JP2010033924A - Positive electrode for lithium-ion secondary battery, and lithium-ion secondary battery using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、リチウムイオン二次電池用正極、およびそれを用いたリチウムイオン二次電池に関する。 The present invention relates to a positive electrode for a lithium ion secondary battery and a lithium ion secondary battery using the same.
近年、携帯電話やノートブック型パーソナルコンピュータなどのポータブル電子機器が普及するに従い、これら電子機器の小型化および軽量化が図られている。ポータブル電子機器の駆動電源としては充電可能であって、小型でなおかつ駆動時間が長いことが必要である。このような要求を満たす電源として、エネルギー密度が高い二次電池が一般に用いられている。 In recent years, as portable electronic devices such as mobile phones and notebook personal computers have become widespread, these electronic devices have been reduced in size and weight. As a drive power source for a portable electronic device, it is necessary to be able to charge, to be small and to have a long drive time. A secondary battery having a high energy density is generally used as a power source that satisfies such requirements.
このようなエネルギー密度が高い二次電池としては、一般にリチウムイオン二次電池が知られている。ここで述べるリチウムイオン二次電池は、正極と負極がセパレータを介して対峙した構成であり、また正極と負極はそれぞれ正極集電体と正極活物質、負極集電体と負極活物質から構成されたものである。これらの各素子には非水性の電解質溶液が含浸されている。このリチウムイオン二次電池に充電もしくは放電を行うと、電解質溶液に溶解したリチウムイオンがセパレータを通過して正極と負極の間を移動し、正極活物質と負極活物質においてそれぞれリチウムイオンの吸蔵、放出が行われ、これによって電池として動作する。ここでリチウムイオン二次電池の負極活物質としては、炭素材料のようにリチウムイオンを吸蔵、放出する材料や、リチウム(Li)と合金を形成するアルミニウム(Al)、および金属リチウムなどの金属材料が用いられている。 As such a secondary battery having a high energy density, a lithium ion secondary battery is generally known. The lithium ion secondary battery described here has a configuration in which a positive electrode and a negative electrode are opposed to each other via a separator, and each of the positive electrode and the negative electrode includes a positive electrode current collector and a positive electrode active material, and a negative electrode current collector and a negative electrode active material, respectively. It is a thing. Each of these elements is impregnated with a non-aqueous electrolyte solution. When this lithium ion secondary battery is charged or discharged, lithium ions dissolved in the electrolyte solution move between the positive electrode and the negative electrode through the separator, and occlusion of lithium ions in the positive electrode active material and the negative electrode active material, Release takes place, thereby acting as a battery. Here, as the negative electrode active material of the lithium ion secondary battery, a metal material such as a carbon material that occludes and releases lithium ions, aluminum (Al) that forms an alloy with lithium (Li), and metallic lithium. Is used.
一方、リチウムイオン二次電池の正極に用いられる正極活物質に関しては、特許文献1〜3に開示された材料がそれぞれ開発されている。このうち特許文献1には、LiFePO4もしくはLi(Fe,Mn)PO4の組成を有する第1のリチウム化合物と、LiMO2(Mは、CoもしくはNiの少なくとも1種、もしくはMn)の組成を有する第2のリチウム化合物とからなる正極活物質について記載されている。また特許文献2には、LiMn2O4の組成のリチウム化合物からなる正極活物質について記載されている。さらに特許文献3には、LiCoO2およびLiMnO2の組成をそれぞれ有する第1および第2のリチウム化合物と、Li(Fe,M)PO4(Mは、Mg、Co、Ni、Mn、Znの少なくとも1種)の組成を有する第3のリチウム化合物とからなる正極活物質について記載されている。これらの組成の正極活物質を用いたリチウムイオン二次電池は、特許文献1に書かれている通り、低コスト化、蓄積できるエネルギー密度の向上、高温時の動作安定性、過放電に対する耐久性などの、優れた特性を備えている。
On the other hand, regarding the positive electrode active material used for the positive electrode of a lithium ion secondary battery, the material disclosed by patent documents 1-3 is each developed. Among these,
リチウムイオン二次電池をポータブル電子機器などの駆動電源として用いる場合には、ユーザ側の要請として、充電時間を短縮する、即ち急速充電を可能とすることが求められている。従来の一般的なリチウムイオン二次電池は、1時間〜3時間で満充電となるような充電条件で使用されているが、この充電時間を例えば10分ないし15分程度にまで短縮することができれば、リチウムイオン二次電池の利便性を大幅に高めることができる。しかし従来のリチウムイオン二次電池にこのような急速充電を実施すると、僅かな使用期間でリチウムイオン二次電池の特性の大幅な劣化を招くことが知られている。この電池の特性の劣化は、具体的には短い経年での充電可能な電池の放電容量(もしくはエネルギー密度)の大幅な非可逆的な低下として表れる。つまり、リチウムイオン二次電池の充電時間の短縮とその電池の容量の低下には、トレードオフの関係があることが知られている。なお電池の放電容量の低下の割合は、一般に容量維持率の低下として表される。 When a lithium ion secondary battery is used as a driving power source for a portable electronic device or the like, as a request from the user side, it is required to shorten the charging time, that is, to enable rapid charging. Conventional general lithium ion secondary batteries are used under charging conditions such that they are fully charged in 1 to 3 hours, but this charging time can be shortened to about 10 to 15 minutes, for example. If possible, the convenience of the lithium ion secondary battery can be greatly enhanced. However, it is known that when such a quick charge is performed on a conventional lithium ion secondary battery, the characteristics of the lithium ion secondary battery are significantly deteriorated in a short period of use. This deterioration in battery characteristics is manifested as a significant irreversible decrease in the discharge capacity (or energy density) of a battery that can be charged over a short period of time. That is, it is known that there is a trade-off relationship between shortening the charging time of a lithium ion secondary battery and reducing the capacity of the battery. Note that the rate of decrease in the discharge capacity of the battery is generally expressed as a decrease in the capacity maintenance rate.
一般にリチウムイオン二次電池の急速充電特性を向上させ、短時間での充電を可能にするためには、正極活物質としてLiMn2O4やLiNiO2の組成のリチウム化合物の使用が好適であることが知られている。しかしながら、LiMn2O4を正極活物質として用いた場合は、充放電の前後でそのMn(マンガン)イオンの平均価数が3価と4価の間で変化し、そのためJahn−Teller歪みと称される結晶歪みが結晶中に生じてしまう。この結晶歪みは、充電やその後の放電の際に、電池の正極活物質の部分の体積を増減させることになるので、急速充電を繰り返した場合はリチウムイオン二次電池の正極に構造破壊が生じる可能性がある。 In general, in order to improve the quick charge characteristics of a lithium ion secondary battery and enable charging in a short time, it is preferable to use a lithium compound having a composition of LiMn 2 O 4 or LiNiO 2 as a positive electrode active material. It has been known. However, when LiMn 2 O 4 is used as the positive electrode active material, the average valence of Mn (manganese) ions changes between trivalent and tetravalent before and after charging and discharging, and is therefore referred to as Jahn-Teller strain. Crystal distortion is generated in the crystal. This crystal distortion increases or decreases the volume of the positive electrode active material portion of the battery during charging and subsequent discharging, and therefore structural destruction occurs in the positive electrode of the lithium ion secondary battery when rapid charging is repeated. there is a possibility.
また、電池内の電解質溶液中に僅かに水分が存在する場合は、この水と電解質溶液の成分である支持塩とが反応し、Hイオン(水素イオン:H+)が生成する。支持塩としてLiPF6を用いた場合には、以下の化学式の反応が生じることが知られている。 In addition, when a slight amount of water is present in the electrolyte solution in the battery, this water reacts with the supporting salt that is a component of the electrolyte solution to generate H ions (hydrogen ions: H + ). When LiPF 6 is used as the supporting salt, it is known that the reaction of the following chemical formula occurs.
LiPF6+H2O→POF3+Li++3F-+2H+ LiPF 6 + H 2 O → POF 3 + Li + + 3F − + 2H +
こうして電解質溶液中にH+が生成すると、以下の化学式の反応によって正極活物質のLiMn2O4のMnが、イオン化して電解質溶液中に溶解する。 When H + is thus generated in the electrolyte solution, Mn of the LiMn 2 O 4 positive electrode active material is ionized and dissolved in the electrolyte solution by the reaction of the following chemical formula.
2LiMn2O4+4H+→3λ−MnO2+Mn2++2Li++2H2O 2LiMn 2 O 4 + 4H + → 3λ-MnO 2 + Mn 2+ + 2Li + + 2H 2 O
ここでλ−MnO2はλ型の二酸化マンガンである。この反応では、H+がLiMn2O4と反応し、それによってMnイオン(Mn2+)が電解質溶液中に溶出するとともに、λ−MnO2とH2Oが生成する。つまり、電解質溶液中に微量に存在するH2Oが触媒として作用し、支持塩の存在下でLiMn2O4からMnイオンを溶出させることとなる。この溶出したMnイオンは、リチウムイオン二次電池に内部インピーダンスの非可逆な増加をもたらす原因であることが判明している。なお支持塩としてLiPF6以外の組成の化合物を用いた場合であっても、その支持塩がリチウムフッ化物の構成を有している場合には同様の反応が生じる。 Here, λ-MnO 2 is λ-type manganese dioxide. In this reaction, H + reacts with LiMn 2 O 4 , whereby Mn ions (Mn 2+ ) are eluted into the electrolyte solution, and λ-MnO 2 and H 2 O are generated. That is, H 2 O present in a minute amount in the electrolyte solution acts as a catalyst, and Mn ions are eluted from LiMn 2 O 4 in the presence of the supporting salt. This eluted Mn ion has been found to be a cause of an irreversible increase in internal impedance in the lithium ion secondary battery. Even when a compound having a composition other than LiPF 6 is used as the supporting salt, the same reaction occurs when the supporting salt has a lithium fluoride structure.
なおこれらの現象は、正極活物質としてLiMn2O4ではなくLiNiO2の組成のリチウム化合物を用いた場合にも同様に生じるものである。従って、繰り返し充放電によるJahn−Teller歪みの発生による電池の正極の構造破壊や、急速充電によるイオン化したNi(ニッケル)元素の電解質溶液への溶出は、LiNiO2を用いた場合にも、LiMn2O4のときと同じように、リチウムイオン二次電池に内部インピーダンスの非可逆な増加をもたらすこととなる。 These phenomena also occur when a lithium compound having a composition of LiNiO 2 instead of LiMn 2 O 4 is used as the positive electrode active material. Accordingly, structural destruction of the positive electrode of the battery due to generation of Jahn-Teller distortion due to repeated charging / discharging, and elution of ionized Ni (nickel) element into the electrolyte solution due to rapid charging, even when LiNiO 2 is used, LiMn 2 As in the case of O 4 , an irreversible increase in internal impedance is caused in the lithium ion secondary battery.
正極活物質に含まれるMnがイオン化することによる電池の内部インピーダンスの増加は、溶出したMnイオンが負極活物質の表面やセパレータ上に析出することによって、Liイオンのセパレータを通過する移動や負極活物質表面でのイオン化、金属化が阻害されることによるものと考えられる。その他に、Mnイオンの溶出や析出をきっかけとした正極活物質、負極活物質の遊離による不活性化や、さらには電解質溶液に僅かに含まれる水分とMnイオンにより生成する酸の影響による電解質溶液の劣化なども原因であると考えられている。 The increase in the internal impedance of the battery due to the ionization of Mn contained in the positive electrode active material is caused by the movement of the Li ion through the separator and the negative electrode active by the eluted Mn ions being deposited on the surface of the negative electrode active material and the separator. This is thought to be due to the inhibition of ionization and metallization on the material surface. In addition, positive electrode active material triggered by elution and precipitation of Mn ions, inactivation by liberation of negative electrode active material, and electrolyte solution due to the influence of acid generated by water and Mn ions slightly contained in the electrolyte solution It is thought that this is also caused by the deterioration.
これらの理由によって電池の内部インピーダンスが増加すると、リチウムイオン二次電池の急速充電の場合には、その充電条件での充電可能な電池の放電容量の低下、即ち容量維持率が低下することとなる。なぜなら電池の内部インピーダンスが増加している場合に電池を急速充電するには、印加電圧を上げて充電の際の電流密度を増加させる必要がある。しかしこれを行うと電池の内部温度が急激に上昇することとなって、電池内の電解液の劣化などを招くからである。このためリチウムイオン二次電池の充電の際の印加電圧には上限が設けられており、内部インピーダンスが高いと急速充電では印加電圧がすぐにこの上限に達し、定電圧充電に移行することになる。従って、設定した急速充電の時間内に電池を満充電とすることができず、急速充電可能な電池の容量は低下することとなる。 When the internal impedance of the battery increases due to these reasons, in the case of rapid charging of the lithium ion secondary battery, the discharge capacity of the battery that can be charged under the charging condition, that is, the capacity maintenance rate decreases. . This is because, in order to rapidly charge the battery when the internal impedance of the battery increases, it is necessary to increase the applied voltage to increase the current density during charging. However, if this is done, the internal temperature of the battery will rise rapidly, leading to deterioration of the electrolyte in the battery. For this reason, there is an upper limit for the applied voltage when charging the lithium ion secondary battery, and if the internal impedance is high, the applied voltage will soon reach this upper limit in rapid charging and will shift to constant voltage charging. . Therefore, the battery cannot be fully charged within the set rapid charging time, and the capacity of the battery that can be rapidly charged is reduced.
以上の急速充電による電池の内部インピーダンスの増加は、正極活物質としてLiFePO4の組成のリチウム化合物を用いた場合はほとんど起こらないことが知られている。LiFePO4を用いた正極活物質ではLiイオンの吸蔵、放出によっても結晶中に大きな結晶歪みが生じず、またFeがイオン化して電解質溶液に溶出することもない。しかしながら、LiFePO4は前記のLiMn2O4やLiNiO2のリチウム化合物に比較して、その電気伝導率は著しく低い。一般にLiMn2O4の電気伝導率は10-3/Ω/m程度であり、LiNiO2も同程度であるが、LiFePO4の電気伝導率は10-7/Ω/m程度に過ぎず、この違いは電池の急速充電の際には内部インピーダンスの増加となって表れる。従って、リチウムイオン二次電池の正極活物質として単純にLiFePO4を採用しても、急速充電における充電可能な電池の容量を増加させることはできない。 It is known that the increase in internal impedance of the battery due to the above rapid charging hardly occurs when a lithium compound having a composition of LiFePO 4 is used as the positive electrode active material. In the positive electrode active material using LiFePO 4 , large crystal distortion does not occur in the crystal due to insertion and extraction of Li ions, and Fe is not ionized and eluted into the electrolyte solution. However, LiFePO 4 has a remarkably low electric conductivity as compared with the above LiMn 2 O 4 and LiNiO 2 lithium compounds. In general, the electrical conductivity of LiMn 2 O 4 is about 10 −3 / Ω / m and the same for LiNiO 2, but the electrical conductivity of LiFePO 4 is only about 10 −7 / Ω / m. The difference appears as an increase in internal impedance when the battery is rapidly charged. Therefore, even if LiFePO 4 is simply adopted as the positive electrode active material of the lithium ion secondary battery, the capacity of the rechargeable battery in the rapid charge cannot be increased.
本発明は、リチウムイオン二次電池における前記課題を解決するもので、長時間の使用によっても急速充電時の内部インピーダンスが大きく増加せず、よって急速充電での電池の容量低下の程度が小さく、従って使用時の容量維持率の低下が小さい、リチウムイオン二次電池の新たな正極活物質の構成と、それを用いたリチウムイオン二次電池を提案するものである。 The present invention solves the above-mentioned problems in lithium ion secondary batteries, and the internal impedance during rapid charging does not increase greatly even after long-term use, and thus the degree of battery capacity reduction during rapid charging is small, Accordingly, the present invention proposes a new positive electrode active material configuration of a lithium ion secondary battery with a small decrease in capacity maintenance rate during use, and a lithium ion secondary battery using the same.
本発明によるリチウムイオン二次電池の正極は、各々組成の異なる第1のリチウム化合物と、第2のリチウム化合物と、第3のリチウム化合物とを、ともに含む正極活物質を、リチウムイオン二次電池用正極として用いることを特徴とするものである。ここで前記第1、第2、第3のリチウム化合物は、それぞれ化学式がLiMn2O4、LiFePO4、LiNiO2で表されるリチウム化合物の、Mn、Fe、Niの一部をそれぞれ他の元素にて置換したものであり、それぞれの組成物は微細な結晶として正極中に含まれている。この3種の組成のリチウム化合物を特定範囲の割合で混合することにより、正極活物質として特段の効果を得たものである。 The positive electrode of the lithium ion secondary battery according to the present invention comprises a positive electrode active material containing a first lithium compound, a second lithium compound, and a third lithium compound, each having a different composition, and a lithium ion secondary battery. It is used as a positive electrode for an automobile. Here, the first, second, and third lithium compounds each have a part of Mn, Fe, and Ni of the lithium compounds represented by chemical formulas LiMn 2 O 4 , LiFePO 4 , and LiNiO 2 respectively. Each composition is contained in the positive electrode as fine crystals. By mixing these three types of lithium compounds in a proportion within a specific range, a special effect was obtained as a positive electrode active material.
本発明では、まず正極活物質の構成要素として用いる第1、第2、第3のリチウム化合物において、それぞれ特定の元素を一部置換することによってその結晶構造の安定化を図っている。これによりLiイオンの吸蔵、放出の際に生じる前記のJahn−Teller歪みなどの結晶歪みを緩和し、その歪みによる化合物粒子の形状などの変位を小さくして、リチウムイオン二次電池の急速充電の際の内部インピーダンスの低減を実現させている。具体的には、第1のリチウム化合物であるLiMn2O4については、Li、B、Mg、Al、Co、Niから選択される1種以上の元素を加えてMnを置換している。 In the present invention, in the first, second, and third lithium compounds used as the constituent elements of the positive electrode active material, the crystal structure is stabilized by partially replacing specific elements. As a result, crystal distortions such as the Jahn-Teller distortion generated during insertion and extraction of Li ions are alleviated, and displacements such as the shape of the compound particles due to the distortions are reduced, so that the lithium ion secondary battery can be rapidly charged. This reduces the internal impedance. Specifically, for LiMn 2 O 4 that is the first lithium compound, one or more elements selected from Li, B, Mg, Al, Co, and Ni are added to replace Mn.
なおこの効果を十分に発現させるためには置換元素の添加量が大きい方がよいが、Mnの置換元素の添加量がMn2原子に対して0.3の割合を越える場合は、第1のリチウム化合物によるLiイオンの吸蔵、放出の能力が制限されることとなり、これは急速充電時の内部インピーダンスの増加となって表れる。従って、前記元素の添加量は、Mn2原子に対して0より大きく、0.3以下とすることが好ましい。このMnの一部を置換した第1のリチウム化合物はリチウムイオンを吸蔵、放出する能力が高く、本発明におけるリチウムイオン二次電池が充放電の機能を発揮する際の主体として作用する。 In order to fully exhibit this effect, it is preferable that the amount of the substitution element added is large. However, if the amount of the substitution element of Mn exceeds 0.3, the first lithium is added. The ability to occlude and release Li ions by the compound is limited, and this appears as an increase in internal impedance during rapid charging. Therefore, the amount of the element added is preferably greater than 0 and less than or equal to 0.3 with respect to Mn2 atoms. The first lithium compound in which a part of Mn is substituted has a high ability to occlude and release lithium ions, and acts as a main component when the lithium ion secondary battery according to the present invention exhibits a charge / discharge function.
なお、前記第1のリチウム化合物への添加元素の中にはLi元素が含まれているが、ここで添加するLiはMnを置換するもので、結晶構造内でMnと同一のサイトに入ると考えられる。従って、Mn置換前のLiMn2O4の構造におけるLiサイト内の元素(Li)とは、その置換サイトの位置、および添加による作用が異なる。 In addition, although the Li element is contained in the additive element to the first lithium compound, Li added here replaces Mn, and enters the same site as Mn in the crystal structure. Conceivable. Therefore, the position of the substitution site and the effect of addition differ from the element (Li) in the Li site in the structure of LiMn 2 O 4 before Mn substitution.
一方、本発明では、第2のリチウム化合物であるLiFePO4においても、前記第1のリチウム化合物の場合と同様に、Mn、Mg、Ni、Coから選択される1種以上の元素を加えてFeを置換している。この第2のリチウム化合物では、元素の置換を行わないLiFePO4の組成においてもLiイオンの吸蔵、放出の際の結晶歪みは元々小さく、また熱的安定性においても十分に優れている。第2のリチウム化合物においてFeサイトの元素の置換を行う理由は、電池の充放電時のLiイオンの吸蔵、放出の能力を向上させるためである。 On the other hand, in the present invention, in LiFePO 4 which is the second lithium compound, Fe and other elements selected from Mn, Mg, Ni and Co are added as in the case of the first lithium compound. Has been replaced. In the second lithium compound, even in the composition of LiFePO 4 without element substitution, the crystal distortion at the time of insertion and extraction of Li ions is originally small, and the thermal stability is sufficiently excellent. The reason for substituting the element at the Fe site in the second lithium compound is to improve the ability to occlude and release Li ions during charge / discharge of the battery.
第2のリチウム化合物は第1、第3のリチウム化合物に比較して電気伝導度が低く、このことが急速充電時の内部インピーダンスが高いという結果として表れている。ここでFeサイトの元素を他の元素で一部置換することにより、この内部インピーダンスが減少するという効果が得られると考えられる。なお、Fe(鉄)の置換元素の添加量がFe1原子に対して0.2の割合を越えると、今度は熱的安定性の低下が生じてしまう。このことから、前記Mn、Mg、Ni、Coから選択される1種以上の元素の添加量は、Fe1原子に対して0より大きく、0.2以下とすることが好ましい。 The second lithium compound has a lower electrical conductivity than the first and third lithium compounds, and this appears as a result of high internal impedance during rapid charging. Here, it is considered that the effect of reducing the internal impedance can be obtained by partially replacing the Fe site element with another element. In addition, if the added amount of the substitution element of Fe (iron) exceeds a ratio of 0.2 with respect to Fe1 atom, the thermal stability is lowered. For this reason, the addition amount of one or more elements selected from Mn, Mg, Ni, and Co is preferably greater than 0 and less than or equal to 0.2 with respect to Fe1 atoms.
さらに、第3のリチウム化合物であるLiNiO2についても、Li、Mg、Mn、Al、Coから選択される1種以上の元素を加えてNiを置換して、その結晶構造の安定化を図っている。この置換によりLiイオンの吸蔵、放出の際に生じる結晶歪みを緩和して、前記第1のリチウム化合物の場合と同じく電池の急速充電の際の内部インピーダンスの低減を実現させている。なおこの効果を十分に発現させるためには置換元素の添加量が大きい方がよいが、Niの置換元素の添加量がNi1原子に対して0.3の割合を越える場合は、Liイオンの吸蔵、放出の能力が制限されることとなる。従って、前記元素の添加量は、Ni1原子に対して0より大きく、0.3以下とすることが好ましい。なお、ここで添加元素として記述したLi元素はNiを置換するものであり、結晶構造内でNiと同一のサイトに入り、Liサイトには入らないと考えられる。このことは前記第1のリチウム化合物の場合と同様である。 Furthermore, for LiNiO 2 as the third lithium compound, one or more elements selected from Li, Mg, Mn, Al, and Co are added to replace Ni, thereby stabilizing the crystal structure. Yes. This substitution relaxes crystal distortion that occurs during insertion and extraction of Li ions, and as in the case of the first lithium compound, a reduction in internal impedance during rapid charging of the battery is realized. In order to fully exhibit this effect, it is preferable that the amount of substitution element added be large. However, if the amount of substitution element addition of Ni exceeds 0.3 with respect to Ni1 atoms, storage of Li ions is performed. The ability to release will be limited. Therefore, the amount of the element added is preferably greater than 0 and less than or equal to 0.3 with respect to Ni1 atoms. Note that the Li element described here as an additive element replaces Ni, and is considered to enter the same site as Ni in the crystal structure and not enter the Li site. This is the same as in the case of the first lithium compound.
本発明では、前記方法により一部元素を他の元素で置換した第1、第2、第3のリチウム化合物を、さらにそれぞれ特定割合で混合することによって、電池の長時間の使用後の、急速充電の際の内部インピーダンスの増加の抑制を実現した。これら3種のリチウム化合物を混合して正極活物質とすることによる効果は、以下の通りと考えられる。まず本発明において、第1のリチウム化合物(Mn元素を一部置換したLiMn2O4)に対して第3のリチウム化合物(Ni元素を一部置換したLiNiO2)を混合することにより、電解質溶液中に含まれる僅かな水分と第3のリチウム化合物とが反応し、以下の化学式に従ってH2O中のH+を捕捉し、OH-を遊離させる効果が生じると考えられる。 In the present invention, the first, second, and third lithium compounds in which some of the elements are replaced with other elements by the above-described method are further mixed at a specific ratio, thereby rapidly Suppressed increase in internal impedance during charging. The effects of mixing these three types of lithium compounds into a positive electrode active material are considered as follows. First, in the present invention, an electrolyte solution is prepared by mixing a third lithium compound (LiNiO 2 partially substituted with Ni element) with a first lithium compound (LiMn 2 O 4 partially substituted with Mn element). It is considered that the slight moisture contained therein reacts with the third lithium compound to capture H + in H 2 O and liberate OH − according to the following chemical formula.
LiNiO2+H2O→β−NiOOH+Li++OH- LiNiO 2 + H 2 O → β-NiOOH + Li + + OH −
ここでβ−NiOOHはβ型のオキシ水酸化ニッケルである。第1のリチウム化合物のみの場合には、前記のように電池内の電解質溶液中に僅かに存在するH2Oと支持塩とが反応してHイオンが生成し、LiMn2O4からMnイオンの溶出が生じる。しかし、第1のリチウム化合物と第3のリチウム化合物とを混合することにより、この電解質溶液中の僅かな水分をLiNiO2が捕捉するために、LiMn2O4からのMnイオンの溶出を抑制する効果が生じる。以上の効果は、いずれも急速充電時の内部インピーダンスの低減として表れることとなる。 Here, β-NiOOH is β-type nickel oxyhydroxide. In the case of only the first lithium compound, H 2 O slightly present in the electrolyte solution in the battery reacts with the supporting salt as described above to generate H ions, and LiMn 2 O 4 to Mn ions Elution occurs. However, by mixing the first lithium compound and the third lithium compound, LiNiO 2 captures a slight amount of water in the electrolyte solution, so that elution of Mn ions from LiMn 2 O 4 is suppressed. An effect is produced. All of the above effects appear as a reduction in internal impedance during rapid charging.
しかしながら、前記第1のリチウム化合物に第3のリチウム化合物を混合しただけでは電池の正極における熱的安定性の問題が残ることとなる。リチウムイオン二次電池の内部が高温となると、一般にリチウム化合物を構成する粒子どうし、あるいは導電性付与剤や結着材との界面の構造が変化し、これが非可逆の内部インピーダンスの増加を招く場合がある。ここで、本発明では、第2のリチウム化合物である、Fe元素の一部を置換したLiFePO4を一定割合で加えることにより、この熱的安定性の問題の解決を図っている。この添加による改善の理由は詳細には明らかではないが、第2のリチウム化合物が正極活物質として添加されることにより、正極活物質層を構成する結晶の微粒子を含む各粒子どうしの界面の構造の変化が緩和される効果が生じるのではないかと思われる。 However, just mixing the third lithium compound with the first lithium compound leaves the problem of thermal stability in the positive electrode of the battery. When the internal temperature of a lithium ion secondary battery becomes high, the structure of the interface between the particles that make up the lithium compound, or between the conductivity-imparting agent and the binder generally changes, which causes an irreversible increase in internal impedance. There is. Here, in the present invention, the thermal stability problem is solved by adding LiFePO 4 , which is a part of the Fe element, which is the second lithium compound, at a constant ratio. The reason for the improvement by this addition is not clear in detail, but by adding the second lithium compound as the positive electrode active material, the structure of the interface between the particles including the fine crystal particles constituting the positive electrode active material layer It seems that there will be an effect of mitigating these changes.
なお、第2のリチウム化合物は前記のように第1、第3のリチウム化合物に比べて電気伝導度が著しく低いという問題があるが、この点は混合される第1および第3のリチウム化合物(主として第1のリチウム化合物)の電気伝導度が高いことにより、十分に補うことができる。このように、第1、第2、第3のリチウム化合物を混合することにより、従来のリチウムイオン二次電池の正極に存在していた急速充電時の内部インピーダンスの増大の問題が解決され、充電時に内部インピーダンスが十分に低い電池を得ることが可能となる。 The second lithium compound has a problem that the electrical conductivity is remarkably lower than that of the first and third lithium compounds as described above. However, this point is that the first and third lithium compounds ( The electrical conductivity of the first lithium compound) can be sufficiently compensated. Thus, by mixing the first, second, and third lithium compounds, the problem of increase in internal impedance at the time of rapid charging, which has existed in the positive electrode of the conventional lithium ion secondary battery, is solved, and charging is performed. Sometimes it becomes possible to obtain a battery with a sufficiently low internal impedance.
ここで、電池の内部インピーダンスの低減に効果的な第1、第2、第3のリチウム化合物の割合は、それぞれの混合割合をa:b:c(a、b、cはそれぞれ重量比、a+b+c=100)としたとき、0<a≦90、0<b≦50、0<c≦50の範囲とすることが好ましい。この混合割合は、前記第1、第2、第3のリチウム化合物にそれぞれ添加する元素の種類やその好ましい添加量の範囲と同様に、組成やその範囲の異なる多数の試料の評価を積み重ねることによって、実験的に得られたものである。 Here, the proportions of the first, second, and third lithium compounds effective for reducing the internal impedance of the battery are the mixing ratios of a: b: c (a, b, c are weight ratios, a + b + c, respectively). = 100), 0 <a ≦ 90, 0 <b ≦ 50, and 0 <c ≦ 50 are preferable. This mixing ratio is obtained by accumulating evaluations of a large number of samples having different compositions and ranges as well as the types of elements to be added to the first, second and third lithium compounds and the ranges of the preferred addition amounts thereof. It was obtained experimentally.
なお、リチウム化合物による正極活物質を用いてリチウムイオン二次電池を作製した場合には、リチウムイオン二次電池の充電および放電によって結晶構造中のLiサイトからのLi原子の放出、吸蔵が繰り返され、正極活物質中のリチウム化合物におけるLiの含有量が当初の値よりも低下していくことが知られている。本発明での第1、第2、第3のリチウム化合物におけるLiの含有量は、リチウムイオン二次電池においてもまだ充電および放電を行っていない、初期の状態での組成範囲として規定するものである。 When a lithium ion secondary battery is produced using a positive electrode active material made of a lithium compound, the release and insertion of Li atoms from the Li site in the crystal structure are repeated by charging and discharging the lithium ion secondary battery. It is known that the content of Li in the lithium compound in the positive electrode active material is lower than the initial value. The Li content in the first, second, and third lithium compounds in the present invention is defined as the composition range in the initial state in which charging and discharging have not yet been performed in the lithium ion secondary battery. is there.
即ち、本発明は、化学式がLiMn2O4の結晶構造を持つ酸化物であり、該酸化物に含有されるLi、Mnおよび添加元素Maのモル比率が、
Li:Mn:Ma=1:2−x:x(0<x<2、MaはLi、B、Mg、Al、Co、Niから選択される1種以上)
である組成の第1のリチウム化合物と、化学式がLiFePO4の結晶構造を持つ酸化物であり、該酸化物に含有されるLi、Feおよび添加元素Mbのモル比率が、
Li:Fe:Mb=1:1−y:y(0<y<1、MbはMn、Mg、Ni、Coから選択される1種以上)
である組成の第2のリチウム化合物と、化学式がLiNiO2の結晶構造を持つ酸化物であり、該酸化物に含有されるLi、Niおよび添加元素Mcのモル比率が、
Li:Ni:Mc=1:1−z:z(0<z<1、McはLi、Mg、Mn、Al、Coから選択される1種以上)
である組成の第3のリチウム化合物とからなる正極活物質を含むことを特徴とするリチウムイオン二次電池用正極である。
That is, the present invention is an oxide having a crystal structure of the chemical formula LiMn 2 O 4 , and the molar ratio of Li, Mn and additive element Ma contained in the oxide is
Li: Mn: Ma = 1: 2-x: x (0 <x <2, Ma is one or more selected from Li, B, Mg, Al, Co, Ni)
A first lithium compound composition is the chemical formula of an oxide having a crystal structure of LiFePO 4, Li contained in the oxide, the molar ratio of Fe and additional element Mb,
Li: Fe: Mb = 1: 1-y: y (0 <y <1, Mb is one or more selected from Mn, Mg, Ni, Co)
A second lithium compound having a composition of: and an oxide having a crystal structure of the chemical formula LiNiO 2 , and the molar ratio of Li, Ni and additive element Mc contained in the oxide is
Li: Ni: Mc = 1: 1-z: z (0 <z <1, Mc is one or more selected from Li, Mg, Mn, Al, Co)
A positive electrode for a lithium ion secondary battery comprising a positive electrode active material comprising a third lithium compound having a composition of
また、本発明は、前記xが、0<x≦0.3であり、前記yが、0<y≦0.2であり、前記zが、0<z≦0.3であることを特徴とするリチウムイオン二次電池用正極である。 In the present invention, the x is 0 <x ≦ 0.3, the y is 0 <y ≦ 0.2, and the z is 0 <z ≦ 0.3. And a positive electrode for a lithium ion secondary battery.
さらに、本発明は、前記正極活物質に含まれる、前記第1のリチウム化合物、前記第2のリチウム化合物、前記第3のリチウム化合物の含有量の割合をそれぞれa:b:c(a、b、cはそれぞれ重量比、a+b+c=100)としたとき、0<a≦90、0<b≦50、0<c≦50であることを特徴とするリチウムイオン二次電池用正極である。 In the present invention, the ratio of the content of the first lithium compound, the second lithium compound, and the third lithium compound contained in the positive electrode active material is set to a: b: c (a, b , C are weight ratios, a + b + c = 100), and 0 <a ≦ 90, 0 <b ≦ 50, 0 <c ≦ 50.
さらに、本発明は、前記いずれかに記載のリチウムイオン二次電池用正極を用いたことを特徴とするリチウムイオン二次電池である。 Furthermore, the present invention is a lithium ion secondary battery using the positive electrode for a lithium ion secondary battery described above.
本発明のリチウムイオン二次電池用正極は、互いに組成の異なる第1、第2、第3のリチウム化合物を混合して正極活物質としたものを有している。この第1、第2、第3のリチウム化合物は、それぞれLiMn2O4、LiFePO4、LiNiO2で表され、Mn、Fe、Niを一部特定の元素で置換した組成の化合物である。これら3種の化合物を特定の割合で混合して正極活物質とすることにより、それを用いたリチウムイオン二次電池では、長時間の使用後でも急速充電時の内部インピーダンスの増加を抑制することが可能である。よって本発明によるリチウムイオン二次電池用正極を用いることにより、急速充電が可能なリチウムイオン二次電池を提供することが可能である。 The positive electrode for a lithium ion secondary battery of the present invention has a positive electrode active material obtained by mixing first, second and third lithium compounds having different compositions. The first, second, and third lithium compounds are compounds represented by LiMn 2 O 4 , LiFePO 4 , and LiNiO 2 , respectively, and have a composition in which Mn, Fe, and Ni are partially substituted with specific elements. By mixing these three kinds of compounds at a specific ratio to make a positive electrode active material, a lithium ion secondary battery using the compound can suppress an increase in internal impedance during rapid charging even after long-term use. Is possible. Therefore, by using the positive electrode for a lithium ion secondary battery according to the present invention, it is possible to provide a lithium ion secondary battery that can be rapidly charged.
また本発明のリチウムイオン二次電池用正極は、熱的安定性が高いという特徴を有している。このためリチウムイオン二次電池に用いた場合に、その電池が満充電の状態で高温の条件に保持された場合でも、依然として内部インピーダンスを低い値に保持することができる。従って電池内部が高温となるような条件に置かれても、やはり急速充電が可能な特性を維持し続けることができる。 Moreover, the positive electrode for lithium ion secondary batteries of this invention has the characteristics that thermal stability is high. For this reason, when used in a lithium ion secondary battery, even when the battery is fully charged and kept at a high temperature, the internal impedance can still be kept at a low value. Therefore, even if the inside of the battery is subjected to a high temperature condition, it is possible to continue to maintain the characteristics capable of rapid charging.
以下に、本発明の正極を用いたリチウムイオン二次電池の実施の形態について、図1をもとに説明する。 Hereinafter, an embodiment of a lithium ion secondary battery using the positive electrode of the present invention will be described with reference to FIG.
図1は、本発明の正極活物質を備えた正極を有するリチウムイオン二次電池の例として、単板ラミネート型の電池セルの形状を断面図として示したものである。図1において、正極領域は正極活物質層11および正極集電体13からなり、また負極領域も同様に負極活物質層12および負極集電体14からなる。ここで正極活物質層11および負極活物質層12はセパレータ15を介して対向している。正極集電体13および負極集電体14は一般に金属箔からなり、正極活物質および負極活物質を塗布して固化させることにより、それぞれの片面に正極活物質層11および負極活物質層12が形成されている。正極集電体13および負極集電体14の端部はそれぞれ正極タブ18、負極タブ19として電池セルの外部に引き出されており、この電池セルはその上下から外装ラミネート16,17によって密封されている。密封された電池セルの内部には、電解質溶液が充填されている。この電解質溶液としては、支持塩としてリチウム塩が溶解した非水性有機電解質溶液が用いられる。
FIG. 1 shows a cross-sectional view of the shape of a single-plate laminate type battery cell as an example of a lithium ion secondary battery having a positive electrode provided with the positive electrode active material of the present invention. In FIG. 1, the positive electrode region includes a positive electrode
なお、本発明の正極を用いたリチウムイオン二次電池では基本的に電池形状には制限がなく、セパレータを挟んで正極領域、負極領域が対向した構成であれば、電極形状を巻回型、積層型の形状とすることも可能である。また電池セルの構造としては、前記単板ラミネート型のみならず、コイン型、ラミネートパック型、角型セル、円筒型セルなどの形状とすることができる。 In addition, in the lithium ion secondary battery using the positive electrode of the present invention, the battery shape is basically not limited, and the electrode shape may be a winding type as long as the positive electrode region and the negative electrode region face each other with the separator interposed therebetween. It is also possible to have a stacked shape. Further, the structure of the battery cell may be not only the single plate laminate type but also a coin type, a laminate pack type, a square cell, a cylindrical cell, or the like.
一般に、リチウムイオン二次電池は、リチウム化合物を正極活物質とする正極と、リチウムイオンを吸蔵、放出可能な負極活物質を備えた負極とを有し、正極と負極との間には、両者が電気的接続を起こすことがないように、非導電性のセパレータや電解質の領域が設けられている。ここで、正極と負極はともにリチウムイオン伝導性のある電解質溶液に浸漬された状態に保持されており、これらの構成要素が容器の中に密封されている。電池を構成する正極と負極の間に外部より電圧が印加されると、正極の活物質である正極活物質からリチウムイオンが放出され、電解質溶液を介して負極活物質にリチウムイオンが吸蔵されることで充電状態となる。また、電池外部の負荷を介して正極と負極とが電気的に接続された場合には、今度は充電時とは逆に負極活物質からリチウムイオンが放出され、正極活物質にリチウムイオンが吸蔵されることとなって、放電が行われる。 Generally, a lithium ion secondary battery has a positive electrode using a lithium compound as a positive electrode active material, and a negative electrode provided with a negative electrode active material capable of occluding and releasing lithium ions. In order to prevent electrical connection from occurring, a non-conductive separator and an electrolyte region are provided. Here, both the positive electrode and the negative electrode are kept immersed in an electrolyte solution having lithium ion conductivity, and these components are sealed in a container. When a voltage is applied from the outside between the positive electrode and the negative electrode constituting the battery, lithium ions are released from the positive electrode active material which is the positive electrode active material, and the lithium ions are occluded in the negative electrode active material through the electrolyte solution. It will be in a charge state. In addition, when the positive electrode and the negative electrode are electrically connected via a load outside the battery, this time, lithium ions are released from the negative electrode active material contrary to the charging, and the lithium ions are occluded in the positive electrode active material. As a result, discharge is performed.
本発明の正極を用いたリチウムイオン二次電池の構成について以下に説明する。本発明の電池における正極は、LiMn2O4の結晶構造を有し、Mnを元素Ma(MaはLi、B、Mg、Al、Ni、Coから選択される1種以上)によって一部置換した組成の第1のリチウム化合物と、LiFePO4の結晶構造を有し、Feを元素Mb(MbはMn、Mg、Ni、Coから選択される1種以上)によって一部置換した組成の第2のリチウム化合物と、LiNiO2の結晶構造を有し、Niを元素Mc(McはLi、Mg、Mn、Al、Coから選択される1種以上)によって一部置換した組成の第3のリチウム化合物とからなる混合物を、正極活物質として含むことを特徴としている。 The structure of the lithium ion secondary battery using the positive electrode of the present invention will be described below. The positive electrode in the battery of the present invention has a crystal structure of LiMn 2 O 4 , and Mn is partially substituted by the element Ma (Ma is one or more selected from Li, B, Mg, Al, Ni, Co). A second lithium compound having a crystal structure of a first lithium compound having a composition and LiFePO 4 , wherein Fe is partially substituted with an element Mb (Mb is one or more selected from Mn, Mg, Ni, and Co); A lithium compound and a third lithium compound having a crystal structure of LiNiO 2 and partially substituted with Ni by an element Mc (Mc is one or more selected from Li, Mg, Mn, Al, and Co); It is characterized by including the mixture which consists of as a positive electrode active material.
このうち第1のリチウム化合物の製造においては、以下の出発原料を用いることが好ましい。まず、Liサイトへの添加元素、およびMnサイトに共添加される元素としてのLiを前記第1のリチウム化合物に添加するための出発原料としては、Li2CO3、LiOH、Li2O、LiNO3、Li2SO4などを用いることができる。とくに、Li2CO3、LiOHなどのリチウム塩は遷移金属原料との反応性が高く、また反応生成物に含まれるCO3基、OH基がその焼成時にCO2、H2Oの形で揮発するために、正極活物質内に残留して悪影響を及ぼす可能性が低いことから好ましい。 Of these, the following starting materials are preferably used in the production of the first lithium compound. First, Li 2 CO 3 , LiOH, Li 2 O, LiNO are used as starting materials for adding Li as an additive element to the Li site and Li as an element co-added to the Mn site to the first lithium compound. 3 , Li 2 SO 4 or the like can be used. In particular, lithium salts such as Li 2 CO 3 and LiOH are highly reactive with transition metal raw materials, and the CO 3 and OH groups contained in the reaction product are volatilized in the form of CO 2 and H 2 O during the firing. Therefore, it is preferable because the possibility of remaining in the positive electrode active material and having an adverse effect is low.
またMn元素を添加するための出発原料としては、電解二酸化マンガン(EMD)や、Mn2O3、Mn3O4などのMn酸化物、およびMnCO3、MnSO4などを用いることが可能である。またMnサイトにMg元素を添加するための出発原料としては、Mg(OH)2などが使用可能である。同じくAl元素を添加するための出発原料としては、Al(OH)3などが使用可能である。B元素のための出発原料としては、B2O3などが使用可能である。Co元素のための出発原料としては、Co2O3、Co3O4などの酸化物、Co(OH)3、CoCO3、CoSO4などが使用可能である。Ni元素のための出発原料としては、NiO、Ni(OH)2、NiSO4、Ni(NO3)2などが使用可能である。 As starting materials for adding Mn element, electrolytic manganese dioxide (EMD), Mn oxides such as Mn 2 O 3 and Mn 3 O 4 , MnCO 3 and MnSO 4 can be used. . As a starting material for adding Mg element to the Mn site, Mg (OH) 2 or the like can be used. Similarly, Al (OH) 3 or the like can be used as a starting material for adding Al element. B 2 O 3 or the like can be used as a starting material for the B element. As a starting material for Co element, oxides such as Co 2 O 3 and Co 3 O 4 , Co (OH) 3 , CoCO 3 , and CoSO 4 can be used. NiO, Ni (OH) 2 , NiSO 4 , Ni (NO 3 ) 2, etc. can be used as starting materials for the Ni element.
これらの出発原料を所定の金属組成比となるように秤量して、乳鉢もしくはボールミルなどを用いて粉砕混合する。得られた混合粉末を500℃ないし1200℃の温度で、空気もしくは酸素雰囲気中で焼成することによって、酸化物である第1のリチウム化合物の粉末を得る。このときの焼成温度は、各元素を拡散させるためには高温とすることが望ましいが、焼成温度が高過ぎると組成内に酸素欠損を生じる場合がある他、粉末粒子どうしの凝集が生じて粉末状態が維持できなくなるなどの場合がある。このような現象が生じると、作製したリチウム化合物を電池の正極活物質として使用した場合に、電池の各種特性に様々な悪影響が生じる場合がある。このことから焼成温度には前記の上限が存在することとなり、さらに500℃ないし900℃の範囲で焼成を行うことがより好ましい。また、生成した第1のリチウム化合物の酸素欠損を防止するためには、酸素雰囲気で焼成する場合がより好ましい。 These starting materials are weighed so as to have a predetermined metal composition ratio, and pulverized and mixed using a mortar or ball mill. The obtained mixed powder is baked at a temperature of 500 ° C. to 1200 ° C. in an air or oxygen atmosphere to obtain a powder of a first lithium compound that is an oxide. The firing temperature at this time is preferably a high temperature in order to diffuse each element. However, if the firing temperature is too high, oxygen vacancies may be generated in the composition, and the powder particles may be agglomerated. The state may not be maintained. When such a phenomenon occurs, when the produced lithium compound is used as the positive electrode active material of the battery, various adverse effects may occur on various characteristics of the battery. Therefore, the above upper limit exists for the firing temperature, and it is more preferable to perform firing in the range of 500 ° C to 900 ° C. Moreover, in order to prevent oxygen deficiency of the generated first lithium compound, it is more preferable to perform firing in an oxygen atmosphere.
なお、得られた粉末状の第1のリチウム化合物の比表面積は0.01m2/g以上、10m2/g以下であることが好ましく、より好ましくは0.1m2/g以上、3m2/g以下である。比表面積が大きいほど正極活物質層を構成するための結着剤がより多く必要であり、従って電極の容量密度の点で不利となる。一方、比表面積が小さ過ぎるときには電解質溶液と正極活物質との間のイオン伝導度が低下する場合がある。レーザー回折・散乱法により測定したメジアン径を平均粒径とした場合に、粉末状の第1のリチウム化合物の平均粒径は0.1μm以上、70μm以下であることが好ましく、さらに好ましくは1μm以上、30μm以下である。この平均粒径が大きいと正極集電体表面への正極活物質層の成膜時に、正極活物質層に不均一な凹凸が生じる場合がある。一方、平均粒径が小さいときは、成膜された正極活物質層の正極集電体への結着性が低くなる場合がある。 The specific surface area of the obtained powdery first lithium compound is 0.01 m 2 / g or more, 10 m 2 / g or less, more preferably more preferably 0.1 m 2 / g or more, 3m 2 / g or less. The larger the specific surface area, the more binders are required for constituting the positive electrode active material layer, and this is disadvantageous in terms of the capacity density of the electrode. On the other hand, when the specific surface area is too small, the ionic conductivity between the electrolyte solution and the positive electrode active material may decrease. When the median diameter measured by the laser diffraction / scattering method is the average particle diameter, the average particle diameter of the powdery first lithium compound is preferably 0.1 μm or more and 70 μm or less, more preferably 1 μm or more. 30 μm or less. If this average particle size is large, uneven irregularities may occur in the positive electrode active material layer when the positive electrode active material layer is formed on the surface of the positive electrode current collector. On the other hand, when the average particle size is small, the binding property of the formed positive electrode active material layer to the positive electrode current collector may be low.
また、第2のリチウム化合物の製造においては、以下の出発原料を用いることが好ましい。まずFeサイトの置換元素を含まない、LiFePO4で示される鉄リン酸リチウムの合成原料としては、各種のリチウム化合物と、2価の鉄化合物とリン酸化合物とが適宜組み合わせて用いられる。このうち含有されるLiのための出発原料としては、LiF、LiCl、LiBr、LiI、LiCO3、LiOH、Li3PO4などが使用可能である。またFeのための出発原料としては、FeF2、FeCl2、FeBr2、FeI2、FeSO4、Fe3(PO4)2、Fe(C2O4)・2H2O、(CH3COO)2Feなどが使用可能である。Pのための出発原料としては、H3PO4、HPO3、H4P2O7、H5P3O10、(NH4)3PO4、NH4PO3、Li3PO4、Fe3(PO4)2などが使用可能である。 In the production of the second lithium compound, the following starting materials are preferably used. First, as a raw material for synthesizing lithium iron phosphate represented by LiFePO 4 that does not contain an Fe site substitution element, various lithium compounds, divalent iron compounds, and phosphate compounds are used in appropriate combination. Among these, LiF, LiCl, LiBr, LiI, LiCO 3 , LiOH, Li 3 PO 4 and the like can be used as starting materials for Li contained. Starting materials for Fe include FeF 2 , FeCl 2 , FeBr 2 , FeI 2 , FeSO 4 , Fe 3 (PO 4 ) 2 , Fe (C 2 O 4 ) · 2H 2 O, (CH 3 COO). 2 Fe or the like can be used. Starting materials for P include: H 3 PO 4 , HPO 3 , H 4 P 2 O 7 , H 5 P 3 O 10 , (NH 4 ) 3 PO 4 , NH 4 PO 3 , Li 3 PO 4 , Fe 3 (PO 4 ) 2 or the like can be used.
一方、第2のリチウム化合物のFeサイトの置換元素については、以下の出発原料を用いることが好ましい。まず、Mnのための出発原料としては、MnCO3、MnSO4、MnCl2、Mn(NO3)2などが使用可能である。Mgのための出発原料としては、MgSO4などが使用可能である。Niのための出発原料としては、NiSO4などが使用可能である。Coのための出発原料としては、CoSO4などが使用可能である。 On the other hand, it is preferable to use the following starting materials for the substitution element at the Fe site of the second lithium compound. First, MnCO 3 , MnSO 4 , MnCl 2 , Mn (NO 3 ) 2 or the like can be used as a starting material for Mn. As a starting material for Mg, MgSO 4 or the like can be used. NiSO 4 or the like can be used as a starting material for Ni. CoSO 4 or the like can be used as a starting material for Co.
これらの出発原料を所定の金属組成比となるように秤量して、乳鉢もしくはボールミルなどにより粉砕混合する。得られた混合粉末を、500℃から1200℃の温度で、窒素またはAr雰囲気中で焼成することによって第2のリチウム化合物の粉末を得る。 These starting materials are weighed so as to have a predetermined metal composition ratio, and pulverized and mixed with a mortar or ball mill. The obtained mixed powder is fired at a temperature of 500 ° C. to 1200 ° C. in a nitrogen or Ar atmosphere to obtain a second lithium compound powder.
これにより得られた粉末状の第2のリチウム化合物の比表面積は0.01m2/g以上、100m2/g以下であることが好ましく、より好ましくは0.1m2/g以上、50m2/g以下である。比表面積が大きいほど正極活物質層を構成するための結着剤がより多く必要であり、従って電極の容量密度の点で不利となる。一方、比表面積が小さ過ぎるときには電解質溶液と正極活物質との間のイオン伝導度が低下する場合がある。粉末状の第2のリチウム化合物の平均粒径は0.1μm以上、70μm以下であることが好ましく、さらに好ましくは1μm以上、30μm以下である。この平均粒径が大きいと正極集電体表面への正極活物質層の成膜時に、正極活物質層に不均一な凹凸が生じる場合がある。一方、平均粒径が小さいときは、成膜された正極活物質層の正極集電体への結着性が低くなる場合がある。 The specific surface area of the thus obtained powdery second lithium compound is 0.01 m 2 / g or more, is preferably from 100 m 2 / g, more preferably 0.1 m 2 / g or more, 50 m 2 / g or less. The larger the specific surface area, the more binders are required for constituting the positive electrode active material layer, and this is disadvantageous in terms of the capacity density of the electrode. On the other hand, when the specific surface area is too small, the ionic conductivity between the electrolyte solution and the positive electrode active material may decrease. The average particle size of the powdered second lithium compound is preferably 0.1 μm or more and 70 μm or less, more preferably 1 μm or more and 30 μm or less. If this average particle size is large, uneven irregularities may occur in the positive electrode active material layer when the positive electrode active material layer is formed on the surface of the positive electrode current collector. On the other hand, when the average particle size is small, the binding property of the formed positive electrode active material layer to the positive electrode current collector may be low.
さらに、第3のリチウム化合物の製造においては、以下の出発原料を用いることが好ましい。まず、Liサイトへの添加元素、およびNiサイトに共添加される元素としてのLiを前記第3のリチウム化合物に添加するための出発原料としては、Li2CO3、LiOH、Li2O、LiNO3、Li2SO4などを用いることができる。またNi元素を添加するための出発原料としては、NiO、Ni(OH)2、NiSO4、Ni(NO3)2などが使用可能である。またNiサイトにCo元素を添加するための出発原料としては、Co(OH)3、Co2O3、Co3O4、CoSO4などが使用可能である。同じくAl元素のための出発原料としては、Al(OH)3などが使用可能である。Mn元素のための出発原料としては、電解二酸化マンガン(EMD)や、Mn2O3、Mn3O4などのMn酸化物、およびMnCO3、MnSO4などが使用可能である。Mg元素のための出発原料としては、Mg(OH)2などが使用可能である。 Furthermore, in the production of the third lithium compound, it is preferable to use the following starting materials. First, Li 2 CO 3 , LiOH, Li 2 O, LiNO are used as starting materials for adding Li as an additive element to the Li site and Li as an element co-added to the Ni site to the third lithium compound. 3 , Li 2 SO 4 or the like can be used. NiO, Ni (OH) 2 , NiSO 4 , Ni (NO 3 ) 2, etc. can be used as starting materials for adding Ni element. Further, Co (OH) 3 , Co 2 O 3 , Co 3 O 4 , CoSO 4, etc. can be used as a starting material for adding Co element to the Ni site. Similarly, Al (OH) 3 or the like can be used as a starting material for the Al element. As starting materials for the Mn element, electrolytic manganese dioxide (EMD), Mn oxides such as Mn 2 O 3 and Mn 3 O 4 , MnCO 3 and MnSO 4 can be used. As a starting material for Mg element, Mg (OH) 2 or the like can be used.
これらの出発原料を目的の金属組成比となるように秤量して、乳鉢もしくはボールミルなどにより粉砕混合する。得られた混合粉末を、500℃から1200℃の温度で、空気または酸素雰囲気中で焼成することによって、第3のリチウム化合物の粉末を得る。このときの焼成温度は、各元素を拡散させるためには高温とすることが望ましいが、焼成温度が高過ぎると粉末粒子どうしの凝集が生じて粉末状態が維持できなくなるなどの場合がある。このことから焼成温度には前記の上限が存在することとなり、さらに500℃ないし1000℃の範囲で焼成を行うことがより好ましい。 These starting materials are weighed so as to have the desired metal composition ratio, and pulverized and mixed with a mortar or ball mill. The obtained mixed powder is fired at a temperature of 500 ° C. to 1200 ° C. in an air or oxygen atmosphere to obtain a third lithium compound powder. The firing temperature at this time is desirably a high temperature in order to diffuse each element. However, if the firing temperature is too high, aggregation of powder particles may occur and the powder state may not be maintained. For this reason, the above upper limit exists in the firing temperature, and it is more preferable to perform firing in the range of 500 ° C to 1000 ° C.
なお、得られた粉末状の第3のリチウム化合物の比表面積は0.01m2/g以上、10m2/g以下であることが好ましく、より好ましくは0.1m2/g以上、3m2/g以下である。比表面積が大きいほど正極活物質層を構成するための結着剤がより多く必要であり、従って電極の容量密度の点で不利となる。一方、比表面積が小さ過ぎるときには電解質溶液と正極活物質との間のイオン伝導度が低下する場合がある。粉末状の第3のリチウム化合物の平均粒径は0.1μm以上、70μm以下であることが好ましく、さらに好ましくは1μm以上、30μm以下である。この平均粒径が大きいと、正極集電体表面への正極活物質層の成膜時に正極活物質層に不均一な凹凸が生じる場合がある。一方、平均粒径が小さいときは、成膜された正極活物質層の正極集電体への結着性が低くなる場合がある。 The specific surface area of the obtained powdery third lithium compound 0.01 m 2 / g or more, 10 m 2 / g or less, more preferably more preferably 0.1 m 2 / g or more, 3m 2 / g or less. The larger the specific surface area, the more binders are required for constituting the positive electrode active material layer, and this is disadvantageous in terms of the capacity density of the electrode. On the other hand, when the specific surface area is too small, the ionic conductivity between the electrolyte solution and the positive electrode active material may decrease. The average particle size of the powdery third lithium compound is preferably 0.1 μm or more and 70 μm or less, more preferably 1 μm or more and 30 μm or less. If this average particle size is large, unevenness in the positive electrode active material layer may occur during the formation of the positive electrode active material layer on the surface of the positive electrode current collector. On the other hand, when the average particle size is small, the binding property of the formed positive electrode active material layer to the positive electrode current collector may be low.
作製した粉末状の第1、第2、第3のリチウム化合物がそれぞれ所定の結晶構造を有しているかどうかの評価は、粉末X線回折によって行うことができる。粉末状の各リチウム化合物をそれぞれ粉末X線回折装置にセットし、特性X線を照射して得られる回折光の回折角と強度を測定して、得られた結果をICDD Cards(International Centre for Diffraction Data Cards:粉末X線回折図形データベースカード)に照会することにより、その結晶構造を同定する。本発明の場合は、得られた粉末状の第1、第2、第3のリチウム化合物の回折パターンを、LiMn2O4、LiFePO4、LiNiO2の各結晶構造における回折パターンとそれぞれ比較し、回折強度を測定することにより、生成した化合物の結晶構造とその結晶化率を特定することが可能である。 Whether the produced powdery first, second, and third lithium compounds each have a predetermined crystal structure can be evaluated by powder X-ray diffraction. Each powdered lithium compound is set in a powder X-ray diffractometer, and the diffraction angle and intensity of the diffracted light obtained by irradiating with characteristic X-rays are measured. Data Cards: Powder X-ray diffraction pattern database card) to identify the crystal structure. In the case of the present invention, the diffraction patterns of the obtained powdery first, second and third lithium compounds are respectively compared with the diffraction patterns in the crystal structures of LiMn 2 O 4 , LiFePO 4 and LiNiO 2 . By measuring the diffraction intensity, it is possible to specify the crystal structure and the crystallization rate of the generated compound.
以上の方法により得られた粉末状の第1、第2、第3のリチウム化合物を混合し、金属箔からなる集電体の表面に塗布して正極活物質層を形成し、正極とする。その方法は以下の通りである。まず、粉末状の第1、第2、第3のリチウム化合物をそれぞれ所定の割合にて混合し、正極活物質とする。次いでこの正極活物質に、導電性付与材、結着剤、非水有機溶媒を混合し、十分に攪拌してスラリー状とした後に集電体の表面に塗布し、膜状に形成して乾燥固化させる。ここで導電性付与材としては、アセチレンブラック、カーボンブラック、黒鉛、または繊維状炭素などの炭素材料が好適に用いられ、その他にアルミニウムなどの金属粉末、導電性酸化物の粉末などを使用することができる。また結着剤としては、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)やアクリル系ポリマー、イミド系ポリマーなどが用いられる。有機溶媒は非水系であり、各溶質の分散性や乾燥固化の容易性を考慮して適切に選択される。また集電体としてはアルミニウムやアルミニウム合金、チタンなどを主体とする金属箔の使用が好適である。 The powdery first, second, and third lithium compounds obtained by the above method are mixed and applied to the surface of a current collector made of a metal foil to form a positive electrode active material layer to obtain a positive electrode. The method is as follows. First, powdery first, second, and third lithium compounds are mixed at a predetermined ratio, respectively, to obtain a positive electrode active material. Next, this positive electrode active material is mixed with a conductivity-imparting material, a binder, and a non-aqueous organic solvent, sufficiently stirred to form a slurry, and then applied to the surface of the current collector, formed into a film, and dried. Solidify. Here, as the conductivity imparting material, a carbon material such as acetylene black, carbon black, graphite, or fibrous carbon is preferably used, and in addition, a metal powder such as aluminum, a conductive oxide powder, or the like is used. Can do. As the binder, polyvinylidene fluoride (PVDF), an acrylic polymer, an imide polymer, or the like is used. The organic solvent is non-aqueous and is appropriately selected in consideration of dispersibility of each solute and ease of drying and solidification. The current collector is preferably a metal foil mainly composed of aluminum, an aluminum alloy, titanium, or the like.
ここで導電性付与材の好ましい添加量は、有機溶媒を除いた正極活物質、導電性付与材および結着剤の合計量に対して0.5〜30重量%であり、また結着剤の好ましい添加量は、同様に前記合計量に対して1〜10重量%である。ここで混合する導電性付与材や結着剤の含有比率が小さ過ぎるときは、形成された正極活物質層における電気伝導度が小さくなり、それにより電池の充放電のレート特性(一定量の電荷を充放電するための速さ)が小さくなったり、電極剥離の問題が生じたりする場合がある。また逆に導電性付与材や結着剤の含有比率が大き過ぎるときは、正極活物質の含有比率が小さくなるために、作製するリチウムイオン二次電池のエネルギー密度が低下し、電池の単位重量あたりの充電容量が小さくなる場合がある。正極活物質の好ましい含有比率は前記合計量に対して70重量%以上、98.5重量%以下であり、さらに好ましくは85重量%以上、97重量%以下である。 Here, the preferable addition amount of the conductivity imparting material is 0.5 to 30% by weight with respect to the total amount of the positive electrode active material excluding the organic solvent, the conductivity imparting material and the binder, A preferable addition amount is similarly 1 to 10 weight% with respect to the said total amount. When the content ratio of the conductivity-imparting material and the binder mixed here is too small, the electric conductivity in the formed positive electrode active material layer becomes small, and thereby the charge / discharge rate characteristics (a certain amount of charge) of the battery. The speed for charging / discharging the battery may be reduced, and electrode peeling may occur. Conversely, when the content ratio of the conductivity-imparting material and the binder is too large, the content ratio of the positive electrode active material is reduced, so that the energy density of the lithium ion secondary battery to be produced is reduced, and the unit weight of the battery Per charge capacity may be small. A preferable content ratio of the positive electrode active material is 70% by weight or more and 98.5% by weight or less, and more preferably 85% by weight or more and 97% by weight or less with respect to the total amount.
集電体の表面に塗布により形成される正極活物質層の密度には上限および下限がある。一般に正極活物質層の密度が高過ぎる場合には、この正極活物質層に形成される空隙が少ないために、リチウムイオン二次電池の正極の周囲を満たす電解質溶液が正極電極の空隙に入りにくくなる。このためLiイオンの移動量が小さくなり、電池の充放電のレート特性が小さくなることがある。一方、正極活物質層の密度が小さ過ぎる場合には、前記の正極活物質層における正極活物質の含有比率が小さい場合と同様に、作製するリチウムイオン二次電池のエネルギー密度が低下する場合がある。このため、正極活物質層の密度は、1g/cm3以上、4.5g/cm3以下であることが好ましい。さらに好ましくは、2g/cm3以上、4g/cm3以下である。 There is an upper limit and a lower limit for the density of the positive electrode active material layer formed by coating on the surface of the current collector. In general, when the density of the positive electrode active material layer is too high, the electrolyte solution that fills the periphery of the positive electrode of the lithium ion secondary battery is less likely to enter the gap of the positive electrode because there are few voids formed in the positive electrode active material layer. Become. For this reason, the amount of movement of Li ions is reduced, and the charge / discharge rate characteristics of the battery may be reduced. On the other hand, when the density of the positive electrode active material layer is too small, the energy density of the lithium ion secondary battery to be manufactured may be reduced as in the case where the content ratio of the positive electrode active material in the positive electrode active material layer is small. is there. For this reason, the density of the positive electrode active material layer is preferably 1 g / cm 3 or more and 4.5 g / cm 3 or less. More preferably, it is 2 g / cm 3 or more and 4 g / cm 3 or less.
リチウムイオン二次電池の負極を構成する負極活物質としては、黒鉛、ハードカーボン、ソフトカーボンなどの炭素材料や、SiOx(xはOの含有量)などのシリコン酸化物、シリコン、シリコンとシリコン以外の元素を含むシリコン複合化合物、スズもしくはスズ酸化物、スズとスズ以外の元素を含むスズ複合酸化物、アルミニウム合金、リチウム金属、チタン酸化物やLi4Ti5O12などの物質を、それぞれ単独もしくは混合して用いることができる。また負極は正極と同様の方法にて作製されるが、集電体としては、Liイオンと反応しにくい銅、ニッケル、ステンレス、銀などを主体とする金属箔の使用が好適である。 Examples of the negative electrode active material constituting the negative electrode of the lithium ion secondary battery include carbon materials such as graphite, hard carbon, and soft carbon, silicon oxides such as SiOx (x is an O content), silicon, silicon, and silicon other than silicon Silicon composite compounds containing these elements, tin or tin oxide, tin composite oxides containing elements other than tin and tin, aluminum alloys, lithium metals, titanium oxide, and Li 4 Ti 5 O 12 Or it can mix and use. The negative electrode is produced by the same method as that of the positive electrode. However, as the current collector, it is preferable to use a metal foil mainly composed of copper, nickel, stainless steel, silver, or the like that does not easily react with Li ions.
本発明におけるリチウムイオン二次電池に使用可能な電解質溶液としては、非プロトン性有機溶媒の中から、1種または2種以上を混合して使用することが好適である。その有機溶媒とは以下のものである。 As the electrolyte solution that can be used for the lithium ion secondary battery in the present invention, it is preferable to use one or a mixture of two or more of aprotic organic solvents. The organic solvent is as follows.
即ち、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ブチレンカーボネート(BC)、ビニレンカーボネート(VC)などの環状カーボネート類、ジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、ジプロピルカーボネート(DPC)などの鎖状カーボネート類、ギ酸メチル、酢酸メチル、プロピオン酸エチルなどの脂肪族カルボン酸エステル類、γ−ブチロラクトンなどのγ−ラクトン類、1,2−エトキシエタン(DEE)、エトキシメトキシエタン(EME)などの鎖状エーテル類、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフランなどの環状エーテル類、ジメチルスルホキシド、1,3−ジオキソラン、ホルムアミド、アセトアミド、ジメチルホルムアミド、アセトニトリル、プロピルニトリル、ニトロメタン、エチルモノグライム、リン酸トリエステル、トリメトキシメタン、ジオキソラン誘導体、スルホラン、メチルスルホラン、1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノン、3−メチル−2−オキサゾリジノン、プロピレンカーボネート誘導体、テトラヒドロフラン誘導体、エチルエーテル、1,3−プロパンスルトン、アニソール、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)、フッ素化カルボン酸エステルなどである。 That is, cyclic carbonates such as ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), butylene carbonate (BC), vinylene carbonate (VC), dimethyl carbonate (DMC), ethyl methyl carbonate (EMC), diethyl carbonate (DEC), Chain carbonates such as dipropyl carbonate (DPC), aliphatic carboxylic acid esters such as methyl formate, methyl acetate and ethyl propionate, γ-lactones such as γ-butyrolactone, 1,2-ethoxyethane (DEE) , Chain ethers such as ethoxymethoxyethane (EME), cyclic ethers such as tetrahydrofuran and 2-methyltetrahydrofuran, dimethyl sulfoxide, 1,3-dioxolane, formamide, acetamide, dimethylform Muamide, acetonitrile, propylnitrile, nitromethane, ethyl monoglyme, phosphoric acid triester, trimethoxymethane, dioxolane derivative, sulfolane, methylsulfolane, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, 3-methyl-2-oxazolidinone, Examples thereof include propylene carbonate derivatives, tetrahydrofuran derivatives, ethyl ether, 1,3-propane sultone, anisole, N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), and fluorinated carboxylic acid esters.
また、前記非プロトン性有機溶媒に対してポリマーなどを添加して、電解質溶液をゲル状に固化したものを用いてもよい。さらに、環状のアンモニウムカチオンや同アニオンなどに代表される、常温溶融塩やイオン液体を用いてもよい。これらの電解質溶液の中では、その導電性や高電圧下での安定性などの観点から、環状カーボネート類と鎖状カーボネート類とを混合して使用する方法がとくに適している。 Moreover, a polymer or the like may be added to the aprotic organic solvent to solidify the electrolyte solution into a gel. Furthermore, a room temperature molten salt or an ionic liquid represented by a cyclic ammonium cation or the same anion may be used. Among these electrolyte solutions, a method of using a mixture of cyclic carbonates and chain carbonates is particularly suitable from the viewpoints of electrical conductivity and stability under high voltage.
これらの電解質溶液には、支持塩としてリチウム塩を溶解させて使用する。溶解させるリチウム塩としては、LiPF6、LiAsF6、LiAlCl4、LiClO4、LiBF4、LiSbF6、LiCF3SO3、LiC4F9SO3、LiC(CF3SO2)3、LiN(CF3SO2)2、LiN(C2F5SO2)2、LiCH3SO3、LiC2H5SO3、LiC3H7SO3、低級脂肪族カルボン酸リチウムおよびその他のカルボン酸リチウム、クロロボランリチウム、四フェニルホウ酸リチウム、LiBr、LiI、LiSCN、LiCl、LiFなどが挙げられる。溶解させた支持塩の電解質濃度は、0.5mol/l以上、1.5mol/l以下とすることが好ましい。支持塩の電解質濃度が高過ぎるときには、電解質溶液の密度と粘度が増加して、Liイオンの移動が妨げられると考えられる。逆に電解質濃度が低過ぎるときには、電解質溶液の電気伝導率が低下する場合がある。 In these electrolyte solutions, lithium salts are dissolved and used as supporting salts. Examples of the lithium salt to be dissolved include LiPF 6 , LiAsF 6 , LiAlCl 4 , LiClO 4 , LiBF 4 , LiSbF 6 , LiCF 3 SO 3 , LiC 4 F 9 SO 3 , LiC (CF 3 SO 2 ) 3 , LiN (CF 3 SO 2) 2, LiN (C 2 F 5 SO 2) 2, LiCH 3 SO 3, LiC 2 H 5 SO 3, LiC 3 H 7 SO 3, lower aliphatic lithium carboxylate and other lithium carboxylate, chloroborane Examples include lithium, lithium tetraphenylborate, LiBr, LiI, LiSCN, LiCl, and LiF. The electrolyte concentration of the dissolved support salt is preferably 0.5 mol / l or more and 1.5 mol / l or less. When the electrolyte concentration of the supporting salt is too high, it is considered that the density and viscosity of the electrolyte solution increase and the movement of Li ions is hindered. Conversely, when the electrolyte concentration is too low, the electrical conductivity of the electrolyte solution may decrease.
なお、本発明のリチウムイオン二次電池に用いられるセパレータは、プロピレンフィルムなどの高分子フィルムの使用が適している。本発明に係るリチウムイオン二次電池は、前記方法により、正極集電体、負極集電体の表面にそれぞれ正極活物質層、負極活物質層を形成して正極および負極として、両者の間にセパレータを介して積層して電極体とする。この電極体を、乾燥空気もしくは不活性ガス雰囲気中において、合成樹脂と金属箔とを積層してなるフィルム構造体などの内部に電解質溶液とともに密封することにより、単板ラミネート型セルを有するリチウムイオン二次電池を作製することができる。もしくは前記電極体をさらに捲き回して捲回体として、同じく乾燥空気もしくは不活性ガス雰囲気中において、電池缶に収納して電解質溶液を充填し、封口することによって、円筒型もしくは角型のセルを有するリチウムイオン二次電池を作製することができる。 The separator used in the lithium ion secondary battery of the present invention is suitably a polymer film such as a propylene film. According to the lithium ion secondary battery of the present invention, a positive electrode active material layer and a negative electrode active material layer are formed on the surfaces of a positive electrode current collector and a negative electrode current collector, respectively. It laminates through a separator to make an electrode body. By sealing this electrode body together with an electrolyte solution inside a film structure formed by laminating a synthetic resin and a metal foil in dry air or an inert gas atmosphere, lithium ions having a single plate laminate type cell A secondary battery can be manufactured. Alternatively, the electrode body is further wound to form a wound body, which is also housed in a battery can in a dry air or inert gas atmosphere, filled with an electrolyte solution, and sealed to form a cylindrical or square cell. The lithium ion secondary battery which has can be produced.
ここで作製したリチウムイオン二次電池の正極の電位は、Liの電位に対して5.5V以下であることが必要である。一般にリチウムイオン二次電池では、その正極電位が高いときには電解質溶液の分解が進行するという性質があり、とくに60℃以上の高温にて充放電を繰り返す場合や保存する場合に電池の信頼性を保つためには、正極電位が5.2V以下であることが好ましく、さらに好ましくは4.5V以下である。一方、負極の電位は、Liの電位に対して0V以上であることが必要である。 The potential of the positive electrode of the lithium ion secondary battery manufactured here needs to be 5.5 V or less with respect to the potential of Li. In general, lithium ion secondary batteries have the property that decomposition of the electrolyte solution proceeds when the positive electrode potential is high, and the reliability of the battery is maintained particularly when charging / discharging is repeated or stored at a high temperature of 60 ° C. or higher. Therefore, the positive electrode potential is preferably 5.2 V or less, more preferably 4.5 V or less. On the other hand, the potential of the negative electrode needs to be 0 V or more with respect to the potential of Li.
正極活物質として混合する第1、第2、第3のリチウム化合物のそれぞれの組成、および前記第1、第2、第3のリチウム化合物の間の混合比率を変更して、様々な組成および混合比率のリチウムイオン二次電池を作製し、その各々を実施例および比較例とした。一連のリチウムイオン二次電池は、全て同一形状の単板ラミネート型セルを有するものである。これらのリチウムイオン二次電池に対して高温保持を行い、放電容量の低下に関する評価を行った。以下で実施例および比較例のリチウムイオン二次電池の作製方法および評価方法を説明する。なお、作製した実施例および比較例の各々のリチウムイオン二次電池では、使用した第1、第2、第3のリチウム化合物の各組成、およびその混合比率以外の条件は全て同一である。 Various compositions and mixtures can be obtained by changing the composition of each of the first, second and third lithium compounds to be mixed as the positive electrode active material and the mixing ratio between the first, second and third lithium compounds. Proportion of lithium ion secondary batteries were prepared, each of which was used as an example and a comparative example. A series of lithium ion secondary batteries all have single-plate laminated cells of the same shape. These lithium ion secondary batteries were held at a high temperature and evaluated for a reduction in discharge capacity. In the following, methods for producing and evaluating lithium ion secondary batteries of Examples and Comparative Examples will be described. In each of the fabricated lithium ion secondary batteries of Examples and Comparative Examples, the conditions other than the compositions of the first, second, and third lithium compounds used and the mixing ratio thereof are all the same.
(第1のリチウム化合物の作製)
出発原料としてLiOHおよびMnO2(EMD)を用いるとともに、Mnサイトに添加する元素の出発原料として、必要に応じて前記LiOHおよびNi(OH)2、Mg(OH)2、Al(OH)3、Co3O4、B2O3、Fe2O3の各々を用い、それぞれを目的とする第1のリチウム化合物の組成比となるように秤量した。次いでこれらの原料を混合して乳鉢にて1時間以上粉砕混合した後に、900℃の空気中で12時間焼成した。この1回目の焼成の後に前記混合物を再度粉砕混合し、酸素雰囲気中にてさらに700℃、12時間の条件で2回目の焼成を行った。その後、50μmメッシュの篩にかけて混合物から粗粒を除去し、第1のリチウム化合物の組成を有する正極活物質材料の粉末を得た。ここで得られた粉末材料は、作製した全組成の第1のリチウム化合物において比表面積がいずれも0.1m2/gないし5m2/gであり、平均粒径がいずれも0.5μmないし40μmの範囲であった。また粉末X線回折により、得られた粉末材料がLiMn2O4の結晶構造を有し、90%以上の結晶化率(粉末材料中で、LiMn2O4の結晶構造を有するものの重量比)を有していることを確認した。
(Preparation of first lithium compound)
LiOH and MnO 2 (EMD) are used as starting materials, and the LiOH and Ni (OH) 2 , Mg (OH) 2 , Al (OH) 3 , if necessary, as starting materials for elements added to the Mn site, Each of Co 3 O 4 , B 2 O 3 , and Fe 2 O 3 was used and weighed so as to achieve the desired composition ratio of the first lithium compound. Next, these raw materials were mixed and pulverized and mixed for 1 hour or more in a mortar, and then baked in air at 900 ° C. for 12 hours. After the first firing, the mixture was pulverized and mixed again, and further fired in an oxygen atmosphere at 700 ° C. for 12 hours. Thereafter, the coarse particles were removed from the mixture through a 50 μm mesh sieve to obtain a powder of a positive electrode active material having the composition of the first lithium compound. The powder material obtained here has a specific surface area of 0.1 m 2 / g to 5 m 2 / g in the first lithium compound of all compositions prepared, and an average particle size of 0.5 μm to 40 μm. Range. Further, by powder X-ray diffraction, the obtained powder material has a crystal structure of LiMn 2 O 4 and a crystallization ratio of 90% or more (weight ratio of the powder material having a crystal structure of LiMn 2 O 4 ) It was confirmed that it has.
(第2のリチウム化合物の作製)
出発原料としてLi2CO3、(CH3COO)2Fe、NH4H2PO4を用いるとともに、Feサイトに添加する元素の出発原料として、必要に応じて前記MnCO3、MgCO3、NiSO4、CoSO4の各々を用い、それぞれを目的とする第2のリチウム化合物の組成比となるように秤量した。次いでこれらの原料を混合して乳鉢にて1時間以上粉砕混合した後に、300℃の窒素雰囲気中でまず12時間の仮焼成を行い、さらに同じく窒素雰囲気中にて600℃、24時間の条件で焼成を行った。その後、50μmメッシュの篩にかけて混合物から粗粒を除去し、第2のリチウム化合物の組成を有する正極活物質材料の粉末を得た。ここで得られた粉末材料は、作製した全組成の第2のリチウム化合物において比表面積がいずれも0.1m2/gないし5m2/gであり、また平均粒径がいずれも0.5μmないし40μmの範囲であった。また粉末X線回折により、得られた粉末材料がLiFePO4の結晶構造を有し、その結晶化率が90%以上であることを確認した。
(Production of second lithium compound)
Li 2 CO 3 , (CH 3 COO) 2 Fe, and NH 4 H 2 PO 4 are used as starting materials, and the MnCO 3 , MgCO 3 , and NiSO 4 are optionally used as starting materials for elements added to the Fe site. Each of CoSO 4 was weighed so that the composition ratio of the second lithium compound was the target. Next, these raw materials were mixed and pulverized and mixed in a mortar for 1 hour or more, and then pre-baked for 12 hours in a nitrogen atmosphere at 300 ° C., and further under the conditions of 600 ° C. and 24 hours in a nitrogen atmosphere. Firing was performed. Then, coarse particles were removed from the mixture through a 50 μm mesh sieve to obtain a powder of a positive electrode active material having the composition of the second lithium compound. The powder material obtained here has a specific surface area of 0.1 m 2 / g to 5 m 2 / g in the second lithium compound of the total composition produced, and an average particle size of 0.5 μm to The range was 40 μm. Further, it was confirmed by powder X-ray diffraction that the obtained powder material had a crystal structure of LiFePO 4 and the crystallization rate was 90% or more.
(第3のリチウム化合物の作製)
出発原料としてLiOHおよびNi(OH)2を用いるとともに、Niサイトに添加する元素の出発原料として、必要に応じて前記LiOHおよびCo(OH)3、Al(OH)3、MnO2、Mg(OH)2の各々を用い、それぞれを目的とする第3のリチウム化合物の組成比となるように秤量した。次いでこれらの原料を混合して乳鉢にて1時間以上粉砕混合した後に、900℃の空気中で12時間焼成した。この1回目の焼成の後に生成物を再度粉砕混合し、酸素雰囲気中にて700℃、12時間の条件でさらに2回目の焼成を行った。その後、50μmメッシュの篩にかけて混合物から粗粒を除去し、第3のリチウム化合物の組成を有する正極活物質材料の粉末を得た。ここで得られた粉末材料は、作製した全組成の第3のリチウム化合物において比表面積がいずれも0.1m2/gないし5m2/gであり、また平均粒径がいずれも0.5μmないし40μmの範囲であった。また粉末X線回折により、得られた粉末材料がLiNiO2の結晶構造を有し、その結晶化率が90%以上であることを確認した。
(Preparation of third lithium compound)
LiOH and Ni (OH) 2 are used as starting materials, and the LiOH and Co (OH) 3 , Al (OH) 3 , MnO 2 , Mg (OH are optionally used as starting materials for the elements added to the Ni site. ) Each of 2 was used and weighed so that the composition ratio of the target third lithium compound was obtained. Next, these raw materials were mixed and pulverized and mixed for 1 hour or more in a mortar, and then baked in air at 900 ° C. for 12 hours. After the first firing, the product was pulverized and mixed again, and further fired in the oxygen atmosphere at 700 ° C. for 12 hours. Then, coarse particles were removed from the mixture through a 50 μm mesh sieve to obtain a powder of a positive electrode active material having a composition of a third lithium compound. The powder material obtained here has a specific surface area of 0.1 m 2 / g to 5 m 2 / g in the third lithium compound of all compositions prepared, and an average particle diameter of 0.5 μm to 5 μm. The range was 40 μm. Further, it was confirmed by powder X-ray diffraction that the obtained powder material had a crystal structure of LiNiO 2 and the crystallization rate was 90% or more.
(正極電極の作製)
前記工程でそれぞれ得られた正極活物質材料である第1、第2、第3のリチウム化合物の粉末材料と、導電性付与材とを、結着剤を有機溶媒に溶解させた溶液に分散させて混練し、スラリー状とした。ここで導電性付与材としては炭素材料であるカーボンブラックを、また結着剤としてはポリフッ化ビニリデン(PVDF)を、有機溶媒としてはN−メチル−2−ピロリドン(NMP)をそれぞれ使用した。ここで正極活物質、導電付与材、結着剤の重量比をそれぞれ90:6:4とした。こうして作製したスラリーを、厚さ20μmのアルミニウム(Al)箔からなる正極集電体上に塗布して正極活物質層を形成し、積層体とした。その際に、作製する正極電極の単位面積あたりの初回充電容量(組立を行った無充電の電池に最初に満充電を行う場合に電池に蓄積される電荷量)が2.0mAh/cm2となるように、塗布する正極活物質層の厚さを調整した。その後、作製した積層体を真空中で12時間乾燥させて固化し、正極電極材料とした。この正極電極材料を縦20mm、横20mmの正方形に切り出した。その後、3t/cm2の圧力で加圧成形して、1個の電池に用いられる1枚の正極電極を作製した。
(Preparation of positive electrode)
The first, second, and third lithium compound powder materials, which are the positive electrode active material materials obtained in the above-described steps, and the conductivity imparting material are dispersed in a solution in which a binder is dissolved in an organic solvent. And kneaded to form a slurry. Here, carbon black, which is a carbon material, was used as a conductivity imparting material, polyvinylidene fluoride (PVDF) was used as a binder, and N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) was used as an organic solvent. Here, the weight ratio of the positive electrode active material, the conductivity-imparting material, and the binder was 90: 6: 4, respectively. The slurry thus produced was applied on a positive electrode current collector made of an aluminum (Al) foil having a thickness of 20 μm to form a positive electrode active material layer, thereby obtaining a laminate. At that time, the initial charge capacity per unit area of the positive electrode to be produced (the amount of charge accumulated in the battery when the fully charged non-charged battery is first fully charged) is 2.0 mAh / cm 2 Thus, the thickness of the positive electrode active material layer to be applied was adjusted. Then, the produced laminated body was dried in vacuum for 12 hours and solidified to obtain a positive electrode material. This positive electrode material was cut into a 20 mm long and 20 mm wide square. Then, it pressure-molded with the pressure of 3 t / cm < 2 >, and produced one positive electrode used for one battery.
(負極電極の作製)
負極活物質として黒鉛の粉末材料と、導電性付与材とを、結着剤を有機溶媒に溶解させた溶液に分散させて混練し、スラリー状とした。ここで導電性付与材としては炭素材料であるカーボンブラックを、結着剤としてはポリフッ化ビニリデン(PVDF)を、有機溶媒としてはN−メチル−2−ピロリドン(NMP)をそれぞれ使用した。次に、作製したスラリーを厚さ10μmの銅(Cu)箔からなる負極集電体上に塗布して負極活物質層を形成し、積層体とした。その際に、作製する負極電極の単位面積あたりの初回充電容量が2.4mAh/cm2となるように、塗布する負極活物質層の厚さを調整した。その後、前記正極電極材料の場合と同様に、作製した積層体を真空中で12時間乾燥させて固化し、負極電極材料とした。この負極電極材料を縦22mm、横22mmの正方形に切り出した。その後、1t/cm2の圧力で加圧成形して、1個の電池に用いられる1枚の負極電極を作製した。
(Preparation of negative electrode)
A graphite powder material as a negative electrode active material and a conductivity imparting material were dispersed in a solution in which a binder was dissolved in an organic solvent and kneaded to form a slurry. Here, carbon black as a carbon material was used as the conductivity imparting material, polyvinylidene fluoride (PVDF) was used as the binder, and N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) was used as the organic solvent. Next, the prepared slurry was applied on a negative electrode current collector made of a copper (Cu) foil having a thickness of 10 μm to form a negative electrode active material layer, thereby obtaining a laminate. At that time, the thickness of the negative electrode active material layer to be applied was adjusted so that the initial charge capacity per unit area of the negative electrode to be manufactured was 2.4 mAh / cm 2 . Thereafter, as in the case of the positive electrode material, the produced laminate was dried and solidified in vacuum for 12 hours to obtain a negative electrode material. This negative electrode material was cut into a square of 22 mm length and 22 mm width. Then, it pressure-molded with the pressure of 1 t / cm < 2 >, and produced one negative electrode used for one battery.
(電解質溶液の作製)
またリチウムイオン二次電池に用いる電解質溶液は、有機溶媒としてエチレンカーボネート(EC)とエチルメチルカーボネート(EMC)とを体積比で30:70の割合にて混合したものを用い、これに支持塩としてLiPF6を溶解させて使用した。この支持塩LiPF6の濃度は1mol/lとした。
(Preparation of electrolyte solution)
Moreover, the electrolyte solution used for a lithium ion secondary battery uses what mixed ethylene carbonate (EC) and ethyl methyl carbonate (EMC) in the ratio of 30:70 by the volume ratio as an organic solvent, and uses this as supporting salt. LiPF 6 was dissolved and used. The concentration of the supporting salt LiPF 6 was 1 mol / l.
(リチウムイオン二次電池の組立)
前記の方法により作製した正極電極と負極電極とを、正極、負極の活物質層どうしが互いに対向するように配置し、両者の間にセパレータを挟んでラミネートセルからなる電池セル内に設置した。ここでセパレータとしては絶縁体であるポリプロピレンのフィルムを使用し、その形状は正極電極、負極電極のいずれよりも面積が広くなるようにした。このため、正極電極および負極電極はセパレータによって互いに絶縁されている。次に正極集電体の端部に電池外部への引き出しリードであるAlタブを、負極集電体の端部に同じく引き出しリードのニッケル(Ni)タブをそれぞれ接合し、各々のタブの先端が電池のラミネートセルの外部に引き出されるようにした。次いで電池のラミネートセル内に電解質溶液を充填し、ラミネートセルを密閉して、単板ラミネート型の電池セルを有するリチウムイオン二次電池の組立を行った。なおこれらの一連の組立工程では、同一組成の正極活物質を有するリチウムイオン二次電池を各10個作製している。
(Assembly of lithium ion secondary battery)
The positive electrode and the negative electrode prepared by the above method were placed so that the positive and negative active material layers face each other, and were placed in a battery cell made of a laminate cell with a separator interposed therebetween. Here, a polypropylene film as an insulator was used as the separator, and the shape of the separator was larger than that of either the positive electrode or the negative electrode. For this reason, the positive electrode and the negative electrode are insulated from each other by the separator. Next, an Al tab, which is a lead leading out of the battery, is joined to the end of the positive electrode current collector, and a nickel (Ni) tab of the lead lead is similarly joined to the end of the negative electrode current collector. It was pulled out of the laminate cell of the battery. Next, an electrolyte solution was filled in the battery laminate cell, the laminate cell was sealed, and a lithium ion secondary battery having a single-plate laminate type battery cell was assembled. In these series of assembly steps, ten lithium ion secondary batteries each having a positive electrode active material having the same composition are produced.
(リチウムイオン二次電池の評価)
前記工程により作製したリチウムイオン二次電池に対して、以下の評価方法を実施した。まず作製したリチウムイオン二次電池に対して、最初に上限電圧を4.2V、電流値を8mAとして定電流定電圧方式で充電を行い、満充電とした(初回充電)。次いで下限電圧を3.0Vとして定電流での放電を行った(初回放電)。なお、このときの放電容量(初回放電により電池から取り出された電荷量)を初回放電容量と定義する。
(Evaluation of lithium ion secondary battery)
The following evaluation method was implemented with respect to the lithium ion secondary battery produced by the said process. First, the prepared lithium ion secondary battery was charged by a constant current and constant voltage method with an upper limit voltage of 4.2 V and a current value of 8 mA, and was fully charged (initial charge). Next, the discharge was performed at a constant current with the lower limit voltage set to 3.0 V (initial discharge). The discharge capacity at this time (the amount of charge taken out from the battery by the initial discharge) is defined as the initial discharge capacity.
この初回の充放電の後に、初回充電と同一の充電条件にて再び充電を行って満充電の状態として、その状態のままで電池を60℃に保持し、90日間保存した。保存終了後に、20℃の温度雰囲気中で8mAの定電流で前記と同じ下限電圧の3.0Vまで一度放電した後に、上限電圧を4.2Vとして、初回充電の10倍の電流密度である、80mAの電流値にて定電流定電圧方式で15分間の急速充電を行った。その後に8mAの定電流で再び3.0Vの下限電圧まで放電を行い、そのときの放電容量を測定した。これを保持後放電容量と定義する。この、各電池における初回放電容量に対する保持後放電容量の値の比率を測定し、正極活物質における第1、第2、第3のリチウム化合物の組成および混合比率を変更した場合に、この放電容量の比率の値がどう変化するかをそれぞれ評価した。 After the first charge / discharge, the battery was charged again under the same charging conditions as the first charge to obtain a fully charged state, and the battery was kept at 60 ° C. and stored for 90 days. After the end of storage, after discharging once to 3.0 V of the same lower limit voltage as described above at a constant current of 8 mA in a temperature atmosphere of 20 ° C., the upper limit voltage is 4.2 V and the current density is 10 times that of the initial charge. Rapid charging was performed for 15 minutes by a constant current constant voltage method at a current value of 80 mA. Thereafter, discharging was performed again at a constant current of 8 mA to a lower limit voltage of 3.0 V, and the discharge capacity at that time was measured. This is defined as the discharge capacity after holding. When the ratio of the value of the discharge capacity after holding to the initial discharge capacity in each battery is measured, and the composition and mixing ratio of the first, second, and third lithium compounds in the positive electrode active material are changed, this discharge capacity We evaluated how the ratio value of each changed.
ここで、前記の通り、各電池の初回充電容量はそれぞれ2.0mAh/cm2の一定値となるように設定されており、またLiイオンの捕捉、放出を行う正極電極の面積は各電池とも縦20mm、横20mmである。従って、各電池の初回充電容量はいずれも8mAhで同一ある。このため各電池とも8mAの定電流にて充電を行えば、1時間でほぼ満充電が可能である。以下では、この8mAの定電流での充電を1Cと記すこととする。ただし充電の際には上限電圧が設定されているので、各電池の実際の充電は、充電電圧が上限電圧に達した時点で定電圧充電に移行する、定電流定電圧充電である。従って、例えば最初は80mAの定電流で充電を行い、上限電圧に達した時点で定電圧充電に移行し、合計15分間の充電を行う場合は、10C15分の定電流定電圧充電である。リチウムイオン二次電池の評価における60℃、90日間の保存後の放電の後の、80mAの電流値での15分間の急速充電は、この10C15分の定電流定電圧充電である。 Here, as described above, the initial charge capacity of each battery is set to a constant value of 2.0 mAh / cm 2 , and the area of the positive electrode that captures and releases Li ions is the same for each battery. It is 20 mm long and 20 mm wide. Therefore, the initial charge capacity of each battery is the same at 8 mAh. Therefore, if each battery is charged at a constant current of 8 mA, it can be almost fully charged in one hour. Hereinafter, charging at a constant current of 8 mA is referred to as 1C. However, since the upper limit voltage is set at the time of charging, the actual charging of each battery is constant current constant voltage charging that shifts to constant voltage charging when the charging voltage reaches the upper limit voltage. Therefore, for example, charging is initially performed at a constant current of 80 mA, and when the upper limit voltage is reached, the charging is switched to constant voltage charging. The fast charge for 15 minutes at the current value of 80 mA after the discharge after storage at 60 ° C. for 90 days in the evaluation of the lithium ion secondary battery is this constant current / constant voltage charge at 10 C15.
以上の作製条件によって、正極活物質における第1、第2、第3のリチウム化合物の組成および混合比率を変更したリチウムイオン二次電池を作製し、各実施例および比較例とした。次いで各電池に対して初回充電および初回放電と再度の充電、60℃、90日間の高温保持の後に放電および急速充電とさらなる放電を行い、初回放電容量に対する保持後放電容量の値を測定してその比率(以下、容量維持率)を評価した。その評価結果を表1ないし表19にそれぞれ示す。各表には、それぞれのリチウムイオン二次電池を構成する正極活物質内の各々のリチウム化合物の組成もしくは混合比率(百分率、単位%)と、各組成での容量維持率の値(単位%)、および評価結果(○および×)を示している。なお組成や混合比率ごとに評価したリチウムイオン二次電池は各10個であり、各組成の電池における容量維持率の値はこの10個の電池における測定値の平均値である。 A lithium ion secondary battery in which the compositions and mixing ratios of the first, second, and third lithium compounds in the positive electrode active material were changed under the above production conditions was used as Examples and Comparative Examples. Next, after each battery is initially charged, initially discharged and recharged, held at a high temperature of 60 ° C. for 90 days, discharged and rapidly charged and further discharged, and the value of the discharged capacity after holding relative to the initial discharge capacity was measured. The ratio (hereinafter, capacity retention rate) was evaluated. The evaluation results are shown in Tables 1 to 19, respectively. Each table shows the composition or mixing ratio (percentage, unit%) of each lithium compound in the positive electrode active material constituting each lithium ion secondary battery, and the capacity maintenance ratio value (unit%) for each composition. , And evaluation results (◯ and ×). The number of lithium ion secondary batteries evaluated for each composition and mixing ratio is 10 each, and the capacity retention rate of the batteries of each composition is the average value of the measured values of these 10 batteries.
(評価基準)
以下に示す表1ないし表19では、各実施例および比較例における容量維持率の値がそれぞれ50%以上の場合を良好(○判定)、50%未満の場合を不良(×判定)とした。この判定基準は、JIS(日本工業規格)C8711「ポータブル機器用リチウム二次電池」として規格化されている基準に準拠したものである。同規格には、リチウムイオン二次電池の満たすべき長期保存後の容量回復に関する規格として、電池を一度充放電し、次に50%の充電状態となるまで充電し、その状態で周囲温度40±2℃の条件で90日間保存して、一度放充電を行ってから周囲温度20±5℃において定電流(0.2C)で放電する試験方法が記載されている。この最後の放電容量が、最初の充放電時の放電容量に対して50%以上(長期保存後の容量回復が50%以上)であることが、長期保存に関する同規格の要求事項である。
(Evaluation criteria)
In Tables 1 to 19 shown below, the case where the capacity retention ratio value in each of the examples and comparative examples is 50% or more is judged as good (◯ judgment), and the case where it is less than 50% is judged as bad (x judgment). This criterion is based on a standard standardized as JIS (Japanese Industrial Standard) C8711 “Lithium Secondary Battery for Portable Devices”. In this standard, as a standard for capacity recovery after long-term storage that should be satisfied by a lithium ion secondary battery, the battery is charged and discharged once, and then charged until it reaches a 50% charge state. A test method is described in which the sample is stored for 90 days at 2 ° C., discharged once, and then discharged at a constant current (0.2 C) at an ambient temperature of 20 ± 5 ° C. It is a requirement of the same standard regarding long-term storage that this last discharge capacity is 50% or more (capacity recovery after long-term storage is 50% or more) with respect to the discharge capacity at the time of first charge / discharge.
本発明のリチウムイオン二次電池に関する前記の評価方法と、このJIS C8711に記載の評価方法とを比較すると、電池の保存期間(90日間)や電池の保持後の放電容量の測定時の周囲温度(20℃)などの条件は同じである。しかし、保存時の温度(本発明での評価:60℃、JIS C8711:40℃)や保存時の充電容量(本発明:満充電、JIS C8711:50%充電)などの点で、JIS C8711に比較して、本発明による評価の基準の方が、より過酷なものであると言える。 Comparing the above-described evaluation method relating to the lithium ion secondary battery of the present invention with the evaluation method described in JIS C8711, the ambient temperature at the time of measuring the storage period of the battery (90 days) and the discharge capacity after holding the battery Conditions such as (20 ° C.) are the same. However, in terms of storage temperature (evaluation according to the present invention: 60 ° C., JIS C8711: 40 ° C.) and storage capacity during storage (the present invention: full charge, JIS C8711: 50% charge), JIS C8711 In comparison, it can be said that the evaluation criteria according to the present invention are more severe.
なぜなら、一般にリチウムイオン二次電池においては、より高温での保持、および充電率が高い状態での保存の場合の方が、劣化がより速く進行することが確認されているためである。またJIS C8711では、90日間の高温保持後の充電方法についてはとくに規定がないが、これを一般的な充電方法によるものと解釈すると、1Cでの充電と考えて差し支えない。これに対して本発明による評価では、高温保持後の充電方法として10C15分の急速充電を実施している。この場合、90日間の高温保持によって、もし電池の内部インピーダンスが大きく増加した場合は、15分以内に充電される電池の容量が低下することとなり、これは容量維持率の大きな低下として表れることとなる。従って、本発明における高温保持の前後での容量維持率の評価方法は、50%以上の場合を良好と判定する評価基準についてはJIS C8711と同等であるものの、実際の試験内容の過酷さにより、JIS C8711の基準を実質的にかなり上回るものとなっている。 This is because, in general, in a lithium ion secondary battery, it has been confirmed that deterioration proceeds faster in the case of holding at a higher temperature and storing in a state where the charging rate is high. In JIS C8711, the charging method after 90 days of holding at high temperature is not specified, but if it is interpreted as a general charging method, it can be considered as charging at 1C. On the other hand, in the evaluation according to the present invention, rapid charging for 10 C15 is performed as a charging method after holding at high temperature. In this case, if the internal impedance of the battery is greatly increased by maintaining the high temperature for 90 days, the capacity of the battery charged within 15 minutes will decrease, and this will appear as a large decrease in capacity maintenance rate. Become. Therefore, the evaluation method for the capacity retention rate before and after holding at high temperature in the present invention is equivalent to JIS C8711 for the evaluation criteria for determining the case of 50% or more as good, but due to the severity of the actual test contents, It substantially exceeds the standard of JIS C8711.
このように、本発明における電池の評価方法を、日本工業規格に定められた一般的な方法と比較してより過酷な基準とした理由は、近年はとくにポータブル電子機器に搭載されるリチウムイオン二次電池では、長期使用時の充電容量の維持に関して、ユーザーサイドから以前に増して厳しい水準を満足する製品を要求されていることによる。本発明で採用した評価基準を満たすリチウムイオン二次電池は、従来の電池と比較して、長期保存時の容量維持率に関してより優れた特性を有している。本発明は、このような容量維持率に関する高い要求水準を満足させるために、その正極活物質の構成について具体的に特定し、それにより従来技術による電池に比べて優れた特性を得たものである。 As described above, the reason why the battery evaluation method according to the present invention is made to be a stricter standard than the general method defined in the Japanese Industrial Standard is that in recent years, lithium ion This is because the secondary battery requires a product that satisfies a stricter level than ever before in terms of maintaining the charging capacity during long-term use. A lithium ion secondary battery that satisfies the evaluation criteria employed in the present invention has more excellent characteristics with respect to capacity retention during long-term storage than conventional batteries. The present invention specifically specifies the structure of the positive electrode active material in order to satisfy such a high requirement level regarding the capacity retention rate, and thereby obtains characteristics superior to those of the conventional battery. is there.
(実施例1〜99、比較例1〜95)
本発明におけるリチウムイオン二次電池を構成する正極活物質を構成する第1、第2、第3のリチウム化合物の組成をそれぞれ特定の値に固定して、各々のリチウム化合物の混合比率を変えて電池を作製し、それぞれ実施例1〜99および比較例1〜95とした。それらの容量維持率の評価結果を表1ないし表4に示す。ここで第1、第2、第3のリチウム化合物の組成はそれぞれ、LiMn1.95Al0.05O4、LiFe0.9Mn0.1PO4、LiNi0.95Al0.05O2である。また、各電池の負極活物質はいずれも黒鉛であり、評価した各実施例および比較例のリチウムイオン二次電池の個数は各10個である。なお、各表では第1〜第3のリチウム化合物の混合比をそれぞれ百分率(重量比、単位%)で示しており、3者の合計は100%である。また容量維持率(単位%)の値は、前記10個の電池の測定値の平均値である。また判定として、前記判定基準に従って、良好(○)であるか、不良(×)であるかをそれぞれ記号により記した。
(Examples 1-99, Comparative Examples 1-95)
The composition of the first, second and third lithium compounds constituting the positive electrode active material constituting the lithium ion secondary battery in the present invention is fixed to a specific value, and the mixing ratio of each lithium compound is changed. Batteries were produced and designated as Examples 1 to 99 and Comparative Examples 1 to 95, respectively. Tables 1 to 4 show the evaluation results of the capacity retention rates. Here, the compositions of the first, second, and third lithium compounds are LiMn 1.95 Al 0.05 O 4 , LiFe 0.9 Mn 0.1 PO 4 , and LiNi 0.95 Al 0.05 O 2 , respectively. In addition, the negative electrode active material of each battery is graphite, and the number of lithium ion secondary batteries evaluated in each of the examples and comparative examples is ten. In each table, the mixing ratio of the first to third lithium compounds is shown as a percentage (weight ratio, unit%), and the total of the three is 100%. The capacity retention rate (unit%) is an average value of the measured values of the 10 batteries. Further, as a determination, according to the determination criterion, whether it was good (◯) or defective (×) was indicated by a symbol.
また、前記表1〜4に記載した実施例1〜99および比較例1〜95の各々の組成を、三元図として図2に記載した。図2では容量維持率が50%以上の場合(実施例1〜99)を「○」、同50%未満の場合(比較例1〜95)の場合を「×」にて示している。図2から分かるように、容量維持率が50%以上(判定が「○」)となる条件は、正極活物質の製造時の第1、第2、第3のリチウム化合物の混合比をa:b:c(a+b+C=100%、a、b、cは重量比)とした場合に、各リチウム化合物の混合比が、0<a≦90、0<b≦50、0<c≦50の範囲を満たす場合である。 Moreover, each composition of Examples 1-99 described in the said Tables 1-4 and Comparative Examples 1-95 was described in FIG. 2 as a ternary figure. In FIG. 2, the case where the capacity maintenance ratio is 50% or more (Examples 1 to 99) is indicated by “◯”, and the case where the capacity maintenance rate is less than 50% (Comparative Examples 1 to 95) is indicated by “X”. As can be seen from FIG. 2, the condition for the capacity retention rate to be 50% or more (determination is “◯”) is that the mixing ratio of the first, second, and third lithium compounds at the time of manufacturing the positive electrode active material is a: When b: c (a + b + C = 100%, a, b, c are weight ratios), the mixing ratio of each lithium compound is in the range of 0 <a ≦ 90, 0 <b ≦ 50, 0 <c ≦ 50 This is the case.
(実施例100〜198、比較例96〜190)
第1、第2、第3のリチウム化合物の添加元素が前記実施例1〜99および比較例1〜95の場合とは異なる場合について、各々のリチウム化合物の組成を特定の値に固定して、それらの混合比率のみを変えて電池を作製し、それぞれ実施例100〜198および比較例96〜190とした。それらの容量維持率の評価結果を表5ないし表8に示す。ここで第1、第2、第3のリチウム化合物の組成はそれぞれ、LiMn1.95Mg0.05O4、LiFe0.9Ni0.1PO4、LiNi0.95Co0.05O2である。各電池の負極活物質はいずれも黒鉛である。各実施例および比較例のリチウムイオン二次電池の評価個数は各10個であり、表9の容量維持率の値はその平均値である。なお表5〜表8の各項目の表記は、前記表1〜表4と同一である。
(Examples 100 to 198, Comparative Examples 96 to 190)
When the additive elements of the first, second, and third lithium compounds are different from those in Examples 1 to 99 and Comparative Examples 1 to 95, the composition of each lithium compound is fixed to a specific value, Batteries were produced by changing only their mixing ratios, and Examples 100 to 198 and Comparative Examples 96 to 190 were used, respectively. Tables 5 to 8 show the evaluation results of the capacity retention rates. Here, the compositions of the first, second, and third lithium compounds are LiMn 1.95 Mg 0.05 O 4 , LiFe 0.9 Ni 0.1 PO 4 , and LiNi 0.95 Co 0.05 O 2 , respectively. The negative electrode active material of each battery is graphite. The number of evaluated lithium ion secondary batteries in each of the examples and comparative examples is 10 each, and the capacity retention rate values in Table 9 are average values. In addition, the description of each item of Table 5-Table 8 is the same as the said Table 1-Table 4.
また、前記表5〜表8に記載した実施例100〜198および比較例96〜190の各々の組成を、三元図として図3に記載した。図3でも図2の場合と同じく容量維持率が50%以上の場合(実施例100〜198)を「○」、同50%未満の場合(比較例96〜190)の場合を「×」にて示している。図3において容量維持率が50%以上(判定が「○」)となる条件は、正極活物質の製造時の第1、第2、第3のリチウム化合物の混合比をa:b:c(a+b+C=100%、a、b、cは重量比)とした場合に、図2の場合と同様に、各リチウム化合物の混合比が、やはり0<a≦90、0<b≦50、0<c≦50の範囲を満たす場合である。 The compositions of Examples 100 to 198 and Comparative Examples 96 to 190 described in Tables 5 to 8 are shown in FIG. 3 as a ternary diagram. Also in FIG. 3, the case where the capacity maintenance ratio is 50% or more (Examples 100 to 198) is “◯”, and the case where the capacity maintenance rate is less than 50% (Comparative Examples 96 to 190) is “×”. It shows. In FIG. 3, the condition for the capacity retention rate to be 50% or more (determination is “◯”) is that the mixing ratio of the first, second, and third lithium compounds at the time of manufacturing the positive electrode active material is a: b: c ( a + b + C = 100%, a, b, and c are weight ratios), as in the case of FIG. 2, the mixing ratio of each lithium compound is 0 <a ≦ 90, 0 <b ≦ 50, 0 < This is a case where the range of c ≦ 50 is satisfied.
表1および表8と図2、図3の評価結果から、本発明の第1、第2、第3のリチウム化合物を特定の割合で混合して正極活物質とすることにより、60℃の高温保持を行った後でもリチウムイオン二次電池の容量維持率を50%以上とすることが可能であるということが分かる。この容量維持率の値は、本発明のリチウムイオン二次電池が高温保持を行った後でも内部インピーダンスの値が依然として低く、従来の電池と比較して急速充電特性が大きく改善されていることを示している。またこの場合に正極活物質を構成する第1、第2、第3のリチウム化合物の混合比率は、それぞれ第1のリチウム化合物が90重量%以下、第2のリチウム化合物が50重量%以下、第3のリチウム化合物が50重量%以下であり、いずれも0%の場合を含まない。 From the evaluation results shown in Tables 1 and 8 and FIGS. 2 and 3, by mixing the first, second and third lithium compounds of the present invention at a specific ratio to obtain a positive electrode active material, a high temperature of 60 ° C. It can be seen that the capacity maintenance rate of the lithium ion secondary battery can be 50% or more even after the holding. This capacity retention ratio indicates that the internal impedance value is still low even after the lithium ion secondary battery of the present invention is kept at a high temperature, and that the rapid charging characteristics are greatly improved compared to the conventional battery. Show. In this case, the mixing ratio of the first, second, and third lithium compounds constituting the positive electrode active material is 90% by weight or less for the first lithium compound, 50% by weight or less for the second lithium compound, 3 lithium compound is 50 weight% or less, and all do not include the case of 0%.
(実施例199〜210、比較例191〜195)
第1、第2、第3のリチウム化合物の混合比率を固定するとともに、第2、第3のリチウム化合物の組成も固定した。さらに第1のリチウム化合物のMnの置換元素もCo(コバルト)もしくはMg(マグネシウム)のいずれかに固定して、Mnに対する置換比率のみを変えてリチウムイオン二次電池を作製し、その容量維持率がどのように変化するのかを評価した。なお比較例として、Mnを全く置換しない場合を比較例191とした。評価結果を実施例199〜210および比較例191〜195として表9に示す。表9において第1、第2、第3のリチウム化合物の混合比率はそれぞれ70重量%、10重量%、20重量%であり、各組成はそれぞれ、LiMn2-x(Co,Mg)xO4(xはCoまたはMgによる置換量)、LiFe0.9Ni0.1PO4、LiNi0.9Mn0.1O2である。各電池の負極活物質はいずれも黒鉛である。各実施例および比較例のリチウムイオン二次電池の評価個数は各10個であり、表9に示した容量維持率の値はその平均値である。なお表9の各項目の表記は、前記表1〜表4などと同一である。
(Examples 199 to 210, Comparative Examples 191 to 195)
While the mixing ratio of the first, second, and third lithium compounds was fixed, the compositions of the second and third lithium compounds were also fixed. Further, the Mn substitution element of the first lithium compound is also fixed to either Co (cobalt) or Mg (magnesium), and only the substitution ratio with respect to Mn is changed to produce a lithium ion secondary battery. Was evaluated how it changed. As a comparative example, the case where Mn was not substituted at all was designated as Comparative Example 191. The evaluation results are shown in Table 9 as Examples 199 to 210 and Comparative Examples 191 to 195. In Table 9, the mixing ratios of the first, second, and third lithium compounds are 70 wt%, 10 wt%, and 20 wt%, respectively, and the respective compositions are LiMn 2-x (Co, Mg) x O 4. (X is a substitution amount by Co or Mg), LiFe 0.9 Ni 0.1 PO 4 , LiNi 0.9 Mn 0.1 O 2 . The negative electrode active material of each battery is graphite. The number of evaluated lithium ion secondary batteries in each of the examples and comparative examples is 10 each, and the capacity retention ratio values shown in Table 9 are average values. In addition, the description of each item of Table 9 is the same as the said Table 1-Table 4.
表9によると、第1のリチウム化合物のMnの置換量が0.3以下の場合にリチウムイオン二次電池の容量維持率が50%以上となり、従来の電池と比較して良好な急速充電特性が得られることが分かる。ただし、Mnの置換量が0(ゼロ)の場合にはそのような効果は生じない。また、Mnの置換量が前記範囲の場合は、置換元素がCo、Mgのいずれであっても良好な容量維持率が得られることが分かる。 According to Table 9, when the substitution amount of Mn of the first lithium compound is 0.3 or less, the capacity retention rate of the lithium ion secondary battery is 50% or more, which is good quick charge characteristics as compared with the conventional battery. It can be seen that However, such an effect does not occur when the substitution amount of Mn is 0 (zero). In addition, when the substitution amount of Mn is in the above range, it can be seen that a good capacity retention ratio can be obtained regardless of whether the substitution element is Co or Mg.
(実施例211〜214、比較例196)
前記表9の場合と同様に第1、第2、第3のリチウム化合物の混合比率と第2、第3のリチウム化合物の組成を固定して、第1のリチウム化合物のMnの置換元素のみを変えてリチウムイオン二次電池を作製し、その容量維持率の変化を評価した。Mnの置換元素はNi、B(ホウ素)、Al、Liの4種類とし、比較例としてBa(バリウム)による置換を行った場合の電池を作製した。また各々の置換元素によるMnの置換量も0.1に固定した。これらの評価結果を実施例211〜214および比較例196として表10に示す。表10での第1のリチウム化合物の組成は、LiMn1.9Ma0.1O4(MaはNi,B,Al,Li,Baのいずれか)である。各実施例や比較例のリチウムイオン二次電池の評価個数など、その他の条件は全て前記表9に示した各実施例や比較例の場合と同一である。
(Examples 211 to 214, Comparative Example 196)
As in Table 9, the mixing ratio of the first, second, and third lithium compounds and the composition of the second and third lithium compounds are fixed, and only the Mn substitution element of the first lithium compound is changed. A lithium ion secondary battery was produced by changing the capacity retention rate. There were four types of substitution elements of Mn, Ni, B (boron), Al, and Li, and a battery was produced when substitution with Ba (barium) was performed as a comparative example. The amount of Mn substitution by each substitution element was also fixed at 0.1. These evaluation results are shown in Table 10 as Examples 211 to 214 and Comparative Example 196. The composition of the first lithium compound in Table 10 is LiMn 1.9 Ma 0.1 O 4 (Ma is one of Ni, B, Al, Li, and Ba). All other conditions such as the evaluation number of the lithium ion secondary batteries of the examples and comparative examples are the same as those of the examples and comparative examples shown in Table 9.
表10の結果によれば、第1のリチウム化合物のMnをNi、B、Al、Liのいずれかの元素により0.1だけ置換した場合には、前記のCoもしくはMgによる場合と同様に、リチウムイオン二次電池の容量維持率は50%以上となる。よって従来の電池と比較して良好な急速充電特性が得られることが分かる。ただし、本発明の請求範囲外の元素であるBaによって置換した場合には所定の効果を得ることができなかった。この結果は、イオン化したBa(Ba2+)のイオン半径が置換されるMn3+のイオン半径の2倍以上と大きいことに関係しており、Mnの置換元素には一定の制約があることを示すものである。 According to the result of Table 10, when Mn of the first lithium compound is replaced by 0.1 by any element of Ni, B, Al, Li, as in the case of Co or Mg, The capacity retention rate of the lithium ion secondary battery is 50% or more. Therefore, it can be seen that good quick charge characteristics can be obtained as compared with the conventional battery. However, a predetermined effect could not be obtained when the element was replaced by Ba which is an element outside the scope of the present invention. This result is related to the fact that the ion radius of ionized Ba (Ba 2+ ) is larger than twice the ion radius of Mn 3+ to be substituted, and that Mn substitution elements have certain restrictions. Is shown.
(実施例215〜287、比較例197〜270)
前記表9、表10の場合と同様に、第1、第2、第3のリチウム化合物の混合比率と第2、第3のリチウム化合物の組成を固定した。そして第1のリチウム化合物のMnを複数種類の元素で置換するとともに、その置換比率を変えてリチウムイオン二次電池を作製し、容量維持率の変化を評価した。Mnの置換元素はCo、Mg、Alであり、これらの中から選択した2種類もしくは3種類の元素によりMnを置換した。これらの評価結果を実施例215〜287および比較例197〜270として表11ないし表13に示す。表11〜13において、第1のリチウム化合物の組成はLiMn2-x(Co,Mg,Al)xO4(xはCo,Mg,Alによる置換量の合計)である。各実施例や比較例のリチウムイオン二次電池の評価個数など、その他の条件は全て前記表9、表10に示した各実施例や比較例の場合と同一である。
(Examples 215 to 287, Comparative Examples 197 to 270)
As in Tables 9 and 10, the mixing ratio of the first, second, and third lithium compounds and the composition of the second and third lithium compounds were fixed. And while substituting Mn of the 1st lithium compound with several types of elements, the substitution ratio was changed, the lithium ion secondary battery was produced, and the change of a capacity | capacitance maintenance factor was evaluated. Substitution elements for Mn were Co, Mg, and Al, and Mn was substituted with two or three kinds of elements selected from these. These evaluation results are shown in Tables 11 to 13 as Examples 215 to 287 and Comparative Examples 197 to 270. In Tables 11 to 13, the composition of the first lithium compound is LiMn 2-x (Co, Mg, Al) x O 4 (x is the total amount of substitution by Co, Mg, Al). Other conditions such as the evaluation number of the lithium ion secondary batteries of the examples and comparative examples are all the same as those of the examples and comparative examples shown in Tables 9 and 10 above.
表11〜13では、CoとAl、CoとMg、およびCo、Al、Mg全ての元素の、各々の組み合わせによって第1のリチウム化合物のMnを置換した場合について、それぞれ評価を行っている。表11〜13によると、これらのうちのどのような組み合わせであっても、その置換量が0.3以下の場合にリチウムイオン二次電池の容量維持率が50%以上となり、従来の電池と比較して良好な急速充電特性が得られることが分かる。ただし、前記表9の比較例191に示されるように、Mnの置換量が0(ゼロ)の場合にはこのような効果は生じない。 In Tables 11-13, evaluation is performed for the case where Mn of the first lithium compound is substituted by each combination of Co and Al, Co and Mg, and all elements of Co, Al, and Mg. According to Tables 11-13, in any combination of these, when the amount of substitution is 0.3 or less, the capacity maintenance rate of the lithium ion secondary battery is 50% or more. It can be seen that good quick charge characteristics can be obtained. However, as shown in Comparative Example 191 of Table 9, such an effect does not occur when the amount of Mn substitution is 0 (zero).
(実施例288〜295、比較例271〜275)
第1、第2、第3のリチウム化合物の混合比率を固定するとともに、今度は第1および第3のリチウム化合物の組成を固定した。そして第2のリチウム化合物のFeの置換元素のみを変えてリチウムイオン二次電池を作製し、その容量維持率の変化を評価した。なお比較例として、Feを全く置換しない場合を比較例271とした。評価結果を実施例288〜295および比較例271〜275として表14に示す。表14において、第1、第2、第3のリチウム化合物の混合比率はそれぞれ70重量%、10重量%、20重量%であり、各組成はそれぞれ、LiMn1.95Al0.05O4、LiFe1-xMbxPO4(MbはMn,Mg,Ni,Coのいずれか、xはその置換量)、LiNi0.9Mn0.1O2である。各電池の負極活物質はいずれも黒鉛である。各実施例および比較例のリチウムイオン二次電池の評価個数は各10個であり、表14に示した容量維持率の値はその平均値である。なお表14の各項目の表記は、前記表1〜表4などと同一である。
(Examples 288 to 295, Comparative Examples 271 to 275)
While the mixing ratio of the first, second and third lithium compounds was fixed, the composition of the first and third lithium compounds was fixed this time. And only the substitution element of Fe of the 2nd lithium compound was changed, the lithium ion secondary battery was produced, and the change of the capacity | capacitance maintenance factor was evaluated. As a comparative example, the case where Fe was not substituted at all was designated as Comparative Example 271. The evaluation results are shown in Table 14 as Examples 288 to 295 and Comparative Examples 271 to 275. In Table 14, the mixing ratios of the first, second, and third lithium compounds are 70 wt%, 10 wt%, and 20 wt%, respectively, and the compositions are LiMn 1.95 Al 0.05 O 4 , LiFe 1-x, respectively. Mb x PO 4 (Mb is any of Mn, Mg, Ni, Co, and x is the amount of substitution thereof), LiNi 0.9 Mn 0.1 O 2 . The negative electrode active material of each battery is graphite. The number of evaluations of the lithium ion secondary batteries of each example and comparative example is 10 each, and the capacity retention rate values shown in Table 14 are average values thereof. In addition, the description of each item of Table 14 is the same as the said Table 1-Table 4.
表14によると、第2のリチウム化合物のFeの置換量が0.2以下の場合にリチウムイオン二次電池の容量維持率が50%以上となり、従来の電池と比較して良好な急速充電特性が得られることが分かる。ただし、Feの置換量が0(ゼロ)の場合にはそのような効果は生じない。また、Feの置換量が前記範囲の場合は、置換元素がMn、Mgのいずれであっても良好な容量維持率が得られることが分かる。さらに実施例294、295によると、Feの置換元素としてNiおよびCoを選択した場合にも、同様に良好な容量維持率が得られることが分かる。 According to Table 14, when the amount of substitution of Fe in the second lithium compound is 0.2 or less, the capacity retention rate of the lithium ion secondary battery is 50% or more, which is good quick charge characteristics as compared with the conventional battery. It can be seen that However, such an effect does not occur when the substitution amount of Fe is 0 (zero). In addition, when the amount of substitution of Fe is within the above range, it can be seen that a good capacity retention ratio can be obtained regardless of whether the substitution element is Mn or Mg. Further, according to Examples 294 and 295, it can be seen that a good capacity retention rate is obtained even when Ni and Co are selected as the substitution elements for Fe.
(実施例296〜303、比較例276〜280)
第1、第2、第3のリチウム化合物の混合比率を固定するとともに、第1、第2のリチウム化合物の組成も固定した。さらに第3のリチウム化合物のNiの置換元素もMnもしくはAlのいずれかに固定して、Niに対する置換比率のみを変えてリチウムイオン二次電池を作製し、その容量維持率がどのように変化するのかを評価した。なお比較例として、Niを全く置換しない場合を比較例276とした。評価結果を実施例296〜303および比較例276〜280として表15に示す。表15において、第1、第2、第3のリチウム化合物の混合比率はそれぞれ70重量%、10重量%、20重量%であり、各組成はそれぞれ、LiMn1.95Li0.05O4、LiFe0.9Mn0.1PO4、LiNi1-x(Mn,Al)xO2(xはMnまたはAlによる置換量)である。各電池の負極活物質はいずれも黒鉛である。各実施例および比較例のリチウムイオン二次電池の評価個数は各10個であり、表15に示した容量維持率の値はその平均値である。なお表15の各項目の表記は、前記表1〜表4などと同一である。
(Examples 296 to 303, Comparative Examples 276 to 280)
While the mixing ratio of the first, second, and third lithium compounds was fixed, the compositions of the first and second lithium compounds were also fixed. Furthermore, the substitution element of Ni in the third lithium compound is also fixed to either Mn or Al, and only the substitution ratio with respect to Ni is changed to produce a lithium ion secondary battery, and how the capacity maintenance ratio changes. It was evaluated. As a comparative example, the case where Ni was not substituted at all was designated as comparative example 276. The evaluation results are shown in Table 15 as Examples 296 to 303 and Comparative Examples 276 to 280. In Table 15, the mixing ratios of the first, second, and third lithium compounds are 70 wt%, 10 wt%, and 20 wt%, respectively, and the respective compositions are LiMn 1.95 Li 0.05 O 4 , LiFe 0.9 Mn 0.1 PO 4 , LiNi 1-x (Mn, Al) x O 2 (x is a substitution amount by Mn or Al). The negative electrode active material of each battery is graphite. The number of evaluations of the lithium ion secondary batteries of each example and comparative example is 10 each, and the capacity retention rate values shown in Table 15 are average values. In addition, the description of each item of Table 15 is the same as the said Table 1-Table 4.
表15によると、第3のリチウム化合物のNiの置換量が0.3以下の場合にリチウムイオン二次電池の容量維持率が50%以上となり、従来の電池と比較して良好な急速充電特性が得られることが分かる。ただし、Niの置換量が0(ゼロ)の場合にはそのような効果は生じない。また、Niの置換量が前記範囲の場合は、置換元素がMn、Alのいずれであっても良好な容量維持率が得られることが分かる。 According to Table 15, when the amount of substitution of Ni in the third lithium compound is 0.3 or less, the capacity retention rate of the lithium ion secondary battery is 50% or more, which is good quick charge characteristics as compared with the conventional battery. It can be seen that However, such an effect does not occur when the substitution amount of Ni is 0 (zero). It can also be seen that when the amount of substitution of Ni is in the above range, a good capacity retention ratio can be obtained regardless of whether the substitution element is Mn or Al.
(実施例304〜306)
前記表15の場合と同様に第1、第2、第3のリチウム化合物の混合比率と第2、第3のリチウム化合物の組成を固定して、第3のリチウム化合物のNiの置換元素のみを変えてリチウムイオン二次電池を作製し、その容量維持率の変化を評価した。Niの置換元素はMg、Co、Liの3種類である。また各々の置換元素によるNiの置換量も0.1に固定した。これらの評価結果を実施例304〜306として表16に示す。表16での第3のリチウム化合物の組成は、LiNi0.9Mc0.1O2(McはMg,Co,Liのいずれか)である。各実施例や比較例のリチウムイオン二次電池の評価個数など、その他の条件は全て前記表15に示した各実施例や比較例の場合と同一である。
(Examples 304 to 306)
As in the case of Table 15, the mixing ratio of the first, second and third lithium compounds and the composition of the second and third lithium compounds are fixed, and only the Ni substitution element of the third lithium compound is obtained. A lithium ion secondary battery was produced by changing the capacity retention rate. There are three types of substitution elements for Ni: Mg, Co, and Li. Further, the amount of substitution of Ni by each substitution element was also fixed at 0.1. These evaluation results are shown in Table 16 as Examples 304 to 306. The composition of the third lithium compound in Table 16 is LiNi 0.9 Mc 0.1 O 2 (Mc is any one of Mg, Co, and Li). All other conditions such as the evaluation number of the lithium ion secondary batteries of the examples and comparative examples are the same as those of the examples and comparative examples shown in Table 15 above.
表16の結果によれば、第3のリチウム化合物のNiをMg、Co、Liのいずれかの元素により0.1だけ置換した場合には、前記のMnもしくはAlによる場合と同様に、リチウムイオン二次電池の容量維持率は50%以上となる。よって従来の電池と比較して良好な急速充電特性が得られることが分かる。 According to the results of Table 16, when Ni in the third lithium compound is replaced by 0.1 with any element of Mg, Co, and Li, lithium ions are obtained as in the case of Mn or Al. The capacity maintenance rate of the secondary battery is 50% or more. Therefore, it can be seen that good quick charge characteristics can be obtained as compared with the conventional battery.
(実施例307〜379、比較例281〜354)
前記表15、表16の場合と同様に、第1、第2、第3のリチウム化合物の混合比率と第1、第2のリチウム化合物の組成を固定した。そして第3のリチウム化合物のNiを複数種類の元素で置換するとともに、その置換比率を変えてリチウムイオン二次電池を作製し、容量維持率の変化を評価した。Niの置換元素はAl、Co、Mnであり、これらの中から選択した2種類もしくは3種類の元素によりNiを置換した。これらの評価結果を実施例307〜379および比較例281〜354として表17ないし表19に示す。表17〜19において、第3のリチウム化合物の組成はLiNi1-x(Al,Co,Mn)xO2(xはAl,Co,Mnによる置換量の合計)である。各実施例や比較例のリチウムイオン二次電池の評価個数など、その他の条件は全て前記表15、表16に示した各実施例や比較例の場合と同一である。
(Examples 307 to 379, Comparative Examples 281 to 354)
As in Tables 15 and 16, the mixing ratio of the first, second, and third lithium compounds and the composition of the first and second lithium compounds were fixed. Then, while replacing Ni of the third lithium compound with a plurality of kinds of elements, lithium ion secondary batteries were produced by changing the substitution ratio, and the change in capacity retention rate was evaluated. Ni substitution elements were Al, Co, and Mn, and Ni was substituted with two or three kinds of elements selected from these. These evaluation results are shown in Tables 17 to 19 as Examples 307 to 379 and Comparative Examples 281 to 354. In Tables 17 to 19, the composition of the third lithium compound is LiNi 1-x (Al, Co, Mn) x O 2 (x is the total amount of substitution by Al, Co, Mn). Other conditions such as the evaluation number of the lithium ion secondary batteries of the examples and comparative examples are all the same as those of the examples and comparative examples shown in Tables 15 and 16 above.
表17〜19では、AlとCo、AlとMn、およびCo、Al、Mn全ての元素の、各々の組み合わせによって第3のリチウム化合物のNiを置換した場合について、それぞれ評価を行っている。表17〜19によると、これらのうちのどのような組み合わせであっても、その置換量が0.3以下の場合にリチウムイオン二次電池の容量維持率が50%以上となり、従来の電池と比較して良好な急速充電特性が得られることが分かる。ただし、前記表15の比較例276に示されるように、Niの置換量が0(ゼロ)の場合にはこのような効果は生じない。 In Tables 17-19, evaluation is performed for the case where Ni of the third lithium compound is substituted by each combination of Al and Co, Al and Mn, and all elements of Co, Al, and Mn. According to Tables 17-19, in any combination of these, when the amount of substitution is 0.3 or less, the capacity retention rate of the lithium ion secondary battery is 50% or more, It can be seen that good quick charge characteristics can be obtained. However, as shown in Comparative Example 276 in Table 15, such an effect does not occur when the amount of Ni substitution is 0 (zero).
前記表1ないし表19に記載した一連の評価によって、以下のことが確認された。それぞれ結晶構造の安定化を図るために、LiMn2O4の組成のMnの一部を他の元素で置換した第1のリチウム化合物、LiFePO4の組成のFeの一部を他の元素で置換した第2のリチウム化合物、およびLiNiO2の組成のNiの一部を他の元素で置換した第3のリチウム化合物の三者を、特定の比率で混合して正極活物質となし、これらを用いてリチウムイオン二次電池をそれぞれ作製した。このようにして作製したリチウムイオン二次電池は、60℃、90日間の高温保持を行った後であっても、十分に大きな容量維持率を維持することが可能であった。 The series of evaluations described in Tables 1 to 19 confirmed the following. In order to stabilize the crystal structure, a first lithium compound in which a part of Mn having a composition of LiMn 2 O 4 is replaced with another element, and a part of Fe having a composition of LiFePO 4 is replaced with another element. The third lithium compound obtained by substituting a part of Ni having a composition of LiNiO 2 with another element was mixed at a specific ratio to form a positive electrode active material, and these were used. Lithium ion secondary batteries were produced respectively. The lithium ion secondary battery produced in this manner was able to maintain a sufficiently large capacity maintenance rate even after holding at a high temperature of 60 ° C. for 90 days.
以上により、本発明に係るリチウムイオン二次電池は、ユーザによる長時間の使用の後でも十分な急速充電特性を維持できるものと考えられる。従って、本発明によれば、ユーザが実際に使用するための、高い信頼性を備えたリチウムイオン二次電池を提供することができる。また、上記説明は、本発明の実施の形態に係る場合の効果について説明するためのものであって、これによって特許請求の範囲に記載の発明を限定し、あるいは請求の範囲を減縮するものではない。また、本発明の各部構成は上記実施の形態に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である。 From the above, it is considered that the lithium ion secondary battery according to the present invention can maintain sufficient rapid charging characteristics even after long-term use by the user. Therefore, according to this invention, the lithium ion secondary battery provided with the high reliability for a user's actual use can be provided. Further, the above description is for explaining the effect in the case of the embodiment of the present invention, and is not intended to limit the invention described in the claims or to reduce the scope of the claims. Absent. Moreover, each part structure of this invention is not restricted to the said embodiment, A various deformation | transformation is possible within the technical scope as described in a claim.
11 正極活物質層
12 負極活物質層
13 正極集電体
14 負極集電体
15 セパレータ
16,17 外装ラミネート
18 正極タブ
19 負極タブ
DESCRIPTION OF
Claims (4)
Li:Mn:Ma=1:2−x:x(0<x<2、MaはLi、B、Mg、Al、Co、Niから選択される1種以上)
である組成の第1のリチウム化合物と、
化学式がLiFePO4の結晶構造を持つ酸化物であり、該酸化物に含有されるLi、Feおよび添加元素Mbのモル比率が、
Li:Fe:Mb=1:1−y:y(0<y<1、MbはMn、Mg、Ni、Coから選択される1種以上)
である組成の第2のリチウム化合物と、
化学式がLiNiO2の結晶構造を持つ酸化物であり、該酸化物に含有されるLi、Niおよび添加元素Mcのモル比率が、
Li:Ni:Mc=1:1−z:z(0<z<1、McはLi、Mg、Mn、Al、Coから選択される1種以上)
である組成の第3のリチウム化合物とからなる正極活物質を含むことを特徴とするリチウムイオン二次電池用正極。 The chemical formula is an oxide having a crystal structure of LiMn 2 O 4 , and the molar ratio of Li, Mn and additive element Ma contained in the oxide is
Li: Mn: Ma = 1: 2-x: x (0 <x <2, Ma is one or more selected from Li, B, Mg, Al, Co, Ni)
A first lithium compound having a composition of
The chemical formula is an oxide having a crystal structure of LiFePO 4 , and the molar ratio of Li, Fe and additive element Mb contained in the oxide is
Li: Fe: Mb = 1: 1-y: y (0 <y <1, Mb is one or more selected from Mn, Mg, Ni, Co)
A second lithium compound of the composition
The chemical formula is an oxide having a crystal structure of LiNiO 2 , and the molar ratio of Li, Ni and additive element Mc contained in the oxide is
Li: Ni: Mc = 1: 1-z: z (0 <z <1, Mc is one or more selected from Li, Mg, Mn, Al, Co)
A positive electrode for a lithium ion secondary battery, comprising a positive electrode active material comprising a third lithium compound having a composition of
前記yが、0<y≦0.2であり、
前記zが、0<z≦0.3であることを特徴とする請求項1に記載のリチウムイオン二次電池用正極。 X is 0 <x ≦ 0.3,
Y is 0 <y ≦ 0.2;
The positive electrode for a lithium ion secondary battery according to claim 1, wherein z is 0 <z ≦ 0.3.
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