JP4984436B2 - Positive electrode active material for lithium ion secondary battery, method for producing the same, positive electrode for lithium ion secondary battery, and lithium ion secondary battery - Google Patents
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Description
本発明は、リチウム(Li)とコバルト(Co)とを含む複合酸化物を含有するリチウムイオン二次電池用正極活物質およびその製造方法、並びにそれを用いたリチウムイオン二次電池用正極および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 a lithium ion secondary battery containing a composite oxide containing lithium (Li) and cobalt (Co), a method for producing the same, a positive electrode for a lithium ion secondary battery using the same, and lithium The present invention relates to an ion secondary battery.
近年、ビデオカメラあるいはノート型パソコンなどのポータブル機器の普及に伴い、小型高容量の二次電池に対する需要が高まっている。現在使用されている二次電池には、アルカリ電解液を用いたニッケル−カドミウム電池があるが、電池電圧が1.2Vと低く、エネルギー密度を向上させることが難しい。そのため、比重が0.534と固体の単体中最も軽いうえ、電位が極めて卑であり、単位質量当たりの電流容量も金属負極材料中最大であるリチウム金属を用いたいわゆるリチウム金属二次電池の開発が検討されてきた。しかし、リチウム金属二次電池では、充放電に伴い負極にリチウムが樹枝状に成長し、サイクル特性が低下したり、あるいはセパレータを突き破って内部短絡を生じてしまうなどの問題があった。そこで、コークスなどの炭素材料を負極に用い、アルカリ金属イオンを吸蔵および放出することにより充放電を繰り返す二次電池が開発され、充放電に伴う負極の劣化が改善された(例えば、特許文献1参照)。 In recent years, with the widespread use of portable devices such as video cameras or laptop computers, the demand for small, high-capacity secondary batteries has increased. Currently used secondary batteries include nickel-cadmium batteries using an alkaline electrolyte, but the battery voltage is as low as 1.2 V, and it is difficult to improve the energy density. Therefore, development of a so-called lithium metal secondary battery using lithium metal having a specific gravity of 0.534, which is the lightest among solid solids, has a very low potential, and has the largest current capacity per unit mass among metal anode materials. Has been studied. However, the lithium metal secondary battery has a problem that lithium is dendriticly grown on the negative electrode with charge / discharge and cycle characteristics are deteriorated or an internal short circuit is caused by breaking through the separator. Accordingly, a secondary battery that repeats charge and discharge by using a carbon material such as coke as the negative electrode and occludes and releases alkali metal ions has been developed, and deterioration of the negative electrode due to charge and discharge has been improved (for example, Patent Document 1). reference).
一方、正極活物質には、4V前後の電池電圧を得ることができるものとして、アルカリ金属を含む遷移金属カルコゲン化物が知られている。中でも、コバルト酸リチウムあるいはニッケル酸リチウムなどが高電位、安定性および長寿命という点から有望であり、特に、コバルト酸リチウムは電位を高くすることが可能であり、充電電圧を高くすることにより、エネルギー密度を向上させることが期待される。 On the other hand, transition metal chalcogenides containing alkali metals are known as positive electrode active materials that can obtain a battery voltage of around 4V. Among them, lithium cobaltate or lithium nickelate is promising in terms of high potential, stability and long life, and in particular, lithium cobaltate can increase the potential, and by increasing the charging voltage, It is expected to improve the energy density.
ところが、充電電圧を高くすると正極近傍における酸化雰囲気が強くなり、電解質が酸化分解により劣化しやすくなる、または正極からコバルトが溶出しやすくなるという問題があった。その結果、充放電効率が低下し、サイクル特性が低下してしまい、充電電圧を高くすることが難しかった。 However, when the charging voltage is increased, the oxidizing atmosphere in the vicinity of the positive electrode becomes strong, and there is a problem that the electrolyte is likely to be deteriorated by oxidative decomposition or cobalt is easily eluted from the positive electrode. As a result, the charge / discharge efficiency is lowered, the cycle characteristics are lowered, and it is difficult to increase the charge voltage.
なお、従来より、正極活物質の安定性を向上させる手段として、アルミニウム(Al),マグネシウム(Mg),ジルコニウム(Zr)あるいはチタン(Ti)などの異種元素を固溶させること(特許文献2参照)、リチウムニッケルマンガン複合酸化物などを少量混合して用いること(特許文献3参照)、またはコバルト酸リチウムの表面をスピネル構造を有するマンガン酸リチウムあるいはニッケルコバルト複合酸化物で被覆すること(特許文献4,5参照)などが報告されている。
しかしながら、異種元素を固溶させる技術では、固溶量が少ないとサイクル特性を十分に改善することができず、固溶量が多いと容量が低下してしまうという問題があった。また、リチウムニッケルマンガン複合酸化物などを混合して用いる技術、およびマンガン酸リチウムあるいはニッケルコバルト複合酸化物などで被覆する技術でも、特性を十分に改善することができず、更なる改善が求められていた。 However, the technique of dissolving different elements in a solid solution has a problem that the cycle characteristics cannot be sufficiently improved if the amount of the solid solution is small, and the capacity decreases if the amount of the solid solution is large. In addition, the technology using a mixture of lithium nickel manganese composite oxide, etc., and the technology of coating with lithium manganate or nickel cobalt composite oxide cannot sufficiently improve the characteristics, and further improvement is required. It was.
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、容量を高くすることができると共に、充放電効率を向上させることができるリチウムイオン二次電池用正極活物質およびその製造方法、並びにそれを用いたリチウムイオン二次電池用正極およびリチウムイオン二次電池を提供することにある。 The present invention has been made in view of such problems, and the object thereof is to increase the capacity and improve the charge / discharge efficiency, and a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery and a method for producing the same, Another object is to provide a positive electrode for a lithium ion secondary battery and a lithium ion secondary battery using the same.
本発明によるリチウムイオン二次電池用正極活物質は、平均組成がLi(1+x) Co(1-y) My O(2-z) (但し、Mはマグネシウム,アルミニウム,ホウ素(B),チタン,バナジウム(V),クロム(Cr),マンガン(Mn),鉄(Fe),ニッケル(Ni),銅(Cu),亜鉛(Zn),モリブデン(Mo),スズ(Sn),タングステン(W),ジルコニウム,イットリウム(Y),ニオブ(Nb),カルシウム(Ca)およびストロンチウム(Sr)からなる群のうちの少なくとも1種であり、x,yおよびzは、それぞれ−0.10≦x≦0.10、0≦y<0.50、−0.10≦z≦0.20の範囲内の値である。)で表される複合酸化物粒子と、この複合酸化物粒子の少なくとも一部に設けられ、リチウムと、ニッケルと、マンガンとを含む酸化物よりなる被覆層とを有し、この被覆層におけるマンガンの濃度は、内層部よりも外層部の方が高く、リチウムとニッケルとマンガンとを含む酸化物は、リチウムと、ニッケルと、マンガンと、酸素とからなるもの、または、リチウムと、ニッケルと、マンガンと、マグネシウム,アルミニウム,ホウ素,チタン,バナジウム,クロム,鉄,コバルト(Co),銅,亜鉛,モリブデン,スズ,タングステン,ジルコニウム,イットリウム,ニオブ,カルシウムおよびストロンチウムからなる群のうちの少なくとも1種の元素とを含み、かつ被覆層における群のうちの少なくとも1種の元素の含有量が、被覆層におけるニッケルとマンガンと群のうちの少なくとも1種の元素の合計に対して、40mol%以下のものである。
Cathode active material for a lithium ion secondary battery according to the present invention, the average composition of Li (1 + x) Co ( 1-y) M y O (2-z) ( where, M is magnesium, aluminum, boron (B) , Titanium, vanadium (V), chromium (Cr), manganese (Mn), iron (Fe), nickel (Ni), copper (Cu), zinc (Zn), molybdenum (Mo), tin (Sn), tungsten ( W), zirconium, yttrium (Y), niobium (Nb), calcium (Ca), and strontium (Sr), and x, y, and z are each −0.10 ≦ x ≦ 0.10, 0 ≦ y <0.50, and −0.10 ≦ z ≦ 0.20.) And at least one of the composite oxide particles And lithium, nickel, man And a coating layer made of oxide containing emissions, the concentration of manganese in the covering layer, towards the outer layer portion than the inner layer portion is rather high, oxide containing lithium, nickel and manganese, and lithium , Nickel, manganese, and oxygen, or lithium, nickel, manganese, magnesium, aluminum, boron, titanium, vanadium, chromium, iron, cobalt (Co), copper, zinc, molybdenum, tin , Tungsten, zirconium, yttrium, niobium, calcium and strontium, and the content of at least one element of the group in the coating layer is less than nickel in the
本発明によるリチウムイオン二次電池用正極活物質の製造方法は、平均組成が化1で表される複合酸化物粒子の少なくとも一部に、水素イオン指数pHが12以上の水溶液中において、ニッケルとマンガンとを含む水酸化物の内部前駆層を形成する工程と、内部前駆層を形成したのち、水溶液に含まれるマンガンイオンの価数を変化させ、複合酸化物粒子の少なくとも一部に、内部前駆層よりもマンガンの濃度が高い水酸化物の外部前駆層を形成する工程と、これら内部前駆層および外部前駆層を加熱処理することにより、複合酸化物粒子の少なくとも一部に、リチウムと、ニッケルと、マンガンとを含む酸化物よりなり、内層部よりも外層部の方がマンガンの濃度が高い被覆層を形成する工程とを含み、リチウムとニッケルとマンガンとを含む酸化物を、リチウムと、ニッケルと、マンガンと、酸素とからなるもの、または、リチウムと、ニッケルと、マンガンと、マグネシウム,アルミニウム,ホウ素,チタン,バナジウム,クロム,鉄,コバルト,銅,亜鉛,モリブデン,スズ,タングステン,ジルコニウム,イットリウム,ニオブ,カルシウムおよびストロンチウムからなる群のうちの少なくとも1種の元素とを含み、かつ被覆層における群のうちの少なくとも1種の元素の含有量が、被覆層におけるニッケルとマンガンと群のうちの少なくとも1種の元素の合計に対して、40mol%以下のものとするものである。
(化1)
Li(1+x) Co(1-y) My O(2-z)
(化1において、Mはマグネシウム,アルミニウム,ホウ素,チタン,バナジウム,クロム,マンガン,鉄,ニッケル,銅,亜鉛,モリブデン,スズ,タングステン,ジルコニウム,イットリウム,ニオブ,カルシウムおよびストロンチウムからなる群のうちの少なくとも1種であり、x,yおよびzは、それぞれ−0.10≦x≦0.10、0≦y<0.50、−0.10≦z≦0.20の範囲内の値である。)
According to the present invention, there is provided a method for producing a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery , wherein at least part of the composite oxide particles having an average composition represented by chemical formula 1 A step of forming an internal precursor layer of a hydroxide containing manganese, and after forming the internal precursor layer, changing the valence of manganese ions contained in the aqueous solution, Forming a hydroxide outer precursor layer having a higher manganese concentration than the layer, and heat-treating the inner precursor layer and the outer precursor layer, so that at least a portion of the composite oxide particles includes lithium and nickel When made of a oxide containing manganese, saw including a step towards the outer layer is to form a high covering layer the concentration of manganese than the inner portion, lithium and nickel and manganese Oxides consisting of lithium, nickel, manganese, and oxygen, or lithium, nickel, manganese, magnesium, aluminum, boron, titanium, vanadium, chromium, iron, cobalt, copper, zinc , Molybdenum, tin, tungsten, zirconium, yttrium, niobium, calcium and strontium, and the content of at least one element of the group in the coating layer is a coating. 40 mol% or less of the total of nickel and manganese in the layer and at least one element of the group .
(Chemical formula 1)
Li (1 + x) Co ( 1-y) M y O (2-z)
(In the chemical formula 1, M is selected from the group consisting of magnesium, aluminum, boron, titanium, vanadium, chromium, manganese, iron, nickel, copper, zinc, molybdenum, tin, tungsten, zirconium, yttrium, niobium, calcium and strontium. X, y, and z are values in the range of −0.10 ≦ x ≦ 0.10, 0 ≦ y <0.50, and −0.10 ≦ z ≦ 0.20, respectively. .)
本発明によるリチウムイオン二次電池用正極は、複合酸化物粒子の少なくとも一部に被覆層が設けられた正極活物質を含有し、複合酸化物粒子は、平均組成がLi(1+x) Co(1-y) My O(2-z) (但し、Mはマグネシウム,アルミニウム,ホウ素,チタン,バナジウム,クロム,マンガン,鉄,ニッケル,銅,亜鉛,モリブデン,スズ,タングステン,ジルコニウム,イットリウム,ニオブ,カルシウムおよびストロンチウムからなる群のうちの少なくとも1種であり、x,yおよびzは、それぞれ−0.10≦x≦0.10、0≦y<0.50、−0.10≦z≦0.20の範囲内の値である。)で表され、被覆層は、リチウムと、ニッケルと、マンガンとを含む酸化物よりなり、この被覆層におけるマンガンの濃度は、内層部よりも外層部の方が高く、リチウムとニッケルとマンガンとを含む酸化物は、リチウムと、ニッケルと、マンガンと、酸素とからなるもの、または、リチウムと、ニッケルと、マンガンと、マグネシウム,アルミニウム,ホウ素,チタン,バナジウム,クロム,鉄,コバルト,銅,亜鉛,モリブデン,スズ,タングステン,ジルコニウム,イットリウム,ニオブ,カルシウムおよびストロンチウムからなる群のうちの少なくとも1種の元素とを含み、かつ被覆層における群のうちの少なくとも1種の元素の含有量が、被覆層におけるニッケルとマンガンと群のうちの少なくとも1種の元素の合計に対して、40mol%以下のものである。 The positive electrode for a lithium ion secondary battery according to the present invention contains a positive electrode active material in which a coating layer is provided on at least a part of the composite oxide particles, and the composite oxide particles have an average composition of Li (1 + x) Co (1-y) MyO (2-z) (where M is magnesium, aluminum, boron, titanium, vanadium, chromium, manganese, iron, nickel, copper, zinc, molybdenum, tin, tungsten, zirconium, yttrium, At least one member selected from the group consisting of niobium, calcium, and strontium, and x, y, and z are −0.10 ≦ x ≦ 0.10, 0 ≦ y <0.50, and −0.10 ≦ z, respectively. The coating layer is made of an oxide containing lithium, nickel, and manganese, and the concentration of manganese in the coating layer is higher than that of the inner layer portion. Part Is rather high, oxide containing lithium, nickel and manganese, lithium, nickel, and manganese, which consists of oxygen or a lithium, nickel, and manganese, magnesium, aluminum, boron, titanium, At least one element of the group consisting of vanadium, chromium, iron, cobalt, copper, zinc, molybdenum, tin, tungsten, zirconium, yttrium, niobium, calcium and strontium, and among the groups in the coating layer The content of at least one element is 40 mol% or less with respect to the total of at least one element of the group of nickel and manganese in the coating layer .
本発明によるリチウムイオン二次電池は、正極および負極と共に、電解質を備えたものであって、正極は、複合酸化物粒子の少なくとも一部に被覆層が設けられた正極活物質を含有し、複合酸化物粒子は、平均組成がLi(1+x) Co(1-y) My O(2-z) (但し、Mはマグネシウム,アルミニウム,ホウ素,チタン,バナジウム,クロム,マンガン,鉄,ニッケル,銅,亜鉛,モリブデン,スズ,タングステン,ジルコニウム,イットリウム,ニオブ,カルシウムおよびストロンチウムからなる群のうちの少なくとも1種であり、x,yおよびzは、それぞれ−0.10≦x≦0.10、0≦y<0.50、−0.10≦z≦0.20の範囲内の値である。)で表され、被覆層は、リチウムと、ニッケルと、マンガンとを含む酸化物よりなり、この被覆層におけるマンガンの濃度は、内層部よりも外層部の方が高く、リチウムとニッケルとマンガンとを含む酸化物は、リチウムと、ニッケルと、マンガンと、酸素とからなるもの、または、リチウムと、ニッケルと、マンガンと、マグネシウム,アルミニウム,ホウ素,チタン,バナジウム,クロム,鉄,コバルト,銅,亜鉛,モリブデン,スズ,タングステン,ジルコニウム,イットリウム,ニオブ,カルシウムおよびストロンチウムからなる群のうちの少なくとも1種の元素とを含み、かつ被覆層における群のうちの少なくとも1種の元素の含有量が、被覆層におけるニッケルとマンガンと群のうちの少なくとも1種の元素の合計に対して、40mol%以下のものである。 A lithium ion secondary battery according to the present invention is provided with an electrolyte together with a positive electrode and a negative electrode, and the positive electrode contains a positive electrode active material in which a coating layer is provided on at least a part of the composite oxide particles. oxide particles, average composition Li (1 + x) Co ( 1-y) M y O (2-z) ( where, M is magnesium, aluminum, boron, titanium, vanadium, chromium, manganese, iron, nickel , Copper, zinc, molybdenum, tin, tungsten, zirconium, yttrium, niobium, calcium, and strontium, and x, y, and z are −0.10 ≦ x ≦ 0.10, respectively. , 0 ≦ y <0.50, −0.10 ≦ z ≦ 0.20), and the coating layer is made of an oxide containing lithium, nickel, and manganese. ,this The concentration of manganese in Kutsugaeso is towards the outer layer portion than the inner layer portion is rather high, oxide containing lithium, nickel and manganese, lithium, nickel, and manganese, which consists of oxygen or lithium And nickel, manganese and at least of the group consisting of magnesium, aluminum, boron, titanium, vanadium, chromium, iron, cobalt, copper, zinc, molybdenum, tin, tungsten, zirconium, yttrium, niobium, calcium and strontium And the content of at least one element of the group in the coating layer is 40 mol% with respect to the total of nickel and manganese in the coating layer and at least one element in the group. It is as follows .
本発明のリチウムイオン二次電池用正極活物質によれば、平均組成がLi(1+x) Co(1-y) My O(2-z) で表される複合酸化物粒子に、ニッケルとマンガンとを含み、内層部よりも外層部の方がマンガンの濃度が高い酸化物よりなる被覆層を設けるようにしたので、複合酸化物粒子の高容量および高電位という特徴を活かしつつ、正極活物質の化学的安定性を向上させることができる。よって、この正極活物質を用いた本発明のリチウムイオン二次電池用正極およびリチウムイオン二次電池によれば、高容量を得ることができると共に、充放電効率を向上させることができる。 According to the positive electrode active material for lithium ion secondary battery of the present invention, the composite oxide particles having an average composition represented by Li (1 + x) Co ( 1-y) M y O (2-z), nickel And manganese, and the outer layer part is provided with a coating layer made of an oxide having a higher manganese concentration than the inner layer part, so that the positive electrode while taking advantage of the high capacity and high potential of the composite oxide particles. The chemical stability of the active material can be improved. Therefore, according to the positive electrode for a lithium ion secondary battery and the lithium ion secondary battery of the present invention using this positive electrode active material, a high capacity can be obtained and charge / discharge efficiency can be improved.
本発明の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、水素イオン指数pHが12以上の水溶液中において、ニッケルとマンガンとを含む水酸化物の内部前駆層を形成したのち、マンガンイオンの価数を変化させ、内部前駆層よりもマンガンの濃度が高い水酸化物の外部前駆層を形成するようにしたので、本発明のリチウムイオン二次電池用正極活物質を容易に製造することができる。 According to the method for producing a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery of the present invention, after forming an internal precursor layer of a hydroxide containing nickel and manganese in an aqueous solution having a hydrogen ion index pH of 12 or more, manganese Since the external valence layer of hydroxide having a higher manganese concentration than the internal precursor layer is formed by changing the valence of ions, the positive electrode active material for lithium ion secondary batteries of the present invention is easily manufactured. be able to.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
本発明の一実施の形態に係る正極活物質は、平均組成が化1で表される複合酸化物粒子の少なくとも一部に被覆層が設けられたものである。この正極活物質では、複合酸化物粒子の平均組成を化1に示したように構成することにより、高容量および高い放電電位を得ることができるようになっている。 The positive electrode active material according to one embodiment of the present invention has a coating layer provided on at least a part of the composite oxide particles having an average composition represented by Chemical Formula 1. In this positive electrode active material, a high capacity and a high discharge potential can be obtained by configuring the average composition of the composite oxide particles as shown in Chemical Formula 1.
(化1)
Li(1+x) Co(1-y) My O(2-z)
化1において、Mはマグネシウム,アルミニウム,ホウ素,チタン,バナジウム,クロム,マンガン,鉄,ニッケル,銅,亜鉛,モリブデン,スズ,タングステン,ジルコニウム,イットリウム,ニオブ,カルシウムおよびストロンチウムからなる群のうちの少なくとも1種である。
(Chemical formula 1)
Li (1 + x) Co ( 1-y) M y O (2-z)
In Formula 1, M is at least one selected from the group consisting of magnesium, aluminum, boron, titanium, vanadium, chromium, manganese, iron, nickel, copper, zinc, molybdenum, tin, tungsten, zirconium, yttrium, niobium, calcium, and strontium. One type.
xは−0.10≦x≦0.10の範囲内の値であり、−0.08≦x≦0.08の範囲内であればより好ましく、−0.06≦x≦0.06の範囲内であれば更に好ましい。これよりも小さいと放電容量が低下してしまい、これにより大きいと被覆層を形成する際にリチウムが拡散し、工程の制御が難しくなる場合があるからである。 x is a value in the range of −0.10 ≦ x ≦ 0.10, more preferably in the range of −0.08 ≦ x ≦ 0.08, and −0.06 ≦ x ≦ 0.06. It is more preferable if it is within the range. If it is smaller than this, the discharge capacity will be reduced, and if it is larger than this, lithium will diffuse when the coating layer is formed, and it may be difficult to control the process.
yは0≦y<0.50の範囲内の値であり、0≦y<0.40の範囲内であればより好ましく、0≦y<0.30の範囲内であれば更に好ましい。すなわち、化1におけるMは必須の構成元素ではない。コバルト酸リチウムは高容量を得ることができると共に、放電電位も高いので好ましく、また、Mを含むようにすれば安定性を向上させることができるので好ましいが、Mの量が多くなるとコバルト酸リチウムの特性が損なわれ、容量および放電電位が低下してしまうからである。 y is a value within the range of 0 ≦ y <0.50, more preferably within the range of 0 ≦ y <0.40, and even more preferably within the range of 0 ≦ y <0.30. That is, M in Chemical Formula 1 is not an essential constituent element. Lithium cobalt oxide is preferable because it can obtain a high capacity and has a high discharge potential, and is preferable because it can improve stability if it contains M. However, if the amount of M increases, lithium cobalt oxide is preferable. This is because the above characteristics are impaired and the capacity and the discharge potential are lowered.
zは−0.10≦z≦0.20の範囲内の値であり、−0.08≦z≦0.18の範囲内であればより好ましく、−0.06≦z≦0.16の範囲内であれば更に好ましい。この範囲内において、放電容量をより高くすることができるからである。 z is a value in the range of −0.10 ≦ z ≦ 0.20, more preferably in the range of −0.08 ≦ z ≦ 0.18, and −0.06 ≦ z ≦ 0.16. It is more preferable if it is within the range. This is because the discharge capacity can be further increased within this range.
被覆層は、反応抑制層として機能するものであり、リチウムと、ニッケルと、マンガンとを含む酸化物により構成されている。被覆層におけるニッケルおよびマンガンの濃度は深さ方向において変化しており、マンガンの濃度は、複合酸化物粒子側の内層部よりも、その反対側の外層部の方が高くなっている。このように外層部におけるマンガンの濃度を、被覆層の平均組成よりも高くすることにより、充放電効率をより向上させることができるからである。 A coating layer functions as a reaction suppression layer, and is comprised with the oxide containing lithium, nickel, and manganese. The nickel and manganese concentrations in the coating layer change in the depth direction, and the manganese concentration is higher in the outer layer portion on the opposite side than in the inner layer portion on the composite oxide particle side. This is because the charge / discharge efficiency can be further improved by making the manganese concentration in the outer layer portion higher than the average composition of the coating layer.
なお、被覆層というのは、正極活物質の表面から内部に向かってニッケルおよびマンガンの濃度変化を調べた場合に、その濃度変化が実質的に見られなくなるまでの領域を意味している。正極活物質におけるニッケルおよびマンガンの表面から内部に向かう濃度変化は、例えば、正極活物質をスパッタリングなどにより削りながらその組成をオージェ電子分光分析(Auger Electron Spectroscopy ;AES)あるいはSIMS(Secondary Ion Mass Spectrometry ;二次イオン質量分析)により測定することが可能である。また、正極活物質を酸性溶液中などでゆっくり溶解させ、その溶出分の時間変化を誘導結合高周波プラズマ(Inductively Coupled Plasma;ICP)分光分析などにより測定することも可能である。 Note that the coating layer means a region until the change in concentration of nickel and manganese is substantially not seen when the change in concentration of nickel and manganese is examined from the surface to the inside of the positive electrode active material. Concentration change from the surface of nickel and manganese in the positive electrode active material toward the inside, for example, while the positive electrode active material is scraped by sputtering or the like, its composition is changed to Auger Electron Spectroscopy (AES) or SIMS (Secondary Ion Mass Spectrometry; Secondary ion mass spectrometry). It is also possible to slowly dissolve the positive electrode active material in an acidic solution or the like, and to measure the time change of the eluted portion by inductively coupled plasma (ICP) spectroscopic analysis or the like.
被覆層におけるニッケルとマンガンとの組成比は、ニッケル:マンガンのモル比で、95:5から20:80の範囲内であることが好ましく、90:10から30:70の範囲内であればより好ましい。マンガンの量が多いと被覆層におけるリチウムの吸蔵量が低下し、正極活物質の容量が低下してしまうと共に、電気抵抗が増大してしまい、マンガンの量が少ないと充放電効率を十分に向上させることができないからである。 The composition ratio of nickel and manganese in the coating layer is preferably in the range of 95: 5 to 20:80 in terms of nickel: manganese molar ratio, and more preferably in the range of 90:10 to 30:70. preferable. If the amount of manganese is large, the amount of occlusion of lithium in the coating layer decreases, the capacity of the positive electrode active material decreases, and the electrical resistance increases. If the amount of manganese is small, the charge / discharge efficiency is sufficiently improved. It is because it cannot be made to do.
被覆層の酸化物には、更に、マグネシウム,アルミニウム,ホウ素,チタン,バナジウム,クロム,鉄,コバルト,銅,亜鉛,モリブデン,スズ,タングステン,ジルコニウム,イットリウム,ニオブ,カルシウムおよびストロンチウムからなる群のうちの少なくとも1種が構成元素として含まれていてもよい。正極活物質の安定性をより向上させることができると共に、リチウムイオンの拡散性をより向上させることができるからである。この場合、これらの元素を合計した含有量は、被覆層におけるニッケルとマンガンとこれらの元素の合計に対して、40mol%以下であることが好ましく、30mol%以下であればより好ましく、20mol%以下であれば更に好ましい。これらの元素の含有量が多くなると、リチウムの吸蔵量が低下し、正極活物質の容量が低下してしまうからである。なお、これらの元素は酸化物に固溶していてもしていなくてもよい。 The oxide of the covering layer further includes magnesium, aluminum, boron, titanium, vanadium, chromium, iron, cobalt, copper, zinc, molybdenum, tin, tungsten, zirconium, yttrium, niobium, calcium and strontium. May be contained as a constituent element. This is because the stability of the positive electrode active material can be further improved and the diffusibility of lithium ions can be further improved. In this case, the total content of these elements is preferably 40 mol% or less, more preferably 30 mol% or less, and more preferably 20 mol% or less with respect to the total of nickel, manganese and these elements in the coating layer. If it is more preferable. This is because when the content of these elements increases, the amount of occlusion of lithium decreases and the capacity of the positive electrode active material decreases. Note that these elements may or may not be dissolved in the oxide.
被覆層の量は、複合酸化物粒子の0.5質量%以上50質量%以下の範囲内であることが好ましく、1.0質量%以上40質量%以下の範囲内であればより好ましく、2.0質量%以上35質量%以下の範囲内であれば更に好ましい。被覆層の量が多いと容量が低下し、少ないと安定性を十分に向上させることができないからである。 The amount of the coating layer is preferably in the range of 0.5% by mass or more and 50% by mass or less of the composite oxide particles, more preferably in the range of 1.0% by mass or more and 40% by mass or less. More preferably, it is in the range of 0.0 mass% or more and 35 mass% or less. This is because when the amount of the coating layer is large, the capacity decreases, and when the amount is small, the stability cannot be sufficiently improved.
この正極活物質の平均粒子径は、2.0μm以上50μm以下の範囲内であることが好ましい。2.0μm未満では、正極を作製する際にプレス工程において正極活物質が正極集電体から剥離しやすくなり、また、正極活物質の表面積が大きくなるので、導電剤あるいは結着剤などの添加量を増加させなければならず、単位質量当たりのエネルギー密度が小さくなってしまうからである。逆に、50μmを超えると、正極活物質がセパレータを貫通し、短絡を引き起こしてしまう可能性が高くなるからである。 The average particle diameter of the positive electrode active material is preferably in the range of 2.0 μm to 50 μm. If the thickness is less than 2.0 μm, the positive electrode active material is easily peeled off from the positive electrode current collector in the pressing step when the positive electrode is produced, and the surface area of the positive electrode active material is increased, so that a conductive agent or a binder is added. This is because the amount must be increased, and the energy density per unit mass becomes small. On the other hand, when the thickness exceeds 50 μm, there is a high possibility that the positive electrode active material penetrates the separator and causes a short circuit.
図1はこの正極活物質の一製造方法の工程を表すものである。まず、平均組成が化1で表される複合酸化物粒子の少なくとも一部に、例えば、水素イオン指数pHが12以上の水溶液中において、ニッケルおよびマンガンを含む水酸化物の内部前駆層を形成する(ステップS101)。このように水素イオン指数pHが12以上の水溶液中において水酸化物を析出させることにより、水酸化物の析出速度を遅くすることができ、より緻密で均一な内部前駆層を形成することができるからである。 FIG. 1 shows a process of one manufacturing method of this positive electrode active material. First, at least a portion of the composite oxide particles represented by the average composition of 1, for example, in the hydrogen ion exponent pH is of 12 more aqueous solutions, the internal precursor layer including the hydroxide of nickel and manganese formed (Step S101). Thus, by depositing hydroxide in an aqueous solution having a hydrogen ion index pH of 12 or more, the deposition rate of hydroxide can be slowed down, and a denser and more uniform internal precursor layer can be formed. Because.
内部前駆層を形成する際には、図1に示したように、複合酸化物粒子を水素イオン指数pHが12以上の水溶液中に分散し(ステップS111)、次いで、この水溶液に、ニッケル化合物およびマンガン化合物を添加してその水酸化物を析出させる(ステップS112)ようにしてもよく、また、ニッケル化合物およびマンガン化合物を溶解させた水溶液に複合酸化物粒子を分散し(ステップS121)、次いで、この水溶液の水素イオン指数pHを12以上に調節してその水酸化物を析出させる(ステップS122)ようにしてもよい。 When forming the internal precursor layer, as shown in FIG. 1, the composite oxide particles are dispersed in an aqueous solution having a hydrogen ion exponent pH of 12 or more (step S111), and then the nickel compound and the aqueous solution are added to the aqueous solution. The manganese compound may be added to precipitate the hydroxide (step S112), and the composite oxide particles are dispersed in an aqueous solution in which the nickel compound and the manganese compound are dissolved (step S121). The hydrogen ion exponent pH of this aqueous solution may be adjusted to 12 or more to precipitate the hydroxide (step S122).
ニッケルの原料であるニッケル化合物としては、無機系化合物であれば、水酸化ニッケル、炭酸ニッケル、硝酸ニッケル、フッ化ニッケル、塩化ニッケル、臭化ニッケル、ヨウ化ニッケル、過塩素酸ニッケル、臭素酸ニッケル、ヨウ素酸ニッケル、酸化ニッケル、過酸化ニッケル、硫化ニッケル、硫酸ニッケル、硫酸水素ニッケル、窒化ニッケル、亜硝酸ニッケル、リン酸ニッケル、あるいはチオシアン酸ニッケルなどが挙げられ、有機系化合物であれば、シュウ酸ニッケルあるいは酢酸ニッケルなどが挙げられる。ニッケル化合物は、1種を単独で用いてもよいが、2種以上を混合して用いてもよい。 As a nickel compound that is a raw material of nickel, if it is an inorganic compound, nickel hydroxide, nickel carbonate, nickel nitrate, nickel fluoride, nickel chloride, nickel bromide, nickel iodide, nickel perchlorate, nickel bromate Nickel iodate, nickel oxide, nickel peroxide, nickel sulfide, nickel sulfate, nickel hydrogen sulfate, nickel nitride, nickel nitrite, nickel phosphate, or nickel thiocyanate. Examples thereof include nickel oxide and nickel acetate. A nickel compound may be used individually by 1 type, but 2 or more types may be mixed and used for it.
マンガンの原料であるマンガン化合物としては、無機系化合物であれば、水酸化マンガン、炭酸マンガン、硝酸マンガン、フッ化マンガン、塩化マンガン、臭化マンガン、ヨウ化マンガン、塩素酸マンガン、過塩素酸マンガン、臭素酸マンガン、ヨウ素酸マンガン、酸化マンガン、ホスフィン酸マンガン、硫化マンガン、硫化水素マンガン、硫酸マンガン、硫酸水素マンガン、チオシアン酸マンガン、亜硝酸マンガン、リン酸マンガン、リン酸二水素マンガン、あるいは炭酸水素マンガンなどが挙げられ、有機系化合物であれば、シュウ酸マンガンあるいは酢酸マンガンなどが挙げられる。中でも、マンガン(II)の化合物が好ましい。水溶液に対する十分な溶解度を得ることができるからである。マンガン化合物は、1種を単独で用いてもよいが、2種以上を混合して用いてもよい。 As the manganese compound as a raw material of manganese, as long as it is an inorganic compound, manganese hydroxide, manganese carbonate, manganese nitrate, manganese fluoride, manganese chloride, manganese bromide, manganese iodide, manganese chlorate, manganese perchlorate , Manganese bromate, manganese iodate, manganese oxide, manganese phosphinate, manganese sulfide, manganese hydrogen sulfide, manganese sulfate, manganese hydrogen sulfate, manganese thiocyanate, manganese nitrite, manganese phosphate, manganese dihydrogen phosphate, or carbonic acid Examples of the organic compound include manganese oxalate and manganese acetate. Among these, a manganese (II) compound is preferable. This is because sufficient solubility in an aqueous solution can be obtained. A manganese compound may be used individually by 1 type, but 2 or more types may be mixed and used for it.
次いで、例えばこの水溶液に空気あるいは酸素などの酸化性ガスを吹き込み、水素イオン指数pHが12以上の水溶液中においてマンガンイオンの価数を変化させる。これにより、例えばマンガン(II)イオンは酸化されてマンガン(IV)イオンとなり、水溶液に対する水酸化マンガンの溶解度が低下するので、内部前駆層よりもマンガンの濃度が高い水酸化物の外部前駆層が複合酸化物粒子の少なくとも一部に形成される(ステップS102)。 Next, for example, an oxidizing gas such as air or oxygen is blown into the aqueous solution to change the valence of manganese ions in an aqueous solution having a hydrogen ion exponent pH of 12 or more. As a result, for example, manganese (II) ions are oxidized to manganese (IV) ions, and the solubility of manganese hydroxide in the aqueous solution decreases, so that an external precursor layer of hydroxide having a higher manganese concentration than the internal precursor layer is formed. It forms in at least one part of complex oxide particle (step S102).
なお、内部前駆層および外部前駆層を形成する際の水素イオン指数pHは、例えば水溶液にアルカリを添加することにより調節する。アルカリとしては、例えば、水酸化リチウム、水酸化ナトリウム、あるいは水酸化カリウムが挙げられ、1種を単独で用いてもよいが、2種以上を混合して用いてもよい。但し、水酸化リチウムを用いた方が好ましい。正極活物質の純度を向上させることができると共に、内部前駆層および外部前駆層を形成した複合酸化物粒子を水溶液から分離する際に水溶液の付着量を調節することにより、被覆層におけるリチウムの含有量を制御することができるからである。 In addition, the hydrogen ion exponent pH at the time of forming an internal precursor layer and an external precursor layer is adjusted by adding an alkali to aqueous solution, for example. Examples of the alkali include lithium hydroxide, sodium hydroxide, and potassium hydroxide. One kind may be used alone, or two or more kinds may be mixed and used. However, it is preferable to use lithium hydroxide. The purity of the positive electrode active material can be improved, and the content of lithium in the coating layer can be adjusted by adjusting the amount of aqueous solution deposited when separating the composite oxide particles forming the inner precursor layer and the outer precursor layer from the aqueous solution. This is because the amount can be controlled.
水溶液の水素イオン指数pHはより高い方が好ましく、13以上、更には14以上とすればより好ましい。水素イオン指数pHを高くするほど均一な内部前駆層および外部前駆層を形成することができるからである。また、内部前駆層および外部前駆層を形成する際の水溶液の温度は、40℃以上とすることが好ましく、より好ましくは60℃以上、更に好ましくは80℃以上であり、100℃以上としてもよい。温度を高くした方がより均一な前駆層を形成することができるからである。 The hydrogen ion exponent pH of the aqueous solution is preferably higher, more preferably 13 or more, and even more preferably 14 or more. This is because the higher the hydrogen ion exponent pH, the more uniform the inner precursor layer and the outer precursor layer can be formed. In addition, the temperature of the aqueous solution when forming the inner precursor layer and the outer precursor layer is preferably 40 ° C. or higher, more preferably 60 ° C. or higher, still more preferably 80 ° C. or higher, and may be 100 ° C. or higher. . This is because a more uniform precursor layer can be formed by increasing the temperature.
続いて、内部前駆層および外部前駆層を形成した複合酸化物粒子を水溶液から分離し、加熱処理することにより内部前駆層および外部前駆層の水酸化物を脱水し、リチウムとニッケルとマンガンとを含む酸化物の被覆層を形成する(ステップS103)。加熱処理は、空気あるいは純酸素などの酸化雰囲気中において、300℃から1000℃程度の温度で行うことが好ましい。 Subsequently, the composite oxide particles forming the inner precursor layer and the outer precursor layer are separated from the aqueous solution, and the hydroxides of the inner precursor layer and the outer precursor layer are dehydrated by heat treatment, and lithium, nickel, and manganese are removed. An oxide covering layer is formed (step S103). The heat treatment is preferably performed at a temperature of about 300 ° C. to 1000 ° C. in an oxidizing atmosphere such as air or pure oxygen.
この熱処理により複合酸化物粒子から被覆層にリチウムが拡散するが、被覆層におけるリチウムの含有量を調節するために、加熱処理を行う前に、内部前駆層および外部前駆層にリチウム化合物を含浸させるようにしてもよい。リチウム化合物としては、例えば、水酸化リチウム、炭酸リチウム、硝酸リチウム、フッ化リチウム、塩化リチウム、臭化リチウム、ヨウ化リチウム、塩素酸リチウム、過塩素酸リチウム、臭素酸リチウム、ヨウ素酸リチウム、酸化リチウム、過酸化リチウム、硫化リチウム、硫化水素リチウム、硫酸リチウム、硫酸水素リチウム、窒化リチウム、アジ化リチウム、亜硝酸リチウム、リン酸リチウム、リン酸二水素リチウム、あるいは炭酸水素リチウムなどの無機系化合物でも、メチルリチウム、ビニルリチウム、イソプロピルリチウム、ブチルリチウム、フェニルリチウム、シュウ酸リチウム、あるいは酢酸リチウムなどの有機系化合物でもよい。 This heat treatment diffuses lithium from the composite oxide particles into the coating layer. In order to adjust the lithium content in the coating layer, the internal precursor layer and the external precursor layer are impregnated with a lithium compound before heat treatment. You may do it. Examples of the lithium compound include lithium hydroxide, lithium carbonate, lithium nitrate, lithium fluoride, lithium chloride, lithium bromide, lithium iodide, lithium chlorate, lithium perchlorate, lithium bromate, lithium iodate, and oxidation. Inorganic compounds such as lithium, lithium peroxide, lithium sulfide, lithium hydrogen sulfide, lithium sulfate, lithium hydrogen sulfate, lithium nitride, lithium azide, lithium nitrite, lithium phosphate, lithium dihydrogen phosphate, or lithium hydrogen carbonate However, organic compounds such as methyl lithium, vinyl lithium, isopropyl lithium, butyl lithium, phenyl lithium, lithium oxalate, or lithium acetate may be used.
なお、複合酸化物粒子は、前駆層を形成する前に、必要に応じてボールミルあるいは擂潰機などにより二次粒子を解砕するようにしてもよい。また、被覆層を形成したのちに、必要に応じて軽い粉砕あるいは分級操作などを行い、正極活物質の粒度を調節するようにしてもよい。 In addition, before forming a precursor layer, you may make it complex oxide particle | grains crush secondary particles with a ball mill or a crusher etc. as needed. Moreover, after forming a coating layer, you may make it adjust the particle size of a positive electrode active material by performing a light grinding | pulverization or classification operation etc. as needed.
この正極活物質は、例えば、次のようにして二次電池に用いられる。 This positive electrode active material is used for a secondary battery as follows, for example.
(第1の二次電池)
図2は本実施の形態に係る正極活物質を用いた第1の二次電池の断面構造を表すものである。この二次電池は、電極反応物質としてリチウムを用い、負極の容量が、リチウムの吸蔵および放出による容量成分により表されるいわゆるリチウムイオン二次電池である。この二次電池は、いわゆる円筒型といわれるものであり、ほぼ中空円柱状の電池缶11の内部に、一対の帯状の正極21と帯状の負極22とがセパレータ23を介して巻回された巻回電極体20を有している。電池缶11の内部には、液状の電解質である電解液が注入されており、セパレータ23に含浸されている。電池缶11は、例えばニッケルのめっきがされた鉄により構成されており、一端部が閉鎖され他端部が開放されている。電池缶11の内部には、また、巻回電極体20を挟むように巻回周面に対して垂直に一対の絶縁板12,13がそれぞれ配置されている。
(First secondary battery)
FIG. 2 shows a cross-sectional structure of a first secondary battery using the positive electrode active material according to the present embodiment. This secondary battery is a so-called lithium ion secondary battery in which lithium is used as an electrode reactant and the capacity of the negative electrode is represented by a capacity component due to insertion and extraction of lithium. This secondary battery is called a so-called cylindrical type, and is a winding in which a pair of strip-like
電池缶11の開放端部には、電池蓋14と、この電池蓋14の内側に設けられた安全弁機構15および熱感抵抗素子(Positive Temperature Coefficient;PTC素子)16とが、ガスケット17を介してかしめられることにより取り付けられており、電池缶11の内部は密閉されている。電池蓋14は、例えば、電池缶11と同様の材料により構成されている。安全弁機構15は、熱感抵抗素子16を介して電池蓋14と電気的に接続されており、内部短絡あるいは外部からの加熱などにより電池の内圧が一定以上となった場合にディスク板15Aが反転して電池蓋14と巻回電極体20との電気的接続を切断するようになっている。熱感抵抗素子16は、温度が上昇すると抵抗値の増大により電流を制限し、大電流による異常な発熱を防止するものである。ガスケット17は、例えば、絶縁材料により構成されており、表面にはアスファルトが塗布されている。
At the open end of the battery can 11, a
巻回電極体20は、例えば、センターピン24を中心に巻回されている。巻回電極体20の正極21にはアルミニウムなどよりなる正極リード25が接続されており、負極22にはニッケルなどよりなる負極リード26が接続されている。正極リード25は安全弁機構15に溶接されることにより電池蓋14と電気的に接続されており、負極リード26は電池缶11に溶接され電気的に接続されている。
The
図3は図2に示した巻回電極体20の一部を拡大して表すものである。正極21は、例えば、対向する一対の面を有する正極集電体21Aの両面に正極活物質層21Bが設けられた構造を有している。なお、図示はしないが、正極集電体21Aの片面のみに正極活物質層21Bを設けるようにしてもよい。正極集電体21Aは、例えば、アルミニウム箔,ニッケル箔あるいはステンレス箔などの金属箔により構成されている。正極活物質層21Bは、例えば、本実施の形態に係る粒子状の正極活物質と、必要に応じて黒鉛などの導電剤およびポリフッ化ビニリデンなどの結着剤を含んで構成されている。また、更に他の1種または2種以上の正極活物質を含有していてもよい。
FIG. 3 shows an enlarged part of the spirally
負極22は、例えば、対向する一対の面を有する負極集電体22Aの両面に負極活物質層22Bが設けられた構造を有している。なお、図示はしないが、負極集電体22Aの片面のみに負極活物質層22Bを設けるようにしてもよい。負極集電体22Aは、例えば、良好な電気化学的安定性、電気伝導性および機械的強度を有する銅箔,ニッケル箔あるいはステンレス箔などの金属箔により構成されている。
The
負極活物質層22Bは、負極活物質として、リチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料のいずれか1種または2種以上を含んで構成されており、必要に応じて正極活物質層21Bと同様の結着剤を含んで構成されている。
The negative electrode
なお、この二次電池では、リチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料の充電容量が、正極21の充電容量よりも大きくなっており、充電の途中において負極22にリチウム金属が析出しないようになっている。
In this secondary battery, the charge capacity of the negative electrode material capable of inserting and extracting lithium is larger than the charge capacity of the
リチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料としては、例えば、難黒鉛化性炭素,易黒鉛化性炭素,黒鉛,熱分解炭素類,コークス類,ガラス状炭素類,有機高分子化合物焼成体,炭素繊維あるいは活性炭などの炭素材料が挙げられる。このうち、コークス類には、ピッチコークス,ニードルコークスあるいは石油コークスなどがある。有機高分子化合物焼成体というのは、フェノール樹脂やフラン樹脂等の高分子材料を適当な温度で焼成して炭素化したものをいい、一部には難黒鉛化性炭素または易黒鉛化性炭素に分類されるものもある。これら炭素材料は、充放電時に生じる結晶構造の変化が非常に少なく、高い充放電容量を得ることができると共に、良好なサイクル特性を得ることができるので好ましい。特に黒鉛は、電気化学当量が大きく、高いエネルギー密度を得ることができ好ましい。また、難黒鉛化性炭素は、優れたサイクル特性が得られるので好ましい。更にまた、充放電電位が低いもの、具体的には充放電電位がリチウム金属に近いものが、電池の高エネルギー密度化を容易に実現することができるので好ましい。 Examples of the negative electrode material capable of inserting and extracting lithium include non-graphitizable carbon, graphitizable carbon, graphite, pyrolytic carbons, cokes, glassy carbons, and fired organic polymer compounds , Carbon materials such as carbon fiber or activated carbon. Among these, examples of coke include pitch coke, needle coke, and petroleum coke. An organic polymer compound fired body is a carbonized material obtained by firing a polymer material such as a phenol resin or a furan resin at an appropriate temperature, and part of it is non-graphitizable carbon or graphitizable carbon. Some are classified as: These carbon materials are preferable because the change in crystal structure that occurs during charge and discharge is very small, a high charge and discharge capacity can be obtained, and good cycle characteristics can be obtained. In particular, graphite is preferable because it has a high electrochemical equivalent and can provide a high energy density. Further, non-graphitizable carbon is preferable because excellent cycle characteristics can be obtained. Furthermore, those having a low charge / discharge potential, specifically, those having a charge / discharge potential close to that of lithium metal are preferable because a high energy density of the battery can be easily realized.
リチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料としては、また、リチウムを吸蔵および放出することが可能であり、金属元素および半金属元素のうちの少なくとも1種を構成元素として含む材料も挙げられる。このような材料を用いれば、高いエネルギー密度を得ることができるからである。特に、炭素材料と共に用いるようにすれば、高エネルギー密度を得ることができると共に、優れたサイクル特性を得ることができるのでより好ましい。この負極材料は金属元素あるいは半金属元素の単体でも合金でも化合物でもよく、またこれらの1種または2種以上の相を少なくとも一部に有するようなものでもよい。なお、本発明において、合金には2種以上の金属元素からなるものに加えて、1種以上の金属元素と1種以上の半金属元素とを含むものも含める。また、非金属元素を含んでいてもよい。その組織には固溶体,共晶(共融混合物),金属間化合物あるいはそれらのうちの2種以上が共存するものがある。 Examples of the negative electrode material capable of inserting and extracting lithium include materials capable of inserting and extracting lithium and containing at least one of a metal element and a metalloid element as a constituent element. . This is because a high energy density can be obtained by using such a material. In particular, the use with a carbon material is more preferable because a high energy density can be obtained and excellent cycle characteristics can be obtained. The negative electrode material may be a single element, alloy or compound of a metal element or metalloid element, or may have at least a part of one or more of these phases. In the present invention, alloys include those containing one or more metal elements and one or more metalloid elements in addition to those composed of two or more metal elements. Moreover, the nonmetallic element may be included. There are structures in which a solid solution, a eutectic (eutectic mixture), an intermetallic compound, or two or more of them coexist.
この負極材料を構成する金属元素あるいは半金属元素としては、マグネシウム,ホウ素,アルミニウム,ガリウム(Ga),インジウム(In),ケイ素(Si),ゲルマニウム(Ge),スズ,鉛(Pb),ビスマス(Bi),カドミウム(Cd),銀(Ag),亜鉛,ハフニウム(Hf),ジルコニウム,イットリウム,パラジウム(Pd)あるいは白金(Pt)が挙げられる。これらは結晶質のものでもアモルファスのものでもよい。 Examples of metal elements or metalloid elements constituting the negative electrode material include magnesium, boron, aluminum, gallium (Ga), indium (In), silicon (Si), germanium (Ge), tin, lead (Pb), and bismuth ( Bi), cadmium (Cd), silver (Ag), zinc, hafnium (Hf), zirconium, yttrium, palladium (Pd) or platinum (Pt). These may be crystalline or amorphous.
中でも、この負極材料としては、短周期型周期表における4B族の金属元素あるいは半金属元素を構成元素として含むものが好ましく、特に好ましいのはケイ素およびスズの少なくとも一方を構成元素として含むものである。ケイ素およびスズは、リチウムを吸蔵および放出する能力が大きく、高いエネルギー密度を得ることができるからである。 Among these, as the negative electrode material, a material containing a 4B group metal element or a semimetal element in the short-period type periodic table as a constituent element is preferable, and at least one of silicon and tin is particularly preferable as a constituent element. This is because silicon and tin have a large ability to occlude and release lithium, and a high energy density can be obtained.
リチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料としては、更に、他の金属化合物あるいは高分子材料が挙げられる。他の金属化合物としては、酸化鉄,酸化ルテニウム,酸化モリブデン,酸化タングステン,酸化チタンあるいは酸化スズなどの酸化物、硫化ニッケルあるいは硫化モリブデンなどの硫化物、または窒化リチウムなどの窒化物が挙げられ、高分子材料としてはポリアセチレンあるいはポリピロールなどが挙げられる。 Examples of the negative electrode material capable of inserting and extracting lithium further include other metal compounds or polymer materials. Other metal compounds include oxides such as iron oxide, ruthenium oxide, molybdenum oxide, tungsten oxide, titanium oxide or tin oxide, sulfides such as nickel sulfide or molybdenum sulfide, or nitrides such as lithium nitride, Examples of the polymer material include polyacetylene and polypyrrole.
セパレータ23は、例えば、ポリテトラフルオロエチレン,ポリプロピレンあるいはポリエチレンなどの合成樹脂製の多孔質膜、またはセラミック製の多孔質膜により構成されており、これら2種以上の多孔質膜を積層した構造とされていてもよい。中でも、ポリオレフィン製の多孔質膜はショート防止効果に優れ、かつシャットダウン効果による電池の安全性向上を図ることができるので好ましい。
The
電解液は、例えば有機溶媒などの非水溶媒と、この非水溶媒に溶解された電解質塩とを含んでいる。非水溶媒としては、例えば、炭酸エチレン、炭酸プロピレン、炭酸ジエチル、炭酸ジメチル、1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジエトキシエタン、γ−ブチロラクトン、N−メチルピロリドン、アセトニトリル、N,N−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、1,3−ジオキソラン、4−メチル−1,3−ジオキロラン、ジエチルエーテル、スルホラン、メチルスルホラン、プロピオニトリル、アニソール、酢酸エステル、酪酸エステル、あるいはプロピオン酸エステルが挙げられる。非水溶媒は、1種を単独で用いてもよいが、2種以上を混合して用いてもよい。 The electrolytic solution includes, for example, a nonaqueous solvent such as an organic solvent and an electrolyte salt dissolved in the nonaqueous solvent. Examples of the non-aqueous solvent include ethylene carbonate, propylene carbonate, diethyl carbonate, dimethyl carbonate, 1,2-dimethoxyethane, 1,2-diethoxyethane, γ-butyrolactone, N-methylpyrrolidone, acetonitrile, N, N— Dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, 1,3-dioxolane, 4-methyl-1,3-dikilolane, diethyl ether, sulfolane, methylsulfolane, propionitrile, anisole, acetate, butyrate, or A propionic acid ester is mentioned. One non-aqueous solvent may be used alone, or two or more non-aqueous solvents may be mixed and used.
電解質塩としては、例えばリチウム塩が挙げられ、1種を単独で用いてもよく、2種以上を混合して用いてもよい。リチウム塩としては、LiPF6 ,LiBF4 ,LiAsF6 ,LiClO4 ,LiB(C6 H5 )4 ,LiCH3 SO3 ,LiCF3 SO3 ,LiN(SO2 CF3 )2 ,LiC(SO2 CF3 )3 ,LiAlCl4 ,LiSiF6 ,LiCl, ジフルオロ[オキソラト−O,O’]ホウ酸リチウム,リチウムビスオキサレートボレート,あるいはLiBrなどが挙げられる。 As electrolyte salt, lithium salt is mentioned, for example, 1 type may be used independently, and 2 or more types may be mixed and used for it. Lithium salts include LiPF 6 , LiBF 4 , LiAsF 6 , LiClO 4 , LiB (C 6 H 5 ) 4 , LiCH 3 SO 3 , LiCF 3 SO 3 , LiN (SO 2 CF 3 ) 2 , LiC (SO 2 CF 3 ) 3 , LiAlCl 4 , LiSiF 6 , LiCl, difluoro [oxolato-O, O ′] lithium borate, lithium bisoxalate borate, or LiBr.
なお、この二次電池の完全充電時における開回路電圧(すなわち電池電圧)は4.20Vでもよいが、4.20Vよりも高く4.25V以上4.80V以下の範囲内になるように設計されていることが好ましい。電池電圧を高くすることによりエネルギー密度を大きくすることができると共に、本実施の形態によれば、正極活物質の化学的安定性が向上されているので、電池電圧を高くしても優れたサイクル特性を得ることができるからである。その場合、電池電圧を4.20Vとする場合よりも、同じ正極活物質でも単位質量当たりのリチウムの放出量が多くなるので、それに応じて正極活物質と負極活物質との量が調整される。 Note that the open circuit voltage (that is, the battery voltage) when the secondary battery is fully charged may be 4.20V, but is designed to be higher than 4.20V and not lower than 4.25V and lower than 4.80V. It is preferable. The energy density can be increased by increasing the battery voltage, and according to the present embodiment, the chemical stability of the positive electrode active material is improved, so that an excellent cycle even if the battery voltage is increased. This is because characteristics can be obtained. In that case, since the amount of lithium released per unit mass increases even with the same positive electrode active material than when the battery voltage is set to 4.20 V, the amounts of the positive electrode active material and the negative electrode active material are adjusted accordingly. .
この二次電池は、例えば、次のようにして製造することができる。 For example, the secondary battery can be manufactured as follows.
まず、例えば、正極集電体21Aに正極活物質層21Bを形成し正極21を作製する。正極活物質層21Bは、例えば、正極活物質と、導電剤と、結着剤とを混合して正極合剤を調製したのち、この正極合剤をN−メチル−2−ピロリドンなどの溶剤に分散させてペースト状の正極合剤スラリーとし、この正極合剤スラリーを正極集電体21Aに塗布し溶剤を乾燥させ、ロールプレス機などにより圧縮成型することにより形成する。
First, for example, the positive electrode
また、例えば、負極集電体22Aに負極活物質層22Bを形成し負極22を作製する。負極活物質層22Bは、例えば、気相法、液相法、焼成法、または塗布のいずれにより形成してもよく、それらの2以上を組み合わせてもよい。なお、気相法としては、例えば、物理堆積法あるいは化学堆積法を用いることができ、具体的には、真空蒸着法,スパッタ法,イオンプレーティング法,レーザーアブレーション法,熱CVD(Chemical Vapor Deposition ;化学気相成長)法あるいはプラズマCVD法等が利用可能である。液相法としては電解鍍金あるいは無電解鍍金等の公知の手法が利用可能である。焼成法に関しても公知の手法が利用可能であり、例えば、雰囲気焼成法,反応焼成法あるいはホットプレス焼成法が利用可能である。塗布の場合には、正極21と同様にして形成することができる。
Further, for example, the negative electrode
続いて、正極集電体21Aに正極リード25を溶接などにより取り付けると共に、負極集電体22Aに負極リード26を溶接などにより取り付ける。そののち、正極21と負極22とをセパレータ23を介して巻回し、正極リード25の先端部を安全弁機構15に溶接すると共に、負極リード26の先端部を電池缶11に溶接して、巻回した正極21および負極22を一対の絶縁板12,13で挟み電池缶11の内部に収納する。正極21および負極22を電池缶11の内部に収納したのち、電解液を電池缶11の内部に注入し、セパレータ23に含浸させる。そののち、電池缶11の開口端部に電池蓋14,安全弁機構15および熱感抵抗素子16をガスケット17を介してかしめることにより固定する。これにより、図2,3に示した二次電池が形成される。
Subsequently, the positive electrode lead 25 is attached to the positive electrode
この二次電池では、充電を行うと、正極活物質層21Bからリチウムイオンが放出され、電解液を介して、負極活物質層22Bに含まれるリチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料に吸蔵される。次いで、放電を行うと、負極活物質層22B中のリチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料に吸蔵されたリチウムイオンが放出され、電解液を介して正極活物質層21Bに吸蔵される。本実施の形態では、上述した正極活物質を用いているので、正極21の化学的安定性が高くなっており、完全充電時における開回路電圧を高くしても、正極21および電解液の劣化反応が抑制される。
In this secondary battery, when charged, lithium ions are released from the positive electrode
(第2の二次電池)
図4は本実施の形態に係る正極活物質を用いた第2の二次電池の構成を表すものである。この二次電池は、正極リード31および負極リード32が取り付けられた巻回電極体30をフィルム状の外装部材40の内部に収容したものであり、小型化,軽量化および薄型化が可能となっている。
(Secondary secondary battery)
FIG. 4 illustrates a configuration of a second secondary battery using the positive electrode active material according to the present embodiment. In this secondary battery, a
正極リード31および負極リード32は、それぞれ、外装部材40の内部から外部に向かい例えば同一方向に導出されている。正極リード31および負極リード32は、例えば、アルミニウム,銅,ニッケルあるいはステンレスなどの金属材料によりそれぞれ構成されており、それぞれ薄板状または網目状とされている。
The
外装部材40は、例えば、ナイロンフィルム,アルミニウム箔およびポリエチレンフィルムをこの順に貼り合わせた矩形状のアルミラミネートフィルムにより構成されている。外装部材40は、例えば、ポリエチレンフィルム側と巻回電極体30とが対向するように配設されており、各外縁部が融着あるいは接着剤により互いに密着されている。外装部材40と正極リード31および負極リード32との間には、外気の侵入を防止するための密着フィルム41が挿入されている。密着フィルム41は、正極リード31および負極リード32に対して密着性を有する材料、例えば、ポリエチレン,ポリプロピレン,変性ポリエチレンあるいは変性ポリプロピレンなどのポリオレフィン樹脂により構成されている。
The
なお、外装部材40は、上述したアルミラミネートフィルムに代えて、他の構造を有するラミネートフィルム,ポリプロピレンなどの高分子フィルムあるいは金属フィルムにより構成するようにしてもよい。
The
図5は図4に示した巻回電極体30のI−I線に沿った断面構造を表すものである。巻回電極体30は、正極33と負極34とをセパレータ35および電解質層36を介して積層し、巻回したものであり、最外周部は保護テープ37により保護されている。
FIG. 5 shows a cross-sectional structure taken along line II of the spirally
正極33は、正極集電体33Aの両面に正極活物質層33Bが設けられた構造を有しており、負極34は、負極集電体34Aの両面に負極活物質層34Bが設けられた構造を有している。正極集電体33A,正極活物質層33B,負極集電体34A,負極活物質層34Bおよびセパレータ35の構成は、それぞれ上述した正極集電体21A,正極活物質層21B,負極集電体22A,負極活物質層22Bおよびセパレータ23と同様である。
The
電解質層36は、電解液と、この電解液を保持する保持体となる高分子化合物とを含み、いわゆるゲル状となっている。ゲル状の電解質層36は高いイオン伝導率を得ることができると共に、漏液を防止することができるので好ましい。電解液の構成は、第1の二次電池と同様である。高分子化合物としては、例えば、ポリアクリロニトリル,ポリフッ化ビニリデン,フッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンとの共重合体,ポリテトラフルオロエチレン,ポリヘキサフルオロプロピレン,ポリエチレンオキサイド,ポリプロピレンオキサイド,ポリフォスファゼン,ポリシロキサン,ポリ酢酸ビニル,ポリビニルアルコール,ポリメタクリル酸メチル,ポリアクリル酸,ポリメタクリル酸,スチレン−ブタジエンゴム,ニトリル−ブタジエンゴム,ポリスチレンあるいはポリカーボネートが挙げられる。特に電気化学的な安定性の点からはポリアクリロニトリル,ポリフッ化ビニリデン,ポリヘキサフルオロプロピレンあるいはポリエチレンオキサイドが好ましい。
The
この二次電池は、例えば、次のようにして製造することができる。 For example, the secondary battery can be manufactured as follows.
まず、正極33および負極34を第1の二次電池と同様にして製造したのち、正極33および負極34のそれぞれに、電解液と、高分子化合物と、混合溶剤とを含む前駆溶液を塗布し、混合溶剤を揮発させて電解質層36を形成する。そののち、正極集電体33Aに正極リード31を取り付けると共に、負極集電体34Aに負極リード32を取り付ける。次いで、電解質層36が形成された正極33と負極34とをセパレータ35を介して積層し積層体としたのち、この積層体をその長手方向に巻回して、最外周部に保護テープ37を接着して巻回電極体30を形成する。最後に、例えば、外装部材40の間に巻回電極体30を挟み込み、外装部材40の外縁部同士を熱融着などにより密着させて封入する。その際、正極リード31および負極リード32と外装部材40との間には密着フィルム41を挿入する。これにより、図4,5に示した二次電池が完成する。
First, after the
また、この二次電池は、次のようにして作製してもよい。まず、上述したようにして正極33および負極34を作製し、正極33および負極34に正極リード31および負極リード32を取り付けたのち、正極33と負極34とをセパレータ35を介して積層して巻回し、最外周部に保護テープ37を接着して、巻回電極体30の前駆体である巻回体を形成する。次いで、この巻回体を外装部材40に挟み、一辺を除く外周縁部を熱融着して袋状とし、外装部材40の内部に収納する。続いて、電解液と、高分子化合物の原料であるモノマーと、重合開始剤と、必要に応じて重合禁止剤などの他の材料とを含む電解質用組成物を外装部材40の内部に注入し、外装部材40の開口部を密封する。そののち、熱を加えてモノマーを重合させて高分子化合物とすることによりゲル状の電解質層36を形成し、図4,5に示した二次電池を組み立てる。
Further, this secondary battery may be manufactured as follows. First, the
この二次電池は、第1の二次電池と同様に作用する。 This secondary battery operates in the same manner as the first secondary battery.
このように本実施の形態によれば、複合酸化物粒子に、ニッケルとマンガンとを含み、内層部よりも外層部の方がマンガンの濃度が高い酸化物よりなる被覆層を設けた正極活物質を用いるようにしたので、複合酸化物粒子の高容量および高電位という特徴を活かしつつ、化学的安定性を向上させることができる。よって、高容量を得ることができると共に、サイクル特性を向上させることができる。 As described above, according to the present embodiment, the positive electrode active material in which the composite oxide particles include nickel and manganese, and the outer layer portion is provided with a coating layer having a higher manganese concentration than the inner layer portion. Therefore, chemical stability can be improved while taking advantage of the high capacity and high potential of the composite oxide particles. Therefore, high capacity can be obtained and cycle characteristics can be improved.
また、水素イオン指数pHが12以上の水溶液中において、ニッケルとマンガンとを含む水酸化物の内部前駆層を形成したのち、マンガンイオンの価数を変化させ、内部前駆層よりもマンガンの濃度が高い水酸化物の外部前駆層を形成するようにしたので、本実施の形態に係る正極活物質を容易に製造することができる。 In addition, in an aqueous solution having a hydrogen ion index pH of 12 or more, after forming an internal precursor layer of a hydroxide containing nickel and manganese, the valence of manganese ions is changed so that the manganese concentration is higher than that of the internal precursor layer. Since the high hydroxide external precursor layer is formed, the positive electrode active material according to the present embodiment can be easily manufactured.
更に、本発明の具体的な実施例について詳細に説明する。 Further, specific embodiments of the present invention will be described in detail.
実施例1〜3およびこれに対する比較例1〜4として正極活物質を次のようにして作製した。 As Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 4 corresponding thereto, positive electrode active materials were prepared as follows.
(実施例1)
まず、平均組成がLi1.03Co0.98Al0.01Mg0.01O2.02であり、レーザー散乱法により測定した平均粒子径が13μmの複合酸化物粒子20質量部を、80℃、2規定(水素イオン指数pH14.3)の水酸化リチウム水溶液300質量部に、窒素ガスを流通させながら2時間撹拌して分散させた(ステップS111;図1参照)。次いで、市販試薬の硝酸ニッケル(Ni(NO3 )2 ・6H2 O)1.60質量部と、市販試薬の硝酸マンガン(Mn(NO3 )2 ・6H2 O)1.65質量部とを混合し、これに純水を加えて10質量部としたのち、この水溶液10質量部全部を、複合酸化物粒子を分散させた水酸化リチウム水溶液に窒素ガスを流通させながら30分かけて添加し、複合酸化物粒子の表面にニッケルとマンガンとを含む水酸化物の内部前駆層を形成した(ステップS112;図1参照)。硝酸ニッケルおよび硝酸マンガンの水溶液を添加した後の水酸化リチウム水溶液の水素イオン指数pHは14.2である。
Example 1
First, 20 parts by mass of composite oxide particles having an average composition of Li 1.03 Co 0.98 Al 0.01 Mg 0.01 O 2.02 and an average particle diameter of 13 μm as measured by a laser scattering method were set at 80 ° C. and 2N (hydrogen
続いて、窒素ガスに代えて空気を水溶液に流通させながら、更に、80℃で3時間撹拌分散を続けて複合酸化物粒子の表面にニッケルとマンガンとを含む水酸化物の外部前駆層を形成し、放冷した(ステップS102;図1参照)。そののち、これを濾過し、洗浄せずに120℃で乾燥させた。これにより得られた内部前駆層および外部前駆層を形成した複合酸化物粒子について金属元素のモル比を分析したところ、Li:Co:Ni:Mn:Al:Mg=1.04:0.94:0.02:0.02:0.01:0.01であった。 Subsequently, while flowing air into the aqueous solution instead of nitrogen gas, stirring and dispersion were continued at 80 ° C. for 3 hours to form a hydroxide external precursor layer containing nickel and manganese on the surface of the composite oxide particles. And allowed to cool (step S102; see FIG. 1). After that, it was filtered and dried at 120 ° C. without washing. When the molar ratio of the metal element was analyzed about the composite oxide particle which formed the internal precursor layer and external precursor layer which were obtained by this, Li: Co: Ni: Mn: Al: Mg = 1.04: 0.94: It was 0.02: 0.02: 0.01: 0.01.
次いで、この内部前駆層および外部前駆層を形成した複合酸化物粒子を、電気炉を用いて5℃/minの速度で昇温し、950℃で5時間保持したのち、7℃/minの速度で150℃まで冷却することにより被覆層を形成し、正極活物質を得た(ステップS103;図1参照)。 Next, the composite oxide particles on which the inner precursor layer and the outer precursor layer are formed are heated at a rate of 5 ° C./min using an electric furnace, held at 950 ° C. for 5 hours, and then at a rate of 7 ° C./min. The coating layer was formed by cooling to 150 ° C. to obtain a positive electrode active material (step S103; see FIG. 1).
(実施例2)
硝酸ニッケル3.20質量部と硝酸マンガン3.30質量部とを混合し、これに純水を加えて20質量部としたのち、この水溶液20質量部全部を、複合酸化物粒子を分散させた水酸化リチウム水溶液に窒素ガスを流通させながら1時間かけて添加したことを除き、他は実施例1と同一の条件で正極活物質を作製した。すなわち、硝酸ニッケルおよび硝酸マンガンの添加量を実施例1の2倍とした。なお、硝酸ニッケルおよび硝酸マンガンの水溶液を添加した後の水酸化リチウム水溶液の水素イオン指数pHは14.2である。また、内部前駆層および外部前駆層を形成した複合酸化物粒子について金属元素のモル比を分析したところ、Li:Co:Ni:Mn:Al:Mg=1.03:0.88:0.05:0.05:0.01:0.01であった。
(Example 2)
After mixing 3.20 parts by mass of nickel nitrate and 3.30 parts by mass of manganese nitrate and adding pure water to 20 parts by mass, the composite oxide particles were dispersed in 20 parts by mass of the aqueous solution. A positive electrode active material was produced under the same conditions as in Example 1 except that the nitrogen gas was added to the aqueous lithium hydroxide solution over 1 hour while flowing. That is, the amount of nickel nitrate and manganese nitrate added was double that of Example 1. In addition, the hydrogen ion exponent pH of the lithium hydroxide aqueous solution after adding the aqueous solution of nickel nitrate and manganese nitrate is 14.2. Further, when the molar ratio of the metal elements was analyzed for the composite oxide particles in which the inner precursor layer and the outer precursor layer were formed, Li: Co: Ni: Mn: Al: Mg = 1.03: 0.88: 0.05 : 0.05: 0.01: 0.01.
(実施例3)
硝酸ニッケル3.20質量部および硝酸マンガン3.30質量部に、市販試薬の硝酸アルミニウム(Al(NO3 )3 ・9H2 O)を0.86質量部を加え、更に、純水を加えて20質量部としたのち、この水溶液20質量部全部を、複合酸化物粒子を分散させた水酸化リチウム水溶液に窒素ガスを流通させながら1時間かけて添加したことを除き、他は実施例1と同一の条件で正極活物質を作製した。すなわち、硝酸ニッケルおよび硝酸マンガンに加えて硝酸アルミニウムを添加して内部前駆層および外部前駆層を形成した。内部前駆層および外部前駆層を形成した複合酸化物粒子について金属元素のモル比を分析したところ、Li:Co:Ni:Mn:Al:Mg=1.03:0.88:0.05:0.05:0.02:0.01であった。
Example 3
Add 0.86 parts by mass of commercially available aluminum nitrate (Al (NO 3 ) 3 .9H 2 O) to 3.20 parts by mass of nickel nitrate and 3.30 parts by mass of manganese nitrate, and then add pure water. After 20 parts by mass, all the 20 parts by mass of this aqueous solution were added to the lithium hydroxide aqueous solution in which the composite oxide particles were dispersed over 1 hour while circulating nitrogen gas, and the others were the same as in Example 1. A positive electrode active material was produced under the same conditions. That is, in addition to nickel nitrate and manganese nitrate, aluminum nitrate was added to form an inner precursor layer and an outer precursor layer. When the molar ratio of the metal elements was analyzed for the composite oxide particles in which the inner precursor layer and the outer precursor layer were formed, Li: Co: Ni: Mn: Al: Mg = 1.03: 0.88: 0.05: 0 .05: 0.02: 0.01.
(比較例1)
実施例1〜3と同一ロットの複合酸化物粒子を、そのまま正極活物質とした。
(Comparative Example 1)
The composite oxide particles of the same lot as in Examples 1 to 3 were used as the positive electrode active material as they were.
(比較例2〜4)
水溶液に窒素ガスおよび空気を流通させずに、複合酸化物粒子に水酸化物を析出させたことを除き、他は実施例1〜3とそれぞれ同一の条件で正極活物質を作製した。水酸化物を析出させた複合酸化物粒子について金属元素のモル比(Li:Co:Ni:Mn:Al:Mg)を分析したところ、比較例2は1.04:0.94:0.02:0.02:0.01:0.01、比較例3は1.03:0.88:0.05:0.05:0.01:0.01、比較例4は1.03:0.88:0.05:0.05:0.02:0.01であった。
(Comparative Examples 2 to 4)
A positive electrode active material was produced under the same conditions as in Examples 1 to 3, except that the hydroxide was precipitated on the composite oxide particles without passing nitrogen gas and air through the aqueous solution. When the metal oxide molar ratio (Li: Co: Ni: Mn: Al: Mg) was analyzed for the composite oxide particles on which the hydroxide was precipitated, Comparative Example 2 was 1.04: 0.94: 0.02. : 0.02: 0.01: 0.01, Comparative Example 3 is 1.03: 0.88: 0.05: 0.05: 0.01: 0.01, Comparative Example 4 is 1.03: 0 .88: 0.05: 0.05: 0.02: 0.01.
作製した実施例1〜3および比較例2〜4の正極活物質について、XPS(X-ray Photoelectron Spectroscopy;X線光電子分光法)により表面における金属元素の分布状態を調べた。その結果、実施例1〜3では、比較例2〜4に比べて、表面におけるマンガンの濃度が高いことが確認された。 About the produced positive electrode active material of Examples 1-3 and Comparative Examples 2-4, the distribution state of the metal element in the surface was investigated by XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy; X-ray photoelectron spectroscopy). As a result, in Examples 1 to 3, it was confirmed that the concentration of manganese on the surface was higher than in Comparative Examples 2 to 4.
次いで、作製した実施例1〜3および比較例1〜4の正極活物質を用い、図2,3に示した二次電池を作製した。まず、作製した正極活物質粉末86質量%と、導電剤としてグラファイト10質量%と、結着剤としてポリフッ化ビニリデン4質量%とを混合し、溶剤であるN−メチル−2−ピロリドンに分散させたのち、厚み20μmの帯状アルミニウム箔よりなる正極集電体21Aの両面に塗布して乾燥させ、圧縮成型して正極活物質層21Bを形成し正極21を作製した。次いで、正極集電体21Aにアルミニウム製の正極リード25を取り付けた。
Next, secondary batteries shown in FIGS. 2 and 3 were produced using the produced positive electrode active materials of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 4. First, 86% by mass of the prepared positive electrode active material powder, 10% by mass of graphite as a conductive agent, and 4% by mass of polyvinylidene fluoride as a binder are mixed and dispersed in N-methyl-2-pyrrolidone as a solvent. After that, it was applied to both surfaces of a positive electrode
また、負極活物質として人造黒鉛粉末90質量%と、結着剤としてポリフッ化ビニリデン10質量%とを混合し、溶剤であるN−メチル−2−ピロリドンに分散させたのち、厚み10μmの帯状銅箔よりなる負極集電体22Aの両面に塗布して乾燥させ、圧縮成型して負極活物質層22Bを形成し負極22を作製した。次いで、負極集電体22Aにニッケル製の負極リード26を取り付けた。その際、正極活物質と負極活物質の量を調節し、完全充電時における開回路電圧が4.40Vであり、負極22の容量がリチウムの吸蔵および放出による容量成分により表されるように設計した。
Further, 90% by mass of artificial graphite powder as a negative electrode active material and 10% by mass of polyvinylidene fluoride as a binder are mixed and dispersed in N-methyl-2-pyrrolidone which is a solvent. The negative electrode
次いで、作製した正極21と負極22とを、多孔性ポリオレフィンフィルムよりなるセパレータ23を介して多数回巻回し、巻回電極体20を作製した。続いて、巻回電極体20を一対の絶縁板12,13で挟み、負極リード26を電池缶11に溶接すると共に、正極リード25を安全弁機構15に溶接して、電池缶11の内部に収納した。そののち、電池缶11の内部に電解液を注入し、ガスケット17を介して電池缶11をかしめることにより、安全弁機構15、熱感抵抗素子16および電池蓋14を固定し、外径18mm、高さ65mmの円筒型二次電池を得た。電解液には、炭酸エチレンと炭酸ジエチルとを1:1の体積比で混合した溶媒に、電解質塩としてLiPF6 を1.0mol/lとなるように溶解させたものを用いた。
Next, the produced
作製した二次電池について、45℃で充放電を行い、1サイクル目の放電容量を初期容量として求めると共に、1サイクル目に対する200サイクル目の放電容量維持率を調べた。充電は、1000mAの定電流で電池電圧が4.40Vに達するまで定電流充電を行ったのち、4.40Vの定電圧で充電時間の合計が2.5時間となるまで定電圧充電を行い、放電は、800mAの定電流で電池電圧が2.75Vに達するまで定電流放電を行った。得られた結果を表1に示す。 The produced secondary battery was charged and discharged at 45 ° C., and the discharge capacity at the first cycle was determined as the initial capacity, and the discharge capacity retention rate at the 200th cycle relative to the first cycle was examined. Charging is performed at a constant current of 1000 mA until the battery voltage reaches 4.40 V, and then charged at a constant voltage of 4.40 V until the total charging time is 2.5 hours. The discharge was performed at a constant current of 800 mA until the battery voltage reached 2.75V. The obtained results are shown in Table 1.
表1に示したように、実施例1〜3によれば、被覆層を形成していない比較例1に比べて初期容量および放電容量維持率を大幅に向上させることができた。また、外部前駆層を形成しなかった比較例2〜4よりも、更に放電容量維持率を向上させることができた。すなわち、被覆層におけるマンガンの濃度を内層部よりも外層部の方が高くなるようにすれば、正極活物質の化学的安定性をより向上させることができ、容量およびサイクル特性を向上させることができることが分かった。 As shown in Table 1, according to Examples 1 to 3, the initial capacity and the discharge capacity retention ratio could be greatly improved as compared with Comparative Example 1 in which no coating layer was formed. Moreover, the discharge capacity retention ratio could be further improved as compared with Comparative Examples 2 to 4 in which the external precursor layer was not formed. That is, if the manganese concentration in the coating layer is higher in the outer layer portion than in the inner layer portion, the chemical stability of the positive electrode active material can be further improved, and the capacity and cycle characteristics can be improved. I understood that I could do it.
以上、実施の形態および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態および実施例に限定されるものではなく、種々変形可能である。例えば、上記実施の形態または実施例では、液状の電解質である電解液、または電解液を高分子化合物に保持させたゲル状の電解質を用いる場合について説明したが、他の電解質を用いるようにしてもよい。他の電解質としては、例えば、イオン伝導性を有する高分子化合物に電解質塩を分散させた高分子電解質、イオン伝導性セラミックス,イオン伝導性ガラスあるいはイオン性結晶などよりなる無機固体電解質、溶融塩電解質、またはこれらを混合したものが挙げられる。 Although the present invention has been described with reference to the embodiments and examples, the present invention is not limited to the above embodiments and examples, and various modifications can be made. For example, in the above-described embodiment or example, the case of using an electrolytic solution that is a liquid electrolyte or a gel electrolyte in which the electrolytic solution is held in a polymer compound has been described, but other electrolytes may be used. Also good. Other electrolytes include, for example, a polymer electrolyte in which an electrolyte salt is dispersed in a polymer compound having ion conductivity, an inorganic solid electrolyte made of ion conductive ceramics, ion conductive glass, or ionic crystals, or a molten salt electrolyte. Or a mixture thereof.
また、上記実施の形態および実施例では、負極の容量が、リチウムの吸蔵および放出による容量成分により表されるいわゆるリチウムイオン二次電池について説明したが、本発明は、負極活物質にリチウム金属を用い、負極の容量が、リチウムの析出および溶解による容量成分により表されるいわゆるリチウム金属二次電池、または、リチウムを吸蔵および放出することが可能な負極材料の充電容量を正極の充電容量よりも小さくすることにより、負極の容量がリチウムの吸蔵および放出による容量成分と、リチウムの析出および溶解による容量成分とを含み、かつその和により表されるようにした二次電池についても同様に適用することができる。 In the above embodiments and examples, a so-called lithium ion secondary battery in which the capacity of the negative electrode is represented by a capacity component due to insertion and extraction of lithium has been described. However, the present invention relates to lithium metal as the negative electrode active material. The capacity of the negative electrode used is a so-called lithium metal secondary battery whose capacity is represented by the deposition and dissolution of lithium, or the negative electrode material capable of occluding and releasing lithium is more charged than the positive electrode. The same applies to a secondary battery in which the capacity of the negative electrode includes a capacity component due to insertion and extraction of lithium and a capacity component due to precipitation and dissolution of lithium, and is expressed by the sum thereof, by reducing the capacity. be able to.
更に、上記実施の形態および実施例では、巻回構造を有する二次電池について説明したが、本発明は、正極および負極を折り畳んだりあるいは積み重ねた他の構造を有する二次電池についても同様に適用することができる。加えて、いわゆるコイン型,ボタン型あるいは角型などの他の形状を有する二次電池についても適用することができる。 Further, in the above embodiments and examples, the secondary battery having a winding structure has been described, but the present invention is similarly applied to a secondary battery having another structure in which the positive electrode and the negative electrode are folded or stacked. can do. In addition, so-called coin type, Ru can be applied for a secondary battery having other shape such as a button type or square type.
11…電池缶、12,13…絶縁板、14…電池蓋、15…安全弁機構,15A…ディスク板、16…熱感抵抗素子、17…ガスケット、20,30…巻回電極体、21,33…正極、21A,33A…正極集電体、21B,33B…正極活物質層、22,34…負極、22A,34A…負極集電体、22B,34B…負極活物質層、23,35…セパレータ、24…センターピン、25,31…正極リード、26,32…負極リード、36…電解質層、37…保護テープ、40…外装部材、41…密着フィルム。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Battery can, 12, 13 ... Insulation board, 14 ... Battery cover, 15 ... Safety valve mechanism, 15A ... Disc board, 16 ... Heat sensitive resistance element, 17 ... Gasket, 20, 30 ... Winding electrode body, 21, 33 ... Positive electrode, 21A, 33A ... Positive electrode current collector, 21B, 33B ... Positive electrode active material layer, 22, 34 ... Negative electrode, 22A, 34A ... Negative electrode current collector, 22B, 34B ... Negative electrode active material layer, 23, 35 ... Separator , 24 ... Center pin, 25, 31 ... Positive electrode lead, 26, 32 ... Negative electrode lead, 36 ... Electrolyte layer, 37 ... Protective tape, 40 ... Exterior member, 41 ... Adhesion film.
Claims (17)
この複合酸化物粒子の少なくとも一部に設けられ、リチウム(Li)と、ニッケルと、マンガンとを含む酸化物よりなる被覆層とを有し、
この被覆層におけるマンガンの濃度は、内層部よりも外層部の方が高く、
前記リチウムとニッケルとマンガンとを含む酸化物は、
リチウムと、ニッケルと、マンガンと、酸素とからなるもの、
または、リチウムと、ニッケルと、マンガンと、マグネシウム,アルミニウム,ホウ素,チタン,バナジウム,クロム,鉄,コバルト(Co),銅,亜鉛,モリブデン,スズ,タングステン,ジルコニウム,イットリウム,ニオブ,カルシウムおよびストロンチウムからなる群のうちの少なくとも1種の元素とを含み、かつ前記被覆層における前記群のうちの少なくとも1種の元素の含有量が、前記被覆層におけるニッケルとマンガンと前記群のうちの少なくとも1種の元素の合計に対して、40mol%以下のものである、リチウムイオン二次電池用正極活物質。 Average composition Li (1 + x) Co ( 1-y) M y O (2-z) ( where, M is magnesium (Mg), aluminum (Al), boron (B), titanium (Ti), vanadium ( V), chromium (Cr), manganese (Mn), iron (Fe), nickel (Ni), copper (Cu), zinc (Zn), molybdenum (Mo), tin (Sn), tungsten (W), zirconium ( Zr), yttrium (Y), niobium (Nb), calcium (Ca), and strontium (Sr), and x, y, and z are each −0.10 ≦ x ≦ 0. .10, 0 ≦ y <0.50, −0.10 ≦ z ≦ 0.20)).
Provided in at least a part of the composite oxide particles, and having a coating layer made of an oxide containing lithium (Li), nickel, and manganese,
The concentration of manganese in the coating layer is rather high, towards the outer layer portion than the inner layer portion,
The oxide containing lithium, nickel and manganese is
Lithium, nickel, manganese and oxygen
Or from lithium, nickel, manganese, magnesium, aluminum, boron, titanium, vanadium, chromium, iron, cobalt (Co), copper, zinc, molybdenum, tin, tungsten, zirconium, yttrium, niobium, calcium and strontium At least one element of the group, and the content of at least one element of the group in the coating layer is at least one of nickel and manganese in the coating layer and the group The positive electrode active material for lithium ion secondary batteries which is 40 mol% or less with respect to the sum total of these elements .
内部前駆層を形成したのち、前記水溶液に含まれるマンガンイオンの価数を変化させ、前記複合酸化物粒子の少なくとも一部に、内部前駆層よりもマンガンの濃度が高い水酸化物の外部前駆層を形成する工程と、
これら内部前駆層および外部前駆層を加熱処理することにより、前記複合酸化物粒子の少なくとも一部に、リチウムと、ニッケルと、マンガンとを含む酸化物よりなり、内層部よりも外層部の方がマンガンの濃度が高い被覆層を形成する工程とを含み、
前記リチウムとニッケルとマンガンとを含む酸化物を、
リチウムと、ニッケルと、マンガンと、酸素とからなるもの、
または、リチウムと、ニッケルと、マンガンと、マグネシウム,アルミニウム,ホウ素,チタン,バナジウム,クロム,鉄,コバルト(Co),銅,亜鉛,モリブデン,スズ,タングステン,ジルコニウム,イットリウム,ニオブ,カルシウムおよびストロンチウムからなる群のうちの少なくとも1種の元素とを含み、かつ前記被覆層における前記群のうちの少なくとも1種の元素の含有量が、前記被覆層におけるニッケルとマンガンと前記群のうちの少なくとも1種の元素の合計に対して、40mol%以下のものとする、
リチウムイオン二次電池用正極活物質の製造方法。
(化1)
Li(1+x) Co(1-y) My O(2-z)
(化1において、Mはマグネシウム(Mg),アルミニウム(Al),ホウ素(B),チタン(Ti),バナジウム(V),クロム(Cr),マンガン(Mn),鉄(Fe),ニッケル(Ni),銅(Cu),亜鉛(Zn),モリブデン(Mo),スズ(Sn),タングステン(W),ジルコニウム(Zr),イットリウム(Y),ニオブ(Nb),カルシウム(Ca)およびストロンチウム(Sr)からなる群のうちの少なくとも1種であり、x,yおよびzは、それぞれ−0.10≦x≦0.10、0≦y<0.50、−0.10≦z≦0.20の範囲内の値である。) An internal precursor layer of a hydroxide containing nickel (Ni) and manganese (Mn) in an aqueous solution having a hydrogen ion exponent pH of 12 or more in at least a part of the composite oxide particles represented by chemical formula 1 Forming a step;
After forming the internal precursor layer, the valence of manganese ions contained in the aqueous solution is changed, and at least part of the composite oxide particles, an external precursor layer of hydroxide having a higher manganese concentration than the internal precursor layer Forming a step;
By heat-treating these inner precursor layer and outer precursor layer, at least a part of the composite oxide particles is made of an oxide containing lithium, nickel, and manganese, and the outer layer portion is more than the inner layer portion. look including a step of concentration of the manganese to form a high covering layer,
An oxide containing lithium, nickel and manganese;
Lithium, nickel, manganese and oxygen
Or from lithium, nickel, manganese, magnesium, aluminum, boron, titanium, vanadium, chromium, iron, cobalt (Co), copper, zinc, molybdenum, tin, tungsten, zirconium, yttrium, niobium, calcium and strontium At least one element of the group, and the content of at least one element of the group in the coating layer is at least one of nickel and manganese in the coating layer and the group 40 mol% or less with respect to the total of the elements of
A method for producing a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery .
(Chemical formula 1)
Li (1 + x) Co ( 1-y) M y O (2-z)
(In chemical formula 1, M is magnesium (Mg), aluminum (Al), boron (B), titanium (Ti), vanadium (V), chromium (Cr), manganese (Mn), iron (Fe), nickel (Ni ), Copper (Cu), zinc (Zn), molybdenum (Mo), tin (Sn), tungsten (W), zirconium (Zr), yttrium (Y), niobium (Nb), calcium (Ca) and strontium (Sr) ), And x, y, and z are −0.10 ≦ x ≦ 0.10, 0 ≦ y <0.50, and −0.10 ≦ z ≦ 0.20, respectively. It is a value within the range.)
前記複合酸化物粒子は、平均組成がLi(1+x) Co(1-y) My O(2-z) (但し、Mはマグネシウム(Mg),アルミニウム(Al),ホウ素(B),チタン(Ti),バナジウム(V),クロム(Cr),マンガン(Mn),鉄(Fe),ニッケル(Ni),銅(Cu),亜鉛(Zn),モリブデン(Mo),スズ(Sn),タングステン(W),ジルコニウム(Zr),イットリウム(Y),ニオブ(Nb),カルシウム(Ca)およびストロンチウム(Sr)からなる群のうちの少なくとも1種であり、x,yおよびzは、それぞれ−0.10≦x≦0.10、0≦y<0.50、−0.10≦z≦0.20の範囲内の値である。)で表され、
前記被覆層は、リチウム(Li)と、ニッケルと、マンガンとを含む酸化物よりなり、
この被覆層におけるマンガンの濃度は、内層部よりも外層部の方が高く、
前記リチウムとニッケルとマンガンとを含む酸化物は、
リチウムと、ニッケルと、マンガンと、酸素とからなるもの、
または、リチウムと、ニッケルと、マンガンと、マグネシウム,アルミニウム,ホウ素,チタン,バナジウム,クロム,鉄,コバルト(Co),銅,亜鉛,モリブデン,スズ,タングステン,ジルコニウム,イットリウム,ニオブ,カルシウムおよびストロンチウムからなる群のうちの少なくとも1種の元素とを含み、かつ前記被覆層における前記群のうちの少なくとも1種の元素の含有量が、前記被覆層におけるニッケルとマンガンと前記群のうちの少なくとも1種の元素の合計に対して、40mol%以下のものである、リチウムイオン二次電池用正極。 Containing a positive electrode active material provided with a coating layer on at least a part of the composite oxide particles;
The composite oxide particles have an average composition of Li (1 + x) Co ( 1-y) M y O (2-z) ( where, M is magnesium (Mg), aluminum (Al), boron (B), Titanium (Ti), vanadium (V), chromium (Cr), manganese (Mn), iron (Fe), nickel (Ni), copper (Cu), zinc (Zn), molybdenum (Mo), tin (Sn), It is at least one member selected from the group consisting of tungsten (W), zirconium (Zr), yttrium (Y), niobium (Nb), calcium (Ca), and strontium (Sr), and x, y, and z are each − 0.10 ≦ x ≦ 0.10, 0 ≦ y <0.50, and −0.10 ≦ z ≦ 0.20.)
The coating layer is made of an oxide containing lithium (Li), nickel, and manganese,
The concentration of manganese in the coating layer is rather high, towards the outer layer portion than the inner layer portion,
The oxide containing lithium, nickel and manganese is
Lithium, nickel, manganese and oxygen
Or from lithium, nickel, manganese, magnesium, aluminum, boron, titanium, vanadium, chromium, iron, cobalt (Co), copper, zinc, molybdenum, tin, tungsten, zirconium, yttrium, niobium, calcium and strontium At least one element of the group, and the content of at least one element of the group in the coating layer is at least one of nickel and manganese in the coating layer and the group The positive electrode for lithium ion secondary batteries which is 40 mol% or less with respect to the sum total of these elements .
前記正極は、複合酸化物粒子の少なくとも一部に被覆層が設けられた正極活物質を含有し、
前記複合酸化物粒子は、平均組成がLi(1+x) Co(1-y) My O(2-z) (但し、Mはマグネシウム(Mg),アルミニウム(Al),ホウ素(B),チタン(Ti),バナジウム(V),クロム(Cr),マンガン(Mn),鉄(Fe),ニッケル(Ni),銅(Cu),亜鉛(Zn),モリブデン(Mo),スズ(Sn),タングステン(W),ジルコニウム(Zr),イットリウム(Y),ニオブ(Nb),カルシウム(Ca)およびストロンチウム(Sr)からなる群のうちの少なくとも1種であり、x,yおよびzは、それぞれ−0.10≦x≦0.10、0≦y<0.50、−0.10≦z≦0.20の範囲内の値である。)で表され、
前記被覆層は、リチウム(Li)と、ニッケルと、マンガンとを含む酸化物よりなり、
この被覆層におけるマンガンの濃度は、内層部よりも外層部の方が高く、
前記リチウムとニッケルとマンガンとを含む酸化物は、
リチウムと、ニッケルと、マンガンと、酸素とからなるもの、
または、リチウムと、ニッケルと、マンガンと、マグネシウム,アルミニウム,ホウ素,チタン,バナジウム,クロム,鉄,コバルト(Co),銅,亜鉛,モリブデン,スズ,タングステン,ジルコニウム,イットリウム,ニオブ,カルシウムおよびストロンチウムからなる群のうちの少なくとも1種の元素とを含み、かつ前記被覆層における前記群のうちの少なくとも1種の元素の含有量が、前記被覆層におけるニッケルとマンガンと前記群のうちの少なくとも1種の元素の合計に対して、40mol%以下のものである、リチウムイオン二次電池。 A cathode and an anode, e Bei electrolyte,
The positive electrode contains a positive electrode active material in which a coating layer is provided on at least a part of the composite oxide particles,
The composite oxide particles have an average composition of Li (1 + x) Co ( 1-y) M y O (2-z) ( where, M is magnesium (Mg), aluminum (Al), boron (B), Titanium (Ti), vanadium (V), chromium (Cr), manganese (Mn), iron (Fe), nickel (Ni), copper (Cu), zinc (Zn), molybdenum (Mo), tin (Sn), It is at least one member selected from the group consisting of tungsten (W), zirconium (Zr), yttrium (Y), niobium (Nb), calcium (Ca), and strontium (Sr), and x, y, and z are each − 0.10 ≦ x ≦ 0.10, 0 ≦ y <0.50, and −0.10 ≦ z ≦ 0.20.)
The coating layer is made of an oxide containing lithium (Li), nickel, and manganese,
The concentration of manganese in the coating layer is rather high, towards the outer layer portion than the inner layer portion,
The oxide containing lithium, nickel and manganese is
Lithium, nickel, manganese and oxygen
Or from lithium, nickel, manganese, magnesium, aluminum, boron, titanium, vanadium, chromium, iron, cobalt (Co), copper, zinc, molybdenum, tin, tungsten, zirconium, yttrium, niobium, calcium and strontium At least one element of the group, and the content of at least one element of the group in the coating layer is at least one of nickel and manganese in the coating layer and the group A lithium ion secondary battery that is 40 mol% or less with respect to the total of the elements .
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