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公開番号2025098967
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-07-02
出願番号2024216055
出願日2024-12-11
発明の名称正極活物質とその製造方法、これを含む正極、およびリチウム二次電池
出願人三星エスディアイ株式会社,SAMSUNG SDI Co., LTD.,ソウル大学校産学協力団,SEOUL NATIONAL UNIVERSITY R&DB FOUNDATION
代理人弁理士法人谷・阿部特許事務所
主分類H01M 4/525 20100101AFI20250625BHJP(基本的電気素子)
要約【課題】リチウムニッケル-マンガン系複合酸化物を含む正極活物質で陽イオン混合を減少させてリチウムイオン拡散を促進し、容量、効率およびレート特性を改善して構造的安定性を強化して寿命特性を向上させること。
【解決手段】ニッケル-マンガン系複合水酸化物およびリチウム原料を混合して、200℃ないし350℃で1次熱処理し、800℃ないし1000℃で2次熱処理することを含む正極活物質の製造方法と正極活物質、これを含む正極とリチウム二次電池に関するものである。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
ニッケル－マンガン系複合水酸化物およびリチウム原料を混合して、２００℃ないし３５０℃で１次熱処理し、８００℃ないし１０００℃で２次熱処理することを含む、正極活物質の製造方法。
続きを表示（約 1,300 文字）【請求項２】
１次熱処理温度は、２２０℃ないし３００℃である、請求項１に記載の正極活物質の製造方法。
【請求項３】
１次熱処理は、酸素雰囲気で０．５時間ないし５時間行われる、請求項１に記載の正極活物質の製造方法。
【請求項４】
２次熱処理は、酸素雰囲気で４時間ないし１２時間行われる、請求項１に記載の正極活物質の製造方法。
【請求項５】
１次熱処理の時間は、２次熱処理の時間より短い、請求項１に記載の正極活物質の製造方法。
【請求項６】
前記ニッケル－マンガン系複合水酸化物で金属全体に対するニッケルの含有量は、７０モル％ないし８０モル％である、請求項１に記載の正極活物質の製造方法。
【請求項７】
前記ニッケル－マンガン系複合水酸化物は、化学式１１で表されるものである、請求項１に記載の正極活物質の製造方法。
［化学式１１］
Ｎｉ
x11
Ｍｎ
y11
Ｍ
1
z11
Ｍ
2
w11
（ＯＨ）
2
前記の化学式１１で、０．７≦ｘ１１≦０．８、０．２≦ｙ１１≦０．３、０≦ｚ１１≦０．０５、０≦ｗ１１≦０．０５、および０．９≦ｘ１１＋ｙ１１＋ｚ１１＋ｗ１１≦１．１であり、
Ｍ
1
は、Ｃｏであり、Ｍ
2
は、Ａｌ、Ｂ、Ｂａ、Ｃａ、Ｃｅ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｓｉ、Ｓｎ、Ｓｒ、Ｔｉ、Ｖ、Ｗ、およびＺｒより選択される一つ以上の元素である。
【請求項８】
前記ニッケル－マンガン系複合水酸化物は、粒子形態であり、その平均粒径Ｄ
50
は、８μｍないし２０μｍである、請求項１に記載の正極活物質の製造方法。
【請求項９】
前記ニッケル－マンガン系複合水酸化物の金属全体に対する前記リチウム原料のリチウムのモル比は１．０ないし１．２である、請求項１に記載の正極活物質の製造方法。
【請求項１０】
化学式１で表される層状型のリチウムニッケル－マンガン系複合酸化物を含む、正極活物質。
［化学式１］
Ｌｉ
a1
Ｎｉ
x1
Ｍｎ
y1
Ｍ
1
z1
Ｍ
2
w1
Ｏ
2-b1
Ｘ
b1
前記の化学式１で、０．９≦ａ１≦１．２、０．７≦ｘ１≦０．８、０．２≦ｙ１≦０．３、０≦ｚ１≦０．０５、０≦ｗ１≦０．０５、０．９≦ｘ１＋ｙ１＋ｚ１＋ｗ１≦１．１、および０≦ｂ１≦０．１であり、
Ｍ
1
は、Ｃｏであり、Ｍ
2
は、Ａｌ、Ｂ、Ｂａ、Ｃａ、Ｃｅ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｓｉ、Ｓｎ、Ｓｒ、Ｔｉ、Ｖ、Ｗ、およびＺｒより選択される一つ以上の元素であり、Ｘは、Ｆ、ＰおよびＳより選択される一つ以上の元素である。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
正極活物質とその製造方法、これを含む正極、およびリチウム二次電池に関するものである。
続きを表示（約 1,400 文字）【背景技術】
【０００２】
携帯電話、ノートパソコン、スマートホンなどの移動情報端末器の駆動電源として高いエネルギー密度を有するとともに、携帯が容易なリチウム二次電池が主に用いられている。最近は、エネルギー密度が高いリチウム二次電池をハイブリッド自動車や電気自動車の駆動用電源または電力貯蔵用電源として用いるための研究が活発に行われている。
【０００３】
このような用途に適したリチウム二次電池を実現するために多様な正極活物質が検討されている。このうち、リチウムニッケル系酸化物、リチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物、リチウムニッケルコバルトアルミニウム複合酸化物、リチウムコバルト酸化物などが主に正極活物質として用いられる。ところで、最近、大型、高容量、または高エネルギー密度のリチウム二次電池に対する需要は急増する一方、希少金属のコバルトが含有された正極活物質の供給量は非常に不足するものと予想される。つまり、コバルトは高く、残っている埋蔵量が多くないため、コバルトを除くか、その含有量を減少させた正極活物質に対する開発が必要な状況である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
リチウムニッケル－マンガン系複合酸化物を含む正極活物質で陽イオン混合を減少させてリチウムイオン拡散を促進し、容量、効率およびレート特性を改善して構造的安定性を強化して寿命特性を向上させる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
一実施形態では、ニッケル－マンガン系複合水酸化物およびリチウム原料を混合して、２００℃ないし３５０℃で１次熱処理し、８００℃ないし１０００℃で２次熱処理することを含む正極活物質の製造方法を提供する。
【０００６】
他の一実施形態では、化学式１で表される層状型のリチウムニッケル－マンガン系複合酸化物を含む正極活物質を提供する。
【０００７】
［化学式１］
Ｌｉ
a1
Ｎｉ
x1
Ｍｎ
y1
Ｍ
1
z1
Ｍ
2
w1
Ｏ
2-b1
Ｘ
b1
前記の化学式１で、０．９≦ａ１≦１．２、０．７≦ｘ１≦０．８、０．２≦ｙ１≦０．３、０≦ｚ１≦０．０５、０≦ｗ１≦０．０５、０．９≦ｘ１＋ｙ１＋ｚ１＋ｗ１≦１．１、および０≦ｂ１≦０．１であり、Ｍ
1
は、Ｃｏであり、Ｍ
2
は、Ａｌ、Ｂ、Ｂａ、Ｃａ、Ｃｅ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｓｉ、Ｓｎ、Ｓｒ、Ｔｉ、Ｖ、Ｗ、およびＺｒより選択される一つ以上の元素であり、Ｘは、Ｆ、ＰおよびＳより選択される一つ以上の元素である。
【０００８】
他の一実施形態では、前記正極活物質を含むリチウム二次電池用正極を提供する。
【０００９】
他の一実施形態では、前記正極と負極および電解質を含むリチウム二次電池を提供する。
【発明の効果】
【００１０】
一実施形態に係る正極活物質は、生産価格を最少化しながら容量を極大化したもので、陽イオン混合が減少してリチウムイオンの拡散が促進され、充放電効率と高レート特性が改善され、構造的安定性が確保されて高温寿命特性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
（【００１１】以降は省略されています）

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