JP2011029199A - Positive electrode material for lithium secondary battery, positive electrode for lithium secondary battery, and lithium secondary battery - Google Patents
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Abstract
【課題】 高温安定性や高温サイクル特性等の高温特性に優れるリチウムイオン二次電池
に使用できるマンガン系化合物を提供する。
【解決手段】 マンガン酸化物及び/又はリチウムマンガン複合酸化物を正極活物質として含有する正極材料において、下記保存試験によるPF6アニオンの分解量が1×10μ
mol以下であるリチウム二次電池用正極材料。
保存試験
a)24mgの正極材料を集電体に圧着してなる正極と、対極としてLi金属と、電解液として1.0mol/LのLiPF6を含むECとDECとの混合液(体積比3:7)を
使用した電池素子を組み立て、これを充電電流密度0.2mA/cm2で上限電圧4.2
Vまで充電した後、次いで電池素子を解体し、該正極を、
b)アルゴンガス雰囲気下
c)乾燥させたポリテトラフルオロエチレン容器内で、
d)1.0mol/LのLiPF6を含む、EC1.5mlとDEC3.5mlとの混合
液中に浸漬し、
e)80℃で一週間保存し、保存前後の混合液中のPF6アニオンの量を測定し、PF6アニオン分解量を求める。
【選択図】 なしPROBLEM TO BE SOLVED: To provide a manganese compound which can be used for a lithium ion secondary battery excellent in high temperature characteristics such as high temperature stability and high temperature cycle characteristics.
In a positive electrode material containing manganese oxide and / or lithium manganese composite oxide as a positive electrode active material, the amount of PF 6 anion decomposed by the following storage test is 1 × 10 μm.
The positive electrode material for lithium secondary batteries which is less than mol.
Storage test a) A mixture of EC and DEC (volume ratio 3) containing 24 mg of a positive electrode material on a current collector, Li metal as a counter electrode, and 1.0 mol / L LiPF 6 as an electrolyte. : 7) was assembled, and this was charged at a charge current density of 0.2 mA / cm 2 and an upper limit voltage of 4.2.
After charging to V, the battery element was then disassembled and the positive electrode was
b) Under an argon gas atmosphere c) In a dried polytetrafluoroethylene container,
d) Immerse in a mixture of 1.5 ml EC and 3.5 ml DEC containing 1.0 mol / L LiPF 6
e) Store at 80 ° C. for one week, measure the amount of PF 6 anion in the mixed solution before and after storage, and determine the amount of PF 6 anion decomposition.
[Selection figure] None
Description
本発明はリチウム二次電池用の正極材料に関し、特にリチウム二次電池の高温特性を向上させる正極材料に関するものであり、更には該正極材料を含有する正極、該正極を構成要素とする電池に関する。 The present invention relates to a positive electrode material for a lithium secondary battery, and more particularly to a positive electrode material that improves high temperature characteristics of a lithium secondary battery, and further relates to a positive electrode containing the positive electrode material and a battery including the positive electrode as a constituent element. .
リチウム二次電池の正極活物質として、マンガンとリチウムの複合酸化物であるスピネル構造を有するLiMn2O4が提案され、研究が盛んに行われている。高電圧・高エネルギー密度であり、加えてコバルトやニッケルに比較して埋蔵量が多く、安価というメリットも有している。また、これまで問題とされてきた常温下における充放電サイクル寿命においては、実用段階レベルまで改善されてきている。しかし、このようなマンガン系リチウム二次電池は高温安定性に劣るという問題を抱えているため、高温環境下において使用されるような需要に対しては実用レベルに達していなのが現状である。 As a positive electrode active material of a lithium secondary battery, LiMn 2 O 4 having a spinel structure, which is a complex oxide of manganese and lithium, has been proposed and actively researched. In addition to high voltage and high energy density, it also has the advantage of being cheaper and more reserve than cobalt and nickel. In addition, the charge / discharge cycle life at room temperature, which has been regarded as a problem, has been improved to a practical level. However, since such a manganese-based lithium secondary battery has a problem that it is inferior in high-temperature stability, the present situation is that the demand for use in a high-temperature environment has not reached a practical level.
従来、高温安定性の改良に関しては、高温環境下でのサイクル特性改良や保存特性改良を目的とした種々の検討が行われ、報告されている。例えば、Journalof Power Sources
74(1998)228-233 では、Mnの一部をCoで置換したものが提案され、Electrochemical
Society Proceedings Volume97-18.494 では、Mnの一部をCoで置換したり、酸素の
一部をFで置換したものが高温サイクル特性の改善効果があるということが開示されている。また、特開平8−264183号公報では、活物質表面に金属フッ化物からなる被膜を設けることが開示され、特開平8−213014号公報では、活物質をフッ素化処理するなど表面改質を行うことで高温下での保存特性改良を図っている。また、特開平10−125307号公報では、正極活物質表面をアミノ基を含む有機物により被覆することが報告されている。
Conventionally, various studies aimed at improving cycle characteristics and storage characteristics under a high temperature environment have been reported and reported for improving high temperature stability. For example, Journalof Power Sources
74 (1998) 228-233 proposed that Mn was partially replaced with Co.
Society Proceedings Volume 97-18.494 discloses that a part of Mn is replaced by Co or a part of oxygen is replaced by F has an effect of improving high-temperature cycle characteristics. Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-264183 discloses that a coating made of a metal fluoride is provided on the surface of the active material, and Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-213014 performs surface modification such as fluorination treatment of the active material. Therefore, the storage characteristics at high temperature are improved. Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-125307 reports that the surface of the positive electrode active material is coated with an organic substance containing an amino group.
更に、スピネル型リチウムマンガン複合酸化物の改良例として、層状のリチウムコバルト複合酸化物や、層状のリチウムニッケル複合酸化物、さらにはこれらの他金属置換体をスピネル型リチウムマンガン複合酸化物に混合する例が知られている。例えば、スピネル型リチウムマンガン複合酸化物と層状のリチウムコバルト複合酸化物とを混合して、サイクル特性の向上を図る例( 特許第2751624 号公報) や、リチウムニッケルコバルトアルミニウム複合酸化物とリチウムマンガン複合酸化物とを混合して、安価で安全性の高い電池を提供する例(特開平11-54120号公報) 等が知られている。 Furthermore, as an example of improving the spinel type lithium manganese composite oxide, a layered lithium cobalt composite oxide, a layered lithium nickel composite oxide, and these other metal substitutes are mixed into the spinel type lithium manganese composite oxide. Examples are known. For example, spinel lithium manganese composite oxide and layered lithium cobalt composite oxide are mixed to improve cycle characteristics (Japanese Patent No. 2751624), or lithium nickel cobalt aluminum composite oxide and lithium manganese composite An example of providing an inexpensive and highly safe battery by mixing an oxide (Japanese Patent Laid-Open No. 11-54120) is known.
しかしながら、マンガン系複合酸化物を用いる電池にとっての大きな問題点は高温環境下でのサイクル特性や保存特性が悪いことであり、この改善がなされるかどうかについては充分議論されておらず、まして高温環境下でのサイクル特性や保存特性の改善にとってどの様なマンガン系複合酸化物と、どの様な化合物の組み合わせがよいかは全く議論されていなかった。 However, a major problem for batteries using manganese-based composite oxides is that the cycle characteristics and storage characteristics under high temperature environment are poor, and whether or not this improvement can be made has not been discussed sufficiently. There was no discussion of what kind of manganese-based composite oxide and what kind of compound was good for improving the cycle characteristics and storage characteristics under the environment.
上記従来の技術では、未だ高温環境下でのサイクル特性や保存特性は不十分であり、さらなる高温安定性や高温環境下でのサイクル特性の向上が強く望まれていた。 In the above-described conventional technology, the cycle characteristics and storage characteristics under a high temperature environment are still insufficient, and further improvement of the high temperature stability and cycle characteristics under a high temperature environment has been strongly desired.
本発明の目的は、高温安定性や高温サイクル特性等の高温特性に優れるリチウムイオン二次電池に使用できるマンガン系化合物を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a manganese-based compound that can be used for a lithium ion secondary battery having excellent high-temperature characteristics such as high-temperature stability and high-temperature cycle characteristics.
本発明者らは鋭意検討を重ねた結果、従来のリチウムマンガン複合酸化物を含む正極は、より高温の環境下で、電解液中においてLiPF6塩の分解を促進し、PO2F2アニオ
ンを生成させることを見出した。また、この分解反応は正極の状態に依存し、充電端状態で著しく進行することも見出した。更に、このLiPF6の分解反応を著しく引き起こす
ような正極を用いたリチウム二次電池は、特に高温下での性能の劣化が著しいことを見出した。また、LiPF6の分解反応は、添加剤の使用や正極の組成だけでなく、正極の粒
径等様々な因子によって決定されることも見出した。以上より、本発明者らは、LiPF6の分解反応の生じ易さを指標として、LiPF6の分解が生じにくい正極を使用すれば高温特性に優れたリチウム二次電池とすることができることを見出し、本発明を完成するに至った。
As a result of intensive studies, the present inventors have promoted the decomposition of LiPF 6 salt in an electrolyte solution under a higher temperature environment, and the conventional positive electrode containing a lithium manganese composite oxide, thereby allowing the PO 2 F 2 anion to migrate. It was found to be generated. It was also found that this decomposition reaction depends on the state of the positive electrode and proceeds remarkably in the charged end state. Further, it has been found that the lithium secondary battery using the positive electrode that causes the decomposition reaction of LiPF 6 remarkably deteriorates in performance particularly at high temperatures. It has also been found that the decomposition reaction of LiPF 6 is determined not only by the use of additives and the composition of the positive electrode but also by various factors such as the particle size of the positive electrode. From the above, the present inventors have found that it is possible to as an index ease occur decomposition of LiPF 6, lithium secondary battery degradation with excellent high temperature characteristics With hardly cathode occur LiPF 6 The present invention has been completed.
即ち、本発明の第1の要旨は、下記(1)〜(20)に存する。
(1)マンガン酸化物及び/又はリチウムマンガン複合酸化物を正極活物質として含有するリチウム二次電池用正極材料において、該正極材料を用いて電池素子を作成し、これを充電した正極材料の保存試験である下記保存試験(I)によって測定されるPF6アニオ
ンの分解量が1×10μmol以下であることを特徴とするリチウム二次電池用正極材料。
That is, the first gist of the present invention resides in the following (1) to (20).
(1) In a positive electrode material for a lithium secondary battery containing manganese oxide and / or lithium manganese composite oxide as a positive electrode active material, a battery element is prepared using the positive electrode material, and the positive electrode material charged with the battery element is stored. A positive electrode material for a lithium secondary battery, wherein the decomposition amount of PF 6 anion measured by the following storage test (I), which is a test, is 1 × 10 μmol or less.
保存試験(I)
a1)24mgの正極材料を直径12mmの円形状に成形し、集電体(直径16mmの円形状のアルミニウムのエキスパンドメタル)に圧着してなる正極と、対極としてLi金属、電解液として1.0mol/LのLiPF6を含むエチレンカーボネートとジエチルカ
ーボネートとの混合液(体積比3:7)を使用して電池素子を組み立て、これを充電電流密度0.2mA/cm2で上限電圧4.2Vまで充電した後、次いで電池素子を解体し、
充電状態にある正極を取り出し、該正極を、
b1)露点が−75℃以下のアルゴンガス雰囲気下
c1)80℃で3時間乾燥させたポリテトラフルオロエチレン容器内で、
d1)1.0mol/LのLiPF6を含む、エチレンカーボネート1.5mlとジエチ
ルカーボネート3.5mlとの混合液(酸分:2.0mmol/L以下、PO2F2アニオン:0.5mmol/L以下、且つエタノール:0.01mg以下)中に浸漬し、
e1)80℃で一週間保存し、保存前後の混合液中のPF6アニオンの量をそれぞれ測定
(測定温度:20℃)し、その差からPF6アニオン分解量を求める。
Storage test (I)
a1) A positive electrode formed by forming 24 mg of a positive electrode material into a circular shape having a diameter of 12 mm, and pressure-bonding to a current collector (a circular aluminum expanded metal having a diameter of 16 mm), Li metal as a counter electrode, and 1.0 mol as an electrolyte / L LiPF 6 containing ethylene carbonate and diethyl carbonate mixed solution (volume ratio 3: 7) was used to assemble a battery element, which was charged to a maximum voltage of 4.2 V at a charging current density of 0.2 mA / cm 2 After charging, then disassemble the battery element,
Take out the positive electrode in the charged state, the positive electrode,
b1) In an argon gas atmosphere with a dew point of −75 ° C. or less c1) In a polytetrafluoroethylene container dried at 80 ° C. for 3 hours,
d1) A mixed solution of 1.5 ml of ethylene carbonate and 3.5 ml of diethyl carbonate containing 1.0 mol / L of LiPF 6 (acid content: 2.0 mmol / L or less, PO 2 F 2 anion: 0.5 mmol / L) And soaking in ethanol: 0.01 mg or less),
e1) Store at 80 ° C. for one week, measure the amount of PF 6 anion in the mixed solution before and after storage (measurement temperature: 20 ° C.), and determine the amount of PF 6 anion decomposition from the difference.
(2)保存試験(I)に従って得られた保存後の液中に含まれるPO2F2アニオンの量が、20℃で1×10μmol以下である(1)のリチウム二次電池用正極材料。
(3)正極材料がバインダー樹脂を含有する(1)又は(2)に記載のリチウム二次電池用正極材料。
(2) The positive electrode material for a lithium secondary battery according to (1), wherein the amount of PO 2 F 2 anion contained in the liquid after storage obtained according to the storage test (I) is 1 × 10 μmol or less at 20 ° C.
(3) The positive electrode material for a lithium secondary battery according to (1) or (2), wherein the positive electrode material contains a binder resin.
(4)正極材料中に、PF6アニオン分解抑制剤が分散混合されていることを特徴とする
請求項1乃至3のいずれか1つに記載のリチウム二次電池用正極材料。
(5)マンガン酸化物及び/又はリチウムマンガン複合酸化物からなる正極活物質とPF6アニオン分解抑制剤とを含有するリチウム二次電池用正極材料において、該PF6アニオン分解抑制剤として、下記保存試験(II)によって測定されるPF6アニオンの分解量が
6×10μmol以下であるものを使用することを特徴とするリチウム二次電池用正極材料。
(4) The positive electrode material for a lithium secondary battery according to any one of claims 1 to 3, wherein a PF 6 anion decomposition inhibitor is dispersed and mixed in the positive electrode material.
(5) In a positive electrode material for a lithium secondary battery containing a positive electrode active material comprising a manganese oxide and / or a lithium manganese composite oxide and a PF 6 anion decomposition inhibitor, the following storage is provided as the PF 6 anion decomposition inhibitor: A positive electrode material for a lithium secondary battery, wherein the PF 6 anion decomposition amount measured by test (II) is 6 × 10 μmol or less.
保存試験(II)
a2)Li1+xMn2-xO4(ここで、0≦X≦0.05)なる組成のスピネル構造を有す
るリチウムマンガン複合酸化物のリチウムを抜き出した、満充電状態に相当するリチウムマンガン複合酸化物(0.05≦Li/Mnモル比≦0.09)160mgを、
b2)露点が−75℃以下のアルゴンガス雰囲気下で、
c2)80℃で3時間乾燥させたポリテトラフルオロエチレン容器内で、
d2)前記PF6アニオン分解抑制剤160mgと混合し、
e2)1.0mol/LのLiPF6を含む、エチレンカーボネート2.4mlジエチル
カーボネート5.6mlの混合液(酸分:2.0mmol/L以下、PO2F2アニオン:0.5mmol/L以下、且つエタノール:0.01mg以下)中に浸漬し、
f2)70℃で一週間保存し、保存前後の混合液中のPF6アニオンの量を測定(測定温
度:20℃)し、PF6アニオン分解量を求める。
Storage test (II)
a2) Lithium manganese equivalent to a fully charged state obtained by extracting lithium from a lithium manganese composite oxide having a spinel structure having a composition of Li 1 + x Mn 2−x O 4 (where 0 ≦ X ≦ 0.05) 160 mg of complex oxide (0.05 ≦ Li / Mn molar ratio ≦ 0.09)
b2) In an argon gas atmosphere with a dew point of −75 ° C. or lower,
c2) In a polytetrafluoroethylene container dried at 80 ° C. for 3 hours,
d2) mixed with 160 mg of the PF 6 anion degradation inhibitor,
e2) A mixed liquid of ethylene carbonate 2.4 ml diethyl carbonate 5.6 ml containing 1.0 mol / L LiPF 6 (acid content: 2.0 mmol / L or less, PO 2 F 2 anion: 0.5 mmol / L or less, And soaked in ethanol: 0.01 mg or less)
f2) Store at 70 ° C. for one week, measure the amount of PF 6 anion in the mixed solution before and after storage (measurement temperature: 20 ° C.), and determine the amount of PF 6 anion decomposition.
(6)保存試験(II)に従って得られた保存後の液中に含まれるPO2F2アニオンの量が、20℃で5×10μmol以下である(5)に記載のリチウム二次電池用正極材料。
(7)保存試験(II)の保存をさらに2週間延長した際の、保存後の液中に含まれるエタノールの量が、1mg以下である(5)又は(6)に記載のリチウム二次電池用正極材料。
(6) The positive electrode for a lithium secondary battery according to (5), wherein the amount of PO 2 F 2 anion contained in the liquid after storage obtained according to the storage test (II) is 5 × 10 μmol or less at 20 ° C. material.
(7) The lithium secondary battery according to (5) or (6), wherein the amount of ethanol contained in the liquid after storage when the storage in the storage test (II) is further extended for 2 weeks is 1 mg or less Positive electrode material.
(8)PF6アニオン分解抑制剤が分散混合されていることを特徴とする(5)乃至(7
)のいずれか1つに記載のリチウム二次電池用正極材料。
(9)PF6アニオン分解抑制剤が、リチウムニッケル複合酸化物を含有する(4)乃至
(8)のいずれか1つに記載のリチウム二次電池用正極材料。
(10)PF6アニオン分解抑制剤が、元素周期律表の15族及び16族からなる群から
選ばれた少なくとも1種の元素を含有する化合物、分子内に少なくとも2級のアミノ基を有する化合物、分子内に少なくとも3級のアミノ基を有する化合物、分子内に少なくとも1つのアミド結合を有する化合物、分子内に少なくとも1つの含窒素複素環を有する化合物、又は分子内に少なくとも1つの水酸基を有する化合物を含有する(4)乃至(8)のいずれか1つに記載のリチウム二次電池用正極材料。
(8) The PF 6 anion degradation inhibitor is dispersed and mixed, (5) to (7)
) The positive electrode material for a lithium secondary battery according to any one of the above.
(9) The positive electrode material for a lithium secondary battery according to any one of (4) to (8), wherein the PF 6 anion decomposition inhibitor contains a lithium nickel composite oxide.
(10) A compound in which the PF 6 anion decomposition inhibitor contains at least one element selected from the group consisting of groups 15 and 16 of the periodic table, and a compound having at least a secondary amino group in the molecule , A compound having at least a tertiary amino group in the molecule, a compound having at least one amide bond in the molecule, a compound having at least one nitrogen-containing heterocyclic ring in the molecule, or having at least one hydroxyl group in the molecule The positive electrode material for a lithium secondary battery according to any one of (4) to (8), which contains a compound.
(11)PF6アニオン分解抑制剤の添加量が、正極活物質に対して0.0001〜80
wt%の範囲にある(4)乃至(10)のいずれか1つに記載のリチウム二次電池用正極材料。
(12)PF6アニオン分解抑制剤の添加量が、正極活物質に対して1〜80wt%の範
囲にある(9)に記載のリチウム二次電池用正極材料。
(11) The addition amount of the PF 6 anion decomposition inhibitor is 0.0001 to 80 with respect to the positive electrode active material.
The positive electrode material for a lithium secondary battery according to any one of (4) to (10), in the range of wt%.
(12) The positive electrode material for a lithium secondary battery according to (9), wherein the addition amount of the PF 6 anion decomposition inhibitor is in the range of 1 to 80 wt% with respect to the positive electrode active material.
(13)PF6アニオン分解抑制剤の添加量が、正極活物質に対して0.0001〜10
wt%の範囲にある(10)に記載のリチウム二次電池用正極材料。
(14)マンガン酸化物及び/又はリチウムマンガン複合酸化物が、スピネル型構造を有し、マンガンサイトの一部が典型元素から選ばれる少なくとも1種の元素で置換されたリチウムマンガン複合酸化物である(1)乃至(13)のいずれか1つに記載のリチウムイオン二次電池用正極材料。
(13) The addition amount of the PF 6 anion decomposition inhibitor is 0.0001 to 10 with respect to the positive electrode active material.
The positive electrode material for a lithium secondary battery according to (10), which is in the range of wt%.
(14) The manganese oxide and / or the lithium manganese composite oxide is a lithium manganese composite oxide having a spinel structure, in which a part of the manganese site is substituted with at least one element selected from typical elements. The positive electrode material for a lithium ion secondary battery according to any one of (1) to (13).
(15)マンガンサイトの一部を置換する典型元素が、アルミニウム及び/又はリチウムであることを特徴とする(14)に記載のリチウムイオン二次電池用正極材料。
(16)典型元素の置換量が、マンガン2モルの中0.05モル以上であることを特徴とする(14)又は(15)に記載のリチウムイオン二次電池用正極物質。
(15) The positive electrode material for a lithium ion secondary battery according to (14), wherein the typical element that substitutes a part of the manganese site is aluminum and / or lithium.
(16) The positive electrode material for a lithium ion secondary battery according to (14) or (15), wherein the substitution amount of the typical element is 0.05 mol or more in 2 mol of manganese.
(17)正極材料が、スピネル型構造を有するリチウムマンガン複合酸化物及び層状構造を有するリチウムニッケル複合酸化物とを含有し、該リチウムマンガン複合酸化物のマンガンサイトの一部が他元素で置換されていて、該他元素置換リチウムマンガン複合酸化物の下記測定方法(I)で測定される平均電圧が、4.059V以上であることを特徴とす
る(1)乃至(9)、(11)、(12)及び(14)乃至(16)のいずれか1つに記載のリチウムイオン二次電池用正極材料。
(17) The positive electrode material contains a lithium manganese composite oxide having a spinel structure and a lithium nickel composite oxide having a layered structure, and a part of the manganese site of the lithium manganese composite oxide is substituted with another element. (1) to (9), (11), wherein the other element-substituted lithium-manganese composite oxide has an average voltage measured by the following measurement method (I) of 4.059 V or more. The positive electrode material for a lithium ion secondary battery according to any one of (12) and (14) to (16).
<平均電圧の測定方法(I)>
(1) 当該複合酸化物を75重量% 、アセチレンブラック20重量%、ポリテトラフロロエチレン(PTFE)パウダー5重量%の割合で秤量したものを混合し、薄くシート状にする。全体重量が12.5mg/cm2になるように調整した後、この試料をさらにア
ルミニウムのエキスパンドメタルに圧着して試験極とする。試験極は減圧下120℃で1時間の乾燥を行う。
(2) アルゴン雰囲気下、25μmの多孔性ポリエチレンフィルムをセパレータとし、
対極としてリチウム金属箔を使用し、さらに、非水電解液溶液として、エチレンカーボネートとジエチルカーボネートとの体積比3:7の混合溶媒に1モル/リットルの六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)を溶解させた溶液を用いて、CR2032型のコイン型電
池を作製する。
(3) 得られたコイン型電池を、25℃の環境下で、電流密度0.5mA/cm2の定電流充放電サイクル(充電上限4.35V、放電下限3.2V)を行い、平均電圧Veを
Ve=(2サイクル目の充電平均電圧+2サイクル目の放電平均電圧)/2
として求める。なお充電平均電圧あるいは放電平均電圧は、充電時あるいは放電時の電圧を2秒間隔で測定し、電圧を時間で積算した値を、充電あるいは放電に要した時間で割ることにより算出する。
(18)リチウムニッケル複合酸化物が、下記測定方法(II)で測定した際に、平均電圧3.830V以下であるリチウムニッケル複合酸化物であることを特徴とする(14)乃至(17)のいずれか1つに記載のリチウムイオン二次電池用正極材料。
<Measuring method of average voltage (I)>
(1) The composite oxide is weighed at a ratio of 75% by weight, acetylene black 20% by weight, and polytetrafluoroethylene (PTFE) powder 5% by weight, and is made into a thin sheet. After adjusting the total weight to 12.5 mg / cm 2 , this sample is further pressure-bonded to an aluminum expanded metal to form a test electrode. The test electrode is dried at 120 ° C. under reduced pressure for 1 hour.
(2) A 25 μm porous polyethylene film as a separator under an argon atmosphere,
Lithium metal foil was used as the counter electrode, and 1 mol / liter lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) was added as a non-aqueous electrolyte solution to a mixed solvent of ethylene carbonate and diethyl carbonate in a volume ratio of 3: 7. A CR2032 type coin-type battery is manufactured using the dissolved solution.
(3) The obtained coin-type battery was subjected to a constant current charge / discharge cycle (charge upper limit 4.35 V, discharge lower limit 3.2 V) at a current density of 0.5 mA / cm 2 in an environment of 25 ° C., and the average voltage Ve = Ve = (average charge voltage in the second cycle + discharge average voltage in the second cycle) / 2
Asking. The charge average voltage or discharge average voltage is calculated by measuring the voltage during charging or discharging at intervals of 2 seconds and dividing the value obtained by integrating the voltage over time by the time required for charging or discharging.
(18) The lithium nickel composite oxide is a lithium nickel composite oxide having an average voltage of 3.830 V or less when measured by the following measurement method (II). The positive electrode material for lithium ion secondary batteries as described in any one.
<平均電圧の測定方法(II)>
(1) リチウムニッケル複合酸化物75重量% 、アセチレンブラック20重量%、ポリテトラフロロエチレンパウダー5重量%の割合で混合し、薄くシート状に成形する。全体重量が12.5mg/cm2になるように調整した後、このシートをさらにアルミニウム
のエキスパンドメタルに圧着して試験極とする。試験極は減圧下120℃で1時間の乾燥を行う。
(2) アルゴン雰囲気下、25μmの多孔性ポリエチレンフィルムをセパレータとし、
対極としてリチウム金属箔を使用し、さらに、非水電解液溶液として、エチレンカーボネートとジエチルカーボネートとの体積比3:7の混合溶媒に1モル/リットルの六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)を溶解させた溶液を用いて、CR2032型のコイン型電
池を作製する。
(3) 得られたコイン型電池を、25℃の環境下で、電流密度0.2mA/cm2の定電流充放電サイクル(充電上限4.2V、放電下限3.2V)を行い、平均電圧Veを
Ve=(2サイクル目の充電平均電圧+2サイクル目の放電平均電圧)/2
として求める。なお充電平均電圧あるいは放電平均電圧は、充電時あるいは放電時の電圧を2秒間隔で測定し、電圧を時間で積算した値を、充電あるいは放電に要した時間で割った値である。
<Measuring method of average voltage (II)>
(1) 75% by weight of lithium nickel composite oxide, 20% by weight of acetylene black and 5% by weight of polytetrafluoroethylene powder are mixed and formed into a thin sheet. After adjusting the total weight to 12.5 mg / cm 2 , this sheet is further pressure-bonded to an aluminum expanded metal to form a test electrode. The test electrode is dried at 120 ° C. under reduced pressure for 1 hour.
(2) A 25 μm porous polyethylene film as a separator under an argon atmosphere,
Lithium metal foil was used as the counter electrode, and 1 mol / liter lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) was added as a non-aqueous electrolyte solution to a mixed solvent of ethylene carbonate and diethyl carbonate in a volume ratio of 3: 7. A CR2032 type coin-type battery is manufactured using the dissolved solution.
(3) The obtained coin-type battery was subjected to a constant current charge / discharge cycle (charge upper limit 4.2 V, discharge lower limit 3.2 V) at a current density of 0.2 mA / cm 2 in an environment of 25 ° C., and the average voltage Ve = Ve = (average charge voltage in the second cycle + discharge average voltage in the second cycle) / 2
Asking. The charge average voltage or discharge average voltage is a value obtained by measuring the voltage during charging or discharging at intervals of 2 seconds and dividing the value obtained by integrating the voltage over time by the time required for charging or discharging.
(19)リチウムマンガン複合酸化物とリチウムニッケル複合酸化物との合計量に対するリチウムニッケル複合酸化物の重量比が0.7以下であることを特徴とする(14)乃至(18)のいずれか1つに記載のリチウムイオン二次電池用正極材料。
(20)保存試験(I)又は(II)後の液中のPF6アニオンの分解物の80%以上がP
O2F2アニオンである(1)乃至(25)のいずれか1つに記載のリチウム二次電池用正極材料。
(19) Any one of (14) to (18), wherein the weight ratio of the lithium nickel composite oxide to the total amount of the lithium manganese composite oxide and the lithium nickel composite oxide is 0.7 or less. The positive electrode material for lithium ion secondary batteries as described in 1.
(20) More than 80% of the decomposition product of PF 6 anion in the liquid after the storage test (I) or (II) is P
The positive electrode material for a lithium secondary battery according to any one of (1) to (25), which is an O 2 F 2 anion.
更に本発明者らは、マンガンサイトの一部を特定の元素で置換したスピネル型構造を有
するリチウムマンガン複合酸化物と層状構造を有するリチウムニッケル複合酸化物とを併用すると、高温特性をはじめとする電池特性が格段に向上すること、スピネル型構造を有するリチウムマンガン複合酸化物と層状構造を有するリチウムニッケル複合酸化物とを併用するに際し、リチウムマンガン複合酸化物として、通常よりも相対的に高めの平均電圧のものを使用すれば、高温特性をはじめとする電池特性が格段に向上することをも見いだした。
Furthermore, the present inventors use a lithium manganese composite oxide having a spinel structure in which a part of a manganese site is substituted with a specific element and a lithium nickel composite oxide having a layered structure in combination with high temperature characteristics. When the battery characteristics are remarkably improved and the lithium manganese composite oxide having a spinel structure and the lithium nickel composite oxide having a layered structure are used in combination, the lithium manganese composite oxide is relatively higher than usual. It has also been found that battery characteristics including high temperature characteristics are remarkably improved if an average voltage is used.
即ち、本発明の第2の要旨は、下記(21)〜(26)に存する。
(21)スピネル型構造を有するリチウムマンガン複合酸化物及び層状構造を有するリチウムニッケル複合酸化物を含有するリチウムイオン二次電池用正極材料であって、該リチウムマンガン複合酸化物のマンガンサイトの一部が典型元素から選ばれる少なくとも1種の元素で置換されていることを特徴とするリチウムイオン二次電池用正極材料。
That is, the second gist of the present invention resides in the following (21) to (26).
(21) A positive electrode material for a lithium ion secondary battery comprising a lithium manganese composite oxide having a spinel structure and a lithium nickel composite oxide having a layered structure, wherein a part of the manganese site of the lithium manganese composite oxide Is substituted with at least one element selected from typical elements. A positive electrode material for a lithium ion secondary battery, wherein
(22)マンガンサイトの一部を置換する典型元素が、アルミニウム及び/又はリチウムであることを特徴とする(21)に記載のリチウムイオン二次電池用正極材料。
(23)典型元素の置換量が、マンガン2モルの中0.05モル以上であることを特徴とする(21)又は(22)に記載のリチウムイオン二次電池用正極物質。
(22) The positive electrode material for a lithium ion secondary battery according to (21), wherein the typical element that substitutes a part of the manganese site is aluminum and / or lithium.
(23) The positive electrode material for a lithium ion secondary battery according to (21) or (22), wherein the substitution amount of the typical element is 0.05 mol or more in 2 mol of manganese.
(24)スピネル型構造を有するリチウムマンガン複合酸化物及び層状構造を有するリチウムニッケル複合酸化物とを含有するリチウムイオン二次電池用正極材料であって、該リチウムマンガン複合酸化物のマンガンサイトの一部が他元素で置換されていて、該他元素置換リチウムマンガン複合酸化物の下記測定方法(I)で測定される平均電圧が、4.059V以上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材料。 (24) A positive electrode material for a lithium ion secondary battery comprising a lithium manganese composite oxide having a spinel structure and a lithium nickel composite oxide having a layered structure, wherein one of the manganese sites of the lithium manganese composite oxide Lithium ion secondary battery, characterized in that the average voltage measured by the following measurement method (I) of the other element substituted lithium manganese composite oxide is 4.059 V or more Positive electrode material.
<平均電圧の測定方法(I)>
(1) 当該複合酸化物を75重量% 、アセチレンブラック20重量%、ポリテトラフロロエチレン(PTFE)パウダー5重量%の割合で秤量したものを混合し、薄くシート状にする。全体重量が12.5mg/cm2になるように調整した後、この試料をさらにア
ルミニウムのエキスパンドメタルに圧着して試験極とする。試験極は減圧下120℃で1時間の乾燥を行う。
(2) アルゴン雰囲気下、25μmの多孔性ポリエチレンフィルムをセパレータとし、
対極としてリチウム金属箔を使用し、さらに、非水電解液溶液として、エチレンカーボネートとジエチルカーボネートとの体積比3:7の混合溶媒に1モル/リットルの六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)を溶解させた溶液を用いて、CR2032型のコイン型電
池を作製する。
(3) 得られたコイン型電池を、25℃の環境下で、電流密度0.5mA/cm2の定電流充放電サイクル(充電上限4.35V、放電下限3.2V)を行い、平均電圧Veを
Ve=(2サイクル目の充電平均電圧+2サイクル目の放電平均電圧)/2
として求める。なお充電平均電圧あるいは放電平均電圧は、充電時あるいは放電時の電圧を2秒間隔で測定し、電圧を時間で積算した値を、充電あるいは放電に要した時間で割ることにより算出する。
<Measuring method of average voltage (I)>
(1) The composite oxide is weighed at a ratio of 75% by weight, acetylene black 20% by weight, and polytetrafluoroethylene (PTFE) powder 5% by weight, and is made into a thin sheet. After adjusting the total weight to 12.5 mg / cm 2 , this sample is further pressure-bonded to an aluminum expanded metal to form a test electrode. The test electrode is dried at 120 ° C. under reduced pressure for 1 hour.
(2) A 25 μm porous polyethylene film as a separator under an argon atmosphere,
Lithium metal foil was used as the counter electrode, and 1 mol / liter lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) was added as a non-aqueous electrolyte solution to a mixed solvent of ethylene carbonate and diethyl carbonate in a volume ratio of 3: 7. A CR2032 type coin-type battery is manufactured using the dissolved solution.
(3) The obtained coin-type battery was subjected to a constant current charge / discharge cycle (charge upper limit 4.35 V, discharge lower limit 3.2 V) at a current density of 0.5 mA / cm 2 in an environment of 25 ° C., and the average voltage Ve = Ve = (average charge voltage in the second cycle + discharge average voltage in the second cycle) / 2
Asking. The charge average voltage or discharge average voltage is calculated by measuring the voltage during charging or discharging at intervals of 2 seconds and dividing the value obtained by integrating the voltage over time by the time required for charging or discharging.
(25)リチウムニッケル複合酸化物が、下記測定方法(II)で測定した際に、平均電圧3.830V以下であるリチウムニッケル複合酸化物であることを特徴とする(21)乃至(24)のいずれか1つに記載のリチウムイオン二次電池用正極材料。 (25) The lithium nickel composite oxide is a lithium nickel composite oxide having an average voltage of 3.830 V or less when measured by the following measurement method (II). (21) to (24) The positive electrode material for lithium ion secondary batteries as described in any one.
<平均電圧の測定方法(II)>
(1) リチウムニッケル複合酸化物75重量% 、アセチレンブラック20重量%、ポリテトラフロロエチレンパウダー5重量%の割合で混合し、薄くシート状に成形する。全体重量が12.5mg/cm2になるように調整した後、このシートをさらにアルミニウム
のエキスパンドメタルに圧着して試験極とする。試験極は減圧下120℃で1時間の乾燥を行う。
(2) アルゴン雰囲気下、25μmの多孔性ポリエチレンフィルムをセパレータとし、
対極としてリチウム金属箔を使用し、さらに、非水電解液溶液として、エチレンカーボネートとジエチルカーボネートとの体積比3:7の混合溶媒に1モル/リットルの六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)を溶解させた溶液を用いて、CR2032型のコイン型電
池を作製する。
(3) 得られたコイン型電池を、25℃の環境下で、電流密度0.2mA/cm2の定電流充放電サイクル(充電上限4.2V、放電下限3.2V)を行い、平均電圧Veを
Ve=(2サイクル目の充電平均電圧+2サイクル目の放電平均電圧)/2
として求める。なお充電平均電圧あるいは放電平均電圧は、充電時あるいは放電時の電圧を2秒間隔で測定し、電圧を時間で積算した値を、充電あるいは放電に要した時間で割った値である。
<Measuring method of average voltage (II)>
(1) 75% by weight of lithium nickel composite oxide, 20% by weight of acetylene black and 5% by weight of polytetrafluoroethylene powder are mixed and formed into a thin sheet. After adjusting the total weight to 12.5 mg / cm 2 , this sheet is further pressure-bonded to an aluminum expanded metal to form a test electrode. The test electrode is dried at 120 ° C. under reduced pressure for 1 hour.
(2) A 25 μm porous polyethylene film as a separator under an argon atmosphere,
Lithium metal foil was used as the counter electrode, and 1 mol / liter lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) was added as a non-aqueous electrolyte solution to a mixed solvent of ethylene carbonate and diethyl carbonate in a volume ratio of 3: 7. A CR2032 type coin-type battery is manufactured using the dissolved solution.
(3) The obtained coin-type battery was subjected to a constant current charge / discharge cycle (charge upper limit 4.2 V, discharge lower limit 3.2 V) at a current density of 0.2 mA / cm 2 in an environment of 25 ° C., and the average voltage Ve = Ve = (average charge voltage in the second cycle + discharge average voltage in the second cycle) / 2
Asking. The charge average voltage or discharge average voltage is a value obtained by measuring the voltage during charging or discharging at intervals of 2 seconds and dividing the value obtained by integrating the voltage over time by the time required for charging or discharging.
(26)リチウムマンガン複合酸化物とリチウムニッケル複合酸化物との合計量に対するリチウムニッケル複合酸化物の重量比が0.7以下であることを特徴とする(21)乃至(25)のいずれか1つに記載のリチウムイオン二次電池用正極材料。また、本発明の別の要旨としては、下記(27)〜(31)が挙げられる。 (26) The weight ratio of the lithium nickel composite oxide to the total amount of the lithium manganese composite oxide and the lithium nickel composite oxide is 0.7 or less, and any one of (21) to (25) The positive electrode material for lithium ion secondary batteries as described in 1. Moreover, the following (27)-(31) is mentioned as another summary of this invention.
(27)(1)乃至(26)のいずれかに記載のリチウム二次電池用正極材料を含有する活物質層を集電体上に形成してなるリチウムイオン二次電池用正極。
(28)(1)乃至(26)のいずれかに記載のリチウム二次電池用正極材料を正極中に含有するリチウムイオン二次電池。
(29)(1)乃至(26)のいずれかに記載のリチウム二次電池用正極材料を使用した正極と、負極と、リチウム塩を溶媒に溶解してなる電解液とからなるリチウム二次電池。
(27) A positive electrode for a lithium ion secondary battery formed by forming an active material layer containing the positive electrode material for a lithium secondary battery according to any one of (1) to (26) on a current collector.
(28) A lithium ion secondary battery containing the positive electrode material for a lithium secondary battery according to any one of (1) to (26) in a positive electrode.
(29) A lithium secondary battery comprising a positive electrode using the positive electrode material for a lithium secondary battery according to any one of (1) to (26), a negative electrode, and an electrolytic solution obtained by dissolving a lithium salt in a solvent. .
(30)負極が、炭素材料を含有する(28)又は(29)に記載のリチウム二次電池
(31)リチウム塩がLiPF6である(28)乃至(30)のいづれか1つに記載のリ
チウム二次電池。
(30) The lithium secondary battery according to (28) or (29), wherein the negative electrode contains a carbon material. (31) The lithium according to any one of (28) to (30), wherein the lithium salt is LiPF 6. Secondary battery.
本発明によれば、リチウム二次電池として使用する際に、高温特性の良好な正極材料を提供することができる。また、本発明によれば、高温特性の良好なリチウム二次電池を提供することができる。従って、安価な材料のマンガンが正極材料として実用上使用可能となるため、高性能で安全で安価なリチウム二次電池が広い用途に供給できるようになりその工業的価値は大である。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, when using as a lithium secondary battery, a positive electrode material with a favorable high temperature characteristic can be provided. Moreover, according to the present invention, a lithium secondary battery having good high-temperature characteristics can be provided. Accordingly, since manganese, which is an inexpensive material, can be used practically as a positive electrode material, a high-performance, safe and inexpensive lithium secondary battery can be supplied to a wide range of applications, and its industrial value is great.
以下本発明をより詳細に説明する。本発明の特徴は、高温環境下でLiPF6の分解を
抑制させるようなマンガン化合物をリチウム二次電池の正極として用いることにある。即ち、本発明において重要なポイントは、正極材料として、LiPF6に対する反応性が低
いものを使用することにある。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail. A feature of the present invention resides in that a manganese compound that suppresses decomposition of LiPF 6 under a high temperature environment is used as a positive electrode of a lithium secondary battery. That is, the important point in the present invention is to use a material having low reactivity with respect to LiPF 6 as the positive electrode material.
具体的には、第1の態様として、マンガン酸化物又はリチウムマンガン複合酸化物からなる正極活物質を含有するリチウム二次電池用正極材料として、下記保存試験(I)によって測定されるPF6アニオンの分解量が1×10μmol以下であるものを使用する。
このPF6アニオンの分解量が1×10μmolより大きい場合には、高温安定性や高温
サイクル特性等の高温特性が悪く、好ましくない。従来品の正極材料の場合、高温安定性や高温サイクル特性等の高温特性が好ましくなく、通常上記のPF6アニオンの分解量は
1×10μmolより大きい。
Specifically, as a first aspect, as a positive electrode material for a lithium secondary battery containing a positive electrode active material made of manganese oxide or lithium manganese composite oxide, PF 6 anion measured by the following storage test (I) That whose decomposition amount is 1 × 10 μmol or less is used.
When the decomposition amount of the PF 6 anion is larger than 1 × 10 μmol, the high temperature characteristics such as high temperature stability and high temperature cycle characteristics are poor, which is not preferable. In the case of a conventional positive electrode material, high temperature characteristics such as high temperature stability and high temperature cycle characteristics are not preferable, and the amount of decomposition of the PF 6 anion is usually larger than 1 × 10 μmol.
保存試験(I)
a1)24mgの正極材料を直径12mmの円形状に成形し、集電体(直径16mmの円形状のアルミニウムのエキスパンドメタル)に圧着してなる正極と、対極としてLi金属、電解液として1.0mol/LのLiPF6を含むエチレンカーボネートとジエチルカ
ーボネートとの混合液(体積比3:7)を使用して電池素子を組み立て、これを充電電流密度0.2mA/cm2で上限電圧4.2Vまで充電した後、次いで電池素子を解体し、
充電状態にある正極を取り出し、該正極を、
b1)露点が−75℃以下のアルゴンガス雰囲気下
c1)80℃で3時間乾燥させたポリテトラフルオロエチレン容器内で、
d1)1.0mol/LのLiPF6を含む、エチレンカーボネート1.5mlとジエチ
ルカーボネート3.5mlとの混合液(酸分:2.0mmol/L以下、PO2F2アニオン:0.5mmol/L以下、且つエタノール:0.01mg以下)中に浸漬し、
e1)80℃で一週間保存し、保存前後の混合液中のPF6アニオンの量をそれぞれ測定
(測定温度:20℃)し、その差からPF6アニオン分解量を求める。
Storage test (I)
a1) A positive electrode formed by forming 24 mg of a positive electrode material into a circular shape having a diameter of 12 mm, and pressure-bonding to a current collector (a circular aluminum expanded metal having a diameter of 16 mm), Li metal as a counter electrode, and 1.0 mol as an electrolyte / L LiPF 6 containing ethylene carbonate and diethyl carbonate mixed solution (volume ratio 3: 7) was used to assemble a battery element, which was charged to a maximum voltage of 4.2 V at a charging current density of 0.2 mA / cm 2 After charging, then disassemble the battery element,
Take out the positive electrode in the charged state, the positive electrode,
b1) In an argon gas atmosphere with a dew point of −75 ° C. or less c1) In a polytetrafluoroethylene container dried at 80 ° C. for 3 hours,
d1) A mixed solution of 1.5 ml of ethylene carbonate and 3.5 ml of diethyl carbonate containing 1.0 mol / L of LiPF 6 (acid content: 2.0 mmol / L or less, PO 2 F 2 anion: 0.5 mmol / L) And soaking in ethanol: 0.01 mg or less),
e1) Store at 80 ° C. for one week, measure the amount of PF 6 anion in the mixed solution before and after storage (measurement temperature: 20 ° C.), and determine the amount of PF 6 anion decomposition from the difference.
本発明において、PF6アニオン分解量とは、PF6アニオンの分解量を意味する。PF6アニオンは、例えばPO2F2 -、PO3F2-等に分解されているものと考えられる。なお
、本発明においてPF6アニオン分解抑制剤とは、PF6アニオンの分解を抑制する剤を意味する。上記保存試験(I)において、集電体としては直径16mmの円形状のアルミニウムのエキスパンドメタルを用いる。集電体の厚さは通常50〜300μmであり、200μm前後のものを用いればよい。上記保存試験(I)において、a1)における正極材料の集電体への圧着は、例えば錠剤成型器に集電体と直径12mmの円形状に成形した24mgの正極材料を重ねてセットし、プレスすればよい。圧着の圧力としては通常80〜100MPaであり、90MPa前後で圧着すればよい。
In the present invention, the PF 6 anion decomposition amount means the decomposition amount of the PF 6 anion. The PF 6 anion is considered to be decomposed into, for example, PO 2 F 2 − , PO 3 F 2− and the like. In the present invention, the PF 6 anion decomposition inhibitor means an agent that suppresses the decomposition of the PF 6 anion. In the storage test (I), a circular aluminum expanded metal having a diameter of 16 mm is used as the current collector. The thickness of the current collector is usually 50 to 300 μm, and a current collector of about 200 μm may be used. In the above storage test (I), the press bonding of the positive electrode material to the current collector in a1) is performed by, for example, setting a current collector and a 24 mg positive electrode material formed in a circular shape with a diameter of 12 mm on a tablet molding machine, and pressing do it. The pressure for pressure bonding is usually 80 to 100 MPa, and the pressure may be about 90 MPa.
上記保存試験(I)においては、c1)〜e1)をb1)の条件下行う。なお、e1)については、a1)の正極の浸漬されたc1)のポリテトラフルオロエチレン容器内がb1)の条件下であればよく、正極の浸漬に影響を与えないポリテトラフルオロエチレン容器の外部はb1)の条件下である必要はない。上記保存試験(I)のd1)において「1.0mol/LのLiPF6を含む、エチレンカーボネート1.5mlとジエチルカーボ
ネート3.5mlとの混合液(酸分:2.0mmol/L以下、PO2F2アニオン:0.5mmol/L以下、且つエタノール:0.01mg以下)中に浸漬し」とあるのは、即ち「下記(i)〜(iii)を満たす混合液に浸漬し」ということである。
(i)酸分の含量が2.0mmol/L以下、及びPO2F2アニオンの含量が0.5mmol/L以下で且つエタノール含量が0.01mg以下。
(ii)1.0mol/LのLiPF6を含む。
(iii)エチレンカーボネート1.5mlとジエチルカーボネート3.5mlとからなる
。
上記(i)の条件は、一般に市販されているエチレンカーボネート(EC)やジエチルカーボネート(DEC)に物によって含まれる酸分及びPO2F2アニオンが、PF6アニ
オンの分解に影響を与えるので、その影響を除くために規定した条件である。この条件下であれば、酸分及びPO2F2アニオンはPF6アニオンの分解に影響を与えない。
In the storage test (I), c1) to e1) are performed under the conditions of b1). Regarding e1), the inside of the polytetrafluoroethylene container of c1) in which the positive electrode of a1) is immersed may be in the condition of b1), and the outside of the polytetrafluoroethylene container that does not affect the immersion of the positive electrode. Need not be under the conditions of b1). In d1) of the above storage test (I), “a mixed solution of 1.5 ml of ethylene carbonate and 3.5 ml of diethyl carbonate containing 1.0 mol / L of LiPF 6 (acid content: 2.0 mmol / L or less, PO 2 F 2 anion "Immerse in 0.5 mmol / L or less and Ethanol: 0.01 mg or less)" means "Immerse in a mixed solution satisfying the following (i) to (iii)".
(I) The acid content is 2.0 mmol / L or less, the PO 2 F 2 anion content is 0.5 mmol / L or less, and the ethanol content is 0.01 mg or less.
(Ii) Contains 1.0 mol / L LiPF 6 .
(Iii) It consists of 1.5 ml ethylene carbonate and 3.5 ml diethyl carbonate.
The condition (i) above is that the acid content and PO 2 F 2 anion contained in the ethylene carbonate (EC) and diethyl carbonate (DEC) that are generally commercially available affect the decomposition of the PF 6 anion. This is a condition specified to eliminate the influence. Under these conditions, the acid content and the PO 2 F 2 anion do not affect the decomposition of the PF 6 anion.
高温環境下でLiPF6の分解を起こすような正極材料をリチウム二次電池の正極とし
て用いると高温サイクル特性が悪くなる理由は、未だ詳らかではないが、LiPF6の分
解を起こすような正極材料の表面は、電解液の溶媒やリチウム塩等との反応を起こしやすく、その結果、正極の表面にリチウム二次電池の充放電にとって悪影響のある化合物が生成されるのではないかと推論される。また、このような正極表面は、内部の正極活物質にも悪影響を与え、やはり充放電に悪影響を及ぼすとも考えられる。
The reason why the high-temperature cycle characteristics deteriorate when a positive electrode material that causes decomposition of LiPF 6 in a high-temperature environment is used as the positive electrode of a lithium secondary battery is not yet clear, but it is a positive electrode material that causes decomposition of LiPF 6 It is inferred that the surface easily reacts with the solvent of the electrolytic solution, lithium salt, and the like, and as a result, a compound having an adverse effect on the charge and discharge of the lithium secondary battery is generated on the surface of the positive electrode. Moreover, such a positive electrode surface also has a bad influence also on an internal positive electrode active material, and it is thought that it will also have a bad influence on charging / discharging.
前記保存試験(I)においてLiPF6の分解を抑制させる手段としては、特に限定は
されないが、例えば、正極材料中にPF6アニオン分解抑制剤を存在させる。具体的には
、マンガン酸化物或いは/及びリチウムマンガン複合酸化物を含む正極に無機化合物、有機化合物、有機金属化合物、有機イオン等のPF6アニオン分解抑制剤を含有させる方法
や、他金属元素や元素周期律表の15〜17族等の無機イオンで正極活物質の一部の元素を置換する方法等が挙げられる。
The means for suppressing the decomposition of LiPF 6 in the storage test (I) is not particularly limited. For example, a PF 6 anion decomposition inhibitor is present in the positive electrode material. Specifically, a positive electrode containing manganese oxide or / and lithium manganese composite oxide contains a PF 6 anion decomposition inhibitor such as an inorganic compound, an organic compound, an organic metal compound, or an organic ion, other metal elements, Examples include a method of substituting some elements of the positive electrode active material with inorganic ions such as groups 15 to 17 of the periodic table.
正極材料にPF6アニオン分解抑制剤を含有させる場合は、該PF6アニオン分解抑制剤として、下記保存試験(II)によって測定されるPF6アニオンの分解量が6×10μm
ol以下であるものを使用するのが好ましい。下記保存試験(II)によって測定されるPF6アニオンの分解量が6×10μmol以下であるPF6アニオン分解抑制剤を用いれば、高温安定性や高温サイクル特性等の高温特性が改善できる。
If the inclusion of PF 6 anion decomposition inhibitor for the positive electrode material, as the PF 6 anion decomposition inhibitor, decomposition amount is 6 × 10 [mu] m of PF 6 anions as determined by the following storage test (II)
It is preferable to use one that is less than or equal to ol. If a PF 6 anion decomposition inhibitor having a decomposition amount of PF 6 anion measured by the following storage test (II) of 6 × 10 μmol or less is used, high temperature characteristics such as high temperature stability and high temperature cycle characteristics can be improved.
保存試験(II)
a2)Li1+xMn2-xO4( ここで、0≦X≦0.05) なる組成のスピネル構造を有す
るリチウムマンガン複合酸化物のリチウムを抜き出した、満充電状態に相当するリチウムマンガン複合酸化物(0.05≦Li/Mnモル比≦0.09)160mgを、
b2)露点が−75℃以下のアルゴンガス雰囲気下で、
c2)80℃で3時間乾燥させたポリテトラフルオロエチレン容器内で、
d2)前記PF6アニオン分解抑制剤160mgと混合し、
e2)1.0mol/LのLiPF6を含む、エチレンカーボネート2.4mlジエチル
カーボネート5.6mlの混合液(酸分:2.0mmol/L以下、PO2F2アニオン:0.5mmol/L以下、且つエタノール:0.01mg以下)中に浸漬し、
f2)70℃で一週間保存し、保存前後の混合液中のPF6アニオンの量を測定(測定温
度:20℃)し、PF6アニオン分解量を求める。
Storage test (II)
a2) Li 1 + x Mn 2−x O 4 (where 0 ≦ X ≦ 0.05) Lithium manganese equivalent to a fully charged state obtained by extracting lithium from a lithium manganese composite oxide having a spinel structure 160 mg of composite oxide (0.05 ≦ Li / Mn molar ratio ≦ 0.09)
b2) In an argon gas atmosphere with a dew point of −75 ° C. or lower,
c2) In a polytetrafluoroethylene container dried at 80 ° C. for 3 hours,
d2) mixed with 160 mg of the PF 6 anion degradation inhibitor,
e2) A mixed liquid of ethylene carbonate 2.4 ml diethyl carbonate 5.6 ml containing 1.0 mol / L LiPF 6 (acid content: 2.0 mmol / L or less, PO 2 F 2 anion: 0.5 mmol / L or less, And soaked in ethanol: 0.01 mg or less)
f2) Store at 70 ° C. for one week, measure the amount of PF 6 anion in the mixed solution before and after storage (measurement temperature: 20 ° C.), and determine the amount of PF 6 anion decomposition.
上記保存試験(II)のa2)における「Li1+xMn2-xO4(ここで、0≦X≦0.0
5) なる組成のスピネル構造を有するリチウムマンガン複合酸化物のリチウムを抜き出した、満充電状態に相当するリチウムマンガン複合酸化物(0.05≦Li/Mnモル比≦0.09)」は、Li1+xMn2-xO4(ここで、0≦X≦0.05) なる組成のスピネル
構造を有するリチウムマンガン複合酸化物を酸で処理することにより得られる。具体的には、Li1+xMn2-xO4(ここで、0≦X≦0.05) なる組成のスピネル構造を有する
リチウムマンガン複合酸化物を水中に加え、室温下にて攪拌しながらpHが0.8〜1.2で安定するまで酸を滴下することにより得られる。通常pH1で安定させればよい。酸としては硫酸等を使用すればよい。pHが0.8〜1.2で安定しているか否かは、攪拌をしばらく(6時間程度)続けpHの変動がないことを確認すればよい。pHが0.8〜1.2で安定したことが確認できれば、吸引濾過をしながら水洗を数回繰り返し、例えば90℃にて乾燥することにより得られる。
“Li 1 + x Mn 2−x O 4 (where 0 ≦ X ≦ 0.0)” in the storage test (II) a2).
5) Lithium manganese composite oxide corresponding to a fully charged state (0.05 ≦ Li / Mn molar ratio ≦ 0.09) extracted from lithium of the lithium manganese composite oxide having a spinel structure having the composition “ It is obtained by treating a lithium manganese composite oxide having a spinel structure having a composition of 1 + x Mn 2−x O 4 (where 0 ≦ X ≦ 0.05) with an acid. Specifically, a lithium manganese composite oxide having a spinel structure having a composition of Li 1 + x Mn 2−x O 4 (where 0 ≦ X ≦ 0.05) is added to water and stirred at room temperature. However, it is obtained by dropping the acid until the pH is stable at 0.8 to 1.2. Usually, it may be stabilized at pH1. As the acid, sulfuric acid or the like may be used. Whether or not the pH is stable at 0.8 to 1.2 may be confirmed by continuing stirring for a while (about 6 hours) and no fluctuation in pH. If it can be confirmed that the pH is stable at 0.8 to 1.2, it is obtained by repeating washing with water several times while performing suction filtration, for example, drying at 90 ° C.
「Li1+xMn2-xO4(ここで、0≦X≦0.05) なる組成のスピネル構造を有する
リチウムマンガン複合酸化物のリチウムを抜き出した、満充電状態に相当するリチウムマンガン複合酸化物(0.05≦Li/Mnモル比≦0.09)」とは、即ち「LiYMn2-xO4(ここで、0≦X≦0.05、0.10≦y≦0.18)なる組成の化合物である
。
“Li 1 + x Mn 2−x O 4 (where 0 ≦ X ≦ 0.05) lithium manganese composite oxide having a spinel structure extracted from lithium and corresponding to a fully charged lithium manganese composite Oxide (0.05 ≦ Li / Mn molar ratio ≦ 0.09) ”means“ Li Y Mn 2−x O 4 (where 0 ≦ X ≦ 0.05, 0.10 ≦ y ≦ 0). .18).
上記保存試験(II)のa2)における「Li1+xMn2-xO4(ここで、0≦X≦0.0
5) なる組成のスピネル構造を有するリチウムマンガン複合酸化物のリチウムを抜き出した、満充電状態に相当するリチウムマンガン複合酸化物(0.05≦Li/Mnモル比≦0.09)」は、本発明の正極活物質として用いるスピネル構造を有するリチウムマンガ
ン酸化物(Li1+xMn2-xO4(ここで、0≦X≦0.05))の満充電状態を表しており、このLi/Mnモル比のふれは保存試験(II)におけるPF6アニオンの分解量に与え
る影響はほとんどない範囲である。
“Li 1 + x Mn 2−x O 4 (where 0 ≦ X ≦ 0.0)” in the storage test (II) a2).
5) Lithium manganese composite oxide corresponding to a fully charged state (0.05 ≦ Li / Mn molar ratio ≦ 0.09) extracted from lithium of the lithium manganese composite oxide having a spinel structure having the following composition: The lithium manganese oxide having a spinel structure (Li 1 + x Mn 2−x O 4 (where 0 ≦ X ≦ 0.05)) used as the positive electrode active material of the present invention is shown in a fully charged state. The fluctuation of the / Mn molar ratio is in a range where there is almost no influence on the decomposition amount of the PF 6 anion in the storage test (II).
上記保存試験(II)においては、c2)〜f2)を b2)の条件下行う。なお、f2
)については、a2)の満充電状態に相当するリチウムマンガン複合酸化物と
d2)のPF6アニオン分解抑制剤との混合物が浸漬された c2)のポリテトラフルオ
ロエチレン容器内が b2)の条件下であればよく、正極の浸漬に影響を与えないポリテ
トラフルオロエチレン容器の外部は b2)の条件下である必要はない。
In the storage test (II), c2) to f2) are performed under the conditions of b2). F2
), A mixture of a lithium manganese composite oxide corresponding to the fully charged state of a2) and a PF 6 anion decomposition inhibitor of d2) is immersed in the polytetrafluoroethylene container of c2) under the conditions of b2) The outside of the polytetrafluoroethylene container that does not affect the immersion of the positive electrode need not be under the condition of b2).
上記保存試験(II)の e2)において「1.0mol/LのLiPF6を含む、エチレンカーボネート2.4mlジエチルカーボネート5.6mlの混合液(酸分:2.0mmol/L以下、PO2F2アニオン:0.5mmol/L以下、且つエタノール:0.01mg以下)中に浸漬し」とあるのは、即ち「下記(iv)〜(vi)を満たす混合液に浸漬し」ということである。
(iv)酸分の含量が2.0mmol/L以下、及びPO2F2アニオンの含量が0.5mmol/L以下で且つエタノール含量が0.01mg以下。
(v)1.0mol/LのLiPF6を含む。
(vi)エチレンカーボネート2.4mlとジエチルカーボネート5.6mlとからなる。上記(iv)の条件は、上記(i)で説明したのと同様の理由によるものである。
In e2) of the above storage test (II), “a mixed solution of ethylene carbonate 2.4 ml diethyl carbonate 5.6 ml containing 1.0 mol / L LiPF 6 (acid content: 2.0 mmol / L or less, PO 2 F 2 “Immerse in anion: 0.5 mmol / L or less and ethanol: 0.01 mg or less)” means “soak in a mixed solution satisfying the following (iv) to (vi)”.
(Iv) The acid content is 2.0 mmol / L or less, the PO 2 F 2 anion content is 0.5 mmol / L or less, and the ethanol content is 0.01 mg or less.
(V) Contains 1.0 mol / L LiPF 6 .
(Vi) It consists of 2.4 ml of ethylene carbonate and 5.6 ml of diethyl carbonate. The condition (iv) is for the same reason as described in (i) above.
本発明においてはPF6アニオン分解抑制剤は、物質の組成や特定の物理化学的な性質
でその能力が決められるものではない。これは、同じ組成の化合物でも、調製法、粉砕法、保存法等により、その構造、表面積、酸性度、塩基度、平均電圧等の物理化学的な性質が異なり、その結果LiPF6との相互作用の強さが異なるからである。
In the present invention, the ability of the PF 6 anion degradation inhibitor is not determined by the composition of the substance or the specific physicochemical properties. This is also a compound of the same composition, preparation, grinding method, a storage method or the like, its structure, surface area, acidity, basicity, different physicochemical properties of the average voltage and the like, mutual and results LiPF 6 This is because the strength of the action is different.
本発明で用いるPF6アニオン分解抑制剤の組成としては、無機化合物、有機化合物、
有機金属化合物等を挙げることができる。PF6アニオン分解抑制剤として、複数種類を
用いてもよい。以下PF6アニオン分解抑制剤の具体例を示すが、前述のように、組成だ
けで本願発明のPF6アニオン分解抑制剤の規定を満足するか否かが一義的に決まるわけ
ではないことに留意する必要がある。
The composition of the PF 6 anion decomposition inhibitor used in the present invention includes an inorganic compound, an organic compound,
An organometallic compound etc. can be mentioned. A plurality of types of PF 6 anion degradation inhibitors may be used. Specific examples of the PF 6 anion degradation inhibitor are shown below, but it is noted that whether or not the PF 6 anion degradation inhibitor of the present invention is satisfied is not uniquely determined by the composition alone as described above. There is a need to.
PF6アニオン分解抑制剤として使用できる無機化合物としては、元素周期律表の2〜
14族の種々の金属の酸化物、複合酸化物、窒化物、硫化物等が挙げられ、好ましくは2〜14族の種々の金属の酸化物又は複合酸化物である。上記金属元素としては、具体的には、Sr、Ca、Ba、Mg、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、B、Al、Snが挙げられる。また、可逆的にリチウムイオンを吸蔵放出可能な化合物もPF6アニオン分解抑制剤として好適に使用できる。例えば、リチウム鉄複合酸化物、リ
チウムコバルト複合酸化物、リチウムニッケル複合酸化物を挙げることができ、好ましくはリチウムニッケル複合酸化物、特に好ましくは層状構造を有するリチウムニッケル複合酸化物を挙げることができる。無論、これらの一部の金属を他の金属元素で置換したものも用いることができる。
Examples of the inorganic compound that can be used as the PF 6 anion decomposition inhibitor include 2 to 5 in the periodic table of elements.
Examples include oxides, composite oxides, nitrides, sulfides, and the like of various metals belonging to Group 14, and preferred are oxides or composite oxides of various metals belonging to Groups 2-14. Specific examples of the metal element include Sr, Ca, Ba, Mg, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, B, Al, and Sn. A compound capable of reversibly occluding and releasing lithium ions can also be suitably used as the PF 6 anion degradation inhibitor. For example, a lithium iron composite oxide, a lithium cobalt composite oxide, and a lithium nickel composite oxide can be mentioned, preferably a lithium nickel composite oxide, particularly preferably a lithium nickel composite oxide having a layered structure. . Of course, those obtained by replacing some of these metals with other metal elements can also be used.
PF6アニオン分解抑制剤として使用できる有機化合物、有機金属化合物としては、キ
レート剤、即ち重金属と錯体を形成する特性(キレート化作用)を有するものが挙げられる。その中でも、少なくとも元素周期律表の15族及び16族からなる群から選ばれた少なくとも1種の元素を含有する化合物が好ましい。具体的には、分子内に少なくとも一つのアミノ基を有する化合物、分子内に少なくとも1つのアミド結合を有する化合物、分子内に少なくとも水酸基を有する化合物、または分子内に少なくとも1つの含窒素複素環を有する化合物が挙げられる。また、これらの化合物の金属塩も好適に用いることもでき、
金属塩に使用する金属元素としては、元素周期律表の1族、2族及び13族からなる群から選ばれた少なくとも1種の金属元素が挙げられる。具体的には、シュウ酸ビスベンジリデンヒドラジド、ビス(シクロヘキサノン)オキサリルジヒドラゾン、N,N'−ビス{
2−[ 3−(3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオニルオキシル] エチル}オキサミド、3−(N−サリチロイル)アミノ−1,2,4−トリアゾール、デカンジカルボン酸ジサリチロイルヒドラジド、N,N' −ビス[ 3−3,5−ジ−t−ブチル−4−ヒドロキシフェニル)プロピオニル] ヒドラジン、イソフタル酸ビス[ 2−フェノキシプロピオニルヒドラジド] 、ピロール、ピラゾール、イミダゾール、ベンゾイミダゾール、1,2,4−トリアゾール、3−(N−サリチロイル)アミノ−1,2,4−トリアゾール、及びそれらのリチウム塩、ナトリウム塩、マグネシウム塩、アルミニウム塩などが挙げられる。
Examples of the organic compound and organometallic compound that can be used as the PF 6 anion decomposition inhibitor include chelating agents, that is, those having the property of forming a complex with a heavy metal (chelating action). Among these, a compound containing at least one element selected from the group consisting of at least group 15 and group 16 of the periodic table is preferable. Specifically, a compound having at least one amino group in the molecule, a compound having at least one amide bond in the molecule, a compound having at least a hydroxyl group in the molecule, or at least one nitrogen-containing heterocyclic ring in the molecule. The compound which has is mentioned. Moreover, the metal salt of these compounds can also be used suitably,
Examples of the metal element used for the metal salt include at least one metal element selected from the group consisting of Group 1, Group 2 and Group 13 of the Periodic Table of Elements. Specifically, bisbenzylidene hydrazide oxalate, bis (cyclohexanone) oxalyl dihydrazone, N, N′-bis {
2- [3- (3,5-di-t-butyl-4-hydroxyphenyl) propionyloxyl] ethyl} oxamide, 3- (N-salicyloyl) amino-1,2,4-triazole, decanedicarboxylic acid dissari Tyroyl hydrazide, N, N′-bis [3-3,5-di-t-butyl-4-hydroxyphenyl) propionyl] hydrazine, bis [2-phenoxypropionylhydrazide] isophthalate, pyrrole, pyrazole, imidazole, benzo Examples thereof include imidazole, 1,2,4-triazole, 3- (N-salicyloyl) amino-1,2,4-triazole, and lithium, sodium, magnesium, and aluminum salts thereof.
PF6アニオン分解抑制剤としてアミノ基を有する化合物を使用する場合、2級又は3
級のアミノ基を有する化合物が好ましい。特に、LiPF6を含む電解液を用いた場合は
この傾向が顕著である。これは、次のような理由によると考えられる。即ち、PF6アニ
オン分解抑制剤としてアミノ基を有する化合物を使用する場合、アミノ基の窒素原子に水素原子が結合していると、この水素原子が活性プロトンとして機能し、この化合物がLiPF6と反応してHFのような酸が発生する結果、これがさらに電極と反応し、電池とし
ての性能を低下させてしまうことがあると推定される。この傾向は、活性プロトンの多い1級アミンに顕著である。一方、3級アミンは、活性プロトンを有しないためLiPF6
との反応性が低いため、前述のような電池性能の劣化を引き起こさないと考えられるが、マンガン酸化物との相互作用という観点からは、一般に1級又は2級アミンの方が相互作用が強い傾向にある。これは、マンガン酸化物とイオン性或いは共有結合性の結合を形成しうる1級或いは2級アミンに比べ、3級アミンの場合はマンガン酸化物との相互作用が弱い(配位結合である)ため、一度相互作用をした3級アミンが容易に解離しやすいためであると思われる。従って、正極材中に含有させるPF6アニオン分解抑制剤としての能
力は、上述の2つのバランスで決まると考えられる。その結果として、1級アミンよりも2級又は3級アミンを有する化合物の方が好ましいと推定される。しかしながら、嵩高い置換基を有するアミンを使用することにより、それ自身とLiPF6との反応を抑制させ
ることができるため、1級アミンも用いることができる。
When using a compound having an amino group as a PF 6 anion degradation inhibitor, secondary or 3
Compounds having a secondary amino group are preferred. In particular, this tendency is remarkable when an electrolytic solution containing LiPF 6 is used. This is considered to be due to the following reasons. That is, when a compound having an amino group is used as the PF 6 anion degradation inhibitor, if a hydrogen atom is bonded to the nitrogen atom of the amino group, this hydrogen atom functions as an active proton, and this compound is converted to LiPF 6 and As a result of the reaction to generate an acid such as HF, it is presumed that this further reacts with the electrode and may deteriorate the performance as a battery. This tendency is remarkable for primary amines with many active protons. On the other hand, tertiary amine does not have an active proton, so LiPF 6
However, from the viewpoint of interaction with manganese oxide, primary or secondary amines are generally stronger in interaction. There is a tendency. Compared with primary or secondary amines that can form ionic or covalent bonds with manganese oxides, tertiary amines have less interaction with manganese oxides (coordination bonds). Therefore, it seems that the tertiary amine once interacted easily dissociates easily. Therefore, it is considered that the ability as a PF 6 anion decomposition inhibitor contained in the positive electrode material is determined by the above two balances. As a result, it is presumed that a compound having a secondary or tertiary amine is preferable to a primary amine. However, by using an amine having a bulky substituent, the reaction between itself and LiPF 6 can be suppressed, so that a primary amine can also be used.
PF6アニオン分解抑制剤の正極材料内での存在状態としては、通常正極活物質表面を
均一に覆った状態、又は正極材料中に局在化若しくは分散した状態である。前者の場合、LiPF6とマンガンの直接の接触を食い止めることができる。また、後者の場合、Li
PF6分解抑制剤を共存させることにより正極活物質へのLiPF6の相互作用を阻害させることができる。正極材料中に本発明で使用するLiPF6分解抑制剤を存在させるには
、例えば分散混合が挙げられ、その他、蒸着やゾルゲルコーティング、熱処理等により活物質粒子表面にLiPF6分解抑制剤の被膜を形成させる方法を採用することができる。
ただし、熱処理等による被覆はPF6アニオン分解抑制剤の種類によっては、PF6アニオン分解抑制剤が損失したり、変質する場合があり、目的とする効果を失ってしまう場合がある。一方、分散混合は、簡便な添加法であり、かつ変質の影響がなく、本来の効果を十分に発揮しうる点で好ましい。なお、本発明における分散混合とは、複数の物質を単に混ぜ合わせることを意味し、混合物が化学変化してしまう程の高温での熱処理などを伴わない混合を意味する。複数の物質をかき混ぜて正極材料中に本発明で使用するPF6アニオ
ン分解抑制剤を分散させたものが好ましく、均一に分散されていることが好ましい。分散混合は、乾式混合でも湿式混合でもよい。物理混合には、乳鉢、ボールミル、ジェットミル、レディゲミキサー等を使用することができる。また正極材料中に有効に留まらせるために、電解液に溶解しにくいものが好ましい。
The presence state of the PF 6 anion decomposition inhibitor in the positive electrode material is usually a state where the surface of the positive electrode active material is uniformly covered, or a state where it is localized or dispersed in the positive electrode material. In the former case, direct contact between LiPF 6 and manganese can be prevented. In the latter case, Li
By allowing the PF 6 decomposition inhibitor to coexist, the interaction of LiPF 6 with the positive electrode active material can be inhibited. In order to allow the LiPF 6 decomposition inhibitor used in the present invention to be present in the positive electrode material, for example, dispersion mixing may be mentioned. In addition, a LiPF 6 decomposition inhibitor film may be formed on the surface of the active material particles by vapor deposition, sol-gel coating, heat treatment or the like. A forming method can be adopted.
However, the coating by heat treatment, etc. Depending on the type of PF 6 anion decomposition inhibitor, there are cases where PF 6 anion decomposition inhibitor or loss, altered, which may lose the aimed effects. On the other hand, dispersive mixing is preferable because it is a simple addition method, has no influence of alteration, and can sufficiently exhibit its original effect. In addition, the dispersive mixing in the present invention means simply mixing a plurality of substances, and means mixing without heat treatment or the like at such a high temperature that the mixture chemically changes. A substance obtained by mixing a plurality of substances and dispersing the PF 6 anion decomposition inhibitor used in the present invention in the positive electrode material is preferable, and it is preferable that the substance is uniformly dispersed. The dispersion mixing may be dry mixing or wet mixing. A mortar, a ball mill, a jet mill, a Redige mixer, etc. can be used for physical mixing. Moreover, in order to remain in a positive electrode material effectively, what is hard to melt | dissolve in electrolyte solution is preferable.
用いるPF6アニオン分解抑制剤としては、使用する電解液に対する溶解度の低い化合
物が望ましい。また、PF6アニオン分解抑制剤は、無機化合物を用いる際は大きな問題
にならないことが多いが、物理的或いは物理化学的な傾向としては、平均電圧が低いもの、表面積が大きいもの、格子欠陥があるものが化合物が好ましい。ただし、これらは一義的なものでなく、それぞれの因子の組み合わせにより決まる為、必ずしもすべての化合物が上記のそれぞれの傾向に従うとは限らない。
As the PF 6 anion decomposition inhibitor to be used, a compound having low solubility in the electrolyte used is desirable. In addition, PF 6 anion degradation inhibitors often do not pose a major problem when using inorganic compounds. However, physical or physicochemical trends include low average voltage, large surface area, and lattice defects. Some are preferred compounds. However, since these are not unambiguous and are determined by the combination of the factors, not all compounds necessarily follow the respective tendencies described above.
PF6アニオン分解抑制剤の含有量は任意で構わないが、通常正極活物質に対して0.
0001〜80wt%の範囲である。少なすぎると不十分な効果しか得られず高温安定化効果が発現しにくく、逆に多すぎると抵抗が増大することがあり、且つ容量が低下するなどの他の特性を低下させる恐れが出てくる。PF6アニオン分解抑制剤として、リチウム
を吸蔵放出できる化合物を使用すると、添加量が多くても正極の容量が減少しないという利点がある。この場合の添加物の使用量としては、マンガン酸化物及びリチウムマンガン酸化物に対して通常1wt%以上、好ましくは5wt%以上、さらに好ましくは10wt%以上であり、また通常80wt%以下、好ましくは60wt%以下、さらに好ましくは35wt%以下である。一方、前述の元素周期律表の15族及び16族からなるの群から選ばれた少なくとも1種の元素を含有する化合物であってリチウムを吸蔵放出しない化合物を使用する場合には、添加物の使用量としては、マンガン酸化物及びリチウムマンガン酸化物に対して、通常0.0001wt%以上、好ましくは0.001wt%以上、さらに好ましくは0.01wt%以上であり、一方通常10wt%以下、好ましくは5wt%以下、さらに好ましくは1wt%以下である。
The content of the PF 6 anion decomposition inhibitor may be arbitrary, but it is usually 0.
It is the range of 0001-80 wt%. If the amount is too small, only an insufficient effect can be obtained, and the high temperature stabilization effect is hardly exhibited. Conversely, if the amount is too large, resistance may increase, and other characteristics such as a decrease in capacity may occur. come. When a compound capable of occluding and releasing lithium is used as the PF 6 anion decomposition inhibitor, there is an advantage that the capacity of the positive electrode does not decrease even if the addition amount is large. The amount of additive used in this case is usually 1 wt% or more, preferably 5 wt% or more, more preferably 10 wt% or more, and usually 80 wt% or less, preferably with respect to manganese oxide and lithium manganese oxide. 60 wt% or less, more preferably 35 wt% or less. On the other hand, when using a compound containing at least one element selected from the group consisting of Group 15 and Group 16 of the Periodic Table of Elements and does not occlude and release lithium, The amount used is usually 0.0001 wt% or more, preferably 0.001 wt% or more, more preferably 0.01 wt% or more, and usually 10 wt% or less, preferably based on manganese oxide and lithium manganese oxide. Is 5 wt% or less, more preferably 1 wt% or less.
なお、本発明においては、使用する正極活物質がPF6アニオン分解抑制剤そのもので
あってもよい。即ち、1つの化合物が正極活物質であり且つPF6アニオン分解抑制剤で
あってもよい。PF6アニオンの分解を抑制させる手段として、他金属元素や元素周期律
表の15〜17族等の無機イオンで正極活物質の一部の元素を置換する方法も好ましい。この場合、正極活物質としては、高温下で酸素放出しにくい、格子欠陥が少ない或いはリチウムイオンの吸蔵・放出に伴い構造変化が少ない等の性質を有するものが好ましいが、これらも、PF6アニオン分解抑制剤の場合と同様に特にそれぞれの因子のみでPF6アニオンの分解を抑制させる程度が一義的に決定されるわけではない。
In the present invention, the positive electrode active material used may be the PF 6 anion decomposition inhibitor itself. That is, one compound may be a positive electrode active material and a PF 6 anion decomposition inhibitor. As a means for suppressing the decomposition of the PF 6 anion, a method of substituting some elements of the positive electrode active material with other metal elements or inorganic ions such as groups 15 to 17 of the periodic table of elements is also preferable. In this case, as the positive electrode active material, hardly oxygen release at high temperatures, but preferably those having the properties of structural changes with occlusion and release of lattice defects is small or lithium ion is small or the like, also these, PF 6 anion As in the case of the decomposition inhibitor, the degree of suppressing the decomposition of the PF 6 anion is not uniquely determined by each factor alone.
本発明において、上記の保存試験(I)を行った際のPF6アニオンの分解量は、1×
10μmol以下であり、好ましくは6μmol以下である。ただし、あまりに分解量を抑えようとしても現実的ではないので、分解量の下限としては通常1×10-2μmol程度である。一方、上記の保存試験(II)を行った際のPF6アニオンの分解量は、6×1
0μmol以下であり、好ましくは55μmol以下、さらに好ましくは5×10μmol以下である。この場合もあまりに分解量を抑えようとしても現実的ではないので、分解量の下限としては通常1×10-2μmol程度である。
In the present invention, the amount of PF 6 anion decomposed when the above storage test (I) is performed is 1 ×
It is 10 μmol or less, preferably 6 μmol or less. However, since it is not practical to suppress the decomposition amount too much, the lower limit of the decomposition amount is usually about 1 × 10 −2 μmol. On the other hand, the amount of PF 6 anion decomposed when the above storage test (II) was performed was 6 × 1.
It is 0 μmol or less, preferably 55 μmol or less, more preferably 5 × 10 μmol or less. In this case as well, it is not practical to suppress the decomposition amount too much, so the lower limit of the decomposition amount is usually about 1 × 10 −2 μmol.
また、本発明では、上記の保存試験をした際のLiPF6のPF6アニオンの分解物は通常主としてPO2F2アニオンである。従って、上記保存試験(I)で評価される正極の性能や、上記保存試験(II)で評価されるPF6アニオン分解抑制剤の性能は、生成するP
O2F2の生成量をパラメータとして評価することもできる。本発明において、上記の保存試験を行った際の20℃での保存液中に含まれるPO2F2アニオンの量は、保存試験条件(I)では通常1×10μmol以下、好ましくは5μmol以下である。一方、保存試験条件(II)では通常5×10μmol以下であり、好ましくは4×10μmol以下である。ここで、「20℃での」量と制限されるのは、しばしば生成したPO2F2アニオンが沈殿物中に含有される場合がある為である。従って、20℃での保存液の状態とは、20℃でPO2F2アニオンの保存液中の含量が時間に因らず一定となる状態である。
In the present invention, the decomposition product of PF 6 anion of LiPF 6 in the above storage test is usually mainly PO 2 F 2 anion. Therefore, the performance of the positive electrode evaluated in the storage test (I) and the performance of the PF 6 anion degradation inhibitor evaluated in the storage test (II) are as follows.
The production amount of O 2 F 2 can also be evaluated as a parameter. In the present invention, the amount of PO 2 F 2 anion contained in the storage solution at 20 ° C. when the above storage test is performed is usually 1 × 10 μmol or less, preferably 5 μmol or less in the storage test condition (I). is there. On the other hand, the storage test condition (II) is usually 5 × 10 μmol or less, preferably 4 × 10 μmol or less. Here, the amount of “at 20 ° C.” is limited because the generated PO 2 F 2 anion is often contained in the precipitate. Therefore, the state of the preservation solution at 20 ° C. is a state in which the content of PO 2 F 2 anion in the preservation solution becomes constant at 20 ° C. regardless of time.
本発明においては、上記の保存試験(I)又は(II)をした際のPF6アニオンの分解
物の80%以上、特に95%以上がPO2F2アニオンであることが好ましい。更に、本発明において、上記の保存試験(II)の方法で保存試験を行った際に、PO2F2アニオンの生成に伴ってエタノールが生成する。その好ましいエタノールの生成量としては、上記保存試験(II)の保存をさらに2週間延長した際、即ち保存時間を3週間とした上記保存試験(II)を行った際の、保存後の液中に含まれるエタノールの量として1mg以下、さらには0.5mg以下である。上記保存試験(II)においてエタノールが多く生成する場合は、そのPF6アニオン分解抑制剤では充分な高温特性の改善は達成できない。なお、上記の
保存試験(I)の場合でもエタノールの生成が確認される場合があるが、その生成量は極微量である。上記の保存条件(I)の方法による保存試験後の保存液中に含まれるエタノールの量は、通常0.1mg以下である。
In the present invention, it is preferable that 80% or more, particularly 95% or more of the decomposition product of PF 6 anion when the above storage test (I) or (II) is performed is PO 2 F 2 anion. Furthermore, in the present invention, when the storage test is performed by the method of the storage test (II), ethanol is generated with the generation of PO 2 F 2 anion. The preferable amount of ethanol produced in the solution after storage when the storage test (II) was further extended for 2 weeks, that is, when the storage test (II) was performed with a storage time of 3 weeks. The amount of ethanol contained in 1 mg or less, further 0.5 mg or less. When a large amount of ethanol is produced in the storage test (II), the PF 6 anion degradation inhibitor cannot achieve sufficient improvement in high temperature characteristics. In addition, although the production | generation of ethanol may be confirmed also in the case of said preservation | save test (I), the production amount is very trace amount. The amount of ethanol contained in the preservation solution after the preservation test according to the method of preservation condition (I) is usually 0.1 mg or less.
上記の保存液中に含まれるPF6アニオンならびにPO2F2アニオンの量は公知の種々
の分析法で決定できる。その例としては、例えば、イオンクロマトグラフ分析やF−NMR或いはP−NMR等が挙げられる。この際重要な点は、これらの分析を行う場合、ブランクとして、保存前の1.0mol/LのLiPF6を含む液を用いてもLiPF6の分解が起こらない条件下で測定を行うことである。また、特に保存液中のPO2F2アニオンの量が少ない場合には、必要に応じて、保存液中のアニオンの組成を変化させない条件下で濃縮等の操作を行い、アニオンの分析を行ってもよい。
The amount of PF 6 anion and PO 2 F 2 anion contained in the above preservation solution can be determined by various known analytical methods. Examples thereof include ion chromatographic analysis, F-NMR or P-NMR. In this case, an important point is that, when these analyzes are performed, measurement is performed under a condition in which LiPF 6 is not decomposed even if a liquid containing 1.0 mol / L LiPF 6 before storage is used as a blank. is there. In addition, when the amount of PO 2 F 2 anion in the preservation solution is small, if necessary, the anion is analyzed by performing an operation such as concentration under conditions that do not change the composition of the anion in the preservation solution. May be.
エタノールの測定は公知の種々の分析法を用いればよい。例えばガスクロマトグラフィー、液クロマトグラフィー、NMR等が挙げられ、具体的には本発明の実施例における測定方法を用いて測定することができる。本発明において、マンガン酸化物及び/又はリチウムマンガン複合酸化物は活物質として用いられている。なお、本発明において活物質とは該電池の起電反応のもとになる主要物質であり、Liイオンを吸蔵・放出できる物質を意味する。マンガン酸化物及び/又はリチウムマンガン複合酸化物は、活物質としてLiを可逆的に吸蔵・放出できるものであればよく、好ましくはリチウムマンガン複合酸化物であり、特にスピネル構造を有するリチウムマンガン複合酸化物が好ましい。スピネル構造を有するリチウムマンガン複合酸化物の組成は一般にLiMn2O4で表されるが、Mnの一部が他の金属で置換されているものや、酸素欠損の生じているものも使用可能であり、スピネル構造を有するリチウムマンガン複合酸化物に包含される。Mnの一部を置換する金属としては、Al、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Li、Ni、Cu、Zn、Mg、Ga、Zr、B、Ge等が挙げられる。 For the measurement of ethanol, various known analytical methods may be used. For example, gas chromatography, liquid chromatography, NMR and the like can be mentioned. Specifically, measurement can be performed using the measurement method in the examples of the present invention. In the present invention, manganese oxide and / or lithium manganese composite oxide is used as an active material. In the present invention, the active material is a main material that causes the electromotive reaction of the battery, and means a material that can occlude and release Li ions. The manganese oxide and / or lithium manganese composite oxide is not particularly limited as long as it can reversibly absorb and release Li as an active material, and is preferably a lithium manganese composite oxide, and particularly a lithium manganese composite oxide having a spinel structure. Things are preferred. The composition of the lithium manganese composite oxide having a spinel structure is generally represented by LiMn 2 O 4 , but those in which a part of Mn is substituted with another metal or those in which oxygen deficiency occurs can be used. It is included in the lithium manganese composite oxide having a spinel structure. Examples of the metal that substitutes a part of Mn include Al, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Li, Ni, Cu, Zn, Mg, Ga, Zr, B, and Ge.
本発明の第1の態様の好ましい態様及び本発明の第2の態様として、スピネル型構造を有するリチウムマンガン複合酸化物及び層状構造を有するリチウムニッケル複合酸化物を含有するリチウムイオン二次電池用正極材料であって、該リチウムマンガン複合酸化物のマンガンサイトの一部が典型元素から選ばれる少なくとも1種の元素で置換されていることを特徴とするリチウムイオン二次電池用正極材料が挙げられる。本発明においては、層状構造を有するリチウムニッケル複合酸化物を含有、及びリチウムマンガン複合酸化物のマンガンサイトの一部を典型元素から選ばれる少なくとも1種の元素で置換することにより高温安定性や高温サイクル特性等の高温特性の改善を達成している。 As a preferred embodiment of the first embodiment of the present invention and a second embodiment of the present invention, a positive electrode for a lithium ion secondary battery comprising a lithium manganese composite oxide having a spinel structure and a lithium nickel composite oxide having a layered structure And a positive electrode material for a lithium ion secondary battery in which a part of a manganese site of the lithium manganese composite oxide is substituted with at least one element selected from typical elements. In the present invention, the lithium nickel composite oxide having a layered structure is contained, and a part of the manganese site of the lithium manganese composite oxide is replaced with at least one element selected from typical elements, whereby high temperature stability and high temperature are achieved. Improved high-temperature characteristics such as cycle characteristics.
上記で使用するスピネル構造を有するリチウムマンガン複合酸化物は、例えば、リチウム化合物とマンガン化合物及びマンガンサイトの一部を置換する少なくとも1種類以上の典型元素の化合物を混合し、大気中で焼成するか、或いは、リチウム化合物とマンガン化合物を混合し、大気中で焼成してスピネル型リチウムマンガン複合酸化物を製造し、次いで、少なくとも一種以上の典型元素の化合物と反応させることによって得ることができる。このような、Mnサイトを置換する典型元素としては、Li、B 、Mg、Al、Ca、Zn、Ga、G
等が挙げられる。無論複数の元素でマンガンサイトを置換することも可能である。マンガンサイトの置換元素としては、Li、Mg、Al、Gaが好ましく、特にアルミニウム及び/又は
リチウムが好ましい。典型元素の置換量はマンガン2モルの中の0.05モル以上が好ましく、更に好ましくは0.06以上、最も好ましくは0.08モル以上である。
The lithium manganese composite oxide having a spinel structure used above is, for example, a mixture of a lithium compound, a manganese compound, and a compound of at least one typical element that substitutes a part of the manganese site, and is fired in the atmosphere. Or it can obtain by mixing a lithium compound and a manganese compound, baking in air | atmosphere, manufacturing a spinel type lithium manganese complex oxide, and making it react with the compound of at least 1 type or more of typical elements then. Examples of typical elements that replace Mn sites include Li, B, Mg, Al, Ca, Zn, Ga, and G.
Etc. Of course, it is possible to replace the manganese site with a plurality of elements. Li, Mg, Al, and Ga are preferable as manganese site substitution elements, and aluminum and / or lithium are particularly preferable. The substitution amount of the typical element is preferably 0.05 mol or more of 2 mol of manganese, more preferably 0.06 or more, and most preferably 0.08 mol or more.
本発明の第1の態様の好ましい態様及び本発明の第3の態様として、スピネル型構造を有するリチウムマンガン複合酸化物及び層状構造を有するリチウムニッケル複合酸化物とを含有するリチウムイオン二次電池用正極材料であって、該リチウムマンガン複合酸化物のマンガンサイトの一部が他元素で置換されていて、該リチウムマンガン複合酸化物の下記測定方法(I)で測定される平均電圧が、4.059V以上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材料が挙げられる。ここで下記測定方法(I)は正極材料として用いる好ましいリチウムマンガン複合酸化物を決定するための測定方法である。下記測定方法(I)で測定される平均電圧が、4.059V以上であるマンガンサイトの一部が他元素で置換されたリチウムマンガン複合酸化物が高温安定性や高温サイクル特性等の高温特性の改善の点で好ましい。 As a preferred embodiment of the first embodiment of the present invention and a third embodiment of the present invention, for a lithium ion secondary battery comprising a lithium manganese composite oxide having a spinel structure and a lithium nickel composite oxide having a layered structure 4. A positive electrode material, wherein a part of the manganese site of the lithium manganese composite oxide is substituted with another element, and the average voltage measured by the following measurement method (I) of the lithium manganese composite oxide is 4. A positive electrode material for a lithium ion secondary battery characterized by having a voltage of 059 V or more can be given. Here, the following measurement method (I) is a measurement method for determining a preferable lithium manganese composite oxide used as the positive electrode material. The lithium manganese composite oxide in which a part of the manganese site whose average voltage measured by the following measuring method (I) is 4.059 V or more is substituted with other elements is high temperature characteristics such as high temperature stability and high temperature cycle characteristics. It is preferable in terms of improvement.
<平均電圧の測定方法(I)>
(1) 当該複合酸化物を75重量% 、アセチレンブラック20重量%、ポリテトラフロロエチレン(PTFE)パウダー5重量%の割合で秤量したものを混合し、薄くシート状にする。全体重量が12.5mg/cm2になるように調整した後、この試料をさらにア
ルミニウムのエキスパンドメタルに圧着して試験極とする。試験極は減圧下120℃で1時間の乾燥を行う。
(2) アルゴン雰囲気下、25μmの多孔性ポリエチレンフィルムをセパレータとし、
対極としてリチウム金属箔を使用し、さらに、非水電解液溶液として、エチレンカーボネートとジエチルカーボネートとの体積比3:7の混合溶媒に1モル/リットルの六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)を溶解させた溶液を用いて、CR2032型のコイン型電
池を作製する。
(3) 得られたコイン型電池を、25℃の環境下で、電流密度0.5mA/cm2の定電流充放電サイクル(充電上限4.35V、放電下限3.2V)を行い、平均電圧Veを
Ve=(2サイクル目の充電平均電圧+2サイクル目の放電平均電圧)/2
として求める。なお充電平均電圧あるいは放電平均電圧は、充電時あるいは放電時の電圧を2秒間隔で測定し、電圧を時間で積算した値を、充電あるいは放電に要した時間で割ることにより算出する。
<Measuring method of average voltage (I)>
(1) The composite oxide is weighed at a ratio of 75% by weight, acetylene black 20% by weight, and polytetrafluoroethylene (PTFE) powder 5% by weight, and is made into a thin sheet. After adjusting the total weight to 12.5 mg / cm 2 , this sample is further pressure-bonded to an aluminum expanded metal to form a test electrode. The test electrode is dried at 120 ° C. under reduced pressure for 1 hour.
(2) A 25 μm porous polyethylene film as a separator under an argon atmosphere,
Lithium metal foil was used as the counter electrode, and 1 mol / liter lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) was added as a non-aqueous electrolyte solution to a mixed solvent of ethylene carbonate and diethyl carbonate in a volume ratio of 3: 7. A CR2032 type coin-type battery is manufactured using the dissolved solution.
(3) The obtained coin-type battery was subjected to a constant current charge / discharge cycle (charge upper limit 4.35 V, discharge lower limit 3.2 V) at a current density of 0.5 mA / cm 2 in an environment of 25 ° C., and the average voltage Ve = Ve = (average charge voltage in the second cycle + discharge average voltage in the second cycle) / 2
Asking. The charge average voltage or discharge average voltage is calculated by measuring the voltage during charging or discharging at intervals of 2 seconds and dividing the value obtained by integrating the voltage over time by the time required for charging or discharging.
上記測定方法(I)の(1)における試料のエキスパンドメタルへの圧着は、例えば錠剤成型器に(1)アルミニウムのエキスパンドメタルと(2)当該複合酸化物を75重量% 、アセチレンブラック20重量%、ポリテトラフロロエチレン(PTFE)パウダー
5重量%の割合で秤量したものを混合し、薄くシート状し、全体重量が12.5mg/cm2となるよう調整したものを重ねてセットし、プレスすればよい。圧着の圧力としては
通常80〜100MPaであり、90MPa前後で圧着すればよい。
In the measurement method (I) (1), the sample is pressed against the expanded metal by, for example, applying (1) aluminum expanded metal and (2) the composite oxide to 75% by weight and acetylene black 20% by weight in a tablet molding machine. , Polytetrafluoroethylene (PTFE) powder weighed at a ratio of 5% by weight, mixed into a thin sheet, adjusted to a total weight of 12.5 mg / cm 2 , stacked and set. That's fine. The pressure for pressure bonding is usually 80 to 100 MPa, and the pressure may be about 90 MPa.
エキスパンドメタルの厚さは通常50〜300μmであり、200μm前後のものを用いればよい。上記の活物質として使用されるスピネル型のリチウムマンガン複合酸化物は、平均電圧が4.059V以上、好ましくは平均電圧が4.060V以上、さらに好ましくは4.060V以上、最も好ましくは4.070V以上である。ただし、あまりに高い電圧のものは製造するのが困難なので、平均電圧は通常4.3V以下である。ここで、平均電圧とは、上記(1)〜(3)に従って測定したものである。 The thickness of the expanded metal is usually 50 to 300 μm, and a thickness of about 200 μm may be used. The spinel type lithium manganese oxide used as the active material has an average voltage of 4.059 V or higher, preferably an average voltage of 4.060 V or higher, more preferably 4.060 V or higher, and most preferably 4.070 V or higher. However, since an extremely high voltage is difficult to manufacture, the average voltage is usually 4.3 V or less. Here, the average voltage is measured according to the above (1) to (3).
この様に厳密に方法を規定すれば、平均電圧は一義的に決定できる。上記で使用するスピネル構造を有し、マンガンサイトの一部が他元素で置換されたリチウムマンガン複合酸化物は、例えば、マンガンサイトの一部を少なくとも1種類以上の元素によって置換することによって得ることができる。このような、Mnサイトを置換する元素としては、Mnの
一部を置換する金属としては、Al、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Li、Ni、Cu、Zn、Mg、Ga、Zr、B、Ge等が挙げられ、好ましくはLi、B 、Mg、Al、Ca、Zn、Ga、Ge等の典型元素が挙げられる。無論複数の元素でマンガンサイトを置換することも可能である。マンガンサイトの置換元素としては、少量でスピネル型リチウムマンガン複合酸化物の平均電圧を上げることが可能であるため、特にアルミニウム及び/又はリチウムが好ましい。
If the method is strictly defined in this way, the average voltage can be uniquely determined. The lithium manganese composite oxide having the spinel structure used above, in which a part of the manganese site is substituted with another element, for example, is obtained by substituting a part of the manganese site with at least one element. Can do. As such an element that replaces the Mn site, as a metal that replaces a part of Mn, Al, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Li, Ni, Cu, Zn, Mg, Ga, Zr, B, Ge and the like can be mentioned, and typical elements such as Li, B, Mg, Al, Ca, Zn, Ga and Ge are preferable. Of course, it is possible to replace the manganese site with a plurality of elements. As the manganese site substitution element, aluminum and / or lithium are particularly preferable because the average voltage of the spinel type lithium manganese composite oxide can be increased with a small amount.
第1の態様の好ましい態様、本発明の第2の態様及び本発明の第3の態様において、使用するスピネル型構造を有するリチウムマンガン複合酸化物「以下「複合酸化物(A)」ということもある)のうち好ましいものは、一般式Li[Mn(2-x)AlyLiz]O4(但し、x、y及びzはそれぞれ0以上の数であり、x=y+zである。ただしyとzは同時に0でない。)
で表わすことができる。ここで、yとしては、通常0.5以下、好ましくは0.25以
下であり、また通常は0.1以上である。また、zとしては、通常0.1以下、好ましくは0.08以下であり、また通常0.02以上である。yやzが小さすぎると高温特性が悪化することがあり、一方大きすぎると容量が低下する傾向にある。
In the preferred embodiment of the first embodiment, the second embodiment of the present invention, and the third embodiment of the present invention, a lithium manganese composite oxide having a spinel structure to be used "hereinafter referred to as" composite oxide (A) "is also used. Among them, preferred is a general formula Li [Mn (2-x) Al y Li z ] O 4 (where x, y and z are each a number of 0 or more, and x = y + z, where y And z are not 0 at the same time.)
It can be expressed as Here, y is usually 0.5 or less, preferably 0.25 or less, and usually 0.1 or more. Z is usually 0.1 or less, preferably 0.08 or less, and usually 0.02 or more. If y and z are too small, the high temperature characteristics may be deteriorated. On the other hand, if y and z are too large, the capacity tends to decrease.
なお、上記において、複合酸化物(A)の酸素原子は不定比性を有してもよく、また酸素原子の一部がフッ素等のハロゲン元素で置換されていてもよい。第1の態様の好ましい態様、本発明の第2の態様及び本発明の第3の態様において使用する層状構造を有するリチウムニッケル複合酸化物(以下「複合酸化物(B)ということもある)としては、基本的な組成式LiNiO2を有するものが一般的である。中でも、平均電圧は3.830V以下のものが好ましく、特に3.820V以下、さらには3.810V以下、さらには3.800V以下のものが好ましい。複合酸化物(B)の平均電圧を下げることによって、複合酸化物(A)との電位差が広がるので、作用欄で述べたような、複合酸化物(A)と(B)との相互作用が大きくなることが予想され、その結果高温での特性等を向上させることができる。ただし、あまりに平均電圧の低いものは製造が困難なので、通常平均電圧は3.5V以上である。 In the above, the oxygen atom of the composite oxide (A) may have nonstoichiometry, and a part of the oxygen atom may be substituted with a halogen element such as fluorine. As a preferred embodiment of the first embodiment, a lithium nickel composite oxide (hereinafter sometimes referred to as “composite oxide (B)”) having a layered structure used in the second embodiment of the present invention and the third embodiment of the present invention. In general, those having the basic composition formula LiNiO 2. Among them, the average voltage is preferably 3.830 V or less, particularly 3.820 V or less, further 3.810 V or less, more preferably 3.800 V or less. Since the potential difference with the composite oxide (A) is widened by lowering the average voltage of the composite oxide (B), mutual interaction between the composite oxide (A) and (B) as described in the section of action is preferable. The effect is expected to increase, and as a result, it is possible to improve the characteristics at a high temperature, etc. However, it is difficult to manufacture a product having an extremely low average voltage, so that the average voltage is usually 3.5 V or more.
なお、複合酸化物(B)の平均電圧の測定法は、複合酸化物(A)における測定法とほぼ同一であるが、(3)の工程において、電流密度を0.2mA/cm2とし、充電上限を4.2Vと
する点が異なる。このような平均電圧を下げた複合酸化物(B) は、ニッケルの一部を他元素によって置換することによって得ることができる。また、複合酸化物(B)の粒径を小さくすることによって、リチウムの出し入れを容易にすることによっても得ることができる。
The measurement method of the average voltage of the composite oxide (B) is almost the same as the measurement method of the composite oxide (A), but in the step (3), the current density is set to 0.2 mA / cm 2 and charging is performed. The difference is that the upper limit is 4.2V. Such a composite oxide (B) having a reduced average voltage can be obtained by replacing a part of nickel with another element. It can also be obtained by making lithium in and out easy by reducing the particle size of the composite oxide (B).
ニッケルの一部を置換できる元素としては、B、Al、Fe、Sn、Cr、Cu、Ti、Zn、Co、Mn等の金属元素を挙げることができる。無論複数の元素でニッケルサイトを置換することも可能である。特にはアルミニウム及び/又はコバルトが好ましい。特に好ましい複合酸化物(B)は、一般式Li[Ni(1-x)CoyAlz]O2 ( ただしx、y及びzは
それぞれ0以上の数であり、x=y+z である。ただしyとzは同時に0でない。) で表わすことができる。ここで、y及びzとしては、それぞれ独立に、通常0.5以下、好ましくは0.25以下であり、また通常は0.1以上である。また、zとしては、通常0.1以下、好ましくは0.08以下であり、また通常0.02以上である。yやzが小さすぎると高温特性が良くない傾向にあり、一方大きすぎると容量が低下する傾向にある。
Examples of elements that can substitute a part of nickel include metal elements such as B, Al, Fe, Sn, Cr, Cu, Ti, Zn, Co, and Mn. Of course, it is also possible to replace nickel sites with multiple elements. In particular, aluminum and / or cobalt is preferable. A particularly preferable composite oxide (B) is a general formula Li [Ni (1-x) Co y Al z ] O 2 (where x, y and z are each a number of 0 or more, and x = y + z). However, y and z are not 0 at the same time.) Here, y and z are each independently usually 0.5 or less, preferably 0.25 or less, and usually 0.1 or more. Z is usually 0.1 or less, preferably 0.08 or less, and usually 0.02 or more. If y and z are too small, the high temperature characteristics tend to be poor, while if too large, the capacity tends to decrease.
なお、上記において、複合酸化物(B)の酸素原子は不定比性を有してもよく、また酸素原子の一部がフッ素等のハロゲン元素で置換されていてもよい。第1の態様の好ましい態様、本発明の第2の態様及び本発明の第3の態様においては、複合酸化物(A)と複合酸化物(B)とは、それらの混合物の形態であってもよく、また、化学的な結合を伴う複合体であってもよい。 In the above, the oxygen atom of the composite oxide (B) may have nonstoichiometry, and part of the oxygen atom may be substituted with a halogen element such as fluorine. In the preferred embodiment of the first embodiment, the second embodiment of the present invention and the third embodiment of the present invention, the composite oxide (A) and the composite oxide (B) are in the form of a mixture thereof. It may also be a complex with chemical bonding.
第1の態様の好ましい態様、本発明の第2の態様及び本発明の第3の態様において、活物質中における、複合酸化物(A) と複合酸化物(B) との合計量に対する複合酸化物(B) の重量比率Rとしては、通常0.7以下であり、好ましくは0.6以下、さらに好ましくは0.3以下である。また、通常は0.05以上であり、好ましくは0.1以上である。リチウムニッケル複合酸化物の混合比率が少なすぎると、高温特性の改善効果が小さくなる傾向にあり、逆に多すぎるとコストアップや安全性の面で問題が生じることがあるためである。 In the preferred embodiment of the first embodiment, the second embodiment of the present invention, and the third embodiment of the present invention, the composite oxidation relative to the total amount of the composite oxide (A) and the composite oxide (B) in the active material The weight ratio R of the product (B) is usually 0.7 or less, preferably 0.6 or less, more preferably 0.3 or less. Moreover, it is 0.05 or more normally, Preferably it is 0.1 or more. This is because if the mixing ratio of the lithium nickel composite oxide is too small, the effect of improving the high temperature characteristics tends to be small, and conversely if too large, problems may occur in terms of cost increase and safety.
また、複合酸化物(A) 若しくは(B) 、又はこれらの複合体の粒径は通常0.1μm以上、好ましくは0.2μm以上、さらに好ましくは0.3μm以上であり、また通常30μm以下、好ましくは10μm以下、さらに好ましくは5μm以下である。また、これらの窒素吸着法による比表面積は通常0.3m2/g以上であり、また通常15m2/g以下である。粒径が小さすぎたり比表面積が大きいと電池のサイクル劣化大きくなったり、安全性に問題が生じたりすることがある。粒径が大きすぎたり、比表面積が小さすぎると、電池の内部抵抗が大きなり、出力が出しにくくなることがある。 The particle size of the composite oxide (A) or (B) or these composites is usually 0.1 μm or more, preferably 0.2 μm or more, more preferably 0.3 μm or more, and usually 30 μm or less. Preferably it is 10 micrometers or less, More preferably, it is 5 micrometers or less. The specific surface area of these nitrogen adsorption method is usually 0.3 m 2 / g or more, and usually less than 15 m 2 / g. If the particle size is too small or the specific surface area is large, the cycle deterioration of the battery may become large, and a safety problem may occur. If the particle size is too large or the specific surface area is too small, the internal resistance of the battery may be large and it may be difficult to output.
本発明は又、上述の如きリチウム二次電池用正極材料を使用したリチウムイオン二次電池用の正極と電池に関する。即ち、本発明のリチウムイオン二次電池用正極は、前記正極材料を含有する活物質層を集電体上に形成してなるものである。正極は、通常、活物質とバインダーとを含有する活物質層を集電体上に形成してなる。活物質層は、通常、上記構成成分を含有するスラリーを調製し、これを集電体上に塗布・乾燥することで得ることができる。 The present invention also relates to a positive electrode and a battery for a lithium ion secondary battery using the positive electrode material for a lithium secondary battery as described above. That is, the positive electrode for a lithium ion secondary battery of the present invention is formed by forming an active material layer containing the positive electrode material on a current collector. The positive electrode is usually formed by forming an active material layer containing an active material and a binder on a current collector. The active material layer can be usually obtained by preparing a slurry containing the above components and applying and drying the slurry on a current collector.
活物質層中の本発明の活物質の割合は、通常10重量%以上、好ましくは30重量%以上、さらに好ましくは50重量%以上であり、通常99.9重量%以下、好ましくは99重量%以下である。正極に使用されるバインダーとしては、例えば、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、フッ素化ポリフッ化ビニリデン、EPDM(エチレン−プロピレン−ジエン三元共重合体)、SBR(スチレン−ブタジエンゴム)、NBR(アクリロニトリル−ブタジエンゴム)、フッ素ゴム、ポリ酢酸ビニル、ポリメチルメタクリレート、ポリエチレン、ニトロセルロース等が挙げられる。活物質層中のバインダーの割合は、通常0.1重量%以上、好ましくは1重量%以上、さらに好ましくは5重量%以上であり、通常80重量%以下、好ましくは60重量%以下、さらに好ましくは40重量%以下、最も好ましくは10重量%以下である。バインダーの割合が低すぎると、活物質を十分に保持できずに正極の機械的強度が不足し、サイクル特性等の電池性能を悪化させることがあり、一方高すぎると電池容量や導電性を下げることがある。 The ratio of the active material of the present invention in the active material layer is usually 10% by weight or more, preferably 30% by weight or more, more preferably 50% by weight or more, and usually 99.9% by weight or less, preferably 99% by weight. It is as follows. Examples of the binder used for the positive electrode include polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, fluorinated polyvinylidene fluoride, EPDM (ethylene-propylene-diene terpolymer), SBR (styrene-butadiene rubber), NBR ( Acrylonitrile-butadiene rubber), fluoro rubber, polyvinyl acetate, polymethyl methacrylate, polyethylene, nitrocellulose and the like. The ratio of the binder in the active material layer is usually 0.1% by weight or more, preferably 1% by weight or more, more preferably 5% by weight or more, and usually 80% by weight or less, preferably 60% by weight or less, more preferably. Is 40% by weight or less, most preferably 10% by weight or less. If the proportion of the binder is too low, the active material cannot be sufficiently retained, and the mechanical strength of the positive electrode may be insufficient, and battery performance such as cycle characteristics may be deteriorated. On the other hand, if it is too high, the battery capacity and conductivity will be reduced. Sometimes.
活物質層は、通常導電性を高めるため導電剤を含有する。導電剤としては、天然黒鉛、人造黒鉛等の黒鉛や、アセチレンブラック等のカーボンブラック、ニードルコークス等の無定形炭素等の炭素材料を挙げることができる。活物質層中の導電剤の割合は、通常0.01重量%以上、好ましくは0.1重量%以上、さらに好ましくは1重量%以上であり、通常50重量%以下、好ましくは30重量%以下、さらに好ましくは15重量%以下である。導電剤の割合が低すぎると導電性が不十分になることがあり、逆に高すぎると電池容量が低下することがある。 The active material layer usually contains a conductive agent in order to increase conductivity. Examples of the conductive agent include graphite such as natural graphite and artificial graphite, carbon black such as acetylene black, and amorphous carbon such as needle coke. The proportion of the conductive agent in the active material layer is usually 0.01% by weight or more, preferably 0.1% by weight or more, more preferably 1% by weight or more, and usually 50% by weight or less, preferably 30% by weight or less. More preferably, it is 15% by weight or less. If the proportion of the conductive agent is too low, the conductivity may be insufficient, and conversely if it is too high, the battery capacity may be reduced.
また、スラリー溶媒としては、通常はバインダーを溶解あるいは分散する有機溶剤が使用される。例えば、N−メチルピロリドン、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、メチルエチルケトン、シクロヘキサノン、酢酸メチル、アクリル酸メチル、ジエチレントリアミン、N,N−ジメチルアミノプロピルアミン、エチレンオキシド、テトラヒドロフラン等を挙げることができる。また、水に分散剤、増粘剤等を加えてSBR等のラテックスで活物質をスラリー化することもできる。 As the slurry solvent, an organic solvent that dissolves or disperses the binder is usually used. Examples thereof include N-methylpyrrolidone, dimethylformamide, dimethylacetamide, methyl ethyl ketone, cyclohexanone, methyl acetate, methyl acrylate, diethylenetriamine, N, N-dimethylaminopropylamine, ethylene oxide, and tetrahydrofuran. Moreover, a dispersing agent, a thickener, etc. can be added to water, and an active material can also be slurried with latex, such as SBR.
活物質層の厚さは、通常10〜200μm程度である。正極に使用する集電体の材質としては、アルミニウム、ステンレス鋼、ニッケルメッキ鋼等が用いられ、好ましくはアルミニウムである。なお、塗布・乾燥によって得られた活物質層は、活物質の充填密度を上げるためローラープレス等により圧密されるのが好ましい。 The thickness of the active material layer is usually about 10 to 200 μm. As the material of the current collector used for the positive electrode, aluminum, stainless steel, nickel-plated steel or the like is used, and preferably aluminum. Note that the active material layer obtained by coating and drying is preferably consolidated by a roller press or the like in order to increase the packing density of the active material.
本発明の活物質、正極を用いてリチウムイオン二次電池とすることができる。本発明のリチウムイオン二次電池は、前記活物質を正極中に含有するが、通常上記正極と負極及び非水系電解液とを有する。本発明の二次電池の負極に使用される負極活物質としては、リチウムやリチウムアルミニウム合金などのリチウム合金であっても良いが、より安全性の高いリチウを吸蔵、放出できる炭素材料が好ましい。この炭素材料としては、天然乃至人造の黒鉛、石油系コークス、石炭系コークス、石油系ピッチの炭化物、石炭系ピッチの炭化物、フェノール樹脂・結晶セルロース等の樹脂の炭化物およびこれらを一部炭化した炭素材、ファーネスブラック、アセチレンブラック等のカーボンブラック、ピッチ系炭素繊維、PAN 系炭素繊維、あるいはこれらの2種以上の混合物等が挙げられる。 It can be set as a lithium ion secondary battery using the active material and positive electrode of this invention. The lithium ion secondary battery of the present invention contains the active material in a positive electrode, but usually has the positive electrode, a negative electrode, and a non-aqueous electrolyte. The negative electrode active material used for the negative electrode of the secondary battery of the present invention may be a lithium alloy such as lithium or a lithium aluminum alloy, but is preferably a carbon material that can occlude and release more safe lithium. The carbon materials include natural or artificial graphite, petroleum coke, coal coke, petroleum pitch carbide, coal pitch carbide, phenolic resin / crystalline cellulose resin carbide, and charcoal partially carbonized. Examples thereof include carbon black such as raw materials, furnace black and acetylene black, pitch-based carbon fibers, PAN-based carbon fibers, or a mixture of two or more of these.
負極は、通常、正極の場合と同様、活物質層を集電体上に形成させてなる。この際使用するバインダーや、必要に応じて使用される導電剤やスラリー溶媒としては、正極で使用するものと同様のものを使用することができる。また、負極の集電体としては、銅、ニッケル、ステンレス鋼、ニッケルメッキ鋼等が使用され、好ましくは銅が用いられる。 The negative electrode is usually formed by forming an active material layer on a current collector as in the case of the positive electrode. As the binder used at this time, the conductive agent and the slurry solvent used as necessary, the same ones used for the positive electrode can be used. In addition, as the negative electrode current collector, copper, nickel, stainless steel, nickel-plated steel, or the like is used, and copper is preferably used.
本発明のリチウム二次電池に使用できる非水系電解液としては、各種の電解質塩を非水系溶媒に溶解したものを挙げることができる。非水溶媒としては、例えばカーボネート類、エーテル類、ケトン類、スルホラン系化合物、ラクトン類、ニトリル類、ハロゲン化炭化水素類、アミン類、エステル類、アミド類、燐酸エステル化合物等を使用することができる。これらの代表的なものを列挙すると、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、クロロエチレンカーボネート、トリフルオロプロピレンカーボネート、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ビニレンカーボネート、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、1,4−ジオキサン、4−メチル−2−ペンタノン、1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジエトキシエタン、γ−ブチロラクトン、1,3−ジオキソラン、4−メチル−1,3−ジオキソラン、ジエチルエーテル、スルホラン、メチルスルホラン、アセトニトリル、プロピオニトリル、ベンゾニトリル、ブチロニトリル、バレロニトリル、1,2−ジクロロエタン、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、燐酸トリメチル、燐酸トリエチル等の単独もしくは2種類以上の混合溶媒が使用できる。 Examples of the non-aqueous electrolyte solution that can be used in the lithium secondary battery of the present invention include those in which various electrolyte salts are dissolved in a non-aqueous solvent. As the non-aqueous solvent, for example, carbonates, ethers, ketones, sulfolane compounds, lactones, nitriles, halogenated hydrocarbons, amines, esters, amides, phosphate ester compounds, etc. may be used. it can. Typical examples of these are propylene carbonate, ethylene carbonate, chloroethylene carbonate, trifluoropropylene carbonate, diethyl carbonate, dimethyl carbonate, ethylmethyl carbonate, vinylene carbonate, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, 1,4-dioxane. 4-methyl-2-pentanone, 1,2-dimethoxyethane, 1,2-diethoxyethane, γ-butyrolactone, 1,3-dioxolane, 4-methyl-1,3-dioxolane, diethyl ether, sulfolane, methyl Sulfolane, acetonitrile, propionitrile, benzonitrile, butyronitrile, valeronitrile, 1,2-dichloroethane, dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, phosphate Methyl, alone or a mixture of two or more solvents such as triethyl phosphate may be used.
上述の非水系溶媒には、電解質を解離させるために高誘電率溶媒が含まれることが好ましい。ここで、高誘電率溶媒とは、25℃における比誘電率が20以上の溶媒を意味する。高誘電率溶媒の中では、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート及びそれらの水素原子をハロゲン等の他の元素またはアルキル基等で置換した化合物が電解液中に含まれることが好ましい。高誘電率溶媒の電解液中に占める割合は、好ましくは20重量%以上、更に好ましくは30重量%以上、最も好ましくは40重量%以上である。高誘電率溶媒の含有量が少ないと、所望の電池特性が得られない場合があるからである。 The above non-aqueous solvent preferably contains a high dielectric constant solvent in order to dissociate the electrolyte. Here, the high dielectric constant solvent means a solvent having a relative dielectric constant of 20 or more at 25 ° C. Among the high dielectric constant solvents, it is preferable that the electrolyte solution contains ethylene carbonate, propylene carbonate, and compounds in which hydrogen atoms thereof are substituted with other elements such as halogen or alkyl groups. The proportion of the high dielectric constant solvent in the electrolytic solution is preferably 20% by weight or more, more preferably 30% by weight or more, and most preferably 40% by weight or more. This is because if the content of the high dielectric constant solvent is small, desired battery characteristics may not be obtained.
電解質塩としては、従来公知のいずれもが使用でき、LiClO4、LiAsF6、LiPF6、LiBF4、LiB(C6H5)4、LiCl、LiBr、LiCH3SO3Li、L
iCF3SO3、LiN(SO2CF3)2、LiN(SO2C2F5)2、LiC(SO2CF3
)3、LiN(SO3CF3)2等のリチウム塩が挙げられる。
As the electrolyte salt, any conventionally known electrolyte salt can be used. LiClO 4 , LiAsF 6 , LiPF 6 , LiBF 4 , LiB (C 6 H 5 ) 4 , LiCl, LiBr, LiCH 3 SO 3 Li, L
iCF 3 SO 3 , LiN (SO 2 CF 3 ) 2 , LiN (SO 2 C 2 F 5 ) 2 , LiC (SO 2 CF 3
) 3 , and lithium salts such as LiN (SO 3 CF 3 ) 2 .
また、CO2、N2O、CO、SO2等のガスやポリサルファイドSx 2-、ビニレンカーボ
ネート、カテコールカーボネートなど負極表面にリチウムイオンの効率よい充放電を可能にする良好な皮膜を生成する添加剤を任意の割合で上記単独又は混合溶媒に添加してもよい。また、リチウムイオン等のアルカリ金属カチオンの導電体である高分子固体電解質を用いることもできる。この場合、該高分子として従来公知のものを用いることができるが、好ましくはリチウムイオンに対するイオン導電性の高い高分子を使用する。このような高分子としては、例えば、ポリエチレンオキサイド、ポリプロピレンオキサイド、ポリエチレンイミン等が挙げられる。通常高分子固体電解質は上記高分子と前記リチウム塩とを含有するが、さらに前記の溶媒を加えてゲル状電解質として使用することも可能である。即ち、この場合は、前記電解液を高分子によってマトリックス化したものを使用することになる。
Addition that produces a good film that enables efficient charge and discharge of lithium ions on the negative electrode surface, such as gas such as CO 2 , N 2 O, CO, SO 2 , polysulfide S x 2− , vinylene carbonate, catechol carbonate, etc. You may add an agent to the said single or mixed solvent in arbitrary ratios. A polymer solid electrolyte that is a conductor of an alkali metal cation such as lithium ion can also be used. In this case, a conventionally known polymer can be used as the polymer, but a polymer having high ion conductivity with respect to lithium ions is preferably used. Examples of such a polymer include polyethylene oxide, polypropylene oxide, and polyethyleneimine. Usually, the polymer solid electrolyte contains the polymer and the lithium salt, but it can also be used as a gel electrolyte by adding the solvent. That is, in this case, the electrolytic solution made into a matrix with a polymer is used.
無機固体電解質を使用する場合にも、この無機物に公知の結晶質、非晶質固体電解質を用いることができる。結晶質の固体電解質としては例えば、LiI、Li3N、Li1+xMxTi2-x(PO4)3(M=Al,Sc,Y,La)、Li0.5-3xRE0.5;xTiO3(RE=La,Pr,Nd,Sm)等が挙げられ、非晶質の固体電解質としては、例えば、4.9
LiI−34.1Li2O−61B2O5、33.3Li2O−66.7SiO2等の酸化物ガラスや0.45LiI−0.37Li2S−0.26B2S3、0.30LiI−0.42Li2S−0.28SiS2等の硫化物ガ
ラス等が挙げられる。これらの中から複数種を使用することもできる。
Even when an inorganic solid electrolyte is used, a known crystalline or amorphous solid electrolyte can be used for this inorganic substance. Examples of the crystalline solid electrolyte include LiI, Li 3 N, Li 1 + x M x Ti 2-x (PO 4 ) 3 (M = Al, Sc, Y, La), Li 0.5-3x RE 0.5; x Examples thereof include TiO 3 (RE = La, Pr, Nd, Sm) and the like. As an amorphous solid electrolyte, for example, 4.9
LiI-34.1Li 2 O-61B 2 O 5, 33.3Li 2 O-66.7SiO oxide glass or 0.45LiI-0.37Li 2 such as 2 S-0.26B 2 S 3, 0.30LiI-0.42Li 2 S-0.28SiS 2 and the like. Among these, a plurality of types can be used.
正極と負極との間には、通常セパレーターが設けられる。セパレータとしては、微多孔性の高分子フィルムが用いられ、ポリアミド、ポリエステル、セルロースアセテート、ニトロセルロース、ポリスルホン、ポリアクリロニトリル、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレンや、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリブテン等のポリオレフィン系高分子よりなるものを用いることができる。また、ガラス繊維等の不織布フィルター、さらにはガラス繊維と高分子繊維の複合不織布フィルターを用いることもできる。セパレータの化学的及び電気化学安定性は重要な因子である。この点からポリオレフィン系高分子が好ましく、電池セパレータの目的の一つである自己閉塞温度の点からポリエチレン製であることが好ましい。 Usually, a separator is provided between the positive electrode and the negative electrode. As the separator, a microporous polymer film is used. Polyamide-based polymers such as polyamide, polyester, cellulose acetate, nitrocellulose, polysulfone, polyacrylonitrile, polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, polypropylene, polyethylene, polybutene, etc. A molecule can be used. Moreover, a nonwoven fabric filter such as glass fiber, or a composite nonwoven fabric filter of glass fiber and polymer fiber can be used. The chemical and electrochemical stability of the separator is an important factor. In this respect, a polyolefin-based polymer is preferable, and polyethylene is preferable from the viewpoint of the self-occluding temperature, which is one of the purposes of the battery separator.
ポリエチレン製セパレータの場合、高温形状維持性の点から超高分子量ポリエチレンであることが好ましく、その分子量の下限は好ましくは50万、更に好ましくは100万、最も好ましくは150万である。他方分子量の上限は、好ましくは500万、更に好ましくは400万、最も好ましくは300万である。分子量が大きすぎると、流動性が低すぎて加熱されたときセパレータの孔が閉塞しない場合があるからである。 In the case of a polyethylene separator, ultrahigh molecular weight polyethylene is preferable from the viewpoint of maintaining high-temperature shape, and the lower limit of the molecular weight is preferably 500,000, more preferably 1,000,000, and most preferably 1.5 million. On the other hand, the upper limit of the molecular weight is preferably 5 million, more preferably 4 million, and most preferably 3 million. This is because if the molecular weight is too large, the pores of the separator may not close when heated because the fluidity is too low.
以下、実施例によって本発明をさらに具体的に説明する。
[リチウムマンガン複合酸化物の調製]
調製例1 Li[Mn1.96Li0.04]O4調製
スピネル型リチウムマンガン複合酸化物Li[Mn1.96Li0.04]O4を以下のように作成した。
Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples.
[Preparation of lithium manganese composite oxide]
Preparation Example 1 Preparation of Li [Mn 1.96 Li 0.04 ] O 4 Spinel type lithium manganese composite oxide Li [Mn 1.96 Li 0.04 ] O 4 was prepared as follows.
三酸化二マンガン( Mn2O3)及び水酸化リチウム( LiOH・H2O) を出発原料と
し、それぞれの化合物のモル比が1:1.04となるように配合した。この配合物にエタノールを加え、乳鉢中でよくすりつぶし、均一な混合物とした。得られた混合物を大気中で500℃(昇温速度:5℃/min)にて24時間仮焼し、次に大気中で780℃(昇温速度:5℃/min)にて24時間本焼し、次いで450℃(冷却速度:0.2℃/min)まで冷却し24時間保持し、その後自然冷却で室温まで充分徐冷し取り出した。元素分析したところ、Li[Mn1.96Li0.04]O4が得られていた。得られたスピネル型リチウムマンガン複合酸化物をリチウムマンガン複合酸化物(A)とした。
Manganese trioxide (Mn 2 O 3 ) and lithium hydroxide (LiOH.H 2 O) were used as starting materials, and each compound was blended so that the molar ratio of the compound was 1: 1.04. Ethanol was added to this blend and ground well in a mortar to make a uniform mixture. The obtained mixture was calcined in the atmosphere at 500 ° C. (temperature increase rate: 5 ° C./min) for 24 hours, and then in the air at 780 ° C. (temperature increase rate: 5 ° C./min) for 24 hours. Then, it was cooled to 450 ° C. (cooling rate: 0.2 ° C./min) and held for 24 hours, and then slowly cooled to room temperature by natural cooling and taken out. As a result of elemental analysis, Li [Mn 1.96 Li 0.04 ] O 4 was obtained. The obtained spinel type lithium manganese composite oxide was designated as lithium manganese composite oxide (A).
調製例2
Li[Mn1.85Al0.11Li0.04]O4の調製
スピネル型のリチウムマンガン複合酸化物Li[Mn1.85Al0.11Li0.04]O4を以下のように作成した。三酸化二マンガン( Mn2O3)、 炭酸リチウム(Li2CO3)、及びアルミナ
水和物(AlOOH)を出発原料とし、それぞれの化合物のモル比が0.94:1.04:0.10となるように配合した。この配合物にエタノールを加え、乳鉢中でよくすりつぶし、均一な混合物とした。得られた混合物を大気中で500℃(昇温速度:5℃/min)、600℃(昇温速度:5℃/min)、700℃(昇温速度:5℃/min)、800℃(昇温速度:5℃/min)にて順次各々6時間仮焼し、次に大気中で900℃(昇温速度:5℃/min)にて24時間本焼し、次いで300℃まで冷却速度:0.2℃/minで冷却し、その後自然冷却で室温まで充分徐冷し取り出した。元素分析したところ、Li[Mn1.96Li0.04]O4が得られていた。得られたスピネル型リチウムマンガン複合酸化物をリチウムマンガン複合酸化物(B)とした。
Preparation Example 2
Preparation of Li [Mn 1.85 Al 0.11 Li 0.04 ] O 4 A spinel-type lithium manganese composite oxide Li [Mn 1.85 Al 0.11 Li 0.04 ] O 4 was prepared as follows. Starting from dimanganese trioxide (Mn 2 O 3 ), lithium carbonate (Li 2 CO 3 ), and alumina hydrate (AlOOH), the molar ratio of each compound is 0.94: 1.04: 0. 10 was added. Ethanol was added to this blend and ground well in a mortar to make a uniform mixture. The resulting mixture was heated in the atmosphere at 500 ° C. (temperature increase rate: 5 ° C./min), 600 ° C. (temperature increase rate: 5 ° C./min), 700 ° C. (temperature increase rate: 5 ° C./min), 800 ° C. Preliminarily calcined for 6 hours each at a heating rate of 5 ° C./min), then calcined in the atmosphere at 900 ° C. (heating rate: 5 ° C./min) for 24 hours, and then cooled to 300 ° C. : Cooled at 0.2 ° C./min, then slowly cooled to room temperature by natural cooling and taken out. As a result of elemental analysis, Li [Mn 1.96 Li 0.04 ] O 4 was obtained. The obtained spinel type lithium manganese composite oxide was designated as lithium manganese composite oxide (B).
調製例3
酸処理リチウムマンガン酸化物LixMnyO4の調製
空気下、室温で300mlビーカー中、上記リチウムマンガン複合酸化物(A)6.60gの蒸留水(180ml)懸濁液に、懸濁液のpHが1.00になるまで4.5N硫酸を加え、6 時間撹拌後、得られた懸濁液を濾過して、粗製LixMnyO4を暗赤褐色粉末として得た。これを、蒸留水(20ml)で6回洗浄後、一昼夜の風乾を行い、更に常圧下で90℃で1時間乾燥することにより4.88gの、リチウムを抜き出した満充電状態相当にリチウムを抜き出した酸処理リチウムマンガン複合酸化物を得た。この酸処理リチウムマンガン複合酸化物のLi/Mn モル比は0.07であった。またX線回折測定により立方晶スピネル構造を維持していることを確認し、かつIRにより水が含まれていないことを確認した。
Preparation Example 3
Under Preparation air acid treatment lithium manganese oxide Li x Mn y O 4, in 300ml beaker at room temperature, distilled water (180 ml) suspension of the lithium-manganese composite oxide (A) 6.60 g, suspension pH is a 4.5N sulfuric acid was added until a 1.00, after stirring for 6 hours, the resulting suspension was filtered to give the crude Li x Mn y O 4 as a dark red-brown powder. This was washed 6 times with distilled water (20 ml), then air-dried overnight, and further dried at 90 ° C. for 1 hour under normal pressure. An acid-treated lithium manganese composite oxide was obtained. The acid-treated lithium manganese composite oxide had a Li / Mn molar ratio of 0.07. Further, it was confirmed by X-ray diffraction measurement that the cubic spinel structure was maintained, and it was confirmed by IR that water was not contained.
[実施例1]
正極の作成と容量確認
リチウムマンガン複合酸化物(A)に、添加剤として市販の組成Li1.05Ni0.80Co0.15Al0.05O2なる層状リチウムニッケル酸化物(以下PF6アニオン分解抑制剤(a)と称す
ることがある)を、重量比でリチウムマンガン複合酸化物(A)/添加剤=3/1となるように添加し混合した。
[Example 1]
Preparation and capacity confirmation of positive electrode Lithium manganese composite oxide (A), layered lithium nickel oxide (hereinafter referred to as PF 6 anion decomposition inhibitor (a) and commercially available composition Li 1.05 Ni 0.80 Co 0.15 Al 0.05 O 2 May be added) and mixed so that the lithium manganese composite oxide (A) / additive = 3/1 by weight ratio.
得られた混合物を75重量% 、アセチレンブラック20重量% 、ポリテトラフロロエチレンパウダー5重量% の割合で秤量したものを乳鉢で十分混合して正極材料とし、これを薄くシート状にした後12mmφのポンチで打ち抜いた。この際全体重量は約18mgになるように調整した。これをアルミニウムのエキスパンドメタルに圧着して正極とした。 A mixture obtained by weighing 75% by weight of the obtained mixture, 20% by weight of acetylene black, and 5% by weight of polytetrafluoroethylene powder was thoroughly mixed in a mortar to form a positive electrode material. Punched with a punch. At this time, the total weight was adjusted to about 18 mg. This was crimped to an aluminum expanded metal to form a positive electrode.
次いで、得られた正極を試験極、Li金属を対極として電池素子を組み、0.2mA/cm2 の定電流充電、すなわち正極からLiイオンを脱離させる反応を上限4.2Vないし4.35V で行い、さらに0.2mA/cm2 の定電流放電すなわち正極にLiイオンを挿入させる試験を下限3.2Vで行い、この際の正極活物質単位重量当たりの初期脱離容量をQs(C)mAh/g 、初期挿入容量をQs(D)mAh/g とした。 Next, a battery element was assembled using the obtained positive electrode as a test electrode and Li metal as a counter electrode, and a constant current charge of 0.2 mA / cm 2 , that is, a reaction for desorbing Li ions from the positive electrode was 4.2 V to 4.35 V. Further, a test of constant current discharge of 0.2 mA / cm 2 , that is, insertion of Li ions into the positive electrode was performed at a lower limit of 3.2 V, and the initial desorption capacity per unit weight of the positive electrode active material at this time was expressed as Qs (C) mAh / g and the initial insertion capacity were Qs (D) mAh / g.
負極の作成と容量確認
平均粒径約8〜10μmの黒鉛粉末( d002=3.35Å) を負極活物質とし、これにポリフッ化ビニリデン( 以下PVdFと略記することがある) を、重量比で92.5:7.5の割合で、N−メチルピロリドン( 以下NMPと略記することがある) 溶液中で混合し、負極合剤スラリーとした。このスラリーを20μm厚さの銅箔の片面に塗布し、120℃にて乾燥して溶媒を蒸発させた後、12mmφに打ち抜き、0.5ton/cm2
でプレス処理をしたもの負極とした。
なお、この負極を試験極、Li金属を対極として電池素子を組み、0.2mA/cm2
の定電流で負極にLiイオン挿入させる試験を下限0Vで行い、この際の負極活物質単位重量当たりの初期挿入容量をQf mAh/g とした。
Preparation and Capacity Confirmation of Negative Electrode Graphite powder (d002 = 3.35 Å) having an average particle diameter of about 8 to 10 μm was used as a negative electrode active material, and polyvinylidene fluoride (hereinafter sometimes abbreviated as PVdF) was added to a weight ratio of 92 .5: 7.5 A mixture of N-methylpyrrolidone (hereinafter sometimes abbreviated as NMP) in a ratio to prepare a negative electrode mixture slurry. This slurry was applied to one side of a 20 μm thick copper foil, dried at 120 ° C. to evaporate the solvent, then punched out to 12 mmφ, 0.5 ton / cm 2
The negative electrode was pressed.
A battery element was assembled with this negative electrode as the test electrode and Li metal as the counter electrode, and 0.2 mA / cm 2 was assembled.
A test for inserting Li ions into the negative electrode at a constant current of 0 V was performed at a lower limit of 0 V, and the initial insertion capacity per unit weight of the negative electrode active material at this time was defined as Qf mAh / g.
電池素子の組立
正極缶の上に正極を置き、その上にセパレータとして25μmの多孔性ポリエチレンフィルムを置き、ポリプロピレ BR>盗サガスケットで押さえた後、負極を置き、厚み調整
用のスペーサーを置いた後、非水電解液溶液(EC/DEC=3/7の混合溶媒1リットルにLiPF61モルを溶解)を電池内に加えて充分しみ込ませた後、負極缶を載せ電池
を封口してCR2032型のコイン型電池とした。なお、この時、正極活物質の重量と負極活物質重量のバランスは、ほぼ
正極活物質量[g] /負極活物質量[g] =(Qf /1.2)/Qs (C)
となるよう設定した。
Assembling the battery element A positive electrode was placed on the positive electrode can, a 25 μm porous polyethylene film was placed on it as a separator, and after pressing with polypropylene BR> steal gasket, the negative electrode was placed and a spacer for adjusting the thickness was placed. Thereafter, a non-aqueous electrolyte solution (1 mol of LiPF 6 dissolved in 1 liter of a mixed solvent of EC / DEC = 3/7) was added into the battery and sufficiently impregnated. Then, the negative electrode can was placed on the battery, and the battery was sealed. A coin-type battery was used. At this time, the balance between the weight of the positive electrode active material and the weight of the negative electrode active material is approximately positive electrode active material amount [g] / negative electrode active material amount [g] = (Qf / 1.2) / Qs (C)
Was set to be.
試験方法
得られた電池素子を下記のようにして評価した。この様に得られた電池の高温特性を比較するため、まず室温で定電流0.2C充放電2サイクルおよび定電流1C充放電1サイクルを行い、次に50℃の高温で定電流0.2C充放電1サイクル、さらに定電流1C充放電100サイクルのサイクル試験を行った。なお充電上限は4.1V、下限電圧は3.0Vとした。
Test Method The obtained battery element was evaluated as follows. In order to compare the high-temperature characteristics of the batteries thus obtained, first, a constant current 0.2 C charge / discharge cycle and a constant current 1 C charge / discharge cycle were performed at room temperature, and then a constant current 0.2 C at a high temperature of 50 ° C. A cycle test of 1 cycle of charge / discharge and further 100 cycles of constant current 1C charge / discharge was performed. The upper limit of charging was 4.1 V, and the lower limit voltage was 3.0 V.
この時50℃での1C充放電100サイクル試験における1サイクル目の放電容量Qh(1)に対する、100サイクル目の放電容量Qh(100)の割合を高温サイクル容量維持率P、即ち、
P[%] ={Qh(100)/Qh(1)}×100
とし、この値で電池の高温特性を評価した。なお、この際、電池の1時間率電流値すなわち1Cを、
1C[mA]=Qs(D)×正極活物質量[g]
と設定した。結果を表−1に示す。
At this time, the ratio of the discharge capacity Qh (100) of the 100th cycle to the discharge capacity Qh (1) of the 100th cycle in the 1C charge / discharge 100 cycle test at 50 ° C. is the high temperature cycle capacity maintenance rate P, that is,
P [%] = {Qh (100) / Qh (1)} x 100
The high temperature characteristics of the battery were evaluated with this value. At this time, the hourly rate current value of the battery, that is, 1C,
1C [mA] = Qs (D) × amount of positive electrode active material [g]
Was set. The results are shown in Table-1.
[実施例2]
リチウムマンガン複合酸化物として、リチウムマンガン複合酸化物(A)の代わりに前記リチウムマンガン複合酸化物(B)を用いたこと以外実施例1と同様にして、電池を作製、評価した。結果を表−1に示す。
[実施例3]
リチウムマンガン複合酸化物として、リチウムマンガン複合酸化物(A)の代わりに前記リチウムマンガン複合酸化物(B)を用いたこと、及びリチウムマンガン複合酸化物と層状リチウムニッケル酸化物との重量比を9:1としたこと以外実施例1と同様にして、電池を作製、評価した。結果を表−1に示す。
[Example 2]
A battery was prepared and evaluated in the same manner as in Example 1 except that the lithium manganese composite oxide (B) was used instead of the lithium manganese composite oxide (A) as the lithium manganese composite oxide. The results are shown in Table-1.
[Example 3]
The lithium manganese composite oxide (B) was used in place of the lithium manganese composite oxide (A) as the lithium manganese composite oxide, and the weight ratio of the lithium manganese composite oxide to the layered lithium nickel oxide was 9 A battery was prepared and evaluated in the same manner as in Example 1 except that it was set to 1. The results are shown in Table-1.
[実施例4]
リチウムマンガン複合酸化物として、リチウムマンガン複合酸化物(A)の代わりに前記リチウムマンガン複合酸化物(B)を用いたこと、及び、PF6アニオン分解抑制剤(
a)の代わりに、これをさらに窒素中でジェットミル粉砕したもの(以下LiPF6 分解抑制剤(b)と称することがある)を使用したこと以外実施例1と同様にして、電池を作製、評価した。結果を表−1に示す。
[Example 4]
As the lithium manganese composite oxide, the lithium manganese composite oxide (B) was used instead of the lithium manganese composite oxide (A), and a PF 6 anion decomposition inhibitor (
A battery was produced in the same manner as in Example 1 except that a powder obtained by further jet milling in nitrogen (hereinafter sometimes referred to as LiPF 6 decomposition inhibitor (b)) was used instead of a). evaluated. The results are shown in Table-1.
[実施例5]
リチウムマンガン複合酸化物とPF6アニオン分解抑制剤との混合物として、リチウム
マンガン複合酸化物(B)に、PF6アニオン分解抑制剤としての3−(N−サリチロイ
ル)アミノ−1,2,4−トリアゾール(以下PF6アニオン分解抑制剤(c)と称する
ことがある)をリチウムマンガン複合酸化物との合計量に対して0.6wt%となるように添加してエタノール混合した後、120℃,1時間真空乾燥したものを用いたこと、及びサイクル試験時の充電上限を4.2Vとしたこと以外実施例1と同様にして、電池を作製、評価した。結果を表−1に示す。
[Example 5]
As a mixture of lithium manganese composite oxide and PF 6 anion decomposition inhibitor, lithium manganese composite oxide (B) and 3- (N-salicyloyl) amino-1,2,4- as PF 6 anion decomposition inhibitor are used. Triazole (hereinafter sometimes referred to as PF 6 anion decomposition inhibitor (c)) was added to 0.6 wt% with respect to the total amount of the lithium manganese composite oxide and mixed with ethanol. A battery was produced and evaluated in the same manner as in Example 1 except that a vacuum-dried one hour was used and that the upper limit of charge during the cycle test was 4.2 V. The results are shown in Table-1.
[実施例6]
PF6アニオン分解抑制剤として、リチウムマンガン複合酸化物との合計量に対して1
.6wt%となる量のビス(シクロヘキサノン)オキサリルジヒドラゾン(以下PF6ア
ニオン分解抑制剤(d)と称することがある)を用いたこと以外実施例5と同様にして、電池を作製、評価した。結果を表−1に示す。
[Example 6]
As a PF 6 anion decomposition inhibitor, the total amount with the lithium manganese composite oxide is 1
. A battery was prepared and evaluated in the same manner as in Example 5 except that 6 wt% of bis (cyclohexanone) oxalyl dihydrazone (hereinafter sometimes referred to as PF 6 anion degradation inhibitor (d)) was used. The results are shown in Table-1.
[比較例1]
リチウムマンガン複合酸化物(A)をそのまま単独で正極活物質として使用して用いたこと、及びサイクル試験時の充電上限を4.2Vとしたこと以外実施例1と同様にして、電池を作製、評価した。結果を表−1に示す。
[比較例2]
リチウムマンガン複合酸化物(B)をそのまま単独で正極活物質として使用して用いたこと、及びサイクル試験時の充電上限を4.2Vとしたこと以外実施例1と同様にして、電池を作製、評価した。結果を表−1に示す。
[Comparative Example 1]
A battery was produced in the same manner as in Example 1, except that the lithium manganese composite oxide (A) was used alone as a positive electrode active material, and the upper limit of charge during the cycle test was 4.2 V. evaluated. The results are shown in Table-1.
[Comparative Example 2]
A battery was produced in the same manner as in Example 1 except that the lithium manganese composite oxide (B) was used as it was as a positive electrode active material, and the upper limit of charge during the cycle test was 4.2 V. evaluated. The results are shown in Table-1.
[保存試験]
保存試験(I)
錠剤成型器に、厚さ200μm、直径16mmの円形状のアルミニウムのエキスパンドメタル(集電体)と直径12mmの円形状に成形した前記実施例及び比較例で使用したのと同じ正極材料24mgを重ねてセットし、90MPaの圧力で正極材料っをアルミニウムのエキスパンドメタルに圧着して正極とし、これと、対極としてのLi金属と、1.0mol/LのLiPF6を含むエチレンカーボネートとジエチルカーボネートとの混合電
解液(体積比3:7)と用いた電池素子を作製した。これを、充電電流密度0.2mA/cm2、上限電圧4.2Vまで充電した後、短絡が起きないように電池を分解し、充電状
態としての正極材料を得た。
[Preservation test]
Storage test (I)
The tablet molding machine is overlaid with a round aluminum expanded metal (current collector) having a thickness of 200 μm and a diameter of 16 mm, and 24 mg of the same positive electrode material used in the above-mentioned examples and comparative examples formed into a circular shape of 12 mm in diameter. set Te, a positive electrode and pressed to Tsu positive electrode material in expanded metal aluminum at a pressure of 90 MPa, between which, and Li metal as a counter electrode, ethylene carbonate and diethyl carbonate containing LiPF 6 of 1.0 mol / L The battery element used with the mixed electrolyte (volume ratio 3: 7) was produced. After charging this to a charging current density of 0.2 mA / cm 2 and an upper limit voltage of 4.2 V, the battery was disassembled so as not to cause a short circuit, and a positive electrode material in a charged state was obtained.
なお、電池素子は、CR2032型のコイン型電池とした。即ち、正極缶の上に正極を置き、その上にセパレータとして25μmの多孔性ポリエチレンフィルムを置き、ポリプロピレン製ガスケットで押さえた後、対極を置き、厚み調整用のスペーサーを置いた後、非水電解液として、LiPF6濃度が1mol/Lのエチレンカーボネートとジエチルカ
ーボネートとの体積分率3:7の混合溶液を電池内に加えて充分しみ込ませた後、負極缶を載せ電池を封口した。
The battery element was a CR2032-type coin battery. That is, a positive electrode is placed on a positive electrode can, a 25 μm porous polyethylene film is placed thereon as a separator, pressed with a polypropylene gasket, a counter electrode is placed, a spacer for adjusting the thickness is placed, and non-aqueous electrolysis is then placed. As a liquid, a mixed solution of ethylene carbonate and diethyl carbonate having a LiPF 6 concentration of 1 mol / L and having a volume fraction of 3: 7 was added to the battery and sufficiently impregnated. Then, a negative electrode can was placed and the battery was sealed.
露点が−75℃以下のアルゴンガス雰囲気下、80℃で3時間乾燥させた内容量が約7mlの密閉ポリテトラフルオロエチレン容器中に、上記のようにして得た充電状態としての正極材料を、1.0mol/LのLiPF6を含む、エチレンカーボネート1.5ml
とジエチルカーボネート3.5mlとの混合液(酸分:2.0mmol/L以下、PO2
F2アニオン:0.5mmol/L以下、且つエタノール:検出限界以下)中で、80℃
で一週間保存した。
In a sealed polytetrafluoroethylene container having an internal volume of about 7 ml dried at 80 ° C. for 3 hours under an argon gas atmosphere having a dew point of −75 ° C. or less, the positive electrode material in a charged state obtained as described above was used. 1.5 ml of ethylene carbonate containing 1.0 mol / L LiPF 6
And diethyl carbonate 3.5 ml (acid content: 2.0 mmol / L or less, PO 2
F 2 anion: 0.5 mmol / L or less and ethanol: detection limit or less), 80 ° C.
And stored for a week.
PF6アニオンの分解量、並びに保存液中のPO2F2アニオンの含有量及びエタノール
の含有量の分析は、温度を80℃から20℃まで冷却後、露点が−75℃以下のアルゴンガス雰囲気下で保存容器を開け、溶液部のみを採取して後述の方法で行った。結果を表−
1に示す。なお、エタノールの分析については、80℃で3週間保存後のものに対して行なった。
また、同様の保存試験を保存温度20℃でも行ったが、この場合は有意な差のPF6ア
ニオンの分解及びPO2F2アニオンの生成は観測されず、PF6アニオンの生成が持ち込
みの水分に因らないことが確認された。
The analysis of the decomposition amount of PF 6 anion and the content of PO 2 F 2 anion and ethanol in the preservation solution was conducted by cooling the temperature from 80 ° C. to 20 ° C. and then the argon gas atmosphere having a dew point of −75 ° C. or less. The storage container was opened below, and only the solution part was collected and the method described below was performed. Table of results
It is shown in 1. In addition, about the analysis of ethanol, it performed with respect to the thing after a 3-week preservation | save at 80 degreeC.
The same storage test was conducted even at a storage temperature of 20 ° C. In this case, no significant difference in the decomposition of PF 6 anion and generation of PO 2 F 2 anion was observed, and the generation of PF 6 anion was brought into water. It was confirmed that it does not depend on
保存試験(II)
露点が−75℃以下のアルゴンガス雰囲気下、80℃で3時間乾燥させた内容量が約15mlの密閉ポリテトラフルオロエチレン容器中に、前記の酸処理リチウムマンガン複合酸化物160mgと、PF6アニオン分解抑制剤160mgとを、酸分及びPO2F2アニ
オンの含有量が、それぞれ2.0mmol/L以下及び0.5mmol/L以下で且つエタノール含量が検出限界(0.01mg)以下の、1.0mol/LのLiPF6を含む
エチレンカーボネート/ジエチルカーボネートの混合液(エチレンカーボネート2.4ml及びジエチルカーボネート5.6ml)中で、70℃で一週間保存した。
Storage test (II)
In a sealed polytetrafluoroethylene container having an internal volume of about 15 ml, which was dried at 80 ° C. for 3 hours under an argon gas atmosphere having a dew point of −75 ° C. or less, 160 mg of the acid-treated lithium manganese composite oxide and PF 6 anion 160 mg of a decomposition inhibitor, and the contents of acid content and PO 2 F 2 anion are 2.0 mmol / L or less and 0.5 mmol / L or less, respectively, and the ethanol content is below the detection limit (0.01 mg). It was stored at 70 ° C. for one week in an ethylene carbonate / diethyl carbonate mixed solution (ethylene carbonate 2.4 ml and diethyl carbonate 5.6 ml) containing 0.0 mol / L LiPF 6 .
PF6アニオンの分解量、並びに保存液中のPO2F2アニオンの含有量及びエタノール
の含有量の分析は、温度を70℃から20℃まで冷却後、露点が−75℃以下のアルゴンガス雰囲気下で保存容器を開け、溶液部のみを採取して後述の方法で行った。結果を表−1に示す。なお、エタノールの分析については、80℃で3週間保存後のものに対して行なった。
The analysis of the decomposition amount of PF 6 anion and the content of PO 2 F 2 anion and the ethanol content in the preservation solution was conducted in an argon gas atmosphere having a dew point of −75 ° C. or lower after cooling the temperature from 70 ° C. to 20 ° C. The storage container was opened below, and only the solution part was collected and the method described below was performed. The results are shown in Table-1. In addition, about the analysis of ethanol, it performed with respect to the thing after a 3-week preservation | save at 80 degreeC.
また、同様の保存試験を保存温度20℃でも行ったが、この場合は有意な差のPF6ア
ニオンの分解及びPO2F2アニオンの生成は観測されず、PF6アニオンの生成が持ち込
みの水分に因らないことが確認された。
[分析方法]
保存液中に含まれるアニオンの分析
アルゴンガス雰囲気下で保存液を採取後、概溶液中のPF6アニオン及びPO2F2アニ
オンの濃度をDionex社製DX-120イオンクロマトグラフ分析装置を用い定量した。なお、ブランクとして、同様の分析で保存前の1.0mol/LのLiPF6含有の電解液のアニ
オン量を測定することにより、この分析法によるLiPF6の分解は起こらないことを確
認した。
The same storage test was conducted even at a storage temperature of 20 ° C. In this case, no significant difference in the decomposition of PF 6 anion and generation of PO 2 F 2 anion was observed, and the generation of PF 6 anion was brought into water. It was confirmed that it does not depend on
[Analysis method]
Analysis of the anion contained in the preservation solution After collecting the preservation solution in an argon gas atmosphere, the concentration of the PF 6 anion and PO 2 F 2 anion in the approximate solution was determined using a DX-120 ion chromatograph analyzer manufactured by Dionex. did. In addition, by measuring the anion amount of the electrolyte solution containing 1.0 mol / L LiPF 6 before storage in the same analysis as a blank, it was confirmed that the decomposition of LiPF 6 by this analysis method did not occur.
なお、表−1に示したように、保存試験のブランク試験として電解液のみを70℃で1週間保存した場合、いずれも有意のPF6アニオンの分解及びPO2F2アニオンの生成は
確認できなかった。
保存液中に含まれるエタノールの分析
アルゴンガス雰囲気下で保存液を採取後、乾燥窒素下、公知の方法(trap totrap condensation)で揮発成分のみを全て採取し、保存液中に含まれるエタノール量をガスクロ
マトグラフィーで定量した。
As shown in Table 1, when only the electrolyte solution was stored at 70 ° C. for 1 week as a blank test of the storage test, significant decomposition of PF 6 anion and generation of PO 2 F 2 anion could be confirmed. There wasn't.
Analysis of ethanol contained in the preservation solution After collecting the preservation solution under an argon gas atmosphere, all volatile components were collected under dry nitrogen by a known method (trap totrap condensation) to determine the amount of ethanol contained in the preservation solution. Quantified by gas chromatography.
なお、表−1に示したように、保存試験のブランク試験として電解液のみを70℃で3週間保存した結果、いずれもエタノールの生成は確認できなかった。 In addition, as shown in Table 1, as a result of storing only the electrolytic solution at 70 ° C. for 3 weeks as a blank test of the storage test, no ethanol was confirmed.
表−1より、本発明の規定を満足する実施例においては、高温サイクル特性が大きく改良されていることがわかる。上記の実施例、比較例より、特定のリチウムマンガン酸化物にPF6アニオン分解抑制剤を使用すれば高温サイクル特性が改良されることがわかった
ので、本発明者等はPF6アニオン分解抑制の1つであるリチウムニッケル酸化物に着目
し、更に下記の検討を行った。
From Table 1, it can be seen that in the examples satisfying the provisions of the present invention, the high-temperature cycle characteristics are greatly improved. Above examples, Comparative Examples, since the high-temperature cycle characteristics Using PF 6 anion decomposition inhibitor to a particular lithium manganese oxide was found to be improved, the present inventors have PF 6 anion decomposition inhibition Focusing on one of the lithium nickel oxides, the following investigation was further conducted.
<1.複合酸化物の平均電圧の測定>
(1)測定対象となる複合酸化物を75重量% 、アセチレンブラック20重量% 、ポリテトラフロロエチレン(PTFE)パウダー5重量% の割合で秤量したものを乳鉢で十分混合し、薄くシート状にし、打ち抜きポンチで円形に打ち抜いた。この際厚みをほぼ一定にするため全体重量が12.5mg/cm2になるように調整した。この試料をさらにアルミニウムのエキスパンドメタルに圧着して試験極とした。試験極は減圧下120 ℃で1hr の乾燥を行った。
<1. Measurement of average voltage of complex oxide>
(1) Thoroughly mix in a mortar a mixture of 75% by weight of the complex oxide to be measured, 20% by weight of acetylene black, and 5% by weight of polytetrafluoroethylene (PTFE) powder. Punched in a circle with a punch. At this time, the total weight was adjusted to 12.5 mg / cm 2 to make the thickness substantially constant. This sample was further pressure-bonded to an aluminum expanded metal to obtain a test electrode. The test electrode was dried at 120 ° C. under reduced pressure for 1 hour.
(2)アルゴン雰囲気のドライボックス内で、CR2032型のコイン型電池を作成した。即ち、正極缶の上に試験極を置き、その上にセパレータとして25μm の多孔性ポリエチレンフィルムを置き、ポリプロピレン製ガスケットで押さえ、対極として15mmφのリチウム金属箔を置き、厚み調整用のスペーサーを置いた後、エチレンカーボネート(EC)とジエチルカーボネート(DEC) の体積比3:7の混合溶媒1リットルに六フッ化リン酸リチウム(LiPF6) 1モルを溶解させた溶液を非水電解液溶液として用い、これを電池内に加えて充分しみ込ませた後、負極缶を載せ電池を封口した。 (2) A CR2032-type coin-type battery was prepared in a dry box in an argon atmosphere. That is, a test electrode was placed on the positive electrode can, a 25 μm porous polyethylene film was placed thereon as a separator, pressed with a polypropylene gasket, a 15 mmφ lithium metal foil was placed as a counter electrode, and a thickness adjusting spacer was placed. After that, a solution obtained by dissolving 1 mol of lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) in 1 liter of a mixed solvent of ethylene carbonate (EC) and diethyl carbonate (DEC) in a volume ratio of 3: 7 was used as a non-aqueous electrolyte solution. This was added to the battery and sufficiently impregnated, and then the negative electrode can was placed to seal the battery.
(3)上記で作成した電池を25℃の環境下で、複合酸化物(A) の場合は電流密度0.5mA/cm2の定電流充放電サイクル(充電上限4.35V 、放電下限3.2V)を、複合酸化物(B) の
場合は、電流密度0.2mA/cm2の定電流充放電サイクル(充電上限4.20V、放電下限3.2V)を行い、平均電圧Veを下式により算出した。
Ve=(2サイクル目の充電平均電圧+2 サイクル目の放電平均電圧)/2
なお上記式の充電平均電圧あるいは放電平均電圧は、充電時あるいは放電時の電圧を2秒間隔で測定し、電圧を時間で積算した値を、充電あるいは放電に要した時間で割ることにより算出した。
またこの試験で行った複合酸化物( A) の初期充電容量をQc(A)mAh/g、初期放電容量
をQd(A)mAh/g、複合酸化物( B) の初期充電容量をQc(B)mAh/g、初期放電容量をQd(B)mAh/gとしておいた。
(3) in an environment of 25 ° C. The cells created above, a constant current charge-discharge cycle (charging upper limit 4.35V, discharge lower limit 3.2 V) current density 0.5 mA / cm 2 in the case of compound oxide (A) and In the case of the composite oxide (B), a constant current charge / discharge cycle (charge upper limit 4.20 V, discharge lower limit 3.2 V) with a current density of 0.2 mA / cm 2 was performed, and the average voltage Ve was calculated by the following equation.
Ve = (average charge voltage in the second cycle + average discharge voltage in the second cycle) / 2
The charge average voltage or discharge average voltage of the above formula was calculated by measuring the voltage during charging or discharging at intervals of 2 seconds and dividing the value obtained by integrating the voltage over time by the time required for charging or discharging. .
The initial charge capacity of the composite oxide (A) conducted in this test is Qc (A) mAh / g, the initial discharge capacity is Qd (A) mAh / g, and the initial charge capacity of the composite oxide (B) is Qc ( B) mAh / g and initial discharge capacity were set to Qd (B) mAh / g.
<2.高温サイクル試験>
(正極の作成)複合酸化物(A) と複合酸化物(B) との混合物を正極活物質とし、こ
の正極活物質を75重量% 、アセチレンブラック20重量% 、ポリテトラフロロエチレンパウダー5重量% の割合で秤量した以外は実施例1と同様にして正極を作成した。
<2. High-temperature cycle test>
(Preparation of positive electrode) A mixture of the composite oxide (A) and the composite oxide (B) was used as a positive electrode active material. The positive electrode active material was 75% by weight, acetylene black 20% by weight, polytetrafluoroethylene powder 5% by weight. A positive electrode was prepared in the same manner as in Example 1 except that the sample was weighed at a ratio of
(負極の作成)
実施例1と同様にして負極を製造した。なお実施例1と同様、この負極を試験極、Li金属を対極として、前記複合酸化物の平均電圧の測定時を行ったのと同様にコイン型電池を組み、充分に低い電流量で負極にLiイオンを挿入(下限0V) および脱離(上限1.5V) させる試験を行った際の初期挿入容量をQ(F)mAh/gとした。
(Creation of negative electrode)
A negative electrode was produced in the same manner as in Example 1. As in Example 1, this negative electrode was used as a test electrode, Li metal was used as a counter electrode, and a coin-type battery was assembled in the same manner as when the average voltage of the composite oxide was measured. Q (F) mAh / g was defined as the initial insertion capacity when a test for inserting Li ions (lower limit 0 V) and desorption (upper limit 1.5 V) was performed.
(電池素子の組立)
実施例1と同様にして電池素子を組み立てた。なおこの時、正極活物質の重量と負極活物質重量のバランスは、前記正極活物質すなわち、複合酸化物(A)と複合酸化物(B)の混合物中における複合酸化物(B)の重量比率Rを下式より求め、
R=(複合酸化物(B)の重量) /{(複合酸化物(A)の重量)+(複合酸化物(B
)の重量) }
これを用いて、下記式となるように設定した。
正極活物質量[g] /負極活物質量[g] =Q(F) /{Qc(A)・(1-R)+Qc(B)・R }
/1.2
(Assembly of battery element)
A battery element was assembled in the same manner as in Example 1. At this time, the balance between the weight of the positive electrode active material and the weight of the negative electrode active material is the weight ratio of the composite oxide (B) in the mixture of the positive electrode active material, that is, the composite oxide (A) and the composite oxide (B). R is obtained from the following formula,
R = (weight of composite oxide (B)) / {(weight of composite oxide (A)) + (composite oxide (B
) Weight)}
Using this, the following formula was set.
Positive electrode active material amount [g] / Negative electrode active material amount [g] = Q (F) / {Qc (A). (1-R) + Qc (B) .R}
/1.2
(試験方法)
得られた電池の高温特性を比較するため、電池の1時間率電流値すなわち1Cを便宜的
に、下記式の如く設定し、以下の試験を行った。
1C[mA]={Qd(A)・(1-R)+Qd(B)・R}×( 正極活物質量[g])
まず室温で定電流0.2C充放電2サイクルおよび定電流1C充放電1サイクルを行い、次に50℃の高温で定電流0.2C充放電1サイクル、ついで定電流1C充放電サイクル100 サイクルの試験を行った。なお充電上限は4.1V、下限電圧は3.0Vとした。
(Test method)
In order to compare the high temperature characteristics of the obtained batteries, the 1 hour rate current value of the batteries, that is, 1C, was set as follows for the sake of convenience, and the following tests were performed.
1C [mA] = {Qd (A) · (1-R) + Qd (B) · R} × (amount of positive electrode active material [g])
First, perform two constant current 0.2C charge / discharge cycles and one constant current 1C charge / discharge cycle at room temperature, then one constant current 0.2C charge / discharge cycle at a high temperature of 50 ° C. A test was conducted. The upper limit of charging was 4.1V and the lower limit voltage was 3.0V.
この時50℃での1C充放電100 サイクル試験部分の1サイクル目放電容量Qh(1)に対する、100 サイクル目の放電容量Qh(100)の割合を高温サイクル容量維持率P[%] を、下記式により求め、このPの値で電池の高温特性を比較した。
P[%] ={Qh(100)/Qh(1)}×100 (v)
At this time, the ratio of the discharge capacity Qh (100) at the 100th cycle to the discharge capacity Qh (100) at the 100th cycle of the 1C charge / discharge cycle test at 50 ° C is the high temperature cycle capacity maintenance rate P [%] The high temperature characteristics of the batteries were compared using the value of P obtained by the equation.
P [%] = {Qh (100) / Qh (1)} × 100 (v)
実施例7
スピネル型構造を有するリチウムマンガン複合酸化物として、LiがMnサイトに0.04モル置換したスピネル型LiMn2O4、すなわちLi[Mn1.96Li0.04]O4を上記調製例1と同様にして
作成した。得られたリチウムマンガン複合酸化物の平均粒径は4.2μmであった。前記方法にてその平均電圧を測定したところ、4.060Vであった。
Example 7
As a lithium-manganese composite oxide having a spinel structure, spinel-type LiMn 2 O 4 in which Li was substituted at the Mn site by 0.04 mol, that is, Li [Mn 1.96 Li 0.04 ] O 4 was prepared in the same manner as in Preparation Example 1. The average particle diameter of the obtained lithium manganese composite oxide was 4.2 μm. It was 4.060V when the average voltage was measured by the said method.
一方、層状構造を有するリチウムニッケル複合酸化物として、Niサイトの一部がコバルト及びアルミニウムで置換された層状のLiNiO2、すなわち市販のLi[Ni0.80Co0.15Al0.05]O2なる組成のもの(平均粒径6.2μm)を使用した。前記方法にて平均電圧を測定したところ、3.809Vであった。次に正極活物質中の複合酸化物(B) の重量混合比率Rを0.5
として正極を作成し、前記方法にて高温サイクル試験を行ない、100サイクル後の容
量維持率を求めた。結果を表−2に示した。
On the other hand, as a lithium nickel composite oxide having a layered structure, a layered LiNiO 2 in which a part of Ni sites is replaced with cobalt and aluminum, that is, a composition of commercially available Li [Ni 0.80 Co 0.15 Al 0.05 ] O 2 ( An average particle size of 6.2 μm) was used. The average voltage was measured by the above method and found to be 3.809V. Next, the weight mixing ratio R of the composite oxide (B) in the positive electrode active material is set to 0.5.
As a positive electrode, a high-temperature cycle test was conducted by the above method, and a capacity retention rate after 100 cycles was obtained. The results are shown in Table-2.
実施例8
スピネル型構造を有するリチウムマンガン複合酸化物として、リチウム及びアルミニウムがMnサイトにそれぞれ0.04、0.11モル置換したスピネル型LiMn2O4、すなわちLi[Mn1.85Al0.11Li0.04]O4を上記調製例2と同様にして作成した。得られたリチウムマンガン複合
酸化物の平均粒径は7.4μmであった。前記方法にて平均電圧を測定したところ、4.071Vであった。
複合酸化物(B) は実施例1と同様のものを使用し、正極活物質中の複合酸化物(B)
の重量混合比率Rを0.5 として正極を作成し、前記方法にて高温サイクル試験を行った
。結果を表−2に示した。
Example 8
As the lithium manganese composite oxide having a spinel structure, spinel type LiMn 2 O 4 in which 0.04 and 0.11 mol of lithium and aluminum are substituted at Mn sites, that is, Li [Mn 1.85 Al 0.11 Li 0.04 ] O 4 is prepared in the above Preparation Example 2. Created in the same way. The average particle diameter of the obtained lithium manganese composite oxide was 7.4 μm. The average voltage was measured by the above method and found to be 4.071V.
The composite oxide (B) is the same as in Example 1, and the composite oxide (B) in the positive electrode active material is used.
A positive electrode was prepared with a weight mixing ratio R of 0.5 and a high-temperature cycle test was conducted by the above method. The results are shown in Table-2.
実施例9
正極活物質中の複合酸化物(B) の重量混合比率Rを0.25とする以外は実施例2と同様にして高温サイクル試験を行った。結果を表−2に示した。
Example 9
A high-temperature cycle test was conducted in the same manner as in Example 2 except that the weight mixing ratio R of the composite oxide (B) in the positive electrode active material was 0.25. The results are shown in Table-2.
実施例10
実施例7〜9で使用した複合酸化物(B) をさらに窒素雰囲気中で粉砕し、これを新たに複合酸化物(B) (平均粒径0.55μm)として使用した。この複合酸化物(B) の平均電圧は3.786Vであった。その他の条件は実施例9と同様にして正極を作成し、前記方法にて高温サイクル試験を行った。結果を表−2に示した。
Example 10
The composite oxide (B) used in Examples 7 to 9 was further pulverized in a nitrogen atmosphere, and this was newly used as the composite oxide (B) (average particle size 0.55 μm). The average voltage of this composite oxide (B) was 3.786V. Other conditions were the same as in Example 9 to prepare a positive electrode, and a high-temperature cycle test was conducted by the above method. The results are shown in Table-2.
比較例3
正極活物質として、実施例7で使用した複合酸化物(A) を単独で用いたこと以外実施例7と同様にして高温サイクル試験を行った。結果を表−2に示した。
実施例11
(本発明の第3の態様に関しては比較例4)
スピネル型構造を有するリチウムマンガン複合酸化物として、リチウムとコバルトとが
Mnサイトにそれぞれ0.04、0.10モル置換したスピネル型LiMn2O4、すなわちLi[Mn1.86Co0.10Li0.04]O4を以下の方法で作成した。
Comparative Example 3
A high-temperature cycle test was conducted in the same manner as in Example 7 except that the composite oxide (A) used in Example 7 was used alone as the positive electrode active material. The results are shown in Table-2.
Example 11
(Comparative Example 4 for the third aspect of the present invention)
As lithium manganese composite oxide with spinel structure, lithium and cobalt are
Spinel-type LiMn 2 O 4 substituted at 0.04 and 0.10 mol respectively at the Mn site, that is, Li [Mn 1.86 Co 0.10 Li 0.04 ] O 4 was prepared by the following method.
三酸化二マンガン(Mn2O3)、炭酸リチウム(Li2CO3)、炭酸コバルト(CoCO3
)を出発原料とし、それぞれの化合物のモル比が約0.93:0.52:0.10となるように配合した。この配合物にエタノールを加え、乳鉢中でよくすりつぶし、均一な混合物とした後乾燥した。得られた混合物を大気中で500 ℃で6時間、600 ℃で6時間、700 ℃で6時間、800 ℃で6時間と多段階で仮焼し、次に大気中で850℃、24時間本焼し、0.2 ℃/minで
室温まで充分徐冷した。得られたリチウムマンガン複合酸化物の平均粒径は5.2μmであった。前記方法にて平均電圧を測定したところ、4.081Vであった。
複合酸化物(B) は実施例1と同様のものを使用し、正極活物質中の複合酸化物(B)
の重量混合比率Rを0.5 として正極を作成し、前記方法にて高温サイクル試験を行った
。結果を表−2に示した。
Manganese trioxide (Mn 2 O 3 ), lithium carbonate (Li 2 CO 3 ), cobalt carbonate (CoCO 3
) Was used as a starting material, and the compound was blended so that the molar ratio of each compound was about 0.93: 0.52: 0.10. Ethanol was added to this blend, and it was well ground in a mortar to obtain a uniform mixture and then dried. The resulting mixture was calcined in the air at 500 ° C. for 6 hours, 600 ° C. for 6 hours, 700 ° C. for 6 hours and 800 ° C. for 6 hours, and then in the air at 850 ° C. for 24 hours. Baked and slowly cooled to room temperature at 0.2 ° C./min. The average particle diameter of the obtained lithium manganese composite oxide was 5.2 μm. The average voltage was measured by the above method and found to be 4.081V.
The composite oxide (B) is the same as in Example 1, and the composite oxide (B) in the positive electrode active material is used.
A positive electrode was prepared with a weight mixing ratio R of 0.5 and a high-temperature cycle test was conducted by the above method. The results are shown in Table-2.
実施例12
(本発明の第3の態様に関しては比較例5)
スピネル型構造を有するリチウムマンガン複合酸化物として、市販の無置換LiMn2O4(
元素分析値:Li1.00Mn2.00O4を用いた。前記方法にて平均電圧を測定したところ、4.052Vであった。
Example 12
(Comparative Example 5 for the third aspect of the present invention)
A commercially available unsubstituted LiMn 2 O 4 (
Elemental analysis value: Li 1.00 Mn 2.00 O 4 was used. The average voltage was measured by the above method and found to be 4.052V.
複合酸化物(B) は実施例7と同様のものを使用し、正極活物質中の複合酸化物(B)
の重量混合比率Rを0.5 として正極を作成し、前記方法にて高温サイクル試験を行った
。結果を表−2に示した。
The composite oxide (B) is the same as in Example 7, and the composite oxide (B) in the positive electrode active material is used.
A positive electrode was prepared with a weight mixing ratio R of 0.5 and a high-temperature cycle test was conducted by the above method. The results are shown in Table-2.
複合酸化物(A) としてマンガンサイトの一部をリチウムで置換した複合酸化物を用いた実施例7は高温100 サイクル試験で維持率が85%と非常に良い高温特性を示すことが判
る。実施例8はさらにアルミを置換し、平均電圧が高い複合酸化物(A)を使用することによって、さらに高温サイクル維持率が高くなっている。また、実施例9のように複合酸
化物(B) の混合する割合を減らすと若干高温サイクル維持率は低下するが、実施例10の様に複合酸化物(B) の平均電圧を下げたものを使用すると維持率がやはり向上することが判る。
It can be seen that Example 7 using a composite oxide in which a part of the manganese site is substituted with lithium as the composite oxide (A) exhibits a very good high temperature characteristic with a maintenance rate of 85% in a high temperature 100 cycle test. In Example 8, the high temperature cycle retention rate is further increased by substituting aluminum and using the composite oxide (A) having a high average voltage. Moreover, when the mixing ratio of the composite oxide (B) is reduced as in Example 9, the high-temperature cycle retention rate is slightly reduced, but the average voltage of the composite oxide (B) is lowered as in Example 10. It can be seen that the maintenance rate is also improved by using.
比較例3の様に複合酸化物(A) を単独で用いると高温サイクル維持率は非常に低い。また、実施例11及び12の様にPF6アニオン分解抑制剤を用いると、PF6アニオン分解抑制剤を加えていない比較例に比べると明らかにサイクル維持率がよい。しかしながら、実施例11及び12では平均電位が4.059Vより低い複合酸化物(A)を用いているので、平均電圧が4.059Vより高い複合酸化物(A) を用いた実施例7〜10に比べると若干高温サイクル維持率が低いことも判る。 When the composite oxide (A) is used alone as in Comparative Example 3, the high-temperature cycle retention is very low. In addition, when a PF 6 anion degradation inhibitor is used as in Examples 11 and 12, the cycle retention rate is clearly better than that of a comparative example in which no PF 6 anion degradation inhibitor is added. However, in Examples 11 and 12, since the composite oxide (A) having an average potential lower than 4.059 V is used, it is compared with Examples 7 to 10 using the composite oxide (A) having an average voltage higher than 4.059 V. It can also be seen that the high temperature cycle maintenance rate is slightly low.
Claims (31)
分解量が1×10μmol以下であることを特徴とするリチウム二次電池用正極材料。
保存試験(I)
a1)24mgの正極材料を直径12mmの円形状に成形し、集電体(直径16mmの円形状のアルミニウムのエキスパンドメタル)に圧着してなる正極と、対極としてLi金属、電解液として1.0mol/LのLiPF6を含むエチレンカーボネートとジエチルカ
ーボネートとの混合液(体積比3:7)を使用して電池素子を組み立て、これを充電電流密度0.2mA/cm2で上限電圧4.2Vまで充電した後、次いで電池素子を解体し、
充電状態にある正極を取り出し、該正極を、
b1)露点が−75℃以下のアルゴンガス雰囲気下
c1)80℃で3時間乾燥させたポリテトラフルオロエチレン容器内で、
d1)1.0mol/LのLiPF6を含む、エチレンカーボネート1.5mlとジエチ
ルカーボネート3.5mlとの混合液(酸分:2.0mmol/L以下、PO2F2アニオン:0.5mmol/L以下、且つエタノール:0.01mg以下)中に浸漬し、
e1)80℃で一週間保存し、保存前後の混合液中のPF6アニオンの量をそれぞれ測定
(測定温度:20℃)し、その差からPF6アニオン分解量を求める。 In a positive electrode material for a lithium secondary battery containing manganese oxide and / or lithium manganese composite oxide as a positive electrode active material, a battery element is created using the positive electrode material, and this is a storage test of a positive electrode material charged with the battery element. A positive electrode material for a lithium secondary battery, wherein the decomposition amount of PF 6 anion measured by the following storage test (I) is 1 × 10 μmol or less.
Storage test (I)
a1) A positive electrode formed by forming 24 mg of a positive electrode material into a circular shape having a diameter of 12 mm, and pressure-bonding to a current collector (a circular aluminum expanded metal having a diameter of 16 mm), Li metal as a counter electrode, and 1.0 mol as an electrolyte / L LiPF 6 containing ethylene carbonate and diethyl carbonate mixed solution (volume ratio 3: 7) was used to assemble a battery element, which was charged to a maximum voltage of 4.2 V at a charging current density of 0.2 mA / cm 2 After charging, then disassemble the battery element,
Take out the positive electrode in the charged state, the positive electrode,
b1) In an argon gas atmosphere with a dew point of −75 ° C. or less c1) In a polytetrafluoroethylene container dried at 80 ° C. for 3 hours,
d1) A mixed solution of 1.5 ml of ethylene carbonate and 3.5 ml of diethyl carbonate containing 1.0 mol / L of LiPF 6 (acid content: 2.0 mmol / L or less, PO 2 F 2 anion: 0.5 mmol / L) And soaking in ethanol: 0.01 mg or less),
e1) Store at 80 ° C. for one week, measure the amount of PF 6 anion in the mixed solution before and after storage (measurement temperature: 20 ° C.), and determine the amount of PF 6 anion decomposition from the difference.
項1乃至3のいずれか1つに記載のリチウム二次電池用正極材料。 The positive electrode material for a lithium secondary battery according to any one of claims 1 to 3, wherein a PF 6 anion degradation inhibitor is dispersed and mixed in the positive electrode material.
ニオン分解抑制剤とを含有するリチウム二次電池用正極材料において、該PF6アニオン
分解抑制剤として、下記保存試験(II)によって測定されるPF6アニオンの分解量が6
×10μmol以下であるものを使用することを特徴とするリチウム二次電池用正極材料。
保存試験(II)
a2)Li1+xMn2-xO4(ここで、0≦X≦0.05)なる組成のスピネル構造を有す
るリチウムマンガン複合酸化物のリチウムを抜き出した、満充電状態に相当するリチウムマンガン複合酸化物(0.05≦Li/Mnモル比≦0.09)160mgを、
b2)露点が−75℃以下のアルゴンガス雰囲気下で、
c2)80℃で3時間乾燥させたポリテトラフルオロエチレン容器内で、
d2)前記PF6アニオン分解抑制剤160mgと混合し、
e2)1.0mol/LのLiPF6を含む、エチレンカーボネート2.4mlジエチル
カーボネート5.6mlの混合液(酸分:2.0mmol/L以下、PO2F2アニオン:0.5mmol/L以下、且つエタノール:0.01mg以下)中に浸漬し、
f2)70℃で一週間保存し、保存前後の混合液中のPF6アニオンの量を測定(測定温
度:20℃)し、PF6アニオン分解量を求める。 In manganese oxide and / or a positive electrode active material and a positive electrode material for a lithium secondary battery containing a PF 6 anion decomposition inhibitor comprising a lithium-manganese composite oxide, as the PF 6 anion decomposition inhibitor, following storage test (II ) The amount of decomposition of PF 6 anion measured by
A positive electrode material for a lithium secondary battery, characterized by using a material having a size of × 10 μmol or less.
Storage test (II)
a2) Lithium manganese equivalent to a fully charged state obtained by extracting lithium from a lithium manganese composite oxide having a spinel structure having a composition of Li 1 + x Mn 2−x O 4 (where 0 ≦ X ≦ 0.05) 160 mg of complex oxide (0.05 ≦ Li / Mn molar ratio ≦ 0.09)
b2) In an argon gas atmosphere with a dew point of −75 ° C. or lower,
c2) In a polytetrafluoroethylene container dried at 80 ° C. for 3 hours,
d2) mixed with 160 mg of the PF 6 anion degradation inhibitor,
e2) A mixed liquid of ethylene carbonate 2.4 ml diethyl carbonate 5.6 ml containing 1.0 mol / L LiPF 6 (acid content: 2.0 mmol / L or less, PO 2 F 2 anion: 0.5 mmol / L or less, And soaked in ethanol: 0.01 mg or less)
f2) Store at 70 ° C. for one week, measure the amount of PF 6 anion in the mixed solution before and after storage (measurement temperature: 20 ° C.), and determine the amount of PF 6 anion decomposition.
ずれか1つに記載のリチウム二次電池用正極材料。 The positive electrode material for a lithium secondary battery according to any one of claims 5 to 7, wherein a PF 6 anion decomposition inhibitor is dispersed and mixed.
のいずれか1つに記載のリチウム二次電池用正極材料。 The PF 6 anion decomposition inhibitor contains a lithium nickel composite oxide.
The positive electrode material for lithium secondary batteries as described in any one of these.
た少なくとも1種の元素を含有する化合物、分子内に少なくとも2級のアミノ基を有する化合物、分子内に少なくとも3級のアミノ基を有する化合物、分子内に少なくとも1つのアミド結合を有する化合物、分子内に少なくとも1つの含窒素複素環を有する化合物、又は分子内に少なくとも1つの水酸基を有する化合物を含有する請求項4乃至8のいずれか1つに記載のリチウム二次電池用正極材料。 PF 6 anion decomposition inhibitor is a compound containing at least one element selected from the group consisting of groups 15 and 16 of the periodic table, compound having at least a secondary amino group in the molecule, A compound having at least a tertiary amino group, a compound having at least one amide bond in the molecule, a compound having at least one nitrogen-containing heterocyclic ring in the molecule, or a compound having at least one hydroxyl group in the molecule The positive electrode material for a lithium secondary battery according to any one of claims 4 to 8.
の範囲にある請求項4乃至10のいずれか1つに記載のリチウム二次電池用正極材料。 The addition amount of the PF 6 anion decomposition inhibitor is 0.0001 to 80 wt% with respect to the positive electrode active material.
The positive electrode material for a lithium secondary battery according to any one of claims 4 to 10, which is in a range of
る請求項9記載のリチウム二次電池用正極材料。 The positive electrode material for a lithium secondary battery according to claim 9, wherein the addition amount of the PF 6 anion decomposition inhibitor is in the range of 1 to 80 wt% with respect to the positive electrode active material.
の範囲にある請求項10に記載のリチウム二次電池用正極材料。 The addition amount of the PF 6 anion decomposition inhibitor is 0.0001 to 10 wt% with respect to the positive electrode active material.
The positive electrode material for a lithium secondary battery according to claim 10, which is in the range described above.
<平均電圧の測定方法(I)>
(1) 当該複合酸化物を75重量% 、アセチレンブラック20重量%、ポリテトラフロロエチレン(PTFE)パウダー5重量%の割合で秤量したものを混合し、薄くシート状にする。全体重量が12.5mg/cm2になるように調整した後、この試料をさらにア
ルミニウムのエキスパンドメタルに圧着して試験極とする。試験極は減圧下120℃で1時間の乾燥を行う。
(2) アルゴン雰囲気下、25μmの多孔性ポリエチレンフィルムをセパレータとし、
対極としてリチウム金属箔を使用し、さらに、非水電解液溶液として、エチレンカーボネートとジエチルカーボネートとの体積比3:7の混合溶媒に1モル/リットルの六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)を溶解させた溶液を用いて、CR2032型のコイン型電
池を作製する。
(3) 得られたコイン型電池を、25℃の環境下で、電流密度0.5mA/cm2の定電流充放電サイクル(充電上限4.35V、放電下限3.2V)を行い、平均電圧Veを
Ve=(2サイクル目の充電平均電圧+2サイクル目の放電平均電圧)/2
として求める。なお充電平均電圧あるいは放電平均電圧は、充電時あるいは放電時の電圧を2秒間隔で測定し、電圧を時間で積算した値を、充電あるいは放電に要した時間で割ることにより算出する。 The positive electrode material contains a lithium manganese composite oxide having a spinel structure and a lithium nickel composite oxide having a layered structure, and a part of the manganese site of the lithium manganese composite oxide is substituted with another element, The average voltage measured by the following measurement method (I) of the other element-substituted lithium manganese composite oxide is 4.059 V or more, any one of claims 1 to 9, 11, 12, and 14 to 16 The positive electrode material for lithium ion secondary batteries as described in any one.
<Measuring method of average voltage (I)>
(1) The composite oxide is weighed at a ratio of 75% by weight, acetylene black 20% by weight, and polytetrafluoroethylene (PTFE) powder 5% by weight, and is made into a thin sheet. After adjusting the total weight to 12.5 mg / cm 2 , this sample is further pressure-bonded to an aluminum expanded metal to form a test electrode. The test electrode is dried at 120 ° C. under reduced pressure for 1 hour.
(2) A 25 μm porous polyethylene film as a separator under an argon atmosphere,
Lithium metal foil was used as the counter electrode, and 1 mol / liter lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) was added as a non-aqueous electrolyte solution to a mixed solvent of ethylene carbonate and diethyl carbonate in a volume ratio of 3: 7. A CR2032 type coin-type battery is manufactured using the dissolved solution.
(3) The obtained coin-type battery was subjected to a constant current charge / discharge cycle (charge upper limit 4.35 V, discharge lower limit 3.2 V) at a current density of 0.5 mA / cm 2 in an environment of 25 ° C., and the average voltage Ve = Ve = (average charge voltage in the second cycle + discharge average voltage in the second cycle) / 2
Asking. The charge average voltage or discharge average voltage is calculated by measuring the voltage during charging or discharging at intervals of 2 seconds and dividing the value obtained by integrating the voltage over time by the time required for charging or discharging.
求項14乃至17のいずれか1つに記載のリチウムイオン二次電池用正極材料。
<平均電圧の測定方法(II)>
(1) リチウムニッケル複合酸化物75重量% 、アセチレンブラック20重量%、ポリテトラフロロエチレンパウダー5重量%の割合で混合し、薄くシート状に成形する。全体重量が12.5mg/cm2になるように調整した後、このシートをさらにアルミニウム
のエキスパンドメタルに圧着して試験極とする。試験極は減圧下120℃で1時間の乾燥を行う。
(2) アルゴン雰囲気下、25μmの多孔性ポリエチレンフィルムをセパレータとし、
対極としてリチウム金属箔を使用し、さらに、非水電解液溶液として、エチレンカーボネートとジエチルカーボネートとの体積比3:7の混合溶媒に1モル/リットルの六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)を溶解させた溶液を用いて、CR2032型のコイン型電
池を作製する。
(3) 得られたコイン型電池を、25℃の環境下で、電流密度0.2mA/cm2の定電流充放電サイクル(充電上限4.2V、放電下限3.2V)を行い、平均電圧Veを
Ve=(2サイクル目の充電平均電圧+2サイクル目の放電平均電圧)/2
として求める。なお充電平均電圧あるいは放電平均電圧は、充電時あるいは放電時の電圧を2秒間隔で測定し、電圧を時間で積算した値を、充電あるいは放電に要した時間で割った値である。 The lithium nickel composite oxide is a lithium nickel composite oxide having an average voltage of 3.830 V or less when measured by the following measurement method (II). The positive electrode material for lithium ion secondary batteries as described.
<Measuring method of average voltage (II)>
(1) 75% by weight of lithium nickel composite oxide, 20% by weight of acetylene black and 5% by weight of polytetrafluoroethylene powder are mixed and formed into a thin sheet. After adjusting the total weight to 12.5 mg / cm 2 , this sheet is further pressure-bonded to an aluminum expanded metal to form a test electrode. The test electrode is dried at 120 ° C. under reduced pressure for 1 hour.
(2) A 25 μm porous polyethylene film as a separator under an argon atmosphere,
Lithium metal foil was used as the counter electrode, and 1 mol / liter lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) was added as a non-aqueous electrolyte solution to a mixed solvent of ethylene carbonate and diethyl carbonate in a volume ratio of 3: 7. A CR2032 type coin-type battery is manufactured using the dissolved solution.
(3) The obtained coin-type battery was subjected to a constant current charge / discharge cycle (charge upper limit 4.2 V, discharge lower limit 3.2 V) at a current density of 0.2 mA / cm 2 in an environment of 25 ° C., and the average voltage Ve = Ve = (average charge voltage in the second cycle + discharge average voltage in the second cycle) / 2
Asking. The charge average voltage or discharge average voltage is a value obtained by measuring the voltage during charging or discharging at intervals of 2 seconds and dividing the value obtained by integrating the voltage over time by the time required for charging or discharging.
アニオンである請求項1乃至25のいずれか1つに記載のリチウム二次電池用正極材料。 More than 80% of the degradation product of PF 6 anion in the liquid after the storage test (I) or (II) is PO 2 F 2
The positive electrode material for a lithium secondary battery according to claim 1, wherein the positive electrode material is an anion.
<平均電圧の測定方法(I)>
(1) 当該複合酸化物を75重量% 、アセチレンブラック20重量%、ポリテトラフロロエチレン(PTFE)パウダー5重量%の割合で秤量したものを混合し、薄くシート状にする。全体重量が12.5mg/cm2になるように調整した後、この試料をさらにア
ルミニウムのエキスパンドメタルに圧着して試験極とする。試験極は減圧下120℃で1時間の乾燥を行う。
(2) アルゴン雰囲気下、25μmの多孔性ポリエチレンフィルムをセパレータとし、
対極としてリチウム金属箔を使用し、さらに、非水電解液溶液として、エチレンカーボネートとジエチルカーボネートとの体積比3:7の混合溶媒に1モル/リットルの六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)を溶解させた溶液を用いて、CR2032型のコイン型電
池を作製する。
(3) 得られたコイン型電池を、25℃の環境下で、電流密度0.5mA/cm2の定電流充放電サイクル(充電上限4.35V、放電下限3.2V)を行い、平均電圧Veを
Ve=(2サイクル目の充電平均電圧+2サイクル目の放電平均電圧)/2
として求める。なお充電平均電圧あるいは放電平均電圧は、充電時あるいは放電時の電圧を2秒間隔で測定し、電圧を時間で積算した値を、充電あるいは放電に要した時間で割ることにより算出する。 A positive electrode material for a lithium ion secondary battery comprising a lithium manganese composite oxide having a spinel structure and a lithium nickel composite oxide having a layered structure, wherein a part of the manganese site of the lithium manganese composite oxide is other A positive electrode material for a lithium ion secondary battery, characterized in that an average voltage measured by the following measurement method (I) of the other element-substituted lithium-manganese composite oxide is 4.059 V or more. .
<Measuring method of average voltage (I)>
(1) The composite oxide is weighed at a ratio of 75% by weight, acetylene black 20% by weight, and polytetrafluoroethylene (PTFE) powder 5% by weight, and is made into a thin sheet. After adjusting the total weight to 12.5 mg / cm 2 , this sample is further pressure-bonded to an aluminum expanded metal to form a test electrode. The test electrode is dried at 120 ° C. under reduced pressure for 1 hour.
(2) A 25 μm porous polyethylene film as a separator under an argon atmosphere,
Lithium metal foil was used as the counter electrode, and 1 mol / liter lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) was added as a non-aqueous electrolyte solution to a mixed solvent of ethylene carbonate and diethyl carbonate in a volume ratio of 3: 7. A CR2032 type coin-type battery is manufactured using the dissolved solution.
(3) The obtained coin-type battery was subjected to a constant current charge / discharge cycle (charge upper limit 4.35 V, discharge lower limit 3.2 V) at a current density of 0.5 mA / cm 2 in an environment of 25 ° C., and the average voltage Ve = Ve = (average charge voltage in the second cycle + discharge average voltage in the second cycle) / 2
Asking. The charge average voltage or discharge average voltage is calculated by measuring the voltage during charging or discharging at intervals of 2 seconds and dividing the value obtained by integrating the voltage over time by the time required for charging or discharging.
<平均電圧の測定方法(II)>
(1) リチウムニッケル複合酸化物75重量% 、アセチレンブラック20重量%、ポリテトラフロロエチレンパウダー5重量%の割合で混合し、薄くシート状に成形する。全体重量が12.5mg/cm2になるように調整した後、このシートをさらにアルミニウム
のエキスパンドメタルに圧着して試験極とする。試験極は減圧下120℃で1時間の乾燥を行う。
(2) アルゴン雰囲気下、25μmの多孔性ポリエチレンフィルムをセパレータとし、
対極としてリチウム金属箔を使用し、さらに、非水電解液溶液として、エチレンカーボネートとジエチルカーボネートとの体積比3:7の混合溶媒に1モル/リットルの六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)を溶解させた溶液を用いて、CR2032型のコイン型電
池を作製する。
(3) 得られたコイン型電池を、25℃の環境下で、電流密度0.2mA/cm2の定電流充放電サイクル(充電上限4.2V、放電下限3.2V)を行い、平均電圧Veを
Ve=(2サイクル目の充電平均電圧+2サイクル目の放電平均電圧)/2
として求める。なお充電平均電圧あるいは放電平均電圧は、充電時あるいは放電時の電圧を2秒間隔で測定し、電圧を時間で積算した値を、充電あるいは放電に要した時間で割った値である。 25. The lithium nickel composite oxide according to claim 21, wherein the lithium nickel composite oxide is a lithium nickel composite oxide having an average voltage of 3.830 V or less when measured by the following measurement method (II). The positive electrode material for lithium ion secondary batteries as described.
<Measuring method of average voltage (II)>
(1) 75% by weight of lithium nickel composite oxide, 20% by weight of acetylene black and 5% by weight of polytetrafluoroethylene powder are mixed and formed into a thin sheet. After adjusting the total weight to 12.5 mg / cm 2 , this sheet is further pressure-bonded to an aluminum expanded metal to form a test electrode. The test electrode is dried at 120 ° C. under reduced pressure for 1 hour.
(2) A 25 μm porous polyethylene film as a separator under an argon atmosphere,
Lithium metal foil was used as the counter electrode, and 1 mol / liter lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) was added as a non-aqueous electrolyte solution to a mixed solvent of ethylene carbonate and diethyl carbonate in a volume ratio of 3: 7. A CR2032 type coin-type battery is manufactured using the dissolved solution.
(3) The obtained coin-type battery was subjected to a constant current charge / discharge cycle (charge upper limit 4.2 V, discharge lower limit 3.2 V) at a current density of 0.2 mA / cm 2 in an environment of 25 ° C., and the average voltage Ve = Ve = (average charge voltage in the second cycle + discharge average voltage in the second cycle) / 2
Asking. The charge average voltage or discharge average voltage is a value obtained by measuring the voltage during charging or discharging at intervals of 2 seconds and dividing the value obtained by integrating the voltage over time by the time required for charging or discharging.
次電池。 The lithium secondary battery according to the lithium salt is one either of claims 28 or 30 which is LiPF 6.
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