JPWO2019117281A1 - 非水電解質二次電池用正極活物質、遷移金属水酸化物前駆体、遷移金属水酸化物前駆体の製造方法、非水電解質二次電池用正極活物質の製造方法、非水電解質二次電池用正極、及び非水電解質二次電池 - Google Patents
非水電解質二次電池用正極活物質、遷移金属水酸化物前駆体、遷移金属水酸化物前駆体の製造方法、非水電解質二次電池用正極活物質の製造方法、非水電解質二次電池用正極、及び非水電解質二次電池 Download PDFInfo
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Abstract
Description
また、「溶液中でCo、Ni及びMnを含有する化合物を共沈させて前駆体を製造する工程におけるpHは限定されるものではないが、前記共沈前駆体を共沈水酸化物前駆体として作製しようとする場合には、10.5〜14とすることができる。タップ密度を大きくするためには、pHを制御することが好ましい。pHを11.5以下とすることにより、タップ密度を1.00g/cm3以上とすることができ、高率放電性能を向上させることができる。さらに、pHを11.0以下とすることにより、粒子成長速度を促進できるので、原料水溶液滴下終了後の撹拌継続時間を短縮できる。」(段落[0032])と記載されている。
そして、実施例に係る正極活物質を用いたリチウム二次電池の初期充放電工程について、「充電は、電流0.1CA、電圧4.6Vの定電流定電圧充電」で行ったことが記載されている(段落[0098])。
また、特許文献1の段落[0032]と同様、水酸化物前駆体を製造する工程におけるpHは、10.5〜14とすることができ、タップ密度を大きくするためには、pHを制御することが好ましい旨が記載されている(段落[0031])。
そして、実施例に係る正極活物質を用いて作製されたリチウム二次電池の初期充放電工程を、「充電は、電流0.1CmA、電圧4.6Vの定電流定電圧充電」として行ったことが記載されている(段落[0093])。
そして、実施例には、pH11.5に調整して得た共沈水酸化物前駆体の結晶相が「β−Ni(OH)2型の単相」であることが記載されている(段落[0099]〜[0100])。
また、実施例に係る正極活物質を用いて作製されたリチウム二次電池の初期充放電工程について、「充電は、電流0.1ItA、電圧4.5Vの定電流定電圧充電」で行ったことが記載されている(段落[0114])。
LixNiyMnzCo1−y−zO1+x (1)
(式中、xは1.02≦x≦1.25、yは0.30≦y≦0.40、zは0.30≦z≦0.40を示す。)で表されるリチウムニッケルマンガンコバルト系複合酸化物に、Mg、Al、Ti、Cu及びZrから選ばれる1種または2種以上の金属原子(Me)を0.1モル%以上5モル%未満含有させたリチウム複合酸化物であって、粒子表面に存在するLi2CO3量が0.05〜0.20重量%であることを特徴とするリチウム二次電池用正極活物質。」(請求項1)が記載されている。
また、「前記リチウム複合酸化物は、タップ密度が1.5g/ml以上である。この理由は、該リチウム複合酸化物のタップ密度が1.5g/mlより小さくなると、電極密度が低下し、リチウム二次電池の放電容量が低下する傾向があるからである。特に、該リチウム複合酸化物のタップ密度が1.7〜2.8g/mlの範囲にあると、特にリチウム二次電池の放電容量が高くなる観点から好ましい。」(段落[0021])と記載されている。
そして、実施例には、「複合水酸化物中のNi:Co:Mnのモル比=0.334:0.333:0.333」の複合水酸化物試料A及びBを、炭酸リチウム、Meの化合物と混合し、900℃で焼成し、Li/(Ni+Co+Mn+Me)が1.17〜1.19のリチウム複合酸化物試料を得たことが記載されている(段落[0067]〜[0073]、[0084]表3)。
a+b+c+d+e=1
0<a≦0.2
0.2≦b/(b+c+d)≦0.4
0.2≦c/(b+c+d)≦0.4
0<d/(b+c+d)≦0.4
0≦e≦0.1
なおかつBET比表面積が0.05〜1.0m2/gである請求項1及び請求項2に記載のリチウム−ニッケル−マンガン−コバルト複合酸化物。」(請求項3)が記載されている。
そして、実施例には、組成がLi1.04[Ni0.32Mn0.32Co0.32]O2であり、2t/cm2の圧力で加圧した場合のプレス密度が3.56g/cm3、3.43g/cm3、3.52g/cm3、3.47g/cm3、3.31g/cm3である複合酸化物が記載されている(段落[0075]、[0082]、[0086]、[0090]、[0094])。
特許文献4,5には、1<Li/Me(遷移金属)のリチウム遷移金属複合酸化物を含有する活物質が記載されているが、具体的に記載されているリチウム遷移金属複合酸化物は、Ni:Co:Mnの比が1:1:1であり、Mnの含有量が少ないから、電位変化が平坦な領域が観察される正極活物質ではない。
上記の知見に基づく本発明の第一の実施形態は、リチウム遷移金属複合酸化物を含有する非水電解質二次電池用正極活物質であって、前記リチウム遷移金属複合酸化物は、α−NaFeO2構造を有し、Liと遷移金属(Me)のモル比Li/Meが1<Li/Meであり、遷移金属(Me)としてNi及びMn、又はNi、Co及びMnを含み、MnとMeのモル比Mn/Meが0.4≦Mn/Me<0.6であり、前記リチウム遷移金属複合酸化物を40MPaの圧力でプレスした際の密度が2.7g/cm3以上であり、前記リチウム遷移金属複合酸化物が、R3−mに帰属可能なエックス線回折パターンを有し、CuKα線を用いたエックス線回折測定によるミラー指数hklにおける(104)面の回折ピークの半値幅が0.2°以上0.6°以下であるか、又は、P3112に帰属可能なエックス線回折パターンを有し、CuKα線を用いたエックス線回折測定によるミラー指数hklにおける(114)面の回折ピークの半値幅が0.2°以上0.6°以下である、非水電解質二次電池用正極活物質である。
前記リチウム遷移金属複合酸化物の組成は、Li1+αMe1−αO2(α>0)と表記することができる、いわゆる「リチウム過剰型」である。
第一の実施形態においては、組成式Li1+αMe1−αO2(α>0)で表されるリチウム遷移金属複合酸化物において、(1+α)/(1−α)で表される遷移金属元素Meに対するLiのモル比Li/Meは、1より大きい。前記Li/Meは、1.05以上が好ましく、1.10以上がより好ましい。また、1.40未満が好ましく、1.30以下がより好ましい。この範囲であると、正極活物質の放電容量が向上する。また、上記モル比Li/Meは、電位変化が平坦な領域における充電電気量をより大きくできる点で、1.15以上がより好ましく、1.20以上がさらに好ましい。
遷移金属元素Meに対するMnのモル比Mn/Meは0.4以上0.6未満である。0.4以上であることにより、電位変化が平坦な領域における充電電気量を大きくすることができ、0.6未満であることにより、電位変化が平坦な領域が終了するまでの充電過程を一度も経ないで製造し、且つ、電位変化が平坦な領域が終了するまでの充電を行わずに使用した場合の放電容量が大きい正極活物質とすることができる。上記Mnのモル比Mn/Meは、0.55以下がより好ましく、0.53以下がさらに好ましく、0.50以下が最も好ましい。
リチウム遷移金属複合酸化物に含有されるCoは、初期効率を向上させる効果があるが、希少資源であることからコスト高である。したがって、遷移金属元素Meに対するCoのモル比Co/Meは0.35以下とすることが好ましく、0.20以下がより好ましく、0.13以下がさらに好ましく、0でもよい。
遷移金属元素Meに対するNiのモル比Ni/Meは0.20以上0.60以下が好ましく、0.25以上0.55以下がより好ましい。この範囲であると、充放電における分極が小さくなることによって、電位変化が平坦な領域が終了するまでの充電を行わずに使用した場合の放電容量が大きくなる。
上記のような組成のリチウム遷移金属複合酸化物を正極活物質に用いることによって、電位変化が平坦な領域の充電電気量が大きく、電位変化が平坦な領域が終了するまでの充電過程を一度も経ないで製造し、且つ、電位変化が平坦な領域が終了するまでの充電を行わずに使用した場合の放電容量が大きい非水電解質二次電池を得ることができる。
第一の実施形態に係るリチウム遷移金属複合酸化物は、α−NaFeO2構造を有している。合成後(充放電を行う前)の上記リチウム遷移金属複合酸化物は、空間群P3112あるいはR3−mに帰属される。このうち、空間群P3112に帰属されるものには、CuKα管球を用いたエックス線回折図上、2θ=20〜22°の範囲に超格子ピーク(Li[Li1/3Mn2/3]O2型の単斜晶に見られるピーク)が観察される。ここで、観察されるとは、回折角17〜19°の範囲内の強度の最大値と最小値との差分(I18)に対する回折角20〜22°の範囲内の強度の最大値と最小値との差分(I21)の比、すなわち「I21/I18」の値が0.001〜0.1の範囲であることをさす。ところが、一度でも4.5V(vs.Li/Li+)以上に至る電位まで充電及び放電を行うと、結晶中のLiの脱離にともなって結晶の対称性が変化することにより、上記超格子ピークが消滅して、上記リチウム遷移金属複合酸化物は空間群R3−mに帰属されるようになる。換言すると、対極をリチウム金属とし、0.1Cの低電流で、例えば充電上限電圧を4.35V、放電下限電圧を2.5Vとして充放電を行った後の正極には、超格子ピークが観察される。一方で、対極をリチウム金属とし、0.1Cの低電流で、例えば充電上限電圧を4.6V、放電下限電圧を2.0Vとして充放電を行った後の正極には、超格子ピークが観察されない。
ここで、P3112は、R3−mにおける3a、3b、6cサイトの原子位置を細分化した結晶構造モデルであり、R3−mにおける原子配置に秩序性が認められるときに該P3112モデルが採用される。なお、「R3−m」は本来「R3m」の「3」の上にバー「−」を施して表記する。
エックス線源はCuKα、加速電圧及び電流はそれぞれ30kV及び15mAとする。サンプリング幅は0.01deg、走査時間は15分(スキャンスピードは5.0)、発散スリット幅は0.625deg、受光スリットは開放、散乱スリット幅は8.0mmとする。得られたエックス線回折データについて、CuKα2に由来するピークを除去せず、前記エックス線回折装置の付属ソフトである「PDXL」を用いて、空間群R3−mでは(104)面に指数付けされる、エックス線回折図上2θ=44±1°に存在する回折ピークについての半値幅FWHM(104)を計算する。
第一の実施形態に係るリチウム遷移金属複合酸化物は、さらに、40MPaの圧力でプレスした際の密度(以下、「プレス密度」という。)が2.7g/cm3以上である。
プレス密度が2.7g/cm3以上であり、上記の組成とFWHM(104)で表される結晶性をともに満たすことにより、電位変化が平坦な領域が終了するまでの充電過程を一度も経ないで製造し、且つ、電位変化が平坦な領域が終了するまでの充電を行わずに使用した場合の放電容量を大きくすることができる。
2.7g/cm3未満のプレス密度では、電位変化が平坦な領域が終了するまでの充電過程を一度も経ないで製造し、且つ、電位変化が平坦な領域が終了するまでの充電を行わずに使用した場合に、大きな放電容量を得ることができない。
なお、2.7g/cm3以上のプレス密度を有するリチウム過剰型活物質であっても、上記の組成とFWHM(104)で表される結晶性を満たさない場合は、電位変化が平坦な領域が終了するまでの充電過程を一度も経ないで製造し、且つ、電位変化が平坦な領域が終了するまでの充電を行わずに使用した場合の放電容量が小さい。
また、後述の比較例16に示すように、Li/Meが1.1でも、Mn/Meが0.4より小さい場合、及び比較例15に示すように、Li/Meが1.0である場合は、比較的低い電位範囲の放電容量は大きいものの、電位変化が平坦な領域が観察されない。
10−2dm3のメスシリンダーに被測定試料の紛体を2g±0.2g投入し、REI ELECTRIC CO.LTD.社製のタッピング装置を用いて、300回カウント後の被測定試料の体積を投入した質量で除した値を採用する。
エックス線回折測定に供する試料は、採取した合剤を瑪瑙製乳鉢で軽く壊砕し、エックス線回折測定用試料ホルダーに配置して測定に供する。
プレス密度、タップ密度測定に供する試料は、この合剤を小型電気炉を用いて600℃で4時間焼成することで導電剤及び結着剤を除去し、リチウム遷移金属複合酸化物粒子を取り出し、活物質粉末(充放電後粉末)として上記の測定に供する。
前記リチウム遷移金属複合酸化物の製造に用いる遷移金属水酸化物前駆体は、遷移金属(Me)としてNi及びMn、又はNi、Co及びMnを含み、αNi(OH)2型結晶構造の化合物(以下、αMe(OH)2と記載する)及びβNi(OH)2型結晶構造の化合物(以下、βMe(OH)2と記載する)の混合物であることが好ましい。
本発明の第二の実施形態は、α−NaFeO2構造を有し、Liと遷移金属(Me)のモル比Li/Meが1<Li/Meであるリチウム遷移金属複合酸化物の製造に用いる遷移金属水酸化物前駆体であって、前記遷移金属水酸化物前駆体は、遷移金属(Me)としてNi及びMn、又はNi、Co及びMnを含み、MnとMeのモル比Mn/Meが0.4≦Mn/Me<0.6であり、αMe(OH)2及びβMe(OH)2を含有する、遷移金属水酸化物前駆体、及びその製造方法である。
第二の実施形態において、前記の遷移金属水酸化物前駆体(以下、単に「前駆体」ともいう。)のモル比Mn/Meの限定理由、及びこれを用いて作製されるリチウム遷移金属複合酸化物のモル比Li/Meの限定理由は、第一の実施形態の場合と同様である。
前記前駆体は、αMe(OH)2及びβMe(OH)2を含有する結晶構造を有する点に特徴を有し、αMe(OH)2単相又はβMe(OH)2単相の結晶構造を有する前駆体と比べてタップ密度を大きくすることができる。そして、第二の実施形態に係る前駆体を用いて、プレス密度が高いリチウム遷移金属複合酸化物を製造することができる。遷移金属水酸化物前駆体の結晶構造が遷移金属水酸化物前駆体のタップ密度及びリチウム遷移金属複合酸化物のプレス密度と関連する理由については、必ずしも明らかではないが、本発明者は次のように推察している。αMe(OH)2単相の遷移金属水酸化物は、板状の形態を有するαMe(OH)2の一次粒子径が大きいため、二次粒子を構成する一次粒子間の空隙の体積が大きくなり、従って、遷移金属水酸化物前駆体の密度は低くなると考えられる。また、βMe(OH)2単相が生成する遷移金属水酸化物の製造条件は、pHが高いため、遷移金属水酸化物の粒子成長よりも核生成が優先される結果、微細な粒子が多く生成され、従って、やはり遷移金属水酸化物前駆体の密度は低くなると考えられる。従って、αMe(OH)2とβMe(OH)2の混相が生成する遷移金属水酸化物の製造条件を採用することで、タップ密度の高い遷移金属水酸化物前駆体が得られると考えられ、タップ密度の高い前駆体を用いてリチウム遷移金属複合酸化物を合成するために、プレス密度が高いリチウム遷移金属複合酸化物が得られる。
遷移金属水酸化物前駆体を共沈法で製造する際のpHは、特許文献1,2等に記載されるように、通常、10.5〜14である。そして、特許文献3に記載されるように、pH11.5で製造される水酸化物前駆体は、βMe(OH)2の単相である。これに対して、第二の実施形態に係る前駆体は、pH10.2以下の水溶液中で遷移金属の化合物を反応させることにより、αMe(OH)2及びβMe(OH)2を含有する前駆体を製造することができる。このような前駆体から作製されたリチウム遷移金属複合酸化物を正極活物質に用いると、電極の抵抗が小さくなるため、電位変化が平坦な領域に至らない電位、例えば4.35V(vs.Li/Li+)を上限とする充電によって引き抜くことのできるLiの量が大きくなり、可逆容量を大きくすることができる(図3参照)。
錯化剤としては、アンモニア、硫酸アンモニウム、硝酸アンモニウム等を用いることができ、アンモニアが好ましい。錯化剤を用いた晶析反応によって、よりタップ密度の大きな前駆体を作製することができる。
錯化剤と共に還元剤を用いることが好ましい。還元剤としては、ヒドラジン、水素化ホウ素ナトリウム等を用いることができ、活物質のプレス密度が高いリチウム遷移金属複合酸化物を得るためには、ヒドラジンが好ましい。
アルカリ金属水酸化物(中和剤)には、水酸化ナトリウム、水酸化リチウム又は水酸化カリウムを使用することができる。
I11/I19の下限は、0.04が好ましく、0.05がより好ましく、0.08が最も好ましい。I11/I19の上限は、3.0が好ましく、2.0がより好ましく、1.0が最も好ましい。
本発明の第三の実施形態は、第二の実施形態に係る遷移金属水酸化物前駆体に、リチウム化合物を混合し、750〜1000℃で焼成することにより、リチウム遷移金属複合酸化物を製造する、非水電解質二次電池用正極活物質の製造方法である。
焼成温度を上記の範囲とすることにより、FWHM(104)で示されるリチウム遷移金属複合酸化物の結晶性を、本発明の目的に合う範囲とすることができる。
焼成温度が高すぎると、得られた活物質が酸素放出反応を伴って崩壊すると共に、主相の六方晶に加えて単斜晶のLi[Li1/3Mn2/3]O2型に規定される相が、固溶相としてではなく、分相して観察される傾向がある。このような分相が多く含まれすぎると、活物質の可逆容量の減少を導くので好ましくない。このような材料では、エックス線回折図上35°付近及び45°付近に不純物ピークが観察される。したがって、焼成温度は、活物質の酸素放出反応の影響する温度未満とすることが好ましい。活物質の酸素放出温度は、活物質の組成によって若干の差があり、第二の実施形態に係る前駆体を用いてリチウム過剰型活物質を製造する場合、概ね1000℃以上であるが、あらかじめ活物質の酸素放出温度を確認しておくことが好ましい。特に試料に含まれるCo量が多いほど水酸化物前駆体の酸素放出温度は低温側にシフトすることが確認されているので注意が必要である。活物質の酸素放出温度を確認する方法としては、焼成反応過程をシミュレートするために、水酸化物前駆体とリチウム化合物を混合したものを熱質量分析(TG−DTA測定)に供してもよいが、この方法では測定機器の試料室に用いている白金が揮発したLi成分により腐食されて機器を傷めるおそれがあるので、あらかじめ500℃程度の焼成温度を採用してある程度結晶化を進行させた組成物を熱質量分析に供するのが良い。
発明者らは、リチウム過剰型活物質の回折ピークの半値幅を詳細に解析した結果、750℃未満の温度で合成した試料においては格子内にひずみが残存しており、750℃以上の温度で合成することでほとんどひずみを除去することができることがわかった。また、結晶子のサイズは合成温度が上昇するに比例して大きくなることがわかった。よって、第二の実施形態に係る前駆体を用いた場合も同様に、系内に格子のひずみがほとんどなく、かつ結晶子サイズが十分成長した粒子とすることができる焼成温度、具体的には、格子定数に及ぼすひずみ量が2%以下、かつ結晶子サイズが50nm以上に成長する焼成温度を採用して活物質を製造することが好ましい。この活物質を用いた電極について充放電を行うと、膨張収縮により変化するものの、充放電過程においても結晶子サイズは30nm以上を保っていることがわかった。即ち、焼成温度を上記した活物質の酸素放出温度にできるだけ近付けるように選択することにより、はじめて可逆容量が顕著に大きい活物質を得ることができる。
本発明の第四の実施形態は、第一の実施態様の正極活物質を含有する非水電解質二次電池用正極、及びその正極を備えた非水電解質二次電池である。この正極を備えることにより、安全性が高く、電位変化が平坦な領域より低い電位範囲の使用において、放電容量が大きな非水電解質二次電池を提供することができる。
第四の実施形態に係る正極は、第一の実施形態に係る正極活物質を主成分とする粉体を含む。その他の成分として、導電剤、結着剤、増粘剤、フィラー等を含有していてもよい。
非水電解質二次電池の負極に用いる負極活物質としては、限定されない。リチウムイオンを吸蔵及び放出することのできる形態のものであればどれを選択してもよい。例えば、Li[Li1/3Ti5/3]O4に代表されるスピネル型結晶構造を有するチタン酸リチウム等のチタン系材料、SiやSb,Sn系などの合金系材料リチウム金属、リチウム合金(リチウム−シリコン、リチウム−アルミニウム,リチウム−鉛,リチウム−スズ,リチウム−アルミニウム−スズ,リチウム−ガリウム,及びウッド合金等のリチウム金属含有合金)、リチウム複合酸化物(リチウム−チタン)、酸化珪素の他、リチウムを吸蔵・放出可能な合金、炭素材料(例えばグラファイト、ハードカーボン、低温焼成炭素、非晶質カーボン等)等が挙げられる。
負極活物質は、正極活物質と同様、粉体として用いられ、負極は正極と同様、その他の成分を含んでいてよい。
正極及び負極は、前記主成分(各活物質)及びその他の材料を混練し合剤とし、N−メチルピロリドン,トルエン等の有機溶媒又は水に混合させた後、得られた混合液を下記に詳述する集電体の上に塗布し、又は圧着して50℃〜250℃程度の温度で、2時間程度加熱処理することにより好適に作製される。前記塗布方法については、例えば、アプリケーターロールなどのローラーコーティング、スクリーンコーティング、ドクターブレード方式、スピンコーティング、バーコータ等の手段を用いて任意の厚さ及び任意の形状に塗布することが好ましいが、これらに限定されるものではない。
非水電解質二次電池に用いる非水電解質は、限定されるものではなく、一般にリチウム二次電池等への使用が提案されているものが使用可能である。非水電解質に用いる非水溶媒としては、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ブチレンカーボネート、クロロエチレンカーボネート、ビニレンカーボネート等の環状炭酸エステル類;γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン等の環状エステル類;ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート等の鎖状カーボネート類;ギ酸メチル、酢酸メチル、酪酸メチル等の鎖状エステル類;テトラヒドロフラン又はその誘導体;1,3−ジオキサン、1,4−ジオキサン、1,2−ジメトキシエタン、1,4−ジブトキシエタン、メチルジグライム等のエーテル類;アセトニトリル、ベンゾニトリル等のニトリル類;ジオキソラン又はその誘導体;エチレンスルフィド、スルホラン、スルトン又はその誘導体等の単独又はそれら2種以上の混合物等を挙げることができるが、これらに限定されるものではない。
また、非水電解質として常温溶融塩やイオン液体を用いてもよい。
非水電解質二次電池のセパレータとしては、優れた高率放電性能を示す多孔膜や不織布等を、単独あるいは併用することが好ましい。非水電解質電池用セパレータを構成する材料としては、例えばポリエチレン,ポリプロピレン等に代表されるポリオレフィン系樹脂、ポリエチレンテレフタレート,ポリブチレンテレフタレート等に代表されるポリエステル系樹脂、ポリフッ化ビニリデン、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、フッ化ビニリデン−パーフルオロビニルエーテル共重合体、フッ化ビニリデン−テトラフルオロエチレン共重合体、フッ化ビニリデン−トリフルオロエチレン共重合体、フッ化ビニリデン−フルオロエチレン共重合体、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロアセトン共重合体、フッ化ビニリデン−エチレン共重合体、フッ化ビニリデン−プロピレン共重合体、フッ化ビニリデン−トリフルオロプロピレン共重合体、フッ化ビニリデン−テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、フッ化ビニリデン−エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体等を挙げることができる。
第四の実施形態に係る非水電解質二次電池の構成については特に限定されるものではなく、正極、負極及びロール状のセパレータを有する円筒型電池、角型電池(矩形状の電池)、扁平型電池等が一例として挙げられる。
図6に、本発明の一実施形態に係る矩形状の非水電解質二次電池1の外観斜視図を示す。なお、同図は、容器内部を透視した図としている。図6に示す非水電解質二次電池1は、電極群2が電池容器3に収納されている。電極群2は、正極活物質を備える正極と、負極活物質を備える負極とが、セパレータを介して捲回されることにより形成されている。正極は、正極リード4’を介して正極端子4と電気的に接続され、負極は、負極リード5’を介して負極端子5と電気的に接続されている。
上記の非水電解質二次電池を複数個集合した蓄電装置も、本発明の実施形態に含まれる。図7に示す蓄電装置30は、複数の蓄電ユニット20を備えている。それぞれの蓄電ユニット20は、複数の非水電解質二次電池1を備えている。前記蓄電装置30は、電気自動車(EV)、ハイブリッド自動車(HEV)、プラグインハイブリッド自動車(PHEV)等の自動車用電源として搭載することができる。
(実施例1)
実施例活物質の作製にあたって、反応晶析法を用いて遷移金属水酸化物前駆体を作製した。まず、硫酸ニッケル6水和物315.4g、硫酸コバルト7水和物168.6g、硫酸マンガン5水和物530.4gを秤量し、これらの全量をイオン交換水4Lに溶解させ、Ni:Co:Mnのモル比が30:15:55となる1.0Mの硫酸塩水溶液を作製した。次に、5Lの反応槽に2Lのイオン交換水を注ぎ、N2ガスを30minバブリングさせることにより、イオン交換水中に含まれる酸素を除去した。反応槽の温度は50℃(±2℃)に設定し、攪拌モーターを備えたパドル翼を用いて反応槽内を1500rpmの回転速度で攪拌しながら、反応槽内に対流が十分おこるように設定した。前記硫酸塩原液を1.3mL/minの速度で反応槽に50h滴下した。ここで、滴下の開始から終了までの間、4.0Mの水酸化ナトリウム、1.25Mのアンモニア、及び0.1Mのヒドラジンからなる混合アルカリ溶液を適宜滴下することにより、反応槽中のpHが常に9.8(±0.1)を保つように制御すると共に、反応液の一部をオーバーフローにより排出することにより、反応液の総量が常に2Lを超えないように制御した。滴下終了後、反応槽内の攪拌をさらに1h継続した。攪拌の停止後、室温で12h以上静置した。
次に、吸引ろ過装置を用いて、反応槽内に生成した水酸化物前駆体粒子を分離し、さらにイオン交換水を用いて粒子に付着しているナトリウムイオンを洗浄除去し、電気炉を用いて、空気雰囲気中、常圧下、80℃にて20h乾燥させた。その後、粒径を揃えるために、瑪瑙製自動乳鉢で数分間粉砕した。このようにして、遷移金属水酸化物前駆体を作製した。
遷移金属水酸化物前駆体と水酸化リチウム1水和物の混合粉体を、それぞれ850℃、900℃、1000℃及び750℃で焼成したこと以外は実施例1と同様にして、実施例2〜5に係るリチウム遷移金属複合酸化物を作製した。
遷移金属水酸化物前駆体の作製において、反応槽のpHを10.0及び10.2としたこと以外は実施例1と同様にして、実施例6,7に係るリチウム遷移金属複合酸化物を作製した。
遷移金属水酸化物前駆体と水酸化リチウム1水和物の混合粉体を、それぞれ700℃、650℃、1050℃、1200℃で焼成したこと以外は実施例1と同様にして比較例1〜4に係るリチウム遷移金属複合酸化物を作製した。
遷移金属水酸化物前駆体の作製において、反応槽のpHを10.5、10.7、11.0、及び9.0としたこと以外は実施例1と同様にして、比較例5〜8に係るリチウム遷移金属複合酸化物を作製した。
さらに、遷移金属水酸化物前駆体と水酸化リチウム1水和物との焼成温度を650℃に変えたこと以外は比較例7と同様にして、比較例9に係るリチウム遷移金属複合酸化物を作製した。
上記の実施例、比較例、及び後述する実施例、比較例において作製した遷移金属水酸化物前駆体の結晶相を、エックス線回折装置(Rigaku社製、型名:MiniFlex II)を用いて、上記エックス線回折測定の手法に従って測定した。
2θ=10〜12°のピーク強度の最大値を分子に、2θ=18〜20°のピーク強度の最大値を分母とした、I11/I19を計算した。すなわち、I11/I19はどの程度、α型とβ型が存在しているかをさす指標といえる。ここで、いずれも付属のソフトウェアでバックグラウンド処理を行っている。
上記の実施例、比較例、及び後述する実施例、比較例に係るリチウム遷移金属複合酸化物の半値幅は、上述した条件及び手順にしたがって測定を行った。いずれも、α−NaFeO2型結晶構造を有することを、エックス線回折測定における構造モデルと回折パターンが一致したことにより確認した。また、前記エックス線回折装置の付属ソフトである「PDXL」を用いて、空間群R3−mでは(104)面に指数付けされる、エックス線回折図上2θ=44±1°に存在する回折ピークについての半値幅FWHM(104)を決定した。
実施例1〜23、比較例1〜13では、2θ=20〜22°の範囲にリチウム過剰型正極活物質特有の超格子ピークが見られた。
上記の実施例、比較例、及び後述する実施例、比較例に係るリチウム遷移金属複合酸化物のタップ密度、及びプレス密度を、上述した条件及び手順に従って、測定した。
上記の実施例、比較例、及び後述する実施例、比較例に係るリチウム遷移金属複合酸化物を正極活物質に用いて、以下の手順で実施例及び比較例に係る非水電解質二次電池用正極を作製した。
上記のようにして作製した非水電解質二次電池用正極は、一部を切り出し、以下の手順で非水電解質二次電池である試験電池を作製した。
正極の単独挙動を正確に観察する目的のため、対極、即ち負極には金属リチウムをニッケル箔集電体に密着させて用いた。ここで、非水電解質二次電池の容量が負極によって制限されないよう、負極には十分な量の金属リチウムを配置した。
対極を金属リチウムとしているため、電池電圧(V)はそのまま正極電位(V.vs Li/Li+)と読み替えて良い。
上記手順にて組立てられた非水電解質二次電池は、初期充放電工程を経て完成される。ここで、初期充放電工程において、初期充放電条件1を適用する第1の群と、初期充放電条件2を適用する第2の群に分割した。
第1の群の電池を用いて、次の条件を適用して、初期充放電工程に供した。25℃の環境下、充電は、電流0.1C、電圧4.35Vの定電流定電圧充電とし、充電終止条件は電流値が0.02Cに減衰した時点とした。放電は、電流0.1C、終止電圧2.5Vの定電流放電とした。この充放電を1サイクル行った。なお、充電後に10分の休止過程を設けた。
このときの充電電気量及び放電容量をそれぞれ「4.35V充電時充電電気量」及び「4.35V充電時放電容量」として記録した。即ち、「4.35V充電時放電容量」は、電位変化が平坦な領域が終了するまでの充電過程を一度も経ないで製造し、且つ、電位変化が平坦な領域が終了するまでの充電を行わずにより低い電位範囲で使用した場合の放電容量を表す指標である。
第2の群の電池を用いて、次の条件を適用して、初期充放電工程に供した。25℃の環境下、充電は、電流0.1C、電圧4.6Vの定電流定電圧充電とし、充電終止条件は電流値が0.02Cに減衰した時点とした。放電は、電流0.1C、終止電圧2.0Vの定電流放電とした。この充放電を1サイクル行った。なお、充電後に10分の休止過程を設けた。
このときの充電電気量と、上記「4.35V充電時充電電気量」との差を「4.35―4.6V間の充電電気量」として算出した。即ち、「4.35―4.6V間の充電電気量」は、電位変化が平坦な領域における充電電気量を表す指標である。
また、実施例1、及び比較例5に係る正極の、上記初期充放電工程に係る充放電カーブを例示する。図3は、上記「初期充放電条件1」を採用した場合の充放電カーブであり、図4は、上記「初期充放電条件2」を採用した場合の充放電カーブである。充電電圧を4.6Vとした場合、実施例1及び比較例5は同等の放電容量を示しているが、充電電圧を4.35Vとした場合、比較例5では放電容量が10%以上小さくなっている。
しかし、前駆体とリチウム化合物の焼成を、750〜1000℃で行った実施例1〜5では、リチウム遷移金属複合酸化物のFWHM(104)が0.2〜0.6°の範囲内であるのに対して、焼成温度が750〜1000℃を外れる比較例1〜4では、焼成温度が750℃未満の場合には、FWHM(104)が0.6°を超えるリチウム遷移金属複合酸化物が得られ、焼成温度が1000℃を超える場合には、FWHM(104)が0.2°未満のリチウム遷移金属複合酸化物が得られる。そして、本発明の製造条件を満たす実施例1〜5では、「4.35V充電時放電容量」が比較例1〜4に比べて大きいことがわかる。
これに対して、反応槽のpHが10.2を超える比較例5〜7,9に係る前駆体は、β型の単相であり、反応槽のpHが9.0である比較例8では、α型の単相である。比較例5〜9に係る単相の前駆体を用いて作製したリチウム遷移金属複合酸化物は、焼成温度を800℃とした場合であっても、プレス密度が2.7g/cm3を超えることがない。
加えて、比較例9は焼成温度が低く、FWHM(104)が0.6°を超えて大きいから、結晶化が不十分である。
そして、比較例5〜9では、「4.35V充電時放電容量」が実施例1〜7を上回ることはないことがわかる。
遷移金属水酸化物前駆体の組成がNi:Co:Mnのモル比で40:5:55となるように調製し、前記遷移金属水酸化物前駆体とリチウム化合物の混合粉体のLi:(Ni,Co,Mn)のモル比が110:100となるように調製したこと以外は実施例1と同様にして、実施例8に係るリチウム遷移金属複合酸化物を作製した。
遷移金属水酸化物前駆体の組成をNi:Co:Mnのモル比で45:5:50となるように調製し、遷移金属水酸化物前駆体の作製において、反応槽のpHを10.0としたこと、及び前記遷移金属水酸化物前駆体とリチウム化合物の混合粉体のLi:(Ni,Co,Mn)のモル比を110:100となるように調製し、850℃で焼成したこと以外は実施例1と同様にして、実施例9に係るリチウム遷移金属複合酸化物を作製した。
遷移金属水酸化物前駆体のNi:Co:Mnのモル比、前記前駆体の遷移金属とリチウム化合物のモル比Li/Me、反応槽のpH、及び前駆体とリチウム化合物の焼成温度を後掲の表2に示す条件としたこと以外は実施例1と同様にして、実施例10〜23に係るリチウム遷移金属複合酸化物を作製した。
遷移金属水酸化物前駆体の組成がNi:Co:Mnのモル比で30:10:60となるように調製し、反応槽に滴下するアンモニア濃度を0.6M、ヒドラジン濃度を0.3M(比較例10,11)、又は0.2M(比較例12,13)とし、反応槽のpHを後掲の表2に示す条件として前駆体を作製し、前記前駆体の遷移金属とリチウム化合物のモル比Li/Meを1.3に調製し、後掲の表2に示す焼成温度で焼成したこと以外は、実施例1と同様にして、比較例10〜13に係るリチウム遷移金属複合酸化物を作製した。
遷移金属水酸化物前駆体とリチウム化合物の混合粉体のLi:Meのモル比Li/Meが1.0となるように調製したこと以外は実施例1と同様にして、比較例14に係るリチウム遷移金属複合酸化物を作製した。
遷移金属水酸化物前駆体の組成がNi:Co:Mnのモル比で33:33:33(1:1:1)となるように調製し、反応槽のpHを10.0としたこと、及び前記遷移金属水酸化物前駆体とリチウム化合物のモル比Li/Meを1.0又は1.1とし、900℃で焼成したこと以外は実施例1と同様にして、比較例15,16に係るリチウム遷移金属複合酸化物を作製した。
以上の実施例及び比較例に係るリチウム遷移金属複合酸化物を正極活物質に用いた非水電解質二次電池の充放電試験の結果を、以下の表2に示す。
比較例13に係るリチウム遷移金属複合酸化物は、遷移金属水酸化物前駆体とリチウム化合物の焼成温度が800℃である点のみで比較例12と異なり、FWHM(104)は0.2〜0.6°を満たしている。しかし、反応槽のpHが11.0と高く、β型単相の前駆体が作製されている点で、比較例12と同様であり、活物質のプレス密度が低い。
そして、比較例10〜13に係るリチウム遷移金属複合酸化物を正極活物質を用いた電池は、いずれも大きな「4.35V充電時放電容量」を得ることができないことがわかる。
比較例16に係るリチウム遷移金属複合酸化物は、Li/Meが1.1であるが、Mn/Meが0.4より小さい、0.33である型活物質の例である。比較例16に係る活物質についても、電位が5.0V(vs.Li/Li+)に至る初期充電を行っても、4.5〜5.0V(vs.Li/Li+)の電位範囲内に、充電電気量に対する電位変化が比較的平坦な領域が観察されず、「4.35―4.6V間の充電電気量」が小さい。
したがって、比較例15、16に係る電池は、満充電状態(SOC100%)を超えてさらに電流を強制的に印加したときに、電池電圧の急上昇が観察されるまでのSOCを十分に拡大することができないことがわかる。
モル比Mn/Meが0.6である比較例10〜13は、上記したように、いずれも「4.35V充電時放電容量」が130mAh/g未満と小さい。これに対して、モル比Mn/Meが0.6未満である実施例1〜23は、いずれも、「4.35V充電時放電容量」が130mAh/g以上と優れている。なかでも、モル比Mn/Meが0.50以下である実施例9〜11、13〜22は、いずれも、「4.35V充電時放電容量」が140mAh/g以上とさらに優れている。
上記充放電試験後の非水電解質二次電池の中で、実施例1,6,8,16について、上記の手順で電池の解体及び正極合剤のエックス線回折測定をおこなった。
初期充放電条件1を適応した二次電池については、超格子ピークが観察された。一方で、初期充放電条件2を適応した二次電池については、超格子ピークが観察されなかった。
2A,2B 測定面
3A,3B 台座
6 側体
7 貫通孔
1 非水電解質二次電池
2 電極群
3 電池容器
4 正極端子
4’ 正極リード
5 負極端子
5’ 負極リード
20 蓄電ユニット
30 蓄電装置
Claims (6)
- リチウム遷移金属複合酸化物を含有する非水電解質二次電池用正極活物質であって、
前記リチウム遷移金属複合酸化物は、
α−NaFeO2構造を有し、
Liと遷移金属(Me)のモル比Li/Meが1<Li/Meであり、
遷移金属(Me)としてNi及びMn、又はNi、Co及びMnを含み、MnとMeのモル比Mn/Meが0.4≦Mn/Me<0.6であり、
前記リチウム遷移金属複合酸化物を40MPaの圧力でプレスした際の密度が2.7g/cm3以上であり、
前記リチウム遷移金属複合酸化物が、R3−mに帰属可能なエックス線回折パターンを有し、CuKα線を用いたエックス線回折測定によるミラー指数hklにおける(104)面の回折ピークの半値幅が0.2°以上0.6°以下であるか、又は、P3112に帰属可能なエックス線回折パターンを有し、CuKα線を用いたエックス線回折測定によるミラー指数hklにおける(114)面の回折ピークの半値幅が0.2°以上0.6°以下である、非水電解質二次電池用正極活物質。 - α−NaFeO2構造を有し、Liと遷移金属(Me)のモル比Li/Meが1<Li/Meであるリチウム遷移金属複合酸化物の製造に用いる遷移金属水酸化物前駆体であって、
前記遷移金属水酸化物前駆体は、遷移金属(Me)としてNi及びMn、又はNi、Co及びMnを含み、MnとMeのモル比Mn/Meが0.4≦Mn/Me<0.6であり、
αMe(OH)2及びβMe(OH)2を含有する、遷移金属水酸化物前駆体。 - 請求項2に記載の遷移金属水酸化物前駆体の製造方法であって、
Ni及びMn、又はNi、Co及びMnを含む化合物を、pH10.2以下の水溶液中で反応させる、遷移金属水酸化物前駆体の製造方法。 - リチウム遷移金属複合酸化物を含有する非水電解質二次電池用正極活物質の製造方法であって、
請求項2に記載の遷移金属水酸化物前駆体に、リチウム化合物を混合し、750〜1000℃で焼成することにより、リチウム遷移金属複合酸化物を製造する、非水電解質二次電池用正極活物質の製造方法。 - 請求項1に記載の正極活物質を含有する、非水電解質二次電池用正極。
- 請求項5に記載の非水電解質二次電池用正極を備えた非水電解質二次電池。
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