JPH1087331A - リチウム複合酸化物、その製造方法およびリチウム二次電池用正極活物質 - Google Patents
リチウム複合酸化物、その製造方法およびリチウム二次電池用正極活物質Info
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Abstract
るリチウム複合酸化物において、当該酸化物の格子定数 aNi Co=(1−y)aN+yaCo (2) のaNi Co値と理論格子定数値a’Ni Co値との比
dが、0.990を超え1.010未満の範囲であるリ
チウム複合酸化物及びその製造方法並びにリチウム二次
電池用正極活物質。 【効果】 初期放電容量及び放電保持率に優れ、高エネ
ルギー密度を与えるリチウム二次電池を得ることができ
る。
Description
物およびその製造方法に関するものであり、更にエネル
ギー密度の優れるリチウム二次電池用正極活物質及びリ
チウム二次電池用正極板及びリチウム二次電池に関する
ものである。
コードレス化が急速に進むに従い、小型電子機器の電源
としてリチウム二次電池が実用化されている。このリチ
ウム二次電池については、1980年に水島等によりコ
バルト酸リチウムがリチウム二次電池の正極活性物質と
して有用であるとの報告〔”マテリアル リサーチブレ
イン”vol115,P783-789(1980) 〕がなされて以来、リチ
ウム(Li )系複合酸化物に関する研究開発が活発に勧
められており、これまでに多くの提案がなされている。
それらは、例えばLi1 -XNi O2 (但し0≦x≦1)
(米国特許番号第4302518号明細書)、Li Ni2
-YO2 (特開平2ー40861号公報)、Li YNi x
Co1-x O2 (但し、0<x≦0.75,y≦1)(特
開昭63ー299056号公報)などのリチウムと遷移
金属を主体とする複合酸化物が代表的に挙げられる。
コバルト酸リチウムは合成が比較的容易で、かつ電気特
性に優れているため、最も早くからリチウム二次電池用
正極材として検討されてきたが、原料のコバルト(C
o)が希産で高価なうえ、0.7電子以上充電すると結
晶性の低下や電解液の分解が生じるため大容量化には適
さないといった欠点がある。一方、LiNiO2 はコバ
ルトに比べて安価であるといった有利な点はあるが、電
池の正極材として使用中に欠陥を生じやすく、そのため
電池の安定性に欠けるなど容量特性はCo系に劣ると考
えられていた。このため、できるだけ化学量論的比に近
いLiNiO2 およびニッケル(Ni)の一部を他の遷
移金属で置換したリチウム複合酸化物やその合成法が検
討されている。
極材として満足に適用できる特性のものは勿論、その工
業的な製造方法が見い出されていないのが現状である。
よび放電保持率に優れ高エネルギー密度を与えるリチウ
ム二次電池用正極活物質及びその製造方法を提供するこ
とにある。
発明者らは化合物中の結晶欠陥を生じない正極材として
安定性のあるリチウム複合酸化物およびその製造方法に
ついて鋭意研究を行ったところ、リチウム複合酸化物の
X線回折による格子定数と理論格子定数との比が0.9
90超え1.010未満の範囲内、また、吸湿率の増加
分が5%以下であるリチウム複合酸化物は、リチウム二
次電池の正極活物質として使用した場合、初期放電容量
および放電保持率に優れる高エネルギー密度を与えるこ
とを知見し本発明を完成するに至った。
るリチウム複合酸化物において、当該酸化物の格子定数 aNi Co=(1−y)aNi +yaCo (2) のaNi Co値と理論格子定数値a’Ni Co値との比
dが、0.990〜1.010の範囲であるリチウム複
合酸化物を提供するものある。
湿率の増加分が5%以下のリチウム複合酸化物を提供す
るものである。また、本発明は、Ni 塩の結晶粒子又は
Ni とCoとの固溶及び/又は共沈で生成したNi −C
o塩の結晶粒子と、Li 塩を混合し、次いで焼成するこ
とを特徴とする下記一般式(1) Lix Ni1 -yCoy O2 (1) (式中、0<x<1.1、0≦y≦1を示す)で表され
るリチウム複合酸化物の製造方法を提供するものであ
る。
化物を主材とするリチウム二次電池用正極活物質および
これで正極材を構成するリチウム二次電池用正極板およ
びこれを用いたリチウム二次電池を提供するものであ
る。
則(「粉末X線回折による材料分析」講談社サイエンテ
フィック、88〜90、1993年6月1日発行)と言
われるもので、Ni イオンとCoイオンのイオンの半径
の違いを利用して両イオンの固溶度(y)を格子定数か
ら求めるものである。すなわち、固溶体の固溶イオンの
イオン半径はイオン間距離、すなわち格子定数に影響を
与えるものであり、固溶体のNi イオンとCoイオンの
両端の結晶イオンの格子定数をaNi 、aCoとする
と、その中間組成の格子定数が上記(2)式となる。上
記(2)式は、体積変化の直線性に基づいて、固溶体の
格子定数は溶質イオン濃度に比例することを示すもので
ある。
得られるものであるが、固溶体の両端成分の格子定数を
用いて検量線を作成し、それとの比較により行うことが
できる。本発明のリチウム複合酸化物は上記格子定数の
比d値が0.990を超え1.010未満の範囲であ
り、好ましくは0.999を超え1.005未満の範囲
である。d値が上記範囲外である場合は、電池特性とし
て好ましい結果を得ることができなくなる。また、かか
る化合物の吸湿率の増加分は、乾燥重量基準に対して5
%以下、好ましくは2%以下である。
湿率を求めるには、まず、リチウム複合酸化物を真空乾
燥機中、100℃で24時間放置し、これを秤量瓶に正
確に秤量する。次いでこの試料を30℃、相対湿度80
%に保った恒温恒湿機に入れ72時間放置し、吸湿後の
試料重量を計り、吸湿率を求める。通常、ニッケル酸リ
チウムは吸湿性が高く、わずかな水分でリチウムの溶出
が生じ、組成変化が生じるが、本発明においては、吸湿
率の増加分が5%を超えると組成変化が大きくなり、電
池特性として好ましくない結果となる。
的特徴は、一般式(1)で示されるが、その配合比とし
ては、Li、NiおよびCoの原子比がそれぞれx (L
i)、1-y (Ni)及びy (Co)(但し、0<x <
1.1、 0≦y ≦1を示す)となるように選択すれば
よい。例えば、配合比をLi/(Ni単独又はNiとC
oの含量)比として、1付近に設定することが好ましい
が、原料性状や焼成条件により前記配合比1前後で多少
の幅を持たせることができ、具体的には0.99〜1.
10の範囲とするのが好ましい。
o)は0:1〜1:0の範囲のものであるが、経済的な
ことを考慮すればCoの量は少ない方がよく1:0〜
0.6:0.4の範囲とするのが好ましい。かかるLi
−Ni −Co 系複合酸化物は、該金属の混合物ではな
く、ニッケル酸リチウムの結晶構造中のニッケルの一部
をコバルトで置換した固溶性化合物であり、該固溶性化
合物は、リチウムイオンのインターカレーション、デイ
ンターカレーション反応をより円滑に、より高い電位範
囲で行うことができ電池用正極材として実用性の高いも
のである。
方法について説明する。本発明の製造方法の特徴は、N
i 塩又はNi −Co塩の固溶及び/又は共沈体と、リチ
ウム塩とを混合し、次いで、焼成するものである。
Co系塩は、Ni とCoの原子比(Ni /Co)が0:
1〜1:0の範囲にあるものであるが、Ni −Co系塩
の場合、単にNi とCoの塩が所定量混合されているも
のではなく、ニッケルイオンがコバルトイオンと一部置
換している固溶状態のものやニッケル塩とコバルト塩が
共沈または吸蔵しているものでなければならない。
すれば金属酸化物となる、いわゆる前駆体化合物であっ
て、例えば、水酸化物、炭酸塩、酸化物、シュウ酸塩及
び酢酸塩等の有機酸塩等が挙げられ、このうち、水酸化
物が好ましい。
が350μm以下が80%以上のものが好ましく、特
に、150μm以下が90%以上のような粒子径が小さ
く粒度分布がシャープなLi 塩が好ましい。かかるLi
塩としては、特に制限されないが、例えば酸化リチウ
ム、水酸化リチウム、炭酸リチウム、硝酸リチウム、酢
酸リチウム、過酸化リチウム及び硫酸リチウム等が挙げ
られる。また本発明では、リチウム塩として硝酸リチウ
ムを一部添加使用すると反応が促進される。また、上記
粒度範囲のLi塩を使用した場合、ミキサ−等の簡便な
混合機での混合が可能となり、数分の混合時間でLi 塩
とNi塩又はNi −Co塩が均一かつ充分に混合され
る。粒度が上記範囲外の場合は均一混合ができず、焼成
後に得られる生成物にLi 、Ni 又はCoの単独の酸化
物が多く出来、このため、リチウム複合酸化物の純度が
落ちてしまい、好ましくない。
Ni塩又は特定構造のNi−Co塩とリチウム塩を混合
し、次いで焼成することにより得ることができる。焼成
雰囲気としては、特に制限されず、大気中でも酸素雰囲
気中でもよいが、酸素雰囲気中が好ましい。焼成速度は
速いほうがよいが、通常1℃/min 以上であればよい。
また、焼成は、多段焼成で行うことが好ましく、原料中
に含まれる水分が消失する約200〜400℃の範囲で
ゆっくり焼成した後、更に750〜900℃付近まで急
速に昇温し焼成するのが好ましい。
されず、炉内で徐々に冷却してもよいが、大気中で冷却
するのが好ましい。
酸化物は、粒子径が揃っており、リチウム二次電池の正
極板作成時、シートに塗膜を均一に塗布できる。
チウム複合酸化物は、その優れた電子特性から、これを
主成分として含有するリチウム二次電池用正極活物質と
して有用であり、且つリチウム二次電池用正極板を得る
ことができ、さらにその正極板を用いたリチウム二次電
池を提供することができる。
しては、特に制限されないが、例えば、上記の方法によ
り製造されたリチウム複合酸化物を主成分として、黒鉛
粉末、ポリフッ化ビニリデンなどを混合加工して正極材
(リチウム二次用電池正極活物質)とし、これを有機溶
媒に分散させて混練ペーストを調製する。該混練ペース
トをアルミ箔などの導電性基板に塗布した後、乾燥し、
加圧して適宜の形状に切断して正極板を得る。この正極
板を用いて、リチウム二次電池を構成する各部材を積層
してリチウム二次電池を製作すればよい。
に説明するが、これは単に例示であって、本発明を制限
するものではない。 実施例1 Ni とCoの原子比が7:3の固溶及び/又は共沈で得
られたNi −Co水酸化物と、粒子径50μm以下が7
0%以上を占める水酸化リチウムをリチウムと遷移金属
(Ni とCoの含量)の原子比が1となるように秤量
し、均一に混合した。この混合物を350℃で仮焼した
後、730℃まで4℃/min で昇温し、その後780℃
まで1℃/min で昇温して7時間保持した。焼成終了
後、炉内から取り出し、大気中で放冷して解砕してリチ
ウム複合酸化物を得た。
チウムを8:2のモル比で混合する。この混合物とNi
とCoの原子比が7:3の固溶及び/又は共沈により得
られた実質的に球状のNi −Co水酸化物をリチウムと
遷移金属(NiとCoの含量)の原子比が1となるよう
に秤量し、均一に混合した。この混合物を350℃で仮
焼したのち730℃まで4℃/min で昇温し、その後7
80℃まで1℃/min で昇温して7時間保持した。焼成
終了後、炉内から取り出し、大気中で放冷して解砕して
リチウム複合酸化物を得た。
り得られた実質的に球状のNi −Co水酸化物と、粒子
径150μm以下が90%以上を占める水酸化リチウム
をリチウムと遷移金属(Ni とCoの含量)の原子比が
1となるように秤量し、均一に混合した。この混合物を
350℃で仮焼したのち700℃まで4℃/min で昇温
し、その後750℃まで1℃/min で昇温して7時間保
持した。焼成終了後、炉内から取り出し、大気中で放冷
して解砕してリチウム複合酸化物を得た。
り得られた実質的に球状のNi−Co水酸化物と、粒子
径150μm以下が90%以上を占める水酸化リチウム
をリチウムと遷移金属(Ni とCoの含量)の原子比が
1となるように秤量し、均一に混合した。この混合物を
350℃で仮焼したのち750℃まで4℃/min で昇温
し、その後800℃まで1℃/min で昇温して7時間保
持した。焼成終了後、炉内から取り出し、大気中で放冷
して解砕してリチウム複合酸化物を得た。
り得られた実質的に球状のNi −Co水酸化物と、粒子
径150μm以下が90%以上を占める水酸化リチウム
をリチウムと遷移金属(Ni とCoの含量)の原子比が
1となるように秤量し、均一に混合した。この混合物を
加圧成形しペレット化した。このペレットを350℃で
仮焼したのち700℃まで4℃/min で昇温し、その後
750℃まで1℃/min で昇温して7時間保持した。焼
成終了後、炉内から取り出し、大気中で放冷して解砕し
てリチウム複合酸化物を得た。
り得られた実質的に球状のNi −Co水酸化物を250
℃で3時間焼成し、Ni −Co酸化物とした。この酸化
物と粒子径350μm以下が80%以上を占める水酸化
リチウムをリチウムと遷移金属(Ni とCoの含量)の
原子比が1となるように秤量し、均一に混合した。 こ
の混合物を350℃で仮焼したのち700℃まで4℃/
minで昇温し、その後750℃まで1℃/min で昇温し
て12時間保持した。焼成終了後、炉内から取り出し、
大気中で放冷して解砕してリチウム複合酸化物を得た。
ルと水酸化コバルトを均一に混合し、これに水酸化リチ
ウムをリチウムと遷移金属(Ni とCoの含量)の原子
比が1となるように秤量し、乾式混合した。この混合物
を780℃で7時間保持した。焼成終了後、炉内から取
り出し、大気中で放冷して解砕してリチウム複合酸化物
を得た。
ルと水酸化コバルトを均一に混合し、これに水酸化リチ
ウムをリチウムと遷移金属(Ni とCoの含量)の原子
比が1となるように秤量し、均一に混合した。この混合
物を780℃まで昇温して7時間保持した。焼成終了
後、炉内から取り出し、大気中で放冷して解砕してリチ
ウム複合酸化物を得た。
ルと水酸化コバルトを均一に混合し、これに水酸化リチ
ウムをリチウムと遷移金属(Ni とCoの含量)の原子
比が1となるように秤量し、均一に混合した。この混合
物を790℃まで昇温して7時間保持した。焼成終了
後、炉内から取り出し、大気中で放冷して解砕してリチ
ウム複合酸化物を得た。
ルと水酸化コバルトを均一に混合し、これに水酸化リチ
ウムをリチウムと遷移金属(Ni とCoの含量)の原子
比が1となるように秤量し、均一に混合した。この混合
物を800℃まで4℃/min で昇温し、その後850℃
まで1℃/min で昇温して12時間保持した。焼成終了
後、炉内から取り出し、大気中で放冷して解砕してリチ
ウム複合酸化物を得た。
酸化物を前記方法で吸湿率を測定した。その結果を表1
に示した。 (II)格子定数の算出方法 60μm以下が70%以上の水酸化リチウムと水酸化ニ
ッケルをLi とNi の原子比が1となるように秤量し、
均一に混合した。この化合物を350で2時間仮焼した
のち酸素雰囲気下、700℃まで4℃/min で昇温し、
その後750℃まで1℃/min で昇温し、7時間保持し
てLi Ni O2 を合成した。また、炭酸リチウムと酸化
コバルトをLi とCoの原子比が1:1になるように秤
量し、均一に混合した。この化合物を1000℃で3時
間焼成してLiCoO2 を得た。得られたLi Ni O2
及びLiCoO2 の格子定数をX線回折法により測定
し、aNi O=2.8783、aCoO=2.8152
を得た。また、同様に上記方法で得られた実施例1〜6
及び比較例1〜4の生成物の格子定数を測定した。その
結果を表1に示した。
複合酸化物85重量%、黒鉛粉末10重量%、ポリフッ
化ビニリデン5重量%を混合して正極材とし、これを2
ーメチルピロリドンに分散させて混練ペーストを調製し
た。該混練ペーストをアルミ箔に塗布したのち乾燥し、
2000kg/cm2 の圧力によりプレスして2cm角に打ち
抜いて正極板を得た。また、電解液に1M−Li ClO
4 /EC+DECを使用し、負極にはLi 金属を用い
て、図1に示すように各部材を積層してリチウム二次電
池を作製した。
び容量保持率を測定して電池性能を評価した。その結果
を表1に示した。 (初期放電容量の測定)初期放電容量は正極に対して
0.5mA /cm2 で4.2Vまで充電した後、2.7V
まで放電させる充放電を繰り返すことにより測定した。
を反復した結果から、次式により算出した。
電容量)×100/(1サイクル目の放電容量)
二次電池用正極活物質として正極板に用いることによ
り、初期放電容量および放電保持率に優れ、高エネルギ
ー密度を与えるリチウム二次電池を得ることができる。
また、本発明のリチウム複合酸化物の製造方法は、簡易
な方法であるため工業的にも有利である。
Claims (7)
- 【請求項1】 下記の一般式(1) Li X Ni1-y Coy O2 (1) (式中、0<x<1.1、0≦y≦1を示す)で表され
るリチウム複合酸化物において、当該酸化物の格子定数 aNi Co=(1−y)aNi +yaCo (2) のaNi Co値と理論格子定数値a’Ni Co値との比
dが、0.990〜1.010の範囲であるリチウム複
合酸化物。 - 【請求項2】 乾燥重量基準に対して吸湿率の増加分が
5%以下である請求項1記載のリチウム複合酸化物。 - 【請求項3】 Ni 塩の結晶粒子又はNi とCoとの固
溶及び/又は共沈で生成したNi ーCo塩の結晶粒子
と、Li 塩を混合し、次いで焼成することを特徴とする
下記一般式(1) Li XNi1 -yCoy O2 (1) (式中、0<x<1.1、0≦y≦1を示す)で表され
るリチウム複合酸化物の製造方法。 - 【請求項4】 リチウム塩は、少なくとも硝酸リチウム
を使用する請求項3記載のリチウム複合酸化物の製造方
法。 - 【請求項5】 請求項1記載のリチウム複合酸化物を主
材とするリチウム二次電池用正極活物質。 - 【請求項6】 請求項5記載の二次電池用正極活物質で
正極材を構成するリチウム二次電池用正極板。 - 【請求項7】 請求項6記載の正極板を用いたリチウム
二次電池。
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---|---|---|---|
JP26025096A JP3863604B2 (ja) | 1996-09-09 | 1996-09-09 | リチウム複合酸化物の製造方法 |
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---|---|---|---|
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JPH1087331A true JPH1087331A (ja) | 1998-04-07 |
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---|---|---|---|---|
JP2006151707A (ja) * | 2004-11-25 | 2006-06-15 | Mitsubishi Chemicals Corp | リチウム遷移金属複合酸化物製造用水酸化リチウム無水物、並びにその製造方法、およびそれを用いたリチウム遷移金属複合酸化物の製造方法 |
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WO2018021453A1 (ja) * | 2016-07-28 | 2018-02-01 | 住友化学株式会社 | リチウムニッケル複合酸化物の製造方法 |
CN115594231A (zh) * | 2022-10-19 | 2023-01-13 | 湖南长远锂科新能源有限公司(Cn) | 应用粗制锂源制备正极材料的方法 |
-
1996
- 1996-09-09 JP JP26025096A patent/JP3863604B2/ja not_active Expired - Fee Related
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