JP7547764B2 - Lithium nickel manganese cobalt composite oxide, lithium ion secondary battery, and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、リチウム、ニッケル、マンガン、コバルトを含む一次粒子が凝集した二次粒子、又は前記一次粒子と前記二次粒子で構成されたリチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物及び、リチウムイオン二次電池並びにこれらの製造方法に関する。本出願は、2019年4月16日に出願された特願2019-077519を基礎として優先権を主張するものであり、この出願を参照することにより、本出願に援用される。 The present invention relates to secondary particles formed by agglomeration of primary particles containing lithium, nickel, manganese, and cobalt, or a lithium nickel manganese cobalt composite oxide composed of the primary particles and the secondary particles, a lithium ion secondary battery, and a method for manufacturing the same . This application claims priority based on Japanese Patent Application No. 2019-077519, filed on April 16, 2019, and is incorporated herein by reference.
近年、スマートフォンやタブレット端末及びノート型パソコンなどの携帯電子機器の普及に伴い、高いエネルギー密度を有する、小型で軽量な非水系電解質二次電池をはじめ、ハイブリット自動車や電気自動車用の電池として、高出力の二次電池の開発ニーズが拡大している。 In recent years, with the widespread use of portable electronic devices such as smartphones, tablet devices, and laptop computers, there has been a growing need to develop high-power secondary batteries, including small, lightweight non-aqueous electrolyte secondary batteries with high energy density, as well as batteries for hybrid and electric vehicles.
この様なニーズに対応出来る二次電池として、リチウムイオン二次電池が挙げられる。リチウムイオン二次電池は、正極及び負極のほか、電解液などで構成され、正極及び負極の活物質は、リチウムを脱離や挿入することの可能な材料が用いられている。リチウムイオン二次電池は、現在も、研究・開発が盛んに行われているが、このうち、層状又はスピネル型のリチウム金属複合酸化物を正極活物質に用いたリチウムイオン二次電池では、4V級の高い電圧が得られるため、高いエネルギー密度を有する電池として実用化が進んでいる。 Lithium-ion secondary batteries are an example of a secondary battery that can meet such needs. Lithium-ion secondary batteries are composed of a positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte, and the active materials used for the positive and negative electrodes are materials that can extract and insert lithium. Lithium-ion secondary batteries are still being actively researched and developed, and among these, lithium-ion secondary batteries that use layered or spinel-type lithium metal composite oxides as the positive electrode active material can obtain a high voltage of about 4V, and are therefore being put into practical use as batteries with high energy density.
この中でも、リチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物は、電池容量のサイクル特性が良く、低抵抗で高出力が得られる材料として注目されており、近年では、搭載スペースに制約を受ける電気自動車用電源やハイブリッド車用電源にも好適であり、車載用電源として重要視されている。一般的に、リチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物は、前駆体となるニッケルマンガンコバルト複合水酸化物をリチウム化合物と混合し、焼成する工程によって製造する。 Among these, lithium nickel manganese cobalt composite oxide has attracted attention as a material that has good cycle characteristics of battery capacity and can provide high output with low resistance. In recent years, it is also suitable as a power source for electric vehicles and hybrid vehicles, which are constrained by mounting space, and is considered important as an on-board power source. Generally, lithium nickel manganese cobalt composite oxide is produced by mixing the precursor nickel manganese cobalt composite hydroxide with a lithium compound and baking it.
このニッケルマンガンコバルト複合水酸化物には、製造工程で用いる原料や薬剤由来の硫酸根、塩素根、ナトリウムなど不純物が含まれる。これらの不純物は、ニッケルマンガンコバルト複合水酸化物とリチウム化合物とを混合し、焼成する工程において、副反応などを誘発してリチウムとの反応を悪化させるために、層状構造であるリチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物の結晶性を低下させる。 This nickel manganese cobalt composite hydroxide contains impurities such as sulfate radicals, chlorine radicals, and sodium derived from the raw materials and chemicals used in the manufacturing process. These impurities induce side reactions and worsen the reaction with lithium during the process of mixing the nickel manganese cobalt composite hydroxide with a lithium compound and firing it, thereby reducing the crystallinity of the lithium nickel manganese cobalt composite oxide, which has a layered structure.
不純物の影響で、結晶性が低くなったリチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物は、正極活物質として電池を構成する際、固相内でのリチウムの拡散を阻害して電池容量が低下する。また、これらの不純物は、充放電反応には殆ど寄与しないため、電池の構成において、正極材料の不可逆容量に相当する分は、負極材料を余計に電池に使用せざるを得ない。その結果、電池全体としての重量当り、若しくは体積当りの容量が小さくなり、不可逆容量として負極に余分なリチウムが蓄積されることから、安全性の面からも問題となっている。 When lithium nickel manganese cobalt composite oxide, which has low crystallinity due to the influence of impurities, is used as a positive electrode active material to construct a battery, it inhibits the diffusion of lithium in the solid phase, resulting in a decrease in battery capacity. In addition, since these impurities hardly contribute to the charge/discharge reaction, it is necessary to use extra negative electrode material in the battery to cover the irreversible capacity of the positive electrode material. As a result, the capacity per weight or volume of the entire battery becomes smaller, and excess lithium accumulates in the negative electrode as irreversible capacity, which poses a safety problem.
更に、ナトリウムをはじめ、カリウム、カルシウム、マグネシウムなどが、リチウムサイトに固溶することで、リチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物の粒子が焼結凝集し易くなり、これを用いて作製したリチウムイオン二次電池は、反応性が悪化し、出力特性及び電池容量が低下する。 Furthermore, when sodium, potassium, calcium, magnesium, and other elements dissolve in the lithium sites, the particles of the lithium nickel manganese cobalt composite oxide tend to sinter and aggregate, and the reactivity of lithium ion secondary batteries made using this deteriorates, resulting in reduced output characteristics and battery capacity.
不純物としては、硫酸根や塩素根、ナトリウムなどが挙げられ、これまでに、それらの不純物を除去する技術が開示されている。 Impurities include sulfate radicals, chlorine radicals, and sodium, and technologies for removing these impurities have been disclosed.
例えば、特許文献1には、ニオブ含有遷移金属複合水酸化物を得る晶析工程を行い、得られたニオブ含有遷移金属複合水酸化物を、炭酸カリウム、炭酸ナトリウム、炭酸アンモニウムなどの炭酸塩水溶液で洗浄することにより、硫酸根や塩素根を低減させることが開示されている。 For example, Patent Document 1 discloses a method for reducing sulfate and chlorine radicals by performing a crystallization process to obtain a niobium-containing transition metal composite hydroxide and washing the obtained niobium-containing transition metal composite hydroxide with an aqueous solution of a carbonate such as potassium carbonate, sodium carbonate, or ammonium carbonate.
また、特許文献2には、晶析反応からニッケルマンガンコバルト複合水酸化物を製造する工程において、pH調整に用いるアルカリ溶液を、アルカリ金属水酸化物と炭酸塩の混合溶液とすることで、不純物である硫酸根、塩素根、炭酸根を低減させることが開示されている。 Patent Document 2 also discloses that in the process of producing nickel manganese cobalt composite hydroxide from a crystallization reaction, the alkaline solution used for adjusting the pH is a mixed solution of an alkali metal hydroxide and a carbonate, thereby reducing the impurities of sulfate, chlorine, and carbonate.
また、特許文献3~4には、晶析工程で得られた粒子内部に空隙構造を有するニッケルマンガン複合水酸化物粒子又はニッケル複合水酸化物粒子を、炭酸カリウム、炭酸ナトリウム、炭酸水素カリウム及び炭酸水素ナトリウムなどの炭酸塩水溶液で洗浄することにより、硫酸根や塩素根、ナトリウムを低減させることが開示されている。 Patent Documents 3 and 4 disclose that nickel-manganese composite hydroxide particles or nickel composite hydroxide particles having a void structure inside the particles obtained in the crystallization process are washed with an aqueous solution of a carbonate such as potassium carbonate, sodium carbonate, potassium hydrogen carbonate, or sodium hydrogen carbonate, thereby reducing the sulfate radicals, chlorine radicals, and sodium.
また、特許文献5には、ニッケルアンミン錯体、コバルトアンミン錯体及びM元素源を混合して得たニッケル-コバルト-M元素含有水溶液又は水性分散液を加熱して、ニッケルアンミン錯体及びコバルトアンミン錯体を熱分解させ、硫酸根、塩素根、ナトリウム、鉄などの不純物含有量が少ないニッケル-コバルト-M元素含有複合化合物を用いることが開示されている。 Patent Document 5 also discloses that an aqueous solution or dispersion containing nickel-cobalt-M element obtained by mixing a nickel ammine complex, a cobalt ammine complex, and an M element source is heated to thermally decompose the nickel ammine complex and the cobalt ammine complex, and a nickel-cobalt-M element-containing composite compound having a low content of impurities such as sulfate radicals, chlorine radicals, sodium, and iron is used.
しかしながら、特許文献1~2については、ナトリウムの除去について全く触れられていない。また、特許文献3~4については、空隙率が低い2~4%と低い中実レベルの前駆体においても、依然として、ナトリウムが0.001~0.015質量%残存しており、ナトリウム低減が不十分である。更に特許文献5については、熱分解によってニッケル-コバルト-M元素含有複合化合物を得ているため、粒子の球状や粒度分布、比表面積の観点から、正極活物質とした際に、十分な電池特性となるかが疑問視される。また、不純物除去だけでなく、空隙率を高めた更なる電池特性の向上や、焼結凝集の抑制が期待される。 However, Patent Documents 1 and 2 make no mention of sodium removal. In Patent Documents 3 and 4, even in the precursors with a low solid level of 2-4% porosity, sodium still remains at 0.001-0.015 mass%, and sodium reduction is insufficient. Furthermore, in Patent Document 5, a nickel-cobalt-M element-containing composite compound is obtained by thermal decomposition, so it is questionable whether it will provide sufficient battery characteristics when used as a positive electrode active material in terms of the spherical shape of the particles, particle size distribution, and specific surface area. In addition to removing impurities, it is expected that the porosity will be increased to further improve battery characteristics and suppress sintering agglomeration.
そこで本発明の目的は、充放電反応にも殆ど寄与しない不純物のうち、特にナトリウムの含有量を確実に低減させて、焼結凝集を抑制し、かつ空隙率を高め、さらなる電池特性の向上が可能な正極活物質である、リチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物及びリチウムイオン二次電池並びにこれらの製造方法を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a lithium nickel manganese cobalt composite oxide, which is a positive electrode active material that reliably reduces the content of impurities, particularly sodium, which hardly contributes to charge/discharge reactions, thereby suppressing sintering agglomeration and increasing the porosity, thereby enabling further improvement of battery characteristics, and a lithium ion secondary battery and a method for manufacturing the same .
本発明の一態様に係るリチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物は、リチウム、ニッケル、マンガン、コバルトを含む一次粒子が凝集した二次粒子、又は前記一次粒子と前記二次粒子で構成されたリチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物であって、前記リチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物に含まれるナトリウム含有量が0.0005質量%未満であり、前記リチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物の空隙率が20~50%であり、前記リチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物の平均粒径を、前駆体であるニッケルマンガンコバルト複合水酸化物の平均粒径で除した比が、0.95~1.05であり、Me席占有率が93.0%以上であることを特徴とする。また、本発明の一態様に係るリチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物の製造方法は、リチウム、ニッケル、マンガン、コバルトを含む一次粒子が凝集した二次粒子、又は前記一次粒子と前記二次粒子で構成されたリチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物の製造方法であって、ニッケル、マンガン、コバルトを含む原料溶液と、アンモニウムイオン供給体を含む溶液と、アルカリ溶液とを添加して得られた反応溶液中で晶析し、遷移金属複合水酸化物を得る晶析工程と、前記晶析工程で得られた前記遷移金属複合水酸化物を、洗浄液で洗浄する洗浄工程と、前記洗浄工程で得られたニッケルマンガンコバルト複合水酸化物を、熱処理する熱処理工程と、前記熱処理工程で得られた金属複合酸化物を、リチウム化合物と混合する混合工程と、前記混合工程で得られたリチウム混合物を、焼成する焼成工程と、を有し、前記晶析工程における前記アルカリ溶液は、アルカリ金属水酸化物と炭酸塩との混合溶液であり、前記混合溶液の前記アルカリ金属水酸化物に対する前記炭酸塩の比である[CO 3 2- ]/[OH - ]が、0.002~0.050であり、前記晶析工程では、酸化性雰囲気と非酸化性雰囲気の2段階で雰囲気を切り替えて晶析を行い、前記洗浄工程における前記洗浄液は、濃度が0.05mol/L以上の炭酸水素アンモニウム溶液であり、前記焼成工程で得られた前記リチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物に含まれるナトリウム含有量が、0.0005質量%未満であり、前記リチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物の空隙率が20~50%であり、前記リチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物の平均粒径を、前駆体である前記ニッケルマンガンコバルト複合水酸化物の平均粒径で除した比が、0.95~1.05であることを特徴とする。 A lithium nickel manganese cobalt composite oxide according to one aspect of the present invention is a lithium nickel manganese cobalt composite oxide composed of secondary particles in which primary particles containing lithium, nickel, manganese, and cobalt are aggregated, or the primary particles and the secondary particles, characterized in that the lithium nickel manganese cobalt composite oxide has a sodium content of less than 0.0005 mass%, the lithium nickel manganese cobalt composite oxide has a porosity of 20 to 50%, a ratio of an average particle size of the lithium nickel manganese cobalt composite oxide divided by an average particle size of a precursor nickel manganese cobalt composite hydroxide is 0.95 to 1.05, and an Me site occupancy rate of 93.0% or more . A method for producing a lithium nickel manganese cobalt composite oxide according to one aspect of the present invention is a method for producing secondary particles formed by agglomeration of primary particles containing lithium, nickel, manganese, and cobalt, or a lithium nickel manganese cobalt composite oxide constituted by the primary particles and the secondary particles, the method comprising: a crystallization step of obtaining a transition metal composite hydroxide by crystallization in a reaction solution obtained by adding a raw material solution containing nickel, manganese, and cobalt, a solution containing an ammonium ion donor, and an alkaline solution; a washing step of washing the transition metal composite hydroxide obtained in the crystallization step with a washing liquid; a heat treatment step of heat-treating the nickel manganese cobalt composite hydroxide obtained in the washing step; a mixing step of mixing the metal composite oxide obtained in the heat treatment step with a lithium compound; and a calcination step of calcining the lithium mixture obtained in the mixing step, wherein the alkaline solution in the crystallization step is a mixed solution of an alkali metal hydroxide and a carbonate, and the ratio of the carbonate to the alkali metal hydroxide in the mixed solution is [CO 3 2− ]/[OH − the crystallization step switches the atmosphere between an oxidizing atmosphere and a non-oxidizing atmosphere in two stages to perform crystallization; the washing liquid in the washing step is an ammonium bicarbonate solution having a concentration of 0.05 mol/L or more; the sodium content in the lithium nickel manganese cobalt composite oxide obtained in the baking step is less than 0.0005 mass %; the porosity of the lithium nickel manganese cobalt composite oxide is 20 to 50%; and a ratio of an average particle size of the lithium nickel manganese cobalt composite oxide divided by an average particle size of the nickel manganese cobalt composite hydroxide, which is a precursor, is 0.95 to 1.05.
このようにすれば、ナトリウムの含有量を確実に低減させて、焼結凝集を抑制し、かつ空隙率を高め、充填性が高く、高容量化が可能なリチウムイオン二次電池の正極活物質である、リチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物を提供することが出来る。 In this way, it is possible to provide a lithium nickel manganese cobalt composite oxide, which is a positive electrode active material for lithium ion secondary batteries that reliably reduces the sodium content, suppresses sintering agglomeration, increases the porosity, has high packing properties, and allows for high capacity.
このとき、本発明の一態様では、無作為に選択した100個以上の前記リチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物の粒子を、走査型電子顕微鏡により観察した際に、二次粒子の凝集が観察される個数が、観察した全二次粒子数に対して、5%以下としてもよい。 In this case, in one embodiment of the present invention, when 100 or more randomly selected particles of the lithium nickel manganese cobalt composite oxide are observed with a scanning electron microscope, the number of particles in which secondary particle agglomerations are observed may be 5% or less of the total number of secondary particles observed.
このようにすれば、焼結凝集が抑制され、充填性が高く、高容量化が可能なリチウムイオン二次電池の正極活物質である、リチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物を提供することが出来る。 In this way, it is possible to provide a lithium nickel manganese cobalt composite oxide, which is a positive electrode active material for lithium ion secondary batteries that suppresses sintering agglomeration, has high packing properties, and allows for high capacity.
このとき、本発明の一態様では、前記リチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物に含まれる硫酸根含有量が0.15質量%以下、塩素根含有量が0.005質量%以下としてもよい。 In this case, in one embodiment of the present invention, the lithium nickel manganese cobalt composite oxide may have a sulfate group content of 0.15 mass % or less and a chlorine group content of 0.005 mass % or less .
このようにすれば、硫酸根、塩素根及びナトリウムの含有量を確実に低減させ、高容量化が可能なリチウムイオン二次電池の正極活物質である、リチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物を提供することができる。 In this way, it is possible to reliably reduce the content of sulfate radicals, chlorine radicals, and sodium, and provide a lithium nickel manganese cobalt composite oxide, which is a positive electrode active material for lithium ion secondary batteries that can achieve high capacity.
このとき、本発明の一態様では、前記リチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物に含まれるカリウム、カルシウム、マグネシウムの少なくともいずれか1つ以上の物質の含有量が、0.0005質量%未満としてもよい。 In this case, in one embodiment of the present invention, the content of at least one of potassium, calcium, and magnesium contained in the lithium nickel manganese cobalt composite oxide may be less than 0.0005 mass%.
このようにすれば、より不純物の含有量を低減させ、高容量化が可能なリチウムイオン二次電池の正極活物質である、リチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物を提供することができる。 In this way, it is possible to provide a lithium nickel manganese cobalt composite oxide, which is a positive electrode active material for lithium ion secondary batteries that can reduce the impurity content and increase capacity.
このとき、本発明の他の態様では、少なくとも、上記リチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物を含む正極を備えることを特徴とするリチウムイオン二次電池としてもよい。また、本発明の他の態様では、少なくとも、上記リチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物の製造方法で製造されたリチウムイオン二次電池用正極活物質を用いて正極を得ることと、前記正極、負極、及び、非水系電解質を用いてリチウムイオン二次電池を得ることを特徴とするリチウムイオン二次電池の製造方法としてもよい。 In this case, in another aspect of the present invention, a lithium ion secondary battery may be provided, which is characterized by having at least a positive electrode containing the lithium nickel manganese cobalt composite oxide. Also, in another aspect of the present invention, a method for producing a lithium ion secondary battery may be provided, which is characterized by obtaining a positive electrode using at least the positive electrode active material for a lithium ion secondary battery produced by the method for producing a lithium nickel manganese cobalt composite oxide, and obtaining a lithium ion secondary battery using the positive electrode, a negative electrode, and a non-aqueous electrolyte.
このようにすれば、ナトリウムの含有量を確実に低減させて、焼結凝集を抑制し、かつ空隙率を高め、充填性が高く、高容量化が可能なリチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物を含む正極を備えたリチウムイオン二次電池を提供することが出来る。 In this way, it is possible to provide a lithium-ion secondary battery equipped with a positive electrode containing a lithium nickel manganese cobalt composite oxide that reliably reduces the sodium content, suppresses sintering agglomeration, increases the porosity, has high packing properties, and allows for a high capacity.
本発明によれば、特にナトリウムの含有量を確実に低減させて、焼結凝集を防止し、かつ空隙率を高め、さらなる電池特性の向上が可能な正極活物質である、リチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物及びリチウムイオン二次電池並びにこれらの製造方法を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a lithium nickel manganese cobalt composite oxide, which is a positive electrode active material capable of reliably reducing the sodium content, preventing sintering aggregation, and increasing the porosity, thereby enabling further improvement in battery characteristics, and a lithium ion secondary battery and methods for producing the same .
本発明者は、上記課題を解決するために鋭意検討したところ、ニッケルマンガンコバルト複合水酸化物の製造において、晶析工程の反応雰囲気を制御し、晶析工程で用いるアルカリ溶液をアルカリ金属水酸化物と炭酸塩との混合溶液とすることに加えて、晶析工程で得られた遷移金属複合水酸化物を、洗浄工程で炭酸水素塩(重炭酸塩)含有の洗浄液である炭酸水素アンモニウム溶液を用いて洗浄することによって、不純物である硫酸根、塩素根及びナトリウムを、より効率良く、より低濃度に低減出来るとの知見を得て、本発明を完成したものである。 The inventors have conducted extensive research to solve the above problems, and have discovered that in the production of nickel-manganese-cobalt composite hydroxide, the reaction atmosphere in the crystallization process can be controlled, the alkaline solution used in the crystallization process is a mixed solution of an alkali metal hydroxide and a carbonate, and the transition metal composite hydroxide obtained in the crystallization process is washed in the washing process with an ammonium hydrogen carbonate solution, which is a washing solution containing hydrogen carbonate (bicarbonate), thereby more efficiently reducing the impurities, sulfate radicals, chlorine radicals, and sodium, and thus completing the present invention.
また、上記の様に、ナトリウムの含有量を確実に低減させた、ニッケルマンガンコバルト複合水酸化物を、前駆体として用いることによって、焼結凝集が抑制され、充填性が高く、高容量化が可能なリチウムイオン二次電池の正極活物質である、リチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物が得られるとの知見を得て、本発明を完成したものである。以下、本発明の好適な実施の形態について説明する。 The present invention was completed based on the finding that, by using the nickel manganese cobalt composite hydroxide, in which the sodium content has been reliably reduced as described above, as a precursor, it is possible to obtain a lithium nickel manganese cobalt composite oxide, which is a positive electrode active material for lithium ion secondary batteries that suppresses sintering aggregation, has high packing properties, and allows for high capacity. The following describes preferred embodiments of the present invention.
なお、以下に説明する本実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で変更が可能である。また、本実施形態で説明される構成の全てが本発明の解決手段として必須であるとは限らない。本発明の一実施形態に係るニッケルマンガンコバルト複合水酸化物、ニッケルマンガンコバルト複合水酸化物の製造方法、リチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物及びリチウムイオン二次電池について、下記の順に説明する。
1.ニッケルマンガンコバルト複合水酸化物
2.リチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物
3.ニッケルマンガンコバルト複合水酸化物の製造方法
3-1.晶析工程
3-1-1.核生成工程
3-1-2.粒子成長工程
3-2.洗浄工程
4.リチウムイオン二次電池
The present embodiment described below does not unduly limit the contents of the present invention described in the claims, and can be modified within the scope of the present invention. In addition, not all of the configurations described in the present embodiment are necessarily essential as a means for solving the problems of the present invention. The nickel manganese cobalt composite hydroxide, the method for producing the nickel manganese cobalt composite hydroxide, the lithium nickel manganese cobalt composite oxide, and the lithium ion secondary battery according to one embodiment of the present invention will be described in the following order.
1. Nickel manganese cobalt composite hydroxide 2. Lithium nickel manganese cobalt composite oxide 3. Method for producing nickel manganese cobalt composite hydroxide 3-1. Crystallization process 3-1-1. Nucleation process 3-1-2. Particle growth process 3-2. Washing process 4. Lithium ion secondary battery
<1.ニッケルマンガンコバルト複合水酸化物>
本発明の一実施形態に係るニッケルマンガンコバルト複合水酸化物は、ニッケル、マンガン、コバルトを含む一次粒子が凝集した二次粒子、又は上記一次粒子と上記二次粒子で構成された、正極活物質の前駆体である。
<1. Nickel manganese cobalt composite hydroxide>
A nickel manganese cobalt composite hydroxide according to one embodiment of the present invention is a precursor of a positive electrode active material, which is composed of secondary particles in which primary particles containing nickel, manganese, and cobalt are aggregated, or the primary particles and the secondary particles.
そして、上記ニッケルマンガンコバルト複合水酸化物に含まれるナトリウム含有量が、0.0005質量%未満であり、上記ニッケルマンガンコバルト複合水酸化物の粒子の空隙率が、20~50%であることを特徴とする。以下、本発明の一実施形態に係るニッケルマンガンコバルト複合水酸化物について具体的に説明する。 The nickel manganese cobalt composite hydroxide has a sodium content of less than 0.0005% by mass, and the porosity of the particles of the nickel manganese cobalt composite hydroxide is 20 to 50%. The nickel manganese cobalt composite hydroxide according to one embodiment of the present invention will be specifically described below.
[粒子の組成]
ニッケルマンガンコバルト複合水酸化物は、その組成が、一般式:NixMnyCozMt(OH)2+a(但し、x+y+z+t=1、0.20≦x≦0.80、0.10≦y≦0.90、0.10≦z≦0.50、0≦t≦0.10、0≦a≦0.5、Mは、Mg、Ca、Al、Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Wの中の1種以上)で表される様に、調整されることが好ましい。
[Particle composition]
The nickel manganese cobalt composite hydroxide is preferably adjusted so that its composition is expressed by the general formula: Ni x Mn y Co z M t (OH) 2+a (wherein x + y + z + t = 1, 0.20 ≤ x ≤ 0.80, 0.10 ≤ y ≤ 0.90, 0.10 ≤ z ≤ 0.50, 0 ≤ t ≤ 0.10, 0 ≤ a ≤ 0.5, and M is one or more of Mg, Ca, Al, Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, and W).
上記一般式において、ニッケル含有量を示すxは、0.20≦x≦0.80が好ましい。また、ニッケル含有量を示すxは、電気特性、熱安定性を考慮するとx≦0.6がより好ましい。 In the above general formula, x, which indicates the nickel content, is preferably 0.20≦x≦0.80. In addition, taking into consideration electrical properties and thermal stability, x, which indicates the nickel content, is more preferably x≦0.6.
また、マンガン含有量を示すyは、0.10≦y≦0.90が好ましい。この範囲でマンガンを添加すると、電池の正極活物質として用いられた場合に電池の耐久特性や安全性をより向上させることが出来る。yが0.10未満になると、電池の耐久特性や安全性の向上という効果を十分に得ることが出来ず、一方0.9を超えると、Redox反応に貢献する金属元素が減少し、電池容量が低下する場合があるため好ましくない。 In addition, y, which indicates the manganese content, is preferably 0.10≦y≦0.90. Adding manganese within this range can further improve the durability and safety of a battery when used as a positive electrode active material. If y is less than 0.10, the effect of improving the durability and safety of the battery cannot be fully obtained, while if y exceeds 0.9, the metal elements that contribute to the Redox reaction are reduced, which may reduce the battery capacity, which is not preferable.
また、上記一般式において、コバルト含有量を示すzは、0.10≦z≦0.50が好ましい。コバルトを適度に添加することで、サイクル特性の向上や充放電に伴うLiの脱離挿入による結晶格子の膨張収縮挙動を低減出来るが、zが0.10未満になると、結晶格子の膨張収縮挙動の低減効果を十分に得られにくいため好ましくない。一方、コバルトの添加量が多過ぎてzが0.5を超えると、初期放電容量の低下が大きくなる場合があり、更にコスト面で不利となる問題もあるため好ましくない。 In addition, in the above general formula, z, which indicates the cobalt content, is preferably 0.10≦z≦0.50. By adding an appropriate amount of cobalt, it is possible to improve cycle characteristics and reduce the expansion and contraction behavior of the crystal lattice due to the desorption and insertion of Li during charging and discharging. However, if z is less than 0.10, it is difficult to obtain a sufficient effect of reducing the expansion and contraction behavior of the crystal lattice, which is not preferable. On the other hand, if too much cobalt is added and z exceeds 0.5, the initial discharge capacity may decrease significantly, and there is also a problem of being disadvantageous in terms of cost, which is also not preferable.
添加元素Mは、Mg、Ca、Al、Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Wの中の1種以上であり、サイクル特性や出力特性などの電池特性を向上させるために、添加するものである。添加元素Mの含有量を示すtは、0≦t≦0.10が好ましい。tが0.1を超える場合には、Redox反応に貢献する金属元素が減少して、電池容量が低下する場合があるため好ましくない。 The additive element M is one or more of Mg, Ca, Al, Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, and W, and is added to improve battery characteristics such as cycle characteristics and output characteristics. The content of the additive element M, t, is preferably 0≦t≦0.10. If t exceeds 0.1, the amount of metal elements that contribute to the Redox reaction decreases, which may result in a decrease in battery capacity, and this is not preferable.
その他、粒子の組成に関する分析方法は、特に限定されないが、例えば、酸分解-ICP発光分光分析法などによる、化学分析手法から求めることが出来る。 Other analytical methods for determining the composition of particles are not particularly limited, but can be determined, for example, by chemical analysis methods such as acid decomposition-ICP emission spectrometry.
[粒子構造]
本発明の一実施形態に係るニッケルマンガンコバルト複合水酸化物は、複数の一次粒子が凝集した二次粒子、又はその一次粒子と二次粒子の両者で構成される。二次粒子を構成する一次粒子の形状としては、板状、針状、直方体状、楕円状、菱面体状などの様々な形状を採り得る。また、複数の一次粒子の凝集状態も、ランダムな方向に凝集する場合のほか、中心から放射状に粒子の長径方向が凝集する場合も本発明に適用することは可能である。
[Particle structure]
The nickel manganese cobalt composite hydroxide according to one embodiment of the present invention is composed of secondary particles formed by agglomeration of a plurality of primary particles, or both the primary particles and the secondary particles. The primary particles constituting the secondary particles may have various shapes such as plate-like, needle-like, rectangular, elliptical, and rhombohedral. In addition, the present invention can be applied to the case where the agglomeration state of a plurality of primary particles is not only agglomerated in random directions, but also agglomerated in the major axis direction radially from the center.
凝集状態としては、板状や針状の一次粒子が、ランダムな方向に凝集して二次粒子を形成していることが好ましい。この様な構造の場合は、一次粒子間にほぼ均一な空隙が生じて、リチウム化合物と混合して焼成する際に、溶融したリチウム化合物が二次粒子内へ行き渡り、リチウムの拡散が十分に行われるからである。 As for the agglomeration state, it is preferable that plate-like or needle-like primary particles are agglomerated in random directions to form secondary particles. In the case of such a structure, almost uniform voids are generated between the primary particles, and when mixed with a lithium compound and fired, the molten lithium compound spreads throughout the secondary particles, allowing sufficient diffusion of lithium.
なお、一次粒子及び二次粒子の形状観察方法は、特に限定されないが、ニッケルマンガンコバルト複合水酸化物の断面を、走査型電子顕微鏡(SEM)などを用いて観察することにより測定出来る。 The method for observing the shapes of the primary particles and secondary particles is not particularly limited, but they can be measured by observing the cross section of the nickel manganese cobalt composite hydroxide using a scanning electron microscope (SEM) or the like.
[粒子内部構造]
本発明の一実施形態に係るニッケルマンガンコバルト複合水酸化物は、二次粒子内部に中空構造を有する。この中空構造を有する、ニッケルマンガンコバルト複合水酸化物を前駆体とした、リチウム金属複合酸化物が、正極活物質として用いられた際に、電解液との接触面積が増加することにより、リチウムイオン二次電池は出力特性に優れる。
[Particle internal structure]
The nickel manganese cobalt composite hydroxide according to one embodiment of the present invention has a hollow structure inside the secondary particles. When a lithium metal composite oxide having this hollow structure and using the nickel manganese cobalt composite hydroxide as a precursor is used as a positive electrode active material, the contact area with the electrolyte increases, resulting in a lithium ion secondary battery with excellent output characteristics.
ところで、「二次粒子内部に中空構造を有する」とは、二次粒子中心部の空間からなる空隙部と、その外側の緻密部で構成される構造を言う。図1に示すように、この中空構造は、ニッケルマンガンコバルト複合水酸化物のほか、リチウム金属複合酸化物を、断面SEM画像で示す様に、走査型電子顕微鏡によって断面を観察することで確認出来る。 Incidentally, "having a hollow structure inside the secondary particles" refers to a structure consisting of a void portion that is the space at the center of the secondary particle and a dense portion on the outside. As shown in Figure 1, this hollow structure can be confirmed by observing the cross section of nickel manganese cobalt composite hydroxide as well as lithium metal composite oxide with a scanning electron microscope, as shown in the cross-sectional SEM image.
また、中空構造を有する、ニッケルマンガンコバルト複合水酸化物は、その粒子の断面観察において計測される空隙率が10~90%であることが好ましく、更に、20~50%であることが、より好ましい。かつ、中空構造を有する、リチウム金属複合酸化物も、その粒子の断面観察において計測される空隙率が10~90%であることが好ましく、更に、20~50%であることが、より好ましい。これによって、得られる正極活物質の嵩密度を低下させ過ぎることなく、粒子強度を許容範囲内に保ちながら、正極活物質と電解液との接触面積を十分なものにすることができ、電池特性の向上が可能となる。 In addition, nickel manganese cobalt composite hydroxides having a hollow structure preferably have a porosity of 10 to 90%, more preferably 20 to 50%, measured by observing the cross section of the particles. In addition, lithium metal composite oxides having a hollow structure preferably have a porosity of 10 to 90%, more preferably 20 to 50%, measured by observing the cross section of the particles. This makes it possible to obtain a sufficient contact area between the positive electrode active material and the electrolyte while maintaining the particle strength within an acceptable range without excessively reducing the bulk density of the resulting positive electrode active material, thereby enabling improved battery characteristics.
なお、本発明では、ニッケルマンガンコバルト複合水酸化物及びリチウム金属複合酸化物を、中空構造にする。例えば、混合及び焼成時に、ニッケル、マンガン、コバルトなどの遷移金属の供給源となる金属複合水酸化物について、その製造工程中の晶析条件を調整することなどにより、中実構造のもの、中空構造のもの、多孔構造のもの、それぞれを組み合わせや割合で混在させることも可能であり、得られた金属複合酸化物は、中実品、中空品、多孔品を、ただ単に混合したものと比べて、全体的な組成や粒子径を安定させられる利点がある。 In the present invention, the nickel manganese cobalt composite hydroxide and lithium metal composite oxide are made to have a hollow structure. For example, by adjusting the crystallization conditions during the manufacturing process of the metal composite hydroxide that serves as the source of transition metals such as nickel, manganese, and cobalt during mixing and firing, it is possible to mix solid, hollow, and porous structures in various combinations and ratios, and the obtained metal composite oxide has the advantage of being able to stabilize the overall composition and particle size compared to a simple mixture of solid, hollow, and porous products.
[平均粒径(MV)]
ニッケルマンガンコバルト複合水酸化物は、粒子の平均粒径が3~20μmに調整されていることが好ましい。平均粒径が3μm未満の場合には、正極を形成した時に、粒子の充填密度が低下して正極の容積当りの電池容量が低下する場合があるため好ましくない。その一方、平均粒径が20μmを超えると、正極活物質の比表面積が低下し、電池の電解液との界面が減少することにより正極の抵抗が上昇して電池の出力特性が低下する場合があるため好ましくない。従って、ニッケルマンガンコバルト複合水酸化物は、粒子の平均粒径を3~20μm、好ましくは3~15μm、より好ましくは4~12μmとなる様に調整すれば、この正極活物質を正極材料に用いたリチウムイオン二次電池において、容積当りの電池容量を大きくすることができ、安全性が高く、サイクル特性が良好である電池とすることが出来る。
[Average particle size (MV)]
The nickel manganese cobalt composite hydroxide is preferably adjusted to have an average particle size of 3 to 20 μm. If the average particle size is less than 3 μm, the particle packing density decreases when the positive electrode is formed. On the other hand, if the average particle size exceeds 20 μm, the specific surface area of the positive electrode active material decreases, and the interface with the electrolyte of the battery decreases. This is not preferable because it may increase the resistance of the positive electrode and reduce the output characteristics of the battery. Therefore, the nickel manganese cobalt composite hydroxide has an average particle size of 3 to 20 μm, preferably 3 to 15 μm. If the thickness is adjusted to 4 to 12 μm, it is possible to increase the battery capacity per volume in a lithium ion secondary battery using this positive electrode active material as a positive electrode material, and the battery capacity per volume can be increased, and the safety and cycle life can be improved. This makes it possible to obtain a battery with excellent characteristics.
また、平均粒径の測定方法は、特に限定されないが、例えば、レーザー回折・散乱法を用いて測定した体積基準分布から求めることが出来る。 The method for measuring the average particle size is not particularly limited, but it can be determined, for example, from the volume-based distribution measured using a laser diffraction/scattering method.
[不純物含有量]
一般的に、ニッケルマンガンコバルト複合水酸化物は、不純物として硫酸根、塩素根、ナトリウムのほか、カリウム、カルシウム、マグネシウムなどを含有する。これらの不純物は、リチウムとの反応を悪化させる原因となり、充放電反応にも殆ど寄与しないため、可能な限り除去し、その含有量を低減することが好ましい。また、ナトリウムなどが、リチウムサイトに固溶することで、リチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物の粒子が焼結凝集し易くなるため、可能な限り除去し、その含有量を低減することが好ましい。従来から、これらの不純物を除去する技術が開示されているが、それらの技術では未だ不十分である。
[Impurity content]
In general, nickel manganese cobalt composite hydroxide contains impurities such as sulfate radicals, chlorine radicals, sodium, potassium, calcium, magnesium, etc. These impurities cause the reaction with lithium to deteriorate and hardly contribute to the charge/discharge reaction, so it is preferable to remove them as much as possible and reduce their content. In addition, when sodium or the like is dissolved in the lithium site, the particles of the lithium nickel manganese cobalt composite oxide tend to sinter and aggregate, so it is preferable to remove them as much as possible and reduce their content. Conventionally, techniques for removing these impurities have been disclosed, but these techniques are still insufficient.
そこで本発明の一実施形態に係るニッケルマンガンコバルト複合水酸化物に含まれるナトリウム含有量が、0.0005質量%未満であることを特徴とする。このようにすれば、ナトリウムの含有量を確実に低減させ、電池特性の向上が可能なリチウムイオン二次電池の正極活物質の前駆体である、ニッケルマンガンコバルト複合水酸化物を提供することができる。 The nickel manganese cobalt composite hydroxide according to one embodiment of the present invention is characterized in that the sodium content contained therein is less than 0.0005% by mass. In this way, it is possible to provide a nickel manganese cobalt composite hydroxide that is a precursor of a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery that can reliably reduce the sodium content and improve battery characteristics.
上述したように、従来技術ではナトリウムが0.001~0.015質量%残存しており、それではナトリウム低減が不十分である。また、従来技術には、ナトリウム含有量がある数値以下と記載している文献があるが、本発明の一実施形態に係るニッケルマンガンコバルト複合水酸化物や後述するリチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物のように、ナトリウム含有量が0.0005質量%未満と極めて低い濃度となる複合水酸化物や複合酸化物は実際には開示されていない。後述する製造方法によって、ナトリウム含有量が0.0005質量%未満と極めて低い濃度を達成できる。そうすることによって、リチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物にした時の焼結凝集を抑制することができる。 As mentioned above, in the conventional technology, sodium remains at 0.001 to 0.015 mass%, which is insufficient for sodium reduction. In addition, although there are documents in the conventional technology that state that the sodium content is below a certain value, no composite hydroxide or composite oxide with an extremely low sodium content of less than 0.0005 mass%, such as the nickel manganese cobalt composite hydroxide according to one embodiment of the present invention or the lithium nickel manganese cobalt composite oxide described below, has actually been disclosed. By using the manufacturing method described below, it is possible to achieve an extremely low sodium content of less than 0.0005 mass%. By doing so, it is possible to suppress sintering aggregation when the lithium nickel manganese cobalt composite oxide is produced.
また、上記ニッケルマンガンコバルト複合水酸化物に含まれる硫酸根含有量が、0.2質量%以下、かつ塩素根含有量が0.01質量%以下であることが好ましい。このようにすれば、硫酸根、塩素根及びナトリウムの含有量を確実に低減させ、電池特性の向上が可能なリチウムイオン二次電池の正極活物質の前駆体である、ニッケルマンガンコバルト複合水酸化物を提供することができる。 It is also preferable that the sulfate radical content in the nickel manganese cobalt composite hydroxide is 0.2 mass % or less, and the chlorine radical content is 0.01 mass % or less. In this way, it is possible to reliably reduce the sulfate radical, chlorine radical, and sodium content, and provide a nickel manganese cobalt composite hydroxide that is a precursor of a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery that can improve battery characteristics.
上記ニッケルマンガンコバルト複合水酸化物に含まれるカリウム、カルシウム、マグネシウムの少なくともいずれか1つ以上の物質の含有量が、0.0005質量%未満であることが好ましい。このようにすれば、より不純物の含有量を低減させ、かつ空隙率を高めたさらなる電池特性の向上が可能なリチウムイオン二次電池の正極活物質の前駆体である、ニッケルマンガンコバルト複合水酸化物を提供することができる。 It is preferable that the content of at least one of potassium, calcium, and magnesium contained in the nickel manganese cobalt composite hydroxide is less than 0.0005 mass %. In this way, it is possible to provide a nickel manganese cobalt composite hydroxide that is a precursor of a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery, which can further improve the battery characteristics by further reducing the impurity content and increasing the porosity.
各不純物の含有量については、例えば、以下に示す分析方法を用いて求めることが出来る。ナトリウムのほか、カリウム、カルシウム、マグネシウムなどは、酸分解-原子吸光分析法や、酸分解-ICP発光分光分析法などにより求めることが出来る。また、硫酸根は、ニッケルマンガンコバルト複合水酸化物の全硫黄含有量を、燃焼赤外線吸収法や、酸分解-ICP発光分光分析法などで分析して、この全硫黄含有量を硫酸根(SO4 2-)に換算することにより求めることが出来る。また、塩素根は、ニッケルマンガンコバルト複合水酸化物を直接、又は蒸留操作で含まれる塩素根を塩化銀などの形で分離し、蛍光X線(XRF)分析法で分析することにより求めることが出来る。 The content of each impurity can be determined, for example, by the following analytical method. In addition to sodium, potassium, calcium, magnesium, etc. can be determined by acid decomposition-atomic absorption spectrometry, acid decomposition-ICP emission spectrometry, etc. The sulfate radical can be determined by analyzing the total sulfur content of the nickel manganese cobalt composite hydroxide by combustion infrared absorption method, acid decomposition-ICP emission spectrometry, etc., and converting this total sulfur content into sulfate radical (SO 4 2- ). The chlorine radical can be determined by analyzing the nickel manganese cobalt composite hydroxide directly, or by separating the chlorine radical contained in the nickel manganese cobalt composite hydroxide in the form of silver chloride or the like by distillation, and analyzing it by X-ray fluorescence (XRF) analysis.
[粒度分布]
ニッケルマンガンコバルト複合水酸化物は、その粒子の粒度分布の広がりを示す指標である〔(d90-d10)/平均粒径〕が、0.55以下となる様に調整されていることが好ましい。
[Particle size distribution]
The nickel manganese cobalt composite hydroxide is preferably adjusted so that the index showing the spread of the particle size distribution of the particles, [(d90-d10)/average particle size], is 0.55 or less.
仮に、粒度分布が広範囲になっており、その粒度分布の広がりを示す指標である〔(d90-d10)/平均粒径〕が0.55を超える場合は、平均粒径に対して粒径が非常に小さい微粒子や、平均粒径に対して非常に粒径の大きい粒子(大径粒子)が、多く存在し易くなる。 If the particle size distribution is wide and the index showing the spread of the particle size distribution, [(d90-d10)/average particle size], exceeds 0.55, there will likely be many fine particles whose particle size is very small compared to the average particle size, and many particles whose particle size is very large compared to the average particle size (large diameter particles).
この様な、前駆体の段階における粒度分布の特徴は、焼成工程後に得られる正極活物質にも、大きな影響を及ぼす。微粒子が多く存在する正極活物質を用いて正極を形成した場合は、微粒子の局所的反応に起因して発熱する恐れがあり、安全性が低下する場合があるだけでなく、比表面積が大きい微粒子が選択的に劣化するので、サイクル特性が悪化する場合があるため好ましくない。その一方、大径粒子が多く存在する正極活物質を用いて正極を形成した場合には、電解液と正極活物質との反応面積が十分に取れず、反応抵抗の増加による電池出力が低下する場合があるため好ましくない。 These characteristics of the particle size distribution at the precursor stage also have a significant effect on the positive electrode active material obtained after the firing process. If a positive electrode is formed using a positive electrode active material containing many fine particles, not only may there be a risk of heat generation due to local reactions of the fine particles, which may reduce safety, but also the fine particles with a large specific surface area may be selectively deteriorated, which may result in poor cycle characteristics, which is undesirable. On the other hand, if a positive electrode is formed using a positive electrode active material containing many large-diameter particles, there may not be enough reaction area between the electrolyte and the positive electrode active material, which may result in a decrease in battery output due to an increase in reaction resistance, which is undesirable.
故に、前駆体であるニッケルマンガンコバルト複合水酸化物の粒度分布において、〔(d90-d10)/平均粒径〕が、0.55以下であることが好ましく、正極活物質とした際の微粒子や大径粒子の割合が少なくなるので、この正極活物質を正極に用いたリチウムイオン二次電池では、より安全性に優れ、良好なサイクル特性及び電池出力を得ることが出来る。 Therefore, in the particle size distribution of the precursor nickel manganese cobalt composite hydroxide, it is preferable that [(d90-d10)/average particle size] is 0.55 or less, and since the proportion of fine particles and large particles is reduced when it is used as a positive electrode active material, a lithium ion secondary battery using this positive electrode active material in the positive electrode is safer and can obtain good cycle characteristics and battery output.
なお、粒度分布の広がりを示す指標〔(d90-d10)/平均粒径〕では、d10は各粒径における粒子数を粒径が小さいほうから累積した時、その累積体積が全粒子の合計体積の10%となる粒径を意味している。これに対して、d90は各粒径における粒子数を粒径が小さいほうから累積した時、その累積体積が全粒子の合計体積の90%となる粒径を意味している。平均粒径や、d90、d10を求める方法は、特に限定されないが、例えば、レーザー回折・散乱法を用いて測定した体積基準分布から求めることが出来る。 In the index showing the spread of particle size distribution [(d90-d10)/average particle size], d10 means the particle size at which the cumulative volume of the number of particles at each particle size, when accumulated from the smallest particle size, is 10% of the total volume of all particles. In contrast, d90 means the particle size at which the cumulative volume of the number of particles at each particle size, when accumulated from the smallest particle size, is 90% of the total volume of all particles. There are no particular limitations on the method for determining the average particle size, d90, and d10, but they can be determined, for example, from a volume-based distribution measured using a laser diffraction/scattering method.
[比表面積]
ニッケルマンガンコバルト複合水酸化物は、比表面積が10~80m2/gとなる様に調整されていることが好ましく、粒子に空隙部が無い中実型のものであれば、更なる電池特性の安定のため、10~20m2/gとなる様に調整されていることがより好ましい。比表面積が上記範囲であれば、リチウム化合物と混合して焼成する際に、溶融したリチウム化合物と接触出来る粒子表面積が十分確保でき、かつ正極活物質となった際の粒子強度も満足出来るからである。
[Specific surface area]
The nickel manganese cobalt composite hydroxide is preferably adjusted to have a specific surface area of 10 to 80 m 2 /g, and if the particles are solid and have no voids, it is more preferably adjusted to 10 to 20 m 2 /g in order to further stabilize the battery characteristics. If the specific surface area is within the above range, a sufficient particle surface area can be secured to be in contact with the molten lithium compound when mixed with the lithium compound and fired, and the particle strength when formed into a positive electrode active material can also be satisfied.
一方、比表面積が10m2/gを下回ると、リチウム化合物と混合して焼成する際に、溶融したリチウム化合物との接触が不十分となり、得られるリチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物の結晶性が低下し、正極材料としてリチウムイオン二次電池を構成する時、固相内でのリチウムの拡散を阻害して電池容量が低下する懸念性がある。また、比表面積が80m2/gを超えると、リチウム化合物と混合し焼成する際に、結晶成長が進み過ぎて、層状化合物であるリチウム遷移金属複合酸化物のリチウム層にニッケルが混入するカチオンミキシングが起こり、充放電容量が減少する場合があるため好ましくない。 On the other hand, if the specific surface area is less than 10 m2 /g, when mixed with a lithium compound and fired, the contact with the molten lithium compound becomes insufficient, the crystallinity of the resulting lithium nickel manganese cobalt composite oxide decreases, and when used as a positive electrode material to form a lithium ion secondary battery, there is a concern that the diffusion of lithium in the solid phase is hindered and the battery capacity decreases. Also, if the specific surface area exceeds 80 m2 /g, when mixed with a lithium compound and fired, the crystal growth proceeds too much, causing cation mixing in which nickel is mixed into the lithium layer of the lithium transition metal composite oxide, which is a layered compound, and the charge/discharge capacity may decrease, which is not preferable.
更には、本発明の一実施形態に係るニッケルマンガンコバルト複合水酸化物のように、二次粒子中心部に空間を持つ中空構造のものであれば、比表面積が30~40m2/gとなる様に調整されていることが、より好ましい。比表面積が30m2/g未満では、所定の空隙率が得にくく、焼成時におけるリチウム化合物との反応面積を、十分に確保することが出来ない。比表面積が40m2/gを超えると、中空構造を有する正極活物質となった際に、充填性が悪くなる場合がある。 Furthermore, in the case of a hollow structure having a space at the center of the secondary particle, such as the nickel manganese cobalt composite hydroxide according to one embodiment of the present invention, it is more preferable that the specific surface area is adjusted to 30 to 40 m 2 /g. If the specific surface area is less than 30 m 2 /g, it is difficult to obtain a predetermined porosity, and the reaction area with the lithium compound during firing cannot be sufficiently secured. If the specific surface area exceeds 40 m 2 /g, the filling property may be deteriorated when a positive electrode active material having a hollow structure is obtained.
比表面積の測定方法は、特に限定されないが、例えば、BET多点法や、BET1点法による、窒素ガス吸着・脱離法などにより求めることが出来る。 The method for measuring the specific surface area is not particularly limited, but it can be determined, for example, by the BET multipoint method, the BET single point method, or the nitrogen gas adsorption/desorption method.
図1に、本発明の一実施形態に係るニッケルマンガンコバルト複合水酸化物の断面SEM写真を示す。このように、本発明の一実施形態に係るニッケルマンガンコバルト複合水酸化物は、図1に示すように内部構造が中空構造となっている。 Figure 1 shows a cross-sectional SEM photograph of a nickel manganese cobalt composite hydroxide according to one embodiment of the present invention. As shown in Figure 1, the nickel manganese cobalt composite hydroxide according to one embodiment of the present invention has a hollow internal structure.
本発明の一実施形態に係るニッケルマンガンコバルト複合水酸化物によれば、特にナトリウムの含有量を確実に低減させ、電池特性の向上が可能なリチウムイオン二次電池の正極活物質の前駆体を提供することができる。また、上記の様に、ナトリウムの含有量を確実に低減させた、ニッケルマンガンコバルト複合水酸化物を、前駆体として用いることによって、焼結凝集が抑制され、充填性が高く、高容量化が可能なリチウムイオン二次電池の正極活物質である、リチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物が得られる。 The nickel manganese cobalt composite hydroxide according to one embodiment of the present invention can provide a precursor for a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery that can reliably reduce the sodium content and improve the battery characteristics. In addition, by using a nickel manganese cobalt composite hydroxide with a reliably reduced sodium content as described above as a precursor, a lithium nickel manganese cobalt composite oxide can be obtained that is a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery that is suppressed from sintering and has high packing properties and can be made to have a high capacity.
<2.リチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物>
本発明の一実施形態に係るリチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物は、リチウム、ニッケル、マンガン、コバルトを含む一次粒子が凝集した二次粒子、又は上記一次粒子と上記二次粒子で構成される。そして、上記リチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物に含まれるナトリウム含有量が0.0005質量%未満であり、上記リチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物の空隙率が20~50%であることを特徴とする。
<2. Lithium Nickel Manganese Cobalt Composite Oxide>
A lithium nickel manganese cobalt composite oxide according to one embodiment of the present invention is composed of secondary particles formed by agglomeration of primary particles containing lithium, nickel, manganese, and cobalt, or the primary particles and the secondary particles, and is characterized in that the lithium nickel manganese cobalt composite oxide has a sodium content of less than 0.0005 mass % and a porosity of 20 to 50%.
また、上記リチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物に含まれる硫酸根含有量が、0.15質量%以下、塩素根含有量が0.005質量%以下、かつMe席占有率が93.0%以上であることが好ましい。 It is also preferable that the content of sulfate radicals contained in the lithium nickel manganese cobalt composite oxide is 0.15 mass% or less, the content of chlorine radicals is 0.005 mass% or less, and the Me site occupancy is 93.0% or more.
上記リチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物の平均粒径を、前駆体であるニッケルマンガンコバルト複合水酸化物の平均粒径で除した比、即ち、「リチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物のMV/ニッケルマンガンコバルト複合水酸化物のMV」(これ以降、「MV比」とも称する)を、焼結凝集を示す指標として評価することが出来る。そのMV比の範囲としては、0.95~1.05であり、0.97~1.03であることが好ましい。 The ratio of the average particle size of the lithium nickel manganese cobalt composite oxide to the average particle size of the precursor nickel manganese cobalt composite hydroxide, i.e., "MV of lithium nickel manganese cobalt composite oxide/MV of nickel manganese cobalt composite hydroxide" (hereinafter also referred to as "MV ratio"), can be evaluated as an index showing sintering agglomeration. The range of the MV ratio is 0.95 to 1.05, and preferably 0.97 to 1.03.
このMV比が、上記の範囲である場合、正極活物質は、焼結凝集に伴う、二次粒子同士の凝集が殆ど発生していない、リチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物から構成されていることになる。この様な正極活物質を用いた二次電池は、充填性が高く、高容量であり、また、特性のばらつきが少なく均一性に優れたものとなる。 When the MV ratio is within the above range, the positive electrode active material is composed of a lithium nickel manganese cobalt composite oxide in which the secondary particles are hardly aggregated together due to sintering. A secondary battery using such a positive electrode active material has high packing properties, high capacity, and excellent uniformity in characteristics with little variation.
その一方、MV比が1.05を超える場合、焼結凝集に伴い、比表面積及び充填性が低下することがある。この様な正極活物質を用いた二次電池は、反応性が悪化することにより、出力特性及び電池容量が低下することがある。また、繰り返して充放電を行った場合、正極において、二次粒子同士が凝集している強度の弱い部分から、選択的に崩壊が起こり、サイクル特性を大きく損なう恐れもあるため、安全に見積もるならば、1.05以下であり、1.03以下であることが好ましい。 On the other hand, if the MV ratio exceeds 1.05, the specific surface area and packing property may decrease due to sintering aggregation. A secondary battery using such a positive electrode active material may have a decrease in output characteristics and battery capacity due to a deterioration in reactivity. Furthermore, when the positive electrode is repeatedly charged and discharged, selective collapse may occur from the weak parts where the secondary particles are aggregated together in the positive electrode, which may significantly impair the cycle characteristics. Therefore, to be safe, the MV ratio is 1.05 or less, and preferably 1.03 or less.
更に、MV比が0.95未満である場合、リチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物の製造工程において、二次粒子から一次粒子の一部が欠落して、粒径が減少したことが考えられ、これにより、粒度分布が広くなることがあるため、0.95以上であり、0.97以上であることが好ましい。 Furthermore, if the MV ratio is less than 0.95, it is believed that part of the primary particles is missing from the secondary particles during the manufacturing process of the lithium nickel manganese cobalt composite oxide, resulting in a decrease in particle size, which may result in a broader particle size distribution. Therefore, the MV ratio is 0.95 or more, and preferably 0.97 or more.
なお、ニッケルマンガンコバルト複合水酸化物のMVは、リチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物を製造する際に、前駆体として用いたニッケルマンガンコバルト複合水酸化物のMVを意味する。また、リチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物のMVは、解砕工程を行う場合、解砕工程を行った後のリチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物のMVを意味する。なお、それぞれの粒子のMVは、レーザー回折・散乱方式の粒度分析測定装置で測定することができ、各粒径における粒子数を、粒径の小さい側から累積し、その累積体積が全粒子の合計体積の平均値となる粒径を意味する。 The MV of the nickel manganese cobalt composite hydroxide refers to the MV of the nickel manganese cobalt composite hydroxide used as a precursor when producing the lithium nickel manganese cobalt composite oxide. In addition, the MV of the lithium nickel manganese cobalt composite oxide refers to the MV of the lithium nickel manganese cobalt composite oxide after the crushing process, if a crushing process is performed. The MV of each particle can be measured using a laser diffraction/scattering particle size analyzer, and refers to the particle size at which the number of particles at each particle size is accumulated from the smallest particle size side, and the accumulated volume is the average value of the total volume of all particles.
また、無作為に選択した100個以上のリチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物の粒子を、走査型電子顕微鏡(SEM)により観察した際に、二次粒子の凝集が観察される個数が、観察した全二次粒子数に対して、5%以下であってもよく、3%以下であってもよく、2%以下であってもよい。二次粒子の凝集が観察される個数が上記範囲である場合、二次粒子の焼結凝集が十分に抑制されていることを示す。また、正極活物質のMVが上述した範囲である場合、二次粒子の凝集が観察される個数を容易に上記範囲とすることが出来る。なお、走査型電子顕微鏡(SEM)で観察する際の倍率は、例えば、1000倍程度である。 When 100 or more randomly selected particles of lithium nickel manganese cobalt composite oxide are observed with a scanning electron microscope (SEM), the number of particles in which secondary particle aggregation is observed may be 5% or less, 3% or less, or 2% or less of the total number of secondary particles observed. When the number of particles in which secondary particle aggregation is observed is within the above range, it indicates that sintering aggregation of secondary particles is sufficiently suppressed. When the MV of the positive electrode active material is within the above range, the number of particles in which secondary particle aggregation is observed can be easily set to the above range. The magnification when observing with a scanning electron microscope (SEM) is, for example, about 1000 times.
二次粒子の凝集が観察される個数が、観察した全二次粒子数に対して、5%以下である場合、正極活物質は、焼結凝集に伴う、二次粒子同士の凝集が殆ど発生していない、リチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物から構成していることになる。この様な正極活物質を用いた二次電池は、充填性が高く、高容量であり、また、特性のばらつきが少なく均一性に優れたものとなる。 When the number of secondary particle aggregates observed is 5% or less of the total number of secondary particles observed, the positive electrode active material is composed of a lithium nickel manganese cobalt composite oxide in which there is almost no aggregation of secondary particles due to sintering aggregation. A secondary battery using such a positive electrode active material has high filling properties, high capacity, and excellent uniformity with little variation in characteristics.
その一方、二次粒子の凝集が観察される個数が、観察した全二次粒子数に対して、5%を超える場合、焼結凝集に伴い、比表面積及び充填性が低下することがある。この様な正極活物質を用いた二次電池は、反応性が悪化することにより、出力特性及び電池容量が低下することがある。また、繰り返して充放電を行った場合、正極において、二次粒子同士が凝集している強度の弱い部分から、選択的に崩壊が起こり、サイクル特性を大きく損なう恐れもあるため、安全に見積もるならば、5%以下であることが好ましい。 On the other hand, if the number of secondary particle aggregates observed exceeds 5% of the total number of secondary particles observed, the specific surface area and packing property may decrease due to sintering aggregation. A secondary battery using such a positive electrode active material may have a decrease in output characteristics and battery capacity due to a deterioration in reactivity. Furthermore, when repeatedly charged and discharged, selective collapse may occur in the weak parts of the positive electrode where the secondary particles are aggregated, which may significantly impair the cycle characteristics, so a safe estimate is preferably 5% or less.
上記リチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物に含まれるカリウム、カルシウム、マグネシウムの少なくともいずれか1つ以上の物質の含有量が、0.0005質量%未満であることが好ましい。このようにすれば、より不純物の含有量を低減させ、高容量化が可能なリチウムイオン二次電池の正極活物質である、リチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物を提供することができる。 It is preferable that the content of at least one of potassium, calcium, and magnesium contained in the lithium nickel manganese cobalt composite oxide is less than 0.0005 mass %. In this way, it is possible to provide a lithium nickel manganese cobalt composite oxide that is a positive electrode active material for lithium ion secondary batteries that can further reduce the impurity content and increase the capacity.
上記のニッケルマンガンコバルト複合水酸化物は、リチウム化合物と混合し焼成することでリチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物を生成することが出来る。そして、上記のリチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物は、リチウムイオン二次電池用の正極活物質の原料として用いることが出来る。 The nickel manganese cobalt composite hydroxide can be mixed with a lithium compound and fired to produce a lithium nickel manganese cobalt composite oxide. The lithium nickel manganese cobalt composite oxide can be used as a raw material for the positive electrode active material of lithium ion secondary batteries.
正極活物質として用いられるリチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物は、前駆体であるニッケルマンガンコバルト複合水酸化物と、炭酸リチウム(Li2CO3:融点723℃)や、水酸化リチウム(LiOH:融点462℃)のほか、硝酸リチウム(LiNO3:融点261℃)、塩化リチウム(LiCl:融点613℃)、硫酸リチウム(Li2SO4:融点859℃)などのリチウム化合物との混合後、焼成工程を経ることで得られる。 The lithium nickel manganese cobalt composite oxide used as the positive electrode active material is obtained by mixing the precursor nickel manganese cobalt composite hydroxide with lithium compounds such as lithium carbonate ( Li2CO3 : melting point 723°C), lithium hydroxide (LiOH: melting point 462°C), lithium nitrate ( LiNO3 : melting point 261°C), lithium chloride (LiCl: melting point 613°C), and lithium sulfate ( Li2SO4 : melting point 859°C), and then subjecting the mixture to a firing process.
リチウム化合物に関しては、取り扱いの容易さや品質の安定性を考慮すると、炭酸リチウム、又は水酸化リチウムを用いることが特に好ましい。 As for the lithium compound, it is particularly preferable to use lithium carbonate or lithium hydroxide, taking into consideration ease of handling and stability of quality.
この焼成工程では、リチウム化合物の構成成分ともなる、炭酸根、水酸基、硝酸根、塩素根、硫酸根は揮発するが、ごく一部は正極活物質に残存する。その他、ナトリウムなどの不揮発成分をはじめ、粒度分布や比表面積のほか、二次粒子の中空構造については、前駆体であるニッケルマンガンコバルト複合水酸化物の特徴を、ほぼ引き継ぐこととなる。 In this firing process, the carbonate, hydroxyl, nitrate, chlorine, and sulfate groups, which are also components of the lithium compound, volatilize, but a small portion remains in the positive electrode active material. In addition to the non-volatile components such as sodium, the particle size distribution, specific surface area, and hollow structure of the secondary particles, the characteristics of the precursor nickel manganese cobalt composite hydroxide are almost identical.
本発明の一実施形態に係るリチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物によれば、特にナトリウムの含有量を確実に低減させ、かつ空隙率を高めたさらなる電池特性の向上が可能なリチウムイオン二次電池の正極活物質を提供することができる。 The lithium nickel manganese cobalt composite oxide according to one embodiment of the present invention can provide a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery that can reliably reduce the sodium content and increase the porosity, thereby further improving the battery characteristics.
<3.ニッケルマンガンコバルト複合水酸化物の製造方法>
次に本発明の一実施形態に係るニッケルマンガンコバルト複合水酸化物の製造方法について、図2を用いて説明する。本発明の一実施形態に係るニッケルマンガンコバルト複合水酸化物の製造方法は、ニッケル、マンガン、コバルトを含む一次粒子が凝集した二次粒子、又は上記一次粒子と上記二次粒子で構成された、正極活物質の前駆体の製造方法である。そして、図2に示すように、晶析工程S10と洗浄工程S20とを有する。
<3. Method for producing nickel manganese cobalt composite hydroxide>
Next, a method for producing a nickel manganese cobalt composite hydroxide according to one embodiment of the present invention will be described with reference to Fig. 2. The method for producing a nickel manganese cobalt composite hydroxide according to one embodiment of the present invention is a method for producing a precursor of a positive electrode active material, which is composed of secondary particles formed by agglomeration of primary particles containing nickel, manganese, and cobalt, or the primary particles and the secondary particles. As shown in Fig. 2, the method includes a crystallization step S10 and a washing step S20.
晶析工程S10では、ニッケル、マンガン、コバルトを含む原料溶液と、アンモニウムイオン供給体を含む溶液と、アルカリ溶液とを添加して得られた反応溶液中で晶析し、遷移金属複合水酸化物を得る。そして、洗浄工程S20では、上記晶析工程S10で得られた上記遷移金属複合水酸化物を、洗浄液で洗浄する。 In the crystallization step S10, a raw material solution containing nickel, manganese, and cobalt, a solution containing an ammonium ion donor, and an alkaline solution are added to obtain a reaction solution, and crystallization occurs to obtain a transition metal composite hydroxide. In the washing step S20, the transition metal composite hydroxide obtained in the crystallization step S10 is washed with a washing solution.
また、上記晶析工程S10における上記アルカリ溶液は、アルカリ金属水酸化物と炭酸塩との混合溶液であり、上記混合溶液の上記アルカリ金属水酸化物に対する上記炭酸塩のモル比である[CO3 2-]/[OH-]が、0.002~0.050であり、上記晶析工程S10では、酸化性雰囲気と非酸化性雰囲気の2段階で雰囲気を切り替えて晶析を行い、上記洗浄工程S20における上記洗浄液は、濃度が0.05mol/L以上の炭酸水素アンモニウム溶液であることを特徴とする。以下、工程ごとに詳細に説明する。 The alkaline solution in the crystallization step S10 is a mixed solution of an alkali metal hydroxide and a carbonate, and the molar ratio of the carbonate to the alkali metal hydroxide in the mixed solution, [CO 3 2− ]/[OH − ], is 0.002 to 0.050, the crystallization step S10 switches the atmosphere between an oxidizing atmosphere and a non-oxidizing atmosphere in two stages to perform crystallization, and the washing solution in the washing step S20 is an ammonium bicarbonate solution having a concentration of 0.05 mol/L or more. Each step will be described in detail below.
<3-1.晶析工程>
晶析工程S10では、ニッケル、マンガン、コバルトを含む原料溶液と、アンモニウムイオン供給体を含む溶液と、アルカリ溶液とを添加して得られた反応溶液中で晶析し、遷移金属複合水酸化物を得る。
<3-1. Crystallization process>
In the crystallization step S10, a raw material solution containing nickel, manganese, and cobalt, a solution containing an ammonium ion donor, and an alkaline solution are added to obtain a reaction solution, and crystallization is performed in the reaction solution to obtain a transition metal composite hydroxide. get.
また、晶析工程S10は、更に核生成工程S11と、粒子成長工程S12とを有することが好ましい。核生成工程S11では、液温25℃を基準に測定するpHが12.0~14.0となる様、アルカリ溶液を添加し反応溶液中で核生成を行い、粒子成長工程S12では、核生成工程S11で形成された核を含有する反応溶液中に、液温25℃を基準に測定するpHが10.5~12.0となる様、アルカリ溶液を添加することが好ましい。詳細は後述する。 The crystallization step S10 preferably further includes a nucleation step S11 and a particle growth step S12. In the nucleation step S11, an alkaline solution is added to generate nuclei in the reaction solution so that the pH measured at a liquid temperature of 25°C is 12.0 to 14.0, and in the particle growth step S12, an alkaline solution is preferably added to the reaction solution containing the nuclei formed in the nucleation step S11 so that the pH measured at a liquid temperature of 25°C is 10.5 to 12.0. Details will be described later.
従来の連続晶析法では、核生成反応と核成長反応とが、同じ反応槽内で同時に進行するため、得られる前駆体の粒度分布が広範囲となっていた。これに対して、本発明におけるニッケルマンガンコバルト複合水酸化物の製造方法は、主として核生成反応が生じる時間(核生成工程)と、主として粒子成長反応が生じる時間(粒子成長工程)とを明確に分離することで、両工程を同じ反応槽内で行ったとしても、狭い粒度分布を持つ遷移金属複合水酸化物が得られる。また、アルカリ溶液を、アルカリ金属水酸化物と炭酸塩の混合溶液とすることで、不純物である硫酸根などを低減することが出来る。 In conventional continuous crystallization methods, the nucleation reaction and the nucleus growth reaction proceed simultaneously in the same reaction tank, resulting in a wide range of particle size distribution of the precursor. In contrast, the method for producing nickel manganese cobalt composite hydroxide in the present invention clearly separates the time during which the nucleation reaction mainly occurs (nucleation process) from the time during which the particle growth reaction mainly occurs (particle growth process), thereby obtaining a transition metal composite hydroxide with a narrow particle size distribution even if both processes are carried out in the same reaction tank. In addition, by using a mixed solution of an alkali metal hydroxide and a carbonate as the alkaline solution, impurities such as sulfate radicals can be reduced.
以下に、本発明におけるニッケルマンガンコバルト複合水酸化物の製造方法で用いる材料や、条件について詳細に説明する。 The materials and conditions used in the method for producing nickel manganese cobalt composite hydroxide of the present invention are described in detail below.
[ニッケル、マンガン、コバルトを含む原料溶液]
ニッケル、マンガン、コバルトを含む原料溶液に用いられる、ニッケル塩、マンガン塩、コバルト塩などの金属塩としては、水溶性の化合物であれば、特に限定するものではないが、硫酸塩、硝酸塩、塩化物などを使用することが出来る。例えば、硫酸ニッケル、硫酸マンガン、硫酸コバルトを用いるのが好ましい。
[Raw material solution containing nickel, manganese, and cobalt]
Metal salts such as nickel salts, manganese salts, and cobalt salts used in the raw material solution containing nickel, manganese, and cobalt are not particularly limited as long as they are water-soluble compounds, and sulfates, nitrates, chlorides, etc. can be used. For example, nickel sulfate, manganese sulfate, and cobalt sulfate are preferably used.
また、必要に応じて、1種以上の添加元素Mを含む化合物を、所定の割合で混合し、原料溶液を作製することも出来る。この場合の晶析工程S10では、Al、Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Wの中の1種以上を含む化合物を用いることが好ましく、硫酸チタン、ペルオキソチタン酸アンモニウム、シュウ酸チタンカリウム、硫酸バナジウム、バナジン酸アンモニウム、硫酸クロム、クロム酸カリウム、硫酸ジルコニウム、硝酸ジルコニウム、シュウ酸ニオブ、モリブデン酸アンモニウム、タングステン酸ナトリウム、タングステン酸アンモニウムなどを用いることが出来る。 If necessary, compounds containing one or more additive elements M can be mixed in a predetermined ratio to prepare the raw material solution. In this case, in the crystallization step S10, it is preferable to use a compound containing one or more of Al, Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, and W, and examples of compounds that can be used include titanium sulfate, ammonium peroxotitanate, potassium titanium oxalate, vanadium sulfate, ammonium vanadate, chromium sulfate, potassium chromate, zirconium sulfate, zirconium nitrate, niobium oxalate, ammonium molybdate, sodium tungstate, and ammonium tungstate.
また、晶析によって得られたニッケルマンガンコバルト複合水酸化物を、1種以上の添加元素Mを含む水溶液と混合してスラリー化し、pHを調整することにより、1種以上の添加元素Mを含む化合物で、ニッケルマンガンコバルト複合水酸化物を被覆してもよい。 The nickel manganese cobalt composite hydroxide obtained by crystallization may be mixed with an aqueous solution containing one or more additive elements M to form a slurry, and the pH may be adjusted to coat the nickel manganese cobalt composite hydroxide with a compound containing one or more additive elements M.
原料溶液の濃度は、金属塩の合計で1.0~2.6mol/Lとすることが好ましく、1.0~2.2mol/Lとすることがより好ましい。1.0mol/L未満であると、得られる水酸化物スラリー濃度が低く、生産性に劣る。一方、2.6mol/Lを超えると、-5℃以下で結晶析出や凍結が起こり、設備の配管を詰まらせる恐れがあり、配管の保温若しくは加温を行わなければならず、コストが掛かる。 The concentration of the raw material solution is preferably 1.0 to 2.6 mol/L, more preferably 1.0 to 2.2 mol/L, in terms of the total metal salts. If the concentration is less than 1.0 mol/L, the resulting hydroxide slurry will have a low concentration and will be less productive. On the other hand, if the concentration exceeds 2.6 mol/L, crystal precipitation or freezing will occur at temperatures below -5°C, which may clog the piping of the equipment, and the piping will need to be kept warm or heated, which will be costly.
更に、原料溶液を反応槽に供給する量は、晶析反応を終えた時点での晶析物濃度が、概ね30~250g/L、更には80~150g/Lになる様にすることが好ましい。晶析物濃度が30g/L未満の場合には、一次粒子の凝集が不十分になることがあり、250g/Lを超える場合には、添加する原料溶液の反応槽内での拡散が十分でなく、粒子成長に偏りが生じることがある。 Furthermore, the amount of raw material solution supplied to the reaction tank is preferably such that the crystallized product concentration at the end of the crystallization reaction is approximately 30 to 250 g/L, and more preferably 80 to 150 g/L. If the crystallized product concentration is less than 30 g/L, the primary particles may not aggregate sufficiently, and if it exceeds 250 g/L, the raw material solution added may not diffuse sufficiently in the reaction tank, causing uneven particle growth.
[アンモニウムイオン供給体]
反応溶液中のアンモニウムイオン供給体は、水溶性化合物ならば、特に限定するものではなく、アンモニア水、硫酸アンモニウム、塩化アンモニウム、炭酸アンモニウム、フッ化アンモニウムなどを使用することができ、例えば、アンモニア水、硫酸アンモニウムを用いるのが好ましい。
[Ammonium ion donor]
The ammonium ion donor in the reaction solution is not particularly limited as long as it is a water-soluble compound, and examples of the donor include ammonia water, ammonium sulfate, ammonium chloride, ammonium carbonate, and ammonium fluoride. For example, it is preferable to use ammonia water or ammonium sulfate.
反応溶液中のアンモニウムイオン濃度は、好ましくは3~25g/L、より好ましくは5~20g/L、更に好ましくは5~15g/Lとなる様に調節する。反応溶液中にアンモニウムイオンが存在することにより、金属イオン、特にニッケルイオンはアンミン錯体を形成し、金属イオンの溶解度が大きくなり、一次粒子の成長が促進され、緻密なニッケルマンガンコバルト複合水酸化物粒子が得られ易い。更には、金属イオンの溶解度が安定するため、形状及び粒径が整ったニッケルマンガンコバルト複合水酸化物粒子が得られ易い。そして、反応溶液中のアンモニウムイオン濃度を3~25g/Lとすることで、より緻密で形状及び粒径が整った複合水酸化物粒子が得られ易い。 The ammonium ion concentration in the reaction solution is adjusted to preferably 3 to 25 g/L, more preferably 5 to 20 g/L, and even more preferably 5 to 15 g/L. The presence of ammonium ions in the reaction solution causes metal ions, particularly nickel ions, to form ammine complexes, increasing the solubility of the metal ions and promoting the growth of primary particles, making it easier to obtain dense nickel manganese cobalt composite hydroxide particles. Furthermore, because the solubility of the metal ions is stable, nickel manganese cobalt composite hydroxide particles with a uniform shape and particle size are easily obtained. And, by setting the ammonium ion concentration in the reaction solution to 3 to 25 g/L, it is easier to obtain composite hydroxide particles that are denser and have a uniform shape and particle size.
反応溶液中のアンモニウムイオン濃度が3g/L未満であると、金属イオンの溶解度が不安定になる場合があり、形状及び粒径が整った一次粒子が形成されず、ゲル状の核が生成して粒度分布が広くなることがある。これに対して、アンモニウムイオン濃度が25g/Lを超える濃度では、金属イオンの溶解度が大きくなり過ぎ、反応溶液中に残存する金属イオン量が増えることにより、組成のずれが起きる場合がある。なお、アンモニウムイオンの濃度は、イオン電極法(イオンメータ)によって測定することが出来る。 If the ammonium ion concentration in the reaction solution is less than 3 g/L, the solubility of the metal ions may become unstable, and primary particles with uniform shape and particle size may not be formed, and gel-like nuclei may be generated, resulting in a wide particle size distribution. In contrast, if the ammonium ion concentration exceeds 25 g/L, the solubility of the metal ions may become too high, and the amount of metal ions remaining in the reaction solution may increase, causing a deviation in the composition. The concentration of ammonium ions can be measured using an ion electrode method (ion meter).
[アルカリ溶液]
アルカリ溶液は、アルカリ金属水酸化物と炭酸塩の混合溶液で調整される。アルカリ溶液は、アルカリ金属水酸化物と炭酸塩のモル比を表す[CO3
2-]/[OH-]が、0.002~0.050である。また、0.005~0.030であることがより好ましく、0.010~0.025であることが更に好ましい。
[Alkaline solution]
The alkaline solution is prepared by mixing an alkali metal hydroxide and a carbonate. The alkaline solution has a molar ratio of the alkali metal hydroxide to the carbonate, [CO 3 2− ]/[OH − ] of 0.002 to 0.050, more preferably 0.005 to 0.030, and further preferably 0.010 to 0.025.
アルカリ溶液を、アルカリ金属水酸化物と炭酸塩の混合溶液とすることで、晶析工程S10において得られるニッケルマンガンコバルト複合水酸化物に、不純物として残留する硫酸根や塩素根などの陰イオンを、炭酸根と置換除去することが出来る。炭酸根は、硫酸根や塩素根などに比べて、強熱することで、より揮発し易く、ニッケルマンガンコバルト複合水酸化物とリチウム化合物を混合し、焼成する工程で優先的に揮発するため、正極材料であるリチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物には、殆ど残留しない。 By using a mixed solution of an alkali metal hydroxide and a carbonate as the alkaline solution, it is possible to replace and remove anions such as sulfate and chlorine that remain as impurities in the nickel manganese cobalt composite hydroxide obtained in the crystallization step S10 with carbonate. Carbonate is more easily volatilized by ignition than sulfate and chlorine, and is preferentially volatilized in the process of mixing and firing the nickel manganese cobalt composite hydroxide with a lithium compound, so that almost no carbonate remains in the lithium nickel manganese cobalt composite oxide, which is the positive electrode material.
[CO3 2-]/[OH-]が0.002未満であると、晶析工程S10において、原料由来の不純物である硫酸根や塩素根と炭酸イオンとの置換が不十分となり、これらの不純物をニッケルマンガンコバルト複合水酸化物中に取り込み易くなる。一方、[CO3 2-]/[OH-]が0.050を超えても、原料由来の不純物である硫酸根や塩素根の低減は変わらず、過剰に加えた炭酸塩は、コストを増加させる。 If [CO 3 2− ]/[OH − ] is less than 0.002, the replacement of sulfate radicals and chlorine radicals, which are impurities derived from the raw materials, with carbonate ions becomes insufficient in the crystallization step S10, and these impurities become easily incorporated into the nickel manganese cobalt composite hydroxide. On the other hand, even if [CO 3 2− ]/[OH − ] exceeds 0.050, the reduction in sulfate radicals and chlorine radicals, which are impurities derived from the raw materials, does not change, and the addition of an excessive amount of carbonate increases costs.
アルカリ金属水酸化物は、水酸化リチウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムの中の1種以上であることが好ましく、水に溶解し易い化合物は添加量を制御し易く好ましい。 The alkali metal hydroxide is preferably one or more of lithium hydroxide, sodium hydroxide, and potassium hydroxide, and compounds that are easily soluble in water are preferred because the amount added is easy to control.
炭酸塩は、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸アンモニウムの中の1種以上であることが好ましく、水に溶解し易い化合物は添加量を制御し易く好ましい。 The carbonate is preferably one or more of sodium carbonate, potassium carbonate, and ammonium carbonate, and compounds that are easily soluble in water are preferred because the amount added is easy to control.
また、アルカリ溶液を反応槽に添加する方法については、特に限定されるものではなく、定量ポンプなど、流量制御が可能なポンプで、反応溶液のpHが後述する範囲に保持される様に、添加すればよい。 The method for adding the alkaline solution to the reaction tank is not particularly limited, and it may be added using a pump capable of controlling the flow rate, such as a metering pump, so that the pH of the reaction solution is maintained within the range described below.
[pH制御]
晶析工程S10では、液温25℃を基準に測定する反応溶液のpHが12.0~14.0になる様に、アルカリ溶液を添加して、核生成を行う核生成工程S11と、この核生成工程S11において形成された核を含有する粒子成長用溶液を、液温25℃を基準に測定するpHが10.5~12.0となる様に、アルカリ溶液を添加して、核を成長させる粒子成長工程S12とからなることがより好ましい。
[pH Control]
It is more preferable that the crystallization step S10 comprises a nucleation step S11 in which an alkaline solution is added to generate nuclei so that the pH of the reaction solution measured at a liquid temperature of 25° C. is 12.0 to 14.0, and a particle growth step S12 in which an alkaline solution is added to the particle growth solution containing the nuclei formed in the nucleation step S11 so that the pH of the solution measured at a liquid temperature of 25° C. is 10.5 to 12.0, thereby growing the nuclei.
つまり、核生成反応と粒子成長反応とが、同じ槽内において同じ時期に進行するのではなく、主として核生成反応(核生成工程S11)が生じる時間と、主として粒子成長反応(粒子成長工程S12)が生じる時間とを明確に分離したことを特徴としている。以下に核生成工程S11及び粒子成長工程S12を詳細に説明する。 In other words, the nucleation reaction and the particle growth reaction do not proceed at the same time in the same tank, but rather the time during which the nucleation reaction (nucleation step S11) mainly occurs and the time during which the particle growth reaction (particle growth step S12) mainly occurs are clearly separated. The nucleation step S11 and the particle growth step S12 are described in detail below.
<3-1-1.核生成工程>
核生成工程S11では、反応溶液のpHが、液温25℃基準で12.0~14.0の範囲となる様に制御することが好ましい。pHが14.0を超える場合、生成する核が微細になり過ぎ、反応溶液がゲル化する場合がある。また、pHが12.0未満では、核形成と共に、核の成長反応が生じるので、形成される核の粒度分布の範囲が広くなり、不均質なものとなってしまう場合がある。
<3-1-1. Nucleation process>
In the nucleation step S11, it is preferable to control the pH of the reaction solution to be in the range of 12.0 to 14.0 at a liquid temperature of 25° C. If the pH exceeds 14.0, the nuclei generated If the pH is less than 12.0, the nuclei will grow together with the nuclei formation, resulting in a wide range of particle size distribution of the nuclei. It may become inhomogeneous.
即ち、核生成工程S11において、12.0~14.0の範囲に反応溶液のpHを制御することで、核の成長を抑制して、ほぼ核生成のみを起こすことができ、形成される核も均質かつ粒度分布の範囲がより狭いものとすることが出来る。 That is, in the nucleation step S11, by controlling the pH of the reaction solution in the range of 12.0 to 14.0, it is possible to suppress the growth of nuclei and cause only nucleation to occur, and the nuclei formed can be made homogeneous and have a narrower particle size distribution range.
<3-1-2.粒子成長工程>
粒子成長工程S12においては、反応溶液のpHが、液温25℃基準で10.5~12.0とすることが好ましく、より好ましくは11.0~12.0の範囲である。pHが12.0を超える場合は、新たに生成される核が多くなり、微細二次粒子が生成するため、粒度分布が良好な水酸化物が得られない場合がある。また、pHが10.5未満では、アンモニウムイオンによる溶解度が高く、析出せずに液中に残る金属イオンが増えるため、生産効率が悪化する場合がある。
<3-1-2. Particle growth process>
In the particle growth step S12, the pH of the reaction solution is preferably 10.5 to 12.0, more preferably 11.0 to 12.0, based on a liquid temperature of 25° C. If the pH exceeds 0.0, the number of newly generated nuclei increases, resulting in the generation of fine secondary particles, and it may not be possible to obtain hydroxides with a good particle size distribution. In the case of ammonium ions, the solubility of the metal ions is high, and the amount of metal ions that remain in the solution without being precipitated increases, which may result in a decrease in production efficiency.
つまり、粒子成長工程S12において、10.5~12.0の範囲に反応溶液のpHを制御することで、核生成工程S11で生成した核の成長のみを優先的に起こさせ、新たな核形成を抑制することができ、得られるニッケルマンガンコバルト複合水酸化物を、均質かつ粒度分布の範囲をより狭いものとすることが出来る。 In other words, by controlling the pH of the reaction solution in the particle growth step S12 to a range of 10.5 to 12.0, it is possible to preferentially cause the growth of only the nuclei generated in the nucleation step S11 and suppress the formation of new nuclei, and to obtain a nickel manganese cobalt composite hydroxide that is homogeneous and has a narrower particle size distribution range.
なお、pHが12.0の場合には、核生成と核成長の境界条件であるため、反応溶液中に存在する核の有無により、核生成工程若しくは粒子成長工程のいずれかの条件とすることが出来る。即ち、核生成工程S11のpHを12.0より高くして多量に核生成させた後、粒子成長工程S12でpHを12.0とすると、反応水溶液中に多量の核が存在するため、核の成長が優先して起こり、より粒度分布が狭く比較的大きな粒径の上記水酸化物が得られる。 In addition, since a pH of 12.0 is the boundary condition between nucleation and nucleus growth, the conditions can be set to either the nucleation step or the particle growth step depending on the presence or absence of nuclei in the reaction solution. That is, if the pH of the nucleation step S11 is made higher than 12.0 to generate a large amount of nuclei, and then the pH is made 12.0 in the particle growth step S12, the large amount of nuclei is present in the reaction aqueous solution, so nucleus growth takes precedence, and the above hydroxide with a narrower particle size distribution and a relatively large particle size is obtained.
その一方、反応溶液中に核が存在しない状態、つまり、核生成工程S11においてpHを12.0とした場合には、成長する核が存在しないため、核生成が優先して起こり、粒子成長工程S12のpHを12.0より小さくすることで、生成した核が成長してより良好な水酸化物が得られる。 On the other hand, when no nuclei are present in the reaction solution, that is, when the pH is set to 12.0 in the nucleation step S11, there are no nuclei to grow, and nucleation takes precedence. By setting the pH in the particle growth step S12 to a value less than 12.0, the generated nuclei grow, resulting in a better hydroxide.
いずれの場合においても、粒子成長工程S12のpHを、核生成工程S11のpHより低い値で制御すればよく、核生成と粒子成長を明確に分離するためには、粒子成長工程S12のpHを、核生成工程S11のpHより0.5以上低くすることが好ましく、1.0以上低くすることがより好ましい。 In either case, the pH of the particle growth process S12 may be controlled to a value lower than the pH of the nucleation process S11. In order to clearly separate nucleation and particle growth, it is preferable to set the pH of the particle growth process S12 at least 0.5 lower than the pH of the nucleation process S11, and more preferably at least 1.0 lower.
以上の様に、核生成工程S11と粒子成長工程S12をpHにより明確に分離することで、核生成工程S11では核生成が優先して起こり、核の成長は殆ど生じず、逆に、粒子成長工程S12では核成長のみが生じ、殆ど新しい核は生成されない。これにより、核生成工程S11では、粒度分布の範囲が狭く均質な核を形成させることができ、また、粒子成長工程S12では、均質に核を成長させることが出来る。従って、ニッケルマンガンコバルト複合水酸化物の製造方法では、粒度分布の範囲がより狭く均質なニッケルマンガンコバルト複合水酸化物粒子を得ることが出来る。 As described above, by clearly separating the nucleation step S11 and the particle growth step S12 by pH, nucleation takes precedence in the nucleation step S11, with almost no nucleus growth, and conversely, in the particle growth step S12, only nucleus growth occurs, with almost no new nuclei being generated. As a result, in the nucleation step S11, nuclei with a narrow particle size distribution range can be formed, and in the particle growth step S12, nuclei can be grown uniformly. Therefore, the method for producing nickel manganese cobalt composite hydroxide can produce nickel manganese cobalt composite hydroxide particles with a narrower particle size distribution range and more uniform.
[反応溶液温度]
反応槽内において、反応溶液の温度は、好ましくは20~80℃、より好ましくは30~70℃、更に好ましくは35~60℃に設定する。反応溶液の温度が20℃未満の場合には、金属イオンの溶解度が低いため、核発生が起こり易く制御が難しくなる。その一方、80℃を超える場合は、アンモニアの揮発が促進されるので、所定のアンモニア濃度を保つために、過剰のアンモニウムイオン供給体を添加しなければならならず、コスト高となる。
[Reaction solution temperature]
In the reaction tank, the temperature of the reaction solution is preferably set to 20 to 80° C., more preferably 30 to 70° C., and even more preferably 35 to 60° C. If the temperature of the reaction solution is less than 20° C., the solubility of metal ions is low, so nucleation is likely to occur and control is difficult. On the other hand, if the temperature exceeds 80° C., the volatilization of ammonia is promoted, so that an excess of ammonium ion donor must be added to maintain a predetermined ammonia concentration, resulting in high costs.
[反応雰囲気]
ニッケルマンガンコバルト複合水酸化物の粒径及び粒子構造は、晶析工程S10における反応雰囲気によっても制御される。従って、本発明の一実施形態に係るニッケルマンガンコバルト複合水酸化物の製造方法における晶析工程S10では、酸化性雰囲気と非酸化性雰囲気の2段階で雰囲気を切り替えて晶析を行う。具体的には、酸化性雰囲気で晶析を行い、その後、非酸化性雰囲気に反応槽内の雰囲気を切り替えて晶析を行う。
[Reaction atmosphere]
The particle size and particle structure of the nickel manganese cobalt composite hydroxide are also controlled by the reaction atmosphere in the crystallization step S10. Therefore, in the crystallization step S10 in the method for producing a nickel manganese cobalt composite hydroxide according to one embodiment of the present invention, crystallization is performed by switching the atmosphere between an oxidizing atmosphere and a non-oxidizing atmosphere in two stages. Specifically, crystallization is performed in an oxidizing atmosphere, and then the atmosphere in the reaction tank is switched to a non-oxidizing atmosphere and crystallization is performed.
晶析工程S10中の反応槽内の雰囲気を非酸化性雰囲気に制御した場合、ニッケルマンガンコバルト複合水酸化物を形成する一次粒子の成長が促進されて、一次粒子が大きく緻密で、粒径が適度に大きな二次粒子が形成される。一方、晶析工程中の反応槽内の雰囲気を酸化性雰囲気に制御した場合、ニッケルマンガンコバルト複合水酸化物を形成する一次粒子の成長が抑制され、微細一次粒子からなり、粒子中心部に空間、若しくは微細な空隙が多数分散する二次粒子が形成される。 When the atmosphere in the reaction tank during the crystallization step S10 is controlled to a non-oxidizing atmosphere, the growth of the primary particles that form the nickel manganese cobalt composite hydroxide is promoted, and the primary particles are large and dense, and secondary particles with a moderately large particle size are formed. On the other hand, when the atmosphere in the reaction tank during the crystallization step is controlled to an oxidizing atmosphere, the growth of the primary particles that form the nickel manganese cobalt composite hydroxide is suppressed, and secondary particles are formed that are made of fine primary particles and have many spaces or fine voids dispersed in the center of the particles.
本発明の一実施形態に係るニッケルマンガンコバルト複合水酸化物の製造方法は、この晶析工程S10で、酸化性雰囲気と非酸化性雰囲気の2段階で雰囲気を切り替えて晶析を行う。上記の雰囲気を切り替える時期を調整することによって、中空構造を造り込む場合における粒子の中空部の大きさ、及び、多孔構造を造り込む場合における空隙部の割合を、制御することが出来る。 In the method for producing nickel manganese cobalt composite hydroxide according to one embodiment of the present invention, in the crystallization step S10, the crystallization is performed by switching the atmosphere between an oxidizing atmosphere and a non-oxidizing atmosphere in two stages. By adjusting the timing of the atmosphere switching, it is possible to control the size of the hollow part of the particle when a hollow structure is created, and the proportion of voids when a porous structure is created.
ところで、非酸化性雰囲気とは、酸素濃度が5.0容量%以下、好ましくは2.5容量%以下、より好ましくは1.0容量%以下の酸素と、不活性ガスの混合雰囲気を示す。この様な非酸化性雰囲気に、反応槽内空間を保つための手段としては、窒素などの不活性ガスを、反応槽内空間部へ流通させること、更には反応溶液中に不活性ガスをバブリングさせることが挙げられる。なお晶析工程S10における、バブリングの好ましい流量は、3~7L/分であり、より好ましくは5L/分程度である。 A non-oxidizing atmosphere refers to a mixed atmosphere of oxygen and an inert gas with an oxygen concentration of 5.0% by volume or less, preferably 2.5% by volume or less, and more preferably 1.0% by volume or less. Means for maintaining such a non-oxidizing atmosphere within the reaction vessel include circulating an inert gas such as nitrogen into the reaction vessel space, and further bubbling an inert gas into the reaction solution. The preferred flow rate of bubbling in the crystallization step S10 is 3 to 7 L/min, and more preferably about 5 L/min.
一方、酸化性雰囲気とは、酸素濃度が5.0容量%を超える、好ましくは10.0容量%以上、より好ましくは15.0容量%以上の雰囲気を示す。この様な酸化性雰囲気に、反応槽内空間を保つための手段としては、大気などを反応槽内空間部へ流通させること、更に反応溶液中に大気などをバブリングさせることが挙げられる。 On the other hand, an oxidizing atmosphere refers to an atmosphere in which the oxygen concentration exceeds 5.0% by volume, preferably 10.0% by volume or more, and more preferably 15.0% by volume or more. Means for maintaining the space inside the reaction vessel in such an oxidizing atmosphere include circulating air or the like into the space inside the reaction vessel, and further bubbling air or the like into the reaction solution.
中空構造を造り込む場合には、反応槽内の雰囲気を酸化性雰囲気(通常、21容量%を超える酸素濃度、例えば、大気雰囲気)とし、晶析処理を例えば0.5時間内で実施し、所定時間後に給液を停止して晶析処理を止めることが好ましい。その後、不活性雰囲気又は酸素濃度を0.2容量%以下に制御した非酸化性雰囲気に切り換え、晶析処理を0.5~3.5時間の範囲内で実施し、晶析状態を変化させることで、得られる金属複合水酸化物の空隙率を20~50%に制御して、多孔構造を有するニッケルマンガンコバルト複合水酸化物を製造することが好ましい。合計の晶析時間は、0.5~4時間の範囲であり、水酸化物粒子の大きさや、空隙部の大きさ、緻密部の厚みなどから、適宜調整される。 When creating a hollow structure, it is preferable to make the atmosphere in the reaction tank an oxidizing atmosphere (usually an oxygen concentration of more than 21% by volume, for example, air atmosphere), perform the crystallization process within, for example, 0.5 hours, and stop the liquid supply after a predetermined time to stop the crystallization process. Thereafter, it is preferable to switch to an inert atmosphere or a non-oxidizing atmosphere in which the oxygen concentration is controlled to 0.2% by volume or less, perform the crystallization process within a range of 0.5 to 3.5 hours, and by changing the crystallization state, control the porosity of the resulting metal composite hydroxide to 20 to 50%, thereby producing a nickel manganese cobalt composite hydroxide having a porous structure. The total crystallization time is in the range of 0.5 to 4 hours, and is appropriately adjusted depending on the size of the hydroxide particles, the size of the voids, the thickness of the dense parts, etc.
この様に、反応槽内の雰囲気を、非酸化性雰囲気又は酸化性雰囲気に制御することによって、得られる金属複合水酸化物における二次粒子の空隙率が制御される。 In this way, by controlling the atmosphere in the reaction tank to be a non-oxidizing atmosphere or an oxidizing atmosphere, the porosity of the secondary particles in the resulting metal composite hydroxide can be controlled.
なお、上記に核生成工程S11及び粒子成長工程S12を説明したが、核生成及び粒子成長をさせながら、上記の反応雰囲気の制御を同時進行で行う。 The nucleation step S11 and the particle growth step S12 have been described above, but the above reaction atmosphere is controlled simultaneously while nucleation and particle growth are occurring.
[空隙率]
ニッケルマンガンコバルト複合水酸化物を樹脂に埋め込んだ後、クロスセクションポリッシャ(CP)を用い、アルゴンスパッタリングによって、ニッケルマンガンコバルト複合水酸化物の粒子を切断し、粒子断面を露出させる。露出した粒子断面を、走査型電子顕微鏡を用いて観察し、観察された粒子断面の画像を、画像解析ソフトによって、画像の空隙部を黒とし、且つ緻密部を白として解析し、任意の20個以上の粒子断面に対して、黒の部分/(黒の部分+白の部分)の面積を計算することで、空隙率を求めることが出来る。
[Porosity]
After embedding the nickel manganese cobalt composite hydroxide in resin, the nickel manganese cobalt composite hydroxide particles are cut by argon sputtering using a cross-section polisher (CP) to expose the particle cross-section. The exposed particle cross-section is observed using a scanning electron microscope, and the image of the observed particle cross-section is analyzed using image analysis software with voids in the image as black and dense parts as white, and the porosity can be obtained by calculating the area of the black part/(black part + white part) for any 20 or more particle cross-sections.
<3-2.洗浄工程>
洗浄工程S20では、上記晶析工程S10で得られた遷移金属複合水酸化物を、洗浄液で洗浄する。
<3-2. Cleaning process>
In the washing step S20, the transition metal composite hydroxide obtained in the crystallization step S10 is washed with a washing liquid.
[洗浄液種類]
洗浄工程S20では、炭酸塩、炭酸水素塩(重炭酸塩)、水酸化物のアルカリ金属塩やアンモニウム塩を基とした洗浄液で洗浄する。好ましくは、炭酸塩、炭酸水素塩(重炭酸塩)、若しくは、それらの混合物を、水で溶解した洗浄液を用いて、遷移金属複合水酸化物を洗浄する。
[Cleaning fluid type]
In the washing step S20, washing is performed with a washing solution based on an alkali metal salt or ammonium salt of a carbonate, hydrogen carbonate (bicarbonate), or hydroxide. Preferably, the transition metal composite hydroxide is washed with a washing solution in which a carbonate, hydrogen carbonate (bicarbonate), or a mixture thereof is dissolved in water.
そのようにすることで、不純物である硫酸根や塩素根などの陰イオンを、洗浄液中の炭酸イオンや炭酸水素イオン(重炭酸イオン)との置換反応を利用して、効率良く除去することが出来る。また、炭酸塩や炭酸水素塩(重炭酸塩)を用いることで、水酸化物を用いた場合に比べて、ナトリウムなどのアルカリ金属の混入も抑制することが出来る。その他、空隙構造を有する遷移金属複合水酸化物において、水酸化物を用いた場合は、粒子内部の不純物を除去することが困難であり、この点でも、炭酸塩や炭酸水素塩(重炭酸塩)を用いたほうが効果的である。 By doing so, it is possible to efficiently remove impurity anions such as sulfate and chlorine radicals by utilizing a substitution reaction with the carbonate ions and hydrogen carbonate ions (bicarbonate ions) in the cleaning solution. In addition, by using carbonates and hydrogen carbonates (bicarbonates), it is possible to suppress the inclusion of alkali metals such as sodium compared to when hydroxides are used. In addition, when hydroxides are used in transition metal composite hydroxides that have a porous structure, it is difficult to remove impurities inside the particles, and in this respect, too, it is more effective to use carbonates and hydrogen carbonates (bicarbonates).
炭酸塩としては、炭酸カリウムを選択するのが好ましく、炭酸水素塩(重炭酸塩)としては、炭酸水素カリウム、炭酸水素アンモニウムを選択するのが好ましい。また、炭酸塩や炭酸水素塩(重炭酸塩)のうち、アンモニウム塩を選択することによって、不純物であるナトリウム、カリウム、カルシウム、マグネシウムなどの陽イオンを、洗浄液中のアンモニウムイオンとの置換反応を利用して、効率良く除去することが出来る。更に、アンモニウム塩のうち、炭酸水素アンモニウム(重炭安)を選択することによって、ナトリウムなどの陽イオンを、最も効率良く除去することが出来る。 As the carbonate, it is preferable to select potassium carbonate, and as the hydrogen carbonate (bicarbonate), it is preferable to select potassium hydrogen carbonate or ammonium hydrogen carbonate. Furthermore, by selecting an ammonium salt from among the carbonates and hydrogen carbonates (bicarbonates), it is possible to efficiently remove cations such as sodium, potassium, calcium, and magnesium, which are impurities, by utilizing a substitution reaction with the ammonium ions in the cleaning solution. Furthermore, by selecting ammonium hydrogen carbonate from among the ammonium salts, it is possible to most efficiently remove cations such as sodium.
何故なら、ナトリウムなどの陽イオンとアンモニウムイオンとの置換反応のみならず、これに加えて、炭酸水素アンモニウム(重炭安)が持つ、他の塩よりも優れた性質、即ち、洗浄液とした際の炭酸ガスの発泡効率の高さが、ナトリウムなどの陽イオンを除去するのに、大きく寄与しているものと考えられる。 This is because, in addition to the substitution reaction between cations such as sodium and ammonium ions, the superior properties of ammonium bicarbonate compared to other salts, namely the high foaming efficiency of carbon dioxide gas when used as a cleaning solution, are thought to contribute greatly to the removal of cations such as sodium.
[濃度及びpH]
洗浄液である炭酸水素アンモニウム溶液の濃度は、0.05mol/L以上とする。濃度が0.05mol/L未満の場合、不純物である硫酸根、塩素根、ナトリウム等の除去効果が低下する恐れがある。また、濃度が0.05mol/L以上なら、これらの不純物の除去効果は変わらない。それ故に、炭酸水素アンモニウム(重炭安)を過剰に加えると、コスト増加や排水基準などの環境負荷にも影響を及ぼすので、上限濃度を1.0mol/L程度に設定することが好ましい。
[Concentration and pH]
The concentration of the ammonium bicarbonate solution, which is the cleaning solution, is 0.05 mol/L or more. If the concentration is less than 0.05 mol/L, the effect of removing impurities such as sulfate radicals, chlorine radicals, and sodium may decrease. If the concentration is 0.05 mol/L or more, the effect of removing these impurities remains unchanged. Therefore, adding an excess of ammonium bicarbonate (ammonium bicarbonate) increases costs and affects the environmental load such as wastewater standards, so it is preferable to set the upper limit concentration at about 1.0 mol/L.
なお、炭酸水素アンモニウム溶液のpHは、濃度が0.05mol/L以上ならば、特に調整する必要は無く、成り行きのpHで構わない。仮に、濃度が0.05~1.0mol/Lであるなら、そのpHは、おおよそ8.0~9.0の範囲内となる。 The pH of the ammonium bicarbonate solution does not need to be adjusted if the concentration is 0.05 mol/L or more, and can be left at its natural pH. If the concentration is 0.05 to 1.0 mol/L, the pH will be in the range of approximately 8.0 to 9.0.
[液温]
洗浄液である炭酸水素アンモニウム溶液の液温は、特に限定されないが、15~50℃が好ましい。液温が上記範囲であれば、不純物との置換反応や、炭酸水素アンモニウムから発生する炭酸ガスの発泡効果がより良好であり、不純物の除去が効率的に進む。
[Liquid temperature]
The temperature of the ammonium bicarbonate solution, which is the cleaning solution, is not particularly limited, but is preferably 15 to 50° C. If the temperature of the solution is within the above range, the substitution reaction with impurities and the bubbling effect of carbon dioxide gas generated from ammonium bicarbonate are more favorable, and the removal of impurities proceeds efficiently.
[液量]
洗浄液である炭酸水素アンモニウム溶液の液量は、ニッケルマンガンコバルト複合水酸化物1kgに対し、1~20Lである (スラリー濃度としては、50~1000g/Lである)ことが好ましい。1L未満では 、十分な不純物の除去効果が得られない場合がある。また、20Lを超える液量を用いても、不純物の除去効果は変わらず、過剰な液量では、コスト増加や排水基準などの環境負荷にも影響を及ぼし、排水処理における排水量の負荷増加の要因ともなる。
[Liquid volume]
The amount of the ammonium bicarbonate solution, which is the cleaning solution, is preferably 1 to 20 L per 1 kg of nickel manganese cobalt composite hydroxide (slurry concentration is 50 to 1000 g/L). If the amount is less than 1 L, sufficient impurity removal effect may not be obtained. Furthermore, even if an amount of the solution exceeding 20 L is used, the effect of removing impurities remains the same, and an excessive amount of the solution increases costs, affects environmental loads such as wastewater standards, and is also a factor in increasing the load of wastewater volume in wastewater treatment.
[洗浄時間]
炭酸水素アンモニウム溶液による洗浄時間は、不純物を十分除去出来れば、特に限定されないが、通常は0.5~2時間である。
[Washing time]
The washing time with the ammonium hydrogen carbonate solution is not particularly limited as long as it can sufficiently remove impurities, but it is usually 0.5 to 2 hours.
[洗浄方法]
洗浄方法としては、1)炭酸水素アンモニウム溶液にニッケルマンガンコバルト複合水酸化物を添加し、スラリー化して撹拌洗浄を行った後、濾過する一般的な洗浄方法や、若しくは、2)中和晶析により生成したニッケルマンガンコバルト複合水酸化物を含むスラリーを、フィルタープレスなどの濾過機に供給して、炭酸水素アンモニウム溶液を通液する、通液洗浄を行うことが出来る。通液洗浄は、不純物の除去効果が高く、濾過と洗浄を同一の設備で連続的に行うことが可能で、生産性が高いため、より好ましい。
[Cleaning method]
The washing method may be 1) a general washing method in which nickel manganese cobalt composite hydroxide is added to an ammonium hydrogen carbonate solution, the slurry is stirred and washed, and then filtered, or 2) a liquid-passing washing method may be performed in which a slurry containing nickel manganese cobalt composite hydroxide produced by neutralization crystallization is supplied to a filter such as a filter press and an ammonium hydrogen carbonate solution is passed through the slurry. Liquid-passing washing is more preferable because it has a high impurity removal effect, can perform filtration and washing continuously in the same equipment, and is highly productive.
また、炭酸水素アンモニウム溶液での洗浄後は、置換反応によって洗い出された不純物を含む洗浄液が、ニッケルマンガンコバルト複合水酸化物に付着している場合があるため、最後に水洗することが好ましい。更に、水洗した後は、濾過したニッケルマンガンコバルト複合水酸化物の付着水を乾燥する、乾燥工程(不図示)を行うことが好ましい。 After washing with the ammonium bicarbonate solution, the washing liquid containing impurities washed out by the substitution reaction may adhere to the nickel manganese cobalt composite hydroxide, so it is preferable to finally wash with water. Furthermore, after washing with water, it is preferable to perform a drying process (not shown) to dry the adhering water from the filtered nickel manganese cobalt composite hydroxide.
上記洗浄工程S20を経て得られたニッケルマンガンコバルト複合水酸化物は、ニッケル、マンガン、コバルトを含む一次粒子が凝集した二次粒子、又は上記一次粒子と上記二次粒子で構成された、正極活物質の前駆体であるニッケルマンガンコバルト複合水酸化物であり、上記ニッケルマンガンコバルト複合水酸化物に含まれるナトリウム含有量が、0.0005質量%未満であり、上記ニッケルマンガンコバルト複合水酸化物の粒子の空隙率が、20~50%であることを特徴とする。 The nickel manganese cobalt composite hydroxide obtained through the above-mentioned washing step S20 is a nickel manganese cobalt composite hydroxide, which is a precursor of a positive electrode active material, and is composed of secondary particles in which primary particles containing nickel, manganese, and cobalt are aggregated, or the primary particles and the secondary particles, and is characterized in that the sodium content contained in the nickel manganese cobalt composite hydroxide is less than 0.0005 mass%, and the porosity of the particles of the nickel manganese cobalt composite hydroxide is 20 to 50%.
本発明の一実施形態に係るニッケルマンガンコバルト複合水酸化物の製造方法によれば、特にナトリウムの含有量を確実に低減させ、電池特性の向上が可能なリチウムイオン二次電池の正極活物質の前駆体である、ニッケルマンガンコバルト複合水酸化物の製造方法を提供することができる。 The method for producing nickel manganese cobalt composite hydroxide according to one embodiment of the present invention can provide a method for producing nickel manganese cobalt composite hydroxide, which is a precursor of the positive electrode active material of a lithium ion secondary battery, capable of reliably reducing the sodium content and improving the battery characteristics.
<4.リチウムイオン二次電池>
本発明の一実施形態に係るリチウムイオン二次電池は、上述したリチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物を含む正極を備えることを特徴とする。また、上記リチウムイオン二次電池は、一般のリチウムイオン二次電池と同様の構成要素により構成されることができ、例えば、正極、負極及び非水系電解質を含む。なお、以下で説明する実施形態は例示に過ぎず、本実施形態のリチウムイオン二次電池は、本明細書に記載されている実施形態を基に、当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した形態で実施することができる。また、本実施形態のリチウムイオン二次電池は、その用途を特に限定するものではない。
<4. Lithium-ion secondary battery>
The lithium ion secondary battery according to one embodiment of the present invention is characterized by having a positive electrode containing the above-mentioned lithium nickel manganese cobalt composite oxide. The lithium ion secondary battery may be composed of the same components as a general lithium ion secondary battery, for example, including a positive electrode, a negative electrode, and a non-aqueous electrolyte. The embodiments described below are merely illustrative, and the lithium ion secondary battery of this embodiment may be implemented in a form in which various modifications and improvements have been made based on the embodiments described in this specification and on the knowledge of those skilled in the art. The lithium ion secondary battery of this embodiment is not particularly limited in its use.
(a)正極
先に述べた正極活物質であるリチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物を用い、例えば、以下のようにして、リチウムイオン二次電池の正極を作製する。まず、粉末状の正極活物質、導電剤、結着剤を混合し、さらに必要に応じて活性炭、粘度調整等の目的の溶剤を添加し、これを混練して正極合剤ペーストを作製する。正極合剤ペースト中のそれぞれの成分の混合比は、例えば、溶剤を除いた正極合材の固形分の全質量を100質量部とした場合、一般のリチウムイオン二次電池の正極と同様、正極活物質の含有量を60~95質量部とし、導電剤の含有量を1~20質量部とし、結着剤の含有量を1~20質量部とすることが好ましい。
(a) Positive electrode The positive electrode of a lithium ion secondary battery is prepared, for example, as follows, using the lithium nickel manganese cobalt composite oxide, which is the positive electrode active material described above. First, a powdered positive electrode active material, a conductive agent, and a binder are mixed, and activated carbon and a solvent for viscosity adjustment, etc. are added as necessary, and the mixture is kneaded to prepare a positive electrode mixture paste. The mixing ratio of each component in the positive electrode mixture paste is, for example, as in the case of a general lithium ion secondary battery positive electrode, when the total mass of the solid content of the positive electrode mixture excluding the solvent is 100 parts by mass, the content of the positive electrode active material is 60 to 95 parts by mass, the content of the conductive agent is 1 to 20 parts by mass, and the content of the binder is 1 to 20 parts by mass.
得られた正極合剤ペーストを、例えば、アルミニウム箔製の集電体の表面に塗布し、乾燥して、溶剤を飛散させる。必要に応じ、電極密度を高めるべく、ロールプレス等により加圧することもある。このようにして、シート状の正極を作製することができる。シート状の正極は、目的とする電池に応じて適当な大きさに裁断等をして、電池の作製に供することができる。ただし、正極の作製方法は、例示のものに限られることなく、他の方法によってもよい。 The obtained positive electrode mixture paste is applied to the surface of a current collector made of, for example, aluminum foil, and dried to evaporate the solvent. If necessary, pressure may be applied using a roll press or the like to increase the electrode density. In this manner, a sheet-shaped positive electrode can be produced. The sheet-shaped positive electrode can be cut to an appropriate size depending on the desired battery and used to produce the battery. However, the method for producing the positive electrode is not limited to the example, and other methods may also be used.
正極の導電剤としては、例えば、黒鉛(天然黒鉛、人造黒鉛、膨張黒鉛など)や、アセチレンブラック、ケッチェンブラック(登録商標)などのカーボンブラック系材料などを用いることができる。 Examples of conductive materials that can be used for the positive electrode include graphite (natural graphite, artificial graphite, expanded graphite, etc.) and carbon black-based materials such as acetylene black and Ketjen Black (registered trademark).
結着剤は、活物質粒子をつなぎ止める役割を果たすもので、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、フッ素ゴム、エチレンプロピレンジエンゴム、スチレンブタジエン、セルロース系樹脂、ポリアクリル酸などを用いることができる。 The binder serves to hold the active material particles together, and examples of the binder that can be used include polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroethylene (PTFE), fluororubber, ethylene propylene diene rubber, styrene butadiene, cellulose-based resin, polyacrylic acid, etc.
なお、必要に応じ、正極活物質、導電剤、活性炭を分散させ、結着剤を溶解する溶剤を正極合剤に添加する。溶剤としては、具体的には、N-メチル-2-ピロリドン等の有機溶剤を用いることができる。また、正極合剤には、電気二重層容量を増加させるために、活性炭を添加することができる。 If necessary, a solvent that disperses the positive electrode active material, conductive agent, and activated carbon and dissolves the binder is added to the positive electrode mixture. Specifically, an organic solvent such as N-methyl-2-pyrrolidone can be used as the solvent. Activated carbon can also be added to the positive electrode mixture to increase the electric double layer capacity.
(b)負極
負極には、金属リチウムやリチウム合金等、あるいは、リチウムイオンを吸蔵及び脱離できる負極活物質に、結着剤を混合し、適当な溶剤を加えてペースト状にした負極合剤を、銅等の金属箔集電体の表面に塗布し、乾燥し、必要に応じて電極密度を高めるべく圧縮して形成したものを使用する。
(b) Negative Electrode For the negative electrode, a negative electrode mixture is used which is prepared by mixing metallic lithium, a lithium alloy, or a negative electrode active material capable of absorbing and desorbing lithium ions with a binder, adding an appropriate solvent to form a paste, and applying the resulting mixture to the surface of a metal foil current collector such as copper, drying the mixture, and compressing it as necessary to increase the electrode density.
負極活物質としては、例えば、天然黒鉛、人造黒鉛、フェノール樹脂等の有機化合物焼成体、コークス等の炭素物質の粉状体を用いることができる。この場合、負極結着剤としては、正極同様、PVDF等の含フッ素樹脂等を用いることができ、これらの活物質及び結着剤を分散させる溶剤としては、N-メチル-2-ピロリドン等の有機溶剤を用いることができる。 As the negative electrode active material, for example, natural graphite, artificial graphite, baked organic compounds such as phenolic resin, and powdered carbon materials such as coke can be used. In this case, as with the positive electrode, fluorine-containing resins such as PVDF can be used as the negative electrode binder, and an organic solvent such as N-methyl-2-pyrrolidone can be used as the solvent for dispersing these active materials and binders.
(c)セパレータ
正極と負極との間には、セパレータを挟み込んで配置する。セパレータは、正極と負極とを分離し、電解質を保持するものであり、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン等の薄い膜で、微少な孔を多数有する膜を用いることができる。
(c) Separator A separator is sandwiched between the positive electrode and the negative electrode. The separator separates the positive electrode and the negative electrode and retains the electrolyte. For example, a thin membrane of polyethylene, polypropylene, or the like having many minute pores can be used.
(d)非水系電解質
非水系電解質としては、非水系電解液を用いることができる。非水系電解液は、例えば、支持塩としてのリチウム塩を有機溶媒に溶解したものを用いてもよいである。また、非水系電解液として、イオン液体にリチウム塩が溶解したものを用いてもよい。なお、イオン液体とは、リチウムイオン以外のカチオンおよびアニオンから構成され、常温でも液体状を示す塩をいう。
(d) Non-aqueous electrolyte A non-aqueous electrolyte can be used as the non-aqueous electrolyte. For example, the non-aqueous electrolyte may be a solution of a lithium salt as a supporting salt dissolved in an organic solvent. In addition, the non-aqueous electrolyte may be a solution of a lithium salt dissolved in an ionic liquid. The ionic liquid refers to a salt that is composed of cations and anions other than lithium ions and is liquid even at room temperature.
有機溶媒としては、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネートおよびトリフルオロプロピレンカーボネートなどの環状カーボネート、また、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネートおよびジプロピルカーボネートなどの鎖状カーボネート、さらに、テトラヒドロフラン、2-メチルテトラヒドロフランおよびジメトキシエタンなどのエーテル化合物、エチルメチルスルホンやブタンスルトンなどの硫黄化合物、リン酸トリエチルやリン酸トリオクチルなどのリン化合物などから選ばれる1種を単独で用いてもよく、2種以上を混合して用いることができる。 As the organic solvent, one selected from cyclic carbonates such as ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, and trifluoropropylene carbonate, chain carbonates such as diethyl carbonate, dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, and dipropyl carbonate, ether compounds such as tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, and dimethoxyethane, sulfur compounds such as ethyl methyl sulfone and butane sultone, and phosphorus compounds such as triethyl phosphate and trioctyl phosphate may be used alone or in combination of two or more.
支持塩としては、LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiAsF6、LiN(CF3SO2)2、およびそれらの複合塩などを用いることができる。さらに、非水系電解液は、ラジカル捕捉剤、界面活性剤および難燃剤などを含んでいてもよい。 The supporting salt may be LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , LiAsF 6 , LiN(CF 3 SO 2 ) 2 , or a composite salt thereof. Furthermore, the non-aqueous electrolyte may contain a radical scavenger, a surfactant, a flame retardant, and the like.
また、非水系電解質としては、固体電解質を用いてもよい。固体電解質は、高電圧に耐えうる性質を有する。固体電解質としては、無機固体電解質、有機固体電解質が挙げられる。 A solid electrolyte may also be used as the non-aqueous electrolyte. A solid electrolyte has the property of being able to withstand high voltages. Examples of solid electrolytes include inorganic solid electrolytes and organic solid electrolytes.
無機固体電解質として、酸化物系固体電解質、硫化物系固体電解質等が用いられる。 As inorganic solid electrolytes, oxide-based solid electrolytes, sulfide-based solid electrolytes, etc. are used.
酸化物系固体電解質としては、特に限定されず、酸素(O)を含有し、かつ、リチウムイオン伝導性と電子絶縁性とを有するものであれば用いることができる。酸化物系固体電解質としては、例えば、リン酸リチウム(Li3PO4)、Li3PO4NX、LiBO2NX、LiNbO3、LiTaO3、Li2SiO3、Li4SiO4-Li3PO4、Li4SiO4-Li3VO4、Li2O-B2O3-P2O5、Li2O-SiO2、Li2O-B2O3-ZnO、Li1+XAlXTi2-X(PO4)3(0≦X≦1)、Li1+XAlXGe2-X(PO4)3(0≦X≦1)、LiTi2(PO4)3、Li3XLa2/3-XTiO3(0≦X≦2/3)、Li5La3Ta2O12、Li7La3Zr2O12、Li6BaLa2Ta2O12、Li3.6Si0.6P0.4O4等が挙げられる。 The oxide-based solid electrolyte is not particularly limited, and any oxide-based solid electrolyte that contains oxygen (O) and has lithium ion conductivity and electronic insulation properties can be used. Examples of oxide-based solid electrolytes include lithium phosphate (Li 3 PO 4 ), Li 3 PO 4 N x , LiBO 2 N x , LiNbO 3 , LiTaO 3 , Li 2 SiO 3 , Li 4 SiO 4 -Li 3 PO 4 , Li 4 SiO 4 -Li 3 VO 4 , Li 2 O-B 2 O 3 -P 2 O 5 , Li 2 O-SiO 2 , Li 2 O-B 2 O 3 -ZnO, Li 1+X Al X Ti 2-X (PO 4 ) 3 (0≦X≦1), Li 1+X Al X Ge 2-X (PO 4 ) 3 (0≦X≦ 1 ), LiTi2 ( PO4 ) 3 , Li3XLa2 /3- XTiO3 ( 0≦X≦2/3) , Li5La3Ta2O12, Li7La3Zr2O12, Li6BaLa2Ta2 Examples include O 12 , Li 3.6 Si 0.6 P 0.4 O 4 and the like .
硫化物系固体電解質としては、特に限定されず、硫黄(S)を含有し、かつ、リチウムイオン伝導性と電子絶縁性とを有するものであれば用いることができる。硫化物系固体電解質としては、例えば、Li2S-P2S5、Li2S-SiS2、LiI-Li2S-SiS2、LiI-Li2S-P2S5、LiI-Li2S-B2S3、Li3PO4-Li2S-Si2S、Li3PO4-Li2S-SiS2、LiPO4-Li2S-SiS、LiI-Li2S-P2O5、LiI-Li3PO4-P2S5等が挙げられる。 The sulfide-based solid electrolyte is not particularly limited, and any electrolyte that contains sulfur (S) and has lithium ion conductivity and electronic insulation can be used. Examples of sulfide-based solid electrolytes include Li 2 S-P 2 S 5 , Li 2 S-SiS 2 , LiI - Li 2 S-SiS 2 , LiI-Li 2 S-P 2 S 5 , LiI-Li 2 S-B 2 S 3 , Li 3 PO 4 -Li 2 S-Si 2 S, Li 3 PO 4 -Li 2 S-SiS 2 , LiPO 4 -Li 2 S-SiS, LiI-Li 2 S-P 2 O 5 , and LiI-Li 3 PO 4 -P 2 S 5 .
なお、無機固体系電解質としては、上記以外のものを用いてよく、例えば、Li3N、LiI、Li3N-LiI-LiOH等を用いてもよい。 As the inorganic solid electrolyte, materials other than those mentioned above may be used, for example, Li 3 N, LiI, Li 3 N-LiI-LiOH, etc. may be used.
有機固体電解質としては、イオン伝導性を示す高分子化合物であれば、特に限定されず、例えば、ポリエチレンオキシド、ポリプロピレンオキシド、これらの共重合体などを用いることができる。また、有機固体電解質は、支持塩(リチウム塩)を含んでいてもよい。 The organic solid electrolyte is not particularly limited as long as it is a polymeric compound that exhibits ion conductivity, and examples of the organic solid electrolyte that can be used include polyethylene oxide, polypropylene oxide, and copolymers thereof. The organic solid electrolyte may also contain a supporting salt (lithium salt).
(e)電池の形状、構成
本発明の一実施形態に係るリチウムイオン二次電池は、例えば、上述したような正極、負極、セパレータ及び非水系電解質で構成される。また、リチウムイオン二次電池の形状は、特に限定されず、円筒型、積層型等、種々のものとすることができる。いずれの形状を採る場合であっても、正極及び負極を、セパレータを介して積層させて電極体とし、得られた電極体に、非水系電解質を含浸させ、正極集電体と外部に通ずる正極端子との間、及び、負極集電体と外部に通ずる負極端子との間を、集電用リード等を用いて接続し、電池ケースに密閉して、リチウムイオン二次電池を完成させる。
(e) Shape and configuration of the battery The lithium ion secondary battery according to one embodiment of the present invention is composed of, for example, the positive electrode, negative electrode, separator, and non-aqueous electrolyte as described above. The shape of the lithium ion secondary battery is not particularly limited, and can be various, such as a cylindrical type and a laminated type. Regardless of the shape, the positive electrode and the negative electrode are laminated via a separator to form an electrode body, the obtained electrode body is impregnated with a non-aqueous electrolyte, and the positive electrode current collector and the positive electrode terminal leading to the outside, and the negative electrode current collector and the negative electrode terminal leading to the outside are connected using a current collecting lead or the like, and the battery is sealed in a battery case to complete the lithium ion secondary battery.
本発明の一実施形態に係るリチウムイオン二次電池は、上述の正極活物質から構成された正極を備えることにより、特にナトリウムの含有量を確実に低減させて、焼結凝集を抑制し、かつ空隙率を高め、さらなる電池特性の向上が可能となる。 The lithium-ion secondary battery according to one embodiment of the present invention is provided with a positive electrode made of the above-mentioned positive electrode active material, which reliably reduces the sodium content in particular, suppresses sintering agglomeration, and increases the porosity, making it possible to further improve the battery characteristics.
次に、本発明の一実施形態に係るニッケルマンガンコバルト複合水酸化物、ニッケルマンガンコバルト複合水酸化物の製造方法、リチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物及びリチウムイオン二次電池について、実施例により詳しく説明する。なお、本発明は、これらの実施例に限定されるものではない。 Next, the nickel manganese cobalt composite hydroxide, the method for producing the nickel manganese cobalt composite hydroxide, the lithium nickel manganese cobalt composite oxide, and the lithium ion secondary battery according to one embodiment of the present invention will be described in detail with reference to examples. Note that the present invention is not limited to these examples.
実施例1~13、比較例1~9について、晶析工程で得られた遷移金属複合水酸化物を、洗浄、濾過、乾燥操作を経て、前駆体であるニッケルマンガンコバルト複合水酸化物として回収した後、以下の方法で各種分析を行った。 For Examples 1 to 13 and Comparative Examples 1 to 9, the transition metal composite hydroxide obtained in the crystallization process was washed, filtered, and dried to recover the precursor nickel manganese cobalt composite hydroxide, and then various analyses were performed using the following methods.
[組成、カルシウム及びマグネシウム含有量]
組成、カルシウム及びマグネシウム含有量は、酸分解-ICP発光分光分析法で分析し、測定にはマルチ型ICP発光分光分析装置である、ICPE-9000(島津製作所社製)を用いた。
[Composition, calcium and magnesium content]
The composition and calcium and magnesium contents were analyzed by acid decomposition-ICP emission spectrometry, and a multi-type ICP emission spectrometry analyzer, ICPE-9000 (manufactured by Shimadzu Corporation), was used for the measurements.
[ナトリウム及びカリウム含有量]
ナトリウム及びカリウム含有量は、酸分解-原子吸光分析法で分析し、測定には原子吸光分析装置である、原子吸光分光光度計240AA(アジレント・テクノロジー株式会社製)を用いた。
[Sodium and potassium content]
The sodium and potassium contents were analyzed by acid decomposition-atomic absorption spectrometry, and an atomic absorption spectrophotometer 240AA (manufactured by Agilent Technologies, Inc.) was used as an atomic absorption analyzer for the measurements.
[硫酸根含有量]
硫酸根含有量は、酸分解-ICP発光分光分析法で全硫黄含有量を分析し、この全硫黄含有量を、硫酸根(SO4
2-)に換算することにより求めた。なお、測定にはマルチ型ICP発光分光分析装置である、ICPE-9000(島津製作所社製)を用いた。
[Sulfate content]
The sulfate radical content was determined by analyzing the total sulfur content by acid decomposition-ICP atomic emission spectrometry and converting the total sulfur content into sulfate radical (SO 4 2− ). The measurement was performed using a multi-type ICP atomic emission spectrometry analyzer, ICPE-9000 (manufactured by Shimadzu Corporation).
[塩素根含有量]
塩素根含有量は、試料を直接、又は蒸留操作で含まれる塩素根を塩化銀の形で分離して、蛍光X線分析法(XRF)で分析した。なお、測定には蛍光X線分析装置である、Axios(スペクトリス株式会社製)を用いた。
[Chlorine content]
The chlorine radical content was analyzed by X-ray fluorescence spectrometry (XRF) using the sample directly or by separating the chlorine radical contained in the sample in the form of silver chloride by distillation. Note that the measurement was performed using an X-ray fluorescence analyzer, Axios (manufactured by Spectris Corporation).
[平均粒径及び粒度分布]
平均粒径(MV)及び粒度分布〔(d90-d10)/平均粒径〕は、レーザー回折・散乱法を用いて測定した体積基準分布から求めた。なお、測定にはレーザー回折・散乱方式の粒度分布測定装置である、マイクロトラックMT3300EXII(マイクロトラック・ベル株式会社製)を用いた。
[Average particle size and particle size distribution]
The average particle size (MV) and particle size distribution [(d90-d10)/average particle size] were determined from the volume-based distribution measured using a laser diffraction/scattering method. A particle size distribution measuring device, Microtrac MT3300EXII (manufactured by Microtrac Bell Co., Ltd.), was used.
[比表面積]
比表面積は、BET1点法による、窒素ガス吸着・脱離法で分析し、測定にはガス流動方式の比表面積測定装置である、マックソーブ1200シリーズ(株式会社マウンテック製)を用いた。
[Specific surface area]
The specific surface area was analyzed by a nitrogen gas adsorption/desorption method according to the BET single point method, and a gas flow type specific surface area measuring device, Macsorb 1200 series (manufactured by Mountec Co., Ltd.), was used for the measurement.
[空隙率]
空隙率は、試料粒子の切断には、断面の調製装置である、クロスセクションポリッシャIB-19530CP(日本電子株式会社製)を用い、また、その断面の観察には、ショットキー電界放出型の走査型電子顕微鏡SEM-EDSである、JSM-7001F(日本電子株式会社製)を用いた。更に、画像解析・計測ソフトウェアである、WinRoof6.1.1(三谷商事株式会社製)によって、粒子断面の空隙部を黒として測定し、粒子の緻密部を白として測定し、任意の20個以上の粒子に対して、黒部分/(黒部分+白部分)の面積を計算することで、空隙率を求めた。
[Porosity]
The porosity was measured by cutting the sample particles using a cross-section preparation device, a cross-section polisher IB-19530CP (manufactured by JEOL Ltd.), and by observing the cross-section using a Schottky field emission scanning electron microscope SEM-EDS, a JSM-7001F (manufactured by JEOL Ltd.). Furthermore, the porosity was obtained by measuring the voids in the particle cross-section as black and the dense parts of the particle as white using image analysis and measurement software, WinRoof6.1.1 (manufactured by Mitani Shoji Co., Ltd.), and calculating the area of the black part/(black part + white part) for any 20 or more particles.
[正極活物質の製造及び評価]
また、本発明のニッケルマンガンコバルト複合水酸化物を原料とした正極活物質である、リチウム金属複合酸化物、より具体的には、リチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物は、以下の方法で製造及び評価を行った。
[Production and evaluation of positive electrode active material]
Furthermore, the lithium metal composite oxide, more specifically the lithium nickel manganese cobalt composite oxide, which is the positive electrode active material made from the nickel manganese cobalt composite hydroxide of the present invention as a raw material, was produced and evaluated by the following method.
[A、正極活物質の製造]
前駆体であるニッケルマンガンコバルト複合水酸化物を、空気(酸素:21容量%)気流中において、700℃で6時間の熱処理を行い、金属複合酸化物を回収した。続いて、Li /Me=1.025となる様、リチウム化合物である水酸化リチウムを秤量し、回収した金属複合酸化物と混合し、リチウム混合物を作製した。なお、混合操作にはシェーカーミキサー装置(ウィリー・エ・バッコーフェン(WAB)社製TURBULA-TypeT2C)を用いた。
[A. Production of positive electrode active material]
The precursor nickel manganese cobalt composite hydroxide was heat-treated at 700°C for 6 hours in an air stream (oxygen: 21% by volume), and the metal composite oxide was recovered. Next, lithium hydroxide, a lithium compound, was weighed out so that Li/Me was 1.025, and mixed with the recovered metal composite oxide to prepare a lithium mixture. A shaker mixer (TURBULA-Type T2C manufactured by WAB) was used for the mixing operation.
次に、作製したリチウム混合物を、酸素(酸素:100容量%)気流中において、500℃で4時間仮焼し、更に730℃で24時間焼成し、冷却後に解砕して、リチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物を得た。 Next, the lithium mixture was calcined at 500°C for 4 hours in an oxygen (oxygen: 100% by volume) stream, then sintered at 730°C for 24 hours, cooled, and crushed to obtain lithium nickel manganese cobalt composite oxide.
[B、正極活物質の評価]
得られたリチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物において、ナトリウム含有量、カリウム含有量、カルシウム含有量、マグネシウム含有量、硫酸根含有量、塩素根含有量、空隙率の分析には、上述の分析方法及び分析機器を用いた。また、リチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物の結晶性を示す、Me席占有率は、X線回折分析装置(XRD)を用いて測定した回折パターンについて、リートベルト解析を行うことで算出した。なお、測定にはX線回折分析装置X‘Pert-PRO(スペクトリス株式会社製)を用いた。Me席占有率は、リチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物の、ニッケル、マンガン、コバルト及び添加元素Mが、層状構造のメタル層(Me席)中に占める、金属元素の存在割合を示す。Me席占有率は、電池特性と相関があり、Me席占有率が高い程、良好な電池特性を示す。
[B. Evaluation of Positive Electrode Active Material]
The above-mentioned analytical method and analytical equipment were used to analyze the sodium content, potassium content, calcium content, magnesium content, sulfate content, chlorine content, and porosity of the obtained lithium nickel manganese cobalt composite oxide. The Me site occupancy rate, which indicates the crystallinity of the lithium nickel manganese cobalt composite oxide, was calculated by performing Rietveld analysis on the diffraction pattern measured using an X-ray diffraction analyzer (XRD). The measurement was performed using an X-ray diffraction analyzer X'Pert-PRO (manufactured by Spectris Co., Ltd.). The Me site occupancy rate indicates the presence ratio of metal elements in the metal layer (Me site) of the layered structure of nickel, manganese, cobalt, and the additive element M of the lithium nickel manganese cobalt composite oxide. The Me site occupancy rate is correlated with battery characteristics, and the higher the Me site occupancy rate, the better the battery characteristics.
以下、実施例及び比較例の各条件について、説明する。 The conditions for the examples and comparative examples are explained below.
(実施例1)
実施例1では、晶析工程における晶析の反応槽(5L)内に、水を0.9L入れて撹拌しながら、槽内温度を40℃に設定した。
Example 1
In Example 1, 0.9 L of water was placed in a crystallization reaction tank (5 L) in the crystallization step, and the temperature inside the tank was set to 40° C. while stirring.
反応槽内の水中に、25%水酸化ナトリウム水溶液と、アンモニウムイオン供給体である25%アンモニア水を適量加えて、液温25℃を基準に測定するpHとして、槽内の反応溶液のpHが12.8となる様に調整した。また、反応溶液のアンモニウムイオン濃度は、10g/Lに調整した。 An appropriate amount of 25% sodium hydroxide aqueous solution and 25% ammonia water, which is an ammonium ion donor, were added to the water in the reaction tank, and the pH of the reaction solution in the tank was adjusted to 12.8, measured based on a liquid temperature of 25°C. The ammonium ion concentration of the reaction solution was also adjusted to 10 g/L.
次に、硫酸ニッケル、硫酸マンガン、塩化コバルトを水に溶かして、2.0mol/Lの原料溶液を作製した。この原料溶液では、各金属の元素モル比が、Ni:Mn:Co=1:1:1となる様に調整した。更に、アルカリ金属水酸化物である水酸化ナトリウムと、炭酸塩である炭酸ナトリウムを、[CO3 2-]/[OH-]が0.025となる様に、水に溶解してアルカリ溶液を作製した。 Next, nickel sulfate, manganese sulfate, and cobalt chloride were dissolved in water to prepare a 2.0 mol/L raw material solution. In this raw material solution, the elemental molar ratio of each metal was adjusted to Ni:Mn:Co = 1:1:1. Furthermore, sodium hydroxide, which is an alkali metal hydroxide, and sodium carbonate, which is a carbonate, were dissolved in water so that [CO 3 2- ]/[OH - ] was 0.025 to prepare an alkaline solution.
原料溶液を、反応槽内の反応溶液に12.9mL/分で加え、それと共にアンモニウムイオン供給体やアルカリ溶液も、反応溶液に一定速度で加えていき、反応溶液中のアンモニウムイオン濃度を10g/Lに保持した状態において、pHを12.8(核生成工程pH)に制御し、晶析を2分30秒間実施することで、核生成を行った。 The raw material solution was added to the reaction solution in the reaction tank at a rate of 12.9 mL/min. At the same time, the ammonium ion donor and alkaline solution were also added to the reaction solution at a constant rate. Nucleation was performed by controlling the pH to 12.8 (nucleation process pH) while maintaining the ammonium ion concentration in the reaction solution at 10 g/L and carrying out crystallization for 2 minutes and 30 seconds.
その後、反応溶液のpHが、液温25℃を基準に測定するpHとして11.6(粒子成長工程pH)になるまで、64%硫酸を添加した。液温25℃を基準に測定するpHとして、反応溶液のpHが11.6に到達した後、原料溶液、アンモニウムイオン供給体、アルカリ溶液の供給を再開し、pHを11.6に制御したまま、晶析を4時間継続し粒子成長を行うことにより、遷移金属複合水酸化物を得た。 After that, 64% sulfuric acid was added until the pH of the reaction solution reached 11.6 (particle growth process pH) measured at a liquid temperature of 25°C. After the pH of the reaction solution reached 11.6, measured at a liquid temperature of 25°C, the supply of the raw material solution, ammonium ion donor, and alkaline solution was resumed, and the pH was controlled at 11.6 while crystallization was continued for 4 hours to grow particles, thereby obtaining a transition metal composite hydroxide.
また、反応雰囲気については、まず、反応槽内を大気雰囲気(酸素濃度:21容量%)とし、晶析開始から32分間保持した後、原料溶液、アンモニア水、アルカリ溶液の給液を一旦停止し、反応槽内空間の酸素濃度が0.2容量%以下となるまで、窒素ガスを流量5L/分で流通、置換させ、酸素濃度が0.2容量%以下になってから給液を再開して3.5時間晶析を行った。 As for the reaction atmosphere, the inside of the reaction tank was first filled with air (oxygen concentration: 21% by volume), and after 32 minutes had passed since the start of crystallization, the supply of the raw material solution, ammonia water, and alkaline solution was temporarily stopped, and nitrogen gas was circulated at a flow rate of 5 L/min to replace the oxygen concentration in the reaction tank space until it reached 0.2% by volume or less. After the oxygen concentration reached 0.2% by volume or less, the supply of the liquids was resumed and crystallization was carried out for 3.5 hours.
得られた遷移金属複合水酸化物を、フィルタープレス濾過機によって固液分離した後、濃度が0.05mol/Lの炭酸水素アンモニウム溶液を洗浄液に用いて、遷移金属複合水酸化物1kgに対し、洗浄液を5Lの割合で、フィルタープレス濾過機に通液することにより不純物を除去し、その後、更に水を通液して水洗した。そして、水洗した遷移金属複合水酸化物の付着水を乾燥し、前駆体となるニッケルマンガンコバルト複合水酸化物を得た。 The obtained transition metal composite hydroxide was subjected to solid-liquid separation using a filter press filter, and then impurities were removed by passing 5 L of washing solution through the filter press filter for every 1 kg of transition metal composite hydroxide, using a 0.05 mol/L ammonium bicarbonate solution as a washing solution, and then washing was performed by passing water through the filter press filter. The water adhering to the washed transition metal composite hydroxide was then dried to obtain the precursor nickel manganese cobalt composite hydroxide.
(実施例2)
実施例2では、硫酸ニッケル、硫酸マンガン、塩化コバルトを水に溶かして2.0mol/Lの原料溶液を作製する際に、原料溶液におけるニッケル、マンガン、コバルトのモル比が、Ni:Mn:Co=6:2:2となる様に調整した以外は、実施例1と同様にして、ニッケルマンガンコバルト複合水酸化物を得た。
Example 2
In Example 2, a nickel-manganese-cobalt composite hydroxide was obtained in the same manner as in Example 1, except that when nickel sulfate, manganese sulfate, and cobalt chloride were dissolved in water to prepare a 2.0 mol/L raw material solution, the molar ratio of nickel, manganese, and cobalt in the raw material solution was adjusted to Ni:Mn:Co=6:2:2.
(実施例3)
実施例3では、硫酸ニッケル、硫酸マンガン、塩化コバルトを水に溶かして2.0mol/Lの原料溶液を作製する際に、原料溶液におけるニッケル、マンガン、コバルトのモル比が、Ni:Mn:Co=2:7:1となる様に調整した以外は、実施例1と同様にして、ニッケルマンガンコバルト複合水酸化物を得た。
Example 3
In Example 3, when nickel sulfate, manganese sulfate, and cobalt chloride were dissolved in water to prepare a 2.0 mol/L raw material solution, the molar ratio of nickel, manganese, and cobalt in the raw material solution was adjusted to Ni:Mn:Co=2:7:1, and a nickel-manganese-cobalt composite hydroxide was obtained in the same manner as in Example 1.
(実施例4)
実施例4では、アルカリ溶液を作製する際に、[CO3
2-]/[OH-]が0.003となる様に調整した以外は、実施例1と同様にして、ニッケルマンガンコバルト複合水酸化物を得た。
Example 4
In Example 4, a nickel manganese cobalt composite hydroxide was obtained in the same manner as in Example 1, except that when preparing the alkaline solution, the ratio [CO 3 2− ]/[OH − ] was adjusted to 0.003.
(実施例5)
実施例5では、アルカリ溶液を調整する際に、[CO3
2-]/[OH-]が0.048となる様に調整した以外は、実施例1と同様にして、ニッケルマンガンコバルト複合水酸化物を得た。
Example 5
In Example 5, a nickel manganese cobalt composite hydroxide was obtained in the same manner as in Example 1, except that the alkaline solution was adjusted so that [CO 3 2− ]/[OH − ] was 0.048.
(実施例6)
実施例6では、核生成工程のpHを13.6とした以外は、実施例1と同様にして、ニッケルマンガンコバルト複合水酸化物を得た。
Example 6
In Example 6, a nickel manganese cobalt composite hydroxide was obtained in the same manner as in Example 1, except that the pH in the nucleation step was 13.6.
(実施例7)
実施例7では、核生成工程のpHを12.3とした以外は、実施例1と同様にして、ニッケルマンガンコバルト複合水酸化物を得た。
(Example 7)
In Example 7, a nickel manganese cobalt composite hydroxide was obtained in the same manner as in Example 1, except that the pH in the nucleation step was 12.3.
(実施例8)
実施例8では、粒子成長工程のpHを11.8とした以外は、実施例1と同様にして、ニッケルマンガンコバルト複合水酸化物を得た。
(Example 8)
In Example 8, a nickel manganese cobalt composite hydroxide was obtained in the same manner as in Example 1, except that the pH in the particle growth step was 11.8.
(実施例9)
実施例9では、粒子成長工程のpHを10.6とした以外は、実施例1と同様にして、ニッケルマンガンコバルト複合水酸化物を得た。
Example 9
In Example 9, a nickel manganese cobalt composite hydroxide was obtained in the same manner as in Example 1, except that the pH in the particle growth step was 10.6.
(実施例10)
実施例10では、アルカリ溶液を調整する際に、アルカリ金属水酸化物を水酸化カリウムとし、炭酸塩を炭酸カリウムとした以外は、実施例1と同様にして、ニッケルマンガンコバルト複合水酸化物を得た。
Example 10
In Example 10, a nickel manganese cobalt composite hydroxide was obtained in the same manner as in Example 1, except that when preparing the alkaline solution, potassium hydroxide was used as the alkali metal hydroxide and potassium carbonate was used as the carbonate.
(実施例11)
実施例11では、アルカリ溶液を調整する際に、炭酸塩を炭酸アンモニウムとし、アンモニウムイオン濃度を20g/Lに調整した以外は、実施例1と同様にして、ニッケルマンガンコバルト複合水酸化物を得た。
(Example 11)
In Example 11, a nickel manganese cobalt composite hydroxide was obtained in the same manner as in Example 1, except that, when preparing the alkaline solution, ammonium carbonate was used as the carbonate and the ammonium ion concentration was adjusted to 20 g/L.
(実施例12)
実施例12では、槽内温度を35℃に設定した以外は、実施例1と同様にして、ニッケルマンガンコバルト複合水酸化物を得た。
Example 12
In Example 12, a nickel manganese cobalt composite hydroxide was obtained in the same manner as in Example 1, except that the temperature inside the tank was set to 35°C.
(実施例13)
実施例13では、濃度が1.00mol/Lの炭酸水素アンモニウム溶液を洗浄液とした以外は、実施例1と同様にして、ニッケルマンガンコバルト複合水酸化物を得た。
(Example 13)
In Example 13, a nickel manganese cobalt composite hydroxide was obtained in the same manner as in Example 1, except that an ammonium bicarbonate solution with a concentration of 1.00 mol/L was used as the cleaning liquid.
(比較例1)
比較例1では、硫酸ニッケル、硫酸マンガン、塩化コバルトを水に溶かして2.0mol/Lの原料溶液を作製する際に、原料溶液のニッケル、マンガン、コバルトのモル比が、Ni:Mn:Co=2:6:2となる様に調整したことと、[CO3
2-]/[OH-]が0.001となる様に調整した以外は、実施例1と同様にして、ニッケルマンガンコバルト複合水酸化物を得た。
(Comparative Example 1)
In Comparative Example 1, when nickel sulfate, manganese sulfate, and cobalt chloride were dissolved in water to prepare a 2.0 mol/L raw material solution, a nickel manganese cobalt composite hydroxide was obtained in the same manner as in Example 1, except that the molar ratio of nickel, manganese, and cobalt in the raw material solution was adjusted to Ni:Mn:Co = 2:6:2 and that the ratio [CO 3 2− ]/[OH − ] was adjusted to 0.001.
(比較例2)
比較例2では、アルカリ溶液の調整に水酸化ナトリウムのみを用い、[CO3
2-]/[OH-]を考慮しない様にした以外は、実施例1と同様にして、ニッケルマンガンコバルト複合水酸化物を得た。
(Comparative Example 2)
In Comparative Example 2, a nickel manganese cobalt composite hydroxide was obtained in the same manner as in Example 1, except that only sodium hydroxide was used to adjust the alkaline solution and [CO 3 2− ]/[OH − ] was not taken into consideration.
(比較例3)
比較例3では、アルカリ溶液を調整する際に、[CO3
2-]/[OH-]が0.001となる様に調整した以外は、実施例1と同様にして、ニッケルマンガンコバルト複合水酸化物を得た。
(Comparative Example 3)
In Comparative Example 3, a nickel manganese cobalt composite hydroxide was obtained in the same manner as in Example 1, except that the alkaline solution was adjusted so that [CO 3 2− ]/[OH − ] was 0.001.
(比較例4)
比較例4では、アルカリ溶液を調整する際に、[CO3
2-]/[OH-]が0.055となる様に調整した以外は、実施例1と同様にして、ニッケルマンガンコバルト複合水酸化物を得た。
(Comparative Example 4)
In Comparative Example 4, a nickel manganese cobalt composite hydroxide was obtained in the same manner as in Example 1, except that the alkaline solution was adjusted so that [CO 3 2− ]/[OH − ] was 0.055.
(比較例5)
比較例5では、洗浄工程を省いて、炭酸水素アンモニウム溶液による洗浄を行わない様にした以外は、実施例1と同様にして、ニッケルマンガンコバルト複合水酸化物を得た。
(Comparative Example 5)
In Comparative Example 5, a nickel manganese cobalt composite hydroxide was obtained in the same manner as in Example 1, except that the washing step was omitted and washing with an ammonium hydrogen carbonate solution was not performed.
(比較例6)
比較例6では、濃度が0.02mol/Lの炭酸水素アンモニウム溶液を洗浄液とした以外は、実施例1と同様にして、ニッケルマンガンコバルト複合水酸化物を得た。
(Comparative Example 6)
In Comparative Example 6, a nickel-manganese-cobalt composite hydroxide was obtained in the same manner as in Example 1, except that an ammonium bicarbonate solution with a concentration of 0.02 mol/L was used as the cleaning liquid.
(比較例7)
比較例7では、炭酸アンモニウム溶液を洗浄液とした以外は、実施例1と同様にして、ニッケルマンガンコバルト複合水酸化物を得た。
(Comparative Example 7)
In Comparative Example 7, a nickel manganese cobalt composite hydroxide was obtained in the same manner as in Example 1, except that an ammonium carbonate solution was used as the cleaning liquid.
(比較例8)
比較例8では、炭酸水素ナトリウム溶液を洗浄液とした以外は、実施例1と同様にして、ニッケルマンガンコバルト複合水酸化物を得た。
(Comparative Example 8)
In Comparative Example 8, a nickel manganese cobalt composite hydroxide was obtained in the same manner as in Example 1, except that a sodium hydrogen carbonate solution was used as the cleaning liquid.
(比較例9)
比較例9では、炭酸ナトリウム溶液を洗浄液とした以外は、実施例1と同様にして、ニッケルマンガンコバルト複合水酸化物を得た。
(Comparative Example 9)
In Comparative Example 9, a nickel manganese cobalt composite hydroxide was obtained in the same manner as in Example 1, except that a sodium carbonate solution was used as the cleaning liquid.
以上の条件及び結果を表1、表2及び表3に示す。 The above conditions and results are shown in Tables 1, 2 and 3.
(総合評価)
表1、表2及び表3に示す通り、実施例1~13では、前駆体であるニッケルマンガンコバルト複合水酸化物において、晶析工程及び洗浄工程の各条件が、全て好ましい範囲内であった。このため、ニッケルマンガンコバルト複合水酸化物だけに限らず、正極活物質であるリチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物に関しても、不純物除去において、ナトリウム含有量をはじめ、硫酸根含有量や塩素根含有量のほか、カリウム、カルシウム、マグネシウム含有量が、十分に低減されていた。更には、リチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物では、Me席占有率が93.0%を超えており、結晶性にも優れた結果となり、電池特性が向上した。
(comprehensive evaluation)
As shown in Tables 1, 2, and 3, in Examples 1 to 13, the conditions of the crystallization step and the washing step in the nickel manganese cobalt composite hydroxide, which is the precursor, were all within the preferred range. Therefore, not only in the nickel manganese cobalt composite hydroxide, but also in the lithium nickel manganese cobalt composite oxide, which is the positive electrode active material, the sodium content, sulfate radical content, chlorine radical content, potassium, calcium, and magnesium content were sufficiently reduced in the impurity removal. Furthermore, in the lithium nickel manganese cobalt composite oxide, the Me site occupancy rate exceeded 93.0%, resulting in excellent crystallinity and improved battery characteristics.
特に、ナトリウム含有量については、前駆体及び正極活物質のどちらも、全ての実施例データが、定量(分析)下限(0.0005質量%)未満という、非常に良好な結果を示した。また、カリウム、カルシウム、マグネシウムについても、ナトリウムと同様の結果が得られた。このため、正極活物質において、ナトリウムなどが、リチウムサイトに固溶することなく、焼結凝集の指標となるMV比は、0.95~1.05の範囲内であり、更に、無作為に選択した100個以上の粒子を、走査型電子顕微鏡により観察した際に、二次粒子の凝集が観察される個数が、観察した全二次粒子数に対して、5%以下であった。 In particular, the sodium content of both the precursor and the positive electrode active material showed very good results, with all example data being below the lower limit of quantification (analysis) (0.0005 mass%). In addition, similar results were obtained for potassium, calcium, and magnesium. Therefore, in the positive electrode active material, sodium and other elements do not form solid solutions at the lithium sites, and the MV ratio, which is an indicator of sintering aggregation, is in the range of 0.95 to 1.05. Furthermore, when 100 or more randomly selected particles were observed with a scanning electron microscope, the number of particles in which secondary particle aggregation was observed was 5% or less of the total number of secondary particles observed.
ここで、定量下限とは、ある分析方法による、目的成分の分析(定量)が可能な最小量、又は最小濃度を意味する。また、測定における目的成分の信号検出が可能な最小量(値)を検出限界、測定で得られる目的成分の信号において、信頼性が担保される最小量(値)を測定下限と言う。更に、分析試料を測定検体液に調製する過程で、元の分析試料から、どれだけ濃縮若しくは希釈されたかを示す希釈倍率を、測定下限に乗ずることにより、定量下限が求められる。 The lower limit of quantification here means the minimum amount or minimum concentration at which a target component can be analyzed (quantified) using a certain analytical method. The minimum amount (value) at which a signal of the target component can be detected in a measurement is called the detection limit, and the minimum amount (value) at which the signal of the target component obtained in a measurement is reliable is called the lower limit of measurement. Furthermore, the lower limit of quantification can be calculated by multiplying the lower limit of measurement by the dilution factor, which indicates how much the original analytical sample has been concentrated or diluted in the process of preparing the analytical sample into the measurement specimen liquid.
つまり、例えば、本発明でのナトリウム含有量及びカリウム含有量は、原子吸光分析装置の測定下限0.05μg/mLに対し、分析試料1gを酸分解して測定検体液100mLに調製(希釈倍率は100倍)したことから、定量下限は5ppm(μg/g)であり、即ち、0.0005質量%となる。また、本発明でのカルシウム含有量及びマグネシウム含有量は、ICP発光分光分析装置の測定下限0.05μg/mLに対し、分析試料1gを酸分解して測定検体液100mLに調製(希釈倍率は100倍)したことから、定量下限は5ppm(μg/g)であり、即ち、0.0005質量%となる。 That is, for example, the sodium content and potassium content in the present invention are 0.05 μg/mL, which is the lower limit of measurement for an atomic absorption spectrometer, and 1 g of the analytical sample is acid-decomposed to prepare 100 mL of the measurement specimen liquid (dilution ratio: 100 times), so the lower limit of quantification is 5 ppm (μg/g), i.e., 0.0005 mass%. Also, the calcium content and magnesium content in the present invention are 0.05 μg/mL, which is the lower limit of measurement for an ICP atomic emission spectrometer, and 1 g of the analytical sample is acid-decomposed to prepare 100 mL of the measurement specimen liquid (dilution ratio: 100 times), so the lower limit of quantification is 5 ppm (μg/g), i.e., 0.0005 mass%.
これに対して、比較例1~9では、アルカリ溶液を作製する際の[CO3 2-]/[OH-]や、洗浄液である炭酸水素アンモニウム溶液の濃度が、好ましい範囲で無かったり、炭酸水素アンモニウム溶液以外の洗浄液を用いたり、最適条件から逸脱していたことから、実施例の様な優れた効果は得られなかった。 In contrast, in Comparative Examples 1 to 9, the [CO 3 2− ]/[OH − ] ratio when preparing the alkaline solution and the concentration of the ammonium bicarbonate solution used as the cleaning liquid were not within the preferred range, or a cleaning liquid other than ammonium bicarbonate solution was used, so that the excellent effects of the Examples were not obtained.
また、実施例1~13では、ニッケルマンガンコバルト複合水酸化物のほか、リチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物の中空構造についても、空隙率が20~50%と好ましい範囲であり、正極活物質として用いられる際に、嵩密度を低下させ過ぎることなく、粒子強度を許容範囲内に保ちながら、正極活物質と電解液との接触面積を十分なものにすることが出来、電池特性が向上した。 In addition, in Examples 1 to 13, the hollow structure of the lithium nickel manganese cobalt composite oxide, as well as the nickel manganese cobalt composite hydroxide, had a porosity in the preferred range of 20 to 50%, and when used as a positive electrode active material, the contact area between the positive electrode active material and the electrolyte could be made sufficient without excessively reducing the bulk density while keeping the particle strength within an acceptable range, thereby improving the battery characteristics.
以上より、特にナトリウムの含有量を確実に低減させて、焼結凝集が抑制され、かつ空隙率を高め、さらなる電池特性の向上が可能な正極活物質である、リチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物及びリチウムイオン二次電池を提供することができた。
ところで、例えば、分析化学分野においては、分析・試験の基準となる標準物質を提供している試薬メーカーなどが、日々、更なる標準物質の高純度化に取り組んでおり、不純物を極力低減するための研究が行われている。このことからも、本発明が開示する、ナトリウムをはじめとする不純物の含有量を、可能な限り低減した、リチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物が、単に設計事項を変更したものでは無いことは、言うまでも無く明らかである。
As described above, it has been possible to provide a lithium nickel manganese cobalt composite oxide and a lithium ion secondary battery, which are positive electrode active materials capable of suppressing sintering aggregation, increasing the porosity, and further improving battery characteristics, in particular by reliably reducing the sodium content.
Meanwhile, for example, in the field of analytical chemistry, reagent manufacturers and the like who provide reference materials that serve as standards for analysis and testing are working on further increasing the purity of the reference materials and are conducting research to reduce impurities as much as possible. From this, it goes without saying that the lithium nickel manganese cobalt composite oxide disclosed in the present invention, in which the content of impurities including sodium is reduced as much as possible, is not simply a change in design.
なお、上記のように本発明の各実施形態及び各実施例について詳細に説明したが、本発明の新規事項及び効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは、当業者には、容易に理解できるであろう。従って、このような変形例は、全て本発明の範囲に含まれるものとする。 Although each embodiment and each example of the present invention has been described in detail above, it will be readily apparent to those skilled in the art that many modifications are possible that do not substantially deviate from the novel features and effects of the present invention. Therefore, all such modifications are intended to be included within the scope of the present invention.
例えば、明細書又は図面において、少なくとも一度、より広義又は同義な異なる用語と共に記載された用語は、明細書又は図面のいかなる箇所においても、その異なる用語に置き換えることができる。またリチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物及びリチウムイオン二次電池の構成、動作も本発明の各実施形態及び各実施例で説明したものに限定されず、種々の変形実施が可能である。 For example, a term described at least once in the specification or drawings together with a different term having a broader or similar meaning may be replaced with that different term anywhere in the specification or drawings. Furthermore, the configurations and operations of the lithium nickel manganese cobalt composite oxide and the lithium ion secondary battery are not limited to those described in the embodiments and examples of the present invention, and various modifications are possible.
S10 晶析工程、S11 核生成工程、S12 粒子成長工程、S20 洗浄工程 S10 Crystallization process, S11 Nucleation process, S12 Particle growth process, S20 Washing process
Claims (10)
前記リチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物に含まれるナトリウム含有量が0.0005質量%未満であり、前記リチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物の空隙率が20~50%であり、
前記リチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物の平均粒径を、前駆体であるニッケルマンガンコバルト複合水酸化物の平均粒径で除した比が、0.95~1.05であり、Me席占有率が93.0%以上であることを特徴とするリチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物。 A lithium nickel manganese cobalt composite oxide comprising secondary particles formed by agglomeration of primary particles containing lithium, nickel, manganese, and cobalt, or the primary particles and the secondary particles,
The lithium nickel manganese cobalt composite oxide has a sodium content of less than 0.0005% by mass, and the lithium nickel manganese cobalt composite oxide has a porosity of 20 to 50%;
The lithium nickel manganese cobalt composite oxide is characterized in that the ratio of the average particle size of the lithium nickel manganese cobalt composite oxide divided by the average particle size of the precursor nickel manganese cobalt composite hydroxide is 0.95 to 1.05, and the Me site occupancy rate is 93.0% or more .
ニッケル、マンガン、コバルトを含む原料溶液と、アンモニウムイオン供給体を含む溶液と、アルカリ溶液とを添加して得られた反応溶液中で晶析し、遷移金属複合水酸化物を得る晶析工程と、a crystallization step of crystallizing in a reaction solution obtained by adding a raw material solution containing nickel, manganese, and cobalt, a solution containing an ammonium ion donor, and an alkaline solution to obtain a transition metal composite hydroxide;
前記晶析工程で得られた前記遷移金属複合水酸化物を、洗浄液で洗浄する洗浄工程と、a washing step of washing the transition metal composite hydroxide obtained in the crystallization step with a washing liquid;
前記洗浄工程で得られたニッケルマンガンコバルト複合水酸化物を、熱処理する熱処理工程と、a heat treatment step of heat-treating the nickel manganese cobalt composite hydroxide obtained in the washing step;
前記熱処理工程で得られた金属複合酸化物を、リチウム化合物と混合する混合工程と、a mixing step of mixing the metal composite oxide obtained in the heat treatment step with a lithium compound;
前記混合工程で得られたリチウム混合物を、焼成する焼成工程と、を有し、A calcination step of calcining the lithium mixture obtained in the mixing step,
前記晶析工程における前記アルカリ溶液は、アルカリ金属水酸化物と炭酸塩との混合溶液であり、The alkaline solution in the crystallization step is a mixed solution of an alkali metal hydroxide and a carbonate,
前記混合溶液の前記アルカリ金属水酸化物に対する前記炭酸塩の比である[COThe ratio of the carbonate to the alkali metal hydroxide in the mixed solution, [CO 33 2-2- ]/[OH]/[OH -- ]が、0.002~0.050であり、] is 0.002 to 0.050,
前記晶析工程では、酸化性雰囲気と非酸化性雰囲気の2段階で雰囲気を切り替えて晶析を行い、In the crystallization step, crystallization is performed by switching the atmosphere between an oxidizing atmosphere and a non-oxidizing atmosphere in two stages,
前記洗浄工程における前記洗浄液は、濃度が0.05mol/L以上の炭酸水素アンモニウム溶液であり、The cleaning solution in the cleaning step is an ammonium bicarbonate solution having a concentration of 0.05 mol/L or more,
前記焼成工程で得られた前記リチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物に含まれるナトリウム含有量が、0.0005質量%未満であり、前記リチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物の空隙率が20~50%であり、the lithium nickel manganese cobalt composite oxide obtained in the calcination step has a sodium content of less than 0.0005 mass % and a porosity of the lithium nickel manganese cobalt composite oxide of 20 to 50%;
前記リチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物の平均粒径を、前駆体である前記ニッケルマンガンコバルト複合水酸化物の平均粒径で除した比が、0.95~1.05であることを特徴とするリチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物の製造方法。A method for producing a lithium nickel manganese cobalt composite oxide, characterized in that a ratio obtained by dividing an average particle size of the lithium nickel manganese cobalt composite oxide by an average particle size of the nickel manganese cobalt composite hydroxide which is a precursor of the lithium nickel manganese cobalt composite oxide is 0.95 to 1.05.
前記正極、負極、及び、非水系電解質を用いてリチウムイオン二次電池を得ることを特徴とするリチウムイオン二次電池の製造方法。A method for producing a lithium ion secondary battery, comprising the steps of: obtaining a lithium ion secondary battery by using the positive electrode, the negative electrode, and the non-aqueous electrolyte;
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