JP3308232B2 - Li−Co系複合酸化物およびその製造方法 - Google Patents

Li−Co系複合酸化物およびその製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、Li−Co系複合
酸化物およびその製造方法に関し、特にリチウム二次電
池などの非水電解液二次電池の正極活物質として有用な
Li−Co系複合酸化物およびその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】現在、リチウム二次電池の正極活物質と
して、Li−Mn系複合酸化物、Li−Ni系複合酸化
物、Li−Co系複合酸化物などが提案され、それらの
一部は実用されるに至っている。それらのうちLi−M
n系複合酸化物やLi−Ni系複合酸化物は、MnやN
iの資源が豊富であるために安価に製造できる反面、L
i−Mn系複合酸化物は概して高容量の二次電池を製造
し難い問題があり、一方Li−Ni系複合酸化物は、化
学的に不安定であって二次電池の安全性の面で問題があ
る。これに対してLi−Co系複合酸化物は、Li−N
i系複合酸化物と比較して化学的に安定であるので取り
扱いが容易であり、しかも高容量の二次電池を製造し得
るので現在では最も多く実用に供されている。
【0003】かかる長所を有するLi−Co系複合酸化
物を用いた二次電池に対して、最近、その電池特性を一
層改善する要求が高まっており、そのための提案や報告
もなされている。例えば特公平7−118318号公報
には、LiCoO2 を製造するにあたり、原料たるリチ
ウム化合物とコバルト化合物との使用比をリチウムがリ
ッチとなるように配合し混合して加熱し、反応生成物中
に含まれる未反応のリチウム化合物や副生せる炭酸リチ
ウムを水洗除去すること、およびかくすると二次電池の
放電容量が向上すること、などが開示されている。また
特開平5−182667号公報には、電池の稼働中にお
ける異常な電池反応に基づく爆発事故を未然に防止する
ために、LiCoO2 に炭酸リチウムを共存せしめるこ
と、およびその具体的な方法が開示されている。
【0004】ところで本発明者が行った最近の研究か
ら、特定の結晶構造を有し、且つ特定の比表面積と粒径
とを有する粒状物にて形成されたLi−Co系複合酸化
物を正極活物質として用いると、リチウム二次電池の充
放電サイクル特性を改善し得ることが判明した。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかして本発明は、上
記の新知見を基に開発し完成したものであって、リチウ
ム二次電池などの非水電解液二次電池の正極活物質とし
て有用であり、該電池の充放電サイクル特性を改善し得
るLi−Co系複合酸化物およびその製造方法を提供す
ることを課題とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記の課題は、下記のL
i−Co系複合酸化物およびその製造方法により解決す
ることができる。 面指数(104)、(105)、(009)、(1
07)、(108)、および(113)におけるそれぞ
れの格子面間隔の合計値A(μm)、比表面積B(m2
/g)および平均粒径C(μm)が下式(1)を満足す
る粒状物であることを特徴とするLi−Co系複合酸化
物。 0.025≦〔(A−11)/(B・C)〕≦0.04 (1) 粒状物は、比表面積Bが0.1〜0.3m2 /gで
あり、平均粒径Cが10〜25μmである上記記載の
Li−Co系複合酸化物。 粒状物は、水溶性リチウム化合物系不純物の量が該
不純物をLi2 CO3 量に換算して0.05重量%以下
である上記または記載のLi−Co系複合酸化物。 非水電解液二次電池の正極活物質用である上記〜
のいずれかに記載のLi−Co系複合酸化物。 Li−Co系複合酸化物の粒状物を水洗処理して水
溶性リチウム化合物系不純物の量が該不純物をLi2
3 量に換算して0.05重量%以下となるようにし、
ついで空気中あるいは不活性雰囲気中で400〜700
℃の高温度下で0.5〜50時間熱処理することを特徴
とする上記、、のいずれかに記載のLi−Co系
複合酸化物の製造方法。 平均粒径Cが10〜25μmの粒状物を水洗処理
し、ついで熱処理する上記記載のLi−Co系複合酸
化物の製造方法。
【0007】
【発明の実施の形態】本発明のLi−Co系複合酸化物
は、化学構造的には、LiCoO2 またはそのCoの一
部を一種または二種以上の他の元素で置換したもの、例
えば下記の一般式(2)にて示されるものであってもよ
い。 LiA Co1-X Mex 2 (2) 一般式(2)において、Aは0.05〜1.5、好まし
くは0.1〜1.1であり、Xは0.01〜0.5、特
に0.02〜0.2であることが好ましい。元素Meと
しては、新周期率表の3〜10族元素、例えばZr、
V、Cr、Mo、Mn、Fe、Niなど、または13〜
15族元素、例えばB、Al、Ge、Pb、Sn、Sb
などである。それらの元素の二種以上でCoを置換した
Li−Co系複合酸化物にあっては、二種以上の元素の
合計量が上記Xの範囲内であればよい。
【0008】本発明のLi−Co系複合酸化物は、面指
数(104)、(105)、(009)、(107)、
(108)、および(113)におけるそれぞれの格子
面間隔(d値)の合計値A(μm)、比表面積B(m2
/g)および平均粒径C(μm)が式(1)を満足する
粒状物にて形成されている。同式における〔(A−1
1)/(B・C)〕の値が0.025未満あるいは0.
04より大である粒状物を正極活物質として用いた場合
には、ともにリチウム二次電池の充放電サイクル特性に
良好な改良がみられず、しかして本発明においては下式
(3)を満足する粒状物にて形成されてなるLi−Co
系複合酸化物が特に好ましい。 0.032≦〔(A−11)/(B・C)〕≦0.038 (3)
【0009】式(1)を満足する限り、本発明のLi−
Co系複合酸化物は、リチウム二次電池の充放電サイク
ル特性の観点からは、d値の合計値、比表面積、平均粒
径の各大きさについては特に制限はない。但し、d値の
合計値が過少である場合には結晶中での圧縮歪みが大き
く、一方それが過大である場合には結晶中での引張り歪
みが大きく、しかしていずれの場合とも電池の充放電サ
イクル特性を低下せしめる傾向にあるので好ましくな
い。よって該合計値は、11.10〜11.15程度、
特に11.11〜11.14程度が好ましい。また平均
粒径が過少なLi−Co系複合酸化物は、反応性に富ん
でいて概して異常な電池反応を惹起し易く、一方それが
過大なLi−Co系複合酸化物は、電気抵抗が大きくこ
のためにリチウム二次電池の単位容積当たりのエネルギ
ー密度の低減に繋がるので、平均粒径は10〜25μm
程度、特に15〜20μm程度が好ましい。Li−Co
系複合酸化物の比表面積の好ましい範囲は、リチウム二
次電池の充放電サイクル特性の観点から0.1〜0.3
2 /g程度、特に0.15〜0.25m2 /g程度で
ある。
【0010】本発明において、Li−Co系複合酸化物
の粒状物のd値の合計値、比表面積、および平均粒径
は、それぞれつぎに示す方法により測定することができ
る。 〔d値の合計値の測定〕対陰極が銅のX線回折装置を用
い、発散スリット0.5deg.、散乱スリット0.5
deg.、受光スリット0.15mm、ステップ幅0.
006deg.、計測時間0.5秒のステップスキャン
の条件および方法にて面指数(104)、(105)、
(009)、(107)、(108)、および(11
3)のそれぞれのd値を測定し、それらd値の合計値
(μm)を算出する。 〔比表面積の測定方法〕「粉体の材料化学」〔荒井康夫
著、初版第9刷、培風館(東京)発行、1995年〕の
第178頁〜第184頁に記載された吸着法のうち、窒
素を吸着体とする気相吸着法(一点法)による。 〔平均粒径の測定方法〕Li−Co系複合酸化物の粒状
物を水あるいはエタノールなどの有機液体に投入し、3
5〜40kHz程度の超音波を付与した状態にて約2分
間分散処理して得た分散液を用い、且つその場合の粒状
物の量は該分散液のレーザー透過率(入射光量に対する
出力光量の比)が70〜95%となる量とし、ついで該
分散液に就いて、マイクロトラック粒度分析計にかけて
レーザー光の散乱により個々の粒状物の粒径(D1 、D
2 、D3 ・・)、および各粒径毎の存在個数(N1 、N
2、N3 ・・・)を計測する(個々の粒状物の粒径
(D)は、マイクロトラック粒度分析計によれば種々の
形状の粒状物毎に球相当径が自動的に測定される。)。
しかして平均粒径(μm)は、視野内に存在する個々の
粒子の個数(N)と各粒径(D)とから下式(4)にて
算出される。 平均粒径(μm)=(ΣND3 /ΣN) 1/ 3 (4)
【0011】つぎに、本発明のLi−Co系複合酸化物
の粒状物の製造方法について説明する。一般的にLi−
Co系複合酸化物の粒状物は、出発原料としてリチウム
やコバルトの酸化物、水酸化物、ハロゲン化物、硝酸
塩、しゅう酸塩、炭酸塩などを用い、かかるリチウム化
合物とコバルト化合物との混合物を、あるいは式(2)
で示すようなCoの一部が他の元素で置換されたLi−
Co系複合酸化物を製造する場合には上記の混合物に置
換元素の化合物を少量配合した混合物を周知の方法にて
反応せしめ、例えば該混合物を大気中で1000℃前後
で1〜50時間加熱焼成せしめ、かくして製造したLi
−Co系複合酸化物の塊状物を粉砕し、必要に応じて分
級して式(1)を満たすd値の合計値、比表面積、およ
び平均粒径を有する粒状物を選択採取して得ることがで
きる。就中、後記する理由にて、水洗処理などにより水
溶性リチウム化合物系不純物の量を後記の式(5)にて
Li 2 CO3 量に換算した値で0.05重量%以下とし
てなるものが好ましい。なお以下においても水溶性リチ
ウム化合物系不純物の量は、式(5)によるLi2 CO
3 換算量を意味するものとする。また本発明のLi−C
o系複合酸化物の粒状物は、上記の塊状物を粉砕して得
たものなどのLi−Co系複合酸化物の粒状物、就中、
平均粒径10μm〜25μmの粒状物を後記する水洗処
理し、必要に応じて乾燥した後、大気中、あるいは窒
素、アルゴンなどの不活性ガス雰囲気中で400〜70
0℃で0.5〜50時間特に1〜20時間程度、好まし
くは500〜700℃で0.5〜50時間特に1〜20
時間程度、熱処理することによっても製造することがで
きる。なお熱処理を行う雰囲気中に炭酸ガスが存在する
と炭酸リチウムが生じて不純物の含有量の増大に繋がる
ので、雰囲気中の炭酸ガス分圧は、10mmHg以下と
することが好ましい。
【0012】一般的に、リチウム化合物とコバルト化合
物との混合比率は、リチウム化合物がコバルト化合物と
比較して気化による逸散性が高いことなどの理由から、
通常リチウムリッチとなるようにする。この結果、加熱
焼成して得たLi−Co系複合酸化物は、酸化リチウ
ム、水酸化リチウム、炭酸リチウムなどのリチウム化合
物系不純物を含有している場合が多い。
【0013】本発明において、かかるリチウム化合物系
不純物、就中、水酸化リチウム、炭酸リチウムなどの水
溶性リチウム化合物系不純物を水洗処理により粒状物中
での量が0.05重量%以下となるように除去すると、
一層好ましくは、かく水溶性不純物が除去された水洗処
理物を上記の条件にて熱処理すると、式(1)あるいは
式(3)を満たす粒状物の製造収率が向上し、しかもリ
チウム二次電池の充放電サイクル特性が向上する効果も
大きくなる。さらに集電体がアルミニウム製である場
合、水溶性リチウム化合物系不純物は該集電体を腐食し
て二次電池の充放電サイクル特性を低下する問題もある
ので、水溶性リチウム化合物系不純物の低減はこの面か
らも好ましい。この水洗処理は、蒸留水やイオン交換水
を洗浄水として用い、必要に応じて処理の際に機械的撹
拌や超音波を付与する通常の方法により行うことができ
る。なお水洗処理された粒状物中に残存するリチウム化
合物系不純物量(Li2 CO3 換算量)Dは、つぎの方
法および算出式(5)にて定量することができる。 〔水溶性リチウム化合物系不純物Dの定量方法〕Li−
Co系複合酸化物の粒状物の約10gを純水100ml
中に懸濁させ、10分間撹拌した後に濾別し、その濾液
について0.1Nの塩酸にて滴定し、該塩酸の滴下量か
らLiイオン濃度L(モル/リットル)を算出し、水溶
性リチウム化合物系不純物D(重量%)を下式(5)に
て算出する。 D=L×(Li2 CO3 の分子量:73.89)/2=36.95L (5)
【0014】本発明者の研究によれば、Li−Co系複
合酸化物の粒状物は、上記の水洗処理や熱処理により、
特に水洗処理と熱処理とにより、概してその平均粒径は
然程あるいは実質的に変化しないがd値の合計値と比表
面積が変化して、その結果、式(1)や式(3)を満た
す粒状物を得易くなる。
【0015】本発明のLi−Co系複合酸化物は、リチ
ウム二次電池などの非水電解液電池の正極活物質として
用いることができ、例えばリチウム二次電池用として周
知の他の材料や部材と共に用いてリチウム二次電池の製
造に供することができる。その主な材料あるいは部材を
以下に例示する。
【0016】Li−Co系複合酸化物の結着剤として
は、ポリテトラフルオロエチレン、ポリビニリデンフル
オリド、ポリエチレン、エチレン−プロピレン−ジエン
系ポリマーなどが例示され、導電剤としては、例えば繊
維状黒鉛、鱗片状黒鉛、球状黒鉛などの天然や人造の黒
鉛類や導電性カーボンブラックなどが例示される。結着
剤の使用量は、Li−Co系複合酸化物100重量部あ
たり1〜10重量部程度、特に2〜5重量部程度であ
り、導電剤の使用量はLi−Co系複合酸化物100重
量部あたり3〜15重量部程度、特に4〜10重量部程
度である。正極集電体としては、アルミニウム、アルミ
ニウム合金、チタンなどの導電性金属の、厚さ10〜1
00μm程度、特に15〜50μm程度の箔や穴あき
箔、厚さ25〜300μm程度、特に30〜150μm
程度のエキスパンドメタルなどが好ましい。
【0017】負極活物質として好ましい例を挙げると、
各種の天然黒鉛や人造黒鉛、例えば繊維状黒鉛、鱗片状
黒鉛、球状黒鉛などの黒鉛類であり、その結着剤として
は、ポリテトラフルオロエチレン、ポリビニリデンフル
オリド、ポリエチレン、エチレン−プロピレン−ジエン
系ポリマーなどである。負極活物質の使用量は、負極活
物質と結着剤との合計量100重量部あたり80〜96
重量部程度である。負極集電体としては、銅、ニッケ
ル、銀、SUSなどの導電性金属の、厚さ5〜100μ
m程度、特に8〜50μm程度の箔や穴あき箔、厚さ2
0〜300μm程度、特に25〜100μm程度のエキ
スパンドメタルなどが好ましい。
【0018】電解液としては、塩類を有機溶媒に溶解さ
せたものが例示される。該塩類としては、LiCl
4 、LiBF4 、LiPF6 、LiAsF6 、LiA
lCl4、Li(CF3 SO2 2 Nなどが例示され、
それらの一種または二種以上の混合物が使用される。
【0019】有機溶媒としては、エチレンカーボネー
ト、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネート、
ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジ
メチルスルホキシド、スルホラン、γ−ブチロラクト
ン、1,2−ジメトキシエタン、N,N−ジメチルホル
ムアミド、テトラヒドロフラン、1,3−ジオキソラ
ン、2−メチルテトラヒドロフラン、ジエチルエーテル
などが例示され、それらの一種または二種以上の混合物
が使用される。また電解液中における上記塩類の濃度
は、0.1〜3モル/リットル程度が適当である。
【0020】
【実施例】以下、実施例により本発明を一層詳細に説明
するとともに、比較例をも挙げて本発明の顕著な効果を
示す。
【0021】実施例1〜3、比較例1〜5 Co3 4 とLi2 CO3 とを用い、Co3 4 100
重量部あたりLi2 CO3 を42重量部混合し、その均
一混合物を約980℃で約10時間焼成し、焼成により
得た塊状のLiCoO2 を粉砕分級し、イオン交換水を
用いて超音波洗浄し、ついで大気中で熱処理して、表1
に示す実施例1〜3、比較例1〜5の各LiCoO2
状物を得た。なお比較例1〜2の各LiCoO2 粒状物
については上記の水洗処理と熱処理とを施していない。
【0022】実施例および比較例の各LiCoO2 粒状
物について、超音波洗浄後における水溶性リチウム化合
物系不純物の残存量、熱処理条件(温度および時間)、
熱処理後のLiCoO2 粒状物のd値の合計値A、比表
面積B、平均粒径C、および〔(A−11)/(B
C)〕の値をそれぞれ表1に示す。なお水洗および熱処
理を施していない比較例1〜2の各LiCoO2 粒状物
の各特性は、それらの処理を施されていない状態での値
を示す。
【0023】
【表1】
【0024】実施例1〜3および比較例1〜5の各Li
CoO2 の粒状物を用い、その90重量部、結着剤とし
てのポリフッ化ビニリデン7重量部、導電剤としてのア
セチレンブラック3重量部、およびN−メチル2ピロリ
ドン70重量部とを混合してスラリーとした。このスラ
リーを、集電体としての厚さ20μmのアルミニウム箔
の両面上に塗布し乾燥し、ついで圧延処理してアルミニ
ウム箔の片面あたり20mg/cm2 の正極活物質組成
物層を有する正極体を作製した。一方、鱗片状黒鉛90
重量部、ポリフッ化ビニリデン10重量部、およびN−
メチル2ピロリドン200重量部とを混合してスラリー
とした。このスラリーを、集電体としての厚さ14μm
の銅箔の両面に塗布し乾燥し、ついで圧延処理して銅箔
の片面あたり10.4mg/cm2 の負極活物質組成物
層を有する負極体を作製した。つぎに、正極体と負極体
とを多孔質ポリエチレンセパレータを介して捲巻して高
さ65mm、外径18mmの円筒缶型のリチウム二次電
池(放電容量:1300mAh)を製造した。電解液と
しては、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネー
ト、およびジエチルカーボネートの混合溶媒(混合体積
比率は3:2:5)1リットルあたり1モルのLiPF
6 を溶解してなる溶液を使用し、これを上記正極体と負
極体との間に含浸した。
【0025】ついで各リチウム二次電池につき、つぎの
充放電サイクル試験方法にしたがって充放電サイクル特
性の試験を行い、100サイクル目の放電容量維持率
(%)を測定して表1にその結果を示した。 〔充放電サイクル試験方法〕正極体の面積1cm2 あた
り2.6mAの定電流および4.2Vの定電圧下で2.
5時間の充電、充電後1時間休止、正極体の面積1cm
2 あたり1.3mAの定電流のもとで端子電圧が3Vと
なる時点まで放電、および放電後1時間の休止、の4工
程を1サイクルとして室温(20℃)下で100回繰り
返し、各サイクルにおける放電電流値と放電時間から放
電容量(mA・H)を算出する。初回の放電容量に対す
る各サイクル目の放電容量の割合を放電容量維持率
(%)とする。
【0026】表1から、〔(A−11)/(BC)〕の
値が前記した式(1)の範囲外にある比較例1〜5の各
LiCoO2 粒状物を正極活物質として用いたリチウム
二次電池は、100サイクル目における放電容量維持率
が85%以下であるのに対して、〔(A−11)/(B
C)〕の値が式(1)を満たす実施例1〜3のLiCo
2 粒状物を正極活物質として用いたリチウム二次電池
は、100サイクル目においても90%以上の高放電容
量維持率を有し、しかして優れた充放電サイクル特性を
有することが判る。
【0027】
【発明の効果】本発明のLi−Co系複合酸化物は、正
極活物質として有用であり、とりわけ充放電サイクル特
性に優れた、しかして各種の電気機器用、就中、携帯用
品用などの長寿命リチウム二次電池の製造に好適であ
る。
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C01G 51/00 H01M 4/02 H01M 4/58 H01M 10/40 CA(STN)

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 面指数(104)、(105)、(00
    9)、(107)、(108)、および(113)にお
    けるそれぞれの格子面間隔の合計値A(μm)、比表面
    積B(m2 /g)および平均粒径C(μm)が 式:0.025≦〔(A−11)/(B・C)〕≦0.04 を満足する粒状物である、非水電解液二次電池の正極活
    物質用Li−Co系複合酸化物を製造する方法であっ
    リチウム化合物とコバルト化合物を混合、焼成して得た
    Li−Co系複合酸化物(塊状物)を粉砕し、該粉砕後
    の粒状物を水洗処理して水溶性リチウム化合物系不純物
    の量が該不純物をLi 2 CO 3 量に換算して0.05重
    量%以下となるようにし、ついで空気中あるいは不活性
    雰囲気中で400〜700℃の高温度下で0.5〜50
    時間熱処理する ことを特徴とするLi−Co系複合酸化
    の製造方法。
  2. 【請求項2】 平均粒径が10〜25μmの粒状物を水
    洗処理し、ついで熱処理する請求項1記載のLi−Co
    系複合酸化物の製造方法
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Cited By (3)

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