JP6631321B2 - ニッケル複合水酸化物とその製造方法、非水系電解質二次電池用正極活物質とその製造方法、ならびに非水系電解質二次電池 - Google Patents
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Description
図1は、本実施形態に係るニッケル複合水酸化物1の一例を示す模式図である。図1に示すように、ニッケル複合水酸化物1は、二次粒子の粒子表面から粒子内部にかけてコバルトリッチ層2を有する。コバルトリッチ層2の内部には、中心部3が配置される。ニッケル複合水酸化物1は、非水系電解質二次電池用正極活物質(以下、「正極活物質」ともいう。)の前駆体として好適に用いられる。
図3は、本実施形態に係るニッケル複合水酸化物の製造方法の一例を示すフローチャートである。図3のフローチャートを説明する際に、適宜図1を参照する。ニッケル複合水酸化物の製造方法は、少なくともニッケル塩、コバルト塩、マンガン塩の少なくとも一つを含有する水溶液と、中和剤および錯化剤とを、撹拌しながら反応容器に供給して、晶析反応によりニッケル複合水酸化物1を製造する。図3に示すように、ニッケル複合水酸化物1の製造方法は、2段階の晶析工程を含む。すなわち、二次粒子に成長する核の生成を行う核生成工程(ステップS1)と、核生成工程で得られた核を成長させる粒子成長工程(ステップS2)とを含む。
本実施形態の正極活物質は、二次粒子の粒子表面から粒子内部にかけてリチウムを含むコバルトリッチ層を有する。正極活物質は、上述したコバルトリッチ層2を有するニッケル複合水酸化物と、リチウム化合物とを混合して、特定条件で焼成するこにより、表層部にコバルトが豊富な層を維持したまま、リチウムを二次粒子内部に分散させて、製造される。正極活物質は、リチウムを含むコバルトリッチ層を有し、かつ、後述するように、特定の結晶子径を有することにより、高い出力特性と優れたサイクル特性とを両立することができる。
図5は、本実施形態に係る正極活物質の製造方法の一例を示すフローチャートである。また、本実施系の製造方法は、一般式(5):Li1+uNi1−x1−y1Cox1Mny1Mz1O2(式(5)中、Mは、Ni、Co、Mn以外の遷移金属元素、2族元素、および13族元素からなる群から選ばれる少なくとも1種の元素であり、uは−0.05≦u≦0.50、x1は0.15≦x1≦0.25、y1は0.15≦y1≦0.25、z1は0≦z1≦0.1であり、0.3≦x1+y1+z1≦0.5を満たす。)で表され、六方晶系の層状構造を有するリチウムニッケル複合酸化物により構成された正極活物質の製造方法である。以下、図5を参照して、正極活物質を製造する方法について説明する。
本実施形態の非水系電解質二次電池は、一般の非水系電解質二次電池と同様の構成要素により構成されることができ、例えば、正極、負極及び非水系電解液を含む。なお、以下で説明する実施形態は例示に過ぎず、本実施形態の非水系電解質二次電池は、本明細書に記載されている実施形態を基に、当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した形態で実施することができる。また、本実施形態の非水系電解質二次電池は、その用途を特に限定するものではない。
先に述べた非水系電解質二次電池用正極活物質を用い、例えば、以下のようにして、非水系電解質二次電池の正極を作製する。まず、粉末状の正極活物質、導電材、結着剤を混合し、さらに必要に応じて活性炭、粘度調整等の目的の溶剤を添加し、これを混練して正極合材ペーストを作製する。正極合材ペースト中のそれぞれの成分の混合比は、例えば、溶剤を除いた正極合材の固形分の全質量を100質量部とした場合、一般の非水系電解質二次電池の正極と同様、正極活物質の含有量を60〜95質量部とし、導電材の含有量を1〜20質量部とし、結着剤の含有量を1〜20質量部とすることが好ましい。
負極には、金属リチウムやリチウム合金等、あるいは、リチウムイオンを吸蔵及び脱離できる負極活物質に、結着剤を混合し、適当な溶剤を加えてペースト状にした負極合材を、銅等の金属箔集電体の表面に塗布し、乾燥し、必要に応じて電極密度を高めるべく圧縮して形成したものを使用する。
正極と負極との間には、セパレータを挟み込んで配置する。セパレータは、正極と負極とを分離し、電解質を保持するものであり、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン等の薄い膜で、微少な孔を多数有する膜を用いることができる。
非水系電解液としては、例えば、支持塩としてのリチウム塩を有機溶媒に溶解したものが用いられる。使用する有機溶媒としては、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、トリフルオロプロピレンカーボネート等の環状カーボネート、また、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジプロピルカーボネート等の鎖状カーボネート、さらに、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、ジメトキシエタン等のエーテル化合物、エチルメチルスルホン、ブタンスルトン等の硫黄化合物、リン酸トリエチル、リン酸トリオクチル等のリン化合物等から選ばれる1種を単独で、あるいは2種以上を混合して用いることができる。
支持塩としては、LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiAsF6、LiN(CF3SO2)2等、及びそれらの複合塩を用いることができる。さらに、非水系電解液は、ラジカル捕捉剤、界面活性剤及び難燃剤等を含んでいてもよい。
本実施形態の非水系電解質二次電池は、例えば、上述したような正極、負極、セパレータ及び非水系電解液で構成される。また、非水系電解質二次電池の形状は、特に限定されず、円筒型、積層型等、種々のものとすることができる。いずれの形状を採る場合であっても、正極及び負極を、セパレータを介して積層させて電極体とし、得られた電極体に、非水系電解液を含浸させ、正極集電体と外部に通ずる正極端子との間、及び、負極集電体と外部に通ずる負極端子との間を、集電用リード等を用いて接続し、電池ケースに密閉して、非水系電解質二次電池を完成させる。
本実施形態の非水系電解質二次電池は、上述の正極活物質から構成された正極を備えることにより、高い電池容量と優れた耐久性を有するものとなる。また、本実施形態の非水系電解質二次電池は、熱安定性が高く、安全性に優れる。
体積平均粒径および粒度分布測定は、レーザー回折式粒度分布計(日機装株式会社製、商品名:マイクロトラック)により、タップ密度は、振とう比重測定器(株式会社蔵持科学器械製作所製、KRS−409)により測定した。組成分析は、ICP発光分析装置(株式会社島津製作所製、ICPS-8100)を用いて行った。
粒子の外観については、走査型電子顕微鏡(株式会社日立ハイテクノロジーズ製、商品名:S−4700)により観察した。また、ニッケル複合水酸化物粉末又はリチウムニッケル複合酸化物粉末における、コバルトリッチ層の組成分析は、エネルギー分散X線分光装置(EDX;日本電子株式会社社製、商品名:JED2300)、により分析した。EDX検出器は、分解能:137eVであり、測定条件は、管電圧20kV、管電流20μA、倍率5000倍、WD15mm、プロセスタイム4,計数400万カウント以上とした。
得られた非水系電解質二次電池用正極活物質の評価は、以下のように電池を作製し、評価することで行なった。非水系電解質二次電池用正極活物質52.5mg、アセチレンブラック15mg、およびポリテトラフッ化エチレン樹脂(PTFE)7.5mgを混合し、100MPaの圧力で直径11mm、厚さ100μmにプレス成形して図6に示す正極PE(評価用電極)を作製した。その作製した正極1を真空乾燥機中120℃で12時間乾燥した。そして、この正極1を用いて2032型のコイン型電池CBAを、露点が−80℃に管理されたAr雰囲気のグローブボックス内で作製した。
コイン型電池CBAを製作してから24時間程度放置し、開回路電圧OCV(Open Circuit Voltage)が安定した後、正極に対する電流密度を0.1mA/cm2としてカットオフ電圧4.3Vまで充電し、1時間の休止後、カットオフ電圧3.0Vまで放電したときの容量を初期放電容量とした。上記充放電を繰り返し、初期放電容量測定も含めて500サイクル(充放電)繰り返した。500サイクル目の放電容量を測定して、1サイクル目の放電容量(初期放電容量)に対する500サイクル目の放電容量の百分率を容量維持率(%)として求めた。
また、充電電位4.1Vで充電した2032型コイン電池を用いて、交流インピーダンス法により抵抗値を測定した。測定には、周波数応答アナライザおよびポテンショガルバノスタット(ソーラトロン製)を使用して、交流インピーダンス法により測定すると、図7に示すナイキストプロットが得られる。ナイキストプロットは、溶液抵抗、負極抵抗と容量、及び、正極抵抗と容量を示す特性曲線の和として表しているため、等価回路を用いてフィッテング計算し、正極抵抗の値を算出した。
第1の混合水溶液(原料溶液)として、硫酸ニッケル(濃度:83.8g/L)と、硫酸コバルト(濃度:31.4g/L)の複合溶液を用意し、第2の混合水溶液(原料溶液)として、硫酸ニッケル(濃度:39.1g/L)と、硫酸コバルト(濃度:78.6g/L)との複合溶液を用意した。
その後、pH値が液温25℃基準で11.6(核成長pH)になるまで、25質量%水酸化ナトリウム水溶液の供給のみを一時停止し、pH値が11.6に到達した後、再度25質量%水酸化ナトリウム水溶液の供給を再開し、pH値を11.6に制御したまま、2.4時間晶析を継続した後、第1の混合溶液(原料溶液)を第2の混合水溶液に切り替えて1.6時間晶析を継続し終了させた(粒子成長工程)。晶析の終了後、生成物を水洗、濾過、乾燥させ、Ni0.60Co0.20Mn0.20(OH)2で表されるニッケルコバルトマンガン複合水酸化物粒子を得た。
硫酸ニッケル(濃度:97.8g/L)と硫酸マンガン(濃度:18.3g/L)の複合溶液を第1の混合水溶液(原料溶液)として核生成工程と粒子成長工程の原料溶液切り替え前の2.4時間晶析した後、硫酸ニッケル(濃度:29.3g/L)と、硫酸コバルト(濃度:58.9g/L)と、硫酸マンガン(濃度:27.5g/L)の複合溶液を第2の混合水溶液(原料溶液)として1.6時間晶析したこと以外は、実施例1と同様にして正極活物質を得るとともに評価した。評価結果を表1および表2に示す。
(実施例3)
焼成温度を770℃にしたこと以外は、実施例1と同様にして正極活物質を得るとともに評価した。評価結果を表1および表2に示す。
(実施例4)
焼成温度を880℃としたこと以外は、実施例1と同様にして正極活物質を得得るとともに評価した。評価結果を表1および表2に示す。
使用した原料溶液として、硫酸ニッケル(濃度:70.4g/L)と硫酸コバルト(濃度:23.6g/L)と硫酸マンガン(濃度:22.0g/L)の複合溶液のみを用いて4時間晶析を行ったこと以外は、実施例1と同様にして正極活物質を得るとともに評価した。評価結果を表1および表2に示す。
使用した原料溶液として、硫酸ニッケル(濃度:75.6g/L)と、硫酸コバルト(濃度:15.7g/L)と、硫酸マンガン(濃度:24.5g/L)の複合溶液を第1の混合水溶液(原料溶液)として、核生成工程と粒子成長工程の原料溶液切り替え前の3.6時間晶析した後、硫酸ニッケル(濃度:23.5g/L)と硫酸コバルト(濃度:94.3g/L)を第2の混合水溶液(複合溶液)として0.4時間晶析したこと以外は実施例1と同様にして正極活物質を得るとともに評価した。評価結果を表1および表2に示す。
硫酸ニッケル(濃度:87.6g/L)と、硫酸マンガン(濃度:27.3g/L)との複合溶液を第1の混合水溶液(原料溶液)として、核生成工程と粒子成長工程の原料溶液切り替え前の1.6時間晶析した後、硫酸ニッケル(濃度:58.4g/L)と、硫酸コバルト(濃度:38.7g/L)と、硫酸マンガン(濃度:18.6g/L)との複合溶液を第2の混合水溶液(原料溶液)として2.4時間晶析したこと以外は、実施例1と同様にして正極活物質を得るとともに評価した。評価結果を表1および表2に示す。
(比較例4)
焼成温度を700℃としたこと以外は、実施例1と同様にして正極活物質を得るとともに評価した。評価結果を表1および表2に示す。
(比較例5)
焼成温度を950℃としたこと以外は、実施例1と同様にして正極活物質を得るとともに評価した。評価結果を表1および表2に示す。
実施例1〜4は、コバルトリッチ層を有するとともに結晶子径が制御されているため、高い出力特性と優れた耐久性を有していることがわかる。
一方、比較例1および比較例2は、コバルトリッチ層を有しない、もしくはコバルトリッチ層が薄いため、出力特性に劣ることがわかる。比較例3はコバルトリッチ層を有するもののコバルト比が1未満であるため、出力特性と耐久性が改善されていないことがわかる。比較例4は、焼成温度が低いため、結晶子径が小さくなっており、出力特性に劣る。一方、比較例5は、焼成温度が高いため、結晶子径が大きくなるとともにコバルトリッチ層がなくなっている。このため、出力特性に劣り、耐久性も悪化している。
2…コバルトリッチ層
3…中心部
t…コバルトリッチ層の厚さ
d…二次粒子の直径
CBA…コイン型電池
PC…正極缶
NC…負極缶
GA…ガスケット
PE…正極
NE…負極
SE…セパレータ
WW…ウェーブワッシャー
Claims (8)
- 複数の一次粒子が互いに凝集した二次粒子からなり、一般式(1):Ni1−x1−y1−z1Cox1Mny1Mz1(OH)2(前記式(1)中、Mは、Ni、Co、Mn以外の遷移金賊元素、2族元素、及び13族元素からなる群から選ばれる少なくとも1種の元素であり、x1は0.15≦x1≦0.25、y1は0.15≦y1≦0.25、z1は0≦z1≦0.1の範囲内にあり、0.3≦x1+y1+z1≦0.5を満たす。)で表されるニッケル複合水酸化物であって、
前記二次粒子の粒子表面から粒子内部にかけてコバルトリッチ層を有し、
該コバルトリッチ層は、一般式(2):Ni1−x2−y2−Z2Cox2Mny2Mz2(OH)2(前記式(2)中、Mは、Ni、Co、Mn以外の遷移金属元素、2族元素、および13族元素からなる群から選ばれる少なくとも1種の元素であり、x2及びy2は、x2=1及びy2=0を満たす、又は、x2/((1−x2−y2)+y2)≧1を満たし、z2は0≦z2≦0.1の範囲内である。)で表され、かつ、その厚さが前記二次粒子の直径に対して10%以上20%以下である、ニッケル複合水酸化物。 - レーザー回折散乱法によって測定された粒度分布において、体積平均粒径(Mv)が4μm以上10μm以下であり、累積90体積%径(D90)及び累積10体積%径(D10)と、前記体積平均粒径(Mv)とによって算出される、粒径のばらつき指数を示す[(D90−D10)/Mv]が0.60以下である、請求項1に記載のニッケル複合水酸化物。
- 請求項1又は請求項2に記載のニッケル複合水酸化物の製造方法であって、
ニッケル塩、コバルト塩及びマンガン塩の少なくとも1つを含む第1の混合水溶液を、酸素濃度が5容量%以下の非酸化性雰囲気中で、液温25℃基準でpH値が12.5以上となるように調整して核の生成を行う核生成工程と、
前記核生成工程において形成された核を含有するスラリーを、酸素濃度が5容量%以下の非酸化性雰囲気中で、液温25℃基準でpH値を10.5以上12.5以下の範囲、かつ前記核生成工程におけるpH値より低くなるように調整し、前記スラリーに、前記第1の混合水溶液を供給して、粒子成長を行う粒子成長工程と、を含み、
前記粒子成長工程において、前記第1の混合水溶液を供給した後、前記コバルトリッチ層中のNi、Co、Mn及びMのモル比と同様のモル比でそれぞれの金属塩を含む第2の混合水溶液に切り替えて供給することを含む、ニッケル複合水酸化物の製造方法。 - 前記粒子成長工程において、前記スラリーのアンモニア濃度を5g/L以上20g/L以下に調整する、請求項3に記載のニッケル複合水酸化物の製造方法。
- 複数の一次粒子が互いに凝集した二次粒子からなり、一般式(3):Li1+uNi1−x1−y1−z1Cox1Mny1Mz1O2(前記式(3)中、Mは、Ni、Co、Mn以外の遷移金属元素、2族元素、および13族元素からなる群から選ばれる少なくとも1種の元素であり、uは−0.05≦u≦0.50、x1は0.15≦x1≦0.25、y1は0.15≦y1≦0.25、z1は0≦z1≦0.1の範囲内にあり、0.3≦x1+y1+z1≦0.5を満たす。)で表され、六方晶系の層状構造を有するリチウムニッケル複合酸化物により構成された非水系電解質二次電池用正極活物質であって、
前記二次粒子の粒子表面から粒子内部にかけてコバルトリッチ層を有し、
該コバルトリッチ層は、一般式(4):Li1+uNi1−x2−y2−z2Cox2Mny2Mz2O2(前記式(4)中、Mは、Ni、Co、Mn以外の遷移金属元素、2族元素、および13族元素からなる群から選ばれる少なくとも1種の元素であり、uは−0.05≦u≦0.50で表され、x2及びy2は、x2=1及びy2=0を満たす、又は、x2/((1−x2−y2)+y2)≧1を満たし、z2は0≦z2≦0.1の範囲内である。)で表され、かつ、その厚さが前記二次粒子の直径の10〜20%であり、
X線回折測定による(003)面のピークから算出した結晶子径が60nm以上90nm以下である、非水系電解質二次電池用正極活物質。 - レーザー回折散乱法によって測定された粒度分布において、体積平均粒径(Mv)が4μm以上10μm以下であり、累積90体積%径(D90)及び累積10体積%径(D10)と、前記体積平均粒径(Mv)とによって算出される、粒径のばらつき指数を示す[(D90−D10)/Mv]が0.60以下である、請求項5に記載の非水系電解質二次電池用正極活物質。
- 一般式(5):Li1+uNi1−x1−y1Cox1Mny1Mz1O2(前記式(5)中、Mは、Ni、Co、Mn以外の遷移金属元素、2族元素、および13族元素からなる群から選ばれる少なくとも1種の元素であり、uは−0.05≦u≦0.50、x1は0.15≦x1≦0.25、y1は0.15≦y1≦0.25、z1は0≦z1≦0.1であり、0.3≦x1+y1+z1≦0.5を満たす。)で表され、六方晶系の層状構造を有するリチウムニッケル複合酸化物により構成された非水系電解質二次電池用正極活物質の製造方法であって、
請求項1又は請求項2に記載のニッケル複合水酸化物とリチウム化合物とを混合してリチウム混合物を形成することと、
前記リチウム混合物を、酸化性雰囲気中において750℃以上900℃以下の温度で焼成することと、を含む、非水系電解質二次電池用正極活物質の製造方法。 - 請求項5又は6に記載の正極活物質から構成された正極を備える非水系電解質二次電池。
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