JPH10279315A5 - - Google Patents

Description

【発明の名称】リチウムコバルト複合酸化物の製造方法
【特許請求の範囲】
【請求項１】無定形もしくは多形の３価コバルト化合物粒子の一方または両方とリチウム化合物粒子とを混合粉砕して調製された前駆体混合体を加熱処理して製造されることを特徴とするリチウムコバルト複合酸化物の製造方法。
【請求項２】前記３価コバルト化合物がＣｏＯＯＨ及び／Ｃｏ₂ Ｏ₃ ・Ｈ₂ Ｏであることを特徴とする請求項１記載の製造方法。
【請求項３】前記リチウム化合物が、リチウムの酸化物、水酸化物及び塩類のうちから選ばれた少なくとも１種であることを特徴とする請求項１あるいは２の製造方法。
【請求項４】前記の加熱処理が２５０〜１０００℃の温度範囲で行われることを特徴とする請求項１〜３いずれか１項の製造方法。
【請求項５】請求項１〜４のいずれか１項の方法で製造されたことを特徴とするリチウムコバルト複合酸化物。
【請求項６】請求項５のリチウムコバルト複合酸化物を含有したことを特徴とする電極活物質。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はリチウムコバルト複合酸化物及び製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
六方晶系の層状結晶構造を持つ遷移金属酸化物は、適当なサイズの金属イオンを結晶の格子サイト及び／又は格子間に導入できることが知られている。特にリチウム層間化合物は、特定の電位差の下でリチウムイオンを結晶格子サイト及び／又は格子間に導入し、再びこれを取り出すことができることから、リチウム複合化合物を電極活物質としたリチウム電池、二次電池が工業的に利用、生産されている。
電極活物質としては、コバルト酸リチウムが最も基本であり、最も有効な材料である。高価なコバルトを安価な他の遷移金属、例えばニッケルやマンガン等に代替しようとする検討も行われているが、コバルトを完全に代替できる技術はまだない。
【０００３】
電極の調製は、従来、活物質の粉体、粉末状の導電材、バインダーを溶媒及び／又は分散媒に混合してスラリーやペーストとし、集電体に塗布、乾燥して行われる。したがって電池性能は、活物質粒子の特性、例えば結晶形態、粒径、かさ密度及び充填率、比表面積等に大きく影響を受けることになる。
リチウム相間化合物は、一般には固相反応で、すなわち化合物を構成する原料成分粒子の混合体を加熱処理して調製される。したがって活物質粒子の特性は、原料成分の選択と原料成分粒子の特性及び混合体の混じり具合にも大きな影響を受けることになる。
【０００４】
乾式法と呼ばれる従来のリチウム相間化合物からなる電極活物質粒子の製造方法は、活物質を構成する原料成分粒子の所定量を混合、粉砕しながら混ぜ合わせた後、かかる活物質前駆体の混合体を加熱処理して製造する方法である。
しかし、従来のこの乾式法では、各原材料を分子レベルで混合することは不可能であり、かつ、粒子間でも均質に分散することは困難であった。したがって、かかる従来方法で製造された活物質は、組織に大きなバラツキを持ったものであった。
さらに分散性の悪い粒子混合体の固相反応には高温焼成が必要なため、得られる活物質粒子は強く凝集して粗大化し、充填密度の低いものになってしまうという欠点があった。
【０００５】
しかも、コバルト源としてコバルトメタルや２価のコバルト化合物である水酸化コバルト、炭酸コバルト等を用いる従来技術では、８００℃以上の高温焼成を必要とするため、得られるリチウムコバルト複合酸化物は、緻密な粗大粒子となり、粉砕処理を施さなければ電極材料として使用できないという欠点も有していた。
一方、２価と３価の混合体と見れる四三酸化コバルトをコバルト源とする方法も検討されている。しかしながら一度焼成工程を経た四三酸化コバルトはそれ自体緻密なため、リチウムを結晶中の所定サイトに導入するのはなかなか困難で、高温で焼成しても、得られるリチウムコバルト複合酸化物は組成変動の大きなものになってしまう問題があった。
【０００６】
さらに、六方晶系の形態を既に有する３価コバルト化合物を用い、イオン交換の手法を用いて低温でリチウムコバルト複合酸化物を製造する試みも検討された［Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｉｏｎｉｏｓ ８４，１６９（’９６）］。しかしながらこの方法は、かかるコバルト化合物と２倍当量のリチウム化合物とを加圧してペレットとし、これとほぼ同量の水を加えて６気圧以上の加圧下に５日間程置いて製造されるという複雑な工程を必要とする欠点を有していた。しかもその後、過剰量のリチウム化合物を洗浄して除去し、さらに２５０℃以上の温度で１日間熱処理しなければ電極活物質としては使用できないという問題も有していた。
【０００７】
前駆体粒子混合体のこのような分散性の悪さや焼成のしにくさを改善する試みはこれまでにも種々なされていきた。
例えば、電極活物質を構成するリチウムや所定の遷移金属のアルコキシド等からなるゾルを、ゾル・ゲル法の手法を用いてゲル化し、焼成して活物質とする方法がある。かかる方法では低温焼成が可能であり、また製造された活物質粒子は、微細な粒径と大きな表面積、高い充填率を持つことから、電極材料として有効と期待された。
【０００８】
しかしながら、かかるアルコキシド等は著しく高価なため、工業的には使用しにくいという難点があった。
一方、活物質構成元素を含有する溶液からこれを塩として析出させ、均質に混合された前駆体混合体粒子を得る湿式法も検討された。かかる方法では、通常、しゅう酸塩として析出、沈殿された前駆体混合体粒子を、水洗して乾燥し、焼成して活物質粒子としている。しかしながらしゅう酸塩の水に対する溶解性は元素により大きく異なり、このため洗浄中に組成のズレを生じてしまうという欠点があった。又、水洗して乾燥させるなど、工程が複雑で、コストがかかるといった欠点もあった。
【０００９】
さらに水酸化物や炭酸塩として沈殿させた場合も検討されているが、洗浄に伴う組成のズレは避け難いうえ、焼成による粒子の粗大化も引き起こしてしまうという問題もあった。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、乾式法に属する電極活物質の製造方法に係るものであり、粒径、比表面積等を広範囲に制御でき、低コストでしかも均質な組成を有する、リチウム電池、二次電池用電極活物質、特に、リチウムコバルト複合酸化物の製造方法の提供と、かかる方法により製造された電極活物質の提供を目的とするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、無定形及び／又は多形の３価コバルト化合物の粒子とリチウム化合物の粒子とを混合粉砕して調製された前駆体混合体を加熱処理して製造することを特徴とするリチウムコバルト複合酸化物の製造方法、及び、本方法により製造されたリチウムコバルト複合酸化物と電極活物質を提供する。
【００１２】
本発明は、リチウムコバルト複合酸化物のコバルト源として、無定形及び／又は多形の３価コバルト化合物を用いる点に特徴がある。
３価のコバルト化合物であればいずれも本発明に使用可能ではあるが、特に成長した特定の結晶構造を持たないＣｏＯＯＨ及び／又はＣｏ₂ Ｏ₃ ・Ｈ₂ Ｏであるのが、広い焼成温度範囲にわたって均質な組成のリチウムコバルト複合酸化物を製造できる点で好ましい。
【００１３】
ＣｏＯＯＨ及び／又はＣｏ₂ Ｏ₃ ・Ｈ₂ Ｏは製造は、３価コバルトの錯塩溶液を加熱分解させるなどの方法により成される。
リチウム化合物としてはリチウム元素を含有するものであればいずれも使用可能である。しかしながら、取扱の容易な点からリチウムの酸化物、水酸化物、塩類、あるいはこれら化合物２種以上の混合物等であるのが好ましい。
【００１４】
上記コバルト化合物とリチウム化合物とからコバルト酸リチウムを合成する反応は、下記式で示される。この式から明らかなように、本発明の反応は脱水縮合のような簡単な脱離反応で進行する。
【式１】
@0001
本発明では前記コバルト化合物と前記リチウム化合物の混合体を加熱処理して、リチウムコバルト複合酸化物を製造する。製造されたリチウムコバルト複合酸化物は、粒子の形態で電池材料として利用される。従って、前駆体混合体も粒子の形態である。同様な理由から、コバルト化合物やリチウム化合物も粒子の形態である。
【００１５】
本発明のリチウムコバルト複合酸化物となる前駆体混合体の調製は、従来の乾式法の手法をそのまま用いる。すなわち、所定量の前記リチウム化合物の粒子と前記コバルト化合物の粒子を混合、粉砕することにより、均質に分散された前駆体混合体を得る。本手法により均質な前駆体混合体が得られるのは、本発明に使用する前記コバルト化合物の効果による。
【００１６】
通常、本発明のコバルト源であるＣｏＯＯＨ及び／又はＣｏ₂ Ｏ₃ ・Ｈ₂ Ｏは、しっかりとした結晶構造をもたない極めて微細な粒子の軽い凝集体と見られる。かかるコバルト化合物粒子とリチウム化合物粒子の混合体に粉砕を加えながら混合する操作を加えると、コバルト化合物は容易に粉砕され、均質に分散混合された前駆体混合体が調製できる。
本発明のリチウムコバルト複合酸化物には、他にも多くの遷移金属を配合できる。特に、クロム、銅、鉄、インジウム、マンガン、ニッケル、バナジウム等が有効と判断され、本発明に有効に用いられる。
【００１７】
これら遷移金属等の配合は、かかる金属の酸化物、水酸化物、過酸化物、塩類等の粒子の形状でなされ、本発明のリチウムコバルト複合酸化物の前駆体混合体に形成される。
上述のごとくして調製された前駆体混合体の粒子は、焼成されて本発明のリチウムコバルト複合酸化物となる。焼成温度は２５０〜１０００℃の範囲であるのが好ましい。２５０℃未満の温度では反応が完結せず、残留未反応物が電池性能を低下させてしまう。一方１０００℃を超える温度では結晶構造に乱れが生じ易くなり、これが電池性能を低下させたり安全性を損ねたりしまうからである。
【００１８】
焼成時間は焼成温度にも依存するが、例えば５００℃の場合、少なくとも３０分以上処理されるのが反応を終結できる点で好ましい。一方、反応終結後、長時間にわたって加熱処理を続けても得られるメリットは少ないことから、長くとも１００時間であるのが好ましい。
本発明のリチウムコバルト複合酸化物の製造方法は、低温焼成においてもしっかりした単一相の層状結晶構造を持つリチウム相間化合物を製造でき、製造コストの削減も可能となる。
【００１９】
本発明の方法で製造されたリチウムコバルト複合酸化物粒子は、強靭な層状結晶構造、微細な粒径、高い比表面積と充填率を持ち、電極活物質として特に有効に機能する。かかる活物質から形成された電極は、電池、二次電池用電極に有効に使用される。特にリチウムイオン電池を含めたリチウム二次電池用電極として、極めて有効である。
本発明の活物質を使用したリチウム二次電池は、大きな充放電容量と高いエネルギ密度を持ち、優れた充放電サイクル特性を発現する。
【００２０】
【作用】
本発明のリチウムコバルト複合酸化物の製造方法は、無定形及び／又は多形の３価コバルト化合物をコバルト源としている。本発明の方法において、低い焼成温度においてもリチウム相間化合物を形成する固相反応を終結できるのは、前述の式１にも示される通り、反応生成物と同様の３価のコバルト化合物をコバルト源としていることによるものと判断される。しかも、本発明に用いられるＣｏＯＯＨ及び／又はＣｏ₂ Ｏ₃ ・Ｈ₂ ＯはＸ線回折パターンから判断されるように特定の成長した結晶形態を持たず、また高い比表面積から判断されるように、極めて微細な粒子の軽い集合体である。このため、容易に解砕されて分散し、リチウム化合物と良好に混和する。本発明の方法ではこれらの効果が作用し合い、広い焼成温度範囲にわたって、乱れのない単一相の層状結晶構造を有するリチウムコバルト複合酸化物が製造できる。
【００２１】
本発明の方法によれば、製造されるリチウムコバルト複合酸化物の諸特性は、焼成条件、特に温度と時間とを管理することにより制御できる。
上述のように本発明の前駆体混合体は、２５０℃といった低温焼成でも反応が完結する。かかる温度条件に長時間、反応生成物であるリチウム相間化合物を放置しておいても、粒子が粗大化するといった厄介な問題は生じない。一方８００℃といった高温では、短時間に反応が終結してしまうため、粒子の緻密化や粗大かを起こす前に焼成工程を終了できる。
【００２２】
よって、本発明の方法では、微細な粒径、高い比表面積、高い充填率、及び強靱な層状結晶構造を有するリチウムコバルト複合酸化物が製造できる。
高い比表面積を有する本発明の活物質は電解質溶液との大きな接触面積を持ち、リチウムイオンのスムースな移動を可能にする。また本発明の活物質の持つ強靱な結晶は、リチウムイオンの挿入及び脱離時の歪の発生を抑制し、電極の破壊を防止する。かかる作用の結果、本発明の活物質を用いた二次電池は、大電流を流せ、急速充電が可能で、しかも高容量と長寿命を達成した。
【００２３】
【実施例】
（実施例１）
ｐＨを１１．５としたアンモニア水にヘキサコバルト（ＩＩＩ）酸ナトリウムを加えて撹拌、溶解させ、不溶物を除去した後９５℃に加熱したら析出物を生じた。この析出物を取り出し、水洗、乾燥後、元素分析した結果、コバルト含有量が６４．２ｗｔ％で、３価のコバルトを６４．０ｗｔ％、水素を１．２ｗｔ％、酸素を３３．８ｗｔ％含有していることがわかり、この黒褐色の析出物はほぼＣｏＯＯＨであると判断された。
このＣｏＯＯＨを９１．８ｇ、及びＬｉ₂ ＣＯ_３の３７．０ｇを乳鉢に取り、撹拌、粉砕しながら混合した後、６００℃で３時間加熱処理して、９５．８ｇのＬｉＣｏＯ₂ を得た。
このＬｉＣｏＯ _２ のレーザー散乱法により求めた平均粒径は４．２μｍであり、その粒径は揃っており、さらに窒素吸着法により求めた比表面積は０．７ｍ ^２／ｇであった。
なお、図１は原料としたＣｏＯＯＨのＸ線回折パターンであり、その平均粒径は１０．４μｍであった。
このＬｉＣｏＯ_２の９０部、カーボン５部、及びポリフッ化ビニリデン５部に２０部のＮ−メチルピロリドンを加えて混練りして、ペーストとした。このペーストをアルミ箔に塗布して乾燥後、圧延して所定の大きさに打ち抜き、正極板とした。
次に、９５部のカーボンと５部のポリフッ化ビニリデンに２０部のＮ−メチルピロリドンを加えて混練りしてペーストとした。このペーストを銅箔に塗布して乾燥後、圧延して所定の大きさに打ち抜き、負極板とした。
【００２４】
こうして得られた正極板、負極板にそれぞれリード線を取り付け、ポリオレフィン系セパレータを介してステンレス製セルケースに収納した。続いて、エチレンカーボネートとジエチレンカーボネートの混合液に六フッ化リン酸リチウムを１モル／リットル溶かした電解質溶液を注入し、モデルセルとした。
電池特性は、充放電測定装置を用い、２５℃において、最大充電電流０．２０ｍＡで電池電圧４．２Ｖになるまで充電した後、同一電流で２．７Ｖになるまで放電する充放電の繰返しを行い、初期放電容量と１００サイクル後の放電容量とを求めて評価した。
【００２５】
その結果を表１にした。
なお、容量保持率は式２で求めた。
【式２】
【表１】
表１より本モデルセルは、電気容量が大きく、サイクル寿命の長いことがわかる。
【００２６】
（実施例２）
実施例１と同様に、９１．８ｇのＣｏＯＯＨと４２．１ｇのＬｉＯＨ・Ｈ₂ Ｏを撹拌、粉砕して混合し、５００℃で１０時間加熱処理して、９６．０ｇのＬｉＣｏＯ₂ を得た。このＬｉＣｏＯ₂ を用いたことを除き、実施例１と同様にしてモデルセルを作成し、その電池特性を調べた。
その結果を表２に示した。
【表２】
表２より本モデルセルは、電気容量が大きく、サイクル寿命の長いことがわかる。
【００２７】
（比較例１）
２．３重量％の水を含有したＣｏ（ＯＨ）₂ の９５ｇを８００℃にて２時間加熱処理し、平均粒径１１．２μｍのＣｏ₃ Ｏ₄ を７８．５ｇ得た。これに３６．１ｇのＬｉ₂ ＣＯ₃ と１００ｇの水を加えて混合し、９５℃にて撹拌し、１時間後に乾固した粉体を取り出し、さらに１００℃にて２時間乾燥して、１２５．５ｇリチウムコバルト複合化合物前駆体粒子を調製した。
この前駆体粒子を７００℃にて２時間焼成した後、Ｘ線回折を測定したが、ＬｉＣｏＯ₂ の六方晶系に基づく（００３）や（１０４）といった特徴的な強い反射はほとんど観察されなかった。
なお図２は、ここで使用したＣｏ（ＯＨ）₂ のＸ線回折パターンである。
【００２８】
（比較例２）
比較例１と同様にして調整したリチウムコバルト複合酸化物前駆体粒子を９００℃にて２４時間焼成し、ＬｉＣｏＯ₂ の合成を試みた。しかしながら、焼成物のＸ線回折を測定した結果、Ｃｏ₃ Ｏ₄ に基づく特徴的な反射が観察され、まだ反応の完結していないことがわかった。
【００２９】
【発明の効果】
本発明の方法によれば、比較的簡単な工程により、微細で、強固に発達した層状の結晶構造、及び高い比表面積とを有するリチウムコバルト複合酸化物が、２５０〜１０００℃という広い温度範囲で安定して製造できる。また、かかるリチウムコバルト複合酸化物は高い充填率を持つことから、リチウム二次電池用電極活物質として特に優れている。
そして、本発明の方法で製造されたＬｉＣｏＯ₂ を電極活物質としたリチウム二次電池は、電気容量が大きく、エネルギ密度と充放電効率が高いうえ、寿命が長いというすぐれた効果を有している。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１で使用したＣｏＯＯＨのＸ線回折パターン図。
【図２】比較例１で使用したＣｏ（ＯＨ）₂ のＸ線回折パターン図。