JP6914483B2 - リチウム二次電池用正極活物質、前駆体の製造方法、リチウム二次電池用正極及びリチウム二次電池 - Google Patents
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Description
また、リチウム遷移金属複合酸化物を含有する正極活物質の(003)面や(104)面に帰属される回折ピークの半値幅を特定した発明も知られている(特許文献1〜4参照)。
特許文献1には、「正極および負極を備えたリチウム二次電池であって、前記正極は、殻部とその内部に形成された中空部とを有する中空構造の正極活物質を備え、前記正極活物質は、以下の条件:層状の結晶構造を有するリチウム遷移金属酸化物を含み、該リチウム遷移金属酸化物はNi,CoおよびMnのうち少なくとも一種の金属元素MTを含有する;CuKα線を用いた粉末X線回折パターンにおいて、(003)面により得られる回折ピークの半値幅Aと、(104)面により得られる回折ピークの半値幅Bとの比(A/B)が0.7以下である;および、LiとCO3とを含む化合物の含有量が0.2質量%以下である;を満たす、リチウム二次電池。」(請求項1)について記載されている。
特許文献7の実施例3には、「500mlビーカーに、2mol%のLiNO3を150mlの蒸溜水に溶解させ、市販のLiCoO2活物質を担持させた後、撹拌した。反応器の温度を80℃に維持しながら、別途、2mol%のNH4F溶液150mlを前記溶液に1ml/minの流量で連続的に供給し、共沈反応後、24時間撹拌した。このとき、反応器の平均温度を80℃に維持した。このように共沈反応の温度を高くする理由は、LiFを共沈することにより、高い温度では錯塩状態で高分散度の沈殿物が得られるからである。フッ素化合物がコーティングされたLiCoO2活物質を蒸溜水で洗浄し、110℃の温風恒温槽で12時間乾燥させた後、不活性雰囲気下で400℃に熱処理したところ、最終のLiFコーティングされたLiCoO2が得られた。」(段落[0048])と記載されている。
LiMeO2型正極活物質の中でもNi、Co、Mnの比率が1/1/1である正極活物質(LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2)は、充放電に伴う体積膨張収縮が小さい材料として知られている(非特許文献1参照)。しかし、前記LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2においても、異種の遷移金属であるNi、Co及びMnを含み、結晶の異方性を有するから、充放電サイクルに伴う活物質粒子の割れを防ぐことが困難であった。図3,図4は、市販の前記正極活物質(LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2)を正極に用いた非水電解質二次電池について、それぞれ初回充電後、及び500サイクル後の正極活物質粒子の写真を示している。後者の正極活物質は、活物質粒子に割れが生じているのが分かる。
特許文献4に記載されているように、α−NaFeO2型結晶構造を有するリチウム遷移金属複合酸化物を含有する正極活物質について、粉末エックス線回折図の2θ=44.1±1°における回折ピークの半値幅FWHM(104)を特定範囲とすることにより、高エネルギー密度を有し、充放電サイクル性能に優れた非水電解質二次電池(リチウム二次電池)が得られることが知られている。しかしながら、さらなる充放電サイクル性能の向上が求められている。
また、上記のFWHM(003)、FWHM(104)、又はFWHM(003)/FWHM(104)は、いずれもリチウム遷移金属複合酸化物を合成後(充放電を行う前)に測定しており、また、FWHM(003)/FWHM(104)と活物質粒子の割れとの関係については示されていない。
非特許文献2〜4には、遷移金属水酸化物の共沈前駆体とリチウム化合物を焼結してリチウム遷移金属複合酸化物を合成する際、焼結助剤としてLiFを混合すること、特許文献9には、正極活物質を合成する際に、LiFを用いることが記載されている。
しかし、上記のいずれの文献も、リチウム遷移金属複合酸化物を用いた正極活物質粒子の充放電サイクルに伴う割れについて、着目しておらず、また、充放電サイクル性能の向上を意図していない。
特許文献10には、正極活物質の空隙率を特定範囲とすることが示されているが、その範囲は広く、活物質粒子の空隙率を下げることにより、充放電サイクル性能、電極充填密度を向上させることは示されていない。また、実施例としては、具体的に、空隙率を3.6%とすることが示されているだけである。
本発明の実施形態(後述する第一から第三の実施形態、以下、まとめて「本実施形態」という。)に係るリチウム二次電池用正極活物質に用いるリチウム遷移金属複合酸化物は、遷移金属元素(Me)として、Ni及びMn、又はNi、Co及びMnを含むことが好ましい。典型的には、組成式Li1+xMe1−xO2(Me:Ni及びMn、又はNi、Co及びMnを含む遷移金属)で表される。エネルギー密度が高いリチウム二次電池を得るために、遷移金属元素Meに対するLiのモル比Li/Me、すなわち(1+x)/(1−x)は1.0以上1.1以下であることが好ましい。
本発明の一態様においては、リチウム二次電池の充放電サイクル性能を向上させるために、遷移金属元素Meに対するNiのモル比Ni/Me、すなわちaは、0<aであり、0.3以上0.6以下とすることが好ましい。
Coは、活物質粒子の電子伝導性を高め、高率放電性能を向上させる作用があるが、材料コストを削減するために、遷移金属元素Meに対するCoのモル比Co/Me、すなわちbは、0.0以上0.4以下とすることが好ましい。
Mnは、材料コストの観点から、また、充放電サイクル性能を向上させるために、遷移金属元素Meに対するMnのモル比Mn/Me、すなわちcは、0<cであり、0.2以上0.5以下とすることが好ましい。
本実施形態に用いるリチウム遷移金属複合酸化物は、α−NaFeO2構造を有している。合成後(充放電を行う前)及び充放電後の上記リチウム遷移金属複合酸化物は、ともにR3−mに帰属される。なお、「R3−m」は本来「R3m」の「3」の上にバー「−」を施して表記する。
2θ=44±1°における回折ピークの半値幅FWHM(104)に対する2θ=18.6±1°における回折ピークの半値幅FWHM(003)の比FWHM(003)/FWHM(104)は、リチウム遷移金属複合酸化物の結晶構造における異方性の一つの指標である。
すると、第一の実施形態に用いるリチウム遷移金属複合酸化物のように、放電末状態のFWHM(003)/FWHM(104)に対する、直後の充電末状態におけるFWHM(003)/FWHM(104)の比が、0.72以上である場合、すなわち、初期の放電末状態から次の充電末状態にかけて結晶異方性の変化が特定範囲内である場合に、充放電サイクルに伴う活物質粒子の割れの進行が顕著に抑制され、充放電サイクル性能が向上することを知見した。
FWHM(104)が0.125°より小さい場合は、空隙率が1.5〜3.5%の範囲でも、充放電サイクル性能は低下する。FWHM(104)が0.145°より大きい場合は、それに伴い空隙率も3.5%を超え、充放電サイクル性能は低下する。FWHM(104)が0.125〜0.145°の範囲でも、空隙率が3.5%を超えると、充放電サイクル性能は低下する。
したがって、第二の実施形態に用いるリチウム遷移金属複合酸化物においては、FWHM(104)を0.125〜0.145°とし、空隙率を1.5〜3.5%とする。
結晶学的には、FWHM(104)は立体的な結晶性を示すパラメーターであり、FWHM(104)が大きいほど結晶全体の格子歪みが大きいことを示す。したがって、FWHM(104)が0.125〜0.145°であることは結晶の格子歪みが一定範囲内に収まっていることを示していると考えられる。
そして、空隙率が1.5〜3.5%であることは、活物質粒子内部の細孔体積が一定範囲内に収まっていることを示していると考えられる。空隙率が1.5%未満であると、電解液が活物質粒子の内部に至って浸透し難いため、良好なサイクル性能を得ることができない。また、空隙率が3.5%を超えると、活物質粒子の比表面積が高くなりすぎるため、特に充電時の電解液との副反応が促進され、良好なサイクル性能を得ることができない。
よって、第二の実施形態においては、結晶の格子歪みと活物質粒子内部の細孔体積を特定範囲内とすることで、本発明の効果が奏されると推測される。
一般に、活物質の粒子割れや極板膨張を引き起こす原因としては、充放電に伴う格子体積の変化が知られている。しかしながら、正極活物質として用いられているNi、Co、Mnの比率が1/1/1であるLiNi1/3Co1/3Mn1/3O2等のリチウム遷移金属酸化物では、充放電に伴う格子体積の変化がほとんど生じないことが確認されている(非特許文献1参照)。
そこで、本発明者は、「充放電に伴う格子体積の変化」以外の要因が、粒子割れや極板膨張を引き起こす原因として存在すると考え、リチウム遷移金属複合酸化物の各種物性と充放電サイクル性能との関係を調査検討した。
その結果、いずれのリチウム遷移金属複合酸化物も、結晶子サイズが、放電末から充電末にかけて減少するものの、充放電サイクルに伴うDCRの上昇が抑制され、優れた充放電性能を示すリチウム遷移金属複合酸化物では、結晶子サイズの減少量が小さいことを知見した。
第三の実施形態に用いるリチウム遷移金属複合酸化物のように、放電末状態の結晶子サイズに対する、直後の充電末状態における結晶子サイズの減少量が20nm以下であると、充放電サイクルに伴うDCRの上昇が抑制され、充放電サイクル性能が向上する。
次に、本実施形態(上記の第一から第三の実施形態)に係るリチウム二次電池用活物質に用いるリチウム遷移金属複合酸化物の前駆体を製造する方法について説明する。
本実施形態に用いるリチウム遷移金属複合酸化物は、基本的に、活物質を構成する金属元素(Li,Ni,Co,Mn)を目的とする活物質(酸化物)の組成どおりに含有する原料を調製し、これを焼成することによって得ることができる。但し、Li原料の量については、焼成中にLi原料の一部が消失することを見込んで、1〜5%程度過剰に仕込むことが好ましい。
目的とする組成の複合酸化物を作製するにあたり、Li,Ni,Co,Mnのそれぞれの塩を混合・焼成するいわゆる「固相法」や、あらかじめNi,Co,Mnを一粒子中に存在させた共沈前駆体を作製しておき、これにLi塩を混合・焼成する「共沈法」が知られている。「固相法」による合成過程では、特にMnはNi,Coに対して均一に固溶しにくいため、各元素が一粒子中に均一に分布した試料を得ることは困難である。これまで文献などにおいては固相法によってNiやCoの一部にMnを固溶(LiNi1−xMnxO2など)しようという試みが多数なされているが、「共沈法」を選択する方が原子レベルで均一相を得ることが容易である。そこで、後述する実施例においては、「共沈法」を採用した。
共沈前駆体を作製するにあたって、Ni,Co,MnのうちMnは酸化されやすく、Ni,Co,Mnが2価の状態で均一に分布した共沈前駆体を作製することが容易ではないため、Ni,Co,Mnの原子レベルでの均一な混合は不十分になりやすい。したがって、本発明においては、共沈前駆体に分布して存在するMnの酸化を抑制するために、溶存酸素を除去することが好ましい。溶存酸素を除去する方法としては、酸素を含まないガスをバブリングする方法が挙げられる。酸素を含まないガスとしては、限定されないが、窒素ガス、アルゴンガス、二酸化炭素(CO2)等を用いることができる。
また、前記共沈前駆体を共沈炭酸塩前駆体として作製しようとする場合には、7.5〜11とすることができる。このとき、pHを9.4以下とすることにより、前駆体のタップ密度を1.25g/cc以上とすることができ、高率放電性能を向上させることができる。さらに、pHを8.0以下とすることにより、粒子成長速度を促進できるので、原料水溶液滴下終了後の撹拌継続時間を短縮できる。
本実施形態に係るリチウム二次電池用活物質の製造方法は、前記共沈前駆体とLi化合物とを混合した後、焼結助剤を含有させて焼成する方法を備えることが好ましい。
上記のようにして、共沈反応溶液中にフッ素イオンを存在させて得られた前駆体を、LiF等の焼結助剤の存在下で焼成することで、より顕著な効果が奏される。これにより、第一の実施形態においては、放電末状態のFWHM(003)/FWHM(104)に対する、直後の充電末状態におけるFWHM(003)/FWHM(104)の比が、0.72以上である正極活物質を得ることができ、充放電サイクルに伴う粒子割れの抑制された正極活物質を得ることができる。また、これにより、第二の実施形態においては、FWHM(104)が0.125〜0.145°であり、空隙率が1.5〜3.5%である正極活物質を得ることができ、結晶性を制御しつつ、電極密度を高めることができる。さらに、第三の実施形態においては、放電末状態の結晶子サイズに対する、直後の充電末状態における結晶子サイズの減少量を20nm以下とすることができ、充放電サイクルに伴うDCRの上昇を抑制することができる。
作用機構は、明らかではないが、以下のように推察される。焼成時にLiF等の焼結助剤を適用するだけでは、前駆体粒子と焼結助剤とが固相で接触するだけであるので、活物質粒子の表面にしか焼結助剤の作用が及ばない。これに対して、本実施形態では、溶液からの前駆体形成段階でフッ素を共存させることで、前駆体粒子内部にまでフッ素を存在させることができるので、焼結効果がより有効に発揮され、充放電サイクルによる活物質粒子の結晶異方性の進行が抑制されるのではないかと推察される。
焼成温度が低すぎると、結晶化が十分に進まず、電極性能が低下する傾向がある。本発明の一態様においては、焼成温度は900℃以上とすることが好ましい。第一の実施形態においては、900℃以上とすることにより、焼結度が高く、放電末状態のFWHM(003)/FWHM(104)に対する、直後の充電末状態におけるFWHM(003)/FWHM(104)の比が0.72以上である活物質粒子を得ることができ、充放電サイクル性能を向上させることができる。第二の実施形態においても、900℃以上とすることにより、活物質の回折ピークの半値幅FWHM(104)を0.145°以下とすることができ、充放電サイクル性能を向上させることができる。第三の実施形態においては、900℃以上とすることにより、放電末状態の結晶子サイズに対する、直後の充電末状態における結晶子サイズの減少量を20nm以下とすることができ、充放電サイクルに伴うDCRの上昇を抑制することができる。
また、発明者らは、本実施形態の活物質の回折ピークの半値幅を詳細に解析することで750℃より低い温度で合成した試料においては格子内に歪みが残存しており、それ以上の温度で合成することでほとんど歪みを除去することができることを確認した。そして、結晶子のサイズは合成温度が上昇するに比例して大きくなった。よって、本実施形態の活物質の組成においても、系内に格子の歪みがほとんどなく、かつ結晶子サイズが十分成長した粒子を志向することで良好な放電容量を得られた。具体的には、格子定数に及ぼす歪み量が2%以下、かつ結晶子サイズが50nm以上に成長しているような合成温度(焼成温度)及びLi/Me比組成を採用することが好ましいことがわかった。これらを活物質として用いた電極の充放電を行うことで膨張収縮による変化も見られるが、充放電過程においても結晶子サイズは30nm以上を保っていることが好ましい。
したがって、本実施形態に係るリチウム遷移金属複合酸化物を含有する正極活物質を作製する場合、充放電サイクル性能を向上させるために、焼成温度は900〜1000℃とすることが好ましい。
負極材料としては、限定されず、リチウムイオンを放出あるいは吸蔵することのできる形態であればどれを選択してもよい。例えば、Li[Li1/3Ti5/3]O4に代表されるスピネル型結晶構造を有するチタン酸リチウム等のチタン系材料、SiやSb,Sn系などの合金系材料、リチウム金属、リチウム合金(リチウム−シリコン、リチウム−アルミニウム,リチウム−鉛,リチウム−スズ,リチウム−アルミニウム−スズ,リチウム−ガリウム,及びウッド合金等のリチウム金属含有合金)、リチウム複合酸化物(リチウム−チタン)、酸化珪素の他、リチウムを吸蔵・放出可能な合金、炭素材料(例えばグラファイト、ハードカーボン、低温焼成炭素、非晶質カーボン等)等が挙げられる。
正極活物質の粉体および負極材料の粉体は、平均粒子サイズ(D50)が100μm以下であることが望ましい。特に、正極活物質の粉体は、非水電解質電池の高出力性能を向上する目的で50μm以下であることが好ましく、充放電サイクル性能を維持するためには3μm以上であることが好ましい。粉体を所定の形状で得るためには粉砕機や分級機が用いられる。例えば乳鉢、ボールミル、サンドミル、振動ボールミル、遊星ボールミル、ジェットミル、カウンタージェトミル、旋回気流型ジェットミルや篩等が用いられる。粉砕時には水、あるいはヘキサン等の有機溶剤を共存させた湿式粉砕を用いることもできる。分級方法としては、特に限定はなく、篩や風力分級機などが、乾式、湿式ともに必要に応じて用いられる。
本実施形態に係る正極活物質を含有する正極を備えたリチウム二次電池に用いる非水電解質は、限定されず、一般にリチウム電池等への使用が提案されている非水電解質が使用可能である。非水電解質に用いる非水溶媒としては、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ブチレンカーボネート、クロロエチレンカーボネート、ビニレンカーボネート等の環状炭酸エステル類;γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン等の環状エステル類;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等の鎖状カーボネート類;ギ酸メチル、酢酸メチル、酪酸メチル等の鎖状エステル類;テトラヒドロフランまたはその誘導体;1,3−ジオキサン、1,4−ジオキサン、1,2−ジメトキシエタン、1,4−ジブトキシエタン、メチルジグライム等のエーテル類;アセトニトリル、ベンゾニトリル等のニトリル類;ジオキソランまたはその誘導体等の単独またはそれら2種以上の混合物等を挙げることができるが、これらに限定されない。
本実施形態に係る正極活物質を含有する正極を備えたリチウム二次電池に用いるセパレータとしては、優れた高率放電性能を示す多孔膜や不織布等を、単独あるいは併用することが好ましい。非水電解質電池用セパレータを構成する材料としては、例えばポリエチレン,ポリプロピレン等に代表されるポリオレフィン系樹脂、ポリエチレンテレフタレート,ポリブチレンテレフタレート等に代表されるポリエステル系樹脂、ポリフッ化ビニリデン、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、フッ化ビニリデン−パーフルオロビニルエーテル共重合体、フッ化ビニリデン−テトラフルオロエチレン共重合体、フッ化ビニリデン−トリフルオロエチレン共重合体、フッ化ビニリデン−フルオロエチレン共重合体、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロアセトン共重合体、フッ化ビニリデン−エチレン共重合体、フッ化ビニリデン−プロピレン共重合体、フッ化ビニリデン−トリフルオロプロピレン共重合体、フッ化ビニリデン−テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、フッ化ビニリデン−エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体等を挙げることができる。
本実施形態に係る正極活物質を含有する正極を備えたリチウム二次電池を図6に示す。図6は、矩形状のリチウム二次電池の容器内部を透視した斜視図である。電極群2が収納された電池容器3内に非水電解質(電解液)を注入することによりリチウム二次電池1が組み立てられる。電極群2は、正極活物質を備える正極と、負極活物質を備える負極とが、セパレータを介して捲回されることにより形成されている。正極は、正極リード4’を介して正極端子4と電気的に接続され、負極は、負極リード5’を介して負極端子5と電気的に接続されている。
本実施形態に係るリチウム二次電池の形状については特に限定されず、円筒型電池、角型電池(矩形状の電池)、扁平型電池等が一例として挙げられる。
正極活物質を測定対象とする場合、測定対象の正極活物質が、電極作製前の粉末状態であれば、そのまま測定に供する。
リチウム二次電池を解体して正極を取り出す場合は、電池を解体する前に、次の手順によって電池を放電状態とする。まず、定電流定電圧充電を行う。充電電流は0.1Cとする。充電電圧は、正極の電位が4.3V(vs.Li/Li+)となると推定される電圧とする。充電終止条件は、電流値が0.01Cに減少するまでとする。30分の休止後、定電流放電を行う。放電電流は0.1Cとする。放電終止電圧は、正極の電位が2.0V(vs.Li/Li+)となると推定される電圧とする。金属リチウム電極を負極に用いたリチウム二次電池の場合は、以上の手順によって放電末状態とする。当該放電後、1h以上放置した後に、露点−50℃以下の乾燥雰囲気にて電池を解体し、正極を取り出す。金属リチウム電極を負極に用いたリチウム二次電池でない場合は、正極電位を正確に制御するため、取り出した正極を1〜4cm2程度の十分に小さい面積に切り出して試験極(Working Electrode)とする。この試験極を用い、金属リチウムを対極(Counter Electrode)に用いて、試験セルを組立てる。この試験セルに対して、再び、上記の条件及び手順に沿って、定電流定電圧充電及び定電流放電を行う。金属リチウム電極を負極に用いたリチウム二次電池でない場合は、以上の手順によって放電末状態とする。試験セルの解体から測定までの作業は露点−60℃以下のアルゴン雰囲気中で行う。取り出した試験極は、ジメチルカーボネートを用いて付着している非水電解質を十分に洗浄し、室温にて一昼夜乾燥する。試験極からさらに集電体を除去することによって正極合剤を採取し、瑪瑙乳鉢を用いて凝集状態を解く。正極合剤を測定対象とする場合は、これを測定に供する。
リチウム遷移金属複合酸化物が、その粒子表面にF、S又はPを含むことは、エネルギー分散型エックス線分析(EDX)によって確認する。
なお、非水電解質に用いられる電解質塩や添加剤が、F、S又はPを含む場合があり、さらに、正極活物質粒子の表面に形成されている被膜に、これに由来するF、S又はPが取り込まれていることも考えられる。しかしながら、極めて多数回の充放電サイクルを繰り返したリチウム二次電池でない限り、ジメチルカーボネートを用いて上述の手順で洗浄することにより、非水電解質に由来するF、S又はPは除去される。
エネルギー分散型エックス線分析(EDX)は、走査型電子顕微鏡(SEM)画像を取り込んで、試料表面の元素の定量を行うことができる分析方法である。SEM装置は、日立卓上顕微鏡TM3030Plus Miniscopeを用いる。EDX分析装置は、Bruker nano GmbH製の日立卓上顕微鏡TM3030Plus Miniscope用EDXシステム(型番:Quantax70)を用いる。
この測定は、正極活物質を測定対象とする。測定試料はあらかじめPd及びPtのスパッタリング処理を行い、SEM装置にセットする。SEM装置は、まず、加速電圧を5.0kV、観察条件を二次電子とする。フォーカス及びコントラストの調整は10000倍から開始し、1000倍での調整が完了したら、元素の検出強度を高めるため、加速電圧を15.0kV、観察条件を反射電子に切り替える。EDX装置によって取り込まれたSEM画像は、180secの積算処理終了後、SEM画像上のスポットの位置および直径を調整し、スポット内のF、S又はP元素のスペクトルおよび元素の定量を行う。
この測定は、正極活物質を測定対象とする。測定装置には日機装社製Microtrac(型番:MT3000)を用いる。前記測定装置は、光学台、試料供給部及び制御ソフトを搭載したコンピュータからなり、光学台にはレーザー光透過窓を備えた湿式セルが設置される。測定原理は、測定対象試料が分散溶媒中に分散している分散液が循環している湿式セルにレーザー光を照射し、測定試料からの散乱光分布を粒度分布に変換する方式である。前記分散液は試料供給部に蓄えられ、ポンプによって湿式セルに循環供給される。前記試料供給部は、常に超音波振動が加えられている。分散溶媒として水を用いる。測定制御ソフトにはMicrotrac DHS for Win98(MT3000)を用いる。前記測定装置に設定入力する「物質情報」については、溶媒の「屈折率」として1.33を設定し、「透明度」として「透過(TRANSPARENT)」を選択し、「球形粒子」として「非球形」を選択する。試料の測定に先立ち、「Set Zero」操作を行う。「Set Zero」操作は、粒子からの散乱光以外の外乱要素(ガラス、ガラス壁面の汚れ、ガラス凸凹など)が後の測定に与える影響を差し引くための操作であり、試料供給部に分散溶媒である水のみを入れ、湿式セルに分散溶媒である水のみが循環している状態でバックグラウンド測定を行い、バックグラウンドデータをコンピュータに記憶させる。続いて「Sample LD(Sample Loading)」操作を行う。Sample LD操作は、測定時に湿式セルに循環供給される分散液中の試料濃度を最適化するための操作であり、測定制御ソフトの指示に従って試料供給部に測定対象試料を手動で最適量に達するまで投入する操作である。続いて、「測定」ボタンを押すことで測定操作が行われる。前記測定操作を2回繰り返し、その平均値として測定結果が制御コンピュータから出力される。測定結果は、粒度分布ヒストグラムとして取得される。二次粒子の粒度分布における累積体積が50%となる粒度の値をD50として取得する。
本願明細書において、エックス線回折測定及びこれを用いた半値幅の測定は、次の条件にて行う。線源はCuKα、加速電圧は30kV、加速電流は15mAとする。サンプリング幅は0.01deg、走査時間は14分(スキャンスピードは5.0)、発散スリット幅は0.625deg、受光スリット幅は開放、散乱スリットは8.0mmとする。得られたエックス線回折データは、Kα2に由来するピークを除去せず、当該エックス線回折装置に付属のソフトである「PDXL」を適用して、2θ=18.6±1°及び2θ=44±1°に存在する回折ピークの半値幅を決定し、それぞれFWHM(003)及びFWHM(104)とする。これらの回折ピークは、空間群R3−mに帰属したときに(003)面及び(104)面にそれぞれ指数付けされるピークである。
本願明細書において、「放電末状態のFWHM(003)/FWHM(104)に対する、直後の充電末状態におけるFWHM(003)/FWHM(104)の比」とは、後述する放電条件によって放電末とした状態における半値幅比FWHM(003)/FWHM(104)を分母とし、当該放電の直後に、後述する充電条件によって充電末とした状態における半値幅比FWHM(003)/FWHM(104)を分子とした場合の比をいう。当該放電と、当該充電との間に、他の放電や充電を行ってはならない。
空隙率の測定には、Quantachrome社製の「autosorb iQ」及び制御・解析ソフト「ASiQwin」を用いる。測定対象の試料(リチウム遷移金属複合酸化物の粒子)1.00gを測定用のサンプル管に入れ、120℃にて12h真空乾燥することで、測定試料中の水分を十分に除去する。次に、液体窒素を用いた窒素ガス吸着法により、相対圧力P/P0(P0=約770mmHg)が0から1の範囲内で吸着側および脱離側の等温線を測定する。そして、脱離側の等温線を用いてBJH法により計算することにより細孔分布を評価し、細孔容積ΔVを求める。また、別途にQuantachrome社製の「ULTRAPYCNOMETER 1000」よりヘリウムガスを用いた真密度測定により、リチウム遷移金属複合酸化物の粒子の真密度dを求める。これらを用いて、空隙率は以下の式で計算される。
(空隙率) = ΔV/(1/d + ΔV) × 100 「%」
結晶子サイズの測定は、次の条件にて行う。上記エックス線回折測定により得られたプロファイルに対して、空間群R3−mにおける元素位置をLi(0,0,1/2)、遷移金属(0,0,0)、酸素(0,0、z)(zは酸素位置パラメータ)とした構造モデルを適用し、リートベルト解析によるフィッティングを実施する。解析はRIETAN−2000を用い、プロファイル関数はTCHの擬フォークト関数を用い、Rwpが2を下回るまで各パラメータの精密化を実施する。精密化したローレンツ因子の1つのパラメータであるXを、下式に代入したときに得られる値を結晶子サイズと決定する。ここで、エックス線源にCu乾球を用いる場合は、エックス線波長として0.154nmを採用する。
(結晶子サイズ)=180×0.9×(エックス線波長)/πX
サイクル後DCR(Direct Current Resistance)の測定は、次の条件にて行う。測定対象の電池に対して、0.1Cの電流で4.35〜2.0Vの電圧範囲で定電流充放電を行った結果から把握された充放電容量に基づき、充電深度(SOC)が50%の状態に調整する。その状態から、放電電流0.1Cにて10秒間放電させる。10分の休止後、充電電流0.1Cにて10秒間補充電を行う。10分の休止後、放電電流0.3Cにて10秒間放電させる。10分の休止後、充電電流0.1Cにて30秒間の補充電を実施する。10分の休止後、放電電流0.5Cにて10秒間放電させる。各電流レートで10秒放電したときの電圧降下からDCRを算出する。
容量回復率、及び抵抗上昇率の測定は、次の条件にて行う。保存試験に先立ち、測定対象の電池に対して、25℃にて、0.1Cの電流で4.35〜2.0Vの電圧範囲で定電流充放電を行い、「保存試験前の放電容量(mAh)」を求めると共に、AC1kHzの接点抵抗計を用いて「保存試験前の内部抵抗(Ω)」を求める。次に、充電電流0.1C、充電電圧4.35V、充電時間15時間の定電流定電圧充電を行った後、開回路状態で45℃の恒温槽にて14日間放置する。その後、電池を恒温槽から取り出し、25℃において、放電電流0.1C、放電終止電圧2.0Vの定電流放電を行い、「保存試験後の放電容量」を求めると共に、AC1kHzの接点抵抗計を用いて「保存試験後の内部抵抗(Ω)」を求める。次式で求められる値を「容量回復率」及び「抵抗上昇率」とする。
容量回復率=(保存試験後の放電容量)/(保存試験前の放電容量)×100 抵抗上昇率=(保存試験後の内部抵抗)/(保存試験前の内部抵抗)×100
(実施例1)
(実施例1−1)
<前駆体作製工程>
リチウム二次電池用正極活物質の作製にあたって、反応晶析法を用いて水酸化物前駆体を作製した。まず、硫酸ニッケル6水和物350.5g、硫酸コバルト7水和物374.8g、硫酸マンガン5水和物321.5gを秤量し、これらの全量をイオン交換水4Lに溶解させ、Ni:Co:Mnのモル比が1:1:1となる1.0mol/Lの硫酸塩水溶液を作製した。次に、5Lの反応槽に、0.01mol/Lとなるようにフッ化アンモニウムをイオン交換水に溶解させた水溶液2Lを注ぎ、Arガスを30minバブリングさせることにより、イオン交換水中に含まれる酸素を除去した。反応槽の温度は50℃(±2℃)に設定し、攪拌モーターを備えたパドル翼を用いて反応槽内を1500rpmの回転速度で攪拌しながら、反応層内に対流が十分おこるように設定した。前記硫酸塩水溶液を3ml/minの速度で反応槽に滴下した。ここで、滴下の開始から終了までの間、4.0mol/Lの水酸化ナトリウム、0.5mol/Lのアンモニア水、及び0.5Mのヒドラジンからなる混合アルカリ溶液を適宜滴下することにより、反応槽中のpHが常に11.0(±0.1)を保つように制御すると共に、反応液の一部をオーバーフローにより排出することにより、反応液の総量が常に2Lを超えないように制御した。滴下終了後、反応槽内の攪拌をさらに3h継続した。攪拌の停止後、室温で12h以上静置した。
次に、吸引ろ過装置を用いて、反応槽内に生成した水酸化物前駆体粒子を分離し、さらにイオン交換水を用いて粒子に付着しているナトリウムイオンを洗浄除去し、電気炉を用いて、空気雰囲気中、常圧下、80℃にて20h乾燥させた。その後、粒径を揃えるために、瑪瑙製自動乳鉢で数分間粉砕した。このようにして、水酸化物前駆体を作製した。
前記水酸化物前駆体1.898gに、水酸化リチウム1水和物0.887g、フッ化リチウム0.006gを加え、瑪瑙製自動乳鉢を用いてよく混合し、Li:(Ni,Co,Mn):Fのモル比が1:1:0.01となるように混合粉体を調製した。ペレット成型機を用いて、6MPaの圧力で成型し、直径25mmのペレットとした。ペレット成型に供した混合粉体の量は、想定する最終生成物の質量が2gとなるように換算して決定した。前記ペレット1個を全長約100mmのアルミナ製ボートに載置し、箱型電気炉(型番:AMF20)に設置し、空気雰囲気中、常圧下、常温から900℃まで10時間かけて昇温し、900℃で5h焼成した。前記箱型電気炉の内部寸法は、縦10cm、幅20cm、奥行き30cmであり、幅方向20cm間隔に電熱線が入っている。焼成後、ヒーターのスイッチを切り、アルミナ製ボートを炉内に置いたまま自然放冷した。この結果、炉の温度は5時間後には約200℃程度にまで低下するが、その後の降温速度はやや緩やかである。一昼夜経過後、炉の温度が100℃以下となっていることを確認してから、ペレットを取り出し、粒径を揃えるために、瑪瑙製自動乳鉢で数分間粉砕した。このようにして、実施例1−1に係るリチウム遷移金属複合酸化物LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2を作製した。
前記焼成工程において、前記混合粉体を調製する際に、フッ化リチウムの添加量をそれぞれ0.012g、0.018g、0.024g、又は0.030gに変更した以外は、実施例1−1と同様にして、それぞれ、実施例1−2〜1−5に係るリチウム遷移金属複合酸化物LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2を作製した。
前記焼成工程において、前記混合粉体を調製する際に、フッ化リチウムに代えて、0.012gの硫酸リチウム又は0.008gのリン酸リチウムを加えた以外は、実施例1と同様にして、それぞれ、実施例1−6,1−7に係るリチウム遷移金属複合酸化物LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2を作製した。
前記前駆体作製工程において、Ni:Co:Mnのモル比を、1:1:1から、それぞれ、6:0:4、5:0:5、5:1:4、5:2:3、5:3:2に変更した以外は、実施例1−1と同様にして、それぞれ、実施例1−8〜1−12に係るリチウム遷移金属複合酸化物LiNi0.6Mn0.4O2、LiNi0.5Mn0.5O2、LiNi0.5Co0.1Mn0.4O2、LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2、LiNi0.5Co0.3Mn0.2O2を作製した。
前記前駆体作製工程において、フッ化アンモニウム水溶液を添加しない点を除いて、実施例1−1と同様にして、比較例1−1に係るリチウム遷移金属複合酸化物LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2を作製した。
前記焼成工程において、前記混合粉体を調製する際にフッ化リチウムを添加しない点を除いて、実施例1−1と同様にして、比較例1−2に係るリチウム遷移金属複合酸化物LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2を作製した。
前記前駆体作製工程において、フッ化アンモニウム水溶液を添加せず、前記焼成工程において、前記混合粉体を調製する際にフッ化リチウムを添加しない点を除いて、実施例1−1と同様にして、比較例1−3に係るリチウム遷移金属複合酸化物LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2を作製した。
その結果、全ての実施例及び比較例において作製したリチウム遷移金属複合酸化物は、α−NaFeO2構造を有することを確認した。
実施例1−1〜1−12及び比較例1−1〜1−3に係るリチウム遷移金属複合酸化物をそれぞれリチウム二次電池用正極活物質として用いて、以下の手順で、リチウム二次電池用正極を作製した。N−メチルピロリドンを分散媒とし、正極活物質、アセチレンブラック(AB)及びポリフッ化ビニリデン(PVdF)が質量比90:5:5の割合で混練分散されている塗布用ペーストを作製した。該塗布ペーストを厚さ20μmのアルミニウム箔集電体の片方の面に塗布し、正極板を作製した。なお、全ての実施例及び比較例に係るリチウム二次電池同士で試験条件が同一になるように、一定面積当たりに塗布されている活物質の質量及び塗布厚みを統一した。
リチウム二次電池の負極には、金属リチウム電極、又はグラファイト電極を用いた。
金属リチウム電極は、正極の理論容量に対して十分に大きい容量を備える金属リチウムをニッケル集電体に貼り付けて作製した。
グラファイト電極は、水を分散媒とし、グラファイト、スチレン−ブタジエンゴム(SBR)及びカルボキシメチルセルロース(CMC)が質量比96.7:2.1:1.2の割合で混練分散されている塗布用ペーストを厚さ10μmの銅箔集電体の片方の面に塗布、乾燥して作製した。該塗布ペーストの塗布量は、上記正極板と組み合わせたときに電池の容量が負極によって制限されないように調整した。
それぞれの実施例及び比較例に係る正極を用い、金属リチウム電極を負極に用いて作製した各2個のリチウム二次電池について、25℃にて、2サイクルの初期充放電を行った。充電は、電流0.1C、電圧4.45Vの定電流定電圧充電とし、充電終止条件は電流値が1/6に減衰した時点とした。放電は、電流0.1C、終止電圧2.0Vの定電流放電とした。ここで、充電後及び放電後にそれぞれ10分の休止過程を設けた。2サイクル目の放電容量を「初期放電容量」とした。初期放電容量を確認後、それぞれの実施例及び比較例に係る電池のうち、各1個の電池について、上記手順に従って正極板を取り出し、放電末状態での半値幅比FWHM(003)/FWHM(104)を測定した。
それぞれの実施例、比較例に係る正極を用い、グラファイト電極を負極に用いて作製したリチウム二次電池について、25℃にて、2サイクルの初期充放電を行った。充電は、電流0.1C、電圧4.35Vの定電流定電圧充電とし、充電終止条件は電流値が1/6に減衰した時点とした。放電は、電流0.1C、終止電圧2.0Vの定電流放電とした。ここで、充電後及び放電後にそれぞれ10分の休止過程を設けた。初期放電容量を確認した。
続いて、100サイクルの充放電サイクル試験を行った。充電は、電流1C、電圧4.35Vの定電流定電圧充電とし、充電終止条件は電流値が1/6に減衰した時点とした。放電は、電流1C、終止電圧2.0Vの定電流放電とした。ここで、充電後及び放電後にそれぞれ10分の休止過程を設けた。
上記充放電サイクル試験における1サイクル目の放電容量に対する100サイクル目の放電容量の百分率を算出し、「1C容量維持率(%)」とした。
充放電サイクル試験後の電池を上記手順に沿って解体して正極を取り出し、上記手順に沿って導電剤であるカーボンおよび結着剤であるPVdFバインダーを除去して正極活物質粒子を取り出し、上記手順に沿って粒度分布の測定を行った。ここで取得したD50の値を「サイクル後D50」として記録した。
これに対して、放電末状態のFWHM(003)/FWHM(104)に対する、直後の充電末状態におけるFWHM(003)/FWHM(104)の比が0.72未満である正極活物質を使用したリチウム二次電池(比較例1−1〜1−3)では、100サイクル後の活物質のD50が初期D50の半分以下と、活物質粒子の割れが進行し、かつ、1C容量維持率も低いことがわかる。
そして、放電末状態のFWHM(003)/FWHM(104)に対する、直後の充電末状態におけるFWHM(003)/FWHM(104)の比が0.72以上であれば、実施例1−8〜1−12のように、Ni:Co:Mnが1:1:1でないリチウム遷移金属複合酸化物を用いても、活物質粒子の割れが抑制されることもわかる。
比較例1−1,1−3では、活物質粒子の内部にFが存在し難く、比較例1−2,1−3では、活物質粒子表面に焼結助剤からのF,S,Pが存在しない。したがって、比較例1−1〜1−3では、十分な焼結が行われる条件にないため、充放電サイクルに伴う割れを抑制することができないと推察される。
実施例1−5に係る正極活物質の放電末と充電末における粉末エックス線回折図を図1に例示する。また、比較例1−1に係る正極活物質の放電末と充電末における粉末エックス線回折図を図2に例示する。
(実施例2)
(実施例2−1)
前記前駆体作製工程において、硫酸ニッケル6水和物473.1g、硫酸コバルト7水和物281.1g、硫酸マンガン5水和物289.3gを秤量し、これらの全量をイオン交換水4Lに溶解させ、Ni:Co:Mnのモル比が45:25:30となる1.0Mの硫酸塩水溶液を作製した以外は、実施例1−1と同様にして、水酸化物前駆体を作製した。
焼成工程において、前記水酸化物前駆体1.897gに、水酸化リチウム1水和物0.886g、フッ化リチウム0.006gを加え、Li:(Ni,Co,Mn):Fのモル比が1:1:0.01となるように混合粉体を調製した以外は、実施例1−1と同様にして、焼成(ペレットの焼成温度は900℃)を行い、実施例2−1に係るリチウム遷移金属複合酸化物LiNi0.45Co0.25Mn0.30O2を作製した。
前記焼成工程において、前記ペレットの焼成温度を、900℃から、それぞれ、920℃、940℃、960℃、980℃、1000℃に変更した以外は、実施例2−1と同様にして、それぞれ、実施例2−2〜2−6に係るリチウム遷移金属複合酸化物LiNi0.45Co0.25Mn0.30O2を作製した。実施例2−4に係るリチウム遷移金属複合酸化物の粒子の写真を図8に示す。
前記前駆体作製工程において、Ni:Co:Mnのモル比を、45:25:30から、それぞれ、40:30:30、50:25:25、55:20:25に変更した以外は、実施例2−4と同様にして、それぞれ、実施例2−7〜2−9に係るリチウム遷移金属複合酸化物LiNi0.40Co0.30Mn0.30O2、LiNi0.50Co0.25Mn0.25O2、LiNi0.55Co0.20Mn0.25O2を作製した。
前記前駆体作製工程において、Ni:Co:Mnのモル比を、45:25:30から、それぞれ、60:0:40、50:0:50に変更した以外は、実施例2−6と同様にして、それぞれ、実施例2−10、2−11に係るリチウム遷移金属複合酸化物LiNi0.60Mn0.40O2、LiNi0.50Mn0.50O2を作製した。
前記焼成工程において、前記混合粉体を調製する際に、フッ化リチウム0.006gに代えて、硫酸リチウム0.012gを加えた以外は、実施例2−4と同様にして、実施例2−12に係るリチウム遷移金属複合酸化物LiNi0.45Co0.25Mn0.30O2を作製した。
前記焼成工程において、前記混合粉体を調製する際に、フッ化リチウム0.006gに代えて、リン酸リチウム0.008gを加えた以外は、実施例2−4と同様にして、実施例2−13に係るリチウム遷移金属複合酸化物LiNi0.45Co0.25Mn0.30O2を作製した。
前記前駆体作製工程において、フッ化アンモニウム水溶液を添加しないで水酸化物前駆体を作製し、前記焼成工程において、フッ化リチウム0.006gに代えて、フッ化アンモニウム0.009gを加え、Li:(Ni,Co,Mn):Fのモル比が1:1:0.01となるように混合粉体を調製した以外は、実施例2−6と同様にして、実施例2−14に係るリチウム遷移金属複合酸化物LiNi0.45Co0.25Mn0.30O2を作製した。
前記焼成工程において、前記ペレットの焼成温度を、900℃から、それぞれ、880℃、1050℃に変更した以外は、実施例2−1と同様にして、それぞれ、比較例2−1、2−2に係るリチウム遷移金属複合酸化物LiNi0.45Co0.25Mn0.30O2を作製した。
前記前駆体作製工程において、フッ化アンモニウム水溶液を添加せず、前記焼成工程において、前記混合粉体を調製する際にフッ化リチウムを添加しない点を除いて、実施例2−1と同様にして、比較例2−3に係るリチウム遷移金属複合酸化物LiNi0.45Co0.25Mn0.30O2を作製した。この比較例に係るリチウム遷移金属複合酸化物の粒子の写真を図9に示す。
前記前駆体作製工程において、フッ化アンモニウム水溶液を添加しない点を除いて、実施例2−1と同様にして、比較例2−4に係るリチウム遷移金属複合酸化物LiNi0.45Co0.25Mn0.30O2を作製した。
前記焼成工程において、前記混合粉体を調製する際にフッ化リチウムを添加しない点を除いて、実施例2−1と同様にして、比較例2−5に係るリチウム遷移金属複合酸化物LiNi0.45Co0.25Mn0.30O2を作製した。
前記前駆体作製工程において、Ni:Co:Mnのモル比を、45:25:30から、80:10:10に変更し、前記焼成工程において、前記ペレットの焼成温度を、900℃から、それぞれ、700℃、800℃に変更した以外は、実施例2−1と同様にして、それぞれ、比較例2−6、2−7に係るリチウム遷移金属複合酸化物LiNi0.80Co0.10Mn0.10O2を作製した。
実施例2−1〜2−14及び比較例2−1〜2−7に係るリチウム遷移金属複合酸化物について、エックス線回折装置(Rigaku社製、型名:MiniFlex II)を用いて、上記の条件で粉末エックス線回折測定を行い、2θ=44°±1°に存在する回折ピークの半値幅FWHM(104)を決定した。
また、全ての実施例及び比較例のリチウム遷移金属複合酸化物は、α−NaFeO2構造を有することを確認した。
実施例2−1〜2−14及び比較例2−1〜2−7に係るリチウム遷移金属複合酸化物について、Quantachrome社製の「autosorb iQ」及び制御・解析ソフト「ASiQwin」を用いて、上記の条件で細孔容積ΔVを求め、また、Quantachrome社製の「ULTRAPYCNOMETER 1000」を用いて真密度dを求め、空隙率を算出した。
実施例2−1〜2−14及び比較例2−1〜2−7に係るリチウム遷移金属複合酸化物をそれぞれ正極活物質として用いた以外は実施例1と同様にして作製した正極、前記グラファイト電極(負極)、前記非水電解質を用いて、実施例1と同様にして、リチウム二次電池を作製した。
作製されたリチウム二次電池は、25℃の下、初期充放電工程に供した。充電は、電流0.1C、電圧4.6Vの定電流定電圧充電とし、充電終止条件は電流値が1/6に減衰した時点とした。放電は、電流0.1C、終止電圧2.0Vの定電流放電とした。この充放電を2サイクル行った。ここで、充電後及び放電後にそれぞれ30分の休止過程を設けた。
続いて、実施例1と同様の条件で、100サイクルの充放電サイクル試験を行った。
上記充放電サイクル試験における1サイクル目の放電容量に対する100サイクル目の放電容量の百分率を算出し、「1C容量維持率(%)」とした。
これに対して、FWHM(104)が0.125より小さくても、0.145°より大きくても、サイクル容量維持率は低くなる(比較例2−1、2−2、2−7参照)。また、FWHM(104)が0.125〜0.145°の範囲内にあっても、空隙率が3.5%を超えると、サイクル容量維持率は低くなる(比較例2−3〜2−6参照)。
したがって、本実施例においては、充放電サイクル性能を向上させるために、FWHM(104)を0.125〜0.145°、かつ空隙率を1.5〜3.5%とする。
焼成温度が低すぎると空隙率が3.5%より大きくなり(比較例2−1、2−6)、また、FWHM(104)が0.145°より大きくなる場合があり(比較例2−1)、焼成温度が高すぎるとFWHM(104)が0.125°より小さくなる(比較例2−2)ので、充放電サイクル性能を向上させるために、焼成温度は、900〜1000℃とすることが好ましい。
また、Niの含有量が多すぎるとFWHM(104)が0.125°より小さくなる場合がある(比較例2−7)ので、遷移金属元素Meに対するNiのモル比Ni/Meは、0.4〜0.6とすることが好ましい。
(実施例3)
(実施例3−1〜3−7)
前記焼成工程において、前記ペレットの焼成温度を、900℃から1000℃に変更した以外は、実施例1−1〜1−7と同様にして、それぞれ、実施例3−1〜3−7に係るリチウム遷移金属複合酸化物LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2を作製した。
前記焼成工程において、前記ペレットの焼成温度を、900℃から1000℃に変更した以外は、実施例1−8〜1−12と同様にして、それぞれ、実施例3−8〜3−12に係るリチウム遷移金属複合酸化物LiNi0.6Mn0.4O2、LiNi0.5Mn0.5O2、LiNi0.5Co0.1Mn0.4O2、LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2、LiNi0.5Co0.3Mn0.2O2を作製した。
前記焼成工程において、前記ペレットの焼成温度を、1000℃から950℃に変更した以外は、実施例1−1と同様にして、実施例3−13に係るリチウム遷移金属複合酸化物LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2を作製した。
実施例1−1と同様にして、実施例3−14に係るリチウム遷移金属複合酸化物LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2を作製した。
前記焼成工程において、前記ペレットの焼成温度を、900℃から1000℃に変更した以外は、比較例1−1〜1−3と同様にして、それぞれ、比較例3−1〜3−3に係るリチウム遷移金属複合酸化物LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2を作製した。
実施例3−1〜3−14及び比較例3−1〜3−3に係るリチウム遷移金属複合酸化物をそれぞれ正極活物質として用いた以外は実施例1と同様にして作製した正極、前記グラファイト電極(負極)、前記非水電解質を用いて、実施例1と同様にして、リチウム二次電池を作製した。
続いて、実施例1と同様の条件で、100サイクルの充放電サイクル試験を行った。
上記充放電サイクル試験における1サイクル目の放電容量に対する100サイクル目の放電容量の百分率を算出し、「1C容量維持率(%)」とした。
実施例3−1〜3−14及び比較例3−1〜3−3に係るリチウム遷移金属複合酸化物をそれぞれ正極活物質として用いたリチウム二次電池について、上記初期充放電後、正極板を取り出し、上記手順にしたがって2.0V(vs.Li/Li+)まで放電して放電末状態とした正極板、及び、上記手順にしたがって再び4.45V(vs.Li/Li+)まで充電して充電末状態とした正極板を用意し、上記手順にしたがって採取した正極合剤について、上記条件にてエックス線回折測定を行って結晶子サイズを定量した。ここで、充電末状態の正極板に基づいて定量された結晶子サイズを「SOC100%での結晶子サイズ[nm]」として記録し、放電末状態の正極板に基づいて定量された結晶子サイズを「SOC0%での結晶子サイズ[nm]」として記録した。
上記リチウム遷移金属複合酸化物を用いた非水電解質電池について、上記手順にしたがって測定した100サイクル後のDCRを「サイクル後DCR」として記載した。「サイクル後DCR[Ω]」は、電池(対極グラファイト)におけるSOC50%での値である。
(実施例4)
(実施例4−1〜4−3)
実施例2−1と同様にして、実施例4−1〜4−3で用いるリチウム遷移金属複合酸化物LiNi0.45Co0.25Mn0.30O2を作製した。
上記のリチウム遷移金属複合酸化物を正極活物質として用い、非水電解質の溶媒として、エチレンカーボネート(EC)/エチルメチルカーボネート(EMC)/ジメチルカーボネート(DMC)が体積比6:7:7である混合溶媒の代わりに、エチレンカーボネート(EC)/プロピレンカーボネート(PC)/エチルメチルカーボネート(EMC)が、それぞれ、体積比25:5:70、20:10:70、27:3:70である混合溶媒を用いた以外は、実施例2と同様にして、それぞれ、実施例4−1〜4−3に係るリチウム二次電池を作製した。
実施例2−2〜2−6と同様にして、それぞれ、実施例4−4〜4−8で用いるリチウム遷移金属複合酸化物LiNi0.45Co0.25Mn0.30O2を作製した。
上記のリチウム遷移金属複合酸化物をそれぞれ正極活物質として用い、非水電解質の溶媒として、EC/EMC/DMCが体積比6:7:7である混合溶媒の代わりに、EC/PC/EMCが体積比25:5:70である混合溶媒を用いた以外は、実施例2と同様にして、それぞれ、実施例4−4〜4−8に係るリチウム二次電池を作製した。
実施例2−10、2−11と同様にして、それぞれ、実施例4−9、4−10で用いるリチウム遷移金属複合酸化物LiNi0.60Mn0.40O2、LiNi0.50Mn0.50O2を作製した。
上記のリチウム遷移金属複合酸化物を正極活物質として用い、非水電解質の溶媒として、EC/EMC/DMCが体積比6:7:7である混合溶媒の代わりに、EC/PC/EMCが体積比25:5:70である混合溶媒を用いた以外は、実施例2と同様にして、それぞれ、実施例4−9、4−10に係るリチウム二次電池を作製した。
実施例2−1と同様にして、参考例4−1〜4−3で用いるリチウム遷移金属複合酸化物LiNi0.45Co0.25Mn0.30O2を作製した。
上記のリチウム遷移金属複合酸化物を正極活物質として用い、非水電解質の溶媒として、EC/EMC/DMCが体積比6:7:7である混合溶媒の代わりに、それぞれ、EC/EMCが体積比30:70である混合溶媒、EC/フルオロエチレンカーボネート(FEC)/EMCが体積比25:5:70である混合溶媒、EC/FEC/EMCが体積比20:10:70である混合溶媒を用いた以外は、実施例2と同様にして、それぞれ、参考例4−1〜4−3に係るリチウム二次電池を作製した。
比較例2−1〜2−4と同様にして、それぞれ、比較例4−1〜4−4で用いるリチウム遷移金属複合酸化物LiNi0.45Co0.25Mn0.30O2を作製した。
上記のリチウム遷移金属複合酸化物を正極活物質として用い、非水電解質の溶媒として、EC/EMC/DMCが体積比6:7:7である混合溶媒の代わりに、EC/PC/EMCが体積比25:5:70である混合溶媒を用いた以外は、実施例2と同様にして、それぞれ、比較例4−1〜4−4に係るリチウム二次電池を作製した。
比較例2−4と同様にして、比較例4−4で用いるリチウム遷移金属複合酸化物LiNi0.45Co0.25Mn0.30O2を作製した。
上記のリチウム遷移金属複合酸化物を正極活物質として用い、非水電解質の溶媒として、EC/EMC/DMCが体積比6:7:7である混合溶媒の代わりに、EC/EMCが体積比30:70である混合溶媒を用いた以外は、実施例2と同様にして、比較例4−5に係るリチウム二次電池を作製した。
実施例4−1〜4−10、参考例4−1〜4−3及び比較例4−1〜4−5に係るリチウム二次電池について、上記手順にしたがって容量回復率を測定した。
実施例4−1〜4−10、参考例4−1〜4−3及び比較例4−1〜4−5に係るリチウム二次電池について、上記手順にしたがって抵抗上昇率を測定した。
2 電極群
3 電池容器
4 正極端子
4’ 正極リード
5 負極端子
5’ 負極リード
20 蓄電ユニット
30 蓄電装置
Claims (9)
- リチウム遷移金属複合酸化物を含有するリチウム二次電池用正極活物質であって、
前記リチウム遷移金属複合酸化物は、
遷移金属元素(Me)としてNi及びMn、又は Ni、Co及びMnを含み、遷移金属元素Meに対するNiのモル比Ni/Meが0.6以下であり、
α−NaFeO2構造を有し、
CuKα線を使用した粉末エックス線回折図の2θ=44±1°における回折ピークと2θ=18.6±1°における回折ピークを有し、
前記44±1°における回折ピークの半値幅FWHM(104)に対する前記18.6 ±1°における回折ピークの半値幅FWHM(003)の比率FWHM(003)/FWHM(104)において、放電末状態のFWHM(003)/FWHM(104)に対する、直後の充電末状態におけるFWHM(003)/FWHM(104)の比が、0.72以上0.80以下である、リチウム二次電池用正極活物質。 - リチウム遷移金属複合酸化物を含有するリチウム二次電池用正極活物質であって、
前記リチウム遷移金属複合酸化物は、
遷移金属元素(Me)としてNi及びMn、又は Ni、Co及びMnを含み、遷移金属元素Meに対するNiのモル比Ni/Meが0.6以下であり、
α−NaFeO2構造を有し、
CuKα線を使用した粉末エックス線回折図の2θ=44±1°における回折ピークの半値幅が0.125〜0.145°であり、
空隙率が1.5〜3.5%である、リチウム二次電池用正極活物質。 - 前記リチウム遷移金属複合酸化物が、組成式Li1+xMe1−xO2(MeはNi及びMn、又はNi、Co及びMnを含む遷移金属元素)で表され、前記Meに対するLiのモル比Li/Me、(1+x)/(1−x)が1.0以上1.1以下である、請求項1又は2に記載のリチウム二次電池用正極活物質。
- 前記リチウム遷移金属複合酸化物が、その粒子表面にF、S及びPからなる群から選択される一種以上の元素を含む請求項1〜3のいずれか1項に記載のリチウム二次電池用正極活物質。
- リチウム遷移金属複合酸化物を含有するリチウム二次電池用正極活物質の製造に用いる前駆体の製造方法であって、
フッ素イオンを含有する溶液中で、遷移金属元素(Me)としてNi及びMn、又は Ni、Co及びMnを含み、遷移金属元素Meに対するNiのモル比Ni/Meが0.6以下である遷移金属化合物を共沈させて、α−NaFeO2構造を有するリチウム遷移金属複合酸化物の共沈水酸化物前駆体又は共沈炭酸塩前駆体を製造することを備える、前駆体の製造方法。 - 前記フッ素イオンを含有する溶液が、アンモニウムイオンを含有する、請求項5に記載の前駆体の製造方法。
- 請求項1〜4のいずれか1項に記載のリチウム二次電池用正極活物質を含有する、リチウム二次電池用正極。
- 正極、負極及び非水電解質を備えたリチウム二次電池であって、前記正極が、請求項7に記載の正極を備えた、リチウム二次電池。
- 前記非水電解質が、プロピレンカーボネートを含有する、請求項8に記載のリチウム二次電池。
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