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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023143694
(43)【公開日】2023-10-06
(54)【発明の名称】正極材料、電池及び電子機器
(51)【国際特許分類】
   H01M 4/525 20100101AFI20230928BHJP
   H01M 4/131 20100101ALI20230928BHJP
   H01M 4/62 20060101ALI20230928BHJP
   H01M 4/505 20100101ALI20230928BHJP
【FI】
H01M4/525
H01M4/131
H01M4/62 Z
H01M4/505
【審査請求】有
【請求項の数】10
【出願形態】OL
(21)【出願番号】P 2023000819
(22)【出願日】2023-01-06
(31)【優先権主張番号】202210300862.0
(32)【優先日】2022-03-25
(33)【優先権主張国・地域又は機関】CN
(71)【出願人】
【識別番号】522442283
【氏名又は名称】チューハイ コスミクス バッテリー カンパニー,リミテッド
(74)【代理人】
【識別番号】100079108
【弁理士】
【氏名又は名称】稲葉 良幸
(74)【代理人】
【識別番号】100109346
【弁理士】
【氏名又は名称】大貫 敏史
(74)【代理人】
【識別番号】100117189
【弁理士】
【氏名又は名称】江口 昭彦
(74)【代理人】
【識別番号】100134120
【弁理士】
【氏名又は名称】内藤 和彦
(72)【発明者】
【氏名】ゼン,ジアジアン
(72)【発明者】
【氏名】シア,ディングオ
(72)【発明者】
【氏名】リ,スリ
(72)【発明者】
【氏名】リウ,ジアンウェン
【テーマコード(参考)】
5H050
【Fターム(参考)】
5H050AA07
5H050AA08
5H050BA16
5H050BA17
5H050CA08
5H050CA09
5H050CB02
5H050CB03
5H050CB07
5H050CB08
5H050CB09
5H050CB11
5H050DA02
5H050DA10
5H050DA11
5H050EA08
5H050EA09
5H050EA10
5H050EA23
5H050EA24
5H050FA16
5H050FA17
5H050HA01
5H050HA02
5H050HA05
5H050HA13
5H050HA18
5H050HA19
(57)【要約】
【課題】本発明は、正極材料、電池及び電子機器を提供する。
【解決手段】本発明の第1の態様では、正極材料を提供し、前記正極材料は、Lin-xNaCo1-yMeであり、0.7≦n≦1で、0<x≦0.15で、0≦y≦0.15であり、Meは、Al、Mg、Ti、Zr、Ni、Mn、Y、La、Sr、W、Sc、Ce、P、Nb、V、Ta、Teから選択される1つ又は複数であり、前記正極材料のX線回折パターンに、002結晶面に対応する002ピーク、004結晶面に対応する004ピーク、101結晶面に対応する101ピーク、102結晶面に対応する102ピーク、103結晶面に対応する103ピークを有し、前記101ピークと004ピークとのピーク強度比をmとし、m≧1.5である。本発明にて提供される正極材料は、より高い放電グラム当たり容量及び比較的安定な構造を有し、電池の容量及びサイクル性能を向上させるのに役立つ。
【選択図】図1
【特許請求の範囲】
【請求項1】
正極材料であって、前記正極材料は、Lin-xNaCo1-yMe(0.7≦n≦1で、0<x≦0.15で、0≦y≦0.15であり、Meは、Al、Mg、Ti、Zr、Ni、Mn、Y、La、Sr、W、Sc、Ce、P、Nb、V、Ta、Teから選択される1つ又は複数である)であり、
前記正極材料のX線回折パターンに、002結晶面に対応する002ピーク、004結晶面に対応する004ピーク、101結晶面に対応する101ピーク、102結晶面に対応する102ピーク、103結晶面に対応する103ピークを有し、
前記101ピークと004ピークとのピーク強度比をmとし、m≧1.5であることを特徴とする正極材料。
【請求項2】
前記002ピークに対応する回折角2θ=18.6°±0.5°であり、前記102ピークに対応する回折角2θ=41.7°±0.5°であり、前記103ピークに対応する回折角2θ=47.1°±0.5°であることを特徴とする請求項1に記載の正極材料。
【請求項3】
前記正極材料の粒度が6~18μmであることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の正極材料。
【請求項4】
3.0~4.5Vの電圧で、前記正極材料のグラム当たり容量≧196mAh/gであり、且つ、0.1Cのレートで、放電グラム当たり容量はC0mAh/gであり、放電を開始してから4.4Vになるまでの放電グラム当たり容量はC1mAh/gであり、3.8V~3.7V内で放電グラム当たり容量はC2mAh/gであり、C1/C0≧9%で、C2/C0≧25%であることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の正極材料。
【請求項5】
正極集電体と、請求項1に記載の正極材料を含む、前記正極集電体の少なくとも1つの表面に設けられた正極活性層とを含む正極シートを含むことを特徴とする電池。
【請求項6】
前記正極材料の質量は、前記正極活性層の総質量の70~99%であることを特徴とする請求項5に記載の電池。
【請求項7】
前記正極活性層は接着剤及び導電剤を含むことを特徴とする請求項5に記載の電池。
【請求項8】
前記接着剤は、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリアクリル酸リチウムから選択される1つ又は複数であり、及び/又は、前記導電剤は、導電性カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、導電性グラファイト、導電性炭素繊維、炭素カーボンナノチューブ、単腕カーボンナノチューブ、多腕カーボンナノチューブから選択される1つ又は複数であることを特徴とする請求項7に記載の電池。
【請求項9】
前記接着剤の質量は、前記正極活性層の総質量の0.5~15%であり、前記導電剤の質量は、前記正極活性層の総質量の0.5~15%であることを特徴とする請求項7に記載の電池。
【請求項10】
請求項5~請求項9のいずれか1項に記載の電池を含むことを特徴とする電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、正極材料、電池及び電子機器に関し、電気化学技術の分野に関する。
【背景技術】
【0002】
携帯電話、タブレットなどの消費者向け電子製品の薄型化が進むにつれて、電池のエネルギー密度に対する要求も高まる一方であり、現在、エネルギー密度を高めるための正極材料はコバルト酸リチウムであり、エネルギー密度の向上に伴って、コバルト酸リチウムの充電終止電圧を高めるのが有効な方法の1つであるが、充電電圧≧4.55V(vs.Li)である場合、一般の構造のコバルト酸リチウムに不可逆性相変化、即ちO3相のH1-3相への不可逆性相変化が発生し、H1-3相のイオン伝導率及び電子伝導度率が悪いため、コバルト酸リチウムの容量が減衰し、それにより、電池のサイクル性能に影響を与える。
【0003】
コバルト酸リチウムの構造安定性を改善する方法として、コバルト酸リチウム内のドープ元素の含有量を増加させることがあるが、ドープ元素の含有量の増加に伴って、そのグラム当たり容量の向上は顕著ではなく、例えば、コバルト酸リチウムの4.5Vでのグラム当たり容量は、186mAh/g(vs.C/0.2C)として発揮し、4.53Vでのグラム当たり容量は189 mAh/g(vs.C/0.2C)として発揮し、その増幅が小さくなるため、如何にコバルト酸リチウム構造を改善して、正極材料のグラム当たり容量及び構造安定性を向上させることにより、電池の容量及びサイクル性能を向上させるかは、当業者が解決すべき課題である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
本発明は、正極材料を提供し、正極材料のグラム当たり容量及び構造安定性を向上させ、電池の容量及びサイクル性能を向上させるために用いられる。
【0005】
本発明は、上記の正極材料を含む電池及び電子機器をさらに提供する。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明の第1の態様では、正極材料を提供し、前記正極材料は、Lin-xNaCo1-yMe(0.7≦n≦1で、0<x≦0.15で、0≦y≦0.15であり、Meは、Al、Mg、Ti、Zr、Ni、Mn、Y、La、Sr、W、Sc、Ce、P、Nb、V、Ta、Teから選択される1つ又は複数である)であり、
前記正極材料のX線回折パターンに、002結晶面に対応する002ピーク、004結晶面に対応する004ピーク、101結晶面に対応する101ピーク、102結晶面に対応する102ピーク、103結晶面に対応する103ピークを有し、
前記101ピークと004ピークとのピーク強度比をmとし、m≧1.5である。
【0007】
本発明は、正極材料を提供し、その構造式はLin-xNaCo1-yMe(0.7≦n≦1で、0<x≦0.15で、0≦y≦0.15であり、Meは、Al、Mg、Ti、Zr、Ni、Mn、Y、La、Sr、W、Sc、Ce、P、Nb、V、Ta、Teから選択される1つ又は複数である)であり、なお、正極材料は、異なる脱リチウム状態で、n値も異なり、当該正極材料の正極電極シートをフォーメーションして容量テストする前に、正極材料(粉体状態)においてn値は1であり、正極電極シートをフォーメーションして容量テストした後に、動作電圧が3.6~4.0Vである場合、n値は0.70~1に低下し、これは、主に、電池の初回充放電中に、一部のリチウムイオンは、正負極表面の保護層であるCEI膜及びSEI膜を形成するために用いられて、一部のLiの不可逆性損失になるため、フォーメーションして容量テストした後の正極電極シート中の正極材料のLi含有量が低下する。また、前記正極材料のX線回折パターンから分かるように、002結晶面に対応する002ピーク、004結晶面に対応する004ピーク、101結晶面に対応する101ピーク、102結晶面に対応する102ピーク及び103結晶面に対応する103ピークを有し、ここで、002結晶面に対応する002ピーク、102結晶面に対応する102ピーク及び103結晶面に対応する103ピークは、本発明にて提供される正極材料が、一般のコバルト酸リチウム材料と異なる特徴的なピークを有し、顕著な層状構造特徴を有することを表し、充放電中に複数の充放電の小さいプラットフォームを表すことができ、同じ充放電終止電圧及び充放電レート条件で、より高いグラム当たり容量及び安定的な構造を有し、また、101ピークと004ピークとのピーク強度比mが大きいほど、正極材料の構造安定性を一層向上させるのに役立ち、それによりリチウムイオンの脱離と吸蔵により有利になり、そうでなければ、正極材料の構造安定性が悪くなり、反応が不完全である状態や結晶性が悪いなどの状態により、電気化学的性能が低下する可能性があるため、本発明にて提供される正極材料は、電池の容量及びサイクル性能を向上させるのに役立ち、それにより、電池の薄型化の要求を満たす。
【0008】
1つの具体的な実施形態において、前記002ピークに対応する回折角2θ=18.6°±0.5°であり、前記102ピークに対応する回折角2θ=41.7°±0.5°であり、前記103に対応する回折角2θ=47.1°±0.5°である。
【0009】
マルバーンレーザー粒度計での測定により、前記正極材料の粒度は6~18μmであり、粒度は、正極材料の粒子の大きさであることを得る。
【0010】
テストにより、正極材料0.1Cのグラム当たり容量≧196mAh/g(3.0-4.5V、vs.Li)であり、且つ、3.0~4.5V電圧で、0.1Cのレートで充放電を行う時に得られる放電グラム当たり容量をC0mAh/gと定義し、放電を開始してから4.4Vまでの放電グラム当たり容量はC1mAh/gであり、3.8V~3.7V電圧範囲内のグラム当たり容量はC2mAh/gであり、且つC1/C0≧9%で、C2/C0≧25%である。
【0011】
本発明では、さらに、上記の正極材料の製造方法を提供し、具体的には、少なくともCo、Na元素含有の化合物NaCoO(0.68<x<0.74)を製造するステップ1と、Co、Na含有の化合物NaCoOとリチウム元素含有の化合物を脱イオン水に分散させ、イオン交換反応を行い、NaCoO中のNaイオンの一部をLiイオンに置換して、正極材料を得るステップ2とを含む。
【0012】
1つの具体的な実施形態では、正極材料の製造は、具体的には、ステップ1-1、ステップ1-2、及びステップ2を含む。
【0013】
ステップ1-1において、コバルト元素含有の化合物、ナトリウム元素含有の化合物を必要な化学量割合で秤量した後、高速混合機器、サンドミル機器、ボールミル機器、コルター混合機器、傾斜型混合機器のうちの1つの混合機器を使用して、均一になるまで十分に混合して、混合材料を取得し、混合中に、水、アルコール又は他の溶媒を加え、均一に混合した後、乾燥すればよい。
【0014】
ここで、コバルト元素含有の化合物は、水酸化コバルト、四酸化三コバルト、ドープ型四酸化三コバルト、酸化コバルト、オキシ水酸化コバルト、硝酸コバルト、硫酸コバルトのうちの1つ又は複数であり得、ナトリウム元素含有の化合物は、ナトリウム含有の酸化物、炭酸ナトリウム、硝酸ナトリウム、水酸化ナトリウム、炭酸水素ナトリウム、硫酸ナトリウムのうちの1つ又は複数であり得、
また、ドープ元素Me含有の化合物をさらに加えることができ、前記ドープ元素Meは、Al、Mg、Ti、Zr、Ni、Mn、Y、La、Sr、W、Sc、Ce、P、Nb、V、Ta、Teの1つ又は複数を含み、具体的には、塩基性炭酸マグネシウム、水酸化マグネシウム、酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、酸化イットリウム、酸化ランタン等のドープ元素を含有する化合物であり得、
さらに、コバルト含有の化合物、ナトリウム含有の化合物及びMe含有の化合物は、Na:Co:Me=x:(1-y):yに従い、0.68<x<0.74で、0≦y≦0.15であり、化合物が均一になるまで十分に混合するために、混合時間を少なくとも4hにし、当業者は、SEM電子顕微鏡で化合物の混合状態を観察することができる。
【0015】
ステップ1-2において、ステップ1-1で製造された混合材料をるつぼに装填した後、マッフル炉、トンネル炉、ローラーハースキルン炉、管状炉等の高温焼結機器に入れ、空気又は酸素雰囲気で高温焼結を行い、第1の化合物NaCo1-yMeを取得し、0.68<x<0.74で、0≦y≦0.15である。
【0016】
さらに、前記焼結の温度は700~900℃であり、時間は8~50hである。
【0017】
ステップ2において、ステップ1-2で合成して取得した第1の化合物とリチウム元素含有の化合物とを必要な割合で混合して脱イオン水に分散させ、イオン交換反応を行い、ナトリウムイオン及びリチウムイオンの水溶液での自由移動拡散作用により、第1の化合物中のNaイオンの大部分をLiイオンに置換し、反応が終了した後、反応生成物を洗浄し、乾燥すると、正極材料が得られる。
【0018】
リチウム元素含有の化合物は、炭酸リチウム、塩化リチウム、臭化リチウム、ヨウ化リチウム、硝酸リチウム、水酸化リチウム、フッ化リチウムのうちの1つ又は複数であり得、必要がある場合、炭素含有の化合物又は高速イオン伝導体化合物等をいくつ加えて、正極材料の導電性を改善することができる。
【0019】
リチウム含有化合物と第1の化合物との質量比≧1であり、さらに1~3であり、溶剤と第1の化合物との質量比≧5であり、さらに20~150である。
【0020】
使用される反応機器には、湿式被覆反応機器、共沈反応機器など、密閉機能及び撹拌能力付きの密閉容器機器が含まれ、反応中の撹拌速度は10~200rpmであり、反応温度は70~125℃であり、反応時間≧5Hであり、さらに、反応時間は10~15Hであり、
送風オーブン、真空乾燥オーブン、回転炉、ディスク式乾燥機など、乾燥に使用される機器は、乾燥温度が80~180℃であり、乾燥時間≧10Hである。
【0021】
本発明の第2の態様では、正極集電体と、上記のいずれか1つに記載の正極材料を含む、正極集電体の少なくとも1つの表面に設けられた正極活性層とを含む正極シートを含む電池を提供する。
【0022】
本発明は電池を提供し、具体的には、上記の正極材料で正極シートを製造し、且つ負極シート、セパレータ及び電解液と共に組み込んで電池を取得し、具体的には、正極シートは、正極集電体と、正極集電体の表面に設けられた正極活性層とを含み、正極活性層は、上記の正極材料、導電剤及び接着剤を含み、ここで、前記接着剤は、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)、ポリアクリル酸リチウム(PAALi)から選択される1つ又は複数であり、前記導電剤は、導電性カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、導電性グラファイト、導電性炭素繊維、炭素カーボンナノチューブ、単腕カーボンナノチューブ、多腕カーボンナノチューブから選択される1つ又は複数であり、正極活性層の正極材料、導電剤及び接着剤の質量比は(70~99):(0.5~15):(0.5~15)であり、さらに、正極材料、導電剤及び接着剤の質量比は(80~98):(1~10):(1~10)である。
【0023】
正極シートの製造中に、上記の正極材料、導電剤及び接着剤を一定の割合で混合した後、溶媒に分散させて正極活性層スラリーを取得し、正極集電体の表面に塗布して、正極シートを取得し、正極集電体はアルミニウム箔であってもよい。
【0024】
負極シートは、負極集電体と、負極集電体の表面に設けられた負極活性層とを含み、負極活性層は、負極材料、導電剤及び接着剤を含み、負極材料は、人造黒鉛、天然黒鉛、ハードカーボン、メソカーボンマイクロビーズ、チタン酸リチウム、珪素炭素、酸化珪素から選択された1つ又は複数であり、導電剤及び接着剤の種類は、正極活性層と同じであり、負極材料、導電剤及び接着剤の質量比は(70~99):(0.5~15):(0.5~15)であり、さらに、負極材料、導電剤及び接着剤の質量比は(80~98):(1~10):(1~10)である。
【0025】
負極シートの製造中に、上記の負極材料、導電剤及び接着剤を一定の割合で混合した後、溶媒に分散させて負極活性層スラリーを取得し、負極集電体の表面に塗布して、負極シートを取得し、負極集電体は銅箔であってもよい。
【0026】
セパレータは、当分野の一般の材料、例えばポリプロピレンを基材とする材料、又はそれに加え片面又は両面にセラミックがコーティングされた接着剤塗布セパレータである。
【0027】
電解液は、当分野の一般の材料であり、エチレン・カーボネート(EC)、ジエチルカーボネート(DEC)、炭酸プロピレン(PC)及びフルオロエチレンカーボネート(FEC)を含む有機溶媒と、リチウム塩と、下記式に示される構造を有する、質量が電解液の総質量の0.1~10%である添加剤と、を含む。
【化1】
【0028】
本発明にて提供される正極材料は、高電圧電池に適用し、前記電池の動作電圧は具体的には、3.0~4.5Vである。
【0029】
本願の第3の態様では、さらに、本発明の第2の態様にて提供される電池を含む電子機器を提供する。前記電池は、前記電子機器の電源又はエネルギー蓄積ユニットとして使用できる。前記機器は、モバイル機器(例えば携帯電話、タブレットコンピュータ、ノートパソコン等)、電気自動車(例えば純電気自動車、ハイブリッド電気自動車、プラグインハイブリッド電気自動車、電動自転車、電動スクーター、電動ゴルフカート、電気トラック等)等であってもよいが、これらに限定されない。
【0030】
携帯電話、タブレットコンピュータ、ノートパソコン等のモバイル機器に対して、通常、薄型化が求められ、リチウムイオン電池を電源として用いることができる。
【発明の効果】
【0031】
本発明の実施は、以下の利点を少なくとも有する。
【0032】
1、本発明にて提供される正極材料は、特別な相構造を有し、充放電中に複数の充放電の小さいプラットフォームを表すことができ、同じ充放電終止電圧及び充放電レートの条件で、より高いグラム当たり容量及び比較的安定な構造を有し、電池の容量及びサイクル性能を向上させるのに役立ち、それにより電池の薄型化の要求を満たす。
【0033】
2、本発明にて提供される電池は、良い容量及びサイクル性能を有する。
【図面の簡単な説明】
【0034】
図1】本発明の実施例1にて提供される正極材料のXRDテストデータ図である。
図2】本発明の実施例1にて提供される正極材料の、3.0-4.5V(vs.Li)、0.1Cレートでの充放電グラフである。
【発明を実施するための形態】
【0035】
本発明の目的、技術案及び利点をより明確にするために、以下では、本発明の実施例を参照しながら、本発明の実施例における技術案を明確で、完全に説明し、明らかに、説明された実施例は、本発明の実施例の一部にすぎず、全部の実施例ではない。当業者が本発明の実施例に基づいて、創造的な労働なしに得た全ての他の実施例は、何れも本発明の保護範囲に属する。
【0036】
下記の実施例に使用される実験方法は、特に説明しない限り、何れも一般的な方法であり、下記の実施例に使用される試薬や材料等は、特に説明しない限り、何れも商業的に入手可能である。
実施例1
【0037】
本実施例にて提供される正極材料の製造方法は、下記のステップ(1)~ステップ(4)を含む。
【0038】
(1)3.656kgの炭酸ナトリウム粉末及び29.105kgの硝酸コバルト六水和物粉末を秤量し、それを高速混合機器に入れ、300rpmで3分間混合した後、500rpmで5分間混合してから、1000rpmで10分間混合した後、混合料を取り出し、混合料に白色の炭酸ナトリウムの小さな白点がないことを確認した後、材料を均一に混合したと見なす。
【0039】
(2)30gの混合料を取って、セラミックるつぼに装填し、機器の型番がVBF-1200Xであるピット型マッフル炉を使用して、高温焼結を行い、焼結の昇温グラフの昇温レートは5℃/minであり、750℃に昇温すると、定温焼結を10h行い、焼結後、常温まで自然に降温させた後、サンプルを取り出して、焼結後のコバルト、ナトリウム含有化合物Na0.69CoOを得る。
【0040】
(3)反応容器に200mlの脱イオン水、10.49gの水酸化リチウム一水和物及び10.59gの塩化リチウムを加え、78℃の水温で、回転速度が20rpmである条件で、5min間撹拌した後、10gのステップ2で得たコバルト、ナトリウム元素含有の化合物Na0.69CoOを秤取し、78℃、20rpmの回転速度を維持する条件で、反応を8H継続させる。
【0041】
(4)反応終了後、反応生成物を取り出して、脱イオン水で3回吸引・濾過・洗浄した後、90℃の送風乾燥オーブンで8H乾燥して正極材料を得た。
実施例2
【0042】
本実施例にて提供される正極材料の製造方法は、実施例1を参照することができ、相違点は、以下のとおりである。
【0043】
(3)反応容器に200mlの脱イオン水、10.49gの水酸化リチウム一水和物及び21.71gの臭化リチウムを加え、78℃の水温で、回転速度が20rpmである条件で、5min間撹拌した後、10gのステップ2で得たコバルト、ナトリウム元素含有の化合物Na0.69CoOを秤取し、78℃、20rpmの回転速度を維持する条件で、反応を8H継続させる。
実施例3
【0044】
本実施例にて提供される正極材料の製造方法は、実施例1を参照することができ、相違点は、以下のとおりである。
【0045】
(3)反応容器に200mlの脱イオン水、10.49gの水酸化リチウム一水和物及び33.46gのヨウ化リチウムを加え、78℃の水温で、回転速度が20rpmである条件で、5min間撹拌した後、10gのステップ2で得たコバルト、ナトリウム元素含有の化合物Na0.69CoOを秤取し、78℃、20rpmの回転速度を維持する条件で、反応を8H継続させる。
実施例4
【0046】
本実施例にて提供される正極材料の製造方法は、実施例1を参照することができ、相違点は、以下のとおりである。
【0047】
(3)反応容器に200mlの脱イオン水、10.49gの水酸化リチウム一水和物及び6.48gのフッ化リチウムを加え、78℃の水温で、回転速度が20rpmである条件で、5min間撹拌した後、10gのステップ2で得たコバルト、ナトリウム元素含有の化合物Na0.69CoOを秤取し、78℃、20rpmの回転速度を維持する条件で、反応を8H継続させる。
実施例5
【0048】
本実施例にて提供される正極材料の製造方法は、実施例1を参照することができ、相違点は、以下のとおりである。
【0049】
(3)反応容器に200mlの脱イオン水、16.78gの水酸化リチウム一水和物及び3.69gの炭酸リチウムを加え、78℃の水温で、回転速度が20rpmである条件で、5min間撹拌した後、10gのステップ2で得たコバルト、ナトリウム元素含有の化合物Na0.69CoOを秤取し、78℃、20rpmの回転速度を維持する条件で、反応を8H継続させる。
実施例6
【0050】
本実施例にて提供される正極材料の製造方法は、実施例1を参照することができ、相違点は、以下のとおりである。
【0051】
(3)反応容器に200mlの脱イオン水、16.78gの水酸化リチウム一水和物及び16.96gの塩化リチウムを加え、78℃の水温で、回転速度が20rpmである条件で、5min間撹拌した後、10gのステップ2で得たコバルト、ナトリウム元素含有の化合物Na0.69CoOを秤取し、78℃、20rpmの回転速度を維持する条件で、反応を8H継続させる。
実施例7
【0052】
本実施例にて提供される正極材料の製造方法は、実施例1を参照することができ、相違点は、以下のとおりである。
【0053】
(3)反応容器に200mlの脱イオン水、16.78gの水酸化リチウム一水和物及び4.24gの塩化リチウムを加え、78℃の水温で、回転速度が20rpmである条件で、5min間撹拌した後、10gのステップ2で得たコバルト、ナトリウム元素含有の化合物Na0.69CoOを秤取し、78℃、20rpmの回転速度を維持する条件で、反応を8H継続させる。
実施例8
【0054】
本実施例にて提供される正極材料の製造方法は、実施例1を参照することができ、相違点は、以下のとおりである。
【0055】
(3)反応容器に200mlの脱イオン水、10.49gの水酸化リチウム一水和物及び10.59gの塩化リチウムを加え、78℃の水温で、回転速度が30rpmである条件で、5min間撹拌した後、10gのステップ2で得たコバルト、ナトリウム元素含有の化合物Na0.69CoOを秤取し、78℃、30rpmの回転速度を維持する条件で、反応を8H継続させる。
実施例9
【0056】
本実施例にて提供される正極材料の製造方法は、実施例1を参照することができ、相違点は、以下のとおりである。
【0057】
(1)2.138kgの酸化ナトリウム粉末及び29.105kgの硝酸コバルト六水和物粉末を秤量し、それを高速混合機器に入れ、300rpmで3分間混合した後、500rpmで5分間混合してから、1000rpmで10分間混合した後、混合料を取り出し、混合料に白色の酸化ナトリウムの小さな白点がないことを確認した後、材料を均一に混合したと見なす。
実施例10
【0058】
本実施例にて提供される正極材料の製造方法は、実施例1を参照することができ、相違点は、以下のとおりである。
【0059】
(1)3.656kgの炭酸ナトリウム粉末及び7.493kgの酸化コバルト粉末を秤量し、それを高速混合機器に入れ、300rpmで3分間混合した後、500rpmで5分間混合してから、1000rpmで10分間混合した後、混合料を取り出し、混合料に白色の酸化ナトリウムの小さな白点がないことを確認した後、材料を均一に混合したと見なす。
実施例11
【0060】
本実施例にて提供される正極材料の製造方法は、実施例1を参照することができ、相違点は、以下のとおりである。
【0061】
(1)3.656kgの炭酸ナトリウム粉末及び9.293kgの水酸化コバルト粉末を秤量し、それを高速混合機器に入れ、300rpmで3分間混合した後、500rpmで5分間混合してから、1000rpmで10分間混合した後、混合料を取り出し、混合料に白色の炭酸ナトリウムの小さな白点がないことを確認した後、材料を均一に混合したと見なす。
実施例12
【0062】
本実施例にて提供される正極材料の製造方法は、実施例1を参照することができ、相違点は、以下のとおりである。
【0063】
(1)3.656kgの炭酸ナトリウム粉末及び8.026kgの四酸化三コバルト粉末を秤量し、それを高速混合機器に入れ、300rpmで3分間混合した後、500rpmで5分間混合してから、1000rpmで10分間混合した後、混合料を取り出し、混合料に白色の炭酸ナトリウムの小さな白点がないことを確認した後、材料を均一に混合したと見なす。
実施例13
【0064】
本実施例にて提供される正極材料の製造方法は、実施例1を参照することができ、相違点は、以下のとおりである。
【0065】
(1)3.656kgの炭酸ナトリウム粉末、9.200kgの水酸化コバルト粉末及び50.98gのナノアルミナ粉末を秤量し、それを高速混合機器に入れ、300rpmで3分間混合した後、500rpmで5分間混合してから、1000rpmで10分間混合した後、混合料を取り出し、混合料に白色の炭酸ナトリウムの小さな白点がないことを確認した後、材料を均一に混合したと見なす。
実施例14
【0066】
本実施例にて提供される正極材料の製造方法は、実施例1を参照することができ、相違点は、以下のとおりである。
【0067】
(1)3.656kgの炭酸ナトリウム粉末、9.014kgの水酸化コバルト粉末及び152.94gのナノアルミナ粉末を秤量し、それを高速混合機器に入れ、300rpmで3分間混合した後、500rpmで5分間混合してから、1000rpmで10分間混合した後、混合料を取り出し、混合料に白色の炭酸ナトリウムの小さな白点がないことを確認した後、材料を均一に混合したと見なす。
実施例15
【0068】
本実施例にて提供される正極材料の製造方法は、実施例1を参照することができ、相違点は、以下のとおりである。
【0069】
(1)3.656kgの炭酸ナトリウム粉末、8.828kgの水酸化コバルト粉末及び254.9gのナノアルミナ粉末を秤量し、それを高速混合機器に入れ、300rpmで3分間混合した後、500rpmで5分間混合してから、1000rpmで10分間混合した後、混合料を取り出し、混合料に白色の炭酸ナトリウムの小さな白点がないことを確認した後、材料を均一に混合したと見なす。
実施例16
【0070】
本実施例にて提供される正極材料の製造方法は、実施例1を参照することができ、相違点は、以下のとおりである。
【0071】
(1)3.656kgの炭酸ナトリウム粉末、9.200kgの水酸化コバルト粉末及び40.30gのナノ酸化マグネシウム粉末を秤量し、それを高速混合機器に入れ、300rpmで3分間混合した後、500rpmで5分間混合してから、1000rpmで10分間混合した後、混合料を取り出し、混合料に白色の炭酸ナトリウムの小さな白点がないことを確認した後、材料を均一に混合したと見なす。
実施例17
【0072】
本実施例にて提供される正極材料の製造方法は、実施例1を参照することができ、相違点は、以下のとおりである。
【0073】
(1)3.656kgの炭酸ナトリウム粉末、9.014kgの水酸化コバルト粉末及び120.91gのナノ酸化マグネシウム粉末を秤量し、それを高速混合機器に入れ、300rpmで3分間混合した後、500rpmで5分間混合してから、1000rpmで10分間混合した後、混合料を取り出し、混合料に白色の炭酸ナトリウムの小さな白点がないことを確認した後、材料を均一に混合したと見なす。
実施例18
【0074】
本実施例にて提供される正極材料の製造方法は、実施例1を参照することができ、相違点は、以下のとおりである。
【0075】
(1)3.656kgの炭酸ナトリウム粉末、8.828kgの水酸化コバルト粉末及び201.52gのナノ酸化マグネシウム粉末を秤量し、それを高速混合機器に入れ、300rpmで3分間混合した後、500rpmで5分間混合してから、1000rpmで10分間混合した後、混合料を取り出し、混合料に白色の炭酸ナトリウムの小さな白点がないことを確認した後、材料を均一に混合したと見なす。
実施例19
【0076】
本実施例にて提供される正極材料の製造方法は、実施例1を参照することができ、相違点は、以下のとおりである。
【0077】
(1)2.138kgの酸化ナトリウム粉末及び9.293kgの水酸化コバルト粉末を秤量し、それを高速混合機器に入れ、300rpmで3分間混合した後、500rpmで5分間混合してから、1000rpmで10分間混合した後、混合料を取り出し、混合料に白色の酸化ナトリウムの小さな白点がないことを確認した後、材料を均一に混合したと見なす。
実施例20
【0078】
本実施例にて提供される正極材料の製造方法は、実施例1を参照することができ、相違点は、以下のとおりである。
【0079】
(1)2.138kgの酸化ナトリウム粉末、9.200kgの水酸化コバルト粉末及び50.98gのナノアルミナ粉末を秤量し、それを高速混合機器に入れ、300rpmで3分間混合した後、500rpmで5分間混合してから、1000rpmで10分間混合した後、混合料を取り出し、混合料に白色の酸化ナトリウムの小さな白点がないことを確認した後、材料を均一に混合したと見なす。
実施例21
【0080】
本実施例にて提供される正極材料の製造方法は、実施例1を参照することができ、相違点は、以下のとおりである。
【0081】
(1)2.138kgの酸化ナトリウム粉末、9.014kgの水酸化コバルト粉末及び152.94gのナノアルミナ粉末を秤量し、それを高速混合機器に入れ、300rpmで3分間混合した後、500rpmで5分間混合してから、1000rpmで10分間混合した後、混合料を取り出し、混合料に白色の炭酸ナトリウムの小さな白点がないことを確認した後、材料を均一に混合したと見なす。
実施例22
【0082】
本実施例にて提供される正極材料の製造方法は、実施例1を参照することができ、相違点は、以下のとおりである。
【0083】
(1)2.138kgの酸化ナトリウム、8.828kgの水酸化コバルト粉末及び254.9gのナノアルミナ粉末を秤量し、それを高速混合機器に入れ、300rpmで3分間混合した後、500rpmで5分間混合してから、1000rpmで10分間混合した後、混合料を取り出し、混合料に白色の酸化ナトリウムの小さな白点がないことを確認した後、材料を均一に混合したと見なす。
比較例1
【0084】
本比較例にて提供される正極材料は一般のノンドープコバルト酸リチウムであり、その化学組成はLi1.003CoOであり、製造方法は、下記のステップ(1)~ステップ(4)を含む。
【0085】
(1)Li:Co=100.3:100のモル比で炭酸リチウム及び市場で購入した一般のドープされていない球状のCo粒子を秤量し、実施例と同じ撹拌機器を使用して、300rpmで、2種類の物質を3分間混合した後、500rpmで5分間混合してから、1000rpmで10分間混合した後、混合料を取り出し、混合料に白色の炭酸リチウムの小さな白点がないことを確認した後、材料を均一に混合したと見なす。
【0086】
(2)30gの混合料を取って、セラミックるつぼに装填し、機器の型番がVBF-1200Xであるピット型マッフル炉を使用して、高温焼結を行い、焼結の昇温グラフの昇温レートは5℃/minであり、1050℃に昇温すると、定温焼結を10h行い、焼結後、常温まで自然に降温させた後、サンプルを取り出して、焼結後のコバルト、リチウム化含有化合物Li1.003CoOを得る。
【0087】
(3)焼結して得たコバルト酸リチウムに対して粉砕・研磨処理を行った後、再度粉末をマッフル炉に置いて、950℃で、8h焼結し、その後、焼結生成物に対して粉砕処理を行って、D50が15.2μmである、何のドープ被覆もないLi1.003CoOを得る。
比較例2
【0088】
本比較例にて提供される正極材料は、高電圧ドープ被覆コバルト酸リチウムであり、その化学組成はLi1.0028Co0.982Al0.014Mg0.002La0.002である。
【0089】
当該正極材料の製造方法は、ステップ(1)~ステップ(3)を含む。
【0090】
(1)Li:Co:Mg=100.28:98.2:0.2のモル比で、炭酸リチウム及び市場で購入した一般のAl及びLaがドープされている球状Co粒子並びに酸化マグネシウム粒を秤量し、当該Co粒子の化学量論比はCo:Al:La=98.2:1.4:0.2であり、実施例と同じ撹拌機器を使用して、300rpmで、2種類の物質を3分間混合した後、500rpmで5分間混合してから、1000rpmで10分間混合した後、混合料を取り出し、混合料に白色の炭酸リチウムの小さな白点がないことを確認した後、材料を均一に混合したと見なす。
【0091】
(2)30gの混合料を取って、セラミックるつぼに装填し、機器の型番がVBF-1200Xであるピット型マッフル炉を使用して、高温焼結を行い、焼結の昇温グラフの昇温レートは5℃/minであり、1030℃に昇温すると、定温焼結を10h行い、焼結後、常温まで自然に降温させた後、サンプルを取り出して、焼結後のコバルト、ナトリウム含有化合物Li1.0028Co0.982Al0.014Mg0.002La0.002を得る。
【0092】
(3)焼結して得られたコバルト酸リチウムに対して粉砕・研磨処理を行った後、それと二酸化チタンをCo:Ti=98.2:0.2のモル比で秤量し、その後、2種類の材料を高速混合機器に入れ、材料の混合工程を設定し、300rpmで3分間混合した後、500rpmで5分間混合してから、1000rpmで10分間混合した後、混合料を取り出して、再度粉末をマッフル炉に置いて、950℃で、8h焼結し、その後、焼結生成物に対して粉砕処理を行って、D50が14.8μmである、ドープ被覆型の高電圧コバルト酸リチウム材料であるLi1.0028Co0.982Al0.014Mg0.002La0.002Ti0.002を得る。
比較例3
【0093】
本比較例にて提供される正極材料の製造方法は、実施例1を参照することができ、相違点は以下のとおりである。
【0094】
(3)10.49gの水酸化リチウム一水和物、10.59gの塩化リチウム及び10gのステップ2で得たコバルト、ナトリウム元素含有の化合物Na0.69CoOを秤量して、混合器に入れて、均一に混合した後、300℃で、高温焼結を5H行う。
比較例4
【0095】
本比較例にて提供される正極材料の製造方法は、実施例1を参照することができ、相違点は以下のとおりである。
【0096】
(3)10.49gの水酸化リチウム一水和物、10.59gの塩化リチウム及び10gのステップ2で得たコバルト、ナトリウム含有化合物Na0.69CoOを秤量して、混合器に入れ、均一に混合した後、250℃で、高温焼結を5H行う。
【0097】
実施例1~22及び比較例1~4にて提供される正極材料に対してXRDテストを行い、図1は、本発明の実施例1にて提供される正極材料のXRDテストデート図であり、図1から分かるように、実施例1にて提供される正極材料のXRD図には、002結晶面に対応する002ピーク、102結晶面に対応する102ピーク、103結晶面に対応する103ピーク、101結晶面に対応する101ピーク及び004結晶面に対応する004ピークが含まれ、且つ、対応する回折角及びピーク強度がリストアップされ、表1に示すとおりである。
【0098】
【表1-1】
【表1-2】
【0099】
表1の実施例1~12にて提供されるXRDデータから分かるように、異なる製造原料及び比例関係は、正極材料の相のピーク位置及びピーク強度に対して一定の影響があり、実施例13~22にて提供されるXRDデータから分かるように、ドープ元素の含有量の増加に伴って、正極材料の101結晶面と004結晶面とのピーク強度比が顕著に高くなり、比較例3~4から分かるように、焼結方式を用いてイオン交換反応を行うことと比較して、本発明にて提供される溶液法で製造された正極材料の101結晶面/004結晶面のピーク強度比mは顕著に高くなる。
【0100】
実施例1~22及び比較例1~4で製造した正極材料に対してボタン型電池容量テストを行い、ボタン型電池の製造方法は、以下のとおりである。実施例1~22及び比較例1~2で製造した正極材料を導電性カーボンブラック(SP)及びPVDFと、80:10:10の重量比で混合し、溶媒に分散させて、正極スラリーを取得し、当該スラリーをアルミニウム箔集電体に塗布し、圧延して正極シートを製造し、その後、正極シートを金型で直径が12mmのミニウエハーに打ち抜いた後、乾燥・秤量処理してから、Ar保護雰囲気でのグローブボックスにおいて、2025のボタン型電池ケースを使用して、Li金属ウエハーで負極を作り、一般の高電圧コバルト酸リチウム電解液と共にボタン型電池を組み立てる。ボタン型電池の製造が完了した後、一般の環境で4H静置した後、初回充放電容量テストを行い、テスト条件は、0.1Cで4.5Vになるまで充電し、定電圧で0.025Cまで充電した後に終了し、3min間静置した後、0.1Cで3.0Vになるまで放電し、実施例1にて提供される正極材料の充放電グラフは図2に示すとおりであり、初回充電グラム当たり容量、初回放電グラム当たり容量C0mAh/gを記録するとともに、放電が開始してから4.4Vまでの電圧終止範囲内での放電グラム当たり容量C1mAh/gを定義し、放電容量において、3.8V~3.7Vの放電電圧の範囲で放電されるグラム当たり容量はC2mAh/gであり、且つ、初回効率、C1/C0及びC2/C0を計算し、結果は表2に示すとおりである。
【0101】
実施例1~22及び比較例1~4に提供される正極材料に対して、一定量の増幅を行った後、それを導電性カーボンブラック、PVDFと共に、96:2:2の重量比で混合し、溶媒に分散させて、正極活性層スラリーを製造して、正極アルミニウム集電体の表面に塗布して、正極シートを取得し、その後、負極シート、セパレータ及び電解液を組み合わせてリチウムイオン電池を取得し、具体的な製造方法は、以下のとおりである。
【0102】
人造黒鉛(充電終止電圧は4.5V)、スチレンジエンゴム(SBR)と、カルボキシルメチル・セルロース・ナトリウムと、導電性カーボンブラックとを94:3:2:1の重量比で混合し、水中に分散させ、公転-自転混合装置で混合した後に、負極活性層スラリーを得て、負極の銅集電体に塗布して、負極シートを得る。
【0103】
電解液は、エチレン・カーボネート(EC)、ジエチルカーボネート(DEC)、炭酸プロピレン(PC)及びフルオロエチレンカーボネート(FEC)を含む有機溶媒と、下記のような構造を有する添加剤とを含む。
【化2】
【0104】
続いて、リチウムイオン電池のサイクル性能をテストし、サイクル性能テストの過程は以下のとおりである。25℃で、1Cの充電レートで4.50Vまで定電流充電してから、0.05Cの充電レートで4.50Vまで定電圧充電し、その後、1Cの放電レートで3.0Vまで放電し、このような充放電サイクルを500回繰り返し、1回目のサイクル時の放電容量及び500回目のサイクル時の放電容量を測定し、サイクル後の容量保持率=(500回目のサイクル時の放電容量)/(1回目のサイクル時の放電容量)*100%でサイクル後の容量保持率を算出し、結果は表2に示すとおりである。
【0105】
【表2-1】
【表2-2】
【0106】
表2から、本発明の実施例1~22にて提供される正極材料は、比較例1~4と比較して、リチウムイオン電池の容量及びサイクル性能の向上に有利であり、500回のサイクル後の容量保持率は少なくとも80%以上であることを見出し、且つ、実施例13~22及び比較例3~4から分かるように、ピーク強度比mの向上に伴って、リチウムイオン電池のサイクル性能もある程度向上する。上記をまとめると、本発明にて提供される正極材料により、リチウムイオン電池は、高電圧下で高い放電グラム当たり容量及び優れたサイクル性能が実現され、リチウムイオン電池に対する薄型化の要求を満たすことができる。
【0107】
最後に、以上の各実施例は、本発明の技術案を説明するために使用されるだけで、限定するものではないことを理解されたい。前述の各実施例を参照しながら本発明について詳細に説明したが、当業者であれば、前述の各実施例に記載の技術案を修正するか、又はその技術的特徴の一部又は全部に対して等価置換を行うことができ、これらの修正又は置換により、該当する技術案の本質が本発明各実施例技術案の範囲から逸脱することはない。
図1
図2