JP7405929B1 - 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
[1]少なくともLiとNiを含み、下記(1)及び下記(2)を満たす、リチウム金属複合酸化物。
(1)窒素ガスの吸着等温線及び脱離等温線測定とBarrett-Joyner-Halenda法により求められる吸着等温線における細孔径分布において、細孔径が2nm以上10nm以下の範囲における細孔容積が0.4×10-3cm3/gを超え1.0×10-3cm3/g以下である。
(2)A/D50は、0.9×10-3以上3.4×10-3以下である。
(Aは、窒素ガスの吸着等温線及び脱離等温線測定とBarrett-Joyner-Halenda法により求められる脱離等温線における細孔径分布に基づく平均細孔径(nm)であり、D50は、前記リチウム金属複合酸化物の粒度分布測定により得られる累積粒度分布曲線において微小粒子側から50%累積時の粒子径の値(μm)である。)
[2]前記AとD10が下記(3)を満たす、[1]に記載のリチウム金属複合酸化物。
(3)A/D10は6.5×10-3以下である。
(D10は、前記累積粒度分布曲線において微小粒子側から10%累積時の粒子径の値(μm)である。)
[3]前記AとD90が下記(4)を満たす、[1]又は[2]に記載のリチウム金属複合酸化物。
(4)A/D90は1.9×10-3以下である。
(D90は、前記累積粒度分布曲線において微小粒子側から90%累積時の粒子径の値(μm)である。)
[4]下記(5)を満たす、[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)前記吸着等温線における細孔径分布において、細孔径が10nmを超え200nm以下の範囲における細孔容積が8.0×10-3cm3/g以下である。
[5]BET比表面積は0.5m2/g以上1.5m2/g以下である、[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]前記Aは10nm以上40nm以下である、[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]タップ密度は2.5g/cm3以上3.1g/cm3以下である、[1]~[6]のいずれか1つに記載のリチウム金属複合酸化物。
[8]前記D50は5μm以上20μm以下である、[1]~[7]のいずれか1つに記載のリチウム金属複合酸化物。
[9]下記組成式(I)で表される、[1]~[8]のいずれか1つに記載のリチウム金属複合酸化物。
Li[Lix(Ni(1-y-z)M1yM2z)1-x]O2 ・・・(I)
(組成式(I)中、M1は、Co、Mn、及びAlからなる群より選択される1種以上の元素であり、M2は、Fe、Cu、Ti、Mg、W、Mo、Nb、Zn、Sn、Zr、Ga、B、Si、S及びPからなる群より選択される1種以上の元素であり、組成式(I)は、-0.1≦x≦0.2、0<y≦0.7、及び0≦z≦0.2を満たす。)
[10]前記組成式(I)は0<y+z≦0.3を満たす、[9]に記載のリチウム金属複合酸化物。
[11][1]~[10]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。
[12][11]に記載のリチウム二次電池用正極活物質を含有するリチウム二次電池用正極。
[13][12]に記載のリチウム二次電池用正極を有するリチウム二次電池。
「細孔径」及び「細孔容積」は、窒素ガスの吸着等温線及び脱離等温線測定とBarrett-Joyner-Halenda法により求められる吸着等温線及び脱離等温線における細孔径分布に基づいて求められる。BJH法とは、細孔形状を円柱状と仮定して、毛管凝縮を生じる細孔径と窒素の相対圧の関係式(ケルビン式)をもとに解析を行う手法である。脱離等温線から求められる細孔径分布は、ボトルネック型の細孔に由来する。なお、本願明細書における「細孔径」は、細孔の直径を指す。
真空加熱処理装置としては、例えばマイクロトラック・ベル株式会社製のBELSORP-vacIIが使用できる。
上記測定装置としては、例えばマイクロトラック・ベル株式会社製BELSORP-miniが使用できる。
脱離等温線におけるLiMOの単位重量あたりの窒素脱離量は、標準状態(STP)の気体窒素の体積で表されるように算出する。
吸着等温線及び脱離等温線をBJH法で解析して得られる細孔径分布に基づいて、「細孔径」及び「細孔容積」を求める。
「BET比表面積」は、前記吸着等温線において、相対圧力であるp/p0が0.4までの窒素吸着量の値を用いて、BET多点法により算出する(単位:m2/g)。
D10、D50及びD90は、レーザー回折散乱法によって測定される値である。
具体的には、LiMOの粉末0.1gを、0.2質量%ヘキサメタりん酸ナトリウム水溶液50mlに投入し、前記粉末を分散させた分散液を得る。
次に、得られた分散液についてレーザー回折散乱粒度分布測定装置(例えば、マルバーン社製、マスターサイザー2000)を用いて、粒度分布を測定し、体積基準の累積粒度分布曲線を得る。
LiMOの組成分析は、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する。
ICP発光分光分析装置としては、例えば株式会社パーキンエルマー製、Optima7300を使用できる。
LiMO又はMCCのタップ密度は、JIS R 1628-1997に記載の方法で求めた値を用いる。
本発明においてLiMOの初期粘度及び粘度比は以下の方法で測定する。
まず、測定対象である正極合剤を調整する。
具体的には、LiMOと導電材(アセチレンブラック)とバインダー(PVdF)とを、LiMO:導電材:バインダー=92:5:3(質量比)の組成、固形分濃度60質量%となる割合で加えて混練することにより、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。
この時使用するPVdFは、バインダー単体の固有粘度が3.1dL/gのものを使用する。
本実施形態のLiMOは、少なくともLiとNiを含み、後述する(1)及び(2)を満たす。
(1)窒素ガスの吸着等温線及び脱離等温線測定とBJH法により求められる吸着等温線における細孔径分布において、細孔径が2-10nmの範囲における細孔容積が0.4×10-3cm3/gを超え1.0×10-3cm3/g以下である。
(2)A/D50は、0.9×10-3-3.4×10-3である。
(Aは、窒素ガスの吸着等温線及び脱離等温線測定とBJH法により求められる脱離等温線における細孔径分布に基づく平均細孔径(nm)であり、D50は、LiMOの粒度分布測定により得られる累積粒度分布曲線において微小粒子側から50%累積時の粒子径の値(μm)である。)
A/D50は、0.9×10-3-3.0×10-3が好ましく、1.1×10-3-2.5×10-3がより好ましく、1.2×10-3-2.0×10-3がさらに好ましい。
(3)A/D10は6.5×10-3以下である。
(D10は、前記累積粒度分布曲線において微小粒子側から10%累積時の粒子径の値(μm)である。)
A/D10の上記上限値及び下限値は任意に組み合わせることができる。組み合わせの例を以下に記載する。
A/D10は、1.0×10-3-6.5×10-3、1.2×10-3-6.0×10-3、1.4×10-3-5.5×10-3、1.5×10-3-5.0×10-3である。
(4)A/D90は、1.9×10-3以下である。
(D90は、前記累積粒度分布曲線において微小粒子側から90%累積時の粒子径の値(μm)である。)
A/D90の上記上限値及び下限値は、任意に組み合わせることができる。組み合わせの例を以下に記載する。
A/D90は、0.1×10-3-1.9×10-3、0.2×10-3-1.7×10-3、0.4×10-3-1.5×10-3、0.5×10-3-1.3×10-3である。
(5)前記吸着等温線における細孔径分布において、細孔径が10nmを超え200nm以下の範囲における細孔容積が8.0×10-3cm3/g以下である。
タップ密度が上記の範囲であると、正極を製造する際に本実施形態のLiMOを含むCAMの充填性を向上させやすい。そして、正極合剤中のCAMの充填性が良好であるため、連続塗工時に初期粘度が変化しにくくなる。
Li[Lix(Ni(1-y-z)M1yM2z)1-x]O2 ・・・(I)
(組成式(I)中、M1は、Co、Mn、及びAlからなる群より選択される1種以上の元素であり、M2は、Fe、Cu、Ti、Mg、W、Mo、Nb、Zn、Sn、Zr、Ga、B、Si、S及びPからなる群より選択される1種以上の元素であり、組成式(I)は、-0.1≦x≦0.2、0<y≦0.7及び0≦z≦0.2を満たす。)
Li[Lix(Ni(1-y-z)M1yM2z)1-x]O2 ・・・(I’)
(組成式(I’)中、M1は、Co、Mn、及びAlからなる群より選択される1種以上の元素であり、M2は、W、B、Nb、及びZrからなる群より選択される1種以上の元素であり、組成式(I’)は、-0.05≦x≦0.1、0.005≦y≦0.3、0≦z≦0.2、及び0<y+z≦0.3を満たす。)
次にLiMOの製造方法について説明する。LiMOの製造方法は、MCCの製造、MCCとリチウム化合物との混合、MCCとリチウム化合物との混合物の焼成、焼成により得られた反応物の解砕を少なくとも含んでいる。
MCCは、Niと任意の元素M1及び元素M2とを含む化合物であり、以下の式(II)で表される組成比で金属元素を含む金属複合水酸化物、金属複合酸化物、及びこれらの混合物のいずれであってもよい。
Ni:M1:M2=(1-y-z):y:z (II)
(式(II)中、y、z、M1およびM2は、それぞれ前記組成式(I)のy、z、M1およびM2と同様である。)
本工程は、リチウム化合物とMCCとを混合し、混合物を得る工程である。
具体的には、リチウム化合物とMCCは、上記組成式(I)の組成比に対応する割合で混合する。MCCに含まれる酸素元素以外の元素の合計量1に対するLiの量(モル比)は、1.00以上が好ましく、1.02以上がより好ましく、1.05以上がさらに好ましい。
MCCとリチウム化合物との混合物は、焼成され、焼成物が形成される。
焼成は、仮焼成及び本焼成を備えることが好ましい。本実施形態において仮焼成とは、後述の本焼成における焼成温度(後述の焼成工程が複数の焼成段階を有する場合は、最も低い温度で実施される焼成段階における焼成温度)よりも低い温度で焼成することである。仮焼成時の焼成温度は、例えば400℃以上700℃未満の範囲が挙げられる。仮焼成は、複数回行ってもよい。
ただし、仮焼成又は本焼成のいずれか一方は、焼成装置として流動式焼成炉を用いる。本実施形態においては、仮焼成は流動式焼成炉を使用して実施することが好ましい。
本焼成の焼成雰囲気として、所望の組成に応じて大気、酸素、窒素、アルゴン又はこれらの混合ガス等が用いられる。
焼成工程後、焼成物を洗浄して残留する未反応のリチウム化合物を除去してもよい。洗浄には、純水やアルカリ性洗浄液等の洗浄液を用いることができる。アルカリ性洗浄液としては、例えば、水酸化リチウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、炭酸リチウム、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム及び炭酸アンモニウムからなる群より選ばれる1種以上の無水物並びにその水和物の水溶液を挙げることができる。また、アルカリ性洗浄液として、アンモニア水を使用することもできる。
リチウムの揮発量は、熱処理温度により制御することができる。
焼成により得られた焼成物は、上述の洗浄後、適正な外力を加えて粉砕し、粒子の分散状態を調整することにより、上記(2)を本実施形態の範囲内に制御できる。
「適正な外力」とは、焼成物の粒子を破壊することなく、凝集状態を分散させる程度の外力を指す。本実施形態においては、上記粉砕の際、粉砕機として磨砕機を用いることが好ましく、石臼式磨砕機であるマスコロイダーが特に好ましい。石臼式磨砕機を用いる場合、上臼と下臼の間隙は、金属複合水酸化物の凝集状態に応じて調整することが好ましい。
上臼と下臼の間隙は、例えば、10μm以上200μm以下の範囲が好ましい。石臼式磨砕機の回転数としては、500rpm以上2000rpm以下が好ましい。
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。
[14]少なくともLiとNiを含み、下記(1)及び下記(2)を満たす、CAM。
(1)窒素ガスの吸着等温線及び脱離等温線測定とBarrett-Joyner-Halenda法により求められる吸着等温線における細孔径分布において、細孔Xの細孔容積が0.5×10-3cm3/g-0.9×10-3cm3/gである。
(2)A/D50は、1.2×10-3-2.0×10-3である。
[15]前記AとD10が下記(3)を満たす、[14]に記載のCAM。
(3)A/D10は、1.5×10-3-5.0×10-3である。
[16]前記AとD90が下記(4)を満たす、[14]又は[15]に記載のCAM。
(4)A/D90は、0.5×10-3-1.3×10-3である。
[17]下記(5)を満たす、[14]~[16]のいずれか1つに記載のCAM。
(5)前記吸着等温線における細孔径分布において、細孔Yの細孔容積が1.0×10-3cm3/g-8.0×10-3cm3/gである。
[18]BET比表面積が0.7-1.40m2/gである、[14]~[17]のいずれか1つに記載のCAM。
[19]前記Aが11nm-23nmである、[14]~[18]のいずれか1つに記載のCAM。
[20]タップ密度が2.7g/cm3-2.95g/cm3である、[14]~[19]のいずれか1つに記載のCAM。
[21]前記D50が9μm-16μmである、[14]~[20]のいずれか1つに記載のCAM。
[22]前記組成式(I)で表される、[14]~[21]のいずれか1つに記載のCAM。
[23]前記組成式(I)が0<y+z≦0.3を満たす、[22]に記載のCAM。
[24]細孔Yの細孔容積が3.0×10-3cm3/g-6.5×10-3cm3/gである[14]~[23]のいずれか1つに記載のCAM。
[25]BET比表面積が0.8を超え1.40m2/g以下である、[14]~[24]のいずれか1つに記載のCAM。
[26][14]~[25]の何れか1つに記載のCAMを含有するリチウム二次電池用正極。
[27][26]に記載のリチウム二次電池用正極を有するリチウム二次電池。
後述の方法で製造されるLiMOの組成分析は、上述の[LiMOの組成分析]に記載の方法により行った。
後述の方法で製造されるLiMOの、細孔Xの細孔容積(cm3/g)、平均細孔径A(nm)及び細孔Yの細孔容積(cm3/g)値は、上述の[窒素ガスの吸着等温線及び脱離等温線測定]に記載の方法より解析して求めた。
後述の方法で製造されるLiMOのBET比表面積の測定は、上述の[BET比表面積の測定方法]の測定方法により測定した。
後述の方法で製造されるLiMOのD10、D50及びD90は、上述の[D10、D50及びD90の測定方法]の測定方法により測定し、得られた値及び平均細孔径AからA/D50、A/D10、A/D90を算出した。
後述の方法で製造されるMCC及びLiMOのタップ密度は、上述の[タップ密度の測定方法]に記載の方法により測定した。
後述の方法で製造されるLiMOを用いた正極合剤の初期粘度及び粘度比は、上述の[初期粘度及び粘度比の測定方法]に記載の方法により測定した。
攪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、液温を70℃に保持した。
LiMO(1)の細孔Xの細孔容積(cm3/g)、A/D50、A/D10、A/D90、細孔Yの細孔容積(cm3/g)、BET比表面積(m2/g)、平均細孔径A(nm)、タップ密度(g/cm3)、及びD50(μm)を表1に記載する。以降の実施例及び比較例についても同様に記載する。
LiMO(1)を使用した正極合剤の初期粘度及び粘度比を表1に記載する。以降の実施例及び比較例についても同様に記載する。
攪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、液温を70℃に保持した。
実施例2で製造したMCC(2)に含まれるNi、Co及びAlの合計量1に対するLiの量(モル比)が1.10となる割合で水酸化リチウムを秤量した。MCC2と水酸化リチウムを混合して混合物3を得た。
実施例2で製造したMCC(2)に含まれるNi、Co及びAlの合計量1に対するLiの量(モル比)が1.10となる割合で水酸化リチウムを秤量した。MCC2と水酸化リチウムを混合して混合物4を得た。
攪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、液温を50℃に保持した。
攪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、液温を50℃に保持した。
さらにピンミル(ホソカワミクロン株式会社製、商品名:コロプレックス160z)を用い、供給速度8kg/hr、回転数16000rpmの条件で解砕し、LiMO(12)を得た。
このようなLiMOは、前記(1)及び(2)の条件を満たしていた。さらに、LiMO(1)~(4)を使用した場合、正極合剤の初期粘度は低く、粘度比も40以下であった。
Claims (9)
- 少なくともLiとNiを含み、下記(1)及び下記(2)を満たし、
BET比表面積は0.5m 2 /g以上1.5m 2 /g以下であり、
組成式(I)で表される、リチウム金属複合酸化物。
(1)窒素ガスの吸着等温線及び脱離等温線測定とBarrett-Joyner-Halenda法により求められる吸着等温線における細孔径分布において、細孔径が2nm以上10nm以下の範囲における細孔容積が0.4×10-3cm3/gを超え1.0×10-3cm3/g以下である。
(2)A/D50は、0.9×10-3以上3.4×10-3以下である。
(Aは、窒素ガスの吸着等温線及び脱離等温線測定とBarrett-Joyner-Halenda法により求められる脱離等温線における細孔径分布に基づく平均細孔径(nm)であり、前記Aは10nm以上40nm以下であり、D50は、前記リチウム金属複合酸化物の粒度分布測定により得られる累積粒度分布曲線において微小粒子側から50%累積時の粒子径の値(μm)であり、前記D 50 は5μm以上20μm以下である。)
Li[Li x (Ni (1-y-z) M1 y M2 z ) 1-x ]O 2 ・・・(I)
(組成式(I)中、M1は、Co、Mn、及びAlからなる群より選択される1種以上の元素であり、M2は、Fe、Cu、Ti、Mg、W、Mo、Nb、Zn、Sn、Zr、Ga、B、Si、S及びPからなる群より選択される1種以上の元素であり、組成式(I)は、-0.1≦x≦0.2、0<y≦0.7、及び0≦z≦0.2を満たす。) - 前記AとD10が下記(3)を満たす、請求項1に記載のリチウム金属複合酸化物。
(3)A/D10は6.5×10-3以下である。
(D10は、前記累積粒度分布曲線において微小粒子側から10%累積時の粒子径の値(μm)である。) - 前記AとD90が下記(4)を満たす、請求項1又は2に記載のリチウム金属複合酸化物。
(4)A/D90は1.9×10-3以下である。
(D90は、前記累積粒度分布曲線において微小粒子側から90%累積時の粒子径の値(μm)である。) - 下記(5)を満たす、請求項1又は2に記載のリチウム金属複合酸化物。
(5)前記吸着等温線における細孔径分布において、細孔径が10nmを超え200nm以下の範囲における細孔容積が8.0×10-3cm3/g以下である。 - タップ密度は2.5g/cm3以上3.1g/cm3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。
- 前記組成式(I)は0<y+z≦0.3を満たす、請求項1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有する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有するリチウム二次電池。
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