(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】2023-10-13
(45)【発行日】2023-10-23
(54)【発明の名称】リチウムイオン二次電池用正極活物質複合体及びその製造方法
(51)【国際特許分類】
H01M 4/525 20100101AFI20231016BHJP
H01M 4/505 20100101ALI20231016BHJP
H01M 4/58 20100101ALI20231016BHJP
H01M 4/36 20060101ALI20231016BHJP
C01G 53/00 20060101ALI20231016BHJP
C01B 25/45 20060101ALI20231016BHJP
C01G 51/00 20060101ALI20231016BHJP
C01B 33/20 20060101ALI20231016BHJP
【FI】
H01M4/525
H01M4/505
H01M4/58
H01M4/36 A
H01M4/36 C
H01M4/36 E
C01G53/00 A
C01B25/45 Z
C01G51/00 A
C01B33/20
C01B25/45 H
(21)【出願番号】P 2019169644
(22)【出願日】2019-09-18
【審査請求日】2022-06-15
(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】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
【審査官】村岡 一磨
(56)【参考文献】
【文献】特表2018-517243(JP,A)
【文献】特開2019-033016(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
H01M 4/00-4/62
C01G 53/00
C01B 25/45
C01G 51/00
C01B 33/20
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
リチウム複合粒子(A)の表面にリチウム正極活物質粒子(B)が担持してなり、かつリチウム複合粒子(A)とリチウム正極活物質粒子(B)との質量比((A):(B))が95:5~
90:
10であるリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体であって、
リチウム複合粒子(A)は、下記式(1)、又は式(2):
LiNi
aCo
bMn
cM
1
vO
2・・・(1)
(式(1)中、M
1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。a、b、c、vは、0.3≦a<1、0<b≦0.7、0<c≦0.7、0≦v≦0.3、かつ3a+3b+3c+(M
1の価数)×v=3を満たす数を示す。)
LiNi
dCo
eAl
fM
2
wO
2 ・・・(2)
(式(2)中、M
2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、wは、0.4≦d<1、0<e≦0.6、0<f≦0.3、0≦w≦0.3、かつ3d+3e+3f+(M
2の価数)×w=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リチウム複合酸化物二次粒子(a)の表面を、
Li
1.3
Al
0.3
Ti
1.7
(PO
4
)
3
で表され
るリチウム系固体電解質(b)が被覆してなる粒子であり、
リチウム正極活物質粒子(B)は、下記式(5)、
又は式(6)
:
Li
jMn
kFe
lM
5
yPO
4 ・・・(5)
(式(5)中、M
5はCo、Ni、Ca、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd又はGdを示す。j、k、l、及びyは、0<j≦1.2、0.3≦k≦1、0≦l≦0.7、及び0≦y≦0.3を満たし、かつj+(Mnの価数)×k+(Feの価数)×l+(M
5の価数)×y=3を満たす数を示す。)
Li
mMn
nFe
oM
6
zSiO
4 ・・・(6)
(式(6)中、M
6はCo、Ni、Ca、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd、Al、Zn、V又はGdを示す。m、n、o、及びzは、0<m≦2.4、0≦n≦1.2、0≦o≦1.2、0≦z≦1.2、及びn+o≠0を満たし、かつm+(Mnの価数)×n+(Feの価数)×o+(M
6の価数)×z=4を満たす数を示す。)
で表されるいずれか1種以上の粒子である、リチウムイオン二次電池用正極活物質複合体。
【請求項2】
リチウム複合酸化物二次粒子(a)の表面におけるリチウム系固体電解質(b)の被覆量が、リチウム複合粒子(A)の全量100質量%中に、0.1質量%~10質量%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複合体。
【請求項3】
リチウム複合酸化物二次粒子(a)の表面におけるリチウム系固体電解質(b)の被覆厚さが、3nm~20nm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複合体。
【請求項4】
上記式(5)又は式(6)で表されるリチウム正極活物質粒子(B)の表面に、セルロースナノファイバー由来の炭素(c1)
が担持してなる、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複合体。
【請求項5】
次の工程(I)~(IV):
(I)リチウム系固体電解質(b)の原料となる水溶性化合物が溶解した水溶液にリチウム複合酸化物二次粒子(a)を混合した後、噴霧乾燥して、リチウム系固体電解質(b)の原料化合物を表面に担持したリチウム複合酸化物二次粒子(a)からなる複合体(d)を得る工程、
(II)得られた複合体(d)を、酸素雰囲気下、600℃~1000℃で30分間~6時間焼成して、リチウム複合酸化物二次粒子(a)の表面をリチウム系固体電解質(b)が被覆してなるリチウム複合粒子(A)を得る工程、
(III)リチウム正極活物質粒子(B)を含むスラリーを
熱風の供給量G(L/分)と、スラリーの供給量S(L/分)の比(G/S)=500~10000にて噴霧乾燥して、
崩壊強度が1.8KN/mm以下であるリチウム正極活物質粒子(B)の造粒体(e)を得る工程、並びに
(IV)リチウム複合粒子(A)及び造粒体(e)を、圧縮力及びせん断力を付加しながら混合して、造粒体(e)を解砕させながら、リチウム複合粒子(A)とリチウム正極活物質粒子(B)とを複合化する工程
を備える、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複合体の製造方法。
【請求項6】
工程(III)が、リチウム正極活物質粒子(B)の造粒体(e)を還元焼成する工程を含む、請求項5に記載のリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、リチウム複合酸化物を正極活物質の主成分とする、サイクル特性に優れたリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体、及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
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が、かかる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、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。この原因は、充電時に遷移金属成分が電解液へ溶出することにより、リチウム複合酸化物の結晶構造の崩壊が生じやすくなることにあると考えられている。また、リチウム複合酸化物の結晶構造の崩壊が生じると、リチウム複合酸化物の遷移金属成分が周囲の電解液へ溶出し、熱的安定性が低下して安全性が損なわれるおそれもある。
【0003】
こうしたなか、より優れた電池特性を有するリチウムイオン二次電池を実現すべく、種々の正極活物質が開発されている。例えば、特許文献1には、リチウム複合酸化物粒子の表面の少なくとも一部にリチウム系ポリアニオン粒子と炭素材料の混合物である被覆層が形成されてなる正極活物質が開示されており、電子伝導性や高温特性を高める試みがなされている。また、特許文献2には、リチウム系ポリアニオン粒子がリチウム複合酸化物の表面に部分的に接するようにメカニカルミリング処理された正極活物質が開示されており、充放電容量密度や熱安定性の向上を図っている。さらに特許文献3では、表面に良好な導電性を持つ炭素コート層を有するリチウム系ポリアニオン粒子をリチウム複合酸化物に被覆させて、高容量で高温保存特性に優れた正極活物質を得ている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】特開2004-319129号公報
【文献】特開2007-335245号公報
【文献】特開2008-210701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、本発明者の検討により、上記特許文献に記載の技術であっても、二次電池を形成した際、そのサイクル特性、特に高温環境下でのサイクル特性は未だ不充分であることが判明した。そして、さらなる本発明者らの検討により、炭素コート層を有するリチウム系ポリアニオン粒子のみでリチウム複合酸化物粒子の表面の全てを十分に被覆するのは困難であるために、リチウム複合酸化物粒子からの遷移金属成分の溶出を確実に抑制することが困難であることも判明した。
【0006】
したがって、本発明の課題は、リチウム複合酸化物粒子からの遷移金属成分の溶出を有効に抑制し、優れた高温サイクル特性を有するリチウムイオン二次電池を実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複合体を提供することにある。
【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、特定のリチウム複合粒子(A)の表面に、特定のリチウム正極活物質粒子(B)が特定の質量比で担持してなるリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体(C)であれば、リチウム複合酸化物粒子からの遷移金属成分の溶出を効果的に抑制することができ、かかるリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体(C)を用いて得られるリチウムイオン二次電池の高温サイクル特性の向上を有効に図ることが可能になることを見出した。
【0008】
したがって、本発明は、リチウム複合粒子(A)の表面にリチウム正極活物質粒子(B)が担持してなり、かつリチウム複合粒子(A)とリチウム正極活物質粒子(B)との質量比((A):(B))が95:5~50:50であるリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体であって、
リチウム複合粒子(A)は、下記式(1)、又は式(2):
LiNiaCobMncM1
vO2・・・(1)
(式(1)中、M1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。a、b、c、vは、0.3≦a<1、0<b≦0.7、0<c≦0.7、0≦v≦0.3、かつ3a+3b+3c+(M1の価数)×v=3を満たす数を示す。)
LiNidCoeAlfM2
wO2 ・・・(2)
(式(2)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、wは、0.4≦d<1、0<e≦0.6、0<f≦0.3、0≦w≦0.3、かつ3d+3e+3f+(M2の価数)×w=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リチウム複合酸化物二次粒子(a)の表面を、下記式(3)又は式(4):
Li1+gAlhM3
xTii(PO4)3 ・・・(3)
(式(3)中、M3はSc、In、Fe、Cr、Ga、Y、La、Zn、Si、Mn、Ge、Nd、Sr又はVから選ばれる1種又は2種以上を示し、g、h、i及びxは、0≦g≦4、0<h≦2、0<i<2、0≦x≦2、g+3h+(M3の価数)×x+4i=8を満たす数を示す。)
Li3PO4-Li4SiO4 ・・・(4)
で表される1種以上のリチウム系固体電解質(b)が被覆してなる粒子であり、
リチウム正極活物質粒子(B)は、下記式(5)、式(6)、式(7)、式(8)、式(9)、又は式(10):
LijMnkFelM5
yPO4 ・・・(5)
(式(5)中、M5はCo、Ni、Ca、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd又はGdを示す。j、k、l、及びyは、0<j≦1.2、0.3≦k≦1、0≦l≦0.7、及び0≦y≦0.3を満たし、かつj+(Mnの価数)×k+(Feの価数)×l+(M5の価数)×y=3を満たす数を示す。)
LimMnnFeoM6
zSiO4 ・・・(6)
(式(6)中、M6はCo、Ni、Ca、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd、Al、Zn、V又はGdを示す。m、n、o、及びzは、0<m≦2.4、0≦n≦1.2、0≦o≦1.2、0≦z≦1.2、及びn+o≠0を満たし、かつm+(Mnの価数)×n+(Feの価数)×o+(M6の価数)×z=4を満たす数を示す。)
LiM7
pCoqO2 ・・・(7)
(式(7)中、M7はNi、Mn、Al、Mg、Ti、V、Cr、Fe、Zr、Ga、及びSiから選ばれる1種または2種以上の元素を示す。また、式(7)中、p及びqは、0≦p≦0.1、0<q≦1、及び(M7の価数)×p+3q=3を満たす数を示す。)
LiM8
rMnsO4 ・・・(8)
(式(8)中、M8はNi、Co、Al、Mg、Ti、V、Cr、Fe、Zr、Ga、Cu、及びSiから選ばれる1種または2種以上の元素を示す。また、式(8)中、o及びpは、0≦r≦0.1、0<s≦2、及び(M8の価数)×r+(Mnの価数)×s=7を満たす数を示す。)
LiNitMn1-tO4 ・・・(9)
(式(9)中、tは0.3≦t≦0.7を満たす数を示す。)
Li2MnO3-LiM10O2 ・・・(10)
(式(10)中、M10はNi、Mn、Co、Al、Fe、Cr、V、Mg、Ti、Zr、Nb、Mo、W、Cu、Zn、Ga、In、Sn、La、及びCeから選ばれる1種または2種以上の元素を示す。)
で表されるいずれか1種以上の粒子である、リチウムイオン二次電池用正極活物質複合体を提供するものである。
【0009】
また、本発明は、次の工程(I)~(IV):
(I)リチウム系固体電解質(b)の原料となる水溶性化合物が溶解した水溶液にリチウム複合酸化物二次粒子(a)を混合した後、噴霧乾燥して、リチウム系固体電解質(b)の原料化合物を表面に担持したリチウム複合酸化物二次粒子(a)からなる複合体(d)を得る工程、
(II)得られた複合体(d)を、酸素雰囲気下、600℃~1000℃で30分間~6時間焼成して、リチウム複合酸化物二次粒子(a)の表面をリチウム系固体電解質(b)が被覆してなるリチウム複合粒子(A)を得る工程、
(III)リチウム正極活物質粒子(B)を含むスラリーを噴霧乾燥して、リチウム正極活物質粒子(B)の造粒体(e)を得る工程、並びに
(IV)リチウム複合粒子(A)及び造粒体(e)を、圧縮力及びせん断力を付加しながら混合して、造粒体(e)を解砕させながら、リチウム複合粒子(A)とリチウム正極活物質粒子(B)とを複合化する工程
を備える、上記リチウムイオン二次電池用正極活物質複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複合体によれば、リチウム複合酸化物粒子の表面にリチウム系固体電解質とリチウム正極活物質粒子とが重層的に被覆又は担持してなるため、リチウム複合酸化物粒子からの遷移金属成分の溶出を効果的に抑制することができ、高温環境下でのサイクル特性を高めるのに大いに寄与することとなる。
したがって、かかるリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体を正極材料として適用すれば、優れた電池特性を発現するリチウムイオン二次電池を実現することが可能となる。
【発明を実施するための形態】
【0011】
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複合体は、リチウム複合粒子(A)の表面にリチウム正極活物質粒子(B)が担持してなり、かつリチウム複合粒子(A)とリチウム正極活物質粒子(B)との質量比((A):(B))が95:5~50:50である。
上記リチウム複合粒子(A)を構成するリチウム複合酸化物二次粒子(a)は、下記式(1)、又は式(2):
LiNiaCobMncM1
vO2・・・(1)
(式(1)中、M1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。a、b、c、vは、0.3≦a<1、0<b≦0.7、0<c≦0.7、0≦v≦0.3、かつ3a+3b+3c+(M1の価数)×v=3を満たす数を示す。)
LiNidCoeAlfM2
wO2 ・・・(2)
(式(2)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、wは、0.4≦d<1、0<e≦0.6、0<f≦0.3、0≦w≦0.3、かつ3d+3e+3f+(M2の価数)×w=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二次粒子である。
【0012】
上記式(1)で表されるリチウム複合酸化物粒子(いわゆるNi-Co-Mn酸化物であり、以後「NCM系複合酸化物」と称する。)及び上記式(2)で表されるリチウム複合酸化物粒子(いわゆるNi-Co-Al酸化物であり、以後「NCA系複合酸化物」と称する。)は共に層状岩塩型構造を有する粒子であり、凝集することによって、リチウム複合酸化物二次粒子(a)を形成する。したがって、二次粒子についても「NCM系複合酸化物二次粒子(a)」、「NCA系複合酸化物二次粒子(a)」等と称する。
【0013】
上記式(1)で表されるNCM系複合酸化物粒子は、リチウム複合酸化物二次粒子(a)を形成する。式(1)中のM1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。
また、上記式(1)中のa、b、c、vは、0.3≦a<1、0<b≦0.7、0<c≦0.7、0≦v≦0.3、かつ3a+3b+3c+(M1の価数)×v=3を満たす数である。
【0014】
上記式(1)で表されるNCM系複合酸化物粒子において、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、サイクル特性の観点からは、かかる遷移元素の一部が他の金属元素M1により置換されていることが好ましい。これら金属元素M1により置換されることにより、式(1)で表されるNCM系複合酸化物粒子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崩壊が抑制でき、優れたサイクル特性が実現し得ると考えられる。
上記式(1)で表されるNCM系複合酸化物粒子としては、具体的には、例えばLiNi0.33Co0.33 Mn0.34O2、LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2、LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2、LiNi0.2Co0.4Mn0.4O2、LiNi0.33Co0.31Mn0.33Mg0.03O2、又はLiNi0.33Co0.31Mn0.33Zn0.03O2等が挙げられる。なかでも、サイクル特性を一層高める観点から、LiNi0.33Co0.33 Mn0.34O2、LiNi0.33Co0.31Mn0.33Mg0.03O2からなる粒子が好ましい。
【0015】
さらに、互いに組成が異なる2種以上の上記式(1)で表されるNCM系複合酸化物粒子は、コア部(内部)とシェル部(表層部)とを有するコア-シェル構造のリチウム複合酸化物二次粒子(a)(NCM系複合酸化物二次粒子(a))を形成してもよい。
【0016】
このコア-シェル構造を形成してなるNCM系複合酸化物二次粒子(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NCM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NCM系複合酸化物粒子を配置することができるので、サイクル特性の低下の抑制と安全性の確保をより向上させることができる。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。
【0017】
このような組成が異なる2種以上のNCM系複合酸化物粒子によってコア-シェル構造を形成してなるNCM系複合酸化物二次粒子(a)として、具体的には(コア部)-(シェル部)が、例えば(LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2)-(LiNi0.2Co0.4Mn0.4O2)、(LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2)-(LiNi0.33Co0.33Mn0.34O2)、又は(LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2)-(LiNi0.33Co0.31Mn0.33Mg0.03O2)等からなる粒子が挙げられる。
【0018】
上記式(1)で表されるNCM系複合酸化物粒子の一次粒子としての平均粒径は、好ましくは500nm以下であり、より好ましくは300nm以下である。このように、NCM系複合酸化物粒子の一次粒子としての平均粒径を少なくとも500nm以下にすることで、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ことができる。なお、上記一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、50nm以上が好ましい。
ここで、平均粒径とは、SEM又はTEMの電子顕微鏡観察において、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し、以後の説明においても同義である。
【0019】
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)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、サイクル特性に優れた電池を得ることができる。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、後述する製造方法において噴霧乾燥を用いて得られる複合体(d)が、複数のNCM系複合酸化物二次粒子(a)の凝集体とさせない観点から1μm以上が好ましく、5μm以上がより好ましい。
【0020】
上記式(1)で表されるNCM系複合酸化物粒子が、NCM系複合酸化物二次粒子(a)においてコア-シェル構造を形成してなる場合、コア部を形成する一次粒子としての平均粒径は、好ましくは50nm~500nmであり、より好ましくは50nm~300nmである。そして、上記一次粒子が凝集して形成するコア部の平均粒径は、好ましくは1μm~25μmであり、より好ましくは1μm~20μmである。
また、かかるコア部の表面を被覆するシェル部を構成するNCM系複合酸化物粒子の一次粒子としての平均粒径は、好ましくは50nm~500nmであり、より好ましくは50nm~300nmであって、かかる一次粒子が凝集して形成するシェル部の層厚は、好ましくは0.1μm~5μmであり、より好ましくは0.1μm~2.5μmである。
【0021】
上記式(1)で表されるNCM系複合酸化物粒子からなるNCM系複合酸化物二次粒子(a)の内部空隙率は、リチウムイオンの挿入に伴うNCM系複合酸化物の膨張を二次粒子の内部空隙内で許容させる観点から、NCM系複合酸化物二次粒子(a)の100体積%中、4体積%~12体積%が好ましく、5体積%~10体積%がより好ましい。
かかる平均粒径及び内部空隙率を有することで、上記式(1)で表されるNCM系複合酸化物粒子からなるNCM系複合酸化物二次粒子(a)の表面では、NCM系複合酸化物粒子をリチウム系固体電解質(b)が被覆して存在するため、NCM系複合酸化物粒子に含まれる金属成分(Ni、Co、Mn、M1)の溶出を効果的に抑制し、高温サイクル特性の向上に寄与することができる。
【0022】
上記式(2)で表されるNCA系複合酸化物粒子は、上記NCM系複合酸化物粒子と同様、リチウム複合酸化物二次粒子(a)を形成する。式(2)中の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。
また、上記式(2)中のd、e、f、wは、0.4≦d<1、0<e≦0.6、0<f≦0.3、0≦w≦0.3、かつ3d+3e+3f+(M2の価数)×w=3を満たす数である。
【0023】
上記式(2)で表されるNCA系複合酸化物粒子は、式(1)で表されるNCM系複合酸化物粒子よりも、さらに電池容量及び出力特性に優れている。加えて、Alの含有により、雰囲気中の湿分による変質も生じ難く、安全性にも優れている。
上記式(2)で表されるNCA系複合酸化物粒子としては、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等からなる粒子が挙げられる。なかでも、LiNi0.8Co0.15Al0.05O2、LiNi0.8Co0.15Al0.03Mg0.03O2からなる粒子が好ましい。
【0024】
さらに、NCM系複合酸化物粒子同様に、互いに組成が異なる2種以上の上記式(2)で表されるNCA系複合酸化物粒子は、コア部(内部)とシェル部(表層部)とを有するコア-シェル構造のリチウム複合酸化物二次粒子(a)(NCA系複合酸化物二次粒子(a))を形成していてもよい。
【0025】
上記式(2)で表されるNCA系複合酸化物の一次粒子としての平均粒径、及び上記一次粒子が凝集して形成される複合酸化物二次粒子(a)の平均粒径、並びにかかる二次粒子の内部空隙率は、上記のNCM系複合酸化物粒子及びNCM系複合酸化物二次粒子(a)と同様である。すなわち、上記式(2)で表されるNCA系複合酸化物粒子の一次粒子としての平均粒径は、好ましくは500nm以下であり、より好ましくは300nm以下であり、上記一次粒子からなるNCA系複合酸化物二次粒子(a)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。また、上記式(2)で表されるNCA系複合酸化物粒子からなるNCA系複合酸化物二次粒子(a)の内部空隙率は、かかる二次粒子の体積100%中、4体積%~12体積%が好ましく、5体積%~10体積%がより好ましい。
かかる平均粒径及び内部空隙率を有することで、NCM系複合酸化物粒子同様に、上記式(2)で表されるNCA系複合酸化物粒子からなるNCA系複合酸化物二次粒子(a)の表面では、NCA系複合酸化物粒子をリチウム系固体電解質(b)が被覆して存在するため、NCA系複合酸化物粒子に含まれる金属成分(Ni、Co、Al、M2)の溶出を効果的に抑制し、高温サイクル特性の向上に寄与することができる。
【0026】
本発明のリチウム複合酸化物二次粒子(a)は、上記式(1)で表されるNCM系複合酸化物粒子と上記式(2)で表されるNCA系複合酸化物粒子が混在していてもよい。その混在状態は、上記式(1)で表されるNCM系複合酸化物粒子である一次粒子と上記式(2)で表されるNCA系複合酸化物粒子である一次粒子が共存してなる二次粒子を形成してもよく、また上記式(1)で表されるNCM系複合酸化物粒子のみからなる二次粒子と上記式(2)で表されるNCA系複合酸化物粒子のみからなる二次粒子とが混在してもよく、さらには上記式(1)で表されるNCM系複合酸化物粒子である一次粒子と上記式(2)で表されるNCA系複合酸化物粒子である一次粒子が共存してなる二次粒子、上記式(1)で表されるNCM系複合酸化物粒子のみからなる二次粒子と上記式(2)で表されるNCA系複合酸化物粒子のみからなる二次粒子とが混在するものであってもよい。
【0027】
次に、上記リチウム複合酸化物二次粒子(a)の表面を被覆する、リチウム系固体電解質(b)を説明する。リチウム系固体電解質(b)とは、少なくとも良好なリチウムイオン伝導性を有するものであり、後述する製造方法では、焼成工程において形成できるリチウム系固体電解質である。
【0028】
リチウム複合酸化物二次粒子(a)の表面を被覆する、リチウム系固体電解質(b)は、下記式(3)、又は(4):
Li1+gAlhM3
xTii(PO4)3 ・・・(3)
(式(3)中、M3はSc、In、Fe、Cr、Ga、Y、La、Zn、Si、Mn、Ge、Nd、Sr又はVから選ばれる1種又は2種以上を示し、g、h、i及びxは、0≦g≦4、0<h≦2、0<i<2、0≦x≦2、g+3h+(M3の価数)×x+4i=8を満たす数を示す。)
Li3PO4-Li4SiO4 ・・・(4)
で表される。
【0029】
上記式(3)で表されるリチウム系固体電解質(b)は、NASICON型の結晶構造を有する化学的安定性に優れる酸化物系の固体電解質であり、室温において10-4S/cm台の高いリチウムイオン伝導度を示す。
【0030】
式(3)中のM3はSc、In、Fe、Cr、Ga、Y、La、Zn、Si、Mn、Ge、Nd、Sr又はV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(3)中のg、h、i及びxは、0≦g≦4、0<h≦2、0<i<2、0≦x≦2、g+3h+(M3の価数)×x+4i=8を満たす数である。
より具体的には、例えば、Li1.4Al0.4Ti1.6(PO4)3、Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3、Li1.2Al0.2Ti1.8(PO4)3、Li1.1Al0.1Ti1.9(PO4)3、Li1.3Al0.27Ga0.03Ti1.7(PO4)3、Li1.3Al0.27Sc0.03Ti1.7(PO4)3、Li1.3Al0.27Y0.03Ti1.7(PO4)3が挙げられる。なかでも、Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3が好ましい。
【0031】
式(3)で表されるリチウム系固体電解質(b)の被覆量は、リチウム複合酸化物二次粒子(a)の活物質としての性能を最大限に使用する観点から、リチウム複合酸化物二次粒子(a)の表面をリチウム系固体電解質(b)が被覆してなるリチウム複合粒子(A)の全量100質量%中に、好ましくは0.1質量%~10質量%であり、より好ましくは0.1質量%~5質量%であり、さらに好ましくは0.1質量%~1質量%である。
【0032】
また、式(3)で表されるリチウム系固体電解質(b)の被覆厚さは、リチウム複合酸化物二次粒子(a)からの遷移金属成分の溶出を効果的に抑制する観点から、好ましくは3nm~20nmであり、より好ましくは7nm~20nmであり、さらに好ましくは10nm~20nmである。
ここで、リチウム系固体電解質(b)の被覆厚さとは、リチウム複合粒子(A)の断面(クロスセクション)に関するTEM観察において、十個のリチウム複合粒子(A)表面におけるリチウム系固体電解質(b)被覆層の厚さの測定値の平均値を意味し、以後の説明においても同義である。
【0033】
上記式(4)で表されるリチウム系固体電解質(b)は、固溶体(Li3PO4-Li4SiO4)であって、構造上、高いリチウムイオン濃度を保有することができる。そのため、室温において10-6S/cm台の高いリチウムイオン伝導度を示す。
【0034】
リチウム複合粒子(A)における式(4)で表されるリチウム系固体電解質(b)の被覆量及び被覆厚さは、上記式(3)で表されるリチウム系固体電解質(b)と同じであって、被覆量は、リチウム複合粒子(A)の全量100質量%中に、好ましくは0.1質量%~10質量%であり、より好ましくは0.1質量%~5質量%であり、さらに好ましくは0.1質量%~1質量%であり、被覆厚さは、好ましくは3nm~20nmであり、より好ましくは7nm~20nmであり、さらに好ましくは10nm~20nmである。
【0035】
次に、上記リチウム複合粒子(A)の表面に担持してなる、リチウム正極活物質粒子(B)を説明する。
下記式(5)、又は式(6):
LijMnkFelM5
yPO4 ・・・(5)
(式(5)中、M5はCo、Ni、Ca、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd又はGdを示す。j、k、l、及びyは、0<j≦1.2、0.3≦k≦1、0≦l≦0.7、及び0≦y≦0.3を満たし、かつj+(Mnの価数)×k+(Feの価数)×l+(M5の価数)×y=3を満たす数を示す。)
LimMnnFeoM6
zSiO4 ・・・(6)
(式(6)中、M6はCo、Ni、Ca、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd、Al、Zn、V又はGdを示す。m、n、o、及びzは、0<m≦2.4、0≦n≦1.2、0≦o≦1.2、0≦z≦1.2、及びn+o≠0を満たし、かつm+(Mnの価数)×n+(Feの価数)×o+(M6の価数)×z=4を満たす数を示す。)
で表されるリチウム正極活物質粒子(B)は、オリビン型構造を有する正極活物質からなる粒子である。
【0036】
上記式(5)で表されるリチウム正極活物質粒子(B)としては、リチウムイオン二次電池用正極活物質複合体(C)の平均放電電圧の観点から、0.5≦j≦1.2が好ましく、0.6≦j≦1.1がより好ましく、0.65≦j≦1.05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、Li1.2Mn0.63Fe0.27PO4、Li0.6Mn0.84Fe0.36PO4等が挙げられる。なかでも、LiMn0.7Fe0.3PO4、LiMn0.8Fe0.2PO4、Li1.2Mn0.63Fe0.27PO4、又はLi0.6Mn0.84Fe0.36PO4が好ましい。
【0037】
また、上記式(6)で表されるリチウム正極活物質粒子(B)としては、具体的には、例えばLi2Mn0.45Fe0.45Co0.1SiO4、Li2Mn0.54Fe0.36Al0.066SiO4、Li2Mn0.45Fe0.45Zn0.1SiO4、Li2Mn0.54Fe0.36V0.066SiO4、Li2Mn0.66Fe0.28Zr0.03SiO4、Li2Mn0.658Fe0.282Zr0.02SiO4、Li2.2Mn0.594Fe0.252Zr0.027SiO4、Li1.2Mn0.294Fe0.392Zr0.042SiO4等が挙げられる。なかでも、Li2Mn0.66Fe0.28Zr0.03SiO4、Li2Mn0.658Fe0.282Zr0.02SiO4、Li2.2Mn0.594Fe0.252Zr0.027SiO4、又はLi1.2Mn0.294Fe0.392Zr0.042SiO4が好ましい。
【0038】
さらに、上記式(5)又は式(6)で表されるリチウム正極活物質粒子(B)は、式(5)又は式(6)で表されるリチウム系ポリアニオン粒子からなるコア部(内部)とシェル部(表層部)を有するコア-シェル構造を形成するものであってもよい。
【0039】
このリチウム系ポリアニオン粒子のコア-シェル構造によって、リチウム正極活物質粒子(B)から電解液に溶出しやすいMn含有量の多いリチウム系ポリアニオンをコア部に配置し、電解液に接し易いシェル部にはMn含有量の少ないリチウム系ポリアニオンを配置したりすることによって、リチウム系ポリアニオン粒子に起因するサイクル特性の低下の抑制と安全性の確保をより向上させることができる。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。
【0040】
このような組成が異なる2種以上のリチウム系ポリアニオン粒子によってコア-シェル構造を形成してなるリチウム正極活物質粒子(B)として、具体的には(コア部)-(シェル部)が、例えば(LiMnPO4)-(LiFePO4)、(LiMn0.5Co0.5PO4)-(LiFePO4)、(Li2MnSiO4)-(LiFePO4)、又は(Li2MnSiO4)-(Li2FeSiO4)等からなる粒子が挙げられる。
【0041】
上記式(5)又は式(6)で表されるリチウム正極活物質粒子(B)の平均粒径は、リチウム複合粒子(A)の表面のみにおいて、リチウム複合酸化物粒子と密に複合化する観点から、リチウム正極活物質粒子(B)が式(5)で表される場合には、好ましくは50nm~200nmであり、より好ましくは50nm~150nmであり、さらに好ましくは50nm~100nmである。また、リチウム正極活物質粒子(B)が式(6)で表される場合には、好ましくは20nm~200nmであり、より好ましくは20nm~150nmであり、さらに好ましくは20nm~100nmである。
なお、コア-シェル構造を形成してなるリチウム正極活物質粒子(B)の平均粒径は、かかるリチウム正極活物質粒子(B)に式(5)で表されるリチウム系ポリアニオンを含む場合には、好ましくは50nm~200nmであり、より好ましくは50nm~150nmであり、さらに好ましくは50nm~100nmであり、式(6)で表されるリチウム系ポリアニオンを含む場合には、好ましくは20nm~200nmであり、より好ましくは20nm~150nmであり、さらに好ましくは20nm~100nmである。
【0042】
上記式(5)又は式(6)で表されるリチウム正極活物質粒子(B)の25℃での20MPa加圧時におけるリチウムイオン伝導度は、1×10-7S/cm以上であることが好ましく、1×10-6S/cm以上であることがより好ましい。
【0043】
上記式(5)又は式(6)で表されるリチウム正極活物質粒子(B)は、その表面に炭素(c)が担持されてなるのが好ましい。このリチウム正極活物質粒子(B)の表面における炭素(c)の担持量は、炭素(c)が担持されてなるリチウム正極活物質粒子(B)全量100質量%中に、好ましくは0.1質量%~10質量%であり、より好ましくは0.1質量%~7質量%であり、さらに好ましくは0.1質量%~5質量%である。
【0044】
式(5)又は式(6)で表されるリチウム正極活物質粒子(B)の表面に担持される炭素(c)は、リチウム正極活物質粒子(B)と炭素源(c’)とが一括して焼成されることによって、リチウム正極活物質粒子(B)の表面上に堅固に担持されるか、リチウム正極活物質粒子(B)とともに圧縮力及びせん断力を付加されながら混合されて、リチウム正極活物質粒子(B)の表面上に堅固に担持される。焼成されて炭素(c)となる炭素源(c’)として、セルロースナノファイバー(c’-1)、リグノセルロースナノファイバー(c’-2)、水溶性炭素材料(c’-3)から選ばれる1種又は2種以上が挙げられ、また圧縮力及びせん断力を付加されながら混合される炭素(c)として、水不溶性炭素材料(c4)が挙げられる。
【0045】
上記炭素源(c’)としてのセルロースナノファイバー(c’-1)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(c’-1)由来の炭素(c1)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(c’-1)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(c’-1)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、上記式(5)又は式(6)で表されるリチウム正極活物質粒子(B)とも相まって、かかる粒子の表面に堅固に担持されることにより、良好な電子伝導性を付与することができる。
【0046】
上記炭素源(c’)としてのリグノセルロースナノファイバー(c’-2)とは、セルロースナノファイバー(c’-1)よりもさらに優れた水への分散性を有している。そして、リグノセルロースナノファイバー(c’-2)が炭化されてなる炭素(c2)は、セルロースナノファイバー由来の周期的構造とリグニン由来の三次元網目構造を有する複合的な三次元構造を形成し、上記式(5)又は式(6)で表されるリチウム正極活物質粒子(B)に有効に担持されることができる。かかるリグノセルロースナノファイバー(c’-2)の繊維径は、30nm~1000nmである。
【0047】
上記炭素源(c’)としての水溶性炭素材料(c’-3)とは、25℃の水100gに、水溶性炭素材料(c’-3)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し、炭化されることで炭素として上記リチウム正極活物質粒子(B)の表面に存在することとなる。かかる水溶性炭素材料(c’-3)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源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。
【0048】
なお、式(5)又は式(6)で表されるリチウム正極活物質粒子(B)の表面に存在する、セルロースナノファイバー(c’-1)由来の炭素(c1)、リグノセルロースナノファイバー(c’-2)由来の炭素(c2)、又は水溶性炭素材料(c’-3)由来の炭素(c3)の原子換算量(炭素の担持量)は、式(5)又は式(6)で表されるリチウム正極活物質粒子(B)について炭素・硫黄分析装置を用いて測定した炭素量として、確認することができる。
【0049】
炭素(c)として式(5)又は式(6)で表されるリチウム正極活物質粒子(B)に担持される水不溶性炭素材料(c4)とは、25℃の水100gに対する溶解量が、水不溶性炭素材料(c4)の炭素原子換算量で0.4g未満である水不溶性の炭素材料であって、焼成等せずともそのもの自体が導電性を有する。かかる水不溶性炭素材料(c4)としては、グラファイト、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、及びサーマルブラックから選ばれる1種又は2種以上が挙げられる。なかでも、吸着水分量低減の観点から、グラファイトが好ましい。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。水不溶性炭素材料(c4)の平均粒径は、複合化の観点から、好ましくは0.5μm~20μmであり、より好ましくは1.0μm~15μmである。
【0050】
リチウム複合粒子(A)への複合化によって担持される、上記式(5)又は式(6)で表されるリチウム正極活物質粒子(B)の担持量は、リチウム複合酸化物二次粒子(a)の活物質としての性能を最大限に使用する観点から、複合化して得られるリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体(C)の全量100質量%中に、好ましくは5質量%~45質量%であり、より好ましくは10質量%~45質量%であり、さらに好ましくは15質量%~45質量%である。
なお、ここでのリチウム正極活物質粒子(B)の被覆量は、上記炭素(c)の担持量を含むものである。
【0051】
また、式(5)又は式(6)で表されるリチウム正極活物質粒子(B)の担持によりリチウム複合粒子(A)の表面に形成される担持層の厚さは、リチウム複合酸化物二次粒子(a)からの遷移金属成分の溶出を効果的に抑制する観点から、好ましくは100nm~3μmであり、より好ましくは300nm~3μmであり、さらに好ましくは500nm~3μmである。
【0052】
下記式(7):
LiM7
pCoqO2 ・・・(7)
(式(7)中、M7はNi、Mn、Al、Mg、Ti、V、Cr、Fe、Zr、Ga、及びSiから選ばれる1種または2種以上の元素を示す。また、式(7)中、p及びqは、0≦p≦0.1、0<q≦1、及び(M7の価数)×p+3q=3を満たす数を示す。)
で表されるリチウム正極活物質粒子(B)は、層状岩塩型構造の結晶構造を有する正極活物質からなる粒子である。
【0053】
上記式(7)で表されるリチウム正極活物質粒子(B)としては、高温サイクル特性の観点からは、M7としてNi及びMnから選択されるいずれか1種以上の元素であるものが好ましく、より好ましくはM7の50モル%以上がNiである。
具体的には、LiCoO2、LiMn0.05Co0.95O2、LiAl0.05Co0.95O2、LiMg0.03Co0.98O2、LiSi0.03Co0.96O2を用いることができる。なかでも、LiCoO2が好ましい。
【0054】
上記式(7)で表されるリチウム正極活物質粒子(B)の平均粒径は、リチウム複合粒子(A)の表面のみにおいて、リチウム複合酸化物粒子と密に複合化する観点から、好ましくは100nm~500nmであり、より好ましくは100nm~400nmであり、さらに好ましくは100nm~300nmである。
【0055】
リチウム複合粒子(A)への複合化によって担持される、上記式(7)で表されるリチウム正極活物質粒子(B)の担持量は、リチウム複合酸化物二次粒子(a)の活物質としての性能を最大限に使用する観点から、複合化して得られるリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体(C)の全量100質量%中に、好ましくは5質量%~50質量%であり、より好ましくは10質量%~50質量%であり、さらに好ましくは15質量%~50質量%である。
【0056】
この際の、式(7)で表されるリチウム正極活物質粒子(B)の担持によりリチウム複合粒子(A)の表面に形成される担持層の厚さは、好ましくは100nm~3μmであり、より好ましくは300nm~3μmであり、さらに好ましくは500nm~3μmである。
【0057】
下記式(8):
LiM8
rMnsO4 ・・・(8)
(式(8)中、M8はNi、Co、Al、Mg、Ti、V、Cr、Fe、Zr、Ga、Cu、及びSiから選ばれる1種または2種以上の元素を示す。また、式(8)中、o及びpは、0≦r≦0.1、0<s≦2、及び(M8の価数)×r+(Mnの価数)×s=7を満たす数を示す。)
で表されるリチウム正極活物質粒子(B)は、層状岩塩型構造の結晶構造を有する正極活物質からなる粒子である。
【0058】
上記式(8)で表されるリチウム正極活物質粒子(B)としては、具体的には、LiMn2O4、LiNi0.5Mn1.5O4、LiCoMnO4、LiCrMnO4、LiFeMnO4、LiAlMnO4、LiCu0.5Mn1.5O4を用いることができる。なかでも、LiMn2O4が好ましい。
【0059】
上記式(8)で表されるリチウム正極活物質粒子(B)の平均粒径は、リチウム複合粒子(A)の表面のみにおいて、リチウム複合酸化物粒子と密に複合化する観点から、好ましくは100nm~500nmであり、より好ましくは100nm~400nmであり、さらに好ましくは100nm~300nmである。
【0060】
リチウムイオン二次電池用正極活物質複合体(C)における式(8)で表されるリチウム正極活物質粒子(B)の担持量及び担持により形成される担持層の厚さは、上記式(7)で表されるリチウム正極活物質粒子(B)と同じであって、担持量は、リチウムイオン二次電池用正極活物質複合体(C)の全量100質量%中に、好ましくは5質量%~50質量%であり、より好ましくは10質量%~50質量%であり、さらに好ましくは15質量%~50質量%である。また、担持層の厚さは、好ましくは100nm~3μmであり、より好ましくは300nm~3μmであり、さらに好ましくは500nm~3μmである。
【0061】
下記式(9):
LiNitMn1-tO4 ・・・(9)
(式(9)中、tは0.3≦t≦0.7を満たす数を示す。)
で表されるリチウム正極活物質粒子(B)は、スピネル構造を有する正極活物質からなる粒子である。
【0062】
上記式(9)で表されるリチウム正極活物質粒子(B)としては、具体的には、LiNi0.4Mn0.6O4、LiNi0.5Mn0.5O4、LiNi0.6Mn0.4O4を用いることができる。なかでも、LiNi0.5Mn0.5O4が好ましい。
【0063】
上記式(9)で表されるリチウム正極活物質粒子(B)の平均粒径は、リチウム複合粒子(A)の表面のみにおいて、リチウム複合酸化物粒子と密に複合化する観点から、好ましくは100nm~500nmであり、より好ましくは100nm~400nmであり、さらに好ましくは100nm~300nmである。
【0064】
リチウムイオン二次電池用正極活物質複合体(C)における式(9)で表されるリチウム正極活物質粒子(B)の担持量及び担持により形成される担持層の厚さは、上記式(7)及び式(8)で表されるリチウム正極活物質粒子(B)と同じであって、担持量は、リチウムイオン二次電池用正極活物質複合体(C)の全量100質量%中に、好ましくは5質量%~50質量%であり、より好ましくは10質量%~50質量%であり、さらに好ましくは15質量%~50質量%である。また、担持層の厚さは、好ましくは100nm~3μmであり、より好ましくは300nm~3μmであり、さらに好ましくは500nm~3μmである。
【0065】
下記式(10):
Li2MnO3-LiM10O2 ・・・(10)
(式(10)中、M10はNi、Mn、Co、Al、Fe、Cr、V、Mg、Ti、Zr、Nb、Mo、W、Cu、Zn、Ga、In、Sn、La、及びCeから選ばれる1種または2種以上の元素を示す。)
で表されるリチウム正極活物質粒子(B)は、層状岩塩型構造の結晶構造を有する固溶体を形成する正極活物質からなる粒子である。
【0066】
上記式(10)で表されるリチウム正極活物質粒子(B)としては、高温サイクル特性の観点からは、M10としてCo、Ni及びMnから選択される1種または2種以上の元素であるものが好ましい。
具体的には、Li2MnO3-LiNiO2、Li2MnO3-LiCoO2、Li2MnO3-LiMn2O4、Li2MnO3-LiNixMn1-xO2(0<x<1)、Li2MnO3-LiNixCo1-xO2(0<x<1)、Li2MnO3-LiCoxMn1-xO2(0<x<1)、Li2MnO3-LiNi1-x-yCoxMnyO2(0<x<1、0<y<1、0<x+y<1)を用いることができる。なかでも、Li2MnO3-LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2が好ましい。
【0067】
上記式(10)で表されるリチウム正極活物質粒子(B)の平均粒径は、リチウム複合粒子(A)の表面のみにおいて、リチウム複合酸化物粒子と密に複合化する観点から、好ましくは50nm~200nmであり、より好ましくは50nm~150nmであり、さらに好ましくは50nm~100nmである。
【0068】
リチウムイオン二次電池用正極活物質複合体(C)における式(10)で表されるリチウム正極活物質粒子(B)の担持量及び担持により形成される担持層の厚さは、上記式(5)及び式(6)で表されるリチウム正極活物質粒子(B)と同じであって、担持量は、リチウムイオン二次電池用正極活物質複合体(C)の全量100質量%中に、好ましくは5質量%~45質量%であり、より好ましくは10質量%~45質量%であり、さらに好ましくは15質量%~45質量%である。また、担持層の厚さは、好ましくは100nm~3μmであり、より好ましくは300nm~3μmであり、さらに好ましくは500nm~3μmである。
【0069】
本発明のリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体(C)の平均粒径は、5μm~25μmであり、好ましくは7μm~20μmであり、より好ましくは10μm~16μmである。かかるリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体(C)の平均粒径が5μmよりも小さい場合、タップ密度が低下して作成した電極に十分な剥離強度が付与できず、電池のサイクル特性が低下するおそれがある。また、平均粒径が25μmよりも大きい場合、電極を均一に塗工することが困難になって均一な電極が得られず、電池の放電容量が低下するおそれがある。
また、本発明のリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体(C)のタップ密度は、好ましくは0.8g/cm3~2.5g/cm3であり、より好ましくは1.0g/cm3~2.0g/cm3である。かかる正極活物質複合体のタップ密度が0.8g/cm3よりも小さい場合、上述のとおり電池のサイクル特性が低下するおそれがある。
【0070】
本発明のリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体(C)の製造方法は、次の工程(I)~(IV):
(I)リチウム系固体電解質(b)の原料となる水溶性化合物が溶解した水溶液にリチウム複合酸化物二次粒子(a)を混合した後、噴霧乾燥して、リチウム系固体電解質(b)の原料化合物を表面に担持したリチウム複合酸化物二次粒子(a)からなる複合体(d)を得る工程、
(II)得られた複合体(d)を、酸素雰囲気下、600℃~1000℃で30分間~6時間焼成して、リチウム複合酸化物二次粒子(a)の表面をリチウム系固体電解質(b)が被覆してなるリチウム複合粒子(A)を得る工程、
(III)リチウム正極活物質粒子(B)を含むスラリーを噴霧乾燥して、リチウム正極活物質粒子(B)の造粒体(e)を得る工程、並びに、
(IV)リチウム複合粒子(A)及び造粒体(e)を、圧縮力及びせん断力を付加しながら混合して、造粒体(e)を解砕させながら、リチウム複合粒子(A)とリチウム正極活物質粒子(B)とを複合化する工程
を備える。
【0071】
本発明の製造方法が備える工程(I)は、リチウム系固体電解質(b)の原料となる水溶性化合物が溶解した水溶液にリチウム複合酸化物二次粒子(a)を混合した後、噴霧乾燥して、リチウム系固体電解質(b)の原料化合物を表面に担持したリチウム複合酸化物二次粒子(a)からなる複合体(d)を得る工程である。
より具体的には、次の工程(i)~(ii):
(i)水に、リチウム系固体電解質(b)の原料となる水溶性化合物を添加して水溶液(b-1)を得た後、得られた水溶液(b-1)に、リチウム複合酸化物二次粒子(a)とpH調整剤を混合して、スラリー(ab-1)を得る工程
(ii)スラリー(ab-1)を噴霧乾燥して、リチウム系固体電解質(b)の原料化合物を表面に担持したリチウム複合酸化物二次粒子(a)からなる複合体(d)を得る工程
を備えるのが好ましい。
【0072】
工程(i)は、リチウム系固体電解質(b)の原料となる水溶性化合物とpH調整剤を、水に添加して水溶液(b-1)を得た後、得られた水溶液(b-1)に、リチウム複合酸化物二次粒子(a)を混合して、スラリー(ab-1)を得る工程である。
用い得るリチウム系固体電解質(b)の原料としては、次工程(ii)で、リチウム複合酸化物二次粒子(a)の表面に担持させる必要があることから、水溶性化合物である必要がある。例えば、リチウム化合物の場合は、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。
【0073】
水溶性化合物としてのアルミニウム化合物は、例えば、アルミニウムの硫酸塩、硝酸塩、炭酸塩、酢酸塩、乳酸塩、シュウ酸塩、酸化物、水酸化物、ハロゲン化物等が挙げられる。具体的には、例えば、硫酸アルミニウム、酢酸アルミニウム、乳酸アルミニウム等が挙げられる。
【0074】
水溶性化合物としてのチタン化合物については、チタンアルコキシド(チタンエトキシド、チタンテトラブトキシド、チタンイソプロポキシド等)、チタン塩(硫酸チタン、硝酸チタン等)、及びチタン塩化物(四塩化チタン等)から選ばれる1種又は2種以上が挙げられる。なかでも、反応性や操作性、及び熱処理を効果的に短縮化する観点から、硫酸チタニル、硫酸チタン、チタンアルコキシドが好ましい。
【0075】
また、水溶性化合物としてのリン酸化合物の場合は、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い。
【0076】
水溶性化合物としてのケイ酸化合物は、反応性のあるシリカ化合物であれば特に限定されず、非晶質シリカ、Na4SiO4(例えばNa4SiO4・H2O)等が挙げられる。
【0077】
水溶液(b-1)における原料化合物の合計含有量は、次工程(ii)の噴霧乾燥でリチウム複合酸化物二次粒子(a)を凝集させない観点から、水100質量部に対し、好ましくは0.5質量部~20質量部であり、より好ましくは0.5質量部~15質量部である。
【0078】
水溶液(b-1)にリチウム複合酸化物二次粒子(a)とpH調整剤を混合する前に、予め水溶液(b-1)を撹拌しておくのが好ましい。かかる水溶液(b-1)の撹拌時間は、好ましくは1分間~15分間であり、より好ましくは3分間~10分間である。また、水溶液(b-1)の温度は、好ましくは20℃~90℃であり、より好ましくは20℃~70℃である。
【0079】
スラリー(ab-1)におけるリチウム複合酸化物二次粒子(a)の含有量は、次工程(ii)の噴霧乾燥でリチウム複合酸化物二次粒子(a)を凝集させない観点から、スラリー(ab-1)100質量%中に、好ましくは10質量%~60質量%であり、より好ましくは10質量%~50質量%である。
【0080】
工程(i)では、さらに上記スラリー(ab-1)にアルカリ溶液を添加して、中和反応によって、スラリー(ab-1)に溶解している金属成分を金属水酸化物にするのが好ましい。アルカリ溶液を添加するには、スラリー(ab-1)の25℃におけるpHが10~14に保持するのに充分な量を滴下するのが好ましい。かかるアルカリ溶液としては、例えば、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、炭酸ナトリウム、アンモニア等の水溶液を用いることができるが、なかでもアンモニア、水酸化ナトリウム、炭酸ナトリウム又はこれらの混合溶液を用いることが好ましい。
【0081】
上記スラリー(ab-1)内では、リチウム複合酸化物二次粒子(a)の表面を核形成又は結晶成長の場として、金属水酸化物が形成される。金属水酸化物を良好に生成させる観点から、撹拌して中和反応を進行させるのが好ましい。中和反応中におけるスラリー(ab-1)の温度は、5℃以上が好ましく、より好ましくは10~60℃である。また、スラリー(ab-1)の撹拌時間は、1分~60分が好ましく、1分~30分がより好ましい。
【0082】
続く工程(ii)は、スラリー(ab-1)を噴霧乾燥して、リチウム系固体電解質(b)の原料化合物を表面に担持したリチウム複合酸化物二次粒子(a)からなる複合体(d)を得る工程である。
【0083】
工程(ii)における噴霧乾燥としては、スプレードライ法による噴霧乾燥が好適であり、かかる装置として、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(例えば、藤崎電気(株)製 MDL-050M)を用いることができる。噴霧乾燥に用いる装置の処理条件としては、エアー圧が0.3MPa~0.8MPaであるのが好ましく、0.5MPa~0.7MPaであるのがより好ましく、エアー流量が20NL/分~60NL/分であるのが好ましく、50NL/分~60NL/分であるのがより好ましい。また、熱風量は0.6m3/分~1.2m3/分であるのが好ましく、0.8m3/分~1.1m3/分であるのがより好ましく、入口温度は、100℃~250℃であるのが好ましく、150℃~200℃であるのがより好ましい。さらに、排気温度は70℃~150℃であるのが好ましく、80℃~120℃であるのがより好ましく、スラリー(ab-1)の流量は、リチウム複合酸化物二次粒子(a)を凝集させない観点から、20g/分~70g/分であるのが好ましく、50g/分~70g/分であるのがより好ましい。
【0084】
なお、工程(ii)において得られる複合体(d)の平均粒径は、リチウム複合酸化物二次粒子(a)を不要に凝集させない観点から、好ましくは1μm~25μmであり、より好ましくは5μm~20μmである。
【0085】
続く工程(II)は、得られた複合体(d)を、酸素雰囲気下、600℃~1000℃で30分間~6時間焼成して、リチウム複合酸化物二次粒子(a)の表面をリチウム系固体電解質(b)が被覆してなるリチウム複合粒子(A)を得る工程である。
かかる焼成により、リチウム複合酸化物二次粒子(a)の表面に担持されているリチウム系固体電解質(b)の原料化合物からリチウム系固体電解質(b)が生成すると共に、リチウム複合酸化物二次粒子(a)の表面全体を被覆するように、リチウム系固体電解質(b)が担持される。これにより、リチウム複合酸化物二次粒子(a)からの遷移金属成分の電解液への溶出を有効に抑制することができる。
【0086】
焼成温度は、リチウム系固体電解質(b)の原料化合物から有効にリチウム系固体電解質(b)を生成させる観点から、600℃~1000℃であって、好ましくは600℃~900℃であり、より好ましくは600℃~800℃である。また、焼成時間は、30分間~6時間、好ましくは30分間~4時間とするのがよい。
【0087】
工程(III)は、リチウム正極活物質粒子(B)を含むスラリーを噴霧乾燥して、リチウム正極活物質粒子(B)の造粒体(e)を得る工程である。
より具体的には、所定の大きさを有するリチウム正極活物質粒子(B)を含むスラリー(B-1)を調製した後、スラリー(B-1)を噴霧乾燥して、リチウム正極活物質粒子(B)を含む造粒体(e)を得る工程である。
【0088】
スラリー(B-1)における、リチウム正極活物質粒子(B)の含有量は、水100質量部に対し、好ましくは10質量部~30質量部であり、より好ましくは15質量部~30質量部である。
【0089】
用いるリチウム正極活物質粒子(B)が、上記式(3)又は式(4)のリチウム正極活物質粒子(B)であって、表面に炭素(c)を担持させる場合、スラリー(B-1)に炭素源(c’)を添加すればよい。スラリー(B-1)における、セルロースナノファイバー(c’-1)及び/又はリグノセルロースナノファイバー(c’-2)の含有量は、その炭素原子換算量が、リチウム正極活物質粒子(B)及び炭素(c)の合計量100質量%中に、0.1質量%~12質量%となるような量であるのが望ましい。
さらに炭素源(c’)として、セルロースナノファイバー(c’-1)及び/又はリグノセルロースナノファイバー(c’-2)と、水溶性炭素材料(c’-3)とを用いる場合、スラリー(B-1)における、これら炭素源(c’)の合計含有量は、リチウム正極活物質粒子(B)及び炭素(c)の合計量100質量%中に、炭素原子換算量で0.1質量%~12質量%となるようにすればよい。
【0090】
かかるスラリー(B-1)を調製するにあたり、リチウム正極活物質粒子(B)を均一に分散させる観点から、または上記式(3)又は式(4)のリチウム正極活物質粒子(B)には、リチウム正極活物質粒子(B)と炭素源(c’)を均一に分散させる観点から、分散機(ホモジナイザー)を用いた処理を行うことが好ましい。かかる分散機としては、例えば、離解機、叩解機、低圧ホモジナイザー、高圧ホモジナイザー、グラインダー、カッターミル、ボールミル、ジェットミル、短軸押出機、2軸押出機、超音波攪拌機、家庭用ジューサーミキサー等が挙げられる。なかでも、分散効率の観点から、超音波攪拌機が好ましい。スラリー(B-1)の分散均一性の程度は、例えば、UV・可視光分光装置を使用した光線透過率や、E型粘度計を使用した粘度で定量的に評価することもでき、また目視によって白濁度が均一であることを確認することで、簡便に評価することもできる。分散機で処理する時間は、好ましくは1分間~30分間であり、より好ましくは2分間~15分間である。
【0091】
スラリー(B-1)にセルロースナノファイバー(c’-1)及び/又はリグノセルロースナノファイバー(c’-2)を含む場合、上記スラリー(B-1)は、未だ凝集状態にあるセルロースナノファイバーを有効に取り除く観点から、さらに、湿式分級することが好ましい。湿式分級には、篩や市販の湿式分級機を使用することができる。篩の目開きは、用いるセルロースナノファイバー(c’-1)及び/又はリグノセルロースナノファイバー(c’-2)の繊維長により変動し得るが、作業効率の観点から、150μm前後であるのが好ましい。
【0092】
以上より、得られるスラリー(B-1)の固形分濃度は、好ましくは10質量%~35質量%であり、より好ましくは15質量%~30質量%である。
【0093】
次いで、得られたスラリー(B-1)を噴霧乾燥して、造粒体(e)を得る。本発明の製造方法では、リチウム正極活物質粒子(B)が堅固に凝集されてなる堅牢な二次粒子となることを回避して、過度な負荷を与えることなく容易に解砕させることのできる造粒体(e)とする。
【0094】
噴霧乾燥の際の熱風温度は、110℃~160℃が好ましく、120℃~140℃がより好ましい。かかる熱風の供給量G(L/分)と、スラリー(B-1)の供給量S(L/分)の比(G/S)は、500~10000が好ましく、1000~9000がより好ましい。
【0095】
工程(III)で得られる造粒体(e)の粒径は、レーザー回折・散乱法に基づく粒度分布におけるD50値で、好ましくは5μm~25μmであり、より好ましくは5μm~16μmである。
ここで、粒度分布測定におけるD50値とは、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値であり、D50値は累積50%での粒径(メジアン径)を意味する。
【0096】
また、造粒体(e)の空隙率は、水銀圧入法に基づく空隙率で、好ましくは45体積%~80体積%であり、より好ましくは50体積%~80体積%である。
【0097】
なお、上記式(3)又は式(4)のリチウム正極活物質粒子(B)と共に炭素源(c’)を含むスラリー(B-1)から得られた造粒体(e)については、焼成する必要がある。この焼成によって、炭素源(c’)を炭化させて、式(3)又は式(4)のリチウム正極活物質粒子(B)の表面に炭素(c)を担持させることができる。
【0098】
焼成温度は、炭素源(c’)を有効に炭化させる観点、及び焼成後の造粒体(e)の空隙率を45体積%~80体積%に調整して適度な解砕性を付与する観点から、好ましくは500℃~800℃であり、より好ましくは600℃~770℃であり、特に好ましくは650℃~750℃である。また、焼成時間は、好ましくは10分間~3時間、より好ましくは30分間~1.5時間とするのがよい。
【0099】
工程(III)で得られる造粒体(e)の崩壊強度は、好ましくは1.8KN/mm以下であり、より好ましくは1.75KN/mm以下である。かかる崩壊強度とは、リチウム正極活物質粒子(B)からなる造粒体(e)の圧縮による解砕のし易さを示し、下記式(11)により求められる値を意味する。
造粒体(e)の崩壊強度(KN/mm)=10/(t0-t10) ・・・(11)
式(11)中のt0は、直径20mmの円筒容器内に表面に造粒体(e)を3g投入し、高さ1cmからの落下によるタッピングを10回繰返した後の密充填状態における造粒体(e)の層厚(mm)を示し、t10は、かかる密充填状態の造粒体(e)に、上部から10KNの荷重を掛けた際の造粒体(e)の層厚(mm)を示す。
【0100】
本発明の製造方法が備える工程(IV)は、工程(II)で得られたリチウム複合粒子(A)と、工程(III)で得られた造粒体(e)とを、圧縮力及びせん断力を付加しながら混合して、造粒体(e)を解砕させながら、リチウム複合粒子(A)とリチウム正極活物質粒子(B)とを複合化する工程である。かかる工程を経ることにより、造粒体(e)が解砕して、微細なリチウム正極活物質粒子(B)が緻密かつ広範囲にリチウム複合粒子(A)の表面を被覆するように、リチウム複合粒子(A)の表面にリチウム正極活物質粒子(B)が担持してなるリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体(C)を得ることができる。
【0101】
工程(IV)では、圧縮力及びせん断力を付加しながら混合する前に、リチウム複合粒子(A)と造粒体(e)の混合物を、充分に乾式混合するのが好ましい。乾式混合の方法としては、ボールミルやVブレンダー等の、通常の乾式混合機による混合であるのが好ましく、自公転可能な遊星ボールミルによる混合がより好ましい。
【0102】
圧縮力及びせん断力を付加しながら混合する(以下、「複合化する」ともいう)処理は、インペラやローター工具等を備える密閉容器で行うのがよい。かかる密閉容器を備える装置として、高速せん断ミル、ブレード型混練機、高速混合機等が挙げられ、具体的には、例えば、粒子設計装置 COMPOSI、メカノハイブリット、高性能流動式混合機FMミキサー(日本コークス工業社製)微粒子複合化装置 メカノフュージョン、ノビルタ(ホソカワミクロン社製)、表面改質装置ミラーロ、ハイブリダイゼーションシステム(奈良機械製作所社製)、アイリッヒインテンシブミキサー(日本アイリッヒ社製)を好適に用いることができる。上記複合化する処理条件としては、温度が、好ましくは5℃~80℃、より好ましくは10℃~50℃である。また、雰囲気としては、特に限定されないが、不活性ガス雰囲気又は還元性ガス雰囲気であるのが好ましい。
【0103】
より具体的には、例えば、複合化を行う装置として、インペラを備えた乾式粒子複合化装置であるノビルタ(ホソカワミクロン社製)を用いる場合、かかるインペラの回転数は、造粒体(e)を効率的に解砕させつつ、リチウム複合粒子(A)の表面をリチウム正極活物質粒子(B)が良好に被覆するよう、リチウム複合粒子(A)の表面にリチウム正極活物質粒子(B)を担持させる観点から、好ましくは2000rpm~6000rpmであり、より好ましくは2000rpm~4000rpmである。また、複合化する時間は、好ましくは1分間~10分間であり、より好ましくは1分間~7分間である。
また、かかる複合化を行う装置として、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2000rpm~8000rpmであり、より好ましくは2000rpm~6000rpmである。また、複合化する時間は、好ましくは1分間~10分間であり、より好ましくは1分間~7分間である。
【0104】
工程(IV)における、上記複合化する時間及び/又はインペラ等の回転数は、密閉容器に投入するリチウム複合粒子(A)と造粒体(e)の混合物の量に応じて適宜調整する必要がある。そして、密閉容器を稼動させることにより、インペラ等と密閉容器内壁との間でこれら混合物に圧縮力及びせん断力が付加されつつ、造粒体(e)を良好に解砕させながら、リチウム複合粒子(A)とリチウム正極活物質粒子(B)とを複合化する処理を行うことが可能となり、上記リチウム複合粒子(A)の表面において、上記リチウム正極活物質粒子(B)が良好に複合化されてリチウム複合粒子(A)の表面を被覆するよう担持してなる、リチウムイオン二次電池用正極活物質複合体(C)を得ることができる。
例えば、上記複合化の処理を、回転数2000rpm~5000rpmで回転するインペラを備える密閉容器内で1分間~8分間行う場合、密閉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0.1g~0.7gであり、より好ましくは0.15g~0.4gである。
【0105】
工程(IV)において複合化させるリチウム複合粒子(A)の配合量と、リチウム正極活物質粒子(B)の配合量との質量比(粒子(A):粒子(B))は、リチウム複合粒子(A)の表面に良好にリチウム正極活物質粒子(B)を担持させる観点から、好ましくは95:5~50:50であり、より好ましくは90:10~50:50であり、さらに好ましくは85:15~50:50である。
より具体的には、用いるリチウム正極活物質粒子(B)が、上記式(5)、式(6)、及び式(10)の場合の質量比(粒子(A):粒子(B))は、好ましくは95:5~55:45であり、より好ましくは90:10~55:45であり、さらに好ましくは85:15~55:45であり、リチウム正極活物質粒子(B)が、上記式(7)、式(8)、及び式(9)の場合の質量比(粒子(A):粒子(B))は、好ましくは95:5~50:50であり、より好ましくは90:10~50:50であり、さらに好ましくは85:15~50:50である。
かかる量となるよう、上記混合物中における造粒体(e)の量を調整すればよい。
【0106】
なお、用いるリチウム正極活物質粒子(B)が上記式(5)及び式(6)の場合、上記方法のほか、前記工程で炭素源(c’)を一切用いることなく、かかる工程(IV)において炭素(c)として水不溶性炭素材料(c4)を用いてもよい。この場合、工程(III)において得られる造粒体(e)は、炭素(c)を担持しておらず、工程(IV)において、リチウム複合粒子(A)と造粒体(e)に、さらに水不溶性炭素材料(c4)を添加して、圧縮力及びせん断力を付加しながら混合すればよい。工程(IV)において水不溶性炭素材料(c4)を添加する場合、リチウム複合粒子(A)の配合量と、リチウム正極活物質粒子(B)及び水不溶性炭素材料(c4)の合計配合量との質量比(粒子(A):(粒子(B)+水不溶性炭素材料(c4)))は、好ましくは95:5~60:40であり、より好ましくは92:8~65:35であり、さらに好ましくは90:10~70:30である。かかる量となるよう、上記混合物中における造粒体(e)及び水不溶性炭素材料(c4)の配合量を調整すればよい。
【0107】
本発明のリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体(C)を用い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構成とするものであれば特に限定されない。
【0108】
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、二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。
【0109】
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。
【0110】
支持塩は、その種類が特に限定されるものではないが、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(SO3CF3)2及びLiN(SO3CF3)2、LiN(SO2C2F5)2及びLiN(SO2CF3)(SO2C4F9)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。
【0111】
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。
【0112】
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】
【0113】
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。
【0114】
[製造例1:リチウム複合粒子(A-1)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、かかる混合溶液に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A2を得た後、かかる混合物A2に炭酸リチウム37gをボールミルで混合して粉末混合物A3を得た。
得られた粉末混合物A3を、大気雰囲気下で800℃×5時間仮焼成して解砕した後に造粒し、次いで本焼成として大気雰囲気下で800℃×10時間焼成し、リチウム複合酸化物二次粒子A4(LiNi0.33Co0.33Mn0.34O2、平均粒径10μm)を得た。
得られたリチウム複合酸化物二次粒子A4を500g分取し、LiNO3 0.9g、Al(NO3)3・9H2O 1.13g、TiCl4 3.23g、H3PO4 2.94gと水500mLを添加し、さらにpH調整剤として28%アンモニア水10.93gを添加してスラリーA5を得た。得られたスラリーA5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A6を得た。
得られた造粒体A6を、大気雰囲気下、700℃で1時間焼成して、リチウム複合酸化物二次粒子(LiNi0.33Co0.33Mn0.34O2)の表面を、固体電解質Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3が被覆したリチウム複合粒子(A-1)(平均粒径:10μm、固体電解質Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3の被覆量:0.5質量%、被覆厚さ:5nm)を得た。
【0115】
[製造例2:リチウム複合粒子(A-2)の製造]
製造例1において、LiNO3 0.9gを9.0gに、Al(NO3)3・9H2O 1.13gを11.3gに、TiCl4 3.23gを32.3gに、H3PO4 2.94gを29.4gに、pH調整剤の28%アンモニア水10.93gを109.3gに変更した以外、製造例1と同様にして、リチウム複合酸化物二次粒子(LiNi0.33Co0.33Mn0.34O2)の表面を、固体電解質Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3が被覆したリチウム複合粒子(A-2)(平均粒径:10μm、固体電解質Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3の被覆量:5質量%、被覆厚さ:20nm)を得た。
【0116】
[製造例3:リチウム複合粒子(A-3)の製造]
Li:Ni:Co:Alのモル比が1:0.8:0.15:0.05となるように、炭酸リチウム370g、炭酸ニッケル950g、炭酸コバルト150g、炭酸アルミニウム58g、及び水3Lを混合した後、ボールミルで混合して粉末混合物A7を得た。
得られた粉末混合物A7を、大気雰囲気下で800℃×5時間仮焼成して解砕した後、本焼成として大気雰囲気下で800℃×24時間焼成し、リチウム複合酸化物二次粒子A8(LiNi0.8Co0.15Al0.05O2、平均粒径10μm)を得た。
得られたリチウム複合酸化物二次粒子A8を500g分取し、LiNO3 0.9g、Al(NO3)3・9H2O 1.13g、TiCl4 3.23g、H3PO4 2.94gと水500mLを添加し、さらにpH調整剤として28%アンモニア水10.93gを添加してスラリーA9を得た。得られたスラリーA9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)を用いて噴霧乾燥に付して造粒体A10を得た。
得られた造粒体A10を、大気雰囲気下、700℃で1時間焼成して、リチウム複合酸化物二次粒子(LiNi0.8Co0.15Al0.05O2)の表面を、固体電解質Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3が被覆したリチウム複合粒子(A-3)(平均粒径:10μm、固体電解質Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3の被覆量:0.5質量%、被覆厚さ:5nm)を得た。
【0117】
[製造例4:リチウム複合粒子(A-4)の製造]
製造例3において、LiNO3 0.9gを9.0gに、Al(NO3)3・9H2O 1.13gを11.3gに、TiCl4 3.23gを32.3gに、H3PO4 2.94gを29.4gに、pH調整剤の28%アンモニア水10.93gを109.3gに変更した以外、製造例3と同様にして、リチウム複合酸化物二次粒子(LiNi0.8Co0.15Al0.05O2)の表面を、固体電解質Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3が被覆したリチウム複合粒子(A-4)(平均粒径:10μm、固体電解質Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3の被覆量:5質量%、被覆厚さ:20nm)を得た。
【0118】
[製造例5:リチウム正極活物質粒子(B-1)の製造]
LiOH・H2O 1272g、及び水4Lを混合してスラリーB1を得た。次いで、得られたスラリーB1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、スギノマシン社製、繊維径4~20nm)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B2を得た。
得られたスラリーB2に窒素パージして、スラリーB2の溶存酸素濃度を0.5mg/Lとした後、スラリーB2全量に対し、MnSO4・5H2O 1688g、FeSO4・7H2O 834gを添加してスラリーB3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B3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B4を得た。
得られた複合体B4を1000g分取し、水1Lを添加してスラリーB5を得た後、スラリーB5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)を用いて噴霧乾燥に付して造粒体B6を得た。
得られた造粒体B6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チウム正極活物質粒子(B-1)(LiMn0.7Fe0.3PO4、炭素の担持量:2.0質量%、平均粒径:100nm)を得た。
【0119】
[製造例6:リチウム正極活物質粒子(B-2)の製造]
LiOH・H2O 428g、Na4SiO4・nH2O 1397g、セルロースナノファイバー(同上)2946g、及び水3.75Lを混合してスラリーB7を得た。次いで、得られたスラリーB7に、MnSO4・5H2O 793g、FeSO4・7H2O 392g、及びZr(SO4)2・4H2O 53gを添加し、混合してスラリーB8を得た。このとき、添加したFeSO4、MnSO4及びZr(SO4)2のモル比(鉄化合物:マンガン化合物:ジルコニウム化合物)は、28:66:3であった。
次いで、得られたスラリーB8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B9を得た。
得られた複合体B9を500g分取し、水0.5Lを添加してスラリーB10を得た後、スラリーB10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)を用いて噴霧乾燥に付して造粒体B11を得た。
得られた造粒体B11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、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チウム正極活物質粒子(B-2)(Li2Mn0.66Fe0.28Zr0.03SiO4、炭素の担持量:2.0質量%、平均粒径:50nm)を得た。
【0120】
[製造例7:リチウム正極活物質粒子(B-3)の製造]
Li2CO3 222g及びCo3O4 482gをボールミルで混合後、500kg/cm3でのプレス圧で成型して、焼成用原料B12を得た。得られた焼成用原料B12を、大気雰囲気下、700℃で5時間焼成することで脱炭酸処理して得られた焼成体B13を、ボールミルで粉砕後に、1000kg/cm3でのプレス圧で再度成型して、焼成用原料B14を得た。得られた焼成用原料B14を、大気雰囲気下、900℃で10時間焼成して焼成体B15(LiCoO2)を得た後、ディスクミルで粉砕してリチウム正極活物質粒子(B-3)(LiCoO2、平均粒径:200nm)を得た。
【0121】
[製造例8:リチウム複合酸化物二次粒子(E-1)の製造]
製造例1の中間生成物である、リチウム複合酸化物二次粒子A4(LiNi0.33Co0.33Mn0.34O2、平均粒径10μm)を得た。製造方法は製造例1に準じた。
【0122】
[製造例9:リチウム複合酸化物二次粒子(E-2)の製造]
製造例3の中間生成物である、リチウム複合酸化物二次粒子A8(LiNi0.8Co0.15Al0.05O2、平均粒径10μm)を得た。製造方法は製造例3に準じた。
【0123】
[実施例1:リチウム複合粒子(A-1)60質量%+リチウム正極活物質粒子(B-1)40質量%]
製造例1で得られたリチウム複合粒子(A-1)300gと、製造例5で得られたリチウム正極活物質粒子(B-1)200gを、メカノフュージョン(ホソカワミクロン社製、AMS-Lab)を用いて、2600rpm(20m/秒)で10分間の複合化処理を行い、リチウム複合酸化物二次粒子(LiNi0.33Co0.33Mn0.34O2)の表面を0.5質量%の固体電解質(Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3)が被覆したリチウム複合粒子(A-1)の表面に、2質量%の炭素が担持されたリチウム系ポリアニオン粒子(LiMn0.7Fe0.3PO4)が複合化されたリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体(C-1)(リチウム複合粒子:リチウム正極活物質粒子=60:40(質量比)、平均粒径13μm、タップ密度1.4g/cm3、リチウム正極活物質粒子による担持層の厚さ:1.5μm)を得た。
【0124】
[実施例2:リチウム複合粒子(A-2)60質量%+リチウム正極活物質粒子(B-1)40質量%]
実施例1において、リチウム複合粒子(A-1)を製造例2のリチウム複合粒子(A-2)に変更した以外、実施例1と同様にして、リチウム複合酸化物二次粒子(LiNi0.33Co0.33Mn0.34O2)の表面を5質量%の固体電解質(Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3)が被覆したリチウム複合粒子(A-2)の表面に、2質量%の炭素が担持されたリチウム系ポリアニオン粒子(LiMn0.7Fe0.3PO4)が複合化されたリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体(C-2)(リチウム複合粒子:リチウム正極活物質粒子=60:40(質量比)、平均粒径13μm、タップ密度1.4g/cm3、リチウム正極活物質粒子による担持層の厚さ:1.5μm)を得た。
【0125】
[実施例3:リチウム複合粒子(A-3)60質量%+リチウム正極活物質粒子(B-1)40質量%]
実施例1において、リチウム複合粒子(A-1)を製造例3のリチウム複合粒子(A-3)に変更した以外、実施例1と同様にして、リチウム複合酸化物二次粒子(LiNi0.8Co0.15Al0.05O2)の表面を0.5質量%の固体電解質(Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3)が被覆したリチウム複合粒子(A-3)の表面に、2質量%の炭素が担持されたリチウム系ポリアニオン粒子(LiMn0.7Fe0.3PO4)が複合化されたリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体(C-3)(リチウム複合粒子:リチウム正極活物質粒子=60:40(質量比)、平均粒径13μm、タップ密度1.4g/cm3、リチウム正極活物質粒子による担持層の厚さ:1.5μm)を得た。
【0126】
[実施例4:リチウム複合粒子(A-4)60質量%+リチウム正極活物質粒子(B-1)40質量%]
実施例1において、リチウム複合粒子(A-1)を製造例4のリチウム複合粒子(A-4)に変更した以外、実施例1と同様にして、リチウム複合酸化物二次粒子(LiNi0.8Co0.15Al0.05O2)の表面を5質量%の固体電解質(Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3)が被覆したリチウム複合粒子(A-4)の表面に、2質量%の炭素が担持されたリチウム系ポリアニオン粒子(LiMn0.7Fe0.3PO4)が複合化されたリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体(C-4)(リチウム複合粒子:リチウム正極活物質粒子=60:40(質量比)、平均粒径13μm、タップ密度1.4g/cm3、リチウム正極活物質粒子による担持層の厚さ:1.5μm)を得た。
【0127】
[実施例5:リチウム複合粒子(A-1)90質量%+リチウム正極活物質粒子(B-1)10質量%]
実施例1において、リチウム複合粒子(A-1)300gを450gに、リチウム正極活物質粒子(B-1)200gを50gに変更した以外、実施例1と同様にして、リチウム複合酸化物二次粒子(LiNi0.33Co0.33Mn0.34O2)の表面を0.5質量%の固体電解質(Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3)が被覆したリチウム複合粒子(A-1)の表面に、2質量%の炭素が担持されたリチウム系ポリアニオン粒子(LiMn0.7Fe0.3PO4)が複合化されたリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体(C-5)(リチウム複合粒子:リチウム正極活物質粒子=90:10(質量比)、平均粒径11.5μm、タップ密度1.6g/cm3、リチウム正極活物質粒子による担持層の厚さ:750nm)を得た。
【0128】
[実施例6:リチウム複合粒子(A-2)90質量%+リチウム正極活物質粒子(B-1)10質量%]
実施例1において、リチウム複合粒子(A-1)300gを製造例2のリチウム複合粒子(A-2)450gに、リチウム正極活物質粒子(B-1)200gを50gに変更した以外、実施例1と同様にして、リチウム複合酸化物二次粒子(LiNi0.33Co0.33Mn0.34O2)の表面を5質量%の固体電解質(Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3)が被覆したリチウム複合粒子(A-2)の表面に、2質量%の炭素が担持されたリチウム系ポリアニオン粒子(LiMn0.7Fe0.3PO4)が複合化されたリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体(C-6)(リチウム複合粒子:リチウム正極活物質粒子=90:10(質量比)、平均粒径11.5μm、タップ密度1.6g/cm3、リチウム正極活物質粒子による担持層の厚さ:750nm)を得た。
【0129】
[実施例7:リチウム複合粒子(A-3)90質量%+リチウム正極活物質粒子(B-1)10質量%]
実施例1において、リチウム複合粒子(A-1)300gを製造例3のリチウム複合粒子(A-3)450gに、リチウム正極活物質粒子(B-1)200gを50gに変更した以外、実施例1と同様にして、リチウム複合酸化物二次粒子(LiNi0.8Co0.15Al0.05O2)の表面を0.5質量%の固体電解質(Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3)が被覆したリチウム複合粒子(A-3)の表面に、2質量%の炭素が担持されたリチウム系ポリアニオン粒子(LiMn0.7Fe0.3PO4)が複合化されたリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体(C-7)(リチウム複合粒子:リチウム正極活物質粒子=90:10(質量比)、平均粒径11.5μm、タップ密度1.6g/cm3、リチウム正極活物質粒子による担持層の厚さ:750nm)を得た。
【0130】
[実施例8:リチウム複合粒子(A-4)90質量%+リチウム正極活物質粒子(B-1)10質量%]
実施例1において、リチウム複合粒子(A-1)300gを製造例4のリチウム複合粒子(A-4)450gに、リチウム正極活物質粒子(B-1)200gを50gに変更した以外、実施例1と同様にして、リチウム複合酸化物二次粒子(LiNi0.8Co0.15Al0.05O2)の表面を5質量%の固体電解質(Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3)が被覆したリチウム複合粒子(A-4)の表面に、2質量%の炭素が担持されたリチウム系ポリアニオン粒子(LiMn0.7Fe0.3PO4)が複合化されたリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体(C-8)(リチウム複合粒子:リチウム正極活物質粒子=90:10(質量比)、平均粒径11.5μm、タップ密度1.6g/cm3、リチウム正極活物質粒子による担持層の厚さ:750nm)を得た。
【0131】
[実施例9:リチウム複合粒子(A-1)60質量%+リチウム正極活物質粒子(B-2)40質量%]
実施例1において、リチウム正極活物質粒子(B-1)を製造例6のリチウム正極活物質粒子(B-2)に変更した以外、実施例1と同様にして、リチウム複合酸化物二次粒子(LiNi0.33Co0.33Mn0.34O2)の表面を0.5質量%の固体電解質(Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3)が被覆したリチウム複合粒子(A-1)の表面に、2質量%の炭素が担持されたリチウム系ポリアニオン粒子(Li2Mn0.66Fe0.28Zr0.03SiO4)が複合化されたリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体(C-9)(リチウム複合粒子:リチウム正極活物質粒子=60:40(質量比)、平均粒径13μm、タップ密度1.4g/cm3、リチウム正極活物質粒子による担持層の厚さ:1.5μm)を得た。
【0132】
[実施例10:リチウム複合粒子(A-3)60質量%+リチウム正極活物質粒子(B-2)40質量%]
実施例1において、リチウム複合粒子(A-1)を製造例3のリチウム複合粒子(A-3)に、リチウム正極活物質粒子(B-1)を製造例6のリチウム正極活物質粒子(B-2)に変更した以外、実施例1と同様にして、リチウム複合酸化物二次粒子(LiNi0.8Co0.15Al0.05O2)の表面を0.5質量%の固体電解質(Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3)が被覆したリチウム複合粒子(A-3)の表面に、2質量%の炭素が担持されたリチウム系ポリアニオン粒子(Li2Mn0.66Fe0.28Zr0.03SiO4)が複合化されたリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体(C-10)(リチウム複合粒子:リチウム正極活物質粒子=60:40(質量比)、平均粒径13μm、タップ密度1.4g/cm3、リチウム正極活物質粒子による担持層の厚さ:1.5μm)を得た。
【0133】
[実施例11:リチウム複合粒子(A-1)90質量%+リチウム正極活物質粒子(B-2)10質量%]
実施例1において、リチウム複合粒子(A-1)300gを450gに、リチウム正極活物質粒子(B-1)200gを製造例6のリチウム正極活物質粒子(B-2)50gに変更した以外、実施例1と同様にして、リチウム複合酸化物二次粒子(LiNi0.33Co0.33Mn0.34O2)の表面を0.5質量%の固体電解質(Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3)が被覆したリチウム複合粒子(A-1)の表面に、2質量%の炭素が担持されたリチウム系ポリアニオン粒子(Li2Mn0.66Fe0.28Zr0.03SiO4)が複合化されたリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体(C-11)(リチウム複合粒子:リチウム正極活物質粒子=90:10(質量比)、平均粒径13μm、タップ密度1.4g/cm3、リチウム正極活物質粒子による担持層の厚さ:1.5μm)を得た。
【0134】
[実施例12:リチウム複合粒子(A-3)90質量%+リチウム正極活物質粒子(B-2)10質量%]
実施例1において、リチウム複合粒子(A-1)300gを製造例3のリチウム複合粒子(A-3)450gに、リチウム正極活物質粒子(B-1)200gを製造例6のリチウム正極活物質粒子(B-2)50gに変更した以外、実施例1と同様にして、リチウム複合酸化物二次粒子(LiNi0.8Co0.15Al0.05O2)の表面を0.5質量%の固体電解質(Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3)が被覆したリチウム複合粒子(A-3)の表面に、2質量%の炭素が担持されたリチウム系ポリアニオン粒子(Li2Mn0.66Fe0.28Zr0.03SiO4)が複合化されたリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体(C-12)(リチウム複合粒子:リチウム正極活物質粒子=90:10(質量比)、平均粒径13μm、タップ密度1.4g/cm3、リチウム正極活物質粒子による担持層の厚さ:1.5μm)を得た。
【0135】
[実施例13:リチウム複合粒子(A-1)60質量%+リチウム正極活物質粒子(B-3)40質量%]
実施例1において、リチウム正極活物質粒子(B-1)を製造例7のリチウム正極活物質粒子(B-3)に変更した以外、実施例1と同様にして、リチウム複合酸化物二次粒子(LiNi0.33Co0.33Mn0.34O2)の表面を0.5質量%の固体電解質(Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3)が被覆したリチウム複合粒子(A-1)の表面に、コバルト酸リチウム粒子(LiCoO2)が複合化されたリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体(C-13)(リチウム複合粒子:リチウム正極活物質粒子=60:40(質量比)、平均粒径13μm、タップ密度1.4g/cm3、リチウム正極活物質粒子による担持層の厚さ:1.5μm)を得た。
【0136】
[比較例1:リチウム複合酸化物二次粒子(E-1)60質量%+リチウム正極活物質粒子(B-1)40質量%]
実施例1において、リチウム複合粒子(A-1)を製造例8のリチウム複合酸化物二次粒子(E-1)に変更した以外、実施例1と同様にして、リチウム複合酸化物二次粒子(LiNi0.33Co0.33Mn0.34O2)の表面に、2質量%の炭素が担持されたリチウム系ポリアニオン粒子(LiMn0.7Fe0.3PO4)が複合化されたリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体(D-1)(リチウム複合酸化物二次粒子:リチウム正極活物質粒子=60:40(質量比)、平均粒径13μm、タップ密度1.4g/cm3、リチウム正極活物質粒子による担持層の厚さ:1.5μm)を得た。
【0137】
[比較例2:リチウム複合酸化物二次粒子(E-1)90質量%+リチウム正極活物質粒子(B-1)10質量%]
実施例1において、リチウム複合粒子(A-1)300gを製造例8のリチウム複合酸化物二次粒子(E-1)450gに、リチウム正極活物質粒子(B-1)200gを50gに変更した以外、実施例1と同様にして、リチウム複合酸化物二次粒子(LiNi0.33Co0.33Mn0.34O2)の表面に、2質量%の炭素が担持されたリチウム系ポリアニオン粒子(LiMn0.7Fe0.3PO4)が複合化されたリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体(D-2)(リチウム複合酸化物二次粒子:リチウム正極活物質粒子=90:10(質量比)、平均粒径11.5μm、タップ密度1.6g/cm3、リチウム正極活物質粒子による担持層の厚さ:750nm)を得た。
【0138】
[比較例3:リチウム複合酸化物二次粒子(E-2)60質量%+リチウム正極活物質粒子(B-1)40質量%]
実施例1において、リチウム複合粒子(A-1)を製造例9のリチウム複合酸化物二次粒子(E-2)に変更した以外、実施例1と同様にして、リチウム複合酸化物二次粒子(LiNi0.8Co0.15Al0.05O2)の表面に、2質量%の炭素が担持されたリチウム系ポリアニオン粒子(LiMn0.7Fe0.3PO4)が複合化されたリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体(D-3)(リチウム複合酸化物二次粒子:リチウム正極活物質粒子=60:40(質量比)、平均粒径13μm、タップ密度1.4g/cm3、リチウム正極活物質粒子による担持層の厚さ:1.5μm)を得た。
【0139】
[比較例4:リチウム複合酸化物二次粒子(E-2)90質量%+リチウム正極活物質粒子(B-1)10質量%]
実施例1において、リチウム複合粒子(A-1)300gを製造例9のリチウム複合酸化物二次粒子(E-2)450gに、リチウム正極活物質粒子(B-1)200gを50gに変更した以外、実施例1と同様にして、リチウム複合酸化物二次粒子(LiNi0.8Co0.15Al0.05O2)の表面に、2質量%の炭素が担持されたリチウム系ポリアニオン粒子(LiMn0.7Fe0.3PO4)が複合化されたリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体(D-4)(リチウム複合酸化物二次粒子:リチウム正極活物質粒子=90:10(質量比)、平均粒径11.5μm、タップ密度1.6g/cm3、リチウム正極活物質粒子による担持層の厚さ:750nm)を得た。
【0140】
[比較例5:リチウム複合酸化物二次粒子(E-1)60質量%+リチウム正極活物質粒子(B-2)40質量%]
実施例1において、リチウム複合粒子(A-1)を製造例8のリチウム複合酸化物二次粒子(E-1)に、リチウム正極活物質粒子(B-1)を製造例6のリチウム正極活物質粒子(B-2)変更した以外、実施例1と同様にして、リチウム複合酸化物二次粒子(LiNi0.33Co0.33Mn0.34O2)の表面に、2質量%の炭素が担持されたリチウム系ポリアニオン粒子(Li2Mn0.66Fe0.28Zr0.03SiO4)が複合化されたリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体(D-5)(リチウム複合酸化物二次粒子:リチウム正極活物質粒子=60:40(質量比)、平均粒径13μm、タップ密度1.4g/cm3、リチウム正極活物質粒子による担持層の厚さ:1.5μm)を得た。
【0141】
[比較例6:リチウム複合酸化物二次粒子(E-1)90質量%+リチウム正極活物質粒子(B-2)10質量%]
実施例1において、リチウム複合粒子(A-1)300gを製造例8のリチウム複合酸化物二次粒子(E-1)450gに、リチウム正極活物質粒子(B-1)200gを製造例6のリチウム正極活物質粒子(B-2)50gに変更した以外、実施例1と同様にして、リチウム複合酸化物二次粒子(LiNi0.33Co0.33Mn0.34O2)の表面に、2質量%の炭素が担持されたリチウム系ポリアニオン粒子(Li2Mn0.66Fe0.28Zr0.03SiO4)が複合化されたリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体(D-6)(リチウム複合酸化物二次粒子:リチウム正極活物質粒子=90:10(質量比)、平均粒径11.5μm、タップ密度1.6g/cm3、リチウム正極活物質粒子による担持層の厚さ:750nm)を得た。
【0142】
[比較例7:リチウム複合酸化物二次粒子(E-2)60質量%+リチウム正極活物質粒子(B-2)40質量%]
実施例1において、リチウム複合粒子(A-1)を製造例9のリチウム複合酸化物二次粒子(E-2)に、リチウム正極活物質粒子(B-1)を製造例6のリチウム正極活物質粒子(B-2)変更した以外、実施例1と同様にして、リチウム複合酸化物二次粒子(LiNi0.8Co0.15Al0.05O2)の表面に、2質量%の炭素が担持されたリチウム系ポリアニオン粒子(Li2Mn0.66Fe0.28Zr0.03SiO4)が複合化されたリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体(D-7)(リチウム複合酸化物二次粒子:リチウム正極活物質粒子=60:40(質量比)、平均粒径13μm、タップ密度1.4g/cm3、リチウム正極活物質粒子による担持層の厚さ:1.5μm)を得た。
【0143】
[比較例8:リチウム複合酸化物二次粒子(E-2)90質量%+リチウム正極活物質粒子(B-2)10質量%]
実施例1において、リチウム複合粒子(A-1)300gを製造例9のリチウム複合酸化物二次粒子(E-2)450gに、リチウム正極活物質粒子(B-1)200g製造例6のリチウム正極活物質粒子(B-2)を50gに変更した以外、実施例1と同様にして、リチウム複合酸化物二次粒子(LiNi0.8Co0.15Al0.05O2)の表面に、2質量%の炭素が担持されたリチウム系ポリアニオン粒子(Li2Mn0.66Fe0.28Zr0.03SiO4)が複合化されたリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体(D-8)(リチウム複合酸化物二次粒子:リチウム正極活物質粒子=90:10(質量比)、平均粒径11.5μm、タップ密度1.6g/cm3、リチウム正極活物質粒子による担持層の厚さ:750nm)を得た。
【0144】
[比較例9:リチウム複合酸化物二次粒子(E-1)60質量%+リチウム正極活物質粒子(B-3)40質量%]
実施例1において、リチウム複合粒子(A-1)を製造例8のリチウム複合酸化物二次粒子(E-1)に、リチウム正極活物質粒子(B-1)を製造例7のリチウム正極活物質粒子(B-3)に変更した以外、実施例1と同様にして、リチウム複合酸化物二次粒子(LiNi0.33Co0.33Mn0.34O2)の表面に、コバルト酸リチウム粒子(LiCoO2)が複合化されたリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体(D-9)(リチウム複合酸化物二次粒子:リチウム正極活物質粒子=60:40(質量比)、平均粒径13μm、タップ密度1.4g/cm3、リチウム正極活物質粒子による担持層の厚さ:1.5μm)を得た。
【0145】
[比較例10:リチウム複合酸化物二次粒子(A-1)98質量%+リチウム正極活物質粒子(B-1)2質量%]
実施例1において、リチウム複合粒子(A-1)300gを490gに、リチウム正極活物質粒子(B-1)200gを10gに変更した以外、実施例1と同様にして、リチウム複合酸化物二次粒子(LiNi0.33Co0.33Mn0.34O2)の表面に、2質量%の炭素が担持されたリチウム系ポリアニオン粒子(LiMn0.7Fe0.3PO4)が複合化されたリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体(D-10)(リチウム複合酸化物二次粒子:リチウム正極活物質粒子=98:2(質量比)、平均粒径10μm、タップ密度2.4g/cm3、リチウム正極活物質粒子による担持層の厚さ:80nm)を得た。
【0146】
[比較例11:リチウム複合酸化物二次粒子(A-1)40質量%+リチウム正極活物質粒子(B-1)60質量%]
実施例1において、リチウム複合粒子(A-1)300gを200gに、リチウム正極活物質粒子(B-1)200gを300gに変更した以外、実施例1と同様にして、リチウム複合酸化物二次粒子(LiNi0.33Co0.33Mn0.34O2)の表面に、2質量%の炭素が担持されたリチウム系ポリアニオン粒子(LiMn0.7Fe0.3PO4)が複合化されたリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体(D-11)(リチウム複合酸化物二次粒子:リチウム正極活物質粒子=40:60(質量比)、平均粒径17μm、タップ密度1.2g/cm3、リチウム正極活物質粒子による担持層の厚さ:3.5μm)を得た。
【0147】
以上の全ての実施例及び比較例について、得られたリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体の構成を表1に示す。
【0148】
【0149】
≪正極の製造≫
実施例1~13、及び比較例1~11で得られた全てのリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体を正極活物質として用い、リチウムイオン二次電池の正極を作製した。具体的には、得られた各リチウムイオン二次電池用正極活物質複合体、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。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分間プレスして正極とした。
【0150】
≪二次電池の製造≫
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、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。
【0151】
≪高温サイクル特性の評価≫
得られた二次電池を用い、高温サイクル特性を評価した。具体的には、電流密度170mA/g、電圧4.5Vの定電流充電後に、電流密度170mA/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50℃環境での、1C(170mAh/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50サイクル繰返し、下記式(12)により高温サイクル特性(%)を求めた。
評価結果を表2に示す。
高温サイクル特性(%)=(50サイクル目の放電容量)/
(50サイクル中の最大の放電容量)×100 ・・・(12)
【0152】
【0153】
≪電極からの遷移金属溶出の評価≫
上記の高温サイクル特性の評価に用いた二次電池を解体し、取り出した正極を炭酸ジメチルで洗浄後、上記二次電池の製造で用いたものと同じ電解液に浸して、70℃で1週間、密閉容器中に静置した。
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リチウム複合酸化物二次粒子由来のMn、Ni、Coを、ICP発光分光法を用いて定量した。
測定結果を表3に示す。
【0154】
【0155】
表2~3から明らかなように、実施例で得られたリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体を使用したリチウムイオン二次電池は、比較例で得られたリチウムイオン二次電池に比べ、正極活物質に含まれるリチウム複合酸化物二次粒子からの遷移金属溶出量を有効に抑制し、優れた高温サイクル特性を発現することがわかる。
これは、実施例のリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体が、リチウム複合酸化物二次粒子が固体電解質と正極活物質粒子によって重層的に被覆又は担持されてなることから、高温下におけるリチウム複合酸化物の結晶構造の崩壊が抑制されているためと推定される。
【0156】
また、比較例10及び比較例11からは、リチウム複合粒子(A)の含有量と、リチウム正極活物質粒子(B)の含有量との質量比((A):(B))が95:5~50:50の範囲外であると、放電容量が低下するか、容量保持率が低下してしまうこともわかる。