(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
リチウムイオンバッテリーにおける正極活物質として使用できるリチウム遷移金属系酸化物粉末を製造するための結晶性前駆体化合物であって、一般式Ｌｉ１−ａ（（Ｎｉｚ（Ｎｉ１／２Ｍｎ１／２）ｙＭ’ｘ）１−ｋＡｋ）１＋ａＯ２を有し、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１であり、０＜ｘ≦０．２であり、０．５５＜ｚ≦０．９０であり、Ｍ’はＣｏ及びＡｌのうちの１つ又は両方であり、Ａはドーパントであり、０≦ｋ≦０．１であり、０．０５≦ａ≦０．４０であり、積分強度比Ｉ００３／Ｉ１０４＜１を有し、Ｉ００３及びＩ１０４が、前記結晶性前駆体化合物のＸＲＤパターンのブラッグピーク（００３）及び（１０４）のピーク強度である、結晶性前駆体化合物。
【請求項２】
組み合わされたブラッグピーク（１０２、００６）とブラッグピーク（１０１）との強度の比Ｒを有し、Ｒ＝（（Ｉ１０２＋Ｉ００６）／Ｉ１０１）及び０．５＜Ｒ＜１．１６である、請求項１に記載の結晶性前駆体化合物。
【請求項３】
＜０．４重量％のＬｉ２ＣＯ３含有量を有する、請求項１に記載の結晶性前駆体化合物。
【請求項４】
０．５５＜ｚ≦０．７５及び０．１２≦ａ≦０．２５であり、ｎｍ単位の結晶子サイズＬを有し、２０≦Ｌ≦８０である、請求項１に記載の結晶性前駆体化合物。
【請求項５】
Ｍ’がＣｏであり、ｋ＝０、０＜ｘ＜０．２、０．６０＜ｚ＜０．７５である、請求項１に記載の結晶性前駆体化合物。
【請求項６】
Ｍ’＝ＣｏｃＡｌｄであり、０．７５≦ｃ≦０．９５、ｃ＋ｄ＝１．００であり、ｙ＝０、ｋ＝０、及び０＜ｘ＜０．２である、請求項１に記載の結晶性前駆体化合物。
【請求項７】
Ｌｉの３ａ八面体部位上のＮｉ原子の量が少なくとも４％である、請求項１に記載の結晶性前駆体化合物。
【請求項８】
一般式Ｌｉ１＋ａ’Ｍ１−ａ’Ｏ２を有し、Ｍ＝（Ｎｉｚ（Ｎｉ１／２Ｍｎ１／２）ｙＭ’ｘ）１−ｋＡｋであり、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１であり、０＜ｘ≦０．２であり、０．５５＜ｚ≦０．９０であり、Ｍ’はＣｏ及びＡｌのうちの１つ又は両方であり、Ａはドーパントであり、０≦ｋ≦０．１であり、０．０１≦ａ’≦０．１０である、正極物質を調製するための方法であって、
金属硫酸塩と塩基との共沈から調製される混合遷移金属源を用意する工程と、
前記混合遷移金属源を、ＬｉＯＨ及びＬｉＯＨ／Ｈ２Ｏのいずれか１つと混合し、これにより第１の混合物を得る工程であって、これにより、前記第１の混合物におけるＬｉ対遷移金属の比が０．６０〜０．９０である、混合する工程と、
前記第１の混合物を、７５０〜８５０℃の温度で、８〜３６時間、酸化雰囲気中で焼結し、これによりリチウム欠乏前駆体粉末を得る工程であって、前記リチウム欠乏前駆体粉末が、一般式Ｌｉ１−ａ（（Ｎｉｚ（Ｎｉ１／２Ｍｎ１／２）ｙＭ’ｘ）１−ｋＡｋ）１＋ａＯ２を有し、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１であり、０＜ｘ≦０．２であり、０．５５＜ｚ≦０．９０であり、Ｍ’はＣｏ及びＡｌのうちの１つ又は両方であり、Ａはドーパントであり、０≦ｋ≦０．１であり、０．０５≦ａ≦０．４０である、焼結する工程と、
前記リチウム欠乏前駆体粉末を、ＬｉＯＨ及びＬｉＯＨ・Ｈ２Ｏのうちのいずれか１つと混合し、これにより第２の混合物を得る工程と、
前記第２の混合物を、７５０〜９５０℃の温度で、６〜３６時間、ＣＯ２フリーの酸化雰囲気中で焼結する工程と、を含む方法。
【請求項９】
前記第１の混合物におけるＬｉ対遷移金属の比が、０．７５〜０．９０である、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記リチウム欠乏前駆体粉末が請求項１に記載の結晶性前駆体化合物である、請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
前記第１の混合物が乾燥空気中で焼結され、前記第２の混合物が酸素中で焼結される、請求項８に記載の方法。
【請求項１２】
前記第２の混合物が、７７５〜８５０℃の温度で、８〜１２時間の時間焼結される、請求項８に記載の方法。
【請求項１３】
リチウムイオンバッテリーにおける正極活物質として使用できるリチウム遷移金属系酸化物粉末を製造するための結晶性化合物の使用であって、前記結晶性化合物が、一般式Ｌｉ１−ａ（（Ｎｉｚ（Ｎｉ１／２Ｍｎ１／２）ｙＭ’ｘ）１−ｋＡｋ）１＋ａＯ２を有し、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１であり、０＜ｘ≦０．２であり、０．５５＜ｚ≦０．９０であり、Ｍ’はＣｏ及びＡｌのうちの１つ又は両方であり、Ａはドーパントであり、０≦ｋ≦０．１であり、０．０５≦ａ≦０．４０であり、前記結晶性化合物が、積分強度比Ｉ００３／Ｉ１０４＜１を有し、Ｉ００３及びＩ１０４が、前記結晶性化合物のＸＲＤパターンのブラッグピーク（００３）及び（１０４）のピーク強度である、使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高Ｎｉ「ＮＭＣ」カソード粉末状物質を大規模かつ低コストで調製するための前駆体及び方法に関する。「ＮＭＣ」により、我々は、リチウム‐ニッケル‐マンガン‐コバルト‐酸化物を指す。高ＮｉのＮＭＣ粉末は、Ｌｉイオン再充電可能バッテリーにおけるカソード活物質として使用され得る。本発明のカソード物質を含有するバッテリーは、より高いサイクル安定性及び可溶性塩基の低含有量などのより良好な性能をもたらす。
【背景技術】
【０００２】
現在、再充電可能Ｌｉイオンバッテリーは、「大型」再充電可能バッテリー市場に浸透し始めている。ここで、「大型バッテリー」とは、自動車用バッテリー、並びに定置発電所などの用途を指す。これらの大型の定置又は自動車用バッテリーは、ノート型パソコン用の円筒形電池又はスマートフォン用の高分子型電池のような携帯用途のための以前の支配的なバッテリーよりも非常に大型である。したがって、「大型バッテリー」カソード物質には、性能面だけではなく、資源希少性の観点からも、根本的に異なる要件がある。以前には、再充電可能なリチウムバッテリーの大部分は、ＬｉＣｏＯ２（ＬＣＯ）をカソード物質として使用していた。コバルト資源が限られている（コバルト開発研究所（Ｃｏｂａｌｔ  Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ  Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ）によれば、現在までに地球上で利用可能なコバルトの約３０％が既にバッテリーに使用されている）ために、ＬｉＣｏＯ２は大型バッテリーには持続不可能である。この状況は、いわゆるＮＭＣカソード物質についてはそれほど深刻ではない。「４４２」及び「５３２」カソード物質がその例である。４４２は、一般的にＬｉ１＋ｘＭ１−ｘＯ２（式中、ｘ＝０．０５及びＭ＝Ｎｉ０．４Ｍｎ０．４Ｃｏ０．２である）を指し、５３２は、一般的にＬｉＭＯ２（式中、Ｍ＝Ｎｉ０．５Ｍｎ０．３Ｃｏ０．２である）を指す。ＮＭＣカソード物質は、コバルトがニッケル及びマンガンによって置き換えられているために、より少ないコバルトを含有する。ニッケル及びマンガンは、コバルトよりも安価であり、比較的より豊富であるために、ＮＭＣは、大型バッテリーにおいてＬｉＣｏＯ２に取って代わる可能性がある。かんらん石（ＬｉＦｅＰＯ４）などの他の候補物質は、ＮＭＣと比べてエネルギー密度が非常に低いために、競争力が弱い。
【０００３】
ＮＭＣカソード物質は、ＬｉＣｏＯ２、ＬｉＮｉ０．５Ｍｎ０．５Ｏ２及びＬｉＮｉＯ２の固体状態溶液としておおよそ理解され得る。ＬｉＮｉ０．５Ｍｎ０．５Ｏ２中では、Ｎｉは二価であり、ＬｉＮｉＯ２中では、Ｎｉは三価である。４．３Ｖにおいて、ＬｉＣｏＯ２及びＬｉＮｉ０．５Ｍｎ０．５Ｏ２についての公称容量は、約１６０ｍＡｈ／ｇであり、対して、ＬｉＮｉＯ２については２２０ｍＡｈ／ｇである。任意のＮＭＣ化合物の可逆容量は、これらの所定の容量から概算することができる。例えば、ＮＭＣ８１１は、０．１ＬｉＣｏＯ２＋０．２ＬｉＮｉ０．５Ｍｎ０．５Ｏ２＋０．７ＬｉＮｉＯ２として理解することができる。したがって、期待容量は、０．１×１６０＋０．２×１６０＋０．７×２２０＝２０２ｍＡｈ／ｇに等しい。容量は、「Ｎｉ過剰」と共に増加し、この「Ｎｉ過剰」は、三価のＮｉの割合であり、ＮＭＣ８１１では、Ｎｉ過剰は０．７である（リチウム化学量論をＬｉ：（Ｎｉ＋Ｍｎ＋Ｃｏ）＝１．０と仮定する場合）。明らかに、容量はＮｉ過剰と共に増加し、これにより、同じ電圧において、Ｎｉ過剰のＮＭＣは、ＬＣＯよりも高いエネルギー密度を有し、これは、ＬＣＯの代わりにＮｉ過剰のＮＭＣを使用するとき、ある特定のエネルギー需要には、カソード物質の重量又は体積がより少ないことが必要とされることを意味する。更に、ニッケル及びマンガンが、コバルトと比べてより安価であるために、供給されるエネルギーの単位当たりのカソードのコストが非常に削減される。このように、ＬＣＯと比べると、Ｎｉ過剰のＮＭＣのより高いエネルギー密度及びより低いコストは、「大型バッテリー」市場においてより好ましいものである。
【０００４】
ＮＭＣカソード物質の簡単かつ安価な製造プロセスが、大規模用途には必要とされる。我々が直接焼結と呼ぶ、このような典型的プロセスは、混合金属前駆体（例えば、Ｍ（ＯＨ）２前駆体）及びリチウム前駆体（例えば、Ｌｉ２ＣＯ３）の配合物のトレイ内での連続的方法での焼成である。配合物を含むトレイは、炉に連続的に送り込まれ、炉を通る移動中に、最終焼結ＬｉＭＯ２に向かう反応が進行する。焼成コストは、焼成プロセスの処理量に大きく依存する。トレイが炉に向かってより速く移動するほど（「焼成時間」と称される）またより多くの配合物をトレイが搬送するほど（「トレイ搭載量」と称される）、炉の処理量は高くなる。炉は、投資コストが高いために、処理量が小さい場合、炉の減価償却は総処理コストに大きく寄与する。したがって、安価な製品を得るためには、高い処理量が望ましい。
【０００５】
ＮＭＣ物質の容量はＮｉ過剰と共に増加するために、ＮＭＣ６２２（例えば、ＬｉＮｉ０．６Ｍｎ０．２Ｃｏ０．２）、ＮＭＣ８１１（例えば、ＬｉＮｉ０．８Ｍｎ０．１Ｃｏ０．１）、及びまたＮＣＡ（例えば、ＬｉＮｉ０．８Ｃｏ０．１５Ａｌ０．０５）のような高「Ｎｉ過剰」のカソード物質は、Ｎｉが少ないバッテリー、例えば、ＮＭＣ１１１（ＬｉＭＯ２（式中、Ｍ＝Ｎｉ１／３Ｍｎ１／３Ｃｏ１／３）よりも非常に高い容量を有する。しかしながら、この生産は、Ｎｉ含有量の増加と共により一層困難になる。一例として、ＮＣＡ（これはＬｉＮｉ０．８Ｃｏ０．１５Ａｌ０．０５である）のような非常に高いＮｉ過剰のカソード物質は、空気中では、又はＬｉ２ＣＯ３をＬｉ前駆体として使用しては調製することができない。高Ｎｉ物質中のＬｉの低い熱力学的安定性のために、調製はＣＯ２フリー酸化ガス（通常は酸素）中で行われ、リチウム前駆体ＬｉＯＨがより安価なＬｉ２ＣＯ３の代わりに使用される。これに対して、低ＮｉのＮＭＣ１１１は、通常の空気中で、Ｌｉ２ＣＯ３前駆体を用いて、容易に調製することができる。Ｎｉが増加すると、ＮＭＣは低空気安定性を有する傾向があり、低含有量の可溶性塩基を有するカソードを得ることは一層困難である。「可溶性塩基」の概念は、特許文献１により明示的に議論されている。
【０００６】
有望なＮｉ過剰ＮＭＣはＮＭＣ６２２であり、ＮＭＣ６２２は、ＮＭＣ１１１よりも潜在的に非常に高い容量を有するが、同時にＮＭＣ１１１よりも生産が確実に困難である。ＮＭＣ６２２を、直接焼結によって生成することが実現可能であるとしても、ＮＭＣ６２２を、効率的な方法で、大規模かつ低コストで調製することは困難である。大量生産の問題は、主として、最終ＮＭＣ製品中の高可溶性塩基含有量に由来する。可溶性塩基とは、Ｌｉ２ＣＯ３及びＬｉＯＨのような表面不純物を指し、この場合Ｌｉ２ＣＯ３不純物が最も懸念される。特許文献２で議論されるように、これらの塩基は、リチウム源の未反応試薬、通常、Ｌｉ２ＣＯ３又はＬｉＯＨ・Ｈ２Ｏに由来する可能性があり、ＬｉＯＨ・Ｈ２Ｏは、通常、１重量％のＬｉ２ＣＯ３不純物を含む。これらの塩基はまた、生産において遷移金属源として使用される混合遷移金属水酸化物にも由来し得る。混合遷移金属水酸化物は、通常、遷移金属硫酸塩とＮａＯＨなどの工業グレードの塩基との共沈によって得られる。この塩基は、ＣＯ３−２不純物をＮａ２ＣＯ３の形態で含有する。ＮＭＣ６２２のような高Ｎｉ過剰のＮＭＣの場合、高温での焼結の後に、炭酸塩化合物が最終製品の表面上に残る。可溶性塩基による問題は、７／１．５／１．５、８１１、又はＮＣＡのような更に高いＮｉ含有量を有するＮＭＣ化合物について一層増大する。可溶性塩基含有量は、特許文献２で議論されるように、ｐＨ滴定と呼ばれる技術によって測定することができる。
【０００７】
最終ＮＭＣ物質中の可溶性塩基含有量の存在は、フル電池試験において、通常「バルジング」と呼ばれる、フル電池内の深刻なガス発生を引き起こし得る。深刻なガス発生又はバルジングの問題は、バッテリーの不良なサイクル寿命と共に安全性の懸念をもたらすであろう。したがって、高Ｎｉ過剰のＮＭＣ物質を大型バッテリー用途に使用するために、このような高可溶性塩基含有量を回避する、効果的かつ安価な処理法が必要である。更に、ＮＭＣ物質におけるサイクル性の悪化が、上述したＬｉ２ＣＯ３の存在に関連することが観察されている。
【０００８】
特許文献３に開示されるように、低Ｌｉ２ＣＯ３可溶性塩基を有するＮＭＣ６２２又はＮＭＣ８１１を調製するためのプロセスは、以下の通りに行われる：Ｌｉ源としての低Ｌｉ２ＣＯ３不純物を有するＬｉＯＨ・Ｈ２Ｏを、混合遷移金属水酸化物と、目標の組成で配合し、大気雰囲気下で高温にて焼結する。このプロセスでは、このような高Ｎｉ過剰のＮＭＣ最終製品の塩基含有量が、非常に低下されるが、Ｌｉ２ＣＯ３前駆体と比べて純粋なＬｉＯＨ・Ｈ２Ｏが高価であるために、製造コストは比較的高い。これは、ＬＣＯをＮＭＣ物質によって置き換える低コストの有益性、すなわち、前に述べたように、安価かつ簡単な生産プロセスが、ＬＣＯに取って代わるために必須であるということに矛盾する。
【０００９】
特許文献２は、「分割」法を提案しており、ここでは、直接焼結は、２つの工程：７００℃のような比較的低い温度での第１のリチウム化、及びより高温での焼結の第２の工程で行われる。本特許では、ＬｉＭＯ２（式中、Ｍ＝Ｎｉ４／１５（Ｍｎ１／２Ｎｉ１／２）８／１５Ｃｏ０．２である）の大規模調製が、可溶性塩基をほとんど含まない最終製品で達成される。このＮＭＣ物質のサイクル安定性も改善される。したがって、この「分割」法は、可溶性塩基を含まないＮＭＣ６２２又は８１１を低コストで調製するための可能性のある方法である。しかしながら、「分割」法が、特許文献２のように、過剰量の予熱した空気が反応器を通して送り込まれねばならないために、炭酸リチウムをＬｉ前駆体として用いる高Ｎｉ過剰ＮＭＣの大規模生産に使用可能でないことが今では判明している。実際に、この処理法は、ＮＭＣ５３２などのより低いＮｉ過剰のＮＭＣに対して限定されている。
【００１０】
したがって、「大型バッテリー」市場用に、ＬＣＯをＮＭＣ８１１のような非常に高いＮｉ過剰のＮＭＣで置き換えるために、本発明の目的は、安価かつ効率的な製造プロセスを提供することであり、ここでは、高Ｎｉ過剰のＮＭＣが、低コストで、かつ高すぎる可溶性塩基含有量をもたらすことなく生成され得る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】国際公開第２０１２／１０７３１３号
【特許文献２】米国特許第７６４８６９３号明細書
【特許文献３】米国特許出願公開第２０１５／００１０８２４号明細書
【特許文献４】米国特許第６６６０４３２号明細書
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】Ｗｉｌｌｉａｍｓｏｎ  ａｎｄ  Ｈａｌｌ，Ａｃｔａ  Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａ，１，２２〜３１（１９５３）
【非特許文献２】Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．１４０（１９９３）１８６２
【非特許文献３】Ｊｅｆｆ  Ｄａｈｎ，Ｓｏｌｉｄ  Ｓｔａｔｅ  Ｉｏｎｉｃｓ  ４４（１９９０）８７〜９７
【非特許文献４】Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  ａｎｄ  Ｓｏｌｉｄ‐Ｓｔａｔｅ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，１１〜１２，Ａ２２９〜Ａ２３２（２００８）
【発明の概要】
【００１３】
第１の態様から鑑みると、本発明は、以下の製品実施形態を提供することができる：実施形態１：リチウムイオンバッテリーにおける正極活物質として使用できるリチウム遷移金属系酸化物粉末を製造するための結晶性前駆体化合物であって、前駆体が、一般式Ｌｉ１−ａ（（Ｎｉｚ（Ｎｉ１／２Ｍｎ１／２）ｙＭ’ｘ）１−ｋＡｋ）１＋ａＯ２（式中、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１であり、０＜ｘ≦０．２であり、０．５５＜ｚ≦０．９０であり、Ｍ’はＣｏ及びＡｌのうちの１つ又は両方であり、Ａはドーパントであり、０≦ｋ≦０．１であり、０．０５≦ａ≦０．４０である）を有し、前駆体が、積分強度比Ｉ００３／Ｉ１０４＜１を有し、Ｉ００３及びＩ１０４が、結晶性前駆体化合物のＸＲＤパターンのブラッグピーク（００３）及び（１０４）のピーク強度である、結晶性前駆体化合物。この前駆体は、層状結晶構造（ｒ−３Ｍ）であってもよく、ＸＲＤによる基本的に単相であってもよい。これはまた、前駆体化合物におけるＬｉ対金属のモル比が≦０．９０である結果もたらす。
【００１４】
実施形態２：この前駆体は、組み合わされたブラッグピーク（１０２、００６）とブラッグピーク（１０１）との強度の比Ｒを有し、Ｒ＝（（Ｉ１０２＋Ｉ００６）／Ｉ１０１）及び０．５＜Ｒ＜１．１６である。
【００１５】
実施形態３：結晶性前駆体化合物は、＜０．４重量％のＬｉ２ＣＯ３含有量を有する。通常、このＬｉ２ＣＯ３含有量は、＞０．１重量％である。
【００１６】
実施形態４：結晶性前駆体化合物については、０．５５＜ｚ≦０．７５及び０．１２≦ａ≦０．２５であり、この実施形態では、前駆体は、ｎｍで表される結晶子サイズＬを有し、２０≦Ｌ≦８０であってもよい。
【００１７】
実施形態５：この実施形態では、Ｍ’は、Ｃｏであり、ｋ＝０、０＜ｘ＜０．２、０．６０＜ｚ＜０．７５である。
【００１８】
実施形態６：この実施形態では、Ｍ’＝ＣｏｃＡｌｄであり、０．７５≦ｃ≦０．９５、ｃ＋ｄ＝１．００であり、ｙ＝０、ｋ＝０、０＜ｘ＜０．２、及び０．７５＜ｚ＜０．９０である。
【００１９】
実施形態７：この実施形態では、Ｌｉの３ａ八面体部位上のＮｉ原子の量は、少なくとも４％、好ましくは＞６％であってもよい。
【００２０】
一般的に、上述の各個々の製品実施形態は、その前に記載された製品実施形態のうちの１つ以上と組み合わせることができる。
【００２１】
第２の態様から鑑みると、本発明は、以下の方法実施形態を提供することができる。
【００２２】
実施形態８：一般式Ｌｉ１＋ａ’Ｍ１−ａ’Ｏ２を有し、ここでＭ＝（Ｎｉｚ（Ｎｉ１／２Ｍｎ１／２）ｙＭ’ｘ）１−ｋＡｋであり、式中、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１であり、０＜ｘ≦０．２であり、０．５５＜ｚ≦０．９０であり、Ｍ’はＣｏ及びＡｌのうちの１つ又は両方であり、Ａはドーパントであり、０≦ｋ≦０．１であり、０．０１≦ａ’≦０．１０である、正極物質を調製するための方法であって、
金属硫酸塩と塩基との共沈から調製されるＭ系前駆体を用意する工程と、
Ｍ系前駆体を、ＬｉＯＨ及びＬｉＯＨ／Ｈ２Ｏのいずれか１つと混合し、これにより第１の混合物を得る工程であって、これにより、第１の混合物におけるＬｉ対遷移金属の比が０．６０〜０．９０である、混合する工程と、
第１の混合物を、７５０〜８５０℃の温度で、８〜３６時間、酸化雰囲気中で焼結し、これによりリチウム欠乏前駆体粉末を得る工程と、
リチウム欠乏前駆体粉末を、ＬｉＯＨ及びＬｉＯＨ・Ｈ２Ｏのうちのいずれか１つと混合し、これにより第２の混合物を得る工程と、
第２の混合物を７５０〜９５０℃の温度で、６〜３６時間、ＣＯ２フリーの酸化雰囲気中で焼結する工程と、を含む方法。この方法は、例えば、それぞれ少なくとも３ｋｇの反応物質を保持するトレイを搬送するベルト炉を使用することによって、工業規模で正極物質を調製するのに好適である。
【００２３】
実施形態９：この方法実施形態では、第１の混合物におけるＬｉ対遷移金属の比は、０．７５〜０．９０である。
【００２４】
実施形態１０：本発明による方法は、上述されたリチウム欠乏前駆体粉末を使用してもよい。
【００２５】
実施形態１１：この方法実施形態では、第１の混合物は、乾燥空気中で焼結され、第２の混合物は、酸素中で焼結される。
【００２６】
実施形態１２：第２の混合物は、７７５〜８５０℃の温度で、８〜１２時間の時間焼結される。
【００２７】
上述の各個々の方法実施形態は、その前に記載された方法実施形態のうちの１つ以上と組み合わせることができる。
【００２８】
第３の態様から鑑みると、本発明は、以下の電極物質実施形態を提供することができる。
【００２９】
実施形態１３：本発明による結晶性前駆体化合物を、７５０〜９５０℃の温度Ｔで６〜３６時間の時間ｔでＣＯ２フリーの酸化雰囲気において焼結することによって調製された、一般式Ｌｉ１＋ａ’Ｍ１−ａ’Ｏ２を有し、ここでＭ＝（Ｎｉｚ（Ｎｉ１／２Ｍｎ１／２）ｙＭ’ｘ）１−ｋＡｋであり、式中、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１であり、０＜ｘ≦０．２であり、０．５５＜ｚ≦０．９０であり、Ｍ’はＣｏ及びＡｌのうちの１つ又は両方であり、Ａはドーパントであり、０≦ｋ≦０．１であり、０．０１≦ａ’≦０．１０である、正極物質。
【００３０】
実施形態１４：２つの連続するリチウム化反応によって調製された、一般式Ｌｉ１＋ａ’Ｍ１−ａ’Ｏ２を有し、ここでＭ＝（Ｎｉｚ（Ｎｉ１／２Ｍｎ１／２）ｙＭ’ｘ）１−ｋＡｋであり、式中、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１であり、０＜ｘ≦０．２であり、０．５５＜ｚ≦０．９０であり、Ｍ’はＣｏ及びＡｌのうちの１つ又は両方であり、Ａはドーパントであり、０≦ｋ≦０．１であり、０．０１≦ａ’≦０．１０である正極物質であって、第１のリチウム化反応が、本発明による前駆体化合物をもたらし、第２のリチウム化反応が、ＣＯ２フリー雰囲気において行われる、正極物質。
【００３１】
実施形態１５：２つの連続するリチウム化反応によって調製された、一般式Ｌｉ１＋ａ’Ｍ１−ａ’Ｏ２を有し、ここでＭ＝（Ｎｉｚ（Ｎｉ１／２Ｍｎ１／２）ｙＭ’ｘ）１−ｋＡｋであり、式中、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１であり、０＜ｘ≦０．２であり、０．５５＜ｚ≦０．９０であり、Ｍ’はＣｏ及びＡｌのうちの１つ又は両方であり、Ａはドーパントであり、０≦ｋ≦０．１であり、０．０１≦ａ’≦０．１０である正極物質であって、第１のリチウム化反応が、正極物質に比べてリチウムが欠乏している中間体化合物をもたらし、第２のリチウム化反応が、ＣＯ２フリー雰囲気において行われる、正極物質。
【００３２】
これらの各電極物質実施形態では、Ｌｉ２ＣＯ３含有量は、＜０．４重量％とすることができる。
【００３３】
第４の態様から鑑みて、本発明は、本発明による結晶性前駆体粉末の、本発明の第３の態様による正極物質を製造するための使用を提供することができる。例えば、実施形態は、リチウムイオンバッテリーにおける正極活物質として使用できるリチウム遷移金属系酸化物粉末を製造するための結晶性化合物の使用であって、結晶性化合物が、一般式Ｌｉ１−ａ（（Ｎｉｚ（Ｎｉ１／２Ｍｎ１／２）ｙＭ’ｘ）１−ｋＡｋ）１＋ａＯ２（式中、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１であり、０＜ｘ≦０．２であり、０．５５＜ｚ≦０．９０であり、Ｍ’はＣｏ及びＡｌのうちの１つ又は両方であり、Ａはドーパントであり、０≦ｋ≦０．１であり、０．０５≦ａ≦０．４０である）を有し、化合物が、積分強度比Ｉ００３／Ｉ１０４＜１を有し、Ｉ００３及びＩ１０４が、化合物のＸＲＤパターンのブラッグピーク（００３）及び（１０４）のピーク強度である、使用を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】ｐＨ滴定によって測定されたＰ１．１、Ｐ１．２及びＰ１．３の炭酸リチウム含有量である。
【図２】Ｐ２．１、Ｐ２．２及びＰ２．３の炭酸リチウム含有量である。
【図３】Ｐ４．１、Ｐ４．２及びＰ４．３の炭酸リチウム含有量である。
【図４】Ｅ１ａ及びＥ１ｂのＰＳＤパターンである。
【図５】Ｃ１ａ及びＣ１ｂのＰＳＤパターンである。
【図６】Ｃ２ａ及びＣ２ｂのＰＳＤパターンである。
【図７】Ｅ１ｐ及びＥ１ａのＸＲＤパターンである。
【図８】二重焼成法を通して調製されたＮＭＣ８１１試料の熱力学的研究である。
【図９】試料Ｐ６−９、Ｅ２ｐ及びＥ２の炭酸リチウム含有量である。
【図１０】Ｅ２ｐ及びＥ２のＸＲＤパターンである。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
試験条件の説明：
ａ）コイン電池試験
本発明による二重焼成法によって生成された最終ＮＭＣ物質は、コイン電池において小規模で電気化学的に試験される。詳細は以下の通りである：セパレータ（Ｃｅｌｇａｒｄより）を、正極と、負極としてのリチウム金属片との間に配置し、ＥＣ／ＤＭＣ（１：２）中の１ＭのＬｉＰＦ６の電解質をセパレータと電極との間に滴下することによって、半電池（コイン電池）が組み立てられる。本発明での全ての電池試験は、表１に示した同じ手順に従う。Ｃレートは、１６０ｍＡｈ／ｇと定義される。例えば、０．１Ｃは、電池が１０時間で充電又は放電されることとなることを意味する。「Ｅ‐電流」及び「Ｖ」は、それぞれ末端電流及びカットオフ電圧を表す。第１のサイクルにおいて、ＤＱ０．１Ｃ（０．１Ｃのレートにおける第１のサイクルの放電容量）及びＩＲＲＱ（不可逆容量）が決定される。レート性能は、その後の５つのサイクルから算出され得る。サイクル安定性の性能は、サイクル＃７〜＃３５で得られる。０．１Ｃにおける容量フェージングは、「Ｑｆａｄｅ０．１Ｃ（％／１００）」によって表される。サイクル＃７及び＃３４の放電容量をそれぞれ指すＤＱ７及びＤＱ３４を用いて、「Ｑｆａｄｅ０．１Ｃ（％／１００）」は、以下の式：（１−（ＤＱ３４／ＤＱ７））／２７×１００×１００により得ることができる。これは、「Ｑｆａｄｅ１Ｃ（％／１００）」と記述される１Ｃにおける容量フェージングと同様である。サイクル＃８及び＃３５の放電容量をそれぞれ指すＤＱ８及びＤＱ３５を用いて、「Ｑｆａｄｅ１Ｃ（％／１００）」は、以下の式：（１−（ＤＱ３５／ＤＱ８））／２７×１００×１００により得ることができる。
【００３６】
【表１】
0006745081.tif 000002
【００３７】
ｂ）ＰＨ滴定試験
可溶性塩基含有量は、特許文献１で説明されるように、表面と水の間の反応生成物の分析によって定量的に測定され得る材料表面特性である。粉末が水に浸されると、表面反応が起こる。反応中、水のｐＨは（塩基性化合物が溶出するにつれて）増加し、塩基はｐＨ滴定によって定量化される。滴定の結果は、「可溶性塩基含有量」（ＳＢＣ）である。可溶性塩基の含有量は以下の通りに測定される：２．５ｇの粉末を、１００ｍＬの脱イオン水中に浸し、密閉ガラスフラスコ内で１０分間撹拌する。撹拌して塩基を溶解した後に、水中の粉末の懸濁液を濾過して、透明な溶液を得る。次いで、９０ｍＬの透明溶液は、撹拌しながらｐＨが３に達するまで、０．５ｍＬ／分の速度で０．１Ｍ  ＨＣｌの添加中にｐＨプロファイルを記録することによって滴定される。参照電圧プロファイルは、ＤＩ水中に低濃度で溶出したＬｉＯＨ及びＬｉ２ＣＯ３の適切な混合物を滴定することによって得られる。ほとんど全ての場合において、２つの異なるプラトーが観察される。ｐＨ８〜９の間の終点γ１（ｍＬ）を有する上部プラトーはＯＨ−／Ｈ２Ｏ、続いてＣＯ３２−／ＨＣＯ３−であり、ｐＨ４〜６の間の終点γ２（ｍＬ）を有する下部プラトーはＨＣＯ３−／Ｈ２ＣＯ３である。第１プラトーと第２プラトーの間の変曲点γ１並びに第２プラトーの後の変曲点γ２は、ｐＨプロファイルの微分係数ｄｐＨ／ｄＶｏｌの対応する最小値から得られる。第２の変曲点は一般にｐＨ４．７に近い。次いで、結果は、以下のように、ＬｉＯＨ及びＬｉ２ＣＯ３の重量パーセントで表される。
Ｌｉ２ＣＯ３の重量％＝７３．８９０９／１０００×（γ２−γ１）；ＬｉＯＨの重量％＝２３．９４８３／１０００×（２×γ２−γ１）。
【００３８】
ｃ）ＰＳＤ湿式試験
この説明では、レーザー粒径分布（ＰＳＤ）は、水性媒体中に粉末を分散させた後、Ｈｙｄｒｏ  ２０００ＭＵ湿式分散アクセサリを有するＭａｌｖｅｒｎ（登録商標）Ｍａｓｔｅｒｓｉｚｅｒ  ２０００を用いて測定される。水性媒体中の粉末の分散を改良するために、十分な超音波照射（通常、１２の超音波変位のために１分）、及び撹拌が適用され、適切な界面活性剤が導入される。この試験の３つのパラメータが、粒径分布を説明するために本発明において使用され、これらはＤ５０（μｍ）、Ｄ１００（μｍ）及び＜３μｍ（％）である。Ｄ５０（μｍ）は、試験された試料の中央粒径を指す。Ｄ１００（μｍ）は、分布の１００％が下方に位置する粒径を指す。＜３μｍ（％）は、３μｍ未満のパーセントを指す。本発明におけるリチウム欠乏前駆体及び最終製品は、リチウム欠乏前駆体が最終製品の均質性に及ぼす効果を確認するために、ＰＳＤ湿式によって分析される。
【００３９】
ｄ）ＸＲＤ試験
本発明は、リチウム欠乏焼結前駆体の結晶特性が、最終ＮＭＣ生成物における可溶性塩基含有量と、更にはこれらのＮＭＣ物質系コイン電池のサイクル安定性とに相関していることを観察している。本発明によるリチウム欠乏焼結前駆体の結晶化度が、あまりに高いか、又はあまりに低いかのいずれかであるとき、可溶性塩基含有量が最終製品において高くなるか、可逆電気化学的容量が不十分になるか又はサイクル性能が不良であるかのいずれかとなる。この発明では、ＮＭＣ物質の結晶化度は、Ｘ線回折パターンから結晶子サイズ及び格子歪みを決定することによって評価される。完全結晶化度から誘導される結晶子サイズＬは、回折ピークのブロード化をもたらす。これは歪みの場合も同じであり、歪みは、Δｄ／ｄによって表される、単位セルの、その長さによって割られた変形として定義される。不均一な格子歪みは、原子の全体的なシフトを引き起こし、ピークのブロード化をもたらし得る。したがって、個々の回折ピークの幅の分析を通して、結晶子サイズ及び格子歪みを得ることができる。
【００４０】
非特許文献１において、ウィリアムソン及びホールは、回折ピークの積分幅から結晶子サイズ及び歪みの情報を抽出する方法を提案した。この方法は、ブラッグ角（θ）と結晶子サイズ及び格子歪みから生じるピークのブロード化との間の近似的関係に基づき、以下の式を用いる：
βｃｏｓθ＝Ｃε  ｓｉｎθ＋Ｋλ／Ｌ
式中βは、ピークの積分幅を表し、εは格子歪みであり、Ｌは、結晶子サイズであり、λは放射波長であり、Ｃ及びＫは、多くの場合それぞれ４及び０．９となる定数である。積分幅（β）とｃｏｓθとの積をｓｉｎθの関数として見ることによって、格子歪み及び結晶子サイズは、それぞれ、この式に適合する線の勾配及び切片から推定することができる。積分幅（β）は、選択された回折ピークの同じ高さ（最大強度）及び面積（積分強度）を有する長方形の幅である。この面積は、台形法則によって近似的に積分されることができ、高さは、回折パターンの生データから容易に得ることができるために、このウィリアムソン‐ホール（Ｗ‐Ｈ）法によって、各回折ピークの積分幅を推定し、結晶子サイズ及び格子歪みを更に決定することは実行可能である。
【００４１】
本発明においては、（００３）及び（１０４）ピークが、結晶子サイズ及び歪みを算出するために選択される。回折ピーク（００３）の積分幅及びブラッグ角は、β１及びθ１で表され、一方回折ピーク（１０４）の積分幅及びブラッグ角は、β２及びθ２で表される。結晶子サイズＬ及び格子歪みεは、以下の式により、切片及び勾配から得ることができる：
【００４２】
【数１】
0006745081.tif 000003
【００４３】
式中、ｙ２は、β２とｃｏｓθ２との積として定義され、ｙ１は、β１とｃｏｓθ１との積として定義される。ｘ２及びｘ１は、それぞれ、ｓｉｎθ２及びｓｉｎθ１の値である。しかしながら、このＷ‐Ｈ法は、ＮＣＡのような極端に高いＮｉ過剰の物質の場合には使用することができない。これは、ピーク幅の算出を妨害する、酸化ニッケルの不純物相を運ぶＮＣＡのリチウム欠乏焼結生成物に起因する。
【００４４】
Ｌｉ１−ａ（（Ｎｉｚ（Ｎｉ１／２Ｍｎ１／２）ｙＣｏｘ）１−ｋＡｋ）１＋ａＯ２の構造モデルが、３ａ部位のＬｉ、３ｂ部位にランダムに配置されたＮｉ、Ｃｏ、及びＭｎ、並びに６ｃ部位上の酸素原子を有する、α‐ＮａＦｅＯ２構造（空間群Ｒ‐３ｍ、ｎｏ．１６６）であることが知られている（一般的には、ＮＭＣ化合物は、［Ｌｉ］３ａ［ＮｉｘＣｏｙＭｎｚ］３ｂ［Ｏ２］６ｃとして表すことができる）。しかしながら、本発明は、リチウム欠乏焼結前駆体が、Ｌｉの３ａ部位（大部分はＬｉ原子によって埋められた層内の部位）上に大量のＮｉが存在することを意味するカチオン混合の現象を有することを観察している。これが、当該リチウム欠乏焼結前駆体を、充電／放電中に得られる通常のリチウム欠乏物質と差別化する。後者は、基本的に、カチオン混合をほとんど有さない。一般的に、Ｌｉ／Ｍ不規則性の程度は、非特許文献２に示されるように、ピーク（００３）強度（Ｉ００３と称される）対Ｉ１０４（＝ピーク（１０４）の強度）の比によっておおよそ推定することができる。Ｉ００３対Ｉ１０４の大きな比は、低いＬｉ／Ｍ不規則性の程度を意味する。カチオン混合の系統的な研究は、非特許文献３においてＪｅｆｆ  Ｄａｈｎによって記載されている。特許文献４は、Ｌｉ過剰の遷移金属酸化物物質上のＬｉ／Ｍ不規則性の程度を評価するために、この方法の拡大適用を提供している。この方法の着想は、ピーク（１０１）の強度Ｉ１０１が、急速に減衰するのに対し、ピーク（１０２）及びピーク（００６）（Ｉ１０２＆Ｉ００６）の組み合わせ強度は、Ｎｉ原子が「Ｌｉ部位」を占有するときに強くなるという事実に由来する。したがって、Ｉ１０２＆Ｉ００６対Ｉ１０１の比を表す因子Ｒが導入される。Ｄａｈｎの文献では、ＬｉｘＮｉ２−ｘＯ２物質中のｘが減少すると、Ｒ因子が急激に増加することが立証されている（ここでは、１−ｘは、カチオン混合の程度を指す）。Ｒとｘとの間の関係を表すために、式が以下の通りに推論される。
Ｒ＝４／３（１．６−ｘ）２／ｘ２
カチオン混合の程度（１−ｘ）は、Ｒに相当し、この式によるＲ値から決定することができる。
【００４５】
本発明では、上記のこの２つの方法が、リチウム欠乏焼結前駆体及びこれらの前駆体に基づく最終製品のカチオン混合の程度を評価するために用いられる。比Ｉ００３／Ｉ１０４及びＲの値は、以下に論じられる。カチオン混合の程度は、最終製品に比べると、リチウム欠乏焼結前駆体においてより高いことが観察されている。説明実施例はまた、カチオン混合が、正常なバッテリーサイクルプログラムにおける充電中に得られるリチウム欠乏物質をもたらし、このリチウム欠乏物質は、本発明のリチウム欠乏焼結前駆体と同様な組成を有するが、カチオン混合において明確な差を有すことを記述するために提供されている。
【００４６】
本発明は、直接焼結法が、可溶性塩基があまりに多く存在することなく、高Ｎｉ過剰のＮＭＣ物質を製造するためには適用不能であることを観察している。ここで、高Ｎｉ過剰とは、０．５５を超えるＮｉ過剰の量を意味する。「説明実施例１」は、Ｌｉ２ＣＯ３をリチウム源として用いて、かつ空気雰囲気下で、小規模において直接焼結によって調製されるＮｉ過剰のＮＭＣ粉末（ＮＭＣ６２２、ＮＭＣ７／１．５／１．５及びＮＭＣ８１１）を示している。全ての最終ＮＭＣ粉末は、特にＮＭＣ８１１の場合、高炭酸リチウム含有量を有する。したがって、高Ｎｉ過剰のＮＭＣは、空気雰囲気の条件下で、かつＬｉ２ＣＯ３をリチウム前駆体として用いる直接焼成法を通しては製造することができない。小規模での調製が困難又は不可能であるならば、高処理量によるより大きな規模での調製は見込みがないであろう。これは、反応が、気相によって運び去られる必要があるＣＯ２の産生を含み、この動力学的障害が規模が大きくなるにつれてより深刻になるためである。
【００４７】
先行技術によって示唆されたような、ＣＯ２フリー雰囲気下及びＬｉＯＨをリチウム源として用いて直接焼結法を使用する代替案は、高処理量においてはまた成功していない。「説明実施例２」は、異なる雰囲気下（空気、合成空気、Ｏ２）及びＬｉＯＨをリチウム源として用いて、ＮＭＣ８１１の直接焼成を比較している。ＮＭＣ８１１物質は、直接焼結がＣＯ２フリー雰囲気下で処理されるとき、比較的低い炭酸リチウム含有量を有することが観察されている。しかしながら、Ｏ２流下での直接焼結によってＮＭＣ８１１の生産の規模を大きくするとき、可溶性塩基の問題は再び解決が困難となる。「説明実施例３」に記載するように、２ｋｇのＮＭＣ８１１物質が、Ｏ２（ＣＯ２フリー）下で、ＬｉＯＨを前駆体として用いて直接焼結を通して生成される。このＮＭＣ８１１物質の可溶性塩基含有量は、小規模で（３０ｇ）生成された試料におけるものよりも非常に高い。同様な問題が、「説明実施例４」に例示したＮＣＡ物質の生産においても発生する。ＮＭＣ／ＮＣＡ物質中の炭酸リチウム含有量は、より高い量の配合前駆体が直接焼結プロセスで処理されるときに増加する。更に、カソード物質中の大量の炭酸リチウムは、不良なサイクル性につながる可能性があり、このことは、「説明実施例５」で確認されている。したがって、直接焼結法は、Ｏ２の条件下であっても、高Ｎｉ過剰のＮＭＣ材料の大規模製造には有効な方法ではない。代替え処理法が、大規模生産には必要である。
【００４８】
実験の概論
本発明は、二重焼成法により高Ｎｉ過剰のＮＭＣを調製するために前駆体を提供する。二重焼成とは、焼結の二段階において２つの異なるリチウム反応が存在することを意味する。第１の焼結の意図は、ＮＭＣ８１１のような高Ｎｉ過剰を有するＮＭＣを高トレイ搭載量かつ低コストで調製することを可能にする、Ｌｉ欠乏焼結前駆体の調製である。混合遷移金属源（混合水酸化物のような）は、Ｌｉ欠乏化学量論で水酸化リチウムと配合され、これは中間体ＬｉＭＯ２中のＬｉ：Ｍの比が１未満であることを意味する。次いで、第２の焼結では、Ｌｉ：Ｍの比を最終の目標組成に修正するために、リチウム欠乏前駆体が、水酸化リチウムと配合される。実施形態において、低可溶性塩基含有量を有するＮＭＣ８１１は、第２の焼成中に、ＣＯ２フリー雰囲気において、リチウム欠乏焼結前駆体を用いる、この二重焼成法を通して大規模生産で得られる。したがって、本発明のリチウム欠乏焼結前駆体の使用及び二重焼成法の適用は、高Ｎｉ過剰のＮＭＣに対して効率的な製造方法である。
【００４９】
リチウム欠乏焼結前駆体が、その低いリチウム対金属の比が、高カチオン混合及び電池の容量性能の劣化を結果としてもたらすために、再充電可能リチウムイオンバッテリー用の最終カソード活物質としては適用することができないことに留意されたい。非特許文献４において、カチオン混合と容量性能との間の関係が更に詳しく述べられている。この文献は、Ｉ００３／Ｉ１０４が１．２未満である場合、望ましくないカチオン混合が起こることを明言している。このような物質は、再充電可能バッテリーにおけるカソード活物質として明らかに使用することができず、本発明では、このような物質はカソード活物質の前駆体である。この文献は、Ｒ値（Ｒ＝（（Ｉ１０２＋Ｉ００６）／Ｉ１０１））が、六方格子状態の指標であり、０．３６などのＲに非常に低い値は、格子が非常に良好な六方格子状態を示唆することを更に明言している。本発明では、Ｒ＞０．５の値が、前駆体物質のみが獲得されていることを示唆する。
【００５０】
本発明は、リチウム欠乏焼結生成物の特性が、最終製品の性能に強く影響を及ぼすことを観察している。最終製品の可溶性塩基含有量は、リチウム欠乏焼結前駆体を調製するための第１の焼成中の条件に強く関連する。例えば、第１の加熱処理焼成温度、焼結時間、トレイ搭載量、及びリチウム対混合遷移金属の比は、高品質の最終製品を高処理量で得るように適切に選択され得る。第１の焼結工程の生成物の結晶子サイズが影響を有することも示されるであろう。第１の焼結が高温で行われる際に、リチウム欠乏焼結前駆体の結晶子サイズは大きく、ＮＭＣの良好な結晶化が、取るに足らない量である炭酸リチウムの残留量で達成される。第２の焼結が水酸化リチウムをリチウム源として利用し、ＣＯ２フリー雰囲気において行われるために、最終の可溶性塩基含有量は、主として、中間体生成物中の炭酸リチウムに由来する。したがって、第１の工程における適切に高い焼結温度は、炭酸リチウムの最終的な存在を制限することができる。しかしながら、より高い温度とは、より高い焼結コストを意味する。余りに高い温度は過度に大きな結晶子サイズにつながり、これがまた不良のサイクル性能をもたらすために、高すぎる温度を利用する必要はない。焼結温度が低すぎるならば、このときは、十分に低いＬｉ２ＣＯ３不純物を有するリチウム欠乏焼結前駆体を高処理量かつ低コストで達成することは難しい。不純物を低減するために、より少ないトレイ搭載量、より長い焼結時間又はより低いＬｉ：Ｍ比（Ｍの組成は最終製品中の金属組成に対応する）のいずれかが適用されてもよいが、このことは、第２の焼成工程中のより少ない処理量、又はより高価なＣＯ２フリー空気を大量に使用する必要があるために、生産コストを増大させる。また、実施例で例示されるように、リチウム欠乏中間体物質における０．４などの低Ｌｉ：Ｍ比については、焼結ケークの異なる部分における最終物質は、不均質である最終製品をもたらす結晶子サイズ及び粒径分布における変動を示しており、これは、したがって、第２の焼結中に適用された大量のリチウム源に起因するものである。したがって、Ｌｉ２ＣＯ３不純物は、Ｌｉ：Ｍ比を極端に低下させることによっては排除することができない。
【００５１】
リチウム欠乏焼結前駆体の調製中、すなわち、第１の焼結中に、水酸化リチウム対混合遷移金属水酸化物の配合モル比（Ｌｉ：Ｍ比）は、余りに多くの可溶性塩基が中間体生成物中に現れることを回避するように調整されてもよい。中間体生成物中の炭酸リチウムの量は、Ｌｉ：Ｍ比がある特定の閾値の限界値より低いときに、極めて少なくかつほぼ一定であることが判明している。Ｌｉ：Ｍ比は、最適化された焼結温度及び短い焼成時間の選好に従って調整されてもよい。上記考察及び観察に基づくと、最適化されたＬｉ：Ｍ比は、０．６〜０．９５の範囲、又は０．７〜０．９の範囲であり得る。第１の焼結中に、焼成時間はまた、最大の限度に向かって反応処理を保証するように最適化されてもよい。実施形態において、加熱及び冷却を含める総焼成時間は、ＮＭＣ８１１の大規模生産には、１０〜２０時間の範囲に設定される。第１の焼結後に、リチウム欠乏焼結前駆体が得られる。この前駆体は、Ｌｉ２ＣＯ３不純物の低含有量を有する。実施形態では、Ｌｉ２ＣＯ３含有量が＜０．４重量％、又は更には＜０．３５重量％であるように、ｐＨ滴定により決定される。中間体生成物は、規則的又は不規則な岩塩結晶構造を有する単相のリチウム遷移金属酸化物である。この組成はＬｉ１−ｘＭ１＋ｘＯ２であると考えられる。
【００５２】
リチウム欠乏焼結前駆体は、再充電可能リチウムバッテリー用のカソード物質を調製するために前駆体として使用される。このカソード物質は中間体粉末よりも高いＬｉ：Ｍ比を有する、十分に結晶化されたリチウム遷移金属酸化物である。カソード物質は、第２の焼結プロセスによって調製され、ここでは、中間体生成物及びＬｉＯＨ又はＬｉＯＨ・Ｈ２Ｏの配合物が、酸素のような、ＣＯ２フリーの酸化雰囲気中で焼成される。このようなＣＯ２フリーの工業用ガスは、実際には常に、純粋な酸素中に約３５ｐｐｍの非常に少量のＣＯ２を含有する。５０ｐｐｍのガス中のＣＯ２含有量の上限が現実的である。
【００５３】
以下の実施例は、本発明をより詳細に例示する。
【００５４】
説明実施例１
この実施例は、小規模で直接焼結法を使用して調製される３つのＮＭＣ物質を提示する。式ＬｉＮｉ０．４（Ｎｉ１／２Ｍｎ１／２）０．４Ｃｏ０．２Ｏ２を有するＮＭＣ６２２粉末が以下の通りに調製される：Ｌｉ２ＣＯ３及びＭＯＯＨ（式中、Ｍ＝Ｎｉ０．４（Ｎｉ１／２Ｍｎ１／２）０．４Ｃｏ０．２である）の１００ｇの混合物を、乾燥粉末混合プロセスによって、縦型単軸ミキサー内で均質に配合する。配合粉末１０ｇを、るつぼに充填し、箱形炉内で空気雰囲気下において７００℃で４８時間焼結する。少量の試料及び長い焼成時間は、最終製品が、所定の温度及び気体の圧力についての熱力学的平衡に近づくことを保証する。焼結後に、粉末を粉砕し、ｐＨ滴定試験ができる状態にする。上記で生成された試料をＮＭＣ  Ｐ１．１とラベル付けする。
【００５５】
次に、式ＬｉＮｉ０．５５（Ｎｉ１／２Ｍｎ１／２）０．３Ｃｏ０．１５Ｏ２（又はＮＭＣ７／１．５／１．５）を有するＮＭＣ粉末及びＬｉＮｉ０．７（Ｎｉ１／２Ｍｎ１／２）０．２Ｃｏ０．１Ｏ２を有するＮＭＣ８１１も、適合したＭＯＯＨ組成で、上記と同様な工程を通して調製する。式ＬｉＮｉ０．５５（Ｎｉ１／２Ｍｎ１／２）０．３Ｃｏ０．１５Ｏ２を有する生成された試料を、ＮＭＣ  Ｐ１．２とラベル付けし、一方式ＬｉＮｉ０．７（Ｎｉ１／２Ｍｎ１／２）０．２Ｃｏ０．１Ｏ２を有する試料を、ＮＭＣ  Ｐ１．３とラベル付けする。
【００５６】
図１は、これらのＮＭＣ物質のｐＨ滴定結果を提示しており、最終ＮＭＣ試料中の炭酸リチウムの重量パーセントがプロットされている。３つのＮＭＣ物質は、Ｎｉ過剰の異なる値を有し、ＮＭＣ  Ｐ１．１では０．４であり、ＮＭＣ  Ｐ１．２では０．５５であり、ＮＭＣ  Ｐ１．３では０．７である。全ての試料は、同じ処理条件下で調製されている。しかしながら、調製された粉末は、塩基含有量において大きな差異を有する。ＮＭＣ  Ｐ１．３の試料が、他の２つの試料よりも非常に高い量の炭酸リチウムを有することは明らかである。それ故に、非常に高いＮｉ過剰を有するＮＭＣ  Ｐ１．３の試料は、このような小規模であっても、低塩基含有量で生成されることは難しい。他の２つのＮＭＣ物質に関しては、炭酸リチウム含有量は非常に少量であり、これらは、大規模に空気下で製造される可能性を有する。しかしながら、これらの残留炭酸リチウム含有量は依然として余りに高く、大規模で直接焼結を適用するとき、これらの炭酸リチウム含有量は、許容不能なレベルまで増大されることが予想され、したがって、空気下での直接焼結は、高Ｎｉ過剰のＮＭＣ粉末、特にＰ１．３物質の大規模生産には許容され得ないと思われる。
【００５７】
説明実施例２
この実施例は、ＬｉＯＨ‐２Ｈ２ＯをＬｉ源として用いて、小規模で直接焼結法を通して生成されるＮＭＣ８１１粉末を提示する。式Ｌｉ［Ｎｉ０．７（Ｎｉ１／２Ｍｎ１／２）０．２Ｃｏ０．１］Ｏ２を有するＮＭＣ８１１粉末が以下の通りに調製される：ＬｉＯＨ及びＭＯＯＨ（式中、Ｍ＝Ｎｉ０．７（Ｎｉ１／２Ｍｎ１／２）０．２Ｃｏ０．１のである）の１００ｇの混合物を、乾燥粉末混合プロセスによって均質配合する。次に、配合粉末３０ｇを、るつぼに充填し、箱形炉内で空気雰囲気下において８１０℃で１２時間焼結する。焼結後に、粉末を粉砕し、ｐＨ滴定試験ができる状態にする。上記で生成された試料をＰ２．１とラベル付けする。他のＮＭＣ８１１試料も、焼結雰囲気の選択を除いては、上記と同様な工程を通して調製される：第２の試料が、合成空気雰囲気において焼結され、Ｐ２．２とラベル付けされ、この合成空気が、８０％のＮ２及び２０％のＯ２（及びＣＯ２を含まない）から構成される。第３の試料は、純粋なＯ２雰囲気で焼結され、Ｐ２．３とラベル付けされる。
【００５８】
図２は、３つのＮＭＣ８１１物質のｐＨ滴定結果を示しており、最終ＮＭＣ試料中の炭酸リチウムの重量パーセントがプロットされている。これらの３つの試料は全て、小規模での直接焼結法を通して調製されており、Ｌｉ源はＬｉＯＨである。上記の説明実施例１においては、ＮＭＣ８１１の空気中での直接焼結が、Ｌｉ２ＣＯ３がＬｉ源として使用される場合、炭酸リチウムの存在のために不可能であることを立証した。Ｐ２．１試料では、Ｌｉ源がＬｉＯＨに変更されているが、可溶性塩基含有量の顕著な改善はない。したがって、ＬｉＯＨを前駆体として使用しても、ＮＭＣ８１１は、空気中で生成されることは不安定である。
【００５９】
図２から、Ｐ２．１試料が、他の試料よりも４倍から５倍多い量の炭酸リチウムを有し、Ｐ２．３及びＰ２．２における炭酸リチウム含有量は、極めて近いのは明らかである。この類似性は、Ｐ２．３及びＰ２．２試料の焼結中のＣＯ２フリー雰囲気の使用によって説明することができる。このように、許容できない可溶性塩基含有量を回避するために、ＮＭＣ８１１の直接焼結においては、ＣＯ２フリーの雰囲気を供給することが必要とされる。
【００６０】
説明実施例３
この実施例は、大規模で直接焼結法を通して調製されるＮＭＣ８１１粉末を提示する。式Ｌｉ［Ｎｉ０．７（Ｎｉ１／２Ｍｎ１／２）０．２Ｃｏ０．１］Ｏ２を有するＮＭＣ８１１粉末が以下の通りに調製される：ＬｉＯＨ・２Ｈ２Ｏ及びＭＯＯＨ（式中、Ｍ＝Ｎｉ０．７（Ｎｉ１／２Ｍｎ１／２）０．２Ｃｏ０．１である）を、乾燥粉末混合プロセスによってＨｅｎｓｃｈｅｌ  Ｍｉｘｅｒ（登録商標）内で３０分間均質配合する。粉末混合物２ｋｇを、チャンバー炉においてＯ２雰囲気下で、８３０℃で１２時間焼結する。焼結後に、焼結ケークを粉砕し、ＮＭＣ粉末の非凝集粉末を得るために分類及びふるい分けされる。上記の焼結ＮＭＣ８１１粉末をＰ３とラベル付けする。最終Ｐ３生成物のｐＨ滴定は、炭酸リチウム含有量が０．４５３重量％であることを示しており、これは、高可溶性塩基含有量が、一般的に、不良なサイクル性能につながるために、良好なサイクル性能を得るためには高すぎると考えられる。上記の説明実施例２は、Ｏ２雰囲気下でのＮＭＣ８１１の小規模の直接焼結生産中の少量の炭酸リチウム不純物を示している。しかしながら、生成物が２ｋｇまでスケールアップされると、この性能は悪化する。このことは、直接焼結法が、Ｏ２雰囲気下で行われ、かつＬｉＯＨを前駆体として採用しても、ＮＭＣ８１１（Ｎｉ過剰＝０．７）の大量生産には適用不能であることを示唆している。高Ｎｉ過剰のＮＭＣの、あまりに多い可溶性塩基を伴わない大量生産のために、別の方法が開発されねばならない。
【００６１】
説明実施例４
この実施例は、式ＬｉＮｉ０．８Ｃｏ０．１５Ａｌ０．０５Ｏ２（ＮＣＡ）を有するカソード物質を提示し、これらは、以下の通りに直接焼結法を通して調製される：ＬｉＯＨ・２Ｈ２Ｏ、Ｎｉ０．８５Ｃｏ０．１５ＯＯＨ及びＡｌ２Ｏ３を、乾燥粉末混合プロセスによってＨｅｎｓｃｈｅｌ  Ｍｉｘｅｒ（登録商標）内で３０分間均質配合する。粉末混合物１．５ｋｇを、チャンバー炉においてＯ２雰囲気下で、７７５℃で１２時間焼結する。焼結後に、焼結ケークを粉砕し、ＮＭＣ粉末の非凝集粉末を得るために分類及びふるい分けされる。上記で生成された物質をＰ４．１と呼ぶ。Ｐ４．１のトレイ搭載量（トレイ内の配合粉末の搭載重量）を２ｋｇ及び３ｋｇまで増加させることによって、それぞれＰ４．２及びＰ４．３試料を得る。
【００６２】
図３は、これら３つの試料における炭酸リチウム含有量を示す。Ｐ４．３は、炭酸リチウムの最高量を有するが、一方Ｐ４．１は、最小量を含有する。炭酸リチウム含有量は、トレイ搭載量が増加すると共に上昇することが観察されている。トレイ搭載量が１．５ｋｇから２ｋｇまで増加すると、炭酸リチウム含有量は倍加される。Ｐ４．１及びＰ４．２の処理量は、その低搭載量のために極めて低い。Ｐ４．３におけるトレイ当たり３ｋｇのような通常のトレイ搭載量に対して、この焼結生成物は、０．５７重量％の炭酸リチウムを含有し、これは、一般的には不良なサイクル性能を示唆する。したがって、ＡｌドープＬｉ［Ｎｉ０．８５Ｃｏ０．１５］Ｏ２の直接焼結は、ＬｉＯＨを前駆体として用い、かつ酸素条件下であっても、大規模適用は実現可能ではない。
【００６３】
説明実施例５
この実施例は、焼結温度が８５０℃に変更されていることを除いては、ＮＭＣ  Ｐ４．１と同様なプロセスを通して調製される、式Ｌｉ［Ｎｉ０．８５Ａｌ０．１５］Ｏ２を有するカソード物質を提示する。このサンプルをＰ５とレベル付けする。表２は、ＮＭＣ  Ｐ５のｐＨ滴定及びコイン電池性能をまとめている。このカソード物質に基づくコイン電池を、上述した計画に従って試験する。２５サイクル後に、０．１Ｃにおける容量フェージングは、０．２％周辺であり、１Ｃにおける容量フェージングは、０．３％周辺である。これはサイクル性が不良であることを意味する。これと同時に、ＮＭＣ  Ｐ５の炭酸リチウム含有量は、比較的高く（＞０．３重量％）、この高可溶性塩基含有量は、一般的に不良なサイクル性につながる。
【００６４】
【表２】
0006745081.tif 000004
【００６５】
実施例１
式ＬｉＭＯ２を有し、Ｍ＝Ｎｉ０．７（Ｎｉ１／２Ｍｎ１／２）０．２Ｃｏ０．１である、ＮＭＣ粉末を、以下の工程を通して、リチウム欠乏焼結前駆体から、大規模で製造する。
【００６６】
１）第１の配合：リチウム欠乏前駆体Ｌｉ０．９５Ｍ１．０５Ｏ２（式中、Ｍ＝Ｎｉ０．７（Ｎｉ１／２Ｍｎ１／２）０．２Ｃｏ０．１である）についての目標組成を得るために、４ｋｇのＬｉＯＨ・２Ｈ２Ｏを、ＭＯＯＨ（式中、Ｍ＝Ｎｉ０．７（Ｎｉ１／２Ｍｎ１／２）０．２Ｃｏ０．１である）と、正確な比率で、Ｈｅｎｓｃｈｅｌ  Ｍｉｘｅｒ（登録商標）内で３０分間均質配合する。
【００６７】
２）第１の焼結：第１の配合工程からの混合物３．５ｋｇを、トレイに搭載し、次いで実験規模の装置内で乾燥空気下において、８２５℃で１０時間焼結する。乾燥空気は、４０Ｌ／分の流量で、焼結装置に送り込まれる。焼結後に、焼結ケークを粉砕し、第２の配合工程のために準備ができた状態にする。第１の焼結工程から得られた生成物は、リチウム欠乏焼結前駆体であり、これをＥ１ｐとラベル付けする。
【００６８】
３）第２の配合：工程２で得られたリチウム欠乏焼結前駆体を、１０モル％のＬｉＯＨと配合して、中間体生成物中のＬｉ化学量論をＬｉ（Ｎｉ０．７（Ｎｉ１／２Ｍｎ１／２）０．２Ｃｏ０．１Ｏ２の最終の目標組成に修正する。配合は、Ｈｅｎｓｃｈｅｌ  Ｍｉｘｅｒ（登録商標）で３０分間行われる。
【００６９】
４）第２の焼結：工程３）からの混合物を、トレイに搭載し、小さな正方形に切断し、次いで試験規模の装置において、酸素下で、８４５℃で１２時間焼結する。酸素ガスは、１．５Ｌ／分の流量で、焼結装置に送り込まれる。
【００７０】
５）後処理：焼結後に、焼結ケークの２つの小立方体が無作為に選択され、比較試験用に取り出される。焼結ケークの残りを粉砕し、非凝集粉末を得るために分類及びふるい分けされる。上記で選択された焼結ケークのＮＭＣ試料をＥ１ａ及びＥ１ｂとラベル付けする。
【００７１】
比較例１
式ＬｉＭＯ２を有し、Ｍ＝Ｎｉ０．７（Ｎｉ１／２Ｍｎ１／２）０．２Ｃｏ０．１である、ＮＭＣ粉末を、リチウム欠乏焼結前駆体のリチウム対金属の比が低いこと（Ｌｉ対Ｍの配合モル比が０．４のような）以外は、実施例１の工程を通して大規模で製造する。このリチウム欠乏前駆体をＣ１ｐとラベル付けする。実施例１のように、最終焼結後に、焼結ケークの２つの小立方体が無作為に選択され、更なる試験用に取り出される。上記で選択された焼結ケークのＮＭＣ試料をＣ１ａ及びＣ１ｂとラベル付けする。
【００７２】
比較例２
式ＬｉＭＯ２を有し、Ｍ＝Ｎｉ０．７（Ｎｉ１／２Ｍｎ１／２）０．２Ｃｏ０．１である、ＮＭＣ粉末を、第１の焼結温度が低いこと、すなわち７００℃であること以外は、実施例１の工程を通して大規模で製造する。この前駆体をＣ２ｐとラベル付けする。実施例１のように、最終焼結後に、焼結ケークの２つの小立方体が無作為に選択され、更なる試験用に取り出される。上記で選択された焼結ケークのＮＭＣ試料をＣ２ａ及びＣ２ｂとラベル付けする。
【００７３】
実施例１、比較例１、及び比較例２の性能と議論：
表３は、先の実施例における試料の、リチウム欠乏焼結前駆体及び最終製品の両方についての結晶子サイズ、粒径分布及び炭酸リチウム含有量をまとめている。
【００７４】
【表３】
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【００７５】
上述したように、全ての最終ＮＭＣ製品、二重焼成法を通して調製されており、これらの間の唯一の違いは、第２の焼成で使用されたリチウム欠乏焼結前駆体の種類である。
【００７６】
Ａ）「比較例１」における０．４のように、リチウム対炭素のモル比が低いとき、Ｃ１ａ及びＣ１ｂの炭酸リチウム含有量は、Ｅ１ａ及びＥ１ｂにおける値と同様に非常に低い。しかしながら、最終製品のＰＳＤの結果を見るとき、これらは異なっている。Ｅ１ａ及びＥ１ｂの＜３μｍ（％）、Ｄ５０及びＤ１００値は、かなり似ているが、Ｃ１ａ及びＣ１ｂの値は全く異なる。Ｃ１ａのＤ１００は、およそ７２μｍであるが、一方Ｃ１ｂは、およそ５０μｍの値を有する。Ｃ１ａのＤ５０は、１８μｍ周辺であるが、一方Ｃ１ｂの値は、１３μｍ周辺である。Ｃ１ａ及びＣ１ｂの粒径分布は、このように全く異なり、これは大規模操作には適用不能である。
【００７７】
図４は、Ｅ１ａ及びＥ１ｂのＰＳＤパターンを示しており、体積分率が粒径の関数としてプロットされる。図５に、Ｃ１ａ及びＣ１ｂのＰＳＤパターンを示し、図６は、Ｃ２ａ及びＣ２ｂのもの示す。これらの図面を比べると、図４及び６における２つの最終製品間の高ＰＳＤ一貫性と比較して、図５におけるＣ１ａとＣ１ｂとの間の大きなギャップが証明される。これは、表３におけるＰＳＤパラメータの我々の観察を裏付ける。Ｃ１ａ及びＣ１ｂの異なる性能は、第２の加熱処理中の不均質な焼結を示唆している。「実施例１」と「比較例１」との間の唯一の違いは、第１の加熱処理におけるリチウム対金属のモル比であり、この不均質な現象は、低Ｌｉ：Ｍ比に起因し、このことは、Ｌｉの化学量論を修正するために、比較的大量のＬｉ源を必要とし、第２の加熱処理中の焼結ケークからのＬｉイオンの拡散及び蒸発を促進し、最終的には、最終製品の粒径における大きな差を引き起こす。したがって、この不均質な現象を回避するためには、本発明によるＬｉ：Ｍ比を有するリチウム欠乏焼結前駆体を得ることが必要である。
【００７８】
ｂ）第１の加熱処理中の異なる焼結温度は、リチウム欠乏前駆体の結晶子サイズにおける変動をもたらす。本発明による焼結温度において、ＮＭＣ  Ｅ１ｐ中間体試料は、７５．４２ｎｍの比較的大きな結晶子サイズを有する。焼結温度を１２５℃まで低下させるとき、Ｃ２ｐ中間体試料は、１７．９９ｎｍの非常に小さい結晶子サイズを有する。結晶子サイズにおける減少は、焼結温度の低下に従うが、対応する最終ＮＭＣ製品における炭酸リチウム含有量は、逆の傾向に従う。炭酸リチウム含有量は、高い第１の焼結温度では低下され、最終製品Ｅ１ａ及びＥ１ｂは、Ｃ２ａ及びＣ２ｂよりも非常に低い炭酸リチウム含有量を有する。
【００７９】
図７は、Ｅ１ｐ及びＥ１ａのＸＲＤパターンを示す。ブラッグピーク（１０３）、（１０１）、（１０４）及び二重項ピーク（００６、１０２）が表示されている。これらのピークの強度に基づいて、表４は、ＮＭＣ  Ｅ１ｐ及びＮＭＣ  Ｅ１ａ試料のＩ００３／Ｉ１０４の比及びＲ因子をまとめている。これらの２つの試料のＸＲＤパターンもまた、リートベルト精密化法（Ｒｉｅｔｖｅｌｄ  ｒｅｆｉｎｅｍｅｎｔ）を通して分析され、Ｌｉ部位上のＮｉの割合、電池体積及びＲｂｒａｇｇなどの結果を表４にまとめる。Ｒｂｒａｇｇは、精密化の信頼性を表し、小さいＲｂｒａｇｇ値は、良好な適合性能を意味する。試料Ｅ１ｐ及びＥ１ａのＲｂｒａｇｇは、それぞれ２．０７８及び２．７４３であり、この値は、これらの２つの試料に関する精密化が信頼できることを確証するのに十分に小さいものである。
【００８０】
【表４】
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【００８１】
上述したように、Ｉ００３／Ｉ１０４の比は、Ｌｉの遷移金属に対する不規則性の程度を反映している。Ｉ００３／Ｉ１０４の大きな値は、歪みの小さい程度を示唆する。前駆体試料のＮＭＣ  Ｅ１ｐは、小さいＩ００３／Ｉ１０４比を有し、このことは、ＮＭＣ  Ｅ１ｐ中のより多くのカチオン混合及びＬｉ部位上により多くのＮｉが存在することを意味する。Ｒ因子を比較するときに、同じ観測を行うことができる。リチウム欠乏焼結前駆体は、最終製品と比べると、より高いＲ因子を有する。上述したＤａｈｎの文献で論じられたように、高いＲ因子は、Ｌｉ及び遷移金属の高い不規則性を意味する。このように、ＮＭＣ  Ｅ１ｐにおけるＲのより高い値は、リチウム欠乏焼結前駆体において、Ｌｉ部位上により高い割合のＮｉが存在することを確証している。精密化の結果も、同じ結論を示している。ＮＭＣ  Ｅ１ｐについてのＬｉ上のＮｉの割合は、ＮＭＣ  Ｅ１ａについてよりも非常に高い。このように、リチウム欠乏焼結前駆体は、より高いカチオン混合の程度を有し、これは、充電／放電中に得られるリチウム欠乏試料からは、完全に識別できるものである。
【００８２】
前に論じたように、最終ＮＭＣ８１１製品中の炭酸リチウム含有量を低下させるためには、高結晶化度を有するリチウム欠乏焼結前駆体を得ることが必要とされる。この依存性の詳細な研究は図８に示されており、図８は、第１の加熱処理中に様々な温度で焼結され、かつ様々なリチウム対金属の比を有するリチウム欠乏焼結前駆体の炭酸リチウム含有量及び結晶子サイズを示している。図８は、最終ＮＭＣ８１１製品の炭酸リチウム含有量が、このようなリチウム欠乏焼結前駆体に基づくことも示している。このグラフの全ての試料は、第１の焼結工程における異なる第１の焼結温度及びＬｉ／Ｍ比で、実施例１の二重焼成法を使用し調製されている。グラフにおいて、円形記号は、リチウム欠乏中間体の炭酸リチウム含有量を表し、三角形記号は、同じ中間体の結晶子サイズを表し、菱形記号は、対応する最終ＮＭＣ製品の炭酸リチウム含有量を表す。これらの記号の大きさは、対応するパラメータの値を表し、すなわち、記号の大きさが大きくなればなるほど、パラメータはより大きな値を有する。表５は、図８でプロットされたデータについての情報を提供する。
【００８３】
図８は、０．６〜０．９５のリチウム対金属のモル比で、並びに７００〜８５０℃の第１の加熱処理の焼結温度で調製されたリチウム欠乏前駆体を含む。リチウム対金属のモル比が、０．９に設定され、焼結温度を７００℃から８５０℃に変化するとき、三角形記号はより大きくなり、一方円形及び菱形記号の両方は小さくなる。このことは、リチウム欠乏焼結前駆体の結晶子サイズが、温度の上昇と共に増加し、リチウム欠乏焼結前駆体及び最終製品の両方における炭酸リチウム含有量は、逆の傾向に従うことを示唆している。リチウム対金属のモル比が、０．９とは異なる値を有するとき、結晶化度の同様な温度依存性が観察される。したがって、炭酸リチウム含有量を低下させるためには、高結晶化度を有するリチウム欠乏焼結前駆体を得ることが必要とされる。選択された組成に対する結晶子サイズＬが２０〜８０ｎｍであることが好ましい。リチウム欠乏焼結前駆体の結晶子サイズが高すぎるとき、サイクル安定性は、悪影響を受ける。中間体の結晶子サイズが低すぎるとき、最終製品における炭酸リチウム含有量は、良好なサイクル性を得るためには高すぎる。
【００８４】
【表５】
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【００８５】
「説明実施例５」で説明したように、サイクル安定性は、カソードＮＭＣ物質中の炭酸リチウムの存在によって強く影響される。ＮＭＣ粉末における高炭酸リチウム含有量は、ＮＭＣ系バッテリーにおける不良なサイクル性につながる。したがって、不良なサイクル性能を回避するために、最終製品における炭酸リチウム含有量を低下させることは必須であり、上記の観察を考慮すると、これは、高結晶化度を有するリチウム欠乏焼結前駆体が必要とされることを意味する。
【００８６】
説明実施例６〜８
これらの実施例は、ＬｉＭＯ２（式中、Ｍ＝Ｎｉ０．８３６Ｃｏ０．１４７Ａｌ０．０１７である）が、空気下で調製されるときに、その後、高塩基含有量が観察されることを立証する。塩基含有量は、Ｌｉ：Ｍ比と共に増加している。説明実施例Ｐ６、Ｐ７及びＰ８を以下の通りに調製する：最初に、ＬｉＯＨ・Ｈ２Ｏ、Ｎｉ０．８５Ｃｏ０．１５（ＯＨ）２、及びＡｌ２Ｏ３を、ＬｉｘＮｉ０．８３６Ｃｏ０．１４７Ａｌ０．０１７Ｏ２の一般組成を得るように混合する。「ｘ」の値を、Ｐ６、Ｐ７及びＰ８のそれぞれに対して０．９８、１．００及び１．０２に調整する。次いで、混合物を、トレイ内に置き、空気流下において７７５℃で１２時間焼成する。トレイ搭載量は、非常に低く、１２０ｇである。得られた生成物を粉砕して、分類し、塩基含有量滴定により更に特性化する。可溶性塩基含有量を図９に示し、ここでは、非常に低いトレイ搭載量にかかわらず、生成物が空気下で調製されるとき、塩基含有量が、Ｌｉ：Ｍ比を≧１に著しく増加させる。
【００８７】
説明実施例９
この実施例は、ＬｉＭＯ２（式中、Ｍ＝Ｎｉ０．８３６Ｃｏ０．１４７Ａｌ０．０１７である）が、Ｏ２下で調製されるときに、より低い塩基含有量が観察されることを立証するであろう。しかしながら、このプロセスは、Ｏ２焼成のために、低処理量及びより高いコストの不利点を有する。説明実施例９を以下の通りに調製する：ＬｉＯＨ・Ｈ２Ｏ、Ｎｉ０．８５Ｃｏ０．１５（ＯＨ）２、及びＡｌ２Ｏ３を、Ｌｉ１．００Ｎｉ０．８３６Ｃｏ０．１４７Ａｌ０．０１７Ｏ２の一般組成を得るように混合する。次いで、混合物を、トレイ内に置き、Ｏ２流下において７７５℃で１２時間焼成する。トレイ搭載量は、０．８２ｇ／ｃｍ３の配合物密度で、２．０ｋｇである。酸素流量は、１０ｍ３／時／ｋｇである。得られた生成物を粉砕して、分類し、塩基含有量滴定により更に特性化する（図９を参照）。これをＰ９とラベル付けする。比較的低い塩基含有量が、Ｐ６〜Ｐ８試料と比べてＰ９で得られるが、Ｐ９の非常に低い配合物密度及び高いＯ２流量は、焼成についての不良の処理量及び高い全体コストをもたらす。
【００８８】
実施例２
この実施例は、ＬｉＭＯ２（式中、Ｍ＝Ｎｉ０．８３６Ｃｏ０．１４７Ａｌ０．０１７である）を、本発明による二重焼成プロセスを用いて調製することができ、最終製品における低炭酸リチウム含有量をもたらすことを立証する。この二重焼成は、非常に高い処理量及びより低いプロセスコストを可能にする。
【００８９】
１）第１の配合：ＬｉＯＨ・Ｈ２Ｏ、Ｎｉ０．８５Ｃｏ０．１５（ＯＨ）２、及びＡｌ２Ｏ３を、ＬｉｘＮｉ０．８３６Ｃｏ０．１４７Ａｌ０．０１７Ｏ２の一般組成を得るように混合する。この実施例では、「ｘ」は０．９０に設定される。
【００９０】
２）第１の焼結：混合物を、トレイ内に置き、空気流下において７７５℃で１２時間焼成する。トレイ搭載量は、１．２８ｇ／ｃｍ３の配合物密度で、３ｋｇである。次いで得られた生成物を粉砕して、分類し、塩基含有量滴定により更に特性化する。これをＥ２ｐとラベル付けする。
【００９１】
３）第２の配合：組成をＬｉ１．００Ｎｉ０．８３６Ｃｏ０．１４７Ａｌ０．０１７Ｏ２に調整するために、リチウム欠乏焼結前駆体を、ＬｉＯＨ・Ｈ２Ｏの追加量と配合する。
【００９２】
４）第２の焼結：次いで、混合物を、トレイ内に置き、Ｏ２流下において７７５℃で１２時間焼成する。Ｏ２流量は、最終製品１ｋｇ当たり５．７ｍ３／時であり、これは混合物の１ｋｇ当たり４．０ｍ３／時に等しい。したがって、このＯ２流量は、説明実施例９におけるものよりも２．５倍低い。トレイ搭載量は、１．９６ｇ／ｃｍ３の配合物密度で、１．９ｋｇである。
【００９３】
５）後処理：得られた生成物を粉砕して、分類し、塩基含有量滴定により更に特性化する（図９を参照）。これをＥ２とラベル付けする。
【００９４】
リチウム欠乏焼結前駆体（Ｅ１ｐ）が、最終製品（Ｅ１）と比べてカチオン混合の異なる結果を示すことが前に説明された。この現象は、実施例２においても観察される。図１０は、Ｅ２ｐ及びＥ２試料のＸＲＤパターンを示す。ブラッグピーク（１０３）、（１０１）、（１０４）及び二重項ピーク（００６、１０２）が表示されている。これらのピークの強度に基づいて、表６は、試料Ｅ２ｐ及びＥ２のＩ００３／Ｉ１０４の比及びＲ因子をまとめている。
【００９５】
【表６】
0006745081.tif 000008
【００９６】
Ｉ００３／Ｉ１０４の比は、Ｌｉの遷移金属に対する不規則性の程度を反映している。Ｉ００３／Ｉ１０４の大きな値は、歪みの小さい程度を示す。Ｅ２ｐ及びＥ２の比Ｉ００３／Ｉ１０４に目を向けると、Ｅ２ｐにおいてより多くのカチオン混合があり、より多くのＮｉがＬｉ部位にあることを結論付けることができる。Ｒ因子を比較するときに、同じ観測を行うことができる。リチウム欠乏焼結前駆体は、最終製品と比べると、より高いＲ因子を有する。上述したＤａｈｎの文献で論じられたように、高いＲ因子は、Ｌｉ及び遷移金属の高い不規則性を意味する。このように、Ｅ２ｐにおけるＲのより高い値は、リチウム欠乏焼結前駆体において、Ｌｉ部位上により高い割合のＮｉが存在することを確証している。
【００９７】
説明実施例６〜９及び実施例２の比較
Ｅ２ｐ及びＥ２の塩基含有量は、図９に示すように、Ｐ６〜Ｐ９と比べて非常に低い。加えて、Ｅ２の第２の焼成に使用されたＯ２流量は、Ｐ９の焼成に使用されたＯ２流量よりも２倍を超えて低い。したがって、Ｅ２の二段階プロセスは、より高い処理量の利点を有し、第２のＯ２焼成工程に対してコストの著しい削減を可能にする。
【００９８】
説明実施例１０
この実施例は、リチウム欠乏物質が、リチウムイオンバッテリーのための最終カソード活物質として適用されるのに適していないことを立証するであろう。これは、リチウム対金属の低い比が、高カチオン混合及び不良な容量性能をもたらすためである。一連のＬｉｘＭＯ２粉末（式中、Ｍ＝Ｎｉ０．７（Ｎｉ１／２Ｍｎ１／２）０．２Ｃｏ０．１及び０．７＜ｘ１．１である）を、約５０ｇの小規模で一段階焼成を通して直接調製する。対流温度は８４５℃であり、この物質を、１．５Ｌ／分の流速での酸素下で１２時間維持する。最終製品のリチウム対金属ＩＣＰのモル比は、０．７６、０．８７、０．９６、０．９９及び１．０８である。これらの試料を、それぞれＰ１０、Ｐ１１、Ｐ１２、Ｐ１３及びＰ１４とラベル付けする（Ｐ１２〜１４は比較例である）。
【００９９】
これらの粉末をカソード活物質として使用して、コイン電池を作製し、「試験条件の説明：ａ）コイン電池試験」に従って電気化学的に試験する。これらの粉末を、ＸＲＤ試験によっても分析し、Ｌｉ上のＮｉ（％）原子占有率を、「ＴＯＰＡＳバージョン３」ソフトウェアを通して、リートベルト法によって精密化する。Ｉ００３／Ｉ１０４ピーク強度及びＲの因子もまた、「試験条件の説明：ｄ）ＸＲＤ試験」に従って分析する。
【０１００】
表７は、Ｌｉ上のＮｉ％、Ｉ００３／Ｉ１０４並びにＲ因子のＸＲＤ結果、及び第１のサイクルにおける充電容量（ＣＱ１）並びに放電容量（ＤＱ１）のコイン電池の結果、及びＣＱ１並びにＤＱ１から得られた不可逆容量率（Ｑｉｒｒ％）を示す。この表から、リチウム対金属の低い比は、高いカチオン混合をもたらすことを結論付けることができる。０．７６のＬｉ：Ｍを有する試料は、カチオン混合の最も高い程度を提供する。これらの試料については、カチオン混合が増加すると、容量ＤＱ１が減少し、かつＱｉｒｒ％が増加する。これは、実際には望ましいことではない。これらの製品の中で、化学量論に近い試料は、最適な容量特性を得ている。したがって、５％以上のリチウム欠乏を有するリチウム欠乏ＬｉｘＭＯ２粉末（Ｍ＝Ｎｉ０．７（Ｎｉ１／２Ｍｎ１／２）０．２Ｃｏ０．１）は、リチウムイオンバッテリーのためのカソード活物質としては適用不能である。本発明による＞５％のＬｉ欠乏を有する物質は、前駆体として使用される。これらの前駆体に追加のリチウムが添加され、追加の焼成が実行されて、最終的に、リチウム欠乏がない再充電可能バッテリーのためのカソード物質をもたらす。
【０１０１】
【表７】
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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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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