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特許7389598リチウムイオン二次電池用混合型正極活物質及びリチウムイオン二次電池用正極の製造方法
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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】2023-11-21
(45)【発行日】2023-11-30
(54)【発明の名称】リチウムイオン二次電池用混合型正極活物質及びリチウムイオン二次電池用正極の製造方法
(51)【国際特許分類】
   H01M 4/525 20100101AFI20231122BHJP
   H01M 4/131 20100101ALI20231122BHJP
   H01M 4/1391 20100101ALI20231122BHJP
   H01M 4/36 20060101ALI20231122BHJP
   H01M 4/505 20100101ALI20231122BHJP
   H01M 4/58 20100101ALI20231122BHJP
   H01M 4/62 20060101ALI20231122BHJP
【FI】
H01M4/525
H01M4/131
H01M4/1391
H01M4/36 C
H01M4/36 E
H01M4/505
H01M4/58
H01M4/62 Z
【請求項の数】 6
(21)【出願番号】P 2019172104
(22)【出願日】2019-09-20
(65)【公開番号】P2021051830
(43)【公開日】2021-04-01
【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】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】上野 文城
(56)【参考文献】
【文献】特開2019-050105(JP,A)
【文献】特開2011-134708(JP,A)
【文献】特開2018-142420(JP,A)
【文献】特表2016-505207(JP,A)
【文献】特開2004-087299(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
H01M 4/525
H01M 4/131
H01M 4/1391
H01M 4/36
H01M 4/505
H01M 4/58
H01M 4/62
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
下記式(I):
LiNiaCobMnc1 w2・・・(I)
(式(I)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、wは、0.3≦a<1、0<b≦0.7、0<c≦0.7、0≦w≦0.3、かつ3a+3b+3c+(M1の価数)×w=3を満たす数を示す。)
又は、下記式(II):
LiNidCoeAlf2 x2・・・(II)
(式(II)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、xは、0.4≦d<1、0<e≦0.6、0<f≦0.3、0≦x≦0.3、かつ3d+3e+3f+(M2の価数)×x=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(a)からなる、リチウム複合酸化物二次粒子(A)の表面のみにおいて、下記式(III)又は式(IV):
LigMnhFei3 yPO4・・・(III)
(式(III)中、M3はCo、Ni、Ca、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd又はGdを示す。g、h、i、及びyは、0<g≦1.2、0≦h≦1.2、0≦i≦1.2、0≦y≦0.3、及びh+i≠0を満たし、かつg+(Mnの価数)×h+(Feの価数)×i+(M3の価数)×y=3を満たす数を示す。)
LijFekMnl4 zSiO4・・・(IV)
(式(IV)中、M4はCo、Ni、Ca、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd、Al、Zn、V又はGdを示す。j、k、l、及びzは、0<j≦2.4、0≦k≦1.2、0≦l≦1.2、0≦z≦1.2、及びk+l≠0を満たし、かつj+(Feの価数)×k+(Mnの価数)×l+(M4の価数)×z=4を満たす数を示す。)
で表され、かつ担持してなる炭素(c)を含むリチウム系ポリアニオン粒子(B)と、リチウム複合酸化物粒子(a)とが複合化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)に対し、
さらに、上記式(I)又は式(II)で表されるリチウム複合酸化物粒子(a)からなるリチウム複合酸化物二次粒子(A')を質量比((C):(A'))=2575~50:50で配合してなるリチウムイオン二次電池用混合型正極活物質であって、
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(R C )が11.5μm~15.4μmであり、かつ
リチウム複合酸化物二次粒子(A)の平均粒径(RA)とリチウム複合酸化物二次粒子(A')の平均粒径(RA')との比(RA/RA')が1~2.2である、リチウムイオン二次電池用混合型正極活物質。
【請求項2】
リチウム複合酸化物二次粒子(A)の平均粒径が、1μm~15μm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型正極活物質。
【請求項3】
リチウム系ポリアニオン粒子(B)に担持してなる炭素(c)が、セルロースナノファイバー及び/又はリグノセルロースナノファイバー由来の炭素(c1)又は水溶性炭素材料由来の炭素(c2)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型正極活物質。
【請求項4】
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(RC)とリチウム複合酸化物二次粒子(A')の平均粒径(RA')との比(RC/RA')が、0.1~6.5である、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混合型正極活物質。
【請求項5】
リチウムイオン二次電池用正極活物質複合体(C)において、
炭素(c)の担持量が、リチウム系ポリアニオン粒子(B)100質量%中に0.1質量%以上20質量%未満であり、かつリチウム複合酸化物二次粒子(A)の含有量とリチウム系ポリアニオン粒子(B)の含有量との質量比((A):(B))が、95:5~55:45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型正極活物質。
【請求項6】
下記式(I):
LiNiaCobMnc1 w2・・・(I)
(式(I)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、wは、0.3≦a<1、0<b≦0.7、0<c≦0.7、0≦w≦0.3、かつ3a+3b+3c+(M1の価数)×w=3を満たす数を示す。)
又は、下記式(II):
LiNidCoeAlf2 x2・・・(II)
(式(II)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、xは、0.4≦d<1、0<e≦0.6、0<f≦0.3、0≦x≦0.3、かつ3d+3e+3f+(M2の価数)×x=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(a)からなる、リチウム複合酸化物二次粒子(A)の表面のみにおいて、下記式(III)又は式(IV):
LigMnhFei3 yPO4・・・(III)
(式(III)中、M3はCo、Ni、Ca、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd又はGdを示す。g、h、i、及びyは、0<g≦1.2、0≦h≦1.2、0≦i≦1.2、0≦y≦0.3、及びh+i≠0を満たし、かつg+(Mnの価数)×h+(Feの価数)×i+(M3の価数)×y=3を満たす数を示す。)
LijFekMnl4 zSiO4・・・(IV)
(式(IV)中、M4はCo、Ni、Ca、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd、Al、Zn、V又はGdを示す。j、k、l、及びzは、0<j≦2.4、0≦k≦1.2、0≦l≦1.2、0≦z≦1.2、及びk+l≠0を満たし、かつj+(Feの価数)×k+(Mnの価数)×l+(M4の価数)×z=4を満たす数を示す。)
で表され、かつ担持してなる炭素(c)を含むリチウム系ポリアニオン粒子(B)と、リチウム複合酸化物粒子(a)とが複合化してなり、平均粒径(R C )が11.5μm~15.4μmであるリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体(C)に対し、
リチウム複合酸化物二次粒子(A)の平均粒径(RA)との比(RA/RA')が1~2.2である平均粒径(RA')を有する、上記式(I)又は式(II)で表されるリチウム複合酸化物粒子(a)からなるリチウム複合酸化物二次粒子(A')を質量比((C):(A'))=2575~50:50で配合し、かつ
導電助剤及び結着剤を配合して、正極スラリーを調製する工程を備える、リチウムイオン二次電池用正極の製造方法。
【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において、高い放電容量を保持しながら優れたサイクル特性を発現することのできる正極を得るための、リチウムイオン二次電池用混合型正極活物質及びリチウムイオン二次電池用正極の製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
リチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物やリチウムニッケルアルミニウムコバルト複合酸化物等の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に広く使用されている。かかる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、いわゆる層状岩塩型構造を有している。
【0003】
こうしたリチウム複合酸化物を正極に用いたリチウムイオン二次電池では、リチウムイオンが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、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。
そこで、従来より、リチウムイオン二次電池において要求される種々の性能を付与すべく、様々な開発がなされている。
【0004】
例えば、特許文献1には、特定の一般式で表されるニッケル酸リチウム粒子の表面が、特定のオリビン化合物で被覆されてなる正極活物質が開示されており、また特許文献2には、特定のニッケル酸リチウム等で被覆された当該ニッケル酸リチウム、並びにカーボンで被覆されたかんらん石化合物を含む電極物質の混合物を含んだ正極活物質が開示されている。そして、これらの文献に記載の正極活物質を用いた二次電池において、電解液とニッケル酸リチウムとの反応を抑制し、高温状態でのニッケル酸リチウムの安定性を高めている。
【0005】
さらに、特許文献3には、一般式LiMnxFe1-xPO4(0.5<x<1)で表されるリン酸マンガン鉄リチウムからなる化合物Aと、一般式LiNi(1-y)/2Mn(1-y)/2Coy2(0≦y≦0.67)で表されるリチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物からなる化合物Bを、A:B=70:30~10:90で混合した混合活物質を用いることにより、得られるリチウム二次電池において、優れた熱的安全性の付与や初期クーロン効率の向上を実現し得る技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【文献】特開2004-87299号公報
【文献】特表2008-525973号公報
【文献】特表2011-159388号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
このように、リチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物やリチウムニッケルアルミニウムコバルト複合酸化物等の層状岩塩型構造を有するリチウム複合酸化物について熱的安定性を確保するためには、熱的安定性に優れるオリビン型正極活物質と混合したり、層状岩塩型構造を有するリチウム複合酸化物の表面を他の正極活物質で被覆したりすることは有効である。しかしながら、これらいずれの文献に記載の技術においても、二次電池に求められる高い放電容量を保持しつつ、不要な遷移金属の溶出を抑制し、サイクル特性を充分に向上させるにはさらなる改善を要する状況である。
【0008】
したがって、本発明の課題は、高い放電容量を保持しつつ、遷移金属の溶出を抑制してサイクル特性を有効に向上させることのできるリチウムイオン二次電池を得るための、リチウムイオン二次電池用正極活物質を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0009】
そこで、本発明者は鋭意検討を重ねた結果、特定のリチウム複合酸化物二次粒子の表面のみにおいて、特定のリチウム系ポリアニオン粒子が複合化してなるリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体に対し、リチウム複合酸化物二次粒子を特定の質量比で配合してなるリチウムイオン二次電池用混合型正極活物質であれば、層状岩塩型構造を有するリチウム複合酸化物と電解液との反応を効果的に抑制して、高い放電容量を有しつつ、多数回にわたる充放電サイクルを経ても出力の低下を生じないリチウムイオン二次電池が構築できることを見出した。
【0010】
したがって、本発明は、下記式(I):
LiNiaCobMnc1 w2・・・(I)
(式(I)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、wは、0.3≦a<1、0<b≦0.7、0<c≦0.7、0≦w≦0.3、かつ3a+3b+3c+(M1の価数)×w=3を満たす数を示す。)
又は、下記式(II):
LiNidCoeAlf2 x2・・・(II)
(式(II)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、xは、0.4≦d<1、0<e≦0.6、0<f≦0.3、0≦x≦0.3、かつ3d+3e+3f+(M2の価数)×x=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(a)からなる、リチウム複合酸化物二次粒子(A)の表面のみにおいて、下記式(III)又は式(IV):
LigMnhFei3 yPO4・・・(III)
(式(III)中、M3はCo、Ni、Ca、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd又はGdを示す。g、h、i、及びyは、0<g≦1.2、0≦h≦1.2、0≦i≦1.2、0≦y≦0.3、及びh+i≠0を満たし、かつg+(Mnの価数)×h+(Feの価数)×i+(M3の価数)×y=3を満たす数を示す。)
LijFekMnl4 zSiO4・・・(IV)
(式(IV)中、M4はCo、Ni、Ca、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd、Al、Zn、V又はGdを示す。j、k、l、及びzは、0<j≦2.4、0≦k≦1.2、0≦l≦1.2、0≦z≦1.2、及びk+l≠0を満たし、かつj+(Feの価数)×k+(Mnの価数)×l+(M4の価数)×z=4を満たす数を示す。)
で表され、かつ担持してなる炭素(c)を含むリチウム系ポリアニオン粒子(B)と、リチウム複合酸化物粒子(a)とが複合化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)に対し、
さらに、上記式(I)又は式(II)で表されるリチウム複合酸化物粒子(a)からなるリチウム複合酸化物二次粒子(A')を質量比((C):(A'))=10:90~50:50で配合してなるリチウムイオン二次電池用混合型正極活物質であって、
リチウム複合酸化物二次粒子(A)の平均粒径(RA)とリチウム複合酸化物二次粒子(A')の平均粒径(RA')との比(RA/RA')が1~3である、リチウムイオン二次電池用混合型正極活物質を提供するものである。
【0011】
また、本発明は、下記式(I):
LiNiaCobMnc1 w2・・・(I)
(式(I)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、wは、0.3≦a<1、0<b≦0.7、0<c≦0.7、0≦w≦0.3、かつ3a+3b+3c+(M1の価数)×w=3を満たす数を示す。)
又は、下記式(II):
LiNidCoeAlf2 x2・・・(II)
(式(II)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、xは、0.4≦d<1、0<e≦0.6、0<f≦0.3、0≦x≦0.3、かつ3d+3e+3f+(M2の価数)×x=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(a)からなる、リチウム複合酸化物二次粒子(A)の表面のみにおいて、下記式(III)又は式(IV):
LigMnhFei3 yPO4・・・(III)
(式(III)中、M3はCo、Ni、Ca、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd又はGdを示す。g、h、i、及びyは、0<g≦1.2、0≦h≦1.2、0≦i≦1.2、0≦y≦0.3、及びh+i≠0を満たし、かつg+(Mnの価数)×h+(Feの価数)×i+(M3の価数)×y=3を満たす数を示す。)
LijFekMnl4 zSiO4・・・(IV)
(式(IV)中、M4はCo、Ni、Ca、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd、Al、Zn、V又はGdを示す。j、k、l、及びzは、0<j≦2.4、0≦k≦1.2、0≦l≦1.2、0≦z≦1.2、及びk+l≠0を満たし、かつj+(Feの価数)×k+(Mnの価数)×l+(M4の価数)×z=4を満たす数を示す。)
で表され、かつ担持してなる炭素(c)を含むリチウム系ポリアニオン粒子(B)と、リチウム複合酸化物粒子(a)とが複合化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)に対し、
リチウム複合酸化物二次粒子(A)の平均粒径(RA)との比(RA/RA')が1~3である平均粒径(RA')を有する、上記式(I)又は式(II)で表されるリチウム複合酸化物粒子(a)からなるリチウム複合酸化物二次粒子(A')を質量比((C):(A'))=10:90~50:50で配合し、かつ
導電助剤及び結着剤を配合して、正極スラリーを調製する工程を備える、リチウムイオン二次電池用正極の製造方法を提供するものである。
【発明の効果】
【0012】
本発明のリチウムイオン二次電池用混合型正極活物質によれば、リチウム複合酸化物と電解液との反応を効果的に抑制して、高い放電容量を保持しつつ、不要な遷移金属の溶出を有効に抑制し、多数回にわたる充放電サイクルを経ても出力の低下を生じない、優れたサイクル特性を発揮することのできるリチウムイオン二次電池の実現が可能となる。
【発明を実施するための形態】
【0013】
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型正極活物質(D)は、下記式(I):
LiNiaCobMnc1 w2・・・(I)
(式(I)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、wは、0.3≦a<1、0<b≦0.7、0<c≦0.7、0≦w≦0.3、かつ3a+3b+3c+(M1の価数)×w=3を満たす数を示す。)
又は、下記式(II):
LiNidCoeAlf2 x2・・・(II)
(式(II)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、xは、0.4≦d<1、0<e≦0.6、0<f≦0.3、0≦x≦0.3、かつ3d+3e+3f+(M2の価数)×x=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(a)からなる、リチウム複合酸化物二次粒子(A)の表面のみにおいて、下記式(III)又は式(IV):
LigMnhFei3 yPO4・・・(III)
(式(III)中、M3はCo、Ni、Ca、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd又はGdを示す。g、h、i、及びyは、0<g≦1.2、0≦h≦1.2、0≦i≦1.2、0≦y≦0.3、及びh+i≠0を満たし、かつg+(Mnの価数)×h+(Feの価数)×i+(M3の価数)×y=3を満たす数を示す。)
LijFekMnl4 zSiO4・・・(IV)
(式(IV)中、M4はCo、Ni、Ca、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd、Al、Zn、V又はGdを示す。j、k、l、及びzは、0<j≦2.4、0≦k≦1.2、0≦l≦1.2、0≦z≦1.2、及びk+l≠0を満たし、かつj+(Feの価数)×k+(Mnの価数)×l+(M4の価数)×z=4を満たす数を示す。)
で表され、かつ担持してなる炭素(c)を含むリチウム系ポリアニオン粒子(B)と、リチウム複合酸化物粒子(a)とが複合化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)に対し、
さらに、上記式(I)又は式(II)で表されるリチウム複合酸化物粒子(a)からなるリチウム複合酸化物二次粒子(A')を質量比((C):(A'))=10:90~50:50で配合してなるリチウムイオン二次電池用混合型正極活物質であって、
リチウム複合酸化物二次粒子(A)の平均粒径(RA)とリチウム複合酸化物二次粒子(A')の平均粒径(RA')との比(RA/RA')が1~3である。
【0014】
すなわち、本発明は、上記特定のリチウム複合酸化物二次粒子(A)の表面のみにおいて、上記特定のリチウム系ポリアニオン粒子(B)とリチウム複合酸化物粒子(a)とが複合化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)に対し、上記特定のリチウム複合酸化物二次粒子(A')を質量比((C):(A'))=10:90~50:50で配合してなるリチウムイオン二次電池用混合型正極活物質(D)であり、かつリチウム複合酸化物二次粒子(A)の平均粒径(RA)とリチウム複合酸化物二次粒子(A')の平均粒径(RA')とが、特定の比を有するリチウムイオン二次電池用混合型正極活物質(D)である。
【0015】
なお、上記式(I)で表されるリチウムニッケル複合酸化物(いわゆるLi-Ni-Co-Mn酸化物であり、以後「NCM系複合酸化物」と称する。)粒子、及び上記式(II)で表されるリチウムニッケル複合酸化物(いわゆるLi-Ni-Co-Al酸化物であり、以後「NCA系複合酸化物」と称する。)粒子は、いずれも層状岩塩型構造を有する粒子である。
【0016】
上記式(I)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(I)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+(M1の価数)×w=3を満たす数である。
【0017】
上記式(I)で表されるNCM系複合酸化物において、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(I)で表されるNCM系複合酸化物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(I)で表されるNCM系複合酸化物としては、具体的には、例えばLiNi0.33Co0.33 Mn0.342、LiNi0.8Co0.1Mn 0.12、LiNi0.6Co0.2Mn0.22、LiNi0.2Co0.4Mn0.42、LiNi0.33Co0.31Mn0.33Mg0.032、及びLiNi0.33Co0.31Mn0.33Zn0.032等が挙げられる。
【0018】
さらに、互いに異なる2種以上の上記式(I)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。
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上に安全性に悪影響を与える酸素を放出しやすい、或いは固体電解質において固体電解質と反応しやすい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。
【0019】
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(LiNi0.8Co0.1Mn 0.12)-(LiNi0.2Co0.4Mn0.42)、(LiNi0.8Co0.1Mn 0.12)-(LiNi1/3Co1/3Mn1/32)、又は(LiNi0.8Co0.1Mn 0.12)-(LiNi0.33Co0.31Mn0.33Mg0.032)等からなる粒子が挙げられる。
【0020】
さらに、上記式(I)で表されるNCM系複合酸化物粒子は、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NCM系複合酸化物粒子を被覆することによって、電解液へのNCM系複合酸化物粒子からの金属成分(Ni、Mn、Co又はM1)の溶出を抑制することができる。かかる被覆物としては、CeO2、SiO2、MgO、 Al23、ZrO2、TiO2、ZnO、RuO2、SnO2、CoO、Nb25、CuO、V25、MoO3、La23、 WO3、AlF3、NiF2、MgF2、Li3PO4、Li427、LiPO3、Li2PO3F、及びLiPO22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】
上記式(I)で表されるNCM系複合酸化物の一次粒子(a)の平均粒径(以下、「平均一次粒径」とも称する)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系複合酸化物の一次粒子(a)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(a)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。
【0022】
また、本発明において、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(RA)は、具体的には、好ましくは1μm~15μmであり、より好ましくは5μm~13μmである。かかる二次粒子の平均粒径(RA)が15μm以下であると、サイクル特性に優れた電池をより確実に得ることができる。
ここで、本明細書における平均粒径とは、SEM又はTEMの電子顕微鏡を用いた観察における、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する。
【0023】
また、本発明において、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(RA)は、後述するNCM系複合酸化物二次粒子(A')の平均粒径(RA')との間で特定の比(RA/RA')を有する。比(RA/RA')は、NCM系複合酸化物二次粒子(A)がリチウム系ポリアニオン粒子(B)と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)とリチウム複合酸化物二次粒子(A')のパッキング構造を密にしてリチウム複合酸化物二次粒子(A')からの遷移金属溶出量を抑制することにより、放電容量及びサイクル特性を向上させる観点から、1~3であって、好ましくは1~2.6であり、より好ましくは1~2.2である。
【0024】
なお、本明細書において、NCM系複合酸化物二次粒子(A)は、二次粒子を形成してなる一次粒子(a)のみを含み、リチウム系ポリアニオン粒子(B)や炭素(c)等その他の成分を含まない。
【0025】
上記式(I)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~15μmであり、より好ましくは5μm~13μm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。
【0026】
上記式(I)で表されるNCM系複合酸化物からなる二次粒子(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系複合酸化物の二次粒子の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。
【0027】
次に、式(II)で示されるNCA系複合酸化物を説明する。
上記式(II)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(II)中のd、e、f、xは、0.4≦d<1、0<e≦0.6、0<f≦0.3、0≦x≦0.3、かつ3d+3e+3f+(M2の価数)×x=3を満たす数である。
【0028】
上記式(II)で表されるNCA系複合酸化物は、式(I)で表されるNCM系複合酸化物よりも、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(II)で表されるNCA系複合酸化物としては、具体的には、例えばLiNi0.33Co0.33Al0.342、LiNi0.8Co0.1Al0.12、LiNi0.8Co0.15Al0.03Mg0.032、LiNi0.8Co0.15Al0.03Zn0.032等が挙げられる。なかでもLiNi0.8Co0.15Al0.03Mg0.032が好ましい。
【0029】
さらに、上記式(II)で表されるNCA系複合酸化物粒子は、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NCA系複合酸化物粒子を被覆することによって、電解液へのNCA系複合酸化物粒子からの金属成分(Ni、Al、Co又はM2)の溶出を抑制することができる。かかる被覆物としては、CeO2、SiO2、MgO、Al23、ZrO2、TiO2、ZnO、RuO2、SnO2、CoO、Nb25、CuO、V25、MoO3、La23、 WO3、AlF3、NiF2、MgF2、Li3PO4、Li427、LiPO3、Li2PO3F、及びLiPO22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。
【0030】
上記式(II)で表されるNCA系複合酸化物の一次粒子の平均粒径、上記一次粒子が凝集して形成されるNCA系複合酸化物二次粒子(A)の平均粒径(RA)、及び二次粒子の内部空隙率は、上記のNCM系複合酸化物と同様である。また、NCA系複合酸化物二次粒子(A)の平均粒径(RA)が、後述するNCA系複合酸化物二次粒子(A')の平均粒径(RA')との間で有する特定の比(RA/RA')の値も、上記のNCM系複合酸化物と同様である。
すなわち、上記式(II)で表されるNCA系複合酸化物の一次粒子(a)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(a)からなるNCA系複合酸化物二次粒子(A)の平均粒径(RA)は、好ましくは1μm~15μmであり、より好ましくは5μm~13μmである。また、上記式(II)で表されるNCA系複合酸化物からなる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。
【0031】
本発明のリチウム複合酸化物二次粒子(A)は、上記式(I)で表されるNCM系複合酸化物と上記式(II)で表されるNCA系複合酸化物が混在していてもよい。その混在状態は、上記式(I)で表されるNCM系複合酸化物の一次粒子(a)と上記式(II)で表されるNCA系複合酸化物の一次粒子(a)が共存してなる二次粒子を形成してもよく、また上記式(I)で表されるNCM系複合酸化物(a)のみからなる二次粒子(A)と上記式(II)で表されるNCA系複合酸化物(a)のみからなる二次粒子(A)とが混在してもよく、さらには上記式(I)で表されるNCM系複合酸化物の一次粒子(a)と上記式(II)で表されるNCA系複合酸化物の一次粒子(a)が共存してなる二次粒子(A)、上記式(I)で表されるNCM系複合酸化物(a)のみからなる二次粒子(A)及び上記式(II)で表されるNCA系複合酸化物(a)のみからなる二次粒子(A)が混在するものであってもよい。さらに、上記式(I)で表されるNCM系複合酸化物粒子(a)のみからなる二次粒子(A)である場合、互いに組成が異なる2種以上のNCM系複合酸化物粒子(a)によって、コア-シェル構造を形成してなるものであってもよい。
【0032】
上記式(I)で表されるNCM系複合酸化物と上記式(II)で表されるNCA系複合酸化物が混在する場合の、NCM系複合酸化物とNCA系複合酸化物の割合(質量%)は、求める電池特性によって適宜調整すればよい。
【0033】
上記式(I)で表されるNCM系複合酸化物及び/又は上記式(II)で表されるNCA系複合酸化物からなる二次粒子(A)の表面では、NCM系複合酸化物粒子とリチウム系ポリアニオン粒子(B)とが、またはNCA系複合酸化物粒子とリチウム系ポリアニオン粒子(B)とが、二次粒子(A)の表面をリチウム系ポリアニオン粒子(B)が被覆するように複合化しているため、或いはリチウム系ポリアニオン粒子(B)が複数のNCM系複合酸化物粒子又は/及びNCA系複合酸化物粒子を架橋するように二次粒子(A)の表面を被覆しているため、NCM系複合酸化物粒子またはNCA系複合酸化物粒子に含まれる金属元素の溶出を抑制することができる。
【0034】
次に、上記リチウム系ポリアニオン粒子(B)を説明する。
リチウム複合酸化物二次粒子(A)の表面のみにおいて、リチウム複合酸化物粒子(a)と複合化されてなる、リチウム系ポリアニオン粒子(B)は、担持してなる炭素(c)を含み、かつ下記式(III):
LigMnhFei3 yPO4・・・(III)
(式(III)中、M3はCo、Ni、Ca、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd又はGdを示す。g、h、i、及びyは、0<g≦1.2、0≦h≦1.2、0≦i≦1.2、0≦y≦0.3、及びh+i≠0を満たし、かつg+(Mnの価数)×h+(Feの価数)×i+(M3の価数)×y=3を満たす数を示す。)
又は、下記式(IV):
LijFekMnl4 zSiO4・・・(IV)
(式(IV)中、M4はCo、Ni、Ca、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd、Al、Zn、V又はGdを示す。j、k、l、及びzは、0<j≦2.4、0≦k≦1.2、0≦l≦1.2、0≦z≦1.2、及びk+l≠0を満たし、かつj+(Feの価数)×k+(Mnの価数)×l+(M4の価数)×z=4を満たす数を示す。)
で表される、少なくともマンガン又は鉄のいずれかを含むリチウム化合物であって、良好なリチウムイオン伝導性をもたらし得る化合物である。
【0035】
上記式(III)で表されるリチウム系ポリアニオン粒子(B)としては、リチウム複合酸化物二次粒子(A)と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)の平均放電電圧の観点から、0.5≦h≦1.2が好ましく、0.6≦h≦1.1がより好ましく、0.65≦h≦1.05がさらに好ましく、また0≦i≦0.6が好ましい。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、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。
【0036】
また、上記式(IV)で表されるリチウム系ポリアニオン粒子(B)としては、リチウム複合酸化物二次粒子(A)と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)の平均放電電圧の観点から、0.2≦k≦1.3が好ましく、0.2≦k≦0.9がより好ましく、0.2≦k≦0.7がさらに好ましく、また0.3≦l≦1.0が好ましく、0.35≦l≦1.0がより好ましく、0.4≦l≦1.0がさらに好ましい
。具体的には、例えばLi2Fe0.45Mn0.45Co0.1SiO4、Li2Fe0.36Mn0.54Al0.066SiO4、Li2Fe0.45Mn0.45Zn0.1SiO4、Li2Fe0.36Mn0.540.066SiO4、Li2Fe0.282Mn0.658Zr0.02SiO4、Li2.2Fe0.252Mn0.594Zr0.027SiO4、Li1.2Fe0.392Mn0.924Zr0.042SiO4等が挙げられ、なかでもLi2Fe0.282Mn0.658Zr0.02SiO4、Li2.2Fe0.252Mn0.594Zr0.027SiO4、又はLi2.2Fe0.392Mn0.924Zr0.042SiO4が好ましい。
【0037】
さらに、リチウム系ポリアニオン粒子(B)は、上記式(III)又は式(IV)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-シェル構造を形成してなり、かつ担持してなる炭素(c)を含むものであってもよい。
【0038】
このリチウム系ポリアニオン粒子(B)のコア-シェル構造によって、リチウム系ポリアニオン粒子(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、電解液に接するシェル部には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。
【0039】
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系ポリアニオン粒子(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)、(Li2Fe0.7Mn0.3SiO4)-(LiFePO4)、又は(Li2MnSiO4)-(Li2FeSiO4)等からなる粒子が挙げられる。
【0040】
上記式(III)で表されるリチウム系ポリアニオン粒子(B)の平均粒径(RB)は、リチウム複合酸化物二次粒子(A)の表面のみにおいて、リチウム複合酸化物粒子(a)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70nm~150nmである。また、リチウム系ポリアニオン粒子(B)が上記式(IV)で表される場合の平均粒径(RB)は、好ましくは20nm~200nmであり、より好ましくは25nm~180nmである。
なお、コア-シェル構造を形成してなるリチウム系ポリアニオン粒子(B)の平均粒径(RB)は、かかるリチウム系ポリアニオン粒子(B)に式(III)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70nm~150nmであり、式(IV)で表されるリチウム系ポリアニオンのみからなる場合には、好ましくは20nm~200nmであり、より好ましくは25nm~180nmである。
【0041】
上記式(III)又は式(IV)で表されるリチウム系ポリアニオン粒子(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。リチウム系ポリアニオン粒子(B)のリチウムイオン伝導度の上限値は特に限定されない。
【0042】
上記リチウム系ポリアニオン粒子(B)は、担持されてなる炭素(c)を含む。かかる炭素(c)は、リチウム系ポリアニオン粒子(B)の表面に担持されてなる。かかる炭素(c)の担持量は、リチウム系ポリアニオン粒子(B)が式(III)で表される場合には、担持されてなる炭素(c)を含むリチウム系ポリアニオン粒子(B)全量100質量%中に、好ましくは0.1質量%以上10質量%未満であり、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。また、リチウム系ポリアニオン粒子(B)が式(IV)で表される場合には、担持されてなる炭素(c)を含むリチウム系ポリアニオン粒子(B)全量100質量%中に、好ましくは0.1質量%以上20質量%未満であり、より好ましくは0.5質量%~15質量%であり、さらに好ましくは1質量%~10質量%である。
【0043】
なお、上記式(III)又は式(IV)で表されるリチウム系ポリアニオン粒子(B)に含まれる、担持されてなる炭素(c)としては、後述するセルロースナノファイバー及び/又はリグノセルロースナノファイバー(以下、これらを「CNF」と総称する場合もある。)由来の炭素(c1)、若しくは水溶性炭素材料由来の炭素(c2)が好ましい。なお、この場合、リチウム系ポリアニオン粒子(B)中における炭素(c)の担持量とは、CNF由来の炭素(c1)及び水溶性炭素材料由来の炭素(c2)の炭素の合計担持量であり、上記炭素源であるCNF又は水溶性炭素材料の炭素原子換算量に相当する。
【0044】
リチウム系ポリアニオン粒子(B)に含まれる、担持してなる炭素(c1)の炭素源(c'1)となる上記セルロースナノファイバーとは、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る。また、セルロースナノファイバーと同様に、炭素源(c'1)となる上記リグノセルロースナノファイバーは、リグニンを除去する精製を行わずに得られたセルロースナノファイバーであって、セルロースナノファイバーがリグニンで被覆されてなるものである。
これらセルロースナノファイバーとリグノセルロースナノファイバーは、共に優れた水への分散性を有している。
【0045】
CNF由来の炭素(c1)は、周期的構造を有する。かかるCNF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、CNF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ポリアニオン粒子とも相まって、上記リチウム系ポリアニオン粒子(B)の表面に堅固に担持されることとなり、これらポリアニオン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リチウムイオン二次電池用正極活物質複合体を得ることができる。
【0046】
リチウム系ポリアニオン粒子(B)に含まれる、担持してなる水溶性炭素材料由来の炭素(c2)の上記炭素源(c'2)としての水溶性炭素材料とは、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し、炭化されることで炭素として上記リチウム系ポリアニオン粒子(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。
【0047】
なお、リチウム系ポリアニオン粒子(B)の表面に存在する炭素(c)の担持量(炭素(c)がCNF由来の炭素(c1)又は水溶性炭素材料由来の炭素(c2)である場合には、これらの炭素原子換算量)は、リチウム系ポリアニオン粒子(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。
【0048】
また上記式(III)又は式(IV)で表されるリチウム系ポリアニオン粒子(B)は、リチウム複合酸化物粒子である一次粒子(a)と複合化していてもよく、リチウム複合酸化物粒子である一次粒子が凝集してなるリチウム複合酸化物二次粒子(A)の一部と直接複合化していてもよい。
【0049】
さらに本発明では、上記のリチウム複合酸化物二次粒子(A)とリチウム系ポリアニオン粒子(B)の複合化処理において、炭素源として、CNF由来の炭素(c1)以外の水不溶性炭素粉末(c3)を同時に混合し、リチウム複合酸化物二次粒子(A)及びリチウム系ポリアニオン粒子(B)と複合化させてもよい。かかる水不溶性炭素粉末(c3)は、上記水溶性炭素材料由来の炭素(c2)とは別異の炭素材料であって、CNF由来の炭素(c1)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(c3)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(c3)の複合化によって、水不溶性炭素粉末(c3)が、リチウムイオン二次電池用正極活物質複合体におけるリチウム複合酸化物二次粒子(A)とリチウム系ポリアニオン粒子(B)の間隙に介在するか、又はリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体表面の複数のリチウム系ポリアニオン粒子(B)を覆うように存在するかしながら、これらの複合化の程度をより強固にし、リチウム複合酸化物二次粒子(A)からリチウム系ポリアニオン粒子(B)が剥離することを有効に抑制することができる。
【0050】
上記の水不溶性炭素粉末(c3)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、リチウム複合酸化物二次粒子(A)とリチウム系ポリアニオン粒子(B)の複合化の程度を補強させる観点から、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。
【0051】
水不溶性炭素粉末(c3)の平均粒径は、製造工程でのハンドリングと強固な複合化の観点から、好ましくは0.5μm~20μmであり、より好ましくは1.0μm~15μmである。
【0052】
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おける、上記リチウム複合酸化物二次粒子(A)とリチウム系ポリアニオン粒子(B)の複合化の際に同時に混合して複合化される水不溶性炭素粉末(c3)の含有量は、リチウム複合酸化物二次粒子(A)とリチウム系ポリアニオン粒子(B)の合計量100質量部に対し、好ましくは0.5質量部~25質量部であり、より好ましくは1質量部~11質量部であり、さらに好ましくは1質量部~10質量部である。
【0053】
さらに、上記リチウム複合酸化物二次粒子(A)、及び担持されてなる炭素(c)を含むリチウム系ポリアニオン粒子(B)の合計量と、リチウム系ポリアニオン粒子(B)に担持されてなる炭素(c1及び/又はc2)及び水不溶性炭素粉末(c3)の合計含有量(c)との質量比(((A)+(B)):(c))は、好ましくは100:0.05~100:10であり、より好ましくは100:0.2~100:6である。
【0054】
また、リチウム複合酸化物二次粒子(A)の表面に、担持されてなる炭素(c)を含むリチウム系ポリアニオン粒子(B)が複合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)における、リチウム複合酸化物二次粒子(A)の含有量と、炭素(c)を含むリチウム系ポリアニオン粒子(B)の含有量(炭素(c)の担持量を含む)との質量比((A):(B))は、好ましくは95:5~55:45であり、より好ましくは80:20~70:30である。
【0055】
そして、上記リチウム複合酸化物二次粒子(A)の表面を、上記担持されてなる炭素(c)を含むリチウム系ポリアニオン粒子(B)が被覆してなる、リチウムイオン二次電池用正極活物質複合体(C)の平均粒径(RC)は、好ましくは1.2μm~19μmであり、より好ましくは6μm~15.4μmである。
【0056】
また、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(RC)と後述するリチウム複合酸化物二次粒子(A')の平均粒径(RA')との比(RC/RA')は、リチウムイオン二次電池用正極活物質複合体(C)とリチウム複合酸化物二次粒子(A')のパッキング構造を密にしてリチウム複合酸化物二次粒子(A')からの遷移金属溶出量を抑制することにより、放電容量及びサイクル特性を向上させる観点から、好ましくは0.1~6.5であり、より好ましくは0.1~6.3であり、さらに好ましくは0.1~6.1である。
【0057】
リチウムイオン二次電池用正極活物質複合体(C)において、リチウム複合酸化物二次粒子(A)の表面を被覆する、担持されてなる炭素(c)を含むリチウム系ポリアニオン粒子(B)の被覆厚さは、好ましくは0.1μm~2μmであり、より好ましくは0.5μm~1.2μmである。
【0058】
リチウムイオン二次電池用正極活物質複合体(C)を得るには、リチウム系ポリアニオン粒子(B)を含むスラリーを噴霧乾燥して、リチウム系ポリアニオン粒子(B)の造粒体(b)を得た後、リチウム複合酸化物二次粒子(A)及び造粒体(b)を、圧縮力及びせん断力を付加しながら混合して、造粒体(b)を解砕させながら、リチウム複合酸化物二次粒子(A)の表面にリチウム系ポリアニオン粒子(B)を複合化すればよい。
【0059】
具体的には、造粒体(b)を得るには、固形分濃度が10質量%~60質量%である、リチウム正極活物質粒子(B)を均一に分散させたスラリー(B-1)を、温度が110℃~160℃の熱風の供給量G(L/分)と、スラリー(B-1)の供給量S(L/分)の比(G/S)が、500~10000である噴霧乾燥を行えばよい。
このような乾燥条件を設定することにより、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(b)を得ることができる。
【0060】
次いで、リチウム複合酸化物二次粒子(A)及び造粒体(b)を、圧縮力及びせん断力を付加しながら混合して、造粒体(b)を解砕させながら、リチウム複合酸化物二次粒子(A)の表面にリチウム系ポリアニオン粒子(B)を複合化することによって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。
上記圧縮力及びせん断力を付加しながら混合する処理、すなわち複合化の処理は、インペラやローター工具等を備える密閉容器、例えばノビルタ(ホソカワミクロン社製)を用いて行えばよい。
【0061】
上記リチウム複合酸化物二次粒子(A)の表面上に、上記の炭素(c)が担持されてなるリチウム系ポリアニオン粒子(B)、さらに必要に応じて添加される水不溶性炭素粉末(c3)を緻密かつ均一に分散、複合化した程度は、X線光電子分光法(XPS)によって評価することができる。具体的には、得られたリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体(C)に数keVの軟X線を照射すると、かかる軟X線の照射を受けた部位から、当該部位を構成する元素に固有のエネルギー値を持つ光電子が放出されるので、リチウム複合酸化物二次粒子(A)から放出されるNi2p3/2のピークを解析して得られる3価のNiに相当するピーク強度と、リチウム系ポリアニオン粒子(B)から放出されるP2p又はSi2P、及び炭素(c)から放出されるC1sのピーク強度の合計を比較することで、リチウムイオン二次電池用正極活物質複合体の表面となっている材料の面積比、すなわち、かかるリチウム系ポリアニオン粒子(B)さらには水不溶性炭素粉末(c3)が、リチウム複合酸化物二次粒子(A)を被覆している程度が分かる。ただし、リチウム系ポリアニオン粒子(B)に3価のNiを含む場合もあることから、リチウム複合酸化物二次粒子(A)のNi2p3/2のピーク強度から、リチウム複合酸化物二次粒子(A)のP2p又はSi2Pのピークに対して規格化したリチウム系ポリアニオン粒子(B)由来のNi2p3/2のピークを差し引いた差分XPSプロファイルにおけるリチウム複合酸化物二次粒子(A)由来のNi2p3/2のピーク強度を用いる。このピーク強度比(Ni2p3/2の3価のNiのピーク強度)/((P2pのピーク強度)+(C1sのピーク強度))、又は(Ni2p3/2の3価のNiのピーク強度)/((Si2pのピーク強度)+(C1sのピーク強度))は、好ましくは0.1以下、より好ましくは0.01以下である。かかるピーク強度比であれば、得られたリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体(C)の表面は、リチウム複合酸化物二次粒子(A)表面において、リチウム複合酸化物粒子(a)と複合化されてなる炭素(c)が担持されてなるリチウム系ポリアニオン粒子(B)、及び水不溶性炭素粉末(c3)によって、密に覆われている。
【0062】
次に、上記リチウムイオン二次電池用正極活物質複合体(C)に対し、上記質量比((C):(A'))=10:90~50:50で配合されてなるリチウム複合酸化物二次粒子(A')を説明する。
【0063】
リチウム複合酸化物二次粒子(A')は、上記式(I)及び(II)で表されるリチウム複合酸化物粒子(a)からなるリチウム複合酸化物二次粒子であり、リチウム複合酸化物二次粒子(A)と同じ物性及び組成で表される粒子である。すなわち、リチウム複合酸化物二次粒子(A')を構成する、上記式(I)で表されるNCM系複合酸化物の一次粒子(a)の平均粒径、及び上記式(II)で表されるNCA系複合酸化物の一次粒子(a)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、リチウム複合酸化物二次粒子(A')の平均粒径(RA')は、好ましくは1μm~15μmであり、より好ましくは5μm~13μmである。
【0064】
ただし、本発明において、リチウム複合酸化物二次粒子(A)の平均粒径(RA)と、リチウム複合酸化物二次粒子(A')の平均粒径(RA')とは、上記範囲内の値であれば、同一であっても異なっていてもよいが、上記のとおり、リチウムイオン二次電池用正極活物質複合体(C)とリチウム複合酸化物二次粒子(A')のパッキング構造を密にしてリチウム複合酸化物二次粒子(A')からの遷移金属溶出量を抑制することにより、放電容量及びサイクル特性を向上させる観点から、リチウム複合酸化物二次粒子(A)の平均粒径(RA)とリチウム複合酸化物二次粒子(A')の平均粒径(RA')との比(RA/RA')は、1~3であって、好ましくは1~2.6であり、より好ましくは1~2.2である。
【0065】
また、リチウム複合酸化物二次粒子(A')は、特定のリチウム複合酸化物(a)のみからなるものであっても、コア-シェル構造を形成するものであっても、金属酸化物、金属フッ化物又は金属リン酸塩で被覆されるものであっても、上記式(I)で表されるNCM系複合酸化物と上記式(II)で表されるNCA系複合酸化物が混在するものであってもよい。また、それらの内部空隙率は、リチウム複合酸化物二次粒子(A)と同様に、リチウム複合酸化物二次粒子(A')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。
【0066】
本発明のリチウムイオン二次電池用混合型正極活物質(D)において、上記リチウムイオン二次電池用正極活物質複合体(C)に対し、配合されてなる上記リチウム複合酸化物二次粒子(A')のリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体(C)との質量比((C):(A'))は、10:90~50:50であって、好ましくは10.5:89.5~50:50であり、より好ましくは11.1:88.9~50:50である。
【0067】
かかる質量比((C):(A'))が上記範囲外であると、リチウム複合酸化物二次粒子(A')から電解液への遷移金属成分の溶出が生じてリチウムイオン二次電池の熱的安定性が低下するか、又は電池性能に優れるリチウム複合酸化物の割合が減じてしまい、得られるリチウムイオン二次電池の放電容量及び/又はサイクル特性が劣ってしまうおそれがある。
【0068】
本発明のリチウムイオン二次電池用混合型正極活物質(D)を製造するには、上記リチウムイオン二次電池用正極活物質複合体(C)と、上記リチウム複合酸化物二次粒子(A')とを、質量比((C):(A'))=10:90~50:50となるよう、各々の添加量を調整して混合すればよい。
具体的には、リチウム複合酸化物二次粒子(A)、及びリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体(C)を、周知の粉体混合方法、例えば、ナウタミキサやヘンシェルミキサを用いて混合すればよい。
【0069】
本発明のリチウムイオン二次電池用混合型正極活物質(D)とともに、周知の導電剤及び結着剤(バインダー)を周知の処方で用いることにより、リチウムイオン二次電池用正極を得ることができる。具体的には、例えば、上記リチウムイオン二次電池用混合型正極活物質(D)、カーボンブラック等の導電助剤、並びにポリフッ化ビニリデン又はスチレンブタジエンゴム(SBR)等の結着剤に、N-メチル-2-ピロリドン等の溶媒を加え、充分に混練し正極スラリーを調製し、かかるスラリーをアルミニウム箔等の集電体上に塗布し、次いでローラープレス等による圧密した後、乾燥すればよい。
【0070】
また、リチウムイオン二次電池用混合型正極活物質(D)を予め得ることなく、所定の材料を用いて上記正極スラリーを直接調製することもできる。具体的には、上記リチウムイオン二次電池用正極活物質複合体(C)に対し、上記質量比((C):(A'))を満たす量でリチウム複合酸化物二次粒子(A')を配合しつつ、さらに導電助剤及び結着剤に溶媒等のその他の正極合材構成材料を添加、混合して調製する。すなわち、リチウムイオン二次電池用正極活物質複合体(C)、リチウム複合酸化物二次粒子(A')、導電助剤、結着剤及び溶媒等を一括混合、或いは適宜順次混合して調製することができる。
【0071】
得られる正極合材層の厚さは、リチウムイオン二次電池のサイクル特性を好適にする観点から、20μm~500μmであることが好ましい。
【0072】
本発明のリチウムイオン二次電池用正極中に含まれる水分量は少ない方が好ましく、具体的には800ppm 以下であることが好ましい。かかる含有水分量を減少させるには、高温環境や減圧環境において上記電極スラリーを乾燥する方法や、得られたリチウムイオン二次電池用正極に含まれる水分を、電気化学的に分解する方法を用いればよい。
【0073】
本発明のリチウムイオン二次電池用正極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。
【0074】
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。
【0075】
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。
【0076】
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(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。
【0077】
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。
【0078】
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
【0079】
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。
【0080】
全ての実施例及び比較例で得られた正極スラリーを用いて各々正極を製造した後、得られた正極を使用した二次電池について、放電容量とサイクル特性を評価した。正極の製造方法、並びに放電容量、及びサイクル特性の評価方法を以下に示す。
【0081】
≪正極の製造≫
ブレード間隔250μmのドクターブレードを用い、全ての実施例及び比較例で得られた各リチウムイオン二次電池用正極スラリーを、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。
【0082】
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。
【0083】
≪サイクル特性の評価≫
得られた二次電池を用い、サイクル特性を評価した。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(同上)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(1)により容量保持率(%)を求めた。
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 ・・・(1)
【0084】
≪電極からの遷移金属溶出の評価≫
上記の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。
【0085】
[製造例1:NCM系複合酸化物の二次粒子(NCM-A1)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、NCM系複合酸化物(LiNi0.6Co0.2Mn0.22)の二次粒子A1を得た。(平均粒径:11.8μm、平均一次粒径:250nm)
以後、上記NCM系複合酸化物の二次粒子をNCM-A1と称する。
【0086】
[製造例2:NCM系複合酸化物の二次粒子(NCM-A2)の製造]
製造例1の粉末混合物c1の本焼成を、空気雰囲気下で800℃×11時間焼成から空気雰囲気下で800℃×4時間焼成に変更した以外、製造例1と同様にして、NCM系複合酸化物(LiNi0.6Co0.2Mn0.22)の二次粒子A2を得た。(平均粒径:4.8μm、平均一次粒径:250nm)
以後、上記NCM系複合酸化物の二次粒子をNCM-A2と称する。
【0087】
[製造例3:NCM系複合酸化物の二次粒子(NCM-A3)の製造]
製造例1の粉末混合物c1の焼成条件、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時間焼成を、空気雰囲気下で800℃×7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℃×7時間焼成に変更した以外、製造例1と同様にして、NCM系複合酸化物(LiNi0.6Co0.2Mn0.22)の二次粒子A3を得た。(平均粒径:10.3μm、平均一次粒径:250nm)
以後、上記NCM系複合酸化物の二次粒子をNCM-A3と称する。
【0088】
[製造例4:リチウム系ポリアニオン粒子(LMP-B1)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、スギノマシン社製、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たリン酸マンガン鉄リチウムの二次粒子B1(LiMn0.7Fe0.3PO4、炭素の量=2.0質量%、平均粒径:15.8μm、平均一次粒径:100nm)を得た。
以後、上記リン酸マンガン鉄リチウムB1をLMP-B1と称する。
【0089】
[製造例5:リチウム系ポリアニオン粒子(LMP-B2)の製造]
製造例4において、スラリーb3に添加したMnSO4・5H2Oを1688gから723gに、FeSO4・7H2Oを834gから1946gに変更して、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4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たリン酸マンガン鉄リチウムの二次粒子B2(LiMn0.3Fe0.7PO4、炭素の量=2.0質量%、平均粒径:15.5μm、平均一次粒径:100nm)を得た。
以後、上記リン酸マンガン鉄リチウムB2をLMP-B2と称する。
【0090】
[製造例6:複合体C1(NCM-A1 55質量%+LMP-B1 45質量%)の製造]
製造例1で得られたNCM-A1 275gと、製造例4で得られたLMP-B1 225g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20m/s(2600rpm)で10分間の複合化処理を行い、NCM-A1 55質量%とLMP-B1 45質量%とが複合化してなるリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体C1(平均粒径:14.7μm)を得た。
【0091】
[製造例7:複合体C2(NCM-A1 70質量%+LMP-B1 30質量%)の製造]
NCM-A1を275gから350gに、LMP-B1を225gから150gに変更した以外、製造例6と同様にして、NCM-A1 70質量%とLMP-B1 30質量%とが複合化してなるリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体C2(平均粒径:14.2μm)を得た。
【0092】
[製造例8:複合体C3(NCM-A1 80質量%+LMP-B1 20質量%)の製造]
NCM-A1を275gから400gに、LMP-B1を225gから100gに変更した以外、製造例6と同様にして、NCM-A1 80質量%とLMP-B1 20質量%とが複合化してなるリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体C3(平均粒径:13.9μm)を得た。
【0093】
[製造例9:複合体C4(NCM-A1 90質量%+LMP-B1 10質量%)の製造]
NCM-A1を275gから450gに、LMP-B1を225gから50gに変更した以外、製造例6と同様にして、NCM-A1 90質量%とLMP-B1 10質量%とが複合化してなるリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体C4(平均粒径:13.3μm)を得た。
【0094】
[製造例10:複合体C5(NCM-A1 80質量%+LMP-B2 20質量%)の製造]
NCM-A1を275gから400gに、LMP-B1 225gを製造例3のLMP-B2 100gに変更した以外、製造例6と同様にして、NCM-A1 80質量%とLMP-B2 20質量%とが複合化してなるリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体C5(平均粒径:13.7μm)を得た。
【0095】
[製造例11:複合体C6(NCM-A1 40質量%+LMP-B2 60質量%)の製造]
NCM-A1を275gから200gに、LMP-B1 225gを製造例5のLMP-B2 300gに変更した以外、製造例6と同様にして、NCM-A1 40質量%とLMP-B2 60質量%とが複合化してなるリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体C6(平均粒径:16.2μm)を得た。
【0096】
[製造例12:複合体C7(NCM-A2 55質量%+LMP-B1 45質量%)の製造]
NCM-A1 275gを製造例2のNCM-A2 275gに変更した以外、製造例6と同様にして、NCM-A2 55質量%とLMP-B1 45質量%とが複合化してなるリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体C7(平均粒径:7.7μm)を得た。
【0097】
[製造例13:複合体C8(NCM-A3 90質量%+LMP-B1 10質量%)の製造]
NCM-A1 275gを製造例3のNCM-A3 450gに、LMP-B1を225gから50gに変更した以外、製造例6と同様にして、NCM-A3 90質量%とLMP-B1 10質量%とが複合化してなるリチウムイオン二次電池用正極活物質複合体C8(平均粒径:11.5μm)を得た。
【0098】
≪評価試験1)質量比(((A)+(A')):(B))が95:5である正極活物質の評価(実施例1~9、比較例1~3)≫
[実施例1:(複合体C1 11.1質量%+NCM-A1 88.9質量%、RA/RA'=1)による混合型正極活物質D1を用いた正極スラリーS1の製造]
製造例6で得られた複合体C1 10g、製造例1で得られたNCM-A1 80gを、ナウタミキサ(NX-1、ホソカワミクロン(株)製)で1分間混合して混合型正極活物質D1(平均粒径:12.1μm)を得た。
得られた混合型正極活物質D1 1800mg、アセチレンブラック100mg、及び5%ポリフッ化ビニリデン2000mgで正極スラリーS1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5%ポリフッ化ビニリデンを回転数2000rpmで10分間混練した後、混合型正極活物質D1を添加して回転数2000rpmで10分間混練した。その後、これに1-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S1を得た。
【0099】
[実施例2:(複合体C3 25質量%+NCM-A1 75質量%、RA/RA'=1)による混合型正極活物質D2を用いた正極スラリーS2の製造]
複合体C1 10gを製造例8で得られた複合体C3 22.5gに、NCM-A1を80gから67.5gに変更した以外、実施例1と同様にして混合型正極活物質D2(平均粒径:12.3μm)を得た後、混合型正極活物質D2を用いて正極スラリーS2を得た。
【0100】
[実施例3:(複合体C5 25質量%+NCM-A1 75質量%、RA/RA'=1)による混合型正極活物質D3を用いた正極スラリーS3の製造]
複合体C1 10gを製造例10で得られた複合体C5 22.5gに、NCM-A1を80gから67.5gに変更した以外、実施例1と同様にして混合型正極活物質D3(平均粒径:12.3μm)を得た後、混合型正極活物質D3を用いて正極スラリーS3を得た。
【0101】
[実施例4:(複合体C4 50質量%+NCM-A 50質量%、RA/RA'=1)による混合型正極活物質D4を用いた正極スラリーS4の製造]
複合体C1 10gを製造例7で得られた複合体C4 45gに、NCM-A1を80gから45gに変更した以外、実施例1と同様にして混合型正極活物質D4(平均粒径:12.6μm)を得た後、混合型正極活物質D4を用いて正極スラリーS4を得た。
【0102】
[実施例5:複合体C1 11.1質量%及びNCM-A1 88.9質量%(RA/RA'=1)を含む正極スラリーS5の製造]
自転・公転式ミキサー(同上)を用い、アセチレンブラック100mgと5%ポリフッ化ビニリデン2000mgを、回転数2000rpmで10分間混練した後、製造例6で得られた複合体C1 200mgと、製造例1で得られたNCM-A1 1600mgを添加して回転数2000rpmで10分間混練した。その後、これに1-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S5を得た。
【0103】
[実施例6:複合体C3 25質量%及びNCM-A1 75質量%(RA/RA'=1)を含む正極スラリーS6の製造]
複合体C1 200mgを製造例8で得られた複合体C3 450mgに、NCM-A1を1600mgから1350mgに変更した以外、実施例5と同様にして正極スラリーS6を得た。
【0104】
[実施例7:複合体C5 25質量%及びNCM-A1 75質量%(RA/RA'=1)を含む正極スラリーS7の製造]
複合体C1 2000mgを製造例10で得られた複合体C5 450mgに、NCM-A1を1600mgから1350mgに変更した以外、実施例5と同様にして正極スラリーS7を得た。
【0105】
[実施例8:複合体C1 50質量%及びNCM-A1 50質量%(RA/RA'=1)を含む正極スラリーS8の製造]
複合体C1を200mgから900mgに、NCM-A1を1600mgから900mgに変更した以外、実施例5と同様にして正極スラリーS8を得た。
【0106】
[実施例9:複合体C8 50質量%及びNCM-A2 50質量%(RA/RA'=2.15)を含む正極スラリーS9の製造]
複合体C1 200mgを製造例13で得られた複合体C8 900mgに、NCM-A1 1600mgを製造例2で得られたNCM-A2 900mgに変更した以外、実施例5と同様にして正極スラリーS9を得た。
【0107】
[比較例1:複合体C7 11.1質量%及びNCM-A1 88.9質量%(RA/RA'=0.41)を含む正極スラリーS101の製造]
複合体C1 200mgを製造例12で得られた複合体C7 200mgに変更した以外、実施例5と同様にして正極スラリーS101を得た。
【0108】
[比較例2:複合体C6 8質量%及びNCM-A1 92質量%(RA/RA'=1)を含む正極スラリーS102の製造]
複合体C1 200mgを製造例11で得られた複合体C6 150mgに、NCM-A1を1600mgから1650mgに変更した以外、実施例5と同様にして正極スラリーS102を得た。
【0109】
[比較例3:LMP-B1 5質量%及びNCM-A1 95質量%を含む正極スラリーS103の製造]
複合体C1 200mgを製造例4で得られたLMP-B1 90mgに、NCM-A1を1600mgから1710mgに変更した以外、実施例5と同様にして正極スラリーS103を得た。
【0110】
実施例1~9及び比較例1~3について、正極スラリー中の正極活物質相の構成を表1に示すとともに、二次電池のサイクル特性と電極からの遷移金属溶出の評価結果を表2に示す。
【0111】
【表1】
【0112】
【表2】
【0113】
≪評価試験2)質量比((C):(A'))及び質量比(((A)+(A')):(B))を変化させた正極活物質の評価(実施例10~13、比較例4)≫
[実施例10:(複合体C2 33.3質量%+NCM-A1 66.7質量%、RA/RA'=1)による混合型正極活物質D10を用いた正極スラリーS10の製造]
複合体C1 10gを製造例7で得られた複合体C2 30gに、NCM-A1を80gから60gに変更した以外、実施例1と同様にして混合型正極活物質D10(平均粒径:12.6μm)を得た後、混合型正極活物質D10を用いて正極スラリーS10を得た。
【0114】
[実施例11:(複合体C1 50質量%+NCM-A1 50質量%、RA/RA'=1)による混合型正極活物質D11を用いた正極スラリーS11の製造]
複合体C1を10gから45gに、NCM-A1を80gから45gに変更した以外、実施例1と同様にして混合型正極活物質D11(平均粒径:13.3μm)を得た後、混合型正極活物質D11を用いて正極スラリーS11を得た。
【0115】
[実施例12:複合体C2 33.3質量%+NCM-A1 66.7質量%(RA/RA'=1)を含む正極スラリーS12の製造]
複合体C1 200mgを製造例7で得られた複合体C2 600mgに、NCM-A1を1600mgから1200mgに変更した以外、実施例5と同様にして正極スラリーS12を得た。
【0116】
[実施例13:複合体C1 50質量%+NCM-A1 50質量%(RA/RA'=1)を含む正極スラリーS13の製造]
複合体C1を200mgから900mgに、NCM-A1を1600mgから900mgに変更した以外、実施例5と同様にして正極スラリーS13を得た。
【0117】
[比較例4:複合体C1 66.7質量%及びNCM-A1 33.3質量%(RA/RA'=1)を含む正極スラリーS104の製造]
複合体C1を200mgから1200mgに、NCM-1を1600mgから600mgに変更した以外、実施例5と同様にして正極スラリーS104を得た。
【0118】
実施例10~13及び比較例4について、正極スラリー中の正極活物質相の構成を表3に示すとともに、二次電池の放電容量とサイクル特性の評価結果を表4に示す。
【0119】
【表3】
【0120】
【表4】
【0121】
表2から明らかなように、同量のリチウム系複合酸化物二次粒子とリチウム系ポリアニオン粒子を含む、各実施例で得られたリチウムイオン二次電池用正極を使用したリチウムイオン二次電池は、各比較例で得られたリチウムイオン二次電池用正極を使用したリチウムイオン二次電池に比べ、正極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の溶出を有効に抑制し、優れた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が、リチウムイオン二次電池用正極活物質複合体(C)とリチウム複合酸化物二次粒子(A')が密なパッキング構造を形成していることから、充放電を繰り返しても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。
【0122】
また、表4から明らかなように、リチウムイオン二次電池用正極活物質複合体(C)とリチウム複合酸化物二次粒子(A')との質量比((C):(A'))が10:90~50:50の範囲外であると、放電容量が低下してしまうこともわかる。