(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
再充電可能電池のための正極であって、層状結晶構造を有し、式ＬｉｘＴｍｙＨｍｚＯ６を有するリチウム金属酸化物粉末を含み、ｘ＝４、０．６０≦ｙ≦２．０、０．６０≦ｚ≦２．０、かつｘ＋ｙ＋ｚ＝６であり、式中、ＴｍはＭｎ又はＮｉｎＭｎｍ’Ｃｏｃのいずれかであり、０≦ｎ≦１、０≦ｍ’≦１、０≦ｃ≦１、かつｎ＋ｍ’＋ｃ＝１であり、かつ、式中、ＨｍはＷである、正極。
【請求項２】
前記リチウム金属酸化物粉末が、Ｃｕ−Ｋα線をＸ線源として用いたＸ線粉末回折法において、１８．５±１．５°における最大ピークと４３．５±１．５°における最大ピークとの間の回折ピーク強度比Ｒを有し、Ｒ＝Ｉ１／Ｉ２であり、Ｉ１は１８．５±１．５°における最大ピークの積分強度であり、Ｉ２は４３．５±１．５°における最大ピークの積分強度であり、Ｒ≧１．５である、請求項１に記載の正極。
【請求項３】
再充電可能電池のための正極であって、層状結晶構造を有し、式ＬｉｘＴｍｙＨｍｚＯ６を有するリチウム金属酸化物粉末を含み、ｘ＝４、０．６０≦ｙ≦２．０、０．６０≦ｚ≦２．０、かつｘ＋ｙ＋ｚ＝６であり、式中、Ｔｍ＝Ｎｉ、Ｈｍ＝Ｗであり、前記構造がＣ２／ｍである、正極。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
「産業上の利用分野」及び「背景技術」
本発明は、再充電可能リチウム電池における陰極材料として適用可能な、粉末リチウム金属酸化物に関する。より詳細には、この材料は、重金属及び遷移金属を含有し、高容量を有し、構造的に安定している。
【背景技術】
【０００２】
リチウムイオン電池市場の力強い発展に伴い、（とりわけ）低コスト、高エネルギー及び良好なサイクル特性を組み合わせた陰極材料に対する需要がある。初期の段階では、商用のＬｉイオン電池はほとんど、ＬｉＣｏＯ２（ＬＣＯと略される）を陰極材料として用いていた。ＬＣＯは、空間群Ｒ−３ｍを有する、ＣｏＯ６八面体のスラブ間に横たわるリチウムイオンの層からなる。
【０００３】
ＬＣＯ陰極を用いる電池は、３〜４．３Ｖでサイクルさせた時に、高容量、例えば、１５０〜１６０ｍＡｈ／ｇを提供し得る。また、商用ＬＣＯの製造は比較的容易でもある。しかし、ＬＣＯは重大な欠点を有する。主たる欠点は、Ｃｏ資源が比較的希少であることである。「Ｔｈｅ  Ｃｏｂａｌｔ  Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ  Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ」によれば、現在、すでに、世界中のＣｏ利用のうち３０％を超えるものが電池用途である。ＬＣＯの熱安定性は依然として懸念事項であり、電池を、高温動作又は過充電の場合に熱暴走を起こしやすくしている。ＬｉＭＰＯ４オリビン族（ＬＦＰとも呼ばれ、Ｍ＝Ｆｅである）のような、異なる構造を有するいくつかの種類の材料が提案され、開発されている。しかし、これらの材料は高エネルギーリチウムイオン電池において普及しておらず、ほとんど高出力用途の場合に考慮されるのみである。
【０００４】
高エネルギー用途においては、層状材料が依然として普及している。高いコストを軽減し、ＬＣＯの安定性を改善するべく組成上の代替物を探すための数多くの試みが行われてきた。それらの中で、近年登場してきたＬＣＯの主要な代用物が、リチウムニッケル−マンガン−コバルト酸化物（ＮＭＣと略される）である。ＮＭＣ材料もまた、ＬＣＯのような層状構造及び空間群Ｒ−３ｍを有する。Ｎｉ及びＭｎはより豊富であるため、Ｎｉ及びＭｎの追加は価格を削減する。Ｎｉの量が増すとともに、３〜４．４Ｖでサイクルさせた時に２００ｍＡｈ／ｇが達成され得るため、ＮＭＣの放電容量はＬＣＯよりもはるかに高くなる。同時に、Ｎｉ含有率が増すとともに、熱安定性は低下し、このことは、材料の製造がより困難になる結果をもたらす。ＮＭＣの調製は、特別な前駆体が必要となるため、ＬＣＯよりも複雑である。ＮＭＣ目標組成を有する混合遷移金属水酸化物又は炭酸塩の前駆体が調製されなければならない。更に、ＬＣＯと比べて、ＮＭＣは固体Ｌｉイオン拡散定数が低い。これは特定の組成のための最大可能粒径を制限し、比較的大きな比表面積をもたらし得る。これは電解質中への遷移金属の溶解を増進し得、電解質の分解、又は電池劣化の他の問題をも引き起こす。同様に厄介なことは、ＮＭＣ材料には、それらの電気化学的性能を劣化させ得る、カチオンミキシングの問題、つまり、（Ｌｉ原子によって主に満たされている層内のサイトである）Ｌｉ  ３ａサイト上に大量のＮｉが存在するという問題があることである。それゆえ、ＮＭＣをリチウムイオン電池における陰極材料として用いるには、解決されるべき問題が依然として存在する。
【０００５】
電池市場における大きな需要とリチウムイオン技術の更なる発展を考慮すると、新しい陰極材料に依然として関心が持たれている。新材料は、現在の技術に勝り、可能な改善をもたらす将来性を有する。それに対して、ＬＣＯ、ＮＭＣ及びＬＦＰのような現在の技術は成熟しており、大きな改善は期待されない。ＬＣＯ、ＬＦＰ及びＮＭＣの場合には、可逆的なリチウムイオンは１モルの遷移金属当たり１モル未満に制限される。最近、ある研究が、単位式当たりより多量の交換可能リチウムを有する新規の陰極材料を開示した。国際公開第２０１１／０３４５０８（Ａ１）号は、ＮａＣｌ型と呼ばれ、式Ｌｉ２ＶＴｉＯ４又はＬｉ２ＶＡｌＯ４を有する、層状構造を有する陰極材料を開示している。この種の層状材料は、化学式の単位ごとに２つのリチウムイオンの受け皿となり、リチウムイオン電池において優れた電気化学的活性を呈する。文献では、例えば、「Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  ｓｏｌｉｄ  ｓｔａｔｅ  ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，２００３，１７２（１）：１７１−１７７２」及び「Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  ｐｏｗｅｒ  ｓｏｕｒｃｅｓ，２００９，１８９，８１−８８」に、層状構造Ｌｉ２ＭＴｉＯ４（Ｍ＝Ｆｅ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｏ）を有する陰極材料群もまた記載されている。それらの理論的容量は３００ｍＡｈ／ｇを超える。しかし、それらの適用可能性は、大量生産に適しない、困難で精密な合成によって制約される。
【０００６】
「Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｍａｔｅｒｉａｌ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，２００７，１７，３１１２−３１２５」において報告された、２２０ｍＡｈ／ｇよりも高い容量を有するＬｉ２ＭｎＯ３ベースの複合材料Ｌｉ（ＬｉｘＮｉｙＣｏｚＭｎｗＯ２）が最近注目を集めている。これらのリチウムリッチ酸化物は基本的に、２つの異なる層状酸化物Ｌｉ２ＭｎＯ３及びＬｉＭＯ２で構成され、潜在的に、１つの遷移金属当たり１つを超えるＬｉイオンをサイクルさせられるようにすると考えられる。しかし、この材料はまだ初期段階にある。それは、商用リチウムイオン電池における適用を実現するために、サイクル中における構造変化及び電圧劣化などの、いくつかの課題を克服しなければならない。このような材料は、１よりも大きいリチウム対遷移金属比を有することによって、他の陰極材料と異なり、それらはＬｉリッチである。Ｌｉリッチ材料は最初の充電サイクル中に不可逆的な構造変化を示し得る。この概念はＣｅｄｅｒのグループによって更に発展させられており、例えば、「Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｍａｔｅｒｉａｌ，２０１４，４，１４００４７８」において、Ｃｅｄｅｒらは、式単位ＬｉＭＯ２を有するリチウム金属酸化物の立方晶岩塩型構造を一般化している。ここで、Ｍは通例、１つ以上の金属種を表す。Ｃｅｄｅｒらは、高容量電極材料としてのＬｉ過剰リチウム金属酸化物をサポートする拡散モデルを提案している。この理論に基づき、Ｌｉ１．２３３Ｍｏ０．４６７Ｃｒ０．３Ｏ２の式を有するＬｉ過剰材料が、「ＳｃｉｅｎｃｅＸｐｒｅｓｓ，２０１４，１２４６４３２」及び国際公開第２０１４／０５５６６５号に開示されている。この材料は、３〜４．３Ｖの最初のサイクルでは、Ｃ／２０において２６５．６ｍＡｈ／ｇの著しく高い容量を有する。しかし、初期の層状構造が最初のサイクル後に不規則な構造へ転移するために、このような高い容量は後続のサイクルにおいて急速に弱まっていく。そのうえ、この材料は、非常に急勾配の電圧プロファイルによって顕現される非常に大きな分極を示す。分極とは、電圧プロファイルにおける充電と放電との間の電圧ギャップを指す。大きな分極は多量のエネルギー損失を示す。これは、サイクル中におけるカチオンの不規則化によっても引き起こされる。したがって、分極を低減し、サイクル中に材料の層状構造を維持する、より安定した層状構造材料が必要とされている。
【０００７】
層状構造とは、最密酸素結晶格子内において、金属Ｍの層と交互になったリチウムカチオンの層を包含する「規則的岩塩構造」とも呼ばれる結晶構造を指す。十分に層状化した構造が有するカチオンミキシングの程度は小さい。カチオンミキシングとは、リチウム層上における非リチウム金属カチオンの存在である。安定した層状結晶構造とは、リチウムが充電中にリチウム層から抜き取られ（「デインターカレートされる」）、放電中に再挿入されるようにし、これにより、層状結晶構造を完全なまま維持する材料を指す。具体的には、金属スラブからリチウムスラブへの非リチウムカチオンのごく限られた移動が存在する。カチオンミキシングを有する十分に層状化した安定した結晶構造は、良好な電気化学的性能を得るための好ましい構造である。Ｒ−３ｍの典型的な空間群を有する層状酸化物では、ブラッグピーク（００３）対（１０４）の積分強度比（Ｉ００３／Ｉ１０４）（本発明者らは六方晶指数付け表記法を用いている）がカチオンミキシングレベルに強く関連する。Ｉ００３／Ｉ１０４の高い値は、最初のサイクル中の構造転移を回避し、分極を低減すると考えられる、低度のカチオンミキシングを有する安定した層状構造を指示する。
【０００８】
Ｒ−３ｍの空間群から生じる他のリチウムリッチ層状構造にも同じ傾向が当てはまる。それらは、Ｃ２／ｍの空間群を有する岩塩型層状構造を有する、Ｌｉ２ＭｎＯ３の追加によるなど、Ｒ−３ｍの構造にカチオンの規則化を導入することによって得られる超構造を有する。Ｒ−３ｍからの潜在的な層状超構造派生体が数多く存在する。カチオンミキシングレベルを注意深く制御することによって、これらの潜在的構造は、電池内の陰極材料として適用された場合には、サイクル中に、高い安定性を有し、分極が少なくなる可能性が極めて高い。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】国際公開第２０１４／０５５６６５号
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  ｓｏｌｉｄ  ｓｔａｔｅ  ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，２００３，１７２（１）：１７１−１７７２」及び「Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  ｐｏｗｅｒ  ｓｏｕｒｃｅｓ，２００９，１８９，８１−８８
【非特許文献２】Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｍａｔｅｒｉａｌ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，２００７，１７，３１１２−３１２５
【非特許文献３】Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｍａｔｅｒｉａｌ，２０１４，４，１４００４７８
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
したがって、本発明は、再充電可能リチウムイオン電池内における陰極材料としてのそれらの利用のために極めて有望である、（高度の規則化、安定した結晶構造及び良好なサイクル特性などの）構造的特性及び電気化学的特性を有する、（デ）インターカレートされ得る多量のリチウムを有する式を有する層状リチウムリッチ遷移金属酸化物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】
【００１２】
第１の態様から見れば、本発明は以下の製品実施形態を提供することができる。
【００１３】
実施形態１：再充電可能電池のための正極であって、層状結晶構造を有し、式ＬｉｘＴｍｙＨｍｚＯ６を有するリチウム金属酸化物粉末を含み、３≦ｘ≦４．８、０．６０≦ｙ≦２．０、０．６０≦ｚ≦２．０、かつｘ＋ｙ＋ｚ＝６であり、式中、Ｔｍは、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、及びＣｒからなる群のうちの１つ以上の遷移金属であり、かつ、式中、Ｈｍは、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ及びＷからなる群のうちの１つ以上の金属である、正極。材料が電気的に中性であることは明白である。
【００１４】
実施形態２：リチウム金属酸化物粉末がドーパントを更に含んでもよく、式ＬｉｘＴｍｙＨｍｚＭ”ｍＯ６−δＡδを有し、式中、Ａは、Ｆ、Ｓ又はＮからなる群のうちのいずれか１つ以上の元素であり、Ｍ”は、Ｃａ、Ｓｒ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ及びＺｒからなる群のうちのいずれか１つ以上の金属であり、δ＞０又はｍ＞０のいずれか、δ≦０．０５、ｍ≦０．０５、かつｘ＋ｙ＋ｚ＋ｍ＝６である。ドーパントを有する利点は、構造及び熱安定性の改善、又はリチウムイオン伝導率の向上のいずれかであり得る。
【００１５】
実施形態３：リチウム金属酸化物粉末が、Ｃｕ−Ｋα線をＸ線源として用いたＸ線粉末回折法において、１８．５±１．５°における最大ピークと４３．５±１．５°における最大ピークとの間の回折ピーク強度比Ｒを有してもよく、Ｒ＝Ｉ１／Ｉ２であり、Ｉ１は１８．５±１．５°における最大ピークの積分強度であり、Ｉ２は４３．５±１．５°における最大ピークの積分強度であり、Ｒ＞０．５５である。本実施形態では、Ｒは、０．７よりも大きいか、１．０よりも大きいか、少なくとも１．５であるか、又は更に少なくとも２．０であることが好ましい。Ｒのより大きい数は、層状構造のより高度の規則化を示す。
【００１６】
実施形態５：ここでは、ｘ≧３及びＨｍ＝Ｎｂである。
【００１７】
実施形態６：ここでは、ｘ＝４又は約４であり、ＨｍはＷ又はＭｏのいずれかであり、ＴｍはＣｒ又はＭｎのいずれかである。本実施形態では、リチウム金属酸化物粉末が、Ｃｕ−Ｋα線をＸ線源として用いたＸ線粉末回折法において、１８．５±１．５°における最大ピークと４３．５±１．５°における最大ピークとの間の回折ピーク強度比Ｒを有し、Ｒ＝Ｉ１／Ｉ２であり、Ｉ１は１８．５±１．５°における最大ピークの積分強度であり、Ｉ２は４３．５±１．５°における最大ピークの積分強度であり、Ｒ≧１．５であることが好ましい。
【００１８】
実施形態７：ここでは、ｘ＝４又は約４であり、Ｈｍ＝Ｗであり、ＴｍはＭｎ又はＮｉｎＭｎｍ’Ｃｏｃのいずれかであり、０≦ｎ≦１、０≦ｍ’≦１、０≦ｃ≦１、かつｎ＋ｍ’＋ｃ＝１である。本実施形態では、リチウム金属酸化物粉末が、Ｃｕ−Ｋα線をＸ線源として用いたＸ線粉末回折法において、１８．５±１．５°における最大ピークと４３．５±１．５°における最大ピークとの間の回折ピーク強度比Ｒを有し、Ｒ＝Ｉ１／Ｉ２であり、Ｉ１は１８．５±１．５°における最大ピークの積分強度であり、Ｉ２は４３．５±１．５°における最大ピークの積分強度であり、Ｒ≧１．５であることが好ましい。
【００１９】
実施形態８：電極はリチウム金属酸化物粉末を含んでもよく、リチウム金属酸化物粉末は、カチオンが酸素によって八面体状に包囲され、Ｌｉ及びＴｍ原子が、Ｏ６八面体を包囲する八面体サイト内に分布する層状構造であって、この構造は、再充電可能電池における２．７〜４．３Ｖ対Ｌｉ＋／Ｌｉの電位範囲内での充電及び放電のサイクルの間維持される、層状構造を有する。
【００２０】
実施形態９：ここでは、ｘ＝４又は約４、Ｔｍ＝Ｎｉ、Ｈｍ＝Ｗであり、構造はＣ２／ｍである。この規則的岩塩構造内において、カチオンは酸素によって八面体状に包囲されていてもよく、辺を共有したＬｉＯ６八面体の２ｄ  Ｌｉ層が存在する。
【００２１】
実施形態１０：リチウム金属酸化物粉末が、結晶学的密度＞４．１ｇ／ｃｍ３を有する。
【００２２】
上述された個々の実施形態の各々は、それ以前に記載されている実施形態のうちの１つ以上と組み合わせることができる。
【００２３】
第２の態様から見れば、本発明は、本発明の異なる製品実施形態に係る正極を備える再充電可能電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】調製された時の状態のＬｉ４ＮｉＷＯ６陰極材料のＸ線粉末回折（Ｘ−ｒａｙ  ｐｏｗｄｅｒ  ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ、ＸＲＤ）パターンである。
【図２】３．０〜４．１ＶにおけるＬｉ４ＮｉＷＯ６の充電／放電曲線である。
【図３】３．０〜４．１ＶにおけるＬｉ４ＮｉＷＯ６のサイクル性能である。
【図４】３．０〜４．１ＶにおけるＬｉ４ＮｉＷＯ６のｅｘ−ｓｉｔｕ  ＸＲＤパターンである。
【図５】１．５〜４．９ＶにおけるＬｉ４ＮｉＷＯ６のｅｘ−ｓｉｔｕ  ＸＲＤパターンである。
【図６】Ｌｉ３Ｎｉ２ＮｂＯ６陰極材料のｅｘ−ｓｉｔｕ  ＸＲＤパターンである。
【図７】層状陰極材料（ａ）Ｌｉ４ＭｎＷＯ６、（ｂ）Ｌｉ４Ｎｉ０．６Ｍｎ０．２Ｃｏ０．２ＷＯ６及び（ｃ）Ｌｉ４ＣｒＭｏＯ６のＸＲＤパターンである。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本発明は、リチウムイオン電池の用途における陰極材料として用いることができる、新しい層状材料の発見に焦点を当てる。１つの式当たり利用可能な多量のＬｉイオンの利点を考慮して、Ｌｉ４ＭＭ’Ｏ６のような層状材料群が調査される。ここで、ＭはＮｉ及びＭｎなどの遷移金属を指す。本発明では、Ｗ、Ｚｒ、Ｎｂ又はＭｏのような、いわゆる重金属が成分Ｍ’として導入される。これらの重金属は高い原子価状態（最大＋６）を有し、化合物Ｌｉ４ＷＯ５、Ｌｉ４ＭｏＯ５及びＬｉ３ＮｂＯ４内におけるように、Ｌｉリッチ層状構造を安定させる可能性が高い。電池内の陰極材料として適用される場合には、安定した結晶構造が、良好なサイクル特性を得るための必要要件である。これらの重金属の追加は、Ｌｉ４ＭＭ’Ｏ６の層状構造を安定させることにもなると考えられる。上述のリチウム金属酸化物粉末のいくつかは従来技術から知られているが、リチウム再充電可能電池における使用のために開発されたことは全くなかった。例えば、Ｃｈｅｍ．Ｍａｔｅｒ．２００５；１７，２３１０−２３１６におけるＭａｎｄａｌはＬｉ４ＭＷＯ６ペロブスカイトを記載しており、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｓｏｌｉｄ  Ｓｔａｔｅ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ  １２４，２１４−２１９（１９９６）におけるＭａｔｈｅｒはＬｉ３Ｎｉ２ＮｂＯ６岩塩構造を記載しており、Ｒｅｖｉｓｔａ  Ｍｅｘｉｃａｎａ  ｄｅ  Ｆｉｓｉｃａ  ５１（３）２９９−３０３におけるＶｅｇａ−Ｇｌｅｚは、岩塩Ｌｉ（３−３ｘ）Ｃｏ４ｘＮｂ（１−ｘ）Ｏ４構造を記載している。
【００２６】
本発明に係る材料は、一般式ＬｉｘＴｍｙＨｍｚＯ６を有する（Ｔｍは遷移金属であり、Ｈｍは重金属である）。式中、ｘ＝３〜４．８、ｙ＝０．６０〜２．０、ｚ＝０．６０〜２．０、ｘ＋ｙ＋ｚ＝６であり（ただし、追加の不純物又はドーパントが存在する場合には、ｘ、ｙ及びｚの値に若干の逸脱があり得る）、Ｔｍは１つ以上の遷移金属Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｔｉ及びＶであり、Ｈｍは１つ以上の重金属Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｗ及びＲｕである。いくつかのドーパントが構造内に存在してもよいと考えられ、式ＬｉｘＴｍｙＨｍｚＯ６−δΑδを生じさせる。ここで、Ａは、Ｆ、Ｓ又はＮのうちのいずれか１つ以上である。材料はまた、金属ドーパントを含有し、一般式ＬｉｘＴｍｙＨｍｚＭ”ｍＯ６−δΑδを有することもできる。ここで、Ｍ”は、Ｃａ、Ｓｒ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ及びＺｒのうちの１つ以上であり、ｘ＋ｙ＋ｚ＋ｍ＝６である。この材料群は、電池内に適用された場合に、デインターカレーションのための１つを超える利用可能なリチウムイオンを含有する。いくつかの実施形態では、利用可能なリチウムイオンの量は最大４つに達し、Ｎｉ２＋がＮｉ４＋に酸化すること、又はＣｒ２＋がＣｒ６＋に酸化するような、遷移金属の酸化還元反応は、４つのリチウムイオンの可逆的な放出及び取り込みを可能にし、これは、高容量を達成するために有望である。
【００２７】
本発明に係る材料は全て層状構造を有する。層内の原子の分布は、Ｌｉ／Ｔｍ／Ｈｍ層と交互になったリチウム層の構造をもたらす。各層内では、全てのカチオンが酸素によって八面体状に包囲されている。具体的には、結晶構造がｒ−３Ｍである場合には、Ｌｉ及びＴｍ原子は、ＨｍＯ６の八面体を包囲する、同じ八面体サイト内において統計的に分布する。結晶構造がｒ−３Ｍの超構造である場合には、このとき、Ｌｉ／Ｔｍ／Ｈｍは金属スラブ内におけるカチオンの規則化を示し得るであろう。良好なサイクル性能を得るためには、高度に規則的な構造が要求されるため、十分に層状化した構造へのカチオンの規則化は、サイクル特性などの、電気化学的性能に関係する枢要な因子である。層状構造の規則化は、Ｘ線回折パターン内のブラッグピーク比、具体的には、それぞれ、１８．５±１．５°と４３．５±１．５°のピークであって、これらは各々その領域内における最大である、ピークの積分強度の比を調査することによって評価することができる。低度のカチオンミキシングを有する規則的構造を得るために、ブラッグピークの比は、０．５５、好ましくは０．７又は更に０．９よりも大きくなければならない。いくつかの実施形態では、ピーク比は、１．５以上、１．７以上、更には２．０以上である。比の実際の上限は２．５の付近にある。
【００２８】
本発明は、本発明に係る材料が電池内に適用された場合に、比較的安定した層状構造を有することを観察している。層状構造はサイクル中に基本的に存続する。これは商用陰極材料ＬＣＯ及びＮＭＣの場合と同様の挙動であり、電池におけるサイクル安定性のための重要な因子であると考えられる。一実施形態では、Ｌｉ４ＮｉＷＯ６の組成は、２．７〜４．３Ｖの電位範囲内における充電／放電の最初のサイクル中、Ｃ２／ｍの空間群を有する層状構造を維持する。層状構造が崩壊し始めるのは、≧４．９Ｖのようなより高い電圧、又は≦１．５Ｖのようなより低い電圧においてのみである。また、１８．５±１．５°（（００１）面）及び４３．５±１．５°（（１３１）面）のブラッグピークの比は充電の間に変化することも観察される。高電圧まで充電すると、ピーク比は減少する。そのため、構造の規則化は充電の間に低減させられ、構造は崩壊するリスクを有する。更に悪いことに、万一、初期材料が層状構造内に一定量のカチオンミキシングを有すれば、充電時に、構造は低電圧においてさえ崩壊するであろう。したがって、これも、先と同様に、層状構造の規則化が電池内の材料の電気化学的性能に重要な影響を与えることを証明している。良好なサイクル特性を有する電池の用途においては、高度に規則的な材料が好ましい。
【００２９】
コインセル試験
以下のように、層状リチウムリッチ遷移金属酸化物粉末をコインセル内で小規模に電気化学的に試験する。初期粉末を炭素と比４：１（活物質：炭素）で混合し、１２時間、ともにボールミル粉砕する。活性混合物をバインダ材料と更にブレンドして、７２：１０：１８（活物質：バインダ：炭素）の組成にし、アルミニウム箔上に充填する。負極は、５００μｍの厚さを有するリチウム箔である（原産：Ｈｏｓｅｎ）。電極の活性荷重（ａｃｔｉｖｅ  ｌｏａｄｉｎｇ）は２．５ｍｇ／ｃｍ２である。セパレータ（ＳＫ  Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ製）を正極と負極との間に配置する。ＥＣ／ＤＭＣ（１：２）中の１Ｍ  ＬｉＰＦ６を電解質として使用し、セパレータと電極との間に落とし入れる。調製された時の状態のコインセルを３．０〜４．１Ｖの電位範囲内で４０サイクル充電／放電させる。電流密度は１４．５ｍＡ／ｇ（Ｃ／２０に対応する。ここで、１Ｃは１時間での完全充電又は放電を表す）である。本発明は、本発明に係る層状リチウム金属酸化物を正極として用いた場合に、コインセルの良好なサイクル特性を観察する。一実施形態では、Ｌｉ４ＮｉＷＯ６のコインセル試験は、３〜４．１Ｖの電位範囲内での４０サイクルの後に放電容量はほぼ一定であることを示す。
【００３０】
Ｅｘ−ｓｉｔｕ  ＸＲＤコインセル試験
本発明に係る層状リチウムリッチ遷移金属酸化物粉末を、コインセル内で小規模に電気化学的に充電した後に、Ｘ線回折を通じてｅｘ−ｓｉｔｕ試験する。コインセルは、上述したように作製する。調製したセルを、１４．５ｍＡ／ｇの電流密度で、表１に示すように電気化学的に試験する。その後、コインセルを分解し、陰極電極をＸ線回折によって試験する。
【００３１】
【表１】
0006608953.tif 000002
【００３２】
Ｘ線回折試験
構造特性をチェックするために、陰極材料をＸ線回折によって試験する。ＸＲＤ試験はＵｌｔｉｍａ  ＩＶデバイス（Ｒｉｇａｋｕ  ｃｏｒｐ．）内で実施し、Ｘ線源はＣｕ−Καである。本発明は、商用陰極材料ＬＣＯ及びＮＭＣのような層状構造を有する陰極材料を提供する。ＬＣＯ及びＮＭＣの場合には、それらはＲ−３ｍの空間群を有し、層構造のそれらの規則化は、ＸＲＤパターン内のブラッグピーク（００３）対（１０４）の積分強度の比によって評価することができる。ＬＣＯ及びＮＭＣと同様に、本発明に係る材料も、層状構造の規則化をチェックするために、このようなピーク比によって評価することができる。本発明の測定パターン内において、各々、領域内で最大である、１８．５±１．５°及び４３．５±１．５°と等しい２θに位置するブラッグピークを選定する。これらの２つのピークの積分強度の比を算出することができ、層状構造の規則化の程度の指標がもたらされる。高いピーク比は、層状構造が高度に規則的であることを意味し、低いピーク比は、層状構造内の規則化が乏しいことを示す。
【００３３】
本発明を次の実施例において更に例示する。
【００３４】
実施例１：Ｌｉ４ＮｉＷＯ６の調製及び電気化学的特性。
【００３５】
本実施例は層状陰極材料Ｌｉ４ＮｉＷＯ６を提示する。この材料は以下の手順に従って調製する。
１．前駆体のブレンド：１．２５％の過剰水酸化リチウム一水和物（ＬｉＯＨ・Ｈ２Ｏ）を、適正な比率のＷＯ３及び酢酸ニッケル（Ｎｉ（ＣＨ３ＣＯＯ）２・４Ｈ２Ｏ）粉末と均質にブレンドして化学量論的組成を得る。
２．焼結：混合後、混合物を乾燥空気の下において１０００℃で１２時間焼結させる。乾燥空気は５Ｌ／ｍｉｎの流量で焼結装置内へ連続的にポンプ注入する。
３．後処理：焼結後、非凝集粉末を得るために、焼結した材料を破砕し、ふるいにかける。
【００３６】
得られた粉末をＥ１とラベル付けし、Ｘ線回折によって調査する。
図１は、得られたＸＲＤパターン（２Ｔｈ＝２θ）を、ＴＯＰＡＳ３．０ソフトウェアによるリートベルト構造精密化の適合曲線とともに示す。Ｃ２／ｍ空間群を有する単相が測定パターンに適合する。構造精密化は、Ｌｉ／Ｎｉ／Ｗ層と交互になったＬｉ層を有する、層状構造を示す。構造の規則化を評価するために、１８．５°におけるブラッグピーク（００１）及び４３．７°におけるブラッグピーク（１３１）を選定する。
【００３７】
これらのブラッグピークの比は１．８前後であり、その値は以下の表２に記載される。「Ｘ線回折試験」において説明したように、大きな比は層状構造の高度な規則化の指標となる。それゆえ、Ｅ１サンプルは高度に規則的な層状構造を有する。
【００３８】
「コインセル試験」において説明したように、コインセル内でＥ１の電気化学的性能を試験する。図２（電圧（Ｖ単位）対容量（ｍＡｈ／ｇ単位））は、Ｅ１に基づくコインセルの最初のサイクル曲線を示す−充電は実線であり、放電は点線である。比較的低度の分極が観察される。充電及び放電曲線はおおよそ平行であり、サイクル中に大きな構造変化は生じなかったことを示す。放電容量は９０ｍＡｈ／ｇ前後である。図３（放電容量（ｍＡｈ／ｇ単位）対サイクル数Ｎ）はコインセルのサイクル性能を提示する。放電容量は４０サイクルにわたりほぼ一定であることが観察される。これは、Ｅ１を陰極材料として用いた場合の電池の良好なサイクル特性を示しており、これは、Ｅ１の高度に規則的な層状構造に関係する。したがって、本実施例は、本発明に係る、式Ｌｉ４ＮｉＷＯ６を有する層状陰極材料が良好なサイクル安定性を有することを示す。たとえ、重量当たりの比容量が、例えば、ＬＣＯと比べて十分に高くなくても、組成内のタングステンの高重量を考慮すれば、体積当たりの比容量は相当なものになる。
【００３９】
実施例２：充電及び放電の間におけるＬｉ４ＮｉＷＯ６の結晶構造。
【００４０】
本実施例は、充電／放電サイクル中におけるサンプルＥ１の結晶構造の安定性を調査する。「Ｅｘ−ｓｉｔｕ  ＸＲＤ試験」における説明に従ってＥ１のＥｘ−ｓｉｔｕ  ＸＲＤ試験を進める。図４は、３．０〜４．１Ｖの最初のサイクルのｅｘ−ｓｉｔｕ  ＸＲＤパターンを示す。パターン（ａ）は、電解質中に浸漬された後のＥ１でありこれは、Ｅ１陰極がコインセル内で組み立てられ、その後、充電／放電のようないかなる電気化学的処理も行わずに分解されることを意味する。パターン（ｂ）は、コインセル内で４．１Ｖまで充電された後のＥ１サンプルに対応している。パターン（ｃ）は、３．０〜４．１Ｖの範囲内の充電／放電の１サイクル後にコインセルから抜き出されたＥ１サンプルのＸＲＤパターンを表す。これらのパターンは互いに極めて類似しており、それゆえ、最初のサイクル中に、Ｅ１の層状構造は不変のままとどまることを見ることができる。
【００４１】
図５は、１．５〜４．９Ｖの最初のサイクルにおけるｅｘ−ｓｉｔｕ  ＸＲＤパターンを示す。パターン（ａ）は、浸漬されたＥ１サンプルであり、その一方で、パターン（ｂ）〜（ｇ）は、充電／放電の間の異なるカットオフ電圧においてコインセルから抜き出されたＥ１サンプルである。パターン（ｂ）〜（ｄ）はそれぞれ、表１における試験番号１〜３に対応する４．１Ｖ、４．３Ｖ及び４．９Ｖまで充電される。パターン（ｅ）〜（ｇ）はまず４．９Ｖまで充電され、その後、それぞれ、表１における試験番号４〜６に対応する３．５Ｖ、２．７Ｖ及び１．５Ｖまで放電される。パターン（ａ）〜（ｆ）を比較すると、４．９Ｖまで充電されたサンプルに対応する、パターン（ｄ）における若干の変化を除いて、基本的に変化はない。それゆえ、４．９Ｖに充電するまで、層状構造は完全なままとどまっている。放電の間、構造は１．５Ｖまで層状の特徴を保つ。１．５Ｖ（パターン（ｇ））において、本発明者らは、ピークの広がりを観察し、その広がりのため、層状構造が崩壊し始める。層状構造の一貫性は、ＬＣＯ及びＮＭＣのような商用陰極材料において観察されている、良好なサイクル安定性の指標である。Ｅ１サンプルは層状構造の良好な一貫性を呈しているため、これは、その高いサイクル安定性に対する支持をもたらす。
【００４２】
パターン（ａ）からパターン（ｃ）まで、層構造は維持されているが、１８．５°におけるブラッグピークの強度は減少し、４３．７°におけるブラッグピークの強度は増加していることが明白に観察される。この結果、１８．５±１．５°におけるブラッグピークと４３．５±１．５°におけるピークとの強度比Ｒは（ａ）から（ｃ）へと減少する。それゆえ、層状構造の規則化は充電中に徐々に弱くなっていく。これは、充電に際して、取り立てられるリチウムがだんだん増えるため、カチオンミキシングの可能性をもたらす空孔が当然だんだん増え、これが層状構造の安定性を損ねると単純に説明することができる。４．９Ｖまでの充電のように、更なる充電とともに、層状構造は過剰脱リチオ化のために崩壊し始める。
【００４３】
実施例３：Ｌｉ３Ｎｉ２ＮｂＯ６の調製及び構造特性。
【００４４】
本実施例は層状陰極材料Ｌｉ３Ｎｉ２ＮｂＯ６を提示する。この材料は以下の手順に従って調製する。
１．前駆体のブレンド：２．５％の過剰水酸化リチウム一水和物（ＬｉＯＨ・Ｈ２Ｏ）を、適正な比率のＮｂ２Ｏ５及び酢酸ニッケル（Ｎｉ（ＣＨ３ＣＯＯ）２・４Ｈ２Ｏ）粉末と均質にブレンドして化学量論的組成を得る。
２．焼結：混合後、混合物を乾燥空気の下において１０００℃で１２時間焼結させる。乾燥空気は５Ｌ／ｍｉｎの流量で焼結装置内へ連続的にポンプ注入する。
３．後処理：焼結後、非凝集粉末を得るために、焼結した材料を破砕し、ふるいにかける。得られた粉末をＥ２とラベル付けする。
【００４５】
焼結条件を変更することによって、２つの他のサンプルを得、Ｅ３及びＥ４とラベル付けする。Ｅ３は、１０００℃で２４時間焼結させたサンプルであり、その一方で、Ｅ４は、１１００℃で１２時間焼結させたサンプルである。Ｅ２、Ｅ３及びＥ４を、「Ｘ線回折試験」における手順に従って試験する。図６は、得られたＸＲＤパターンを示し、図中、（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）はそれぞれサンプルＥ２、Ｅ３及びＥ４に対応する。全てのパターンは、空間群Ｆｄｄｄを有する単相に適合しており、サンプルＥ１のような層状構造を有する。１９．０°（（１１１）面）及び４３．２°（（２０６）面）におけるブラッグピークを選定することによって、構造の規則化を評価する。Ｅ２、Ｅ３及びＥ４のピーク比Ｒは全て０．８よりも小さく（表２参照）、これは、多量のカチオンミキシングが存在することを示す。層状構造の不十分な規則化は概して、良好な電気化学的性能をもたらすことができない。しかし、パターンから、ピーク比が（ａ）から（ｃ）へ改善していくのを見ることができ、それゆえ、温度及びその他の条件を変更することによって、Ｌｉ３Ｎｉ２ＮｂＯ６材料のための規則化の程度の改善が実現可能である。実施例１において説明したように、高度に規則的な層状構造は良好な電気化学的性能の指標となり得る。Ｌｉ３Ｎｉ２ＮｂＯ６の組成では、Ｎｉの化学量論数は２である。各々のＮｉ２＋／Ｎｉ４＋酸化還元反応は、２つのＬｉイオンが脱リチオ化／リチオ化に関与することができるようにするため、Ｌｉ３Ｎｉ２ＮｂＯ６の化合物においては、全ての３つのＬｉイオンが（デ）インターカレートされることが可能である。それゆえ、この材料は高い容量を潜在的に有する。Ｅ２、Ｅ３及びＥ４の電気化学的試験は、これらの相は電気化学的に活性であり、最初のサイクルの放電容量は、１．５〜４．９Ｖの範囲内でサイクルさせる場合には、４０ｍＡｈ／ｇ前後であることを示す。層状の特徴を更に改善することができる場合には、上述されたように、優れた電気化学的特性が実現可能である。
【００４６】
実施例４：他の層状材料の調製。
【００４７】
Ｎｉ供給源を、ＭｎＯ２であるＭｎ供給源によって置き換えることを除いて、実施例１において説明したのと同じ手順に従って、層状リチウム金属酸化物粉末Ｌｉ４ＭｎＷＯ６を調製する。得られた粉末をＥ５とラベル付けする。Ｅ５と同様に、Ｍｎ供給源をＮｉ０．６Ｍｎ０．２Ｃｏ０．２ＯＯＨによって置き換えることを除いて、同じ手順で、層状粉末Ｌｉ４Ｎｉ０．６Ｍｎ０．２Ｃｏ０．２ＷＯ６を調製する。この粉末をＥ６とラベル付けする。前駆体をＬｉＯＨ・Ｈ２Ｏ、Ｃｒ２Ｏ３及びＭｏＯ３に変更し、第３の材料Ｌｉ４ＣｒＭｏＯ６もＥ５と同じ方法によって調製する。得られた粉末をＥ７とラベル付けする。
【００４８】
図７は、パターン（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）にそれぞれ対応する、Ｅ５、Ｅ６及びＥ７のＸＲＤパターンを示す。これらのパターンは全て、層状構造を有する単相に適合される。１８．５±１．５°及び４３．５±１．５°に位置するピークの比Ｒが表２に記載されており、非常に高い。これらの大きなピーク比は、Ｅ５、Ｅ６及びＥ７サンプルが高度に規則的な層状構造を有することを示す。サンプルＥ３及びＥ６はサンプルＥ１と同様の組成を有する。
【００４９】
Ｅ５において、Ｍｎイオンは、電気化学的活性において主な役割を果たすと予想される、Ｅ１におけるＮｉと同じ原子価状態を有する。それゆえ、Ｅ５は、コインセル試験において高いサイクル安定性を有した、Ｅ１と同様の電気化学的挙動を有することができる。Ｅ６については、それはＥ１と同等であるが、遷移金属比３：１：１（Ｎｉ：Ｍｎ：Ｃｏ）を達成するように、ＮｉをＭｎ及びＣｏで一部置換している。Ｍｎ及びＣｏによるＮｉの置換は構造を安定させ、良好なサイクル特性を提供することができることが観察されている。それゆえ、Ｅ６は、Ｌｉイオン電池の用途における陰極材料としての良好な安定性を潜在的に有する。
【００５０】
Ｅ７サンプルでは、Ｃｒ及びＭｏは両方とも、＋６まで大きくなり得るであろう、様々な原子価状態を有する。それゆえ、この材料は高い電気化学的活性状態になることができる。概して、Ｃｒイオンは、Ｍｏイオンと対照的に、電気化学的挙動において主な役割を果たす可能性がより大きい。脱リチオ化／リチオ化の間に、Ｃｒ２＋／Ｃｒ６＋の酸化還元対は式中の全てのＬｉイオンが関与できるようにし、これがＬｉイオン電池における高い容量をもたらし得る。したがって、サンプルＥ７は電池用途における陰極材料としての高い潜在能力を有する。
【００５１】
【表２】
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【００５２】
本発明に係るリチウム金属酸化物は、表３に示されるように、（Ｔｏｐａｓ構造精密化計算に基づき、単位セル質量を単位セル体積で除したものである）高い結晶学的密度を有する。結晶学的密度のこのように高い値は、電池における体積容量の高い値を達成できるようにするであろう。
【００５３】
【表３】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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