JP6659893B1 - リチウム金属複合酸化物粉末及びリチウム二次電池用正極活物質 - Google Patents

リチウム金属複合酸化物粉末及びリチウム二次電池用正極活物質 Download PDF

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Abstract

【課題】二次電池用正極活物質として用いた場合に金属の溶出割合が少ない、リチウム金属複合酸化物粉末の提供。【解決手段】層状構造を有するリチウム金属複合酸化物粉末であって、少なくともLiとNiと元素Xと、元素Mとを含有し、前記元素Xは、Co、Mn、Fe、Cu、Ti、Mg、Al、W、Mo、Nb、Zn、Sn、Zr、Ga及びVからなる群より選択される1種以上の元素であり、前記元素Mは、B、Si、S及びPからなる群より選択される1種以上の元素であり、(Ni/(Ni+X))は、モル比で0.40以上を満たし、ニッケルと前記元素Mとの合計量に対する前記元素Mの割合(M/(Ni+X))は、モル比で、0超0.05以下であり、前記リチウム金属複合酸化物粉末はコア粒子と被覆物とを備え、前記被覆物は元素Mを含み、前記被覆物に含まれる元素Mの濃度は、0.0185mol/cm3を超え0.070mol/cm3以下である。【選択図】図1A

Description

本発明は、リチウム金属複合酸化物粉末及びリチウム二次電池用正極活物質に関する。
リチウム金属複合酸化物は、リチウム二次電池用正極活物質として用いられている。リチウム二次電池は、既に携帯電話用途やノートパソコン用途などの小型電源だけでなく、自動車用途や電力貯蔵用途などの中型又は大型電源においても、実用化が進んでいる。
充放電特性等のリチウム二次電池の電池特性を向上させるため、様々な試みがなされている。例えば特許文献1には、リチウム遷移金属酸化物の表面に、ホウ素リチウム酸化物が均一に塗布された正極活物質が記載されている。
特表2015−536558号公報
リチウム二次電池の応用分野が進む中、リチウム二次電池の正極活物質にはさらなる充放電特性の向上が求められる。
リチウム二次電池を構成する非水電解液(例えば電解液に含まれる溶質がLiPFである非水電解液)は、充電時に酸化分解され、酸(例えばフッ化水素)が発生する場合がある。発生した酸によりリチウム金属複合酸化物からの遷移金属の溶出が促進されるという課題がある。遷移金属が溶出すると、リチウム金属複合酸化物の組成が変化し、充電と放電時に電池が劣化しやすくなる。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、リチウム二次電池用正極活物質として用いた場合に金属の溶出割合が少ないリチウム金属複合酸化物粉末、及びリチウム二次電池用正極活物質を提供することを目的とする。
すなわち、本発明は、下記[1]〜[8]の発明を包含する。
[1]層状構造を有するリチウム金属複合酸化物粉末であって、少なくともLiとNiと元素Xと、元素Mとを含有し、前記元素Xは、Co、Mn、Fe、Cu、Ti、Mg、Al、W、Mo、Nb、Zn、Sn、Zr、Ga及びVからなる群より選択される1種以上の元素であり、前記元素Mは、B、Si、S及びPからなる群より選択される1種以上の元素であり、ニッケルと前記元素Xとの合計量に対するニッケルの割合(Ni/(Ni+X))は、モル比で0.40以上を満たし、ニッケルと前記元素Mとの合計量に対する前記元素Mの割合(M/(Ni+X))は、モル比で、0超0.05以下であり、前記リチウム金属複合酸化物粉末はコア粒子と被覆物とを備え、前記被覆物は元素Mを含み、前記被覆物に含まれる元素Mの濃度は、0.0185mol/cmを超え0.070mol/cm以下である、リチウム金属複合酸化物粉末。
[2]前記リチウム金属複合酸化物粉末のBET比表面積は、2m/g以下である、[1]に記載のリチウム金属複合酸化物粉末。
[3]前記被覆物はホウ素を含有する化合物を含む、[1]又は[2]に記載のリチウム金属複合酸化物粉末。
[4]下記組成式(I)を満たす、[1]〜[3]のいずれか1つに記載のリチウム金属複合酸化物粉末。
Li[Li(Ni(1−n−p)1−m]O ・・・(I)
(ただし、−0.1≦m≦0.2、0<n<0.6、0<p≦0.05、0<n+p<0.6である。)
[5]前記組成式(I)中のmは、0<m≦0.2である、[4]に記載のリチウム金属複合酸化物粉末。
[6]平均一次粒子径が1μm以上7μm以下である、[1]〜[5]のいずれか1つに記載のリチウム金属複合酸化物粉末。
[7]前記被覆物はアモルファス構造である、[1]〜[6]のいずれか1つに記載のリチウム金属複合酸化物粉末。
[8][1]〜[7]のいずれか1つに記載のリチウム金属複合酸化物粉末を含有するリチウム二次電池用正極活物質。
さらに、本発明の態様として以下の態様が挙げられる。
[9][8]に記載のリチウム二次電池用正極活物質を有する正極。
[10][9]に記載のリチウム二次電池用正極を有するリチウム二次電池。
本発明によれば、リチウム二次電池用正極活物質として用いた場合に金属の溶出割合が少ないリチウム金属複合酸化物粉末及びリチウム二次電池用正極活物質を提供することができる。
リチウムイオン二次電池の一例を示す概略構成図である。 リチウムイオン二次電池の一例を示す概略構成図である。
「BET比表面積」は、BET(Brunauer,Emmet,Teller)法によって測定される値である。BET比表面積の測定では、吸着ガスとして窒素ガスを用いる。
リチウム金属複合酸化物粉末の組成分析は、誘導結合プラズマ発光分析装置(エスアイアイ・ナノテクノロジー株式会社製、SPS3000)を用いて測定する。
「一次粒子」とは、電子顕微鏡等で粒子を観察した場合に、粒子表面に明確な粒界が見られない粒子を意味する。一次粒子の平均粒子径(平均一次粒子径)は下記の方法により求める。
まず、リチウム金属複合酸化物粉末を、サンプルステージ上に貼った導電性シート上に載せ、日本電子株式会社製JSM−5510を用いて、加速電圧が20kVの電子線を照射してSEM観察(10000倍)を行う。SEM観察により得られた画像(SEM写真)から無作為に50個の一次粒子を抽出し、それぞれの一次粒子について、一次粒子の投影像を一定方向から引いた平行線ではさんだ平行線間の距離(定方向径)を一次粒子の粒子径として測定する。得られた一次粒子の粒子径の算術平均値を、リチウム金属複合酸化物粉末の平均一次粒子径とする。
<リチウム金属複合酸化物粉末>
本実施形態は、層状構造を有するリチウム金属複合酸化物粉末である。
本実施形態のリチウム金属複合酸化物粉末は、少なくともLiとNiと元素Xと、元素Mとを含有する。
・元素X
元素Xは、Co、Mn、Fe、Cu、Ti、Mg、Al、W、Mo、Nb、Zn、Sn、Zr、Ga及びVからなる群より選択される1種以上の元素である。
リチウム金属複合酸化物粉末に含まれる、ニッケルと元素Xとの合計量に対するニッケルの割合(Ni/(Ni+X))は、モル比で0.40以上を満たす。
本実施形態において元素Xは、サイクル特性が高いリチウム二次電池を得る観点から、Co、Mn、Ti、Mg、Al、W、Zrであることが好ましく、熱的安定性が高いリチウム二次電池を得る意味では、Co、Mn、Al、W、Zrであることが好ましい。元素Xは1種単独で用いてもよく、2種以上を用いてもよい。2種以上を用いる場合の例としては、Co及びMnの組み合わせ、Co、Mn及びZrの組み合わせ、Co、Mn及びAlの組み合わせ、Co、Mn、W、及びZrの組み合わせが挙げられる。
本実施形態において、リチウム金属複合酸化物粉末に含まれる、ニッケルと元素Xとの合計量に対するニッケルの割合(Ni/(Ni+X))は、モル比で0.40以上を満たし、0.45以上が好ましく、0.50以上がより好ましく、0.55以上が特に好ましい。(Ni/(Ni+X))の上限値は特に限定されないが、一例を挙げると、0.95、0.90、又は0.8が挙げられる。
上記上限値及び下限値は任意に組み合わせることができる。組み合わせの例としては、0.45以上0.95以下、0.50以上0.90以下、又は0.55以上0.8以下が挙げられる。
ニッケルの含有割合が上記の範囲内であると、サイクル特性を向上させることができる。
・元素M
元素Mは、B、Si、S及びPからなる群より選択される1種以上の元素である。ニッケルと元素Xとの合計量に対する元素Mの含有割合(M/(Ni+X))元素Mの含有割合は、リチウム金属複合酸化物粉末の全量に対し、モル比で0超0.05以下である。
元素Mは、リチウムと酸素と結合したときにリチウムイオン伝導性を有する化合物を形成できる。本実施形態においては、サイクル特性が高いリチウム二次電池を得る観点から、元素MはB、S、Pであることが好ましく、Bであることがより好ましい。
本実施形態において、リチウム金属複合酸化物粉末に含まれる、ニッケルと元素Xとの合計量に対する元素Mの含有割合(M/(Ni+X))は、モル比で0.0001以上が好ましく、0.0005以上がより好ましく、0.001以上がさらに好ましく、0.003以上が特に好ましい。元素Mの含有量の上限値は、リチウム金属複合酸化物粉末の全量に対し、0.04、0.03、又は0.025が挙げられる。
上記上限値及び下限値は任意に組み合わせることができる。組み合わせの例としては、0.0001以上0.04以下、0.0005以上0.03以下、0.001以上0.025以下、0.003以上0.025以下が挙げられる。
リチウム金属複合酸化物粉末の全量に対する元素Mの含有量が上記の下限値以上であると、組成の均一な被覆物が形成しやすくなる。また、リチウム金属複合酸化物粉末の全量に対する元素Mの含有量が上記下限値以下であると、本実施形態のリチウム金属複合酸化物粉末を正極活物質として用いた場合に電池抵抗を低くできる。
・元素Xと元素Mとの組み合わせ
本実施形態において、元素Xと元素Mとの組み合わせとしては下記の組み合わせが挙げられる。
・・元素XがCo及びMnであり、元素MがB。
・・元素XがCo、Mn及びAlであり、元素MがB。
・・元素XがCo、Mn及びZrであり、元素MがB。
・・元素XがCo、Mn、Al及びZrであり、元素MがB。
・・元素XがCo及びMnであり、元素MがS。
・・元素XがCo、Mn及びAlであり、元素MがS。
・・元素XがCo、Mn及びZrであり、元素MがS。
・・元素XがCo、Mn、Al及びZrであり、元素MがS。
・・元素XがCo及びMnであり、元素MがP。
・・元素XがCo、Mn及びAlであり、元素MがP。
・・元素XがCo、Mn及びZrであり、元素MがP。
・・元素XがCo、Mn、Al及びZrであり、元素MがP。
本実施形態のリチウム金属複合酸化物粉末は、コア粒子と、コア粒子の表面を被覆する被覆物とを備える。コア粒子は、少なくともLiとNiと元素Xを含有する化合物を含むことが好ましい。被覆物は元素Mを含み、元素Mとリチウムとが反応した化合物を含むことが好ましい。被覆物を構成する化合物としては、元素Mとリチウムと酸素とが結合した化合物が挙げられる。被覆物は被覆層であってもよく、被覆粒子であってもよい。
≪被覆物≫
被覆物に含まれる元素Mの濃度は、0.0185mol/cmを超え0.070mol/cm以下であり、0.0200mol/cm以上0.068mol/cm以下が好ましく、0.0220以下mol/cm以上0.065mol/cm以下であることがより好ましい。
コア粒子と被覆物の形成方法の詳細は後述するが、少なくともLiとNiと元素Xを含有する化合物を含むコア粒子を形成し、次に、元素Mを含む化合物を添加し、コア粒子の表面に被覆物を形成する。
本実施形態においては、被覆物はホウ素を有する化合物を含むことが好ましい。このような化合物としては、リチウムとホウ素と酸素とが結合した化合物が挙げられる。
被覆物に含まれる元素Mの濃度が上記の範囲内であることにより奏される作用について、元素Mがホウ素である場合を例に説明する。
リチウム二次電池を構成する非水電解液(例えば電解液に含まれる溶質がLiPFである非水電解液)は、充電時に酸化分解され、酸(例えばフッ化水素)を発生させる場合がある。発生した酸がコア粒子に接すると、コア粒子を構成する金属元素(例えばマンガン元素等の遷移金属元素)の溶出を加速させる。これによりコア粒子の組成が変化し、サイクル特性等の電池特性が劣化の原因となる。
また、コア粒子から溶出した金属成分は、充電と放電に寄与する負極のSEI層(Solid Electrolyte Interphase)を破壊する原因となる。SEI層が破壊されると、電池寿命や効率に影響を及ぼす。
電解液がコア粒子に直接接することを抑制するため、コア粒子は被覆物により保護されていることが好ましい。電池を長寿命化する観点から、被覆物は電解液に溶解しにくい化合物から構成されていることが好ましい。
元素Mがホウ素の場合、被覆物としてリチウムホウ素酸素化合物が形成されていると考えられる。リチウムホウ素酸素化合物は、フッ化水素等の酸が存在する電解液中において分解されにくい。つまり、リチウムホウ素酸素化合物は、リチウム金属複合酸化物が電解液と接触した際に、コア粒子の保護層として作用する。
一方で、被覆物が分厚く形成されている場合や、不純物を多く含む被覆物が形成されている場合には、リチウムの挿入・脱離時に抵抗が増加する。ここで「不純物」とは、典型的にはリチウム伝導性が低い化合物(例えばB)を意味する。
元素Mの濃度が上記下限値以上である被覆物は、コア粒子の保護層として作用できる量のリチウムホウ素酸素化合物が形成されていると考えられる。このため、コア粒子は電解液中のフッ化水素から保護され、コア粒子を構成する金属成分が電解液中に溶出することを防止できる。
元素Mの濃度が上記上限値以下であると、被覆物の厚みは保護層として機能可能な厚みであり、かつ抵抗層とならない厚みであると考えられる。また、被覆物中の不純物の存在量が少ないと考えられる。このような被覆物はリチウム伝導性が良好であり、リチウムの挿入・脱離時に抵抗が少ないため、正極活物質として用いた際に、電池の充放電容量を向上させることができる。
上述の効果は、元素Mがホウ素以外の元素(B、Si、S及びPからなる群より選択される1種以上の元素)であっても同様に奏される。
・被覆物に含まれる元素Mの測定方法
被覆物に含まれる元素Mの濃度(単位:mоl/cm)は下記の式(1)により算出する。
被覆物に含まれる元素Mの濃度(単位:mоl/cm
=被覆物に含まれる元素Mの含有量(単位:mоl/g)/
[BET比表面積(単位:cm/g)×被覆物の平均の厚み(単位:cm)]
・・・式(1)
式(1)中、元素Mの含有量は下記の方法で求める。
まず、得られたリチウム金属複合酸化物を塩酸に溶解させる。その後、誘導結合プラズマ発光分析装置(エスアイアイ・ナノテクノロジー株式会社製、SPS3000)を用いて組成分析を行い、得られた元素Mの含有量(mоl/g)を被覆物に含まれる元素Mの含有量とする。
式(1)中、BET比表面積は、得られたリチウム金属複合酸化物を前記の方法により測定した値とする。
式(1)中、被覆物の平均の厚みは、走査型電子顕微鏡(Scanning Electron Microscope:SEM)−エネルギー分散型X線分光法(Energy Dispersive X−ray Spectroscopy:EDX)を用いた分析結果により求める。
SEM観察により得られた画像(SEM写真)から無作為に50個の一次粒子を抽出し、それぞれの一次粒子における、Niおよび元素Xと元素Mの元素濃度を測定する。EDX測定の結果からNiと元素X、及び元素Mの濃度を算出し、元素濃度の比から元素Mを含む被覆物の厚みを計算する。一次粒子50個の平均値を、元素Mを含む被覆物の平均厚みとする。
本実施形態において、被覆物は結晶構造を持たないアモルファス構造であることが好ましい。被覆物がアモルファス構造であると、コア粒子のリチウムイオンの吸蔵に伴う膨潤と、放出に伴う収縮に合わせた形状変化がしやすい。この場合には、電池の充電と放電の際に、被覆物の剥離やコア粒子と被覆物と間に空隙や亀裂が生じにくく、金属溶出をより低減できる。
被覆物がアモルファス構造であることは例えば、CuKα線を使用した粉末X線回折測定で得られた、リチウム金属複合酸化物粉末のX線回折スペクトルにおいて、後述の原料化合物のピーク以外のピークが無いことで確認できる。または、透過型電子顕微鏡(Transmission Electron Microscope:TEM)を用いた被覆物領域での微小領域の電子回折パターン、または原子分解能走査型透過電子顕微鏡(Scanning Transmission Electron―Microscope:STEM)像のフーリエ変換(FFT)パターンがハローパターンを呈することからも確認できる。
本実施形態のリチウム金属複合酸化物粉末は、下記組成式(I)で表されることが好ましい。
Li[Li(Ni(1−n−p)1−m]O ・・・(I)
(ただし、−0.1≦m≦0.2、0<n≦0.6、0<p≦0.05、n+p<0.6である。)
組成式(I)において、mはサイクル特性を向上させる観点から、0を超えることが好ましく、0.01以上であることがより好ましく、0.02以上が特に好ましい。また、放電レート特性が高いリチウム二次電池を得る観点から、mは0.1以下が好ましく、0.08以下がより好ましく、0.06以下が特に好ましい。
mの上記上限値及び下限値は任意に組み合わせることができる。
本実施形態においては、0<m≦0.2であることが好ましく、0<m≦0.1であることがより好ましい。
組成式(I)において、放電レート特性が高いリチウム二次電池を得る観点から、0<n+p≦0.5であることが好ましく、0<n+p≦0.25であることがより好ましく、0<n+p≦0.2であることがさらに好ましい。
組成式(I)において、nは電池の内部抵抗が低いリチウム二次電池を得る観点から、0.05以上がより好ましく、0.1以上が特に好ましい。また、熱的安定性が高いリチウム二次電池を得る観点から、0.5以下が好ましく、0.4以下が特に好ましい。
nの上限値と下限値は任意に組み合わせることができる。
組成式(I)において、pはサイクル特性を向上させる観点から0.0002以上がより好ましく、0.0005以上が特に好ましい。また、0.09以下が好ましく、0.08以下がより好ましく、0.07以下が特に好ましい。
wの上限値と下限値は任意に組み合わせることができる。
本実施形態においては、0.0002≦p≦0.09が好ましい。
x、n、wの組み合わせとしては、0<m≦0.1かつ0<n≦0.8かつ0.0002≦p≦0.09であることが好ましい。
本実施形態において、組成式(I)は、下記組成式(I)−1であることが好ましい。
Li[Li(Ni(1−y−z−p)Co1−m]O ・・・(I)−1
(ただし、−0.1≦m≦0.2、0<y≦0.4、0<z≦0.4、0<p≦0.05、y+z+p<0.6である。また、元素Qは、Mn、Fe、Cu、Ti、Mg、Al、W、Mo、Nb、Zn、Sn、Zr、Ga及びVからなる群より選択される1種以上の元素である。)
サイクル特性が高いリチウム二次電池を得る観点から、前記組成式(I)−1において、0<y+z+p≦0.5であることが好ましく、0<y+z+p≦0.25であることがより好ましく、0<y+z+p≦0.2であることがさらに好ましい。
また、電池の内部抵抗が低いリチウム二次電池を得る観点から、前記組成式(I)−1におけるyは0.005以上であることが好ましく、0.01以上であることがより好ましく、0.05以上であることがさらに好ましい。また、熱的安定性が高いリチウム二次電池を得る観点から、前記組成式(I)−1におけるyは0.35以下であることがより好ましく、0.33以下であることがさらに好ましい。
yの上限値と下限値は任意に組み合わせることができる。
本実施形態においては、0<y≦0.35であることが好ましい。
また、サイクル特性が高いリチウム二次電池を得る観点から、前記組成式(I)−1におけるzは0.01以上であることが好ましく、0.02以上であることがより好ましく、0.1以上であることがさらに好ましい。また、高温(例えば60℃環境下)での保存性が高いリチウム二次電池を得る観点から、前記組成式(I)−1におけるzは0.39以下であることが好ましく、0.38以下であることがより好ましく、0.35以下であることがさらに好ましい。
zの上限値と下限値は任意に組み合わせることができる。
本実施形態においては、0<z≦0.35であることが好ましい。
本実施形態のリチウム金属複合酸化物粉末は、BET比表面積が、2m/g以下であることが好ましく、1.5m/g以下がより好ましく、1.0m/g以下がさらに好ましく、0.9m/g以下が特に好ましい。
BET比表面積が上記上限値以下であると、リチウム二次電池の体積容量密度が高くなりやすいことを意味する。
本実施形態のリチウム金属複合酸化物粉末は、平均一次粒子径が1μm以上7μm以下であることが好ましい。
本実施形態のリチウム金属複合酸化物粉末は、平均一次粒子径が1.1μm以上がより好ましく、1.2μm以上がさらに好ましく、1.3μm以上が特に好ましい。
また、平均一次粒子径は6.5μm以下がより好ましく、6μm以下がさらに好ましく、5.5μm以下が特に好ましい。
上記上限値及び下限値は任意に組み合わせることができる。
組み合わせの例としては、1.1μm以上6.5μm以下、1.2μm以上6μm以下、1.3μm以上5μm以下が挙げられる。
リチウム金属複合酸化物粉末の平均一次粒子径が上記の範囲内であると、過剰に粒成長した粗大一次粒子が少ないことを意味する。
(層状構造)
本実施形態において、正極活物質の結晶構造は、層状構造であり、六方晶型の結晶構造又は単斜晶型の結晶構造であることがより好ましい。
六方晶型の結晶構造は、P3、P31、P32、R3、P−3、R−3、P312、P321、P3112、P3121、P3212、P3221、R32、P3m1、P31m、P3c1、P31c、R3m、R3c、P−31m、P−31c、P−3m1、P−3c1、R−3m、R−3c、P6、P61、P65、P62、P64、P63、P−6、P6/m、P63/m、P622、P6122、P6522、P6222、P6422、P6322、P6mm、P6cc、P63cm、P63mc、P−6m2、P−6c2、P−62m、P−62c、P6/mmm、P6/mcc、P63/mcm、P63/mmcからなる群から選ばれるいずれか一つの空間群に帰属される。
また、単斜晶型の結晶構造は、P2、P21、C2、Pm、Pc、Cm、Cc、P2/m、P21/m、C2/m、P2/c、P21/c、C2/cからなる群から選ばれるいずれか一つの空間群に帰属される。
これらのうち、放電容量が高いリチウム二次電池を得るため、結晶構造は、空間群R−3mに帰属される六方晶型の結晶構造、又はC2/mに帰属される単斜晶型の結晶構造であることが特に好ましい。
<リチウム金属複合酸化物粉末の製造方法>
本実施形態のリチウム金属複合酸化物粉末の製造方法は、以下の(1)、(2)、(3)、(4)をこの順で含む製造方法であることが好ましい。
(1)リチウム二次電池用正極活物質の前駆体の製造工程。
(2)前記前駆体粉末とリチウム化合物とを混合し、混合物を得る混合工程。
(3)前記混合物を焼成し、原料化合物を得る工程。
(4)前記原料化合物と元素Mを含む化合物を混合し、リチウム金属複合酸化物粉末を得る工程。
[リチウム二次電池用正極活物質の前駆体粉末の製造工程]
まず、リチウム以外の金属、すなわち、必須金属であるニッケルと、元素X(Co、Mn、Fe、Cu、Ti、Mg、Al、W、Mo、Nb、Zn、Sn、Zr、Ga及びV)のうちいずれか1種以上の金属とを含むニッケル含有金属複合化合物を調製する。前駆体であるニッケル含有金属複合化合物は、ニッケル含有金属複合水酸化物又はニッケル含有金属複合酸化物を用いることができる。
前駆体は、通常公知のバッチ式共沈殿法又は連続式共沈殿法により製造することが可能である。以下、金属として、ニッケル、コバルト、マンガンを含むニッケルコバルトマンガン金属複合水酸化物(以下、「金属複合水酸化物」と記載することがある。)を例に、その製造方法を詳述する。
まず、特開2002−201028号公報に記載された連続式共沈殿法により、ニッケル塩溶液、コバルト塩溶液、マンガン塩溶液及び錯化剤を反応させ、NiCoMn(OH)(式中、s+t+u=1)で表される金属複合水酸化物を製造する。
上記ニッケル塩溶液の溶質であるニッケル塩としては、特に限定されないが、例えば硫酸ニッケル、硝酸ニッケル、塩化ニッケル及び酢酸ニッケルのうちの何れか1種を使用することができる。
上記コバルト塩溶液の溶質であるコバルト塩としては、例えば硫酸コバルト、硝酸コバルト、塩化コバルト及び酢酸コバルトのうちの何れかを使用することができる。
上記マンガン塩溶液の溶質であるマンガン塩としては、例えば硫酸マンガン、硝酸マンガン、塩化マンガン及び酢酸マンガンのうちの何れかを使用することができる。
以上の金属塩は上記NiCoMn(OH)の組成比に対応する割合で用いられる。すなわち、上記金属塩を含む混合溶液中におけるニッケル、コバルト、マンガン、のモル比がs:t:uとなるよう各金属塩の量を規定する。また、溶媒として水が使用される。
錯化剤としては、水溶液中で、ニッケル、コバルト及びマンガンのイオンと錯体を形成可能なものであり、例えばアンモニウムイオン供給体(硫酸アンモニウム、塩化アンモニウム、炭酸アンモニウム、弗化アンモニウム等)、ヒドラジン、エチレンジアミン四酢酸、ニトリロ三酢酸、ウラシル二酢酸及びグリシンが挙げられる。
沈殿に際しては、水溶液のpH値を調整するため、必要ならばアルカリ水溶液(例えば水酸化ナトリウム、水酸化カリウム)を添加する。反応に際しては、反応槽の温度が例えば20℃以上80℃以下、好ましくは30℃以上70℃以下の範囲内で制御する。また、反応槽内のpH値は例えば水溶液の温度が40℃の時にpH9以上pH13以下、好ましくはpH11以上pH13以下の範囲内で制御される。
反応槽内の物質は適宜撹拌される。反応槽は、形成された反応沈殿物を分離するためオーバーフローさせるタイプのものを用いることができる。
反応槽内は不活性雰囲気であってもよい。不活性雰囲気であると、ニッケルよりも酸化されやすい元素が凝集してしまうことを抑制し、均一な金属複合水酸化物を得ることができる。
また、反応槽内は、不活性雰囲気を保ちつつも、適度な酸素含有雰囲気または酸化剤存在下であってもよい。これは遷移金属を適度に酸化させることで、金属複合水酸化物の形態を制御しやすくなるためである。酸素含有ガス中の酸素や酸化剤は、遷移金属を酸化させるために十分な酸素原子があればよい。多量の酸素原子を導入しなければ、反応槽内の不活性雰囲気を保つことができる。なお、反応槽内の雰囲気制御をガス種で行う場合、所定のガス種を反応槽内に通気するか、反応液を直接バブリングすればよい。
以上の反応後、得られた反応沈殿物を洗浄した後、乾燥させ、ニッケルコバルトマンガン複合化合物としてのニッケルコバルトマンガン金属複合水酸化物を単離する。
前記単離には、反応沈殿物を含むスラリー(共沈物スラリー)を遠心分離や吸引ろ過などで脱水する方法が好ましく用いられる。
前記脱水により得た共沈物は、水またはアルカリが含まれる洗浄液で洗浄することが好ましい。本実施形態においては、アルカリが含まれる洗浄液で洗浄してもよい。また、硫黄元素を含有する洗浄液を用いて洗浄してもよい。硫黄元素を含有する洗浄液としては、カリウムやナトリウムの硫酸塩水溶液が挙げられる。
なお、上記の例では、ニッケルコバルトマンガン金属複合水酸化物を製造しているが、ニッケルコバルトマンガン金属複合酸化物を調製してもよい。ニッケルコバルトマンガン金属複合酸化物を調製する場合には、ニッケルコバルトマンガン金属複合水酸化物を熱処理する方法が挙げられる。
ニッケルと元素Xの複合水酸化物から、ニッケルと元素Xの複合酸化物を調整する際は、300℃以上800℃以下の温度で1時間以上10時間以下の範囲で焼成し、酸化物化する酸化物化工程を実施してもよい。
本実施形態においては、製造した前駆体を粉砕してもよい。
粉砕工程は、気流式粉砕機、分級機構付衝突式粉砕機、ピンミル、ボールミル、ジェットミル、分級ローター付カウンタージェットミルなどを用いて実施することが好ましい。
[前記前駆体粉末とリチウム化合物とを混合し、混合物を得る混合工程]
本工程は、リチウム化合物と、前駆体とを混合し、混合物を得る工程である。
・リチウム化合物
本発明に用いるリチウム化合物は、炭酸リチウム、硝酸リチウム、酢酸リチウム、水酸化リチウム、酸化リチウム、塩化リチウム、フッ化リチウムのうち何れか一つ、又は、二つ以上を混合して使用することができる。これらの中では、水酸化リチウム及び炭酸リチウムのいずれか一方又は両方が好ましい。
また、水酸化リチウムが不純物として炭酸リチウムを含む場合には、水酸化リチウム中の炭酸リチウムの含有量は5質量%以下であることが好ましい。
前駆体と、リチウム化合物との混合方法について説明する。
前駆体を乾燥させた後、リチウム化合物と混合する。乾燥条件は、特に制限されないが、例えば、下記の乾燥条件1)〜3)のいずれかが挙げられる。
1)前駆体が酸化・還元されない条件。具体的には、酸化物が酸化物のまま維持される条件、又は水酸化物が水酸化物のまま維持される条件で乾燥する乾燥条件である。
2)前駆体が酸化される条件。具体的には、水酸化物から酸化物へ酸化する乾燥条件である。
3)前駆体が還元される条件。具体的には、酸化物から水酸化物へ還元する乾燥条件である。
乾燥条件1)〜3)は、製造するニッケル含有金属複合化合物が、ニッケル含有金属複合水酸化物であるか、ニッケル含有金属複合酸化物のいずれかであるかによって、適宜選択すればよい。
酸化・還元がされない条件のためには、窒素、ヘリウム及びアルゴン等の不活性ガスを使用すればよい。水酸化物が酸化される条件では、酸素又は空気を使用して行えばよい。
また、前駆体が還元される条件としては、不活性ガス雰囲気下、ヒドラジン、亜硫酸ナトリウム等の還元剤を使用すればよい。
前駆体の乾燥後に、適宜分級を行ってもよい。
以上のリチウム化合物と前駆体とを、最終目的物の組成比を勘案して混合する。例えば、ニッケルコバルトマンガン金属複合水酸化物を用いる場合、リチウム化合物と当該金属複合水酸化物は、Li[Li(NiCoMn1−r]O(式中、s+t+u=1)の組成比に対応する割合で混合する。ニッケルコバルトマンガン金属複合水酸化物及びリチウム化合物の混合物を後の焼成工程において焼成することによって、リチウム−ニッケルコバルトマンガン金属複合酸化物が得られる。
均一なリチウム−ニッケルコバルトマンガン金属複合酸化物を得る観点から、rは0を超えることが好ましく、0.01以上であることがより好ましく、0.02以上であることがさらに好ましい。また、純度の高いリチウム−ニッケルコバルトマンガン複合酸化物を得る観点から、rは0.1以下であることが好ましく、0.08以下であることがより好ましく、0.06以下であることがさらに好ましい。
上記のrの上限値と下限値は任意に組み合わせることができる。
[混合物を焼成し、原料化合物を得る工程]
本工程は、リチウム化合物と、前駆体との混合物を焼成し、原料化合物を得る工程である。
焼成には、所望の組成に応じて乾燥空気、酸素雰囲気、不活性雰囲気等が用いられ、必要ならば複数の加熱工程が実施される。
本実施形態においては、焼成温度の設定は、具体的には、200℃以上1150℃以下の範囲を挙げることができ、300℃以上1050℃以下が好ましく、500℃以上1000℃以下がより好ましい。後述する不活性溶融剤の存在下で混合物の焼成を行う場合は、不活性溶融材の融点を考慮すればよく、不活性溶融剤の融点マイナス200℃以上不活性溶融剤の融点プラス200℃以下の範囲で行うことが好ましい。
本明細書における焼成温度とは、焼成炉内雰囲気の温度を意味し、かつ本焼成工程での保持温度の最高温度(以下、最高保持温度と呼ぶことがある)であり、複数の加熱工程を有する本焼成工程の場合、各加熱工程のうち、最高保持温度で加熱した際の温度を意味する。
焼成における保持温度を調整することにより、得られる原料化合物の一次粒子径を本実施形態の好ましい範囲に制御できる。
通常、保持温度が高くなればなるほど、一次粒子径は大きくなり、BET比表面積は小さくなる傾向にある。焼成における保持温度は、用いる遷移金属元素の種類、沈殿剤、不活性溶融剤の種類、量に応じて適宜調整すればよい。
焼成時間は、2時間以上50時間以下が好ましい。焼成時間が50時間を超えると、リチウムの揮発によって実質的に電池性能に劣る傾向となる。焼成時間が2時間より少ないと、結晶の発達が悪く、電池性能が悪くなる傾向となる。なお、上記の焼成の前に、仮焼成を行うことも有効である。仮焼成の温度は、300℃以上850℃以下の範囲で、1〜10時間行うことが好ましい。
本実施形態において、最高保持温度に達する加熱工程の昇温速度は180℃/時間以上が好ましく、200℃/時間以上がより好ましく、250℃/時間以上が特に好ましい。
最高保持温度に達する加熱工程の昇温速度は、焼成装置において、昇温を開始した時間から後述の保持温度に到達するまでの時間から算出される。
焼成における保持時間を調整することにより、得られる原料化合物の一次粒子径を本実施形態の好ましい範囲に制御できる。通常、保持時間が長くなればなるほど、一次粒子径は大きくなり、BET比表面積が小さくなる傾向にある。焼成における保持時間は、用いる遷移金属元素の種類、沈殿剤、不活性溶融剤の種類、量に応じて適宜調整すればよい。
焼成工程は、焼成温度が異なる複数の焼成段階を有することが好ましい。例えば、第1の焼成段階と、第1の焼成段階よりも高温で焼成する第2の焼成段階を有することが好ましい。さらに焼成温度及び焼成時間が異なる焼成段階を有していてもよい。
本実施形態において、焼成により得られた原料化合物を解砕してもよい。焼成により得られた原料化合物が好ましいBET比表面積を満たさない場合には、解砕工程により制御することが好ましい。
解砕工程は、気流式粉砕機、分級機構付衝突式粉砕機、ピンミル、ボールミル、ジェットミル、分級ローター付カウンタージェットミルなどを用いて実施することが好ましい。中でもピンミルによって解砕すると、一次粒子間の凝集を粉砕することができる。
[原料化合物と元素Mを含む化合物を混合し、リチウム金属複合酸化物粉末を得る工程]
上記焼成工程で得られた原料化合物と元素Mを含む化合物とを混合し混合物を熱処理することで、本実施形態のリチウム金属複合酸化物粉末を得ることができる。元素Mを含む化合物はAl、B、Si、S、Nb、F及びPからなる群から選ばれる少なくとも1種の元素を含む化合物を含有することが好ましい。元素Mを含む化合物は特に限定されず、元素Mを含む酸化物、水酸化物、炭酸塩、硝酸塩、硫酸塩、ハロゲン化物、シュウ酸塩またはアルコキシドを用いることができ、酸化物であることが好ましい。
元素Mを含有する化合物としては、例えば、HSO、H、HSO、HSO、HPO、H、HPO、HPO、B、HBO、HBO、H、HB、等が挙げられる。
原料化合物と元素Mを含む化合物とを混合する方法は、特に限定されないが、例えば、原料化合物と元素Mを含む化合物の粉末同士を、攪拌翼を内部に備えた粉体混合機を用いて混合する方法などが挙げられる。また、元素Mを含む化合物を水などに溶解または分散させた液体を原料化合物粉末へ噴霧してもよい。ボールなどの混合メディアを備えず、強い粉砕を伴わない混合装置を用いて混合する方法が好ましい。
原料化合物と元素Mを含む化合物とを混合した後に実施する熱処理における熱処理条件(温度、保持時間)は、元素Mを含む化合物の種類に応じて異なる場合がある。熱処理温度は、300℃以上700℃以下の範囲に設定することが好ましく、300℃以上600℃以下であることがより好ましく、300℃以上500℃以下であることがさらに好ましい。また、保持時間は1時間以上10時間以下が好ましく、2時間以上9時間以下がより好ましく、3時間以上8時間以下がさらに好ましい。熱処理条件を制御することにより被覆物中の元素Mの濃度を好ましい範囲内に調整することができ、被覆物をアモルファス構造とすることができる。熱処理における雰囲気としては、前記焼成と同様の雰囲気ガスが挙げられる。
また、元素Mを含む化合物の混合量は特に限定されないが、例えば、上述の工程で得られた原料化合物全量(100モル%)に対して、元素Mが0.01モル%以上5モル%となるように混合するとよい。元素Mを含む化合物の混合量を制御することにより、被覆物中の元素Mの濃度を好ましい範囲内に調整することができる。
スパッタリング、CVD、蒸着などの手法を用いることにより、原料化合物の表面に、元素Mを含む被覆物を形成させて、本実施形態のリチウム金属複合酸化物粉末を得ることもできる。
また、前記金属複合酸化物又は水酸化物と、リチウム塩と元素Mを含む化合物とを混合・焼成することにより本実施形態のリチウム金属複合酸化物粉末を得られる場合もある。
リチウム金属複合酸化物粉末は、適宜解砕、分級してもよい。
[任意工程]
本実施形態においては、乾燥後のリチウム金属複合酸化物粉末は純水やアルカリ性洗浄液などを洗浄液として用いて洗浄することが好ましい。
アルカリ性洗浄液としては、例えば、LiOH(水酸化リチウム)、NaOH(水酸化ナトリウム)、KOH(水酸化カリウム)、LiCO(炭酸リチウム)、NaCO(炭酸ナトリウム)、KCO(炭酸カリウム)および(NHCO(炭酸アンモニウム)からなる群より選ばれる1種以上の無水物の水溶液並びに前記無水物の水和物の水溶液を挙げることができる。また、アルカリとして、アンモニアを使用することもできる。
洗浄工程において、洗浄液とリチウム金属複合酸化物粉末とを接触させる方法としては、各洗浄液中に、リチウム金属複合酸化物粉末を投入して撹拌する方法や、各洗浄液をシャワー水として、リチウム金属複合酸化物粉末にかける方法や、該洗浄液中に、リチウム金属複合酸化物粉末を投入して撹拌した後、各洗浄液からリチウム金属複合酸化物粉末を分離し、次いで、各洗浄液をシャワー水として、分離後のリチウム金属複合酸化物粉末にかける方法が挙げられる。
洗浄に用いる洗浄液の温度は、15℃以下が好ましく、10℃以下がより好ましく、8℃以下がさらに好ましい。洗浄液の温度を上記範囲で洗浄液が凍結しない温度に制御することで、洗浄時にリチウム金属複合酸化物粉末の結晶構造中から洗浄液中へのリチウムイオンの過度な溶出が抑制できる。
本実施形態においては、上記リチウム化合物と、前駆体との混合物を不活性溶融剤の存在下で焼成してもよい。
不活性溶融剤の存在下で混合物の焼成を行うことで、混合物の反応を促進させることができる。不活性溶融剤は、焼成後のリチウム金属複合酸化物粉末に残留していてもよいし、焼成後に洗浄液で洗浄すること等により除去されていてもよい。本実施形態においては、焼成後のリチウム金属複合酸化物粉末は純水やアルカリ性洗浄液などの洗浄液を用いて洗浄することが好ましい。
本実施形態においては、混合工程において不活性溶融剤を添加した場合においても、焼成温度と合計時間は上記の範囲内で適宜調整すればよい。
本実施形態に使用することができる不活性溶融剤は、焼成の際に混合物と反応し難いものであれば特に限定されない。本実施形態においては、Na、K、Rb、Cs、Ca、Mg、SrおよびBaからなる群より選ばれる1種以上の元素(以下、「A」と称する。)のフッ化物、Aの塩化物、Aの炭酸塩、Aの硫酸塩、Aの硝酸塩、Aのリン酸塩、Aの水酸化物、Aのモリブデン酸塩およびAのタングステン酸塩からなる群より選ばれる1種以上が挙げられる。
Aのフッ化物としては、NaF(融点:993℃)、KF(融点:858℃)、RbF(融点:795℃)、CsF(融点:682℃)、CaF(融点:1402℃)、MgF(融点:1263℃)、SrF(融点:1473℃)およびBaF(融点:1355℃)を挙げることができる。
Aの塩化物としては、NaCl(融点:801℃)、KCl(融点:770℃)、RbCl(融点:718℃)、CsCl(融点:645℃)、CaCl(融点:782℃)、MgCl(融点:714℃)、SrCl(融点:857℃)およびBaCl(融点:963℃)を挙げることができる。
Aの炭酸塩としては、NaCO(融点:854℃)、KCO(融点:899℃)、RbCO(融点:837℃)、CsCO(融点:793℃)、CaCO(融点:825℃)、MgCO(融点:990℃)、SrCO(融点:1497℃)およびBaCO(融点:1380℃)を挙げることができる。
Aの硫酸塩としては、NaSO(融点:884℃)、KSO(融点:1069℃)、RbSO(融点:1066℃)、CsSO(融点:1005℃)、CaSO(融点:1460℃)、MgSO(融点:1137℃)、SrSO(融点:1605℃)およびBaSO(融点:1580℃)を挙げることができる。
Aの硝酸塩としては、NaNO(融点:310℃)、KNO(融点:337℃)、RbNO(融点:316℃)、CsNO(融点:417℃)、Ca(NO(融点:561℃)、Mg(NO、Sr(NO(融点:645℃)およびBa(NO(融点:596℃)を挙げることができる。
Aのリン酸塩としては、NaPO、KPO(融点:1340℃)、RbPO、CsPO、Ca(PO、Mg(PO(融点:1184℃)、Sr(PO(融点:1727℃)およびBa(PO(融点:1767℃)を挙げることができる。
Aの水酸化物としては、NaOH(融点:318℃)、KOH(融点:360℃)、RbOH(融点:301℃)、CsOH(融点:272℃)、Ca(OH)(融点:408℃)、Mg(OH)(融点:350℃)、Sr(OH)(融点:375℃)およびBa(OH)(融点:853℃)を挙げることができる。
Aのモリブデン酸塩としては、NaMoO(融点:698℃)、KMoO(融点:919℃)、RbMoO(融点:958℃)、CsMoO(融点:956℃)、CaMoO(融点:1520℃)、MgMoO(融点:1060℃)、SrMoO(融点:1040℃)およびBaMoO(融点:1460℃)を挙げることができる。
Aのタングステン酸塩としては、NaWO(融点:687℃)、KWO、RbWO、CsWO、CaWO、MgWO、SrWOおよびBaWOを挙げることができる。
本実施形態においては、これらの不活性溶融剤を2種以上用いることもできる。2種以上用いる場合は、融点が下がることもある。また、これらの不活性溶融剤の中でも、より結晶性が高いリチウム金属複合酸化物粉末を得るための不活性溶融剤としては、Aの炭酸塩および硫酸塩、Aの塩化物のいずれか又はその組み合わせであることが好ましい。また、Aとしては、ナトリウム(Na)およびカリウム(K)のいずれか一方又は両方であることが好ましい。すなわち、上記の中で、とりわけ好ましい不活性溶融剤は、NaOH、KOH、NaCl、KCl、NaCO、KCO、NaSO、およびKSOからなる群より選ばれる1種以上である。
本実施形態において、不活性溶融剤として、硫酸カリウム又は炭酸カリウムが好ましい。
本実施形態においては、混合工程において不活性溶融剤を添加した場合においても、洗浄は上記の範囲内で適宜調整すればよい。
焼成によって得たリチウム金属複合酸化物粉末は適宜粉砕、分級され、リチウム二次電池に適用可能なリチウム二次電池用正極活物質とされる。本実施形態のリチウム二次電池用正極活物質は、前記本実施形態のリチウム金属複合酸化物粉末とは異なるリチウム金属複合酸化物粉末を含有していてもよい。
<リチウム二次電池>
次いで、本実施形態の正極活物質の用途として好適なリチウム二次電池の構成を説明する。
さらに、本実施形態の正極活物質粉末を含有するリチウム二次電池用正極活物質の用途として好適な正極について説明する。
さらに、正極の用途として好適なリチウム二次電池について説明する。
本実施形態の正極活物質の用途として好適なリチウム二次電池の一例は、正極および負極、正極と負極との間に挟持されるセパレータ、正極と負極との間に配置される電解液を有する。
図1A、図1Bは、本実施形態のリチウム二次電池の一例を示す模式図である。本実施形態の円筒型のリチウム二次電池10は、次のようにして製造する。
まず、図1Aに示すように、帯状を呈する一対のセパレータ1、一端に正極リード21を有する帯状の正極2、および一端に負極リード31を有する帯状の負極3を、セパレータ1、正極2、セパレータ1、負極3の順に積層し、巻回することにより電極群4とする。
次いで、図1Bに示すように、電池缶5に電極群4および不図示のインシュレーターを収容した後、缶底を封止し、電極群4に電解液6を含浸させ、正極2と負極3との間に電解質を配置する。さらに、電池缶5の上部をトップインシュレーター7および封口体8で封止することで、リチウム二次電池10を製造することができる。
電極群4の形状としては、例えば、電極群4を巻回の軸に対して垂直方向に切断したときの断面形状が、円、楕円、長方形、角を丸めた長方形となるような柱状の形状を挙げることができる。
また、このような電極群4を有するリチウム二次電池の形状としては、国際電気標準会議(IEC)が定めた電池に対する規格であるIEC60086、又はJIS C 8500で定められる形状を採用することができる。例えば、円筒型、角型などの形状を挙げることができる。
さらに、リチウム二次電池は、上記巻回型の構成に限らず、正極、セパレータ、負極、セパレータの積層構造を繰り返し重ねた積層型の構成であってもよい。積層型のリチウム二次電池としては、いわゆるコイン型電池、ボタン型電池、ペーパー型(又はシート型)電池を例示することができる。
以下、各構成について順に説明する。
(正極)
正極は、まず正極活物質、導電材およびバインダーを含む正極合剤を調整し、正極合剤を正極集電体に担持させることで製造することができる。
(導電材)
正極が有する導電材としては、炭素材料を用いることができる。炭素材料として黒鉛粉末、カーボンブラック(例えばアセチレンブラック)、繊維状炭素材料などを挙げることができる。カーボンブラックは、微粒で表面積が大きいため、少量を正極合剤中に添加することにより正極内部の導電性を高め、充放電効率および出力特性を向上させることができるが、多く入れすぎるとバインダーによる正極合剤と正極集電体との結着力、および正極合剤内部の結着力がいずれも低下し、かえって内部抵抗を増加させる原因となる。
正極合剤中の導電材の割合は、正極活物質100質量部に対して5質量部以上20質量部以下であると好ましい。導電材として黒鉛化炭素繊維、カーボンナノチューブなどの繊維状炭素材料を用いる場合には、この割合を下げることも可能である。
(バインダー)
正極が有するバインダーとしては、熱可塑性樹脂を用いることができる。この熱可塑性樹脂としては、ポリフッ化ビニリデン(以下、PVdFということがある。)、ポリテトラフルオロエチレン(以下、PTFEということがある。)、四フッ化エチレン・六フッ化プロピレン・フッ化ビニリデン系共重合体、六フッ化プロピレン・フッ化ビニリデン系共重合体、四フッ化エチレン・パーフルオロビニルエーテル系共重合体などのフッ素樹脂;ポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリオレフィン樹脂;を挙げることができる。
これらの熱可塑性樹脂は、2種以上を混合して用いてもよい。バインダーとしてフッ素樹脂およびポリオレフィン樹脂を用い、正極合剤全体に対するフッ素樹脂の割合を1質量%以上10質量%以下、ポリオレフィン樹脂の割合を0.1質量%以上2質量%以下とすることによって、正極集電体との密着力および正極合剤内部の結合力がいずれも高い正極合剤を得ることができる。
(正極集電体)
正極が有する正極集電体としては、Al、Ni、ステンレスなどの金属材料を形成材料とする帯状の部材を用いることができる。なかでも、加工しやすく、安価であるという点でAlを形成材料とし、薄膜状に加工したものが好ましい。
正極集電体に正極合剤を担持させる方法としては、正極合剤を正極集電体上で加圧成型する方法が挙げられる。また、有機溶媒を用いて正極合剤をペースト化し、得られる正極合剤のペーストを正極集電体の少なくとも一面側に塗布して乾燥させ、プレスし固着することで、正極集電体に正極合剤を担持させてもよい。
正極合剤をペースト化する場合、用いることができる有機溶媒としては、N,N―ジメチルアミノプロピルアミン、ジエチレントリアミンなどのアミン系溶媒;テトラヒドロフランなどのエーテル系溶媒;メチルエチルケトンなどのケトン系溶媒;酢酸メチルなどのエステル系溶媒;ジメチルアセトアミド、N−メチル−2−ピロリドン(以下、NMPということがある。)などのアミド系溶媒;が挙げられる。
正極合剤のペーストを正極集電体へ塗布する方法としては、例えば、スリットダイ塗工法、スクリーン塗工法、カーテン塗工法、ナイフ塗工法、グラビア塗工法および静電スプレー法が挙げられる。
以上に挙げられた方法により、正極を製造することができる。
(負極)
リチウム二次電池が有する負極は、正極よりも低い電位でリチウムイオンのドープかつ脱ドープが可能であればよく、負極活物質を含む負極合剤が負極集電体に担持されてなる電極、および負極活物質単独からなる電極を挙げることができる。
(負極活物質)
負極が有する負極活物質としては、炭素材料、カルコゲン化合物(酸化物、硫化物など)、窒化物、金属又は合金で、正極よりも低い電位でリチウムイオンのドープかつ脱ドープが可能な材料が挙げられる。
負極活物質として使用可能な炭素材料としては、天然黒鉛、人造黒鉛などの黒鉛、コークス類、カーボンブラック、熱分解炭素類、炭素繊維および有機高分子化合物焼成体を挙げることができる。
負極活物質として使用可能な酸化物としては、SiO、SiOなど式SiO(ここで、xは正の実数)で表されるケイ素の酸化物;TiO、TiOなど式TiO(ここで、xは正の実数)で表されるチタンの酸化物;V、VOなど式VO(ここで、xは正の実数)で表されるバナジウムの酸化物;Fe、Fe、FeOなど式FeO(ここで、xは正の実数)で表される鉄の酸化物;SnO、SnOなど式SnO(ここで、xは正の実数)で表されるスズの酸化物;WO、WOなど一般式WO(ここで、xは正の実数)で表されるタングステンの酸化物;LiTi12、LiVOなどのリチウムとチタン又はバナジウムとを含有する複合金属酸化物;を挙げることができる。
負極活物質として使用可能な硫化物としては、Ti、TiS、TiSなど式TiS(ここで、xは正の実数)で表されるチタンの硫化物;V、VS2、VSなど式VS(ここで、xは正の実数)で表されるバナジウムの硫化物;Fe、FeS、FeSなど式FeS(ここで、xは正の実数)で表される鉄の硫化物;Mo、MoSなど式MoS(ここで、xは正の実数)で表されるモリブデンの硫化物;SnS2、SnSなど式SnS(ここで、xは正の実数)で表されるスズの硫化物;WSなど式WS(ここで、xは正の実数)で表されるタングステンの硫化物;Sbなど式SbS(ここで、xは正の実数)で表されるアンチモンの硫化物;Se、SeS、SeSなど式SeS(ここで、xは正の実数)で表されるセレンの硫化物;を挙げることができる。
負極活物質として使用可能な窒化物としては、LiN、Li3−xN(ここで、AはNiおよびCoのいずれか一方又は両方であり、0<x<3である。)などのリチウム含有窒化物を挙げることができる。
これらの炭素材料、酸化物、硫化物、窒化物は、1種のみ用いてもよく2種以上を併用して用いてもよい。また、これらの炭素材料、酸化物、硫化物、窒化物は、結晶質又は非晶質のいずれでもよい。
また、負極活物質として使用可能な金属としては、リチウム金属、シリコン金属およびスズ金属などを挙げることができる。
負極活物質として使用可能な合金としては、Li−Al、Li−Ni、Li−Si、Li−Sn、Li−Sn−Niなどのリチウム合金;Si−Znなどのシリコン合金;Sn−Mn、Sn−Co、Sn−Ni、Sn−Cu、Sn−Laなどのスズ合金;CuSb、LaNiSnなどの合金;を挙げることもできる。
これらの金属や合金は、例えば箔状に加工された後、主に単独で電極として用いられる。
上記負極活物質の中では、充電時に未充電状態から満充電状態にかけて負極の電位がほとんど変化しない(電位平坦性がよい)、平均放電電位が低い、繰り返し充放電させたときの容量維持率が高い(サイクル特性がよい)などの理由から、天然黒鉛、人造黒鉛などの黒鉛を主成分とする炭素材料が好ましく用いられる。炭素材料の形状としては、例えば天然黒鉛のような薄片状、メソカーボンマイクロビーズのような球状、黒鉛化炭素繊維のような繊維状、又は微粉末の凝集体などのいずれでもよい。
前記の負極合剤は、必要に応じて、バインダーを含有してもよい。バインダーとしては、熱可塑性樹脂を挙げることができ、具体的には、PVdF、熱可塑性ポリイミド、カルボキシメチルセルロース、ポリエチレンおよびポリプロピレンを挙げることができる。
(負極集電体)
負極が有する負極集電体としては、Cu、Ni、ステンレスなどの金属材料を形成材料とする帯状の部材を挙げることができる。なかでも、リチウムと合金を作り難く、加工しやすいという点で、Cuを形成材料とし、薄膜状に加工したものが好ましい。
このような負極集電体に負極合剤を担持させる方法としては、正極の場合と同様に、加圧成型による方法、溶媒などを用いてペースト化し負極集電体上に塗布、乾燥後プレスし圧着する方法が挙げられる。
(セパレータ)
リチウム二次電池が有するセパレータとしては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリオレフィン樹脂、フッ素樹脂、含窒素芳香族重合体などの材質からなる、多孔質膜、不織布、織布などの形態を有する材料を用いることができる。また、これらの材質を2種以上用いてセパレータを形成してもよいし、これらの材料を積層してセパレータを形成してもよい。
セパレータは、電池使用時(充放電時)に電解質を良好に透過させるため、JIS P 8117で定められるガーレー法による透気抵抗度が、50秒/100cc以上、300秒/100cc以下であることが好ましく、50秒/100cc以上、200秒/100cc以下であることがより好ましい。
また、セパレータの空孔率は、好ましくは30体積%以上80体積%以下、より好ましくは40体積%以上70体積%以下である。セパレータは空孔率の異なるセパレータを積層したものであってもよい。
(電解液)
リチウム二次電池が有する電解液は、電解質および有機溶媒を含有する。
電解液に含まれる電解質としては、LiClO、LiPF、LiAsF、LiSbF、LiBF、LiCFSO、LiN(SOCF、LiN(SO、LiN(SOCF)(COCF)、Li(CSO)、LiC(SOCF、Li10Cl10、LiBOB(ここで、BOBは、bis(oxalato)borateのことである。)、LiFSI(ここで、FSIはbis(fluorosulfonyl)imideのことである)、低級脂肪族カルボン酸リチウム塩、LiAlClなどのリチウム塩が挙げられ、これらの2種以上の混合物を使用してもよい。なかでも電解質としては、フッ素を含むLiPF、LiAsF、LiSbF、LiBF、LiCFSO、LiN(SOCFおよびLiC(SOCFからなる群より選ばれる少なくとも1種を含むものを用いることが好ましい。
また前記電解液に含まれる有機溶媒としては、例えばプロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、4−トリフルオロメチル−1,3−ジオキソラン−2−オン、1,2−ジ(メトキシカルボニルオキシ)エタンなどのカーボネート類;1,2−ジメトキシエタン、1,3−ジメトキシプロパン、ペンタフルオロプロピルメチルエーテル、2,2,3,3−テトラフルオロプロピルジフルオロメチルエーテル、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフランなどのエーテル類;ギ酸メチル、酢酸メチル、γ−ブチロラクトンなどのエステル類;アセトニトリル、ブチロニトリルなどのニトリル類;N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミドなどのアミド類;3−メチル−2−オキサゾリドンなどのカーバメート類;スルホラン、ジメチルスルホキシド、1,3−プロパンサルトンなどの含硫黄化合物、又はこれらの有機溶媒にさらにフルオロ基を導入したもの(有機溶媒が有する水素原子のうち1以上をフッ素原子で置換したもの)を用いることができる。
有機溶媒としては、これらのうちの2種以上を混合して用いることが好ましい。中でもカーボネート類を含む混合溶媒が好ましく、環状カーボネートと非環状カーボネートとの混合溶媒および環状カーボネートとエーテル類との混合溶媒がさらに好ましい。環状カーボネートと非環状カーボネートとの混合溶媒としては、エチレンカーボネート、ジメチルカーボネートおよびエチルメチルカーボネートを含む混合溶媒が好ましい。このような混合溶媒を用いた電解液は、動作温度範囲が広く、高い電流レートにおける充放電を行っても劣化し難く、長時間使用しても劣化し難く、かつ負極の活物質として天然黒鉛、人造黒鉛などの黒鉛材料を用いた場合でも難分解性であるという多くの特長を有する。
また、電解液としては、得られるリチウム二次電池の安全性が高まるため、LiPFなどのフッ素を含むリチウム塩およびフッ素置換基を有する有機溶媒を含む電解液を用いることが好ましい。ペンタフルオロプロピルメチルエーテル、2,2,3,3−テトラフルオロプロピルジフルオロメチルエーテルなどのフッ素置換基を有するエーテル類とジメチルカーボネートとを含む混合溶媒は、高い電流レートにおける充放電を行っても容量維持率が高いため、さらに好ましい。
上記の電解液の代わりに固体電解質を用いてもよい。固体電解質としては、例えばポリエチレンオキサイド系の高分子化合物、ポリオルガノシロキサン鎖又はポリオキシアルキレン鎖の少なくとも一種以上を含む高分子化合物などの有機系高分子電解質を用いることができる。また、高分子化合物に非水電解液を保持させた、いわゆるゲルタイプのものを用いることもできる。またLiS−SiS、LiS−GeS、LiS−P、LiS−B、LiS−SiS−LiPO、LiS−SiS−LiSO、LiS−GeS−Pなどの硫化物を含む無機系固体電解質が挙げられ、これらの2種以上の混合物を用いてもよい。これら固体電解質を用いることで、リチウム二次電池の安全性をより高めることができることがある。
また、リチウム二次電池において、固体電解質を用いる場合には、固体電解質がセパレータの役割を果たす場合もあり、その場合には、セパレータを必要としないこともある。
以上のような構成の正極活物質は、上述した本実施形態により製造されるリチウム金属複合化合物を用いているため、正極活物質を用いたリチウム二次電池のサイクル維持率を向上させることができる。
また、以上のような構成の正極は、上述した構成のリチウム二次電池用正極活物質を有するため、リチウム二次電池のサイクル維持率を向上させることができる。
さらに、以上のような構成のリチウム二次電池は、上述した正極を有するため、サイクル維持率の高い二次電池となる。
次に、本発明を実施例によりさらに詳細に説明する。
<組成分析>
後述の方法で製造されるリチウム金属複合酸化物粉末の組成分析は、得られたリチウム金属複合酸化物の粉末を塩酸に溶解させた後、誘導結合プラズマ発光分析装置(エスアイアイ・ナノテクノロジー株式会社製、SPS3000)を用いて行った。
<BET比表面積測定>
リチウム金属複合酸化物粉末1gを窒素雰囲気中、105℃で30分間乾燥させた後、マウンテック社製Macsorb(登録商標)を用いて測定した(単位:m/g)。
<平均一次粒子径の測定>
リチウム金属複合酸化物粉末を、サンプルステージ上に貼った導電性シート上に載せ、日本電子株式会社製JSM−5510を用いて、加速電圧が20kVの電子線を照射してSEM観察を行った。SEM観察により得られた画像(SEM写真)(10000倍)から任意に50個の一次粒子を抽出し、それぞれの一次粒子について、一次粒子の投影像を一定方向から引いた平行線ではさんだ平行線間の距離(定方向径)を一次粒子の粒子径として測定した。得られた一次粒子の粒子径の算術平均値が、リチウム金属複合酸化物粉末の平均一次粒子径とした。
<被覆物に含まれる元素Mの濃度の測定方法>
被覆物に含まれる元素Mの濃度(単位:mоl/cm)は下記の式(1)により算出した。
元素Mの濃度(単位:mоl/cm
=元素Mの含有量(単位:mоl/g)/
[BET比表面積(単位:cm/g)×被覆物の平均の厚み(単位:cm)]
・・・式(1)
式(1)中、元素Mの含有量は下記の方法で求めた。
まず、得られたリチウム金属複合酸化物を塩酸に溶解させた。その後、組成分析を行い、リチウム金属複合酸化物に含まれる元素Mの含有量(mоl/g)を求めた。
式(1)中、BET比表面積は、得られたリチウム金属複合酸化物を前記の方法で測定した値とした。
式(1)中、被覆物の平均の厚みは、走査型電子顕微鏡(Scanning Electron Microscope:SEM)−エネルギー分散型X線分光法(Energy Dispersive X−ray Spectroscopy:EDX)を用いた分析結果により求めた。測定条件および解析条件は下記の通りである。
日本電子製走査型電子顕微鏡JSM―7900Fを用いたSEM観察により得られた画像(SEM写真)から無作為に50個の一次粒子を抽出し、それぞれの一次粒子についてオックスフォードインストゥルメンツ社製エネルギー分散型X線分光器X―Max Extremeを用いた元素分析を行った。このときの加速電圧は1.1kVとした。
元素分析の結果得られた、Niと元素X、及び元素Mの濃度比を用いた解析から元素Mを含む被覆物の厚みを算出した。解析にはオックスフォードインストゥルメンツ社製解析ソフトウェアAZtec Layer Probeモードを使用し、マンガンコバルトニッケル酸化物基板上に元素M単体が積層しているモデルとして解析を行い、元素Mを含む被覆物の厚みを求めた。それぞれの一次粒子について算出された元素Mを含む被覆物の厚みの、無作為に抽出した50個の一次粒子の平均値を被覆物の平均の厚みとした。
<リチウム二次電池用正極の作製>
後述する製造方法で得られるリチウム金属複合酸化物と導電材(アセチレンブラック)とバインダー(PVdF)とを、リチウム金属複合酸化物:導電材:バインダー=92:5:3(質量比)の組成となるように加えて混練することにより、ペースト状の正極合剤を調製した。正極合剤の調製時には、N−メチル−2−ピロリドンを有機溶媒として用いた。
得られた正極合剤を、集電体となる厚さ40μmのAl箔に塗布して150℃で8時間真空乾燥を行い、リチウム二次電池用正極を得た。このリチウム二次電池用正極の電極面積は1.65cmとした。
<リチウム二次電池(コイン型ハーフセル)の作製>
以下の操作を、アルゴン雰囲気のグローブボックス内で行った。
<リチウム二次電池用正極の作製>で作製したリチウム二次電池用正極を、コイン型電池R2032用のパーツ(宝泉株式会社製)の下蓋にアルミ箔面を下に向けて置き、その上に積層フィルムセパレータ(ポリエチレン製多孔質フィルムの上に、耐熱多孔層を積層(厚み16μm))を置いた。ここに電解液を300μl注入した。電解液は、エチレンカーボネートとジメチルカーボネートとエチルメチルカーボネートの30:35:35(体積比)混合液に、LiPF6を1.0mol/lとなるように溶解したものを用いた。
次に、負極として金属リチウムを用いて、前記負極を積層フィルムセパレータの上側に置き、ガスケットを介して上蓋をし、かしめ機でかしめてリチウム二次電池(コイン型ハーフセルR2032。以下、「ハーフセル」と称することがある。)を作製した。
<金属溶出量の測定>
<リチウム二次電池(コイン型ハーフセル)の作製>で作製したハーフセルを用いて、以下に示す条件でハーフセル中への金属溶出量測定を実施した。
<金属溶出量測定試験>
下記1〜5の手順に従って測定した。
1:充電最大電圧4.4V、充電電流0.2CAで定電流定電圧充電する。
2:充電後、満充電の状態でハーフセルを60℃、1週間保存する。
3:保存後のハーフセルを解体し、負極として用いた金属リチウムを純水に溶解させる。
4:金属リチウムを溶解させた水溶液中のNi濃度から、コインセル中に溶出したNi量を算出する。
5:コインセルに使用した正極活物質重量に対するNi溶出量の割合(ppm)を算出する。
≪実施例1≫
1. リチウム金属複合酸化物粉末1の製造
攪拌器およびオーバーフローパイプを備えた反応槽内に水を入れた後、水酸化ナトリウム水溶液を添加し、液温を50℃に保持した。
硫酸ニッケル水溶液と硫酸コバルト水溶液と硫酸マンガン水溶液と硫酸ジルコニウム水溶液とを、ニッケル原子とコバルト原子とマンガン原子とジルコニウム原子との原子比が0.597:0.198:0.198:0.005となるように混合して、混合原料液を調製した。
次に、反応槽内に、攪拌下、この混合原料溶液と硫酸アンモニウム水溶液を錯化剤として連続的に添加した。反応槽内の溶液のpHが12.1になるよう水酸化ナトリウム水溶液を適時滴下し、ニッケルコバルトマンガンジルコニウム複合水酸化物粒子を得て、洗浄した後、遠心分離機で脱水し、単離して105℃で乾燥し、ニッケルコバルトマンガンジルコニウム複合水酸化物1を得た。ニッケルコバルトマンガンジルコニウム複合水酸化物1の組成分析の結果、Ni:Co:Mn=0.60:0.20:0.20、Zr/(Ni+Co+Mn)=0.005であった。
ニッケルコバルトマンガンジルコニウム複合水酸化物粒子1と水酸化リチウム一水和物粉末を、Li/(Ni+Co+Mn+Zr)=1.05となるように秤量して混合した後、酸素雰囲気下970℃で5時間焼成して、得られた焼成粉を16000rpmの回転数で運転したピンミル解砕機に投入し解砕することにより原料化合物1を得た。
ついで、原料化合物1とホウ酸をB/(Ni+Co+Mn+Zr)=0.005となるように秤量して混合した後、相対湿度10%以下の乾燥空気雰囲気下400℃で5時間熱処理して、リチウム金属複合酸化物粉末1を得た。
2.リチウム金属複合酸化物粉末1の評価
リチウム金属複合酸化物粉末1の組成分析を行い、組成式(I)に対応させたところ、m=0.02であった。元素XはCo、Mn、Zrであり、n=0.398であった。また、元素MはBであり、p=0.005であった。Ni/(Ni+X)=0.60、M/(Ni+X)=0.005であった。
リチウム金属複合酸化物粉末1のSEM観察の結果、平均一次粒子径は4.5μmであった。リチウム金属複合酸化物粉末1のBET比表面積は0.40m/gであった。
3.リチウム金属複合酸化物粉末1の被覆物中に含まれる元素Mの濃度の評価
リチウム金属複合酸化物粉末1の組成分析の結果、リチウム金属複合酸化物粉末1に含まれるBの含有量は、4.6×10−5mоl/gであった。SEM−EDXを用いた分析から求まる被覆物の平均厚みは4nmであった。リチウム金属複合酸化物粉末1の被覆物に含まれるBの濃度は0.0289mol/cmであった。また、TEMを用いた被覆物の電子回折がハローリングを呈したことから、被覆物はアモルファス構造であった。
リチウム金属複合酸化物粉末1を使用したコイン型ハーフセルでの金属溶出量測定試験の結果、リチウム金属複合酸化物粉末1の重量当たりのNiの溶出量は19.9ppmであった。
≪実施例2≫
1.リチウム金属複合酸化物粉末2の製造
実施例1と同様に操作して、ニッケルコバルトマンガンジルコニウム複合水酸化物1を得た。ついで、ニッケルコバルトマンガンジルコニウム複合水酸化物粒子1と水酸化リチウム一水和物粉末を、Li/(Ni+Co+Mn+Zr)=1.05となるように秤量して混合した後、酸素雰囲気下970℃で5時間焼成して、得られた焼成粉を16000rpmの回転数で運転したピンミル解砕機に投入し解砕することにより原料化合物2を得た。
ついで、原料化合物2とホウ酸をB/(Ni+Co+Mn+Zr)=0.020となるように秤量して混合した後、相対湿度10%以下の乾燥空気雰囲気下400℃で5時間熱処理して、リチウム金属複合酸化物粉末2を得た。
2.リチウム金属複合酸化物粉末2の評価
リチウム金属複合酸化物粉末2の組成分析を行い、組成式(I)に対応させたところ、m=0.02であった。元素XはCo、Mn、Zrであり、n=0.388であった。また、元素MはBであり、p=0.017であった。Ni/(Ni+X)=0.61、M/(Ni+X)=0.017であった。
リチウム金属複合酸化物粉末2のSEM観察の結果、平均一次粒子径は4.5μmであった。リチウム金属複合酸化物粉末2のBET比表面積は0.50m/gであった。
3.リチウム金属複合酸化物粉末2の被覆物中に含まれる元素Mの濃度の評価
リチウム金属複合酸化物粉末2の組成分析の結果、リチウム金属複合酸化物粉末2に含まれるBの含有量は、1.6×10−4mоl/gであった。また、SEM−EDXを用いた分析からもとまる被覆物の平均厚みは6nmであった。リチウム金属複合酸化物粉末2の被覆物に含まれるBの濃度は0.0524mol/cmであった。
リチウム金属複合酸化物粉末2を使用したコイン型ハーフセルでの金属溶出量測定試験の結果、リチウム金属複合酸化物粉末2の重量当たりのNiの溶出量は12.6ppmであった。
≪実施例3≫
1.リチウム金属複合酸化物粉末3の製造
実施例1と同様に操作して、ニッケルコバルトマンガンジルコニウム複合水酸化物1を得た。ついで、ニッケルコバルトマンガンジルコニウム複合水酸化物粒子1と水酸化リチウム一水和物粉末を、Li/(Ni+Co+Mn+Zr)=1.05となるように秤量して混合した後、酸素雰囲気下950℃で5時間焼成して、得られた焼成粉を16000rpmの回転数で運転したピンミル解砕機に投入し解砕することにより原料化合物3を得た。
ついで、原料化合物3とホウ酸をB/(Ni+Co+Mn+Zr)=0.010となるように秤量して混合した後、相対湿度10%以下の乾燥空気雰囲気下500℃で5時間熱処理して、リチウム金属複合酸化物粉末3を得た。
2.リチウム金属複合酸化物粉末3の評価
リチウム金属複合酸化物粉末3の組成分析を行い、組成式(I)に対応させたところ、m=0.02であった。元素XはCo、Mn、Zrであり、n=0.394であった。また、元素MはBであり、p=0.009であった。Ni/(Ni+X)=0.60、M/(Ni+X)=0.009であった。
リチウム金属複合酸化物粉末3のSEM観察の結果、平均一次粒子径は4.0μmであった。リチウム金属複合酸化物粉末3のBET比表面積は0.80m/gであった。
3.リチウム金属複合酸化物粉末3の被覆物中に含まれる元素Mの濃度の評価
リチウム金属複合酸化物粉末3の組成分析の結果、リチウム金属複合酸化物粉末3に含まれるBの含有量は、9.3×10−5mоl/gであった。また、SEM−EDXを用いた分析からもとまる被覆物の平均厚みは3nmであった。リチウム金属複合酸化物粉末3の被覆物に含まれるBの濃度は0.0385mol/cmであった。
リチウム金属複合酸化物粉末3を使用したコイン型ハーフセルでの金属溶出量測定試験の結果、リチウム金属複合酸化物粉末3の重量当たりのNiの溶出量は24.2ppmであった。
≪実施例4≫
1.リチウム金属複合酸化物粉末4の製造
硫酸ニッケル水溶液と硫酸コバルト水溶液と硫酸マンガン水溶液とを、ニッケル原子とコバルト原子とマンガン原子との原子比が0.91:0.07:0.02となるように混合して、混合原料液を調製した。
次に、反応槽内に、攪拌下、この混合原料溶液と硫酸アンモニウム水溶液を錯化剤として連続的に添加した。反応槽内の溶液のpHが12.5になるよう水酸化ナトリウム水溶液を適時滴下し、ニッケルコバルトマンガン複合水酸化物粒子を得て、洗浄した後、遠心分離機で脱水し、単離して105℃で乾燥し、ニッケルコバルトマンガン複合水酸化物1を得た。ニッケルコバルトマンガン複合水酸化物1の組成分析の結果、Ni:Co:Mn=0.91:0.07:0.02であった。
ニッケルコバルトマンガン複合水酸化物粒子1と水酸化リチウム一水和物粉末を、Li/(Ni+Co+Mn)=1.10となるように秤量して、さらに不活性融剤である硫酸カリウムを、水酸化リチウムと硫酸カリウムの合計量に対する硫酸カリウムの量(モル比)が0.1となるように秤量して、それらを混合した後、酸素雰囲気下790℃で5時間焼成することにより焼成粉を得た。得られた焼成粉を粉砕し、5℃の純水に分散させた後、脱水した。さらに、80℃で15時間加熱した後に、連続して150℃で9時間加熱することにより乾燥することで原料化合物4を得た。
ついで、原料化合物4とホウ酸をB/(Ni+Co+Mn)=0.020となるように秤量して混合した後、相対湿度10%以下の乾燥空気雰囲気下400℃で5時間熱処理して、リチウム金属複合酸化物粉末4を得た。
2.リチウム金属複合酸化物粉末4の評価
リチウム金属複合酸化物粉末4の組成分析を行い、組成式(I)に対応させたところ、m=0.02であった。元素XはCo、Mnであり、n=0.073であった。また、元素MはBであり、p=0.019であった。Ni/(Ni+X)=0.93、M/(Ni+X)=0.019であった。
リチウム金属複合酸化物粉末4のSEM観察の結果、平均一次粒子径は4.0μmであった。リチウム金属複合酸化物粉末4のBET比表面積は0.90m/gであった。
3.リチウム金属複合酸化物粉末4の被覆物中に含まれる元素Mの濃度の評価
リチウム金属複合酸化物粉末4の組成分析の結果、リチウム金属複合酸化物粉末4に含まれるBの含有量は、1.8×10−4mоl/gであった。また、SEM−EDXを用いた分析からもとまる被覆物の平均厚みは5nmであった。リチウム金属複合酸化物粉末4の被覆物に含まれるBの濃度は0.0391mol/cmであった。
リチウム金属複合酸化物粉末4を使用したコイン型ハーフセルでの金属溶出量測定試験の結果、リチウム金属複合酸化物粉末4の重量当たりのNiの溶出量は18.5ppmであった。
≪比較例1≫
1.リチウム金属複合酸化物粉末5の製造
実施例1と同様に操作して、ニッケルコバルトマンガンジルコニウム複合水酸化物1を得た。ついで、ニッケルコバルトマンガンジルコニウム複合水酸化物粒子1と水酸化リチウム一水和物粉末を、Li/(Ni+Co+Mn+Zr)=1.05となるように秤量して混合した後、酸素雰囲気下970℃で5時間焼成して、得られた焼成粉を16000rpmの回転数で運転したピンミル解砕機に投入し解砕することにより原料化合物5を得た。
ついで、原料化合物5にホウ酸を加えずに、相対湿度10%以下の乾燥空気雰囲気下400℃で5時間熱処理して、リチウム金属複合酸化物粉末5を得た。
2.リチウム金属複合酸化物粉末5の評価
リチウム金属複合酸化物粉末5の組成分析を行い、組成式(I)に対応させたところ、m=0.02であった。元素XはCo、Mn、Zrであり、n=0.399であった。また、p=0.0であった。Ni/(Ni+X)=0.60、M/(Ni+X)=0であった。
リチウム金属複合酸化物粉末5のSEM観察の結果、平均一次粒子径は4.5μmであった。リチウム金属複合酸化物粉末5のBET比表面積は0.40m/gであった。
3.リチウム金属複合酸化物粉末5の被覆物中に含まれる元素Mの濃度の評価
リチウム金属複合酸化物粉末5の組成分析の結果、リチウム金属複合酸化物粉末5に含まれる元素Mの含有量は、0.0mоl/gであった。また、SEM−EDXを用いた分析からリチウム金属複合酸化物粉末5は元素Mを含む被覆層を有していなかった。
リチウム金属複合酸化物粉末5を使用したコイン型ハーフセルでの金属溶出量測定試験の結果、リチウム金属複合酸化物粉末5の重量当たりのNiの溶出量は49.9ppmであった。
≪比較例2≫
1.リチウム金属複合酸化物粉末6の製造
実施例1と同様に操作して、ニッケルコバルトマンガンジルコニウム複合水酸化物1を得た。ついで、ニッケルコバルトマンガンジルコニウム複合水酸化物粒子1と水酸化リチウム一水和物粉末を、Li/(Ni+Co+Mn+Zr)=1.05となるように秤量して混合した後、酸素雰囲気下970℃で5時間焼成して、得られた焼成粉を16000rpmの回転数で運転したピンミル解砕機に投入し解砕することにより原料化合物6を得た。
ついで、原料化合物6とホウ酸をB/(Ni+Co+Mn+Zr)=0.020となるように秤量して混合した後、相対湿度10%以下の乾燥空気雰囲気下200℃で5時間熱処理して、リチウム金属複合酸化物粉末6を得た。
2.リチウム金属複合酸化物粉末6の評価
リチウム金属複合酸化物粉末6の組成分析を行い、組成式(I)に対応させたところ、m=0.02であった。元素XはCo、Mn、Zrであり、n=0.395であった。また、元素MはBであり、p=0.018であった。Ni/(Ni+X)=0.60、M/(Ni+X)=0.005であった。
リチウム金属複合酸化物粉末6のSEM観察の結果、平均一次粒子径は4.5μmであった。リチウム金属複合酸化物粉末6のBET比表面積は0.5m/gであった。
3.リチウム金属複合酸化物粉末6の被覆物中に含まれる元素Mの濃度の評価
リチウム金属複合酸化物粉末6の組成分析の結果、リチウム金属複合酸化物粉末6に含まれるBの含有量は、1.7×10−4mоl/gであった。また、SEM−EDXを用いた分析から求まる被覆物の平均厚みは20nmであった。リチウム金属複合酸化物粉末6の被覆物に含まれるBの濃度は0.0167mol/cmであった。また、TEMを用いた被覆物の電子回折がハローリングを呈したことから、被覆物はアモルファス構造であった。
リチウム金属複合酸化物粉末6を使用したコイン型ハーフセルでの金属溶出量測定試験の結果、リチウム金属複合酸化物粉末6の重量当たりのNiの溶出量は49.9ppmであった。
≪比較例3≫
1.リチウム金属複合酸化物粉末7の製造
実施例1と同様に操作して、ニッケルコバルトマンガンジルコニウム複合水酸化物1を得た。ついで、ニッケルコバルトマンガンジルコニウム複合水酸化物粒子1と水酸化リチウム一水和物粉末を、Li/(Ni+Co+Mn+Zr)=1.05となるように秤量して混合した後、酸素雰囲気下970℃で5時間焼成して、得られた焼成粉を16000rpmの回転数で運転したピンミル解砕機に投入し解砕することにより原料化合物7を得た。
ついで、原料化合物7と酸化ホウ素をB/(Ni+Co+Mn+Zr)=0.020となるように秤量して混合した後、相対湿度10%以下の乾燥空気雰囲気下200℃で5時間熱処理して、リチウム金属複合酸化物粉末7を得た。
2.リチウム金属複合酸化物粉末7の評価
リチウム金属複合酸化物粉末7の組成分析を行い、組成式(I)に対応させたところ、m=0.02であった。元素XはCo、Mn、Zrであり、n=0.389であった。また、元素MはBであり、p=0.020であった。Ni/(Ni+X)=0.60、M/(Ni+X)=0.020であった。
リチウム金属複合酸化物粉末7のSEM観察の結果、平均一次粒子径は4.5μmであった。リチウム金属複合酸化物粉末7のBET比表面積は0.50m/gであった。
3.リチウム金属複合酸化物粉末7の被覆物中に含まれる元素Mの濃度の評価
リチウム金属複合酸化物粉末1の組成分析の結果、リチウム金属複合酸化物粉末7に含まれるBの含有量は、1.9×10−4mоl/gであった。また、SEM−EDXを用いた分析から求まる被覆物の平均厚みは5nmであった。リチウム金属複合酸化物粉末7の被覆物に含まれるBの濃度は0.0740mol/cmであった。また、TEMを用いた被覆物の電子回折がハローリングを呈したことから、被覆物はアモルファス構造であった。
リチウム金属複合酸化物粉末7を使用したコイン型ハーフセルでの金属溶出量測定試験の結果、リチウム金属複合酸化物粉末7の重量当たりのNiの溶出量は48.4ppmであった。
下記表1に、実施例1〜4、比較例1〜3について、組成、被覆物に含まれる元素Mの濃度、(Ni/(Ni+X))、(M/(Ni+X))、平均一次粒子径、BET比表面積、ニッケル溶出量についてまとめて記載する。
Figure 0006659893
上記表1に記載の通り、実施例1〜4は、比較例1〜3よりもニッケルの溶出量が低かった。
1…セパレータ、2…正極、3…負極、4…電極群、5…電池缶、6…電解液、7…トップインシュレーター、8…封口体、10…リチウム二次電池、21…正極リード、31…負極リード

Claims (7)

  1. 層状構造を有するリチウム金属複合酸化物粉末であって、少なくともLiとNiと元素Xと、元素Mとを含有し、前記元素Xは、Co、Mn、Fe、Cu、Ti、Mg、Al、W、Mo、Nb、Zn、Sn、Zr、Ga及びVからなる群より選択される1種以上の元素であり、前記元素Mは、B、Si、S及びPからなる群より選択される1種以上の元素であり、
    ニッケルと前記元素Xとの合計量に対するニッケルの割合(Ni/(Ni+X))は、モル比で0.40以上を満たし、
    ニッケルと前記元素との合計量に対する前記元素Mの割合(M/(Ni+X))は、モル比で、0.005以上0.05以下であり、前記リチウム金属複合酸化物粉末はコア粒子と被覆物とを備え、前記被覆物はアモルファス構造であり、前記被覆物は元素Mを含み、前記被覆物に含まれる元素Mの濃度は、0.0185mol/cmを超え0.070mol/cm以下である、リチウム金属複合酸化物粉末。
  2. 前記リチウム金属複合酸化物粉末のBET比表面積は、2m/g以下である、請求項1に記載のリチウム金属複合酸化物粉末。
  3. 前記被覆物はホウ素を有する化合物を含む、請求項1又は2に記載のリチウム金属複合酸化物粉末。
  4. 下記組成式(I)を満たす、請求項1〜3のいずれか1項に記載のリチウム金属複合酸化物粉末。
    Li[Li(Ni(1−n−p)1−m]O ・・・(I)
    (ただし、−0.1≦m≦0.2、0<n≦0.6、0<p≦0.05、n+p<0.6である。)
  5. 前記組成式(I)中のmは、0<m≦0.2である、請求項4に記載のリチウム金属複合酸化物粉末。
  6. 平均一次粒子径が1μm以上7μm以下である、請求項1〜5のいずれか1項に記載のリチウム金属複合酸化物粉末。
  7. 請求項1〜のいずれか1項に記載のリチウム金属複合酸化物粉末を含有するリチウム二次電池用正極活物質。
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