[发明专利]非水电解质二次电池用正极活性物质以及使用其的非水电解质二次电池

说明书

技术领域

本发明涉及非水电解质二次电池用正极活性物质以及使用其的非水电 解质二次电池。更详细而言，涉及包含含有Ni、Mn和Co的含锂过渡金属 氧化物的正极活性物质。

背景技术

非水电解质二次电池或锂离子二次电池正广泛应用于便携式电话或笔 记本电脑等便携式设备用电源。非水电解质二次电池对于今天的无所不在 的网络社会是不可欠缺的，今后还热切期望更加高容量化。最近，作为动 力工具用电源，也采用了非水电解质二次电池。将来还期望非水电解质二 次电池在混合动力汽车用电源等中的用途扩大。

从1991年锂离子二次电池被量产化开始到现在，电池的能量密度从 280Wh/L开始到580Wh/L，增加了2倍。其间，采用LiCoO₂作为正极活性物 质、采用石墨作为负极的基本设计没有改变。但是，电池结构的改进或高 密度化的技术已经接近界限，期待着具有高容量、高性能和高安全性的新 材料的开发。

在这样的背景下，作为有望替代LiCoO₂的材料，对包含镍、锰和钴这3 种元素的三元系含锂复合氧化物的研究比较活跃。3元系含锂复合氧化物的 代表性技术如下所示。

专利文献1：美国专利6660432号公报

专利文献2：美国专利6964828号公报

专利文献3：美国专利5718989号公报

非专利文献1：T.Ohzuku和Y.Makimura，Chem.Lett.，642(2001)

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种具有高容量、高安全性且负荷特性和 循环寿命优良的非水电解质二次电池。

对包含镍、锰和钴3元素的含锂复合氧化物的组成进行了细致的研究， 结果达成了本发明。使用上述3元素的三角相图，对高容量与热稳定性的 权衡(trade-off)关系进行了研究，结果发现了新的特异点。取得了符合该 特异点的平衡的材料在工业上是极其重要的，可以飞跃性地提高含有镍、 锰和钴的材料的安全性。因此，能够提供高容量且负荷特性和循环寿命优 良的非水电解质二次电池。

本发明涉及一种非水电解质二次电池用正极活性物质，其包含具有氧 的立方紧密堆积结构的含锂过渡金属氧化物，所述含锂过渡金属氧化物的 组成由式(1)表示：

Li[Li_p(Ni_xMn_yCo_z)_1-p]O₂

x、y和z分别表示镍、锰和钴的元素比率，0.2+y≤x≤0.7，0.15≤y， 0.05≤z，x+y+z＝1，以及0≤p≤0.1。

通过使用该正极活性物质，可以得到具有高的充放电容量且同时具有 高安全性的电池。在含锂过渡金属氧化物中，优选镍、锰和钴以原子水平 均匀地分散。

在本发明的一个方式中，含锂过渡金属氧化物包含镍与锰以摩尔比计 为1∶1或2∶1的晶畴(domain)，且包含镍与钴以摩尔比计为1∶1的晶 畴。

在发明的一个方式中，由式(1)表示的组成优选包含于将镍与锰与钴 的元素比率以摩尔比计所示的三角相图中的下述区域中，所述区域是以满 足(x∶y∶z)＝(6∶2∶2)、(5∶2.5∶2.5)、(5∶3.3∶1.7)、(6.36∶ 2.73∶0.91)和(6.25∶2.5∶1.25)的5个点为顶点的五边形区域。其中， 由式(1)表示的组成优选包含在满足x/(x+y+z)＝0.55～0.65的区域中。

将正极活性物质成形为片状，在以相对于每单位面积所述片为 0.33mA/cm²以下(优选为0.13mA/cm²以上)、且相对于每单位重量的正极 活性物质为8mA/g以下(优选为3.2mA/g以上)的电流密度在相对于锂 金属电位为4.3V～3.0V的电位范围内进行充放电时，第1次循环的充电容 量与第3次循环的放电容量之差(不可逆容量)优选为20mAh/g以下，第 3次循环的可逆容量优选为165mAh/g以上。

为了测定上述不可逆容量和可逆容量，在将正极活性物质成形为片状 时，优选将含有正极活性物质85重量份、乙炔黑10重量份和聚四氟乙烯5 重量份的正极合剂成形为厚200μm的片状。