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公開番号2025106810
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-07-16
出願番号2025000115
出願日2025-01-06
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.
代理人弁理士法人谷・阿部特許事務所
主分類H01M 4/525 20100101AFI20250709BHJP(基本的電気素子)
要約【課題】初期放電容量と初期充放電効率が高く、長寿命特性の実現が可能な正極活物質とその製造方法を提供する。
【解決手段】第1リチウムニッケル系複合酸化物を含み、複数の1次粒子が凝集してなる2次粒子形態であり、前記2次粒子の平均粒径D₅₀が10μmないし25μmの第1正極活物質と、第2リチウムニッケル系複合酸化物を含み、前記と同様の形態の2次粒子の平均粒径D₅₀が0.5μmないし8μmの第2正極活物質と、第3リチウムニッケル系複合酸化物を含み、前記と同様の形態の2次粒子の平均粒径D₅₀が0.5μmないし8μmであり、前記2次粒子は針状形の1次粒子を含む第3正極活物質と、を含み、第3リチウムニッケル系複合酸化物でリチウムを除く金属全体に対するニッケルの含有量は、第2リチウムニッケル系複合酸化物でリチウムを除く金属全体に対するニッケルの含有量より高いものである、正極活物質である。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
第１リチウムニッケル系複合酸化物を含み、複数の１次粒子が凝集してなる２次粒子形態であり、前記２次粒子の平均粒径Ｄ
50
が１０μｍないし２５μｍの第１正極活物質と、
第２リチウムニッケル系複合酸化物を含み、複数の１次粒子が凝集してなる２次粒子形態であり、前記２次粒子の平均粒径Ｄ
50
が０．５μｍないし８μｍの第２正極活物質と、
第３リチウムニッケル系複合酸化物を含み、複数の１次粒子が凝集してなる２次粒子形態であり、前記２次粒子の平均粒径Ｄ
50
が０．５μｍないし８μｍであり、前記２次粒子は針状形の１次粒子を含む第３正極活物質と、を含み、
第３リチウムニッケル系複合酸化物でリチウムを除く金属全体に対するニッケルの含有量は、第２リチウムニッケル系複合酸化物でリチウムを除く金属全体に対するニッケルの含有量より高いものである、正極活物質。
続きを表示（約 2,100 文字）【請求項２】
第３リチウムニッケル系複合酸化物でリチウムを除く金属全体に対するニッケルの含有量は、第２リチウムニッケル系複合酸化物でリチウムを除く金属全体に対するニッケルの含有量より１モル％ないし５モル％さらに高い、請求項１に記載の正極活物質。
【請求項３】
第２リチウムニッケル系複合酸化物と第３リチウムニッケル系複合酸化物とは、リチウムとニッケル以外の金属Ｍをさらに含み、
第３リチウムニッケル系複合酸化物でリチウムを除く金属全体に対する金属Ｍの含有量は、第２リチウムニッケル系複合酸化物でリチウムを除く金属全体に対する金属Ｍの含有量より１モル％ないし５モル％さらに低いものである、請求項１に記載の正極活物質。
【請求項４】
第３正極活物質の前記２次粒子は、球形、楕円球形、多角立体形、または無定形（ｉｒｒｅｇｕｌａｒｓｈａｐｅ）、またはこれらの組み合わせであり、針状形ではない、請求項１に記載の正極活物質。
【請求項５】
第２正極活物質で前記２次粒子をなす１次粒子は、球形、楕円球形、多角立体形、板状形、無定形、またはこれらの組み合わせであり、針状形ではない、請求項１に記載の正極活物質。
【請求項６】
第３正極活物質は、第１正極活物質に接触しているか、隣接するように位置している、請求項１に記載の正極活物質。
【請求項７】
第１リチウムニッケル系複合酸化物でリチウムを除く金属全体１００モル％に対するニッケルの含有量、第２リチウムニッケル系複合酸化物でリチウムを除く金属全体１００モル％に対するニッケルの含有量、および第３リチウムニッケル系複合酸化物でリチウムを除く金属全体１００モル％に対するニッケルの含有量は、それぞれ独立して５０モル％ないし９９モル％である、請求項１に記載の正極活物質。
【請求項８】
第１リチウムニッケル系複合酸化物でリチウムを除く金属全体１００モル％に対するニッケルの含有量、第２リチウムニッケル系複合酸化物でリチウムを除く金属全体１００モル％に対するニッケルの含有量、および第３リチウムニッケル系複合酸化物でリチウムを除く金属全体１００モル％に対するニッケルの含有量は、それぞれ独立して５０モル％ないし７０モル％である、請求項７に記載の正極活物質。
【請求項９】
第１リチウムニッケル系複合酸化物は化学式１で表され、第２リチウムニッケル系複合酸化物は化学式３で表され、第３リチウムニッケル系複合酸化物は化学式５で表される、請求項１に記載の正極活物質。
［化学式１］
Ｌｉ
a1
Ｎｉ
x1
Ｍ
1
y1
Ｏ
2-b1
Ｘ
b1
前記の化学式１で、０．９≦ａ１≦１．２、０．５≦ｘ１＜１、０＜ｙ１≦０．５、０．９≦ｘ１＋ｙ１≦１．１、および０≦ｂ１≦０．１であり、Ｍ
1
は、Ａｌ、Ｂ、Ｂａ、Ｃａ、Ｃｅ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｓｉ、Ｓｎ、Ｓｒ、Ｔｉ、Ｖ、Ｗ、Ｙ、Ｚｎ、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り、
［化学式３］
Ｌｉ
a3
Ｎｉ
x3
Ｍ
4
y3
Ｏ
2-b3
Ｘ
b3
前記の化学式３で、０．９≦ａ３≦１．２、０．５≦ｘ３＜１、０＜ｙ３≦０．５、０．９≦ｘ３＋ｙ３≦１．１、および０≦ｂ３≦０．１であり、Ｍ
4
は、Ａｌ、Ｂ、Ｂａ、Ｃａ、Ｃｅ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｓｉ、Ｓｎ、Ｓｒ、Ｔｉ、Ｖ、Ｗ、Ｙ、Ｚｎ、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り、
［化学式５］
Ｌｉ
a5
Ｎｉ
x5
Ｍ
7
y5
Ｏ
2-b5
Ｘ
b5
前記の化学式５で、０．９≦ａ５≦１．２、０．５≦ｘ５＜１、０＜ｙ５≦０．５、０．９≦ｘ５＋ｙ５≦１．１、および０≦ｂ５≦０．１であり、Ｍ
7
は、Ａｌ、Ｂ、Ｂａ、Ｃａ、Ｃｅ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｓｉ、Ｓｎ、Ｓｒ、Ｔｉ、Ｖ、Ｗ、Ｙ、Ｚｎ、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１０】
第１正極活物質、第２正極活物質、および第３正極活物質の総１００重量％に対して、
第１正極活物質は、６０重量％ないし８５重量％で含まれ、
第２正極活物質と第３正極活物質との合計量は、１５重量％ないし４０重量％である、請求項１に記載の正極活物質。
（【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 1,800 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。ニッケル系正極活物質は、高容量および高エネルギー密度を実現することができ、活発に開発されている材料であるが、合成工法が比較的に単純で工程を通じて正極活物質の特性を改善するには限界がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
初期放電容量と初期充放電効率が高く、長寿命特性の実現が可能な正極活物質とその製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
一実施形態では、第１リチウムニッケル系複合酸化物を含み、複数の１次粒子が凝集してなる２次粒子形態であり、前記２次粒子の平均粒径Ｄ
50
が１０μｍないし２５μｍの第１正極活物質と、第２リチウムニッケル系複合酸化物を含み、複数の１次粒子が凝集してなる２次粒子形態であり、前記２次粒子の平均粒径Ｄ
50
が０．５μｍないし８μｍの第２正極活物質と、第３リチウムニッケル系複合酸化物を含み、複数の１次粒子が凝集してなる２次粒子形態であり、前記２次粒子の平均粒径Ｄ
50
が０．５μｍないし８μｍであり、前記２次粒子は針状形の１次粒子を含む第３正極活物質と、を含み、第３リチウムニッケル系複合酸化物でリチウムを除く金属全体に対するニッケルの含有量は、第２リチウムニッケル系複合酸化物でリチウムを除く金属全体に対するニッケルの含有量より高いものである正極活物質を提供する。
他の一実施形態では、平均粒径Ｄ
50
が１０μｍないし２５μｍの第１ニッケル系水酸化物と第１リチウム原料とを混合し、第１ニッケル系水酸化物の金属全体に対する第１リチウム原料のリチウムのモル比率が１．０９以上となるように混合して第１熱処理するステップと、第１熱処理生成物と平均粒径Ｄ
50
が０．５μｍないし８μｍの第２ニッケル系水酸化物および第２リチウム原料とを混合して第２熱処理するステップ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、前述した正極活物質を含むリチウム二次電池用正極を提供する。
【０００７】
他の一実施形態では、前記正極と、負極と、電解質と、を含むリチウム二次電池を提供する。
【発明の効果】
【０００８】
一実施形態により製造された正極活物質は、初期充放電効率が高く、長寿命特性の実現が可能である。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
図１は、一実施形態に係るリチウム二次電池を概略的に示す断面図である。
図２は、一実施形態に係るリチウム二次電池を概略的に示す断面図である。
図３は、一実施形態に係るリチウム二次電池を概略的に示す断面図である。
図４は、一実施形態に係るリチウム二次電池を概略的に示す断面図である。
図５は、実施例１で製造した正極活物質に対するＳＥＭイメージである。
図６は、実施例１で製造した正極活物質の断面に対するＳＥＭイメージである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、具体的な実施形態について、この技術分野における通常の知識を有する者が容易に実施できるように詳細に説明する。しかし、本発明は、色々な異なる形態で実施することができ、ここで説明する実施形態に限定されない。
（【００１１】以降は省略されています）

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