(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
組成式ＬｉvＭｇwＭｎxＡｌyＮｉzＯ2（０．９≦ｖ≦１．３、０．０００１≦ｗ≦０．１、０．０２≦ｘ≦０．３、０．０１≦ｙ≦０．３、０．４≦ｚ≦０．９５、かつ、ｗ≦ｘ）で表され、（００３）面の回折線の強度と（１０４）面の回折線の強度との強度比が１．０以上２．０以下となる層状岩塩構造を有することを特徴とするリチウム二次電池正極活物質用リチウムニッケル複合酸化物。
【請求項２】
前記組成式中、０．９５≦ｖ≦１．０５、０．００１≦ｗ≦０．０５、０．０５≦ｘ≦０．２、０．０２≦ｙ≦０．２、０．５５≦ｚ≦０．９となる請求項１に記載のリチウム二次電池正極活物質用リチウムニッケル複合酸化物。
【請求項３】
前記ｗの値は、０．００５≦ｗ≦０．０２である請求項２に記載のリチウム二次電池正極活物質用リチウムニッケル複合酸化物。
【請求項４】
組成式ＬｉvＭｇwＭｎxＡｌyＮｉzＯ2（０．９≦ｖ≦１．３、０．０００１≦ｗ≦０．１、０．０２≦ｘ≦０．３、０．０１≦ｙ≦０．３、０．４≦ｚ≦０．９５、かつ、ｗ≦ｘ）で表され、（００３）面の回折線の強度と（１０４）面の回折線の強度との強度比が１．０以上２．０以下となる層状岩塩構造を有するリチウムニッケル複合酸化物を正極活物質に用いた正極と、
リチウムを吸蔵・放出可能な炭素材料を負極活物質に用いた負極とを含んでなることを特徴とするリチウム二次電池。
【請求項５】
前記負極活物質には、
（００２）面の面間隔が３．４Å以下であり、ｃ軸方向の結晶子厚みが１０００Å以上である黒鉛と、
（００２）面の面間隔が３．４Å以上であり、ｃ軸方向の結晶子厚みが３０Å以下であるコークスを含む易黒鉛化性炭素と、
（００２）面の面間隔が３．６Å以上であり、ｃ軸方向の結晶子厚みが１００Å以下である難黒鉛化性炭素と、
のうちで１種のものを単独で用いるか、または２種以上を混合して用いる請求項４に記載のリチウム二次電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、リチウム二次電池の正極活物質となるリチウムニッケル複合酸化物、特に安価で、放電容量が大きくかつサイクル特性の良好なリチウム二次電池を構成することのできるリチウムニッケル複合酸化物に関し、また、それを用いたリチウム二次電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
パソコン、ビデオカメラ、携帯電話等の小型化に伴い、情報関連機器、通信機器の分野では、これらの機器に用いる電源として、高エネルギー密度であるという理由から、リチウム二次電池が実用化され広く普及するに至っている。また一方で、自動車の分野においても、環境問題、資源問題から電気自動車の開発が急がれており、この電気自動車用の電源としても、リチウム二次電池が検討されている。
【０００３】
リチウム二次電池の正極活物質となるリチウム複合酸化物は、４Ｖ級の作動電圧が得られるものとして、層状岩塩構造ＬｉＣｏＯ2、層状岩塩構造ＬｉＮｉＯ2、スピネル構造ＬｉＭｎ2Ｏ4がよく知られている。これらの中でも、合成の容易である、最も高い作動電圧が得られる等の理由から、現在では、ＬｉＣｏＯ2を正極活物質に用いる二次電池が主流を占めている。
【０００４】
ところが、ＬｉＣｏＯ2を構成する元素であるコバルトは、資源量として少なく極めて高価な元素であることから、リチウム二次電池のコストを押し上げる大きな要因となっている。したがって、リチウム二次電池を、例えば電気自動車用電源等の大容量用途に用いるような場合、大量の正極活物質を用いなければならず、高価なＬｉＣｏＯ2を正極活物質に用いたリチウムイオン二次電池は実用化が非常に困難であると考えられる。
【０００５】
このＬｉＣｏＯ2に代わって期待されるのが、層状岩塩構造ＬｉＮｉＯ2である。コバルトと比較して安価なニッケルを構成元素とすることから、コスト面で優れ、また、理論放電容量においてはＬｉＣｏＯ2と大差ないが実効容量（電池を構成した場合に実際取り出すことのできる容量）において優れるという利点から、大きな容量の電池を構成できるものとして期待されている。
【０００６】
ところが、このＬｉＮｉＯ2は、実効容量が大きいことにより充放電に伴い多くのリチウムを吸蔵・放出するため、自身が大きな膨張・収縮を繰り返すことで結晶構造が崩壊しやすいという欠点がある。したがって、電池を構成した場合に、繰り返される充放電によって電池の放電容量が減少するという、いわゆるサイクル劣化が問題となる。特に、電池反応が活性化する高温下では一層劣化が進むことから、例えば屋外放置される可能性のある電気自動車用電源等の用途の場合、高温下でのサイクル劣化の少ないことも二次電池に求められる重要な特性の一つとなる。
【０００７】
従来、ＬｉＮｉＯ2を活物質とした正極に起因するサイクル劣化の問題を解決する手段として、例えば、特開昭６２−２６４５６０号公報、特開平５−３２５９６６に示すように、Ｎｉサイトの一部をＣｏで置換するもの、また、特開平８−７８００９号公報に示すように、Ｂ、Ｓｉ、Ｐ等から選ばれた１種以上の元素で置換するとともにＭｎを添加するもの、またさらに、特開平８−７８００６号公報に示すように、Ｃｏで置換するとともにＢ、Ａｌ、Ｉｎ等から選ばれた１種以上の元素で置換するもの等が検討されていた。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、ＣｏでＮｉサイトを置換する場合は、Ｃｏが高価な元素であるため、やはり正極活物質のコストダウンという点では問題を残すものとなってる。また、Ｍｎ等の元素でＮｉサイトを置換する場合、ベースとなるＮｉ同様３価であることが期待されているにもかかわらず４価のＭｎ等が存在しようとする傾向にあり、そのため酸化物中の電荷中性条件を満たすために、酸素空孔が存在したり、ＬｉがＮｉサイトに置換されるといった結晶性を悪化させる事態を招いていた。
【０００９】
本発明は、上記従来技術の抱える問題を解決すべくなされたものであり、比較的安価な層状岩塩構造リチウムニッケル複合酸化物において、Ｎｉサイトを置換させる元素を適切なものとするとともに、Ｌｉサイトの一部をも他元素で置換させることで、このリチウムニッケル複合酸化物の結晶構造の安定化を図り、安価であって、放電容量が大きくかつサイクル特性、特に高温時使用におけるサイクル特性の良好なリチウム二次電池を構成できる正極活物質材料を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明のリチウム二次電池正極活物質用リチウムニッケル複合酸化物は、組成式ＬｉvＭｇwＭｎxＡｌyＮｉzＯ2（０．９≦ｖ≦１．３、０．０００１≦ｗ≦０．１、０．０２≦ｘ≦０．３、０．０１≦ｙ≦０．３、０．４≦ｚ≦０．９５、かつ、ｗ≦ｘ）で表され、（００３）面の回折線の強度と（１０４）面の回折線の強度との強度比が１．０以上２．０以下となる層状岩塩構造を有することを特徴とする。
【００１１】
本発明のリチウムニッケル複合酸化物においては、Ｍｇは主にＬｉサイトに置換されるものと考えられる。つまり、比較的安価であり放電容量の大きな層状岩塩構造リチウムニッケル複合酸化物において、Ｎｉサイトの一部を安価なＭｎおよびＡｌで置換するとともに、さらに、Ｌｉサイトの一部を、Ｍｇで置換させたものであるといえる。
【００１２】
Ｍｇは結晶中２価で存在することから、電荷中性条件を保つべくＮｉサイトを置換するＭｎが４価で存在し、酸素空孔、ＬｉのＮｉサイトへの過度な置換等の結晶性の悪化を回避し結晶構造の安定化を図ることができる。また、層状岩塩構造では酸素から構成される層に挟まれたＬｉからなる層を構成し、本リチウムニッケル複合酸化物においては、このＬｉ層中にＬｉよりも嵩高いＭｇが置換される。したがって、電池の充電に伴いＬｉが結晶中から放出された場合であっても、Ｌｉ層中にＭｇが残存し、酸素層間を支える支柱的役割を果たすことで、結晶構造の動的な安定化をも図ることができる。さらに、Ｍｇの置換は、充電に伴う過度なＬｉの離脱を抑制することで、低電圧領域で充電されるＬｉの使用を制限する。これらの作用が相俟って、本リチウムニッケル複合酸化物は、サイクル特性（特に高温サイクル特性）、高温保存特性の良好なリチウム二次電池を構成することのできる正極活物質となる。また、回折線の強度比を１．０以上２．０以下の範囲にすることで、二次電池のサイクル特性をより良好なものとする。
【００１３】
本発明のリチウム二次電池は、上記リチウムニッケル複合酸化物を正極活物質に用いた正極と、リチウムを吸蔵・放出可能な炭素材料を負極活物質に用いた負極とを含んでなるように構成される。負極活物質には、（００２）面の面間隔が３．４Å以下である黒鉛と、（００２）面の面間隔が３．４Å以上であるコークスを含む易黒鉛化性炭素と、（００２）面の面間隔が３．６Å以上である難黒鉛化性炭素と、のうちで１種のものを単独で用いるか、または２種以上を混合して用いる。黒鉛はｃ軸方向の結晶子厚みが１０００Å以上であり、易黒鉛化性炭素に含まれるコークスはｃ軸方向の結晶子厚みが３０Å以下であり、難黒鉛化性炭素はｃ軸方向の結晶子厚みが１００Å以下である。安価、大容量という利点を活かしつつ、結晶構造の安定化が図られた層状岩塩構造リチウムニッケル複合酸化物を正極活物質とすることで、本リチウム二次電池は、安価であって、放電容量が大きくかつサイクル特性、高温保存特性の良好なリチウム二次電池となる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明のリチウムニッケル複合酸化物の実施形態、および本発明のリチウム二次電池の実施形態について詳しく説明する。
〈層状岩塩構造リチウムニッケル複合酸化物〉
本発明のリチウムニッケル複合酸化物は、組成式ＬｉvＭｇwＭｎxＡｌyＮｉzＯ2（０．９≦ｖ≦１．３、０．０００１≦ｗ≦０．１、０．０２≦ｘ≦０．３、０．０１≦ｙ≦０．３、０．４≦ｚ≦０．９５、かつ、ｗ≦ｘ）で表され、層状岩塩構造を有する。層状岩塩構造とは、六方晶系に属する結晶構造であり、酸素原子から構成される層、主にニッケル原子から構成される層、酸素原子から構成される層、主にリチウム原子から構成される層がこの順で繰り返し積層された構造を有している結晶構造である。
【００１５】
主にＮｉサイトの一部を置換させる元素としてＭｎを選択した理由は、Ｍｎが安価な元素であることに加え、室温ならびに高温におけるサイクル特性を向上させるという役割を果たすことからである。置換させる割合つまり組成式中のｘの値は、０．０２≦ｘ≦０．３とする。これはｘ＜０．０２の場合は、サイクル劣化が大きく、ｘ＞０．３の場合は、電池容量が低下するからである。なお、より高特性で実用的な二次電池を構成できる正極活物質とするためには、０．０５≦ｘ≦０．２とするのがより望ましい。
【００１６】
主にＮｉサイトの一部を置換させるもう一つの元素としてＡｌを選択した理由は、Ａｌが安価な元素であることに加え、過充電時における安全性を向上させ、サイクル特性を向上させるという役割を果たすことからである。置換させる割合つまり組成式中のｙの値は、０．０１≦ｙ≦０．３とする。これはｙ＜０．０１の場合は、過充電時の安全性およびサイクル特性向上の効果が不充分であり、ｙ＞０．３の場合は、電池の容量が低下するからである。なお、より高特性で実用的な二次電池を構成できる正極活物質とするためには、０．０２≦ｙ≦０．２とするのがより望ましい。
【００１７】
主にＬｉサイトの一部を置換するＭｇは、リチウムニッケル複合酸化物の合成において、置換させるＭｎを４価として存在させるという役割を果たす。このことから、置換割合つまり組成式中のｗの値は、ｗ≦ｘとする。また、その値は、０．０００１≦ｗ≦０．１とする。これは、ｗ＜０．０００１の場合は、電池のサイクル特性が不充分であり、ｗ＞０．１の場合は、電池容量が低下するからである。なお、より高特性で実用的な二次電池を構成できる正極活物質とするためには、０．００１≦ｗ≦０．０５とするのが望ましい。さらに、電池容量とサイクル特性とのバランスという点を考慮すれば、０．００５≦ｗ≦０．０２とするのがより望ましい。
【００１８】
Ｎｉの存在割合つまり組成式中のｚの値は、上記ＭｎおよびＡｌの置換割合等によって変わるものとなるが、０．４≦ｚ≦０．９５とする。これはｚ＜０．４の場合は、電池容量が急激に低下するためであり、ｚ＞０．９５の場合は、サイクル特性、安全性とも不充分なためだからである。なお、より高特性で実用的な二次電池を構成できる正極活物質とするためには、０．５５≦ｚ≦０．９とするのがより望ましい。
【００１９】
Ｌｉの存在割合つまり組成式中のｖの値は、Ｍｇでの置換割合等の他、ＬｉがＮｉサイトを置換することも考えられるため、これを考慮し、０．９≦ｖ≦１．３とする。リチウム二次電池において、充放電に寄与するのはこのＬｉであることから、Ｌｉの存在割合が小さすぎれば電池の放電容量が小さくなりすぎ、また、Ｌｉが多すぎれば過剰なＬｉは活物質表面にＬｉ2Ｃｏ3等を生成し、抵抗が大きくなるため、０．９５≦ｖ≦１．０５とするのがより望ましい。
【００２０】
組成式ＬｉvＭｇwＭｎxＡｌyＮｉzＯ2で表されるリチウム複合酸化物は、六方晶系に属する層状岩塩構造のものの他に、立方岩塩構造（Ｆｍ３ｍ）のものがあり、層状岩塩構造のものを合成する場合であっても、不可避的に副相として立方岩塩構造のものが混在する（いわゆる岩塩ドメイン）。したがって、本発明のリチウムニッケル複合酸化物における層状岩塩構造とはこの立方岩塩構造のものが含有されているものを含むことを意味する。
【００２１】
層状岩塩構造のリチウムニッケル複合酸化物中に含まれる立方岩塩構造リチウムニッケル複合酸化物の比率は、これを正極活物質に用いたリチウム二次電池のサイクル特性に影響する。粉末Ｘ線回折分析によれば、（００３）面の回折ピークは層状岩塩構造の固有のものであるのに対して、（１０４）面の回折ピークは、層状岩塩構造と立方岩塩構造の両者の回折によって得られる。したがって、（００３）面の回折線の強度Ｉ003と（１０４）面の回折線の強度Ｉ104との比Ｉ003／Ｉ104を測定すれば、立方岩塩構造の含有割合を推定することができる。つまり、Ｉ003／Ｉ104の値が大きくなれば層状岩塩構造の単一相に近づき、小さくなれば立方岩塩構造の存在割合が大きくなる。本発明のリチウムニッケル複合酸化物では、この回折線の強度比Ｉ003／Ｉ104が１．０以上２．０以下となるものとすることが、それを用いた二次電池のサイクル特性をより良好なものとする。
【００２２】
本発明のリチウムニッケル複合酸化物の製造方法は、特に限定するものではなく、固相反応法、アトマイズ法、水熱法等によって製造できる。例えば、固相反応法によって、組成式ＬｉvＭｇwＭｎxＡｌyＮｉzＯ2で表されるものを製造する場合、Ｌｉ源、Ｍｇ源、Ｍｎ源、Ａｌ源、Ｎｉ源となる原料を、それらに含まれるＬｉ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ａｌ、ＮｉがＬｉ：Ｍｇ：Ｍｎ：Ａｌ：Ｎｉ＝ｖ：ｗ：ｘ：ｙ：ｚとなるように混合し、この混合物を、大気中あるいは酸素雰囲気中で、８００〜９００℃の温度で、１２〜４８時間程度焼成することによって合成することができる。この際用、Ｌｉ原料としてはＬｉＯＨ・Ｈ2Ｏ等を、Ｍｇ源としてＭｇＯ等を、Ｍｎ源としてＭｎ2Ｏ3等を、Ａｌ源としてＡｌ2Ｏ3等を、Ｎｉ源としてＮｉ（ＯＨ）2等をそれぞれ用いることができる。
【００２３】
〈リチウム二次電池〉
上記本発明のリチウムニッケル複合酸化物を正極活物質に用いてリチウム二次を構成することができる。上記リチウムニッケル複合酸化物は、組成の異なる種々のものが存在する。得ようとする二次電池の特性に応じ、これら種々のもののうち、１種のものを単独で用いて正極活物質とすることもでき、また、２種以上のものを混合して正極活物質として用いることもできる。また、ＬｉＣｏＯ2、ＬｉＮｉＯ2等公知のリチウム複合酸化物と混合してこれを正極活物質とすることもできる。
【００２４】
本発明のリチウム二次電池においては、正極活物質に上記本発明のリチウムニッケル複合酸化物を正極活物質に用いて正極を構成する。正極は、活物質となるリチウムニッケル複合酸化物の粉状体に、導電材としての黒鉛、アセチレンブラック等の炭素材料粉末と、結着剤としてのポリフッ化ビニリデン等の含フッ素樹脂等を混合し、さらにこれらを分散させる溶剤としてＮ−メチル−２−ピロリドン等を適量加えてペースト状の正極合材とし、この正極合材をアルミニウム箔等の正極集電体表面に塗布し、乾燥し、その後必要に応じプレス等により活物質密度を高めることによって形成することができる。
【００２５】
負極は、負極活物質に、金属リチウム、リチウム合金等を用いて構成することもできる。これら金属リチウム等を負極に用いる場合、繰り返される充放電により負極表面へのデンドライトの析出の可能性があり、二次電池の安全性が懸念される。このため、本発明のリチウム二次電池では、負極活物質に、リチウムを吸蔵・放出可能な炭素材料を用いる。用いることができる炭素材料には、天然黒鉛、球状あるいは繊維状の人造黒鉛、難黒鉛化性炭素、および、フェノール樹脂等の有機化合物焼成体、コークス等の易黒鉛化性炭素の粉状体を挙げることができる。負極活物質となる炭素材料にはそれぞれの利点があり、作製しようとするリチウム二次電池の特性に応じて選択すればよい。
【００２６】
これらのもののうち、天然および人造の黒鉛は、真密度が高くまた導電性に優れるため、容量が大きく（エネルギー密度の高い）、パワー特性の良好なリチウム二次電池を構成できるという利点がある。この利点を活かしたリチウム二次電池を作製する場合、用いる黒鉛は、結晶性の高いことが望ましく、（００２）面の面間隔ｄ002が３．４Å以下であり、ｃ軸方向の結晶子厚みＬｃが１０００Å以上のものを用いるのがよい。なお、人造黒鉛は、例えば、易黒鉛化性炭素を２８００℃以上の高温で熱処理して製造することができる。この場合の原料となる易黒鉛化性炭素には、コークス、ピッチ類を４００℃前後で加熱する過程で得られる光学異方性の小球体（メソカーボンマイクロビーズ：ＭＣＭＢ）等を挙げることができる。
【００２７】
易黒鉛化性炭素は、一般に石油や石炭から得られるタールピッチを原料としたもので、コークス、ＭＣＭＢ、メソフェーズピッチ系炭素繊維、熱分解気相成長炭素繊維等が挙げられる。また、フェノール樹脂等の有機化合物焼成体をも用いることができる。易黒鉛化性炭素は、安価な炭素材料であるため、コスト面で優れたリチウム二次電池を構成できる負極活物質となり得る。これらの中でも、コークスは低コストであり比較的容量も大きく、構成する二次電池のサイクル特性が良好となるという利点があり、この点を考慮すれば、コークスを用いるのが望ましい。コークスを用いる場合には、（００２）面の面間隔ｄ002が３．４Å以上であり、ｃ軸方向の結晶子厚みＬｃが３０Å以下のものを用いるのがよい。
【００２８】
難黒鉛化性炭素とは、いわゆるハードカーボンと呼ばれるもので、ガラス状炭素に代表される非晶質に近い構造をもつ炭素材料である。一般的に熱硬化性樹脂を炭素化して得られる材料であり、熱処理温度を高くしても黒鉛構造が発達しない材料である。難黒鉛化性炭素には安全性が高く、比較的低コストであり、構成する二次電池のサイクル特性が良好となるという利点があり、この点を考慮すれば、難黒鉛化性炭素を負極活物質として用いるのが望ましい。具体的には、例えば、フェノール樹脂焼成体、ポリアクリロニトリル系炭素繊維、擬等方性炭素、フルフリルアルコール樹脂焼成体等を用いることができる。より望ましくは、（００２）面の面間隔ｄ002が３．６Å以上であり、ｃ軸方向の結晶子厚みＬｃが１００Å以下のものを用いるのがよい。
【００２９】
上記、黒鉛、易黒鉛化性炭素、難黒鉛化性炭素等は、１種のものを単独で用いることもでき、また、２種以上を混合して用いることもできる。２種以上を混合させる態様としては、例えば、過充電時の安全性を確保しつつ、正極活物質であるリチウムニッケル複合酸化物に吸蔵・放出されるリチウムを制限してサイクル特性をより良好なものとする目的で、黒鉛と難黒鉛化性炭素、易黒鉛化性炭素等の黒鉛化の進んでいない炭素材料とを混合物する場合が例示できる。なお、黒鉛と黒鉛化の進んでいない炭素質材料との混合物を負極活物質に用いる場合、両者の混合比は、サイクル特性と放電容量とのバランスにより決定すればよい。
【００３０】
負極活物質として炭素材料を用いる本発明のリチウム二次電池の場合、負極は、上記炭素材料の粉状体に、結着剤としてのポリフッ化ビニリデン等の含フッ素樹脂等を混合し、さらにこれらを分散させる溶剤としてＮ−メチル−２−ピロリドン等を適量加えてペースト状の負極合材とし、この負極合材を銅箔等の正極集電体表面に塗布し、乾燥し、その後必要に応じプレス等により活物質密度を高めることによって形成することができる。
【００３１】
正極と負極の間に挟装されるセパレータは、正極と負極とを分離し電解液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微多孔膜を用いることができる。また非水電解液は、有機溶媒に電解質であるリチウム塩を溶解させたもので、有機溶媒としては、非プロトン性有機溶媒、例えばエチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、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、γ−ブチロラクトン、アセトニトリル、１，２−ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン、ジオキソラン、塩化メチレン等の１種またはこれらの２種以上の混合液を用いることができる。また、溶解させる電解質としては、ＬｉＩ、ＬｉＣｌＯ4、ＬｉＡｓＦ6、ＬｉＢＦ4、ＬｉＰＦ6、ＬｉＮ（ＣＦ3ＳＯ2）2等のリチウム塩を用いることができる。
【００３２】
以上のものを主要構成要素として構成される本発明のリチウム二次電池であるが、その形状は円筒型、積層型、コイン型等、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、正極および負極にセパレータを挟装させ電極体とする。そして正極集電体および負極集電体から外部に通ずる正極端子および負極端子までの間を集電用リード等を用いて接続し、この電極体を非水電解液とともに電池ケースに密閉する。このような組付け工程を経て電池が完成させられる。なお、正極活物質を除く他の構成要素については、上記した態様のものに限られず、従来から一般的にリチウム二次電池に用いられる態様のものを採用することができる。さらに主要構成要素以外の他の構成要素についても、同様に、従来から一般的にリチウム二次電池に用いられる態様のものを採用することができる。
【００３３】
【実施例】
上記実施形態に基づいて、種々の組成をもつ本発明のリチウムニッケル複合酸化物を生成し、これらそれぞれのリチウムニッケル複合酸化物を正極活物質に用いた正極と、また種々の炭素材料を負極活物質に用いた負極とを組み合わせてリチウム二次電池を実施例として作成した。また、Ｍｇ、Ｍｎ、Ａｌのいずれかを置換させていないリチウムニッケル複合酸化物を生成し、これらを正極活物質として用いたリチウム二次電池を比較例として作成した。そして、実施例、比較例の二次電池に対して、充放電サイクル試験を行い、それぞれの二次電池の特性を比較した。以下に、これらについて説明する。
【００３４】
〈実施例１〉
まず、ＬｉＯＨ・Ｈ2Ｏを４２７．３８重量部、ＭｇＯを０．２０１５重量部、Ｍｎ2Ｏ3を７８．９重量部、Ａｌ2Ｏ3を５１重量部、Ｎｉ（ＯＨ）2を７８７．４９重量部として、それぞれを充分に混合させた混合物を調製した。次いで、この混合物をアルミナ坩堝に充填し、酸素気流を流入させながら、８５０℃の温度で、１２時間焼成した。焼成後、解砕することにより、粉末状のリチウムニッケル複合酸化物を生成した。生成したリチウムニッケル複合酸化物は、組成式Ｌｉ1.02Ｍｇ0.0005Ｍｎ0.1Ａｌ0.05Ｎｉ0.8495Ｏ2で表されるものであった。
【００３５】
このリチウムニッケル複合酸化物粉末を正極活物質とし、活物質８５重量部に対して、導電材としてアセチレンブラックを１０重量部、結着剤としてポリフッ化ビニリデンを５重量部混合し、Ｎ−メチル−２−ピロリドンを適量加え、ペースト状の正極合材を得、この正極合材を、アルミニウム箔製集電体の両面に塗布し、乾燥させて、シート状の正極を作成した。
【００３６】
負極は、２８００℃で焼成した黒鉛化メソフェーズ小球体を負極活物質とし、この活物質９０重量部に対して、結着剤としてポリフッ化ビニリデンを１０重量部混合し、Ｎ−メチル−２−ピロリドンを適量加え、ペースト状の負極合材を得、この負極合材を、銅箔製集電体の両面に塗布し、乾燥させて、シート状のものを作成した。
【００３７】
上記正極および負極を、ポリエチレン製セパレータを介して捲回し、円筒ロール状の電極体を形成した。この電極体を１８６５０型電池ケース（直径１８ｍｍφ、長さ６５ｍｍ）に収納し、集電処理を行った後、非水電解液を注入し、蓋をかぶせて密閉し円筒型リチウム二次電池を完成させた。なお、非水電解液には、エチレンカーボネートとジエチルカーボネートを体積比１：１に混合した有機溶媒に、ＬｉＰＦ6を１Ｍの濃度で溶解させたものを用いた。完成したこのリチウム二次電池を実施例１の二次電池とした
〈実施例２〉
実施例１の場合のリチウムニッケル複合酸化物の生成において、混合するそれぞれの原料の混合比を変更し、さらに焼成温度を８００℃に変更することにより、組成式Ｌｉ1.02Ｍｇ0.008Ｍｎ0.1Ａｌ0.05Ｎｉ0.842Ｏ2で表されるリチウムニッケル複合酸化物を生成した。このリチウムニッケル複合酸化物を用い、実施例１の場合と同様の構成のリチウム二次電池を作製した。このリチウム二次電池を実施例２の二次電池とした。
【００３８】
〈実施例３〉
実施例１の場合のリチウムニッケル複合酸化物の生成において、混合するそれぞれの原料の混合比を変更することにより、組成式Ｌｉ1.02Ｍｇ0.002Ｍｎ0.04Ａｌ0.08Ｎｉ0.878Ｏ2で表されるリチウムニッケル複合酸化物を生成した。このリチウムニッケル複合酸化物を用い、実施例１の場合と同様の構成のリチウム二次電池を作製した。このリチウム二次電池を実施例３の二次電池とした。
【００３９】
〈実施例４〉
実施例１の場合のリチウムニッケル複合酸化物の生成において、混合するそれぞれの原料の混合比を変更することにより、組成式Ｌｉ1.01Ｍｇ0.003Ｍｎ0.03Ａｌ0.1Ｎｉ0.867Ｏ2で表されるリチウムニッケル複合酸化物を生成した。このリチウムニッケル複合酸化物を用い、実施例の場合と同様の構成のリチウム二次電池を作製した。このリチウム二次電池を実施例４の二次電池とした。
【００４０】
〈実施例５〉
実施例１の場合のリチウムニッケル複合酸化物の生成において、混合するそれぞれの原料の混合比を変更することにより、組成式Ｌｉ1.01Ｍｇ0.001Ｍｎ0.22Ａｌ0.03Ｎｉ0.749Ｏ2で表されるリチウムニッケル複合酸化物を生成した。このリチウムニッケル複合酸化物を用い、実施例１の場合と同様の構成のリチウム二次電池を作製した。このリチウム二次電池を実施例５の二次電池とした。
【００４１】
〈実施例６〉
実施例１の場合のリチウムニッケル複合酸化物の生成において、混合するそれぞれの原料の混合比を変更することにより、組成式Ｌｉ1.01Ｍｇ0.002Ｍｎ0.22Ａｌ0.01Ｎｉ0.768Ｏ2で表されるリチウムニッケル複合酸化物を生成した。このリチウムニッケル複合酸化物を用い、実施例１の場合と同様の構成のリチウム二次電池を作製した。このリチウム二次電池を実施例６の二次電池とした。
【００４２】
〈実施例７〉
実施例１の場合のリチウムニッケル複合酸化物の生成において、混合するそれぞれの原料の混合比を変更することにより、組成式Ｌｉ1.03Ｍｇ0.001Ｍｎ0.03Ａｌ0.01Ｎｉ0.959Ｏ2で表されるリチウムニッケル複合酸化物を生成した。このリチウムニッケル複合酸化物を用い、実施例１の場合と同様の構成のリチウム二次電池を作製した。このリチウム二次電池を実施例７の二次電池とした。
【００４３】
〈実施例８〉
実施例１の場合のリチウムニッケル複合酸化物の生成において、混合するそれぞれの原料の混合比を変更することにより、組成式Ｌｉ1.02Ｍｇ0.003Ｍｎ0.04Ａｌ0.11Ｎｉ0.847Ｏ2で表されるリチウムニッケル複合酸化物を生成した。このリチウムニッケル複合酸化物を用い、実施例１の場合と同様の構成のリチウム二次電池を作製した。このリチウム二次電池を実施例８の二次電池とした。
【００４４】
〈実施例９〉
実施例１の場合のリチウムニッケル複合酸化物の生成において、混合するそれぞれの原料の混合比を変更することにより、組成式Ｌｉ1.03Ｍｇ0.002Ｍｎ0.08Ａｌ0.03Ｎｉ0.888Ｏ2で表されるリチウムニッケル複合酸化物を生成した。このリチウムニッケル複合酸化物を用い、実施例１の場合と同様の構成のリチウム二次電池を作製した。このリチウム二次電池を実施例９の二次電池とした。
【００４５】
〈実施例１０〉
実施例１の場合のリチウムニッケル複合酸化物の生成において、混合するそれぞれの原料の混合比を変更することにより、組成式Ｌｉ1.02Ｍｇ0.008Ｍｎ0.1Ａｌ0.05Ｎｉ0.842Ｏ2で表されるリチウムニッケル複合酸化物を生成した。このリチウムニッケル複合酸化物を用い、実施例１の場合と同様の構成のリチウム二次電池を作製した。このリチウム二次電池を実施例１０の二次電池とした。
【００４６】
〈実施例１１〉
実施例１の場合のリチウムニッケル複合酸化物の生成において、混合するそれぞれの原料の混合比を変更することにより、組成式Ｌｉ1.03Ｍｇ0.07Ｍｎ0.15Ａｌ0.05Ｎｉ0.73Ｏ2で表されるリチウムニッケル複合酸化物を生成した。このリチウムニッケル複合酸化物を用い、実施例１の場合と同様の構成のリチウム二次電池を作製した。このリチウム二次電池を実施例１１の二次電池とした。
【００４７】
〈実施例１２〉
実施例１の場合のリチウムニッケル複合酸化物の生成において、混合するそれぞれの原料の混合比を変更することにより、組成式Ｌｉ1.01Ｍｇ0.001Ｍｎ0.22Ａｌ0.21Ｎｉ0.569Ｏ2で表されるリチウムニッケル複合酸化物を生成した。このリチウムニッケル複合酸化物を用い、実施例１の場合と同様の構成のリチウム二次電池を作製した。このリチウム二次電池を実施例１２の二次電池とした。
【００４８】
〈実施例１３〉
実施例１の場合のリチウムニッケル複合酸化物の生成において、混合するそれぞれの原料の混合比を変更することにより、組成式Ｌｉ1.03Ｍｇ0.001Ｍｎ0.1Ａｌ0.01Ｎｉ0.889Ｏ2で表されるリチウムニッケル複合酸化物を生成した。このリチウムニッケル複合酸化物を用い、実施例１の場合と同様の構成のリチウム二次電池を作製した。このリチウム二次電池を実施例１３の二次電池とした。
【００４９】
〈実施例１４〉
実施例１の場合のリチウムニッケル複合酸化物の生成において、混合するそれぞれの原料の混合比を変更することにより、組成式Ｌｉ1.04Ｍｇ0.001Ｍｎ0.1Ａｌ0.22Ｎｉ0.679Ｏ2で表されるリチウムニッケル複合酸化物を生成した。このリチウムニッケル複合酸化物を用い、実施例１の場合と同様の構成のリチウム二次電池を作製した。このリチウム二次電池を実施例１４の二次電池とした。
【００５０】
〈実施例１５〉
実施例１の場合のリチウムニッケル複合酸化物の生成において、混合するそれぞれの原料の混合比を変更することにより、組成式Ｌｉ1.05Ｍｇ0.08Ｍｎ0.13Ａｌ0.06Ｎｉ0.73Ｏ2で表されるリチウムニッケル複合酸化物を生成した。このリチウムニッケル複合酸化物を用い、実施例１の場合と同様の構成のリチウム二次電池を作製した。このリチウム二次電池を実施例１５の二次電池とした。
【００５１】
〈実施例１６〉
実施例１場合の二次電池の作製において、黒鉛化メソフェーズ小球体に代えて、コークスを負極活物質に使用することにより、別の二次電池を作製した。他の構成要素は実施例１の二次電池と同様である。この二次電池を実施例１６の二次電池とした。
【００５２】
〈実施例１７〉
実施例１場合の二次電池の作製において、黒鉛化メソフェーズ小球体に代えて、黒鉛化メソフェーズ小球体とコークスとを重量比で７：３に混合した混合物を負極活物質に使用することにより、別の二次電池を作製した。他の構成要素は実施例１の二次電池と同様である。この二次電池を実施例１７の二次電池とした。
【００５３】
〈実施例１８〉
実施例１場合の二次電池の作製において、黒鉛化メソフェーズ小球体に代えて、黒鉛化メソフェーズ小球体とハードカーボンとを重量比で７：３に混合した混合物を負極活物質に使用することにより、別の二次電池を作製した。他の構成要素は実施例１の二次電池と同様である。この二次電池を実施例１８の二次電池とした。
【００５４】
〈実施例１９〉
実施例１場合の二次電池の作製において、黒鉛化メソフェーズ小球体に代えて、ハードカーボンを負極活物質に使用することにより、別の二次電池を作製した。他の構成要素は実施例１の二次電池と同様である。この二次電池を実施例１９の二次電池とした。
【００５５】
〈比較例１〉
実施例１の場合のリチウムニッケル複合酸化物の生成において、ＭｇＯを混合させず、他の原料の混合比を変更させて、組成式Ｌｉ1.01Ｍｎ0.1Ａｌ0.05Ｎｉ0.85Ｏ2で表されるリチウムニッケル複合酸化物を生成した。このリチウムニッケル複合酸化物を用い、実施例１の場合と同様の構成のリチウム二次電池を作製した。このリチウム二次電池を比較例１の二次電池とした。
【００５６】
〈比較例２〉
実施例１の場合のリチウムニッケル複合酸化物の生成において、Ａｌ2Ｏ3を混合させず、他の原料の混合比を変更させて、組成式Ｌｉ1.01Ｍｇ0.002Ｍｎ0.05Ｎｉ0.949Ｏ2で表されるリチウムニッケル複合酸化物を生成した。このリチウムニッケル複合酸化物を用い、実施例１の場合と同様の構成のリチウム二次電池を作製した。このリチウム二次電池を比較例２の二次電池とした。
【００５７】
〈比較例３〉
実施例１の場合のリチウムニッケル複合酸化物の生成において、Ｍｎ2Ｏ3を混合させず、他の原料の混合比を変更させて、組成式Ｌｉ1.01Ｍｇ0.002Ａｌ0.05Ｎｉ0.949Ｏ2で表されるリチウムニッケル複合酸化物を生成した。このリチウムニッケル複合酸化物を用い、実施例１の場合と同様の構成のリチウム二次電池を作製した。このリチウム二次電池を比較例２の二次電池とした。
【００５８】
〈リチウム二次電池の特性評価〉
上記実施例および比較例の各二次電池に対して、充放電サイクル試験を行い、二次電池の特性を評価した。充放電サイクル試験は、電池の実使用温度範囲と目される６０℃の環境温度の下、２ｍＡ／ｃｍ2の電流密度で、充電電圧４．２Ｖまで定電流充電を行った後放電電圧３．０Ｖまで定電流放電を行うことを１サイクルとし、これを５００サイクル以上繰り返すものとした。
【００５９】
試験の結果として、各リチウム二次電池の正極活物質単位重量当たりの初期放電容量（１サイクル目の放電容量）、５００サイクル後容量維持率（５００サイクル目の放電容量／初期放電容量×１００％）を下記表１に示す。なお、正極活物質として用いたリチウムニッケル複合酸化物の組成、および粉末Ｘ線回折法による（００３）面の回折線の強度Ｉ003と（１０４）面の回折線の強度Ｉ104との比Ｉ003／Ｉ104をも併せて示す。
【００６０】
【表１】
0004650774.tif 000002
【００６１】
表１から明らかなように、置換元素としてＭｎ、Ａｌ、Ｍｇの３つのいずれかの元素が含まれていないリチウムニッケル複合酸化物を正極活物質に用いた比較例１、２、３の二次電池と比較して、置換元素として３つをすべて含む実施例１の二次電池は、サイクル特性が良好であることが判る。このことから、ＮｉサイトをＭｎおよびＡｌで置換し、さらにＬｉサイトをＭｇで置換した本発明のリチウムニッケル複合酸化物を正極活物質に用いたリチウム二次電池は、サイクル特性、特に高温使用時のサイクル特性に優れることが判る。
【００６２】
次に組成を種々変更させた実施例１〜１５の二次電池を比較してみる。この比較により、以下のことが判る。実施例９および１０の二次電池は、電池容量が比較的大きく、サイクル特性は良好であった。実施例１の二次電池は、Ｍｇが比較的少ないため、容量は大きいがサイクル特性で若干劣るものとなった。実施例３および４の二次電池は、Ｍｎが比較的少なく、サイクル特性が若干劣るものとなった。実施例５および６の二次電池は、Ｍｎが比較的多いため、容量が若干小さいものとなった。実施例７の二次電池は、Ｍｎ、Ａｌのいずれもが少ないため、容量は大きいがサイクル特性が若干劣るものとなった。実施例８の二次電池は、Ｍｎが比較的少なく、Ａｌはやや多く、そのためサイクル特性が若干劣るものとなった。実施例１２の二次電池は、Ｍｎ、Ａｌのいずれも多いため、容量がかなり小さなものとなった。実施例１３の二次電池は、Ａｌが比較的少ないため、サイクル特性が若干劣るものとなった。実施例１４の二次電池は、Ａｌが比較的多いため、容量がかなり小さいものとなった。実施例１５の二次電池は、Ｍｇが比較的多いため容量がかなり小さいものとなった。
【００６３】
以上の結果から、電池容量とサイクル特性のバランスのとれた実用的な二次電池を構成するためには、組成式ＬｉvＭｇwＭｎxＡｌyＮｉzＯ2において、それぞれの組成比が、０．９５≦ｖ≦１．０５、０．００１≦ｗ≦０．０５、０．０５≦ｘ≦０．２、０．０２≦ｙ≦０．２、０．５５≦ｚ≦０．９の範囲にあるリチウムニッケル複合酸化物を、正極活物質として用いることが望ましいことが確認できる。
【００６４】
次に、焼成温度変更した実施例２と実施例１０との比較から、焼成温度が８５０℃であるリチウムニッケル複合酸物を用いた実施例１０の二次電池に比べ、焼成温度が８００℃であるリチウムニッケル複合酸物を用いた実施例２の二次電池は、初期放電容量が小さいものの、サイクル維持率において優り、よりサイクル特性が良好なものとなっている。この理由は、層状構造の発達度合が低いために、正極活物質としての低電位部分を利用していないためであると考える。したがって、焼成温度は、初期容量とサイクル特性との兼ね合いを考え、作製しようとするリチウム二次電池の特性に応じて決定すればよい。
【００６５】
さらに、負極活物質の種類によるリチウム二次電池の特性について考える。黒鉛化メソフェーズ小球体のみを負極活物質に用いた実施例１の二次電池に比較して、コークスまたはハードカーボンという黒鉛化度の低い材料を単独であるいは混合して用いた実施例１６〜１８の二次電池は、初期放電容量について劣るものの、容量維持率において優るものとなっている。これは、黒鉛化度の低い材料が、正極から離脱するＬｉが過度な状態となるのを抑制する作用を有することをよく表した結果となっている。負極活物質に用いる炭素材料についても、初期容量とサイクル特性との兼ね合いを考え、作製しようとするリチウム二次電池の特性に応じて決定すればよいことが確認できる。
【００６６】
【発明の効果】
本発明のリチウムニッケル複合酸化物は、層状岩塩構造リチウムニッケル複合酸化物において、ＮｉサイトをＭｎおよびＡｌで、ＬｉサイトをＭｇ置換した構成のものである。このような構成をもつ本発明のリチウムニッケル複合酸化物は、安価であって、放電容量が大きく、かつ、繰り返す充放電サイクルによっても放電容量の低下の小さいリチウム二次電池を構成することのできる正極活物質となる。したがって、正極活物質にこのリチウムニッケル複合酸化物を用いた本発明のリチウム二次電池は、安価であり、放電容量が大きく、サイクル特性特に高温使用時におけるサイクル特性の良好な二次電池となる。