、酸化ガスとして使用される。ステップ(d)で生じた表面層は、PVDFに対するバリアを作り出さないで、内部表面に存在するLiと反応し、LiFを形成する。第2の焼結ステップの後で、表面層は、コアの元素、LiF及びAl2O3の混合物であることが検証できる。最終的なAl含有量は、1.2mol%(ICPにより決定できる)である。
(a)リチウム、カルシウム及びニッケルマンガンコバルト前駆体のブレンド:炭酸リチウム、CaO及び混合Ni−Mn−Coオキシ水酸化物を、垂直一軸混合器で、乾燥粉末混合プロセスにより、均一にブレンドする。ブレンド比は、Li1.01((Ni0.4(Ni1/2Mn1/2)0.4Co0.2)0.995Ca0.005)0.99O2を得ることを目標とし、これは、分析技術、例えばICPにより容易に検証できる。
(d)ワンステップAlドーピング及びアルミナコーティング:ステップ(c)からの1kgの粉末で、混合器を満たし(この実施例では2L Henschel型混合器)、2gのヒュームドアルミナ(Al2O3)ナノ粉末を同様に添加する。均一に混合した(通常1000rpmで30分間)後で、酸化雰囲気中で、箱型炉にて混合物を焼結する。焼結温度は500℃であり、滞留時間は約10時間である。乾燥空気は、酸化ガスとして使用される。この温度での焼結ステップの後で、Alは、リチウム金属酸化物(コア)にドーピングされていることが検証でき、表面自体がきわめて薄いAl2O3コーティングで覆われているが、Al含有量の増加に応じて表面に生じた濃度勾配がXPS測定により示される。このステップの後で、材料は、式Li1.01((Ni0.4(Ni1/2Mn1/2)0.4CO0.2)0.991Ca0.005Al0.004)0.99O2により表すことができる。
(e)アルミナ及びLiFコーティング:プロセス(d)から得られた1kgの粉末で、混合器を満たし(この実施例では2L Henschel型混合器)、2gのヒュームドアルミナ(Al2O3)ナノ粉末及び3gフッ化ポリビニリデン(PVDF)粉末を同様に添加する。均一に混合した(通常1000rpmで30分間)後で、酸化雰囲気中で、箱型炉にて混合物を焼結する。焼結温度は400℃であり、滞留時間は約5時間である。乾燥空気は、酸化ガスとして使用される。ステップ(d)で生じた表面層は、PVDFに対するバリアを作り出さないで、内部表面に存在するLiと反応し、LiFを形成する。第2の焼結ステップの後で、表面層は、コアの元素、LiF及びAl2O3の混合物であることが検証できる。最終的なAl含有量は、0.8mol%(ICPにより決定できる)である。
プロセスのステップ(a)、(b)、(c)及び(d)を通して、追加のアルミナ及びLiFコーティング(プロセス(e))なしでLi1.01((Ni0.4(Ni1/2Mn1/2)0.4Co0.2)0.996Al0.004)0.99O2を製造する。
プロセス(a)、(b)、(c)を通して、更なる処理なしで、Li1.01((Ni0.4(Ni1/2Mn1/2)0.4Co0.2)0.99O2を製造する。
図1及び図2は、実施例1の表面層の性質を示す。XPSにより測定した表面層及びコアの外部におけるAl及びFの濃度勾配は、図1で示される。表面の外部界面において、図2(a)〜(c)で示されているようにMn、Ni及びCo濃度を明らかに低下させる効果もみられる(粒子表面におけるMn、Ni及びCoのそれぞれの比(XPS測定)対コアの外部に相当する深さ200nmにおける含有量をそれぞれ示す)。そのような特有の表面性質は、本発明のカソード材料の優れた電気化学的性能に関連する。25℃及び45℃における、3.0〜4.35Vの、実施例1のフルセルのサイクル安定性は、図3及び4で示され(%で表現されている容量対第1のサイクル=100%)。25℃及び45℃における3.0〜4.4Vの、実施例1及び実施例4対比較例1のフルセルのサイクル安定性の比較は、図5及び6で示され、それぞれにおいて、実施例1及び実施例4のフルセルは、450サイクル後により高い容量を有する。図7では、25℃における3.0〜4.35Vの実施例1〜3対比較例1〜5のフルセルのサイクル安定性の比較が示され、図8では、45℃における3.0〜4.35Vの間のサイクル実行について、同一のものが示されている。実施例1〜3及び比較例1のサイクル安定性は、室温で同等であるが、高温(45℃は自動車用途の特性である)では、実施例1〜3が優れ、一方、実施例1〜3及び比較例4の間の比較に関しては、その逆が示されていることを、図7及び8は示す。実施例1〜3のみが、室温及び高温の両方で、サイクル安定性で優れている。図7では、一番上の線は比較例1であり、すぐ下の線は実施例2であり、次に下の線は実施例3及び実施例1である。図8では、600サイクルでの一番上の線は、実施例3に対するものであり、すぐ下の線は比較例4、次に下の線は実施例1である。両方の図において、他の線は、表1のデータを使用して区別できる。実施例4は、4.35Vでは試験しないが、4.4Vの更なる極限状態で試験する。
Claims (18)
- 充電式バッテリにおけるカソード材料のためのリチウム金属酸化物粉末であって、コア及び表面層を含み、前記表面層が、外部界面及び内部界面により区切られており、前記内部界面が前記コアと接触しており、前記コアが、元素Li、M及び酸素を含む層状結晶構造を有し、Mが、式M=(Niz(Ni1/2Mn1/2)yCox)1−kAkを有し、0.15≦x≦0.30、0.10≦z≦0.55、x+y+z=1及び0<k≦0.1であり、Li含有量が、モル比0.95≦Li:M≦1.10に化学量論的に制御され、Aが、少なくとも1つのドーパントであり、かつAlを含み、前記コアが、0.3〜3mol%のAl含有量及び0.05mol%未満のF含有量を有し、前記表面層が、Ni、Co、Mn、LiF及びAl2O3 を含む混合物を含み、前記表面層が、前記内部界面における前記コアのAl含有量から、前記外部界面において少なくとも10mol%に増加する前記Al含有量、前記内部界面における0.05mol%未満から、前記外部界面において少なくとも3mol%に増加するF含有量、前記内部界面から前記外部界面まで減少するMn含有量、前記内部界面から前記外部界面まで減少するNi含有量、及び前記内部界面から前記外部界面まで減少するCo含有量を有し、前記Al、F、Mn、Ni及びCo含有量がXPSにより決定され、前記表面層の厚さが、50nm超400nm未満である、リチウム金属酸化物粉末。
- 前記表面層が、前記内部界面における前記コアのMn含有量から、前記外部界面において前記コアの前記Mn含有量の50%未満に減少する前記Mn含有量を有する、請求項1に記載のリチウム金属酸化物粉末。
- 前記表面層が、XPSにより決定して、前記内部界面における前記コアのNi含有量から、前記外部界面において前記コアの前記Ni含有量の25%未満に減少する前記Ni含有量を有する、請求項2に記載のリチウム金属酸化物粉末。
- 前記表面層が、XPSにより決定して、前記内部界面における前記コアのCo含有量から、前記外部界面において前記コアの前記Co含有量の35%未満に減少する前記Co含有量を有する、請求項2に記載のリチウム金属酸化物粉末。
- 前記表面層が、前記コアの元素Ni、Co及びMn、LiF並びにAl2O3、並びにCaO、TiO2、MgO、WO3、ZrO2、Cr2O3及びV2O5からなる群からのいずれか1つ以上の化合物を含む混合物からなる、請求項1に記載のリチウム金属酸化物粉末。
- 前記表面層が、前記コアの元素Ni、Co及びMn、LiF並びにナノ結晶性Al2O3、又はナノ結晶性Al2O3及びサブマイクロメートルCaOを含む混合物からなる、請求項1に記載のリチウム金属酸化物粉末。
- 0.20≦z≦0.55、又は0.15≦x≦0.20、0.40≦z≦0.55及び1.00≦Li:M≦1.10のいずれかである、請求項1に記載のリチウム金属酸化物粉末。
- 0.005≦k≦0.02であり、A=Al又はA=Al及びCaのいずれかである、請求項7に記載のリチウム金属酸化物粉末。
- k=0.01±0.005、x=0.20±0.02、y=0.40±0.05、z=0.40±0.05、1.00≦Li:M≦1.10であり、A=Al又はA=Al及びCaのいずれかである、請求項1に記載のリチウム金属酸化物粉末。
- 前記コアのF含有量が0mol%である、請求項1に記載のリチウム金属酸化物粉末。
- リチウムM’酸化物粉末[ここで、M’=Niz(Ni1/2Mn1/2)yCox、0.15≦x≦0.30、0.10≦z≦0.55及びx+y+z=1である]、
及びAlを含むAの第1の供給源を含む、第1の混合物を用意するステップと、
前記第1の混合物を、少なくとも500℃の第1の焼結温度に加熱するステップと、
前記第1の焼結温度にて、第1の期間にわたり、前記第1の混合物を焼結するステップと、
焼結した前記第1の混合物を冷却するステップと、
フッ素含有ポリマー及びAlを含むAの第2の供給源を、焼結した前記第1の混合物に添加することにより、第2の混合物を得るステップと、
前記第2の混合物を、250〜500℃の第2の焼結温度に加熱するステップと、
前記第2の焼結温度にて、第2の期間にわたり、前記第2の混合物を焼結することにより、前記リチウム金属酸化物粉末を得、前記リチウム金属酸化物粉末を冷却するステップとを含む、請求項1に記載のリチウム金属酸化物粉末を作製するための方法。 - Aの前記第1の供給源及び前記第2の供給源のうちのいずれか一方又は両方が、Al2O3である、請求項11に記載の方法。
- Aの前記第1の供給源及び前記第2の供給源のうちのいずれか一方又は両方が、CaO、TiO2、MgO、WO3、ZrO2、Cr2O3及びV2O5からなる群から選択されるいずれか1つ以上の化合物を更に含む、請求項12に記載の方法。
- Aの供給源が、D50<100nm及びBET≧50m2/gを有するナノアルミナ粉末を含む、請求項11に記載の方法。
- 前記第2の混合物におけるフッ素含有ポリマーの量が、0.1〜2重量%である、請求項11に記載の方法。
- 前記フッ素含有ポリマーが、PVDFホモポリマー、PVDFコポリマー、PVDF−HFPポリマー(ヘキサフルオロプロピレン)及びPTFEポリマーのうちのいずれか1つである、請求項11に記載の方法。
- 請求項1に記載のリチウム金属酸化物粉末を含む、電気化学セル。
- ポータブルコンピュータ、タブレット、携帯電話、電動車両及びエネルギー貯蔵システムのうちのいずれか1つのバッテリにおける、請求項1に記載のリチウム金属酸化物粉末の使用。
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