JP7452422B2 - リチウムイオン二次電池用正極活物質の製造方法 - Google Patents
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Description
層状構造を有する六方晶系のリチウムニッケルマンガン複合酸化物の粒子を含むリチウムイオン二次電池用正極活物質であって、
前記リチウムニッケルマンガン複合酸化物は、一般式(1)Li1+tNiaMnbMcMgdO2+α(前記一般式(1)中、Mは、Co、Ti、W、B、Mo、V、Nb、Ca、Al、Cr、Zr及びTaから選択される少なくとも1種の元素であり、-0.05≦t≦0.2、0.50≦a≦0.95、0.03≦b≦0.40、0.02≦c≦0.40、0.0005≦d≦0.05であり、かつ、a+b+c+d=1.0を満たし、αは、0≦α≦0.5である。)で表され、
前記リチウムニッケルマンガン複合酸化物の粒子は、複数の一次粒子が凝集した二次粒子を含み、
前記リチウムニッケルマンガン複合酸化物は、X線回折法により求められる格子定数aおよびcが、2.8640Å≦a≦2.8750Å、14.200Å≦c≦14.225Åであり、
前記リチウムニッケルマンガン複合酸化物の粒子の、X線回折パターンにおける(003)面のピークからScherrerの式によって求められる結晶子径が、1860Å未満であるリチウムイオン二次電池用正極活物質を提供する。
[リチウムイオン二次電池用正極活物質]
本実施形態のリチウムイオン二次電池用正極活物質(以下、単に「正極活物質」とも記載する)は、層状構造を有する六方晶系のリチウムニッケルマンガン複合酸化物の粒子を含む。
上記一般式(1)中の、元素Mは、Co、Ti、W、B、Mo、V、Nb、Ca、Al、Cr、Zr及びTaから選択される少なくとも1種の元素である。また、t、a、b、c、d、αは、-0.05≦t≦0.2、0.50≦a≦0.95、0.03≦b≦0.40、0.02≦c≦0.40、0.0005≦d≦0.05であり、かつ、a+b+c+d=1.0を満たし、αは、0≦α≦0.5である。
リチウムニッケルマンガン複合酸化物の粒子は、複数の一次粒子が凝集した二次粒子を含むことができる。リチウムニッケルマンガン複合酸化物は、X線回折法により求められる格子定数aおよびcが、2.8640Å≦a≦2.8750Å、14.195Å≦c≦14.225Åであることが好ましい。
[リチウムイオン二次電池用正極活物質の製造方法]
次に本実施形態のリチウムイオン二次電池用正極活物質の製造方法(以下、単に「正極活物質の製造方法」とも記載する)の一構成例について説明する。
一般式(2):NiaMnbMcMgd(OH)2+βで表されるニッケルマンガン複合水酸化物の粒子を得る晶析工程。
上記ニッケルマンガン複合水酸化物の粒子とリチウム化合物とを混合して、原料混合物を得る混合工程。
混合工程で得た原料混合物を酸化性雰囲気中700℃以上1000℃以下で焼成して、リチウムニッケルマンガン複合酸化物を得る焼成工程。
なお、上記一般式(2)中の元素Mは、Co、Ti、W、B、Mo、V、Nb、Ca、Al、Cr、Zr及びTaから選択される少なくとも1種の元素である。また、上記一般式(2)中のa、b、c、d、βは、それぞれ0.50≦a≦0.95、0.03≦b≦0.40、0.02≦c≦0.40、0.0005≦d≦0.05、かつa+b+c+d=1.0であり、0≦β≦0.4を満たす。
(A)晶析工程
晶析工程で製造するニッケルマンガン複合水酸化物の粒子は、上記一般式(2)で表されるニッケルマンガン複合水酸化物の粒子とすることができる。
混合工程では、晶析工程で得られたニッケルマンガン複合水酸化物の粒子とリチウム化合物とを混合して、原料混合物を得ることができる。
(C)焼成工程
焼成工程では、混合工程で得た原料混合物を酸化性雰囲気中700℃以上1000℃以下で焼成して、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。
[リチウムイオン二次電池]
本実施形態のリチウムイオン二次電池(以下、「二次電池」ともいう。)は、既述の正極活物質を含む正極を有することができる。
(正極)
本実施形態の二次電池が有する正極は、既述の正極活物質を含むことができる。
(負極)
負極は、金属リチウム、リチウム合金等を用いることができる。また、負極は、リチウムイオンを吸蔵・脱離できる負極活物質に結着剤を混合し、適当な溶剤を加えてペースト状にした負極合材を、銅等の金属箔集電体の表面に塗布、乾燥し、必要に応じて電極密度を高めるべく圧縮して形成したものを用いてもよい。
(セパレータ)
正極と負極との間には、必要に応じてセパレータを挟み込んで配置することができる。セパレータは、正極と負極とを分離し、電解質を保持するものであり、公知のものを用いることができ、例えば、ポリエチレンやポリプロピレンなどの薄い膜で、微少な孔を多数有する膜を用いることができる。
(非水系電解質)
非水系電解質としては、例えば非水系電解液を用いることができる。
(二次電池の形状、構成)
以上のように説明してきた本実施形態のリチウムイオン二次電池は、円筒形や積層形など、種々の形状にすることができる。いずれの形状を採る場合であっても、本実施形態の二次電池がリチウムイオンとして非水系電解液を用いる場合であれば、正極および負極を、セパレータを介して積層させて電極体とし、得られた電極体に、非水系電解液を含浸させ、正極集電体と外部に通ずる正極端子との間、および、負極集電体と外部に通ずる負極端子との間を、集電用リードなどを用いて接続し、電池ケースに密閉した構造とすることができる。
(1)組成の分析
以下の各実施例、比較例で得られた正極活物質の組成について、ICP発光分析装置(島津製作所製 型式:ICPE9000)を用いて、ICP発光分光法により評価した。
(2)平均粒径D50
レーザー回折散乱式粒度分布測定装置(日機装株式会社製、マイクロトラックHRA)により粒度分布を測定し、平均粒径D50を算出した。
(3)結晶構造、格子定数、(003)結晶子径、異相の有無
XRD回折装置(パナリティカル社製、X'Pert PRO)を用いたXRD測定結果から、結晶構造の同定を行い、異相の有無を確認した。
(4)導電率
粉体抵抗測定システム(三菱化学アナリテック、MCP-PD51型)を用いて、サンプル3gを63.66MPaに加圧し、4探針プローブで測定した。
(5)溶出リチウム量
正極活物質からろ液内に溶出したリチウム量を、中和滴定法の一つであるWarder法により評価した。
(6)初期充電容量、初期放電容量
以下の各実施例、比較例で得られた正極活物質の評価には、図1に示す2032型コイン型電池10(以下、「コイン型電池」と記載する。)を使用した。図1では、コイン型電池の斜視図と、断面図とを示している。
(7)正極抵抗
正極抵抗は、初期充放電容量を評価した場合と同じ条件で作製したコイン型電池を充電電位4.1Vで充電して、交流インピーダンス法により抵抗値を測定した。抵抗値の測定の際の温度条件も初期充放電容量の場合と同じ25℃とした。測定には、周波数応答アナライザおよびポテンショガルバノスタット(ソーラトロン製、1255B)を使用して、図2Aに示すナイキストプロットを作成し、図2Bに示した等価回路を用いてフィッティング計算を行い、正極抵抗(反応抵抗)の値を算出した。
(8)耐久性評価(容量維持率)
正極活物質の耐久性評価の評価には、図3に示すラミネート型電池を使用した。以下、ラミネート型電池の製造方法について説明する。
(9)熱安定性評価
正極活物質の熱安定性評価は、正極活物質を過充電状態とし、加熱することで放出される酸素量の定量により行った。(6)初期充電容量、初期放電容量と同じ条件でコイン型電池を作製し、カットオフ電圧4.5Vまで0.2CレートでCCCV充電(定電流―定電圧充電)を行った。その後、コイン型電池を解体し、短絡しないよう慎重に正極のみ取り出して、DMC(ジメチルカーボネート)で洗浄し、乾燥した。乾燥後の正極をおよそ2mg量りとり、ガスクロマトグラフ質量分析計(GC-MS、島津製作所、QP-2010plus)を用いて、昇温速度10℃/minで室温から450℃まで昇温した。キャリアガスにはヘリウムを用いた。ヘリウムガスの流量は35cc/minとした。加熱時に発生した酸素(m/z=32)の発生挙動を測定し、得られた最大酸素発生ピークトップが現れたときの温度を求めた。
[実施例1]
以下の手順により正極活物質を作製し、評価を行った。
(晶析工程)
反応槽(60L)に純水を50L入れ、攪拌しながら槽内温度を42℃に設定した。なお、晶析工程を終えるまで反応槽の槽内温度は42℃に保持した。このとき反応槽内に、反応槽の液中の溶存酸素濃度が1.2mg/LとなるようにN2ガスとAirガスを流した。
(混合工程)
得られたニッケルコバルト複合水酸化物粒子と、炭酸リチウムとを、Li/Meが1.03になるように秤量した後、シェーカーミキサー装置(ウィリー・エ・バッコーフェン(WAB)社製TURBULA TypeT2C)を用いて十分に混合し、原料混合物を得た。
(焼成工程)
得られた原料混合物を空気(酸素:21容量%)気流中にて895℃で10時間保持して焼成し、その後、解砕してリチウムニッケルマンガン複合酸化物の粒子からなる正極活物質を得た。なお、XRD回折パターンの測定結果から、層状構造を有する六方晶系のリチウムニッケルマンガン複合酸化物が得られていることを確認できた。以下の実施例2~6においても得られたリチウムニッケルマンガン複合酸化物が、同様の結晶構造を有することを確認できた。
[実施例2]
混合水溶液として、ニッケル:マンガン:コバルト:マグネシウムのモル比が59.8:19.8:19.9:0.5、金属濃度が2.0M(mol/dm3)となるように、硫酸ニッケル、硫酸マンガン、硫酸コバルト、および硫酸マグネシウムを水に溶解させた水溶液を用いた点以外は、実施例1と同様に正極活物質を製造し、評価を行った。
[実施例3]
混合水溶液として、ニッケル:マンガン:コバルト:マグネシウムのモル比が59.6:19.7:19.7:1.0、金属濃度が2.0M(mol/dm3)となるように、硫酸ニッケル、硫酸マンガン、硫酸コバルト、および硫酸マグネシウムを水に溶解させた水溶液を用いた点以外は、実施例1と同様に正極活物質を製造し、評価を行った。
[実施例4]
混合水溶液として、ニッケル:マンガン:コバルト:マグネシウムのモル比が58.8:19.1:19.1:3.0、金属濃度が2.0M(mol/dm3)となるように、硫酸ニッケル、硫酸マンガン、硫酸コバルト、および硫酸マグネシウムを水に溶解させた水溶液を用いた点以外は、実施例1と同様に正極活物質を製造し、評価を行った。
[実施例5]
(晶析工程)
反応槽(60L)に純水を50L入れ、攪拌しながら槽内温度を49℃に設定した。なお、晶析工程を終えるまで反応槽の槽内温度は49℃に保持した。このとき反応槽内に、反応槽液中の溶存酸素濃度が1.8mg/LとなるようにN2ガスとAirガスを流した。
(混合工程)
得られたニッケルコバルト複合水酸化物粒子と、炭酸リチウムとを、Li/Meが1.02になるように秤量した後、シェーカーミキサー装置(ウィリー・エ・バッコーフェン(WAB)社製TURBULA TypeT2C)を用いて十分に混合し、原料混合物を得た。
(焼成工程)
得られた原料混合物を酸化性雰囲気(酸素:80容量%)の気流中にて800℃で10時間保持して焼成し、その後、解砕してリチウムニッケルマンガン複合酸化物の粒子からなる正極活物質を得た。
[実施例6]
混合水溶液として、ニッケル:マンガン:コバルト:マグネシウムのモル比が77.7:9.5:9.8:3.0、金属濃度が2.0M(mol/dm3)となるように、硫酸ニッケル、硫酸マンガン、硫酸コバルト、および硫酸マグネシウムを水に溶解させた水溶液を用いた点以外は、実施例5と同様に正極活物質を製造し、評価を行った。
[比較例1]
混合水溶液として、ニッケル:マンガン:コバルトのモル比が60.0:20.0:20.0、金属濃度が2.0M(mol/dm3)となるように、硫酸ニッケル、硫酸マンガン、および硫酸コバルトを水に溶解させた水溶液を用いた点、および焼成工程における焼成温度を900℃とした点以外は、実施例1と同様に正極活物質を製造し、評価を行った。
[比較例2]
混合水溶液として、ニッケル:マンガン:コバルト:マグネシウムのモル比が59.97:20.0:20.0:0.03、金属濃度が2.0M(mol/dm3)となるように、硫酸ニッケル、硫酸マンガン、硫酸コバルト、および硫酸マグネシウムを水に溶解させた水溶液を用いた点、および焼成工程における焼成温度を900℃とした点以外は、実施例1と同様に正極活物質を製造し、評価を行った。
[比較例3]
混合水溶液として、ニッケル:マンガン:コバルト:マグネシウムのモル比が57.9:18.4:18.5:5.2、金属濃度が2.0M(mol/dm3)となるように、硫酸ニッケル、硫酸マンガン、硫酸コバルト、および硫酸マグネシウムを水に溶解させた水溶液を用いた点、および焼成工程における焼成温度を900℃とした点以外は、実施例1と同様に正極活物質を製造し、評価を行った。
[比較例4]
混合水溶液として、ニッケル:マンガン:コバルトのモル比が80.0:10.0:10.0、金属濃度が2.0M(mol/dm3)となるように、硫酸ニッケル、硫酸マンガン、および硫酸コバルトを水に溶解させた水溶液を用いた点以外は、実施例5と同様に正極活物質を製造し、評価を行った。
[比較例5]
混合水溶液として、ニッケル:マンガン:コバルト:マグネシウムのモル比が79.96:10.0:10.0:0.04、金属濃度が2.0M(mol/dm3)となるように、硫酸ニッケル、硫酸マンガン、硫酸コバルト、および硫酸マグネシウムを水に溶解させた水溶液を用いた点以外は、実施例5と同様に正極活物質を製造し、評価を行った。
[比較例6]
混合水溶液として、ニッケル:マンガン:コバルト:マグネシウムのモル比が75.9:9.3:9.6:5.2、金属濃度が2.0M(mol/dm3)となるように、硫酸ニッケル、硫酸マンガン、硫酸コバルト、および硫酸マグネシウムを水に溶解させた水溶液を用いた点以外は、実施例5と同様に正極活物質を製造し、評価を行った。
[比較例7]
焼成工程において、混合工程で得られた原料混合物を酸化性雰囲気(酸素:80容量%)の気流中にて1020℃で10時間保持して焼成した点以外は、実施例5と同様に正極活物質を製造し、評価を行った。
[比較例8]
焼成工程において、混合工程で得られた原料混合物を酸化性雰囲気(酸素:80容量%)の気流中にて680℃で10時間保持して焼成した点以外は、実施例5と同様に正極活物質を製造し、評価を行った。
Claims (2)
- 一般式(2):NiaMnbMcMgd(OH)2+β(ただし、Mは、Co、Ti、W、B、Mo、V、Nb、Ca、Al、Cr、Zr及びTaから選択される少なくとも1種の元素であり、0.50≦a≦0.95、0.03≦b≦0.40、0.02≦c≦0.40、0.0005≦d≦0.05、かつa+b+c+d=1.0を満たし、βは、0≦β≦0.4である。)で表されるニッケルマンガン複合水酸化物の粒子を得る晶析工程と、
前記ニッケルマンガン複合水酸化物の粒子と、リチウム化合物とを混合して、原料混合物を得る混合工程と、
前記原料混合物を酸化性雰囲気中800℃以上1000℃以下で焼成して、リチウムニッケルマンガン複合酸化物を得る焼成工程と、を有し、
前記リチウムニッケルマンガン複合酸化物の粒子の、X線回折パターンにおける(003)面のピークからScherrerの式によって求められる結晶子径が、1860Å未満であるリチウムイオン二次電池用正極活物質の製造方法。 - 前記混合工程の前に、前記ニッケルマンガン複合水酸化物の粒子を105℃以上700℃以下の温度で熱処理する熱処理工程をさらに有する請求項1に記載のリチウムイオン二次電池用正極活物質の製造方法。
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