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公開番号2025178180
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-12-05
出願番号2025084692
出願日2025-05-21
発明の名称リチウム二次電池用正極活物質及びこれを含むリチウム二次電池
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 4/505 20100101AFI20251128BHJP(基本的電気素子)
要約【課題】高いエネルギー密度を有し、寿命特性が向上されたリチウム二次電池用正極活物質を提供する。
【解決手段】本発明は正極活物質、これを含む正極及び前記正極を含むリチウム二次電池に関し、より詳細には、スピネル結晶構造を有する第1リチウム複合酸化物を含む第1粒子、層状結晶構造を有する第2リチウム複合酸化物を含む第2粒子、及び層状結晶構造を有する第3リチウム複合酸化物を含む第3粒子を含み、前記第2粒子の平均粒径は前記第3粒子の平均粒径より大きい。前記第1乃至第3粒子の総重量に対して前記第1粒子は第1重量比を有し、前記総重量に対して第2粒子は第2重量比を有し、前記総重量に対して前記第3粒子は第3重量比を有し、前記第1重量比は、前記第2重量比と前記第3重量比の和より大きい。
【選択図】図2
特許請求の範囲【請求項１】
スピネル結晶構造を有する第１リチウム複合酸化物を含む第１粒子と、
層状結晶構造を有する第２リチウム複合酸化物を含む第２粒子と、
層状結晶構造を有する第３リチウム複合酸化物を含む第３粒子と、を含み、
前記第２粒子の平均粒径は、前記第３粒子の平均粒径より大きく、
前記第１乃至第３粒子の総重量に対して前記第１粒子は、第１重量比を有し、
前記総重量に対して前記第２粒子は、第２重量比を有し、
前記総重量に対して前記第３粒子は、第３重量比を有し、
前記第１重量比は、前記第２重量比と前記第３重量比の和より大きい正極活物質。
続きを表示（約 2,000 文字）【請求項２】
前記第２粒子の平均粒径は、前記第３粒子の平均粒径の４倍乃至２０倍である、請求項１に記載の正極活物質。
【請求項３】
前記第２粒子は、複数の１次粒子（ｐｒｉｍａｒｙｐａｒｔｉｃｌｅ）を含む２次粒子（ｓｅｃｏｎｄａｒｙｐａｒｔｉｃｌｅ）を含み、
前記複数の１次粒子は、前記第２粒子の中心から表面まで放射状に配列される、請求項１に記載の正極活物質。
【請求項４】
請求項１に記載の前記第１リチウム複合酸化物は、下記の化学式１で表示される正極活物質。
［化学式１］
Ｌｉ
a
Ｍ
2
Ｏ
4
前記化学式１で、１．０≦ａ≦１．１であり、
Ｍは、マンガン及び４族乃至１３族元素の中で選択された１つ以上の他の元素である。
【請求項５】
請求項１に記載の前記第１リチウム複合酸化物は、下記の化学式２で表示される正極活物質。
［化学式２］
Ｌｉ
a
Ｍｎ
b
Ｍ１
c
Ｍ２
d
Ｏ
4
前記化学式２で、０．９≦ａ≦１．１、０＜ｂ≦２．０、０≦ｃ＜２．０、０≦ｄ＜０．１、ｂ＋ｃ＋ｄ＝２であり、
Ｍ１及びＭ２は、互いに異なり、各々Ｃｏ、Ｎｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｚｒ、Ｒｅ、Ａｌ、Ｂ、Ｇｅ、Ｒｕ、Ｓｎ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｍｏ、及びＰｔから成された群で選択された１つである。
【請求項６】
請求項１に記載の前記第１リチウム複合酸化物は、下記の化学式３で表示される正極活物質。
［化学式３］
Ｌｉ
a
Ｍｎ
b
Ｃｏ
c
Ｍ２
d
Ｏ
4
前記化学式３で、０．９≦ａ≦１．１、０＜ｂ＜２．０、０＜ｃ＜２．０、０≦ｄ＜０．１、ｂ＋ｃ＋ｄ＝２であり、
Ｍ２は、Ｖ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｚｒ、Ｒｅ、Ａｌ、Ｂ、Ｇｅ、Ｒｕ、Ｓｎ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｍｏ、及びＰｔから成された群で選択された１つである。
【請求項７】
前記第２リチウム複合酸化物及び前記第３リチウム複合酸化物は、各々独立的に下記の化学式４で表示される請求項１に記載の正極活物質。
［化学式４］
Ｌｉ
a
Ｍ’Ｏ
2
前記化学式４で、０．９≦ａ≦１．１であり、
Ｍ’は、ニッケル及び４族乃至１３族元素の中で選択された１つ以上の他の元素であり、Ｍ’の中でニッケル含量は、７０ａｔ％以上１００ａｔ％未満である。
【請求項８】
前記第２リチウム複合酸化物及び前記第３リチウム複合酸化物は、各々独立的に下記の化学式５で表示される請求項１に記載の正極活物質。
［化学式５］
Ｌｉ
a
Ｎｉ
b
Ｍ３
c
Ｍ４
d
Ｍ５
e
Ｏ
2
前記化学式５で、０．９≦ａ≦１．１、０．７＜ｂ＜１．０、０＜ｃ＜０．３、０＜ｄ＜０．３、０≦ｅ＜０．１、ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ＝１であり、
Ｍ３、Ｍ４、及びＭ５は、互いに異なり、各々Ｍｎ、Ｖ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｚｒ、Ｒｅ、Ａｌ、Ｂ、Ｇｅ、Ｒｕ、Ｓｎ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｍｏ、及びＰｔから成された群で選択された１つである。
【請求項９】
前記第２リチウム複合酸化物及び前記第３リチウム複合酸化物は、各々独立的に下記の化学式６で表示される請求項１に記載の正極活物質。
［化学式６］
Ｌｉ
a
Ｎｉ
b
Ｃｏ
c
Ｍｎ
d
Ｍ５
e
Ｏ
2
前記化学式６で、０．９≦ａ≦１．１、０．７＜ｂ＜１．０、０＜ｃ＜０．３、０＜ｄ＜０．３、０≦ｅ＜０．１、ｂ＋ｃ＋ｄ＋ｅ＝１であり、
Ｍ５は、Ｖ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｚｒ、Ｒｅ、Ａｌ、Ｂ、Ｇｅ、Ｒｕ、Ｓｎ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｍｏ、及びＰｔから成された群で選択された１つである。
【請求項１０】
前記第２リチウム複合酸化物及び前記第３リチウム複合酸化物は、各々独立的に下記の化学式７で表示される請求項１に記載の正極活物質。
［化学式７］
ａＬｉ
2
ＭｎＯ
3
－（１－ａ）ＬｉＭ’Ｏ
2
前記化学式７で、０＜ａ＜１であり、
Ｍ’は、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｖ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｚｒ、Ｒｅ、Ａｌ、Ｂ、Ｇｅ、Ｒｕ、Ｓｎ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｍｏ、及びＰｔから成された群で選択された２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】
本発明は正極活物質、その製造方法、これを含む正極、及び前記正極を含むリチウム二次電池に関するものである。
続きを表示（約 1,100 文字）【背景技術】
【０００２】
物質の物理的反応や化学的反応を通じて電気エネルギーを生成させて外部に電源を供給する電池（ｂａｔｔｅｒｙ）は各種電気電子機器に囲まれている生活環境に応じて、建物に供給される交流電源を獲得できない場合や直流電源が必要とする場合に使用する。
【０００３】
このような電池の中で化学的反応を利用する化学電池である１次電池と２次電池が一般的に使用されている。１次電池は乾電池を通称することとして消耗性電池である。反面、２次電池は正極と負極で酸化／還元過程が反復可能な再充電式電池である。電流によって正極に対する還元反応が遂行されれば、電池が充電され、正極に対する酸化反応が遂行されれば、電池が放電される。２次電池はこのような充電－放電が反復的に遂行される。
【０００４】
リチウム二次電池において、ニッケルを高含量に含有するリチウム複合酸化物で成された正極活物質が注目を集めている。前記正極活物質は高いエネルギー密度を有するが、ニッケル含量が高くなるにつれて、電池の寿命及び安定性が急激に減少する問題点がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明が解決しようとする課題は、高いエネルギー密度を有し、寿命特性が向上されたリチウム二次電池用正極活物質を提供することにある。
【０００６】
本発明が解決しようとする他の課題は、出力が優れ、寿命及び容量維持特性が向上されたリチウム二次電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の概念による正極活物質は、スピネル結晶構造を有する第１リチウム複合酸化物を含む第１粒子、層状結晶構造を有する第２リチウム複合酸化物を含む第２粒子、及び層状結晶構造を有する第３リチウム複合酸化物を含む第３粒子を含むことができる。前記第１乃至第３粒子の総重量に対して前記第１粒子は第１重量比を有し、前記総重量に対して前記第２粒子は第２重量比を有し、前記総重量に対して前記第３粒子は第３重量比を有し、前記第１重量比は、前記第２重量比と前記第３重量比の和より大きくしうる。
【０００８】
本発明の他の概念による、リチウム二次電池用正極は、上述した正極活物質を含むことができる。
【０００９】
本発明のその他の概念によるリチウム二次電池は、上述した正極を含むことができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によるリチウム二次電池用正極活物質において、スピネル結晶構造を有する第１粒子の重量比が、層状結晶構造を有する第２粒子及び第３粒子の重量比の和よりさらに大きくしうる。
（【００１１】以降は省略されています）

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