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JP7619254B2 - Positive electrode active material and lithium ion secondary battery - Google Patents

Positive electrode active material and lithium ion secondary battery Download PDF

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JP7619254B2
JP7619254B2 JP2021205432A JP2021205432A JP7619254B2 JP 7619254 B2 JP7619254 B2 JP 7619254B2 JP 2021205432 A JP2021205432 A JP 2021205432A JP 2021205432 A JP2021205432 A JP 2021205432A JP 7619254 B2 JP7619254 B2 JP 7619254B2
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Description

本願は、正極活物質、及び、リチウムイオン二次電池を開示する。 This application discloses a positive electrode active material and a lithium ion secondary battery.

正極活物質としてO2型構造を有するものが知られている。O2型構造を有する正極活物質は、高電位においても安定であることから、高電位域における充放電を活用することができ、高いエネルギー密度が得られ易い。O2型構造を有する正極活物質は、特許文献1及び2に開示されているように、P2型構造を有するNa化合物のNaの少なくとも一部をLiに置換することにより得られる。 Positive electrode active materials having an O2 type structure are known. Positive electrode active materials having an O2 type structure are stable even at high potentials, and therefore can be used for charging and discharging in a high potential range, making it easy to obtain a high energy density. As disclosed in Patent Documents 1 and 2, positive electrode active materials having an O2 type structure can be obtained by substituting at least a portion of the Na in a Na compound having a P2 type structure with Li.

特開2021-068556号公報JP 2021-068556 A 特開2021-068555号公報JP 2021-068555 A

O2型構造を有する従来の正極活物質は、高速充放電時のサイクル特性に関して改善の余地がある。 Conventional positive electrode active materials with an O2 structure have room for improvement in terms of cycle characteristics during high-speed charge and discharge.

本願は上記課題を解決するための手段の一つとして、
O2型構造を有する正極活物質であって、
構成元素として、少なくとも、Liと、Mn、Ni及びCoのうちの少なくとも1つと、Mと、Oとを含み、
前記Mが、B、Mg、Al、K、Ca、Ti、Cr、Ga、Zr、Nb及びMoのうちの少なくとも1つである、
正極活物質
を開示する。
As one of the means for solving the above problems, the present application provides:
A positive electrode active material having an O2 type structure,
Constituent elements include at least Li, at least one of Mn, Ni, and Co, M, and O;
The M is at least one of B, Mg, Al, K, Ca, Ti, Cr, Ga, Zr, Nb, and Mo;
A positive electrode active material is disclosed.

本願は上記課題を解決するための手段の一つとして、
O2型構造を有する正極活物質であって、
前記正極活物質の表面をX線光電子分光法(XPS)によって分析した場合に、2eV以下に存在するピーク1の最大ピーク強度Iと、2eV超8eV以下に存在するピーク2の最大ピーク強度Iとの比I/Iが、0.5以上1.2以下となる、
正極活物質
を開示する。
As one of the means for solving the above problems, the present application provides:
A positive electrode active material having an O2 type structure,
When the surface of the positive electrode active material is analyzed by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), the ratio I1/I2 of the maximum peak intensity I1 of peak 1 present at 2 eV or less to the maximum peak intensity I2 of peak 2 present at more than 2 eV and 8 eV or less is 0.5 or more and 1.2 or less.
A positive electrode active material is disclosed.

本開示の正極活物質においては、前記ピーク2が2eV超6eV以下に存在していてもよい。 In the positive electrode active material disclosed herein, the peak 2 may be present in the range of more than 2 eV and less than or equal to 6 eV.

本開示の正極活物質は、LiNaMnx-pNiy-qCoz-rp+q+r(ここで、0≦a≦1、0≦b≦0.05、x+y+z=1、且つ、0.05≦p+q+r≦0.14なる関係が満たされる)で表される組成を有するものであってもよい。 The positive electrode active material of the present disclosure may have a composition represented by Li a Na b Mn x-p Ni y-q Co z-r M p+q+r O 2 (wherein the relationships 0≦a≦1, 0≦b≦0.05, x+y+z=1, and 0.05≦p+q+r≦0.14 are satisfied).

本願は上記課題を解決するための手段の一つとして、
リチウムイオン二次電池であって、正極、電解質層及び負極を有し、
前記正極が、本開示の正極活物質を含む、
リチウムイオン二次電池
を開示する。
As one of the means for solving the above problems, the present application provides:
A lithium ion secondary battery having a positive electrode, an electrolyte layer, and a negative electrode,
The positive electrode comprises the positive electrode active material of the present disclosure;
A lithium ion secondary battery is disclosed.

本開示の正極活物質を有するリチウムイオン二次電池は、高速充放電時のサイクル特性に優れる。 Lithium ion secondary batteries containing the positive electrode active material disclosed herein have excellent cycle characteristics during high-rate charge and discharge.

リチウムイオン二次電池の構成の一例を概略的に示している。1 illustrates a schematic configuration of a lithium ion secondary battery. 実施例及び比較例に係る正極活物質のX線回折ピークを示している。1 shows X-ray diffraction peaks of positive electrode active materials according to examples and comparative examples. 実施例及び比較例に係る正極活物質のXPSスペクトルを示している。1 shows XPS spectra of positive electrode active materials according to examples and comparative examples.

1.正極活物質
以下、本開示の正極活物質について、第1実施形態及び第2実施形態を例示する。
1. Positive Electrode Active Material Hereinafter, a first embodiment and a second embodiment of the positive electrode active material of the present disclosure will be described as examples.

1.1 第1実施形態
第1実施形態に係る正極活物質はO2型構造を有する。ここで、第1実施形態に係る正極活物質は、構成元素として、少なくとも、Liと、Mn、Ni及びCoのうちの少なくとも1つと、Mと、Oとを含む。前記Mは、B、Mg、Al、K、Ca、Ti、Cr、Ga、Zr、Nb及びMoのうちの少なくとも1つである。
1.1 First embodiment The positive electrode active material according to the first embodiment has an O2 type structure. Here, the positive electrode active material according to the first embodiment contains, as constituent elements, at least Li, at least one of Mn, Ni, and Co, M, and O. The M is at least one of B, Mg, Al, K, Ca, Ti, Cr, Ga, Zr, Nb, and Mo.

1.1.1 結晶構造
第1実施形態に係る正極活物質は、結晶構造として、少なくともO2型構造(空間群P63mcに属する)を含む。本開示の正極活物質はO2型構造を有するとともに、O2型構造以外の結晶構造を有していてもよい。O2型構造以外の結晶構造としては、例えば、O2型構造からLiを脱挿入した際に形成されるT♯2型構造(空間群Cmcaに属する)やO6型構造(空間群R-3mに属し、c軸長が2.5nm以上3.5nm以下、典型的には2.9nm以上3.0nm以下であって、同じく空間群R-3mに属するO3型構造とは異なる)等が挙げられる。第1実施形態に係る正極活物質は、主相としてO2型構造を有するものであってもよいし、主相としてO2型構造以外の結晶構造を有するものであってもよい。第1実施形態に係る正極活物質は、その充放電状態によって、主相となる結晶構造が変化し得る。
1.1.1 Crystal structure The positive electrode active material according to the first embodiment includes at least an O2 type structure (belonging to space group P63mc) as a crystal structure. The positive electrode active material according to the present disclosure has an O2 type structure and may have a crystal structure other than the O2 type structure. Examples of crystal structures other than the O2 type structure include a T#2 type structure (belonging to space group Cmca) formed when Li is de-inserted from an O2 type structure and an O6 type structure (belonging to space group R-3m, having a c-axis length of 2.5 nm or more and 3.5 nm or less, typically 2.9 nm or more and 3.0 nm or less, which is different from the O3 type structure also belonging to space group R-3m). The positive electrode active material according to the first embodiment may have an O2 type structure as a main phase, or may have a crystal structure other than the O2 type structure as a main phase. The positive electrode active material according to the first embodiment may have a crystal structure as a main phase that changes depending on the charge/discharge state.

1.1.2 組成
第1実施形態に係る正極活物質は、構成元素として、少なくとも、Liと、Mn、Ni及びCoのうちの少なくとも1つと、Mと、Oとを含む。第1実施形態に係る正極活物質は、構成元素として、少なくとも、Liと、Mn及びCoのうちの少なくとも1つと、Mと、Oとを含むものであってもよく、少なくとも、Liと、Mnと、Niと、Mと、Oとを含むものであってもよく、少なくとも、Liと、Coと、Mと、Oとを含むものであってもよく、少なくとも、Liと、Mnと、Niと、Coと、Mと、Oとを含むものであってもよい。尚、第1実施形態に係る正極活物質は、例えば、充電によってLiが放出されて、Liの量が0に近付くこともあり得る。
1.1.2 Composition The positive electrode active material according to the first embodiment includes, as constituent elements, at least Li, at least one of Mn, Ni, and Co, M, and O. The positive electrode active material according to the first embodiment may include, as constituent elements, at least Li, at least one of Mn and Co, M, and O, or may include at least Li, Mn, Ni, M, and O, or may include at least Li, Co, M, and O, or may include at least Li, Mn, Ni, Co, M, and O. In addition, the positive electrode active material according to the first embodiment may release Li by charging, and the amount of Li may approach 0.

O2型構造を有する正極活物質は、価数の局在化が起こり易く、拡散障壁が高くなり易いという課題がある。例えば、Li0.67MnNiCoなる組成を仮定した場合、Mnが+4価、Niが+2価、Coが+3価であるときに電荷中性となる条件、すなわち、x+y+z=1、且つ、4x+2y+3z=3.33となる点及びその近傍でしかO2型構造を合成できないという事実があり、このことは、O2型構造において価数の局在化が起こり易いことを間接的に示している。価数が局在化して拡散障壁が高くなると、高速充放電性能に悪影響を及ぼす虞がある。例えば、サイクル特性が悪化し易くなる。 The positive electrode active material having an O2 type structure has a problem that valence localization easily occurs and the diffusion barrier easily becomes high. For example, assuming a composition of Li 0.67 Mn x Ni y Co z O 2 , there is a fact that the O2 type structure can only be synthesized at the point where x + y + z = 1 and 4x + 2y + 3z = 3.33 is the condition where the charge is neutral when Mn is +4, Ni is +2, and Co is +3, and in the vicinity of the point, which indirectly indicates that valence localization easily occurs in the O2 type structure. If the valence is localized and the diffusion barrier becomes high, there is a risk of adversely affecting the high-speed charge and discharge performance. For example, the cycle characteristics are easily deteriorated.

価数の局在化が起こり易い系において、価数の非局在化を図るためには、電子が原子から離れて広がり易い系を導入する必要がある。O2型構造を有する正極活物質を構成するために典型的に用いられる遷移金属としては、上述の通り、Mn、Ni及びCoが挙げられるが、これらのイオンはいずれも最外軌道が3d軌道であり、電子の広がりが小さい。この点、(1)O2型構造を有する正極活物質中に、Mn、Ni及びCoよりも電子の広がりが大きいもの(例えば、最外軌道としてp軌道やs軌道を持つイオン)を導入することで、電子の広がりを大きくすることができ、価数の非局在化を図ることができるものと考えられる。加えて、(2)最外軌道のエネルギー準位が、正極活物質として充放電に寄与する準位に無くてはならない。本発明者は、鋭意研究の結果、上記(1)及び(2)の双方を満たす添加元素として、以下の元素Mを見出した。 In order to achieve delocalization of valence in a system where valence localization is likely to occur, it is necessary to introduce a system in which electrons are likely to leave the atom and spread. As described above, transition metals typically used to form a positive electrode active material having an O2 type structure include Mn, Ni, and Co, but all of these ions have a 3d orbital as the outermost orbital, and the spread of electrons is small. In this regard, (1) by introducing an ion having a larger electron spread than Mn, Ni, and Co (for example, an ion having a p orbital or s orbital as the outermost orbital) into a positive electrode active material having an O2 type structure, it is possible to increase the spread of electrons and achieve delocalization of valence. In addition, (2) the energy level of the outermost orbit must be at a level that contributes to charging and discharging as a positive electrode active material. As a result of intensive research, the present inventor has found the following element M as an additive element that satisfies both of the above (1) and (2).

第1実施形態に係る正極活物質は、構成元素Mとして、B、Mg、Al、K、Ca、Ti、Cr、Ga、Zr、Nb及びMoのうちの少なくとも1つを含む。Mは、周期表の第5周期までの元素である。周期表の第6周期以降の元素については、イオン半径が大き過ぎるため、O2型構造中に導入できないか、又は、イオンが不安定である。O2型構造を有する正極活物質が構成元素としてMを含む場合、上述の通り、価数の非局在化が図られて、電子が原子から離れて広がり易くなり、拡散障壁が低くなって、高速充放電時のサイクル特性が向上するものと考えられる。特に、Mが、Mg、Al及びGaのうちの少なくとも1つである場合、中でも、Mg及びAlのうちの少なくとも1つである場合に、一層高い効果が期待できる。元素MのなかでもTi、Cr、Ga、Zr、Nb及びMoは、上記の価数の非局在化効果に加えて、充放電時にMの価数が変化することによって、容量に与える影響が小さいことが期待できる。元素MのなかでもMg、Al及びTiは上記の価数の非局在化効果に加えて、構造の安定化効果によって4.5V以上の高電位領域を含む充放電によるサイクル特性向上と、加熱による酸素放出や発熱の抑制が期待できる。 The positive electrode active material according to the first embodiment includes at least one of B, Mg, Al, K, Ca, Ti, Cr, Ga, Zr, Nb, and Mo as the constituent element M. M is an element up to the fifth period of the periodic table. For elements in the sixth period or later of the periodic table, the ionic radius is too large to be introduced into the O2 type structure, or the ions are unstable. When the positive electrode active material having an O2 type structure includes M as a constituent element, as described above, the valence is delocalized, the electrons are easily separated from the atoms and spread, the diffusion barrier is lowered, and the cycle characteristics during high-speed charging and discharging are improved. In particular, when M is at least one of Mg, Al, and Ga, and especially when M is at least one of Mg and Al, a higher effect can be expected. Among the elements M, Ti, Cr, Ga, Zr, Nb, and Mo can be expected to have a small effect on the capacity due to the change in the valence of M during charging and discharging, in addition to the above-mentioned delocalization effect of the valence. Among the M elements, Mg, Al, and Ti have the above-mentioned valence delocalization effect, and due to their structural stabilization effect, they are expected to improve cycle characteristics during charge and discharge, including in the high potential region of 4.5 V or higher, and suppress oxygen release and heat generation due to heating.

第1形態に係る正極活物質は、LiNaMnx-pNiy-qCoz-rp+q+rで示される組成を有するものであってもよい。ここで、0<a≦1、0≦b≦0.05、x+y+z=1、且つ、0.05≦p+q+r≦0.14なる関係が満たされる。このような組成を有する場合、O2型構造が維持されるとともに、価数の非局在化が十分に図られて、高速充放電時のサイクル特性が一層向上し易くなる。 The positive electrode active material according to the first embodiment may have a composition represented by Li a Na b Mn x-p Ni y-q Co z-r M p+q+r O 2. Here, the following relationships are satisfied: 0<a≦1, 0≦b≦0.05, x+y+z=1, and 0.05≦p+q+r≦0.14. When such a composition is present, the O2 type structure is maintained and the valence is sufficiently delocalized, which makes it easier to further improve the cycle characteristics during high-speed charge and discharge.

上記組成において、aは、0超、0.1以上、0.2以上、0.3以上、0.4以上、0.5以上又は0.6以上であってもよく、且つ、1.0以下、0.9以下、0.8以下又は0.7以下であってもよい。上記組成において、bは、0.05以下、0.04以下、0.03以下、0.02以下、0.01以下又は0であってもよい。上記組成において、xは、0以上、0.1以上、0.2以上、0.3以上、0.4以上又は0.5以上であってもよく、且つ、1.0以下、0.9以下、0.8以下、0.7以下、0.6以下又は0.5以下であってもよい。上記組成において、yは、0以上、0.1以上又は0.2以上であってもよく、且つ、1.0以下、0.9以下、0.8以下、0.7以下、0.6以下、0.5以下、0.4以下、0.3以下又は0.2以下であってもよい。上記組成において、zは、0以上、0.1以上、0.2以上又は0.3以上であってもよく、且つ、1.0以下、0.9以下、0.8以下、0.7以下、0.6以下、0.5以下、0.4以下又は0.3以下であってもよい。Oの組成は、ほぼ2であるが、2.0ピッタリとは限らず、不定である。 In the above composition, a may be greater than 0, 0.1 or more, 0.2 or more, 0.3 or more, 0.4 or more, 0.5 or more, or 0.6 or more, and may be 1.0 or less, 0.9 or less, 0.8 or less, or 0.7 or less. In the above composition, b may be 0.05 or less, 0.04 or less, 0.03 or less, 0.02 or less, 0.01 or less, or 0. In the above composition, x may be 0 or more, 0.1 or more, 0.2 or more, 0.3 or more, 0.4 or more, or 0.5 or more, and may be 1.0 or less, 0.9 or less, 0.8 or less, 0.7 or less, 0.6 or less, or 0.5 or less. In the above composition, y may be 0 or more, 0.1 or more, or 0.2 or more, and may be 1.0 or less, 0.9 or less, 0.8 or less, 0.7 or less, 0.6 or less, 0.5 or less, 0.4 or less, 0.3 or less, or 0.2 or less. In the above composition, z may be 0 or more, 0.1 or more, 0.2 or more, or 0.3 or more, and may be 1.0 or less, 0.9 or less, 0.8 or less, 0.7 or less, 0.6 or less, 0.5 or less, 0.4 or less, or 0.3 or less. The composition of O is approximately 2, but is not necessarily exactly 2.0 and is indefinite.

上述の通り、元素Mは、価数の非局在化に寄与する。元素Mによる価数の非局在化の影響が第3近接遷移金属まで及ぶものと仮定した場合、p+q+rが0.05以上であれば、結晶構造の全域を価数が非局在化した状態でカバーできる。尚、実際に価数の非局在化の影響が及ぶのは第1近接遷移金属までであると考えられるが、その結果として存在するLi空孔は第2及び第3近接遷移金属の周辺にも位置することから、上記仮定は合理的といえる。一方、p+q+rが大き過ぎると、第1近接遷移金属サイトにまで元素Mが配置されることとなる。Mのイオン半径は、遷移金属サイトに配置されるべき遷移金属のそれとは大きく異なるため、Mが過度に含まれると、結晶構造の不安定化が懸念される。p+q+rが0.14以下であることで、このような問題が回避され易い。p+q+rは、0.06以上、0.07以上又は0.08以上であってもよく、0.13以下、0.12以下、0.11以下又は0.10以下であってもよい。 As mentioned above, element M contributes to the delocalization of valence. Assuming that the effect of the delocalization of valence by element M extends to the third nearest transition metal, if p+q+r is 0.05 or more, the entire crystal structure can be covered in a state where valence is delocalized. In fact, it is considered that the effect of the delocalization of valence extends to the first nearest transition metal, but the Li vacancies that exist as a result are also located around the second and third nearest transition metals, so the above assumption can be said to be reasonable. On the other hand, if p+q+r is too large, element M will be placed up to the first nearest transition metal site. Since the ionic radius of M is significantly different from that of the transition metal that should be placed at the transition metal site, there is a concern that the crystal structure will become unstable if M is contained excessively. By making p+q+r 0.14 or less, such problems are easily avoided. p+q+r may be 0.06 or more, 0.07 or more, or 0.08 or more, or 0.13 or less, 0.12 or less, 0.11 or less, or 0.10 or less.

上記組成においては、Mの価数を+nとした場合、3.0≦4(x-p)+2(y-q)+3(z-r)+n(p+q+r)≦3.5なる関係が満たされてもよい。これは、正極活物質における金属の総価数が3.33価(aが0.67の場合の電荷中性)に近い範囲を意図している。後述するように、O2型構造を有する正極活物質は、その合成時にP2型構造を有するNa化合物を経由するが、このときのNa組成が0.5以上1.0以下となる範囲において電荷中性となるのが、上記の関係が満たされる場合に相当する。ここで、Na組成についての上限値1.0は構造上の最大組成である。また、Na組成について下限値0.5を下回るとP2型構造が維持され難くなる。 In the above composition, when the valence of M is +n, the relationship 3.0≦4(x-p)+2(y-q)+3(z-r)+n(p+q+r)≦3.5 may be satisfied. This is intended to be a range in which the total valence of the metals in the positive electrode active material is close to 3.33 (charge neutrality when a is 0.67). As described later, a positive electrode active material having an O2 type structure is synthesized via a Na compound having a P2 type structure, and charge neutrality occurs when the Na composition at this time is in the range of 0.5 to 1.0, which corresponds to the case where the above relationship is satisfied. Here, the upper limit value 1.0 for the Na composition is the maximum composition in the structure. Also, if the Na composition falls below the lower limit value 0.5, it becomes difficult to maintain the P2 type structure.

尚、正極活物質の組成は、例えば、誘導結合プラズマ発光分析(ICP-AES)によって求めることができる。 The composition of the positive electrode active material can be determined, for example, by inductively coupled plasma atomic emission spectrometry (ICP-AES).

1.1.3 その他の事項
第1実施形態に係る正極活物質の形状は、電池の正極活物質として一般的な形状であればよい。例えば、正極活物質は粒子状であってもよい。正極活物質の粒子は、中実の粒子であってもよく、中空の粒子であってもよく、空隙を有するものであってもよい。正極活物質の粒子は、一次粒子であってもよいし、複数の一次粒子が凝集した二次粒子であってもよい。正極活物質の平均粒子径(D50)は、例えば1nm以上、5nm以上又は10nm以上であってもよく、且つ、500μm以下、100μm以下、50μm以下又は30μm以下であってもよい。尚、本願にいう平均粒子径D50とは、レーザー回折・散乱法によって求めた体積基準の粒度分布における積算値50%での粒子径(メジアン径)である。
1.1.3 Other matters The shape of the positive electrode active material according to the first embodiment may be a general shape for a positive electrode active material of a battery. For example, the positive electrode active material may be particulate. The particles of the positive electrode active material may be solid particles, hollow particles, or particles having voids. The particles of the positive electrode active material may be primary particles, or secondary particles formed by agglomeration of a plurality of primary particles. The average particle diameter (D50) of the positive electrode active material may be, for example, 1 nm or more, 5 nm or more, or 10 nm or more, and may be 500 μm or less, 100 μm or less, 50 μm or less, or 30 μm or less. The average particle diameter D50 in the present application is the particle diameter (median diameter) at an integrated value of 50% in a volume-based particle size distribution obtained by a laser diffraction/scattering method.

第1実施形態に係る正極活物質は、以下の第2実施形態にて説明する比I/Iに係る要件を満たすものであってもよい。 The positive electrode active material according to the first embodiment may satisfy the requirements for the ratio I 1 /I 2 described in the following second embodiment.

1.2 第2実施形態
第2実施形態に係る正極活物質は、第1実施形態と同様に、O2型構造を有する。ここで、第2実施形態に係る正極活物質は、その表面をX線光電子分光法(XPS)によって分析した場合に、2eV以下に存在するピーク1の最大ピーク強度Iと、2eV超8eV以下に存在するピーク2の最大ピーク強度Iとの比I/Iが、0.5以上1.2以下となる。尚、正極活物質の表面に保護層が存在する場合には、保護層の厚みの2倍以上をスパッタリングにより除去したうえで、XPSによって保護層除去後の活物質表面を分析した場合に、上記の比I/Iが0.5以上1.2以下となる。
1.2 Second embodiment The positive electrode active material according to the second embodiment has an O2 type structure, similar to the first embodiment. Here, when the surface of the positive electrode active material according to the second embodiment is analyzed by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), the ratio I 1 /I 2 between the maximum peak intensity I 1 of peak 1 present at 2 eV or less and the maximum peak intensity I 2 of peak 2 present at more than 2 eV and 8 eV or less is 0.5 or more and 1.2 or less. In addition, when a protective layer is present on the surface of the positive electrode active material, when the active material surface after removing the protective layer is analyzed by XPS after removing the protective layer by removing the protective layer by sputtering, the above ratio I 1 /I 2 is 0.5 or more and 1.2 or less.

1.2.1 結晶構造
第2実施形態に係る正極活物質の結晶構造は、第1実施形態と同様であってよい。詳細については上述した通りである。
1.2.1 Crystal Structure The crystal structure of the positive electrode active material according to the second embodiment may be the same as that of the first embodiment, as described above in detail.

1.2.2 組成
第2実施形態に係る正極活物質の組成は、上記の結晶構造を有し、且つ、XPSによる分析において上記のピーク強度比I/Iが満たされるものである限り、特に限定されるものではない。O2型構造を有する正極活物質は、例えば、構成元素として、少なくとも、Li及びNaのうちの少なくとも一方と、遷移金属元素と、Oとを含むものであってもよく、少なくとも、Liと、遷移金属元素と、Oとを含むものであってもよい。遷移金属元素としては、例えば、Mn、Ni及びCoのうちの少なくとも1つの元素が挙げられる。特に、構成元素として、少なくとも、Liと、Mnと、Ni及びCoのうちの少なくとも一方と、Oとを含む場合、中でも、構成元素として、少なくとも、Liと、Mnと、Niと、Coと、Oとを含む場合に、正極活物質としての性能が一層高くなり易い。
1.2.2 Composition The composition of the positive electrode active material according to the second embodiment is not particularly limited as long as it has the above crystal structure and satisfies the above peak intensity ratio I 1 /I 2 in the analysis by XPS. The positive electrode active material having an O2 type structure may, for example, contain at least one of Li and Na, a transition metal element, and O as constituent elements, or may contain at least Li, a transition metal element, and O. Examples of the transition metal element include at least one element of Mn, Ni, and Co. In particular, when the constituent elements contain at least Li, Mn, at least one of Ni and Co, and O, the performance as a positive electrode active material is more likely to be improved.

第2実施形態に係る正極活物質は、上記のピーク強度比I/Iを満たすために、Li、Mn、Ni、Co及びOに加えて何らかの構成元素を含み得る。例えば、上記した元素Mが挙げられるが、元素M以外にもピーク強度比I/Iを達成可能な元素が存在する可能性がある。 In order to satisfy the above peak intensity ratio I 1 /I 2 , the positive electrode active material according to the second embodiment may contain some constituent element in addition to Li, Mn, Ni, Co, and O. For example, the above-mentioned element M may be mentioned, but there may be elements other than element M that can achieve the peak intensity ratio I 1 /I 2 .

第2実施形態に係る正極活物質は、第1実施形態と同様の組成を有するものであってもよい。すなわち、第2実施形態に係る正極活物質は、LiNaMnx-pNiy-qCoz-rp+q+rで示される組成を有するものであってもよい。ここで、0<a≦1、0≦b≦0.05、x+y+z=1、且つ、0.05≦p+q+r≦0.14なる関係が満たされる。a、b、x、y、z、p、q、r及びOの組成の詳細については上述した通りである。 The positive electrode active material according to the second embodiment may have the same composition as that of the first embodiment. That is, the positive electrode active material according to the second embodiment may have a composition represented by Li a Na b Mn x-p Ni y-q Co z-r M p+q+r O 2. Here, the relationships 0<a≦1, 0≦b≦0.05, x+y+z=1, and 0.05≦p+q+r≦0.14 are satisfied. Details of the composition of a, b, x, y, z, p, q, r, and O are as described above.

1.2.3 ピーク強度比I/I
O2型構造を有する正極活物質が、構成元素としてLiと、遷移金属(Mn、Ni及び/又はCo)と、Oとを含み、且つ、それ以外の元素を含まない場合、XPSによる分析において、結合エネルギー1~2eV付近に遷移金属の3d電子に由来するピーク1と、6~8eV付近に酸素の2p電子に由来するピーク2Aとが確認される。ここで、ピーク1の最大強度Iとピーク2Aの最大強度I2Aとのピーク強度比I/I2Aは、1.4超となり、すなわち、ピーク2Aに対してピーク1が大きくなるとともに、ピーク1とピーク2Aとで大きな強度差を有するものとなる(図3の比較例1のスペクトルを参照)。また、ピーク1の頂部とピーク2Aの頂部との間には、4eV以上のエネルギー差がある。
1.2.3 Peak intensity ratio I1 / I2
When the positive electrode active material having an O2 type structure contains Li, a transition metal (Mn, Ni and/or Co), and O as constituent elements, and does not contain any other elements, in the analysis by XPS, a peak 1 derived from the 3d electrons of the transition metal near the binding energy of 1 to 2 eV, and a peak 2A derived from the 2p electrons of oxygen near the binding energy of 6 to 8 eV are confirmed. Here, the peak intensity ratio I 1 /I 2A between the maximum intensity I 1 of peak 1 and the maximum intensity I 2A of peak 2A is more than 1.4, that is, peak 1 becomes larger with respect to peak 2A, and there is a large intensity difference between peak 1 and peak 2A (see the spectrum of Comparative Example 1 in FIG. 3). In addition, there is an energy difference of 4 eV or more between the top of peak 1 and the top of peak 2A.

これに対し、第2実施形態に係る正極活物質においては、2eV以下に存在するピーク1の最大ピーク強度Iと、2eV超8eV以下に存在するピーク2の最大ピーク強度Iとの比I/Iが、0.5以上1.2以下となる。これは、O2型構造において、最外軌道としてp軌道やs軌道を持つ電子の広がりが大きいイオンが導入されて、6~8eV付近にある酸素の2p電子に由来するピーク2Aと、導入イオンに由来するピーク2Bとが混合されて、大きなピーク2となっていることを意味する。また、結合エネルギー1~2eV付近にある遷移金属の3d電子に由来するピーク1も、導入イオンに由来するピーク2Bに吸収されるように小さくなり得る。 In contrast, in the positive electrode active material according to the second embodiment, the ratio I 1 /I 2 between the maximum peak intensity I 1 of peak 1 present at 2 eV or less and the maximum peak intensity I 2 of peak 2 present at more than 2 eV and 8 eV or less is 0.5 or more and 1.2 or less. This means that in the O2 type structure, ions having a large spread of electrons with p orbitals or s orbitals as the outermost orbitals are introduced, and the peak 2A derived from the 2p electrons of oxygen near 6 to 8 eV and the peak 2B derived from the introduced ions are mixed to form a large peak 2. In addition, the peak 1 derived from the 3d electrons of the transition metal near the binding energy of 1 to 2 eV can also become small so as to be absorbed by the peak 2B derived from the introduced ions.

このように、O2型構造を有しつつも、上記のピーク強度比I/Iが0.5以上1.2以下となる場合、O2型構造において価数の非局在化が図られて、電子が原子から離れて広がり易くなり、拡散障壁が低くなって、高速充放電時のサイクル特性が向上するものと考えられる。ピーク強度比I/Iは、0.8以上であってもよく、1.1以下であってもよい。 In this way, when the peak intensity ratio I1 / I2 is 0.5 or more and 1.2 or less while having an O2 type structure, it is considered that the valence is delocalized in the O2 type structure, the electrons are easily separated from the atoms and spread, the diffusion barrier is lowered, and the cycle characteristics during high-speed charge and discharge are improved. The peak intensity ratio I1 / I2 may be 0.8 or more and 1.1 or less.

最外軌道がs又はpである導入イオンは、遷移金属のd軌道に由来するピークよりも幅広である。例えば、当該導入イオンに由来するピーク2Bは、ピークトップからピーク裾までの幅が最大で5eV程度に至ることから、6eV近傍にピーク2Bがあれば、価電子帯にバンドがかかる。また、導入イオンは、高電位域だけでなく全域で充放電に寄与する必要があるため、結合エネルギーが6eVよりも低い位置にピーク2Bがあることが好ましい。導入イオンに由来するピーク2Bが6eVよりも低い位置に存在する場合、酸素の2p電子に由来するピーク2Aと導入イオンに由来するピーク2Bとの混合ピークであるピーク2は、6eV以下の位置に現れることとなり、すなわち、ピーク2Aの本来の位置よりも低エネルギー側にシフトして現れる(図3の実施例1及び2のスペクトルを参照)。この点、第2実施形態係る正極活物質においては、ピーク2が2eV超6eV以下に存在していることが好ましい。この場合、電子が原子から離れてさらに広がり易くなり、拡散障壁がさらに低くなって、高速充放電時のサイクル特性がさらに向上するものと考えられる。 The introduced ions with s or p outermost orbitals are wider than the peaks derived from the d orbitals of transition metals. For example, the peak 2B derived from the introduced ions has a maximum width from the peak top to the peak bottom of about 5 eV, so if the peak 2B is near 6 eV, the band will be applied to the valence band. In addition, since the introduced ions need to contribute to charging and discharging not only in the high potential range but also in the entire range, it is preferable that the peak 2B is located at a position where the binding energy is lower than 6 eV. When the peak 2B derived from the introduced ions is located at a position lower than 6 eV, the peak 2, which is a mixed peak of the peak 2A derived from the 2p electrons of oxygen and the peak 2B derived from the introduced ions, will appear at a position of 6 eV or less, that is, it will appear shifted to the lower energy side than the original position of the peak 2A (see the spectra of Examples 1 and 2 in FIG. 3). In this regard, in the positive electrode active material according to the second embodiment, it is preferable that the peak 2 is located at more than 2 eV and less than 6 eV. In this case, it is considered that the electrons are more likely to spread away from the atoms and the diffusion barrier is further lowered, thereby further improving the cycle characteristics during high-speed charging and discharging.

1.2.4 その他の事項
第2実施形態に係る正極活物質の形状は、第1実施形態におけるものと同様であってよい。
1.2.4 Other Matters The shape of the positive electrode active material according to the second embodiment may be the same as that in the first embodiment.

2.正極
本開示の技術は、上記のO2型構造を有する正極活物質を含む正極としての側面も有する。すなわち、本開示の正極は、上記の第1実施形態に係る正極活物質及び上記の第2実施形態に係る正極活物質のうちの少なくとも一方を含む。図1に示されるように、一実施形態に係る正極10は、正極活物質層11と正極集電体12とを備えるものであってよく、この場合、正極活物質層11が上記の正極活物質を含み得る。
2. Positive electrode The technology of the present disclosure also has an aspect of a positive electrode containing a positive electrode active material having the above-mentioned O2 type structure. That is, the positive electrode of the present disclosure contains at least one of the positive electrode active material according to the first embodiment and the positive electrode active material according to the second embodiment. As shown in FIG. 1, a positive electrode 10 according to one embodiment may include a positive electrode active material layer 11 and a positive electrode current collector 12, and in this case, the positive electrode active material layer 11 may contain the above-mentioned positive electrode active material.

2.1 正極活物質層
正極活物質層11は、正極活物質として少なくとも上記のO2型構造を有する正極活物質を含み、さらに任意に、電解質、導電助剤及びバインダー等を含んでいてよい。さらに、正極活物質層11はその他に各種の添加剤を含んでいてもよい。正極活物質層11における正極活物質、電解質、導電助剤及びバインダー等の各々の含有量は、目的とする電池性能に応じて適宜決定されればよい。例えば、正極活物質層11全体(固形分全体)を100質量%として、正極活物質の含有量が40質量%以上、50質量%以上又は60質量%以上であってもよく、100質量%以下又は90質量%以下であってもよい。正極活物質層11の形状は、特に限定されるものではなく、例えば、略平面を有するシート状の正極活物質層11であってもよい。正極活物質層11の厚みは、特に限定されるものではなく、例えば、0.1μm以上又は1μm以上であってもよく、2mm以下又は1mm以下であってもよい。
2.1 Positive electrode active material layer The positive electrode active material layer 11 contains at least the positive electrode active material having the above-mentioned O2 type structure as a positive electrode active material, and may further contain an electrolyte, a conductive assistant, a binder, and the like. Furthermore, the positive electrode active material layer 11 may contain various other additives. The content of each of the positive electrode active material, electrolyte, conductive assistant, binder, and the like in the positive electrode active material layer 11 may be appropriately determined according to the intended battery performance. For example, the content of the positive electrode active material may be 40 mass% or more, 50 mass% or more, or 60 mass% or more, and may be 100 mass% or less, or 90 mass% or less, with the entire positive electrode active material layer 11 (total solid content) being 100 mass%. The shape of the positive electrode active material layer 11 is not particularly limited, and may be, for example, a sheet-like positive electrode active material layer 11 having a substantially flat surface. The thickness of the positive electrode active material layer 11 is not particularly limited, and may be, for example, 0.1 μm or more or 1 μm or more, and may be 2 mm or less or 1 mm or less.

2.1.1 正極活物質
正極活物質層11は、正極活物質として、上記のO2型構造を有する正極活物質のみを含むものであってよい。或いは、正極活物質層11は、上記のO2型構造を有する正極活物質に加えて、これとは異なる種類の正極活物質(その他の正極活物質)を含んでいてもよい。本開示の技術による効果を一層高める観点からは、正極活物質層11におけるその他の正極活物質の含有量は少量であってよい。例えば、正極活物質層11に含まれる正極活物質の全体を100質量%として、上記のO2型構造を有する正極活物質の含有量が、50質量%以上、60質量%以上、70質量%以上、80質量%以上、90質量%以上、95質量%以上又は99質量%以上であってもよい。
2.1.1 Positive electrode active material The positive electrode active material layer 11 may contain only the positive electrode active material having the above O2 type structure as the positive electrode active material. Alternatively, the positive electrode active material layer 11 may contain, in addition to the positive electrode active material having the above O2 type structure, a different type of positive electrode active material (other positive electrode active material). From the viewpoint of further enhancing the effect of the technology of the present disclosure, the content of the other positive electrode active material in the positive electrode active material layer 11 may be small. For example, the content of the positive electrode active material having the above O2 type structure may be 50 mass% or more, 60 mass% or more, 70 mass% or more, 80 mass% or more, 90 mass% or more, 95 mass% or more, or 99 mass% or more, based on the total positive electrode active material contained in the positive electrode active material layer 11 being 100 mass%.

正極活物質の表面は、リチウムイオン伝導性酸化物を含有する保護層によって被覆されていてもよい。すなわち、正極活物質層11には、上記の正極活物質と、その表面に設けられた保護層と、を備える複合体が含まれていてもよい。これにより、正極物活物質と硫化物(例えば、後述する硫化物固体電解質等)との反応等が抑制され易くなる。リチウムイオン伝導性酸化物としては、例えば、LiBO、LiBO、LiCO、LiAlO、LiSiO、LiSiO、LiPO、LiSO、LiTiO、LiTi12、LiTi、LiZrO、LiNbO、LiMoO、LiWOが挙げられる。保護層の被覆率(面積率)は、例えば、70%以上であってもよく、80%以上であってもよく、90%以上であってもよい。保護層の厚さは、例えば、0.1nm以上又は1nm以上であってもよく、100nm以下又は20nm以下であってもよい。 The surface of the positive electrode active material may be covered with a protective layer containing a lithium ion conductive oxide. That is, the positive electrode active material layer 11 may include a composite having the above-mentioned positive electrode active material and a protective layer provided on the surface thereof. This makes it easier to suppress the reaction between the positive electrode active material and a sulfide (for example, a sulfide solid electrolyte to be described later, etc.). Examples of lithium ion conductive oxides include Li3BO3 , LiBO2 , Li2CO3 , LiAlO2 , Li4SiO4 , Li2SiO3 , Li3PO4 , Li2SO4 , Li2TiO3 , Li4Ti5O12, Li2Ti2O5 , Li2ZrO3 , LiNbO3 , Li2MoO4 , and Li2WO4 . The coverage (area ratio) of the protective layer may be, for example, 70 % or more , 80% or more, or 90 % or more . The thickness of the protective layer may be , for example, 0.1 nm or more or 1 nm or more, and may be 100 nm or less, or 20 nm or less.

2.1.2 電解質
正極活物質層11に含まれ得る電解質は、固体電解質であってもよく、液体電解質(電解液)であってもよく、これらの組み合わせであってもよい。
2.1.2 Electrolyte The electrolyte that can be contained in the positive electrode active material layer 11 may be a solid electrolyte, a liquid electrolyte (electrolytic solution), or a combination thereof.

固体電解質は、リチウムイオン二次電池の固体電解質として公知のものを用いればよい。固体電解質は無機固体電解質であっても、有機ポリマー電解質であってもよい。特に、無機固体電解質は、イオン伝導性及び耐熱性に優れる。無機固体電解質としては、例えば、ランタンジルコン酸リチウム、LiPON、Li1+XAlGe2-X(PO、Li-SiO系ガラス、Li-Al-S-O系ガラス等の酸化物固体電解質;LiS-P、LiS-SiS、LiI-LiS-SiS、LiI-SiS-P、LiS-P-LiI-LiBr、LiI-LiS-P、LiI-LiS-P、LiI-LiPO-P、LiS-P-GeS等の硫化物固体電解質を例示することができる。特に、硫化物固体電解質、中でも構成元素として少なくともLi、S及びPを含む硫化物固体電解質の性能が高い。固体電解質は、非晶質であってもよいし、結晶であってもよい。固体電解質は例えば粒子状であってもよい。固体電解質は1種のみが単独で用いられてもよいし、2種以上が組み合わされて用いられてもよい。 The solid electrolyte may be any known solid electrolyte for lithium ion secondary batteries. The solid electrolyte may be an inorganic solid electrolyte or an organic polymer electrolyte. In particular, inorganic solid electrolytes are excellent in ion conductivity and heat resistance. Examples of inorganic solid electrolytes include oxide solid electrolytes such as lithium lanthanum zirconate, LiPON, Li 1+X Al X Ge 2-X (PO 4 ) 3 , Li-SiO-based glass, and Li-Al-S-O-based glass; Li 2 S-P 2 S 5 , Li 2 S-SiS 2 , LiI-Li 2 S-SiS 2 , LiI-Si 2 S-P 2 S 5 , Li 2 S-P 2 S 5 -LiI-LiBr, LiI-Li 2 S-P 2 S 5 , LiI-Li 2 S-P 2 O 5 , LiI-Li 3 PO 4 -P 2 S 5 , and Li 2 S-P 2 S 5 -GeS. Examples of the sulfide solid electrolyte include sulfide solid electrolytes such as sulfide solid electrolyte 2. In particular, the performance of the sulfide solid electrolyte, particularly the sulfide solid electrolyte containing at least Li, S, and P as constituent elements, is high. The solid electrolyte may be amorphous or crystalline. The solid electrolyte may be, for example, particulate. Only one type of solid electrolyte may be used alone, or two or more types may be used in combination.

電解液は、例えば、キャリアイオンとしてのリチウムイオンを含み得る。電解液は水系電解液であっても非水系電解液であってもよい。電解液の組成はリチウムイオン二次電池の電解液の組成として公知のものと同様とすればよい。例えば、電解液として、カーボネート系溶媒にリチウム塩を所定濃度で溶解させたものを用いることができる。カーボネート系溶媒としては、例えば、フルオロエチレンカーボネート(FEC)、エチレンカーボネート(EC)、ジメチルカーボネート(DMC)等が挙げられる。リチウム塩としては、例えば、LiPF等が挙げられる。 The electrolyte may contain, for example, lithium ions as carrier ions. The electrolyte may be an aqueous electrolyte or a non-aqueous electrolyte. The composition of the electrolyte may be the same as that of the electrolyte of a lithium ion secondary battery. For example, the electrolyte may be a carbonate-based solvent in which a lithium salt is dissolved at a predetermined concentration. Examples of the carbonate-based solvent include fluoroethylene carbonate (FEC), ethylene carbonate (EC), and dimethyl carbonate (DMC). Examples of the lithium salt include LiPF6 .

2.1.3 導電助剤
正極活物質層11に含まれ得る導電助剤としては、例えば、気相法炭素繊維(VGCF)やアセチレンブラック(AB)やケッチェンブラック(KB)やカーボンナノチューブ(CNT)やカーボンナノファイバー(CNF)等の炭素材料;ニッケル、アルミニウム、ステンレス鋼等の金属材料が挙げられる。導電助剤は、例えば、粒子状又は繊維状であってもよく、その大きさは特に限定されるものではない。導電助剤は1種のみが単独で用いられてもよいし、2種以上が組み合わされて用いられてもよい。
2.1.3 Conductive assistant The conductive assistant that can be contained in the positive electrode active material layer 11 includes, for example, carbon materials such as vapor grown carbon fiber (VGCF), acetylene black (AB), ketjen black (KB), carbon nanotube (CNT), and carbon nanofiber (CNF); and metal materials such as nickel, aluminum, and stainless steel. The conductive assistant may be, for example, particulate or fibrous, and its size is not particularly limited. Only one type of conductive assistant may be used alone, or two or more types may be used in combination.

2.1.4 バインダー
正極活物質層11に含まれ得るバインダーとしては、例えば、ブタジエンゴム(BR)系バインダー、ブチレンゴム(IIR)系バインダー、アクリレートブタジエンゴム(ABR)系バインダー、スチレンブタジエンゴム(SBR)系バインダー、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)系バインダー、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)系バインダー、ポリイミド(PI)系バインダー等が挙げられる。バインダーは1種のみが単独で用いられてもよいし、2種以上が組み合わされて用いられてもよい。
2.1.4 Binder Examples of the binder that can be contained in the positive electrode active material layer 11 include butadiene rubber (BR)-based binders, butylene rubber (IIR)-based binders, acrylate butadiene rubber (ABR)-based binders, styrene butadiene rubber (SBR)-based binders, polyvinylidene fluoride (PVdF)-based binders, polytetrafluoroethylene (PTFE)-based binders, polyimide (PI)-based binders, etc. Only one type of binder may be used alone, or two or more types may be used in combination.

2.2 正極集電体
図1に示されるように、正極10は、上記の正極活物質層11と接触する正極集電体12を備えていてもよい。正極集電体12は、電池の正極集電体として一般的なものをいずれも採用可能である。また、正極集電体12は、箔状、板状、メッシュ状、パンチングメタル状、及び、発泡体等であってよい。正極集電体12は、金属箔又は金属メッシュによって構成されていてもよい。特に、金属箔が取扱い性等に優れる。正極集電体12は、複数枚の箔からなっていてもよい。正極集電体12を構成する金属としては、Cu、Ni、Cr、Au、Pt、Ag、Al、Fe、Ti、Zn、Co、ステンレス鋼等が挙げられる。特に、酸化耐性を確保する観点等から、正極集電体12がAlを含むものであってもよい。正極集電体12は、その表面に、抵抗を調整すること等を目的として、何らかのコート層を有していてもよい。また、正極集電体12は、金属箔や基材に上記の金属がめっき又は蒸着されたものであってもよい。また、正極集電体12が複数枚の金属箔からなる場合、当該複数枚の金属箔間に何らかの層を有していてもよい。正極集電体12の厚みは特に限定されるものではない。例えば、0.1μm以上又は1μm以上であってもよく、1mm以下又は100μm以下であってもよい。
2.2 Positive electrode current collector As shown in FIG. 1, the positive electrode 10 may include a positive electrode current collector 12 in contact with the positive electrode active material layer 11. The positive electrode current collector 12 may be any of those commonly used as a positive electrode current collector for a battery. The positive electrode current collector 12 may be in the form of a foil, a plate, a mesh, a punched metal, a foam, or the like. The positive electrode current collector 12 may be made of a metal foil or a metal mesh. In particular, metal foil is excellent in terms of ease of handling. The positive electrode current collector 12 may be made of a plurality of foils. Examples of metals constituting the positive electrode current collector 12 include Cu, Ni, Cr, Au, Pt, Ag, Al, Fe, Ti, Zn, Co, stainless steel, and the like. In particular, the positive electrode current collector 12 may contain Al from the viewpoint of ensuring oxidation resistance. The positive electrode collector 12 may have some kind of coating layer on its surface for the purpose of adjusting the resistance, etc. The positive electrode collector 12 may be a metal foil or a substrate on which the above metal is plated or vapor-deposited. When the positive electrode collector 12 is made of a plurality of metal foils, some kind of layer may be present between the plurality of metal foils. The thickness of the positive electrode collector 12 is not particularly limited. For example, it may be 0.1 μm or more or 1 μm or more, and may be 1 mm or less or 100 μm or less.

2.3 その他
正極10は、上記構成に加えて、二次電池の正極として一般的な構成を備えていてもよい。例えば、タブや端子等である。正極10は、正極活物質として上記の第1活物質及び第2活物質を併用すること以外は、公知の方法により製造することができる。例えば、上記の各種成分を含む正極合剤を乾式又は湿式にて成形すること等によって正極活物質層11を容易に形成可能である。正極活物質層11は、正極集電体12とともに成形されてもよいし、正極集電体12とは別に成形されてもよい。
2.3 Others In addition to the above configuration, the positive electrode 10 may have a general configuration as a positive electrode of a secondary battery. For example, a tab or a terminal. The positive electrode 10 can be manufactured by a known method except for using the above-mentioned first active material and the second active material in combination as the positive electrode active material. For example, the positive electrode active material layer 11 can be easily formed by forming a positive electrode mixture containing the above-mentioned various components in a dry or wet manner. The positive electrode active material layer 11 may be formed together with the positive electrode current collector 12 or may be formed separately from the positive electrode current collector 12.

3.リチウムイオン二次電池
図1に示されるように、一実施形態に係るリチウムイオン二次電池100は、正極10、電解質層20及び負極30を有する。ここで、正極10は、上記の本開示の正極活物質を含む。上述の通り、本開示の正極活物質は、拡散障壁が低く、高速充電性能に優れることから、当該正極活物質を有するリチウムイオン二次電池は、例えば、高速充放電時のサイクル特性に優れたものとなり易い。正極10の具体的な構成例については上述した通りである。
3. Lithium-ion secondary battery As shown in FIG. 1, a lithium-ion secondary battery 100 according to an embodiment has a positive electrode 10, an electrolyte layer 20, and a negative electrode 30. Here, the positive electrode 10 includes the positive electrode active material of the present disclosure. As described above, the positive electrode active material of the present disclosure has a low diffusion barrier and excellent high-speed charging performance, so that a lithium-ion secondary battery having the positive electrode active material is likely to have excellent cycle characteristics during high-speed charging and discharging, for example. A specific configuration example of the positive electrode 10 is as described above.

3.1 電解質層
電解質層20は少なくとも電解質を含む。リチウムイオン二次電池100が固体電池(固体電解質を含む電池であって、一部に液体電解質が併用されたものであってもよいし、液体電解質を含まない全固体電池であってもよい)である場合、電解質層20は、固体電解質を含み、さらに任意にバインダー等を含んでいてもよい。この場合、電解質層20における固体電解質とバインダー等との含有量は特に限定されない。一方で、リチウムイオン二次電池100が電解液電池である場合、電解質層20は、電解液を含み、さらに、当該電解液を保持するとともに、正極活物質層11と負極活物質層31との接触を防止するためのセパレータ等を有していてもよい。電解質層20の厚みは特に限定されるものではなく、例えば、0.1μm以上又は1μm以上であってもよく、2mm以下又は1mm以下であってもよい。
3.1 Electrolyte Layer The electrolyte layer 20 contains at least an electrolyte. When the lithium ion secondary battery 100 is a solid-state battery (a battery containing a solid electrolyte, which may be a battery in which a liquid electrolyte is used in part, or a solid-state battery that does not contain a liquid electrolyte), the electrolyte layer 20 contains a solid electrolyte and may further contain a binder or the like. In this case, the content of the solid electrolyte and the binder or the like in the electrolyte layer 20 is not particularly limited. On the other hand, when the lithium ion secondary battery 100 is an electrolyte battery, the electrolyte layer 20 contains an electrolyte solution, and may further have a separator or the like for holding the electrolyte solution and preventing contact between the positive electrode active material layer 11 and the negative electrode active material layer 31. The thickness of the electrolyte layer 20 is not particularly limited, and may be, for example, 0.1 μm or more or 1 μm or more, and may be 2 mm or less or 1 mm or less.

電解質層20に含まれる電解質としては、上述の正極活物質層に含まれ得る電解質として例示されたものの中から適宜選択されればよい。また、電解質層20に含まれ得るバインダーについても、上述の正極活物質層に含まれ得るバインダーとして例示したものの中から適宜選択されればよい。電解質やバインダーは、各々、1種のみが単独で用いられてもよいし、2種以上が組み合わされて用いられてもよい。セパレータは、リチウムイオン二次電池において通常用いられるセパレータであればよく、例えば、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリエステル及びポリアミド等の樹脂からなるもの等が挙げられる。セパレータは、単層構造であってもよく、複層構造であってもよい。複層構造のセパレータとしては、例えばPE/PPの2層構造のセパレータ、又は、PP/PE/PP若しくはPE/PP/PEの3層構造のセパレータ等を挙げることができる。セパレータは、セルロース不織布、樹脂不織布、ガラス繊維不織布といった不織布からなるものであってもよい。 The electrolyte contained in the electrolyte layer 20 may be appropriately selected from those exemplified as electrolytes that may be contained in the positive electrode active material layer described above. The binder that may be contained in the electrolyte layer 20 may also be appropriately selected from those exemplified as binders that may be contained in the positive electrode active material layer described above. The electrolyte and the binder may each be used alone or in combination of two or more types. The separator may be any separator that is commonly used in lithium ion secondary batteries, and may be made of resins such as polyethylene (PE), polypropylene (PP), polyester, and polyamide. The separator may have a single layer structure or a multilayer structure. Examples of the multilayer structure separator include a separator with a two-layer structure of PE/PP, or a separator with a three-layer structure of PP/PE/PP or PE/PP/PE. The separator may be made of a nonwoven fabric such as a cellulose nonwoven fabric, a resin nonwoven fabric, or a glass fiber nonwoven fabric.

3.2 負極
図1に示されるように、負極30は、負極活物質層31と負極集電体32とを備えるものであってよい。
3.2 Negative Electrode As shown in FIG. 1 , the negative electrode 30 may include a negative electrode active material layer 31 and a negative electrode current collector 32 .

3.2.1 負極活物質層
負極活物質層31は、少なくとも負極活物質を含み、さらに任意に、電解質、導電助剤及びバインダー等を含んでいてもよい。さらに、負極活物質層31はその他に各種の添加剤を含んでいてもよい。負極活物質層31における負極活物質、電解質、導電助剤及びバインダー等の各々の含有量は、目的とする電池性能に応じて適宜決定されればよい。例えば、負極活物質層31全体(固形分全体)を100質量%として、負極活物質の含有量が40質量%以上、50質量%以上又は60質量%以上であってもよく、100質量%以下又は90質量%以下であってもよい。負極活物質層31の形状は、特に限定されるものではなく、例えば、略平面を有するシート状の負極活物質層であってもよい。負極活物質層31の厚みは、特に限定されるものではなく、例えば、0.1μm以上又は1μm以上であってもよく、2mm以下又は1mm以下であってもよい。
3.2.1 Negative Electrode Active Material Layer The negative electrode active material layer 31 contains at least a negative electrode active material, and may further contain an electrolyte, a conductive assistant, a binder, and the like. Furthermore, the negative electrode active material layer 31 may contain various other additives. The contents of the negative electrode active material, electrolyte, conductive assistant, binder, and the like in the negative electrode active material layer 31 may be appropriately determined according to the intended battery performance. For example, the content of the negative electrode active material may be 40 mass% or more, 50 mass% or more, or 60 mass% or more, and may be 100 mass% or less, or 90 mass% or less, with the entire negative electrode active material layer 31 (total solid content) being 100 mass%. The shape of the negative electrode active material layer 31 is not particularly limited, and may be, for example, a sheet-like negative electrode active material layer having a substantially flat surface. The thickness of the negative electrode active material layer 31 is not particularly limited, and may be, for example, 0.1 μm or more or 1 μm or more, and may be 2 mm or less or 1 mm or less.

負極活物質としては、リチウムイオンを吸蔵放出する電位(充放電電位)が上記のO2型構造を有する正極活物質と比べて卑な電位である種々の物質が採用され得る。例えば、SiやSi合金や酸化ケイ素等のシリコン系活物質;グラファイトやハードカーボン等の炭素系活物質;チタン酸リチウム等の各種酸化物系活物質;金属リチウムやリチウム合金等が採用され得る。負極活物質は、1種のみが単独で用いられてもよいし、2種以上が組み合わされて用いられてもよい。 As the negative electrode active material, various materials can be used that have a potential (charge/discharge potential) for absorbing and releasing lithium ions that is lower than that of the positive electrode active material having the above-mentioned O2 type structure. For example, silicon-based active materials such as Si, Si alloys, and silicon oxide; carbon-based active materials such as graphite and hard carbon; various oxide-based active materials such as lithium titanate; metallic lithium, lithium alloys, and the like can be used. Only one type of negative electrode active material may be used alone, or two or more types may be used in combination.

負極活物質の形状は、電池の負極活物質として一般的な形状であればよい。例えば、負極活物質は粒子状であってもよい。負極活物質粒子は、一次粒子であってもよいし、複数の一次粒子が凝集した二次粒子であってもよい。負極活物質粒子の平均粒子径(D50)は、例えば1nm以上、5nm以上、又は10nm以上であってもよく、また500μm以下、100μm以下、50μm以下、又は30μm以下であってもよい。或いは、負極活物質はリチウム箔等のシート状(箔状、膜状)であってもよい。すなわち、負極活物質層31が負極活物質のシートからなるものであってもよい。 The shape of the negative electrode active material may be any shape that is common for negative electrode active materials in batteries. For example, the negative electrode active material may be particulate. The negative electrode active material particles may be primary particles or secondary particles formed by agglomeration of multiple primary particles. The average particle diameter (D50) of the negative electrode active material particles may be, for example, 1 nm or more, 5 nm or more, or 10 nm or more, and may be 500 μm or less, 100 μm or less, 50 μm or less, or 30 μm or less. Alternatively, the negative electrode active material may be in the form of a sheet (foil or film) such as lithium foil. In other words, the negative electrode active material layer 31 may be made of a sheet of negative electrode active material.

負極活物質層31に含まれ得る電解質としては、上述の固体電解質、電解液又はこれらの組み合わせが挙げられる。負極活物質層31に含まれ得る導電助剤としては上述の炭素材料や上述の金属材料が挙げられる。負極活物質層31に含まれ得るバインダーは、例えば、上述の正極活物質層11に含まれ得るバインダーとして例示したものの中から適宜選択されればよい。電解質やバインダーは、各々、1種のみが単独で用いられてもよいし、2種以上が組み合わされて用いられてもよい。 Electrolytes that may be contained in the negative electrode active material layer 31 include the above-mentioned solid electrolyte, electrolytic solution, or a combination of these. Conductive assistants that may be contained in the negative electrode active material layer 31 include the above-mentioned carbon materials and metal materials. Binders that may be contained in the negative electrode active material layer 31 may be appropriately selected from, for example, those exemplified as binders that may be contained in the above-mentioned positive electrode active material layer 11. Only one type of electrolyte or binder may be used alone, or two or more types may be used in combination.

3.2.2 負極集電体
図1に示されるように、負極30は、上記の負極活物質層31と接触する負極集電体32を備えていてもよい。負極集電体32は、電池の負極集電体として一般的なものをいずれも採用可能である。また、負極集電体32は、箔状、板状、メッシュ状、パンチングメタル状、及び、発泡体等であってよい。負極集電体32は、金属箔又は金属メッシュであってもよく、或いは、カーボンシートであってもよい。特に、金属箔が取扱い性等に優れる。負極集電体32は、複数枚の箔やシートからなっていてもよい。負極集電体32を構成する金属としては、Cu、Ni、Cr、Au、Pt、Ag、Al、Fe、Ti、Zn、Co、ステンレス鋼等が挙げられる。特に、還元耐性を確保する観点及びリチウムと合金化し難い観点から、負極集電体32がCu、Ni及びステンレス鋼から選ばれる少なくとも1種の金属を含むものであってもよい。負極集電体32は、その表面に、抵抗を調整すること等を目的として、何らかのコート層を有していてもよい。また、負極集電体32は、金属箔や基材に上記の金属がめっき又は蒸着されたものであってもよい。また、負極集電体32が複数枚の金属箔からなる場合、当該複数枚の金属箔の間に何らかの層を有していてもよい。負極集電体32の厚みは特に限定されるものではない。例えば、0.1μm以上又は1μm以上であってもよく、1mm以下又は100μm以下であってもよい。
3.2.2 Negative electrode current collector As shown in FIG. 1, the negative electrode 30 may include a negative electrode current collector 32 in contact with the negative electrode active material layer 31. The negative electrode current collector 32 may be any of those commonly used as a negative electrode current collector for a battery. The negative electrode current collector 32 may be in the form of a foil, a plate, a mesh, a punched metal, a foam, or the like. The negative electrode current collector 32 may be a metal foil or a metal mesh, or may be a carbon sheet. In particular, a metal foil is excellent in terms of ease of handling. The negative electrode current collector 32 may be made of a plurality of foils or sheets. Examples of metals constituting the negative electrode current collector 32 include Cu, Ni, Cr, Au, Pt, Ag, Al, Fe, Ti, Zn, Co, and stainless steel. In particular, from the viewpoint of ensuring reduction resistance and being difficult to alloy with lithium, the negative electrode current collector 32 may contain at least one metal selected from Cu, Ni, and stainless steel. The negative electrode current collector 32 may have some kind of coating layer on its surface for the purpose of adjusting resistance, etc. The negative electrode current collector 32 may also be a metal foil or a base material plated or vapor-deposited with the above metal. In addition, when the negative electrode current collector 32 is made of a plurality of metal foils, some kind of layer may be present between the plurality of metal foils. The thickness of the negative electrode current collector 32 is not particularly limited. For example, it may be 0.1 μm or more or 1 μm or more, and may be 1 mm or less or 100 μm or less.

3.3 その他の事項
リチウムイオン二次電池100は、上記の各構成が外装体の内部に収容されたものであってもよい。外装体は、電池の外装体として公知のものをいずれも採用可能である。また、複数の電池100が、任意に電気的に接続され、また、任意に重ね合わされて、組電池とされていてもよい。この場合、公知の電池ケースの内部に当該組電池が収容されてもよい。リチウムイオン二次電池100は、このほか必要な端子等の自明な構成を備えていてよい。リチウムイオン二次電池100の形状としては、例えば、コイン型、ラミネート型、円筒型、及び角型等を挙げることができる。
3.3 Other matters The lithium ion secondary battery 100 may be one in which the above-mentioned components are housed inside an exterior body. Any known exterior body for a battery can be used as the exterior body. In addition, a plurality of batteries 100 may be electrically connected in any manner and stacked in any manner to form an assembled battery. In this case, the assembled battery may be housed inside a known battery case. The lithium ion secondary battery 100 may also have other obvious components such as necessary terminals. Examples of the shape of the lithium ion secondary battery 100 include a coin type, a laminate type, a cylindrical type, and a square type.

リチウムイオン二次電池100は、公知の方法を応用することで製造することができる。例えば以下のようにして製造することができる。ただし、リチウムイオン二次電池100の製造方法は、以下の方法に限定されるものではなく、例えば、乾式成形等によって各層が形成されてもよい。
(1)負極活物質層を構成する負極活物質等を溶媒に分散させて負極層用スラリーを得る。この場合に用いられる溶媒としては、特に限定されるものではなく、水や各種有機溶媒を用いることができ、N-メチルピロリドン(NMP)であってもよい。その後、ドクターブレード等を用いて負極層用スラリーを、負極集電体の表面に塗工し、その後乾燥させることで、当該負極集電体の表面に負極活物質層を形成し、負極とする。
(2)正極活物質層を構成する正極活物質等を溶媒に分散させて正極層用スラリーを得る。この場合に用いられる溶媒としては、特に限定されるものではなく、水や各種有機溶媒を用いることができ、N-メチルピロリドン(NMP)であってもよい。ドクターブレード等を用いて正極層用スラリーを正極集電体の表面に塗工し、その後乾燥させることで、正極集電体の表面に正極活物質層を形成し、正極とする。
(3)負極と正極とで電解質層(固体電解質層又はセパレータ)を挟み込むように各層を積層し、負極集電体、負極活物質層、電解質層、正極活物質層及び正極集電体をこの順に有する積層体を得る。積層体には必要に応じて端子等のその他の部材を取り付ける。
(4)積層体を電池ケースに収容し、電解液電池の場合は電池ケース内に電解液を充填し、積層体を電解液に浸漬するようにして、電池ケース内に積層体を密封することで、二次電池とする。尚、電解液電池の場合に上記(3)の段階で負極活物質層、セパレータ及び正極活物質層に電解液を含ませてもよい。
The lithium ion secondary battery 100 can be manufactured by applying a known method. For example, it can be manufactured as follows. However, the manufacturing method of the lithium ion secondary battery 100 is not limited to the following method, and each layer may be formed by, for example, dry molding or the like.
(1) The negative electrode active material constituting the negative electrode active material layer is dispersed in a solvent to obtain a negative electrode layer slurry. The solvent used in this case is not particularly limited, and water or various organic solvents can be used, and N-methylpyrrolidone (NMP) may be used. The negative electrode layer slurry is then applied to the surface of a negative electrode current collector using a doctor blade or the like, and then dried to form a negative electrode active material layer on the surface of the negative electrode current collector, thereby forming a negative electrode.
(2) The positive electrode active material constituting the positive electrode active material layer is dispersed in a solvent to obtain a positive electrode layer slurry. The solvent used in this case is not particularly limited, and water or various organic solvents can be used, and N-methylpyrrolidone (NMP) can also be used. The positive electrode layer slurry is applied to the surface of the positive electrode current collector using a doctor blade or the like, and then dried to form a positive electrode active material layer on the surface of the positive electrode current collector, thereby forming a positive electrode.
(3) The layers are laminated so that the electrolyte layer (solid electrolyte layer or separator) is sandwiched between the negative electrode and the positive electrode to obtain a laminate having the negative electrode current collector, the negative electrode active material layer, the electrolyte layer, the positive electrode active material layer, and the positive electrode current collector in this order. Other members such as terminals are attached to the laminate as necessary.
(4) The laminate is housed in a battery case, and in the case of an electrolyte battery, the battery case is filled with an electrolyte, and the laminate is immersed in the electrolyte and sealed in the battery case to form a secondary battery. In the case of an electrolyte battery, the electrolyte may be impregnated in the negative electrode active material layer, the separator, and the positive electrode active material layer at the above step (3).

4.正極活物質の製造方法
本開示の正極活物質は、例えば、以下の方法によって製造することができる。すなわち、本開示の正極活物質の製造方法は、
P2型構造を有するNa化合物を得ること、及び、
イオン交換によって、前記Na化合物のNaの少なくとも一部をLiに置換して、O2型構造を有するLi化合物を得ること、
を含む。
4. Method for Producing Positive Electrode Active Material The positive electrode active material of the present disclosure can be produced, for example, by the following method.
Obtaining a Na compound having a P2 type structure, and
By ion exchange, at least a part of the Na in the Na compound is replaced with Li to obtain a Li compound having an O2 type structure;
Includes.

4.1 P2型構造を有するNa化合物の合成
O2型構造は準安定相であるため、類似構造であるP2型構造を有するNa化合物を一度合成し、当該Na化合物のNaの少なくとも一部をLiにイオン交換することによって、O2型構造を得る必要がある。例えば、本開示の製造方法においては、まず、P2型構造を有するとともに、構成元素として元素Mを含むNa化合物を得る。P2型構造を有するとともに、構成元素として元素Mを含むNa化合物は、公知の方法を応用することにより合成され得る。例えば、遷移金属イオンと水溶液中で沈殿を形成し得るイオン源と、Mn、Ni及びCoのうちの少なくとも1つを含む遷移金属源と、B、Mg、Al、K、Ca、Ti、Cr、Ga、Zr、Nb及びMoのうちの少なくとも一つを含むM源と、に由来する沈殿物に対して、さらにNa源を混合して混合物を得て、当該混合物を任意に成形及び予備焼成した後で、本焼成を行うことによって、P2型構造を有するNa化合物を合成することができる。
4.1 Synthesis of Na Compound Having P2 Type Structure Since the O2 type structure is a metastable phase, it is necessary to first synthesize a Na compound having a similar structure, the P2 type structure, and then ion-exchange at least a part of the Na of the Na compound with Li to obtain the O2 type structure. For example, in the manufacturing method of the present disclosure, a Na compound having a P2 type structure and containing the element M as a constituent element is first obtained. A Na compound having a P2 type structure and containing the element M as a constituent element can be synthesized by applying a known method. For example, a Na source is further mixed with a precipitate derived from an ion source capable of forming a precipitate in an aqueous solution with a transition metal ion, a transition metal source containing at least one of Mn, Ni, and Co, and an M source containing at least one of B, Mg, Al, K, Ca, Ti, Cr, Ga, Zr, Nb, and Mo to obtain a mixture, and the mixture is optionally molded and pre-fired, and then fired, whereby a Na compound having a P2 type structure can be synthesized.

遷移金属イオンと沈殿を形成し得るイオン源としては、例えば、炭酸塩、硝酸塩等の塩や、水酸化ナトリウムや酸化ナトリウム等が挙げられる。遷移金属源やM源としては、例えば、硝酸塩、硫酸塩、炭酸塩等の塩や水酸化物等が挙げられる。当該イオン源と遷移金属源及びM源とを各々溶液としたうえで、各々の溶液を滴下・混合することで沈殿物を得てもよい。遷移金属源とM源とは、別々の溶液として用意してもよいし、同一の溶液として用意してもよい。沈殿物を得る際は、塩基として各種ナトリウム化合物を用いてもよく、また、塩基性の調整のためにアンモニア水溶液等を加えてもよい。沈殿物の焼成前に混合されるNa源の量は、焼成中のNa消失分を加味して決定されればよい。予備焼成は、本焼成以下の温度で行われるものである。予備焼成は省略してもよい。本焼成は、例えば、700℃以上1100℃以下の温度で行われてもよい。好ましくは800℃以上1000℃以下である。焼成温度が低過ぎるとNaドープが行われず、焼成温度が高過ぎるとP2型構造ではなくO3型構造が生成し易い。焼成雰囲気は、特に限定されず、例えば、大気雰囲気等の酸素含有雰囲気や不活性ガス雰囲気であってよい。 Examples of ion sources capable of forming a precipitate with transition metal ions include salts such as carbonates and nitrates, sodium hydroxide, and sodium oxide. Examples of transition metal sources and M sources include salts such as nitrates, sulfates, and carbonates, and hydroxides. The ion source, transition metal source, and M source may each be prepared as a solution, and then each solution may be dropped and mixed to obtain a precipitate. The transition metal source and M source may be prepared as separate solutions, or may be prepared as the same solution. When obtaining a precipitate, various sodium compounds may be used as a base, and an aqueous ammonia solution or the like may be added to adjust the basicity. The amount of Na source mixed before firing the precipitate may be determined taking into account the amount of Na lost during firing. The pre-firing is performed at a temperature equal to or lower than the main firing. The pre-firing may be omitted. The main firing may be performed at a temperature of, for example, 700°C to 1100°C. Preferably, the temperature is 800°C to 1000°C. If the firing temperature is too low, Na doping will not occur, and if the firing temperature is too high, an O3 type structure will likely form instead of a P2 type structure. The firing atmosphere is not particularly limited, and may be, for example, an oxygen-containing atmosphere such as air or an inert gas atmosphere.

4.2 イオン交換
本開示の製造方法においては、イオン交換によって、上記のNa化合物のNaの少なくとも一部をLiに置換して、O2型構造を有するLi化合物を得る。イオン交換には、ハロゲン化リチウムを含む水溶液を用いる方法と、ハロゲン化リチウムとその他のリチウム塩との溶融塩を用いる方法とが挙げられる。P2型構造が水の侵入により壊れやすいものである観点、及び、結晶性の観点から、上記の2つの方法のうち、溶融塩を用いる方法が好ましい。すなわち、上述のP2型構造を有するNa化合物と当該溶融塩とを混合して溶融塩の融点以上の温度に加熱することで、イオン交換により、Na化合物のNaの少なくとも一部をLiに置換することができる。
4.2 Ion exchange In the manufacturing method of the present disclosure, at least a part of Na in the above Na compound is replaced with Li by ion exchange to obtain a Li compound having an O2 type structure. Ion exchange can be performed using an aqueous solution containing lithium halide or a molten salt of lithium halide and other lithium salt. From the viewpoint that the P2 type structure is easily broken by the intrusion of water and from the viewpoint of crystallinity, the method using the molten salt is preferable among the above two methods. That is, by mixing the above Na compound having the P2 type structure with the molten salt and heating it to a temperature equal to or higher than the melting point of the molten salt, at least a part of Na in the Na compound can be replaced with Li by ion exchange.

溶融塩を構成するハロゲン化リチウムは、塩化リチウム、臭化リチウム及びヨウ化リチウムのうちの少なくとも1つであることが好ましい。溶融塩を構成するその他のリチウム塩は、硝酸リチウムであることが好ましい。溶融塩を用いることで、ハロゲン化リチウムやその他のリチウム塩を単独で用いる場合よりも融点が低くなり、より低温でのイオン交換が可能となる。溶融塩において、ハロゲン化リチウムとその他のリチウム塩との混合比は特に限定されるものではない。 The lithium halide constituting the molten salt is preferably at least one of lithium chloride, lithium bromide, and lithium iodide. The other lithium salt constituting the molten salt is preferably lithium nitrate. By using the molten salt, the melting point becomes lower than when the lithium halide or other lithium salt is used alone, and ion exchange can be performed at a lower temperature. In the molten salt, the mixture ratio of the lithium halide and other lithium salt is not particularly limited.

イオン交換における温度は、例えば、600℃以下、500℃以下、400℃以下又は350℃以下であってもよく、且つ、室温以上又は100℃以上であってもよい。イオン交換における温度が高過ぎると、O2型構造ではなく、安定相であるO3型構造が生成し易い。尚、ハロゲン化リチウムを含む水溶液を用いる場合は、室温においてもイオン交換が可能である。一方、溶融塩を用いる場合は、上述の通り、溶融塩の融点以上でイオン交換を行う。イオン交換にかかる時間を短時間とする観点からは、イオン交換における温度は100℃以上であってもよい。 The temperature in the ion exchange may be, for example, 600°C or less, 500°C or less, 400°C or less, or 350°C or less, and may be room temperature or higher or 100°C or higher. If the temperature in the ion exchange is too high, the stable phase O3 structure is likely to be formed rather than the O2 structure. When an aqueous solution containing lithium halide is used, ion exchange is possible even at room temperature. On the other hand, when a molten salt is used, ion exchange is performed at a temperature equal to or higher than the melting point of the molten salt, as described above. From the viewpoint of shortening the time required for ion exchange, the temperature in the ion exchange may be 100°C or higher.

以下、実施例を示しつつ、本開示の技術についてさらに詳細に説明するが、本開示の技術は以下の実施例に限定されるものではない。 The technology disclosed herein will be explained in more detail below with reference to examples, but the technology disclosed herein is not limited to the following examples.

1.実施例1
1.1 P2型構造を有するNa化合物の合成
Mn(NO・6HO、Ni(NO・6HO、Co(NO・6HO、及び、Al(NO・9HOを原料とし、Mn、Ni、Co及びAlのモル比が5:2:2:1となるよう純水に溶解させた。一方で、濃度12wt%のNaCO溶液を作製し、これら2つの溶液を同時にビーカーへと滴下した。この際、pHが7.0以上7.1未満となるよう滴定速度を制御した。滴定終了後、混合溶液を50℃、300rpmの条件で24時間撹拌した。得られた反応生成物を純水で洗浄し、遠心分離によって沈殿粉末のみを分離した。得られた粉末を120℃で48時間乾燥させたのち、メノウ乳鉢で解砕して粉末を得た。得られた粉末に対して、NaCOを、組成比がNa0.75Mn0.5Ni0.2Co0.2Al0.1となるように混合した。混合粉末を冷間等方圧加圧法により2tonの荷重でプレスし、ペレットを作製した。得られたペレットを大気雰囲気下、600℃で6時間、予備焼成した後、900℃で24時間、本焼成することで、P2型構造を有するNa化合物を合成した。
1. Example 1
1.1 Synthesis of Na compound having P2 type structure Mn(NO 3 ) 2.6H 2 O, Ni(NO 3 ) 2.6H 2 O, Co(NO 3 ) 2.6H 2 O, and Al(NO 3 ) 3.9H 2 O were used as raw materials, and dissolved in pure water so that the molar ratio of Mn, Ni, Co, and Al was 5:2:2:1. On the other hand, a Na 2 CO 3 solution with a concentration of 12 wt% was prepared, and these two solutions were simultaneously dropped into a beaker. At this time, the titration speed was controlled so that the pH was 7.0 or more and less than 7.1 . After the titration was completed, the mixed solution was stirred for 24 hours under conditions of 50 ° C and 300 rpm. The obtained reaction product was washed with pure water, and only the precipitated powder was separated by centrifugation. The obtained powder was dried at 120 ° C for 48 hours, and then crushed in an agate mortar to obtain a powder. The obtained powder was mixed with Na2CO3 so that the composition ratio was Na0.75Mn0.5Ni0.2Co0.2Al0.1O2 . The mixed powder was pressed with a load of 2 tons by cold isostatic pressing to prepare a pellet. The obtained pellet was pre-fired at 600°C for 6 hours in an air atmosphere, and then fired at 900°C for 24 hours to synthesize a Na compound having a P2 type structure.

1.2 イオン交換
LiNOとLiClとを、質量比で、88:12となるように混合し、P2型構造を有するNa化合物に対してLi量のモル比が10倍となるよう秤量した。当該Na化合物と、LiNO・LiCl混合粉末とを混合し、大気雰囲気下、280℃で1時間、イオン交換を行った。イオン交換後、水を加えて余分な塩を溶解させ、さらに水洗を行うことでO2型構造を有する正極活物質を得た。
1.2 Ion exchange LiNO 3 and LiCl were mixed in a mass ratio of 88:12, and the molar ratio of Li to the Na compound having a P2 type structure was weighed out to be 10 times. The Na compound was mixed with a LiNO 3 -LiCl mixed powder, and ion exchange was performed at 280 ° C. for 1 hour in an air atmosphere. After the ion exchange, water was added to dissolve excess salt, and further washing with water was performed to obtain a positive electrode active material having an O2 type structure.

1.3 正極の作製
バインダーとしてのPVdFを5g溶解したn-メチルピロリドン溶液125mL中に、上記のようにして得られた正極活物質85gと、導電助剤としてのカーボンブラック10gとを、均一に混錬して、正極合材ペーストを作製した。このペーストを、厚さ15μmのAl集電体上に目付量6mg/cmで片面塗布し、乾燥することで積層体を得た。その後、この積層体をプレスし、ペースト厚さ45μm、ペースト密度2.4g/cmとした。最後に、この積層体をφ16mmとなるように切り出して正極を得た。
1.3 Preparation of Positive Electrode 85 g of the positive electrode active material obtained as described above and 10 g of carbon black as a conductive assistant were uniformly kneaded in 125 mL of n-methylpyrrolidone solution in which 5 g of PVdF was dissolved as a binder, to prepare a positive electrode composite paste. This paste was applied to one side of an Al current collector having a thickness of 15 μm at a basis weight of 6 mg/cm 2 and dried to obtain a laminate. Then, this laminate was pressed to a paste thickness of 45 μm and a paste density of 2.4 g/cm 3. Finally, this laminate was cut to a diameter of φ16 mm to obtain a positive electrode.

1.4 負極の作製
Li箔をφ19mmとなるように切り出して負極を得た。
1.4 Preparation of Negative Electrode A negative electrode was obtained by cutting a Li foil into a piece having a diameter of 19 mm.

1.5 リチウムイオン二次電池の作製
得られた正極および負極を用いてCR2032型コインセルを作製した。尚、セパレータとしてPP製多孔質セパレータを使用し、電解液としてEC(エチレンカーボネート)、DMC(ジメチルカーボネート)を体積比率3:7で混合したものに、支持塩として六フッ化リン酸リチウム(LiPF)を濃度1mol/Lで溶解したものを使用した。
1.5 Preparation of Lithium-Ion Secondary Battery A CR2032 coin cell was prepared using the obtained positive and negative electrodes. A PP porous separator was used as the separator, and a mixture of EC (ethylene carbonate) and DMC (dimethyl carbonate) in a volume ratio of 3:7 was used as the electrolyte, with lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) dissolved at a concentration of 1 mol/L as the supporting electrolyte.

2.実施例2
Al(NO・9HOに替えて、Mg(NO・6HOを使用し、Mn、Ni、Co及びMgのモル比が10:3:6:1となるようにしてP2型構造を有するNa化合物を合成したこと以外は、実施例1と同様にして、正極活物質及びリチウムイオン二次電池を得た。
2. Example 2
A positive electrode active material and a lithium ion secondary battery were obtained in the same manner as in Example 1, except that Mg(NO 3 ) 2.6H 2 O was used instead of Al(NO 3 ) 3.9H 2 O, and a Na compound having a P2 type structure was synthesized with a molar ratio of Mn, Ni, Co and Mg of 10:3:6:1.

3.比較例1
Al(NO・9HOを用いず、Mn、Ni及びCoのモル比が5:2:3となるようにしてP2型構造を有するNa化合物を合成したこと以外は、実施例1と同様にして、正極活物質及びリチウムイオン二次電池を得た。
3. Comparative Example 1
A positive electrode active material and a lithium ion secondary battery were obtained in the same manner as in Example 1, except that Al(NO 3 ) 3.9H 2 O was not used and a Na compound having a P2 type structure was synthesized with a molar ratio of Mn, Ni and Co of 5:2:3.

4.評価
4.1 XRDによる結晶相の同定
実施例1、2及び比較例1で得られた各々の正極活物質について、粉末X線回折により結晶相の同定を行った。結果を図2に示す。図2に示されるように、いずれの正極活物質についても、O2型構造(及びその派生構造)を有するものであった。
4. Evaluation 4.1 Identification of crystalline phase by XRD The crystalline phase of each of the positive electrode active materials obtained in Examples 1 and 2 and Comparative Example 1 was identified by powder X-ray diffraction. The results are shown in Figure 2. As shown in Figure 2, each of the positive electrode active materials had an O2 type structure (and its derived structure).

4.2 ICP-AESによる組成の同定
実施例1、2及び比較例1で得られた各々の正極活物質に対して、ICP-AES測定を行った。結果を下記表1に示す。尚、下記表1に示される組成は、Mn、Ni、Co、Al及びMgの組成の和が1.00となるように規格化したものである。表1に示されるように、いずれの正極活物質についても、目標通りの組成が得られていることが分かる。
4.2 Identification of composition by ICP-AES ICP-AES measurement was performed on each of the positive electrode active materials obtained in Examples 1 and 2 and Comparative Example 1. The results are shown in Table 1 below. The compositions shown in Table 1 below are standardized so that the sum of the compositions of Mn, Ni, Co, Al and Mg is 1.00. As shown in Table 1, it can be seen that the target composition was obtained for each positive electrode active material.

Figure 0007619254000001
Figure 0007619254000001

4.3 XPSによる分析
実施例1、2及び比較例1で得られた各々の正極活物質について、その表面をXPSによって分析した。図3に0~9eVにおけるXPSスペクトルを示す。また、下記表2に、各々の正極活物質について、2eV以下に存在するピーク1の最大ピーク強度Iと、2eV超8eV以下に存在するピーク2の最大ピーク強度Iとの比I/Iの値を示す。図3及び表2に示されるように、実施例1、2及び比較例1のいずれについても、2eV以下に遷移金属に由来するピーク1が確認された。また、実施例1及び2では、結合エネルギーが2~6eVの範囲に大きなピーク2が存在するのに対し、比較例1では、結合エネルギーが6~8eVの範囲にピーク2が存在し、且つ、結合エネルギーが2~6eVの範囲にピークは確認されなかった。比較例1では、酸素に由来するピーク2Aがそのままピーク2として表れている。これに対し、実施例1及び2では、酸素に由来するピーク2Aが、AlやMgに由来するピーク2Bと混合されて、大きなピーク2となったものと考えられる。
4.3 Analysis by XPS The surfaces of the positive electrode active materials obtained in Examples 1, 2, and Comparative Example 1 were analyzed by XPS. FIG. 3 shows the XPS spectrum at 0 to 9 eV. In addition, the following Table 2 shows the ratio I 1 /I 2 of the maximum peak intensity I 1 of peak 1 present at 2 eV or less and the maximum peak intensity I 2 of peak 2 present at more than 2 eV and 8 eV or less for each positive electrode active material. As shown in FIG. 3 and Table 2, in both Examples 1, 2, and Comparative Example 1, a peak 1 derived from a transition metal was confirmed at 2 eV or less. In addition, in Examples 1 and 2, a large peak 2 exists in the range of binding energy of 2 to 6 eV, whereas in Comparative Example 1, a peak 2 exists in the range of binding energy of 6 to 8 eV, and no peak was confirmed in the range of binding energy of 2 to 6 eV. In Comparative Example 1, the peak 2A derived from oxygen appears as peak 2 as it is. In contrast, in Examples 1 and 2, it is believed that peak 2A derived from oxygen was mixed with peak 2B derived from Al or Mg to form large peak 2.

Figure 0007619254000002
Figure 0007619254000002

4.4 充放電サイクル特性の評価
実施例1、2及び比較例1で作製された各々のリチウムイオン二次電池について、0.1Cの充放電レートで充放電を行い、初回放電容量を測定した。その後、0.5C、1C及び5Cと充放電レートを徐々に高速化して、各々のレートにおける放電容量を測定し、初回時放電容量に対する比を求めた。当該比が大きいほど、サイクル特性に優れるものといえる。充放電において、充電は4.8Vまで、放電は2.0Vまでとした。結果を下記表3に示す。下記表3に示されるように、実施例1及び2に係るリチウムイオン二次電池は、比較例1に係るリチウムイオン二次電池と比べて、高速充放電時に高い充放電容量を確保できており、高いサイクル特性を有することが分かる。
4.4 Evaluation of charge/discharge cycle characteristics Each of the lithium ion secondary batteries prepared in Examples 1 and 2 and Comparative Example 1 was charged and discharged at a charge/discharge rate of 0.1C, and the initial discharge capacity was measured. Thereafter, the charge/discharge rate was gradually increased to 0.5C, 1C, and 5C, and the discharge capacity at each rate was measured, and the ratio to the initial discharge capacity was calculated. The larger the ratio, the better the cycle characteristics are. In the charge/discharge, charging was performed up to 4.8V, and discharging was performed up to 2.0V. The results are shown in Table 3 below. As shown in Table 3 below, the lithium ion secondary batteries according to Examples 1 and 2 can ensure high charge/discharge capacity during high-speed charging/discharging, and have high cycle characteristics, compared to the lithium ion secondary battery according to Comparative Example 1.

Figure 0007619254000003
Figure 0007619254000003

実施例1及び2の高速充放電時のサイクル特性が比較例1に対して向上した理由は以下の通りと考えられる。すなわち、比較例1のように、O2型構造を有する正極活物質は、価数の局在化が起こり易く、拡散障壁が高い状態にある。価数が局在化して拡散障壁が高くなると、高速充放電性能に悪影響を及ぼす。これに対し、実施例1及び2においては、O2型構造に対してAlやMgといった電子の広がりが大きいものが導入されたため、価数の非局在化が図られて、電子が原子から離れて広がり易くなり、拡散障壁が低くなって、高速充放電時のサイクル特性が向上したものと考えられる。このことは、図3に示されるXPSによる価電子帯の測定結果からも明らかである。 The reason why the cycle characteristics during high-rate charge and discharge in Examples 1 and 2 were improved compared to Comparative Example 1 is believed to be as follows. That is, as in Comparative Example 1, the positive electrode active material having an O2 type structure is prone to valence localization and has a high diffusion barrier. When the valence localizes and the diffusion barrier becomes high, it has a negative effect on high-rate charge and discharge performance. In contrast, in Examples 1 and 2, Al and Mg, which have a large electron spread, are introduced into the O2 type structure, so that the valence is delocalized, electrons are easily separated from the atoms and spread, the diffusion barrier is lowered, and it is believed that the cycle characteristics during high-rate charge and discharge are improved. This is also clear from the results of the valence band measurement by XPS shown in Figure 3.

5.補足
尚、上記においては、O2型構造を有する正極活物質として所定の組成を有し、且つ、添加元素Mとして、AlやMgを含むものを例示したが、本開示の技術はこの形態に限定されるものではない。O2型構造を有する限り上記以外の組成であっても同様の効果が奏されるものと考えられ、また、添加元素としてもAlやMgのほか、例えば、B、K、Ca、Ti、Cr、Ga、Zr、Nb及びMoについても、上記したメカニズムから同様の効果が奏されるものと考えられる。
5. Supplementary Note: In the above, a positive electrode active material having a predetermined composition and containing Al or Mg as the additive element M is exemplified, but the technology of the present disclosure is not limited to this form. As long as it has an O2 type structure, it is considered that the same effect can be achieved with compositions other than the above, and it is also considered that the same effect can be achieved from the above mechanism for additive elements such as B, K, Ca, Ti, Cr, Ga, Zr, Nb and Mo in addition to Al and Mg.

10 正極
11 正極活物質層
12 正極集電体
20 電解質層
30 負極
31 負極活物質層
32 負極集電体
100 二次電池
10 Positive electrode 11 Positive electrode active material layer 12 Positive electrode current collector 20 Electrolyte layer 30 Negative electrode 31 Negative electrode active material layer 32 Negative electrode current collector 100 Secondary battery

Claims (4)

O2型構造を有する正極活物質であって、
構成元素として、少なくとも、Liと、Mnと、Niと、Coと、Mと、Oとを含み、
前記Mが、M及びlのうちの少なくとも1つであ
Li Na Mn x-p Ni y-q Co z-r p+q+r
(ここで、
0<a≦1、
0≦b≦0.05、
0.3≦x≦0.7、
0.1≦y≦0.3、
0.2≦z≦0.5、
x+y+z=1、かつ、
0.05≦p+q+r≦0.14
なる関係が満たされる)
で表される組成を有する、
正極活物質。
A positive electrode active material having an O2 type structure,
Constituent elements include at least Li, Mn , Ni , Co , M, and O,
M is at least one of Mg and Al ;
Li a Na b Mn x-p Ni y-q Co z-r M p+q+r O 2
(where:
0<a≦1,
0≦b≦0.05,
0.3≦x≦0.7,
0.1≦y≦0.3,
0.2≦z≦0.5,
x+y+z=1, and
0.05≦p+q+r≦0.14
(The relationship is fulfilled.)
Having a composition represented by
Positive electrode active material.
前記正極活物質の表面をX線光電子分光法(XPS)によって分析した場合に、2eV以下に存在するピーク1の最大ピーク強度Iと、2eV超8eV以下に存在するピーク2の最大ピーク強度Iとの比I/Iが、0.5以上1.2以下となる、
請求項1に記載の正極活物質。
When the surface of the positive electrode active material is analyzed by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), the ratio I1/I2 of the maximum peak intensity I1 of peak 1 present at 2 eV or less to the maximum peak intensity I2 of peak 2 present at more than 2 eV and 8 eV or less is 0.5 or more and 1.2 or less.
The positive electrode active material according to claim 1 .
前記ピーク2が2eV超6eV以下に存在する、
請求項2に記載の正極活物質。
The peak 2 exists at more than 2 eV and less than 6 eV.
The positive electrode active material according to claim 2 .
リチウムイオン二次電池であって、正極、電解質層及び負極を有し、
前記正極が、請求項1~のいずれか1項に記載の正極活物質を含む、
リチウムイオン二次電池。
A lithium ion secondary battery having a positive electrode, an electrolyte layer, and a negative electrode,
The positive electrode comprises the positive electrode active material according to any one of claims 1 to 3 .
Lithium-ion secondary battery.
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