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JP5353151B2 - リチウムニッケル含有複合酸化物の製造方法 - Google Patents

リチウムニッケル含有複合酸化物の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、リチウムイオン電池の正極材料であるリチウムニッケル含有複合酸化物の製造方法に関し、特に、リチウムイオン電池の充放電中もしくは、高温保存時の炭酸リチウム分解により発生する炭酸ガスを起因とする電池の膨れの低減を可能とし、もって安全性を向上させることのできるリチウムニッケル含有複合酸化物の製造方法に関する。
近年、携帯電話機、ノートパソコン等の小型電子機器の急速な拡大とともに、充放電可能な電源として、リチウムイオン二次電池の需要が急激に伸びている。リチウムイオン二次電池の正極材料としては、リチウムコバルト複合酸化物とともにリチウムニッケル複合酸化物が広く用いられている。
リチウムニッケル複合酸化物は、通常、リチウム化合物とニッケル化合物を混合焼成して製造されている。しかしながら、純粋なニッケル化合物から合成した純粋なリチウムニッケル複合酸化物では、安全性、サイクル特性等に問題があり、実用電池として使用することはできない。
この解決策として、リチウムニッケル複合酸化物にコバルトやアルミニウムを添加して得たリチウムニッケル含有複合酸化物を正極材料として用いることで、安全性やサイクル特性が良好な電池を得ることが一般的となっている(例えば、特許文献1〜3参照)。
また、携帯電話機などにおいては、より軽くて高容量を求められることから、電池外装缶を薄くすることや、材質をアルミニウムに代えるなどの手法が採られている(特許文献4参照)。ただ、このような外装缶の薄板化や、材質のアルミニウム化は、電池の充放電時や高温保存時のガス発生による電池の膨れを起こしやすくさせており、電池の膨れは電池の安全性上も大きな問題となっている(特許文献5参照)。
電池内部でのガス発生に関しては、種々の説がある。例えば、正極材料であるリチウムニッケル複合酸化物の比表面積が増加すると、もうひとつのガス発生の原因と考えられている電解液の分解も促進し、ガス発生を増大させるという説がある。また、炭酸リチウムは電池内部で充電中に分解して炭酸ガスを放出するという説がある(特許文献6参照)。
さらに、炭酸リチウムや水酸化リチウムといったアルカリ成分量の多い正極合剤含有組成物を用いて正極合剤層を形成して正極を作製し、これを電池に用いると、例えば電池が高温環境下で保管された際に、正極合剤層中に多量に残存しているこれらのアルカリ成分が分解して、二酸化炭素(CO2)や水素(H2)といったガスが発生して、電池の内圧を上昇させるという説がある(特許文献7、段落0009参照)。
特許文献7では、かかる問題を解消するために、正極活物質、導電助剤および結着剤を含有する正極合剤で構成された正極合剤層を有してなる非水電解質二次電池用の正極において、正極活物質として、一般式:Li(1+δ)MnxNiyCo(1-x-y)2(0≦δ≦0.05、0.1<x≦0.5、0.1<y≦0.5、0.6<x+y≦1.0)で表されるリチウム遷移金属複合酸化物を用い、導電助剤として、比表面積が50〜1000m2/gの炭素材料を用い、かつ、正極合剤2.5gを50gの中性の水に浸漬させたときの上澄み液を、濃度が0.01mol/lの硫酸で中和滴定して求められる中和滴定量(A)が、4.5ml以下となるものに規制することが提案されている。特許文献7の記載によれば、被滴定物のすべてが炭酸塩とした場合、正極合剤中の炭酸根の含有量は、概ね0.11質量%以下となる。
しかしながら、特許文献7には、上記特性を有する正極を得る具体的な方法として、前記条件を満たす正極活物質を選定して正極合剤を作製することしか記載されておらず、炭酸根の含有量を0.11質量%以下に抑えられた正極合剤の作製を可能とする正極活物質の製造方法について、何らの開示もない。
特開昭62−90863号公報 特開昭63−121258号公報 特開平4−106875号公報 特開2000−277146号公報 特開2000−123875号公報 特開平04−329268号公報 特開2007−005148号公報
本発明は、正極合剤中の炭酸根の含有量が0.10質量%以下を実現しうるリチウムニッケル含有複合酸化物の製造方法を提供することを目的とする。
本発明者らは、目的を達成するために、鋭意研究を重ねた結果、リチウムニッケル含有複合酸化物の製造時に使用する水酸化リチウム中の炭酸根が、得られるリチウムニッケル含有複合酸化物の炭酸根の含有量ばかりでなく、比表面積にも影響を与えることを見出し、本発明を完成するに至った。
本発明は、コバルトおよびアルミニウムを含有するニッケル含有複合酸化物とリチウム源とを混合し、酸素雰囲気中で焼成することにより、一般式:LiaNibCocAld2(ただし、0.90≦a≦1.20,0.70≦b≦1.00,0.05≦c≦0.30,0.01≦d≦0.1)で表されるリチウムニッケル含有複合酸化物を製造する方法に係る。なお、この場合、前記ニッケル含有複合酸化物は、コバルトおよびアルミニウムの酸化物もしくは水酸化物と、酸化ニッケルとを混合して得た混合物を焙焼することにより、または、コバルトおよびアルミニウムのうち少なくとも1つが固溶している水酸化ニッケルを焙焼することにより得られる。
もしくは、本発明は、コバルトおよびアルミニウムの酸化物もしくは水酸化物と、酸化ニッケルと、リチウム源とを混合し、酸素雰囲気中で焼成することにより、一般式:LiaNibCocAld2(ただし、0.90≦a≦1.20,0.70≦b≦1.00,0.05≦c≦0.30,0.01≦d≦0.1)で表されるリチウムニッケル含有複合酸化物を製造する方法に係る。
特に本発明では、いずれの製造方法においても、前記リチウム源として、炭酸根の含有量が、0.2質量%以下であるリチウム化合物を用い、前記焼成における、雰囲気中の酸素濃度を70体積%以上とし、かつ、焼成温度を600〜800℃とすることに特徴がある。
前記リチウム化合物として、水酸化リチウム一水和物、無水水酸化リチウム、または、これらの混合物を用いることが好ましい。
また、前記コバルトおよびアルミニウムのうち少なくとも1つをリチウムニッケル酸化物中に固溶させることが好ましい。
本発明に従えば、正極合剤中の炭酸根の含有量を0.10質量%以下としうる正極活物質であるリチウムニッケル含有複合酸化物を、容易に、かつ確実に製造することができる。そして、本発明に従って製造されたリチウムニッケル含有複合酸化物をリチウムイオン電池に採用することで、より安全性の高い電池を製造することが可能となり、工業的価値はきわめて大きい。
リチウムニッケル含有複合酸化物は、例えば、添加元素であるコバルトおよびアルミニウムの酸化物、もしくはコバルトおよびアルミニウムの水酸化物と、酸化ニッケルとを混合して得た混合物を焙焼して、ニッケル含有複合酸化物を得て、該ニッケル含有複合酸化物と水酸化リチウムとを混合し、酸素雰囲気中で焼成することにより得られる。または、コバルトおよびアルミニウムの酸化物、もしくはコバルトおよびアルミニウムの水酸化物と、酸化ニッケルと、リチウム源とを混合し、酸素雰囲気中で焼成することにより得られる。
リチウム源としては、工業用に市販されている水酸化リチウムが多用されている。水酸化リチウムとしては、水酸化リチウム一水和物が一般的に用いられるが、無水水酸化リチウムも用いることができる。また、これらの混合物を用いることもできる。
水酸化リチウム一水和物もしくは無水水酸化リチウムは、アルカリ金属水酸化物の特徴を有しており、空気中の炭酸ガスを吸収し、炭酸リチウムに容易に変化する性質がある。そのため、水酸化リチウムを長期間大気中に放置すると、表面より炭酸リチウムに変化し、水酸化リチウム中の炭酸根の含有量が増加する。この水酸化リチウムの炭酸化は、水酸化リチウムの粒子径が小さくなるほど加速する。従って、酸化ニッケルとの混合性を上げるために、水酸化リチウムを粉砕するなどで粒径を小さくすると、炭酸化の速度はより速くなる。
リチウムニッケル含有複合酸化物の製造において、リチウム源である水酸化リチウム中に存在する炭酸リチウムは、一部は製造過程の焼成時に分解し気散するが、1割から2割は分解せずに、製品であるリチウムニッケル含有複合酸化物に残留する。
従って、水酸化リチウム中の炭酸リチウム分が上昇すると、合成後のリチウムニッケル含有複合酸化物中の炭酸根の含有量が増加する。加えて、得られるリチウムニッケル含有複合酸化物の比表面積が増加する。前述の通り、比表面積の増加に伴い、電解液などとの反応性が増加し、ガスの発生量がさらに増加するという問題が生ずる。
なお、炭酸根の含有量が増加すると、得られるリチウムニッケル含有複合酸化物の比表面積が増加する現象については不明な点が多いが、合成中に水酸化リチウム中に溶解した炭酸リチウムが、合成終了時にリチウムニッケル含有複合酸化物の1次粒子の粒界に析出し、1次粒子間の隙間を広げる働きをすることで、2次粒子全体の粒界の隙間が多くなり、比表面積が増加すると考えられる。
本発明では、一般式:LiaNibCocAld2(ただし、0.90≦a≦1.20,0.70≦b≦1.00,0.05≦c≦0.30,0.01≦d≦0.1)で表される、リチウムとニッケルを主成分とするリチウムニッケル含有複合酸化物の製造に際して、リチウム源として炭酸根の含有量が、0.2質量%以下である水酸化リチウムを用いる。
水酸化リチウム中の炭酸根の含有量が0.2質量%を超えると、合成後のリチウムニッケル含有複合酸化物中に残留する炭酸リチウム量が増加し、ガス発生量を増加させるとともに比表面積が増大して、より一層のガス発生量の増加と、安全性の低下をもたらす。加えて、正極合剤中の炭酸根の含有量を0.10質量%以下にするのが困難になる。なお、炭酸根の含有量は、0.15質量%以下にすることが好ましく、少ないほどより好ましいが、不可避不純物としての量(不可避不純物量)未満とすることはできない。
本発明では、安全性やサイクル特性が良好な電池を得るために、リチウムニッケル複合酸化物にコバルトやアルミニウムを添加したリチウムニッケル含有複合酸化物を正極材料として得ている。
既に公知ではあるが、リチウムニッケル含有複合酸化物の一般式:LiaNibCocAld2について説明する。aが0.90未満では、化合しているリチウム量が少ないため、正極材料として十分な容量が確保できない。1.20を超えると、リチウムが過剰となり、容量低下が発生する。
bが0.70未満では、電池反応に寄与する主成分であるリチウムニッケル酸化物量が減少し、十分な容量が確保できない。1.00を超えると、電池反応を正常に行うことのできるリチウムニッケル酸化物以外の結晶形態のリチウムニッケル酸化物の生成があり、容量が低下する。
cが0.05未満では、コバルトの添加効果が得られない。0.30を超えると、電池反応に寄与する主成分であるリチウムニッケル酸化物量が減少し、容量が低下する。
dが0.01未満では、アルミニウムの添加効果が得られない。0.1を超えると、アルミニウムの添加効果よりも、ニッケルが減少することによる容量の低下の方が大きくなり、実用的でない。
リチウムニッケル含有複合酸化物の製造において使用する酸化ニッケルへのコバルトやアルミニウムの添加方法は、特に規定されるものではない。例えば、コバルトおよびアルミニウムの酸化物、もしくはコバルトおよびアルミニウムの水酸化物と、酸化ニッケルとを混合して得た混合物を焙焼して、ニッケル含有複合酸化物を得るか、または、コバルトおよびアルミニウムの酸化物、もしくはコバルトおよびアルミニウムの水酸化物と、酸化ニッケルとを、リチウム源と共に混合してもよい。
また、例えば、コバルトおよびアルミニウムのうち少なくとも1つを固溶した水酸化ニッケル、炭酸ニッケル、または硫酸ニッケルなどを焼成し、ニッケル含有複合酸化物としてもよい。
アルミニウムについては、リチウムニッケル複合酸化物の合成時に、リチウムニッケル酸化物中に拡散するため、原料である酸化ニッケルへの固溶は、特に考慮する必要はない。水酸化アルミニウムや酸化アルミニウムの形態で酸化ニッケルと混合して焼成しても問題ない。
なお、ニッケル含有複合酸化物とリチウム源との混合、ないしは、コバルトおよびアルミニウムの酸化物と酸化ニッケルとリチウム源との混合方法は、乾式混合法でも水を付加した造粒混合法でもよく、任意である。
本発明において、リチウムニッケル含有複合酸化物を得る際の焼成雰囲気を、酸素濃度70体積%以上とするのは、酸素濃度が70体積%を下回ると、焼成物中に電池正極材料として働くリチウムニッケル複合酸化物以外に、電池反応を行わないリチウムニッケル複合酸化物相が生成し、所定の電池性能を発揮できなくなるからである。
また、焼成温度を600〜800℃とするのは、600℃を下回る温度で焼成すると、水酸化リチウムと酸化ニッケルの反応が不十分となり、生成したリチウムニッケル複合酸化物は、正極材料として、性能が低下するからである。また、800℃を超えると、生成したリチウムニッケル含有複合酸化物の分解が発生し、正極材料としての性能が低下するからである。
以下に実施例を示す。なお、実施例中の水酸化リチウム中の炭酸根の含有量の分析は、以下の方法で行った。
使用装置:自動滴定装置(平沼産業株式会社製、COM−1600型)
測定方法:
(1)水酸化リチウム0.5gを、200mlビーカーに採取する。
(2)脱炭酸水を、100ml加える。
(3)10%塩化バリウム溶液2mlを、マイクロピペットにより加える。
(4)200mlビーカーを、自動滴定装置にセットし、測定を開始する。
(5)1mol/lの塩酸滴定液で、PHを確認しながら、中和滴定を行う。
(6)中和曲線が2段になるため、2段目終点まで滴定する。終点を変曲点検出法により決定し、中和に使用した塩酸量から、式(数1)で炭酸根の含有量を求める。
Figure 0005353151
また、生成したリチウムニッケル複合酸化物中の炭酸は、高周波燃焼赤外分析法で全炭素を求め、そのすべてが炭酸に由来するとして求めた。
(実施例1)
Ni62.7%、Co11.9%、およびAl1.32%を固溶含有する酸化ニッケル16kgと、水酸化リチウム一水和物9.29kgを混合し、混合物を酸素濃度90体積%の雰囲気中730℃で24時間焼成した。なお、使用した水酸化リチウム一水和物中の炭酸根の含有量は、0.1質量%であった。
得られたリチウムニッケル含有複合酸化物は、Li1.05Ni0.81Co0.15Al0.042であり、X線回折結果でも、異相は認められなかった。
得られたリチウムニッケル含有複合酸化物のBET比表面積は、0.40m2/gであり、炭酸根の含有量は0.05質量%であった。
(実施例2)
Ni61.2%、Co11.8%、およびAl2.57%を固溶含有する酸化ニッケル10kgと、水酸化リチウム一水和物5.72kgを混合し、混合物を酸素濃度90体積%の雰囲気中700℃で24時間焼成した。なお、使用した水酸化リチウム一水和物中の炭酸根の含有量は、0.2質量%であった。
得られたリチウムニッケル含有複合酸化物は、Li1.02Ni0.78Co0.15Al0.072であり、X線回折結果でも、異相は認められなかった。
得られたリチウムニッケル含有複合酸化物のBET比表面積は、0.35m2/gであり、炭酸根の含有量は、0.10質量%であった。
(実施例3)
Ni59.8%、およびCo11.4%を固溶含有する酸化ニッケルに、Al3.60%となる量の水酸化アルミニウムを添加することにより、水酸化アルミニウム混合酸化ニッケルを10kg作製し、水酸化リチウム一水和物5.80kgと混合し、混合物を酸素濃度85体積%の雰囲気中760℃で24時間焼成した。なお、使用した水酸化リチウム一水和物中の炭酸根の含有量は、0.1質量%であった。
得られたリチウムニッケル含有複合酸化物は、Li1.02Ni0.75Co0.14Al0.092であり、X線回折結果でも、異相は認められなかった。
得られたリチウムニッケル含有複合酸化物のBET比表面積は、0.29m2/gであり、炭酸根の含有量は、0.05質量%であった。
(実施例4)
焼成温度を600℃としたこと以外は、実施例1と同様にして、リチウムニッケル含有複合酸化物を得た。得られたリチウムニッケル含有複合酸化物は、Li1.05Ni0.81Co0.15Al0.042であり、X線回折結果でも、異相は認められなかった。
得られたリチウムニッケル含有複合酸化物のBET比表面積は、0.45m2/gであり、炭酸根の含有量は、0.08質量%であった。
(実施例5)
焼成温度を800℃としたこと以外は、実施例1と同様にして、リチウムニッケル含有複合酸化物を得た。得られたリチウムニッケル含有複合酸化物は、Li1.05Ni0.81Co0.15Al0.042であり、X線回折結果でも異相は、認められなかった。
得られたリチウムニッケル含有複合酸化物のBET比表面積は、0.34m2/gであり、炭酸根の含有量は、0.02質量%であった。
(実施例6)
使用した水酸化リチウム一水和物中の炭酸根の含有量を0.15質量%とし、雰囲気を酸素濃度70体積%としたこと以外は、実施例1と同様にして、リチウムニッケル含有複合酸化物を得た。得られたリチウムニッケル含有複合酸化物は、Li1.05Ni0.81Co0.15Al0.042であり、X線回折結果でも、異相は認められなかった。
得られたリチウムニッケル含有複合酸化物のBET比表面積は、0.46m2/gであり、炭酸根の含有量は、0.07質量%であった。
参考例
使用した水酸化リチウム一水和物中の炭酸根の含有量を0.30質量%としたこと以外は、実施例1と同様にして、リチウムニッケル含有複合酸化物を得た。得られたリチウムニッケル含有複合酸化物は、Li1.05Ni0.81Co0.15Al0.042であり、X線回折結果でも、異相は認められなかった。
得られたリチウムニッケル含有複合酸化物のBET比表面積は、0.50m2/gであり、炭酸根の含有量は、0.11質量%であった。
(比較例1)
Ni62.7%、Co11.9%、およびAl1.32%を固溶含有する酸化ニッケル10kgと、水酸化リチウム一水和物5.80kgを混合し、混合物を酸素濃度90体積%の雰囲気中730℃で24時間焼成した。なお、使用した水酸化リチウム一水和物中の炭酸根の含有量は、0.5質量%であった。
得られたリチウムニッケル含有複合酸化物は、Li1.06Ni0.81Co0.15Al0.042であり、X線回折結果でも異相は、認められなかった。
得られたリチウムニッケル複合酸化物のBET比表面積は、0.60m2/gであり、炭酸根の含有量は、0.15質量%であった。
(比較例2)
Ni78.1%の酸化ニッケル5kgと、Co72.9%の酸化コバルト0.98kgと、Al33.8%の水酸化アルミニウム0.25kgとを混合した後、水酸化リチウム一水和物3.5kgと混合し、混合物を酸素濃度90体積%の雰囲気中730℃で24時間焼成した。なお、使用した水酸化リチウム一水和物中の炭酸根の含有量は、0.5質量%であった。
得られたリチウムニッケル複合酸化物は、Li1.06Ni0.81Co0.15Al0.042であった。X線回折の結果、リチウムニッケル複合酸化物のピークの他に、リチウムコバルト複合酸化物のピークが認められた。得られたリチウムニッケル含有複合酸化物のBET比表面積は、0.65m2/gであり、炭酸根の含有量は、0.15質量%であった。
(比較例3)
Ni62.7%、Co11.9%、およびAl1.32%を固溶含有する酸化ニッケル10kgと、水酸化リチウム一水和物5.80kgを混合し、混合物を酸素濃度60体積%の雰囲気中730℃で24時間焼成した。なお、使用した水酸化リチウム一水和物中の炭酸根の含有量は、0.1質量%であった。
得られたリチウムニッケル含有複合酸化物は、Li1.05Ni0.81Co0.15Al0.042であり、X線回折の結果、同定は不能であったが、通常のリチウムニッケル複合酸化物以外のピークが認められた。得られたリチウムニッケル含有複合酸化物のBET比表面積は、0.40m2/gであり、炭酸根の含有量は、0.05質量%であった。
Figure 0005353151

Claims (6)

  1. コバルトおよびアルミニウムを含有するニッケル含有複合酸化物と、リチウム源とを混合し、酸素雰囲気中で焼成することにより、一般式:LiaNibCocAld2(ただし、0.90≦a≦1.20,0.70≦b≦1.00,0.05≦c≦0.30,0.01≦d≦0.1)で表されるリチウムニッケル含有複合酸化物を製造する方法において、
    前記リチウム源として、製造時における炭酸根の含有量が、0.2質量%以下である水酸化リチウムを用い、前記焼成における、雰囲気中の酸素濃度を70体積%以上とし、かつ、焼成温度を600〜800℃として、得られるリチウムニッケル含有複合酸化物における炭酸根の含有量を0.10質量%以下、BET比表面積を0.46m 2 /g以下とする、リチウムニッケル含有複合酸化物の製造方法。
  2. 前記ニッケル含有複合酸化物を、コバルトおよびアルミニウムの酸化物もしくは水酸化物と、酸化ニッケルとを混合して得た混合物を焙焼することにより得る、請求項1に記載のリチウムニッケル含有複合酸化物の製造方法。
  3. 前記ニッケル含有複合酸化物を、コバルトおよびアルミニウムを固溶した水酸化ニッケルもしくは酸化ニッケル、あるいは、コバルトとアルミニウムのうち少なくとも1つを固溶した水酸化ニッケルもしくは酸化ニッケルと、コバルトとアルミニウムのうち、該水酸化ニッケルもしくは酸化ニッケルに固溶していないいずれか一方の水酸化物もしくは酸化物とを混合して得た混合物を焙焼することにより得る、請求項1に記載のリチウムニッケル含有複合酸化物の製造方法。
  4. コバルトおよびアルミニウムの酸化物もしくは水酸化物と、酸化ニッケルと、リチウム源とを混合し、酸素雰囲気中で焼成することにより、一般式:LiaNibCocAld2(ただし、0.90≦a≦1.20,0.70≦b≦1.00,0.05≦c≦0.30,0.01≦d≦0.1)で表されるリチウムニッケル含有複合酸化物を製造する方法において、
    前記リチウム源として、製造時における炭酸根の含有量が、0.2質量%以下である水酸化リチウムを用い、前記焼成における、雰囲気中の酸素濃度を70体積%以上とし、かつ、焼成温度を600〜800℃として、得られるリチウムニッケル含有複合酸化物における炭酸根の含有量を0.10質量%以下、BET比表面積を0.46m 2 /g以下とする、リチウムニッケル含有複合酸化物の製造方法。
  5. 前記水酸化リチウムとして、水酸化リチウム一水和物、無水水酸化リチウム、または、これらの混合物を用いる、請求項1〜4のいずれか一項に記載のリチウムニッケル含有複合酸化物の製造方法。
  6. 前記コバルトおよびアルミニウムのうち少なくとも1つをリチウムニッケル酸化物中に固溶させる、請求項1〜5のいずれか一項に記載のリチウムニッケル含有複合酸化物の製造方法。
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