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JP2011134670A - Lithium secondary battery positive electrode active material - Google Patents

Lithium secondary battery positive electrode active material Download PDF

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JP2011134670A
JP2011134670A JP2009294974A JP2009294974A JP2011134670A JP 2011134670 A JP2011134670 A JP 2011134670A JP 2009294974 A JP2009294974 A JP 2009294974A JP 2009294974 A JP2009294974 A JP 2009294974A JP 2011134670 A JP2011134670 A JP 2011134670A
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Japan
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lithium
positive electrode
electrode active
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mno
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JP2009294974A
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Japanese (ja)
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Hideyuki Koga
英行 古賀
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Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
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Publication date
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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Abstract

【課題】LiMOとLiMnOとの固溶体であって、ハイレートによる充放電を繰り返してもマンガンの溶出が抑制された、優れた電池特性を有するリチウム二次電池用の正極活物質を提供する。
【解決手段】本発明により提供されるリチウム二次電池用正極活物質は、一般式:LiMO(式中のMは、Co、NiおよびMnからなる群より選択される少なくとも1種の遷移金属元素を含む1種または2種以上の金属元素である)で表されるリチウム遷移金属複合酸化物(320)と、LiMnOで表わされるリチウムマンガン酸化物(310)との固溶体粒子であって、固溶体粒子の中心部に近いほど、LiMnOの濃度がLiMOの濃度よりも高く構成されており、且つ、該粒子の外表面に近いほど、LiMOの濃度がLiMnOの濃度よりも高く構成されるような濃度勾配を有していることを特徴とする。
【選択図】図1
Provided is a positive electrode active material for a lithium secondary battery, which is a solid solution of LiMO 2 and Li 2 MnO 3 and has excellent battery characteristics in which elution of manganese is suppressed even after repeated charging and discharging with a high rate. To do.
A positive electrode active material for a lithium secondary battery provided by the present invention has a general formula: LiMO 2 (wherein M is at least one transition metal selected from the group consisting of Co, Ni and Mn) These are solid solution particles of a lithium transition metal composite oxide (320) represented by one or more metal elements including an element) and a lithium manganese oxide (310) represented by Li 2 MnO 3. Te, closer to the center portion of the solid solution particles, Li 2 concentration of MnO 3 is constituted higher than the concentration of LiMO 2, and, the closer to the particle outer surfaces, LiMO 2 concentrations Li 2 MnO 3 It has a concentration gradient that is configured to be higher than the above concentration.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、リチウム二次電池に用いられる正極活物質とその製造方法に関する。   The present invention relates to a positive electrode active material used for a lithium secondary battery and a method for producing the same.

近年、リチウム二次電池やニッケル水素電池等の二次電池は、電気を駆動源とする車両搭載用電源、あるいはパソコン及び携帯端末その他の電気製品等に搭載される電源として重要性が高まっている。特に、軽量で高エネルギー密度が得られるリチウム二次電池(典型的にはリチウムイオン電池)は、車両搭載用高出力電源として好ましく用いられるものとして期待されている。   In recent years, secondary batteries such as lithium secondary batteries and nickel metal hydride batteries have become increasingly important as power sources mounted on vehicles using electricity as a drive source, or power sources mounted on personal computers, portable terminals, and other electrical products. . In particular, a lithium secondary battery (typically a lithium ion battery) that is lightweight and obtains a high energy density is expected to be preferably used as a high-output power source mounted on a vehicle.

リチウム二次電池は、電荷担体となるリチウムイオンを可逆的に吸蔵および放出し得る材料(電極活物質)が導電性部材(電極集電体)に保持された構成の電極を備え、さらなる高エネルギー密度化および高出力化を実現するため電極活物質材料の検討が行われている。リチウム二次電池の正極を構成する正極活物質として、層状岩塩型構造を有するLiMO(Mはコバルト、ニッケルおよびマンガンのうちの少なくとも一種の元素、例えばLiNi1/3Co1/3Mn1/3)で表記されるリチウム遷移金属複合酸化物が知られている。 A lithium secondary battery includes an electrode having a configuration in which a material (electrode active material) capable of reversibly occluding and releasing lithium ions serving as a charge carrier is held in a conductive member (electrode current collector), and further increases energy. In order to achieve higher density and higher output, electrode active material materials are being studied. As a positive electrode active material constituting a positive electrode of a lithium secondary battery, LiMO 2 having a layered rock salt structure (M is at least one element of cobalt, nickel, and manganese, for example, Li x Ni 1/3 Co 1/3 Mn A lithium transition metal composite oxide represented by 1/3 O 2 ) is known.

また、上記リチウム二次電池用正極活物質に関連する従来技術として、特許文献1には、層状岩塩型構造を有するLiMOと、同じく層状岩塩型構造(単斜晶系)を有するリチウムマンガン酸化物であるLiMnOとの固溶体(異なる物質が互いに均一に溶け合った固相)からなる正極活物質が開示されている。さらに、特許文献2には、LiMOとLiMnOとの複合体粒子であって、粒子の内部にLiMO、表面にLiMnOがそれぞれ高い密度で含有する正極活物質が開示されている。 In addition, as a conventional technique related to the positive electrode active material for a lithium secondary battery, Patent Document 1 discloses LiMO 2 having a layered rock salt structure and lithium manganese oxide having a layered rock salt structure (monoclinic system). A positive electrode active material comprising a solid solution (solid phase in which different substances are uniformly dissolved) with Li 2 MnO 3 which is a product is disclosed. Furthermore, Patent Document 2 discloses a positive electrode active material which is a composite particle of LiMO 2 and Li 2 MnO 3 and contains LiMO 2 inside the particle and Li 2 MnO 3 on the surface at a high density. ing.

特開2006−253119号公報JP 2006-253119 A 特開平8−171935号公報JP-A-8-171935

上記特許文献1に記載のLiMOとLiMnOとの固溶体からなる正極活物質を用いて構築されるリチウム二次電池は、単体のLiMOからなる正極活物質を用いて構築されるリチウム二次電池に比べて、リチウムイオンの吸蔵を多くできるようになり、さらなる高容量化または高エネルギー密度化を実現し得る正極活物質として期待されている。しかしながら、充放電を繰り返すうちにマンガンが溶出し、電池特性(例えば、サイクル特性、負荷特性)を低下させてしまう。
また、上記特許文献2に記載のLiMOとLiMnOとの複合体粒子からなる正極活物質の場合では、粒子表面に高い密度でLiMnOが存在するため、マンガンの溶出がより顕著に発生し、良好な電池特性を維持するのが困難となる。
The lithium secondary battery constructed using a positive electrode active material made of a solid solution of LiMO 2 and Li 2 MnO 3 described in Patent Document 1 is a lithium constructed using a positive electrode active material made of a single LiMO 2. Compared to secondary batteries, lithium ion storage can be increased, and it is expected as a positive electrode active material capable of realizing higher capacity or higher energy density. However, manganese is eluted while charging and discharging are repeated, and battery characteristics (for example, cycle characteristics and load characteristics) are deteriorated.
Further, in the case of a positive electrode active material composed of composite particles of LiMO 2 and Li 2 MnO 3 as described in Patent Document 2, because of the presence of Li 2 MnO 3 with a high density on the particle surface, more elution of manganese It occurs remarkably and it becomes difficult to maintain good battery characteristics.

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、LiMOとLiMnOとの固溶体であって、ハイレートによる充放電を繰り返してもマンガンの溶出が抑制された、優れた負荷特性(大電流放電時でも高い容量を維持する特性)あるいはサイクル特性(充放電を繰り返しても高い容量を維持する特性)を有するリチウム二次電池用の正極活物質を提供することである。また、そのような正極活物質を使用した正極を備えるリチウム二次電池の提供を他の目的とする。 The present invention has been made in view of the foregoing, it is an object of a solid solution of LiMO 2 and Li 2 MnO 3, elution of manganese is suppressed even after repeating charging and discharging due to high-rate Providing a positive electrode active material for a lithium secondary battery having excellent load characteristics (characteristics for maintaining high capacity even during large current discharge) or cycle characteristics (characteristics for maintaining high capacity even after repeated charge / discharge) It is. Another object is to provide a lithium secondary battery including a positive electrode using such a positive electrode active material.

上記目的を実現するべく本発明により、一般式:LiMO(式中のMは、Co、NiおよびMnからなる群より選択される少なくとも1種の遷移金属元素を含む1種または2種以上の金属元素である)で表されるリチウム遷移金属複合酸化物と、LiMnOで表わされるリチウムマンガン酸化物との固溶体粒子からなるリチウム二次電池用正極活物質が提供される。
ここに開示される正極活物質は、上記固溶体粒子の中心部に近いほど、上記LiMnOの濃度が上記LiMOの濃度よりも高く構成されており、且つ、該固溶体粒子の外表面に近いほど、該LiMOの濃度が該LiMnOの濃度よりも高く構成されるような濃度勾配を有していることを特徴とする。
To achieve the above object, according to the present invention, a general formula: LiMO 2 (wherein M is one or more transition metal elements including at least one transition metal element selected from the group consisting of Co, Ni and Mn). There is provided a positive electrode active material for a lithium secondary battery comprising solid solution particles of a lithium transition metal composite oxide represented by (a metal element) and a lithium manganese oxide represented by Li 2 MnO 3 .
The positive electrode active material disclosed herein is configured such that the closer to the center of the solid solution particle, the higher the concentration of Li 2 MnO 3 than the concentration of LiMO 2 , and the outer surface of the solid solution particle. It is characterized by having a concentration gradient such that the closer the LiMO 2 concentration is, the higher the Li 2 MnO 3 concentration.

なお、本明細書において「リチウム二次電池」とは、電解質イオンとしてリチウムイオンを利用し、正負極間のリチウムイオンの移動により充放電が実現される二次電池をいう。一般に、リチウムイオン電池と称される二次電池は、本明細書におけるリチウム二次電池に包含される典型例である。
また、本明細書において「正極活物質」とは、二次電池において電荷担体となる化学種(すなわちリチウムイオン)を可逆的に吸蔵および放出(典型的には挿入および脱離)可能な正極側の物質をいう。
In the present specification, the “lithium secondary battery” refers to a secondary battery that uses lithium ions as electrolyte ions and is charged and discharged by movement of lithium ions between the positive and negative electrodes. In general, a secondary battery referred to as a lithium ion battery is a typical example included in the lithium secondary battery in this specification.
In this specification, the “positive electrode active material” means a positive electrode side capable of reversibly occluding and releasing (typically inserting and desorbing) chemical species (that is, lithium ions) serving as charge carriers in a secondary battery. Refers to the substance.

上記LiMOと上記LiMnOとの固溶体粒子からなるリチウム二次電池用正極活物質は、リチウムイオンの吸蔵量が大きいため高容量化または高エネルギー密度化を実現し得る正極活物質として期待されている。本発明に係る固溶体粒子からなる正極活物質は、粒子中心部に近いほどLiMnOの濃度がLiMOの濃度よりも高く構成されており、且つ、固溶体粒子の外表面に近いほど、LiMOの濃度がLiMnOの濃度よりも高く構成されるような濃度勾配を有している。そのため、かかる正極活物質を用いて構築されるリチウム二次電池は、ハイレートによる充放電を繰り返す態様で使用されても、固溶体粒子の中心部に上記LiMnOが高い濃度で含有するため、固溶体粒子(典型的にはLiMnO)からマンガンが溶出され難い。従って、本発明によると、マンガンの溶出による結晶構造の崩れが抑制されるため、ハイレート充放電を繰り返しても内部抵抗の増加が抑制された、優れた電池特性(例えば、サイクル特性、負荷特性)実現し得るリチウム二次電池用正極活物質を提供することができる。 A positive electrode active material for a lithium secondary battery composed of solid solution particles of LiMO 2 and Li 2 MnO 3 is expected as a positive electrode active material capable of realizing high capacity or high energy density because of a large amount of occlusion of lithium ions. Has been. The positive electrode active material composed of solid solution particles according to the present invention is configured such that the closer to the particle central portion, the higher the concentration of Li 2 MnO 3 than the concentration of LiMO 2 and the closer to the outer surface of the solid solution particles, 2 has a concentration gradient such that the concentration of 2 is higher than the concentration of Li 2 MnO 3 . Therefore, a lithium secondary battery constructed using such a positive electrode active material contains the above Li 2 MnO 3 at a high concentration in the center of the solid solution particles even if it is used in a mode in which charging and discharging by high rate are repeated. Manganese is difficult to elute from solid solution particles (typically Li 2 MnO 3 ). Therefore, according to the present invention, since the collapse of the crystal structure due to elution of manganese is suppressed, an excellent battery characteristic (for example, cycle characteristic, load characteristic) in which an increase in internal resistance is suppressed even after repeated high-rate charge / discharge. A positive electrode active material for a lithium secondary battery that can be realized can be provided.

ここに開示されるリチウム二次電池用正極活物質の好ましい一態様では、上記固溶体粒子を構成する上記リチウム遷移金属複合酸化物は、Ni、CoおよびMnをいずれも含有する酸化物である。
リチウム遷移金属複合酸化物を構成する遷移金属元素として、Ni、CoおよびMnをいずれも含有する酸化物は、結晶構造が安定し、耐熱性に優れ、且つ理論上のリチウムイオン吸蔵容量が大きい正極活物質となり得る。その結果、より高い電池容量または高いエネルギー密度を有するリチウム二次電池を構築し得るリチウム二次電池用正極活物質を提供することができる。
また、さらに好ましい他の一態様では、上記固溶体粒子を構成する上記リチウム遷移金属複合酸化物は、LiNi1/3Co1/3Mn1/3で示される酸化物である。
In a preferable aspect of the positive electrode active material for a lithium secondary battery disclosed herein, the lithium transition metal composite oxide constituting the solid solution particles is an oxide containing all of Ni, Co, and Mn.
An oxide containing all of Ni, Co and Mn as transition metal elements constituting a lithium transition metal composite oxide is a positive electrode having a stable crystal structure, excellent heat resistance, and a large theoretical lithium ion storage capacity. Can be an active material. As a result, a positive electrode active material for a lithium secondary battery that can construct a lithium secondary battery having a higher battery capacity or a higher energy density can be provided.
In still another preferred embodiment, the lithium transition metal composite oxide constituting the solid solution particle is an oxide represented by LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 .

また、本発明は、上記目的を実現する他の側面として、リチウム二次電池用正極活物質を製造する方法を提供する。ここに開示される製造方法は、一般式:LiMO(式中のMは、Co、NiおよびMnからなる群より選択される少なくとも1種の遷移金属元素を含む1種または2種以上の金属元素である)で表されるリチウム遷移金属複合酸化物と、LiMnOで表わされるリチウムマンガン酸化物との固溶体粒子からなるリチウム二次電池用正極活物質を製造する方法であって、以下の工程を含む。
すなわち、(1)上記LiMnOで表わされるリチウムマンガン酸化物粒子を用意する工程、(2)上記用意したLiMnOと、上記一般式:LiMOで表わされるリチウム遷移金属複合酸化物を構成するためのリチウム源と、1種または2種以上の遷移金属M元素源とを包含する、上記固溶体粒子を構成するための出発原料を水系溶媒に溶解させて原料混合物を調製する工程(典型的には、1種または2種以上のゲル化剤を共に添加する)、(3)上記調製した原料混合物をゲル化し、ゲル状組成物を得るゲル化工程、および(4)上記得られたゲル状組成物を焼成する焼成工程、を包含する。
Moreover, this invention provides the method of manufacturing the positive electrode active material for lithium secondary batteries as another side surface which implement | achieves the said objective. The production method disclosed herein has a general formula: LiMO 2 (wherein M is one or more metals including at least one transition metal element selected from the group consisting of Co, Ni and Mn) Element comprising a solid solution particle of a lithium transition metal complex oxide represented by Li 2 MnO 3 and a lithium manganese oxide represented by Li 2 MnO 3 , comprising: These steps are included.
That is, (1) a step of preparing lithium manganese oxide particles represented by the above Li 2 MnO 3 , (2) a lithium transition metal composite oxide represented by the above prepared Li 2 MnO 3 and the above general formula: LiMO 2 A step of preparing a raw material mixture by dissolving a starting raw material for constituting the solid solution particles in a water-based solvent, including a lithium source for constituting a solid metal particle and one or more transition metal M element sources ( (Typically, one or two or more gelling agents are added together), (3) a gelation step of gelling the prepared raw material mixture to obtain a gel composition, and (4) the above obtained A firing step of firing the gel-like composition.

かかる製造方法によると、上記原料調製工程において、リチウムマンガン酸化物粒子の表面にリチウム遷移金属複合酸化物の前駆体(リチウム源、遷移金属M元素源等)が被覆された状態が形成される。そして、さらに焼成工程の熱処理により、LiMnOが外部に向かって拡散するとともに、上記LiMnOの表面を被覆するリチウム遷移金属複合酸化物(典型的には前駆体)が内部に向かって拡散する。その結果、LiMOとLiMnOとの固溶体粒子が形成され、さらに該粒子中心部に近いほどLiMnOの濃度がLiMOの濃度よりも高く構成されており、且つ、固溶体粒子の外表面に近いほど、LiMOの濃度がLiMnOの濃度よりも高く構成された濃度勾配を有する固溶体粒子を製造することができる。このように中心部に近いほどLiMnOが高い濃度で含有する固溶体粒子を正極活物質として用いて構築されるリチウム二次電池は、ハイレートによる充放電を繰り返す態様で使用されても、LiMnOからマンガンが溶出され難い構造を備えている。その結果、本発明によると、ハイレート充放電下においてもマンガンの溶出に伴う抵抗の増加が抑制されるため、優れた電池特性(例えば、サイクル特性、負荷特性)実現し得るリチウム二次電池用正極活物質を製造することができる。 According to this manufacturing method, in the raw material preparation step, a state in which the lithium manganese oxide particle surface is coated with a precursor of a lithium transition metal composite oxide (lithium source, transition metal M element source, etc.) is formed. Further, Li 2 MnO 3 diffuses outward by the heat treatment in the firing step, and the lithium transition metal composite oxide (typically a precursor) covering the surface of the Li 2 MnO 3 faces inward. Spread. As a result, solid solution particles of LiMO 2 and Li 2 MnO 3 are formed, and the concentration of Li 2 MnO 3 is configured to be higher than the concentration of LiMO 2 closer to the center of the particle. The closer to the outer surface, the solid solution particles having a concentration gradient in which the concentration of LiMO 2 is higher than the concentration of Li 2 MnO 3 can be produced. Thus, even if the lithium secondary battery constructed using solid solution particles containing Li 2 MnO 3 at a higher concentration as the cathode is closer to the center as a positive electrode active material is used in a mode in which charging and discharging at a high rate are repeated, 2 Manganese is difficult to elute from MnO 3 . As a result, according to the present invention, an increase in resistance due to elution of manganese is suppressed even under high-rate charge / discharge, so that a positive electrode for a lithium secondary battery that can realize excellent battery characteristics (for example, cycle characteristics and load characteristics). An active material can be produced.

ここに開示される製造方法の好ましい一態様では、上記リチウム遷移金属複合酸化物は、Ni、CoおよびMnをいずれも含有する酸化物を構成するため、ニッケル源、コバルト源およびマンガン源を包含する出発原料を用いて原料混合物を調製する。さらに、好ましいリチウム遷移金属複合酸化物は、LiNi1/3Co1/3Mn1/3で示される酸化物を構成するように原料混合物を調製する。
リチウム遷移金属複合酸化物を構成する遷移金属元素として、Ni、CoおよびMnをいずれも含有する酸化物は、結晶構造が安定し、耐熱性に優れ、且つ理論上のリチウムイオン吸蔵容量が大きい正極活物質となり得る。そのため、ニッケル源、コバルト源およびマンガン源を包含する出発原料を用いて原料混合物を調製することにより、より高い電池容量または高いエネルギー密度を有するリチウム二次電池を構築し得るリチウム二次電池用正極活物質を製造することができる。
In a preferable aspect of the production method disclosed herein, the lithium transition metal composite oxide includes an oxide containing all of Ni, Co, and Mn, and therefore includes a nickel source, a cobalt source, and a manganese source. A raw material mixture is prepared using the starting materials. Further, the raw material mixture is prepared so that a preferable lithium transition metal composite oxide constitutes an oxide represented by LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 .
An oxide containing all of Ni, Co and Mn as transition metal elements constituting a lithium transition metal composite oxide is a positive electrode having a stable crystal structure, excellent heat resistance, and a large theoretical lithium ion storage capacity. Can be an active material. Therefore, a positive electrode for a lithium secondary battery capable of constructing a lithium secondary battery having a higher battery capacity or a higher energy density by preparing a raw material mixture using starting raw materials including a nickel source, a cobalt source and a manganese source An active material can be produced.

また、本発明によって提供される製造方法の好ましい他の一態様では、上記ゲル化工程では、上記調製した原料混合物を室温以上100℃以下の温度まで昇温させる。
上記温度で原料混合物をゲル化させることにより、より効率的に高いエネルギー密度を有するLiMOとLiMnOとの固溶体粒子からなる正極活物質を製造することができる。
In another preferred embodiment of the production method provided by the present invention, in the gelation step, the prepared raw material mixture is heated to a temperature of room temperature to 100 ° C.
By making the raw material mixture gel at the above temperature, a positive electrode active material composed of solid solution particles of LiMO 2 and Li 2 MnO 3 having a higher energy density can be produced more efficiently.

さらに、好ましい他の一態様では、上記リチウムマンガン酸化物粒子は、(1)リチウム源と、マンガン源とを包含する出発原料を水系溶媒に溶解させて原料混合物を調製する工程、(2)上記原料混合物を加熱して300℃以上で仮焼成する工程、および(3)上記仮焼成物をさらに仮焼成温度よりも高い温度であり1000℃以下の温度まで加熱して焼成する工程、を包含する製造方法により得られたLiMnOが用いられる。
固溶体粒子の出発原料であるリチウムマンガン酸化物粒子の製造方法は特に制限されないが、上記製造方法を用いることにより、結晶性の高い層状岩塩型構造(単斜晶系)を備えるLiMnOを効率良く製造することができる。
Furthermore, in another preferable aspect, the lithium manganese oxide particles include (1) a step of preparing a raw material mixture by dissolving a starting material including a lithium source and a manganese source in an aqueous solvent, and (2) the above A step of heating the raw material mixture and pre-baking at 300 ° C. or higher; and (3) a step of heating and baking the pre-baked product to a temperature higher than the pre-baking temperature and not higher than 1000 ° C. Li 2 MnO 3 obtained by the production method is used.
The method for producing lithium manganese oxide particles, which are starting materials for solid solution particles, is not particularly limited, but Li 2 MnO 3 having a highly crystalline layered rock salt structure (monoclinic system) can be obtained by using the production method described above. It can be manufactured efficiently.

また、本発明は、他の側面として、リチウム二次電池を提供する。すなわち、ここに開示される正極活物質(いずれかの製造方法により製造された正極活物質を含む)を正極に備えるリチウム二次電池が提供される。かかる正極を備えるリチウム二次電池は、ハイレート出力下で繰り返す態様で使用されても電池特性(負荷特性またはサイクル特性)の低下が抑制された電池となり得る。
さらに、本発明によると、ここに開示されるリチウム二次電池を備える車両を提供する。本発明によって提供されるリチウム二次電池は、特に車両に搭載される電池の電源として適した電池特性を示すものであり得る。したがって、ここに開示されるリチウム二次電池は、ハイブリッド自動車、電気自動車のような電動機を備える自動車等の車両に搭載されるモーター(電動機)用の電源として好適に使用され得る。
Moreover, this invention provides a lithium secondary battery as another aspect. That is, a lithium secondary battery provided with a positive electrode active material (including a positive electrode active material manufactured by any manufacturing method) disclosed herein is provided. A lithium secondary battery including such a positive electrode can be a battery in which deterioration of battery characteristics (load characteristics or cycle characteristics) is suppressed even when it is used in a mode of being repeated under high-rate output.
Furthermore, according to this invention, the vehicle provided with the lithium secondary battery disclosed here is provided. The lithium secondary battery provided by the present invention may exhibit battery characteristics particularly suitable as a power source for a battery mounted on a vehicle. Therefore, the lithium secondary battery disclosed herein can be suitably used as a power source for a motor (electric motor) mounted on a vehicle such as an automobile equipped with an electric motor such as a hybrid vehicle or an electric vehicle.

一実施形態に係るLiMOとLiMnOとの固溶体粒子における構成物質の濃度勾配を模式的に示す粒子断面図である。The concentration gradient of the constituents in solid solution particles of LiMO 2 and Li 2 MnO 3 according to one embodiment is a particle cross-sectional view schematically showing. 一実施形態に係るリチウム二次電池の外形を模式的に示す斜視図である。It is a perspective view which shows typically the external shape of the lithium secondary battery which concerns on one Embodiment. 図2におけるIII−III線断面図である。It is the III-III sectional view taken on the line in FIG. 電極体を捲回して作製する状態を模式的に示す斜視図である。It is a perspective view which shows typically the state which winds and produces an electrode body. 一実施形態に係るリチウム二次電池を備えた車両(自動車)を模式的に示す側面図である。It is a side view showing typically a vehicle (automobile) provided with a lithium secondary battery concerning one embodiment.

以下、本発明の好適な実施形態を説明する。なお、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described. Note that matters other than matters specifically mentioned in the present specification and necessary for the implementation of the present invention can be grasped as design matters of those skilled in the art based on the prior art in this field. The present invention can be carried out based on the contents disclosed in this specification and common technical knowledge in the field.

本発明によって提供されるリチウム二次電池用正極活物質は、一般式:LiMO(式中のMは、Co、NiおよびMnからなる群より選択される少なくとも1種の遷移金属元素を含む1種または2種以上の金属元素である)で表されるリチウム遷移金属複合酸化物と、LiMnOで表わされるリチウムマンガン酸化物との固溶体粒子により構成される。以下、上記正極活物質および該活物質の製造方法を詳細に説明するが、本発明をかかる実施形態に限定することを意図したものではない。 The positive electrode active material for a lithium secondary battery provided by the present invention has a general formula: LiMO 2 (wherein M includes at least one transition metal element selected from the group consisting of Co, Ni, and Mn). It is constituted by solid solution particles of a lithium transition metal composite oxide represented by a seed or two or more metal elements) and a lithium manganese oxide represented by Li 2 MnO 3 . Hereinafter, although the said positive electrode active material and the manufacturing method of this active material are demonstrated in detail, it is not intending limiting this invention to this embodiment.

まず、本実施形態に係るリチウム二次電池用正極活物質について説明する。ここに開示される正極活物質は、上述のとおりLiMOとLiMnOとの固溶体粒子により構成されている。LiMOおよびLiMnOは、いずれも層状岩塩型の結晶構造を有し、かかるLiMOとLiMnOとの固溶体粒子は、吸蔵または放出可能なリチウムイオンの量が多く、高容量化または高エネルギー密度化を実現し得るリチウム二次電池用正極活物質として期待されている。 First, the positive electrode active material for a lithium secondary battery according to this embodiment will be described. The positive electrode active material disclosed here is composed of solid solution particles of LiMO 2 and Li 2 MnO 3 as described above. LiMO 2 and Li 2 MnO 3 both have a layered rock-salt crystal structure, and the solid solution particles of LiMO 2 and Li 2 MnO 3 have a large amount of lithium ions that can be occluded or released, thereby increasing the capacity. Alternatively, it is expected as a positive electrode active material for lithium secondary batteries that can realize high energy density.

かかる固溶体粒子を構成する化合物のうちリチウム遷移金属複合酸化物は、一般式:LiMO(式中のMは、Co、NiおよびMnからなる群より選択される少なくとも1種の遷移金属元素を含む1種または2種以上の金属元素である)で表される酸化物である。例えば、ニッケル酸リチウム(LiNiO)、コバルト酸リチウム(LiCoO)、マンガン酸リチウム(LiMn)や、ニッケル・マンガン系のLiNiMn1−x(0<x<1)やニッケル・コバルト系のLiNiCo1−x(0<x<1)、コバルト・マンガン系のLiCoMn1−x(0<x<1)で表わされるような、リチウム以外の遷移金属元素を2種含む二元系リチウム遷移金属複合酸化物でもよい。あるいは、遷移金属元素を2種以上含むニッケル・コバルト・マンガン系のような三元系リチウム遷移金属複合酸化物LiNi1−x−yCoMn(0<x<1、0<y<1、0<x+y<1)でもよい。例えば、固溶体粒子を構成するリチウム遷移金属複合酸化物は、Ni、CoおよびMnをいずれも含有する酸化物であるのが好ましい。三元系リチウム遷移金属複合酸化物は、結晶構造が安定し、耐熱性に優れ、且つ理論上のリチウムイオンを吸蔵または放出量が大きいため、高出力用途(例えば、車載用)の電池として適している。三元系リチウム遷移金属複合酸化物の好適例として、LiNi1/3Co1/3Mn1/3が挙げられる。 Among the compounds constituting the solid solution particles, the lithium transition metal composite oxide has a general formula: LiMO 2 (wherein M includes at least one transition metal element selected from the group consisting of Co, Ni, and Mn). 1 or 2 or more metal elements). For example, lithium nickelate (LiNiO 2 ), lithium cobaltate (LiCoO 2 ), lithium manganate (LiMn 2 O 4 ), nickel / manganese-based LiNi x Mn 1-x O 2 (0 <x <1), Nickel-cobalt-based LiNi x Co 1-x O 2 (0 <x <1), cobalt-manganese-based LiCo x Mn 1-x O 2 (0 <x <1) A binary lithium transition metal composite oxide containing two kinds of transition metal elements may be used. Alternatively, a ternary lithium transition metal composite oxide LiNi 1-xy Co x Mn y O 2 (0 <x <1, 0 <y) such as nickel / cobalt / manganese containing two or more transition metal elements. <1, 0 <x + y <1). For example, the lithium transition metal composite oxide constituting the solid solution particles is preferably an oxide containing all of Ni, Co, and Mn. Ternary lithium transition metal composite oxides are suitable for high-power applications (for example, in-vehicle use) because of their stable crystal structure, excellent heat resistance, and large theoretical lithium ion storage / release capacity. ing. A suitable example of the ternary lithium transition metal composite oxide is LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 .

ここで、上記式(1)で表わされるリチウム遷移金属複合酸化物は、上記M元素としてコバルト(Co)、ニッケル(Ni)およびマンガン(Mn)からなる群より選択される少なくとも1種の遷移金属元素を含むほか、以下に例示するような金属元素(すなわち上記主構成金属元素以外の遷移金属元素および/または典型金属元素)を各主構成金属元素のモル比よりも少ない割合で含んでもよい。かかる金属元素としては、例えば、アルミニウム(Al)、鉄(Fe)クロム(Cr),バナジウム(V),マグネシウム(Mg),チタン(Ti),ジルコニウム(Zr),ニオブ(Nb),モリブデン(Mo),タングステン(W),銅(Cu),亜鉛(Zn),ガリウム(Ga),インジウム(In),スズ(Sn),ランタン(La)およびセリウム(Ce)が挙げられる。   Here, the lithium transition metal composite oxide represented by the formula (1) is at least one transition metal selected from the group consisting of cobalt (Co), nickel (Ni), and manganese (Mn) as the M element. In addition to the elements, a metal element as exemplified below (that is, a transition metal element other than the main constituent metal element and / or a typical metal element) may be contained in a proportion smaller than the molar ratio of each main constituent metal element. Examples of such metal elements include aluminum (Al), iron (Fe) chromium (Cr), vanadium (V), magnesium (Mg), titanium (Ti), zirconium (Zr), niobium (Nb), molybdenum (Mo ), Tungsten (W), copper (Cu), zinc (Zn), gallium (Ga), indium (In), tin (Sn), lanthanum (La), and cerium (Ce).

また、かかる固溶体粒子を構成する化合物のうち、他方はLiMnOで表わされるリチウムマンガン酸化物である。リチウムマンガン酸化物は、リチウム吸蔵量が多く、大きな理論容量(凡そ350mAh/g)を有する。しかしながら、かかる酸化物を用いてなるリチウム二次電池は、充放電を繰り返すうちにマンガンが溶出し、電池特性(例えば、サイクル特性、負荷特性)が低下する虞がある。
しかしながら、ここで開示されるLiMOとLiMnOとの固溶体粒子からなる正極活物質は、図1に示されるように、粒子中心部に近いほどリチウムマンガン酸化物(LiMnO)310の濃度がリチウム遷移金属複合酸化物(LiMO)320の濃度よりも高く構成されており、且つ、固溶体粒子の外表面に近いほど、LiMO(320)の濃度がLiMnO(310)の濃度よりも高く構成されるような濃度勾配を有している。そのため、かかる正極活物質を用いて構築されるリチウム二次電池は、ハイレートによる充放電を繰り返す態様で使用されても、固溶体粒子の中心部に高い濃度で存在するLiMnO(310)からマンガンが溶出され難い。その結果、結晶構造の崩れに伴う抵抗の増加が抑制されるため、ハイレート充放電下においても優れた電池特性(例えば、サイクル特性、負荷特性)実現し得るリチウム二次電池用正極活物質となり得る。
Moreover, among the compounds constituting the solid solution particles, the other is a lithium manganese oxide represented by Li 2 MnO 3 . Lithium manganese oxide has a large lithium storage capacity and a large theoretical capacity (approximately 350 mAh / g). However, in a lithium secondary battery using such an oxide, manganese is eluted during repeated charging and discharging, and battery characteristics (for example, cycle characteristics and load characteristics) may be deteriorated.
However, the positive electrode active material composed of solid solution particles of LiMO 2 and Li 2 MnO 3 disclosed herein has a lithium manganese oxide (Li 2 MnO 3 ) 310 closer to the center of the particle as shown in FIG. The concentration of LiMO 2 (320) is set to be higher than the concentration of lithium transition metal complex oxide (LiMO 2 ) 320 and closer to the outer surface of the solid solution particles, the concentration of LiMO 2 (320) is Li 2 MnO 3 (310). It has a concentration gradient that is higher than the concentration of. Therefore, even if the lithium secondary battery constructed using such a positive electrode active material is used in a mode in which charging and discharging at high rates are repeated, Li 2 MnO 3 (310) present at a high concentration in the center of the solid solution particles. Manganese is difficult to elute. As a result, since an increase in resistance due to the collapse of the crystal structure is suppressed, it can be a positive electrode active material for a lithium secondary battery that can realize excellent battery characteristics (for example, cycle characteristics and load characteristics) even under high-rate charge / discharge. .

次いで、本実施形態に係るLiMOとLiMnOとの固溶体粒子からなるリチウム二次電池用の正極活物質を製造する方法について説明する。
ここに開示される製造方法は、一般式:LiMO(式中のMは、Co、NiおよびMnからなる群より選択される少なくとも1種の遷移金属元素を含む1種または2種以上の金属元素である)で表されるリチウム遷移金属複合酸化物と、LiMnOで表わされるリチウムマンガン酸化物との固溶体粒子からなるリチウム二次電池用正極活物質を製造する方法である。かかる製造方法は、大まかにいって、(1)上記LiMnOで表わされるリチウムマンガン酸化物粒子を用意する工程、(2)上記用意したLiMnOと、上記一般式:LiMOで表わされるリチウム遷移金属複合酸化物を構成するためのリチウム源と、1種または2種以上の遷移金属M元素源とを包含する、上記固溶体粒子を構成するための出発原料を水系溶媒に溶解させて原料混合物を調製する工程(典型的には、1種または2種以上のゲル化剤を共に添加する)、(3)上記調製した原料混合物をゲル化し、ゲル状組成物を得るゲル化工程、および(4)上記得られたゲル状組成物を焼成する焼成工程、を含む。以下、詳細に説明する。
Next, a method for producing a positive electrode active material for a lithium secondary battery including solid solution particles of LiMO 2 and Li 2 MnO 3 according to the present embodiment will be described.
The production method disclosed herein has a general formula: LiMO 2 (wherein M is one or more metals including at least one transition metal element selected from the group consisting of Co, Ni and Mn) Element of the lithium transition metal complex oxide represented by Li 2 MnO 3 and a lithium active metal positive electrode active material for a lithium secondary battery. In general, the production method includes (1) a step of preparing lithium manganese oxide particles represented by Li 2 MnO 3 , (2) the prepared Li 2 MnO 3, and the general formula: LiMO 2 . A starting material for constituting the solid solution particles including a lithium source for constituting the represented lithium transition metal composite oxide and one or more kinds of transition metal M element sources is dissolved in an aqueous solvent. A step of preparing a raw material mixture (typically adding one or more gelling agents together), (3) a gelling step of gelling the prepared raw material mixture to obtain a gel-like composition And (4) a baking step of baking the gel-like composition obtained above. Details will be described below.

<リチウムマンガン酸化物粒子の用意>
まず、固溶体粒子を構成する化合物である、LiMnOで表わされるリチウムマンガン酸化物粒子を用意(合成または購入を含む)する。ここで用意するリチウムマンガン酸化物粒子は、如何なる製造方法により製造されたものでもよい。例えば、以下のような製造方法により製造されたリチウムマンガン酸化物粒子を好適に用いることができる。
<Preparation of lithium manganese oxide particles>
First, lithium manganese oxide particles represented by Li 2 MnO 3 , which is a compound constituting solid solution particles, are prepared (including synthesis or purchase). The lithium manganese oxide particles prepared here may be manufactured by any manufacturing method. For example, lithium manganese oxide particles produced by the following production method can be suitably used.

まず、LiMnOで表わされるリチウムマンガン酸化物粒子を構成するためのリチウム源と、マンガン源とを包含する出発原料を(典型的には、ゲル化剤と共に)水系溶媒に溶解させて原料混合物を調製する。そして、原料混合物を加温(例えば室温以上100℃以下、好適には概ね80℃)し、水分を蒸発させる。その後、(ゲル状の)原料混合物を加熱して300℃以上(好ましくは300〜600℃、より好ましくは450〜550℃、例えば500℃程度)で仮焼成する。得られた仮焼成物を粉砕し、さらに仮焼成温度よりも高い温度であり1000℃以下の温度(好ましくは700〜900℃、例えば800℃程度)まで加熱して焼成することにより、LiMnOが得られる。かかる製造方法により、高結晶性の層状岩塩型構造(単斜晶系)を備えるLiMnOで表わされるリチウムマンガン酸化物粒子を効率良く製造することができる。 First, a starting material including a lithium source for constituting lithium manganese oxide particles represented by Li 2 MnO 3 and a manganese source (typically together with a gelling agent) is dissolved in an aqueous solvent and the starting material Prepare the mixture. Then, the raw material mixture is heated (for example, room temperature to 100 ° C., preferably approximately 80 ° C.) to evaporate water. Thereafter, the (gel-like) raw material mixture is heated and calcined at 300 ° C. or higher (preferably 300 to 600 ° C., more preferably 450 to 550 ° C., for example, about 500 ° C.). The obtained calcined product is pulverized and further heated to a temperature higher than the calcining temperature and not higher than 1000 ° C. (preferably 700 to 900 ° C., for example, about 800 ° C.), and calcined, thereby Li 2 MnO. 3 is obtained. By this production method, lithium manganese oxide particles represented by Li 2 MnO 3 having a highly crystalline layered rock salt structure (monoclinic system) can be efficiently produced.

なお、上記出発原料を溶解した水系溶媒は、典型には水であるが、全体として水性を示すものであればよく、すなわち、水または水を主体とする混合溶媒を好ましく用いることができる。該混合溶媒を構成する水以外の溶媒としては、水と均一に混合し得る有機溶剤(低級アルコール、低級ケトン等)の一種または二種以上を適宜選択して用いることができる。例えば、水系溶媒の凡そ80質量%以上(より好ましくは凡そ90質量%以上、さらに好ましくは凡そ95質量%以上)が水である溶媒の使用が好ましい。特に好ましい例として、実質的に水からなる溶媒が挙げられる。   The aqueous solvent in which the starting material is dissolved is typically water, but may be any water-based solvent as a whole, that is, water or a mixed solvent mainly composed of water can be preferably used. As the solvent other than water constituting the mixed solvent, one or more organic solvents (lower alcohol, lower ketone, etc.) that can be uniformly mixed with water can be appropriately selected and used. For example, it is preferable to use a solvent in which about 80% by mass or more (more preferably about 90% by mass or more, more preferably about 95% by mass or more) of the aqueous solvent is water. A particularly preferred example is a solvent consisting essentially of water.

<出発原料>
次に、上記リチウムマンガン酸化物粒子と固溶体粒子を形成するリチウム遷移金属複合酸化物(一般式:LiMO)を構成するための、リチウム源と、1種または2種以上の遷移金属M元素源とを包含する出発原料を用意する。
<Starting material>
Next, a lithium source and one or more transition metal M element sources for constituting a lithium transition metal composite oxide (general formula: LiMO 2 ) that forms solid solution particles with the lithium manganese oxide particles Starting materials are prepared.

上記出発原料の一つであるリチウム源を包含する化合物としては、水系溶媒に溶解し得るものであれば特に限定されず、各種のリチウム化合物を用いることができる。例えば、水酸化リチウム、炭酸リチウム、硫酸リチウム、硝酸リチウム、過酸化リチウム、リン酸リチウム、シュウ酸リチウム、酢酸リチウムおよびヨウ化リチウム等を用いるとよい。特に好ましい例として、酢酸リチウム・二水和物〔Li(CHCOO)・2HO〕などの水和物が挙げられる。 The compound including a lithium source that is one of the above starting materials is not particularly limited as long as it can be dissolved in an aqueous solvent, and various lithium compounds can be used. For example, lithium hydroxide, lithium carbonate, lithium sulfate, lithium nitrate, lithium peroxide, lithium phosphate, lithium oxalate, lithium acetate, or lithium iodide may be used. Particularly preferred examples include hydrates such as lithium acetate dihydrate [Li (CH 3 COO) · 2H 2 O].

また、上記遷移金属M元素源としては、特に限定されるものではないが、好適な具体例として、上記リチウム遷移金属複合酸化物が、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)およびマンガン(Mn)をいずれも含有する酸化物を構成するため、ニッケル源、コバルト源およびマンガン源を包含する出発原料が好ましい。かかる遷移金属M元素を包含する化合物には、水系溶媒に溶解し得る各種遷移金属元素の水酸化物、酸化物、各種の塩(例えば炭酸塩)、ハロゲン化物(例えばフッ化物)等の化合物が選択され得る。   Further, the transition metal M element source is not particularly limited, but as a preferable specific example, the lithium transition metal composite oxide may include nickel (Ni), cobalt (Co), and manganese (Mn). Starting materials including a nickel source, a cobalt source and a manganese source are preferred in order to constitute an oxide containing any of them. Examples of the compound containing the transition metal M element include compounds such as hydroxides, oxides, various salts (for example, carbonates), halides (for example, fluorides) of various transition metal elements that can be dissolved in an aqueous solvent. Can be selected.

例えば、上記ニッケル源を包含する化合物としては、例えば、酢酸ニッケル、シュウ酸ニッケル、炭酸ニッケル、酸化ニッケル、硫酸ニッケル、硝酸ニッケル、水酸化ニッケル、オキシ水酸化ニッケルなどの化合物を用いることができる。特に好ましい例として、酢酸ニッケル(II)・四水和物〔Ni(CHCOO)・4HO〕が挙げられる。 For example, as the compound including the nickel source, for example, compounds such as nickel acetate, nickel oxalate, nickel carbonate, nickel oxide, nickel sulfate, nickel nitrate, nickel hydroxide, and nickel oxyhydroxide can be used. A particularly preferable example is nickel acetate (II) tetrahydrate [Ni (CH 3 COO) 2 .4H 2 O].

また、上記コバルト源を包含する化合物としては、例えば、酢酸コバルト、シュウ酸コバルト、炭酸コバルト、酸化コバルト、硫酸コバルト、硝酸コバルト、水酸化コバルト、オキシ水酸化コバルトなどの化合物を用いることができる。特に好ましい例として、酢酸コバルト(II)・四水和物〔Co(CHCOO)・4HO〕が挙げられる。 Examples of the compound containing the cobalt source include compounds such as cobalt acetate, cobalt oxalate, cobalt carbonate, cobalt oxide, cobalt sulfate, cobalt nitrate, cobalt hydroxide, and cobalt oxyhydroxide. A particularly preferred example is cobalt (II) acetate tetrahydrate [Co (CH 3 COO) 2 .4H 2 O].

さらに、上記マンガン源を包含する化合物としては、例えば、酢酸マンガン、シュウ酸マンガン、炭酸マンガン、酸化マンガン、硫酸マンガン、硝酸マンガン、水酸化マンガン、オキシ水酸化マンガンなどの化合物を用いることができる。特に好ましい例として、酢酸マンガン(II)・四水和物〔Mn(CHCOO)・4HO〕または硫酸マンガンが挙げられる。 Furthermore, as a compound containing the said manganese source, compounds, such as manganese acetate, manganese oxalate, manganese carbonate, manganese oxide, manganese sulfate, manganese nitrate, manganese hydroxide, manganese oxyhydroxide, can be used, for example. Particularly preferable examples include manganese acetate (II) tetrahydrate [Mn (CH 3 COO) 2 .4H 2 O] or manganese sulfate.

なお、ここで上記遷移金属Mとしては、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)およびマンガン(Mn)から成る群から選択される少なくとも1種の遷移金属元素の他、1種または2種以上の金属元素の金属元素(すなわち上記主構成金属元素以外の遷移金属元素および/または典型金属元素)を上記構成金属元素のモル比よりも少ない割合で含んでいてもよい。かかる金属元素としては、例えば、アルミニウム(Al)、鉄(Fe)クロム(Cr),バナジウム(V),マグネシウム(Mg),チタン(Ti),ジルコニウム(Zr),ニオブ(Nb),モリブデン(Mo),タングステン(W),銅(Cu),亜鉛(Zn),ガリウム(Ga),インジウム(In),スズ(Sn),ランタン(La)およびセリウム(Ce)などであり得る。   Here, as the transition metal M, in addition to at least one transition metal element selected from the group consisting of nickel (Ni), cobalt (Co), and manganese (Mn), one or more metals An elemental metal element (that is, a transition metal element other than the main constituent metal element and / or a typical metal element) may be contained in a proportion smaller than the molar ratio of the constituent metal elements. Examples of such metal elements include aluminum (Al), iron (Fe) chromium (Cr), vanadium (V), magnesium (Mg), titanium (Ti), zirconium (Zr), niobium (Nb), molybdenum (Mo ), Tungsten (W), copper (Cu), zinc (Zn), gallium (Ga), indium (In), tin (Sn), lanthanum (La), cerium (Ce), and the like.

<原料混合物の調製>
次いで、上記用意したリチウムマンガン酸化物粒子と、リチウム遷移金属複合酸化物を構成するための上記リチウム源と上記遷移金属M元素源とを包含する、各出発原料を秤量する。各出発原料の混合比は、固溶体粒子を構成するリチウム遷移金属複合酸化物(LiMO)のM元素の組成比に応じて適宜調整することができる。そして、各出発原料を水系溶媒に混合し、十分に拡散または浸透させて原料混合物を調製する。これにより、上記リチウムマンガン酸化物粒子の表面にリチウム遷移金属複合酸化物の前駆体(リチウム源、遷移金属M元素源等)が被覆された状態が形成される。
<Preparation of raw material mixture>
Subsequently, each starting material including the prepared lithium manganese oxide particles, the lithium source for constituting the lithium transition metal composite oxide, and the transition metal M element source is weighed. The mixing ratio of each starting material can be appropriately adjusted according to the composition ratio of the M element of the lithium transition metal composite oxide (LiMO 2 ) constituting the solid solution particles. Then, each starting material is mixed with an aqueous solvent and sufficiently diffused or permeated to prepare a material mixture. As a result, a state in which the surface of the lithium manganese oxide particles is coated with a precursor of a lithium transition metal composite oxide (lithium source, transition metal M element source, etc.) is formed.

ここで、後述するゲル化を促進するために、上記出発原料と共にここでゲル化剤を添加してもよい。ゲル化剤としては、グリコール酸(C)、リンゴ酸(C)、クエン酸(C)、ヒドロキシカルボン酸あるいはその誘導体などを好ましく用いることができる。ゲル化剤の添加量は特に限定されず、所望のゲル状を呈するように適宜調整するとよい。
なお、上記混合に際し、必要に応じて攪拌(混練、粉砕を含む)を行ってもよい。混合に用いる装置としては特に限定するものではないが、例えば、プラネタリーミキサー、遊星式撹拌装置、デスパー、ボールミル、ニーダ、ミキサー等を使用することにより、上記原料混合物が均一に拡散または浸透され安定した混合状態を形成することができる。
Here, in order to promote the gelation described later, a gelling agent may be added here together with the above starting materials. As a gelling agent, glycolic acid (C 2 H 4 O 3 ), malic acid (C 4 H 6 O 5 ), citric acid (C 6 H 8 O 7 ), hydroxycarboxylic acid or a derivative thereof is preferably used. Can do. The addition amount of a gelling agent is not specifically limited, It is good to adjust suitably so that a desired gel form may be exhibited.
In the mixing, stirring (including kneading and pulverization) may be performed as necessary. The apparatus used for mixing is not particularly limited. For example, by using a planetary mixer, a planetary stirrer, a desper, a ball mill, a kneader, a mixer, etc., the above raw material mixture can be uniformly diffused or permeated and stabilized. A mixed state can be formed.

<ゲル化>
次いで、上記原料混合物をゲル化し、ゲル状組成物を調製する。水系溶媒が蒸発する温度で原料混合物を加熱(乾燥)することにより、ゲル化を促進することができる。加熱温度は特に限定されないが、好適には室温以上100℃以下の温度域(典型的には20〜90℃、好ましくは50〜90℃、概ね80℃程度)で加温することにより、水系溶媒の一部(あるいは全部)が揮発し、粒子分散状態のゾル状態から流動性のないゲル状態に変化させることができる。
また、加熱時間は、原料混合物の乾燥状態を確認しながら、適宜時間を調整すればよい。なお、加熱方法としては、熱風、真空、赤外線、遠赤外線等のいずれの加熱(乾燥)手段でも好適に使用し得る。さらに、加熱時の雰囲気は、使用した溶剤や出発原料の種類により必要に応じて、大気雰囲気中の他、窒素ガス等の不活性ガス雰囲気下、あるいは密閉容器内に入れてもよい。
<Gelification>
Next, the raw material mixture is gelled to prepare a gel composition. By heating (drying) the raw material mixture at a temperature at which the aqueous solvent evaporates, gelation can be promoted. The heating temperature is not particularly limited, but it is preferably an aqueous solvent by heating in a temperature range from room temperature to 100 ° C. (typically 20 to 90 ° C., preferably 50 to 90 ° C., about 80 ° C.). A part (or all) of the solvent volatilizes and can be changed from a sol state in which particles are dispersed to a gel state having no fluidity.
Moreover, what is necessary is just to adjust heating time suitably, confirming the dry state of a raw material mixture. In addition, as a heating method, any heating (drying) means such as hot air, vacuum, infrared rays, far-infrared rays and the like can be suitably used. Furthermore, the atmosphere at the time of heating may be put in an atmosphere of an inert gas such as nitrogen gas, or in a sealed container as needed depending on the type of solvent and starting material used.

<焼成>
次いで、焼成について説明する。原料混合物の水系溶媒を蒸発させてゲル化した後、得られたゲル状組成物を焼成する。焼成は、酸化性の雰囲気、例えば大気中または大気よりも酸素がリッチな雰囲気中で行うことが望ましい。焼成温度は、1000℃以下の温度であって、典型的には700〜900℃、例えば800℃程度まで加熱して焼成するのが好ましい。また、焼成時間については、特に限定するものではないが、上記設定した温度まで昇温した後、該温度域で5〜24時間程度焼成することができる。
<Baking>
Next, firing will be described. After the aqueous solvent of the raw material mixture is evaporated and gelled, the obtained gel composition is fired. The firing is desirably performed in an oxidizing atmosphere, for example, the air or an atmosphere richer in oxygen than the air. The firing temperature is a temperature of 1000 ° C. or less, and it is typically preferable to heat the material to 700 to 900 ° C., for example, about 800 ° C. for firing. Further, the firing time is not particularly limited, but after the temperature has been raised to the set temperature, firing can be performed in the temperature range for about 5 to 24 hours.

かかる熱処理をすることにより、リチウムマンガン酸化物粒子(LiMnO)が外部に向かって拡散するとともに、上記LiMnOの表面を被覆するリチウム遷移金属複合酸化物の前駆体が内部に向かって拡散する。その結果、図1に示されるように、粒子中心部に近いほどリチウムマンガン酸化物(LiMnO)310の濃度がリチウム遷移金属複合酸化物(LiMO)320の濃度よりも高く構成されており、且つ、固溶体粒子の外表面に近いほど、LiMO(320)の濃度がLiMnO(310)の濃度よりも高く構成された濃度勾配を有するLiMO(320)とLiMnO(310)との固溶体粒子を製造することができる。このように中心部に近いほどLiMnO(310)が高い濃度で含有する固溶体粒子は、LiMnOからマンガンが溶出され難い構造を備えている。その結果、かかる固溶体粒子を正極活物質として用いて構築されるリチウム二次電池は、ハイレート充放電下においてもマンガンの溶出に伴う抵抗の増加が抑制されるため、優れた電池特性(例えば、サイクル特性、負荷特性)を有する。 By performing such heat treatment, lithium manganese oxide particles (Li 2 MnO 3 ) diffuse outward and the precursor of the lithium transition metal composite oxide covering the surface of Li 2 MnO 3 faces inward. Spread. As a result, as shown in FIG. 1, the concentration of lithium manganese oxide (Li 2 MnO 3 ) 310 is higher than the concentration of lithium transition metal composite oxide (LiMO 2 ) 320 as it is closer to the center of the particle. cage, and, the closer to the outer surface of the solid solution particles, LiMO 2 (320) and Li 2 MnO 3 having a concentration gradient in which the concentration of LiMO 2 (320) is configured higher than the concentration of Li 2 MnO 3 (310) Solid solution particles with (310) can be produced. Thus, the solid solution particle which Li 2 MnO 3 (310) contains at a higher concentration as it is closer to the center has a structure in which manganese is less likely to be eluted from Li 2 MnO 3 . As a result, a lithium secondary battery constructed using such solid solution particles as a positive electrode active material suppresses an increase in resistance associated with elution of manganese even under high-rate charge / discharge. Characteristic, load characteristic).

なお、焼成した後、必要に応じて焼成物(固溶体粒子)を粉砕するのが好ましい。焼成物を適当な手段で粉砕、造粒および分級することにより、所望する平均粒径および/または粒径分布を有する粒状のLiMOとLiMnOとの固溶体粒子の粉末を得ることができる。 In addition, after baking, it is preferable to grind | pulverize a baked material (solid solution particle) as needed. By pulverizing, granulating and classifying the fired product by an appropriate means, a powder of solid solution particles of granular LiMO 2 and Li 2 MnO 3 having a desired average particle size and / or particle size distribution can be obtained. .

以下、ここに開示される製造方法により得られるリチウム遷移金属複合酸化物(LiMO)とリチウムマンガン酸化物粒子(LiMnO)との固溶体粒子をリチウム二次電池用電極活物質として使用された正極、および該正極を備えるリチウム二次電池の一実施形態につき、捲回電極体を備える角型形状のリチウム二次電池について説明するが、本発明をかかる例に限定することを意図したものではない。
また、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄(例えば、電極体の構成および製造方法、リチウム二次電池その他の電池の構築に係る一般的技術等)は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。なお、以下の図面において、同じ作用を奏する部材・部位には同じ符号を付し、重複する説明は省略又は簡略化することがある。また、各図における寸法関係(長さ、幅、厚さ等)は実際の寸法関係を反映するものではない。
Hereinafter, solid solution particles of lithium transition metal composite oxide (LiMO 2 ) and lithium manganese oxide particles (Li 2 MnO 3 ) obtained by the production method disclosed herein are used as electrode active materials for lithium secondary batteries. A positive electrode and an embodiment of a lithium secondary battery including the positive electrode will be described with respect to a rectangular lithium secondary battery including a wound electrode body. However, the present invention is intended to be limited to such an example. is not.
Further, matters other than the matters specifically mentioned in the present specification and matters necessary for the implementation of the present invention (for example, the configuration and manufacturing method of an electrode body, a general configuration related to construction of a lithium secondary battery and other batteries) Technology, etc.) can be understood as a design matter of those skilled in the art based on the prior art in the field. In addition, in the following drawings, the same code | symbol is attached | subjected to the member and site | part which show | plays the same effect | action, and the overlapping description may be abbreviate | omitted or simplified. In addition, the dimensional relationships (length, width, thickness, etc.) in each drawing do not reflect actual dimensional relationships.

図2は、一実施形態に係る角型形状のリチウム二次電池を模式的に示す斜視図であり、図3は、図2中のIII−III線断面図である。また、図4は、電極体を捲回して作製する状態を模式的に示す斜視図である。
図2および図3に示されるように、本実施形態に係るリチウム二次電池100は、直方体形状の角型の電池ケース10と、該ケース10の開口部12を塞ぐ蓋体14とを備える。この開口部12より電池ケース10内部に扁平形状の電極体(捲回電極体20)及び電解質を収容することができる。また、蓋体14には、外部接続用の正極端子38と負極端子48とが設けられており、それら端子38,48の一部は蓋体14の表面側に突出している。また、外部端子38,48の一部はケース内部で内部正極端子37または内部負極端子47にそれぞれ接続されている。
2 is a perspective view schematically showing a rectangular lithium secondary battery according to an embodiment, and FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line III-III in FIG. FIG. 4 is a perspective view schematically showing a state in which the electrode body is wound and manufactured.
As shown in FIGS. 2 and 3, the lithium secondary battery 100 according to the present embodiment includes a rectangular parallelepiped battery case 10 and a lid 14 that closes the opening 12 of the case 10. A flat electrode body (wound electrode body 20) and an electrolyte can be accommodated in the battery case 10 through the opening 12. The lid 14 is provided with a positive terminal 38 and a negative terminal 48 for external connection, and a part of the terminals 38 and 48 protrudes to the surface side of the lid 14. Also, some of the external terminals 38 and 48 are connected to the internal positive terminal 37 or the internal negative terminal 47, respectively, inside the case.

次に、図3および図4を参照し、本実施形態に係る捲回電極体20について説明する。図2に示されるように、捲回電極体20は、長尺状の正極集電体32の表面に正極活物質層34を有するシート状の正極シート30、長尺シート状のセパレータ50、長尺状の負極集電体42の表面に負極活物質層44を有するシート状の負極シート40とから構成される。そして、図3に示されるように、捲回軸方向Rの方向での断面視において、正極シート30及び負極シート40は、2枚のセパレータ50を介して積層されており、正極シート30、セパレータ50、負極シート40、セパレータ50の順に積層されている。該積層物は、軸芯(図示しない)の周囲に筒状に捲回され、得られた捲回電極体20を側面方向から押しつぶして拉げさせることによって扁平形状に成形されている。   Next, the wound electrode body 20 according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 3 and 4. As shown in FIG. 2, the wound electrode body 20 includes a sheet-like positive electrode sheet 30 having a positive electrode active material layer 34 on the surface of a long positive electrode current collector 32, a long sheet-like separator 50, a long A sheet-like negative electrode sheet 40 having a negative electrode active material layer 44 on the surface of a long negative electrode current collector 42 is formed. As shown in FIG. 3, in the cross-sectional view in the winding axis direction R, the positive electrode sheet 30 and the negative electrode sheet 40 are stacked via two separators 50. 50, the negative electrode sheet 40, and the separator 50 are laminated in this order. The laminate is wound around a shaft core (not shown) in a cylindrical shape, and is formed into a flat shape by squashing the obtained wound electrode body 20 from the side surface direction.

また、図4に示されるように、本実施形態に係る捲回電極体20は、その捲回軸方向Rの中心部には、正極集電体32の表面上に形成された正極活物質層34と、負極集電体42の表面上に形成された負極活物質層44とが重なり合って密に積層された部分が形成されている。また、捲回軸方向Rに沿う方向での断面視において、該方向Rの一方の端部において、正極活物質層34が形成されずに正極集電体32の露出した部分(正極活物質層非形成部36)がセパレータ50および負極シート40(あるいは、正極活物質層34と負極活物質層44との密な積層部分)からはみ出た状態で積層されて構成されている。即ち、上記電極体20の端部には、正極集電体32における正極活物質層非形成部36が積層されて成る正極集電体積層部35が形成されている。また、電極体20の他方の端部も正極シート30と同様の構成であり、負極集電体42における負極活物質層非形成部46が積層されて、負極集電体積層部45が形成されている。
なお、セパレータ50は、ここでは正極活物質層34および負極活物質層44の積層部分の幅より大きく、該電極体20の幅より小さい幅を備えるセパレータが用いられ、正極集電体32と負極集電体42が互いに接触して内部短絡を生じさせないように正極活物質層34および負極活物質層44の積層部分に挟まれるように配されている。
As shown in FIG. 4, the wound electrode body 20 according to the present embodiment has a positive electrode active material layer formed on the surface of the positive electrode current collector 32 at the center in the winding axis direction R. 34 and the negative electrode active material layer 44 formed on the surface of the negative electrode current collector 42 overlap each other to form a densely stacked portion. Further, in a cross-sectional view in the direction along the winding axis direction R, the exposed portion of the positive electrode current collector 32 (positive electrode active material layer) without forming the positive electrode active material layer 34 at one end in the direction R. The non-forming portion 36) is laminated in a state of protruding from the separator 50 and the negative electrode sheet 40 (or a dense laminated portion of the positive electrode active material layer 34 and the negative electrode active material layer 44). That is, a positive electrode current collector laminated portion 35 formed by laminating the positive electrode active material layer non-forming portion 36 in the positive electrode current collector 32 is formed at the end of the electrode body 20. Also, the other end of the electrode body 20 has the same configuration as that of the positive electrode sheet 30, and the negative electrode active material layer non-formation portion 46 in the negative electrode current collector 42 is laminated to form the negative electrode current collector lamination portion 45. ing.
Here, as the separator 50, a separator having a width larger than the width of the laminated portion of the positive electrode active material layer 34 and the negative electrode active material layer 44 and smaller than the width of the electrode body 20 is used, and the positive electrode current collector 32 and the negative electrode The current collectors 42 are disposed so as to be sandwiched between the stacked portions of the positive electrode active material layer 34 and the negative electrode active material layer 44 so as not to contact each other and cause an internal short circuit.

本実施形態に係るリチウム二次電池の正極(典型的には正極シート30)は、長尺状の正極集電体32の上に正極活物質を含む正極活物質層34が形成された構成を備える。正極集電体32としては、導電性の良好な金属からなる導電性部材が好ましく用いられる。例えば、アルミニウムまたはアルミニウムを主成分とする合金を用いることができる。正極集電体32の形状は、リチウム二次電池の形状等に応じて異なり得るため、特に制限はなく、棒状、板状、シート状、箔状、メッシュ状等の種々の形態であり得る。また、正極活物質として、ここで開示されるLiMOとLiMnOとの固溶体粒子(ここで開示される製造方法により製造された固溶体粒子を含む)が使用される。 The positive electrode (typically, positive electrode sheet 30) of the lithium secondary battery according to the present embodiment has a configuration in which a positive electrode active material layer 34 containing a positive electrode active material is formed on a long positive electrode current collector 32. Prepare. As the positive electrode current collector 32, a conductive member made of a highly conductive metal is preferably used. For example, aluminum or an alloy containing aluminum as a main component can be used. The shape of the positive electrode current collector 32 may vary depending on the shape of the lithium secondary battery, and is not particularly limited, and may be various forms such as a rod shape, a plate shape, a sheet shape, a foil shape, and a mesh shape. Further, as the positive electrode active material, solid solution particles of LiMO 2 and Li 2 MnO 3 disclosed herein (including solid solution particles produced by the production method disclosed herein) are used.

正極活物質層34には、上記正極活物質の他に、一般的なリチウム二次電池に配合され得る1種または2種以上の導電材や結着材等を必要に応じて含有させることができる。かかる導電材としては、カーボン粉末やカーボンファイバー等の導電性粉末材料が好ましく用いられる。カーボン粉末としては、種々のカーボンブラック、例えば、アセチレンブラック、ファーネスブラック、ケッチェンブラック、グラファイト粉末等が好ましい。また、炭素繊維、金属繊維などの導電性繊維類、銅、ニッケル等の金属粉末類およびポリフェニレン誘導体などの有機導電性材料などを単独又はこれらの混合物として含ませることができる。なお、これらのうち1種のみを用いても、2種以上を併用してもよい。   In addition to the above-described positive electrode active material, the positive electrode active material layer 34 may contain one or more kinds of conductive materials and binders that can be blended in a general lithium secondary battery as necessary. it can. As such a conductive material, a conductive powder material such as carbon powder or carbon fiber is preferably used. As the carbon powder, various carbon blacks such as acetylene black, furnace black, ketjen black, and graphite powder are preferable. In addition, conductive fibers such as carbon fibers and metal fibers, metal powders such as copper and nickel, and organic conductive materials such as polyphenylene derivatives can be contained alone or as a mixture thereof. In addition, only 1 type may be used among these, or 2 or more types may be used together.

また、上記結着材としては、一般的なリチウム二次電池の正極に使用される結着材と同様のものを適宜採用することができる。例えば、使用する溶媒に溶解または分散可溶なポリマーを選択することが好ましい。水系溶媒を用いる場合においては、カルボキシメチルセルロース(CMC)、ヒドロキシプロピルメチルセルロース(HPMC)等のセルロース系ポリマー;ポリビニルアルコール(PVA);ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)等のフッ素系樹脂;酢酸ビニル共重合体;スチレンブタジエンゴム(SBR)、アクリル酸変性SBR樹脂(SBR系ラテックス)等のゴム類;等の水溶性または水分散性ポリマーを好ましく採用することができる。また、非水系溶媒を用いる場合においては、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリ塩化ビニリデン(PVDC)等のポリマーを好ましく採用することができる。このような結着材は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。なお、上記で例示したポリマー材料は、結着材としての機能の他に、上記組成物の増粘材その他の添加材としての機能を発揮する目的で使用されることもあり得る。   Moreover, as the binder, the same binder as that used for the positive electrode of a general lithium secondary battery can be appropriately employed. For example, it is preferable to select a polymer that is soluble or dispersible in the solvent used. When an aqueous solvent is used, cellulose polymers such as carboxymethylcellulose (CMC) and hydroxypropylmethylcellulose (HPMC); polyvinyl alcohol (PVA); polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer Water-soluble or water-dispersible polymers such as fluorine resins such as (FEP); vinyl acetate copolymers; rubbers such as styrene butadiene rubber (SBR) and acrylic acid-modified SBR resins (SBR latex); be able to. When a non-aqueous solvent is used, a polymer such as polyvinylidene fluoride (PVDF) or polyvinylidene chloride (PVDC) can be preferably used. Such a binder may be used individually by 1 type, and may be used in combination of 2 or more type. In addition to the function as a binder, the polymer material exemplified above may be used for the purpose of exhibiting the function as a thickener or other additive of the above composition.

次いで、本実施形態に係るリチウム二次電池の正極の作製方法について説明する。
まず、正極活物質(ここで開示されるLiMOとLiMnOとの固溶体粒子)と導電材と結着材等とを適当な溶媒(水系溶媒または非水系溶媒)で混合して、ペーストまたはスラリー状の正極活物質層形成用組成物(以下、「正極活物質層形成用ペースト」という)を調製する。各構成材料の配合比率は、例えば、正極活物質層に占める正極活物質の割合は、凡そ50質量%以上(典型的には50〜95質量%)であることが好ましく、凡そ70〜95質量%(例えば75〜90質量%)であることがより好ましい。また、正極活物質層に占める導電材の割合は、例えば凡そ2〜25質量%とすることができ、通常は凡そ2〜20質量%とすることが好ましい。さらに、結着材を使用する組成では、正極活物質層に占める結着材の割合を例えば凡そ1〜10質量%とすることができ、通常は凡そ2〜5質量%とすることが好ましい。こうして各構成材料を混合して調製したペーストを正極集電体32に塗布し、溶媒を揮発させて乾燥させた後、圧縮(プレス)する。これにより正極活物質層が正極集電体上に形成されたリチウム二次電池の正極が得られる。
Next, a method for producing the positive electrode of the lithium secondary battery according to this embodiment will be described.
First, a positive electrode active material (solid solution particles of LiMO 2 and Li 2 MnO 3 disclosed herein), a conductive material, a binder, and the like are mixed with an appropriate solvent (aqueous solvent or non-aqueous solvent) to obtain a paste. Alternatively, a slurry-like composition for forming a positive electrode active material layer (hereinafter referred to as “positive electrode active material layer forming paste”) is prepared. As for the blending ratio of each constituent material, for example, the ratio of the positive electrode active material in the positive electrode active material layer is preferably about 50% by mass or more (typically 50 to 95% by mass), and about 70 to 95% by mass. % (For example, 75 to 90% by mass) is more preferable. The proportion of the conductive material in the positive electrode active material layer can be, for example, about 2 to 25% by mass, and preferably about 2 to 20% by mass. Furthermore, in the composition using the binder, the proportion of the binder in the positive electrode active material layer can be, for example, about 1 to 10% by mass, and usually about 2 to 5% by mass. The paste prepared by mixing the constituent materials in this way is applied to the positive electrode current collector 32, and after the solvent is evaporated and dried, the paste is compressed (pressed). Thereby, the positive electrode of the lithium secondary battery in which the positive electrode active material layer is formed on the positive electrode current collector is obtained.

上記正極活物質層形成用ペーストを調製するために用いられる溶媒としては、水系溶媒および非水系溶媒のいずれも使用可能である。水系溶媒は、上述したように、全体として水性を示すものであればよく、すなわち、水または水を主体とする混合溶媒を好ましく用いることができるまた、非水系溶媒の好適例としては、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)、メチルエチルケトン、トルエン等が例示される。   As a solvent used for preparing the positive electrode active material layer forming paste, either an aqueous solvent or a non-aqueous solvent can be used. As described above, the aqueous solvent only needs to be water-based as a whole, that is, water or a mixed solvent mainly composed of water can be preferably used. As a preferable example of the non-aqueous solvent, N- Examples thereof include methyl-2-pyrrolidone (NMP), methyl ethyl ketone, toluene and the like.

なお、正極集電体に上記ペーストを塗布する方法としては、従来公知の方法と同様の技法を適宜採用することができる。例えば、スリットコーター、ダイコーター、グラビアコーター、コンマコーター等の適当な塗布装置を使用することにより、正極集電体に該ペーストを好適に塗布することができる。また、溶媒を乾燥するにあたっては、自然乾燥、熱風、低湿風、真空、赤外線、遠赤外線、および電子線を、単独または組合せにて用いることにより良好に乾燥し得る。さらに、圧縮方法としては、従来公知のロールプレス法、平板プレス法等の圧縮方法を採用することができる。かかる厚さを調整するにあたり、膜厚測定器で該厚みを測定し、プレス圧を調整して所望の厚さになるまで複数回圧縮してもよい。   In addition, as a method of apply | coating the said paste to a positive electrode electrical power collector, the technique similar to a conventionally well-known method can be employ | adopted suitably. For example, the paste can be suitably applied to the positive electrode current collector by using an appropriate application device such as a slit coater, a die coater, a gravure coater, or a comma coater. Moreover, when drying a solvent, it can dry favorably by using natural drying, a hot air, low-humidity air, a vacuum, infrared rays, far-infrared rays, and an electron beam individually or in combination. Furthermore, as a compression method, a conventionally known compression method such as a roll press method or a flat plate press method can be employed. In adjusting the thickness, the thickness may be measured with a film thickness measuring instrument, and the press pressure may be adjusted to compress a plurality of times until a desired thickness is obtained.

次に、本実施形態に係るリチウム二次電池の負極について説明する。負極(典型的には負極シート40)は、長尺状の負極集電体42(例えば銅箔)の上に負極活物質層44が形成された構成であり得る。上記負極の基材となる負極集電体としては、導電性の良好な金属からなる導電性部材が好ましく用いられる。例えば、銅、または銅を主成分とする合金を用いることができる。負極集電体の形状は、リチウム二次電池の形状等に応じて異なり得るため特に制限はなく、棒状、板状、シート状、箔状、メッシュ状等の種々の形態であり得る。   Next, the negative electrode of the lithium secondary battery according to this embodiment will be described. The negative electrode (typically, the negative electrode sheet 40) may have a configuration in which a negative electrode active material layer 44 is formed on a long negative electrode current collector 42 (for example, a copper foil). As the negative electrode current collector serving as the base material of the negative electrode, a conductive member made of a highly conductive metal is preferably used. For example, copper or an alloy containing copper as a main component can be used. The shape of the negative electrode current collector may vary depending on the shape of the lithium secondary battery and the like, and is not particularly limited.

上記負極集電体の表面に形成された負極活物質層には、電荷担体となるリチウムイオンを吸蔵および放出可能な負極活物質が含まれる。負極活物質としては、従来からリチウム二次電池に用いられる物質の1種または2種以上を特に限定なく使用することができる。例えば、カーボン粒子が挙げられる。少なくとも一部にグラファイト構造(層状構造)を含む粒子状の炭素材料(カーボン粒子)が好ましく用いられる。いわゆる黒鉛質のもの(グラファイト)、難黒鉛化炭素質のもの(ハードカーボン)、易黒鉛化炭素質のもの(ソフトカーボン)、これらを組み合わせた構造を有するもののいずれの炭素材料も好適に使用され得る。中でも特に、黒鉛粒子を好ましく使用することができる。黒鉛粒子(例えばグラファイト)は、電荷担体としてのリチウムイオンを好適に吸蔵することができるため導電性に優れる。また、粒径が小さく単位体積当たりの表面積が大きいことからより高出力充放電に適した負極活物質となり得る。   The negative electrode active material layer formed on the surface of the negative electrode current collector contains a negative electrode active material capable of inserting and extracting lithium ions serving as charge carriers. As the negative electrode active material, one or more of materials conventionally used in lithium secondary batteries can be used without particular limitation. An example is carbon particles. A particulate carbon material (carbon particles) containing a graphite structure (layer structure) at least partially is preferably used. Any carbon material of a so-called graphitic material (graphite), a non-graphitizable carbonaceous material (hard carbon), a graphitizable carbonaceous material (soft carbon), or a combination of these materials is preferably used. obtain. Among these, graphite particles can be preferably used. Graphite particles (eg, graphite) are excellent in conductivity because they can suitably occlude lithium ions as charge carriers. Further, since the particle size is small and the surface area per unit volume is large, it can be a negative electrode active material more suitable for high-power charge / discharge.

また、上記負極活物質層には、上記負極活物質の他に、結着材等の任意成分を必要に応じて含有し得る。かかる結着材としては、一般的なリチウム二次電池の負極に使用される結着材と同様のものを適宜採用することができ、上述の正極の構成要素で列挙した結着材として機能し得る各種のポリマー材料を好適に使用し得る。   In addition to the negative electrode active material, the negative electrode active material layer may contain an optional component such as a binder as necessary. As such a binder, the same binder as that used for the negative electrode of a general lithium secondary battery can be adopted as appropriate, and functions as the binder listed in the components of the positive electrode described above. The various polymer materials obtained can be suitably used.

次いで、本実施形態に係るリチウム二次電池の負極の作製方法について説明する。上記負極集電体の表面に負極活物質層を形成するため、まず、負極活物質を、結着材等と共に上記適当な溶媒(水系溶媒または非水系溶媒)で混合して、ペーストまたはスラリー状の負極活物質層形成用組成物(以下、「負極活物質層形成用ペースト」という)を調製する。各構成材料の配合比率は、例えば、負極活物質層に占める負極活物質の割合が、凡そ50質量%以上であることが好ましく、凡そ85〜99質量%(例えば90〜97質量%)であることがより好ましい。また、負極活物質層に占める結着材の割合を例えば凡そ1〜15質量%とすることができ、通常は凡そ3〜10質量%とすることが好ましい。こうして調製したペーストを負極集電体に塗布し、溶媒を揮発させて乾燥させた後、圧縮(プレス)する。これにより該ペーストを用いて形成された負極活物質層を負極集電体上に有するリチウム二次電池の負極が得られる。なお、塗布、乾燥および圧縮方法は、上述の正極の製造方法と同様に従来公知の手段を用いることができる。   Next, a method for producing a negative electrode for a lithium secondary battery according to this embodiment will be described. In order to form a negative electrode active material layer on the surface of the negative electrode current collector, first, the negative electrode active material is mixed with the appropriate solvent (aqueous solvent or non-aqueous solvent) together with a binder or the like to form a paste or slurry. The negative electrode active material layer forming composition (hereinafter referred to as “negative electrode active material layer forming paste”) is prepared. As for the blending ratio of each constituent material, for example, the ratio of the negative electrode active material in the negative electrode active material layer is preferably about 50% by mass or more, and is about 85 to 99% by mass (for example, 90 to 97% by mass). It is more preferable. Further, the ratio of the binder in the negative electrode active material layer can be, for example, about 1 to 15% by mass, and is usually preferably about 3 to 10% by mass. The paste thus prepared is applied to the negative electrode current collector, the solvent is volatilized and dried, and then compressed (pressed). Thereby, the negative electrode of the lithium secondary battery which has the negative electrode active material layer formed using this paste on a negative electrode collector is obtained. In addition, the application | coating, drying, and the compression method can use a conventionally well-known means similarly to the manufacturing method of the above-mentioned positive electrode.

こうして作製した正極シートおよび負極シートを用いて、一実施形態に係るリチウム二次電池100の構築について大まかな手順を説明する。上記作製した正極シート30および負極シート40を2枚のセパレータ50と共に積重ね合わせて捲回し、積層方向から押しつぶして拉げさせることによって電極体20を扁平形状に成形し、電池ケース10に収容して電解質を注入後、該ケース開口部12に蓋体14を装着し、封止することによって、本実施形態のリチウム二次電池100を構築することができる。なお、上記電池ケース10の構造、大きさ、材料(例えば金属製またはラミネートフィルム製であり得る)等について特に制限はない。   A rough procedure for constructing the lithium secondary battery 100 according to an embodiment will be described using the positive electrode sheet and the negative electrode sheet thus manufactured. The prepared positive electrode sheet 30 and negative electrode sheet 40 are stacked and wound together with two separators 50, and are crushed and crushed from the stacking direction to form the electrode body 20 into a flat shape and accommodate it in the battery case 10. After injecting the electrolyte, the lid 14 is attached to the case opening 12 and sealed, whereby the lithium secondary battery 100 of this embodiment can be constructed. There is no particular limitation on the structure, size, material (for example, metal or laminate film) of the battery case 10 and the like.

また、正負極シート30、40間に使用される好適なセパレータシート50としては、多孔質ポリオレフィン系樹脂で構成されたものが挙げられる。例えば、合成樹脂製(例えばポリエチレン等のポリオレフィン製)多孔質セパレータシートを好適に使用し得る。なお、電解質として固体電解質若しくはゲル状電解質を使用する場合には、セパレータが不要な場合(即ちこの場合には電解質自体がセパレータとして機能し得る。)があり得る。   Moreover, as a suitable separator sheet 50 used between the positive / negative electrode sheets 30 and 40, what was comprised with porous polyolefin resin is mentioned. For example, a porous separator sheet made of synthetic resin (for example, made of polyolefin such as polyethylene) can be suitably used. When a solid electrolyte or a gel electrolyte is used as the electrolyte, there may be a case where a separator is unnecessary (that is, in this case, the electrolyte itself can function as a separator).

また、電解質は、従来からリチウム二次電池に用いられる非水電解液と同様のものを特に限定なく使用することができる。かかる電解質は、典型的には、適当な非水溶媒に支持塩を含有させた組成を有する。上記非水溶媒としては、例えば、プロピレンカーボネート(PC)、エチレンカーボネート(EC)、ジエチルカーボネート(DEC)、N,N−ジメチルホルムアミド(DMF)、エチルメチルカーボネート(EMC)等からなる群から選択された1種又は2種以上を用いることができる。また、上記支持塩としては、例えば、LiPF、LiBF、LiClO、LiAsF、LiCFSO、LiCSO、LiN(CFSO、LiC(CFSO、LiI等のリチウム化合物(リチウム塩)を用いることができる。なお、支持塩の濃度は、従来のリチウム二次電池で使用される非水電解液と同様でよく、特に制限はない。適当なリチウム化合物(支持塩)を0.1〜5mol/L程度の濃度で含有させた電解質を使用することができる。 Moreover, the electrolyte can use the thing similar to the nonaqueous electrolyte conventionally used for a lithium secondary battery without limitation. Such an electrolyte typically has a composition in which a supporting salt is contained in a suitable nonaqueous solvent. The non-aqueous solvent is selected from the group consisting of propylene carbonate (PC), ethylene carbonate (EC), diethyl carbonate (DEC), N, N-dimethylformamide (DMF), ethyl methyl carbonate (EMC), and the like. 1 type or 2 types or more can be used. Examples of the supporting salt include LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , LiAsF 6 , LiCF 3 SO 3 , LiC 4 F 9 SO 3 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , LiC (CF 3 SO 2 ). 3. Lithium compounds (lithium salts) such as LiI can be used. In addition, the density | concentration of support salt may be the same as that of the nonaqueous electrolyte solution used with the conventional lithium secondary battery, and there is no restriction | limiting in particular. An electrolyte containing an appropriate lithium compound (supporting salt) at a concentration of about 0.1 to 5 mol / L can be used.

このようにして構築されたリチウム二次電池100は、上述したように、高い電池容量または高いエネルギー密度を有するため、特に自動車等の車両に搭載されるモーター(電動機)用電源として好適に使用し得る。したがって本発明は、図5に模式的に示すように、かかるリチウム二次電池(典型的には複数直列接続してなる組電池)100を電源として備える車両1(典型的には自動車、特にハイブリッド自動車、電気自動車、燃料電池自動車のような電動機を備える自動車)を提供する。   As described above, the lithium secondary battery 100 constructed in this way has a high battery capacity or a high energy density. Therefore, the lithium secondary battery 100 is particularly preferably used as a power source for a motor (electric motor) mounted on a vehicle such as an automobile. obtain. Therefore, as schematically shown in FIG. 5, the present invention provides a vehicle 1 (typically an automobile, particularly a hybrid) provided with such a lithium secondary battery (typically a battery pack formed by connecting a plurality of series batteries) 100 as a power source. Automobiles, electric vehicles, automobiles equipped with electric motors such as fuel cell vehicles).

以下の試験例において、ここで開示されるLiMOとLiMnOとの固溶体粒子(ここで開示される製造方法により製造された固溶体粒子を含む)からなるリチウム二次電池用正極活物質を使用してリチウム二次電池(サンプル電池)を構築し、その性能評価を行った。 In the following test examples, a positive electrode active material for a lithium secondary battery comprising solid solution particles of LiMO 2 and Li 2 MnO 3 disclosed herein (including solid solution particles produced by the production method disclosed herein) The lithium secondary battery (sample battery) was constructed using it, and its performance was evaluated.

<実施例>
以下の手順で、リチウム遷移金属複合酸化物(LiNi1/3Co1/3Mn1/3)とリチウムマンガン酸化物(LiMnO)との固溶体粒子(濃度勾配あり)からなる実施例に係るリチウム二次電池用正極活物質を合成した。
<Example>
Implementation of solid solution particles (concentration gradient) of lithium transition metal composite oxide (LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 ) and lithium manganese oxide (Li 2 MnO 3 ) by the following procedure A positive electrode active material for a lithium secondary battery according to an example was synthesized.

[正極活物質の製造(合成)]
まず、リチウムマンガン酸化物(LiMnO)粒子を合成した。すなわち、リチウム源としての酢酸リチウム・二水和物〔Li(CHCOO)・2HO〕と、マンガン源としての酢酸マンガン(II)・四水和物〔Mn(CHCOO)・4HO〕とを包含する、リチウムマンガン酸化物を構成するための出発原料を用意した。純水に出発原料と、グリコール酸(C)とを添加して溶解し、十分に攪拌することにより原料混合物を調製した。次いで、原料混合物を80℃に加熱(乾燥)し、水分を蒸発させてゲル化した。そして、500℃に加熱して5時間仮焼成し、ボールミルで粉砕(攪拌)した。さらに、粉砕物を800℃まで加熱し、5時間焼成することにより、リチウムマンガン酸化物(LiMnO)を合成した。得られた焼成物を粉砕し、リチウムマンガン酸化物(LiMnO)粒子を得た。
[Production of positive electrode active material (synthesis)]
First, lithium manganese oxide (Li 2 MnO 3 ) particles were synthesized. That is, lithium acetate dihydrate [Li (CH 3 COO) 2H 2 O] as a lithium source and manganese acetate (II) tetrahydrate [Mn (CH 3 COO) 2. 4H 2 O], and a starting material for constituting lithium manganese oxide was prepared. The starting material and glycolic acid (C 2 H 4 O 3 ) were added and dissolved in pure water, and the raw material mixture was prepared by sufficiently stirring. Next, the raw material mixture was heated (dried) to 80 ° C. to evaporate the water and gelled. And it heated at 500 degreeC, calcinated for 5 hours, and pulverized (stirred) with the ball mill. Further, the pulverized product was heated to 800 ° C. and baked for 5 hours to synthesize lithium manganese oxide (Li 2 MnO 3 ). The obtained fired product was pulverized to obtain lithium manganese oxide (Li 2 MnO 3 ) particles.

上記調製したリチウムマンガン酸化物(LiMnO)粒子と、一般式:LiNi1/3Co1/3Mn1/3で表わされるリチウム遷移金属複合酸化物を構成するためのリチウム源としての酢酸リチウム・二水和物〔Li(CHCOO)・2HO〕と、ニッケル源としての酢酸ニッケル(II)・四水和物〔Ni(CHCOO)・4HO〕と、コバルト源としての酢酸コバルト(II)・四水和物〔Co(CHCOO)・4HO〕と、マンガン源としての酢酸マンガン(II)・四水和物〔Mn(CHCOO)・4HO〕とが、1:1:0.33:0.33:0.33のモル比になるようにそれぞれ秤量し、出発原料を用意した。上記固溶体粒子を構成するための出発原料を、ゲル化剤としてのグリコール酸(上記モル比の0.2モル相当)と共に純水に溶解させて十分に攪拌することにより原料混合物を調製した。
次いで、原料混合物を80℃に加熱(乾燥)し、水分を蒸発させてゲル化した。そして、800℃まで加熱し5時間焼成することにより、粒子中心部に近いほどLiMnOの濃度がLiNi1/3Co1/3Mn1/3の濃度よりも高く構成されており、且つ、固溶体粒子の外表面に近いほど、LiNi1/3Co1/3Mn1/3の濃度がLiMnOの濃度よりも高く構成された濃度勾配を有するリチウム遷移金属複合酸化物(LiNi1/3Co1/3Mn1/3)とリチウムマンガン酸化物(LiMnO)との固溶体粒子を合成した。得られた固溶体粒子を適当な粒径に粉砕した。
As a lithium source for constituting the lithium manganese oxide (Li 2 MnO 3 ) particles prepared above and a lithium transition metal composite oxide represented by the general formula: LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 Lithium acetate dihydrate [Li (CH 3 COO) 2H 2 O] and nickel acetate (II) tetrahydrate as a nickel source [Ni (CH 3 COO) 2 4H 2 O] Cobalt acetate (II) tetrahydrate [Co (CH 3 COO) 2 .4H 2 O] as a cobalt source and manganese acetate (II) tetrahydrate [Mn (CH 3 COO as a manganese source) ) 2 · 4H 2 O] and is, 1: 1: 0.33: 0.33: so that the molar ratio of 0.33 were weighed, to prepare a starting material. A starting material mixture was prepared by dissolving the starting material for constituting the solid solution particles in pure water together with glycolic acid (corresponding to 0.2 mol of the above molar ratio) as a gelling agent and sufficiently stirring.
Next, the raw material mixture was heated (dried) to 80 ° C. to evaporate the water and gelled. And by heating to 800 ° C. and firing for 5 hours, the concentration of Li 2 MnO 3 is higher than the concentration of LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 as the particle is closer to the center of the particle. And the closer to the outer surface of the solid solution particle, the lithium transition metal composite oxidation having a concentration gradient in which the concentration of LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 is higher than the concentration of Li 2 MnO 3 Solid solution particles of the product (LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 ) and lithium manganese oxide (Li 2 MnO 3 ) were synthesized. The obtained solid solution particles were pulverized to an appropriate particle size.

[正極の作製]
次に、試験用のリチウム二次電池の正極を作製した。
まず、正極における正極活物質層を形成するにあたり、正極活物質層形成用ペーストを調製した。上記合成した正極活物質としての固溶体粒子と、導電材としてのアセチレンブラックと、結着材としてのポリビニリデンフロライド(PVDF)とを、これら材料の質量%比が85:10:5となるように秤量し、N−メチルピロリドン(NMP)に加えて混合することにより、正極活物質層形成用ペーストを調製した。
そして、上記ペーストを正極集電体としてのアルミニウム箔に塗布し、該ペースト中の水分を乾燥(蒸発)させた。さらに、ローラプレス機にてシート状に引き伸ばし、正極集電体の表面に活物質層を形成した。そして、直径15mmのポンチで円形状に打ち抜き、正極を調製した。
[Production of positive electrode]
Next, the positive electrode of the lithium secondary battery for a test was produced.
First, in forming the positive electrode active material layer in the positive electrode, a positive electrode active material layer forming paste was prepared. The synthesized solid solution particles as the positive electrode active material, acetylene black as the conductive material, and polyvinylidene fluoride (PVDF) as the binder are such that the mass% ratio of these materials is 85: 10: 5. The positive electrode active material layer forming paste was prepared by weighing and mixing with N-methylpyrrolidone (NMP).
And the said paste was apply | coated to the aluminum foil as a positive electrode electrical power collector, and the water | moisture content in this paste was dried (evaporated). Furthermore, it was stretched into a sheet shape with a roller press, and an active material layer was formed on the surface of the positive electrode current collector. And it punched circularly with the punch of diameter 15mm, and prepared the positive electrode.

[負極の作製]
次に、試験用のリチウム二次電池の負極を調製した。リチウム金属箔を用意し、直径15mmのポンチで打ち抜き、負極を調製した。
[Production of negative electrode]
Next, a negative electrode for a lithium secondary battery for testing was prepared. A lithium metal foil was prepared and punched out with a punch having a diameter of 15 mm to prepare a negative electrode.

[リチウム二次電池の構築]
上記調製した正極と負極とを用いて2032型(径20mm,厚さ3.2mm)コイン型の試験用リチウム二次電池を構築した。すなわち、正極側の外装を形成する外装缶の内部に円形状の正極と、電解質を含浸させたセパレータとを積層させて配置し、ガスケットでセパレータの周縁を押さえた後、円形状の負極と、厚み調整用のスペーサと、板バネとを、セパレータの上に順番に配置した。そして、上記収容された外装缶の内部を外装蓋で塞ぎ、外装缶および外装蓋の周縁部を封缶し試験用のリチウム二次電池を構築した。
なお、電解質としては、エチレンカーボネート(EC)とジメチルカーボネート(DMC)との3:7(体積比)混合溶媒に1mol/LのLiPF6を溶解させた組成を用いた。また、セパレータとしては、ポリプロピレン製の多孔質シートを使用した。
[Construction of lithium secondary battery]
A 2032 type (diameter 20 mm, thickness 3.2 mm) coin-type test lithium secondary battery was constructed using the positive electrode and negative electrode prepared above. That is, a circular positive electrode and a separator impregnated with an electrolyte are laminated and arranged inside an outer can that forms a positive electrode-side outer sheath, and after pressing the periphery of the separator with a gasket, a circular negative electrode, A spacer for adjusting the thickness and a leaf spring were sequentially arranged on the separator. Then, the inside of the accommodated outer can was closed with an outer lid, and the outer can and the peripheral edge of the outer lid were sealed to construct a lithium secondary battery for testing.
As the electrolyte, a composition in which 1 mol / L LiPF6 was dissolved in a 3: 7 (volume ratio) mixed solvent of ethylene carbonate (EC) and dimethyl carbonate (DMC) was used. As the separator, a porous sheet made of polypropylene was used.

<比較例1>
比較例1では、上記実施例で合成したリチウムマンガン酸化物(LiMnO)を正極活物質として使用した以外は、実施例と同様の手順で正極を作製した。また、実施例と同一の電池構成材料を用いて同様の手順で試験用のリチウム二次電池を構築した。
<Comparative Example 1>
In Comparative Example 1, a positive electrode was produced in the same procedure as in the Example, except that the lithium manganese oxide (Li 2 MnO 3 ) synthesized in the above example was used as the positive electrode active material. Moreover, the lithium secondary battery for a test was constructed | assembled in the same procedure using the battery constituent material same as an Example.

<比較例2>
[正極活物質の製造(合成)]
比較例2では、以下の手順で、リチウム遷移金属複合酸化物(LiNi1/3Co1/3Mn1/3)とリチウムマンガン酸化物(LiMnO)とが均一に溶け合った固溶体粒子(濃度勾配なし)からなるリチウム二次電池用の正極活物質を合成した。
まず、固溶体粒子を構成するLiNi1/3Co1/3Mn1/3とLiMnOとが1:1になるように、リチウム源としての酢酸リチウム・二水和物〔Li(CHCOO)・2HO〕と、ニッケル源としての酢酸ニッケル(II)・四水和物〔Ni(CHCOO)・4HO〕と、コバルト源としての酢酸コバルト(II)・四水和物〔Co(CHCOO)・4HO〕と、マンガン源としての酢酸マンガン(II)・四水和物〔Mn(CHCOO)・4HO〕とをそれぞれ秤量し、出発原料を用意した。上記固溶体粒子を構成するための出発原料を、ゲル化剤としてのグリコール酸とともに純水に溶解させて十分に攪拌することにより原料混合物を調製した。
次いで、原料混合物を80℃に加熱(乾燥)し、水分を蒸発させてゲル化した。そして、500℃に加熱して5時間仮焼成し、ボールミルを用いて粉砕(攪拌)した。さらに、粉砕物を800℃まで加熱し、5時間焼成することにより、リチウム遷移金属複合酸化物(LiNi1/3Co1/3Mn1/3)とリチウムマンガン酸化物(LiMnO)とが均一に溶け合った固溶体粒子を合成した。得られた固溶体粒子を適当な粒径に粉砕した。
<Comparative Example 2>
[Production of positive electrode active material (synthesis)]
In Comparative Example 2, a solid solution in which lithium transition metal composite oxide (LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 ) and lithium manganese oxide (Li 2 MnO 3 ) were uniformly dissolved by the following procedure. A positive electrode active material for lithium secondary battery composed of particles (no concentration gradient) was synthesized.
First, lithium acetate dihydrate as a lithium source [Li (1) so that LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 and Li 2 MnO 3 constituting the solid solution particles are 1: 1. CH 3 COO) · 2H 2 O], nickel acetate (II) tetrahydrate as a nickel source [Ni (CH 3 COO) 2 · 4H 2 O], and cobalt acetate (II) · as a cobalt source Weighing tetrahydrate [Co (CH 3 COO) 2 .4H 2 O] and manganese acetate (II) tetrahydrate [Mn (CH 3 COO) 2 .4H 2 O] as a manganese source. The starting material was prepared. A starting material mixture for preparing the solid solution particles was dissolved in pure water together with glycolic acid as a gelling agent and sufficiently stirred to prepare a starting material mixture.
Next, the raw material mixture was heated (dried) to 80 ° C. to evaporate the water and gelled. And it heated at 500 degreeC and pre-baked for 5 hours, and it grind | pulverized (stirred) using the ball mill. Further, the pulverized product is heated to 800 ° C. and fired for 5 hours, whereby lithium transition metal composite oxide (LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 ) and lithium manganese oxide (Li 2 MnO 3). ) And solid solution particles that were uniformly melted. The obtained solid solution particles were pulverized to an appropriate particle size.

上記合成したリチウム遷移金属複合酸化物(LiNi1/3Co1/3Mn1/3)とリチウムマンガン酸化物(LiMnO)との固溶体粒子(濃度勾配なし)を正極活物質として使用した以外は、実施例と同様の手順で正極を作製した。また、実施例と同一の電池構成材料を用いて同様の手順で比較例2に係る試験用のリチウム二次電池を構築した。 Using the synthesized lithium transition metal composite oxide (LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 ) and lithium manganese oxide (Li 2 MnO 3 ) solid solution particles (no concentration gradient) as the positive electrode active material A positive electrode was produced in the same procedure as in Example except that it was used. Moreover, the lithium secondary battery for a test which concerns on the comparative example 2 was constructed | assembled in the same procedure using the battery constituent material same as an Example.

[負荷特性]
以上のようにして構築した実施例および比較例1、2に係る試験用リチウム二次電池のそれぞれに対し、適当なコンディショニング処理を行い、その後、負荷特性(大電流放電時でも高い容量を保つ特性)試験を実施した。各電池の負荷特性は、以下の操作を行い、各操作時の放電容量を求めることにより測定した。
[Load characteristics]
Each of the test lithium secondary batteries according to Examples and Comparative Examples 1 and 2 constructed as described above is subjected to an appropriate conditioning treatment, and then loaded characteristics (characteristics for maintaining high capacity even during large current discharge) ) The test was conducted. The load characteristics of each battery were measured by performing the following operations and determining the discharge capacity at each operation.

25℃の温度条件下にて、1/3Cで4.3Vまで定電流充電を行った後、1Cで2.5Vまで定電流放電させる操作を行った。次いで、1/3Cで4.3Vまで定電流充電を行った後、20Cで2.5Vまで定電流放電させる操作を行った。そして、1Cで放電を行ったときの放電容量に対する、20Cで放電を行ったときの放電容量の割合を負荷特性として算出した。その結果を表1に示す。   Under a temperature condition of 25 ° C., a constant current charge was performed up to 4.3 V at 1/3 C, and then a constant current discharge was performed up to 2.5 V at 1 C. Subsequently, after performing constant current charge to 4.3V at 1 / 3C, operation which performed constant current discharge to 2.5V at 20C was performed. And the ratio of the discharge capacity when discharging at 20 C to the discharge capacity when discharging at 1 C was calculated as load characteristics. The results are shown in Table 1.

Figure 2011134670
Figure 2011134670

表1に示されるように、比較例に係るリチウムマンガン酸化物(LiMnO)を用いてなるリチウム二次電池は、負荷特性が最も低かった。また、リチウム遷移金属複合酸化物(LiNi1/3Co1/3Mn1/3)とリチウムマンガン酸化物(LiMnO)との固溶体粒子であっても、濃度勾配を有する固溶体粒子を正極活物質として用いてなる実施例に係るリチウム二次電池の方が、濃度勾配がなく均一に溶け合った固溶体粒子を正極活物質として用いてなる比較例2に係るリチウム二次電池よりも、負荷特性がさらに優れていることが確認された。 As shown in Table 1, the lithium secondary battery using the lithium manganese oxide (Li 2 MnO 3 ) according to the comparative example had the lowest load characteristics. Moreover, even if it is a solid solution particle of lithium transition metal complex oxide (LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 ) and lithium manganese oxide (Li 2 MnO 3 ), the solid solution particle having a concentration gradient Than the lithium secondary battery according to Comparative Example 2 in which the solid solution particles having a concentration gradient and uniformly mixed are used as the positive electrode active material. It was confirmed that the load characteristics were further excellent.

[サイクル特性]
次いで、上記構築した実施例および比較例1、2に係る試験用リチウム二次電池のサイクル特性試験を実施した。具体的には、60℃の恒温槽に各電池を設置し、1/3Cで4.8Vまで定電流充電を行った後、2.5Vまで1/3Cで定電流放電させる操作を行った。
そのままの測定環境下で、次いで、1Cで4.3Vまで定電流充電を行った後、2.5Vまで1Cで定電流放電した。このサイクルを50回繰り返した。そして、1サイクル目における放電容量に対する、50サイクル目における放電容量の割合を容量維持率として算出した。その結果を表2に示す。
[Cycle characteristics]
Next, a cycle characteristic test of the test lithium secondary batteries according to the above-constructed Examples and Comparative Examples 1 and 2 was performed. Specifically, each battery was installed in a constant temperature bath at 60 ° C., and after performing a constant current charge to 4.8 V at 1/3 C, an operation of performing a constant current discharge at 1/3 C to 2.5 V was performed.
Under the measurement environment as it is, after performing constant current charging to 4.3 V at 1 C, constant current discharging was performed at 1 C to 2.5 V. This cycle was repeated 50 times. The ratio of the discharge capacity at the 50th cycle to the discharge capacity at the 1st cycle was calculated as the capacity retention rate. The results are shown in Table 2.

Figure 2011134670
Figure 2011134670

表2に示されるように、比較例に係るリチウムマンガン酸化物(LiMnO)を用いてなるリチウム二次電池は、サイクル後の容量維持率が最も低かった。また、リチウム遷移金属複合酸化物(LiNi1/3Co1/3Mn1/3)とリチウムマンガン酸化物(LiMnO)との固溶体粒子であっても、濃度勾配を有する固溶体粒子を用いてなる実施例に係るリチウム二次電池の方が、濃度勾配がなく均一に溶け合った固溶体粒子を用いてなる比較例2に係るリチウム二次電池よりも、容量維持率が顕著に高く、よりサイクル特性に優れていることが確認された。 As shown in Table 2, the lithium secondary battery using the lithium manganese oxide (Li 2 MnO 3 ) according to the comparative example had the lowest capacity retention rate after cycling. Moreover, even if it is a solid solution particle of lithium transition metal complex oxide (LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 ) and lithium manganese oxide (Li 2 MnO 3 ), the solid solution particle having a concentration gradient The capacity of the lithium secondary battery according to the example according to the present invention is significantly higher than that of the lithium secondary battery according to the comparative example 2 using the solid solution particles that are uniformly melted without a concentration gradient, It was confirmed that the cycle characteristics were more excellent.

以上、本発明を詳細に説明したが、上記実施形態および実施例は例示にすぎず、ここで開示される発明には上述の具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。例えば、電極体構成材料や電解質が異なる種々の内容の電池であってもよい。また、該電池の大きさおよびその他の構成についても、用途(典型的には車載用)によって適切に変更することができる。   As mentioned above, although this invention was demonstrated in detail, the said embodiment and Example are only illustrations and what changed and changed the above-mentioned specific example is contained in the invention disclosed here. For example, the battery of the various content from which an electrode body structural material and electrolyte differ may be sufficient. Further, the size and other configurations of the battery can be appropriately changed depending on the application (typically for in-vehicle use).

上記リチウム遷移金属複合酸化物(LiMO)とリチウムマンガン酸化物(LiMnO)との固溶体粒子(ここで開示される製造方法により製造された固溶体粒子を含む)からなるリチウム二次電池用正極活物質を用いて構築したリチウム二次電池は、上述したように電池特性に優れるため、特に自動車等の車両に搭載されるモーター(電動機)用電源として好適に使用し得る。したがって本発明は、図5に模式的に示すように、かかるリチウム二次電池(典型的には複数直列接続してなる組電池)100を電源として備える車両1(典型的には自動車、特にハイブリッド自動車、電気自動車、燃料電池自動車のような電動機を備える自動車)を提供する。 For lithium secondary batteries comprising solid solution particles of lithium transition metal composite oxide (LiMO 2 ) and lithium manganese oxide (Li 2 MnO 3 ) (including solid solution particles produced by the production method disclosed herein) Since the lithium secondary battery constructed using the positive electrode active material is excellent in battery characteristics as described above, it can be suitably used as a power source for a motor (electric motor) mounted on a vehicle such as an automobile. Therefore, as schematically shown in FIG. 5, the present invention provides a vehicle 1 (typically an automobile, particularly a hybrid) provided with such a lithium secondary battery (typically a battery pack formed by connecting a plurality of series batteries) 100 as a power source. Automobiles, electric vehicles, automobiles equipped with electric motors such as fuel cell vehicles).

1 車両
10 電池ケース
12 開口部
14 蓋体
20 捲回電極体
30 正極シート
32 正極集電体
34 正極活物質層
35 正極集電体積層部
36 正極活物質層非形成部
37 正極集電端子
38 外部正極集電端子
40 負極シート
42 負極集電体
44 負極活物質層
45 負極集電体積層部
46 負極活物質層非形成部
47 負極集電端子
48 外部負極集電端子
50 セパレータ
100 リチウム二次電池
310 リチウムマンガン酸化物(LiMnO
320 リチウム遷移金属複合酸化物(LiMO
R 捲回軸方向
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Vehicle 10 Battery case 12 Opening part 14 Cover body 20 Winding electrode body 30 Positive electrode sheet 32 Positive electrode collector 34 Positive electrode active material layer 35 Positive electrode collector lamination | stacking part 36 Positive electrode active material layer non-formation part 37 Positive electrode current collection terminal 38 External positive electrode current collector terminal 40 Negative electrode sheet 42 Negative electrode current collector 44 Negative electrode active material layer 45 Negative electrode current collector laminated portion 46 Negative electrode active material layer non-formation portion 47 Negative electrode current collector terminal 48 External negative electrode current collector terminal 50 Separator 100 Lithium secondary Battery 310 Lithium manganese oxide (Li 2 MnO 3 )
320 Lithium transition metal composite oxide (LiMO 2 )
R Winding axis direction

Claims (10)

一般式:LiMO(式中のMは、Co、NiおよびMnからなる群より選択される少なくとも1種の遷移金属元素を含む1種または2種以上の金属元素である)で表されるリチウム遷移金属複合酸化物と、LiMnOで表わされるリチウムマンガン酸化物との固溶体粒子からなるリチウム二次電池用正極活物質であって、
前記固溶体粒子の中心部に近いほど、前記LiMnOの濃度が前記LiMOの濃度よりも高く構成されており、且つ、該固溶体粒子の外表面に近いほど、該LiMOの濃度が該LiMnOの濃度よりも高く構成されるような濃度勾配を有していることを特徴とする、リチウム二次電池用正極活物質。
Lithium represented by the general formula: LiMO 2 (wherein M is one or more metal elements including at least one transition metal element selected from the group consisting of Co, Ni and Mn) A positive electrode active material for a lithium secondary battery comprising solid solution particles of a transition metal composite oxide and lithium manganese oxide represented by Li 2 MnO 3 ,
The closer to the center portion of the solid solution particles, the Li 2 has a concentration of MnO 3 is configured higher than the concentration of the LiMO 2, and, the closer to the outer surface of the solid solution particles, the concentration of the LiMO 2 is the A positive electrode active material for a lithium secondary battery, characterized by having a concentration gradient configured to be higher than the concentration of Li 2 MnO 3 .
前記固溶体粒子を構成する前記リチウム遷移金属複合酸化物は、Ni、CoおよびMnをいずれも含有する酸化物である、請求項1に記載のリチウム二次電池用正極活物質。   2. The positive electrode active material for a lithium secondary battery according to claim 1, wherein the lithium transition metal composite oxide constituting the solid solution particles is an oxide containing all of Ni, Co, and Mn. 前記固溶体粒子を構成する前記リチウム遷移金属複合酸化物は、LiNi1/3Co1/3Mn1/3で示される酸化物である、請求項2に記載のリチウム二次電池用正極活物質。 The positive electrode active for a lithium secondary battery according to claim 2, wherein the lithium transition metal composite oxide constituting the solid solution particle is an oxide represented by LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2. material. 一般式:LiMO(式中のMは、Co、NiおよびMnからなる群より選択される少なくとも1種の遷移金属元素を含む1種または2種以上の金属元素である)で表されるリチウム遷移金属複合酸化物と、LiMnOで表わされるリチウムマンガン酸化物との固溶体粒子からなるリチウム二次電池用正極活物質を製造する方法であって、以下の工程:
前記LiMnOで表わされるリチウムマンガン酸化物粒子を用意する工程;
前記用意したリチウムマンガン酸化物粒子と、前記一般式:LiMOで表わされるリチウム遷移金属複合酸化物を構成するためのリチウム源と、1種または2種以上の遷移金属M元素源とを包含する、前記固溶体粒子を構成するための出発原料を水系溶媒に溶解させて原料混合物を調製する工程;
前記調製した原料混合物をゲル化し、ゲル状組成物を得るゲル化工程;および、
前記得られたゲル状組成物を焼成する焼成工程;
を包含する、製造方法。
Lithium represented by the general formula: LiMO 2 (wherein M is one or more metal elements including at least one transition metal element selected from the group consisting of Co, Ni and Mn) A method for producing a positive electrode active material for a lithium secondary battery comprising solid solution particles of a transition metal composite oxide and lithium manganese oxide represented by Li 2 MnO 3 , comprising the following steps:
Preparing lithium manganese oxide particles represented by Li 2 MnO 3 ;
Includes the prepared lithium manganese oxide particles, a lithium source for constituting the lithium transition metal composite oxide represented by the general formula: LiMO 2 , and one or more transition metal M element sources A step of preparing a raw material mixture by dissolving a starting raw material for constituting the solid solution particles in an aqueous solvent;
A gelation step of gelling the prepared raw material mixture to obtain a gel-like composition; and
A firing step of firing the obtained gel-like composition;
Manufacturing method.
前記リチウム遷移金属複合酸化物は、Ni、CoおよびMnをいずれも含有する酸化物を構成するため、ニッケル源、コバルト源およびマンガン源を包含する出発原料を用いて原料混合物を調製する、請求項4に記載の製造方法。   The lithium transition metal composite oxide forms an oxide containing all of Ni, Co, and Mn, so that a raw material mixture is prepared using starting materials including a nickel source, a cobalt source, and a manganese source. 4. The production method according to 4. 前記リチウム遷移金属複合酸化物は、LiNi1/3Co1/3Mn1/3で示される酸化物を構成するように原料混合物を調製する、請求項5に記載の製造方法。 The lithium transition metal composite oxide to prepare a raw material mixture so as to form an oxide represented by LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 , The method according to claim 5. 前記ゲル化工程では、前記調製した原料混合物を室温以上100℃以下の温度まで昇温させる、請求項4〜6のいずれかに記載の製造方法。   The manufacturing method according to any one of claims 4 to 6, wherein in the gelation step, the prepared raw material mixture is heated to a temperature of room temperature to 100 ° C. 前記リチウムマンガン酸化物粒子は、リチウム源と、マンガン源とを包含する出発原料を水系溶媒に溶解させて原料混合物を調製する工程;
前記原料混合物を加熱して300℃以上で仮焼成する工程;および
前記仮焼成物をさらに仮焼成温度よりも高い温度であり1000℃以下の温度まで加熱して焼成する工程;
を包含する製造方法により得られたLiMnOが用いられる、請求項4〜7のいずれかに記載の製造方法。
The lithium manganese oxide particles are prepared by dissolving a starting material including a lithium source and a manganese source in an aqueous solvent to prepare a raw material mixture;
Heating the raw material mixture and pre-baking at 300 ° C. or higher; and heating the pre-baked product to a temperature higher than the pre-baking temperature and not higher than 1000 ° C .;
Is Li 2 MnO 3 obtained by the production method comprising use the method according to any one of claims 4-7.
前記正極活物質として請求項1〜3のいずれかに記載の正極活物質または請求項4〜8のいずれかに記載の製造方法により得られた正極活物質を使用した正極を備える、リチウム二次電池。   A lithium secondary comprising a positive electrode using the positive electrode active material according to any one of claims 1 to 3 or the positive electrode active material obtained by the production method according to any one of claims 4 to 8 as the positive electrode active material. battery. 請求項9に記載のリチウム二次電池を備える、車両。

A vehicle comprising the lithium secondary battery according to claim 9.

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