JPWO2012131881A1 - ニッケルマンガン複合水酸化物粒子とその製造方法、非水系電解質二次電池用正極活物質とその製造方法、および非水系電解質二次電池 - Google Patents
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Abstract
Description
少なくともニッケルを含有する金属化合物およびマンガンを含有する金属化合物とアンモニウムイオン供給体とを含む核生成用水溶液を、液温25℃基準で、pH値が12.0〜14.0となるように制御して、酸素濃度が1容量%を超える酸化性雰囲気中で核生成を行う核生成工程と、
該核生成工程において形成された核を含有する粒子成長用水溶液を、液温25℃基準におけるpH値が10.5〜12.0となるように制御するとともに、粒子成長工程の開始時から粒子成長工程時間の全体に対して0〜40%の範囲で、前記酸化性雰囲気から酸素濃度1容量%以下の酸素と不活性ガスの混合雰囲気に切り替えて、前記核を成長させる粒子成長工程とを備えることを特徴とする。
原料として、本発明のニッケルマンガン複合水酸化物粒子を用い、該ニッケルマンガン複合水酸化物粒子を、105〜750℃の温度で熱処理する工程と、前記熱処理後の粒子に対してリチウム化合物を混合して、リチウム混合物を形成する混合工程と、該混合工程で形成された前記混合物を、酸化性雰囲気中800〜980℃の温度で焼成する焼成工程とを備えることを特徴とする。
本発明のニッケルマンガン複合水酸化物粒子は、一般式NixMnyCozMt(OH)2+a(x+y+z+t=1、0.3≦x≦0.8、0.1≦y≦0.55、0≦z≦0.4、0≦t≦0.1、0≦a≦0.5、Mは、Mg、Ca、Al、Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Wから選択される1種以上の添加元素)で表され、複数の板状一次粒子が凝集して形成された略球状の二次粒子であり、該二次粒子は、平均粒径が3〜7μmであり、粒度分布の広がりを示す指標である〔(d90−d10)/平均粒径〕が0.55以下であり、微細一次粒子からなる中心部を有し、中心部の外側に該微細一次粒子よりも大きな板状一次粒子からなる外殻部を有するものである。
本発明の複合水酸化物粒子は、図5に例示されるように、略球状の粒子である。具体的には、図6に例示されるように、複数の板状一次粒子が凝集して形成された略球状の二次粒子となっており、さらに詳細には、粒子内部は微細一次粒子からなる中心部を有し、中心部の外側に該微細一次粒子よりも大きな板状一次粒子からなる外殻部を有する構造を備えている。かかる構造により、本発明の正極活物質であるリチウムニッケルマンガン複合酸化物を形成する焼結工程において、粒子内へのリチウムの拡散が十分に行われるため、リチウムの分布が均一で良好な正極活物質が得られる。
本発明の複合水酸化物粒子は、その平均粒径が、3〜7μm、好ましくは3.5〜6.5μmに調整されている。平均粒径を3〜7μmとすることで、本発明の複合水酸化物粒子を原料として得られる正極活物質を所定の平均粒径(2〜8μm)に調整することができる。このように、複合水酸化物粒子の粒径は、得られる正極活物質の粒径と相関するため、この正極活物質を正極材料に用いた電池の特性に影響するものである。
本発明の複合水酸化物粒子は、その粒度分布の広がりを示す指標である〔(d90−d10)/平均粒径〕が、0.55以下、好ましくは0.52以下となるように調整されている。
本発明の複合水酸化物粒子は、その組成が、以下の一般式で表されるように調整される。このような組成を有するニッケルマンガン複合水酸化物を原料として、リチウムニッケルマンガン複合酸化物を製造すれば、このリチウムニッケルマンガン複合酸化物を正極活物質とする電極を電池に用いた場合に、測定される正極抵抗の値を低くできるとともに、電池性能を良好なものとすることができる。
(x+y+z+t=1、0.3≦x≦0.7、0.1≦y≦0.55、0≦z≦0.4、0≦t≦0.1、0≦a≦0.5、Mは、Mg、Ca、Al、Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Wから選択される1種以上の添加元素)
本発明の複合水酸化物粒子の製造方法は、晶析反応によってニッケルマンガン複合水酸化物粒子を製造する方法であって、a)核生成を行う核生成工程と、b)核生成工程において生成された核を成長させる粒子成長工程とから構成されている。
図1に示すように、まず、ニッケルおよびマンガンを含有する複数の金属化合物を所定の割合で水に溶解させ、混合水溶液を作製する。本発明の複合水酸化物粒子の製造方法では、得られる複合水酸化物粒子における上記各金属の組成比は、混合水溶液における各金属の組成比と同様となる。
核生成工程の終了後、前記核生成用水溶液のpH値を、液温25℃基準で、10.5〜12.0、好ましくは11.0〜12.0となるように調整して、粒子成長工程における反応水溶液である粒子成長用水溶液を得る。具体的には、この調整時のpHの制御は、アルカリ水溶液の供給量を調節することにより行う。
次に、各工程における反応雰囲気の制御、各工程において使用する物質や溶液、反応条件について、詳細に説明する。
上述のように、核生成工程においては、反応水溶液のpH値が、液温25℃基準で12.0〜14.0、好ましくは12.3〜13.5の範囲となるように制御する必要がある。pH値が14.0を超える場合、生成する核が微細になり過ぎ、反応水溶液がゲル化する問題がある。また、pH値が12.0未満では、核形成とともに核の成長反応が生じるので、形成される核の粒度分布の範囲が広くなり不均質なものとなってしまう。すなわち、核生成工程において、上述の範囲に反応水溶液のpH値を制御することで、核の成長を抑制してほぼ核生成のみを起こすことができ、形成される核も均質かつ粒度分布の範囲が狭いものとすることができる。
核生成工程において生成する核の量は、特に限定されるものではないが、粒度分布の良好な複合水酸化物粒子を得るためには、全体量、つまり、複合水酸化物粒子を得るために供給する全金属塩の0.1%から2%とすることが好ましく、1.5%以下とすることがより好ましい。
上記複合水酸化物粒子の粒径は、粒子成長工程の時間により制御できるので、所望の粒径に成長するまで粒子成長工程を継続すれば、所望の粒径を有する複合水酸化物粒子を得ることができる。
金属化合物としては、目的とする金属を含有する化合物を用いる。使用する化合物は、水溶性の化合物を用いることが好ましく、硝酸塩、硫酸塩、塩酸塩などがあげられる。たとえば、硫酸ニッケル、硫酸マンガン、硫酸コバルトが好ましく用いられる。
添加元素(Mg、Ca、Al、Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Wから選択される1種以上の元素)は、水溶性の化合物を用いることが好ましく、たとえば、硫酸チタン、ペルオキソチタン酸アンモニウム、シュウ酸チタンカリウム、硫酸バナジウム、バナジン酸アンモニウム、硫酸クロム、クロム酸カリウム、硫酸ジルコニウム、硝酸ジルコニウム、シュウ酸ニオブ、モリブデン酸アンモニウム、タングステン酸ナトリウム、タングステン酸アンモニウムなどを用いることができる。
混合水溶液の濃度は、金属化合物の合計で1〜2.6mol/L、好ましくは1.5〜2.2mol/Lとすることが好ましい。混合水溶液の濃度が1mol/L未満では、反応槽当たりの晶析物量が少なくなるために生産性が低下して好ましくない。
反応水溶液中のアンモニア濃度は、以下の問題を生じさせないために、好ましくは3〜25g/L、好ましくは5〜20g/Lの範囲内で一定値に保持する。
反応槽内において、反応液の温度は、好ましくは20℃以上、特に好ましくは20〜60℃に設定する。反応液の温度が20℃未満の場合、溶解度が低いため核発生が起こりやすく制御が難しくなる。一方、60℃を超えると、アンモニアの揮発が促進されるため、所定のアンモニア濃度を保つために、過剰のアンモニウムイオン供給体を添加しなければならならず、コスト高となる。
反応水溶液中のpHを調整するアルカリ水溶液については、特に限定されるものではなく、たとえば、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムなどのアルカリ金属水酸化物水溶液を用いることができる。かかるアルカリ金属水酸化物の場合、直接、反応水溶液中に供給してもよいが、反応槽内における反応水溶液のpH制御の容易さから、水溶液として反応槽内の反応水溶液に添加することが好ましい。
本発明の複合水酸化物粒子の製造方法では、反応が完了するまで生成物を回収しない方式の装置を用いる。たとえば、撹拌機が設置された通常に用いられるバッチ反応槽などである。かかる装置を採用すると、一般的なオーバーフローによって生成物を回収する連続晶析装置のように、成長中の粒子がオーバーフロー液と同時に回収されるという問題が生じないため、粒度分布が狭く粒径の揃った粒子を得ることができる。
本発明の正極活物質は、一般式:Li1+uNixMnyCozMtO2(−0.05≦u≦0.50、x+y+z+t=1、0.3≦x≦0.7、0.1≦y≦0.55、0≦z≦0.4、0≦t≦0.1、Mは、Mg、Ca、Al、Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Wから選択される1種以上の添加元素)で表されるリチウムニッケルマンガン複合酸化物粒子であって、層状構造を有する六方晶系の結晶構造を有するものである。
本発明の正極活物質は、リチウムニッケルマンガン複合酸化物粒子であるが、その組成が、以下の一般式で表されるように調整されるものである。
(−0.05≦u≦0.50、x+y+z+t=1、0.3≦x≦0.7、0.1≦y≦0.55、0≦z≦0.4、0≦t≦0.1、Mは、Mg、Ca、Al、Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Wから選択される1種以上の添加元素)
図7に示されるように、本発明の正極活物質は、平均粒径が2〜8μmである。平均粒径が2μm未満の場合には、正極を形成したときに粒子の充填密度が低下して、正極の容積あたりの電池容量が低下する。一方、平均粒径が8μmを超えると、正極活物質の比表面積が低下して、電池の電解液との界面が減少することにより、正極の抵抗が上昇して電池の出力特性が低下する。
図7に例示されるように、本発明の正極活物質は、粒度分布の広がりを示す指標である〔(d90−d10)/平均粒径〕が0.60以下、好ましくは0.55以下である、きわめて均質性が高いリチウムニッケルマンガン複合酸化物の二次粒子により構成される。
本発明の正極活物質は、図8に例示するように、二次粒子内部の中空部とその外側の外殻部で構成される中空構造を有する点に特徴がある。このような中空構造とすることにより、反応表面積を大きくすることができ、かつ、外殻部の一次粒子間の粒界あるいは空隙から電解液が浸入して、粒子内部の中空側の一次粒子表面における反応界面でもリチウムの挿脱入が行われるため、Liイオン、電子の移動が妨げられず、出力特性を高くすることができる。
上記正極活物質は、たとえば、2032型コイン電池の正極に用いた場合、コバルトを添加しない場合において200mAh/g以上、コバルトを原子比でリチウム以外の全金属元素の30%程度添加した場合においても150mAh/g以上の高い初期放電容量と、低い正極抵抗および高いサイクル容量維持率が得られるものとなり、非水系電解質二次電池用正極活物質として優れた特性を示すものである。
本発明の正極活物質の製造方法は、上記平均粒径、粒度分布、粒子構造および組成となるように正極活物質を製造できるのであれば、特に限定されないが、以下の方法を採用すれば、該正極活物質をより確実に製造できるので、好ましい。
熱処理工程は、ニッケルマンガン複合水酸化物粒子(以下、単に「複合水酸化物粒子」という)を105〜750℃の温度に加熱して熱処理する工程であり、複合水酸化物粒子に含有されている水分を除去している。この熱処理工程を行うことによって、粒子中に焼成工程まで残留している水分を一定量まで減少させることができる。これにより、得られる製造される正極活物質中の金属の原子数やリチウムの原子数の割合がばらつくことを防ぐことができる。
混合工程は、上記熱処理工程において熱処理された複合水酸化物粒子(以下、「熱処理粒子」という)などと、リチウムを含有する物質、たとえば、リチウム化合物とを混合して、リチウム混合物を得る工程である。
焼成工程は、上記混合工程で得られたリチウム混合物を焼成して、リチウムニッケルマンガン複合酸化物を形成する工程である。焼成工程においてリチウム混合物を焼成すると、熱処理粒子に、リチウムを含有する物質中のリチウムが拡散するので、リチウムニッケルマンガン複合酸化物が形成される。
リチウム混合物の焼成は、800〜980℃で、より好ましくは820〜960℃で行われる。
焼成時間のうち、所定温度での保持時間は、少なくとも2時間以上とすることが好ましく、より好ましくは、4〜24時間である。2時間未満では、リチウムニッケルマンガン複合酸化物の生成が十分に行われないことがある。保持時間終了後、特に限定されるものではないが、リチウム混合物を匣鉢に積載して焼成する場合には匣鉢の劣化を抑止するため、降下速度を2〜10℃/minとして、200℃以下になるまで雰囲気を冷却することが好ましい。
特に、リチウム化合物として、水酸化リチウムや炭酸リチウムを使用した場合には、焼成する前に、焼成温度より低く、かつ、350〜800℃、好ましくは450〜780℃の温度で1〜10時間程度、好ましくは3〜6時間、保持して仮焼することが好ましい。すなわち、水酸化リチウムや炭酸リチウムと熱処理粒子の反応温度において仮焼することが好ましい。この場合、水酸化リチウムや炭酸リチウムの上記反応温度付近で保持すれば、熱処理粒子へのリチウムの拡散が十分に行われ、均一なリチウムニッケルマンガン複合酸化物を得ることができる。
焼成時の雰囲気は、酸化性雰囲気とすることが好ましく、酸素濃度を18〜100容量%とすることがより好ましく、上記酸素濃度の酸素と不活性ガスの混合雰囲気とすることが特に好ましい。すなわち、焼成は、大気ないしは酸素気流中で行うことが好ましい。酸素濃度が18容量%未満であると、リチウムニッケルマンガン複合酸化物の結晶性が十分でない状態になる可能性がある。特に電池特性を考慮すると、酸素気流中で行うことが好ましい。
焼成によって得られたリチウムニッケルマンガン複合酸化物粒子は、凝集もしくは軽度の焼結が生じている場合がある。この場合には、解砕してもよく、これにより、リチウムニッケルマンガン複合酸化物、つまり、本発明の正極活物質を得ることができる。なお、解砕とは、焼成時に二次粒子間の焼結ネッキングなどにより生じた複数の二次粒子からなる凝集体に、機械的エネルギを投入して、二次粒子自体をほとんど破壊することなく二次粒子を分離させて、凝集体をほぐす操作のことである。
本発明の非水系電解質二次電池は、上記非水系電解質二次電池用正極活物質を正極材料に用いた正極を採用したものである。まず、本発明の非水系電解質二次電池の構造を説明する。
まず、本発明の二次電池の特徴である正極について説明する。正極は、シート状の部材であり、本発明の正極活物質を含有する正極合材ペーストを、たとえば、アルミニウム箔製の集電体の表面に塗布乾燥して形成されている。
負極は、銅などの金属箔集電体の表面に、負極合材ペーストを塗布し、乾燥して形成されたシート状の部材である。この負極は、負極合材ペーストを構成する成分やその配合、集電体の素材などは異なるものの、実質的に前記正極と同様の方法によって形成され、正極と同様に、必要に応じて各種処理が行われる。
セパレータは、正極と負極との間に挟み込んで配置されるものであり、正極と負極とを分離し、電解質を保持する機能を有している。かかるセパレータは、たとえば、ポリエチレンやポリプロピレンなどの薄い膜で、微細な孔を多数有する膜を用いることができるが、上記機能を有するものであれば、特に限定されない。
非水系電解液は、支持塩としてのリチウム塩を有機溶媒に溶解したものである。
本発明の非水系電解質二次電池は、上記構成であり、本発明の正極活物質を用いた正極を有しているので、高い初期放電容量、低い正極抵抗が得られ、高容量で高出力となる。しかも、従来のリチウムニッケル系酸化物の正極活物質との比較においても、熱安定性が高く、安全性においても優れているといえる。
本発明の二次電池は、上記性質を有するので、常に高容量を要求される小型携帯電子機器(ノート型パーソナルコンピュータや携帯電話端末など)の電源に好適である。
[複合水酸化物粒子の製造]
複合水酸化物粒子を、以下のようにして作製した。なお、すべての実施例を通じて、複合水酸化物粒子、正極活物質および二次電池の作製には、和光純薬工業株式会社製試薬特級の各試料を使用した。
まず、反応槽(34L)内に、水を半分の量まで入れて撹拌しながら、槽内温度を40℃に設定した。このときの反応槽内は、大気雰囲気(酸素濃度:21容量%)とした。この反応槽内の水に、25質量%水酸化ナトリウム水溶液と25質量%アンモニア水を適量加えて、液温25℃基準で、槽内の反応液のpH値が13.0となるように調整した。さらに、該反応液中のアンモニア濃度を15g/Lに調節して反応前水溶液とした。
核生成終了後、反応水溶液のpH値が液温25℃基準で11.6になるまで、25質量%水酸化ナトリウム水溶液の供給のみを一時停止した。
得られた複合水酸化物について、その試料を無機酸により溶解した後、ICP発光分光法により化学分析を行ったところ、その組成は、Ni0.5Mn0.5(OH)2+a(0≦a≦0.5)であった。
上記複合水酸化物粒子を、空気(酸素:21容量%)気流中にて、700℃で6時間の熱処理を行って、複合酸化物粒子に転換して回収した。
複合水酸化物粒子と同様の方法で、得られた正極活物質の粒度分布を測定したところ、平均粒径は4.8μmであり、〔(d90−d10)/平均粒径〕値は、0.49であった。
得られた正極活物質の評価には、2032型コイン電池を使用した。図9に示すように、このコイン型電池1は、ケース2と、このケース2内に収容された電極3とから構成されている。
得られたコイン型電池1の性能を評価する、初期放電容量、サイクル容量維持率、正極抵抗は、以下のように定義した。
Li/Me=1.25となるように水酸化リチウムと複合酸化物粒子を混合したこと、焼成温度を850℃としたこと以外は、実施例1と同様にして、非水系電解質二次電池用正極活物質を得るとともに評価を行った。得られた正極活物質の組成は、Liが8.84質量%、Niが29.9質量%、Mnが28.0質量%の組成であり、Li1.25Ni0.50M0.50O2であることが確認された。
複合水酸化物粒子製造工程における粒子成長工程において、大気雰囲気から窒素雰囲気への切り替えを、粒子成長工程時間全体に対して6.25%の時点で行ったこと以外は、実施例1と同様にして、非水系電解質二次電池用正極活物質を得るとともに評価した。なお、得られた複合水酸化物粒子および正極活物質の組成は、実施例1と同様であり、複合水酸化物粒子は実施例1と同様に針状の微細一次粒子(粒径およそ0.3μm)からなる中心部と、該中心部の外側にこの微細一次粒子よりも大きい板状の一次粒子(粒径0.7μm)からなる外殻部とにより構成されていた。
複合水酸化物粒子製造工程において、硫酸ニッケルと硫酸マンガンに加えて、タングステン酸ナトリウムを水に溶かして1.8mol/Lの混合水溶液を形成したこと以外は、実施例1と同様にして、非水系電解質二次電池用正極活物質を得るとともに評価した。なお、この混合水溶液では、各金属の元素モル比が、Ni:Mn:W=49.25:49.25:0.5となるように調整した。得られた複合水酸化物の組成は、Ni0.4925Mn0.4925W0.005(OH)2+a(0≦a≦0.5)であった。また、得られた正極活物質の組成は、Liが9.54質量%、Niが29.2質量%、Mnが27.3質量%、Wが0.93質量%の組成であり、Li1.36Ni0.4925Mn0.4925W0.005O2であることが確認された。
複合水酸化物粒子製造工程において、硫酸ニッケルと硫酸マンガンに加えて、硫酸ジルコニウムを水に溶かして1.8mol/Lの混合水溶液を形成したこと以外は、実施例1と同様にして、非水系電解質二次電池用正極活物質を得るとともに評価した。なお、この混合水溶液では、各金属の元素モル比が、Ni:Mn:Zr=49.25:49.25:0.5となるように調整した。得られた複合水酸化物の組成は、Ni0.4925Mn0.4925Zr0.005(OH)2+a(0≦a≦0.5)であった。また、得られた正極活物質の組成は、Liが9.58質量%、Niが29.3質量%、Mnが27.5質量%、Zrが0.46質量%の組成であり、Li1.36 Ni0.4925Mn0.4925Zr0.005O2であることが確認された。
Li/Me=1.10となるように、水酸化リチウムと複合酸化物粒子を混合したこと以外は実施例1と同様にして、非水系電解質二次電池用正極活物質を得るとともに評価した。なお、得られた正極活物質の組成は、Liが7.86質量%、Niが30.2質量%、Mnが28.3質量%の組成であり、Li1.10Ni0.50Mn0.50O2であることが確認された。
複合水酸化物粒子製造工程において、槽内温度を50℃、アンモニア濃度を20g/Lとしたこと以外は、実施例1と同様にして、非水系電解質二次電池用正極活物質を得るとともに評価した。なお、得られた複合水酸化物および正極活物質の組成は、実施例1と同様であり、複合水酸化物粒子は実施例1と同様に針状の微細一次粒子(粒径およそ0.3μm)からなる中心部と、該中心部の外側にこの微細一次粒子よりも大きい板状の一次粒子(粒径およそ0.7μm)からなる外殻部とにより構成されていた。
複合水酸化物粒子製造工程において、粒子成長工程における、大気雰囲気から窒素雰囲気への切り替えを、粒子成長工程時間全体に対して25%の時点で行ったこと以外は、実施例1と同様にして、非水系電解質二次電池用正極活物質を得るとともに評価した。なお、得られた複合水酸化物および正極活物質の組成は、実施例1と同様であり、複合水酸化物粒子は実施例1と同様に針状の微細一次粒子(粒径0.3μm)からなる中心部と、該中心部の外側にこの微細一次粒子よりも大きい板状の一次粒子(粒径0.5μm)からなる外殻部とにより構成されていた。
上部にオーバーフロー用配管を備えた連続晶析用の反応槽を用いて、大気雰囲気中で、反応水溶液のpH値を液温25℃基準で11.0の一定値に保ちながら、実施例1と同様の混合水溶液とアンモニア水溶液および水酸化ナトリウム溶液を一定流量で連続的に加えて、オーバーフローするスラリーを連続的に回収する、一般的な方法により晶析を行った。反応槽内の平均滞留時間を10時間として、連続槽内が平衡状態になってから、スラリーを回収して、固液分離して、晶析物を得たこと以外は、実施例1と同様にして、非水系電解質二次電池用正極活物質を得るとともに評価した。なお、得られた複合水酸化物および正極活物質の組成は、実施例1と同様であった。複合水酸化物粒子全体が実施例1の外殻部と同様な一次粒子で構成されたため、正極活物質は緻密な中実構造の粒子となった。
核生成時と粒子成長時のpH値を、いずれも液温25℃基準で11.6の一定値に保ったこと以外は、実施例1と同様にして、非水系電解質二次電池用正極活物質を得るとともに評価した。晶析中は、反応槽内空間に窒素ガスを5L/minで流通させて、酸素濃度が0.2容量%以下となるように保持した。なお、得られた複合水酸化物および正極活物質の組成は、実施例1と同様であった。複合水酸化物粒子全体が実施例1の外殻部と同様な一次粒子で構成されたため、正極活物質は緻密な中実構造の粒子となった。
核生成時と粒子成長時のpH値を、いずれも液温25℃基準で12.6の一定値に保ったこと以外は、実施例1と同様にして、ニッケルマンガン複合水酸化物を得た。晶析中は、反応槽内空間に窒素ガスを5L/minで流通させて、酸素濃度が0.2容量%以下となるように保持した。しかしながら、晶析反応全期間において新たな核が生成したために、粒度分布が広くゲル状の析出物を含む不定形の粒子となり、固液分離が困難であり処理を中止した。
焼成温度を1000℃としたこと以外は、実施例1と同様にして、非水系電解質二次電池用正極活物質を得るとともに評価した。なお、得られた複合水酸化物および正極活物質の組成は、実施例1と同様であった。ただし、X線回折測定の結果から、六方晶の結晶構造が崩れており、正極活物質としての性能が期待できないため電池評価は行わなかった。
粒成長工程における大気雰囲気から窒素雰囲気への切り替えを、粒子成長工程開始時から粒子成長工程時間全体に対して50%の時点で行ったこと以外は、実施例1と同様にして、非水系電解質二次電池用正極活物質を得るとともに評価した。複合水酸化物の外殻部の厚さが不足していたため、正極活物質とする焼成段階において二次粒子同士の焼結が進み、粗大粒を含む活物質となった。なお、得られた複合水酸化物および正極活物質の組成は、実施例1と同様であった。
実施例1〜7の複合水酸化物粒子および正極活物質は、本発明に従って製造されたため、平均粒径および粒度分布の広がりを示す指標である〔(d90−d10)/平均粒径〕値のいずれもが、好ましい範囲にあり、粒径分布が良好で粒径がほぼ揃った粒子となっている。また、いずれの正極活物質も、凝集した一次粒子が焼結している外殻部と、その内側の中空部とからなる構造を備えている。これらの正極活物質を用いたコイン型電池は、初期放電容量が高く、サイクル特性に優れ、正極抵抗も低いものとなっており、優れた特性を有した電池となっている。
反応前水溶液のpH値を、液温25℃基準で12.8に、液中アンモニア濃度を10g/Lに調節するとともに、硫酸ニッケル、硫酸コバルト、硫酸マンガン、硫酸ジルコニウムを水に溶かして、各金属の元素モル比が、Ni:Co:Mn:Zr=33.2:33.1:33.3:0.5となるようにして得た1.8mol/Lの混合水溶液を用い、核生成時の反応水溶液のpH値を12.8に制御して、かつ、粒子成長工程開始時に窒素流通を開始し、大気雰囲気から窒素雰囲気に切り替える(粒子成長工程開始時から粒子成長工程時間全体に対して0%)とともに、アンモニア濃度を上記値に保持して、粒子成長時の反応水溶液のpH値を11.6に制御しつつ、2時間晶析し、上澄み液の半量抜き出し後、さらに2時間晶析したことを除き、実施例1と同様にして、Ni0.332Co0.331Mn0.332Zr0.005(OH)2+a(0≦a≦0.5)で表されるニッケルマンガン複合水酸化物を得た。
晶析反応時に、タングステン酸ナトリウム水溶液を同時に連続的に添加したこと以外は、実施例9と同様にして、Ni0.33Co0.33Mn0.33Zr0.005W0.005(OH)2+a(0≦a≦0.5)で表されるニッケルマンガン複合水酸化物を得て、かつ、加熱処理を行った。焼成温度を930℃としたこと以外は、実施例9と同様にして、Liが8.07質量%、Niが19.6質量%、Coが19.7質量%、Mnが18.3質量%、Zrが0.46質量%、Wが0.93質量%の組成で、Li1.15Ni0.33Co0.33Mn0.33Zr0.005W0.005O2で表される正極活物質を得た。
核生成工程でのpH値を12.6、混合水溶液の添加時間を2分30秒から30秒に変更し、粒子成長工程を開始して60分後から窒素流通を開始し、大気雰囲気から窒素雰囲気に切り替え(粒子成長工程開始時から粒子成長工程時間全体に対して25%)、核生成工程および粒子成長工程におけるアンモニア濃度を5g/Lに保持したこと以外は、実施例10と同様にして、ニッケルコバルトマンガン複合水酸化物を得た。また、得られた複合水酸化物を用いて、実施例10と同様にして、加熱処理と焼成を行い、正極活物質を得た。なお、得られた複合水酸化物および正極活物質の組成は、実施例10と同様であった。
Ni、Co、Mnの組成を、それぞれx=0.50、y=0.25、z=0.25となるように複合水酸化物の調製を行ったこと以外は、実施例11と同様にして、ニッケルマンガン複合水酸化物を得た。Li/M比を1.05、焼成条件を850℃、10時間としたこと以外は、実施例1と同様にして、Liが7.19質量%、Niが28.7質量%、Coが14.4質量%、Mnが13.4質量%、Zrが0.45質量%、Wが0.91質量%の組成で、Li1.05Ni0.495Co0.248Mn0.247Zr0.005W0.005O2で表される正極活物質を得た。
実施例9と同様にして得られた正極活物質を流動乾燥装置(株式会社パウレック製、MP−01)にて180℃の熱風を送りながら乾燥させると共に、タングステン酸リチウム水溶液を噴霧せしめ、正極活物質表面にタングステン酸リチウムを被覆させた正極活物質を得た。なお、得られた活物質の組成は実施例10と同様であり、断面SEM観察のEDX分析によりタングステンが活物質粒子の表面付近に多く存在することが確認された。
実施例9と同様にして得られた複合水酸化物をタングステン酸アンモニウム溶液に150g/Lとなるように分散し、スラリー化したのち、該スラリーをマイクロミストドライヤ(藤崎電機株式会社製、MDL−050M)を用いて噴霧乾燥し、タングステン酸アンモニウム塩を被覆させた複合水酸化物を得た以外は、実施例10と同様にして正極活物質を得た。なお、得られた活物質の組成は実施例10と同様であり、断面SEM観察のEDX分析によりタングステンが活物質粒子の表面付近に多く存在することが確認された。
焼成条件を1050℃、10時間としたこと以外は、実施例9と同様にして、複合酸化物正極活物質を得た。焼成温度が高く焼結が進んだために、比表面積が低く、正極抵抗値が高くなっていた。
核生成工程および粒子成長工程における晶析反応中に窒素を流通させて、非酸化性雰囲気(酸素:0.2容量%以下)としたこと以外は、実施例10と同様にして、正極活物質を得た。
核生成工程および粒子成長工程における晶析反応中に窒素を流通させて、非酸化性雰囲気(酸素:0.2容量%以下)としたこと以外は、実施例12と同様にして、リチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物を得た。
2 ケース
2a 正極缶
2b 負極缶
2c ガスケット
3 電極
3a 正極
3b 負極
3c セパレータ
Claims (21)
- 晶析反応によって一般式:NixMnyCozMt(OH)2+a(x+y+z+t=1、0.3≦x≦0.7、0.1≦y≦0.55、0≦z≦0.4、0≦t≦0.1、0≦a≦0.5、Mは添加元素であり、Mg、Ca、Al、Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Wから選択される1種以上の元素)で表されるニッケルマンガン複合水酸化物粒子を製造する製造方法であって、
少なくともニッケルを含有する金属化合物およびマンガンを含有する金属化合物とアンモニウムイオン供給体とを含む核生成用水溶液を、液温25℃基準で、pH値が12.0〜14.0となるように制御して、酸素濃度が1容量%を超える酸化性雰囲気中で核生成を行う核生成工程と、
該核生成工程において形成された核を含有する粒子成長用水溶液を、液温25℃基準におけるpH値が10.5〜12.0となるように制御するとともに、粒子成長工程の開始時から粒子成長工程時間の全体に対して0〜40%の範囲で前記酸化性雰囲気から酸素濃度1容量%以下の酸素と不活性ガスの混合雰囲気に切り替えて、前記核を成長させる粒子成長工程と、
を備えることを特徴とするニッケルマンガン複合水酸化物粒子の製造方法。 - 前記酸化性雰囲気の酸素濃度が10容量%以上である、請求項1に記載のニッケルマンガン複合水酸化物粒子の製造方法。
- 前記混合雰囲気の酸素濃度が、0.5容量%以下である、請求項1に記載のニッケルマンガン複合水酸化物粒子の製造方法。
- 前記粒子成長工程において、大気雰囲気から不活性ガスの混合雰囲気への切り替えを、粒子成長工程の開始時から粒子成長工程時間の全体に対して0〜30%の範囲で行うことを特徴とする、請求項1に記載のニッケルマンガン複合水酸化物粒子の製造方法。
- 前記粒子成長用水溶液として、前記核生成工程が終了した前記核生成用水溶液のpHを調整して形成されたものを用いることを特徴とする、請求項1記載のニッケルマンガン複合水酸化物粒子の製造方法。
- 前記粒子成長用水溶液は、前記核生成工程において形成された核を含有する水溶液を、該核を形成した核生成用水溶液とは異なる水溶液に対して添加したものであることを特徴とする、請求項1記載のニッケルマンガン複合水酸化物粒子の製造方法。
- 前記粒子成長工程において、前記粒子成長用水溶液の液体部の一部を排出することを特徴とする、請求項1に記載のニッケルマンガン複合水酸化物粒子の製造方法。
- 前記核生成工程および前記粒子成長工程において、前記核生成用および粒子成長用水溶液の温度を、20℃以上に維持することを特徴とする、請求項1に記載のニッケルマンガン複合水酸化物粒子の製造方法。
- 前記核生成工程および前記粒子成長工程において、各水溶液のアンモニア濃度を3〜25g/Lの範囲内に維持することを特徴とする、請求項1に記載のニッケル複合水酸化物粒子の製造方法。
- 前記粒子成長工程で得られたニッケルマンガン複合水酸化物に、前記1種以上の添加元素を含む化合物を被覆することを特徴とする、請求項1に記載のニッケルマンガン複合水酸化物粒子の製造方法。
- 一般式:NixMnyCozMt(OH)2+a(x+y+z+t=1、0.3≦x≦0.7、0.1≦y≦0.55、0≦z≦0.4、0≦t≦0.1、0≦a≦0.5、Mは添加元素であり、Mg、Ca、Al、Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Wから選択される1種以上の元素)で表され、複数の一次粒子が凝集して形成された略球状の二次粒子であり、該二次粒子は、平均粒径が3〜7μmであり、粒度分布の広がりを示す指標である〔(d90−d10)/平均粒径〕が0.55以下であり、微細一次粒子からなる中心部を有し、中心部の外側に該微細一次粒子よりも大きな板状一次粒子からなる外殻部を有することを特徴とする、ニッケルマンガン複合水酸化物粒子。
- 前記微細一次粒子は、平均粒径0.01〜0.3μmであり、前記微細一次粒子よりも大きな板状一次粒子は、平均粒径0.3〜3μmであることを特徴とする、請求項11に記載のニッケルマンガン複合水酸化物粒子。
- 前記外殻部の厚さは、前記二次粒子の粒径に対する比率で5〜45%であることを特徴とする、請求項11に記載のニッケルマンガン複合水酸化物粒子。
- 前記1種以上の添加元素が、前記二次粒子の内部に均一に分布および/または該二次粒子の表面を均一に被覆していることを特徴とする、請求項11に記載のニッケルマンガン複合水酸化物粒子。
- 一般式:Li1+uNixMnyCozMtO2(−0.05≦u≦0.50、x+y+z+t=1、0.3≦x≦0.7、0.1≦y≦0.55、0≦z≦0.4、0≦t≦0.1、Mは添加元素であり、Mg、Ca、Al、Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Wから選択される1種以上の元素)で表され、層状構造を有する六方晶系の結晶構造を有するリチウムニッケルマンガン複合酸化物からなる正極活物質の製造方法であって、
請求項11〜14のいずれかに記載の前記ニッケルマンガン複合水酸化物粒子を、105〜750℃の温度で熱処理する工程と、前記熱処理後の粒子に対してリチウム化合物を混合してリチウム混合物を形成する混合工程と、該混合工程で形成された前記混合物を、酸化性雰囲気中、800℃〜980℃の温度で焼成する焼成工程とを備えることを特徴とする、非水系電解質二次電池用正極活物質の製造方法。 - 前記リチウム混合物は、該リチウム混合物に含まれるリチウム以外の金属の原子数の和とリチウムの原子数との比が、1:0.95〜1.5となるように調整されることを特徴とする、請求項15に記載の非水系電解質二次電池用正極活物質の製造方法。
- 前記焼成工程において、焼成前に予め350℃〜800℃の温度で仮焼を行うことを特徴とする、請求項15に記載の非水系電解質二次電池用正極活物質の製造方法。
- 前記焼成工程における酸化性雰囲気を、18容量%〜100容量%の酸素を含有する雰囲気とすることを特徴とする、請求項15に記載の非水系電解質二次電池用正極活物質の製造方法。
- 一般式:Li1+uNixMnyCozMtO2(−0.05≦u≦0.50、x+y+z+t=1、0.3≦x≦0.7、0.1≦y≦0.55、0≦z≦0.4、0≦t≦0.1、Mは添加元素であり、Mg、Ca、Al、Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Wから選択される1種以上の元素)で表され、層状構造を有する六方晶系リチウム含有複合酸化物により構成されるリチウムニッケルマンガン複合酸化物からなる正極活物質であって、平均粒径が2〜8μmであり、粒度分布の広がりを示す指標である〔(d90−d10)/平均粒径〕が0.60以下であり、凝集した一次粒子が焼結している外殻部と、その内側に存在する中空部とからなる中空構造を備えることを特徴とする、非水系電解質二次電池用正極活物質。
- 前記外殻部の厚さは、前記リチウムニッケルマンガン複合酸化物粒子の粒径に対する比率で5〜45%であることを特徴とする、請求項19に記載の非水系電解質二次電池用正極活物質。
- 正極が、請求項19または20に記載の非水系電解質二次電池用正極活物質によって形成されていることを特徴とする、非水系電解質二次電池。
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