JPWO2012133113A1 - 正極活物質粒子粉末及びその製造方法、並びに非水電解質二次電池 - Google Patents

正極活物質粒子粉末及びその製造方法、並びに非水電解質二次電池 Download PDF

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Abstract

充放電容量およびサイクル特性、熱安定性を改良した正極活物質粒子粉末を提供する。少なくとも空間群R−3mに属する結晶系と空間群C2/mに属する結晶系とを有する化合物であり、特定のピーク強度比を有し、Mn含有量がモル比でMn/(Ni+Co+Mn)が0.55以上であり、ホウ素を0.01〜1wt%含み、フッ素を0.01〜5wt%含み、且つ元素A(元素AはAl、Mg、Ti、Zr、Ca、Fe、Zn、Mo、Biから選ばれる一種以上の元素)を0.004〜9wt%含むことを特徴とする正極活物質粒子粉末は、MnとNi及び/又はCoとを含む前駆体粒子粉末及びリチウム化合物、ホウ素化合物、フッ素化合物、元素Aの化合物を含有する混合物を焼成して得ることができる。【選択図】 なし

Description

本発明は、国等の委託研究の成果に係る特許出願(平成21年度独立行政法人新エネルギー・産業技術開発機構「次世代自動車用高性能蓄電システム技術開発/要素技術開発/多層構造粒子設計による高出力リチウムイオン電池用正極活物質の研究開発」委託研究、産業技術力強化法第19条の適用を受ける特許出願第2011−76581号に基づく発明である。
本発明は、充放電容量が大きく、サイクル特性及び熱安定性に優れた非水電解質二次電池用正極活物質粒子粉末を提供する。
近年、AV機器やパソコン等の電子機器のポータブル化、コード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求が高くなっている。また、近年地球環境への配慮から、電気自動車、ハイブリッド自動車の開発及び実用化がなされ、大型用途として保存特性の優れたリチウムイオン二次電池への要求が高くなっている。このような状況下において、充放電容量が大きいという長所を有するリチウムイオン二次電池が注目されている。
従来、4V級の電圧をもつ高エネルギー型のリチウムイオン二次電池に有用な正極活物質としては、スピネル型構造のLiMn、ジグザグ層状構造のLiMnO、層状岩塩型構造のLiCoO、LiNiO等が一般的に知られており、なかでもLiNiOを用いたリチウムイオン二次電池は高い充放電容量を有する電池として注目されてきた。しかし、この材料は、充電時の熱安定性及び充放電サイクル耐久性に劣るため、更なる特性改善が求められている。
即ち、LiNiOはリチウムを引き抜いた際に、Ni3+がNi4+となりヤーンテラー歪を生じ、Liを0.45引き抜いた領域で六方晶から単斜晶へ、さらに引き抜くと単斜晶から六方晶へと結晶構造が変化する。そのため、充放電反応を繰り返すことによって結晶構造が不安定となり、サイクル特性が悪くなる、又酸素放出による電解液との反応などが起こり、電池の熱安定性及び保存特性が悪くなるといった特徴があった。この課題を解決する為に、LiNiOのNiの一部にCo及びAlを添加した材料の研究が行われてきたが、未だにこれらの課題を解決した材料は得られておらず、より安定性の高い複合酸化物が求められている。
従来、結晶構造の安定化、充放電サイクル特性、熱安定性などの諸特性改善のために、LiNiO粉末に対して種々の改良が行われている。例えば、LiNiAlOの表面にLi−Ni−Co−Mn複合酸化物を被覆し、サイクル特性を改善する技術(特許文献1)、材料の種類は違うがLi−Co複合酸化物とLi−Ni−Co−Mn複合酸化物を混合し、Li−Co複合酸化物の充放電サイクル特性を改善する技術(特許文献2)、Li−Co複合酸化物に炭酸リチウム、Ni(OH)、Co(OH)、炭酸マンガンを懸濁させる若しくは、Li−Ni−Co−Mn複合酸化物を機械的処理によって被覆することにより、Li−Co複合酸化物の充放電サイクル特性を改善する技術(特許文献3及び特許文献4)、フッ素化合物のコーティングによって結晶性や熱安定性を改善する技術(特許文献7及び特許文献8)が知られているが、まだ不十分である。
近年、より高容量のC2/mの空間群に属するLiMnOを含む正極活物質が高い充放電容量を示すことが見出されているが、高い電位で充電するためにサイクル特性が悪いという二次電池としては致命的な欠点があることが知られている(特許文献5)。サイクル特性については改善されたという報告もあるものの、未だ不十分である(特許文献6)。
また、前述の理由により、正極活物質は高電位充電を行うほど遷移金属の酸化が進んで不安定になるが、このC2/mの空間群に属するLiMnOを含む正極活物質は高電位で充電を行うため、より高い熱安定性が求められる。
特開2004−127694号公報 特開2005−317499号公報 特開2006−331943号公報 特開2007−48711号公報 特開平9−55211号公報 特開2008−270201号公報 特表2008−536285号公報 特表2010−232001号公報
充放電容量及びサイクル特性、熱安定性に優れた非水電解質二次電池用の正極活物質は、現在最も要求されているところであるが、未だ必要十分な要求を満たす材料は得られていない。
特に、電気自動車等では、軽量で大容量かつ安全性の高い二次電池が渇望されている。
そこで、本発明の目的は、充放電容量が大きく、サイクル特性に優れ、熱安定性の高い非水電解質二次電池用正極活物質粒子粉末、その製造方法及び該正極活物質粒子粉末を含有する正極からなる非水電解質二次電池を提供することである。
本発明は、少なくとも空間群R−3mに属する結晶系と空間群C2/mに属する結晶系とを有する化合物からなる正極活物質粒子粉末であって、当該化合物は少なくともLiとMnとCo及び/又はNiとを含有する複合酸化物及び元素A(元素AはAl、Mg、Ti、Zr、Ca、Fe、Zn、Mo、Biから選ばれる一種以上の元素)、ホウ素、フッ素から成り、当該化合物のMn含有量はモル比でMn/(Ni+Co+Mn)が0.55以上であり、ホウ素を0.01〜1wt%含み、フッ素を0.01〜5wt%含み、且つ前記元素Aを0.004〜9wt%含み、当該正極活物質粒子粉末のCu−Kα線を使用した粉末X線回折図の2θ=20.8±1°における最大回折ピークの強度(a)と2θ=18.6±1°における最大回折ピークの強度(b)との相対強度比(a)/(b)が0.02〜0.2であることを特徴とする正極活物質粒子粉末である(本発明1)。
また、本発明は、空間群R−3mに属する結晶系を有する化合物として、LiMMn1−x(MはNi及び/またはCo、0<x≦1)を、空間群C2/mに属する結晶系を含む化合物として、LiM’(1−y)Mn(M’はNi及び/またはCo、0<y≦1)を有する本発明1に記載の正極活物質粒子粉末である(本発明2)。
また、本発明は、Li/(Ni+Co+Mn)がモル比で1.2〜1.7である本発明1又は2に記載の複合化された正極活物質粒子粉末である(本発明3)。
また、本発明は、BET法による比表面積が0.05〜20m/gである本発明1〜3のいずれかに記載の正極活物質粒子粉末である(本発明4)。
また、本発明は、一次粒子が凝集した二次粒子からなる正極活物質粒子粉末であって、平均一次粒子径が5μm以下であって平均二次粒子径が1〜50μmである本発明1〜4のいずれかに記載の正極活物質粒子粉末である(本発明5)。
また、本発明は、本発明1〜5のいずれかに記載の正極活物質粒子粉末の製造方法であって、(1)遷移金属を含む前駆体粒子粉末とホウ素化合物とリチウム化合物とフッ素化合物と元素Aの化合物を乾式混合した混合物を焼成する工程、(2)遷移金属を含む前駆体粒子を含むスラリー等にホウ素化合物とフッ素化合物と元素Aの化合物を湿式混合した混合物の乾燥粉末にリチウム化合物を混合して焼成する工程、又は(3)遷移金属を含む前駆体粒子粉末とホウ素化合物とリチウム化合物とを乾式又は湿式混合した混合物粉末を焼成し、この焼成物をフッ素化合物及び元素Aの化合物と乾式又は湿式混合した混合物粉末を熱処理する工程の何れかから成る本発明1〜5のいずれかに記載の正極活物質粒子粉末の製造方法である(本発明6)。
また、本発明は、本発明1〜5のいずれかに記載の正極活物質粒子粉末を含有する正極を用いたことを特徴とする非水電解質二次電池である(本発明7)。
本発明に係る正極活物質粒子粉末は、充放電容量が大きく、サイクル特性及び熱安定性を向上させることができるので、非水電解質二次電池用の正極活物質粒子粉末として好適である。
実施例3で得られた正極活物質粒子粉末のX線回折図である。 実施例1と比較例3で得られた正極活物質粒子粉末を塗布し、充放電を行った正極シートの熱安定性試験の図である。
本発明の構成をより詳しく説明すれば次の通りである。
本発明に係る正極活物質粒子粉末は、少なくとも空間群R−3mに属する結晶系と空間群C2/mに属する結晶系とを有する化合物からなり、少なくともLiとMnとCo及び/又はNiとを含有する複合酸化物及び元素A(元素AはAl、Mg、Ti、Zr、Ca、Fe、Zn、Mo、Biから選ばれる一種以上の元素)、ホウ素、フッ素からなる化合物である。なお、少なくともLiとMnとCo及び/又はNiとを含有する複合酸化物及び元素A(元素AはAl、Mg、Ti、Zr、Ca、Fe、Zn、Mo、Biから選ばれる一種以上の元素)、ホウ素、フッ素から成る物質は、あらかじめ作製した遷移金属を含む前駆体粒子粉末とホウ素化合物とリチウム化合物とフッ素化合物と元素Aの化合物とを種々の方法で混合し、焼成または熱処理して得るため、各元素が均一に分散した物質ではないが、本発明においては、便宜上「化合物」という語を使用することもある。また、この焼成混合物(すなわち化合物)は粉末粒子であり、そのまま正極活物質粒子粉末を意味することもある。
空間群R−3mに属する結晶系を有する化合物としては、LiMMn1−x(MはNi及び/又はCo、xの範囲が0<x≦1)が好ましい。具体的には、LiCoMn1−x2、LiNiMn1−x、Li(Ni、Co)Mn1−xなどが好ましい。
なお、空間群R−3mは正式には、R3mの3の上にバーのついた表記が正しいが、ここでは便宜上、R−3mと記す。
空間群C2/mに属する結晶系を有する化合物としては、LiM’(1−y)Mn(M’はNi及び/又はCo、yの範囲が0<y≦1)が好ましい。
本発明に係る正極活物質粒子粉末(化合物)について、Cu−Kα線を線源とした粉末X線回折を行った場合に、空間群R−3mに属する結晶系に属する化合物であるLiMMn1−xに特徴的なピークの一つが2θ=18.6±1°に現れ、空間群C2/mに属する結晶系に属する化合物であるLiM’(1−y)Mnに特徴的なピークの一つが2θ=20.8±1°に現れる。
本発明に係る正極活物質粒子粉末(化合物)の2θ=20.8±1°における最大回折ピークの強度(a)と2θ=18.6±1°における最大回折ピークの強度(b)との相対強度比(a)/(b)は0.02〜0.2である。相対強度比(a)/(b)が0.02未満の場合には、空間群C2/mに属する結晶系を有する化合物が少なすぎて十分な充放電容量が得られず、相対強度比(a)/(b)が0.2を超える場合には、空間群C2/mに属する結晶系を有する化合物が多すぎてスムーズなリチウムイオンの移動ができずに十分な充放電容量が得られない。好ましい相対強度比(a)/(b)は0.02〜0.15であり、より好ましくは0.02〜0.12であり、さらにより好ましくは0.025〜0.08である。
本発明に係る正極活物質粒子粉末(化合物)は、(Li/(Ni+Co+Mn))がモル比で1.2〜1.7であることが好ましい。(Li/(Ni+Co+Mn))が1.2未満では充電に寄与できるリチウムが少なくなって充電容量が低くなり、1.7を超えると逆にリチウムが多くなりすぎて放電容量が低くなる。より好ましくは1.25〜1.65、さらに好ましくは1.3〜1.6である。
本発明に係る正極活物質粒子粉末(化合物)は、Mn含有量がモル比でMn/(Ni+Co+Mn)が0.55以上である。これを下回ると空間群C2/mに属する結晶系を有する化合物が十分形成されず、充放電容量が低下する。好ましいMn含有量は0.56以上であり、より好ましくは、0.6以上であり、さらにより好ましくは0.65以上である。また、上限は、好ましくは0.95程度である。
本発明に係る正極活物質粒子粉末(化合物)は、Ni含有量がモル比でNi/(Ni+Co+Mn)が0〜0.45であることが好ましい。0.45を超えると熱安定性が低下するので好ましくない。より好ましいNi含有量は0〜0.4であり、さらにより好ましくは0〜0.35である。
本発明に係る正極活物質粒子粉末(化合物)は、Co含有量がモル比でCo/(Ni+Co+Mn)が0〜0.45であることが好ましい。0.45を超えると構造が不安定になるので好ましくない。より好ましいCo含有量は0〜0.4であり、さらにより好ましくは0〜0.35である。
本発明に係る正極活物質粒子粉末(化合物)は、ホウ素を0.01〜1wt%含有する。ホウ素の含有量が0.01wt%未満の場合、該正極活物質粒子粉末を用いた二次電池のサイクル特性及び熱安定性を改善させることが出来ない。1wt%を超える場合には、充放電容量が低下するため好ましくない。好ましいホウ素の含有量は0.012〜0.8wt%であり、より好ましくは0.015〜0.5wt%であり、さらにより好ましくは0.02〜0.3wt%である。
本発明に係る正極活物質粒子粉末(化合物)は、フッ素を0.01〜5wt%含有する。フッ素の含有量が0.01wt%未満の場合、該正極活物質粒子粉末を用いた二次電池のサイクル特性及び熱安定性を改善させることが出来ない。5wt%を超える場合には、充放電容量が低下するため好ましくない。好ましいフッ素の含有量は0.02〜4wt%であり、より好ましくは0.03〜3wt%であり、さらにより好ましくは0.04〜2wt%である。
本発明に係る正極活物質粒子粉末(化合物)は、元素A(元素AはAl、Mg、Ti、Zr、Ca、Fe、Zn、Mo、Biから選ばれる一種以上の元素)を0.004〜9wt%含有する。元素Aの元素の含有量が0.004wt%未満の場合、該正極活物質粒子粉末を用いた二次電池のサイクル特性及び熱安定性を改善させることが出来ない。9wt%を超える場合には、充放電容量が低下するため好ましくない。好ましい含有量は0.01〜5wt%であり、より好ましくは0.02〜3wt%であり、さらにより好ましくは0.02〜1.5wt%である。
本発明に係る正極活物質粒子粉末は、BET法による比表面積が0.05〜20m/gであることが好ましく、より好ましくは0.15〜10m/gであり、さらにより好ましくは0.3〜6m/gである。
本発明に係る正極活物質粒子粉末は、一次粒子が凝集した二次粒子からなる正極活物質粒子粉末であって、平均一次粒子径が好ましくは5μm以下であり、より好ましくは0.005〜2μmであり、さらに好ましくは0.01〜0.8μmである。
本発明に係る正極活物質粒子粉末の平均二次粒子径が好ましくは1〜50μmである。平均二次粒子径が1μm未満の場合、電解液との接触面積が上がりすぎることによって、電解液との反応性が高くなり、充電時の安定性が低下する。平均粒子径が50μmを超えると、電極内の抵抗が上昇して、充放電レート特性が低下する。より好ましい平均二次粒子径は2〜30μmであり、さらに好ましくは3〜20μmである。
次に、本発明に係る正極活物質粒子粉末(化合物)の製造方法について述べる。
本発明に係る正極活物質粒子粉末(化合物)は、あらかじめ作製した遷移金属を含む前駆体粒子粉末とホウ素化合物とリチウム化合物とフッ素化合物と元素Aの化合物とを混合し、焼成して得ることができる。
本発明における遷移金属を含む前駆体粒子粉末は、所定の濃度のニッケル塩、コバルト塩、マンガン塩を含有する混合溶液とアルカリ水溶液とを反応槽へ供給し、pHが7.5〜13になるように制御し、オーバーフローした懸濁液をオーバーフロー管に連結された濃縮槽で濃縮速度を調整しながら反応槽へ循環し、反応槽と沈降槽中の前駆体粒子濃度が0.2〜15mol/lになるまで反応を行って得ることができる。また、濃縮槽を設けずに、オーバーフローで前駆体粒子粉末を得ても良い。反応後は常法に従って、水洗、乾燥、粉砕を行えばよい。
本発明における遷移金属を含む前駆体粒子粉末としては、特に限定されることなく各種の遷移金属化合物を用いることができるが、例えば、酸化物、水酸化物、炭酸塩又はそれらの混合物が好ましく、より好ましくは遷移金属の水酸化物若しくは炭酸塩である。
本発明における前駆体粒子粉末は、平均粒子径が1〜50μm、BET比表面積が0.5〜300m/gであることが好ましい。
本発明に用いるホウ素化合物としては、特に限定されることなく各種のホウ素化合物を用いることができるが、例えば、三酸化ニホウ素、ホウ酸(オルトホウ酸)、メタホウ酸、四ホウ酸、ホウ酸リチウム等の各種ホウ酸塩等が挙げられ、ホウ酸が好ましい。ホウ素化合物を混合する場合の混合割合は前記前駆体粒子に対して0.02〜10wt%であることが好ましい。
本発明に用いるリチウム化合物としては、特に限定されることなく各種のリチウム塩を用いることができるが、例えば、水酸化リチウム・一水和物、硝酸リチウム、炭酸リチウム、酢酸リチウム、臭化リチウム、塩化リチウム、クエン酸リチウム、フッ化リチウム、ヨウ化リチウム、乳酸リチウム、シュウ酸リチウム、リン酸リチウム、ピルビン酸リチウム、硫酸リチウム、酸化リチウムなどが挙げられ、炭酸リチウムが好ましい。リチウム化合物を混合する場合の混合割合は前記前駆体粒子に対して20〜100wt%であることが好ましい。
本発明に用いるフッ素化合物としては、特に限定されることなく各種のフッ素化合物を用いることができるが、例えば、フッ化リチウム、フッ化アルミニウム、フッ化マグネシウム、フッ化アンモニウム、フルオロ酢酸ナトリウム、フッ化アリル等が挙げられ、フッ化アンモニウム及びフッ化アルミニウムが好ましい。フッ素化合物を混合する場合の混合割合は前記前駆体粒子に対して0.01〜20wt%であることが好ましい。
本発明に用いる元素Aの化合物としては、特に限定されることなくAl、Mg、Ti、Zr、Ca、Fe、Zn、Mo、Biの酸化物、水酸化物、炭酸塩、硫酸塩、硝酸塩、塩酸塩、シュウ酸塩又は該元素群のアルコキシド等を用いることができる。例えば、アルミニウムであれば、硫酸アルミニウム、硝酸アルミニウム、アルミン酸ソーダ、フッ化アルミニウム等を用いることができる。元素Aの化合物を混合する場合の混合割合は前記前駆体粒子に対して0.005〜40wt%であることが好ましい。
また、本発明に用いるフッ素化合物及び元素Aの化合物として、元素Aのフッ素化合物を用いることで、両元素を同時に添加することができる。元素Aのフッ素化合物を混合する場合の混合割合は前記前駆体粒子に対して0.015〜23wt%であることが好ましい。
また、用いるリチウム化合物は平均粒子径が50μm以下であることが好ましい。より好ましくは30μm以下である。リチウム化合物の平均粒子径が50μmを超える場合には、前駆体粒子との混合が不均一となり、結晶性の良い複合酸化物粒子粉末を得るのが困難となる。
遷移金属を含む前駆体粒子粉末とホウ素化合物とリチウム化合物とフッ素化合物と元素Aの化合物の混合処理は、均一に混合することができれば乾式、湿式のどちらでもよい。
遷移金属を含む前駆体粒子粉末と各化合物との混合処理は、一度で行ってもよく、遷移金属を含む前駆体粒子粉末と所定の化合物とを混合し焼成した焼成物と、その他の化合物とを混合してもよい。
本発明に係る正極活物質粒子粉末の製造方法として、例えば、遷移金属を含む前駆体粒子粉末とホウ素化合物とリチウム化合物とフッ素化合物と元素Aの化合物を乾式混合した混合物を焼成する方法や、遷移金属を含む前駆体粒子を含むスラリー等にホウ素化合物とフッ素化合物と元素Aの化合物を湿式混合した混合物の乾燥粉末にリチウム化合物を混合して焼成する方法が挙げられる。
このとき、焼成温度は、500〜1500℃であることが好ましい。500℃未満の場合にはLiとNi、Co、Mnの反応が十分に進まず、十分に複合化されない。1500℃を超える場合には焼結が進みすぎるので好ましくない。より好ましくは700〜1200℃の温度範囲であり、さらにより好ましくは800〜1050℃の温度範囲である。焼成時の雰囲気は酸化性ガス雰囲気が好ましく、より好ましくは通常の空気である。焼成時間は1〜30時間が好ましい。
また、遷移金属を含む前駆体粒子粉末とホウ素化合物とリチウム化合物とを乾式又は湿式混合した混合物粉末を焼成し、この焼成物をフッ素化合物及び元素Aの化合物と乾式又は湿式混合した混合物粉末を熱処理する方法が挙げられる。
このとき、焼成温度は、500℃〜1500℃であることが好ましい。500℃未満の場合にはLiとNi、Co、Mnの反応が十分に進まず、十分に複合化されない。1500℃を超える場合には焼結が進みすぎるので好ましくない。より好ましくは700〜1200℃の温度範囲であり、さらにより好ましくは800〜1050℃の温度範囲である。焼成時の雰囲気は酸化性ガス雰囲気が好ましく、より好ましくは通常の空気である。焼成時間は1〜30時間が好ましい。
また、熱処理温度は、100℃〜1100℃であることが好ましい。より好ましくは200〜900℃の温度範囲であり、さらにより好ましくは300〜500℃の温度範囲である。熱処理時の雰囲気は酸化性ガス雰囲気が好ましく、より好ましくは通常の空気である。熱処理時間は1〜30時間が好ましい。
本発明において、得られた正極活物質粒子粉末は、少なくとも空間群R−3mに属する結晶系と空間群C2/mに属する結晶系とを特定比率で有する化合物からなる必要がある。焼成して得られる化合物が、このような2種の結晶系を特定比率で有するためには、基本的に、Mn含有量がモル比でMn/(Ni+Co+Mn)が0.55以上、好ましくは0.55〜0.95の範囲となるような前駆体粒子を調製すればよい。前駆体粒子のMn/(Ni+Co+Mn)を上記範囲内に調製する方法としては、原料であるニッケル塩、コバルト塩およびマンガン塩の量を調節する方法、反応溶液のpHを調節する方法、アンモニアなどの錯化剤を調整する方法などが挙げられる。なお、空間群R−3mに属する結晶系は上記のLiMMn1−x化合物に由来するものであり、空間群C2/mに属する結晶系は上記のLiM’(1−y)Mnに由来するものであるが、これらの化合物は一連の製造方法で同時に形成されるものであり、その比率は基本的に上記のように前駆体のLi及びMn含有量で決定されるものである。
反応溶液のpHを調節する方法においては、pHを低くすると、ピーク強度比(a)/(b)は小さくなる傾向、すなわち空間群C2/mに属する結晶系を有するLiM’(1−y)Mnが少なくなる傾向となる。逆にpHを高くすると、ピーク強度比(a)/(b)は大きくなる傾向、すなわちC2/mに属する結晶系を有するLiM’(1−y)Mnが多くなる傾向となる。
反応溶液の錯化剤を調節する方法においては、錯化剤を少なく投入すると、ピーク強度比(a)/(b)は小さくなる傾向、すなわち空間群C2/mに属する結晶系を有するLiM’(1−y)Mnが少なくなる傾向となる。逆に錯化剤を多く投入すると、ピーク強度比(a)/(b)は大きくなる傾向、すなわちC2/mに属する結晶系を有するLiM’(1−y)Mnが多くなる傾向となる。
なお、錯化剤としては、アンモニウムイオン供給体、ヒドラジン、エチレンジアミン四酢酸、ニトリロ三酢酸、ウラシル二酢酸、ジメチルグリオキシム、ジチゾン、オキシン、アセチルアセトン又はグリシンから選ばれる1種又は2以上を用いることができる。
また、焼成条件を調整することでも、ピーク強度比(a)/(b)が異なり、焼成温度が高くなると、ピーク強度比(a)/(b)は小さくなる傾向、すなわち空間群C2/mに属する結晶系を有するLiM’(1−y)Mnが少なくなる傾向となる。逆に焼成温度が低くなると、ピーク強度比(a)/(b)は大きくなる傾向、すなわちC2/mに属する結晶系を有するLiM’(1−y)Mnが多くなる傾向となる。
次に、本発明に係る正極活物質粒子粉末を含有する正極について述べる。
本発明に係る正極活物質粒子粉末を含有する正極を製造する場合には、常法に従って、導電剤と結着剤とを添加混合する。導電剤としてはアセチレンブラック、カーボンブラック、黒鉛等が好ましく、結着剤としてはポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン等が好ましい。
本発明に係る正極活物質粒子粉末を含有する正極を用いて製造される二次電池は、前記正極、負極及び電解質から構成される。
負極活物質としては、リチウム金属、リチウム/アルミニウム合金、リチウム/スズ合金、グラファイトや黒鉛等を用いることができる。
また、電解液の溶媒としては、炭酸エチレンと炭酸ジエチルの組み合わせ以外に、炭酸プロピレン、炭酸ジメチル等のカーボネート類や、ジメトキシエタン等のエーテル類の少なくとも1種類を含む有機溶媒を用いることができる。
さらに、電解質としては、六フッ化リン酸リチウム以外に、過塩素酸リチウム、四フッ化ホウ酸リチウム等のリチウム塩の少なくとも1種類を上記溶媒に溶解して用いることができる。
本発明に係る正極活物質粒子粉末を含有する正極を用いて製造した二次電池は、後述する評価法で初期放電容量が190mAh/g以上であり、好ましくは200mAh/g以上、より好ましくは220mAh/g以上、さらにより好ましくは230mAh/g以上で、高くなるほど良い。また、32回目放電容量に対する3回目放電容量の比率((32回目放電容量/3回目放電容量)×100(%))は、85%以上であり、好ましくは90%以上、更に好ましくは98%以上、更により好ましくは99%以上である。
本発明に係る正極活物質粒子粉末を含有する正極の熱安定性は、後述する評価法で発熱開始温度が215℃以上であり、好ましくは220℃以上、より好ましくは225℃以上、さらにより好ましくは235℃以上で、高くなるほど良い。
<作用>
本発明において、ホウ素、フッ素、元素A成分は、正極活物質粒子粉末にはほとんど固溶せず、二次粒子表面の一次粒子表面に存在し、粒子表面に存在するLi−Mn化合物との相互作用が電解液と正極材との過剰な接触を抑制することによって、サイクル特性及び熱安定性が向上するものと本発明者らは考えている。
本発明の代表的な実施の形態は次の通りである。
BET比表面積値は、窒素によるBET法により測定した。
正極活物質粒子粉末を構成する元素A、リチウム、ニッケル、コバルト、マンガン、ホウ素の含有量は、該正極活物質粒子粉末を酸で溶解し、「プラズマ発光分光分析装置 ICPS−7500((株)島津製作所)」で測定して求めた。
相の同定及び強度の測定は、X線回折測定で行った。X線回折装置は「X線回折装置RINT−2000((株)リガク)」(管球:Cu、管電圧:40kV、管電流:40mA、ステップ角度:0.020°、計数時間:0.6s、発散スリット:1°、散乱スリット:1°、受光スリット:0.30mm)を使用した。
粒子の平均一次粒子径及び平均二次粒子径は「エネルギー分散型X線分析装置付き走査電子顕微鏡SEM−EDX((株)日立ハイテクノロジーズ)」を用いて観察し、確認した。
正極活物質粒子粉末を用いたコインセルによる充放電特性及びサイクル特性評価を行った。
まず、正極活物質として複合酸化物を84重量%、導電材としてアセチレンブラックを4重量%及びグラファイトKS−6を4重量%、バインダーとしてN−メチルピロリドンに溶解したポリフッ化ビニリデン8重量%とを混合した後、Al金属箔に塗布し150℃にて乾燥した。このシートを16mmφに打ち抜いた後、1t/cmで圧着し、電極厚みを50μmとした物を正極に用いた。負極は16mmφに打ち抜いた金属リチウムとし、電解液は1mol/lのLiPFを溶解したECとDMCを体積比で1:2で混合した溶液を用いてCR2032型コインセルを作製した。
初期充放電は、25℃で充電は4.6Vまで20mA/gで充電した後、定圧で電流値が1/100になるまで充電し、放電を2.0Vまで20mA/gにて行った。2サイクル目以降は、25℃で充電は4.6Vまで54mA/gで充電した後、放電を2.0Vまで135mA/gにて行った。
正極活物質粒子粉末を用いて熱安定性試験を行った。
まず、該方法で作製したCR2032型コインセルで、25℃で、初期充放電は、充電は4.8Vまで20mA/gで充電した後、定圧で電流値が1/10になるまで充電し、放電を2.0Vまで20mA/gにて行った後、2回目の充電を4.8Vまで20mA/gで充電した後、定圧で電流値が1/10になるまで充電し、その状態でコインセルを速やかに分解して、正極を取り出した。この正極試験片1mgをSUS性耐圧セルに1M−LiPF6/(EC:DEC=1:1)の電解液2.0μl共存下で密閉して、示差熱分析装置 DSC−60((株)島津製作所)を用いて室温から460℃まで、5℃/minの走査速度で示差熱分析を行った。本発明においては、例えば図2のような温度対比の熱流の図で、熱流が最大となるピークの立ち上がり部分の温度を発熱開始温度としている。
実施例1:
密閉型反応槽に水を14L入れ、窒素ガスを流通させながら50℃に保持した。さらにpH=8.2(±0.2)となるよう、攪拌しながら連続的にNi、Co、Mnの混合硫酸塩水溶液と炭酸ナトリウム水溶液を加えた。反応中は濃縮装置により濾液のみを系外に排出して固形分は反応槽に滞留させながら反応後、共沈生成物のスラリーを採取した。採取したスラリーを濾過、水洗し、105℃で一晩乾燥させ、共沈前駆体の粉末を得た。
得られた共沈前駆体と炭酸リチウム粉末とホウ酸を秤量し、十分に混合した。これを電気炉を用いて、空気流通下830℃で5hr焼成した。
次にこの焼成物を硝酸アルミニウム水溶液に投入し、20℃で攪拌しながらフッ化アンモニウム溶液を滴下し、80℃で2時間保持した。採取したスラリーを濾過し、105℃で一晩乾燥させ、電気炉を用いて空気流通下350℃で5hr熱処理し、正極活物質粒子粉末を得た。
X線回折測定の結果、得られた正極活物質粒子粉末は、空間群R−3mに属する結晶系と、空間群C2/mに属する結晶系とを含んでおり、ピーク強度比(a)/(b)が0.071であった。
ICP組成分析の結果、それぞれモル比でLi/(Ni+Co+Mn)=1.32、Ni:Co:Mn=21.6:12.4:66(Mn/(Ni+Co+Mn)=0.66)であり、B=0.092wt%、F=0.81wt%、Al=0.384wt%であった。窒素吸着法によるBET比表面積は3.5m/gであった。また、走査型電子顕微鏡(SEM)によって前記正極活物質粒子粉末の粒子を観察した結果、平均一次粒子径が0.07μmの一次粒子が凝集して平均二次粒子径が12.1μmの二次粒子を形成している様子が観測された。
実施例2:
密閉型反応槽に水を14L入れ、窒素ガスを流通させながら40℃に保持した。さらにpH=11.4(±0.2)となるよう、攪拌しながら連続的にNi、Co、Mnの混合硫酸塩水溶液と水酸化ナトリウム水溶液とアンモニア水溶液を加えた。反応中は濃縮装置により濾液のみを系外に排出して固形分は反応槽に滞留させながら反応後、共沈生成物のスラリーを採取した。採取したスラリーを濾過、水洗し、105℃で一晩乾燥させ、共沈前駆体の粉末を得た。
得られた共沈前駆体と水酸化リチウム粉末とホウ酸を秤量し、十分に混合した。これを電気炉を用いて、空気流通下920℃で5hr焼成した。
次にこの焼成物を硝酸アルミニウム水溶液に投入し、25℃で攪拌しながらフッ化アンモニウム溶液を滴下し、85℃で1時間保持した。採取したスラリーを濾過し、105℃で一晩乾燥させ、電気炉を用いて空気流通下400℃で3hr熱処理し、正極活物質粒子粉末を得た。
実施例3:
密閉型反応槽に水を14L入れ、窒素ガスを流通させながら60℃に保持した。さらにpH=8.1(±0.2)となるよう、攪拌しながら連続的にNi、Co、Mnの混合硫酸塩水溶液と炭酸ナトリウム水溶液とアンモニア水溶液を加えた。反応中は濃縮装置により濾液のみを系外に排出して固形分は反応槽に滞留させながら反応後、共沈生成物のスラリーを採取した。採取したスラリーを濾過、水洗し、110℃で一晩乾燥させ、共沈前駆体の粉末を得た。
得られた共沈前駆体と炭酸リチウム粉末とホウ酸とフッ化アルミニウムを秤量し、十分に混合した。これを電気炉を用いて、空気流通下850℃で7hr焼成し、正極活物質粒子粉末を得た。
実施例4:
密閉型反応槽に水を14L入れ、窒素ガスを流通させながら45℃に保持した。さらにpH=11.1(±0.2)となるよう、攪拌しながら連続的にNi、Co、Mnの混合硫酸塩水溶液と水酸化ナトリウム水溶液とアンモニア水溶液を加えた。反応中は濃縮装置により濾液のみを系外に排出して固形分は反応槽に滞留させながら反応後、共沈生成物のスラリーを採取した。採取したスラリーを濾過、水洗し、100℃で一晩乾燥させ、共沈前駆体の粉末を得た。
得られた共沈前駆体と水酸化リチウム粉末とホウ酸とフッ化リチウムと水酸化アルミニウムを秤量し、十分に混合した。これを電気炉を用いて、空気流通下900℃で5hr焼成し、正極活物質粒子粉末を得た。
実施例5:
密閉型反応槽に水を14L入れ、窒素ガスを流通させながら55℃に保持した。さらにpH=8.4(±0.2)となるよう、攪拌しながら連続的にNi、Co、Mnの混合硫酸塩水溶液と炭酸ナトリウム水溶液とアンモニア水溶液を加えた。反応中は濃縮装置により濾液のみを系外に排出して固形分は反応槽に滞留させながら反応後、共沈生成物のスラリーを採取した。採取したスラリーを濾過、水洗し、得られた共沈前駆体を含むケーキにホウ酸水溶液とフッ化アンモニウム水溶液と硝酸アルミニウム溶液を加えてよく混練し、105℃で一晩乾燥させ、乾燥粉末を得た。
得られた乾燥粉末と炭酸リチウム粉末を秤量し、十分に混合した。これを電気炉を用いて、空気流通下780℃で10hr焼成し、正極活物質粒子粉末を得た。
実施例6:
密閉型反応槽に水を14L入れ、窒素ガスを流通させながら60℃に保持した。さらにpH=8.1(±0.2)となるよう、攪拌しながら連続的にNi、Co、Mnの混合硫酸塩水溶液と炭酸ナトリウム水溶液とアンモニア水溶液を加えた。反応中は反応スラリーをオーバーフローさせ、順次スラリーを系外に排出して共沈生成物のスラリーを採取した。採取したスラリーを濾過、水洗し、100℃で一晩乾燥させ、共沈前駆体の粉末を得た。
得られた共沈前駆体と水酸化リチウム粉末とホウ酸とフッ化アルミニウムを秤量し、十分に混合した。これを電気炉を用いて、空気流通下1250℃で1hr焼成し、正極活物質粒子粉末を得た。
実施例7:
密閉型反応槽に水を14L入れ、窒素ガスを流通させながら50℃に保持した。さらにpH=8.1(±0.2)となるよう、攪拌しながら連続的にNi、Co、Mnの混合硫酸塩水溶液と炭酸ナトリウム水溶液とアンモニア水溶液を加えた。反応中は反応スラリーをオーバーフローさせ、順次スラリーを系外に排出して共沈生成物のスラリーを採取した。採取したスラリーを濾過、水洗し、100℃で一晩乾燥させ、共沈前駆体の粉末を得た。
得られた共沈前駆体と水酸化リチウム粉末とホウ酸を秤量し、十分に混合した。これを電気炉を用いて、空気流通下870℃で5hr焼成した。
次にこの焼成物を硝酸アルミニウム水溶液に投入し、20℃で攪拌しながらフッ化アンモニウム溶液を滴下し、80℃で3時間保持した。採取したスラリーを濾過し、105℃で一晩乾燥させ、電気炉を用いて空気流通下250℃で5hr熱処理し、正極活物質粒子粉末を得た。
実施例8:
密閉型反応槽に水を14L入れ、窒素ガスを流通させながら40℃に保持した。さらにpH=8.0(±0.1)となるよう、攪拌しながら連続的にNi、Co、Mnの混合硫酸塩水溶液と炭酸ナトリウム水溶液とアンモニア水溶液を加えた。反応中は反応スラリーをオーバーフローさせ、順次スラリーを系外に排出して共沈生成物のスラリーを採取した。採取したスラリーを濾過、水洗し、100℃で一晩乾燥させ、共沈前駆体の粉末を得た。
得られた共沈前駆体と水酸化リチウム粉末とホウ酸を秤量し、十分に混合した。これを電気炉を用いて、空気流通下690℃で15hr焼成した。
次にこの焼成物を硝酸アルミニウム水溶液に投入し、15℃で攪拌しながらフッ化アンモニウム溶液を滴下し、80℃で3時間保持した。採取したスラリーを濾過し、105℃で一晩乾燥させ、電気炉を用いて空気流通下550℃で2hr熱処理し、正極活物質粒子粉末を得た。
実施例9:
密閉型反応槽に水を14L入れ、窒素ガスを流通させながら70℃に保持した。さらにpH=8.2(±0.2)となるよう、攪拌しながら連続的にNi、Co、Mnの混合硝酸塩水溶液と炭酸ナトリウム水溶液とアンモニア水溶液を加えた。反応中は反応スラリーをオーバーフローさせ、順次スラリーを系外に排出して共沈生成物のスラリーを採取した。採取したスラリーを濾過、水洗し、100℃で一晩乾燥させ、共沈前駆体の粉末を得た。
得られた共沈前駆体と硝酸リチウム粉末と三酸化二ホウ素とフッ化リチウムとアルミナを秤量し、十分に混合した。これを電気炉を用いて、酸素流通下1100℃で2hr焼成し、正極活物質粒子粉末を得た。
実施例10:
密閉型反応槽に水を14L入れ、窒素ガスを流通させながら40℃に保持した。さらにpH=9.3(±0.2)となるよう、攪拌しながら連続的にNi、Co、Mnの混合硫酸塩水溶液と水酸化ナトリウム水溶液とアンモニア水溶液を加えた。反応中は濃縮装置により濾液のみを系外に排出して固形分は反応槽に滞留させながら反応後、共沈生成物のスラリーを採取した。採取したスラリーを濾過、水洗し、100℃で一晩乾燥させ、共沈前駆体の粉末を得た。
得られた共沈前駆体と炭酸リチウム粉末とホウ酸とフッ化マグネシウムを秤量し、十分に混合した。これを電気炉を用いて、空気流通下910℃で5hr焼成し、正極活物質粒子粉末を得た。
実施例11:
密閉型反応槽に水を14L入れ、窒素ガスを流通させながら50℃に保持した。さらにpH=9.0(±0.2)となるよう、攪拌しながら連続的にNi、Co、Mnの混合硫酸塩水溶液と炭酸ナトリウム水溶液を加えた。反応中は濃縮装置により濾液のみを系外に排出して固形分は反応槽に滞留させながら反応後、共沈生成物のスラリーを採取した。採取したスラリーを濾過、水洗し、100℃で一晩乾燥させ、共沈前駆体の粉末を得た。
得られた共沈前駆体と炭酸リチウム粉末とホウ酸を秤量し、十分に混合した。これを電気炉を用いて、空気流通下850℃で5hr焼成した。
次にこの焼成物を硝酸マグネシウム水溶液に投入し、20℃で攪拌しながらフッ化アンモニウム溶液を滴下し、80℃で3時間保持した。採取したスラリーを濾過し、60℃で一晩乾燥させ、電気炉を用いて空気流通下150℃で10hr熱処理し、正極活物質粒子粉末を得た。
実施例12:
密閉型反応槽に水を14L入れ、窒素ガスを流通させながら40℃に保持した。さらにpH=10.2(±0.2)となるよう、攪拌しながら連続的にNi、Co、Mnの混合硫酸塩水溶液と水酸化ナトリウム水溶液とアンモニア水溶液を加えた。反応中は濃縮装置により濾液のみを系外に排出して固形分は反応槽に滞留させながら反応後、共沈生成物のスラリーを採取した。採取したスラリーを濾過、水洗し、100℃で一晩乾燥させ、共沈前駆体の粉末を得た。
得られた共沈前駆体と炭酸リチウム粉末とホウ酸を秤量し、十分に混合した。これを電気炉を用いて、空気流通下900℃で5hr焼成した。
得られた焼成物とフッ化チタンを秤量し、十分に混合した。これを電気炉を用いて、空気流通下150℃で3hr焼成し、正極活物質粒子粉末を得た。
実施例13:
密閉型反応槽に水を14L入れ、窒素ガスを流通させながら50℃に保持した。さらにpH=8.5(±0.2)となるよう、攪拌しながら連続的にNi、Co、Mnの混合硫酸塩水溶液と炭酸ナトリウム水溶液とアンモニア水溶液を加えた。反応中は濃縮装置により濾液のみを系外に排出して固形分は反応槽に滞留させながら反応後、共沈生成物のスラリーを採取した。採取したスラリーを濾過、水洗し、100℃で一晩乾燥させ、共沈前駆体の粉末を得た。
得られた共沈前駆体と炭酸リチウム粉末とホウ酸を秤量し、十分に混合した。これを電気炉を用いて、空気流通下830℃で5hr焼成した。
次にこの焼成物を硝酸チタン水溶液に投入し、20℃で攪拌しながらフッ化アンモニウム溶液を滴下し、80℃で2時間保持した。採取したスラリーを濾過し、100℃で一晩乾燥させ、電気炉を用いて空気流通下400℃で3hr熱処理し、正極活物質粒子粉末を得た。
実施例14:
密閉型反応槽に水を14L入れ、窒素ガスを流通させながら40℃に保持した。さらにpH=11.2(±0.2)となるよう、攪拌しながら連続的にNi、Co、Mnの混合硫酸塩水溶液と水酸化ナトリウム水溶液とアンモニア水溶液を加えた。反応中は濃縮装置により濾液のみを系外に排出して固形分は反応槽に滞留させながら反応後、共沈生成物のスラリーを採取した。採取したスラリーを濾過、水洗し、100℃で一晩乾燥させ、共沈前駆体の粉末を得た。
得られた共沈前駆体と炭酸リチウム粉末とホウ酸を秤量し、十分に混合した。これを電気炉を用いて、空気流通下900℃で5hr焼成した。
得られた焼成物とフッ化ジルコニウムを秤量し、十分に混合した。これを電気炉を用いて、空気流通下150℃で5hr熱処理し、正極活物質粒子粉末を得た。
実施例15:
密閉型反応槽に水を14L入れ、窒素ガスを流通させながら55℃に保持した。さらにpH=8.1(±0.2)となるよう、攪拌しながら連続的にNi、Co、Mnの混合硝酸塩水溶液と炭酸ナトリウム水溶液とアンモニア水溶液を加えた。反応中は濃縮装置により濾液のみを系外に排出して固形分は反応槽に滞留させながら反応後、共沈生成物のスラリーを採取した。採取したスラリーを濾過、水洗し、100℃で一晩乾燥させ、共沈前駆体の粉末を得た。
得られた共沈前駆体と炭酸リチウム粉末と三酸化二ホウ素とフッ化カルシウムを秤量し、十分に混合した。これを電気炉を用いて、空気流通下840℃で10hr焼成し、正極活物質粒子粉末を得た。
実施例16:
密閉型反応槽に水を14L入れ、窒素ガスを流通させながら50℃に保持した。さらにpH=11.5(±0.2)となるよう、攪拌しながら連続的にNi、Co、Mnの混合塩化物水溶液と水酸化ナトリウム水溶液とアンモニア水溶液を加えた。反応中は濃縮装置により濾液のみを系外に排出して固形分は反応槽に滞留させながら反応後、共沈生成物のスラリーを採取した。採取したスラリーを濾過、水洗し、120℃で一晩乾燥させ、共沈前駆体の粉末を得た。
得られた共沈前駆体と硝酸リチウム粉末とホウ酸を秤量し、十分に混合した。これを電気炉を用いて、空気流通下920℃で5hr焼成した。
次にこの焼成物を硝酸第二鉄水溶液に投入し、20℃で攪拌しながらフッ化アンモニウム溶液を滴下し、80℃で3時間保持した。採取したスラリーを濾過し、100℃で一晩乾燥させ、電気炉を用いて空気流通下250℃で2hr熱処理し、正極活物質粒子粉末を得た。
実施例17:
密閉型反応槽に水を14L入れ、窒素ガスを流通させながら50℃に保持した。さらにpH=8.2(±0.2)となるよう、攪拌しながら連続的にNi、Co、Mnの混合硫酸塩水溶液と炭酸リチウムスラリーを加えた。反応中は濃縮装置により濾液のみを系外に排出して固形分は反応槽に滞留させながら反応後、共沈生成物のスラリーを採取した。採取したスラリーを濾過、水洗し、100℃で一晩乾燥させ、共沈前駆体の粉末を得た。
得られた共沈前駆体と炭酸リチウム粉末とホウ酸を秤量し、十分に混合した。これを電気炉を用いて、空気流通下810℃で5hr焼成した。
得られた焼成物とフッ化亜鉛を秤量し、十分に混合した。これを電気炉を用いて、空気流通下300℃で3hr熱処理し、正極活物質粒子粉末を得た。
実施例18:
密閉型反応槽に水を14L入れ、窒素ガスを流通させながら35℃に保持した。さらにpH=11.3(±0.2)となるよう、攪拌しながら連続的にNi、Co、Mnの混合塩化物水溶液と水酸化リチウム水溶液とヒドラジン水溶液を加えた。反応中は濃縮装置により濾液のみを系外に排出して固形分は反応槽に滞留させながら反応後、共沈生成物のスラリーを採取した。採取したスラリーを濾過、水洗し、100℃で一晩乾燥させ、共沈前駆体の粉末を得た。
得られた共沈前駆体と水酸化リチウム粉末とホウ酸とフッ化リチウムとモリブデン酸リチウムを秤量し、十分に混合した。これを電気炉を用いて、酸素流通下910℃で5hr焼成し、正極活物質粒子粉末を得た。
実施例19:
密閉型反応槽に水を14L入れ、窒素ガスを流通させながら55℃に保持した。さらにpH=8.3(±0.2)となるよう、攪拌しながら連続的にNi、Co、Mnの混合硫酸塩水溶液と炭酸ナトリウム水溶液を加えた。反応中は濃縮装置により濾液のみを系外に排出して固形分は反応槽に滞留させながら反応後、共沈生成物のスラリーを採取した。採取したスラリーを濾過、水洗し、100℃で一晩乾燥させ、共沈前駆体の粉末を得た。
得られた共沈前駆体と炭酸リチウム粉末とホウ酸とフッ化リチウムと酸化ビスマスを秤量し、十分に混合した。これを電気炉を用いて、空気流通下830℃で7hr焼成し、正極活物質粒子粉末を得た。
実施例20:
密閉型反応槽に水を14L入れ、窒素ガスを流通させながら30℃に保持した。さらにpH=11.1(±0.2)となるよう、攪拌しながら連続的にNi、Co、Mnの混合硫酸塩水溶液と水酸化ナトリウム水溶液とアンモニア水溶液を加えた。反応中は濃縮装置により濾液のみを系外に排出して固形分は反応槽に滞留させながら反応後、共沈生成物のスラリーを採取した。採取したスラリーを濾過、水洗し、100℃で一晩乾燥させ、共沈前駆体の粉末を得た。
得られた共沈前駆体と炭酸リチウム粉末とホウ酸とフッ化マグネシウムとフッ化アルミニウムを秤量し、十分に混合した。これを電気炉を用いて、空気流通下910℃で7hr焼成し、正極活物質粒子粉末を得た。
実施例21:
密閉型反応槽に水を14L入れ、窒素ガスを流通させながら60℃に保持した。さらにpH=8.5(±0.2)となるよう、攪拌しながら連続的にNi、Co、Mnの混合硫酸塩水溶液と炭酸ナトリウム水溶液を加えた。反応中は濃縮装置により濾液のみを系外に排出して固形分は反応槽に滞留させながら反応後、共沈生成物のスラリーを採取した。採取したスラリーを濾過、水洗し、105℃で一晩乾燥させ、共沈前駆体の粉末を得た。
得られた共沈前駆体と炭酸リチウム粉末とホウ酸と水酸化マグネシウムを秤量し、十分に混合した。これを電気炉を用いて、空気流通下820℃で5hr焼成した。
次にこの焼成物を硝酸アルミニウム水溶液に投入し、25℃で攪拌しながらフッ化アンモニウム溶液を滴下し、85℃で1時間保持した。採取したスラリーを濾過し、105℃で一晩乾燥させ、電気炉を用いて空気流通下400℃で3hr熱処理し、正極活物質粒子粉末を得た。
実施例22:
密閉型反応槽に水を14L入れ、窒素ガスを流通させながら40℃に保持した。さらにpH=11.5(±0.2)となるよう、攪拌しながら連続的にNi、Co、Mnの混合硫酸塩水溶液と水酸化ナトリウム水溶液とアンモニア水溶液を加えた。反応中は濃縮装置により濾液のみを系外に排出して固形分は反応槽に滞留させながら反応後、共沈生成物のスラリーを採取した。採取したスラリーを濾過、水洗し、105℃で一晩乾燥させ、共沈前駆体の粉末を得た。
得られた共沈前駆体と炭酸リチウム粉末とホウ酸と酸化チタンを秤量し、十分に混合した。これを電気炉を用いて、空気流通下930℃で5hr焼成した。
次にこの焼成物を硝酸アルミニウム水溶液に投入し、20℃で攪拌しながらフッ化アンモニウム溶液を滴下し、80℃で3時間保持した。採取したスラリーを濾過し、105℃で一晩乾燥させ、電気炉を用いて空気流通下400℃で3hr熱処理し、正極活物質粒子粉末を得た。
実施例23:
密閉型反応槽に水を14L入れ、窒素ガスを流通させながら40℃に保持した。さらにpH=8.5(±0.2)となるよう、攪拌しながら連続的にNi、Co、Mnの混合硫酸塩水溶液と炭酸ナトリウム水溶液を加えた。反応中は濃縮装置により濾液のみを系外に排出して固形分は反応槽に滞留させながら反応後、共沈生成物のスラリーを採取した。採取したスラリーを濾過、水洗し、100℃で一晩乾燥させ、共沈前駆体の粉末を得た。
得られた共沈前駆体と炭酸リチウム粉末とホウ酸と水酸化マグネシウムと酸化チタンを秤量し、十分に混合した。これを電気炉を用いて、空気流通下850℃で5hr焼成した。
次にこの焼成物を硝酸アルミニウム水溶液に投入し、20℃で攪拌しながらフッ化アンモニウム溶液を滴下し、80℃で3時間保持した。採取したスラリーを濾過し、105℃で一晩乾燥させ、電気炉を用いて空気流通下350℃で3hr熱処理し、正極活物質粒子粉末を得た。
実施例24:
密閉型反応槽に水を14L入れ、窒素ガスを流通させながら40℃に保持した。さらにpH=11.4(±0.2)となるよう、攪拌しながら連続的にNi、Co、Mnの混合硫酸塩水溶液と水酸化ナトリウム水溶液とアンモニア水溶液を加えた。反応中は濃縮装置により濾液のみを系外に排出して固形分は反応槽に滞留させながら反応後、共沈生成物のスラリーを採取した。採取したスラリーを濾過、水洗し、100℃で一晩乾燥させ、共沈前駆体の粉末を得た。
得られた共沈前駆体と炭酸リチウム粉末とホウ酸とフッ化リチウムとフッ化アルミニウムと水酸化マグネシウムと酸化チタンを秤量し、十分に混合した。これを電気炉を用いて、空気流通下920℃で4hr焼成し、正極活物質粒子粉末を得た。
実施例25:
密閉型反応槽に水を14L入れ、窒素ガスを流通させながら60℃に保持した。さらにpH=8.2(±0.2)となるよう、攪拌しながら連続的にNi、Co、Mnの混合硝酸塩水溶液と炭酸ナトリウム水溶液とアンモニア水溶液を加えた。反応中は濃縮装置により濾液のみを系外に排出して固形分は反応槽に滞留させながら反応後、共沈生成物のスラリーを採取した。採取したスラリーを濾過、水洗し、100℃で一晩乾燥させ、共沈前駆体の粉末を得た。
得られた共沈前駆体と硝酸リチウム粉末とホウ酸を秤量し、十分に混合した。これを電気炉を用いて、空気流通下920℃で5hr焼成した。
次にこの焼成物を硝酸アルミニウム水溶液に投入し、20℃で攪拌しながらフッ化アンモニウム溶液を滴下し、75℃で3時間保持した。採取したスラリーを濾過し、105℃で一晩乾燥させ、電気炉を用いて空気流通下350℃で5hr熱処理し、正極活物質粒子粉末を得た。
実施例26:
密閉型反応槽に水を14L入れ、窒素ガスを流通させながら60℃に保持した。さらにpH=8.4(±0.2)となるよう、攪拌しながら連続的にCo、Mnの混合硝酸塩水溶液と炭酸ナトリウム水溶液とアンモニア水溶液を加えた。反応中は濃縮装置により濾液のみを系外に排出して固形分は反応槽に滞留させながら反応後、共沈生成物のスラリーを採取した。採取したスラリーを濾過、水洗し、100℃で一晩乾燥させ、共沈前駆体の粉末を得た。
得られた共沈前駆体と硝酸リチウム粉末とホウ酸を秤量し、十分に混合した。これを電気炉を用いて、空気流通下910℃で6hr焼成した。
次にこの焼成物を硝酸アルミニウム水溶液に投入し、10℃で攪拌しながらフッ化アンモニウム溶液を滴下し、80℃で1時間保持した。採取したスラリーを濾過し、105℃で一晩乾燥させ、電気炉を用いて空気流通下400℃で3hr熱処理し、正極活物質粒子粉末を得た。
実施例27:
密閉型反応槽に水を14L入れ、窒素ガスを流通させながら70℃に保持した。さらにpH=8.1(±0.2)となるよう、攪拌しながら連続的にNi、Mnの混合硫酸塩水溶液と炭酸ナトリウム水溶液とアンモニア水溶液を加えた。反応中は濃縮装置により濾液のみを系外に排出して固形分は反応槽に滞留させながら反応後、共沈生成物のスラリーを採取した。採取したスラリーを濾過、水洗し、100℃で一晩乾燥させ、共沈前駆体の粉末を得た。
得られた共沈前駆体と炭酸リチウム粉末とホウ酸を秤量し、十分に混合した。これを電気炉を用いて、空気流通下900℃で5hr焼成した。
次にこの焼成物を硝酸アルミニウム水溶液に投入し、20℃で攪拌しながらフッ化アンモニウム溶液を滴下し、80℃で1時間保持した。採取したスラリーを濾過し、105℃で一晩乾燥させ、電気炉を用いて空気流通下300℃で3hr熱処理し、正極活物質粒子粉末を得た。
実施例28:
密閉型反応槽に水を14L入れ、窒素ガスを流通させながら45℃に保持した。さらにpH=8.4(±0.2)となるよう、攪拌しながら連続的にNi、Co、Mnの混合硫酸塩水溶液と炭酸ナトリウム水溶液を加えた。反応中は濃縮装置により濾液のみを系外に排出して固形分は反応槽に滞留させながら反応後、共沈生成物のスラリーを採取した。採取したスラリーを濾過、水洗し、105℃で一晩乾燥させ、共沈前駆体の粉末を得た。
得られた共沈前駆体と炭酸リチウム粉末とホウ酸を秤量し、十分に混合した。これを電気炉を用いて、空気流通下840℃で5hr焼成した。
次にこの焼成物をフッ化アンモニウム溶液に投入し、20℃で攪拌しながら硝酸アルミニウム水溶液を滴下した。採取したスラリーを濾過し、105℃で一晩乾燥させ、電気炉を用いて空気流通下380℃で3hr熱処理し、正極活物質粒子粉末を得た。
実施例29:
密閉型反応槽に水を14L入れ、窒素ガスを流通させながら40℃に保持した。さらにpH=11.4(±0.2)となるよう、攪拌しながら連続的にNi、Co、Mnの混合硫酸塩水溶液と水酸化ナトリウム水溶液とアンモニア水溶液を加えた。反応中は濃縮装置により濾液のみを系外に排出して固形分は反応槽に滞留させながら反応後、共沈生成物のスラリーを採取した。採取したスラリーを濾過、水洗し、105℃で一晩乾燥させ、共沈前駆体の粉末を得た。
得られた共沈前駆体と水酸化リチウム粉末とホウ酸を秤量し、十分に混合した。これを電気炉を用いて、空気流通下910℃で5hr焼成した。
次にこの焼成物をフッ化アンモニウム溶液に投入し、25℃で攪拌しながら硝酸アルミニウム水溶液を滴下した。採取したスラリーを濾過し、100℃で一晩乾燥させ、電気炉を用いて空気流通下400℃で3hr熱処理し、正極活物質粒子粉末を得た。
比較例1:
密閉型反応槽に水を14L入れ、窒素ガスを流通させながら40℃に保持した。さらにpH=8.1(±0.2)となるよう、攪拌しながら連続的にNi、Co、Mnの混合硫酸塩水溶液と炭酸ナトリウム水溶液を加えた。反応中は濃縮装置により濾液のみを系外に排出して固形分は反応槽に滞留させながら反応後、共沈生成物のスラリーを採取した。採取したスラリーを濾過、水洗し、100℃で一晩乾燥させ、共沈前駆体の粉末を得た。
得られた共沈前駆体と炭酸リチウム粉末とホウ酸とフッ化アルミニウムを秤量し、十分に混合した。これを電気炉を用いて、空気流通下900℃で5hr焼成し、正極活物質粒子粉末を得た。
比較例2:
密閉型反応槽に水を14L入れ、窒素ガスを流通させながら60℃に保持した。さらにpH=8.0(±0.2)となるよう、攪拌しながら連続的にNi、Co、Mnの混合硫酸塩水溶液と炭酸ナトリウム水溶液とアンモニア水溶液を加えた。反応中は濃縮装置により濾液のみを系外に排出して固形分は反応槽に滞留させながら反応後、共沈生成物のスラリーを採取した。採取したスラリーを濾過、水洗し、100℃で一晩乾燥させ、共沈前駆体の粉末を得た。
得られた共沈前駆体と炭酸リチウム粉末とホウ酸とフッ化マグネシウムを秤量し、十分に混合した。これを電気炉を用いて、空気流通下950℃で10hr焼成し、正極活物質粒子粉末を得た。
比較例3:
密閉型反応槽に水を14L入れ、窒素ガスを流通させながら50℃に保持した。さらにpH=8.2(±0.2)となるよう、攪拌しながら連続的にNi、Co、Mnの混合硫酸塩水溶液と炭酸ナトリウム溶液とアンモニア水溶液を加えた。反応中は濃縮装置により濾液のみを系外に排出して固形分は反応槽に滞留させながら反応後、共沈生成物のスラリーを採取した。採取したスラリーを濾過、水洗し、100℃で一晩乾燥させ、共沈前駆体の粉末を得た。
得られた共沈前駆体と炭酸リチウム粉末を秤量し、十分に混合した。これを電気炉を用いて、空気流通下850℃で5hr焼成した。
得られた焼成物とフッ化亜鉛を秤量し、十分に混合した。これを電気炉を用いて、空気流通下400℃で3hr熱処理し、正極活物質粒子粉末を得た。
比較例4:
密閉型反応槽に水を14L入れ、窒素ガスを流通させながら40℃に保持した。さらにpH=11.2(±0.2)となるよう、攪拌しながら連続的にNi、Co、Mnの混合硫酸塩水溶液と水酸化ナトリウム水溶液とアンモニア水溶液を加えた。反応中は濃縮装置により濾液のみを系外に排出して固形分は反応槽に滞留させながら反応後、共沈生成物のスラリーを採取した。採取したスラリーを濾過、水洗し、100℃で一晩乾燥させ、共沈前駆体の粉末を得た。
得られた共沈前駆体と水酸化リチウム粉末とホウ酸を秤量し、十分に混合した。これを電気炉を用いて、空気流通下850℃で5hr焼成した。
得られた焼成物とフッ化チタンを秤量し、十分に混合した。これを電気炉を用いて、空気流通下150℃で3hr熱処理し、正極活物質粒子粉末を得た。
比較例5:
密閉型反応槽に水を14L入れ、窒素ガスを流通させながら50℃に保持した。さらにpH=8.5(±0.2)となるよう、攪拌しながら連続的にNi、Co、Mnの混合硫酸塩水溶液と炭酸ナトリウム水溶液を加えた。反応中は濃縮装置により濾液のみを系外に排出して固形分は反応槽に滞留させながら反応後、共沈生成物のスラリーを採取した。採取したスラリーを濾過、水洗し、100℃で一晩乾燥させ、共沈前駆体の粉末を得た。
得られた共沈前駆体と炭酸リチウム粉末とホウ酸と水酸化アルミニウムを秤量し、十分に混合した。これを電気炉を用いて、空気流通下830℃で10hr焼成し、正極活物質粒子粉末を得た。
比較例6:
密閉型反応槽に水を14L入れ、窒素ガスを流通させながら40℃に保持した。さらにpH=11.4(±0.2)となるよう、攪拌しながら連続的にNi、Co、Mnの混合硫酸塩水溶液と水酸化ナトリウム水溶液とアンモニア水溶液を加えた。反応中は濃縮装置により濾液のみを系外に排出して固形分は反応槽に滞留させながら反応後、共沈生成物のスラリーを採取した。採取したスラリーを濾過、水洗し、105℃で一晩乾燥させ、共沈前駆体の粉末を得た。
得られた共沈前駆体と炭酸リチウム粉末とホウ酸を秤量し、十分に混合した。これを電気炉を用いて、空気流通下810℃で5hr焼成した。
次にこの焼成物を硝酸アルミニウム水溶液に投入し、15℃で攪拌しながらフッ化アンモニウム溶液を滴下し、70℃で10時間保持した。採取したスラリーを濾過し、105℃で一晩乾燥させ、電気炉を用いて空気流通下500℃で3hr熱処理し、正極活物質粒子粉末を得た。
比較例7:
密閉型反応槽に水を14L入れ、窒素ガスを流通させながら60℃に保持した。さらにpH=8.3(±0.2)となるよう、攪拌しながら連続的にNi、Co、Mnの混合硫酸塩水溶液と炭酸ナトリウム水溶液とアンモニア水溶液を加えた。反応中は濃縮装置により濾液のみを系外に排出して固形分は反応槽に滞留させながら反応後、共沈生成物のスラリーを採取した。採取したスラリーを濾過、水洗し、100℃で一晩乾燥させ、共沈前駆体の粉末を得た。
得られた共沈前駆体と水酸化リチウム粉末とホウ酸とフッ化リチウムを秤量し、十分に混合した。これを電気炉を用いて、空気流通下880℃で7hr焼成し、正極活物質粒子粉末を得た。
実施例1〜29及び比較例1〜7で得られた正極活物質粒子粉末の諸特性を表1に、その正極活物質粒子粉末を用いて作製した電池の特性を表2に示す。
Figure 2012133113
Figure 2012133113
実施例1〜29で得られた正極活物質粒子粉末は、いずれも3回目の放電容量が190mAh/g以上であり、32回目の放電容量と3回目の放電容量の百分率が85%以上である。本発明に係る正極活物質粒子粉末は、空間群2C/mの結晶構造を有することによって大きな放電容量を持ち、さらに、添加されたホウ素とフッ素と元素Aによって充放電時及び加熱時の電解液との反応が抑制された、放電容量及びサイクル特性、熱安定性に優れた正極材料である。
比較例のように適量のホウ素、フッ素及び元素Aのいずれかを含まないものは実施例と比べ、熱安定性及び/若しくはサイクル特性が劣り、適量のホウ素とフッ素と元素Aが共存することにより、高い放電容量を持ち、熱安定性及びサイクル特性に優れた非水電解質二次電池用正極活物質が得られることが認められる。
以上の結果から本発明に係る正極活物質粒子粉末は充放電容量が大きく、サイクル特性及び熱安定性に優れた非水電解質二次電池用正極活物質として有効であることが確認された。
本発明に係る正極活物質粒子粉末は、充放電容量が大きく、サイクル特性及び熱安定性が向上しているので、非水電解質二次電池用の正極活物質粒子粉末として好適である。

Claims (7)

  1. 少なくとも空間群R−3mに属する結晶系と空間群C2/mに属する結晶系とを有する化合物からなる正極活物質粒子粉末であって、当該化合物は少なくともLiとMnとCo及び/又はNiとを含有する複合酸化物及び元素A(元素AはAl、Mg、Ti、Zr、Ca、Fe、Zn、Mo、Biから選ばれる一種以上の元素)、ホウ素、フッ素から成り、当該化合物のMn含有量はモル比でMn/(Ni+Co+Mn)が0.55以上であり、ホウ素を0.01〜1wt%含み、フッ素を0.01〜5wt%含み、且つ前記元素Aを0.004〜9wt%含み、当該正極活物質粒子粉末のCu−Kα線を使用した粉末X線回折図の2θ=20.8±1°における最大回折ピークの強度(a)と2θ=18.6±1°における最大回折ピークの強度(b)との相対強度比(a)/(b)が0.02〜0.2であることを特徴とする正極活物質粒子粉末。
  2. 空間群R−3mに属する結晶系を有する化合物としてLiMMn1−x(MはNi及び/またはCo、0<x≦1)を、空間群C2/mに属する結晶系を有する化合物としてLiM’(1−y)Mn(M’はNi及び/またはCo、0<y≦1)を含む請求項1に記載の正極活物質粒子粉末。
  3. Li/(Ni+Co+Mn)がモル比で1.2〜1.7である請求項1又は2に記載の複合化された正極活物質粒子粉末。
  4. BET法による比表面積が0.05〜20m/gである請求項1〜3のいずれかに記載の正極活物質粒子粉末。
  5. 一次粒子が凝集した二次粒子からなる正極活物質粒子粉末であって、平均一次粒子径が5μm以下であり、平均二次粒子径が1〜50μmである請求項1〜4のいずれかに記載の正極活物質粒子粉末。
  6. 請求項1〜5のいずれかに記載の正極活物質粒子粉末の製造方法であって、(1)遷移金属を含む前駆体粒子粉末とホウ素化合物とリチウム化合物とフッ素化合物と元素Aの化合物を乾式混合した混合物を焼成する工程、(2)遷移金属を含む前駆体粒子を含むスラリー等にホウ素化合物とフッ素化合物と元素Aの化合物を湿式混合した混合物の乾燥粉末にリチウム化合物を混合して焼成する工程、又は(3)遷移金属を含む前駆体粒子粉末とホウ素化合物とリチウム化合物とを乾式又は湿式混合した混合物粉末を焼成し、この焼成物をフッ素化合物及び元素Aの化合物と乾式又は湿式混合した混合物粉末を熱処理する工程の何れかから成る請求項1〜5のいずれかに記載の正極活物質粒子粉末の製造方法。
  7. 請求項1〜5のいずれかに記載の正極活物質粒子粉末を含有する正極を用いたことを特徴とする非水電解質二次電池。
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