JP7295275B2 - 改善された電池性能のための安定化された高ニッケルｎｍｃカソード材料 - Google Patents

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Description

関連出願の相互参照
本出願は、参照により本明細書に組み込まれる、2020年5月21日に出願された係属中の米国仮特許出願第62/850,777号の優先権を主張する。
本願発明は、多くの充電/放電サイクルを受ける能力をもたらす優れた安定性を有する高ニッケルNMCの化成に関する。
NMCと呼ばれる、ニッケル、マンガンおよびコバルトを含むカソード材料は、多くの用途に非常に適していることが証明されている。特に望ましいものは、それらの予想される高い充電容量のために、高ニッケルNMCである。残念ながら、遷移金属に基づいて約50モル%を超えるニッケルを有するNMCは不安定であることが証明されており、したがって、高ニッケルNMCは、限られた成功しか見られていない。ニオブ酸リチウム(lithium niobate)のコーティングは高ニッケルNMCの欠陥を軽減するが、充電サイクルの回数は依然として十分ではない。
理論に限定されるものではないが、高ニッケルNMCの形成中に粒子が凝集すると仮定される。この凝集はニオブ酸リチウムコーティングの形成前に起こるので、凝集物は図1に概略的に示されるようにコーティングされる。図1において、粒子10の凝集体8は、凝集体の表面上に形成されたコーティング12を有する。凝集粒子の内部領域には、ニオブ酸リチウムで被覆されていない粒子の格子間界面14、粒子間および格子間表面15に被覆されていない領域がある。凝集体が非摂動（un-perturbed）の場合、内部のコーティングされていない領域は重要ではない。残念ながら、カソードを形成するプロセスの間に、粒子は少なくとも部分的に解凝集して(de-agglomerate)、図2に示すように、コーティングされていない表面11を有する粒子をもたらし、ここで、該コーティングされていない表面が、コーティングされていない格子間界面または格子間表面から生じ得る。さらに別の摂動（perturbation）は、粒子のコーティングされていない領域を効果的に露出させるために、粒子境界でいくらかの解凝集(de-agglomeration)、または少なくとも十分な分離を引き起こすと仮定される、充電サイクル（charging cycle）であると考えられる。コーティングされていない領域は、特に、液体ベースの電解質と共に利用される場合、高ニッケルNMCの劣化の原因であると考えられる。
個々の粒子がコーティングされ、コーティングされた個々の粒子が凝集体を形成する、改善された高ニッケルNMCが本願発明で提供される。したがって、カソード形成および充電/放電の通常のプロセス中において、いかなる解凝集(de-agglomerated)をされた粒子も表面全体がコーティングされ、それによって、粒子上のコーティングされていない領域の影響が軽減される。
本願発明の目的は、リチウムイオン電池用の改良された高ニッケルNMCカソードを提供することである。
本願発明の特定の目的は、繰り返し放電/充電サイクルのような摂動に対して安定であるリチウムイオン電池用の高ニッケルNMCカソードを提供することであり、それによって、使用時に優れた性能と長寿命を有する高ニッケルNMCを提供することである。
特別な特徴は、カソード材料の粒子の格子間界面および表面上に、安定化コーティングを、組み込むことであり、このコーティングは、劣化、特に、液体ベースの電解質攻撃によって生じる劣化を抑制する。
本願発明の一実施形態は、次を含む、リチウムイオン電池に使用するための改善されたカソード材料において提供される:
次式
LiNiaMnbXcGdO2
によって定義される酸化物を含む粒子:
（式中、Gは任意のドーパント(dopant)である; Xは、CoまたはAlである; a ≧ 0.5; b+c+d ≦ 0.5; d≦0.1であり;及び 各粒子は粒子の表面を覆うコーティングを含み、コーティングは、バナジウム(vanadium:V)、タンタル(tantalum:Ta)およびニオブ(niobium:Nb)からなる群から選択される金属の酸化物の塩を含む。凝集体(agglomerate)は、粒子を含み、凝集体は、格子間界面を含む。格子間界面は、隣接する複数の粒子において、隣接するコーティングを含む。
さらに別の実施形態は、次式
LiNiaMnbXcGdO2
によって定義される酸化物を含む粒子、を含む凝集体において提供される:
（式中、Gは任意のドーパントである; Xは、CoまたはAlである; a ≧ 0.5; b+c+d ≦ 0.5; d ≦ 0.1;
ここで、粒子は凝集して凝集体を形成し； そして、コーティング材料は凝集体中の隣接する複数の粒子間に存在する。）
図1は、従来技術の概略図である。
図2は、従来技術の概略図である。
図3は、本願発明の実施形態の概略図である。
図4は、コーティングを含む単離された粒子の概略図である。
図5は、本願発明の実施形態の利点を示すグラフ表示である。
図6は、本願発明の実施形態の利点を示すグラフ表示である。
図7は、本願発明の実施形態の利点を示すグラフ表示である。
本願発明は、リチウムイオン電池用の改善カソード、および、特に、リチウムイオン電池用の高ニッケルNMC若しくはNCAカソードに特異的である。より具体的には、本願発明が、凝集体を形成する複数粒子の格子間界面および格子間表面上にコーティングを含み、コーティングが空間電荷領域の形成および表面での劣化を抑制する、リチウムイオン電池用の高ニッケルカソードに特異的である。
好ましい実施形態において、本願発明のリチウム金属化合物は、以下の式
LiNiaMnbXcGdO2
によって定義される;
式中、Gは、任意のドーパントである; Xは、CoまたはAlである; a ≧ 0.5; b+c+d ≦ 0.5;及び d ≦ 0.1。
好ましい実施形態は、XがCoであり、NMC 622によって表されるように、0.5≦a≦0.9であり、より好ましくは0.58≦a≦0.62であり、またはNMC 811によって表されるように0.78≦a≦0.82である高ニッケルNMCである。
明細書を通しての式では、リチウムが、アノードとカソードの間で移動するという理解と電荷の均衡を保つために、化学量論的に定義される。したがって、任意の所与の時点で、カソードは、比較的リチウムリッチであるか、または比較的リチウムが枯渇している可能性がある。リチウムが枯渇したカソードでは、リチウムは化学量論的バランスを下回り、充電時にリチウムは化学量論的バランスを上回ってもよい。同様に、本明細書全体を通して列挙される記述において、金属は実際に完全にバランスのとれた化学量論を処方することができないために、元素分析によって決定されるように、金属がわずかにリッチであり得るか、またはわずかに枯渇し得るという理解の下で、電荷バランスで表される。明細書全体を通して、具体的に列挙される配合物は、10%以内の金属のモル比を表すことが意図される。例えば、LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2については、各金属は化学量論の10%以内で述べられ、したがってNi0.6はNi0.54～Ni0.66を表す。
ドーパントは、電子伝導性および安定性などの酸化物の特性を高めるために添加することができる。ドーパントは、好ましくは第1級ニッケル、マンガンおよびコバルトまたはアルミニウムと共に(in concert with)添加される置換ドーパントである。ドーパントは、酸化物中で10モル%以下、好ましくは5モル%以下であることが好ましい。好ましいドーパントとしては、Al、Gd、Ti、Zr、Mg、Ca、Sr、Ba、Mg、Cr、Cu、Fe、Zn、V、Bi、NbおよびBが挙げられ、AlおよびGdが特に好ましい。
カソードは、Li、Ni、Mn、Co、またはAlの塩を含む酸化物前駆体から形成され、これについては、本明細書でより十分に説明する。酸化物前駆体をか焼(Calcination)して、リチウム金属酸化物としてカソード材料を形成する。
カソード材料の粒子は、ニオブ、バナジウムまたはタンタルの金属酸化物で被覆され、ニオブ酸リチウム(LiNbO3)が最も好ましい。コーティングは、特に、エチレンカーボネート(EC):ジエチレンカーボネート(DEC)1:1のような液体ベースの電解質を使用する場合に劣化を防止し、固体電解質を使用する場合に空間電荷抵抗を減少させる、後のパッシベーション (passivation later：後の表面不活性化)を提供する。
本願発明の一体化された非限定的な成分を形成する図3を参照して、本願発明の実施形態を説明する。図3には、凝集体16が断面図で概略的に示されている。凝集体は、粒子10を含み、粒子の表面全体が、保護コーティング12で被覆されている。コーティングされる表面全体の結果は、格子間界面14がコーティングを含む界面であり、格子間表面15がコーティングを含む表面であるという利点である。いずれかの摂動が、凝集体を乱す場合、各粒子は図4に概略的に示されるように、完全にコーティングされた表面を有し、完全に解離した粒子は、完全な表面コーティングを有することが示される。摂動の大部分が、粒子の表面を露出するということ、あるいは、本願発明においては、粒子の完全な解離を必ずしも必要としない、粒子上のコーティング、を理解した議論のために、粒子の完全な解離が、図４に例示される。例示および考察の目的のために、隣接する粒子のコーティングは、明確かつ区別可能なものとして示されている。実際のサンプルでは、コーティングが隣接する粒子のコーティング間の明確なバリアーを、必ずしも、区別することなしに、隣接する粒子間に均質な層を形成することができる。言い換えれば、該コーティングは、視覚的および分光学的技術によって、別個のコーティングであると区別可能であり得るか、又は該コーティングは、コーティング材料の連続体として現れ得る。
本願発明の開示の目的のために、凝集体の格子間界面(interstitial interface)は、隣接する複数粒子の接触点、隣接する複数粒子のコーティングの接触点、または隣接する粒子のコーティングと粒子との接触点として定義される。本願発明の開示の目的のために、凝集体の格子間表面(interstitial surface)は、隣接する粒子若しくは隣接する粒子のコーティングと接触していない粒子の表面、または粒子のコーティングの表面として定義される。
コーティングは、粒子全体にわたって5～10ナノメートルの好ましい厚さを有する。
酸化物前駆体は、比較的不溶性の塩を形成する対イオン(counterions)の存在下での塩の反応によって形成される。比較的不溶性の塩は、Ostwaldが最終的に規則格子として沈殿すると考えられる懸濁化結晶を形成すると考えられる。本願発明の目的のために、好ましくはマンガンおよびニッケル、および場合によりコバルトまたはアルミニウムの、塩を、結晶成長を可能にするのに十分な速度で、マンガン、ニッケルおよびコバルトまたはアルミニウムを沈殿させる対イオンを含む溶液中で、組み合わせた。マンガン、ニッケル、コバルトまたはアルミニウムの可溶性対イオンは、酢酸塩、硝酸塩または炭酸水素塩を含む20℃での溶媒100g当たり少なくとも0.1gの塩の溶解度を有する、ものである。金属は、炭酸塩およびシュウ酸塩を含む20℃での100gの溶媒当たり0.05g未満の塩の溶解度を有する不溶性塩として沈殿する。
本願発明の特別な利点は、コーティングへの前駆体を形成する材料の添加を、粒子が凝集体を形成する前に起こし、それによって粒子の表面上に完全なコーティングの形成を可能にすることである。乾燥すると、粒子は凝集するが、粒子の表面は予めコーティングによって覆われており、それによってコーティングされていない格子間界面および格子間表面の形成が排除される。対照的に、従来技術のプロセスは凝集後にコーティング前駆体を組み込み、コーティングされていない格子間界面および格子間表面の形成をもたらす。あるいは、先行技術は、少なくとも格子間界面にコーティングを効果的に形成しない表面にブルームする(bloom：一杯になる)コーティング材料に依存する。
全体の反応は、順次、2つの二次反応を含み、第一反応は、反応Aによって表されるような過剰のマルチ－カルボン酸(multi-carboxylic acid)の存在下での炭酸塩供給原料の分解消化(digestion)である:

XCO3(s)+ 2H+(aq)⇒ X2+ + CO2(g)+ H2O(l) 反応 A

式中、Xは、好ましくはLi2、Ni、Mn、CoまたはAlから選択されるカソード材料に使用するのに適した金属を表す。反応Aにおいて、酸は、単純化のために反応Aでは示されていないマルチカルボン酸によって遊離される。反応Aの結果は、反応Bによって表されるように、塩が脱プロトン化されたマルチ－カルボン酸によってキレート化されている溶液中にある金属塩である:

X2+ + -OOCR1COO- → X(OOCR1COO) 反応 B

式中、R1は、マルチ－カルボン酸塩を含むアルキル鎖を表す。X(OOCR1COO)で表される塩は、本明細書の他の箇所で論じられるように、規則格子をもって沈殿する。
反応Aの金属炭酸塩は、Li(O2CCH3)、Ni(O2CCH3)2またはMn(O2CCH3)2などの金属酢酸塩で置換することができ、これらは水溶液または固体材料として添加することができる。
pHは所望であれば、pHを正確に制御するための、単純さおよび改善された能力によって、水酸化アンモニウムで調整され得る。先行技術の方法では、水酸化アンモニウムの使用が、NH3の特性により、水溶液中でニッケルと錯体を形成するために、下記の反応によって表されるように困難性を引き起こした:

[Ni(H2O)6]2+ + xNH3 ⇒ [Ni(NH3)x(H2O)6-x]2+ + xH2O

その結果、ニッケルの析出が不完全になり、最終的な酸化物前駆体の化学量論の決定および制御が複雑になる。マルチ－カルボン酸、特にシュウ酸は、NH4 +よりもニッケルを優先的に効果的に配位させ、それによって、規則正しい酸化物前駆体中へのニッケルの沈殿および取り込みの速度を増加させる。マルチ－カルボン酸による優先沈殿は、ニッケル沈殿に向かう反応を推進し、水酸化アンモニウムの使用を回避する。
マルチ－カルボン酸の存在下での炭酸塩消化プロセスは、好ましくは、水の存在下で、金属炭酸塩とシュウ酸とを反応器に混合させ、続いて撹拌することを含む。次いで、スラリー（懸濁液）を、好ましくは噴霧乾燥によって乾燥させ、続いて、か焼する(calcining)。か焼(Calcination)温度は、400～1000℃で変化させて、異なる構造特性を有する材料を形成することができる。
炭酸塩消化プロセスの特別な特徴は、前駆体粉末を粉砕若しくはブレンドし、スラリーを濾過し、これらの工程でさえ、上清をデカントする必要がないという、事実である。
シュウ酸塩を例として用いる炭酸塩分解消化プロセス若しくは分解消化(加水分解)-沈殿反応は、好ましくは、水の存在下で起こる以下の式によって記述することができる:

H2C2O4(aq)+ XCO3(s)→ CO2(g)+ H2O(l)+ XC2O4(s, aq)(X =遷移金属、Li2)
理論に限定されるものではないが、シュウ酸は炭酸塩を加水分解してCO2(g)、H2O(l)、および金属イオンを形成すると仮定される。次に、遷移金属イオンが、金属シュウ酸塩として沈殿する。シュウ酸リチウムは、含水量に依存して、沈殿するか、または水に可溶性のままであり得る。可溶性シュウ酸リチウムは、噴霧乾燥中に遷移金属シュウ酸塩粒子上にコーティングされると予想される。水は単に金属炭酸塩を消化し、制御された様式で金属シュウ酸塩を沈殿させ、それによって核形成および結晶成長を可能にする媒体であるので、金属炭酸塩またはシュウ酸の完全な溶解を達成する必要はない。分解消化(加水分解)-沈殿反応の速度は、温度、含水量、pH、ガス導入、供給原料の結晶構造および形態に依存する。
反応は、消化反応速度の増加による一実施形態において、好ましくは、水還流温度が10～100℃の温度範囲で、履行することができる。
シュウ酸1g毎に、水分含量は約1～約400mlの範囲で変えることができ、反応速度の増加による水分含量の減少が好適であり、結果として、その後に除去しなければならない水はより少なくなる。
溶液のpHは、0～12の範囲で変えることができる。炭酸塩消化処理の特別な利点は、追加のpHコントロールなしに反応を行うことができ、それによって処理を単純化し、追加の、工程コントロール若しくは添加の必要性を排除することである。
反応は、未処理大気下で行うことができるが、いくつかの実施形態ではCO2、N2、Ar、他の不活性ガスまたはO2などの他のガスを使用することができる。いくつかの実施形態では、溶液中へのN2およびCO2のバブリングが、沈殿した金属シュウ酸塩の結晶化度をわずかに増加させ得るので、好ましい。
非結晶質 対 結晶質 カーボネート(amorphous vs. crystalline carbonate)供給原料(feedstocks)のような、前駆体の結晶化度および形態は、溶解度および粒径ならびに粒径の範囲の差異によって、分解消化速度に影響を及ぼすことができる。
炭酸塩分解消化プロセスは、固体炭酸塩供給原料から固体シュウ酸塩前駆体材料へのカスケード平衡を介して進行する。この方法は以下の反応により、これに限定されることなく、議論の目的のために、いくつかの別個の方法によって定義することができる:

(1) H2C2O4(s) → H2C2O4(aq)(シュウ酸の溶解)
(2) H2C2O4(aq)←→ H+ (aq)+ HC2O4 - (aq)(シュウ酸解離工程1、pKa = 1.25)
(3) HC2O4 - (aq)←→ H+ (aq)+ C2O4 2- (aq)(シュウ酸解離工程2、pKa = 4.19)
(4) XCO3(s, aq)+2H+ (aq) → X2+ + H2O(l)+ CO2(g)(炭酸塩加水分解)
(5) X2+ (aq)+ C2O4 2- (aq) → XC2O4(s)(金属シュウ酸塩の沈殿)
考察および説明の目的のために、反応は、操作反応条件下で反応が同時に起こり得ることを理解して段階的に記載される。含水量/イオン強度、過剰シュウ酸含量、バッチサイズ、温度、雰囲気、反応混合物の還流、pHコントロールなどの異なる反応パラメーターを変化させることによって、各工程の速度をコントロールすることができ、固形含量(content)などの他の望ましいパラメーターを最適化することができる。
カーボネート分解消化プロセスは、上記の反応(4)におけるように、溶液からのCO2(g)の発生のようなカスケード平衡で進行し、上記の反応(5)におけるように、高度に不溶性の金属シュウ酸塩の沈殿として進行する、と説明することができる。CO2発生および沈殿の両方が反応を完了させる。
カーボネートの加水分解速度は、便宜上、金属カーボネートのKspと以下のように相関する:
炭酸リチウム、Li2CO3、8.15×10-4 非常に速い(秒～分);
炭酸ニッケル(II)、NiCO3、1.42×10-7 高速(分);
炭酸マンガン(II)、MnCO3、2.24×10-11、遅い(数時間から数日間);及び
水酸化アルミニウム、Al(OH)3、3×10-34 非常に遅い
共沈(co-precipitation)の均一性は、カーボネート加水分解の速度に依存し得る。例えば、炭酸ニッケル(II)が、炭酸マンガン(II)の前に(before)完全に加水分解される場合、それは、その後、NiC2O4およびMnC2O4として別々に沈殿し得る。
温度は、シュウ酸の溶解速度、炭酸塩加水分解、および金属シュウ酸塩の沈殿に影響を及ぼすので、制御することができる。具体的には、水還流温度で反応を行うことが有用であろう。CO2(g)が、この反応で生成され、温度を上昇させるとCO2(g)の除去速度が上昇し、したがって、高温での水溶液CO2(g)溶解度が低くなるため、温度を上昇させると炭酸塩加水分解速度が上昇することがある。
ガスバブリングは、また、CO2発生速度を変えることによって反応速度を制御する有効な方法であり得る。N2(g)、O2(g)、CO2(g)、および/または大気のバブリングは、ガスが溶解CO2(g)を置換するか、または反応物の混合を改善するように機能し得るので、有益であり得る。
炭酸塩は、それらが最初に準安定重炭酸塩(metastable bicarbonate)の形成である場合、より速く消化され得る。
例えば、Li2CO3について以下の反応が起こる:

Li2CO3(s)+ CO2(g)+ H2O(l)←→ 2 LiHCO3(aq)
準安定重炭酸リチウムは、Li2CO3よりはるかに可溶性であり、その後の加水分解は以下に示すように、単一のプロトンを用いて化学量論的に進行することができる:

LiHCO3(aq)+ H+(aq)→ H2O(l)+ CO2(g)+ Li+ (aq)l
〔上記反応（4）とは対照的〕。
NiC2O4、MnC2O4、CoC2O4、ZnC2O4などの二価金属シュウ酸塩は、非常に不溶性であるが、Li2C2O4などの一価金属シュウ酸塩は、水中25℃で8g/100mLの溶解度でいくらか可溶性である。シュウ酸リチウムを溶液中に有し、混合金属シュウ酸塩沈殿物全体に均質に分散させる必要がある場合、水体積をシュウ酸リチウムの溶解限界より高く保つことが有利であり得る。
炭酸塩加水分解、金属シュウ酸塩沈殿の速度、ならびに金属シュウ酸塩沈殿物の結晶構造および粒径は、pHおよび含水量またはイオン強度によって影響される。いくつかの実施形態では、シュウ酸のプロトン活性、および金属シュウ酸塩の沈殿速度を増加させるので、より高いイオン強度、または、より低い含水量で機能することが有益であり得る。含水量は、約0.05～約20の範囲であるLでの水の体積に対する炭酸塩のモル数の好ましい比率をもって、炭酸塩原料含有量に対して正規化する(normalized)ことができる。炭酸塩1.25モル当たり約1.64 Lの含水量は、本願発明の実証に適した、1.79のLでの水の体積に対する炭酸塩のモルの比率を提供する。
炭酸塩に対するシュウ酸塩の化学量論量は、完全な沈殿を達成するのに十分である。しかし、過剰のシュウ酸を添加すると、シュウ酸における第2のプロトンが、はるかに酸性でなくなり(much less acidic)、加水分解に関与するので、反応速度を増加させることができる。カーボネートに対する約5モル%過剰のシュウ酸は、カーボネート加水分解の完了を確実にするのに十分である。誘導結合プラズマ質量分析(ICP)分析は、10%過剰のシュウ酸が、反応の完了までに0%化学量論的過剰(0% stoichiometric excess)と同様の数のMn/Ni イオンを溶液中に残すことを示した。少量の化学量論的過剰のシュウ酸は、完全な沈殿を達成するのに有効であるはずであるが、低い(low)化学量論的過剰は、カーボネート加水分解の速度に影響を及ぼし得る。
炭酸塩分解消化プロセスの特別な利点は、完全になるまで単一の反応器中で全反応を行う能力である。リチウム源(source)は、理想的には、噴霧乾燥およびか焼(calcination)工程前には、溶液中にあるので、遷移金属を別々に沈殿させ、共沈後にシュウ酸塩などの水性リチウム塩の溶液としてリチウム源を添加することが有用および/または可能であり得る。
金属が格子に組み込まれないコーティング金属前駆体塩は、バナジウム、タンタルまたはニオブを含む金属酸化物コーティングを最終的に形成するために、分解消化後に添加することができる。特に好ましい金属はニオブであり、特に好ましいニオブ前駆体は、被覆金属前駆体塩として、シュウ酸塩が最も好ましいジカルボン酸塩である。好ましいシュウ酸ニオブは、炭酸ニオブからその場で(in-situ)形成することができ、または、シュウ酸ニオブは、別々に調製し、カソード金属前駆体に添加することができる。コーティングは、主としてコーティング材料を、リチウム塩、例えばニオブ酸リチウムとして含み、コーティングの少なくとも95モルパーセントが、コーティング金属酸化物のリチウム塩であるか、またはコーティング中の金属イオンの5モルパーセント未満が、活性カソード材料のリチウム塩であることが好ましい。特に好ましい実施形態では、コーティング中の金属が少なくとも95モル%のニオブ酸リチウムである。
本願発明は、遷移金属酢酸塩および混合炭酸塩供給原料(feedstock)との使用に適しており、それによって、金属錯体の溶解度をより密接にマッチさせる(match)ことができる。Ni0.25Mn0.75CO3 + Li2CO3などの混合カーボネート供給原料が、LiNi0.5Mn1.5O4材料を生成するために、考慮される。供給原料不純物は、最終材料の性能にとって重要であり得る。特に、MnCO3のサンプルは、還流中に加水分解されない少量の未知の不純物を有し得る(may)。
マルチ－カルボン酸は、少なくとも2つのカルボキシル基を含む。特に好ましいマルチ－カルボン酸は、部分的にはか焼(calcining)中に除去しなければならない炭素の最小化により、シュウ酸である。他の低分子量ジカルボン酸、例えばマロン酸、コハク酸、グルタル酸およびアジピン酸を使用することができる。より高い分子量のジカルボン酸を、特に、より高い溶解度を有する偶数の炭素と共に使用することができるが、追加の炭素を除去し、溶解度を低下させる必要性は、それらをあまり望ましくないものにする。クエン酸、乳酸、オキサロ酢酸、フマル酸、マレイン酸および他のポリカルボン酸のような他の酸は、それらが少なくとも少量の化学量論的過剰を達成するのに十分な溶解度を有し、十分なキレート化特性を有するという条件で、利用することができる。水酸基を有する酸は、それらの増加した吸湿特性のために使用されないことが好ましい。
反応を達成して酸化物前駆体を形成するために、出発塩(starting salt)の溶液が調製される。好ましくは、ニッケル、マンガンおよびコバルトまたはアルミニウム溶液を、集合的に、別々に、または何らかの組合せで含む添加溶液、および、好ましくはリチウムを含むバルク溶液を調製することが好ましい。次いで、金属を含む添加溶液を、本明細書の他の箇所に記載されるように、バルク溶液に添加する。該溶液は逆にすることができるが、遷移金属を意図する化学量論で添加することが好ましく、したがって、すべての遷移金属を含む単一溶液としてリチウム含有バルク溶液に添加することが有利である。
各溶液は、選択された溶媒、好ましくは極性溶媒、例えば水に固体を溶解することによって調製されるが、これに限定されない。溶媒の選択は、溶媒中の固体反応物の溶解度および溶解温度によって決定される。可溶化がエネルギー集約的(energy intensive)でないように、周囲温度で溶解し、速い速度で溶解することが好ましい。溶解は、わずかに高い温度で、好ましくは100℃未満で行うことができる。他の溶解助剤は、酸または塩基の添加であってもよい。
混合中、バルク溶液中にガスを泡立たせることが好ましい。議論の目的のために、ガスは、化学反応に寄与しない不活性として定義されるか、または、ガスは、pHを調節するか、若しくは化学反応に寄与する反応性として定義される。好ましいガスには、空気、CO2、NH3、SF6、HF、HCl、N2、ヘリウム、アルゴン、メタン、エタン、プロパンまたはそれらの混合物が含まれる。特に好ましいガスは、反応物溶液が空気感受性でない限り、周囲空気を含む。二酸化炭素は、還元雰囲気が必要な場合に、特に好ましく、溶解剤として、pH調整剤として、または、炭酸塩が形成される場合には反応剤として使用することもできる。また、pH調整用のガスとしてアンモニアを導入してもよい。アンモニアは、遷移金属とアンモニア錯体を形成することができ、このような固体の溶解を助けることができる。一例として、アルゴン中の10% O2などのガスの混合物を使用することができる。
酸化物前駆体の形成のために、pHは、好ましくはそれに限定されることなく、少なくとも約1～約9.6以下である。アンモニア、または水酸化アンモニウムは任意の可溶性塩基と同様にpHを上昇させるのに適しており、LiOHは、必要に応じて調整するのに特に好ましい。酸、特にギ酸は、必要に応じてpHを低下させるのに適している。一実施形態では、リチウムを、適切な固形分(典型的には約20～30重量%)を達成するための酢酸リチウムの添加によるように、乾燥前に添加することができる。
本願発明の特別な利点は、酸化物の物体(body)全体にわたって(throughout)遷移金属濃度の勾配を形成する能力であり、ここで、領域、例えば中心は、遷移金属の1つの比(one ratio)を有することができ、その比は、酸化物の物体を通じて(through)連続様式または段階様式のいずれかで変化することができる。ディスカッション及び明確化のために、NMCを考慮すると、Ni、MnおよびCoの濃度は、これに限定されることなく、コアから粒子の表面に向かって径方向に変化することができる。明確にするために提供される例示的な実施形態では、Ni含有量が勾配であってもよく、それによって、酸化物粒子の表面上またはその近くのニッケル濃度を比較的低くし、酸化物粒子のコア中のニッケル濃度を比較的高くすることができる。遷移金属に対するLiの比は、酸化物粒子全体にわたって、中性化学量論に基づいて、一定のままである。明確な例として、Ni:Mn:Coの全組成は、NMC 622およびNMC 811について、それぞれ6:2:2および8:1:1であってもよく、コアは1つの遷移金属に相対的に富み、シェル(shell:外皮)は同じ遷移金属に相対的に乏しい。さらにより具体的には、コアが1つの遷移金属、例えばニッケルに富み、他の遷移金属と比較してその遷移金属の比率が径方向に減少してもよい。NMC 8:1:1コアは、例えば、非限定的な階段的な例として、NMC 6:2:2シェルをそれの外部に有し、NMC 1:1:1シェルを該外部に有することができる。これらの反応は、階段的添加で、または遷移金属のポンプ速度を変えることによる連続勾配で行うことができる。各添加における遷移金属の比および添加の数は、所望の勾配分布を得るために変えることができる。
本願発明の特別な特徴は、ドーパントおよび他の材料を、酸化物の内部に、または表面に向かって、または表面においてさえ、優先的にいずれでも、組み込むことができることである。従来技術では例えば、ドーパントは酸化物内に均一に分散される。さらに、アルミニウムなどによる任意の表面処理は表面反応物として形成された酸化物上にあり、必ずしも酸化物格子に組み込まれた原子としてではない。本願発明は、ドーパントが最初の遷移金属スラリー中に組み込まれた場合のようにコアに、ドーパントが次の遷移金属スラリー中に組み込まれた場合のように径方向のバンド中に(in a radial band)、またはドーパントが最終遷移金属スラリー中に組み込まれた場合のように外側シェル中に(in an outer shell)、ドーパントがシステマチックに、分散されることを可能にする。
本願発明の目的のために、酸化物粒子の各径方向部分(each radial portion)は、その部分を形成するために使用される遷移金属のパーセンテージに基づいて定義される。例として、初期スラリー(initial slurry：初期懸濁液)が、第1の比率の遷移金属を有し、初期スラリーが酸化物を形成するために使用される全遷移金属の10モル%を含む場合、コアは酸化物の体積の10%であると考えられ、コアの組成は第1の比率の遷移金属と同じ比率を有するものとして定義される。同様に、コアを取り囲む各シェルは、その中の遷移金属のパーセンテージによって規定される。非限定的な例として、3つのスラリー、各々が等モルの遷移金属、で形成された酸化物に対する前駆体は、ここで、第1スラリーはNi:Mn:Co比が8:1:1、第2スラリーはNi:Mn:Co比が6:2:2、及び第3スラリーはNi:Mn:Co比が1:1:1であった場合、8:1:1の比率にある遷移金属をもつコア、6:2:2の遷移金属比をもつ酸化物粒子の容積の1/3をあらわすコア上の第1シェル、及び酸化物への前駆体の焼結時に生じる可能性のある遷移金属の移動を考慮無しに、1:1:1の遷移金属比である酸化物粒子の容積の1/3を表す第1シェル上の外部シェル(outer shell)、である酸化物粒子の容積の1/3を表す酸化物が形成されると考えられる。
特に好ましい実施形態では、ドーパントがコーティングの内側の外側シェルに組み込まれ、特定のドーパントはアルミニウムである。より好ましくは、ドーパントを含むシェルが、酸化物粒子の体積の10%未満、さらにより好ましくは酸化物粒子の体積の5%未満、最も好ましくは酸化物粒子の体積の1%以下に相当する（represent)。
本願発明の目的のために、ドーパントは、Ni、Mn、Co、AlおよびFeから選択される少なくとも1つの遷移金属と協働して(in concert with)、酸化物の前駆体の形成中に析出する材料として、定義される。より好ましくは、酸化物の前駆体が、NiおよびMn、ならびに任意選択で,、Co又はAlのいずれかを含む。少なくとも1つの遷移金属の析出の完了後に添加される材料は、本願明細書ではニオブ、好ましくは、特にニオブ酸リチウム、による表面処理と記述される。
酸化物前駆体を形成する反応が完了したら、得られたスラリー混合物を乾燥させて溶媒を除去し、乾燥した前駆体粉末を得る。スプレードライヤー、トレードライヤー、フリーズドライヤーなどを含む任意のタイプの乾燥方法および装置を使用することができ、好ましい最終生成物に応じて選択される。乾燥温度は、利用される装置によって定義され、制限され、そのような乾燥温度は、好ましくは350℃未満、より好ましくは200～325℃である。乾燥は、スラリー混合物がトレイに配置され、温度が上昇することにつれて溶媒が放出されるように、蒸発器を使用して行うことができる。工業的に使用される任意の蒸発器を使用することができる。特に好ましい乾燥方法は、流動ノズルを有する噴霧乾燥機または回転噴霧器である。これらのノズルは、好ましくはスラリー混合物中の酸化物前駆体のサイズに適した最小サイズ直径である。乾燥媒体は、コストを考慮して空気であることが好ましい。
酸化物前駆体の粒径は、ナノサイズの一次粒子および二次粒子であり、及び小ミクロンサイズまでの二次粒子若しくは非常に容易に粉砕されてより小さいサイズになる50ミクロン未満の集合 (aggregates)の範囲である(ranging to)凝集体(agglomerates)である。最終粉末の組成も、同様に形態に影響を及ぼすことが知られているべきである。酸化物前駆体は、約1～5μmの好適な粒径を有する。得られた混合物は、スプレードライヤー、フリーズドライヤーなどが使用される場合には、スプレードライヤーヘッドにポンプで送り込まれる際に、連続的に撹拌される。トレー乾燥機の場合、液体は溶液の表面から蒸発する。
乾燥された粉末は、バッチ式で、またはコンベヤーベルトの手段によって、か焼システム(calcining system)に移される。大規模生産では、この移送は連続的であってもバッチ式であってもよい。か焼システムは、容器としてセラミックトレーまたはサガー(saggers)を利用するボックス炉、ロータリーか焼機、並流または向流であり得る流動床、ロータリーチューブ炉、およびそれに限定されない他の同様の装置であり得る。
か焼(calcination)時の加熱速度と冷却速度は、所望の最終製品の種類に依存する。一般に、約5℃/分の加熱速度が好ましいが、通常の工業的加熱速度も適用可能である。
か焼工程後に得られる最終粉末は、微細、超微細またはナノサイズの粉末であり、従来の処理で現在行われているような追加のクラッシング(crushing)、グライディング(grinding)若しくはミリング(milling)を必要としない。粒子は比較的柔らかく、通常の処理のように焼結(sinter)されない。
最終か焼酸化物(calcined oxid)粉末は、好ましくは表面積、電子顕微鏡による粒径、多孔度、元素の化学分析、および好ましい特殊用途によって必要とされる性能試験に基づき特徴付けられる。
噴霧乾燥された酸化物前駆体は、好ましくは非常に微細でナノサイズである。
噴霧粉末が、か焼炉(calciner)に移送されるにつれて、出口弁が開閉するように、噴霧乾燥器コレクターの改造を実施することができる。コレクター中の噴霧乾燥粉末はバッチ式でトレまたはサガーに移し、か焼炉に移すことができる。回転式か焼機または流動床式か焼機を使用して、本願発明を実証することができる。か焼温度は、粉末の組成および所望の最終フェーズの純度によって決定される。ほとんどの酸化物型粉末について、か焼温度は、400℃程度の低い温度から1000℃よりわずかに高い温度までの範囲である。か焼後、粉末は軟らかく、焼結されていないのでふるいにかけられる。か焼酸化物は、長い粉砕時間も、狭い粒度分布を得るための分類も必要としない。
LiMO2は、約50～250nm、より好ましくは約150～200nmの凝集体を形成する好ましい微結晶(crystallite)粒径を有する。
本願発明の特定の利点は、酢酸塩とは対照的に、多カルボン酸の金属キレートの形成である。酢酸塩は、酸化物前駆体のその後のか焼中に燃焼燃料として機能し、適切な燃焼のためには追加の酸素が必要である。低分子量のマルチ－カルボン酸、特に低分子量のジカルボン酸、より詳細にはシュウ酸は、追加の酸素を導入することなく、より低い温度で分解する。シュウ酸塩は、例えば、追加の酸素なしに約300℃で分解し、それによって、か焼温度のより正確な制御を可能にする。
酸化物前駆体を形成するためのこの方法は、ここに、特殊用途のための性能仕様を満たすために必須である、定義された独特の化学的および物理的特性を必要とする、高性能微細、超微細およびナノサイズ粉末の大規模工業生産に適したコムプレクスオメトリック(complexometric)前駆体形成(CPF)法を参照する。CPF方法は、金属が塩として規則格子に沈殿する酸化物前駆体を提供する。次に、酸化物前駆体をか焼して酸化物を形成する。理論に限定されないが、アモルファス固体とは対照的に、秩序格子の形成は、か焼中の酸化物形成を促進すると仮定される。
CPF方法は、特殊な微細構造またはナノ構造の制御された形成、および性能仕様を満たすように調整された粒径、表面積、多孔度、フェーズ純度(phase purity)、化学純度および他の必須特性を有する最終製品を提供する。CPF方法によって製造された粉末は、現在使用されている技術に比べて少ない処理工程数で得られ、現在利用可能な工業装置を利用することができる。
CPF方法は、求電子性または求核配位子を有する任意の無機粉末および有機金属粉末に適用可能である。CPF方法は、出発原料として低コストの原料を使用することができ、必要であれば、追加の精製または分離をその場で行うことができる。粉末合成に必要な不活性または酸化的大気条件は、この方法のための装置を用いて容易に達成される。反応のための温度は、周囲温度若しくはわずかに暖かい温度であり得るが、好ましくは100℃以下である。
CPF法は、結晶化、溶解度、遷移錯体形成、フェーズ化学(phase chemistry)、酸性度および塩基性度、水性化学、熱力学および表面化学の化学原理を統合することによって、単純な効率的な方法で、前駆体酸化物の微細、超微細およびナノサイズの粉末を生成する。
結晶化が始まる時、特に核形成工程(nucleation)が始まる時は、ナノサイズ粉末の形成の最も重要な段階である。CPFによって提供される特定の利点は、この核形成工程の開始時にナノサイズ粒子を調製する能力である。出発反応体からの溶質(solute)分子は、所与の溶媒中に分散され、溶液中にある。この場合、クラスター(clusters)は、温度、過飽和、および他の状態の適切な状態下で、ナノメートルスケールで形成し始めると考えられる。クラスターは、核を構成し、ここで原子は、後に結晶微細構造を規定する、規定された周期的な様式で、それら自体をアレンジ(arrange)し始める。結晶の大きさと形は、内部の結晶格子構造から生じる結晶の巨視的性質である。
核形成が開始した後、結晶成長も開始し、過飽和が存在する限り、核形成および結晶成長の両方が同時に起こり得る。核形成および成長の速度は溶液中に存在する過飽和によって決定され、核形成または成長のいずれかは過飽和状態に依存して、重ねて (over the other：他方の上で)起こる。結晶の大きさおよび形状を調整するために、それに応じて必要とされる反応物の濃度を規定することが重要である。核形成が成長より優勢であれば、より微細な結晶サイズが得られる。核形成工程は非常に重要な工程であり、この最初の工程における反応の状態は、得られる結晶を規定する。定義によれば、核形成は、液体溶液から形成される結晶のような小さな領域における初期フェーズ(phase)変化である。これは、準安定平衡(metastable equilibrium)状態にある均質フェーズ(homogeneous phase)における分子スケールでの急速な局所的変動の結果である。全核形成(total nucleation)は、核形成の2つのカテゴリー、すなわち、一次および二次の総効果である。一次核形成において、結晶は、開始剤として結晶が存在しない場合に、形成される。二次核形成は、核形成プロセスを開始するために結晶が存在する場合に生じる。それは、CPF法の基礎を形成する、初期核形成工程の重要性を考慮される。
CPF方法では、反応体が好ましくは周囲温度で、または必要であればわずかに高い温度で、好ましくは100℃以下で溶液に溶解される。安価な原料および適切な溶媒の選択は、本願発明の重要な局面である。出発物質の純度も重要であるが、これはその性能仕様に必要とされる特定の純度レベルを必要とするかもしれない最終生成物の純度に影響を及ぼすからである。このように、処理コストを著しく増加させることなく、調製プロセス中に精製することができる低コストの出発物質を考慮しなければならない。
CPFは反応物を緊密に混合するために従来の装置を使用する。特に、反応物ガスが都合がよい場合には、好ましくはガスのバブリングを伴う高度に撹拌された混合物を組み込むことが好ましい。
ガスは、導入方法に限定されることなく、溶液中に直接導入されることが好ましい。ガスは反応器の側面に配置された管のようないくつかのガス拡散器を有することによって反応器内の溶液に導入することができ、管はガスの出口のための穴を有する。別の構成は、ガスが反応器の内壁を通過するように二重壁反応器を有することである。反応器の底部は、また、ガスのための入口ポートを有することができる。ガスは、また、撹拌機シャフトを通して導入され、出ると、気泡を作り出すことができる。いくつかの他の構成が可能であり、本明細書で与えられるこれらの構成の説明は、これらに限定されない。
一実施形態では、エアレータ(aerator:曝気装置)をガスディフューザ(gas diffuser)として使用することができる。ガス拡散(gas diffusing)曝気装置を反応器に組み込むことができる。管状またはドーム状のいずれかであるセラミック拡散エアレータは、本願発明の実証に特に適している。セラミックバブルディフューザ(ceramic bubble diffusers)の細孔構造は、供給されるガスの1立方フィート/分(cfm)当たりにおいて、極めて高いガスに、液体界面をもたらす(resulting in)、比較的微細な小さな泡(バブル）を生成することができる。微細な気泡(バブル)の速度が遅いことによる接触時間の増加と組み合わされた、液体界面への高いガスの比は、より高い移動速度を提供することができる。セラミックの多孔性は、気泡(バブル)の形成における重要な因子であり、核形成プロセスに著しく寄与する。ほとんどの構成ではこれに限定されないが、1分当たり、溶液1リットル当たり少なくとも1リットルのガスの流量(flow rate)が本願発明を実証するのに適している。
反応器壁の側面上のセラミック管ガス拡散器(ceramic tube gas diffuser)は、本願発明の実証に特に適している。これらの管のいくつかは、反応器全体にガスをより均一に分配するために、異なる位置に、好ましくは互いに等距離に配置することができる。ガスは、好ましくはチューブのチャンバーをわずかに加圧するヘッダアセンブリ(header assembly)に接続されたフィッティング(fitting)を通して反応器内のディフューザに導入される。気体がセラミック拡散体(ceramic diffuser body)を透過することにつれて、材料の多孔質構造とセラミック管の外側の液体の表面張力とによって、微細な気泡(バブル)が形成され始めうる。表面張力に打ち勝つと、微細な気泡(バブル)が形成される。次に、この小さな気泡は、液面の表面に到達する前に、液体を通って上昇し、気体と液体との間に移動のための界面を形成する。
ドーム型のディフューザ(diffuser)を反応器の底部または反応器の側面に配置することができる。ドーム型のディフューザでは、典型的には気泡(gas bubble)のプルーム(plume:柱)が生成され、このプルームは底部から表面まで定常的に上昇し、大きな反応性表面を提供する。
気体流が表面張力に打ち勝つのに十分でないときに閉じる、膜ディフューザは、本願発明の実証に適している。これは、生成物粉末がディフューザ内に失われるのを防止するのに有用である。
より高いガス効率および利用を有するためには、ガス流(gas flow)および圧力を減少させ、より少ないポンピング(pumping)エネルギーを消費することが好ましい。ディフューザは、同じ体積のガスに対して、より少ないより大きな気泡(bubble)が形成される場合よりも、より小さな気泡がより大きな表面積で形成されるように構成することができる。表面積が大きいほど、気体が液中により速く溶解することを意味する。これは、ガスが、また、溶液中のその溶解度を増加させることによって反応物を可溶化するために使用される場合のような、溶液において有利である。
ノズル、好ましくは一方向ノズルを使用して、ガスを溶液反応器に導入することができる。ガスはポンプを使用して送達することができ、流量は、所望の気泡(bubble)および気泡速度が達成されるように制御されるべきである。ジェットノズルディフューザは、好ましくは反応器の側面または底部の少なくとも1つにあり、本願発明を実証するのに適している。
ガス導入速度は、攪拌機の作用を除いて、溶液の体積を少なくとも5%増加させるのに十分であることが好ましい。ほとんどの場合、溶液1リットル当たり少なくとも約1リットルのガスが、本願発明を実証するのに十分である。ガスを再循環させて反応器に戻すことが好ましい。
添加された溶液のバルク溶液(bulk solution)への移送は、好ましくは反応器に移送される溶液を接続するポンプに取り付けられたチューブ(tube)を使用して行われる。反応器へのチューブは、好ましくは直径サイズが、所定の速度で添加された溶液の流れを送達することができるように、選択された所定の内径の単一のオリフィス(orifice:開口部）またはいくつかのオリフィスを有する管である。微細ノズルを有する噴霧器は、添加された溶液を反応器に送達するのに適している。この移送管(transfer tube)の先端はシャワーヘッドを含むことができ、それによって、添加された溶液のいくつかの流れを同時に提供する。大規模生産では移送速度は時間因子であるので、移送速度は、所望の正しいサイズを生産するのに十分に速くなければならない。
攪拌機は、異なる構成のいくつかのプロペラを備えることができ、各組は、互いに対してある角度で、または同じ平面上に配置された1つまたは複数のプロペラを備える。さらに、ミキサは、これらのプロペラの1つ以上のセットを有する可能性がある。目的は、適切な溶液ターンオーバー(turn over)のために十分な乱流(turbulence)を作り出すことである。真っ直ぐなパドル(paddle:櫂)または角度のついたパドルが適切である。これらのパドルの寸法とデザインによって、溶液の流れのタイプと流れの方向が決まる。少なくとも約100回転/分(rpm)の速度が、本願発明の実証に適している。
バルク溶液への添加溶液の移送速度(rate of transfer)は、核形成(nucleation)速度において動力学的効果を有する。好ましい方法は、核形成に及び結晶成長の速度を超えて(over)核形成の速度に、影響を及ぼす反応物の局所的濃度を制御する、微細な移動流(transfer stream)を有することである。より小さいサイズの粉末については、より遅い移送速度がより微細な粉末を生じる。競合する核形成および成長の適切な条件は、所望の最終粉末特性によって決定されなければならない。反応温度は、好ましくは周囲温度であるか、または必要であれば穏やかな温度で(under mild temperature)ある。
最終生成物にもたらされる(carried over)特別なナノ構造が予備形成され、これにより、所望の用途における材料の性能が向上する。本願発明の目的のために、ナノ構造は、100～300nmの一次粒子の平均サイズを有する構造として定義される。
界面活性剤も乳化剤も必要ではない。実際、界面活性剤および乳化剤は、乾燥を阻害し得るので、使用されないことが好ましい。
サイズ制御は、溶液の濃度、ガスの流量(flow rate)、またはバルク溶液への添加溶液の移送速度(transfer rate)によって行うことができる。
反復的かつ煩わしいミリング(milling)および類別工程(classification step)は使用されない。
か焼時間の短縮を達成することができ、典型的には、反復か焼は必要とされない。
反応温度は周囲温度である。可溶化の必要があれば、温度を上げるが、好ましくは100℃以下にする。
表面積、多孔度(porosity)、タップ密度(tap density)、および粒径などの粉末の調整された物理的特性は、反応条件および出発材料を選択することによって注意深く制御することができる。
このプロセスは、現在入手可能な装置及び/又は現在の工業装置の革新を用いて大規模製造のために容易にスケーラブル(scalable)である。
従来技術では、カソード材料の形態が、直径3～30μmの密な多結晶球(polycrystalline spheres)を含み、これらはアルミニウム箔上のカソード層(cathode layer)に圧縮されて、追加の炭素および結合剤(例えば、PVDF)を有するリチウムイオン電池用の電極を作製することが一般に理解されている。電極層は一般に、電解質(例えば、EC/DEC 30/70中の1M LiPF6)がカソード材料の表面との界面を形成することを可能にするために、約30%の多孔度にカレンダー加工(calendared)される。一般に、(i)電解質酸化および遷移金属溶解などの副反応を防止するためにこれらの球体(spheres)をコーティングし、(ii)球体のサイズを最適化することによって表面積を減少させることが必要である。これらの球体を電極層に充填するには、性能と耐久性のために表面積の最適化が必要である。
本明細書に記載される方法は、性能および耐久性の両方を向上させるために最適化され得る異なる形態を有するカソード材料を生成する。記載されるカソード材料は、LiMO2またはLiM2O4の一般式のリチウム遷移金属酸化物を含むカソード材料のナノ結晶を含み、個々のナノ結晶の各々は第1のカソード材料へのLi+の移動を妨げずに、望ましくない副反応を防止する第2の金属酸化物を含む保護層でドープされ(doped)、コーティングされる。これらのコーティングされたナノ結晶は、先行技術と同様の平均サイズであるが、多孔性であり、該記載されたプロセスにおいて凝集体を形成し、電極と電解質との間のより大きな界面を可能にし、一方で、上記の第2の酸化物コーティングによって、副反応から保護される。この形態の違いは、電極が同様の多孔度または細孔容積に、カレンダー加工されたことを意味し、微細孔を含むその細孔容積のかなりの比率を有する、異なる細孔径分布(PSD)を有する。
硬く、緻密で、多結晶の、コーティングされた球体を含む先行技術の材料が、電極の形成においてカレンダー加工される場合、これらの球体が破壊し、保護されていないカソード材料を露出させることが懸念される。これは、また、通常の使用における電池充電/放電サイクル中に起こる体積の変化中にも起こり得る。これらの両方の効果は、電池性能の耐久性に悪影響を及ぼす。本明細書に記載の技術では、凝集体二次粒子がカレンダー加工中に圧縮することができ、個々のナノ結晶がコーティングされるたびに、保護されていないカソード材料を露出させることなく破砕することさえできる。また、記載された形態によって生成された微孔性(microporosity)は、電極/電解質界面を増加させ、これは耐久性に悪影響を及ぼすことなく、高率の充電および放電を可能にし得る。個々のナノ結晶の被覆は、充分な耐久性を付与するために電極の活性面を減少させる必要がなく、電池の総合性能が著しく改善されることを意味する。
電極調製:
複合電極は、N-メチル-2-ピロリジノン(NMP)溶媒に溶解した、導電性添加剤としての10重量%の導電性カーボンブラック及び結合剤としての5重量%のフッ化ポリビニリデン(PVDF)とを、活性物質(active material)に混合することによって調製した。スラリー(slurry:懸濁液)をグラファイト被覆アルミニウム箔上に流延し(cast)、真空下60℃で一晩乾燥させた。1.54cm2の面積を有する電極ディスクを、4mg.cm-2の典型的な装填で電極シートの形成に切断した。
コイン型電池の組み立て(Coin cell assembly)
コイン型電池をアルゴン充填グローブボックス中で組み立てた。半電池(half-cells)では、リチウム箔(340μM)を対向電極および参照電極として用い、全電池(full-cells)では、市販のLi4Ti5O12(LTO)複合電極を対向電極および参照電極として用いた。電解質としては、7:3(vol%)エチレンカーボネート(EC):ジエチレンカーボネート(DEC)中の1M LiPF6を用いた。電極は、半電池中のCelgard(登録商標)膜の1つまたは2つの厚さ25μmのシート、およびCelgard(登録商標)膜完全電池の1つのシートによって分離された。
サイクリングプロトコル(Cycling protocol):
陰極電池を、Arbin Instrumentバッテリーテスター(モデル番号BT 2000)を用いて、25℃で、種々のC-速度(1C速度は、146 mAg-1に当量)で、3.5V～4.9Vの電圧範囲において定電流サイクルした。4.9Vで10分間の定電圧充電ステップを、1C以上の定電流充電ステップの末端で、電池に適用した。岩塩型(rock-salt)NMC電池を、25℃で、種々のC-速度(1C速度は、200 mAg-1に当量)で、2.7V～4.35 Vの電圧範囲において定電流サイクルした。4.35 Vで10分間の定電圧充電ステップを、1C以上の定電流充電ステップの末端で、電池に適用した。
比較例1
式LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2を有するNMC 811の前駆体を、ビーカー中の200mLの脱イオン水中に分散させた39gのLi2CO3、95gのNiCO3、12gのMnCO3、および12gのCoCO3から調製した。この混合物を、1時間当たり0.38モルの炭酸塩の速度で、400mlの脱イオン水中に201gのH2C2O4-2H2Oを含む別のビーカーにポンプで送った。次いで、反応混合物を1時間撹拌した。約20%の固形分を有する最終混合物を噴霧乾燥して、式LiNi0.8Mn0.1Co0.1(C2O4)1.5を有する前駆体を得た。前駆体を、ボックス炉中で空気下600℃にて5時間加熱し、酸素流下125℃にて1時間加熱し、管状炉中で酸素流下830℃にて15時間か焼(calcination)して、NMC 811を得た。NMC 811を125℃で1時間加熱し、酸素流下、チューブ炉中で15時間830℃にて、か焼し(calcined)、本明細書中「プリスチンNMC 811」と呼ばれる再加熱(refired)NMC 811を形成した。
実施例1:
0.267モルの炭酸ニッケル(II)水和物〔Alfa Aesar、99.5%(金属基準metal basis)〕、0.1モルの炭酸コバルト(II)(Alfa Aesar、99%金属基準)および0.1モルの炭酸マンガン(II)(Sigma Aldrich ≧99.9%金属基準)および0.525モルの炭酸リチウム(Alfa Aesar、99%)を、炭酸塩スラリーを調製するために、200mLの脱イオン水に30分間撹拌しながら添加し、式LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2をもつNMC 811への前駆体を調製した。別のビーカー中で、1.617モルのシュウ酸二水和物を、30分間撹拌しながら400mLの脱イオン水に添加した。このシュウ酸二水和物混合物に炭酸塩スラリーを5時間かけて滴下し、さらに18時間撹拌し、シュウ酸塩スラリーを調製した。
コーティング溶液は、一晩撹拌しながら0.005モルのシュウ酸ニオブ(V)水和物(Alfa Aeser)を添加することによって調製した。コーティング溶液をシュウ酸塩スラリーに添加し、続いてスプレー乾燥の前にさらに2時間撹拌した。得られた粉末を、酸素流下、管状炉中にて830℃で15時間か焼(calcination)した。粉末を≦45μmの篩サイズに粉砕し、アルミニウムバッグ中で真空シールした。得られた粉末を、本明細書では、1-ポットコート化〔ワンポットコート化：反応容器（通常はフラスコ）に反応物を順に投入することで多段階の反応を行う〕(1-pot coated)(one-pot coated)NMC811と呼ぶ。
本願発明の実施例1および比較例1は、電気的特性について特徴付けられる。本願発明の実施例1は代表的な図5にグラフで示されているように、繰返しサイクル後の改善された放電容量を示し、代表的な図6にグラフで示されている、期待される正規化された放電容量を示す。本願発明の実施例のレート能力の予想される改善が、代表される図7に示されている。
比較例2
式LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2を有するNMC 622の前駆体を、ビーカー中の200mLの脱イオン水中に分散させた39gのLi2CO3、71gのNiCO3、23gのMnCO3、および24gのCoCO3から調製した。炭酸塩を、400mlの脱イオン水中に201gのH2C2O4・2H2Oを入れた別のビーカーに、1時間当たり0.38モルの炭酸塩の速度でポンプ輸送した。次いで、反応混合物を1時間撹拌した。約20%の固形分を有する最終混合物を噴霧乾燥して、式LiNi0.6Mn0.2Co0.2(C2O4)1.5を有する前駆体を得た。前駆体を110℃で1時間加熱し、ボックス炉中で空気下800℃にて7.5時間か焼(calcination)して、NMC 622を得た。
実施例2:
式LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2を有するNMC 622の前駆体を、ビーカー中の200mLの脱イオン水中に分散させた39gのLi2CO3、71gのNiCO3、23gのMnCO3、および24gのCoCO3から調製する。炭酸塩を、400mlの脱イオン水中に201gのH2C2O4・2H2Oを入れた別のビーカーに、1時間当たり0.38モルの炭酸塩の速度でポンプ輸送する。次いで、反応混合物を1時間撹拌した。
コーティングは、3.2gのシュウ酸ニオブ(V)水和物を反応混合物に添加し、さらに2時間撹拌したままにすることによって調製される。約20%の固形分を有する最終混合物を噴霧乾燥して前駆体を得る。前駆体を110℃で1時間加熱し、ボックス炉内で空気下800℃にて7.5時間か焼(calcination)して、ワンポットコート化(one-pot coated)NMC 622を得る。
比較例3:
式LiNi0.8Co015Al0.05O2を有するNCAの前駆体を、39gのLi2CO3、95gのNiCO3、8gのAl(OH)(CH3COO)2から調製し、18gのCoCO3を、ビーカー中の200mlの脱イオン水中に分散させた。この混合物を、1時間当たり0.38モルの炭酸塩の速度で、400mlの脱イオン水中に201gのシュウ酸水和物を含有する別のビーカーにポンプ輸送した。反応混合物を1時間撹拌した。前駆体を125℃で1時間加熱し、次いで管状炉中で酸素流下830℃にて15時間か焼(calcination)してNCAを得た。
実施例3:
式LiNi0.8Co015Al0.05O2を有するNCAの前駆体を、ビーカー中の200mlの脱イオン水中に分散させた39gのLi2CO3、95gのNiCO3、8gのAl(OH)(CH3COO)2、および18gのCoCO3から調製した。この混合物を、1時間当たり0.38モルの炭酸塩の速度で400mlの脱イオン水中に201gのシュウ酸水和物を含有する別のビーカーにポンプ輸送し、次いで1時間撹拌した。
コーティングは、3.2gのシュウ酸ニオブ(V)水和物を反応混合物に添加し、さらに2時間撹拌したままにすることによって調製される。約20%の固形分を有する最終混合物を噴霧乾燥して前駆体を得る。前駆体を125℃で1時間加熱し、次いで830℃で15時間、管状炉内の酸素流下でか焼(calcination)して、ワンポットコート化NCAを得る。
本願発明は、それに限定されることなく、好ましい実施形態を参照して説明されてきた。当業者は、本明細書に具体的に記載されていないが、本明細書に添付された特許請求の範囲により具体的に記載された本願発明の範囲内にある追加の実施形態および改良を理解するのであろう。
8： 凝集体
10：粒子
12：コーティング
12：保護コーティング
14：格子間界面
15：格子間表面
16：凝集体

Claims (24)

  1. 以下を含むリチウムイオンバッテリー(バッテリーは電池ともいう)に使用するための改善されたカソード材料：
    式
    LiNiaMnbXcGdO2
    で定義される酸化物を含む粒子
    ここで、Gは任意のドーパントであり；Xは、CoまたはAlであり；a≧0.5；b+c+d≦0.50；及びd≦0.1；及び前記粒子の各々の粒子は、前記粒子の表面全体を覆うコーティングを含み、ここで前記コーティングは、バナジウムの酸化物、タンタルの酸化物およびLiNbO3からなる群から選択される酸化物を含む；及び
    前記粒子を含む凝集体、ここで前記凝集体は隣接する前記粒子間の格子間界面を含み、前記格子間界面は前記隣接する前記粒子において隣接するコーティングを含み、
    前記コーティングは、10ナノメートル以下の厚さを有する、カソード材料。
  2. 前記凝集体が、さらに格子間表面を含み、前記格子間表面が前記粒子の各々の前記粒子上に前記コーティングを含む、請求項1に記載のリチウムイオン電池に使用するための改善されたカソード材料。
  3. 前記コーティングの各々が、5～10ナノメートルの厚さを有する、請求項1に記載のリチウムイオン電池に使用するための改善されたカソード材料。
  4. 前記コーティングの各々が、ニオブ(niobium)を含む、請求項1に記載のリチウムイオン電池に使用するための改善されたカソード材料。
  5. 前記下付き文字aが、式0.5≦a≦0.9によって定義される、請求項1に記載のリチウムイオン電池に使用するための改善されたカソード材料。
  6. 前記下付き文字aが、式 0.58≦a≦0.62によって、または、式0.78≦a≦0.82によって定義される、請求項5に記載のリチウムイオン電池に使用するための改善されたカソード材料。
  7. 前記下付き文字dが、0である、請求項1に記載のリチウムイオン電池に使用するための改善されたカソード材料。
  8. 前記Xが、Coである、請求項1に記載のリチウムイオン電池に使用するための改善されたカソード材料。
  9. 前記Gが、Al、Gd、Ti、Zr、Mg、Ca、Sr、Ba、Mg、Cr、Cu、Fe、Zn、V、Bi、NbおよびBからなる群から選択される、請求項1に記載のリチウムイオン電池に使用するための改善されたカソード材料。
  10. 前記Gが、AlおよびGdからなる群から選択される、請求項1に記載のリチウムイオン電池に使用するための改善されたカソード材料。
  11. 請求項1に記載のリチウムイオン電池に使用するための改善されたカソード材料を含む、バッテリー半電池(battery half-cell)。
  12. 請求項1に記載のリチウムイオン電池に使用するための改善されたカソード材料を含むバッテリー。
  13. 以下を含む凝集体：
    式
    LiNiaMnbXcGdO2
    によって定義される酸化物を含む粒子
    ここで、Gは任意のドーパントであり；Xは、CoまたはAlであり；a≧0.5；b+c+d≦0.5；及びd≦0.1；
    ここで、前記粒子は凝集して前記凝集体を形成する；そして、
    前記粒子の表面全体を覆い、前記凝集体中の隣接する粒子間のコーティング材料であって、該コーティング材料がLiNbO3を含み、前記コーティング材料が10ナノメートル以下の厚さを有する、凝集体。
  14. 前記凝集体が、格子間表面をさらに含み、前記格子間表面が、前記粒子の各粒子の各表面上に前記コーティング材料を含む、請求項13に記載の凝集体。
  15. 前記コーティング材料の各々が、5～10ナノメートルの厚さを有する、請求項13に記載の凝集体。
  16. 前記コーティング材料の各々が、ニオブを含む、請求項13に記載の凝集体。
  17. 前記下付き文字aが、式0.5≦a≦0.9によって定義される、請求項13に記載の凝集体。
  18. 前記下付き文字aが、式0.58≦a≦0.62によって、または、式0.78≦a≦0.82によって定義される、請求項17に記載の凝集体。
  19. 前記下付き文字dが、0である、請求項13に記載の凝集体。
  20. 前記Xが、Coである、請求項13に記載の凝集体。
  21. 前記Gが、Al、Gd、Ti、Zr、Mg、Ca、Sr、Ba、Mg、Cr、Cu、Fe、Zn、V、Bi、NbおよびBからなる群から選択される請求項13に記載の凝集体。
  22. 前記Gが、AlおよびGdからなる群から選択される、請求項13に記載の凝集体。
  23. 請求項13に記載の凝集体を含むバッテリー半電池。
  24. 請求項13に記載の凝集体を含むバッテリー。
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