JP6986211B2 - リチウムイオン二次電池用正極活物質、及びその製造方法、並びにリチウムイオン二次電池 - Google Patents
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Description
(ただし、前記式(1)中、Mは、Mg、Al、Zr、Mo、Nbからなる群より選択される少なくとも1種の元素であり、a、b、c、d、e、f及びαは、−0.1≦a≦0.2、0.7<b≦0.9、0≦c<0.3、0≦d<0.3、0<e≦0.25、0≦f<0.3、b+c+d+e+f=1、及び、−0.2≦α≦0.2、を満たす数である。)で表され、かつX線光電子分光分析に基づくTi3+とTi4+の原子比Ti3+/Ti4+が1.5以上、20以下であるリチウムイオン二次電池用正極材料が記載されている。
Li1+aNibCocMdXeO2+α ・・・(1)
[但し、組成式(1)において、Mは、Al及びMnから選ばれる少なくとも1種を表し、XはTi、Ga、Mg、Zr、Znからなる群から選択される1種以上の金属元素を表し、a、b、c、d、e及びαは、それぞれ、−0.04≦a≦0.08、0.80≦b<1.0、0≦c<0.2、0≦d<0.2、0<e<0.08、b+c+d+e=1、及び、−0.2<α<0.2を満たす数である。]で表されるリチウム遷移金属複合酸化物を含むリチウムイオン二次電池用正極活物質であって、
前記正極活物質は一次粒子が複数個凝集して構成される二次粒子を含み、
前記二次粒子の内部にある一次粒子において、当該一次粒子同士の界面から深さ1nmにおける(X/(Ni+Co+M+X))で表されるXの原子濃度(at%)D1と、
前記一次粒子の中央部(但し、前記一次粒子の中央部とは、前記一次粒子の平均粒子径をrとしたとき、一次粒子の所定方向の直径がr±10%の範囲である一次粒子を選択し、当該一次粒子の表面から中央に向かって0.2r以上の深さである)における(X/(Ni+Co+M+X))で表されるXの原子濃度(at%)D2とが、D1>D2であり、前記D1は前記D2の1.5倍以上であり、D1>(100×e)>D2>(100×e/4)であるリチウムイオン二次電池用正極活物質である。
Li1+aNibCocMdXeO2+α ・・・(1)
[但し、組成式(1)において、Mは、Al及びMnから選ばれる少なくとも1種を表し、XはTi、Ga、Mg、Zr、Znからなる群から選択される1種以上の金属元素を表し、a、b、c、d、e及びαは、それぞれ、−0.04≦a≦0.08、0.80≦b<1.0、0≦c<0.2、0≦d<0.2、0<e<0.08、b+c+d+e=1、及び、−0.2<α<0.2を満たす数である。]で表されるリチウム遷移金属複合酸化物を含むリチウムイオン二次電池用正極活物質の製造方法であって、
前記組成式(1)中のLi、Ni、Co、M、Xの金属元素を含む化合物と、分散剤とを混合する混合工程と、前記混合工程を経て得られたスラリーから造粒体を得る造粒工程と、前記造粒体を焼成して組成式(1)で表されるリチウム遷移金属複合酸化物を得る焼成工程と、を有し、
前記リチウム遷移金属複合酸化物を含むリチウムイオン二次電池用正極活物質は、一次粒子が複数個凝集して構成される二次粒子を含み、前記二次粒子の内部にある一次粒子において、当該一次粒子同士の界面から深さ1nmにおける(X/(Ni+Co+M+X))で表されるXの原子濃度(at%)D1と、前記一次粒子の中央部(但し、前記一次粒子の中央部とは、前記一次粒子の平均粒子径をrとしたとき、一次粒子の所定方向の直径がr±10%の範囲である一次粒子を選択し、当該一次粒子の表面から中央に向かって0.2r以上の深さである)における(X/(Ni+Co+M+X))で表されるXの原子濃度(at%)D2とが、D1>D2であり、
レーザ回析法を用いた平均粒径において、前記スラリーに含まれる前記化合物の平均粒径を0.1μm以上0.3μm以下とし、前記造粒体の二次粒子の平均粒径を5μm以上20μm以下とし、前記焼成工程は、前記造粒体を200℃以上500℃以下の熱処理温度で0.5時間以上5時間以下に亘って熱処理して第1前駆体を得る第1熱処理工程と、前記第1前駆体を650℃以上750℃未満の熱処理温度で4時間以上15時間以下に亘って酸化性雰囲気下で熱処理して第2前駆体を得る第2熱処理工程と、前記第2前駆体を780℃以上880℃以下の熱処理温度で0.5時間以上15時間以下に亘って前記第2熱処理工程の雰囲気よりもCO2濃度が低い酸化性雰囲気下で熱処理して第3前駆体を得る第3熱処理工程となしたリチウムイオン二次電池用正極活物質の製造方法である。
本実施形態に係る正極活物質は、層状構造を呈するα−NaFeO2型の結晶構造を有し、リチウムと遷移金属とを含んで組成されるリチウム遷移金属複合酸化物を含む。この正極活物質は、リチウム遷移金属複合酸化物の一次粒子や一次粒子が複数個凝集して構成された二次粒子を主成分としている。また、リチウム遷移金属複合酸化物は、リチウムイオンの挿入及び脱離が可能な層状構造を主相として有する。
Li1+aNibCocMdXeO2+α ・・・(1)
[但し、組成式(1)において、Mは、Al及びMnから選ばれる少なくとも1種を表し、XはLi、Ni、Co、Al及びMn以外の1種以上の金属元素を表し、a、b、c、d、e及びαは、それぞれ、−0.04≦a≦0.08、0.80≦b<1.0、0≦c<0.2、0≦d<0.2、0<e<0.08、b+c+d+e=1、及び、−0.2<α<0.2を満たす数である。]で表される。
ここで、組成式(1)で表される化学組成の意義について説明する。
とりうるTiなどの場合、一次粒子表面に相対的に2価のニッケルの割合が増加してカチオンミキシングがおこりやすくなる。これに対し、eが前記の数値範囲であれば、高い放電容量、良好なレート特性や充放電サイクル特性を示すリチウム遷移金属複合酸化物が得られる。
Xの係数eは、0.01以上0.05以下であることが好ましく、0.01以上0.03以下であることがより好ましい。eが0.01以上であると、一次粒子表面のNiの比率が低くなり、一次粒子の表面近傍の結晶構造変化が低減される。一方、eが0.05以下であると、ニッケル等の他の遷移金属の割合を十分保つことができ、高い放電容量を得ることができる。そのため、より欠陥が少ない層状構造が形成されて、高い放電容量、良好なレート特性や充放電サイクル特性を得ることができる。
正極活物質の一次粒子の平均粒径は、0.05μm以上かつ2μm以下であることが好ましい。正極活物質の一次粒子の平均粒径を2μm以下とすることで、正極活物質の反応場を確保でき、高い放電容量と良好なレート特性が得られる。より好ましくは1.5μm以下、さらに好ましくは1.0μm以下である。また、正極活物質の二次粒子の平均粒径は、例えば、3μm以上かつ50μm以下であることが好ましい。
本発明の実施形態の正極活物質は、リチウム遷移金属複合酸化物の複数の一次粒子が凝集した二次粒子を含み、二次粒子の内部は、複数の一次粒子同士が界面を介して隣接し合って構成されている。但し、全ての一次粒子同士が界面を形成しているものではなく、多くの一次粒子同士が界面を形成していることでよい。この二次粒子内部の一次粒子において、その界面(一次粒子の表面と言ってもよい)から深さ1nmにおけるX元素の原子濃度D1(at%)と、一次粒子の中央部におけるX元素の原子濃度D2(at%)について、D1>D2としたものである。ここで、X元素の原子濃度D1、D2は(X/(Ni+Co+M+X))で表されEDX等で確認することができる。また、この表面が濃化された一次粒子は、二次粒子の表面に位置する一次粒子を除いた一次粒子であることが肝要であり、内部の一次粒子の個数のうち少なくとも50%以上、好ましくは70%以上、より好ましくは100%が表面濃化した一次粒子であることが良い。
一方、X元素が濃化した層が10nmを超えると、X元素の濃化層が抵抗成分となってLiの挿入脱離を阻害してレート特性が低下する。また、X元素の濃化層が二次粒子表面だけにある場合は、二次粒子内部に浸透した電解液が接触すると、一次粒子界面から結晶構造の劣化が始まり、充放電サイクル特性が低下する要因となる。一次粒子の中央部と比較してX元素の濃度が高い状態が、一次粒子の表面からの深さが10nm以内であれば、結晶構造の劣化を抑止することができ、高い放電容量、良好なレート特性及び充放電サイクル特性を得ることができる。繰り返すが、X元素の濃化層の深さは5nm未満にあり、3nm以下が好ましく、より好ましくは1nm以下である。なお、本発明では、一次粒子の表層にX元素が濃化した層が存在することを示す指標として、一次粒子の表面からの深さ1nmにおけるX元素の濃度D1を用いる。また、一次粒子の中央部とは、一次粒子の平均粒子径をrとしたとき、一次粒子の所定方向の直径がr±10%の範囲である一次粒子を選択し、一次粒子の表面から一次粒子の中央部に向かって0.2r以上の深さである範囲とする。
また、少なくともNi,Co,は、それぞれ一次粒子の表面近傍と一次粒子の中央部における濃度差が、X元素の濃度差と比較して小さいことが好ましい。一次粒子の表面近傍と一次粒子の中央部における少なくともNi、Coの濃度差がそれぞれX元素と比較して小さければ、Liの挿入脱離に伴う結晶構造の膨張収縮に表面近傍と中央部で大きな差が生じることがない。よって、良好な充放電サイクル特性が得られる。なお、M元素については、Li、Ni、Coと同時に混合、粉砕せず、後添加することでX元素と同様に、一次粒子の表面近傍にM元素が十分濃化された状態となり、相対的に一次粒子の表面近傍のNi比率が低下する。そのため、前記表面近傍の結晶構造がより安定になり、良好な充放電サイクル特性を得ることができるので、一次粒子の表面近傍に濃化されていても良い。
本実施形態に係る正極活物質は、リチウム遷移金属複合酸化物が組成式(1)で表される化学組成となるような原料比の下、適切な焼成条件によって、リチウムと、ニッケル、コバルト等との合成反応を確実に進行させることにより製造できる。本発明の実施形態に係る正極活物質の製造方法としては、以下に説明する固相法を用いるものである。
図1に示すように、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池用正極活物質の製造方法は、混合工程S10と、造粒工程S20と、焼成工程S30と、をこの順に含む。なお、これらの工程以外の工程が加わっても良い。例えば、焼成工程S30で得られた正極活物質に炭酸リチウムが多く残留している場合は、図2に示す正極111を作製するための合剤塗工工程において、スラリー状の電極合剤がゲル化するため、焼成工程S30に引き続き、水洗工程及び乾燥工程を追加して、残留している炭酸リチウムを低減させることができる。なお、水洗および乾燥工程を追加する場合は、水洗および乾燥工程後に得られた正極活物質において、組成式(1)を満たすものとする。焼成工程で終了する場合は、焼成工程後に得られた正極活物質において、組成式(1)を満たすものとする。なぜならaに関しては、電池に使用する状態における正極活物質での値が重要であるからである。また、正極活物質が電池に組み込まれ充放電された後でも本発明の特徴は保持されているが、Li量についてはLiが抜けてaの値は−0.99〜0程度まで変化していると考えられる。
本実施形態において、X元素を一次粒子の表面近傍で濃化させるには、原料を溶媒に溶解・析出させる共沈法ではなく、原料を粉砕混合する固相法を用い、原料を混合する工程でその他の原料と同時にX元素の原料も粉砕し、平均粒径0.3μm以下、好ましくは0.1μm以上0.3μm以下の均一で微細な粉末となして混合することが重要である。さらに、原料を均一に分散させることが重要となる。例えば、湿式混合においては分散剤を用いてスラリー中の原料の分散性を向上させることが良い。原料の分散性が向上すると、X元素の濃化層の厚さにムラがなくなるので好ましい。分散剤は、ポリカルボン酸系、ウレタン系、アクリル樹脂系を用いることができ、アクリル樹脂系が好ましい。分散剤の添加量はスラリーの粘度を調整するため任意に加えることができる。
本実施形態では、上述の通り原料の平均粒径を0.3μm以下、好ましくは0.1μm以上0.3μm以下の均一で微細な粉末とし、さらに均一分散を実施している。このため、正極活物質の一次粒子である数百nm〜数μmレベルよりも原料が微細に粉砕されていることになる。よって、この原料から個々の一次粒子が均一に結晶核生成し、結晶成長することができる。この結晶核生成と、結晶成長反応の過程では、比較的低温でLiとNiが反応し層状構造を呈するα−NaFeO2型の結晶構造を一次粒子として形成し始める。そして、その後にX元素がLiと反応して一次粒子の濃化層を形成することになる。このときのX元素の分散性が重要であり、分散剤を用いることにより、微細、且つ均一に分散することができ、濃化層を一次粒子表面から深さ数nmレベルの非常に薄くて均一な厚さに実現できる。
水洗工程では、リチウム遷移金属複合酸化物を水中に浸漬させる場合、浸漬する水に対するリチウム遷移金属複合酸化物の固形分比を、33質量%以上、且つ、77質量%以下とすることが好ましい。固形分比が33質量%以上であれば、リチウム遷移金属複合酸化物から水に溶出するリチウムの量が少なく抑えられる。そのため、高い放電容量、良好なレートを示す正極活物質を得ることができる。また、固形分比が77質量%以下であれば、粉体の水洗を均一に行えるので、不純物を確実に除去することができる。
リチウム遷移金属複合酸化物を水洗する時間は、20分以下が好ましく、10分以下がより好ましい。水洗する時間が20分以下であれば、リチウム遷移金属複合酸化物から水に溶出するリチウムの量が少なく抑えられる。そのため、高い放電容量、良好なレートを示す正極活物質を得ることができる。
乾燥工程における雰囲気は、二酸化炭素を含まない不活性ガス雰囲気、又は、高真空度の減圧雰囲気とする。このような雰囲気であれば、雰囲気中の二酸化炭素や水分との反応により、炭酸リチウムや水酸化リチウムが混入した状態になるのが防止される。
乾燥工程における乾燥温度は、300℃以下が好ましく、80℃以上、且つ、300℃以下がより好ましい。乾燥温度が300℃以下であれば、副反応を抑制して乾燥させることができるため、正極活物質の性能が悪化するのを避けることができる。また、乾燥温度が80℃以上であれば、水分を短時間で十分に除去することができる。乾燥後のリチウム遷移金属複合酸化物の水分率は、500ppm以下であることが好ましく、300ppm以下であることがより好ましく、250ppm以下であることがさらに好ましい。乾燥後のリチウム遷移金属複合酸化物の水分率は、カールフィッシャー法により測定することができる。
第1乾燥工程において、乾燥温度が80℃以上であれば、短時間に大量の水分を除去することができる。また、乾燥温度が100℃以下であれば、高温で生じ易いリチウム遷移金属複合酸化物の粉体表面の変質を抑制することができる。
第1乾燥工程における乾燥時間は、10時間以上、且つ、20時間以下とすることが好ましい。乾燥時間がこの範囲であると、リチウム遷移金属複合酸化物の粉体表面の変質が抑制される比較的低い乾燥温度であっても、リチウム遷移金属複合酸化物の粒子表面に存在する大部分の水分を除去することができる。
第2乾燥工程において、乾燥温度が190℃以上であれば、リチウム遷移金属複合酸化物の粒子表層付近に浸透している水分を十分に除去することができる。また、乾燥温度が300℃以下であれば、正極活物質の性能を悪化させる副反応を抑制して乾燥させることができる。
第2乾燥工程における乾燥時間は、10時間以上、且つ、20時間以下とすることが好ましい。乾燥時間がこの範囲であると、正極活物質の性能を悪化させる副反応を抑制して、リチウム遷移金属複合酸化物を十分に低い水分率まで乾燥させることができる。
次に、前記のリチウム遷移金属複合酸化物を含む正極活物質(リチウムイオン二次電池用正極活物質)を正極に用いたリチウムイオン二次電池について説明する。
図2に示すように、リチウムイオン二次電池100は、非水電解液を収容する有底円筒状の電池缶101と、電池缶101の内部に収容された捲回電極群110と、電池缶101の上部の開口を封止する円板状の電池蓋102と、を備えている。
はじめに、原料として、炭酸リチウム、水酸化ニッケル、炭酸コバルト、炭酸マンガン、酸化チタンを用意し、各原料を金属元素のモル比でLi:Ni:Co:Mn:Tiが、1.03:0.80:0.15:0.04:0.01となるように秤量し、固形分比が40質量%となるように純水を加えた。そして、粉砕機で湿式粉砕(湿式混合)して平均粒径が0.2μm未満となるよう原料スラリーを調製した。(混合工程S10)。
原料として炭酸マンガンの代わりに酸化アルミニウムを追加し、原料のモル比をLi:Ni:Co:Al:Ti=1.03:0.80:0.15:0.04:0.01のモル比となるように秤量した以外は、実施例1と同様にして正極活物質を得た。
原料のモル比をLi:Ni:Co:Mn:Ti=1.04:0.80:0.05:0.14:0.01のモル比となるように秤量し、本焼成温度を860℃とした以外は、実施例1と同様にして正極活物質を得た。
原料のモル比をLi:Ni:Co:Mn:Ti=0.97:0.80:0.05:0.14:0.01のモル比となるように秤量し、本焼成温度を860℃とした以外は、実施例1と同様にして正極活物質を得た。
原料のモル比をLi:Ni:Co:Mn:Ti=1.03:0.90:0.03:0.05:0.02のモル比となるように秤量し、本焼成温度を840℃とした以外は、実施例1と同様にして正極活物質を得た。
原料として炭酸マンガンの代わりに酸化アルミニウムを追加し、原料のモル比をLi:Ni:Co:Al:Ti=1.03:0.90:0.03:0.05:0.02のモル比となるように秤量し、本焼成温度を840℃とした以外は、実施例1と同様にして正極活物質を得た。
原料として炭酸コバルトを用いず、原料のモル比をLi:Ni:Mn:Ti=1.03:0.90:0.08:0.02のモル比となるように秤量し、本焼成温度を840℃とした以外は、実施例1と同様にして正極活物質を得た。
原料のモル比をLi:Ni:Co:Mn:Ti=1.03:0.94:0.02:0.01:0.03のモル比となるように秤量し、本焼成温度を830℃とした以外は、実施例1と同様にして正極活物質を得た。
原料として酸化チタンの代わりに酸化ガリウムを追加し、原料のモル比をLi:Ni:Co:Mn:Ga=1.03:0.90:0.03:0.05:0.02のモル比となるように秤量し、本焼成温度を840℃とした以外は、実施例1と同様にして正極活物質を得た。
原料として酸化チタンの代わりに酸化マグネシウムを追加し、原料のモル比をLi:Ni:Co:Mn:Mg=1.03:0.90:0.03:0.05:0.02のモル比となるように秤量し、本焼成温度を840℃とした以外は、実施例1と同様にして正極活物質を得た。
原料として酸化チタンの代わりに酸化ジルコニウムを追加し、原料のモル比をLi:Ni:Co:Mn:Zr=1.03:0.90:0.03:0.05:0.02のモル比となるように秤量し、本焼成温度を840℃とした以外は、実施例1と同様にして正極活物質を得た。
原料として酸化チタンの代わりに酸化亜鉛を追加し、原料のモル比をLi:Ni:Co:Mn:Zn=1.03:0.90:0.03:0.05:0.02のモル比となるように秤量し、本焼成温度を840℃とした以外は、実施例1と同様にして正極活物質を得た。
原料のモル比をLi:Ni:Co:Mn:Ti=1.03:0.90:0.03:0.02:0.05のモル比となるように秤量し、本焼成温度を830℃とした以外は、実施例1と同様にして正極活物質を得た。
原料として酸化アルミニウムを追加し、原料のモル比をLi:Ni:Co:Mn:Al:Ti=1.03:0.90:0.03:0.03:0.02:0.02に変更し、本焼成の温度を840℃に変更した以外は、実施例1と同様にして正極活物質を得た。
本焼成の時間を4時間に変更した以外は、実施例5と同様にして正極活物質を得た。
比較例1では、Ti量を多くし、また本焼成温度を低くした。Li:Ni:Co:Mn:Ti=1.03:0.80:0.10:0.02:0.08のモル比となるように秤量し、本焼成温度を780℃に変更した以外は、実施例1と同様にして正極活物質を得た。
比較例2では、原料として酸化チタンを除きTiを省いた。Li:Ni:Co:Mn=1.03:0.90:0.03:0.07のモル比となるように秤量し、本焼成温度を840℃に変更した以外は、実施例1と同様にして正極活物質を得た。
比較例3では、固相反応ではなく共沈法で前駆体を作製した。はじめに原料として硫酸ニッケル、硫酸コバルト、硫酸アルミニウム、硫酸チタンを用い、Ni:Co:Al:Ti=0.90:0.03:0.05:0.02のモル比となるよう秤量し、純水に溶解させて混合溶液を調整した。この硫酸塩混合溶液の一部を50℃に加熱し、撹拌しながら、錯化剤としてアンモニア水をpH=7.0となるまで滴下した。さらに、硫酸塩混合溶液および炭酸ナトリウム水溶液を滴下してNi、Co、Al、Tiの複合炭酸塩を共沈させた。この際pH=7.0が維持されるようにアンモニア水を滴下した。沈殿した複合炭酸塩を吸引濾過し、水洗して、120℃で乾燥させた。次に、原料として炭酸リチウムを用い、Li:Ni:Co:Al:Ti=1.03:0.90:0.03:0.05:0.02のモル比となるように秤量し、ボールミルで混合した。この後、連続搬送炉で、大気雰囲気下、400℃で2時間にわたって熱処理した。第2熱処理工程以降は実施例1と同様に正極活物質を作製した。
合成した正極活物質の化学組成を、ICP−AES発光分光分析装置「OPTIMA8300」(パーキンエルマー社製)を使用して、高周波誘導結合プラズマ発光分光分析によって分析した。また、正極活物質の酸素量(組成式(1)におけるα)を不活性ガス融解−赤外線吸収法によって分析した。その結果、実施例1〜15に係る正極活物質、比較例1〜3に係る正極活物質は、いずれも、リチウムのみが仕込みと異なる、表1に示すとおりの化学組成であった。また、正極活物質の比表面積を、自動比表面積測定装置「BELCAT」(日本ベル社製)を使用してBET法により求めた。その結果を表1に示す。
合成した正極活物質の元素Xの濃度分布は次の手順で測定した。はじめに、作製した正極活物質の粉末を集束イオン/電子ビーム加工観察装置「nano DUET NB5000」(日立ハイテクノロジーズ製)を使用して加速電圧:30kV(サンプリング)、10kV(仕上げ)の条件でFIB加工して薄片化した。次に、走査透過型電子顕微鏡「JEM−ARM200F」(日本電子製)を使用してSTEM観察して、二次粒子内部の一次粒子界面を特定した。そして、エネルギーフィルター「GIF−Quantum」(Gatan製)を使用して一次粒子の界面近傍から一次粒子の中央部方向へ深さ50nmまでEELSスペクトルを測定してXを含む各元素の濃度分布を求めた。さらに、エネルギー分散型X線分析装置「JED−2300T」(日本電子製)を用いて、二次粒子内部の一次粒子界面におけるXの濃度D0、界面から深さ1nmにおけるXの濃度D1と、一次粒子中央部のXの濃度D2を測定した。測定箇所は3ヶ所とし、平均値を用いた。その結果、実施例1〜15に係る正極活物質、比較例1〜4に係る正極活物質は、いずれも、表1に示すD1、D2、D0を有することが確認された。
合成した正極活物質の結晶構造を、粉末X線回折装置「RINT−UltimaIII」(リガク社製)を使用して次の条件で測定した。はじめに、作製した正極活物質の粉末をガラス試料板の枠内に充填し、粉末の表面をガラス板で平滑化した。そして、線源:CuKα、管電圧:48kV、管電流:28mA、走査範囲:15°≦2θ≦80°、走査速度:1.0°/min、サンプリング間隔:0.02°/step、発散スリット(開き角):0.5°、散乱スリット(開き角):0.5°、受光スリット(開き幅):0.15mmの条件でX線回折スペクトル(プロファイル)を測定した。実施例1〜15に係る正極活物質と、比較例1〜3に係る正極活物質は、その結果、いずれも六方晶に帰属していることが確認された。
合成した正極活物質を正極の材料として用いてリチウムイオン二次電池を作製し、リチウムイオン二次電池の放電容量、充電レート特性、容量維持率を求めた。はじめに、作製した正極活物質と、炭素系の導電材と、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)に予め溶解させた結着剤とを質量比で94:4.5:1.5となるように混合した。そして、均一に混合した正極合剤スラリーを、厚さ20μmのアルミニウム箔の正極集電体上に、塗布量が10mg/cm2となるように塗布した。次いで、正極集電体に塗布された正極合剤スラリーを120℃で熱処理し、溶媒を留去することによって正極合剤層を形成した。その後、正極合剤層を熱プレスで加圧成形し、直径15mmの円形状に打ち抜いて正極とした。
101 電池缶
102 電池蓋
103 正極リード片
104 負極リード片
105 絶縁板
106 シール材
110 捲回電極群
111 正極
111a 正極集電体
111b 正極合剤層
112 負極
112a 負極集電体
112b 負極合剤層
113 セパレータ
Claims (6)
- 下記組成式(1);
Li1+aNibCocMdXeO2+α ・・・(1)
[但し、組成式(1)において、Mは、Al及びMnから選ばれる少なくとも1種を表し、XはTi、Ga、Mg、Zr、Znからなる群から選択される1種以上の金属元素を表し、a、b、c、d、e及びαは、それぞれ、−0.04≦a≦0.08、0.80≦b<1.0、0≦c<0.2、0≦d<0.2、0<e<0.08、b+c+d+e=1、及び、−0.2<α<0.2を満たす数である。]で表されるリチウム遷移金属複合酸化物を含むリチウムイオン二次電池用正極活物質であって、
前記正極活物質は一次粒子が複数個凝集して構成される二次粒子を含み、
前記二次粒子の内部にある一次粒子において、
当該一次粒子同士の界面から深さ1nmにおける(X/(Ni+Co+M+X))で表されるXの原子濃度(at%)D1と、
前記一次粒子の中央部(但し、前記一次粒子の中央部とは、前記一次粒子の平均粒子径をrとしたとき、一次粒子の所定方向の直径がr±10%の範囲である一次粒子を選択し、当該一次粒子の表面から中央に向かって0.2r以上の深さである)における(X/(Ni+Co+M+X))で表されるXの原子濃度(at%)D2とが、
D1>D2であり、前記D1は前記D2の1.5倍以上であり、
D1>(100×e)>D2>(100×e/4)であることを特徴とするリチウムイオン二次電池用正極活物質。 - 前記Coの係数cが、0≦c≦0.06である請求項1に記載のリチウムイオン二次電池用正極活物質。
- 前記二次粒子の内部で隣接する一次粒子同士の界面におけるXの原子濃度をD0としたとき、D0>D1>D2の関係にあることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のリチウムイオン二次電池用正極活物質。
- 前記一次粒子において、Ni、Coのそれぞれについて、前記界面から深さ1nmと、前記一次粒子の中央部とにおける原子濃度(at%)差が、前記Xの原子濃度(at%)D1と前記原子濃度(at%)D2との濃度差よりも小さいものである請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載のリチウムイオン二次電池用正極活物質。
- 請求項1〜請求項4のいずれか一項に記載のリチウムイオン二次電池用正極活物質を含有する正極を備えるリチウムイオン二次電池。
- 下記組成式(1);
Li1+aNibCocMdXeO2+α ・・・(1)
[但し、組成式(1)において、Mは、Al及びMnから選ばれる少なくとも1種を表し、XはTi、Ga、Mg、Zr、Znからなる群から選択される1種以上の金属元素を表し、a、b、c、d、e及びαは、それぞれ、−0.04≦a≦0.08、0.80≦b<1.0、0≦c<0.2、0≦d<0.2、0<e<0.08、b+c+d+e=1、及び、−0.2<α<0.2を満たす数である。]で表されるリチウム遷移金属複合酸化物を含むリチウムイオン二次電池用正極活物質の製造方法であって、
前記組成式(1)中のLi、Ni、Co、M、Xの金属元素を含む化合物と、分散剤とを混合する混合工程と、
前記混合工程を経て得られたスラリーから造粒体を得る造粒工程と、
前記造粒体を焼成して組成式(1)で表されるリチウム遷移金属複合酸化物を得る焼成工程と、を有し、
前記リチウム遷移金属複合酸化物を含むリチウムイオン二次電池用正極活物質は、一次粒子が複数個凝集して構成される二次粒子を含み、前記二次粒子の内部にある一次粒子において、当該一次粒子同士の界面から深さ1nmにおける(X/(Ni+Co+M+X))で表されるXの原子濃度(at%)D1と、前記一次粒子の中央部(但し、前記一次粒子の中央部とは、前記一次粒子の平均粒子径をrとしたとき、一次粒子の所定方向の直径がr±10%の範囲である一次粒子を選択し、当該一次粒子の表面から中央に向かって0.2r以上の深さである)における(X/(Ni+Co+M+X))で表されるXの原子濃度(at%)D2とが、D1>D2であり、
レーザ回析法を用いた平均粒径において、
前記スラリーに含まれる前記化合物の平均粒径を0.1μm以上0.3μm以下とし、
前記造粒体の二次粒子の平均粒径を5μm以上20μm以下とし、
前記焼成工程は、
前記造粒体を200℃以上500℃以下の熱処理温度で0.5時間以上5時間以下に亘って熱処理して第1前駆体を得る第1熱処理工程と、
前記第1前駆体を650℃以上750℃未満の熱処理温度で4時間以上15時間以下に亘って酸化性雰囲気下で熱処理して第2前駆体を得る第2熱処理工程と、
前記第2前駆体を780℃以上880℃以下の熱処理温度で0.5時間以上15時間以下に亘って前記第2熱処理工程の雰囲気よりもCO2濃度が低い酸化性雰囲気下で熱処理して第3前駆体を得る第3熱処理工程となしたリチウムイオン二次電池用正極活物質の製造方法。
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