JP7439541B2 - リチウムイオン二次電池用正極活物質、正極、及びリチウムイオン二次電池 - Google Patents

リチウムイオン二次電池用正極活物質、正極、及びリチウムイオン二次電池 Download PDF

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Description

本発明は、リチウムイオン二次電池用正極活物質、正極、及びリチウムイオン二次電池に関する。
近年、携帯電話やノート型パソコン等の携帯機器の普及にともない、高いエネルギー密度を有する小型かつ軽量な二次電池の開発が強く望まれている。また、XEVと呼ばれる環境対応自動車においても高容量な二次電池が求められており、高容量の二次電池の需要は、今後、大幅に増加することが予想されている。さらに、環境対応自動車における1回の充電当たりの走行距離の向上や小型化の必要性が増し、更なる高容量化が求められている。
このような要求を満たす二次電池として、リチウムイオン二次電池などのリチウムイオン二次電池がある。リチウムイオン二次電池は、負極および正極と電解液等で構成され、負極および正極の活物質として、リチウムを脱離および挿入することが可能な材料が用いられている。
リチウムイオン二次電池については、現在研究開発が盛んに行われているところであるが、中でも、層状またはスピネル型のリチウム金属複合酸化物を正極材料に用いたリチウムイオン二次電池は、4V級の高い電圧が得られるため、高いエネルギー密度を有する電池として実用化が進んでいる。
かかるリチウムイオン二次電池の正極材料として、これまで主に提案されている材料として、合成が比較的容易なリチウムコバルト複合酸化物(LiCoO)や、コバルトよりも安価なニッケルを用いたリチウムニッケル複合酸化物(LiNiO)、リチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物(LiNi1/3Co1/3Mn1/3)、マンガンを用いたリチウムマンガン複合酸化物(LiMn)、リチウムニッケルマンガン複合酸化物(LiNi0.5Mn0.5)などのリチウム複合酸化物が提案されている。このうちリチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物は、比較的安価で工業的に扱いやすく、比較的高容量であり安全性も比較的が高い材料として注目されている。
高容量を得るための方法の一つとして、正極活物質の充填性を高めることが挙げられる。正極活物質の充填性を高めることで、合剤正極の単位体積当たりの正極活物質量を高め、体積エネルギー密度(Wh/L)に優れるリチウムイオン二次電池を得ることができる。正極活物質の充填性はタップ密度で評価され、タップ密度が高いほど充填性が高く、体積エネルギー密度(Wh/L)に優れるリチウムイオン二次電池を得ることができる。
一方で、上記のリチウムイオン二次電池の中には、急速で充放電を行う用途を必要とする二次電池が含まれ、このような用途においては、高出力が求められる。しかし、正極活物質のタップ密度を高めただけでは、高出力は得られない。高出力を得るためには、例えば、正極活物質の表面積をできるだけ大きく製造し、リチウムイオンの挿入脱離反応サイトを増やせばよい。これにより、正極抵抗を低くすることができ、より好適に高出力を得ることができる。
正極活物質の表面積を大きくする公知の技術としては、例えば、特許文献1~3に開示される技術を挙げることができる。前記の技術は、正極活物質の前駆体となる遷移金属複合水酸化物粒子を、主として核生成を行う核生成工程と、主として粒子成長を行う粒子成長工程の2段階に明確に分離した晶析反応において、反応雰囲気中の酸素濃度を調整することにより、出力特性に優れた中心部に空洞(中空構造)を有する層状構造の正極活物質を製造する技術である。
WO2012/131881号 特開2013-147416号公報 WO2014/181891号
リチウムイオン二次電池用の正極活物質として、高容量であり、かつ、高出力である正極活物質が求められている。しかしながら、特許文献1~3に開示される技術では、高出力が得られるものの、正極活物質の内部に空洞(中空構造)を有しているため、タップ密度を十分に高めることができず、より高容量とすることが難しかった。
本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、高容量であるとともに、高出力を示す、リチウムニッケル複合酸化物を含むリチウムイオン二次電池用正極活物質を提供するものである。
本発明の第1の態様では、第1の正極活物質粒子Aと、第2の正極活物質粒子Bとを含むリチウムイオン二次電池用の正極活物質であって、第1の正極活物質粒子A、及び、第2の正極活物質粒子Bは、六方晶系の層状構造を有するリチウムニッケル複合酸化物であり、かつ、複数の一次粒子が凝集した二次粒子で構成され、第1の正極活物質粒子Aは、中実構造を有し、タップ密度が2.1g/cm以上3.0g/cm以下であり、かつ、平均粒径(D50)が8μm以上30μm以下であり、第2の正極活物質粒子Bは、中空構造を有し、タップ密度が1.8g/cm以下であり、平均粒径(D50)が1μm以上8μm以下、かつ、第1の正極活物質粒子Aの平均粒径(D50)より小さく、正極活物質を含む正極材料をロールプレスにて線圧200N/mmで圧下したとき、圧下後の正極材料の断面で観察される第2の正極活物質粒子Bのうち、断面長径が3μm以上であり、かつ、二次粒子内で確認される空隙長径が0.3μm以上の空隙を有する二次粒子において、空隙長径(L)と空隙短径(W)の比である平均アスペクト比(W/L)が0.5以下であり、第1の正極活物質粒子Aの質量(W)と第2の正極活物質粒子Bの質量(W)との比率が以下の関係式(1)を満たす、リチウムイオン二次電池用正極活物質が提供される。
0.001≦W/(W+W)≦0.5・・・(1)
また、第1の正極活物質粒子Aと、第2の正極活物質粒子Bの組成が、金属元素として、リチウム(Li)と、ニッケル(Ni)と、コバルト(Co)と、任意に、マンガン(Mn)、及び、W、Zr、V、Mg、Mo、Nb、Ti、Si、及び、Alからなる群から選ばれる少なくとも1種の元素(M)と、を含有し、それぞれの金属元素の物質量比がLi:Ni:Co:Mn:M=s:(1-x-y-z):x:y:z(ただし、0.05≦x≦0.50、0≦y≦0.35、0≦z≦0.05、0.95<s<1.20)で表されることが好ましい。また、第1の正極活物質粒子Aの粒度分布のばらつきを示す(d90-d10)/MVの値が0.65以上1.2以下であり、第2の正極活物質粒子Bの粒度分布のばらつきを示す(d90-d10)/MVの値が0.65以下であることが好ましい。また、上記正極活物質のタップ密度が1.9g/cm以上3g/cm以下であることが好ましい。
本発明の第2の態様では、第1の正極活物質粒子Aと、第2の正極活物質粒子Bとを含むリチウムイオン二次電池用の正極であって、第1の正極活物質粒子A、及び、第2の正極活物質粒子Bは、六方晶系の層状構造を有するリチウムニッケル複合酸化物であり、複数の一次粒子が凝集した二次粒子で構成され、金属元素として、リチウム(Li)と、コバルト(Co)と、ニッケル(Ni)と、任意に、マンガン(Mn)、及び、W、Zr、V、Mg、Mo、Nb、Ti、Si、及び、Alから選ばれる少なくとも1種の元素(M)と、を含有し、それぞれの金属元素の物質量比がLi:Ni:Co:Mn:M=s:(1-x-y-z):x:y:z(ただし、0.05≦x≦0.50、0≦y≦0.35、0≦z≦0.05、0.95<s<1.20)で表され、第1の正極活物質粒子Aは、中実構造を有し、タップ密度が2.1g/cm以上3.0g/cm以下であり、かつ、平均粒径(D50)が8μm以上30μm以下であり、第2の正極活物質粒子Bは、中空構造を有し、タップ密度が1.8g/cm以下であり、平均粒径(D50)が1μm以上8μm以下、かつ、第1の正極活物質粒子Aの平均粒径(D50)より小さく、正極の断面で観察される第2の正極活物質粒子Bのうち、断面長径が3μm以上であり、かつ、二次粒子内で観察される空隙長径が0.3μm以上の空隙を有する二次粒子において、空隙長径(L)と空隙短径(W)との比である平均アスペクト比(W/L)が0.5以下であり、第1の正極活物質粒子Aの質量(W)と第2の正極活物質粒子Bの質量(W)との比率が以下の関係式(1)を満たす、リチウムイオン二次電池用の正極が提供される。
0.001≦W/(W+W)≦0.5・・・(1)
本発明の第3の態様では、上記のリチウムイオン二次電池用の正極の製造方法であって、第1の正極活物質粒子Aと、第2の正極活物質粒子Bとを含む正極材料を圧下して、第2の正極活物質粒子Bの平均アスペクト比(W/L)が0.5以下となるように調整する工程、を含む、正極の製造方法が提供される。
本発明の第4の態様では、正極、負極、及び、非水系電解質を備え、正極は、上記の正極活物質を含む、リチウムイオン二次電池が提供される。
本発明によれば、二次電池において高い電池容量と、低い正極抵抗による高出力との両立を実現できる正極活物質を提供することができる。また、本発明は、このような正極活物質を、工業規模の生産において容易に製造することが可能であり、工業的価値は極めて大きいものといえる。
図1は、本実施形態に係る正極活物質の一例を示した模式図である。 図2は、第2の正極活物質粒子Bの空隙の平均アスペクト比について説明した図である。 図3は、本実施形態に係る正極活物質の製造方法の一例を示した図である。 図4は、電池評価に使用したコイン型電池の概略断面図である。 図5は、インピーダンス評価の測定例と解析に使用した等価回路の概略説明図である。 図6は、実施例1、2の正極活物質と、比較例1、2の正極活物質との正極抵抗(SOC20%)を示したグラフである。 図7は、実施例1、2の正極活物質と、比較例1、2の正極活物質との正極抵抗(SOC80%)を示したグラフである。
以下、図面を参照して、実施形態に係る(1)リチウムイオン二次電池用正極活物質と(2)その製造方法、(3)この正極活物質を含む正極、及び、(4)この正極活物質を含むリチウムイオン二次電池の一例について説明する。ただし、本発明は以下に説明する実施形態に限定されるものではない。また、図面においては、適宜、模式的に表現することや、縮尺を変更して表現することがある。
(1)リチウムイオン二次電池用正極活物質
リチウムイオン二次電池(以下、単に「二次電池」ともいう。)の性能は、正極に採用される正極活物質の特性により大きく影響を受ける。よって、二次電池の性能を向上させるためには、正極活物質の選択が重要である。本発明者は、高容量化と高出力化とを両立させた正極活物質を得ることを目的として、鋭意検討をしたところ、平均粒径、粒子構造、及び、タップ密度が異なる2種類の正極活物質粒子を特定の割合で混合することにより、高い電池容量と、低い正極抵抗を有することによる高い出力特性と、を共に実現できることを見出して、本発明を完成させた。
図1は、本実施形態に係る正極活物質の一例を模式的に示す図である。図1に示すように、正極活物質100は、中実構造を有し、かつ、特定の平均粒径、及び、タップ密度を有する第1の正極活物質粒子Aと、粒子内部に中空10を有する構造(中空構造)を有し、かつ、特定の平均粒径、及び、タップ密度を有する第2の正極活物質粒子Bとを含む。
ここで、第2の正極活物質粒子Bは、第1の正極活物質粒子Aとともに所定の力(200N/mm)にて加圧されたときに観察される二次粒子断面において、断面長径が3μm以上であり、かつ、二次粒子内で確認される空隙長径が0.3μm以上の空隙を有するもののうち、空隙長径(L)と空隙短径(W)との比である平均アスペクト比(W/L)が0.5以下となる粒子である。このような第2の正極活物質粒子Bを含むことにより、正極作製時の加圧によって、中空構造を有する第2の正極活物質粒子Bが圧下されて変形し、第1の正極活物質粒子A又は第2の正極活物質粒子Bを単独で用いた場合よりも電極密度を向上させることができると考えられる。電極密度が向上することにより、高い充放電容量(電池容量)と出力特性の向上とを両立するリチウムイオン二次電池を得ることができる。
また、正極活物質100は、第1の正極活物質粒子Aと、第2の正極活物質粒子Bとを特定の質量比率で含むことにより、リチウムイオン二次電池用の正極活物質として好適に用いることができる。
以下、本実施形態に係る正極活物質に含まれる、各正極活物質粒子について説明する。
[第1の正極活物質粒子A]
第1の正極活物質粒子Aは、六方晶系の層状構造を有するリチウムニッケル複合酸化物であり、複数の一次粒子が凝集した二次粒子で構成される。以下、第1の正極活物質粒子Aの各特性について説明する。
(組成)
第1の正極活物質粒子Aは、リチウムニッケル複合酸化物であり、六方晶系の層状構造を有する。なお、リチウムニッケル複合酸化物とは、少なくともリチウムとニッケルとを含む酸化物をいい、これらの元素以外の他の元素を含んでもよい。第1の正極活物質粒子Aは、さらにコバルトを含む、リチウムニッケルコバルト複合酸化物であってもよく、さらにマンガンを含む、リチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物であってもよい。第1の正極活物質粒子Aがニッケル以外の元素を含むことにより、電池特性を向上させることができる。
第1の正極活物質粒子Aは、金属元素としてリチウム(Li)と、ニッケル(Ni)と、コバルト(Co)と、任意に、マンガン(Mn)及びW、Zr、V、Mg、Mo、Nb、Ti、Si、Alからなる群から選ばれる少なくとも1種の元素(M)と、を含有し、それぞれの上記金属元素の物質量の比がLi:Ni:Co:Mn:M=s:(1-x-y-z):x:y:z(ただし、0.05≦x≦0.50、0≦y≦0.35、0≦z≦0.05、0.95<s<1.20)で表されることが好ましい。)なお、上記金属元素は半金属元素を含むものとする。
上記物質量の比において、Li以外の上記元素の物質量比の合計は1となるため、Liの物質量の比を示すsは、リチウムと、リチウム以外の上記元素(Me)との物質量比(以下「Li/Me」ともいう)に対応する。上記の物質量比において、リチウムの含有量を示すsは、0.95を超え1.20未満の範囲である。sが0.95未満である場合、得られた正極活物質を用いたリチウムイオン二次電池における正極の正極抵抗が大きくなり、電池の出力が悪化する。一方、sが1.20を超える場合も、上記正極活物質を電池の正極に用いた場合の初期放電容量が低下するとともに、正極の正極抵抗も増加してしまうため、好ましくない。
上記の物質量比において、コバルトの含有量を示すxは、0.05以上0.5以下の範囲である。コバルトは埋蔵量が少なく高価な元素であるため、xが0.5を超える場合、コストが増大してしまい好ましくない。
上記の物質量比において、マンガンの含有量を示すyは、0以上0.35以下の範囲である。yが0.35を超えると、電池の正極に用いた場合の充放電容量が低下してしまう。
上記の物質量比において、Mは、任意にW、Zr、V、Mg、Mo、Nb、Ti、Si、Alから選ばれる少なくとも1種の元素を示す。また、上記の物質量比において、元素(M)の含有量を示すzは、0以上0.05以下の範囲である。zが0.05を超える場合、Redox反応に貢献する金属元素が減少し、容量が悪化するため好ましくない。
また、第1の正極活物質粒子Aは、上記のNi、Co、Mn以外の元素(M)を含有することが好ましい。すなわち、上記の物質量比における、zは、0を超えることが好ましく、より好ましくは0.01以上0.04以下の範囲である。第1の正極活物質粒子Aが元素(M)を含有する場合、これを含む正極活物質を用いた二次電池の耐久特性や出力特性を向上させることができる。
特に、上記の元素(M)が、第1の正極活物質粒子Aの表面または内部に均一に分布する場合、粒子全体で上記効果を得ることができ、少量の元素(M)の添加により、効果が得られるとともに電池容量の低下を抑制できる。さらに、より少ない元素(M)の添加量で効果を得るという観点から、第1の正極活物質粒子Aの粒子内部より粒子表面において元素Mの濃度を高めてもよい。
なお、第1の正極活物質粒子Aは、上述した金属元素(Li、Ni、Mn、Co、元素M)及び酸素以外の元素を、本発明の効果を阻害しない範囲で少量含んでもよい。また、第1の正極活物質粒子Aは、二次粒子以外に、単独の一次粒子を少量含んでもよい。
(粒子構造)
第1の正極活物質粒子Aは、中実構造を有する。なお、中実構造とは、空隙率(二次粒子の断面積に対する二次粒子の内部の空隙面積)が、15%未満の粒子構造のことをいう。また、第1の正極活物質粒子Aの空隙率は、好ましくは10%以下、さらに好ましくは5%以下である。
なお、空隙率は、第1の正極活物質粒子Aの任意断面(平均粒径(D50)±20%の断面長径を有する二次粒子の断面)を、走査型電子顕微鏡を用いて観察し、画像解析することによって測定できる。例えば、複数の第1の正極活物質粒子Aを樹脂などに埋め込み、クロスセクションポリッシャ加工などにより該粒子の断面観察が可能な状態とした後、画像解析ソフト:WinRoof 6.1.1等により、上記二次粒子内の空隙部(一次粒子が存在しない部分)を黒として測定し、二次粒子輪郭内の緻密部(一次粒子が存在する部分)を白として測定し、任意の20個以上の粒子に対して、[黒部分/(黒部分+白部分)]の面積を計算することで空隙率を求めることができる。
(タップ密度)
第1の正極活物質粒子Aは、タップ密度が2.1g/cm以上3.0g/cm以下である。第1の正極活物質粒子Aのタップ密度が2.1g/cm未満である場合、得られる正極活物質において、充填性を十分に高めることができず、高い充放電容量が得られない。一方で、第1の正極活物質粒子Aのタップ密度が3.0g/cmを超える場合、第1の正極活物質粒子Aに混入する微粒子や粗大粒子が増加してしまう。微粒子や粗大粒子を含む正極活物質を用いて正極を形成した場合、微粒子の局所的な反応が起こったり、正極抵抗が上昇したりすることがある。また、微粒子が選択的に劣化し、サイクル特性が悪化してしまうことがある。
(平均粒径)
第1の正極活物質粒子Aの平均粒径(D50)は、8μm以上30μm以下であり、好ましくは10μm以上20μm以下である。ここで、第1の正極活物質粒子Aの平均粒径(D50)が8μm未満である場合、タップ密度を2.1g/cm以上にすることが困難となる。一方で、第1の正極活物質粒子Aの平均粒径(D50)が30μmを超える場合、第1の正極活物質粒子Aの粒度分布が広がってしまい、第1の正極活物質粒子Aに混入する微粒子や粗大粒子が増加したり、正極抵抗が上昇したりすることがある。なお、平均粒径D50は、レーザー回折散乱法に基づく測定による体積基準のメジアン径(D50:50%体積平均粒径)として求めることができる。
(粒度分布)
第1の正極活物質粒子Aの粒度分布のばらつきの指標である(d90-d10)/MVの値は、0.65以上1.2以下であることが好ましい。上述した平均粒径(D50)とあわせて、粒度分布をこの範囲に調整することによって、より好適にタップ密度を2.1g/cm以上にすることができる。
上記(D90-D10)/MVにおいて、D10は、各粒径における粒子数を粒径の小さい側から累積し、その累積体積が全粒子の合計体積の10%となる粒径を、D90は、同様に粒子数を累積し、その累積体積が全粒子の合計体積の90%となる粒径をそれぞれ意味している。また、MVは、体積平均粒径MVを示し、体積で重みづけされた平均粒径を意味する。体積平均粒径MVや、D90及びD10は、レーザー光回折散乱式粒度分析計を用いて測定することができる。
(粒子の形状)
第1の正極活物質粒子Aの形状(外形)は、上記特性を満たす粒子であれば特に限定されず、楕円形状の粒子や粒子表面に凹凸がある粒子であってよいが、球状であることが好ましい。
ここで、第1の正極活物質粒子Aの形状は、平均アスペクト比によって評価することができる。すなわち、複数の第1の正極活物質粒子Aのアスペクト比の平均値を求めることによって、粒子の集合体全体の粒子形状を評価することができる。第1の正極活物質粒子Aは、例えば、平均アスペクト比が0.7以上である場合、得られる正極活物質の充填性をより向上させることができる。
なお、個々の粒子におけるアスペクト比は、走査型電子顕微鏡による二次粒子の画面上の外観観察において、二次粒子の外縁上の点から最大長さとなる他の外縁上の点の距離を測定粒径として、二次粒子において最大の測定粒径に対する最小の測定粒径の比を計測することにより求めることができる。また、平均アスペクト比は、任意の20個以上の二次粒子について求めたアスペクト比を個数平均することで得られる。
[第2の正極活物質粒子B]
第2の正極活物質粒子Bは、六方晶系の層状構造を有するリチウムニッケル複合酸化物であり、複数の一次粒子が凝集した二次粒子で構成される。以下、第2の正極活物質粒子Bの各特性について説明する。
(組成)
第2の正極活物質粒子Bは、リチウムニッケル複合酸化物であり、六方晶系の層状構造を有する。なお、リチウムニッケル複合酸化物とは、少なくともリチウムとニッケルとを含む酸化物をいい、これらの元素以外の他の元素を含んでもよい。第2の正極活物質粒子Bは、さらにコバルトを含む、リチウムニッケルコバルト複合酸化物であってもよく、さらにマンガンを含む、リチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物であってもよい。第2の正極活物質粒子Bがニッケル以外の元素を含むことにより、電池特性を向上させることができる。
第2の正極活物質粒子Bは金属元素として、リチウム(Li)と、コバルト(Co)と、ニッケル(Ni)と、任意に、マンガン(Mn)及びW、Zr、V、Mg、Mo、Nb、Ti、Si、Alからなる群から選ばれる少なくとも1種の元素(M)と、を含有し、それぞれの上記金属元素の物質量の比がLi:Ni:Co:Mn:M=s:(1-x-y-z):x:y:z(ただし、0.05≦x≦0.50、0≦y≦0.35、0≦z≦0.05、0.95<s<1.20)で表されることが好ましい。なお、上記金属元素は半金属元素を含むものとする。
第2の正極活物質粒子Bにおける各元素の物質量比の説明、及び、好ましい範囲は、上述の第1の正極活物質粒子Aにおける各元素の物質量比の説明、及び、好ましい範囲と同様であるので、記載を省略する。なお、第1の正極活物質粒子Aと、第2の正極活物質粒子Bとの組成は、同一であってもよく、異なっていてもよい。
なお、第2の正極活物質粒子Bは、上述した元素(Li、Ni、Mn、Co、元素M)及び酸素以外の元素を、本発明の効果を阻害しない範囲で少量含んでもよい。また、第2の正極活物質粒子Bは、二次粒子以外に、単独の一次粒子を少量含んでもよい。
(粒子構造)
第2の正極活物質粒子Bは、例えば、図1に示すように、粒子内部に中空10を有する構造(中空構造)を有してもよい。中空構造とは、空隙率(二次粒子2の断面積に対する二次粒子2の内部の空隙面積)が、例えば、15%以上であり、且つ、明確な空洞(空隙)が観察される構造のことをいう。第2の正極活物質粒子Bの空隙率は、好ましくは20%以上、さらに好ましくは25%以上である。なお、明確な空洞(空隙)とは、例えば二次粒子の断面積の10%以上を占める、一又は複数の空隙をいう。
(タップ密度)
第2の正極活物質粒子Bは、タップ密度が1.8g/cm以下である。第2の正極活物質粒子Bを中空構造とし、かつ、タップ密度が上記範囲である場合、反応表面積を大きくすることができる。また、粒子内部の中空側の一次粒子表面における反応界面でも、二次粒子の表面の一次粒子間の粒界あるいは空隙から電解液が浸入するようになるため、リチウムの挿脱入が行われ、Liイオン及び電子の移動が妨げられず、正極抵抗を低減し、二次電池の出力を高くすることができる。なお、タップ密度の下限は特に限定されないが、例えば、0.9g/cm以上である。
(平均粒径)
第2の正極活物質粒子Bの平均粒径(D50)は、1μm以上8μm以下であり、好ましくは3μm以上7μm以下である。また、第2の正極活物質粒子Bの平均粒径(D50)は、第1の正極活物質粒子Aの平均粒径より小さい。第2の正極活物質粒子Bの平均粒径(D50)が上記範囲である場合、第1の正極活物質粒子Aの粒子間の隙間に第2の正極活物質粒子Bを配置することが可能となり、正極活物質100全体の充填性を高くすることができる。
第2の正極活物質粒子Bの平均粒径(D50)が1μm未満である場合、第2の正極活物質粒子Bに充放電時の電流が集中することにより、微粒子の局所的な反応に起因して、正極抵抗が上昇したり、発熱して熱安定が低下したり、微粒子が選択的に劣化するのでサイクル特性が悪化したりする恐れがある。一方、第2の正極活物質粒子Bの平均粒径が8μmを超える場合、電解液と正極活物質との反応面積が十分に取れず正極抵抗の増加により出力が低下したり、第1の正極活物質粒子Aの粒子間の隙間に配置される第2の正極活物質粒子Bが減少したりして、正極活物質の充填性が高いものとならないため好ましくない。
さらに、第2の正極活物質粒子Bの平均粒径(D50)は、第1の正極活物質粒子Aの平均粒径(D50)に対する比で0.5以下とすることが好ましく、0.3以下とすることがより好ましい。これにより、第1の正極活物質粒子Aの粒子の間隔を狭くするとともに第1の正極活物質粒子Aの粒子間に第2の正極活物質粒子Bを多く配することが可能となり、正極活物質の充填性を一層高めることができる。
(粒度分布)
第2の正極活物質粒子Bの粒度分布のばらつきの指標である(d90-d10)/MVの値は、0.65以下であることが好ましく、0.60以下であることがより好ましい。(d90-d10)/MVの値が0.65以下であることにより、微粒子や粗大粒子の混入を抑制すること可能であり、正極活物質の電池特性の低下を抑制するとともに、充填性をより好適に向上させることができる。
(d90-d10)/MVの値が0.65を超える場合、微粒子あるいは粗大粒子が存在するようになり、微粒子の局所的な反応に起因して発熱して安全性が低下し、さらに、微粒子が選択的に劣化するので、サイクル特性が悪化する恐れがある。また、粗大粒子の存在によって、電解液と正極活物質との反応面積が十分に取れず、正極抵抗が増加して出力が低下する。そして、第1の正極活物質粒子Aの粒子間の隙間に配される第2の正極活物質粒子Bが減少して、正極活物質の充填性が高いものとならないため好ましくない。
(粒子の形状)
第2の正極活物質粒子Bの形状(外形)は、上記特性を満たす粒子であれば特に限定されないが、球状であることが好ましい。第2の正極活物質粒子Bの形状が球状である場合、第1の正極活物質粒子Aの粒子間に第2の正極活物質粒子Bを配置することが容易になるとともに、正極活物質内の各粒子の間隔を狭めることができ、正極活物質の充填性を高くすることができる。
(空隙の平均アスペクト比)
本実施形態における第2の正極活物質粒子Bは、二次電池用の正極を作製する際に、本実施形態に係る正極活物質を含む正極材料を圧下することによって変形することが好ましい。
ここで、第2の正極活物質粒子Bの変形の程度の評価は、圧下後の第2の正極活物質粒子Bにおける空隙の平均アスペクト比を測定することにより行うことができる。圧下後の空隙のアスペクト比は、例えば、圧下後の正極材料が埋め込まれた樹脂を、圧下後の正極材料に対して加圧された面と垂直な断面で切り出し、この断面を研磨してSEM断面写真を撮影し、画像解析することによって行うことができる。具体的には、SEM断面写真の画像解析において、二次粒子の断面長径が3μm以上であり、かつ、粒子内部の空隙長径が0.3μm以上の空隙を有する第2の正極活物質粒子B20個以上に対して、縦断面の空隙長径(L)と空隙短径(W)を各々測定して求めた空隙アスペクト比(W/L)の個数平均(以下、「空隙の平均アスペクト比」とも呼ぶ。)を算出することによって評価する。なお、同一の粒子に測定対象の空隙が複数含まれる場合には、その粒子の中で最も大きな空隙を測定する。
本実施形態における第2の正極活物質粒子Bは、本実施形態に係る正極活物質を含む正極材料をロールプレスにて線圧200N/mmで加圧したとき、正極材料の断面で観察される第2の正極活物質粒子Bのうち、断面長径が3μm以上であり、かつ、二次粒子内で確認される空隙長径(L)が0.3μm以上の空隙を有する二次粒子において、空隙の平均アスペクト比(W/L)が0.5以下である。なお、線圧とは、ロール幅方向の単位長さ当たりの成形圧力のことを意味する。
なお、画像解析の対象とする断面は、クロスセクションポリッシャ加工などによって形成してもよい。空隙の平均アスペクト比(W/L)が上記範囲である場合、二次電池の正極において、第2の正極活物質粒子Bの内部の表面積が変わらず、その空洞が圧下により圧縮されるので、正極活物質全体の充填性が向上し、単位面積当たりの電池容量を向上させることができる。また、高い初期充放電容量を維持しつつ、正極抵抗を顕著に低減した二次電池を得ることができる。なお、第2の正極活物質粒子Bにおける空隙の平均アスペクト比(W/L)の下限は特に限定されないが、例えば、0.05以上であり、0.1以上であってもよい。
なお、二次粒子の断面長径は、走査型電子顕微鏡観察上において測定される、二次粒子の外縁の点から他の外縁上の点の距離のうち、最大長となる長さを意味する。また、空隙長径(L)は、走査型電子顕微鏡観察上において測定される、二次粒子の空隙(中空)の外縁の点から他の外縁上の点の距離のうち、最大長となる長さを意味する。また、空隙短径(W)は、空隙長径(L)の方向と直交する方向における、二次粒子の空隙(中空)の外縁の点から他の外縁上の点のうち、最大長となる長さを意味する。図2は、圧下後の第2の正極活物質粒子Bの空隙長径(L)、及び、空隙短径(W)の測定部位の一例を模式的に示した図である。
なお、正極を作製する際に用いる圧下する力(圧下力)は、作製する二次電池に応じて、適宜調整できる。後述する本実施形態の正極においては、圧下率が5%以上となる荷重で加圧することが好ましい。これにより、圧下後に観察される空隙の平均アスペクト比を容易に0.5以下にすることができる。ここで、圧下率とは、圧下前の正極活物質を含む正極材料を塗布して得られる膜(塗布膜)の厚みに対する加圧後の膜(正極)の厚みの減少量を意味する。例えば、正極活物質を含む正極合材ペーストを集電体上に塗布し、乾燥して塗布膜(乾燥膜)を得た後、この塗布膜を加圧して正極(正極膜)を得る工程において、集電体上に塗布された塗布膜の厚みの加圧による減少量の、加圧前の塗布膜の厚みに対する割合のことを意味する。
なお、後述する実施例のように、評価用の二次電池として2032型コイン型電池(図4参照)を用いる場合、塗布膜は、例えば、正極材料として、正極活物質とアセチレンブラックなどの導電材とPVDF(ポリフッ化ビニリデン)などの結着剤とを質量比85:10:5の割合で含んでもよい。また、塗布膜は、上記正極材料を溶剤に分散させて得られた正極合材ペーストを集電体上に塗布し、乾燥して得てもよい。加圧後の膜の厚みは、例えば、約100μmであってもよい。また、加圧を複数回行った場合には、通算の圧下率とする。
また、二次電池を作製する際に用いる圧下力に応じて、第2の正極活物質粒子Bを上述した特性を有する範囲内において適宜選択することができる。なお、第2の正極活物質粒子Bが、特許文献3に記載されるような多層構造を有する場合、空隙の平均アスペクト比は、最外殻直下にある中空部に対する、空隙短径(W)、空隙長径(L)を用いて算出される。
なお、圧下前の第2の正極活物質粒子Bの空隙の平均アスペクト比(W/L)は、例えば、0.5超であり、0.7以上であってもよい。圧下前の空隙の平均アスペクト比は、圧下前の第2の正極活物質粒子Bの断面を用いる以外は、上記の空隙の平均アスペクト比の測定と同様の方法で測定することができる。
[正極活物質]
本実施系に係る正極活物質は、上記の第1の正極活物質粒子Aと第2の正極活物質粒子Bとを含む。正極活物質中、上記の第1の正極活物質粒子Aと第2の正極活物質粒子Bとは、粉体としての性状を維持しつつ、各粒子が偏在しないように所定の割合で含まれることが好ましい。
本実施系に係る正極活物質は、第1の正極活物質粒子Aの質量(W)と第2の正極活物質粒子Bの質量(W)との比率が以下の関係式(1)を満たし、以下の関係式(2)を満たすことがより好ましく、下記の関係式(3)を満たすことがより好ましい。
0.001≦W/(W+W)≦0.5 ・・・(1)
0.1≦W/(W+W)≦0.35・・・(2)
0.1≦W/(W+W)≦0.25・・・(3)
また、本実施系に係る正極活物質の平均粒径(D50)は、5μm以上27μm以下の範囲であることが好ましい。正極活物質(D50)の平均粒径は、第1の正極活物質粒子Aと第1の正極活物質粒子Aとの混合割合を上記範囲で適宜調整することにより、上記範囲とすることができる。
また、本実施系に係る正極活物質のタップ密度は、1.9g/cm以上3g/cm以下の範囲であることが好ましい。正極活物質のタップ密度が上記範囲である場合、二次電池において高容量と、高出力とを共に実現することができる。なお、本実施形態に係る正極活物質は、第1の正極活物質粒子A、及び、第2の正極活物質粒子B以外の化合物を含んでもよい。
(2)リチウムイオン二次電池用正極活物質の製造方法
本実施系に係る正極活物質は、図3に示すように、第1の正極活物質粒子Aと、第2の正極活物質粒子Bとを混合すること(混合工程:ステップS10)、を備える方法により製造することができる。以下、混合工程(ステップS10)について説明する。
[混合工程(ステップS10)]
第1の正極活物質粒子Aと第2の正極活物質粒子Bとの混合は、各粒子が粉体としての性状を維持しつつ、各粒子が偏在しないように混合することが好ましい。
第1の正極活物質粒子Aと第2の正極活物質粒子Bの質量混合比(W:W)は、例えば、50:50~99.9:0.1であり、好ましくは75:25~90:10である。質量混合比(W:W)が上記範囲である場合、大きな平均粒径を有する第1の正極活物質粒子Aの粒子間に、比較的小さな平均粒径を有する第2の正極活物質粒子Bを十分な量で配置することができ、正極活物質の充填性をさらに向上させることができる。
これらの粒子の混合には、一般的な混合機を使用することができ、例えば、シェーカーミキサー、レーディゲミキサー、ジュリアミキサー、Vブレンダーなどを用いることができる。混合は、混合前の各粒子の性状が破壊されない程度で、各粒子が十分に混合されればよい。なお、混合工程(S10)では、第1の正極活物質粒子A、及び、第2の正極活物質粒子Bのみを混合してもよく、第1の正極活物質粒子A、及び、第2の正極活物質粒子B以外の他の粒子を混合してもよい。
以下、混合に用いる第1の正極活物質粒子A、及び、第2の正極活物質粒子Bの製造方法の一例について説明する。
[第1の正極活物質粒子Aの製造方法]
第1の正極活物質粒子Aは、上記の特性を満たす粒子が得られれば、特に限定されず、公知の方法で製造することができる。第1の正極活物質粒子Aは、例えば、ニッケル複合水酸化物、及び、ニッケル複合酸化物の少なくとも一方と、リチウム化合物と、を混合した後、焼成して得ることができる。以下、第1の正極活物質粒子Aの製造方法の一例について説明する。
(晶析工程)
ニッケル複合水酸化物の製造方法としては、特に限定されず、公知の方法を用い得ることができるが、所望の組成と粒子構造を有し、かつ、所望の粒径と粒度分布のものを使用するという観点から、晶析法を用いることが好ましく、連続晶析法を用いることがより好ましい。晶析法により得られたニッケル複合水酸化物は、一次粒子が凝集した二次粒子によって構成され、粒子全体で組成を容易に均一とすることができる。
ここで、連続晶析法とは、金属塩を含む混合水溶液を連続的に供給しながら中和剤を供給して、pHを制御しつつ、ニッケル複合水酸化物の粒子を生成し、ニッケル複合水酸化物の粒子をオーバーフローにより回収する晶析法である。連続晶析法は、粒度分布の広い粒子が容易に得られ、充填性の高い二次粒子が得られやすい。また、連続晶析法は、大量生産に向いており、工業的にも有利な製造方法となる。
ニッケル複合水酸化物の製造方法として連続晶析法を用いる場合、晶析工程において、晶析反応を連続的に継続させることにより、得られるニッケル複合水酸化物の二次粒子の平均粒径を所望の粒径(例えば8.0μm~30.0μm)まで好適に成長させることができる。なお、ニッケル複合水酸化物は、二次粒子以外に、単独の一次粒子を少量含んでもよい。以下、晶析工程について説明する。
晶析工程では、まず、水酸化ナトリウム水溶液などのアルカリ水溶液、アンモニウムイオン供給体を含むアンモニア水溶液、および水を反応槽に供給し、混合して水溶液を形成する。そして、この水溶液(以下、「反応前水溶液」という)について、pHが液温25℃基準で10.0~13.0の範囲となるように、且つアンモニウムイオンの濃度が5g/L~20g/Lとなるように調節する。ここで、pHとアンモニウムイオン濃度の調節は、pHを調節する場合には、アルカリ水溶液の供給量を調整し、アンモニウムイオン濃度を調節する場合には、アンモニア水溶液の供給量を調整することにより行う。また、温度についても、40℃~70℃となるように調節する。
次に、調整された反応前水溶液に対して、ニッケル複合水酸化物の粒子における金属の原子比に対応する金属の原子比となるように、金属化合物を所定の割合で水に溶解させた原料水溶液を供給する。これにより、反応槽内には、反応前水溶液と原料水溶液とが混合した、反応水溶液が形成される。この場合、反応水溶液の温度は、40~70℃を保持することが好ましい。40℃未満では、体積平均粒径が所望の範囲から外れやすく、その制御が困難となる傾向があり、70℃を超えると、アンモニアの揮発が多く、ニッケルアンミン錯体濃度が安定しない。
ここで、アンモニウムイオン供給体については、特に限定されるものではなく、例えば、アンモニア、硫酸アンモニウム、塩化アンモニウム、炭酸アンモニウム、フッ化アンモニウムなどを使用することができる。また、pHを調整するアルカリ水溶液についても、特に限定されるものではなく、たとえば、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムなどのアルカリ金属水酸化物水溶液を用いることができる。このようなアルカリ金属水酸化物の場合、直接、反応水溶液中に供給してもよいが、反応槽内における反応水溶液のpH値制御の容易さから、水溶液として反応槽内の反応水溶液に添加することが好ましい。
また、ニッケル複合水酸化物に元素Mを含ませる場合、例えば、上記の晶析工程を行うときに、元素MをNi、Co、Mnと共に晶析させ、ニッケル複合水酸化物中に均一に分散させてもよいし、元素Mを含まないニッケル複合水酸化物を晶析法により形成した後、元素Mを含む化合物を、得られたニッケル複合酸化物粒子の表面に被覆したり、リチウム化合物の添加と同時に添加して混合したりしてもよい。
(酸化焙焼)
さらに、得られたニッケル複合水酸化物を酸化焙焼してもよい。酸化焙焼により、ニッケル複合水酸化物の一部、又は、全部がニッケル複合酸化物に変換される。以下、酸化焙焼を行う場合の好ましい条件について記載する。
酸化焙焼の温度は、例えば、350℃以上800℃以下、好ましくは600℃以上800℃以下である。酸化焙焼の温度が350℃未満である場合、得られる前駆体に多くの水分が残留する場合があり好ましくない。一方、酸化焙焼の温度が800℃超の場合、前駆体中の水分は除去されるが、コスト、処理時間等の観点から、工業的に適当でないだけでなく、ニッケル複合酸化物自身の結晶成長が進み、リチウム化合物との反応性が低下してしまうことがあり、この場合も好ましくない。
酸化焙焼の時間は、2時間以上8時間以下で行うことが好ましく、6時間以上8時間以下で行ってもよい。
(混合工程)
次いで、得られたニッケル複合水酸化物、及び、ニッケル複合酸化物の少なくとも一方(以下、これらをまとめて「ニッケル化合物」ともいう)と、リチウム化合物と混合して、リチウム混合物を形成する。リチウム化合物は、特に限定されることはなく、たとえば、水酸化リチウム、硝酸リチウム、炭酸リチウム、又は、これらの混合物を用いることができる。リチウム化合物は、取り扱いの容易さ、品質の安定性を考慮すると、水酸化リチウム、又は、炭酸リチウムを用いることがより好ましい。
ニッケル化合物とリチウム化合物とは、リチウム混合物中のリチウムと、リチウム、酸素、及び、水素以外の上記の元素(Me)の物質量比(Li/Me)が0.95以上1.20未満であることが好ましい。すなわち、後述する焼成工程の前後でLi/Meは変化しないので、この混合工程で混合するLi/Meが正極活物質におけるLi/Meとなるため、リチウム混合物におけるLi/Meが、得ようとする正極活物質におけるLi/Meと同じになるように混合される。
(焼成工程)
次いで、リチウム混合物を焼成して、第1の正極活物質粒子Aを得る。焼成は、例えば、酸化性雰囲気中で、650℃以上1100℃以下で行い、650℃以上950℃以下で行ってもよい。焼成時間は、特に限定されないが、3時間以上48時間以下であってもよく、24時間以下であってもよい。なお、焼成温度、焼成雰囲気、焼成時間は、用いたニッケル化合物の組成や物性、リチウム化合物の種類等により適宜調整することができる。
[第2の正極活物質粒子Bの製造方法]
第2の正極活物質粒子Bは、上記の特性を満たす粒子が得られれば、特に限定されず、公知の方法で製造することができる。第2の正極活物質粒子Bは、例えば、ニッケル複合水酸化物、及び、ニッケル複合酸化物の少なくとも一方と、リチウム化合物と、を混合した後、焼成して得ることができる。以下、第2の正極活物質粒子Bの製造方法の一例について説明する。
(晶析工程)
ニッケル複合水酸化物の製造方法としては、特に限定されず、公知の方法を用いることができるが、所望の組成と粒子構造を有し、かつ、所望の粒径と粒度分布のものを使用するという観点から、例えば、特許文献1~3に開示される晶析工程を採用することができる。
これらの晶析工程では、連続晶析法のように、核生成反応と粒子成長反応とが同じ槽内で同じ時期に進行するのではなく、主として低密度部(核)を形成する、核生成反応(核生成工程)が生じる時期と、主として高密度部を形成する、粒子成長反応(粒子成長工程)が生じる時期とが異なる時期となるように、それぞれの工程が明確に分離されている。
核生成工程と粒子成長工程との分離をより確実に行うことにより、各工程における反応水溶液の状態を、各工程に最適な条件とすることができ、粒子成長工程で形成されるニッケル複合水酸化物を、より粒度分布の範囲が狭く、かつ、均質なものとすることができる。
<核生成工程>
核生成工程では、まず、水酸化ナトリウム水溶液などのアルカリ水溶液、アンモニウムイオン供給体を含むアンモニア水溶液、および水を反応槽に供給、混合して水溶液を形成する。そして、この水溶液(以下、「反応前水溶液」という)について、pHが液温25℃基準で12.0~14.0の範囲となるように、そして、アンモニウムイオンの濃度が3g/L~25g/Lとなるように調節する。ここで、pHとアンモニウムイオン濃度の調節は、pHを調節する場合には、アルカリ水溶液の供給量を調整し、アンモニウムイオン濃度を調節する場合には、アンモニア水溶液の供給量を調整することにより行う。また、温度についても、20℃~60℃となるように調節する。
次に、調整された反応前水溶液に対して、ニッケルコバルトマンガン複合水酸化物の粒子における金属の原子比に対応する金属の原子比となるように、金属化合物を所定の割合で水に溶解させた原料水溶液を供給する。これにより、反応槽内には、反応前水溶液と原料水溶液とが混合した、反応水溶液である核生成用水溶液が形成され、この核生成用水溶液中において複合水酸化物の微細な核が生成されることになる。そして、核生成用水溶液の液温25℃におけるpHを、12.0~14.0の範囲に制御する。これにより、核の成長を抑制してほぼ核生成のみを起こすことができ、形成される核が均質かつ粒度分布の範囲が狭いものとすることができる。
ここで、アンモニウムイオン供給体については、特に限定されるものではなく、例えば、アンモニア、硫酸アンモニウム、塩化アンモニウム、炭酸アンモニウム、フッ化アンモニウムなどを使用することができる。また、反応水溶液中のpHを調整するアルカリ水溶液についても、特に限定されるものではなく、たとえば、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムなどのアルカリ金属水酸化物水溶液を用いることができる。このようなアルカリ金属水酸化物の場合、直接、反応水溶液中に供給してもよいが、反応槽内における反応水溶液のpH値制御の容易さから、水溶液として反応槽内の反応水溶液に添加することが好ましい。
核生成工程における雰囲気は、反応槽内の空間の酸素濃度が1容量%を超える酸化性雰囲気とする必要がある。酸素濃度が10容量%を超える酸化性雰囲気が好ましく、制御が容易な大気雰囲気(酸素濃度:21容量%)とすることが特に好ましい。酸素濃度が1容量%を超える雰囲気とすることで、平均粒径が0.01μm~0.3μmの範囲内にある微細一次粒子を好適に形成することができる。酸素濃度が1容量%以下では、中心部の一次粒子の平均粒径が0.3μmを超えてしまう恐れがある。微細一次粒子の平均粒径が0.3μmを超えると、焼成時における収縮が低温域で進行せず、中心部および高密度部との収縮差が少なり、得られる正極活物質において、十分な大きさの空間部を形成できない場合があり、好ましくない。酸素濃度の上限は、特に限定されるものではないが、30容量%を超えると、一次粒子の平均粒径が0.01μm未満となり、十分な大きさの低密度部が形成されない恐れがあるため、この場合も好ましくない。
雰囲気中の酸素濃度は、例えば、窒素などの不活性ガスを用いて調整することができる。雰囲気中の酸素濃度が所定の濃度となるように調節するための手段としては、例えば、当該雰囲気中に常に雰囲気中に流通させる方法を挙げることができる。
<粒子成長工程>
粒子成長工程では、核生成工程の終了後、前記核生成用水溶液のpH値を、液温25℃基準でpH値が10.5~12.0となるように調整して、粒子成長工程における反応水溶液である粒子成長用水溶液を得る。この際、アルカリ水溶液の供給のみを停止することでpH値を調整することができるが、粒度分布の狭い複合水酸化物粒子を得る観点から、一旦、すべての水溶液の供給を停止した上で、pH値を調整することが好ましい。なお、pH値の調整は、核生成用水溶液に、原料となる金属化合物を構成する酸と同種の無機酸、たとえば、原料として硫酸塩を使用する場合には、硫酸を供給することで行うことができる。
次に、この粒子成長用水溶液を撹拌しながら、混合水溶液の供給を再開する。この際、粒子成長用水溶液のpH値は上述した範囲にあるため、新たな核はほとんど生成せず、核(粒子)成長が進行し、所定の粒径を有する複合水酸化物粒子が形成される。
そして、この粒子成長工程の途中で、反応雰囲気を、上記の酸化性雰囲気から、弱酸化性~非酸化性の範囲の雰囲気、具体的には、反応槽内空間の酸素濃度が1容量%以下である雰囲気に切り替える。好ましくは、酸素濃度が0.5容量%以下、より好ましくは0.2容量%以下となるように制御する。反応槽内空間の酸素濃度を1容量%以下にして粒子成長させることで、粒子の不要な酸化を抑制し、一次粒子の成長を促して、平均粒径0.3μm~3μmの板状一次粒子で粒度が揃った、緻密で高密度の外殻部を有する二次粒子を得ることができる。
なお、この粒子成長工程においては、金属イオンは、核または複合水酸化物となって晶出するので、それぞれの反応水溶液中の金属成分に対する液体成分の割合が増加する。この場合、見かけ上、供給する混合水溶液の濃度が低下したようになり、特に粒子成長工程において、複合水酸化物が十分に成長しない可能性がある。したがって、反応水溶液中の液体成分の増加を抑制するため、核生成工程終了後から粒子成長工程の途中で、反応水溶液、特に粒子成長用水溶液中の液体成分の一部を反応槽外に排出することが好ましい。具体的には、粒子成長用水溶液に対する混合水溶液、アルカリ水溶液およびアンモニア水溶液の供給および攪拌を停止して、核や複合水酸化物を沈降させて、粒子成長用水溶液の上澄み液を排出する。これにより、粒子成長用水溶液における混合水溶液の相対的な濃度を高めることができる。
上述のようにして得られるニッケル複合水酸化物の粒径は、粒子成長工程や核生成工程の時間、核生成用水溶液や粒子成長用水溶液のpH値や、原料水溶液の供給量により制御することができる。例えば、核生成工程におけるpH値を高い値とすることにより、または、粒子生成工程の時間を長くすることにより、得られる複合水酸化物粒子の粒径を小さくすることができる。反対に、核生成工程における核の生成量を抑制することで、得られる複合水酸化物粒子の粒径を大きくすることができる
また、ニッケル複合水酸化物に元素Mを含ませる場合、例えば、上記の核生成工程と粒子成長工程を行うときに、元素MをNiや、任意にCo、Mnと共に晶析させ、ニッケル複合水酸化物中に均一に分散させてもよいし、元素Mを含まないニッケル複合水酸化物を晶析法により形成した後、元素Mを含む化合物を、得られたニッケル複合酸化物粒子の表面に被覆したり、リチウム化合物の添加と同時に添加して混合したりしてもよい。
(酸化焙焼)
得られたニッケル複合水酸化物に対して酸化焙焼を行って、ニッケル複合酸化物にしてもよい。ここで、酸化焙焼の条件は、上記の第1の正極活物質粒子Aの製造方法における酸化焙焼の条件と同様であるので、ここでの記載は省略する。
(混合工程、焼成工程)
次いで、得られたニッケル複合水酸化物、及び、ニッケル複合酸化物の少なくとも一方と、リチウム化合物と混合して、リチウム混合物を形成した後、リチウム混合物を焼成して、第2の正極活物質粒子Bを得る。ここで、混合工程、及び、焼成工程の条件は、上記の第1の正極活物質粒子Aの製造方法における混合工程、及び、焼成工程の条件と同様であるので、ここでの記載は省略する。なお、焼成温度、焼成雰囲気、焼成時間は、用いたニッケル化合物の組成や物性、リチウム化合物の種類等により適宜調整することができる。
(3)リチウムイオン二次電池用の正極
本実施形態に係る正極は、第1の正極活物質粒子Aと、第2の正極活物質粒子Bとを含み、リチウムイオン二次電池に好適に用いることができる。
第1の正極活物質粒子A、及び、第2の正極活物質粒子Bは、六方晶系の層状構造を有するリチウムニッケル複合酸化物であり、複数の一次粒子が凝集した二次粒子で構成され、金属元素として、リチウム(Li)と、コバルト(Co)と、ニッケル(Ni)と、任意に、マンガン(Mn)、及び、W、Zr、V、Mg、Mo、Nb、Ti、Si、及び、Alから選ばれる少なくとも1種の元素(M)と、を含有し、それぞれの上記金属元素の物質量比がLi:Ni:Co:Mn:M=s:(1-x-y-z):x:y:z(ただし、0.05≦x≦0.50、0≦y≦0.500.35、0≦z≦0.05、0.95<s<1.20)で表される。ここで、上記金属元素は半金属元素を含むものとする。なお、第1の正極活物質粒子A、及び、第2の正極活物質粒子Bのそれぞれの金属元素の物質量比は、上記範囲を満たしていれば、それぞれ同一であってもよく、異なっていてもよい。
第1の正極活物質粒子Aは、中実構造を有し、タップ密度が2.1g/cm以上3.0g/cm以下であり、かつ、平均粒径(D50)が8μm以上30μm以下である。
第2の正極活物質粒子Bは、中空構造を有し、タップ密度が1.8g/cm以下であり、平均粒径(D50)が1μm以上8μm以下、かつ、第1の正極活物質粒子Aの平均粒径(D50)より小さい。
第1の正極活物質粒子Aの質量(W)と第2の正極活物質粒子Bの質量(W)との比率が以下の関係式(1)を満たす。
0.001≦W
(W+W)≦0.5・・・(1)
また、第1の正極活物質粒子A、及び、第2の正極活物質粒子Bの好ましい組成や特性は、上記の正極活物質の項目で記載したものと同様である。
また、正極断面で観察される第2の正極活物質粒子Bのうち、断面長径が3μm以上であり、かつ、二次粒子内で観察される空隙長径が0.3μm以上の空隙を有する二次粒子において、空隙長径(L)と空隙短径(W)との比である平均アスペクト比(W/L)(以下、「空隙の平均アスペクト比」とも呼ぶ。)が0.5以下である。
平均アスペクト比が上記範囲である場合、内部の表面積が変わらず、空洞が圧下により圧縮されるので、充填性が向上し、単位面積当たりの電池容量を向上させることができるため、高い電池容量を維持しつつ、正極抵抗を顕著に低減することができる。なお、平均アスペクト比(W/L)の下限は特に限定されないが、例えば、0.1以上であり、0.2以上であってもよい。
正極断面における第2の正極活物質粒子Bの空隙のアスペクト比は、正極作製時に加圧された面に垂直な断面のSEM写真を画像解析したとき、観察される二次粒子の断面長径が3μm以上であり、かつ、粒子内部の空隙長径が0.3μm以上の空隙を有する第2の正極活物質粒子B20個以上における、縦断面の空隙長径(L)と空隙短径(W)を各々測定して求めた空隙アスペクト比(W/L)の個数平均を算出して得ることができる。なお、同一の粒子に測定対象の空隙が複数含まれる場合には、その粒子の中で最も大きな空隙を測定する。
正極において、第2の正極活物質粒子Bの空隙の平均アスペクト比を0.5以下に調整するためには、例えば、第2の正極活物質粒子Bを含む正極材料を圧下率が5%以上となる荷重で加圧すればよい。例えば、ロールプレスを用いて、正極材料が塗布された面を加圧する場合には、200N/mmの線圧で加圧してもよく、それ以上の線圧で加圧してもよい。なお、線圧とは、ロール幅方向の単位長さ当たりの成形圧力のことを意味する。
ここで、圧下率とは、圧下前の正極活物質を含む正極材料を塗布して得られる膜(塗布膜)の厚みに対する加圧後の膜(正極)の厚みの減少量を意味する。例えば、正極活物質を含む正極合材ペーストを集電体上に塗布し、乾燥して塗布膜(乾燥膜)を得た後、この塗布膜を加圧して正極(正極膜)を得る工程において、集電体上に塗布された塗布膜の厚みの加圧による減少量の、加圧前の塗布膜の厚みに対する割合のことを意味する。また、加圧を複数回行った場合には、通算の圧下率とする。これにより、正極における正極活物質の充填性を高めることができる。
なお、二次粒子の断面長径は、走査型電子顕微鏡の断面観察上において測定される、二次粒子の外縁の点から他の外縁上の点の距離のうち、最大長となる長さを意味する。また、空隙長径(L)は、走査型電子顕微鏡の断面観察上において測定される、二次粒子の空隙(中空)の外縁の点から他の外縁上の点の距離のうち、最大長となる長さを意味する。また、空隙短径(W)は、空隙長径(L)の方向と直交する方向における、二次粒子の空隙(中空)の外縁の点から他の外縁上の点の距離のうち、最大長となる長さを意味する。
正極の製造方法は、特に限定されないが、例えば、上記の第1の正極活物質粒子Aと、第2の正極活物質粒子Bと、を含む正極活物質を用いて、以下のように製造される。
正極は、例えば、正極活物質を含有する正極合材ペーストを集電体の表面に塗布し、乾燥した後、これを加圧して形成することができる。集電体は、例えば、アルミニウム箔製である。本実施形態においては、電極密度を高めるべくロールプレス等により加圧する。
そして、加圧された正極に対して、加圧された方向に平行な第2の正極活物質粒子BのSEM断面写真を画像解析したとき、観察される断面長径が3μm以上であり、かつ、粒子内部の空隙長径が0.3μm以上の空隙を有する第2の正極活物質粒子B20個以上に対する、空隙の平均アスペクト比が0.5以下である。
このようにして得られた正極は、シート状(膜状)であり、シート状の正極(正極膜)を目的とする電池に応じて適当な大きさに裁断等し、電池の作製に供することができる。なお、正極の作製方法は、上記以外の方法を用いてもよい。
正極合材ペーストは、例えば、正極合材に、必要に応じて活性炭、及び/又は、溶剤を添加して、混練して形成される。正極合材は、例えば、粉末状の正極活物質と、導電材と、結着剤とを混合して形成される。
正極合材に含まれる導電材は、電極に適当な導電性を与える。導電材としては、特に限定されず、例えば、黒鉛(天然黒鉛、人造黒鉛および膨張黒鉛など)や、アセチレンブラックやケッチェンブラックなどのカーボンブラック系材料を用いることができる。
正極合材に含まれる結着剤は、正極活物質を構成する粒子同士をつなぎ止めることができる。正極合材に含まれる結着剤としては、特に限定されないが、たとえば、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、フッ素ゴム、エチレンプロピレンジエンゴム、スチレンブタジエン、セルロース系樹脂、ポリアクリル酸などを用いることができる。なお、正極合材には、活性炭などを添加してもよく、活性炭などを添加することによって、正極の電気二重層容量を増加させることができる。
正極合材ペーストの製造に用いられる溶剤は、結着剤を溶解して、正極活物質、導電材および活性炭などを結着剤中に分散させる。また、溶剤は、正極合材ペーストの粘度を調整することができる。溶剤としては、特に限定されないが、たとえば、N-メチル-2-ピロリドンなどの有機溶剤を用いることができる。
目的とする二次電池の性能に応じて、正極合材ペースト中のそれぞれの材料の混合比は、適宜、調整することができる。例えば、溶剤を除いた正極合材の固形分を100質量部とした場合、正極活物質の含有量を60質量部以上95質量部以下、導電材の含有量を1質量部以上20質量部以下とし、結着剤の含有量を1質量部以上20質量部以下としてもよい。
(4)リチウムイオン二次電池
本実施形態に係るリチウムイオン二次電池(以下、「二次電池」ともいう。)は、上述した正極と、負極と、非水系電解質とを備える。二次電池は、例えば、正極、負極、及び非水系電解液を備える。また、二次電池は、例えば、正極、負極、及び固体電解質を備えてもよい。また、二次電池は、リチウムイオンの脱離及び挿入により、充放電を行う二次電池であればよく、例えば、非水系電解液二次電池であってもよく、全固体リチウム二次電池であってもよい。なお、以下に説明する実施形態は例示にすぎず、本実施形態に係る二次電池は、本明細書に記載されている実施形態を基づいて、種々の変更、改良を施した形態に適用してもよい。
本実施形態に係るリチウムイオン二次電池は、正極材料として上記の正極活物質を用いたこと以外は、一般的なリチウムイオン二次電池と実質的に同様の構造を備えてもよい。
例えば、非水系電解液二次電池の場合、ケースと、このケース内に収容された正極、負極、非水系電解液およびセパレータを備えた構造を有している。具体的にいえば、セパレータを介して正極と負極とを積層させて電極体とし、得られた電極体に非水系電解液を含浸させ、正極の正極集電体と外部に通ずる正極端子との間、および、負極の負極集電体と外部に通ずる負極端子との間を、それぞれ集電用リードなどを用いて接続し、ケースに密閉することによって、本発明の二次電池は形成される。
以下、本発明のリチウムイオン二次電池について詳細に説明するが、本発明の二次電池の構造は、上記例に限定されないのはいうまでもなく、また、その外形も筒形や積層形など、種々の形状を採用することができる。
[負極]
負極は、銅などの金属箔集電体の表面に、負極合材ペーストを塗布し、乾燥して形成されたシート状の部材である。負極活物質は、例えば、金属リチウムやリチウム合金などのリチウムを含有する物質や、リチウムイオンを吸蔵および脱離できる吸蔵物質を採用することができる。吸蔵物質は、特に限定されないが、例えば、天然黒鉛、人造黒鉛、フェノール樹脂などの有機化合物焼成体、およびコークスなどの炭素物質の粉状体を用いることができる。
[セパレータ]
セパレータは、例えば、ポリエチレンやポリプロピレンなどの薄い膜で、微細な孔を多数有する膜を用いることができる。なお、セパレータの機能を有するものであれば、特に限定されない。
[非水系電解質]
非水系電解質としては、例えば非水系電解液を用いることができる。非水系電解液は、支持塩としてのリチウム塩を有機溶媒に溶解したものである。有機溶媒としては、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、トリフルオロプロピレンカーボネートなどの環状カーボネート;ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジプロピルカーボネートなどの鎖状カーボネート;テトラヒドロフラン、2-メチルテトラヒドロフラン、ジメトキシエタンなどのエーテル化合物;エチルメチルスルホンやブタンスルトンなどの硫黄化合物;リン酸トリエチルやリン酸トリオクチルなどのリン化合物などから選ばれる1種を、単独で、あるいは2種以上を混合して用いることができる。支持塩としては、LiPF、LiBF、LiClO、LiAsF、LiN(CFSOおよびそれらの複合塩などを用いることができる。
また、非水系電解質としては、固体電解質を用いてもよい。固体電解質は、高電圧に耐えうる性質を有する。固体電解質としては、無機固体電解質、有機固体電解質が挙げられる。
無機固体電解質としては、酸化物系固体電解質、硫化物系固体電解質等が挙げられる。
酸化物系固体電解質としては、特に限定されず、例えば酸素(O)を含有し、かつリチウムイオン伝導性と電子絶縁性とを有するものを好適に用いることができる。酸化物系固体電解質としては、例えば、リン酸リチウム(LiPO)、LiPO、LiBO、LiNbO、LiTaO、LiSiO、LiSiO-LiPO、LiSiO-LiVO、LiO-B-P、LiO-SiO、LiO-B-ZnO、Li1+XAlTi2-X(PO(0≦X≦1)、Li1+XAlGe2-X(PO(0≦X≦1)、LiTi(PO、Li3XLa2/3-XTiO(0≦X≦2/3)、LiLaTa12、LiLaZr12、LiBaLaTa12、Li3.6Si0.60.4等から選択された1種類以上を用いることができる。
硫化物系固体電解質としては、特に限定されず、例えば硫黄(S)を含有し、かつリチウムイオン伝導性と電子絶縁性とを有するものを好適に用いることができる。硫化物系固体電解質としては、例えば、LiS-P、LiS-SiS、LiI-LiS-SiS、LiI-LiS-P、LiI-LiS-B、LiPO-LiS-SiS、LiPO-LiS-SiS、LiPO-LiS-SiS、LiI-LiS-P、LiI-LiPO-P等から選択された1種類以上を用いることができる。
なお、無機固体電解質としては、上記以外のものを用いてよく、例えば、LiN、LiI、LiN-LiI-LiOH等を用いてもよい。
有機固体電解質としては、イオン伝導性を示す高分子化合物であれば、特に限定されず、例えば、ポリエチレンオキシド、ポリプロピレンオキシド、これらの共重合体などを用いることができる。また、有機固体電解質は、支持塩(リチウム塩)を含んでいてもよい。
なお、非水系電解液に代わり固体電解質を用いて二次電池を構成することも可能である。固体電解質は高電位でも分解しないので、非水系電解液で見られるような充電時の電解液の分解によるガス発生や熱暴走が無いため、高い熱安定性を有している。そのため、本発明による正極活物質を用いたリチウムイオン二次電池に用いた場合、より熱安定性の高い二次電池を得ることができる。
(二次電池の形状、構成)
二次電池の構成は、特に限定されず、上述したように正極、負極、セパレータ、非水系電解質などで構成されてもよく、正極、負極、固体電解質などで構成されもよい。また、二次電池の形状は、特に限定されず、円筒形や積層形など、種々の形状にすることができる。例えば、二次電池が非水系電解液二次電池である場合、正極および負極を、セパレータを介して積層させて電極体とし、得られた電極体に、非水系電解液を含浸させ、正極集電体と外部に通ずる正極端子との間、および、負極集電体と外部に通ずる負極端子との間を、集電用リードなどを用いて接続し、電池ケースに密閉して、二次電池を完成させる。
なお、本実施形態に係る二次電池は非水系電解質として非水系電解液を用いた形態に限定されるものではなく、例えば固体の非水系電解質を用いた二次電池、すなわち全固体電池とすることもできる。全固体電池とする場合、正極活物質以外の構成は必要に応じて変更することができる。
本実施形態に係る二次電池は、高い熱安定性を低コストで実現できる。また、二次電池に用いられる正極活物質は、上述した工業的な製造方法で得ることができる。また、二次電池は、常に高容量を要求される小型携帯電子機器(ノート型パーソナルコンピュータや携帯電話端末など)の電源に好適である。また、二次電池は、従来のリチウムコバルト系酸化物あるいはリチウムニッケル系酸化物の正極活物質を用いた電池との比較においても、容量のみならず、耐久性及び過充電時の熱安定性に優れている。そのため、小型化、高容量化が可能であることから、搭載スペースに制約を受ける電気自動車用電源として好適である。なお、二次電池は、純粋に電気エネルギーで駆動する電気自動車用の電源のみならず、ガソリンエンジンやディーゼルエンジンなどの燃焼機関と併用するいわゆるハイブリット車用の電源としても用いることができる。
なお、本発明の技術範囲は、上述の実施形態などで説明した態様に限定されるものではない。上述の実施形態などで説明した要件の1つ以上は、省略されることがある。また、上述の実施形態などで説明した要件は、適宜組み合わせることができる。また、法令で許容される限りにおいて、本明細書で引用した全ての文献の内容を援用して本文の記載の一部とする。
以下に、本発明の実施例及び比較例によって、本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は、これらの実施例によってなんら限定されるものではない。なお、実施例及び比較例における正極活物質に含有される金属の分析方法及び正極活物質の各種評価方法は、以下の通りである。
[平均粒径および粒度分布の測定]
平均粒径(D50)および粒度分布(〔(d90-d10)/平均粒径〕値)は、レーザー回折散乱式粒度分布測定装置(日機装株式会社製、マイクロトラックHRA)を用いて測定した体積積算値から算出した。
[タップ密度]
JIS Z-2504に準拠して、容器に採取した試料粉末に対して、100回のタッピングを行った後、振とう比重測定器を用いてかさ密度(タップ密度)を測定した。
[組成分析]
試料を溶解した後、ICP発光分光法(ICP:Inductively Coupled PlAsmA)により分析した。
[空隙率]
測定対象の正極活物質粒子を樹脂に埋め込み、クロスセクションポリッシャ加工によって断面観察が可能な状態とした後、走査型電子顕微鏡を用いて観察し、画像解析により評価した。画像解析ソフトはWinRoof 6.1.1を使用し、空隙率は、二次粒子中の空隙部を黒として測定し、二次粒子輪郭内の緻密部を白として測定し、任意の20個以上の粒子に対して、[黒部分/(黒部分+白部分)]の面積を計算して求めた。
[空隙の平均アスペクト比]
空隙の平均アスペクト比は、後述する方法により、ロールプレスして得られた正極PEを樹脂に埋め込み、その樹脂を前記プレス成型後の正極PEのプレス面に対して垂直な断面で切り出し、この断面を研磨してSEM断面写真を撮影して画像解析したときに、断面長径が3μm以上であり、かつ、粒子内部の空隙長径が0.3μm以上の空隙を有する第2の正極活物質粒子B20個以上に対して、縦断面の空隙長径(L)と空隙短径(W)を各々測定して求めたアスペクト比(W/L)を個数平均することによって求めた。なお、同一の粒子に測定対象の空隙が複数含まれる場合には、その粒子の中で最も大きな空隙を測定した。
[電池評価]
電池評価には、図4に示す2032型コイン電池(以下、コイン型電池CBAという)を作製して用いた。
図4に示すように、コイン型電池CBAは、ケース(正極缶PC、負極缶NC)と、このケース内に収容された電極(正極PE、負極NE)とから構成されている。ケースは、中空かつ一端が開口された正極缶PCと、この正極缶PCの開口部に配置される負極缶NCとからなり、負極缶NCを正極缶PCの開口部に配置すると、負極缶NCと正極缶PCとの間に電極を収容する空間が形成されるように構成されている。
電極は、正極PEおよび負極NEとからなり、正極PEと負極NEの間にはセパレータSEが挿入されて積層されており、正極PEが正極缶PCの内面に接触し、負極NEが負極缶NCの内面に接触するようにケースに収容されている。
なお、ケースはガスケットGAを備えており、このガスケットGAによって、正極缶PCと負極缶NCとの間が電気的に絶縁状態を維持するように固定されている。また、ガスケットGAは、正極缶PCと負極缶NCとの隙間を密封してケース内と外部との間を気密および液密に遮断する機能も有している。コイン型電池CBAは、以下のようにして製作した。
まず、リチウムイオン二次電池用正極活物質をアセチレンブラック(導電材)とPVDF(ポリフッ化ビニリデン)を質量比85:10:5となるように混合し、NMP(N-メチル-2-ピロリドン)中に分散させてスラリー化した。この正極スラリーを、厚さ20μmのアルミニウム箔(正極集電体)にアプリケーターを用い、単位面積当たり7mg/cmに塗工した。その後、送風乾燥機で120℃×30分乾燥し、ロールプレスにて圧延し正極PE(電極)を得た。ここで、上記の圧延は、後述する実施例と比較例において、所望の空隙のアスペクト比が得られるような荷重で加圧することにより行った。その後、一角に幅10mmの帯状部が突き出た3cm×5cmの長方形に打ち抜き成型して、直径11mm、厚さ100μmの正極PEとした。
この正極PEと、負極NE、セパレータSEおよび電解液とを用いて、コイン型電池CBAを、露点が-80℃に管理されたAr雰囲気のグローブボックス内で作製した。なお、負極NEには、直径14mmの円盤状に打ち抜かれた平均粒径20μm程度の黒鉛粉末とポリフッ化ビニリデンが銅箔に塗布された負極シートを用いた。また、セパレータSEには膜厚25μmのポリエチレン多孔膜を用いた。
電解液には、1MのLiClOを支持電解質とするエチレンカーボネート(EC)とジエチルカーボネート(DEC)の等量混合液(富山薬品工業株式会社製)を用いた。
作製したコイン型電池CBAの性能評価を、初期放電容量、正極抵抗について、以下のように定義した。
(初期放電容量)
コイン型電池CBAを作製してから24時間程度放置し、開回路電圧OCV(open circuit voltAge)が安定した後、正極に対する電流密度を0.5mA/cm2としてカットオフ電圧4.4Vまで充電し、1時間の休止後、カットオフ電圧3.0Vまで放電したときの容量を初期放電容量とした。
(正極抵抗)
正極抵抗は、コイン型電池CBAを充電電位4.1Vで充電して、周波数応答アナライザおよびポテンショガルバノスタット(ソーラトロン製、1255B)を使用して交流インピーダンス法により測定して、図5に示すナイキストプロットを作成する。このナイキストプロットは、溶液抵抗、負極抵抗とその容量、および、正極抵抗とその容量を示す特性曲線の和として表しているため、このナイキストプロットに基づき等価回路を用いてフィッティング計算して、正極抵抗の値を算出した。
[実施例1]
(第1の正極活物質粒子Aの製造)
反応槽(5L)内に、水を900ml入れて、撹拌しながら、槽内温度を60℃に設定した。さらに、反応槽内の水に25%水酸化ナトリウム水溶液と25%アンモニア水40mlを適量加えることにより、液温25℃におけるpHとして、槽内の反応液のpHが11.0となるように反応前水溶液を調整した。
一方、各原料(Ni、Co、Mn)の硫酸塩を水に溶かして、1.8mol/Lの原料水溶液を得た。なお、原料水溶液中の各原料の物質量比は、表1に示す範囲内となるように調整した。反応槽内の反応前水溶液を撹拌しながら、得られた原料水溶液を反応槽内の反応前水溶液に加え、同時に、25質量%アンモニア水および25質量%水酸化ナトリウム水溶液を連続的に加えて、中和晶析を行った。なお、晶析反応の時間、反応溶液のpH、アンモニウムイオン供給体の量等は、表1に示される特性を有する第1の正極活物質粒子Aが得られるように、適宜調整した。
得られたニッケル複合水酸化物に対してリチウム化合物をLi/Me比1.1となるように混合した後、850℃で焼成して、平均粒径が16.5μm、タップ密度が2.63g/cmである、表1に示す特性を有する第1の正極活物質粒子Aを得た。
(第2の正極活物質粒子Bの製造)
反応槽(34L)内に水を17L入れて撹拌しながら、槽内温度を40℃に設定し、大気雰囲気(酸素濃度:21容量%)とした。反応槽内の水に25%水酸化ナトリウム水溶液と25%アンモニア水を適量加えることにより、液温25℃におけるpHとして、槽内の反応前水溶液のpHが12.6となるように調整した。また、反応前水溶液中のアンモニウムイオン濃度を15g/Lに調節した。
次いで、各原料の硫酸塩を水に溶かして各原料の物質量比が表1に示す比率となるように調整した1.8mol/Lの原料水溶液を、反応槽内の反応前水溶液に88ml/分で加えた。同時に、25質量%アンモニア水および25質量%水酸化ナトリウム水溶液も反応槽内の反応前水溶液に一定速度で加えていき、得られた反応水溶液中のアンモニウムイオン濃度を15g/Lとなるように保持した状態で、pHを12.6に制御しながら2分30秒間晶析を行って、核生成を行った。
次に、核生成終了後、液温25℃における反応水溶液pHが11.6(粒子成長pH)になるまで、25質量%水酸化ナトリウム水溶液の供給のみを一時停止した。反応水溶液のpH値が11.6に到達した後、再度、25質量%水酸化ナトリウム水溶液の供給を再開し、液温25℃基準でpH値を11.6に制御したまま、30分間の晶析を継続し粒子成長を行った後、全ての給液を一旦停止し、反応槽内空間の酸素濃度が0.2容量%以下となるまで窒素ガスを5L/minで流通させた。その後、給液を再開し、粒子成長開始からあわせて2時間晶析を行った。
反応槽内が満液になったところで水酸化ナトリウム溶液の供給を停止するとともに撹拌を止めて静置することにより、生成物の沈殿を促した。その後、反応槽から上澄み液を半量抜き出した後、水酸化ナトリウム溶液の供給を再開し、0.5時間晶析を行った後(計2.5時間)、粒子の成長を終了させた。そして、得られた生成物を水洗、濾過、乾燥させることにより、ニッケル複合水酸化物を回収した。なお、粒子成長工程の時間、核生成工程のpHと金属化合物の量等は、表1に示される特性を有する第2の正極活物質粒子Bが得られるように、適宜調整した。
得られたニッケルコバルトマンガン複合水酸化物に対してリチウム化合物をLi/Me比1.1となるように混合した後、800℃で焼成して、平均粒径が4.8μm、タップ密度が1.58g/cmである、表1に示す特性を有する第2の正極活物質粒子Bを得た。
(第1の正極活物質粒子Aと第2の正極活物質粒子Bとの混合)
上記により得られた、第1の正極活物質粒子Aと第2の正極活物質粒子Bとを、A:B=90:10の比率にて混合し、正極活物質を得た。
(電池の製造、性能評価)
ロールプレスにて線圧200N/mmの荷重で圧延し、正極(電極)を得た。圧下率は5%以上であった。正極PEに対する断面観察において、第2の正極活物質粒子Bにおける、断面長径が3μm以上であり、かつ、二次粒子内で確認される空隙長径が0.3μm以上の空隙を有する二次粒子の、空隙長径(L)と空隙短径(W)との比である平均アスペクト比(W/L)は0.43であった。得られた正極活物質を用いた正極を有するコイン型電池CBAを作成し、電池評価を行った。表1に電池評価の詳細結果を示す。
[実施例2~
表1に示す条件となるように、原料となる金属化合物を溶解させた混合水溶液中に溶解させる各金属元素の割合、粒子成長工程の時間、核生成工程のpHと金属化合物の量、第1の正極活物質粒子Aと第2の正極活物質粒子Bとの混合比率を調整した以外は、実施例1と同様の条件で正極活物質を得た。得られた正極活物質を用いた正極を有するコイン型電池CBAを作成し、電池評価を行った。表1に電池評価の詳細結果を示す。
[比較例1]
第1の正極活物質粒子Aの平均粒径が8.0μm未満となるように、晶析工程での反応時間、反応溶液のpH、アンモニウムイオン供給体の量を調整した以外は、実施例1と同様に行った。評価結果を表1に示す。
[比較例2]
第1の正極活物質粒子Aの平均粒径が30μm超となるように、晶析工程での反応時間、反応溶液のpH、アンモニウムイオン供給体の量を調整した以外は、実施例1と同様に行った。評価結果を表1に示す。
[比較例3]
第1の正極活物質粒子Aのタップ密度が2.1g/cm未満となるように、晶析工程での反応時間、反応溶液のpH、アンモニウムイオン供給体の量を調整した以外は、実施例1と同様に行った。
評価結果を表1に示す。
[比較例4]
第1の正極活物質粒子Aのタップ密度が3.0g/cm超となるように、晶析工程での反応時間、反応溶液のpH、アンモニウムイオン供給体の量を調整した以外は、実施例1と同様に行った。評価結果を表1に示す。
[比較例5]
第2の正極活物質粒子Bの平均粒径が1.0μm未満となるように、晶析工程での反応時間、反応溶液のpH、アンモニウムイオン供給体の量を調整した以外は、実施例1と同様に行った。評価結果を表1に示す。
[比較例6]
第2の正極活物質粒子Bの平均粒径が8.0μm超となるように、晶析工程での反応時間、反応溶液のpH、アンモニウムイオン供給体の量を調整した以外は、実施例1と同様に行った。評価結果を表1に示す。
[比較例7]
第2の正極活物質粒子Bのタップ密度が1.8g/cm超となるように、晶析工程での反応時間、反応溶液のpH、アンモニウムイオン供給体の量を調整した以外は、実施例1と同様に行った。評価結果を表1に示す。
[比較例8]
第1の正極活物質粒子Aと第2の正極活物質粒子Bとを、A:B=100:0の比率にて混合した以外は、実施例1と同様に行った。評価結果を表1に示す。
[比較例9]
第1の正極活物質粒子Aと第2の正極活物質粒子Bとを、A:B=0:100の比率にて混合した以外は、実施例1と同様に行った。評価結果を表1に示す。
[参考例1]
実施例1と同様の正極活物質を用い、正極加圧時の圧下率が5%未満になるように、ロールプレスにて線圧180N/mmの荷重で圧延して正極(電極)を得た以外は、実施例1と同様に行った。評価結果を表1に示す。
Figure 0007439541000001
[評価結果]
実施例の正極活物質では、以下の結果が得られた。
・初期放電容量が151~184mAh/g
・正極抵抗が2.9~5.9Ω(SOC20(%))、1.3~2.9Ω(SOC80(%))
以上から、実施例の正極活物質では、初期放電容量が150mAh/gを満たすとともに、正極抵抗が6.0Ω以下(SOC20(%))、3.0Ω以下(SOC80(%))を満たしており、高容量と低い正極抵抗とを兼ね備えた二次電池となっていた。すなわち、実施例の正極活物質を用いた二次電池では、高い電池容量と、低い正極抵抗による高い出力特性とを両立できることが示された。
一方、実施例1、2と同様の第1の正極活物質粒子Aのみを用いた比較例8の正極活物質では、初期放電容量は高いものの、SOC20%およびSOC80%における正極抵抗が高く、高出力が得られない二次電池となっていた。また、実施例1、2と同様の第2の正極活物質粒子Bのみを用いた比較例9の正極活物質では、SOC20%およびSOC80%における正極抵抗は低いものの、初期放電容量が低かった。
以下、図6、及び、図7を参照して、本実施形態に係る正極活物質の正極抵抗の低減効果について説明する。
図6、及び、図7は、実施例1、2と、比較例8、9とのSOC20%、及び、SOC80%における正極抵抗を示したグラフである。図6、7に示されるように、中空構造を有する第2の正極活物質粒子Bを10質量%含む実施例1では、第2の正極活物質粒子Bのみを含む比較例9の正極活物質の正極抵抗と近い値まで正極抵抗が顕著に低下する。さらに、中空構造を有する第2の正極活物質粒子Bを50質量%含む実施例2では、第2の正極活物質粒子Bのみを含む比較例9の正極活物質の正極抵抗よりも、さらに正極抵抗が低下する。この理由の詳細は不明であるが、大きい粒径を有する第1の正極活物質粒子Aの粒子間の空隙に、小さい粒径を有し、かつ、中空構造を有する第2の正極活物質粒子Bが好適に配置されることにより、適度に第2の正極活物質粒子Bが圧下され、電極密度が向上したと考えられる。
また、平均粒径が8μm未満である第1の正極活物質粒子Aを含む比較例1の正極活物質では、タップ密度を高くすることが難しく、初期放電容量が低く、正極抵抗が高かった。また、平均粒径が30μmを超えるである第1の正極活物質粒子Aを含む比較例2の正極活物質では、正極抵抗が高かった。
また、タップ密度が2.1g/cm未満の第1の正極活物質粒子Aを含む比較例3の正極活物質では、タップ密度を高くすることが難しく、初期放電容量が低かった。また、タップ密度が3.0g/cmを超える第1の正極活物質粒子Aを含む比較例4の正極活物質では、正極抵抗が高かった。
また、平均粒径が1μm未満の第2の正極活物質粒子Bを含む比較例5、および、平均粒径が8μmを超える第2の正極活物質粒子Bを含む比較例6の正極活物質では、正極抵抗が高かった。また、タップ密度が1.8g/cmを超える第2の正極活物質粒子Bを含む比較例7の正極活物質では、正極抵抗が高かった。
また、実施例1の正極活物質を用い、正極作製時の圧下率を通常よりも低く設定した参考例1の正極では、正極断面で観察される第2の正極活物質粒子Bの空隙の平均アスペクト比が0.5を超えるため、第1の正極活物質粒子A単独の場合よりも正極抵抗は低減するものの、実施例の正極と比較して、十分に正極抵抗を低減することができず、初期放電容量も十分ではなかった。
CBA…コイン型電池(評価用電池)
PE…正極(評価用電極)
NE…負極
SE…セパレータ
GA…ガスケット
PC…正極缶
NC…負極缶

Claims (7)

  1. 第1の正極活物質粒子Aと、第2の正極活物質粒子Bとを含むリチウムイオン二次電池用正極活物質であって、
    第1の正極活物質粒子A、及び、第2の正極活物質粒子Bは、六方晶系の層状構造を有するリチウムニッケル複合酸化物であり、かつ、複数の一次粒子が凝集した二次粒子で構成され、
    第1の正極活物質粒子Aは、中実構造を有し、タップ密度が2.1g/cm以上3.0g/cm以下であり、かつ、平均粒径(D50)が8μm以上30μm以下であり、
    第2の正極活物質粒子Bは、中空構造を有し、タップ密度が1.8g/cm以下であり、平均粒径(D50)が1μm以上8μm以下、かつ、第1の正極活物質粒子Aの平均粒径(D50)より小さく、
    前記正極活物質を含む正極材料をロールプレスにて線圧200N/mmで圧下したとき、前記圧下後の正極材料の断面で観察される第2の正極活物質粒子Bのうち、断面長径が3μm以上であり、かつ、前記二次粒子内で確認される空隙長径が0.3μm以上の空隙を有する二次粒子において、空隙長径(L)と空隙短径(W)の比である平均アスペクト比(W/L)が0.5以下であり、
    第1の正極活物質粒子Aの質量(W)と第2の正極活物質粒子Bの質量(W)との比率が以下の関係式(1)を満たす、
    リチウムイオン二次電池用正極活物質。
    0.001≦W/(W+W)≦0.5・・・(1)
  2. 第1の正極活物質粒子Aと、第2の正極活物質粒子Bの組成が、金属元素として、リチウム(Li)と、ニッケル(Ni)と、コバルト(Co)と、任意に、マンガン(Mn)、並びに、W、Zr、V、Mg、Mo、Nb、Ti、Si、及び、Alからなる群から選ばれる少なくとも1種の元素(M)と、を含有し、
    それぞれの前記金属元素の物質量比がLi:Ni:Co:Mn:M=s:(1-x-y-z):x:y:z(ただし、0.05≦x≦0.50、0≦y≦0.35、0≦z≦0.05、0.95<s<1.20)で表される、
    請求項1に記載のリチウムイオン二次電池用正極活物質。
  3. 第1の正極活物質粒子Aの粒度分布のばらつきを示す(d90-d10)/MVの値が0.65以上1.2以下であり、第2の正極活物質粒子Bの粒度分布のばらつきを示す(d90-d10)/MVの値が0.65以下である、請求項1又は請求項2に記載のリチウムイオン二次電池用正極活物質。
  4. 前記正極活物質のタップ密度が1.9g/cm以上3.0g/cm以下である、請求項1~請求項3のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池用正極活物質。
  5. 第1の正極活物質粒子Aと、第2の正極活物質粒子Bとを含むリチウムイオン二次電池用の正極であって、
    第1の正極活物質粒子A、及び、第2の正極活物質粒子Bは、六方晶系の層状構造を有するリチウムニッケル複合酸化物であり、かつ、複数の一次粒子が凝集した二次粒子で構成され、金属元素として、リチウム(Li)と、ニッケル(Ni)と、コバルト(Co)と、任意に、マンガン(Mn)、並びに、W、Zr、V、Mg、Mo、Nb、Ti、Si、及び、Alからなる群から選ばれる少なくとも1種の元素(M)と、を含有し、それぞれの前記金属元素の物質量比がLi:Ni:Co:Mn:M=s:(1-x-y-z):x:y:z(ただし、0.05≦x≦0.50、0≦y≦0.35、0≦z≦0.05、0.95<s<1.20)で表され、
    第1の正極活物質粒子Aは、中実構造を有し、タップ密度が2.1g/cm以上3.0g/cm以下であり、かつ、平均粒径(D50)が8μm以上30μm以下であり、
    第2の正極活物質粒子Bは、中空構造を有し、タップ密度が1.8g/cm以下であり、平均粒径(D50)が1μm以上8μm以下、かつ、第1の正極活物質粒子Aの平均粒径(D50)より小さく、
    前記正極の断面で観察される第2の正極活物質粒子Bのうち、断面長径が3μm以上であり、かつ、前記二次粒子内で確認される空隙長径が0.3μm以上の空隙を有する二次粒子において、空隙長径(L)と空隙短径(W)の比である平均アスペクト比(W/L)が0.5以下であり、
    第1の正極活物質粒子Aの質量(W)と第2の正極活物質粒子Bの質量(W)との比率が以下の関係式(1)を満たす、
    リチウムイオン二次電池用の正極。
    0.001≦W/(W+W)≦0.5・・・(1)
  6. 請求項5に記載のリチウムイオン二次電池用の正極の製造方法であって、
    第1の正極活物質粒子Aと、第2の正極活物質粒子Bとを含む正極材料を圧下して、第2の正極活物質粒子Bの前記平均アスペクト比(W/L)が0.5以下となるように調整する工程、を含む、正極の製造方法。
  7. 正極、負極、及び、非水系電解質を備え、前記正極は、請求項1~請求項4のいずれか一項に記載の正極活物質を含む、リチウムイオン二次電池。
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