JP7404886B2 - 層状岩塩構造を示し、リチウム、ニッケル、コバルト、タングステン、アルミニウム及び酸素を含有する正極活物質、並びに、その製造方法 - Google Patents
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Description
また、正極活物質の前駆体を金属化合物でコートすることで、正極活物質の性能が向上することも知見した。
本発明はかかる知見に基づき完成されたものである。
ニッケル、コバルト、タングステン、アルミニウム及びキレート化合物を溶解した水溶液と、塩基性物質を混合して、ニッケル、コバルト、タングステン及びアルミニウムを含有する遷移金属水酸化物を析出させる析出工程、
前記遷移金属水酸化物を加熱して、付着水を除去した又は遷移金属酸化物とした前駆体を形成する前駆体形成工程、
前記前駆体とリチウム塩を混合して焼成する焼成工程、を有することを特徴とする、層状岩塩構造を示し、リチウム、ニッケル、コバルト、タングステン、アルミニウム及び酸素を含有する正極活物質の製造方法である。
ニッケル、コバルト、タングステン、アルミニウム及びキレート化合物を溶解した水溶液と、塩基性物質を混合して、ニッケル、コバルト、タングステン及びアルミニウムを含有する遷移金属水酸化物を析出させる析出工程、
前記遷移金属水酸化物を加熱して、付着水を除去した又は遷移金属酸化物とした前駆体を形成する前駆体形成工程、
前記前駆体を金属化合物でコートするコート工程、
前記金属化合物でコートした前駆体とリチウム塩を混合して焼成する焼成工程、を有することを特徴とする、層状岩塩構造を示し、リチウム、ニッケル、コバルト、タングステン、アルミニウム及び酸素を含有する正極活物質の製造方法である。
ニッケル、コバルト、タングステン、アルミニウム及びキレート化合物を溶解した水溶液と、塩基性物質を混合して、ニッケル、コバルト、タングステン及びアルミニウムを含有する遷移金属水酸化物を析出させる析出工程、
前記遷移金属水酸化物を加熱して、付着水を除去した又は遷移金属酸化物とした前駆体を形成する前駆体形成工程、
前記前駆体とリチウム塩を混合して焼成する焼成工程、を有することを特徴とする、層状岩塩構造を示し、リチウム、ニッケル、コバルト、タングステン、アルミニウム及び酸素を含有する正極活物質の製造方法である。
以下、本発明の第1の製造方法及び本発明の第2の製造方法を総称して、本発明の製造方法という。本発明の製造方法にて製造された正極活物質を本発明の正極活物質という。
塩基性水溶液を調製するには、塩基性化合物を水に溶解すればよい。
析出工程において、反応溶液のpHは好適な範囲に保たれることが好ましいため、塩基性水溶液には、少なくとも緩衝能を有する塩基性化合物が含まれるのが好ましい。緩衝能を有する塩基性化合物としては、例えば、アンモニア、アルカリ金属炭酸塩、アルカリ金属リン酸塩、アルカリ金属酢酸塩を挙げることができる。
不活性ガスとしては、窒素、アルゴン、ヘリウムを例示できる。
脱酸素剤、還元剤、酸化防止剤としては、アスコルビン酸及びその塩、グリオキシル酸及びその塩、ヒドラジン、ジメチルヒドラジン、ヒドロキノン、ジメチルアミンボラン、NaBH4、NaBH3CN、KBH4、亜硫酸及びその塩、チオ硫酸及びその塩、ピロ亜硫酸及びその塩、亜リン酸及びその塩、次亜リン酸及びその塩を例示できる。
本発明の第2の製造方法においては、前駆体形成工程に続いて、前駆体を金属化合物でコートするコート工程が行われた後に、焼成工程が行われる。
以下、「遷移金属酸化物」を金属化合物でコートする場合について説明を行う。「付着水を除去した遷移金属水酸化物」を金属化合物でコートする場合については、以下の説明において、「遷移金属酸化物」を「付着水を除去した遷移金属水酸化物」に、適宜適切に、読み替えればよい。
金属化合物のうち、金属酸化物は、ペロブスカイト型などの結晶構造を示すものが好ましい。
coat-2)キレート化合物を含有するジルコニウム水溶液と、前記分散液を混合し、遷移金属酸化物の表面に水酸化ジルコニウムを析出させるジルコニウム析出工程、
coat-3)表面に水酸化ジルコニウムを析出させた遷移金属酸化物を乾燥してコート体とする工程
キレート化合物を含有するジルコニウム水溶液は、ジルコニウム塩とキレート化合物を水に溶解して製造される。キレート化合物を含有するジルコニウム水溶液は、通常、酸性の溶液である。ジルコニウム水溶液におけるジルコニウムに対するキレート化合物のモル比としては、1以上が好ましく、1~10の範囲内が好ましく、1.5~8の範囲内がより好ましく、2~6の範囲内がさらに好ましい。
coat-3)工程での乾燥は、表面に水酸化ジルコニウムを析出させた遷移金属酸化物に付着した水分を除去することが主な目的である。ただし、加熱温度を高くすることで、遷移金属酸化物の表面に存在する水酸化ジルコニウムを脱水させて、酸化ジルコニウムに変化させてもよい。すなわち、コート体は、水酸化ジルコニウムでコートされた遷移金属酸化物でもよいし、酸化ジルコニウムでコートされた遷移金属酸化物でもよい。
F化合物としては、LiF、NaF、KF、MgF2、CaF2、BaF2、AlF3などの金属フッ化物を例示できる。
P化合物としては、H3PO4、LiH2PO4、Li2HPO4、Li3PO4、NaH2PO4、Na2HPO4、Na3PO4、KH2PO4、K2HPO4、K3PO4などのリン酸及びリン酸塩を例示できる。
ここで、正極活物質の結晶生成の点から言及すると、なるべく低温で加熱した方が、均一な組成であって均一な形状の結晶が生成しやすい。そのため、第2焼成工程の温度としては、550~950℃、550~900℃、550~850℃、550~800℃の範囲を例示できる。
また、本発明の正極活物質の好適な一態様においては、Zr濃度が、一次粒子の内部よりも、一次粒子が凝集した二次粒子の表層で高い。又は、本発明の正極活物質の好適な一態様においては、コート工程での金属化合物に由来する金属濃度が、一次粒子の内部よりも、一次粒子が凝集した二次粒子の表層で高い。
ニッケルは充放電時の酸化還元反応に優先的に寄与すると考えられ、コバルト、タングステン及びアルミニウムは、層状岩塩構造の維持に寄与すると考えられる。
一般式において、a、b、c、d、e、f、g、hは、0.5≦a≦2、0.85≦b<1、0<c<0.15、0<d<0.15、0<e≦0.02、0≦f<0.15、b+c+d+e+f=1、1.8≦g≦2.2、0≦h≦0.2を満足する。Dはドープ元素である。
一般式におけるbは、0.9≦b≦0.99を満足するのが好ましく、0.92≦b≦0.98を満足するのがより好ましく、0.94≦b≦0.97を満足するのがさらに好ましい。
以下のとおり、実施例1の正極活物質を製造した。
遷移金属含有水溶液におけるニッケル、コバルト、タングステン、アルミニウムのモル比は、95.5:4:0.5:0.25である。
60℃に維持した恒温槽中で、窒素ガス導入及び撹拌条件下の遷移金属含有水溶液に対して、塩基性水溶液を供給して反応溶液とした。反応溶液のpHを10.8~10.85の範囲内に維持して、ニッケル、コバルト、タングステン及びアルミニウムを遷移金属水酸化物として析出させた。なお、ここでのpH値は、反応溶液をpHメーターで測定した数値そのものを意味する。
大気下、遷移金属水酸化物を300℃で5時間加熱して、前駆体である遷移金属酸化物とした。
10gの前駆体、3.0g(125mmol)の水酸化リチウム無水物、0.475g(1.25mmol)のNa3PO412水和物、0.032g(1.25mmol)のLiFを乳鉢で混合し、混合物とした。そして、前記混合物を、大気雰囲気下、600℃で10時間加熱し、第1焼成体とした。
実施例1の正極活物質の理論上の組成は、Li1Ni0.955Co0.04W0.005Al0.0025Na0.03P0.01O2F0.01である。
グラファイト98.3質量部と、結着剤としてスチレン-ブタジエンゴム1質量部及びカルボキシメチルセルロース0.7質量部とを混合し、この混合物を適量のイオン交換水に分散させてスラリーを製造した。このスラリーを負極用集電体である厚み20μmの銅箔にドクターブレードを用いて膜状になるように塗布し、スラリーを塗布した集電体を乾燥後にプレスして接合物とした。真空乾燥機を用いて、接合物を加熱し、所定の形状に切り取り、負極とした。
前駆体形成工程と焼成工程の間に以下のコート工程を実施し、焼成工程における前駆体として、コート工程後のものを用いたこと以外は、実施例1と同様の方法で、実施例2の正極活物質、正極及びリチウムイオン二次電池を製造した。
実施例2の正極活物質の理論上の組成は、Li1Ni0.955Co0.04W0.005Al0.0025Zr0.002Na0.03P0.01O2F0.01である。
純水400mLに30gの遷移金属酸化物を加えて、遷移金属酸化物の分散液を調製した。
0.3g(0.84mmol)の硫酸ジルコニウム4水和物、及び、キレート化合物として0.25g(3.29mmol)のグリコール酸を、水に溶解して、コート用溶液を調製した。
上記遷移金属酸化物の分散液と、コート用溶液を混合し混合液とした。次いで、該混合液のpHが12.5になるまで、水酸化ナトリウム水溶液を添加して、遷移金属酸化物の表面に水酸化ジルコニウムを析出させたコート体を得た。コート体を濾過で分離した後に、乾燥し、焼成工程に供した。
硫酸ニッケル6水和物、硫酸コバルト7水和物、及び、タングステン酸ナトリウム2水和物を、ニッケル、コバルト、タングステンのモル比が95.5:4:0.5となる量で、純水に溶解させて、400mLの遷移金属含有水溶液を調製した。
30gの25%アンモニア水を純水と混合して、400mLの第1塩基性水溶液を調製した。
水酸化ナトリウム、アンモニア水及び純水を混合して、pH10.75の第2塩基性水溶液を調製した。
60℃に維持した恒温槽中で、窒素ガス導入及び撹拌条件下の第2塩基性水溶液に対して、遷移金属含有水溶液を供給し、ニッケル、コバルト及びタングステンを遷移金属水酸化物として析出させた。この際に、反応溶液のpHを10.75~10.80の範囲内に維持させるために、第1塩基性水溶液と48wt%水酸化ナトリウム水溶液を適宜滴下した。なお、ここでのpH値は、反応溶液をpHメーターで測定した数値そのものを意味する。
遷移金属水酸化物を濾過により分離した。超音波洗浄機を用いて、遷移金属水酸化物を純水で洗浄し、その後、濾過により遷移金属水酸化物を単離した。
参考例1の正極活物質の理論上の組成は、Li1Ni0.955Co0.04W0.005Zr0.002Na0.03P0.01O2F0.01である。
正極活物質として、層状岩塩構造のLiNi0.85Co0.11Al0.04O2を採用した以外は、実施例1と同様の方法で、比較例1のリチウムイオン二次電池を製造した。
実施例1及び実施例2の正極活物質につき、走査型電子顕微鏡(SEM)にて、表面観察を行った。図1に実施例1の正極活物質のSEM像を示し、図2に実施例2の正極活物質のSEM像を示す。
両SEM像から、実施例1及び実施例2の正極活物質は、いずれも、一次粒子が凝集した二次粒子を含有していることがわかる。
実施例1、実施例2及び参考例1の正極活物質につき、Cu-καを用いた粉末X線回折装置にて、結晶構造の分析を行った。
いずれの正極活物質も、層状岩塩構造の回折パターンを示すことが確認できた。
実施例1、実施例2、参考例1及び比較例1のリチウムイオン二次電池につき、0.1Cレートで、4.4Vまで充電してから2.5Vまで放電するとの充放電サイクルを繰り返し行った。
初回充放電サイクルでの放電容量、及び、充放電サイクルを20回繰り返した時点での放電容量を、各正極活物質の製造における析出工程での金属組成比と共に表1に示す。また、各リチウムイオン二次電池の充放電サイクルの回数と放電容量との関係をグラフにして図3に示す。
コート工程において遷移金属酸化物に対するジルコニウムの割合を減らしたこと、及び、焼成工程においてNa3PO4及びLiFを用いなかったこと以外は、実施例2と同様の方法で、実施例3の正極活物質を製造した。
実施例3の正極活物質の理論上の組成は、Li1Ni0.955Co0.04W0.005Al0.0025Zr0.001O2である。
負極活物質として炭素被覆した結晶性シリコン粉末23質量部、負極活物質として黒鉛69質量部、結着剤として固形分が8質量部となる量の上記結着剤溶液、及び、適量のN-メチル-2-ピロリドンを混合して、スラリーを製造した。負極用集電体として銅箔を準備した。この銅箔の表面に、ドクターブレードを用いて、上記スラリーを膜状に塗布した。スラリーが塗布された銅箔を乾燥することで、N-メチル-2-ピロリドンを除去した。その後、ロ-ルプレス機を用いて圧縮し、真空乾燥機を用いて加熱乾燥することで、負極活物質層が形成された負極を製造した。
上記の電解液において、(FSO2)2NLiの濃度は2.1mol/Lであった。
正極活物質として、層状岩塩構造のLi1.03Ni0.867Co0.096Al0.037O2を採用した以外は、実施例3と同様の方法で、比較例2のリチウムイオン二次電池を製造した。
実施例3及び比較例2のリチウムイオン二次電池につき、1Cレートで4.2VまでCC充電し、当該電圧を維持するCV充電を、CC充電と合わせて2時間行った後、0.33Cレートで3.0VまでCC放電し、当該電圧を維持するCV放電を、CC放電と合わせて5時間行った。ここでの放電容量を初期放電容量とした。
実施例3及び比較例2のリチウムイオン二次電池につき、25℃の条件下、1Cレートで4.05VまでCC充電し、当該電圧を維持するCV充電を、CC充電と合わせて2時間行った後、1Cレートで3.0VまでCC放電し、当該電圧を維持するCV放電を、CC放電と合わせて2時間行う充放電サイクルを、50回繰り返した。
上記の充放電サイクルを50回繰り返した実施例3及び比較例2のリチウムイオン二次電池につき、初期放電容量の測定と同様の方法で、放電容量を測定した。ここでの放電容量をサイクル試験後の放電容量とした。
各リチウムイオン二次電池の容量維持率を以下の式で算出した。各正極活物質の金属組成比と共に、結果(n=2)を、表2に示す。
容量維持率(%)=100×(サイクル試験後の放電容量)/(初期放電容量)
また、評価例3で評価したリチウムイオン二次電池に用いた電解液の非水溶媒は、一般的なカーボネート系であったが、今回の評価例4で評価したリチウムイオン二次電池に用いた電解液の非水溶媒は、エーテル系であった。本発明の正極活物質は、電解液の種類に因らず、好適に作動するといえる。
Claims (9)
- ニッケル、コバルト、タングステン、アルミニウム及びキレート化合物を溶解した水溶液と、塩基性物質を混合して、ニッケル、コバルト、タングステン及びアルミニウムを含有する遷移金属水酸化物を析出させる析出工程、
前記遷移金属水酸化物を加熱して、付着水を除去した又は遷移金属酸化物とした前駆体を形成する前駆体形成工程、
前記前駆体を金属化合物でコートするコート工程、
前記金属化合物でコートした前駆体とリチウム塩を混合して焼成する焼成工程、を有することを特徴とする、層状岩塩構造を示し、リチウム、ニッケル、コバルト、タングステン、アルミニウム及び酸素を含有する正極活物質の製造方法。 - 前記コート工程における前記金属化合物が、ZrO2、CaVO3、MnO2、La2CuO4、La2NiO4、SnO2、Tl2Mn2O7、EuO、Fe2O3、CaMnO3、SrMnO3、(Sr,La)TiO3、LaTiO3、SrFeO3、BaMoO3、CaMoO3、Ln2Os2O7(LnはY及び希土類元素から選択される元素である。)、Tl2Ir2O7、Cd2Re2O7、Lu2Ir2O7、Bi2Rh2O7、Bi2Ir2O7、Ti2O3、WO2、VO、V2O3、LaMnO3、CaCrO3、LaCoO3、(ZnO)5、SrCrO3、In0.97Y0.03O3、ZnxAlyO(x+y=1)、LiV2O4、Na1-xCoO2(0<x<1)、LiTi2O4、SrMoO3、BaPbO3、Tl2Os2O7、Pb2Os2O7、Pb2Ir2O7、Lu2Ru2O7、Bi2Ru2O7、SrRuO3、CaRuO3、CrO2、MoO2、ReO2、TiO、LaO、SmO、LaNiO3、SrVO3、ReO3、IrO2、RuO2、RhO2、OsO2、NdO、NbO、La2O3、NiO、LaSrxCoyO3(x+y=1)、NaCoO3、NaNiO3、LiCoO3、LiNiO3から選択される金属酸化物又はこれらの前駆体の金属水酸化物である請求項1に記載の正極活物質の製造方法。
- 請求項1又は2に記載の正極活物質の製造方法で正極活物質を製造する工程、
前記正極活物質を用いて正極を製造する工程、を有する、正極の製造方法。 - 請求項3に記載の製造方法で、正極を製造する工程、
前記正極を用いてリチウムイオン二次電池を製造する工程、を有する、リチウムイオン二次電池の製造方法。 - 下記一般式で表され、
層状岩塩構造を示し、リチウム、ニッケル、コバルト、タングステン、アルミニウム及び酸素を内部に含有する一次粒子を備え、
Zr濃度が、前記一次粒子の内部よりも、前記一次粒子が凝集した二次粒子の表層で高いことを特徴とする正極活物質。
一般式 LiaNibCocWdAleDfOgFh
一般式において、a、b、c、d、e、f、g、hは、0.5≦a≦2、0.85≦b<1、0<c<0.15、0<d<0.15、0<e≦0.02、0≦f<0.15、b+c+d+e+f=1、1.8≦g≦2.2、0≦h≦0.2を満足する。Dはドープ元素である(但し、DがMnであるものを除く)。 - 前記一般式におけるbは0.9≦b≦0.99を満足する請求項5に記載の正極活物質。
- 前記一般式におけるcは0.005≦c≦0.08を満足する請求項5又は6に記載の正極活物質。
- 請求項5~7のいずれか1項に記載の正極活物質を備える正極。
- 請求項8に記載の正極を備えるリチウムイオン二次電池。
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