JP6777081B2 - 非水電解質二次電池用正極活物質および非水電解質二次電池 - Google Patents
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Description
このような要求を満たす二次電池として、リチウムイオン二次電池が提案され、このリチウムイオン二次電池は、負極および正極と電解液等で構成され、負極および正極の活物質は、リチウムを脱離および挿入することの可能な材料が用いられている。
その低抵抗化を実現する方法として異元素の添加が用いられており、とりわけW、Mo、Nb、Ta、Reなどの高価数をとることができる遷移金属が有用とされている。
これにより、より一層厳しい使用環境下においても優れた電池特性を有する非水電解質二次電池用正極活物質が得られるとされ、特に、粒子の表面にモリブデン、バナジウム、タングステン、ホウ素およびフッ素からなる群から選ばれる少なくとも1種を有する化合物を有することにより、熱安定性、負荷特性および出力特性の向上を損なうことなく、初期特性が向上するとしている。
この提案によれば、正極活物質の表面にタングステン酸化合物またはタングステン酸化合物の分解物が存在し、充電状態における複合酸化物粒子表面の酸化活性を抑制するため、非水電解液等の分解によるガス発生を抑制することができるとしているが、出力特性に関しては全く開示されていない。
さらに、開示されている製造方法は、好ましくは被着成分を溶解した溶液の沸点以上に加熱した複合酸化物粒子に、タングステン酸化合物とともに硫酸化合物、硝酸化合物、ホウ酸化合物またはリン酸化合物を被着成分として溶媒に溶解した溶液を被着させるものであり、溶媒を短時間で除去するため、複合酸化物粒子表面にタングステン化合物が十分に分散されず、均一に被着されないという問題点がある。
例えば特許文献3には、一次粒子および、その一次粒子が凝集して構成された二次粒子からなるリチウムニッケル複合酸化物であって、そのリチウムニッケル複合酸化物の表面に、Li2WO4、Li4WO5、Li6W2O9のいずれかで表されるタングステン酸リチウムを含む微粒子を有する非水系電解質二次電池用正極活物質が提案されている。
一般式(2):LibNi1−x−yCoxMyO2(ただし、0≦x≦0.35、0≦y≦0.35、0.95≦b≦1.20、Mは、Mn、V、Mg、Mo、Nb、TiおよびAlから選ばれる少なくとも1種の元素)
また、本発明の第7の発明は、第1又は第2の発明で得られた非水系電解質二次電池用正極活物質を含む正極を有する非水系電解質二次電池である。
本発明の非水系電解質二次電池用正極活物質は、一般式(1):LiaNi1―x―yCoxMyWzO2+α(ただし、0≦x≦0.35、0≦y≦0.35、0.0008≦z≦0.030、0.97≦a≦1.25、0≦α≦0.20、Mは、Mn、V、Mg、Mo、Nb、TiおよびAlから選ばれる少なくとも1種の元素)で表され、一次粒子および前記一次粒子が凝集して形成された二次粒子からなるリチウム金属複合酸化物から構成された非水系電解質二次電池用正極活物質であって、そのリチウム金属複合酸化物の一次粒子の表面に、リチウムとタングステンを含む化合物が形成され、その化合物中に含有されるタングステン量が、正極活物質に含まれるNi、CoおよびMの原子数の合計に対してWの原子数が0.08〜0.30原子%であることを特徴とするものである。
この母材は、一般式(3):LibNi1−x−yCoxMyO2(式中、Mは、Mn、V、Mg、Mo、Nb、TiおよびAlから選ばれる少なくとも1種の元素である。bは0.95≦b≦1.05、xは0<x≦0.15、yは0<y≦0.07、x+yは≦0.16を満たす数値である。)で表されるリチウム金属複合酸化物であることが好ましい。また、式中のMは、Alであることが好ましく、この場合、その含有量を示すyは0.02≦y≦0.07であることが好ましく、0.035≦y≦0.06であることがより好ましい。
これにより初期の正極抵抗を低減でき、充放電サイクル後も低い正極抵抗を維持できる。
対して、本発明の非水系電解質二次電池用正極活物質(以下、単に「正極活物質」という。)においては、リチウム金属複合酸化物粒子の表面にリチウム(Li)とタングステン(W)を含む化合物(以下、単に「化合物」ということがある。)を形成させているが、この化合物は、リチウムイオン伝導率が高く、リチウムイオンの移動を促す効果がある。このため、リチウム金属複合酸化物粒子の表面に上記化合物を形成させることで、電解液との界面でLiの伝導パスを形成することから、正極活物質の反応抵抗(以下、「正極抵抗」ということがある。)を低減して出力特性を向上させるものである。
すなわち、Li4WO5は、LiおよびWを含む化合物の中でもLiイオンの導電パスが多く、Liイオンの移動を促す効果が高いため、Wの50%以上がLi4WO5の形態で存在することで、さらに高い反応抵抗の低減効果が得られる。
本発明における一次粒子表面とは、二次粒子の外面で露出している一次粒子表面と二次粒子外部と通じて電解液が浸透可能な二次粒子の表面近傍および内部の空隙に露出している一次粒子表面を含むものである。さらに、一次粒子間の粒界であっても一次粒子の結合が不完全で電解液が浸透可能な状態となっていれば含まれるものである。
したがって、電解液との接触が可能な一次粒子表面の多くに化合物を形成させることで、リチウム金属複合酸化物粒子の反応抵抗をより一層低減させることが可能となる。
一方、その化合物の形成量が多くなるに連れて二次粒子内部の空隙や不完全な粒界は化合物で塞がれていくため、電解液が浸透可能な二次粒子内部の空隙や不完全が減少し、電解液との接触が可能な一次粒子表面が減少する。
したがって、この化合物の形成量は、反応抵抗を低減させるために十分な量であって、かつ電解液との接触が可能な一次粒子表面を十分に確保できる量とすることが必要である。
これにより、電解液との接触が可能な一次粒子表面を確保しながら十分な量の前記化合物を形成させ、正極活物質の反応抵抗を低減させることができる。また、二次粒子内部まで充放電に効率よく寄与することが可能であることから、電池容量も向上させることができる。
一方、タングステン量が0.30原子%を超えると、電解液との接触が可能な一次粒子表面が減少するため、二次粒子内部の充放電の効率が低下するため、電池容量を向上させる効果が低下する。
また、電解液との接触が可能な一次粒子表面は、比表面積により制御することも可能であり、正極活物資のBET法によって測定される比表面積が、0.9〜1.5m2/gであることが好ましい。これにより、電解液との接触が可能な一次粒子表面を適切な面積に制御して、正極活物質の安全性を確保しながら、高い電池特性を得ることができる。
例えば、複数の二次粒子を樹脂などに埋め込み、クロスセクションポリッシャ加工などにより粒子の断面観察が可能な状態とした後、画像解析ソフト:WinRoof 6.1.1等を用いて、任意の20個以上の二次粒子を母数として、それらの二次粒子中の空隙部を黒部分、二次粒子輪郭内の緻密部を白部分として、その合計を測定二次粒子全数の合計面積を算出し、[黒部分/(黒部分+白部分)]の面積比を空隙率と規定し、計算により空隙率を求めることができる。
したがって、より高い効果を得るため、化合物は、粒子径1〜200nmの微粒子としてリチウム金属複合酸化物の一次粒子の表面に存在することが好ましい。
しかし、粒子径が200nmを超えると、微粒子の表面における形成が不均一になり、反応抵抗低減のより高い効果が得られない場合があるためである。
しかしながら、その化合物は、全てが粒子径1〜200nmの微粒子として存在する必要がなく、好ましくは一次粒子表面に形成された微粒子の個数で50%以上が、1〜200nmの粒子径範囲で形成されていれば高い効果が得られる。
その膜厚が1nm未満では、被膜が十分なリチウムイオン伝導度を有しない場合がある。また、膜厚が100nmを超えると、リチウムイオン伝導率が低下し、反応抵抗低減効果より高い効果が得られない場合があるためである。
さらに、微粒子形態と薄膜の被膜形態が混在して一次粒子表面に化合物が形成されている場合にも、電池特性に対する高い効果が得られる。
したがって、リチウム金属複合酸化物粒子間においても均一に微粒子が形成されていることが好ましい。
このようなリチウム金属複合酸化物粒子の表面の性状は、例えば、電界放射型走査電子顕微鏡で観察することにより判断でき、本発明の正極活物質については、リチウム金属複合酸化物粒子の表面にWおよびLiを含む化合物が、先に述べた形態で形成されていることを確認している。
したがって、正極活物質全体のリチウム量としては、正極活物質中のNi、Co及びMの原子数の和(Me1)とLiの原子数との比「Li/Me1」が、0.97〜1.25であり、0.97〜1.20であることが好ましい。「Li/Me1」が0.97未満であると、得られた正極活物質を用いた非水系電解質二次電池における正極の反応抵抗が大きくなるため、電池の出力が低くなってしまう。また、「Li/Me1」が1.25を超えると、正極活物質の放電容量が低下するとともに、正極の反応抵抗も増加してしまう。反応抵抗を小さくし、かつ放電容量を高くして電池特性をさらに改善するためには、「Li/Me1」が、0.97〜1.20であることがより好ましい。
「Li/Me2」を0.95〜1.20とすることで、「Li/Me1」を容易に0.97〜1.25の範囲に制御することができる。
以下、本発明の正極活物質の製造方法を工程ごとに詳細に説明するが、上述した正極活物質が得られればよく、限定されるものではない。
混合工程は、一次粒子および一次粒子が凝集して構成された二次粒子からなるリチウム金属複合酸化物粒子にタングステン化合物を添加して混合する工程である。
リチウム金属複合酸化物粒子は、一次粒子および一次粒子が凝集して構成された二次粒子からなるものであればよく、公知の技術を用いて得られたものでよい。例えば、リチウム金属複合酸化物を構成する金属元素を共沈殿させて得られるニッケル複合水酸化物、もしくは、ニッケル複合水酸化物をさらに熱処理して得られるニッケル複合酸化物とリチウム化合物を混合し焼成してリチウムニッケル複合酸化物粒子を得ることができる。
また、リチウム金属複合酸化物粒子は、得られる正極活物質の母材となるものであり、その組成は母材と同様に一般式(2):LibNi1−x−yCoxMyO2(ただし、0≦x≦0.35、0≦y≦0.35、0.95≦b≦1.20、Mは、Mn、V、Mg、Mo、Nb、TiおよびAlから選ばれる少なくとも1種の元素)に調整される。
空隙率および比表面積は、リチウム化合物を混合し焼成する際の焼成条件によって制御できる。また、リチウムニッケル複合酸化物粒子は、一次粒子表面の余剰リチウムによって空隙率および比表面積が真の値を示さないことがあるため、混合工程に用いるリチウムニッケル複合酸化物粒子の測定用試料を後述するような水洗処理した後に測定することが好ましい。
これらの方法により、タングステン化合物がアルカリ溶液(W)として、あるいはリチウム金属複合酸化物に含有される水分中に溶解してリチウム金属複合酸化物粒子に浸透することで、電解液と接触可能なリチウム金属複合酸化物粉末の一次粒子表面にWを分散させることができる。
以下、アルカリ溶液(W)あるいはタングステン化合物の粉末を混合する方法を具体例として詳細に説明する。
まず、タングステン化合物をアルカリ溶液に溶解する。タングステン化合物の溶解方法は、通常の粉末の溶解方法でよく、例えば、撹拌装置付の反応槽を用いて溶液を撹拌しながらタングステン化合物を添加して溶解すればよい。タングステン化合物は、アルカリ溶液に完全に溶解させることが、分散の均一性から好ましい。
添加するタングステン化合物は、アルカリ溶液に溶解可能なものであればよく、酸化タングステン、タングステン酸リチウム、タングステン酸アンモニウムなど、アルカリに対して易溶性のタングステン化合物を用いることが好ましい。
アルカリ溶液(W)がリチウム金属複合酸化物粉末100gに対して0.5ml未満では、アルカリ溶液が少なく、上記一次粒子表面にWを均一に分散できない。一方、アルカリ溶液(W)が150mlを超えると、アルカリ溶液が多くなりすぎリチウム金属複合酸化物粒子と混合する際にスラリー化してしまう。スラリー化することによりリチウム金属複合酸化物の層状格子に含まれるLiが溶出してしまい、そのため、電池特性の低下を招きやすい。
不純物混入のおそれがないアンモニア、水酸化リチウムを用いることができるが、Liのインターカレーションを阻害しない観点から水酸化リチウムを用いることが好ましい。
Liはリチウム金属複合酸化物からも溶出して供給されるが、この範囲となるように水酸化リチウムを加えることで、リチウムとタングステンを含む化合物、好ましくはタングステン酸リチウム、より好ましくはLi4WO5を形成させるのに十分な量のLiを供給することができる。
Wを一次粒子表面全体に分散させるためには、二次粒子内部の空隙および不完全な粒界にも浸透させる必要があり、揮発性が高いアルコールなどの溶媒を用いると、アルカリ溶液が二次粒子内部の空隙に浸透する前に、溶媒が蒸発して十分に浸透しないことがある。
その混合は、アルカリ溶液(W)が液体であり、かつ50℃以下の温度で行うことが好ましい。
このアルカリ溶液(W)は、二次粒子の空隙および粒界にも浸透させる必要があり、液体であることが必要である。また、50℃を超える温度とすると、アルカリ溶液の乾燥が速いため、二次粒子の空隙および粒界に十分に浸透しないおそれがある。
また、乾燥が速いとリチウム金属複合酸化物粉末からのLiの溶出が期待できず、特にアルカリ溶液(W)にLiが含有されない場合、表面に形成される微粒子にLiが含有されないことがある。
例えばシェーカーミキサーやレーディゲミキサー、ジュリアミキサー、Vブレンダーなどを用いてリチウム金属複合酸化物粉末の形骸が破壊されない程度でアルカリ溶液(W)と十分に混合してやればよい。これにより、アルカリ溶液(W)中のWを、リチウム金属複合酸化物の一次粒子表面に均一に分布させることができる。
この水洗は、公知の方法および条件でよく、リチウム金属複合酸化物粒子から過度にリチウムが溶出して電池特性が劣化しない範囲で行えばよい。
水洗した場合には、固液分離のみで乾燥せずにアルカリ溶液(W)と混合することが好ましい。乾燥してからアルカリ溶液(W)と混合すると、Liの溶出が増加して電池特性が劣化することがある。
タングステン濃度が低下すると、リチウム金属複合酸化物から溶出するリチウムが過度になり、電池特性が劣化することがある。
水洗処理して得られた洗浄ケーキに、タングステン化合物の粉末を混合して、洗浄ケーキを構成するリチウムニッケル複合酸化物粒子とのタングステン混合物(以下、単に混合物という。)を得るものである。
この水洗処理は、「A−1.アルカリ溶液(W)による混合方法」と同様に公知の方法および条件で実施すればよい。
また、混合物中の水分はリチウムの溶出によってアルカリ性となるため、アルカリ性において溶解可能な化合物であってもよい。
また、混合物は、後工程の熱処理工程で加熱されるため、常温では水に溶解させることが困難であっても、熱処理時の加温で水に溶解する、もしくはリチウムニッケル複合酸化物粒子表面のリチウム化合物と反応してタングステン酸リチウムを形成して溶解するものであればよい。
さらに、溶解したタングステン化合物は、二次粒子内部の一次粒子表面まで浸透できる量があればよいため、混合後、さらには加熱後に一部は固体の状態となっていてもよい。
50℃を超える温度とすると、混合中の乾燥によりリチウム化合物とタングステン化合物との反応を促進させるために必要な混合物中の水分量が得られないことがある。
乾燥工程は、混合工程によりWを分散させたリチウム金属複合酸化物粒子を乾燥する工程である。
この乾燥処理により、タングステン化合物より供給されたWと混合後のリチウム金属複合酸化物粒子中の水分に溶解しているLiから、WおよびLiを含む化合物を形成し、リチウム金属複合酸化物の一次粒子表面に、WおよびLiを含む化合物を有する非水系電解質二次電池用正極活物質が得られる。
乾燥温度が100℃未満では、水分の蒸発が十分ではなく、化合物が十分に形成されない場合がある。一方、乾燥温度が250℃を超える場合、乾燥に時間がかかるだけでなく製造装置も大規模になり工業的規模で実施するに適さない。
乾燥時の雰囲気は、雰囲気中の水分や炭酸との反応を避けるため、酸素雰囲気などのような酸化性雰囲気あるいは真空雰囲気とすることが好ましい。
乾燥時間は、特に限定されないが、リチウム金属複合酸化物粒子の水分を十分に蒸発させて化合物を形成するため、乾燥時の最高到達温度において0.5時間以上とすることが好ましい。
また水分のある状態で温度を上げるとリチウム金属複合酸化物粉末からLiの溶出が多くなりすぎるため、水分を1%以上含んだ状態では100℃を超えない温度とすることが望ましい。
本発明の非水系電解質二次電池は、正極、負極および非水系電解液などからなり、一般の非水系電解質二次電池と同様の構成要素により構成される。なお、以下で説明する実施形態は例示に過ぎず、本発明の非水系電解質二次電池は、本明細書に記載されている実施形態を基に、当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した形態で実施することができる。また、本発明の非水系電解質二次電池は、その用途を特に限定するものではない。
先に述べた非水系電解質二次電池用正極活物質を用いて、例えば、以下のようにして、非水系電解質二次電池の正極を作製する。
まず、粉末状の正極活物質、導電助剤としての導電材、結着剤を混合し、さらに必要に応じて活性炭、粘度調整等の目的の溶剤を添加し、これを混練して正極合材ペーストを作製する。
その正極合材ペースト中のそれぞれの混合比も、非水系電解質二次電池の性能を決定する重要な要素となる。溶剤を除いた正極合材の固形分の全質量を100質量部とした場合、一般の非水系電解質二次電池の正極と同様、正極活物質の含有量を60〜95質量部とし、導電材の含有量を1〜20質量部とし、結着剤の含有量を1〜20質量部とすることが望ましい。
結着剤は、活物質粒子をつなぎ止める役割を果たすもので、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、フッ素ゴム、エチレンプロピレンジエンゴム、スチレンブタジエン、セルロース系樹脂、ポリアクリル酸などを用いることができる。
また、正極合材には、電気二重層容量を増加させるために、活性炭を添加することができる。
負極には、金属リチウムやリチウム合金等、あるいは、リチウムイオンを吸蔵および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し、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使用する。
この場合、負極結着剤としては、正極同様、PVDF等の含フッ素樹脂等を用いることができ、これらの活物質および結着剤を分散させる溶剤としては、N−メチル−2−ピロリドン等の有機溶剤を用いることができる。
正極と負極との間には、セパレータを挟み込んで配置する。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、ポリエチレン、ポリプロピレン等の薄い膜で、微少な孔を多数有する膜を用いることができる。
非水系電解液は、支持塩としてのリチウム塩を有機溶媒に溶解したものである。
有機溶媒としては、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、トリフルオロプロピレンカーボネート等の環状カーボネート、また、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジプロピルカーボネート等の鎖状カーボネート、さらに、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、ジメトキシエタン等のエーテル化合物、エチルメチルスルホン、ブタンスルトン等の硫黄化合物、リン酸トリエチル、リン酸トリオクチル等のリン化合物等から選ばれる1種を単独で、あるいは2種以上を混合して用いることができる。
支持塩としては、LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiAsF6、LiN(CF3SO2)2等、およびそれらの複合塩を用いることができる。
さらに、非水系電解液は、ラジカル捕捉剤、界面活性剤および難燃剤等を含んでいてもよい。
以上のように説明してきた正極、負極、セパレータおよび非水系電解液で構成される本発明の非水系電解質二次電池の形状は、円筒型、積層型等、種々のものとすることができる。
いずれの形状を採る場合であっても、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、集電用リード等を用いて接続し、電池ケースに密閉して、非水系電解質二次電池を完成させる。
本発明の正極活物質を用いた非水系電解質二次電池は、高容量で高出力となる。
特により好ましい形態で得られた本発明による正極活物質を用いた非水系電解質二次電池は、例えば、2032型コイン電池の正極に用いた場合、165mAh/g以上の高い初期放電容量と低い正極抵抗が得られ、さらに高容量で高出力である。また、熱安定性が高く、安全性においても優れているといえる。
電気化学的評価手法として一般的な交流インピーダンス法にて電池反応の周波数依存性について測定を行うと、溶液抵抗、負極抵抗と負極容量、および正極抵抗と正極容量に基づくナイキスト線図が図1のように得られる。
この等価回路を用いて測定したナイキスト線図に対してフィッティング計算を行い、各抵抗成分、容量成分を見積もることができる。正極抵抗は、得られるナイキスト線図の低周波数側の半円の直径と等しい。
以上のことから、作製される正極について、交流インピーダンス測定を行い、得られたナイキスト線図に対し等価回路でフィッティング計算することで、正極抵抗を見積もることができる。
本発明により得られた正極活物質を用いた正極を有する二次電池について、その性能(初期放電容量、正極抵抗、サイクル特性)を測定した。
以下、本発明の実施例を用いて具体的に説明するが、本発明は、これらの実施例によって何ら限定されるものではない。
正極活物質の評価には、図2に示す2032型コイン電池1(以下、「コイン型電池」という。)を使用した。
図2に示すように、コイン型電池1は、ケース2と、このケース2内に収容された電極3とから構成されている。
ケース2は、中空かつ一端が開口された正極缶2aと、この正極缶2aの開口部に配置される負極缶2bとを有しており、負極缶2bを正極缶2aの開口部に配置すると、負極缶2bと正極缶2aとの間に電極3を収容する空間が形成されるように構成されている。
電極3は、正極3a、セパレータ3cおよび負極3bとからなり、この順で並ぶように積層されており、正極3aが正極缶2aの内面に接触し、負極3bが負極缶2bの内面に接触するようにケース2に収容されている。
なお、ケース2はガスケット2cを備えており、このガスケット2cによって、正極缶2aと負極缶2bとの間が非接触の状態を維持するように相対的な移動が固定されている。また、ガスケット2cは、正極缶2aと負極缶2bとの隙間を密封してケース2内と外部との間を気密液密に遮断する機能も有している。
まず、非水系電解質二次電池用正極活物質52.5mg、アセチレンブラック15mg、およびポリテトラフッ化エチレン樹脂(PTFE)7.5mgを混合し、100MPaの圧力で直径11mm、厚さ100μmにプレス成形して、正極3aを作製した。作製した正極3aを真空乾燥機中120℃で12時間乾燥した。
この正極3aと、負極3b、セパレータ3cおよび電解液とを用いて、上述したコイン型電池1を、露点が−80℃に管理されたAr雰囲気のグローブボックス内で作製した。
初期放電容量は、コイン型電池1を製作してから24時間程度放置し、開回路電圧OCV(Open Circuit Voltage)が安定した後、正極に対する電流密度を0.1mA/cm2としてカットオフ電圧4.3Vまで充電し、1時間の休止後、カットオフ電圧3.0Vまで放電したときの容量を初期放電容量とした。
サイクル試験は、初期放電容量測定後、10分間休止し、初期放電容量測定と同様に充放電サイクルを、初期放電容量測定も含めて500サイクル(充放電)繰り返した。
評価は、500サイクル後の正極抵抗を測定した。
正極抵抗およびサイクル試験後の正極抵抗は、実施例1の初期正極抵抗およびサイクル試験後の正極抵抗をそれぞれ100とした相対値を評価値として評価した。
なお、本実施例では、複合水酸化物製造、正極活物質および二次電池の作製には、和光純薬工業株式会社製試薬特級の各試料を使用した。
最後に目開き38μmの篩にかけ解砕することにより、一次粒子表面にタングステン酸リチウムの微粒子を有する正極活物質を得た。
また、得られた正極活物質のBET法による比表面積は、1.16m2/gであった。
得られた正極活物質を、樹脂に埋め込み、クロスセクションポリッシャ加工を行ったものについて、倍率を5000倍としたSEMによる断面観察を行ったところ、一次粒子および一次粒子が凝集して構成された二次粒子からなり、一次粒子表面にリチウムとタングステンを含む化合物の微粒子が形成されていることが確認され、微粒子の粒子径は20〜120nmであった。また、この観察から求めた、上記画像解析による二次粒子の空隙率は0.32%であった。
得られた正極活物質に純水を加えて一定時間攪拌後、ろ過したろ液のpHを測定しながら塩酸を加えていくことにより出現する中和点から溶出するリチウムの化合物状態を評価したところ、タングステン酸リチウム中にはLi4WO5とLi2WO4の存在が確認され、含まれるLi4WO5の存在比率を算出したところ、87mol%であった。
得られた正極活物質を使用して作製された正極を有する図2に示すコイン型電池1の電池特性を評価した。初期放電容量は215mAh/gであった。
さらに、得られた正極活物質の一次粒子の表面付近を透過型電子顕微鏡(TEM)により観察したところ、一次粒子の表面に膜厚1〜70nmのリチウムとタングステンを含む化合物の被覆が形成され、化合物はタングステン酸リチウムであることを確認した。評価結果をまとめて表1および表2に示す。
さらに、得られた正極活物質の一次粒子の表面付近を透過型電子顕微鏡(TEM)により観察したところ、一次粒子の表面に膜厚1〜80nmのリチウムとタングステンを含む化合物の被覆が形成され、その化合物はタングステン酸リチウムであることを確認した。
評価結果をまとめて表1および表2に示す。
さらに、得られた正極活物質の一次粒子の表面付近を透過型電子顕微鏡(TEM)により観察したところ、一次粒子の表面に膜厚1〜80nmのリチウムとタングステンを含む化合物の被覆が形成され、その化合物はタングステン酸リチウムであることを確認した。
評価結果をまとめて表1および表2に示す。
得られた正極活物質の組成をICP法により分析したところ、Li:Ni:Co:Alのモル比は0.990:0.910:0.045:0.045、タングステン含有量はNi、Co及びAlの原子数の合計に対して0.15原子%であることが確認された。
さらに、得られた正極活物質の一次粒子の表面付近を透過型電子顕微鏡(TEM)により観察したところ、一次粒子の表面に膜厚1〜70nmのリチウムとタングステンを含む化合物の被覆が形成され、化合物はタングステン酸リチウムであることを確認した。評価結果をまとめて表1および表2に示す。
得られた正極活物質の組成をICP法により分析したところ、Li:Ni:Co:Alのモル比は0.990:0.910:0.045:0.045、タングステン含有量はNi、Co及びAlの原子数の合計に対して0.09原子%であることが確認された。
さらに、得られた正極活物質の一次粒子の表面付近を透過型電子顕微鏡(TEM)により観察したところ、一次粒子の表面に膜厚1〜70nmのリチウムとタングステンを含む化合物の被覆が形成され、化合物はタングステン酸リチウムであることを確認した。評価結果をまとめて表1および表2に示す。
得られた正極活物質の組成をICP法により分析したところ、Li:Ni:Co:Alのモル比は0.990:0.910:0.045:0.045、タングステン含有量はNi、Co及びAlの原子数の合計に対して0.21原子%であることが確認された。
さらに、得られた正極活物質の一次粒子の表面付近を透過型電子顕微鏡(TEM)により観察したところ、一次粒子の表面に膜厚1〜80nmのリチウムとタングステンを含む化合物の被覆が形成され、化合物はタングステン酸リチウムであることを確認した。評価結果をまとめて表1および表2に示す。
得られた正極活物質の組成をICP法により分析したところ、Li:Ni:Co:Alのモル比は0.990:0.910:0.045:0.045、タングステン含有量はNi、Co及びAlの原子数の合計に対して0.25原子%であることが確認された。
さらに、得られた正極活物質の一次粒子の表面付近を透過型電子顕微鏡(TEM)により観察したところ、一次粒子の表面に膜厚1〜80nmのリチウムとタングステンを含む化合物の被覆が形成され、化合物はタングステン酸リチウムであることを確認した。評価結果をまとめて表1および表2に示す。
洗浄ケーキに酸化タングステンを添加せず、洗浄ケーキをそのまま乾燥させた以外は実施例1と同様にして正極活物質を得るとともに評価した。
また、比較例1で得られた正極活物質の比表面積と空隙率は、母材の比表面積と空隙率に相当するものであり、比表面積は1.40m2/gであり、空隙率は0.42%であった。
評価結果をまとめて表1および表2に示す。
リチウムニッケル複合酸化物に含まれるNi、Co及びAlの原子数の合計に対してW量が0.05原子%となるように、洗浄ケーキに酸化タングステン(WO3)を0.18g添加した以外は、実施例1と同様にして正極活物質を得るとともに評価した。
評価結果をまとめて表1および表2に示す。
リチウムニッケル複合酸化物に含まれるNi、Co及びAlの原子数の合計に対してW量が0.50原子%となるように、洗浄ケーキに酸化タングステン(WO3)を1.80g添加した以外は、実施例1と同様にして正極活物質を得るとともに評価した。
さらに、得られた正極活物質の一次粒子の表面付近を透過型電子顕微鏡(TEM)により観察したところ、一次粒子の表面に膜厚2〜120nmのリチウムとタングステンを含む化合物の被覆が形成され、化合物はタングステン酸リチウムであることを確認した。
評価結果をまとめて表1および表2に示す。
リチウムニッケル複合酸化物に含まれるNi、Co及びAlの原子数の合計に対してW量が1.00原子%となるように、洗浄ケーキに酸化タングステン(WO3)を3.60g添加した以外は、実施例1と同様にして正極活物質を得るとともに評価した。
評価結果をまとめて表1および表2に示す。
洗浄ケーキに酸化タングステンを添加せず、洗浄ケーキをそのまま乾燥させた以外は実施例5と同様にして正極活物質を得るとともに評価した。
また、比較例5で得られた正極活物質の比表面積と空隙率は、母材の比表面積と空隙率に相当するものであり、比表面積は1.43m2/gであり、空隙率は0.43%であった。
評価結果をまとめて表1および表2に示す。
リチウムニッケル複合酸化物に含まれるNi、Co及びAlの原子数の合計に対してW量が0.05原子%となるように、洗浄ケーキに酸化タングステン(WO3)を0.18g添加した以外は、実施例5と同様にして正極活物質を得るとともに評価した。
評価結果をまとめて表1および表2に示す。
リチウムニッケル複合酸化物に含まれるNi、Co及びAlの原子数の合計に対してW量が0.50原子%となるように、洗浄ケーキに酸化タングステン(WO3)を1.80g添加した以外は、実施例5と同様にして正極活物質を得るとともに評価した。
さらに、得られた正極活物質の一次粒子の表面付近を透過型電子顕微鏡(TEM)により観察したところ、一次粒子の表面に膜厚2〜120nmのリチウムとタングステンを含む化合物の被覆が形成され、化合物はタングステン酸リチウムであることを確認した。
評価結果をまとめて表1および表2に示す。
リチウムニッケル複合酸化物に含まれるNi、Co及びAlの原子数の合計に対してW量が1.00原子%となるように、洗浄ケーキに酸化タングステン(WO3)を3.60g添加した以外は、実施例5と同様にして正極活物質を得るとともに評価した。
評価結果をまとめて表1および表2に示す。
表1および表2から明らかなように、実施例1〜8の正極活物質は、本発明に従って製造されたため、比較例に比べて初期放電容量が高く、初期およびサイクル試験後の正極抵抗も低いものとなっており、優れた特性を有した電池となっている。
特に、Li:Ni:Co:Alのモル比を0.990:0.910:0.045:0.045とAlの比率を高くした実施例5〜8の正極活物質は、実施例1〜4の正極活物質に比べ、さらに初期およびサイクル試験後の正極抵抗も低いものとなっており、さらに優れた特性を有した電池となっている。
比較例2、6では、タングステンの添加量が少なかったため、リチウムとタングステンを含む化合物の形成が少なく、正極抵抗が高くなってしまった。
比較例3、4、7、8では、タングステンの添加量が多かったため、リチウムとタングステンを含む化合物が形成される際にリチウムニッケル複合酸化物からLiが過剰に引き抜かれたと考えられ、また比表面積や空隙率が低下していることから、電池容量が低下している。
また、本発明の非水系電解質二次電池は、優れた安全性を有し、小型化、高出力化が可能であることから、搭載スペースに制約を受ける電気自動車用電源として好適である。なお、本発明は、純粋に電気エネルギーで駆動する電気自動車用の電源のみならず、ガソリンエンジンやディーゼルエンジンなどの燃焼機関と併用するいわゆるハイブリッド車用の電源としても用いることができる。
2 ケース
2a 正極缶
2b 負極缶
2c ガスケット
3 電極
3a 正極
3b 負極
3c セパレータ
Claims (7)
- 一次粒子および一次粒子が凝集して形成された二次粒子とからなるリチウム金属複合酸化物を母材とし、前記母材の前記一次粒子の表面にリチウムとタングステンを含む化合物が存在する構成の非水系電解質二次電池用正極活物質であって、
一般式(1):LiaNi1―x―yCoxMyWzO2+α(ただし、0≦x≦0.35、0≦y≦0.35、0.0008≦z≦0.030、0.97≦a≦1.25、0≦α≦0.20、Mは、Mn、V、Mg、Mo、Nb、TiおよびAlから選ばれる少なくとも1種の元素)で表され、
前記化合物中に含有されるタングステン量が、正極活物質に含まれるNi、CoおよびMの原子数の合計に対してWの原子数が0.08〜0.30原子%で、
前記二次粒子の断面観察において計測される空隙率が、0.15〜0.32%で、
BET法によって測定される比表面積が、0.9〜1.5m2/g、
であることを特徴とする非水系電解質二次電池用正極活物質。 - 前記化合物中に含有されるタングステンの50mol%以上が、Li4WO5の形態で存在することを特徴とする請求項1に記載の非水系電解質二次電池用正極活物質。
- 前記化合物が、粒子径1〜200nmの微粒子として前記リチウム金属複合酸化物の一次粒子の表面に存在することを特徴とする請求項1又は2に記載の非水系電解質二次電池用正極活物質。
- 前記化合物が、膜厚1〜100nmの被膜として前記リチウム金属複合酸化物の一次粒子の表面に存在することを特徴とする請求項1又は2に記載の非水系電解質二次電池用正極活物質。
- 前記化合物が、粒子径1〜200nmの微粒子及び膜厚1〜100nmの被膜の両形態として前記リチウム金属複合酸化物の一次粒子の表面に存在することを特徴とする請求項1又は2に記載の非水系電解質二次電池用正極活物質。
- 前記リチウム金属複合酸化物が下記一般式(2)で表されることを特徴とする請求項1又は2に記載の非水系電解質二次電池用正極活物質。
一般式(2):LibNi1−x−yCoxMyO2(ただし、0≦x≦0.35、0≦y≦0.35、0.95≦b≦1.20、Mは、Mn、V、Mg、Mo、Nb、TiおよびAlから選ばれる少なくとも1種の元素)。 - 請求項1又は2に記載の非水系電解質二次電池用正極活物質を含む正極を有することを特徴とする非水系電解質二次電池。
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