JP5308581B2 - スピネル型リチウムマンガン系複合酸化物 - Google Patents
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Description
中でも、リチウムマンガン系複合酸化物(LMO)は、原料価格が安く、毒性がなく安全であるため、電気自動車(EV)やハイブリッド電気自動車(HEV)などの大型電池用の正極活物質として着目されている。また、EVやHEV用電池には優れた出力特性が特に求められるが、この点、層構造をもつLiCoO2などのリチウム遷移金属酸化物に比べ、3次元的にLiイオンの挿入・脱離が可能なスピネル型リチウムマンガン系複合酸化物(LMO)は出力特性に優れている。
そこで本発明は、高温下で充放電を繰り返しても放電容量を維持することができる新たなスピネル型リチウムマンガン系複合酸化物を提供せんとするものである。
また、結晶子サイズを大きくすることにより、電解液に接する比表面積を小さくして電解液中に金属を溶出し難くするという方法が知られている。粒子サイズを大きくすることによって、イオン導電性が高くなり、出力を高めることもできる。しかし、結晶子サイズを大きくするために、単に高温条件下で焼成すると、結晶子サイズは大きくなるものの、スピネル型リチウムマンガン系複合酸化物(LMO)の粒子同士が強固に焼結する結果、電池用材料として所望の粒子の大きさにした場合に電池特性が低下するという問題があった。これに対し、本発明では、結晶子サイズと共に、さらに歪みと比表面積増加率を同時に規定することで、高温時における充放電の繰り返しによる放電容量の低下を抑えることができるようになった。
本発明の実施形態に係るスピネル型(空間群Fd-3m)リチウムマンガン系複合酸化物(以下「本LMO」とも称する)は、結晶子サイズが250nm〜350nmであり、歪みが0.085以下であり、25℃、pH7の水に入れて超音波強度40Wで600秒間超音波分散させた場合の比表面積増加率が10.0%以下であることを特徴とするスピネル型(空間群Fd-3m)リチウムマンガン系複合酸化物である。
本LMOにおいては、ファンダメンタル法を用いたリートベルト法で測定される結晶子サイズが250nm〜350nmであることが重要である。
結晶子サイズが250nm〜350nmであれば、粒子サイズが十分に大きいから、イオン導電性を高めることができ、出力を高めることができる。また、電解液に接する比表面積が小さくなるから、高温時における充放電の繰り返しに伴って徐々に放電容量が低下するのを抑制することができる。
かかる観点から、本LMOの結晶子サイズは、中でも280nm以上であるのがさらに好ましく、その中でも300nm以上であるのがより一層好ましい。
ここで、「結晶子」とは、単結晶とみなせる最大の集まりを意味し、XRD測定しリートベルト解析を行なうことにより求めることができる。
本LMOは、25℃、pH7の水に入れて超音波強度40Wで600秒間超音波分散させた場合の比表面積増加率が10.0%以下であることが重要である。
かかる比表面積増加率が10.0%以下であれば、正極活物質粒子どうしが凝集していたり、焼結が弱かったりして、高温時における充放電の繰り返しに伴ってこれらの凝集部分や弱い焼結部分が乖離して粒子が崩壊するのを無くすことができるから、充放電の繰り返しによる出力特性を抑えることができる。
かかる観点から、本LMOの比表面積増加率は6.5%以下であるのがさらに好ましく、中でも4.5%以下であるのがより一層好ましい。
この際、リチウムマンガン系複合酸化物粉末の保管期間や保管状態などによって凝集度合が変化することがあり、そうすると比表面積(CS)の増加率がばらつき、測定誤差が大きくなってしまう。そこで、上記の超音波分散に先立って、次のような予備処理をすることにより比表面積(CS)増加率の測定誤差を少なくするようにするのが好ましい。
比表面積(CS)増加率の測定に先立って行う予備処理として、リチウムマンガン系複合酸化物粉末をレーザー回折粒度分布測定機用試料循環器中の循環水に投入した後、循環を2分間行い、その後に比表面積(CS)増加率の測定を開始する方法を挙げることができる。
本LMOは、歪みが0.085以下であることが重要である。
この程度に歪みが小さければ、スピネル型リチウムマンガン系複合酸化物の骨格が充分に強固であり、リチウム二次電池の正極活物質として使用した場合に、出力特性(レート特性)、高温サイクル寿命特性および急速充電特性を高めることができる。
よって、このような観点から、本LMOの歪みは、0.080以下、その中でも0.075以下であるのがさらに好ましい。
本LMOのレーザー回折散乱式粒度分布測定法により求められる平均粒径(D50)は1μm〜25μmであるのが好ましく、特に5μm以上或いは15μm以下、中でも特に10μm以上或いは15μm以下であるのが好ましい。
本LMOのレーザー回折散乱式粒度分布測定法により求められる10%積算径(D10)は、0.1μm〜20μmであるのが好ましく、特に1μm以上或いは10μm以下、中でも特に2μm以上或いは8μm以下であるのが好ましい。
本LMOのレーザー回折散乱式粒度分布測定法により求められる90%積算径(D90)は、5μm〜50μmであるのが好ましく、特に10μm以上或いは40μm以下、中でも特に15μm以上或いは35μm以下であるのが好ましい。
本LMOのレーザー回折散乱式粒度分布測定法により求められる最大粒径(Dmax)は、30μm〜120μmであるのが好ましく、特に30μm以上或いは110μm以下、中でも特に30μm以上或いは100μm以下であるのが好ましい。
さらにまた、本LMOのレーザー回折散乱式粒度分布測定法により求められる比表面積(CS)は、0.2m2/cc〜5m2/ccであるのが好ましく、特に0.2m2/cc以上或いは3m2/cc以下、中でも特に0.3m2/cc以上或いは1.0m2/cc以下であるのが好ましい。かかる範囲に調整することにより、高温サイクル特性を良好にすることができる。
本LMOは、Li及びMnのほかに、他の金属元素を含むことができる。
中でも、本LMOは、一般式(1)・・Li1+xM2-xO4(但し、式中のMは、Mnを含み、かつMg、Al、Ti、Ni、Co、Mo、W、Nb、Ta、Re及びFeからなる群のうちの何れか1種類又は2種類以上を含む。xは0.01〜0.08である。)で表わされるスピネル型(空間群Fd-3m)リチウムマンガン系複合酸化物であるのが好ましい。
また、「y」は、0.02〜0.07であるのが好ましく、中でも0.02〜0.06、特に0.02〜0.04であるのがより好ましい。
また、「z」は、0.06〜0.14であるのが好ましく、中でも0.07〜0.13、特に0.11〜0.13であるのがより好ましい。
なお、スピネル構造のものは一般的に酸素欠損を含むため、上記一般式(2)において酸素の原子比「4」は多少の不定比性(例えば4−δ(0≦δ))を含むことを許容する意であり、酸素の一部がフッ素で置換されていてもよい。
次に、本LMOの製造方法について説明する。
但し、この製造方法に限定するものではない。
ホウ素化合物の添加量は、ホウ素(B)元素としてスピネル型リチウムマンガン系複合酸化物の0質量%より多く且つ0.3質量%以下、特に0.0001〜0.2質量%、中でも0.01〜0.18質量%、その中でも0.01〜0.16質量%の範囲で調整するのが好ましい。
造粒方法は、前工程で粉砕された各種原料が分離せずに造粒粒子内で分散していれば湿式でも乾式でもよく、押し出し造粒法、転動造粒法、流動造粒法、混合造粒法、噴霧乾燥造粒法、加圧成型造粒法、或いはロール等を用いたフレーク造粒法でもよい。但し、湿式造粒した場合には、焼成前に充分に乾燥させることが必要である。乾燥方法としては、噴霧熱乾燥法、熱風乾燥法、真空乾燥法、フリーズドライ法などの公知の乾燥方法によって乾燥させればよく、中でも噴霧熱乾燥法が好ましい。噴霧熱乾燥法は、熱噴霧乾燥機(スプレードライヤー)を用いて行なうのが好ましい。熱噴霧乾燥機(スプレードライヤー)を用いて造粒することにより、粒度分布をよりシャープにすることができるばかりか、丸く凝集してなる凝集粒子(2次粒子)を含むように調製することができる。
焼成炉の種類は特に限定するものではない。例えばロータリーキルン、静置炉、その他の焼成炉を用いて焼成することができる。
このように、焼成容器の形状、焼成容器の開口面積(開放面積)に対する焼成原料の充填量の割合などを調節することで、結晶子サイズを変化させることができるため、所定範囲に入るようにこれらを調整するのが好ましい。
極性溶媒と接触させて、粉末中に含まれる不純物を離脱させることができる。例えば本LMO粉末と極性溶媒とを混合し攪拌してスラリーとし、得られたスラリーをろ過などによって固液分離して不純物を除去するようにすればよい。スラリーとは、極性溶媒中に本LMO粉末が分散した状態を意味する。
水洗時の液温に関しては、5〜70℃であるのが好ましく、中でも10℃以上或いは60℃以下であるのがより一層好ましく、その中でも特に20℃以上或いは45℃以下であるのがより一層好ましい。水洗時の液温は高いほど、より一層の洗浄効果を得ることができるが、液温が70℃を超えると電池特性が悪化することが確認されている。この理由は、液温が高過ぎると、リチウム遷移金属酸化物中のリチウムがイオン交換水のプロトンとイオン交換してリチウムが抜けて高温特性が悪くなるためであると推定できる。
本LMO粉末と接触させる極性溶媒の量については、極性溶媒に対する本LMO粉末の質量比(「スラリー濃度」とも称する)が10〜70wt%となるように調整するのが好ましく、中でも20wt%以上或いは60wt%以下、その中でも30wt%以上或いは50wt%以下となるように調整するのがより一層好ましい。極性溶媒の量が少なすぎると、SO4などの不純物を溶出させることが困難となり、逆に多過ぎてもそれに見合った洗浄効果を得ることができないため不経済である。
水洗後の乾燥は、酸素を含有する雰囲気下で300〜700℃に加熱して乾燥させるのが好ましい。
このような磁選は、本製造方法のいずれのタイミングで行ってもよい。例えば水洗工程後や、最後の解砕乃至粉砕後に行うのが好ましい。最後の解砕乃至粉砕後に行うことで、解砕機や粉砕機が破損して混入する鉄なども最終的に除去することができる。
磁選方法としては、乾燥した状態の本LMO粉末を磁石と接触させる乾式磁選法、本LMO粉末のスラリーを磁石と接触させる湿式磁選法のいずれでもよい。
磁選効率の観点からは、より分散した状態、言い換えれば凝集してない状態の本LMO粉末を磁石と接触させることができる点で、湿式磁選法の方が好ましい。
なお、水洗後に磁選を行う場合は、水洗工程と組み合わせることができる点で、湿式磁選法を選択するのが好ましい。逆に、最後の解砕乃至粉砕後に行う場合は、その後に乾燥させる必要がない点で、乾式磁選法を採用するのが好ましい。
湿式磁選器の構造は任意である。例えばパイプ内にフィルター或いはフィン状の磁石を配設してなる構成を備えたような磁選器を例示することができる。
水洗工程において本LMO粉末と極性溶媒とを混合攪拌してスラリーとし、磁選工程で得られたスラリーを湿式磁選器に投入して磁選する場合、磁選に供するスラリーの供給速度は、磁選効率を高める観点から、0.2〜3.0m/secであるのが好ましく、中でも0.3m/sec以上或いは2.0m/sec以下、その中でも0.5m/sec以上或いは1.5m/sec以下とするのが好ましい。
熱処理は、大気雰囲気下若しくは大気よりも酸素分圧の高い雰囲気下において、例えば400℃を超えない低温で実施すればよく、水分除去の観点からすると200〜300℃程度の低温での熱処理をするのが好ましい。
熱処理の温度とは、炉内の処理物に熱電対を接触させて測定される処理物の品温を意味する。
解砕手段を気流発生高速回転粉砕機に限定する訳ではないが、一例として、円盤回転型粉砕機として知られるピンミルは、ピンの付いた回転盤が回転することで、内部を負圧にして原料供給口より粉を吸い込む方式の解砕器であるため、微粉は比表面積が大きくて気流に乗りやすいためピンミルを通過する一方、粗大粒子はピンミルによってしっかり解砕されるため、粒子間の凝集や弱い焼結部分をしっかりと解し、かつ粒子内に歪みが入るのを防止することができる。
ピンミルの回転数は4000rpm以上、特に5000〜8000rpmにするのが好ましい。
また、分級は、凝集粉の粒度分布調整とともに異物除去という技術的意義があり、平均粒径(D50)1μm〜75μmの範囲に分級するのが好ましい。
本LMOは、リチウム電池の正極活物質として有効に利用することができる。
例えば、本LMOと、カーボンブラック等からなる導電材と、テフロン(登録商標)バインダー等からなる結着剤とを混合して正極合剤を製造することができる。そしてそのような正極合剤を正極に用い、例えば負極にはリチウムまたはカーボン等のリチウムを吸蔵・脱蔵できる材料を用い、非水系電解質には六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)等のリチウム塩をエチレンカーボネート−ジメチルカーボネート等の混合溶媒に溶解したものを用いてリチウム2次電池を構成することができる。但し、このような構成の電池に限定する意味ではない。
本明細書において「X〜Y」(X,Yは任意の数字)と表現する場合、特にことわらない限り「X以上Y以下」の意と共に、「好ましくはXより大きい」或いは「好ましくYより小さい」の意も包含する。
また、「X以上」(Xは任意の数字)と表現する場合、特にことわらない限り「好ましくはXより大きい」の意を包含し、「Y以下」(Yは任意の数字)と表現する場合、特にことわらない限り「好ましくYより小さい」の意を包含する。
X線回折パターンの測定には、Cu‐Kα線を用いたX線回折装置(ブルカー・エイエックスエス株式会社製D8 ADVANCE)を使用した。ファンダメンタル法を用いたリートベルト法は、粉末X線回折等により得られた回折強度から、結晶の構造パラメータを精密化する方法である。結晶構造モデルを仮定し、その構造から計算により導かれるX線回折パターンと、実測されたX線回折パターンとができるだけ一致するように、その結晶構造の各種パラメータを精密化する手法である。
回折角2θ=10〜120°の範囲より得られたX線回折パターンのピークについて解析用ソフトウエア(製品名「Topas Version3」)を用いて解析することにより格子定数、結晶子サイズ及び歪みを求めた。
なお、結晶構造は、空間群Fd-3m(Origin Choice2)の立方晶に帰属として、その8aサイトにLiが存在し、16dサイトにMn、Mnの置換元素(例えばMg、Mn、Al、Ti、Ni、Co、Mo、W、Nb、Ta、Re及びFeからなる群のうちの何れか1種類又は2種類以上)、さらには過剰なLi分xが存在し、32eサイトをOが占有していると仮定し、パラメータBeq.を1と固定し、酸素の分率座標を変数として、表に示す通り観測強度と計算強度の一致の程度を表す指標Rwp<10.0、GOF<2.0を目安に収束するまで繰り返し計算を行った。なお、結晶子サイズ及び歪みはガウス関数を用い、解析を行った。
Detector:PSD
Detector Type:VANTEC−1
High Voltage:5585V
Discr. Lower Level:0.35V
Discr. Window Width:0.15V
Grid Lower Level:0.075V
Grid Window Width:0.524V
Flood Field Correction:Disabled
Primary radius:250mm
Secondary radius:250mm
Receiving slit width:0.1436626mm
Divergence angle:0.3°
Filament Length:12mm
Sample Length:25mm
Receiving Slit Length:12mm
Primary Sollers:2.623°
Secondary Sollers:2.623°
Lorentzian,1/Cos:0.004933548Th
サンプル(粉体)の粒度分布を次のようにして測定した。
レーザー回折粒度分布測定機用試料循環器(日機装株式会社製「Microtorac ASVR」)を用い、サンプル(粉体)を水に投入し、40mL/secの流速中、40wattsの超音波を6分間照射した後、日機装株式会社製レーザー回折粒度分布測定機「HRA(X100)」を用いて粒度分布を測定し、得られた体積基準粒度分布のチャートからD50、D10、D90、Dmax及びCS(比表面積)を求めた。
なお、測定の際の水溶性溶媒には60μmのフィルターを通した水を用い、溶媒屈折率を1.33、粒子透過性条件を反射、測定レンジを0.122〜704.0μm、測定時間を30秒とし、2回測定した平均値を測定値として用いた。
レーザー回折粒度分布測定機用試料循環器(日機装株式会社製「Microtorac ASVR」)を用い、サンプル(粉体)を水(25℃、pH7)に投入し、40mL/secの流速中、超音波強度40Wの超音波を600秒(10分)間照射して超音波分散させた前後の粒度分布を、日機装株式会社製レーザー回折粒度分布測定機「HRA(X100)」を用いて測定し、得られた体積基準粒度分布のチャートから、超音波分散前後の比表面積を測定し、比表面積増加率を算出した。
なお、測定の際の水溶性溶媒には60μmのフィルターを通した水を用い、溶媒屈折率を1.33、粒子透過性条件を反射、測定レンジを0.122〜704.0μm、測定時間を30秒とし、2回測定した平均値を測定値として用いた。
(電池の作製)
Li電池評価は以下の方法で行った。
負極はφ20mm×厚み1.0mmの金属Liとし、これらの材料を使用して電気化学評価用セルTOMCELL(登録商標)を作製した。
電解液は、ECとDMCを3:7体積混合したものを溶媒とし、これに溶質としてLiPF6を1moL/L溶解させたものを用いた。
上記のようにして準備した電気化学用セルを用いて下記に記述する方法で充放電試験し、高温サイクル寿命特性を求めた。
電池充放電する環境温度を45℃となるようにセットした環境試験機内にセルを入れ、充放電できるように準備し、セル温度が環境温度になるように4時間静置後、充放電範囲を3.0V〜4.3Vとし、0.1Cで2サイクル充放電行った後、充放電範囲3.0V〜4.3Vで、1Cにて充放電サイクルを39回行い、40サイクル目は容量確認の為、充放電範囲3.0V〜4.3Vで0.1Cにて充放電を行った。
40サイクル目の放電容量を、2サイクル目の放電容量で割り算して求めた数値の百分率(%)を、高温容量維持率(0.1C)として算出した。また、0.1Cを1.0Cに変更して同様なサイクル条件を行い、高温容量維持率(1.0C)を求めた。いずれも、比較例1の値を100とした時の相対値として表1に示した。
炭酸リチウム20.16g、電解二酸化マンガン(200℃-400℃加熱時のTG減量:3.0%)84.46g、酸化マグネシウム0.66gおよび水酸化アルミニウム4.76gを混合して混合原料を得た。
得られた混合原料を、焼成容器(アルミナ製のルツボ大きさ=たて*よこ*たかさ=10*10*5(cm))内に、開放面積と充填高さの比(開放面積cm2/充填高さcm)が100となるように充填した。この際の原料見掛密度は1.1g/cm3であった。
そして、静置式電気炉を用いて、常温から焼成設定温度まで昇温速度=150℃/hrで昇温し、焼成温度(保持温度)913℃で20時間保持し、その後、保持温度から600℃まで降温速度=20℃/hrで降温させ、その後は常温まで自然冷却させた。なお、保持時間内の温度ばらつきは903℃〜923℃の範囲内で制御した。
このように焼成して得られた焼成塊を、乳鉢に入れて乳棒で解砕し、篩目開き5mmで篩分けした篩下品を市販のピンミル(槙野産業(株)製)で解砕し(解砕条件:回転数5000rpm)、目開き50μmの篩で分級し、篩下の粉末をスピネル型リチウムマンガン系複合酸化物粉末(サンプル)として回収した。
ピンミルの回転数を7000rpmに変更した以外は実施例1と同様にスピネル型リチウムマンガン系複合酸化物粉末(サンプル)を得た。
実施例1と同様に焼成まで行い、焼成して得られた焼成塊を、乳鉢に入れて乳棒で解砕し、篩目開き5mmで篩分けした篩下品を市販のピンミル(槙野産業(株)製)で解砕し(解砕条件7000rpm)、目開き50μmの篩で分級し、篩下の粉末をスピネル型リチウムマンガン系複合酸化物粉末として回収した。
次に、得られたスピネル型リチウムマンガン系複合酸化物粉末35gとイオン交換水(pH5.8)1Lとを混合し、10分間攪拌してスピネル型リチウムマンガン系複合酸化物粉末のスラリーとした(スラリー濃度35質量%)。この時の液温は25℃であった。このスラリーを湿式磁選器(スラリーが接触する箇所の磁石の磁力:17000G)内に1.0m/secの速度で流通させた後、減圧ろ過した。
続いて、濾別したスピネル型リチウムマンガン系複合酸化物粉末を大気中で350℃(品温)に加熱して5時間、水蒸気排出速度1.0g/secで乾燥させた後、分級機によって分級を行い、325メッシュアンダーのスピネル型リチウムマンガン系複合酸化物粉末(サンプル)を得た。
ピンミルの回転数を11000rpmに変更した以外は、実施例1と同様にスピネル型リチウムマンガン系複合酸化物粉末(サンプル)を得た。
これらの結果、結晶子サイズが250nm〜350nmであり、歪みが0.085以下であって、しかも比表面積増加率が10.0%以下であれば、高温時における充放電の繰り返しに伴う出力の低下を防ぐことができることが分かった。
粒度分布の測定に関しては、レーザー回折粒度分布測定機用試料循環器(日機装株式会社製「Microtrac SDC」)を用い、サンプル(粉体)を水(25℃、pH7)に投入し、90%の流速中、超音波強度40Wの超音波を6分間照射した後、日機装株式会社製レーザー回折粒度分布測定機「MT3300EXII」を用いて粒度分布を測定し、得られた体積基準粒度分布のチャートからD50、D10、D90、Dmax及びCS(比表面積)を求めた。この場合も、上記と同様の結果が得られることを確認した。
なお、測定の際の水溶性溶媒には60μmのフィルターを通した水を用い、溶媒屈折率を1.33、粒子透過性条件を反射、測定レンジを0.122〜704.0μm、測定時間を30秒とし、2回測定した平均値を測定値として用いた。
なお、測定の際の水溶性溶媒には60μmのフィルターを通した水を用い、溶媒屈折率を1.33、粒子透過性条件を反射、測定レンジを0.122〜704.0μm、測定時間を30秒とし、2回測定した平均値を測定値として用いた。
Claims (6)
- 結晶子サイズが250nm〜350nmであり、歪みが0.085以下であり、
25℃、pH7の水に入れて超音波強度40Wで600秒間超音波分散させた場合の比表面積増加率が10.0%以下であることを特徴とするスピネル型(空間群Fd-3m)リチウムマンガン系複合酸化物。 - 超音波分散後比表面積/超音波分散前比表面積が1.00〜1.13であることを特徴とする請求項1記載のスピネル型(空間群Fd-3m)リチウムマンガン系複合酸化物。
- 一般式Li1+xM2-xO4(但し、式中のMは、Mnを含み、かつMg、Al、Ti、Ni、Co、Mo、W、Nb、Ta、Re及びFeからなる群のうちの何れか1種類又は2種類以上を含む。xは0.01〜0.08である。)で表わされる請求項1又は2に記載のスピネル型リチウムマンガン系複合酸化物。
- 電解マンガンをマンガン原料として用いて作製されたものであることを特徴とする請求項1〜3の何れかに記載のスピネル型リチウムマンガン系複合酸化物。
- 電解二酸化マンガンをマンガン原料として用いて作製されたものであることを特徴とする請求項1〜3の何れかに記載のスピネル型リチウムマンガン系複合酸化物。
- 850℃以上で焼成して得られたものであることを特徴とする請求項1〜5の何れかに記載のスピネル型リチウムマンガン系複合酸化物。
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