(57)【要約】【課題】  電池の正極活物質として用いられた場合に、高容量を維持するとともに、高い初期充放電効率と、優れた出力特性及びサイクル特性が得られる非水系電解質二次電池用正極活物質を提供する。【解決手段】  一般式：Ｌｉ１＋ｕＮｉｘＣｏｙＭｎｚＡｔＯ２＋α（０．１≦ｕ＜０．３、０．０３≦ｘ≦０．２５、０．０３≦ｙ≦０．２５、０．４≦ｚ＜０．６、ｘ＋ｙ＋ｚ＋ｕ＋ｔ＝１、０≦α＜０．３、０≦ｔ＜０．１、Ａは２価から６価までの価数のいずれかをとる金属元素のうち少なくとも１種）で表され、一次粒子が凝集した二次粒子で構成されたリチウム過剰金属複合酸化物からなる非水系電解質二次電池用正極活物質であって、比表面積が３．０〜８．０ｍ２／ｇで、初期充放電の３．０Ｖ以下の放電領域において１段プラトーを有することを特徴とする非水系電解質二次電池用正極活物質。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
一般式：Ｌｉ１＋ｕＮｉｘＣｏｙＭｎｚＡｔＯ２＋α（０．１≦ｕ＜０．３、０．０３≦ｘ≦０．２５、０．０３≦ｙ≦０．２５、０．４≦ｚ＜０．６、ｘ＋ｙ＋ｚ＋ｕ＋ｔ＝１、０≦α＜０．３、０≦ｔ＜０．１、Ａは２価から６価までの価数のいずれかをとる金属元素のうち少なくとも１種）で表され、一次粒子が凝集した二次粒子で構成されたリチウム過剰金属複合酸化物からなる非水系電解質二次電池用正極活物質であって、
比表面積が３．０〜８．０ｍ２／ｇで、
初期充放電の３．０Ｖ以下の放電領域において１段プラトーを有することを特徴とする非水系電解質二次電池用正極活物質。
【請求項２】
前記一次粒子が０．３〜２．０μｍの平均長軸方向径を有する板状粒子であることを特徴とする請求項１に記載の非水系電解質二次電池用正極活物質。
【請求項３】
前記リチウム過剰金属複合酸化物粒子が、粉末Ｘ線回折測定において、２θ＝２０〜２２°の範囲でＬｉ２ＭＯ３由来の（０２０）、（１１０）面のピークを有することを特徴とする請求項１又は２に記載の非水系電解質二次電池用正極活物質。
【請求項４】
前記二次粒子の平均粒径Ｄ５０が３〜１０μｍ、最大径Ｄｍａｘが５０μｍ未満、且つタップ密度が１．５〜２．４ｇ/ｃｍ３であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の非水系電解質二次電池用正極活物質。
【請求項５】
一般式：Ｌｉ１＋ｕＮｉｘＣｏｙＭｎｚＡｔＯ２＋α（０．１≦ｕ＜０．３、０．０３≦ｘ≦０．２５、０．０３≦ｙ≦０．２５、０．４≦ｚ＜０．６、ｘ＋ｙ＋ｚ＋ｕ＋ｔ＝１、０≦α＜０．３、０≦ｔ＜０．１、Ａは２価から６価までの価数のいずれかをとる金属元素のうち少なくとも１種）で表され、一次粒子が凝集した二次粒子で構成されたリチウム過剰金属複合酸化物からなる非水系電解質二次電池用正極活物質の製造方法であって、
少なくともニッケル、コバルト、マンガンを含む水酸化物、オキシ水酸化物、酸化物、及び炭酸塩の少なくとも１種からなる一次粒子が凝集した二次粒子とリチウム化合物を混合してリチウム混合物を得る混合工程と、
前記リチウム混合物を、酸化性雰囲気中にて８００〜１０５０℃の温度で焼成して焼成物を得る焼成工程と、
酸洗前後での焼成物のリチウム含有量の差を酸洗前の焼成物のリチウム含有量で除したリチウム除去率が１０〜３０％、且つ酸洗終了時の酸洗スラリーの２５℃基準におけるｐＨが１〜４となるように制御して酸洗を前記焼成物に施した後、水洗する酸洗工程と、
前記酸洗工程を経た焼成物を、酸化性雰囲気中にて２００〜６００℃の温度で熱処理する熱処理工程を含むことを特徴とする非水系電解質二次電池用正極活物質の製造方法。
【請求項６】
前記焼成工程において、得られる焼成物が、板状の一次粒子が凝集した二次粒子で構成されたリチウム過剰金属複合酸化物粒子であることを特徴とする請求項５に記載の非水系電解質二次電池用正極活物質の製造方法。
【請求項７】
前記一次粒子の長軸方向径が、０．１〜２．０μｍであることを特徴とする請求項５又は６に記載の非水系電解質二次電池用正極活物質の製造方法。
【請求項８】
前記焼成工程において、得られる焼成物の二次粒子の平均粒径Ｄ５０が、３〜１０μｍ、最大径Ｄｍａｘが５０μｍ未満、且つタップ密度が１．５〜２．４ｇ/ｍ３であることを特徴とする請求項５〜７のいずれか１項に記載の非水系電解質二次電池用正極活物質の製造方法。
【請求項９】
前記混合工程において、少なくともニッケル、コバルト、マンガンを含む水酸化物、オキシ水酸化物、酸化物、及び炭酸塩の少なくとも１種からなる一次粒子が凝集した二次粒子とリチウム化合物を、リチウム混合物中のリチウム以外の金属元素の合計（Ｍｅ）に対するリチウム（Ｌｉ）の比（Ｌｉ／Ｍｅ）が１．２５〜１．８５となるように混合することを特徴とする請求項５〜８のいずれかに記載の非水系電解質二次電池用正極活物質の製造方法。
【請求項１０】
前記酸洗工程において用いる酸が、０．５〜５Ｎの濃度である無機酸を用いることを特徴とする請求項５〜９のいずれか１項に記載の非水系電解質二次電池用正極活物質の製造方法。
【請求項１１】
前記無機酸が、塩酸または硫酸であることを特徴とする請求項１０に記載の非水系電解質二次電池用正極活物質の製造方法。
【請求項１２】
前記酸洗工程において、酸洗する際のスラリー濃度が、１００〜１５００ｇ／Ｌであることを特徴とする請求項５〜１１のいずれか１項に記載の非水系電解質二次電池用正極活物質の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非水系電解質二次電池用正極活物質とその製造方法、および該正極活物質を用いた非水系電解質二次電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯電話やノート型パソコンなどの携帯電子機器の普及に伴い、高いエネルギー密度を有する小型で軽量な非水系電解質二次電池の開発が強く望まれている。また、ハイブリット自動車を始めとする電気自動車用の電池として高出力の二次電池が強く望まれている。
この要求を満たす二次電池として、リチウムイオン二次電池がある。このリチウムイオン二次電池は、負極および正極と電解液等で構成され、負極および正極の活物質は、リチウムを脱離および挿入することの可能な材料が用いられている。
【０００３】
このリチウムイオン二次電池は、現在研究、開発が盛んに行われているところであるが、中でも、層状またはスピネル型のリチウム金属複合酸化物を正極材料に用いたリチウムイオン二次電池は、４Ｖ級の高い電圧が得られるため、高いエネルギー密度を有する電池として実用化が進んでいる。
【０００４】
これまで主に提案されている材料としては、合成が比較的容易なリチウムコバルト複合酸化物（ＬｉＣｏＯ２）や、コバルトよりも安価なニッケルを用いたリチウムニッケル複合酸化物（ＬｉＮｉＯ２）、リチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物（ＬｉＮｉ１／３Ｃｏ１／３Ｍｎ１／３Ｏ２）、マンガンを用いたリチウムマンガン複合酸化物（ＬｉＭｎ２Ｏ４）などを挙げることができる。
【０００５】
このうちリチウムニッケル複合酸化物およびリチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物は、サイクル特性が良く、低抵抗で高出力が得られる材料として注目されており、近年では高出力化に必要な低抵抗化が重要視されている。
【０００６】
このリチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物の中でもさらに容量の高いリチウム過剰ニッケルコバルトマンガン複合酸化物には、抵抗が高いという課題以外に、初期の充放電効率が８０％前後と他の正極活物質よりも１０％以上低い問題があり、そのため余分な負極面積が必要となる課題があった。
【０００７】
そこで、初期の充放電効率を改善したリチウム過剰ニッケルコバルトマンガン複合酸化物として、例えば、非特許文献１ではリチウム過剰系正極活物質を（ＮＨ４）２ＳＯ４水溶液中で攪拌後、水を除去することで表面に（ＮＨ４）２ＳＯ４をコートし、３００℃で熱処理することで表面にＬｉ２ＳＯ４を形成し、それを水洗・除去することで、表面にスピネルライク層を形成し、一次粒子サイズを減少させずにレート特性が向上することが記載されている。
しかしながら、出力特性としてのレート特性の向上に関して記載されているものの、初期の充放電効率に関して考慮したものとはなっていない。
【０００８】
また、非特許文献２では、リチウム過剰系正極活物質を０．１ＭのＨＮＯ３中で攪拌・ろ過・水洗後、１００℃で乾燥することで、初回の不可逆容量が減少することが記載されている。一方、出力特性としてのレート特性は処理する前に比べて劣るとされ、高い出力と効率を両立したものとはなっていない。
【０００９】
一方、特許文献１では、リチウム過剰系正極活物質を水洗または０．１ＭのＨＮＯ３中で処理後、ＮＨ３ガス流通下、２００℃で還元処理した正極活物質が開示されている。
この発明によれば、初回の不可逆容量が減少して充放電効率が増加するとされているが、レート特性については記載されておらず、出力特性に対する効果は不明である。
【００１０】
また、特許文献２では、リチウム過剰系正極活物質をｐＨ５以上の溶液中で加熱処理した後、２００℃以上９００℃以下の温度で２４時間以内熱処理することによって得られた一次粒子表面の二乗平均平方根粗さ（ＲＭＳ）が１．５ｎｍ以下の正極活物質が開示されている。しかしながら、この発明においては、初回の充放電効率が高く、レート特性に優れるとされているが、サイクル特性については記載されておらず、更なる改善が期待されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】国際公開２００４／０９７９６４号公報
【特許文献２】特開２０１２‐２３４７７２号公報
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】Ｄｅｎｉｓ  Ｙ．Ｗ．Ｙｕ，Ｋａｔｓｕｎｏｒｉ Ｙａｎａｇｉｄａ，ａｎｄ  Ｈｉｒｏｓｈｉ  Ｎａｋａｍｕｒａ，Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ Ｔｈｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ，１５７（２０１０）Ａ１１７７−Ａ１１８２
【非特許文献２】Ｓ．−Ｈ．Ｋａｎｇ，Ｃ．Ｓ．Ｊｏｈｎｓｏｎ，Ｊ．Ｔ．Ｖａｕｇｈｅｙ，Ｋ．Ａｍｉｎｅ，ａｎｄ  Ｍ．Ｍ．Ｔｈａｃｋｅｒａｙ，  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｔｈｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ，  １５３（２００６）Ａ１１８６−Ａ１１９２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は、かかる問題点に鑑み、電池の正極活物質として用いられた場合に、高容量を維持するとともに、高い初期充放電効率と、優れた出力特性及びサイクル特性が得られる非水系電解質二次電池用正極活物質を提供することを目的とする。
さらに、本発明では、上記非水電解液二次電池用正極活物質の工業的な製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明者は、上記課題を解決するため、非水系電解質二次電池用正極活物質として用いられるリチウム過剰系のリチウム金属複合酸化物の粒子構造および粉体特性が、電池の初期充放電効率、サイクル特性に及ぼす影響について鋭意研究したところ、特定の粒子構造を有するとともに比表面積が大きく、放電曲線に特徴があるリチウム過剰金属複合酸化物は、電池の正極活物質として用いた際に高容量であり、初期充放電効率が高く、優れたサイクル特性および出力特性を実現できるとの知見を得た。
【００１５】
さらに、リチウム過剰金属複合酸化物粉末を、酸洗浄によって粒子構造を維持したままリチウム濃度を下げることで比表面積を大きくし、その後、熱処理することで放電曲線において確認される程度に粒子表層にスピネルライク層を形成させることで体積膨張収縮による割れを抑制することが可能であるとの知見を得て、本発明を完成させるに至った。
【００１６】
即ち、本発明の第１の発明は、一般式：Ｌｉ１＋ｕＮｉｘＣｏｙＭｎｚＡｔＯ２＋α（０．１≦ｕ＜０．３、０．０３≦ｘ≦０．２５、０．０３≦ｙ≦０．２５、０．４≦ｚ＜０．６、ｘ＋ｙ＋ｚ＋ｕ＋ｔ＝１、０≦α＜０．３、０≦ｔ＜０．１、Ａは２価から６価までの価数のいずれかをとる金属元素のうち少なくとも１種）で表され、一次粒子が凝集した二次粒子で構成されたリチウム過剰金属複合酸化物からなる非水系電解質二次電池用正極活物質であって、その比表面積が３．０〜８．０ｍ２／ｇで、初期充放電の３．０Ｖ以下の放電領域において１段プラトーを有することを特徴とする非水系電解質二次電池用正極活物質である。
【００１７】
本発明の第２の発明は、第１の発明における一次粒子が、０．３〜２．０μｍの平均長軸方向径を有する板状粒子であることを特徴とする非水系電解質二次電池用正極活物質である。
【００１８】
本発明の第３の発明は、第１及び第２の発明におけるリチウム過剰金属複合酸化物粒子が、粉末Ｘ線回折測定において、２θ＝２０〜２２°の範囲でＬｉ２ＭＯ３由来の（０２０）、（１１０）面のピークを有することを特徴とする非水系電解質二次電池用正極活物質である。
【００１９】
本発明の第４の発明は、第１から第３の発明における二次粒子の平均粒径Ｄ５０が、３〜１０μｍ、最大径Ｄｍａｘが５０μｍ未満、且つタップ密度が１．５〜２．４ｇ／ｃｍ３であることを特徴とする非水系電解質二次電池用正極活物質である。
【００２０】
本発明の第５の発明は、一般式：Ｌｉ１＋ｕＮｉｘＣｏｙＭｎｚＡｔＯ２＋α（０．１≦ｕ＜０．３、０．０３≦ｘ≦０．２５、０．０３≦ｙ≦０．２５、０．４≦ｚ＜０．６、ｘ＋ｙ＋ｚ＋ｕ＋ｔ＝１、０≦α＜０．３、０≦ｔ＜０．１、Ａは２価から６価までの価数のいずれかをとる金属元素のうち少なくとも１種）で表され、一次粒子が凝集した二次粒子で構成されたリチウム過剰金属複合酸化物からなる非水系電解質二次電池用正極活物質の製造方法であって、少なくともニッケル、コバルト、マンガンを含む水酸化物、オキシ水酸化物、酸化物、及び炭酸塩の少なくとも１種からなる一次粒子が凝集した二次粒子とリチウム化合物を混合してリチウム混合物を得る混合工程と、得られたリチウム混合物を酸化性雰囲気中にて８００〜１０５０℃の温度で焼成して焼成物を得る焼成工程と、酸洗前後での焼成物のリチウム含有量の差を酸洗前の焼成物のリチウム含有量で除したリチウム除去率が１０〜３０％、且つ酸洗終了時の酸洗スラリーの２５℃基準におけるｐＨが１〜４となるように制御して、酸洗を得られた焼成物に施した後、水洗する酸洗工程と、酸洗工程を経た焼成物を酸化性雰囲気中にて２００〜６００℃の温度で熱処理する熱処理工程を含むことを特徴とする非水系電解質二次電池用正極活物質の製造方法である。
【００２１】
本発明の第６の発明は、第５の発明における焼成工程において得られた焼成物が、板状の一次粒子が凝集した二次粒子で構成されたリチウム過剰金属複合酸化物粒子であることを特徴とする非水系電解質二次電池用正極活物質の製造方法である。
【００２２】
本発明の第７の発明は、第５及び第６の発明における一次粒子の長軸方向径が、０．１〜２．０μｍであることを特徴とする非水系電解質二次電池用正極活物質の製造方法である。
【００２３】
本発明の第８の発明は、第５〜第７の発明における焼成工程において、得られた焼成物の二次粒子の平均粒径Ｄ５０が、３〜１０μｍ、最大径Ｄｍａｘが５０μｍ未満、且つタップ密度が１．５〜２．４ｇ/ｍ３であることを特徴とする非水系電解質二次電池用正極活物質の製造方法である。
【００２４】
本発明の第９の発明は、第５〜第８の発明における混合工程において、少なくともニッケル、コバルト、マンガンを含む水酸化物、オキシ水酸化物、酸化物、及び炭酸塩の少なくとも１種からなる一次粒子が凝集した二次粒子とリチウム化合物を、リチウム混合物中のリチウム以外の金属元素の合計（Ｍｅ）に対するリチウム（Ｌｉ）の比（Ｌｉ／Ｍｅ）が１．２５〜１．８５となるように混合することを特徴とする非水系電解質二次電池用正極活物質の製造方法である。
【００２５】
本発明の第１０の発明は、第５〜第９の発明における酸洗工程において用いる酸が、０．５〜５Ｎの濃度である無機酸を用いることを特徴とする非水系電解質二次電池用正極活物質の製造方法である。
【００２６】
本発明の第１１の発明は、第１０の発明における無機酸が、塩酸または硫酸であることを特徴とする非水系電解質二次電池用正極活物質の製造方法である。
【００２７】
本発明の第１２の発明は、第５〜第１１の発明における酸洗工程において、酸洗する際のスラリー濃度が、１００〜１５００ｇ／Ｌであることを特徴とする非水系電解質二次電池用正極活物質の製造方法である。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、電池の正極活物質に用いた場合に、高容量を維持するとともに高い初期充放電効率を示すことから、高容量で優れたサイクル特性と出力特性を有する電池特性を示す非水系電解質二次電池用正極活物質が得られる。
【００２９】
さらに、その製造方法は、容易で工業的規模での生産に適したものであり、工業的価値が極めて大きい。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】電池評価に使用したコイン型電池Ｂの概略断面図である。
【図２】実施例１と比較例６で得られた充放電曲線を示すグラフである。
【図３】実施例１における焼成後のリチウム過剰金属複合酸化物粒子の走査型電子顕微鏡写真である。
【図４】実施例１で得られた正極活物質粒子の走査型電子顕微鏡写真である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下、本発明について、まず本発明の正極活物質について説明した後、その製造方法と本発明による正極活物質を用いた非水系電解質二次電池について説明する。
【００３２】
（１）正極活物質
本発明の非水系電解質二次電池用正極活物質（以下、単に正極活物質という）は、一般式：Ｌｉ１＋ｕＮｉｘＣｏｙＭｎｚＡｔＯ２＋α（０．１≦ｕ＜０．３、０．０３≦ｘ≦０．２５、０．０３≦ｙ≦０．２５、０．４≦ｚ＜０．６、０≦α＜０．３、０≦ｔ＜０．１、ｘ＋ｙ＋ｚ＋ｕ＋ｔ＝１、Ａは２価から６価までの価数のいずれかをとる金属元素のうち少なくとも１種）で表され、一次粒子が凝集した二次粒子で構成されたリチウム過剰金属複合酸化物粒子からなるものである。
【００３３】
このリチウム過剰金属複合酸化物粒子は、Ｌｉ以外の金属元素をＭとした一般式によって表されるＬｉ２ＭＯ３とＬｉＭＯ２とからなり、好ましくはＬｉ２ＭＯ３のＭをＭｎとしたＬｉ２ＭｎＯ３とＬｉＭＯ２とからなり、より好ましくはこれらの固溶体であり、ＬｉＭＯ２に含有されるリチウムの過剰量を低減したものである。
ＬｉＭＯ２に含有されるリチウムの過剰量を低減することにより、初期充電時にリチウム過剰金属複合酸化物粒子から引き抜くことが必要なリチウム原子の量と放電時にリチウム過剰金属複合酸化物粒子に挿入されるリチウム原子の量との差を抑制することが可能となり、高い初期充放電効率を得ることができる。
【００３４】
すなわち、ＬｉＭＯ２に含有されるリチウムの過剰量が多いと、初期充電時に引き抜くことが必要なリチウム原子の量が、本来ＬｉＭＯ２のＬｉ席からリチウムを引き抜いて充電するために必要な量より、過剰分だけ多くなり、充電量が多くなってしまう。一方、放電時はＬｉ席にリチウムが挿入されるのみであるため、放電量が少なくなり、初期の充電量に対する放電量の効率である初期充放電効率が低下する。
したがって、リチウムの過剰量を低減することにより、充電時に過剰なリチウムを引き抜くために用いられる充電量を抑制することができ、Ｌｉ席からリチウムを引く抜くことに充電量が効率的に用いられ、初期充放電効率を向上することが可能となる。
【００３５】
正極活物質全体としてのリチウム（Ｌｉ）の過剰量を示す上記一般式におけるｕを０．１以上、０．３未満の範囲とすることで、Ｌｉ２ＭＯ３とＬｉＭＯ２とからなり、ＬｉＭＯ２に含有されるリチウムの過剰量を、高い初期充放電効率が得られるまでに低減することができる。
そのｕが０．１未満になると、正極活物質を構成するリチウム過剰金属複合酸化物粒子中の層状化合物（ＬｉＭＯ２）のリチウム含有量が少なくなり過ぎて、高い放電容量が得られない。一方、ｕが０．３以上では、正極活物質全体としてのリチウムの過剰量が大きくなりすぎるため、初期充電時にリチウム過剰金属複合酸化物粒子から過大に過剰量のリチウム原子を引き抜くことが必要となって、放電時にリチウム過剰金属複合酸化物粒子に挿入されるリチウム原子の量との差が大きくなり、初期充放電効率が低下する。
【００３６】
さらに、本発明の正極活物質は、上記Ｌｉ２ＭＯ３とＬｉＭＯ２とからなるリチウム過剰金属複合酸化物粒子で構成されたものであれば、高容量かつ高い初期充放電効率が得られるが、粉末Ｘ線回折測定において、２θ＝２０〜２２°の範囲でＬｉ２ＭＯ３由来の（０２０）、（１１０）面のピークを有することが好ましい。
この状態においては、十分な量のＬｉ２ＭＯ３とリチウムの過剰量が低減されたＬｉＭＯ２とからなるものとすることができ、より高い電池容量を得ることができる。
【００３７】
上記一般式におけるｘは、正極活物質全体としてのニッケル（Ｎｉ）の含有量を示すものである。
ｘを０．０３以上、０．２５以下の範囲とすることで、電池に用いた際に高容量と高出力が得られる。ｘが０．０３未満になると、Ｌｉ２ＭＯ３が多くなり過ぎ、電池に用いた際に抵抗が増加するため高出力が得られない。一方、ｘが０．２５を超えると、Ｌｉ２ＭＯ３が少なくなり過ぎ、電池に用いた際に高容量が得られない。
【００３８】
また、正極活物質全体としてのコバルト（Ｃｏ）の含有量を示す上記一般式におけるｙの範囲を０．０３以上、０．２５以下とすることで、電池に用いた際に優れたサイクル特性と高出力が得られる。ｙが０．０３未満になると、ＬｉＭＯ２の結晶構造の安定に寄与するコバルトが少なくなり、サイクル特性が悪化する。一方、ｙが０．２５を超えると、Ｌｉ２ＭＯ３が少なくなり過ぎ、電池に用いた際に高容量が得られない。
【００３９】
さらに、一般式におけるｚは、正極活物質全体としてのマンガン（Ｍｎ）の含有量を示すもので、ＭｎはＬｉ２ＭＯ３を構成する元素であり、ｚにより形成されるＬｉ２ＭＯ３量を制御することができる。ｚを０．４以上、０．６未満の範囲とすることで、電池に用いた際に高容量と高出力が得られる。
ｚが０．４未満になると、Ｌｉ２ＭＯ３が少なくなり過ぎ、電池に用いた際に高容量が得られない。一方、ｚが０．６以上では、Ｌｉ２ＭＯ３、特にＬｉ２ＭｎＯ３が多くなり過ぎ、電池に用いた際に抵抗が増加するため高出力が得られない。
【００４０】
次に、上記一般式におけるｔは、正極活物質全体としての添加元素Ａの含有量を示すものである。この添加元素Ａは、電池特性を改善するために添加されるものであるが、ｔが０．１以上になると、Ｌｉ２ＭＯ３やＬｉＭＯ２が少なくなり過ぎ、電池に用いた際に高容量が得られない。
また添加元素Ａは、２価から６価までの価数のいずれかをとる金属元素からなる群から選択される少なくとも１種であるが、電池特性を改善する効果が高いＡｌ、Ｔｉ、Ｍｇ、Ｗ、Ｎｂ、Ｍｏからなる群から選択される少なくとも１種であることが好ましい。
【００４１】
これまで説明してきた正極活物質は、十分な量のＬｉ２ＭＯ３とリチウムの過剰量が低減されたＬｉＭＯ２とにより効果が得られるものであり、上記一般式に示される組成範囲であれば、添加元素による効果と上記効果が両立できることを確認している。
【００４２】
リチウム過剰金属複合酸化物における一次粒子は板状粒子であり、その一次粒子の平均長軸方向径が０．３μｍ〜２．０μｍであることが好ましい。
一次粒子が板状粒子であることで、比表面積が大きくなり一次粒子間に電解液が侵入可能な間隙が形成され、二次粒子内部まで電解液の浸透が可能であり、電解液とリチウム過剰金属複合酸化物粒子の反応面積が増加するため、高い電池容量と出力特性が得られる。また、板状粒子は、粒子径が大きくなっても粒子内部から電解液と反応する粒子表面までの距離が短く維持されるとともに粒子間の接触面積も高くすることが可能であるため、高い電池容量と出力特性を得るために有利である。
【００４３】
一方、通常の活物質の多くの構成に見られる球状若しくは略球状の一次粒子では、比表面積を大きくするとともに、粒子表面までの距離を短くするためには微細化する必要があり、微細化し、かつ電解液が侵入可能な間隙を形成させると、一次粒子間の接触面積が少なくなり、粒界抵抗の増加を招いたり、電極充填性を損ねるなど高出力、高容量を引き出せなくなる問題が生ずることがある。さらに、上記球状若しくは略球状などの一次粒子で構成された二次粒子の粒径を小さくしても、二次粒子間で同様に高出力、高容量を引き出せなくなる問題が生ずる。
【００４４】
そこで、リチウム過剰金属複合酸化物における一次粒子の平均長軸方向径を上記範囲とすることで、比表面積、すなわち電解液とリチウム過剰金属複合酸化物粒子の反応面積を十分なものとするとともに、一次粒子間の接触面積も高く維持することができる。
その平均長軸方向径が０．３μｍ未満では、一次粒子間の粒子間の接触面積が少なくなって高出力、高容量を引き出せなくなる問題が生ずることがある。また、平均長軸方向径が２．０μｍを超えると、反応面積が十分に得られないことがある。
したがって、反応面積を十分なものとするとともに一次粒子間の接触面積も高く維持するためには、好ましくは平均長軸方向径は０．５〜１．５μｍであるとともに、一次粒子の長軸方向径が０．１〜２．０μｍの範囲内にあることが好ましい。
【００４５】
ここで、本発明における板状粒子の形態は、平均長軸方向径に対する粒子の平均厚み、すなわちアスペクト比が０．５以下のものである。
また、長軸方向径は、任意の方向から撮影された走査型電子顕微鏡写真上で測定される一次粒子の板面方向の最大粒径であり、各二次粒子における一次粒子の平均長軸方向径は測定された長軸方向径の個数平均値である。
粒子の厚みも同様に走査型電子顕微鏡写真上で測定される一次粒子の厚みであり、各二次粒子における一次粒子の平均厚みはその個数平均値を示す。
【００４６】
正極活物質における一次粒子の平均長軸方向径及び平均厚みは、二次粒子は大きく変動することはないため、二次粒子を任意に５〜１０個程度測定して得られた各粒子のそれぞれの平均値を、さらに測定した二次粒子個数で平均することで得られ、一次粒子の長軸方向径の範囲は、正極活物質を測定する際に測定された長軸方向径の範囲である。
各測定値は、走査型電子顕微鏡写真上での測定値であればよく、一次粒子の傾きなどによる実際の粒との間の誤差が含まれてもよい。
【００４７】
本発明に係る正極活物質の比表面積は、３．０〜８．０ｍ２／ｇであり、電解液とリチウム過剰金属複合酸化物粒子の反応面積が大きく、界面抵抗が小さくなるため、高い電池容量と出力特性を得ることができる。
比表面積が３．０ｍ２／ｇ未満では、反応面積が不足して高い電池容量と出力特性を得ることができない。一方、比表面積が８．０ｍ２／ｇを超えると、正極を得る際に電極に塗布するスラリーの製造における混練工程において、ゲル化を引き起こしやすくなる。また、ＮＭＰに代表される有機溶剤を多量に使うことになり、工業的に適さない。
【００４８】
さらに、この正極活物質は、２０３２型コイン電池による充放電測定において、初期充放電の３．０Ｖ以下の放電領域において１段プラトーを有する。
このプラトーは、スピネルライク層に由来するもので、一次粒子表面に形成されているものと推定される。別の見方をすれば、Ｘ線回折測定などによってスピネル相の存在が確認されずとも、充放電測定によって、その存在が確認される。ここで、スピネルライク層とは、スピネル相もしくはスピネル相を形成途中の不完全な相からなる粒子表面に形成された層を意味する。
【００４９】
このスピネルライク層は、一次粒子表面に形成され、一次粒子間の粒界に存在する空隙を埋めて一次粒子間の結合力を強化し、充放電を繰り返した際に生じる粒子崩壊による孤立粒子発生および体積膨張収縮を抑え、サイクル特性を高めることを可能とする。また、２．５〜３．０Ｖの領域において放電量を増加させる。したがって、低電圧領域までの放電量を利用することにより、従来より高容量の電池が得られる。放電容量が増加するため、初期充放電効率もさらに向上させることが可能である。
【００５０】
さらに、この正極活物質においては、二次粒子の平均粒径Ｄ５０が３〜１０μｍ、最大径Ｄｍａｘが５０μｍ未満であり、タップ密度が１．５〜２．４ｇ/ｃｍ３であることが好ましい。
この二次粒子の平均粒径Ｄ５０及び最大径Ｄｍａｘ、タップ密度を上記範囲とすることで、充填性を高めて電池の容積当たりの充放電容量を高めるとともに、反応面積を確保して優れた出力特性を得ることができる。
【００５１】
二次粒子の平均粒径Ｄ５０が３μｍ未満では、充填性が低下して電池の容積当たりの電池容量が低下することがある。また、二次粒子間の接触面積が少なくなる問題も生じる。一方、平均粒径Ｄ５０が１０μｍを超えると、電解液と接触面積が少なくなって前記反応面積が不足することがある。
また、最大径Ｄｍａｘが５０μｍ以上になると、電池を製造する際に均一な正極膜を得ることができず、電池特性が低下することがある。
【００５２】
さらに、タップ密度が１．５ｇ/ｃｍ３未満になると、正極への充填性が十分に得られないことがある。一方、タップ密度が２．４ｇ/ｃｍ３を超えると、一次粒子間の空隙が少なくなり、電解液とリチウム過剰金属複合酸化物粒子の接触面積が十分に得られないことがある。
【００５３】
（２）正極活物質の製造方法
本発明に係る製造方法は、一般式：Ｌｉ１＋ｕＮｉｘＣｏｙＭｎｚＡｔＯ２＋α（０．１≦ｕ＜０．３、０．０３≦ｘ≦０．２５、０．０３≦ｙ≦０．２５、０．４≦ｚ＜０．６、ｘ＋ｙ＋ｚ＋ｕ＋ｔ＝１、０≦α＜０．３、０≦ｔ＜０．１、Ａは２価から６価までの価数のいずれかをとる金属元素のうち少なくとも１種）で表され、一次粒子が凝集した二次粒子で構成されたリチウム過剰金属複合酸化物粒子からなる非水系電解質二次電池用正極活物質の製造方法で、少なくともニッケル、コバルト、マンガンを含む水酸化物、オキシ水酸化物、酸化物、炭酸塩の少なくとも１種からなる一次粒子が凝集した二次粒子とリチウム化合物を混合し焼成して得られた焼成物を、酸洗前後での焼成物のリチウム含有量の差を酸洗前の焼成物のリチウム含有量で除したリチウム除去率を、１０〜３０％に制御して酸洗した後、酸化性雰囲気中にて２００〜６００℃の温度で熱処理することに特徴を有するものである。
【００５４】
特に、ｐＨ１〜４の酸による洗浄で、活物質全体のリチウム濃度を酸洗前後で１０〜３０％下げ、リチウム過剰金属複合酸化物粒子を得るために過剰に添加されたリチウムを粒子表面及び粒内から除去することで、充電時に過剰なリチウムを引き抜くために用いられる充電量を抑制することができ、初期充放電効率を向上させることが可能となる。
さらに、この酸洗により、一次粒子径を小さくすることなく、その比表面積を３．０〜８．０ｍ２／ｇと高くすることもできる。
これらにより、リチウム過剰金属複合酸化物を用いることにより得られる高い充放電容量と、比表面積増加による界面抵抗の低減だけでなく、過剰なリチウムの除去による初期充放電効率の向上を実現させるものである。
【００５５】
そのリチウム除去率が１０％未満の場合、洗浄不足で充電容量はあまり改善されず、初期充放電効率は高くならない。
また、３０％を超えた洗浄をすると初期充放電効率は１００％を超えるまでに達するが、過度の洗浄によってＬｉとのプロトン置換が激しく起こり始め、充電容量が抑制されるとともに放電容量まで大幅に低下してしまうため、本来有する高容量の優位性を失ってしまう。
【００５６】
一般的に、比表面積を高める手法としては、焼成温度を下げるあるいは焼結防止剤を添加して一次粒子径を小さくする、二次粒子径を小さくするといったことが挙げられる。しかし、これらの方法では高出力、高容量を引き出せなくなる問題が生じてしまう。
そこで、本発明においては、リチウム過剰金属複合酸化物粒子を強酸で酸洗することで二次粒子を形成する一次粒子の表面を溶解し、凹凸を形成させることで、抵抗に大きく影響する比表面積を飛躍的に上昇させ、電解液との接触面を増やすことで高出力に係わる界面抵抗を下げることを可能とするものである。また、二次粒子径を構成する要素である、一次粒子径や二次粒子径自体に変化を与えないため、出力特性や電池容量を阻害することはない。
【００５７】
さらに、このようなリチウム過剰金属複合酸化物を酸洗浄することにより、初期充放電効率を向上させるだけでなく、その後３００〜５００度で熱処理することにより一次粒子表面にスピネルライク層を形成させ、サイクル特性を高めるとともに放電容量を増加させるものである。
【００５８】
即ち、酸洗によるリチウムの除去では、二次粒子を形成する一次粒子間の界面に存在していたＬｉリッチ層が溶解したことにより、その界面に空隙が生じるため、充放電サイクルを繰り返すと二次粒子が崩壊し、二次粒子を形成しない一次粒子や微細な二次粒子（これらをまとめて孤立粒子という）が発生して充放電容量が下がり、サイクル特性が低下する問題があり、サイクル特性を高めるためには、このような孤立粒子を生じないように、一次粒子間の結合を強固なものとしておく必要がある。
【００５９】
それに対応して、本発明の酸洗工程では、過剰なリチウムのみでなく、層状化合物であるＬｉＭＯ２のＬｉ層からもＬｉが幾分か引き抜かれ、酸化性雰囲気中での熱処理により、Ｌｉに対するＭの比がＬｉＭＯ２より少ないスピネル相（ＬｉＭ２Ｏ４）を形成する反応が進行し、一次粒子表面にスピネルライク層が形成され、一次粒子間を強固に結合して孤立粒子発生および体積膨張収縮を抑制することが可能となる。
以下、本発明の非水系電解質二次電池用正極活物質の製造方法を工程ごとに詳細に説明する。
【００６０】
［混合工程］
混合工程は、少なくともニッケル、コバルト、マンガンを含む水酸化物、オキシ水酸化物、酸化物、炭酸塩の少なくとも１種からなる一次粒子が凝集した二次粒子とリチウム化合物を混合してリチウム混合物を得る工程である。
本発明の正極活物質は、板状の一次粒子が凝集した二次粒子で構成されたリチウム過剰金属複合酸化物粒子からなるものである。このような正極活物質の粒子構造は、原料となる水酸化物、オキシ水酸化物、酸化物、炭酸塩（以下、これらを合わせて原料化合物という）の構造を継承するため、原料化合物の構造を板状の一次粒子が凝集した二次粒子とすることが必要である。原料化合物の中でも、上記構造を有するものが容易に得られる水酸化物、オキシ水酸化物、酸化物の少なくとも１種が好ましい。
【００６１】
さらに、これらの原料化合物の粒子構造を制御することにより、正極活物質としての好ましい態様を実現することができる。すなわち、一次粒子の平均長軸方向径を０．３〜２．０μｍとすることが好ましい。また、二次粒子の平均粒径Ｄ５０が３〜１０μｍ、最大径Ｄｍａｘが５０μｍ未満であることが好ましい。
上記正極活物質は、上記一般式にあるようにマンガンを含むため、例えば、晶析法により金属塩水溶液を中和して水酸化物粒子を得る際に、非酸化性にして一次粒子を発達させることで、上記構造を有する水酸化物粒子が得られ、その晶析条件を制御することにより上記特性を有する粒子とすることができる。さらに、この水酸化物粒子を酸化させることで、オキシ水酸化物粒子あるいは酸化物粒子を得る。
【００６２】
また、この正極活物質は、リチウム混合物中の金属元素の組成比も継承するため、リチウム混合物中の組成比を、一般式における金属元素の組成比と同様にする。したがって、原料化合物として一般式と同様の組成比を有するものを用いるとよい。また、添加元素などで被覆され、粒子全体として一般式と同様の組成比を有するものを用いることもでき、リチウム混合物中に添加元素の化合物を別途添加して組成を調整することも可能である。
【００６３】
本発明の製造方法においては、リチウム過剰金属複合酸化物粒子から余剰のリチウムの酸洗による除去を特徴とするものであり、焼成物中にＬｉ２ＭＯ３が生成されればよいが、リチウム混合物中のリチウム以外の金属元素の合計（Ｍｅ）に対するリチウム（Ｌｉ）の比（Ｌｉ／Ｍｅ）が１．２５〜１．８５となるように混合することが好ましい。これにより、焼成物中にＬｉ２ＭＯ３を十分に生成させ、得られた正極活物質を電池に用いた際に高い放電容量が得られる。
【００６４】
Ｌｉ／Ｍｅが１．２５未満であると、得られた正極活物質中のＬｉ２ＭＯ３が少なくなりすぎて、放電容量が低下してしまうことがある。また、Ｌｉ／Ｍｅが１．８５を超えると、不活性なＬｉ２ＭＯ３が多くなって電気的特性が落ちて正極活物質の初期放電容量が低下するとともに、正極の反応抵抗も増加してしまうことがある。
【００６５】
混合機については、均一にする必要があるため、一般的な混合機を使用することも可能であるが、シェーカーミキサーやＶブレンダーではなく、ジュリアミキサーやスパルタンリューザーやノビルタといった攪拌羽根を有し高速精密混合が可能な装置を用いることがより好ましい。
【００６６】
［焼成工程］
焼成工程は、混合工程で得られたリチウム混合物を、酸化性雰囲気中にて８００〜１０５０℃の温度で焼成して焼成物を得る工程である。
この工程により、一次粒子が凝集した二次粒子で構成されたリチウム過剰金属複合酸化物粒子が得られる。
【００６７】
焼成温度が８００℃未満になると、結晶性が非常に低く、電池特性として放電容量の低い正極活物質となる。また、１０５０℃を超えると、焼結による粒成長が激しくなり、比表面積が大幅に低下し、放電容量が低い正極活物質となってしまう。
【００６８】
焼成時の雰囲気は、酸化性雰囲気であればよいが、安価で取扱いが容易な大気雰囲気とすることが好ましい。
焼成時に用いられる炉は、通常のリチウム過剰金属複合酸化物が製造可能な炉であればよく、バッチ式の焼成炉やローラーハースキルンなどの連続炉を用いることができる。
【００６９】
得られる正極活物質の粒子構造は、次工程の酸洗工程でも変化しないため焼成工程によって得られる焼成物と同様となる。したがって、使用した原料化合物と焼成条件の制御により、得られる焼成物の好ましい態様としては、板状の一次粒子が凝集した二次粒子で構成されたリチウム過剰金属複合酸化物粒子である。また、その一次粒子の平均長軸方向径は、０．３〜２．０μｍであることが好ましく、０．５〜１．５μｍであることがより好ましい。さらに、前記一次粒子の長軸方向径の範囲が０．１〜２．０μｍであることがより好ましい。
【００７０】
［酸洗工程］
酸洗工程は、焼成工程で得られた焼成物を、酸洗前後での焼成物のリチウム含有量の差を酸洗前の焼成物のリチウム含有量で除したリチウム除去率を１０〜３０％に制御して酸洗した後、水洗する工程で、得られた焼成物を酸により洗浄することで、充電容量を抑制し、９０％以上という高い初期充放電効率に至らせる。また、二次粒子を形成する一次粒子の表面に凹凸を形成させることで、一次粒子を微細化することなく比表面積を高くすることを可能とし、界面抵抗の小さい活物質が得られるのである。
【００７１】
ここで、リチウム除去率は、下記化学式１により算出した過剰なＬｉの溶解に用いられる酸の量を、予備実験により補正して求めた酸洗における酸の必要量を混合して酸洗することにより制御することができる。予備実験により決められれば、酸の種類や酸洗時間などの条件によって酸の必要量は安定しており、容易にリチウム除去率を制御することが可能である。
【００７２】
【化１】
2015122235.tif 000002
【００７３】
この酸洗に用いる酸は、解離定数の高い強酸性を示す酸が好ましく、塩酸、硝酸、硫酸などの無機酸のいずれかとすることがより好ましく、塩酸、硫酸のいずれかとすることがさらに好ましい。
塩酸、硫酸は非酸化性の酸であり、酸化性の酸である硝酸より焼成物に対する溶解力が弱く、余剰リチウムを焼成物から引き抜いて除去するが、焼成物自体の溶解を抑える。一方、硝酸を用いると焼成物自体を溶解して十分な比表面積が得られないおそれがある。
【００７４】
そこで、強酸を用いない場合、結晶構造からリチウムを引き抜くことが難しく、また一次粒子の表面に微細な凹凸を形成するだけの溶解を引き起こせないため、界面抵抗を下げることが出来ないことがある。さらに、酢酸以上に分子量の大きい有機酸を用いた場合は粒子表面にカーボン由来の不純物が付着・残留して抵抗成分となることがあり好ましくない。カーボン付着を防止するためには無機酸を用いることが好ましい。
【００７５】
酸洗工程においては、酸洗終了時の焼成物と酸からなる酸洗スラリーの２５℃基準におけるｐＨ（以下、単にｐＨということがある）が１〜４となるように制御する。
酸洗終了時のスラリーのｐＨが４を超えると、酸の溶解力が低く、３．０ｍ２／ｇ以上の比表面積が得られない。また、リチウム除去率も１０％未満になる。一方、リチウム除去率が１０〜３０％に調整した際のｐＨが１未満になると、酸の溶解力が高いため、焼成物自体が溶解し、一次粒子間の結合力が低下するとともに比表面積が大きくなり過ぎる。また、プロトン交換が起こりやすくなるため、放電容量が低下することがある。
リチウム除去率が１０〜３０％、且つ酸洗終了時のスラリーのｐＨを１〜４とするため、例えば上記無機酸を用いた際には、酸の濃度は０．５Ｎ〜５Ｎが好ましい。
酸の濃度が０．５Ｎ未満では、リチウム除去率が１０％未満になることがある。一方、酸の濃度が５Ｎを越えると、上記溶解力が高い酸を用いた場合の問題が生じることがある。さらに、酸洗時間を調整して酸洗終了時のスラリーのｐＨを１〜４に調整しても、リチウム除去率が３０％を超えることがある。
【００７６】
また、酸洗する際のスラリー濃度は、１００〜１５００ｇ／Ｌとすることが好ましい。
スラリー濃度を薄くしすぎると、酸洗浄に長い時間がかかりプロトン交換が進んで放電容量の低下が起こることがある。一方、濃すぎると、酸の反応が局所的に激しく起こりやすく、全体が均一なリチウム濃度になるのを妨げる要因になるため好ましくない。
【００７７】
酸洗後、さらに水洗、ろ過するが、後工程で熱処理するため、ろ過したままの状態でもよいが、乾燥させることが好ましい。
乾燥雰囲気は、大気雰囲気あるいは真空雰囲気とすることが好ましい。その乾燥温度は８０〜２５０℃程度でよく、完全に乾燥させる必要はないが、８０℃未満では、乾燥後においても水分率が高過ぎて後工程の熱処理時にリチウム過剰金属複合酸化物粒子が凝集することがあり、好ましくない。２５０℃を超えても効果がない。
【００７８】
［熱処理工程］
熱処理工程は、酸洗工程後の焼成物を、酸化性雰囲気中にて２００〜６００℃の温度で熱処理する工程である。
この熱処理工程により、一次粒子表面にスピネルライク層を形成し、サイクル特性の向上をもたらすとともに、さらに放電容量も増加させる。
【００７９】
その熱処理温度は、２００〜６００℃、好ましくは３００〜５００℃である。
３００℃未満では、スピネルライク層の結晶成長が不十分で一次粒子間の結合が弱いため、粒子構造が壊れやすく、サイクル特性を上げることができない。
【００８０】
一方、５００℃を超えた場合は、二次粒子の焼結が進行するとともに一次粒子表面も結晶成長が進むため、比表面積が小さくなり過ぎて電池特性の低下を招いてしまうためである。
【００８１】
（３）非水系電解質二次電池
本発明の非水系電解質二次電池は、正極、負極および非水系電解液などからなり、一般の非水系電解質二次電池と同様の構成要素により構成される。
なお、以下で説明する実施形態は例示に過ぎず、本発明の非水系電解質二次電池は、本明細書に記載されている実施形態を基に、当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した形態で実施することができる。また、本発明の非水系電解質二次電池は、その用途を特に限定するものではない。
【００８２】
（ａ）正極
先に述べた非水系電解質二次電池用正極活物質を用いて、例えば、以下のようにして、非水系電解質二次電池の正極を作製する。
【００８３】
まず、粉末状の正極活物質、導電材、結着剤を混合し、さらに必要に応じて活性炭、粘度調整等の目的の溶剤を添加し、これを混練して正極合材ペーストを作製する。
その正極合材ペースト中のそれぞれの混合比も、非水系電解質二次電池の性能を決定する重要な要素となる。溶剤を除いた正極合材の固形分の全質量を１００質量部とした場合、一般の非水系電解質二次電池の正極と同様、正極活物質の含有量を６０〜９５質量部とし、導電材の含有量を１〜２０質量部とし、結着剤の含有量を１〜２０質量部とすることが望ましい。
【００８４】
得られた正極合材ペーストを、例えば、アルミニウム箔製の集電体の表面に塗布し、乾燥して、溶剤を飛散させる。必要に応じ、電極密度を高めるべく、ロールプレス等により加圧することもある。このようにして、シート状の正極を作製することができる。
このシート状の正極は、目的とする電池に応じて適当な大きさに裁断等をして、電池の作製に供することができる。ただし、正極の作製方法は、例示のものに限られることなく、他の方法によってもよい。
【００８５】
正極の作製にあたって、導電材としては、例えば、黒鉛（天然黒鉛、人造黒鉛、膨張黒鉛など）や、アセチレンブラック、ケッチェンブラックなどのカーボンブラック系材料などを用いることができる。
【００８６】
結着剤は、活物質粒子をつなぎ止める役割を果たすもので、例えば、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、フッ素ゴム、エチレンプロピレンジエンゴム、スチレンブタジエン、セルロース系樹脂、ポリアクリル酸などを用いることができる。
【００８７】
なお、必要に応じ、正極活物質、導電材、活性炭を分散させ、結着剤を溶解する溶剤を正極合材に添加する。
溶剤としては、具体的には、Ｎ−メチル−２−ピロリドン等の有機溶剤を用いることができる。
また、正極合材には、電気二重層容量を増加させるために、活性炭を添加することができる。
【００８８】
（ｂ）負極
負極には、金属リチウムやリチウム合金等、あるいは、リチウムイオンを吸蔵および脱離できる負極活物質に、結着剤を混合し、適当な溶剤を加えてペースト状にした負極合材を、銅等の金属箔集電体の表面に塗布し、乾燥し、必要に応じて電極密度を高めるべく圧縮して形成したものを使用する。
【００８９】
負極活物質としては、例えば、天然黒鉛、人造黒鉛、フェノール樹脂等の有機化合物焼成体、コークス等の炭素物質の粉状体を用いることができる。この場合、負極結着剤としては、正極同様、ＰＶＤＦ等の含フッ素樹脂等を用いることができ、これらの活物質および結着剤を分散させる溶剤としては、Ｎ−メチル−２−ピロリドン等の有機溶剤を用いることができる。
【００９０】
（ｃ）セパレータ
正極と負極との間には、セパレータを挟み込んで配置する。
使用するセパレータは、正極と負極とを分離し、電解質を保持するものであり、ポリエチレン、ポリプロピレン等の薄い膜で、微少な孔を多数有する膜を用いることができる。
【００９１】
（ｄ）非水系電解液
非水系電解液は、支持塩としてのリチウム塩を有機溶媒に溶解したものである。
有機溶媒としては、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、トリフルオロプロピレンカーボネート等の環状カーボネート、また、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジプロピルカーボネート等の鎖状カーボネート、さらに、テトラヒドロフラン、２−メチルテトラヒドロフラン、ジメトキシエタン等のエーテル化合物、エチルメチルスルホン、ブタンスルトン等の硫黄化合物、リン酸トリエチル、リン酸トリオクチル等のリン化合物等から選ばれる１種を単独で、あるいは２種以上を混合して用いることができる。
【００９２】
支持塩としては、ＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＮ（ＣＦ３ＳＯ２）２等、およびそれらの複合塩を用いることができる。
さらに、非水系電解液は、ラジカル捕捉剤、界面活性剤および難燃剤等を含んでいてもよい。
【００９３】
（ｅ）電池の形状、構成
以上のように説明してきた正極、負極、セパレータおよび非水系電解液で構成される本発明の非水系電解質二次電池の形状は、円筒型、積層型等、種々のものとすることができる。
いずれの形状を採る場合であっても、正極および負極を、セパレータを介して積層させて電極体とし、得られた電極体に、非水系電解液を含浸させ、正極集電体と外部に通ずる正極端子との間、および、負極集電体と外部に通ずる負極端子との間を、集電用リード等を用いて接続し、電池ケースに密閉して、非水系電解質二次電池を完成させる。
【００９４】
（ｆ）特性
本発明の正極活物質を用いた非水系電解質二次電池は、高容量で高出力となる。
特により好ましい形態で得られた本発明による正極活物質を用いた非水系電解質二次電池は、例えば、２０３２型コイン電池の正極に用いた場合、２５０ｍＡｈ／ｇ以上、好ましくは２７０ｍＡｈ／ｇ以上、より好ましくは２７５ｍＡｈ／ｇ以上の高い初期放電容量と８５％以上の高い初期充放電効率が得られ、さらに高出力でサイクル特性にもすぐれたものである。また、熱安定性が高く、安全性においても優れているといえる。
【００９５】
本発明により得られた正極活物質を用いた正極を有する二次電池について、その性能（初期充放電効率、負荷効率、容量維持率）を測定した。
以下、本発明の実施例を用いて具体的に説明するが、本発明は、これらの実施例によって何ら限定されるものではない。
【実施例】
【００９６】
（電池の製造および評価）
得られた非水系電解質二次電池用正極活物質の評価は、以下のように電池を作製し、充放電容量および正極界面抵抗を測定することで行なった。
【００９７】
非水系電解質二次電池用正極活物質５２．５ｍｇ、アセチレンブラック１５ｍｇ、およびポリテトラフッ化エチレン樹脂（ＰＴＦＥ）７．５ｍｇを混合し、１００ＭＰａの圧力で直径１１ｍｍ、１００μｍの厚みのシート状にプレス成形し、その作製したシートを真空乾燥機中１２０℃で１２時間乾燥して、図１に示す正極１（評価用電極）を作製した。
【００９８】
そして、この正極１を用いて図１に示す２０３２型コイン電池Ｂ（以下、コイン型電池Ｂと称す場合もある。）を、露点が−８０℃に管理されたＡｒ雰囲気のグローブボックス内で作製した。
【００９９】
負極２には、直径１７ｍｍ厚さ１ｍｍのＬｉ金属を用い、電解液には、１ＭのＬｉＰＦ６を支持電解質とするエチレンカーボネート（ＥＣ）とジエチルカーボネート（ＤＥＣ）の３：７混合液（富山薬品工業株式会社製）を用いた。
【０１００】
セパレータ３には膜厚２５μｍのポリエチレン多孔膜を用いた。
また、コイン型電池Ｂは、ガスケット４とウェーブワッシャー５を有し、正極缶６と負極缶７とでコイン状の電池に組み立てられた。
【０１０１】
製造したコイン型電池Ｂの性能を示す初期充放電効率、負荷効率、容量維持率は、以下のように評価した。
初期充放電効率（初期充放電効率）は、コイン型電池Ｂを製作してから２４時間程度放置し、開回路電圧ＯＣＶ（Ｏｐｅｎ  Ｃｉｒｃｕｉｔ  Ｖｏｌｔａｇｅ）が安定した後、正極の理論容量を２７０ｍＡｈ／ｇとしたときの０．０５Ｃに相当する電流を電流値として４．８Ｖまで充電し、１時間の休止後、２．５Ｖまで放電したときの容量を初期放電容量とし、充電に対する放電の容量比を初期充放電効率とした。
【０１０２】
また、初期充放電効率評価時の放電曲線より２．５〜３．０Ｖの領域におけるプラトーの有無を確認した。
【０１０３】
負荷効率は、電圧範囲２．０から４．５５Ｖにおいて、正極の理論容量を２７０ｍＡｈ／ｇとしたときの０．１Ｃで充放電した際の放電容量を分母に、充電０．１Ｃ放電２Ｃで行ったときの放電容量を分子としたときの割合（％）とした。
【０１０４】
サイクル特性については、電圧範囲を２．０から４．５５Ｖと固定し、理論容量を２７０ｍＡｈ／ｇとしたときの０．３３Ｃの電流値で充放電を１００サイクル行ったときの容量維持率（％）を求めた。
【０１０５】
なお、本実施例では、複合水酸化物製造、正極活物質および二次電池の作製には、和光純薬工業株式会社製試薬特級の各試料を使用した。
【実施例１】
【０１０６】
予め４０℃に加温した純水の入った反応槽に、硫酸ニッケル、硫酸コバルトと硫酸マンガンの水和物の結晶を純水に溶解した１．８ｍｏｌ／Ｌ混合原液（金属元素モル比でＮｉ：Ｃｏ：Ｍｎ＝２：１：７）、２５質量％アンモニア水を規定の流量で滴下しつつｐＨを１１．５に維持するよう２５質量％水酸化ナトリウム水溶液を滴下することで反応晶析させ、まず前駆体であるニッケルコバルトマンガン複合水酸化物粒子を生成させた。
【０１０７】
次に、得られた複合水酸化物をろ過、乾燥してニッケルコバルトマンガン複合水酸化物粉末を得た。この複合水酸化物粉末中のニッケル、コバルト、マンガンの原子数の総量に対してリチウム原子が１：１．５となるように計算し秤量した炭酸リチウムを複合水酸化物粉末とスパルタンリューザーで混合した。このときの複合水酸化物粒子の平均粒子径は６．４μｍであった。
【０１０８】
次に、大気雰囲気において９５０℃で１０時間保持して焼成し、リチウム過剰金属複合酸化物粒子を得た。
【０１０９】
焼成後、２Ｎ塩酸を、得られたリチウム過剰金属複合酸化物粒子に対してリチウム除去率が１７％となるように必要量を算出し、リチウム過剰金属複合酸化物粒子と混合した酸洗スラリーのｐＨが２．３になるまで洗浄した。この時のスラリー濃度は３５０ｇ／Ｌであった。ｐＨの測定は、ポータブルｐＨ計（メトラー・トレド株式会社製、「セブンゴーＳＧ２」）を用い、２５℃基準における値を測定して求めた。
なお塩酸の必要量は、上記化学式（１）の「リチウムの溶解に関する反応式」から算出した量を予備実験により補正して求めた量を用いた。
【０１１０】
その後、水洗、ろ過後、２００℃で真空乾燥させた。さらに、大気雰囲気中において４００℃で１時間保持することで熱処理を施して正極活物質を得た。
図３に焼成後のリチウム過剰金属複合酸化物粒子の走査型電子顕微鏡写真を、図４に得られた正極活物質粒子の走査型電子顕微鏡写真をそれぞれ示す。
この図３を含めた５視野から測定した焼成後のリチウム過剰金属複合酸化物粒子の一次粒子の平均長軸方向径は、０．９０μｍであり、その範囲は０．２４〜１．８１μｍであり、一方、図４を含めた５視野から測定した正極活物質の一次粒子の平均長軸方向径は、０．８５μｍであり、その範囲は０．２０〜１．７５μｍであった。酸洗および熱処理によっても一次粒子の変化はないことが確認された。
【０１１１】
酸洗前後でＩＣＰ発光分光法を用いてリチウム量を分析することによりリチウム除去率を求めたところ、リチウム除去率は１７％であった。
また、得られた正極活物質について、ＢＥＴ法により比表面積を求めるとともに電池評価を行ったところ、初期放電容量は２８２．４［ｍＡｈ／ｇ］、初期充放電効率は９１％、負荷効率は７４％、容量維持率は９９％であった。
また、初期の充放電曲線において図２に示すように３．０Ｖ以下の領域に１段プラトーが確認された。これらの結果を表１にまとめて示す。
【実施例２】
【０１１２】
０．５Ｎ塩酸を用いて酸洗スラリー濃度を１１７ｇ／Ｌとし、酸洗スラリーのｐＨが３．８になるまで洗浄し、リチウム除去率を１２％に制御した以外は、実施例１と同様にして正極活物質を得るとともに電池評価を行った。
リチウム除去率は１２％と低くなったが、初期放電容量は２７７．６［ｍＡｈ／ｇ］、初期充放電効率は８６％、負荷効率は７２％、容量維持率は９６％であった。これらの結果を表１にまとめて示す。
【実施例３】
【０１１３】
酸洗浄後の熱処理温度を４００℃から３００℃に変更した以外は、実施例１と同様にして正極活物質を得るとともに電池評価を行った。
リチウム除去率は１７％、初期放電容量は２８０．１［ｍＡｈ／ｇ］、初期充放電効率は９５％、負荷効率は７５％、容量維持率は９５％であった。これらの結果を表１にまとめて示す。
【実施例４】
【０１１４】
リチウム過剰金属複合酸化物粒子と混合した酸洗スラリーのｐＨが２．２になるまで洗浄し、酸洗浄後の熱処理温度を４００℃から５００℃に変更した以外は、実施例１と同様にして正極活物質を得るとともに電池評価を行った。
リチウム除去率は１７％、初期放電容量は２８２．０［ｍＡｈ／ｇ］、初期充放電効率は９４％、負荷効率は７０％、容量維持率は９３％であった。これらの結果を表１にまとめて示す。
【実施例５】
【０１１５】
酸洗スラリー濃度を２１５ｇ／Ｌとして酸洗スラリーのｐＨが１．９になるまで洗浄し、リチウム除去率を２７％に制御した以外は、実施例１と同様にして正極活物質を得るとともに電池評価を行った。
リチウム除去率は２７％、初期放電容量は２８０．４［ｍＡｈ／ｇ］、初期充放電効率は９９％、負荷効率は７０％、容量維持率は９４％であった。これらの結果を表１にまとめて示す。
【実施例６】
【０１１６】
晶析時にモル比でＮｉ：Ｃｏ：Ｍｎ：Ａｌ＝１．９５：０．９５：６．９５：０．１５となるようにアルミン酸ナトリウム溶液を添加してニッケルコバルトマンガンアルミニウム複合水酸化物を得て、リチウム過剰金属複合酸化物粒子と混合した酸洗スラリーのｐＨが２．２になるまで洗浄した以外は、実施例１と同様にして正極活物質を得るとともに電池評価を行った。
リチウム除去率は１７％、初期放電容量は２７８．４［ｍＡｈ／ｇ］、初期充放電効率は９０％、負荷効率は７５％、容量維持率は９９％であった。これらの結果を表１にまとめて示す。
【実施例７】
【０１１７】
モル比でＮｉ：Ｃｏ：Ｍｎ：Ｍｇ＝１．８５：１：７：０．１５となるように炭酸リチウムとの混合時に酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を添加した以外は、実施例１と同様にして正極活物質を得るとともに電池評価を行った。
リチウム除去率は１７％、初期放電容量は２８１．３［ｍＡｈ／ｇ］、初期充放電効率は９１％、負荷効率は７５％、容量維持率は９８％であった。これらの結果を表１にまとめて示す。
【実施例８】
【０１１８】
モル比でＮｉ：Ｃｏ：Ｍｎ：Ｔｉ＝２：１：６．８５：０．１５となるように炭酸リチウムとの混合時に酸化チタン（ＴｉＯ２）を添加して、リチウム過剰金属複合酸化物粒子と混合した酸洗スラリーのｐＨが２．２になるまで洗浄した以外は、実施例１と同様にして正極活物質を得るとともに電池評価を行った。
リチウム除去率は１７％、初期放電容量は２８２．５［ｍＡｈ／ｇ］、初期充放電効率は９２％、負荷効率は７２％、容量維持率は９９％であった。これらの結果を表１にまとめて示す。
【実施例９】
【０１１９】
モル比でＮｉ：Ｃｏ：Ｍｎ：Ｗ＝１．９９：０．９９：６．９９：０．０３となるように炭酸リチウムとの混合時に酸化タングステン（ＷＯ３）を添加して、リチウム過剰金属複合酸化物粒子と混合した酸洗スラリーのｐＨが２．２になるまで洗浄した以外は、実施例１と同様にして正極活物質を得るとともに電池評価を行った。
リチウム除去率は１７％、初期放電容量は２８２．２［ｍＡｈ／ｇ］、初期充放電効率は９０％、負荷効率は７６％、容量維持率は９７％であった。これらの結果を表１にまとめて示す。
【０１２０】
（比較例１）
リチウム過剰金属複合酸化物粒子と混合した酸洗スラリーのｐＨが２．２になるまで洗浄し、酸洗浄後の熱処理温度を４００℃から１５０℃に変更した以外は、実施例１と同様にして正極活物質を得るとともに電池評価を行った。
リチウム除去率は１７％であったが、初期放電容量は２７２．７［ｍＡｈ／ｇ］、初期充放電効率は８５％、負荷効率は６４％、容量維持率は８３％と低下した。これらの結果を表１にまとめて示す。
【０１２１】
（比較例２）
リチウム過剰金属複合酸化物粒子と混合した酸洗スラリーのｐＨが２．２になるまで洗浄し、酸洗浄後の熱処理温度を４００℃から７００℃に変更した以外は、実施例１と同様にして正極活物質を得るとともに電池評価を行った。
リチウム除去率は１７％であったが、初期放電容量は２５８．５［ｍＡｈ／ｇ］、初期充放電効率は８６％、負荷効率は５９％、容量維持率は８５％と低下した。これらの結果を表１にまとめて示す。
【０１２２】
（比較例３）
０．１Ｎ塩酸を用いてスラリー濃度を２００ｇ／Ｌとし、酸洗スラリーのｐＨが５．９になるまで洗浄した以外は、実施例１と同様にして正極活物質を得るとともに電池評価を行った。
リチウム除去率は３．６％と低くなり、初期放電容量は２７０．１［ｍＡｈ／ｇ］、初期充放電効率は８０％、負荷効率は６４％、容量維持率は８７％に低下した。また、放電曲線において３Ｖ以下の領域にプラトーは確認できなかった。これらの結果を表１にまとめて示す。
【０１２３】
（比較例４）
１２Ｎ塩酸を用いてスラリー濃度を１８００ｇ／Ｌとし、酸洗スラリーのｐＨが０．７になるまで洗浄し、リチウム除去率を１７％に制御した以外は、実施例１と同様にして正極活物質を得るとともに電池評価を行った。
リチウム除去率は１７％、初期放電容量は２８３．４［ｍＡｈ／ｇ］、初期充放電効率は９１％、負荷効率は７４％であったが、容量維持率は７６％と低下した。これらの結果を表１にまとめて示す。
【０１２４】
（比較例５）
２Ｎ塩酸を用いてスラリー濃度を１５０ｇ／Ｌとし、酸洗スラリーのｐＨが２．２になるまで洗浄し、リチウム除去率を３６％に制御した以外は、実施例１と同様にして正極活物質を得るとともに電池評価を行った。
そのリチウム除去率は３６％を示し、初期放電容量は２６４．２［ｍＡｈ／ｇ］、初期充放電効率は１１７％と高くなったが、負荷効率は６０％、容量維持率は７７％と低下した。これらの結果を表１にまとめて示す。
【０１２５】
（比較例６）
酸洗工程を実施しなかった以外は、実施例１と同様にして正極活物質を得るとともに電池評価を行った。
初期放電容量は２７１．７［ｍＡｈ／ｇ］、初期充放電効率は７７％、負荷効率は６２％、容量維持率は８０％と低下した。また、図２の実線で示される初期の充放電曲線からは、プラトーは確認されなかった。これらの結果を表１にまとめて示す。
【０１２６】
【表１】
2015122235.tif 000003
【０１２７】
実施例１〜９では、リチウム除去率が１０〜３０％に制御され、２００〜６００℃の温度で熱処理されたため、比表面積が３．０〜８．０ｍ２／ｇに制御され、スピネルライク層由来のプラトーが確認されている。このため、初期充放電効率、負荷効率、容量維持率のいずれもが優れた正極活物質が得られている。
【０１２８】
一方、比較例１では、熱処理温度が低いため、スピネルライク層由来のプラトーが確認されず、初期充放電効率、負荷効率、容量維持率のいずれも低下しているが、容量維持率の低下が大きい。
比較例２では、熱処理温度が高いため、比表面積が小さくなり、初期充放電効率、負荷効率、容量維持率のいずれも低下しているが、負荷効率の低下が大きい。
【０１２９】
また、比較例３は、酸洗時のｐＨが高くリチウム除去率が低いため、初期充放電効率、負荷効率、容量維持率のいずれも低下している。
比較例４は、酸洗時のｐＨが低いため、容量維持率が低下している。
【０１３０】
さらに、比較例５は、リチウム除去率が高いため、放電容量が低下して初期充放電効率は高くなっているが、負荷効率、容量維持率のいずれも低下している。
比較例６は、酸洗していないため、過剰なリチウムが多く、初期充放電効率、負荷効率、容量維持率のいずれも低下している。
【産業上の利用可能性】
【０１３１】
本発明の非水系二次電池は、高容量の優れた電気特性を有することから、最近の携帯電話やノート型パソコンなどの携帯電子機器などの高エネルギー密度が要求される小型電源装置として好適である。
【０１３２】
また、本発明の非水系二次電池は、優れた安全性を有することから、純粋に電気エネルギーで駆動される電気自動車、ガソリンエンジンやディーゼルエンジンなどの燃焼機関と併用するハイブリッド自動車もしくはプラグインハイブリッド自動車などの大型電源装置としても好適に用いることができる。
【符号の説明】
【０１３３】
１    正極
２    負極
３    セパレータ
４    ガスケット
５    ウェーブワッシャー
６    正極缶
７    負極缶
Ｂ    ２０３２型コイン電池
【図１】
2015122235.tif 000004
【図２】
2015122235.tif 000005
【図３】
2015122235.tif 000006
【図４】
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