JP2000306584A - リチウム二次電池用正極活物質及びその製造方法 - Google Patents
リチウム二次電池用正極活物質及びその製造方法Info
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Abstract
ム二次電池用正極活物質とその製造方法を提供する。 【解決手段】 粒子の大きさが1〜5μmである一つ以
上の一次粒子が集まった粒子の大きさが10〜30μm
である二次粒子を形成する下記の化学式1乃至4の化合
物からなる群より選択される正極活物質であって、前記
正極活物質は表面に金属化合物がコーティングされたリ
チウム二次電池用正極活物質である。 化学式1:LiCoA2、化学式2:LiCoO2-xBx、化学式3:
LiCo1-xMxA2、化学式4:LiCo1-xMxO2-yBy(AはO、
S、F又はP、BはS、F又はP、MはAl、Mg、C
r、Mn、Sr、La又はCe、0<x<1、0<y<1)
Description
正極活物質及びその製造方法に関し、より詳しくは構造
的な安定性、熱的安定性が優れている正極活物質及びそ
の製造方法に関する。
され、携帯用電子機器の使用が一般化することによっ
て、携帯用電子機器の電源として高いエネルギー密度を
有するリチウム二次電池に対する研究が活発になされて
いる。
タカレーション(intercal−ation)及び
デインタカレーション(deintercalatio
n)が可能な物質を負極及び正極として用い、前記正極
と負極との間にリチウムイオンの移動が可能な有機電解
液またはポリマー電解質を充電して製造し、リチウムイ
オンが前記正極及び負極においてインタカレーション/
デインタカレーションする時の酸化、還元反応によって
電気的エネルギーを生成する。
としてリチウム金属が用いられたこともあるが、リチウ
ム金属を用いる場合には電池の充放電過程中にリチウム
金属の表面にデンドライト(dendrite)が形成
されて電池の短絡及び爆発の危険性がある。このような
問題を解決するために、構造及び電気的な性質を維持し
ながら可逆的にリチウムイオンを受容するか供給するこ
とができ、リチウムイオンの挿入及び脱離の時に半分の
セルポテンシャルがリチウム金属と類似した炭素系物質
が負極活物質として広く用いられている。
リチウムイオンの挿入と脱離が可能な金属のカルコゲン
化化合物(chalcogenide)が用いられ、L
iCoO2、LiMn2O4、LiNiO2、LiNi
1−xCoxO2(0<X<1)、LiMnO2などの複
合酸化物が実用化されている。前記正極活物質のうちL
iNiO2は充電容量が大きいが合成しにくい短所があ
り、LiMn2O4、LiMnO2などのMn系活物質
は合成が容易であり、価格が比較的にやすく、環境汚染
の問題も少ない長所があるが、容量が小さい短所があ
る。
S/cm程度の電気伝導度と高い電池電圧、そして優れ
た電極の特性を現すので広く用いられているが、高率充
放電の時に安定性が低いという問題がある。
状態の原料粉末を混合し、これを焼成する固相反応法に
よって製造される。
3号にはNi(OH)2とCo(OH) 2またはNiとCo
とを含有する水酸化物を混合して熱処理した後、粉砕、
粒度の分別などの過程を経てLiNi1−xCoxO2
(0<X<1)を製造する方法が開示されている。他の方
法としては、LiOH、Ni酸化物及びCo酸化物を反
応させ、これを400〜580℃で一次焼結して初期の
酸化物を形成した後、600〜780℃で二次焼結して
完全な結晶性活物質を製造する。
的な安定性及び熱的安定性が低いという問題点がある。
的は構造的な安定性及び熱的安定性が高いリチウム二次
電池用正極活物質を提供することにある。本発明の他の
目的は前記正極活物質の製造方法を提供することにあ
る。
定性及び熱的安定性が高いリチウム二次電池用正極活物
質及びその製造方法を提供することを目的とする。
するために、本発明は粒子の大きさが1〜5μmである
一つ以上の一次粒子が集まって粒子の大きさが10〜3
0μmである二次粒子を形成する下記の化学式1乃至4
の化合物からなる群より選択される正極活物質であっ
て、前記正極活物質は表面に金属酸化物がコーティング
されたリチウム二次電池用正極活物質を提供する。
S、F及びPからなる群より選択され、BはS、F及び
Pからなる群より選択され、MはAl、Mg、Cr及び
Mnからなる群より選択される遷移金属;Sr;La及
びCeからなる群より選択されるランタノイド金属であ
り、0<x<1であり、0<y<1である。)また、本発明
は前記正極活物質の製造方法であって、粒子の大きさが
1〜5μmである一つ以上の一次粒子が集まって粒子の
大きさが10〜30μmである二次粒子を形成する前記
化学式1乃至4の化合物の中で選択される化合物の粉末
を製造し;前記粉末を金属アルコキシド溶液または金属
水溶液でコーティングし;前記金属アルコキシド溶液ま
たは金属水溶液でコーティングされた粉末を熱処理する
工程を含むリチウム二次電池用正極活物質の製造方法を
提供する。
る。
下記の化学式1乃至4の化合物からなる群より選択され
る化合物である。
S、F及びPからなる群より選択され、BはS、F及び
Pからなる群より選択され、MはAl、Mg、Cr及び
Mnからなる群より選択される遷移金属;Sr;または
La及びCeからなる群より選択されるランタノイド金
属であり、0<x<1であり、0<y<1である。)前記化
学式1乃至4の化合物を合成するために、コバルト水酸
化物、コバルト硝酸塩またはコバルト炭酸塩などのコバ
ルト塩とリチウム硝酸塩、リチウム酢酸塩、リチウム水
酸化物などのリチウム塩を所望の当量比で混合する。ま
た、LiFまたはNaSをさらに添加することもでき
る。
ー混合(mortar grin−der mixin
g)を実施し、コバルト塩とリチウム塩との混合物を製
造する。この時、コバルト塩とリチウム塩との反応を促
進するために、エタノール、メタノール、水、アセトン
など適切な溶媒を添加し、溶媒が殆ど無くなるまで(s
olvent−free)モルタルグラインダー混合を
実施するのが好ましい。
塩とリチウム塩との混合物を約400〜600℃の温度
で熱処理することによって準結晶(semi crys
talline)状態の化学式1乃至4の化合物からな
る群より選択される化合物の粉末を製造するか、約40
0〜550℃で1〜5時間ほど一次熱処理し、700〜
900℃で10〜15時間ほど二次熱処理することによ
って、結晶状態の化学式1乃至4の化合物からなる群よ
り選択される化合物の粉末を製造する。結晶状態の化合
物粉末を製造する時、一次熱処理の温度が400℃より
低いと、コバルト塩とリチウム塩との反応が十分ではな
いという問題点がある。二次熱処理の温度が700℃よ
り低いと結晶性物質が形成しにくい。前記熱処理工程は
乾燥空気をブロウイング(blowing)する条件で
1〜5℃/分の速度で昇温して実施し、各熱処理の温度
で前記一定時間を維持した後、自然冷却することからな
る。
からなる群より選択される化合物の粉末を常温で再混合
(remixing)し、リチウム塩をさらに均一に分
布するのが好ましい。
物からなる群より選択される化合物粉末は粒子の大きさ
が1〜5μである一つ以上の一次粒子が集まって粒子の
大きさが10〜30μmである二次粒子を形成する。こ
のような方法で化学式1乃至4の化合物からなる群より
選択される粉末を製造して用いることもできるが、商業
的に流通される化学式1乃至4の化合物からなる群より
選択される化合物粉末の中で粒子の大きさが1〜5μm
である一つ以上の一次粒子が集まって粒子の大きさが1
0〜30μmである二次粒子を形成する化学式1乃至4
の化合物からなる群より選択される化合物粉末を用いて
もいい。
より選択される化合物粉末を金属アルコキシド溶液でコ
ーティングする。前記コーティング方法としてはスパッ
タリング法、CVD(Chemical Vapor D
eposition)法、ディップコーティング(di
p coating)法など汎用コーティング方法を用
いることができるが、最も簡便なコーティング方法とし
て単純に粉末をコーティング溶液に浸けては取り出すデ
ィップコーティング法を用いるのが好ましい。前記金属
アルコキシド溶液はアルコールと前記アルコールに対し
て1〜10重量%に該当する量の金属を混合した後、こ
れを還流して製造する。前記金属としてはMg、Al、
Co、K、Na、Ca、Si、Ti及びVなどを用いる
ことができ、Mgを用いるのが好ましい。前記アルコー
ルとしてはメタノールまたはエタノールを用いることが
できる。
アルコキシド溶液で前記化学式1乃至4の化合物からな
る群より選択される化合物粉末をコーティングする効果
が現れず、前記金属の濃度が5重量%を超過すると金属
アルコキシドコーティング層の厚さが厚すぎて好ましく
ない。
ティングされた粉末を120℃のオーブンで約5時間乾
燥する。この乾燥工程は粉末内にリチウム塩をさらに均
一に分布する役割をする。
た化学式1乃至4の化合物からなる群より選択される化
合物粉末を500〜800℃で熱処理する。
金属酸化物に変化することによって、結局粒子の大きさ
が1〜5μmである一つ以上の一次粒子が集まって粒子
の大きさが10〜30μmである二次粒子を形成する化
学式1乃至4の化合物からなる群より選択される化合物
の正極活物質であって、表面に金属酸化物がコーティン
グされた活物質が製造される。活物質の表面に形成され
た金属酸化物は前記コバルトと金属アルコキシド溶液か
ら由来した金属の複合金属酸化物または金属アルコキシ
ド溶液から由来した金属の酸化物などと思われる。たと
えば、LiCoO2をアルミニウムアルコキシドゾルで
コーティングした後、熱処理することによってコバルト
とアルミニウムの複合金属酸化物及び/またはアルミニ
ウムの酸化物が表面処理された正極活物質を得ることが
できる。さらに、均一な結晶性活物質を製造するため
に、前記熱処理工程は乾燥空気または酸素をブロウイン
グする条件で遂行するのが好ましい。この時、熱処理の
温度が500℃より低いと、コーティングされた金属ア
ルコキシド溶液が結晶化されないので、この活物質を電
池に適用するとリチウムイオンの移動が妨害を受けるこ
とがある。
例を提示する。しかし、下記の実施例は本発明をより詳
しく理解するために提供されるものであり、本発明が下
記の実施例に限られるわけではない。
H)2 1モルを蒸留水に溶解した。この混合物が十分に
反応できる程度に十分な量のエタノールを添加した後、
エタノールが殆ど無くなるまでモルタールグラインダー
混合を実施した。前記混合物は乾燥空気をブロウイング
する条件で400℃で5時間ほど一次熱処理した後、再
混合して均一に分散した後、再び750℃で12時間ほ
ど二次熱処理を実施した。この時、温度は3℃/分の速
度で昇温し、各温度で一定時間維持した後、自然冷却し
た。
粉末は粒子の大きさが1μmである一次粒子が多数個集
まって粒子の大きさが約10μmである二次粒子を形成
した状態である。このLiCoO2粉末をMg−メトキ
シド溶液に約10分程度浸漬した後、粉末をMg−メト
キシド溶液と分離した。この粉末を120℃のオーブン
で約5時間乾燥し、表面にMg−メトキシドがコーティ
ングされたLiCoO 2粉末を製造した。前記表面にM
g−メトキシドがコーティングされたLiCoO2粉末
に乾燥空気をブロウイングする条件で600℃で約10
時間ほど熱処理を実施してリチウム二次電池用正極活物
質を製造した。
ーボン、商品名:スーパP)、バインダー(ポリビニリ
デンフルオライド、商品名:KF−1300)及び溶媒
(N−メチルピロリドン)を混合して正極活物質組成物
スラリを製造し、このスラリをテープ形態にキャスティ
ングして正極を製造した。
レン炭酸塩とジメチル炭酸塩の1:1体積比の混合物に
1MのLiPF6を含んだ電解液とを用いてコインセル
タイプの半電池を製造した。
トキシドがコーティングされたLiCoO2粉末を60
0℃で熱処理する代わりに700℃で熱処理を実施した
ことを除いては実施例1と同様に実施した。
が10μmである単一粒子からなるLiCoO2粉末
(商品名:NC−10、製造社:Nippon Che
mical)をMg−メトキシド溶液に浸漬したものを
使用したことを除いては実施例1と同様に実施した。
トキシドがコーティングされたLiCoO2粉末を60
0℃で熱処理する代わりに700℃で熱処理を実施した
ことを除いては比較例1と同一に実施した。
たLiCoO2粉末のSEM写真であり、図2は比較例
1及び比較例2において用いたLiCoO2粉末のSE
M写真である。図1のように、実施例1及び実施例2に
おいて用いたLiCoO2粉末は粒子の大きさが1μm
である一次粒子が多数個集まって粒子の大きさが約10
μmである二次粒子を形成した状態であることが分か
り、比較例1及び比較例2において用いたLiCoO2
粉末は表面が滑らかで粒子の大きさが10μmである単
一粒子からなるLiCoO2粉末であることが分かる。
実施例1及び比較例1において製造した電池を4.3V
で充電した後、解体してLiCoO2の構造がLi
1−xCoO2に変わった極板を回収した。この極板に
対してDSC(differential scann
ing calorimetry)分析を実施した後、
その結果を図3に示した。DSCを測定した理由は充電
された正極活物質の熱的安定性を確認するためである。
充電状態の正極活物質はLi1−xCoO2構造を有
し、このような構造を有する物質は構造的に不安定であ
るので温度をあげると金属と結合している酸素(Co−
O)が分解され、このように分解された酸素は電池内部
で電解液と反応して爆発する機会を提供するので、酸素
分解の温度とその時の発熱量が電池の安定性に重要な影
響を与える。
用いられたLiCoO2粉末、(A600)は比較例1
のMg−アルコキシド溶液でコーティングしたLiCo
O2粉末、(B)は実施例1において用いられたLiC
oO2粉末、(B600)は実施例1のMg−アルコキ
シド溶液でコーティングしたLiCoO2粉末のDSC
結果である。(A600)が(A)に比べて酸素分解の
温度がより低いので、表面が滑らかでありながら単一粒
子からなったLiCoO2粉末を金属アルコキシド溶液
で処理する場合、熱的安定性がより低くなる結果を招く
ことが分かる。これに反し、(B600)が(B)に比
べて酸素分解の温度も上昇して発熱量も比較的に小さく
なることから、粒子の大きさが1μmである一次粒子が
多数個集まって粒子の大きさが約10μmである二次粒
子を形成した状態のLiCoO2粉末を金属アルコキシ
ド溶液で処理する場合、熱的安定性が向上することが分
かる。前記結果は図1及び図2のSEM写真に示された
ように、実施例1及び比較例1において用いられたLi
CoO2粉末の形状の差異に起因すると思われる。
約10μmであるLiCoO2粉末に比べて粒子の大き
さが1μmである一次粒子が多数個集まって粒子の大き
さが約10μmである二次粒子を形成した状態のLiC
oO2粉末が比表面積が大きく、表面が屈曲しているの
で、金属アルコキシド溶液で表面を処理する効果がより
大きく現れると思われる。
池を4.3Vに充電した後、解体してLiCoO2の構
造がLi1−xCoO2に変わった極板を回収した。こ
の極板に対してDSC(defferential s
canning calorimetry)分析を実施
した後、その結果を図4に示した。図4において、
(A)は比較例2において用いられたLiCoO2粉
末、(A700)は比較例2のMg−アルコキシド溶液
でコーティングしたLiCoO2粉末、(B)は実施例
2において用いられたLiCoO2粉末、(B700)
は実施例1のMg−アルコキシド溶液でコーティングし
たLiCoO2粉末のDSC結果である。この結果もや
はり、表面が滑らかで粒子一つの大きさが約10μmで
あるLiCoO2粉末に比べて、粒子の大きさが1μm
である一次粒子が多数個集まって粒子の大きさが約10
μm である二次粒子をなすLiCoO2粉末が金属アル
コキシド溶液で表面処理する効果がさらに優れていた。
よる電池、(B700)は比較例2による電池、(A)
は実施例2において用いられたLiCoO2粉末を表面
処理無しに活物質として用いた電池、(B)は比較例2
において用いられたLiCoO2粉末を表面処理無しに
活物質として用いた電池のサイクル寿命の特性を示した
ものである。図4の結果から分かるように、金属アルコ
キシド溶液で処理した(A700)及び(B700)が
アルコキシド溶液で処理しなかった(A)及び(B)に
比べて優れたサイクル寿命の特性を現すことが分かり、
特に、実施例2(A700)の場合、表面処理によるサ
イクル寿命特性の向上の程度がさらに大きく現れること
が分かる。
LiFを混合して結晶性LiCoF2粉末を製造したこ
とを除いては前記実施例1と同様に実施した。
LiFを混合して結晶性LiCoS2粉末を製造したこ
とを除いては前記実施例1と同様に実施した。
oF2とLiCoS2との粉末をSEMで観察した結
果、実施例1と類似して現れたので、実施例3乃至4に
おいて用いた粉末も微細一次粒子が多数個集まって巨大
二次粒子を形成した状態であることが分かった。また、
実施例3乃至4において用いたLiCoF2とLiCo
S2との粉末とMg−アルコキシド溶液でコーティング
したLiCoF2とLiCoS2の粉末のDSCを測定
した結果、前記実施例1と類似して熱的安全性が向上し
たことが分かる。
上の一次粒子が集まって粒子の大きさが10〜30μm
である二次粒子を形成するLiCoO2粉末の表面に金
属アルコキシド溶液をコーティングした後、熱処理して
製造した本発明による正極活物質は熱的安定性及び構造
的安定性が優れているので、電池の安全性を向上させる
ことができる。
末のSEM写真。
のSEM写真。
3Vまで充電した後、正極板のDSC分析の結果を示し
たグラフ。
4.3Vまで充電した後、正極板のDSC分析の結果を
示したグラフ。
イクル寿命の特性を示したグラフ。
Claims (4)
- 【請求項1】 粒子の大きさが1〜5μmである一つ以
上の一次粒子が集まって粒子の大きさが10〜30μm
である二次粒子を形成する下記の化学式1乃至4の化合
物からなる群より選択される正極活物質であって、前記
正極活物質は表面に金属化合物がコーティングされたリ
チウム二次電池用正極活物質。 LiCoA2 化学式1 LiCoO2-xBx 化学式2 LiCo1-xMxA2 化学式3 LiCo1-xMxO2-yBy 化学式4 (前記化学式1乃至4において、AはO、S、F及びP
からなる群より選択され、BはS、F及びPからなる群
より選択され、MはAl、Mg、Cr及びMnからなる
群より選択される金属;Sr;またはLa及びCeから
なる群より選択されるランタノイド金属であり、0<x<
1であり、0<y<1である。) - 【請求項2】 前記金属酸化物はMg、Al、Co、
K、Na、Ca、Si、Ti及びVからなるグループよ
り選択される金属の酸化物である請求項1に記載のリチ
ウム二次電池用正極活物質。 - 【請求項3】 粒子の大きさが1〜5μmである一つ以
上の一次粒子が集まって、粒子の大きさが10〜30μ
mである二次粒子を形成する前記化学式1乃至4の化合
物の中から選択される化合物の粉末を製造し;前記粉末
を金属アルコキシド溶液または金属水溶液でコーティン
グし;前記金属アルコキシド溶液または金属水溶液がコ
ーティングされた粉末を、熱処理する工程を含むリチウ
ム二次電池用正極活物質の製造方法。 LiCoA2 化学式1 LiCoO2-xBx 化学式2 LiCo1-xMxA2 化学式3 LiCo1-xMxO2-yBy 化学式4 (前記化学式1乃至4において、AはO、S、F及びP
からなる群より選択され、BはS、F及びPからなる群
より選択され、MはAl、Mg、Cr及びMnからなる
群より選択される金属;Sr;またはLa及びCeから
なる群より選択されるランタノイド金属であり、0<x<
1であり、0<y<1である。) - 【請求項4】前記熱処理工程は、空気または酸素の雰囲
気で500〜800℃で行われる請求項3に記載のリチ
ウム二次電池用正極活物質の製造方法。
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