JFE 技報 No. 8（2005 年 6 月）p. 60–62

製品・技術紹介

高容量で安全性の高いリチウムイオン二次電池用ニッケル系正極材料
A High Capacity and Safe Nickel-Based Cathode Material
for Lithium-Ion Batteries

2.2

1. はじめに電気容量電気容量を示す充放電特性を Fig. 1 に示す。測定は充電
現在，携帯電話やパソコンなどに使用されている電池はが 4.2 V-CC/CV（CV=1.5 h），放電は 2.9 V でカットを行い，リチウムイオン二次電池が主流であり，正極材料としては初期放電容量の測定電流は 40 mA（0.2C）で行った。なお，

コバルト酸リチウムが最も多く使用されている。しかし，評価セルは正極に 503LP，導電材およびバインダーを混合

携帯電話の高機能化などにともない，さらに高容量，長寿した正極材，負極に炭素系負極材，電解液に LiPF6/EC

命で安全性の高い正極材が求められている。一般に，ニッベースとし，200 mAh 級の小型シート状電池を作製して使ケル系正極材料は容量がコバルト酸リチウム，マンガン酸リチウムより高いことは以前から知られていた

1,2）。しかし，用した。測定結果より 181 mAh/g と高い放電気容量となった。この電気容量の値は，一般に使用されているコバルト

過充電時の温度上昇で酸素が正極材結晶から遊離し，発火や爆発を誘引するという安全性に対する問題があって，市Table 1

Powder characteristic of 503LP

場ではあまり使用されていなかった。JFE ミネラルで開発

LiNi0.78Co0.19Al0.03MxO2(x  0.000 5–0.01)
M: Na, Sr, Ba, ....

Chemical formula

したニッケル系正極材料は，ニッケルの他にコバルトやアルミニウムなどを添加（LiNi0.78Co0.19Al0.03MxO2，製品番号：Average particle size

503LP）
し，JFE ミネラルの複合酸化物合成技術，組成・結(µm)

12.2Specific surface area (m2/g)

0.383

晶制御技術を応用して，独自の合成技術により安全性に対Tap density(g/cm )2.45する課題を解決した。また，長寿命を示すサイクル特性にBulk density(g/cm3)

1.39

ついてもマンガン酸リチウムより高い評価が得られた。
以上の特性を持つニッケル系正極材料 503LP について製品紹介をする。なお，503LP は電動バイク用リチウムイオ

Charge: 40 mA, 4.2 V, CC/CV-1.5 h
Discharge: 40 mA, 2.9 V cut off
Temperature: 25°C

4.5

ン電池の正極材としてすでに採用されている。
Voltage (V)4.0

2. 製品の特性2.1

粉末特性503LP は原料を混合，焼成して合成する工程からなる。
形状は Photo 1 に示すとおり，球形で粒径が 10〜20 µm である。平均粒径，比表面積，充填密度および嵩密度の粉体

3.5Discharge capacity: 181 mAh/g

3.0Charge/discharge efficiency: 90.5%
2.50

物性値を Table 1 に示す。

10 µm

100 µmPhoto 1

SEM images of 503LP− 60 −

50

100
150Capacity (mAh/g)

Fig. 1

Charge/discharge curve

200250高容量で安全性の高いリチウムイオン二次電池用ニッケル系正極材料

酸リチウムより 20％高く，またマンガン酸リチウムよりし酸素遊離反応が加速する。最終的に遊離酸素と電解液中40％高い。の有機溶媒とが反応し，発煙や発火時には爆発を誘引する。
したがって，電池セル温度が上がる高温状態において，でサイクル特性2.3きるだけ酸素の発生を抑えることが解決の重要技術になる。

サ イ ク ル 特 性 の 測 定 条 件 は 充 電 が 4.2 V-CC/CVニッケル系正極 材の充電状 態における酸素発 生量を（CV  1.5 h），放電は 3.0 V でカットを行い，測定電流はFig. 3 に示す。測定は 4.2 V 充電した状態で正極材を取り200 mA（1C）で行った。評価セルは電気容量の測定と同様出し，洗浄，真空乾燥後，不活性雰囲気下，熱重量同時ガのセルを使用した。

ス分析で行った。従来のニッケル酸リチウムは 200°C で酸測定結果は Fig. 2 より 100 サイクル後の放電容量維持率素を発生し，230°C で急激に酸素が増加している。また，が 97％であった。同条件で測定したマンガン酸リチウムでCo を添加したニッケル酸リチウムも 200°C から酸素を発は 100 サイクルで 90％以下であり，サイクル特性について生している。しかし，503LP は 250°C でも酸素が発生しても良好な結果である。

いない。これはニッケル酸リチウム結晶に Co，Al，Ba，Sr，Na などの添加と JFE ミネラル独自の焼成技術によっ安全性

2.4て，ニッケル酸リチウムの高結晶化を達成することで高温

一般のニッケル酸リチウムの安全性に対する問題点は，下での酸素の遊離を抑えられたためと思われる。

過充電時などに発煙や発火などが発生しやすい点である。

実際に，503LP，コバルト酸リチウムおよびマンガン酸過充電時には電池セル温度が上昇し，ニッケル酸リチウムリチウムで安全性試験を行った。釘刺試験は，160 mA の結晶からリチウムイオンが過剰に抜けた不安定な状態にな定電流で 4.4 V まで充電した後，直径 5 mm のステンレスり，酸素の遊離反応とともに，さらに電池セル温度が上昇製釘で電池を貫通させた。また，過充電試験は，2.4 A（3C）の定電流で 12 V まで充電を行った。なお，評価用セルは，正極に 503LP，負極は炭素材料，電解液は LiPF6-EC/DEC
系，セパレーターはポリオレフィン微多孔膜（25 µm 厚）を

503LP

1004009530090

O2 (wt ppm/s)

Capacity ratio (%)

Charge: 200 mA, 4.2 V, CC/CV-1.5 hDischarge: 200 mA, 3.0 V cut off
Temperature: 25°C

LiMn2O485
800Fig. 2204060
Cycle number80

100

Preliminary charge: 4.2 V
LiNi0.8Co0.2O2

200

LiNiO2503LP

100
0150

200

250

300350Temperature (°C)

Cycle performance of 503LP vs. LiMn2O4
Table 2Fig. 3 Oxygen generation curve of cathode materials

Safety test and nail penetration test

Nail penetration
Cathode material

Cell tempereture(°C)

503LP52

LiCoO2–LiMn2O45950

Nail tempereture(°C)

Overcharge test
Evaluation

Cell tempereture(°C)

Evaluation

48

Good

73

Good

134

Ignition

94

GoodGood

104

Good

LiCoO2503LP

Photo 2

Safety test and nail penetration test
− 61 −

高容量で安全性の高いリチウムイオン二次電池用ニッケル系正極材料使用し，800 mAh 級，83 mm  49 mm  t 3 mm サイズのアルミニウムラミネートタイプ電池を試作し，使用した。
評 価 結 果 に つ い て Table 2 に 示 す が，釘 刺 試 験 で は503LP を使用した電池は発煙，破裂，発火が認められなかった。コバルト酸リチウムを使用した電池は発火・爆発した。釘刺試験後の状況を Photo 2 に示す。また，過充電試験ではすべての電池が発煙，破裂，発火が認められなかったが，503LP を用いた電池はコバルト酸リチウムおよPowered by ENAXびマンガン酸リチウムと比較し，電池セル温度の上昇が73°C と最も低く安全性が高いことを示した。

· Battery design: 36 V-9 Ah· Weight: 3 kg

3. 製品の採用例
リチウムイオン電池用正極材として 503LP が採用されている電動バイク用バッテリーを Photo 3 に示す。503LP をLithium ion battery

正極材に使用することで走行距離の延長，バッテリーの軽Photo 3

Example of application

量化が可能になった。

4. おわりにJFE ミネラルは高容量とともに安全性が高く，サイクル特性に優れたニッケル系正極材料 503LP を開発した。2004
年 12 月からパイロット規模の 5 t/ 月の生産設備を稼動させて，量産品のサンプルワークを開始した。今後は，さらに 50 t/ 月の生産設備に拡張する計画である。

参考文献
1） 浜野嘉昭ほか．第 45 回電池討論会予稿集．2004．
2） 浜野嘉昭ほか．第 12 回リチウム電池国際会議予稿集．2004．
〈問い合わせ先〉JFE ミネラル 機能素材事業部 機能素材営業部
TEL：03-5288-6849
FAX：03-5288-6876− 62 −