JPH08339806A - 非水電解液二次電池およびその正極活物質の製造法 - Google Patents
非水電解液二次電池およびその正極活物質の製造法Info
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Abstract
iNiO2のNiの一部をCoまたはAlで置換した活
物質の改良により、特にサイクル特性の改良を行う。 【構成】 NiとCoまたはAlの複合水酸化物を共沈
法より合成し、その二次粒子を球状、ほぼ球状あるいは
楕円体状とした後、これとリチウム化合物とを混合し、
所定の温度範囲で熱処理を行い、上記活物質を得る製造
法であり、これを正極に用いた非水電解液二次電池は高
容量、高エネルギー密度を有し、特にサイクル特性に優
れる。
Description
にその正極の活物質の製造法の改良に関するものであ
る。
レス化が急速に進んでおり、これらの駆動用電源として
小型、軽量で高エネルギー密度を有する二次電池への要
望が高い。このような観点で非水系二次電池、とりわけ
リチウム二次電池は高電圧、高エネルギーの密度を有す
る電池としてその期待は大きい。
チウムをインターカレート/デインターカレートし得る
炭素材料を負極に用いたリチウムイオン二次電池が既に
開発、商品化されている。LiCoO2の作動電位はL
iに対して約4Vと高いために電池電圧が高くなると共
に、負極に炭素材料を用いてLiのインターカレーショ
ン反応を利用しているために、金属リチウムを負極に用
いた場合の課題であったデンドライト状リチウムの生成
による充放電効率の低下や安全性上の問題を大幅に解決
することが可能となった。
ら、更にはより高エネルギー密度のリチウムイオン二次
電池の開発という観点から、LiCoO2に替わるリチ
ウム含有金属酸化物正極の開発が進んでおり、LiNi
O2を中心とする正極活物質が注目を集めている。Li
NiO2ならびにLiCoO2を始めとするこの種のリチ
ウム含有金属酸化物はいずれも4V近い電位を示し、か
つインターカレーション反応が利用できる六方晶系の結
晶構造を持つ層状化合物である。このような観点から、
例えばLixNiO2(米国特許第4302518号)、
LiyNi2-yO2(特開平2−40861号公報)など
のLiNiO2に係わるもの、あるいはLiyNixCo
1-xO2(特開昭63−299056号公報)やLiyN
i1-xMxO2(但し、MはTi,V,Mn,Feのいず
れか)などのLiNiO2のNiの一部を他の遷移金属
で置換したリチウム含有金属酸化物が提案されている。
その他、AxMyNzO2(但し、Aはアルカリ金属、Mは
遷移金属、NはAl、In,Snの一種)(特開昭62
−90863号公報)やLixMyNzO2(但し、MはF
e,Co,Niの中から選ばれた少なくとも一種で、N
はTi,V,Cr,Mnの中から選ばれた少なくとも一
種)(特開平4−267053号公報)などの多種の金
属元素を同時に含むものまで提案されている。そしてこ
れらの活物資材料を用いて4V級の放電電位を持った高
エネルギー密度の二次電池の開発が進められている。
告されており、単晶での球状、ほぼ球状あるいは楕円体
状の一次粒子の集合体を用いることが既に知られている
が、充分な正極特性が得られるには至っていない。
のNiの一部を他の金属に置換したリチウム含有金属酸
化物正極活物質に係わるものである。LiNiO2はL
iに対し、4V近い作動電位を示し、正極活物質として
用いると高エネルギー密度を有する二次電池が実現可能
である。しかしながら、その放電特性はサイクル初期で
は160mAh/g以上の比容量が得られるが、サイク
ル数の増加に伴う特性劣化が著しく50サイクル目では
初期容量の65%程度まで低下し、良好なサイクル特性
が得られないという課題があった。このような課題に対
し、上記に示すようなNiの一部を他の金属に置換した
リチウム含有金属酸化物や多種の金属元素を同時に含む
ものなどが提案されてきた。特に、その結晶構造が単一
相からなるNiの一部を他の金属に確実に置換したリチ
ウム含有金属酸化物であればあるほど良好なサイクル特
性を示した。
を他の金属に置換したものの多くはサイクル特性が向上
する一方、放電容量が小さくなる傾向にあり、かつ放電
電圧も低くなり、高電圧、高エネルギー密度という特長
を減ずる結果となる。これらの置換金属の中でNiの一
部をCoまたはAlに置換したものが、サイクル特性、
放電容量、放電電圧のいずれにおいても他のリチウム含
有金属酸化物に比べ良好であった。ここで、例えばLi
Ni(1-X)CoXO2の合成方法であるが、水酸化リチウ
ムなどのLi化合物と水酸化ニッケルなどのNi化合物
に所定量の水酸化コバルトなどのCo化合物を加えて熱
処理を行う方法が一般的であった。しかしながら、この
ような方法ではCoが完全に固溶しNiの一部を置換し
た単一相の複合酸化物を得ることが困難であり、一部の
未反応相が残ってしまう。また、反応過程において、ニ
ッケルイオンとコバルトイオンと水酸化物イオンとが結
合した層状構造の層間部分に熱で溶融したリチウム化合
物のリチウムイオンが挿入する反応によりLiNi
(1-X)CoXO2が生成する。このようにして得られたリ
チウム含有金属酸化物はその単結晶粒が規則正しく積層
した層状構造になるまで成長しないで、非常に微細な層
状構造をもった単結晶粒が様々な方向に核成長する。そ
して、これらの微細な単結晶粒の集合によって、様々な
形を有する不定形の二次粒子が生成する。従って、この
ような正極活物質粒子ではリチウムがインターカレート
/デインターカレートする層面が粒子の外側に向かって
露出していないので、特に高率充放電時の容量特性およ
び放電電圧特性が不十分である。
であり、Niの一部を他の金属で完全に置換し単一相の
リチウム含有金属酸化物を与え、かつリチウムのインタ
ーカレート/デインターカレート反応が円滑に進み、高
容量で高率充放電特性にも優れた非水電解液二次電池お
よびその正極活物質の製造法を提供するものである。
めに本発明は、活物質が一般式LiNi(1-X)MXO
2(M=CoまたはAl)で表されるリチウム含有金属
酸化物であり、その微小な結晶粒が多数集合して球状、
ほぼ球状あるいは楕円体状の二次粒子を形成している正
極を用いるものであり、その活物質の製造法としてNi
塩とCo塩またはAl塩との混合水溶液にアルカリ溶液
を加えてNiとCoまたはAlの水酸化物を共沈させる
ことによって得た複合水酸化物にリチウム化合物を混合
し、この混合物を熱処理することによって得られるもの
である。
径は2〜20μmであり、上記一般式のxの値は0.0
5〜0.30の範囲である。また、上記混合物の熱処理
温度を600℃〜800℃とするものである。
とCo塩またはAl塩との混合溶液にアルカリ溶液を加
えてNiとCoまたはNiとAlの水酸化物を共沈させ
ることによりNi/CoまたはNi/Alの複合水酸化
物を得ている。この段階で結晶構造がNiの一部をCo
またはAlが確実に置換した固溶体となっており、粉末
X線回折においても単一相であることを確認できる。そ
して、この複合水酸化物にLi化合物を加えて熱処理を
行うことにより、Liが固溶した3元系の複合金属酸化
物が生成可能である。また、本発明による製造法におい
ては生成したリチウム含有複合金属酸化物の単結晶粒が
規則正しく積層した層状構造を成しており、これらが多
数集合することにより二次粒子の形状が球状、ほぼ球状
あるいは楕円体状になる。このことにより、各結晶のリ
チウムがインターカレート/デインターカレートする層
状構造部分が二次粒子の外側に向かって露出する形とな
り、特に高率の充放電特性が向上する。
i(1-X)MXO2においてxの値は0.05〜0.30で
あることが重要であり、0.05未満の置換量では効果
が得られず特にサイクル特性の低下が著しい。逆に0.
30を越えた場合、結晶構造に歪みを生じ活物質として
の容量低下を招く。また、Ni/CoあるいはNi/A
lの複合水酸化物とリチウム化合物の熱処理温度は60
0℃〜800℃であることが好ましく、更に好ましくは
700℃〜750℃である。600℃未満では反応の終
結が不十分であり完全な単一相のリチウム含有金属酸化
物を得ることができず効果が得られない。一方、800
℃を越えた場合、結晶構造の歪みを生じ容量低下を招
く。
る。図1に本発明の円筒形電池の縦断面図を示す。図に
おいて、1は耐有機電解液性のステンレス鋼板を加工し
た電池ケース、2は安全弁を設けた封口板、3は絶縁パ
ッキングを示す。4は極板群であり、正極および負極が
セパレータを介して複数回渦巻状に巻回されてケース1
内に収納されている。そして上記正極からは正極リード
5が引き出されて封口板2に接続され、負極からは負極
リード6が引き出されて電池ケース1の底部に接続され
ている。7は絶縁リングで極板群4の上下部にそれぞれ
設けられている。以下正極活物質の製造法および正、負
極板等について詳しく説明する。
物の共沈による製造法を説明する。市販の硫酸ニッケル
を水に加え、飽和状態の硫酸ニッケル水溶液を調製し、
これに所定量(目的のNi/Co比になるように)の硫
酸コバルトを加え、更に水を加えて硫酸ニッケルおよび
硫酸コバルトを含む飽和水溶液を作製した。次いで撹拌
しながらこの水溶液に水酸化ナトリウムを溶解したアル
カリ溶液をゆっくりと加えていくと、NiとCoの水酸
化物の沈殿(共沈)が同時に始まった。十分にアルカリ
溶液を加えて沈殿が終了した後、濾過して沈殿物を回収
し水洗した。pHを確認しながら水洗を繰り返し、残存
アルカリがほぼ消失した後、100℃の熱風空気中で乾
燥させた。
酸化物は粉末X線回折の結果、極めて単一相に近いもの
であり、元素分析の結果、ほぼ目的の比率でNiとCo
を含んでいることを確認した。なお、本実施例1では共
沈の原材料にNi源として硫酸ニッケルをCo源として
硫酸コバルトを用いたが、Ni源として硝酸ニッケル、
Co源として硝酸コバルトなど、水溶液を作製し得る塩
であればいずれの塩も使用可能である。また、アルカリ
源として水酸化ナトリウムを用いたが、水酸化カリウ
ム、水酸化リチウムなど他のアルカリ溶液であってもよ
い。
程について説明する。Li化合物としては水酸化リチウ
ムを用い、Ni/Co複合水酸化物のNiとCoの原子
数の和とLiの原子数が等量になるようにボールミルに
投入し十分混合した。この混合物をアルミナ製のるつぼ
に入れ空気中において700℃で10時間熱処理を行っ
た。そして自然冷却後、粉砕、分級を行い平均粒径10
μmの正極活物質粉末とした。なお、一次粒子に相当す
る微小な結晶粒の大きさは0.2μm〜1.5μmであ
った。
水酸化物を調製し正極活物質の合成を行い、LiNi
(1-X)CoxO2のx値が0〜0.50までのリチウム含
有金属酸化物の粉末(それぞれ電池A〜電池Hに相当)
を得た。粉末X線回折の結果、いずれの場合においても
複合水酸化物、リウチム含有金属酸化物共に単一相の生
成物が得られた。なお、x=0とはCo源の塩を使用せ
ずに合成を行ったものである。
る。得られた正極活物質100重量部に対してアセチレ
ンブラック4重量部を加え、この混合物にN−メチルピ
ロリジノン(NMP)の溶媒に結着剤としてのポリフッ
化ビニリデン(PVDF)を溶解した溶液を加え混練し
てペースト状にした。なお、加えたPVDFの量は正極
活物質100重量部に対して4重量部となるように調製
した。次いでこのペーストをアルミニウム箔の両面に塗
工し、乾燥後、圧延して厚さ0.14mm、幅37m
m、長さ250mmの正極板とした。
の(以下メソフェーズ黒鉛と称す)を使用した。このメ
ソフェーズ黒鉛100重量部に結着剤としてのスチレン
/ブタジエンゴム3重量部を混合し、カルボキシメチル
セルロース水溶液を加えて混練し、ペースト状にした。
そしてのこのペーストを銅箔の両面に塗工し、乾燥後、
圧延して厚み0.21mm、幅39mm、長さ280m
mの負極板とした。
板にはニッケル製のリードをそれぞれ取り付け、厚さ
0.025mm、幅45mm、長さ740mmのポリエ
チレン製のセパレータを介して渦巻状に巻回し、直径1
4.0mm、高さ50mmの電池ケースに納入した。電
解液にはエチレンカーボネート(EC)とエチルメチル
カーボネート(EMC)とを20:80の体積比で混合
した溶媒に電解質として1モル/lのLiPF6を溶解し
たものを注液した。そして電池を封口し完成電池とし
た。
従来の合成法を用いてNiの一部をCoで置換したLi
Ni0.8Co0.20O2の組成を有する正極活物質を合成し
た。まず、水酸化ニッケルと水酸化コバルトと水酸化リ
チウムとをNi:Co:Liの原子比が0.8:0.
2:1.0となるように秤量し、ボールミルで充分に混
合した。そしてこの混合物をアルミナ製のるつぼに入れ
空気中において700℃、10時間の熱処理を行った。
そして自然冷却後、粉砕、分級を行い平均粒径約10μ
mの正極活物質粉末とした。この活物質の粉末X線回折
の結果、一部未反応相と思われるピークの存在が確認さ
れた。この活物質についても(実施例1)と同様に正極
板を作製し、他の条件はすべて(実施例1)と同様に電
池を構成し電池Iとした。
で充放電サイクル試験を行った。充電は4.2Vで2時
間の定電圧充電を行い、電池電圧が4.2Vに達するま
では420mAの定電流充電となるように設定した。そ
して放電は610mAの定電流放電を行い、放電終止電
圧を3.0Vとした。このような充放電を20℃の環境
下でサイクル試験を行い、5サイクル目の放電容量を初
期容量とし、放電容量が300mAhに劣化した時点を
サイクル寿命末期としてそのサイクル数の値をそれぞれ
(表1)に示した。
少ない程、初期容量が大きい傾向にあり、Coが全く存
在しない電池Aでは650mAhと高容量の電池を得る
ことができた。しかしながら、サイクル特性が極めて悪
く70サイクルで初期容量の半分以下の容量にまで劣化
している。共沈法によってCo置換量を徐々に増やして
いくことによって初期容量は若干低下するが、サイクル
特性の向上が著しくx値が0.05〜0.30の範囲に
おいて500サイクル以上のサイクル寿命を与えること
がわかる。中でもx=0.20において最もサイクル特
性が良好であった。一方、共沈法を用いずに従来の合成
法において正極活物質を合成した電池Iは初期容量が5
20mAhと小さい上にサイクル特性も良好ではない。
これは合成した正極活物質が完全な単一相ではなく未反
応相との混合物であることに起因するものと考えられる
が、それ以外に活物質粒子の形状にも寄与するものと思
われる。図2(A)(B)に電池Eと電池Iでそれぞれ
用いた正極活物質粉末の走査型電子顕微鏡(SEM)写
真による粒子構造図を示した。共沈法を用いて合成した
電池Eの正極活物質はほぼ球状の形態を有しているが、
従来合成法によって合成した電池Iの正極活物質は不定
形である。つまり、電池Eにおいては球状形態であるこ
とが、リチウムがインターカレート/デインターカレー
トし得る層状構造部分が二次粒子の外側に向かって露出
している形となり、610mAという高率放電において
は容量特性が良好である。なお、このような球状形態の
二次粒子はNiとCoとの複合水酸化物を得た時点で形
成されており、その後Li化合物を加え熱処理を行った
後もその粒子形状はほぼ維持されている。一方、電池I
のような不定形の二次粒子では層状構造部分が二次粒子
の外側に向かって露出する割合が少なくなり高率放電に
よる容量特性が低下するものと考えられる。
合成した正極活物質LiNi(1-X)CoXO2においてx
の値が0.05〜0.30の範囲のものが電池容量およ
びサイクル特性の双方において好ましいと言える。 (実施例2)本発明による共沈法によって一般式LiN
i(1-X)CoXO2(x=0.20)のものについてその
熱処理温度の検討を行った。熱処理温度をそれぞれ55
0℃、600℃、700℃、750℃、800℃、85
0℃、900℃と変化させ、それぞれ正極活物質を合成
し、これらの活物質を用いて(実施例1)と同様に正極
板および電池を構成し、電池J〜電池Pとした。そして
これらの電池を(実施例1)と同様に充放電サイクル試
験を行った。
び寿命末期のサイクル数の値を示した。
びにサイクル特性共に良好であり、特に700℃〜75
0℃のものがサイクル特性において最適であることがわ
かる。550℃の熱処理温度とした電池Jは初期容量、
サイクル特性共に不十分であり、これは550℃では結
晶構造の完成度が低く完全な単一相の活物質を得ること
ができず、充分にリチウムのインターカレート/デイン
ターカレートができないことによるものと考えられる。
一方、850℃以上の熱処理温度とした電池Oおよび電
池Pにおいても初期容量およびサイクル特性共に低下す
る傾向にある。これは熱処理温度が高すぎることによっ
て生成物の結晶構造に歪みが生じたことによる容量低下
ならびにサイクル特性の低下であると思われる。
の熱処理温度は600℃〜800℃であることが要求さ
れ、更に好ましくは700℃〜750℃であることが明
らかである。 (実施例3) (実施例1)において合成されたLiNi0.8Co0.2O
2において、活物質の二次粒子の平均粒径について検討
を行った。粉砕後の分級によって二次粒子の平均粒径を
1μm、2μm、5μm、10μm、20μm、25μ
m、30μmとした活物質粉末を調製し、それぞれ実施
例1と同様に正極板および電池を構成し、電池Q〜電池
Wとした。そして実施例1と同様に充放電サイクル試験
を行った。但し、電池Wについては粒径が大きすぎるた
めに正極板の作製が不可能となり、電池の構成を行うこ
とができなかった。
寿命末期のサイクル数の値を示した。
S、電池T、電池Uが初期容量およびサイクル特性共に
良好であることがわかる。特に5μm〜10μmのもの
が高容量であり好ましい。平均粒径を1μmとした電池
Qではサイクル特性は良好であるが、初期容量の低下が
大きい。一方、25μmとした電池Vは初期容量は比較
的大きいもののサイクル特性の低下が著しい。従って、
正極活物質粉末の二次粒子の平均粒径は2μm〜20μ
mであることが必要であり、好ましくは5μm〜10μ
mであることがわかる。
質の一般式LiNi(1-X)MXO2においてM=Coとし
たが、M=Alとした場合もほぼ同様な効果が得られ
た。また、本実施例および比較例において負極にメソフ
ェーズ黒鉛を用いたが、もちろん他の黒鉛材料やコーク
ス類、炭素線維などリチウムをインターカレート/デイ
ンターカレートし得る炭素材料であればいずれも使用可
能である。更に電解液の溶媒としてECとEMCの混合
溶媒を使用したが、他の溶媒としてプロピレンカーボネ
ート、ジエチルカーボネートなどのカーボネート類、
1、2−ジメトキシエタン、2−メチルテトラヒドロフ
ランなどのエーテル類、プロピオン酸メチル、酢酸エチ
ルなどの脂肪族カルボン酸エステルなど従来より公知の
溶媒がいずれも単独あるいは混合溶媒として使用でき
る。同様に電解質についてもLIBF4、LiClO4、
LiCF3SO3など従来より公知のものがいずれも使用
可能である。
次電池用正極活物質の製造法により、CoあるいはAl
がNiの一部を置換し完全に固溶した単一相のLiNi
(1-X)MXO2を合成することが可能であり、これを正極
に用いることにより高容量、高エネルギー密度を有し、
サイクル特性に優れた非水電解液二次電池を提供するこ
とができる。
の粒子構造を示す図 (B)比較の電池Iに用いた正極活物質粉末の粒子構造
を示す図
Claims (5)
- 【請求項1】 一般式LiNi(1-X)MXO2(M=Co
またはAlであり、xの値は0.05〜0.30の範
囲)で表わされる非水電解液二次電池用正極活物質の製
造法であり、 コバルトとアルミニウムのうちのいずれかの塩とニッケ
ル塩との混合水溶液にアルカリ溶液を加え、コバルトと
アルミニウムのうちのいずれかの水酸化物とニッケルの
水酸化物を共沈させて複合水酸化物を得るとともに、 この複合水酸化物の単結晶粒を球状、ほぼ球状あるいは
楕円体状に集合させて二次粒子を形成させる工程と、 前記複合水酸化物にリチウム化合物を加えて混合しこの
混合物を熱処理する工程とからなる非水電解液二次電池
用正極活物質の製造法。 - 【請求項2】 二次粒子の平均粒子径は2〜20μmの
範囲にある請求項1記載の非水電解液二次電池用正極活
物質の製造法。 - 【請求項3】 複合水酸化物中においてコバルトとアル
ミニウムのいずれかとニッケルとのモル比は0.30:
0.70〜0.05〜0.95の範囲にある請求項1記
載の非水電解液二次電池用正極活物質の製造法。 - 【請求項4】 熱処理の温度は600℃〜800℃であ
る請求項1記載の非水電解液二次電池用正極活物質の製
造法。 - 【請求項5】 一般式LiNi(1-X)MXO2(M=Co
またはAlであり、xの値は0.05〜0.30の範
囲)で表わされ、その単結晶粒はコバルトとアルミニウ
ムのいずれかの水酸化物とニッケルの水酸化物とを共沈
させて得た複合水酸化物にリチウム化合物を加えこの混
合物を熱処理して得たものであり、前記単結晶粒が多数
集合して球状、ほぼ球状あるいは楕円体状の二次粒子を
形成しているリチウム含有複合酸化物を活物質に用いた
正極と、 リチウムをインターカレート、デインターカレートする
ことができる炭素材料を用いた負極と、 非水電解液とを備えた非水電解液二次電池。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP16807795A JP3257350B2 (ja) | 1995-06-09 | 1995-06-09 | 非水電解液二次電池およびその正極活物質の製造法 |
Applications Claiming Priority (1)
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JP16807795A JP3257350B2 (ja) | 1995-06-09 | 1995-06-09 | 非水電解液二次電池およびその正極活物質の製造法 |
Publications (2)
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JPH08339806A true JPH08339806A (ja) | 1996-12-24 |
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ID=15861424
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JP16807795A Expired - Fee Related JP3257350B2 (ja) | 1995-06-09 | 1995-06-09 | 非水電解液二次電池およびその正極活物質の製造法 |
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