JP7013871B2 - 非水系電解質二次電池用正極活物質とその製造方法、非水系電解質二次電池用正極合材ペーストおよび非水系電解質二次電池 - Google Patents
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Description
図1は、本実施形態の非水系電解質二次電池用正極活物質10(以下、「正極活物質10」ともいう。)の一例を示した模式図である。正極活物質10は、層状結晶構造を有するリチウム金属複合酸化物粉末1(以下、「複合酸化物粉末1」ともいう。)からなる。複合酸化物粉末1は、一般式(2):LisNi1-x-y-zCoxMnyMzO2+α(ただし、0.05≦x≦0.35、0≦y≦0.35、0≦z≦0.10、1.00<s<1.30、0≦α≦0.2、Mは、V、Mg、Mo、Nb、Ti、WおよびAlから選ばれる少なくとも1種の元素)で表され、一次粒子2が凝集して形成された二次粒子3と、リチウムを含む第2の化合物Aと、を含有する。
一般式(3):LisNi1-x-y-zCoxMnyMzAtO2+α(上記式(2)中、0.05≦x≦0.35、0≦y≦0.35、0≦z≦0.10、1.00<s<1.30、0.0001≦t≦0.03、0≦α≦0.2であり、Mは、V、Mg、Mo、Nb、Ti、WおよびAlから選ばれる少なくとも1種の元素であり、Aは、第2の化合物を構成するリチウムと酸素以外の元素である。)
本実施形態の非水系電解質二次電池用正極活物質の製造方法(以下、「正極活物質の製造方法」ともいう。)は、層状構造の結晶構造を有するリチウム金属複合酸化物からなる焼成粉末と、リチウムを含まない酸化物、この酸化物の水和物、及び、リチウムを含まない無機酸塩からなる群より選択された少なくも1種の第1の化合物と、水と、を混合すること(ステップS01)と、混合して得られた混合物を乾燥することと(ステップS02)と、を備える。正極活物質の製造方法は、上述したような正極活物質10を、簡便に、高い生産性で得ることができる。以下、各ステップについて図2、3を参照して説明する。
本実施形態の正極合材ペースト中では、正極活物質からのリチウムの溶出が低減され、ペーストのゲル化が非常に抑制される。したって、長期間の保存でもペーストの粘度変化が少なく、高い安定性を有するペーストとなっている。このようなペーストを用いて正極を製造することで、正極も安定して優れた特性を有するものとなり、最終的に得られる電池の特性を安定して高いものとすることができる。本実施形態のペーストの粘度変化は、例えば、後述する実施例に記載の条件で作製されたペーストにおいて、作製直後のペースト粘度に対する76時間保管後のペースト粘度(76時間保管後のペースト粘度/作製直後のペースト粘度)が、1に近い程好ましく、例えば、0.6以上1.4以下であることが好ましく、0.7以上1.3以下であることがより好ましい。ペーストの粘度変化が上記範囲である場合、ゲル化が非常に抑制され、安定性の高いペーストを得ることができる。
本実施形態の非水系電解質二次電池(以下、単に「二次電池」ともいう。)は、特に限定されず、公知の非水系電解質二次電池と同様の構成要素により構成される。二次電池は、例えば、正極、負極、セパレータおよび非水系電解液を備える。なお、以下で説明する実施形態は例示に過ぎず、本実施形態の非水系電解質二次電池は、本明細書に記載されている実施形態を基に、当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した形態で実施することができる。また、本実施形態の非水系電解質二次電池は、その用途を特に限定するものではない。
上記正極活物質を含む正極合材ペーストを用いて、例えば、以下のようにして、非水系電解質二次電池の正極を作製する。
負極には、金属リチウムやリチウム合金等、あるいは、リチウムイオンを吸蔵および脱離できる負極活物質に、結着剤を混合し、適当な溶剤を加えてペースト状にした負極合材を、銅等の金属箔集電体の表面に塗布し、乾燥し、必要に応じて電極密度を高めるべく圧縮して形成したものを使用する。
正極と負極との間には、セパレータを挟み込んで配置する。セパレータは、正極と負極とを分離し、電解質を保持するものであり、ポリエチレン、ポリプロピレン等の薄い膜で、微少な孔を多数有する膜を用いることができる。
非水系電解液は、支持塩としてのリチウム塩を有機溶媒に溶解したものである。有機溶媒としては、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、トリフルオロプロピレンカーボネート等の環状カーボネート、また、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジプロピルカーボネート等の鎖状カーボネート、さらに、テトラヒドロフラン、2-メチルテトラヒドロフラン、ジメトキシエタン等のエーテル化合物、エチルメチルスルホン、ブタンスルトン等の硫黄化合物、リン酸トリエチル、リン酸トリオクチル等のリン化合物等から選ばれる1種を単独で、あるいは2種以上を混合して用いることができる。
以上のように説明してきた正極、負極、セパレータおよび非水系電解液で構成される本実施形態の非水系電解質二次電池の形状は、円筒型、積層型等、種々のものとすることができる。いずれの形状を採る場合であっても、正極および負極を、セパレータを介して積層させて電極体とし、得られた電極体に、非水系電解液を含浸させ、正極集電体と外部に通ずる正極端子との間、および、負極集電体と外部に通ずる負極端子との間を、集電用リード等を用いて接続し、電池ケースに密閉して、非水系電解質二次電池を完成させる。
本実施形態の正極活物質10を用いた二次電池は、高容量で高出力であり、かつ、充放電サイクル特性に優れる。好ましい実施形態で得られた正極活物質を用いた二次電池は、例えば、後述する実施例に記載される条件で作製された2032型コイン電池CBA(図5参照)の正極に用いた場合、145mAh/g以上、好ましい実施形態で得られた場合には150mAh/g以上の高い初期放電容量と低い正極抵抗が得られる。また、この二次電池は、例えば、後述する実施例に記載の条件で測定された放電容量維持率を90%以上とすることができる。
得られた非水系電解質二次電池用正極活物質の評価は、以下のように二次電池を作製し、それぞれの電池特性を測定することで行なった。
非水系電解質二次電池用正極活物質52.5mg、アセチレンブラック15mg、およびポリテトラフッ化エチレン樹脂(PTFE)7.5mgを混合し、100MPaの圧力で直径11mm、厚さ100μmにプレス成形して正極PE(評価用電極)を作製した。その作製した正極PEを真空乾燥機中120℃で12時間乾燥した。そして、この正極PEを用いて、露点が-80℃に管理されたAr雰囲気のグローブボックス内で、図5に示すような2032型のコイン型二次電池CBAを作製した。
初期放電容量は、コイン型二次電池CBAを製作してから24時間程度放置し、開回路電圧OCV(Open Circuit Voltage)が安定した後、正極に対する電流密度を0.1mA/cm2としてカットオフ電圧4.3Vまで充電し、1時間の休止後、カットオフ電圧3.0Vまで放電したときの容量を初期放電容量とした。
正極抵抗は、コイン型二次電池CBAを充電電位4.1Vで充電して、周波数応答アナライザおよびポテンショガルバノスタット(ソーラトロン製、1255B)を使用して交流インピーダンス法により測定すると、図4に示すナイキストプロットが得られる。このナイキストプロットは、溶液抵抗、負極抵抗とその容量、および、正極抵抗とその容量を示す特性曲線の和として表しているため、このナイキストプロットに基づき等価回路を用いてフィッティング計算を行い、正極抵抗の値を算出した。
サイクル特性(放電容量維持率)の評価は、サイクル試験後の容量維持率により行った。サイクル試験は、60℃に保持して初期放電容量測定後、10分間休止し、初期放電容量測定と同様に充放電サイクルを、初期放電容量測定も含めて500サイクル(充放電)繰り返した。500サイクル目の放電容量を測定して、1サイクル目の放電容量(初期放電容量)に対する500サイクル目の放電容量の百分率を容量維持率(%)として求めた。
得られた正極活物質5gを100mlの純水に分散させた後、10分間静置させ、上澄み液の25℃におけるpHを測定した。
正極活物質25.0gと、導電材のカーボン粉1.5gと、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)2.9gとを遊星運動混練機により混合し正極合材ペーストを得た。得られたペーストを76時間保管して、保管前後の粘度比(76時間保管後のペースト粘度/作製直後のペースト粘度)を評価した。粘度は、振動式粘度計(セコニック社製VM10A)にて測定した。
得られた正極活物質の水分率を、気化温度300℃の条件においてカールフィッシャー水分計で測定した。
得られた正極活物質を、単色X線回折(XRD)装置(ブルカー・エイエックスエス株式会社製、D8 DISCOVER Vario-1)を用いて、ターゲット:Cu(CuKα1線に単色化)、電圧:40kV、電流:40mAの条件で測定した。
晶析時に核生成工程と粒子成長工程に分離するとともに雰囲気を酸化性から非酸化性に切り替えて得られたNiを主成分とする水酸化物粉末と、水酸化リチウムとを混合して、焼成する公知技術で焼成粉末(母材)を得た。得られた焼成粉末(母材)は、Li1.20Ni0.35Co0.35Mn0.30O2で表される平均粒径5.1μm、〔(d90-d10)/平均粒径〕が0.55のリチウム金属複合酸化物の焼成粉末であった。この焼成粉末(母材)を樹脂に埋め込み、任意(無作為)に選択した20個以上の二次粒子について、倍率5000倍で走査型電子顕微鏡により断面観察し画像解析することによって空隙率を測定したところ、35%であった。
得られた正極活物質を使用して作製された正極を有するコイン型二次電池の電池特性を評価した。得られた二次電池の評価結果を表1に示す。
酸化タングステンをタングステン量で0.04mol%添加した以外は実施例1と同様にして、正極活物質を得るとともに評価した。得られた正極活物質を走査電子顕微鏡で観察したところ、リチウム金属複合酸化物の粒子表面にタングステンを含む化合物が形成されていることが確認され、この化合物はリチウムタングテン化合物と考えられた。評価結果を表1に示す。
酸化タングステンをタングステン量で0.84mol%添加した以外は実施例1と同様にして、正極活物質を得るとともに評価した。得られた正極活物質を走査電子顕微鏡で観察したところ、リチウム金属複合酸化物の粒子表面にタングステンを含む化合物が形成されていることが確認され、この化合物はリチウムタングテン化合物と考えられた。評価結果を表1に示す。
水の添加量を1質量%とした以外は実施例1と同様にして、正極活物質を得るとともに評した。得られた正極活物質を走査電子顕微鏡で観察したところ、リチウム金属複合酸化物の粒子表面にタングステンを含む化合物が形成されていることが確認され、この化合物はリチウムタングテン化合物と考えられた。評価結果を表1に示す。
水の添加量を30質量%とした以外は実施例1と同様にして、正極活物質を得るとともに評価した。得られた正極活物質を走査電子顕微鏡で観察したところ、リチウム金属複合酸化物の粒子表面にタングステンを含む化合物が形成されていることが確認され、この化合物はリチウムタングテン化合物と考えられた。評価結果を表1に示す。
水の添加量を7質量%とした以外は実施例1と同様にして、正極活物質を得るとともに評価した。得られた正極活物質を走査電子顕微鏡で観察したところ、リチウム金属複合酸化物の粒子表面にタングステンを含む化合物が形成されていることが確認され、この化合物はリチウムタングテン化合物と考えられた。評価結果を表1に示す。
水の添加量を15質量%とした以外は実施例1と同様にして、正極活物質を得るとともに評価した。得られた正極活物質を走査電子顕微鏡で観察したところ、リチウム金属複合酸化物の粒子表面にタングステンを含む化合物が形成されていることが確認され、この化合物はリチウムタングテン化合物と考えられた。評価結果を表1に示す。
水の添加量を35質量%とした以外は実施例1と同様にして、正極活物質を得るとともに評価した。得られた正極活物質を走査電子顕微鏡で観察したところ、リチウム金属複合酸化物の粒子表面にタングステンを含む化合物が形成されていることが確認され、この化合物はリチウムタングテン化合物と考えられた。評価結果を表1に示す。
酸化タングステンおよび水を添加しなかった以外は実施例1と同様にして、正極活物質を得るとともに評価した。評価結果を表1に示す。
酸化タングステンをタングステン量で0.02mol%添加とした以外は実施例1と同様にして、非水系電解質二次電池用正極活物質を得るとともに評価した。得られた正極活物質を走査電子顕微鏡で観察したところ、リチウム金属複合酸化物の粒子表面にタングステンを含む化合物が形成されていることは確認されなかった。評価結果を表1に示す。
酸化タングステンをタングステン量で1.3mol%添加した以外は実施例1と同様にして、正極活物質を得るとともに評価した。得られた正極活物質を走査電子顕微鏡で観察したところ、リチウム金属複合酸化物の粒子表面にタングステンを含む化合物が形成されていることが確認され、この化合物はリチウムタングテン化合物と考えられた。評価結果を表1に示す。
母材となる焼成粉末としてLi1.00Ni0.35Co0.35Mo0.30O2を用いた以外は実施例1と同様にして、正極活物質を得るとともに評価した。得られた正極活物質を走査電子顕微鏡で観察したところ、リチウム金属複合酸化物の粒子表面にタングステンを含む化合物が形成されていることが確認され、この化合物はリチウムタングテン化合物と考えられた。評価結果を表1に示す。
母材となる焼成粉末としてLi1.30Ni0.35Co0.35Mo0.30O2を用いた以外は実施例1と同様にして、正極活物質を得るとともに評価した。得られた正極活物質を走査電子顕微鏡で観察したところ、リチウム金属複合酸化物の粒子表面にタングステンを含む化合物が形成されていることが確認され、この化合物はリチウムタングテン化合物と考えられた。評価結果を表1に示す。
水を添加せず、乾燥せずに混合した状態のままで正極活物質とした以外は実施例1と同様にして、正極活物質を得るとともに評価した。得られた正極活物質を走査電子顕微鏡で観察したところ、複合酸化物粉末と酸化タングステン粉末の混合物となっていることが確認された。評価結果を表1に示す。
実施例の正極活物質を用いた二次電池は、初期放電容量、正極抵抗、放電容量維持率のいずれも良好な結果が得られた。また、走査電子顕微鏡による観察により、正極活物質(リチウム金属複合酸化物)の粒子表面にリチウムタングテン化合物と考えられる化合物が形成されていることが確認された。実施例の正極合材ペーストの粘度比は、1をやや下回る程度で大幅に上昇することがなく、ゲル化せずペースト粘度が安定していることが確認された。なお、実施例8では、少量の凝集粒子の存在が確認され、d90/d50が、他の実施例1~7よりやや大きかった。このため、実施例8は、他の実施例と比べた場合、正極抵抗がやや高くなり、放電容量維持率もやや低下した。
酸化物を酸化タングステンから酸化モリブデンに変更し、酸化モリブデン(日本無機化学工業社製)をモリブデン量で0.34mol%添加した以外は実施例1と同様にして、正極活物質を得るとともに評価した。評価結果を表2に示す。
酸化物を酸化タングステンから酸化バナジウムに変更し、酸化バナジウム(日本無機化学工業社製)をバナジウム量で0.4mol%添加した以外は実施例1と同様にして、正極活物質を得るとともに評価した。評価結果を表2に示す。
実施例9および10の正極活物質では、第1の化合物(酸化物)として酸化モリブデンおよび酸化バナジウムを用いており、酸化タングステンを用いた場合と同様、純水に分散させた際の正極活物質のpHを11以上11.9以下に制御できること、および、pHをこの範囲に制御することにより、正極合材ペーストの粘度を安定化させることが可能であることが確認された。また、これらの実施例の正極活物質を用いた二次電池は、初期放電容量、正極抵抗、放電容量維持率のいずれも良好な結果が得られた。
第1の化合物(酸化物)を酸化タングステンから酸化モリブデンに変更し、酸化モリブデン(日本無機化学工業社製)をモリブデン量で0.07mol%添加した以外は実施例1と同様にして、正極活物質を得るとともに評価した。評価結果を表3に示す。
第1の化合物(酸化物)を酸化タングステンから酸化モリブデンに変更し、酸化モリブデン(日本無機化学工業社製)をモリブデン量で0.34mol%添加したこと、水の添加量を1質量%としたこと以外は実施例1と同様にして、正極活物質を得るとともに評価した。評価結果を表3に示す。
第1の化合物(酸化物)を酸化タングステンから酸化モリブデンに変更し、酸化モリブデン(日本無機化学工業社製)をモリブデン量で0.34mol%添加したこと、水の添加量を30質量%としたこと以外は実施例1と同様にして、正極活物質を得るとともに評価した。評価結果を表3に示す。
第1の化合物(酸化物)を酸化タングステンから酸化モリブデンに変更し、酸化モリブデン(日本無機化学工業社製)をモリブデン量で0.03mol%添加した以外は実施例1と同様にして、非水系電解質二次電池用正極活物質を得るとともに評価した。評価結果を表3に示す。
第1の化合物(酸化物)を酸化タングステンから酸化モリブデンに変更し、酸化モリブデン(日本無機化学工業社製)をモリブデン量で1.36mol%添加した以外は実施例1と同様にして、非水系電解質二次電池用正極活物質を得るとともに評価した。評価結果を表3に示す。
第1の化合物(酸化物)を酸化タングステンから酸化モリブデンに変更し、酸化モリブデン(日本無機化学工業社製)をモリブデン量で2.04mol%添加した以外は実施例1と同様にして、非水系電解質二次電池用正極活物質を得るとともに評価した。評価結果を表3に示す。
焼成粉末(母材)としてLi1.00Ni0.35Co0.35Mo0.30O2を用いたこと、酸化物を酸化タングステンから酸化モリブデンに変更し、酸化モリブデン(日本無機化学工業社製)をモリブデン量で0.34mol%添加した以外は実施例1と同様にして、非水系電解質二次電池用正極活物質を得るとともに評価した。評価結果を表3に示す。
焼成粉末(母材)としてLi1.30Ni0.35Co0.35Mo0.30O2を用いたこと、酸化物を酸化タングステンから酸化モリブデンに変更し、酸化モリブデン(日本無機化学工業社製)をモリブデン量で0.34mol%添加した以外は実施例1と同様にして、非水系電解質二次電池用正極活物質を得るとともに評価した。評価結果を表3に示す。
表3には、比較を容易にするため、実施例9および比較例1を合わせて示した。実施例11~13では、第1の化合物(酸化物)として酸化モリブデンを用いており、純水に分散させた際のpHを11以上11.9以下に制御できることが確認された。また、これらの正極活物質を用いた二次電池は、初期放電容量、正極抵抗、放電容量維持率のいずれも良好な結果が得られた。
1…複合酸化物粉末
2…一次粒子
3…二次粒子
4…空隙
A…第2の化合物
CBA…コイン型二次電池
PE…正極(評価用電極)
NE…負極
SE…セパレータ
GA…ガスケット
PC…正極缶
NC…負極缶
Claims (16)
- 層状構造の結晶構造を有するリチウム金属複合酸化物からなる焼成粉末に、リチウムを含まない酸化物、前記酸化物の水和物、及び、リチウムを含まない無機酸塩からなる群より選択された少なくも1種である第1の化合物の粉末と、水と、を混合することと、
前記混合して得られた混合物を乾燥することと、を備え、
前記焼成粉末は、一般式(1):LisNi1-x-y-zCoxMnyMzO2+α(ただし、0.05≦x≦0.35、0≦y≦0.35、0≦z≦0.10、1.00<s<1.30、0≦α≦0.2、Mは、V、Mg、Mo、Nb、Ti、WおよびAlから選ばれる少なくとも1種の元素)で表され、一次粒子が凝集して形成された二次粒子を含み、
前記第1の化合物は、水の存在下でリチウムイオンと反応して、リチウムを含む第2の化合物を形成可能な化合物であり、
前記混合物における前記第1の化合物の含有量は、前記乾燥後に得られる正極活物質5gを100mlの純水に分散させて、10分間静置後の上澄み液を測定した際の25℃におけるpHが11以上11.9以下となるような量である、
非水系電解質二次電池用正極活物質の製造方法。 - 前記リチウムを含まない酸化物は、酸化タングステン、酸化モリブデン、五酸化バナジウム、酸化ニオブ、二酸化スズ、酸化マンガン、酸化ルテニウム、酸化レニウム、酸化タンタル、酸化リン及び酸化ホウ素からなる群より選択された少なくとも1種を含む、請求項1に記載の非水系電解質二次電池用正極活物質の製造方法。
- 前記第1の化合物は、酸化タングステン及びタングステン酸より選択された少なくとも1種を含む、請求項1に記載の非水系電解質二次電池用正極活物質の製造方法。
- 前記焼成粉末に、前記第1の化合物を混合した後、前記水を混合する、請求項1~請求項3のいずれか一項に記載の非水系電解質二次電池用正極活物質の製造方法。
- 前記焼成粉末は、平均粒径が3μm以上15μm以下の範囲であり、粒度分布の広がりを示す指標である〔(d90-d10)/平均粒径〕が0.7以下である、請求項1~請求項4のいずれか一項に記載の非水系電解質二次電池用正極活物質の製造方法。
- 前記焼成粉末は、断面観察により計測される空隙が占める面積割合が該焼成粉末の断面積全体に対して4.5%以上60%以下である、請求項1~請求項5のいずれか一項に記載の非水系電解質二次電池用正極活物質の製造方法。
- 前記混合物における前記第1の化合物に含まれるリチウムイオンと反応可能な元素の量は、前記焼成粉末中のNi、Co、MnおよびMの合計に対して、0.03mol%以上1.2mol%以下である、請求項1~請求項6のいずれか一項に記載の非水系電解質二次電池用正極活物質の製造方法。
- 前記混合物における前記水の含有量は、前記焼成粉末に対して0.5質量%以上である、請求項1~請求項7のいずれか一項に記載の非水系電解質二次電池用正極活物質の製造方法。
- 前記乾燥は、100℃以上300℃以下で行う、請求項1~請求項8のいずれか一項に記載の非水系電解質二次電池用正極活物質の製造方法。
- 層状構造の結晶構造を有するリチウム金属複合酸化物粉末からなる非水系電解質二次電池用の正極活物質であって、
前記リチウム金属複合酸化物粉末は、一般式(2):LisNi1-x-y-zCoxMnyMzO2+α(ただし、0.05≦x≦0.35、0≦y≦0.35、0≦z≦0.10、1.00<s<1.30、0≦α≦0.2、Mは、V、Mg、Mo、Nb、Ti、WおよびAlから選ばれる少なくとも1種の元素)で表され、一次粒子が凝集して形成された二次粒子と、リチウムを含む第2の化合物とを、含有し、
前記第2の化合物は、前記一次粒子表面上で、リチウムを含まない酸化物、前記酸化物の水和物、及び、リチウムを含まない無機酸塩からなる群より選択された少なくとも1種である第1の化合物の粉末が、水の存在下でリチウムイオンと反応して生成した化合物であり、
前記正極活物質5gを100mlの純水に分散させ、10分間静置後の上澄み液を測定した際の25℃におけるpHが11以上11.9以下である、
非水系電解質二次電池用の正極活物質。 - 平均粒径が3μm以上15μm以下の範囲にあり、粒度分布の広がりを示す指標である〔(d90-d10)/平均粒径〕が0.7以下である、請求項10に記載の非水系電解質二次電池用正極活物質。
- 前記リチウム金属複合酸化物粉末の断面観察において計測される空隙が占める面積割合が該複合酸化物粒子全体の断面積全体に対して4.5%以上60%以下である、請求項10または請求項11に記載の非水系電解質二次電池用正極活物質。
- 前記第2の化合物に含まれる、リチウムおよび酸素以外の元素の量は、前記リチウム金属複合酸化物粉末中のNi、Co、MnおよびMの合計に対して0.03mol%以上1.2mol%以下である、請求項10~請求項12のいずれか一項に記載の非水系電解質二次電池用正極活物質。
- レーザー光回折散乱法で計測した粒度分布における体積積算値から求めたd50に対するd90の比(d90/d50)が1.35未満である、請求項10~請求項13のいずれか一項に記載の非水系電解質二次電池用正極活物質。
- 請求項10~請求項14のいずれか一項に記載の非水系電解質二次電池用正極活物質を含む、非水系電解質二次電池用正極合材ペースト。
- 請求項10~請求項14のいずれか一項に記載の非水系電解質二次電池用正極活物質を含む正極を有する非水系電解質二次電池。
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