(57)【要約】【課題】放電容量が大きく、高率放電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及びそれを用いたリチウム二次電池であって、前記固溶体が含有する金属元素の組成比率が、Ｌｉ１＋（ｘ／３）Ｃｏ１−ｘ−ｙ−ｚＮｉｙ／２Ｍｇｚ／２Ｍｎ（２ｘ／３）＋（ｙ／２）＋（ｚ／２）（ｘ＞０、ｙ＞０、ｚ＞０、ｘ＋ｙ＋ｚ＜１）を満たし、空間群Ｐ３１１２に帰属可能なエックス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０．１５°以下であり、かつ、（１１４）面の回折ピークの半値幅が０．２５°以下であることを特徴とする。【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／３）Ｃｏ１−ｘ−ｙ−ｚＮｉｙ／２Ｍｇｚ／２Ｍｎ（２ｘ／３）＋（ｙ／２）＋（ｚ／２）（ｘ＞０、ｙ＞０、ｚ＞０、ｘ＋ｙ＋ｚ＜１）を満たし、空間群Ｐ３１１２に帰属可能なエックス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０．１５°以下であり、かつ、（１１４）面の回折ピークの半値幅が０．２５°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】
前記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、１／３＜ｘ＜２／３、０＜ｙ＜２／３、０＜ｚ＜０．３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】
前記リチウム遷移金属複合酸化物の固溶体は、Ｌｉ［Ｌｉ１／３Ｍｎ２／３］Ｏ２、ＬｉＮｉ１／２Ｍｎ１／２Ｏ２、ＬｉＣｏＯ２及びＬｉＭｇ１／２Ｍｎ１／２Ｏ２の４つの成分の固溶体から構成されることを特徴とする請求項１又は２に記載のリチウム二次電池用活物質。
【請求項４】
前記リチウム遷移金属複合酸化物の固溶体は、構成されるそれぞれの元素の価数が、Ｌｉ１＋，Ｍｎ４＋，Ｎｉ２＋，Ｃｏ３＋，Ｍｇ２＋であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項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。
【請求項７】
充電時の正極の最大到達電位が４．３Ｖ（ｖｓ．Ｌｉ／Ｌｉ＋）以下である充電方法が採用される請求項６に記載のリチウム二次電池を製造するための製造方法であって、４．３Ｖ（ｖｓ．Ｌｉ／Ｌｉ＋）を超え４．８Ｖ（ｖｓ．Ｌｉ／Ｌｉ＋）以下の正極電位範囲に出現する、電位変化が比較的平坦な領域に少なくとも至る充電を行う工程を含むことを特徴とするリチウム二次電池の製造方法。
【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、それを用いたリチウム二次電池及びその製造方法に関する。
【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１２０〜１３０ｍＡｈ／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、放電容量がさらに大きいリチウム二次電池用活物質が求められていた。
また、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、高率放電時の容量が得られな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、ＬｉＣｏＯ２のＣｏの一部をＭｇで置換した結果、室温での電子伝導度は向上した（Ｆｉｇ．２参照）ものの、放電容量についてはＭｇ添加によって低下した（Ｆｉｇ．６，Ｆｉｇ．８参照）ことが記載されている。一方、高率放電時に容量がどのように変化するかは記載されていない。
【０００８】
非特許文献６には、ＬｉＣｏＯ２、ＬｉＮｉＯ２及びＬｉＭｎＯ２の３つの成分の固溶体に相当するＬｉＣｏ１／３Ｎｉ１／３Ｍｎ１／３Ｏ２の遷移金属サイトの一部をＭｇで置換した結果、やはり放電容量が低下した（Ｆｉｇ．８参照）ことが記載されている。一方、高率放電時に容量がどのように変化するかは記載されていない。
【０００９】
非特許文献７には、Ｌｉ［Ｌｉ１／３Ｍｎ２／３］Ｏ２及びＬｉＮｉ１／２Ｍｎ１／２Ｏ２の２つの成分の固溶体に相当するＬｉ［Ｌｉ０．１５Ｎｉ０．２７５Ｍｎ０．５７５］Ｏ２の遷移金属サイトの一部をＭｇで置換した結果、繰り返し充放電に伴う容量維持率に向上がみられたものの、初期放電容量についてはやはり低下した（Ｆｉｇ．２参照）ことが記載されている。また、報告されている放電容量は２００ｍＡｈ／ｇを超えるものではない（同図参照）。一方、高率放電時に容量がどのように変化するかは記載されていない。
【００１０】
また、特許文献１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が、Ｍ”としてＭｇを採用した特定組成の活物質の半値幅が、特定範囲にある場合に、顕著に高率放電特性が向上することは示されていない。
【００１１】
特許文献２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）と記載されているから、回折ピークの半値幅を特定範囲とすることにより、顕著に高率放電特性が向上することが示されているとはいえない。
【００１２】
特許文献３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、Lia Nix Mny
Coz Ｏ2+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］）と記載されているが、（００３）面及び（１０４）面の回折ピ−ク半価幅（半値幅）と高率放電特性との関係は示されていない。
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］）が、リチウム含有金属複合酸化物にＭｇを含有させることについては全く記載がなく、Ｍｇを含有する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、高率放電特性が顕著に向上することは示唆されていない。
【００１３】
特許文献４には、「充電時の正極の最大到達電位が４．３Ｖ(vs.Li/Li+)以下である充電方法が採用される請求項９記載のリチウム二次電池を製造するための製造方法であって、４．３Ｖ(vs.Li/Li+）を超え４．８Ｖ以下(vs.Li/Li+）の正極電位範囲に出現する電位変化が比較的平坦な領域に少なくとも至る充電を行う工程を含むことを特徴とするリチウム二次電池の製造方法。」（請求項１０）の発明が記載されているが、このリチウム二次電池に用いる活物質はＭｇを含有するものではなく、Ｍｇを含有する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、高率放電特性が顕著に向上することは示唆されていない。
【００１４】
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］）が、リチウム含有金属複合酸化物にＭｇを含有させることについては全く記載がなく、Ｍｇを含有する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、高率放電特性が顕著に向上することは示唆されていない。
【００１５】
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が、マグネシウムを添加することにより電子伝導性を飛躍的に向上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Ｒ３ｍに属する六方晶系であることも示されている（段落［００２８］〜［００３０］）が、ニッケルマンガンコバルト複合酸化物にマグネシウムを固溶体成分として含有する場合に、放電容量が顕著に向上し、高率放電特性が顕著に向上することは示唆されていない。
【００１６】
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］）が、リチウムニッケルマンガンコバルト系複合酸化物がマグネシウムを含有する特定組成である場合に、放電容量が顕著に向上し、高率放電特性が顕著に向上することは示唆されていない。
【００１７】
また、特許文献１〜７に記載された正極活物質は、放電容量が大きいものではなく、さらに、Ｌｉ［Ｌｉ１／３Ｍｎ２／３］Ｏ２、ＬｉＮｉ１／２Ｍｎ１／２Ｏ２、ＬｉＣｏＯ２及びＬｉＭｇ１／２Ｍｎ１／２Ｏ２の４つの成分の固溶体を想定したものではないから、上記のような正極活物質が仮にＭｇを含み、且つ、半値幅の条件を満たしても、非特許文献５〜７の記載からみて、容量が向上することは期待できない。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１８】
【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】J.Electrochem.Soc., vol.144, page 3164-3168, 1997.
【非特許文献６】Solid State Ionics, vol.178, page 849-857, 2007.
【非特許文献７】J.Mater.Chem., vol 13, page 319-322, 2003.
【特許文献】
【００１９】
【特許文献１】特許第４３２０５４８号公報
【特許文献２】ＷＯ  ２００２／０８６９９３  Ａ１
【特許文献３】特許第４２１６６６９号公報
【特許文献４】ＷＯ  ２００９／０６３８３８  Ａ１
【特許文献５】特許２００３−１７８７５６号公報
【特許文献６】特許２００３−１７０５２号公報
【特許文献７】特許２００６−２５３１１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
本発明は、上記問題点に鑑みなされたものであって、放電容量が大きく、高率放電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】
【００２１】
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。
【００２２】
α−ＮａＦｅＯ２型結晶構造を有し、Ｌｉ［Ｌｉ，Ｍｎ，Ｎｉ，Ｃｏ］Ｏ２と表現できる材料は、遷移金属サイトに存在するそれぞれの金属元素の価数に留意すべきである。即ち、Ｌｉ［Ｌｉ，Ｍｎ，Ｎｉ，Ｃｏ］Ｏ２と表現できる材料を合成するにあたって、原料に含まれる金属元素であるＬｉ，Ｃｏ，Ｎｉ及びＭｎの組成比率を任意に定めるのではなく、遷移金属サイトに存在する場合のそれぞれの金属元素の価数がＬｉ１＋，Ｍｎ４＋，Ｎｉ２＋，Ｃｏ３＋となる条件下においてそれぞれの金属元素の比率を定めること、このようにして合成された材料のエックス線回折図における回折ピークの半値幅が特定範囲にあるものをリチウム二次電池用活物質として用いた場合に、高い放電容量を発現できると共に、高率放電特性を顕著に向上させることができる。
【００２３】
それぞれの金属元素の価数がＬｉ１＋，Ｍｎ４＋，Ｎｉ２＋，Ｃｏ３＋となる条件は、Ｌｉ［Ｌｉ１／３Ｍｎ２／３］Ｏ２、ＬｉＮｉ１／２Ｍｎ１／２Ｏ２及びＬｉＣｏＯ２の３つの成分の固溶体を想定することで与えられる。即ち、ｘＬｉ［Ｌｉ１／３Ｍｎ２／３］Ｏ２−ｙＬｉＮｉ１／２Ｍｎ１／２Ｏ２−（１−ｘ−ｙ）ＬｉＣｏＯ２（但し、ｘ＞０、ｙ＞０、ｘ＋ｙ＜１）を想定し、ｘ及びｙを任意に選択することにより、理論的に、α−ＮａＦｅＯ２型結晶構造の遷移金属サイトに存在する各金属元素の価数をＬｉ１＋，Ｍｎ４＋，Ｎｉ２＋，Ｃｏ３＋とすることができる。
【００２４】
本発明に係るリチウム二次電池用活物質は、Ｍｇを含有することを特徴とするものであるが、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。即ち、遷移金属サイトに存在する場合のそれぞれの金属元素の価数がＬｉ１＋，Ｃｏ３＋，Ｎｉ２＋，Ｍｎ４＋，Ｍｇ２＋となる条件下においてそれぞれの金属元素の比率を定めることにより、本発明の効果が顕著に発現される。
【００２５】
ここで、Ｌｉ１＋，Ｍｎ４＋，Ｎｉ２＋，Ｃｏ３＋，Ｍｇ２＋となる条件を保ったままＭｇ比率を定めるにあたり、いくつかの考え方を採用することができる。第一の考え方は、想定したＬｉＮｉ１／２Ｍｎ１／２Ｏ２を構成するＮｉ２＋１／２Ｍｎ４＋１／２部分をＭｇ２＋１／２Ｍｎ４＋１／２によって置換する思想に沿ってＭｇ比率を定める方法であり、本願明細書において実施例１〜５として具体的に詳述する。第二の考え方は、想定したＬｉ［Ｌｉ１／３Ｍｎ２／３］Ｏ２を構成する［Ｌｉ１／３Ｍｎ２／３］３＋部分を［Ｍｇ１／２Ｍｎ１／２］３＋によって置換する思想に沿ってＭｇ比率を定める方法であり、本願明細書において実施例６〜１０として具体的に詳述する。第三の考え方としてＣｏ３＋を［Ｍｇ１／２Ｍｎ１／２］３＋によって置換する思想に沿ってＭｇ比率を定める方法が考えられる。また、これらの思想の２つ又は３つを重ねて適用する方法が考えられる。
【００２６】
上記いずれの考え方を採用した場合においても、それぞれの金属元素の価数がＬｉ１＋，Ｍｎ４＋，Ｎｉ２＋，Ｃｏ３＋，Ｍｇ２＋となる条件は、Ｌｉ［Ｌｉ１／３Ｍｎ２／３］Ｏ２、ＬｉＮｉ１／２Ｍｎ１／２Ｏ２、ＬｉＣｏＯ２及びＬｉＭｇ１／２Ｍｎ１／２Ｏ２の４つの成分の固溶体を想定することで与えられることがわかる。即ち、固溶体ｘＬｉ［Ｌｉ１／３Ｍｎ２／３］Ｏ２−ｙＬｉＮｉ１／２Ｍｎ１／２Ｏ２−ｚＬｉＭｇ１／２Ｍｎ１／２Ｏ２−（１−ｘ−ｙ−ｚ）ＬｉＣｏＯ２（ｘ＞０、ｙ＞０、ｚ＞０、ｘ＋ｙ＋ｚ＜１）を想定し、ｘ、ｙ及びｚを任意に選択することにより、理論的に、α−ＮａＦｅＯ２型結晶構造の遷移金属サイトに存在する各金属元素の価数をＬｉ１＋，Ｃｏ３＋，Ｎｉ２＋，Ｍｎ４＋，Ｍｇ２＋とすることができる。
【００２７】
上記式ｘＬｉ［Ｌｉ１／３Ｍｎ２／３］Ｏ２−ｙＬｉＮｉ１／２Ｍｎ１／２Ｏ２−ｚＬｉＭｇ１／２Ｍｎ１／２Ｏ２−（１−ｘ−ｙ−ｚ）ＬｉＣｏＯ２を変形すると、式Ｌｉ１＋（ｘ／３）Ｃｏ１−ｘ−ｙ−ｚＮｉｙ／２Ｍｇｚ／２Ｍｎ（２ｘ／３）＋（ｙ／２）＋（ｚ／２）Ｏ２が一義的に得られる。ここに、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／３）Ｃｏ１−ｘ−ｙ−ｚＮｉｙ／２Ｍｇｚ／２Ｍｎ（２ｘ／３）＋（ｙ／２）＋（ｚ／２）（ｘ＞０、ｙ＞０、ｚ＞０、ｘ＋ｙ＋ｚ＜１）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。
【００２８】
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。なお、本発明は、金属元素組成比を規定する上記式において酸素の係数は規定していない。
【００２９】
また、本発明の活物質は、Ｌｉ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｍｎ，Ｍｇ，Ｏ以外の元素を含んでいても良く、Ｌｉ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｍｎ，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及びＭｇの価数がそれぞれＬｉ１＋，Ｃｏ３＋，Ｎｉ２＋，Ｍｎ４＋，Ｍｇ２＋の価数条件を満たし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、エックス線回折測定、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。
【００３０】
ここで、ＬｉＣｏＯ２粉末、ＬｉＮｉ１／２Ｍｎ１／２Ｏ２粉末、Ｌｉ［Ｌｉ１／３Ｍｎ２／３］Ｏ２粉末等が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、エックス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エックス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。
【００３１】
ここで、ｘとして１／３＜ｘ＜２／３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。ｚの値はＭｇ量と関連するが、後述する実施例に示すように、Ｍｇ量は極めて少量であっても、Ｍｇを含まない場合と比べて放電容量を向上させる効果が顕著に奏される。逆に、Ｍｇは充放電を行っても価数変化しないことから、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。ｚ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ｙの値によって異なるから、電池設計に応じて採用するｘ、ｙ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ｚの値を変化させ、適切なｚの値を採用するとよい。放電容量を向上させるためには、０＜ｙ＜２／３、０＜ｚ＜０．３が好ましい。
【００３２】
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／３）Ｃｏ１−ｘ−ｙ−ｚＮｉｙ／２Ｍｇｚ／２Ｍｎ（２ｘ／３）＋（ｙ／２）＋（ｚ／２）（ｘ＞０、ｙ＞０、ｚ＞０、ｘ＋ｙ＋ｚ＜１）を満たす」ことにより、高い放電容量を発現できるが、さらに、本発明においては、高率放電特性を向上させるために、空間群Ｐ３１１２に帰属可能なエックス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０．１５°以下であり、かつ、（１１４）面の回折ピークの半値幅が０．２５°以下である固溶体を活物質とする。後述の比較例５〜１４に示すように、上記の金属元素の組成比率を満たしても、エックス線回折図において（００３）面の回折ピークの半値幅が０．１５゜を超える場合、（１１４）面の回折ピークの半値幅が０．２５゜を超える場合には、高率放電時の容量が得られない。
なお、本発明に係る前記固溶体のエックス線回折図は、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。
【００３３】
本発明に係るリチウム二次電池用活物質を用い、使用時において、充電時の正極の最大到達電位が４．３Ｖ(vs.Li/Li+)以下となるような充電方法を採用しても、充分な放電容量を取り出すことのできるリチウム二次電池を製造するためには、次に述べる、本発明に係るリチウム二次電池用活物質に特徴的な挙動を考慮した充電工程を該リチウム二次電池の製造工程中に設けることが重要である。即ち、特許文献４に記載されているリチウム二次電池用活物質と同様に、本発明に係るＭｇを含有するリチウム二次電池用活物質についても、これを正極に用いて定電流充電を続けると、後述の実施例に示すように、正極電位４．３Ｖ〜４．８Ｖの範囲に、電位変化が比較的平坦な領域が比較的長い期間に亘って観察される。
【００３４】
ここに、本発明は、充電時の正極の最大到達電位が４．３Ｖ(vs.Li/Li+)以下である充電方法が採用される前記リチウム二次電池を製造するための製造方法であって、４．３Ｖ(vs.Li/Li+)を超え４．８Ｖ以下(vs.Li/Li+)の正極電位範囲に出現する電位変化が比較的平坦な領域に少なくとも至る充電を行う工程を含むことを特徴とするリチウム二次電池の製造方法である。
【００３５】
ここで、電池完成前の初期充放電工程における充電は、少なくとも前記電位平坦領域に至るまで行うことが必要である。該電位平坦領域は比較的長く（例えば１００ｍＡｈ／ｇ以上）続くので、この過程をできるだけ経由させるように充電を継続することが好ましい。また、電位上昇等により該電位平坦領域の終点が観察される場合にはこれをもって充電終止条件としてもよく、定電流定電圧充電を採用して電流値が設定値にまで減衰したことをもって充電終止条件としてもよい。
【発明の効果】
【００３６】
本発明によれば、放電容量が大きく、かつ、高率放電特性が顕著に向上した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形態】
【００３７】
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。
【００３８】
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，Ｍｇ）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。
【００３９】
目的とする組成の酸化物を作製するにあたり、Ｌｉ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｍｎ，Ｍｇ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，Ｍｇ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。なお、このような前駆体の好ましい作製方法については、例えば、特許文献２の記載が参考になる。
【００４０】
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，ＭｇのうちＭｎは酸化されやすく、Ｃｏ，Ｎｉ，Ｍｎ，Ｍｇ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，Ｍｇ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。
【００４１】
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Ｍｇ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Ｍｇとの共沈化合物とＬｉ化合物とを混合し、焼成する方法が好ましい。
【００４２】
前記共沈水酸化物前駆体の作製は、ＭｎとＮｉとＣｏとＭｇ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。
【００４３】
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、Ｍｇ化合物としては、硫酸マグネシウム、硝酸マグネシウム、酢酸マグネシウム等を一例として挙げることができる。
【００４４】
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。
【００４５】
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、酢酸リチウム等を用いることで好適に製造することができる。
【００４６】
可逆容量が大きく、かつ、高率放電特性が顕著に向上し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。
【００４７】
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。このような材料では、Ｘ線回折図上３５°付近及び４５°付近に不純物ピークが観察される。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。
【００４８】
一方、焼成温度が低すぎると、結晶化が十分に進まず、電極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８００℃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８００℃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、電極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。
【００４９】
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エックス線回折ピークの半値幅がある。本発明において、高率放電特性を向上させるためには、空間群Ｐ３１１２に帰属されるエックス線回折図において（００３）面の回折ピークの半値幅を０．１５゜以下とし、かつ、（１１４）面の回折ピークの半値幅を０．２５゜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０．１４°〜０．１５゜が好ましく、（１１４）面の回折ピークの半値幅は０．２３°〜０．２５゜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／３）Ｃｏ１−ｘ−ｙ−ｚＮｉｙ／２Ｍｇｚ／２Ｍｎ（２ｘ／３）＋（ｙ／２）＋（ｚ／２）（ｘ＞０、ｙ＞０、ｚ＞０、ｘ＋ｙ＋ｚ＜１）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１〜１０に示されるように、高率放電容量が顕著に増大するが、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０．１５゜を超える場合、（１１４）面の回折ピークの半値幅が０．２５゜を超える場合には、後述の比較例５〜１４に示されるように、高率放電特性が向上しない。
【００５０】
（００３）面の回折ピークの半値幅を０．１５゜以下、（１１４）面の回折ピークの半値幅を０．２５゜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、好ましくは９００から１１００℃、より好ましくは９５０から１０５０℃であれば高い特性を発揮することができる。
【００５１】
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８００℃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１％以下、かつ結晶子サイズが１５０ｎｍ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１３０ｎｍ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だけ近付けるように選択することにより、はじめて、可逆容量が顕著に大きい活物質を得ることができる。
また、高率放電特性を向上させるためにも、結晶子サイズはできるだけ大きいことが好ましく、後述の実施例１〜１０に示されるように１８０ｎｍとすることが好ましい。
【００５２】
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。
【００５３】
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−Ｃ4Ｈ9）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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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、非水電解質電池の高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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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し合剤とし、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。
【００６５】
セパレータとしては、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。
【００６６】
セパレータ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。
【００６７】
また、セパレータは、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。
【００６８】
さらに、セパレータは、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。
【００６９】
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。
【００７０】
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】
【００７１】
（実施例１）
硫酸マンガン５水和物と硫酸ニッケル６水和物と硫酸コバルト７水和物と硫酸マグネシウム７水和物をＣｏ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｍｇの各元素が０．１２５００：０．１８３７５：０．６８７５０：０．００３７５の比率となるようイオン交換水に溶解させ混合水溶液を作製した。その際に、その合計濃度が０．６６７ｍｏｌ／ｌ、体積が１８０ｍｌとなるようにした。次に、１リットルのビーカーに６００ｍｌのイオン交換水を準備し、湯浴を用いて５０℃に保ち、８ＮのＮａＯＨを滴下することでｐＨを１２．０に調整した。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。ビーカー内を回転速度７００ｒｐｍで攪拌させ、先程の硫酸塩の混合水溶液を３ｍｌ／ｍｉｎのスピードで滴下した。その間、湯浴を用いて温度を一定に保ち、８ＮのＮａＯＨを断続的に滴下することでｐＨを一定に保った。同時に、還元剤として濃度２．０ｍｏｌ／ｌのヒドラジン水溶液５０ｍｌを０．８３ｍｌ／ｍｉｎのスピードで滴下した。両方の滴下が終了した後、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。
【００７２】
なお、上記の手順において、各溶液の滴下スピードが早すぎると、元素レベルで均一な前駆体が得られなくなる。例えば滴下スピードを上記の１０倍とした場合は、前駆体中の元素分布が明らかに不均一となる。また、このような不均一な前駆体を用いて活物質を合成した際に、焼成後の元素の分布も不均一なものとなり、十分な電極特性を発揮できない。ちなみに、固相法によってＬｉＯＨ・Ｈ２Ｏ、Ｃｏ（ＯＨ）２、Ｎｉ（ＯＨ）２、ＭｎＯＯＨ、Ｍｇ（ＯＨ）２を原料粉体として用いた場合は、より一層不均一となるため、好ましくない。
【００７３】
次に、吸引ろ過により共沈生成物を取り出し、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、直径約１２０ｍｍφの乳鉢で数分間粉砕し、乾燥粉末を得た。
【００７４】
この乾燥粉末は、エックス線回折測定により、β−Ｎｉ（ＯＨ）２型の単相が確認された。また、ＥＰＭＡ測定により、Ｃｏ，Ｎｉ，Ｍｎは均一に分布していることが確認された。
【００７５】
水酸化リチウム一水和物粉末（ＬｉＯＨ・Ｈ２Ｏ）を、金属元素（Ｎｉ＋Ｍｎ＋Ｃｏ＋Ｍｇ）に対するＬｉ量が表１の実施例１の組成式を満たすように秤量し、混合して混合粉体を得た。
【００７６】
次に、混合粉体を６ＭＰａの圧力でペレット成型した。ペレット成型に供した前駆体粉末の量は、合成後の生成物としての質量が３ｇとなるように換算して決定した。その結果、成型後のペレットは、直径２５ｍｍφ、厚さ約１０−１２ｍｍであった。前記ペレットを全長約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。
【００７７】
得られた活物質の結晶構造は、Ｃｕ（Ｋα）管球を用いた粉末エックス線回折測定の結果、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。これら全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、２θ：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、０．１４°であり、２θ：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を求めたところ、０．２４°であった。
【００７８】
さらに、エックス線回折図形のデータをコンピュータ上でリートベルト解析を行い、この解析過程で、ガウス関数およびローレンツ関数に含まれる結晶パラメータを精密化し、このようにして求めた結晶パラメータから、格子歪み及び結晶子サイズをそれぞれ算出したところ、結晶子サイズは１８０ｎｍであった。
【００７９】
（実施例２〜１０）
共沈水酸化物前駆体が含有する金属元素の組成及び水酸化リチウム一水和物の混合量について、表１の実施例２〜１０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。
【００８０】
エックス線回折測定の結果、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。これら全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、２θ：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、０．１４°〜０．１５°であり、２θ：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を求めたところ、０．２３°〜０．２５°であった。
【００８１】
さらに、実施例１と同様に、結晶子サイズを算出したところ、結晶子サイズは１８０〜２００ｎｍであった。
【００８２】
（比較例１〜４）
共沈水酸化物前駆体が含有する金属元素からＭｇを除き、表１の比較例１〜４に示す組成式に沿って変更し、比較例１〜４について、焼成温度をそれぞれ１０００℃、９００℃、８００℃、７００℃に変更した他は、実施例１と同様にして、比較例に係る活物質を合成した。
【００８３】
実施例１と同様に、（００３）面、（１１４）面の回折ピークの半値幅を求め、結晶子サイズを算出した。
【００８４】
（比較例５〜７）
比較例５〜７について、焼成温度をそれぞれ７００℃、８００℃、９００℃に変更した他は、実施例１と同様にして、比較例に係る活物質を合成した。
【００８５】
実施例１と同様に、（００３）面、（１１４）面の回折ピークの半値幅を求め、結晶子サイズを算出した。
【００８６】
（比較例８〜１４）
比較例８〜１０は、実施例２〜４と同じ固溶体の組成とし、比較例１１〜１４は、実施例７〜１０と同じ固溶体の組成とし、焼成温度を９００℃に変更した他は、実施例１と同様にして、比較例に係る活物質を合成した。
【００８７】
実施例１と同様に、（００３）面、（１１４）面の回折ピークの半値幅を求め、結晶子サイズを算出した。
【００８８】
（比較例１５、１６）
共沈水酸化物前駆体が含有する遷移金属元素の組成及び水酸化リチウム一水和物の混合量について、表１の比較例１５、１６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、比較例に係る活物質を合成した。
【００８９】
実施例１と同様に、（００３）面、（１１４）面の回折ピークの半値幅を求め、結晶子サイズを算出した。
【００９０】
（比較例１７）
活物質としての特性を本発明のものと比較するために、Ｍｇの代わりにＡｌを含有する固溶体Ｌｉ１．２Ｃｏ０．１Ｎｉ０．１４４Ａｌ０．０１２Ｍｎ０．５４４Ｏ２を合成した。
硫酸マンガン５水和物と硫酸ニッケル６水和物と硫酸コバルト７水和物をＣｏ、Ｎｉ、Ｍｎの各元素が１２．６９：１８．２８：６９．０３の比率となるようイオン交換水に溶解させ混合水溶液を作製した。その際に、その合計濃度が０．６６７ｍｏｌ／ｌ、体積が１８０ｍｌとなるようにした。次に、１リットルのビーカーに６００ｍｌのイオン交換水を準備し、湯浴を用いて５０℃に保ち、８ＮのＮａＯＨを滴下することでｐＨを１２．０に調整した。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。ビーカー内を回転速度７００ｒｐｍで攪拌させ、先程の硫酸塩の混合水溶液を３ｍｌ／ｍｉｎのスピードで滴下した。その間、湯浴を用いて温度を一定に保ち、８ＮのＮａＯＨを断続的に滴下することでｐＨを一定に保った。同時に、還元剤として濃度２．０ｍｏｌ／ｌのヒドラジン水溶液５０ｍｌを０．８３ｍｌ／ｍｉｎのスピードで滴下した。両方の滴下が終了した後、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。
【００９１】
次に、吸引ろ過により共沈生成物を取り出し、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、直径約１２０ｍｍφの乳鉢で数分間粉砕し、乾燥粉末を得た。
【００９２】
水酸化リチウム一水和物粉末（ＬｉＯＨ・Ｈ２Ｏ）と水酸化アルミニウムを、表１の比較例１７の組成式を満たすように秤量し、混合して混合粉体を得た。
【００９３】
次に、混合粉体を６ＭＰａの圧力でペレット成型した。ペレット成型に供した前駆体粉末の量は、合成後の生成物としての質量が３ｇとなるように換算して決定した。その結果、成型後のペレットは、直径２５ｍｍφ、厚さ約１０−１２ｍｍであった。前記ペレットを全長約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。
【００９４】
得られた活物質は、組成がＬｉ１．２Ｃｏ０．１Ｎｉ０．１４４Ａｌ０．０１２Ｍｎ０．５４４Ｏ２であり、その結晶構造は、Ｃｕ（Ｋα）管球を用いた粉末エックス線回折測定の結果、α−ＮａＦｅＯ２型の六方晶構造が主相として観察された。これら全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。
【００９５】
（比較例１８）
活物質としての特性を本発明のものと比較するために、Ｍｇの代わりにＡｌを含有する固溶体Ｌｉ１．２Ｃｏ０．１Ｎｉ０．１３９５Ａｌ０．０２１Ｍｎ０．５３９５Ｏ２を合成した。
共沈水酸化物前駆体が含有する遷移金属元素の組成と水酸化リチウム一水和物及び水酸化アルミニウムの混合量について、表１の比較例１８に示す組成式に沿って変更した他は、比較例１７と同様にして比較例に係る活物質を合成した。
【００９６】
（比較例１９）
活物質としての特性を本発明のものと比較するために、Ｍｇの代わりにＴｉを含有する固溶体Ｌｉ１．２Ｃｏ０．１Ｎｉ０．１５Ｔｉ０．０３Ｍｎ０．５２Ｏ２を合成した。
共沈水酸化物前駆体が含有する遷移金属元素の組成と水酸化リチウム一水和物及び二酸化チタンの混合量について、表１の比較例１９に示す組成式に沿って変更した他は、比較例１７と同様にして比較例に係る活物質を合成した。
【００９７】
（比較例２０）
活物質としての特性を本発明のものと比較するために、Ｍｇの代わりにＴｉを含有する固溶体Ｌｉ１．２Ｃｏ０．１Ｎｉ０．１５Ｔｉ０．０５Ｍｎ０．５Ｏ２を合成した。
共沈水酸化物前駆体が含有する遷移金属元素の組成と水酸化リチウム一水和物及び二酸化チタンの混合量について、表１の比較例２０に示す組成式に沿って変更した他は、比較例１７と同様にして比較例に係る活物質を合成した。
【００９８】
（リチウム二次電池の作製及び評価）
実施例１〜１０及び比較例１〜２０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。
【００９９】
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。
【０１００】
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。
【０１０１】
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はりつ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、正極端子、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。
【０１０２】
上記のようにして作製されたリチウム二次電池は、２０℃の下、５サイクルの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４．５Ｖ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。全てのサイクルにおいて充電後及び放電後に３０分の休止時間を設定した。実施例１のリチウム二次電池においては、最初の充電時、充電電気量が１００ｍＡｈ／ｇを超えた付近から、４．４５Ｖ付近の電位において電位変化が比較的平坦な領域が長い期間に亘って観察された。
【０１０３】
続いて、充放電サイクル試験を行った。電圧制御は全て正極電位に対して行った。充放電サイクル試験の条件は、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。全てのサイクルにおいて充電後及び放電後に３０分の休止時間を設定した。この充放電サイクル試験における５サイクル目の放電電気量を「放電容量（ｍＡｈ／ｇ）」として記録した。
【０１０４】
次に、高率放電試験を行った。電圧制御は全て正極電位に対して行った。充放電サイクル試験の条件は、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。その後の放電は、２ＩｔＡ、終止電圧２．０Ｖの定電流放電とした。充電後及び放電後に３０分の休止時間を設定した。前記、電流０．１ＩｔＡ時に得られた放電容量に対して、２ＩｔＡ時に得られた放電容量の比率を「レート比率（％）」として記録した。
【０１０５】
半値幅の測定結果、結晶サイズの算出結果、充放電サイクル試験結果（０．１Ｃ容量）、レート比率を表１に示す。
【０１０６】
【表１】
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【０１０７】
実施例１〜６、比較例５〜１０は、固溶体ｘＬｉ［Ｌｉ１／３Ｍｎ２／３］Ｏ２−ｙＬｉＮｉ１／２Ｍｎ１／２Ｏ２−ｚＬｉＭｇ１／２Ｍｎ１／２Ｏ２−（１−ｘ−ｙ−ｚ）ＬｉＣｏＯ２（ｘ＞０、ｙ＞０、ｚ＞０、ｘ＋ｙ＋ｚ＜１）を想定した上で、ＬｉＮｉ１／２Ｍｎ１／２Ｏ２を構成するＮｉ２＋１／２Ｍｎ４＋１／２部分をＭｇ２＋１／２Ｍｎ４＋１／２によって置換する思想に沿って、式Ｌｉ１＋（ｘ／３）Ｃｏ１−ｘ−ｙ−ｚＮｉｙ／２Ｍｇｚ／２Ｍｎ（２ｘ／３）＋（ｙ／２）＋（ｚ／２）（ｘ＞０、ｙ＞０、ｚ＞０、ｘ＋ｙ＋ｚ＜１）を満たすように、それぞれの金属元素の組成比率（金属元素比率）を定めた。
【０１０８】
実施例１〜６は、上記金属比率が本発明の規定する範囲内にあり、（００３）面の回折ピークの半値幅が０．１４°〜０．１５°であり、かつ、（１１４）面の回折ピークの半値幅が０．２３°〜０．２５°であった。
比較例５〜７は、実施例１と上記の金属元素比率は同一であるが、焼成温度がそれぞれ７００℃、８００℃、９００℃であり、実施例１の１０００℃より低いため、（００３）面の回折ピークの半値幅がそれぞれ０．３１°、０．２１°、０．１７°と実施例１の０．１４°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°、０．３１°、０．２８°と実施例１の０．２４°よりも大きくなった。
また、結晶子サイズは、実施例１では１８０ｎｍであるのに対して、比較例５〜７ではそれぞれ８０ｎｍ、１１０ｎｍ、１４０ｎｍであり、焼成温度が低い程、結晶子サイズが小さくなることが分かる。
【０１０９】
比較例８〜１０は、実施例２〜４と上記の金属元素比率は同一であるが、焼成温度が９００℃であり、実施例２〜４の１０００℃より低いため、（００３）面の回折ピークの半値幅が０．１６°〜０．１７°と実施例２〜４の０．１４°よりも大きくなり、（１１４）面の回折ピークの半値幅も０．２８°〜０．２９°と実施例２〜４の０．２３°〜０．２４°よりも大きくなった。
また、結晶子サイズは、実施例２〜４では１８０〜２００ｎｍであるのに対して、比較例８〜１０では１３０〜１４０ｎｍであり、結晶子サイズが小さくなった。
【０１１０】
実施例７〜１０、比較例１１〜１４は、同じく固溶体ｘＬｉ［Ｌｉ１／３Ｍｎ２／３］Ｏ２−ｙＬｉＮｉ１／２Ｍｎ１／２Ｏ２−ｚＬｉＭｇ１／２Ｍｎ１／２Ｏ２−（１−ｘ−ｙ−ｚ）ＬｉＣｏＯ２（ｘ＞０、ｙ＞０、ｚ＞０、ｘ＋ｙ＋ｚ＜１）を想定した上で、Ｌｉ［Ｌｉ１／３Ｍｎ２／３］Ｏ２を構成する［Ｌｉ１／３Ｍｎ２／３］３＋部分を［Ｍｇ１／２Ｍｎ１／２］３＋によって置換する思想に沿って、式Ｌｉ１＋（ｘ／３）Ｃｏ１−ｘ−ｙ−ｚＮｉｙ／２Ｍｇｚ／２Ｍｎ（２ｘ／３）＋（ｙ／２）＋（ｚ／２）（ｘ＞０、ｙ＞０、ｚ＞０、ｘ＋ｙ＋ｚ＜１）を満たすようにそれぞれの金属元素比率を定めた。
【０１１１】
実施例７〜１０は、上記金属比率が本発明の規定する範囲内にあり、（００３）面の回折ピークの半値幅が０．１４°〜０．１５°であり、かつ、（１１４）面の回折ピークの半値幅が０．２３°〜０．２５°であった。
比較例１１〜１４は、実施例７〜１０と上記の金属元素比率は同一であるが、焼成温度が９００℃であり、実施例７〜１０の１０００℃より低いため、（００３）面の回折ピークの半値幅が０．１６°〜０．１７°と大きくなり、（１１４）面の回折ピークの半値幅も０．２８°〜０．２９°と大きくなった。
また、結晶子サイズは、実施例７〜１０では１８０〜２００ｎｍであるのに対して、比較例１１〜１４では１３０〜１４０ｎｍであり、結晶子サイズが小さくなった。
【０１１２】
固溶体が上記の金属元素比率を満たし、（００３）面の回折ピークの半値幅が０．１５゜以下であり、かつ、（１１４）面の回折ピークの半値幅が０．２５゜以下である実施例１〜１０の活物質は、２００ｍＡｈ／ｇを超える放電容量が得られ、固溶体がＭｇを含有しない以外は実施例１と同一組成である比較例１〜４の活物質と比較して、０．１Ｃの放電容量が向上した。また、実施例１〜１０の活物質は、レート比率が５８％以上であり、比較例１〜４の活物質と比較して、レート比率が顕著に向上し、高率放電特性に優れていることが確認された。
【０１１３】
これに対して、比較例５〜１４の活物質のように、固溶体が上記の金属元素比率を満たしても、（００３）面の回折ピークの半値幅が０．１５゜を超え、（１１４）面の回折ピークの半値幅が０．２５゜を超える場合は、２００ｍＡｈ／ｇを下回る放電容量しか得られず、レート比率も５４％以下であり、固溶体がＭｇを含有しない以外は実施例１と同一である比較例１〜４の活物質と比較して、０．１Ｃの放電容量、レート比率（高率放電特性）がいずれも向上しない。
また、比較例１の活物質は、（００３）面の回折ピークの半値幅が０．１５゜以下、かつ、（１１４）面の回折ピークの半値幅が０．２５゜以下であり、すなわち、本発明の範囲内であり、上記の半値幅が本発明の範囲外である比較例２〜４の活物質と比較して０．１Ｃの放電容量は向上しているが、レート比率の向上は認められないから、固溶体がＭｇを含有しない場合、（００３）面と（１１４）面の回折ピークの半値幅を小さくするだけでは、高率放電特性が向上するとはいえない。
【０１１４】
比較例１５は、ｘ＝０、ｙ＝２／３、ｚ＝０に相当する活物質ＬｉＣｏ１／３Ｎｉ１／３Ｍｎ１／３Ｏ２の遷移金属サイトの一部をＬｉ１＋，Ｍｎ４＋，Ｎｉ２＋，Ｃｏ３＋，Ｍｇ２＋となる条件下においてＭｇで置換した、具体的にはｘ＝０，ｙ＝０．５６，ｚ＝０．１０の場合に相当する結果を示している。焼成温度は実施例と同じく１０００℃であり、（００３）および（１１４）回折ピークの半値幅も同様であった。この場合、価数条件は保たれているものの、非特許文献６に記載されているとおり、Ｍｇを含有しない上記の活物質である比較例１６に比べて、同様の焼成温度、（００３）および（１１４）回折ピークの半値幅であるにもかかわらず、放電容量の低下が認められた。
【０１１５】
実施例１〜１０の活物質は、（００３）面の回折ピークの半値幅が０．１５゜以下、かつ、（１１４）面の回折ピークの半値幅が０．２５゜以下であることに伴い、結晶子サイズも１８０ｎｍ以上と大きくなり、高率放電特性が向上する。
これに対して、比較例２〜１４の活物質は、半値幅が大きいことに伴い、結晶子サイズは１４０ｎｍ以下と小さく、高率放電特性が向上しない。
また、比較例１の活物質は、半値幅が実施例１〜１０と同程度に小さいため、結晶子サイズは１８０ｎｍ以上であるが、固溶体がＭｇを含有していないため、高率放電特性は向上しない。
比較例１５の活物質はＭｇを含んでおり、結晶子サイズは１８０ｎｍ以上であるが、遷移金属サイトにＬｉ＋を含んでおらず、０．１Ｃの放電容量、レート比率（高率放電特性）ともに向上しない。
比較例１６の活物質は、結晶子サイズは１８０ｎｍ以上であり、高率放電特性は優れるものの、遷移金属サイトにＬｉ＋を含んでおらず、０．１Ｃの放電容量が向上しない。
したがって、高い放電容量を維持しつつ、高率放電特性を向上させるためには、固溶体が上記の金属元素比率を満たすようにすると共に、結晶子サイズを１８０ｎｍ以上とすることが好ましい。
【０１１６】
比較例１７〜２０のように、Ｍｇの代わりにＡｌやＴｉを含有する１０００℃で焼成した活物質は、リチウム遷移金属複合酸化物の固溶体が空間群Ｐ３１１２に帰属可能なエックス線回折パターンを有し、エックス線回折図において（００３）面の回折ピークの半値幅が０．１５゜以下であり、かつ、（１１４）面の回折ピークの半値幅が０．２５゜以下であるが、２００ｍＡｈ／ｇを超える放電容量は得られず、高率放電特性も劣るものであった。
【０１１７】
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／３）Ｃｏ１−ｘ−ｙ−ｚＮｉｙ／２Ｍｇｚ／２Ｍｎ（２ｘ／３）＋（ｙ／２）＋（ｚ／２）（ｘ＞０、ｙ＞０、ｚ＞０、ｘ＋ｙ＋ｚ＜１）を満たすこと」、「エックス線回折図において（００３）面の回折ピークの半値幅が０．１５゜以下であり、かつ、（１１４）面の回折ピークの半値幅が０．２５゜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、２００ｍＡｈ／ｇを超える放電容量が得られ、かつ、高率放電特性が顕著に向上するといえる。
【産業上の利用可能性】
【０１１８】
本発明によれば、放電容量が大きく、高率放電特性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。