JP6308396B2 - Non-aqueous electrolyte secondary battery - Google Patents
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Description
本発明は、非水電解液二次電池に関する。 The present invention relates to a non-aqueous electrolyte secondary battery.
リチウムイオン二次電池などの非水電解液二次電池は、既存の電池に比べて軽量かつエネルギー密度が高いことから、近年、パソコンや携帯端末等のいわゆるポータブル電源や車両駆動用電源として用いられている。特に、軽量で高エネルギー密度が得られるリチウムイオン二次電池は、電気自動車(EV)、ハイブリッド自動車(HV)、プラグインハイブリッド自動車(PHV)等の車両の駆動用高出力電源として今後ますます普及していくことが期待されている。 Non-aqueous electrolyte secondary batteries such as lithium-ion secondary batteries are lighter and have higher energy density than existing batteries, and have recently been used as so-called portable power sources for vehicles and personal computers and power sources for vehicle driving. ing. In particular, lithium-ion secondary batteries that are lightweight and provide high energy density will become increasingly popular as high-output power sources for driving vehicles such as electric vehicles (EV), hybrid vehicles (HV), and plug-in hybrid vehicles (PHV). It is expected to do.
車両の駆動用高出力電源に用いられるリチウムイオン二次電池では、さらなる高性能化が求められており、高性能化の一環として高エネルギー密度化が図られている。リチウムイオン二次電池の高エネルギー密度化には、作動電位の高い正極活物質(高電位正極活物質)を使用することが一つの方策である。 Lithium ion secondary batteries used for high output power sources for driving vehicles are required to have higher performance, and higher energy density is being achieved as part of higher performance. One way to increase the energy density of a lithium ion secondary battery is to use a positive electrode active material having a high operating potential (high potential positive electrode active material).
作動電位の高い正極活物質としては、スピネル型結晶構造のリチウムニッケルマンガン複合酸化物(以下、「NiMn系スピネル構造酸化物」ともいう)が知られている。このNiMn系スピネル構造酸化物は、4.5V以上の作動電位を示し得る。 As a positive electrode active material having a high operating potential, a lithium nickel manganese composite oxide having a spinel crystal structure (hereinafter also referred to as “NiMn spinel structure oxide”) is known. This NiMn-based spinel structure oxide can exhibit an operating potential of 4.5 V or higher.
このNiMn系スピネル系構造酸化物の特性を改善するために、NiMn系スピネル系構造酸化物の遷移金属サイトの一部を異種元素により置換することが行われている。例えば特許文献1には、遷移金属サイトの一部をFeおよびTiで置換したNiMn系スピネル構造酸化物を二次電池の正極活物質に用いた場合には、二次電池のサイクル寿命が長くなることが記載されている。 In order to improve the characteristics of the NiMn-based spinel structure oxide, a part of the transition metal site of the NiMn-based spinel structure oxide is replaced with a different element. For example, in Patent Document 1, when a NiMn-based spinel structure oxide in which part of a transition metal site is substituted with Fe and Ti is used as a positive electrode active material of a secondary battery, the cycle life of the secondary battery is increased. It is described.
しかしながら本発明者らの検討によれば、特許文献1に記載の遷移金属サイトの一部をFeおよびTiで置換したNiMn系スピネル構造酸化物を用いた二次電池において、二次電池のサイクル寿命に未だ改善の余地があることがわかった。加えて、正極活物質の熱的安全性に改善の余地があることがわかった。 However, according to the study by the present inventors, in the secondary battery using the NiMn spinel structure oxide in which part of the transition metal site described in Patent Document 1 is substituted with Fe and Ti, the cycle life of the secondary battery is It has been found that there is still room for improvement. In addition, it has been found that there is room for improvement in the thermal safety of the positive electrode active material.
そこで、本発明の目的は、NiMn系スピネル構造酸化物を用いて、サイクル寿命および正極活物質の熱的安全性が向上した二次電池を提供することである。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a secondary battery using a NiMn-based spinel structure oxide and having improved cycle life and thermal safety of a positive electrode active material.
ここで開示される非水電解液二次電池は、正極集電体上に正極活物質層を有する正極と、負極集電体上に負極活物質層を有する負極と、非水電解液と、を備える。前記正極活物質層は、正極活物質として、Liと、遷移金属元素としてNiおよびMnとを含むスピネル構造のリチウム遷移金属複合酸化物であって、当該リチウム遷移金属複合酸化物の遷移金属サイトの一部が、Ti、FeおよびAlで置換されているリチウム遷移金属複合酸化物を有することを特徴とする。
本発明者は、正極活物質として、NiMn系スピネル構造酸化物における遷移金属サイトの一部が、Ti、FeおよびAlの三金属元素によって置換されていることを特徴とするNiMn系スピネル構造酸化物を用いることにより、非水電解液二次電池の高温での容量劣化ならびに発熱量が抑制されることを見出し、本発明を完成するに至った。
従って、かかるTi、FeおよびAlの三金属元素を含むNiMn系スピネル構造酸化物を正極活物質として用いる構成によれば、サイクル寿命および正極活物質層の熱的安全性が向上した非水電解液二次電池が提供される。
The non-aqueous electrolyte secondary battery disclosed herein includes a positive electrode having a positive electrode active material layer on a positive electrode current collector, a negative electrode having a negative electrode active material layer on a negative electrode current collector, a non-aqueous electrolyte, Is provided. The positive electrode active material layer is a lithium transition metal composite oxide having a spinel structure containing Li as a positive electrode active material and Ni and Mn as transition metal elements, wherein the transition metal site of the lithium transition metal composite oxide A part is characterized by having a lithium transition metal composite oxide substituted with Ti, Fe and Al.
The present inventor has disclosed a NiMn-based spinel structure oxide in which a part of transition metal sites in a NiMn-based spinel structure oxide is substituted by a trimetallic element of Ti, Fe and Al as a positive electrode active material. As a result, it was found that capacity deterioration and heat generation at a high temperature of the non-aqueous electrolyte secondary battery were suppressed, and the present invention was completed.
Therefore, according to the configuration in which the NiMn spinel structure oxide containing the three metal elements of Ti, Fe and Al is used as the positive electrode active material, the non-aqueous electrolyte with improved cycle life and thermal safety of the positive electrode active material layer A secondary battery is provided.
以下、図面を参照しながら、本発明による実施の形態を説明する。なお、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄(例えば、本発明を特徴付けない電池の一般的な構成および製造プロセス)は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。また、以下の図面においては、同じ作用を奏する部材・部位には同じ符号を付して説明している。また、各図における寸法関係(長さ、幅、厚さ等)は実際の寸法関係を反映するものではない。 Embodiments according to the present invention will be described below with reference to the drawings. Note that matters other than the matters specifically mentioned in the present specification and necessary for the implementation of the present invention (for example, a general configuration and manufacturing process of a battery that does not characterize the present invention) It can be grasped as a design matter of those skilled in the art based on the prior art. The present invention can be carried out based on the contents disclosed in this specification and common technical knowledge in the field. Moreover, in the following drawings, the same code | symbol is attached | subjected and demonstrated to the member and site | part which show | plays the same effect | action. In addition, the dimensional relationships (length, width, thickness, etc.) in each drawing do not reflect actual dimensional relationships.
なお、本明細書において「二次電池」とは、繰り返し充放電可能な蓄電デバイス一般をいい、リチウムイオン二次電池等のいわゆる蓄電池ならびに電気二重層キャパシタ等の蓄電素子を包含する用語である。また、「非水電解液二次電池」とは、非水電解液(即ち、非水溶媒中に支持電解質を含む電解液)を備えた二次電池をいう。また、「リチウムイオン二次電池」とは、電解質イオンとしてリチウムイオンを利用し、正負極間のリチウムイオンの移動により充放電する非水電解液二次電池をいう。以下、扁平角型のリチウムイオン二次電池を例にして、本発明について詳細に説明する。なお、本発明をかかる実施形態に記載されたものに限定することを意図したものではない。 In the present specification, the “secondary battery” refers to a general power storage device that can be repeatedly charged and discharged, and is a term including a so-called storage battery such as a lithium ion secondary battery and a power storage element such as an electric double layer capacitor. The “non-aqueous electrolyte secondary battery” refers to a secondary battery provided with a non-aqueous electrolyte (that is, an electrolyte containing a supporting electrolyte in a non-aqueous solvent). The “lithium ion secondary battery” refers to a non-aqueous electrolyte secondary battery that uses lithium ions as electrolyte ions and is charged and discharged by the movement of lithium ions between the positive and negative electrodes. Hereinafter, the present invention will be described in detail by taking a flat rectangular lithium ion secondary battery as an example. It should be noted that the present invention is not intended to be limited to that described in the embodiment.
図1および図2に示すように、本実施形態のリチウムイオン二次電池10は、電池ケース15を備えている。本実施形態の電池ケース15は、金属(例、アルミニウム、ステンレス鋼、ニッケルめっき鋼等)製であっても樹脂(例、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリイミド樹脂等)製であってもよく、ここでは、アルミニウムまたはアルミニウム合金製である。
As shown in FIGS. 1 and 2, the lithium ion
電池ケース15は、上端が開放された有底の扁平な箱型形状(典型的には直方体形状)のケース本体(外装ケース)30と、該ケース本体30の開口部を塞ぐ蓋体25とを備えている。電池ケース15の上面(すなわち蓋体25)には、捲回電極体100の正極シート64と電気的に接続された正極端子60および捲回電極体100の負極シート84と電気的に接続された負極端子80が設けられている。また、蓋体25には、捲回電極体100が収容されたケース本体30(電池ケース15)内に後述する非水電解液を注入するための注入口(図示せず)が形成されている。注入口は、非水電解液が注入された後に封止栓によって封止される。
The
非水電解液としては、典型的には有機溶媒(非水溶媒)中に支持塩を含有させたものを用いる。支持塩としては、リチウム塩、ナトリウム塩等を用いることができ、なかでもLiPF6、LiBF4等のリチウム塩を好適に採用し得る。有機溶媒としては、カーボネート類、エステル類、エーテル類等の非プロトン性溶媒を用いることができる。なかでも、カーボネート類、例えば、エチレンカーボネート(EC)、ジエチルカーボネート(DEC)、ジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(EMC)等を好適に採用し得る。或いは、モノフルオロエチレンカーボネート(MFEC)、ジフルオロエチレンカーボネート(DFEC)、モノフルオロメチルジフルオロメチルカーボネート(F−DMC)、トリフルオロジメチルカーボネート(TFDMC)のようなフッ素化カーボネート等のフッ素系溶媒を好ましく用いることができる。 As the nonaqueous electrolytic solution, typically, an organic solvent (nonaqueous solvent) containing a supporting salt is used. As the supporting salt, a lithium salt, a sodium salt or the like can be used, and among them, a lithium salt such as LiPF 6 or LiBF 4 can be preferably used. As the organic solvent, aprotic solvents such as carbonates, esters and ethers can be used. Of these, carbonates such as ethylene carbonate (EC), diethyl carbonate (DEC), dimethyl carbonate (DMC), and ethyl methyl carbonate (EMC) can be preferably used. Alternatively, a fluorine-based solvent such as fluorinated carbonate such as monofluoroethylene carbonate (MFEC), difluoroethylene carbonate (DFEC), monofluoromethyl difluoromethyl carbonate (F-DMC), or trifluorodimethyl carbonate (TFDMC) is preferably used. be able to.
蓋体25には、従来のリチウムイオン二次電池のケースと同様に、電池異常の際に電池ケース15内部で発生したガスを電池ケース15の外部に排出するための安全弁40が設けられている。捲回電極体100の捲回軸が横倒しとなる姿勢(すなわち、捲回電極体100の捲回軸の法線方向に上記開口部が形成されている。)で捲回電極体100はケース本体30内に収容されている。ケース本体30の開口部と蓋体25とは、溶接等によって接合されて封止されている。
Similar to the case of the conventional lithium ion secondary battery, the
捲回電極体100は、正極(長尺な正極シート)64と負極(長尺な負極シート)84とを計二枚のセパレータ(長尺なセパレータシート)90を介在して積層させた状態で長手方向に捲回されている。上記積層の際には、正極シート64の正極活物質層非形成部分(すなわち正極活物質層66が形成されずに正極集電体62が露出した部分)63と、負極シート84の負極活物質層非形成部分(すなわち負極活物質層86が形成されずに負極集電体82が露出した部分)83と、がセパレータシート90の幅方向の両側からそれぞれはみ出すように、正極シート64と負極シート84とを幅方向にややずらして重ね合わせる。その結果、捲回電極体100の捲回軸方向の中央部には、正極シート64と負極シート84とセパレータシート90とが積層されて捲回された積層部が形成される。
The
正極シート64は、正極集電体62と、正極集電体62上に形成された正極活物質層66とを有している。正極活物質層66は、正極集電体62の片面または両面上に形成される。正極集電体62としては、導電性の良好な金属(例えばアルミニウム、アルミニウム合金)からなる導電性材料を好適に採用し得る。正極活物質層66は、典型的には正極活物質と導電材と結着剤(バインダ)等とを含む。本実施形態で用いられる正極活物質については後述する。導電材としては、カーボンブラック(例えば、アセチレンブラックやケッチェンブラック)等の炭素材料を採用し得る。結着剤としては、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)やポリエチレンオキサイド(PEO)等の各種のポリマー材料を採用し得る。
The
負極シート84は、負極集電体82と、負極集電体82上に形成された負極活物質層86とを有している。負極活物質層86は、負極集電体82の片面または両面上に形成される。負極集電体82としては、導電性の良好な金属(例えば銅)からなる導電性材料を好適に採用し得る。負極活物質層86は、典型的には、負極活物質と結着剤と増粘剤等とを含む。負極活物質としては、黒鉛(グラファイト)、難黒鉛化炭素(ハードカーボン)、易黒鉛化炭素(ソフトカーボン)等の炭素材料を用いることができ、なかでも黒鉛を好適に採用し得る。結着剤としては、スチレンブタジエンゴム(SBR)等の各種ポリマー材料を採用し得る。増粘剤としては、カルボキシメチルセルロース(CMC)等の各種のポリマー材料を採用し得る。
The
セパレータシート90には、従来公知のものを特に制限なく使用することができる。例えば、樹脂からなる多孔性シート(微多孔質樹脂シート)を好ましく用いることができる。なかでも、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)等の多孔質ポリオレフィン系樹脂シートが好ましい。例えば、PE単層のシート、PP単層のシート、PE層とPP層とが積層された二層構造(PE/PP構造)のシート、PE層の両側にPP層が積層された三層構造(PP/PE/PP構造)のシート等を好適に使用し得る。
As the
図2に示すように、かかる捲回電極体100の正極活物質層非形成部分63に正極集電板61を介して正極端子60(例えばアルミニウム製)が接合されて、捲回電極体100の正極シート64と正極端子60とが電気的に接続されている。同様に負極活物質層非形成部分83に負極集電板81を介して負極端子80(例えばニッケル製)が接合されて、負極シート84と負極端子80とが電気的に接続されている。なお、正負極端子60,80と正負極活物質層非形成部分63,83(典型的には正負極集電体62,82)とは、例えば、超音波溶接、抵抗溶接等によりそれぞれ接合することができる。このようにしてリチウムイオン二次電池10が構成される。
As shown in FIG. 2, a positive electrode terminal 60 (for example, made of aluminum) is joined to the positive electrode active material
〔正極活物質〕
本実施形態では、正極活物質に、Liと、遷移金属元素としてNiおよびMnとを含むスピネル構造のリチウム遷移金属複合酸化物であって、当該リチウム遷移金属複合酸化物の遷移金属サイトの一部が、Ti、FeおよびAlで置換されているリチウム遷移金属複合酸化物が用いられる。換言すれば、遷移金属サイトの一部をFe、TiおよびAlで置換したNiMn系スピネル構造酸化物が用いられる。このようなNiMn系スピネル構造酸化物を正極活物質に用いてリチウムイオン二次電池を作製すれば、サイクル寿命および正極活物質層の熱的安全性が向上したリチウムイオン二次電池を得ることができる。これは、NiMn系スピネル構造酸化物における主要遷移金属であるNi、Mnの一部(典型的にはNiサイトの一部)をFe、TiおよびAlで置換することにより、該NiMn系スピネル構造酸化物中における遷移金属と酸素との結合力が増大し、これにより該NiMn系スピネル構造酸化物の安定性(耐久性)が向上するとともに電解液との反応が抑制されるためであると考えられる。
[Positive electrode active material]
In the present embodiment, the positive electrode active material is a lithium transition metal composite oxide having a spinel structure containing Li and Ni and Mn as transition metal elements, and part of the transition metal sites of the lithium transition metal composite oxide However, a lithium transition metal complex oxide substituted with Ti, Fe and Al is used. In other words, a NiMn spinel structure oxide in which a part of the transition metal site is substituted with Fe, Ti, and Al is used. If a lithium ion secondary battery is manufactured using such a NiMn-based spinel structure oxide as a positive electrode active material, a lithium ion secondary battery with improved cycle life and thermal safety of the positive electrode active material layer can be obtained. it can. This is because the NiMn spinel structure oxidation is performed by substituting a part of Ni, Mn (typically part of the Ni site), which is a main transition metal in the NiMn spinel structure oxide, with Fe, Ti and Al. This is thought to be because the bonding force between the transition metal and oxygen in the material increases, thereby improving the stability (durability) of the NiMn-based spinel structure oxide and suppressing the reaction with the electrolyte. .
本実施形態に正極活物質として用いられるNiMn系スピネル構造酸化物において、遷移金属サイトの一部が、Fe、TiおよびAl以外の元素でさらに置換されていてもよい。 In the NiMn-based spinel structure oxide used as the positive electrode active material in this embodiment, a part of the transition metal site may be further substituted with an element other than Fe, Ti, and Al.
本実施形態で用いられるNiMn系スピネル構造酸化物は、好ましくは、平均組成が以下の一般式(I)に表すものとすることができる。
LixMn2−a−b−c−d−eNiaTibFecAldMeO4−yXy(I)
ここで、上記式(I)中、Mは、Si、Mg、Ca、Ba、Sr、Sc、V、Cr、Co、Cu、Zn、Ga、Y、Ru、Rh、Pd、In、Sn、Sb、La、Ce、Sm、Zr、Nb、Ta、Mo、W、B、C、P、およびSからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素である。Xは、FおよびClからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素である。好適な態様において、上記式(1)中のa、b、c、d、eは、それぞれ0.3<a<0.6、0<b<0.2、0<c<0.2、0<d<0.3、0≦e<0.2を満たす値である。xは、0.9<x<1.3を満たす値である。yは、0≦y<0.1を満たす値である。
The NiMn-based spinel structure oxide used in the present embodiment preferably has an average composition represented by the following general formula (I).
Li x Mn 2-a-b -c-d-e Ni a Ti b Fe c Al d M e O 4-y X y (I)
Here, in the above formula (I), M is Si, Mg, Ca, Ba, Sr, Sc, V, Cr, Co, Cu, Zn, Ga, Y, Ru, Rh, Pd, In, Sn, Sb. And at least one element selected from the group consisting of La, Ce, Sm, Zr, Nb, Ta, Mo, W, B, C, P, and S. X is at least one element selected from the group consisting of F and Cl. In a preferred embodiment, a, b, c, d and e in the above formula (1) are 0.3 <a <0.6, 0 <b <0.2, 0 <c <0.2, respectively. The values satisfy 0 <d <0.3 and 0 ≦ e <0.2. x is a value satisfying 0.9 <x <1.3. y is a value satisfying 0 ≦ y <0.1.
上記式(I)中のxは、NiMn系スピネル構造酸化物におけるLi含有量を示し、電荷中性条件を満たすように定まる値である。典型的には、x=1±0.25(特にはx=1)である。 X in the above formula (I) indicates the Li content in the NiMn spinel structure oxide, and is a value determined so as to satisfy the charge neutrality condition. Typically, x = 1 ± 0.25 (especially x = 1).
上記式(I)中のaは、NiMn系スピネル構造酸化物におけるNi含有比率を示す。NiMn系スピネル構造酸化物では、Mnサイトの一部をNiに置換することでサイクル特性の向上およびエネルギー密度の向上を達成し得る。したがって、かかるNi置換の効果を高レベルで発揮する観点から、0.35≦aであるのがより好ましい。また、安定したスピネル構造を安定に保持する観点からは、a≦0.4であるのがより好ましい。 In the above formula (I), a represents the Ni content ratio in the NiMn-based spinel structure oxide. In the NiMn-based spinel structure oxide, the cycle characteristics and the energy density can be improved by replacing part of the Mn site with Ni. Therefore, from the viewpoint of exhibiting the effect of such Ni substitution at a high level, it is more preferable that 0.35 ≦ a. Further, from the viewpoint of stably maintaining a stable spinel structure, it is more preferable that a ≦ 0.4.
上記式(I)中のbはNiMn系スピネル構造酸化物におけるTi含有比率を示し、cはNiMn系スピネル構造酸化物におけるFe含有比率を示し、dはNiMn系スピネル構造酸化物におけるAl含有比率を示す。
NiMn系スピネル構造酸化物におけるTi含有率が多すぎる(典型的には、上記式(I)中のbが0.2よりも大きすぎる)場合には、正極活物質の電子伝導性が低下し、正極の作動上限電位が金属リチウム基準で4.5V以上のリチウムイオン二次電池において電池抵抗が増大する虞がある。したがって、上記NiMn系スピネル構造酸化物中のNiおよびMnの一部をTi、FeおよびAlに置換することによるMn溶出抑制効果を高レベルに発揮しつつ、電池抵抗の増大を抑制する観点からは、上記bは、好ましくは0<b≦0.15(より好ましくは0<b≦0.1、さらに好ましくは0.01≦b≦0.1)である。
また、NiMn系スピネル構造酸化物におけるFe含有率が多すぎる(典型的には上記式(I)中のcが0.2よりも大きすぎる)場合には、正極の作動上限電位が金属リチウム基準で4.5V以上5V以下において安定して作動する電池容量が低下する虞がある。したがって、上記NiMn系スピネル構造酸化物中のNiおよびMnの一部をTi、FeおよびAlに置換することによるMn溶出抑制効果を高レベルに発揮しつつ、電池容量の低下を抑制する観点からは、上記cは、好ましくは0<c≦0.15(より好ましくは0<c≦0.1、さらに好ましくは0.01≦c≦0.1)である。
In the above formula (I), b represents the Ti content ratio in the NiMn spinel structure oxide, c represents the Fe content ratio in the NiMn spinel structure oxide, and d represents the Al content ratio in the NiMn spinel structure oxide. Show.
When the Ti content in the NiMn-based spinel structure oxide is too large (typically, b in the above formula (I) is too larger than 0.2), the electron conductivity of the positive electrode active material decreases. In addition, battery resistance may increase in a lithium ion secondary battery in which the operating upper limit potential of the positive electrode is 4.5 V or more based on metallic lithium. Therefore, from the viewpoint of suppressing an increase in battery resistance while exhibiting a high level of Mn elution suppression effect by substituting part of Ni and Mn in the NiMn-based spinel structure oxide with Ti, Fe and Al. The above b is preferably 0 <b ≦ 0.15 (more preferably 0 <b ≦ 0.1, still more preferably 0.01 ≦ b ≦ 0.1).
Further, when the Fe content in the NiMn-based spinel structure oxide is too large (typically c in the above formula (I) is too larger than 0.2), the upper limit operating potential of the positive electrode is based on the metallic lithium Therefore, there is a possibility that the battery capacity that operates stably at 4.5V or more and 5V or less may decrease. Therefore, from the viewpoint of suppressing a decrease in battery capacity while exhibiting a high level of Mn elution suppression effect by substituting part of Ni and Mn in the NiMn-based spinel structure oxide with Ti, Fe and Al. The above c is preferably 0 <c ≦ 0.15 (more preferably 0 <c ≦ 0.1, and still more preferably 0.01 ≦ c ≦ 0.1).
また、NiMn系スピネル構造酸化物におけるAl含有率が多すぎる(典型的には上記式(I)中のdが0.3よりも過剰に大きすぎる)場合にも、電池容量が低下したり、電池抵抗が増大する虞がある。したがって、上記NiMn系スピネル構造酸化物中のNiおよびMnの一部をTi、FeおよびAlに置換することによるMn溶出抑制効果を高レベルに発揮しつつ、電池容量の低下および電池抵抗の増大を抑制する観点からは、上記dは、好ましくは0<d≦0.2(より好ましくは0<d≦0.15、さらに好ましくは0.01≦d≦0.1)である。 In addition, even when the Al content in the NiMn-based spinel structure oxide is too large (typically, d in the above formula (I) is excessively larger than 0.3), the battery capacity decreases, Battery resistance may increase. Therefore, while lowering the battery capacity and increasing the battery resistance while exhibiting a high level of Mn elution suppression effect by substituting part of Ni and Mn in the NiMn-based spinel structure oxide with Ti, Fe and Al. From the viewpoint of suppression, d is preferably 0 <d ≦ 0.2 (more preferably 0 <d ≦ 0.15, and still more preferably 0.01 ≦ d ≦ 0.1).
上記式(I)中のMは、存在しないか、またはSi、Mg、Ca、Ba、Sr、Sc、V、Cr、Co、Cu、Zn、Ga、Y、Ru、Rh、Pd、In、Sn、Sb、La、Ce、Sm、Zr、Nb、Ta、Mo、W、B、C、P、およびSからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素である。すなわち、NiMn系スピネル構造酸化物としては、Li、Mn、Ni、Ti、Fe、Alのみを構成金属元素とする酸化物、或いは、上記構成金属元素(Li、Mn、Ni、Ti、Fe、Al)の他に1種または2種以上の付加的な元素(M)を含む酸化物であり得る。本実施形態で用いられるNiMn系スピネル構造酸化物は、Mが存在しないものであり得るが、電池性能の向上(例えばエネルギー密度の増大、耐久性(サイクル特性)向上、入出力特性の向上等)を目的として、上記に列挙した元素の中から選択される1種又は2種以上の元素をMとして含有してもよい。Mとして好ましくは、Si、Co、La、Zr、Nb、Ta、W、およびBからなる群より選ばれる少なくとも1種の元素である。一方、スピネル結晶構造を安定に保持する観点からは、上記一般式(I)においてMが存在しないNiMn系スピネル構造酸化物が好ましい。 M in the above formula (I) does not exist or is Si, Mg, Ca, Ba, Sr, Sc, V, Cr, Co, Cu, Zn, Ga, Y, Ru, Rh, Pd, In, Sn , Sb, La, Ce, Sm, Zr, Nb, Ta, Mo, W, B, C, P and S. At least one element selected from the group consisting of S and S. That is, as the NiMn spinel structure oxide, an oxide having only Li, Mn, Ni, Ti, Fe, and Al as constituent metal elements, or the above constituent metal elements (Li, Mn, Ni, Ti, Fe, Al, etc.) And an oxide containing one or more additional elements (M). The NiMn spinel structure oxide used in the present embodiment may be one in which M does not exist, but the battery performance is improved (for example, the energy density is increased, the durability (cycle characteristics) is improved, the input / output characteristics are improved, etc.) For the purpose, one or more elements selected from the elements listed above may be contained as M. M is preferably at least one element selected from the group consisting of Si, Co, La, Zr, Nb, Ta, W, and B. On the other hand, from the viewpoint of stably maintaining the spinel crystal structure, a NiMn-based spinel structure oxide in which M is not present in the general formula (I) is preferable.
なお、NiMn系スピネル構造酸化物を構成する元素の組成については、従来公知の誘導結合プラズマ発光分光分析(ICP−AES:Inductively Coupled Plasma−Atomic Emission Spectrometry)或いはランタン−アリザリンコンプレキソン吸光光度法により確認(測定)することができる。 The composition of the elements constituting the NiMn-based spinel structure oxide is confirmed by a conventionally known inductively coupled plasma-atomic emission spectrometry (ICP-AES) or lanthanum-alizarin complexone spectrophotometry method. (Measurement).
なお、上記一般式(I)中において、O4−yは厳密にいえばO4−y−δと記載することができる。ここでδは、上記のスピネル型結晶構造における酸素欠損量を示し、かかる結晶構造における置換原子の種類、置換割合の他、環境条件等により変動し得るため正確に表示することは困難である。このため、酸素原子数を決定する変数であるδは典型的には1を超えない正の数またはゼロであって、例えば0≦δ≦1を採用し得る。ただし、本明細書においては、上記好ましい複合酸化物の例示のように、便宜上δを省略して記載する。したがって、上記一般式(I)中においてO4−yとの記載は、酸素欠損したNiMn系スピネル構造酸化物を、本発明の技術的範囲から除外することを意図するものではない。 In the above general formula (I), O 4-y can be described as O 4-y-δ strictly speaking. Here, δ represents the amount of oxygen vacancies in the above spinel crystal structure, and since it may vary depending on the type of substitution atom and the substitution ratio in the crystal structure, as well as environmental conditions, it is difficult to display accurately. Therefore, δ, which is a variable for determining the number of oxygen atoms, is typically a positive number not exceeding 1 or zero, and for example, 0 ≦ δ ≦ 1 can be adopted. However, in this specification, δ is omitted for the sake of convenience as illustrated in the preferred composite oxide. Therefore, the description of O 4-y in the general formula (I) is not intended to exclude the oxygen-deficient NiMn spinel structure oxide from the technical scope of the present invention.
以下、正極活物質である上記NiMn系スピネル構造酸化物の好ましい製造方法を説明する。当該製造方法は、NiMn系スピネル構造酸化物の前駆体を準備する工程と、焼成工程とを含む。なお、本実施形態で用いられるNiMn系スピネル構造酸化物は、以下の製造方法により製造されたものに限られない。 Hereinafter, the preferable manufacturing method of the said NiMn type | system | group spinel structure oxide which is a positive electrode active material is demonstrated. The manufacturing method includes a step of preparing a precursor of a NiMn-based spinel structure oxide and a firing step. The NiMn-based spinel structure oxide used in this embodiment is not limited to the one manufactured by the following manufacturing method.
<前駆体の準備工程>
前駆体の準備工程では、目的とするNiMn系スピネル構造酸化物を構成するリチウムおよび酸素以外の元素、例えば、上記式(I)におけるリチウムおよび酸素以外の各構成元素を単独で含む塩(或いは2種以上の構成元素を含む塩)を含む水溶液にpH11〜14程度の塩基性水溶液を添加して撹拌し、その水溶液中における液相反応により、一般式:Mn2−a−b−c−d−eNiaTibFecAldMe(OH)4+m(ここで、mはゼロ若しくは1を超えない正の数、典型的には0≦m≦0.5である。)で表される前駆体を調製する。a、b、c、d、eおよびMの意味は上記式(I)と同じである。
上記塩基性水溶液としては、強塩基(アルカリ金属の水酸化物等)および弱塩基(アンモニア等)のいずれかの水溶液または強塩基と弱塩基の混合水溶液が挙げられ、液温25℃でのpHが11〜14程度に維持され、かつ前駆体の生成を阻害しないものが好ましく使用され得る。例えば、水酸化ナトリウム水溶液を単独で、或いは水酸化ナトリウム水溶液とアンモニア水との混合溶液を用いる。
<Precursor preparation step>
In the precursor preparation step, an element other than lithium and oxygen constituting the target NiMn-based spinel structure oxide, for example, a salt containing each constituent element other than lithium and oxygen in the above formula (I) alone (or 2 A basic aqueous solution having a pH of about 11 to 14 is added to an aqueous solution containing a salt containing at least a constituent element) and stirred, and a liquid phase reaction in the aqueous solution causes a general formula: Mn 2-a- bcd (where, m is a positive number not exceeding zero or 1, typically 0 ≦ m ≦ 0.5.) -e Ni a Ti b Fe c Al d M e (OH) 4 + m are represented by A precursor is prepared. The meanings of a, b, c, d, e and M are the same as in the above formula (I).
Examples of the basic aqueous solution include an aqueous solution of either a strong base (such as an alkali metal hydroxide) and a weak base (such as ammonia) or a mixed aqueous solution of a strong base and a weak base, and a pH at a liquid temperature of 25 ° C. Can be preferably used that is maintained at about 11 to 14 and does not inhibit the formation of the precursor. For example, a sodium hydroxide aqueous solution alone or a mixed solution of a sodium hydroxide aqueous solution and ammonia water is used.
上記前駆体準備工程における水溶液は、例えば、所望のニッケル塩、マンガン塩、チタン塩、鉄塩、アルミニウム塩等のそれぞれ所定量を水性溶媒に溶解させて調製することができる。これらの塩を水性溶媒に添加する順番は特に制限されない。また、各塩の水溶液を混合して調製してもよい。これらの金属塩(上記ニッケル塩、マンガン塩等)のアニオンは、それぞれ該塩が所望の水溶性となるように選択すればよい。例えば、硫酸イオン、硝酸イオン、塩化物イオン、炭酸イオン等であり得る。すなわち、上記金属塩は、それぞれ、ニッケル、マンガン等の硫酸塩、硝酸塩、塩酸塩、炭酸塩等であり得る。これらの金属塩のアニオンは、全てまたは一部が同じであってもよく、互いに異なってもよい。例えば、ニッケルの硫酸塩と、マンガンの炭酸塩を組み合わせて用いることができる。これらの塩は、それぞれ水和物等の溶媒和物であってもよい。これらの金属塩の添加順は特に制限されない。 The aqueous solution in the precursor preparation step can be prepared, for example, by dissolving a predetermined amount of a desired nickel salt, manganese salt, titanium salt, iron salt, aluminum salt or the like in an aqueous solvent. The order in which these salts are added to the aqueous solvent is not particularly limited. Moreover, you may prepare by mixing the aqueous solution of each salt. What is necessary is just to select the anion of these metal salts (the said nickel salt, manganese salt, etc.) so that each said salt may become desired water solubility. For example, it may be sulfate ion, nitrate ion, chloride ion, carbonate ion and the like. That is, the metal salts may be sulfates such as nickel and manganese, nitrates, hydrochlorides, carbonates, and the like. All or part of these metal salt anions may be the same or different from each other. For example, nickel sulfate and manganese carbonate can be used in combination. These salts may be solvates such as hydrates. The order of addition of these metal salts is not particularly limited.
かかる前駆体に、さらにLi源であるリチウム塩を添加し、混合することによって目的のNiMn系スピネル構造酸化物を製造するための焼成前原料が得られる。リチウム塩としては、従来のリチウム複合酸化物の形成に使用される一般的なリチウム塩を特に制限なく使用することができる。このような一般的なリチウム塩として、具体的には、炭酸リチウム、水酸化リチウム等が例示される。また、Oの一部をFで置換する場合には、リチウム塩としてフッ化リチウムを使用することもできる。これらのリチウム塩は、一種のみを単独で、或いは二種以上を組み合わせて用いることができる。添加するリチウム塩の添加量を調整することによって、所望の組成のNiMn系スピネル構造酸化物を得ることができる。 A lithium salt as a Li source is further added to the precursor and mixed to obtain a raw material before firing for producing the target NiMn-based spinel structure oxide. As a lithium salt, the general lithium salt used for formation of the conventional lithium composite oxide can be especially used without a restriction | limiting. Specific examples of such a general lithium salt include lithium carbonate and lithium hydroxide. Further, when a part of O is substituted with F, lithium fluoride can be used as the lithium salt. These lithium salts can be used alone or in combination of two or more. By adjusting the addition amount of the lithium salt to be added, a NiMn-based spinel structure oxide having a desired composition can be obtained.
リチウム塩(例えば炭酸リチウム、水酸化リチウム、フッ化リチウム等)を添加する量は、合成した正極活物質(NiMn系スピネル構造酸化物)を構成する元素の組成が目的の組成比、例えば上記式(I)に示す範囲となるように設定し得る。例えば、上記前駆体におけるMn、Ni、Ti、Fe、AlおよびMの合計量を2molとしたとき、Liが凡そ1.0mol程度(典型的には、1.0〜1.3mol程度)の割合となるように、上記リチウム塩(例えば炭酸リチウム、水酸化リチウム等)の添加量を設定することができる。 The amount of the lithium salt (for example, lithium carbonate, lithium hydroxide, lithium fluoride, etc.) added is the composition ratio of the element constituting the synthesized positive electrode active material (NiMn-based spinel structure oxide), for example, the above formula It can be set to be in the range shown in (I). For example, when the total amount of Mn, Ni, Ti, Fe, Al and M in the precursor is 2 mol, the ratio of Li is about 1.0 mol (typically about 1.0 to 1.3 mol). The amount of the lithium salt (for example, lithium carbonate, lithium hydroxide, etc.) added can be set so that
<焼成工程>
焼成工程では、上記焼成前原料を焼成して、目的のNiMn系スピネル構造酸化物を合成する。焼成温度は、およそ700〜1000℃の範囲とすることが好ましい。焼成は、同じ温度で一度に行ってもよく、異なる温度で段階的に行ってもよい。焼成時間は、適宜選択することができる。例えば、800〜1000℃程度で2〜24時間程度焼成してもよく、或いは、700〜800℃程度で1〜12時間程度焼成した後、800〜1000℃程度で2〜24時間程度焼成してもよい。なお、酸素欠損量を制御する目的で、降温中に500〜700℃の温度域で3〜40時間保持してもよく、降温速度を適宜調整してもよい。また、焼成後に当該温度と時間の範囲内で追加の熱処理をしてもよい。
<Baking process>
In the firing step, the raw material before firing is fired to synthesize the target NiMn-based spinel structure oxide. The firing temperature is preferably in the range of about 700 to 1000 ° C. Firing may be performed at the same temperature at a time, or may be performed stepwise at different temperatures. The firing time can be appropriately selected. For example, it may be baked at about 800 to 1000 ° C. for about 2 to 24 hours, or after baking at about 700 to 800 ° C. for about 1 to 12 hours and then at about 800 to 1000 ° C. for about 2 to 24 hours. Also good. For the purpose of controlling the amount of oxygen vacancies, the temperature may be maintained in the temperature range of 500 to 700 ° C. for 3 to 40 hours during the temperature decrease, and the temperature decrease rate may be appropriately adjusted. Further, an additional heat treatment may be performed within the range of the temperature and time after firing.
焼成後、適当な粉砕処理(例えばボールミルでの粉砕処理)や篩分け等の処理を適用することにより、正極活物質である所望の性状(例えば平均粒径等)のNiMn系スピネル構造酸化物を得ることができる。特に限定するものではないが、一般的なレーザ回折式粒度分布測定装置により得られる体積基準の粒度分布における累積50%粒径(メジアン径:D50)が1μm〜25μm(典型的には2μm〜20μm、例えば5μm〜15μm)の範囲にある二次粒子によって実質的に構成された粉体を正極活物質として好ましく用いることができる。以下、「正極活物質の平均粒径」とは、特に詳細な説明がある場合を除いて、正極活物質の二次粒子のメジアン径(一般的なレーザ回折・光散乱法に基づく粒度分布測定により測定した体積基準の粒度分布における、微粒子側からの累積50%に相当する粒径、D50)をいうものとする。 After firing, an appropriate pulverization process (for example, pulverization process in a ball mill) or sieving is applied to obtain a NiMn-based spinel structure oxide having a desired property (for example, an average particle diameter) as a positive electrode active material. Can be obtained. Although not particularly limited, a cumulative 50% particle size (median diameter: D50) in a volume-based particle size distribution obtained by a general laser diffraction particle size distribution analyzer is 1 μm to 25 μm (typically 2 μm to 20 μm). For example, a powder substantially composed of secondary particles in the range of 5 μm to 15 μm can be preferably used as the positive electrode active material. Hereinafter, the “average particle diameter of the positive electrode active material” means the median diameter of the secondary particles of the positive electrode active material (particle size distribution measurement based on a general laser diffraction / light scattering method) unless otherwise specified. In the volume-based particle size distribution measured by the above, the particle diameter corresponding to the cumulative 50% from the fine particle side, D50).
上述の正極活物質を用いた本実施形態のリチウムイオン二次電池10は、ポータブル電源や車両駆動用電源として用いることができる。ここで、本実施形態のリチウムイオン二次電池10では、作動電位が高いNiMn系スピネル構造酸化物が用いられている。したがって、リチウムイオン二次電池10は高エネルギー密度を有している。さらにリチウムイオン二次電池10では、サイクル寿命が長く、正極活物質層の熱的安全性が高い。よって、本実施形態のリチウムイオン二次電池10は、電気自動車(EV)、ハイブリッド自動車(HV)、プラグインハイブリッド自動車(PHV)等の車両の駆動用電源に好適に用いることができる。
The lithium ion
以下、本発明に関する実施例を説明するが、本発明をかかる実施例に示すものに限定することを意図したものではない。 EXAMPLES Examples relating to the present invention will be described below, but the present invention is not intended to be limited to those shown in the examples.
<例1>
[正極活物質の作製]
硫酸マンガンおよび硫酸ニッケルを、金属元素のモル比Mn:Niが1.5:0.5となるように水に溶解させ、水酸化ナトリウムを添加しながら撹拌することによって前駆体を得た。この前駆体と炭酸リチウムとを、前駆体中のMnおよびNiの総量と炭酸リチウム中のLiとが2:1のモル比となるようにして混合し、大気雰囲気下、900℃で15時間焼成した。その後、ボールミルで粉砕することによって、正極活物質である平均粒径が10μmのスピネル型結晶構造のLiMn1.5Ni0.5O4を得た。なお、正極活物質の組成は、通常のICP発光分析法或いは吸光光度法(ランタン−アリザリンコンプレキソン法)により確認した。
<Example 1>
[Preparation of positive electrode active material]
Manganese sulfate and nickel sulfate were dissolved in water so that the molar ratio Mn: Ni of the metal element was 1.5: 0.5, and the precursor was obtained by stirring while adding sodium hydroxide. This precursor and lithium carbonate are mixed so that the total amount of Mn and Ni in the precursor and Li in the lithium carbonate are in a molar ratio of 2: 1, and calcined at 900 ° C. for 15 hours in an air atmosphere. did. Thereafter, the resultant was pulverized by a ball mill to obtain a LiMn 1.5 Ni 0.5 O 4 having a spinel crystal structure having an average particle diameter of 10 μm as a positive electrode active material. The composition of the positive electrode active material was confirmed by a normal ICP emission analysis method or an absorptiometric method (lanthanum-alizarin complexone method).
[リチウムイオン二次電池の作製]
上記で得られた正極活物質と、導電材としてアセチレンブラックと、結着剤としてPVdFとを、これらの材料の質量比が87:10:3となるようにN−メチル−2−ピロリドン(NMP)中で混合して、スラリー状(ペースト状)の正極活物質層形成用組成物を調製した。この組成物を、アルミニウム箔(正極集電体)に塗付した。その塗付物を乾燥し、プレスすることにより、該正極集電体上に正極活物質層が形成されてなる正極シートを作製した。
[Production of lithium ion secondary battery]
The positive electrode active material obtained above, acetylene black as a conductive material, PVdF as a binder, and N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) so that the mass ratio of these materials is 87: 10: 3. ) To prepare a slurry-like (paste-like) positive electrode active material layer forming composition. This composition was applied to an aluminum foil (positive electrode current collector). The coated material was dried and pressed to produce a positive electrode sheet in which a positive electrode active material layer was formed on the positive electrode current collector.
負極活物質として平均粒径が20μmの天然黒鉛と、結着剤としてSBRと、増粘剤としてCMCとを、これらの材料の質量比が98:1:1となるように水中で混合して、ペースト状の負極活物質層形成用組成物を調製した。この組成物を、銅箔(負極集電体)に塗付した。その塗付物を乾燥し、プレスすることにより、該負極集電体上に負極活物質層が形成されてなる負極シートを作製した。 Natural graphite having an average particle size of 20 μm as a negative electrode active material, SBR as a binder, and CMC as a thickener are mixed in water so that the mass ratio of these materials is 98: 1: 1. A paste-like composition for forming a negative electrode active material layer was prepared. This composition was applied to a copper foil (negative electrode current collector). The coated material was dried and pressed to prepare a negative electrode sheet in which a negative electrode active material layer was formed on the negative electrode current collector.
上記作製した正極シートおよび負極シートをセパレータシート(ポリプロピレン/ポリエチレン複合体多孔質膜)を挟んで対向配置させて(積層させて)捲回し、電極体を作製した。これを非水電解液と共にラミネート型のケース(ラミネートフィルム)に収容することにより例1に係るリチウムイオン二次電池を作製した。非水電解液としては、モノフルオロエチレンカーボネート(MFEC)とモノフルオロメチルジフルオロメチルカーボネート(F−DMC)との体積比50:50の混合溶媒に1mol/Lの濃度でLiPF6を溶解させたものを使用した。 The positive electrode sheet and the negative electrode sheet prepared above were wound with the separator sheet (polypropylene / polyethylene composite porous membrane) sandwiched therebetween (laminated) to produce an electrode body. The lithium ion secondary battery which concerns on Example 1 was produced by accommodating this in a lamination type case (laminate film) with a non-aqueous electrolyte. As non-aqueous electrolyte, LiPF 6 is dissolved at a concentration of 1 mol / L in a mixed solvent of 50:50 volume ratio of monofluoroethylene carbonate (MFEC) and monofluoromethyldifluoromethyl carbonate (F-DMC). It was used.
<例2>
硫酸マンガン、硫酸ニッケル、硫酸鉄および硫酸チタンを、金属元素のモル比Mn:Ni:Fe:Tiが1.45:0.45:0.05:0.05となるように水に溶解させ、水酸化ナトリウムを添加しながら撹拌することによって前駆体を得た。この前駆体と炭酸リチウムとを、前駆体中のMn、Ni、FeおよびTiの総量と炭酸リチウム中のLiとが2:1のモル比となるようにして混合し、大気雰囲気下、900℃で15時間焼成した。その後、ボールミルで粉砕することによって、正極活物質である平均粒径が10μmのスピネル型結晶構造のLiMn1.45Ni0.45Fe0.05Ti0.05O4を得た。なお、正極活物質の組成は、通常のICP発光分析法或いは吸光光度法(ランタン−アリザリンコンプレキソン法)により確認した。
得られた正極活物質を用いて、例1と同様にして例2のリチウムイオン二次電池を作製した。
<Example 2>
Manganese sulfate, nickel sulfate, iron sulfate and titanium sulfate were dissolved in water so that the molar ratio of metal elements Mn: Ni: Fe: Ti was 1.45: 0.45: 0.05: 0.05, The precursor was obtained by stirring while adding sodium hydroxide. This precursor and lithium carbonate were mixed so that the total amount of Mn, Ni, Fe, and Ti in the precursor and Li in the lithium carbonate were in a molar ratio of 2: 1, and 900 ° C. in an air atmosphere. And calcined for 15 hours. Thereafter, by grinding in a ball mill, the average particle diameter as a positive electrode active material was obtained LiMn 1.45 Ni 0.45 Fe 0.05 Ti 0.05 O 4 of a spinel type crystal structure of 10 [mu] m. The composition of the positive electrode active material was confirmed by a normal ICP emission analysis method or an absorptiometric method (lanthanum-alizarin complexone method).
A lithium ion secondary battery of Example 2 was produced in the same manner as Example 1 using the obtained positive electrode active material.
<例3>
硫酸マンガン、硫酸ニッケルおよび硫酸アルミニウムを、金属元素のモル比Mn:Ni:Alが1.475:0.475:0.05となるように水に溶解させ、水酸化ナトリウムを添加しながら撹拌することによって前駆体を得た。この前駆体と炭酸リチウムとを、前駆体中のMn、NiおよびAlの総量と炭酸リチウム中のLiとが2:1のモル比となるようにして混合し、大気雰囲気下、900℃で15時間焼成した。その後、ボールミルで粉砕することによって、正極活物質である平均粒径が10μmのスピネル型結晶構造のLiMn1.475Ni0.475Al0.05O4を得た。なお、正極活物質の組成は、通常のICP発光分析法或いは吸光光度法(ランタン−アリザリンコンプレキソン法)により確認した。
得られた正極活物質を用いて、例1と同様にして例3のリチウムイオン二次電池を作製した。
<Example 3>
Manganese sulfate, nickel sulfate and aluminum sulfate are dissolved in water so that the molar ratio of metal elements Mn: Ni: Al is 1.475: 0.475: 0.05, and stirred while adding sodium hydroxide. The precursor was obtained by this. This precursor and lithium carbonate were mixed so that the total amount of Mn, Ni and Al in the precursor and Li in the lithium carbonate were in a molar ratio of 2: 1, and the mixture was mixed at 15 ° C. at 900 ° C. in an air atmosphere. Baked for hours. Thereafter, by grinding in a ball mill, the average particle diameter as a positive electrode active material was obtained LiMn 1.475 Ni 0.475 Al 0.05 O 4 of spinel crystalline structure of 10 [mu] m. The composition of the positive electrode active material was confirmed by a normal ICP emission analysis method or an absorptiometric method (lanthanum-alizarin complexone method).
A lithium ion secondary battery of Example 3 was produced in the same manner as Example 1 using the obtained positive electrode active material.
<例4>
硫酸マンガン、硫酸ニッケル、硫酸鉄、硫酸チタンおよび硫酸アルミニウムを、金属元素のモル比Mn:Ni:Fe:Ti:Alが1.425:0.425:0.05:0.05:0.05となるように水に溶解させ、水酸化ナトリウムを添加しながら撹拌することによって前駆体を得た。この前駆体と炭酸リチウムとを、前駆体中のMn、Ni、Fe、TiおよびAlの総量と炭酸リチウム中のLiとが2:1のモル比となるようにして混合し、大気雰囲気下、900℃で15時間焼成した。その後、ボールミルで粉砕することによって、正極活物質である平均粒径が10μmのスピネル型結晶構造のLiMn1.425Ni0.425Fe0.05Ti0.05Al0.05O4を得た。なお、正極活物質の組成は、通常のICP発光分析法或いは吸光光度法(ランタン−アリザリンコンプレキソン法)により確認した。
得られた正極活物質を用いて、例1と同様にして例4のリチウムイオン二次電池を作製した。
<Example 4>
Manganese sulfate, nickel sulfate, iron sulfate, titanium sulfate, and aluminum sulfate are mixed at a metal element molar ratio of Mn: Ni: Fe: Ti: Al of 1.425: 0.425: 0.05: 0.05: 0.05. The precursor was obtained by dissolving in water and stirring while adding sodium hydroxide. This precursor and lithium carbonate were mixed so that the total amount of Mn, Ni, Fe, Ti, and Al in the precursor and Li in the lithium carbonate were in a molar ratio of 2: 1. Firing was performed at 900 ° C. for 15 hours. Thereafter, the mixture was pulverized by a ball mill to obtain a LiMn 1.425 Ni 0.425 Fe 0.05 Ti 0.05 Al 0.05 O 4 having a spinel crystal structure having an average particle diameter of 10 μm as a positive electrode active material. . The composition of the positive electrode active material was confirmed by a normal ICP emission analysis method or an absorptiometric method (lanthanum-alizarin complexone method).
Using the obtained positive electrode active material, a lithium ion secondary battery of Example 4 was produced in the same manner as in Example 1.
[初期容量測定]
上記作製した例1〜例4の各リチウムイオン二次電池に対して初期充電を行った。すなわち、1/5Cの電流値(充電レート)で4.9Vまで定電流で充電を行った後、定電圧充電時の電流値が1/50Cになる点まで定電圧充電を行うことによって満充電状態(SOC100%)とした。その後、25℃の温度条件下において、1/5Cの電流値で3.5Vまで定電流で放電を行ったときの放電容量(初期容量)を測定した。ここで1Cとは、正極の理論容量より予測した電池容量(Ah)を1時間で充電できる電流値を意味する。
[Initial capacity measurement]
Initial charging was performed on each of the lithium ion secondary batteries of Examples 1 to 4 prepared above. That is, after charging at a constant current up to 4.9 V at a current value (charge rate) of 1/5 C, the battery is fully charged by performing constant voltage charging until the current value at constant voltage charging is 1/50 C. State (
[充放電サイクル試験]
上記初期容量測定後の例1〜例4の各リチウムイオン二次電池について、充放電を200サイクル繰り返す充放電サイクル試験を行い、当該試験後の放電容量を測定した。
まず、充放電サイクル試験は、60℃の温度条件下において、2Cの充電レートで電圧4.9Vまで定電流充電を行い、その後2Cの放電レートで電圧3.5Vまで定電流放電を行う充放電を1サイクルとして、該充放電を200サイクル繰り返した。
上記充放電サイクル試験終了後の各電池について、上記初期容量測定と同様の方法で充放電サイクル試験後の放電容量(200サイクル後の放電容量)を測定した。そして、初期容量に対する200サイクル後の容量低下割合((初期容量−200サイクル後の放電容量)/初期容量×100(%))を算出した。例1のリチウムイオン二次電池の容量低下割合を100(基準)としたときの各電池の容量低下割合の相対比(容量低下比)を表1に示す。
[Charge / discharge cycle test]
For each of the lithium ion secondary batteries of Examples 1 to 4 after the initial capacity measurement, a charge / discharge cycle test was repeated for 200 cycles of charge / discharge, and the discharge capacity after the test was measured.
First, the charge / discharge cycle test is a charge / discharge in which a constant current charge is performed up to a voltage of 4.9 V at a charge rate of 2 C under a temperature condition of 60 ° C., and then a constant current discharge is performed up to a voltage of 3.5 V at a discharge rate of 2 C. The charge / discharge cycle was repeated 200 cycles.
For each battery after completion of the charge / discharge cycle test, the discharge capacity after the charge / discharge cycle test (discharge capacity after 200 cycles) was measured in the same manner as the initial capacity measurement. And the capacity | capacitance fall rate after 200 cycles with respect to an initial capacity ((initial capacity-discharge capacity after 200 cycles) / initial capacity x100 (%)) was computed. Table 1 shows the relative ratio (capacity reduction ratio) of the capacity reduction ratio of each battery when the capacity reduction ratio of the lithium ion secondary battery of Example 1 is 100 (reference).
[熱的安定性の評価]
上記初期容量測定後の例1〜4の各リチウムイオン二次電池を、再び満充電状態(SOC100%)にした。その後電池を解体した。解体した電池の正極から正極活物質層(正極活物質、導電材および結着剤の混合物)を剥離して粉砕し、粉末状サンプルを作製した。この粉末状サンプル50mgと、電池の作製に用いた非水電解液80μLとを秤量し、熱量測定用容器に封入した。なお、解体以後の作業は、Ar雰囲気のブローブボックス内で行った。サンプルを封入した容器を、カルベ式大容量熱量計(C80)にセットし、昇温速度0.7℃/分で昇温しながら70℃〜250℃の温度範囲で発熱量を測定した。例1のリチウムイオン二次電池の発熱量を100(基準)としたときの各電池の発熱量の相対比(発熱量比)を表1に示す。
[Evaluation of thermal stability]
The lithium ion secondary batteries of Examples 1 to 4 after the initial capacity measurement were again fully charged (
表1に示すように、遷移金属サイトの一部をFe、TiおよびAlで置換したNiMn系スピネル構造酸化物を用いた例4のリチウムイオン二次電池は、通常のNiMn系スピネル構造酸化物を用いた例1のリチウムイオン二次電池よりも容量の低下が顕著に抑制されており、サイクル寿命が顕著に向上していることがわかる。また、正極活物質の発熱量も顕著に低減されており、熱的安全性が顕著に向上していることがわかる。また、例4のリチウムイオン二次電池は、特許文献1に記載のNiMn系スピネル構造酸化物に相当する、遷移金属サイトの一部をFeおよびTiで置換したNiMn系スピネル構造酸化物を用いた例2のリチウムイオン二次電池と比べても、サイクル寿命と熱的安定性が向上していることがわかる。例3は、遷移金属サイトの一部をAlで置換したNiMn系スピネル構造酸化物を用いたリチウムイオン二次電池である。よって、例1と例2の比較により、FeおよびTiで置換することの効果を、例1と例3との比較により、Alで置換することの効果を、例1と例4の比較により、Fe、TiおよびAlで置換することの効果をそれぞれ把握することができる。発熱量比の結果に関しては、例4の発熱量の低減量は、例2の発熱量の低減量および例3の発熱量の低減量の足し合わせよりも大きい。したがって、NiMn系スピネル構造酸化物の遷移金属サイトを置換する元素が、Fe、TiおよびAlの組み合わせであることによって、相乗効果が得られていると言える。 As shown in Table 1, the lithium ion secondary battery of Example 4 using a NiMn spinel structure oxide in which a part of the transition metal site is substituted with Fe, Ti, and Al is a normal NiMn spinel structure oxide. It can be seen that the decrease in capacity is significantly suppressed as compared with the lithium ion secondary battery of Example 1 used, and the cycle life is significantly improved. Moreover, it can be seen that the calorific value of the positive electrode active material is significantly reduced, and the thermal safety is remarkably improved. In addition, the lithium ion secondary battery of Example 4 uses a NiMn spinel structure oxide corresponding to the NiMn spinel structure oxide described in Patent Document 1, in which a part of the transition metal site is substituted with Fe and Ti. Even when compared with the lithium ion secondary battery of Example 2, it can be seen that the cycle life and the thermal stability are improved. Example 3 is a lithium ion secondary battery using a NiMn-based spinel structure oxide in which a part of the transition metal site is substituted with Al. Therefore, by comparing Example 1 and Example 2, the effect of substituting with Fe and Ti, by comparing Example 1 and Example 3, the effect of substituting with Al, by comparing Example 1 and Example 4, The effect of substituting with Fe, Ti, and Al can be grasped. Regarding the result of the calorific value ratio, the calorific value reduction amount of Example 4 is larger than the sum of the calorific value reduction amount of Example 2 and the calorific value reduction amount of Example 3. Therefore, it can be said that a synergistic effect is obtained when the element substituting the transition metal site of the NiMn-based spinel structure oxide is a combination of Fe, Ti and Al.
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、請求の範囲を限定するものではない。請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。 As mentioned above, although the specific example of this invention was demonstrated in detail, these are only illustrations and do not limit a claim. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above.
10 リチウムイオン二次電池
15 電池ケース
25 蓋体
30 ケース本体
40 安全弁
60 正極端子
62 正極集電体
64 正極シート(正極)
66 正極活物質層
80 負極端子
82 負極集電体
84 負極シート(負極)
86 負極活物質層
90 セパレータシート
100 捲回電極体
DESCRIPTION OF
66 Positive electrode
86 Negative electrode
Claims (1)
前記正極活物質層は、正極活物質を含み、
前記正極活物質が、Liと、遷移金属元素としてNiおよびMnとを含むスピネル構造のリチウム遷移金属複合酸化物であって、当該リチウム遷移金属複合酸化物の遷移金属サイトの一部が、Ti、FeおよびAlで置換されている、
非水電解液二次電池。 A nonaqueous electrolyte secondary battery comprising a positive electrode having a positive electrode active material layer on a positive electrode current collector, a negative electrode having a negative electrode active material layer on a negative electrode current collector, and a nonaqueous electrolyte solution,
The positive electrode active material layer includes a positive electrode active material,
The positive electrode active material is a lithium transition metal composite oxide having a spinel structure containing Li and Ni and Mn as transition metal elements, wherein a part of the transition metal site of the lithium transition metal composite oxide is Ti, Substituted with Fe and Al,
Non-aqueous electrolyte secondary battery.
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