JP6599249B2 - リチウムイオン電池用正極活物質前駆体、リチウムイオン電池用正極活物質、リチウムイオン電池用正極活物質の製造方法、リチウムイオン電池用正極及びリチウムイオン電池 - Google Patents
リチウムイオン電池用正極活物質前駆体、リチウムイオン電池用正極活物質、リチウムイオン電池用正極活物質の製造方法、リチウムイオン電池用正極及びリチウムイオン電池 Download PDFInfo
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Description
共沈反応中の前駆体の酸化を防止するためには、反応液中の酸素濃度を制御することが必要となるが、特許文献3のような反応槽内雰囲気の酸素濃度を制御するだけでは反応液中の酸素濃度を十分に制御できるとは言えない。また、特許文献4では反応液中の溶存酸素の除去効果を示しているが、具体的な溶存酸素量について明示されておらず、正極活物質のタップ密度は1.95g/cm3と低く、比表面積は13.5m2/gと非常に大きいため低粒径二次粒子が多く存在しているものとなっている。
本発明のリチウムイオン電池用正極活物質前駆体は、ニッケル、コバルト及びマンガンからなる群から選ばれる少なくとも一種を含み、且つ、平均粒子径が1μm以下の一次粒子が凝集して形成された複合粉末前駆体二次粒子からなり、前記二次粒子は、乾式粒度測定による個数換算にて5μm以下の粒子の存在割合が20%以下である。本発明のリチウムイオン電池用正極活物質前駆体は、このように平均粒子径が1μm以下の一次粒子が凝集して形成された複合粉末前駆体二次粒子からなり、乾式粒度測定による個数換算にて5μm以下の粒子の存在割合が20%以下(低粒径二次粒子の存在割合が20%以下)であり、容量低下やサイクル劣化の要因となる低粒径二次粒子の存在割合が抑制されている。このため、焼成後に得られる正極活物質の電池容量が向上し、且つ、サイクル特性が良好となる。より好ましくは本発明のリチウムイオン電池用正極活物質前駆体は、乾式粒度測定による個数換算にて5μm以下の粒子の存在割合が10%以下である。なお、本発明において、「5μm以下の粒子」は、二次粒子の投影面積円相当径である。
本発明の前駆体によって得られるリチウムイオン電池用正極活物質は、ニッケル、コバルト及びマンガンからなる群から選ばれる少なくとも一種の元素を含み、且つ、平均粒子径が1μm以下の一次粒子が凝集して形成された複合粉末二次粒子からなり、前記二次粒子は、乾式粒度測定による個数換算にて5μm以下の粒子の存在割合が20%以下である。本発明のリチウムイオン電池用正極活物質は、このように平均粒子径が1μm以下の一次粒子が凝集して形成された複合粉末二次粒子からなり、乾式粒度測定による個数換算にて5μm以下の粒子の存在割合が20%以下(低粒径二次粒子の存在割合が20%以下)であり、容量低下やサイクル劣化の要因となる低粒径二次粒子の存在割合が抑制されている。このため、当該正極活物質の電池容量が向上し、且つ、サイクル特性が良好となる。より好ましくは本発明のリチウムイオン電池用正極活物質は、乾式粒度測定による個数換算にて5μm以下の粒子の存在割合が10%以下である。
(前記式において、1.0≦a≦1.05、0.4≦b≦0.9、0.1≦c+d≦0.6)で表されるのが好ましい。
リチウムの比率が1.0〜1.05であるが、これは、1.0未満では、安定した結晶構造を保持し難く、1.05超では電池の高容量が確保できなくなるおそれがあるためである。また、ニッケルの組成が0.4〜0.9であるため、当該リチウムイオン電池用正極活物質を用いたリチウムイオン電池の容量、サイクル特性がバランスよく向上する。より好ましくは0.5〜0.9、より好ましくは0.75〜0.9である。
次に、本発明の実施形態に係るリチウムイオン電池用正極活物質の製造方法について詳細に説明する。
また、窒素ガス等の不活性ガスをバブリングして溶存酸素量を1.0mg/L以下とした10〜30質量%苛性ソーダ水を用意する。
次に、硫酸アンモニア溶液を反応槽に投入後、上記ニッケル源、コバルト源、マンガン源を含む水溶液と硫酸アンモニア溶液を一定量で連続的に加えながら、上記窒素ガス等の不活性ガスをバブリングして溶存酸素量を1.0mg/L以下とした10〜30質量%苛性ソーダ水を、当該反応槽のpHが10.8〜11.3になるよう管理しながら反応槽に投入し、水溶液中のNH3/メタルのモル比が最終的に0.2〜0.8になるよう調整する。
ここで、反応槽内の混合溶液は一定流量で濃縮槽に送液し、通気度10〜100cc/mL・分のろ布を通して、濃縮したスラリーをオーバーフローさせ、反応槽へ戻し、反応槽内の容量は一定に保つ。
このとき反応槽は恒温槽及び加温ジャケット等を用いて30〜60℃に加温し、反応液中に窒素ガス等の不活性ガスをバブリングさせる。その後、溶存酸素量を1.0mg/L以下に保ちながら撹拌し、80〜200時間粒子成長させ、共沈中間体を作製する。
リチウム化合物としては、水酸化リチウム、硝酸リチウムや炭酸リチウム等が挙げられる。
本発明の実施形態に係るリチウムイオン電池用正極は、例えば、上述の構成のリチウムイオン電池用正極活物質と、導電助剤と、バインダーとを混合して調製した正極合剤をアルミニウム箔等からなる集電体の片面または両面に設けることで作製される。また、本発明の実施形態に係るリチウムイオン電池は、このような構成のリチウムイオン電池用正極を用いて製造される。
窒素ガスバブリングすることで溶存酸素量を0.9mg/Lとした硫酸ニッケル、硫酸コバルト、硫酸マンガンをNi:Co:Mn=8:1:1のモル比で含む1.5mol/Lの水溶液を反応容積10Lの晶析反応槽に用意した。
また、窒素ガスバブリングすることで溶存酸素量を0.9mg/Lとした20質量%の苛性ソーダ水を用意した。
次に、上記反応槽に2.5g/Lの硫酸アンモニア溶液9,000mLを投入し、6枚羽根パドルで500rpmの回転数で撹拌しつつ、上記ニッケル源、コバルト源、マンガン源を含む水溶液と硫酸アンモニア溶液を一定量で連続的に加えながら、上記苛性ソーダ水を、当該反応槽内の混合溶液のpHが11.0±0.1になるよう管理しながら反応槽に投入し、反応槽内の混合溶液中のNH3/メタルのモル比が最終的に0.4になるよう調整した。反応槽内の混合溶液は一定流量で内容積2Lの濃縮槽に送液し、通気度30cc/mL・分のろ布を通して、濃縮したスラリーをオーバーフローさせ、反応槽へ戻し、反応槽内の容量は一定にした。このとき反応槽は恒温槽及び加温ジャケット等を用いて50℃に加温し、且つ、窒素ガスをバブリングさせて溶存酸素量を0.9mg/Lまで低減させ、その後、溶存酸素量を0.9mg/Lに保ちながら撹拌し、150時間まで反応を継続し、粒子成長させ、共沈中間体を作製した。
次に、共沈中間体をろ過・水洗することで共沈前駆体を得た。ここでの溶存酸素量はHORIBA社製(DOMETER OM−51)溶存酸素計を用いて測定した。
共沈前駆体のレーザー回折散乱式粒度分布測定法(湿式粒度測定)で求められる体積基準の粒度分布を測定したところ、Dmin:6.0μm、D10:8.1μm、D50:10.5μm、D90:13.4μm、Dmax:26.2μmであった。顕微鏡光学系下で試料を走査することで約2万個の個別粒子の画像を取り込み、静止画像解析の技術を用いて粒度を測定した(乾式粒度測定)。個数基準での5μm以下は6.4%、5μm超えて10μm以下:33.3%、10μm超えて20μm以下:60.3%、20μm超え:0.1%の割合となった。この共沈前駆体をLi/(Ni+Co+Mn)=1.01となるように水酸化リチウムを混合した後、酸素雰囲気の焼成炉に入れ、350℃で2時間焼成後、500℃で8時間、800℃で5時間焼成することで焼成中間体を得た。次に、得られた焼成物をパルベライザーにて解砕することにより正極材活物質の粉体を得た。 湿式粒度測定は、マイクロトラック・ベル社製(MT3300EXII)レーザー回折散乱式粒度分布測定装置を用いて行った。洗浄された撹拌槽に純水を満たし、セル内を循環させ、共沈前駆体を投入、超音波分散させたのち、レーザー光を照射した光回折・散乱強度を検出することによって測定した。
硫酸ニッケル、硫酸コバルト、硫酸マンガンをNi:Co:Mn=8.2:1.5:0.3のモル比で含む1.5mol/Lの水溶液、硫酸アンモニア溶液を準備し、NH3/メタルのモル比を最終的に0.6にする以外は実施例1と同様に行い、共沈前駆体を得た。湿式粒度測定を行ったところ、Dmin:6.0μm、D10:8.5μm、D50:11.0μm、D90:15.1μm、Dmax:26.2μmであった。乾式粒度測定を行ったところ、個数基準での5μm以下は2.3%、5μm超えて10μm以下:13.1%、10μm超えて20μm以下:84.3%、20μm超え:0.3%の割合となった。この共沈前駆体は実施例1と同様に調製し、正極材活物質の粉体を得た。
硫酸ニッケル、硫酸コバルト、硫酸マンガンをNi:Co:Mn=8.2:1.5:0.3のモル比で含む1.5mol/Lの水溶液、硫酸アンモニア溶液を準備し、反応槽pHを11.2±0.1、NH3/メタルのモル比を最終的に0.3にする以外は実施例1と同様に行い、共沈前駆体を得た。湿式粒度測定を行ったところ、Dmin:10.1μm、D10:13.5μm、D50:17.3μm、D90:23.3μm、Dmax:44.0μmであった。乾式粒度測定を行ったところ、個数基準での5μm以下は12.0%、5μm超えて10μm以下:3.5%、10μm超えて20μm以下:71.5%、20μm超え:13.0%の割合となった。この共沈前駆体をLi/(Ni+Co+Mn)=1.02となるように水酸化リチウムとともに酸素雰囲気の焼成炉に入れ、350℃で2時間焼成後、500℃で8時間、800℃で5時間焼成することで焼成中間体を得た。次に、得られた焼成物をパルベライザーにて解砕することにより正極材活物質の粉体を得た。
反応槽pHを11.3±0.1、NH3/メタルのモル比を最終的に0.2にする以外は実施例1と同様に行い、共沈前駆体を得た。湿式粒度測定を行ったところ、Dmin:8.5μm、D10:11.7μm、D50:15.0μm、D90:20.5μm、Dmax:37.0μmであった。乾式粒度測定を行ったところ、個数基準での5μm以下は17.7%、5μm超えて10μm以下:15.8%、10μm超えて20μm以下:64.1%、20μm超え:2.4%の割合となった。この共沈前駆体をLi/(Ni+Co+Mn)=1.02となるように水酸化リチウムとともに酸素雰囲気の焼成炉に入れ、実施例1と同様に調製し、正極材活物質の粉体を得た。
反応槽pHを11.5±0.1、NH3/メタルのモル比を最終的に0.3にする以外は実施例1と同様に行い、共沈前駆体を得た。湿式粒度測定を行ったところ、Dmin:6.0μm、D10:8.6μm、D50:11.1μm、D90:15.3μm、Dmax:31.1μmであった。乾式粒度測定を行ったところ、個数基準での5μm以下は25.3%、5μm超えて10μm以下:16.2%、10μm超えて20μm以下:58.2%、20μm超え:0.2%の割合となった。この共沈前駆体は実施例1と同様に調製し、正極材活物質の粉体を得た。
窒素ガスバブリングをしない硫酸ニッケル、硫酸コバルト、硫酸マンガンをNi:Co:Mn=8:1:1のモル比で含む1.5mol/Lの水溶液と、20質量%の苛性ソーダ水を用意した。反応容積10Lの晶析反応槽に2.5g/Lの硫酸アンモニア溶液9,000mLを投入し、6枚羽根パドルで500rpmの回転数で撹拌しつつ、反応槽pHが11.0±0.1になるように用意した硫酸金属塩と苛性ソーダ水を投入しながら、反応槽内に窒素ガス雰囲気となるよう、0.5L/分で流通させ、共沈反応を開始した。反応液中の溶存酸素量は1.4mg/Lであった。次に、実施例1と同様にNH3/メタルのモル比が最終的に0.4になるよう調整した。反応槽内の混合溶液は一定流量で内容積2Lの濃縮槽に送液し、通気度30cc/mL・分のろ布を通して、濃縮したスラリーをオーバーフローさせ、反応槽へ戻し、反応槽内の容量を一定にした。このとき反応槽は恒温槽及び加温ジャケットにて50℃に加温した。その後、反応槽中に窒素ガスを流通させた状態で撹拌しながら150時間粒子成長させ、共沈中間体を作製し、ろ過・水洗することで共沈前駆体を得た。湿式粒度測定を行ったところ、Dmin:6.0μm、D10:8.4μm、D50:10.7μm、D90:14.3μm、Dmax:26.2μmであった。乾式粒度測定によって個数基準での5μm以下は30.5%、5μm超えて10μm以下:2.2%、10μm超えて20μm以下:62.7%、20μm超え:4.6%の割合となった。この共沈前駆体は実施例1と同様に調製し、正極材活物質の粉体を得た。
各正極活物質前駆体及び正極活物質中の金属含有量を、誘導結合プラズマ発光分光分析装置(ICP−OES)で測定し、各金属の組成比(モル比)を算出した。また、酸素含有量はLECO法で測定し、いずれも組成式において「O2」であることを確認した。実施例1ではLi1.01Ni0.80Co0.10Mn0.10O2、実施例2ではLi1.01Ni0.82Co0.15Mn0.03O2、実施例3ではLi1.02Ni0.82Co0.15Mn0.03O2、実施例4ではLi1.02Ni0.80Co0.10Mn0.10O2、比較例1および2ではLi1.01Ni0.80Co0.10Mn0.10O2で組成が示される正極活物質前駆体及び正極活物質を得た。
各正極材活物質の粉体についても、前駆体と同様に、レーザー回折散乱式粒度分布測定法(湿式粒度測定)で求められる体積基準の粒度分布を測定したところ、表2に示す結果となった。また、顕微鏡光学系下で試料を走査することで約2万個の個別粒子の画像を取り込み、静止画像解析の技術を用いて粒度を測定し(乾式粒度測定)、表1に示す結果を得た。
株式会社セイシン企業製のタップデンサーを用いて求めた。具体的には、10ccのメスシリンダーに正極活物質前駆体及び正極活物質5gを投入し、当該タップデンサーに設置し、1500回上下振動し、メスシリンダーの目盛を読み取り、正極活物質前駆体及び正極活物質の体積と質量から算出した。
一般的な窒素ガス吸着法によって、正極活物質前駆体及び正極活物質のBET比表面積を測定した。
株式会社島津製作所製の乾式密度計を使用し、ヘリウムガスを用いて定容積膨張法にて正極活物質の真密度を測定した。
FIB断面加工を施し、研磨断面について電子顕微鏡によるSIM像観察から一次粒子の平均粒径を測定した。断面観察写真から二次粒子を10個選び、中心を通る線を引き、線上にかかる一次粒子の粒子径を一粒毎に測り、平均の一次粒子径を求めた。その結果、実施例1では0.44μm、実施例2では0.46μm、実施例3では0.44μm、実施例4では0.50μm、比較例1では0.54μm、比較例2では0.55μmであった。なお、一次粒子が多数凝集してほぼ球状または楕円状の二次粒子を形成していた。
正極活物質と、導電材と、バインダー(PVDF)を94:3:3の割合で秤量し、バインダーを有機溶媒(N−メチルピロリドン)に溶解したものに、正極活物質と導電材とを混合してスラリー化し、Al箔上に塗布して乾燥後にプレスして正極とした。続いて、対極をLiとした評価用の対極Liコインセル(CR2032)を準備し、電解液に1M−LiPF6をEC−DMC(3:7)に溶解したものを用いて、25℃で1Cの放電電流で得られた初期放電容量と10サイクル後の放電容量とを比較することによってサイクル特性(容量維持率)を測定した。具体的な評価条件及び表1に記載の容量維持率と直流抵抗増加率の定義を以下に示す。
・初回充放電(初期容量):25℃、充電4.3V;0.1C;20h、放電3.0V;0.05C。
・サイクル特性(容量維持率):55℃雰囲気で充放電サイクル評価(充電4.3V;1C、放電1C;3.0Vcut)を行ったときの、1サイクル目に対する10サイクル目の放電容量の割合。
・直流抵抗増加率:55℃雰囲気で充放電サイクル評価(充電4.3V;1C、放電1C;3.0Vcut)を行ったときの、1サイクル目に対する10サイクル目の直流抵抗値の割合。
これらの結果を表1及び表2に示す。
表1からわかるように、実施例1〜4では、前駆体について、平均粒子径が1μm以下の一次粒子が凝集して形成された複合粉末前駆体二次粒子からなり、二次粒子は、乾式粒度測定による個数換算にて5μm以下の粒子の存在割合が20%以下であったため、容量及びサイクル特性が両方とも良好であった。
一方、比較例1では、反応槽pHを11.5±0.1で制御したため、ニッケル、コバルト及びマンガンの溶解度が減少し、核発生反応が優勢となることで低粒径二次粒子が生成したため、乾式粒度測定による個数換算にて5μm以下の粒子の存在割合が20%を超え、容量低下を招いたほか、サイクル特性も悪化した。
比較例2では反応液中の溶存酸素量が1.0mg/Lを超えていたため、乾式粒度測定による個数換算にて5μm以下の粒子の存在割合が20%を超え、容量低下を招いたほか、サイクル特性も悪化した。
なお、二次粒子の粒度分布を湿式測定により評価した表2からわかるように、湿式測定で全て粒径が6μmと評価されたものであっても、実際は表1の乾式測定に示すように粒径が5μmを超えるものや、5μm以下のものも含まれている。すなわち、従来行っていた湿式測定によれば、6μm以下の粒径は、それ以上の詳細な粒度分布の評価ができていないことがわかる。そして、本発明では、正極活物質前駆体について、このような低粒径の粒度分布を精度良く制御することで、電池容量及びサイクル特性がいずれも良好な正極活物質を作製している。
また、正極活物質のタップ密度、比表面積及び真密度は、それぞれ粒子サイズの分布によって差が生じないことが確認された。
Claims (6)
- ニッケル、コバルト及びマンガンからなる群から選ばれる少なくとも一種を含み、且つ、平均粒子径が1μm以下の一次粒子が凝集して形成された複合粉末前駆体二次粒子からなり、
前記二次粒子は、乾式粒度測定による個数換算にて5μm以下の粒子の存在割合が20%以下であるリチウムイオン電池用正極活物質前駆体。 - ニッケル、コバルト及びマンガンからなる群から選ばれる少なくとも一種の元素を含み、且つ、平均粒子径が1μm以下の一次粒子が凝集して形成された複合粉末二次粒子からなり、
前記二次粒子は、乾式粒度測定による個数換算にて5μm以下の粒子の存在割合が20%以下であるリチウムイオン電池用正極活物質。 - 組成式:LiaNibCocMndO2
(前記式において、1.0≦a≦1.05、0.4≦b≦0.9、0.1≦c+d≦0.6)
で表される請求項2に記載のリチウムイオン電池用正極活物質。 - 不活性ガスをバブリングして溶存酸素量を1.0mg/L以下とした、ニッケル源、コバルト源、マンガン源を含む水溶液を用意する工程と、
不活性ガスをバブリングして溶存酸素量を1.0mg/L以下とした10〜30質量%苛性ソーダ水を用意する工程と、
硫酸アンモニア溶液を反応槽に投入後、前記反応槽の混合液の温度を30〜60℃に制御し、且つ、前記反応槽の混合液に不活性ガスをバブリングさせながら、前記ニッケル源、コバルト源、マンガン源を含む水溶液と、前記硫酸アンモニア溶液を一定量で連続的に加えながら、前記苛性ソーダ水を、前記反応槽のpHが10.8〜11.3になるよう管理しながら投入して、前記反応槽の混合液中のNH3/メタルのモル比が最終的に0.2〜0.8になるように調整し、前記反応槽内の混合溶液は一定流量で濃縮槽に送液し、ろ布を通して、濃縮したスラリーをオーバーフローさせ、反応槽へ戻し、反応槽内の容量は一定に保ち、前記NH3/メタルのモル比を調整した反応槽の混合液に対し、溶存酸素量を1.0mg/L以下に保ちながら撹拌し、80〜200時間粒子成長させ、共沈中間体を作製する工程と、
前記共沈中間体をろ過して得られた残渣を水洗することで、請求項1に記載のリチウムイオン電池用正極活物質前駆体を得る工程と、
前記リチウムイオン電池用正極活物質前駆体をリチウム化合物と混合し、焼成することでリチウムイオン電池用正極活物質を得る工程と、
を備えたリチウムイオン電池用正極活物質の製造方法。 - 請求項2又は3に記載のリチウムイオン電池用正極活物質を備えたリチウムイオン電池用正極。
- 請求項5に記載のリチウムイオン電池用正極を備えたリチウムイオン電池。
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