JP2015140292A - 非水系電解質二次電池用正極活物質、および、非水系電解質二次電池 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明のマンガンニッケルチタン複合水酸化物粒子(以下、「複合水酸化物粒子」という)は、一般式(A):Mn1-x-y-zNixTiyMz(OH)2+α(0.20≦x≦0.28、0<y≦0.05、0≦z≦0.05、0≦α≦0.5、Mは、Mg、Ca、Ba、Sr、V、Fe、Cr、Co、Cu、Zr、Nb、Mo、Wから選択される少なくとも1種の元素)で表され、一次粒子が複数凝集して形成された略球状の二次粒子からなり、この二次粒子の平均粒径が1μm〜7μmであり、粒度分布の広がりを示す指標である〔(d90−d10)/平均粒径〕が0.60以下であり、微細一次粒子からなる中心部と、この中心部の外側に、この微細一次粒子よりも大きな一次粒子からなる外殻部を有し、外殻部にのみTiが存在することを特徴とする。
ニッケル(Ni)は、二次電池の高電位化および高容量化に寄与する元素である。ニッケルの添加量を示すxの値は、0.20以上0.28以下、好ましくは0.20以上0.26以下、より好ましくは0.20以上0.25以下とする。xの値が0.20未満では、この複合水酸化物粒子を前駆体とする正極活物質を正極として構成した二次電池において、5V級の電圧における電池容量が減少してしまう。一方、xの値が0.28を超えると、スピネル構造単相からなる正極活物質を得ることができなくなる。
本発明の複合水酸化物粒子は、一次粒子が複数凝集して形成された略球状の二次粒子からなるように調整されている。さらに、粒子内部に、微細一次粒子からなる中心部を有し、中心部の外側に、この微細一次粒子よりも大きな板状一次粒子からなる外殻部を有するように調整されている。このような構造を採ることにより、この複合水酸化物粒子を前駆体として正極活物質を合成する際の焼成工程において、粒子内部へのリチウムの拡散が十分に行われ、リチウムの分布が均一で良好な正極活物質が得られる。
本発明の複合水酸化物粒子においては、外殻部の厚みが、二次粒子の粒径に対する比率で5%〜47%であることが好ましく、7%〜35%であることがより好ましく、23%〜35%であることがさらに好ましい。上述したように、本発明の複合水酸化物粒子を前駆体とする正極活物質は、中空構造を有し、その粒径に対する外殻部の厚みの比率は、複合水酸化物粒子の外殻部の厚みの比率がほぼ維持される。したがって、二次粒子の粒径に対する外殻部の厚みの比率を、上記範囲とすることで、正極活物質の内部に十分な空間を形成することができる。これに対して、外殻部の厚みの比率が5%未満では、焼成工程における複合水酸化物粒子の収縮が大きく、粒子間の焼結が進行し、正極活物質の粒度分布が悪化する。一方、外殻部の厚みの比率が47%を超えると、正極活物質の内部に十分な大きさの空間を形成することができなくなる。
本発明の複合水酸化物粒子では、二次粒子の平均粒径が1μm〜7μm、好ましくは2μm〜7μm、より好ましくは3μm〜7μmに制御されている。なお、二次粒子の平均粒径とは体積平均粒径を意味し、たとえば、レーザー光回折散乱式粒度分析計で測定した体積積算値から求めることができる。
本発明の複合水酸化物粒子では、二次粒子の粒度分布の広がりを示す指標である〔(d90−d10)/平均粒径〕を、0.60以下、好ましくは0.59以下、より好ましくは0.58以下に制御することが必要とされる。ここで、d10は、各粒径における粒子数を粒径の小さい側から累積し、その累積体積が全粒子の合計体積の10%となる粒径を、d90は、同様に粒子数を累積し、その累積体積が全粒子の合計体積の90%となる粒径を意味する。また、平均粒径とは、体積平均粒径を意味する。d10、d90および平均粒径を求める方法は特に限定されないが、たとえば、レーザー光回折散乱式粒度分析計で測定した体積積算値から求めることができる。
本発明の複合水酸化物粒子の製造方法は、少なくともマンガンとニッケルを含有し、かつ、チタンを含有しない水溶液(以下、「混合水溶液1」という)と、アルカリ水溶液と、アンモニウムイオン供給体を含む水溶液とを混合し、液温25℃基準におけるpH値が12.0〜14.0となるように制御して、酸化性雰囲気下で、核生成を行う核生成工程と、核生成工程で生成された核を含む水溶液を、液温25℃基準におけるpH値が10.5〜12.0となるように制御して、該核を成長させる粒子成長工程とを備える。特に、本発明の複合水酸化物粒子の製造方法は、粒子成長工程の開始時から、好ましくは、粒子成長工程の開始時から粒子成長工程時間の全体に対して30%以下の範囲で、酸化性雰囲気を、酸素濃度が1容量%以下の弱酸化性雰囲気ないしは非酸化性雰囲気に切り換えるとともに、混合水溶液1を、少なくともマンガンとニッケルとチタンを含有する水溶液(以下、「混合水溶液2」という)に切り換えることにより、上述した複合水酸化物粒子を得ることを特徴とする。
(1−a)核生成工程
核生成工程では、はじめに、少なくともマンガンおよびニッケンを含有し、かつ、チタンを含有しない混合水溶液1を作製する。本発明の複合水酸化物粒子の製造方法では、得られる複合水酸化物粒子に含まれる各金属元素の組成比は、混合水溶液1および混合水溶液2に含まれる金属元素の原子数の合計に対する、各金属元素の原子数の比率と概ね同様となる。したがって、混合水溶液1中における各金属元素の組成比は、チタンを除き、目的とする複合水酸化物粒子の組成比と同一となるように調製する必要がある。
粒子成長工程では、はじめに、核生成工程終了後の反応水溶液に硫酸などの酸性水溶液を供給し、反応水溶液のpH値を、液温25℃基準で10.5〜12.0となるように調整する。反応水溶液のpH値をこのような範囲に調整および維持することにより、反応水溶液中における新たな核生成を抑制し、粒成長を優先して起こさせることができる。
次に、本発明の複合水酸化物粒子の原料となる混合水溶液、pH制御のためのアルカリ水溶液およびアンモニウムイオン濃度を制御するためのアンモニウムイオン供給体を含む水溶液について説明する。
混合水溶液1を作製するためのマンガン化合物およびニッケル化合物、ならびに、混合水溶液2を作製するためのマンガン化合物、ニッケル化合物およびチタン化合物は、特に限定されることはないが、取扱いの容易性から、水溶性の硝酸塩、硫酸塩および塩酸塩などを用いることができる。特に、コストやハロゲンの混入を防止する観点から硫酸塩、具体的には、硫酸マンガン、硫酸ニッケルおよび硫酸チタンを用いることが好ましい。
アルカリ水溶液は、特に限定されることはなく、水酸化ナトリウムや水酸化カリウムなどの一般的なアルカリ金属水酸化物水溶液を用いることができる。なお、アルカリ金属水酸化物を、直接、反応水溶液に添加することもできるが、pH制御の容易さから、水溶液として添加することが好ましい。この場合、アルカリ金属水酸化物水溶液の濃度を、20質量%〜50質量%とすることが好ましく、20質量%〜30質量%とすることがより好ましい。アルカリ金属水溶液の濃度をこのような範囲に規制することにより、反応系に供給する溶媒量(水量)を抑制しつつ、添加位置で局所的にpH値が高くなることを防止することができるため、粒度分布の狭い複合水酸化物粒子を効率的に得ることができる。
アンモニウムイオン供給体を含む水溶液も、特に限定されることはなく、たとえば、アンモニア水、または、硫酸アンモニウム、塩化アンモニウム、炭酸アンモニウムもしくはフッ化アンモニウムなどの水溶液を使用することができる。
(3−a)pH値
本発明の複合水酸化物粒子の製造方法においては、液温25℃基準におけるpH値を、核生成工程においては12.0〜14.0の範囲に、粒子成長工程においては10.5〜12.0の範囲に制御することが必要となる。なお、いずれの工程においても、晶析反応中のpH値の変動幅は、±0.2以内とすることが好ましい。pH値の変動幅が大きい場合、核生成量と粒子成長の割合が一定とならず、粒度分布の狭い複合水酸化物粒子を得ることができなくなる場合がある。
核生成工程においては、反応水溶液のpH値を、液温25℃基準で12.0〜14.0、好ましくは12.3〜14.0、より好ましくは12.3〜13.5の範囲に制御する。pH値が12.0未満では、核生成とともに、核の成長(粒成長)が進むため、得られる複合水酸化物粒子の粒径が不均一となり、粒度分布が悪化する。一方、pH値が14.0を超えると、生成する核が微細になりすぎるため、反応水溶液がゲル化するという問題が生じる。
粒子成長工程においては、反応水溶液のpH値を、液温25℃基準で10.5〜12.0、好ましくは10.7〜12.0、より好ましくは10.7〜11.8の範囲に制御する。粒子成長工程におけるpH値をこのような範囲に制御することにより、新たな核の生成が抑制され、粒成長が優先的に進行するため、得られる複合水酸化物粒子を均質で、粒度分布が狭いものとすることができる。これに対して、pH値が10.5未満では、アンモニウムイオン濃度が上昇し、金属イオンの溶解度が高くなるため、晶析反応の速度が遅くなるばかりでなく、反応水溶液中に残存する金属イオン量が増加し、生産性が悪化する。一方、pH値が12.0を超えると、粒子成長工程における核生成量が増加し、得られる複合水酸化物粒子の粒径が不均一となり、粒度分布が悪化する。
本発明の複合水酸化物粒子の構造は、核生成工程および粒子成長工程における反応雰囲気の制御によって規制される。具体的には、核生成工程では、好ましくは、核生成工程および粒子成長工程の開始時から粒子成長工程時間の全体の30%以下の範囲では、反応雰囲気を酸化性雰囲気とすることによって、微細一次粒子を析出させ、粒子成長工程においては低密度の中心部が形成される。これに対して、粒子成長工程における反応雰囲気の切り換え後においては、反応雰囲気を弱酸化性雰囲気ないしは非酸化性雰囲気に制御することによって、前述した微細一次粒子よりも大きな板状一次粒子を析出させ、これにより、中心部の外側に高密度の外殻部を形成する。
核生成工程では、好ましくは、核生成工程および粒子成長工程の開始時から粒子成長工程時間の全体の30%以下の範囲では、反応雰囲気を酸化性雰囲気、すなわち、酸素濃度が1容量%を超える雰囲気とすることが必要である。特に、雰囲気制御が容易な大気雰囲気とすることが好ましい。このような反応雰囲気では、析出する微細一次粒子の平均粒径が0.01μm〜0.3μmとなるため、この微細一次粒子が凝集することによって形成される二次粒子からなる中心部を十分に低密度なものとすることができる。これに対して、酸素濃度が1容量%以下では、一次粒子が粗大化し、平均粒径が3μmを超えてしまうおそれがある。
粒子成長工程の開始時(反応水溶液のpH値の切り換え後)から、好ましくは、粒子成長工程の開始時から粒子成長工程時間の全体の30%を超えた範囲では、反応雰囲気を、弱酸化性雰囲気ないしは非酸化性雰囲気とする。具体的には、反応雰囲気を、1容量%以下、好ましくは0.5容量%以下、より好ましくは0.2容量%以下の酸素と、窒素やアルゴンなどの不活性ガスとの混合雰囲気に制御することが必要となる。このような反応雰囲気では、析出する一次粒子の平均粒径が0.3μm〜3μmとなるため、前述した中心部の外側に、高密度の外殻部を形成することができる。
反応水溶液中のアンモニウムイオン濃度は、好ましくは3g/L〜25g/L、より好ましくは5g/L〜25g/L、さらに好ましくは5g/L〜15g/Lの範囲内で一定値に保持する。
反応水溶液の温度(反応温度)は、核生成工程と粒子成長工程を通じて、好ましくは20℃以上、より好ましくは20℃〜60℃の範囲に制御することが必要となる。反応温度が20℃未満の場合、反応水溶液の溶解度が低くなることに起因して、核生成が起こりやすくなり、得られる複合水酸化物粒子の平均粒径や粒度分布の制御が困難となる。なお、反応温度の上限は、特に制限されることはないが、60℃を超えると、アンモニアの揮発が促進され、反応水溶液中のアンモニウムイオンを一定範囲に制御するために供給するアンモニウムイオン供給体を含む水溶液の量が増加し、生産コストが増加してしまう。
複合水酸化物粒子の粒径は、粒子成長工程の時間により制御できるので、所望の粒径に達するまで粒子成長工程を継続すれば、所望の粒径を有する複合水酸化物粒子を得ることができる。
本発明の正極活物質は、一般式(B):LitMn2(1-x-y-z)Ni2xTi2yM2zO4(0.96≦t≦1.20、0.20≦x≦0.28、0<y≦0.05、0≦z≦0.05、Mは、Mg、Ca、Ba、Sr、V、Fe、Cr、Co、Cu、Zr、Nb、Mo、Wから選択される少なくとも1種の元素)で表され、スピネル構造を有する立方晶系のリチウムマンガンニッケルチタン複合酸化物粒子からなり、平均粒径が2μm〜8μmであり、粒度分布の広がりを示す〔(d90−d10)/平均粒径〕が0.70以下であり、粒子内部の中空部と、該中空部の外側の外殻部とから構成される中空構造を備えることを特徴とする。
リチウム(Li)の含有量を示すtの値は、0.96以上1.20以下、好ましく0.98以上1.20以下、より好ましくは1.00以上1.20以下とする。tの値を上記範囲に規制することにより、この正極活物質を正極として構成される二次電池の出力特性および容量特性を向上させることができる。これに対して、tの値が0.96未満では、二次電池の正極抵抗が大きくなるため、出力特性を向上させることができない。一方、1.20を超えると、初期放電容量が低下する。
本発明の正極活物質は、粒子内部の中空部と、この中空部の外側の外殻部とから構成される中空構造を備える。このような中空構造を備えることにより、電解液との反応面積を大きくすることができ、かつ、殻部の一次粒子間の粒界または空隙を介して中空部に電解液が浸入し、粒子外殻部の反応界面のみならず、粒子内部の反応界面を通じてリチウムの脱離および挿入を行うことが可能となるため、リチウムイオンや電子の移動が促進され、出力特性を大幅に向上させることができる。
本発明の正極活物質においては、外殻部の厚みが、粒径に対する比率で5%〜35%であることが好ましく、10%〜35%であることがより好ましい。外殻部の厚みが5%未満では、中空部が大きくなりすぎるため、反応界面の減少により正極抵抗が高くなり、出力特性が低下するばかりでなく、粒子強度が低下するため、二次電池の正極を構成する際に、粒子が破壊され、微粉が発生するおそれがある。一方、外殻部の厚みが35%を超えると、電解液が中空部に浸入可能な、外殻部の一次粒子間の粒界または空隙が減少し、十分な反応界面を確保することができなくなるため、正極抵抗が上昇し、出力特性が低下してしまう。なお、正極活物質の外殻部の厚みは、上述した複合水酸化物粒子の外殻部の厚みと同様の方法により求めることができる。
本発明の正極活物質の平均粒径は2μm〜8μm、好ましくは3μm〜8μm、より好ましくは3μm〜6μmとする。なお、正極活物質の平均粒径とは、正極活物質を構成する二次粒子の体積平均粒径を意味し、たとえば、レーザー光回折散乱式粒度分析計で測定した体積積算値から求めることができる。
本発明の正極活物質において、粒度分布の広がりを示す〔(d90−d10)/平均粒径〕は、0.70以下、好ましくは0.69以下、より好ましくは0.68以下に制御することが必要となる。なお、d10、d90および平均粒径は、複合水酸化物粒子におけるd10、d90および平均粒径と同様の方法により求めることができる。
本発明の正極活物質の比表面積は、0.5m2/g〜3.0m2/gであることが好ましく、0.5m2/g〜2.5m2/gであることがより好ましい。なお、正極活物質の比表面積は、窒素ガス吸着によるBET法により測定することができる。正極活物質の比表面積が0.5m2/g未満では、二次電池を構成した場合において、電解液との反応面積を十分に確保することができず、出力特性を向上させることができない場合がある。一方、正極活物質の比表面積が3.0m2/gを超えると、電解液との副反応によって被膜が形成され、抵抗が増加する場合がある。
本発明の正極活物質の製造方法は、上述の複合水酸化物粒子にリチウムを混合し、リチウム混合物とした後(混合工程)、これを所定条件の下で焼成することにより(焼成工程)、上述した正極活物質を得ることを特徴とする。なお、本発明の正極活物質の製造方法では、混合工程および焼成工程のほかに、必要に応じて、焼成工程前にリチウム混合物を仮焼する工程(仮焼工程)、焼成後のリチウム複合酸化物粒子を解砕する工程(解砕工程)および/またはリチウム複合酸化物粒子をアニール処理する工程(アニール処理工程)などを行ってもよい。以下、工程ごとに詳細に説明する。
混合工程は、上述した複合水酸化物粒子に、リチウム以外の金属(Mn、Ni、Tiおよび添加元素M)の原子数の合計(Me)に対する、リチウムの原子数(Li)の比(Li/Me)が0.48〜0.60、好ましくは0.49〜0.60、より好ましくは0.50〜0.60となるように、リチウム化合物を混合し、リチウム混合物を得る工程である。すなわち、焼成工程前後でLi/Meは変化せず、この混合工程におけるLi/Meが、リチウム複合酸化物粒子におけるLi/Meとなるので、リチウム混合物におけるLi/Meが、得ようとするリチウム複合酸化物粒子のLi/Meと同じになるように、複合水酸化物粒子にリチウム化合物を混合することが必要となる。
リチウム化合物として水酸化リチウムや炭酸リチウムを使用する場合、リチウム混合物を後述する焼成温度で焼成する前に、焼成温度よりも低く、かつ、350℃〜750℃の温度で1時間〜10時間程度保持して、仮焼することが好ましい。すなわち、水酸化リチウムや炭酸リチウムの融点近傍または反応温度近傍で一定時間保持することにより、複合水酸化物粒子中へのリチウムの拡散を促進することが好ましく、これによって、得られるリチウム複合酸化物粒子の組成をより均一なものとすることができる。
焼成工程は、混合工程で得られたリチウム混合物を、所定温度で焼成する工程である。なお、焼成工程で使用する炉は、後述する雰囲気でリチウム混合物を焼成することができる限り、特に制限されることなく、バッチ式または連続式のいずれの炉も用いることができるが、
ガス発生のない電気炉を使用することが好ましい。
焼成後のリチウム複合酸化物粒子は、凝集または軽度の焼結が生じている場合がある。この場合、リチウム複合酸化物粒子の凝集体または焼結体を解砕することが好ましい。これにより、リチウム複合酸化物粒子を適度な粒径を有する粉体として取り扱うことができるため、正極活物質として用いた場合の充填性をより向上させることができる。なお、解砕とは、焼成時に二次粒子間の焼結ネッキングなどにより生じた複数の二次粒子からなる凝集体に、機械的エネルギを投入して、二次粒子自体をほとんど破壊することなく二次粒子を分離させて、凝集体をほぐす操作のことである。
本発明の正極活物質の製造方法では、焼成工程後または解砕工程後のリチウム複合酸化物粒子を、さらに酸化性雰囲気下、500℃〜800℃で、5時間〜40時間焼成するアニール処理をすることが好ましい。このように、焼成工程後に、焼成温度よりも低温域でアニール処理することにより、高温域の焼成で生成したリチウム複合酸化物粒子中の酸素欠陥を回復させ、その結晶性を高めることができる。
本発明の非水系電解質二次電池は、正極、負極、セパレータおよび非水系電解液などからなり、一般の非水系電解質二次電池と同様の構成要素により構成される。なお、以下に説明する実施形態は例示に過ぎず、本発明の非水系電解質二次電池は、本明細書に記載されている実施形態をもとに、当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した形態で実施することができる。また、本発明の非水系電解質二次電池は、その用途を特に限定するものではない。
本発明の非水系電解質二次電池用正極活物質を用いて、たとえば、以下のようにして、非水系電解質二次電池の正極を作製する。
負極には、金属リチウムやリチウム合金など、あるいは、リチウムイオンを吸蔵および脱離できる負極活物質に、結着剤を混合し、適当な溶剤を加えてペースト状にした負極合材を、銅などの金属箔集電体の表面に塗布し、乾燥し、必要に応じて電極密度を高めるべく圧縮して形成したものを使用する。
正極と負極との間には、セパレータを挟み込んで配置する。セパレータは、正極と負極とを分離し、電解質を保持するものであり、ポリエチレンやポリプロピレンなどの薄い膜で、微少な孔を多数有する膜を用いることができる。
非水系電解液は、支持塩としてのリチウム塩を有機溶媒に溶解したものである。
以上のように説明してきた正極、負極、セパレータおよび非水系電解液で構成される本発明の非水系電解質二次電池は、円筒形や積層形など、種々の形状にすることができる。いずれの形状を採る場合であっても、正極および負極を、セパレータを介して積層させて電極体とし、得られた電極体に非水系電解液を含浸させ、正極集電体と外部に通ずる正極端子との間、および、負極集電体と外部に通ずる負極端子との間を、集電用リードなどを用いて接続し、電池ケースに密閉して、非水系電解質二次電池を完成させる。
本発明の正極活物質を用いた非水系電解質二次電池は、高い作動電位を有しながらも、高容量で、出力特性に優れる。具体的には、本発明の正極活物質を正極に用いて、2032型コイン電池を構成し、電流密度を0.1mA/cm2として、カットオフ電圧5.0Vまで充電し、1時間の休止後、カットオフ電圧3.0Vまで放電した場合に、130mAh/g以上、好ましくは135mAh/g以上の初期放電容量が得られる。また、この2032型コイン電池の正極抵抗を22Ω以下、好ましくは21Ω以下とすることができる。
本発明の非水系電解質二次電池は、上記特性を有するため、常に高容量を要求される小型携帯電子機器(ノート型パーソナルコンピュータや携帯電話端末など)の電源に好適である。また、本発明の非水系電解質二次電池は小型化、高出力化が可能であることから、搭載スペースに制約を受ける電気自動車用電源としても好適である。なお、本発明の非水系電解質二次電池は、純粋に電気エネルギのみで駆動する電気自動車用の電源のみならず、ガソリンエンジンやディーゼルエンジンなどの燃焼機関と併用する、いわゆるハイブリッド車用の電源としても用いることができる。
[複合水酸化物粒子の製造]
(1)核生成工程
はじめに、反応槽(5L)内に、水を半分の量まで入れて撹拌しながら、槽内温度を40℃に設定した。このとき、反応槽内を大気雰囲気とした。この反応槽内の水に、25質量%水酸化ナトリウム水溶液と25質量%アンモニア水を適量加えて、反応槽内のpH値が、液温25℃基準で13.0、アンモニウムイオン濃度が5g/Lとなるように調整することで反応前水溶液を調製した。また、硫酸マンガンと硫酸ニッケルの水和物を、マンガンとニッケルのモル比が、Mn:Ni=2.90:1.00となるように純水に溶かして、1.85mol/Lの混合水溶液1を調整した。同時に、硫酸マンガンと硫酸ニッケルの水和物と、硫酸チタンを、マンガンとニッケルとチタンのモル比が、Mn:Ni:Ti=2.90:1.00:0.105となるように純水に溶かして1.90mol/Lの混合水溶液2を調整した。
核生成工程の終了後、混合水溶液1、アンモニア水および水酸化ナトリウム水溶液の供給を停止するとともに、反応水溶液中に硫酸を加えて、この反応水溶液のpH値を、液温25℃基準で11.6となるように調整した。
チタン添加工程終了後、生成物を水洗、ろ過および乾燥させて、複合水酸化物粒子を得た。
上述のようにして得られた複合水酸化物粒子に、Li/Me=50原子%となるように秤量した炭酸リチウムを添加し、ターブラーシェーカミキサ(株式会社ダルトン製、T2F)を用いて混合することにより、リチウム混合物を得た。
この正極活物質の組成をICP発光分光分析器により測定したところ、一般式:LiMn1.45Ni0.50Ti0.05O4で表されるものであることが確認された。
得られた正極活物質の評価には、図3に示す2032型コイン電池1(以下、「コイン型電池」という)を使用した。
コイン型電池1の性能を示す初期放電容量および正極抵抗は、以下のように評価した。
混合水溶液2として、マンガンとニッケルとチタンのモル比が、Mn:Ni:Ti=2.90:1.00:0.111、濃度が1.91mol/Lであるものを使用したこと、粒子成長工程の開始時から30分経過した時点で、反応雰囲気および混合水溶液の切り換えを行い、その後、晶析を4.50時間継続したこと以外は、実施例1と同様にして、複合水酸化物粒子および正極活物質を得た。
混合水溶液2として、マンガンとニッケルとチタンのモル比が、Mn:Ni:Ti=2.90:1.00:0.125、濃度が1.91mol/Lであるものを使用したこと、粒子成長工程の開始時から60分経過した時点で、反応雰囲気および混合水溶液の切り換えを行い、その後、晶析を4.00時間継続したこと以外は、実施例1と同様にして、複合水酸化物粒子および正極活物質を得た。
混合水溶液2として、マンガンとニッケルとチタンのモル比が、Mn:Ni:Ti=2.90:1.00:0.100、濃度が1.90mol/Lであるものを使用したこと、粒子成長工程の開始時から反応雰囲気および混合水溶液の切り換えを行い、晶析を5.00時間継続したこと以外は、実施例1と同様にして、複合水酸化物粒子および正極活物質を得た。
混合水溶液1として、マンガンとニッケルのモル比が、Mn:Ni=2.80:1.00、濃度が1.90mol/Lであるものを使用したこと、混合水溶液2として、マンガンとニッケルとチタンのモル比が、Mn:Ni:Ti=2.80:1.00:0.211、濃度が1.91mol/Lであるものを使用したこと以外は、実施例1と同様にして、複合水酸化物粒子および正極活物質を得た。
混合水溶液2として、マンガンとニッケルとチタンのモル比が、Mn:Ni:Ti=2.87:1.00:0.144、濃度が1.92mol/Lであるものを使用したこと、粒子成長工程の開始時から90分経過した時点で、反応雰囲気および混合水溶液の切り換えを行い、その後、晶析を3.50時間継続したこと以外は、実施例1と同様にして、複合水酸化物粒子および正極活物質を得た。
混合水溶液1として、マンガンとニッケルのモル比が、Mn:Ni=2.94:1.00、濃度が1.87mol/Lであるものを使用したこと、混合水溶液2として、マンガンとニッケルとチタンのモル比が、Mn:Ni:Ti=2.94:1.00:0.063、濃度が1.90mol/Lであるものを使用したこと以外は、実施例1と同様にして、複合水酸化物粒子および正極活物質を得た。
混合水溶液1および混合水溶液2として、マンガンとニッケルとチタンのモル比が、Mn:Ni:Ti=2.90:1.00:0.100、濃度が1.90mol/Lであるものを使用したこと、核生成工程と粒子成長工程を通じて、反応雰囲気を酸素濃度が0.2容量%以下の窒素雰囲気に制御したこと以外は、実施例1と同様にして、複合水酸化物粒子および正極活物質を得た。
混合水溶液2として、マンガンとニッケルとチタンのモル比が、Mn:Ni:Ti=2.90:1.00:0.150、濃度が1.92mol/Lであるものを使用したこと、粒子成長工程の開始時から100分経過した時点で、反応雰囲気および混合水溶液の切り換えを行い、その後、晶析を3.33時間継続したこと以外は、実施例1と同様にして、複合水酸化物粒子および正極活物質を得た。
焼成工程における焼成温度を950℃としたこと以外は、実施例1と同様にして、複合水酸化物粒子および正極活物質を得た。
焼成工程における焼成温度を850℃としたこと以外は、実施例1と同様にして、複合水酸化物粒子および正極活物質を得た。
混合水溶液1および混合水溶液2として、マンガンとニッケルのモル比が、Mn:Ni=3.00:1.00、濃度が1.90mol/Lであるものを使用したこと以外は、実施例1と同様にして、複合水酸化物粒子および正極活物質を得た。
混合水溶液1として、マンガンとニッケルのモル比が、Mn:Ni=2.70:1.00、濃度が1.76mol/Lであるものを使用したこと、混合水溶液2として、マンガンとニッケルとチタンのモル比が、Mn:Ni:Ti=2.70:1.00:0.316、濃度が1.91mol/Lであるものを使用したこと以外は、実施例1と同様にして、複合水酸化物粒子および正極活物質を得た。
混合水溶液1および混合水溶液2として、マンガンとニッケルとチタンのモル比が、Mn:Ni=2.90:1.00:0.100、濃度が1.90mol/Lであるものを使用したこと以外は、実施例1と同様にして、複合水酸化物粒子および正極活物質を得た。
2 ケース2
2a 正極缶
2b 負極缶
2c ガスケット
3 電極
3a 正極
3b 負極
3c セパレータ
はじめに、本発明の正極活物質の前駆体であるマンガンニッケルチタン複合水酸化物粒子について説明する。このマンガンニッケルチタン複合水酸化物粒子(以下、「複合水酸化物粒子」という)は、一般式(A):Mn1-x-y-zNixTiyMz(OH)2+α(0.20≦x≦0.28、0<y≦0.05、0≦z≦0.05、0≦α≦0.5、Mは、Mg、Ca、Ba、Sr、V、Fe、Cr、Co、Cu、Zr、Nb、Mo、Wから選択される少なくとも1種の元素)で表され、一次粒子が複数凝集して形成された略球状の二次粒子からなり、この二次粒子の平均粒径が1μm〜7μmであり、粒度分布の広がりを示す指標である〔(d90−d10)/平均粒径〕が0.60以下であり、微細一次粒子からなる中心部と、この中心部の外側に、この微細一次粒子よりも大きな一次粒子からなる外殻部を有し、外殻部にのみTiが存在することを特徴とする。
ニッケル(Ni)は、二次電池の高電位化および高容量化に寄与する元素である。ニッケルの添加量を示すxの値は、0.20以上0.28以下、好ましくは0.20以上0.26以下、より好ましくは0.20以上0.25以下とする。xの値が0.20未満では、この複合水酸化物粒子を前駆体とする正極活物質を正極として構成した二次電池において、5V級の電圧における電池容量が減少してしまう。一方、xの値が0.28を超えると、スピネル構造単相からなる正極活物質を得ることができなくなる。
本発明の正極活物質の前駆体である複合水酸化物粒子は、一次粒子が複数凝集して形成された略球状の二次粒子からなるように調整されている。さらに、粒子内部に、微細一次粒子からなる中心部を有し、中心部の外側に、この微細一次粒子よりも大きな板状一次粒子からなる外殻部を有するように調整されている。このような構造を採ることにより、この複合水酸化物粒子を前駆体として正極活物質を合成する際の焼成工程において、粒子内部へのリチウムの拡散が十分に行われ、リチウムの分布が均一で良好な正極活物質が得られる。
本発明の正極活物質の前駆体である複合水酸化物粒子において、外殻部の厚みは、二次粒子の粒径に対する比率で5%〜47%であることが好ましく、7%〜35%であることがより好ましく、23%〜35%であることがさらに好ましい。上述したように、この複合水酸化物粒子を前駆体とする正極活物質は、中空構造を有し、その粒径に対する外殻部の厚みの比率は、複合水酸化物粒子(二次粒子)の粒径に対する外殻部の厚みの比率がほぼ維持される。したがって、二次粒子の粒径に対する外殻部の厚みの比率を、上記範囲とすることで、正極活物質の内部に十分な空間を形成することができる。これに対して、外殻部の厚みの比率が5%未満では、焼成工程における複合水酸化物粒子の収縮が大きく、粒子間の焼結が進行し、正極活物質の粒度分布が悪化する。一方、外殻部の厚みの比率が47%を超えると、正極活物質の内部に十分な大きさの空間を形成することができなくなる。
本発明の正極活物質の前駆体である複合水酸化物粒子では、二次粒子の平均粒径が1μm〜7μm、好ましくは2μm〜7μm、より好ましくは3μm〜7μmに制御されている。なお、二次粒子の平均粒径とは体積平均粒径を意味し、たとえば、レーザー光回折散乱式粒度分析計で測定した体積積算値から求めることができる。
本発明の正極活物質の前駆体である複合水酸化物粒子では、二次粒子の粒度分布の広がりを示す指標である〔(d90−d10)/平均粒径〕を、0.60以下、好ましくは0.59以下、より好ましくは0.58以下に制御することが必要とされる。ここで、d10は、各粒径における粒子数を粒径の小さい側から累積し、その累積体積が全粒子の合計体積の10%となる粒径を、d90は、同様に粒子数を累積し、その累積体積が全粒子の合計体積の90%となる粒径を意味する。また、平均粒径とは、体積平均粒径を意味する。d10、d90および平均粒径を求める方法は特に制限されないが、たとえば、レーザー光回折散乱式粒度分析計で測定した体積積算値から求めることができる。
続いて、本発明の正極活物質の前駆体である複合水酸化物粒子の製造方法について説明する。この複合水酸化物粒子の製造方法は、少なくともマンガンとニッケルを含有し、かつ、チタンを含有しない水溶液(以下、「混合水溶液1」という)と、アルカリ水溶液と、アンモニウムイオン供給体を含む水溶液とを混合し、液温25℃基準におけるpH値が12.0〜14.0となるように制御して、酸化性雰囲気下で、核生成を行う核生成工程と、核生成工程で生成された核を含む水溶液を、液温25℃基準におけるpH値が10.5〜12.0となるように制御して、該核を成長させる粒子成長工程とを備える。特に、この複合水酸化物粒子の製造方法は、粒子成長工程の開始時から、好ましくは、粒子成長工程の開始時から粒子成長工程時間の全体に対して30%以下の範囲で、酸化性雰囲気を、酸素濃度が1容量%以下の弱酸化性雰囲気ないしは非酸化性雰囲気に切り換えるとともに、混合水溶液1を、少なくともマンガンとニッケルとチタンを含有する水溶液(以下、「混合水溶液2」という)に切り換えることにより、上述した複合水酸化物粒子を得ることを特徴とする。
(1−a)核生成工程
核生成工程では、はじめに、少なくともマンガンおよびニッケンを含有し、かつ、チタンを含有しない混合水溶液1を作製する。本発明の正極活物質の前駆体である複合水酸化物粒子の製造方法では、得られる複合水酸化物粒子に含まれる各金属元素の組成比は、混合水溶液1および混合水溶液2に含まれる金属元素の原子数の合計に対する、各金属元素の原子数の比率と概ね同様となる。したがって、混合水溶液1中における各金属元素の組成比は、チタンを除き、目的とする複合水酸化物粒子の組成比と同一となるように調製する必要がある。
粒子成長工程では、はじめに、核生成工程終了後の反応水溶液に硫酸などの酸性水溶液を供給し、反応水溶液のpH値を、液温25℃基準で10.5〜12.0となるように調整する。反応水溶液のpH値をこのような範囲に調整および維持することにより、反応水溶液中における新たな核生成を抑制し、粒成長を優先して起こさせることができる。
次に、複合水酸化物粒子の原料となる混合水溶液、pH制御のためのアルカリ水溶液およびアンモニウムイオン濃度を制御するためのアンモニウムイオン供給体を含む水溶液について説明する。
混合水溶液1を作製するためのマンガン化合物およびニッケル化合物、ならびに、混合水溶液2を作製するためのマンガン化合物、ニッケル化合物およびチタン化合物は、特に制限されることはないが、取扱いの容易性から、水溶性の硝酸塩、硫酸塩および塩酸塩などを用いることができる。特に、コストやハロゲンの混入を防止する観点から硫酸塩、具体的には、硫酸マンガン、硫酸ニッケルおよび硫酸チタンを用いることが好ましい。
アルカリ水溶液は、特に制限されることはなく、水酸化ナトリウムや水酸化カリウムなどの一般的なアルカリ金属水酸化物水溶液を用いることができる。なお、アルカリ金属水酸化物を、直接、反応水溶液に添加することもできるが、pH制御の容易さから、水溶液として添加することが好ましい。この場合、アルカリ金属水酸化物水溶液の濃度を、20質量%〜50質量%とすることが好ましく、20質量%〜30質量%とすることがより好ましい。アルカリ金属水溶液の濃度をこのような範囲に規制することにより、反応系に供給する溶媒量(水量)を抑制しつつ、添加位置で局所的にpH値が高くなることを防止することができるため、粒度分布の狭い複合水酸化物粒子を効率的に得ることができる。
アンモニウムイオン供給体を含む水溶液も、特に制限されることはなく、たとえば、アンモニア水、または、硫酸アンモニウム、塩化アンモニウム、炭酸アンモニウムもしくはフッ化アンモニウムなどの水溶液を使用することができる。
(3−a)pH値
本発明の正極活物質の前駆体である複合水酸化物粒子の製造方法においては、液温25℃基準におけるpH値を、核生成工程においては12.0〜14.0の範囲に、粒子成長工程においては10.5〜12.0の範囲に制御することが必要となる。なお、いずれの工程においても、晶析反応中のpH値の変動幅は、±0.2以内とすることが好ましい。pH値の変動幅が大きい場合、核生成量と粒成長の割合が一定とならず、粒度分布の狭い複合水酸化物粒子を得ることができなくなる場合がある。
核生成工程においては、反応水溶液のpH値を、液温25℃基準で12.0〜14.0、好ましくは12.3〜14.0、より好ましくは12.3〜13.5の範囲に制御する。pH値が12.0未満では、核生成とともに、核の成長(粒成長)が進むため、得られる複合水酸化物粒子の粒径が不均一となり、粒度分布が悪化する。一方、pH値が14.0を超えると、生成する核が微細になりすぎるため、反応水溶液がゲル化するという問題が生じる。
粒子成長工程においては、反応水溶液のpH値を、液温25℃基準で10.5〜12.0、好ましくは10.7〜12.0、より好ましくは10.7〜11.8の範囲に制御する。粒子成長工程におけるpH値をこのような範囲に制御することにより、新たな核の生成が抑制され、粒成長が優先的に進行するため、得られる複合水酸化物粒子を均質で、粒度分布が狭いものとすることができる。これに対して、pH値が10.5未満では、アンモニウムイオン濃度が上昇し、金属イオンの溶解度が高くなるため、晶析反応の速度が遅くなるばかりでなく、反応水溶液中に残存する金属イオン量が増加し、生産性が悪化する。一方、pH値が12.0を超えると、粒子成長工程における核生成量が増加し、得られる複合水酸化物粒子の粒径が不均一となり、粒度分布が悪化する。
本発明の正極活物質の前駆体である複合水酸化物粒子の構造は、核生成工程および粒子成長工程における反応雰囲気の制御によって規制される。具体的には、核生成工程では、好ましくは、核生成工程および粒子成長工程の開始時から粒子成長工程時間の全体の30%以下の範囲では、反応雰囲気を酸化性雰囲気とすることによって、微細一次粒子を析出させ、粒子成長工程においては低密度の中心部が形成される。これに対して、粒子成長工程における反応雰囲気の切り換え後においては、反応雰囲気を弱酸化性雰囲気ないしは非酸化性雰囲気に制御することによって、前述した微細一次粒子よりも大きな板状一次粒子を析出させ、これにより、中心部の外側に高密度の外殻部を形成する。
核生成工程では、好ましくは、核生成工程および粒子成長工程の開始時から粒子成長工程時間の全体の30%以下の範囲では、反応雰囲気を酸化性雰囲気、すなわち、酸素濃度が1容量%を超える雰囲気とすることが必要である。特に、雰囲気制御が容易な大気雰囲気とすることが好ましい。このような反応雰囲気では、析出する微細一次粒子の平均粒径が0.01μm〜0.3μmとなるため、この微細一次粒子が凝集することによって形成される二次粒子からなる中心部を十分に低密度なものとすることができる。これに対して、酸素濃度が1容量%以下では、一次粒子が粗大化し、平均粒径が3μmを超えてしまうおそれがある。
粒子成長工程の開始時(反応水溶液のpH値の切り換え後)から、好ましくは、粒子成長工程の開始時から粒子成長工程時間の全体の30%を超えた範囲では、反応雰囲気を、弱酸化性雰囲気ないしは非酸化性雰囲気とする。具体的には、反応雰囲気を、1容量%以下、好ましくは0.5容量%以下、より好ましくは0.2容量%以下の酸素と、窒素やアルゴンなどの不活性ガスとの混合雰囲気に制御することが必要となる。このような反応雰囲気では、析出する一次粒子の平均粒径が0.3μm〜3μmとなるため、前述した中心部の外側に、高密度の外殻部を形成することができる。
反応水溶液中のアンモニウムイオン濃度は、好ましくは3g/L〜25g/L、より好ましくは5g/L〜25g/L、さらに好ましくは5g/L〜15g/Lの範囲内で一定値に保持する。
反応水溶液の温度(反応温度)は、核生成工程と粒子成長工程を通じて、好ましくは20℃以上、より好ましくは20℃〜60℃の範囲に制御することが必要となる。反応温度が20℃未満の場合、反応水溶液の溶解度が低くなることに起因して、核生成が起こりやすくなり、得られる複合水酸化物粒子の平均粒径や粒度分布の制御が困難となる。なお、反応温度の上限は、特に制限されることはないが、60℃を超えると、アンモニアの揮発が促進され、反応水溶液中のアンモニウムイオンを一定範囲に制御するために供給するアンモニウムイオン供給体を含む水溶液の量が増加し、生産コストが増加してしまう。
複合水酸化物粒子の粒径は、粒子成長工程の時間により制御できるので、所望の粒径に達するまで粒子成長工程を継続すれば、所望の粒径を有する複合水酸化物粒子を得ることができる。
本発明の正極活物質は、一般式(B):LitMn2(1-x-y-z)Ni2xTi2yM2zO4(0.96≦t≦1.20、0.20≦x≦0.28、0<y≦0.05、0≦z≦0.05、Mは、Mg、Ca、Ba、Sr、V、Fe、Cr、Co、Cu、Zr、Nb、Mo、Wから選択される少なくとも1種の元素)で表され、スピネル構造を有する立方晶系のリチウムマンガンニッケルチタン複合酸化物粒子(以下、「リチウム複合酸化物粒子」という)からなり、平均粒径が2μm〜8μmであり、粒度分布の広がりを示す〔(d90−d10)/平均粒径〕が0.70以下であり、粒子内部の中空部と、該中空部の外側の外殻部とから構成される中空構造を備えることを特徴とする。
リチウム(Li)の含有量を示すtの値は、0.96以上1.20以下、好ましく0.98以上1.20以下、より好ましくは1.00以上1.20以下とする。tの値を上記範囲に規制することにより、この正極活物質を正極として構成される二次電池の出力特性および容量特性を向上させることができる。これに対して、tの値が0.96未満では、二次電池の正極抵抗が大きくなるため、出力特性を向上させることができない。一方、tの値が1.20を超えると、初期放電容量が低下する。
本発明の正極活物質は、粒子内部の中空部と、この中空部の外側の外殻部とから構成される中空構造を備える。このような中空構造を備えることにより、電解液との反応面積を大きくすることができ、かつ、外殻部の一次粒子間の粒界または空隙を介して中空部に電解液が浸入し、粒子外殻部の反応界面のみならず、粒子内部の反応界面を通じてリチウムの脱離および挿入を行うことが可能となるため、リチウムイオンや電子の移動が促進され、出力特性を大幅に向上させることができる。
本発明の正極活物質においては、外殻部の厚みが、粒径に対する比率で5%〜35%であることが好ましく、10%〜35%であることがより好ましい。外殻部の厚みが5%未満では、中空部が大きくなりすぎるため、反応界面の減少により正極抵抗が高くなり、出力特性が低下するばかりでなく、粒子強度が低下するため、二次電池の正極を構成する際に、粒子が破壊され、微粉が発生するおそれがある。一方、外殻部の厚みが35%を超えると、電解液が中空部に浸入可能な、外殻部の一次粒子間の粒界または空隙が減少し、十分な反応界面を確保することができなくなるため、正極抵抗が上昇し、出力特性が低下してしまう。なお、正極活物質の外殻部の厚みは、上述した複合水酸化物粒子の外殻部の厚みと同様の方法により求めることができる。
本発明の正極活物質の平均粒径は2μm〜8μm、好ましくは3μm〜8μm、より好ましくは3μm〜6μmとする。なお、正極活物質の平均粒径とは、正極活物質を構成する二次粒子の体積平均粒径を意味し、たとえば、レーザー光回折散乱式粒度分析計で測定した体積積算値から求めることができる。
本発明の正極活物質において、粒度分布の広がりを示す〔(d90−d10)/平均粒径〕は、0.70以下、好ましくは0.69以下、より好ましくは0.68以下に制御することが必要となる。なお、d10、d90および平均粒径は、複合水酸化物粒子におけるd10、d90および平均粒径と同様の方法により求めることができる。
本発明の正極活物質の比表面積は、0.5m2/g〜3.0m2/gであることが好ましく、0.5m2/g〜2.5m2/gであることがより好ましい。なお、正極活物質の比表面積は、窒素ガス吸着によるBET法により測定することができる。正極活物質の比表面積が0.5m2/g未満では、二次電池を構成した場合において、電解液との反応面積を十分に確保することができず、出力特性を向上させることができない場合がある。一方、正極活物質の比表面積が3.0m2/gを超えると、電解液との副反応によって被膜が形成され、抵抗が増加する場合がある。
本発明の正極活物質の製造方法は、上述の複合水酸化物粒子にリチウムを混合し、リチウム混合物とした後(混合工程)、これを所定条件の下で焼成することにより(焼成工程)、上述した正極活物質を得ることを特徴とする。なお、本発明の正極活物質の製造方法では、混合工程および焼成工程のほかに、必要に応じて、焼成工程前にリチウム混合物を仮焼する工程(仮焼工程)、焼成後のリチウム複合酸化物粒子を解砕する工程(解砕工程)および/またはリチウム複合酸化物粒子をアニール処理する工程(アニール処理工程)などを行ってもよい。以下、工程ごとに詳細に説明する。
混合工程は、上述した複合水酸化物粒子に、リチウム以外の金属(Mn、Ni、Tiおよび添加元素M)の原子数の合計(Me)に対する、リチウムの原子数(Li)の比(Li/Me)が0.48〜0.60、好ましくは0.49〜0.60、より好ましくは0.50〜0.60となるように、リチウム化合物を混合し、リチウム混合物を得る工程である。すなわち、焼成工程前後でLi/Meは変化せず、この混合工程におけるLi/Meが、リチウム複合酸化物粒子におけるLi/Meとなるので、リチウム混合物におけるLi/Meが、得ようとするリチウム複合酸化物粒子のLi/Meと同じになるように、複合水酸化物粒子にリチウム化合物を混合することが必要となる。
リチウム化合物として水酸化リチウムや炭酸リチウムを使用する場合、リチウム混合物を後述する焼成温度で焼成する前に、焼成温度よりも低く、かつ、350℃〜750℃の温度で1時間〜10時間程度保持して、仮焼することが好ましい。すなわち、水酸化リチウムや炭酸リチウムの融点近傍または反応温度近傍で一定時間保持することにより、複合水酸化物粒子中へのリチウムの拡散を促進することが好ましく、これによって、得られるリチウム複合酸化物粒子の組成をより均一なものとすることができる。
焼成工程は、混合工程で得られたリチウム混合物を、所定温度で焼成する工程である。なお、焼成工程で使用する炉は、後述する雰囲気でリチウム混合物を焼成することができる限り、特に制限されることなく、バッチ式または連続式のいずれの炉も用いることができるが、ガス発生のない電気炉を使用することが好ましい。
焼成後のリチウム複合酸化物粒子は、凝集または軽度の焼結が生じている場合がある。この場合、リチウム複合酸化物粒子の凝集体または焼結体を解砕することが好ましい。これにより、リチウム複合酸化物粒子を適度な粒径を有する粉体として取り扱うことができるため、正極活物質として用いた場合の充填性をより向上させることができる。なお、解砕とは、焼成時に二次粒子間の焼結ネッキングなどにより生じた複数の二次粒子からなる凝集体に、機械的エネルギを投入して、二次粒子自体をほとんど破壊することなく二次粒子を分離させて、凝集体をほぐす操作のことである。
本発明の正極活物質の製造方法では、焼成工程後または解砕工程後のリチウム複合酸化物粒子を、さらに酸化性雰囲気下、500℃〜800℃で、5時間〜40時間焼成するアニール処理をすることが好ましい。このように、焼成工程後に、焼成温度よりも低温域でアニール処理することにより、高温域の焼成で生成したリチウム複合酸化物粒子中の酸素欠陥を回復させ、その結晶性を高めることができる。
本発明の非水系電解質二次電池は、正極、負極、セパレータおよび非水系電解液などからなり、一般の非水系電解質二次電池と同様の構成要素により構成される。なお、以下に説明する実施形態は例示に過ぎず、本発明の非水系電解質二次電池は、本明細書に記載されている実施形態をもとに、当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した形態で実施することができる。また、本発明の非水系電解質二次電池は、その用途を特に制限するものではない。
本発明の非水系電解質二次電池用正極活物質を用いて、たとえば、以下のようにして、非水系電解質二次電池の正極を作製する。
負極には、金属リチウムやリチウム合金など、あるいは、リチウムイオンを吸蔵および脱離できる負極活物質に、結着剤を混合し、適当な溶剤を加えてペースト状にした負極合材を、銅などの金属箔集電体の表面に塗布し、乾燥し、必要に応じて電極密度を高めるべく圧縮して形成したものを使用する。
正極と負極との間には、セパレータを挟み込んで配置する。セパレータは、正極と負極とを分離し、電解質を保持するものであり、ポリエチレンやポリプロピレンなどの薄い膜で、微少な孔を多数有する膜を用いることができる。
非水系電解液は、支持塩としてのリチウム塩を有機溶媒に溶解したものである。
以上のように説明してきた正極、負極、セパレータおよび非水系電解液で構成される本発明の非水系電解質二次電池は、円筒形や積層形など、種々の形状にすることができる。いずれの形状を採る場合であっても、正極および負極を、セパレータを介して積層させて電極体とし、得られた電極体に非水系電解液を含浸させ、正極集電体と外部に通ずる正極端子との間、および、負極集電体と外部に通ずる負極端子との間を、集電用リードなどを用いて接続し、電池ケースに密閉して、非水系電解質二次電池を完成させる。
本発明の正極活物質を用いた非水系電解質二次電池は、高い作動電位を有しながらも、高容量で、出力特性に優れる。具体的には、本発明の正極活物質を正極に用いて、2032型コイン電池を構成し、電流密度を0.1mA/cm2として、カットオフ電圧5.0Vまで充電し、1時間の休止後、カットオフ電圧3.0Vまで放電した場合に、130mAh/g以上、好ましくは135mAh/g以上の初期放電容量が得られる。また、この2032型コイン電池の正極抵抗を22Ω以下、好ましくは21Ω以下とすることができる。
本発明の非水系電解質二次電池は、上記特性を有するため、常に高容量を要求される小型携帯電子機器(ノート型パーソナルコンピュータや携帯電話端末など)の電源に好適である。また、本発明の非水系電解質二次電池は小型化、高出力化が可能であることから、搭載スペースに制約を受ける電気自動車用電源としても好適である。なお、本発明の非水系電解質二次電池は、純粋に電気エネルギのみで駆動する電気自動車用の電源のみならず、ガソリンエンジンやディーゼルエンジンなどの燃焼機関と併用する、いわゆるハイブリッド車用の電源としても用いることができる。
[複合水酸化物粒子の製造]
(1)核生成工程
はじめに、反応槽(5L)内に、水を半分の量まで入れて撹拌しながら、槽内温度を40℃に設定した。このとき、反応槽内を大気雰囲気とした。この反応槽内の水に、25質量%水酸化ナトリウム水溶液と25質量%アンモニア水を適量加えて、反応槽内のpH値が、液温25℃基準で13.0、アンモニウムイオン濃度が5g/Lとなるように調整することで反応前水溶液を調製した。また、硫酸マンガンと硫酸ニッケルの水和物を、マンガンとニッケルのモル比が、Mn:Ni=2.90:1.00となるように純水に溶かして、1.85mol/Lの混合水溶液1を調整した。同時に、硫酸マンガンと硫酸ニッケルの水和物と、硫酸チタンを、マンガンとニッケルとチタンのモル比が、Mn:Ni:Ti=2.90:1.00:0.105となるように純水に溶かして1.90mol/Lの混合水溶液2を調整した。
核生成工程の終了後、混合水溶液1、アンモニア水および水酸化ナトリウム水溶液の供給を停止するとともに、反応水溶液中に硫酸を加えて、この反応水溶液のpH値を、液温25℃基準で11.6となるように調整した。
チタン添加工程終了後、生成物を水洗、ろ過および乾燥させて、複合水酸化物粒子を得た。
上述のようにして得られた複合水酸化物粒子に、Li/Me=50原子%となるように秤量した炭酸リチウムを添加し、ターブラーシェーカミキサ(株式会社ダルトン製、T2F)を用いて混合することにより、リチウム混合物を得た。
この正極活物質の組成をICP発光分光分析器により測定したところ、一般式:LiMn1.45Ni0.50Ti0.05O4で表されるものであることが確認された。
得られた正極活物質の評価には、図3に示す2032型コイン電池1(以下、「コイン型電池」という)を使用した。
コイン型電池1の性能を示す初期放電容量および正極抵抗は、以下のように評価した。
混合水溶液2として、マンガンとニッケルとチタンのモル比が、Mn:Ni:Ti=2.90:1.00:0.111、濃度が1.91mol/Lであるものを使用したこと、粒子成長工程の開始時から30分経過した時点で、反応雰囲気および混合水溶液の切り換えを行い、その後、晶析を4.50時間継続したこと以外は、実施例1と同様にして、複合水酸化物粒子および正極活物質を得た。
混合水溶液2として、マンガンとニッケルとチタンのモル比が、Mn:Ni:Ti=2.90:1.00:0.125、濃度が1.91mol/Lであるものを使用したこと、粒子成長工程の開始時から60分経過した時点で、反応雰囲気および混合水溶液の切り換えを行い、その後、晶析を4.00時間継続したこと以外は、実施例1と同様にして、複合水酸化物粒子および正極活物質を得た。
混合水溶液2として、マンガンとニッケルとチタンのモル比が、Mn:Ni:Ti=2.90:1.00:0.100、濃度が1.90mol/Lであるものを使用したこと、粒子成長工程の開始時から反応雰囲気および混合水溶液の切り換えを行い、晶析を5.00時間継続したこと以外は、実施例1と同様にして、複合水酸化物粒子および正極活物質を得た。
混合水溶液1として、マンガンとニッケルのモル比が、Mn:Ni=2.80:1.00、濃度が1.90mol/Lであるものを使用したこと、混合水溶液2として、マンガンとニッケルとチタンのモル比が、Mn:Ni:Ti=2.80:1.00:0.211、濃度が1.91mol/Lであるものを使用したこと以外は、実施例1と同様にして、複合水酸化物粒子および正極活物質を得た。
混合水溶液2として、マンガンとニッケルとチタンのモル比が、Mn:Ni:Ti=2.87:1.00:0.144、濃度が1.92mol/Lであるものを使用したこと、粒子成長工程の開始時から90分経過した時点で、反応雰囲気および混合水溶液の切り換えを行い、その後、晶析を3.50時間継続したこと以外は、実施例1と同様にして、複合水酸化物粒子および正極活物質を得た。
混合水溶液1として、マンガンとニッケルのモル比が、Mn:Ni=2.94:1.00、濃度が1.87mol/Lであるものを使用したこと、混合水溶液2として、マンガンとニッケルとチタンのモル比が、Mn:Ni:Ti=2.94:1.00:0.063、濃度が1.90mol/Lであるものを使用したこと以外は、実施例1と同様にして、複合水酸化物粒子および正極活物質を得た。
混合水溶液1および混合水溶液2として、マンガンとニッケルとチタンのモル比が、Mn:Ni:Ti=2.90:1.00:0.100、濃度が1.90mol/Lであるものを使用したこと、核生成工程と粒子成長工程を通じて、反応雰囲気を酸素濃度が0.2容量%以下の窒素雰囲気に制御したこと以外は、実施例1と同様にして、複合水酸化物粒子および正極活物質を得た。
混合水溶液2として、マンガンとニッケルとチタンのモル比が、Mn:Ni:Ti=2.90:1.00:0.150、濃度が1.92mol/Lであるものを使用したこと、粒子成長工程の開始時から100分経過した時点で、反応雰囲気および混合水溶液の切り換えを行い、その後、晶析を3.33時間継続したこと以外は、実施例1と同様にして、複合水酸化物粒子および正極活物質を得た。
焼成工程における焼成温度を950℃としたこと以外は、実施例1と同様にして、複合水酸化物粒子および正極活物質を得た。
焼成工程における焼成温度を850℃としたこと以外は、実施例1と同様にして、複合水酸化物粒子および正極活物質を得た。
混合水溶液1および混合水溶液2として、マンガンとニッケルのモル比が、Mn:Ni=3.00:1.00、濃度が1.90mol/Lであるものを使用したこと以外は、実施例1と同様にして、複合水酸化物粒子および正極活物質を得た。
混合水溶液1として、マンガンとニッケルのモル比が、Mn:Ni=2.70:1.00、濃度が1.76mol/Lであるものを使用したこと、混合水溶液2として、マンガンとニッケルとチタンのモル比が、Mn:Ni:Ti=2.70:1.00:0.316、濃度が1.91mol/Lであるものを使用したこと以外は、実施例1と同様にして、複合水酸化物粒子および正極活物質を得た。
混合水溶液1および混合水溶液2として、マンガンとニッケルとチタンのモル比が、Mn:Ni=2.90:1.00:0.100、濃度が1.90mol/Lであるものを使用したこと以外は、実施例1と同様にして、複合水酸化物粒子および正極活物質を得た。
2 ケース
2a 正極缶
2b 負極缶
2c ガスケット
3 電極
3a 正極
3b 負極
3c セパレータ
Claims (10)
- 一般式(A):Mn1-x-y-zNixTiyMz(OH)2+α(0.20≦x≦0.28、0<y≦0.05、0≦z≦0.05、0≦α≦0.5、Mは、Mg、Ca、Ba、Sr、V、Fe、Cr、Co、Cu、Zr、Nb、Mo、Wから選択される少なくとも1種の元素)で表されるマンガンニッケルチタン複合水酸化物粒子の製造方法であって、
少なくともマンガンとニッケルを含有し、かつ、チタンを含有しない水溶液と、アルカリ水溶液と、アンモニウムイオン供給体を含む水溶液とを混合し、液温25℃基準におけるpH値が12.0〜14.0となるように制御して、酸化性雰囲気下で、核生成を行う核生成工程と、
前記核生成工程で生成された核を含む水溶液を、液温25℃基準におけるpH値が10.5〜12.0となるように制御して、該核を成長させる粒子成長工程とを備え、
前記粒子成長工程の開始時から該粒子成長工程時間の全体に対して30%以下の範囲で、前記酸化性雰囲気を、酸素濃度が1容量%以下の弱酸化性雰囲気ないしは非酸化性雰囲気に切り換えるとともに、前記少なくともマンガンとニッケルを含有し、かつ、チタンを含有しない水溶液を、少なくともマンガンとニッケルとチタンを含有する水溶液に切り換える、
マンガンニッケルチタン複合水酸化物の製造方法。 - 一般式(A):Mn1-x-y-zNixTiyMz(OH)2+α(0.20≦x≦0.28、0<y≦0.05、0≦z≦0.05、0≦α≦0.5、Mは、Mg、Ca、Ba、Sr、V、Fe、Cr、Co、Cu、Zr、Nb、Mo、Wから選択される少なくとも1種の元素)で表され、一次粒子が複数凝集して形成された略球状の二次粒子からなり、
前記二次粒子は、平均粒径が1μm〜7μmであり、粒度分布の広がりを示す指標である〔(d90−d10)/平均粒径〕が0.60以下であり、微細一次粒子からなる中心部と、該中心部の外側に、該微細一次粒子よりも大きな一次粒子からなる外殻部を有し、該外殻部にのみTiが存在する、マンガンニッケルチタン複合水酸化物粒子。 - 前記微細一次粒子は、平均粒径が0.01μm〜0.3μmであり、かつ、前記微細一次粒子よりも大きな一次粒子は、平均粒径が0.3μm〜3μmである、請求項2に記載のマンガンニッケルチタン複合水酸化物粒子。
- 前記外殻部の厚みは、前記二次粒子の粒径に対する比率で5%〜47%である、請求項2または3に記載のマンガンニッケルチタン複合水酸化物粒子。
- 一般式(B):LitMn2(1-x-y-z)Ni2xTi2yM2zO4(0.96≦t≦1.20、0.20≦x≦0.28、0<y≦0.05、0≦z≦0.05、Mは、Mg、Ca、Ba、Sr、V、Fe、Cr、Co、Cu、Zr、Nb、Mo、Wから選択される少なくとも1種の元素)で表され、スピネル構造を有する立方晶系のリチウムマンガンニッケルチタン複合酸化物粒子からなる正極活物質の製造方法であって、
請求項2〜4のいずれかに記載のマンガンニッケルチタン複合水酸化物粒子に対して、リチウム化合物を混合して、リチウム混合物を得る混合工程と、
前記リチウム混合物を、850℃を超えて950℃未満の温度で焼成する焼成工程と
を備える、非水系電解質二次電池用正極活物質の製造方法。 - 前記焼成工程後に、酸化性雰囲気下、500℃〜800℃で、5時間〜40時間焼成する、アニール処理工程をさらに備える、請求項5に記載の非水系電解質二次電池用正極活物質の製造方法。
- 一般式(B):LitMn2(1-x-y-z)Ni2xTi2yM2zO4(0.96≦t≦1.20、0.20≦x≦0.28、0<y≦0.05、0≦z≦0.05、Mは、Mg、Ca、Ba、Sr、V、Fe、Cr、Co、Cu、Zr、Nb、Mo、Wから選択される少なくとも1種の元素)で表され、スピネル構造を有する立方晶系のリチウムマンガンニッケルチタン複合酸化物粒子からなり、
平均粒径が2μm〜8μmであり、粒度分布の広がりを示す〔(d90−d10)/平均粒径〕が0.70以下であり、粒子内部の中空部と、該中空部の外側の外殻部とから構成される中空構造を備える、非水系電解質二次電池用正極活物質。 - 前記外殻部の厚みは、前記二次粒子の粒径に対する比率で5%〜35%である、請求項7に記載の非水系電解質二次電池用正極活物質。
- 比表面積が0.5m2/g〜3.0m2/gである、請求項7または8に記載の非水系電解質二次電池用正極活物質。
- 正極と、負極と、セパレータと、非水系電解質とを備え、前記正極の正極材料として、請求項2〜4のいずれかに記載の非水系電解質二次電池用正極活物質が用いられている、非水系電解質二次電池。
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JP2014014961A JP6346448B2 (ja) | 2014-01-29 | 2014-01-29 | 非水系電解質二次電池用正極活物質、および、非水系電解質二次電池 |
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