JP6966703B2 - 非水系電解質二次電池用正極活物質の製造方法 - Google Patents
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Description
上記問題に関連して単一粒子からなるか、又は1つの2次粒子を構成する1次粒子の数を少なくするようにしたリチウム遷移金属酸化物粒子を含む正極活物質及びその製造方法として二次粒子が凝集したリチウム遷移金属複合酸化物を粉砕して二次粒子の粒度を調整し、粒度調整後のリチウム遷移金属複合酸化物を再度熱処理した方法が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
本開示に係る一実施形態は、単一粒子からなるか、又は1つの2次粒子を構成する1次粒子の数を少なくするようにしたリチウム遷移金属酸化物粒子を含む正極活物質を得るための効率的な製造方法を提供することを課題とする。
体積基準による累積粒度分布の90%粒径1D90の10%粒径1D10に対する比1D90/1D10が3以下であり、ニッケルを含む複合酸化物粒子を準備することと、前記複合酸化物粒子及びリチウム化合物を混合して第一混合物を得ることと、前記第一混合物を第一温度と、第一温度よりも高い第二温度とでそれぞれ熱処理して第一熱処理物を得ることと、前記第一熱処理物を分散処理することと、を含む非水系電解質二次電池用正極活物質の製造方法であり、前記正極活物質が、電子顕微鏡観察に基づく平均粒径2DSEMに対する体積基準による累積粒度分布の50%粒径2D50の比2D50/2DSEMが1以上4以下であり、下記式(1)で表される組成を有するリチウム遷移金属複合酸化物粒子を含む、製造方法である。
LipNixCoyM1 zO2+α (1)
式(1)中、p、x、y、z及びαは、1.0≦p≦1.3、0.3≦x<0.6、0≦y≦0.4、0≦z≦0.5、x+y+z=1及び−0.1≦α≦0.1を満たし、M1はMn及びAlの少なくとも一方を示す。
本開示の一実施形態に係る非水系電解質二次電池用正極活物質の製造方法は、体積基準による累積粒度分布の90%粒径1D90の10%粒径1D10に対する比1D90/1D10が3以下であり、ニッケルを含む複合酸化物粒子(以下、「第一複合酸化物粒子」ともいう)を準備することと、前記第一複合酸化物粒子及びリチウム化合物を混合して第一混合物を得ることと、前記第一混合物を第一温度と、第一温度よりも高い第二温度とでそれぞれ熱処理して第一熱処理物を得ることと、前記第一熱処理物を分散処理することとを含む。そして得られる正極活物質が、電子顕微鏡観察に基づく平均粒径2DSEMに対する体積基準による累積粒度分布の50%粒径2D50の比2D50/2DSEMが1以上4以下であり、下記式(1)で表される組成を有するリチウム遷移金属複合酸化物粒子を含む製造方法である。
LipNixCoyM1 zO2+α (1)
式(1)中、p、x、y、z及びαは、1.0≦p≦1.3、0.3≦x<0.6、0≦y≦0.4、0≦z≦0.5、x+y+z=1及び−0.1≦α≦0.1を満たし、M1はMn及びAlの少なくとも一方を示す。
第一混合物における第一複合酸化物粒子を構成する金属元素の総モル数に対するリチウムの総モル数の比は例えば、1以上1.3以下であり、1以上1.25以下がより好ましい。
第一熱処理の熱処理時間と第二熱処理の熱処理時間とは同じであっても、異なっていてもよい。異なる場合、例えば第一熱処理の熱処理時間よりも第二熱処理の熱処理時間を長くすることができる。具体的には例えば、第二熱処理の熱処理時間を第一熱処理の熱処理時間の1.05から2倍とすることができ、1.1から1.5倍であることが好ましい。ここで第一熱処理及び第二熱処理は連続して行ってもよく、それぞれ独立して行ってもよい。第一熱処理及び第二熱処理を連続して行う場合、第一温度から第二温度への昇温速度は例えば、5℃/分とすることができる。
また熱処理は、例えばボックス炉やロータリーキルン炉、プッシャー炉、ローラーハースキルン炉等を用いて行うことができる。
ボールミルによる分散処理の条件としては、所望の2D50/2DSEMが達成できるように原料となる第一複合酸化物粒子の1D90/1D10等に応じて、メディア量、回転もしくは振幅速度、分散時間、メディア比重等を調整すればよい。
以上の製造方法により、単粒子のリチウム遷移金属複合酸化物粒子を含む正極活物質を効率よく製造することができる。
またx:zは、3:1から1:1であることが好ましく、2:1から1:1であることがより好ましい。
非水系電解質二次電池用電極は、集電体と、集電体上に配置され、前記製造方法で製造される非水系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。係る電極を備える非水系電解質二次電池は、高い耐久性と高い出力特性とを達成することができる。
非水系電解質二次電池は、上記非水系電解質二次電池用電極を備える。非水系電解質二次電池は、非水系電解質二次電池用電極に加えて、非水系二次電池用負極、非水系電解質、セパレータ等を備えて構成される。非水系電解液二次電池における、負極、非水系電解質、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(これらは、その開示内容全体が参照により本明細書に組み込まれる)等に記載された、非水系電解質二次電池用のためのものを適宜用いることができる。
1D10及び2D10、1D50及び2D50、並びに1D90及び2D90については、レーザー回折式粒径分布測定装置((株)島津製作所製SALD−3100)を用いて、体積基準の累積粒度分布を測定し、小径側からの累積に対応してそれぞれの粒径を求めた。
電子顕微鏡観察に基づく平均粒径1DSEM及び2DSEMは、走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて、1000〜10000倍で観察した画像において、粒子の輪郭が確認できる粒子を100個選択し、選択された粒子について画像処理ソフトウエア(ImageJ)を用いて球換算径を算出し、得られた球換算径の算術平均値として求めた。
得られたリチウム遷移金属複合酸化物粒子について、CuKα線によりX線回折スペクトル(管電流200mA、管電圧45kV)を測定した。得られたX線回折スペクトルに基づいて、組成モデルをLi1−dNidMeO2(Meは、リチウム遷移金属複合酸化物中のニッケル以外の遷移金属)として、リチウム遷移金属複合酸化物について、Rietan2000ソフトウエアを用いたリートベルト解析により、構造最適化を行った。構造最適化の結果算出されるdの百分率をNiディスオーダー量とした。
(種生成工程)
まず、反応槽内に、水を10kg入れて撹拌しながら、アンモニウムイオン濃度が1.8質量%になるよう調整した。槽内温度を25℃に設定し、窒素ガスを流通させ、反応槽内空間の酸素濃度を10%以下に保持した。この反応槽内の水に、25質量%水酸化ナトリウム水溶液を加えて、槽内の溶液のpH値を13.5以上に調整した。
次に、硫酸ニッケル溶液と硫酸コバルト溶液および硫酸マンガン溶液をモル比で1:1:1の混合水溶液を調製した。
前記混合水溶液を、溶質が4モル分になるまで加え、水酸化ナトリウム溶液で反応溶液中のpH値を12.0以上に制御しながら種生成を行った。
前記種生成工程後、晶析工程終了まで槽内温度を25℃以上に維持した。また溶質1200モルの混合水溶液を用意し、アンモニア水溶液と共に、溶液中のアンモニウムイオン濃度を2000ppm以上に維持しながら、反応槽内に新たに種生成が起こらないよう5時間以上かけて同時に投入した。反応中は水酸化ナトリウム溶液で反応溶液中のpH値を10.5〜12.0を維持するように制御した。反応中に逐次サンプリングを行い、複合水酸化物粒子のD50が約4.5μmとなった所で投入を終了した。
次に生成物を水洗、濾過、乾燥させて複合水酸化物粒子を得た。得られた水酸化物前駆体を大気雰囲気下、300℃で20時間、熱処理を行い、Ni/Co/Mn=0.33/0.33/0.33組成比率を有し、1D10=3.4μm、1D50=4.5μm、1D90=6.0μm、1D90/1D10=1.8である第一複合酸化物粒子を得た。
得られた第一複合酸化物粒子と炭酸リチウムとをLi/(Ni+Co+Mn)=1.15となるように混合し、原料混合物を得た。得られた原料混合物を大気中925℃で7.5時間焼成の後、1030℃で6時間焼成し、焼結体を得た。得られた焼結体を解砕し、ジェットミルを用いて一次粒子が粉砕されない様に供給圧0.2MPa、粉砕圧0.1MPaに調整した分散処理を1回行い、乾式篩にかけて粉状体を得た。
以上により、電子顕微鏡観察に基づく平均粒径2DSEMが2.8μmであり、2D10=2.9μm、2D50=5.0μm、2D90=7.9μm、平均粒径2DSEMに対する2D50の比2D50/2DSEMが1.8であり、粒度分布における比2D90/2D10が2.7であり、Niディスオーダー量が0.6%であり、組成式:Li1.15Ni0.33Co0.33Mn0.33O2で表されるリチウム遷移金属複合酸化物粒子を得た。得られたリチウム遷移金属複合酸化物粒子の物性値を表1に、SEM画像を図1に示す。
実施例1における晶析工程における混合水溶液の投入終了タイミングを、複合水酸化物粒子のD50が約3.0μmとなったときに変更した以外は同じ条件にて行い、Ni/Co/Mn=0.33/0.33/0.33組成比率を有し、1D10=2.2μm、1D50=3.0μm、1D90=4.1μm、1D90/1D10=1.9である第一複合酸化物粒子を得た。得られた第一複合酸化物粒子と炭酸リチウムとをLi/(Ni+Co+Mn)=1.05となるように混合し、原料混合物を得た。得られた原料混合物を大気中925℃で7.5時間焼成の後、1030℃で6時間焼成し、焼結体を得た。得られた焼結体を解砕し、樹脂製ボールミルにて30分間の分散処理を行い乾式篩にかけ粉状体を得た。得られた粉状体と炭酸リチウムをLi/(Ni+Co+Mn)=1.17となるように混合し大気中700℃で10時間焼成し、焼結体を得た。得られた焼結体を解砕し、樹脂製ボールミルにて30分間の分散処理を行い乾式篩にかけ粉状体を得た。
以上により、平均粒径2DSEMが1.2μmであり、2D10=1.4μm、2D50=3.2μm、2D90=5.1μm、平均粒径2DSEMに対する2D50の比2D50/2DSEMが2.7であり、粒度分布における比2D90/2D10が3.6であり、Niディスオーダー量が1.7%であり、組成式:Li1.17Ni0.33Co0.33Mn0.33O2で表されるリチウム遷移金属複合酸化物粒子を得た。得られたリチウム遷移金属複合酸化物粒子の物性値を表1に示す。
実施例2と同じ条件にて第一複合酸化物粒子を得た。得られた第一複合酸化物粒子と炭酸リチウムとをLi/(Ni+Co+Mn)=1.05となるように混合し、原料混合物を得た。得られた原料混合物を大気中925℃で7.5時間焼成の後、1030℃で6時間焼成し、焼結体を得た。得られた焼結体を解砕し、樹脂製ボールミルにて30分間の分散処理を行い乾式篩にかけ粉状体を得た。得られた粉状体と炭酸リチウムをLi/(Ni+Co+Mn)=1.17となるように混合し大気中900℃で10時間焼成し、焼結体を得た。得られた焼結体を解砕し、樹脂製ボールミルにて30分間の分散処理を行い乾式篩にかけ粉状体を得た。
以上により、平均粒径2DSEMが1.2μmであり、2D10=1.5μm、2D50=3.3μm、2D90=5.1μm、平均粒径2DSEMに対する2D50の比2D50/2DSEMが2.8であり、粒度分布における2D90/2D10比が3.4であり、Niディスオーダー量が0.9%であり、組成式:Li1.17Ni0.33Co0.33Mn0.33O2で表されるリチウム遷移金属複合酸化物粒子を得た。得られたリチウム遷移金属複合酸化物粒子の物性値を表1に、SEM画像を図2に示す。
実施例2と同じ条件にて第一複合酸化物粒子を得た。得られた第一複合酸化物粒子と炭酸リチウムとをLi/(Ni+Co+Mn)=1.05となるように混合し、原料混合物を得た。得られた原料混合物を大気中925℃で7.5時間焼成の後、1030℃で6時間焼成し、焼結体を得た。得られた焼結体を解砕し、樹脂製ボールミルにて30分間の分散処理を行い乾式篩にかけ粉状体を得た。得られた粉状体と炭酸リチウムをLi/(Ni+Co+Mn)=1.17となるように混合し大気中900℃で10時間焼成し、焼結体を得た。得られた焼結体を解砕し、ジェットミルを用いて一次粒子が粉砕されない様に供給圧0.4MPa、粉砕圧0.55MPaに調整し分散処理を2回行い乾式篩にかけ粉状体を得た。
以上により、平均粒径2DSEMが1.4μmであり、2D10=1.1μm、2D50=1.9μm、2D90=2.8μm、平均粒径2DSEMに対する2D50の比2D50/2DSEMが1.4であり、粒度分布における2D90/2D10比が2.5であり、Niディスオーダー量が1.0%であり、組成式:Li1.17Ni0.33Co0.33Mn0.33O2で表されるリチウム遷移金属複合酸化物粒子を得た。得られたリチウム遷移金属複合酸化物粒子の物性値を表1に、SEM画像を図3に示す。
実施例1における晶析工程における混合水溶液の投入終了タイミングを、複合水酸化物粒子のD50が9.9μmとなったときに変更した以外は同じ条件にて行い、Ni/Co/Mn=0.33/0.33/0.33組成比率を有し、1D10=8.6μm、1D50=9.9μm、1D90=12.7μm、1D90/1D10=1.5である第一複合酸化物粒子を得た。得られた第一複合酸化物粒子と炭酸リチウムとをLi/(Ni+Co+Mn)=1.05となるように混合し、原料混合物を得た。得られた原料混合物を大気中925℃で7.5時間焼成の後、1080℃で6時間焼成し、焼結体を得た。得られた焼結体を解砕し、樹脂製ボールミルにて10分間の分散処理を行い乾式篩にかけ粉状体を得た。得られた粉状体と炭酸リチウムをLi/(Ni+Co+Mn)=1.14となるように混合し大気中900℃で10時間焼成し、焼結体を得た。得られた焼結体を解砕し、樹脂製ボールミルにて10分間の分散処理を行い乾式篩にかけ粉状体を得た。
以上により、平均粒径2DSEMが6.8μmであり、2D10=7.6μm、2D50=10.4μm、2D90=16.4μm、平均粒径2DSEMに対する2D50の比2D50/2DSEMが1.5であり、粒度分布における2D90/2D10比が2.2であり、Niディスオーダー量が1.1%であり、組成式:Li1.14Ni0.33Co0.33Mn0.33O2で表されるリチウム遷移金属複合酸化物粒子を得た。得られたリチウム遷移金属複合酸化物粒子の物性値を表1に、SEM画像を図4に示す。
実施例2と同じ条件にて第一複合酸化物粒子を得た。得られた第一複合酸化物粒子と炭酸リチウムとをLi/(Ni+Co+Mn)=1.05となるように混合し、原料混合物を得た。得られた原料混合物を大気中925℃で7.5時間焼成の後、1030℃で6時間焼成し、焼結体を得た。得られた焼結体を解砕し、樹脂製ボールミルにて10分間の分散処理を行い乾式篩にかけ粉状体を得た。得られた粉状体と炭酸リチウムをLi/(Ni+Co+Mn)=1.14となるように混合し大気中900℃で10時間焼成し、焼結体を得た。得られた焼結体を解砕し、樹脂製ボールミルにて10分間の分散処理を行い乾式篩にかけ粉状体を得た。
以上により、平均粒径2DSEMが1.25μmであり、2D10=2.7μm、2D50=4.5μm、2D90=6.7μm、一次粒子の平均粒径2DSEMに対する2D50の比2D50/2DSEMが3.6であり、粒度分布における2D90/2D10比が2.5であり、Niディスオーダー量が1.0%であり、組成式:Li1.14Ni0.33Co0.33Mn0.33O2で表されるリチウム遷移金属複合酸化物粒子を得た。得られたリチウム遷移金属複合酸化物粒子の物性値を表1に、SEM画像を図5に示す。
実施例1における晶析工程反応時に、別途上記種生成工程で作製した種スラリーを複数回反応槽に投入を行いながら、混合水溶液の投入終了タイミングを複合水酸化物粒子のD50が5.0μmとなったときに変更した以外は同じ条件にて行い、Ni/Co/Mn=0.33/0.33/0.33組成比率を有し、1D10=2.4μm、1D50=5.0μm、1D90=12.2μm、1D90/1D10=5.1である複合酸化物粒子を得た。得られた複合酸化物粒子と炭酸リチウムとをLi/(Ni+Co+Mn)=1.05となるように混合し、原料混合物を得た。得られた原料混合物を大気中925℃で7.5時間焼成の後、1030℃で6時間焼成し、焼結体を得た。得られた焼結体を解砕し、樹脂製ボールミルにて10分間の分散処理を行い乾式篩にかけ粉状体を得た。得られた粉状体と炭酸リチウムをLi/(Ni+Co+Mn)=1.14となるように混合し大気中900℃で10時間焼成し、焼結体を得た。得られた焼結体を解砕し、樹脂製ボールミルにて10分間の分散処理を行い乾式篩にかけ粉状体を得た。
以上により、平均粒径2DSEMが3.65μmであり、2D10=2.5μm、2D50=7.0μm、2D90=13.5μm、一次粒子の平均粒径に対する2D50の比2D50/2DSEMが1.9であり、粒度分布における2D90/2D10比が5.4であり、Niディスオーダー量は0.9%であり、組成式:Li1.14Ni0.33Co0.33Mn0.33O2で表されるリチウム遷移金属複合酸化物粒子を得た。得られたリチウム遷移金属複合酸化物粒子の物性値を表1に、SEM画像を図6に示す。
実施例2と同じ条件にて第一複合酸化物粒子を得た。得られた第一複合酸化物粒子と炭酸リチウムとをLi/(Ni+Co+Mn)=1.15となるように混合し、原料混合物を得た。得られた原料混合物を大気中950℃で15時間焼成し、焼結体を得た。得られた焼結体を解砕し、樹脂製ボールミルにて10分間の分散処理を行い乾式篩にかけ粉状体を得た。
以上により、平均粒径2DSEMが0.49μmであり、2D10=3.0μm、2D50=4.4μm、2D90=7.6μm、平均粒径2DSEMに対する2D50の比2D50/2DSEMが9.0であり、粒度分布における2D90/2D10比が2.5であり、Niディスオーダー量が0.9%であり、組成式:Li1.15Ni0.33Co0.33Mn0.33O2で表されるリチウム遷移金属複合酸化物粒子を得た。得られたリチウム遷移金属複合酸化物粒子の物性値を表1に、SEM画像を図7に示す。
Claims (6)
- 体積基準による累積粒度分布の90%粒径1D90の10%粒径1D10に対する比1D90/1D10が3以下であり、ニッケルを含む複合酸化物粒子を準備することと、
前記複合酸化物粒子及びリチウム化合物を混合して第一混合物を得ることと、
前記第一混合物を第一温度と、第一温度よりも高い第二温度とでそれぞれ熱処理して第一熱処理物を得ることと、
前記第一熱処理物を分散処理することと、を含む非水系電解質二次電池用正極活物質の製造方法であり、
前記第一温度が850℃以上950℃以下であって、前記第二温度が980℃以上1100℃以下であり、
前記正極活物質が、単粒子であるリチウム遷移金属複合酸化物粒子を含み、
前記リチウム遷移金属複合酸化物粒子は、層状構造を有し、
その組成が、リチウム以外の金属の総モル数に対して、
ニッケルのモル数の比が0.3以上0.6未満であり、
コバルトのモル数の比が0.4以下であり、
マンガン及びアルミニウムの総モル数の比が0.5以下であり、
リチウムのモル数の比が1.0以上1.3以下であり、
酸素原子のモル数の比が1.9以上2.1以下である、製造方法。 - 前記分散処理後の第一熱処理物及びリチウム化合物を混合して第二混合物を得ることと、第二混合物を熱処理して第二熱処理物を得ることと、をさらに含む請求項1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、体積基準による累積粒度分布の90%粒径2D90の10%粒径2D10に対する比2D90/2D10が4以下である請求項1又は2に記載の製造方法。
- 前記複合酸化物粒子は、体積基準による累積粒度分布の50%粒径1D50が1μm以上4μm以下であり、
前記リチウム遷移金属複合酸化物粒子は、体積基準による累積粒度分布の50%粒径2D50が1μm以上3μm以下である請求項1から3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、組成におけるリチウム以外の金属の総モル数に対するリチウムのモル数の比が1.1以上1.2以下である請求項1から4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、体積基準による累積粒度分布の50%粒径2D50の電子顕微鏡観察に基づく平均粒径2DSEMに対する比2D50/2DSEMが1以上4以下である請求項1から5のいずれか1項に記載の製造方法。
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