JP3047693B2 - 非水電解液二次電池およびその正極活物質の製造法 - Google Patents
非水電解液二次電池およびその正極活物質の製造法Info
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Description
特にその正極の活物質材料であるリチウム複合酸化物の
改良に関するものである。
子機器のホータブル化、コードレス化が急速に進んでお
り、これらの駆動用電源として小型、軽量で高エネルギ
ー密度を有する二次電池への要求が高い。このような点
で非水系二次電池、特にリチウム二次電池は、とりわけ
高電圧、高エネルギー密度を有する電池として期待が大
きい。
リチウムをインターカレート、デインターカレートする
ことのできる層状化合物、たとえば米国特許第4302
518号明細書に示されているLi(1-x)NiO2(ただ
し0≦x<1)や特開平4−267053号公報に示さ
れているLiMM′O2(ただしM:F e,Co,N
i、M′:Ti,V,Cr,Mn)などリチウムと遷移
金属を主体とする複合酸化物が提案されている。
NiO2で表わされるニッケル 酸リチウムは次のように
して作製されている。
は所定の濃度の硫酸ニッケルと 水酸化ナトリウムとを
混合し、これらを撹拌することなく中和反応させてこの
ときに沈殿析出するNi(OH)2の塊状物を得る。この
塊状物を乾燥、固化し た後、粉砕してさまざまな粒子
形状を有する不定形のNi(OH)2粒子を得 る。つい
で、このNi(OH)2粒子と水酸化リチウム(LiO
H)とを所定 の混合比に混合し、これらを酸素雰囲気
中で500〜800℃で所定時間熱処理してLiNiO
2を得る。そして、このLiNiO2を所定の粒子径にな
るように粉砕して不定形のLiNiO2粒子を得てい
る。図4にその走査型 電子顕微鏡写真を示した。
ようにして得られるLiNiO2粒子では、次のよ うな
問題が生じていた。
H)2)はニッケルイオンと水酸化物 イオンとが結合し
た層状の化合物であり、この層状構造の層間部分に熱で
溶融したリチウム化合物のリチウムが入り込む反応によ
りニッケル酸リチウム(LiNiO2)が生成される。
このニッケル酸リチウム(LiNiO2)の生成に用い
られていた水酸化ニッケル(Ni(OH)2)のこれまで
の代表的な粒 子構造を図5(A)(B)に示す。
率1000倍の走査型電子顕微 鏡写真(以下、SEM
写真)であり、(B)はその粒子表面の部分拡大写真で
ある。
H)2粒子は製造条件によって、 その単結晶粒が板状で
規則正しく積層した層状構造になるまで成長しないで、
非常に微細な層状構造をもった単結晶粒がさまざまな方
向に核成長することがある。そして、これらの微細な単
結晶粒の集合によって、さまざまな形を有する不定形の
二次粒子が生成されていた。
単結晶粒がさまざまな方向に成 長するため、単結晶粒
の層状構造面が、前記二次粒子の外側に向かって露出す
ることは少なかった。
材料としたLiNiO2粒子では、リチウムがインター
カレート、デインターカレートする層状構造面が粒子の
外側に向かって露出していないので、電池の充放電時
に、正極活物質でリチウムがインターカレート、デイン
ターカレートする反応が効率良く行われなかった。
ム複合酸化物であるLiNiM nO2などを正極活物質
に用いた場合には、活物質の層間にインターカレー ト
されるリチウムの量が少なく、容量が低いという問題が
生じていた。
であり、複合酸化物におけるリチウムのインターカレー
ト、デインターカレート反応が円滑に進み、高容量で充
放電効率にも優れた非水電解液二次電池およびそのため
の正極活物質を提供するものである。
めに、本発明の非水電解液二次電池は、正極活物質を一
般式LiNiO2で表わされるニッケル酸リチウムまた
はLiNi(1-x)MnxO2(ただし、0<x<0.3)
で表わされるニッケルマンガン酸リチウムとし、その単
結晶粒は、薄片が規則正しく積層した層状構造を有する
板状結晶であって、前記板状の結晶粒が多数集合した二
次粒子の形状は、球状、ほぼ球状あるいは楕円体状であ
るとともに、前記二次粒子の表面部分を構成するほとん
どあるいはすべての板状結晶粒は、その層状構造面を外
側に向けているものである。
であるLiNiO2または LiNi(1-x)MnxO2(た
だし、0<x<0.3)の単結晶粒は 、規則正しく配
向して積層した板状結晶となっている。
粒子を形成した際、その二次粒子の形状が、球状、ほぼ
球状あるいは楕円体状になるように、また前記板状結晶
の層状構造部分が前記二次粒子の外側すなわち表面に向
かって露出するように集合している。
チウムがインターカレート、デインターカレートする単
結晶粒子の層状構造部分が規則正しく配向して積層した
板状構造をなしているとともに、前記層状構造部分は単
結晶粒が集合した二次粒子の表面に露出して存在してい
る。このような粒子構造は、活物質にリチウムをインタ
ーカレート、デインターカレートさせる反応を進める上
で極めて有効である。このため、この正極活物質を用い
た電池では、電池の充放電時に正極においてリチウムが
インターカレート、デインターカレートする反応が円滑
に進み、活物質の充放電効率が高まり、電池容量を増大
させることができる。
ら説明する。
NiO2で表わされるニッケル酸リチウムを 用いた場合
について説明する。
i(OH)2)粒子を以下のよう にして作製した。撹拌槽
内に濃度約1Nの硫酸ニッケル水溶液と濃度約1Nの水
酸化ナトリウム水溶液を所定量投入し、これらを撹拌翼
を高速回転させることにより撹拌した。溶液は撹拌状態
でpHを約11に維持して温度を40℃に保った。
ウムとの中和反応で沈殿析出した水酸化ニッケル(Ni
(OH)2)の粒子構造を図1(A)(B)に示す。図1
(A)はNi(OH)2粒子の倍率1000倍のSEM写
真であり、(B)は その一部表面の拡大写真である。
i(OH)2粒子は、薄片が多数 積層した板状結晶からな
る単結晶粒が集合して、球状、ほぼ球状あるいは楕円体
状の二次粒子を形成しており、前記二次粒子の表面部分
を構成するほとんどあるいはすべての板状結晶粒は、そ
の槽状構造が臨める面が二次粒子の外側に向かって露出
している。
の反応熟成時間を変化させることによって、Ni(OH)
2の粒子径を制御し、平均粒子径がそれぞれ1,2,5
,10,15,20,25μmのNi(OH)2粒子を作
製した。
後、デカンテーションにより粒子に残留するアルカリイ
オンを除去した。
ッケル(Ni(OH)2)粒子と 、水酸化リチウム(Li
OH)とを所定の混合比に混合し、これらを酸素雰囲気
中で750℃で20時間熱処理して本発明のニッケル酸
リチウム(LiNiO2)粒子を得た。本発明のLiN
iO2粒子の構造を図2および図3に示す。図2はLi
NiO2粒子の表面状態の拡大モデル図であり、図3は
その倍率10000倍のSEM写真である。図2および
図3に示したように本発明のLiNiO2粒子は、原材
料であるNi(OH)2粒子の形状を生かした構造をも
ち、薄片が積層した板状結晶からなる単結晶粒1が、球
状、ほぼ球状あるいは楕円体状に集合した二次粒子2で
ある。
るほとんどあるいはすべての板状結晶粒1は、リチウム
がインターカレート、デインターカレートする反応面で
ある層状構造部分が二次粒子の外側に向いて露出してい
る。
径1,2,5,10,15,20,25μmのLiNi
O2を用いて試験極を作製し、LiNiO2の容量を測定
した。
(LiNiO2)とアセチレンブ ラック、グラファイト
およびフッ素樹脂系結着剤を重量比100:4:4:7
で混合し、これに所定の有機溶媒を加えてペースト状に
した後、このペーストをアルミニウム箔の両面に塗布し
て作製した。
ムからなる対極4および参照極5とともにガラス容器6
内に収納し、炭酸プロピレン、炭酸エチレンの等体積混
合溶媒に過塩素酸リチウムを1モル/lの割合で溶解し
た電解液を用いて簡易セルを構成した。
を行った。充放電試験は、前記試験極に対する電流密度
を0.5mA/cm2として定電流で参照極に対し4.
3Vまで充電し、3.0Vまで放電して行った。
子として硫酸ニッケルと水酸化 ナトリウムとを撹拌せ
ずに中和反応させ、このときに沈殿析出するNi(OH)
2の塊状物を乾燥、固化および粉砕して得た粉末を用
い、これを水酸化リチウ ム(LiOH)とともに本発
明と同様の条件で熱処理して図4に示したような不定形
のLiNiO2粒子を作製し、これを従来のLiNiO2
粒子とした。そして、このLiNiO2粒子を用いてそ
れ以外は本発明と同様の簡易 セルを構成し、上記と同
様の充放電試験を各50個につき行った。これらの結果
を図7に示す。
に対して本発明のLiNiO2粒子では、リチウムがイ
ンターカレート、デインターカレートする結晶の層状構
造部分が、粒子の表面に露出しているため、リチウムの
インターカレート、デインターカレート反応が円滑に進
み、活物質の充放電容量が増大した。特に平均粒子径が
2〜20μmの本発明のLiNiO2粒子では平均15
0mAh/ g以上の高い容量値を示した。図7中、上
下幅は容量のバラツキを示す。
Ni0.8Mn0.2O2で表わされるニ ッケルマンガン酸リ
チウムを用いた場合について説明する。
2)は実施例1と同様にして作 製し、平均粒子径が1,
2,5,10,15,20,25μmの水酸化ニッケル
粒子を得た。そして、それぞれの平均粒子径の水酸化ニ
ッケル(Ni(OH)2 )粒子に、水酸化リチウム(Li
OH)と炭酸マンガン(MnCO3)と を所定の混合比
に混合し、これらを酸素雰囲気中で750℃で20時間
熱処理して本発明のニッケルマンガン酸リチウム(Li
Ni0.8Mn0.2O2 )粒子を得た。
子として、硫酸ニッケルと水酸 化ナトリウムとを撹拌
せずに中和反応させ、このときに沈殿析出するNi(O
H)2の塊状物を乾燥、固化した後、これを粋砕した粉末
を用い、これを水酸化 リチウム(LiOH)および炭
酸マンガン(MnCO3)とともに本発明と 同様の条件
で熱処理して不定形のLiNi0.8Mn0.2O2粒子を作
製し、これを従来のLiNi0.8Mn0.2O2粒子とし
た。
0.2O2粒子を用いて実 施例1と同様の試験極および簡
易セルを各50個構成し、実施例1と同様の充放電試験
を行った。この結果を図8に示す。
n0.2O2粒子に対して 本発明のLiNi0.8Mn0.2O2
粒子では、リチウムがインターカ レート、デインター
カレートする結晶の層状構造部分が粒子表面に露出して
いるため、リチウムインターカレート、デインターカレ
ート反応が円滑に進み、活物質の充放電容量が大きくな
った。特に平均粒子径が2〜20μmの本発明のLiN
i0.8Mn0.2O2粒子では高い容量値を示した。
表わされるニッケルマ ンガン酸リチウムのxの最適範
囲を、この正極活物質を用いた円筒形電池の充放電サイ
クル寿命特性を評価することによって検討した。
(1-x)MnxO2粒子(た だし、xは0,0.1,0.
2,0.3,0.4)とアセチレンブラック、グラファ
イトおよびフッ素樹脂系結着剤とを重量比100:4:
4:7で混合し、これに所定の有機溶媒を加えてペース
ト状にした後、この正極合剤をアルミニウム箔の両面に
塗布し、乾燥後圧延して正極板を作製した。
の高温で焼成した炭素材と、フッ素樹脂系結着剤とを重
量比100:10で混合し、これをカルボキシメチルセ
ルロース水溶液に懸濁させてペースト状にし、このペー
ストを銅箔の両面に塗着し、乾燥後圧延して作製した。
た円筒形電池の縦断面図を示す。電池の構成は帯状の
正、負極板それぞれにリードを取りつけ、ポリプロピレ
ン製のセパレータを介して全体を渦巻き状に巻回し、電
池ケース内に収納した。電解液にはプロピレンカーボネ
ートとエチレンカーボネートとの等容積混合溶媒に、過
塩素酸リチウムを1モル/lの割合で溶解したものを用
い、これを所定量注入し、封口したものを試験電池とし
た。
ンレス綱板を加工した電池ケース、8は安全弁を設けた
封口板、9は絶縁パッキングを示す。
レータ12を介して渦巻き状に巻回されてケース7内に
収納されている。そして上記正極板10からは正極リー
ド13が引き出されて封口板8に接続され、負極板11
からは負極リード14が引き出されて電池ケース7の底
部に接続されている。
0mA、充電終止電圧4.1V、充電終止電圧3.0V
の条件下での定電流放電試験を50サイクルまで常温で
行った。
ように、LiNi(1-x)MnxO2におけるMnの 置換原
子数xが0.1〜0.3の範囲ではx=0のLiNiO
2に比べてサ イクル寿命を向上させることができる。し
かし、xが0.4になると活物質内でリチウムのインタ
ーカレート、デインターカレート反応に有効な合金相が
減少するため、結果的に活物質の容量が小さくなり、サ
イクル寿命特性が低下した。
O2のxの範囲は、0 <x<0.3であることが好まし
い。
LiNi(1-x)MnxO 2(ただし0<x<0.3)で表
わされる正極活物質粒子では、図7および 図8に示し
たように、従来の正極活物質粒子に比べて上下幅で示し
た容量のバラツキが少なかった。
晶粒の層状構造の配向性が不均一であり、粒子形状も不
定形で粒子径の制御も難しいのに対して、本発明の正極
活物質粒子では単結晶粒の層状構造の配向性が均一で、
粒子形状や粒子径の制御が容易であることによると考え
られる。
て水酸化リチウムを用いたが、これ以外に硝酸リチウ
ム、炭酸リチウム、酸化リチウムのいずれかであれば同
様の効果が得られる。
ン以外に硝酸マンガン、酸化マンガンのいずれかであれ
ば同様の効果が得られる。
電池は、正極活物質を一般式LiNiO2で表わされる
ニッケル酸リチウムまたはLiNi(1-x)MnxO 2(た
だし、0<x<0.3)で表わされるニッケルマンガン
酸リチウムと し、その単結晶粒は層状構造をもった板
状結晶であって、この板状結晶粒が多数集合した二次粒
子の形状は、球状、ほぼ球状あるいは楕円体状であると
ともに、二次粒子の表面部分を構成するほとんどあるい
はすべての板状結晶粒は、リチウムがインターカレー
ト、デインターカレートする層状構造面が二次粒子の外
側に向いている。
ムのインターカレート、デインターカレート反応が極め
て円滑に進み、正極活物質の充放電容量を増大させるこ
とができる。
造を示す電子顕微鏡写真 (B)同部分拡大写真
面状態を示す拡大モデル図
微鏡写真
子顕微鏡写真
電子顕微鏡写真 (B)同部分拡大写真
粒子径と容量との関係を示す図
子の平均粒子径と容量との関係を示す図
i(1-x)MnxO2粒 子のマンガンの置換原子数xと充放
電サイクル寿命特性との関係を示す図
Claims (6)
- 【請求項1】 活物質が一般式LiNi (1-x) Mn x O 2
(ただし、0<x<0.3)で表わされるニッケルマン
ガン酸リチウムでありその微小な単結晶粒が多数集合し
て球状、ほぼ球状あるいは楕円体状の二次粒子を形成し
ている正極と、リチウム、リチウム合金およびリチウム
をインターカレート、デインターカレートできる炭素材
料のうちのいずれかを用いた負極と、 非水電解液とからなる構成とした非水電解液二次電池。 - 【請求項2】 二次粒子の平均粒子径は、2〜20μm
である請求項1記載の非水電解液二次電池。 - 【請求項3】 正極と、 リチウム、リチウム合金およびリチウムをインターカレ
ート、デインターカレートできる炭素材料のいずれかを
用いた負極と、 非水電解液とからなり、 前記正極は、活物質が一般式LiNi (1-x) Mn x O
2 (ただし、0<x<0.3)で表わされるニッケルマ
ンガン酸リチウムであり、 その単結晶粒は層状構造を有する板状であって、 前記板状の結晶粒が多数集合した二次粒子の形状は球
状、ほぼ球状あるいは楕円体状であるとともに、その少
なくとも表面部分を構成するほとんどの板状結晶粒はそ
の層状構造面を外側に向けている非水電解液二次電池。 - 【請求項4】 二次粒子の平均粒子径は、2〜20μm
である請求項3記載の非水電解液二次電池。 - 【請求項5】 ニッケル塩水溶液とアルカリ水溶液との
中和反応により析出する水酸化ニッケルの板状単結晶粒
を、球状、ほぼ球状あるいは楕円体状に集合させて二次
粒子を形成する工程と、 前記水酸化ニッケルの二次粒子と、 炭酸マンガン、硝酸マンガン、酸化マンガンよりなる群
から選ばれたいずれかのマンガン化合物と、水酸化リチ
ウム、硝酸リチウム、炭酸リチウムおよび酸化リチウム
よりなる群から選ばれたいずれかのリチウム化合物とを
酸素雰囲気下で熱処理してニッケル酸リチウムを得る工
程とからなる非水電解液二次電池の正極 活物質の製造
法。 - 【請求項6】 マンガン化合物は炭酸マンガンであり、
リチウム化合物は水酸化リチウムである請求項5記載の
非水電解液二次電池の正極活物質の製造法。
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JP5202661A Expired - Lifetime JP3047693B2 (ja) | 1993-07-22 | 1993-07-22 | 非水電解液二次電池およびその正極活物質の製造法 |
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