WO2021125271A1 - リチウム金属複合酸化物粉末、リチウム二次電池用正極活物質、リチウム二次電池用正極及びリチウム二次電池 - Google Patents

リチウム金属複合酸化物粉末、リチウム二次電池用正極活物質、リチウム二次電池用正極及びリチウム二次電池 Download PDF

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Abstract

本発明は、層状構造を有するリチウム金属複合酸化物粉末であって、少なくともLiとNiと元素Xを含有し、前記元素Xは、Co、Mn、Fe、Cu、Ti、Mg、Al、W、Mo、Nb、Zn、Sn、Zr、Ga、V、B、Si、S及びPからなる群より選択される1種以上の元素であり、前記リチウム金属複合酸化物粉末は、要件(1)、要件(2)及び要件(3)をすべて満たすことを特徴とする、リチウム金属複合酸化物粉末に関する。 要件(1):下記の方法により測定される安息角(θ1)と崩壊角(θ2)と、から算出される差角(θ1-θ2)が、15°以下である。 測定用テーブルにリチウム金属複合酸化物粉末を堆積させたときの傾斜角を安息角(θ1)とする。 次に、測定用テーブルに所定の衝撃力を作用させた後に計測した傾斜角を崩壊角(θ2)とする。 要件(2):平均一次粒子径が1μm以上である。 要件(3):リチウム金属複合酸化物粉末に含まれる水分量が1000ppm以下である。

Description

リチウム金属複合酸化物粉末、リチウム二次電池用正極活物質、リチウム二次電池用正極及びリチウム二次電池
 本発明は、リチウム金属複合酸化物粉末、リチウム二次電池用正極活物質、リチウム二次電池用正極及びリチウム二次電池に関する。
 本願は、2019年12月17日に、日本に出願された特願2019-227470号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
 リチウム二次電池は、既に携帯電話用途やノートパソコン用途などの小型電源だけでなく、自動車用途や電力貯蔵用途などの中型又は大型電源においても、実用化が進んでいる。リチウム二次電池は、正極活物質を備えたリチウム二次電池用正極を有する。正極活物質には、リチウム金属複合酸化物粉末が用いられる。
 リチウム二次電池用正極は、以下の工程を含む製造方法により製造される。
 まず、リチウム二次電池用正極活物質(以下、「正極活物質」と記載する)、バインダー及び導電材を、混練機を用いて溶媒中で混練し、ペースト状の電極合剤を得る。
 次に、得られた電極合剤を集電体である金属箔の表面に均一に塗布する。
 その後、電極合剤が塗布された集電体を乾燥後、必要に応じて正極活物質層の密度を増大させるために圧着する。これにより、集電体上に電極合剤層が形成された、リチウム二次電池用正極が得られる。
 ペースト状の電極合剤製造時の混練工程において、特定の流動性を有する正極活物質粉末は、正極活物質粉末と導電材と結着材とが均一に分散した電極合剤が得られやすい。このような電極合剤は、電極合剤中にダマが形成されにくい。このため、集電体上に均一に電極合剤を塗布できる。
 さらに上述のような電極合剤を用いると正極活物質層の密度を増大させるために、圧着工程を経ても、電極合剤層の内部で導電材が均一に分布した状態を維持したリチウム二次電池用正極が得られる。このようなリチウム二次電池用正極は電極合剤層における電子伝導性が高くなり、電池性能が向上する。
 特許文献1には、流動性が高い凝集粒状リチウム複合金属酸化物を製造するため、正極活物質の粉末の安息角に着目した製造方法が記載されている。
JP-A-2001-80920
 正極活物質粉末の流動性が特定の範囲にない場合、正極活物質粉末が不均一に分散した電極合剤が製造される。このような電極合剤を用いて製造された電極合剤層は、導電材が電極合剤層中で偏在する。導電材が集中している部分と分散している部分とでは電子伝導性に差が生じる。このような電極合剤を使用することは、電池内部の抵抗の増加や電池性能の劣化の要因となる。
 特許文献1に記載の方法により製造される正極活物質粉末の流動性は十分ではなく、混練性を向上させる観点から改良の余地がある。
 本明細書において「混練性が高い」とは、正極活物質粉末、バインダー、導電材等の電極を構成する成分を混練した際に、各成分の部分的な凝集や未混練部分が発生せず、均一に混合されている状態を意味する。
 本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、混練性が良好であるリチウム金属複合酸化物粉末、リチウム二次電池用正極活物質、リチウム二次電池用正極及びリチウム二次電池を提供することを目的とする。
 すなわち、本発明は、下記[1]~[9]の発明を包含する。
[1]層状構造を有するリチウム金属複合酸化物粉末であって、少なくともLiとNiと元素Xを含有し、前記元素Xは、Co、Mn、Fe、Cu、Ti、Mg、Al、W、Mo、Nb、Zn、Sn、Zr、Ga、V、B、Si、S及びPからなる群より選択される1種以上の元素であり、下記の要件(1)、要件(2)及び要件(3)をすべて満たすことを特徴とする、リチウム金属複合酸化物粉末。
 要件(1):下記の方法により測定される安息角(θ1)と崩壊角(θ2)と、から算出される差角(θ1-θ2)が、15°以下である。
 測定用テーブルにリチウム金属複合酸化物粉末を堆積させたときの傾斜角を安息角(θ1)とする。
 次に、測定用テーブルに所定の衝撃力を作用させた後に計測した傾斜角を崩壊角(θ2)とする。
 要件(2):平均一次粒子径が1μm以上である。
 要件(3):リチウム金属複合酸化物粉末に含まれる水分量が1000ppm以下である。
[2]前記安息角(θ1)が40°以下である、[1]に記載のリチウム金属複合酸化物粉末。
[3]前記崩壊角(θ2)が35°以下である、[1]又は[2]に記載のリチウム金属複合酸化物粉末。
[4]残留硫酸根の含有量が1.0質量%以下である、[1]~[3]のいずれか1つに記載に記載のリチウム金属複合酸化物粉末。
[5]粒度分布測定値から求めた20%累積径(D20)と10%累積径(D10)の値の差(D20-D10)が1μm以下である、[1]~[4]のいずれか1つに記載のリチウム金属複合酸化物粉末。
[6]前記リチウム金属複合酸化物粉末は、コア粒子と前記コア粒子を被覆する被覆物とを備える、[1]~[5]のいずれか1つに記載のリチウム金属複合酸化物粉末。
[7][1]~[6]のいずれか1つに記載のリチウム金属複合酸化物粉末を含有するリチウム二次電池用正極活物質。
[8][7]に記載のリチウム二次電池用正極活物質を含有するリチウム二次電池用正極。
[9][8]に記載のリチウム二次電池用正極を有するリチウム二次電池。
 本発明によれば、混練性が良好であるリチウム金属複合酸化物粉末、リチウム二次電池用正極活物質、リチウム二次電池用正極及びリチウム二次電池を提供することができる。
リチウム二次電池の一例を示す概略構成図である。 リチウム二次電池の一例を示す概略構成図である。 全固体リチウム二次電池の一例を示す模式図である。
 本明細書において金属複合化合物(Metal Composite Compound)を以下「MCC」と称し、リチウム金属複合酸化物(Lithium Metal Composite Oxide)を以下「LiMO」と称し、リチウム二次電池用正極活物質(Cathode Active Material for lithium secondary batteries)を以下「CAM」と称する。
<LiMO粉末>
 本実施形態のLiMO粉末は、層状構造を有するLiMO粉末である。
 本実施形態のLiMO粉末は、少なくともLiとNiと元素Xとを含有する。
 元素Xは、Co、Mn、Fe、Cu、Ti、Mg、Al、W、Mo、Nb、Zn、Sn、Zr、Ga、V、B、Si、S及びPからなる群より選択される1種以上の元素である。
 本実施形態のLiMO粉末は、下記の要件(1)、要件(2)及び要件(3)をすべて満たす。
≪要件(1)≫
 本実施形態のLiMO粉末は、下記の方法により測定される安息角(θ1)と崩壊角(θ2)と、から算出される差角(θ1-θ2)が、15°以下である。
 本実施形態において「安息角(θ1)」は、測定用テーブルにLiMO粉末を堆積させたときの傾斜角を意味する。LiMO粉末を堆積させる方法としては、一般的な注入法が挙げられる。
 本実施形態において「崩壊角(θ2)」は、安息角(θ1)測定後に、測定用テーブルに所定の衝撃力を作用させた後に計測した傾斜角を意味する。
 安息角(θ1)と崩壊角(θ2)の測定には、例えば株式会社セイシン企業製の多機能型粉体物性測定器マルチテスターMT-02が使用できる。
 本実施形態において、安息角(θ1)と崩壊角(θ2)の具体的な測定方法は下記の通りである。
[安息角の測定方法]
 測定対象となる粉末を一定の高さの漏斗から水平な基板(測定用テーブル)の上に落下させ、生成した円錐状堆積物の直径及び高さから底角を算出し、この底角を安息角とした。一般的にはJIS-R9301-2-2:1999(対応国際規格:ISO 920:1976)に基づき測定することができる。
 円錐状堆積物の高さとしては、前記水平な基板から前記円錐状堆積物における最も高い地点までの前記水平な基板と直交する方向の長さを採用することできる。
 円錐状堆積物の直径としては、円錐状堆積物の底面において、無作為に選択した4方向の径の平均を採用することができる。
 また、円錐状堆積物の直径としては、円錐状堆積物の底面の最長径と最小径の平均を採用することもできる。
 以上のように得られた円錐状堆積物の直径を底辺とし、円錐状堆積物の高さを高さとする二等辺三角形から、その底角を算出することができる。
[崩壊角の測定方法]
 安息角を測定した円錐状堆積層を、測定用テーブルに一定の衝撃を3回加えることで崩壊させた後に円錐状堆積物の直径及び高さから底角を算出し、この底角を崩壊角とする。
 円錐状堆積物の高さとしては、前記水平な基板から前記円錐状堆積物における最も高い地点までの前記水平な基板と直交する方向の長さを採用することできる。
 円錐状堆積物の直径としては、円錐状堆積物の底面において、無作為に選択した4方向の径の平均を採用することができる。
 また、円錐状堆積物の直径としては、円錐状堆積物の底面の最長径と最小径の平均を採用することもできる。
 以上のように得られた円錐状堆積物の直径を底辺とし、円錐状堆積物の高さを高さとする二等辺三角形から、その底角を算出することができる。
 ここで一定の衝撃とは使用した測定装置において、採用されている衝撃であり、装置固有かつ一定のものである。崩壊角の測定には、例えば、株式会社セイシン企業製の多機能型粉体物性測定器マルチテスターMT-02が使用できる。
 一定の衝撃とは、具体的には、多機能型粉体物性測定器マルチテスターMT-02において通電時間を150ミリ秒とした場合の衝撃である。なお、当該測定器における衝撃力は、通電時間によって制御される。また、当該測定機における衝撃の試験条件は、通電時間150ミリ秒の衝撃力を3回加える条件である。
[差角の測定方法]
 以下の式により、差角を算出することができる。
  安息角(°)-崩壊角(°)=差角(°)
 本実施形態において、安息角(θ1)と崩壊角(θ2)と、から算出される差角(θ1-θ2)は、15°以下であり、13°以下が好ましく、11°以下がより好ましく、10°以下がさらに好ましい。
 また、差角(θ1-θ2)は、3°以上が好ましく、4°以上がより好ましく5°以上が特に好ましい。
 差角(θ1-θ2)の上限値及び下限値は任意に組み合わせることができる。
 組み合わせの例としては、3°以上15°以下、4°以上13°以下、5°以上11°以下、5°以上10°以下が挙げられる。
 差角(θ1-θ2)が大きいと、噴流性が高くなる傾向にある。噴流性とは粉末の飛散の起こりやすさを示す性質である。噴流性が高くなる粒子形状をしたLiMO粉末は、空気を抱き込みやすく、ペースト状の電極合剤を製造する際に部分的な凝集や未混練部分が発生しやすくなる。
 本実施形態においては、差角(θ1-θ2)が上記上限値以下であるため、噴流性が低くかつ流動性が高いLiMO粉末となる。その結果、取り扱いやすく、混練性が高いLiMO粉末となる。
 本実施形態において、上記の測定方法により測定した安息角(θ1)は、40°以下であることが好ましく、39°以下であることがより好ましく、38°以下であることがさらに好ましく、37°以下であることが特に好ましい。
 安息角(θ1)の下限としては、10°以上、15°以上、20°以上が挙げられる。
 上記上限値及び下限値は任意に組み合わせることができる。
 組み合わせの例としては、10°以上40°以下、10°以上39°以下、15°以上38°以下、20°以上37°以下が挙げられる。
 安息角(θ1)が上記の範囲であると、特定の流動性を有するLiMO粉末となる。流動性が高すぎないことでペースト状の電極合剤を製造する際に混練が均一に行いやすい。その結果、混練性が高いLiMO粉末となる。
 本実施形態において、上記の測定方法により測定した崩壊角(θ2)は、35°以下であることが好ましく、33°以下であることがより好ましく、31°以下であることがさらに好ましく、28°以下であることが特に好ましい。
 崩壊角(θ2)の下限としては、5°以上、10°以上、15°以上が挙げられる。
 上記上限値及び下限値は任意に組み合わせることができる。
 組み合わせの例としては、5°以上35°以下、5°以上33°以下、10°以上31°以下、15°以上28°以下が挙げられる。
 崩壊角(θ2)が小さく、中でも上記の範囲であると、流動性が高いLiMO粉末となる。その結果、混練性が高いLiMO粉末となる。
≪要件(2)≫
 本実施形態のLiMO粉末は、平均一次粒子径が1μm以上であり、1.1μm以上であることが好ましく、1.2μm以上であることがより好ましく、1.3μm以上であることが特に好ましい。
 平均一次粒子径は、7μm以下であることが好ましく、6.5μm以下であることがより好ましく、6.0μm以下であることがさらに好ましく、5.5μm以下であることが特に好ましい。
 平均一次粒子径の上限値及び下限値は任意に組み合わせることができる。組み合わせの例としては、1μm以上7μm以下、1.1μm以上6.5μm以下、1.2μm以上6.0μm以下、1.3μm以上5.5μm以下が挙げられる。
 要件(2)を満たすLiMO粉末は、LiMO粉末に含まれる一次粒子又は二次粒子同士が付着又は凝集しにくい。このため流動性が高いLiMO粉末となる。その結果、混練性が高いLiMO粉末となる。
 LiMO粉末は、LiMOを含む。LiMO粉末は、さらに水又は硫酸根を含むことがある。LiMOは、一次粒子、又は一次粒子と二次粒子を含む。LiMOは、さらに後述の被覆物を含むことがある。
 LiMO粉末の総質量に対するLiMOの含有割合は、例えば95~100質量%である。
 二次粒子を形成していない一次粒子の数と二次粒子の数の総数に対する、二次粒子を形成していない一次粒子の数の割合は、例えば0.5~0.95である。
[一次粒子]
 本実施形態において、一次粒子は以下のように定義される。
 一次粒子は、走査電子顕微鏡(SEM)を用いて5000倍の倍率で観察した際に、外観上に粒界が存在しない粒子である。一次粒子の粒子径は、例えば、0.2~8μmである。一次粒子の粒子径は後述の平均一次粒子径の測定方法に記載の方法によって測定することができる。
[二次粒子]
 本実施形態において、二次粒子は一次粒子の凝集体である。リチウム金属複合酸化物は、一次粒子が十個以上凝集して成り、球状又は楕円状である二次粒子を含んでもよい。二次粒子の粒子径は、例えば、1~50μmである。二次粒子の粒子径は後述の平均一次粒子径の測定方法に記載の方法と同様の方法によって測定することができる。
 本実施形態において、平均一次粒子径は下記の方法により求める。
 まず、LiMO粉末を、サンプルステージ上に貼った導電性シート上に載せ、走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて、加速電圧が20kVの電子線を照射してSEM観察を行う。SEM観察により得られた画像(SEM写真)から無作為に50個の一次粒子を抽出し、それぞれの一次粒子について、一次粒子の投影像を一定方向から引いた平行線ではさんだ平行線間の距離(定方向径)を一次粒子の粒子径として測定する。一定方向としては、例えば、得られたSEM写真における水平方向とすることができる。得られた一次粒子の粒子径の算術平均値を、平均一次粒子径とする。
 走査型電子顕微鏡としては、例えば、日本電子株式会社製JSM-5510が使用できる。
≪要件(3)≫
 LiMO粉末に含まれる水分量は、LiMO粉末の総質量に対して、1000質量ppm以下であり、900質量ppm以下であることが好ましく、800質量ppm以下がより好ましく、700質量ppm以下が特に好ましい。
 水分量は、0質量ppm以上であってもよく、10質量ppm以上、100質量ppm以上、200質量ppm以上であってもよい。
 上記上限値及び下限値は任意に組み合わせることができる。
 組み合わせの例としては、0質量ppm以上1000質量ppm以下、10質量ppm以上900質量ppm以下、100質量ppm以上800質量ppm以下、200質量ppm以上700質量ppm以下が挙げられる。
 LiMO粉末の水分量の測定は水分計を用いて測定できる。水分計としては、例えば、電量法カールフィッシャー水分計(831 Coulometer、Metrohm社製)を用いて測定できる。
 要件(3)を満たし、水分量が少ないLiMO粉末は粉体の流動性が高く、混練性を高めることができる。
 本実施形態のLiMO粉末は、硫酸根含有量がLiMO粉末の総質量に対して、1.0質量%以下であることが好ましく、0.9質量%以下であることが好ましく、0.8質量%以下がより好ましく、0.7質量%以下がさらに好ましい。
 硫酸根含有量は、0質量%以上、0.1質量%以上、0.2質量%以上が挙げられる。
 上記上限値及び下限値は、任意に組み合わせることができる。
 組み合わせの例としては、0質量%以上1.0質量%以下、0質量%以上0.9質量%以下、0.1質量%以上0.8質量%以下、0.2質量%以上0.7質量%以下が挙げられる。
 本明細書において、「硫酸根」とは、焼成工程後のLiMO粉末に含まれる粒子に存在するSO 2-を意味する。
 LiMO粉末に含まれる硫酸根の含有量は、下記の方法により測定できる。
 LiMO粉末を塩酸に溶解させた後、誘導結合プラズマ発光分析法(ICP)を行い、硫黄原子量を測定する。
 次いで、測定した硫黄原子量を硫酸根に換算し、硫酸根含有量とする。
 本実施形態においては、粒度分布測定値から求めた20%累積径(D20)と10%累積径(D10)の値の差(D20-D10)が1μm以下であることが好ましく、0.95μm以下がより好ましく、0.9μm以下が特に好ましい。
 差(D20-D10)の下限値の例としては、0.1μm以上、0.2μm以上、0.3μm以上が挙げられる。
 上記上限値及び下限値は、任意に組みわせることができる。
 組み合わせの例としては、0.1μm以上1μm以下、0.2μm以上0.95μm以下、0.3μm以上0.9μm以下が挙げられる。
 (D20-D10)の値が上記上限値以下であると、粉体の流動性に影響する微粒子が少ないため、混練性が高いLiMO粉末となる。
 本実施形態においては、粒度分布測定値から求めた50%累積径(D50)の下限値は、2.5μm以上が好ましく、3μm以上がより好ましく、3.5μm以上がさらに好ましい。
 前記50%累積径(D50)の上限値は、9μm以下が好ましく、8μm以下がより好ましく、7μm以下がさらに好ましい。
 50%累積径(D50)の上限値及び下限値は任意に組み合わせることができる。本実施形態においては、2.5μm以上9μm以下が好ましく、3μm以上8μm以下がより好ましく、3.5μm以上7μm以下がさらに好ましい。
[粒度分布測定]
 測定するLiMO粉末0.1gを、0.2質量%ヘキサメタりん酸ナトリウム水溶液50mlに投入し、LiMO粉末を分散させた分散液を得る。得られた分散液についてレーザー回折散乱粒度分布測定装置を用いて、粒度分布を測定し、体積基準の累積粒度分布曲線を得る。
 得られた累積粒度分布曲線において、微小粒子側からの10%累積時の体積粒度をLiMO粉末の10%累積体積粒度D10とする。また、得られた累積粒度分布曲線において、微小粒子側からの20%累積時の体積粒度をLiMO粉末の20%累積体積粒度D20とする。さらに得られた累積粒度分布曲線において、微小粒子側からの50%累積時の体積粒度をLiMO粉末の50%累積体積粒度D50とする。
 レーザー回折散乱粒度分布測定装置としては、例えばマルバーン社製マスターサイザー2000が使用できる。
≪被覆物≫
 本実施形態のLiMO粉末は、コア粒子と、前記コア粒子の表面を被覆する被覆物とを備えていることが好ましい。前記被覆物は、被覆層又は被覆粒子であることが好ましい。本実施形態において、コア粒子とは、LiMOの一次粒子又は二次粒子である。
 本実施形態のLiMO粉末において、前記Xで表される元素は、コア粒子を構成していてもよく、被覆物を構成していてもよい。前記Xで表される元素のうち、被覆物を構成する元素を元素Mと記載する。元素MはAl、Ti、Zr、Nb及びWから選ばれる1種以上の元素であることが好ましく、Al、Zr、Nb及びWから選ばれる1種以上の元素であることがより好ましい。被覆物は、Liと元素Mとのリチウム含有複合酸化物を含むことが好ましい。
 被覆物の粒子径は、例えば、0.0001~0.05μmである。被覆物の粒子径は上述の平均一次粒子径の測定方法に記載の方法と同様の方法によって測定することができる。
 前記元素Mと元素Xとは、同一であってもよく、異なっていてもよい。効率的に製造する観点から、前記元素Mと前記元素Xとは同一であることが好ましい。
 本実施形態のLiMO粉末が被覆物を有する場合には、NiとXのモル比の和に対する、前記被覆物が含有する元素Mのモル比の割合(M/(Ni+X))が、0.05モル%以上5モル%以下が好ましい。
(M/Ni+X)は、4モル%以下であることがより好ましく、3モル%以下であることが特に好ましい。(M/Ni+X)は、0.1モル%以上であることがより好ましく、1モル%以上であることが特に好ましい。上記上限値と下限値は任意に組み合わせることができる。
 組み合わせの例としては、(M/Ni+X)は、0.1モル%以上4モル%以下であることが好ましく、1モル%以上3モル%以下であることがより好ましい。
 本実施形態において、被覆物の組成の確認は、粒子断面のSTEM-EDX元素ライン分析、誘導結合プラズマ発光分析、電子線マイクロアナライザ分析などを用いることで行うことができる。被覆物の結晶構造の確認は、粉末X線回折や、電子線回折を用いて行うことができる。
 本実施形態のLiMOは、下記組成式(I)で表されることが好ましい。
 Li[Li(Ni(1-n)1-m]O  ・・・(I)
 (-0.1≦m≦0.2、0<n≦0.7である。元素Xは、Co、Mn、Fe、Cu、Ti、Mg、Al、W、Mo、Nb、Zn、Sn、Zr、Ga、V、B、Si、S及びPからなる群より選択される1種以上の元素である。)
 サイクル特性がよいリチウム二次電池を得る観点から、前記組成式(I)におけるmは0を超えることが好ましく、0.01以上であることがより好ましく、0.02以上であることがさらに好ましい。また、初回クーロン効率がより高いリチウム二次電池を得る観点から、前記組成式(I)におけるmは0.1以下であることが好ましく、0.08以下であることがより好ましく、0.06以下であることがさらに好ましい。
 mの上限値と下限値は任意に組み合わせることができる。
 本実施形態においては、0<m≦0.2であることが好ましく、0<m≦0.1であることがより好ましい。
 放電容量が高いリチウム二次電池を得る観点から、前記組成式(I)において、nは、0.7以下であることが好ましく、0.5以下であることがより好ましく、0.45以下であることがさらに好ましく、0.2以下が特に好ましい。またnは、0超であることが好ましく、0.05以上であることがより好ましく、0.10以上であることがさらに好ましく、0.12以上が特に好ましい。
 nの上限値と下限値は任意に組み合わせることができる。
 組み合わせの例としては、0超0.7以下、0.05以上0.5以下、0.10以上0.45以下、0.12以上0.2以下が挙げられる。
 本実施形態において、ニッケルと元素Xとの合計量に対するニッケルの含有量(Ni/(Ni+X))は、モル比で0.4以上が好ましく、0.45以上がより好ましく、0.50以上がさらに好ましく、0.55以上が特に好ましい。
(Ni/(Ni+X))の上限値は特に限定されないが、一例を挙げると、0.95、0.92、0.90が挙げられる。
 上記上限値及び下限値は任意に組み合わせることができる。組み合わせの例としては、0.45以上0.95以下、0.50以上0.92以下、0.55以上0.90以下が挙げられる。
 LiMOの組成分析は、得られたLiMO粉末を塩酸に溶解させた後、ICP発光分光分析装置により分析することにより行うことができる。
(層状構造)
 本実施形態において、LiMO粉末の結晶構造は、層状構造であり、六方晶型の結晶構造又は単斜晶型の結晶構造であることがより好ましい。
 六方晶型の結晶構造は、P3、P3、P3、R3、P-3、R-3、P312、P321、P312、P321、P312、P321、R32、P3m1、P31m、P3c1、P31c、R3m、R3c、P-31m、P-31c、P-3m1、P-3c1、R-3m、R-3c、P6、P6、P6、P6、P6、P6、P-6、P6/m、P6/m、P622、P622、P622、P622、P622、P622、P6mm、P6cc、P6cm、P6mc、P-6m2、P-6c2、P-62m、P-62c、P6/mmm、P6/mcc、P6/mcm、P6/mmcからなる群から選ばれるいずれか一つの空間群に帰属される。
 また、単斜晶型の結晶構造は、P2、P2、C2、Pm、Pc、Cm、Cc、P2/m、P2/m、C2/m、P2/c、P2/c、C2/cからなる群から選ばれるいずれか一つの空間群に帰属される。
 これらのうち、放電容量が高いリチウム二次電池を得るため、結晶構造は、空間群R-3mに帰属される六方晶型の結晶構造、又はC2/mに帰属される単斜晶型の結晶構造であることが特に好ましい。
 LiMO粉末の結晶構造は、LiMO粉末をX線回折測定することにより確認できる。
≪BET比表面積≫
 本実施形態において、LiMO粉末のBET比表面積は、0.1m/g以上が好ましく、0.2m/g以上がより好ましく、0.3m/g以上がさらに好ましい。
 また、LiMO粉末のBET比表面積は、1.0m/g以下が好ましく、0.95m/g以下がより好ましく、0.9m/g以下がさらに好ましい。
 上記上限値及び下限値は任意に組み合わせることができる。
 組み合わせの例としては、0.1m/g以上1.0m/g以下、0.2m/g以上0.95m/g以下、0.3m/g以上0.9m/g以下が挙げられる。
 本実施形態において、LiMO粉末のBET比表面積は、下記の方法により測定できる。
 LiMO粉末1gを窒素雰囲気中、105℃で30分間乾燥させた後、BET比表面積測定装置を用いて測定する(単位:m/g)。
 BET比表面積測定装置としては、例えばマウンテック社製、Macsorb(登録商標)が使用できる。
<LiMO粉末の製造方法>
 本実施形態のLiMO粉末の製造方法について説明する。
 本実施形態のLiMO粉末の製造方法は、以下の(1)の工程、(2)の工程、及び(3)の工程をこの順で含む製造方法であることが好ましい。
(1)LiMO粉末の前駆体の製造工程。
(2)前記前駆体とリチウム化合物とを混合し、混合物を得る混合工程。
(3)前記混合物を焼成し、LiMO粉末を得る工程。
[LiMO粉末の前駆体の製造工程]
 まず、LiMO粉末の前駆体を製造する。前駆体は、目的物であるLiMOを構成する金属のうち、リチウム以外の金属を含むMCCである。具体的には、必須金属であるニッケルと、任意元素である元素Xを含むニッケル含有MCCである。
 前駆体であるニッケル含有MCCとして、ニッケル含有金属複合水酸化物又はニッケル含有金属複合酸化物を用いることができる。
 前駆体は、通常公知の共沈殿法により製造することが可能である。共沈殿法としては、バッチ式共沈殿法又は連続式共沈殿法を用いることができる。
 以下、ニッケル、元素Xとしてコバルト及びマンガンを含むニッケルコバルトマンガン金属複合水酸化物(以下、「金属複合水酸化物」と記載することがある。)を例に、前駆体の製造方法を詳述する。
 まず共沈殿法、特にJP-A-2002-201028に記載された連続式共沈殿法により、ニッケル塩溶液、コバルト塩溶液、マンガン塩溶液及び錯化剤を反応させ、NiCoMn(OH)(式中、s+t+u=1)で表される金属複合水酸化物を製造する。
 上記ニッケル塩溶液の溶質であるニッケル塩としては、特に限定されないが、例えば硫酸ニッケル、硝酸ニッケル、塩化ニッケル及び酢酸ニッケルのうちの何れか1種又は2種以上を使用することができる。
 上記コバルト塩溶液の溶質であるコバルト塩としては、例えば硫酸コバルト、硝酸コバルト、塩化コバルト及び酢酸コバルトのうちの何れか1種又は2種以上を使用することができる。
 上記マンガン塩溶液の溶質であるマンガン塩としては、例えば硫酸マンガン、硝酸マンガン、塩化マンガン及び酢酸マンガンのうちの何れか1種又は2種以上を使用することができる。
 以上の金属塩は上記NiCoMn(OH)の組成比に対応する割合で用いられる。すなわち、各金属塩は、ニッケル塩溶液の溶質におけるニッケル、コバルト塩溶液の溶質におけるコバルト、マンガン塩溶液の溶質におけるマンガンのモル比が、NiCoMn(OH)の組成比に対応してs:t:uとなる量を用いる。
 また、ニッケル塩溶液、コバルト塩溶液、マンガン塩溶液の溶媒は、水である。すなわち、ニッケル塩溶液、コバルト塩溶液、マンガン塩溶液は、水溶液である。
 錯化剤は、水溶液中で、ニッケルイオン、コバルトイオン及びマンガンイオンと錯体を形成可能な化合物である。
 錯化剤としては、例えばアンモニウムイオン供給体(硫酸アンモニウム、塩化アンモニウム、炭酸アンモニウム、弗化アンモニウム等)、ヒドラジン、エチレンジアミン四酢酸、ニトリロ三酢酸、ウラシル二酢酸及びグリシンが挙げられる。
 前駆体の製造工程において、錯化剤は用いられてもよく、用いられなくてもよい。
 錯化剤が用いられる場合、ニッケル塩溶液、元素Xの塩溶液及び錯化剤を含む混合液に含まれる錯化剤の量は、例えばニッケル塩及び元素Xの塩のモル数の合計に対するモル比が0より大きく2.0以下であることが好ましい。
 本実施形態においては、ニッケル塩溶液、コバルト塩溶液、マンガン塩溶液及び錯化剤を含む混合液に含まれる錯化剤の量は、例えば金属塩のモル数の合計に対するモル比が0より大きく2.0以下であることが好ましい。
 共沈殿法に際しては、ニッケル塩溶液、元素Xの塩溶液及び錯化剤を含む混合液のpH値を調整するため、混合液のpHがアルカリ性から中性になる前に、混合液にアルカリ金属水酸化物を添加する。アルカリ金属水酸化物とは、例えば水酸化ナトリウム、又は水酸化カリウムである。
 なお、本明細書におけるpHの値は、混合液の温度が40℃の時に測定された値であると定義する。混合液のpHは、反応槽からサンプリングした混合液の温度が、40℃になったときに測定する。
 上記ニッケル塩溶液、コバルト塩溶液、及びマンガン塩溶液のほか、錯化剤を反応槽に連続して供給すると、ニッケル、コバルト、及びマンガンが反応し、NiCoMn(OH)が生成する。
 反応に際しては、反応槽の温度が例えば20℃以上80℃以下、好ましくは30℃以上70℃以下の範囲内で制御する。
 また、反応槽内のpH値は例えば水溶液の温度が40℃の時にpH9以上pH13以下、好ましくはpH10以上pH12.5以下の範囲内で設定し、pHは±0.5以内で制御する。
 反応槽内の物質は、適宜撹拌して混合する。
 連続式共沈殿法で用いる反応槽は、形成された反応沈殿物を分離のためオーバーフローさせるタイプの反応槽を用いることができる。
 反応槽内の温度及びpH値を上記の範囲で一定に制御することにより、粒子の球形度を調整でき、要件(1)を本実施形態の範囲内に制御できる。具体的には特定の条件範囲で均一な反応を進めることで、極端に細かい粒子や大きい粒子が生じにくくなり、粒子間の衝突で変化する球形度を所望の範囲内に制御することが可能となる。
 本実施形態において、反応槽に供給するニッケル塩溶液及び元素Xの塩溶液の原料混合液の体積が、アルカリ金属水酸化物を含むアルカリ溶液及び錯化剤を含む錯化剤アルカリ溶液の体積の和に対して大きくなるように、ニッケル塩溶液及び元素Xの塩溶液、並びにアルカリ溶液の濃度、錯化剤濃度を調整することが好ましい。
 これにより、前記要件(1)を本実施形態の範囲内に制御しやすい金属複合水酸化物を得ることができる。
 前記錯化剤アルカリ溶液の体積の和に対する前記原料混合液の体積の割合は、1.05~20であることが好ましく、1.1~15であることがより好ましく、1.2~10であることがさらに好ましい。
 反応槽内は不活性雰囲気であってもよい。反応槽内が不活性雰囲気であると、混合液に含まれる金属のうち、ニッケルよりも酸化されやすい金属が、ニッケルよりも先に凝集してしまうことが抑制される。そのため、均一な金属複合水酸化物が得られる。
 また、反応槽内は、適度な酸化性雰囲気であってもよい。酸化性雰囲気は、不活性ガスに、酸化性ガスを混合した酸素含有雰囲気であってもよく、不活性ガス雰囲気下で酸化剤を存在させてもよい。反応槽内が適度な酸化性雰囲気であることにより、混合液に含まれる遷移金属が適度に酸化され、金属複合酸化物の形態を制御しやすくなる。
 酸化性雰囲気中の酸素や酸化剤は、遷移金属を酸化させるために十分な酸素原子を有していればよい。
 酸化性雰囲気が酸素含有雰囲気である場合、反応槽内の雰囲気の制御は、反応槽内に酸化性ガスを通気させる、混合液に酸化性ガスをバブリングするなどの方法で行うことができる。
 以上の反応後、得られた反応沈殿物から前駆体を単離し、洗浄した後、乾燥させ、前駆体としてのニッケルコバルトマンガン金属複合水酸化物が得られる。
 また、反応沈殿物に水で洗浄するだけでは混合液に由来する夾雑物が残存してしまう場合には、必要に応じて、反応沈殿物を、弱酸水や、アルカリ溶液で洗浄してもよい。アルカリ溶液としては、水酸化ナトリウムや水酸化カリウムを含む水溶液を挙げることができる。
 反応沈殿物から前駆体を単離する方法には、反応沈殿物を含むスラリー(共沈物スラリー)を遠心分離や吸引ろ過などで脱水する方法が好ましく用いられる。
 乾燥時間は、昇温開始から達温して温度保持が終了するまでの合計時間を1時間以上30時間以下とすることが好ましい。最高保持温度に達する加熱工程の昇温速度は180℃/時間以上が好ましく、200℃/時間以上がより好ましく、250℃/時間以上が特に好ましい。
 本明細書における最高保持温度とは、乾燥工程又は後述の焼成工程(以下、総称して「加熱工程」といもいう。)における乾燥炉内、焼成炉内雰囲気の保持温度の最高温度であり、加熱工程における温度を意味する。複数の加熱工程を有する焼成工程の場合、最高保持温度とは、各加熱工程のうちの最高温度をそれぞれ意味する。
 本明細書における昇温速度は、加熱装置において、昇温を開始した時間から最高保持温度に到達するまでの時間と、加熱装置内の昇温開始時の温度から最高保持温度までの温度差と、から算出される。
 乾燥条件は、特に制限されないが、例えば、下記の乾燥条件1)~3)のいずれかが挙げられる。
1)前駆体が酸化又は還元されない条件。
 具体的には、酸化物が酸化物のまま維持される乾燥条件、又は水酸化物が水酸化物のまま維持される乾燥条件である。
2)前駆体が酸化される条件。
 具体的には、水酸化物から酸化物へ酸化する乾燥条件である。
3)前駆体が還元される条件。
 具体的には、酸化物から水酸化物へ還元する乾燥条件である。
 乾燥条件1)~3)は、製造するニッケル含有MCCが、ニッケル含有金属複合水酸化物であるか、ニッケル含有金属複合酸化物のいずれかであるかによって、適宜選択すればよい。
 酸化又は還元がされない条件のためには、乾燥時の雰囲気に窒素、ヘリウム及びアルゴン等の不活性ガスを使用すればよい。水酸化物が酸化される条件のためには、乾燥時の雰囲気に酸素又は空気を使用すればよい。
 また、前駆体が還元される条件のためには、不活性ガス雰囲気下、ヒドラジン、亜硫酸ナトリウム等の還元剤を使用すればよい。
 前駆体の乾燥後に、適宜分級を行ってもよい。
 なお、上記の例では、ニッケルコバルトマンガン金属複合水酸化物を製造しているが、ニッケルコバルトマンガン金属複合酸化物を調製してもよい。ニッケルコバルトマンガン金属複合酸化物を調製する場合には、ニッケルコバルトマンガン金属複合水酸化物を熱処理する方法が挙げられる。
・前駆体の粉砕工程
 本実施形態においては、製造した前駆体を粉砕する工程を有する。
 粉砕工程は、回転式石臼、気流式粉砕機、分級機構付衝突式粉砕機、ピンミル、ジェットミル、分級ローター付カウンタージェットミルなどを用いて実施することが好ましい。
 本工程における前駆体の粉砕においては、前駆体の過度な凝集を解消するために実施する。
 このため、前駆体の二次粒子や一次粒子の形状を破壊しない程度の粉砕強度で行うことが好ましい。
 [混合工程]
 本工程は、リチウム化合物と、前駆体とを混合し、混合物を得る工程である。
 ・リチウム化合物
 本実施形態に用いるリチウム化合物は、炭酸リチウム、硝酸リチウム、酢酸リチウム、水酸化リチウム、酸化リチウム、塩化リチウム、フッ化リチウムのうち何れか一つ、又は、二つ以上を混合して使用することができる。これらの中では、水酸化リチウム及び炭酸リチウムのいずれか一方又は両方が好ましい。
 また、水酸化リチウムが不純物として炭酸リチウムを含む場合には、水酸化リチウム中の炭酸リチウムの含有量は5質量%以下であることが好ましい。
 前記前駆体と、前記リチウム化合物との混合方法について説明する。
 上述の方法により得られた前駆体をリチウム化合物と混合する。
 以上のリチウム化合物と前駆体とを、最終目的物の組成比を勘案して混合する。
 例えば、ニッケルコバルトマンガン金属複合水酸化物を用いる場合、リチウム化合物とニッケルコバルトマンガン金属複合水酸化物は、Li[Li(NiCoMn1-r]O(式中、s+t+u=1)の組成比に対応する割合で混合する。
 ニッケルコバルトマンガン金属複合水酸化物及びリチウム化合物の混合物を、後の焼成工程において焼成することによって、リチウム-ニッケルコバルトマンガン金属複合酸化物が得られる。
 均一なリチウム-ニッケルコバルトマンガン金属複合酸化物を得る観点から、rは0を超えることが好ましく、0.01以上であることがより好ましく、0.02以上であることがさらに好ましい。また、純度の高いリチウム-ニッケルコバルトマンガン複合酸化物を得る観点から、rは0.1以下であることが好ましく、0.08以下であることがより好ましく、0.06以下であることがさらに好ましい。
 上記のrの上限値と下限値は任意に組み合わせることができる。
 組み合わせの例としては、rは、0超0.1以下であることが好ましく、0.01以上0.08以下であることがより好ましく、0.02以上0.06以下であることがさらに好ましい。
[混合物を焼成し、LiMO粉末を得る工程]
 本実施形態においては、上記リチウム化合物と、前駆体との混合物を焼成する。
 本実施形態においては、上記リチウム化合物と、前駆体との混合物を不活性溶融剤の存在下で焼成してもよい。
 本実施形態においては、200℃以上1150℃以下の範囲を挙げることができ、300℃以上1050℃以下が好ましく、500℃以上1000℃以下がより好ましい。
 焼成における保持時間を調整することにより、得られるLiMO粉末を要件(1)及び要件(2)の範囲に制御できる。
 保持時間が長くなればなるほど一次粒子径が大きくなり、要件(2)の範囲に制御できる傾向にある。
 焼成における保持時間は、用いる遷移金属元素の種類、沈殿剤、不活性溶融剤の種類、量に応じて適宜調整すればよい。
 焼成温度が上記下限値以上であると、強固な結晶構造を有するLiMO粉末を得ることができる。また、焼成温度が上記上限値以下であると、一次粒子表面又は二次粒子表面のリチウムの揮発を低減できる。
 前記焼成温度で保持する時間は、具体的には、0.1時間以上20時間以下が挙げられ、0.5時間以上10時間以下が好ましい。
 前記焼成温度までの昇温速度は、通常50℃/時間以上400℃/時間以下である。
 前記焼成温度から室温までの降温速度は、通常10℃/時間以上400℃/時間以下である。
 また、焼成の雰囲気としては、大気、酸素、窒素、アルゴン又はこれらの混合ガスを用いることができる。
 本実施形態において、最高保持温度に達する加熱工程の昇温速度は180℃/時間以上が好ましく、200℃/時間以上がより好ましく、250℃/時間以上が特に好ましい。
 焼成後のLiMO粉末に不活性溶融剤が残留する場合、洗浄には、純水やアルカリ性洗浄液を用いることができる。
 ・解砕工程
 焼成後に、得られたLiMO粉末を解砕してもよい。焼成により得られたLiMO粉末が要件(1)を満たさない場合には、解砕工程により要件(1)を満たすように調整することが好ましい。
 解砕工程は、気流式粉砕機、分級機構付衝突式粉砕機、ピンミル、ボールミル、ジェットミル、分級ローター付カウンタージェットミルなどを用いて実施することが好ましい。
・被覆物を有するLiMO粉末の製造方法
 被覆物を有するLiMO粉末を製造する場合について説明する。
 まず、被覆材原料及びLiMO粉末を混合する。次に必要に応じて熱処理することによりLiMO粉末の一次粒子又は二次粒子の表面に被覆原料から構成された被覆物を形成できる。
 被覆材原料は特に限定されず、酸化物、水酸化物、炭酸塩、硝酸塩、硫酸塩、ハロゲン化物、シュウ酸塩又はアルコキシドを用いることができ、酸化物であることが好ましい。
 被覆材原料及びLiMO粉末の混合は、LiMO粉末製造時における混合と同様にして行えばよい。
 攪拌翼を内部に備えた粉体混合機を用いて混合する方法など、ボールなどの混合メディアを備えず、強い粉砕を伴わない混合装置を用いて混合する方法が好ましい。
 また、混合後に水を含有する雰囲気中において、保持させることによって被覆物をLiMO粉末の表面により強固に付着させることができる。
 被覆材原料及びLiMO粉末の混合後に必要に応じて行う熱処理における熱処理条件(温度、保持時間)は、被覆材原料の種類に応じて、異なる場合がある。
 熱処理温度は、200℃以上850℃以下の範囲に設定することが好ましく、前記LiMO粉末の焼成温度以下の温度であることが好ましい。LiMO粉末の焼成温度よりも高い温度であると、被覆材原料がLiMO粉末と固溶し、被覆物が形成されない場合がある。熱処理における雰囲気としては、前記焼成と同様の雰囲気ガスが挙げられる。
 スパッタリング、CVD、蒸着などの手法を用いることにより、LiMO粉末の表面に、被覆物を形成させて、被覆層又は被覆粒子を有するLiMO粉末を得ることもできる。
 また、前記前駆体と、リチウム化合物と被覆材原料を混合し、得られた混合物を焼成することにより被覆物を有するLiMO粉末を得られる場合もある。
 LiMO粉末の一次粒子又は二次粒子の表面に、被覆物を備えたLiMO粉末は、適宜解砕、分級され、LiMO粉末とされる。
<CAM>
 本実施形態のCAMは、前記本実施形態のLiMO粉末を含有する。CAMの総質量(100質量%)に対するLiMO粉末の含有割合は、70質量%以上99質量%以下が好ましく、80質量%以上98質量%以下がより好ましい。
<リチウム二次電池>
 次いで、本実施形態のLiMOをCAMとして用いる場合の好適なリチウム二次電池の構成を説明する。
 さらに、本実施形態のLiMOをCAMとして用いる場合に好適なリチウム二次電池用正極(以下、正極と称することがある。)について説明する。
 さらに、正極の用途として好適なリチウム二次電池について説明する。
 本実施形態のLiMOをCAMとして用いる場合の好適なリチウム二次電池の一例は、正極及び負極、正極と負極との間に挟持されるセパレータ、正極と負極との間に配置される電解液を有する。
 リチウム二次電池の一例は、正極及び負極、正極と負極との間に挟持されるセパレータ、正極と負極との間に配置される電解液を有する。
 図1A、図1Bは、リチウム二次電池の一例を示す模式図である。本実施形態の円筒型のリチウム二次電池10は、次のようにして製造する。
 まず、図1Aに示すように、帯状を呈する一対のセパレータ1、一端に正極リード21を有する帯状の正極2、及び一端に負極リード31を有する帯状の負極3を、セパレータ1、正極2、セパレータ1、負極3の順に積層し、巻回することにより電極群4とする。
 次いで、図1Bに示すように、電池缶5に電極群4及び不図示のインシュレーターを収容した後、缶底を封止し、電極群4に電解液6を含浸させ、正極2と負極3との間に電解質を配置する。さらに、電池缶5の上部をトップインシュレーター7及び封口体8で封止することで、リチウム二次電池10を製造することができる。
 電極群4の形状としては、例えば、電極群4を巻回の軸に対して垂直方向に切断したときの断面形状が、円、楕円、長方形、又は角を丸めた長方形となるような柱状の形状を挙げることができる。
 また、このような電極群4を有するリチウム二次電池の形状としては、国際電気標準会議(IEC)が定めた電池に対する規格であるIEC60086、又はJIS C 8500で定められる形状を採用することができる。例えば、円筒型又は角型などの形状を挙げることができる。
 さらに、リチウム二次電池は、上記巻回型の構成に限らず、正極、セパレータ、負極、セパレータの積層構造を繰り返し重ねた積層型の構成であってもよい。積層型のリチウム二次電池としては、いわゆるコイン型電池、ボタン型電池、又はペーパー型(又はシート型)電池を例示することができる。
 以下、各構成について順に説明する。
(正極)
 正極は、まずCAM、導電材及びバインダーを含む正極合剤を調製し、正極合剤を正極集電体に担持させることで製造することができる。
(導電材)
 正極が有する導電材としては、炭素材料を用いることができる。炭素材料として黒鉛粉末、カーボンブラック(例えばアセチレンブラック)、及び繊維状炭素材料などを挙げることができる。カーボンブラックは、微粒で表面積が大きいため、少量を正極合剤中に添加することにより正極内部の導電性を高め、充放電効率及び出力特性を向上させることができるが、多く入れすぎるとバインダーによる正極合剤と正極集電体との結着力、及び正極合剤内部の結着力がいずれも低下し、かえって内部抵抗を増加させる原因となる。
 正極合剤中の導電材の割合は、CAM100質量部に対して5質量部以上20質量部以下であると好ましい。導電材として黒鉛化炭素繊維又はカーボンナノチューブなどの繊維状炭素材料を用いる場合には、この割合を下げることも可能である。
(バインダー)
 本実施形態の正極が有するバインダーとしては、熱可塑性樹脂を用いることができる。この熱可塑性樹脂としては、ポリイミド樹脂;ポリフッ化ビニリデン(以下、PVdFということがある。)、ポリテトラフルオロエチレンなどのフッ素樹脂;ポリエチレン及びポリプロピレンなどのポリオレフィン樹脂、WO2019/098384A1またはUS2020/0274158A1に記載の樹脂を挙げることができる。
 これらの熱可塑性樹脂は、2種以上を混合して用いてもよい。バインダーとしてフッ素樹脂及びポリオレフィン樹脂を用い、正極合剤全体に対するフッ素樹脂の割合を1質量%以上10質量%以下、ポリオレフィン樹脂の割合を0.1質量%以上2質量%以下とすることによって、正極集電体との密着力及び正極合剤内部の結合力がいずれも高い正極合剤を得ることができる。
(正極集電体)
 正極が有する正極集電体としては、Al、Ni、又はステンレスなどの金属材料を形成材料とする帯状の部材を用いることができる。なかでも、加工しやすく、安価であるという点でAlを形成材料とし、薄膜状に加工したものが好ましい。
 正極集電体に正極合剤を担持させる方法としては、正極合剤を正極集電体上で加圧成型する方法が挙げられる。また、有機溶媒を用いて正極合剤をペースト化し、得られる正極合剤のペーストを正極集電体の少なくとも一面側に塗布して乾燥させ、プレスし固着することで、正極集電体に正極合剤を担持させてもよい。
 正極合剤をペースト化する場合、用いることができる有機溶媒としては、N,N―ジメチルアミノプロピルアミン、及びジエチレントリアミンなどのアミン系溶媒;テトラヒドロフランなどのエーテル系溶媒;メチルエチルケトンなどのケトン系溶媒;酢酸メチルなどのエステル系溶媒;ジメチルアセトアミド及びN-メチル-2-ピロリドン(以下、NMPということがある。)などのアミド系溶媒;が挙げられる。
 正極合剤のペーストを正極集電体へ塗布する方法としては、例えば、スリットダイ塗工法、スクリーン塗工法、カーテン塗工法、ナイフ塗工法、グラビア塗工法及び静電スプレー法が挙げられる。
 以上に挙げられた方法により、正極を製造することができる。
(負極)
 リチウム二次電池が有する負極は、正極よりも低い電位でリチウムイオンのドープかつ脱ドープが可能であればよく、負極活物質を含む負極合剤が負極集電体に担持されてなる電極、及び負極活物質単独からなる電極を挙げることができる。
(負極活物質)
 負極が有する負極活物質としては、炭素材料、カルコゲン化合物(酸化物又は硫化物など)、窒化物、金属又は合金で、正極よりも低い電位でリチウムイオンのドープかつ脱ドープが可能な材料が挙げられる。
 負極活物質として使用可能な炭素材料としては、天然黒鉛又は人造黒鉛などの黒鉛、コークス類、カーボンブラック、熱分解炭素類、炭素繊維及び有機高分子化合物焼成体を挙げることができる。
 負極活物質として使用可能な酸化物としては、SiO、SiOなど式SiO(ここで、xは正の実数)で表されるケイ素の酸化物;SnO、SnOなど式SnO(ここで、xは正の実数)で表されるスズの酸化物;LiTi12などのリチウムとチタンとを含有する複合金属酸化物;を挙げることができる。
 また、負極活物質として使用可能な金属としては、リチウム金属、シリコン金属及びスズ金属などを挙げることができる。
 負極活物質として使用可能な材料として、WO2019/098384A1またはUS2020/0274158A1に記載の材料を用いてもよい。
 これらの金属や合金は、例えば箔状に加工された後、主に単独で電極として用いられる。
 上記負極活物質の中では、充電時に未充電状態から満充電状態にかけて負極の電位がほとんど変化しない(電位平坦性がよい)、平均放電電位が低い、及び繰り返し充放電させたときの容量維持率が高い(サイクル特性がよい)などの理由から、天然黒鉛又は人造黒鉛などの黒鉛を主成分とする炭素材料が好ましく用いられる。炭素材料の形状としては、例えば天然黒鉛のような薄片状、メソカーボンマイクロビーズのような球状、黒鉛化炭素繊維のような繊維状、又は微粉末の凝集体などのいずれでもよい。
 前記の負極合剤は、必要に応じて、バインダーを含有してもよい。バインダーとしては、熱可塑性樹脂を挙げることができ、具体的には、PVdF、熱可塑性ポリイミド、カルボキシメチルセルロース(以下、CMCということがある。)、スチレンブタジエンゴム(以下、SBRということがある。)、ポリエチレン及びポリプロピレンを挙げることができる。
(負極集電体)
 負極が有する負極集電体としては、Cu、Ni、又はステンレスなどの金属材料を形成材料とする帯状の部材を挙げることができる。なかでも、リチウムと合金を作り難く、加工しやすいという点で、Cuを形成材料とし、薄膜状に加工したものが好ましい。
 このような負極集電体に負極合剤を担持させる方法としては、正極の場合と同様に、加圧成型による方法、溶媒などを用いてペースト化し負極集電体上に塗布、乾燥後プレスし圧着する方法が挙げられる。
(セパレータ)
 リチウム二次電池が有するセパレータとしては、例えば、ポリエチレン及びポリプロピレンなどのポリオレフィン樹脂、フッ素樹脂、又は含窒素芳香族重合体などの材質からなる、多孔質膜、不織布、又は織布などの形態を有する材料を用いることができる。また、これらの材質を2種以上用いてセパレータを形成してもよいし、これらの材料を積層してセパレータを形成してもよい。また、JP-A-2000-030686やUS20090111025A1に記載のセパレータを用いてもよい。
 本実施形態において、セパレータは、電池使用時(充放電時)に電解質を良好に透過させるため、JIS P 8117で定められるガーレー法による透気抵抗度が、50秒/100cc以上、且つ300秒/100cc以下であることが好ましく、50秒/100cc以上、且つ200秒/100cc以下であることがより好ましい。
 また、セパレータの空孔率は、セパレータの総体積に対し好ましくは30体積%以上80体積%以下、より好ましくは40体積%以上70体積%以下である。セパレータは空孔率の異なるセパレータを積層したものであってもよい。
(電解液)
 リチウム二次電池が有する電解液は、電解質及び有機溶媒を含有する。
 電解液に含まれる電解質としては、LiClO、LiPFなどのリチウム塩が挙げられ、これらの2種以上の混合物を使用してもよい。また、WO2019/098384A1またはUS2020/0274158A1に記載の電解質を用いてもよい。なかでも電解質としては、フッ素を含むLiPF、LiAsF、LiSbF、LiBF、LiCFSO、LiN(SOCF及びLiC(SOCFからなる群より選ばれる少なくとも1種を含むものを用いることが好ましい。
 また前記電解液に含まれる有機溶媒としては、例えばプロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、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、WO2019/098384A1またはUS2020/0274158A1に記載の有機溶媒を用いることができる。
 有機溶媒としては、これらのうちの2種以上を混合して用いることが好ましい。中でもカーボネート類を含む混合溶媒が好ましく、環状カーボネートと非環状カーボネートとの混合溶媒及び環状カーボネートとエーテル類との混合溶媒がさらに好ましい。環状カーボネートと非環状カーボネートとの混合溶媒としては、エチレンカーボネート、ジメチルカーボネート及びエチルメチルカーボネートを含む混合溶媒が好ましい。このような混合溶媒を用いた電解液は、動作温度範囲が広く、高い電流レートにおける充放電を行っても劣化し難く、長時間使用しても劣化し難く、かつ負極の活物質として天然黒鉛、人造黒鉛などの黒鉛材料を用いた場合でも難分解性であるという多くの特長を有する。
 また、電解液としては、得られるリチウム二次電池の安全性が高まるため、LiPFなどのフッ素を含むリチウム塩及びフッ素置換基を有する有機溶媒を含む電解液を用いることが好ましい。ペンタフルオロプロピルメチルエーテル及び2,2,3,3-テトラフルオロプロピルジフルオロメチルエーテルなどのフッ素置換基を有するエーテル類とジメチルカーボネートとを含む混合溶媒は、高い電流レートにおける充放電を行っても容量維持率が高いため、さらに好ましい。
 <全固体リチウム二次電池>
 次いで、全固体リチウム二次電池の構成を説明しながら、本発明の一態様に係るLiMOを全固体リチウム二次電池のCAMとして用いた正極、及びこの正極を有する全固体リチウム二次電池について説明する。
 図2は、本実施形態の全固体リチウム二次電池の一例を示す模式図である。図2に示す全固体リチウム二次電池1000は、正極110と、負極120と、固体電解質層130とを有する積層体100と、積層体100を収容する外装体200と、を有する。また、全固体リチウム二次電池1000は、集電体の両側にCAMと負極活物質とを配置したバイポーラ構造であってもよい。バイポーラ構造の具体例として、例えば、JP-A-2004-95400に記載される構造が挙げられる。各部材を構成する材料については、後述する。
 積層体100は、正極集電体112に接続される外部端子113と、負極集電体122に接続される外部端子123と、を有していてもよい。その他、全固体リチウム二次電池1000は、正極110と負極120との間にセパレータを有していてもよい。
 全固体リチウム二次電池1000は、さらに積層体100と外装体200とを絶縁する不図示のインシュレーター及び外装体200の開口部200aを封止する不図示の封止体を有する。
 外装体200は、アルミニウム、ステンレス鋼又はニッケルメッキ鋼などの耐食性の高い金属材料を成形した容器を用いることができる。また、外装体200として、少なくとも一方の面に耐食加工を施したラミネートフィルムを袋状に加工した容器を用いることもできる。
 全固体リチウム二次電池1000の形状としては、例えば、コイン型、ボタン型、ペーパー型(またはシート型)、円筒型、角型、又はラミネート型(パウチ型)などの形状を挙げることができる。
 全固体リチウム二次電池1000は、一例として積層体100を1つ有する形態が図示されているが、本実施形態はこれに限らない。全固体リチウム二次電池1000は、積層体100を単位セルとし、外装体200の内部に複数の単位セル(積層体100)を封じた構成であってもよい。
 以下、各構成について順に説明する。
 (正極)
 本実施形態の正極110は、正極活物質層111と正極集電体112とを有している。
 正極活物質層111は、上述した本発明の一態様であるCAM及び固体電解質を含む。また、正極活物質層111は、導電材及びバインダーを含んでいてもよい。
 (固体電解質)
 本実施形態の正極活物質層111に含まれる固体電解質としては、リチウムイオン伝導性を有し、公知の全固体リチウム二次電池に用いられる固体電解質を採用することができる。このような固体電解質としては、無機電解質及び有機電解質を挙げることができる。無機電解質としては、酸化物系固体電解質、硫化物系固体電解質及び水素化物系固体電解質を挙げることができる。有機電解質としては、ポリマー系固体電解質を挙げることができる。各電解質としては、WO2020/208872A1、US2016/0233510A1、US2012/0251871A1、US2018/0159169A1に記載の化合物が挙げられ、例えば、以下の化合物が挙げられる。
 (酸化物系固体電解質)
 酸化物系固体電解質としては、例えば、ペロブスカイト型酸化物、NASICON型酸化物、LISICON型酸化物及びガーネット型酸化物などが挙げられる。各酸化物の具体例は、WO2020/208872A1、US2016/0233510A1、US2020/0259213A1に記載の化合物が挙げられる。
 ガーネット型酸化物としては、LiLaZr12(LLZともいう)などのLi-La-Zr系酸化物などが挙げられる。
 酸化物系固体電解質は、結晶性材料であってもよく、非晶質材料であってもよい。
 (硫化物系固体電解質)
 硫化物系固体電解質としては、LiS-P系化合物、LiS-SiS系化合物、LiS-GeS系化合物、LiS-B系化合物、LiI-SiS-P系化合物、LiI-LiS-P系化合物、LiI-LiPO-P系化合物及びLi10GeP12などを挙げることができる。
 なお、本明細書において、硫化物系固体電解質を指す「系化合物」という表現は、「系化合物」の前に記載した「LiS」「P」などの原料を主として含む固体電解質の総称として用いる。例えば、LiS-P系化合物には、LiSとPとを主として含み、さらに他の原料を含む固体電解質が含まれる。LiS-P系化合物に含まれるLiSの割合は、例えばLiS-P系化合物全体に対して50~90質量%である。LiS-P系化合物に含まれるPの割合は、例えばLiS-P系化合物全体に対して10~50質量%である。また、LiS-P系化合物に含まれる他の原料の割合は、例えばLiS-P系化合物全体に対して0~30質量%である。また、LiS-P系化合物には、LiSとPとの混合比を異ならせた固体電解質も含まれる。
 LiS-P系化合物としては、LiS-P、LiS-P-LiI、LiS-P-LiCl、LiS-P-LiBr、LiS-P-LiI-LiBrなどを挙げることができる。
 LiS-SiS系化合物としては、LiS-SiS、LiS-SiS-LiI、LiS-SiS-LiBr、LiS-SiS-LiCl、LiS-SiS-B-LiI、LiS-SiS-P-LiI、LiS-SiS-P-LiClなどを挙げることができる。
 LiS-GeS系化合物としては、LiS-GeS及びLiS-GeS-Pなどを挙げることができる。
 硫化物系固体電解質は、結晶性材料であってもよく、非晶質材料であってもよい。
 固体電解質は、発明の効果を損なわない範囲において、2種以上を併用することができる。
 (導電材及びバインダー)
 本実施形態の正極活物質層111が有する導電材としては、上述の(導電材)で説明した材料を用いることができる。また、正極合剤中の導電材の割合についても同様に上述の(導電材)で説明した割合を適用することができる。また、正極が有するバインダーとしては、上述の(バインダー)で説明した材料を用いることができる。
(正極集電体)
 本実施形態の正極110が有する正極集電体112としては、上述の(正極集電体)で説明した材料を用いることができる。
 正極集電体112に正極活物質層111を担持させる方法としては、正極集電体112上で正極活物質層111を加圧成型する方法が挙げられる。加圧成型には、冷間プレスや熱間プレスを用いることができる。
 また、有機溶媒を用いてCAM、固体電解質、導電材及びバインダーの混合物をペースト化して正極合剤とし、得られる正極合剤を正極集電体112の少なくとも一面上に塗布して乾燥させ、プレスし固着することで、正極集電体112に正極活物質層111を担持させてもよい。
 また、有機溶媒を用いてCAM、固体電解質及び導電材の混合物をペースト化して正極合剤とし、得られる正極合剤を正極集電体112の少なくとも一面上に塗布して乾燥させ、焼結することで、正極集電体112に正極活物質層111を担持させてもよい。
 正極合剤に用いることができる有機溶媒としては、上述の(正極集電体)で説明した正極合剤をペースト化する場合に用いることができる有機溶媒と同じものを用いることができる。
 正極合剤を正極集電体112へ塗布する方法としては、上述の(正極集電体)で説明した方法が挙げられる。
 以上に挙げられた方法により、正極110を製造することができる。
(負極)
 負極120は、負極活物質層121と負極集電体122とを有している。負極活物質層121は、負極活物質を含む。また、負極活物質層121は、固体電解質及び導電材を含んでいてもよい。負極活物質、負極集電体、固体電解質、導電材及びバインダーは、上述したものを用いることができる。
 負極集電体122に負極活物質層121を担持させる方法としては、正極110の場合と同様に、加圧成型による方法、負極活物質を含むペースト状の負極合剤を負極集電体122上に塗布、乾燥後プレスし圧着する方法、及び負極活物質を含むペースト状の負極合剤を負極集電体122上に塗布、乾燥後、焼結する方法が挙げられる。
(固体電解質層)
 固体電解質層130は、上述の固体電解質を有している。
 固体電解質層130は、上述の正極110が有する正極活物質層111の表面に、無機物の固体電解質をスパッタリング法により堆積させることで形成することができる。
 また、固体電解質層130は、上述の正極110が有する正極活物質層111の表面に、固体電解質を含むペースト状の合剤を塗布し、乾燥させることで形成することができる。乾燥後、プレス成型し、さらに冷間等方圧加圧法(CIP)により加圧して固体電解質層130を形成してもよい。
 積層体100は、上述のように正極110上に設けられた固体電解質層130に対し、公知の方法を用いて、固体電解質層130の表面に負極活物質層121が接するように負極120を積層させることで製造することができる。
 次に、本発明を実施例によりさらに詳細に説明する。
<要件(1)の測定>
 まず、LiMO粉末を、500g秤量し、株式会社セイシン企業製の多機能型粉体物性測定器マルチテスターMT-02の測定用漏斗に投入した。その後、安息角及び崩壊角を自動測定し、差角を算出した。
<要件(2)の測定>
 まず、LiMO粉末を、サンプルステージ上に貼った導電性シート上に載せ、日本電子株式会社製JSM-5510を用いて、加速電圧が20kVの電子線を照射してSEM観察を行った。SEM観察により得られた画像(SEM写真)から無作為に50個の一次粒子を抽出し、それぞれの一次粒子について、一次粒子の投影像を一定方向から引いた平行線ではさんだ平行線間の距離(定方向径)を一次粒子の粒子径として測定した。得られた一次粒子の粒子径の算術平均値を、平均一次粒子径とした。
<要件(3)の測定>
 水分量の測定は電量法カールフィッシャー水分計(831 Coulometer、Metrohm社製)を用いて測定した。
<組成分析>
 後述の方法で製造されるLiMO粉末の組成分析は、得られたLiMO粉末を塩酸に溶解させた後、ICP発光分光分析装置(エスアイアイ・ナノテクノロジー株式会社製、SPS3000)を用いて行った。
<混練性の評価>
 後述する製造方法で得られるLiMO粉末と導電材(アセチレンブラック)とバインダー溶液(PVdFを溶質として5質量%、N-メチル-2-ピロリドンを溶媒として95質量%)とを、LiMO粉末:導電材:PVdF=92:5:3(質量比)の組成となるように混合した。
 その後、遊星式撹拌・脱泡装置(クラボウ製 マゼルスターKK-250S)を用いて混練しペースト状正極合剤を調製した。
 得られたペースト状正極合剤をJIS K5600-2-5:1999に準拠した粉体の分散性測定において下記の基準により評価した。
 具体的には、下記の方法により評価した。
 まず、評価にはグラインドメーターを用いた。グラインドメーターの表面には、一端の0から、他端の最大値まで一定の値で深さが増加する溝が設けられている。最大深さ側から、ペースト状正極合剤をスクレーパーによりスキーシングすると、凝集物の大きさに応じた深さの溝の箇所に、線状痕や粒状痕が残る。線状痕や粒状痕ができた位置の溝の深さ(μm)により、ペースト状正極合剤中の凝集物の大きさを評価した。
 具体的には、線状痕や粒状痕ができた値が35μm超50μm以下であるものを「B」とし、凝集物が少なく、混練性が高いとした。
 また、線状痕や粒状痕ができた値が35μm以下であるものを「A」とし、凝集物がより少なく、混練性がより高いとした。
 反対に、線状痕や粒状痕ができた値が50μmを超えるものを「C」とし、凝集物が存在することにより、混練性が低いと評価した。
 その結果を下記表3に記載する。
<粒度分布測定>
 測定するLiMO粉末0.1gを、0.2質量%ヘキサメタりん酸ナトリウム水溶液50mlに投入し、LiMO粉末を分散させた分散液を得た。得られた分散液についてマルバーン社製マスターサイザー2000(レーザー回折散乱粒度分布測定装置)を用いて、粒度分布を測定し、体積基準の累積粒度分布曲線を得た。得られた累積粒度分布曲線において、10%累積時の体積粒度をLiMO粉末の10%累積体積粒度D10とした。また、得られた累積粒度分布曲線において、20%累積時の体積粒度をLiMO粉末の20%累積体積粒度D20とした。また、得られた累積粒度分布曲線において、50%累積時の体積粒度をLiMO粉末の50%累積体積粒度D50とした。さらに、D20とD10の値の差(D20-D10)を算出した。
<BET比表面積>
 LiMO粉末1gを窒素雰囲気中、105℃で30分間乾燥させた後、マウンテック社製Macsorb(登録商標)を用いて測定した(単位:m/g)。
<硫酸根含有量>
 LiMO粉末を塩酸に溶解させた後、誘導結合プラズマ発光分析法(ICP)を行い、硫黄原子量を測定した。次いで、測定した硫黄原子量を硫酸根に換算し、硫酸根含有量とした。
≪実施例1≫
・LiMO粉末1の製造
 攪拌器及びオーバーフローパイプを備えた反応槽内に水を入れた後、水酸化ナトリウム水溶液を添加し、液温を60℃に保持した。
 硫酸ニッケル水溶液と硫酸コバルト水溶液と硫酸マンガン水溶液と硫酸ジルコニウム溶液とを、ニッケル原子とコバルト原子とマンガン原子とジルコニウム原子の原子比が0.60:0.20:0.195:0.005となるように混合して、混合原料液を調製した。
 次いで、反応槽内に、攪拌下、この混合原料液と硫酸アンモニウム水溶液を錯化剤として連続的に添加し、窒素ガスを反応槽内に連続通気させた。反応槽内の溶液のpHが11.8(水溶液の液温が40℃での測定値)になるよう10質量%の水酸化ナトリウム水溶液を適時滴下した。
 反応槽内の溶液のpHが設定値±0.2となるように、水酸化ナトリウム水溶液の滴下速度を調整した。また、混合原料液の体積流量よりも水酸化ナトリウム水溶液の体積流量と錯化剤の体積流量の和を小さくした。ニッケルコバルトマンガンジルコニウム複合水酸化物粒子を得て、洗浄した後、遠心分離機で脱水し、洗浄、脱水、単離して105℃で乾燥し、回転式石臼を用いた粉砕処理により、ニッケルコバルトマンガンジルコニウム複合水酸化物1を得た。
 ニッケルコバルトマンガンジルコニウム複合水酸化物1と水酸化リチウム粉末とを、Li/(Ni+Co+Mn+Zr)=1.05となるように秤量して混合した後、酸素雰囲気下650℃で5時間焼成して、解砕した後、酸素雰囲気下970℃で5時間焼成して原料化合物1を得た。
 ついで、酸素雰囲気下400℃で5時間熱処理して、LiMO粉末1を得た。
 得られたリチウムLiMO粉末1の粉末X線回折の結果、LiMO粉末1は層状構造の結晶構造を有することを確認した。
 得られたLiMO粉末1のSEM観察の結果、LiMO粉末1は一次粒子を有することを確認した。
 LiMO粉末1の化学組成、化学組成から求めたニッケルと元素Xの合計量に対するニッケル量の比(Ni/(Ni+X))、安息角、崩壊角、差角、BET比表面積、平均一次粒子径、平均粒子径D50、D20-D10、硫酸根含有量、水分含有量、混練性の結果を表1、表2、表3に記載する。
≪実施例2≫
・LiMO粉末2の製造
 攪拌器及びオーバーフローパイプを備えた反応槽内に水を入れた後、水酸化ナトリウム水溶液を添加し、液温を60℃に保持した。
 硫酸ニッケル水溶液と硫酸コバルト水溶液と硫酸マンガン水溶液と硫酸ジルコニウム溶液とを、ニッケル原子とコバルト原子とマンガン原子とジルコニウム原子の原子比が0.55:0.21:0.235:0.005となるように混合して、混合原料液を調製した。
 次いで、反応槽内に、攪拌下、この混合原料液と硫酸アンモニウム水溶液を錯化剤として連続的に添加し、窒素ガスを反応槽内に連続通気させた。反応槽内の溶液のpHが11.5(水溶液の液温が40℃での測定値)になるよう10質量%の水酸化ナトリウム水溶液を適時滴下した。
 反応槽内の溶液のpHが設定値±0.2となるように、水酸化ナトリウム水溶液の滴下速度を調整した。また、混合原料液の体積流量よりも水酸化ナトリウム水溶液の体積流量と錯化剤の体積流量の和を小さくした。ニッケルコバルトマンガンジルコニウム複合水酸化物粒子を得て、洗浄した後、遠心分離機で脱水し、洗浄、脱水、単離して105℃で乾燥し、回転式石臼を用いた粉砕処理により、ニッケルコバルトマンガンジルコニウム複合水酸化物2を得た。
 ニッケルコバルトマンガンジルコニウム複合水酸化物2と水酸化リチウム粉末とを、Li/(Ni+Co+Mn+Zr)=1.07となるように秤量して混合した後、酸素雰囲気下650℃で5時間焼成して、解砕した後、酸素雰囲気下970℃で5時間焼成して原料化合物2を得た。
 ついで、酸素雰囲気下400℃で5時間熱処理して、LiMO粉末2を得た。
 得られたLiMO粉末2の粉末X線回折の結果、LiMO粉末2は層状構造の結晶構造を有することを確認した。
 得られたLiMO粉末2のSEM観察の結果、LiMO粉末2は一次粒子を有することを確認した。
 LiMO粉末2の化学組成、化学組成から求めたニッケルと元素Xの合計量に対するニッケル量の比(Ni/(Ni+X))、安息角、崩壊角、差角、BET比表面積、平均一次粒子径、平均粒子径D50、D20-D10、硫酸根含有量、水分含有量、混練性の結果を表1、表2、表3に記載する。
≪実施例3≫
・LiMO粉末3の製造
攪拌器及びオーバーフローパイプを備えた反応槽内に水を入れた後、水酸化ナトリウム水溶液を添加し、液温を40℃に保持した。
 硫酸ニッケル水溶液と硫酸コバルト水溶液と硫酸マンガン水溶液とを、ニッケル原子とコバルト原子とマンガン原子の原子比が0.80:0.15:0.05となるように混合して、混合原料液を調製した。
 次いで、反応槽内に、攪拌下、この混合原料液と硫酸アンモニウム水溶液を錯化剤として連続的に添加し、窒素ガスを反応槽内に連続通気させた。反応槽内の溶液のpHが11.1(水溶液の液温が40℃での測定値)になるよう10質量%の水酸化ナトリウム水溶液を適時滴下した。
 反応槽内の溶液のpHが設定値±0.2となるように、水酸化ナトリウム水溶液の滴下速度を調整した。また、混合原料液の体積流量よりも水酸化ナトリウム水溶液の体積流量と錯化剤の体積流量の和を小さくした。ニッケルコバルトマンガン複合水酸化物粒子を得て、洗浄した後、遠心分離機で脱水し、洗浄、脱水、単離して105℃で乾燥し、回転式石臼を用いた粉砕処理により、ニッケルコバルトマンガン複合水酸化物3を得た。
 ニッケルコバルトマンガン複合水酸化物3と水酸化リチウム粉末とを、Li/(Ni+Co+Mn)=1.02となるように秤量して混合した後、酸素雰囲気下820℃で8時間焼成して、LiMO粉末を得た。上記粉末と純水とを全体量に対して上記粉末重量の割合が0.5になるように混合し作製したスラリーを20分間撹拌させた後、脱水、単離して105℃で乾燥し、回転式石臼を用いた粉砕処理により、LiMO粉末3を得た。
 得られたLiMO粉末3の粉末X線回折の結果、LiMO粉末3は層状構造の結晶構造を有することを確認した。
 得られたLiMO粉末3のSEM観察の結果、LiMO粉末3は一次粒子を有することを確認した。
 LiMO粉末3の化学組成、化学組成から求めたニッケルと元素Xの合計量に対するニッケル量の比(Ni/(Ni+X))、安息角、崩壊角、差角、BET比表面積、平均一次粒子径、平均粒子径D50、D20-D10、硫酸根含有量、水分含有量、混練性の結果を表1、表2、表3に記載する。
≪比較例1≫
・LiMO粉末4の製造
 攪拌器及びオーバーフローパイプを備えた反応槽内に水を入れた後、水酸化ナトリウム水溶液を添加し、液温を60℃に保持した。
 硫酸ニッケル水溶液と硫酸コバルト水溶液と硫酸マンガン水溶液と硫酸ジルコニウム溶液とを、ニッケル原子とコバルト原子とマンガン原子とジルコニウム原子の原子比が0.60:0.20:0.195:0.005となるように混合して、混合原料液を調製した。
 次いで、反応槽内に、攪拌下、この混合原料液と硫酸アンモニウム水溶液を錯化剤として連続的に添加し、窒素ガスを反応槽内に連続通気させた。反応槽内の溶液のpHが11.8(水溶液の液温が40℃での測定値)になるよう30質量%の水酸化ナトリウム水溶液を適時滴下した。
 また、混合原料液の体積流量よりも水酸化ナトリウム水溶液の体積流量と錯化剤の体積流量の和を小さくした。ニッケルコバルトマンガンジルコニウム複合水酸化物粒子を得て、洗浄した後、遠心分離機で脱水し、洗浄、脱水、単離して105℃で乾燥し、ジルコニアボールを粉砕メディアとしたボールミルを用いた粉砕処理により、ニッケルコバルトマンガンジルコニウム複合水酸化物4を得た。
 ニッケルコバルトマンガンジルコニウム複合水酸化物4と水酸化リチウム粉末とを、Li/(Ni+Co+Mn+Zr)=1.05となるように秤量して混合した後、酸素雰囲気下650℃で5時間焼成して、解砕した後、酸素雰囲気下970℃で5時間焼成して原料化合物4を得た。
 ついで、酸素雰囲気下400℃で5時間熱処理して、LiMO粉末4を得た。
 得られたLiMO粉末4の粉末X線回折の結果、LiMO粉末4は層状構造の結晶構造を有することを確認した。
 得られたLiMO粉末4のSEM観察の結果、LiMO粉末4は一次粒子を有することを確認した。
 LiMO粉末4の化学組成、化学組成から求めたニッケルと元素Xの合計量に対するニッケル量の比(Ni/(Ni+X))、安息角、崩壊角、差角、BET比表面積、平均一次粒子径、平均粒子径D50、D20-D10、硫酸根含有量、水分含有量、混練性の結果を表1、表2、表3に記載する。
≪比較例2≫
・LiMO粉末5の製造
 攪拌器及びオーバーフローパイプを備えた反応槽内に水を入れた後、水酸化ナトリウム水溶液を添加し、液温を50℃に保持した。
 硫酸ニッケル水溶液と硫酸コバルト水溶液と硫酸マンガン水溶液と硫酸ジルコニウム溶液とを、ニッケル原子とコバルト原子とマンガン原子とジルコニウム原子の原子比が0.55:0.21:0.235:0.005となるように混合して、混合原料液を調製した。
 次いで、反応槽内に、攪拌下、この混合原料液と硫酸アンモニウム水溶液を錯化剤として連続的に添加し、窒素ガスを反応槽内に連続通気させた。反応槽内の溶液のpHが11.6(水溶液の液温が40℃での測定値)になるよう5質量%の水酸化ナトリウム水溶液を適時滴下した。なお、反応槽内の溶液のpHが設定値±0.2となるように、水酸化ナトリウム水溶液の滴下速度を調整した。
 また、混合原料液の体積流量よりも水酸化ナトリウム水溶液の体積流量と錯化剤の体積流量の和を大きくした。ニッケルコバルトマンガンジルコニウム複合水酸化物粒子を得て、洗浄した後、遠心分離機で脱水し、洗浄、脱水、単離して105℃で乾燥し、回転式石臼を用いた粉砕処理により、ニッケルコバルトマンガンジルコニウム複合水酸化物5を得た。
 ニッケルコバルトマンガンジルコニウム複合水酸化物5と水酸化リチウム粉末とを、Li/(Ni+Co+Mn+Zr)=1.07となるように秤量して混合した後、酸素雰囲気下650℃で5時間焼成して、解砕した後、酸素雰囲気下970℃で5時間焼成して原料化合物5を得た。
 ついで、酸素雰囲気下400℃で5時間熱処理して、LiMO粉末5を得た。
 得られたLiMO粉末5の粉末X線回折の結果、LiMO粉末5は層状構造の結晶構造を有することを確認した。
 得られたLiMO粉末5のSEM観察の結果、LiMO粉末5は一次粒子を有することを確認した。
 LiMO粉末5の化学組成、化学組成から求めたニッケルと元素Xの合計量に対するニッケル量の比(Ni/(Ni+X))、安息角、崩壊角、差角、BET比表面積、平均一次粒子径、平均粒子径D50、D20-D10、硫酸根含有量、水分含有量、混練性の結果を表1、表2、表3に記載する。
≪比較例3≫
・LiMO粉末6の製造
 攪拌器及びオーバーフローパイプを備えた反応槽内に水を入れた後、水酸化ナトリウム水溶液を添加し、液温を40℃に保持した。
 硫酸ニッケル水溶液と硫酸コバルト水溶液と硫酸マンガン水溶液とを、ニッケル原子とコバルト原子とマンガン原子の原子比が0.80:0.15:0.05となるように混合して、混合原料液を調製した。
 次いで、反応槽内に、攪拌下、この混合原料液と硫酸アンモニウム水溶液を錯化剤として連続的に添加し、窒素ガスを反応槽内に連続通気させた。反応槽内の溶液のpHが11.0(水溶液の液温が40℃での測定値)になるよう5質量%の水酸化ナトリウム水溶液を適時滴下した。
 また、混合原料液の体積流量よりも水酸合ナトリウム水溶液の体積流量と錯化剤の体積流量の和を大きくした。ニッケルコバルトマンガン複合水酸化物粒子を得て、洗浄した後、遠心分離機で脱水し、洗浄、脱水、単離して105℃で乾燥し、回転式石臼を用いた粉砕処理により、ニッケルコバルトマンガン複合水酸化物6を得た。
 ニッケルコバルトマンガン複合水酸化物6と水酸化リチウム粉末とを、Li/(Ni+Co+Mn)=1.02となるように秤量して混合した後、酸素雰囲気下920℃で8時間焼成して、LiMO粉末を得た。上記粉末と純水とを全体量に対して上記粉末重量の割合が0.5になるように混合し作製したスラリーを20分間撹拌させた後、脱水、単離して105℃で乾燥し、回転式石臼を用いた粉砕処理により、LiMO粉末6を得た。
 得られたLiMO粉末6の粉末X線回折の結果、LiMO粉末6は層状構造の結晶構造を有することを確認した。
 得られたLiMO粉末6のSEM観察の結果、LiMO粉末6は一次粒子を有することを確認した。
 LiMO粉末6の化学組成、化学組成から求めたニッケルと元素Xの合計量に対するニッケル量の比(Ni/(Ni+X))、安息角、崩壊角、差角、BET比表面積、平均一次粒子径、平均粒子径D50、D20-D10、硫酸根含有量、水分含有量、混練性の結果を表1、表2、表3に記載する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
 上記結果に示す通り、本発明を適用した実施例1~3は、比較例1~3よりも混練性が高かった。
 1…セパレータ、2…正極、3…負極、4…電極群、5…電池缶、6…電解液、7…トップインシュレーター、8…封口体、10…リチウム二次電池、21…正極リード、31…負極リード、100…積層体、110…正極、111…正極活物質層、112…正極集電体、113…外部端子、120…負極、121…負極活物質層、122…負極集電体、123…外部端子、130…固体電解質層、200…外装体、200a…開口部、1000…全固体リチウム二次電池

Claims (9)

  1.  層状構造を有するリチウム金属複合酸化物粉末であって、少なくともLiとNiと元素Xを含有し、前記元素Xは、Co、Mn、Fe、Cu、Ti、Mg、Al、W、Mo、Nb、Zn、Sn、Zr、Ga、V、B、Si、S及びPからなる群より選択される1種以上の元素であり、下記の要件(1)、要件(2)及び要件(3)をすべて満たすことを特徴とする、リチウム金属複合酸化物粉末。
     要件(1):下記の方法により測定される安息角(θ1)と崩壊角(θ2)と、から算出される差角(θ1-θ2)が、15°以下である。
     測定用テーブルにリチウム金属複合酸化物粉末を堆積させたときの傾斜角を安息角(θ1)とする。
     次に、測定用テーブルに所定の衝撃力を作用させた後に計測した傾斜角を崩壊角(θ2)とする。
     要件(2):平均一次粒子径が1μm以上である。
     要件(3):リチウム金属複合酸化物粉末に含まれる水分量が1000ppm以下である。
  2.  前記安息角(θ1)が40°以下である、請求項1に記載のリチウム金属複合酸化物粉末。
  3.  前記崩壊角(θ2)が35°以下である、請求項1又は2に記載のリチウム金属複合酸化物粉末。
  4.  残留硫酸根の含有量が1.0質量%以下である、請求項1~3のいずれか1項に記載に記載のリチウム金属複合酸化物粉末。
  5.  粒度分布測定値から求めた20%累積径(D20)と10%累積径(D10)の値の差(D20-D10)が1μm以下である、請求項1~4のいずれか1項に記載のリチウム金属複合酸化物粉末。
  6.  前記リチウム金属複合酸化物粉末は、コア粒子と前記コア粒子を被覆する被覆物とを備える、請求項1~5のいずれか1項に記載のリチウム金属複合酸化物粉末。
  7.  請求項1~6のいずれか1項に記載のリチウム金属複合酸化物粉末を含有するリチウム二次電池用正極活物質。
  8.  請求項7に記載のリチウム二次電池用正極活物質を含有するリチウム二次電池用正極。
  9.  請求項8に記載のリチウム二次電池用正極を有するリチウム二次電池。
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