JPH0733443A - 含リチウム金属ハロゲン化酸化物およびその製造法 - Google Patents

含リチウム金属ハロゲン化酸化物およびその製造法

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Abstract

(57)【要約】 【目的】正極活物質として有用な含リチウム金属ハロゲ
ン酸化物を提供する。 【構成】一般式Liw x y z (MはCoあるいは
NiあるいはMnあるいはVあるいはFeあるいはTi
を示し、Xは少なくとも1種以上のハロゲン元素を示
す。wは0.2≦w≦2.5、xは0.8≦x≦1.2
5、yは1≦y≦2、zは0<z≦1である。)で表さ
れる含リチウム金属ハロゲン酸化物で、リチウム金属酸
化物Liw x y (MはCoあるいはNiあるいはM
nあるいはVあるいはFeあるいはTiを示し、Xは少
なくとも1種以上のハロゲン元素を示す。wは0.2≦
w≦2.5、xは0.8≦x≦1.25、yは1≦y≦
2である。)をガス状ハロゲン化合物と接触反応させ
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はリチウム電池の正極活物
質として有用な含リチウム金属ハロゲン化酸化物および
その製造法に関する。
【0002】
【従来の技術】負極活物質にリチウムを用いたリチウム
電池は、高いエネルギーを有することから、数々の方面
でその二次電池化が試みられてきた。負極活物質に純金
属リチウムを用いた場合、充放電の繰り返しに伴う負極
リチウムの針状析出、いわゆるデンドライトの生成が問
題となっている。即ち針状析出リチウムがセパレータを
突き破り、正極に到達することによって電池内部での短
絡が起こり、電池性能が著しく低下する性能面と、内部
短絡によって過大な電流が流れることによる温度の異常
上昇で有機電解液の揮発が起こり、電池内圧上昇が最悪
の場合、破裂、爆発を引き起こすと言った安全性の面で
問題となっている。特に安全性の面では、電池の破裂後
は化学的に活性で反応性の高い金属リチウムが空気中の
水分と反応し、Li+H2 O→LiOH+1/2H2
よる水素ガスと反応熱がさらに安全性を低下させる。
【0003】このようなデンドライトによる問題を解決
するために、一応の対策として負極にLi−Al合金な
どのリチウム合金や充放電に伴い、リチウムイオンの収
容、放出が可能なリチウムイオン保持体、例えばリチウ
ム−グラファイトインターカレート化合物が負極に用い
られている。しかし、このような活物質を負極に用いた
場合、負極の放電および充電時の過電圧が大きく、特に
リチウム−グラファイトインターカレート化合物は放電
または充電の進行に伴う電位変化が大きく、放電作動電
圧が低下すること、充電終止電圧を高く設定しなければ
ならないことがデメリットとなる。放電作動電圧が低下
すると、高エネルギーであるリチウム電池の特長がスポ
イルされる。
【0004】そこで、正極活物質に電位が高く、充放電
時の電位平坦性に優れた活物質、いわゆる4V級リチウ
ム電池の活物質が登場し、実用化されている。一般に4
V級リチウム電池の正極活物質には、LiCoO2 やL
iNiO2 等がある。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】近年の電子デバイスの
発展に伴って、その電子デバイスの電源となる電池に対
する高エネルギー密度化が強く要望されている。それに
応えるための方策のひとつとして電池電圧を高くするこ
とが挙げられる。そのために正極電位そしてその還元電
位を高くすること、および負極電位そしてその酸化電位
を低くすることが必要であるが、まだ十分とはいえな
い。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、かかる問
題点を解決すべく鋭意検討した結果、リチウムイオン伝
導が可能な固体状あるいは液体状の電解質を用いるリチ
ウム電池において、正極活物質として有用な含リチウム
金属ハロゲン化酸化物を見出し本発明に到達した。
【0007】すなわち本発明は、一般式 LiW X y z (I) (ここで、MはCoあるいはNiあるいはMnあるいは
VあるいはFeあるいはTiを示し、Xは少なくとも1
種以上のハロゲン元素を示す。wは0.2≦w≦2.
5、xは0.8≦x≦1.25、yは1≦y≦2、zは
0<z≦1である。)で表される含リチウム金属ハロゲ
ン化酸化物、およびリチウム金属酸化物Li W X y
(ここで、MはCoあるいはNiあるいはMnあるいは
VあるいはFeあるいはTiを示す。wは0.2≦w≦
2.5、xは0.8≦x≦1.25、yは1≦y≦2で
ある。)をガス状ハロゲン化合物と接触反応させること
を特徴とする一般式(I)で表される含リチウム金属ハ
ロゲン化酸化物の製造法を提供するものである。
【0008】ここで、各パラメータの数値範囲の設定理
由について説明する。0.2≦w≦2.5としたのは次
の理由によるものである。充電することによって正極活
物質からLi+ が脱離する、すなわちxが小さくなる。
しかし満充電によっても充電で脱離しきれないLi+
あり、それがxの値にして0.2に相当する。逆に放電
によってLi+ が正極活物質に収容される、すなわちx
が大きくなる。しかしxが大きくなって2.5を越える
と充放電可逆性が著しく低下するからである。0.8≦
x≦1.25としたのは、金属Mが充放電に伴い価数変
化をし、その充放電可逆性を維持する範囲にしているか
らである。1≦y≦2、0<z≦1としたのは、zが
1.0を上回るとハロゲン元素のLiとの強い反応性に
より、充放電可逆性が低下してしまうためである。
【0009】ここで本発明の含リチウム金属ハロゲン化
酸化物の製造に用いられるリチウム金属酸化物Liw
x y は、炭酸リチウムあるいは硝酸リチウムと、上記
Mで示した金属炭酸塩あるいは金属硝酸塩とを混合し、
固体−固体反応による熱分解により得られる。
【0010】次にこのリチウム金属酸化物をハロゲン化
処理することにより含リチウム金属ハロゲン化酸化物を
得ることができる。ここでハロゲン化処理剤としては、
ガス状ハロゲン化物が用いられ、例えばNF3 、ClF
3 、BrF5 、F2 等が好ましく、特にフッ化物が最適
である。
【0011】また、ハロゲン化処理は、リチウム金属酸
化物を圧力1〜760Torrの範囲、温度20〜45
0℃の範囲で1分〜10時間処理する。圧力が760T
orr以上でも反応は進行するが、加圧になるため装置
が複雑になり経済的でない。また温度は、20℃以下だ
と反応が遅く、450℃以上だと反応速度が速くて制御
が困難となり好ましくない。
【0012】本発明による新規な含リチウム金属ハロゲ
ン化酸化物を正極活物質に用いることにより、リチウム
電池における電池電圧および放電作動電圧が高く、その
工業的価値は極めて高いものである。
【0013】
【実施例】以下に本発明を実施例によって説明するが、
これにより本発明が制限されるものではない。
【0014】実施例1 炭酸リチウムあるいは硝酸リチウムと、炭酸コバルトあ
るいは硝酸コバルトとをモル比でLi:Co=1:1と
なるよう混合し、固体−固体反応による熱分解生成物を
得た。この生成物をX線回折分析した結果、LiCoO
2 の単一相(図1(A))であることが確認された。
【0015】次に、ハロゲン化処理剤としてNF3 ガス
を用い、この生成物を10Torrの圧力で200℃、
1時間保持し、ハロゲン化処理した。得られた正極活物
質(Liw Cox y z )のX線回折分析した結果を
図1(B)に示す。これはフッ素化処理を行う前のLi
CoO2 の回折線と変化はなかった。従ってフッ素化処
理を行っても結晶構造の基本骨格は崩されることなく、
O原子とF原子とが置換されたものである。また、X線
光電子分光分析(XPS)の結果を図2に示す。フッ素
化処理を行うことにより、F1sのピークが増大し、C
o2p、O1sのピークに変化がないことから、各元素
の結合を変えることなくフッ素化反応が進行したことが
わかる。また、この試料をエッチングすることにより、
F1sのピークが小さくなっていくことも認められてお
り、フッ素化は試料粒子表面層の方がより多く進行して
いるものと考えられる。さらにこの試料のSEM観察を
行った結果、フッ素化処理前後での試料表面形態に変化
が認められなかった。フッ素化処理反応前後の重量変化
からその組成はLiCoO2 0.02であることがわかっ
た。
【0016】同じく10Torrの圧力で100℃およ
び400℃で、1時間保持し、ハロゲン化処理したもの
は、分析の結果その組成は、それぞれLiCoO2
0.0001(100℃処理)とLiCoO2 0.02(400
℃処理)であった。
【0017】実施例2 実施例1で得られたLiCoO2 を用い、ClF3 ガス
によりハロゲン化処理した。処理は、10Torrの圧
力で200℃の条件で1時間保持した。得られた正極活
物質(Liw Cox y z )のX線回折分析した結果
を図1(C)に示す。これはフッ素化処理を行う前のL
iCoO2 の回折線と変化はなかった。またこれを実施
例1と同様な分析を行った結果、その組成は、LiCo
2 0. 02であることがわかった。
【0018】実施例3 実施例1で得られたLiCoO2 を用い、BrF5 ガス
によりハロゲン化処理した。処理は、10Torrの圧
力で200℃の条件で1時間保持した。得られた正極活
物質(Liw Cox y z )のX線回折分析した結果
を図1(D)に示す。これはフッ素化処理を行う前のL
iCoO2 の回折線と変化はなかった。またこれを実施
例1と同様な分析を行った結果、その組成は、LiCo
2 0. 01であることがわかった。
【0019】
【発明の効果】本発明により、正極活物質として有用で
ある含リチウム金属ハロゲン化酸化物を容易に製造で
き、リチウム電池性能を向上させることが可能になっ
た。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の正極活物質のX線回折図を示したもの
で、(B)は実施例1、(C)は実施例2、(D)は実
施例3により製造した本発明の正極活物質で、(A)は
LiCoO2 の単一相を示す。
【図2】X線光電子分光分析(XPS)の結果を示す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 C01G 51/00 C H01M 4/02 C

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 一般式 LiW X y z (I) (ここで、MはCoあるいはNiあるいはMnあるいは
    VあるいはFeあるいはTiを示し、Xは少なくとも1
    種以上のハロゲン元素を示す。wは0.2≦w≦2.
    5、xは0.8≦x≦1.25、yは1≦y≦2、zは
    0<z≦1である。)で表される含リチウム金属ハロゲ
    ン化酸化物。
  2. 【請求項2】 リチウム金属酸化物LiW X y (ここで、MはCoあるいはNiあるいはMnあるいは
    VあるいはFeあるいはTiを示す。wは0.2≦w≦
    2.5、xは0.8≦x≦1.25、yは1≦y≦2で
    ある。)をガス状ハロゲン化合物と接触反応させること
    を特徴とする一般式(I)で表される含リチウム金属ハ
    ロゲン化酸化物の製造法。
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