JP6157563B2 - リチウムイオン電池正極材料、その製造方法及び応用 - Google Patents
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Description
(ただし、Mは、As、B、Cl、Sの少なくとも一つから選ばれ、0.1≦x≦0.9、0<b≦0.15、0<c<0.1、0<d<0.1、a=b+c、d<2a。)
a)原料を均一に混合し、下記式のモル比であるLi元素、Mn元素、Fe元素、P元素、Si元素、M元素及びF元素を含有する前駆体を得るステップと、
Li:Mn:Fe:P:Si:M:F=1:x:1−x:1−a:b:c:d
(ただし、Mは、As、B、Cl、Sの少なくとも一つから選ばれ、0.1≦x≦0.9、0<b≦0.15、0<c<0.1、0<d<0.1、a=b+c、d<2a。)
b)前駆体を動的不活性雰囲気に入れ、400〜900℃で6〜24時間焼成してから、冷却し粉砕して、前記リチウムイオン電池正極材料を得るステップと、を少なくとも含むことを特徴とするリチウムイオン電池正極材料の製造方法を提供する。
Li:C=1:0.15〜2.5
である。
i)マンガン源、鉄源、ケイ素源及びM源を水と混合し、水の質量百分率が30%〜70%である混合物Iを得るステップと、
ii)リン源をステップi)で得られた混合物Iに加え、均一に撹拌した後、乾燥して混合物IIを得るステップと、
iii)ステップii)で得られた混合物II、リチウム源、フッ化リチウム及び炭素源をボールミリング法で均一に混合した後、乾燥して前記前駆体を得るステップと、を少なくとも含む。
(1)本願によるリチウムイオン電池正極材料は、リンサイトに原子半径の大きいケイ素元素をドーピングすることによって、格子の安定性を向上させるとともに、リチウムイオン挿入とリチウムイオン脱離の二つの状態における(100)結晶面のずれを効果的に低減し、リチウムイオン挿入と脱離状態における格子の相対体積変化率を低下させ、正極材料の循環性能と寿命を向上させたこと、
(2)本願によるリチウムイオン電池正極材料は、酸素サイトに電気陰性度のより高いフッ素元素をドーピングすることで、正極材料におけるMnの溶出現象を効果的に抑制し、材料の構造安定性を向上させ、リチウムイオン電池の高温保管時にMnの溶出に起因して気体が発生するという問題を解決したこと、
(3)本願によるリチウムイオン電池正極材料は、多価陰イオンを形成可能なAs、B、Cl又はS元素によりSi元素とともにリンサイトドーピングを行うとともに、酸素サイトに電気陰性度のより高いフッ素元素をドーピングすることによって、正極材料の充放電過程での分極を抑制し、放電電圧プラットフォームを向上させ、リチウムイオン電池のエネルギー密度を向上させたこと、
(4)本願による正極材料の製造方法は、液相においてリチウムが配合されていない前駆体を製造し、さらにリチウム配合過程にフッ素源と炭素源を導入し、さらに焼結を経てリンサイトと酸素サイトでのドーピングを実現することによって、製造された改質後の正極材料は、優れた循環性能及び高温保管性能を有し、また、前記製造方法はプロセスが簡単であり、複雑で高価な操作装置を使用する必要がなく、産業的生産に適すること、
(5)本願によるリチウムイオン電池は優れた循環性能、安全性能及び高温保管性能を有すること、を少なくとも含む。
正極材料サンプルの具体的な製造過程は以下のとおりである。
実施例1におけるサンプル1#の製造との相違点は、ケイ素源であるオルトケイ酸エチル、M源である三酸化ヒ素及びフッ素源であるフッ化リチウムを添加せず、前駆体における元素のモル比をMn:Fe:P:Li:C=0.8:0.2:1:1:0.5とすることであり、他の条件は実施例1におけるサンプル1#の製造と同様であり、得られたサンプルをD1#と表記する。
実施例1におけるサンプル1#の製造との相違点は、ケイ素源であるオルトケイ酸エチル及びM源である三酸化ヒ素を添加せず、前駆体における元素のモル比をMn:Fe:P:Li:F:C=0.8:0.2:1:0.95:0.05:0.5とすることであり、他の条件は実施例1におけるサンプル1#の製造と同様であり、得られたサンプルをD2#と表記する。
実施例1におけるサンプル1#の製造との相違点は、M源である三酸化ヒ素及びフッ素源であるフッ化リチウムを添加せず、前駆体における元素のモル比をMn:Fe:Si:P:Li:C=0.8:0.2:0.07:0.93:1:0.5とすることであり、他の条件は実施例1におけるサンプル1#の製造と同様であり、得られたサンプルをD3#と表記する。
実施例1におけるサンプル1#の製造との相違点は、フッ素源であるフッ化リチウムを添加せず、前駆体における元素のモル比をMn:Fe:Si:As:P:Li:C=0.8:0.2:0.05:0.02:0.93:1:0.5とすることであり、他の条件は実施例1におけるサンプル1#の製造と同様であり、得られたサンプルをD4#と表記する。
実施例1で得られたサンプル1#〜13#と比較例1〜4で得られた比較サンプルD1#〜D4#及びその前駆体の粒度を分析し、結果の詳細は表1に示されている。
ICP−OESにより、サンプル1#〜13#と比較サンプルD1#〜D4#における原子番号が9より大きい元素の組成を測定し、結果は表2に示されている。
正極シートの作製:
実施例1で得られたサンプル1#〜13#、比較例1〜4で得られたサンプルD1#〜D4#をそれぞれ正極活物質とする。正極活物質、バインダーPVDF(ポリフッ化ビニリデン)及び導電性カーボンブラックを混合し、高速撹拌して、分散が均一で正極活物質を含有する混合物が得られる。混合物において、固形分は94wt%の正極活物質、4wt%のPVDF及び2wt%の導電性カーボンブラックを含む。混合物から、NMP(N−メチルピロリドン)を溶媒として、固形分含有量が75wt%である正極活物質スラリーに作成する。当該スラリーをアルミニウム箔の両面に均一に塗布して乾燥し、ローラプレスで締固め、サンプル1#〜13#、サンプルD1#〜D4#をそれぞれ正極活物質とする正極シートが得られ、それぞれ正極シートP1#〜P13#、正極シートPD1#〜PD4#と表記する。
活物質である人造黒鉛、バインダーエマルジョン、増粘剤であるカルボキシメチルセルロースナトリウム及び導電剤である導電性カーボンブラックを混合し、高速撹拌して、分散が均一で負極活物質を含有する混合物が得られる。混合物において、固形分は96wt%の人造黒鉛、2wt%のカルボキシメチルセルロースナトリウム、1wt%の導電性カーボンブラック、及び1wt%のバインダーを含む。溶媒として水を用いて、固形分含有量が50wt%である負極活物質スラリーに作成する。当該スラリーを銅箔の両面に均一に塗布して乾燥し、ローラプレスで締固め、負極シートが得られ、N1#と表記する。
正極シートと負極シートに導電タブを溶接し、16μmのポリプロピレン/ポリエチレン複合隔離膜(PP/PE複合隔離膜と略称する)を採用し、隔離膜を正負極の間に位置させて隔離の役割を果たすよう正極シート、隔離膜、負極シートの順に積層し、それを巻いてベアセルを形成し、さらにアルミニウム・プラスチックフィルムによりパッケージングする。電解液としては、1Mのヘキサフルオロリン酸リチウム電解液を採用し、溶媒としては、エチレンカーボネート(EC):ジメチルカーボネート(DMC)=3:7(体積比)の混合溶媒を採用する。パッケージングされた電池に対して化成と養生を行い、リチウムイオン電池が得られる。
リチウムイオン電池C1#〜C13#、リチウムイオン電池CD1#〜CD4#の初回放電容量をそれぞれテストし、具体的なテスト方法は以下のとおりである。
リチウムイオン電池C1#〜C13#、リチウムイオン電池CD1#〜CD4#の45℃での保管性能をそれぞれテストし、具体的なテスト方法は以下のとおりである。
リチウムイオン電池C1#〜C13#、リチウムイオン電池CD1#〜CD4#の60℃での保管性能をそれぞれテストし、具体的なテスト方法は以下のとおりである。
リチウムイオン電池C1#〜C13#、リチウムイオン電池CD1#〜CD4#の25℃での循環性能をそれぞれテストし、具体的なテスト方法は以下のとおりである。
リチウムイオン電池C1#〜C13#、リチウムイオン電池CD1#〜CD4#の45℃での循環性能をそれぞれテストし、具体的なテスト方法は以下のとおりである。
Claims (9)
- 式I:
LiMnxFe1−xP1−aSibMcO4−dFd 式I
(ただし、Mは、As、B、Cl、Sの少なくとも一つから選ばれ、0.1≦x≦0.9、0<b≦0.15、0<c<0.1、0<d<0.1、a=b+c、d<2a。)
で示される化学組成を有する化合物を含み、
前記式Iで示される化学組成を有する化合物の正極材料での質量百分率は70%より低くない、
ことを特徴とするリチウムイオン電池正極材料。 - 前記の式Iで示される化学組成を有する化合物は、斜方晶系オリビン型の結晶構造を有することを特徴とする請求項1に記載の正極材料。
- 前記正極材料には炭素被覆層が含まれていることを特徴とする請求項1に記載の正極材料。
- 前記正極材料において、炭素元素の質量百分率は20%以下であることを特徴とする請求項3に記載の正極材料。
- 前記正極材料のメディアン径は0.5〜15μmであることを特徴とする請求項1に記載の正極材料。
- リチウムイオン電池正極材料を製造する方法であって、
a)原料を均一に混合し、下記式のモル比であるMn元素、Fe元素、Si元素、M元素、P元素、Li元素及びF元素を含有する前駆体を得るステップと、
Li:Mn:Fe:P:Si:M:F=1:x:1−x:1−a:b:c:d
(ただし、Mは、As、B、Cl、Sの少なくとも一つから選ばれ、0.1≦x≦0.9、0<b≦0.15、0<c<0.1、0<d<0.1、a=b+c、d<2a。)
b)前記前駆体を動的不活性雰囲気に入れ、400〜900℃で6〜24時間焼成してから、冷却し粉砕して、リチウムイオン電池正極材料を得るステップと、
を少なくとも含み、
前記ステップa)における前駆体の製造では、原料を均一に混合することが、
i)マンガン源、鉄源、ケイ素源及びM源を水と混合し、水の質量百分率が30%〜70%である混合物Iを得るステップと、
ii)リン源をステップi)で得られた混合物Iに加え、均一に撹拌した後、乾燥して混合物IIを得るステップと、
iii)ステップii)で得られた混合物II、リチウム源、フッ素源及び炭素源をボールミリング法で均一に混合した後、乾燥して前記前駆体を得るステップと、
を少なくとも含み、
前記ステップi)において、前記マンガン源は、一酸化マンガン、四酸化三マンガン、二酸化マンガン、炭酸マンガン、酢酸マンガン、シュウ酸マンガンの少なくとも一つから選ばれるマンガン源であり、
前記ステップi)において、前記鉄源は、シュウ酸第一鉄、硫酸第一鉄、硝酸鉄、塩化第一鉄、クエン酸第一鉄、三酸化二鉄、四酸化三鉄の少なくとも一つから選ばれる鉄源であり、
前記ステップi)において、前記ケイ素源は、酸化ケイ素、オルトケイ酸エチル、窒化ケイ素、二酸化ケイ素、シラン架橋ポリプロピレン、メチルトリエトキシシラン、ポリシロキサン、一酸化ケイ素、オルトケイ酸テトラエチル、オルトケイ酸テトラメチル、ケイ酸、メタケイ酸、トリエチルシラン、オルトケイ酸、二ケイ酸、ケイ酸メチル、オルトケイ酸メチル、テトラメトキシシランの少なくとも一つから選ばれるケイ素源であり、
前記ステップi)において、前記M源は、三酸化ヒ素、ヒ酸ナトリウム、ヒ酸カルシウム、亜ヒ酸ナトリウム、ホウ酸、三酸化二ホウ素、ホウ酸エステル、ボラン、クロロホルム、塩化アンモニウム、硫酸アンモニウム、硫黄の少なくとも一つから選ばれるM源であり、
前記ステップii)において、前記リン源は、リン酸水素二アンモニウム、リン酸二水素アンモニウム、リン酸トリアンモニウム、リン酸の少なくとも一つから選ばれるリン源であり、
前記ステップiii)において、前記リチウム源は、シュウ酸リチウム、炭酸リチウム、硝酸リチウム、硫酸リチウム、酢酸リチウム、水酸化リチウムの少なくとも一つから選ばれるリチウム源であり、
前記ステップiii)において、前記フッ素源はフッ素元素を含有する化合物であり、
前記ステップiii)において、前記炭素源は、ブドウ糖、ショ糖、フルクトース、マルトース、ラクトース、単結晶氷砂糖、澱粉、セルロース、クエン酸、アスコルビン酸、ステアリン酸、ポリグリコール、ポリスチレン、アスファルト、ポリビニルピロリドン、ポリビニルブチラール、フェノール樹脂、フルフラール樹脂の少なくとも一つから選ばれる炭素源である、
ことを特徴とするリチウムイオン電池正極材料を製造する方法。 - ステップa)における前記前駆体には炭素元素が含まれており、リチウム元素と炭素元素とのモル比は
Li:C=1:0.15〜2.5
であることを特徴とする請求項6に記載の方法。 - 請求項1乃至5のいずれか一項に記載の前記正極材料を含むことを特徴とするリチウムイオン電池正極シート。
- 請求項8に記載のリチウムイオン電池正極シートを含むことを特徴とするリチウムイオン電池。
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