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特許7144239リチウムイオン二次電池用混合正極活物質及びその製造方法
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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-09-20
(45)【発行日】2022-09-29
(54)【発明の名称】リチウムイオン二次電池用混合正極活物質及びその製造方法
(51)【国際特許分類】
   H01M 4/58 20100101AFI20220921BHJP
   H01M 4/36 20060101ALI20220921BHJP
   H01M 4/505 20100101ALI20220921BHJP
   H01M 4/525 20100101ALI20220921BHJP
   C01G 53/00 20060101ALN20220921BHJP
   C01B 25/45 20060101ALN20220921BHJP
   C01B 33/32 20060101ALN20220921BHJP
【FI】
H01M4/58
H01M4/36 E
H01M4/36 C
H01M4/505
H01M4/525
C01G53/00 A
C01B25/45 Z
C01B33/32
【請求項の数】 8
(21)【出願番号】P 2018157671
(22)【出願日】2018-08-24
(65)【公開番号】P2020031028
(43)【公開日】2020-02-27
【審査請求日】2021-04-14
(73)【特許権者】
【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】特許業務法人アルガ特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】平山 愉子
(72)【発明者】
【氏名】山下 弘樹
(72)【発明者】
【氏名】大神 剛章
【審査官】前田 寛之
(56)【参考文献】
【文献】特開2011-113783(JP,A)
【文献】特開2018-026314(JP,A)
【文献】特開2016-058237(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
H01M4/00-4/62
C01G53/00
C01B25/45
C01B33/32
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
リチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(A)、及び層状型リチウム複合酸化物二次粒子(B)を含有し、かつ下記式(1):
A=TA×|DA50-DB50+2|・・・(1)
(式(1)中、TAは、リチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(A)のタップ密度(g/cm3)を示し、DA50は、リチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(A)の粒度分布における累積50%での平均粒子径(μm)を示し、DB50は、層状型リチウム複合酸化物二次粒子(B)の粒度分布における累積50%での平均粒子径(μm)を示す。)
により求められるXAが0.3g/cm3×μm~50g/cm3×μmである、リチウムイオン二次電池用混合正極活物質。
【請求項2】
式(1)中のDA50が、3μm~30μmである、請求項1に記載のリチウムイオン二次電池用混合正極活物質。
【請求項3】
リチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(A)の含有量と層状型リチウム複合酸化物二次粒子(B)の含有量との質量比(A:B)が、0.5:99.5~90:10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混合正極活物質。
【請求項4】
リチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(A)が、表面に炭素が担持されてなる粒子である、請求項1~のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池用混合正極活物質。
【請求項5】
リチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(A)が、下記式(I):
LiaMnbFec1 dPO4 ・・・(I)
(式(I)中、M1はCo、Ni、Ca、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd又はGdを示す。a、b、c、及びdは、0<a≦1.2、0.3≦b≦1、0≦c≦0.7、及び0≦d≦0.3を満たし、かつa+(Mnの価数)×b+(Feの価数)×c+(M1の価数)×d=3を満たす数を示す。)
又は下記式(II):
LieMnfFeg2 hSiO4 ・・・(II)
(式(II)中、M2はCo、Ni、Ca、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd、Al、Zn、V又はGdを示す。e、f、g、及びhは、0<e≦2.4、0≦f≦1.2、0≦g≦1.2、0≦h≦1.2、及びf+g≠0を満たし、かつe+(Mnの価数)×f+(Feの価数)×g+(M2の価数)×h=4を満たす数を示す。)
で表される粒子である、請求項1~のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池用混合正極活物質。
【請求項6】
層状型リチウム複合酸化物二次粒子(B)が、下記式(III):
LiNiiCojMnk3 l2・・・(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。i、j、k、lは、0.3≦i<1、0<j≦0.7、0<k≦0.7、0≦l≦0.3、かつ3i+3j+3k+(M3の価数)×l=3を満たす数を示す。)
又は下記式(IV):
LiNimConAlo4 p2 ・・・(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。m、n、o、pは、0.4≦m<1、0<n≦0.6、0<o≦0.3、0≦p≦0.3、かつ3m+3n+3o+(M4の価数)×p=3を満たす数を示す。)
で表される粒子である、請求項1~のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池用混合正極活物質。
【請求項7】
次の工程(I)~(V):
(I)層状型リチウム複合酸化物二次粒子(B)について、粒度分布における累積50%での平均粒子径DB50を測定する工程
(II)少なくとも一種のリチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(At)について、タップ密度TA t、リチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(At)の粒度分布における累積50%での平均粒子径DA t50を測定する工程
(III)工程(I)で得られたDB50を下記式(1):
A=TA×|DA50-DB50+2|・・・(1)
(式(1)中、TAは、リチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(A)のタップ密度(g/cm3)を示し、DA50は、リチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(A)の粒度分布における累積50%での平均粒子径(μm)を示し、DB50は、層状型リチウム複合酸化物二次粒子(B)の粒度分布における累積50%での平均粒子径(μm)を示す。XAは、工程(IV)で混合するリチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(A)を選択するための指標となる値(g/cm3×μm)を示す。)
に導入する工程
(IV)リチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(At)のなかから、式(1)により求められるXAを0.3g/cm3×μm~50g/cm3×μmとするための、タップ密度TA及びDA50を有するリチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(A)を選択する工程
(V)選択したリチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(A)と層状型リチウム複合酸化物二次粒子(B)とを混合する工程
を備えるリチウムイオン二次電池用混合正極活物質の製造方法。
【請求項8】
工程(V)での混合において、リチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(A)と層状型リチウム複合酸化物二次粒子(B)との質量比(A:B)が、0.5:99.5~90:10である請求項に記載のリチウムイオン二次電池用混合正極活物質の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、優れたサイクル特性と安全性とを兼ね備えたリチウムイオン二次電池を得ることのできる、リチウムイオン二次電池用混合正極活物質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(NCM)や層状型リチウム・ニッケル・コバルト・アルミニウム複合酸化物(NCA)等の層状型リチウム複合酸化物は、リチウム原子層と遷移金属原子層とが酸素原子層を介して交互に積み重なった層状結晶構造を呈し、遷移金属の1原子あたりに1個のリチウム原子が含まれる、いわゆる層状岩塩構造を有している。かかる層状型リチウム複合酸化物は、高出力及び高容量のリチウムイオン二次電池を構成できる正極活物質として使用されている。
【0003】
こうした層状型リチウム複合酸化物を正極活物質として用いたリチウムイオン二次電池では、リチウムイオンが層状型リチウム複合酸化物に脱離・挿入されることによって充電・放電が行われるが、通常、充放電サイクルを重ねるにつれて容量低下が生じ、特に長期間使用すると、電池の容量低下が著しくなるおそれがある。これは、充電時に層状型リチウム複合酸化物の遷移金属成分が電解液へ溶出することにより、かかる結晶構造の崩壊が生じやすくなることが原因であると考えられている。また、この遷移金属成分の電解液への溶出によってリチウムイオン二次電池の熱的安定性が低下し、安全性が損なわれるおそれがある。
【0004】
このような状況下、例えば車載用電池に使用される電池材料には、1000サイクル以上もの多数回にわたる充放電サイクルを経ても、一定以上の電池容量を維持できるような優れた耐久性を有することが要求されており、これに応じるべく種々の開発がなされている。例えば、特許文献1には、Ti、Zr、Nb等でドープされ得る特定のリチウム鉄マンガンリン酸塩化合物と、NCMやNCAのようなリチウム金属酸化物とを含む正電気活性材料が開示されており、リチウムイオン電池材料として熱的安定性の改善を試みている。また特許文献2には、LiFexMn1-x-yyPO4からなり、リチウムイオンの吸蔵・放出による体積変化率が特定の範囲内である電極活物質と、NCMやLMO(マンガン酸リチウム)等のリチウム含有金属酸化物からなる電極活物質とを含む混合物であるリチウムイオン二次電池用電極材料が開示されており、電極として用いた場合の安全性を改善し、電池の寿命の向上を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【文献】特表2014-524133号公報
【文献】特開2018-56037号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかしながら、二次電池を構成する正極活物質層には、空隙率が小さく密実な充填構造を有することが求められるところ、上記特許文献に記載の電極材料を用いて得られる正極活物質層では、用いる酸化物の種類毎に異なる体積変化も要因となって、二次電池の使用時間が増すにつれ、密実な充填構造を保持するのが困難となり、二次電池において優れたサイクル特性を充分に確保できないおそれがある。
【0007】
したがって、本発明の課題は、層状型リチウム複合酸化物二次粒子とリチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子とを用いつつ、空隙率の小さい密実な充填構造を有する正極活物質層の形成を可能とし、リチウムイオン二次電池において優れたサイクル特性を発現させることのできるリチウムイオン二次電池用混合正極活物質及びその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0008】
そこで本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を行った結果、含有されるリチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(A)と層状型リチウム複合酸化物二次粒子(B)とが、特定の関係式を満たすことにより、リチウムイオン二次電池において優れたサイクル特性を発現させることのできるリチウムイオン二次電池用混合正極活物質が得られることを見出した。
【0009】
すなわち、本発明は、リチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(A)、及び層状型リチウム複合酸化物二次粒子(B)を含有し、かつ下記式(1):
A=TA×|DA50-DB50+2|・・・(1)
(式(1)中、TAは、リチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(A)のタップ密度(g/cm3)を示し、DA50は、リチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(A)の粒度分布における累積50%での平均粒子径(μm)を示し、DB50は、層状型リチウム複合酸化物二次粒子(B)の粒度分布における累積50%での平均粒子径(μm)を示す。)
により求められるXAが0.3g/m2~50g/m2である、リチウムイオン二次電池用混合正極活物質を提供するものである。
【0010】
また、本発明は、次の工程(I)~(V):
(I)層状型リチウム複合酸化物二次粒子(B)について、粒度分布における累積50%での平均粒子径DB50を測定する工程
(II)少なくとも一種のリチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(At)について、タップ密度TA t、リチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(At)の粒度分布における累積50%での平均粒子径DA t50を測定する工程
(III)工程(I)で得られたDB50を下記式(1):
A=TA×|DA50-DB50+2|・・・(1)
(式(1)中、TAは、リチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(A)のタップ密度(g/cm3)を示し、DA50は、リチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(A)の粒度分布における累積50%での平均粒子径(μm)を示し、DB50は、層状型リチウム複合酸化物二次粒子(B)の粒度分布における累積50%での平均粒子径(μm)を示す。XAは、工程(IV)で混合するリチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(A)を選択するための指標となる値(g/m2)を示す。)
に導入する工程
(IV)リチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(At)のなかから、式(1)により求められるXAを0.3g/m2~50g/m2とするための、タップ密度TA及びDA50を有するリチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(A)を選択する工程
(V)選択したリチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(A)と層状型リチウム複合酸化物二次粒子(B)とを混合する工程
を備えるリチウムイオン二次電池用混合正極活物質の製造方法を提供するものである。
【発明の効果】
【0011】
本発明のリチウムイオン二次電池用混合正極活物質によれば、空隙率の小さい密実な充填構造を有する正極活物質層の形成が可能となり、優れたサイクル特性を有するリチウムイオン二次電池を容易に得ることができる。
【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混合正極活物質(以下、「混合正極活物質(C)」とも称する)は、リチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(A)、及び層状型リチウム複合酸化物二次粒子(B)を含有し、かつ下記式(1):
A=TA×|DA50-DB50+2|・・・(1)
(式(1)中、TAは、リチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(A)のタップ密度(g/cm3)を示し、DA50は、リチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(A)の粒度分布における累積50%での平均粒子径(μm)を示し、DB50は、層状型リチウム複合酸化物二次粒子(B)の粒度分布における累積50%での平均粒子径(μm)を示す。)
により求められるXAが0.3g/m2~50g/m2である。
【0013】
このように、本発明の混合正極活物質(C)は、上記式(1)により求められるXAが特定の値となるような関係を有するリチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(A)と層状型リチウム複合酸化物二次粒子(B)を含有することにより、形成される正極活物質層において空隙率を適切な範囲に制御することを可能にする。そのため、充放電サイクルにおける正極活物質粒子の体積変化を緩衝する空隙量を有効に低減し、充放電サイクルが増加しても正極活物質層の充填構造が乱れるのを防止することができ、また得られるリチウムイオン二次電池のエネルギー密度を効果的に大きくすることもできる。
【0014】
本発明の混合正極活物質(C)に含有されるリチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(A)のタップ密度(g/cm3)は、上記式(1)中においてTAで示される値である。かかるタップ密度(TA)とは、JIS Z 2512「金属粉-タップ密度測定方法」に準じて得られる、タッピングにより粉体粒子間の空隙を破壊して密充填した際の見かけのかさ密度である。
【0015】
かかるリチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(A)のTAは、具体的には、好ましくは0.7g/cm3~1.8g/cm3であり、より好ましくは0.85g/cm3~1.8g/cm3であり、特に好ましくは0.9g/cm3~1.5g/cm3である。TAが上記下限値未満であると、混合正極活物質(C)の充填性が低下して得られる正極活物質層内の空隙率が増加し、エネルギー密度が低下するおそれがある。またTAが上記上限値を超えると、正極の製造で施されるプレスによるリチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(A)の変形量が小さくなって正極活物質層内の空隙を十分に埋めることができなくなるおそれがあり、層状型リチウム複合酸化物二次粒子(B)からの遷移金属の溶出も充分に抑制できないおそれがある。
【0016】
リチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(A)のD50値は、リチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(A)の粒度分布における累積50%での平均粒子径(メジアン径、μm)であり、すなわちレーザー回折・散乱法に基づく体積基準の粒度分布を元に得られる値であり、上記式(1)中においてDA50で示される値である。
【0017】
かかるDA50は、具体的には、好ましくは3μm~30μmであり、より好ましくは5μm~25μmであり、特に好ましくは7μm~20μmである。DA50が上記範囲外であると、得られる正極活物質層内においてリチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(A)の分布が不均一になり易く、層状型リチウム複合酸化物二次粒子(B)からの遷移金属溶出を充分に抑制できないおそれがある。
【0018】
また、リチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(A)は、上記粒度分布における標準偏差(DASD)が、好ましくは4μm~15μmであり、より好ましくは5μm~11μmであり、特に好ましくは6μm~10μmである。ここで、粒度分布における標準偏差(DASD)とは、対数スケールの粒度分布曲線での標準偏差を意味する。かかるDASDが上記範囲外であると、得られる混合正極活物質(C)の充填性が低下して、形成される正極活物質層における空隙率が増大したり、大径の空隙が生じたりするおそれがある。
【0019】
また、リチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(A)は、BET比表面積(SA)が、好ましくは15m2/g~50m2/gであり、より好ましくは16m2/g~30m2/gであり、特に好ましくは18m2/g~25m2/gである。ここで、BET比表面積とは、窒素ガスを用いて得られた吸着等温線をBETプロットに変換して得られた単分子層のガス吸着量と窒素ガスの分子の大きさから算出された比表面積を意味する。かかるBET比表面積(SA)が上記下限値未満であると、正極の作製で施されるプレスによるリチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(A)の変形量が小さくなって正極活物質層内の空隙を十分に埋めることができなくなるおそれがあり、層状型リチウム複合酸化物二次粒子(B)からの遷移金属の溶出も充分に抑制できないおそれがある。また、BET比表面積(SA)が上記上限値を超えると、正極の作製時に使用する正極スラリーの粘性が増加し、得られる正極活物質層内においてリチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(A)の分布が不均一になり、層状型リチウム複合酸化物二次粒子(B)からの遷移金属の溶出を抑制できなくなるおそれがある。
【0020】
リチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(A)は、具体的には、例えば下記式(I):
LiaMnbFec1 dPO4 ・・・(I)
(式(I)中、M1はCo、Ni、Ca、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd又はGdを示す。a、b、c、及びdは、0<a≦1.2、0.3≦b≦1、0≦c≦0.7、及び0≦d≦0.3を満たし、かつa+(Mnの価数)×b+(Feの価数)×c+(M1の価数)×d=3を満たす数を示す。)
又は下記式(II):
LieMnfFeg2 hSiO4 ・・・(II)
(式(II)中、M2はCo、Ni、Ca、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd、Al、Zn、V又はGdを示す。e、f、g、及びhは、0<e≦2.4、0≦f≦1.2、0≦g≦1.2、0≦h≦1.2、及びf+g≠0を満たし、かつe+(Mnの価数)×f+(Feの価数)×g+(M2の価数)×h=4を満たす数を示す。)
で表される粒子である。上記式(I)で表される粒子は、いわゆるリン酸リチウム系ポリアニオン粒子であり、上記式(II)で表される粒子は、いわゆるケイ酸リチウム系ポリアニオン粒子である。
【0021】
さらに、リチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(A)は、かかる粒子に電子伝導性を付与し、サイクル特性に優れる有用な混合正極活物質(C)を得る観点から、その表面に炭素(D)が担持されてなる粒子であるのが好ましい。
炭素(D)となる炭素源としては、セルロースナノファイバー(d1)、水溶性炭素材料(d2)及び水不溶性炭素粉末(d3)から選択される1種以上が挙げられる。
【0022】
炭素源となる上記セルロースナノファイバー(d1)とは、全ての植物細胞壁の約5割を占める骨格成分であって、かかる細胞壁を構成する植物繊維をナノサイズまで解繊等することにより得ることができる軽量高強度繊維であり、セルロースナノファイバー由来の炭素は、周期的構造を有する。かかるセルロースナノファイバーの繊維径は、1nm~100nmであり、水への良好な分散性も有している。また、セルロースナノファイバーを構成するセルロース分子鎖では、炭素による周期的構造が形成されていることから、これが炭化されつつ上記リチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(A)の表面に堅固に担持されることにより、かかる粒子に有効に電子伝導性を付与することができる。
【0023】
また、炭素源となる上記水溶性炭素材料(d2)とは、25℃の水100gに、水溶性炭素材料の炭素原子換算量で0.4g以上、好ましくは1.0g以上溶解する炭素材料を意味する。かかる水溶性炭素材料としては、例えば、糖類、ポリオール、ポリエーテル、及び有機酸から選ばれる1種又は2種以上が挙げられる。より具体的には、例えば、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、デキストリン等の多糖類;エチレングリコール、プロピレングリコール、ジエチレングリコール、ポリエチレングリコール、ブタンジオール、プロパンジオール、ポリビニルアルコール、グリセリン等のポリオールやポリエーテル;クエン酸、酒石酸、アスコルビン酸等の有機酸が挙げられる。なかでも、溶媒への溶解性及び分散性を高めて炭素材料として効果的に機能させる観点から、グルコース、フルクトース、スクロース、デキストリンが好ましく、グルコースがより好ましい。
【0024】
さらに、炭素源となる上記水不溶性炭素粉末(d3)とは、上記水溶性炭素材料由来の炭素(d2)とは別異の炭素材料であって、セルロースナノファイバー(d1)由来の炭素以外の水不溶性(25℃の水100gに対する溶解量が、水不溶性炭素粉末(d3)の炭素原子換算量で0.4g未満)の導電性を有する炭素粉末である。この水不溶性炭素粉末(d3)を、上記リチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(A)に複合化することにより、リチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(A)に電子伝導性を付与する。かかる水不溶性炭素粉末(d3)としては、グラファイト、非晶質カーボン(ケッチェンブラック、アセチレンブラック等)、ナノカーボン(グラフェン、フラーレン等)、導電性ポリマー粉末(ポリアニリン粉末、ポリアセチレン粉末、ポリチオフェン粉末、ポリピロール粉末等)等の1種または2種以上が挙げられる。なかでも、複合化を効率的に行う観点から、グラファイト、アセチレンブラック、グラフェン、ポリアニリン粉末が好ましく、グラファイトがより好ましい。グラファイトとしては、人造グラファイト(鱗片状、塊状、土状、グラフェン)、天然グラファイトのいずれであってもよい。
なお、水不溶性炭素粉末(d3)の平均粒子径は、好ましくは0.5μm~20μmであり、より好ましくは1.0μm~15μmである。
【0025】
リチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(A)の表面に担持されてなる炭素の量は、リチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(A)100質量%中に、好ましくは0.1質量%~20質量%であり、より好ましくは0.3質量%~10質量%であり、特に好ましくは0.5質量%~8質量%である。より具体的には、セルロースナノファイバー(d1)又は水溶性炭素材料(d2)を炭素源とする炭素(D)である場合は、リチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(A)100質量%中に、好ましくは0.1質量%~15質量%、より好ましくは0.3質量%~10質量%、特に好ましくは0.5質量%~8質量%であり、水不溶性炭素粉末(d3)を炭素源とする炭素(D)である場合は、好ましくは0.5質量%~20質量%、より好ましくは1質量%~15質量%、特に好ましくは1.5質量%~12質量%である。
【0026】
本発明の混合正極活物質(C)に含有される層状型リチウム複合酸化物二次粒子(B)のD50値は、層状型リチウム複合酸化物二次粒子(B)の粒度分布における累積50%での平均粒子径(メジアン径、μm)であり、すなわちレーザー回折・散乱法に基づく体積基準の粒度分布を元に得られる値であり、上記式(1)中においてDB50で示される値である。
【0027】
かかるDB50は、具体的には、好ましくは3μm~20μmであり、より好ましくは3.5μm~17μmであり、特に好ましくは4μm~14μmである。DB50が上記上限値を超えると、電極の作製時に使用する電極スラリー内に粗粒の層状型リチウム複合酸化物二次粒子(B)が過度に存在して、電極スラリーの均一な塗工が困難になるおそれがある。また、DB50が上記下限値未満であると、層状型リチウム複合酸化物二次粒子(B)の表面積が増大してしまい、遷移金属の溶出が生じやすくなるおそれがある。
【0028】
層状型リチウム複合酸化物二次粒子(B)は、具体的には、例えば下記式(III):
LiNiiCojMnk3 l2・・・(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。i、j、k、lは、0.3≦i<1、0<j≦0.7、0<k≦0.7、0≦l≦0.3、かつ3i+3j+3k+(M3の価数)×l=3を満たす数を示す。)
又は下記式(IV):
LiNimConAlo4 p2 ・・・(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。m、n、o、pは、0.4≦m<1、0<n≦0.6、0<o≦0.3、0≦p≦0.3、かつ3m+3n+3o+(M4の価数)×p=3を満たす数を示す。)
で表される粒子である。
【0029】
本発明の混合正極活物質(C)において、上記リチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(A)のTA及びDA50、並びに層状型リチウム複合酸化物二次粒子(B)のDB50は、下記式(1)により求められるXAが0.3g/m2~50g/m2である。
A=TA×|DA50-DB50+2|・・・(1)
A、DA50及びDB50を上記式(1)に導入して求められるXAが上記範囲内であることにより、層状型リチウム複合酸化物二次粒子(B)からの遷移金属溶出を充分に抑制できるとともに、充放電サイクルが増加しても正極活物質層の充填構造が乱れるのを防止することができる。したがって、例えば、混合正極活物質(C)の一材料として、用いる層状型リチウム複合酸化物二次粒子(B)を決定した後、かかる層状型リチウム複合酸化物二次粒子(B)のDB50を元に、上記式(1)により求められるXAが上記範囲内になるよう、複数種存在し得るリチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(At)のなかから、TA及びDA50を満たすリチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(A)を選択して用いることができる。
上記式(1)により求められるXAは、0.3g/m2~50g/m2であって、好ましくは0.35(g/m2)~25(g/m2)であり、より好ましくは0.4(g/m2)~20(g/m2)である。
【0031】
リチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(A)の製造方法は、特に制限を受けるものではなく、公知の方法、例えば、固相法、ゾル・ゲル法、共沈法等を用いることができるが、上記各種特性を満足するものが簡便に得られるという観点から、水熱法と噴霧乾燥法を組み合わせた方法、又は噴霧熱分解法を用いた製造方法であるのが好ましい。
【0032】
なお、リチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(A)の表面に炭素(D)を担持させる方法としては、炭素源として上記セルロースナノファイバー(d1)又は上記水溶性炭素材料(d2)を用いる場合、リチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(A)にセルロースナノファイバー(d1)又は水溶性炭素材料(d2)及び水を添加した後、噴霧乾燥して得られた混合物を、還元雰囲気又は不活性雰囲気下、焼成温度は500℃~800℃、焼成時間は10分間~3時間で焼成すればよい。
これにより、これら炭素源が炭化されて炭素(D)となり、上記リチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(A)の表面に堅固に担持されて存在することとなる。
【0033】
また、炭素源として上記水不溶性炭素粉末(d3)を用いる場合、圧縮力及びせん断力を付加しながらリチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(A)と水不溶性炭素粉末(d3)を混合して、複合体とするのがよい。
これにより、水不溶性炭素粉末(d3)が炭素(D)として、上記リチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(A)の表面に堅固に担持されて存在することとなる。
【0034】
層状型リチウム複合酸化物二次粒子(B)の製造方法も、特に制限を受けるものではなく、公知の方法、例えば、固相法、共沈法、ゾル・ゲル法等を用いることができるが、上記DB50を満足するものが簡便に得られるという観点から、粉砕処理を組み入れた固相法を用いた製造方法であるのが好ましい。
【0035】
本発明の混合正極活物質(C)は、これらリチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(A)と層状型リチウム複合酸化物二次粒子(B)を混合して得られる。かかる混合正極活物質(C)において、リチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(A)の含有量と層状型リチウム複合酸化物二次粒子(B)の含有量の質量比(A:B)は、好ましくは0.5:99.5~90:10であり、より好ましくは0.5:99.5~50:50であり、特に好ましくは0.5:99.5~30:70であり、これらの含有量がこのような質量比となるように、リチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(A)と層状型リチウム複合酸化物二次粒子(B)の添加量を調整して混合すればよい。
かかる質量比(A:B)が上記下限値未満であると、リチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(A)の含有量が不十分となるため、層状型リチウム複合酸化物二次粒子(B)からの遷移金属の溶出を有効に抑制できないおそれがある。また、かかる質量比(A:B)が上記上限値を超えると、放電容量に優れる層状型リチウム複合酸化物二次粒子(B)の含有量が不十分となるため、得られるリチウムイオン二次電池の放電容量が減じられてしまうおそれがある。
【0036】
リチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(A)と層状型リチウム複合酸化物二次粒子(B)は、これらの粒子のみを直接混合して混合正極活物質(C)を得たのち、その他導電助剤や結着材及び溶媒等の正極合材構成材料を添加・混合することにより、正極スラリーを調製してもよく、或いはこれらの粒子を混合正極活物質(C)の構成材料として用いるとともに、その他の正極合材構成材料も用い、これらの構成材料を一括混合又は順次混合することにより、正極スラリーを調製してもよい。こうして得られる正極スラリーには、混合正極活物質(C)として、所定の要件を満たすリチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(A)と層状型リチウム複合酸化物二次粒子(B)が含有されてなる。
具体的には、例えば、リチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(A)と層状型リチウム複合酸化物二次粒子(B)を含有する混合正極活物質(C)、カーボンブラック等の導電助剤、及びポリフッ化ビニリデン等の結着材(バインダー)に、N-メチル-2-ピロリドン等の溶媒を加え、充分に混練して正極スラリーを得ればよい。その後、アルミニウム箔等の集電体上に正極スラリーを塗布し、次いでローラープレス等による圧密して乾燥することにより、リチウムイオン二次電池の正極を得ることができる。
【0037】
なお、正極スラリーの調製に用いる装置、器具、及び各正極合材構成材料の混合する順序などは、特に限定されないが、リチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(A)と層状型リチウム複合酸化物二次粒子(B)を均一性の高い混合状態にするのが望ましい。例えば、層状型リチウム複合酸化物二次粒子(B)が崩壊しない程度のせん断力をかけながら混合すると、リチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(A)と層状型リチウム複合酸化物二次粒子(B)を均一性の高い混合状態とすることができる。
【0038】
リチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(A)と層状型リチウム複合酸化物二次粒子(B)の混合状態の均一性は、本発明の混合正極活物質(C)を含む正極スラリーによりリチウムイオン二次電池の正極活物質層を形成した際、かかる正極活物質層における混合正極活物質(C)粒子の分布状態から評価することができる。具体的には、正極活物質層の積層状態のSEM写真(後方散乱電子像)を特定のグレイレベルで二値化して粒子間空隙を可視化し、かかる粒子間空隙の分布状態が均一か否かを目視により判断して評価すればよい。
【0039】
また、本発明の混合正極活物質(C)は、より具体的には、例えば、次の工程(I)~(V):
(I)層状型リチウム複合酸化物二次粒子(B)について、粒度分布における累積50%での平均粒子径DB50を測定する工程
(II)少なくとも一種のリチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(At)について、タップ密度TA t、リチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(At)の粒度分布における累積50%での平均粒子径DA t50を測定する工程
(III)工程(I)で得られたDB50を下記式(1):
A=TA×|DA50-DB50+2|・・・(1)
(式(1)中、TAは、リチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(A)のタップ密度(g/cm3)を示し、DA50は、リチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(A)の粒度分布における累積50%での平均粒子径(μm)を示し、DB50は、層状型リチウム複合酸化物二次粒子(B)の粒度分布における累積50%での平均粒子径(μm)を示す。XAは、工程(IV)で混合するリチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(A)を選択するための指標となる値(g/m2)を示す。)
に導入する工程
(IV)リチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(At)のなかから、式(1)により求められるXAを0.3g/m2~50g/m2とするための、タップ密度TA及びDA50を有するリチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(A)を選択する工程
(V)選択したリチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(A)と層状型リチウム複合酸化物二次粒子(B)とを混合する工程
を備える製造方法により、得ることができる。
【0040】
なお、「リチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(At)」とは、リチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(A)も含め、少なくとも一種以上の、或いは複数種のリチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子を総じて称するものである。また、リチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(A)と同様、TA tは、リチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(At)のタップ密度を示し、DA t50は、リチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(At)の粒度分布における累積50%での平均粒子径を示す。
【0041】
工程(I)は、層状型リチウム複合酸化物二次粒子(B)について、DB50を測定する工程である。まずは、得ようとする混合正極活物質(C)に応じて、用いる層状型リチウム複合酸化物二次粒子(B)を選択し、そのDB50を測定して、上記式(1)を活用しつつ、次工程以降においてリチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(A)を選択する。
【0042】
工程(II)は、少なくとも一種のリチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(At)について、タップ密度TA t、リチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(At)の粒度分布における累積50%での平均粒子径DA t50を測定する工程である。複数種存在し得るリチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(At)の各々の種類のTA t及びDA t50を測定することにより、次工程以降において、本発明の混合正極活物質(C)を得るにあたって適切なTA及びDA50を有するリチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(A)を選択することが可能となる。また、リチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(At)が一種のみ存在する場合であっても、それが本発明の混合正極活物質(C)を得るにあたって適切なリチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子であるか否かを、用いる層状型リチウム複合酸化物二次粒子(B)を基準として評価することもできる。
なお、リチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(At)についてのDA t50及びTA tは、各々リチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(A)についてのDA50及びTAと同義であり、上述した測定方法と同じ測定方法により得られる値である。
【0043】
工程(III)は、工程(I)で得られたDB50を下記式(1):
A=TA×|DA50-DB50+2|・・・(1)
(式(1)中、TAは、リチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(A)のタップ密度(g/cm3)を示し、DA50は、リチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(A)の粒度分布における累積50%での平均粒子径(μm)を示し、DB50は、層状型リチウム複合酸化物二次粒子(B)の粒度分布における累積50%での平均粒子径(μm)を示す。XAは、工程(IV)で混合するリチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(A)を選択するための指標となる値(g/m2)を示す。)
に導入する工程である。すなわち、かかる工程(III)では、工程(I)において、測定した層状型リチウム複合酸化物二次粒子(B)のDB50を基準とすべく、上記式(1)にDB50の値を具体的に導入することにより、次工程においてXAの値を指標としながら、適切なリチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(A)を選択することが可能となる。
【0044】
工程(IV)は、リチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(At)のなかから、式(1)により求められるXAを0.3g/m2~50g/m2とするための、タップ密度TA及びDA50を有するリチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(A)を選択する工程である。かかる工程において、具体的に層状型リチウム複合酸化物二次粒子(B)のDB50及び上記式(1)を活用し、XAの値を指標としながら適切なリチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(A)を選択する。XA、TA及びDA50等に関する、より好適な範囲は上述のとおりである。
【0045】
工程(V)は、選択したリチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(A)と層状型リチウム複合酸化物二次粒子(B)とを混合する工程である。具体的な混合方法については上述のとおりであり、これにより本発明の混合正極活物質(C)を得ることができる。
【0046】
本発明の混合正極活物質(C)を用いて得られる正極活物質層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を必須の構成部材とするものであれば特に限定されない。
【0047】
リチウムイオン二次電池の負極については、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。
【0048】
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、リチウムイオン二次電池の電解液の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。
【0049】
支持塩は、その種類が特に限定されるものではないが、リチウムイオン二次電池の場合、LiPF6、LiBF4、LiClO4及びLiAsF6から選ばれる無機塩、該無機塩の誘導体、LiSO3CF3、LiC(SO3CF32及びLiN(SO3CF32、LiN(SO2252及びLiN(SO2CF3)(SO249)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。
【0050】
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。
【0051】
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
【0052】
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、各DA50及びDB50は、レーザー回折・散乱方式粒度分布測定装置 MT3300EXII(マイクロトラック・ベル(株)製)を用いて測定した値であり、BET比表面積は、DesorbIII((株)島津製作所製)を用いて測定した値である。
【0053】
[製造例1:層状型リチウム複合酸化物二次粒子(B)(NMC-Ba)の製造]
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℃×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℃×12時間焼成し、層状型リチウム複合酸化物二次粒子(NMC-Ba)(LiNi0.33Co0.33Mn0.342、D50:12.8μm)を得た。
【0054】
[製造例2:層状型リチウム複合酸化物二次粒子(B)(NMC-Bb)の製造]
粉末混合物c1の仮焼成を空気雰囲気下で800℃×10時間に、本焼成を空気雰囲気下で800℃×5時間に変更した以外、製造例1と同様にして、層状型リチウム複合酸化物二次粒子(NMC-Bb)(LiNi0.33Co0.33Mn0.342、D50:5.0μm)を得た。
【0055】
[製造例3:リチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(A)(LMP-Aa)の製造]
LiOH・H2O 1272g、及び水4Lを混合してスラリーa3を得た。次いで、得られたスラリーa3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(Wma-10002、(株)スギノマシン製、繊維径4nm~20nm)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b3を得た。
得られたスラリーb3に窒素パージして、スラリーb3の溶存酸素濃度を0.5mg/Lとした後、スラリーb3全量に対し、MnSO4・5H2O 1688g、FeSO4・7H2O 834gを添加してスラリーc3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c3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d3を得た。
得られた複合体d3を1000g分取し、これに水1Lを添加して、スラリーe3を得た。得られたスラリーe3を超音波攪拌機(T25、IKA(株)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)製)を用いて、噴霧温度150℃でスプレードライに付して造粒体f3を得た。
得られた造粒体f3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てなるリチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(A)(LMP-Aa)(LiMn0.7Fe0.3PO4、炭素の量=2.0質量%、タップ密度:1.04g/cm3、D50:15.8μm、粒度分布の標準偏差:9.8μm、BET比表面積:18.8m2/g)を得た。
【0056】
[製造例4:リチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(A)(LMP-Ab)の製造]
製造例3において得られたスラリーc3をオートクレーブに投入し、140℃で1時間水熱反応を行った。オートクレーブ内の圧力は0.4MPa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d4を得た。
得られた複合体d4を1000g分取し、これに水1Lを添加して、スラリーe4を得た。得られたスラリーe4を超音波攪拌機(同上)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(同上)を用いて、噴霧温度200℃でスプレードライに付して造粒体f4を得た。
得られた造粒体f4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てなるリチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(A)(LMP-Ab)(LiMn0.7Fe0.3PO4、炭素の量=2.0質量%、タップ密度:1.14g/cm3、D50:10.0μm、粒度分布の標準偏差:6.6μm、BET比表面積:22.2m2/g)を得た。
【0057】
[製造例5:リチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(A)(LMP-Ac)の製造]
スラリーa3に添加するセルロースナノファイバー(同上)の添加量を7660gとした以外、製造例3と同様にして、スラリーb3の代わりにスラリーb5を得た後、スラリーb3と同様の処理を施して複合体d5を得た。得られた複合体d5を1000g分取し、これに水1.5Lを添加して、スラリーe5を得た。得られたスラリーe5を超音波攪拌機(同上)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(同上)を用いて、噴霧温度170℃でスプレードライに付して造粒体f5を得た。
得られた造粒体f5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、2.6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てなるリチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(A)(LMP-Ac)(LiMn0.7Fe0.3PO4、炭素の量=2.6質量%、タップ密度:1.04g/cm3、D50:7.14μm、粒度分布の標準偏差:6.6μm、BET比表面積:24.8m2/g)を得た。
【0058】
[製造例6:リチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(A)(LMP-Ad)の製造]
製造例3において得られた複合体d3を1000g分取し、これに水2Lを添加して、スラリーe6を得た。得られたスラリーe6を超音波攪拌機(同上)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(同上)を用いて、噴霧温度150℃でスプレードライに付して造粒体f6を得た。
得られた造粒体f6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てなるリチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(A)(LMP-Ad)(LiMn0.7Fe0.3PO4、炭素の量=2.0質量%、タップ密度:0.98g/cm3、D50:8.31μm、粒度分布の標準偏差:7.2μm、BET比表面積:19.9m2/g)を得た。
【0059】
[製造例7:リチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(A)(LMP-Ae)の製造]
製造例3において得られた複合体d3を200g分取し、メカノフュージョン(AMS-Lab、ホソカワミクロン社製)を用いて3900rpm(30m/s)で30分間造粒処理して造粒体f7を得た。
得られた造粒体f7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てなるリチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(A)(LMP-Ae)(LiMn0.7Fe0.3PO4、炭素の量=2.0質量%、タップ密度:1.41g/cm3、D50:16.1μm、粒度分布の標準偏差:6.6μm、BET比表面積:20.2m2/g)を得た。
【0060】
[製造例8:リチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(A)(LMP-Af)の製造]
製造例3において得られた複合体d3を200g分取し、メカノフュージョン(同上)を用いて2600rpm(20m/s)で30分間造粒処理して造粒体f8を得た。
得られた造粒体f8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てなるリチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(A)(LMP-Af)(LiMn0.7Fe0.3PO4、炭素の量=2.0質量%、タップ密度:1.42g/cm3、D50:10.5μm、粒度分布の標準偏差:9.8μm、BET比表面積:19.8m2/g)を得た。
【0061】
[製造例9:リチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(A)(LMP-Ag)の製造]
添加するMnSO4・5H2O 1688gを2411gに、FeSO4・7H2O 834gを0にして、添加したMnSO4とFeSO4のモル比(マンガン化合物:鉄化合物)を100:0とした以外、製造例3と同様にして、スラリーc9を得た。得られたスラリーc9をオートクレーブに投入し、140℃で1時間水熱反応を行った。オートクレーブ内の圧力は0.4MPa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d9を得た。
得られた複合体d9を1000g分取し、これに水1Lを添加して、スラリーe9を得た。得られたスラリーe9を超音波攪拌機(同上)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(同上)を用いて、噴霧温度180℃でスプレードライに付して造粒体f9を得た。
得られた造粒体f9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てなるリチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(A)(LMP-Ag)(LiMnPO4、炭素の量=2.0質量%、タップ密度:1.02g/cm3、D50:16.0μm、粒度分布の標準偏差:9.8μm、BET比表面積:21.0m2/g)を得た。
【0062】
[製造例10:リチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(A)(LMP-Ah)の製造]
添加するMnSO4・5H2O 1688gを723gに、FeSO4・7H2O 834gを1946gにして、添加したMnSO4とFeSO4のモル比(マンガン化合物:鉄化合物)を30:70とした以外、製造例3と同様にして、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てなるリチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(A)(LMP-Ah)(LiMn0.3Fe0.7PO4、炭素の量=2.0質量%、タップ密度:1.10g/cm3、D50:15.5μm、粒度分布の標準偏差:9.8μm、BET比表面積:17.6m2/g)を得た。
【0063】
[製造例11:リチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(A)(LMP-Ai)の製造]
製造例3において得られた複合体d3を1000g分取し、これに水1Lを添加して、スラリーe11を得た。得られたスラリーe11を超音波攪拌機(同上)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(同上)を用いて、噴霧温度180℃でスプレードライに付して造粒体f11を得た。
得られた造粒体f11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てなるリチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(A)(LMP-Ai)(LiMn0.7Fe0.3PO4、炭素の量=2.0質量%、タップ密度:0.95g/cm3、D50:10.6μm、粒度分布の標準偏差:6.6μm、BET比表面積:23.6m2/g)を得た。
【0064】
[製造例12:リチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(A)(LMP-Aj)の製造]
製造例3において得られた複合体d3を200g分取し、メカノフュージョン(同上)を用いて3250rpm(25m/s)で30分間造粒処理して造粒体f12を得た。
得られた造粒体f12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てなるリチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(A)(LMP-Aj)(LiMn0.7Fe0.3PO4、炭素の量=2.0質量%、タップ密度:1.42g/cm3、D50:10.9μm、粒度分布の標準偏差:7.2μm、BET比表面積:20.0m2/g)を得た。
【0065】
[製造例13:リチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(A)(LMP-Ak)の製造]
製造例3において得られたスラリーc3をオートクレーブに投入し、200℃で1時間水熱反応を行った。オートクレーブ内の圧力は1.6MPa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d13を得た。得られた複合体d13を200g分取し、メカノフュージョン(同上)を用いて3900rpm(30m/s)で4時間造粒処理して造粒体f13を得た。
得られた造粒体f13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てなるリチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(A)(LMP-Ak)(LiMn0.7Fe0.3PO4、炭素の量=2.0質量%、タップ密度:1.80g/cm3、D50:29.8μm、粒度分布の標準偏差:6.6μm、BET比表面積:17.7m2/g)を得た。
【0066】
[製造例14:リチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(A)(LMP-Al)の製造]
スプレードライ装置(同上)の噴霧温度を240℃に変更した以外、製造例3と同様にして、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てなるリチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(A)(LMP-Al)(LiMn0.7Fe0.3PO4、炭素の量=2.0質量%、タップ密度:1.04g/cm3、D50:3.0μm、粒度分布の標準偏差:9.8μm、BET比表面積:18.8m2/g)を得た。
【0067】
[製造例15:リチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(A)(LMS-Aa)の製造]
LiOH・H2O 428g、Na4SiO4・nH2O 1397g、セルロースナノファイバー(同上)5892g及び水3.75Lを混合してスラリーa15を得た。次いで、得られたスラリーa15に、MnSO4・5H2O 1655g及びZr(SO42・4H2O 53gを添加してスラリーb15を得た。添加したMnSO4とZr(SO42のモル比(マンガン化合物:ジルコニウム化合物)は、97:3であった。
次いで、得られたスラリーb15をオートクレーブに投入し、170℃で3時間水熱反応を行った。オートクレーブ内の圧力は0.4MPa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c15を得た。
得られた複合体c15を500g分取し、これに水500mLを添加して、スラリーd13を得た。得られたスラリーd13を超音波攪拌機(同上)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(同上)を用いて、噴霧温度150℃でスプレードライに付して造粒体e15を得た。
得られた造粒体e15を、アルゴン水素雰囲気下(水素濃度3%)、650℃で1時間焼成して、4.0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てなるリチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(A)(LMS-Aa)(Li2Mn0.97Zr0.03SiO4、炭素の量=4.0質量%、タップ密度:0.97g/cm3、D50:8.9μm、粒度分布の標準偏差:7.2μm、BET比表面積:28.3m2/g)を得た。
【0068】
[製造例16:リチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(A)(LFS-Aa)の製造]
添加するMnSO4・5H2O 1655gをFeSO4・7H2O 1358gとした以外、製造例15と同様にして、4.0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てなるリチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(A)(LFS-Aa)(Li2Fe0.97Zr0.03SiO4、炭素の量=4.0質量%、タップ密度:1.03g/cm3、D50:8.5μm、粒度分布の標準偏差:7.2μm、BET比表面積:26.1m2/g)を得た。
【0069】
各混合正極活物質を得るためのリチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(A)及び層状型リチウム複合酸化物二次粒子(B)の構成を表1に示す。
また、リチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(A)及び層状型リチウム複合酸化物二次粒子(B)の所定の物性を用いて上記式(1)により求めたXA 表1に示す。
【0070】
【表1】
【0071】
≪正極の製造≫
表1に示す各混合正極活物質の構成にしたがって、リチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(A)及び層状型リチウム複合酸化物二次粒子(B)を用いつつ、正極スラリーを調製した。
具体的には、混合正極活物質(リチウム系オリビン型複合酸化物二次粒子(A)と層状型リチウム複合酸化物二次粒子(B)の混合物)(18g):アセチレンブラック(2g):ポリフッ化ビニリデン(2g)=90:5:5(質量比)の配合割合となるよう正極スラリーを調製した。より具体的には、自転・公転式ミキサー(ARE-310、(株)シンキー製)を用い、先ずアセチレンブラックとポリフッ化ビニリデンを回転数2000rpmで10分間混練した後、混合正極活物質を構成する層状型リチウム複合酸化物二次粒子(B)を添加して回転数2000rpmで5分間混練し、その後混合正極活物質を構成する層状型リチウム複合酸化物二次粒子(B)を添加して、さらに回転数2000rpmで5分間混練した。その後、これにN-メチル-2-ピロリドンを適量加えて、回転数2000rpmで5分間混練して正極スラリーを得た。
【0072】
次いで、ブレード間隔250μmのドクターブレードを用い、上記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布した後、80℃で12時間の真空乾燥を行った。その後、φ14mmの円盤状に打ち抜き、ハンドプレスを用いて16MPaで2分間プレスして正極とした。
【0073】
≪正極断面のSEM観察≫
得られた正極について、その断面のSEM写真(後方散乱電子像。使用装置:JSM-7001F、日本電子(株)製)を画像解析して、粒子間空隙の量、平均空隙径(円面積相当径)、当該平均空隙径の標準偏差、及び粒子間空隙の分布状態を評価した。このSEM写真を用いた画像解析では、任意に選択した集電体周辺の50μm×50μmの範囲を対象にした。SEM観察用の正極断面試料は、切断、粗研磨後の正極断面をダイヤモンドペーストで研磨した後、Arイオンビームを用いてクロスセクションポリッシャを行うことにより作製した。
画像解析結果を表2に示す。
なお、表2に示す粒子間空隙の分布状態は、SEM写真を目視により評価した結果である。具体的には、粒子間空隙の分布をSEM写真全体で観察し、空隙が均一に分散していると判断した場合を「○」、集電体近傍に大径の空隙が偏在している等、空隙が均一に分散していないと判断した場合を「×」と評価した。
【0074】
【表2】
【0075】
≪電解液への遷移金属溶出量≫
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。
【0076】
得られた二次電池に対し、電流170mA/g、電圧4.5Vの定電流充電を行った。
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層状型リチウム複合酸化物二次粒子(B)由来のNi、Co、Mnを、ICP発光分光法(ULTIMA2、(株)堀場製作所製)を用いて定量した。
結果を表3に示す。
【0077】
≪放電特性の評価≫
得られた二次電池を用い、充放電試験を行った。具体的には、電流密度85mA/g、電圧4.25Vの定電流充電後に、電流密度85mA/g、終止電圧3.0Vの定電流放電を行い、放電容量測定装置(HJ-1001SD8、北斗電工(株)製)を用い、気温30℃環境での、0.5C(85mAh/g)における放電容量を測定した。また、上記充放電サイクルを1000サイクル繰返し、下記式(X)により容量保持率(%)を求めた。
結果を表3に示す。
容量保持率(%)=(1000サイクル後の放電容量)/
(1サイクル後の放電容量)×100 ・・・(X)
【0078】
【表3】
【0079】
表3より、本発明の混合正極活物質を用いた全ての実施例は、比較例1又は比較例2と比較して、遷移金属溶出量、特にNiとMnの溶出量を有効に抑制しており、容量保持率の高い二次電池を得ることができた。これは、表2に示すとおり、本発明の混合正極活物質を用いて作製した正極は、空隙量が低減されるとともに空隙径のばらつきも小さく、さらにそれら空隙の分布の均一性が高いことによるものと考えられる。