(57)【要約】  コバルト、マンガンおよびニッケルを含有する単相リチウム−遷移金属酸化物化合物は、コバルト含有酸化物又は酸化物前駆体、マンガン含有酸化物又は酸化物前駆体、ニッケル含有酸化物又は酸化物前駆体、およびリチウム含有酸化物または酸化物前駆体を湿式粉砕して、十分に分配されたコバルト、マンガン、ニッケルおよびリチウムを含有する微粉化されたスラリーを形成し、該スラリーを加熱して、コバルト、マンガンおよびニッケルを含有すると共に実質的に単相Ｏ３結晶構造を有するリチウム−遷移金属酸化物化合物を提供することによって調製することができる。湿式粉砕は乾式粉砕よりもかなり短い粉砕時間を提供し、単相リチウム−遷移金属酸化物化合物の形成を促進すると思われる。湿式粉砕ステップにおける時間の節約は、加熱ステップ中にスラリーを乾燥させるのに必要とされ得る時間を相殺して余りある。
2007515366.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ）コバルト含有酸化物または酸化物前駆体、マンガン含有酸化物または酸化物前駆体、ニッケル含有酸化物または酸化物前駆体、およびリチウム含有酸化物または酸化物前駆体を湿式粉砕して、十分に分配されたコバルト、マンガン、ニッケルおよびリチウムを含有する微粉化されたスラリーを形成すること、および
ｂ）前記スラリーを加熱して、コバルト、マンガンおよびニッケルを含有すると共に実質的に単相Ｏ３結晶構造を有するリチウム−遷移金属酸化物化合物を提供すること、
を含む、コバルト、マンガンおよびニッケルを含有する単相リチウム−遷移金属酸化物化合物の製造方法。
【請求項２】
湿式粉砕のために水を使用する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記スラリーを、前記スラリーが約０．３μｍ未満の平均粒子直径を有する粒子を含有するまで粉砕することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記スラリーを、前記スラリーが約０．１μｍ未満の平均粒子直径を有する粒子を含有するまで粉砕することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
セラミック媒体を用いて粉体を粉砕することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記前駆体が、１つまたは複数の炭酸塩を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記前駆体の少なくとも１つが、炭酸マンガンまたは炭酸ニッケルを含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
等モル量の、マンガン含有酸化物または酸化物前駆体、およびニッケル含有酸化物または酸化物前駆体を、一緒に粉砕することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記スラリーを、少なくとも１０℃／分の速度で、少なくとも８００℃の温度まで加熱することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記スラリーを、１０５０℃以下の温度まで加熱することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記リチウム−遷移金属酸化物化合物が、式Ｌｉa［Ｃｏx（Ｎｉ1/2Ｍｎ1/2）1-x］Ｏ2（式中、０≦ａ≦１．２かつ０．１≦ｘ≦０．９８）で表されるものから選択される、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記リチウム−遷移金属酸化物化合物が、近似式Ｌｉ（Ｃｏ(0.8)Ｍｎ0.1Ｎｉ0.1）Ｏ2を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記リチウム−遷移金属酸化物化合物が、近似式Ｌｉ（Ｃｏ(1/3)Ｍｎ(1/3)Ｎｉ(1/3)）Ｏ2を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記リチウム−遷移金属酸化物化合物が、近似式Ｌｉ（Ｌｉ0.08Ｃｏ0.15Ｍｎ0.375Ｎｉ0.375）Ｏ2を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記リチウム−遷移金属酸化物化合物の粒子と、導電性炭素およびバインダとを混合し、得られた混合物を支持基材上にコーティングしてリチウム−遷移金属酸化物カソードを形成することを更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
前記カソードと、電気的に適合しているアノードと、セパレータと、電解質とを容器内に配置して、リチウムイオン電池を形成することを更に含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記電池が、７５ｍＡ／ｇの放電率において４．４ボルトと２．５ボルトとの間で少なくとも１００サイクル充電および放電された後で、前記電池の容量が実質的に低下していない、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
下記の式を有するリチウム−遷移金属酸化物化合物：
ＬｉaＣｏbＭｎcＮｉ1-b-cＯ2
（式中、０≦ａ≦１．２、０．５２＜ｂ≦０．９８、０．０１≦ｃ≦０．４７かつ０．５３＜ｂ＋ｃ≦０．９９）。
【請求項１９】
単相化合物ＬｉＮｉ0.1Ｍｎ0.1Ｃｏ0.8Ｏ2、Ｌｉ（Ｃｏ(1/3)Ｍｎ(1/3)Ｎｉ(1/3)）Ｏ2、およびＬｉ（Ｌｉ0.08Ｃｏ0.15Ｍｎ0.375Ｎｉ0.375）Ｏ2からなる群から選択される化合物から本質的になる、リチウム−遷移金属酸化物組成物。
【請求項２０】
請求項１８に記載の少なくとも１つのリチウム−遷移金属酸化物化合物を含む、リチウムイオン電池。
【請求項２１】
請求項１９に記載の少なくとも１つのリチウム−遷移金属酸化物組成物を含む、リチウムイオン電池。
【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のカソードとして有用な化合物の調製に関する。
【背景技術】
【０００２】
リチウムイオン電池は、通常、アノードと、電解質と、リチウム−遷移金属酸化物の形態でリチウムを含有するカソードとを含む。使用されている遷移金属酸化物は、二酸化コバルト、二酸化ニッケルおよび二酸化マンガンを含む。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
コバルト、マンガンおよびニッケルが結晶格子内にそれぞれ存在するリチウム−遷移金属酸化物化合物は、４金属または４元カソード化合物と呼ぶことができる。適切な量のこれらの金属を含有する単相格子は、特に望ましいリチウムイオン電池用カソードを提供することができる。例えば、４元化合物
ＬｉＮｉ0.1Ｍｎ0.1Ｃｏ0.8Ｏ2                          （Ｉ）、
Ｌｉ（Ｃｏ(1/3)Ｍｎ(1/3)Ｎｉ(1/3)）Ｏ2              （ＩＩ）、および
Ｌｉ（Ｌｉ0.08Ｃｏ0.15Ｍｎ0.375Ｎｉ0.375）Ｏ2      （ＩＩＩ）
は、単相としてうまく形成されれば重要である（多相が存在すれば、電池性能が悪くなる）。これらの３つの化合物において等モルのマンガンおよびニッケル含量は特に望ましく、より安定な結晶格子の形成に寄与すると確信される。
【０００４】
残念なことに、リチウム−含有結晶格子中に遷移金属のコバルト、マンガンおよびニッケルを含有する単相４元化合物を形成するのは困難であり得る。遷移金属のマンガンまたはニッケルのうちの１つまたは複数を排除する（例えば、ＬｉＮｉ0.8Ｃｏ0.2Ｏ2などの３金属または３元系、もしくはＬｉＣｏＯ2などの２金属または２元系を製造する）ことによって、単相の達成はより容易に行うことができるが、これは、電池性能の低下またはその他の問題の導入も起こし得る。単相４元化合物の達成は、「リチウム化酸化物材料および製造方法（ＬＩＴＨＩＡＴＥＤ  ＯＸＩＤＥ  ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ  ＡＮＤ  ＭＥＴＨＯＤＳ  ＯＦ  ＭＡＮＵＦＡＣＴＵＲＥ）」という表題の米国特許出願公開第２００３／００２２０６３Ａ１号明細書（ポールセン（Ｐａｕｌｓｅｎ）ら）において推奨および使用されるような、そして「リチウムイオン電池のためのカソード組成物（ＣＡＴＨＯＤＥ  ＣＯＭＰＯＳＩＴＩＯＮＳ  ＦＯＲ  ＬＩＴＨＩＵＭ−ＩＯＮ  ＢＡＴＴＥＲＩＥＳ）」という表題の米国特許出願公開第２００３／００２７０４８Ａ１号明細書（ルー（Ｌｕ）ら）の実施例１９および２０において使用されるような混合水酸化物の共沈によって行うこともできる。しかしながら、共沈は、ろ過、繰り返される洗浄および乾燥を必要とし、従って比較的限られた処理量および高い製造コストを示す。
【０００５】
また、ポールセンらは、その実施例６において、式
Ｌｉ（ＬｉxＣｏy（ＭｎzＮｉ1-z）1-x-y）Ｏ2          （ＩＶ）
（式中、０．４≦ｚ≦０．６５、０＜ｘ≦０．１６および０．１≦ｙ≦０．３）を有する特定のリチウム−遷移金属酸化物化合物を製造するための高エネルギーのボール粉砕および焼結方法についても記載および使用している。「リチウム二次電池（ＬＩＴＨＩＵＭ  ＳＥＣＯＮＤＡＲＹ  ＢＡＴＴＥＲ）」という表題の米国特許第６，３３３，１２８Ｂ１号明細書（スナガワ（Ｓｕｎａｇａｗａ）ら）は、その実施例Ａ１〜Ａ９において、粉体混合、焼付けおよびジェット粉砕方法を用いて、式
ＬｉaＣｏbＭｎcＮｉ1-b-cＯ2              （Ｖ）
（式中、０≦ａ≦１．２、０．０１≦ｂ≦０．４、０．０１≦ｃ≦０．４かつ０．０２≦ｂ＋ｃ≦０．５）を有する特定のリチウム−遷移金属酸化物化合物を製造する。これらのポールセンらおよびスナガワらの方法は固相反応を伴い、共沈に基づく方法よりも高い処理量および低い製造コストを潜在的に提供する。しかしながら、記載される方法を用いてポールセンらおよびスナガワらの化合物のいくつかを再現しようとしたら、所望の単相構造ではなく多相化合物が得られた。また、固相反応を用いて上記の式Ｉ〜ＩＩＩの化合物（式ＩＶおよびＶの範囲に入らない）を調製しようとしたら、所望の単相構造ではなく多相化合物が得られた。約１５重量％過剰のリチウムを用いて、固相反応によりＬｉＣｏＯ2およびＬｉ2ＭｎＯ3の間の固溶体の化合物を製造することができた。過剰のリチウムは単相材料の形成を助けたが、得られた生成物は、電気化学的性能が悪かった。
【０００６】
本発明者らは今、
ａ）コバルト含有酸化物または酸化物前駆体、マンガン含有酸化物または酸化物前駆体、ニッケル含有酸化物または酸化物前駆体、およびリチウム含有酸化物または酸化物前駆体を湿式粉砕して、十分に分配されたコバルト、マンガン、ニッケルおよびリチウムを含有する微粉化されたスラリーを形成し、
ｂ）該スラリーを加熱して、コバルト、マンガンおよびニッケルを含有すると共に実質的に単相Ｏ３結晶構造を有するリチウム−遷移金属酸化物化合物を提供する
ことによって、コバルト、マンガンおよびニッケルを含有する単相リチウム−遷移金属酸化物化合物を調製可能であることを発見した。湿式粉砕は乾式粉砕よりもかなり短い粉砕時間を提供し、単相リチウム−遷移金属酸化物化合物の形成を促進すると思われる。湿式粉砕ステップにおける時間の節約は、加熱ステップ中にスラリーを乾燥させるのに必要とされ得る時間を相殺して余りある。
【０００７】
本発明は、もう１つの態様において、上記のリチウム−遷移金属酸化物化合物の粒子と、導電性炭素およびバインダとを混合し、得られた混合物を支持基材上にコーティングする更なるステップを含む、リチウムイオン電池用カソードの製造方法を提供する。
【０００８】
本発明は、更にもう１つの態様において、上記のカソードと、電気的に適合しているアノードと、セパレータと、電解質とを容器内に配置することを含むリチウムイオン電池の製造方法を提供する。
【０００９】
本発明は、更にもう１つの態様において、式
ＬｉaＣｏbＭｎcＮｉ1-b-cＯ2              （ＶＩ）
（式中、０≦ａ≦１．２、０．５２＜ｂ≦０．９８、０．０１≦ｃ≦０．４７かつ０．５３＜ｂ＋ｃ≦０．９９）を有するリチウム−遷移金属酸化物化合物（および少なくとも１つの化合物を含むリチウムイオン電池）を提供する。
【００１０】
本発明は、更にもう１つの態様において、単相化合物
ＬｉＮｉ0.1Ｍｎ0.1Ｃｏ0.8Ｏ2                          （Ｉ）、
Ｌｉ（Ｃｏ(1/3)Ｍｎ(1/3)Ｎｉ(1/3)）Ｏ2              （ＩＩ）、および
Ｌｉ（Ｌｉ0.08Ｃｏ0.15Ｍｎ0.375Ｎｉ0.375）Ｏ2      （ＩＩＩ）
からなる群から選択される化合物から本質的になるリチウム−遷移金属酸化物組成物（および少なくとも１つの組成物を含むリチウムイオン電池）を提供する。
【００１１】
本発明のこれらおよびその他の態様は、以下の詳細な説明から明らかであろう。しかしながら、いかなる場合も、上記の概要は、請求される主題に対する限定と解釈されてはならならず、主題は、手続処理中に補正され得る特許請求の範囲によってのみ定義される。
【００１２】
様々な図面における同様の参照記号は同様の要素を示す。図面中の要素は、原寸に比例していない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
開示されるリチウム−遷移金属酸化物化合物は、リチウムイオン電池のカソードを製造するために特定の有用性を有する。該化合物の形成は、粉砕される原料に十分なエネルギーを与えながら、コバルト−、マンガン−、ニッケル−およびリチウム−含有酸化物または酸化物前駆体を一緒に湿式粉砕して、これらを、十分に分配されたコバルト、マンガン、ニッケルおよびリチウムを含有する微粉化されたスラリーに形成することによって行われる。酸化物または酸化物前駆体は、同時に全てが一緒に混合される必要はない。まず、より小さい表面積またはより大きい粒子直径の材料を一緒に粉砕して、その表面積を増大させるかあるいはその粒径を低下させ、後で添加される成分の表面積または粒径と適合させることにより、より短い粉砕時間を用いてより均質で微粉化された最終混合物を生成できることが発見された。粉砕容器内で凝集する傾向のある非常に高い表面積の成分（水酸化物など）は、同様の高表面積に既に粉砕されているその他の成分と、より均質的にブレンドすることができる。均質で微粉化された最終の粉砕された混合物は、単相の焼成生成物の形成を促進するのに役立つことができる。例えば、「最初がマンガンおよびニッケル、最後がリチウム」とも呼ぶことができる粉砕スキームでは、マンガン−およびニッケル−含有酸化物または酸化物前駆体を一緒に湿式粉砕して、十分に分配されたマンガンおよびニッケルを含有する微粉化された第１のスラリーに形成した後、コバルト−含有酸化物または酸化物前駆体を添加して、十分に分配されたコバルト、マンガンおよびニッケルを含有する微粉化された第２のスラリーを形成し、その後リチウム−含有酸化物または酸化物前駆体を添加して、十分に分配されたコバルト、マンガン、ニッケルおよびリチウムを含有する微粉化された第３のスラリーを形成する。「最初がコバルト、マンガンおよびニッケル、最後がリチウム」として説明することができる粉砕スキームは、リチウムの添加の前に、十分に分配されたコバルト、マンガンおよびニッケルを含有するスラリーの形成を促進するために使用することができる。「最初がマンガンおよびニッケル、最後がコバルトおよびリチウム」、「最初がマンガンおよびニッケル、最後がコバルト」（マンガンおよびニッケルの後、そしてコバルトの前にリチウムが添加される）、「最初がニッケルおよびコバルト、最後がマンガンおよびリチウム」、「最初がリチウムおよびコバルト、最後がマンガンおよびニッケル」、ならびに当業者には明らかであろうその他の順列のような粉砕スキームが用いられてもよい。
【００１４】
適切なコバルト含有酸化物または酸化物前駆体、マンガン含有酸化物または酸化物前駆体、およびニッケル含有酸化物または酸化物前駆体としては、水酸化コバルト（Ｃｏ（ＯＨ）2）、酸化コバルト（例えば、Ｃｏ3Ｏ4およびＣｏＯ）、炭酸マンガン（Ｍｎ2ＣＯ3）、酸化マンガン（ＭｎＯ）、四酸化マンガン（Ｍｎ3Ｏ4）、水酸化マンガン（Ｍｎ（ＯＨ）2）、塩基性炭酸マンガン（Ｍｎ2ＣＯ3＊ｘＭｎ（ＯＨ）2）、炭酸ニッケル（Ｎｉ2ＣＯ3）、水酸化ニッケル（Ｎｉ（ＯＨ）2）、および塩基性炭酸ニッケル（Ｎｉ2ＣＯ3＊ｘＮｉ（ＯＨ）2）があげられる。好ましくは、マンガンまたはニッケル前駆体のうちの少なくとも１つは炭酸塩である。
【００１５】
適切なリチウム含有酸化物および酸化物前駆体としては、炭酸リチウム（Ｌｉ2ＣＯ3）および水酸化リチウム（ＬｉＯＨ）がある。所望されるなら、前駆体の水和物を使用することができる。
【００１６】
各酸化物または酸化物前駆体の量は、通常、目標とされる最終化合物の組成に基づいて選択される。様々な種類の目標とされる最終化合物を調製することができる。図１および図２に示されるプロットは、標的の選択を助けることができる。図１は三角形のピラミッド型プロットであり、その頂点Ａ、Ｂ、ＣおよびＤはそれぞれ、組成物ＬｉＣｏＯ2、ＬｉＭｎＯ2、ＬｉＮｉＯ2およびＬｉ（Ｌｉ1/3Ｍｎ2/3）Ｏ2を表す。従って、頂点Ａ、ＢおよびＣはそれぞれ、これらの遷移金属を指示された化学量論で含有する二元リチウム−遷移金属酸化物化合物のための最大のコバルト、マンガンおよびニッケル含量を表す。縁ＢＣに沿って中間に位置する点Ｅは、組成物ＬｉＭｎ1/2Ｎｉ1/2Ｏ2を表す。底面ＡＢＣよりも上に位置するプロット内の点は、リチウム層間化合物を表す。図２は、点Ａ、ＤおよびＥで画定される平面を表す三角形のプロットである。図２の台形領域ＡＥＦＧ（しかし、頂点ＡおよびＤに最も近い点、例えば、遷移金属モル単位が約０．０１以内の点は除く）は、等モル量のマンガンおよびニッケルを含有する組成物の特に好ましい集合を示す。この好ましい組成物の集合は、式Ｌｉa［Ｃｏx（Ｎｉ1/2Ｍｎ1/2）1-x］Ｏ2（式中、０≦ａ≦１．２かつ０．１≦ｘ≦０．９８）によって表すことができる。式Ｉ、ＩＩおよびＩＩＩの化合物は、領域ＡＥＦＧ内の点として示される。
【００１７】
媒体粉砕（例えば、ボール粉砕、磨砕機粉砕、水平粉砕または鉛直粉砕）、媒体レス粉砕（例えば、ハンマー粉砕、ジェット粉砕または高圧分散粉砕）、ならびにコバルト−、マンガン−およびニッケル−含有酸化物または酸化物前駆体を適切に微粉状にして一緒に混合するその他の技法を含む様々な湿式粉砕技法を用いることができる。媒体粉砕が用いられる場合、適切な媒体としては、セラミック媒体（例えば、セラミックロッドまたはボール）がある。水が好ましい湿式粉砕用液体であるが、所望されるなら、低沸点アルコール、トルエンおよびアセトンなどのその他の物質を用いることができる。ボール粉砕は、最終スラリーが十分に分配されたコバルト、マンガン、ニッケルおよびリチウムを含有するように十分な時間および十分な勢いで実行されなければならない。好ましくは、スラリーは、比較的小さい粒子、例えば、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）による画像形成を用いて測定した場合に約０．３μｍ未満、好ましくは約０．１μｍ未満の平均粒子直径を有する粒子を含有するまで粉砕される。好ましくは、スラリー全体にわたって均等な金属の分布および最小平均粒子直径は必要とされない。しかしながら、０．５μｍよりも大きい所与の単一金属成分の粒子は回避されるのが好ましい。粉砕が実行される程度は、単に、加熱ステップの最後に所望の単相リチウム−遷移金属酸化物化合物を提供するのに十分であることだけが必要であろう。適切な混合時間（および使用される場合には媒体）は、通常、使用される出発材料および混合装置などの因子にある程度依存し得る。多くの場合、ある程度の実験は、所望の単相リチウム−遷移金属酸化物化合物が得られるように、適切な粉砕時間または媒体を決定するための所与の生産設定に有用であり得る。
【００１８】
所望されるなら、最終のリチウム−遷移金属酸化物化合物を提供するために焼成される前に、その他の遷移金属酸化物または酸化物前駆体が、リチウム−遷移金属酸化物組成物中に含有されてもよい。代表的な例としては、鉄、バナジウム、アルミニウム、銅、亜鉛、ジルコニウム、モリブデン、ニオブ、およびこれらの組み合わせがあげられる。これらのその他の遷移金属酸化物または酸化物前駆体は、スラリーを形成するために使用されるその他の原料と一緒に添加することもできるし、スラリーが形成された後に添加することもできる。
【００１９】
スラリーと媒体（使用される場合）とを分離し、所望の単相化合物を形成するために十分な時間および十分な温度でスラリーを焼成、焼付け、焼結、あるいは別の方法で加熱することによって、スラリーはリチウム−遷移金属酸化物化合物に変えられる。加熱サイクルは、好ましくは、速い加熱速度、例えば１時間あたり１０℃以上を用いる。好ましい加熱サイクルは、少なくとも９００℃の温度まで、少なくとも１０℃／分である。空気が好ましい加熱雰囲気であるが、所望されるなら、酸素や、二酸化炭素、一酸化炭素および水素の混合物などのその他の気体を用いることもできる。約１０５０℃よりも高い温度が用いられると、セラミック炉およびより長い冷却時間が必要とされ得る。このようなより高い温度は、単相リチウム−遷移金属酸化物化合物を得るのに役立つことができるが、資本コストを増大させ、処理量を減少させ得る。１１００℃もの高温が使用されると、リチウム−遷移金属酸化物化合物を用いて製造されるリチウムイオン電池は、不可逆的な最初のサイクルの容量損失のわずかな増大を示し得る。好ましくは、最高加熱温度は１０５０℃未満、より好ましくは１０００℃未満、そして最も好ましくは９００℃以下である。
【００２０】
得られるリチウム−遷移金属酸化物化合物は、好ましくは、所望の平均粒子直系を有する微粉化された粒子として形成されるか、あるいはそれに変えられる。例えば、リチウム−遷移金属酸化物化合物はフィードバックメカニズムを用いて調製することができ、酸化物は、回転式焼結機またはその他の適切な焼成装置を用いて焼成され、サイズによって分類されて、所望されるよりも大きい粒子は更に湿式粉砕（あるいは、所望されるなら、乾式粉砕）され、そして所望されるよりも小さい粒子は、焼結機内で更に焼成される。このやり方では、適切な粒径分布を得ることができる。
【００２１】
リチウム−遷移金属酸化物化合物は、カソードにおいて単独で使用されてもよいし、あるいは、リチウムの酸化物、硫化物、ハロゲン化物などの他のカソード材料と組み合わせてカソード添加剤として使用されてもよい。例えば、リチウム−遷移金属酸化物化合物は、リチウムコバルト二酸化物などの従来のカソード材料、あるいはＬｉＭｎ2Ｏ4スピネルおよびＬｉＦｅＰＯ4などの化合物と併用されてもよい。添加される他のカソード材料の量は、他のカソード材料から使用可能なリチウムのモル数が、アノードで不可逆的に消費されるリチウムのモル数と一致するように選択される。不可逆的に消費されるリチウムのモル数は、次に、個々のアノードの特性の関数である。
【００２２】
カソードをアノードおよび電解質と組み合わせて、リチウムイオン電池を形成することができる。適切なアノードの例としては、リチウム金属、黒鉛、硬炭素、およびリチウム合金組成物、例えば、「リチウム電池用電極（ＥＬＥＣＴＲＯＤＥ  ＦＯＲ  Ａ  ＬＩＴＨＩＵＭ  ＢＡＴＴＥＲＹ）」という表題の米国特許第６，２０３，９４４号明細書（ターナー（Ｔｕｒｎｅｒ）、９４４号）および「電極材料および組成物（ＥＬＥＣＴＲＯＤＥ  ＭＡＴＥＲＩＡＬ  ＡＮＤ  ＣＯＭＰＯＳＩＴＩＯＮＳ）」という表題のＰＣＴ公開特許出願国際公開第００１０３４４４号パンフレット（ターナー（Ｔｕｒｎｅｒ）ＰＣＴ）に記載されるタイプのものがあげられる。電解質は、液体、固体、またはゲルでよい。固体電解質の例としては、ポリエチレンオキシド、ポリテトラフルオロエチレン、フッ素含有コポリマー、およびこれらの組み合わせなどの高分子電解質がある。液体電解質の例としては、エチレンカーボネート、ジエチルカーボネート、プロピレンカーボネート、およびこれらの組み合わせがある。電解質は、通常、リチウム電解質塩と共に提供される。適切な塩の例としては、ＬｉＰＦ6、ＬｉＢＦ4、およびＬｉＣｌＯ4がある。好ましくは、電池を７５ｍＡ／ｇの放電率において４．４ボルトと２．５ボルトとの間で少なくとも１００サイクル充電および放電させた後で、電池容量は実質的に低下していない。
【００２３】
本発明は以下の実例となる実施例において更に説明され、全ての部および百分率は、他に指示されない限りは重量による。
【実施例】
【００２４】
Ｘ線回折
銅ターゲットＸ線管および回折ビームモノクロメータを備えたシーメンス（Ｓｉｅｍｅｎｓ）Ｄ５００回折計を用いて各サンプルの粉体のＸ線回折（ＸＲＤ）パターンを収集した。十分に厚く幅広である平らで矩形の粉体床としてサンプルを調製し、Ｘ線ビームにより照射される粉体の体積は一定であった。Ａ．Ｃ．ラーソン（Ｌａｒｓｏｎ）およびＲ．Ｂ．ボンドリール（Ｖｏｎ  Ｄｒｅｅｌｅ）の「一般構造分析システム（Ｇｅｎｅｒａｌ  Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ  Ａｎａｌｙｓｉｓ  Ｓｙｓｔｅｍ）（ＧＳＡＳ）」、ロスアラモス国立研究所レポート（Ｌｏｓ  Ａｌａｍｏｓ  Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ  Ｒｅｐｏｒｔ）ＬＡＵＲ  ８６−７４８（２０００）に記載されるようにリートベルト（Ｒｉｅｔｖｅｌｄ）精密化プログラムのＧＳＡＳバージョンを用いてデータを分析した。ＧＳＡＳプログラムで計算した２つの統計データＲｐおよびＣｈｉ2を用いて、データに対する意図される単相結晶構造のモデルのための適合の質（ｑｕａｌｉｔｙ  ｏｆ  ｆｉｔ）（Ｒｐの場合には適合における残留誤差として、Ｃｈｉ2の場合には適合度として表される）を決定した。Ｒｐの値が低いほど、データに対するモデルの適合がよくなる。Ｃｈｉ2が１（１．０００）に近いほど、データに対するモデルの適合がよくなる。ＲｐおよびＣｈｉ2は一般に、説明されていない相が存在する場合に高くなる。単位格子の格子定数または寸法も、ＧＳＡＳプログラムを用いて計算した。
【００２５】
電気化学電池の作製
２．０部の酸化物粉体と、２．３部のＮ−メチルピロリジノンと、１．１部の１０重量％のキナール（ＫＹＮＡＲ（登録商標））４６１ポリフッ化ビニリデン（エルフ・アトケム（Ｅｌｆ  Ａｔｏｃｈｅｍ）から入手可能）のＮ−メチルピロリジノン溶液と、０．１１部のスーパー（ＳＵＰＥＲ）−Ｐ（登録商標）導電性炭素（ベルギーのＭＭＭカーボン（ＭＭＭ  Ｃａｒｂｏｎ，Ｂｅｌｇｉｕｍ）から入手可能）とを一緒にブレンドすることによって粉体を調合した。懸濁液を高せん断で１時間よりも長く攪拌し、次にノッチバーでアルミニウム箔上にコーティングして、９０％の活性、５％のポリフッ化ビニリデン、５％の導電性炭素のコーティングを提供した。コーティングを１５０℃の真空下で４時間乾燥させ、次に、金属製の厚さ３８０マイクロメートル、直径１７ｍｍのＬｉ箔アノードと、２層の厚さ５０マイクロメートルのセルガード（ＣＥＬＬＧＡＲＤ（登録商標））２４００セパレータ（ヘキスト・セラニーズ（Ｈｏｅｃｈｓｔ−Ｃｅｌａｎｅｓｅ）から市販されている）と、電解質としてエチレンカーボネートおよびジエチルカーボネートの１：２の体積比の混合物中の１重量モル濃度のＬｉＰＦ6とを用いて、２３２５コイン電池（半電池）に加工した。
【００２６】
カソードを評価するために使用した電気化学電池１０の分解斜視図は図３に示される。ステンレス鋼キャップ２４および特別の耐酸化性ケース２６は電池を含有し、それぞれ、負および正の端子としての機能を果たす。上記のようにカソード１２を作製した。リチウム箔アノード１４は、参照電極としても作用した。電池は、カソード後方のアルミニウムスペーサプレート１６と、アノード後方の銅スペーサプレート１８とを備えた２３２５コイン電池ハードウェアを特徴とした。スペーサ１６および１８は、電池を圧着して閉鎖したときに強固に押圧された積層体が形成されるように選択した。セパレータ２０は、エチレンカーボネートおよびジエチルカーボネートの１：２の体積比の混合物中に溶解した１ＭのＬｉＰＦ溶液で湿潤させた。シールとして、そして２つの端子を隔てるためにガスケット２７を用いた。定電流サイクラーを用いて、室温および「Ｃ／５」（５時間充電および５時間放電）の率で電池を循環させた。
【００２７】
実施例１
金属含有前駆体を、最終の酸化物組成物ＬｉＮｉ0.1Ｍｎ0.1Ｃｏ0.8Ｏ2を生成するような割合で合わせた。正確なバッチングは、前駆体を検定して達成した。一定分量の前駆体を６００℃で一晩焼付けて、完全に無水の単相酸化物を生成させることによって検定を実施した。加熱の前後の重量の測定値と、最終相組成の知識とを組み合わせて用いて、各前駆体中の金属１モルあたりの質量を計算した。この方法によって、少なくとも±０．１重量パーセントの精度のバッチングが可能であった。１リットルの高密度ポリエチレンのスウェコ（ＳＷＥＣＯ（登録商標））粉砕ジャー（スウェコ（Ｓｗｅｃｏ）から入手可能）内に、３３３部のジルコア（ＺＩＲＣＯＡ（登録商標））、半径１２．７ｍｍ末端シリンダー酸化ジルコニウム媒体（ジルコア社（Ｚｉｒｃｏａ，Ｉｎｃ．）から入手可能）および１０００部の同様の６．３５ｍｍジルコア（ＺＩＲＣＯＡ）酸化ジルコニウム媒体と共に、前駆体ＮｉＣＯ3（２２．４４部、スペクトラム・ケミカル（Ｓｐｅｃｔｒｕｍ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ）から入手可能）およびＭｎＣＯ3（２１．４８部、スペクトラム・ケミカル）を入れた。２００部の脱イオン（ＤＩ）水を粉砕ジャーに添加し、ニッケルおよびマンガンの炭酸塩をスウェコ（ＳＷＥＣＯ）Ｍ１８−５粉砕機（スウェコから入手可能）内で２４時間湿式粉砕した。Ｌｉ2ＣＯ3（６８．１２部、ペンシルベニア州フィラデルフィアのＦＭＣ（ＦＭＣ，Ｐｈｉｌａｄｅｌｐｈｉａ，ＰＡ）から入手可能）と、Ｃｏ（ＯＨ）2（１３７．９７部、アルファ・エイサー（Ａｌｆａ  Ａｅｓａｒ）から入手可能）と、１００部の更なるＤＩ水とを粉砕ジャーに添加してから、更に４時間粉砕した。得られた湿式粉砕スラリーをパイレックス（登録商標）（ＰＹＲＥＸ（登録商標））ケークパン（コーニング社（Ｃｏｒｎｉｎｇ，Ｉｎｃ．）から入手可能）内に注ぎ、７０℃で一晩空気乾燥させた。乾燥したケークをパンから擦り取り、媒体から分離し、２５メッシュ（７０７μｍ）スクリーンにより粒状にした。得られたスクリーニング粉体を清浄なポリエチレンボトル内に入れ、テープで蓋を密封した。
【００２８】
１５部のスクリーニング粉体をアルミナるつぼ内に入れ、酸素中で１時間かけて室温から９００℃まで加熱し、９００℃で３時間保持して、冷却した。得られた焼成粉体に、リートベルト精密化を用いるＸＲＤ分析を受けさせた。観察されたＸＲＤパターンは、焼成粉体が単相を有することを示した。
【００２９】
焼成粉体を用いて、上記のように電気化学電池におけるカソードを形成した。電気化学電池は、１４６ｍＡｈ／ｇの容量を有した。電池を４．３ボルトに充電および放電させた後、不可逆的な最初のサイクルの容量損失は５％であった。
【００３０】
実施例２
実施例１からの１５部の湿式粉砕スラリーを、次のような「ランプ−ソーク」サイクルを用いて酸素中で加熱した。スラリーをアルミナるつぼ内に入れてオーブン内で加熱し、オーブンの温度は、室温から２５０℃まで２０分かけて上昇させ、２５０℃で１時間保持し、７５０℃まで２０分かけて上昇させ、７５０℃でもう１時間保持し、９００℃まで２０分かけて上昇させてから、９００℃で３時間保持した。焼成サンプルを炉内で一晩冷却させてから、リートベルト精密化を用いるＸＲＤ分析を受けさせた。ＬｉＮｉ0.1Ｍｎ0.1Ｃｏ0.8Ｏ2の観察されたＸＲＤパターンは、サンプルが単相を有することを示した。
【００３１】
比較例１
約１００ｍｌの容積を有し、実施例２で使用したものと同様のジルコン粉砕媒体の１つの１５ｍｍボールおよび７つの６ｍｍボールを含有する炭化タングステン粉砕ジャー内で、Ｃｏ（ＯＨ）2（７．６３部、アルファ・エイサーから入手可能）と、ＮｉＣＯ3（１．２７部、スペクトラム・ケミカルから入手可能）と、ＭｎＣＯ3（１．１７部、スペクトラム・ケミカルから入手可能）との粉体を合わせた。スペックス（ＳＰＥＸ）モデル８０００−Ｄデュアル・シェーカー・ミキサー（Ｄｕａｌ  Ｓｈａｋｅｒ  Ｍｉｘｅｒ）（スペックス・サーティプレプ社（ＳＰＥＸ  ＣｅｒｔｉＰｒｅｐ  Ｉｎｃ．）から入手可能）で成分を３０分間乾式粉砕した。リチウムをＬｉ2ＣＯ3（３．７９部、ＦＭＣから入手可能）の形態で遷移金属混合物に添加した。リチウムの添加後、更なる乾式粉砕を１５分間行った。
【００３２】
粉砕後、混合物をアルミナるつぼに移し、９００℃の温度へ焼成し、その温度で１時間保持した。これにより、式ＬｉＮｉ0.1Ｍｎ0.1Ｃｏ0.8Ｏ2の化合物が生成され、ＸＲＤ分析によって、少なくとも２つの相を有することがわかった。
【００３３】
比較例２
ニッケル、マンガン、およびコバルトの硝酸塩の水溶液を、１：８：１のＮｉ：Ｃｏ：Ｍｎモル比で合わせた。Ｎｉ0.1Ｍｎ0.1Ｃｏ0.8（ＯＨ）2の生成のために２０％過剰に存在させた１．６ＭのＬｉＯＨ水溶液を激しく攪拌した中に、混合物を滴下させた。得られたスラリーを、ウェットケーク中の残余Ｌｉが存在する金属の０．２原子パーセント未満になるまでバスケット型遠心分離機内で連続的にろ過および洗浄した。次に、洗浄した水酸化物材料のケークを、５００ミクロンのふるいを通過するように脆くなりそして実質的に粉砕されるまで１２０℃未満で乾燥させた。この粉体を金属含量について検定した。１００ｍｌの炭化タングステン粉砕機（フリッチュ社（Ｆｒｉｔｓｃｈ  ＧｍｂＨ）から入手可能）内で、粉体およびＬｉ2ＣＯ3を１０：１：８：１のＬｉ：Ｎｉ：Ｃｏ：Ｍｎモル比で合わせた。実施例２で使用したものと同様のジルコン粉砕媒体の１０個の小さい５ｍｍボールを容器に添加した。スペックス・サーティプレプ（ＳＰＥＸ（登録商標）ＣｅｒｔｉＰｒｅｐ（登録商標））ミキサー／粉砕機（スペックス・サーティプレプ社から入手可能）内で容器を１０分間振とうさせた。得られた混合物をアルミナるつぼに移し、４８０℃で１時間、７５０℃で１時間、最後に９００℃で１時間、加熱処理した。得られた粉体を乳鉢および乳棒で粉にし、リートベルト精密化を用いるＸＲＤ分析により試験した。観察されたＸＲＤパターンは、式Ｉの単相化合物ＬｉＮｉ0.1Ｍｎ0.1Ｃｏ0.8Ｏ2が得られたことを示した。これは、実施例１および実施例２で得られたものと同じ生成物であったが、実施例１および実施例２では必要でない非常に長い洗浄および乾燥ステップを必要とした。
【００３４】
本発明の多数の実施形態が説明された。それにもかかわらず、本発明の精神および範囲から逸脱することなく様々な修正が成され得ることは理解されるであろう。従って、他の実施形態は、特許請求の範囲の範囲内である。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】様々なリチウム−遷移金属酸化物組成物を示す三角形のピラミッド型プロットである。
【図２】図１からの特定のリチウム−遷移金属酸化物組成物を示す三角形のプロットである。
【図３】電気化学電池の分解斜視図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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