JP7231712B2 - フッ素化電解質を備えるNi系リチウムイオン二次電池 - Google Patents
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Description
a)少なくとも1つの環状カーボネート、
b)少なくとも1つのフッ素化非環状カルボン酸エステル、
c)少なくとも1つの電解質塩、
d)リチウムホスフェート化合物、リチウムボロン化合物、リチウムスルホネート化合物、及びこれらの混合物から選択される少なくとも1つのリチウム化合物、
e)少なくとも1つの環状イオウ化合物、並びに
f)任意選択的に、少なくとも1つの環状カルボン酸無水物、を含む。
-リチウム遷移金属系酸化物粉末が、1000ppm以下の炭素含有量を有する、
-リチウム遷移金属系酸化物粉末が、400ppm以下の炭素含有量を有する、
-リチウム遷移金属系酸化物粉末が、0.05~1.0重量%のイオウ含有量を有する、
-リチウム遷移金属系酸化物粉末が、0.1~0.3重量%のイオウ含有量を有する、
-粉末が、0.15~5重量%のLiNaSO4の二次相を更に含む、及びここでは、粉末は、リチウム遷移金属系酸化物を含むコア、及びLiNaSO4の二次相を含むコーティングからなるものであり得る。また、二次相は、最高1重量%の、Al2O3、LiAlO2、LiF、Li3PO4、MgO、及びLi2TiO3のうちのいずれか1つ以上を更に含むものであり得、
-ドーパントAは、Al、Ca、W、B、Si、Ti、Mg、及びZrのうちいずれか1つ以上である。
-粉末は、リチウム遷移金属系酸化物を含むコア、並びにリチウム及び遷移金属を含む表面層からなり、表面層が、外側及び内側界面によって区切られ、内側界面が、コアと接触し、Aが、少なくとも1つのドーパントであり、かつAlを含み、コアは、0.3~3mol%のAl含有量を有し、表面層は、内側界面におけるコアのAl含有量から、外側界面における少なくとも10mol%まで増加するAl含有量を有し、Al含有量は、XPSによって決定される。この実施形態では、表面層は、コアのNi、Co、及びMnの遷移金属の密な混合物、及びAl2O3、並びにLiF、CaO、TiO2、MgO、WO3、ZrO2、Cr2O3、及びV2O5からなる群からのいずれか1つ以上の化合物、からなるものであり得、
-電解質組成物中の当該少なくとも1つの環状カーボネートは、式(I)又は(II)のものであり、
式中、同じであっても異なってもよいR1~R6は、水素、フッ素、C1~C8アルキル基、C1~C8アルケニル基、C1~C8アルキニル基、C1~C8フルオロアルキル基、C1~C8フルオロアルケニル基、又はC1~C8フルオロアルキニル基から独立して選択され、
-電解質組成物中の当該少なくとも1つの環状カーボネートは、上記の式(I)又は(II)の「非フッ素化」環状カーボネートであり、式中、同じであっても異なってもよいR1~R6は、水素、C1~C8アルキル基、C1~C8アルケニル基、又はC1~C8アルキニル基から独立して選択され、
-電解質組成物中の当該少なくとも1つの環状カーボネートは、上記の式(I)又は(II)の「フッ素化」環状カーボネートであり、R1~R6の少なくとも1つは、フッ素、又はC1~C8フルオロアルキル基、C1~C8フルオロアルケニル基、C1~C8フルオロアルキニル基であり、
-組成物は、式(I)の少なくとも2つの環状カーボネート、好ましくは両方を含み、上で定義したように、少なくとも1つが、「非フッ素化」環状カーボネートであり、少なくとも1つが、「フッ素化」環状カーボネートであり、
-電解質配合物中の当該フッ素化非環状カルボン酸エステルは、以下の式のものであり、
R1-COO-R2
式中、
i)R1は、水素、アルキル基、又はフルオロアルキル基であり、
ii)R2は、アルキル基又はフルオロアルキル基であり、
iii)R1及びR2のいずれか又は両方は、フッ素を含み、
iv)2個で一対のR1及びR2は、少なくとも2個の炭素原子を含むが、7個以下の炭素原子を含む。
-電解質組成物の少なくとも1つの電解質塩は、リチウム塩、好ましくは、リチウムヘキサフルオロホスフェート(LiPF6)、リチウムビス(トリフルオロメチル)テトラフルオロホスフェート(LiPF4(CF3)2)、リチウムビス(ペンタフルオロエチル)テトラフルオロホスフェート(LiPF4(C2F5)2)、リチウムトリス(ペンタフルオロエチル)トリフルオロホスフェート(LiPF3(C2F5)3)、リチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(LiN(CF3SO2)2)、リチウムビス(パーフルオロエタンスルホニル)イミドLiN(C2F5SO2)2、LiN(C2F5SO3)2、リチウム(フルオロスルホニル)(ノナフルオロブタンスルホニル)イミド、リチウムビス(フルオロスルホニル)イミド、リチウムテトラフルオロボレート、リチウムパークロレート、リチウムヘキサフルオロアルセネート、リチウムヘキサフルオロアンチモネート、リチウムテトラクロロアルミネート、リチウムアルミネート(LiAlO4)、リチウムトリフルオロメタンスルホネート、リチウムノナフルオロブタンスルホネート、リチウムトリス(トリフルオロメタンスルホニル)メチド、リチウムビス(オキザレート)ボレート、リチウムジフルオロ(オキザレート)ボレート、式中xが0~8に等しい整数であるLi2B12F12-xHx、B(OC6F5)3などのフッ化リチウム及びアニオン受容体の混合物、並びにこれらの混合物、
-電解質組成物中の当該少なくとも1つのリチウム化合物は、
i)リチウムモノフルオロホスフェート、リチウムジフルオロホスフェート、リチウムトリフルオロメタンホスフェート、リチウムテトラフルオロホスフェート、リチウムジフルオロビス(オキザレート)ホスフェート、リチウムテトラフルオロ(オキザレート)ホスフェート、リチウムトリス(オキザレート)ホスフェート、から選択されるリチウムホスフェート化合物、
ii)リチウムテトラフルオロボレート、リチウムビス(オキザレート)ボレート、リチウムジフルオロ(オキザレート)ボレート、式中xが0~8の範囲の整数であるLi2B12F12-xHx、から選択されるリチウムボロン化合物、
iii)好ましくはリチウムジフルオロホスフェート、リチウムビス(オキザレート)ボレート、
iv)これらの混合物、から選択され、
好ましくはリチウムジフルオロホスフェート、リチウムビス(オキザレート)ボレート及びこれらの混合物から選択され、
-電解質組成物中の当該少なくとも1つの環状イオウ化合物は、以下の式によって表され、
式中、Yは、酸素又はHCA基であり、各Aは、独立して、水素、又は任意選択的にフッ素化エテニル、アリル、エチニル、プロパルギル、若しくはC1~C3アルキル基であり、nは、0又は1であり、
-当該少なくとも1つの環状カルボン酸無水物は、式(IV)~(XI)のうちの1つによって表され、
式中、R7~R14は、各々独立して、水素、フッ素、任意選択的にフッ素、アルコキシ、及び/若しくはチオアルキル置換基によって置換された直鎖若しくは分岐鎖のC1~C10アルキル基、直鎖若しくは分岐鎖のC2~C10アルケニル基、又はC6~C10アリール基である。
(a)100~250℃:プロセスが、溶融又は乾燥による古典的なコーティングプロセスである場合、
(b)300~450℃:表面反応が所望されるが、バルクが反応するべきではない場合、及び
(c)600~800℃:特定の固体状態の拡散又はバルク反応を伴う場合。
-Coが0.22より多い場合、容量が低下する
-Coが0.18未満である場合、サイクル安定性が低下する
-Ni-超過が0.42未満である場合、容量が不十分である
-Ni-超過が0.52より多い場合、サイクル安定性及び安全性特性が低下する
-Ni/Mn(=(z+(0.5×y))/0.5×y)の比率が4.25より大きい場合、サイクル安定性は低下する
-Ni/Mn比率が3.15未満である場合、容量が低下する
-Li/M’の化学量論量が1.05を著しく超過する場合、容量が低下し、かつ可溶性塩基の含有量が多くなり過ぎる、及び
-Li/M’の化学量論量がより少なく0.95未満である場合、容量及びサイクル安定性が低下する。
式中、同じであっても異なってもよいR1~R6は、水素、フッ素、C1~C8アルキル基、C1~C8アルケニル基、C1~C8アルキニル基、C1~C8フルオロアルキル基、C1~C8フルオロアルケニル基、C1~C8フルオロアルキニル基から独立して選択される。
R1-COO-R2
式中、
i)R1は、水素、アルキル基、又はフルオロアルキル基であり、
ii)R2は、アルキル基又はフルオロアルキル基であり、
iii)R1及びR2のいずれか又は両方は、フッ素を含み、
iv)2個で一対のR1及びR2は、少なくとも2個の炭素原子を含むが、7個以下の炭素原子を含む。
式中、Yは、酸素であるか、又はHCA基を表し、式中、各Aは、独立して、水素、又は任意選択的に、フッ素化エテニル(H2C=CH-)、アリル(H2C=CH-CH2-)、エチニル(HC≡C-)、プロパルギル(HC≡C-CH2-)、又はC1~C3アルキル基であり、nは、0又は1である。HCA基は、水素原子に結合される炭素原子、上で定義したA実体、並びに環状イオウ化合物の隣接するイオウ及び炭素原子を表す。各A実体は、非置換であり得るか、又は部分的若しくは完全にフッ素化され得る。好ましくは、Aは、非置換である。より好ましくは、Aは、水素又はC1~C3アルキル基である。更により好ましくは、Aは、水素である。
式中、R7~R14は、各々独立して、水素、フッ素、任意選択的にフッ素、アルコキシ、及び/若しくはチオアルキル置換基によって置換された直鎖若しくは分岐鎖のC1~C10アルキル基、直鎖若しくは分岐鎖のC2~C10アルケニル基、又はC6~C10アリール基である。
-15%~35%の、より好ましくは17%~30%の、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ビニルエチレンカーボネート、及びこれらの混合物から選択される非フッ素化環状カーボネート、
-2%~10%の、より好ましくは3%~10%の、4-フルオロ-1,3-ジオキソラン-2-オン、
-30%~70%の、より好ましくは50%~70%の、2,2-ジフルオロエチルアセテート、2,2-ジフルオロエチルプロピオネート、2,2,2-トリフルオロエチルアセテート、2,2-ジフルオロエチルホルメート、及びこれらの混合物から選択されるフッ素化非環状カルボン酸エステル、
-9%~16%の、より好ましくは11%~16%の、リチウムヘキサフルオロホスフェート、リチウムビス(フルオロスルホニル)イミド、リチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド、及びこれらの混合物から選択される電解質塩、
-0.4%~2%の、より好ましくは0.5%~1%の、リチウムジフルオロホスフェート、リチウムビス(オキザレート)ボレート、及びこれらの混合物から選択される追加的なリチウム化合物、
-0.4%~5%の、より好ましくは0.5%~3%の、1,3,2-ジオキサチオラン-2,2-ジオキシド、1,3,2-ジオキサチアン-2,2-ジオキシド、1,3-プロパンスルトン、及びこれらの混合物から選択される環状イオウ化合物、
-0.25%~1%の、より好ましくは0.30%~0.80%の、無水マレイン酸、無水コハク酸、グルタル酸無水物、2,3-ジメチルマレイン酸無水物、シトラコン酸無水物、及びこれらの混合物から選択される環状カルボン酸無水物。
A)コインセル試験
a)コインセルの調製
正極の調製に関しては、重量比90:5:5の配合で、電気化学的活性材料、コンダクタ(Super P、Timcal)、バインダ(KF#9305、Kureha)を溶媒(NMP、三菱)中に含有するスラリーを、高速ホモジェナイザにより調製する。均質化したスラリーを、230μmのギャップを伴うドクターブレードコータを用いて、アルミニウム箔の片面上に塗り広げる。スラリーでコーティングした箔をオーブン内で120℃において乾燥させて、次にカレンダ工具を使用してプレスする。次に、これを真空オーブン中で再び乾燥させて、電極フィルム内の残留溶媒を完全に除去する。コインセルは、アルゴンを充填させたグローブボックス中で組み立てられる。セパレータ(Celgard2320)を、正極と、負極としてのリチウム箔との間に配置する。EC/DMC(1:2)中1MのLiPF6を電解質として使用し、セパレータと電極との間に滴下する。次に、コインセルを完全に密封して、電解質の漏れを防止する。
方法1は、従来の「一定のカットオフ電圧」試験である。本発明における従来のコインセル試験は、表1に示した手順に従う。各セルを、Toscat3100コンピュータ制御ガルバノスタットサイクリングステーション(galvanostatic cycling station)(東洋製)を用いて、25℃においてサイクルする。本コインセル試験手順は、160mA/gの1C電流定義を使用し、かつ以下のように2つの部分で構成される。
異なるカソード材料の特定の容量が異なる場合、異なるカソード材料のサイクリング安定性を比較することは容易ではない。1つのサンプルが低い容量を有して良好に循環し、かつその他が高容量を有して循環が悪くなる場合、適正な比較を行うことは容易ではない。したがって、「試験方法2」は、一定の電荷容量プロトコルを使用する。試験方法2は、同一容量でのサイクル安定性を比較している。200mAh/gの一定の電荷容量を選択する。一般的に、可逆容量が失われるので、サイクリング中に減退が観察される。したがって、200mAh/gで固定された電荷容量を維持するために、充電電圧が持続的に増大する。充電終止電圧のモニタリングは、固定された充電電圧条件下でサイクリング中の減退率を数量化する、高感度の手法である。電圧の増大が速くなると、サイクル安定性が悪化する。
式中、Nは、4.7Vに到達するまでのサイクル数(14サイクル後)であるか、又はNは、サイクル51で4.7Vの電圧に到達していない場合に37である。より低い勾配Sでは、より安定したサイクリング材料が観察される。
「試験方法3」は、蓄電特性の試験である。本試験では、高温での蓄電前後の容量を測定する。上述のようにコインセルを調製する。容量を、4.3~3.0V/Liの金属窓範囲において、0.1Cで測定する。表3は、適用した試験手順の詳細についてまとめている。
カソード材料の炭素含有量を、EMIA-320V炭素/イオウ分析器により測定する。1gのカソード材料を、高周波誘導電気炉内のセラミック坩堝の中に配置する。1.5gのタングステン及び0.3gのスズを、促進剤として坩堝の中へ加える。プログラム可能な温度で、材料を加熱する。燃焼の間に生成したガスを、次に、4つの赤外線検出器により分析する。CO2含有量及びCO含有量の分析により、炭素濃度を測定する。
コインセル電極を、前述したように調製した。約3.3mgの活性材料を含有する小型電極を押し込んで、コインセルに組み立てる。C/24レートを使用してセルを4.3Vまで充電し、続いて少なくとも1時間定電圧充電する。コインセルの分解後、ジメチルカーボネート(DMC)を用いて電極を繰り返し洗浄して、残留する電解質を除去する。DMCの蒸発後、電極をステンレス鋼の缶内へと埋めて、かつ約1.3mgの電解質を加え、続いてセルを密封して閉じる(圧着)。電解質は、上記のコインセルの調製に使用されるものと同一である。TAインストルメントDSC Q10装置を使用して、DSC測定を実施する。5℃/分の加熱速度を使用して、50~350℃でDSCスキャンを実施する。DSCセル及び圧縮装置もまた、TAにより供給された。100~320℃の基準以上のピーク面積を積分することにより、発熱容量を推定する。
a)フルセル電極の調製1
650mAhのパウチ型セルを次のように調製する。カソード材料、Super-P(Timcalから市販されているSuper-PTM Li)、正極導電剤としてグラファイト(Timcalから市販されているKS-6)、及び正極結合剤としてポリフッ化ビニリデン(Kurehaから市販されているPVDF 1710)を分散媒としてN-メチル2-ピロリドン(NMP)に加え、これにより、正極活性材料粉末、正極導電剤super-P及びグラファイト、並びに正極結合剤の質量比が92/3/1/4となるようにした。その後、混合物を混練して正極混合スラリーを調製する。次いで、得られた正極混合スラリーを、厚さ15μmのアルミニウム箔からなる正極集電体の両面に適用する。適用領域の幅は43mmであり、長さは447mmである。典型的なカソード活性材料の充填量は、11.5±0.2mg/cm2である。次に、電極を乾燥させて、120kgf(1176.8N)の圧力を使用してカレンダ加工する。典型的な電極密度は、3.3±0.05g/cm3である。また、正極の端部には、正極集電体タブとして機能するアルミニウム板がアーク溶接されている。
200mAhのパウチ型セルを次のように調製する。カソード材料、Super-P(Timcalから市販されているSuper-PTM Li)、正極導電剤としてグラファイト(Timcalから市販されているKS-6)、及び正極結合剤としてポリフッ化ビニリデン(Kurehaから市販されているPVDF 1710)を分散媒としてN-メチル2-ピロリドン(NMP)に加え、これにより、正極活性材料粉末、正極導電剤super-P及びグラファイト、並びに正極結合剤の質量比が92/3/1/4となるようにした。その後、混合物を混練して正極混合スラリーを調製する。次いで、得られた正極混合スラリーを、厚さ15μmのアルミニウム箔からなる正極集電体の両面に適用する。適用領域の幅は26mmであり、長さは207mmである。典型的なカソード活性材料の充填量は、11.0±0.2mg/cm2である。次に、電極を乾燥させて、120kgf(1176.8N)の圧力を使用してカレンダ加工する。典型的な電極密度は、3.3±0.05g/cm3である。また、正極の端部には、正極集電体タブとして機能するアルミニウム板がアーク溶接されている。
螺旋状に巻かれた電極アセンブリを得るために、正極シート、及び負極シート、並びにそれらの間に差し込まれた、厚さ20μmの微多孔性ポリマーフィルム(Celgardから市販のCelgard(登録商標)2320)から作られたセパレータシートを、巻線コアロッドを用いて螺旋状に巻いた。アセンブリ及び電解質は、次に、-50℃の露点を有する風乾室内でアルミニウム積層されたパウチ内に入れられ、これにより、平坦なパウチ型のリチウム二次電池が調製される。二次電池の設計容量は、4.20Vまで充電する場合に650又は200mAhである。
下記条件下において45℃で、調製したフルセル電池を充電し、かつ数回放電して、それらの充電-放電サイクルの性能を測定する。
-1CレートにおいてCCモードで4.2Vまで、次にC/20に到達するまでCVモードで充電を行う。
-次に、セルを10分間休止設定する。
-1CレートにおいてCCモードで2.7Vに下がるまで放電を行う。
-次に、セルを10分間休止設定する。
-電池が約80%の保持容量に到達するまで充電-放電サイクルを続ける。100サイクル毎に1回、0.2CレートにおいてCCモードで2.7Vに下がるまで放電を行う。
下記条件下において25℃で、調製したフルセルを充電し、かつ数回放電して、それらの充電-放電サイクルの性能を測定する。
-1CレートにおいてCCモードで4.35Vまで、次にC/20に到達するまでCVモードで充電を行う。
-次に、セルを10分間休止設定する。
-1CレートにおいてCCモードで3.0Vに下がるまで放電を行う。
-次に、セルを10分間休止設定する。
-電池が約80%の保持容量に到達するまで充電-放電サイクルを続ける。
試験は、方法D2)と同じ方法であるが、45℃で行う。
上記の調製方法によって調製した650又は200mAhのポーチ型電池を、4.35Vまで完全に充電し、オーブンに入れて90℃まで加熱し、4時間そこに保管する。充電されたカソードは、90℃で電解質と反応しガスを発生する。発生したガスが、膨張を生じさせる。4時間後に、厚さ又は膨張率((保管後の厚さ-保管前の厚さ))/保管前の厚)の増加を測定する。
以下の説明は、再焼結プロセスを通しての高Ni-超過NMC粉末の製造手順の実施例を提供し、これは前述のように、通常はLi2CO3又はLiOH・H2Oであるリチウム源と、通常は混合遷移金属水酸化物M’(OH)2又はオキシ水酸化物M’OOH(M’=Ni、Mn、及びCOを伴う)であるがこれらの水酸化物に限定されない混合遷移金属源との間の、固体状態反応である。再焼結プロセスとしては、とりわけその他の2つの焼結工程が挙げられる。
1)第1のブレンド:リチウムが欠損した焼結前駆体、リチウム及び混合遷移金属源を、Henschel Mixer(登録商標)において30分間、均質にブレンドする。
2)第1の焼結:第1のブレンド工程からのブレンドを、700~950℃で5~30時間、炉内における酸素を含有した環境下で焼結する。第1の焼結後に焼結ケークを粉砕し、第2のブレンド工程のために準備ができた状態となるように分類してふるいにかける。本工程から得られた生成物は、リチウムが欠損した焼結前駆体であり、LiM’O2におけるLi/M’の化学量論比が1未満であることを意味する。
3)第2のブレンド:リチウムが欠損した焼結前駆体を、Li化学量論を補正するためにLiOH・H2Oとブレンドする。ブレンドを、Henschel Mixer(登録商標)において30分間実施する。
4)第2の焼結:第2のブレンド工程からのブレンドを、800~950℃の範囲内で5~30時間、炉内における酸素を含有した環境下で焼結する。
5)後処理工程:第2の焼結後に、焼結ケークを粉砕し、非アグロメレート化NMC粉末を得るために、分類してふるいにかける。
式Li1.034M’0.966O2(Li/M’=1.07)を有するサンプルCEX1を、第1及び第2の焼結温度がそれぞれ720℃及び830℃であることを除いて、EX1.1と同じ方法に従って調製する。
組成物Li1.005M’0.995O2(Li/M’=1.01)を有するサンプルCEX2を、M’(OH)2中のM’がNi0.65Mn0.10Co0.25(Ni-超過=0.55)であり、第2の焼結温度が800℃であることを除いて、EX1.1と同じ方法に従って得る。
組成物Li1.005M’0.995O2(Li/M’=1.01)を有するCEX3を、M’(OH)2中のM’がNi0.65Mn0.175Co0.175(Ni-超過=0.48)であり、第2の焼結温度が825℃であることを除いて、EX1.1と同じ方法に従って調製する。
組成物Li1.005M’0.995O2(Li/M’=1.01)を有するCEX4を、M’(OH)2中のM’がNi0.6Mn0.2Co0.2(Ni-超過=0.4)であり、第2の焼結温度が860℃であることを除いて、EX1.1と同じ方法に従って調製する。
組成物LiM’O2(Li/M’=1.00)を有するCEX5を、前駆体として使用されるM’(OH)2中のM’がNi0.68Mn0.12Co0.2(Ni-超過=0.56)であり、第2の焼結温度が820℃であることを除いて、EX1.1と同じ方法に従って得る。
式Li0.995M’1.005O2(Li/M’=0.99)を有するCEX6を、M’(OH)2中のM’がNi0.7Mn0.15Co0.15(Ni-超過=0.55)であり、第2の焼結温度が830℃であることを除いて、EX1.1と同じ方法に従って得る。
前述の「製造実施例」に従って、EX7.1を調製する。ニッケル-マンガン-コバルトの混合水酸化物(M’(OH)2)は、前駆体として使用され、M’(OH)2は、大型の連続持続的撹拌槽型反応器(CSTR)において、ニッケル-マンガン-コバルトの混合サルフェート、水酸化ナトリウム及びアンモニアを用いて共沈プロセスにより調製される。第1のブレンド工程では、Li/M’比率が0.85である5.5kgのM’(OH)2(M’=Ni0.6Mn0.2Co0.2(Ni-超過=0.40)及びLi2CO3の混合物を調製する。チャンバ炉内の乾燥空気環境下で、900℃で10時間、第1のブレンドを焼結する。Li/M’が1.055である3.0kgの第2のブレンドを調製するために、得られたリチウム欠乏性焼結前駆体をLiOH・H2Oとブレンドする。チャンバ炉内の乾燥空気環境下で、855℃で10時間、第2のブレンドを焼結する。上記の調製したCEX7.1は、式Li1.027M’0.973O2(Li/M’=1.055)を有する。
前述の「製造実施例」に従って、CEX8を調製する。ニッケル-マンガン-コバルトの混合水酸化物(M’(OH)2)は、前駆体として使用され、M’(OH)2は、大型の連続持続的撹拌槽型反応器(CSTR)において、ニッケル-マンガン-コバルトの混合サルフェート、水酸化ナトリウム及びアンモニアを用いて共沈プロセスにより調製される。第1のブレンド工程では、Li/M’比率が0.85である5.5kgのM’(OH)2(M’=Ni0.70Mn0.15Co0.15(Ni-超過=0.55)である)及びLiOH・H2Oの混合物を調製する。RHK(roller hearth kiln、ローラハースキルン)内の酸素環境下で、800℃で10時間、第1のブレンドを焼結する。Li/M’が0.99である3.0kgの第2のブレンドを調製するために、得られたリチウム欠乏性焼結前駆体をLiOH・H2Oとブレンドする。チャンバ炉内の酸素環境下で、830℃で10時間、第2のブレンドを焼結する。上記の調製したCEX8は、式Li0.995M’1.005O2(Li/M’=0.99)を有する。
比較実施例7.2と同じ方法により、工業規模の製品であるCEX9を調製する。
Claims (21)
- 液体電解質リチウム二次電池セルであって、
-以下の一般式を有するリチウム遷移金属系酸化物粉末を含む正極材料であって、
Li1+a((Niz(Ni0.5Mn0.5)y Cox)1-k Ak)1-a O2、式中、Aが、ドーパントであり、-0.025≦a≦0.025、0.18≦x≦0.22、0.42≦z≦0.52、1.075<z/y<1.625、x+y+z=1、及びk≦0.01である、正極材料と、
-電解質組成物であって、
a)少なくとも1つの環状カーボネート、
b)少なくとも1つのフッ素化非環状カルボン酸エステル、
c)少なくとも1つの電解質塩、
d)リチウムホスフェート化合物、リチウムボロン化合物、リチウムスルホネート化合物、及びこれらの混合物から選択される少なくとも1つのリチウム化合物、並びに
e)少なくとも1つの環状イオウ化合物、を含む、電解質組成物と、を含む、液体電解質リチウム二次電池セル。 - 前記電解質組成物が、少なくとも1つの環状カルボン酸無水物を含む、請求項1に記載の液体電解質リチウム二次電池セル。
- 前記電解質組成物が、式(I)又は(II)の少なくとも1つの非フッ素化環状カーボネートを含み、同じであっても異なってもよいR1~R6が、水素、C1~C8-アルキル、-アルケニル、又は-アルキニル基から独立して選択される、請求項3に記載の液体電解質リチウム二次電池セル。
- 前記電解質組成物が、式(I)又は(II)の少なくとも1つのフッ素化環状カーボネートを含み、R1~R6の少なくとも1つが、フッ素、又はC1~C8-フルオロアルキル、-フルオロアルケニル、-フルオロアルキニル基である、請求項3又は4に記載の液体電解質リチウム二次電池セル。
- 前記少なくとも1つのフッ素化非環状カルボン酸エステルが、以下の式によって表され、
R1-COO-R2
式中、
i)R1が、H、アルキル基、又はフルオロアルキル基であり、
ii)R2が、アルキル基又はフルオロアルキル基であり、
iii)R1及びR2のいずれか又は両方が、フッ素を含み、
iv)2個で一対のR1及びR2が、少なくとも2個の炭素原子を含むが、7個以下の炭素原子を含む、請求項1~5のいずれか一項に記載の液体電解質リチウム二次電池セル。 - 前記電解質塩が、リチウム塩である、請求項1~5のいずれか一項に記載の液体電解質リチウム二次電池セル。
- 前記リチウム塩は、リチウムヘキサフルオロホスフェート(LiPF6)、リチウムビス(トリフルオロメチル)テトラフルオロホスフェート(LiPF4(CF3)2)、リチウムビス(ペンタフルオロエチル)テトラフルオロホスフェート(LiPF4(C2F5)2)、リチウムトリス(ペンタフルオロエチル)トリフルオロホスフェート(LiPF3(C2F5)3)、リチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド(LiN(CF3SO2)2)、リチウムビス(パーフルオロエタンスルホニル)イミドLiN(C2F5SO2)2、LiN(C2F5SO3)2、リチウム(フルオロスルホニル)(ノナフルオロブタンスルホニル)イミド、リチウムビス(フルオロスルホニル)イミド、リチウムテトラフルオロボレート、リチウムパークロレート、リチウムヘキサフルオロアルセネート、リチウムヘキサフルオロアンチモネート、リチウムテトラクロロアルミネート、リチウムアルミネート(LiAlO4)、リチウムトリフルオロメタンスルホネート、リチウムノナフルオロブタンスルホネート、リチウムトリス(トリフルオロメタンスルホニル)メチド、リチウムビス(オキザレート)ボレート、リチウムジフルオロ(オキザレート)ボレート、式中xが0~8に等しい整数であるLi2B12F12-xHx、及びフッ化リチウムとB(OC6F5) 3 との混合物から選択される、請求項7に記載の液体電解質リチウム二次電池セル。
- 前記リチウム塩は、リチウムビス(フルオロスルホニル)イミド、リチウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド、又はこれらの混合物から選択される、請求項7または8に記載の液体電解質リチウム二次電池セル。
- 前記リチウム化合物が、
i)リチウムモノフルオロホスフェート、リチウムジフルオロホスフェート、リチウムトリフルオロメタンホスフェート、リチウムテトラフルオロホスフェート、リチウムジフルオロビス(オキザレート)ホスフェート、リチウムテトラフルオロ(オキザレート)ホスフェート、リチウムトリス(オキザレート)ホスフェート、から選択されるリチウムホスフェート化合物、
ii)リチウムテトラフルオロボレート、リチウムビス(オキザレート)ボレート、リチウムジフルオロ(オキザレート)ボレート、式中xが0~8の範囲の整数であるLi2B12F12-xHx、から選択されるリチウムボロン化合物、
iii)リチウムフルオロスルホネート、リチウムトリフルオロメタンスルホネートから選択されるリチウムスルホネート化合物、及び
iv)これらの混合物、から選択される、請求項1~9のいずれか一項に記載の液体電解質リチウム二次電池セル。 - 前記リチウム化合物が、リチウムジフルオロホスフェート、リチウムビス(オキザレート)ボレート、及びこれらの混合物から選択される、請求項10に記載の液体電解質リチウム二次電池セル。
- 前記リチウム遷移金属系酸化物粉末が、1000ppm以下の炭素含有量を有する、請求項1~13のいずれか一項に記載の液体電解質リチウム二次電池セル。
- 前記リチウム遷移金属系酸化物粉末が、400ppm以下の炭素含有量を有する、請求項1~13のいずれか一項に記載の液体電解質リチウム二次電池セル。
- 前記リチウム遷移金属系酸化物粉末が、0.05~1.0重量%のイオウ含有量を有する、請求項1~15のいずれか一項に記載の液体電解質リチウム二次電池セル。
- 前記粉末が、0.15~5重量%のLiNaSO4の二次相を更に含む、請求項1~16のいずれか一項に記載の液体電解質リチウム二次電池セル。
- 前記粉末が、前記リチウム遷移金属系酸化物を含むコア、及び前記LiNaSO4の二次相を含むコーティングからなる、請求項17に記載の液体電解質リチウム二次電池セル。
- 前記二次相が、最高1重量%の、Al2O3、LiAlO2、LiF、Li3PO4、MgO、及びLi2TiO3のうちのいずれか1つ以上を更に含む、請求項17又は18に記載の液体電解質リチウム二次電池セル。
- 前記ドーパントAが、Al、Ca、W、B、Si、Ti、Mg、及びZrのうちのいずれか1つ以上である、請求項1~19のいずれか一項に記載の液体電解質リチウム二次電池セル。
- 前記粉末が、前記リチウム遷移金属系酸化物を含むコア、並びにリチウム及び遷移金属を含む表面層からなり、前記表面層が、外側及び内側界面によって区切られ、前記内側界面が、前記コアと接触し、Aが、少なくとも1つのドーパントであり、かつAlを含み、前記コアが、0.3~3mol%のAl含有量を有し、前記表面層が、前記内側界面における前記コアの前記Al含有量から、前記外側界面における少なくとも10mol%まで増加するAl含有量を有し、前記Al含有量が、XPSによって決定される、請求項20に記載の液体電解質リチウム二次電池セル。
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