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公開番号2025106812
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-07-16
出願番号2025000118
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】正極活物質前駆体合成過程を省略して全体的な生産費用と加工費用を節減し工程性を改善した新たなワンステッププロセスのニッケル系単粒子正極活物質の製造方法を提案し、粒度分布が均一で初期放電容量と初期放電効率が高く長寿命特性の実現が可能な正極活物質の製造方法、そしてこの方法で製造された正極活物質を含むリチウム二次電池を提供する。
【解決手段】一実施形態による正極活物質の製造方法では、水系溶媒にリチウムカーボネート、ニッケルカーボネート、およびコバルトカーボネートを投入し混合して原料混合物を準備し、前記原料混合物を湿式粉砕し、粉砕物を噴霧乾燥して正極活物質前駆体混合物を得て、そして前記正極活物質前駆体混合物を熱処理してリチウムニッケル-コバルト系複合酸化物を含み単粒子形態である正極活物質を得ることを含む。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
水系溶媒にリチウムカーボネート、ニッケルカーボネート、およびコバルトカーボネートを投入し混合して原料混合物を準備し、
前記原料混合物を湿式粉砕し、
粉砕物を噴霧乾燥して正極活物質前駆体混合物を得て、そして
前記正極活物質前駆体混合物を熱処理して、リチウムニッケル－コバルト系複合酸化物を含有し単粒子形態である正極活物質を得ることを含む、正極活物質の製造方法。
続きを表示（約 1,500 文字）【請求項２】
前記原料混合物を準備する段階で、マンガンカーボネート、アルミニウム水酸化物、アルミニウム酸化物、またはこれらの組み合わせをさらに混合する、請求項１に記載の正極活物質の製造方法。
【請求項３】
前記原料混合物を準備する段階でドーパント原料をさらに混合し、
前記ドーパントはＢ、Ｂａ、Ｃａ、Ｃｅ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｓｉ、Ｓｎ、Ｓｒ、Ｔｉ、Ｖ、Ｗ、Ｚｒ、またはこれらの組み合わせを含む、請求項１に記載の正極活物質の製造方法。
【請求項４】
前記湿式粉砕は、ジルコニアボールミリングを用いて２０００ｒｐｍ～５０００ｒｐｍで５分～１２０分間粉砕することである、請求項１に記載の正極活物質の製造方法。
【請求項５】
前記湿式粉砕は、粉砕された粒子の平均粒径（Ｄ
50
）が０．５μｍ以下になるまで粉砕することである、請求項１に記載の正極活物質の製造方法。
【請求項６】
前記噴霧乾燥は、熱風温度を２００℃～３００℃に設定し排気熱風温度を１００℃～１５０℃に設定して行うことである、請求項１に記載の正極活物質の製造方法。
【請求項７】
前記正極活物質前駆体混合物を熱処理することは、酸素雰囲気で８００℃～１０００℃の温度範囲で４時間～２４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８】
得られたリチウムニッケル－コバルト系複合酸化物は化学式１で表される、請求項１に記載の正極活物質の製造方法：
［化学式１］
Ｌｉ
a1
Ｎｉ
x1
Ｃｏ
y1
Ｍ
1
z1
Ｏ２
-b1
Ｘ
b1
上記化学式１中、０．９≦ａ１≦１．８、０．３≦ｘ１＜１、０＜ｙ１≦０．７、０≦ｚ１≦０．４、０．９≦ｘ１＋ｙ１＋ｚ１≦１．１、および０≦ｂ１≦０．１であり、Ｍ
1
はＡｌ、Ｂ、Ｂａ、Ｃａ、Ｃｅ、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、Ｓ、またはこれらの組み合わせである。
【請求項９】
得られたリチウムニッケル－コバルト系複合酸化物は化学式２で表される、請求項８に記載の正極活物質の製造方法：
［化学式２］
Ｌｉ
a2
Ｎｉ
x2
Ｃｏ
y2
Ｍ
2
z2
Ｍ
3
w2
Ｏ
2-b2
Ｘ
b2
上記化学式２中、０．９≦ａ２≦１．８、０．３≦ｘ２≦０．９８、０．０１≦ｙ２≦０．４、０．０１≦ｚ２≦０．４、０≦ｗ２≦０．１、０．９≦ｘ２＋ｙ２＋ｚ２＋ｗ２≦１．１、および０≦ｂ２≦０．１であり、Ｍ
2
はＡｌ、Ｍｎ、またはこれらの組み合わせであり、Ｍ
3
はＢ、Ｂａ、Ｃａ、Ｃｅ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｍｇ、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、Ｓ、またはこれらの組み合わせである。
【請求項１０】
製造された単粒子の平均粒径（Ｄ
50
）は０．５μｍ～８μｍである、請求項１に記載の正極活物質の製造方法。
（【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 1,700 文字）【背景技術】
【０００２】
携帯電話、ノートパソコン、スマートフォ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しながらも携帯が容易なリチウム二次電池が主に使用されている。最近はエネルギー密度の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使用するための研究が活発に行われている。
【０００３】
このような用途に符合する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。そのうち、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使用される。ニッケル系正極活物質は一般に複数の１次粒子が凝集してなる２次粒子形態であるが、粉砕または高熱処理などの方法で単粒子形態に製造する方法が提案された。単粒子形態のニッケル系正極活物質は寿命特性を向上させることができ、２次粒子形態と混合される場合にはエネルギー密度を高めることができる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
正極活物質前駆体合成過程を省略して全体的な生産費用と加工費用を節減し工程性を改善した新たなワンステッププロセスのニッケル系単粒子正極活物質の製造方法を提案し、粒度分布が均一で初期放電容量と初期放電効率が高く長寿命特性の実現が可能な正極活物質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、水系溶媒にリチウムカーボネート、ニッケルカーボネート、およびコバルトカーボネートを投入し混合して原料混合物を準備し、前記原料混合物を湿式粉砕し、粉砕物を噴霧乾燥（ｓｐｒａｙｄｒｙｉｎｇ）して正極活物質前駆体混合物を得て、そして前記正極活物質前駆体混合物を焼成してリチウムニッケル－コバルト系複合酸化物を含み単粒子（ｓｉｎｇｌｅｐａｒｔｉｃｌｅ）形態である正極活物質を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、リチウムニッケル－コバルト系複合酸化物を含み単粒子形態である正極活物質であって、前記単粒子の平均粒径（Ｄ
50
）が０．５μｍ～８μｍであり（（Ｄ
90
－Ｄ
10
）／Ｄ
50
）値が０．７～１．３０である正極活物質を提供する。
【０００７】
他の一実施形態では、前記正極活物質を含む正極、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】
【０００８】
一実施形態による正極活物質の製造方法は、ニッケル系単粒子正極活物質を製造する方法であって、前駆体合成過程が省略されて全体的な生産費用と加工費用などが顕著に低減され工程性が改善された新たなワンステップ合成方法である。これによって製造された正極活物質は非常に均一な粒度分布を有することができ、これを適用したリチウム二次電池は高い初期放電容量と初期充放電効率を実現し優れた寿命特性を示すことができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
一実施形態によるリチウム二次電池を概略的に示した断面図である。
一実施形態によるリチウム二次電池を概略的に示した断面図である。
一実施形態によるリチウム二次電池を概略的に示した断面図である。
一実施形態によるリチウム二次電池を概略的に示した断面図である。
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。
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。
【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することができるように詳しく説明する。しかし、本発明は様々の異なる形態で実現でき、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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