(57)【要約】【課題】初期効率が高く、かつ、放電容量が大きい、なかでも低温における放電容量が大きい（低温特性の優れた）リチウム二次電池用活物質及びそれを用いたリチウム二次電池を提供する。【解決手段】α−ＮａＦｅＯ２型結晶構造を有するリチウム遷移金属複合酸化物の固溶体を含有するリチウム二次電池用活物質であって、前記固溶体が含有する金属元素の組成比率が、Ｌｉ１＋ｘ−ｙNaｙＣｏａＮｉｂＭｎｃＯ２＋ｄ（０＜ｙ≦０．１、０．４≦ｃ≦０．７、ｘ＋ａ＋ｂ＋ｃ＝１、０．１≦ｘ≦０．２５、−０．２≦ｄ≦０．２）を満たし、空間群Ｒ３−ｍ（Ｐ３１１２）に帰属可能なＸ線回折パターンを有し、ミラー指数ｈｋｌにおける（００３）面の回折ピークの半値幅が０．３０°以下であり、かつ、（１１４）面の回折ピークの半値幅が０．５０°以下であることを特徴とする。さらに、このＸ線回折パターンを基にリートベルト法による結晶構造解析から求められる三つの酸素位置パラメーターの平均値が０．２６４以下であることが好ましい。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
α−ＮａＦｅＯ２型結晶構造を有するナトリウム含有リチウム遷移金属複合酸化物の固溶体を含むリチウム二次電池用活物質であって、前記固溶体の化学組成式が、Ｌｉ１＋ｘ−ｙNaｙＣｏａＮｉｂＭｎｃＯ２＋ｄ（０＜ｙ≦０．１、０．４≦ｃ≦０．７、ｘ＋ａ＋ｂ＋ｃ＝１、０．１≦ｘ≦０．２５、−０．２≦ｄ≦０．２）を満たし、かつ、六方晶（空間群Ｐ３１１２）に帰属可能なＸ線回折パターンを有し、ミラー指数ｈｋｌにおける（００３）面の回折ピークの半値幅が０．３０°以下であり、かつ、（１１４）面の回折ピークの半値幅が０．５０°以下であることを特徴とするリチウム二次電池用活物質。
【請求項２】
Ｘ線回折パターンを基にリートベルト法による結晶構造解析から求められる酸素位置パラメーターが０．２６４以下であることを特徴とする請求項１に記載のリチウム二次電池用活物質。
【請求項３】
前記リチウム二次電池用活物質の固溶体は、共沈法を用いて製造されたものであることを特徴とする請求項１に記載のリチウム二次電池用活物質。
【請求項４】
前記リチウム二次電池用活物質の固溶体は、前記共沈法により得られた共沈前駆体とＬｉ塩及びＮａ塩の混合物を８００〜１０５０℃の焼成条件により焼成したものであることを特徴とする請求項３に記載のリチウム二次電池用活物質。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載のリチウム二次電池用活物質を含有するリチウム二次電池用電極。
【請求項６】
請求項５に記載のリチウム二次電池用電極を備えたリチウム二次電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リチウム二次電池用活物質及びこれを用いたリチウム二次電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、リチウム二次電池には、正極活物質として主にＬｉＣｏＯ２が用いられている。しかし、放電容量は１４０〜１５０ｍＡｈ／ｇ程度であった。【０００３】
ＬｉＣｏＯ２を他の化合物と固溶体を形成させた材料が知られている。α−ＮａＦｅＯ２型結晶構造を有し、ＬｉＣｏＯ２、ＬｉＮｉＯ２及びＬｉＭｎＯ２の３つの成分の固溶体であるＬｉ［Ｃｏ１−２ｘＮｉｘＭｎｘ］Ｏ２（０＜ｘ≦１／２）が２００１年に発表された。前記固溶体の一例であるＬｉＮｉ１／２Ｍｎ１／２Ｏ２やＬｉＣｏ１／３Ｎｉ１／３Ｍｎ１／３Ｏ２を活物質として用いたリチウム二次電池は、放電容量が１５０〜１８０ｍＡｈ／ｇとＬｉＣｏＯ２よりも優れる。【０００４】
非特許文献１〜４には、α−ＮａＦｅＯ２型結晶構造を有し、Ｌｉ［Ｌｉ１／３Ｍｎ２／３］Ｏ２、ＬｉＮｉ１／２Ｍｎ１／２Ｏ２及びＬｉＣｏＯ２の３つの成分の固溶体が提案されている。この材料は、Ｌｉ［Ｌｉ，Ｍｎ，Ｎｉ，Ｃｏ］Ｏ２と表現できるように、α−ＮａＦｅＯ２型結晶構造を有するＬｉＣｏＯ２においてＣｏが存在するサイトに遷移金属の他にＬｉが存在する。このため、より高い放電容量が期待でき、非特許文献１〜４では１８０〜２００ｍＡｈ／ｇ程度の放電容量が報告されている。【０００５】
しかしながら、上記の固溶体を活物質としたリチウム二次電池は、後述の比較例にあるように、放電容量（２５℃）は大きいものの、初回充放電時の不可逆容量が大きく、初期充放電効率（以下、「初期効率」と略す）が低く、また、低温における放電容量が低いという問題があった。【０００６】
リチウム二次電池用正極活物質に用いる遷移金属化合物の、遷移金属サイトの一部を異種元素で置換する試みは、正方晶スピネル構造のＬｉＭｎ２Ｏ４など他の活物質における例を挙げるまでもなく多数検討されている。しかしながら、異種元素置換がもたらす効果については活物質ごとに異なっており、当該技術分野においては、異なる材料において発現した効果が別の材料においても同様に発現するかどうかについては全く予測が困難であることは論を待たない。【０００７】
非特許文献５には、Ｌｉ［Ｌｉ０．２Ｍｎ０．５４Ｎｉ０．１３Ｃｏ０．１３］Ｏ２にＶ２Ｏ５を混合することによりＬｉ［Ｌｉ０．２Ｍｎ０．５４Ｎｉ０．１３Ｃｏ０．１３］Ｏ２に起因する正極としての初回充電時の初期効率を改善できる（Ｆｉｇ．２、Ｆｉｇ．３）ことが記載されている。【０００８】
非特許文献６には、活物質０．３Ｌｉ２ＭｎＯ３・０．７ＬｉＮｉ０．５Ｍｎ０．５Ｏ２を硝酸で処理した結果、初回充放電時における初期効率が改善する（Ｆｉｇ．４、Ｆｉｇ．５）ことが記載されている。【０００９】
非特許文献７には、活物質０．３Ｌｉ２ＭｎＯ３・０．７ＬｉＮｉ０．５Ｍｎ０．５Ｏ２を硝酸で処理した後、さらに、２００℃のアンモニア気流中に２０時間さらした結果、初回充放電時における初期効率が改善する（Ｔａｂｌｅ２、Ｆｉｇ．５、Ｆｉｇ．６）ことが記載されている。【００１０】
非特許文献８には、Ｌｉ（Ｌｉ０．２Ｎｉ０．１５＋０．５ｚＣｏ０．１０Ｍｎ０．５５―０．５ｚ)Ｏ２−ｚＦｚ（０≦ｚ≦０．１０）で表されるように、活物質を構成する酸素の一部をフッ素で置換することにより、上記活物質を正極、グラファイトを負極とした電池のインピーダンスを小さくすることができる（Ｆｉｇ．５）と記載されている。【００１１】
特許文献１には、「CuＫα線を用いた粉末Ｘ線回折のミラ−指数ｈｋｌにおける（００３）面及び（１０４）面の回折ピ−ク角２θがそれぞれ18.65°以上及び44.50°以上で、かつそれら各面の回折ピ−ク半価幅が何れも0.18°以下であり、更に（１０８）面及び（１１０）面の回折ピ−ク角２θがそれぞれ64.40°及び65.15°以上で、かつそれら各面の回折ピ−ク半価幅が何れも0.18°以下であるところの、LiaNixMnyCozＯ2+b（ｘ＋ｙ＋ｚ＝１，1.00＜ａ＜1.3，０≦ｂ＜0.3）なる化学組成を持つ層状構造のリチウム・ニッケル・マンガン・コバルト複合酸化物。」（請求項１）が記載され、「CuＫα線を用いた粉末Ｘ線回折のミラ−指数ｈｋｌにおける（００３）面及び（１０４）面の回折ピ−ク角２θがそれぞれ18.65°，44.50°よりも小さいと、相間隔が減少し、リチウムイオンの拡散が阻害され、充・放電特性が劣化する。また、これらの面の回折ピ−ク半価幅がそれぞれ0.18°より大きいと、結晶の成長が足りないかもしくは組成のばらつきが大きいため充・放電特性は劣化する。」（段落［００１７］）と記載されている。【００１２】
また、特許文献２には、「Ｌｉ［ＭｎｃＮｉｄＣｏｅＬｉａＭ”ｂ］Ｏ２（Ｍ”はＢ，Ｍｇ，Ａｌ，Ｔｉ，Ｖ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｃｕ及びＺｎからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素、ｄ≦ｃ＋ｅ＋ａ＋ｂ、ｃ＋ｄ＋ｅ＋ａ＋ｂ＝１、０≦ａ≦０．０５、０≦ｂ≦０．０５、０．２≦ｃ≦０．５、０．０２≦ｅ≦０．４）で表される複合酸化物を主成分とする正極活物質であって、ＢＥＴ法による比表面積が０．３ｍ２／ｇ以上１．５ｍ２／ｇ以下であり、空間群Ｒ３／ｍに帰属可能なエックス線回折パターンを有し、２θ＝１８．６±１°における回折ピークに対する２θ＝４４．１±１°における回折ピークの相対強度比が０．６以上１．１以下であり、且つ、２θ＝１８．６±１°における回折ピークの半値幅が０．１３°以上０．２０°以下であり、かつ、２θ＝４４．１±１°における回折ピークの半値幅が０．１０°以上０．１７°以下であり、粒径が３μｍ以上２０μｍ以下であることを特徴とする正極活物質。」（請求項６）の発明が記載され、この正極活物質を用いたリチウム二次電池は、優れた高率放電特性と充放電サイクル性能を合わせ持つことが可能になることも示されている。【００１３】
特許文献３には、「組成式ＬｉａＭｎ０．５−ｘＮｉ０．５−ｙＭｘ＋ｙＯ２（但し０＜ａ＜１．３、−０．１≦ｘ−ｙ≦０．１、ＭはＬｉ、Ｍｎ、Ｎｉ以外の元素）で表される複合酸化物を含有する正極活物質。」（請求項１）が記載され、また、「請求の範囲第２項に係る正極活物質は、前記Ｍが、Ａｌ、Ｍｇ及びＣｏからなる群から選ばれる少なくとも１種の元素であり、前記組成式中の係数が下記関係式を満たす複合酸化物を含有することを特徴としている。０．０５≦ｘ＜０．３、０．０５≦ｙ＜０．３、−０．１≦ｘ−ｙ≦０．０２、０＜ａ＜１．３、ｘ＋ｙ＜０．５このような構成によれば、特に、高率放電性能及び充放電サイクル性能に優れ、高エネルギー密度の非水電解質二次電池を製造できる正極活物質とすることができる。」（第６頁下から第７行〜第７頁第４行）と記載されている。しかし、「請求の範囲第７項に係る正極活物質は、前記２θ：１８．６±１°における回折ピークの半値幅が０．０５°以上０．２０°以下であり、かつ、前記２θ：４４．１±１°における回折ピークの半値幅が０．１０°以上０．２０°以下であることを特徴としている。このような構成によれば、特に、高エネルギー密度（高放電容量）を有し、充放電サイクル性能に優れた非水電解質二次電池を製造できる正極活物質とすることができる。」（第９頁第１１行〜第１６行）と記載されている。【００１４】
特許文献４には、「α−ＮａＦｅＯ２型結晶構造を有するリチウム遷移金属複合酸化物の固溶体を含むリチウム二次電池用活物質であって、前記固溶体が含有するＬｉ，Ｃｏ，Ｎｉ及びＭｎの組成比が、Ｌｉ１＋１／３ｘＣｏ１−ｘ−ｙＮｉｙ／２Ｍｎ２ｘ／３＋ｙ／２（ｘ＋ｙ≦１、０≦ｙ、１−ｘ−ｙ＝ｚ）を満たし、Ｌｉ［Ｌｉ１／３Ｍｎ２／３］Ｏ２（ｘ）−ＬｉＮｉ１／２Ｍｎ１／２Ｏ２（ｙ）−ＬｉＣｏＯ２（ｚ）系三角相図において、（ｘ，ｙ，ｚ）が、点Ａ（０．４５，０．５５，０）、点Ｂ（０．６３，０．３７，０）、点Ｃ（０．７，０．２５，０．０５）、点Ｄ（０．６７，０．１８，０．１５）、点Ｅ（０．７５，０，０．２５）、点Ｆ（０．５５，０，０．４５）、及び点Ｇ（０．４５，０．２，０．３５）を頂点とする七角形ＡＢＣＤＥＦＧの線上又は内部に存在する範囲の値で表され、かつ、Ｘ線回折測定による（００３）面と（１０４）面の回折ピークの強度比が、充放電前においてＩ（００３）／Ｉ（１０４）≧１．５６であり、放電末においてＩ（００３）／Ｉ（１０４）＞１であることを特徴とするリチウム二次電池用活物質。」（請求項１）の発明が記載されている。【００１５】
特許文献５には、「空間群Ｒ−３ｍに帰属でき、（１０４）面に相当するＸ線回折ピークの半値幅が０．０６〜０．１５°の範囲内であって、かつ下記（１）式で算出される形状係数ＳＦ１の平均値が１より大きく、３．３以下の範囲内であるリチウム含有金属複合酸化物粒子を含むことを特徴とする正極活物質。・・・」（請求項１）の発明が記載され、また、リチウム含有金属複合酸化物粒子の結晶構造は、空間群Ｒ−３ｍに帰属し、かつ（１０４）面に相当するＸ線回折ピークの半値幅が０．０６〜０．１５°の範囲内にある場合に、高い放電負荷特性（高率放電特性）が得られること、半値幅が０．１５°を超えると、リチウム含有金属複合酸化物の結晶性が低下して高い高率放電特性を得ることが困難になることが示されている（段落［００２５］）。【００１６】
特許文献６には、「本発明のＬｉＮｉ1/3Ｍｎ1/3Ｃｏ1/3Ｏ2に異種元素をドープすることで付加機能を発現させることができる・・・。」（段落［００７７］）と記載され、また、リチウム原子比を増加させたＬｉ［Ｌｉx（Ｎｉ1/3Ｍｎ1/3Ｃｏ1/3）1-x］Ｏ2（式中、０≦ｘ≦０．３）で表される酸化物を使用することができ、共沈で得られた複合酸化物と水酸化リチウムを乾式で混合し、１０００℃で焼成したニッケルマンガンコバルト複合酸化物は、層構造Ｒ―３ｍに属する六方晶系であることも示されている（段落［００２８］〜［００３０］）。【００１７】
特許文献７には、「層状構造に帰属する結晶構造を含んで構成され、組成が下記（Ｉ）式で表されることを特徴とするリチウム二次電池正極材料用リチウムニッケルマンガンコバルト系複合酸化物粉体。Ｌｉ[Ｌｉz/(2+z){(ＬｉxＮｉ(1-3x)/2Ｍｎ(1+x)/2)(1-y)Ｃｏy}2/(2+z)]Ｏ2・・・（I）（ただし、０．０１≦ｘ≦０．１５、０≦ｙ≦０．３５、０．０２（１−ｙ）（１−３ｘ）≦ｚ≦０．１５（１−ｙ）（１−３ｘ））」（請求項６）の発明が記載され、Ｌｉ量が化学量論組成より若干リッチな範囲にあることが重要であり、これにより電池性能（特にレート特性や出力特性）が向上することが示されている（段落［００１４］及び［００１５］）。【００１８】
特許文献８には、「リチウム含有酸化物からなる正極活物質を含む正極と、負極と、非水電解質とを備え、前記リチウム含有酸化物は、空間群Ｐ６３ｍｃおよび／または空間群Ｃｍｃａに属するＬｉＡＮａＢＭｎｘＣｏｙＯ２±α（０．５≦Ａ≦１．２、０＜Ｂ≦０．０１、０．４０≦ｘ≦０．５５、０．４０≦ｙ≦０．５５、０．８０≦ｘ＋ｙ≦１．１０、および０≦α≦０．３）を含むことを特徴とする非水電解質二次電池。」（請求項１）の発明が記載され、このような組成にすることにより、充電電位を高くすることにより、多量のLiを引き抜いても結晶構造が崩れにくくなる（段落００６９）ため、高い初期充放電効率、充放電容量と良好なサイクル特性となることが示されている。（段落０１３３）【００１９】
特許文献９には、「Ｒ−３ｍの空間群に属した層状岩塩型のリチウム複合酸化物であって、下記一般式（１）で表される組成を有し、
Ｌｉα（Ｎｉ1-x-yＣｏxＭy）Ｏβ  （１）
（式中、ｘ，ｙは原子比率を表し、０．０５≦ｘ≦０．３５、０．０１≦ｙ≦０．２０、ＭはＭｎ，Ｆｅ，Ａｌ，Ｇａ，Ｍｇなる群から選ばれる１種以上の元素を表す。またα，βはＮｉ，Ｃｏ，元素Ｍの総和を１とした時の原子比率を表し、０＜α＜１．１、１．９＜β＜２．１）
酸素位置パラメータ（Ｚo）が０．２３６０〜０．２４２０であり、かつ下記式（２）で定義されるリチウム−酸素間距離（ｄ）が、０．２１００ｎｍ〜０．２１５０ｎｍであるリチウム複合酸化物からなるリチウム二次電池用正極活物質。」（請求項１）の発明が記載され、酸素位置パラメータ（Ｚo）、及びリチウム−酸素間距離（ｄ）が、特定の組成範囲において、初期の放電容量及び充放電サイクル特性に良い相関があり、酸素位置パラメータ（Ｚo）、及びリチウム−酸素間距離（ｄ）がある範囲に入るような正極活物質を調製することで、良好な初期放電容量及び充放電サイクル特性が得られることが示されている。（段落００１６）
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００２０】
【非特許文献１】Electrochim. Acta,vol.51, page 5581-5586, 2006.
【非特許文献２】J. Power Sources,vol.146, page 598-601, 2005.
【非特許文献３】J. Electrochem.Soc.,vol.152, No.1, page A171-A178, 2005.
【非特許文献４】Mater. Lett., vol.58,page 3197-3200, 2004.
【非特許文献５】ElectrochemistryCommunications, vol.11, p.84-86,2009
【非特許文献６】ElectrochemistryCommunications, vol.6, p.1085-1091,2004.
【非特許文献７】J. Power Sources, Chem.,vol.153, p. 258-264, 2006.
【非特許文献８】J. Power Source,vol.146, p.654-657,2005
【特許文献】
【００２１】
【特許文献１】特許第４２１６６６９号公報
【特許文献２】特許第４３２０５４８号公報
【特許文献３】国際公開第２００２／０８６９９３号パンフレット
【特許文献４】国際公開第２００９／０６３８３８号パンフレット
【特許文献５】特開２００３−１７８７５６号公報
【特許文献６】特開２００３−１７０５２号公報
【特許文献７】特開２００６−２５３１１９号公報
【特許文献８】特開２００９−３２６８１号公報
【特許文献９】特開２００２−１２４２６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
非特許文献５は、リチウムを分子中に含まないＶ２Ｏ５を混合することから、一般的なカーボン負極を組み合わせた電池では、電解液中のリチウムだけではＶ２Ｏ５に十分な量のリチウムを挿入することができないために、電池の初期効率改善効果は十分ではない。さらに、充放電サイクルに伴うＶ２Ｏ５の充放電容量低下が大きい。また、活物質の本質的な初期効率の改善には至っていない。さらに、非特許文献６及び７では、酸処理によるＭｎの酸化数低下に伴うＭｎの溶出による電池容量やサイクル特性の低下が問題である。【００２３】
非特許文献８では、低温時のデータは示されておらず、ＬｉサイトをＮａで置換することについても記載されていない。【００２４】
特許文献１〜７では、リチウム遷移金属酸化物のＬｉの一部をＮａで置換することについては全く記載がなく、また、Ｎａを置換した複合酸化物の特定組成の活物質の半値幅を特定範囲とすることにより、初期効率が向上することは示されていない。さらに、リチウム遷移金属酸化物の酸素位置パラメーターと低温特性の関係についても触れられていないから、上記技術では低温特性の改善効果は得られない。【００２５】
また、特許文献８では、ナトリウム含有層状化合物を作製した後、化学的イオン交換によりリチウム含有層状酸化物ＬｉＡＮａＢＭｎｘＣｏｙＯ２±αを合成している。この方法では、Ｌｉ２ＭｎＯ３が固溶体もしくは混合物またはその両方として含有されている（段落０１０７）ことが示されている。このＬｉ２ＭｎＯ３が初回の放電時にＬｉを吸蔵するために、初期効率が１００％を超える現象が（段落０１２９、実施例２）起きているものと考えられる。一般的に、Ｌｉ２ＭｎＯ３の充放電を行うと、結晶が崩壊することが知られており、そのため、サイクルと共に、少なくとも活物質中に含まれるＬｉ２ＭｎＯ３の割合に応じた容量の減少が生じるものと考えられることから、好ましくない。また、初期効率が１００％を超える正極を使用しても、負極に一般的なグラファイトのようなリチウム吸蔵・放出材料を用いた場合には、正極の放電容量を満たすだけのリチウムが電池系内に存在しないため、実質的な電池の高エネルギー密度化には結びつかない。さらに、Ｎａを置換したリチウム含有金属複合酸化物の回折ピークの半値幅を特定範囲とすることにより、初期効率が顕著に向上すること、及びＮａを置換したリチウム含有金属複合酸化物の酸素位置パラメーターを制御することにより、低温特性が顕著に向上することは示唆されていない。【００２６】
特許文献９では、層状岩塩型のリチウム含有金属複合酸化物と酸素位置パラメーター及びリチウム−酸素間距離が、初期放電容量や充放電サイクル特性に関係していることが記載されているものの、リチウム含有金属複合酸化物をＮａで置換すること、Ｎａを置換したリチウム含有金属複合酸化物の酸素位置パラメーターを制御することにより、低温特性が顕著に向上することは示唆されていない。【００２７】
本発明は、上記問題点に鑑みなされたものであって、初期効率が高く、かつ、放電容量が大きい、なかでも低温における放電容量が大きい（低温特性の優れた）リチウム二次電池用活物質及びそれを用いたリチウム二次電池を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００２８】
本発明の構成及び作用効果について、技術思想を交えて説明する。但し、作用機構については推定を含んでおり、その正否は、本発明を制限するものではない。なお、本発明は、その精神又は主要な特徴から逸脱することなく、他のいろいろな形で実施することができる。そのため、後述の実施の形態若しくは実験例はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、限定的に解釈してはならない。さらに、特許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、すべて本発明の範囲内のものである。【００２９】
本発明に係るリチウム二次電池用活物質は、Ｎａを含有することを特徴とするものであるが、本発明の場合、ＮａはＬｉサイトを置換するものである。なお、ここでのＮａ置換は、Ｌｉ［Ｌｉ，Ｍｎ，Ｎｉ，Ｃｏ］Ｏ２にＮａＣｏＯ２を固溶させるという思想の基に行う。即ち、化学組成式Ｌｉ１−ｙNaｙ（ＬｉｘＣｏａＮｉｂＭｎｃ）Ｏ２＋ｄとして表されるものであり、これを変形することで、本発明のリチウム二次電池用活物質の化学組成式Ｌｉ１＋ｘ−ｙNaｙＣｏａＮｉｂＭｎｃＯ２＋ｄが得られる。但し、この場合においても、遷移金属サイトに存在する金属元素の価数に留意すべきである。本発明のリチウム二次電池用活物質は、その組成式において、各元素の価数は、Ｌｉ１＋、Ｍｎ４＋、Ｎｉ２＋、Ｃｏ３＋とはならないように見える。ところが、実際には、各元素の価数は、Ｌｉ１＋、Ｍｎ４＋、Ｎｉ２＋、Ｃｏ３＋であることが、Ｘ線吸収微細構造（ＸＡＦＳ）分析により確認されている。【００３０】
本発明は、α−ＮａＦｅＯ２型結晶構造を有するリチウム遷移金属複合酸化物の固溶体を含有するリチウム二次電池用活物質であって、前記固溶体が含有する金属元素の組成比率が、Ｌｉ１＋ｘ−ｙNaｙＣｏａＮｉｂＭｎｃＯ２＋ｄ（０＜ｙ≦０．１、０．４≦ｃ≦０．７、ｘ＋ａ＋ｂ＋ｃ＝１、０．１≦ｘ≦０．２５、−０．２≦ｄ≦０．２）を満たすことを特徴とするリチウム二次電池用活物質である。【００３１】
一般に、α−ＮａＦｅＯ２型結晶構造を有するリチウム遷移金属複合酸化物を焼成工程を経て合成し、実際に得られた化合物を化学分析して元素組成比を求めると、原料の仕込み組成比から計算される組成に比べて若干（５％程度）変動することが事実として知られている。本発明は、その技術思想又は主要な特徴から逸脱することなく実施することができるものであって、合成によって得られたものの組成が上記組成式と厳密に一致しないことのみをもって本発明の範囲に属さないものと解釈してはならないことはいうまでもない。特に、Ｌｉ量については、焼成工程で揮発されやすいことが知られている。また、酸素原子の係数についても、合成条件等によって変動しうるものであり、厳密に２の場合のみに限られるものではなく、酸素が欠損していることをもって本発明の範囲に属さないものと解釈してはならない。【００３２】
また、本発明の活物質は、Ｌｉ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｎａ、Ｏ以外の元素を含んでいても良く、Ｌｉ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｎａ、Ｏ以外の元素を含んでいる場合においても、本発明の活物質は、前記固溶体を構成する元素のうち、Ｌｉ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｍｎの価数が実質的にそれぞれＬｉ１＋、Ｃｏ３＋、Ｎｉ２＋、Ｍｎ４＋の価数となっていることを要する。なお、電池の充放電に伴って活物質中のＬｉ量が変化すると共に、遷移金属の価数についても変化するが、充放電深度が不明の電池から採取した活物質であっても、ＩＣＰ発光分光分析、Ｘ線回折測定、酸素量分析等の組み合わせにより、その活物質が合成された時点におけるＬｉを含む金属元素比率を知ることができ、もって、その活物質が本発明の技術範囲に属するか否かを判定することが可能である。【００３３】
ここで、Ｌｉ、Ｎａ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ等を含む粉末原料を単に混合物されただけの粉体は、本発明に係る「固溶体」であるとすることができない。これらの材料の単品は、Ｘ線回折測定を行った場合に観察される各格子定数に対応するピーク位置がそれぞれ異なるため、これらの単なる混合物についてＸ線回折測定を行うと、それぞれの単品に対応する回折パターンが得られる。【００３４】
上記のように、「α−ＮａＦｅＯ２型結晶構造を有するリチウム遷移金属複合酸化物の固溶体を含有するリチウム二次電池用活物質であって、前記固溶体が含有する金属元素の組成比率が、Ｌｉ１＋ｘ−ｙNaｙＣｏａＮｉｂＭｎｃＯ２＋ｄ（０＜ｙ≦０．１、０．４≦ｃ≦０．７、ｘ＋ａ＋ｂ＋ｃ＝１、０．１≦ｘ≦０．２５、−０．２≦ｄ≦０．２）を満たす」ことにより、大きな充放電容量を発現できるが、さらに、本発明においては、初期効率を向上させ、低温における放電容量（低温特性）を向上させるために、空間群Ｐ３１１２に帰属可能なＸ線回折パターンを有し、ミラー指数ｈｋｌにおける（００３）面の回折ピークの半値幅が０．３０°以下であり、かつ、（１１４）面の回折ピークの半値幅が０．５０°以下である固溶体を活物質とする。後述の比較例１５に示すように、上記の金属元素の組成比率を満たしても、Ｘ線回折パターンにおいて（００３）面の回折ピークの半値幅が０．３０゜を超える場合、（１１４）面の回折ピークの半値幅が０．５０゜を超える場合には、優れた初期効率、優れた低温特性が得られないばかりか、放電容量（２５℃）までも低下する。【００３５】
また、本発明においては、低温特性を向上させるために、ＸＲＤ回折パターンを基にリートベルト法による結晶構造解析から求められる酸素位置パラメーターが０．２６４以下である固溶体を活物質とすることが好ましい。後述の比較例１６及び１７に示すように、上記の金属元素の組成比率を満たしても、酸素位置パラメーターが０．２６４を超える場合には、優れた低温特性を得ることはできない。
ここで、空間群Ｐ３１１２に帰属される物質について、リートベルト法による結晶構造解析を行うと、酸素に対してはＯ１、Ｏ２、Ｏ３の三つの酸素位置パラメーターが得られる。本発明で規定する酸素位置パラメーターとは、これら三つの酸素位置パラメーターの平均値のことを指し示している。なお、酸素位置パラメーターが０．２６４以下とは、三つの酸素位置パラメーターの平均値が０．２６４５未満であることを表している。【００３６】
なお、本発明に係る前記固溶体のＸ線回折パターンは、空間群Ｐ３１１２に帰属可能なものであるが、これを空間群Ｒ３−ｍに帰属することも不可能ではない。このとき、空間群Ｐ３１１２に帰属した場合における前記（１１４）面の回折ピークは、空間群Ｒ３−ｍに帰属した場合には「（１０４）面の回折ピーク」と読み替える必要がある。ここで、空間群の表記に関し、「Ｒ３−ｍ」は、本来は「３」の上にバー“−”を付して表記すべきところ、本明細書では、便宜上、“Ｒ３−ｍ”と表記することとする。【００３７】
ここで、ｘとして０．１≦ｘ≦０．２５の範囲の値を選択することにより、合成された材料をリチウム二次電池用活物質として用いた場合に比較的高い放電容量を発現できるため、好ましい。ｘやｙの値は、これを採用しようとする電池がどのような電池特性が求められているかを勘案して適宜選択することができる。ｙの値はNa量を表すが、後述する実施例に示すように、Na量は極めて少量であっても、Naを含まない場合と比べて低温特性を向上させる効果が顕著に奏される。逆に、Naは充放電を行ってもＬｉのように挿入・脱離しないことから、過剰に含有させることに益がなく、多く含有させすぎないことが好ましい。ｙの値を種々の変化させた場合の本発明の効果の現れ方は、ｘやａ、ｂ、ｃの値によって異なるから、電池設計に応じて採用するｘやａ、ｂ、ｃの値が決定された上で、これに対して上記技術思想に沿ってｙの値を変化させ、適切なｙの値を採用するとよい。この時、大きな放電容量を得るために、ｃの値を０．４≦ｃ≦０．７とすることが好ましい。
【発明の効果】
【００３８】
本発明によれば、初期効率が高く、放電容量が大きい、なかでも低温における放電容量が大きいリチウム二次電池用活物質を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
本発明のリチウム二次電池用活物質を製造する方法について説明する。【００４０】
本発明のリチウム二次電池用活物質は、基本的に、活物質を構成する金属元素（Ｌｉ，Ｍｎ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｎａ）を目的とする活物質（酸化物）の組成通りに含有する原料を調整し、これを焼成することによって得ることができる。但し、Ｌｉ原料の量については、焼成中にＬｉ原料の一部が消失することを見込んで、１〜５％程度過剰に仕込むことが好ましい。【００４１】
目的とする組成の酸化物を作製するにあたり、Ｌｉ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｎａのそれぞれの塩を混合・焼成するいわゆる「固相法」や、あらかじめＣｏ、Ｎｉ、Ｍｎを一粒子中に存在させた共沈前駆体を作製しておき、これにＬｉ塩及びＮａ塩を混合・焼成する「共沈法」が知られている。「固相法」による合成過程では、特にＭｎはＣｏ、Ｎｉに対して均一に固溶しにくいため、各元素が一粒子中に均一に分布した試料を得ることは困難である。これまで文献などにおいては固相法によってＮｉやＣｏの一部にＭｎを固溶しようという試みが多数なされているが（ＬｉＮｉ１−ｘＭｎｘＯ２など）、「共沈法」を選択する方が原子レベルで均一相を得ることが容易である。そこで、後述する実施例においては、「共沈法」を採用した。【００４２】
共沈前駆体を作製するにあたって、共沈前駆体を得ようとする溶液中を不活性雰囲気とすることが極めて重要である。これは、Ｃｏ、Ｎｉ、ＭｎのうちＭｎは酸化されやすく、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎが２価の状態で均一に分布した共沈水酸化物を作製することが容易ではないため、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎの原子レベルでの均一な混合は不十分なものとなりやすい。特に本発明の組成範囲においては、Ｍｎ比率がＣｏ、Ｎｉ比率に比べて高いので、溶液中を不活性雰囲気とすることはなおさら重要である。後述する実施例では、水溶液中に不活性ガスをバブリングして溶存酸素を除去し、さらに還元剤を同時に滴下した。【００４３】
前記焼成に供する前駆体の調整方法については限定されるものではない。Ｌｉ化合物、Ｍｎ化合物、Ｎｉ化合物、Ｃｏ化合物及びＮａ化合物を単に混合してもよく、溶液中で遷移金属元素を含む水酸化物を共沈させ、これとＬｉ化合物及びＮａ化合物とを混合してもよい。均一な複合酸化物を作製するためには、ＭｎとＮｉとＣｏとの共沈化合物とＬｉ化合物及びＮａ化合物とを混合し、焼成する方法が好ましい。【００４４】
前記共沈水酸化物前駆体の作製は、ＭｎとＮｉとＣｏが均一に混合された化合物であることが好ましい。ただし前駆体は水酸化物に限定されるものではなく、他にも炭酸塩、クエン酸塩などの元素が原子レベルで均一に存在した難溶性塩であれば水酸化物と同様に使用することができる。また、錯化剤を用いた晶析反応等を用いることによって、より嵩密度の大きな前駆体を作製することもできる。その際、Ｌｉ源、Ｎａ源と混合・焼成することでより高密度かつ比表面積の小さな活物質を得ることができるので電極面積あたりのエネルギー密度を向上させることができる。【００４５】
前記共沈水酸化物前駆体の原料は、Ｍｎ化合物としては酸化マンガン、炭酸マンガン、硫酸マンガン、硝酸マンガン、酢酸マンガン等を、Ｎｉ化合物としては、水酸化ニッケル、炭酸ニッケル、硫酸ニッケル、硝酸ニッケル、酢酸ニッケル等を、Ｃｏ化合物としては、硫酸コバルト、硝酸コバルト、酢酸コバルト等を一例として挙げることができる。【００４６】
前記共沈水酸化物前駆体の作製に用いる原料としては、アルカリ水溶液と沈殿反応を形成するものであればどのような形態のものでも使用することができるが、好ましくは溶解度の高い金属塩を用いるとよい。【００４７】
前記共沈水酸化物前駆体を作製するための沈澱反応において、原料水溶液の滴下スピードを制御することにより、前記固溶体の酸素位置パラメーターを変化させることが可能である。後述の実施例３９及び４０のように、原料水溶液の滴下スピードを早くすると酸素位置パラメーターの値は大きくなる。しかしながら、原料水溶液の滴下スピードを上げすぎると、比較例１６のように酸素位置パラメーターが０．２６４より大きくなりすぎるために低温特性の低下を招く。さらには、元素レベルで均一な前駆体が得られなくり、前駆体中の元素分布が明らかに不均一となることで、焼成後の元素の分布も不均一なものとなり、十分な充放電特性を発揮できなくなる。従って、低温特性に優れた活物質を得るためには原料水溶液の滴下スピードの制御が重要であり、１０ｍｌ／ｍｉｎ以下であることが好ましい。【００４８】
本発明におけるリチウム二次電池用活物質は前記共沈水酸化物前駆体とＬｉ化合物及びＮａ化合物とを混合した後、熱処理することで好適に作製することができる。Ｌｉ化合物としては、水酸化リチウム、炭酸リチウム、硝酸リチウム、酢酸リチウム等を、Ｎａ化合物としては、炭酸ナトリウム、硝酸ナトリウム、酢酸ナトリウム等を用いることで好適に製造することができる。【００４９】
充放電容量が大きく、なかでも低温における充放電容量が大きく（低温特性が改善され）、かつ、初期効率が改善された活物質を得るにあたって、焼成温度の選択は極めて重要である。【００５０】
焼成温度が高すぎると、得られた活物質が酸素放出反応を伴って崩壊すると共に、主相の六方晶に加えて単斜晶のＬｉ［Ｌｉ１／３Ｍｎ２／３］Ｏ２型に規定される相が、固溶相としてではなく、分相して観察される傾向があり、このような材料は、活物質の可逆容量が大きく減少するので好ましくない。従って、焼成温度は、活物質の酸素放出反応の影響する温度未満とすることが重要である。活物質の酸素放出温度は、本発明に係る組成範囲においては、概ね１０００℃以上であるが、活物質の組成によって酸素放出温度に若干の差があるので、あらかじめ活物質の酸素放出温度を確認しておくことが好ましい。特に試料に含まれるＣｏ量が多いほど前駆体の酸素放出温度は低温側にシフトすることが確認されているので注意が必要である。活物質の酸素放出温度を確認する方法としては、焼成反応過程をシミュレートするために、共沈前駆体とＬｉＯＨ・Ｈ２Ｏ及びＮａ２ＣＯ３を混合したものを熱重量分析（ＤＴＡ−ＴＧ測定）に供してもよいが、この方法では測定機器の試料室に用いている白金が揮発したＬｉ成分により腐食されて機器を痛めるおそれがあるので、あらかじめ５００℃程度の焼成温度を採用してある程度結晶化を進行させた組成物を熱重量分析に供するのが良い。【００５１】
一方、焼成温度が低すぎると、結晶化が十分に進まず、活物質特性も大きく低下するので好ましくない。焼成温度は少なくとも７００℃以上とすることが必要である。十分に結晶化させることは結晶粒界の抵抗を軽減し、円滑なリチウムイオン輸送を促すために重要である。結晶化の度合いの見極め方として走査型電子顕微鏡を用いた視覚的な観察が挙げられる。本発明の正極活物質について走査型電子顕微鏡観察を行ったところ、試料合成温度が７００℃以下ではナノオーダーの一次粒子から形成されているものであったが、さらに試料合成温度を上昇させることでサブミクロン程度まで結晶化するものであり、活物質特性向上につながる大きな一次粒子を得られるものであった。【００５２】
一方、もう一つ、結晶化の度合いを示すものとして先に述べたＸ線回折ピークの半値幅がある。本発明において、低温特性を改善するためには、空間群Ｐ３１１２に帰属されるＸ線回折パターンにおいて（００３）面の回折ピークの半値幅を０．３０゜以下とし、かつ、（１１４）面の回折ピークの半値幅を０．５０゜以下とすることが必要である。（００３）面の回折ピークの半値幅は０．１７°〜０．３０゜が好ましく、（１１４）面の回折ピークの半値幅は０．３５°〜０．５０゜が好ましい。リチウム遷移金属複合酸化物の固溶体が含有する金属元素の組成比率が、Ｌｉ１＋ｘ−ｙNaｙＣｏａＮｉｂＭｎｃＯ２＋ｄ（０＜ｙ≦０．１、０．４≦ｃ≦０．７、ｘ＋ａ＋ｂ＋ｃ＝１、０．１≦ｘ≦０．２５、−０．２≦ｄ≦０．２）を満たし、半値幅が上記の範囲にある活物質は、後述の実施例１〜３５に示されるように、放電容量が顕著に増大し、初期効率が向上し、優れた低温特性を示すが、このような効果は、従来技術から予測し得ないものである。活物質の組成が同一でも、（００３）面の回折ピークの半値幅が０．３０゜を超える場合、（１１４）面の回折ピークの半値幅が０．５０゜を超える場合には、後述の比較例１５に示されるように、初期効率が低下すると共に、低温特性も低下する。【００５３】
（００３）面の回折ピークの半値幅を０．３０゜以下、（１１４）面の回折ピークの半値幅を０．５０゜以下とするためには、焼成温度を高くする必要がある。
上記のように、好ましい焼成温度は、活物質の酸素放出温度により異なるから、一概に焼成温度の好ましい範囲を設定することは難しいが、８００℃から１０５０℃であれば高い特性を発揮することができるので好ましい。【００５４】
しかし、主相の回折ピークの半値幅が小さくなる合成温度を選択するだけでは、可逆容量が大きな活物質を得るには必ずしも十分ではない。というのも、回折ピークの半値幅は結晶格子の不整合の度合いを表すひずみの量と、最小のドメインである結晶子のサイズという二つの因子によって支配されるものであり、半値幅から結晶性の度合いを見極めるにはこれらを分離して捉える必要がある。発明者らは、本発明活物質の半値幅を詳細に解析することで７００℃までの温度で合成した試料においては格子内にひずみが残存しており、それ以上の温度で合成することでほとんどひずみを除去することができることを確認した。また、結晶子のサイズは合成温度が上昇するに比例して大きくなるものであった。よって、本発明活物質の組成においても、系内に格子のひずみがほとんどなく、かつ結晶子サイズが十分成長した粒子を志向することで良好な放電容量を得られるものであった。具体的には、格子定数に及ぼすひずみ量が２％以下、かつ結晶子サイズが１００ｎｍ以上に成長しているような合成温度（焼成温度）を採用することが好ましいことがわかった。これらを電極として成型して充放電をおこなうことで膨張収縮による変化も見られるが、充放電過程においても結晶子サイズは５０ｎｍ以上を保っていることが得られる効果として好ましい。即ち、焼成温度を上記した活物質の酸素放出温度にできる限り近付けるように選択することにより、はじめて、初期効率に優れ、可逆容量の大きな活物質を得ることができる。
また、初期効率を改善するためにも、結晶子サイズはできるだけ大きいことが好ましい。【００５５】
本発明に係るリチウム二次電池に用いる非水電解質は、限定されるものではなく、一般にリチウム電池等への使用が提案されているものが使用可能である。非水電解質に用いる非水溶媒としては、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ブチレンカーボネート、クロロエチレンカーボネート、ビニレンカーボネート等の環状炭酸エステル類；γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン等の環状エステル類；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等の鎖状カーボネート類；ギ酸メチル、酢酸メチル、酪酸メチル等の鎖状エステル類；テトラヒドロフランまたはその誘導体；１，３−ジオキサン、１，４−ジオキサン、１，２−ジメトキシエタン、１，４−ジブトキシエタン、メチルジグライム等のエーテル類；アセトニトリル、ベンゾニトリル等のニトリル類；ジオキソランまたはその誘導体；エチレンスルフィド、スルホラン、スルトンまたはその誘導体等の単独またはそれら２種以上の混合物等を挙げることができるが、これらに限定されるものではない。【００５６】
非水電解質に用いる電解質塩としては、例えば、ＬｉＣｌＯ４，ＬｉＢＦ４，ＬｉＡｓＦ６，ＬｉＰＦ６，ＬｉＳＣＮ，ＬｉＢｒ，ＬｉＩ，Ｌｉ２ＳＯ４，Ｌｉ２Ｂ１０Ｃｌ１０，ＮａＣｌＯ４，ＮａＩ，ＮａＳＣＮ，ＮａＢｒ，ＫＣｌＯ４，ＫＳＣＮ等のリチウム（Ｌｉ）、ナトリウム（Ｎａ）またはカリウム（Ｋ）の１種を含む無機イオン塩、ＬｉＣＦ３ＳＯ３，ＬｉＮ（ＣＦ３ＳＯ２）２，ＬｉＮ（Ｃ２Ｆ５ＳＯ２）２，ＬｉＮ（ＣＦ３ＳＯ２）（Ｃ４Ｆ９ＳＯ２），ＬｉＣ（ＣＦ３ＳＯ２）３，ＬｉＣ（Ｃ２Ｆ５ＳＯ２）３，（ＣＨ３）４ＮＢＦ４，（ＣＨ３）４ＮＢｒ，（Ｃ２Ｈ５）４ＮＣｌＯ４，（Ｃ２Ｈ５）４ＮＩ，（Ｃ３Ｈ７）４ＮＢｒ，（ｎ−Ｃ３Ｈ９）４ＮＣｌＯ４，（ｎ−Ｃ４Ｈ９）４ＮＩ，（Ｃ２Ｈ５）４Ｎ−ｍａｌｅａｔｅ，（Ｃ２Ｈ５）４Ｎ−ｂｅｎｚｏａｔｅ，（Ｃ２Ｈ５）４Ｎ−ｐｈｔａｌａｔｅ、ステアリルスルホン酸リチウム、オクチルスルホン酸リチウム、ドデシルベンゼンスルホン酸リチウム等の有機イオン塩等が挙げられ、これらのイオン性化合物を単独、あるいは２種類以上混合して用いることが可能である。【００５７】
さらに、ＬｉＢＦ４とＬｉＮ（Ｃ２Ｆ５ＳＯ２）２のようなパーフルオロアルキル基を有するリチウム塩とを混合して用いることにより、さらに電解質の粘度を下げることができるので、低温特性をさらに高めることができ、また、自己放電を抑制することができ、より望ましい。【００５８】
また、非水電解質として常温溶融塩やイオン液体を用いてもよい。【００５９】
非水電解質における電解質塩の濃度としては、高い電池特性を有する非水電解質電池を確実に得るために、０．１ｍｏｌ／ｌ〜５ｍｏｌ／ｌが好ましく、さらに好ましくは、０．５ｍｏｌ／ｌ〜２．５ｍｏｌ／ｌである。【００６０】
負極材料としては、限定されるものではなく、リチウムイオンを析出あるいは吸蔵することのできる形態のものであればどれを選択してもよい。例えば、Ｌｉ［Ｌｉ１／３Ｔｉ５／３］Ｏ４に代表されるスピネル型結晶構造を有するチタン酸リチウム等のチタン系材料、ＳｉやＳｂ，Ｓｎ系などの合金系材料リチウム金属、リチウム合金（リチウム−シリコン、リチウム−アルミニウム，リチウム−鉛，リチウム−スズ，リチウム−アルミニウム−スズ，リチウム−ガリウム，及びウッド合金等のリチウム金属含有合金）、リチウム複合酸化物（リチウム−チタン）、酸化珪素の他、リチウムを吸蔵・放出可能な合金、炭素材料（例えばグラファイト、ハードカーボン、低温焼成炭素、非晶質カーボン等）等が挙げられる。【００６１】
正極活物質の粉体および負極材料の粉体は、平均粒子サイズ１００μｍ以下であることが望ましい。特に、正極活物質の粉体は、非水電解質電池の出力特性を向上する目的で１０μｍ以下であることが望ましい。粉体を所定の形状で得るためには粉砕機や分級機が用いられる。例えば乳鉢、ボールミル、サンドミル、振動ボールミル、遊星ボールミル、ジェットミル、カウンタージェトミル、旋回気流型ジェットミルや篩等が用いられる。粉砕時には水、あるいはヘキサン等の有機溶剤を共存させた湿式粉砕を用いることもできる。分級方法としては、特に限定はなく、篩や風力分級機などが、乾式、湿式ともに必要に応じて用いられる。【００６２】
以上、正極及び負極の主要構成成分である正極活物質及び負極材料について詳述したが、前記正極及び負極には、前記主要構成成分の他に、導電剤、結着剤、増粘剤、フィラー等が、他の構成成分として含有されてもよい。【００６３】
導電剤としては、電池性能に悪影響を及ぼさない電子伝導性材料であれば限定されないが、通常、天然黒鉛（鱗状黒鉛，鱗片状黒鉛，土状黒鉛等）、人造黒鉛、カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、カーボンウイスカー、炭素繊維、金属（銅，ニッケル，アルミニウム，銀，金等）粉、金属繊維、導電性セラミックス材料等の導電性材料を１種またはそれらの混合物として含ませることができる。【００６４】
これらの中で、導電剤としては、電子伝導性及び塗工性の観点よりアセチレンブラックが望ましい。導電剤の添加量は、正極または負極の総重量に対して０．１重量％〜５０重量％が好ましく、特に０．５重量％〜３０重量％が好ましい。特にアセチレンブラックを０．１〜０．５μｍの超微粒子に粉砕して用いると必要炭素量を削減できるため望ましい。これらの混合方法は、物理的な混合であり、その理想とするところは均一混合である。そのため、Ｖ型混合機、Ｓ型混合機、擂かい機、ボールミル、遊星ボールミルといったような粉体混合機を乾式、あるいは湿式で混合することが可能である。【００６５】
前記結着剤としては、通常、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ），ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ），ポリエチレン，ポリプロピレン等の熱可塑性樹脂、エチレン−プロピレン−ジエンターポリマー（ＥＰＤＭ），スルホン化ＥＰＤＭ，スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）、フッ素ゴム等のゴム弾性を有するポリマーを１種または２種以上の混合物として用いることができる。結着剤の添加量は、正極または負極の総重量に対して１〜５０重量％が好ましく、特に２〜３０重量％が好ましい。【００６６】
フィラーとしては、電池性能に悪影響を及ぼさない材料であれば何でも良い。通常、ポリプロピレン，ポリエチレン等のオレフィン系ポリマー、無定形シリカ、アルミナ、ゼオライト、ガラス、炭素等が用いられる。フィラーの添加量は、正極または負極の総重量に対して添加量は３０重量％以下が好ましい。【００６７】
正極及び負極は、前記主要構成成分（正極においては正極活物質、負極においては負極材料）、およびその他の材料を混練することにより合剤とし、Ｎ−メチルピロリドン，トルエン等の有機溶媒に混合させた後、得られた混合液を下記に詳述する集電体の上に塗布し、または圧着して５０℃〜２５０℃程度の温度で、２時間程度加熱処理することにより好適に作製される。前記塗布方法については、例えば、アプリケーターロールなどのローラーコーティング、スクリーンコーティング、ドクターブレード方式、スピンコーティング、バーコーター等の手段を用いて任意の厚さ及び任意の形状に塗布することが望ましいが、これらに限定されるものではない。【００６８】
セパレーターとしては、優れた高率放電性能を示す多孔膜や不織布等を、単独あるいは併用することが好ましい。非水電解質電池用セパレーターを構成する材料としては、例えばポリエチレン，ポリプロピレン等に代表されるポリオレフィン系樹脂、ポリエチレンテレフタレート，ポリブチレンテレフタレート等に代表されるポリエステル系樹脂、ポリフッ化ビニリデン、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、フッ化ビニリデン−パーフルオロビニルエーテル共重合体、フッ化ビニリデン−テトラフルオロエチレン共重合体、フッ化ビニリデン−トリフルオロエチレン共重合体、フッ化ビニリデン−フルオロエチレン共重合体、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロアセトン共重合体、フッ化ビニリデン−エチレン共重合体、フッ化ビニリデン−プロピレン共重合体、フッ化ビニリデン−トリフルオロプロピレン共重合体、フッ化ビニリデン−テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、フッ化ビニリデン−エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体等を挙げることができる。【００６９】
セパレーターの空孔率は強度の観点から９８体積％以下が好ましい。また、充放電特性の観点から空孔率は２０体積％以上が好ましい。【００７０】
また、セパレーターは、例えばアクリロニトリル、エチレンオキシド、プロピレンオキシド、メチルメタアクリレート、ビニルアセテート、ビニルピロリドン、ポリフッ化ビニリデン等のポリマーと電解質とで構成されるポリマーゲルを用いてもよい。非水電解質を上記のようにゲル状態で用いると、漏液を防止する効果がある点で好ましい。【００７１】
さらに、セパレーターは、上述したような多孔膜や不織布等とポリマーゲルを併用して用いると、電解質の保液性が向上するため望ましい。即ち、ポリエチレン微孔膜の表面及び微孔壁面に厚さ数μｍ以下の親溶媒性ポリマーを被覆したフィルムを形成し、前記フィルムの微孔内に電解質を保持させることで、前記親溶媒性ポリマーがゲル化する。【００７２】
前記親溶媒性ポリマーとしては、ポリフッ化ビニリデンの他、エチレンオキシド基やエステル基等を有するアクリレートモノマー、エポキシモノマー、イソシアナート基を有するモノマー等が架橋したポリマー等が挙げられる。該モノマーは、ラジカル開始剤を併用して加熱や紫外線（ＵＶ）を用いたり、電子線（ＥＢ）等の活性光線等を用いて架橋反応を行わせることが可能である。【００７３】
リチウム二次電池の構成については特に限定されるものではなく、正極、負極及びロール状のセパレーターを有する円筒型電池、角型電池、扁平型電池等が一例として挙げられる。
【実施例】
【００７４】
（実施例１）
硫酸コバルト７水和物６．３２００ｇ、硫酸ニッケル６水和物１４．７７３ｇ、硫酸マンガン５水和物２９．８１１ｇ秤量し、イオン交換水３００ｍｌに溶解させＣｏ；Ｎｉ：Ｍｎのモル比が０．１：０．２５：０．５５となる０．６７Ｍの硫酸塩水溶液を作製した。また、ヒドラジン６ｇをイオン交換水に溶解させた７５０ｍｌの溶液を作製し２ｌの反応槽に移した。その状態でＡｒガスを３０ｍｉｎバブリングさせ、溶液内の溶存酸素を十分取り除いた。５０℃に設定した反応槽中に硫酸塩水溶液を３ｍｌ／ｍｉｎの速度で滴下していき、その間反応槽を７００ｒｐｍの回転速度で攪拌を続けた。また、反応槽中のｐＨが１１．５を保つように８Ｍの水酸化ナトリウム水溶液を加えた。硫酸塩水溶液の滴下終了後、攪拌を止めた状態で１２ｈ以上静止することで共沈水酸化物を十分粒子成長させた。次に、吸引ろ過により共沈生成物を取り出し、イオン交換水を用いて付着した水酸化ナトリウムを除去し、空気雰囲気中、常圧下、オーブンで１００℃にて乾燥させた。乾燥後、粒径を揃えるように、乳鉢で数分間粉砕し、乾燥粉末を得た。【００７５】
この共沈水酸化物を１．７９７０ｇ秤量し、水酸化リチウム１水和物１．００９９ｇ、炭酸ナトリウム０．０１２１ｇ加えることで、Ｌｉ：Ｎａ：（Ｃｏ，Ｎｉ，Ｍｎ）のモル比が１．０９：０．０１：０．９０となる混合粉体を調製した。これらを乳鉢を用いてよく混合した後、６ＭＰａの圧力で成型することにより直径２５ｍｍのペレットを作製した。ペレット成型に供したそれぞれの前駆体粉末の量は、合成後の生成物としての質量が２ｇとなるように換算して決定した。作製したペレットを全長約１００ｍｍのアルミナ製ボートに載置し、箱型電気炉に入れ空気雰囲気中、常圧下１０００℃で１２ｈ焼成した。前記箱型電気炉の内部寸法は、縦１０ｃｍ、幅２０ｃｍ、奥行き３０ｃｍであり、幅方向２０ｃｍ間隔に電熱線が入っている。焼成後、ヒーターのスイッチを切り、アルミナ製ボートを炉内に置いたまま自然放冷した。この結果、炉の温度は５時間後には約２００℃程度にまで低下するが、その後の降温速度はやや緩やかである。一昼夜経過後、炉の温度が１００℃以下となっていることを確認してから、ペレットを取り出し、乳鉢を用いて粒径を揃える程度に粉砕した。【００７６】
得られた活物質の結晶構造は、ＣｕＫα管球を用いた粉末Ｘ線回折測定の結果、α−ＮａＦｅＯ２型の六方晶構造が主相として確認されると共に、一部Ｌｉ［Ｌｉ１／３Ｍｎ２／３］Ｏ２型の単斜晶にみられる２０〜３０°付近の回折ピークが観察された。これらのすべての回折線についてリートベルト法による結晶構造解析をおこなったところ、空間群Ｐ３１１２に帰属される結晶構造モデルとよく一致するものであった。その際の（００３）面および（１１４）面の回折ピークにおける半値幅は０．２０°および０．４０°であった。
また、流動法窒素ガス吸着法を用いたＢＥＴ一点法による比表面積測定（ユアサアイオニクス株式会社製  ＱＵＡＮＴＡ  ＣＨＲＯＭＥ）の結果、活物質比表面積は２．５ｍ２／ｇであった。
後述の方法により求めた酸素位置パラメーターは０．２６３であった。【００７７】
（実施例２〜３１）
共沈水酸化物前駆体が含有する金属元素の組成、水酸化リチウム一水和物及び炭酸ナトリウムの混合量について、表１の実施例２〜３１に示す組成式に沿って変更した他は、実施例１と同様にして、本発明に係る活物質を合成した。【００７８】
ＣｕＫα管球を用いた粉末Ｘ線回折測定の結果、実施例１と同様に、α−ＮａＦｅＯ２型の六方晶構造が主相として確認されると共に、一部Ｌｉ［Ｌｉ１／３Ｍｎ２／３］Ｏ２型の単斜晶にみられる２０〜３０°付近の回折ピークが観察された。これらのすべての回折線についてリートベルト法による結晶構造解析をおこなったところ、空間群Ｐ３１１２に帰属される結晶構造モデルとよく一致するものであった。また、１８．６±１°における回折ピークから（００３）面の回折ピークの半値幅を求めたところ、０．１９〜０．２１°であり、４４．１±１°における回折ピークから（１１４）面の回折ピークの半値幅は０．３９〜０．４１°であった。
また、流動法窒素ガス吸着法を用いたＢＥＴ一点法による比表面積測定の結果、活物質比表面積は２．３〜２．７ｍ２／ｇに収束した。
後述の方法により求めた酸素位置パラメーターは０．２６１〜０．２６３に収束した。【００７９】
（実施例３２〜３４）
共沈水酸化物前駆体が含有する金属元素の組成、水酸化リチウム一水和物及び炭酸ナトリウムの混合量について、表１の実施例１０に示す組成式に統一し、ペレットの焼成温度を変更した他は、実施例１と同様にして、本発明に係る活物質を合成した。実施例３２においては焼成温度を１０５０℃、実施例３３においては焼成温度を９００℃、実施例３４においては焼成温度を８００℃とした。【００８０】
ＣｕＫα管球を用いた粉末Ｘ線回折測定の結果、すべて実施例１と同様に、α−ＮａＦｅＯ２型の六方晶構造が主相として確認されると共に、一部Ｌｉ［Ｌｉ１／３Ｍｎ２／３］Ｏ２型の単斜晶にみられる２０°〜３０°付近の回折ピークが観察された。これらのすべての回折線についてリートベルト法による結晶構造解析をおこなったところ、空間群Ｐ３１１２に帰属される結晶構造モデルとよく一致するものであった。これらＸ線回折パターンにおいて(００３)面、(１１４)面の回折ピークにおける半値幅が大きく変化したが、(００３)回折ピークに関しては０．３０°以下、(１１４)回折ピークに関しては０．５０°以下であった。
また、流動法窒素ガス吸着法を用いたＢＥＴ一点法による比表面積測定の結果、活物質比表面積は３．７ｍ２／ｇ以下に収束した。
後述の方法により求めた酸素位置パラメーターはいずれも０．２６２であった。【００８１】
（実施例３５〜３８）
共沈水酸化物前駆体が含有する金属元素の組成、水酸化リチウム一水和物および炭酸ナトリウムの混合量について、表１の実施例１０に示す組成式に統一し、焼成後に得られた活物質についてボールミル粉砕処理をおこなった他は、実施例１と同様にして、本発明に係る活物質を合成した。ボールミル粉砕処理の条件は、大きさ１０ｍｍφのアルミナ製ボールを用い、１５０ｒｐｍの回転速度にて、実施例３５においては５ｍｉｎ、実施例３６においては１０ｍｉｎ、実施例３７においては２０ｍｉｎおよび実施例３８においては３０ｍｉｎの処理時間でおこなった。【００８２】
ＣｕＫα管球を用いた粉末Ｘ線回折測定の結果、すべて実施例１と同様に、α−ＮａＦｅＯ２型の六方晶構造が主相として確認されると共に、一部Ｌｉ［Ｌｉ１／３Ｍｎ２／３］Ｏ２型の単斜晶にみられる２０°〜３０°付近の回折ピークが観察された。これらのすべての回折線についてリートベルト法による結晶構造解析をおこなったところ、空間群Ｐ３１１２に帰属される結晶構造モデルとよく一致するものであった。これらＸ線回折パターンにおいて(００３)面、(１１４)面の回折ピークにおける半値幅が変化したが、(００３)回折ピークに関しては０．２３°以下、(１１４)回折ピークに関しては０．４５°以下であった。
また、流動法窒素ガス吸着法を用いたＢＥＴ一点法による比表面積測定の結果、それぞれに顕著な差が認められたものの、６．１ｍ２／ｇ以下の値に収束した。【００８３】
（実施例３９〜４０）
共沈水酸化物前駆体が含有する金属元素の組成、水酸化リチウム一水和物および炭酸ナトリウムの混合量について、表１の実施例１０に示す組成式に統一し、共沈水酸化物の作製の際に滴下する硫酸塩水溶液の滴下速度を変更した他は、実施例１と同様にして、本発明に係る活物質を合成した。硫酸塩水溶液の滴下速度は実施例３９において５ｍｌ／ｍｉｎ、実施例４０において１０ｍｌ／ｍｉｎとした。【００８４】
ＣｕＫα管球を用いた粉末Ｘ線回折測定の結果、すべて実施例１と同様に、α−ＮａＦｅＯ２型の六方晶構造が主相として確認されると共に、一部Ｌｉ［Ｌｉ１／３Ｍｎ２／３］Ｏ２型の単斜晶にみられる２０°〜３０°付近の回折ピークが観察された。これらのすべての回折線についてリートベルト法による結晶構造解析をおこなったところ、空間群Ｐ３１１２に帰属される結晶構造モデルとよく一致するものであった。これらＸ線回折パターンにおいて、実施例３９では(００３)面の回折ピークの半値幅は０．１７°、(１１４)面の回折ピークの半値幅は０．３６°、実施例４０では(００３)面の半値幅は０．２３°、(１１４)面の半値幅は０．４５°であった。
また、後述の方法により求めた酸素位置パラメーターは実施例３９において０．２６３、実施例４０において０．２６４であった。【００８５】
（比較例１〜１４）
共沈水酸化物前駆体が含有する金属元素の組成、水酸化リチウム一水和物および炭酸ナトリウムの混合量について、表１の比較例１〜１４に示す組成式に沿って変更した他は、実施例１と同様にして、それぞれの活物質を合成した。【００８６】
ＣｕＫα管球を用いた粉末Ｘ線回折測定の結果、比較例１，２および５〜１４においては実施例１と同様に、α−ＮａＦｅＯ２型の六方晶構造が主相として確認されると共に、一部Ｌｉ［Ｌｉ１／３Ｍｎ２／３］Ｏ２型の単斜晶にみられる２０〜３０°付近の回折ピークが観察された。これらのすべての回折線についてリートベルト法による結晶構造解析をおこなったところ、空間群Ｐ３１１２に帰属される結晶構造モデルとよく一致するものであった。比較例３，４についてはＬｉ［Ｌｉ１／３Ｍｎ２／３］Ｏ２型の単斜晶にみられる２０〜３０°付近の回折ピークが観察されず、空間群はより対称性の高いＲ−３ｍとして帰属可能なものであった。
実施例１と同様に、これらＸ線回折パターンにおいて(００３)面、(１１４)面の回折ピークにおける半値幅が変化したが、(００３)回折ピークに関しては０．２１°以下、(１１４)回折ピークに関しては０．４１°以下であった。ただし、比較例３，４における（１１４）回折ピークは空間群Ｒ−３ｍにおける（１０４）回折ピークに対応するものである。
また、流動法窒素ガス吸着法を用いたＢＥＴ一点法による比表面積測定の結果、活物質比表面積は２．６ｍ２／ｇ以下に収束した。
後述の方法により求めた酸素位置パラメーターは比較例３、４において０．２６６〜０．２６７、および比較例１，２、５〜１４においてすべて０．２６２であった。【００８７】
（比較例１５）
共沈水酸化物前駆体が含有する金属元素の組成、水酸化リチウム一水和物および炭酸ナトリウムの混合量について、表１の実施例１０に示す組成式に統一し、ペレットの焼成温度を７００℃に変更した他は、実施例１と同様にして、活物質を合成した。【００８８】
ＣｕＫα管球を用いた粉末Ｘ線回折測定の結果、実施例１と同様に、α−ＮａＦｅＯ２型の六方晶構造が主相として確認されると共に、一部Ｌｉ［Ｌｉ１／３Ｍｎ２／３］Ｏ２型の単斜晶にみられる２０〜３０°付近の回折ピークが観察された。これらのすべての回折線についてリートベルト法による結晶構造解析をおこなったところ、空間群Ｐ３１１２に帰属される結晶構造モデルとよく一致するものであった。このＸ線回折パターンにおいて(００３)面、(１１４)面の回折ピークにおける半値幅はそれぞれ０．３２°、０．５４°であった。
また、流動法窒素ガス吸着法を用いたＢＥＴ一点法による比表面積測定の結果、活物質比表面積は４．５ｍ２／ｇであった。
後述の方法により求めた酸素位置パラメーターは０．２６２であった。【００８９】
（比較例１６）
共沈水酸化物前駆体が含有する金属元素の組成、水酸化リチウム一水和物および炭酸ナトリウムの混合量について、表１の実施例１０に示す組成式に統一し、共沈水酸化物作製の際に滴下する硫酸塩の滴下速度を６０ｍｌ／ｍｉｎに変更した他は、実施例１と同様にして合成した。【００９０】
ＣｕＫα管球を用いた粉末Ｘ線回折測定の結果、実施例１と同様に、α−ＮａＦｅＯ２型の六方晶構造が主相として確認されると共に、一部Ｌｉ［Ｌｉ１／３Ｍｎ２／３］Ｏ２型の単斜晶にみられる２０°〜３０°付近の回折ピークが観察された。これらのすべての回折線についてリートベルト法による結晶構造解析をおこなったところ、空間群Ｐ３１１２に帰属される結晶構造モデルとよく一致するものであった。このＸ線回折パターンにおいて(００３)面、(１１４)面の回折ピークにおける半値幅が変化したが、(００３)回折ピークに関しては０．２３°、(１１４)回折ピークに関しては０．４４°であった。
また、後述の方法により求めた酸素位置パラメーターは０．２６６であった。【００９１】
（比較例１７）
共沈水酸化物前駆体を経由せずに、金属元素（Ｃｏ，Ｎｉ，Ｍｎ）原料として水酸化コバルト、水酸化ニッケル、二酸化マンガンの粉末を用い、これらを水酸化リチウム一水和物および炭酸ナトリウムと混合・焼成する固相法により、表１の実施例１０に示す組成の活物質を得た。なお、共沈前駆体を作製する工程以外は実施例１と同様にして合成した。【００９２】
ＣｕＫα管球を用いた粉末Ｘ線回折測定の結果、実施例１と同様に、α−ＮａＦｅＯ２型の六方晶構造が主相として確認されると共に、一部Ｌｉ［Ｌｉ１／３Ｍｎ２／３］Ｏ２型の単斜晶にみられる２０°〜３０°付近の回折ピークが観察された。これらのすべての回折線についてリートベルト法による結晶構造解析をおこなったところ、空間群Ｐ３１１２に帰属される結晶構造モデルとよく一致するものであった。このＸ線回折パターンにおいて半値幅は(００３)回折ピークに関しては０．２１°、(１１４)回折ピークに関しては０．４２°であった。
また、後述の方法により求めた酸素位置パラメーターは０．２６７であった。【００９３】
（リチウム二次電池の作製）
実施例１〜４０及び比較例１〜１７のそれぞれの活物質をリチウム二次電池用正極活物質として用いて以下の手順でリチウム二次電池を作製し、電池特性を評価した。【００９４】
活物質、アセチレンブラック（ＡＢ）及びポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）を重量比８５：８：７の割合で混合し、分散媒としてＮ−メチルピロリドンを加えて混練分散し、塗布液を調製した。なお、ＰＶｄＦは固形分が溶解分散された液を用い、固形重量換算した。該塗布液を厚さ２０μｍのアルミニウム箔集電体に塗布し、正極板を作製した。なお、全ての電池において同様の試験条件となるよう電極重量、厚みは統一した。【００９５】
対極には、正極の単独挙動を観察する目的のため、リチウム金属を負極とした。リチウム金属はニッケル箔集電体に密着させた。ただし、リチウム二次電池の容量が十分正極規制となるよう調製した。【００９６】
電解液にはＬｉＰＦ６をＥＣ／ＥＭＣ／ＤＭＣが体積比６：７：７である混合溶媒に濃度が１ｍｏｌ／ｌとなるよう溶解させたものを用いた。セパレーターにはポリアクリレートで表面改質して電解質の保持性を向上させたポリプロピレン製の微孔膜を用いた。また、ニッケル板にリチウム金属箔を貼り付けたものを参照極として用いた。外装体には、ポリエチレンテレフタレート（１５μｍ）／アルミニウム箔（５０μｍ）／金属接着性ポリプロピレンフィルム（５０μｍ）からなる金属樹脂複合フィルムを用いた。露点−４０℃以下のドライルームにおいて、端子、負極端子および参照極端子の開放端部が外部露出するように電極を収納し、前記金属樹脂複合フィルムの内面同士が向かい合った融着代を注液孔となる部分を除いて気密封止した。注液孔から、作製した電池が液不足とならない十分な量の上記電解液を、各電池に対して同じ量注液した後、注液孔を減圧熱封孔することでリチウム二次電池を作製した。【００９７】
（初期充放電工程）
上記のようにして、各実施例及び比較例の活物質に対して複数個作製したリチウム二次電池を、２５℃の環境下において初期充放電工程に供した。電圧制御は全て正極電位に対して行った。充電は、電流０．１ＩｔＡ、電圧４．６Ｖの定電流定電圧充電とし、充電終止条件は電流値が１／６に減衰した時点とした。放電は、電流０．１ＩｔＡ、終止電圧２．０Ｖの定電流放電とした。このサイクルを２回行った。その際に充電後及び放電後にそれぞれ３０分の休止時間を設定した。このときの１回目の「（放電電気量）／（充電電気量）×１００」で示される百分率を「初期効率（％）」として記録した。【００９８】
（充放電試験）
続いて、充電電圧を変更した充放電試験を行った。電圧制御は全て正極電位に対して行った。充電電圧を４．３Ｖ（ｖｓ．Ｌｉ／Ｌｉ＋）としたことを除いては前記初期充放電工程の条件と同一である。充電後及び放電後には３０分の休止時間を設定した。このときの放電電気量を「放電容量（ｍＡｈ／ｇ）」として記録した。【００９９】
（酸素位置パラメーターの測定）
初期充放電工程に供したリチウム電池から、各実施例及び比較例のリチウム電池を一つずつ抜き出し、活物質の酸素位置パラメーターの測定に使用した。まず、Ａｒボックス内で電池外装体から正極板を取り出し、ＤＭＣに浸して正極板に付着した電解液を洗い流した後、乾燥させた。この正極板を、合剤が集電体に接着した状態でＸ線回折測定を行った。得られたすべての回折線についてリートベルト法による結晶構造解析を実施した。リートベルト解析に使うプログラムはRIETAN-2000（Izumi et al., Mat. Sci. Forum,
321-324, 198 (2000)）を用いた。正極活物質の結晶構造モデルを空間群Ｐ３１１２とし、各原子位置において、座標、酸素パラメーター、および等方性熱振動パラメーターを精密化した。実データは１５〜８５°（ＣｕＫα）の間の回折データを使用して、結晶構造モデルとの差を示すＳ値が１．８を切る程度にまで精密化を行った。空間群Ｐ３１１２の結晶構造モデルにおいては、Ｏ１、Ｏ２、Ｏ３の三つの酸素位置が存在するが、ここでは、これら三つの酸素位置パラメーターを求め、その平均値を算出した。【０１００】
（低温特性試験）
初期充放電工程に供した電池において、充電電圧および環境温度を変更した充放電試験を行った。電圧制御は全て正極電位に対して行った。充電電圧を４．３Ｖの定電流定電圧充電とし、環境温度を０℃としたことを除いては前記初期充放電工程と同一条件とした。このときの放電容量を「低温容量（ｍＡｈ／ｇ）」として記録した。【０１０１】
各活物質の組成、半値幅、比表面積、初期効率、放電容量（０．１ＩｔＡ容量、２５℃）、酸素位置パラメーター及び低温容量を表１及び表２に示す。【０１０２】
【表１】
2012039413.tif 000002
【０１０３】
【表２】
2012039413.tif 000003
【０１０４】
実施例１〜８の活物質は、Ｎａ置換量ｙをほぼ一定にしつつ、遷移金属サイトへのＬｉ置換量ｘの組成を変化させたものである。実施例１〜８及び比較例１〜２の全ての活物質において、酸素位置パラメーターは０．２６４以下であり、（００３）面の回折ピークの半値幅は０．３０°以下、（１１４）面の回折ピークの半値幅は０．５０°以下と、本発明の規定範囲内で殆ど一定の値を示すとともに、比表面積にも変化は見られない。また、酸素位置パラメーターも、本発明の規定範囲内で殆ど一定の値を示す。
しかしながら、実施例１〜８の電池と比較例１〜２の電池を比較すると、後者の電池は初期効率について同程度の値を示すものの、放電容量に関しては充分ではない。また、後者の電池は低温容量が実施例１〜８の電池よりも小さな値を示している。よって、本発明において、遷移金属サイトへのＬｉ置換量ｘは、０．１≦ｘ≦０．２５とすることが好ましい。【０１０５】
実施例９〜２３の活物質は、ｘ＋ｙの値を一定にしながら、Ｎａ置換量ｙを本発明の規定する範囲内を満たすように組成を定めたものである。実施例９〜１４はｘ＋ｙ＝０．２、実施例１５〜２０はｘ＋ｙ＝０．２５、２１〜２３はｘ＋ｙ＝０．３とした場合の結果である。一方、比較例５〜１０の活物質は、ｘ＋ｙの値を０．２、０．２５、０．３に固定しつつ、ｙを本発明の規定する範囲外のｙ＝０（Ｎａを置換しないもの）、０．１２となるように組成を定めたものである。いずれも、酸素位置パラメーターは０．２６４以下であり、（００３）面の回折ピークの半値幅は０．３０°以下、（１１４）面の回折ピークの半値幅は０．５０°以下と、本発明の規定範囲内で殆ど一定の値を示すとともに、比表面積にも変化は見られない。また、酸素位置パラメーターも、本発明の規定範囲内で殆ど一定の値を示す。
実施例９〜１４と比較例５、実施例１５〜２０と比較例７、実施例２１〜２３と比較例９の電池の結果は、いずれの場合においても、実施例が比較例のものよりも高い初期効率及び放電容量を示し、さらに、高い低温容量を示しており、Ｎａを置換することにより低温における電池性能が向上していることがわかる。また、比較例５と６、比較例７と８、比較例９と１０の電池を比較すると、本発明の規定する範囲を超えてＮａを置換した場合には、Ｎａを置換しない活物質と比較して、初期効率、放電容量、低温容量が共に低下している。このことから、本発明の化学組成式において、Ｎａ置換量ｙは、０＜ｙ≦０．１とすることが必要である。【０１０６】
実施例２４〜３１の活物質は、遷移金属サイトへのＬｉ置換量ｘとＮａ置換量ｙの値を一定にしながら、Ｍｎ比率を本発明の規定する範囲内を満たすように組成を定めたものである。その際に、Ｍｎ比率の変動を、Ｎｉの比率を変化させることで組成を定めた結果を実施例２４〜２７に、Ｃｏの比率を変化させることで組成を定めた結果を実施例２８〜３１に示す。一方、比較例１１〜１４の活物質は、Ｍｎ比率が本発明の規定する範囲外の値（ｃ＝０．３５、０．７５）となるように組成を定めたものである。いずれも、Naを含み、（００３）面の回折ピークの半値幅は０．３０°以下、（１１４）面の回折ピークの半値幅は０．５０°以下と、本発明の規定範囲内で殆ど一定の値を示すとともに、比表面積にも変化は見られず、また、酸素位置パラメーターは０．２６４以下であるが、実施例２４〜３１の電池は高い初期効率、放電容量及び低温容量を示しているのに対して、比較例１１〜１４の電池は初期効率、放電容量及び低温容量が劣っている。従って、本発明の化学組成式において、Ｍｎ比率ｃは、０．４≦ｃ≦０．７とすることが必要である。【０１０７】
実施例３２〜３４及び比較例１５の活物質は、実施例１０と化学組成式は同一であるが、焼成温度をそれぞれ１０５０℃、９００℃、８００℃、７００℃としたものである。実施例３２は、実施例１０の１０００℃より焼成温度が高いため、（００３）面と（１１４）面の回折ピークの半値幅がそれぞれ０．１７°、０．３５°と実施例１０の０．２０°、０．４１°よりも小さくなった。一方、実施例３３、３４、比較例１５は、実施例１０の焼成温度よりも低いため、（００３）面の回折ピークの半値幅がそれぞれ０．２５°、０．３０°、０．３２°と実施例１０の０．２０°よりも大きくなり、（１１４）面の回折ピークの半値幅もそれぞれ０．４５°、０．５０°、０．５４°と実施例１０の０．４１°よりも大きく、比較例１５については、回折ピークの半値幅が本発明の規定範囲から外れる結果となった。一方、酸素位置パラメーターはいずれの活物質においても０．２６４以下であり、本発明の規定範囲内で一定の値を示している。【０１０８】
実施例３２〜３４の電池は、実施例１０と同様に、高い初期効率、放電容量及び低温容量を示しているのに対して、比較例１５の電池は、初期効率、放電容量及び低温容量が、大きく低下していることがわかる。従って、本発明における（００３）面の回折ピークの半値幅は０．３０°以下、（１１４）面の回折ピークの半値幅は０．５０°以下であることが好ましい。また、この条件を満たすために、焼成温度は８００℃以上とすることが好ましい。【０１０９】
実施例３５〜３８の活物質は、実施例１０と化学組成式は同一であるが、焼成後に得られた活物質粉末をボールミル（ＦＲＩＴＳＣＨ社製  ｐｕｌｖｅｒｉｓｅｔｔｅ  ６）により粉砕処理を行ったものである。粉砕処理時間が５、１０、２０、３０分と増加するにつれて、比表面積が３．９、４．４、５．６、６．１ｍ２／ｇと実施例１０の２．６ｍ２／ｇよりも大きくなった。【０１１０】
実施例３５〜３８の電池は、比表面積の増加とともに、若干の初期効率の低下が見られるものの、実施例１０と同様に、高い初期効率を示している。このように、本発明の活物質は、合成した後に、機械的粉砕により比表面積を増加させてもその効果を失うことは無い。しかしながら、粉砕を行いすぎると活物質粒子の結晶性の低下、電池内における正極場酸化副反応量の増加等により電池性能が低下する虞があるため、好ましくない。従って、本発明におけるリチウム遷移金属複合酸化物固溶体の比表面積は６．１ｍ２／ｇ以下であることが好ましい。また、この条件を満たすために、焼成後の活物質粉末の粉砕時間は３０分以下とすることが好ましい。【０１１１】
実施例３９〜４０及び比較例１６の活物質は、実施例１０と化学組成式は同一であるが、共沈水酸化物前駆体を作製する際の原料溶液の滴下スピードをそれぞれ、５ｍｌ／ｍｉｎ、１０ｍｌ／ｍｉｎ、６０ｍｌ／ｍｉｎとしたものである。酸素位置パラメーターは、実施例３５、３６と滴下スピードが上昇するにつれて０．２６３、０．２６４と実施例１０の０．２６２より大きくなり、６０ｍｌ／ｍｉｎの比較例１６では０．２６６となり、本発明の規定範囲から外れる結果となった。また、（００３）面と（１１４）面の回折ピークの半値幅にも変化が見られており、実施例３９、４０は（００３）面の回折ピークの半値幅がそれぞれ０．１７°、０．２３°、（１１４）面の回折ピークの半値幅はそれぞれ０．３６°、０．４５°と本発明の規定範囲内となったが、比較例１６では、（００３）面の回折ピークの半値幅が０．３２°、（１１４）面の回折ピークの半値幅が０．５４°と本発明の規定範囲から外れる結果となった。【０１１２】
実施例３９〜４０の電池は、実施例１０と同様に、高い低温容量を示しているのに対して、比較例１６の電池は、酸素位置パラメーターが大きすぎることに加えて、（００３）面と（１１４）面の回折ピークの半値幅が本発明の規定範囲から外れているために、低温容量が大きく低下していることがわかる。【０１１３】
また、比較例１５と１６を比較すると、活物質組成及び（００３）面と（１１４）面の回折ピークの半値幅が同じであるにも拘らず、酸素位置パラメーターが０．２６６と本発明の規定範囲から外れる比較例１６の低温容量が、０．２６２と本発明の規定範囲内にある比較例１５よりも小さい値を示していることから、酸素位置パラメーターの値が低温容量に影響を与えていることが理解できる。従って、実施例３９〜４０、比較例１５〜１６の結果から、本発明におけるリチウム遷移金属複合酸化物固溶体の酸素位置パラメーターは０．２６４以下であることが必要である。また、この条件を満たすために、共沈水酸化物前駆体を作製する際の原料溶液の滴下スピードは１０ｍｌ／ｍｉｎ以下とすることが好ましい。【０１１４】
比較例１７の活物質は、実施例１０と化学組成式は同一であるが、共沈法ではなく、固相法により合成したものである。酸素位置パラメーターは、０．２６７と本発明の規定範囲から大きく外れる結果となった。一方、（００３）面と（１１４）面の回折ピークの半値幅は、それぞれ０．２３°、０．４４°と本発明の規定範囲内であった。【０１１５】
比較例１７の電池は、同じ組成の実施例１０よりも低温容量が大幅に小さいことがわかる。このことからも、活物質の酸素位置パラメーターが、電池の低温特性と密接な関係を有していることがわかる。【０１１６】
また、比較例１７の電池は、本発明の実施例及び比較例の中で最も低温容量が小さい値を示している。これは、上述の酸素位置パラメーターが本発明の規定範囲を外れることに加えて、固相法で合成したことにより、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｎｉの遷移金属が均一に固溶しておらず、Ｌｉ、Ｎａを含む各元素が一粒子中に均一に分布していない虞があり、このことが活物質の電気化学的特性の低下を助長しているものと考えられる。よって、本発明におけるリチウム遷移金属複合酸化物を合成するに当たっては共沈法を選択することが好ましい。【０１１７】
比較例３の活物質は、（００３）面の回折ピークの半値幅が０．３０゜以下、かつ、（１１４）面の回折ピークの半値幅が０．５０゜以下であるものの、遷移金属サイトにＬｉを含んでおらず、放電容量が向上しない。さらに、酸素位置パラメーターは０．２６７と本発明の規定範囲から外れるので、低温容量は小さい。【０１１８】
また、比較例４の活物質は、（００３）面の回折ピークの半値幅が０．３０゜以下、かつ、（１１４）面の回折ピークの半値幅が０．５０゜以下であり、ＬｉサイトがＮａにより置換されているものの、遷移金属サイトにＬｉを含んでおらず、初期効率、放電容量共に向上しない。さらに、酸素位置パラメーターは０．２６６と本発明の規定範囲から外れるので、低温容量は小さい。即ち、比較例４の活物質は、比較例３の活物質のＬｉサイトにＮａ置換を施したものであるが、Ｎａを置換することにより、さらに低温容量が低下している。【０１１９】
以上のとおり、本発明の活物質は、「リチウム遷移金属複合酸化物の固溶体が含有する金属元素の組成比率が、Ｌｉ１＋ｘ−ｙNaｙＣｏａＮｉｂＭｎｃＯ２＋ｄ（０＜ｙ≦０．１、０．４≦ｃ≦０．７、ｘ＋ａ＋ｂ＋ｃ＝１、０．１≦ｘ≦０．２５、−０．２≦ｄ≦０．２）を満たすこと」、「Ｘ線回折パターンにおいて（００３）面の回折ピークの半値幅が０．３０°以下であり、かつ、（１１４）面の回折ピークの半値幅が０．５０°以下であること」という２つの要件を満足することにより、放電容量が大きくなり、初期効率が顕著に向上するといえる。さらに、この２つの要件に加えて、「Ｘ線回折パターンを基にリートベルト法による結晶構造解析から求められる酸素位置パラメーターが０．２６４以下であること」という要件を満足することにより、低温特性（低温容量）が顕著に向上するといえる。
【産業上の利用可能性】
【０１２０】
本発明によれば、放電容量が大きく、なかでも低温における放電容量が大きく、初期効率が顕著に向上したリチウム二次電池用活物質が提供できるから、電気自動車用電源、電子機器用電源、電力貯蔵用電源等のリチウム二次電池に利用できる。
【国際調査報告】
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