JP2019033016A - リチウムイオン二次電池用正極活物質又はナトリウムイオン二次電池用正極活物質、並びにこれらの製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
LiNiaCobMncM1 xO2・・・(I)
(式(I)中、M1はMg、Ti、Nb、Fe、Cr、Si、Al、Ga、V、Zn、Cu、Sr、Mo、Zr、Sn、Ta、W、La、Ce、Pb、Bi及びGeから選ばれる1種又は2種以上の元素を示す。a、b、c、xは、0.3≦a<1、0<b≦0.7、0<c≦0.7、0≦x≦0.3、かつ3a+3b+3c+(M1の価数)×x=3を満たす数を示す。)
又は、下記式(II):
LiNidCoeAlfM2 yO2・・・(II)
(式(II)中、M2はMg、Ti、Nb、Fe、Cr、Si、Ga、V、Zn、Cu、Sr、Mo、Zr、Sn、Ta、W、La、Ce、Pb、Bi及びGeから選ばれる1種又は2種以上の元素を示す。d、e、f、yは、0.4≦d<1、0<e≦0.6、0<f≦0.3、0≦y≦0.3、かつ3d+3e+3f+(M2の価数)×y=3を満たす数を示す。)
で表されるリチウム複合酸化物粒子からなる層状型リチウム複合酸化物二次粒子(A)の表面の一部のみにおいて、下記式(V):
LiCogM5 iPO4・・・(V)
(式(V)中、M5はFe、Mn、Ca、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd又はGdを示す。g及びiは、0<g≦1、0≦i≦0.3、及び2g+(M5の価数)×i=2を満たす数を示す。)、
又は、下記式(VI):
LiFemMnnM6 oPO4・・・(VI)
(式(VI)中、M6はCo、Ca、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd又はGdを示す。m、n、及びoは、0≦m≦1、0≦n≦1、0≦o≦0.3、及びm+n≠0を満たし、かつ2m+2n+(M6の価数)×o=2を満たす数を示す。)
で表され、表面に炭素(c)が担持してなるリチウム系ポリアニオン粒子(B)と、リチウム複合酸化物粒子とが複合化してなり、
X線光電子分光法(XPS)によるピーク強度比((Ni2p3/2のピーク強度)/(P2pのピーク強度+C1sのピーク強度))が0.05を超え0.4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ものである。
NaNia’Cob’Mnc’M3 x’O2・・・(III)
(式(III)中、M3はMg、Ti、Nb、Fe、Cr、Si、Al、Ga、V、Zn、Cu、Sr、Mo、Zr、Sn、Ta、W、La、Ce、Pb、Bi及びGeから選ばれる1種又は2種以上の元素を示す。a’、b’、c’、x’は、0.3≦a’<1、0<b’≦0.7、0<c’≦0.7、0≦x’≦0.3、かつ3a’+3b’+3c’+(M3の価数)×x’=3を満たす数を示す。)
又は、下記式(IV):
NaNid’Coe’Alf’M4 y’O2・・・(IV)
(式(IV)中、M4はMg、Ti、Nb、Fe、Cr、Si、Ga、V、Zn、Cu、Sr、Mo、Zr、Sn、Ta、W、La、Ce、Pb、Bi及びGeから選ばれる1種又は2種以上の元素を示す。d’、e’、f’、y’は、0.4≦d’<1、0<e’≦0.6、0<f’≦0.3、0≦y’≦0.3、かつ3d’+3e’+3f’+(M4の価数)×y’=3を満たす数を示す。)
で表されるナトリウム複合酸化物粒子からなる層状型ナトリウム複合酸化物二次粒子(D)の表面の一部のみにおいて、下記式(VII):
NaCog’M7 i’PO4・・・(VII)
(式(VII)中、M7はFe、Mn、Ca、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd又はGdを示す。g’及びi’は、0<g’≦1、0≦i’≦0.3、及び2g’+(M7の価数)×i’=2を満たす数を示す。)、
又は、下記式(VIII):
NaFem’Mnn’M8 o’PO4・・・(VIII)
(式(VIII)中、M8はCo、Ca、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd又はGdを示す。m’、n’、及びo’は、0≦m’≦1、0≦n’≦1、0≦o’≦0.3、及びm’+n’≠0を満たし、かつ2m’+2n’+(M8の価数)×o’=2を満たす数を示す。)
で表され、表面に炭素(c)が担持してなるナトリウム系ポリアニオン粒子(E)と、ナトリウム複合酸化物粒子とが複合化してなり、
X線光電子分光法(XPS)によるピーク強度比((Ni2p3/2のピーク強度)/(P2pのピーク強度+C1sのピーク強度))が0.05を超え0.4未満であるナトリウムイオン二次電池用正極活物質を提供するものである。
本発明のリチウムイオン二次電池用正極活物質は、下記式(I):
LiNiaCobMncM1 xO2・・・(I)
(式(I)中、M1はMg、Ti、Nb、Fe、Cr、Si、Al、Ga、V、Zn、Cu、Sr、Mo、Zr、Sn、Ta、W、La、Ce、Pb、Bi及びGeから選ばれる1種又は2種以上の元素を示す。a、b、c、xは、0.3≦a<1、0<b≦0.7、0<c≦0.7、0≦x≦0.3、かつ3a+3b+3c+(M1の価数)×x=3を満たす数を示す。)
又は、下記式(II):
LiNidCoeAlfM2 yO2・・・(II)
(式(II)中、M2はMg、Ti、Nb、Fe、Cr、Si、Ga、V、Zn、Cu、Sr、Mo、Zr、Sn、Ta、W、La、Ce、Pb、Bi及びGeから選ばれる1種又は2種以上の元素を示す。d、e、f、yは、0.4≦d<1、0<e≦0.6、0<f≦0.3、0≦y≦0.3、かつ3d+3e+3f+(M2の価数)×y=3を満たす数を示す。)
で表されるリチウム複合酸化物粒子からなる層状型リチウム複合酸化物二次粒子(A)の表面の一部のみにおいて、下記式(V):
LiCogM5 iPO4・・・(V)
(式(V)中、M5はFe、Mn、Ca、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd又はGdを示す。g及びiは、0<g≦1、0≦i≦0.3、及び2g+(M5の価数)×i=2を満たす数を示す。)、
又は、下記式(VI):
LiFemMnnM6 oPO4・・・(VI)
(式(VI)中、M6はCo、Ca、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd又はGdを示す。m、n、及びoは、0≦m≦1、0≦n≦1、0≦o≦0.3、及びm+n≠0を満たし、かつ2m+2n+(M6の価数)×o=2を満たす数を示す。)
で表され、表面に炭素(c)が担持してなるリチウム系ポリアニオン粒子(B)と、リチウム複合酸化物粒子とが複合化してなり、
X線光電子分光法(XPS)によるピーク強度比((Ni2p3/2のピーク強度)/(P2pのピーク強度+C1sのピーク強度))が0.05を超え0.4未満である。
NaNia’Cob’Mnc’M3 x’O2・・・(III)
(式(III)中、M3はMg、Ti、Nb、Fe、Cr、Si、Al、Ga、V、Zn、Cu、Sr、Mo、Zr、Sn、Ta、W、La、Ce、Pb、Bi及びGeから選ばれる1種又は2種以上の元素を示す。a’、b’、c’、x’は、0.3≦a’<1、0<b’≦0.7、0<c’≦0.7、0≦x’≦0.3、かつ3a’+3b’+3c’+(M3の価数)×x’=3を満たす数を示す。)
又は、下記式(IV):
NaNid’Coe’Alf’M4 y’O2・・・(IV)
(式(IV)中、M4はMg、Ti、Nb、Fe、Cr、Si、Ga、V、Zn、Cu、Sr、Mo、Zr、Sn、Ta、W、La、Ce、Pb、Bi及びGeから選ばれる1種又は2種以上の元素を示す。d’、e’、f’、y’は、0.4≦d’<1、0<e’≦0.6、0<f’≦0.3、0≦y’≦0.3、かつ3d’+3e’+3f’+(M4の価数)×y’=3を満たす数を示す。)
で表されるナトリウム複合酸化物粒子からなる層状型ナトリウム複合酸化物二次粒子(D)の表面の一部のみにおいて、下記式(VII):
NaCog’M7 i’PO4・・・(VII)
(式(VII)中、M7はFe、Mn、Ca、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd又はGdを示す。g’及びi’は、0<g’≦1、0≦i’≦0.3、及び2g’+(M7の価数)×i’=2を満たす数を示す。)、
又は、下記式(VIII):
NaFem’Mnn’M8 o’PO4・・・(VIII)
(式(VIII)中、M8はCo、Ca、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd又はGdを示す。m’、n’、及びo’は、0≦m’≦1、0≦n’≦1、0≦o’≦0.3、及びm’+n’≠0を満たし、かつ2m’+2n’+(M8の価数)×o’=2を満たす数を示す。)
で表され、表面に炭素(c)が担持してなるナトリウム系ポリアニオン粒子(E)と、ナトリウム複合酸化物粒子とが複合化してなり、
X線光電子分光法(XPS)によるピーク強度比((Ni2p3/2のピーク強度)/(P2pのピーク強度+C1sのピーク強度))が0.05を超え0.4未満である。
上記式(II)で表されるリチウム複合酸化物粒子からなる層状型リチウム複合酸化物(いわゆるLi−Ni−Co−Al酸化物であり、以後「Li−NCA系複合酸化物」と称する。)二次粒子(A)、及び上記式(IV)で表されるナトリウム複合酸化物粒子からなる層状型ナトリウム複合酸化物(いわゆるNa−Ni−Co−Al酸化物であり、以後「Na−NCA系複合酸化物」と称する。また、Li−NCA系複合酸化物とNa−NCA系複合酸化物を「NCA系複合酸化物」と総称する。)二次粒子(D)は、いずれも層状岩塩構造を有する粒子である。
また、上記式(I)中のa、b、c、xは、0.3≦a<1、0<b≦0.7、0<c≦0.7、0≦x≦0.3、かつ3a+3b+3c+(M1の価数)×x=3を満たす数であり、上記式(III)中のa’、b’、c’、x’は、0.3≦a’<1、0<b’≦0.7、0<c’≦0.7、0≦x’≦0.3、かつ3a’+3b’+3c’+(M3の価数)×x’=3を満たす数である。
上記式(I)で表されるLi−NCM系複合酸化物としては、具体的には、例えばLiNi0.33Co0.33 Mn0.34O2、LiNi0.8Co0.1Mn 0.1O2、LiNi0.6Co0.2Mn 0.2O2、LiNi0.2Co0.4Mn0.4O2、LiNi0.33Co0.31Mn0.33Mg0.03O2、及びLiNi0.33Co0.31Mn0.33Zn0.03O2等が挙げられる。なかでも、より放電容量を重視する場合には、LiNi0.8Co0.1Mn 0.1O2、LiNi0.6Co0.2Mn 0.2O2等のNi量の多い組成が好ましく、さらにサイクル特性を重視する場合には、LiNi0.33Co0.33 Mn0.34O2、LiNi0.33Co0.31Mn0.33Mg0.03O2等のNi量の少ない組成が好ましい。
また、上記式(III)で表されるNa−NCM系複合酸化物としては、具体的には、例えばNaNi0.33Co0.33 Mn0.34O2、NaNi0.8Co0.1Mn 0.1O2、NaNi0.6Co0.2Mn 0.2O2、NaNi0.2Co0.4Mn0.4O2、NaNi0.33Co0.31Mn0.33Mg0.03O2、及びNaNi0.33Co0.31Mn0.33Zn0.03O2等が挙げられる。なかでも、より放電容量を重視する場合には、NaNi0.8Co0.1Mn 0.1O2、NaNi0.6Co0.2Mn 0.2O2等のNi量の多い組成が好ましく、さらにサイクル特性を重視する場合には、NaNi0.33Co0.33 Mn0.34O2、NaNi0.33Co0.31Mn0.33Mg0.03O2等のNi量の少ない組成が好ましい。
また、上記一次粒子が凝集して形成するNCM系複合酸化物二次粒子(A)又は(D)の平均粒径は、好ましくは25μm以下であり、より好ましくは20μm以下である。かかる二次粒子の平均粒径が25μm以下であると、集電体への塗布厚さの均一性が良好な正極スラリーを容易に調製することができる。なお、上記二次粒子の平均粒径の下限値は特に限定されないが、ハンドリングの観点から1μm以上が好ましく、5μm以上がより好ましい。
ここで、平均粒径とは、SEM又はTEMの電子顕微鏡による観察において、数十個の粒子の粒径(長軸の長さ)の測定値の平均値を意味する。
上記式(II)中のM2、又は上記式(IV)中のM4は、各々Mg、Ti、Nb、Fe、Cr、Si、Ga、V、Zn、Cu、Sr、Mo、Zr、Sn、Ta、W、La、Ce、Pb、Bi及びGeから選ばれる1種又は2種以上の元素を示す。
また、上記式(II)中のd、e、f、yは、0.4≦d<1、0<e≦0.6、0<f≦0.3、0≦y≦0.3、かつ3d+3e+3f+(M2の価数)×y=3を満たす数であり、上記式(IV)中のd’、e’、f’、y’は、0.4≦d’<1、0<e’≦0.6、0<f’≦0.3、0≦y’≦0.3、かつ3d’+3e’+3f’+(M4の価数)×y’=3を満たす数である。
上記式(II)で表されるLi−NCA系複合酸化物としては、具体的には、例えばLiNi0.33Co0.33Al0.34O2、LiNi0.8Co0.1Al0.1O2、LiNi0.8Co0.15Al0.03Mg0.03O2、LiNi0.8Co0.15Al0.03Zn0.03O2等が挙げられる。なかでもLiNi0.8Co0.15Al0.03Mg0.03O2が好ましい。
また、上記式(IV)で表されるNa−NCA系複合酸化物としては、具体的には、例えばNaNi0.33Co0.33Al0.34O2、NaNi0.8Co0.1Al0.1O2、NaNi0.8Co0.15Al0.03Mg0.03O2、NaNi0.8Co0.15Al0.03Zn0.03O2等が挙げられる。なかでもNaiNi0.8Co0.15Al0.03Mg0.03O2が好ましい。
層状型リチウム複合酸化物二次粒子(A)の表面の一部のみにおいて、リチウム複合酸化物粒子と複合化されてなる、リチウム系ポリアニオン粒子(B)は、下記式(V):
LiCogM5 iPO4・・・(V)
(式(V)中、M5はFe、Mn、Ca、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd又はGdを示す。g及びiは、0<g≦1、0≦i≦0.3、及び2g+(M5の価数)×i=2を満たす数を示す。)、
又は、下記式(VI):
LiFemMnnM6 oPO4・・・(VI)
(式(VI)中、M6はCo、Ca、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd又はGdを示す。m、n、及びoは、0≦m≦1、0≦n≦1、0≦o≦0.3、及びm+n≠0を満たし、かつ2m+2n+(M6の価数)×o=2を満たす数を示す。)
で表され、良好なリチウムイオン伝導性をもたらし得る化合物である。さらに、上記式(V)又は式(VI)で表されるリチウム系ポリアニオン粒子(B)は、粒子表面に炭素(c)が担持してなり、かかる炭素(c)は、セルロースナノファイバー由来の炭素(c1)又は水溶性炭素材料由来の炭素(c2)であってもよい。
また、上記式(VI)で表されるリチウム系ポリアニオン粒子(B)としては、リチウムイオン二次電池用正極活物質の平均放電電圧の観点から、0.5≦n≦1が好ましく、0.6≦n≦1がより好ましく、0.65≦n≦1がさらに好ましい。具体的には、例えばLiMnPO4、LiMn0.9Fe0.1PO4、LiMn0.8Fe0.2PO4、LiMn0.75Fe0.15Mg0.1PO4、LiMn0.75Fe0.19Zr0.03PO4、LiMn0.7Fe0.3PO4、LiMn0.6Fe0.4PO4、LiMn0.5Fe0.5PO4等が挙げられ、なかでもLiMn0.8Fe0.2PO4が好ましい。
そして、上記関係式を使用して、任意の二次電池用正極活物質に関するXPSピーク強度比の測定結果から、リチウム系ポリアニオン粒子(B)による表面被覆率(面積%)を求めればよい。
上記関係式の一例を、下記式(1)に示す。
リチウム系ポリアニオン粒子(B)による状型リチウム複合酸化物二次粒子(A)の表面被覆率(面積%)=
−208.3×(XPSピーク強度比)+104.2・・・(1)
NaCog’M7 i’PO4・・・(VII)
(式(VII)中、M7はFe、Mn、Ca、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd又はGdを示す。g’及びi’は、0<g’≦1、0≦i’≦0.3、及び2g’+(M7の価数)×i’=2を満たす数を示す。)、
又は、下記式(VIII):
NaFem’Mnn’M8 o’PO4・・・(VIII)
(式(VIII)中、M8はCo、Ca、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd又はGdを示す。m’、n’、及びo’は、0≦m’≦1、0≦n’≦1、0≦o’≦0.3、及びm’+n’≠0を満たし、かつ2m’+2n’+(M8の価数)×o’=2を満たす数を示す。)
で表され、良好なナトリウムイオン伝導性をもたらし得る化合物である。さらに、上記式(VII)又は式(VIII)で表されるナトリウム系ポリアニオン粒子(E)は、粒子表面に炭素(c)が担持してなり、かかる炭素(c)は、セルロースナノファイバー由来の炭素(c1)又は水溶性炭素材料由来の炭素(c2)であってもよい。
さらに、上記式(VIII)で表されるナトリウム系ポリアニオン粒子(E)としては、具体的には、例えばNaFe0.2Mn0.8PO4、NaFe0.9Mn0.1PO4、NaFe0.15Mn0.75Mg0.1PO4、NaFe0.19Mn0.75Zr0.03PO4等が挙げられ、なかでもNaFe0.2Mn0.8PO4が好ましい。
具体的には、本発明におけるナトリウムイオン二次電池用正極活物質は、正極スラリーの粘性の増加を抑制する観点、さらに得られる二次電池において優れた放電特性及び安全性を確保する観点から、かかるXPSによるピーク強度比((Ni2p3/2のピーク強度)/(P2pのピーク強度+C1sのピーク強度))は、0.05を超え0.4未満であって、好ましくは0.05を超え0.37以下であり、より好ましくは0.05を超え0.35以下である。
具体的には、例えば上記式(1)を用いた手法と同様の手法により求められるナトリウム系ポリアニオン粒子(E)による層状型ナトリウム複合酸化物二次粒子(D)の表面被覆率は、好ましくは20面積%を超え95面積%未満であり、より好ましくは20面積%を超え90面積%以下であり、さらに好ましくは20面積%を超え84面積%以下である。
(X)リチウム化合物又はナトリウム化合物、ニッケル化合物、コバルト化合物、及びマンガン化合物を含有する混合粉体を焼成して、式(I)又は式(III)のNCM系複合酸化物二次粒子(A)又は(D)を得るか、或いは、
リチウム化合物又はナトリウム化合物、ニッケル化合物、コバルト化合物、及びアルミニウム化合物を含有する混合粉体を焼成して、式(II)又は式(IV)のNCA系複合酸化物二次粒子(A)又は(D)を得る工程、
(Y)リチウム化合物又はナトリウム化合物、及びリン酸化合物、さらにはコバルト化合物を湿式反応に付して、リチウム系ポリアニオン粒子(B)又はナトリウム系ポリアニオン粒子(E)を得るか、或いは、
リチウム化合物又はナトリウム化合物、及びリン酸化合物、さらには鉄化合物及び/又はマンガン化合物を湿式反応に付して、リチウム系ポリアニオン粒子(B)又はナトリウム系ポリアニオン粒子(E)を得る工程、
(Z)工程(X)で得られた、NCM系複合酸化物二次粒子又はNCA系複合酸化物二次粒子(A)又は(D)に、工程(Y)で得られたリチウム系ポリアニオン粒子(B)又はナトリウム系ポリアニオン粒子(E)を添加して、圧縮力及びせん断力を付加しながら混合して複合体とするか、或いは
工程(X)で得られた、NCM系複合酸化物二次粒子又はNCA系複合酸化物二次粒子(A)又は(D)に、工程(Y)で得られたリチウム系ポリアニオン粒子(B)又はナトリウム系ポリアニオン粒子(E)、及び水不溶性炭素粉末(c3)を添加して、圧縮力及びせん断力を付加しながら混合して複合体とする工程
を備える。
リチウム化合物又はナトリウム化合物、ニッケル化合物、コバルト化合物、及びアルミニウム化合物を含有する混合粉体を焼成して、式(II)又は式(IV)のNCA系複合酸化物二次粒子(A)又は(D)を得る工程である。
工程(X)の説明において、表記が煩雑になることを避けるために、上記式(I)又は式(II)で示されるリチウムイオン二次電池用正極活物質について、具体的に説明する。上記式(III)又は式(IV)で示されるナトリウムイオン二次電池用正極活物質の製造方法については、以下に示すリチウムイオン二次電池用正極活物質の製造方法における「リチウム」の文言を「ナトリウム」に置き換えればよい。また、リチウム系ポリアニオン粒子(B)又はナトリウム系ポリアニオン粒子(E)を単に「ポリアニオン粒子」とも称する。
リチウム化合物、ニッケル化合物、コバルト化合物、及びアルミニウム化合物を含有する混合粉体を焼成して、式(II)のNCA系複合酸化物二次粒子(A)を得る工程である。
この過程で、必要に応じて、さらに所望する複合酸化物の組成になるように、活物質材料を構成する層状のリチウム金属複合酸化物の一部を置換する金属元素として、Mg、Ti、Nb、Fe、Cr、Si、Al、Ga、V、Zn、Cu、Sr、Mo、Zr、Sn、Ta、W、La、Ce、Pb、Bi及びGeから選ばれる1種又は2種以上の元素を混入させてもよい。
この2段階の焼成には、酸素雰囲気、除湿及び除炭酸処理を施した乾燥空気雰囲気等の酸素濃度が20質量%以上のガス雰囲気に調整した電気炉、ロータリーキルン、管状炉、プッシャー炉等を用いることができる。
NCA系複合酸化物二次粒子(A)を得るには、原料化合物、例えば、ニッケル化合物、コバルト化合物、及びアルミニウム化合物を、所望する複合酸化物の組成となるように水に溶解させて水溶液A’を得る。かかるニッケル化合物、コバルト化合物、及びアルミニウム化合物としては、例えば、当該金属元素の硫酸塩、硝酸塩、炭酸塩、酢酸塩、シュウ酸塩、酸化物、水酸化物、ハロゲン化物などが挙げられる。具体的には、例えば、硫酸ニッケル、硫酸コバルト、硫酸アルミニウム、酢酸ニッケル、酢酸コバルト、酢酸アルミニウムなどが挙げられるが、これらに限定されるものではない。この過程で、必要に応じて、さらに所望する複合酸化物の組成になるように、活物質材料を構成する層状のリチウム金属複合酸化物の一部を置換する金属元素として、Mg、Ti、Nb、Fe、Cr、Si、Ga、V、Zn、Cu、Sr、Mo、Zr、Sn、Ta、W、La、Ce、Pb、Bi及びGeから選ばれる1種又は2種以上の元素を混入させてもよい。
金属複合酸化物を得るための焼成条件は、特に限定されるものではなく、例えば、大気雰囲気下、好ましくは500℃〜1100℃、より好ましくは600〜900℃の温度で焼成すればよい。
さらに、リチウム化合物の結晶水又は炭酸を取り除くために、NCM系複合酸化物同様に2段階焼成するのが好ましく、その場合は、第一段階の仮焼成を400℃〜600℃で1時間以上行い、続いて第二段階の本焼成を650℃〜850℃で5時間以上行えばよい。
また、水洗に使用する水に炭酸ガスが多く含まれていると、炭酸リチウムがNCA系複合酸化物の二次粒子に析出するため、水洗に用いる水の電気伝導率は、10μS/cm未満がこのましく、1μS/cm以下の水がより好ましい。
以下、表記が煩雑になることを避けるために、工程(Y)の例として、鉄化合物及びマンガン化合物を用いて、上記式(VI)で示されるリチウム系ポリアニオン粒子(B)を得る場合につき、具体的に説明する。
なお、上記式(V)で示されるリチウム系ポリアニオン粒子(B)を得る場合には、工程(Y)における「鉄化合物及び/又はマンガン化合物」の文言を「コバルト化合物」に置き換えればよく、さらに、上記式(VII)又は式(VIII)のナトリウム系ポリアニオン粒子(E)を得る場合には、工程(Y)における「リチウム」の文言を「ナトリウム」に置き換え、さらに、必要に応じて「鉄化合物及び/又はマンガン化合物」の文言を「コバルト化合物」に置き換えればよい。
(i)リチウム化合物を含む混合物(a−1)に、リン酸化合物又はケイ酸化合物を混合して複合体(a−2)を得る工程、
(ii)得られた複合体(a−2)と、少なくとも鉄化合物又はマンガン化合物を含む金属塩を含有するスラリー水(a−3)を水熱反応に付して複合体(a−4)を得る工程、並びに
(iii)得られた複合体(a−4)を還元雰囲気又は不活性雰囲気中で焼成する工程
を備えるのが好ましい。
用い得るリチウム化合物としては、水酸化リチウム(例えばLiOH、LiOH・H2O)、炭酸リチウム、硫酸リチウム、酢酸リチウムが挙げられる。なかでも、水酸化リチウムが好ましい。
混合物(a−1)におけるリチウム化合物の含有量は、水100質量部に対し、好ましくは5〜50質量部であり、より好ましくは7〜45質量部である。より具体的には、混合物(a−1)におけるリチウム化合物の含有量は、水100質量部に対し、好ましくは5〜50質量部であり、より好ましくは10〜45質量部である。
なお、混合物(a−1)を撹拌する際、さらに混合物(a−1)の沸点温度以下に冷却するのが好ましい。具体的には、80℃以下に冷却するのが好ましく、20〜60℃に冷却するのがより好ましい。
また、窒素をパージする際、反応を良好に進行させる観点から、リン酸化合物を混合した後の混合物(a−1)を撹拌するのが好ましい。このときの撹拌速度は、好ましくは200〜700rpmであり、より好ましくは250〜600rpmである。
これら金属(M6)塩を用いる場合、鉄化合物、マンガン化合物、及び金属(M6)塩の合計添加量は、上記工程(i)において得られた複合体(a−2)中のリン酸1モルに対し、好ましくは0.99〜1.01モルであり、より好ましくは0.995〜1.005モルである。
得られた複合体(a−4)は、上記式(VI)で表されるポリアニオン粒子を含む複合体であり、或いはセルロースナノファイバーを用いた場合には、かかるポリアニオン粒及びセルロースナノファイバーを含む複合体であり、ろ過後、水で洗浄し、乾燥することによりこれを、セルロースナノファイバーを含む複合体粒子(一次粒子)として単離できる。なお、乾燥手段は、凍結乾燥、真空乾燥が用いられる。
また、かかる複合化処理にローター工具を備えた高速攪拌混合機であるアイリッヒインテンシブミキサー(日本アイリッヒ社製)を用いた場合、かかるローター工具の回転数は、好ましくは2000〜8000rpmであり、より好ましくは4000〜8000rpmである。また、混合時間は、好ましくは1〜10分であり、より好ましくは3〜10分である。
例えば、上記複合化処理を、回転数2000〜6000rpmで回転するインペラを備える密閉容器内で1〜10分間行う場合、容器に投入する上記混合物の量は、有効容器(インペラを備える密閉容器のうち、上記混合物を収容可能な部位に相当する容器)1cm3当たり、好ましくは0.1〜0.7gであり、より好ましくは0.15〜0.4gである。
上記複合化処理の処理条件としては、処理温度が、好ましくは5〜80℃、より好ましくは10〜50℃である。処理雰囲気としては、特に限定されないが、不活性ガス雰囲気下、又は還元ガス雰囲気下が好ましい。
Ni:Co:Mnのモル比が1:1:1となるように、硫酸ニッケル六水和物 263g、硫酸コバルト七水和物 281g、硫酸マンガン五水和物 241g、及び水 3Lを混合した後、かかる混合液に25%アンモニア水を、滴下速度300ml/分で滴下して、pHが11の金属複合水酸化物を含むスラリーA1を得た。
次いで、スラリーA1をろ過、乾燥して、金属複合水酸化物の混合物B1を得た後、かかる混合物B1に炭酸リチウム37gをボールミルで混合して粉末混合物C1を得た。
得られた粉末混合物C1を、空気雰囲気下で800℃×5時間仮焼成して解砕した後、本焼成として空気雰囲気下で800℃×10時間焼成し、Li−NCM系複合酸化物(LiNi0.33Co0.33Mn0.34O2)の二次粒子Aを得た。(二次粒子の平均粒径:10μm)
以後、上記Li−NCM系複合酸化物AをLi−NCM−Aと称する。
LiOH・H2O 1272g、及び水4Lを混合してスラリーA001を得た。次いで、得られたスラリーA001を、25℃の温度に保持しながら3分間撹拌しつつ85%のリン酸水溶液1153gを35mL/分で滴下し、続いてセルロースナノファイバー(セリッシュKY−100G、ダイセルファインケム製、繊維径4〜100nm)5892gを添加して、速度400rpmで12時間撹拌して、Li3PO4を含むスラリーB001を得た。
得られたスラリーB001に窒素パージして、スラリーB001の溶存酸素濃度を0.5mg/Lとした後、スラリーB001全量に対し、MnSO4・5H2O 1688g、FeSO4・7H2O 834gを添加してスラリーC001を得た。添加したMnSO4とFeSO4のモル比(マンガン化合物:鉄化合物)は、70:30であった。
次いで、得られたスラリーC001をオートクレーブに投入し、170℃で1時間水熱反応を行った。オートクレーブ内の圧力は0.8MPaであった。水熱反応後、生成した結晶をろ過し、次いで結晶1質量部に対し12質量部の水により洗浄した。洗浄した結晶を−50℃で12時間凍結乾燥して複合体D001を得た。
得られた複合体D001を1000g分取し、これに水1Lを添加して、スラリーE001を得た。得られたスラリーE001を超音波攪拌機(T25、IKA社製)で1分間分散処理して、全体を均一に呈色させた後、スプレードライ装置(MDL−050M、藤崎電機株式会社製)を用いてスプレードライに付して造粒体F001を得た。
得られた造粒体F001を、アルゴン水素雰囲気下(水素濃度3%)、700℃で1時間焼成して、2.0質量%のセルロースナノファイバー由来の炭素が担持されたリン酸マンガン鉄リチウムA(LiMn0.7Fe0.3PO4、炭素の量=2.0質量%、平均粒径:100nm)を得た。
以後、上記リン酸マンガン鉄リチウムAをLMP−Aと称する。
製造例001で得られたスラリーB001全量を窒素パージして、スラリーB001の溶存酸素濃度を0.5mg/Lとした後、CoSO4・7H2O 2108gを添加して、スラリーC002を得た。
次いで、得られたスラリーC002をオートクレーブに投入し、170℃で1時間水熱反応を行った。オートクレーブ内の圧力は、0.8MPaであった。水熱反応後、生成した結晶をろ過し、次いで結晶1質量部に対し12質量部の水により洗浄した。洗浄した結晶を−50℃で12時間凍結乾燥して複合体D002を得た。
得られた複合体D002を、アルゴン水素雰囲気下(水素濃度3%)、700℃で1時間焼成して、2.0質量%のセルロースナノファイバー由来の炭素が担持されたリン酸コバルトリチウムB(LiCoPO4/C、炭素の量=2.0質量%)を得た。
以後、上記リン酸コバルトリチウムBをLMP−Bと称する。
製造例001のリチウム系ポリアニオン粒子の製造において、スラリーAへのセルロースナノファイバー5892gの添加を、グルコース125gに変更した以外、製造例001と同様にして、2.0質量%のグルコース由来の炭素が担持されたリン酸マンガン鉄リチウムC(LiMn0.7Fe0.3PO4、炭素の量=2.0質量%、平均粒径:100nm)を得た。
以後、上記リン酸マンガン鉄リチウムCをLMP−Cと称する。
製造例001のリチウム系ポリアニオン粒子の製造において、スラリーA001へのセルロースナノファイバーの添加量5892gを295gに変更した以外、製造例001と同様にして、0.1質量%のセルロースナノファイバー由来の炭素が担持されたリン酸マンガン鉄リチウムD(LiMn0.7Fe0.3PO4、炭素の量=0.1質量%、平均粒径:100nm)を得た。
以後、上記リン酸マンガン鉄リチウムBをLMP−Dと称する。
製造例Aで得られたLi−NCM−A 350gと、製造例001で得られたLMP−A 150gを、ノビルタ(ホソカワミクロン社製、NOB130)を用いて2000rpmで5分間の複合化処理を行い、Li−NCM−AとLMP−Aとが複合化してなるリチウムイオン二次電池用正極複合体活物質を得た。
LMP−Aを製造例002で得られたLMP−Bに変更した以外、実施例1と同様にして、リチウムイオン二次電池用正極複合体活物質を得た。
複合化処理にアイリッヒインテンシブミキサー(日本アイリッヒ社製、EL1)を用い、4800rpmで5分間処理した以外、実施例1と同様にして、リチウムイオン二次電池用正極複合体活物質を得た。
複合化処理にアイリッヒインテンシブミキサー(日本アイリッヒ社製、EL1)を用い、7200rpmで3分間処理した以外、実施例1と同様にして、リチウムイオン二次電池用正極複合体活物質を得た。
Li−NCM−Aを450gに、LMP−Aを50gに変更し、ノビルタ(ホソカワミクロン社製、NOB130)による複合化処理条件を4000rpmで1分間に変更した以外、実施例1と同様にして、リチウムイオン二次電池用正極複合体活物質を得た。
LMP−Aを製造例003で得られたLMP−Cに変更した以外、実施例1と同様にして、リチウムイオン二次電池用正極複合体活物質を得た。
LMP−Aを製造例004で得られたLMP−Dに変更し、さらにグラファイト5gを添加した以外、実施例1と同様にして、リチウムイオン二次電池用正極複合体活物質を得た。
製造例Aで得られたLi−NCM−A 350gと、製造例001で得られたLMP−A 150gを、乳鉢を用いて、5分間の混合処理を行い、Li−NCM−AとLMP−Aとが複合化することなく、単に混合してなるリチウムイオン二次電池用正極混合体活物質を得た。
LMP−Aを製造例004で得られたLMP−Bに変更した以外、比較例1と同様にして、リチウムイオン二次電池用正極混合体活物質を得た。
Li−NCM−Aを250gに、LMP−Aを250gに変更した以外、比較例1と同様にして、リチウムイオン二次電池用正極混合体活物質を得た。
Li−NCM−Aを450gに、LMP−Aを50gに変更した以外、比較例1と同様にして、リチウムイオン二次電池用正極混合体活物質を得た。
Li−NCM−Aを450gに、LMP−Aを50gに変更し、ノビルタ(ホソカワミクロン社製、NOB130)による複合化処理条件を2000rpmで1分間に変更した以外、実施例1と同様にして、リチウムイオン二次電池用正極複合体活物質を得た。
全ての実施例及び比較例5の活物質についてX線光電子分光を測定し、ピーク強度比a/b及び表面被覆率(面積%)を求めた。具体的には、ミクロンセパレーター(ホソカワミクロン社製 MS)で、Li−NCM系複合酸化物に複合化しないで単体で存在するリチウム系ポリアニオン粒子を除去したLi−NCM系複合酸化物粒子群について、得られたX線光電子分光スペクトル(使用装置:日本電子社製 JPS9010MX)におけるLi−NCM−A由来のNi2p3/2のピーク強度aを、LMP−A、LMP−B、LMP−C又はLMP−D由来の(P2p+C1s)ピーク強度bで割ったピーク強度比a/bを算出した。また、得られたピーク強度比a/bから、上記式(1)より、ポリアニオン粒子による複合酸化物二次粒子の表面被覆率(面積%)を求めた。
結果を表1に示す。
上記の全ての実施例及び比較例の活物質を用い正極スラリーを調製し、調製直後から5日経過した時点における正極スラリーの粘度を測定した。具体的には、得られた実施例又は比較例の活物質、ケッチェンブラック、ポリフッ化ビニリデンを質量比90:5:5の配合割合で混合し、これにN−メチル−2−ピロリドンを加えて充分混練し、正極スラリーを調製した。調製後、正極スラリーを直ちに密閉容器に封入し、20℃の恒温環境下に5日間静置した正極スラリーについて、B型粘度計(ブルックフィールド社製 デジタル粘度計DV−E)を使用して、回転数100rpmでの粘度を求めた。なお、全ての正極スラリーの調製直後の粘度は、3500(mPa・s)前後であった。
結果を表2に示す。
上記正極スラリーの粘度の経時変化の評価で得た調製直後の正極スラリーを厚さ20μmのアルミニウム箔からなる集電体に塗工機を用いて塗布し、80℃で12時間の真空乾燥を行った。その後、φ14mmの円盤状に打ち抜いてハンドプレスを用いて16MPaで2分間プレスし、正極とした。
次いで、上記正極を用いてコイン型二次電池を構築した。負極には、φ15mmに打ち抜いたリチウム箔(リチウムイオン二次電池の場合)を用いた。電解液には、エチレンカーボネート及びエチルメチルカーボネートを体積比3:7の割合で混合した混合溶媒に、LiPF6を1mol/Lの濃度で溶解したものを用いた。セパレータには、ポリプロピレンなどの高分子多孔フィルムなど、公知のものを用いた。これらの電池部品を露点が−50℃以下の雰囲気で常法により組み込み収容し、コイン型二次電池(CR−2032)を得た。
その後、かかる二次電池を解体し、取り出した正極を炭酸ジメチルで洗浄後、電解液に浸した。このときの電解液は、エチレンカーボネート及びエチルメチルカーボネートを体積比1:1の割合で混合した混合溶媒に、LiPF6を1mol/Lの濃度で溶解したものを用いた。正極を浸した電解液を密閉容器に入れ、70℃で1週間静置した。
静置後、正極を取り出した電解液を0.45μmのディスミックフィルタで濾過し、硝酸により酸分解した。酸分解した電解液に含まれるLi−NCM系複合酸化物由来のMn、Co、Niを、ICP発光分光法(使用装置:堀場製作所社製 ULTIMA2)を用いて定量した。
結果を表2に示す。
上記の電解液への遷移金属溶出量の評価で製造した二次電池を用いて、放電容量測定装置(HJ−1001SD8、北斗電工社製)にて気温30℃環境での、0.2C(34mAh/g)及び3C(510mAh/g)の初期放電容量を測定した。
結果を表2に示す。
また、実施例で得られた活物質を正極活物質として使用したリチウムイオン二次電池は、比較例で得られた活物質を正極活物質として使用したリチウムイオン二次電池と比べ、遷移金属成分の電解液へ溶出を有用に抑制して同等以上の安全性を確保しつつ、良好な放電容量を有していることがわかる。
Claims (16)
- 下記式(I):
LiNiaCobMncM1 xO2・・・(I)
(式(I)中、M1はMg、Ti、Nb、Fe、Cr、Si、Al、Ga、V、Zn、Cu、Sr、Mo、Zr、Sn、Ta、W、La、Ce、Pb、Bi及びGeから選ばれる1種又は2種以上の元素を示す。a、b、c、xは、0.3≦a<1、0<b≦0.7、0<c≦0.7、0≦x≦0.3、かつ3a+3b+3c+(M1の価数)×x=3を満たす数を示す。)
又は、下記式(II):
LiNidCoeAlfM2 yO2・・・(II)
(式(II)中、M2はMg、Ti、Nb、Fe、Cr、Si、Ga、V、Zn、Cu、Sr、Mo、Zr、Sn、Ta、W、La、Ce、Pb、Bi及びGeから選ばれる1種又は2種以上の元素を示す。d、e、f、yは、0.4≦d<1、0<e≦0.6、0<f≦0.3、0≦y≦0.3、かつ3d+3e+3f+(M2の価数)×y=3を満たす数を示す。)
で表されるリチウム複合酸化物粒子からなる層状型リチウム複合酸化物二次粒子(A)の表面の一部のみにおいて、下記式(V):
LiCogM5 iPO4・・・(V)
(式(V)中、M5はFe、Mn、Ca、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd又はGdを示す。g及びiは、0<g≦1、0≦i≦0.3、及び2g+(M5の価数)×i=2を満たす数を示す。)、
又は、下記式(VI):
LiFemMnnM6 oPO4・・・(VI)
(式(VI)中、M6はCo、Ca、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd又はGdを示す。m、n、及びoは、0≦m≦1、0≦n≦1、0≦o≦0.3、及びm+n≠0を満たし、かつ2m+2n+(M6の価数)×o=2を満たす数を示す。)
で表され、表面に炭素(c)が担持してなるリチウム系ポリアニオン粒子(B)と、リチウム複合酸化物粒子とが複合化してなり、
X線光電子分光法(XPS)によるピーク強度比((Ni2p3/2のピーク強度)/(P2pのピーク強度+C1sのピーク強度))が0.05を超え0.4未満であるリチウムイオン二次電池用正極活物質。 - リチウム系ポリアニオン粒子(B)の表面における炭素(c)の担持量が、リチウム系ポリアニオン粒子(B)100質量%中に0.1質量%以上5質量%未満である請求項1に記載のリチウムイオン二次電池用正極活物質。
- 層状型リチウム複合酸化物二次粒子(A)の含有量と、リチウム系ポリアニオン粒子(B)の含有量との質量比((A):(B))が、95:5〜50:50である請求項1又は2に記載のリチウムイオン二次電池用正極活物質
- リチウム系ポリアニオン粒子(B)の平均粒径が、20〜200nmである請求項1〜3のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池用正極活物質。
- リチウム系ポリアニオン粒子(B)の表面に担持してなる炭素(c)が、セルロースナノファイバー由来の炭素(c1)又は水溶性炭素材料由来の炭素(c2)である請求項1〜4のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池用正極活物質。
- セルロースナノファイバー由来の炭素(c1)以外の水不溶性炭素粉末(c3)が、リチウム系ポリアニオン粒子(B)と共に、層状型リチウム複合酸化物二次粒子(A)の表面の一部のみにおいて複合化してなり、
水不溶性炭素粉末(c3)の含有量が、リチウム複合酸化物二次粒子(A)、及び表面に炭素(c)が担持してなるリチウム系ポリアニオン粒子(B)の合計量100質量部に対して0.5〜10質量部である請求項1〜5のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池用正極活物質。 - 層状型リチウム複合酸化物二次粒子(A)、及び表面に炭素(c)が担持してなるリチウム系ポリアニオン粒子(B)を、圧縮力及びせん断力を付加しながら混合して複合化する工程を備える請求項1〜5のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池用正極活物質体の製造方法。
- 層状型リチウム複合酸化物二次粒子(A)、表面に炭素(c)が担持してなるリチウム系ポリアニオン粒子(B)、及びセルロースナノファイバー由来の炭素(c1)以外の水不溶性炭素粉末(c3)を、圧縮力及びせん断力を付加しながら混合して複合化する工程を備える請求項6に記載のリチウムイオン二次電池用正極活物質体の製造方法。
- 下記式(III):
NaNia’Cob’Mnc’M3 x’O2・・・(III)
(式(III)中、M3はMg、Ti、Nb、Fe、Cr、Si、Al、Ga、V、Zn、Cu、Sr、Mo、Zr、Sn、Ta、W、La、Ce、Pb、Bi及びGeから選ばれる1種又は2種以上の元素を示す。a’、b’、c’、x’は、0.3≦a’<1、0<b’≦0.7、0<c’≦0.7、0≦x’≦0.3、かつ3a’+3b’+3c’+(M3の価数)×x’=3を満たす数を示す。)
又は、下記式(IV):
NaNid’Coe’Alf’M4 y’O2・・・(IV)
(式(IV)中、M4はMg、Ti、Nb、Fe、Cr、Si、Ga、V、Zn、Cu、Sr、Mo、Zr、Sn、Ta、W、La、Ce、Pb、Bi及びGeから選ばれる1種又は2種以上の元素を示す。d’、e’、f’、y’は、0.4≦d’<1、0<e’≦0.6、0<f’≦0.3、0≦y’≦0.3、かつ3d’+3e’+3f’+(M4の価数)×y’=3を満たす数を示す。)
で表されるナトリウム複合酸化物粒子からなる層状型ナトリウム複合酸化物二次粒子(D)の表面の一部のみにおいて、下記式(VII):
NaCog’M7 i’PO4・・・(VII)
(式(VII)中、M7はFe、Mn、Ca、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd又はGdを示す。g’及びi’は、0<g’≦1、0≦i’≦0.3、及び2g’+(M7の価数)×i’=2を満たす数を示す。)、
又は、下記式(VIII):
NaFem’Mnn’M8 o’PO4・・・(VIII)
(式(VIII)中、M8はCo、Ca、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd又はGdを示す。m’、n’、及びo’は、0≦m’≦1、0≦n’≦1、0≦o’≦0.3、及びm’+n’≠0を満たし、かつ2m’+2n’+(M8の価数)×o’=2を満たす数を示す。)
で表され、表面に炭素(c)が担持してなるナトリウム系ポリアニオン粒子(E)と、ナトリウム複合酸化物粒子とが複合化してなり、
X線光電子分光法(XPS)によるピーク強度比((Ni2p3/2のピーク強度)/(P2pのピーク強度+C1sのピーク強度))が0.05を超え0.4未満であるナトリウムイオン二次電池用正極活物質。 - ナトリウム系ポリアニオン粒子(E)の表面における炭素(c)の担持量が、ナトリウム系ポリアニオン粒子(E)100質量%中に0.1質量%以上5質量%未満である請求項9に記載のナトリウムイオン二次電池用正極活物質。
- 層状型ナトリウム複合酸化物二次粒子(D)の含有量と、ナトリウム系ポリアニオン粒子(E)の含有量との質量比((D):(E))が、95:5〜50:50である請求項9又は10に記載のナトリウムイオン二次電池用正極活物質。
- ナトリウム系ポリアニオン粒子(E)の平均粒径が、50〜200nmである請求項9〜11のいずれか1項に記載のナトリウムイオン二次電池用正極活物質。
- ナトリウム系ポリアニオン粒子(E)の表面に担持してなる炭素(c)が、セルロースナノファイバー由来の炭素(c1)又は水溶性炭素材料由来の炭素(c2)である請求項9〜12のいずれか1項に記載のナトリウムイオン二次電池用正極活物質。
- セルロースナノファイバー由来の炭素(c1)以外の水不溶性炭素粉末(c3)が、ナトリウム系ポリアニオン粒子(E)と共に、層状型リチウム複合酸化物二次粒子(D)の表面の一部のみにおいて複合化してなり、
水不溶性炭素粉末(c3)の含有量が、ナトリウム複合酸化物二次粒子(D)、及び表面に炭素(c)が担持してなるナトリウム系ポリアニオン粒子(E)の合計量100質量部に対して0.5〜24質量部である請求項9〜13のいずれか1項に記載のナトリウムイオン二次電池用正極活物質。 - 層状型ナトリウム複合酸化物二次粒子(D)、及び表面に炭素(c)が担持してなるナトリウム系ポリアニオン粒子(E)を、圧縮力及びせん断力を付加しながら混合して複合化する工程を備える請求項9〜13のいずれか1項に記載のナトリウムイオン二次電池用正極活物質体の製造方法。
- 層状型ナトリウム複合酸化物二次粒子(D)、表面に炭素(c)が担持してなるナトリウム系ポリアニオン粒子(E)、及びセルロースナノファイバー由来の炭素(c1)以外の水不溶性炭素粉末(c3)を、圧縮力及びせん断力を付加しながら混合して複合化する工程を備える請求項14に記載のナトリウムイオン二次電池用正極活物質体の製造方法。
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