JP7189521B2 - 電極活物質、その製造及び使用方法 - Google Patents
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Description
Li1+x(NiaCobMncMd)1-xO2 (I)
(式中、
xは0~0.1の範囲であり、
aは0.1~0.5の範囲であり、
bは0.4~0.9の範囲であり、
cは0~0.3の範囲であり、
dは0~0.1の範囲であり、
MはAl、B、Mg、W、Mo、Ti、Si及びZrから選択され、
a+b+c+d=1で、a>cである)
のリチウムイオン電池のための電極活物質に関する。
Li1+x(NiaCobMncMd)1-xO2 (I)
(式中、
xは0から0.1までの、好ましくは0.05以下までの範囲であり、
aは0.1~0.5の範囲、好ましくは0.1~0.3の範囲であり、
bは0.4~0.9の範囲、好ましくは0.5~0.8の範囲であり、
cは0~0.3の範囲、好ましくは0~0.15の範囲であり、
dは0~0.1の範囲、好ましくは0~0.03の範囲であり、より好ましくはd<0.05であり、さらにより好ましくはd=0であり、
Mは、Al、B、Mg、W、Mo、Ti、Si及びZrから選択され、好ましくはAl、B、Mg、W、Ti、Si及びZrであり、
a+b+c+d=1で、a>cである)
を有する。
(Li1+x)y(NiaCobMncMd)1-xO2 (I)
(式中、yは、y・(1+x)が0.35~1の範囲である条件を満たす)
による部分的に脱リチウム化された材料の結晶学的単位セル体積は、それぞれの完全にリチウム化された材料の結晶学的単位セルの体積よりも最大1%小さい。yの値は脱リチウム化の程度を指す。結晶学的単位セルの体積は、X線回折(「XRD」)によって決定されてもよい。それぞれの完全にリチウム化された材料においては、y=1である。
(A)少なくとも1種の上述した本発明の電極活物質、
(B)導電状態の炭素、
(C)バインダー、及び
(D)任意に、固体電解質、
を含有する。
(A)50~100質量%の本発明の電極活物質、
(B)0~5質量%の導電状態の炭素、
(C)0~5質量%のバインダー、及び
(D)任意に、固体電解質、
を含有し、パーセンテージは(A)+(B)+(C)+(D)の合計に基づくものである。
(a)少なくとも1つの本発明の電極、
(b)少なくとも1つのアノード、及び
(c)少なくとも1種の電解質、
を含有する電気化学セルである。
の化合物である。
Yが酸素及び硫黄の中から選択される場合、t=1であり、
Yが窒素及びリンの中から選択される場合、t=2であり、
Yが炭素及びケイ素の中から選択される場合、t=3である)
の塩である。
(a)Ni、Co及び任意にMn及び任意にMの水酸化物又は炭酸塩を共沈させることにより、粒子状前駆体を製造する工程と、
(b)この粒子状前駆体をリチウムの源と混合する工程と、
(c)工程(b)で得られた混合物をか焼する工程と
を含む。
ELY.1:エチレンカーボネート及びジメチルカーボネートの1:1(w/w)の混合物中の1MのLiPF6
ELY.2:エチレンカーボネート及びジエチルカーボネートの3:7(w/w)の混合物中の1MのLiPF6。
混合金属水酸化物前駆体の合成:
遷移金属硫酸塩水溶液及びアルカリ性沈殿剤を、1.8の流量比及び12時間の滞留時間を得る総流量で撹拌タンク反応器中に同時に供給することにより、混合金属水酸化物前駆体材料を製造した。遷移金属硫酸塩水溶液は、3:6:1のモル比及び1.65mol/kgの合計遷移金属濃度で、Ni、Co及びMnを含有した。アルカリ性沈殿剤は、8.5の質量比での、25質量%の水酸化ナトリウムの水溶液及び25質量%のアンモニア溶液からなった。水酸化ナトリウム水溶液の追加の供給により、pH値を12.0に一定に維持した。反応器から連続的にオーバーフローするスラリーの濾過、蒸留水での洗浄、空気中120℃で12時間の乾燥、及びふるい分けにより、混合金属水酸化物前駆体を得た。
上記の記載により得られた混合金属水酸化物前駆体をLi2CO3と混合し、Li/(Ni+Co+Mn)=1.03のモル比を得た。この混合物を、以下の加熱プロファイルで強制空気流中で加熱した:加熱速度3K/分、350℃で4時間、675℃で4時間、900℃で6時間、室温まで自然冷却。本発明の電極活物質CAM.1を得た。
KTF-Sロールツーロールコーター(Mathis AG)を使用して、Alホイル(20μm、Nippon)にスラリーをキャスティングすることにより、電極を調製した。カソード材料(94質量%)、Super C65(1質量%、Timcal)及びSFG6L(2質量%、Timcal)導電性炭素添加剤、及びSolef(登録商標)5130 PVdFバインダー(3質量%、Solvay)を1-エチル-2-ピロリドン(NEP)中に分散することにより、スラリーを得た。
コイン型ハーフセルで、25℃で電気化学的特性評価を行った。250μLの電解質ELY.1又はELY.2を使用して、それぞれ直径13、17及び13mmのカソード、ガラスマイクロファイバーセパレータ(GF/D、GE Healthcare Life Sciences、Whatman)、及びリチウムホイルアノード(Rockwood Lithium Inc.)を積み重ねることにより、Ar充填グローブボックス(MBraun)中でセルを組み立てた。面積負荷(areal loadings)は、C/10及び4.3Vの上限カットオフ電圧で、約2.0mAh/cm2であった。
混合金属水酸化物前駆体の合成:
遷移金属水溶液及びアルカリ性沈殿剤を、1.8の流量比及び12時間の滞留時間を得る総流量で撹拌タンク反応器中に同時に供給することにより、混合金属水酸化物前駆体材料を製造した。遷移金属溶液は、2:7:1のモル比及び1.65mol/kgの合計遷移金属濃度で、Ni、Co及びMnを含有した。アルカリ性沈殿剤は、8.5:1の質量比での、25質量%の水酸化ナトリウムの水溶液及び25質量%のアンモニア溶液からなった。水酸化ナトリウム水溶液の追加の供給により、pH値を12.0に一定に維持した。反応器から連続的にオーバーフローする懸濁液の濾過、蒸留水での洗浄、空気中120℃で12時間の乾燥、及びふるい分けにより、混合金属水酸化物前駆体を得た。
上記の記載により得られた混合金属水酸化物前駆体をLi2CO3と混合し、Li/(Ni+Co+Mn)=1.03のモル比を得た。この混合物を、以下の加熱プロファイルで環境空気の強制流中で加熱した:加熱速度3K/分、350℃で4時間、675℃で4時間、900℃で6時間、自然冷却。本発明の電極活物質CAM.2を得た。実施例1と同様に、電極を調製し、テストした。
混合金属水酸化物前駆体の合成:
上記の記載によるが、以下の組成:(Ni0.5Co0.2Mn0.3)(OH)2を有する混合金属水酸化物前駆体。
混合金属水酸化物前駆体をLi2CO3と混合し、Li/(Ni+Co+Mn)=1.08のモル比を得た。この混合物を、以下の加熱プロファイルで環境空気の強制流中で加熱した:加熱速度2.5K/分、350℃で4.8時間、650℃で6時間、900℃で7.2時間、1K/分で冷却。C-CAM.3を得た。
実施例1と同様に電極を調製したが、スラリーの組成物は異なった。カソード材料(93質量%)、Super C65(1.5質量%、Timcal)及びSFG6L(2.5質量%、Timcal)導電性炭素添加剤、及びSolef(登録商標)5130 PVdFバインダー(3質量%、Solvay)をN-エチルピロリドン中に分散することにより、スラリーを得た。テスト:実施例1を参照されたい。
混合金属水酸化物前駆体の合成:
上記の記載によるが、以下の組成:(Ni0.33Co0.33Mn0.33)(OH)2を有する混合金属水酸化物前駆体。
混合金属水酸化物前駆体をLi2CO3と混合し、Li/(Ni+Co+Mn)=1.08のモル比を得た。この混合物を、以下の加熱プロファイルで環境空気の強制流中で加熱した:加熱速度2.5K/分、350℃で4.8時間、650℃で6時間、900℃で7.2時間、1K/分で冷却。C-CAM.4を得た。実施例1と同様に、電極を調製し、テストした。
Claims (6)
- 一般式(I)、
Li1+x(NiaCobMncMd)1-xO2 (I)
(式中、
xは0~0.05の範囲であり、
aは0.1~0.3の範囲であり、
bは0.5~0.8の範囲であり、
cは0~0.15の範囲であり、
dは0から0.05未満であり、
MはAl、B、Mg、W、Mo、Ti、Si及びZrから選択され、
a+b+c+d=1で、a>cで、0.01≦c+d≦0.15である)
のリチウムイオン電池のための電極活物質であって、
Co及びNiが、それぞれの前記電極活物質の粒径にわたって均一に分布している、電極活物質。 - 5~20μmの範囲の平均二次粒径(D50)を有する、請求項1に記載の電極活物質。
- 一般式(II)
(Li1+x)y(NiaCobMncMd)1-xO2 (II)
(式中、yは、y・(1+x)が0.35~1の範囲である条件を満たす)
による部分的に脱リチウム化された材料の結晶学的単位セル体積が、それぞれの完全にリチウム化された材料の結晶学的単位セル体積よりも最大1%小さい、請求項1又は2に記載の電極活物質。 - 集電器及び、
(A)少なくとも1種の請求項1から3のいずれか一項に記載の電極活物質、
(B)導電状態の炭素、
(C)バインダー、
(D)任意に、固体電解質、
を含有する電極。 - (A)50~100質量%の請求項1から3のいずれか一項に記載の電極活物質、
(B)0~5質量%の導電状態の炭素、
(C)0~5質量%のバインダー、及び
(D)任意に、固体電解質、
を含有し、
パーセンテージが(A)+(B)+(C)+(D)の合計に基づくものである、請求項4に記載の電極。 - 請求項1から3のいずれか一項に記載の電極活物質の製造方法であって、以下の工程:
(a)Ni、Co及び任意にMn及び任意にMの水酸化物又は炭酸塩を共沈させることにより、粒子状前駆体を製造する工程と、
(b)前記粒子状前駆体をリチウムの源と混合する工程と、
(c)工程(b)で得られた前記混合物をか焼する工程と
を含む、方法。
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