JP6261624B2 - 改良されたセル性能を備えるオリビン組成物 - Google Patents
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Description
本発明は、オリビン構造を有する二次電池のためのリン酸系カソード材料に関し、より具体的には、非化学量論的にドープされたLiMPO 4 −M=Fe1−xMnx系カソード材料に関する。
LiMPO 4 →MPO 4 +Li + +e − 。
LMPはLFPと比較しておよそ同等の理論容量を有するものの、平均電圧は高いため(4.1V対3.3V)エネルギー密度の著しい増大が保証される(24%)。しかしながら、LMPの結晶密度は低いことから(LFPの3.6g/cm3に対して3.4g/cm3)この効果は一部オフセット(−6%)される。これまでの所、真に優位性のあるLiMnPO4を製造する試みは失敗している。性能が乏しいのは、LiMnPO 4 の固有の導電率が極めて低く、カーボンコーティングの後でさえ十分な性能の達成が妨げられることに起因する可能性がある。
LixMn0.6Fe0.4PO4,(0<x<1 )」,Journal of The Electrochemical Society,148(7)A747−A754(2001),Yamada et al.は、LFMPの電気化学的特性について報告している。Liが抽出されるとき、最初は部分的に脱リチウム化された相が生成され、すべてのFeの価数が2価の状態から3価の状態に変わるまでの間、単相で格子定数が変化する。すべてのMnが2価から3価に変化するまでの間は、すべてのFeが3価状態に到達した後に更に脱リチウム化することで、新しい相−すなわち完全に脱リチウム化したLFMPと、部分的に脱リチウム化した相とが共存する。この論文は、LFP、LFMP及びLMPの格子定数を提供している(表1を参照されたい)。表1中、容量は、4化学式単位(formula units)のLiMPO4を含有している完全な単位セルの容量である。本発明において、容量は、化学式単位1つ分の容量を指す。表1のデータを使用し、化学量論LFMPにヴェガード則(格子定数の直線的な変化)を用いることで、LFMPに適切な格子定数の算出が可能になる。
についての情報も不足している。従来技術には、オリビン構造化リン酸塩を十分に改良して、商業的に主流な製品に対抗し得る材料を作製するものはない。
−リン酸塩化学量論量比PO4:[(Li+M)/2]は、0.940〜1.020であり、
−リチウムの金属に対する比Li:Mは、1.040〜1.150であり、
かつM=Fe 1−x−z’ Mn x D z’ であり、ここで、0.10<x<0.90、z’>0であり、DはCr及びMgのいずれか1種又は両方を含むドーパントである。一実
施形態では、PO4:[(Li+M)/2]は、0.960〜1.000であり、更に良好に機能する材料が得られる。性能は、PO4:[(Li+M)/2]が1.000未満である別の実施形態において、なお更に改良される。リチウムの金属に対する比Li:Mが1.070〜1.120である実施形態、又はマンガンの鉄に対する比Mn/(Mn+Fe)が0.25〜0.75である実施形態、又はz’<0.05である別の実施形態のいずれに関しても、性能において改良が得られる。
いくつかの実施形態では、DはCrを含み、BET表面積値40m2/g超を得ることができる。個々の実施形態はある程度の相乗効果を示し、DはMg及びCrを両方含む。このような実施形態では、0.010<z’<0.045であるとき、特に0.020<z’<0.030であるときに良好な結果が更に得られる。
Vol=74.21478±ΔVol−(3.871 50*y)−(3.76943*z)+(3.04572*[(x/(1−y−z))−0.5]により与えられ、式中、ΔVol=0.0255である。この式において、ΔVol=0.0126であると更に改良された組成が得られる。
本発明のLFMPは、次の主要な工程により作製される。
(a)リチウム、鉄、マンガン、リン酸塩、ドーパント及びカーボン前駆体を配合すること、
(b)還元雰囲気下で合成すること、及び
(c)ミリングすること。
工程(a):リチウム、鉄、マンガン、リン酸塩、ドーパント及びカーボン前駆体を、例えば、ボールミルプロセスを使用するなどして配合する。この前駆体と、ジルコニアボール及びアセトンをバイアルに入れる。一実施形態では、炭酸リチウム、しゅう酸鉄(II)・2水和物、しゅう酸マンガン(II)、及びリン酸アンモニウムが、リチウム、鉄、マンガン、及びリン酸塩前駆体として使用される。別の実施形態では、水酸化マグネシウム及び水酸化酢酸クロム(chromium acetate hydroxide)がマグネシウム及びクロムの前駆体として使用される。導電率を改良するためのカーボン前駆体としては、ポリエチレン−ブロック−ポリエチレングリコール(PE−PEG)を使用することもできる。ボールミルプロセスにより、前駆体をバイアル内ミリングして、配合する。湿式ブレンドを炉内で120℃で乾燥させ、アセトンを揮発させる。最終的に、乾式ブレンドを磨砕機によりミリングする。
リチウムイオン二次電池の作製
本発明の電池は、次の主要な工程により作製される。
(a)正極の作製、及び
(b)セルの組み立て。
工程(B):セルを組み立てる。本発明において、ハーフセル(コイン電池)を使用して、電気化学的特性を試験する。不活性ガス(アルゴン)で満たしたグローブボックス内でハーフセルを組み立てる。正極と、負極とするリチウム金属片との間にセパレーター(SK Innovation)を配置する。1M LiPF6−EC/DMC(1:2)を電解質として使用し、セパレーター及び電極間に落とす。
本発明において、すべてのセルは、表2に掲載するものと同様の手順に従って試験する。Cレートは、140mAh/gを充放電する時間の逆数として定義できる。例えば、5Cは、セルが1/5時間で充放電されることを意味する。「E−電流」及び「V」は、末端電流及びカットオフ電圧を意味する。第1サイクルにおいて、DQ1(第1サイクルの放電容量)及びIRRQ(不可逆容量)を求める。第2〜第6サイクルからはレート性能を算出可能である。第7サイクルを50回繰り返して、サイクル安定性についての情報を得る。
得る。本発明において、Crは「形状用ドーパント」としてみなされ、驚くべきことに、Crドープは、より高BETのナノ形状が達成されるよう焼結特性をある程度変化させる。高BETは電力を改良し、特に高レート性能であるものとして表現される。同時に、BETを高くしても、ペレット密度の劇的な低下は生じない。
図1.1は、ローマ数字I〜XIで表される非化学量論的LFMPの特定の組成を示す相図を示す。化学量論比1:1:1が☆により示される。本実施例における組成に関し、Mn量は、Fe量に相当する。本発明におけるサンプルID(識別番号)は、2要素、すなわち組成及びドープ状態から構成される。図1.1に示すローマ数字は、各非化学量論的LFMPサンプルの対象とする組成を表す。ICP(誘導結合プラズマ)解析の結果、対象とする組成との良好な一致が示される。非化学量論的LFMP及びコインセルを作製し、上記の手順により解析する。
Mgドープした非化学量論的LFMPサンプルを11個調製し、上記の手順により解析する。Mn量は、Fe量と等しい。各サンプルの電気化学的特性を表4に示す。サンプルID中、ローマ数字及び“−45M”は、図1.1に示す通りの各LFMPの対象組成を表し、各サンプルは4.5mol% Mgを含有する。ドープレベルz’は、ドーパント
含量の金属に対するモル比、D/(Fe+Mn+D)として定義できる。ほとんどの物理的及び電気化学的特性は、PO4含量の(Li+M)含量に対する比に応じ敏感にシフトする。PO4:[(Li+M)/2]値が0.982に近い4つのサンプルは、高放電容量、低不可逆容量、良好なレート性能、及び許容可能なサイクル安定性を有する。図2.1は、組成に対し、Mgドープした非化学量論的LFMPの放電容量をプロットする。実施例1同様、電気化学的特性の観点から、内挿法により、P=PO4:[(Li+M)/2]が0.980±0.04であり、かつLM=Li:Mが1.095±0.055である組成範囲が、非化学量論的LFMPの最適組成の実施形態であることを推定可能である。別の実施形態では、P=0.980±0.020及びLM=1.095±0.025について、更に良好な電気化学的特性が達成される。
Mg及びCrをドープした7つの非化学量論的LFMPサンプルを調製し、上記の手順により解析する。Mnの量は、Feの量と等しい。各サンプルの電気化学的特性を表5に示す。サンプルID中、ローマ数字及び”−23MC”は、図1.1に示す通りの各LFMPの対象組成を表し、各サンプルは2.3mol% Mg及び2.3mol% Crを含有する。ほとんどの物理的及び電気化学的特性は、PO4含量の(Li+M)含量に対する比に応じ敏感にシフトする。PO4:[(Li+M)/2]値が0.98に近い3つのサンプルは、高放電容量、低不可逆容量、良好なレート性能、及び許容可能なサイクル安定性を有する。図3.1は、組成に対し、Mg及びCrドープした非化学量論的LFMPの放電容量をプロットする。実施例1及び2同様、電気化学的特性の観点から、内挿法により、P=PO4:[(Li+M)/2]が0.980±0.040であり、かつLM=Li:Mが1.095±0.055である組成範囲が、非化学量論的LFMPの最適組成の実施形態であることを推定可能である。別の実施形態では、P=0.980±0.020及びLM=1.095±0.025について、更に良好な電気化学的特性が達成される。
表6は、組成(Li:M及びリン酸塩化学量論量)及びM=Fe1−x−z’MnxDz’のドープ含量z’に応じたBET及びプレス密度を示す。サンプルID中、「ST」は化学量論的LFMPサンプルを表し、及び「VI」は 図1に掲載する通りの対象組成Li:M=1.106及びPO4:[(Li+M)/2]=0.982を表す。「23」、及び「45」など、サンプルID中の2桁の数値は、ドープレベルの10倍量である。「ND」、「M」、「MC」、及び「C」は、それぞれ非ドープ、Mgドープ、Mg及びCrドープ、並びにCrドープを表す。ドープレベルz’は、ドーパント含量の金属含量に対するモル比D/(Fe+Mn+D)として定義される。
。したがって、Mgドープについて観察される性能(レート)の改良は、バルク性能の改良によりもたらされる。Mg及びCrをドープしたLFMPの場合、状況は異なる。この場合、表面積の増大が得られる。BET表面積が高くなるほど、良好な容量及びレート性能に貢献することが予想される。明らかに、Mg及びCrドープ後の性能の向上(向上のうち少なくとも一部分)は、形状が異なることに相関する。したがって、Crドープは、微細形状設計に関しより効率的なツールである。理論に束縛されるものではないが、本発明者らは、Crドープ及びMgドープは相乗効果を有するものと考えている。少なくともある程度は、Crは表面積の増大に貢献し、それに対しMgは良好なLi拡散に貢献する。典型的には、BETが高くなるほどプレス密度は低くなり、これにより最終的な電池の体積エネルギー密度は低下する。しかしながら、4.5mol% CrをドープしたLFMPの電極密度(プレス密度)に関しては、プレス密度の低下はわずか6.0%であり、かつBETは47%も増大する。
実施例1−3は、解析したサンプル群を示す。P=0.982及びLM=1.106の特定組成を有する非化学量論的LFMPは良好な電気化学的特性を有し、これらの電気化学的特性はドープにより改良できる。一実施形態では、Mg及びCrは、電気化学的特性を改良するドープ元素として使用される。表7は、非化学量論的LFMPサンプルの、ドープ状態に応じたBET及び電気化学的特性を示す。7つの非化学量論的LFMPサンプル(Mn量はFe量と等しい)及びコインセルを作製し、上記の手順により解析する。サンプルIDにおいて、「VI−」は、図1.1に示す通りの各LFMPサンプルの対象組成を表し、これは7つのサンプルの組成が同一であることを意味する。「15」、「30」、及び「40」など、サンプルID中の2桁の数値は、ドープレベルの10倍量である。「ND」、「M」、及び「C」は、それぞれ非ドープ、Mgドープ、Mg及びCrドープ、並びにCrドープを表す。例えば、「VI−45C」は、PO4/[(Li+M)/2]が0.982であり、かつLi/Mが1.106である4.5mol% Crドープサンプルを表す。ドープレベルz’は、ドーパント含量の金属含量に対するモル比D/(Fe+Mn+D)として定義することができる。
でも最も高いエネルギー密度値を有しており、平均電圧はVI−OMF(LFP)よりも高い。放電容量の低下率の方が平均電圧の増加率よりも高いことから、MF比を0.25〜0.75に増加させるにつれて放電容量が直線的に低下する一方、平均電圧は直線的に増加しかつエネルギー密度は低下する。MF=1.00では、得られる性能は比較的乏しくなる。MF=約0.75にて、LFMPの性能は低下し始めると記載できる。
本実施例は、選択したサンプル「VI−」の粉末XRD回折及びリートベルト解析結果を示す。表8には、サンプルと、リートベルト解析により得られた格子定数a、b、cの結果を掲載する。図7.1(a)〜(e)には、サンプルVI−ND(a)、VI−30M(b)、VI−23MC(c)、VI 30C(d)及びVI MF25(e)のXRD細密化パターンのグラフを示す。サンプル(a)〜(d)では、Mnの量はFeの量と等しい。この図は、測定パターン、計算パターン、及び両方のパターンの差異を示す。不純物のパターンは全く解像されていない。表8の最後の欄は、次式1により計算される単位セル容量Volを示す。表中の結果は、算出容量が測定容量に近いことを示す。明らかに、単位セル容量Volは、式1を使用することにより非常に良好に推定可能である。
Vol=74.2107−0.5404(P−l)−0.0708(LM−l)−3.8715Mg−3.7694Cr+3.0457(MF−0.5)
する比)及び単位セル容量間の相関
XRD格子定数は、非常に正確に測定できる。これとは対称的に、ICPなどの化学解析法は、化学量論量を確認するための正確度に劣る。非化学量論量的なサンプルの場合、極めて一般的なXRD格子定数が、化学量論量(リン酸化学量論量及びLiの金属に対する比)に応じ、並びにドープレベル(Mg、Cr)に応じ変化する。したがって、XRD回折は、本発明の最適化された化学量論量が得られたことを確認するのに強力なツールである。実験的な散乱に対する感度が低いことから、格子定数から単位セル容量が算出されたことは特に興味深い。
したがって、式1を使用して、最適化された化学量論量域を表現することができる。リン酸塩化学量論量及びリチウムの金属に対する比を増加させるにつれて、容量は低下する。最適なリン酸塩化学量論量は、0.980±0.040であり、より好ましくは、0.980±0.020である。最適な、リチウムの金属に対する比は、1.095±0.055であり、より好ましくは1.095±0.025である。式1においてこれらの値を使用して、本発明者らは、ドープに応じた最適容量(Å3)を示す式2を得る。
Vol=74.2148±ΔVol−3.8715Mg−3.7694Cr+3.0457(MF−0.5)
.095及びLM=0.980)とは異なるLi:M及びPO4:[(Li+M)/2]から計算される容量差(範囲)である。例えば、ΔVolは、好ましい化学量論量については0.0255であり、かつより好ましい化学量論量域については0.0126である。
Vol=74.2148±ΔVol−(3.871 5*y)−(3.7694*z)+(3.0457*[(x/(1 −y−z))−0.5])
あることを実証する。単位セル値は、組成、すなわちリン酸塩化学量論量及びリチウムの金属に対する比に応じ体系的に変化する。格子定数の体系的な変化により、LFMPのバルクが、PO4:[(L+M)/2]=1でありかつLi:M=1である理想的な化学量論量から外れている非化学量論組成を可能にすることが証明される。
Claims (10)
- Li、M及びPO4を含み、かつ非化学量論組成を有する単相のオリビンカソード材料であって、
−リン酸塩化学量論量比PO4:[(Li+M)/2]は、0.940〜1.020であり、
−リチウムの金属に対する比Li:Mは、1.040〜1.150であり、
かつM=Fe1−x−z’MnxDz’であり、ここで、0.10<x<0.90、0.010<z’<0.045、前記マンガンの鉄に対する比Mn/(Mn+Fe)が0.25〜0.75であり、DはCr及びMgのいずれか1種又は両方を含むドーパントである、
オリビンカソード材料。 - PO4:[(Li+M)/2]が0.960〜1.000である、請求項1に記載のオリビンカソード材料。
- PO4:[(Li+M)/2]が1.000未満である、請求項2に記載のオリビンカソード材料。
- 前記リチウムの金属に対する比Li:Mが1.070〜1.120である、請求項1〜3のいずれか一項に記載のオリビンカソード材料。
- Dが、Mg及びCrの両方を含む、請求項1乃至4の何れか1項に記載のオリビンカソード材料。
- 0.020<z’<0.030である、請求項5に記載のオリビンカソード材料。
- M=Fe1−x−y−zMnxMgyCrzであり、オリビンの1化学式単位の単位セル容量が、式
Vol=74.21478±ΔVol−(3.87150*y)−(3.76943*z)+(3.04572*[(x/(1−y−z))−0.5]
により与えられ、ΔVol=0.0255である、請求項1乃至請求項6のいずれか一項に記載のオリビンカソード材料。 - M=Fe1−x−y−zMnxMgyCrzであり、オリビンの1化学式単位の単位セル容量が、式
Vol=74.21478±ΔVol−(3.87150*y)−(3.76943*z)+(3.04572*[(x/(1−y−z))−0.5]
により与えられ、ΔVol=0.0126である、請求項1乃至請求項6のいずれか一項に記載のオリビンカソード材料。 - BET表面積値が30m2/g超である、請求項1乃至請求項8のいずれか一項に記載のオリビンカソード材料。
- DがCrを含み、BET表面積値が40m2/g超である、請求項1乃至請求項9のいずれか一項に記載のオリビンカソード材料。
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