JPWO2011108355A1 - リチウムイオン電池用正極活物質、リチウムイオン電池用正極、及び、リチウムイオン電池 - Google Patents
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Abstract
Description
(式中、MはMn及びCoであり、xは0.9〜1.2であり、yは0.6〜0.9であり、zは1.8〜2.4である。)
で表される層構造を有するリチウムイオン電池用正極活物質であり、該正極活物質の粉体を100MPaでプレスしたときの該正極活物質の密度をD1、300MPaでプレスしたときの該正極活物質の密度をD2とすると、密度比D2/D1が1.065以下であるリチウムイオン電池用正極活物質である。
本発明のリチウムイオン電池用正極活物質の材料としては、一般的なリチウムイオン電池用正極用の正極活物質として有用な化合物を広く用いることができるが、特に、コバルト酸リチウム(LiCoO2)、ニッケル酸リチウム(LiNiO2)、マンガン酸リチウム(LiMn2O4)等のリチウム含有遷移金属酸化物を用いるのが好ましい。このような材料を用いて作製される本発明のリチウムイオン電池用正極活物質は、組成式:Lix(NiyM1-y)Oz
(式中、MはMn及びCoであり、xは0.9〜1.2であり、yは0.6〜0.9であり、zは1.8〜2.4である。)
で表され、層構造を有している。
リチウムイオン電池用正極活物質における全金属に対するリチウムの比率が0.9〜1.2であるが、これは、0.9未満では、安定した結晶構造を保持し難く、1.2超では過剰リチウムが活物質として機能しない別の化合物を形成し、電池の高容量が確保できなくなるためである。
平均粒径が2μm未満であると集電体への塗布が困難となる。平均粒径が8μm超であると充填時に空隙が生じやすくなり、充填性が低下する。また、平均粒径は、より好ましくは3〜6μmである。
本発明の実施形態に係るリチウムイオン電池用正極は、例えば、上述の構成のリチウムイオン電池用正極活物質と、導電助剤と、バインダーとを混合して調製した正極合剤をアルミニウム箔等からなる集電体の片面または両面に設けた構造を有している。また、本発明の実施形態に係るリチウムイオン電池は、このような構成のリチウムイオン電池用正極を備えている。
次に、本発明の実施形態に係るリチウムイオン電池用正極活物質の製造方法について詳細に説明する。
まず、金属塩溶液を作製する。当該金属は、Ni、Co及びMnである。また、金属塩は硫酸塩、塩化物、硝酸塩、酢酸塩等であり、特に硝酸塩が好ましい。これは、焼成原料中に不純物として混入してもそのまま焼成できるため洗浄工程が省けることと、硝酸塩が酸化剤として機能し、焼成原料中の金属の酸化を促進する働きがあるためである。金属塩に含まれる各金属を所望のモル比率となるように調整しておく。これにより、正極活物質中の各金属のモル比率が決定する。
次に、濾別したリチウム含有炭酸塩を乾燥することにより、リチウム塩の複合体(リチウムイオン電池正極活物質用前駆体)の粉末を得る。
その後、焼成容器から粉末を取り出し、粉砕を行うことにより正極活物質の粉体を得る。
また、本発明のリチウムイオン電池用正極は、上述のようにして作製した正極活物質と、導電助剤と、バインダーとを混合して調製した正極合剤をアルミニウム箔等からなる集電体の片面または両面に設けることで作製され、さらに、本発明のリチウムイオン電池は、このリチウムイオン電池用正極を用いて作製される。
まず、表1に記載の量の炭酸リチウムを純水に懸濁させた後、金属塩溶液を1.6L/hrで投入した。ここで、金属塩溶液は、硝酸ニッケル、硝酸コバルト及び硝酸マンガンの各水和物をNi:Mn:Coが表1に記載の組成比になるように調整し、また全金属モル数が14モルになるように調整した。
この処理により溶液中に微小粒のリチウム含有炭酸塩が析出したが、この析出物を、フィルタープレスを使用して濾別した。
続いて、析出物を乾燥してリチウム含有炭酸塩(リチウムイオン電池正極材用前駆体)を得た。
次に、焼成容器を準備し、この焼成容器内にリチウム含有炭酸塩を充填した。次に、焼成容器を焼成炉に入れて、表1に記載の焼成温度まで6時間かけて昇温させ、続いて2時間加熱保持した後冷却して酸化物を得た。次に、得られた酸化物を解砕し、リチウムイオン二次電池正極材の粉末を得た。
各正極材中のLi、Ni、Mn及びCo含有量は、誘導結合プラズマ発光分光分析装置(ICP−AES)で測定し、各金属の組成比(モル比)を算出した。また、X線回折により、結晶構造は層状構造であることを確認した。
平均粒径はレーザー回折法による粒度分布における50%径とした。
各正極材の粉体を4g採取し、17.5mm径のダイスに充填し、24.0kN、72.2kNの力でそれぞれプレスし、得られたペレットの厚みを測定した。これを用いて密度を計算し、100MPaのプレスによる密度D1、及び、300MPaのプレスによる密度D2を得て、これを用いてD2/D1を算出した。
これらの正極材料と、導電材と、バインダーとを85:8:7の割合で秤量し、バインダーを有機溶媒(N−メチルピロリドン)に溶解したものに、正極材料と導電材とを混合してスラリー化し、Al箔上に塗布して乾燥後にプレスして正極とした。続いて、対極をLiとした評価用の2032型コインセルを作製し、電解液に1M−LiPF6をEC−DMC(1:1)に溶解したものを用いて、電流密度0.2Cのときの電池容量に対する電流密度1Cのときの、電池容量の比を算出してレート特性を得た。これらの結果を表1に示す。また、図1に、表1に示した実施例1〜7及び比較例1〜4に係る密度比(D2/D1)とレート特性との関係を表すグラフを示す。
高品質のリチウムイオン電池用正極活物質としてはなお改善の余地がある。
[0006]
そこで、本発明は、良好なレート特性を有するリチウムイオン電池用正極活物質を提供することを課題とする。
課題を解決するための手段
[0007]
本発明者は、鋭意検討した結果、正極活物質のプレスによる密度の変化量と作製される電池のレート特性との間に密接な相関関係があることを見出した。すなわち、密度の測定方法として、かさ密度、タップ密度、プレス密度などの評価方法があるが、実際に電極作製の場合にはプレス工程があるため、プレス後の密度が作製する電池の体積に直接かかわってくる。一般に、プレス時の圧力を上げると密度が上がるが、圧力の変化に対して密度が大きく変化するということは粒子の破壊や変形を意味し、粒子強度が弱いことを示唆している。このような粒子は電気化学的にも不安定である可能性がある。そして、このような観点から検討した結果、プレス圧力の変化による正極活物質の密度の変化量が小さいほど電池のレート特性が高くなることを見出した。
[0008]
上記知見を基礎にして完成した本発明は一側面において、組成式:Lix(NiyM1−y)Oz
(式中、MはMn及びCoであってMnaCo1−a−yで表され、xは0.9〜1.2であり、yは0.6〜0.9であり、zは1.8〜2.4であり、aは0.2以下である。)
で表される層構造を有するリチウムイオン電池用正極活物質であり、該正極活物質の粉体を100MPaでプレスしたときの該正極活物質の密度をD1、300MPaでプレスしたときの該正極活物質の密度をD2とすると、密度比D2/D1が1.065以下であるリチウムイオン電池用正極活物質である。
[0009]
本発明に係るリチウムイオン電池用正極活物質は一実施形態において、密度比D2/D1が1.062以下である。
[0010]
本発明に係るリチウムイオン電池用正極活物質は別の実施形態において、密度比D2/D1が1.060以下である。
[0011]
本発明に係るリチウムイオン電池用正極活物質は更に別の実施形態において、正極活物質の粉体の一次粒子又は二次粒子の平均粒径が2〜8μmである。
[0012]
本発明は、別の側面において、本発明に係るリチウムイオン電池用正極活物質を用いたリチウムイオン電池用正極である。
[0013]
本発明は、更に別の側面において、本発明に係るリチウムイオン電池用正極を用いたリチウムイオン電池である。
発明の効果
[0014]
本発明によれば、良好なレート特性を有するリチウムイオン電池用正極活物質を提供することができる。
図面の簡単な説明
[0015]
[図1]表1に示した実施例1〜7及び比較例1〜4に係る密度比(D2/D1)とレート特性との関係を表すグラフである。
発明を実施するための形態
[0016]
(リチウムイオン電池用正極活物質の構成)
本発明のリチウムイオン電池用正極活物質の材料としては、一般的なリチウムイオン電池用正極用の正極活物質として有用な化合物を広く用いることができるが、特に、コバルト酸リチウム(LiCoO2)、ニッケル酸リチウム(LiNiO2)、マンガン酸リチウム(LiMn2O4)等のリチウム含有遷移金属酸化物を用いるのが好ましい。このような材料を用いて作製される本発明のリチウムイオン電池用正極活物質は、組成式:Lix(NiyM1−y)Oz
(式中、MはMn及びCoであってMnaCo1−a−yで表され、xは0.9〜1.2であり、yは0.6〜0.9であり、zは1.8〜2.4であり、aは0.2以下である。)
で表され、層構造を有している。
リチウムイオン電池用正極活物質における全金属に対するリチウムの比率が0.9〜1.2であるが、これは、0.9未満では、安定した結晶構造を保持し難く、1.2超では過剰リチウムが活物質として機能しない別の化合物を形成し、電池の高容量が確保できなくなるためである。
コバルト及び硝酸マンガンの各水和物をNi:Mn:Coが表1に記載の組成比になるように調整し、また全金属モル数が14モルになるように調整した。
この処理により溶液中に微小粒のリチウム含有炭酸塩が析出したが、この析出物を、フィルタープレスを使用して濾別した。
続いて、析出物を乾燥してリチウム含有炭酸塩(リチウムイオン電池正極材用前駆体)を得た。
次に、焼成容器を準備し、この焼成容器内にリチウム含有炭酸塩を充填した。次に、焼成容器を焼成炉に入れて、表1に記載の焼成温度まで6時間かけて昇温させ、続いて2時間加熱保持した後冷却して酸化物を得た。次に、得られた酸化物を解砕し、リチウムイオン二次電池正極材の粉末を得た。
[0025]
(評価)
各正極材中のLi、Ni、Mn及びCo含有量は、誘導結合プラズマ発光分光分析装置(ICP−AES)で測定し、各金属の組成比(モル比)を算出し、表1の通りとなることを確認した。また、X線回折により、結晶構造は層状構造であることを確認した。
平均粒径はレーザー回折法による粒度分布における50%径とした。
各正極材の粉体を4g採取し、17.5mm径のダイスに充填し、24.0kN、72.2kNの力でそれぞれプレスし、得られたペレットの厚みを測定した。これを用いて密度を計算し、100MPaのプレスによる密度D1、及び、300MPaのプレスによる密度D2を得て、これを用いてD2/D1を算出した。
これらの正極材料と、導電材と、バインダーとを85:8:7の割合で秤量し、バインダーを有機溶媒(N−メチルピロリドン)に溶解したものに、正極材料と導電材とを混合してスラリー化し、Al箔上に塗布して乾燥後にプレスして正極とした。続いて、対極をLiとした評価用の2032型コインセルを作製し、電解液に1M−LiPF6をEC−DMC(1:1)に溶解したものを用いて、電流密度0.2Cのときの電池容量に対する電流密度1
Claims (6)
- 組成式:Lix(NiyM1-y)Oz
(式中、MはMn及びCoであり、xは0.9〜1.2であり、yは0.6〜0.9であり、zは1.8〜2.4である。)
で表される層構造を有するリチウムイオン電池用正極活物質であり、該正極活物質の粉体を100MPaでプレスしたときの該正極活物質の密度をD1、300MPaでプレスしたときの該正極活物質の密度をD2とすると、密度比D2/D1が1.065以下であるリチウムイオン電池用正極活物質。 - 前記密度比D2/D1が1.062以下である請求項1に記載のリチウムイオン電池用正極活物質。
- 前記密度比D2/D1が1.060以下である請求項2に記載のリチウムイオン電池用正極活物質。
- 前記正極活物質の粉体の一次粒子又は二次粒子の平均粒径が2〜8μmである請求項1〜3のいずれかに記載のリチウムイオン電池用正極活物質。
- 請求項1〜4のいずれかに記載のリチウムイオン電池用正極活物質を用いたリチウムイオン電池用正極。
- 請求項5に記載のリチウムイオン電池用正極を用いたリチウムイオン電池。
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