JPH07130367A - リチウム二次電池用正極活物質の製造方法 - Google Patents

リチウム二次電池用正極活物質の製造方法

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JPH07130367A
JPH07130367A JP5272847A JP27284793A JPH07130367A JP H07130367 A JPH07130367 A JP H07130367A JP 5272847 A JP5272847 A JP 5272847A JP 27284793 A JP27284793 A JP 27284793A JP H07130367 A JPH07130367 A JP H07130367A
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    • C01G53/42Complex oxides containing nickel and at least one other metal element containing alkali metals, e.g. LiNiO2
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Abstract

(57)【要約】 【構成】 リチウム塩と遷移金属塩の混合物を、酸素雰
囲気下で焼成し、LixNiy 1-y 2 (但し、Mは
1種または1種以上の遷移金属であり、x,yはそれぞ
れ0.05≦x≦1.10,0.5≦y≦1.0であ
る)なる組成のリチウム遷移金属複合酸化物を合成する
に際して、焼成雰囲気の酸素圧力を、少なくとも焼成工
程のある一時期において147.1kP以上とする。 【効果】 組成,特性が均一であり、正極活物質として
優れた機能は発揮するリチウム遷移金属複合酸化物を得
ることができる。したがって、このようにして合成され
たリチウム遷移金属複合酸化物を正極活物質として正極
を構成すれば、サイクル特性に優れ、高エネルギー密度
であるとともに材料コストが低く、且つ電池容量にばら
つきのない品質の均一のリチウム二次電池を得ることが
可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、Lix Niy 1-y
2 なる組成のリチウム二次電池用正極活物質の製造方法
に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、電子技術の進歩により、電子機器
の高性能化、小型化、ポータブル化が進み、これら電子
機器に使用される二次電池に対しても高エネルギー密度
であることが要求されるようになっている。
【0003】従来、これらの電子機器に使用される二次
電池としては、ニッケル・カドミウム電池や鉛電池等が
使用されているが、これら電池は、放電電位が低く、高
いエネルギー密度を得るという点では不十分である。
【0004】そこで、最近、リチウムやリチウム合金も
しくは炭素材料のようなリチウムイオンのドープ/脱ド
ープが可能な物質を負極活物質として用い、リチウムコ
バルト複合酸化物,リチウムニッケル複合酸化物やリチ
ウムニッケルコバルト複合酸化物等のリチウム複合酸化
物を正極活物質として用い、さらに、非水溶媒にLiC
lO4 等のリチウム電解質を溶解してなるものを電解液
として使用する,リチウム二次電池の研究・開発が進め
られている。このリチウム二次電池は、電池電圧が高
く、高エネルギー密度を有し、自己放電も少なく、且つ
サイクル特性にも優れている。中でも、正極にリチウム
ニッケル複合酸化物(LiNiO2 )を用いる場合に
は、特公昭63−59507号公報,特開平2−408
61号公報に示されるように、リチウムコバルト複合酸
化物(LiCoO2 )を用いた場合に比べて高いエネル
ギーが得られることが確認されている。また、原料とし
てニッケルは、コバルトよりも産出量が多く、低価格で
あり、その面からもリチウムニッケル複合酸化物または
コバルトよりニッケル成分の多いリチウムニッケルコバ
ルト複合酸化物を用いるリチウム二次電池の開発が期待
されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、リチウ
ムニッケル複合酸化物やニッケル成分の多いリチウムニ
ッケルコバルト複合酸化物を用いるリチウム二次電池で
は、電池容量にばらつきが生じ易い傾向があり、一定の
品質を維持できないといった問題がある。
【0006】これは、リチウムニッケル複合酸化物やニ
ッケル成分の多いリチウムニッケルコバルト複合酸化物
は、合成する段階においてその組成が合成条件によって
変動し易く、特性の均一なものを得るのが困難であるた
めと考えられる。したがって、リチウム二次電池の高エ
ネルギー化を図るとともに電池容量のばらつきを抑える
には、リチウムニッケル複合酸化物やニッケル成分の多
いリチウムニッケルコバルト複合酸化物を均一な組成で
合成できる方法の開発が必須であると言える。
【0007】そこで、本発明は、このような従来の実情
に鑑みて提案されたものであり、組成,特性が均一であ
り、正極としての機能に優れた正極活物質が合成できる
リチウム二次電池用正極活物質の製造方法を提供するこ
とを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めに、本発明のリチウム二次電池用正極活物質の製造方
法は、リチウム塩と遷移金属塩の混合物を、酸素雰囲気
下で焼成し、Lix Niy 1-y 2 (但し、Mは1種
または1種以上の遷移金属であり、x,yはそれぞれ
0.05≦x≦1.10,0.5≦y≦1.0である)
なる組成のリチウム遷移金属複合酸化物を合成するに際
して、焼成雰囲気の酸素圧力を、少なくとも焼成工程の
一時期において147.1kP以上とすることを特徴と
するものである。
【0009】また、合成されるリチウム遷移金属複合酸
化物が、Lix Niy Co1-y 2(但し、x,yはそ
れぞれ0.05≦x≦1.10,0.5≦y≦1.0で
ある)なる組成であることを特徴とするものである。
【0010】本発明で製造する正極活物質は、Lix
y 1-y 2 (但し、Mは1種または1種以上の遷移
金属であり、x,yがそれぞれ0.05≦x≦1.1
0,0.5≦y≦1.0である)なる組成のリチウム遷
移金属複合酸化物である。
【0011】このような組成のリチウム遷移金属複合酸
化物は、リチウム塩,ニッケル塩及び上記組成式中のM
に対応する遷移金属塩の混合物を、酸素雰囲気下で焼成
することで合成される。
【0012】本発明では、このようにしてリチウム遷移
金属複合酸化物を合成するに際して、組成,特性の均一
な正極活物質を得るために、焼成工程の少なくともある
一時期において雰囲気の酸素圧力を147.1kP
(1.5kg/cm2 )以上にし、酸素加圧雰囲気下で
焼成を行うこととする。このように酸素加圧雰囲気下で
焼成することで、組成,特性の均一なリチウム遷移金属
複合酸化物が得られるのは以下の理由からと考えられ
る。
【0013】すなわち、リチウム塩と遷移金属塩の混合
物を酸素雰囲気下で焼成してリチウム遷移金属複合酸化
物を合成するには、焼成に際して遷移金属が十分に酸化
されて、3価の酸化状態にならなければならない。しか
し、遷移金属のうちニッケルは、例えばコバルト等に比
べて3価の酸化状態になり難い。このため、上記組成式
で示されるように、Ni組成率が0.5〜1.0と高い
リチウム遷移金属複合酸化物を合成しようとする場合に
は、このNiが多量に反応に関与してくることから、常
圧の酸素雰囲気下では反応が進みにくい。このため、合
成されたリチウム遷移金属複合酸化物でニッケルの酸化
状態にバラツキが生じてしまう。
【0014】このとき、焼成雰囲気の酸素圧力を14
7.1kP以上に高くすると、ニッケルの酸化が促進さ
れてニッケルが容易に3価の酸化状態になる。したがっ
て、反応が円滑に進行して上記組成式で示されるNi組
成率の高いリチウム遷移金属酸化物が均一な特性をもっ
て合成されることになる。
【0015】なお、酸素圧力を147.1kP以上にす
るのは焼成工程の全部である必要はなく、少なくとも焼
成工程の一時期が147.1kP以上の酸素圧力になっ
ていれば、十分に特性の均一なリチウム遷移金属酸化物
が得られる。
【0016】但し、焼成雰囲気の酸素圧力は、余り高く
するのは却って好ましくなく、980.6kP(10k
g/cm2 )未満に抑えることが望ましい。これは、酸
素圧力980.6kP近辺では既にその効果が飽和に達
しており、それ以上に酸素圧力を上昇させてもさらなる
特性均一性の向上にはつながらないこと,しかも酸素圧
力を980.6kP以上にするには、高価な合成装置が
必要となり、製造コストの増大を招くこと,等の理由か
らである。
【0017】ここで、以上のようにして酸素加圧雰囲気
下で焼成されるリチウム塩,ニッケル塩及びMに対応す
る遷移金属塩としては、水酸化物塩、酸化物塩等,通
常、リチウム遷移金属複合酸化物の合成に際して出発原
料として用いられている塩類がいずれも使用可能であ
る。なお、遷移金属Mとしては、Coを選定することが
望ましい。Lix Niy Co1-y 2 は、特にMがCo
以外の遷移金属であるLi x Niy 1-y 2 に比べて
電池の高容量化に大きく寄与する。
【0018】また、リチウム塩と遷移金属塩の混合物を
焼成する際の温度は、600〜1000℃の温度範囲が
適当である。
【0019】以上のようにして合成されるリチウム遷移
金属複合酸化物を正極活物質として正極を構成するに
は、例えば該リチウム遷移金属複合酸化物を導電材,結
着材とともに混合して正極合剤を調製し、この正極合剤
を正極集電体に塗布すれば良い。このようにして構成さ
れた正極は、正極活物質が組成,特性の均一性に優れる
ので、電池容量のばらつきを生じることなく、正極とし
て優れた性能を発揮する。
【0020】なお、上記リチウム遷移金属複合酸化物を
正極活物質とする正極とともに電池を構成する負極,非
水電解液としては以下に例示するものが用いられる。
【0021】すなわち、負極としては、リチウムをドー
プ/脱ドープできるものであれば良く、熱分解炭素類、
コークス類(ピッチコークス,ニードルコークス,石油
コークス等)、グラファイト類、ガラス状炭素類、有機
高分子化合物焼成体(フェノール樹脂,フラン樹脂等を
適当な温度で焼成し炭素化したもの)、炭素繊維、活性
炭等の炭素質材料や金属リチウム、リチウム合金の他、
ポリアセチレン、ポリピロール等のポリマーも使用可能
である。
【0022】特に、好ましいものとしては、(002)
面の面間隔が0.370nm以上、真密度1.70g/
cm3 未満であり、且つ空気気流中における示差熱分析
で700℃以上に発熱ピークを有しない炭素質材料が挙
げられる。
【0023】一方、非水電解液としては、例えばリチウ
ム塩を電解質としこれを有機溶媒に溶解させた電解液が
用いられる。有機溶媒としては特に限定されるものでは
ないが、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネー
ト、1,2−ジメトキシエタン、γ−ブチルラクトン、
テトラヒドロフラン、2−メチル−テトラヒドロフラ
ン、1,3−ジオキソラン、スルホラン、アセトニトリ
ル、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、ジ
プロピルカーボネート等の単独もしくは2種類以上の混
合溶媒が使用可能である。
【0024】電解質としては、LiClO4 ,LiAs
6 ,LiPF6 ,LiBF4 ,LiB(C
6 5 4 ,LiCl, LiBr, CH3 SO3 Li、
CF3 SO3 Li等が使用可能である。
【0025】
【作用】リチウム塩と遷移金属塩の混合物を、酸素雰囲
気下で焼成し、Lix Niy 1-y 2 (但し、Mは1
種または1種以上の遷移金属であり、x,yがそれぞれ
0.05≦x≦1.10,0.5≦y≦1.0である)
なる組成のリチウム遷移金属複合酸化物を合成するに際
して、焼成雰囲気の酸素圧力を、少なくとも焼成工程の
一時期において147.1kP以上とすると、合成反応
が円滑に進行し、上記組成のリチウム遷移金属複合酸化
物が均一な組成,特性をもって合成される。
【0026】したがって、このようにして合成されたリ
チウム遷移金属複合酸化物を正極活物質として正極を構
成すると、電池容量にばらつきのない品質の均一なリチ
ウム二次電池が実現する。
【0027】
【実施例】本発明の好適な実施例について実験結果に基
づいて説明する。
【0028】実施例1 水酸化リチウムと酸化ニッケルを、Li:Ni(モル
比)=1.0:1.0となるように混合した。そして、
この混合物を、酸素圧力147.1kP(1.5kg/
cm2 )の酸素加圧雰囲気下,温度800℃で12時間
焼成してリチウム遷移金属複合酸化物を合成した。
【0029】実施例2〜実施例6 焼成に際する雰囲気の酸素圧力を表1に示すように変え
たこと以外は実施例1と同様にしてリチウム遷移金属複
合酸化物を合成した。
【0030】実施例7 水酸化リチウムと酸化ニッケルを、Li:Ni(モル
比)=1.0:1.0となるように混合した。そして、
この混合物を、酸素圧力98.1kP(1kg/c
2 )の酸素加圧雰囲気下,温度800℃で6時間焼成
し、さらに続けて酸素圧力を490.3kP(5kg/
cm2 )に変えて、温度800℃で6時間焼成し、リチ
ウム遷移金属複合酸化物を合成した。
【0031】実施例8 水酸化リチウム,酸化ニッケル及び酸化コバルトを、L
i:Ni:Co比(モル比)=1.0:0.5:0.5
となるように混合した後、酸素圧力490.3kPの酸
素加圧雰囲気下,温度800℃で6時間焼成してリチウ
ム遷移金属複合酸化物を合成した。
【0032】比較例1 水酸化リチウムと酸化ニッケルを、Li:Ni(モル
比)=1.0:1.0となるように混合した後、酸素圧
力98.1kP(1kg/cm2 )の酸素加圧雰囲気
下,温度800℃で12時間焼成してリチウム遷移金属
複合酸化物を合成した。
【0033】比較例2 水酸化リチウムと酸化ニッケルを、Li:Ni(モル
比)=1.0:1.0となるように混合した後、酸素圧
力117.7kP(1.2kg/cm2 )の酸素加圧雰
囲気下,温度800℃で12時間焼成してリチウム遷移
金属複合酸化物を合成した。
【0034】比較例3 水酸化リチウム,酸化ニッケル及び酸化コバルトを、L
i:Ni:Co比(モル比)=1.0:0.4:0.6
となるように混合した後、酸素圧力98.1kP(1k
g/cm2 )の酸素加圧雰囲気下,温度800℃で12
時間焼成してリチウム遷移金属複合酸化物を合成した。
【0035】比較例4 水酸化リチウム,酸化ニッケル及び酸化コバルトを、L
i:Ni:Co比(モル比)=1.0:0.4:0.6
となるように混合した後、酸素圧力490.3kP(5
kg/cm2 )の酸素加圧雰囲気下,温度800℃で1
2時間焼成してリチウム遷移金属複合酸化物を合成し
た。
【0036】比較例5 水酸化リチウム,酸化ニッケル及び酸化コバルトを、L
i:Ni:Co比(モル比)=1.0:0.5:0.5
となるように混合した後、酸素圧力98.1kP(1k
g/cm2 )の酸素加圧雰囲気下,温度800℃で12
時間焼成してリチウム遷移金属複合酸化物を合成した。
【0037】以上、実施例1〜実施例8及び比較例1〜
比較例5における出発原料のLi:Ni:Co比及び焼
成に際する酸素圧力を表1にまとめて示す。
【0038】
【表1】
【0039】このようにして合成されたリチウム遷移金
属複合酸化物について、まず、X線回折測定を行った。
【0040】その結果、実施例1〜実施例7及び比較例
1,比較例2においてはLiNiO 2 なる組成のリチウ
ム遷移金属複合酸化物が合成されていることを示唆する
X線回折スペクトルが観測された。一方、実施例8及び
比較例3〜比較例5については、回折位置、回折強度は
異なるもののLiNiO2 の場合と極めて類似した回折
パターンを有し、且つ面間隔が異なることを示唆するX
線回折スペクトルが得られ、このことからLiNiO2
中のニッケルの一部がコバルトで置換された固溶体が合
成されていることが判断された。
【0041】次に、実施例1〜実施例8及び比較例1〜
比較例5と同様にしてそれぞれ合計5回ずつリチウム遷
移金属複合酸化物の合成(合成1〜合成5)を行った。
そして、得られたリチウム遷移金属複合酸化物を正極活
物質として図1に示す円筒型のリチウム二次電池を以下
のようにして作成した。
【0042】まず、帯状の正極を作製した。合成された
リチウム遷移金属複合酸化物91重量%、導電材となる
グラファイト6重量%、結着材となるポリフッ化ビニリ
デン3重量%を混合し、正極合剤を調製した。この正極
合剤を、N−メチル−2−ピロリドンに分散させて正極
合剤スラリーとした。この正極合剤スラリーを正極集電
体10である帯状のアルミニウム箔の両面に塗布、乾燥
した後、ローラープレス機で圧縮成形して正極2を作成
した。
【0043】次に、帯状の負極を作製した。出発原料に
石油ピッチを用い、これに酸素を含む官能基を10〜2
0%導入(酸素架橋)した。そして、この酸素を含む官
能基が導入された石油ピッチを、不活性ガス中、温度1
000℃で焼成してガラス状炭素に近い性質の難黒鉛化
炭素材料を得た。この難黒鉛化炭素材料についてX線回
折測定を行ったところ、(002)面の面間隔が0.3
76nm,真密度が1.58g/cm3 であった。この
ようにして得られた炭素材料を負極活物質とし、該炭素
材料90重量%,結着材となるポリフッ化ビニリデン1
0重量%を混合して負極合剤を調製した。この負極合剤
をN−メチル−2−ピロリドンに分散させて負極合剤ス
ラリーとした。この負極合剤スラリーを、負極集電体9
である帯状の銅箔の両面に塗布、乾燥した後、ローラー
プレス機で圧縮成形して負極1を作成した。
【0044】以上のようにして作製された正極2と負極
1を厚さ25μmの微孔性ポリプロピレンフィルムから
なるセパレータ3を介して順に積層した後、渦巻形に多
数回巻回することで電極巻回体を作成した。
【0045】次いで、ニッケルメッキを施した鉄製の電
池缶5の底部に絶縁板4を挿入し、上記電極巻回体を収
納した。そして、負極の集電をとるためにニッケル製の
負極リード11の一端を負極2に圧着し、他端を電池缶
に溶接した。また、正極の集電を取るためにアルミニウ
ム製の正極リード12の一端を正極1にとりつけ、他端
を電流遮断装置を持つ電池蓋7に溶接した。
【0046】次に、この電池缶5の中に、プロピレンカ
ーボネート50容量%,ジエチルカーボネート50容量
%の混合溶媒にLiPF6 を1molなる割合で溶解さ
せた電解液を注入した。そして、アスファルトを塗布し
た絶縁封口ガスケット6を介して電池缶5をかしめるこ
とで電池蓋7を固定し、直径20mm,高さ50mmの
円筒型電池を合計10個作成した。
【0047】そして、作成された電池について、それぞ
れ上限電圧4.2V,電流1Aの条件にて充電を行った
後、電流0.5A,放電終止電圧2.75Vの条件にて
定電流放電を行うことで電池容量を調査した。
【0048】電池容量(電池10個の平均値)及び電池
容量のばらつき度を表2に、またLi:Ni:Co比を
等しくした実施例1〜実施例6及び比較例1,比較例2
の電池容量のばらつき度の調査結果を、焼成時の酸素圧
力に対してプロットした結果を図2に示す。
【0049】
【表2】
【0050】図2からわかるように、電池容量のばらつ
き度は、焼成時の酸素圧力に依存して変化する。すなわ
ち、酸素圧力が147.1kPまでの範囲では、酸素圧
力が大きくなる程電池容量のばらつき度は小さくなる。
そして、酸素圧力が147.1kP以上の範囲では、2
0前後の低い値を維持し、それ以下には変化しない。
【0051】このことから、リチウム塩と遷移金属塩を
酸素雰囲気下で焼成するに際して、酸素圧力を147.
1kP以上の設定することは、電池の電池容量のばらつ
きを小さくする上で有効であることがわかる。
【0052】なお、実施例7では、焼成に際して初期に
は酸素圧力を98.1kPと低く設定し、途中から49
0.3kPと高く設定しているが、電池容量のばらつき
度は20と、他の実施例と同様に低い値となっている。
このことから、酸素圧力を147.1kP以上にするの
は焼成工程の全部である必要はなく、少なくとも焼成工
程の一時期が147.1kP以上の酸素圧力になってい
れば良いことがわかる。
【0053】
【発明の効果】以上の説明からも明らかなように、本発
明では、リチウム塩と遷移金属塩の混合物を、酸素雰囲
気下で焼成し、Lix Niy 1-y 2 (但し、Mは1
種または1種以上の遷移金属であり、x,yはそれぞれ
0.05≦x≦1.10,0.5≦y≦1.0である)
なる組成のリチウム遷移金属複合酸化物を合成するに際
して、焼成雰囲気の酸素圧力を、少なくとも焼成工程の
ある一時期において147.1kP以上とするので、組
成,特性が均一であり、正極活物質として優れた機能を
発揮するリチウム遷移金属複合酸化物を得ることができ
る。
【0054】したがって、このようにして合成されたリ
チウム遷移金属複合酸化物を正極活物質として正極を構
成すれば、サイクル特性に優れ、高エネルギー密度であ
るとともに材料コストが低く、且つ電池容量にばらつき
のない品質の均一のリチウム二次電池を得ることが可能
となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の製造方法で製造された正極活物質を適
用したリチウム二次電池の構成を示す概略縦断面図であ
る。
【図2】焼成に際する雰囲気の酸素圧力と電池容量のば
らつき度の関係を示す特性図である。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 リチウム塩と遷移金属塩の混合物を、酸
    素雰囲気下で焼成し、Lix Niy 1-y 2 (但し、
    Mは1種または1種以上の遷移金属であり、x,yはそ
    れぞれ0.05≦x≦1.10,0.5≦y≦1.0で
    ある)なる組成のリチウム遷移金属複合酸化物を合成す
    るに際して、 焼成雰囲気の酸素圧力を、少なくとも焼成工程の一時期
    において147.1kP以上とすることを特徴とするリ
    チウム二次電池用正極活物質の製造方法。
  2. 【請求項2】 合成されるリチウム遷移金属複合酸化物
    が、Lix Niy Co 1-y 2 (但し、x,yはそれぞ
    れ0.05≦x≦1.10,0.5≦y≦1.0であ
    る)なる組成であることを特徴とする請求項1記載のリ
    チウム二次電池用正極活物質の製造方法。
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