JP7318020B2 - W含有高ニッケル三元正極材料及びその製造方法 - Google Patents
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Description
(1)可溶性ニッケル塩、コバルト塩及びマンガン塩を、製品分子式におけるニッケル、コバルト、マンガンの三種類の元素のモル比に応じて混合して脱イオン水に溶解し、反応釜で撹拌し続け、アンモニア水と水酸化ナトリウム溶液を添加し、共沈して前駆体Aを製造し得るステップ;
(2)可溶性ニッケル塩、コバルト塩及びマンガン塩を製品分子式におけるニッケル、コバルト、マンガンの三種類の元素のモル比に応じて混合して脱イオン水に溶解する同時に、可溶性タングステン塩を添加し、それが十分に溶解した後に反応釜に移して撹拌し続け、アンモニア水と水酸化ナトリウム溶液を添加し、共沈してタングステン元素を含有する前駆体Bを製造し得るステップ;
(3)前駆体A、前駆体B、リチウムソース、ドープ元素Mを含有する化合物を混合し、均一に混合された材料を好気雰囲気下に置いて高温焼結を行い(完璧な結晶型単結晶の生成温度であり、該温度で温度により前駆体粒子の大きさを制御することにより単結晶及び二次球の生成を制御する影響を無視することができる)、焼結後の材料をメジアン径が3.0~5.5μmとなるように粉砕し、分子式がLiaNixCoyMn1-x-yWbMcO2で、かつ球形態二次粒子及び単結晶形態粒子を同時に含む高ニッケル三元正極材料を得る。
前記可溶性タングステン塩におけるタングステン元素と、前駆体Bにおけるニッケル、コバルト、マンガンの三種類の元素の和とのモル比は(0.00025~0.00550):1である。
前記リチウムソースにおけるリチウム元素と、前駆体B、前駆体A、ドープ元素Mを含有する化合物における主要な金属元素の和とのモル比は(0.95~1.1):1である。
実施例1:
(1) Ni、Co、Mn元素のモル比0.8:0.1:0.1に応じて、0.8mol/Lの硫酸ニッケル、0.1mol/Lの硫酸コバルト及び0.1mol/Lの硫酸マンガンの混合溶液を調製し、3mol/Lの水酸化ナトリウム溶液及び1mol/Lのアンモニア水溶液を調製し、まず水酸化ナトリウム溶液及びアンモニア水溶液(3g/Lのアンモニア価を保持する)を用いてpHを11.6に制御し、回転速度を800rpmに保持し、流量をパラレルフロー制御する方式を採用し、80ml/minの流速で混合溶液を供給するとともに、水酸化ナトリウム溶液及びアンモニア水溶液によりそのpHを11.6(3g/Lのアンモニア価を保持する)に安定させ、メジアン径が3.8μmとなるように結晶して制御し、得られた前駆体に対して洗浄、遠心、乾燥等の処理を行い、前駆体Aを得る。
実施例2:
(1)25℃で、電圧区間が3.0~4.3Vである条件で0.1C充電を行い、その容量が218mAh/gであり、次にそれぞれ0.2C/0.5C/1.0C/2.0C倍率の放電を行い、結果として2.0C/0.2Cの放電保持率が93.6%であると示され、1Cサイクルを60週間継続し、容量保持率が98.1%であり、このような二重形態高ニッケル正極材料が容量、サイクルパフォーマンス及び倍率性能を効果的に向上させることができると説明される。(2)50℃で、電圧区間が3.0~4.3Vである条件で60週間サイクルし、容量保持率が97.0%であり、二重形態高ニッケル三元正極材料の高温サイクルパフォーマンスに優れると示される。
実施例3:
(1)25℃で、電圧区間が3.0~4.3Vである条件で0.1C充電を行い、その容量が213mAh/gであり、次にそれぞれ0.2C/0.5C/1.0C/2.0C倍率の放電を行い、結果として2.0C/0.2Cの放電保持率が94.6%であると示され、1Cサイクルを60週間継続し、容量保持率が98.2%であり、このような二重形態高ニッケル正極材料が容量、サイクルパフォーマンス及び倍率性能を効果的に向上させることができると示される。(2)50℃で、電圧区間が3.0~4.3Vである条件で60週間サイクルし、容量保持率が97.2%であり、二重形態高ニッケル三元正極材料の高温サイクルパフォーマンスに優れると説明される。
実施例4:
(1)25℃で、電圧区間が3.0~4.3Vである条件で0.1C充電を行い、その容量が223mAh/gであり、次にそれぞれ0.2C/0.5C/1.0C/2.0C倍率の放電を行い、結果として2.0C/0.2Cの放電保持率が93.2%であると示され、1Cサイクルを60週間継続し、容量保持率が97.9%である。このような二重形態高ニッケル正極材料は容量、サイクルパフォーマンス及び倍率性能を効果的に向上させることができると説明される。(2)50℃で、電圧区間が3.0~4.3Vである条件で60週間サイクルし、容量保持率が96.5%であり、二重形態高ニッケル三元正極材料の高温サイクルパフォーマンスに優れると説明される。
比較例1:
(1)25℃で、電圧区間が3.0~4.3Vである条件で0.1C充電を行い、その容量が208mAh/gであり、次にそれぞれ0.2C/0.5C/1.0C/2.0C倍率の放電を行い、結果として2.0C/0.2Cの放電保持率が95.8%であると示され、1Cサイクルを60週間継続し、容量保持率が93.8%であり、タングステンがドープされた二次球が良い倍率性能を有するとともに、実施例1に比べて高い容量を有し、これも小粒子二次球の特徴の一つであるが、常温のサイクルパフォーマンスが低いと説明される。(2)50℃で、電圧区間が3.0~4.3Vである条件で60週間サイクルし、容量保持率が90.6%であり、実施例1のデータに比べて、単純に二次球形態の高温サイクルパフォーマンスが不足すると説明される。
比較例2:
(1)25℃で、電圧区間が3.0~4.3Vである条件で0.1C充電を行い、その容量が203mAh/gであり、次にそれぞれ0.2C/0.5C/1.0C/2.0C倍率の放電を行い、結果として2.0C/0.2Cの放電保持率が92.3%であると示され、1Cサイクルを60週間継続し、容量保持率が95.8%である。倍率性能が顕著に向上せず、容量が低いが、常温サイクル性能がよく、高ニッケル単結晶正極材料の特徴を有し、比較例1における二次球より優れる。(2)50℃で、電圧区間が3.0~4.3Vである条件で60週間サイクルし、容量保持率が94.1%であり、単結晶の高温サイクルパフォーマンスがよく、高ニッケル単結晶正極材料の特徴を有し、比較例1における二次球より優れる。しかし、高温サイクルパフォーマンスは実施例1に比べていずれも悪く、実施例1が二種類の前駆体で共に焼結して形成された表面W被覆層も重要な役割を有すると説明される。
比較例3:
(1)25℃で、電圧区間が3.0~4.3Vである条件で0.1C充電を行い、その容量が202.5mAh/gであり、次にそれぞれ0.2C/0.5C/1.0C/2.0C倍率の放電を行い、結果として2.0C/0.2Cの放電保持率が92.1%であると示され、1Cサイクルを60週間継続し、容量保持率が95.6%である。倍率性能が顕著に向上せず、容量が低いが、常温サイクルパフォーマンスに優れ、高ニッケル単結晶正極材料の特徴を有する。(2)50℃で、電圧区間が3.0~4.3Vである条件で60週間サイクルし、容量保持率が93.6%である。W元素が他の元素で置換された後、その電気化学的性能も単結晶形態材料の特性を保持すると説明される。
比較例4:
(1)25℃で、電圧区間が3.0~4.3Vである条件で0.1C充電を行い、その容量が204mAh/gであり、次にそれぞれ0.2C/0.5C/1.0C/2.0C倍率の放電を行い、結果として2.0C/0.2Cの放電保持率が92.2%であると示され、1Cサイクルを60週間継続し、容量保持率が93.6%である。(2)50℃で、電圧区間が3.0~4.3Vである条件で60週間サイクルし、容量保持率が92.1%であり、それぞれ焼結した後、W元素は単結晶の表面に被覆補正を行うことができず、その容量が実施例1とわずか異なるが、倍率性能が低下し、かつサイクルパフォーマンスが実施例1より明らかに低くなると説明される。
Claims (13)
- 化学式がLiaNixCoyMn1-x-yWbMcO2であるW含有高ニッケル三元正極材料であって、
前記W含有高ニッケル三元正極材料は、球形態二次粒子及び単結晶形態粒子を同時に含み、前記単結晶形態粒子の内部に基本的にW元素が含まれず、前記球形態二次粒子にW元素がドープされ、
前記単結晶形態粒子は表面に形成された、W元素を含有する被覆層を有し、
前記Li a Ni x Co y Mn 1-x-y W b M c O 2 の化学式において、1.00≦a≦1.16、0.7<x<1、0<y<0.3、0.002<b+c<0.01、b>0であることを特徴とするW含有高ニッケル三元正極材料。 - 前記球形態二次粒子の粒径範囲は2.4~5.5μmであり、前記単結晶形態粒子の粒径範囲は1.0~5.5μmであり、前記W含有高ニッケル三元正極材料のメジアン径は3.0~5.5μmであることを特徴とする請求項1に記載のW含有高ニッケル三元正極材料。
- 前記W含有高ニッケル三元正極材料における球形態二次粒子と単結晶形態粒子との質量配合比率は、原料におけるWを含有する前駆体BとWを含有しない前駆体Aとの配合比率により調整されることを特徴とする請求項1又は2に記載のW含有高ニッケル三元正極材料。
- 前記前駆体Bと前駆体Aとの質量比は(0.05~19):1であることを特徴とする請求項3に記載のW含有高ニッケル三元正極材料。
- 前記前駆体Bと前駆体Aとの質量比は(0.4~1.5):1であることを特徴とする請求項4に記載のW含有高ニッケル三元正極材料。
- 少なくとも一部又は全部の高ニッケル三元正極材料の表面にタングステン酸リチウム層が被覆されることを特徴とする請求項1又は2に記載のW含有高ニッケル三元正極材料。
- MはZr、Mg、Ti、Al、Si、La、Ba、Sr、Nb、Cr、Mo、Ca、Y、In、Sn、Fのうちの一種又は複数種であり、前記W含有高ニッケル三元正極材料の比表面積は0.8±0.3m2/gであることを特徴とする請求項1又は2に記載のW含有高ニッケル三元正極材料。
- 製造過程における元素損失を無視する前提で、前記球形態二次粒子におけるNiCoMnの元素モル比は、単結晶形態粒子におけるNiCoMnの元素モル比と一致することを特徴とする請求項1又は2に記載のW含有高ニッケル三元正極材料。
- (1) 可溶性ニッケル塩、コバルト塩及びマンガン塩を、製品分子式におけるニッケル、コバルト、マンガンの三種類の元素のモル比に応じて混合して脱イオン水に溶解し、反応釜で撹拌し続け、アンモニア水と水酸化ナトリウム溶液を添加し、共沈して前駆体Aを製造し得るステップと、
(2) 可溶性ニッケル塩、コバルト塩及びマンガン塩を、製品分子式におけるニッケル、コバルト、マンガンの三種類の元素のモル比に応じて混合して脱イオン水に溶解する同時に、可溶性タングステン塩を添加し、それが十分に溶解した後に反応釜に移して撹拌し続け、アンモニア水と水酸化ナトリウム溶液を添加し、共沈してタングステン元素を含有する前駆体Bを製造し得るステップと、
(3) 前駆体A、前駆体B、リチウムソース、ドープ元素Mを含有する化合物を混合し、均一に混合された材料を好気雰囲気下に置いて750~980℃の高温で高温焼結を一回行い、焼結後の材料をメジアン径が3.0~5.5μmとなるように粉砕し、化学式がLiaNixCoyMn1-x-yWbMcO2で、かつ球形態二次粒子及び単結晶形態粒子を同時に含むW含有高ニッケル三元正極材料を得るステップとを含む製造方法であって、
前記LiaNixCoyMn1-x-yWbMcO2の化学式において、1.00≦a≦1.16、0.7<x<1、0<y<0.3、0.002<b+c<0.01、b>0であることを特徴とするW含有高ニッケル三元正極材料の製造方法。 - 前記ステップ(2)において、可溶性タングステン塩は、メタタングステン酸アンモニウム、リンタングステン酸、タングステン酸ナトリウム、パラタングステン酸アンモニウムのうちの一種又は複数種を含み、前記可溶性タングステン塩におけるタングステン元素と、前駆体Bにおけるニッケル、コバルト、マンガンの三種類の元素の和とのモル比は(0.00025~0.00550):1であることを特徴とする請求項9に記載の製造方法。
- 前記ステップ(3)において、リチウムソースは、炭酸リチウム、水酸化リチウム、酢酸リチウム及びシュウ酸リチウムのうちの一種又は複数種であり、前記リチウムソースにおけるリチウム元素と、前駆体B、前駆体A、ドープ元素Mを含有する化合物における主要な金属元素の和とのモル比は(0.95~1.1):1であることを特徴とする請求項9に記載の製造方法。
- 前記ステップ(3)において、ドープ元素Mを含有する化合物はM元素の酸化物であり、前記M元素の酸化物は、ZrO2、MgO、TiO2、Al2O3、SiO2、La2O3、BaO、SrO、Nb2O5、Cr2O3、MoO3、CaO、Y2O3、In2O3、SnO2のうちの少なくとも一種であることを特徴とする請求項9に記載の製造方法。
- 前記ステップ(3)において、高温焼結の焼結時間は8~18hであり、酸素流量は20~60L/minであることを特徴とする請求項9乃至12のいずれか一項に記載の製造方法。
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