JP2024135143A - Positive electrode active material for lithium ion secondary battery, method for producing same, and lithium ion secondary battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、リチウムイオン二次電池用正極活物質、その製造方法、およびこれを用いたリチウムイオン二次電池に関する。 The present invention relates to a positive electrode active material for lithium ion secondary batteries, a method for producing the same, and a lithium ion secondary battery using the same.
近年、スマートフォンやタブレットPCなどの小型情報端末の普及に伴い、高エネルギー密度や耐久性を有する小型で軽量な二次電池に対する要求が高まっている。また、ハイブリッド自動車をはじめとする電気自動車用の電源あるいは電力貯蔵用の大型二次電池として、高出力の二次電池の開発が強く望まれている。 In recent years, with the widespread use of small information terminals such as smartphones and tablet PCs, there is an increasing demand for small, lightweight secondary batteries with high energy density and durability. There is also a strong demand for the development of high-output secondary batteries as power sources for electric vehicles, including hybrid vehicles, or large secondary batteries for power storage.
このような要求を満たす二次電池として、リチウムイオン二次電池がある。リチウムイオン二次電池は、負極、正極、電解質などで構成され、その負極および正極の材料として用いられる活物質には、リチウムイオンを放出および吸蔵することが可能な材料が使用される。このようなリチウムイオン二次電池については、現在、研究開発が盛んに行われている。その中でも、リチウム遷移金属複合酸化物を正極活物質に用いたリチウムイオン二次電池は、4V級の電圧が得られるため、高エネルギー密度を有する電池として実用化が進んでいる。 Lithium ion secondary batteries are a type of secondary battery that meets these requirements. Lithium ion secondary batteries are composed of a negative electrode, a positive electrode, an electrolyte, and the like, and the active materials used for the negative and positive electrodes are materials capable of releasing and absorbing lithium ions. Currently, research and development of such lithium ion secondary batteries is being actively conducted. Among these, lithium ion secondary batteries that use lithium transition metal composite oxides as the positive electrode active material can obtain a voltage of about 4V, and are therefore being put into practical use as batteries with high energy density.
具体的には、合成が比較的容易なリチウムコバルト複合酸化物(LiCoO2)、コバルトよりも安価なニッケルを用いたリチウムニッケル複合酸化物(LiNiO2)、リチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物(LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2)、マンガンを用いたリチウムマンガン複合酸化物(LiMn2O4)などのリチウム遷移金属複合酸化物が提案されている。これらのリチウム遷移金属複合酸化物の中でも、埋蔵量の少ないコバルトを用いずに、高い電池容量を備えた二次電池を実現できる、リチウムニッケル複合酸化物はエネルギー密度の高い材料として、近年、注目を集めている。 Specifically, lithium transition metal composite oxides such as lithium cobalt composite oxide (LiCoO 2 ), which is relatively easy to synthesize, lithium nickel composite oxide (LiNiO 2 ), which uses nickel, which is cheaper than cobalt, lithium nickel cobalt manganese composite oxide (LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 ), and lithium manganese composite oxide (LiMn 2 O 4 ), which uses manganese, have been proposed. Among these lithium transition metal composite oxides, lithium nickel composite oxide, which can realize a secondary battery with a high battery capacity without using cobalt, which is scarce in reserve, has been attracting attention in recent years as a material with high energy density.
しかしながら、リチウムニッケル複合酸化物は他のリチウム遷移金属複合酸化物に比べて、充放電を繰り返すに従い電池容量が減少していくという問題、すなわち、サイクル特性に劣るという問題と、充電状態で高温に保持した場合や、高温で充放電を繰り返した時に電池内部でのガス発生により電池が膨張するという問題がある。 However, compared to other lithium transition metal composite oxides, lithium nickel composite oxides have the problem that the battery capacity decreases with repeated charging and discharging, i.e., they have inferior cycle characteristics, and the problem that the battery expands due to gas generation inside the battery when it is kept at high temperatures in a charged state or when it is repeatedly charged and discharged at high temperatures.
電池容量の減少とガス発生が起こる原因の一つとしては、リチウムニッケル複合酸化物結晶中からLiが引き抜かれた充電状態における、Li1-xNiO2の存在があげられる。Li1-xNiO2は電荷バランス上その結晶構造から酸素が脱離しやすく、Li1-xNiO2から酸素が脱離し電気化学的に不活性なNiO相が形成されると充放電容量が低下する。また、脱離した酸素は電解液を酸化しCO2ガスを発生させ、そのため電池が膨張すると考えられている。このため、リチウムニッケル複合酸化物を正極活物質として用いたリチウムイオン二次電池のサイクル特性を改善し、ガス発生を抑制するためには、電解液との反応場となるリチウムニッケル複合酸化物粒子の表面状態を制御することが重要であると考えられる。 One of the causes of the decrease in battery capacity and gas generation is the presence of Li 1-x NiO 2 in the charged state in which Li is extracted from the lithium nickel composite oxide crystal. Li 1-x NiO 2 is prone to oxygen desorption from its crystal structure in terms of charge balance, and when oxygen is desorbed from Li 1-x NiO 2 and an electrochemically inactive NiO phase is formed, the charge/discharge capacity decreases. In addition, it is believed that the desorbed oxygen oxidizes the electrolyte and generates CO 2 gas, which causes the battery to expand. For this reason, in order to improve the cycle characteristics of a lithium ion secondary battery using a lithium nickel composite oxide as a positive electrode active material and to suppress gas generation, it is considered important to control the surface state of the lithium nickel composite oxide particles, which are the reaction field with the electrolyte.
ところでリチウムニッケル複合酸化物粒子の表面状態を制御する方法の一例として、特許文献1、2ではニッケルが遷移金属の60物質量%以上を占める高ニッケル組成の層状岩塩型リチウムニッケル複合酸化物粒子をタングステン酸リチウムで被覆することで、初期放電容量およびサイクル特性の向上が見られることが開示されている。 As an example of a method for controlling the surface state of lithium-nickel composite oxide particles, Patent Documents 1 and 2 disclose that by coating layered rock-salt type lithium-nickel composite oxide particles with a high nickel composition, in which nickel accounts for 60% or more by mass of the transition metal, with lithium tungstate, improvements in initial discharge capacity and cycle characteristics can be observed.
しかしながら、上記の提案では、リチウムイオン二次電池のガス発生による電池の膨らみ防止については検討していない。また、特許文献1では、サイクル特性として、サイクル後の容量維持率向上については言及されているが、サイクル後の抵抗増加抑制については言及されていない。また、特許文献2では、サイクル特性の向上効果について言及されているものの、リチウムニッケル複合酸化物粒子表面に存在するタングステン量については言及されていない。 However, the above proposals do not consider preventing battery swelling due to gas generation in lithium-ion secondary batteries. Furthermore, Patent Document 1 mentions improving the capacity retention rate after cycling as a cycle characteristic, but does not mention suppressing resistance increase after cycling. Furthermore, Patent Document 2 mentions the effect of improving cycle characteristics, but does not mention the amount of tungsten present on the surface of lithium nickel composite oxide particles.
そこで上記従来技術が有する問題に鑑み、本発明は、サイクル特性に優れ、かつ充放電時のガス発生の少ないリチウムイオン二次電池を構成しうるリチウムイオン二次電池用正極活物質を提供することを目的とする。 In view of the problems inherent in the above-mentioned conventional techniques, the present invention aims to provide a positive electrode active material for lithium ion secondary batteries that can be used to construct lithium ion secondary batteries that have excellent cycle characteristics and generate little gas during charging and discharging.
本発明の一態様に係るリチウムイオン二次電池用正極活物質は、リチウム遷移金属複合酸化物の粒子と、該粒子の表面の少なくとも一部を被覆した被覆層とを有するリチウムイオン二次電池用正極活物質であって、前記リチウム遷移金属複合酸化物の酸素以外の成分の物質量比Li:Ni:Co:Mがt:1-x-y:x:y(式中、MはMg、Al、Ca、Si、Mn、Ti、V、Fe、Cu、Cr、Zn、Zr、Nb、MoおよびWからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素であり、0.95≦t≦1.20、0<x≦0.22、0≦y≦0.15)で表され、前記被覆層はリチウムタングステン化合物を含み、前記被覆層を除く前記のリチウム遷移金属複合酸化物の表面積1m2当たりの、前記被覆層のW量は0.04mmol以上0.12mmol以下であることを特徴とする。 A positive electrode active material for a lithium ion secondary battery according to one embodiment of the present invention is a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery having particles of a lithium transition metal composite oxide and a coating layer coating at least a part of the surface of the particles, wherein a substance amount ratio Li:Ni:Co:M of components other than oxygen in the lithium transition metal composite oxide is expressed as t:1-x-y:x:y (wherein M is at least one element selected from the group consisting of Mg, Al, Ca, Si, Mn, Ti, V, Fe, Cu, Cr, Zn, Zr, Nb, Mo, and W, and 0.95≦t≦1.20, 0<x≦0.22, 0≦y≦0.15), the coating layer contains a lithium tungsten compound, and an amount of W in the coating layer per m2 of surface area of the lithium transition metal composite oxide excluding the coating layer is 0.04 mmol or more and 0.12 mmol or less.
このようにすれば、サイクル特性に優れ、かつ充放電時のガス発生の少ないリチウムイオン二次電池用正極活物質を提供することができる。 In this way, it is possible to provide a positive electrode active material for lithium ion secondary batteries that has excellent cycle characteristics and generates little gas during charging and discharging.
このとき、本発明の一態様では、前記リチウムイオン二次電池用正極活物質の表面に存在する、Wの物質量Wsと、Ni、Co、Wの物質量の和Nis+Cos+Wsとの比Ws/(Nis+Cos+Ws)が、0.15以上0.50以下としてもよい。 In this case, in one embodiment of the present invention, the ratio Ws/(Nis+Cos+Ws) of the amount of W present on the surface of the positive electrode active material for a lithium ion secondary battery to the sum of the amounts of Ni, Co, and W present on the surface of the positive electrode active material for a lithium ion secondary battery, Nis+Cos+Ws, may be 0.15 or more and 0.50 or less.
このようにすれば、正極活物質と電解液の間の副反応を抑制することで、電解液の過度の分解を抑制することができる。また、被覆層を形成するリチウムタングステン化合物が抵抗層となることを防ぐことができる。そ In this way, the side reaction between the positive electrode active material and the electrolyte can be suppressed, and excessive decomposition of the electrolyte can be suppressed. In addition, the lithium tungsten compound that forms the coating layer can be prevented from becoming a resistance layer.
このとき、本発明の一態様では、前記リチウム遷移金属複合酸化物が空間群R-3mに属する結晶構造としてもよい。 In this case, in one embodiment of the present invention, the lithium transition metal composite oxide may have a crystal structure belonging to the space group R-3m.
このようにすれば、本発明の一態様に係るリチウムイオン二次電池用正極活物質(以下、「正極活物質」とも言う)を用いたリチウムイオン二次電池(以下、「二次電池」とも言う)の内部抵抗を抑制することができる。 In this way, the internal resistance of a lithium ion secondary battery (hereinafter also referred to as a "secondary battery") using the positive electrode active material for a lithium ion secondary battery (hereinafter also referred to as a "positive electrode active material") according to one embodiment of the present invention can be suppressed.
このとき、本発明の一態様では、前記リチウムイオン二次電池用正極活物質の炭素含有量が0.05質量%以上0.40質量%以下としてもよい。 In this case, in one embodiment of the present invention, the carbon content of the positive electrode active material for the lithium ion secondary battery may be 0.05% by mass or more and 0.40% by mass or less.
このようにすれば、二次電池の充放電中において、例えば被覆層に含まれる有機成分の分解等に起因する二酸化炭素の発生を十分に抑制することができるため、電池の膨張等が生じることを防ぐことができる。 In this way, the generation of carbon dioxide, which is caused by, for example, the decomposition of the organic components contained in the coating layer, can be sufficiently suppressed during charging and discharging of the secondary battery, thereby preventing the battery from expanding, etc.
このとき、本発明の一態様では、前記リチウムイオン二次電池用正極活物質全体に対する、正極活物質を300℃まで加熱したときにカールフィッシャー法で測定される水分量が0.05質量%以上0.10質量%以下としてもよい。 In this case, in one embodiment of the present invention, the amount of moisture relative to the entire positive electrode active material for a lithium ion secondary battery, as measured by the Karl Fischer method when the positive electrode active material is heated to 300°C, may be 0.05% by mass or more and 0.10% by mass or less.
このようにすれば、電解液の電解質の加水分解反応を抑制し、フッ化水素等の酸性成分による、正極活物質の劣化を抑制することができる。 This can suppress the hydrolysis reaction of the electrolyte in the electrolyte solution and inhibit the deterioration of the positive electrode active material caused by acidic components such as hydrogen fluoride.
このとき、本発明の一態様では、前記リチウム遷移金属複合酸化物の粒子の比表面積が0.1m2/g以上1.0m2/g以下としてもよい。 In this case, in one embodiment of the present invention, the specific surface area of the lithium transition metal composite oxide particles may be 0.1 m 2 /g or more and 1.0 m 2 /g or less.
このようにすれば、二次電池の充放電中にリチウムイオンの脱離/挿入を十分に促進することができ、内部抵抗を十分に抑制でき、かつ、過度の電解液の分解を抑制できる。 In this way, the desorption/insertion of lithium ions can be sufficiently promoted during charging and discharging of the secondary battery, the internal resistance can be sufficiently suppressed, and excessive decomposition of the electrolyte can be suppressed.
このとき、本発明の一態様では、前記リチウム遷移金属複合酸化物の粒子の体積平均粒子径が2μm以上20μm以下としてもよい。 In this case, in one embodiment of the present invention, the volume average particle size of the lithium transition metal composite oxide particles may be 2 μm or more and 20 μm or less.
このようにすれば、リチウムイオン二次電池の体積当たりの電池容量を十分に大きくすることができ、かつ高安全性、高出力等の優れた電池特性を得ることができる。 In this way, it is possible to sufficiently increase the battery capacity per volume of the lithium-ion secondary battery, and to obtain excellent battery characteristics such as high safety and high output.
また、本発明の一態様は、上記リチウムイオン二次電池用正極活物質を用いた正極と、負極と、セパレータと、非水系電解質とを備えた、リチウムイオン二次電池であることを特徴とする。 Another aspect of the present invention is a lithium ion secondary battery comprising a positive electrode using the above-mentioned positive electrode active material for lithium ion secondary batteries, a negative electrode, a separator, and a non-aqueous electrolyte.
このようにすれば、サイクル特性に優れ、かつ充放電時のガス発生の少ないリチウムイオン二次電池を提供することができる。また、初期放電容量が高く、内部抵抗が小さいリチウムイオン二次電池を提供することができる。 In this way, it is possible to provide a lithium ion secondary battery that has excellent cycle characteristics and generates little gas during charging and discharging. It is also possible to provide a lithium ion secondary battery that has a high initial discharge capacity and low internal resistance.
また、本発明の一態様は、リチウム遷移金属複合酸化物の粒子と、該粒子の表面の少なくとも一部を被覆する被覆層とを有するリチウムイオン二次電池用正極活物質の製造方法であって、前記リチウム遷移金属複合酸化物の前駆体である遷移金属複合水酸化物を晶析反応により調製する前駆体晶析工程と、前記前駆体晶析工程で得られた前記遷移金属複合水酸化物を酸化焙焼して遷移金属複合酸化物を得る酸化焙焼工程と、前記酸化焙焼工程で得られた前記遷移金属複合酸化物と、リチウム化合物とを混合し、焼成し、リチウム遷移金属複合酸化物を得るリチウム遷移金属複合酸化物合成工程と、前記リチウム遷移金属複合酸化物合成工程で得られた前記リチウム遷移金属複合酸化物の粒子の表面の少なくとも一部にリチウムタングステン化合物を含む前記被覆層を形成する被覆工程とを有し、前記被覆工程では、前記リチウム遷移金属複合酸化物合成工程で得られた前記リチウム遷移金属複合酸化物の粒子と、リチウム化合物とタングステン化合物を含む被覆剤を混合し、乾燥し、熱処理を行うことを特徴とする。 In addition, one aspect of the present invention is a method for producing a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery having particles of a lithium transition metal composite oxide and a coating layer that coats at least a part of the surface of the particles, the method comprising: a precursor crystallization step of preparing a transition metal composite hydroxide, which is a precursor of the lithium transition metal composite oxide, by a crystallization reaction; an oxidation roasting step of oxidizing and roasting the transition metal composite hydroxide obtained in the precursor crystallization step to obtain a transition metal composite oxide; a lithium transition metal composite oxide synthesis step of mixing the transition metal composite oxide obtained in the oxidation roasting step with a lithium compound and baking the mixture to obtain a lithium transition metal composite oxide; and a coating step of forming the coating layer containing a lithium tungsten compound on at least a part of the surface of the particles of the lithium transition metal composite oxide obtained in the lithium transition metal composite oxide synthesis step, the coating step being characterized in that the particles of the lithium transition metal composite oxide obtained in the lithium transition metal composite oxide synthesis step are mixed with a coating agent containing a lithium compound and a tungsten compound, dried, and heat-treated.
このようにすれば、サイクル特性に優れ、かつ充放電時のガス発生の少ないリチウムイオン二次電池用正極活物質を提供することができる。また、初期放電容量が高く、内部抵抗が小さいリチウムイオン二次電池用正極活物質を提供することができる。 In this way, it is possible to provide a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery that has excellent cycle characteristics and generates little gas during charging and discharging. It is also possible to provide a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery that has a high initial discharge capacity and a low internal resistance.
このとき、本発明の一態様では、前記リチウム遷移金属複合酸化物合成工程は、酸素雰囲気下、700℃以上800℃以下の温度で焼成してもよい。 In this case, in one embodiment of the present invention, the lithium transition metal composite oxide synthesis process may be performed by firing in an oxygen atmosphere at a temperature of 700°C or higher and 800°C or lower.
このようにすれば、リチウム遷移金属複合酸化物の結晶構造を十分に成長させることができ、かつ、カチオンミキシングを抑制し、二次電池の電池特性の悪化を防ぐことができる。 In this way, the crystal structure of the lithium transition metal composite oxide can be sufficiently grown, and cation mixing can be suppressed, preventing deterioration of the battery characteristics of the secondary battery.
このとき、本発明の一態様では、前記被覆工程は、前記リチウムタングステン化合物のW量が前記リチウム遷移金属複合酸化物の表面積1m2あたり0.04mmol以上0.12mmol以下となるよう前記タングステン化合物を添加し、前記被覆工程で得られた前記リチウム遷移金属複合酸化物の酸素以外の成分は、Li:Ni:Co:M=t:1-x-y:x:y(式中、MはMg、Al、Ca、Si、Mn、Ti、V、Fe、Cu、Cr、Zn、Zr、Nb、MoおよびWからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素であり、0.95≦t≦1.20、0<x≦0.22、0≦y≦0.15)で表され、前記リチウムイオン二次電池用正極活物質の表面に存在するWの物質量Wsと、Ni、Co、Wの物質量の和Nis+Cos+Wsとの比Ws/(Nis+Cos+Ws)が、0.15以上0.50以下としてもよい。 In one embodiment of the present invention, the coating step is carried out such that the amount of W in the lithium tungsten compound is equal to or larger than 1 m of the surface area of the lithium transition metal composite oxide. The tungsten compound may be added so that the amount of tungsten compound is 0.04 mmol or more and 0.12 mmol or less per 2 , and components other than oxygen of the lithium transition metal composite oxide obtained in the coating step may be expressed as Li:Ni:Co:M=t:1-x-y:x:y (wherein M is at least one element selected from the group consisting of Mg, Al, Ca, Si, Mn, Ti, V, Fe, Cu, Cr, Zn, Zr, Nb, Mo, and W, and 0.95≦t≦1.20, 0<x≦0.22, 0≦y≦0.15), and a ratio Ws/(Nis+Cos+Ws) of an amount of substance Ws of W present on the surface of the positive electrode active material for a lithium ion secondary battery to a sum of the amounts of substances Nis+Cos+Ws of Ni, Co, and W may be 0.15 or more and 0.50 or less.
このようにすれば、被覆層をリチウム遷移金属複合酸化物の粒子の表面全体に均一に配置することができる。そして、二次電池において、正極活物質の劣化と電解液の分解を抑制でき、かつ、内部抵抗を低減できる。また、被覆層を形成するリチウムタングステン化合物が抵抗層となることを防ぐことができる。 In this way, the coating layer can be uniformly arranged over the entire surface of the lithium transition metal composite oxide particles. In the secondary battery, the deterioration of the positive electrode active material and the decomposition of the electrolyte can be suppressed, and the internal resistance can be reduced. In addition, the lithium tungsten compound that forms the coating layer can be prevented from becoming a resistive layer.
このとき、本発明の一態様では、前記被覆工程は、前記リチウム化合物と前記タングステン化合物を前記被覆層のリチウムタングステン化合物中のLiとWの物質量比(Li/W)が1.8以上2.2以下となるように添加してもよい。 In this case, in one embodiment of the present invention, the coating process may include adding the lithium compound and the tungsten compound so that the mass ratio of Li to W (Li/W) in the lithium tungsten compound of the coating layer is 1.8 or more and 2.2 or less.
このようにすれば、よりサイクル特性に優れ、充放電時のガス発生が少なく、初期放電容量が高く、内部抵抗が小さいリチウムイオン二次電池用正極活物質を提供することができる。 In this way, it is possible to provide a positive electrode active material for lithium ion secondary batteries that has better cycle characteristics, produces less gas during charging and discharging, has a high initial discharge capacity, and has low internal resistance.
このとき、本発明の一態様では、前記熱処理は、脱炭酸空気、不活性ガスまたは真空雰囲気で、100℃以上400℃以下の温度で、3時間以上15時間以下行ってもよい。 In this case, in one embodiment of the present invention, the heat treatment may be performed in a decarbonated air, inert gas or vacuum atmosphere at a temperature of 100°C or higher and 400°C or lower for 3 hours or higher and 15 hours or lower.
このようにすれば、被覆層にリチウムタングステン化合物を含ませることができ、かつ、被覆層の形態を保つことができる。そして、よりサイクル特性に優れ、充放電時のガス発生が少なく、初期放電容量が高く、内部抵抗が小さいリチウムイオン二次電池用正極活物質を提供することができる。また、雰囲気中の水分や炭酸とリチウム遷移金属複合酸化物粒子表面のリチウムの反応を防ぐことができる。 In this way, the coating layer can contain a lithium tungsten compound and the shape of the coating layer can be maintained. This makes it possible to provide a positive electrode active material for lithium ion secondary batteries that has better cycle characteristics, less gas generation during charging and discharging, a high initial discharge capacity, and low internal resistance. In addition, it is possible to prevent the reaction of the lithium on the surface of the lithium transition metal composite oxide particles with moisture and carbonic acid in the atmosphere.
このとき、本発明の一態様では、前記被覆剤は、前記被覆工程に使用する前記リチウム化合物と前記タングステン化合物が溶媒に溶解したもの、又は、常温で液状である若しくは前記被覆工程の熱処理で融解する低融点の、前記リチウム化合物および前記タングステン化合物の混合物を含んでもよい。 In this case, in one aspect of the present invention, the coating agent may contain the lithium compound and the tungsten compound used in the coating process dissolved in a solvent, or a mixture of the lithium compound and the tungsten compound that is liquid at room temperature or has a low melting point that melts during the heat treatment in the coating process.
このようにすれば、被覆層をリチウム遷移金属複合酸化物の粒子の表面全体に、より均一に配置することができる。 In this way, the coating layer can be more uniformly distributed over the entire surface of the lithium transition metal composite oxide particles.
このとき、本発明の一態様では、前記被覆工程に使用する前記タングステン化合物が酸化タングステン、タングステン酸、パラタングステン酸アンモニウム、メタタングステン酸アンモニウムの1種以上であってもよい。 In this case, in one embodiment of the present invention, the tungsten compound used in the coating process may be one or more of tungsten oxide, tungstic acid, ammonium paratungstate, and ammonium metatungstate.
このようにすれば、被覆層に不純物が混入することを抑制することができる。 This will help prevent impurities from getting into the coating layer.
本発明によれば、サイクル特性に優れ、かつ充放電時のガス発生の少ないリチウムイオン二次電池用正極活物質を提供することができる。また、初期放電容量が高く、内部抵抗が小さいリチウムイオン二次電池用正極活物質を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery that has excellent cycle characteristics and generates little gas during charging and discharging. It is also possible to provide a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery that has a high initial discharge capacity and a small internal resistance.
本発明者は、上記の課題を解決すべく鋭意検討を行った結果、リチウム遷移金属複合酸化物の少なくとも一部をリチウムタングステン化合物を含む被覆層で被覆し、遷移金属元素に対するタングステンの存在割合および表面積当たりのタングステンの存在量を制御することで、サイクル特性の向上と充放電時のガス発生の抑制を両立させえるとの知見を得て、本発明を完成するに至った。以下、本発明の好適な実施の形態について説明する。 As a result of intensive research conducted by the inventors to solve the above problems, the inventors discovered that by coating at least a portion of a lithium transition metal composite oxide with a coating layer containing a lithium tungsten compound and controlling the ratio of tungsten to the transition metal element and the amount of tungsten per surface area, it is possible to improve cycle characteristics while suppressing gas generation during charging and discharging, and thus completed the present invention. The following describes preferred embodiments of the present invention.
以下、本発明を実施するための形態について説明するが、本発明は、下記の実施形態に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、下記の実施形態に種々の変形および置換を加えることができる。また、本実施形態で説明される構成の全てが本発明の解決手段として必須であるとは限らない。 The following describes the embodiments for carrying out the present invention. However, the present invention is not limited to the following embodiments, and various modifications and substitutions can be made to the following embodiments without departing from the scope of the present invention. Furthermore, not all of the configurations described in the present embodiments are necessarily essential as a means for solving the problem of the present invention.
本発明の一実施形態に係るリチウムイオン二次電池用正極活物質、その製造方法、およびリチウムイオン二次電池について、下記の順に説明する。
1.リチウムイオン二次電池用正極活物質
1-1.リチウム遷移金属複合酸化物の粒子
1-2.被覆層
1-3.正極活物質の特性
2.リチウムイオン二次電池用正極活物質の製造方法
2-1.前駆体晶析工程
2-2.酸化焙焼工程
2-3.リチウム遷移金属複合酸化物合成工程
2-4.被覆工程
3.リチウムイオン二次電池
3-1.正極
3-2.負極
3-3.セパレータ
3-4.非水系電解質
3-5.二次電池の形状、構成
3-6.二次電池の特性
A positive electrode active material for a lithium ion secondary battery according to one embodiment of the present invention, a method for producing the same, and a lithium ion secondary battery will be described in the following order.
1. Positive electrode active material for lithium ion secondary batteries 1-1. Particles of lithium transition metal composite oxide 1-2. Coating layer 1-3. Characteristics of positive electrode active material 2. Manufacturing method of positive electrode active material for lithium ion secondary batteries 2-1. Precursor crystallization process 2-2. Oxidation roasting process 2-3. Lithium transition metal composite oxide synthesis process 2-4. Coating process 3. Lithium ion secondary battery 3-1. Positive electrode 3-2. Negative electrode 3-3. Separator 3-4. Non-aqueous electrolyte 3-5. Shape and configuration of secondary battery 3-6. Characteristics of secondary battery
<1.リチウムイオン二次電池用正極活物質>
まず、本実施形態のリチウムイオン二次電池用正極活物質の一構成例について説明する。
<1. Positive electrode active material for lithium ion secondary batteries>
First, a configuration example of the positive electrode active material for a lithium ion secondary battery according to this embodiment will be described.
本実施形態の正極活物質は、リチウム遷移金属複合酸化物の粒子と、該粒子表面の少なくとも一部を被覆した被覆層とを有する。そして、本実施形態のリチウムイオン二次電池用正極活物質のリチウム遷移金属複合酸化物粒子は、リチウム(Li)と、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)と、元素M(M)とを、物質量比が、Li:Ni:Co:M=t:1-x-y:x:yとなるように含むことができる。ただし、0.95≦t≦1.20、0<x≦0.22、0≦y≦0.15を満たすことが好ましい。また、元素Mは、マグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、カルシウム(Ca)、ケイ素(Si)、マンガン(Mn)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、鉄(Fe)、銅(Cu)、クロム(Cr)、亜鉛(Zn)、ジルコニウム(Zr)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、タングステン(W)から選択される少なくとも1種の元素とすることができる。 The positive electrode active material of this embodiment has a lithium transition metal composite oxide particle and a coating layer that coats at least a part of the particle surface. The lithium transition metal composite oxide particle of the positive electrode active material for lithium ion secondary batteries of this embodiment can contain lithium (Li), nickel (Ni), cobalt (Co), and element M (M) in a substance amount ratio of Li:Ni:Co:M = t:1-x-y:x:y. However, it is preferable to satisfy 0.95≦t≦1.20, 0<x≦0.22, and 0≦y≦0.15. Furthermore, the element M can be at least one element selected from magnesium (Mg), aluminum (Al), calcium (Ca), silicon (Si), manganese (Mn), titanium (Ti), vanadium (V), iron (Fe), copper (Cu), chromium (Cr), zinc (Zn), zirconium (Zr), niobium (Nb), molybdenum (Mo), and tungsten (W).
被覆層はリチウムタングステン化合物を含み、被覆前の、即ち被覆層を除くリチウム遷移金属複合酸化物の表面積1m2当り、0.04mmol以上0.12mmol以下の割合でタングステンを含有できる。 The coating layer contains a lithium tungsten compound and can contain tungsten in a ratio of 0.04 mmol to 0.12 mmol per m 2 of the surface area of the lithium transition metal composite oxide before coating, i.e., excluding the coating layer.
本実施形態のリチウムイオン二次電池用正極活物質は、表面に存在するWの物質量とW、Ni、Coの物質量の和との比(Ws/(Nis+Cos+Ws))が、0.15以上0.50以下とすることができる。 The positive electrode active material for lithium ion secondary batteries of this embodiment can have a ratio of the amount of W present on the surface to the sum of the amounts of W, Ni, and Co (Ws/(Nis+Cos+Ws)) of 0.15 or more and 0.50 or less.
以下、本実施形態のリチウムイオン二次電池用正極活物質(以下、単に「正極活物質」とも記載する)について具体的に説明する。 Hereinafter, the positive electrode active material for lithium ion secondary batteries of this embodiment (hereinafter, also simply referred to as "positive electrode active material") will be specifically described.
本実施形態の正極活物質は、リチウム遷移金属複合酸化物の粒子と、リチウム遷移金属複合酸化物の粒子の少なくとも一部を被覆した被覆層とを有することができる。以下にリチウム遷移金属複合酸化物の粒子、及び被覆層について説明する。 The positive electrode active material of this embodiment can have lithium transition metal composite oxide particles and a coating layer that coats at least a portion of the lithium transition metal composite oxide particles. The lithium transition metal composite oxide particles and the coating layer are described below.
<1-1.リチウム遷移金属複合酸化物の粒子>
リチウム遷移金属複合酸化物の粒子は、リチウム(Li)と、ニッケル(Ni)と、コバルト(Co)と、元素M(M)とを、物質量比が、Li:Ni:Co:M=t:1-x-y:x:yとなるように含むことができる。
<1-1. Particles of lithium transition metal composite oxide>
The lithium transition metal composite oxide particles can contain lithium (Li), nickel (Ni), cobalt (Co), and element M (M) in a substance amount ratio of Li:Ni:Co:M=t:1-xy:x:y.
上述のリチウム遷移金属複合酸化物中の各元素の物質量比を表す式中、リチウム(Li)の含有量を示すtの値は0.95以上1.20以下とすることができ、0.98以上1.10以下が好ましく、1.00以上1.10以下がより好ましい。 In the formula expressing the mass ratio of each element in the lithium transition metal composite oxide described above, the value of t indicating the content of lithium (Li) can be 0.95 or more and 1.20 or less, preferably 0.98 or more and 1.10 or less, and more preferably 1.00 or more and 1.10 or less.
tの値を0.95以上とすることで、該リチウム遷移金属複合酸化物を含む正極活物質を用いた二次電池の内部抵抗を抑制し、出力特性を向上させることができる。また、tの値を1.20以下とすることで、該リチウム遷移金属複合酸化物を含む正極活物質を用いた二次電池の初期放電容量を高く維持することができる。すなわち、tの値を上述の範囲とすることで、該リチウム遷移金属複合酸化物を含む正極活物質を用いた二次電池の出力特性、及び容量特性を向上させることができる。 By setting the value of t to 0.95 or more, the internal resistance of a secondary battery using a positive electrode active material containing the lithium transition metal complex oxide can be suppressed, and the output characteristics can be improved. Furthermore, by setting the value of t to 1.20 or less, the initial discharge capacity of a secondary battery using a positive electrode active material containing the lithium transition metal complex oxide can be maintained high. In other words, by setting the value of t to the above range, the output characteristics and capacity characteristics of a secondary battery using a positive electrode active material containing the lithium transition metal complex oxide can be improved.
上述のリチウム遷移金属複合酸化物のニッケル(Ni)は、リチウム遷移金属複合酸化物を含む正極活物質を用いた二次電池の高容量化に寄与する元素である。 The nickel (Ni) in the above-mentioned lithium transition metal composite oxide is an element that contributes to increasing the capacity of secondary batteries that use positive electrode active materials containing lithium transition metal composite oxides.
上述のリチウム遷移金属複合酸化物のコバルト(Co)は、リチウム遷移金属複合酸化物を含む正極活物質を用いた二次電池の不可逆容量の低減に寄与する元素である。コバルトの含有量を示すxの値は0を超えて0.22以下とすることができ、0.10以上0.22以下が好ましく、0.10以上0.20以下がより好ましい。 The cobalt (Co) in the lithium transition metal composite oxide described above is an element that contributes to reducing the irreversible capacity of a secondary battery using a positive electrode active material containing the lithium transition metal composite oxide. The value of x, which indicates the cobalt content, can be greater than 0 and less than or equal to 0.22, preferably greater than or equal to 0.10 and less than or equal to 0.22, and more preferably greater than or equal to 0.10 and less than or equal to 0.20.
上記のxの値を0超とすることで、該リチウム遷移金属複合酸化物を含む正極活物質を用いた二次電池において、充電容量と放電容量の差分である不可逆容量を低減することができる。また、xの値を0.22以下とすることで高い電池容量を得ることができる。 By making the value of x greater than 0, it is possible to reduce the irreversible capacity, which is the difference between the charge capacity and the discharge capacity, in a secondary battery using a positive electrode active material containing the lithium transition metal composite oxide. In addition, by making the value of x 0.22 or less, it is possible to obtain a high battery capacity.
また、リチウム遷移金属複合酸化物は、上記金属元素に加えて、添加元素である元素Mを含有してもよい。上述の元素Mとしては、マグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、カルシウム(Ca)、ケイ素(Si)、マンガン(Mn)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、鉄(Fe)、銅(Cu)、クロム(Cr)、亜鉛(Zn)、ジルコニウム(Zr)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、タングステン(W)から選択される少なくとも1種の元素を用いることができる。元素Mは、正極活物質を用いて構成される二次電池の用途や要求される性能に応じて適宜選択されるものである。 The lithium transition metal composite oxide may contain, in addition to the above metal elements, an additive element, element M. As the above-mentioned element M, at least one element selected from magnesium (Mg), aluminum (Al), calcium (Ca), silicon (Si), manganese (Mn), titanium (Ti), vanadium (V), iron (Fe), copper (Cu), chromium (Cr), zinc (Zn), zirconium (Zr), niobium (Nb), molybdenum (Mo), and tungsten (W) can be used. Element M is appropriately selected depending on the application and required performance of the secondary battery constructed using the positive electrode active material.
元素M自身は酸化還元反応に寄与しないものがあるので、元素Mの含有量を示すyの値は0.15以下とすることができ、0.10以下が好ましく、0.05以下がより好ましい。リチウム遷移金属複合酸化物は、元素Mを含有しなくても良いことから、元素Mの含有量を示すyの下限値は0とすることができる。 Since the element M itself does not contribute to the redox reaction, the value of y indicating the content of element M can be 0.15 or less, preferably 0.10 or less, and more preferably 0.05 or less. Since the lithium transition metal composite oxide does not need to contain element M, the lower limit of y indicating the content of element M can be 0.
リチウム遷移金属複合酸化物粒子は、X線回折(XRD)測定を行った場合に得られる回折パターンから、「R-3m」構造の層状岩塩型結晶構造に帰属されるピークが検出されることが好ましい。特に、回折パターンから、「R-3m」構造の層状岩塩型結晶構造に帰属されるピークのみが検出されることがより好ましい。これは、「R-3m」構造の層状岩塩型酸化物は、該リチウム遷移金属複合酸化物粒子を含む正極活物質を二次電池とした場合に、特に内部抵抗を抑制することができ好ましいからである。 The lithium transition metal composite oxide particles are preferably such that a peak attributable to the layered rock salt crystal structure of the "R-3m" structure is detected from the diffraction pattern obtained by X-ray diffraction (XRD) measurement. In particular, it is more preferable that only peaks attributable to the layered rock salt crystal structure of the "R-3m" structure are detected from the diffraction pattern. This is because the layered rock salt oxide of the "R-3m" structure is preferable because it can suppress the internal resistance in particular when a positive electrode active material containing the lithium transition metal composite oxide particles is used as a secondary battery.
ただし、層状岩塩型の結晶構造を持つリチウム遷移金属複合酸化物を単相では得られず、不純物が混入する場合がある。このように不純物が混入する場合であっても、これらの「R-3m」構造の層状岩塩型構造以外の異相ピークの強度は、「R-3m」構造の層状岩塩型構造に帰属されるピーク強度を上回らないことが好ましい。 However, lithium transition metal composite oxides having a layered rock-salt crystal structure cannot be obtained in a single phase, and impurities may be mixed in. Even in such cases where impurities are mixed in, it is preferable that the intensity of the peaks of phases other than the layered rock-salt structure of the "R-3m" structure does not exceed the peak intensity attributable to the layered rock-salt structure of the "R-3m" structure.
リチウム遷移金属複合酸化物の粒子はSEMやTEMなどの電子顕微鏡で観察すると、粒径が0.1μm以上2.0μm以下の一次粒子が多数凝集して形成された粒径が3.0μm以上15.0μm以下の二次粒子や、1.0μm以上7.0μm以下の粒径をもつ単独の一次粒子、またはそれらの混合物であることが好ましい。それぞれの粒子の内部には、1以上の一次粒子により囲まれた空間、空隙があってもよい。 When observed with an electron microscope such as SEM or TEM, the particles of the lithium transition metal composite oxide are preferably secondary particles having a particle size of 3.0 μm to 15.0 μm formed by the aggregation of a large number of primary particles having a particle size of 0.1 μm to 2.0 μm, single primary particles having a particle size of 1.0 μm to 7.0 μm, or a mixture thereof. Each particle may have a space or void surrounded by one or more primary particles inside.
リチウム遷移金属複合酸化物の粒子は、比表面積が0.1m2/g以上1.0m2/g以下であることが好ましく、0.1m2/g以上0.8m2/g以下であることがより好ましい。二次電池の充放電中にリチウム遷移金属複合酸化物の粒子で起こるリチウムイオンの脱離/挿入は、リチウム遷移金属複合酸化物の粒子と電解液の界面、すなわちリチウム遷移金属複合酸化物の粒子の表面を通して起こる。そして、正極活物質が含むリチウム遷移金属複合酸化物の粒子の比表面積を0.1m2/g以上とすることで、係るリチウムイオンの脱離/挿入を十分に促進することができ、内部抵抗を十分に抑制できるため好ましい。また、上述の通り正極活物質の粒子と電解液との界面で起こる副反応で電解液が分解する場合があるが、リチウム遷移金属複合酸化物の粒子の比表面積を1.0m2/g以下とすることで、過度の電解液の分解を抑制できる。なお二次電池の初期放電容量については、BET比表面積が大きい方が反応サイト数は多くなるため好ましい。 The lithium transition metal composite oxide particles preferably have a specific surface area of 0.1 m 2 /g or more and 1.0 m 2 /g or less, and more preferably 0.1 m 2 /g or more and 0.8 m 2 /g or less. The desorption/insertion of lithium ions occurring in the lithium transition metal composite oxide particles during charging/discharging of the secondary battery occurs through the interface between the lithium transition metal composite oxide particles and the electrolyte, that is, the surface of the lithium transition metal composite oxide particles. And, by making the specific surface area of the lithium transition metal composite oxide particles contained in the positive electrode active material 0.1 m 2 /g or more, the desorption/insertion of the lithium ions can be sufficiently promoted, and the internal resistance can be sufficiently suppressed, which is preferable. In addition, as described above, the electrolyte may be decomposed due to a side reaction occurring at the interface between the positive electrode active material particles and the electrolyte, but by making the specific surface area of the lithium transition metal composite oxide particles 1.0 m 2 /g or less, excessive decomposition of the electrolyte can be suppressed. Regarding the initial discharge capacity of a secondary battery, a larger BET specific surface area is preferable because it increases the number of reaction sites.
本実施形態のリチウム遷移金属複合酸化物の粒子の比表面積は、例えば窒素吸着を利用したBET法により、測定することができる。 The specific surface area of the lithium transition metal composite oxide particles of this embodiment can be measured, for example, by the BET method using nitrogen adsorption.
本実施形態のリチウム遷移金属複合酸化物の粒子の体積平均粒子径は、レーザー回折散乱式の粒度分布計で測定した場合、2μm以上20μm以下であることが好ましく、2μm以上15μm以下であることがより好ましく、3μm以上15μm以下であることがさらに好ましい。これは、リチウム遷移金属複合酸化物の粒子の体積平均粒子径が2μm以上20μm以下の場合、該リチウム遷移金属複合酸化物の粒子を含む正極活物質を正極に用いた二次電池では体積当たりの電池容量を十分に大きくすることができ、かつ高安全性、高出力等の優れた電池特性が得られるからである。 The volume average particle diameter of the lithium transition metal composite oxide particles of this embodiment, when measured with a laser diffraction scattering type particle size distribution analyzer, is preferably 2 μm or more and 20 μm or less, more preferably 2 μm or more and 15 μm or less, and even more preferably 3 μm or more and 15 μm or less. This is because, when the volume average particle diameter of the lithium transition metal composite oxide particles is 2 μm or more and 20 μm or less, a secondary battery using a positive electrode active material containing the lithium transition metal composite oxide particles in the positive electrode can have a sufficiently large battery capacity per volume, and excellent battery characteristics such as high safety and high output can be obtained.
<1-2.被覆層>
被覆層はタングステンを含む化合物、すなわちタングステン化合物を含み、リチウム遷移金属複合酸化物の粒子の少なくとも一部を被覆している。被覆層は、リチウムタングステン化合物から構成することもできる。被覆層を配置することで、本実施形態の正極活物質を含む正極を備えた二次電池において、正極活物質の劣化と電解液の分解を抑制できる。
<1-2. Covering layer>
The coating layer contains a compound containing tungsten, i.e., a tungsten compound, and coats at least a part of the particles of the lithium transition metal composite oxide. The coating layer may be composed of a lithium tungsten compound. By disposing the coating layer, it is possible to suppress deterioration of the positive electrode active material and decomposition of the electrolyte in a secondary battery having a positive electrode containing the positive electrode active material of this embodiment.
被覆層と、リチウム遷移金属複合酸化物の粒子とは明確な境界線を有している必要はない。このため、被覆層とは、本実施形態の正極活物質の表面側の領域において、被被覆物質であるリチウム遷移金属複合酸化物の粒子、すなわち中心領域よりも、タングステン濃度が高い部位、領域のことを指す。被覆層は部分的にリチウム遷移金属複合酸化物と固溶していてもよい。 There is no need for a clear boundary between the coating layer and the lithium transition metal composite oxide particles. Therefore, the coating layer refers to a portion or region on the surface side of the positive electrode active material of this embodiment that has a higher tungsten concentration than the lithium transition metal composite oxide particles, i.e., the central region, which are the material to be coated. The coating layer may be partially dissolved in the lithium transition metal composite oxide.
被覆層のタングステンの含有量は特に限定されないが、被覆されるリチウム遷移金属複合酸化物の粒子の比表面積に応じて、その含有量を調整することが好ましい。具体的には被覆層は例えば、被覆前の、即ち被覆層を除くリチウム遷移金属複合酸化物の粒子の表面積(以下、単に「表面積」とも言う)1m2当り、0.04mmol以上0.12mmol以下の割合でタングステンを含有することが好ましく、0.06mmol以上0.10mmol以下の割合でタングステンを含有することがより好ましい。 The content of tungsten in the coating layer is not particularly limited, but it is preferable to adjust the content according to the specific surface area of the lithium transition metal composite oxide particles to be coated.Specifically, for example, the coating layer preferably contains tungsten in a ratio of 0.04 mmol to 0.12 mmol per 1 m2 of the surface area (hereinafter also simply referred to as "surface area") of the lithium transition metal composite oxide particles before coating, i.e., excluding the coating layer, and more preferably contains tungsten in a ratio of 0.06 mmol to 0.10 mmol per 1 m2.
これは、リチウム遷移金属複合酸化物の粒子の表面積(比表面積)1m2当りのタングステン含有量0.04mmol以上とすることで、該被覆層をリチウム遷移金属複合酸化物の粒子の表面全体に均一に配置でき、サイクル特性評価時に該被覆層によるリチウム遷移金属複合酸化物の粒子の表面の劣化抑制効果が現れるからである。 This is because, by setting the tungsten content per m2 of the surface area (specific surface area) of the lithium transition metal composite oxide particle to 0.04 mmol or more, the coating layer can be uniformly disposed over the entire surface of the lithium transition metal composite oxide particle, and the effect of the coating layer in suppressing deterioration of the surface of the lithium transition metal composite oxide particle appears during evaluation of the cycle characteristics.
また、被覆層を設けることで、内部抵抗の低減の抑制、放電容量の低下の抑制、サイクル特性の向上、電池の膨れの抑制の効果を得ることができるが、タングステンの含有量によっては、内部抵抗の増加、放電容量の低下、サイクル特性の低下、電池の膨れの増加が生じる恐れもある。そして、リチウム遷移金属複合酸化物の粒子の表面積(比表面積)1m2当りのタングステン含有量を0.12mmol以下とすることで、被覆層が、リチウム遷移金属複合酸化物へのリチウムのインターカレーション/デインターカレーションの反応の障害になることを抑制し、内部抵抗を低減でき、また、放電容量の低下を抑制できるため好ましい。また、被覆層を形成するリチウムタングステン化合物が抵抗層となることを防ぐことができる。 In addition, by providing a coating layer, the effects of suppressing the reduction of internal resistance, suppressing the decrease in discharge capacity, improving cycle characteristics, and suppressing battery swelling can be obtained, but depending on the tungsten content, there is a risk of increasing internal resistance, decreasing discharge capacity, decreasing cycle characteristics, and increasing battery swelling. And, by making the tungsten content per 1 m2 of the surface area (specific surface area) of the lithium transition metal composite oxide particles 0.12 mmol or less, it is possible to suppress the coating layer from becoming an obstacle to the intercalation/deintercalation reaction of lithium into the lithium transition metal composite oxide, reduce the internal resistance, and suppress the decrease in discharge capacity, which is preferable. In addition, it is possible to prevent the lithium tungsten compound forming the coating layer from becoming a resistive layer.
被覆層のタングステンの含有量の評価、算出方法は特に限定されるものではないが、その方法の一例を以下に示す。まずリチウムタングステン化合物による被覆処理を施した後の正極活物質1g中のタングステン含有量(mmol/g)を化学分析等の方法で測定する。例えばICP(Inductively Coupled Plasma:誘導結合プラズマ)発光分光分析等により測定を行うことができる。また、リチウムタングステン化合物による被覆処理を施す前のリチウム遷移金属複合酸化物の粒子の比表面積(m2/g)を窒素吸着によるBET法等により測定する。そして、リチウムタングステン化合物による被覆処理を施した後の正極活物質1g中のタングステン含有量(mmol/g)を、被覆処理前のリチウム遷移金属複合酸化物の粒子の比表面積(m2/g)で割ることで、リチウム遷移金属複合酸化物の粒子の表面積1m2当りのタングステン含有量(mmol/m2)を算出できる。 The evaluation and calculation method of the tungsten content of the coating layer is not particularly limited, but an example of the method is shown below. First, the tungsten content (mmol/g) in 1 g of the positive electrode active material after the coating treatment with the lithium tungsten compound is measured by a method such as chemical analysis. For example, the measurement can be performed by ICP (Inductively Coupled Plasma) emission spectrometry. In addition, the specific surface area (m 2 /g) of the lithium transition metal composite oxide particles before the coating treatment with the lithium tungsten compound is measured by the BET method using nitrogen adsorption. Then, the tungsten content (mmol/g) in 1 g of the positive electrode active material after the coating treatment with the lithium tungsten compound is divided by the specific surface area (m 2 /g) of the lithium transition metal composite oxide particles before the coating treatment, so that the tungsten content (mmol/m 2 ) per m 2 of the surface area of the lithium transition metal composite oxide particles can be calculated.
リチウムタングステン化合物による被覆処理を施した後の正極活物質1g中のタングステン含有量と、被覆層の無い、被覆処理前のリチウム遷移金属複合酸化物の粒子の比表面積とでは分母が異なるので厳密な値ではないが、被覆に用いられたタングステン量はわずかなので、近似的にリチウム遷移金属複合酸化物の表面積1m2当りのタングステンの担持量として用いることができる。 The tungsten content in 1 g of the positive electrode active material after coating with a lithium tungsten compound and the specific surface area of the lithium transition metal composite oxide particles before coating and without a coating layer are different denominators, so this is not an exact value; however, since the amount of tungsten used for coating is small, it can be used approximately as the amount of tungsten supported per m2 of the surface area of the lithium transition metal composite oxide.
被覆処理前のリチウム遷移金属複合酸化物の粒子がタングステンを含有する場合、被覆に用いられたタングステン量として、被覆処理前後のタングステン含有量の差分を用いることが好ましい。 When the lithium transition metal composite oxide particles before the coating process contain tungsten, it is preferable to use the difference in the tungsten content before and after the coating process as the amount of tungsten used in the coating.
被覆層のリチウム遷移金属複合酸化物の粒子に対する被覆面積の程度はX線光電子分光法(XPS:X―ray Photoelectron Spectroscopy)による半定量分析から知られる表面に存在するWの物質量とW、Ni、Coの物質量の和との比(Ws/(Nis+Cos+Ws))(以下、「被覆金属表面量の比」とも記載する)から知ることができる。 The extent of the coverage area of the lithium transition metal composite oxide particles in the coating layer can be determined from the ratio of the amount of W present on the surface, known from semi-quantitative analysis using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), to the sum of the amounts of W, Ni, and Co (Ws/(Nis+Cos+Ws)) (hereinafter also referred to as the "ratio of the amount of coated metal surface area").
XPSは特性上、測定対象の表面1nm以上5nm以下の情報を選択的に得ることができるため、材料の表層の組成比を知ることができる。被覆金属表面量の比は0.15以上であることが好ましい。被覆金属表面量の比を0.15以上とすることで、被覆層として存在する、すなわちリチウム遷移金属複合酸化物の粒子の側に拡散せず被覆層として存在するタングステンが十分に確保されており、活物質と電解液の間の副反応を抑制するのに十分に均一な被覆層が形成されていることを意味するからである。そして、正極活物質と電解液の間の副反応を抑制することで、電解液の過度の分解を抑制することができるからである。また、被覆層により充放電時の正極活物質表面と非水系電解質の反応による劣化を抑制することで、サイクル特性の低下を抑制することができるからである。被覆金属表面量の比が0.15以上の場合、特に高いサイクル特性を得ることができるため、より好ましい。被覆金属表面量の比を0.50以下とすることで、被覆層を形成するリチウムタングステン化合物が抵抗層となることを防ぐことができる。そして、内部抵抗の増加、放電容量の低下や、サイクル特性の低下を防ぐことができ、また、電池の膨れを抑制することができる。また、被覆金属表面量の比が0.50を超えると、過剰のタングステン下で生成したリチウムタングステン化合物が、抵抗層となる恐れがある。 Due to its characteristics, XPS can selectively obtain information on the surface of the measurement target from 1 nm to 5 nm, so the composition ratio of the surface layer of the material can be known. The ratio of the coated metal surface amount is preferably 0.15 or more. By setting the ratio of the coated metal surface amount to 0.15 or more, it means that the tungsten that exists as a coating layer, that is, that does not diffuse to the side of the lithium transition metal composite oxide particles and exists as a coating layer, is sufficiently secured, and a coating layer that is sufficiently uniform to suppress side reactions between the active material and the electrolyte is formed. And, by suppressing side reactions between the positive electrode active material and the electrolyte, excessive decomposition of the electrolyte can be suppressed. In addition, the coating layer suppresses deterioration due to the reaction between the positive electrode active material surface and the non-aqueous electrolyte during charging and discharging, so that the deterioration of the cycle characteristics can be suppressed. When the ratio of the coated metal surface amount is 0.15 or more, particularly high cycle characteristics can be obtained, so it is more preferable. By setting the ratio of the coated metal surface amount to 0.50 or less, it is possible to prevent the lithium tungsten compound that forms the coating layer from becoming a resistance layer. This can prevent an increase in internal resistance, a decrease in discharge capacity, and a decrease in cycle characteristics, and also suppress battery swelling. Also, if the ratio of the amount of coated metal surface exceeds 0.50, there is a risk that the lithium tungsten compound formed under the excess tungsten will become a resistive layer.
被覆層にリチウムを導入し、例えばタングステン酸リチウム等のリチウムタングステン化合物とすることによって、リチウムイオン伝導性が向上し、内部抵抗を低減でき、また、放電容量の低下を抑制することができる。 By introducing lithium into the coating layer to form a lithium tungsten compound such as lithium tungstate, the lithium ion conductivity can be improved, the internal resistance can be reduced, and the decrease in discharge capacity can be suppressed.
被覆層のリチウムタングステン化合物のLiとWの物質量比(Li/W)は、1.8以上2.2以下となることが好ましい。被覆層のリチウムタングステン化合物のLiとWの物質量比を1.8以上とすることで、リチウムイオン伝導性の高いリチウムタングステン化合物が生成するため好ましい。また、被覆層のリチウムタングステン化合物のLiとWの物質量比を2.2以下とすることで、未反応のリチウム化合物を少なくでき、初期放電容量の低下や正極抵抗の増加などの電池特性の低下を抑制できる。また、リチウムタングステン化合物のLiとWの物質量比(Li/W)を1.8以上2.2以下とすることで、サイクル特性をさらに向上させ、電池の膨らみをより小さくし、初期放電容量をさらに増加させ、内部抵抗をさらに低減させることができる。また、リチウムタングステン化合物は、Li2WO4を含むことが好ましく、Li2WO4であることがより好ましい。 The substance ratio (Li/W) of the lithium tungsten compound of the coating layer is preferably 1.8 or more and 2.2 or less. By setting the substance ratio of Li to W of the lithium tungsten compound of the coating layer to 1.8 or more, a lithium tungsten compound with high lithium ion conductivity is generated, which is preferable. In addition, by setting the substance ratio of Li to W of the lithium tungsten compound of the coating layer to 2.2 or less, the amount of unreacted lithium compound can be reduced, and the deterioration of battery characteristics such as a decrease in initial discharge capacity and an increase in positive electrode resistance can be suppressed. In addition, by setting the substance ratio (Li/W) of Li to W of the lithium tungsten compound to 1.8 or more and 2.2 or less, the cycle characteristics can be further improved, the swelling of the battery can be further reduced, the initial discharge capacity can be further increased, and the internal resistance can be further reduced. In addition, the lithium tungsten compound preferably contains Li 2 WO 4 , and more preferably is Li 2 WO 4 .
<1-3.正極活物質の特性>
ここまで、リチウム遷移金属複合酸化物の粒子と、被覆層とについて説明したが、本実施形態の正極活物質は以下の特性を有することが好ましい。
1-3. Characteristics of positive electrode active material
Up to this point, the lithium transition metal composite oxide particles and the coating layer have been described. It is preferable that the positive electrode active material of this embodiment has the following properties.
本実施形態の正極活物質は既述のリチウム遷移金属複合酸化物の粒子と、被覆層とのみから構成されていることが好ましいが、製造の際に不純物が混入する場合もある。特に水分と炭素は被覆処理によって増大する可能性のある不純物である。水分と炭素は、サイクル特性に影響を及ぼす恐れがあることから、所定の範囲内に制御されていることが好ましい。 The positive electrode active material of this embodiment is preferably composed only of the lithium transition metal composite oxide particles and the coating layer described above, but impurities may be mixed in during production. In particular, moisture and carbon are impurities that may increase due to the coating process. Since moisture and carbon may affect cycle characteristics, it is preferable that they are controlled within a specified range.
本実施形態の正極活物質は、炭素含有量が0.05質量%以上0.40質量%以下であることが好ましく、0.05質量%以上0.2質量%以下であることがさらに好ましい。炭素含有量を0.40質量%以下とすることで、該正極活物質を用いた二次電池の充放電中の、例えば被覆層に含まれる有機成分の分解等に起因する二酸化炭素の発生を十分に抑制し、電池の膨張等が生じることを防げるからである。ただし、炭素は、空気中の二酸化炭素等に起因して本実施形態の正極活物質に混入するため、炭素含有量を0.01質量未満とすることは困難である。このため、炭素含有量の下限値は0.05質量%とすることが好ましい。ここで、正極活物質の炭素含有量とは、正極活物質全体に対する炭素の含有量を質量%で表したものである。本実施形態の正極活物質の炭素含有量は、例えば赤外線吸収法等により評価することができる。 The positive electrode active material of this embodiment preferably has a carbon content of 0.05% by mass or more and 0.40% by mass or less, and more preferably 0.05% by mass or more and 0.2% by mass or less. By setting the carbon content to 0.40% by mass or less, the generation of carbon dioxide due to, for example, decomposition of an organic component contained in the coating layer during charging and discharging of a secondary battery using the positive electrode active material can be sufficiently suppressed, and the occurrence of battery expansion, etc. can be prevented. However, since carbon is mixed into the positive electrode active material of this embodiment due to carbon dioxide in the air, etc., it is difficult to set the carbon content to less than 0.01 mass. For this reason, the lower limit of the carbon content is preferably 0.05% by mass. Here, the carbon content of the positive electrode active material is the carbon content relative to the entire positive electrode active material, expressed in mass%. The carbon content of the positive electrode active material of this embodiment can be evaluated, for example, by infrared absorption method, etc.
また、本実施形態の正極活物質は、水分量(水分含有量)が、0.05質量%以上0.10質量%以下であることが好ましい。水分量を0.10質量%以下とすることで、該正極活物質を用いた二次電池において、電解液の電解質の加水分解反応をより確実に抑制することができる。 In addition, the positive electrode active material of this embodiment preferably has a moisture content (moisture content) of 0.05% by mass or more and 0.10% by mass or less. By setting the moisture content to 0.10% by mass or less, the hydrolysis reaction of the electrolyte in the electrolyte solution can be more reliably suppressed in a secondary battery using the positive electrode active material.
電解液の電解質が加水分解すると、フッ化水素等の酸性成分が生じ、該酸性成分が正極活物質と反応して劣化を引き起こす。しかしながら、上述の様に本実施形態の正極活物質の水分量を0.10質量%以下とすることで電解液の電解質の加水分解反応をより確実に抑制し、係る劣化を抑制できるため、好ましい。本実施形態の正極活物質の水分量は、例えば加熱温度を300℃としたカールフィッシャー法により評価することができる。 When the electrolyte of the electrolytic solution is hydrolyzed, acidic components such as hydrogen fluoride are generated, and the acidic components react with the positive electrode active material, causing degradation. However, as described above, by setting the moisture content of the positive electrode active material of this embodiment to 0.10 mass% or less, the hydrolysis reaction of the electrolyte of the electrolytic solution can be more reliably suppressed, and such degradation can be suppressed, which is preferable. The moisture content of the positive electrode active material of this embodiment can be evaluated, for example, by the Karl Fischer method at a heating temperature of 300°C.
本発明の一実施形態に係るリチウムイオン二次電池用正極活物質によれば、サイクル特性に優れ、かつ充放電時のガス発生の少ないリチウムイオン二次電池用正極活物質を提供することができる。 According to one embodiment of the present invention, a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery having excellent cycle characteristics and generating little gas during charging and discharging can be provided.
<2.リチウムイオン二次電池用正極活物質の製造方法>
次に、本発明の一実施形態に係るリチウムイオン二次電池用正極活物質の製造方法について図面を使用しながら説明する。図1は、本発明の一実施形態に係るリチウムイオン二次電池用正極活物質の製造方法の概略を示す工程図である。本発明の一実施形態に係るリチウムイオン二次電池用正極活物質の製造方法は、リチウム遷移金属複合酸化物の粒子と、該粒子の表面の少なくとも一部を被覆した被覆層とを有するリチウムイオン二次電池用正極活物質の製造方法である。
2. Method for producing positive electrode active material for lithium ion secondary battery
Next, a method for producing a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery according to one embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. Fig. 1 is a process diagram showing an outline of a method for producing a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery according to one embodiment of the present invention. The method for producing a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery according to one embodiment of the present invention is a method for producing a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery having particles of a lithium transition metal composite oxide and a coating layer that coats at least a part of the surface of the particles.
図1に示すように、本発明の一実施形態に係る正極活物質の製造方法は、以下の4工程を有することができる。 As shown in FIG. 1, the method for producing a positive electrode active material according to one embodiment of the present invention can include the following four steps.
第1工程:[前駆体晶析工程S1]
前駆体晶析工程S1は、リチウム遷移金属複合酸化物の前駆体である遷移金属複合水酸化物を晶析反応により調製する。具体的には例えば、各元素の物質量比が、Ni:Co:M=1-x-y:x:yとなるように、水溶性の原料を用いて混合水溶液を作製し、アルカリ金属水溶液等と共に反応槽で反応させて、遷移金属複合水酸化物を得る。なお、上述の式中のx、yについては、リチウム遷移金属複合酸化物の粒子において説明したx、yと同様の好適な範囲とすることができる。
First step: [Precursor crystallization step S1]
In the precursor crystallization step S1, a transition metal composite hydroxide, which is a precursor of a lithium transition metal composite oxide, is prepared by a crystallization reaction. A mixed aqueous solution is prepared using water-soluble raw materials so that M=1-x-y:x:y, and reacted in a reaction vessel with an alkali metal aqueous solution or the like to obtain a transition metal composite hydroxide. In addition, x and y in the above formula can be set to the same preferred ranges as x and y explained in the lithium transition metal composite oxide particles.
第2工程:[酸化焙焼工程S2]
酸化焙焼工程S2は、遷移金属複合酸化物を調製する。具体的には例えば、前駆体晶析工程S1で得られた遷移金属複合水酸化物を、酸化性雰囲気中、500℃以上700℃以下の温度で焼成することによって、遷移金属複合酸化物を得る。
2nd step: [Oxidation roasting step S2]
In the oxidation roasting step S2, a transition metal composite oxide is prepared. Specifically, for example, the transition metal composite hydroxide obtained in the precursor crystallization step S1 is heated to 500° C. or higher and 700° C. in an oxidizing atmosphere. The transition metal composite oxide is obtained by firing at the following temperature.
第3工程:[リチウム遷移金属複合酸化物合成工程S3]
リチウム遷移金属複合酸化物合成工程S3では、酸化焙焼工程S2で得た遷移金属複合酸化物を、リチウム化合物と混合し、酸素雰囲気下において、700℃以上800℃以下の温度で焼成することによって、リチウム遷移金属複合酸化物を得る。
Third step: [Lithium transition metal composite oxide synthesis step S3]
In the lithium transition metal composite oxide synthesis step S3, the transition metal composite oxide obtained in the oxidation roasting step S2 is mixed with a lithium compound and fired at a temperature of 700° C. or more and 800° C. or less in an oxygen atmosphere to obtain a lithium transition metal composite oxide.
第4工程:[被覆工程S4]
被覆工程S4は、リチウム遷移金属複合酸化物の粒子の表面に被覆層を形成する。具体的には例えば、リチウム遷移金属複合酸化物合成工程S3で得たリチウム遷移金属複合酸化物の粒子と、リチウム化合物とタングステン化合物を含む液状の被覆剤を混合し、乾燥後、脱炭酸空気、不活性ガスまたは真空雰囲気で、100℃以上400℃以下の温度で熱処理を行うことによって、リチウム遷移金属複合酸化物の粒子の表面に被覆層を設ける。
Fourth step: [Coating step S4]
In the coating step S4, a coating layer is formed on the surface of the lithium transition metal composite oxide particles. Specifically, for example, the lithium transition metal composite oxide particles obtained in the lithium transition metal composite oxide synthesis step S3 and A liquid coating agent containing a lithium compound and a tungsten compound is mixed, dried, and then heat-treated at a temperature of 100° C. to 400° C. in a decarbonated air, inert gas, or vacuum atmosphere to form a lithium transition metal composite oxide. A coating layer is provided on the surface of the particles of the object.
以下に、本実施形態の正極活物質の製造方法の一構成例をより具体的に説明する。なお、以下の説明は、製造方法の一例であって、製造方法を限定するものではない。 Below, a more specific example of a configuration of the method for producing the positive electrode active material of this embodiment will be described. Note that the following description is an example of the production method and is not intended to limit the production method.
<2-1.前駆体晶析工程S1>
前駆体晶析工程S1でははじめに、ニッケルを含有する金属化合物、コバルトを含有する金属化合物、及び場合によってはさらに元素M(Mは、Mg、Al、Ca、Si、Mn、Ti、V、Fe、Cu、Cr、Zn、Zr、Nb、MoおよびWからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素である)を含有する金属化合物を所定の割合で水に溶解させ、混合水溶液を作製する(混合水溶液調製ステップ)。混合水溶液の各金属の組成比が最終的に得られる遷移金属複合水酸化物の組成比と同様となる。そのため、混合水溶液中における各金属の組成比が、目的とする遷移金属複合水酸化物粒子中における各金属の組成比と同じ組成比となるように、水に溶解させる金属化合物の割合を調節して、混合水溶液を調製することが好ましい。金属化合物は水溶性であればよく硫酸塩、塩化物、硝酸塩などを用いることができるが、コストの観点から硫酸塩が好ましい。なお、元素Mなどで水溶性の好適な原料が見出されない場合は、混合水溶液には加えずに後述する酸化焙焼工程S2や、リチウム遷移金属複合酸化物合成工程S3で添加しても良い。
<2-1. Precursor crystallization step S1>
In the precursor crystallization step S1, first, a metal compound containing nickel, a metal compound containing cobalt, and optionally an element M (M is Mg, Al, Ca, Si, Mn, Ti, V, Fe, A metal compound containing at least one element selected from the group consisting of Cu, Cr, Zn, Zr, Nb, Mo, and W) is dissolved in water at a predetermined ratio to prepare a mixed aqueous solution (mixed The composition ratio of each metal in the mixed aqueous solution is the same as the composition ratio of the transition metal composite hydroxide to be finally obtained. Therefore, the composition ratio of each metal in the mixed aqueous solution is the same as the composition ratio of the transition metal composite hydroxide to be finally obtained. It is preferable to prepare a mixed aqueous solution by adjusting the ratio of the metal compounds dissolved in water so that the composition ratio of each metal is the same as that of the metal composite hydroxide particles. Although sulfates, chlorides, nitrates, etc. can be used if available, sulfates are preferred from the viewpoint of cost. If no suitable water-soluble raw material can be found for element M, etc., the mixed aqueous solution should contain Alternatively, the lithium-transition metal composite oxide may be added in the oxidation roasting step S2 or the lithium-transition metal composite oxide synthesis step S3 described below.
次に、反応槽に水を入れ、アルカリ性物質と、アンモニウムイオン供給体を適量加えて初期水溶液を調製する(初期水溶液調製ステップ)。この際、初期水溶液のpH値が、液温25℃基準で11.2以上12.2以下、アンモニア濃度が2g/L以上15g/L以下となるように調製することが好ましい。 Next, water is poured into the reaction tank, and an appropriate amount of an alkaline substance and an ammonium ion donor are added to prepare an initial aqueous solution (initial aqueous solution preparation step). At this time, it is preferable to prepare the initial aqueous solution so that the pH value is 11.2 or more and 12.2 or less at a liquid temperature of 25°C, and the ammonia concentration is 2 g/L or more and 15 g/L or less.
前駆体晶析工程S1を行い、遷移金属複合水酸化物を調製する際、用いた混合水溶液に含まれる金属化合物を構成するアニオンに起因する不純物が遷移金属複合水酸化物に混入することがある。しかしながら、初期水溶液のpH値を11.2以上とすることで、係る原料の金属化合物を構成するアニオンに起因する不純物の混入を抑制することができ好ましい。また、初期水溶液のpH値を12.2以下とすることで、得られる遷移金属複合水酸化物粒子について、微粒子化することを抑制し、最適なサイズとすることができ好ましい。 When the precursor crystallization step S1 is carried out to prepare the transition metal composite hydroxide, impurities resulting from the anions constituting the metal compounds contained in the mixed aqueous solution used may be mixed into the transition metal composite hydroxide. However, by setting the pH value of the initial aqueous solution to 11.2 or more, it is possible to suppress the mixing of impurities resulting from the anions constituting the metal compounds of the raw materials, which is preferable. In addition, by setting the pH value of the initial aqueous solution to 12.2 or less, it is possible to suppress the resulting transition metal composite hydroxide particles from becoming fine particles, and to obtain an optimal size, which is preferable.
また、初期水溶液のアンモニア濃度を2g/L以上とすることで、得られる遷移金属複合水酸化物の粒子について、特に球状形状となり易くすることができるため好ましい。そして、初期水溶液のアンモニア濃度を15g/L以下とすることで、アンモニア錯体を形成する遷移金属の溶解度が過度に上昇することを防止し、得られる遷移金属複合水酸化物の組成をより確実に目標組成とすることができるため、好ましい。 In addition, by setting the ammonia concentration of the initial aqueous solution to 2 g/L or more, it is possible to easily obtain particles of the transition metal complex hydroxide having a spherical shape, which is preferable. Furthermore, by setting the ammonia concentration of the initial aqueous solution to 15 g/L or less, it is possible to prevent the solubility of the transition metal that forms the ammonia complex from increasing excessively, and it is possible to more reliably obtain the composition of the transition metal complex hydroxide obtained as the target composition, which is preferable.
なお、初期水溶液を調製する際に用いるアルカリ性物質としては特に限定されるものではないが、炭酸ナトリウム、炭酸水素ナトリウム、炭酸カリウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムから選択された1種類以上であることが好ましい。添加量を容易に調整できることから、水溶液の形態で添加することが好ましい。また、アンモニウムイオン供給体としては、特に限定されるものではないが、炭酸アンモニウム水溶液、アンモニア水、塩化アンモニウム水溶液、硫酸アンモニウム水溶液から選択された1種類以上を好ましく用いることができる。 The alkaline substance used in preparing the initial aqueous solution is not particularly limited, but is preferably one or more selected from sodium carbonate, sodium bicarbonate, potassium carbonate, sodium hydroxide, and potassium hydroxide. It is preferable to add it in the form of an aqueous solution, since the amount added can be easily adjusted. The ammonium ion donor is not particularly limited, but is preferably one or more selected from an aqueous ammonium carbonate solution, an aqueous ammonia solution, an aqueous ammonium chloride solution, and an aqueous ammonium sulfate solution.
前駆体晶析工程S1では、初期水溶液に、既述の混合水溶液を滴下し、反応水溶液とすることができるが、係る反応水溶液についてもpH値、及びアンモニア濃度について、既述の好適な範囲を維持することが好ましい。 In the precursor crystallization step S1, the mixed aqueous solution described above can be added dropwise to the initial aqueous solution to form a reaction aqueous solution, but it is preferable to maintain the pH value and ammonia concentration of the reaction aqueous solution within the preferred ranges described above.
反応槽内の雰囲気は非酸化性雰囲気、例えば酸素濃度が1容量%以下の雰囲気にすることが好ましい。これは、非酸化性雰囲気、例えば酸素濃度を1容量%以下の雰囲気とすることで、原料等が酸化されることを抑制でき好ましいからである。このため、例えば酸化されたコバルトが微粒子として析出すること等を防止することができる。 It is preferable that the atmosphere in the reaction vessel is a non-oxidizing atmosphere, for example, an atmosphere with an oxygen concentration of 1% by volume or less. This is because a non-oxidizing atmosphere, for example, an atmosphere with an oxygen concentration of 1% by volume or less, can suppress the oxidation of the raw materials, etc., which is preferable. This makes it possible to prevent, for example, oxidized cobalt from precipitating as fine particles.
前駆体晶析工程S1での反応槽の温度は40℃以上60℃以下に維持されていることが好ましく、45℃以上55℃以下に維持されていることがより好ましい。なお、反応槽を係る温度域に維持するため、反応槽内に配置される初期水溶液や反応水溶液についても同様の温度範囲内に維持されていることが好ましい。 The temperature of the reaction tank in the precursor crystallization step S1 is preferably maintained between 40°C and 60°C, and more preferably between 45°C and 55°C. In order to maintain the reaction tank in this temperature range, it is preferable that the initial aqueous solution and the reaction aqueous solution placed in the reaction tank are also maintained within the same temperature range.
反応槽は反応熱や撹拌のエネルギーにより、自然に温度が上がるため、40℃以上とすることで、冷却に余分にエネルギーを消費することが無いため好ましい。また、反応槽の温度を60℃以下とすることで、初期水溶液や、反応水溶液からのアンモニアの蒸発量を抑制することができ、目標のアンモニア濃度を容易に維持することができるため好ましい。 The temperature of the reaction tank naturally rises due to the heat of reaction and the energy of stirring, so a temperature of 40°C or higher is preferable because it avoids the consumption of extra energy for cooling. In addition, a temperature of 60°C or lower in the reaction tank is preferable because it is possible to suppress the amount of ammonia evaporation from the initial aqueous solution and the reaction aqueous solution, making it easy to maintain the target ammonia concentration.
そして、前駆体晶析工程S1では、反応槽に初期水溶液を入れ、温度等の調整をした後、混合水溶液を反応槽に一定速度で滴下して反応水溶液とすることで、前駆体である遷移金属複合水酸化物粒子の晶析を行うことができる(晶析ステップ)。 In the precursor crystallization step S1, the initial aqueous solution is placed in a reaction tank, and after adjusting the temperature, etc., the mixed aqueous solution is dripped into the reaction tank at a constant rate to form a reaction aqueous solution, thereby crystallizing the precursor transition metal composite hydroxide particles (crystallization step).
既述のように、反応水溶液についてもpH値、及びアンモニア濃度が初期水溶液について説明した場合と同様の好適な範囲にあることが好ましい。このため初期水溶液、もしくは反応水溶液に混合水溶液を滴下する際においても、アンモニウムイオン供給体や、アルカリ性物質も初期水溶液、もしくは反応水溶液に一定速度で滴下することが好ましい。そして、反応水溶液のpH値を、液温25℃基準で11.2以上12.2以下に、アンモニア濃度を2g/L以上15g/L以下に維持されるように制御することが好ましい。 As mentioned above, it is preferable that the pH value and ammonia concentration of the reaction aqueous solution are in the same suitable range as described for the initial aqueous solution. For this reason, when dripping the mixed aqueous solution into the initial aqueous solution or the reaction aqueous solution, it is preferable to drip the ammonium ion donor and alkaline substance into the initial aqueous solution or the reaction aqueous solution at a constant rate. It is preferable to control the pH value of the reaction aqueous solution to be 11.2 or more and 12.2 or less at a liquid temperature of 25°C, and the ammonia concentration to be maintained at 2 g/L or more and 15 g/L or less.
その後、反応槽に設けられたオーバーフロー口より回収されたこの遷移金属複合水酸化物粒子を含むスラリーをろ過し、乾燥することで、前駆体である粉末状の遷移金属複合水酸化物粒子を得ることができる。 Then, the slurry containing the transition metal composite hydroxide particles is collected from an overflow port provided in the reaction tank, filtered, and dried to obtain the precursor powdered transition metal composite hydroxide particles.
<2-2.酸化焙焼工程S2>
次に、酸化焙焼工程S2について説明する。酸化焙焼工程S2では、上記前駆体晶析工程S1で得られた遷移金属複合水酸化物を酸化焙焼して遷移金属複合酸化物を得る。酸化焙焼工程S2では、前駆体晶析工程S1で作製した遷移金属複合水酸化物を、酸化性雰囲気中で焼成し、その後室温まで冷却することで、遷移金属複合酸化物を得ることができる。
<2-2. Oxidation roasting step S2>
Next, the oxidizing roasting step S2 will be described. In the oxidizing roasting step S2, the transition metal composite hydroxide obtained in the precursor crystallization step S1 is oxidizing roasted to obtain a transition metal composite oxide. In the oxidizing roasting step S2, the transition metal composite hydroxide produced in the precursor crystallization step S1 is fired in an oxidizing atmosphere and then cooled to room temperature to obtain a transition metal composite oxide.
酸化焙焼工程S2における焙焼条件は特に限定されないが、酸化性雰囲気中、例えば空気雰囲気中、500℃以上700℃以下の温度で、1時間以上12時間以下焼成することが好ましい。これは、焼成温度を500℃以上とすることで、遷移金属複合水酸化物粒子を完全に遷移金属複合酸化物へ転化でき好ましいからである。また、焼成温度を700℃以下とすることで、遷移金属複合酸化物の比表面積が過度に小さくなることを抑制でき好ましいからである。 The roasting conditions in the oxidation roasting step S2 are not particularly limited, but it is preferable to roast in an oxidizing atmosphere, for example, in an air atmosphere, at a temperature of 500°C to 700°C for 1 hour to 12 hours. This is because a roasting temperature of 500°C or higher is preferable because the transition metal composite hydroxide particles can be completely converted to transition metal composite oxide. In addition, a roasting temperature of 700°C or lower is preferable because it is possible to prevent the specific surface area of the transition metal composite oxide from becoming excessively small.
焼成時間を1時間以上とすることで、焼成容器内の温度を特に均一にすることができ、反応を均一に進行させることができ、好ましい。また、12時間よりも長い時間焼成を行っても、得られる遷移金属複合酸化物の物性に大きな変化は見られないため、エネルギー効率の観点から、焼成時間は12時間以下とすることが好ましい。 By setting the firing time to 1 hour or more, the temperature inside the firing vessel can be made particularly uniform, and the reaction can proceed uniformly, which is preferable. Furthermore, even if firing is performed for a time longer than 12 hours, no significant changes are observed in the physical properties of the resulting transition metal composite oxide, so from the viewpoint of energy efficiency, it is preferable to set the firing time to 12 hours or less.
焼成の際の酸化性雰囲気中の酸素濃度は、空気雰囲気の酸素濃度以上、すなわち酸素濃度が20体積%以上であることが好ましい。酸素雰囲気とすることもできるため、酸化性雰囲気の酸素濃度の上限値は100体積%とすることができる。 It is preferable that the oxygen concentration in the oxidizing atmosphere during firing is equal to or greater than the oxygen concentration in the air atmosphere, i.e., the oxygen concentration is equal to or greater than 20% by volume. Since an oxygen atmosphere can also be used, the upper limit of the oxygen concentration in the oxidizing atmosphere can be set to 100% by volume.
なお、例えば前駆体晶析工程S1で元素Mを含む化合物を共沈できなかった場合、例えば酸化焙焼工程S2に供する遷移金属複合水酸化物に対して、元素Mを含む化合物を目的とした組成比と同じになるように加えて焼成してもよい。加える元素Mを含む化合物としては特に限定されず、例えば、酸化物、水酸化物、炭酸塩、もしくはその混合物等を用いることができる。 For example, if the compound containing element M cannot be coprecipitated in the precursor crystallization step S1, the compound containing element M may be added to the transition metal composite hydroxide to be subjected to the oxidation roasting step S2 so as to have the same composition ratio as the intended composition, and then calcined. The compound containing element M to be added is not particularly limited, and may be, for example, an oxide, hydroxide, carbonate, or a mixture thereof.
酸化焙焼工程S2の終了後、遷移金属複合酸化物粒子に軽度の焼結が見られる場合には、解砕処理を加えてもよい。 After the oxidation roasting step S2 is completed, if slight sintering is observed in the transition metal composite oxide particles, a crushing process may be added.
<2-3.リチウム遷移金属複合酸化物合成工程S3>
リチウム遷移金属複合酸化物合成工程S3は、上記酸化焙焼工程S2で得られた上記遷移金属複合酸化物と、リチウム化合物とを混合し、焼成してリチウム遷移金属複合酸化物を得る。
<2-3. Lithium transition metal composite oxide synthesis step S3>
In the lithium transition metal composite oxide synthesis step S3, the transition metal composite oxide obtained in the oxidizing roasting step S2 is mixed with a lithium compound and then calcined to obtain a lithium transition metal composite oxide.
リチウム遷移金属複合酸化物合成工程S3ではまず、酸化焙焼工程S2で得られた遷移金属複合酸化物粒子に、この粒子に含まれる成分金属元素の物質量の総和に対して、リチウムの物質量が95%以上120%以下となるようにリチウム化合物を加えて混合することにより、リチウム混合物を得ることができる(リチウム混合物調製ステップ)。 In the lithium transition metal composite oxide synthesis step S3, a lithium compound is first added to and mixed with the transition metal composite oxide particles obtained in the oxidation roasting step S2 so that the amount of lithium is 95% or more and 120% or less of the total amount of the component metal elements contained in the particles, thereby obtaining a lithium mixture (lithium mixture preparation step).
加えるリチウム化合物としては、特に限定されず、例えば、水酸化リチウム、硝酸リチウム、または炭酸リチウム、もしくはその混合物等を用いることができる。リチウム化合物としては、特に融点が低く反応性が高い水酸化リチウムを用いることが好ましい。 The lithium compound to be added is not particularly limited, and for example, lithium hydroxide, lithium nitrate, lithium carbonate, or a mixture thereof can be used. As the lithium compound, it is preferable to use lithium hydroxide, which has a particularly low melting point and high reactivity.
次に、得られたリチウム混合物を酸素雰囲気中で焼成した後、室温まで冷却し、リチウムを含有するリチウム遷移金属複合酸化物を得ることができる(焼成ステップ)。焼成条件は特に限定されないが、例えば700℃以上800℃以下の温度で、1時間以上24時間以下焼成することが好ましい。 Next, the resulting lithium mixture is calcined in an oxygen atmosphere and then cooled to room temperature to obtain a lithium-transition metal composite oxide containing lithium (calcination step). The calcination conditions are not particularly limited, but it is preferable to calcinate at a temperature of 700°C or higher and 800°C or lower for 1 hour or longer and 24 hours or shorter.
なお、酸素雰囲気としては、酸素を80体積%以上含む雰囲気であることが好ましい。これは、雰囲気中の酸素濃度を80体積%以上とすることで、得られるリチウム遷移金属複合酸化物中のLiサイトへNi原子が混合するカチオンミキシングを特に抑制し、二次電池の電池特性の悪化を防ぐことができ好ましいからである。酸素雰囲気とすることもできるため、酸素雰囲気の酸素濃度の上限値は100体積%とすることができる。 The oxygen atmosphere is preferably an atmosphere containing 80% or more by volume of oxygen. This is because by setting the oxygen concentration in the atmosphere to 80% or more by volume, it is possible to particularly suppress cation mixing, in which Ni atoms are mixed into the Li sites in the resulting lithium transition metal composite oxide, and to prevent deterioration of the battery characteristics of the secondary battery, which is preferable. Since an oxygen atmosphere can also be used, the upper limit of the oxygen concentration of the oxygen atmosphere can be set to 100% by volume.
そして、焼成温度を700℃以上とすることで、リチウム遷移金属複合酸化物の結晶構造を安定なものとし、また、リチウム遷移金属複合酸化物の粒子を十分に成長させることができ好ましい。また、焼成温度を800℃以下とすることで、得られるリチウム遷移金属複合酸化物中のLiサイトへNi原子が混合するカチオンミキシングを抑制し、二次電池の電池特性の悪化を防ぐことができるため、好ましい。 The firing temperature is preferably 700°C or higher, since it stabilizes the crystal structure of the lithium transition metal composite oxide and allows the lithium transition metal composite oxide particles to grow sufficiently. The firing temperature is preferably 800°C or lower, since it suppresses cation mixing, in which Ni atoms are mixed into the Li sites in the resulting lithium transition metal composite oxide, and prevents deterioration of the battery characteristics of the secondary battery.
焼成時間は、1時間以上とすることで焼成容器内の温度を均一にすることができ、反応を均一に進行させることができるため好ましい。また、24時間よりも長い時間焼成を行っても、得られるリチウム遷移金属複合酸化物に大きな変化は見られないため、エネルギー効率の観点から、焼成時間は24時間以下とすることが好ましい。 A firing time of 1 hour or more is preferable because it makes it possible to make the temperature inside the firing vessel uniform and allows the reaction to proceed uniformly. Furthermore, even if firing is performed for a time longer than 24 hours, no significant changes are observed in the resulting lithium transition metal composite oxide, so from the viewpoint of energy efficiency, it is preferable to set the firing time to 24 hours or less.
なお、リチウム遷移金属複合酸化物合成工程S3の後、得られるリチウム遷移金属複合酸化物に軽度の焼結が見られる場合には、解砕処理を加えてもよい。解砕により、得られる正極活物質の平均粒径や粒度分布を好適な範囲に調整することができる。なお、解砕とは、焼成時に二次粒子間の焼結ネッキングなどにより生じた複数の二次粒子からなる凝集体に、機械的エネルギを投入して、二次粒子自体をほとんど破壊することなく分離させて、凝集体をほぐす操作をいう。 If slight sintering is observed in the lithium transition metal composite oxide obtained after the lithium transition metal composite oxide synthesis step S3, a crushing process may be added. Crushing allows the average particle size and particle size distribution of the obtained positive electrode active material to be adjusted to a suitable range. Crushing refers to the operation of applying mechanical energy to an aggregate of multiple secondary particles generated by sintering necking between secondary particles during firing, separating the secondary particles with almost no destruction of the secondary particles themselves, and loosening the aggregates.
<2-4.被覆工程S4>
被覆工程S4は、上記リチウム遷移金属複合酸化物合成工程S3で得られた上記リチウム遷移金属複合酸化物の粒子の表面の少なくとも一部にリチウムタングステン化合物を含む被覆層を形成する。
<2-4. Coating step S4>
In the coating step S4, a coating layer containing a lithium tungsten compound is formed on at least a part of the surface of the particles of the lithium transition metal composite oxide obtained in the lithium transition metal composite oxide synthesis step S3.
被覆工程S4ではまず、リチウム遷移金属複合酸化物合成工程S3で得られたリチウム遷移金属複合酸化物の比表面積を測定し、目標とする被覆層のタングステン担持量に応じて、液状の被覆剤を調製することができる(被覆剤調製ステップ)。 In the coating step S4, first, the specific surface area of the lithium transition metal composite oxide obtained in the lithium transition metal composite oxide synthesis step S3 is measured, and a liquid coating agent can be prepared according to the target amount of tungsten carried in the coating layer (coating agent preparation step).
被覆剤調製ステップでは、タングステン化合物およびリチウム化合物を含有する被覆剤を調製する。タングステン化合物およびリチウム化合物を含有する被覆剤を用いることで、後述する熱処理ステップにおいてリチウムタングステン化合物を含む被覆層を生成することができる。そして、上記リチウム遷移金属複合酸化物の粒子の表面を当該被覆層で均一に被覆することができる。なおタングステン化合物を被覆剤とし、後述する乾燥ステップ後にリチウム化合物を添加し、後述する熱処理ステップを行うことも可能であるが、熱処理ステップ時にリチウム化合物が剥離する可能性がある。 In the coating agent preparation step, a coating agent containing a tungsten compound and a lithium compound is prepared. By using a coating agent containing a tungsten compound and a lithium compound, a coating layer containing a lithium tungsten compound can be generated in the heat treatment step described below. The surface of the lithium transition metal composite oxide particles can be uniformly coated with the coating layer. Note that it is also possible to use a tungsten compound as a coating agent, add a lithium compound after the drying step described below, and perform the heat treatment step described below, but there is a possibility that the lithium compound may peel off during the heat treatment step.
被覆剤はタングステンや、タングステン化合物およびリチウム化合物を含有すれば特に限定されない。被覆剤は、均一な被覆のために、タングステン化合物およびリチウム化合物が溶媒に溶解したものや、常温で液状であったり、低温の熱処理で融解したりする低融点のタングステン化合物およびリチウム化合物等を好ましく用いることができる。 The coating agent is not particularly limited as long as it contains tungsten, a tungsten compound, and a lithium compound. For uniform coating, it is preferable to use a coating agent in which a tungsten compound and a lithium compound are dissolved in a solvent, or a low-melting tungsten compound and a lithium compound that are liquid at room temperature or melt by low-temperature heat treatment.
タングステン化合物としては例えば、酸化タングステンやタングステン酸、パラタングステン酸アンモニウム、メタタングステン酸アンモニウム、酸化タングステンの微粒子が水溶液中に均一に分散した酸化タングステンゾル水溶液等から選択される1種類以上が挙げられる。リチウム化合物としては、特に限定されず、例えば、水酸化リチウム、酸化リチウム、硝酸リチウム、リチウムエトキシド、酢酸リチウム、ギ酸リチウム、塩化リチウム、硫酸リチウムまたは炭酸リチウム、もしくはその混合物等を用いることができる。被覆剤としては特に、より容易に調製することができ、不純物の混入をより抑制できる、酸化タングステンを水酸化リチウム水溶液に溶解したものを好ましく用いることができる。 Examples of tungsten compounds include one or more selected from tungsten oxide, tungstic acid, ammonium paratungstate, ammonium metatungstate, and a tungsten oxide sol aqueous solution in which fine particles of tungsten oxide are uniformly dispersed in an aqueous solution. The lithium compound is not particularly limited, and examples thereof include lithium hydroxide, lithium oxide, lithium nitrate, lithium ethoxide, lithium acetate, lithium formate, lithium chloride, lithium sulfate, lithium carbonate, and mixtures thereof. As a coating agent, a solution of tungsten oxide in a lithium hydroxide aqueous solution is particularly preferred, as it can be prepared more easily and the inclusion of impurities can be more effectively suppressed.
被覆剤調製ステップでは、被覆層のリチウムタングステン化合物のLiとWの物質量比(Li/W)が、1.8以上2.2以下となるようにタングステン化合物およびリチウム化合物の添加量を調節することが好ましい。被覆層のリチウムタングステン化合物のLiとWの物質量比を1.8以上とすることで、リチウムイオン伝導性の高いリチウムタングステン化合物が生成するため好ましい。また、被覆層のリチウムタングステン化合物のLiとWの物質量比を2.2以下とすることで、未反応のリチウム化合物を少なくでき、初期放電容量の低下や正極抵抗の増加などの電池特性の低下を抑制できる。また、リチウムタングステン化合物のLiとWの物質量比(Li/W)を1.8以上2.2以下とすることで、サイクル特性をさらに向上させ、電池の膨らみをより小さくし、初期放電容量をさらに増加させ、内部抵抗をさらに低減させることができる。 In the coating agent preparation step, it is preferable to adjust the amount of tungsten compound and lithium compound added so that the mass ratio (Li/W) of Li to W in the lithium tungsten compound of the coating layer is 1.8 or more and 2.2 or less. By setting the mass ratio of Li to W in the lithium tungsten compound of the coating layer to 1.8 or more, a lithium tungsten compound with high lithium ion conductivity is generated, which is preferable. In addition, by setting the mass ratio of Li to W in the lithium tungsten compound of the coating layer to 2.2 or less, it is possible to reduce unreacted lithium compounds and suppress deterioration of battery characteristics such as a decrease in initial discharge capacity and an increase in positive electrode resistance. In addition, by setting the mass ratio of Li to W in the lithium tungsten compound to 1.8 or more and 2.2 or less, it is possible to further improve cycle characteristics, further reduce battery swelling, further increase initial discharge capacity, and further reduce internal resistance.
被覆工程S4では次に、リチウム遷移金属複合酸化物粒子と、被覆剤とを混合することができる。混合には一般的な混合器を用いることができる(混合物調製ステップ)。そして、混合後に乾燥を行い(乾燥ステップ)、さらに熱処理を行いリチウムタングステン化合物を被覆層として固定することができる(熱処理ステップ)。 In the coating step S4, the lithium transition metal composite oxide particles can then be mixed with the coating agent. A general mixer can be used for mixing (mixture preparation step). After mixing, the mixture is dried (drying step), and then heat treated to fix the lithium tungsten compound as a coating layer (heat treatment step).
乾燥ステップでは、被覆剤の溶媒等を除去できる程度の温度で乾燥を行うことができる。例えば80℃以上300℃未満で乾燥を行うことができる。 In the drying step, drying can be performed at a temperature sufficient to remove the solvent from the coating agent. For example, drying can be performed at a temperature of 80°C or higher and lower than 300°C.
熱処理ステップの熱処理条件は特に限定されてないが、脱炭酸空気、不活性ガスまたは真空雰囲気で、100℃以上400℃以下、より好ましくは150℃以上350℃以下の温度で、3時間以上15時間以下熱処理を行うことが好ましい。熱処理後は、室温まで冷却し、最終生成物である被覆層を有するリチウム遷移金属複合酸化物の粒子である正極活物質を得ることができる。ここで、脱炭酸空気について説明する。通常の大気は若干量の炭酸ガス(CO2)を含むが、本発明の脱炭酸空気は、この炭酸ガスの含有量を、通常の大気以下の10ppm以下に脱炭酸処理したものである。また、不活性ガスとは、希ガス、窒素ガスから選択された1種類以上のガスによる雰囲気を意味する。 The heat treatment conditions of the heat treatment step are not particularly limited, but it is preferable to perform the heat treatment in decarbonated air, inert gas, or vacuum atmosphere at a temperature of 100°C to 400°C, more preferably 150°C to 350°C, for 3 hours to 15 hours. After the heat treatment, the product is cooled to room temperature, and the positive electrode active material, which is a particle of lithium transition metal composite oxide having a coating layer as the final product, can be obtained. Here, the decarbonated air will be explained. Normal air contains a small amount of carbon dioxide gas (CO 2 ), but the decarbonated air of the present invention is decarbonated to reduce the content of this carbon dioxide gas to 10 ppm or less, which is lower than that of normal air. Inert gas means an atmosphere of one or more gases selected from rare gases and nitrogen gas.
熱処理の際の雰囲気は、雰囲気中の水分や炭酸とリチウム遷移金属複合酸化物粒子表面のリチウムの反応を避けるため、脱炭酸空気、不活性ガスまたは真空雰囲気とすることが好ましい。 The heat treatment is preferably performed in a decarbonated air, inert gas, or vacuum atmosphere to avoid reactions between moisture and carbonic acid in the atmosphere and the lithium on the surface of the lithium transition metal composite oxide particles.
熱処理の際の焼成温度は、100℃以上とすることで被覆剤に含まれていた不純物が正極活物質内に残留することを特に抑制でき、かつ、被覆層のタングステン化合物とリチウム化合物が反応しリチウムタングステン化合物として存在できるようになるため好ましい。また、焼成温度を400℃以下とすることで、被覆層の成分が過度に拡散されることを抑制し、被覆層の形態を保つことができるため好ましい。なお、熱処理の際の焼成温度は、目標に設定した被覆層のタングステン担持量等に応じて、被覆層が十分にその厚みを維持できるように選択することが好ましい。 The baking temperature during the heat treatment is preferably 100°C or higher, which can particularly prevent impurities contained in the coating agent from remaining in the positive electrode active material, and allows the tungsten compound in the coating layer to react with the lithium compound and exist as a lithium tungsten compound. In addition, a baking temperature of 400°C or lower is preferable, because it can prevent the components of the coating layer from being excessively diffused and maintain the shape of the coating layer. The baking temperature during the heat treatment is preferably selected so that the coating layer can sufficiently maintain its thickness, depending on the target amount of tungsten carried in the coating layer, etc.
熱処理の焼成時間を3時間以上とすることで、被覆剤に含まれていた不純物が正極活物質内に残留することを特に抑制できるため好ましい。また、15時間よりも長い時間焼成を行っても、得られる正極活物質に大きな変化は見られないことから、エネルギー効率の観点から、焼成時間は15時間以下とすることが好ましい。 It is preferable to set the calcination time for the heat treatment to 3 hours or more, since this can particularly prevent impurities contained in the coating agent from remaining in the positive electrode active material. Furthermore, since no significant changes are observed in the resulting positive electrode active material even if calcination is performed for a time longer than 15 hours, from the viewpoint of energy efficiency, it is preferable to set the calcination time to 15 hours or less.
被覆工程S4後に得られる正極活物質に軽度の焼結が見られる場合には、解砕処理を加えてもよい。 If slight sintering is observed in the positive electrode active material obtained after the coating step S4, a crushing process may be added.
以上のように、本発明の一実施形態に係るリチウムイオン二次電池用正極活物質の製造方法によれば、サイクル特性に優れ、かつ充放電時のガス発生の少ないリチウムイオン二次電池用正極活物質を提供することができる。 As described above, the method for producing a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery according to one embodiment of the present invention can provide a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery that has excellent cycle characteristics and generates little gas during charging and discharging.
<3.リチウムイオン二次電池>
次に、本実施形態のリチウムイオン二次電池の一構成例について説明する。本実施形態のリチウムイオン二次電池(以下、単に「二次電池」とも記載する)は、既述の正極活物質を用いた正極と、負極と、セパレータと、非水系電解質とを備えた構成を有することができる。以下、本実施形態の二次電池の各部材について説明する。なお、以下に説明する実施形態は例示に過ぎず、本発明のリチウムイオン二次電池は、本明細書に記載されている実施形態をもとに、当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した形態で実施することができる。また、本発明のリチウムイオン二次電池は、その用途を特に限定されない。
3. Lithium-ion secondary battery
Next, a configuration example of the lithium ion secondary battery of this embodiment will be described. The lithium ion secondary battery of this embodiment (hereinafter, also simply described as "secondary battery") can have a configuration including a positive electrode using the above-mentioned positive electrode active material, a negative electrode, a separator, and a non-aqueous electrolyte. Each member of the secondary battery of this embodiment will be described below. Note that the embodiment described below is merely an example, and the lithium ion secondary battery of the present invention can be implemented in a form in which various changes and improvements are made based on the embodiment described in this specification and on the knowledge of a person skilled in the art. In addition, the lithium ion secondary battery of the present invention is not particularly limited in its use.
<3-1.正極>
正極は、シート状の部材であり、例えば、既述の正極活物質を含有する正極合剤ペーストを、例えばアルミニウム箔製の集電体の表面に塗布、乾燥して形成できる。また、正極は正極合剤を成型し、形成することもできる。なお、正極は、使用する電池にあわせて適宜処理される。たとえば、目的とする電池に応じて適当な大きさに形成する裁断処理や、電極密度を高めるためにロールプレスなどによる加圧圧縮処理等を行うこともできる。
<3-1. Positive electrode>
The positive electrode is a sheet-like member, and can be formed, for example, by applying a positive electrode mixture paste containing the above-mentioned positive electrode active material to the surface of a current collector made of, for example, aluminum foil, and drying it. The positive electrode can also be formed by molding the positive electrode mixture. The positive electrode is appropriately processed according to the battery to be used. For example, cutting to form the electrode into an appropriate size according to the target battery, or pressure compression using a roll press or the like to increase the electrode density can be performed.
上述の正極合剤ペーストは、正極合剤に、必要に応じて溶剤を添加し、混練して形成することができる。そして、正極合剤は、粉末状になっている既述の正極活物質と、導電剤と、結着剤とを混合して形成できる。 The above-mentioned positive electrode mixture paste can be formed by adding a solvent to the positive electrode mixture as necessary and kneading it. The positive electrode mixture can be formed by mixing the above-mentioned positive electrode active material in powder form, a conductive agent, and a binder.
導電剤は、電極に適当な導電性を与えるために添加されるものである。導電剤の材料は特に限定されないが、例えば天然黒鉛、人造黒鉛および膨張黒鉛などの黒鉛や、アセチレンブラック、ケッチェンブラック(登録商標)等のカーボンブラック系材料を用いることができる。 The conductive agent is added to give the electrode appropriate conductivity. There are no particular limitations on the material of the conductive agent, but examples that can be used include graphite such as natural graphite, artificial graphite, and expanded graphite, as well as carbon black materials such as acetylene black and Ketjen Black (registered trademark).
結着剤は、正極活物質をつなぎ止める役割を果たすものである。係る正極合剤に使用される結着剤は特に限定されないが、例えばポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、フッ素ゴム、エチレンプロピレンジエンゴム、スチレンブタジエン、セルロース系樹脂、ポリアクリル酸等から選択された1種類以上を用いることができる。 The binder serves to hold the positive electrode active material together. There are no particular limitations on the binder used in the positive electrode mixture, but it is possible to use, for example, one or more selected from polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroethylene (PTFE), fluororubber, ethylene propylene diene rubber, styrene butadiene, cellulose-based resin, polyacrylic acid, etc.
なお、正極合剤には活性炭などを添加することもできる。正極合剤に活性炭などを添加することによって、正極の電気二重層容量を増加させることができる。 Activated carbon can also be added to the positive electrode mixture. By adding activated carbon to the positive electrode mixture, the electric double layer capacity of the positive electrode can be increased.
溶剤は、結着剤を溶解して正極活物質、導電剤、および活性炭等を結着剤中に分散させる働きを有する。溶剤は特に限定されないが、例えばN-メチル-2-ピロリドン等の有機溶剤を用いることができる。 The solvent dissolves the binder and disperses the positive electrode active material, conductive agent, activated carbon, etc. in the binder. The solvent is not particularly limited, but an organic solvent such as N-methyl-2-pyrrolidone can be used.
また、正極合剤ペースト中における各物質の混合比は特に限定されるものではなく、例えば一般のリチウムイオン二次電池の正極の場合と同様にすることができる。例えば、溶剤を除いた正極合剤の固形分を100質量部とした場合、正極活物質の含有量を60質量部以上95質量部以下、導電剤の含有量を1質量部以上20質量部以下、結着剤の含有量を1質量部以上20質量部以下とすることができる。 The mixing ratio of each material in the positive electrode mixture paste is not particularly limited, and can be the same as that of the positive electrode of a general lithium ion secondary battery. For example, if the solid content of the positive electrode mixture excluding the solvent is 100 parts by mass, the content of the positive electrode active material can be 60 parts by mass or more and 95 parts by mass or less, the content of the conductive agent can be 1 part by mass or more and 20 parts by mass or less, and the content of the binder can be 1 part by mass or more and 20 parts by mass or less.
ただし、正極の作製方法は、上述した例示のものに限られることなく、他の方法によってもよい。 However, the method for producing the positive electrode is not limited to the above-mentioned example, and other methods may also be used.
<3-2.負極>
負極は、銅などの金属箔集電体の表面に、負極合剤ペーストを塗布し、乾燥して形成されたシート状の部材である。また、負極は例えば金属リチウム等のリチウムを含有する物質により構成されたシート状の部材とすることもできる。
<3-2. Negative electrode>
The negative electrode is a sheet-like member formed by applying a negative electrode mixture paste to the surface of a metal foil current collector such as copper and drying it. The negative electrode can also be a sheet-like member made of a material containing lithium, such as metallic lithium.
負極は、負極合剤ペーストを構成する成分やその配合、集電体の素材等は異なるものの、実質的に上述の正極と同様の方法によって形成され、正極と同様に必要に応じて各種処理が行われる。 Although the components and their composition that make up the negative electrode mixture paste, and the material of the current collector, etc., are different, the negative electrode is formed in substantially the same manner as the positive electrode described above, and various treatments are performed as necessary in the same manner as the positive electrode.
負極合剤ペーストは、負極活物質と結着剤とを混合した負極合剤に、適当な溶剤を加えてペースト状にすることで調製できる。負極活物質としては例えば、金属リチウムやリチウム合金などのリチウムを含有する物質や、リチウムイオンを放出および吸蔵できる吸蔵物質を採用することができる。 The negative electrode mixture paste can be prepared by adding a suitable solvent to a negative electrode mixture made by mixing a negative electrode active material and a binder to form a paste. For example, the negative electrode active material can be a material containing lithium, such as metallic lithium or a lithium alloy, or an occlusion material that can absorb and release lithium ions.
吸蔵物質は特に限定されないが、例えば天然黒鉛、人造黒鉛、フェノール樹脂等の有機化合物焼成体、およびコークスなどの炭素物質の粉状体等から選択された1種類以上を用いることができる。係る吸蔵物質を負極活物質に採用した場合には、正極同様に、結着剤として、PVDF等の含フッ素樹脂を用いることができ、負極活物質を結着剤中に分散させる溶剤としては、N-メチル-2-ピロリドン等の有機溶剤を用いることができる。 The storage material is not particularly limited, but may be one or more selected from, for example, natural graphite, artificial graphite, baked organic compounds such as phenolic resin, and powdered carbon materials such as coke. When such a storage material is used as the negative electrode active material, a fluorine-containing resin such as PVDF may be used as the binder, as in the case of the positive electrode, and an organic solvent such as N-methyl-2-pyrrolidone may be used as the solvent for dispersing the negative electrode active material in the binder.
<3-3.セパレータ>
セパレータは、正極と負極との間に挟み込んで配置されるものであり、正極と負極とを分離し、電解質を保持する機能を有している。セパレータの材料としては、例えばポリエチレンや、ポリプロピレンなどの薄い膜で、微細な孔を多数有する膜を用いることができるが、上記機能を有するものであれば、特に限定されない。
<3-3. Separator>
The separator is sandwiched between the positive electrode and the negative electrode, and has the function of separating the positive electrode and the negative electrode and retaining the electrolyte. The material of the separator may be, for example, a thin membrane such as polyethylene or polypropylene having a large number of fine pores, but is not particularly limited as long as it has the above function.
<3-4.非水系電解質>
非水系電解質としては、非水系電解液を用いることができる。非水系電解液は、例えば、支持塩としてのリチウム塩を有機溶媒に溶解したものを用いてもよい。また、非水系電解液として、イオン液体にリチウム塩が溶解したものを用いてもよい。なお、イオン液体とは、リチウムイオン以外のカチオンおよびアニオンから構成され、常温でも液体状を示す塩をいう。
<3-4. Non-aqueous electrolyte>
As the non-aqueous electrolyte, a non-aqueous electrolyte solution can be used. For example, the non-aqueous electrolyte solution may be one in which a lithium salt as a supporting salt is dissolved in an organic solvent. Alternatively, an ionic liquid in which a lithium salt is dissolved may be used. Note that the ionic liquid refers to a salt that is composed of cations and anions other than lithium ions and that is in a liquid state even at room temperature.
有機溶媒としては、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、トリフルオロプロピレンカーボネートなどの環状カーボネート、また、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジプロピルカーボネートなどの鎖状カーボネート、さらに、テトラヒドロフラン、2-メチルテトラヒドロフラン、ジメトキシエタンなどのエーテル化合物、エチルメチルスルホンやブタンスルトンなどの硫黄化合物、リン酸トリエチルやリン酸トリオクチルなどのリン化合物などから選ばれる1種を単独で用いてもよく、あるいは2種類以上を混合して用いることができる。 As the organic solvent, one selected from cyclic carbonates such as ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, and trifluoropropylene carbonate, chain carbonates such as diethyl carbonate, dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, and dipropyl carbonate, ether compounds such as tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, and dimethoxyethane, sulfur compounds such as ethyl methyl sulfone and butane sultone, and phosphorus compounds such as triethyl phosphate and trioctyl phosphate may be used alone or in combination of two or more.
支持塩としては、LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiAsF6、LiN(CF3SO2)2、およびそれらの複合塩などを用いることができる。なお、非水系電解液は、電池特性改善のため、ラジカル捕捉剤、界面活性剤、難燃剤などを含んでいてもよい。 Examples of the supporting salt that can be used include LiPF6 , LiBF4 , LiClO4 , LiAsF6 , LiN( CF3SO2 ) 2 , and composite salts thereof. The non - aqueous electrolyte may contain a radical scavenger, a surfactant, a flame retardant, etc., in order to improve the battery characteristics.
また、非水系電解質としては、固体電解質を用いてもよい。固体電解質は、高電圧に耐えうる性質を有する。固体電解質としては、無機固体電解質、有機固体電解質が挙げられる。 A solid electrolyte may also be used as the non-aqueous electrolyte. A solid electrolyte has the property of being able to withstand high voltages. Examples of solid electrolytes include inorganic solid electrolytes and organic solid electrolytes.
無機固体電解質として、酸化物系固体電解質、硫化物系固体電解質等が用いられる。 As inorganic solid electrolytes, oxide-based solid electrolytes, sulfide-based solid electrolytes, etc. are used.
酸化物系固体電解質としては、特に限定されず、酸素(O)を含有し、かつ、リチウムイオン伝導性と電子絶縁性とを有するものであれば用いることができる。酸化物系固体電解質としては、例えば、リン酸リチウム(Li3PO4)、Li3PO4NX、LiBO2NX、LiNbO3、LiTaO3、Li2SiO3、Li4SiO4-Li3PO4、Li4SiO4-Li3VO4、Li2O-B2O3-P2O5、Li2O-SiO2、Li2O-B2O3-ZnO、Li1+XAlXTi2-X(PO4)3(0≦X≦1)、Li1+XAlXGe2-X(PO4)3(0≦X≦1)、LiTi2(PO4)3、Li3XLa2/3-XTiO3(0≦X≦2/3)、Li5La3Ta2O12、Li7La3Zr2O12、Li6BaLa2Ta2O12、Li3.6Si0.6P0.4O4等が挙げられる。 The oxide-based solid electrolyte is not particularly limited, and any oxide-based solid electrolyte that contains oxygen (O) and has lithium ion conductivity and electronic insulation properties can be used. Examples of oxide-based solid electrolytes include lithium phosphate (Li 3 PO 4 ), Li 3 PO 4 N x , LiBO 2 N x , LiNbO 3 , LiTaO 3 , Li 2 SiO 3 , Li 4 SiO 4 -Li 3 PO 4 , Li 4 SiO 4 -Li 3 VO 4 , Li 2 O-B 2 O 3 -P 2 O 5 , Li 2 O-SiO 2 , Li 2 O-B 2 O 3 -ZnO, Li 1+X Al X Ti 2-X (PO 4 ) 3 (0≦X≦1), Li 1+X Al X Ge 2-X (PO 4 ) 3 (0≦X≦1), LiTi2 ( PO4 ) 3 , Li3XLa2 /3- XTiO3 ( 0 ≦ X ≦ 2/3), Li5La3Ta2O12, Li7La3Zr2O12, Li6BaLa2Ta2 Examples include O 12 , Li 3.6 Si 0.6 P 0.4 O 4 and the like .
硫化物系固体電解質としては、特に限定されず、硫黄(S)を含有し、かつ、リチウムイオン伝導性と電子絶縁性とを有するものであれば用いることができる。硫化物系固体電解質としては、例えば、Li2S-P2S5、Li2S-SiS2、LiI-Li2S-SiS2、LiI-Li2S-P2S5、LiI-Li2S-B2S3、Li3PO4-Li2S-Si2S、Li3PO4-Li2S-SiS2、LiPO4-Li2S-SiS、LiI-Li2S-P2O5、LiI-Li3PO4-P2S5等が挙げられる。 The sulfide-based solid electrolyte is not particularly limited, and any electrolyte that contains sulfur (S) and has lithium ion conductivity and electronic insulation can be used. Examples of sulfide-based solid electrolytes include Li 2 S-P 2 S 5 , Li 2 S-SiS 2 , LiI-Li 2 S-SiS 2 , LiI-Li 2 S-P 2 S 5 , LiI-Li 2 S-B 2 S 3 , Li 3 PO 4 -Li 2 S-Si 2 S, Li 3 PO 4 -Li 2 S-SiS 2 , LiPO 4 -Li 2 S-SiS, LiI-Li 2 S-P 2 O 5 , and LiI-Li 3 PO 4 -P 2 S 5 .
なお、無機固体電解質としては、上記以外のものを用いてよく、例えば、Li3N、LiI、Li3N-LiI-LiOH等を用いてもよい。 As the inorganic solid electrolyte, materials other than those mentioned above may be used, for example, Li 3 N, LiI, Li 3 N-LiI-LiOH, etc. may be used.
有機固体電解質としては、イオン伝導性を示す高分子化合物であれば、特に限定されず、例えば、ポリエチレンオキシド、ポリプロピレンオキシド、これらの共重合体などを用いることができる。また、有機固体電解質は、支持塩(リチウム塩)を含んでいてもよい。 The organic solid electrolyte is not particularly limited as long as it is a polymeric compound that exhibits ion conductivity, and examples of the organic solid electrolyte that can be used include polyethylene oxide, polypropylene oxide, and copolymers thereof. The organic solid electrolyte may also contain a supporting salt (lithium salt).
<3-5.二次電池の形状、構成>
次に、本実施形態の二次電池の部材の配置、構成の例について説明する。以上のように説明してきた正極、負極、セパレータおよび非水系電解質で構成される本実施形態の二次電池は、円筒形や積層形など、種々の形状にすることができる。いずれの形状をとる場合であっても、正極および負極を、セパレータを介して積層させて電極体とし、得られた電極体に非水系電解質を含浸させることができる。そして、正極集電体と外部に通ずる正極端子との間、および、負極集電体と外部に通じる負極端子との間を、集電用リードなどを用いて接続し、電池ケースに密閉して二次電池とすることができる。
<3-5. Shape and configuration of secondary battery>
Next, an example of the arrangement and configuration of the components of the secondary battery of this embodiment will be described. The secondary battery of this embodiment, which is composed of the positive electrode, negative electrode, separator, and non-aqueous electrolyte described above, can be made into various shapes, such as a cylindrical shape or a laminated shape. In any shape, the positive electrode and the negative electrode can be laminated via a separator to form an electrode body, and the obtained electrode body can be impregnated with a non-aqueous electrolyte. Then, the positive electrode current collector and the positive electrode terminal leading to the outside, and the negative electrode current collector and the negative electrode terminal leading to the outside can be connected using a current collecting lead or the like, and the battery can be sealed in a battery case to form a secondary battery.
既述の正極活物質を用いた本実施形態の二次電池は、サイクル特性に優れ、電池の膨れが少ない二次電池とすることができる。 The secondary battery of this embodiment, which uses the positive electrode active material described above, can be a secondary battery with excellent cycle characteristics and little battery swelling.
具体的には、本実施形態の正極活物質を正極に用いて、2032型コイン電池を構成し、電流密度を0.13mA/cm2として、カットオフ電圧4.3Vまで充電し、1時間の休止後、カットオフ電圧3.0Vまで放電した場合の放電容量である、初期放電容量が200mAh/g以上であることが好ましく、202mAh/g以上であることがより好ましい。 Specifically, a 2032-type coin battery is formed using the positive electrode active material of this embodiment for the positive electrode, and the battery is charged to a cutoff voltage of 4.3 V at a current density of 0.13 mA/ cm2 , and then discharged to a cutoff voltage of 3.0 V after a one-hour pause. The initial discharge capacity is preferably 200 mAh/g or more, and more preferably 202 mAh/g or more.
電池の正極抵抗は、コイン型電池を用いた正極抵抗の測定により評価できる。正極抵抗の測定方法を例示すれば、次のようになる。電気化学的評価手法として一般的な交流インピーダンス法にて電池反応の周波数依存性について測定を行うと、溶液抵抗、負極抵抗と負極容量、および正極抵抗と正極容量に基づくナイキスト線図が得られる。電極における電池反応は、電荷移動に伴う抵抗成分と電気二重層による容量成分とからなり、これらを電気回路で表すと抵抗と容量の並列回路となり、電池全体としては溶液抵抗と負極、正極の並列回路を直列に接続した等価回路で表される。この等価回路を用いて測定したナイキスト線図に対してフィッティング計算を行い、各抵抗成分、容量成分を見積もることができる。正極抵抗は、得られるナイキスト線図の低周波数側の半円の直径と等しい。したがって、正極について、交流インピーダンス測定を行い、得られたナイキスト線図に対し等価回路でフィッティング計算することで、正極抵抗を見積もることができる。 The positive electrode resistance of a battery can be evaluated by measuring the positive electrode resistance using a coin-type battery. An example of a method for measuring the positive electrode resistance is as follows. When the frequency dependence of the battery reaction is measured using the AC impedance method, which is a common electrochemical evaluation method, a Nyquist diagram based on the solution resistance, the negative electrode resistance and negative electrode capacity, and the positive electrode resistance and positive electrode capacity is obtained. The battery reaction in the electrode consists of a resistance component associated with charge transfer and a capacity component due to the electric double layer, and when these are represented as an electric circuit, they become a parallel circuit of resistance and capacity, and the entire battery is represented by an equivalent circuit in which the solution resistance and the parallel circuits of the negative electrode and positive electrode are connected in series. Each resistance component and capacity component can be estimated by performing a fitting calculation on the Nyquist diagram measured using this equivalent circuit. The positive electrode resistance is equal to the diameter of the semicircle on the low-frequency side of the obtained Nyquist diagram. Therefore, the positive electrode resistance can be estimated by performing an AC impedance measurement on the positive electrode and performing a fitting calculation on the obtained Nyquist diagram using an equivalent circuit.
なお、正極抵抗は、実施例1における正極抵抗を1とし、相対的な値とした正極抵抗比で示している。 The positive electrode resistance is shown as a positive electrode resistance ratio relative to the positive electrode resistance in Example 1, which is set to 1.
サイクル特性は容量維持率および正極抵抗の増加率によって評価する。容量維持率は、例えば以下の手順により評価を行うことができる。例えば黒鉛粉末とポリフッ化ビニリデンとを混合した負極合剤ペーストを銅箔に塗布して形成したシートを負極に用いたラミネート型電池を構成する。そして、該ラミネート型電池について、25℃に保持された恒温槽内で電流密度を0.33mA/cm2として、カットオフ電圧4.3Vまで充電し、1時間の休止後、カットオフ電圧3.0Vまで放電するサイクルを5サイクル繰り返すコンディショニングを行う。次に、60℃に保持された恒温槽内で電流密度を2.7mA/cm2として、カットオフ電圧4.3Vまで充電し、1時間の休止後、カットオフ電圧3.0Vまで放電するサイクルを500サイクル繰り返す。 The cycle characteristics are evaluated by the capacity retention rate and the rate of increase in the positive electrode resistance. The capacity retention rate can be evaluated, for example, by the following procedure. For example, a laminated battery is constructed using a sheet formed by applying a negative electrode mixture paste made by mixing graphite powder and polyvinylidene fluoride to a copper foil as the negative electrode. Then, the laminated battery is conditioned by repeating five cycles of charging to a cutoff voltage of 4.3 V at a current density of 0.33 mA/cm 2 in a thermostatic chamber held at 25 ° C., resting for one hour, and discharging to a cutoff voltage of 3.0 V. Next, the cycle of charging to a cutoff voltage of 4.3 V at a current density of 2.7 mA/cm 2 in a thermostatic chamber held at 60 ° C., resting for one hour, and discharging to a cutoff voltage of 3.0 V is repeated 500 cycles.
そして、コンディショニング後の1サイクル目で得られた放電容量で、500サイクル目で得られた放電容量を割った割合を容量維持率とすることができる。 The capacity retention rate can be calculated by dividing the discharge capacity obtained in the 500th cycle by the discharge capacity obtained in the first cycle after conditioning.
また、既述の正極活物質を用いた本実施形態の二次電池は、容量維持率が80%以上であることが好ましく、83%以上であることがより好ましい。 Furthermore, the secondary battery of this embodiment using the above-described positive electrode active material preferably has a capacity retention rate of 80% or more, and more preferably 83% or more.
また、コンディショニング後の正極抵抗で500サイクル後の正極抵抗を割った割合を正極抵抗の増加率とすることができる。 The increase rate of the positive electrode resistance can be calculated by dividing the positive electrode resistance after 500 cycles by the positive electrode resistance after conditioning.
また、既述の正極活物質を用いた本実施形態の二次電池は、正極抵抗の増加率が15倍未満であることが好ましく、13倍未満であることがより好ましい。 In addition, in the secondary battery of this embodiment using the above-described positive electrode active material, the increase rate of the positive electrode resistance is preferably less than 15 times, and more preferably less than 13 times.
電池の膨らみはラミネート型電池の高電圧保持試験後の電池の厚みで評価できる。サイクル試験と同じ構造のラミネート型電池をコンディショニングし、4.3Vまで0.27mA/cm2で充電し、4.3Vに保持したまま電流値が1/10になるまで充電を続ける。充電後の電池を3日間、60℃で保持した後、電池を常温に戻し、電池の短辺の10mmがはみ出るようにSUSプレートで電池をはさみ、SUSプレートを3.9kNで加圧する。電池のSUSプレートからはみ出した部位の中央の厚みを電池の膨張の度合いとすることができる。 The swelling of the battery can be evaluated by the thickness of the battery after the high voltage retention test of the laminated battery. A laminated battery having the same structure as that of the cycle test is conditioned, charged to 4.3 V at 0.27 mA/ cm2 , and continued to be charged until the current value becomes 1/10 while maintaining 4.3 V. After the battery is charged, it is kept at 60°C for 3 days, and then returned to room temperature. The battery is sandwiched between SUS plates so that 10 mm of the short side of the battery protrudes, and the SUS plates are pressurized with 3.9 kN. The thickness of the center of the part of the battery protruding from the SUS plates can be regarded as the degree of the swelling of the battery.
また、既述の正極活物質を用いた本実施形態の二次電池は、電池の膨らみが0.18mm以下であることが好ましく、0.15mm以下であることがより好ましい。 In addition, in the secondary battery of this embodiment using the above-mentioned positive electrode active material, the battery swelling is preferably 0.18 mm or less, and more preferably 0.15 mm or less.
本実施形態の二次電池の用途は特に限定されるものではなく、各種電源が要求される用途に好適に用いることができる。本実施形態の二次電池は特に、上記特性を有するため常に高いサイクル特性や、高容量を要求される小型携帯電子機器(ノート型パーソナルコンピュータや携帯電話端末など)の電源に好適に用いることができる。また、本実施形態の二次電池はサイクル特性に優れ、小型化が可能であることから、繰り返し充放電がなされ、搭載スペースに制約を受ける電気自動車用電源としても好適である。 The use of the secondary battery of this embodiment is not particularly limited, and it can be suitably used in applications requiring various power sources. Since the secondary battery of this embodiment has the above characteristics, it can be suitably used as a power source for small portable electronic devices (such as notebook personal computers and mobile phone terminals) that always require high cycle characteristics and high capacity. In addition, since the secondary battery of this embodiment has excellent cycle characteristics and can be miniaturized, it is also suitable as a power source for electric vehicles that are repeatedly charged and discharged and are subject to mounting space restrictions.
次に、本発明の一実施形態に係るリチウムイオン二次電池用正極活物質、その製造方法、およびリチウムイオン二次電池について、実施例により詳しく説明する。なお、本発明は、これらの実施例に限定されるものではない。なお、実施例及び比較例における正極活物質に含有される金属の分析方法及び正極活物質の各種評価方法は、以下の通りである。 Next, the positive electrode active material for a lithium ion secondary battery according to one embodiment of the present invention, the manufacturing method thereof, and the lithium ion secondary battery will be described in detail with reference to examples. Note that the present invention is not limited to these examples. Note that the analysis method of the metals contained in the positive electrode active material and the various evaluation methods of the positive electrode active material in the examples and comparative examples are as follows.
[実施例1]
1.リチウム遷移金属複合酸化物の粒子の製造
以下の工程を実施することで、正極活物質の製造を行った。
[Example 1]
1. Production of Lithium Transition Metal Composite Oxide Particles A positive electrode active material was produced by carrying out the following steps.
(a)前駆体晶析工程
はじめに、反応槽(5L)内に、純水を2.5L入れて撹拌しながら、槽内温度を40℃に設定した。このときの反応槽内は、酸素濃度が1容量%以下である窒素雰囲気とした。この反応槽内の水に、25質量%水酸化ナトリウム水溶液と25質量%アンモニア水を適量加えて、pH値が液温25℃基準で11.5に、アンモニア濃度が5g/Lとなるように初期水溶液を調製した(初期水溶液調製ステップ)。
(a) Precursor crystallization step First, 2.5 L of pure water was put into a reaction tank (5 L) and the temperature in the tank was set to 40° C. while stirring. At this time, the reaction tank was filled with a nitrogen atmosphere with an oxygen concentration of 1% by volume or less. An initial aqueous solution was prepared by adding an appropriate amount of 25% by weight sodium hydroxide aqueous solution and 25% by weight ammonia water to the water in the reaction tank so that the pH value was 11.5 based on a liquid temperature of 25° C. and the ammonia concentration was 5 g/L (initial aqueous solution preparation step).
同時に、硫酸ニッケルと、硫酸コバルトと、硫酸アルミニウムを、ニッケルとコバルトとアルミニウムの物質量比が、Ni:Co:Al=0.82:0.15:0.03となるように純水に溶解して、2.0mol/Lの混合水溶液を調製した(混合水溶液調製ステップ)。 At the same time, nickel sulfate, cobalt sulfate, and aluminum sulfate were dissolved in pure water so that the mass ratio of nickel, cobalt, and aluminum was Ni:Co:Al = 0.82:0.15:0.03, to prepare a 2.0 mol/L mixed aqueous solution (mixed aqueous solution preparation step).
この混合水溶液を、反応槽の初期水溶液に対して一定速度で滴下し、反応水溶液とした。この際、25質量%アンモニア水および25質量%水酸化ナトリウム水溶液も一定速度で初期水溶液に滴下し、反応水溶液のpH値が、液温25℃基準で11.5に、アンモニア濃度が5g/Lに維持されるように制御した。係る操作により、リチウム遷移金属複合酸化物の前駆体である遷移金属複合水酸化物粒子(以下、「複合水酸化物粒子」という)を晶析させた(晶析ステップ)。 This mixed aqueous solution was added dropwise at a constant rate to the initial aqueous solution in the reaction tank to obtain a reaction aqueous solution. At this time, 25% by mass ammonia water and 25% by mass sodium hydroxide aqueous solution were also added dropwise at a constant rate to the initial aqueous solution to control the pH value of the reaction aqueous solution to 11.5 at a liquid temperature of 25°C and the ammonia concentration to 5 g/L. Through this operation, transition metal composite hydroxide particles (hereinafter referred to as "composite hydroxide particles"), which are precursors of lithium transition metal composite oxide, were crystallized (crystallization step).
その後、反応槽に設けられたオーバーフロー口より回収された複合水酸化物粒子を含むスラリーをろ過し、イオン交換水で水溶性の不純物を洗浄除去したのち、乾燥することで、粉末状の複合水酸化物粒子を得た。 Then, the slurry containing the composite hydroxide particles was collected from the overflow port installed in the reaction tank, filtered, water-soluble impurities were washed away with ion-exchanged water, and the slurry was dried to obtain powdered composite hydroxide particles.
(b)酸化焙焼工程
雰囲気焼成炉(株式会社シリコニット製、BM-50100M)を用いて、作製した複合水酸化物粒子を酸素濃度が20体積%である空気雰囲気下、600℃、2時間焼成した後、室温まで冷却し、遷移金属複合酸化物粒子を得た。
(b) Oxidation Roasting Step Using an atmospheric firing furnace (BM-50100M, manufactured by Siliconit Corporation), the prepared composite hydroxide particles were fired at 600° C. for 2 hours in an air atmosphere with an oxygen concentration of 20% by volume, and then cooled to room temperature to obtain transition metal composite oxide particles.
(c)リチウム遷移金属複合酸化物合成工程
遷移金属複合酸化物粒子に、この複合酸化物粒子に含まれるニッケル、コバルト、アルミニウムの物質量の総和に対して、リチウムの物質量の比が1.02となるように秤量した水酸化リチウム一水和物を加えて、ターブラーシェーカーミキサ(株式会社ダルトン製、T2F)を用いて混合することにより、リチウム混合物を得た(リチウム混合物調製ステップ)。
(c) Lithium transition metal composite oxide synthesis step Lithium hydroxide monohydrate was weighed out so that the ratio of the substance amount of lithium to the total substance amounts of nickel, cobalt, and aluminum contained in the composite oxide particles was 1.02, and mixed using a Turbula shaker mixer (T2F, manufactured by Dalton Co., Ltd.) to obtain a lithium mixture (lithium mixture preparation step).
上記リチウム混合物をアルミナ製匣鉢に装入し、雰囲気焼成炉(株式会社シリコニット製、BM-50100M)を用いて、得られたリチウム混合物を、酸素濃度が90体積%以上の酸素雰囲気中、750℃で、10時間焼成した後、室温まで冷却した(焼成ステップ)。これにより、リチウム遷移金属複合酸化物粒子を得た。 The lithium mixture was placed in an alumina sagger and calcined in an atmospheric calcination furnace (BM-50100M, manufactured by Siliconit Co., Ltd.) at 750°C for 10 hours in an oxygen atmosphere with an oxygen concentration of 90% by volume or more, and then cooled to room temperature (calcination step). This resulted in the production of lithium transition metal composite oxide particles.
2.リチウム遷移金属複合酸化物の粒子の評価
得られたリチウム遷移金属複合酸化物の粒子に対して、以下の評価を行った。
2. Evaluation of Lithium Transition Metal Composite Oxide Particles The obtained lithium transition metal composite oxide particles were subjected to the following evaluations.
(a)組成
ICP発光分光分析器(VARIAN社製、725ES)を用いた定量分析により、リチウム遷移金属複合酸化物は、Li、Ni、Co、Alの物質量比が、Li:Ni:Co:Al=1.02:0.82:0.15:0.03で表されるものであることを確認した。
(a) Composition Quantitative analysis using an ICP optical emission spectrometer (725ES, manufactured by VARIAN) confirmed that the lithium transition metal composite oxide had a substance ratio of Li, Ni, Co, and Al expressed as Li:Ni:Co:Al=1.02:0.82:0.15:0.03.
(b)結晶構造
このリチウム遷移金属複合酸化物の粒子の結晶構造を、XRD(PANALYTICAL社製、X‘Pert、PROMRD)を用いて測定したところ、回折パターンにR-3m構造に帰属されるピークが検出される層状岩塩型の結晶構造であることが確認された。
(b) Crystal structure The crystal structure of the particles of this lithium transition metal composite oxide was measured using XRD (X'Pert, PROMR D, manufactured by PANARYTICAL), and it was confirmed that the crystal structure was a layered rock salt type crystal structure, with peaks belonging to the R-3m structure being detected in the diffraction pattern.
(c)比表面積
このリチウム遷移金属複合酸化物の粒子のBET比表面積を、全自動BET比表面積測定装置(株式会社マウンテック製、マックソーブ)を用いて測定した。その結果から0.67m2/gであることを確認した。
(c) Specific Surface Area The BET specific surface area of the lithium transition metal composite oxide particles was measured using a fully automatic BET specific surface area measuring device (Maxsorb, manufactured by Mountec Co., Ltd.) and was found to be 0.67 m 2 /g.
(d)体積平均粒子径
このリチウム遷移金属複合酸化物の粒子の体積平均粒子径を、レーザー回折散乱式粒度分布測定装置(日機装株式会社製、マイクロトラックHRA)を用いて測定した。その結果から6.5μmであることを確認した。
(d) Volume average particle diameter The volume average particle diameter of the lithium transition metal composite oxide particles was measured using a laser diffraction scattering type particle size distribution measuring device (Microtrack HRA, manufactured by Nikkiso Co., Ltd.) and was found to be 6.5 μm.
3.正極活物質の製造
上記リチウム遷移金属複合酸化物の粒子に対して、以下の被覆工程を実施することで正極活物質の製造を行った。被覆を施す粒子である、リチウム遷移金属複合酸化物粒子の総重量がもつ全表面積をリチウム遷移金属複合酸化物粒子の比表面積から算出した。そして、該全表面積に対して、1m2あたりのタングステンの物質量が0.08mmolになるように秤量した酸化タングステンを、酸化タングステン1gあたり0.4mLの純水に入れ、撹拌した。次に、被覆層のリチウムタングステン化合物のLiとWの物質量比(Li/W)が2となるように秤量した水酸化リチウムを、前記酸化タングステンスラリー中に入れ、撹拌して、水酸化リチウムおよび酸化タングステンを溶解した。さらに、被覆剤中のWのモル濃度が0.2mol/Lとなるように純水を加えて希釈した(被覆剤調製ステップ)。
3. Manufacturing of Positive Electrode Active Material The positive electrode active material was manufactured by carrying out the following coating process on the lithium transition metal composite oxide particles. The total surface area of the total weight of the lithium transition metal composite oxide particles, which are the particles to be coated, was calculated from the specific surface area of the lithium transition metal composite oxide particles. Then, tungsten oxide weighed so that the amount of tungsten per 1 m2 was 0.08 mmol relative to the total surface area was added to 0.4 mL of pure water per 1 g of tungsten oxide and stirred. Next, lithium hydroxide weighed so that the material ratio (Li/W) of Li and W in the lithium tungsten compound of the coating layer was 2 was added to the tungsten oxide slurry and stirred to dissolve the lithium hydroxide and tungsten oxide. Furthermore, pure water was added to dilute the coating agent so that the molar concentration of W in the coating agent was 0.2 mol/L (coating agent preparation step).
転動流動コーティング装置(株式会社パウレック製、型式:FP-MP-01D)内にリチウム遷移金属複合酸化物粒子500gを入れ、給気温度を120℃に設定し、リチウム遷移金属複合酸化物粒子1gあたり被覆剤を2μL/minの速度で90分添加し、混合しながら乾燥させた。(混合物調製ステップおよび乾燥ステップ)。 500 g of lithium transition metal composite oxide particles were placed in a rolling fluidized coating device (Powrex Corporation, model: FP-MP-01D), the supply air temperature was set to 120°C, and the coating agent was added at a rate of 2 μL/min per 1 g of lithium transition metal composite oxide particles for 90 minutes, followed by drying while mixing. (Mixture preparation step and drying step).
真空乾燥機(東京理化器械株式会社製、型式:VOS-451SD)を用いて、真空雰囲気下、190℃で、10時間熱処理した(熱処理ステップ)。その後、室温まで冷却し、正極活物質である被覆層を有するリチウム遷移金属複合酸化物の粒子を得た。 The particles were heat-treated in a vacuum atmosphere at 190°C for 10 hours using a vacuum dryer (Tokyo Rikakikai Co., Ltd., model: VOS-451SD) (heat treatment step). After that, the particles were cooled to room temperature to obtain lithium transition metal composite oxide particles having a coating layer, which is the positive electrode active material.
4.正極活物質の評価
このようにして得られた正極活物質に対して、以下の評価を行った。
4. Evaluation of Positive Electrode Active Material The positive electrode active materials thus obtained were evaluated as follows.
(a)組成
ICP発光分光分析器(VARIAN社製、725ES)を用いた分析により、この正極活物質は、Wを0.95質量%含むものであり、被覆処理前の比表面積との比較により、被覆層のタングステン担持量は0.08mmol/m2であることがわかった。
(a) Composition Analysis using an ICP optical emission spectrometer (Varian, 725ES) revealed that this positive electrode active material contained 0.95 mass% W. Comparison with the specific surface area before and after the coating treatment revealed that the amount of tungsten supported in the coating layer was 0.08 mmol/ m2 .
(b)表面分析
得られた正極活物質を、XPS(アルバック・ファイ製、Versa ProbeII)を用いて測定し、得られたNi2P3/2スペクトル、Co2P3/2スペクトル、W4fスペクトルのピーク面積から算出された半定量値から正極活物質表面の物質量を得て、上記の組成分析の結果と共に、表面に存在するWの物質量とNi、Co、Wの物質量の和との比(Ws/Nis+Cos+Ws)は0.21であることがわかった。
(b) Surface analysis The obtained positive electrode active material was measured using XPS (Versa Probe II, manufactured by ULVAC-PHI). The amounts of substances on the surface of the positive electrode active material were obtained from semi-quantitative values calculated from the peak areas of the obtained Ni2P3 / 2 spectrum, Co2P3 / 2 spectrum, and W4f spectrum. Together with the results of the composition analysis described above, it was found that the ratio of the amount of W present on the surface to the sum of the amounts of Ni, Co, and W (Ws/Nis+Cos+Ws) was 0.21.
(c)炭素含有量
得られた正極活物質の炭素含有量を、炭素分析装置(LECO社製 型式:CS-600)を用いて、高周波燃焼赤外吸収法で測定したところ、0.17質量%であることがわかった。
(c) Carbon Content The carbon content of the obtained positive electrode active material was measured by a high-frequency combustion infrared absorption method using a carbon analyzer (manufactured by LECO, Model: CS-600) and found to be 0.17% by mass.
(d)水分量
得られた正極活物質の水分量を、カールフィッシャー水分計(京都電子工業株式会社製 型式:MKC210)を用いて加熱温度が300℃の条件で測定したところ、0.07質量%であることがわかった。
(d) Moisture Content The moisture content of the obtained positive electrode active material was measured using a Karl Fischer moisture meter (manufactured by Kyoto Electronics Manufacturing Co., Ltd., model: MKC210) at a heating temperature of 300° C. and found to be 0.07% by mass.
5.二次電池の作製
得られた正極活物質の容量の評価には、図2に示す2032型コイン電池10(以下、「コイン型電池」という)を使用した。コイン型電池10は、ケース11と、ケース11内に収容された電極12とから構成されている。
5. Preparation of Secondary Battery To evaluate the capacity of the obtained positive electrode active material, a 2032 type coin battery 10 (hereinafter referred to as a "coin battery") shown in Fig. 2 was used. The coin battery 10 is composed of a case 11 and an electrode 12 housed in the case 11.
ケース11は、中空かつ一端が開口された正極缶111と、この正極缶111の開口部に配置される負極缶112とを有しており、負極缶112を正極缶111の開口部に配置すると、負極缶112と正極缶111との間に電極12を収容する空間が形成されるように構成されている。 The case 11 has a hollow positive electrode can 111 with one end open, and a negative electrode can 112 that is placed in the opening of the positive electrode can 111. When the negative electrode can 112 is placed in the opening of the positive electrode can 111, a space is formed between the negative electrode can 112 and the positive electrode can 111 to accommodate the electrode 12.
また、電極12は、正極121、セパレータ122および負極123とからなり、この順で並ぶように積層されており、正極121が正極缶111の内面に接触し、負極123が負極缶112の内面に接触するようにケース11に収容されている。なお、ケース11はガスケット113を備えており、このガスケット113によって、正極缶111と負極缶112との間が非接触の状態を維持するように相対的な移動が固定されている。 The electrode 12 is composed of a positive electrode 121, a separator 122, and a negative electrode 123, which are stacked in this order and housed in the case 11 so that the positive electrode 121 contacts the inner surface of the positive electrode can 111 and the negative electrode 123 contacts the inner surface of the negative electrode can 112. The case 11 is provided with a gasket 113, which prevents relative movement between the positive electrode can 111 and the negative electrode can 112 so that they are kept out of contact.
また、ガスケット113は、正極缶111と負極缶112との隙間を密封してケース11内と外部との間を気密液密に遮断する機能も有している。このようなコイン型電池10を、以下のようにして作製した。 The gasket 113 also has the function of sealing the gap between the positive electrode can 111 and the negative electrode can 112 to provide an airtight and liquid-tight barrier between the inside of the case 11 and the outside. Such a coin-type battery 10 was produced as follows.
初めに、得られた正極活物質20.0gと、アセチレンブラック2.35gと、ポリフッ化ビニリデン1.18gをN-メチル-2-ピロリドン(NMP)に分散させたスラリーをAl箔上に1cm2あたり正極活物質が5.0mg存在するように塗布したのち、120℃で30分間、大気中で乾燥し、NMPを除去した。正極活物質が塗布されたAl箔を幅66mmの短冊状に切り取り、荷重1.2tでロールプレスし正極121を作製した。正極121を直径13mmの円形に打ち抜き、真空乾燥機中120℃で12時間乾燥した。 First, 20.0 g of the obtained positive electrode active material, 2.35 g of acetylene black, and 1.18 g of polyvinylidene fluoride were dispersed in N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) to form a slurry, which was applied to an Al foil so that 5.0 mg of the positive electrode active material was present per cm2. The slurry was then dried in the air at 120°C for 30 minutes to remove the NMP. The Al foil to which the positive electrode active material was applied was cut into a strip shape with a width of 66 mm, and roll-pressed with a load of 1.2 t to prepare a positive electrode 121. The positive electrode 121 was punched into a circle with a diameter of 13 mm, and dried in a vacuum dryer at 120°C for 12 hours.
次に、正極121を用いて、コイン型電池10を、露点が-80℃に管理されたAr雰囲気のグローブボックス内で作製した。この際、負極123には、直径14mmの円盤状に打ち抜かれたリチウム箔を用いた。 Next, a coin-type battery 10 was fabricated using the positive electrode 121 in a glove box with an Ar atmosphere whose dew point was controlled at -80°C. At this time, a lithium foil punched into a disk shape with a diameter of 14 mm was used as the negative electrode 123.
サイクル特性と電池の膨張の評価には、図3に示すラミネート型電池100を用いた。このようなラミネート型電池100は、以下のようにして作製した。 To evaluate cycle characteristics and battery expansion, a laminated battery 100 shown in Figure 3 was used. Such a laminated battery 100 was fabricated as follows.
コイン型電池10と同様の方法で正極を作製し、50mm×30mmの長方形に切り抜き、真空乾燥機中120℃で12時間乾燥した。次に正極110を用いて、ラミネート型電池100を露点-80℃に管理されたドライルームで作製した。この際負極120には平均粒径20μm程度の黒鉛粉末とポリフッ化ビニリデンとの混合物である負極合剤ペーストが銅箔に塗布された負極シートを用いた。 The positive electrode was prepared in the same manner as the coin-type battery 10, cut into a rectangle of 50 mm x 30 mm, and dried in a vacuum dryer at 120°C for 12 hours. Next, the laminated battery 100 was prepared using the positive electrode 110 in a dry room with a dew point controlled at -80°C. In this case, the negative electrode 120 was a negative electrode sheet in which a negative electrode mixture paste, a mixture of graphite powder with an average particle size of about 20 μm and polyvinylidene fluoride, was applied to copper foil.
また、セパレータ130には、膜厚25μmのポリエチレン多孔膜を、電解液には、1MのLiPF6を支持電解質とするエチレンカーボネート(EC)とジエチルカーボネート(DEC)の3:7混合液(富山薬品工業株式会社製)を用いた。そしてラミネートフィルム140で封止し、ラミネート型電池100を完成させた。 The separator 130 was a polyethylene porous film having a thickness of 25 μm, and the electrolyte was a 3:7 mixture of ethylene carbonate (EC) and diethyl carbonate (DEC) with 1 M LiPF 6 as the supporting electrolyte (manufactured by Toyama Chemical Industry Co., Ltd.). The laminated battery 100 was then sealed with a laminate film 140 to complete the battery.
6.二次電池の評価
作製した二次電池の性能を示す初期放電容量、正極抵抗、サイクル特性(容量維持率および正極抵抗の増加率)、電池の膨らみは、以下のように評価した。
6. Evaluation of Secondary Battery The performance of the produced secondary battery was evaluated in terms of initial discharge capacity, positive electrode resistance, cycle characteristics (capacity retention rate and rate of increase in positive electrode resistance), and battery swelling, as described below.
(a)初期放電容量
初期放電容量は、負極にリチウム箔を用いたコイン型電池を製作してから24時間程度放置し、開回路電圧OCV(Open Circuit Voltage)が安定した後、正極に対する電流密度を0.13mA/cm2としてカットオフ電圧4.3Vまで充電し、1時間の休止後、カットオフ電圧3.0Vまで放電したときの放電容量(初期放電容量)を測定することにより評価した。測定結果は204mAh/gであった。
(a) Initial Discharge Capacity The initial discharge capacity was evaluated by measuring the discharge capacity (initial discharge capacity) when a coin-type battery using lithium foil for the negative electrode was left for about 24 hours after production, the open circuit voltage OCV (Open Circuit Voltage) was stabilized, the current density to the positive electrode was set to 0.13 mA/ cm2 , the battery was charged to a cutoff voltage of 4.3 V, and the battery was allowed to rest for 1 hour and then discharged to a cutoff voltage of 3.0 V. The measurement result was 204 mAh/g.
(b)正極抵抗
正極抵抗は、コイン型電池10を充電電位4.1Vで充電して、周波数応答アナライザおよびポテンショガルバノスタット(ソーラトロン製、1255B)を使用して交流インピーダンス法により測定すると、図4に示すナイキストプロットが得られる。このナイキストプロットは、溶液抵抗、負極抵抗とその容量、および、正極抵抗とその容量を示す特性曲線の和として表しているため、このナイキストプロットに基づき等価回路を用いてフィッティング計算を行い、正極抵抗の値を算出した。
(b) Positive Electrode Resistance When the positive electrode resistance is measured by an AC impedance method using a frequency response analyzer and a potentiogalvanostat (Solartron, 1255B) while charging the coin battery 10 at a charging potential of 4.1 V, the Nyquist plot shown in Fig. 4 is obtained. This Nyquist plot is expressed as the sum of characteristic curves showing the solution resistance, the negative electrode resistance and its capacity, and the positive electrode resistance and its capacity, so that a fitting calculation was performed using an equivalent circuit based on this Nyquist plot to calculate the value of the positive electrode resistance.
(c)容量維持率
容量維持率は、以下の手順によって評価した。黒鉛粉末とポリフッ化ビニリデンとの混合物が銅箔に塗布されたシートを用いて作製した負極を用いたラミネート型電池をまず、25℃に保持された恒温槽内で、電流密度0.33mA/cm2として、カットオフ電圧4.3Vまで充電し、1時間の休止後、カットオフ電圧3.0Vまで放電するサイクルを5サイクル繰り返すコンディショニングを行った。次に、60℃に保持された恒温槽内で、電流密度2.7mA/cm2として、カットオフ電圧4.3Vまで充電し、1時間の休止後、カットオフ電圧3.0Vまで放電するサイクルを500サイクル繰り返し、各サイクルの放電容量を測定することにより評価した。
(c) Capacity Retention The capacity retention was evaluated by the following procedure. A laminated battery using a negative electrode made of a sheet in which a mixture of graphite powder and polyvinylidene fluoride was applied to copper foil was first conditioned in a thermostatic chamber held at 25° C. by charging the battery to a cutoff voltage of 4.3 V at a current density of 0.33 mA/cm 2 , pausing for 1 hour, and discharging the battery to a cutoff voltage of 3.0 V for 5 cycles. Next, the battery was charged to a cutoff voltage of 4.3 V at a current density of 2.7 mA/cm 2 in a thermostatic chamber held at 60° C., pausing for 1 hour, and discharging the battery to a cutoff voltage of 3.0 V for 500 cycles. The capacity retention was evaluated by measuring the discharge capacity of each cycle.
そして、実施例1のラミネート型電池のコンディショニング後の1サイクル目で得られた放電容量で、コンディショニング後の500サイクル目で得られた放電容量を割った割合である容量維持率は82%であった。 The capacity retention rate, which is the ratio of the discharge capacity obtained in the first cycle after conditioning of the laminated battery of Example 1 divided by the discharge capacity obtained in the 500th cycle after conditioning, was 82%.
(d)正極抵抗の増加率
正極抵抗の増加率は、以下の手順によって評価した。まず、サイクル試験と同じ構造のラミネート型電池をコンディショニングした後に、充電電位4.1Vで充電して、周波数応答アナライザおよびポテンショガルバノスタット(ソーラトロン製、1255B)を使用して交流インピーダンス法により測定し、得られたナイキストプロットについて等価回路を用いてフィッティング計算を行い、正極抵抗の値を算出した。次に、3.0Vまで放電後、60℃に保持された恒温槽内で、電流密度2.7mA/cm2として、カットオフ電圧4.3Vまで充電し、1時間の休止後、カットオフ電圧3.0Vまで放電するサイクルを500サイクル繰り返した。500サイクル後、充電電位4.1Vで充電して、周波数応答アナライザおよびポテンショガルバノスタット(ソーラトロン製、1255B)を使用して交流インピーダンス法により測定し、得られたナイキストプロットについて等価回路を用いてフィッティング計算を行い、正極抵抗の値を算出した。
(d) Increase rate of positive electrode resistance The increase rate of positive electrode resistance was evaluated by the following procedure. First, after conditioning a laminated battery having the same structure as the cycle test, it was charged at a charging potential of 4.1 V, and measured by an AC impedance method using a frequency response analyzer and a potentiogalvanostat (manufactured by Solartron, 1255B). The obtained Nyquist plot was subjected to fitting calculations using an equivalent circuit to calculate the value of the positive electrode resistance. Next, after discharging to 3.0 V, the battery was charged to a cutoff voltage of 4.3 V at a current density of 2.7 mA/cm 2 in a thermostatic chamber maintained at 60 ° C., and after a pause of 1 hour, the battery was discharged to a cutoff voltage of 3.0 V for 500 cycles. After 500 cycles, the battery was charged at a charging potential of 4.1 V, and measured by an AC impedance method using a frequency response analyzer and a potentiogalvanostat (manufactured by Solartron, 1255B). The obtained Nyquist plot was subjected to fitting calculations using an equivalent circuit to calculate the value of the positive electrode resistance.
そして、実施例1のラミネート型電池のコンディショニング後の正極抵抗で500サイクル後の正極抵抗を割った割合である正極抵抗の増加率は12倍であった。 The increase rate of the positive electrode resistance, which is the ratio of the positive electrode resistance after conditioning of the laminated battery of Example 1 divided by the positive electrode resistance after 500 cycles, was 12 times.
(e)電池の膨らみ
電池の膨らみは、ラミネート型電池の高電圧保持試験後の電池の厚みを測定することにより評価した。具体的には、サイクル試験と同じ構造のラミネート型電池をコンディショニングした後に、4.3Vまで0.27mA/cm2で充電し、4.3Vに保持したまま電流値が1/10になるまで充電を続けた。充電後の電池を3日間、60℃で保持した。その後、電池を常温に戻し、電池の短辺の10mmがはみ出るようにSUSプレートで電池をはさみ、SUSプレートを3.9kNで加圧した。電池のSUSプレートからはみ出した部位の中央の厚みをダイヤルゲージで測り、電池の膨張の度合いとした。そして、実施例1のラミネート型電池の保持試験後の電池の膨らみは0.18mmであった。
(e) Battery swelling The swelling of the battery was evaluated by measuring the thickness of the battery after the high voltage retention test of the laminated battery. Specifically, after conditioning the laminated battery having the same structure as the cycle test, it was charged at 0.27 mA/ cm2 up to 4.3 V, and continued charging until the current value became 1/10 while maintaining it at 4.3 V. The charged battery was kept at 60°C for 3 days. Thereafter, the battery was returned to room temperature, and the battery was sandwiched between SUS plates so that 10 mm of the short side of the battery protruded, and the SUS plates were pressurized with 3.9 kN. The thickness of the center of the part of the battery protruding from the SUS plate was measured with a dial gauge, and was taken as the degree of expansion of the battery. The swelling of the battery after the retention test of the laminated battery of Example 1 was 0.18 mm.
[実施例2]
「3.正極活物質の製造」の被覆工程を実施する際に、被覆剤調製ステップで、目標とする被覆層のタングステン担持量を0.04mmol/m2とし、被覆剤を調製した点以外は実施例1と同様の条件でリチウム遷移金属複合酸化物の粒子、正極活物質、及び該正極活物質を用いた二次電池を得た。
[Example 2]
When carrying out the coating process of "3. Production of positive electrode active material", a lithium transition metal composite oxide particle, a positive electrode active material, and a secondary battery using the positive electrode active material were obtained under the same conditions as in Example 1, except that in the coating agent preparation step, a target tungsten loading amount in the coating layer was set to 0.04 mmol /m2 and a coating agent was prepared.
[実施例3]
「3.正極活物質の製造」の被覆工程を実施する際に、被覆剤調製ステップで、目標とする被覆層のタングステン担持量を0.12mmol/m2とし、被覆剤を調製した点以外は実施例1と同様の条件でリチウム遷移金属複合酸化物の粒子、正極活物質、及び該正極活物質を用いた二次電池を得た。
[Example 3]
When carrying out the coating process of "3. Production of positive electrode active material", a lithium transition metal composite oxide particle, a positive electrode active material, and a secondary battery using the positive electrode active material were obtained under the same conditions as in Example 1, except that in the coating agent preparation step, a target tungsten loading amount in the coating layer was set to 0.12 mmol /m2 and a coating agent was prepared.
[実施例4]
「3.正極活物質の製造」の被覆工程を実施する際に、熱処理ステップで、熱処理温度を100℃とした点以外は実施例1と同様の条件でリチウム遷移金属複合酸化物の粒子、正極活物質、及び該正極活物質を用いた二次電池を得た。
[Example 4]
When carrying out the coating process of "3. Production of positive electrode active material", the lithium transition metal composite oxide particles, the positive electrode active material, and a secondary battery using the positive electrode active material were obtained under the same conditions as in Example 1, except that the heat treatment temperature was 100° C. in the heat treatment step.
[実施例5]
「3.正極活物質の製造」の被覆工程を実施する際に、熱処理ステップで、熱処理温度を400℃とした点以外は実施例1と同様の条件でリチウム遷移金属複合酸化物の粒子、正極活物質、及び該正極活物質を用いた二次電池を得た。
[Example 5]
When carrying out the coating process of "3. Production of positive electrode active material", the heat treatment temperature was set to 400° C. in the heat treatment step, and other conditions were the same as those in Example 1 to obtain lithium transition metal composite oxide particles, a positive electrode active material, and a secondary battery using the positive electrode active material.
[比較例1]
実施例1における被覆工程を実施しなかった点以外には実施例1と同様の条件でリチウム遷移金属複合酸化物の粒子、正極活物質、及び該正極活物質を用いた二次電池を得た。なお、被覆工程を実施しなかったため、「1.リチウム遷移金属複合酸化物の粒子の製造」で得られたリチウム遷移金属複合酸化物の粒子が、正極活物質となる。
[Comparative Example 1]
A lithium transition metal composite oxide particle, a positive electrode active material, and a secondary battery using the positive electrode active material were obtained under the same conditions as in Example 1, except that the coating step in Example 1 was not performed. Since the coating step was not performed, the lithium transition metal composite oxide particle obtained in "1. Production of lithium transition metal composite oxide particles" serves as the positive electrode active material.
[比較例2]
「3.正極活物質の製造」の被覆工程を実施する際に、被覆剤調製ステップで、目標とする被覆層のタングステン担持量を0.24mmol/m2とし、被覆剤を調製した点以外は実施例1と同様の条件でリチウム遷移金属複合酸化物の粒子、正極活物質、及び該正極活物質を用いた二次電池を得た。
[Comparative Example 2]
When carrying out the coating process of "3. Production of positive electrode active material", a lithium transition metal composite oxide particle, a positive electrode active material, and a secondary battery using the positive electrode active material were obtained under the same conditions as in Example 1, except that in the coating agent preparation step, a target tungsten loading amount in the coating layer was set to 0.24 mmol /m2 and a coating agent was prepared.
[比較例3]
「3.正極活物質の製造」の被覆工程を実施する際に、熱処理ステップで、熱処理温度を500℃とした点以外は実施例1と同様の条件でリチウム遷移金属複合酸化物の粒子、正極活物質、及び該正極活物質を用いた二次電池を得た。
[Comparative Example 3]
When carrying out the coating process of "3. Production of positive electrode active material", the heat treatment temperature was set to 500° C. in the heat treatment step, and other conditions were the same as those in Example 1 to obtain lithium transition metal composite oxide particles, a positive electrode active material, and a secondary battery using the positive electrode active material.
[比較例4]
「3.正極活物質の製造」の被覆工程を実施する際に、熱処理ステップで、熱処理温度を80℃とした点以外は実施例1と同様の条件でリチウム遷移金属複合酸化物の粒子、正極活物質、及び該正極活物質を用いた二次電池を得た。
[Comparative Example 4]
When carrying out the coating process of "3. Production of positive electrode active material", the lithium transition metal composite oxide particles, the positive electrode active material, and a secondary battery using the positive electrode active material were obtained under the same conditions as in Example 1, except that the heat treatment temperature was 80° C. in the heat treatment step.
実施例、比較例における、被覆工程前のリチウム遷移金属複合酸化物粒子のBET比表面積及び体積平均粒子径、被覆層のタングステン担持量、正極活物質の表面に存在するWの物質量とNi、Co、Wの物質量の和との比(Ws/Nis+Cos+Ws)、正極活物質の炭素含有量、正極活物質の水分量及び熱処理ステップにおける熱処理温度の条件を表1に示す。 Table 1 shows the BET specific surface area and volume average particle size of the lithium transition metal composite oxide particles before the coating process, the amount of tungsten carried in the coating layer, the ratio of the amount of W present on the surface of the positive electrode active material to the sum of the amounts of Ni, Co, and W (Ws/Nis+Cos+Ws), the carbon content of the positive electrode active material, the water content of the positive electrode active material, and the heat treatment temperature conditions in the heat treatment step in the examples and comparative examples.
ここで、被覆層のタングステン担持量は、正極活物質におけるタングステンの含有量(質量%)、タングステンの原子量及び、上述したリチウム遷移金属複合酸化物の粒子のBET比表面積(0.67m2/g)より算出した。 The amount of tungsten supported in the coating layer was calculated from the tungsten content (mass %) in the positive electrode active material, the atomic weight of tungsten, and the BET specific surface area (0.67 m 2 /g) of the above-mentioned lithium transition metal composite oxide particles.
実施例及び比較例における、被覆層中のリチウムとタングステンの物質量比(Li/W)、二次電池の初期放電容量、正極抵抗比、容量維持率、電池の膨らみ及び正極抵抗増加率の測定結果を表2に示す。 The measurement results of the lithium to tungsten mass ratio (Li/W) in the coating layer, the initial discharge capacity of the secondary battery, the positive electrode resistance ratio, the capacity retention rate, the battery swelling, and the positive electrode resistance increase rate in the examples and comparative examples are shown in Table 2.
表1から、比較例1はリチウム遷移金属複合酸化物の粒子に被覆層が存在しない条件、比較例2は、被覆層のタングステン担持量を増加させた条件、比較例3、4は、熱処理ステップにおける熱処理温度の温度範囲を実施例よりも広げた条件である。 From Table 1, Comparative Example 1 is a condition where no coating layer exists on the lithium transition metal composite oxide particles, Comparative Example 2 is a condition where the amount of tungsten supported in the coating layer is increased, and Comparative Examples 3 and 4 are conditions where the temperature range of the heat treatment temperature in the heat treatment step is wider than in the examples.
ここで、被覆層中のリチウムとタングステンの物質量比(Li/W)は、被覆工程の被覆剤調製ステップで添加したタングステンの量とリチウムの量から算出した。 Here, the mass ratio of lithium to tungsten in the coating layer (Li/W) was calculated from the amount of tungsten and the amount of lithium added in the coating agent preparation step of the coating process.
表1から明らかなように、実施例1~5の正極活物質は、本発明に従って製造されたため、比較例に比べて初期放電容量が高く、正極抵抗も低くサイクル特性も良好で、電池の膨らみも小さくなっており、優れた特性を有した電池となっている。 As is clear from Table 1, the positive electrode active materials of Examples 1 to 5 were produced according to the present invention, and therefore had higher initial discharge capacity, lower positive electrode resistance, better cycle characteristics, and less battery swelling than the comparative examples, resulting in batteries with superior characteristics.
対して、比較例1は、一次粒子表面に本発明に係るリチウムタングステン化合物が形成されていないため、正極抵抗が大幅に高く、容量維持率は低く、電池の膨らみは大きく、正極抵抗増加率が大きい。また、比較例2は、タングステンの添加量が多すぎたため、被覆層として生成したリチウムタングステン化合物が抵抗層となり、初期特性(初期放電容量、正極抵抗)および、サイクル特性(容量維持率および正極抵抗の増加率)が低下し、電池の膨らみも大きくなっている。また、比較例3は、熱処理温度が高すぎたため、正極活物質表面に存在したリチウムタングステン化合物が正極活物質中に固溶し、被覆層としての役割を果たさず、初期特性およびサイクル特性が低下し、電池の膨らみも大きくなっている。また、比較例4は、熱処理温度が低すぎたため、被覆層内のリチウム化合物とタングステン化合物の反応が十分に進まず、未反応のタングステン化合物が抵抗層となり、初期特性およびサイクル特性が低下し、電池の膨らみも大きくなっている。 In contrast, in Comparative Example 1, the lithium tungsten compound according to the present invention is not formed on the primary particle surface, so the positive electrode resistance is significantly high, the capacity retention rate is low, the battery swelling is large, and the positive electrode resistance increase rate is large. In Comparative Example 2, the amount of tungsten added is too much, so the lithium tungsten compound formed as a coating layer becomes a resistance layer, the initial characteristics (initial discharge capacity, positive electrode resistance) and cycle characteristics (capacity retention rate and positive electrode resistance increase rate) are reduced, and the battery swelling is also large. In Comparative Example 3, the heat treatment temperature is too high, so the lithium tungsten compound present on the surface of the positive electrode active material is dissolved in the positive electrode active material, and does not play the role of a coating layer, so the initial characteristics and cycle characteristics are reduced, and the battery swelling is also large. In Comparative Example 4, the heat treatment temperature is too low, so the reaction between the lithium compound and the tungsten compound in the coating layer does not proceed sufficiently, and the unreacted tungsten compound becomes a resistance layer, the initial characteristics and cycle characteristics are reduced, and the battery swelling is also large.
なお、上記のように本発明の各実施形態及び各実施例について詳細に説明したが、本発明の新規事項及び効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは、当業者には、容易に理解できるであろう。従って、このような変形例は、全て本発明の範囲に含まれるものとする。 Although each embodiment and each example of the present invention has been described in detail above, it will be readily apparent to those skilled in the art that many modifications are possible that do not substantially deviate from the novel features and effects of the present invention. Therefore, all such modifications are intended to be included within the scope of the present invention.
例えば、明細書又は図面において、少なくとも一度、より広義又は同義な異なる用語と共に記載された用語は、明細書又は図面のいかなる箇所においても、その異なる用語に置き換えることができる。またリチウムイオン二次電池用正極活物質、その製造方法、およびリチウムイオン二次電池の構成、動作も本発明の各実施形態及び各実施例で説明したものに限定されず、種々の変形実施が可能である。 For example, a term described at least once in the specification or drawings together with a different term having a broader or synonymous meaning may be replaced with that different term anywhere in the specification or drawings. Furthermore, the positive electrode active material for lithium ion secondary batteries, the manufacturing method thereof, and the configuration and operation of lithium ion secondary batteries are not limited to those described in the embodiments and examples of the present invention, and various modifications are possible.
S1 前駆体晶析工程、S2 酸化焙焼工程、S3 リチウム遷移金属複合酸化物合成工程、S4 被覆工程、10 コイン型電池、11 ケース、12 電極、111 正極缶、112 負極缶、113 ガスケット、121 正極、122 セパレータ、123 負極、100 ラミネート型電池、110 正極、120 負極、130 セパレータ、140 ラミネートフィルム S1: precursor crystallization process, S2: oxidation roasting process, S3: lithium transition metal composite oxide synthesis process, S4: coating process, 10: coin-type battery, 11: case, 12: electrode, 111: positive electrode can, 112: negative electrode can, 113: gasket, 121: positive electrode, 122: separator, 123: negative electrode, 100: laminated battery, 110: positive electrode, 120: negative electrode, 130: separator, 140: laminated film
Claims (15)
前記リチウム遷移金属複合酸化物の酸素以外の成分の物質量比Li:Ni:Co:Mがt:1-x-y:x:y(式中、MはMg、Al、Ca、Si、Mn、Ti、V、Fe、Cu、Cr、Zn、Zr、Nb、MoおよびWからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素であり、0.95≦t≦1.20、0<x≦0.22、0≦y≦0.15)で表され、
前記被覆層はリチウムタングステン化合物を含み、
前記被覆層を除く前記リチウム遷移金属複合酸化物の表面積1m2当たりの、前記被覆層のW量は0.04mmol以上0.12mmol以下である、リチウムイオン二次電池用正極活物質 A positive electrode active material for a lithium ion secondary battery comprising particles of a lithium transition metal composite oxide and a coating layer that coats at least a portion of the surface of the particles,
the ratio of amounts of substances Li:Ni:Co:M of components other than oxygen in the lithium transition metal composite oxide is expressed by t:1-x-y:x:y (wherein M is at least one element selected from the group consisting of Mg, Al, Ca, Si, Mn, Ti, V, Fe, Cu, Cr, Zn, Zr, Nb, Mo, and W, and 0.95≦t≦1.20, 0<x≦0.22, and 0≦y≦0.15);
the coating layer comprises a lithium tungsten compound;
a W amount of the coating layer per m2 of the surface area of the lithium transition metal composite oxide excluding the coating layer being 0.04 mmol or more and 0.12 mmol or less;
前記リチウム遷移金属複合酸化物の前駆体である遷移金属複合水酸化物を晶析反応により調製する前駆体晶析工程と、
前記前駆体晶析工程で得られた前記遷移金属複合水酸化物を酸化焙焼して遷移金属複合酸化物を得る酸化焙焼工程と、
前記酸化焙焼工程で得られた前記遷移金属複合酸化物と、リチウム化合物とを混合し、焼成し、リチウム遷移金属複合酸化物を得るリチウム遷移金属複合酸化物合成工程と、
前記リチウム遷移金属複合酸化物合成工程で得られた前記リチウム遷移金属複合酸化物の粒子の表面の少なくとも一部にリチウムタングステン化合物を含む前記被覆層を形成する被覆工程とを有し、
前記被覆工程では、前記リチウム遷移金属複合酸化物合成工程で得られた前記リチウム遷移金属複合酸化物の粒子と、リチウム化合物とタングステン化合物を含む被覆剤を混合し、乾燥し、熱処理を行うことを特徴とする、リチウムイオン二次電池用正極活物質の製造方法。 A method for producing a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery, the positive electrode active material having a lithium transition metal composite oxide particle and a coating layer that coats at least a part of the surface of the particle, comprising:
a precursor crystallization step of preparing a transition metal composite hydroxide, which is a precursor of the lithium transition metal composite oxide, by a crystallization reaction;
an oxidizing roasting step of oxidizing and roasting the transition metal composite hydroxide obtained in the precursor crystallization step to obtain a transition metal composite oxide;
a lithium transition metal composite oxide synthesis step of mixing the transition metal composite oxide obtained in the oxidation roasting step with a lithium compound and calcining the mixture to obtain a lithium transition metal composite oxide;
a coating step of forming the coating layer containing a lithium tungsten compound on at least a part of the surface of the lithium transition metal composite oxide particles obtained in the lithium transition metal composite oxide synthesis step,
The method for producing a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery is characterized in that, in the coating step, the particles of the lithium transition metal composite oxide obtained in the lithium transition metal composite oxide synthesis step are mixed with a coating agent containing a lithium compound and a tungsten compound, followed by drying and heat treatment.
前記被覆工程で得られた前記リチウム遷移金属複合酸化物の酸素以外の成分は、Li:Ni:Co:M=t:1-x-y:x:y(式中、MはMg、Al、Ca、Si、Mn、Ti、V、Fe、Cu、Cr、Zn、Zr、Nb、MoおよびWからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素であり、0.95≦t≦1.20、0<x≦0.22、0≦y≦0.15)で表され、前記リチウムイオン二次電池用正極活物質の表面に存在するWの物質量WsとNi、Co、Wの物質量の和Nis+Cos+Wsとの比Ws/(Nis+Cos+Ws)が0.15以上0.50以下である、請求項9又は10に記載のリチウムイオン二次電池用正極活物質の製造方法。 In the coating step, the tungsten compound is added so that the amount of W in the lithium tungsten compound is 0.04 mmol or more and 0.12 mmol or less per m2 of the surface area of the lithium transition metal composite oxide,
11. The method for producing a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery according to claim 9 or 10, wherein components other than oxygen in the lithium transition metal composite oxide obtained in the coating step are represented by Li:Ni:Co:M=t:1-x-y:x:y (wherein M is at least one element selected from the group consisting of Mg, Al, Ca, Si, Mn, Ti, V, Fe, Cu, Cr, Zn, Zr, Nb, Mo, and W, and 0.95≦t≦1.20, 0<x≦0.22, 0≦y≦0.15), and a ratio Ws/(Nis+Cos+Ws) of an amount of substance Ws of W present on the surface of the positive electrode active material for a lithium ion secondary battery to a sum of amounts of substances Nis+Cos+Ws of substances Ni, Co, and W is 0.15 or more and 0.50 or less.
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| A621 | Written request for application examination |
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