(57)【要約】  層状構造を有しているLiaNixMnyCozO2（1.0＜ａ＜1.3、0.8＜ｘ＋ｙ＋ｚ＜1.1）で表されるリチウム含有ニッケルマンガンコバルト複合酸化物からなり、CuKα線を使用した粉末Ｘ線回折パターンでの（018）面と（113）面とから計算される格子定数より推定されるモル容積Vmを縦軸とし、金属成分中のCo比率ｚ（モル％）を横軸とした領域において、その関係がVm＝21.276−0.0117ｚを上限とし、Vm＝21.164−0.0122ｚを下限とする範囲内にあり、かつ（018）面と（113）面の半値幅がともに0.200°以下であるリチウムイオン電池正極材用正極活物質。結晶構造に関与すると考えられるコバルト（Co）の比率と格子定数の関係を調べ、これを規定し、これにより、結晶性が高く、高容量かつ高い安全性を有する正極活物質とし、この材料を使用することで、リチウムイオン電池の特性確保、安全性確保が、より可能であるリチウムイオン電池用正極活物質を得ることを課題とする。
2009128289.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
層状構造を有しているLiaNixMnyCozO2（1.0＜ａ＜1.3、0.8＜ｘ＋ｙ＋ｚ＜1.1）で表されるリチウム含有ニッケルマンガンコバルト複合酸化物からなり、CuKα線を使用した粉末Ｘ線回折パターンでの（018）面と（113）面とから計算される格子定数より推定されるモル容積Vmを縦軸とし、金属成分中のCo比率ｚ（モル％）を横軸とした領域において、その関係がVm＝21.276−0.0117ｚを上限とし、Vm＝21.164−0.0122ｚを下限とする範囲内にあり、かつ（018）面と（113）面の半値幅がともに0.200°以下であることを特徴とするリチウムイオン電池正極材用正極活物質。
【請求項２】
前記酸化物粉体の平均粒径が5μm以上10μm以下であり、比表面積が1.0m2/g以上1.6m2/g以下であり、タップ密度が1.5以上2.0以下であることを特徴とする請求項１記載のリチウムイオン電池正極材用正極活物質。
【請求項３】
請求項１又は２記載の正極活物質を用いたリチウムイオン二次電池用正極。
【請求項４】
請求項３の正極を用いたリチウムイオン二次電池
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リチウムイオン電池用の正極活物質に関するもので、結晶性が高く、高容量を確保しつつ、安全性の高い正極活物質及び二次電池用正極並びにリチウムイオン電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、高エネルギー密度電池として、非水系のリチウム二次電池の需要が急速に高まっている。このリチウム二次電池は、正極及び負極並びに、これらの電極間に介在する電解質を保持したセパレータの、３つの基本要素から構成されている。
正極及び負極として、活物質、導電材、結合材及び、必要に応じて可塑剤を分散媒に混合分散させたスラリーを金属箔や金属メッシュ等の集電体に担持させて使用されている。【０００３】
このような中で、正極活物質としてはリチウムと遷移金属との複合酸化物、特にコバルト系複合酸化物、ニッケル系複合酸化物、マンガン系複合酸化物が代表的なものである。これらのリチウム複合酸化物は、一般に主体となる元素の化合物（Mn、Fe、Co、Ni等の炭酸塩、酸化物）とリチウム化合物（炭酸リチウム等）を、所定の割合で混合し、それを熱処理（酸化処理）することにより合成されている（特許文献１、特許文献２、特許文献３参照）。
このような中で、特にNi：Mn：Co＝1：1：1組成の三元系正極材料が提案されている（特許文献４参照）。この特許文献４の場合、Li／金属比が0.97〜1.03であり、放電容量200mAh/gを得ることができると記載されている。しかしこの場合、充電終止電圧が4.7Vと高電圧であることによるもので4.3Vで電圧をカットすれば、初期放電容量は150mAh/g程度である。【０００４】
一般に、電池の初期特性やサイクル特性あるいは内部抵抗は、材料の結晶構造により大きく異なる。層状構造を有していても、局部的に混在するスピネル構造等により電池特性の劣化につながるという問題を有している。
このため、結晶構造の同定が重要となるが、この結晶構造の同定には、従来ＸＲＤ（Ｘ線回折法）が主に用いられてきた。しかし、ピーク位置が近い等の理由で、相の混在を見極めることが困難であった。
このようなことから、正極活物質をラマン分光による規定をおこなう提案がある（特許文献５参照）。この特許文献５では、化学式LiCoMA2（0.95≦Li≦1.0、AにはO、F、S、Pを含む）のラマンスペクトル分析において、スピネル構造と六方晶構造のピーク強度比を規定しているが、メインピークがスピネル構造のピークとなっており、層状構造ではないので、十分な特性が得られているとは言いがたい。【０００５】
上記の通り、リチウム二次電池材料は、従来技術に比べて優れた特性を有するものであるが、焼結性及び電池特性については、さらに改善が求められるものである。
また、リチウムイオン電池用正極活物質として層状のリチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物は、コバルト酸リチウムやマンガン酸リチウムと比較して高容量で安全性が高いことから有望視されている。しかしながら、その組成と結晶性についての記述は少なく、特に格子定数については、おおよその幅で記載されているのみである。
LiaNixMnyCozO2組成のリチウムイオン電池用正極活物質において、格子定数を規定したものには、以下の特許文献（特許文献６−９参照）が存在する。【０００６】
例えば、特許文献６では、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で、格子定数が2.855Å≦ａ≦2.870Å、14.235Å≦ｃ≦14.265Åの範囲にあることが記載されている。特許文献７では、層状リチウムニッケル系複合酸化物において、かさ密度が2.0g/cc以上で、二次粒子のメジアン径が9-20um、BET比表面積が0.5〜1m2/gであることが記載されている。特許文献８では、リチウム含有遷移金属複合酸化物において、ａ軸の格子定数が2.895〜2.925Å、ｃ軸の格子定数が14.28〜14.38Åであることが記載されている。さらに、特許文献９では、リチウム含有遷移金属複合酸化物において、ａ軸の格子定数が2.830〜2.890Å、ｃ軸の格子定数が14.150〜14.290Åであることが記載されている。
しかしながら、これらはａ軸の格子定数、ｃ軸の格子定数を規定する記載はあるが、さらに組成とモル容積まで踏み込んだ記載はないので、リチウムイオン電池の特性確保、安全性確保の面では、十分ではないという問題がある。
【特許文献１】特開平１−２９４３６４号公報
【特許文献２】特開平１１−３０７０９４号公報
【特許文献３】特開２００５−２８５５７２号公報
【特許文献４】特開２００３−５９４９０号公報
【特許文献５】特開２００５−４４７８５号公報
【特許文献６】特開２００６−２５３１１９号公報
【特許文献７】特許４００３７５９号公報
【特許文献８】特開２００２−１４５６２３号公報
【特許文献９】特開２００３−０６８２９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記の通り、リチウムイオン電池用正極活物質として層状のリチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物は、コバルト酸リチウムやマンガン酸リチウムと比較して高容量で安全性が高いことから有望視されている物質ではあるが、その組成と結晶性について、十分は解明がなされていない。この点に鑑み、本発明は、上記組成において、主に結晶構造に関与すると考えられるコバルト（Co）の比率と格子定数の関係を調べ、これを規定し、これにより、結晶性が高く、高容量かつ高い安全性を有する正極活物質を提供し、この材料を使用することで、リチウムイオン電池の特性確保、安全性確保が、より可能であるリチウムイオン電池用正極を得ることを課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題に鑑み、本発明は以下の発明を提供するものである。
１）層状構造を有しているLiaNixMnyCozO2（1.0＜ａ＜1.3、0.8＜ｘ＋ｙ＋ｚ＜1.1）で表されるリチウム含有ニッケルマンガンコバルト複合酸化物からなり、CuKα線を使用した粉末Ｘ線回折パターンでの（018）面と（113）面とから計算される格子定数より推定されるモル容積Vmを縦軸とし、金属成分中のCo比率ｚ（モル％）を横軸とした領域において、その関係がVm＝21.276−0.0117ｚを上限とし、Vm＝21.164−0.0122ｚを下限とする範囲内にあり、かつ（018）面と（113）面の半値幅がともに0.200°（度）以下であることを特徴とするリチウムイオン電池正極材用正極活物質。
２）前記酸化物粉体の平均粒径が5μm以上10μm以下であり、比表面積が1.0m2/g以上1.6m2/g以下であり、タップ密度が1.5以上2.0以下であることを特徴とする請求項１記載のリチウムイオン電池正極材用正極活物質。
３）上記１）又は２）記載の正極活物質を用いたリチウムイオン二次電池用正極。
４）上記３）の正極を用いたリチウムイオン二次電池。
【発明の効果】
【０００９】
本発明は、上記組成において、主に結晶構造に関与すると考えられるコバルト（Co）の比率と格子定数の関係を規定することにより、結晶性が高く、高容量かつ高い安全性を有する正極活物質を得ることができ、この正極活物質を使用することで、リチウムイオン電池の特性及び安全性を、より効果的に確保できるという優れた効果を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
リチウムイオン電池の正極活物質として、リチウム含有遷移金属酸化物が用いる。具体的には、コバルト酸リチウム（LiNiO2）、ニッケル酸リチウム（LiNiO2）、マンガン酸リチウム（LiMn2O4）等であり、特性改善（高容量化、サイクル特性、保存特性、内部抵抗低減、充放電特性）や安全性を高めるためにこれらを複合化する。
本願発明のリチウムイオン電池の正極活物質として、層状構造を有する三元系材料LiaNixMnyCozO2（1.0＜ａ＜1.3、0.8＜ｘ＋ｙ＋ｚ＜1.0）を使用するものである。
発明者らは、この層状構造を有する材料について、CuKα線を使用したX線回折パターンを詳細に検討した結果、高容量で安全性に優れる材料が得られた場合には、（018）面と（113）面とから計算される格子定数より推定されるモル容積と三元系材料のCo比率に一定の相関があること、さらに平均粒径、比表面積、タップ密度を所定の範囲とすべきことを見出した。【００１１】
具体的には、結晶構造は層状R3mに帰属する構造である。また、全金属に対するLiの比率を表すａ値は1.0を超え1.3未満である。1.0以下では安定した結晶構造を保持しにくく、1.3以上では高容量が確保できなくなるからである。
さらに、全金属のモル比を表す（ｘ＋ｙ＋ｚ）値は0.8を超え、1.1未満の範囲とする。0.8以下では酸素量が多く容量確保が困難となり、1.1以上では酸素欠損が生じて安全性を確保しにくくなるからである。
この結晶構造におけるモル容積（Vm）は、CuKα線を使用して得られるX線回折パターンから、以下の式を活用して計算できる。ここで、ａはａ軸の格子定数、ｃはｃ軸の格子定数を示す。
Vm＝0.17906×ａ×ａ×ｃ【００１２】
また、格子定数（ａ、ｃ）は六方晶系の面間隔と格子定数との関係式から求めることができる。より詳細な格子定数は高角側のデータを使用するが、ここでは（018）面と（113）面のデータを用いる。なお、（018）面は２θ＝64.0〜64.4°に位置し、（113）面は２θ＝67.8〜68.2°に位置するものである。
金属成分中のCo比率ｚは上記化学式のｘ、ｙ、ｚを用いると以下の計算式で表すことができる。
ｚ＝ｚ×100／（ｘ＋ｙ＋ｚ）
このVmとｚとをプロットすると、高容量と高い安全性が確保できる材料である場合には、Vmとｚに相関関係が見出され、Vmを縦軸に、ｚを横軸にとった領域内で下記の式で定義される範囲になることが分かった。
Vm＝21.276−0.0117z  （上限）
Vm＝21.164−0.0122ｚ  （下限）
上限を超える領域では容量の確保が困難となり、下限を下回る領域では安全性の確保が困難となる。したがって、上記の範囲は、重要な意味を持つものである。【００１３】
結晶性に関して、（018）面と（113）面の半値幅がどちらも0.200°以下であることが望ましい。好ましくは0.180°以下である。範囲外では結晶性が悪く、高容量を確保することが困難となる。
さらに、粉体特性において、平均粒径が5μm以上10μm以下であり、比表面積が1.0m2/g以上1.8m2/g以下であり、タップ密度が1.5以上2.0以下であることが好ましい。望ましくは、平均粒径が6μm以上9μm以下であり、比表面積が1.1m2/g以上1.6m2/g以下であり、タップ密度が1.6以上2.0以下である。これらの範囲を逸脱すると、塗布性が悪化し、高容量を確保しにくくなるとともに、安全性にも影響を与える。
さらに、これらの正極活物質を用いて、リチウムイオン電池用の正極を作製できる。また、この正極を用いてリチウムイオン電池を得ることができる。
【実施例】
【００１４】
以下、実施例及び比較例に基づいて説明する。なお、本実施例はあくまで一例であり、この例のみに制限されるものではない。すなわち、本発明の技術思想に含まれる他の態様または変形を包含するものである。【００１５】
（実施例１−８）
Ni、Mn、Coの金属塩溶液と炭酸リチウムを使用した湿式法によって前駆体である炭酸塩を作製した。これを乾燥後、酸化処理して、表１の組成の正極材料を作製した。この表１において、試料No.1から試料No.8まで、それぞれ実施例１から８までを示す。
Li、Ni、Mn、Co含有量はICPで測定し、Co比率はLiを除く各金属含有量の合計に対するCo含有量で求めた。格子定数はCuKα線を使用した粉末Ｘ線回折パターンにおける（018）面と（113）面での面間隔から求め、モル容積を計算した。また、（018）面と（113）面での半値幅を測定し、これらの結果を、同様に表１に示した。
表１の試料No.1から試料No.8までに示す条件は、本願請求項１に記載する「Vm＝21.276−0.0117ｚを上限とし、Vm＝21.164−0.0122ｚを下限とする範囲内にあり、かつ（018）面と（113）面の半値幅がともに0.200°以下である」という条件を満たすものである。上記の「Vm＝21.276−0.0117ｚを上限とし、Vm＝21.164−0.0122ｚを下限とする範囲」については、分かり易くするために、図１にその範囲を示した。図１の横軸は、Z:Co比率（モル％）であり、縦軸は、Vm:モル容積（CC/モル）である。図１における上下の２本の線内が、本願発明の条件の範囲であり、実施例１から実施例８に相当する８個の〇がプロットされているのが分かる。【００１６】
【表１】
2009128289.tif 000003
【００１７】
さらに、平均粒径は、レーザー回折法による粒度分布における50％径とし、比表面積はBET値を、タップ密度は200回タップ後の密度とした。この正極材料と導電材及びバインダーを85：８：７の割合で秤量し、バインダーを有機溶媒（N-メチルピロリドン）に溶解したものに、材料と導電材を混合してスラリー化し、Al箔上に塗布して乾燥後にプレスして正極とした。なお、導電材及びバインダーは、公知の一般的な材料を使用することができるので、特にここでは表示しない。
次に、対極をLiとした評価用の2032型コインセルを作製し、電解液に１M−LiPF6をEC-DMC（１：１）に溶解したものを用いて、充電条件を4.3V、放電条件を3.0Vで充放電を行った。初期容量の確認は、0.1Cでの充放電で確認した。
この結果を、表２にまとめた。表２に示す安全性については、上記のとおり作製したコインセルを4.3Vまで充電した後、セルから正極材を取り出し、DSC（示差走査熱量計）による分析を行い、発熱開始温度を比較して、安全性を評価したものである。
従来の層状構造を有するLiCoO2と比較した場合の結果を、同様に表１に示す。表１に示す評価結果は、○（より安全）、△（従来と同等）、×（それ以下）とした。【００１８】
【表２】
2009128289.tif 000004
【００１９】
表２に示す結果から明らかなように、実施例１から実施例８（試料No.1から試料No.8）については、いずれも安全性は○であり、安全性が従来に比べて向上していた。また、容量については、いずれも148ｍAh/g以上であり、190ｍAh/gに達するものもあった。このような場合でも、従来に比べて安全性は向上していた。したがって、実施例に示すものは、いずれもリチウムイオン電池正極材用正極活物質として優れた物質であることが分かる。
なお、表２に示す試料については、平均粒径、比表面積、タップ密度はいずれも、本願請求項２に記載する条件を満たしているものを選択したが、請求項２の条件から、±20％程度の逸脱であれば、容量と安全性の変化はそれほど大きくはなかった。すなわち、充放電容量は140ｍAh/gを超えており、安全性は、従来よりも向上した（○）か、又は従来と同等（△）であった。【００２０】
以上から、本願請求項１の発明において記載する「Vm＝21.276−0.0117ｚを上限とし、Vm＝21.164−0.0122ｚを下限とする範囲内にあり、かつ（018）面と（113）面の半値幅がともに0.200°以下である」という条件を満たすことが、第一義的な要件であることが分かる。
しかし、本願の請求項２の発明において記載する、酸化物粉体の平均粒径が5μm以上10μm以下であり、比表面積が1.0m2/g以上1.6m2/g以下であり、タップ密度が1.5以上2.0以下である条件は、より望ましい条件であることは言うまでもない。【００２１】
（比較例１−９）
Ni、Mn、Coの酸化物と炭酸リチウムを使用して、各原料を混合し粉砕した後、噴霧乾燥して酸化処理し正極材料を得た。この正極材料を実施例と同様に処理し、同様の評価を行った。モル容積、半値幅（018）、半値幅（113）を表３に示す。表３に記載する条件は、いずれも実施例１−８に記載する条件と同様のものである。
表３と後述する表４に示す試料No.9から試料No.17に示すものは、それぞれ比較例１から比較例９に対応するものである。
また、表４には、試料No.9から試料No.17の平均粒径、比表面積、タップ密度を示す。また、容量と安全性についても、同様に示す。
なお、図１に示す「Vm＝21.276−0.0117ｚを上限とし、Vm＝21.164−0.0122ｚを下限とする範囲」の外側に、比較例１−９（試料No.9から試料No.17）が存在し、比較例１から比較例９に相当する９個の□がプロットされているのが分かる。【００２２】
【表３】
2009128289.tif 000005
【００２３】
【表４】
2009128289.tif 000006
【００２４】
上記表３、表４及び図１から明らかなように、充放電容量は高いもので150mAh/g（試料No.11）と145mAh/g （試料No.12）が存在するが、この場合は、安全性がいずれも劣っている。それ以外は、いずれも140mAh/g以下で、容量が低く、また安全性は従来並かさらに劣っていることが分かる。
以上から、比較例１から比較例９（試料No.9からNo.17）については、いずれも安全性は△か×であり、安全性が従来と同等か又は劣っていた。また、容量についても従来並か又は劣っていた。
以上の実施例と比較例の対比から、本願発明の実施例に示すものは、いずれもリチウムイオン電池正極材用正極活物質として優れた物質であることが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
本発明リチウムイオン電池正極材用正極活物質は、CuKα線を使用した粉末Ｘ線回折パターンでの（018）面と（113）面とから計算される格子定数より推定されるモル容積Vmを縦軸とし、金属成分中のCo比率ｚ（モル％）を横軸とした領域において、その関係がVm＝21.276−0.0117ｚを上限とし、Vm＝21.164−0.0122ｚを下限とする範囲内にあり、かつ（018）面と（113）面の半値幅がともに0.200°以下とすることにより、結晶性が高く、高容量かつ高い安全性を有する正極活物質を得ることができるという優れた効果を有するので、リチウム二次電池用材料として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】モル容積Vmを縦軸とし、Co比率ｚ（モル％）を横軸とした領域において、Vm＝21.276−0.0117ｚを上限とし、Vm＝21.164−0.0122ｚを下限とする範囲を示し、かつ実施例及び比較例の条件をプロットした図である。
【図１】
2009128289.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成21年9月7日(2009.9.7)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
層状構造を有しているＬｉａＮｉｘＭｎｙＣｏｚＯ２（１．０＜ａ＜１．３、０．８＜ｘ＋ｙ＋ｚ＜１．１）で表されるリチウム含有ニッケルマンガンコバルト複合酸化物からなり、ＣｕＫα線を使用した粉末Ｘ線回折パターンでの（０１８）面と（１１３）面とから計算される格子定数より推定されるモル容積Ｖｍを縦軸とし、金属成分中のＣｏ比率ｎ（モル％）を横軸とした領域において、その関係がＶｍ＝２１．２７６−０．０１１７ｎを上限とし、Ｖｍ＝２１．１６４−０．０１２２ｎを下限とする範囲内にあり、かつ（０１８）面と（１１３）面の半値幅がともに０．２００°以下であることを特徴とするリチウムイオン電池正極材用正極活物質。
【請求項２】
Ｃｏ比率が２０モル％以上であることを特徴とする請求項１記載のリチウムイオン電池正極材用正極活物質。
【請求項３】
前記酸化物粉体の平均粒径が５μｍ以上１０μｍ以下であり、比表面積が１．０ｍ２／ｇ以上１．６ｍ２／ｇ以下であり、タップ密度が１．５以上２．０以下であることを特徴とする請求項１又は２記載のリチウムイオン電池正極材用正極活物質。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の正極活物質を用いたリチウムイオン二次電池用正極。
【請求項５】
請求項４の正極を用いたリチウムイオン二次電池。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００３】
保、安全性確保の面では、十分ではないという問題がある。
特許文献１：特開平１−２９４３６４号公報
特許文献２：特開平１１−３０７０９４号公報
特許文献３：特開２００５−２８５５７２号公報
特許文献４：特開２００３−５９４９０号公報
特許文献５：特開２００５−４４７８５号公報
特許文献６：特開２００６−２５３１１９号公報
特許文献７：特許４００３７５９号公報
特許文献８：特開２００２−１４５６２３号公報
特許文献９：特開２００３−０６８２９８号公報
発明の開示
発明が解決しようとする課題
［０００７］
上記の通り、リチウムイオン電池用正極活物質として層状のリチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物は、コバルト酸リチウムやマンガン酸リチウムと比較して高容量で安全性が高いことから有望視されている物質ではあるが、その組成と結晶性について、十分は解明がなされていない。この点に鑑み、本発明は、上記組成において、主に結晶構造に関与すると考えられるコバルト（Ｃｏ）の比率と格子定数の関係を調べ、これを規定し、これにより、結晶性が高く、高容量かつ高い安全性を有する正極活物質を提供し、この材料を使用することで、リチウムイオン電池の特性確保、安全性確保が、より可能であるリチウムイオン電池用正極活物質を得ることを課題とするものである。
課題を解決するための手段
［０００８］
上記の課題に鑑み、本発明は以下の発明を提供するものである。
１）層状構造を有しているＬｉａＮｉｘＭｎｙＣｏｚＯ２（１．０＜ａ＜１．３、０．８＜ｘ＋ｙ＋ｚ＜１．１）で表されるリチウム含有ニッケルマンガンコバルト複合酸化物からなり、ＣｕＫα線を使用した粉末Ｘ線回折パターンでの（０１８）面と（１１３）面とから計算される格子定数より推定されるモル容積Ｖｍを縦軸とし、金属成分中のＣｏ比率ｎ（モル％）を横軸とした領域において、その関係がＶｍ＝２１．２７６−０．０１１７ｎを上限とし、Ｖｍ＝２１．１６４−０．０１２２ｎを下限とする範囲内にあり、かつ（０１８）面と（１１３）面の半値幅がともに０．２００°（度）以下
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００４】
であることを特徴とするリチウムイオン電池正極材用正極活物質。
２）前記酸化物粉体の平均粒径が５μｍ以上１０μｍ以下であり、比表面積が１．０ｍ２／ｇ以上１．６ｍ２／ｇ以下であり、タップ密度が１．５以上２．０以下であることを特徴とする上記１）記載のリチウムイオン電池正極材用正極活物質。
３）上記１）又は２）記載の正極活物質を用いたリチウムイオン二次電池用正極。
４）上記３）の正極を用いたリチウムイオン二次電池。
発明の効果
［０００９］
本発明は、上記組成において、主に結晶構造に関与すると考えられるコバルト（Ｃｏ）の比率と格子定数の関係を規定することにより、結晶性が高く、高容量かつ高い安全性を有する正極活物質を得ることができ、この正極活物質を使用することで、リチウムイオン電池の特性及び安全性を、より効果的に確保できるという優れた効果を有する。
発明を実施するための最良の形態
［００１０］
リチウムイオン電池の正極活物質として、リチウム含有遷移金属酸化物が用いる。具体的には、コバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ２）、ニッケル酸リチウム（ＬｉＮｉＯ２）、マンガン酸リチウム（ＬｉＭｎ２Ｏ４）等であり、特性改善（高容量化、サイクル特性、保存特性、内部抵抗低減、充放電特性）や安全性を高めるためにこれらを複合化する。
本願発明のリチウムイオン電池の正極活物質として、層状構造を有する三元系材料ＬｉａＮｉｘＭｎｙＣｏｚＯ２（１．０＜ａ＜１．３、０．８＜ｘ＋ｙ＋ｚ＜１．１）を使用するものである。
発明者らは、この層状構造を有する材料について、ＣｕＫα線を使用したＸ線回折パターンを詳細に検討した結果、高容量で安全性に優れる材料が得られた場合には、（０１８）面と（１１３）面とから計算される格子定数より推定されるモル容積と三元系材料のＣｏ比率に一定の相関があること、さらに平均粒径、比表面積、タップ密度を所定の範囲とすべきことを見出した。
［００１１］
具体的には、結晶構造は層状Ｒ３ｍに帰属する構造である。また、全金属に対するＬｉの比率を表すａ値は１．０を超え１．３未満である。１．０以下では安定した結晶構造を保持しにくく、１．３以上では高容量が確保できなくなるからである。
さらに、全金属のモル比を表す（ｘ＋ｙ＋ｚ）値は０．８を超え、１．１未満の範囲とする。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００５】
０．８以下では酸素量が多く容量確保が困難となり、１．１以上では酸素欠損が生じて安全性を確保しにくくなるからである。
この結晶構造におけるモル容積（Ｖｍ）は、ＣｕＫα線を使用して得られるＸ線回折パターンから、以下の式を活用して計算できる。ここで、ａはａ軸の格子定数、ｃはｃ軸の格子定数を示す。
Ｖｍ＝０．１７９０６×ａ×ａ×ｃ
［００１２］
また、格子定数（ａ、ｃ）は六方晶系の面間隔と格子定数との関係式から求めることができる。より詳細な格子定数は高角側のデータを使用するが、ここでは（０１８）面と（１１３）面のデータを用いる。なお、（０１８）面は２θ＝６４．０〜６４．４°に位置し、（１１３）面は２θ＝６７．８〜６８．２°に位置するものである。
金属成分中のＣｏ比率ｎは上記化学式のｘ、ｙ、ｚを用いると以下の計算式で表すことができる。
ｎ＝ｚ×１００／（ｘ＋ｙ＋ｚ）
このＶｍとｎとをプロットすると、高容量と高い安全性が確保できる材料である場合には、Ｖｍとｎに相関関係が見出され、Ｖｍを縦軸に、ｎを横軸にとった領域内で下記の式で定義される範囲になることが分かった。
Ｖｍ＝２１．２７６−０．０１１７ｎ（上限）
Ｖｍ＝２１．１６４−０．０１２２ｎ（下限）
上限を超える領域では容量の確保が困難となり、下限を下回る領域では安全性の確保が困難となる。したがって、上記の範囲は、重要な意味を持つものである。
［００１３］
結晶性に関して、（０１８）面と（１１３）面の半値幅がどちらも０．２００°以下であることが望ましい。好ましくは０．１８０°以下である。範囲外では結晶性が悪く、高容量を確保することが困難となる。
さらに、粉体特性において、平均粒径が５μｍ以上１０μｍ以下であり、比表面積が１．０ｍ２／ｇ以上１．８ｍ２／ｇ以下であり、タップ密度が１．５以上２．０以下であることが好ましい。望ましくは、平均粒径が６μｍ以上９μｍ以下であり、比表面積が１．１ｍ２／ｇ以上１．６ｍ２／ｇ以下であり、タップ密度が１．６以上２．０以下である。これらの範囲を逸脱すると、塗布性が悪化し、高容量を確保しにくくなるとともに、安全性にも影響を与える。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
さらに、これらの正極活物質を用いて、リチウムイオン電池用の正極を作製できる。また、この正極を用いてリチウムイオン電池を得ることができる。
実施例
［００１４］
以下、実施例及び比較例に基づいて説明する。なお、本実施例はあくまで一例であり、この例のみに制限されるものではない。すなわち、本発明の技術思想に含まれる他の態様または変形を包含するものである。
［００１５］
（実施例１−８）
Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｏの塩化物溶液と炭酸リチウムを使用した湿式法によって前駆体である炭酸塩を作製した。これを乾燥後、酸化処理して、表１の組成の正極材料を作製した。この表１において、試料Ｎｏ．１から試料Ｎｏ．８まで、それぞれ実施例１から８までを示す。
Ｌｉ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｏ含有量はＩＣＰで測定し、Ｃｏ比率はＬｉを除く各金属含有量の合計に対するＣｏ含有量で求めた。格子定数はＣｕＫα線を使用した粉末Ｘ線回折パターンにおける（０１８）面と（１１３）面での面間隔から求め、モル容積を計算した。また、（０１８）面と（１１３）面での半値幅を測定し、これらの結果を、同様に表１に示した。
表１の試料Ｎｏ．１から試料Ｎｏ．８までに示す条件は、本願請求項１に記載する「Ｖｍ＝２１．２７６−０．０１１７ｎを上限とし、Ｖｍ＝２１．１６４−０．０１２２ｎを下限とする範囲内にあり、かつ（０１８）面と（１１３）面の半値幅がともに０．２００°以下である」という条件を満たすものである。上記の「Ｖｍ＝２１．２７６−０．０１１７ｎを上限とし、Ｖｍ＝２１．１６４−０．０１２２ｎを下限とする範囲」については、分かり易くするために、図１にその範囲を示した。図１の横軸は、ｎ：Ｃｏ比率（モル％）であり、縦軸は、Ｖｍ：モル容積（ＣＣ／モル）である。図１における上下の２本の線内が、本願発明の条件の範囲であり、実施例１から実施例８に相当する８個の○がプロットされているのが分かる。
［００１６］
［表１］
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
2009128289.tif 000008
［００１７］
さらに、平均粒径は、レーザー回折法による粒度分布における５０％径とし、比表面積はＢＥＴ値を、タップ密度は２００回タップ後の密度とした。この正極材料と導電材及びバインダーを８５：８：７の割合で秤量し、バインダーを有機溶媒（Ｎ−メチルピロリドン）に溶解したものに、材料と導電材を混合してスラリー化し、Ａｌ箔上に塗布して乾燥後にプレスして正極とした。なお、導電材及びバインダーは、公知の一般的な材料を使用することができるので、特にここでは表示しない。
次に、対極をＬｉとした評価用の２０３２型コインセルを作製し、電解液に１Ｍ−ＬｉＰＦ６をＥＣ−ＤＭＣ（１：１）に溶解したものを用いて、充電条件を４．３Ｖ、放電条件を３．０Ｖで充放電を行った。初期容量の確認は、０．１Ｃでの充放電で確認した。
この結果を、表２にまとめた。表２に示す安全性については、上記のとおり作製したコインセルを４．３Ｖまで充電した後、セルから正極材を取り出し、ＤＳＣ（示差走査熱量計）による分析を行い、発熱開始温度を比較して、安全性を評価したものである。
従来の層状構造を有するＬｉＣｏＯ２と比較した場合の結果を、同様に表１に示す。表２に示す評価結果は、○（より安全）、△（従来と同等）、×（それ以下）とした。
［００１８］
［表２］
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
2009128289.tif 000009
［００１９］
表２に示す結果から明らかなように、実施例１から実施例８（試料Ｎｏ．１から試料Ｎｏ．８）については、いずれも安全性は○であり、安全性が従来に比べて向上していた。また、容量については、いずれも１４８ｍＡｈ／ｇ以上であり、１９０ｍＡｈ／ｇに達するものもあった。このような場合でも、従来に比べて安全性は向上していた。したがって、実施例に示すものは、いずれもリチウムイオン電池正極材用正極活物質として優れた物質であることが分かる。
なお、表２に示す試料については、平均粒径、比表面積、タップ密度はいずれも、本願請求項２に記載する条件を満たしているものを選択したが、請求項２の条件から、±２０％程度の逸脱であれば、容量と安全性の変化はそれほど大きくはなかった。すなわち、充放電容量は１４０ｍＡｈ／ｇを超えており、安全性は、従来よりも向上した（○）か、又は従来と同等（△）であった。
［００２０］
以上から、本願請求項１の発明において記載する「Ｖｍ＝２１．２７６−０．０１１７ｎを上限とし、Ｖｍ＝２１．１６４−０．０１２２ｎを下限とする範囲内にあり、かつ（０１８）面と（１１３）面の半値幅がともに０．２００°以下である」という条件を満たすことが、第一義的な要件であることが分かる。
しかし、本願の請求項２の発明において記載する、酸化物粉体の平均粒径が５μｍ以上１０μｍ以下であり、比表面積が１．０ｍ２／ｇ以上１．６ｍ２／ｇ以下であり、タップ密度が１．５以上２．０以下である条件は、より望ましい条件であることは言うまでもない。
［００２１］
（比較例１−９）
Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｏの酸化物と炭酸リチウムを使用して、各原料を混合し粉砕した後、噴霧乾燥して酸化処理し正極材料を得た。この正極材料を実施例と同様に処理し、同様
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
の評価を行った。モル容積、半値幅（０１８）、半値幅（１１３）を表３に示す。表３に記載する条件は、いずれも実施例１−８に記載する条件と同様のものである。
表３と後述する表４に示す試料Ｎｏ．９から試料Ｎｏ．１７に示すものは、それぞれ比較例１から比較例９に対応するものである。
また、表４には、試料Ｎｏ．９から試料Ｎｏ．１７の平均粒径、比表面積、タップ密度を示す。また、容量と安全性についても、同様に示す。
なお、図１に示す「Ｖｍ＝２１．２７６−０．０１１７ｎを上限とし、Ｖｍ＝２１．１６４−０．０１２２ｎを下限とする範囲」の外側に、比較例１−９（試料Ｎｏ．９から試料Ｎｏ．１７）が存在し、比較例１から比較例９に相当する９個の□がプロットされているのが分かる。
［００２２］
［表３］
2009128289.tif 000010
［００２３］
［表４］
2009128289.tif 000011
［００２４］
上記表３、表４及び図１から明らかなように、充放電容量は高いもので１５０ｍＡｈ／ｇ（試料Ｎｏ．１１）と１４５ｍＡｈ／ｇ（試料Ｎｏ．１２）が存在するが、この場合は、安全性がいずれも
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
劣っている。それ以外は、いずれも１４０ｍＡｈ／ｇ以下で、容量が低く、また安全性は従来並かさらに劣っていることが分かる。
以上から、比較例１から比較例９（試料Ｎｏ．９からＮｏ．１７）については、いずれも安全性は△か×であり、安全性が従来と同等か又は劣っていた。また、容量についても従来並か又は劣っていた。
以上の実施例と比較例の対比から、本願発明の実施例に示すものは、いずれもリチウムイオン電池正極材用正極活物質として優れた物質であることが分かる。
産業上の利用可能性
［００２５］
本発明リチウムイオン電池正極材用正極活物質は、ＣｕＫα線を使用した粉末Ｘ線回折パターンでの（０１８）面と（１１３）面とから計算される格子定数より推定されるモル容積Ｖｍを縦軸とし、金属成分中のＣｏ比率ｎ（モル％）を横軸とした領域において、その関係がＶｍ＝２１．２７６−０．０１１７ｎを上限とし、Ｖｍ＝２１．１６４−０．０１２２ｎを下限とする範囲内にあり、かつ（０１８）面と（１１３）面の半値幅がともに０．２００°以下とすることにより、結晶性が高く、高容量かつ高い安全性を有する正極活物質を得ることができるという優れた効果を有するので、リチウム二次電池用材料として有用である。
図面の簡単な説明
［００２６］
［図１］モル容積Ｖｍを縦軸とし、Ｃｏ比率ｎ（モル％）を横軸とした領域において、Ｖｍ＝２１．２７６−０．０１１７ｎを上限とし、Ｖｍ＝２１．１６４−０．０１２２ｎを下限とする範囲を示し、かつ実施例及び比較例の条件をプロットした図である。
【国際調査報告】
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