JP5040074B2 - Method for producing positive electrode active material 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粒子に被覆層を形成するリチウムイオン二次電池用正極活物質の製造方法、およびそれにより得られたリチウムイオン二次電池用正極活物質を用いたリチウムイオン二次電池に関する。 The present invention, lithium (Li) and cobalt (Co) composite oxide particle method for manufacturing a lithium ion secondary battery positive electrode active material forming the coating layer, and thus obtained lithium ion secondary battery comprising The present invention relates to a lithium ion secondary battery using a positive electrode active material.
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の複合酸化物は高電位、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高電位を示すことから、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 these, composite oxides such as lithium cobaltate or lithium nickelate are promising in terms of high potential, stability, and long life. In particular, lithium cobaltate exhibits high potential, so 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、複合酸化物粒子の表面に被覆層を形成することが知られている。また、被覆層を形成する方法としては、複合酸化物粒子を水溶液中に分散させ、水素イオン指数pHを調節することにより複合酸化物粒子の表面に金属水酸化物を被着させたのち、加熱処理するものが知られている(例えば、特許文献2,3参照)。
しかしながら、複合酸化物粒子の表面にニッケルおよびマンガンのうちの少なくとも一方を含む水酸化物を被着させたのち加熱処理することにより被覆層を形成する場合、被覆層を均一に形成することが難しいという問題があった。よって、特性をより向上させるには更なる改善が求められていた。 However, when a coating layer is formed by applying a hydroxide containing at least one of nickel and manganese on the surface of the composite oxide particle and then heat-treating it, it is difficult to form the coating layer uniformly. There was a problem. Therefore, further improvement has been required to further improve the characteristics.
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、被覆層の均一性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の製造方法、およびそれにより得られた正極活物質を用いた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 an object of the present invention is to provide a method for producing a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery capable of improving the uniformity of the coating layer, and a positive electrode active material obtained thereby. An object of the present invention is to provide a lithium ion secondary battery using a substance.
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、リチウムと、ニッケルおよびマンガンのうちの少なくとも一方の被覆元素とを含む酸化物の被覆層を形成したリチウムイオン二次電池用正極活物質を製造するものであって、複合酸化物粒子の少なくとも一部に、コバルトを含む水酸化物の中間前駆層を形成する工程と、中間前駆層を形成したのち、複合酸化物粒子の少なくとも一部に、被覆元素を含む水酸化物の被覆前駆層を形成する工程と、被覆前駆層を形成したのち、加熱処理することにより被覆層を形成する工程とを含むものである。
(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(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。)
In the method for producing a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery according to the present invention, at least part of the composite oxide particles having an average composition represented by Chemical Formula 1 is coated with lithium and at least one of nickel and manganese. A positive electrode active material for a lithium ion secondary battery in which an oxide covering layer is formed, and an intermediate precursor layer of a hydroxide containing cobalt is formed on at least a part of the composite oxide particles A step of forming an intermediate precursor layer, a step of forming a coating precursor layer of a hydroxide containing a coating element on at least a part of the composite oxide particles, and a heat treatment after forming the coating precursor layer. The process of forming a coating layer by this.
(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.)
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、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、リチウムと、ニッケルおよびマンガンのうちの少なくとも一方の被覆元素とを含む酸化物の被覆層を形成した正極活物質を含有し、この正極活物質は、複合酸化物粒子の少なくとも一部に、コバルト(Co)を含む水酸化物の中間前駆層を形成したのち、被覆元素を含む水酸化物の被覆前駆層を形成し、加熱処理することにより得られたものである。
(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。)
A lithium ion secondary battery according to the present invention is provided with an electrolyte together with a positive electrode and a negative electrode. The positive electrode includes lithium and nickel in at least part of the composite oxide particles whose average composition is represented by Chemical Formula 1. And a positive electrode active material in which an oxide coating layer containing at least one of the coating elements of manganese is formed. The positive electrode active material contains cobalt (Co) in at least a part of the composite oxide particles. After the hydroxide intermediate precursor layer is formed, a hydroxide coating precursor layer containing a coating element is formed and heat-treated.
(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、複合酸化物粒子に、コバルトを含む水酸化物の中間前駆層を形成したのち、被覆元素を含む水酸化物の被覆前駆層を形成するようにしたので、被覆前駆層の均一性を高めることができ、被覆層の均一性を向上させることができる。 According to the method for producing a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery of the present invention, after forming an intermediate precursor layer of a hydroxide containing cobalt on the composite oxide particles, a coating precursor of the hydroxide containing a coating element Since the layer is formed, the uniformity of the coating precursor layer can be increased, and the uniformity of the coating layer can be improved.
また、本発明のリチウムイオン二次電池によれば、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り得られた正極活物質を用いるようにしたので、充電電圧を高くしても高い化学的安定性を得ることができる。よって、高容量を得ることができると共に、充放電効率を向上させることができる。 In addition, according to the lithium ion secondary battery of the present invention, since the positive electrode active material obtained by the method for producing a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery of the present invention is used, the charge voltage can be increased. High chemical stability can be obtained. Therefore, a high capacity can be obtained and charge / discharge efficiency can be improved.
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.
図1は本発明の一実施の形態に係る正極活物質の製造方法の工程を表すものである。この製造方法は、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、コバルトを含む水酸化物の中間前駆層を形成したのち(ステップS110)、ニッケルおよびマンガンのうちの少なくとも一方の被覆元素を含む水酸化物の被覆前駆層を形成し(ステップS120)、加熱処理することにより水酸化物を脱水して、リチウムと被覆元素とを含む酸化物の被覆層を形成する(ステップS130)ものである。このようにコバルトを含む水酸化物の中間前駆層を介して、被覆元素を含む水酸化物の被覆前駆層を形成することにより、被覆前駆層の均一性を向上させることができ、より均一な被覆層を形成することができるからである。 FIG. 1 shows the steps of a method for producing a positive electrode active material according to an embodiment of the present invention. In this manufacturing method, after forming an intermediate precursor layer of a hydroxide containing cobalt on at least a part of the composite oxide particles having an average composition represented by Chemical Formula 1 (step S110), at least one of nickel and manganese A coating precursor layer of hydroxide containing one coating element is formed (step S120), and the hydroxide is dehydrated by heat treatment to form an oxide coating layer containing lithium and the coating element ( Step S130). Thus, by forming the coating precursor layer of the hydroxide containing the coating element through the intermediate precursor layer of the hydroxide containing cobalt, the uniformity of the coating precursor layer can be improved, and the more uniform It is because a coating layer can be formed.
(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.
中間前駆層におけるコバルトの量は、複合酸化物粒子の表面積1m2 当たりに1.0×10-5mol以上1.0×10-2mol以下の範囲内とすることが好ましく、3.0×10-5mol以上5.0×10-3mol以下の範囲内、更には1.0×10-4mol以上1.0×10-3mol以下の範囲内とすればより好ましい。この範囲内において被覆前駆層の均一性をより向上させることができるからである。 The amount of cobalt in the intermediate precursor layer is preferably in the range of 1.0 × 10 −5 mol or more and 1.0 × 10 −2 mol or less per 1 m 2 of the surface area of the composite oxide particles, It is more preferable if it is in the range of 10 −5 mol or more and 5.0 × 10 −3 mol or less, and further in the range of 1.0 × 10 −4 mol or more and 1.0 × 10 −3 mol or less. This is because the uniformity of the coating precursor layer can be further improved within this range.
なお、中間前駆層および被覆前駆層は、例えば、水素イオン指数pHが12以上の水溶液中において形成することが好ましい。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、より緻密で均一な中間前駆層および被覆前駆層を形成することができるからである。 The intermediate precursor layer and the coating precursor layer are preferably formed, for example, in an aqueous solution having a hydrogen ion exponent pH of 12 or more. By precipitating hydroxide in an aqueous solution having a hydrogen ion exponent pH of 12 or more, the precipitation rate of hydroxide can be slowed down, and a denser and more uniform intermediate precursor layer and coating precursor layer can be formed. Because it can.
その際、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、次いで、この水溶液に、コバルト化合物または被覆元素の化合物を添加してその水酸化物を析出させるようにしてもよく、また、コバルト化合物または被覆元素の化合物を溶解させた水溶液に複合酸化物粒子を分散し、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ようにしてもよい。但し、複合酸化物粒子を水素イオン指数pH12以上の水溶液中に分散したのちにコバルト化合物または被覆元素の化合物を添加するようにした方が好ましい。より緻密な前駆層を形成することができるからである。その場合、中間前駆層を形成したのち、複合酸化物粒子を水溶液から分離せずに分散させたまま、被覆元素の化合物を添加して被覆前駆層を形成するようにしてもよい。 At this time, the composite oxide particles are dispersed in an aqueous solution having a hydrogen ion exponent pH of 12 or more, and then a cobalt compound or a coating element compound is added to the aqueous solution to precipitate the hydroxide. In addition, the composite oxide particles are dispersed in an aqueous solution in which a cobalt compound or a covering element compound is dissolved, and then the hydroxide is precipitated by adjusting the hydrogen ion exponent pH of the aqueous solution to 12 or more. May be. However, it is preferable to add the cobalt compound or the covering element compound after the composite oxide particles are dispersed in an aqueous solution having a hydrogen ion exponent of pH 12 or more. This is because a denser precursor layer can be formed. In that case, after forming the intermediate precursor layer, the compound of the coating element may be added to form the coating precursor layer while the composite oxide particles are dispersed without being separated from the aqueous solution.
コバルト化合物としては、例えば、水酸化コバルト、炭酸コバルト、硝酸コバルト、フッ化コバルト、塩化コバルト、臭化コバルト、ヨウ化コバルト、過塩素酸コバルト、臭素酸コバルト、ヨウ素酸コバルト、酸化コバルト、過酸化コバルト、硫化コバルト、硫酸コバルト、硫酸水素コバルト、亜硝酸コバルト、リン酸コバルト、あるいはチオシアン酸コバルトなどの無機系化合物、または、シュウ酸コバルトあるいは酢酸コバルトなどの有機系化合物が挙げられる。コバルト化合物は、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。 Examples of cobalt compounds include cobalt hydroxide, cobalt carbonate, cobalt nitrate, cobalt fluoride, cobalt chloride, cobalt bromide, cobalt iodide, cobalt perchlorate, cobalt bromate, cobalt iodate, cobalt oxide, and peroxide. Examples thereof include inorganic compounds such as cobalt, cobalt sulfide, cobalt sulfate, cobalt hydrogen sulfate, cobalt nitrite, cobalt phosphate, and cobalt thiocyanate, and organic compounds such as cobalt oxalate and cobalt acetate. A cobalt compound may be used individually by 1 type, but 2 or more types may be mixed and used for it.
被覆元素の化合物としては、ニッケル化合物であれば、例えば、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の無機系化合物、または、シュウ酸ニッケルあるいは酢酸ニッケルなどの有機系化合物が挙げられる。 As the compound of the covering element, if it is a nickel compound, for example, nickel hydroxide, nickel carbonate, nickel nitrate, nickel fluoride, nickel chloride, nickel bromide, nickel iodide, nickel perchlorate, nickel bromate, iodine Inorganic compounds such as nickel oxide, nickel oxide, nickel peroxide, nickel sulfide, nickel sulfate, nickel hydrogen sulfate, nickel nitride, nickel nitrite, nickel phosphate, or nickel thiocyanate, or nickel oxalate or nickel acetate These organic compounds are mentioned.
マンガン化合物であれば、例えば、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の無機系化合物、または、シュウ酸マンガンあるいは酢酸マンガンなどの有機系化合物が挙げられる。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。 If it is a manganese compound, for example, manganese hydroxide, manganese carbonate, manganese nitrate, manganese fluoride, manganese chloride, manganese bromide, manganese iodide, manganese chlorate, manganese perchlorate, manganese bromate, manganese iodate, Inorganic compounds such as manganese oxide, manganese phosphinate, manganese sulfide, manganese hydrogen sulfide, manganese sulfate, manganese hydrogen sulfate, manganese thiocyanate, manganese nitrite, manganese phosphate, manganese dihydrogen phosphate, or manganese hydrogen carbonate, or And organic compounds such as 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.
被覆元素の化合物は、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 compound of the covering element, one kind may be used alone, or two or more kinds may be mixed and used.
水溶液の水素イオン指数pHは、例えば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、前駆層の被着性が優れ、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、被覆層を形成する酸化物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。 The hydrogen ion exponent pH of the aqueous solution is adjusted, for example, by adding an alkali. 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, the adhesion of the precursor layer is excellent, and the amount of the aqueous solution attached is adjusted when separating the composite oxide particles forming the precursor layer from the aqueous solution. This is because it is possible to control the lithium content in the oxide that forms the.
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中間前駆層および被覆前駆層を形成することができるからである。また、中間前駆層および被覆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 intermediate precursor layer and coating precursor layer can be formed. The temperature of the aqueous solution when forming the intermediate precursor layer and the coating 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.
また、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。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、必要に応じて、被覆層におけるリチウムの含有量を調節するために、被覆前駆層を形成したのち加熱処理を行う前に、例えば被覆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。この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。 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. This heat treatment diffuses lithium from the composite oxide particles into the coating layer. If necessary, in order to adjust the lithium content in the coating layer, before the heat treatment is performed after forming the coating precursor layer, for example, The coating precursor layer may be impregnated with a lithium compound. 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, Inorganic systems such as lithium oxide, 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 The compound may be an organic compound such as methyl lithium, vinyl lithium, isopropyl lithium, butyl lithium, phenyl lithium, lithium oxalate, or lithium acetate.
なお、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、100:0から30:70の範囲内とすることが好ましく、100:0から40:60の範囲内とすればより好ましい。マンガンの量が多くなると、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からである。被覆層におけるニッケルとマンガンとの組成比は、例えば、被覆前駆層を形成する際に水溶液におけるニッケルイオンとマンガンイオンとのモル比を調節することにより制御することができる。 The composition ratio of nickel and manganese in the coating layer is preferably in the range of 100: 0 to 30:70, preferably in the range of 100: 0 to 40:60, as the molar ratio of nickel: manganese. More preferable. This is because when the amount of manganese increases, the amount of occlusion of lithium in the coating layer decreases and the capacity of the positive electrode active material decreases. The composition ratio of nickel and manganese in the coating layer can be controlled, for example, by adjusting the molar ratio of nickel ions and manganese ions in the aqueous solution when forming the coating precursor layer.
また、被覆層は、ニッケルまたはマンガンに加えて、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種を含む酸化物により形成するようにしてもよい。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ると共に、リチウムイオンの拡散性を向上させることができるからである。被覆層の組成は、被覆前駆層を形成する際に水溶液にこれらの元素を含む化合物を溶解させることにより調節してもよく、また、被覆前駆層にはこれらの元素を添加せずに、加熱処理において複合酸化物粒子から拡散させることにより調節するようにしてもよい。この場合、被覆層におけるこれらの元素の含有量は、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、より好ましくは30mol%以下、更に好ましくは20mol%以下である。これらの元素の含有量が多くなると、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 coating layer is made of magnesium, aluminum, boron, titanium, vanadium, chromium, iron, cobalt, copper, zinc, molybdenum, tin, tungsten, zirconium, yttrium, niobium, calcium and strontium in addition to nickel or manganese. You may make it form with the oxide containing at least 1 sort (s) of a group. This is because the chemical stability of the positive electrode active material can be further improved and the diffusibility of lithium ions can be improved. The composition of the coating layer may be adjusted by dissolving a compound containing these elements in an aqueous solution when forming the coating precursor layer, and heating may be performed without adding these elements to the coating precursor layer. You may make it adjust by making it diffuse from a complex oxide particle in a process. In this case, the content of these elements in the coating layer is preferably 40 mol% or less, more preferably 30 mol% or less, still more preferably 20 mol% with respect to the total of nickel, manganese and these elements in the coating layer. % Or less. This is because when the content of these elements increases, the occlusion amount of lithium in the coating layer 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%以下の範囲内とすることが好ましく、より好ましくは1.0質量%以上40質量%以下、更に好ましくは2.0質量%以上35質量%以下の範囲内である。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。被覆層の量は、被覆前駆層の量を調節することにより調節することができる。 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 1.0% by mass or more and 40% by mass or less, and further preferably 2.0%. It is within the range of not less than 35% by mass. 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. The amount of the coating layer can be adjusted by adjusting the amount of the coating precursor layer.
この正極活物質の平均粒子径は、2.0μm以上50μm以下の範囲内とすることが好ましい。2.0μm未満とすると、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。この正極活物質の平均粒子径は、複合酸化物粒子の平均粒子径および被覆層の厚みを調節することにより制御することができる。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により調整するようにしてもよい。なお、複合酸化物粒子は、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してから用いるようにしてもよい。 The average particle size of the positive electrode active material is preferably in the range of 2.0 μm to 50 μm. When 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. This is because the amount of addition 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. The average particle size of the positive electrode active material can be controlled by adjusting the average particle size of the composite oxide particles and the thickness of the coating layer. Moreover, after forming a coating layer, you may make it adjust by light grinding | pulverization or classification as needed. The composite oxide particles may be used after the secondary particles have been crushed by a ball mill or a crusher as required.
このように本実施の形態に係る正極活物質の製造方法によれば、複合酸化物粒子に、コバルトを含む水酸化物の中間前駆層を形成したのち、被覆元素を含む水酸化物の被覆前駆層を形成するようにしたので、被覆前駆層の均一性を高めることができる。よって、被覆層の均一性を向上させることができ、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る。 As described above, according to the method for producing a positive electrode active material according to the present embodiment, after forming an intermediate precursor layer of a hydroxide containing cobalt on the composite oxide particles, a coating precursor of the hydroxide containing a covering element is formed. Since the layer is formed, the uniformity of the coating precursor layer can be improved. Therefore, the uniformity of the coating layer can be improved, and the chemical stability of the positive electrode active material can be further improved.
特に、中間前駆層および被覆前駆層を、水素イオン指数pHが12以上の水溶液中において形成するようにすれば、水酸化物の析出速度を遅くすることができ、より緻密で均一な中間前駆層および被覆前駆層を形成することができ、より緻密で均一な被覆層を形成することができる。 In particular, if the intermediate precursor layer and the coating precursor layer are formed in an aqueous solution having a hydrogen ion exponent pH of 12 or more, the precipitation rate of hydroxide can be reduced, and the denser and more uniform intermediate precursor layer. Further, a coating precursor layer can be formed, and a denser and uniform coating layer can be formed.
また、中間前駆層および被覆前駆層を形成する際には、複合酸化物粒子を分散させた水素イオン指数pH12以上の水溶液に、コバルト化合物または被覆元素の化合物を添加するようにすれば、より緻密性および均一性を向上させることができる。 Further, when the intermediate precursor layer and the coating precursor layer are formed, a finer density can be obtained by adding a cobalt compound or a compound of a coating element to an aqueous solution having a hydrogen ion exponent of pH 12 or higher in which composite oxide particles are dispersed. And uniformity can be improved.
更に、中間前駆層におけるコバルトの量を、複合酸化物粒子の表面積1m2 当たりに1.0×10-5mol以上1.0×10-2mol以下とするようにすれば、より高い効果を得ることができる。 Further, if the amount of cobalt in the intermediate precursor layer is set to 1.0 × 10 −5 mol or more and 1.0 × 10 −2 mol or less per 1 m 2 of the surface area of the composite oxide particles, a higher effect can be obtained. Obtainable.
このようにして製造された正極活物質は、例えば、次のようにして二次電池に用いられる。 The positive electrode active material thus manufactured 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製造方法により得られた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 a positive electrode active material obtained by the manufacturing method 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正極活物質の製造方法により製造した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−ジオキソラン、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-dioxolane, 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
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、上述した製造方法により得られ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製造方法により得られた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 shows a configuration of a second secondary battery using the positive electrode active material obtained by the manufacturing method 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、上述した製造方法により得られた正極活物質を用いるようにしたので、充電電圧を高くしても高い化学的安定性を得ることができる。よって、高容量を得ることができると共に、充放電効率を向上させることができる。 Thus, according to the present embodiment, since the positive electrode active material obtained by the above-described manufacturing method is used, high chemical stability can be obtained even when the charging voltage is increased. Therefore, a high capacity can be obtained and charge / discharge efficiency can be improved.
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1〜4およびこれに対する比較例1〜5として正極活物質を次のようにして作製した。 As Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 5 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、レーザー散乱法により測定した平均粒子径が13μm、比表面積が0.8m2 /gの複合酸化物粒子20質量部を、80℃の純水300質量部に1時間撹拌して分散させた。次いで、この分散溶液に、市販試薬の硝酸コバルト(Co(NO3 )2 ・6H2 O)を0.36質量部添加したのち、2規定の水酸化リチウム水溶液を30分間かけて水素イオン指数pHが12になるまで添加し、複合酸化物粒子の表面にコバルトを含む水酸化物の中間前駆層を析出させた(ステップS110;図1参照)。続いて、この分散溶液を濾過洗浄した。
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 , an average particle diameter measured by a laser scattering method of 13 μm, and a specific surface area of 0.8 m 2 / g were measured at 80 ° C. The mixture was stirred and dispersed in 300 parts by mass of pure water for 1 hour. Next, after adding 0.36 parts by mass of a commercially available reagent, cobalt nitrate (Co (NO 3 ) 2 .6H 2 O), to this dispersion solution, a 2N aqueous lithium hydroxide solution was added over 30 minutes to a hydrogen ion exponent pH. Was added until an intermediate precursor layer of hydroxide containing cobalt was deposited on the surface of the composite oxide particles (step S110; see FIG. 1). Subsequently, the dispersion solution was washed by filtration.
そののち、中間前駆層を形成した複合酸化物粒子を、再び、80℃の純水300質量部に1時間撹拌して分散させた。次いで、この分散溶液に、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質量部とを添加したのち、2規定の水酸化リチウム水溶液を30分間かけて水素イオン指数pHが13になるまで添加し、更に、80℃で3時間撹拌分散を続けてニッケルとマンガンとを含む水酸化物の被覆前駆層を析出させた(ステップS120;図1参照)。続いて、この分散溶液を放冷したのち、濾過洗浄し、120℃で乾燥させた。これにより得られた中間前駆層および被覆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=1.00:0.94:0.02:0.02:0.01:0.01であった。 Thereafter, the composite oxide particles on which the intermediate precursor layer was formed were dispersed again by stirring in 300 parts by mass of pure water at 80 ° C. for 1 hour. Next, 1.60 parts by mass of commercially available nickel nitrate (Ni (NO 3 ) 2 .6H 2 O) and manganese nitrate (Mn (NO 3 ) 2 .6H 2 O) 1. After adding 65 parts by mass, a 2N aqueous lithium hydroxide solution was added over 30 minutes until the hydrogen ion exponent pH became 13, and stirring and dispersion were continued at 80 ° C. for 3 hours to add nickel and manganese. The coating precursor layer of the hydroxide containing was deposited (step S120; refer FIG. 1). Subsequently, the dispersion solution was allowed to cool, washed by filtration, and dried at 120 ° C. When the molar ratio of the metal element was analyzed about the composite oxide particle which formed the intermediate | middle precursor layer and coating precursor layer which were obtained by this, Li: Co: Ni: Mn: Al: Mg = 1.00: 0.94: It was 0.02: 0.02: 0.01: 0.01.
そののち、この被覆前駆層を形成した複合酸化物粒子10質量部に対して、リチウム量を調節するために2規定の水酸化リチウム水溶液2質量部を含浸させ、均一に混合乾燥させた。続いて、これを、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S130;図1参照)。 Thereafter, 2 parts by mass of a 2N aqueous lithium hydroxide solution was impregnated with 10 parts by mass of the composite oxide particles on which the coating precursor layer was formed in order to adjust the amount of lithium, and uniformly mixed and dried. Subsequently, this was heated at a rate of 5 ° C./min using an electric furnace, held at 950 ° C. for 5 hours, and then cooled to 150 ° C. at a rate of 7 ° C./min to form a coating layer. A positive electrode active material was obtained (step S130; see FIG. 1).
(実施例2)
実施例1と同一ロットの複合酸化物粒子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1時間撹拌して分散させた。次いで、市販試薬の硝酸コバルト(Co(NO3 )2 ・6H2 O)0.36質量部に純水を加えて2質量部とした水溶液を、複合酸化物粒子を分散させた水酸化リチウム水溶液に10分かけて添加したのち、80℃で1時間撹拌し、コバルトを含む水酸化物の中間前駆層を析出させた(ステップS110;図1参照)。硝酸コバルト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 2)
20 parts by mass of complex oxide particles of the same lot as in Example 1 were stirred and dispersed in 300 parts by mass of an aqueous lithium hydroxide solution at 2O 0 C, 2N (hydrogen ion index pH 14.3) for 1 hour. Next, a lithium hydroxide aqueous solution in which composite oxide particles are dispersed in an aqueous solution in which pure water is added to 0.36 parts by mass of cobalt nitrate (Co (NO 3 ) 2 .6H 2 O) as a commercially available reagent. After adding for 10 minutes, the mixture was stirred at 80 ° C. for 1 hour to precipitate an intermediate precursor layer of hydroxide containing cobalt (step S110; see FIG. 1). The hydrogen ion exponent pH of the aqueous lithium hydroxide solution after addition of the aqueous cobalt nitrate solution is 14.2.
続いて、この分散溶液に、市販試薬の硝酸ニッケル1.60質量部と、市販試薬の硝酸マンガン1.65質量部とに純水を加えて10質量部とした水溶液を、30分かけて添加したのち、80℃で3時間撹拌し、ニッケルとマンガンとを含む水酸化物の被覆前駆層を析出させた(ステップS120;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。そののち、この分散溶液を放冷し、濾過洗浄して、120℃で乾燥させた。これにより得られた中間前駆層および被覆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。次いで、この被覆前駆層を形成した複合酸化物粒子を、実施例1と同一の条件で熱処理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S130;図1参照)。 Subsequently, an aqueous solution in which pure water was added to 10 parts by mass of 1.60 parts by mass of commercially available nickel nitrate and 1.65 parts by mass of manganese nitrate as a commercial reagent was added to this dispersion solution over 30 minutes. Then, it stirred at 80 degreeC for 3 hours, and the coating precursor layer of the hydroxide containing nickel and manganese was deposited (step S120; refer FIG. 1). The hydrogen ion exponent pH of the aqueous lithium hydroxide solution after adding the aqueous solution of nickel nitrate and manganese nitrate is 14.2. Thereafter, the dispersion was allowed to cool, washed by filtration and dried at 120 ° C. When the molar ratio of the metal element was analyzed about the composite oxide particle which formed the intermediate | middle precursor layer and coating 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. Next, the composite oxide particles on which the coating precursor layer was formed were heat-treated under the same conditions as in Example 1 to form a coating layer, thereby obtaining a positive electrode active material (Step S130; see FIG. 1).
(実施例3)
硝酸コバルトの添加量を0.24質量部、硝酸ニッケルの添加量を3.20質量部、硝酸マンガンの添加量を3.30質量部とすると共に、硝酸ニッケルおよび硝酸マンガンを添加する際には、これらに純水を加えて20質量部とした水溶液を1時間かけて添加したことを除き、他は実施例2と同一の条件で正極活物質を作製した。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、中間前駆層および被覆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 3)
When adding cobalt nitrate to 0.24 parts by mass, adding nickel nitrate to 3.20 parts by mass, adding manganese nitrate to 3.30 parts by mass, and adding nickel nitrate and manganese nitrate A positive electrode active material was prepared under the same conditions as in Example 2 except that an aqueous solution containing 20 parts by mass of pure water was added thereto over 1 hour. 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. Moreover, when the molar ratio of the metal element was analyzed about the composite oxide particle which formed the intermediate | middle precursor layer and the coating precursor layer, Li: Co: Ni: Mn: Al: Mg = 1.03: 0.88: 0.05 : 0.05: 0.01: 0.01.
(実施例4)
硝酸ニッケルおよび硝酸マンガンに、市販試薬の硝酸アルミニウム(Al(NO3 )3 ・9H2 O)0.86質量部を加え、更に、純水を加えて20質量部とした水溶液を添加して被覆前駆層を形成したことを除き、他は実施例3と同一の条件で正極活物質を作製した。中間前駆層および被覆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 4
Add 0.86 parts by mass of commercially available reagent aluminum nitrate (Al (NO 3 ) 3 .9H 2 O) to nickel nitrate and manganese nitrate, and then add an aqueous solution to which 20 parts by mass of pure water is added. A positive electrode active material was produced under the same conditions as in Example 3 except that the precursor layer was formed. When the molar ratio of the metal elements was analyzed for the composite oxide particles on which the intermediate precursor layer and the coating 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1〜4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 in the same lot as in Examples 1 to 4 were used as the positive electrode active material as they were.
(比較例2〜5)
中間前駆層を形成しなかったことを除き、比較例2は実施例1と同様に、比較例3は実施例2と同様に、比較例4は実施例3と同様に、比較例5は実施例4と同様にして、正極活物質をそれぞれ作製した。
(Comparative Examples 2 to 5)
Comparative Example 2 was the same as Example 1, Comparative Example 3 was the same as Example 2, Comparative Example 4 was the same as Example 3, and Comparative Example 5 was the same except that no intermediate precursor layer was formed. In the same manner as in Example 4, each positive electrode active material was produced.
作製した実施例1〜4および比較例1〜5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。
The secondary batteries shown in FIGS. 2 and 3 were produced using the produced positive electrode active materials of Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 5. 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1〜4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、中間前駆層を形成していない比較例2〜5よりも、放電容量維持率をより向上させることができた。すなわち、コバルトを含む水酸化物の中間前駆層を形成するようにすれば、被覆層の均一性を向上させることができ、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 4, 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 maintenance rate could be improved more than Comparative Examples 2 to 5 in which no intermediate precursor layer was formed. That is, it was found that if the intermediate precursor layer of hydroxide containing cobalt is formed, the uniformity of the coating layer can be improved and the cycle characteristics can be improved.
また、実施例1と実施例2とを比較すれば分かるように、中間前駆層および被覆前駆層を形成する際に、コバルト化合物または被覆元素の化合物を溶解させた水溶液に複合酸化物粒子を分散させたのち水素イオン指数pHを調節した実施例1よりも、水素イオン指数pHを調節した水溶液に複合酸化物粒子を分散し、コバルト化合物または被覆元素の化合物を添加した実施例2の方が、初期容量および放電容量維持率について共に高い値が得られた。すなわち、水素イオン指数pHが12以上の水溶液に複合酸化物粒子を分散させたのち、コバルト化合物または被覆元素の化合物を添加するようにすれば、被覆層の均一性をより向上させることができることが分かった。 Further, as can be seen from a comparison between Example 1 and Example 2, when forming the intermediate precursor layer and the coating precursor layer, the composite oxide particles are dispersed in an aqueous solution in which a cobalt compound or a compound of a coating element is dissolved. Example 2 in which composite oxide particles are dispersed in an aqueous solution in which the hydrogen ion exponent pH is adjusted and a cobalt compound or a compound of a coating element is added is more preferable than in Example 1 in which the hydrogen ion exponent pH is adjusted. High values were obtained for both the initial capacity and the discharge capacity retention rate. That is, if the composite oxide particles are dispersed in an aqueous solution having a hydrogen ion index pH of 12 or more and then a cobalt compound or a coating element compound is added, the uniformity of the coating layer can be further improved. I understood.
更に、実施例2と実施例3とを比較すれば分かるように、被覆層の量を多くした実施例3の方が、初期容量は低下したものの放電容量維持率は向上させることができた。加えて、実施例3と実施例4とを比較すれば分かるように、リチウム,ニッケルおよびマグネシウムに加えてアルミニウムを含む酸化物により被覆層を形成した実施例4の方が、初期容量は低下したものの放電容量維持率は向上させることができた。すなわち、被覆層の量を多くした方が、または、被覆層を更にアルミニウムなどの他の元素を含む酸化物により形成するようにした方が、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ることが分かった。 Further, as can be seen from a comparison between Example 2 and Example 3, Example 3 with an increased amount of the coating layer was able to improve the discharge capacity retention rate although the initial capacity was reduced. In addition, as can be seen from a comparison between Example 3 and Example 4, the initial capacity was lower in Example 4 in which the coating layer was formed of an oxide containing aluminum in addition to lithium, nickel and magnesium. The discharge capacity maintenance rate of the product could be improved. In other words, the chemical stability of the positive electrode active material is further improved when the amount of the coating layer is increased or when the coating layer is further formed of an oxide containing other elements such as aluminum. I found out that
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。また、二次電池に限らず、一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, the present invention can also be applied to secondary batteries having other shapes such as a so-called coin type, button type, or square type. Moreover, not only a secondary battery but a primary battery is applicable.
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 (10)
前記複合酸化物粒子の少なくとも一部に、コバルト(Co)を含む水酸化物の中間前駆層を形成する工程と、
中間前駆層を形成したのち、前記複合酸化物粒子の少なくとも一部に、被覆元素を含む水酸化物の被覆前駆層を形成する工程と、
被覆前駆層を形成したのち、加熱処理することにより前記被覆層を形成する工程と
を含む、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。) Lithium ion secondary particles in which an oxide coating layer containing lithium (Li) and at least one of the coating elements of nickel and manganese is formed on at least a part of the composite oxide particles represented by chemical formula 1 A method for producing a positive electrode active material for a secondary battery , comprising:
Forming a hydroxide intermediate precursor layer containing cobalt (Co) on at least a part of the composite oxide particles;
After forming the intermediate precursor layer, forming a hydroxide coating precursor layer containing a coating element on at least a part of the composite oxide particles;
Forming a coating precursor layer and then forming the coating layer by heat treatment. 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.)
前記被覆前駆層は、前記複合酸化物粒子を分散させた水素イオン指数pHが12以上の水溶液に被覆元素の化合物を添加することにより形成する、請求項2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。 The intermediate precursor layer is formed by adding a cobalt compound to an aqueous solution having a hydrogen ion exponent pH of 12 or more in which the composite oxide particles are dispersed,
The positive electrode active for a lithium ion secondary battery according to claim 2 , wherein the coating precursor layer is formed by adding a compound of a coating element to an aqueous solution in which the composite oxide particles are dispersed and having a hydrogen ion exponent pH of 12 or more. A method for producing a substance.
前記正極は、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、リチウム(Li)と、ニッケルおよびマンガンのうちの少なくとも一方の被覆元素とを含む酸化物の被覆層を形成した正極活物質を含有し、
この正極活物質は、前記複合酸化物粒子の少なくとも一部に、コバルト(Co)を含む水酸化物の中間前駆層を形成したのち、被覆元素を含む水酸化物の被覆前駆層を形成し、加熱処理することにより得られたものである、リチウムイオン二次電池。
(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。) A cathode and an anode, e Bei electrolyte,
In the positive electrode, an oxide coating layer containing lithium (Li) and at least one coating element of nickel and manganese is formed on at least a part of the composite oxide particles represented by chemical formula 1 Containing a positive electrode active material,
In this positive electrode active material, after forming an intermediate precursor layer of a hydroxide containing cobalt (Co) on at least a part of the composite oxide particles, a coating precursor layer of a hydroxide containing a covering element is formed, A lithium ion secondary battery obtained by heat treatment.
(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.)
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