JP6590973B2 - Positive electrode active material composite for lithium ion secondary battery and method for producing the same - Google Patents
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Description
本発明は、優れた放電特性と安全性とを兼ね備えたリチウムイオン二次電池を得ることのできる、リチウムイオン二次電池用正極活物質複合物、及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a positive electrode active material composite for a lithium ion secondary battery capable of obtaining a lithium ion secondary battery having both excellent discharge characteristics and safety, and a method for producing the same.
リチウムイオン二次電池等の二次電池は、非水電解質電池の1種であり、携帯電話、デジタルカメラ、ノートPC、ハイブリッド自動車、電気自動車等広い分野に利用されている。リチウムイオン二次電池は、正極材料としてリチウム金属酸化物を用い、負極材料としてグラファイト等の炭素材を用いるものが主流となっている。 A secondary battery such as a lithium ion secondary battery is a kind of non-aqueous electrolyte battery, and is used in a wide range of fields such as mobile phones, digital cameras, notebook PCs, hybrid cars, and electric cars. Lithium ion secondary batteries mainly use lithium metal oxide as a positive electrode material and a carbon material such as graphite as a negative electrode material.
この正極材料としては、層状岩塩構造のLi−Ni−Co−Mn(NCM系)化合物やLi−Ni−Co−Al(NCA系)化合物、スピネル構造のLi(Mn,Ni)2O4、オリビン型構造を有するLi(Fe,Mn)PO4等、数多くのものが知られている。なかでも、オリビン型リン酸リチウム系化合物は、資源的な制約に大きく左右されることがなく、しかも高い安全性を発揮することができるため、電池物性に優れるリチウムイオン二次電池を得るには有用な正極材料である。こうした化合物の微細化を図り、それを正極活物質として用いたとしても、得られる電池の性能は高められ得るもののタップ密度が低下してしまうため、正極活物質が電極合剤中に占める割合も減じられ、正極の体積エネルギー密度も低下しまうおそれもある。そのため、従来より、電極における体積エネルギー密度の低下を抑制すべく、種々の開発がなされている。 Examples of the positive electrode material include a layered rock salt structure Li—Ni—Co—Mn (NCM system) compound, a Li—Ni—Co—Al (NCA system) compound, a spinel structure Li (Mn, Ni) 2 O 4 , and olivine. Many things such as Li (Fe, Mn) PO 4 having a mold structure are known. In particular, olivine-type lithium phosphate compounds are not greatly affected by resource constraints and can exhibit high safety, so that a lithium ion secondary battery with excellent battery properties can be obtained. Useful cathode material. Even if such a compound is miniaturized and used as a positive electrode active material, the performance of the resulting battery can be improved, but the tap density decreases, so the proportion of the positive electrode active material in the electrode mixture is also The volume energy density of the positive electrode may be reduced. For this reason, various developments have been made in the past in order to suppress a decrease in volume energy density in the electrode.
例えば、特許文献1には、電極活物質同士が導電材を介して接合してなり、特定の接合強度を有してなる電極用複合粉末や、メカノフュージョン処理によって結着させてなる電極用複合粉末が開示されている。
For example,
しかしながら、上記特許文献の方法で得られるリン酸鉄リチウム/アセチレンブラック混合粉であっても、依然として体積エネルギー密度の低下を充分に抑制した電極を作製するのが困難であり、さらなる改善を要する状況にある。 However, even with the lithium iron phosphate / acetylene black mixed powder obtained by the method of the above-mentioned patent document, it is still difficult to produce an electrode in which the decrease in volume energy density is sufficiently suppressed, and further improvement is required. It is in.
したがって、本発明の課題は、優れた体積エネルギー密度を有する正極の作製が可能な、リチウムイオン二次電池用正極活物質複合物及びその製造方法を提供することにある。 Therefore, the subject of this invention is providing the positive electrode active material composite for lithium ion secondary batteries which can produce the positive electrode which has the outstanding volume energy density, and its manufacturing method.
そこで本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を行った結果、所定の条件下、表面に炭素(c)を担持してなる特定のリチウム系ポリアニオン粒子(A)が複合化してなる二次粒子の内部に、特定の層状岩塩構造型リチウム複合酸化物粒子(B)が内包されてなるリチウムイオン二次電池用正極活物質複合物であれば、安全性に優れると共に、体積エネルギー密度に優れる正極の作製が可能となることを見出した。 Accordingly, as a result of intensive studies to solve the above-mentioned problems, the present inventors have formed a composite of specific lithium-based polyanion particles (A) having carbon (c) supported on the surface under predetermined conditions. The positive electrode active material composite for lithium ion secondary batteries in which the specific layered rock salt structure type lithium composite oxide particles (B) are encapsulated inside the secondary particles is excellent in safety and has a volume energy density. It has been found that it is possible to fabricate a positive electrode having excellent resistance.
すなわち、本発明は、下記式(1):
LiaMnbFecM1 dPO4・・・(1)
(式(1)中、M1はCo、Ni、Ca、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd又はGdを示す。a、b、c、及びdは、0.8≦a≦1.2、0≦b≦1.2、0≦c≦1.2、0≦d≦0.3、及びb+c≠0を満たし、かつa+2b+2c+(M 1 の価数)×d=3を満たす数を示す。)
又は、下記式(2):
LieCofNigM2 hPO4・・・(2)
(式(2)中、M2はFe、Mn、Ca、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd又はGdを示す。e、f、g、及びhは、0.8≦e≦1.2、0≦f≦1.2、0≦g≦1.2、0≦h≦0.3、及びf+g≠0を満たし、かつe+2f+2g+(M2の価数)×h=3を満たす数を示す。)
で表され、かつ表面に炭素(c)を担持してなるリチウム系ポリアニオン粒子(A)が複合化してなる二次粒子の内部に、
下記式(3):
LiNiiCojMnkM3 lO2・・・(3)
(式(3)中、M3はMg、Ti、Nb、Fe、Cr、Si、Al、Ga、V、Zn、Cu、Sr、Mo、Zr、Sn、Ta、W、La、Ce、Pb、Bi及びGeから選ばれる1種又は2種以上の元素を示す。i、j、k、lは、0.3≦i<1、0<j≦0.7、0<k≦0.7、0≦l≦0.3、かつ3i+3j+3k+(M3の価数)×l=3を満たす数を示す。)
又は、下記式(4):
LiNimConAloM4 pO2 ・・・(4)
(式(4)中、M4はMg、Ti、Nb、Fe、Cr、Si、Ga、V、Zn、Cu、Sr、Mo、Zr、Sn、Ta、W、La、Ce、Pb、Bi及びGeから選ばれる1種又は2種以上の元素を示す。m、n、o、pは、0.4≦m<1、0<n≦0.6、0<o≦0.3、0≦p≦0.3、かつ3m+3n+3o+(M4の価数)×p=3を満たす数を示す。)
で表される1種以上の層状岩塩構造型リチウム複合酸化物粒子(B)が内包されてなり、
リチウム系ポリアニオン粒子(A)の平均粒径が50nm〜300nmであり、
層状岩塩構造型リチウム複合酸化物粒子(B)の平均粒径が500nm〜20μmであり、
リチウム系ポリアニオン粒子(A)の表面における炭素(c)の担持量が、リチウム系ポリアニオン粒子(A)100質量%中に0.1質量%以上18質量%未満であり、
リチウム系ポリアニオン粒子(A)の含有量と、層状岩塩構造型リチウム複合酸化物粒子(B)の含有量との質量比((A):(B))が、95:5〜70:30であるリチウムイオン二次電池用正極活物質複合物を提供するものである。
That is, the present invention provides the following formula (1):
Li a Mn b Fe c M 1 d PO 4 (1)
(In the formula (1), M 1 represents Co, Ni, Ca, Sr, Y, Zr, Mo, Ba, Pb, Bi, La, Ce, Nd, or Gd. A, b, c, and d are 0.8 ≦ a ≦ 1.2, 0 ≦ b ≦ 1.2, 0 ≦ c ≦ 1.2, 0 ≦ d ≦ 0.3, and b + c ≠ 0, and a + 2b + 2c + (valence of M 1 ) X indicates a number satisfying d = 3.)
Or the following formula (2):
Li e Co f Ni g M 2 h PO 4 ··· (2)
(In Formula (2), M 2 represents Fe, Mn, Ca, Sr, Y, Zr, Mo, Ba, Pb, Bi, La, Ce, Nd, or Gd. E, f, g, and h are 0.8 ≦ e ≦ 1.2, 0 ≦ f ≦ 1.2, 0 ≦ g ≦ 1.2, 0 ≦ h ≦ 0.3, and f + g ≠ 0, and e + 2f + 2g + (valence of M 2 ) X indicates a number satisfying h = 3.)
In the secondary particles formed by complexing the lithium-based polyanion particles (A) represented by and having carbon (c) supported on the surface,
Following formula (3):
LiNi i Co j Mn k M 3 l O 2 ··· (3)
(In the formula (3), M 3 is Mg, Ti, Nb, Fe, Cr, Si, Al, Ga, V, Zn, Cu, Sr, Mo, Zr, Sn, Ta, W, La, Ce, Pb, 1 or 2 or more elements selected from Bi and Ge are shown, i, j, k, and l are 0.3 ≦ i <1, 0 <j ≦ 0.7, 0 <k ≦ 0.7, (0 ≦ l ≦ 0.3 and 3i + 3j + 3k + (M 3 valence) × l = 3)
Or following formula (4):
LiNi m Co n Al o M 4 p O 2 ··· (4)
(In the formula (4), M 4 is Mg, Ti, Nb, Fe, Cr, Si, Ga, V, Zn, Cu, Sr, Mo, Zr, Sn, Ta, W, La, Ce, Pb, Bi, and 1 or 2 or more elements selected from Ge, where m, n, o, and p are 0.4 ≦ m <1, 0 <n ≦ 0.6, 0 <o ≦ 0.3, 0 ≦ p ≦ 0.3 and 3m + 3n + 3o + (the valence of M 4 ) × p = 3)
1 or more types of layered rock salt structure type lithium composite oxide particles (B) represented by
The average particle size of the lithium-based polyanion particles (A) is 50 nm to 300 nm,
The average particle size of the layered rock salt structure type lithium composite oxide particles (B) is 500 nm to 20 μm,
The amount of carbon (c) supported on the surface of the lithium-based polyanion particle (A) is 0.1% by mass or more and less than 18% by mass in 100% by mass of the lithium-based polyanion particle (A),
The mass ratio ((A) :( B)) of the content of the lithium-based polyanion particles (A) and the content of the layered rock salt structure type lithium composite oxide particles (B) is 95: 5 to 70:30. A positive electrode active material composite for a certain lithium ion secondary battery is provided.
本発明のリチウムイオン二次電池用正極活物質複合物によれば、リチウム系ポリアニオン粒子が形成してなる二次粒子の内部に、特定の量的関係等を有しつつ、層状岩塩構造型リチウム複合酸化物粒子が内包されてなる特異な形態を呈するため、オリビン型リン酸リチウム系化合物が主たる構成相でありながらも電極として優れた体積エネルギー密度を有する正極を実現することが可能となり、これを正極材料として用いることにより得られるリチウムイオン二次電池において、優れた安全性と放電特性を発現することができる。 According to the positive electrode active material composite for a lithium ion secondary battery of the present invention, the layered rock salt structure type lithium has a specific quantitative relationship and the like inside the secondary particles formed by the lithium-based polyanion particles. Since it exhibits a unique form in which complex oxide particles are encapsulated, it is possible to realize a positive electrode having an excellent volume energy density as an electrode while being a main constituent phase of an olivine type lithium phosphate compound. In a lithium ion secondary battery obtained by using as a positive electrode material, excellent safety and discharge characteristics can be exhibited.
以下、本発明について詳細に説明する。
本発明のリチウムイオン二次電池用正極活物質複合物は、下記式(1):
LiaMnbFecM1 dPO4・・・(1)
(式(1)中、M1はCo、Ni、Ca、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd又はGdを示す。a、b、c、及びdは、0.8≦a≦1.2、0≦b≦1.2、0≦c≦1.2、0≦d≦0.3、及びb+c≠0を満たし、かつa+2b+2c+(M 1 の価数)×d=3を満たす数を示す。)、
又は、下記式(2):
LieCofNigM2 hPO4・・・(2)
(式(2)中、M2はFe、Mn、Ca、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd又はGdを示す。e、f、g、及びhは、0.8≦e≦1.2、0≦f≦1.2、0≦g≦1.2、0≦h≦0.3、及びf+g≠0を満たし、かつe+2f+2g+(M2の価数)×h=3を満たす数を示す。)
で表され、かつ表面に炭素(c)を担持してなるリチウム系ポリアニオン粒子(A)が複合化してなる二次粒子の内部に、
下記式(3):
LiNiiCojMnkM3 lO2・・・(3)
(式(3)中、M3はMg、Ti、Nb、Fe、Cr、Si、Al、Ga、V、Zn、Cu、Sr、Mo、Zr、Sn、Ta、W、La、Ce、Pb、Bi及びGeから選ばれる1種又は2種以上の元素を示す。i、j、k、lは、0.3≦i<1、0<j≦0.7、0<k≦0.7、0≦l≦0.3、かつ3i+3j+3k+(M3の価数)×l=3を満たす数を示す。)
又は、下記式(4):
LiNimConAloM4 pO2 ・・・(4)
(式(4)中、M4はMg、Ti、Nb、Fe、Cr、Si、Ga、V、Zn、Cu、Sr、Mo、Zr、Sn、Ta、W、La、Ce、Pb、Bi及びGeから選ばれる1種又は2種以上の元素を示す。m、n、o、pは、0.4≦m<1、0<n≦0.6、0<o≦0.3、0≦p≦0.3、かつ3m+3n+3o+(M4の価数)×p=3を満たす数を示す。)
で表される1種以上の層状岩塩構造型リチウム複合酸化物粒子(B)を完全に内包してなり、
リチウム系ポリアニオン粒子(A)の平均粒径が50nm〜300nmであり、
層状岩塩構造型リチウム複合酸化物粒子(B)の平均粒径が500nm〜20μmであり、
リチウム系ポリアニオン粒子(A)の表面における炭素(c)の担持量が、リチウム系ポリアニオン粒子(A)100質量%中に0.1質量%以上18質量%未満であり、
リチウム系ポリアニオン粒子(A)の含有量と、層状岩塩構造型リチウム複合酸化物粒子(B)の含有量との質量比((A):(B))が、95:5〜70:30である。
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
The positive electrode active material composite for a lithium ion secondary battery of the present invention has the following formula (1):
Li a Mn b Fe c M 1 d PO 4 (1)
(In the formula (1), M 1 represents Co, Ni, Ca, Sr, Y, Zr, Mo, Ba, Pb, Bi, La, Ce, Nd, or Gd. A, b, c, and d are 0.8 ≦ a ≦ 1.2, 0 ≦ b ≦ 1.2, 0 ≦ c ≦ 1.2, 0 ≦ d ≦ 0.3, and b + c ≠ 0, and a + 2b + 2c + (valence of M 1 ) X indicates a number satisfying d = 3).
Or the following formula (2):
Li e Co f Ni g M 2 h PO 4 ··· (2)
(In Formula (2), M 2 represents Fe, Mn, Ca, Sr, Y, Zr, Mo, Ba, Pb, Bi, La, Ce, Nd, or Gd. E, f, g, and h are 0.8 ≦ e ≦ 1.2, 0 ≦ f ≦ 1.2, 0 ≦ g ≦ 1.2, 0 ≦ h ≦ 0.3, and f + g ≠ 0, and e + 2f + 2g + (valence of M 2 ) X indicates a number satisfying h = 3.)
In the secondary particles formed by complexing the lithium-based polyanion particles (A) represented by and having carbon (c) supported on the surface,
Following formula (3):
LiNi i Co j Mn k M 3 l O 2 ··· (3)
(In the formula (3), M 3 is Mg, Ti, Nb, Fe, Cr, Si, Al, Ga, V, Zn, Cu, Sr, Mo, Zr, Sn, Ta, W, La, Ce, Pb, 1 or 2 or more elements selected from Bi and Ge are shown, i, j, k, and l are 0.3 ≦ i <1, 0 <j ≦ 0.7, 0 <k ≦ 0.7, (0 ≦ l ≦ 0.3 and 3i + 3j + 3k + (M 3 valence) × l = 3)
Or following formula (4):
LiNi m Co n Al o M 4 p O 2 ··· (4)
(In the formula (4), M 4 is Mg, Ti, Nb, Fe, Cr, Si, Ga, V, Zn, Cu, Sr, Mo, Zr, Sn, Ta, W, La, Ce, Pb, Bi, and 1 or 2 or more elements selected from Ge, where m, n, o, and p are 0.4 ≦ m <1, 0 <n ≦ 0.6, 0 <o ≦ 0.3, 0 ≦ p ≦ 0.3 and 3m + 3n + 3o + (the valence of M 4 ) × p = 3)
One or more layered rock salt structure type lithium composite oxide particles (B) represented by:
The average particle size of the lithium-based polyanion particles (A) is 50 nm to 300 nm,
The average particle size of the layered rock salt structure type lithium composite oxide particles (B) is 500 nm to 20 μm,
The amount of carbon (c) supported on the surface of the lithium-based polyanion particle (A) is 0.1% by mass or more and less than 18% by mass in 100% by mass of the lithium-based polyanion particle (A),
The mass ratio ((A) :( B)) of the content of the lithium-based polyanion particles (A) and the content of the layered rock salt structure type lithium composite oxide particles (B) is 95: 5 to 70:30. is there.
このように、本発明のリチウムイオン二次電池用正極活物質複合物は、リチウム系ポリアニオン粒子(A)により形成される二次粒子の内部に、粒子(A)と特定の量的関係を有する層状岩塩構造型リチウム複合酸化物粒子(B)を内包してなる特異な形態を呈する複合物であり、層状岩塩構造型リチウム複合酸化物粒子(B)の表面をリチウム系ポリアニオン粒子(A)が被覆するように複合化しながら、リチウム系ポリアニオン粒子(A)自体が二次粒子を形成してなる複合物である。そのため、層状岩塩構造型リチウム複合酸化物粒子(B)に含まれる金属元素の溶出を効果的に抑制しつつ、オリビン型リン酸リチウム系化合物が主たる構成相でありながらも優れた体積エネルギー密度を有する正極を得ることができる。 Thus, the positive electrode active material composite for a lithium ion secondary battery of the present invention has a specific quantitative relationship with the particles (A) inside the secondary particles formed by the lithium-based polyanion particles (A). It is a composite exhibiting a peculiar form formed by encapsulating layered rock salt structure type lithium composite oxide particles (B). The surface of layered rock salt structure type lithium composite oxide particles (B) is covered with lithium-based polyanion particles (A). The lithium-based polyanion particle (A) itself is a composite formed by forming secondary particles while being composited so as to be coated. Therefore, while effectively suppressing the elution of the metal element contained in the layered rock salt structure type lithium composite oxide particles (B), the olivine type lithium phosphate compound has an excellent volume energy density while being the main constituent phase. The positive electrode which has can be obtained.
上記式(1)中のM1は、Co、Ni、Ca、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd又はGdを示す。また、上記式(1)中のa、b、c、及びdは、0.8≦a≦1.2、0≦b≦1.2、0≦c≦1.2、0≦d≦0.3、及びb+c≠0を満たし、かつa+2b+2c+(M 1 の価数)×d=3を満たす数を示す。
上記式(1)で表されるリチウム系ポリアニオン粒子(A)としては、リチウムイオン二次電池用正極活物質複合物の平均放電電圧の観点から、0.5≦b≦1.2が好ましく、0.6≦b≦1.1がより好ましく、0.65≦b≦1.05がさらに好ましい。具体的には、例えばLiMnPO4、LiMn0.9Fe0.1PO4、LiMn0.8Fe0.2PO4、LiMn0.75Fe0.15Mg0.1PO4、LiMn0.75Fe0.19Zr0.03PO4、LiMn0.7Fe0.3PO4、LiMn0.6Fe0.4PO4、LiMn0.5Fe0.5PO4、Li1.2Mn0.63Fe0.27PO4、Li0.8Mn0.79Fe0.31PO4等からなる粒子が挙げられる。なかでも、LiMn0.8Fe0.2PO4、Li1.2Mn0.63Fe0.27PO4、又はLi0.8Mn0.79Fe0.31PO4からなる粒子が好ましい。
M 1 in the above formula (1) represents Co, Ni, Ca, Sr, Y, Zr, Mo, Ba, Pb, Bi, La, Ce, Nd, or Gd. In the above formula (1), a, b, c, and d are 0.8 ≦ a ≦ 1.2, 0 ≦ b ≦ 1.2, 0 ≦ c ≦ 1.2, and 0 ≦ d ≦ 0. .3 and b + c ≠ 0 and a number satisfying a + 2b + 2c + (valence of M 1 ) × d = 3.
As the lithium-based polyanion particles (A) represented by the above formula (1), 0.5 ≦ b ≦ 1.2 is preferable from the viewpoint of the average discharge voltage of the positive electrode active material composite for lithium ion secondary batteries, 0.6 ≦ b ≦ 1.1 is more preferable, and 0.65 ≦ b ≦ 1.05 is even more preferable. Specifically, for example, LiMnPO 4 , LiMn 0.9 Fe 0.1 PO 4 , LiMn 0.8 Fe 0.2 PO 4 , LiMn 0.75 Fe 0.15 Mg 0.1 PO 4 , LiMn 0.75 Fe 0.19 Zr 0.03 PO 4 , LiMn 0.7 Fe 0.3 PO 4 , LiMn 0.6 Examples thereof include particles composed of Fe 0.4 PO 4 , LiMn 0.5 Fe 0.5 PO 4 , Li 1.2 Mn 0.63 Fe 0.27 PO 4 , Li 0.8 Mn 0.79 Fe 0.31 PO 4 and the like. Of these, LiMn 0.8 Fe 0.2 PO 4, Li 1.2 Mn 0.63 Fe 0.27 PO 4, or Li 0.8 Mn 0.79 Fe 0.31 consisting PO 4 particles are preferred.
上記式(2)中のM2は、Fe、Mn、Ca、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd又はGdを示す。また、上記式(2)中のe、f、g、及びhは、0.8≦e≦1.2、0≦f≦1.2、0≦g≦1.2、0≦h≦0.3、及びf+g≠0を満たし、かつe+2f+2g+(M2の価数)×h=3を満たす数を示す。
上記式(2)で表されるリチウム系ポリアニオン粒子(A)としては、上記式(1)同様に、リチウムイオン二次電池用正極活物質複合物の平均放電電圧の観点から、0.5≦f≦1.2が好ましく、0.6≦f≦1.1がより好ましく、0.65≦f≦1.05がさらに好ましい。具体的には、例えばLiCoPO4、LiCo0.25Ni0.25PO4、LiCo0.2Ni0.2Mn0.1PO4、LiCo0.2Ni0.2Fe0.1PO4、Li1.2Co0.63Ni0.27PO4、Li0.8Co0.79Ni0.31PO4等からなる粒子が挙げられる。なかでも、LiCoPO4、又はLiCo0.2Ni0.2Mn0.1PO4からなる粒子が好ましい。
M 2 in the above formula (2) represents Fe, Mn, Ca, Sr, Y, Zr, Mo, Ba, Pb, Bi, La, Ce, Nd, or Gd. In the above formula (2), e, f, g, and h are 0.8 ≦ e ≦ 1.2, 0 ≦ f ≦ 1.2, 0 ≦ g ≦ 1.2, and 0 ≦ h ≦ 0. 3 and f + g ≠ 0, and a number satisfying e + 2f + 2g + (valence of M 2 ) × h = 3.
As the lithium-based polyanion particles (A) represented by the above formula (2), in the same manner as the above formula (1), from the viewpoint of the average discharge voltage of the positive electrode active material composite for lithium ion secondary batteries, 0.5 ≦ f ≦ 1.2 is preferable, 0.6 ≦ f ≦ 1.1 is more preferable, and 0.65 ≦ f ≦ 1.05 is more preferable. Specifically, for example, LiCoPO 4 , LiCo 0.25 Ni 0.25 PO 4 , LiCo 0.2 Ni 0.2 Mn 0.1 PO 4 , LiCo 0.2 Ni 0.2 Fe 0.1 PO 4 , Li 1.2 Co 0.63 Ni 0.27 PO 4 , Li 0.8 Co 0.79 Ni 0.31 PO 4 particles and the like. Among them, LiCoPO 4, or particles consisting of LiCo 0.2 Ni 0.2 Mn 0.1 PO 4 are preferred.
さらに、互いに異なる2種以上の上記式(1)及び式(2)で表されるリチウム系ポリアニオン粒子は、コア部(内部)とシェル部(表層部)とを有するコア−シェル構造のリチウム系ポリアニオン粒子(A)を形成してもよい。
このコア−シェル構造を形成してなるリチウム系ポリアニオン粒子(A)とすることによって、リチウム系ポリアニオン粒子(A)から電解液に溶出しやすいMn含有量の多いリチウム系ポリアニオンをコア部に配置し、電解液に接するシェル部にはMn含有量の少ないリチウム系ポリアニオンを配置したり、人体や環境に対する毒性の強いCo含有量の多いリチウム系ポリアニオンをコア部に配置し、電解液に接するシェル部にはCo含有量の少ないリチウム系ポリアニオンを配置したりして、リチウム系ポリアニオン粒子に起因するサイクル特性の低下の抑制と安全性の確保をより向上させることができる。このとき、コア部は1相であってもよいし、組成の異なる2相以上で構成していてもよい。コア部を2相以上で構成する態様として、同心円状に複数の相が層状となって積層された構造でもよいし、コア部の表面から中心部に向けて遷移的に組成が変化する構造でもよい。
さらに、シェル部は、コア部の外側に形成されてなるものであればよく、コア部同様に1相であってもよいし、組成の異なる2相以上で構成していてもよい。
Further, two or more different lithium-based polyanion particles represented by the above formulas (1) and (2) have a core-shell structure lithium system having a core part (inside) and a shell part (surface layer part). Polyanion particles (A) may be formed.
By using the lithium-based polyanion particles (A) formed with this core-shell structure, a lithium-based polyanion having a high Mn content that is easily eluted from the lithium-based polyanion particles (A) into the electrolyte solution is disposed in the core portion. The shell part in contact with the electrolyte solution is arranged with a lithium polyanion having a low Mn content in the shell part, or a lithium type polyanion having a high Co content that is highly toxic to the human body and the environment. For example, a lithium-based polyanion having a low Co content may be disposed to further suppress the deterioration of the cycle characteristics due to the lithium-based polyanion particles and ensure safety. At this time, the core part may be a single phase or may be composed of two or more phases having different compositions. As an aspect in which the core part is composed of two or more phases, a structure in which a plurality of phases are concentrically stacked and laminated, or a structure in which the composition changes transitionally from the surface of the core part toward the center part may be used. Good.
Furthermore, the shell part should just be formed in the outer side of a core part, may be 1 phase like a core part, and may be comprised by 2 or more phases from which a composition differs.
このようなコア−シェル構造を形成してなるリチウム系ポリアニオン粒子(A)として、具体的には(コア部)−(シェル部)が、例えば(LiMnPO4)−(LiFePO4)、(LiCoPO4)−(LiNiPO4)、(LiMnPO4)−(LiNiPO4)、(LiCoPO4)−(LiFePO4)、又は(LiMn0.5Co0.5PO4)−(LiFePO4)等からなる粒子が挙げられる。 As the lithium-based polyanion particles (A) formed with such a core-shell structure, specifically, (core part)-(shell part) is, for example, (LiMnPO 4 )-(LiFePO 4 ), (LiCoPO 4 ). )-(LiNiPO 4 ), (LiMnPO 4 ) — (LiNiPO 4 ), (LiCoPO 4 ) — (LiFePO 4 ), or (LiMn 0.5 Co 0.5 PO 4 ) — (LiFePO 4 ) Can be mentioned.
上記式(1)又は式(2)で表されるリチウム系ポリアニオン粒子(A)の平均粒径は、層状岩塩構造型リチウム複合酸化物粒子(B)を内部に内包する二次粒子を形成するための、いわゆる一次粒子としての平均粒径であり、互いの粒子が密に複合化して二次粒子を形成しつつ、後述する層状岩塩構造型リチウム複合酸化物粒子(B)とも良好に複合化しつつ、これを二次粒子の内部に良好に内包する観点から、50nm〜300nmであって、好ましくは50nm〜250nmであり、特に好ましくは50nm〜200nmある。
ここで、平均粒径とは、SEM又はTEMの電子顕微鏡を用いた観察における、数十個の粒子の粒径(長軸の長さ)の測定値の平均値を意味する。
The average particle diameter of the lithium-based polyanion particles (A) represented by the above formula (1) or formula (2) forms secondary particles enclosing the layered rock salt structure type lithium composite oxide particles (B) inside. Therefore, it is an average particle size as so-called primary particles, and the particles are complexed well with the layered rock-salt structure type lithium composite oxide particles (B) described later while the particles are densely complexed to form secondary particles. However, from the viewpoint of satisfactorily enclosing this in the secondary particles, it is 50 nm to 300 nm, preferably 50 nm to 250 nm, and particularly preferably 50 nm to 200 nm.
Here, the average particle size means an average value of measured values of the particle size (length of major axis) of several tens of particles in observation using an SEM or TEM electron microscope.
上記式(1)又は式(2)で表されるリチウム系ポリアニオン粒子(A)の25℃での20MPa加圧時における電気伝導率は、1×10−7S/cm以上であることが好ましく、1×10−6S/cm以上であることがより好ましい。リチウム系ポリアニオン粒子(A)の電気伝導率の下限値は特に限定されない。 The electric conductivity of the lithium-based polyanion particles (A) represented by the above formula (1) or formula (2) at a pressure of 20 MPa at 25 ° C. is preferably 1 × 10 −7 S / cm or more. More preferably, it is 1 × 10 −6 S / cm or more. The lower limit value of the electrical conductivity of the lithium-based polyanion particle (A) is not particularly limited.
上記リチウム系ポリアニオン粒子(A)は、その表面に炭素(c)を担持してなる。かかる炭素(c)の担持量は、炭素(c)を担持してなるリチウム系ポリアニオン粒子(A)全量100質量%中に、0.1質量%以上18質量%未満であって、好ましくは1質量%〜11質量%であり、より好ましくは1質量%〜8質量%である。 The lithium-based polyanion particle (A) has carbon (c) supported on its surface. The supported amount of carbon (c) is 0.1% by mass or more and less than 18% by mass in 100% by mass of the total amount of lithium-based polyanion particles (A) formed by supporting carbon (c), preferably 1 It is from mass% to 11 mass%, more preferably from 1 mass% to 8 mass%.
なお、上記式(1)又は式(2)で表されるリチウム系ポリアニオン粒子(A)の表面に担持されてなる炭素(c)としては、後述するセルロースナノファイバー由来の炭素(c1)又は水溶性炭素材料由来の炭素(c2)が好ましい。なお、この場合、リチウム系ポリアニオン粒子(A)中における炭素(c)の担持量とは、セルロースナノファイバー由来の炭素(c1)及び水溶性炭素材料由来の炭素(c2)の炭素の合計担持量であり、上記炭素源であるセルロースナノファイバー又は水溶性炭素材料の炭素原子換算量に相当する。 In addition, as carbon (c) carry | supported by the surface of the lithium type polyanion particle (A) represented by the said Formula (1) or Formula (2), carbon (c1) derived from the cellulose nanofiber mentioned later or water-soluble Carbon (c2) derived from a functional carbon material is preferred. In this case, the supported amount of carbon (c) in the lithium-based polyanion particles (A) is the total supported amount of carbon (c1) derived from cellulose nanofibers and carbon (c2) derived from a water-soluble carbon material. It corresponds to the carbon atom equivalent amount of the cellulose nanofiber or water-soluble carbon material as the carbon source.
リチウム系ポリアニオン粒子(A)の表面に担持してなる、炭素源(c1)となる上記セルロースナノファイバーとは、全ての植物細胞壁の約5割を占める骨格成分であって、かかる細胞壁を構成する植物繊維をナノサイズまで解繊等することにより得ることができる軽量高強度繊維であり、セルロースナノファイバー由来の炭素は、周期的構造を有する。かかるセルロースナノファイバーの繊維径は、1nm〜100nmであり、水への良好な分散性も有している。また、セルロースナノファイバーを構成するセルロース分子鎖では、炭素による周期的構造が形成されていることから、これが炭化されつつ上記ポリアニオン粒子とも相まって、上記リチウム系ポリアニオン粒子(A)の表面に堅固に担持されることにより、これらポリアニオン粒子に電子伝導性を付与し、サイクル特性に優れる有用なリチウムイオン二次電池用正極活物質複合物を得ることができる。 The cellulose nanofibers to be the carbon source (c1) supported on the surface of the lithium-based polyanion particles (A) are skeletal components that occupy about 50% of all plant cell walls and constitute such cell walls. It is a lightweight high-strength fiber that can be obtained by defibrating plant fibers to nano size, and carbon derived from cellulose nanofibers has a periodic structure. The fiber diameter of the cellulose nanofiber is 1 nm to 100 nm, and has good dispersibility in water. In addition, since the cellulose molecular chain constituting the cellulose nanofiber has a periodic structure formed by carbon, it is carbonized and coupled with the polyanion particle, so that it is firmly supported on the surface of the lithium polyanion particle (A). By doing so, it is possible to obtain a useful positive electrode active material composite for a lithium ion secondary battery that imparts electronic conductivity to these polyanion particles and is excellent in cycle characteristics.
リチウム系ポリアニオン粒子(A)の表面に担持してなる、上記炭素源(c2)としての水溶性炭素材料とは、25℃の水100gに、水溶性炭素材料の炭素原子換算量で0.4g以上、好ましくは1.0g以上溶解する炭素材料を意味し、炭化されることで炭素として上記リチウム系ポリアニオン粒子(A)の表面に存在することとなる。かかる水溶性炭素材料としては、例えば、糖類、ポリオール、ポリエーテル、及び有機酸から選ばれる1種又は2種以上が挙げられる。より具体的には、例えば、グルコース、フルクトース、ガラクトース、マンノース等の単糖類;マルトース、スクロース、セロビオース等の二糖類;デンプン、デキストリン等の多糖類;エチレングリコール、プロピレングリコール、ジエチレングリコール、ポリエチレングリコール、ブタンジオール、プロパンジオール、ポリビニルアルコール、グリセリン等のポリオールやポリエーテル;クエン酸、酒石酸、アスコルビン酸等の有機酸が挙げられる。なかでも、溶媒への溶解性及び分散性を高めて炭素材料として効果的に機能させる観点から、グルコース、フルクトース、スクロース、デキストリンが好ましく、グルコースがより好ましい。 The water-soluble carbon material as the carbon source (c2) supported on the surface of the lithium-based polyanion particle (A) is 0.4 g in terms of carbon atoms of the water-soluble carbon material in 100 g of water at 25 ° C. As mentioned above, it means a carbon material that dissolves preferably in an amount of 1.0 g or more. When carbonized, carbon is present on the surface of the lithium-based polyanion particle (A) as carbon. Examples of the water-soluble carbon material include one or more selected from saccharides, polyols, polyethers, and organic acids. More specifically, for example, monosaccharides such as glucose, fructose, galactose and mannose; disaccharides such as maltose, sucrose and cellobiose; polysaccharides such as starch and dextrin; ethylene glycol, propylene glycol, diethylene glycol, polyethylene glycol and butane Examples include polyols and polyethers such as diol, propanediol, polyvinyl alcohol, and glycerin; and organic acids such as citric acid, tartaric acid, and ascorbic acid. Among these, glucose, fructose, sucrose, and dextrin are preferable, and glucose is more preferable from the viewpoint of improving the solubility and dispersibility in a solvent and effectively functioning as a carbon material.
なお、リチウム系ポリアニオン粒子(A)の表面に存在する炭素(c)の担持量(炭素(c)がセルロースナノファイバー由来の炭素(c1)又は水溶性炭素材料由来の炭素(c2)である場合には、これらの炭素原子換算量)は、リチウム系ポリアニオン粒子(A)について炭素・硫黄分析装置を用いて測定した炭素量として、確認することができる。 The amount of carbon (c) supported on the surface of the lithium-based polyanion particles (A) (when carbon (c) is carbon (c1) derived from cellulose nanofibers or carbon (c2) derived from a water-soluble carbon material) These carbon atom equivalent amounts) can be confirmed as the carbon amount measured for the lithium-based polyanion particles (A) using a carbon / sulfur analyzer.
上記式(3)で表される層状岩塩構造型リチウム複合酸化物粒子(B)は、いわゆるLi−Ni−Co−Mn酸化物粒子であり、以後「NCM系複合酸化物粒子」と称する。また、上記式(4)で表される層状岩塩構造型リチウムニッケル複合酸化物粒子(B)は、いわゆるLi−Ni−Co−Al酸化物粒子であり、以後「NCA系複合酸化物粒子」と称する。 The layered rock salt structure type lithium composite oxide particles (B) represented by the above formula (3) are so-called Li—Ni—Co—Mn oxide particles, and are hereinafter referred to as “NCM composite oxide particles”. The layered rock salt structure type lithium nickel composite oxide particles (B) represented by the above formula (4) are so-called Li—Ni—Co—Al oxide particles, and are hereinafter referred to as “NCA composite oxide particles”. Called.
上記式(3)中のM3は、Mg、Ti、Nb、Fe、Cr、Si、Al、Ga、V、Zn、Cu、Sr、Mo、Zr、Sn、Ta、W、La、Ce、Pb、Bi及びGeから選ばれる1種又は2種以上の元素を示す。
また、上記式(3)中のi、j、k、lは、0.3≦i<1、0<j≦0.7、0<k≦0.7、0≦l≦0.3、かつ3i+3j+3k+(M3の価数)×l=3を満たす数である。
M 3 in the above formula (3) is Mg, Ti, Nb, Fe, Cr, Si, Al, Ga, V, Zn, Cu, Sr, Mo, Zr, Sn, Ta, W, La, Ce, Pb One or more elements selected from Bi, Ge and Ge are shown.
In the above formula (3), i, j, k, and l are 0.3 ≦ i <1, 0 <j ≦ 0.7, 0 <k ≦ 0.7, 0 ≦ l ≦ 0.3, And 3i + 3j + 3k + (valence of M 3 ) × l = 3.
上記式(3)で表されるNCM系複合酸化物粒子において、Ni、Co及びMnは、電子伝導性に優れ、電池容量及び出力特性に寄与することが知られている。また、サイクル特性の観点からは、かかる遷移元素の一部が他の金属元素M3により置換されていることが好ましい。これら金属元素M3により置換されることにより、式(3)で表されるNCM系複合酸化物粒子の結晶構造が安定化されるため、充放電を繰り返しても結晶構造の崩壊が抑制でき、優れたサイクル特性が実現し得ると考えられる。
上記式(3)で表されるNCM系複合酸化物粒子としては、具体的には、例えばLiNi0.33Co0.33 Mn0.34O2、LiNi0.8Co0.1Mn 0.1O2、LiNi0.6Co0.2Mn 0.2O2、LiNi0.2Co0.4Mn0.4O2、LiNi0.33Co0.31Mn0.33Mg0.03O2、及びLiNi0.33Co0.31Mn0.33Zn0.03O2等からなる粒子が挙げられる。なかでも、放電容量を重視する場合には、LiNi0.8Co0.1Mn 0.1O2、LiNi0.6Co0.2Mn 0.2O2等のNi量の多い組成からなる粒子が好ましく、サイクル特性を重視する場合には、LiNi0.33Co0.33 Mn0.34O2、LiNi0.33Co0.31Mn0.33Mg0.03O2等のNi量の少ない組成からなる粒子が好ましい。
In the NCM composite oxide particles represented by the above formula (3), it is known that Ni, Co and Mn are excellent in electron conductivity and contribute to battery capacity and output characteristics. Further, from the viewpoint of cycle characteristics, it is preferable that a part of the transition element is substituted with another metal element M 3 . By substituting with these metal elements M 3, the crystal structure of the NCM composite oxide particles represented by the formula (3) is stabilized, so that the collapse of the crystal structure can be suppressed even after repeated charge and discharge, It is considered that excellent cycle characteristics can be realized.
Specific examples of the NCM composite oxide particles represented by the above formula (3) include LiNi 0.33 Co 0.33 Mn 0.34 O 2 , LiNi 0.8 Co 0.1 Mn 0.1 O 2 , LiNi 0.6 Co 0.2 Mn 0.2 O 2. , LiNi 0.2 Co 0.4 Mn 0.4 O 2 , LiNi 0.33 Co 0.31 Mn 0.33 Mg 0.03 O 2 , LiNi 0.33 Co 0.31 Mn 0.33 Zn 0.03 O 2 and the like. Among them, when importance is attached to the discharge capacity, particles having a composition with a large amount of Ni, such as LiNi 0.8 Co 0.1 Mn 0.1 O 2 and LiNi 0.6 Co 0.2 Mn 0.2 O 2 , are preferable. Particles having a composition with a small amount of Ni, such as LiNi 0.33 Co 0.33 Mn 0.34 O 2 and LiNi 0.33 Co 0.31 Mn 0.33 Mg 0.03 O 2, are preferable.
さらに、互いに異なる2種以上の上記式(3)で表されるNCM系複合酸化物粒子は、コア部(内部)とシェル部(表層部)とを有するコア−シェル構造の層状岩塩構造型リチウム複合酸化物粒子(B)を形成してもよい。
このコア−シェル構造を形成してなる層状岩塩構造型リチウム複合酸化物粒子(B)とすることによって、電解液に溶出しやすい上に安全性に悪影響を与える酸素を放出しやすい、或いは固体電解質において固体電解質と反応しやすいNi濃度の高いNCM系複合酸化物粒子をコア部に配置し、電解液に接するシェル部にはNi濃度の低いNCM系複合酸化物粒子を配置することができるので、サイクル特性の低下の抑制と安全性の確保をより向上させることができる。このとき、コア部は1相であってもよいし、組成の異なる2相以上で構成していてもよい。コア部を2相以上で構成する態様として、同心円状に複数の相が層状となって積層された構造でもよいし、コア部の表面から中心部に向けて遷移的に組成が変化する構造でもよい。
さらに、シェル部は、コア部の外側に形成されてなるものであればよく、コア部同様に1相であってもよいし、組成の異なる2相以上で構成していてもよい。
Further, two or more different NCM-based composite oxide particles represented by the above formula (3) are core-shell structure layered rock salt type lithium having a core part (inside) and a shell part (surface part). Composite oxide particles (B) may be formed.
By forming the layered rock salt structure type lithium composite oxide particles (B) formed with this core-shell structure, it is easy to elute into the electrolyte solution and easily release oxygen which adversely affects safety, or a solid electrolyte. NCM composite oxide particles having a high Ni concentration that easily react with a solid electrolyte in the core portion, and NCM composite oxide particles having a low Ni concentration can be placed in the shell portion in contact with the electrolyte solution. Suppression of deterioration of cycle characteristics and securing of safety can be further improved. At this time, the core part may be a single phase or may be composed of two or more phases having different compositions. As an aspect in which the core part is composed of two or more phases, a structure in which a plurality of phases are concentrically stacked and laminated, or a structure in which the composition changes transitionally from the surface of the core part toward the center part may be used. Good.
Furthermore, the shell part should just be formed in the outer side of a core part, may be 1 phase like a core part, and may be comprised by 2 or more phases from which a composition differs.
このような組成が異なる2種以上のNCM系複合酸化物粒子によってコア−シェル構造を形成してなる層状岩塩構造型リチウム複合酸化物粒子(B)として、具体的には(コア部)−(シェル部)が、例えば(LiNi0.8Co0.1Mn 0.1O2)−(LiNi0.2Co0.4Mn0.4O2)、(LiNi0.8Co0.1Mn 0.1O2)−(LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2)、又は(LiNi0.8Co0.1Mn 0.1O2)−(LiNi0.33Co0.31Mn0.33Mg0.03O2)等からなる粒子が挙げられる。 As the layered rock salt structure type lithium composite oxide particles (B) formed by forming a core-shell structure with two or more kinds of NCM composite oxide particles having different compositions, specifically, (core part)-( Shell part) is, for example, (LiNi 0.8 Co 0.1 Mn 0.1 O 2 )-(LiNi 0.2 Co 0.4 Mn 0.4 O 2 ), (LiNi 0.8 Co 0.1 Mn 0.1 O 2 )-(LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1 / 3 O 2 ), or (LiNi 0.8 Co 0.1 Mn 0.1 O 2 )-(LiNi 0.33 Co 0.31 Mn 0.33 Mg 0.03 O 2 ) or the like.
上記式(4)中のM4は、Mg、Ti、Nb、Fe、Cr、Si、Ga、V、Zn、Cu、Sr、Mo、Zr、Sn、Ta、W、La、Ce、Pb、Bi及びGeから選ばれる1種又は2種以上の元素を示す。
また、上記式(4)中のm、n、o、pは、0.4≦m<1、0<n≦0.6、0<o≦0.3、0≦p≦0.3、かつ3m+3n+3o+(M2の価数)×p=3を満たす数である。
M 4 in the above formula (4) is Mg, Ti, Nb, Fe, Cr, Si, Ga, V, Zn, Cu, Sr, Mo, Zr, Sn, Ta, W, La, Ce, Pb, Bi. And one or more elements selected from Ge.
In the above formula (4), m, n, o and p are 0.4 ≦ m <1, 0 <n ≦ 0.6, 0 <o ≦ 0.3, 0 ≦ p ≦ 0.3, And 3m + 3n + 3o + (valence of M 2 ) × p = 3.
上記式(4)で表されるNCA系複合酸化物粒子は、式(3)で表されるNCM系複合酸化物粒子よりも、さらに電池容量及び出力特性に優れている。加えて、Alの含有により、雰囲気中の湿分による変質も生じ難く、安全性にも優れている。
上記式(4)で表されるNCA系複合酸化物粒子としては、具体的には、例えばLiNi0.33Co0.33Al0.34O2、LiNi0.8Co0.1Al0.1O2、LiNi0.8Co0.15Al0.03Mg0.03O2、LiNi0.8Co0.15Al0.03Zn0.03O2等からなる粒子が挙げられる。なかでもLiNi0.8Co0.15Al0.03Mg0.03O2からなる粒子が好ましい。
The NCA-based composite oxide particles represented by the above formula (4) are more excellent in battery capacity and output characteristics than the NCM-based complex oxide particles represented by the formula (3). In addition, due to the inclusion of Al, alteration due to moisture in the atmosphere hardly occurs, and the safety is excellent.
Specific examples of the NCA-based composite oxide particles represented by the above formula (4) include LiNi 0.33 Co 0.33 Al 0.34 O 2 , LiNi 0.8 Co 0.1 Al 0.1 O 2 , LiNi 0.8 Co 0.15 Al 0.03 Mg 0.03 Examples thereof include particles made of O 2 , LiNi 0.8 Co 0.15 Al 0.03 Zn 0.03 O 2 or the like. Among these, particles made of LiNi 0.8 Co 0.15 Al 0.03 Mg 0.03 O 2 are preferable.
本発明の層状岩塩構造型リチウム複合酸化物粒子(B)は、上記式(3)で表されるNCM系複合酸化物粒子と上記式(4)で表されるNCA系複合酸化物粒子が混在していてもよい。その混在状態は、上記式(3)で表されるNCM系複合酸化物粒子の一次粒子と上記式(4)で表されるNCA系複合酸化物粒子の一次粒子が共存してなる二次粒子を形成してもよく、また上記式(3)で表されるNCM系複合酸化物粒子のみからなる二次粒子と上記式(4)で表されるNCA系複合酸化物粒子のみからなる二次粒子とが混在してもよく、さらには上記式(3)で表されるNCM系複合酸化物粒子の一次粒子と上記式(4)で表されるNCA系複合酸化物粒子の一次粒子が共存してなる二次粒子、上記式(3)で表されるNCM系複合酸化物粒子のみからなる二次粒子及び上記式(4)で表されるNCA系複合酸化物粒子のみからなる二次粒子とが混在するものであってもよい。さらに、上記式(3)で表されるNCM系複合酸化物粒子のみからなる二次粒子である場合、互いに組成が異なる2種以上のNCM系複合酸化物粒子によって、コア−シェル構造を形成してなるものであってもよい。 The layered rock salt structure type lithium composite oxide particles (B) of the present invention are a mixture of NCM composite oxide particles represented by the above formula (3) and NCA composite oxide particles represented by the above formula (4). You may do it. The mixed state is a secondary particle in which the primary particles of the NCM composite oxide particles represented by the above formula (3) and the primary particles of the NCA composite oxide particles represented by the above formula (4) coexist. And a secondary particle composed only of the NCM-based composite oxide particles represented by the above formula (3) and a secondary particle composed only of the NCA-based composite oxide particles represented by the above formula (4). The primary particles of the NCM composite oxide particles represented by the above formula (3) and the primary particles of the NCA composite oxide particles represented by the above formula (4) may coexist. Secondary particles composed only of NCM-based composite oxide particles represented by the above formula (3) and secondary particles composed only of NCA-based composite oxide particles represented by the above formula (4). May be mixed. Furthermore, in the case of secondary particles consisting only of NCM composite oxide particles represented by the above formula (3), a core-shell structure is formed by two or more types of NCM composite oxide particles having different compositions. It may be.
上記式(3)で表されるNCM系複合酸化物粒子と上記式(4)で表されるNCA系複合酸化物粒子が混在する場合の、NCM系複合酸化物粒子とNCA系複合酸化物粒子の割合(質量%)は、求める電池特性によって適宜調整すればよい。例えば、レート特性を重視する場合には、上記式(4)で表されるNCM系複合酸化物粒子が占める割合を多くするのが好ましく、具体的には、NCM系複合酸化物粒子とNCA系複合酸化物粒子の質量比(NCM系複合酸化物粒子:NCA系複合酸化物)は、99.9:0.1〜60:40であるのが好ましい。また、例えば、電池容量を重視する場合には、上記式(4)で表されるNCA系複合酸化物粒子が占める割合を多くするのが好ましく、具体的には、例えばNCM系複合酸化物粒子とNCA系複合酸化物粒子の質量比(NCM系複合酸化物粒子:NCA系複合酸化物)は、40:60〜0.1:99.9であるのが好ましい。 NCM composite oxide particles and NCA composite oxide particles when the NCM composite oxide particles represented by the above formula (3) and the NCA composite oxide particles represented by the above formula (4) coexist. The proportion (mass%) of the material may be appropriately adjusted according to the required battery characteristics. For example, when importance is attached to the rate characteristics, it is preferable to increase the proportion of the NCM composite oxide particles represented by the above formula (4). Specifically, the NCM composite oxide particles and the NCA system are used. The mass ratio of the composite oxide particles (NCM composite oxide particles: NCA composite oxide) is preferably 99.9: 0.1-60: 40. In addition, for example, when importance is attached to battery capacity, it is preferable to increase the proportion of the NCA-based composite oxide particles represented by the above formula (4). Specifically, for example, NCM-based composite oxide particles The mass ratio of NCA-based composite oxide particles (NCM-based composite oxide particles: NCA-based composite oxide) is preferably 40:60 to 0.1: 99.9.
上記式(3)で表されるNCM系複合酸化物粒子及び/又は上記式(4)で表されるNCA系複合酸化物粒子(B)の表面は、リチウム系ポリアニオン粒子(A)が被覆するように複合化して、かかる粒子(B)を内包しながら二次粒子を形成しているため、NCM系複合酸化物粒子又はNCA系複合酸化物粒子に含まれる金属元素の溶出を抑制することができる。 The surface of the NCM composite oxide particles represented by the above formula (3) and / or the NCA composite oxide particles (B) represented by the above formula (4) is covered with the lithium polyanion particles (A). In this way, secondary particles are formed while encapsulating the particles (B), so that elution of metal elements contained in the NCM-based composite oxide particles or NCA-based composite oxide particles can be suppressed. it can.
上記式(3)又は式(4)で表される層状岩塩構造型リチウム複合酸化物粒子(B)の一次粒子としての平均粒径は、好ましくは500nm以下であり、より好ましくは300nm以下である。このように、層状岩塩構造型リチウム複合酸化物粒子(B)の一次粒子としての平均粒径を少なくとも500nm以下にすることで、リチウムイオンの挿入及び脱離に伴う上記一次粒子の膨張収縮量を抑制することができ、粒子割れを有効に防止することができる。なお、上記一次粒子としての平均粒径の下限値は特に限定されないが、ハンドリングの観点から、50nm以上が好ましい。
また、上記一次粒子が凝集して形成する層状岩塩構造型リチウム複合酸化物粒子(B)の平均粒径は、好ましくは500nm〜20μmであり、より好ましくは500nm〜18μmであり、特に好ましくは500nm〜15μmである。層状岩塩構造型リチウム複合酸化物粒子(B)の平均粒径を上記範囲とすることで、放電容量に優れたリチウムイオン二次電池を得ることができる。
なお、本明細書において、層状岩塩構造型リチウム複合酸化物粒子(B)は、二次粒子を形成してなる一次粒子のみを含み、リチウム系ポリアニオン粒子(A)や、セルロースナノファイバー由来の炭素(c1)又は水溶性炭素材料由来の炭素(c2)等、その他の成分を含まない。
The average particle size as the primary particles of the layered rock salt structure type lithium composite oxide particles (B) represented by the above formula (3) or formula (4) is preferably 500 nm or less, more preferably 300 nm or less. . Thus, by making the average particle size as the primary particles of the layered rock salt structure type lithium composite oxide particles (B) at least 500 nm or less, the expansion and contraction amount of the primary particles accompanying the insertion and desorption of lithium ions can be reduced. It can be suppressed and particle cracking can be effectively prevented. The lower limit of the average particle diameter as the primary particles is not particularly limited, but is preferably 50 nm or more from the viewpoint of handling.
The average particle size of the layered rock salt structure type lithium composite oxide particles (B) formed by aggregation of the primary particles is preferably 500 nm to 20 μm, more preferably 500 nm to 18 μm, and particularly preferably 500 nm. ~ 15 μm. By setting the average particle size of the layered rock salt structure type lithium composite oxide particles (B) within the above range, a lithium ion secondary battery having excellent discharge capacity can be obtained.
In this specification, the layered rock salt structure type lithium composite oxide particles (B) include only primary particles formed of secondary particles, and include lithium-based polyanion particles (A) and carbon derived from cellulose nanofibers. It does not contain other components such as (c1) or carbon (c2) derived from a water-soluble carbon material.
上記式(3)で表されるNCM系複合酸化物粒子が、層状岩塩構造型リチウム複合酸化物粒子(B)おいてコア−シェル構造を形成してなる場合、コア部を形成する一次粒子としての平均粒径は、好ましくは50nm〜500nmであり、より好ましくは50nm〜300nmである。そして、上記一次粒子が凝集して形成するコア部の平均粒径は、好ましくは100nm〜15μmであり、より好ましくは400nm〜12.5μmである。
また、かかるコア部の表面を被覆するシェル部を構成するNCM系複合酸化物粒子の一次粒子としての平均粒径は、好ましくは50nm〜500nmであり、より好ましくは50nm〜300nmであって、かかる一次粒子が凝集して形成するシェル部の層厚は、好ましくは100nm〜5μmであり、より好ましくは100nm〜2.5μmである。
When the NCM composite oxide particles represented by the above formula (3) form a core-shell structure in the layered rock salt structure type lithium composite oxide particles (B), the primary particles forming the core portion The average particle size of is preferably 50 nm to 500 nm, more preferably 50 nm to 300 nm. And the average particle diameter of the core part which aggregates and forms the said primary particle becomes like this. Preferably they are 100 nm-15 micrometers, More preferably, they are 400 nm-12.5 micrometers.
Further, the average particle size as the primary particles of the NCM composite oxide particles constituting the shell portion covering the surface of the core portion is preferably 50 nm to 500 nm, more preferably 50 nm to 300 nm. The layer thickness of the shell part formed by aggregation of the primary particles is preferably 100 nm to 5 μm, more preferably 100 nm to 2.5 μm.
上記式(3)又は式(4)で表される層状岩塩構造型リチウム複合酸化物粒子(B)の内部空隙率は、リチウムイオンの挿入に伴う層状岩塩構造型リチウム複合酸化物粒子(B)の一次粒子の膨張を二次粒子の内部空隙内で許容させる観点、及び得られる正極活物質のエネルギー密度を向上させる観点から、層状岩塩構造型リチウム複合酸化物粒子(B)の100体積%中、3体積%〜10体積%が好ましく、3体積%〜8体積%がより好ましい。 The internal porosity of the layered rock salt structure type lithium composite oxide particles (B) represented by the above formula (3) or formula (4) is the layered rock salt structure type lithium composite oxide particles (B) accompanying the insertion of lithium ions. From the viewpoint of allowing expansion of the primary particles in the internal voids of the secondary particles and improving the energy density of the positive electrode active material obtained, in 100% by volume of the layered rock salt structure type lithium composite oxide particles (B) 3 volume%-10 volume% are preferable, and 3 volume%-8 volume% are more preferable.
本発明のリチウムイオン二次電池用正極活物質複合物において、二次粒子を形成してなり、かつ表面に炭素(c)を担持してなるリチウム系ポリアニオン粒子(A)の含有量(炭素(c)の担持量を含む)と、層状岩塩構造型リチウム複合酸化物粒子(B)の含有量との質量比((A):(B))は、好ましくは95:5〜70:30であり、より好ましくは90:10〜75:30である。 In the positive electrode active material composite for a lithium ion secondary battery of the present invention, the content of the lithium-based polyanion particles (A) formed of secondary particles and carrying carbon (c) on the surface (carbon ( c)) and the content of the layered rock-salt structure type lithium composite oxide particles (B) is preferably 95: 5 to 70:30. Yes, more preferably 90:10 to 75:30.
本発明のリチウムイオン二次電池用正極活物質複合物は、リチウム系ポリアニオン粒子(A)が複合化してなる二次粒子の内部に、層状岩塩構造型リチウム複合酸化物粒子(B)が内包されてなる。すなわち、本発明のリチウムイオン二次電池用正極活物質複合物の表面には、層状岩塩構造型リチウム複合酸化物粒子(B)が存在することなく、表面に炭素(c)を担持して二次粒子を形成してなるリチウム系ポリアニオン粒子(A)のみが存在し、上記層状岩塩構造型リチウム複合酸化物粒子(B)がリチウムイオン二次電池用正極活物質複合物表面において露出することなく、完全に内包されてなる。
このように、層状岩塩構造型リチウム複合酸化物粒子(B)の内包の程度は、ラマン分光法によって評価することができる。具体的には、本発明のリチウムイオン二次電池用正極活物質複合物の表面層であって、二次粒子を形成してなるリチウム系ポリアニオン粒子(A)の表面に担持してなる炭素(c)は、ラマン分光法により求められるラマンスペクトルにおいて、Dバンド(ピーク位置:1350cm-1付近)とGバンド(ピーク位置:1590cm-1付近)として確認できる。一方、層状岩塩構造型リチウム複合酸化物粒子(B)は、ラマン分光法により求められるラマンスペクトルにおいて、530cm-1付近のピークとして確認できる。したがって、本発明のリチウムイオン二次電池用正極活物質複合物のように、層状岩塩構造型リチウム複合酸化物粒子(B)が、リチウム系ポリアニオン粒子(A)により形成されてなる二次粒子の内部に完全に内包されている場合は、リチウムイオン二次電池用正極活物質複合物のラマンスペクトルにおいて、530cm-1±5cm-1にピークは確認されず、炭素(c)によるDバンド及びGバンドが観測される。
In the positive electrode active material composite for a lithium ion secondary battery of the present invention, the layered rock salt structure type lithium composite oxide particles (B) are encapsulated in the secondary particles formed by complexing the lithium-based polyanion particles (A). It becomes. That is, on the surface of the positive electrode active material composite for a lithium ion secondary battery of the present invention, the layered rock salt structure type lithium composite oxide particles (B) are not present, and carbon (c) is supported on the surface. Only lithium-based polyanion particles (A) formed of secondary particles are present, and the layered rock-salt structure type lithium composite oxide particles (B) are not exposed on the surface of the positive electrode active material composite for lithium ion secondary batteries. It is completely contained.
Thus, the degree of inclusion of the layered rock salt structure type lithium composite oxide particles (B) can be evaluated by Raman spectroscopy. Specifically, it is a surface layer of the positive electrode active material composite for a lithium ion secondary battery of the present invention, and is a carbon layer (A) supported on the surface of lithium-based polyanion particles (A) formed with secondary particles ( c) is in the Raman spectrum obtained by Raman spectroscopy, D band (peak position: 1350 cm -1 vicinity) and G band (peak position: it can be confirmed as 1590cm around -1). On the other hand, the layered rock salt structure type lithium composite oxide particles (B) can be confirmed as a peak near 530 cm −1 in the Raman spectrum obtained by Raman spectroscopy. Therefore, as in the positive electrode active material composite for a lithium ion secondary battery of the present invention, the layered rock salt structure type lithium composite oxide particles (B) are secondary particles formed of lithium-based polyanion particles (A). If they are completely included therein, in the Raman spectrum of the positive active material composite for a lithium ion secondary battery, peak at 530 cm -1 ± 5 cm -1 is not observed, D band and G with carbon (c) A band is observed.
本発明のリチウムイオン二次電池用正極活物質複合物の製造方法は、次の工程(I)〜(II):
(I)リチウム化合物、少なくとも鉄化合物又はマンガン化合物を含む金属化合物、及びリン酸化合物の水熱反応物と、或いはリチウム化合物、少なくともコバルト化合物又はニッケル化合物を含む金属化合物、及びリン酸化合物の水熱反応物と、炭素源(C)とを用いた噴霧乾燥により、空隙率が45体積%〜80体積%であり、かつ表面に炭素(c)を担持してなるリチウム系ポリアニオン粒子(A)から形成されてなる造粒体(D)を得る工程、並びに
(II)工程(I)で得られたリチウム系ポリアニオン粒子(A)と、層状岩塩構造型リチウム複合酸化物粒子(B)とを、圧縮力及びせん断力を付加しながら混合して複合化する工程
を備える。
The method for producing a positive electrode active material composite for a lithium ion secondary battery of the present invention includes the following steps (I) to (II):
(I) Hydrothermal reaction product of lithium compound, metal compound containing at least iron compound or manganese compound, and phosphoric acid compound, or hydrothermal reaction product of lithium compound, metal compound containing at least cobalt compound or nickel compound, and phosphoric acid compound From the lithium-based polyanion particles (A) having a porosity of 45% to 80% by volume and carrying carbon (c) on the surface by spray drying using the reactant and the carbon source (C). A step of obtaining a granulated body (D) formed, and (II) the lithium-based polyanion particles (A) obtained in step (I), and the layered rock-salt structure type lithium composite oxide particles (B), A step of mixing and combining while applying a compressive force and a shearing force is provided.
また、本発明のリチウムイオン二次電池用正極活物質複合物の製造方法において、
工程(II)に先立ち、別途上記層状岩塩構造型リチウム複合酸化物粒子(B)を製造する工程(III)を備えることができる。
In the method for producing a positive electrode active material composite for a lithium ion secondary battery of the present invention,
Prior to the step (II), a step (III) of separately producing the layered rock salt structure type lithium composite oxide particles (B) can be provided.
工程(I)は、リチウム化合物、少なくとも鉄化合物又はマンガン化合物を含む金属化合物、及びリン酸化合物の水熱反応物と、或いはリチウム化合物、少なくともコバルト化合物又はニッケル化合物を含む金属化合物、及びリン酸化合物の水熱反応物と、炭素源(C)とを用いた噴霧乾燥により、空隙率が45体積%〜80体積%であり、かつ表面に炭素(c)を担持してなるリチウム系ポリアニオン粒子(A)から形成されてなる造粒体(D)を得る工程である。
すなわち、工程(I)で用いる水熱反応物は、リチウム化合物、少なくとも鉄化合物又はマンガン化合物を含む金属化合物、及びリン酸化合物を水熱反応に付すか、或いはリチウム化合物、少なくともコバルト化合物又はニッケル化合物を含む金属化合物、及びリン酸化合物を水熱反応に付して得られるリチウム系ポリアニオン粒子(A)の一次粒子である。工程(I)では、次いでかかる一次粒子と、炭素源(C)を含むスラリーを噴霧乾燥して造粒した後、焼成することにより、空隙率を45体積%〜80体積%に調整しつつ、表面に炭素(c)が担持されたリチウム系ポリアニオン粒子(A)からなる造粒体(D)を得る。
工程(I)は、より具体的には、次の(i)〜(iv):
(i)リチウム化合物を含む混合物(I−1)に、リン酸化合物を混合して複合体(I−2)を得る工程、
(ii)得られた複合体(I−2)と、少なくとも鉄化合物又はマンガン化合物を含む金属化合物を含有するスラリー(I−3)を得た後、或いは少なくともコバルト化合物又はニッケル化合物を含む金属化合物を含有するスラリー(I−3’)を得た後、スラリー(I−3)又はスラリー(I−3’)を水熱反応に付して複合体(I−4)を得る工程、
(iii)得られた複合体(I−4)と、炭素源(C)を含むスラリー(I−5)を調整した後、スラリー(I−5)を噴霧乾燥して、リチウム系ポリアニオン粒子(A)と炭素源(C)からなる予備造粒体(I−6)を得る工程、
(iv)得られた予備造粒体(I−6)を還元雰囲気又は不活性雰囲気中で焼成して、表面に炭素(c)を担持してなるリチウム系ポリアニオン粒子(A)から形成されてなる造粒体(D)を得る工程
を備える。
Step (I) includes a lithium compound, a metal compound containing at least an iron compound or a manganese compound, and a hydrothermal reaction product of a phosphate compound, or a lithium compound, a metal compound containing at least a cobalt compound or a nickel compound, and a phosphate compound. Lithium-based polyanion particles having a porosity of 45% by volume to 80% by volume and carrying carbon (c) on the surface by spray drying using the hydrothermal reaction product of and a carbon source (C) ( This is a step of obtaining a granulated body (D) formed from A).
That is, the hydrothermal reactant used in step (I) is a lithium compound, a metal compound containing at least an iron compound or a manganese compound, and a phosphoric acid compound subjected to a hydrothermal reaction, or a lithium compound, at least a cobalt compound or a nickel compound. Primary particles of lithium-based polyanion particles (A) obtained by hydrothermal reaction of a metal compound containing phosphine and a phosphoric acid compound. In the step (I), the slurry containing the primary particles and the carbon source (C) is spray dried and granulated, and then calcined to adjust the porosity to 45 vol% to 80 vol%, A granulated body (D) comprising lithium-based polyanion particles (A) having carbon (c) supported on the surface is obtained.
More specifically, step (I) includes the following (i) to (iv):
(I) a step of obtaining a composite (I-2) by mixing a phosphate compound with a mixture (I-1) containing a lithium compound;
(Ii) After obtaining the slurry (I-3) containing the obtained composite (I-2) and a metal compound containing at least an iron compound or a manganese compound, or a metal compound containing at least a cobalt compound or a nickel compound A slurry (I-3 ′) containing, and then subjecting the slurry (I-3) or the slurry (I-3 ′) to a hydrothermal reaction to obtain a composite (I-4),
(Iii) After preparing the obtained composite (I-4) and the slurry (I-5) containing the carbon source (C), the slurry (I-5) is spray-dried to obtain lithium-based polyanion particles ( A step of obtaining a pre-granulated product (I-6) comprising A) and a carbon source (C);
(Iv) The obtained pre-granulated product (I-6) is fired in a reducing atmosphere or an inert atmosphere, and formed from lithium-based polyanion particles (A) having carbon (c) supported on the surface. The process of obtaining the granulated body (D) which becomes.
上記工程(i)は、リチウム化合物を含む混合物(I−1)に、リン酸化合物を混合して複合体(I−2)を得る工程である。
用い得るリチウム化合物としては、水酸化リチウム(例えばLiOH、LiOH・H2O)、炭酸リチウム、硫酸リチウム、酢酸リチウムが挙げられる。なかでも、水酸化リチウムが好ましい。
混合物(I−1)中におけるリチウム化合物の含有量は、水100質量部に対し、好ましくは5質量部〜50質量部であり、より好ましくは7質量部〜45質量部である。
The said process (i) is a process of mixing a phosphoric acid compound with the mixture (I-1) containing a lithium compound, and obtaining a composite_body | complex (I-2).
Examples of the lithium compound that can be used include lithium hydroxide (for example, LiOH, LiOH.H 2 O), lithium carbonate, lithium sulfate, and lithium acetate. Of these, lithium hydroxide is preferable.
The content of the lithium compound in the mixture (I-1) is preferably 5 to 50 parts by mass, more preferably 7 to 45 parts by mass with respect to 100 parts by mass of water.
混合物(I−1)にリン酸化合物を混合する前に、予め混合物(I−1)を撹拌しておくのが好ましい。かかる混合物(I−1)の撹拌時間は、好ましくは1分間〜15分間であり、より好ましくは3分間〜10分間である。また、混合物(I−1)の温度は、好ましくは20℃〜90℃であり、より好ましくは20℃〜70℃である。 It is preferable to stir the mixture (I-1) in advance before mixing the phosphoric acid compound with the mixture (I-1). The stirring time of the mixture (I-1) is preferably 1 minute to 15 minutes, more preferably 3 minutes to 10 minutes. Moreover, the temperature of mixture (I-1) becomes like this. Preferably it is 20 to 90 degreeC, More preferably, it is 20 to 70 degreeC.
工程(i)で用いるリン酸化合物としては、オルトリン酸(H3PO4、リン酸)、メタリン酸、ピロリン酸、三リン酸、四リン酸、リン酸アンモニウム、リン酸水素アンモニウム等が挙げられる。なかでもリン酸を用いるのが好ましく、70質量%〜90質量%濃度の水溶液として用いるのが好ましい。リン酸化合物としてリン酸を用いる場合、混合物(I−1)を撹拌しながらリン酸を滴下するのが好ましい。混合物(I−1)にリン酸を滴下して少量ずつ加えることにより、混合物(I−1)中において良好に反応が進行して、複合体(I−2)がスラリー中で均一に分散しつつ生成され、かかる複合体(I−2)が不要に凝集するのを効果的に抑制することができる。 Examples of the phosphoric acid compound used in the step (i) include orthophosphoric acid (H 3 PO 4 , phosphoric acid), metaphosphoric acid, pyrophosphoric acid, triphosphoric acid, tetraphosphoric acid, ammonium phosphate, and ammonium hydrogen phosphate. . Of these, phosphoric acid is preferably used, and is preferably used as an aqueous solution having a concentration of 70% by mass to 90% by mass. When phosphoric acid is used as the phosphoric acid compound, it is preferable to add phosphoric acid dropwise while stirring the mixture (I-1). By adding phosphoric acid dropwise to the mixture (I-1) little by little, the reaction proceeds well in the mixture (I-1), and the composite (I-2) is uniformly dispersed in the slurry. It is possible to effectively prevent the complex (I-2) from being aggregated unnecessarily.
リン酸の上記混合物(I−1)への滴下速度は、混合物(I−1)に含まれるリチウム化合物100モルに対して、好ましくは15mL/分〜50mL/分であり、より好ましくは20mL/分〜45mL/分であり、さらに好ましくは28mL/分〜40mL/分である。また、リン酸を滴下しながらの混合物(I−1)の撹拌時間は、好ましくは0.5時間〜24時間であり、より好ましくは3時間〜12時間である。さらに、リン酸を滴下しながらの混合物(I−1)の撹拌速度は、好ましくは200rpm〜700rpmであり、より好ましくは250rpm〜600rpmであり、さらに好ましくは300rpm〜500rpmである。
なお、混合物(I−1)を撹拌する際、さらに混合物(I−1)の沸点温度以下に冷却するのが好ましい。具体的には、80℃以下に冷却するのが好ましく、20℃〜60℃に冷却するのがより好ましい。
The dropping rate of phosphoric acid into the mixture (I-1) is preferably 15 mL / min to 50 mL / min, more preferably 20 mL / min, with respect to 100 mol of the lithium compound contained in the mixture (I-1). Min to 45 mL / min, more preferably 28 mL / min to 40 mL / min. Moreover, the stirring time of the mixture (I-1) while dropping phosphoric acid is preferably 0.5 to 24 hours, and more preferably 3 to 12 hours. Furthermore, the stirring speed of the mixture (I-1) while dropping phosphoric acid is preferably 200 rpm to 700 rpm, more preferably 250 rpm to 600 rpm, and further preferably 300 rpm to 500 rpm.
In addition, when stirring mixture (I-1), it is preferable to cool below the boiling point temperature of mixture (I-1). Specifically, cooling to 80 ° C. or lower is preferable, and cooling to 20 ° C. to 60 ° C. is more preferable.
リン酸化合物を混合した後の混合物(I−1)は、リン酸1モルに対し、リチウムを2.7モル〜3.3モル含有するのが好ましく、2.8モル〜3.1モル含有するのがより好ましい。 The mixture (I-1) after mixing the phosphoric acid compound preferably contains 2.7 mol to 3.3 mol of lithium with respect to 1 mol of phosphoric acid, and contains 2.8 mol to 3.1 mol. More preferably.
また、リン酸化合物を混合した後の混合物(I−1)に対して窒素をパージすることにより、かかる混合物中での反応を完了させて、リチウム系ポリアニオン粒子の前駆体である複合体(I−2)を混合物中に生成させることができる。窒素がパージされると、混合物(I−1)中の溶存酸素濃度が低減された状態で反応を進行させることができ、また得られる複合体(I−2)を含有する混合物中の溶存酸素濃度も効果的に低減されるため、次の工程(ii)で添加する鉄化合物やマンガン化合物等の酸化を有効に抑制することができる。かかる複合体(I−2)を含有する混合物中において、リチウム系ポリアニオン粒子の前駆体は、微細な分散粒子として存在する。かかる複合体(I−2)は、リン酸三リチウム(Li3PO4)として得られる。 Further, by purging the mixture (I-1) after mixing the phosphoric acid compound with nitrogen, the reaction in the mixture is completed, and the complex (I -2) can be produced in the mixture. When nitrogen is purged, the reaction can proceed in a state where the dissolved oxygen concentration in the mixture (I-1) is reduced, and the dissolved oxygen in the mixture containing the resulting complex (I-2). Since the concentration is also effectively reduced, oxidation of the iron compound, manganese compound, etc. added in the next step (ii) can be effectively suppressed. In the mixture containing the composite (I-2), the precursor of the lithium-based polyanion particles exists as fine dispersed particles. Such a complex (I-2) is obtained as trilithium phosphate (Li 3 PO 4 ).
窒素をパージする際における圧力は、好ましくは0.1MPa〜0.2MPaであり、より好ましくは0.1MPa〜0.15MPaである。また、リン酸化合物を混合した後の混合物(I−1)の温度は、好ましくは20℃〜80℃であり、より好ましくは20℃〜60℃である。また、反応時間は、好ましくは5分間〜60分間であり、より好ましくは15分間〜45分間である。
また、窒素をパージする際、反応を良好に進行させる観点から、リン酸化合物を混合した後の混合物(I−1)を撹拌するのが好ましい。このときの撹拌速度は、好ましくは200rpm〜700rpmであり、より好ましくは250rpm〜600rpmである。
The pressure when purging nitrogen is preferably 0.1 MPa to 0.2 MPa, more preferably 0.1 MPa to 0.15 MPa. Moreover, the temperature of the mixture (I-1) after mixing a phosphoric acid compound becomes like this. Preferably it is 20 to 80 degreeC, More preferably, it is 20 to 60 degreeC. The reaction time is preferably 5 minutes to 60 minutes, more preferably 15 minutes to 45 minutes.
Moreover, when purging nitrogen, it is preferable to stir the mixture (I-1) after mixing a phosphoric acid compound from a viewpoint of making reaction progress favorable. The stirring speed at this time is preferably 200 rpm to 700 rpm, more preferably 250 rpm to 600 rpm.
また、より効果的に複合体(I−2)の分散粒子表面における酸化を抑制し、分散粒子の微細化を図る観点から、リン酸化合物を混合した後の混合物(I−1)中における溶存酸素濃度を0.5mg/L以下とするのが好ましく、0.2mg/L以下とするのがより好ましい。 Further, from the viewpoint of more effectively suppressing the oxidation on the surface of the dispersed particles of the composite (I-2) and miniaturizing the dispersed particles, the dissolved in the mixture (I-1) after mixing the phosphoric acid compound. The oxygen concentration is preferably 0.5 mg / L or less, more preferably 0.2 mg / L or less.
上記工程(ii)は、工程(i)で得られた複合体(I−2)と、少なくとも鉄化合物又はマンガン化合物を含む金属化合物を含有するスラリー(I−3)を得た後、或いは少なくともコバルト化合物又はニッケル化合物を含む金属化合物を含有するスラリー(I−3’)を得た後、スラリー(I−3)又はスラリー(I−3’)を水熱反応に付して複合体(I−4)を得る工程である。上記工程(i)により得られた複合体(I−2)を混合物のまま、リチウム系ポリアニオン粒子(A)の前駆体として用い、これに少なくとも鉄化合物又はマンガン化合物を含む金属化合物を添加するか、若しくは少なくともコバルト化合物又はニッケル化合物を添加して、スラリー(I−3)又はスラリー(I−3’)として用いるのが好ましい。これにより、工程を簡略化させつつ、造粒体(D)を形成させるための、目的とするリチウム系ポリアニオン粒子(A)を極めて微細な粒子として得ることができる。 The step (ii) is obtained after obtaining the slurry (I-3) containing the composite (I-2) obtained in the step (i) and a metal compound containing at least an iron compound or a manganese compound, or at least After obtaining a slurry (I-3 ′) containing a metal compound containing a cobalt compound or a nickel compound, the slurry (I-3) or the slurry (I-3 ′) is subjected to a hydrothermal reaction to form a composite (I -4). Whether the composite (I-2) obtained by the above step (i) is used as a mixture as a precursor of the lithium-based polyanion particles (A), and a metal compound containing at least an iron compound or a manganese compound is added thereto. Or at least a cobalt compound or a nickel compound is preferably used as the slurry (I-3) or the slurry (I-3 ′). Thereby, the target lithium polyanion particle (A) for forming the granulated body (D) can be obtained as extremely fine particles while simplifying the process.
用い得る鉄化合物、マンガン化合物、コバルト化合物、及びニッケル化合物としては、例えば、これら金属元素の硫酸塩、硝酸塩、炭酸塩、酢酸塩、シュウ酸塩、酸化物、水酸化物、ハロゲン化物等が挙げられる。具体的には、硫酸鉄、硫酸マンガン、硫酸コバルト、硫酸ニッケル、酢酸鉄、酢酸マンガン、酢酸コバルト、酢酸ニッケル等が挙げられ、これらは1種単独で用いてもよく、2種以上組み合わせて用いてもよい。なかでも、リチウム系ポリアニオン粒子(A)の電池特性を高める観点から、硫酸塩が好ましい。 Examples of iron compounds, manganese compounds, cobalt compounds, and nickel compounds that can be used include sulfates, nitrates, carbonates, acetates, oxalates, oxides, hydroxides, halides, and the like of these metal elements. It is done. Specific examples include iron sulfate, manganese sulfate, cobalt sulfate, nickel sulfate, iron acetate, manganese acetate, cobalt acetate, and nickel acetate. These may be used alone or in combination of two or more. May be. Especially, a sulfate is preferable from a viewpoint of improving the battery characteristic of lithium type polyanion particle | grains (A).
さらに、必要に応じて、金属化合物として、金属(M1又はM2)化合物を用いてもよい。かかる金属(M1又はM2)化合物として、硫酸塩、ハロゲン化合物、有機酸塩、及びこれらの水和物等を用いることができる。これらは1種単独で用いてもよく、2種以上用いてもよい。なかでも、電池特性を高める観点から、硫酸塩を用いるのがより好ましい。
これら金属(M3)化合物を用いる場合、(鉄化合物、マンガン化合物、及び金属(M1)化合物)の合計添加量、又は(コバルト化合物、ニッケル化合物、及び金属(M2)化合物)の合計添加量は、上記工程(i)において得られた複合体(I−2)中のリン酸1モルに対し、好ましくは0.99モル〜1.01モルであり、より好ましくは0.995モル〜1.005モルである。
Furthermore, as necessary, a metal (M 1 or M 2 ) compound may be used as the metal compound. As the metal (M 1 or M 2 ) compound, sulfates, halogen compounds, organic acid salts, and hydrates thereof can be used. These may be used alone or in combination of two or more. Among these, it is more preferable to use a sulfate from the viewpoint of improving battery characteristics.
When these metal (M 3 ) compounds are used, the total addition amount of (iron compound, manganese compound, and metal (M 1 ) compound) or the total addition of (cobalt compound, nickel compound, and metal (M 2 ) compound) The amount is preferably from 0.99 mol to 1.01 mol, more preferably from 0.995 mol to 1 mol of phosphoric acid in the complex (I-2) obtained in the step (i). 1.005 mol.
水熱反応に付する際に用いる水の使用量は、用いる金属化合物の溶解性、撹拌の容易性、及び合成の効率等の観点から、スラリー(I−3)又はスラリー(I−3’)中に含有されるリン酸イオン1モルに対し、好ましくは10モル〜30モルであり、より好ましくは12.5モル〜25モルである。 The amount of water used for the hydrothermal reaction is the slurry (I-3) or slurry (I-3 ′) from the viewpoint of the solubility of the metal compound used, the ease of stirring, the efficiency of synthesis, and the like. Preferably it is 10 mol-30 mol with respect to 1 mol of phosphate ions contained in it, More preferably, it is 12.5 mol-25 mol.
かかる工程(ii)において、鉄化合物、マンガン化合物及び金属(M1)化合物の添加順序、又はコバルト化合物、ニッケル化合物、及び金属(M2)化合物の添加順序は特に制限されない。また、これらの金属(M1又はM2)化合物を添加するとともに、必要に応じて酸化防止剤を添加してもよい。かかる酸化防止剤としては、亜硫酸ナトリウム(Na2SO3)、ハイドロサルファイトナトリウム(Na2S2O4)、アンモニア水等を使用することができる。酸化防止剤の添加量は、過剰に添加されることでリチウム系ポリアニオン粒子(A)の生成が抑制されるのを防止する観点から、鉄化合物、マンガン化合物及び必要に応じて用いる金属(M1)化合物、又はコバルト化合物、ニッケル化合物及び必要に応じて用いる金属(M2)化合物の合計1モルに対し、好ましくは0.01モル〜1モルであり、より好ましくは0.03モル〜0.5モルである。 In the step (ii), the order of addition of the iron compound, manganese compound and metal (M 1 ) compound, or the order of addition of the cobalt compound, nickel compound and metal (M 2 ) compound is not particularly limited. Further, the addition of these metals (M 1 or M 2) compound may be added an antioxidant as needed. As such an antioxidant, sodium sulfite (Na 2 SO 3 ), sodium hydrosulfite (Na 2 S 2 O 4 ), aqueous ammonia and the like can be used. The addition amount of the antioxidant is an iron compound, a manganese compound, and a metal used as necessary (M 1 ) from the viewpoint of preventing the formation of the lithium-based polyanion particles (A) by being excessively added. ) Compound, or a total of 1 mol of the cobalt compound, nickel compound and metal (M 2 ) compound used as necessary, it is preferably 0.01 mol to 1 mol, more preferably 0.03 mol to 0.00 mol. 5 moles.
スラリー(I−3)又はスラリー(I−3’)中における複合体(I−4)の含有量は、好ましくは10質量%〜50質量%であり、より好ましくは15質量%〜45質量%であり、さらに好ましくは20質量%〜40質量%である。 The content of the composite (I-4) in the slurry (I-3) or the slurry (I-3 ′) is preferably 10% by mass to 50% by mass, more preferably 15% by mass to 45% by mass. More preferably, it is 20 mass%-40 mass%.
工程(ii)における水熱反応は、100℃以上であればよく、130℃〜180℃が好ましい。水熱反応は耐圧容器中で行うのが好ましく、130℃〜180℃で反応を行う場合、この時の圧力は0.3MPa〜0.9MPaであるのが好ましく、140℃〜160℃で反応を行う場合の圧力は0.3MPa〜0.6MPaであるのが好ましい。水熱反応時間は0.1時間〜48時間が好ましく、さらに0.2時間〜24時間が好ましい。
得られた複合体(I−4)は、ろ過後、水で洗浄し、再度ろ過することにより含水率が10質量%〜50質量%のケーキとして回収できる。なお、ろ過手段には、減圧ろ過、加圧ろ過、遠心ろ過等を用いることができるが、操作の簡便性等からフィルタープレス等の加圧ろ過が好ましい。
The hydrothermal reaction in process (ii) should just be 100 degreeC or more, and 130 to 180 degreeC is preferable. The hydrothermal reaction is preferably performed in a pressure vessel. When the reaction is performed at 130 ° C to 180 ° C, the pressure at this time is preferably 0.3 MPa to 0.9 MPa, and the reaction is performed at 140 ° C to 160 ° C. The pressure in carrying out is preferably 0.3 MPa to 0.6 MPa. The hydrothermal reaction time is preferably 0.1 to 48 hours, more preferably 0.2 to 24 hours.
The obtained complex (I-4) can be recovered as a cake having a water content of 10% by mass to 50% by mass by filtering, washing with water, and filtering again. The filtration means may be vacuum filtration, pressure filtration, centrifugal filtration or the like, but pressure filtration such as a filter press is preferred from the viewpoint of simplicity of operation.
洗浄に使用する洗浄水の量は、ろ過残渣中の複合体(I−4)1質量部に対し、10質量部以上であり、好ましくは12質量部以上である。 The amount of washing water used for washing is 10 parts by mass or more, preferably 12 parts by mass or more with respect to 1 part by mass of the complex (I-4) in the filtration residue.
上記ケーキを乾燥して得られる複合体(I−4)のBET比表面積は、吸着水分量を効果的に低減する観点から、好ましくは5m2/g〜40m2/gであり、より好ましくは5m2/g〜30m2/gである。複合体(I−4)のBET比表面積が5m2/g未満であると、リチウム系ポリアニオン粒子(A)が肥大してしまうおそれがある。また、BET比表面積が40m2/gを超えると、二次電池用正極活物質の吸着水分量が増大して電池特性に影響を与えるおそれがある。 BET specific surface area of the composite obtained by drying the cake (I-4), from the viewpoint of effectively reducing the amount of adsorbed water is preferably 5m 2 / g~40m 2 / g, more preferably is 5m 2 / g~30m 2 / g. If the BET specific surface area of the composite (I-4) is less than 5 m 2 / g, the lithium-based polyanion particles (A) may be enlarged. On the other hand, if the BET specific surface area exceeds 40 m 2 / g, the amount of adsorbed moisture of the positive electrode active material for secondary batteries may increase and affect battery characteristics.
また、複合体(I−4)の平均粒径は、得られるリチウム系ポリアニオン粒子(A)が層状岩塩構造型リチウム複合酸化物粒子(B)と複合化して、かかる粒子(B)の表面を良好に被覆しながら粒子(A)自体も互いに複合化して二次粒子を形成し、かかる二次粒子の内部に粒子(B)を良好に内包して、耐久性等に優れるリチウムイオン二次電池用正極活物質複合物を得る観点から、好ましくは50nm〜300nmあり、より好ましくは50nm〜250nmであり、特に好ましくは50nm〜200nmである。
ここで、複合体(I−4)の平均粒径とは、上記粒子の平均粒径と同様の測定により得られる値の平均値を意味する。
The average particle size of the composite (I-4) is such that the obtained lithium-based polyanion particles (A) are combined with the layered rock salt structure type lithium composite oxide particles (B), and the surface of the particles (B) is Lithium ion secondary battery that is excellent in durability and the like, in which particles (A) themselves are complexed with each other to form secondary particles while encapsulating well, and particles (B) are encapsulated well inside the secondary particles. From the viewpoint of obtaining a positive electrode active material composite for use, the thickness is preferably 50 nm to 300 nm, more preferably 50 nm to 250 nm, and particularly preferably 50 nm to 200 nm.
Here, the average particle diameter of the composite (I-4) means an average value of values obtained by the same measurement as the average particle diameter of the particles.
上記工程(iii)は、工程(ii)で得られた複合体(I−4)と、炭素源(C)を含むスラリー(I−5)を調整した後、スラリー(I−5)を噴霧乾燥して、リチウム系ポリアニオン粒子(A)と炭素源(C)からなる予備造粒体(I−6)を得る工程である。 In the step (iii), the composite (I-4) obtained in the step (ii) and the slurry (I-5) containing the carbon source (C) are prepared, and then the slurry (I-5) is sprayed. This is a step of drying to obtain a pre-granulated product (I-6) comprising lithium-based polyanion particles (A) and a carbon source (C).
予備造粒体(I−6)を構成する炭素源(C)は、炭素源(C)由来の炭素として、リチウム系ポリアニオン粒子(A)の表面に担持される炭素(c)となる原料である。かかる炭素源(C)としては、上記セルロースナノファイバー(d1)、又は上記水溶性炭素材料(d2)が挙げられる。 The carbon source (C) constituting the preliminary granulated body (I-6) is a raw material that becomes carbon (c) supported on the surfaces of the lithium-based polyanion particles (A) as carbon derived from the carbon source (C). is there. As this carbon source (C), the said cellulose nanofiber (d1) or the said water-soluble carbon material (d2) is mentioned.
スラリー(I−5)における、複合体(I−4)の含有量は、水100質量部に対し、好ましくは10質量部〜30質量部であり、より好ましくは15質量部〜30質量部である。かかる含有量となるように、上記の複合体(I−4)を含むケーキを用いればよい。 The content of the composite (I-4) in the slurry (I-5) is preferably 10 to 30 parts by mass, more preferably 15 to 30 parts by mass with respect to 100 parts by mass of water. is there. What is necessary is just to use the cake containing said composite_body | complex (I-4) so that it may become this content.
リチウム系ポリアニオン粒子(A)の表面に、後の工程を経ることにより上記セルロースナノファイバー(d1)由来の炭素(c)を担持させる場合、スラリー(I−5)におけるセルロースナノファイバー(d1)の含有量は、その炭素原子換算量が、リチウム系ポリアニオン粒子(A)及びかかる粒子表面に担持されてなる炭素(c)の合計量100質量%に対し、0.3質量%〜6質量%となるような量であるのが望ましい。具体的には、例えばスラリー(I−5)における水100質量部に対し、好ましくは0.1質量部〜20質量部であり、より好ましくは1質量部〜10質量部である。 When carbon (c) derived from the cellulose nanofiber (d1) is supported on the surface of the lithium-based polyanion particle (A) by a subsequent process, the cellulose nanofiber (d1) in the slurry (I-5) is supported. The content is 0.3 mass% to 6 mass% with respect to 100 mass% of the total amount of carbon (c) supported on the surface of the lithium-based polyanion particles (A) and the particles. It is desirable that the amount be such that Specifically, for example, it is preferably 0.1 part by mass to 20 parts by mass, and more preferably 1 part by mass to 10 parts by mass with respect to 100 parts by mass of water in the slurry (I-5).
リチウム系ポリアニオン粒子(A)の表面に、後の工程を経ることにより上記水溶性炭素材料(d2)由来の炭素(c)を担持させる場合、スラリー(I−5)における水溶性炭素材料(d2)の含有量は、その炭素原子換算量が、リチウム系ポリアニオン粒子(A)及びかかる粒子表面に担持されてなる炭素(c)の合計量100質量%に対し、0.3質量%〜6質量%となるような量であるのが望ましい。具体的には、例えばスラリー(I−5)における水100質量部に対し、好ましくは0.1質量部〜18質量部であり、より好ましくは1質量部〜10質量部である。 When the carbon (c) derived from the water-soluble carbon material (d2) is supported on the surface of the lithium-based polyanion particles (A) by a subsequent process, the water-soluble carbon material (d2) in the slurry (I-5) ) In terms of carbon atoms is 0.3 mass% to 6 mass with respect to 100 mass% of the total amount of carbon (c) supported on the lithium-based polyanion particles (A) and the particle surfaces. It is desirable that the amount be%. Specifically, for example, with respect to 100 parts by mass of water in the slurry (I-5), it is preferably 0.1 parts by mass to 18 parts by mass, and more preferably 1 part by mass to 10 parts by mass.
スラリー(I−5)は、リチウム系ポリアニオン粒子(A)と炭素源(C)を、すなわちリチウム系ポリアニオン粒子(A)とセルロースナノファイバー(d1)を、或いはリチウム系ポリアニオン粒子(A)と水溶性炭素材料(d2)を、均一に分散させる観点から、分散機(ホモジナイザー)を用いた処理を行うことが好ましい。かかる分散機としては、例えば、離解機、叩解機、低圧ホモジナイザー、高圧ホモジナイザー、グラインダー、カッターミル、ボールミル、ジェットミル、短軸押出機、2軸押出機、超音波攪拌機、家庭用ジューサーミキサー等が挙げられる。なかでも、分散効率の観点から、超音波攪拌機が好ましい。スラリー(I−5)の分散均一性の程度は、例えば、UV・可視光分光装置を使用した光線透過率や、E型粘度計を使用した粘度により定量的に評価することもでき、また目視によって白濁度が均一であることを確認することにより、簡便に評価することもできる。分散機で処理する時間は、好ましくは1分間〜30分間であり、より好ましくは2分間〜15分間である。このように処理されたスラリー(I−5)は、良好な混合状態を数日間保持することができるので、予め調製し、保管しておくことも可能となる。 The slurry (I-5) comprises lithium-based polyanion particles (A) and a carbon source (C), that is, lithium-based polyanion particles (A) and cellulose nanofibers (d1), or lithium-based polyanion particles (A) and water. From the viewpoint of uniformly dispersing the carbonaceous material (d2), it is preferable to perform a treatment using a disperser (homogenizer). Examples of such a disperser include a disaggregator, a beater, a low pressure homogenizer, a high pressure homogenizer, a grinder, a cutter mill, a ball mill, a jet mill, a short shaft extruder, a twin screw extruder, an ultrasonic stirrer, a household juicer mixer, and the like. Can be mentioned. Among these, an ultrasonic stirrer is preferable from the viewpoint of dispersion efficiency. The degree of dispersion uniformity of the slurry (I-5) can be quantitatively evaluated by, for example, light transmittance using a UV / visible light spectrometer or viscosity using an E-type viscometer. By simply confirming that the white turbidity is uniform, it is possible to simply evaluate. The processing time with the disperser is preferably 1 minute to 30 minutes, more preferably 2 minutes to 15 minutes. Since the slurry (I-5) thus treated can maintain a good mixed state for several days, it can be prepared and stored in advance.
炭素源(C)としてセルロースナノファイバー(d1)を用いた場合、上記スラリー(I−5)は、未だ凝集状態にあるセルロースナノファイバーを有効に取り除く観点から、さらに、湿式分級することが好ましい。湿式分級には、篩や市販の湿式分級機を使用することができる。篩の目開きは、用いるセルロースナノファイバーの繊維長により変動し得るが、作業効率の観点から、150μm前後であるのが好ましい。 When cellulose nanofibers (d1) are used as the carbon source (C), the slurry (I-5) is preferably further subjected to wet classification from the viewpoint of effectively removing cellulose nanofibers that are still in an aggregated state. A sieve or a commercially available wet classifier can be used for wet classification. The opening of the sieve may vary depending on the fiber length of the cellulose nanofiber to be used, but is preferably about 150 μm from the viewpoint of work efficiency.
したがって、次の工程(iii)を経るために用いるスラリー(I−5)の固形分濃度は、好ましくは9質量%〜35質量%であり、より好ましくは13質量%〜30質量%である。 Therefore, the solid content concentration of the slurry (I-5) used for the next step (iii) is preferably 9% by mass to 35% by mass, and more preferably 13% by mass to 30% by mass.
次に上記工程(iii)では、得られたスラリー(I−5)を噴霧乾燥して、予備造粒体(I−6)を得る。かかる予備造粒体(I−6)は、後の工程を経ることによって、表面に炭素(c)を担持してなるリチウム系ポリアニオン粒子(A)により形成されてなる造粒体(D)となる。これにより、リチウム系ポリアニオン(A)の一次粒子を堅固に凝集させてなる堅牢な二次粒子が形成されてしまうのを回避して、過度な負荷を与えることなく容易に崩壊させることのできる造粒体(D)を用いることとし、かかる造粒体(D)を構成してなる、表面に炭素が担持されたリチウム系ポリアニオン粒子(A)を、リチウム層状岩塩構造型リチウム複合酸化物粒子(B)の表面に良好に被覆させながら、粒子(A)によって形成される二次粒子の内部に、粒子(B)を内包させることを可能とする。 Next, in the said process (iii), the obtained slurry (I-5) is spray-dried and a preliminary granulated body (I-6) is obtained. Such a pre-granulated product (I-6) includes a granulated product (D) formed by lithium-based polyanion particles (A) formed by supporting carbon (c) on the surface through a later step. Become. As a result, it is possible to avoid the formation of solid secondary particles formed by firmly agglomerating primary particles of the lithium-based polyanion (A), and to easily disintegrate without excessive load. Lithium layered rock salt structure type lithium composite oxide particles (A) comprising the granule (D) and lithium-based polyanion particles (A) comprising the granule (D) with carbon supported on the surface are used. It is possible to encapsulate the particles (B) inside the secondary particles formed by the particles (A) while satisfactorily covering the surface of B).
噴霧乾燥の際の熱風温度は、110℃〜160℃が好ましく、120℃〜140℃がより好ましい。かかる熱風の供給量G(L/分)と、スラリー(I−5)の供給量S(L/分)の比G/Sは、500≦G/S≦10000が好ましく、1000≦G/S≦9000がより好ましい。 The hot air temperature during spray drying is preferably 110 ° C to 160 ° C, and more preferably 120 ° C to 140 ° C. The ratio G / S of the supply amount G (L / min) of the hot air and the supply amount S (L / min) of the slurry (I-5) is preferably 500 ≦ G / S ≦ 10000, and 1000 ≦ G / S. ≦ 9000 is more preferable.
工程(iii)で得られる予備造粒体(I−6)の粒径は、レーザー回折・散乱法に基づく粒度分布におけるD50値で、好ましくは5μm〜14μmであり、より好ましくは5μm〜12μmである。
ここで、粒度分布測定におけるD50値とは、レーザー回折・散乱法に基づく体積基準の粒度分布により得られる値であり、D50値は累積50%での粒径(メジアン径)を意味する。
The particle size of the pre-granulated product (I-6) obtained in step (iii) is a D 50 value in the particle size distribution based on the laser diffraction / scattering method, preferably 5 μm to 14 μm, more preferably 5 μm to 12 μm. It is.
Here, the D 50 value in the particle size distribution measurement is a value obtained by a volume-based particle size distribution based on the laser diffraction / scattering method, and the D 50 value means a particle size (median diameter) at a cumulative 50%. .
上記工程(iv)は、工程(iii)で得られた予備造粒体(I−6)を還元雰囲気又は不活性雰囲気中で焼成して、表面に炭素(c)を担持してなるリチウム系ポリアニオン粒子(A)からなる造粒体(D)を得る工程である。かかる工程(iv)を経ることにより、造粒体(D)を構成するリチウム系ポリアニオン粒子(A)の表面に炭素(c)をより堅固に担持させつつ、適度な崩壊性を有する造粒体(D)を形成させることができる。 In the step (iv), the pre-granulated product (I-6) obtained in the step (iii) is fired in a reducing atmosphere or an inert atmosphere, and a lithium-based material having carbon (c) supported on the surface. This is a step of obtaining a granulated body (D) composed of polyanion particles (A). By passing through the step (iv), the granule having an appropriate disintegration property while carbon (c) is more firmly supported on the surface of the lithium polyanion particle (A) constituting the granule (D). (D) can be formed.
焼成温度は、炭素源(C)を有効に炭化させる観点、及び造粒体(D)に適度な崩壊性を付与する観点から、好ましくは600℃〜800℃であり、より好ましくは700℃〜800℃である。また、焼成時間は、好ましくは30分間〜3時間、より好ましくは1時間〜2時間とするのがよい。 The firing temperature is preferably 600 ° C to 800 ° C, more preferably 700 ° C to 800 ° C from the viewpoint of effectively carbonizing the carbon source (C) and imparting appropriate disintegration to the granulated body (D). 800 ° C. The firing time is preferably 30 minutes to 3 hours, more preferably 1 hour to 2 hours.
表面に炭素(c)を担持してなるリチウム系ポリアニオン粒子(A)からなる造粒体(D)の空隙率は、水銀圧入法に基づく空隙率で、45体積%〜80体積%であって、好ましくは50体積%〜80体積%である。 The porosity of the granulated body (D) composed of lithium-based polyanion particles (A) having carbon (c) supported on the surface is a porosity based on a mercury intrusion method, and is 45 vol% to 80 vol%. It is preferably 50% by volume to 80% by volume.
また、表面に炭素(c)を担持してなるリチウム系ポリアニオン粒子(A)からなる造粒体(D)のタップ密度は、好ましくは1.1g/cm3未満であり、より好ましくは0.6g/cm3〜1.0g/cm3である。 Further, the tap density of the granulated body (D) comprising the lithium-based polyanion particles (A) having carbon (c) supported on the surface is preferably less than 1.1 g / cm 3 , more preferably 0.00. it is a 6g / cm 3 ~1.0g / cm 3 .
さらに、表面に炭素(c)を担持してなるリチウム系ポリアニオン粒子(A)からなる造粒体(D)の平均粒径は、レーザー回折・散乱法に基づく粒度分布におけるD50値で、好ましくは5μm〜15μmであり、より好ましくは5μm〜12μmである。 Further, the average particle diameter of the granulated body (D) comprising the lithium-based polyanion particles (A) having carbon (c) supported on the surface is preferably a D 50 value in the particle size distribution based on the laser diffraction / scattering method. Is 5 μm to 15 μm, more preferably 5 μm to 12 μm.
表面に炭素(c)を担持してなるリチウム系ポリアニオン粒子(A)からなる造粒体(D)の崩壊強度は、好ましくは1.8KN/mm以下であり、より好ましくは1.75KN/mm以下である。かかる崩壊強度とは、表面に炭素(c)を担持してなるリチウム系ポリアニオン粒子(A)からなる造粒体(D)の、圧縮による崩壊のし易さを示し、下記式(X)により求められる値を意味する。
造粒体(D)の崩壊強度(KN/mm)=10/(t0−t10) ・・・(X)
式(X)中のt0は、直径20mmの円筒容器内に表面に炭素が担持されたリチウム系ポリアニオン粒子(A)からなる造粒体(D)を3g投入し、高さ1cmからの落下によるタッピングを10回繰返した後の密充填状態における造粒体(D)の層厚(mm)を示し、t10は、かかる密充填状態の造粒体(D)に、上部から10KNの荷重を掛けた際の造粒体(D)の層厚(mm)を示す。
The collapse strength of the granulated body (D) composed of lithium-based polyanion particles (A) having carbon (c) supported on the surface is preferably 1.8 KN / mm or less, more preferably 1.75 KN / mm. It is as follows. Such disintegration strength indicates the ease of disintegration due to compression of the granule (D) composed of lithium-based polyanion particles (A) having carbon (c) supported on the surface. Means the desired value.
Collapse strength (KN / mm) of granulated body (D) = 10 / (t 0 -t 10 ) (X)
T 0 in the formula (X) is 3 g of a granulated body (D) made of lithium-based polyanion particles (A) having carbon supported on a surface of a cylindrical container having a diameter of 20 mm, and dropped from a height of 1 cm. It shows the layer thickness (mm) of the granules (D) in the packed state after repeated 10 times tapping by, t 10 is the granulation of such densely packed state (D), a load of 10KN from above The layer thickness (mm) of the granulated body (D) is shown.
なお、リチウム系ポリアニオン粒子(A)の表面に炭素(c)として存在する、セルロースナノファイバー(d1)由来の炭素又は水溶性炭素材料(d2)由来の炭素の原子換算量(炭素の担持量)は、リチウム系ポリアニオン粒子(A)について炭素・硫黄分析装置を用いて測定した炭素量として、確認することができる。 In addition, the amount in terms of atoms of carbon derived from cellulose nanofiber (d1) or carbon derived from water-soluble carbon material (d2) existing as carbon (c) on the surface of lithium-based polyanion particles (A) (carbon loading) Can be confirmed as the amount of carbon measured for the lithium-based polyanion particles (A) using a carbon / sulfur analyzer.
続く工程(II)は、工程(I)で得られた造粒体(D)と、層状岩塩構造型リチウム複合酸化物粒子(B)とを、圧縮力及びせん断力を付加しながら混合して複合化する工程である。かかる工程を経ることにより、リチウム系ポリアニオン粒子(A)と層状岩塩構造型リチウム複合酸化物粒子(B)とが複合化しつつ、リチウム系ポリアニオン粒子(A)も互いに複合化して、粒子(B)を内包した二次粒子を形成させることができる。 In the subsequent step (II), the granulated body (D) obtained in the step (I) and the layered rock salt structure type lithium composite oxide particles (B) are mixed while applying compressive force and shearing force. It is a process of compounding. Through this process, the lithium-based polyanion particles (A) and the layered rock-salt structure-type lithium composite oxide particles (B) are combined, and the lithium-based polyanion particles (A) are also combined with each other to form particles (B). Secondary particles encapsulating can be formed.
圧縮力及びせん断力を付加しながら混合する前に、上記表面に炭素(c)を担持してなるリチウム系ポリアニオン粒子(A)からなる造粒体(D)と、別途予め製造していてもよい層状岩塩構造型リチウム複合酸化物粒子(B)との混合物を、充分に乾式混合するのが好ましい。乾式混合の方法としては、ボールミルやVブレンダー等の、通常の乾式混合機による混合であるのが好ましく、自公転可能な遊星ボールミルによる混合がより好ましい。 Before mixing while applying compressive force and shearing force, the granule (D) composed of lithium-based polyanion particles (A) having carbon (c) supported on the surface may be separately prepared in advance. It is preferable to thoroughly dry mix the mixture with the good layered rock salt structure type lithium composite oxide particles (B). As a dry mixing method, mixing by a normal dry mixer such as a ball mill or a V blender is preferable, and mixing by a planetary ball mill capable of revolving is more preferable.
圧縮力及びせん断力を付加しながら混合して複合化する処理は、インペラやローター工具等を備える密閉容器で行うのがよい。かかる密閉容器を備える装置として、高速せん断ミル、ブレード型混練機、高速混合機等が挙げられ、具体的には、例えば、粒子設計装置COMPOSI、メカノハイブリット、高性能流動式混合機FMミキサー(日本コークス工業社製)微粒子複合化装置 メカノフュージョン、ノビルタ(ホソカワミクロン社製)、表面改質装置ミラーロ、ハイブリダイゼーションシステム(奈良機械製作所社製)、アイリッヒインテンシブミキサー(日本アイリッヒ社製)を好適に用いることができる。上記複合化する処理の条件としては、温度が、好ましくは5℃〜80℃、より好ましくは10℃〜50℃である。また、雰囲気としては、特に限定されないが、不活性ガス雰囲気又は還元性ガス雰囲気であるのが好ましい。 The process of mixing and compounding while applying compressive force and shearing force is preferably performed in an airtight container equipped with an impeller, a rotor tool, and the like. Examples of the apparatus equipped with such a closed container include a high-speed shear mill, a blade-type kneader, a high-speed mixer, and the like. Coke Kogyo Co., Ltd.) Microparticle composite device Mechanofusion, Nobilta (Hosokawa Micron Corp.), Surface Modification Device Miraro, Hybridization System (Nara Machinery Co., Ltd.), Eirich Intensive Mixer (Eirich Japan Co., Ltd.) are preferably used. be able to. As conditions for the above-mentioned compounding treatment, the temperature is preferably 5 ° C to 80 ° C, more preferably 10 ° C to 50 ° C. The atmosphere is not particularly limited, but is preferably an inert gas atmosphere or a reducing gas atmosphere.
より具体的には、例えば、複合化を行う装置として、インペラを備えた乾式粒子複合化装置であるノビルタ(ホソカワミクロン社製)を用いる場合、かかるインペラの回転数は、層状岩塩構造型リチウム複合酸化物粒子(B)の表面に炭素が担持されたリチウム系ポリアニオン粒子(A)が良好に被覆した複合酸化物を得る観点から、好ましくは2000rpm〜6000rpmであり、より好ましくは2000rpm〜4000rpmである。また、複合化する時間は、好ましくは0.5分間〜30分間であり、より好ましくは0.5分間〜15分間である。
また、かかる複合化を行う装置として、ローター工具を備えた高速攪拌混合機であるアイリッヒインテンシブミキサー(日本アイリッヒ社製)を用いた場合、かかるローター工具の回転数は、好ましくは2000rpm〜6000rpmであり、より好ましくは2000rpm〜5000rpmである。また、複合化する時間は、好ましくは0.5分間〜30分間であり、より好ましくは0.5分間〜20分間である。
More specifically, for example, when Novirta (made by Hosokawa Micron), which is a dry particle composite device equipped with an impeller, is used as the composite device, the rotational speed of the impeller is determined by the layered rock salt structure type lithium composite oxidation. From the viewpoint of obtaining a composite oxide in which the lithium-based polyanion particles (A) having carbon supported on the surface of the product particles (B) are satisfactorily coated, the number is preferably 2000 rpm to 6000 rpm, and more preferably 2000 rpm to 4000 rpm. Further, the complexing time is preferably 0.5 minutes to 30 minutes, more preferably 0.5 minutes to 15 minutes.
Further, when an Eirich intensive mixer (manufactured by Nihon Eirich Co., Ltd.), which is a high-speed stirring mixer equipped with a rotor tool, is used as an apparatus for performing such compounding, the rotational speed of the rotor tool is preferably 2000 rpm to 6000 rpm. More preferably, it is 2000 rpm to 5000 rpm. Further, the complexing time is preferably 0.5 minutes to 30 minutes, more preferably 0.5 minutes to 20 minutes.
工程(II)における、上記複合化する時間及び/又はインペラ等の回転数は、密閉容器に投入する表面に炭素が担持されたリチウム系ポリアニオン粒子(A)と層状岩塩構造型リチウム複合酸化物粒子(B)の混合物の量に応じて適宜調整する必要がある。そして、密閉容器を稼動させることにより、インペラ等と密閉容器内壁との間でこれら混合物に圧縮力及びせん断力が付加されつつ、これを複合化する処理を行うことが可能となり、上記層状岩塩構造型リチウム複合酸化物粒子(B)の表面において、上記表面に炭素が担持されたリチウム系ポリアニオン粒子(A)が良好に複合化されて被覆してなるリチウムイオン二次電池用正極活物質複合物を得ることができる。
例えば、上記複合化する処理を、回転数2000rpm〜5000rpmで回転するインペラを備える密閉容器内で0.5分間〜6分間行う場合、密閉容器に投入する上記混合物の量は、有効容器(インペラを備える密閉容器のうち、上記混合物を収容可能な部位に相当する容器)1cm3当たり、好ましくは0.1g〜0.7gであり、より好ましくは0.15g〜0.4gである。
In the step (II), the complexing time and / or the rotational speed of the impeller, etc. are determined based on the lithium-based polyanion particles (A) in which carbon is supported on the surface to be charged into the sealed container and the layered rock salt structure type lithium composite oxide particles. It is necessary to adjust suitably according to the quantity of the mixture of (B). Then, by operating the sealed container, it becomes possible to perform a process of combining these while adding compressive force and shearing force to the mixture between the impeller and the inner wall of the sealed container, and the layered rock salt structure described above -Type lithium composite oxide particles (B), and a positive electrode active material composite for a lithium ion secondary battery in which the above-described lithium-based polyanion particles (A) on which carbon is supported are well composited and coated Can be obtained.
For example, when the compounding process is performed in a sealed container equipped with an impeller rotating at a rotational speed of 2000 rpm to 5000 rpm for 0.5 to 6 minutes, the amount of the mixture put into the sealed container is the effective container (impeller Among the sealed containers provided, the container corresponding to a part capable of accommodating the above mixture) is preferably 0.1 g to 0.7 g, more preferably 0.15 g to 0.4 g per 1 cm 3 .
工程(II)において複合化するリチウム系ポリアニオン粒子(A)と層状岩塩構造型リチウム複合酸化物粒子(B)との質量比(粒子(A):粒子(B))は、層状岩塩構造型リチウム複合酸化物粒子(B)の表面に良好にリチウム系ポリアニオン粒子(A)を被覆させつつ、粒子(A)の二次粒子の内部に粒子(B)を内包させる観点から、好ましくは96:4〜70:30であり、より好ましくは96:4〜75:25であり、さらに好ましくは96:4〜80:20である。 The mass ratio (particle (A): particle (B)) of the lithium-based polyanion particles (A) to be compounded in the step (II) and the layered rock salt type lithium composite oxide particles (B) is a layered rock salt type lithium. From the viewpoint of encapsulating the lithium oxide polyanion particles (A) on the surface of the composite oxide particles (B) and encapsulating the particles (B) in the secondary particles of the particles (A), preferably 96: 4. It is -70: 30, More preferably, it is 96: 4-75:25, More preferably, it is 96: 4-80:20.
なお、上記層状岩塩構造型リチウム複合酸化物粒子(B)の表面において、上記表面に炭素が担持されたリチウム系ポリアニオン粒子(A)が複合化して被覆してなる程度は、ラマン分光法の530cm-1付近のピークの有無により評価することができる。具体的には、本発明のリチウムイオン二次電池用正極活物質複合物の表面に層状岩塩構造型リチウム複合酸化物粒子(B)が存在している場合、ラマン分光法の530cm-1±5cm-1にピークが認められ、他方、リチウムイオン二次電池用正極活物質複合物の内部に層状岩塩構造型リチウム複合酸化物粒子(B)が完全に内包されている場合、ラマン分光法の530cm-1±5cm-1にピークは認められない。 In addition, on the surface of the layered rock salt structure type lithium composite oxide particles (B), the extent to which the lithium-based polyanion particles (A) on which carbon is supported is combined and coated on the surface is 530 cm of Raman spectroscopy. It can be evaluated by the presence or absence of a peak near -1 . Specifically, when the layered rock salt structure type lithium composite oxide particles (B) are present on the surface of the positive electrode active material composite for a lithium ion secondary battery of the present invention, 530 cm −1 ± 5 cm of Raman spectroscopy. -1 peak is observed, and on the other hand, when the layered rock salt structure type lithium composite oxide particles (B) are completely encapsulated in the positive electrode active material composite for lithium ion secondary battery, Raman spectroscopy of 530 cm No peak is observed at -1 ± 5 cm -1 .
次に、本発明のリチウムイオン二次電池用正極活物質複合物の製造方法において、工程(II)に先立って実施してもよいとされる、上記層状岩塩構造型リチウム複合酸化物粒子(B)を製造する工程(III)を説明する。 Next, in the method for producing a positive electrode active material composite for a lithium ion secondary battery of the present invention, the layered rock salt structure type lithium composite oxide particles (B) that may be carried out prior to the step (II) ) Will be described.
式(3)で表されるNCM系複合酸化物粒子を得るには、原料化合物、例えば、ニッケル化合物、コバルト化合物、及びマンガン化合物を、所望するNCM系複合酸化物粒子の組成となるように水に溶解させて水溶液Aを得る。かかる、ニッケル化合物、コバルト化合物、及びマンガン化合物としては、例えば、当該金属元素の硫酸塩、硝酸塩、炭酸塩、酢酸塩、シュウ酸塩、酸化物、水酸化物、ハロゲン化物などが挙げられる。具体的には、例えば、硫酸ニッケル、硫酸コバルト、硫酸マンガン、酢酸ニッケル、酢酸コバルト、酢酸マンガンなどが挙げられるが、これらに限定されるものではない。
この過程で、必要に応じて、さらに所望するNCM系複合酸化物粒子の組成になるように、活物質材料を構成する層状のNCM系複合酸化物粒子の一部を置換する金属元素(M3)として、Mg、Ti、Nb、Fe、Cr、Si、Al、Ga、V、Zn、Cu、Sr、Mo、Zr、Sn、Ta、W、La、Ce、Pb、Bi及びGeから選ばれる1種又は2種以上の元素を混入させてもよい。
In order to obtain the NCM composite oxide particles represented by the formula (3), a raw material compound, for example, a nickel compound, a cobalt compound, and a manganese compound, is mixed with water so as to have a desired composition of the NCM composite oxide particles. To obtain an aqueous solution A. Examples of the nickel compound, cobalt compound, and manganese compound include sulfates, nitrates, carbonates, acetates, oxalates, oxides, hydroxides, and halides of the metal elements. Specific examples include nickel sulfate, cobalt sulfate, manganese sulfate, nickel acetate, cobalt acetate, and manganese acetate, but are not limited thereto.
In this process, if necessary, a metal element (M 3) that substitutes a part of the layered NCM composite oxide particles constituting the active material so as to have a desired composition of the NCM composite oxide particles. 1) selected from Mg, Ti, Nb, Fe, Cr, Si, Al, Ga, V, Zn, Cu, Sr, Mo, Zr, Sn, Ta, W, La, Ce, Pb, Bi and Ge You may mix a seed or 2 or more types of elements.
次に、上記水溶液Aに、アルカリ剤を添加して水溶液Bとし、溶解している金属成分を中和反応によって共沈させ、金属複合水酸化物を得る。アルカリ剤は、水溶液BのpHを10〜14に保持するためのpH調整剤として作用し、その作用をもたらすのに充分な量を滴下する。アルカリ剤としては、例えば、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、炭酸ナトリウム、アンモニア等の水溶液を用いることができるが、水酸化ナトリウム、炭酸ナトリウム又はそれらの混合溶液を用いることが好ましい。 Next, an alkaline agent is added to the aqueous solution A to form an aqueous solution B, and the dissolved metal component is coprecipitated by a neutralization reaction to obtain a metal composite hydroxide. The alkaline agent acts as a pH adjuster for maintaining the pH of the aqueous solution B at 10 to 14, and is dripped in an amount sufficient to bring about the effect. As the alkali agent, for example, an aqueous solution of sodium hydroxide, potassium hydroxide, sodium carbonate, ammonia or the like can be used, but sodium hydroxide, sodium carbonate or a mixed solution thereof is preferably used.
上記水溶液Bを撹拌して、金属複合水酸化物を生成させるが、この反応中の水溶液Bの温度は、30℃以上が好ましく、より好ましくは30℃〜60℃である。また、水溶液Bの撹拌時間は、30分間〜120分間が好ましく、30分間〜60分間がより好ましい。 The aqueous solution B is stirred to produce a metal composite hydroxide, and the temperature of the aqueous solution B during the reaction is preferably 30 ° C. or higher, more preferably 30 ° C. to 60 ° C. Further, the stirring time of the aqueous solution B is preferably 30 minutes to 120 minutes, and more preferably 30 minutes to 60 minutes.
撹拌後、水溶液Bを濾過して金属複合水酸化物を回収する。回収した金属複合水酸化物は、水で洗浄後、乾燥するのが好ましい。 After stirring, the aqueous solution B is filtered to recover the metal composite hydroxide. The recovered metal composite hydroxide is preferably washed with water and then dried.
次いで、所望するNCM系複合酸化物粒子の組成となるように、上記金属複合水酸化物とリチウム化合物を乾式混合し、酸素雰囲気下で焼成することにより、NCM系複合酸化物粒子を得ることができる。リチウム化合物としては、例えば、水酸化リチウム又はその水和物、過酸化リチウム、硝酸リチウム、炭酸リチウム等が、好適に使用できる。金属複合水酸化物とリチウム化合物の乾式混合は、ボールミルやVブレンダー等の、通常の乾式混合機又は混合造粒装置等を用いることができ、自公転可能な遊星ボールミルを用いるのがより好ましい。 Next, the metal composite hydroxide and the lithium compound are dry-mixed so as to have the desired composition of the NCM composite oxide particles, and calcined in an oxygen atmosphere to obtain NCM composite oxide particles. it can. As the lithium compound, for example, lithium hydroxide or a hydrate thereof, lithium peroxide, lithium nitrate, lithium carbonate and the like can be preferably used. For the dry mixing of the metal composite hydroxide and the lithium compound, a normal dry mixer or a mixing granulator such as a ball mill or a V blender can be used, and it is more preferable to use a planetary ball mill capable of revolving.
上記金属複合水酸化物とリチウム化合物の混合物の焼成は、2段階(仮焼成及び本焼成)で行うことが好ましい。上記混合物中の水酸化物や炭酸塩からの水分子や二酸化炭素等の加熱分解成分を、仮焼成で除去した後に本焼成を行うことによって、効率よくNCM系複合酸化物粒子を得ることができる。仮焼成の条件としては、特に限定されるものではないが、昇温速度は、室温から1℃/分〜20℃/分であることが好ましい。また、雰囲気は、大気雰囲気又は酸素雰囲気であることが好ましい。また、焼成温度は、700℃〜1000℃であることが好ましく、650℃〜750℃であることがより好ましい。さらに焼成時間は、3時間〜20時間であることが好ましく、4時間〜6時間であることがより好ましい。 The firing of the mixture of the metal composite hydroxide and the lithium compound is preferably performed in two stages (temporary firing and main firing). By removing the thermal decomposition components such as water molecules and carbon dioxide from the hydroxide and carbonate in the above mixture by pre-baking and then performing main baking, NCM composite oxide particles can be obtained efficiently. . Although it does not specifically limit as conditions for temporary baking, It is preferable that a temperature increase rate is 1 degreeC / min-20 degreeC / min from room temperature. The atmosphere is preferably an air atmosphere or an oxygen atmosphere. Moreover, it is preferable that a calcination temperature is 700 to 1000 degreeC, and it is more preferable that it is 650 to 750 degreeC. Furthermore, the firing time is preferably 3 hours to 20 hours, and more preferably 4 hours to 6 hours.
次の本焼成の条件としては、特に限定されるものではないが、仮焼成した後、乳鉢等で解砕された上記仮焼成物は、再度、室温から昇温速度1℃/分〜20℃/分で加熱される。この際の雰囲気は、大気雰囲気又は酸素雰囲気下であることが好ましい。また、焼成温度は、700℃〜1200℃であることが好ましく、750℃〜900℃であることがより好ましい。さらに、焼成時間は3時間〜20時間であることが好ましく、8時間〜10時間であることがより好ましい。
この2段階の焼成には、酸素雰囲気、除湿及び除炭酸処理を施した乾燥空気雰囲気等の酸素濃度が20質量%以上のガス雰囲気に調整した電気炉、ロータリーキルン、管状炉、プッシャー炉等を用いることができる。
The conditions for the next main baking are not particularly limited, but the temporary baking after calcination and then crushed with a mortar or the like is performed again from room temperature to a heating rate of 1 ° C./min to 20 ° C. / Min. The atmosphere at this time is preferably an air atmosphere or an oxygen atmosphere. Moreover, it is preferable that it is 700 to 1200 degreeC, and, as for baking temperature, it is more preferable that it is 750 to 900 degreeC. Furthermore, the firing time is preferably 3 hours to 20 hours, more preferably 8 hours to 10 hours.
For this two-stage firing, an electric furnace, a rotary kiln, a tubular furnace, a pusher furnace, etc. adjusted to a gas atmosphere with an oxygen concentration of 20% by mass or more such as an oxygen atmosphere, a dehumidified and decarboxylated dry air atmosphere, etc. are used. be able to.
NCM系複合酸化物粒子の一次粒子の平均粒径は、本焼成の焼成温度を調整することにより制御することができる。上記NCM系複合酸化物粒子の一次粒子の平均粒径を500nm以下とするには、焼成温度を好ましくは700℃〜1000℃、より好ましくは750℃〜900℃とすればよい。 The average particle size of the primary particles of the NCM composite oxide particles can be controlled by adjusting the firing temperature of the main firing. In order to set the average particle size of the primary particles of the NCM composite oxide particles to 500 nm or less, the firing temperature is preferably 700 ° C. to 1000 ° C., more preferably 750 ° C. to 900 ° C.
さらに、層状岩塩構造型リチウム複合酸化物粒子(B)の内部空隙率は、本焼成の焼成時間を調整することにより制御することができる。上記NCM系複合酸化物粒子の一次粒子からなる層状岩塩構造型リチウム複合酸化物粒子(B)の内部空隙率を3体積%〜10体積%とするには、焼成時間を好ましくは6時間〜12時間、より好ましくは8時間〜10時間とすればよい。 Furthermore, the internal porosity of the layered rock salt structure type lithium composite oxide particles (B) can be controlled by adjusting the firing time of the main firing. In order to set the internal porosity of the layered rock salt structure type lithium composite oxide particles (B) composed of primary particles of the NCM-based composite oxide particles to 3 volume% to 10 volume%, the firing time is preferably 6 hours to 12 hours. Time, more preferably 8 hours to 10 hours.
最後に、得られた焼成物を水洗した後、濾過、及び乾燥して式(3)で表される層状岩塩構造型リチウム複合酸化物粒子(B)を得る。ここで、上記乾燥は2段階で行い、第1段階の乾燥を、層状岩塩構造型リチウム複合酸化物粒子(B)中の水分(気化温度300℃で測定した水分率)が1質量%以下になるまでは90℃以下で乾燥し、その後、第2段階の乾燥を120℃以上で行うのが好ましい。水分量の測定は、例えば、カールフィッシャー水分計を用いて測定すればよい。 Finally, the fired product obtained is washed with water, filtered and dried to obtain layered rock salt structure type lithium composite oxide particles (B) represented by the formula (3). Here, the drying is performed in two stages, and the moisture in the layered rock salt structure type lithium composite oxide particles (B) (water content measured at a vaporization temperature of 300 ° C.) is 1% by mass or less. It is preferable to dry at 90 ° C. or lower until it is, and then perform the second stage drying at 120 ° C. or higher. The moisture content may be measured using, for example, a Karl Fischer moisture meter.
コア−シェル構造を有するNCM系複合酸化物粒子を製造する場合、上記工程(III)の本焼成で得られたNCM系複合酸化物粒子からなる二次粒子をコア部とし、かかるコア部を構成するNCM系複合酸化物粒子の表面上に組成の異なるNCM系複合酸化物粒子が生成するように、工程(III)を繰り返せばよい。このシェル部を生成するための工程を工程(III’)と称する。 In the case of producing NCM composite oxide particles having a core-shell structure, secondary particles composed of the NCM composite oxide particles obtained by the main firing in the above step (III) are used as the core portion, and the core portion is configured. Step (III) may be repeated so that NCM composite oxide particles having different compositions are formed on the surface of the NCM composite oxide particles. The process for generating the shell portion is referred to as process (III ').
工程(III’)において、シェル部となるNCM系複合酸化物粒子を得るには、上記工程(III)における水溶液Aの製造方法と同様にして、所望するNCM系複合酸化物粒子の組成に対応する水溶液aを得た後、上記工程(III)における水溶液Bの製造方法と同様にして、金属複合水酸化物を含む水溶液bを得る。 In step (III ′), in order to obtain NCM-based composite oxide particles serving as a shell part, the composition of the desired NCM-based composite oxide particles is handled in the same manner as in the method for producing aqueous solution A in step (III). After obtaining the aqueous solution a to be obtained, the aqueous solution b containing the metal composite hydroxide is obtained in the same manner as in the method for producing the aqueous solution B in the step (III).
次に、上記水溶液bに、上記工程(III)の本焼成で得られたコア部を構成するNCM系複合酸化物粒子の二次粒子を混合撹拌し、室温から1℃/分〜20℃/分の昇温速度で100℃〜110℃まで加熱し、空気中ないし酸素雰囲気下、かかる加熱温度範囲で加熱しながら攪拌して水分を90%以上蒸発させる。これにより、コア部を構成するNCM系複合酸化物粒子の二次粒子の表面に、シェル部を構成するNCM系複合酸化物粒子の原材料を共沈させることができる。なお、加熱温度を調整することで、シェル部の厚さを制御することができる。 Next, the aqueous solution b is mixed and stirred with the secondary particles of the NCM-based composite oxide particles constituting the core part obtained by the main calcination in the step (III), and from room temperature to 1 ° C./min to 20 ° C. / The mixture is heated to 100 ° C. to 110 ° C. at a temperature rising rate of minutes, and stirred in the air or in an oxygen atmosphere while heating in such a heating temperature range to evaporate water by 90% or more. Thereby, the raw material of the NCM type complex oxide particles constituting the shell part can be co-precipitated on the surface of the secondary particles of the NCM type complex oxide particles constituting the core part. In addition, the thickness of a shell part is controllable by adjusting heating temperature.
上記工程を経ることにより得られた粒子を、工程(III)と同様にして2段階焼成及び2段階乾燥に付した後、水洗し、次いで濾過、及び乾燥して、コア−シェル構造を有する層状岩塩構造型リチウム複合酸化物粒子(B)を得る。 The particles obtained through the above steps are subjected to two-stage firing and two-stage drying in the same manner as in the step (III), then washed with water, then filtered, and dried to form a layered structure having a core-shell structure. Rock salt structure type lithium composite oxide particles (B) are obtained.
次に、工程(III)において式(4)で表される層状岩塩構造型リチウム複合酸化物粒子(B)を得る場合につき、具体的に説明する。
式(4)で表されるNCA系複合酸化物粒子を得るには、原料化合物、例えば、ニッケル化合物、コバルト化合物、及びアルミニウム化合物を、所望するNCA系複合酸化物粒子の組成となるように水に溶解させて水溶液A’を得る。かかるニッケル化合物、コバルト化合物、及びアルミニウム化合物としては、例えば、当該金属元素の硫酸塩、硝酸塩、炭酸塩、酢酸塩、シュウ酸塩、酸化物、水酸化物、ハロゲン化物などが挙げられる。具体的には、例えば、硫酸ニッケル、硫酸コバルト、硫酸アルミニウム、酢酸ニッケル、酢酸コバルト、酢酸アルミニウムなどが挙げられるが、これらに限定されるものではない。この過程で、必要に応じて、さらに所望するNCA系複合酸化物粒子の組成になるように、活物質材料を構成する層状のNCA系複合酸化物粒子の一部を置換する金属元素(M4)として、Mg、Ti、Nb、Fe、Cr、Si、Ga、V、Zn、Cu、Sr、Mo、Zr、Sn、Ta、W、La、Ce、Pb、Bi及びGeから選ばれる1種又は2種以上の元素を混入させてもよい。
Next, the case where the layered rock salt structure type lithium composite oxide particle (B) represented by the formula (4) is obtained in the step (III) will be specifically described.
In order to obtain the NCA-based composite oxide particles represented by the formula (4), raw material compounds such as a nickel compound, a cobalt compound, and an aluminum compound are mixed with water so as to have a desired composition of the NCA-based composite oxide particles. To obtain an aqueous solution A ′. Examples of such nickel compounds, cobalt compounds, and aluminum compounds include sulfates, nitrates, carbonates, acetates, oxalates, oxides, hydroxides, and halides of the metal elements. Specific examples include, but are not limited to, nickel sulfate, cobalt sulfate, aluminum sulfate, nickel acetate, cobalt acetate, and aluminum acetate. In this process, if necessary, a metal element (M 4) for substituting a part of the layered NCA-based composite oxide particles constituting the active material so as to have a desired composition of the NCA-based composite oxide particles. ), Mg, Ti, Nb, Fe, Cr, Si, Ga, V, Zn, Cu, Sr, Mo, Zr, Sn, Ta, W, La, Ce, Pb, Bi and Ge Two or more elements may be mixed.
次に、上記水溶液A’に、アルカリ剤を添加して水溶液B’とし、溶解している金属水分を中和反応によって共沈させ、金属複合水酸化物を得る。アルカリ剤は、水溶液B’のpHが10〜14に保持するのに充分な量を滴下する。アルカリ剤としては、例えば、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、炭酸ナトリウム、アンモニア等の水溶液を用いることができるが、アンモニア、水酸化ナトリウム、炭酸ナトリウム又はそれらの混合溶液を用いることが好ましい。 Next, an alkaline agent is added to the aqueous solution A ′ to obtain an aqueous solution B ′, and the dissolved metal moisture is coprecipitated by a neutralization reaction to obtain a metal composite hydroxide. The alkaline agent is dropped in an amount sufficient to maintain the pH of the aqueous solution B ′ at 10-14. As the alkaline agent, for example, an aqueous solution of sodium hydroxide, potassium hydroxide, sodium carbonate, ammonia or the like can be used, but it is preferable to use ammonia, sodium hydroxide, sodium carbonate or a mixed solution thereof.
上記水溶液B’を撹拌して、金属複合水酸化物を生成させるが、この反応中の水溶液B’の温度は、40℃以上が好ましく、より好ましくは40℃〜60℃である。また、水溶液B’の撹拌時間は、30分間〜120分間が好ましく、30分間〜60分間がより好ましい。 The aqueous solution B ′ is stirred to produce a metal composite hydroxide. The temperature of the aqueous solution B ′ during this reaction is preferably 40 ° C. or higher, more preferably 40 ° C. to 60 ° C. Further, the stirring time of the aqueous solution B ′ is preferably 30 minutes to 120 minutes, and more preferably 30 minutes to 60 minutes.
嵩密度の高いNCA系複合酸化物粒子とするために、上記反応後の水溶液B’に、さらに次亜塩素酸ソーダや過酸化水素水等の酸化剤を添加してもよい。 In order to obtain NCA-based composite oxide particles having a high bulk density, an oxidizing agent such as sodium hypochlorite or hydrogen peroxide may be further added to the aqueous solution B ′ after the reaction.
撹拌後、水溶液B’を濾過して金属複合水酸化物を回収する。回収した金属複合水酸化物は、焼成して金属複合酸化物とするのが好ましい。金属複合酸化物としてリチウム化合物と反応させることで、得られるNCA系複合酸化物の品位が安定するとともに、リチウムと均一かつ充分に反応させることができる。
金属複合酸化物を得るための焼成条件は、特に限定されるものではなく、例えば、大気雰囲気下、好ましくは500℃〜1100℃、より好ましくは600℃〜900℃の温度で焼成すればよい。
After stirring, the aqueous solution B ′ is filtered to recover the metal composite hydroxide. The recovered metal composite hydroxide is preferably fired to form a metal composite oxide. By reacting with the lithium compound as the metal composite oxide, the quality of the obtained NCA-based composite oxide can be stabilized and can be reacted uniformly and sufficiently with lithium.
The firing conditions for obtaining the metal composite oxide are not particularly limited. For example, the firing may be performed in an air atmosphere at a temperature of preferably 500 ° C to 1100 ° C, more preferably 600 ° C to 900 ° C.
次いで、所望するNCA系複合酸化物粒子の組成となるように、上記金属複合水酸化物とリチウム化合物を乾式混合し、酸素雰囲気下で焼成することにより、NCA系複合酸化物粒子を得ることができる。リチウム化合物としては、特に限定されるものではなく、例えば、水酸化リチウム又はその水和物、過酸化リチウム、硝酸リチウム、炭酸リチウム等が、好適に使用できる。金属複合酸化物とリチウム化合物の乾式混合は、ボールミルやVブレンダー等の、通常の乾式混合機又は混合造粒装置等を用いることができ、焼成には、酸素雰囲気、除湿及び除炭酸処理を施した乾燥空気雰囲気等の酸素濃度が20質量%以上のガス雰囲気に調整した電気炉、ロータリーキルン、管状炉、プッシャー炉等を用いることができる。 Next, the NCA composite oxide particles can be obtained by dry-mixing the metal composite hydroxide and the lithium compound so as to have the desired composition of the NCA composite oxide particles and firing in an oxygen atmosphere. it can. The lithium compound is not particularly limited, and for example, lithium hydroxide or a hydrate thereof, lithium peroxide, lithium nitrate, lithium carbonate and the like can be preferably used. For the dry mixing of the metal composite oxide and the lithium compound, an ordinary dry mixer or a mixing granulator such as a ball mill or a V blender can be used. For firing, an oxygen atmosphere, dehumidification and decarboxylation are performed. An electric furnace, a rotary kiln, a tubular furnace, a pusher furnace, or the like adjusted to a gas atmosphere having an oxygen concentration of 20% by mass or more such as a dry air atmosphere can be used.
上記金属複合酸化物とリチウム化合物の混合物の焼成は、焼成温度が650℃〜850℃であることが好ましく、700℃〜800℃であることがより好ましい。650℃未満の焼成温度では、得られるNCA系複合酸化物粒子の結晶が未発達で構造的に不安定であり、充放電で容易に構造が破壊される。一方、焼成温度が850℃を超えると、NCA系複合酸化物粒子の層状構造が崩れ、リチウムイオンの挿入、脱離が困難になる。焼成時間は5時間〜20時間であることが好ましく、6時間〜10時間であることがより好ましい。
さらに、リチウム化合物の結晶水又は炭酸を取り除くために、NCM系複合酸化物粒子と同様に2段階焼成するのが好ましく、その場合は、第1段階の仮焼成を400℃〜600℃で1時間以上行い、続いて第2段階の本焼成を650℃〜850℃で5時間以上行えばよい。
In the firing of the mixture of the metal composite oxide and the lithium compound, the firing temperature is preferably 650 ° C to 850 ° C, and more preferably 700 ° C to 800 ° C. At a firing temperature of less than 650 ° C., the crystals of the obtained NCA-based composite oxide particles are undeveloped and structurally unstable, and the structure is easily destroyed by charge / discharge. On the other hand, when the firing temperature exceeds 850 ° C., the layered structure of the NCA-based composite oxide particles collapses, making it difficult to insert and desorb lithium ions. The firing time is preferably 5 hours to 20 hours, and more preferably 6 hours to 10 hours.
Furthermore, in order to remove the crystal water or carbonic acid of the lithium compound, it is preferable to perform two-stage calcination in the same manner as the NCM-based composite oxide particles. The second baking is then performed at 650 ° C. to 850 ° C. for 5 hours or longer.
最後に、得られた焼成物を水洗した後、濾過、及び乾燥して式(4)で表される層状岩塩構造型リチウム複合酸化物粒子(B)を得る。焼成物を水洗する際のスラリー濃度は、200g/L〜4000g/Lが好ましく、500g/L〜2000g/Lがより好ましい。このスラリー濃度が200g/L未満では、NCA系複合酸化物粒子の二次粒子からリチウムの脱離が生じる。
また、水洗に使用する水に炭酸ガスが多く含まれていると、炭酸リチウムが層状岩塩構造型リチウム複合酸化物粒子(B)に析出するため、水洗に用いる水の電気伝導率は、10μS/cm未満がこのましく、1μS/cm以下の水がより好ましい。
Finally, the obtained fired product is washed with water, filtered and dried to obtain layered rock salt structure type lithium composite oxide particles (B) represented by the formula (4). The slurry concentration when washing the fired product with water is preferably 200 g / L to 4000 g / L, and more preferably 500 g / L to 2000 g / L. When the slurry concentration is less than 200 g / L, lithium is desorbed from the secondary particles of the NCA-based composite oxide particles.
In addition, when the water used for washing contains a large amount of carbon dioxide, lithium carbonate precipitates on the layered rock salt structure type lithium composite oxide particles (B), so that the electric conductivity of the water used for washing is 10 μS / Less than cm is preferable, and water of 1 μS / cm or less is more preferable.
本発明においては、この工程(III’)において、水洗して濾過した後に行われる乾燥は、2段階で行う必要がある。第1段階の乾燥を、二次粒子中の水分(気化温度300℃で測定した水分率)が1質量%以下になるまでは90℃以下で乾燥し、その後、第2段階の乾燥を120℃以上で行う。 In the present invention, in this step (III '), the drying performed after washing with water and filtering needs to be performed in two stages. The drying in the first stage is performed at 90 ° C. or less until the moisture in the secondary particles (moisture ratio measured at a vaporization temperature of 300 ° C.) is 1% by mass or less, and then the drying in the second stage is performed at 120 ° C. This is done.
本発明のリチウムイオン二次電池用正極活物質複合物を正極材料として適用し、これを含むリチウムイオン二次電池としては、正極と負極と電解液とセパレータ、若しくは正極と負極と固体電解質を必須構成とするものであれば特に限定されない。 The positive electrode active material composite for a lithium ion secondary battery of the present invention is applied as a positive electrode material, and as a lithium ion secondary battery including the same, a positive electrode, a negative electrode, an electrolytic solution, a separator, or a positive electrode, a negative electrode, and a solid electrolyte are essential. If it is set as a structure, it will not specifically limit.
ここで、負極については、リチウムイオンを充電時には吸蔵し、かつ放電時には放出することができれば、その材料構成で特に限定されるものではなく、公知の材料構成のものを用いることができる。たとえば、リチウム金属、グラファイト、シリコン系(Si、SiOx)、チタン酸リチウム又は非晶質炭素等の炭素材料等を用いることができる。そしてリチウムイオンを電気化学的に吸蔵・放出し得るインターカレート材料で形成された電極、特に炭素材料を用いることが好ましい。さらに、二種以上の上記の負極材料を併用してもよく、たとえばグラファイトとシリコン系の組み合わせを用いることができる。 Here, as long as lithium ions can be occluded at the time of charging and released at the time of discharging, the material configuration is not particularly limited, and a known material configuration can be used. For example, a carbon material such as lithium metal, graphite, silicon-based (Si, SiO x ), lithium titanate, or amorphous carbon can be used. It is preferable to use an electrode formed of an intercalating material capable of electrochemically occluding and releasing lithium ions, particularly a carbon material. Furthermore, two or more kinds of the above negative electrode materials may be used in combination, and for example, a combination of graphite and silicon can be used.
電解液は、有機溶媒に支持塩を溶解させたものである。有機溶媒は、通常リチウムイオン二次電池の電解液に用いられる有機溶媒であれば特に限定されるものではなく、例えば、カーボネート類、ハロゲン化炭化水素、エーテル類、ケトン類、ニトリル類、ラクトン類、オキソラン化合物等を用いることができる。 The electrolytic solution is obtained by dissolving a supporting salt in an organic solvent. The organic solvent is not particularly limited as long as it is an organic solvent usually used for an electrolyte solution of a lithium ion secondary battery. For example, carbonates, halogenated hydrocarbons, ethers, ketones, nitriles, lactones An oxolane compound or the like can be used.
支持塩は、その種類が特に限定されるものではないが、LiPF6、LiBF4、LiClO4及びLiAsF6から選ばれる無機塩、該無機塩の誘導体、LiSO3CF3、LiC(SO3CF3)2及びLiN(SO3CF3)2、LiN(SO2C2F5)2及びLiN(SO2CF3)(SO2C4F9)から選ばれる有機塩、並びに該有機塩の誘導体の少なくとも1種であることが好ましい。 The type of the supporting salt is not particularly limited, but an inorganic salt selected from LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 and LiAsF 6 , a derivative of the inorganic salt, LiSO 3 CF 3 , LiC (SO 3 CF 3 ) 2 and LiN (SO 3 CF 3 ) 2 , LiN (SO 2 C 2 F 5 ) 2 and LiN (SO 2 CF 3 ) (SO 2 C 4 F 9 ), organic salts, and derivatives of the organic salts It is preferable that it is at least 1 type of these.
セパレータは、正極及び負極を電気的に絶縁し、電解液を保持する役割を果たすものである。たとえば、多孔性合成樹脂膜、特にポリオレフィン系高分子(ポリエチレン、ポリプロピレン)の多孔膜を用いればよい。 The separator plays a role of electrically insulating the positive electrode and the negative electrode and holding the electrolytic solution. For example, a porous synthetic resin film, particularly a polyolefin polymer (polyethylene, polypropylene) porous film may be used.
固体電解質は、正極及び負極を電気的に絶縁し、高いリチウムイオン電導性を示すものである。たとえば、La0.51Li0.34TiO2.94、Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3、Li7La3Zr2O12、50Li4SiO4・50Li3BO3、Li2.9PO3.3N0.46、Li3.6Si0.6P0.4O4、Li1.07Al0.69Ti1.46(PO4)3、Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3、Li10GeP2S12、Li3.25Ge0.25P0.75S4、30Li2S・26B2S3・44LiI、63Li2S・36SiS2・1Li3PO4、57Li2S・38SiS2・5Li4SiO4、70Li2S・30P2S5、50Li2S・50GeS2、Li7P3S11、Li3.25P0.95S4を用いればよい。 The solid electrolyte electrically insulates the positive electrode and the negative electrode and exhibits high lithium ion conductivity. For example, La 0.51 Li 0.34 TiO 2.94 , Li 1.3 Al 0.3 Ti 1.7 (PO 4 ) 3 , Li 7 La 3 Zr 2 O 12 , 50Li 4 SiO 4 .50Li 3 BO 3 , Li 2.9 PO 3.3 N 0.46 , Li 3.6 Si 0.6 P 0.4 O 4 , Li 1.07 Al 0.69 Ti 1.46 (PO 4 ) 3 , Li 1 .5 Al 0.5 Ge 1.5 (PO 4 ) 3, Li 10 GeP 2 S 12, Li 3.25 Ge 0.25 P 0.75 S 4, 30Li 2 S · 26B 2 S 3 · 44LiI, 63Li 2 S · 36SiS 2 · 1Li 3 PO 4, 57Li 2 S · 38SiS 2 · 5Li 4 SiO 4, 70Li 2 S · 30P 2 S 5, 50Li 2 S · 50GeS 2, Li 7 P 3 S 11, Li 3.25 P 0.95 S 4 may be used.
上記の構成を有するリチウムイオン二次電池の形状としては、特に制限を受けるものではなく、コイン型、円筒型,角型等種々の形状や、ラミネート外装体に封入した不定形状であってもよい。 The shape of the lithium ion secondary battery having the above configuration is not particularly limited, and may be various shapes such as a coin shape, a cylindrical shape, a square shape, and an indefinite shape sealed in a laminate outer package. .
以下、本発明について、実施例に基づき具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated concretely based on an Example, this invention is not limited to these Examples.
[製造例1:リチウム系ポリアニオン粒子(LMFP)の製造]
LiOH・H2O 4071g、及び水9.657Lを混合してスラリーA1を得た。次いで、得られたスラリーA1を、25℃の温度に保持しながら3分間撹拌しつつ75%のリン酸水溶液4204gを40mL/分で滴下して、Li3PO4を含むスラリーA2を得た。
得られたスラリーA2に窒素パージして、スラリーA2の溶存酸素濃度を0.1mg/Lとした後、スラリーA2全量に対し、MnSO4・5H2O 3807g、FeSO4・7H2O 2684gを添加してスラリーA3を得た。添加したMnSO4とFeSO4のモル比(マンガン化合物:鉄化合物)は、70:30であった。
次いで、得られたスラリーA3をオートクレーブに投入し、170℃で0.5時間水熱反応を行った。オートクレーブ内の圧力は0.8MPaであった。水熱反応後、生成した結晶をろ過し、次いで結晶1質量部に対し12質量部の水により洗浄した。その後フィルタープレス装置で脱水し、脱水ケーキA4を得た。
脱水ケーキA4中のリチウム系ポリアニオン粒子の平均粒径は、100nmであった。
得られた脱水ケーキA4を8000g分取し、セルロースナノファイバー(KY100G、ダイセルファインケム社製)1200g、水8.5Lを添加して、固形分濃度30質量%のスラリーA5を得た。得られたスラリーA5を超音波攪拌機(T25、IKA社製)で10分間分散処理して全体を均一に呈色させた後、スプレードライ装置(MDL−050M、藤崎電機株式会社製)を用いて乾燥温度130℃で噴霧乾燥し、予備造粒体A6を得た。
得られた予備造粒体A6を、アルゴン水素雰囲気下(水素濃度3%)、700℃で1時間焼成して、2.0質量%のセルロースナノファイバー由来の炭素が表面に担持されたリン酸マンガン鉄リチウム二次粒子からなる造粒体(LiMn0.7Fe0.3PO4、炭素の量=2.0質量%、平均粒径:11μm、空隙率51体積%、タップ密度0.8g/cm3)を得た。
以後、上記リン酸マンガン鉄リチウム二次粒子からなる造粒体をLMFPと称する。
[Production Example 1: Production of lithium-based polyanion particles (LMFP)]
A slurry A1 was obtained by mixing 4071 g of LiOH.H 2 O and 9.657 L of water. Next, while the obtained slurry A1 was stirred for 3 minutes while maintaining the temperature at 25 ° C., 4204 g of a 75% aqueous phosphoric acid solution was added dropwise at 40 mL / min to obtain a slurry A2 containing Li 3 PO 4 .
The obtained slurry A2 was purged with nitrogen so that the dissolved oxygen concentration of the slurry A2 was 0.1 mg / L, and then 3807 g of MnSO 4 · 5H 2 O and 2684 g of FeSO 4 · 7H 2 O were added to the total amount of the slurry A2. Thus, slurry A3 was obtained. The molar ratio of MnSO 4 and FeSO 4 added (manganese compound: iron compound) was 70:30.
Next, the obtained slurry A3 was charged into an autoclave and subjected to a hydrothermal reaction at 170 ° C. for 0.5 hour. The pressure in the autoclave was 0.8 MPa. After the hydrothermal reaction, the produced crystal was filtered, and then washed with 12 parts by mass of water with respect to 1 part by mass of the crystal. Thereafter, it was dehydrated with a filter press device to obtain a dehydrated cake A4.
The average particle size of the lithium-based polyanion particles in the dehydrated cake A4 was 100 nm.
8000 g of the obtained dehydrated cake A4 was collected, 1200 g of cellulose nanofiber (KY100G, manufactured by Daicel Finechem) and 8.5 L of water were added to obtain slurry A5 having a solid content concentration of 30% by mass. The obtained slurry A5 was dispersed with an ultrasonic stirrer (T25, manufactured by IKA) for 10 minutes to uniformly color the whole, and then spray-dried (MDL-050M, manufactured by Fujisaki Electric Co., Ltd.). Spray drying was performed at a drying temperature of 130 ° C. to obtain a pre-granulated product A6.
The obtained pre-granulated product A6 was calcined at 700 ° C. for 1 hour in an argon hydrogen atmosphere (hydrogen concentration 3%), and phosphoric acid having 2.0% by mass of cellulose nanofiber-derived carbon supported on the surface. Granules made of lithium manganese iron secondary particles (LiMn 0.7 Fe 0.3 PO 4 , amount of carbon = 2.0 mass%, average particle diameter: 11 μm, porosity 51 volume%, tap density 0.8 g / cm 3 ) Got.
Hereinafter, the granulated body composed of the lithium iron manganese phosphate secondary particles is referred to as LMFP.
層状岩塩構造型リチウム複合酸化物粒子(B)には、以下の品質を有する市販品を用いた。以後、NCMと称する。
組成:LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2
平均粒径:10μm
タップ密度:2.4g/cm3
Commercially available products having the following qualities were used for the layered rock salt structure type lithium composite oxide particles (B). Hereinafter, it is referred to as NCM.
Composition: LiNi 0.5 Co 0.2 Mn 0.3 O 2
Average particle size: 10 μm
Tap density: 2.4 g / cm 3
[実施例1:(LMFP70%+NCM30%)複合物a1]
製造例1で得られたLMFP350gと、NCM 150gを、ノビルタ(ホソカワミクロン社製、NOB−130)を用いて、2kWの負荷で、20m/s(2600rpm)で10分間の複合化処理を行い、LMFPとNCMとが複合化してなるリチウムイオン二次電池用正極活物質複合物a1を得た。
[Example 1: (LMFP 70% + NCM 30%) composite a1]
LMFM 350g obtained in Production Example 1 and NCM 150g were combined with Nobilta (manufactured by Hosokawa Micron Corporation, NOB-130) for 10 minutes at a load of 2 kW at 20 m / s (2600 rpm). And a positive electrode active material composite a1 for a lithium ion secondary battery obtained by combining NCM.
[実施例2:(LMFP80%+NCM20%)複合物a2]
LMFPを400gに、NCMを100gに変更した以外、実施例1と同様にしてLMFPとNCMとが複合化してなるリチウムイオン二次電池用正極活物質複合物a2を得た。
[Example 2: (LMFP 80% + NCM 20%) composite a2]
A positive electrode active material composite a2 for a lithium ion secondary battery obtained by combining LMFP and NCM was obtained in the same manner as in Example 1 except that LLM was changed to 400 g and NCM was changed to 100 g.
[実施例3:(LMFP90%+NCM10%)複合物a3]
LMFPを450gに、NCMを50gに変更した以外、実施例1と同様にしてLMFPとNCMとが複合化してなるリチウムイオン二次電池用正極活物質複合物a3を得た。
[Example 3: (LMFP 90% + NCM 10%) composite a3]
A positive electrode active material composite a3 for a lithium ion secondary battery obtained by combining LMFP and NCM was obtained in the same manner as in Example 1 except that LLM was changed to 450 g and NCM was changed to 50 g.
[実施例4:(LMFP95%+NCM5%)複合物a4]
LMFPを475gに、NCMを25gに変更した以外、実施例1と同様にしてLMFPとNCMとが複合化してなるリチウムイオン二次電池用正極活物質複合物a4を得た。
[Example 4: (LMFP 95% + NCM 5%) composite a4]
A positive electrode active material composite a4 for a lithium ion secondary battery obtained by combining LMFP and NCM was obtained in the same manner as in Example 1 except that LMFP was changed to 475 g and NCM was changed to 25 g.
[比較例1:(LMFP50%+NCM50%)複合物b1]
LMFPを250gに、NCMを250gに変更した以外、実施例1と同様にしてLMFPとNCMとが複合化してなるリチウムイオン二次電池用正極活物質複合物b1を得た。
[Comparative Example 1: (LMFP 50% + NCM 50%) composite b1]
A positive electrode active material composite b1 for a lithium ion secondary battery obtained by combining LMFP and NCM was obtained in the same manner as in Example 1 except that LLM was changed to 250 g and NCM was changed to 250 g.
[比較例2:(LMFP0%+NCM100%)複合物b2]
LMFPを0gに、NCMを500gに変更した以外、実施例1と同様にしてNCMのみが複合化してなるリチウムイオン二次電池用正極活物質複合物b2を得た。
[Comparative Example 2: (
A positive electrode active material composite b2 for a lithium ion secondary battery obtained by combining only NCM was obtained in the same manner as in Example 1 except that LMFP was changed to 0 g and NCM was changed to 500 g.
[比較例3:(LMFP90%+NCM10%)混合物b3]
製造例1で得られたLMFP450gとNCM50gとを、200mm×280mmの袋に入れて10分間混合し、LMFPとNCMとが複合化することなく、単に混合してなるリチウムイオン二次電池用正極活物質混合物b3を得た。
[Comparative Example 3: (LMFP 90% + NCM 10%) mixture b3]
LMFP450g and NCM50g obtained in Production Example 1 are placed in a bag of 200 mm × 280 mm and mixed for 10 minutes, and LMF and NCM are simply mixed without being compounded. A substance mixture b3 was obtained.
≪ラマン分光法による複合物におけるLMFPによるNCMの内包の程度の評価≫
全ての実施例及び比較例で得られたリチウムイオン二次電池用正極活物質複合物又はリチウムイオン二次電池用正極活物質混合物について、ラマン分光法による530cm-1±5cm-1のピークの有無を確認した。実施例の全てに当該ピークは認められず、LMFPがNCMを完全に内包していることが確認された一方、全ての比較例には当該ピークが認められた。
LMFPがNCMを完全に内包している場合を「有り」、内包していない場合を「無し」とし、結果を表1に示す。
参考として、実施例1で得られたリチウムイオン二次電池用正極活物質複合物a1で得られたリチウムイオン二次電池用正極活物質混合物b3に関するラマンスペクトルを図1に示し、比較例3で得られたリチウムイオン二次電池用正極活物質混合物b3に関するラマンスペクトルを図2に示す。
≪Evaluation of the degree of NCM inclusion by LFP in composites by Raman spectroscopy≫
For all examples and for a lithium ion secondary battery obtained in Comparative Example positive active material composite or a lithium ion secondary battery positive electrode active material mixture, the presence or absence of a peak of 530 cm -1 ± 5 cm -1 by Raman spectroscopy It was confirmed. The peak was not observed in all of the examples, and it was confirmed that LMFP completely contained NCM, while the peak was observed in all of the comparative examples.
Table 1 shows the result when the LFP completely includes the NCM as “Yes” and when the LMFP does not include the NCM as “No”.
As a reference, the Raman spectrum for the positive electrode active material mixture b3 for lithium ion secondary battery obtained with the positive electrode active material composite a1 for lithium ion secondary battery obtained in Example 1 is shown in FIG. The Raman spectrum regarding the obtained positive electrode active material mixture b3 for lithium ion secondary batteries is shown in FIG.
≪タップ密度の測定≫
全ての実施例及び比較例で得られたリチウムイオン二次電池用正極活物質複合物又はリチウムイオン二次電池用正極活物質混合物について、JIS R 1628「ファインセラミックス粉末のかさ密度測定方法」に規定されるタップかさ密度の測定方法に準拠して、タップ密度を測定した。
結果を表1に示す。
≪Measurement of tap density≫
The positive electrode active material composite for lithium ion secondary batteries or the positive electrode active material mixture for lithium ion secondary batteries obtained in all Examples and Comparative Examples is defined in JIS R 1628 “Method for measuring bulk density of fine ceramic powder”. The tap density was measured in accordance with the tap bulk density measurement method.
The results are shown in Table 1.
≪体積エネルギー密度の評価≫
全ての実施例及び比較例で得られたリチウムイオン二次電池用正極活物質複合物又はリチウムイオン二次電池用正極活物質混合物を二次電池用正極活物質として用いて正極スラリーを調製した。具体的には、二次電池用正極活物質、アセチレンブラック、ポリフッ化ビニリデンを質量比90:5:5の配合割合で混合し、得られた混合物100質量部に対して、N−メチル−2−ピロリドンを1質量部加えて充分混練し、正極スラリーを調製した。
次に、上記正極スラリーを厚さ20μmのアルミニウム箔からなる集電体に塗工機を用いて塗布し、80℃で12時間の真空乾燥を行った。その後、φ14mmの円盤状に打ち抜いてハンドプレスを用いて16MPaで2分間プレスし、正極とした。
この際、上記正極の厚さ及び正極中の二次電池用正極活物質の質量から、以下の式(Y)により電極密度を求めた。
結果を表1に示す。
電極密度(g/cm3)=
正極中活物質質量(mg)/電極体積(φ14mm×厚さ(μm))・・・(Y)
≪Evaluation of volume energy density≫
A positive electrode slurry was prepared using the positive electrode active material composite for lithium ion secondary batteries or the positive electrode active material mixture for lithium ion secondary batteries obtained in all Examples and Comparative Examples as the positive electrode active material for secondary batteries. Specifically, a positive electrode active material for a secondary battery, acetylene black, and polyvinylidene fluoride are mixed at a mixing ratio of 90: 5: 5, and N-methyl-2 with respect to 100 parts by mass of the obtained mixture. -1 part by mass of pyrrolidone was added and kneaded sufficiently to prepare a positive electrode slurry.
Next, the positive electrode slurry was applied to a current collector made of an aluminum foil having a thickness of 20 μm using a coating machine, and vacuum dried at 80 ° C. for 12 hours. Thereafter, it was punched into a disk shape of φ14 mm and pressed at 16 MPa for 2 minutes using a hand press to obtain a positive electrode.
Under the present circumstances, the electrode density was calculated | required by the following formula | equation (Y) from the thickness of the said positive electrode and the mass of the positive electrode active material for secondary batteries in a positive electrode.
The results are shown in Table 1.
Electrode density (g / cm 3 ) =
Active material mass (mg) in the positive electrode / electrode volume (φ14 mm × thickness (μm)) (Y)
次いで、上記正極を用いてコイン型二次電池を構築した。負極には、φ15mmに打ち抜いたリチウム箔を用いた。電解液には、エチレンカーボネート及びエチルメチルカーボネートを体積比3:7の割合で混合した混合溶媒に、LiPF6を1mol/Lの濃度で溶解したものを用いた。セパレータには、ポリプロピレンを用いた。これらの電池部品を露点が−50℃以下の雰囲気で常法により組み込み収容し、コイン型二次電池(CR−2032)を得た。 Next, a coin-type secondary battery was constructed using the positive electrode. A lithium foil punched to φ15 mm was used for the negative electrode. As the electrolytic solution, a solution obtained by dissolving LiPF 6 at a concentration of 1 mol / L in a mixed solvent in which ethylene carbonate and ethyl methyl carbonate were mixed at a volume ratio of 3: 7 was used. Polypropylene was used for the separator. These battery components were assembled and accommodated in a conventional manner in an atmosphere having a dew point of −50 ° C. or lower to obtain a coin-type secondary battery (CR-2032).
得られた二次電池を用いて、放電容量測定装置(HJ−1001SD8、北斗電工社製)にて気温30℃環境での、0.1C(17mAh/g)の放電容量を測定した。さらに、1Cでの充放電の10回繰り返しによる、下記式(Z)による容量保持率を求めた。なお、充放電試験は全て45℃で行った。
結果を表1に示す。
容量保持率(%)=(10サイクル後の放電容量)/(1サイクル後の放電容量)
×100 ・・・(Z)
Using the obtained secondary battery, a discharge capacity of 0.1 C (17 mAh / g) in a temperature of 30 ° C. environment was measured with a discharge capacity measuring device (HJ-1001SD8, manufactured by Hokuto Denko). Furthermore, the capacity | capacitance retention by following formula (Z) by 10 times of charging / discharging in 1C was calculated | required. All charge / discharge tests were conducted at 45 ° C.
The results are shown in Table 1.
Capacity retention (%) = (discharge capacity after 10 cycles) / (discharge capacity after 1 cycle)
× 100 (Z)
下記式(Q)を用い、全ての実施例及び比較例のリチウムイオン二次電池用正極活物質を用いた二次電池の正極体積エネルギー密度を求めた。
結果を表1に示す。
正極体積エネルギー密度(mAh/cm3)=
0.1C放電容量(mAh/g)×電極密度(g/cm3)・・・(Q)
Using the following formula (Q), the positive electrode volume energy density of secondary batteries using the positive electrode active materials for lithium ion secondary batteries of all Examples and Comparative Examples was determined.
The results are shown in Table 1.
Positive electrode volume energy density (mAh / cm 3 ) =
0.1 C discharge capacity (mAh / g) × electrode density (g / cm 3 ) (Q)
表1の結果から、本発明により得られたリチウムイオン二次電池用正極活物質複合物は、体積エネルギー密度に優れる正極を得ることができ、これを用いた二次電池において優れた充放電特性及び高い容量保持率を示すことがわかる。 From the result of Table 1, the positive electrode active material composite for lithium ion secondary batteries obtained by the present invention can obtain a positive electrode excellent in volume energy density, and the charge / discharge characteristics excellent in the secondary battery using this. It can also be seen that a high capacity retention rate is exhibited.
Claims (7)
LiaMnbFecM1 dPO4・・・(1)
(式(1)中、M1はCo、Ni、Ca、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd又はGdを示す。a、b、c、及びdは、0.8≦a≦1.2、0≦b≦1.2、0≦c≦1.2、0≦d≦0.3、及びb+c≠0を満たし、かつa+2b+2c+(M 1 の価数)×d=3を満たす数を示す。)
又は、下記式(2):
LieCofNigM2 hPO4・・・(2)
(式(2)中、M2はFe、Mn、Ca、Sr、Y、Zr、Mo、Ba、Pb、Bi、La、Ce、Nd又はGdを示す。e、f、g、及びhは、0.8≦e≦1.2、0≦f≦1.2、0≦g≦1.2、0≦h≦0.3、及びf+g≠0を満たし、かつe+2f+2g+(M2の価数)×h=3を満たす数を示す。)
で表され、かつ表面に炭素(c)を担持してなるリチウム系ポリアニオン粒子(A)が複合化してなる二次粒子の内部に、
下記式(3):
LiNiiCojMnkM3 lO2・・・(3)
(式(3)中、M3はMg、Ti、Nb、Fe、Cr、Si、Al、Ga、V、Zn、Cu、Sr、Mo、Zr、Sn、Ta、W、La、Ce、Pb、Bi及びGeから選ばれる1種又は2種以上の元素を示す。i、j、k、lは、0.3≦i<1、0<j≦0.7、0<k≦0.7、0≦l≦0.3、かつ3i+3j+3k+(M3の価数)×l=3を満たす数を示す。)
又は、下記式(4):
LiNimConAloM4 pO2 ・・・(4)
(式(4)中、M4はMg、Ti、Nb、Fe、Cr、Si、Ga、V、Zn、Cu、Sr、Mo、Zr、Sn、Ta、W、La、Ce、Pb、Bi及びGeから選ばれる1種又は2種以上の元素を示す。m、n、o、pは、0.4≦m<1、0<n≦0.6、0<o≦0.3、0≦p≦0.3、かつ3m+3n+3o+(M4の価数)×p=3を満たす数を示す。)
で表される1種以上の層状岩塩構造型リチウム複合酸化物粒子(B)が内包されてなり、
リチウム系ポリアニオン粒子(A)の平均粒径が50nm〜300nmであり、
層状岩塩構造型リチウム複合酸化物粒子(B)の平均粒径が500nm〜20μmであり、
リチウム系ポリアニオン粒子(A)の表面における炭素(c)の担持量が、リチウム系ポリアニオン粒子(A)100質量%中に0.1質量%以上18質量%未満であり、
リチウム系ポリアニオン粒子(A)の含有量と、層状岩塩構造型リチウム複合酸化物粒子(B)の含有量との質量比((A):(B))が、95:5〜70:30であるリチウムイオン二次電池用正極活物質複合物。 The following formula (1):
Li a Mn b Fe c M 1 d PO 4 (1)
(In the formula (1), M 1 represents Co, Ni, Ca, Sr, Y, Zr, Mo, Ba, Pb, Bi, La, Ce, Nd, or Gd. A, b, c, and d are 0.8 ≦ a ≦ 1.2, 0 ≦ b ≦ 1.2, 0 ≦ c ≦ 1.2, 0 ≦ d ≦ 0.3, and b + c ≠ 0, and a + 2b + 2c + (valence of M 1 ) X indicates a number satisfying d = 3.)
Or the following formula (2):
Li e Co f Ni g M 2 h PO 4 ··· (2)
(In Formula (2), M 2 represents Fe, Mn, Ca, Sr, Y, Zr, Mo, Ba, Pb, Bi, La, Ce, Nd, or Gd. E, f, g, and h are 0.8 ≦ e ≦ 1.2, 0 ≦ f ≦ 1.2, 0 ≦ g ≦ 1.2, 0 ≦ h ≦ 0.3, and f + g ≠ 0, and e + 2f + 2g + (valence of M 2 ) X indicates a number satisfying h = 3.)
In the secondary particles formed by complexing the lithium-based polyanion particles (A) represented by and having carbon (c) supported on the surface,
Following formula (3):
LiNi i Co j Mn k M 3 l O 2 ··· (3)
(In the formula (3), M 3 is Mg, Ti, Nb, Fe, Cr, Si, Al, Ga, V, Zn, Cu, Sr, Mo, Zr, Sn, Ta, W, La, Ce, Pb, 1 or 2 or more elements selected from Bi and Ge are shown, i, j, k, and l are 0.3 ≦ i <1, 0 <j ≦ 0.7, 0 <k ≦ 0.7, (0 ≦ l ≦ 0.3 and 3i + 3j + 3k + (M 3 valence) × l = 3)
Or following formula (4):
LiNi m Co n Al o M 4 p O 2 ··· (4)
(In the formula (4), M 4 is Mg, Ti, Nb, Fe, Cr, Si, Ga, V, Zn, Cu, Sr, Mo, Zr, Sn, Ta, W, La, Ce, Pb, Bi, and 1 or 2 or more elements selected from Ge, where m, n, o, and p are 0.4 ≦ m <1, 0 <n ≦ 0.6, 0 <o ≦ 0.3, 0 ≦ p ≦ 0.3 and 3m + 3n + 3o + (the valence of M 4 ) × p = 3)
1 or more types of layered rock salt structure type lithium composite oxide particles (B) represented by
The average particle size of the lithium-based polyanion particles (A) is 50 nm to 300 nm,
The average particle size of the layered rock salt structure type lithium composite oxide particles (B) is 500 nm to 20 μm,
The amount of carbon (c) supported on the surface of the lithium-based polyanion particle (A) is 0.1% by mass or more and less than 18% by mass in 100% by mass of the lithium-based polyanion particle (A),
The mass ratio ((A) :( B)) of the content of the lithium-based polyanion particles (A) and the content of the layered rock salt structure type lithium composite oxide particles (B) is 95: 5 to 70:30. A positive electrode active material composite for a lithium ion secondary battery.
(I)リチウム化合物、少なくとも鉄化合物又はマンガン化合物を含む金属化合物、及びリン酸化合物の水熱反応物と、或いはリチウム化合物、少なくともコバルト化合物又はニッケル化合物を含む金属化合物、及びリン酸化合物の水熱反応物と、炭素源(C)とを用いた噴霧乾燥により、空隙率が45体積%〜80体積%であり、かつ表面に炭素(c)を担持してなるリチウム系ポリアニオン粒子(A)から形成されてなる造粒体(D)を得る工程、
(II)造粒体(D)と、層状岩塩構造型リチウム複合酸化物粒子(B)とを、圧縮力及びせん断力を付加しながら混合して複合化する工程
を備える請求項1〜4のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池用正極活物質複合物の製造方法。 Next steps (I) to (II):
(I) Hydrothermal reaction product of lithium compound, metal compound containing at least iron compound or manganese compound, and phosphoric acid compound, or hydrothermal reaction product of lithium compound, metal compound containing at least cobalt compound or nickel compound, and phosphoric acid compound From the lithium-based polyanion particles (A) having a porosity of 45% to 80% by volume and carrying carbon (c) on the surface by spray drying using the reactant and the carbon source (C). A step of obtaining a formed granule (D),
(II) The granulated body (D) and the layered rock-salt structure type lithium composite oxide particles (B) are mixed while adding a compressive force and a shearing force to be combined to form a composite. The manufacturing method of the positive electrode active material composite for lithium ion secondary batteries of any one.
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