JP6975788B2 - 正極活物質前駆体およびその製造方法、正極活物質およびその製造方法、および正極活物質を含むリチウム二次電池 - Google Patents
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Description
これに関連して、いわゆるNCMなど、層状構造のニッケル系リチウム金属酸化物に関する研究が活発に行われていることから、ニッケル(Ni)の含有量が増加するほど高容量を発現できるからである。
ただし、ニッケル系リチウム金属酸化物中のニッケルのモル含有量を80%以上に増加させると、その構造が不安定になる問題がある。このような問題を解決するために、ドーピング、コーティング、濃度勾配の形成などの方法が知られている。
[式1]
R1/(R1+D1)*100%
前記式1中、R1は、前記ニッケル系金属水酸化物粒子内のコア部の半径であり、D1は、前記ニッケル系金属水酸化物粒子内のシェル部の厚さである。
具体的には、前記式1の値が75%以上であってもよい。
[化学式1]
Ni1−w1−x1−y1−z1Cow1M1x1M2y1M3z1(OH)2−p1Xp1
前記化学式1において、M1、M2およびM3は、それぞれMn、Al、Mg、Zr、Sn、Ca、Ge、Ga、B、Ti、Mo、Nb、およびWを含む群より選択されたいずれか1つの元素であり、Xは、F、N、およびPを含む群より選択されたいずれか1つの元素であり、w1、x1、y1、z1、およびp1は、それぞれ0<w1≦0.2、0<x1≦0.2、0≦y1≦0.1、0≦z1≦0.1、0<w1+x1+y1+z1≦0.4、0≦p1≦0.1を満足させる値である。
[化学式2]
Ni1−w2−x2−y2−z2Cow2M1x2M2y2M3z2(OH)2−p2Xp2
前記化学式2において、M1、M2およびM3は、それぞれMn、Al、Mg、Zr、Sn、Ca、Ge、Ga、B、Ti、Mo、Nb、およびWを含む群より選択されたいずれか1つの元素であり、Xは、F、N、およびPを含む群より選択されたいずれか1つの元素であり、w2、x2、y2、z2、およびp2は、それぞれ0≦w2≦0.1、0≦x2≦0.1、0≦y2≦0.1、0≦z2≦0.1、0≦w2+x2+y2+z2≦0.2、0≦p2≦0.05を満足させる値である。
[化学式3]
Ni1−w3−x3−y3−z3Cow3M1x3M2y3M3z3(OH)2−p3Xp3
前記化学式3において、M1、M2およびM3は、それぞれMn、Al、Mg、Zr、Sn、Ca、Ge、Ga、B、Ti、Mo、Nb、およびWを含む群より選択されたいずれか1つの元素であり、Xは、F、N、およびPを含む群より選択されたいずれか1つの元素であり、w3、x3、y3、z3、およびp3は、それぞれ0<w3≦0.3、0<x3≦0.3、0≦y3≦0.1、0≦z3≦0.1、0<w3+x3+y3+z3≦0.5、0≦p3≦0.1を満足させる値である。
前記ニッケル系金属水酸化物粒子は、直径が10〜30μmであってもよい。
[式1]
R1/(R1+D1)*100%
前記式1中、R1は、前記ニッケル系金属水酸化物粒子内のコア部の半径であり、D1は、前記ニッケル系金属水酸化物粒子内のシェル部の厚さである。
また、前記第2共沈段階は、前記第1共沈段階で沈殿した粒子をコア部とし、前記コア部の表面からR2の厚さを有し、前記コア部の表面と接する境界から厚さ方向にニッケルのモル含有量が漸進的に減少する領域のシェル部が形成されて、前記コア部および前記シェル部を備えるニッケル系金属水酸化物粒子が得られる。
[式3]
R2/(R2+D2)*100%
前記式3中、R2は、前記ニッケル系リチウム金属酸化物粒子内のコア部の半径であり、D2は、前記ニッケル系リチウム金属酸化物粒子内のシェル部の厚さである。
[化学式4]
Li1+m[Ni1−w4−x4−y4−z4Cow4M1x4M2y4M3z4]1−mO2−p4Xp4
前記化学式4において、M1、M2およびM3は、それぞれMn、Al、Mg、Zr、Sn、Ca、Ge、Ga、B、Ti、Mo、Nb、およびWを含む群より選択されたいずれか1つの元素であり、Xは、F、N、およびPを含む群より選択されたいずれか1つの元素であり、w4、x4、y4、z4、およびp4は、0<w4≦0.2、0<x4≦0.2、0≦y4≦0.2、0≦z4≦0.1、0<w4+x4+y4+z4≦0.4、0≦p4≦0.1を満足させる値であり、mは、−0.05≦m≦0.25を満足させる値である。
[化学式5]
Li1+m[Ni1−w5−x5−y5−z5Cow5M1x5M2y5M3z5]1−mO2−p5Xp5
前記化学式5において、M1、M2およびM3は、それぞれMn、Al、Mg、Zr、Sn、Ca、Ge、Ga、B、Ti、Mo、Nb、およびWを含む群より選択されたいずれか1つの元素であり、Xは、F、N、およびPを含む群より選択されたいずれか1つの元素であり、w5、x5、y5、z5、およびp5は、それぞれ0≦w5≦0.1、0≦x5≦0.1、0≦y5≦0.1、0≦z5≦0.1、0≦w5+x5+y5+z5≦0.2、0≦p5≦0.1を満足させる値であり、mは、−0.05=m≦0.25を満足させる値である。
[化学式6]
Li1+m[Ni1−w6−x6−y6−z6Cow6M1x6M2y6M3z6]1−mO2−p6Xp6
前記化学式6において、M1、M2およびM3は、それぞれMn、Al、Mg、Zr、Sn、Ca、Ge、Ga、B、Ti、Mo、Nb、およびWを含む群より選択されたいずれか1つの元素であり、Xは、F、N、およびPを含む群より選択されたいずれか1つの元素であり、w6、x6、y6、z6、およびp6は、0<w6≦0.3、0<x6≦0.3、0≦y6≦0.1、0≦z6≦0.1、0<w6+x6+y6+z6≦0.5、0≦p6≦0.1を満足させる値であり、mは、−0.05≦m≦0.25を満足させる値である。
より具体的には、前記式2の値が75%以上であってもよい。
[式1]
R1/(R1+D1)*100%
前記式1中、R1は、前記ニッケル系金属水酸化物粒子内のコア部の半径であり、D1は、前記ニッケル系金属水酸化物粒子内のシェル部の厚さである。
具体的には、前記ニッケル系リチウム金属酸化物粒子の外面を囲むコーティング層を形成する段階は、前記ニッケル系リチウム金属酸化物粒子およびコーティング原料物質を混合する段階と、前記ニッケル系リチウム金属酸化物粒子およびコーティング原料物質の混合物を熱処理する段階とを含むことができる。
本発明の一実施形態では、ニッケルのモル含有量が一定の領域のコア部と、コア部の外面を囲み、コア部との境界面から最外郭に至る方向に、ニッケルのモル含有量が漸進的に減少する濃度勾配が存在するシェル部とを備え、下記式1の値が50%以上であるニッケル系金属水酸化物粒子を含む、リチウム二次電池用正極活物質前駆体を提供する:
[式1]
R1/(R1+D1)*100%
式1中、R1は、ニッケル系金属水酸化物粒子内のコア部の半径であり、D1は、ニッケル系金属水酸化物粒子内のシェル部の厚さである。
ニッケル系金属水酸化物粒子は、大粒径活物質およびこれに基づくバイモーダル活物質を実現するために、D50粒径が10〜30μmである大粒径活物質前駆体粒子であってもよい。
ニッケル系金属水酸化物粒子は、その粒子の大きさ、例えば、D50粒径別に、下記化学式1で表される平均組成を有することができる。
Ni1−w1−x1−y1−z1Cow1M1x1M2y1M3z1(OH)2−p1Xp1
化学式1において、M1、M2およびM3は、それぞれMn、Al、Mg、Zr、Sn、Ca、Ge、Ga、B、Ti、Mo、Nb、およびWを含む群より選択されたいずれか1つの元素であり、Xは、F、N、およびPを含む群より選択されたいずれか1つの元素であり、w1、x1、y1、z1、およびp1は、それぞれ0<w1≦0.2、0<x1≦0.2、0≦y1≦0.1、0≦z1≦0.1、0<w1+x1+y1+z1≦0.4、0≦p1≦0.1を満足させる値である。
Ni1−w2−x2−y2−z2Cow2M1x2M2y2M3z2(OH)2−p2Xp2
化学式2において、M1、M2およびM3は、それぞれMn、Al、Mg、Zr、Sn、Ca、Ge、Ga、B、Ti、Mo、Nb、およびWを含む群より選択されたいずれか1つの元素であり、Xは、F、N、およびPを含む群より選択されたいずれか1つの元素であり、w2、x2、y2、z2、およびp2は、それぞれ0≦w2≦0.1、0≦x2≦0.1、0≦y2≦0.1、0≦z2≦0.1、0≦w2+x2+y2+z2≦0.2、0≦p2≦0.05を満足させる値である。
Ni1−w3−x3−y3−z3Cow3M1x3M2y3M3z3(OH)2−p3Xp3
本発明の他の実施形態では、ニッケル原料物質、異種金属原料物質、および水を含み、ニッケル原料物質のモル含有量が互いに異なる第1金属塩水溶液および第2金属塩水溶液をそれぞれ製造する段階と、pHが一定に維持されキレート剤が供給される反応器に第1金属塩水溶液を一定速度で供給して、コア部を形成する第1共沈段階と、第1共沈段階の後、第1金属塩水溶液の供給速度を漸進的に減少させるとともに、第2金属塩水溶液の供給速度を漸進的に増加させて、コア部の外面を囲むシェル部を形成する第2共沈段階と、第2共沈段階において、コア部およびシェル部を備えるニッケル系金属水酸化物粒子を得るが、得られるニッケル系金属水酸化物粒子に対する下記式1の値が50%以上となるように第1共沈段階および第2共沈段階を制御する、リチウム二次電池用正極活物質前駆体の製造方法を提供する:
R1/(R1+D1)*100%
式1中、R1は、ニッケル系金属水酸化物粒子内のコア部の半径であり、D1は、ニッケル系金属水酸化物粒子内のシェル部の厚さである。
第1共沈段階の実行時間および第2共沈段階の実行時間は、式1の値が50%以上、具体的には60%以上、70%以上、例えば、後述する実施例のように75%以上となるように、適切に制御される。
具体的には、第1共沈段階は、10時間以上行われる。これにより、中心からR1の半径を有し、ニッケルのモル含有量が全領域で一定の粒子が沈殿する。
また、第2共沈段階は、第1共沈段階で沈殿した粒子をコア部とし、コア部の表面からD1の厚さを有し、コア部の表面と接する境界から厚さ方向にニッケルのモル含有量が漸進的に減少する領域のシェル部が形成されて、コア部およびシェル部を備えるニッケル系金属水酸化物粒子が得られる。
本発明のさらに他の実施形態では、ニッケルのモル含有量が一定の領域のコア部と、コア部の外面を囲み、コア部との境界面から最外郭に至る方向に、ニッケルのモル含有量が漸進的に減少する濃度勾配が存在するシェル部とを備え、下記式3の値が50%以上であるニッケル系リチウム金属酸化物粒子を含む、リチウム二次電池用正極活物質を提供する:
R2/(R2+D2)*100%
式3中、R2は、ニッケル系リチウム金属酸化物粒子内のコア部の半径であり、D2は、ニッケル系リチウム金属酸化物粒子内のシェル部の厚さである。
ニッケル系リチウム金属酸化物粒子は、10〜30μmの範囲内で、そのD50粒径がガウス分布をなす複数の粒子であってもよい。
具体的には、分級されたD50粒径別の平均組成は、下記化学式4で表されるものであってもよい:
[化学式4]
Li1+m[Ni1−w4−x4−y4−z4Cow4M1x4M2y4M3z4]1−mO2−p4Xp4
[化学式5]
Li1+m[Ni1−w5−x5−y5−z5Cow5M1x5M2y5M3z5]1−mO2−p5Xp5
[化学式6]
Li1+m[Ni1−w6−x6−y6−z6Cow6M1x6M2y6M3z6]1−mO2−p6Xp6
一方、正極活物質は、シェル部の外面を囲み、B、Mg、Zr、Al、Mn、Co、またはこれらの組み合わせである元素、これらの元素の酸化物、非晶質化合物、リチウムイオン伝導性酸化物(例えば、リチウムボレート、リチウムボロシリケート、高分子などを含むコーティング層をさらに含んでもよい。
この場合、コーティング層に含まれている物質によって、ニッケル系リチウム金属酸化物粒子と電解質との直接的な接触およびそれによる副反応が抑制される。
本発明のさらに他の実施形態では、ニッケル原料物質、異種金属原料物質、および水を含み、ニッケル原料物質のモル濃度が互いに異なる第1金属塩水溶液および第2金属塩水溶液をそれぞれ製造する段階と、pHが一定に維持されキレート剤が供給される反応器に第1金属塩水溶液を一定速度で供給して、コア部を形成する第1共沈段階と、第1共沈段階の後、第1金属塩水溶液の供給速度を漸進的に減少させるとともに、第2金属塩水溶液の供給速度を漸進的に増加させて、コア部の外面を囲むシェル部を形成する第2共沈段階とを含み、第2共沈段階において、コア部およびシェル部を備えるニッケル系金属水酸化物粒子を得るが、下記式2の値が12.5%以上となるように第1共沈段階および第2共沈段階を制御し、第2共沈段階の後、ニッケル系金属水酸化物粒子およびリチウム原料物質の混合物を焼成して、ニッケル系リチウム金属酸化物粒子を得る段階とを含む、リチウム二次電池用正極活物質の製造方法を提供する:
第2共沈段階の後、ニッケル系金属水酸化物粒子およびリチウム原料物質の混合物を焼成して、ニッケル系リチウム金属酸化物粒子を得る。
このとき、先に言及したように、混合物にドーピング原料物質を添加することができ、得られるニッケル系リチウム金属酸化物粒子は、ドーパントを含む。
焼成温度は、700〜800℃であってもよく、焼成時間は、12〜20時間であってもよく、これは、一般に知られた焼成温度および時間である。
ニッケル系リチウム金属酸化物粒子を得る段階の後に、ニッケル系リチウム金属酸化物粒子の外面を囲むコーティング層を形成する段階をさらに含んでもよい。
具体的には、ニッケル系リチウム金属酸化物粒子の外面を囲むコーティング層を形成する段階は、ニッケル系リチウム金属酸化物粒子およびコーティング原料物質を混合する段階と、ニッケル系リチウム金属酸化物粒子およびコーティング原料物質の混合物を熱処理する段階とを含むことができる。
本発明のさらに他の実施形態では、前述したリチウム二次電池用正極活物質を含む正極と、負極と、電解質とを含むリチウム二次電池を提供する。
これは、先に説明した正極活物質を含むことによって優れた性能を発現する、リチウム二次電池に相当し、正極活物質についてはすでに詳細に記述したので、より詳細な説明は省略する。
また、正極活物質を除いたリチウム二次電池の構成は、一般に知られた通りである。
1)金属塩溶液の製造;
まず、ニッケル原料物質としてはNiSO4・6H2O、コバルト原料物質としてはCoSO4・7H2O、マンガン原料物質としてはMnSO4・H2Oを用いて、Ni、Co、およびMn濃度が互いに異なる2つの金属塩水溶液を製造した。
コア部形成のための第1金属塩水溶液は、蒸留水内で(Ni0.98Co0.01Mn0.01)(OH)2の化学量論的モル比を満足するように各原料物質を混合するが、全体金属塩のモル濃度が2.5Mとなるように製造した。
これとは独立して、シェル部形成のための第2金属塩水溶液は、蒸留水内で(Ni0.64Co0.23Mn0.13)(OH)2の化学量論的モル比を満足するように各原料物質を混合するが、全体金属塩のモル濃度が2.5Mとなるように製造した。
2つの金属塩水溶液供給タンクが直列に連結された共沈反応器を準備し、それぞれの金属塩水溶液供給タンクに上記第1金属塩水溶液および上記第2金属塩水溶液を装入した。
上記共沈反応器(容量20L、回転モータの出力200W)に蒸留水3リットルを入れた後、窒素ガスを2リットル/分の速度で供給することによって、溶存酸素を除去し、反応器の温度を50℃に維持させながら140rpmで撹拌した。
また、キレート剤として14M濃度のNH4(OH)を0.06リットル/時間で、pH調節剤として8M濃度のNaOH溶液を0.1リットル/時間で、それぞれ反応器に連続的に投入するが、工程の進行中、反応器内pH12に維持されるようにその投入量を適切に制御した。
このようにpHが一定に維持されキレート剤が供給される反応器に、図1にて「Core75%」で表されているように、上記直列連結された2つの金属塩水溶液供給タンクから各金属塩溶液の投入時間および投入量を調節した。
上記一連の共沈工程により得られる沈殿物をろ過し、水で洗浄した後、100℃のオーブン(oven)で24時間乾燥させて、粒子全体での組成が(Ni0.88Co0.095Mn0.025)(OH)2である複数の粒子を実施例1の活物質前駆体として得た。
実施例1で得られた正極活物質前駆体およびリチウム塩のLiOH・H2O(Samchun Chemicals、battery grade)を1:1.05(前駆体:リチウム塩)のモル比で混合し、これをtube furnace(内径50mm、長さ1,000mm)に装入して、酸素を200mL/minで流入させながら焼成した。
このとき、焼成条件は480℃で5h、この後、750℃で16h維持し、昇温速度は5℃/minであった。また、ドーピング素材としてZrO2粉末を混合して上記焼成中のZrが粒子内部に均一に分布するようにし、焼成後、H3BO3を乾式混合後、熱処理してBが粒子表面に均一にコーティングされるようにした。
最終的に、粒子全体での組成がLi1.05(Ni0.88Co0.095Mn0.025)0.996Zr(0.004)O2である粒子表面に、Bが800ppmコーティングされた複数の粒子を実施例2の活物質として得た。
1)金属塩溶液の製造;
コア部形成のための第1金属塩水溶液およびシェル部形成のための第2金属塩水溶液は、それぞれ実施例1と同じものを用いた。
実施例1と同一の共沈反応器に、図1にて「Core<50%」で表されているように、上記直列連結された2つの金属塩水溶液供給タンクから各金属塩溶液の投入時間および投入量を調節した。
具体的には、上記第1金属塩水溶液を0.4リットル/時間で投入しながら、反応器のインペラ速度を140rpmに調節して、沈殿物の直径が約6.5μmになるまで共沈反応を行った。このとき、流量を調節して、溶液の反応器内の平均滞留時間は5時間程度となるようにし、反応が定常状態に到達した後に、上記反応物に対して定常状態持続時間を与えてより密度の高い共沈化合物を得るようにした。
上記一連の共沈工程により得られる沈殿物に対して、実施例1と同一に後処理して、粒子全体での組成が(Ni0.88Co0.095Mn0.025)(OH)2である複数の粒子を比較例1の活物質前駆体として得た。
比較例1の活物質前駆体に対して、実施例2と同一の工程を行って、Li1.05(Ni0.88Co0.095Mn0.025)0.996Zr(0.004)O2である粒子表面に、Bが800ppmコーティングされた複数の粒子を比較例2の活物質として得た。
実施例2および比較例2の各正極活物質1kgを、エタノール(99.9%)2kgによく分散させた後、粒子直径別の重量差によって相対的に軽い低粒径が多量含まれている上澄液を分離させて、D50粒径別に分級した。
表1および2は、実施例2および比較例2の各正極活物質に対するICP測定結果を記したものである。
表2を参照すれば、比較例2の場合、Niの最大組成差(Cmax−Cmin)が3.3%と相対的に高い値を示しており、CoおよびMnの組成差もそれぞれ1.4〜1.0%と比較的に高い値を示すことが分かる。
また、実施例2では、その粒子の直径とは関係なく、ZrとBが均一に存在することが分かる。ただし、ZrとBが初期設計値対比少量減少したのは、分級時、エタノールに一部が溶解したからである。
表3および4は、評価例2で分級される前および後の各正極活物質を適用して電池を製造し、各場合の充放電容量分析結果を記したものである。
このために、評価例2で分級される前および後の各正極活物質に対して、バインダーのPVDF(Polyvinylidene Fluoride)、導電材のデンカブラック(商業名:super p)を94:3:3(活物質:バインダー:導電材)の重量比で混合してこれをアルミニウム集電体にコーティングした後、これを乾燥させ、ロールプレスして電極を製造した。
対極としてはリチウム金属を用い、電解液としてはエチレンカーボネート(EC):ジメチルカーボネート(DMC)の体積比が1:2の混合溶媒に1モルのLiPF6溶液を溶解させたものを用いた。
各電池は、常温(25℃)で0.1Cの一定の電流条件で初期充電(4.25V)および放電(2.5V)を実施し、続いて、0.2Cで充電/放電を行い、このとき、充電容量と放電容量を表3および4に記載した。このとき、充電終止電圧に到達する時、その電圧を維持させ、1/20Cの電流量に到達する時、放電モードに変換した。
このような条件で充放電サイクルを進行させた結果を表3および4に記した。表3および4の結果は、表1および2の結果に関連する。
それに対し、表3によれば、実施例2の粒径が13μm未満の場合、最小210.73mAh/gの放電容量を有し、16μm超過の粒径の場合、最大放電容量が216.89mAh/gで、偏差が小さいことが分かる。
表5および6は、評価例2で分級される前および後の各正極活物質を適用して電池を製造し、各場合の寿命特性分析結果を記したものである。
それぞれの電池は評価例3と同一に作製し、各電池に対して0.3Cの一定の充電速度で30回充放電サイクルを進行させた。常温(25℃)で充放電サイクルを進行させ、その結果を表5および6に記した。
それに対し、表5によれば、実施例2の粒子直径別の初期放電容量の偏差は相対的に少なく、30サイクル後にも93〜96%と非常に良好な容量維持率が確認された。
実施例2、比較例2に対して分級される前(Referenceに表記)および後の各正極活物質に対して、示差走査熱量計(DSC)の熱特性を測定し、その結果を表7、表8、図5Aおよび図5Bに示した。
したがって、DSC測定結果から、実施例2が比較例2に比べて熱安定性が大きく向上することを確認することができる。
実施例2、比較例2について分級される前の正極活物質を用いて充電および放電サイクルの進行に伴う直流内部抵抗(Direct Current、Internal resistance:DC−IR)を測定して、その増加率を図6に示した。DC−IRは、サイクルの進行に伴う高速充電の可能性の指標であって、最近、電気自動車用電池の製造時、正極材の仕様として厳格に管理されている項目である。
したがって、45℃に一定に維持される恒温チャンバで測定し、充電および放電サイクルを進行させるに伴って、4.25V充電を満充電(100%)状態として想定し、放電電流の印加後60秒後の電圧を測定した。
比較例2のように、コア部を形成する共沈工程の維持時間を短く持っていく場合、粒子の大きさ別にニッケルの濃度差が大きく形成される。これにより、比較例2の正極活物質を適用したリチウム二次電池の特性評価においても、DC−IR増加率が30回で約100%と大きく増加したことを確認することができる。
反面、実施例2の場合、充電および放電を30サイクル進行させた後にも、DC−IR値の増加率が約60%水準と、比較例2に比べて著しく減少することを確認することができる。
Claims (12)
- ニッケルのモル含有量が一定の領域のコア部と、
前記コア部の外面を囲み、前記コア部との境界面から最外郭に至る方向に、ニッケルのモル含有量が漸進的に減少する濃度勾配が存在するシェル部とを備え、
下記式3の値が50%以上であるニッケル系リチウム金属酸化物粒子を含み、
前記シェル部の外面を囲み、Bを含むコーティング層を含む、リチウム二次電池用正極活物質:
[式3]
R2/(R2+D2)*100%
前記式3中、R2は、前記ニッケル系リチウム金属酸化物粒子内のコア部の半径であり、D2は、前記ニッケル系リチウム金属酸化物粒子内のシェル部の厚さである。 - 前記ニッケル系リチウム金属酸化物粒子は、D50粒径が10〜30μmの大粒径活物質粒子である、請求項1に記載のリチウム二次電池用正極活物質。
- 前記ニッケル系リチウム金属酸化物粒子は、複数であり、
D50粒径が10μm以上13μm未満の粒子、13μm以上14μm未満の粒子、14μm以上15μm未満の粒子、15μm以上16μm未満の粒子、および16μm以上30μm未満の粒子に分級されるものである、請求項2に記載のリチウム二次電池用正極活物質。 - 前記分級されたD50粒径別の組成が均一である、請求項3に記載のリチウム二次電池用正極活物質。
- 前記分級されたD50粒径別の平均組成は、下記化学式4で表されるものである、請求項4に記載のリチウム二次電池用正極活物質:
[化学式4]
Li1+m[Ni1−w4−x4−y4−z4Cow4M1x4M2y4M3z4]1−mO2−p4Xp4
前記化学式4において、
M1、M2およびM3は、それぞれMn、Al、Mg、Zr、Sn、Ca、Ge、Ga、B、Ti、Mo、Nb、およびWを含む群より選択されたいずれか1つの元素であり、
Xは、F、N、およびPを含む群より選択されたいずれか1つの元素であり、
w4、x4、y4、z4、およびp4は、それぞれ0<w4≦0.2、0<x4≦0.2、0≦y4≦0.2、0≦z4≦0.1、0<w4+x4+y4+z4≦0.4、0≦p4≦0.1を満足させる値であり、
mは、−0.05≦m≦0.25を満足させる値である。 - 前記分級されたD50粒径別のコア部の組成は、全領域で下記化学式5で表されるものである、請求項5に記載のリチウム二次電池用正極活物質:
[化学式5]
Li1+m[Ni1−w5−x5−y5−z5Cow5M1x5M2y5M3z5]1−mO2−p5Xp5
前記化学式5において、
M1、M2およびM3は、それぞれMn、Al、Mg、Zr、Sn、Ca、Ge、Ga、B、Ti、Mo、Nb、およびWを含む群より選択されたいずれか1つの元素であり、 Xは、F、N、およびPを含む群より選択されたいずれか1つの元素であり、
w5、x5、y5、z5、およびp5は、それぞれ0≦w5≦0.1、0≦x5≦0.1、0≦y5≦0.1、0≦z5≦0.1、0≦w5+x5+y5+z5≦0.2、0≦p5≦0.1を満足させる値であり、
mは、−0.05≦m≦0.25を満足させる値である。 - 前記分級されたD50粒径別のシェル部の組成は、前記境界面で前記化学式5で表され、前記最外郭では下記化学式6で表され、前記境界面から前記最外郭に至るまで、ニッケル(Ni)、M1、M2およびM3の各モル含有量が漸進的に変化するものである、請求項6に記載のリチウム二次電池用正極活物質:
[化学式6]
Li1+m[Ni1−w6−x6−y6−z6Cow6M1x6M2y6M3z6]1−mO2−p6Xp6
前記化学式6において、
M1、M2およびM3は、それぞれMn、Al、Mg、Zr、Sn、Ca、Ge、Ga、B、Ti、Mo、Nb、およびWを含む群より選択されたいずれか1つの元素であり、
Xは、F、N、およびPを含む群より選択されたいずれか1つの元素であり、
w6、x6、y6、z6、およびp6は、それぞれ0<w6≦0.3、0<x6≦0.3、0≦y6≦0.1、0≦z6≦0.1、0<w6+x6+y6+z6≦0.5、0≦p6≦0.1を満足させる値であり、
mは、−0.05≦m≦0.25を満足させる値である。 - 前記式3の値が75%以上である、請求項1〜7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。
- ニッケル原料物質、異種金属原料物質、および水を含み、前記ニッケル原料物質のモル濃度が互いに異なる第1金属塩水溶液および第2金属塩水溶液をそれぞれ製造する段階と、
pHが一定に維持される反応器に前記第1金属塩水溶液を一定速度で供給して、コア部を形成する第1共沈段階と、
前記第1共沈段階の後、前記第1金属塩水溶液の供給速度を漸進的に減少させるとともに、前記第2金属塩水溶液の供給速度を漸進的に増加させて、前記コア部の外面を囲むシェル部を形成する第2共沈段階とを含み、
前記第2共沈段階において、前記コア部および前記シェル部を備えるニッケル系金属水酸化物粒子を得るが、
前記得られるニッケル系金属水酸化物粒子に対する下記式1の値が50%以上となるように前記第1共沈段階および前記第2共沈段階を制御し、
前記第2共沈段階の後、前記ニッケル系金属水酸化物粒子およびリチウム原料物質の混合物を焼成して、ニッケル系リチウム金属酸化物粒子を得る段階を含み、
前記ニッケル系リチウム金属酸化物粒子の外面を囲むコーティング層を形成する段階を含み、
前記コーティング層は、Bを含む、リチウム二次電池用正極活物質の製造方法:
[式1]
R1/(R1+D1)*100%
前記式1中、R1は、前記ニッケル系金属水酸化物粒子内のコア部の半径であり、D1は、前記ニッケル系金属水酸化物粒子内のシェル部の厚さである。 - 前記異種金属原料物質は、Co原料物質、Mn原料物質、Al原料物質、Mg原料物質、Zr原料物質、Sn原料物質、Ca原料物質、Ge原料物質、Ga原料物質、B原料物質、Ti原料物質、Mo原料物質、Nb原料物質、およびW原料物質のうちの1種、またはこれらのうちの2種以上の混合物である、請求項9に記載のリチウム二次電池用正極活物質の製造方法。
- 前記ニッケル系リチウム金属酸化物粒子の外面を囲むコーティング層を形成する段階は、
前記ニッケル系リチウム金属酸化物粒子およびコーティング原料物質を混合する段階と、
前記ニッケル系リチウム金属酸化物粒子およびコーティング原料物質の混合物を熱処理する段階とを含むものである、請求項9または10に記載のリチウム二次電池用正極活物質の製造方法。 - 正極と、負極と、電解質とを含み、前記正極は、請求項1〜8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むものである、リチウム二次電池。
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