JP6722588B2 - 酸化表面を有する硫酸塩含有二次電池正極 - Google Patents
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Description
(1):一般に、Mに対するLiのストキオメトリー比は、単一の値に近いがしばしば厳密に単一の値ではない。Li:Mの比が大きくなると、LiがM層サイト上のMを置換し、構造は単純に、Li1[M1−xLix]O2又はLi1+Xm1−xO2(ただし、Li:M=(1+x)/(1−x))と書くことができる。典型的なLi:Mの比は、「111」及び「442」では1.10に近く、「622」では1.02に近い。Li:Mのストイキオメトリー比を大きくすることの効果の1つは、カチオン混合が変化することである。カチオン混合とは、実際の結晶構造が厳密には層状のLiMO2又はLi1[M1−xLix]O2ではなく、{Li1−xMx}[M1−yLiy]O2(式中、x’は、Li層部位に位置するM原子を意味する)であることを指し、これによりいわゆる「カチオン混合」を生ずるものである。NMCでは、ある程度のカチオン混合が認められることが一般的である。カチオン混合は、極めて速やかなLi拡散を妨げることにより、NMC正極材料のレート特性及び出力を制限するものと考えられる。
(a)Li2CO3及びLiOH*H2Oなどの表面不純物の溶解、
(b)表面分子/表面基と水との反応、及び
(c)材料のバルクの上層中に存在するリチウムが以下の反応によりプロトンと交換されるイオン交換反応:Li++H2O→H++LiOH。このようなpHの上昇を「pH滴定」と呼ばれる方法で用いることで可溶性塩基の含有量が測定される。一般的なpH滴定の実験では、所定量の正極粉末(例えば2.5g)を所定量の水(例えば100mL)に加え、この懸濁液を一定の時間(例えば10分間)攪拌した後、濾過する。pH滴定自体は、加えられる酸(例えば0.1M HCl)の量の関数としてのpHプロファイルを示す。多くの場合、pHプロファイルは、炭酸塩(Li2CO3)と水酸化物(LiOH)との混合物の存在に基づいて容易に説明することができる。所定の操作により、LiOH塩基、Li2CO3塩基、BT(全体の塩基)などの含有量は、例えば国際公開第2012/107313号(本明細書に参照によって援用される)に説明されているように、得ることができる。
−フルセルの大きな膨らみ(内部でのガス発生)(一般的な試験は、完全に充電されたセルの厚さの増加を測定することを含む)、及び
−異なるバインダーによる電極スラリーの安定性の問題(水性電極コーティング及びNMP(A/−メチル−2−ピロリドン)ベースの電極コーティングの両方で、高い塩基含有量は、アルミニウム箔の腐食(水性コーティング)又はスラリー粘度の変化(NMPベースのコーティング)のような問題を生じる)。
i過剰率が20%よりも(大幅に)高い)場合には可溶性塩基の高い含有量によって許容し得ない膨らみが生じることがある。ローエンドの携帯型用途では、NMCはLiCoO2に取って代わりつつある。
施形態では、1−y−2x>0.2である。
Li金属(M)酸化物電気活物質を提供する工程と、
無機酸化化合物を提供する工程と、
Li受容体である化学物質を提供する工程と、
前記Li金属(M)酸化物、前記酸化化合物、及び前記Li受容体を混合する工程と、
前記混合物を、空気などの酸素含有雰囲気中、300〜800℃の温度で加熱する工程とを、含む方法を提供する。酸化剤が300℃よりも低い温度でLi金属(M)酸化物と接触させられると、表面が酸化攻撃に充分に反応しないために酸化反応は生じない。約300℃では、酸化剤−表面の界面が充分な反応性を示すようになるため、事実上、酸化剤は表面特性を改質する。誘導される表面の化学的性質の変化は、恐らくは表面の酸化によって引き起こされ、優れた電気化学的特性を生じるものと考えられる。
は、異なる方法の実施形態によって包含される特徴が付与されることは明らかである。
−欧州特許第EP2463942号は、組成LixMy02を有する、リチウム混合遷移金属酸化物を提供しており、リチウムイオンは、混合遷移金属酸化物層(「MO層」)内にインターカレート、及びここからデインターカレートし、MO層由来のNiイオンの一部がリチウムイオンのインターカレーション/デインターカレーション層(「可逆リチウム層」)内に挿入され、これにより、MO層同士間の相互連結が生じる。このリチウム混合遷移金属酸化物は水溶性塩基を実質的に含まず、これにより、優れた保存安定性、低いガス発生、及びその結果として優れた高温安定性が与えられる。
Na2S2O8+Li2CO3→2LiNaSO4+CO2+0.5O2
反応(1)は、Na2S2O8が、炭酸リチウムを分解するだけの充分に強力なリチウム受容体であると解釈される。
2)反応(2)及び(3)による、正極表面上に存在する可溶性塩基を形成するLiOH又はLi2O表面不純物の分解。
Na2S2O8+2LiOH→2LiNaSO4+H2O+0.5O2
Na2S2O8+Li2O→2LiNaSO4+0.5O2
3)反応(1)、(2)及び(3)に由来する活性酸素による還元性表面基(例えばヒドロキシル基など)の酸化。ごく単純化された反応:
2(MO−OH)+1/2O2MO2+H2O
4)表面に近い結晶構造からのLiの部分的抽出による遷移金属Mの酸化:模式的には、
yNa2S2O8+LiMO2→2yLiNaSO4+Li1−2yMO2
正極材料中では、Liは室温で既に移動性を示す。約300℃よりも高い温度では、強力な酸化剤とNa2S2O8のようなリチウム受容体が存在する場合、正極材料表面は反応(1)〜(5)にしたがい、高い酸素分圧で平衡化される。しかしながら、温度が高すぎる(すなわち800℃よりも高い)と、バルクが気相の酸素分圧で平衡化され、表面塩基が平衡値の方向に再生成され、表面酸素ポテンシャルがこの温度での窒素中酸素20%のポテンシャルに平衡化される。300〜800℃の間では、反応(1)〜(5)で発生した活性酸素が正極の表面を強く酸化する領域が存在する。これにより、可溶性塩基が還元され、フルセルのサイクル安定性が向上する。
様々な方法を用いることができる。これらの方法としては、ドライコーティング(NMC粒子表面へのサブミクロン又はナノサイズの粉末のコーティング)、コーティング前駆物質及びNa2S2O8を含んだ溶液によるスプレーコーティング、酸化物又はリン酸塩ゾルによるスプレーコーティング、溶液との混合後に蒸発を行うこと、などがある。可溶性塩基が分解されるようにコーティング塗布後の熱処理温度が充分に高いことが重要である。同時に、酸素分圧の平衡によって塩基が再形成されることを防止するために温度は高すぎてもいけない。
2AlF3+3Li2CO3→6LiF+Al2O3+3CO2
2AlPO4+4Li2CO3→2Li3PO4+Al2O3+Li2CO3+3CO2
Al2O3+Li2CO3→2LiAlO2
2Al(OH)3+Li2CO3→2LiAlO2+3H2O+CO2
コーティング法は、アルミニウムに限定されない。他の可能なコーティング法は、これらに限定されるものではないが、マグネシウム、チタン、フッ素などを含む。
工程(a):溶液の調製:粉末を脱イオン水に浸漬し、密封したガラスフラスコ中で10分間攪拌する。2.5gの粉末及び100mLの脱イオン水を使用する。攪拌後、塩基を溶解するため、水に粉末を加えた懸濁液を濾過して透明な溶液を得る。
工程(a):正極の作製:電気化学的活物質、導電体、バインダー、及び溶媒を含むスラリーをホモジェナイズプロセスによって調製する。電気化学的活物質、導電体、バインダーを構成する配合は、90:5:5とする。導電性カーボンブラック(ティムカル社(Timcal)製 Super P1)、PVDFポリマー(株式会社クレハ製 KF#9305)、1−メチル−2−ピロリドン(シグマ・アルドリッチ社(Sigma−Aldrich)製 NMP)をそれぞれ、導電体、バインダー溶液、及び溶媒として使用する。これらの材料を、ホモジェナイザー(エスエムティー社(SMT)製 HF−93)を使用して金属カップ中で45分間ホモジェナイズする。ホモジェナイズしたスラリーをドクターブレードコーターを用いてアルミニウム箔の一方の面に塗り広げる。これを120℃のオーブン中で乾燥し、カレンダー加工ツールによりプレスし、真空オーブン中で再び乾燥して溶媒を完全に除去する。
Li金属(M)酸化物電気活物質を提供する工程と、
無機酸化化合物を提供する工程と、
Li受容体である化学物質を提供する工程と、
前記Li金属(M)酸化物、前記酸化化合物、及び前記Li受容体を混合する工程と、
前記混合物を、酸素含有雰囲気中、300〜800℃の温度で加熱することにより、Li金属(M)酸化物電気活物質と、0.15〜5質量%のLiNaSO4二次相とを含む正極材料を得る工程と、
前記正極材料、導電体、バインダー、及び溶媒を含むスラリーを調製する工程と、
前記スラリーをアルミニウム箔の一方の面に塗り広げる工程と、
前記箔をオーブン中で乾燥する工程と、
カレンダー加工ツールにより前記乾燥した箔をプレスする工程と、
前記プレスされた箔を真空オーブン中で乾燥させることにより前記溶媒を除去する工程と、を含む方法。
電容量)及びIRRQ(不可逆容量)を測定する。第2〜第6のサイクルからレート特性を計算することができる。第7のサイクルを50回繰り返してサイクル寿命に関する情報を得る。データ分析では以下の定義を用いる。
−CQ1(充電容量)及びDQ1(放電容量)とは、第1のサイクルにおける容量である。
−IRRQ(可逆容量)とは、第1のサイクルにおける充電容量に対する可逆容量の比である。
−容量低下レート(Fade rate)/100サイクルとは、100サイクル後に低下した放電容量の比である。この値は、25サイクル後の容量低下レートから内挿される値である。
市販のLi1.01(Ni0.6Mn0.2Co0.2)0.99O2(Cellcore G2−HX12、ユミコア社(Umicore))を本実施例の露出材料(bare material)として使用する。酸化処理は、ドライブレンディング(Na2S2O8(過硫酸ナトリウム)による正極材料のコーティング)の後に熱処理を行うことよりなる。本実施例では、1.8質量%のNa2S2O8を、3Dチューブ型ミキサーを使用して、ZrO2ボールが入った小さいプラスチックボトル中で、NMC(622)材料(50gスケール)と混合する。
同じ市販のLi1.01(Ni0.6Mn0.2Co0.2)0.99O2(Cellcore G2−HX12、ユミコア社(Umicore))を本実施例の露出材料として使用する。試験は、Na2S2O8を露出材料に加えて混合しない点以外は実施例1と同様にして行う。比較例1は、実施例1の熱処理参照試料を更に与えるものである。
市販のLi1.01(Ni0.5Mn0.3Co0.2)0.99O2(Cellcore TX10、ユミコア社(Umicore))を本実施例の露出材料として使用する。酸化処理は、Na2S2O8(過硫酸ナトリウム)による正極材料のドライコーティングの後に熱処理を行うことよりなる。本実施例では、1.8質量%のNa2S2O8を、5Lのヘンシェル型ミキサーを使用して層状NMC(532)材料(4kgスケール)と混合する。混合後、混合物を375℃で5時間加熱する。比較のため、比較例2は、市販のLi1.01(Ni0.5Mn0.3Co0.2)0.99O2(Cellcore TX10、ユミコア社(Umicore))である露出材料とする。表3は、実施例2及び比較例2の各試料について、pH滴定及びコインセル試験の結果を示す。
酸化処理を以下の2つの試料に行う。
る。
「NCA」と呼ばれる、市販の1.5mol%のAlをドープしたLi(Ni0.85Co0.15)O2(Cellcore QX、ユミコア社(Umicore))を本実施例の露出材料として使用する。酸化処理は、Na2S2O8(過硫酸ナトリウム)による正極材料のドライコーティングの後に熱処理を行うことよりなる。本実施例では、異なる量のNa2S2O8を、3Dチューブ型ミキサーを使用して、ZrO2ボールが入った小さいプラスチックボトル中で、NCA材料(50gスケール)と混合する。混合後、混合物を酸素含有雰囲気中、375℃で5時間加熱する。
実施例3の各試料を使用してフルセルを作製する。黒鉛型負極を対電極として使用する。フルセルの一般的な容量は640mAhであり、この値を用いて各Cレートでの電流を測定する。正極材料及び負極材料の負荷質量はそれぞれ12.8mg/cm2及び7.8mg/cm2である。本実施例は、(a)膨らみ試験、及び(b)サイクル寿命試験の結果を示すものである。
と電解質との反応により、フルセル内にガスが発生し、電池の厚さが増大する(膨らみ)。フルセルの厚さを、オーブン内での保管の前後に測定する。報告される値は、初期の厚さに対する増加率(%)で表される、増大したフルセルの厚さの比である。
実施例3の各試料を使用してフルセルを作製する。黒鉛型負極を対電極として使用する。本実施例は、フロート電流試験の結果を示すものである。
XRD測定(上記に述べたもの)を実施例3A(酸化Li1.01(Ni0.6Mn0.2Co0.2)0.99O2)に対して行う。リートベルド解析を行うため、以下の文献(例えばMorosin et al.、「The Crystal Structure of Lithium Sodium Sulfate」、Acta Crystallographica 22 (1967) 906−910)により、LiNaSO4の結晶構造を決定する。この場合、LiNaSO4の空間群はP31cであり、格子定数a及びcはそれぞれ7.62Å及び9.85Åである。図3は、リートベルト解析の結果を示す。解析の結果は、通常の層状NMCドメイン以外にLiNaSO4の存在を示している。LiNaSO4の解析による格子定数a及びcは、7.63Å及び9.84Å
であり、これは上記の文献とよく一致している。図4は、20°〜35°の拡大図をともに示した、線形強度スケールによる回折パターンを示したものであり、やはりこれもLiNaSO4が存在することを示している。
Na2S2O8と正極材料とを混合するには、乾式プロセスと湿式プロセスの2つのプロセスが可能である。乾式プロセスとは、乾燥したNa2S2O8(好ましくはサブミクロンサイズの)粒子を、実施例1〜3に示したようなブレンド装置を使用して正極材料と混合することを指す。湿式プロセスとは、Na2S2O8の溶液を正極材料と混合することを指す。本実施例では、乾式プロセスでは、1.8質量%のNa2S2O8粉末を、3Dチューブ型ミキサーを使用して、ZrO2ボールが入った小さいプラスチックボトル中で、Li1.01(Ni0.6Mn0.2Co0.2)0.99O2(Cellcore
G2−HX12、ユミコア社(Umicore))(50gスケール)と混合する。混合後、混合物を400℃に5時間加熱する。湿式プロセスでは、1.8質量%のNa2S2O8溶液を、オーバーヘッドスターラーを使用して、丸形容器中でLi1.01(Ni0.6Mn0.2Co0.2)0.99O2(Cellcore G2−HX12、ユミコア社(Umicore))(1kgスケール)と混合する。
市販のLi1.01(Ni0.6Mn0.2Co0.2)0.99O2(Cellcore G2−HX12、ユミコア社(Umicore))を本実施例の露出材料として使用する。酸化処理は、Na2S2O8(過硫酸ナトリウム)による正極材料のドライコーティングの後に熱処理を行うことよりなる。本実施例では、1.8%質量のNa2S2O8を、ZrO2ボールが入った小さいプラスチックボトル中、3Dチューブ型ミキサーを使用してNMC(622)材料(50gスケール)と混合する。混合後、混合物を400℃又は800℃で5時間加熱して酸化処理の適正温度範囲を決定する。
示している。これらのデータは、熱処理を行う温度が高すぎると、酸化処理の有益な効果のすべては得られなくなる(容量低下率は良好である)ことを示している。
Claims (18)
- Li金属(M)酸化物電気活物質と、0.15〜5質量%のLiNaSO4二次相とを含み、ここで
M=Ni1−x−yM’xCoyであり、ただし、M’=Mn1−zAlz、0≦z≦1、0.1≦y≦0.4、及びx+y≦0.5である、
リチウム二次電池の正極材料。 - 1−y−2x>0.2である、請求項1に記載の正極材料。
- 前記Li金属酸化物が、一般式Li1+a’M1−aO2を有し、ただし、a’<aかつ0.9≦(1+a’)/(1−a)≦1.15である、請求項1又は請求項2に記載の正極材料。
- 前記LiNaSO4二次相の質量分率が0.2〜2質量%である、請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の正極材料。
- 前記Li金属(M)酸化物を含むコアと、前記LiNaSO4二次相を含むコーティングとからなる、請求項1乃至請求項4のいずれ1項に記載の正極材料。
- 前記二次相が、1質量%以下のAl2O3、LiAlO2、LiF、Li3PO4、MgO及びLi2TiO3のいずれか1つ以上を更に含む、請求項1乃至請求項5の何れか1項に記載の正極材料。
- 前記LiNaSO4コーティングが、Al2O3、LiAlO2、LiF及びMgOのいずれか1つ以上を含む第2のコーティングによって覆われ、前記第2のコーティングが
当該材料の1質量%以下を構成する、請求項5に記載の正極材料。 - 前記Li金属(M)酸化物に、2mol%以下のAl、Ti、Mg及びZrのいずれか1つ以上がドープされる、請求項1乃至請求項7の何れか1項に記載の正極材料。
- 前記Li金属(M)酸化物に、0.2mol%以下のCa、Sr、Si、F、P及びKのいずれか1つ以上がドープされる、請求項1乃至請求項7の何れか1項に記載の正極材料。
- Li金属(M)酸化物電気活物質と、0.15〜5質量%のLiNaSO4二次相とを含み、ここでM=Ni1−x−yM’xCoyであり、ただし、M’=Mn1−zAlz、0≦z≦1、0.1≦y≦0.4、及びx+y≦0.5である、リチウム二次電池の正極材料を調製するための方法であって、
Li金属(M)酸化物電気活物質を提供する工程、
無機酸化剤を提供する工程、
Li受容体である化学物質を提供する工程、
前記Li金属(M)酸化物、前記酸化剤、及び前記Li受容体を混合する工程、並びに
前記混合物を、酸素含有雰囲気中、300〜800℃の温度で加熱する工程を、含む方法。 - 前記Li金属(M)酸化物が、一般式Li1+a’M1−aO2を有し、ただし、a’<aかつ0.9≦(1+a’)/(1−a)≦1.15である、請求項10に記載の方法。
- 前記無機酸化剤が、NaHSO5であるか、又は、カリウム、ナトリウム、リチウム、マグネシウム、及びカルシウムのいずれか1つの塩素酸塩、過塩素酸塩及び次亜塩素酸塩のいずれか1つである、請求項10又は請求項11に記載の方法。
- 前記Li受容体化学物質が、AlPO4、Li3AlF6及びAlF3のいずれか1つである、請求項10乃至請求項12のいずれか1項に記載の方法。
- 前記無機酸化剤と前記Li受容体化学物質とが、Li2S2O8、H2S2O8及びNa2S2O8のいずれか1つである同じ化合物である、請求項10又は請求項11に記載の方法。
- 前記混合物中の前記Li金属(M)酸化物の質量分率が、95〜99.8質量%である、請求項10乃至請求項14のいずれか1項に記載の方法。
- 前記加熱温度が350〜450℃である、請求項10乃至請求項15の何れか1項に記載の方法。
- 前記Na2S2O8が、乾燥プロセスにおいて前記Li金属(M)酸化物と混合される、請求項14に記載の方法。
- ナノサイズのAl2O3粉末が更なるLi受容体化学物質として提供される、請求項14に記載の方法。
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