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特開2024-25928リチウムイオン二次電池用正極活物質混合体及びその製造方法
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  • 特開-リチウムイオン二次電池用正極活物質混合体及びその製造方法 図1
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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】P2024025928
(43)【公開日】2024-02-28
(54)【発明の名称】リチウムイオン二次電池用正極活物質混合体及びその製造方法
(51)【国際特許分類】
   H01M 4/525 20100101AFI20240220BHJP
   H01M 4/505 20100101ALI20240220BHJP
   H01M 4/58 20100101ALI20240220BHJP
   H01M 4/36 20060101ALI20240220BHJP
   C01G 53/00 20060101ALI20240220BHJP
   C01B 25/45 20060101ALI20240220BHJP
【FI】
H01M4/525
H01M4/505
H01M4/58
H01M4/36 E
H01M4/36 C
H01M4/36 A
C01G53/00 A
C01B25/45 T
【審査請求】未請求
【請求項の数】8
【出願形態】OL
(21)【出願番号】P 2022129312
(22)【出願日】2022-08-15
(71)【出願人】
【識別番号】000000240
【氏名又は名称】太平洋セメント株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110000084
【氏名又は名称】弁理士法人アルガ特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】塩▲崎▼ 麻由
(72)【発明者】
【氏名】山下 弘樹
(72)【発明者】
【氏名】大神 剛章
【テーマコード(参考)】
4G048
5H050
【Fターム(参考)】
4G048AA04
4G048AB02
4G048AC06
4G048AD04
4G048AE05
5H050AA08
5H050BA17
5H050CA02
5H050CA08
5H050CA29
5H050CB02
5H050CB03
5H050CB08
5H050CB09
5H050CB11
5H050CB12
5H050CB29
5H050GA02
5H050GA10
5H050HA01
5H050HA02
5H050HA07
(57)【要約】
【課題】層状型リチウム・ニッケル・コバルト・マンガン複合酸化物(NMC)を用いつつ、得られるリチウムイオン二次電池において、高い放電容量と優れた熱的安定性とをともに兼ね備えることのできる、リチウムイオン二次電池用正極活物質混合体、及びその製造方法に関する。
【解決手段】式(A):LiNiCoMn で表される粒子Aと、式(B):LiMnFe PO4で表され、炭素が粒子表面の一部を被覆しつつ粒子間を繋いでなる一次粒子bの凝集体であり、かつ一次粒子bに包囲されてなる空隙が内在する粒子Bとの混合体であって、
粒子Bの断面において、一次粒子bに包囲されてなる空隙の面積100%中での炭素が占める面積割合が10%以上であり、混合体全量中における粒子Bの含有量が10質量%以上30質量%未満であるリチウムイオン二次電池用正極活物質混合体。
【選択図】図2
【特許請求の範囲】
【請求項1】
下記式(A):
LiNiCoMn ・・・(A)
(式(A)中、M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及びwは、0.3≦a<1、0<b≦0.7、0<c≦0.7、0≦w≦0.3、3a+3b+3c+(Mの価数)×w=3、かつ0.3≦a/(a+b+c)<0.7を満たす数を示す。)
で表される粒子Aと、
下記式(B):
LiMnFe PO4・・・(B)
(式(B)中、MはMg、Al、Ti、Cu、Zn、Nb、Co、Ni、Ca、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd及びGdから選ばれる1種又は2種以上の元素を示す。f、g、h及びxは、0<f≦1.2、0.3≦g≦1.2、0.2≦h≦1.2、0≦x≦0.3を満たし、かつf+(Mnの価数)×g+(Feの価数)×h+(Mの価数)×x=3を満たす数を示す。)
で表され、炭素が粒子表面の一部を被覆しつつ粒子間を繋いでなる一次粒子bの凝集体であり、かつ一次粒子bに包囲されてなる空隙が内在する粒子B
との混合体であって、
粒子Bの断面において、一次粒子bに包囲されてなる空隙の面積100%中での炭素が占める面積割合が10%以上であり、
混合体全量中における粒子Bの含有量が10質量%以上30質量%未満であるリチウムイオン二次電池用正極活物質混合体。
【請求項2】
一次粒子bの粒子表面における炭素の被覆率が、5%以上70%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混合体。
【請求項3】
粒子B中における炭素含有量が、0.5質量%~2.5質量%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混合体。
【請求項4】
式(B)中におけるg及びhが、さらにg/(g+h)≦0.8を満たす数である請求項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混合体。
【請求項5】
一次粒子bの粒子表面を被覆する炭素が、セルロースナノファイバー由来の炭素である請求項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混合体。
【請求項6】
次の工程(I)~(V):
(I)リチウム化合物、少なくともマンガン化合物及び鉄化合物を含む金属化合物、リン酸化合物、炭素被覆剤X1、並びに水を添加してスラリー水iを得た後、水熱反応に付して、一次粒子bの予備粒子bxを得る工程
(II)得られた一次粒子bの予備粒子bx、炭素被覆剤X2、炭素被覆阻害剤Y、並びに水を添加してスラリー水iiを得る工程
(III)得られたスラリー水iiを噴霧乾燥に付して造粒体bzを得る工程
(IV)得られた造粒体bzを焼成して粒子Bを得る工程
(V)得られた粒子Bと、粒子Aとを、リチウムイオン二次電池用正極活物質混合体全量中における粒子Bの含有量が10質量%以上30質量%未満となる量で混合する工程
を備え、
炭素被覆剤X1及び炭素被覆剤X2が、糖類から選ばれる1種又は2種以上の炭素材料であり、炭素被覆剤X1の添加量と炭素被覆剤X2の添加量との質量比(X1/X2)が0.05~9.0であり、かつ
炭素被覆阻害剤Yが、糖類以外のポリオール、アミン、及びアミドから選ばれる1種又は2種以上の炭素材料である、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混合体の製造方法。
【請求項7】
炭素被覆剤X1及び炭素被覆剤X2が、セルロースナノファイバーである請求項6に記載のリチウムイオン二次電池用正極活物質混合体の製造方法。
【請求項8】
炭素被覆剤X1の添加量及び炭素被覆剤X2の添加量の合計量と、炭素被覆阻害剤Yの添加量との質量比((X1+X2)/Y)が、0.05~3.00である請求項6又は7に記載のリチウムイオン二次電池用正極活物質混合体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、リチウムイオン二次電池の放電容量を高めつつ優れた熱的安定性を確保することのできるリチウムイオン二次電池用正極活物質混合体、及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
層状型リチウム・ニッケル・コバルト・マンガン複合酸化物(NMC)等の層状型リチウム複合酸化物は、放電容量及び質量エネルギー密度が高く、リチウムイオン二次電池を構成できる有用な正極活物質材料として広く用いられている。その一方で、こうした層状型リチウム複合酸化物を用いると、良好な熱的安定性を充分に確保するのが困難となることから、熱的安定性の高いオリビン型正極材料をさらに添加する技術が種々開発されている。
【0003】
例えば、特許文献1には、平均粒子径や体積抵抗を制御しつつ、NMCと炭素で被覆したリチウム金属リン酸化合物とを含む正極活物質層を具備する正極が開示されており、また特許文献2には、体積抵抗率や含有量を制御しつつ、NMCと炭素で被覆したオリビン型リン酸化合物からなるリン酸炭素複合体とを有する正極が開示されており、いずれも熱的安定性等の改善を試みている。
さらに特許文献3には、NMCである第1正極活物質とオリビン構造を有する第2正極活物質とを含む混合正極活物質が開示されており、安定的な出力特性の発現を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開2018-037380号公報
【特許文献2】国際公報第2016/139957号
【特許文献3】特表2015-519005号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、上記いずれの特許文献に記載の技術であっても、放電容量についてはNMC単独で用いた正極材料よりも低下するおそれがあり、依然として改善の余地がある。
【0006】
したがって、本発明の課題は、NMCを用いつつ、得られるリチウムイオン二次電池において、高い放電容量と優れた熱的安定性とをともに兼ね備えることのできる、リチウムイオン二次電池用正極活物質混合体、及びその製造方法に関する。
【課題を解決するための手段】
【0007】
そこで本発明者は、上記課題を解決すべく鋭意検討を行った結果、Ni含有率が特定の範囲内であるNMCと、炭素を含有する特定のオリビン型リン酸遷移金属リチウム(LMFP)とを特定の量的関係にて含有することにより、得られるリチウムイオン二次電池において、高い放電容量を保持しつつ優れた熱的安定性を発現することのできるリチウムイオン二次電池用正極活物質混合体を見出した。
【0008】
すなわち、本発明は、下記式(A):
LiNiCoMn ・・・(A)
(式(A)中、M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及びwは、0.3≦a<1、0<b≦0.7、0<c≦0.7、0≦w≦0.3、3a+3b+3c+(Mの価数)×w=3、かつ0.3≦a/(a+b+c)<0.7を満たす数を示す。)
で表される粒子Aと、
下記式(B):
LiMnFe PO4・・・(B)
(式(B)中、MはMg、Al、Ti、Cu、Zn、Nb、Co、Ni、Ca、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd及びGdから選ばれる1種又は2種以上の元素を示す。f、g、h及びxは、0<f≦1.2、0.3≦g≦1.2、0.2≦h≦1.2、0≦x≦0.3を満たし、かつf+(Mnの価数)×g+(Feの価数)×h+(Mの価数)×x=3を満たす数を示す。)
で表され、炭素が粒子表面の一部を被覆しつつ粒子間を繋いでなる一次粒子bの凝集体であり、かつ一次粒子bに包囲されてなる空隙が内在する粒子B
との混合体であって、
粒子Bの断面において、一次粒子bに包囲されてなる空隙の面積100%中での炭素が占める面積割合が10%以上であり、
混合体全量中における粒子Bの含有量が10質量%以上30質量%未満であるリチウムイオン二次電池用正極活物質混合体を提供するものである。
【0009】
また、本発明は、次の工程(I)~(V):
(I)リチウム化合物、少なくともマンガン化合物及び鉄化合物を含む金属化合物、リン酸化合物、炭素被覆剤X1、並びに水を添加してスラリー水iを得た後、水熱反応に付して、一次粒子bの予備粒子bxを得る工程
(II)得られた一次粒子bの予備粒子bx、炭素被覆剤X2、炭素被覆阻害剤Y、並びに水を添加してスラリー水iiを得る工程
(III)得られたスラリー水iiを噴霧乾燥に付して造粒体bzを得る工程
(IV)得られた造粒体bzを焼成して粒子Bを得る工程
(V)得られた粒子Bと、粒子Aとを、リチウムイオン二次電池用正極活物質混合体全量中における粒子Bの含有量が10質量%以上30質量%未満となる量で混合する工程
を備え、
炭素被覆剤X1及び炭素被覆剤X2が、糖類から選ばれる1種又は2種以上の炭素材料であり、炭素被覆剤X1の添加量と炭素被覆剤X2の添加量との質量比(X1/X2)が0.05~9.0であり、かつ
炭素被覆阻害剤Yが、糖類以外のポリオール、アミン、及びアミドから選ばれる1種又は2種以上の炭素材料である、上記リチウムイオン二次電池用正極活物質混合体の製造方法を提供するものである。
【発明の効果】
【0010】
本発明のリチウムイオン二次電池用正極活物質混合体によれば、得られるリチウムイオン二次電池において、LMFPによる放電容量を充分に引き出し、NMCを単独で用いた場合と同程度以上の放電容量を確保することができるとともに、優れた熱的安定性をも発現することができる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
図1】製造例3により得られた粒子B1を形成してなる一次粒子b表面のTEM写真である。xnは、炭素が被覆されていない一次粒子bの表面の周長さを示し、xcは、炭素が被覆されてなる一次粒子bの表面の周長さを示す。
図2】製造例3により得られた粒子B1の断面において、一次粒子bに包囲されてなる空隙を示すTEM写真である。gは、一次粒子bに包囲されてなる空隙を示し、crは、炭素が占める領域を示す。
【発明を実施するための形態】
【0012】
以下、本発明について詳細に説明する。
本発明のリチウムイオン二次電池用正極活物質混合体は、下記式(A):
LiNiCoMn ・・・(A)
(式(A)中、M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及びwは、0.3≦a<1、0<b≦0.7、0<c≦0.7、0≦w≦0.3、3a+3b+3c+(Mの価数)×w=3、かつ0.3≦a/(a+b+c)<0.7を満たす数を示す。)
で表される粒子Aと、
下記式(B):
LiMnFe PO4・・・(B)
(式(B)中、MはMg、Al、Ti、Cu、Zn、Nb、Co、Ni、Ca、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd及びGdから選ばれる1種又は2種以上の元素を示す。f、g、h及びxは、0<f≦1.2、0.3≦g≦1.2、0.2≦h≦1.2、0≦x≦0.3を満たし、かつf+(Mnの価数)×g+(Feの価数)×h+(Mの価数)×x=3を満たす数を示す。)
で表され、炭素が粒子表面の一部を被覆しつつ粒子間を繋いでなる一次粒子bの凝集体であり、かつ一次粒子bに包囲されてなる空隙が内在する粒子B
との混合体であって、
粒子Bの断面において、一次粒子bに包囲されてなる空隙の面積100%中での炭素が占める面積割合が10%以上であり、
混合体全量中における粒子Bの含有量が10質量%以上30質量%未満である。
【0013】
このように、本発明のリチウムイオン二次電池用正極活物質混合体は、Ni含有率が特定の範囲内のNMCの粒子Aと、特異な形態で粒子表面に炭素が被覆してなる一次粒子が凝集してなるLMFPの粒子Bとを特定の量で含有する、粒子Aと粒子Bとの混合体であることから、得られるリチウムイオン二次電池において、放電容量を不要に低下させることなく、熱的安定性を有効に高めることができる。
【0014】
本発明のリチウムイオン二次電池用正極活物質混合体を構成する粒子Aは、下記式(A)で表される。
LiNiCoMn ・・・(A)
(式(A)中、M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及びwは、0.3≦a<1、0<b≦0.7、0<c≦0.7、0≦w≦0.3、3a+3b+3c+(Mの価数)×w=3、かつ0.3≦a/(a+b+c)<0.7を満たす数を示す。)
【0015】
上記式(A)で表される粒子Aは、Li-Ni-Co-Mn酸化物粒子(NMC粒子)、いわゆるリチウム複合酸化物粒子であって、一次粒子の凝集体であり、かつ層状型岩塩構造を有する粒子である。そして、式(A)中のa、b、及びcが0.3≦a/(a+b+c)<0.7を満たすとおり、Ni、Co、及びMnの総モル量におけるNiのモル量が30%以上70%未満なる限られた量の粒子である。かかる粒子Aとともに後述する粒子Bを特定の量で含有することにより、放電容量の不要な低下を有効に防止しながら、熱的安定性の向上を図ることができる。
【0016】
式(A)中のM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。
また、上記式(A)中のa、b、c、wは、0.3≦a<1、0<b≦0.7、0<c≦0.7、0≦w≦0.3、かつ3a+3b+3c+(Mの価数)×w=3、かつ0.3≦a/(a+b+c)<0.7を満たす数である。
【0017】
粒子Aにおいて、Ni、Co及びMnは、電子伝導性に優れ、電池容量及び出力特性に寄与することが知られている。また、熱的安定性の観点からは、かかる遷移元素の一部が他の金属元素Mにより置換されていることが好ましい。これら金属元素Mにより置換されることにより、粒子Aの結晶構造が安定化されるため、充放電を繰り返しても結晶構造の破壊が抑制でき、優れた熱的安定性を確保し得ると考えられる。
なかでも、上記式(A)中のa、b及びcは、好ましくは0.35≦a/(a+b+c)≦0.65を満たす数であり、より好ましくは0.45≦a/(a+b+c)≦0.60を満たす数である。
【0018】
かかる粒子Aとしては、具体的には、例えばLiNi0.33Co0.33Mn0.34、LiNi0.4Co0.3Mn0.3、LiNi0.5Co0.3Mn0.2、LiNi0.6Co0.2Mn0.2、LiNi0.6Co0.19Mn0.2Al0.01、LiNi0.6Co0.19Mn0.2Mg0.01、LiNi0.33Co0.31Mn0.33Mg0.03、又はLiNi0.33Co0.31Mn0.33Zn0.03等が挙げられる。なかでも、LiNi0.6Co0.2Mn0.2、LiNi0.5Co0.3Mn0.2、LiNi0.33Co0.33Mn0.34、LiNi0.33Co0.31Mn0.33Mg0.03からなる粒子が好ましい。
【0019】
さらに、粒子Aは、互いに組成が異なるコア部(内部)とシェル部(表層部)とを有するコア-シェル構造を形成していてもよい。このコア-シェル構造を形成してなる粒子Aとすることによって、電解液に溶出しやすいNi濃度の高いNMC系複合酸化物粒子をコア部に配置し、電解液に接するシェル部にはNi濃度の低いNMC系複合酸化物粒子を配置することができるので、電解液への粒子Aからの金属成分(Ni、Mn、Co、M)の溶出を抑制することができる。このとき、コア部は1相であってもよいし、組成の異なる2相以上で構成していてもよい。コア部を2相以上で構成する態様として、同心円状に複数の相が層状となって積層された構造でもよいし、コア部の表面から中心部に向けて遷移的に組成が変化する構造でもよい。
さらに、シェル部は、コア部の外側に形成されてなるものであればよく、コア部同様に1相であってもよいし、組成の異なる2相以上で構成していてもよい。
【0020】
さらに、粒子Aは、金属酸化物、金属フッ化物又は金属リン酸塩で被覆されていてもよい。これら金属酸化物、金属フッ化物又は金属リン酸塩でNMC粒子を被覆することによって、電解液へのNMC粒子からの金属成分(Ni、Mn、Co、M)の溶出を抑制することができる。かかる被覆物としては、CeO、SiO、MgO、Al、ZrO、TiO、ZnO、RuO、SnO、CoO、Nb、CuO、V、MoO、La、WO、AlF、NiF、MgF、LiF、LiPO、Li、LiPO、LiPOF、及びLiPOから選択される1種又は2種以上、或いはこれらの複合化物を用いることができる。
【0021】
粒子Aの一次粒子としての平均粒径は、リチウムイオンの挿入及び脱離に伴う上記一次粒子の膨張収縮量を抑制することができ、粒子割れを有効に防止する観点、及びハンドリングの観点から、50nm~500nmであり、より好ましくは50nm~300nmである。
また、上記一次粒子の凝集体(二次粒子)である粒子Aの平均粒径(単に「粒子Aの平均粒径」という)は、優れた熱的安定性の付与を確保する観点、及びハンドリングの観点から、好ましくは3μm~20μmであり、より好ましくは5μm~15μmである。
ここで、粒子Aにおける「平均粒径」とは、レーザー回折・散乱法に基づく体積基準の粒度分布により得られるD50値(累積50%での粒径(メジアン径))を意味する。
【0022】
粒子Aのタップ密度は、高い放電容量を確保する観点、及びハンドリングの観点から、好ましくは1.5g/cm~3.5g/cmであり、より好ましくは2.0g/cm~3.0g/cmである。
なお、タップ密度とは、以下同様、JIS R 1628「ファインセラミックス粉末のかさ密度測定方法」に規定される方法により測定される「タップかさ密度」を意味する。
【0023】
なお、本発明のリチウムイオン二次電池用正極活物質混合体は、粒子Aと粒子Bからなるため、かかる混合体全量中における粒子Aの含有量は、後述する粒子Bの残部であればよい。
【0024】
粒子Aは、例えば、以下の製造方法により得ることができる。
具体的には、ニッケル化合物、コバルト化合物、マンガン化合物、及び水を添加してスラリー水aを調製し、かかるスラリー水aをろ過・乾燥して混合物Aを得る工程(Ia)、得られた混合物Aにリチウム化合物を添加して混合し、次いで焼成する工程(IIa)を備える製造方法である。
【0025】
工程(Ia)において用いるニッケル化合物としては、硫酸ニッケル、酢酸ニッケル等が挙げられ、これらは1種単独で用いてもよく、2種以上組み合わせて用いてもよい。なかでも、電池特性を高める観点から、硫酸ニッケルが好ましい。
コバルト化合物としては、酢酸コバルト、硝酸コバルト、硫酸コバルト等が挙げられる。これらは1種単独で用いてもよく、2種以上組み合わせて用いてもよい。なかでも、電池特性を高める観点から、硫酸コバルトが好ましい。
マンガン化合物としては、酢酸マンガン、硝酸マンガン、硫酸マンガン等が挙げられる。これらは1種単独で用いてもよく、2種以上組み合わせて用いてもよい。なかでも、電池特性を高める観点から、硫酸マンガンが好ましい。
なお、これらニッケル化合物、コバルト化合物、及びマンガン化合物とともに、これらの化合物以外の金属(M)化合物を用いてもよい。
リチウム化合物としては、水酸化物(例えばLiOH・H2O、LiOH)、炭酸塩、硫酸塩、酢酸塩が挙げられる。なかでも、炭酸塩が好ましい。
【0026】
工程(Ia)において、スラリー水aを得るにあたり、pH8~13に調整するのが好ましく、例えばアンモニア水を滴下することにより調整すればよい。
【0027】
工程(IIa)において、焼成する際、まず500℃~1000℃、好ましくは600℃~900℃にて1時間~15時間、好ましくは1時間~6時間で仮焼成した後、500℃~1000℃、好ましくは600℃~900℃にて1時間~15時間、好ましくは5時間~13時間で本焼成するのがよい。また、仮焼成後に解砕してから本焼成に付すのがよい。
【0028】
本発明のリチウムイオン二次電池用正極活物質混合体を構成する粒子Bは、下記式(B):
LiMnFe PO4・・・(B)
(式(B)中、MはMg、Al、Ti、Cu、Zn、Nb、Co、Ni、Ca、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd及びGdから選ばれる1種又は2種以上の元素を示す。f、g、h及びxは、0<f≦1.2、0.3≦g≦1.2、0.2≦h≦1.2、0≦x≦0.3を満たし、かつf+(Mnの価数)×g+(Feの価数)×h+(Mの価数)×x=3を満たす数を示す。)
で表され、炭素が粒子表面の一部を被覆しつつ粒子間を繋いでなる一次粒子bの凝集体であり、かつ一次粒子bに包囲されてなる空隙が内在する。そして、粒子Bの断面において、一次粒子bに包囲されてなる空隙の面積100%中での炭素が占める面積割合は10%以上である。
【0029】
すなわち、上記式(B)で表される粒子Bは、少なくとも遷移金属としてマンガン(Mn)及び鉄(Fe)の双方を含む、いわゆるオリビン型リン酸遷移金属リチウム化合物(LMFP粒子)であって、一次粒子bの凝集体である。そして、一次粒子bの表面には炭素が偏在して表面の一部を被覆してなり、一次粒子bが凝集してなる粒子B内には一定の空隙が存在するなか、一次粒子b表面の炭素が一次粒子bと一次粒子bとの間を繋いでいる。そのため、粒子Bに内在する空隙には、一次粒子bに包囲されてなる空隙が存在し、粒子Bの断面を観察したときに、一次粒子bに包囲されてなる空隙の面積100%中で炭素が10%以上の割合を占め、一次粒子b表面で偏在しながらも一次粒子b粒子間を広く占める炭素が存在している。
このように、粒子Bが、表面の一部を被覆してなる炭素が特異な状況で存在する一次粒子bの凝集体であることにより、例えば一次粒子の表面全域を均一に被覆してなる粒子よりも、一次粒子間の電子導電パスの効率化を図ってLMFPによる放電容量を充分に引き出すことができ、後述するように、かかる粒子Bを特定量で粒子Aと併用すれば、高い放電容量を確保することが可能となる。
【0030】
上記式(B)中、Mは、Mg、Al、Ti、Cu、Zn、Nb、Co、Ni、Ca、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd又はGdを示し、放電容量を高める観点から、Mg、Al、Ti、Zn、Nb、Co、Zr、又はGdが好ましい。
また、上記式(B)中のf、g、h及びxは、0<f≦1.2、0.3≦g≦1.2、0.2≦h≦1.2、0≦x≦0.3を満たし、かつf+(Mnの価数)×g+(Feの価数)×h+(Mの価数)×x=3を満たす数を示す。
【0031】
上記式(B)で表されるリチウム系ポリアニオン粒子としては、放電容量の向上の観点から、fについては、0.6≦f≦1.2が好ましく、0.65≦f≦1.15がより好ましく、0.7≦f≦1.1がさらに好ましい。gについては、0.4≦g≦0.8が好ましい。hについては、0.2≦h≦0.6が好ましい。xについては、0≦x≦0.2が好ましく、0≦x≦0.15がより好ましく、0≦x≦0.1がさらに好ましい。
なかでも、高い放電容量と有効な電子伝導性を兼ね備える観点から、g及びhが、g/(g+h)≦0.8を満たす数であるのが好ましく、0.2≦g/(g+h)≦0.8を満たす数であるのがより好ましく、0.3≦g/(g+h)≦0.75を満たす数であるのがさらに好ましい。
【0032】
具体的には、例えばLiMn0.3Fe0.7PO、LiMn0.4Fe0.6PO、LiMn0.45Fe0.55PO、LiMn0.7Fe0.3PO、LiMn0.8Fe0.2PO、LiMn0.75Fe0.15Mg0.1PO、LiMn0.75Fe0.19Zr0.03PO、LiMn0.6Fe0.4PO、LiMn0.5Fe0.5PO、Li1.2Mn0.63Fe0.27PO、又はLi0.6Mn0.84Fe0.36PO等が挙げられる。なかでもLiMn0.7Fe0.3PO、LiMn0.45Fe0.55POが好ましい。
【0033】
粒子Bを形成する一次粒子bは、その表面の一部に炭素が被覆されてなる。かかる炭素は、糖類から選ばれる1種又は2種以上の炭素材料が炭化されて炭素となり、これが一次粒子bの表面に被覆してなるものである。かかる糖類から選ばれる1種又は2種以上の炭素材料(後述するように「炭素被覆剤X1及び炭素被覆剤X2」に相当する)は、炭化されて炭素となりつつ、糖類以外のポリオール、アミン、及びアミドから選ばれる1種又は2種以上の炭素材料(後述するように「炭素被覆阻害剤Y」に相当する)が介在することによって、一次粒子bの表面に偏在して被覆することとなる。
なお、一次粒子bの表面に被覆されてなる炭素は、糖類から選ばれる1種又は2種以上の炭素材料由来の炭素である一方、糖類以外のポリオール、アミン、及びアミドから選ばれる1種又は2種以上の炭素材料は、一次粒子bに残存しない。
【0034】
糖類から選ばれる1種又は2種以上の炭素材料としては、具体的には、グルコース、フルクトース、ガラクトース、マンノース等の単糖類;マルトース、スクロース、セロビオース等の二糖類;デンプン、デキストリン、セルロース等の多糖類;セルロースナノファイバー、リグノセルロースナノファイバー、キチンナノファイバー、キトサンナノファイバー等の多糖類のナノファイバーから選ばれる1種又は2種以上が挙げられる。
なかでも、電子導電パスを有効に高めて、高い放電容量を確保する観点から、セルロースナノファイバー、リグノセルロースナノファイバー、キチンナノファイバー、又はキトサンナノファイバーが好ましく、セルロースナノファイバーがより好ましい。
【0035】
一次粒子bの表面における炭素の被覆率は、かかる値を低く限られた範囲に制御しつつ、一次粒子bの表面に炭素を偏在させ、粒子B内の空隙において広い領域を占めながら一次粒子bを繋ぎ、電子導電パスの効率化を図って放電容量を有効に高める観点から、好ましくは5%以上70%未満であって、より好ましくは5%以上50%未満であり、さらに好ましくは10%~48%であり、よりさらに好ましくは15%~45%である。
【0036】
なお、一次粒子bの表面における「炭素の被覆率(%)」とは、次の方法により求めた値を意味する。具体的には、図1にも示すように、まずTEMの電子顕微鏡観察により、リチウムイオン二次電池用正極活物質混合体の粒子を撮影した1の視野において一次粒子bの表面を観察し、炭素が被覆されていない一次粒子bの表面、及び炭素が被覆されてなる一次粒子bの表面を特定する。次いで、かかる視野中における、これら「炭素が被覆されていない一次粒子bの表面の周長さxn」、及び「炭素が被覆されてなる一次粒子bの表面の周長さxc」を測定し、xnとxcを合計して「一次粒子bの表面の全周長さxA」とする。
得られた「一次粒子bの表面の全周長さxA」と「炭素が被覆されてなる一次粒子bの表面の周長さxc」の値を下記式(1)に導入して1の視野における炭素の被覆率(%)を算出し、50視野において求めた値を平均して、一次粒子bの表面における炭素の被覆率(%)とする。
炭素被覆率(%)={(炭素が被覆されてなる粒子Xの表面の周長さxc)/
(粒子Xの表面の全周長さxA)}×100・・・(1)
【0037】
表面の一部に炭素が被覆されてなる一次粒子bが一次粒子b間を繋いでなり、かかる一次粒子bが凝集してなる粒子Bにおいて、一次粒子bに包囲されてなる空隙が内在する。「一次粒子bに包囲されてなる空隙」とは、図2において「g」として示すように、粒子Bの断面を観察したときに、粒子B内において、凝集してなる一次粒子bによって形成される粒子間隙のうち、一次粒子bがその四方八方を塞いでなる空隙を意味する。一次粒子bの表面の一部を被覆する炭素は、かかる空隙において広い領域を占めつつ一次粒子b間を繋いでなるため、効率的な電子導電パスを促進して、放電容量を高めることに寄与することができる。
そして、粒子Bの断面において、一次粒子bに包囲されてなる空隙の面積100%中での炭素が占める面積割合は、一次粒子bの表面に炭素を偏在させ、粒子B内の空隙において広い領域を占めながら一次粒子bを繋ぎ、電子導電パスの効率化を図る観点から、10%以上であって、好ましくは10%~90%であり、より好ましくは10%~70%であり、さらに好ましくは10%~50%である。
【0038】
なお、粒子Bの断面において、一次粒子bに包囲されてなる空隙の面積100%中での炭素が占める面積割合は、次の方法により求めた値を意味する。具体的には、まずTEMの電子顕微鏡観察により、リチウムイオン二次電池用正極活物質混合体を構成する粒子Bの断面を撮影した1の視野において、粒子Bに内在する、一次粒子bに包囲されてなる空隙を観察する。次いで、かかる空隙を包囲する一次粒子bのうち最も小さい1の粒子を選択し、かかる選択した粒子の面積の0.3~1.5倍の面積を占める空隙を50視野選択し、空隙の面積100%中での炭素が占める面積割合を算出してその平均値を求め、一次粒子bに包囲されてなる空隙の面積100%中での炭素が占める面積割合(%)とする。
【0039】
一次粒子bの平均粒径は、リチウムイオンの挿入及び脱離に伴う膨張収縮量を抑制することができ、電子導電パスを有効に高める観点、及びハンドリングの観点から、好ましくは70nm~200nmであり、より好ましくは90nm~170nmである。
また、一次粒子bが凝集して形成する粒子Bの平均粒径は、熱的安定性にも優れる電池を得る観点、及びハンドリングの観点から、好ましくは10μm~30μmであり、より好ましくは12μm~20μmである。
ここで、一次粒子bにおける「平均粒径」とは、X線回折パターンをXRD/ルベール法を用いて結晶子径を算出して得られる値を意味する。また、粒子Bにおける「平均粒径」とは、レーザー回折・散乱法に基づく体積基準の粒度分布により得られるD50値(累積50%での粒径(メジアン径))を意味する。
【0040】
粒子B中における炭素含有量は、一次粒子bにおいて上記炭素材料が炭化されてなる炭素の含有量に相当するものであり、粒子B中に、好ましくは0.5質量%~2.5質量%であり、より好ましくは0.6質量%~2.0質量%であり、さらに好ましくは0.7質量%~1.8質量%である。
【0041】
なお、粒子B中に含有される炭素は、これを形成する一次粒子b表面に存在する上記炭素材料が炭化されてなる炭素、すなわち上記炭素材料の原子換算量に相当するものであり、炭素・硫黄分析装置を用いた測定により求められる。
【0042】
粒子Bのタップ密度は、電極密度を向上させて、放電容量を高める観点から、好ましくは0.8g/cm~1.6g/cmであり、より好ましくは0.9g/cm~1.6g/cmである。
【0043】
本発明のリチウムイオン二次電池用正極活物質混合体は、粒子Aと粒子Bとの混合体である。かかる混合体全量中における粒子Bの含有量は、粒子BによってLMFPによる放電容量を充分に引き出させつつ、優れた熱的安定性を確保する観点から、10質量%以上30質量%未満であって、好ましくは12質量%~25質量%であり、より好ましくは14質量%~25質量%である。
【0044】
本発明のリチウムイオン二次電池用正極活物質混合体は、上記粒子Aを用い、次の工程(I)~(V):
(I)リチウム化合物、少なくともマンガン化合物及び鉄化合物を含む金属化合物、リン酸化合物、炭素被覆剤X1、並びに水を添加してスラリー水iを得た後、水熱反応に付して、一次粒子bの予備粒子bxを得る工程
(II)得られた一次粒子bの予備粒子bx、炭素被覆剤X2、炭素被覆阻害剤Y、並びに水を添加してスラリー水iiを得る工程
(III)得られたスラリー水iiを噴霧乾燥に付して造粒体bzを得る工程
(IV)得られた造粒体bzを焼成して粒子Bを得る工程
(V)得られた粒子Bと、粒子Aとを、リチウムイオン二次電池用正極活物質混合体全量中における粒子Bの含有量が10質量%以上30質量%未満となる量で混合する工程
を備え、
炭素被覆剤X1及び炭素被覆剤X2が、糖類から選ばれる1種又は2種以上の炭素材料であり、炭素被覆剤X1の添加量と炭素被覆剤X2の添加量との質量比(X1/X2)が0.05~9.0であり、かつ
炭素被覆阻害剤Yが、糖類以外のポリオール、アミン、及びアミドから選ばれる1種又は2種以上の炭素材料である、製造方法により得ることができる。
【0045】
このように、特定の炭素被覆剤X1及び炭素被覆剤X2、並びに炭素被覆阻害剤Yを用いつつ、炭素被覆剤X1と炭素被覆剤X2とを上記工程(I)と工程(II)とにおいて特定の質量比(X1/X2)となるよう添加することにより、上述したような特異な形態で粒子表面に炭素が被覆してなる一次粒子bが得られ、さらにこれが凝集してなる粒子Bを得ることができるため、粒子Aと相まって、高い放電容量と優れた熱的安定性を兼ね備えるリチウムイオン二次電池用正極活物質混合体を製造することが可能となる。
【0046】
本発明の製造方法が備える工程(I)は、リチウム化合物、少なくともマンガン化合物及び鉄化合物を含む金属化合物、リン酸化合物、炭素被覆剤X1、並びに水を添加してスラリー水iを得た後、水熱反応に付して、一次粒子bの予備粒子bxを得る工程である。
【0047】
用い得るリチウム化合物としては、水酸化物(例えばLiOH・H2O、LiOH)、炭酸塩、硫酸塩、酢酸塩が挙げられる。なかでも、水酸化物が好ましい。
用い得るマンガン化合物としては、酢酸マンガン、硝酸マンガン、硫酸マンガン等が挙げられる。これらは1種単独で用いてもよく、2種以上組み合わせて用いてもよい。なかでも、電池特性を高める観点から、硫酸マンガンが好ましい。
用い得る鉄化合物としては、酢酸鉄、硝酸鉄、硫酸鉄等が挙げられる。これらは1種単独で用いてもよく、2種以上組み合わせて用いてもよい。なかでも、電池特性を高める観点から、硫酸鉄が好ましい。
なお、これらマンガン化合物及び鉄化合物とともに、マンガン化合物及び鉄化合物以外の金属(M:Mは式(b)中のMと同義)化合物を用いてもよい。
用い得るリン酸化合物としては、オルトリン酸(H3PO4、リン酸)、メタリン酸、ピロリン酸、三リン酸、四リン酸、リン酸アンモニウム、リン酸水素アンモニウム等が挙げられる。なかでもリン酸を用いるのが好ましく、70質量%~90質量%濃度の水溶液として用いるのが好ましい。
【0048】
スラリー水iにおけるリチウム化合物、マンガン化合物及び鉄化合物を含む金属化合物、並びにリン酸化合物の使用量は、適宜目的とする粒子Bの組成に応じて決定し、通常の方法にしたがって調製すればよい。
【0049】
炭素被覆剤X1とは、上記糖類から選ばれる1種又は2種以上の炭素材料であり、かかる炭素被覆剤X1としては、工程(II)で用いる炭素被覆剤X2と同じ炭素材料が挙げられる。具体的には、上記と同様のものを用いることができる。なかでも、電子導電パスを有効に高めて、得られる電池における高い放電容量を確保する観点から、セルロースナノファイバー、リグノセルロースナノファイバー、キチンナノファイバー、又はキトサンナノファイバーを用いるのが好ましく、セルロースナノファイバーがより好ましい。
【0050】
炭素被覆剤X1の添加量は、一次粒子bの表面における炭素の被覆を上記特異な状況に制御する観点から、後述する工程(II)における炭素被覆剤X2の添加量との質量比(X1/X2)で、0.05~9.0であって、好ましくは0.08~6.0であり、より好ましくは0.1~3.0である。
また、炭素被覆剤X1の添加量は、後述する炭素被覆剤X2の添加量との合計での炭素原子換算により、粒子B中における炭素含有量を加味しつつ適宜調整すればよい。
【0051】
これらリチウム化合物、少なくともマンガン化合物及び鉄化合物を含む金属化合物、リン酸化合物、炭素被覆剤X1、並びに水の添加順序は、特に制限されず、一括して添加してもよいが、金属化合物、リン酸化合物及び水を先に混合した後に、炭素被覆剤X1を添加するのが好ましい。
【0052】
スラリー水iの固形分濃度は、好ましくは20質量部~80質量部であり、より好ましくは30質量部~70質量部であり、さらに好ましくは40質量部~60質量部である。
【0053】
水を添加した後、水熱反応に付す前にスラリー水iを予め撹拌するのが好ましい。かかるスラリー水iの撹拌時間は、好ましくは1分~30分であり、より好ましくは5分~20分である。また、スラリー水iiの温度は、好ましくは10℃~50℃であり、より好ましくは15℃~35℃である。
【0054】
次いで、得られたスラリー水iを水熱反応に付して、一次粒子bの予備粒子bxを得る工程を得る。
水熱反応に付する際に用いる水の使用量は、金属化合物の溶解性、撹拌の容易性、及び合成の効率等の観点から、スラリー水i中に含有されるリン酸イオン1モルに対し、好ましくは10モル~50モルであり、より好ましくは12.5モル~45モルである。
【0055】
水熱反応は、100℃~300℃が好ましく、120℃~250℃がより好ましい。水熱反応は耐圧容器中で行うのが好ましく、100℃~300℃で反応を行う場合、この時の圧力は0.1MPa~10MPaであるのが好ましく、130℃~250℃で反応を行う場合の圧力は0.2MPa~4.0MPaであるのが好ましい。水熱反応時間は、0.2時間~30時間が好ましく、さらに0.5時間~10時間が好ましい。
得られた予備粒子bxは、ろ過後、水で洗浄するのがよい。
【0056】
工程(II)は、上記工程(I)で得られた一次粒子bの予備粒子bx、炭素被覆剤X2、炭素被覆阻害剤Y、並びに水を添加してスラリー水iiを得る工程である。
炭素被覆剤X2としては、上述のとおり、炭素被覆剤X1と同じ炭素材料が挙げられる。
なお、炭素被覆剤X2の添加量は、炭素被覆剤X1の添加量との合計での炭素原子換算により、粒子B中における炭素含有量を加味しつつ適宜調整すればよい。具体的には、炭素被覆剤X2の添加量は、一次粒子bの予備粒子bx100質量部に対し、炭素原子換算で、好ましくは0.1質量部~1.8質量部であり、より好ましくは0.1質量部~1.7質量部であり、さらに好ましくは0.1質量部~1.5質量部である。
【0057】
炭素被覆阻害剤Yとは、糖類以外のポリオール、アミン、及びアミドから選ばれる1種又は2種以上の炭素材料、すなわち炭素被覆剤X1及び炭素被覆剤X2以外のポリオール、及びアミン、及びアミドから選ばれる1種又は2種以上の炭素材料である。このような炭素被覆阻害剤Yを用いることにより、工程(II)を経た後、一次粒子bの予備粒子bxの表面の一部に炭素被覆阻害剤Yが被覆しながら、先に炭素被覆剤X1が表面近傍を被覆するように取り巻く一次粒子bの予備粒子bxの表面に、さらに炭素被覆剤X2が被覆するのを適度に阻害して、一次粒子bの表面において炭素を偏在させつつ、一次粒子bに包囲されてなる空隙において炭素に広い領域を占めさせることが可能となる。
なお、炭素被覆剤X2は、全工程を経た後、最終的には炭素被覆剤X1とともに炭化されて一次粒子bの表面に炭素として被覆される一方、炭素被覆阻害剤Yは焼失し、粒子Bに残存しないこととなる。
【0058】
糖類以外のポリオールとしては、具体的には、質量平均分子量1000以下のポリエチレングリコール、質量平均分子量2000以下のポリプロピレングリコールであるヒドロキシ基を2つ有するポリオール;質量平均分子量3000以下のヒドロキシ基を3つ以上有するポリエーテルポリオールが挙げられる。なかでも、揮発温度が170℃~400℃であるポリオールが好ましく、より具体的には、エチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、テトラエチレングリコール、プロピレングリコール、ジプロピレングリコール、トリプロピレングリコール、テトラプロピレングリコール、ブタンジオール、ペンタンジオール、ヘキサンジオール、ヘキサントリオール、ヘプタンジオール、ヘプタントリオール、オクタンジオール、オクタントリオール、ノナンジオール、ノナントリオール、デカンジオール、デカントリオール、ドデカンジオール等のヒドロキシ基を2つ有するポリオール;
グリセリン、トリメチロールプロパン、ペンタエリスリトール、ジペンタエリスリトール等のヒドロキシ基を3つ以上有するポリオールが挙げられる。
【0059】
アミン及びアミドとしては、揮発温度が170℃以上のものが好ましく、具体的には、ジエタノールアミン、トリエタノールアミン等の脂肪族アミン、イミダゾール等の複素環式アミン;ホルムアミド、アセトアミド等のアミド;ポリアクリルアミド、ポリ-N-ビニルアセトアミド等のポリアミド;オレイン酸アミド、ステアリン酸アミド等の脂肪酸アミドが挙げられる。
【0060】
かかる炭素被覆阻害剤Yとしては、エチレングリコール、プロピレングリコール、グリセリン、トリエタノールアミン、又はオレイン酸アミドが好ましい。
【0061】
炭素被覆阻害剤Yの添加量は、一次粒子bの予備粒子bx100質量部に対し、好ましくは1.5質量部~20質量部であり、より好ましくは2.0質量部~15質量部であり、さらに好ましくは3.0質量部~12質量部である。
また、炭素被覆阻害剤Yの添加量は、一次粒子bの表面における炭素の被覆を上記特異な状況に制御する観点から、炭素被覆剤X1の添加量及び炭素被覆剤X2の添加量の炭素原子換算での合計量と炭素被覆阻害剤Yの添加量との質量比((X1+X2)/Y)で、好ましくは0.05~3.00であり、より好ましくは0.10~2.00であり、さらに好ましくは0.15~1.50である。また、炭素被覆剤X1の炭素原子換算での添加量と炭素被覆阻害剤Yの添加量との質量比(X1/Y)は、好ましくは0.01~1.20であり、より好ましくは0.01~0.45であり、さらに好ましくは0.01~0.30である。
【0062】
一次粒子bの予備粒子bx、炭素被覆剤X2、炭素被覆阻害剤Y、及び水の添加順序は、特に制限されず、一括して添加してもよいが、予め一次粒子bの予備粒子bx、炭素被覆阻害剤Y及び水を添加及び混合した後、これにより得られた混合物及び炭素被覆剤X2を混合するのが好ましい。
【0063】
スラリー水iiの固形分濃度は、好ましくは30質量%~70質量%であり、より好ましくは35質量%~65質量%であり、さらに好ましくは40質量%~60質量%である。
【0064】
水を添加した後、工程(III)へ移行する前にスラリー水iiを予め撹拌するのが好ましい。かかるスラリー水iiの撹拌時間は、好ましくは1分~30分であり、より好ましくは5分~20分である。また、スラリー水bの温度は、好ましくは10℃~50℃であり、より好ましくは15℃~35℃である。
【0065】
工程(III)は、上記工程(II)で得られたスラリー水iiを噴霧乾燥に付して造粒体bzを得る工程である。これにより、一次粒子bの予備粒子bxの表面の一部に炭素被覆阻害剤Yが被覆することによって、かかる予備粒子bxの表面に炭素被覆剤X2が被覆されるのを適度に阻害しつつ予備粒子bxを凝集させ、造粒体bzを形成させることができる。
【0066】
工程(III)では、噴霧乾燥において、用いる装置に応じて適宜運転条件を設定すればよい。例えば、4流体ノズルを備えたマイクロミストドライヤー(藤崎電気(株)製 MDL-050M)での処理条件としては、熱風温度が110℃~300℃であるのが好ましく、150℃~250℃であるのがより好ましい。また、熱風の供給量とスラリー水の供給量の比(熱風の供給量/スラリー水の供給量)が、500~10000であるのが好ましく、1000~9000であるのがより好ましい。
【0067】
工程(IV)は、上記工程(III)で得られた造粒体bzを焼成して粒子Bを得る工程である。かかる工程(IV)における造粒体bzの焼成条件は、還元雰囲気又は不活性雰囲気中であるのが好ましく、焼成温度は、好ましくは500℃~1000℃であり、より好ましくは550℃~900℃であり、焼成時間は、好ましくは0.5時間~12時間であり、より好ましくは1時間~6時間である。
【0068】
工程(V)は、上記工程(IV)で得られた粒子Bと、粒子Aとを、リチウムイオン二次電池用正極活物質混合体全量中における粒子Bの含有量が10質量%以上30質量%未満となる量で混合する工程である。かかる工程(V)を経ることにより、本発明のリチウムイオン二次電池用正極活物質混合体を得ることができる。なお、粒子Aの製造方法は、上述の通りである。工程(V)では、これら粒子Aと粒子Bとを粒子Bが上記含有量となる量に調整した後、常法により混合すればよい。
【0069】
本発明のリチウムイオン二次電池用正極活物質混合体は、リチウムイオン二次電池の正極活物質として用いる材料である。具体的には、例えば本発明のリチウムイオン二次電池用正極活物質混合体と、アセチレンブラックやケッチェンブラック、ポリフッ化ビニリデン、N-メチル-2-ピロリドン等とを混練して正極スラリーを調製した後、集電体に塗工し、次いでプレス成形して正極を作製する。
本発明のリチウムイオン二次電池用正極活物質混合体を用いて得られた正極を適用できる、リチウムイオン二次電池としては、正極と負極と電解液とセパレータ、若しくは正極と負極と固体電解質を必須構成とするものであれば特に限定されない。
【0070】
本発明のリチウムイオン二次電池用正極活物質混合体であれば、LMFPによる放電容量を充分に引き出し、NMCを単独で用いた場合と同程度以上の放電容量を確保することができるとともに、優れた熱的安定性をも発現することができる。
【0071】
ここで、負極については、リチウムイオンを充電時には吸蔵し、かつ放電時には放出することができれば、その材料構成で特に限定されるものではなく、公知の材料構成のものを用いることができる。たとえば、リチウム金属、グラファイト、シリコン系(Si、SiOx)、チタン酸リチウム又は非晶質炭素等の炭素材料等を用いることができる。そしてリチウムイオンを電気化学的に吸蔵・放出し得るインターカレート材料で形成された電極、特に炭素材料を用いることが好ましい。さらに、2種以上の上記の負極材料を併用してもよく、たとえばグラファイトとシリコン系の組み合わせを用いることができる。
【0072】
電解液は、有機溶媒に支持塩を溶解させたものである。有機溶媒は、通常リチウムイオン二次電池の電解液に用いられる有機溶媒であれば特に限定されるものではなく、例えば、カーボネート類、ハロゲン化炭化水素、エーテル類、ケトン類、ニトリル類、ラクトン類、オキソラン化合物等を用いることができる。
【0073】
支持塩は、その種類が特に限定されるものではないが、LiPF、LiBF、LiClO及びLiAsFから選ばれる無機塩、該無機塩の誘導体、LiSOCF、LiC(SOCF及びLiN(SOCF、LiN(SO及びLiN(SOCF)(SO)から選ばれる有機塩、並びに該有機塩の誘導体の少なくとも1種であることが好ましい。
【0074】
セパレータは、正極及び負極を電気的に絶縁し、電解液を保持する役割を果たすものである。たとえば、多孔性合成樹脂膜、特にポリオレフィン系高分子(ポリエチレン、ポリプロピレン)の多孔膜を用いればよい。
【0075】
固体電解質は、正極及び負極を電気的に絶縁し、高いリチウムイオン電導性を示すものである。たとえば、La0.51Li0.34TiO2.94、Li1.3Al0.3Ti1.7(PO、LiLaZr12、50LiSiO・50LiBO、Li2.9PO3.30.46、Li3.6Si0.60.4、Li1.07Al0.69Ti1.46(PO、Li1.5Al0.5Ge1.5(PO、Li10GeP12、Li3.25Ge0.250.75、30LiS・26B・44LiI、63LiS・36SiS・1LiPO、57LiS・38SiS・5LiSiO、70LiS・30P、50LiS・50GeS、Li11、Li3.250.95を用いればよい。
【0076】
上記の構成を有するリチウムイオン二次電池の形状としては、特に制限を受けるものではなく、コイン型、円筒型,角型等種々の形状や、ラミネート外装体に封入した不定形状であってもよい。
【実施例0077】
以下、本発明について、実施例に基づき具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
なお、得られたリチウムイオン二次電池用正極活物質粒子の炭素含有量は、炭素・硫黄分析装置(EMIA-220V2、堀場製作所社製)を用いて測定した。
また、得られた各正極活物質粒子の表面における炭素の被覆率、及び炭素が占める面積割合は、TEM(JEM-ARM200F、日本電子株式会社製)を用いて各正極活物質粒子を撮影し、上記記載の方法にしたがって求めた。
【0078】
[製造例1:粒子A1の製造]
Ni:Co:Mnのモル比が5:3:2となるように、硫酸ニッケル六水和物394g、硫酸コバルト七水和物254g、硫酸マンガン五水和物145g、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℃×4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℃×11時間焼成し、粒子A1(LiNi0.5Co0.3Mn0.2、平均粒径:12.3μm、タップ密度:2.1g/cm)を得た。
【0079】
[製造例2:粒子A2の製造]
Ni:Co:Mnのモル比が6:2:2となるように、硫酸ニッケル六水和物473g、硫酸コバルト七水和物169g、硫酸マンガン五水和物145g、及び水3Lを混合した以外、製造例1と同様にして、粒子A2(LiNi0.6Co0.2Mn0.2、平均粒径:10.9μm、タップ密度:2.2g/cm)を得た。
【0080】
[製造例3:粒子B1の製造]
LiOH・HO 1272g、及び水4Lを混合してスラリー水i1を得た。次いで、得られたスラリー水i1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、速度400rpmで12時間撹拌して、LiPO4を含むスラリー水i2を得た。
得られたスラリー水i2に窒素パージして、スラリー水i2の溶存酸素濃度を0.5mg/Lとした後、スラリー水i2全量に対し、MnSO・5HO 1688g、FeSO・7HO 834gを添加してスラリー水i3を得た。添加したMnSOとFeSOのモル比(マンガン化合物:鉄化合物)は、70:30であった。
【0081】
次いで、得られたスラリー水i3に、セルロースナノファイバー(Wma-10002、スギノマシン社製、繊維径4~20nm)45gを添加して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、予備粒子bxを得た。
得られた予備粒子bxを1000g分取し、水1L、及びプロピレングリコール45gを添加し混合して、スラリー水ii5を得た。得られたスラリー水ii5にセルロースナノファイバー 135gを添加して混合し、スラリー水ii6を得た。得られたスラリー水ii6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)を用いて噴霧乾燥に付して造粒体bzを得た。なお、噴霧乾燥の際の熱風温度を200℃とし、熱風の供給量とスラリー水の供給量の比(熱風の供給量/スラリー水の供給量)を2500とした。
得られた造粒体bz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、粒子B1(LiMn0.7Fe0.3PO、平均粒径:13.6μm、タップ密度:1.1g/cm)を得た。
かかる製造例3で得られた粒子B1を形成してなる一次粒子b表面のTEM写真を図1に示し、粒子B1の断面のTEM写真を図2に示す。
【0082】
[製造例4:粒子B2の製造]
スラリー水i3にセルロースナノファイバー 27g、予備粒子bxにプロピレングリコール 75g、スラリー水ii5にセルロースナノファイバー 153gを添加した以外、製造例3にしたがって、粒子B2(LiMn0.7Fe0.3PO)を得た。
【0083】
[製造例5:粒子B3の製造]
スラリー水i3にセルロースナノファイバー 90g、予備粒子bxにプロピレングリコール 45g、スラリー水ii5にセルロースナノファイバー 90gを添加した以外、製造例3にしたがって、粒子B3(LiMn0.7Fe0.3PO)を得た。
【0084】
[製造例6:粒子B4の製造]
スラリー水i3にセルロースナノファイバーを添加せず、予備粒子bxにプロピレングリコールを添加せず、スラリー水ii5にセルロースナノファイバー 180gを添加した以外、製造例3にしたがって、粒子B4(LiMn0.7Fe0.3PO)を得た。
【0085】
得られた粒子B1~B4の各物性について、下記表1に示す。
【0086】
【表1】
【0087】
[実施例1~6、比較例1~6]
得られた粒子A1~2と粒子B1~B4とを適宜用い、表3に示す処方にしたがって、乳棒と乳鉢を用いた手動法によりこれらの粒子を混合し、各混合体を得た。
【0088】
《電池特性(放電容量)の評価》
得られた各混合体を正極材料として用い、リチウムイオン二次電池の正極を作製した。具体的には、得られた各混合体、アセチレンブラック、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。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。
【0089】
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、LiPFを1mol/Lの濃度で溶解したものを用いた。セパレータには、高分子多孔フィルムを用いた。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。
次いで、得られたコイン型二次電池を用い、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での放電容量(mAh/g)を測定し、実測値とした。
【0090】
さらに、粒子A1~2、及び粒子B1~B4を各々単独で用いた際における0.2Cでの放電容量(mAh/g)を同様にして測定した。
次いで、混合体中における粒子の含有量を元に、各混合体としての放電容量の計算値を求め、かかる計算値を100%としたときの実測値の割合(%)を算出し、放電容量の評価の指標とした。
【0091】
ここで、「混合体としての放電容量の計算値」とは、例えば実施例1の場合、混合体100質量中に粒子A1が90質量%、粒子B1が10質量%であるから、下記式より求められる値を意味する。
154(mAh/g)×0.9+132(mAh/g)×0.1
=152(mAh/g)
したがって、実施例1の場合、放電容量の実測値が154(mAh/g)であるから、「放電容量の計算値に対する実測値の割合(%)」とは、下記式により求められる値を意味する。
{154(mAh/g)/152(mAh/g)}×100=101(%)
他の実施例、及び比較例についても、同様にして放電容量の計算値を求め、かかる計算値100%としたときの実測値の割合(%)を算出した。
【0092】
粒子A1~2、及び粒子B1~B4を各々単独で用いた際における放電容量を表2に示し、混合体としての放電容量の実測値(mAh/g)、及び放電容量の計算値に対する実測値の割合(%)についての結果を表3に示す。
なお、計算値に対する実測値の割合の値が100%を超えれば超えるほど、NMC単独で用いた場合よりも優れた放電容量を発現できると評価できる。
【0093】
《熱的安定性の評価(DSCピーク温度の測定)》
得られた各正極活物質を用い、示差走査熱量計(DSC404 F3、NETZSCH社製)による測定にて、30℃~500℃の温度域におけるDSC曲線を得た。その際、試料約10mgをアルミパンに入れて測定を行い、昇温速度は10℃/minとした。
次いで、得られたDSC曲線を観察し、発熱ピーク温度を求めた。
なお、かかる発熱ピーク温度が高いほど、熱的安定性に優れると評価できる。
結果を表3に示す。
【0094】
【表2】
【0095】
【表3】
図1
図2