JP6940795B2 - 非水電解質二次電池用正極活物質及びその製造方法 - Google Patents
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Description
非水系電解質二次電池用正極活物質(以下、単に「正極活物質」ともいう)は、層状構造を有し、ニッケルを含むリチウム遷移金属複合酸化物粒子と、リチウム遷移金属複合酸化物粒子の表面に付着する、リチウム及びアルミニウムを含む酸化物並びにリチウム及びホウ素を含む酸化物とを含む。リチウム遷移金属複合酸化物粒子は、表層にアルミニウムが固溶する一次粒子が凝集して形成される二次粒子を含む。リチウム遷移金属複合酸化物粒子は、リチウム遷移金属複合酸化物粒子の組成におけるリチウム以外の金属の総モル数に対する一次粒子の表層に固溶しているアルミニウムのモル数の比率と、リチウム以外の金属の総モル数に対する一次粒子の表層以外の領域に存在するアルミニウムのモル数の比率との差が、0.22モル%を超えて0.6モル%未満である。
LiaNi1−x−yCoxMnyAlzM1 wO2 (1)
式中、1.0≦a≦1.5、0.02≦x≦0.34、0.01≦y≦0.34、0.002≦z≦0.05、0≦w≦0.02、0.05≦x+y≦0.67であり、M1はZr、Ti、Mg、Ta、Nb及びMoからなる群より選択される少なくとも一種である。また、0.0022<z≦0.05、0.0022<z<0.006、0.003≦z≦0.005、又は0.0035≦z≦0.0045であってよい。更に、0.02≦x≦0.33であってよく、0.01≦y≦0.33であってよく、0.05≦x+y≦0.66であってよい。
式中、1.0≦a≦1.5、0.33≦b≦0.95、0.02≦c≦0.33、0.01≦d≦0.33、0.0022<e≦0.05、0≦f≦0.02、b+c+d=1であり、M1はZr、Ti、Mg、Ta、Nb及びMoからなる群より選択される少なくとも一種である。
非水電解質二次電池用正極活物質の製造方法は、層状構造を有し、ニッケルを含むリチウム遷移金属複合酸化物粒子と、リチウム化合物と、アルミニウム化合物と、ホウ素化合物とを含む混合物を準備する準備工程と、準備した混合物を熱処理する熱処理工程とを含む。リチウム遷移金属複合酸化物粒子は、一次粒子が凝集して形成される二次粒子を含んでいる。また、アルミニウム化合物には、体積基準の粒径分布において、粒径が0.4μm以上3.0μm以下である粒子の比率が54%より大きいアルミニウム化合物が用いられる。非水電解質二次電池用正極活物質の製造方法は、既述の正極活物質を効率的に製造可能な製造方法である。
LiaNi1−x−yCoxMnyAlvM1 wO2 (2)
式中、1.0≦a≦1.5、0.02≦x≦0.34、0.01≦y≦0.34、0≦v≦0.048、0≦w≦0.02、0.05≦x+y≦0.67であり、M1はZr、Ti、Mg、Ta、Nb及びMoからなる群より選択される少なくとも一種である。ここで、xは0.33以下であってよく、yは0.33以下であってよく、x+yは0.66以下であってよい。
式中、1.0≦a≦1.5、0.33≦p≦0.95、0.02≦q≦0.33、0.01≦r≦0.33、0≦s≦0.02、p+q+r=1であり、M1はAl、Zr、Ti、Mg、Ta、Nb及びMoからなる群より選択される少なくとも一種である。
非水電解質二次電池用正極は、集電体と、集電体上に配置され、前記非水電解質二次電池用正極活物質を含む正極活物質層とを備える。係る正極を備える非水電解質二次電池は、高電圧における充放電サイクル特性に優れる。
非水電解質二次電池は、上記非水電解質二次電池用正極を備える。非水電解質二次電池は、非水電解質二次電池用正極に加えて、非水二次電池用負極、非水電解質、セパレータ等を備えて構成される。非水電解質二次電池における、負極、非水電解質、セパレータ等については例えば、特開2002−075367号公報、特開2011−146390号公報、特開2006−12433号公報等に記載された、非水電解質二次電池用のものを適宜選択して用いることができる。
反応槽に撹拌状態の純水を準備し、硫酸ニッケル、硫酸コバルト、及び硫酸マンガンの各水溶液を、ニッケル、コバルト及びマンガンのモル比がNi:Co:Mn=6:2:2となる流量比で滴下した。滴下終了後、液温を50℃にし、水酸化ナトリウム水溶液を所定量滴下してニッケルコバルトマンガン複合水酸化物の沈殿を得た。得られた沈殿を水洗、濾過、分離し、炭酸リチウム及び酸化ジルコニウム(IV)を、Li:(Ni+Co+Mn):Zr=1.02:1:0.005(モル比)となるように混合して、原料混合物を得た。得られた原料混合物を大気雰囲気下、840℃で12時間焼成し、焼結体を得た。得られた焼結体を粉砕し、乾式篩にかけ、組成式Li1.07Ni0.6Co0.2Mn0.2Zr0.005O2で表される母材となるリチウム遷移金属複合酸化物粒子を得た。得られた母材となるリチウム遷移金属複合酸化物粒子の体積平均粒径は11μmであった。
アルミニウム化合物として水酸化アルミニウムを用いたこと以外は実施例1と同様にして、実施例2の正極活物質E2を得た。なお、水酸化アルミニウムの体積平均粒径は、1.7μmであった。
アルミニウム化合物として、体積平均粒径が40nmである酸化アルミニウムを用いたこと以外は実施例1と同様にして、比較例1の正極活物質C1を得た。
アルミニウム化合物として、体積平均粒径が2.9μmである酸化アルミニウムを用いたこと以外は実施例1と同様にして、比較例2の正極活物質C2を得た。
実施例1で得られた母材となるリチウム遷移金属複合酸化物粒子を比較例3の正極活物質C3とした。
正極活物質にアルミニウムが固溶した量を測定する方法を以下に説明する。なお、この方法はアルミニウムが両性元素であることを利用し、水酸化ナトリウムにより、正極活物質表面に付着しているアルミニウムを含む化合物を溶出させることにより、正極活物質に残ったアルミニウムを固溶したアルミニウムとして算出する方法である。ここで溶出するアルミニウムを含む化合物としては、LiAlO2、Li2AlBO4、Li3Al2BO6等が考えられる。
正極活物質表面に付着するリチウム及びアルミニウムを含む酸化物、リチウム及びホウ素を含む酸化物の確認方法を以下に説明する。この方法は上記のアルミニウム固溶量評価の測定で水酸化ナトリウムを使用していたところを純水に変更することにより、リチウム及びアルミニウムを含む酸化物は溶出せず、リチウム及びホウ素を含む酸化物を溶出させる方法である。ここでリチウム及びホウ素を含む酸化物としては、LiBO2、Li3BO3等が考えられる。
実施例1、2及び比較例1から3の正極活物質をそれぞれ用い、以下の要領で評価用の非水電解質二次電池を作製した。
正極活物質85質量部、アセチレンブラック10質量部、ポリフッ化ビニリデン5質量部をN−メチルピロリドンに分散させて正極スラリーを得た。得られた正極スラリーをアルミニウム箔からなる集電体に塗布し、乾燥後ロールプレス機で圧縮成形し、所定サイズに裁断して正極を得た。
人造黒鉛97.5質量部、カルボキシメチルセルロース1.5質量部、スチレンブタジエンゴム1.0質量部を水に分散させて負極スラリーを得た。得られた負極スラリーを銅箔からなる集電体に塗布し、乾燥後ロールプレス機で圧縮成形し、所定サイズに裁断して負極を得た。
エチルカーボネートとメチルエチルカーボネートを体積比3:7で混合し、混合溶媒を得た。得られた混合溶媒に、ヘキサフルオロリン酸リチウムを、その濃度が1.0mol%となるように溶解させ、非水電解液を得た。
上記正極と負極の集電体に、それぞれリード電極を取り付けたのち120℃で真空乾燥を行った。次いで、正極と負極との間に多孔性ポリエチレンからなるセパレータを配し、袋状のラミネートパックにそれらを収納した。収納後60℃で真空乾燥して各部材に吸着した水分を除去した。真空乾燥後、ラミネートパック内に、上記非水電解液を注入、封止し、評価用電池としてのラミネートタイプの非水電解液二次電池を得た。得られた評価用電池を用い、以下の電池特性の評価を行った。
充電電圧4.25V、充電電流0.2C(1Cは満充電状態から1時間で放電を終了させられる電流値)で定電流定電圧充電を行い、充電容量を測定した。次に、放電電圧2.75V、放電電流0.2Cで定電流放電を行い、放電容量を測定した。比較例3の充放電容量を基準(100%)とした場合の比充電容量をQc(%)、比放電容量をQd(%)と算出した。結果を表1に示す。
得られた評価用電池に微弱電流を流してエージングを行い、正極及び負極に電解質を十分なじませた。評価用電池を45℃の恒温槽に設置し、充電電位4.4V、充電電流2.0C(1Cは、1時間で放電が終了する電流として定義される)での充電と、放電電位2.75V、放電電流2.0Cでの放電を1サイクルとし、充放電を繰り返した。200サイクル目の放電容量を1サイクル目の放電容量で除した値(%)を、200サイクル目の放電容量維持率(QsR(%))とした。結果を表1に示す。放電容量維持率が高いことは、サイクル特性が良いことを意味する。
一次粒子の表層にアルミニウムが分布していることを評価する方法として、エネルギー分散型X線分析(EDX)を用いた元素分析を行った。具体的には、電界放出型走査電子顕微鏡(FE−SEM)(株式会社日立ハイテクノロジーズ、SU8230)を用いて測定を行った。測定条件としては、加速電圧5kV、EC=25μA、分析時間を30sで実施した。測定箇所は、実施例1の二次粒子断面図である図3に示すような位置であり、一次粒子の表層部分を示す黒丸、一次粒子の内部部分を示す白丸での測定を実施した。図4には一次粒子の表層部分におけるアルミニウム固溶量の測定結果を示す。表層部分の測定結果は、1つの粒子で15か所の測定を、3つの二次粒子について測定した値の平均値である。なお、一次粒子の内部部分については1つの粒子で5か所測定を行った。また、アルミニウム固溶量はニッケル、コバルト及びマンガンの総量を100モル%とした場合のモル%で示した。
粒子表面に付着しているリチウム及びアルミニウムを含む酸化物の粒径評価は、エネルギー分散型X線分析(EDX)と電界放出型走査電子顕微鏡(FE−SEM)を組み合わせて測定を行った。FE−SEMにて無作為に撮影した画像を用いて、EDXによりリチウム及びアルミニウムを含む酸化物であることを確認した。確認できたリチウム及びアルミニウムを含む酸化物の粒子について、FE−SEMによる観察で認識される輪郭から、一次粒子の面積を算出し、その面積の円相当径として粒径を測定した。計測するリチウム及びアルミニウムを含む酸化物は100個以上の粒子の粒径を算出し評価した。結果を図5に示す。上述したように、実施例1で得られた正極活物質表面に付着しているリチウム及びアルミニウムを含む酸化物は、体積基準の粒径分布において、粒径が0.4μm以上3.0μm以下である粒子の総体積比率が99%であった。一方、比較例2で得られた正極活物質表面に付着しているリチウム及びアルミニウムを含む酸化物は、体積基準の粒径分布において、粒径が0.4μm以上3.0μm以下である粒子の総体積比率が49%であった。
Claims (13)
- 層状構造を有し、ニッケルを含むリチウム遷移金属複合酸化物粒子と、前記リチウム遷移金属複合酸化物粒子の表面に付着する、リチウム及びアルミニウムを含む酸化物並びにリチウム及びホウ素を含む酸化物とを含み、
前記リチウム遷移金属複合酸化物粒子は、表層にアルミニウムが固溶する一次粒子が凝集して形成される二次粒子を含み、
その組成におけるリチウム以外の金属の総モル数に対する一次粒子の表層に固溶しているアルミニウムのモル数の比率と、リチウム以外の金属の総モル数に対する一次粒子の表層以外の領域に存在するアルミニウムのモル数の比率との差が、0.22モル%を超えて0.6モル%未満である非水電解質二次電池用正極活物質。 - 前記リチウム及びアルミニウムを含む酸化物の前記リチウム遷移金属複合酸化物粒子に対する含有率が、アルミニウム換算で0.1モル%以上0.8モル%以下であり、
前記リチウム及びホウ素を含む酸化物の前記リチウム遷移金属複合酸化物粒子に対する含有率が、ホウ素換算で0.3モル%以上2.0モル%以下である、請求項1に記載の非水電解質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粒子は、その組成におけるリチウム以外の金属の総モル数に対するニッケルのモル数の比が、0.33以上0.95以下である、請求項1又は請求項2に記載の非水電解質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粒子は、コバルトを組成に含み、その組成におけるリチウム以外の金属の総モル数に対するコバルトのモル数の比が、0.02以上0.33以下である、請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の非水電解質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粒子は、マンガンを組成に含み、その組成におけるリチウム以外の金属の総モル数に対するマンガンのモル数の比が、0.01以上0.33以下である、請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の非水電解質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粒子は、下式で表される組成を有する請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池用正極活物質。
LiaNibCocMndAleM1 fO2
(式中、1.0≦a≦1.5、0.33≦b≦0.95、0.02≦c≦0.33、0.01≦d≦0.33、0.0022<e≦0.05、0≦f≦0.02、b+c+d=1であり、M1はZr、Ti、Mg、Ta、Nb及びMoからなる群より選択される少なくとも一種である) - 前記リチウムおよびアルミニウムを含む酸化物は、体積基準の粒径分布において、粒径が0.4μm以上3.0μm以下である粒子の総体積比率が50%より大きい、請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の非水電解質二次電池用正極活物質。
- 層状構造を有し、ニッケルを含むリチウム遷移金属複合酸化物粒子と、リチウム化合物と、アルミニウム化合物と、ホウ素化合物とを含む混合物を準備することと、
準備した混合物を熱処理することと、を含み、
前記リチウム遷移金属複合酸化物粒子は、一次粒子が凝集して形成される二次粒子を含み、
前記アルミニウム化合物は、体積基準の粒径分布において、粒径が0.4μm以上3.0μm以下である粒子の総体積比率が54%より大きい非水電解質二次電池用正極活物質の製造方法。 - 前記熱処理の温度が500℃以上800℃以下である請求項8に記載の製造方法。
- 前記リチウム遷移金属複合酸化物粒子は、その組成におけるリチウム以外の金属の総モル数に対するニッケルのモル数の比が、0.33以上0.95以下である、請求項8又は請求項9に記載の製造方法。
- 前記リチウム遷移金属複合酸化物粒子は、コバルトを組成に含み、その組成におけるリチウム以外の金属の総モル数に対するコバルトのモル数の比が、0.02以上0.33以下である、請求項8から請求項10のいずれか1項に記載の製造方法。
- 前記リチウム遷移金属複合酸化物粒子は、マンガンを組成に含み、その組成におけるリチウム以外の金属の総モル数に対するマンガンのモル数の比が、0.01以上0.33以下である、請求項8から請求項11のいずれか1項に記載の製造方法。
- 前記熱処理後のリチウム遷移金属複合酸化物粒子表面に付着しているリチウムおよびアルミニウムを含む酸化物は、体積基準の粒径分布において、粒径が0.4μm以上3.0μm以下である粒子の総体積比率が50%より大きい、請求項8から請求項12のいずれか1項に記載の製造方法。
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