JP7353454B1 - リチウム金属複合酸化物、リチウム二次電池用正極活物質、リチウム二次電池用正極及びリチウム二次電池 - Google Patents
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Abstract
Description
本明細書において「レート特性」とは、0.2CAでの放電容量を100%とした場合の3CAでの放電容量の比率をいう。この比率が高ければ高いほど、大電流を流した場合でも放電容量が維持されており、電池性能として好ましい。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、リチウム二次電池のレート特性を向上させることができるリチウム金属複合酸化物、リチウム二次電池用正極活物質、リチウム二次電池用正極及びリチウム二次電池を提供することを目的とする。
[1]少なくともLi、Ni、及びアルカリ土類金属元素である元素M1を含み、下記(1)及び(2)を満たす、リチウム金属複合酸化物。
(1)CuKα線を使用した粉末X線回折から得られる回折ピークをリートベルト解析して求められる、層状岩塩型の結晶構造のLiサイトにおけるMe席占有率が4.0%以下である。
(2)前記リチウム金属複合酸化物の粒子強度は、100MPaを超え200MPa未満である。
[2]下記組成式(A)で表される、[1]に記載のリチウム金属複合酸化物。
LiaNibM1cM2(1-b-c)O2 ・・・(A)
(組成式(A)は、0.98≦a≦1.10、0.60≦b≦0.95、及び0<c≦0.05を満たし、M1は前記元素M1であり、M2はCo、Mn、Fe、Cu、Ti、Al、Zn、Sn、Zr、B、Si、Nb、W、Mo、Ta、S及びPからなる群より選択される1種以上の元素である。)
[3]前記リチウム金属複合酸化物に含まれる前記元素M1の含有割合が、前記リチウム金属複合酸化物に含まれるLi以外の金属元素の総モル数に対して、0mol%より大きく、5mol%以下である、[1]又は[2]に記載のリチウム金属複合酸化物。
[4]BET比表面積が1.0m2/g未満である、[1]~[3]のいずれか1つに記載のリチウム金属複合酸化物。
[5]レーザー回折散乱法により測定される体積基準の累積粒度分布曲線から得られる、50%累積体積粒度であるD50が5μmを超え20μm未満である、[1]~[4]のいずれか1つに記載のリチウム金属複合酸化物。
[6]示差熱-熱重量同時分析において、400℃以上に最大の発熱量を示すピークを有する[1]~[5]のいずれか1つに記載のリチウム金属複合酸化物。
[7][1]~[6]のいずれか1つに記載のリチウム金属複合酸化物を含有するリチウム二次電池用正極活物質。
[8][7]に記載のリチウム二次電池用正極活物質を含むリチウム二次電池用正極。
[9][8]に記載のリチウム二次電池用正極を含むリチウム二次電池。
金属複合化合物(Metal Composite Compound)を以下「MCC」ともいう。
リチウム金属複合酸化物(Lithium Metal Composite Oxide)を以下「LiMO」ともいう。
リチウム二次電池用正極活物質(Cathode Active Material for lithium secondary batteries)を以下「CAM」ともいう。
「Ni」とは、ニッケル金属単体ではなく、Ni元素であることを示す。Co、Mn等の他の元素の表記も同様である。
数値範囲について、「A~B」とは、「A以上B以下」を意味する。例えば「5~15μm」と記載されている場合、5μm以上15μm以下の範囲を意味し、下限値である5μmと上限値である15μmを含む数値範囲を意味する。
(リチウム二次電池用正極の作製)
本実施形態のLiMOをCAMとして用いる。CAMと導電材とバインダーとを、CAM:導電材:バインダー=92:5:3(質量比)で混練し、ペースト状の正極合剤を調製する。正極合剤の調製時には、N-メチル-2-ピロリドンを有機溶媒として用いる。導電材にはアセチレンブラックを用いる。バインダーには、ポリフッ化ビニリデンを用いる。
以下の操作を、アルゴン雰囲気のグローブボックス内で行う。
(リチウム二次電池用正極の作製)で作製されるリチウム二次電池用正極を、コイン型電池R2032用のパーツ(宝泉株式会社製)の下蓋にアルミ箔面を下に向けて置き、その上にセパレータ(ポリエチレン製多孔質フィルム)を置く。ここに電解液を300μl注入する。電解液は、エチレンカーボネートとジメチルカーボネートとエチルメチルカーボネートの30:35:35(体積比)混合液に、LiPF6を1.0mol/lとなる割合で溶解した溶液を用いる。
「レート特性が高い」とは、下記の放電レート試験により得られる放電容量の比率が80%以上であることを意味する。
試験温度:25℃
充電最大電圧4.3V、充電電流0.2CA、定電流定電圧充電
放電最小電圧2.5V、放電電流0.2CAまたは3CA、定電流放電
3CA/0.2CA放電容量比率(%)
=3CAにおける放電容量/0.2CAにおける放電容量×100 (式)
本発明のLiMOを構成する元素は、少なくともLi、Ni、及び元素M1を含む。LiMOはさらに、元素M2を含んでいてもよい。
元素M1はアルカリ土類金属元素である。具体的には、元素M1は、Mg、Ca、Sr、Ba及びRaからなる群より選択される1種以上の元素である。元素M2は、Co、Mn、Fe、Cu、Ti、Al、Zn、Sn、Zr、B、Si、Nb、W、Mo、Ta、S及びPからなる群より選択される1種以上の元素である。
元素M1は、Mg、Ca、及びBaからなる群より選択される1種以上の元素が好ましく、Mgが好ましい。元素M2は、Co、Mn、Ti、Al、Zr、B、Nb、及びWからなる群より選択される1種以上の元素が好ましい。また、元素M2は、Co、Mn、及びAlからなる群より選択される1種以上の元素と、Fe、Cu、Ti、Zn、Sn、Zr、B、Si、Nb、W、Mo、Ta、S及びPからなる群より選択される1種以上の元素とからなることが好ましい。
LiMOは、層状岩塩型の結晶構造を備える。
層状岩塩型の結晶構造とは、リチウム層とリチウム以外の遷移金属層とが酸素の層を挟んで交互に積層された結晶構造である。遷移金属層は遷移金属イオンから構成され、酸素の層は酸素イオンから構成される。層状岩塩型の結晶構造は、典型的には、α-NaFeO2型の結晶構造である。
LiMOの結晶構造は、粉末X線回折測定装置を用いて観察することにより確認できる。
粉末X線回折測定は、X線回折装置、例えば、株式会社リガク製UltimaIVが使用できる。
LiMOは、CuKα線を使用した粉末X線回折から得られる回折ピークをリートベルト解析して求められる、層状岩塩型の結晶構造のLiサイトにおけるMe席占有率が4.0%以下である。
前記Me席占有率が上記上限値以下であると、カチオンミキシングの割合が小さく、リチウムサイトにリチウムイオンが残っているため、レート特性が高くなりやすい。
LiサイトにおけるMe席占有率は、粉末X線回折から得られる回折ピークに対してリートベルト解析を行うことにより算出できる。リートベルト解析とは、実測の粉末X線回折パターンと結晶構造モデルからのシミュレーションパターンを比較し、両者の差が最小になるよう、結晶構造モデルにおける結晶構造パラメータを最適化する手法である。
LiMOの粒子強度は、100MPaを超え200MPa未満である。
LiMOの粒子強度は、以下の方法で測定する。
まず、後述する方法により測定されるD50(単位:μm)±2μm程度の大きさを持つLiMOの粒子を選択する。選択の際には、極端にいびつな形状の粒子は避ける。具体的には、粒子の短径と長径との比(短径/長径)が、0.7以上1.3以下の粒子を選択する。
試験圧力を徐々にあげて行った際、試験圧力がほぼ一定のまま変位量が最大となる圧力値を試験力(P)(単位:MPa)とする。
得られた試験力(P)から、下記式(X)(日本鉱業会誌,Vol.81,(1965)参照)により、圧壊強度(St)(単位:MPa)を算出する。この操作を計7回行い、圧壊強度の最大値と最小値を省いた5回の平均値を粒子強度として算出する。下記式(X)中、dはLiMOの二次粒子径(単位:μm)である。
St=2.8×P/(π×d×d) ・・・式(X)
LiMOの粒子強度は、例えば190MPa以下、180MPa以下が挙げられる。
上記粒子強度の上限値及び下限値は任意に組み合わせることができる。
組み合わせの例としては、粒子強度は、105~190MPa、110~180MPaが挙げられる。
LiaNibM1cM2(1-b-c)O2 ・・・(A)
(組成式(A)は、0.98≦a≦1.10、0.60≦b≦0.95、及び0<c≦0.05を満たし、M1は前記元素M1であり、M2は前記元素M2である。)
組成式(A)中、aは、0.98≦a≦1.09を満たすことが好ましく、0.99≦a≦1.08を満たすことがより好ましく、1.00≦a≦1.07を満たすことがさらに好ましい。
組成式(A)中、bは、0.65≦b≦0.95を満たすことが好ましく、0.70≦b≦0.95を満たすことがより好ましく、0.75≦b≦0.93を満たすことがさらに好ましい。
組成式(A)中、cは、0.001≦c≦0.05を満たすことが好ましく、0.002≦c≦0.04を満たすことがより好ましい。
LiaNibM1cM2(1-b-c)O2 ・・・(A1)
(組成式(A1)は、1.00≦a≦1.08、0.75≦b≦0.93、及び0.001≦c≦0.05を満たし、M1は、Mg、Ca、及びBaからなる群より選択される1種以上の元素であり、M2は、Co、Mn、及びAlからなる群より選択される1種以上の元素と、Fe、Cu、Ti、Zn、Sn、Zr、B、Si、Nb、W、Mo、Ta、S及びPからなる群より選択される1種以上の元素とからなる。)
LiMOの組成分析(前記組成式(A)、及び前記元素M1の含有割合)は、得られたLiMOの粉末を塩酸に溶解させた後、ICP発光分光分析装置を用いて測定できる。
ICP発光分光分析装置としては、例えばエスアイアイ・ナノテクノロジー株式会社製、SPS3000が使用できる。
LiMOのBET比表面積は0.5m2/g以上であることが好ましく、0.6m2/g以上であることがより好ましく、0.7m2/g以上であることがさらに好ましい。
組み合わせの例としては、BET比表面積は、0.5m2/g以上1.0m2/g未満、0.6~0.99m2/g、0.7~0.98m2/gである。
LiMOのBET比表面積は、BET比表面積測定装置により測定できる。BET比表面積測定装置としては、例えば、マウンテック社製Macsorb(登録商標)を用いることができる。前処理として窒素雰囲気中、105℃で30分間、LiMOを乾燥させることが好ましい。
本明細書において、LiMOのD50は、以下の方法により測定できる。
レーザー回折粒度分布計としては、例えばマルバーン製、MS2000が使用できる。
示差熱-熱重量同時分析の測定装置は、株式会社日立ハイテクサイエンス社製、STA7300を用いることができる。
試料の秤量は、STA7300の天秤ビーム上で実施する。
約5mgのLiMOを白金製測定容器に入れて上記測定装置にセットし、5ml/minの窒素気流下、20~700℃まで5℃/minの速度で昇温を行い、DTA曲線を得る。得られたDTA曲線のピークの高さより最大の発熱量を示すピークを特定する。なお、測定量、昇温レート、測定温度範囲を考慮すると、重量減少率に対する粒度の影響はわずかであるため、本実施形態において試料の粒度は限定されない。
LiMOの製造方法は、MCCを得る工程と、LiMOを得る工程とを備えることが好ましい。以下、MCCを得る工程、LiMOを得る工程の順に説明する。
まず、少なくともNiを含むMCCを調製する。
MCCは、通常公知のバッチ共沈殿法又は連続共沈殿法により製造することが可能である。以下、Ni及び前記元素M2を含む金属複合酸化物を例に、その製造方法を詳述する。
連続式共沈殿法で用いる反応槽としては、形成された反応沈殿物を分離するため、オーバーフローさせるタイプの反応槽を用いることができる。
金属複合水酸化物の乾燥後に、適宜分級を行ってもよい。
酸化温度は、500~800℃とすることが好ましい。
LiMOを得る工程は、MCCと、リチウム化合物と、元素M1を含む化合物とを混合する混合工程と、得られた混合物を焼成する焼成工程と、を含む。
MCCと、リチウム化合物と、元素M1を含む化合物とを混合する。
本実施形態に用いるリチウム化合物は、炭酸リチウム、硝酸リチウム、酢酸リチウム、水酸化リチウム、水酸化リチウム水和物、酸化リチウム、塩化リチウム及びフッ化リチウムの少なくとも何れか一つを使用することができる。これらの中では、水酸化リチウム、水酸化リチウム水和物、及び炭酸リチウムのいずれか一方又はその混合物が好ましい。
BET比表面積から算出される粒径は、以下の方法で求めることができる。
まず、窒素雰囲気中、105℃で30分間、元素M1を含む化合物を乾燥させた後、BET比表面積測定装置を用いて測定できる。BET比表面積測定装置としては、例えば、マウンテック社製Macsorb(登録商標)を用いることができる。
得られたBET比表面積から以下の式を用いて、粒径を算出する。
粒径(nm)=6/(S×P) (式)
式中、Pは元素M1を含む化合物の密度(g/m3)、Sは元素M1を含む化合物のBET比表面積(m2/g)である。
MCCとリチウム化合物と元素M1を含む化合物との混合物を焼成し、LiMOが得られる。元素M1を含む化合物の存在下で焼成すると、焼結が促進され、(2)を満たすLiMOが得られる。焼成には、所望の組成に応じて乾燥空気、酸素雰囲気、不活性雰囲気等が用いられる。本実施形態においては酸素雰囲気で焼成することが好ましい。
複数回の焼成段階を有する場合、最も高い温度で焼成する工程を本焼成と記載する。本焼成の前には、本焼成よりも低い温度で焼成する仮焼成を行ってもよい。
本実施形態のCAMは、上述の方法で製造されたLiMOを含有する。本実施形態のCAMにおいて、CAMの総質量(100質量%)に対するLiMOの含有割合は、70-99質量%が好ましく、80-98質量%がより好ましい。
本実施形態のLiMOをCAMとして用いる場合に好適なリチウム二次電池用正極について説明する。以下、リチウム二次電池用正極を正極と称することがある。
さらに、正極の用途として好適なリチウム二次電池について説明する。
本実施形態のLiMOは、全固体リチウム二次電池のCAMとして用いることができる。
[10]少なくともLi、Ni、及びアルカリ土類金属元素である元素M1を含み、下記(1)及び(2)を満たす、LiMO。
(1)前記Me席占有率が1.0~4.0%である。
(2)前記リチウム金属複合酸化物の粒子の粒子強度は、110~180MPaである。
[11]前記組成式(A)を満たす、[10]に記載のLiMO。
[12]前記LiMOに含まれる元素M1の含有割合が、前記LiMOの総モル数に対して、0~2mol%である、[10]又は[11]に記載のLiMO。
[13]BET比表面積が0.5m2/g以上1.0m2/g未満である、[10]~[12]のいずれか1つに記載のLiMO。
[14]D50が10~15μmである、[10]~[13]のいずれか1つに記載のLiMO。
[15]示差熱-熱重量同時分析において、400~600℃に、最大の発熱量を示すピークを有する、[10]~[14]のいずれか1つに記載のLiMO。
[16]前記組成式(A1)を満たす、[10]~[15]のいずれか1つに記載のLiMO。
[17][10]~[16]のいずれか1つに記載のLiMOを含有するCAM。
[18][17]に記載のCAMを含むリチウム二次電池用正極。
[19][18]に記載のリチウム二次電池用正極を含むリチウム二次電池。
後述の方法で製造されるLiMOの各種パラメータの測定は、上述の[Me席占有率の測定方法]、[組成分析]、[粒子強度の測定方法]、[BET比表面積測定]、[示差熱-熱重量同時分析の方法]、及び[D50の測定方法]で説明した測定方法等により行った。
リチウム二次電池のレート特性の評価は、後述する製造方法で得られるLiMOをCAMとして用いて、上述の[レート特性の測定]で説明した測定方法により行った。
撹拌器及びオーバーフローパイプを備えた反応槽内に水を入れた後、水酸化ナトリウム水溶液を添加し、液温(反応槽の温度)を70℃に保持した。
MCC-1に対するBaの量が5.0モル%となる割合で水酸化バリウムを秤量した。
MCC-1、水酸化リチウム一水和物及び水酸化バリウムを混合し、混合物1を得た。使用した水酸化バリウムのBET比表面積から算出される粒径は1202nmであった。
実施例1と同様にMCC-1を製造した。
MCC-1に含まれるNi、Mn及びAlの合計量1に対するLiの量(モル比)が1.03となる割合で水酸化リチウム一水和物を秤量した。
MCC-1に対するCaの量が1.0モル%となる割合で水酸化カルシウムを秤量した。
MCC-1、水酸化リチウム一水和物及び水酸化カルシウムを混合し、混合物2を得た。使用した水酸化カルシウムのBET比表面積から算出される粒径は690nmであった。
実施例1と同様にMCC-1を製造した。
MCC-1に含まれるNi、Mn及びAlの合計量1に対するLiの量(モル比)が1.03となる割合で水酸化リチウム一水和物を秤量した。
MCC-1に対するMgの量が0.3モル%となる割合で水酸化マグネシウムを秤量した。
MCC-1、水酸化リチウム一水和物及び水酸化マグネシウムを混合し、混合物3を得た。使用した水酸化マグネシウムのBET比表面積から算出される粒径は980nmであった。
実施例1と同様にMCC-1を製造した。
MCC-1に含まれるNi、Mn及びAlの合計量1に対するLiの量(モル比)が1.02となる割合で水酸化リチウム一水和物を秤量した。
MCC-1、及び水酸化リチウム一水和物を混合し、混合物4を得た。
実施例1と同様にMCC-1を製造した。
MCC-1に含まれるNi、Mn及びAlの合計量1に対するLiの量(モル比)が1.02となる割合で水酸化リチウム一水和物を秤量した。
MCC-1に対するBaの量が0.5モル%となる割合で水酸化バリウムを秤量した。
MCC-1、水酸化リチウム一水和物及び水酸化バリウムを混合し、混合物5を得た。使用した水酸化バリウムのBET比表面積から算出される粒径は1202nmであった。
実施例1と同様にMCC-1を製造した。
MCC-1に含まれるNi、Mn及びAlの合計量1に対するLiの量(モル比)が1.02となる割合で水酸化リチウム一水和物を秤量した。
MCC-1に対するMgの量が1.0モル%となる割合で水酸化マグネシウムを秤量した。
MCC-1、水酸化リチウム一水和物及び水酸化マグネシウムを混合し、混合物6を得た。使用した水酸化マグネシウムのBET比表面積から算出される粒径は980nmであった。
実施例1と同様にMCC-1を製造した。
MCC-1に含まれるNi、Mn及びAlの合計量1に対するLiの量(モル比)が1.09となる割合で水酸化リチウム一水和物を秤量した。
MCC-1、及び水酸化リチウム一水和物を混合し、混合物7を得た。
実施例1と同様にMCC-1を製造した。
MCC-1に含まれるNi、Mn及びAlの合計量1に対するLiの量(モル比)が1.02となる割合で水酸化リチウム一水和物を秤量した。
MCC-1に対するBaの量が5.0モル%となる割合で水酸化バリウムを秤量した。
MCC-1、水酸化リチウム一水和物及び水酸化バリウムを混合し、混合物8を得た。使用した水酸化バリウムのBET比表面積から算出される粒径は2106nmであった。
比較例2~3及び5は、(2)を満たすものの、Me席占有率が4.0%を超えるため、容量が低下しやすく、レート特性が低い結果であったと考えられる。
比較例4は、(2)を満たすものの、元素M1を含んでおらず、粒子強度も100MPa以下であるため電極製造時にクラックが生じ、レート特性が低い結果であったと考えられる。
Claims (9)
- 少なくともLi、Ni、及びアルカリ土類金属元素である元素M1を含み、下記(1)及び(2)を満たす、リチウム金属複合酸化物。
(1)CuKα線を使用した粉末X線回折から得られる回折ピークをリートベルト解析して求められる、層状岩塩型の結晶構造のLiサイトにおけるMe席占有率が4.0%以下である。
(2)前記リチウム金属複合酸化物の粒子強度は、100MPaを超え200MPa未満である。 - 下記組成式(A)で表される、請求項1に記載のリチウム金属複合酸化物。
LiaNibM1cM2(1-b-c)O2 ・・・(A)
(組成式(A)は、0.98≦a≦1.10、0.60≦b≦0.95、及び0<c≦0.05を満たし、M1は前記元素M1であり、M2はCo、Mn、Fe、Cu、Ti、Al、Zn、Sn、Zr、B、Si、Nb、W、Mo、Ta、S及びPからなる群より選択される1種以上の元素である。) - 前記リチウム金属複合酸化物に含まれる前記元素M1の含有割合が、前記リチウム金属複合酸化物に含まれるLi以外の金属元素の総モル数に対して、0mol%より大きく、5mol%以下である、請求項1又は2に記載のリチウム金属複合酸化物。
- BET比表面積が1.0m2/g未満である、請求項1又は2に記載のリチウム金属複合酸化物。
- レーザー回折散乱法により測定される体積基準の累積粒度分布曲線から得られる、50%累積体積粒度であるD50が5μmを超え20μm未満である、請求項1又は2に記載のリチウム金属複合酸化物。
- 示差熱-熱重量同時分析において、400℃以上に最大の発熱量を示すピークを有する、請求項1又は2に記載のリチウム金属複合酸化物。
- 請求項1又は2に記載のリチウム金属複合酸化物を含有するリチウム二次電池用正極活物質。
- 請求項7に記載のリチウム二次電池用正極活物質を含むリチウム二次電池用正極。
- 請求項8に記載のリチウム二次電池用正極を含むリチウム二次電池。
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