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JP2015146269A - Method for producing positive electrode active material for lithium ion secondary battery - Google Patents

Method for producing positive electrode active material for lithium ion secondary battery Download PDF

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JP2015146269A
JP2015146269A JP2014018761A JP2014018761A JP2015146269A JP 2015146269 A JP2015146269 A JP 2015146269A JP 2014018761 A JP2014018761 A JP 2014018761A JP 2014018761 A JP2014018761 A JP 2014018761A JP 2015146269 A JP2015146269 A JP 2015146269A
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lithium
crystal
active material
electrode active
positive electrode
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JP2014018761A
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Japanese (ja)
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秀康 田中
Hideyasu Tanaka
秀康 田中
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Asahi Kasei Corp
Original Assignee
Asahi Kasei Corp
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for manufacturing a positive electrode active material for lithium ion secondary batteries which is high in capacity and easy to pass electric current therethrough at discharge.SOLUTION: A method for manufacturing a positive electrode active material for lithium ion secondary batteries comprises steps of (1) baking Li carbonate and/or hydroxide salt, and an oxide and others of at least two metals other than Li, thereby obtaining a lithium-containing metal oxide A satisfying the condition, 1≤M/M≤4, where Mrepresents the mole fraction of Li, and Mrepresents the mole fraction of the at least two metal elements other than Li, and (2) subsequently, mixing the lithium-containing metal oxide A thus obtained with a lithium compound B expressed by LiCOHinto a mixture and then, baking the mixture at a temperature lower than the highest baking temperature in the step (1), thereby obtaining one of a crystal C having a layer structure expressed by LiMeO, in which Li is arranged in a layered form, a crystal D having a Spinel structure expressed by LiMeO, and a crystal with the crystal C and the crystal D dissolved therein.

Description

本発明は、リチウムイオン二次電池用正極活物質の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for producing a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery.

近年の環境技術への関心の高まりに伴い、太陽光発電や風力発電で生み出された電気エネルギーの蓄電用途や、電気自動車のバッテリー用途などにおける蓄電デバイスに対する期待はますます高くなっている。特に、蓄電デバイスの代表であるリチウムイオン二次電池には、更なる高容量化、高電圧化、高耐久性化等の改良が求められている。
しかしながら、正極活物質として、組成式LiMeO{式中、Meは遷移金属元素である。}で表される層状リチウム酸化物結晶を用いる現在のリチウムイオン二次電池の実容量は約160mAh/gであり、これ以上容量を増やすことは現実的に困難な状況になっている。
また、高電圧化及び高耐久性化という視点では、組成式LiMeで表されるスピネル構造を有するリチウム酸化物結晶を用いたリチウムイオン二次電池も用いられているが、実容量が約120mAh/gと低いため用途が限られているのが現状である。
リチウムイオン二次電池の容量は電池内の正極活物質中におけるリチウムの含有量に支配されるため、リチウムの含有量が多い正極活物質を開発することが、リチウムイオン電池の高容量化にとって必要とされている。
As interest in environmental technology has increased in recent years, there is an increasing expectation for storage devices for electrical energy generated by solar power generation and wind power generation and for battery applications in electric vehicles. In particular, lithium ion secondary batteries that are representative of power storage devices are required to be further improved in capacity, voltage, and durability.
However, as the positive electrode active material, the composition formula LiMeO 2 {wherein Me is a transition metal element. } The actual capacity of a current lithium ion secondary battery using a layered lithium oxide crystal represented by the formula is about 160 mAh / g, and it is actually difficult to increase the capacity beyond this.
From the viewpoint of higher voltage and higher durability, lithium ion secondary batteries using lithium oxide crystals having a spinel structure represented by the composition formula LiMe 2 O 4 are also used, but the actual capacity is Currently, the application is limited because it is as low as about 120 mAh / g.
Since the capacity of the lithium ion secondary battery is governed by the lithium content in the positive electrode active material in the battery, it is necessary to develop a positive electrode active material with a high lithium content in order to increase the capacity of the lithium ion battery. It is said that.

リチウムの含有量が多い正極活物質として、例えば、以下の特許文献1には、前述の組成式LiMeOで記載される層状リチウム酸化物結晶と、同じ層状リチウム酸化物結晶でリチウムの含有量が多い組成式LiMnOで表される層状リチウム酸化物結晶とが固溶した結晶である組成式ωLiMeO・(1−ω)LiMnO{式中、0<ω<1である。}で表される正極活物質が記載されており、実容量として約200mAh/g以上の高容量が報告されている。 As a positive electrode active material having a large amount of lithium, for example, in Patent Document 1 below, the layered lithium oxide crystal described by the above-described composition formula LiMeO 2 and the lithium content of the same layered lithium oxide crystal are described. Compositional formula ωLiMeO 2 · (1-ω) Li 2 MnO 3 {where 0 <ω <1 in which the layered lithium oxide crystal represented by a large compositional formula Li 2 MnO 3 is a solid solution. }, And a high capacity of about 200 mAh / g or more is reported as an actual capacity.

また、正極活物質が高容量を発現するためには、正極活物質を構成する酸化物の結晶が高い元素分散性を必要とすることから、高い元素分散性を達成するための各種の合成方法が開発されている。例えば、以下の特許文献2には、原子レベルでの高い元素分散性を達成する手段として、正極活物質の前駆体を合成する共沈法や、それを焼成してリチウム金属酸化物とする際の焼成条件等に関して詳細な報告がなされている。   In addition, in order for the positive electrode active material to exhibit a high capacity, the oxide crystals constituting the positive electrode active material require high element dispersibility, so various synthesis methods for achieving high element dispersibility Has been developed. For example, in Patent Document 2 below, as means for achieving high element dispersibility at the atomic level, a coprecipitation method for synthesizing a precursor of a positive electrode active material or a method for firing it into a lithium metal oxide Detailed reports have been made on the firing conditions and the like.

米国特許第6,677,082号明細書US Pat. No. 6,677,082 特開2012−151084号公報JP 2012-151084 A

しかしながら、高容量化のためにリチウム含有量を増やした正極活物質は、リチウムを多く有する特定の結晶構造が生成する際、その元素分散性が低下しやすい、中でも、リチウムの含有量が多い組成式LiMnOで表される結晶は電気抵抗が大きいことが問題とされている、すなわち、組成式LiMnOで記載される結晶は正極活物質自体の電気抵抗を増大させ、放電時に大電流を流すことを難しくする。
また、組成式LiMeOで示される層状リチウム酸化物結晶や組成式LiMeで記載されるスピネル構造を有するリチウム酸化物結晶、及びそれらが固溶した結晶も、Meが複数種類の元素から成る多元系の場合、リチウム含有量を増やすと特定の金属元素の凝集が起こり、その元素分散性が低下して、大電流が流しにくくなる等の放電特性の低下が起こり、正極活物質としての性能が低下することがある。
かかる事情に鑑み、本発明が解決しようとする課題は、リチウムの含有量が多く、かつ、高い元素分散性を有するリチウムイオン電池用の正極活物質の製造方法を提供することである。
However, the positive electrode active material whose lithium content has been increased for higher capacity tends to lower its element dispersibility when a specific crystal structure having a large amount of lithium is produced. The crystal represented by the formula Li 2 MnO 3 has a problem that the electrical resistance is large, that is, the crystal described by the composition formula Li 2 MnO 3 increases the electrical resistance of the positive electrode active material itself, and at the time of discharge Make it difficult to pass a large current.
Further, a layered lithium oxide crystal represented by the composition formula LiMeO 2 , a lithium oxide crystal having a spinel structure described by the composition formula LiMe 2 O 4 , and a crystal in which they are solid-solved are also composed of Me from a plurality of kinds of elements. In the case of a multi-component system, when the lithium content is increased, the aggregation of a specific metal element occurs, the dispersibility of the element decreases, and the discharge characteristics such as the difficulty of flowing a large current occur. Performance may be reduced.
In view of such circumstances, the problem to be solved by the present invention is to provide a method for producing a positive electrode active material for a lithium ion battery having a high lithium content and high element dispersibility.

本発明者は、かかる課題を解決すべく鋭意検討し実験を重ねた結果、リチウム以外に少なくとも2種類の金属元素を含む正極活物質を、以下の2つの工程:
(1)本発明の正極活物質を構成する元素からなり、金属元素とリチウムとのモル比が1以上4以下である、高い元素分散性を有するリチウム含有金属酸化物を焼成する工程;及び
(2)上記工程(2)で得られた金属酸化物とリチウム化合物とを混合し、工程(1)における最高焼成温度よりも低い温度で焼成することで、該金属酸化物にリチウムを追加で導入する工程;を順に経ることで、工程(1)で製造したリチウム含有金属酸化物の粒子形状、及びその結晶内部における金属元素の分散状態を概ね保持したままリチウム含有量の多い正極活物質を得ることができることを見出し、本発明を完成するに至ったものである。
As a result of intensive studies and experiments conducted to solve the above problems, the present inventor has obtained a positive electrode active material containing at least two kinds of metal elements in addition to lithium in the following two steps:
(1) A step of firing a lithium-containing metal oxide having a high element dispersibility, which is made of an element constituting the positive electrode active material of the present invention and the molar ratio of the metal element to lithium is 1 or more and 4 or less; 2) The metal oxide obtained in the above step (2) and the lithium compound are mixed and baked at a temperature lower than the maximum calcination temperature in the step (1), so that lithium is additionally introduced into the metal oxide. The positive electrode active material having a high lithium content is obtained while substantially maintaining the particle shape of the lithium-containing metal oxide produced in step (1) and the dispersion state of the metal element inside the crystal. As a result, the present invention has been completed.

すなわち、本発明は下記のとおりのものである。
[1]以下の工程:
(1)Liの炭酸塩及び/又は水酸化物塩と、Li以外の2種類以上の金属の酸化物、炭酸塩、水酸化物塩、硫酸塩、硝酸塩、塩酸塩、及び酢酸塩の内の少なくとも1つとを焼成して、Liと、Li以外に少なくとも2種類の金属元素を含み、かつ、Liのモル分率をM、Li以外の2種類以上の金属元素のモル分率をMとするとき、下記式(1):
1≦M/M≦4・・・(1)
を満足するリチウム含有金属酸化物Aを得;及び
(2)次いで、得られたリチウム含有金属酸化物Aと、下記組成式(2):
Li・・・(2)
{式中、1≦x≦2、0≦a≦1、1≦b≦3、及び0≦c≦2の関係を満足する。}で表されるリチウム化合物Bを混合して、前記工程(1)における最高焼成温度より低い温度で焼成して、下記組成式(3):
Li1+jMeOα・・・(3)
{式中、Meは、Li以外の2種類以上の金属元素であり、そして0≦j≦1、及び2≦α≦3である。}で表されるLiが層状に配列した層状構造を有する結晶C、又は下記組成式(4):
Li1+kMe4―β・・・(4)
{式中、Meは、Li以外の2種類以上の金属元素であり、そして0≦k<1、及び0≦β<1である。}で表されるスピネル構造を有する結晶D、又は該結晶Cと該結晶Dとが固溶した結晶を得る工程;
を含む、
リチウムイオン二次電池用正極活物質の製造方法。
That is, the present invention is as follows.
[1] The following steps:
(1) Among carbonates and / or hydroxide salts of Li and oxides, carbonates, hydroxide salts, sulfates, nitrates, hydrochlorides, and acetates of two or more metals other than Li At least one is fired, Li and at least two kinds of metal elements other than Li are included, and the mole fraction of Li is M L , and the mole fraction of two or more kinds of metal elements other than Li is M M When the following formula (1):
1 ≦ M M / M L ≦ 4 (1)
And (2) the resulting lithium-containing metal oxide A and the following compositional formula (2):
Li x C a O b H c (2)
{In the formula, 1 ≦ x ≦ 2, 0 ≦ a ≦ 1, 1 ≦ b ≦ 3, and 0 ≦ c ≦ 2 are satisfied. } Is mixed and calcined at a temperature lower than the maximum calcining temperature in the step (1), and the following composition formula (3):
Li 1 + j MeO α (3)
{Wherein Me is two or more metal elements other than Li, and 0 ≦ j ≦ 1 and 2 ≦ α ≦ 3. } The crystal C having a layered structure in which Li represented by the following formula is arranged, or the following composition formula (4):
Li 1 + k Me 2 O 4-β (4)
{Wherein Me is two or more metal elements other than Li, and 0 ≦ k <1 and 0 ≦ β <1. A crystal D having a spinel structure represented by the following formula: or a crystal in which the crystal C and the crystal D are dissolved;
including,
A method for producing a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery.

[2]前記工程(2)の後に、該工程(2)における最高焼成温度より高い温度で焼成する工程をさらに含む、前記[1]に記載の方法。   [2] The method according to [1], further including a step of baking after the step (2) at a temperature higher than a maximum baking temperature in the step (2).

[3]前記リチウム含有金属酸化物Aがスピネル構造を有する、前記[1]又は[2]に記載の方法。   [3] The method according to [1] or [2], wherein the lithium-containing metal oxide A has a spinel structure.

[4]前記リチウム含有金属酸化物Aは、下記組成式(5):
Li1+kMn2−x4―α・・・(5)
{式中、Mは、Mn及びLi以外の1種類以上の金属元素であり、そして0≦k<1、0<x≦0.5、0≦α<1の関係を満足する。}で表されるスピネル構造を有する、前記[3]に記載の方法。
[4] The lithium-containing metal oxide A has the following composition formula (5):
Li 1 + k Mn 2-x M x O 4-α (5)
{In the formula, M is one or more metal elements other than Mn and Li, and satisfies the relations 0 ≦ k <1, 0 <x ≦ 0.5, and 0 ≦ α <1. } The method as described in said [3] which has a spinel structure represented by these.

[5]前記Mは、少なくともNiである、前記[4]に記載の方法。   [5] The method according to [4], wherein M is at least Ni.

[6]前記Meは、少なくともMnとNiである、前記[1]〜[3]のいずれかに記載の方法。   [6] The method according to any one of [1] to [3], wherein the Me is at least Mn and Ni.

[7]前記リチウム化合物Bとして、炭酸リチウム又は水酸化リチウムを少なくとも含む、前記[1]〜[6]のいずれかに記載の方法。   [7] The method according to any one of [1] to [6], wherein the lithium compound B includes at least lithium carbonate or lithium hydroxide.

[8]前記[1]〜[7]のいずれかに記載の方法によって製造されたリチウムイオン二次電池用正極活物質。   [8] A positive electrode active material for a lithium ion secondary battery produced by the method according to any one of [1] to [7].

本発明により、高容量であり、かつ、放電時に大電流を流しやすいリチウムイオン二次電池用の正極活物質を製造することができる。   According to the present invention, it is possible to produce a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery that has a high capacity and is easy to pass a large current during discharge.

以下、本発明を実施するための形態(以下、「本実施形態」ともいう。)について詳細に説明する。以下の本実施形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明を以下の内容に限定する趣旨ではない。本発明は、その要旨の範囲内で適宜に変形して実施できる。
前記したように、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池用正極活物質の製造方法は、以下の工程:
(1)Liの炭酸塩及び/又は水酸化物塩と、Li以外の2種類以上の金属の酸化物、炭酸塩、水酸化物塩、硫酸塩、硝酸塩、塩酸塩、及び酢酸塩の内の少なくとも1つとを焼成して、Liと、Li以外に少なくとも2種類の金属元素を含み、かつ、Liのモル分率をM、Li以外の2種類以上の金属元素のモル分率をMとするとき、下記式(1):
1≦M/M≦4・・・(1)
を満足するリチウム含有金属酸化物Aを得;及び
(2)次いで、得られたリチウム含有金属酸化物Aと、下記組成式(2):
Li・・・(2)
{式中、1≦x≦2、0≦a≦1、1≦b≦3、及び0≦c≦2の関係を満足する。}で表されるリチウム化合物Bを混合して、前記工程(1)における最高焼成温度より低い温度で焼成して、下記組成式(3):
Li1+jMeOα・・・(3)
{式中、Meは、Li以外の2種類以上の金属元素であり、そして0≦j≦1、及び2≦α≦3である。}で表されるLiが層状に配列した層状構造を有する結晶C、又は下記組成式(4):
Li1+kMe4―β・・・(4)
{式中、Meは、Li以外の2種類以上の金属元素であり、そして0≦k<1、及び0≦β<1である。}で表されるスピネル構造を有する結晶D、又は該結晶Cと該結晶Dとが固溶した結晶を得る工程;
を含む。
Hereinafter, a mode for carrying out the present invention (hereinafter also referred to as “the present embodiment”) will be described in detail. The following embodiments are examples for explaining the present invention, and are not intended to limit the present invention to the following contents. The present invention can be implemented with appropriate modifications within the scope of the gist thereof.
As described above, the method for producing a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery according to this embodiment includes the following steps:
(1) Among carbonates and / or hydroxide salts of Li and oxides, carbonates, hydroxide salts, sulfates, nitrates, hydrochlorides, and acetates of two or more metals other than Li At least one is fired, Li and at least two kinds of metal elements other than Li are included, and the mole fraction of Li is M L , and the mole fraction of two or more kinds of metal elements other than Li is M M When the following formula (1):
1 ≦ M M / M L ≦ 4 (1)
And (2) the resulting lithium-containing metal oxide A and the following compositional formula (2):
Li x C a O b H c (2)
{In the formula, 1 ≦ x ≦ 2, 0 ≦ a ≦ 1, 1 ≦ b ≦ 3, and 0 ≦ c ≦ 2 are satisfied. } Is mixed and calcined at a temperature lower than the maximum calcining temperature in the step (1), and the following composition formula (3):
Li 1 + j MeO α (3)
{Wherein Me is two or more metal elements other than Li, and 0 ≦ j ≦ 1 and 2 ≦ α ≦ 3. } The crystal C having a layered structure in which Li represented by the following formula is arranged, or the following composition formula (4):
Li 1 + k Me 2 O 4-β (4)
{Wherein Me is two or more metal elements other than Li, and 0 ≦ k <1 and 0 ≦ β <1. A crystal D having a spinel structure represented by the following formula: or a crystal in which the crystal C and the crystal D are dissolved;
including.

[工程(1)]
工程(1)では、Liの炭酸塩及び/又は水酸化物塩と、Li以外の2種類以上の金属の酸化物、炭酸塩、水酸化物塩、硫酸塩、硝酸塩、塩酸塩、及び酢酸塩の内の少なくとも1つとを焼成して、Liと、Li以外に少なくとも2種類の金属元素を含み、かつ、Liのモル分率をM、Li以外の2種類以上の金属元素のモル分率をMとするとき、下記式(1):
1≦M/M≦4・・・(1)
を満足するリチウム含有金属酸化物Aを製造する。
ここで、リチウムのモル分率M、及び、リチウム以外の金属元素のモル分率Mは、リチウム含有金属酸化物A中におけるリチウムの全原子数とリチウム以外の全金属原子数に対して、それぞれ、
=リチウムの全原子数/(リチウムの全原子数+リチウム以外の全金属原子数)
=リチウム以外の全金属原子数/(リチウムの全原子数+リチウム以外の全金属原子数)
で定義される値である。
[Step (1)]
In the step (1), a carbonate and / or hydroxide salt of Li and an oxide, carbonate, hydroxide salt, sulfate, nitrate, hydrochloride, and acetate of two or more metals other than Li At least one of the above is fired, Li and at least two kinds of metal elements other than Li are included, and the mole fraction of Li is M L , and the mole fraction of two or more kinds of metal elements other than Li Where M is M , the following formula (1):
1 ≦ M M / M L ≦ 4 (1)
The lithium-containing metal oxide A satisfying the following conditions is produced.
Here, the molar fraction M L of lithium and the molar fraction M M of a metal element other than lithium are relative to the total number of lithium atoms and the total number of metal atoms other than lithium in the lithium-containing metal oxide A. ,Each,
M L = total number of lithium atoms / (total number of lithium atoms + total number of metal atoms other than lithium)
M M = total number of metal atoms other than lithium / (total number of lithium atoms + total number of metal atoms other than lithium)
It is a value defined by.

/Mの値が1未満であると、リチウム含有金属酸化物A中に同種の金属の凝集部が発生しやすくなり、そのような凝集部は元素分散性を低下させリチウムイオン二次電池の性能を損なうので好ましくない。他方、M/Mの値が4超であると、リチウム含有金属酸化物A中にリチウムを含まない酸化物の凝集部が発生しやすくなるので好ましくない。
リチウム含有金属酸化物Aは結晶構造であることが好ましい。アモルファス構造だと、酸化物内をリチウムが移動しにくく、リチウムイオン二次電池とした場合に大電流を流しにくい。
When the value of M M / M L is less than 1, aggregation of the same kind of metal is likely to occur in the lithium-containing metal oxide A, such aggregation unit lithium ion secondary reduce the element dispersibility This is not preferable because the performance of the battery is impaired. On the other hand, the value of M M / M L is greater than 4, the aggregation of oxides containing no lithium in the lithium-containing metal oxide A is likely to occur undesirably.
The lithium-containing metal oxide A preferably has a crystal structure. The amorphous structure makes it difficult for lithium to move within the oxide, and it is difficult to pass a large current when a lithium ion secondary battery is formed.

結晶構造を有するリチウム含有金属酸化物Aは、一般的には、一次粒子と、該一次粒子が凝集した二次粒子とからなる紛体である。一次粒子は、それ自身が単結晶であってもよく、複数の単結晶が異なる面方位で結合したものであってもよい。二次粒子は、他の粒子との結合箇所が無く、1つの粒子として単離できる形態のものである。
一次粒子の平均粒子径である平均一次粒径は、特に限定されるものではないが、平均一次粒径が大きくなりすぎると後述の工程(2)を経た後に得られる正極活物質の結晶の平均一次粒径も大きくなる結果、大電流を流しにくくなる等の放電特性の低下が起こるため、好適な平均一次粒径は、好ましくは2μm以下、より好ましくは1μm以下、さらに好ましくは0.5μm以下である。但し、平均一次粒径が小さくなりすぎると電池としての耐久性(長期保存特性、充放電の繰り返しによる劣化特性)が悪化するため、リチウム含有金属酸化物Aの好適な平均一次粒径は、好ましくは0.05μm以上、より好ましくは0.1μm以上である。
The lithium-containing metal oxide A having a crystal structure is generally a powder composed of primary particles and secondary particles in which the primary particles are aggregated. The primary particles may be single crystals themselves, or may be a combination of a plurality of single crystals with different plane orientations. The secondary particles have a form where they can be isolated as one particle without any bonding point with other particles.
The average primary particle size, which is the average particle size of the primary particles, is not particularly limited, but if the average primary particle size becomes too large, the average of the positive electrode active material crystals obtained after going through step (2) described later As the primary particle size increases, the discharge characteristics such as difficulty in passing a large current occur. Therefore, the preferred average primary particle size is preferably 2 μm or less, more preferably 1 μm or less, and even more preferably 0.5 μm or less. It is. However, if the average primary particle size becomes too small, the durability (long-term storage characteristics, deterioration characteristics due to repeated charge / discharge) deteriorates as the battery. Therefore, the preferred average primary particle diameter of the lithium-containing metal oxide A is preferably Is 0.05 μm or more, more preferably 0.1 μm or more.

工程(1)で製造されるリチウム含有金属酸化物Aは、リチウム以外の金属元素を少なくとも2種類含有している酸化物の結晶であれば特に限定されないが、それぞれの金属元素が結晶内で均一に分散している、すなわち同種の金属元素が凝集していないことが好ましい。同種の金属元素の凝集が発生すると、その凝集部分が最終的に元素分散性の低下となって目的の結晶構造と異なる構造になり、正極活物質の性能を低下させる。
リチウム含有金属酸化物Aを構成する少なくとも2種類の金属元素として、本実施形態の正極活物質として好ましいものは、Mn(マンガン)、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)、チタン(Ti)、モリブデン(Mo)、タングステン(W)、バナジウム(V)、鉄(Fe)、銅(Cu)、及びジルコニウム(Zr)である。
なかでも、3d軌道の有効核電荷が大きい金属元素がリチウムイオン二次電池の起電力を向上させるという点で好ましく、有効核電荷が6以上の鉄、コバルト、ニッケルが好ましく、最も有効核電荷が大きいニッケルが特に好ましい。
また、高容量を発現しやすい点から、上記金属元素としては、多くの価数状態を採れる金属元素、特に第6族の遷移金属元素であるモリブデン、タングステンが好ましい。
The lithium-containing metal oxide A produced in the step (1) is not particularly limited as long as it is an oxide crystal containing at least two kinds of metal elements other than lithium, but each metal element is uniform in the crystal. It is preferable that the same kind of metal element is not aggregated. When aggregation of the same kind of metal element occurs, the aggregated portion eventually decreases in element dispersibility, resulting in a structure different from the target crystal structure, thereby reducing the performance of the positive electrode active material.
As the positive electrode active material of the present embodiment, at least two kinds of metal elements constituting the lithium-containing metal oxide A are preferably Mn (manganese), nickel (Ni), cobalt (Co), titanium (Ti), and molybdenum. (Mo), tungsten (W), vanadium (V), iron (Fe), copper (Cu), and zirconium (Zr).
Among them, a metal element having a large effective nuclear charge in the 3d orbital is preferable in terms of improving the electromotive force of the lithium ion secondary battery, iron, cobalt and nickel having an effective nuclear charge of 6 or more are preferable, and the most effective nuclear charge is the most. Large nickel is particularly preferred.
In addition, from the viewpoint of easily developing a high capacity, the metal element is preferably a metal element that can take many valence states, particularly molybdenum or tungsten, which are Group 6 transition metal elements.

さらに、本発明では上記金属元素としてマンガンを含有することが好ましい。マンガンを含有することで、工程(2)において結晶内にリチウムを追加導入(追添)しやすくすることができる。
リチウム含有金属酸化物Aの構造としては特に限定されるものではないが、下記組成式(4):
Li1+kMe4―β{式中、Meは、Li以外の2種類以上の金属元素であり、そして0≦k<1、及び0≦β<1である。}で表されるスピネル構造が好ましい形態の1つである。スピネル構造としては、空間群Fd3−mに帰属されるディスオーダー構造でもよいし、空間群P432に帰属されるオーダー構造でもよく、その両方の構造が混じっていてもよい。尚、「Fd3−m」は本来「Fd3m」の「3」の上にバー「−」を施して表記すべきものである。
Furthermore, in the present invention, it is preferable to contain manganese as the metal element. By containing manganese, it is possible to facilitate the introduction (addition) of lithium into the crystal in the step (2).
The structure of the lithium-containing metal oxide A is not particularly limited, but the following composition formula (4):
Li 1 + k Me 2 O 4−β {wherein Me is two or more metal elements other than Li, and 0 ≦ k <1 and 0 ≦ β <1. } Is one of the preferred forms. The spinel structure may be a disordered structure belonging to the space group Fd3-m, an order structure belonging to the space group P4 3 32, or a mixture of both structures. Note that “Fd3-m” should be written by adding a bar “-” on “3” of “Fd3m”.

リチウム含有金属酸化物Aの構造としては、スピネル構造以外の、例えば、層状岩塩構造でもよく、その場合LiMOδで表される組成をとり、δは2又は2より極僅か小さな値になる。層状岩塩構造としては、空間群R3−mに帰属される構造でもよいし、空間群P312に帰属される構造でもよく、その両方の構造が混じっていてもよい。尚、「R3−m」は本来「R3m」の「3」の上にバー「−」を施して表記すべきものである。 The structure of the lithium-containing metal oxide A may be, for example, a layered rock salt structure other than the spinel structure. In this case, a composition represented by LiMO δ is adopted, and δ is a value slightly smaller than 2 or 2. The layered rock salt structure may be a structure belonging to the space group R3-m, a structure belonging to the space group P3 1 12, or a mixture of both. Note that “R3-m” should be represented by adding a bar “-” on “3” of “R3m”.

リチウム含有金属酸化物Aの構造として、上記以外の結晶構造、例えば、オリビン構造でもよく、もしくはリチウム含有金属酸化物Aが正極活物質として機能しない結晶でもよく、特に限定されるものではない。但し、高容量化のためには、工程(2)を経た後に得られるリチウム含有金属酸化物が正極活物質として機能する組成及び構造である必要がある。   The structure of the lithium-containing metal oxide A may be a crystal structure other than those described above, for example, an olivine structure, or a crystal in which the lithium-containing metal oxide A does not function as a positive electrode active material, and is not particularly limited. However, in order to increase the capacity, it is necessary that the lithium-containing metal oxide obtained after the step (2) has a composition and structure that function as a positive electrode active material.

工程(1)においてリチウム含有金属酸化物Aを製造する工程は、焼成する工程を経ていれば特に限定されるものではないが、高い元素分散性を有していることが好ましいため、例えば、以下のような3つの例を挙げることができる。
[例1]
例1としては、原料として細かく粉砕したリチウムの塩(例えば、硫酸リチウム、硝酸リチウム、炭酸リチウム、水酸化リチウム等)と細かく粉砕した2種類以上の金属酸化物とを混合した後、焼成する方法が挙げられる。このとき、紛体を混合した状態のまま焼成してもよいし、圧縮形成してペレット状にして焼成してもよいし、混合したものを水等の液体に分散又は溶解させてスプレードライ法等により噴霧乾燥したものを焼成してもよい。
The step of producing the lithium-containing metal oxide A in the step (1) is not particularly limited as long as it undergoes the firing step, but preferably has high element dispersibility. There are three examples.
[Example 1]
In Example 1, as a raw material, a finely pulverized lithium salt (for example, lithium sulfate, lithium nitrate, lithium carbonate, lithium hydroxide, etc.) and two or more finely pulverized metal oxides are mixed and then fired. Is mentioned. At this time, the powder may be baked in a mixed state, may be compressed and formed into pellets, or may be baked by dispersing or dissolving the mixture in a liquid such as water. You may bake what was spray-dried by.

[例2]
例2としては、原料としてリチウム及び2種類以上の金属の塩(例えば、硫酸塩、硝酸塩、塩酸塩、酢酸塩等)を水やエチレングリコール、プロピレングリコール等の溶媒に溶解させ、溶媒をドライアップした後に焼成する方法が挙げられる。特に、硝酸塩と酢酸塩を用いることが好ましく、硝酸イオンNO と酢酸イオンCHCOOのモル比が1:3となる混合割合で用いることが特に好ましい。この際、金属イオンに配位結合することで、ドライアップ時に同種の金属元素が凝集して元素分散性が低下することを抑制する働きを有する既知の錯形成剤を添加してもよい。そのような錯形成剤としては、クエン酸、酢酸、リンゴ酸、アセチルアセトン、ポリビニルアルコール等を用いることができる。
[Example 2]
In Example 2, lithium and two or more kinds of metal salts (for example, sulfate, nitrate, hydrochloride, acetate, etc.) are dissolved in water, a solvent such as ethylene glycol, propylene glycol, etc., and the solvent is dried up. The method of baking after performing is mentioned. In particular, it is preferable to use nitrate and acetate, and it is particularly preferable to use the mixture at a molar ratio of nitrate ion NO 3 and acetate ion CH 3 COO of 1: 3. At this time, a known complex-forming agent having a function of suppressing a reduction in element dispersibility by coagulating and bonding with metal ions to aggregate the same kind of metal elements during dry-up may be added. As such a complexing agent, citric acid, acetic acid, malic acid, acetylacetone, polyvinyl alcohol and the like can be used.

[例3]
例3としては、原料として2種類以上の金属の塩(例えば、硫酸塩、硝酸塩、塩酸塩、酢酸塩等)の水溶液とアルカリ水溶液(例えば、炭酸ナトリウム、炭酸水素ナトリウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム等)とを反応させて得られる難溶性の金属塩(例えば、炭酸塩、水酸化物塩、オキシ水酸化物塩、それらの複合塩等)の粒子に、前述のリチウムの塩を添加・混合した後、焼成する方法が挙げられる。
上記反応の際には、水溶液中の溶存酸素によって金属イオンが酸化されるのを防ぐために、窒素ガス、アルゴンガス、二酸化炭素(CO)等を吹き込んで反応させることが好ましい。炭酸塩を製造する場合には、二酸化炭素を採用すると、炭酸塩がより生成しやすい環境が与えられるため、好ましい。
また、金属イオンに配位結合し、難溶性の金属塩中で同種の金属元素が凝集して元素分散性が低下することを抑制する働きを有する既知の錯形成剤を添加してもよい。そのような錯形成剤としては、アンモニア、硫酸アンモニウム、エチレンジアミン、エチレンジアミン四酢酸、ビピリジン、ジアミノエタノール等を用いることができる。
[Example 3]
In Example 3, an aqueous solution of two or more kinds of metal salts (for example, sulfate, nitrate, hydrochloride, acetate, etc.) and an alkaline aqueous solution (for example, sodium carbonate, sodium bicarbonate, sodium hydroxide, hydroxide) are used as raw materials. The lithium salt described above is added to particles of poorly soluble metal salts (for example, carbonates, hydroxide salts, oxyhydroxide salts, complex salts thereof, etc.) obtained by reacting with potassium, etc. The method of baking after mixing is mentioned.
In the above reaction, in order to prevent metal ions from being oxidized by dissolved oxygen in the aqueous solution, it is preferable to react by blowing nitrogen gas, argon gas, carbon dioxide (CO 2 ), or the like. In the case of producing a carbonate, it is preferable to employ carbon dioxide because it provides an environment in which carbonate is more easily generated.
In addition, a known complex-forming agent may be added which has a function of coordinating with metal ions and suppressing aggregation of the same kind of metal elements in a poorly soluble metal salt to reduce element dispersibility. As such a complexing agent, ammonia, ammonium sulfate, ethylenediamine, ethylenediaminetetraacetic acid, bipyridine, diaminoethanol or the like can be used.

上記の例示のなかで、リチウム含有金属酸化物Aの元素分散性をより高めるという点では、例2又は例3が好ましく、二次粒子サイズの制御という点では例3が好ましい。合成時のコストを抑えるという点では例1が好ましい。
工程(1)における焼成温度は、目的のリチウム含有金属酸化物Aが得られる焼成温度であれば特に限定されないが、リチウムと2種類以上の金属元素が酸素と均一に反応するために、少なくとも300℃以上が好ましく、400℃以上がより好ましい。但し、焼成に伴う結晶化が進行しすぎて結晶の平均一次粒径が大きくなりすぎると、前述したとおり放電特性が悪化するため、1000℃以下とするのが好ましく、950℃以下がより好ましい。
工程(1)では、同じ又は異なる温度で複数回焼成を行ってもよく、例えば、400℃〜600℃で焼成した後、700〜900℃で焼成を行う等してもよい。複数回の焼成は、炉の中に原料を入れた状態で連続して行ってもよいし、ある温度で焼成後炉から原料を取り出して混合・解砕・圧縮等の処理を施した後に再度炉に入れて焼成してもよい。
Among the above examples, Example 2 or Example 3 is preferable in terms of enhancing the element dispersibility of the lithium-containing metal oxide A, and Example 3 is preferable in terms of controlling the secondary particle size. Example 1 is preferable in terms of reducing the cost during synthesis.
The firing temperature in the step (1) is not particularly limited as long as it is a firing temperature at which the target lithium-containing metal oxide A can be obtained, but at least 300 in order for lithium and two or more kinds of metal elements to react uniformly with oxygen. ° C or higher is preferable, and 400 ° C or higher is more preferable. However, if the average primary particle size of the crystal becomes too large due to excessive crystallization accompanying firing, the discharge characteristics deteriorate as described above, and therefore, it is preferably 1000 ° C. or less, more preferably 950 ° C. or less.
In the step (1), the baking may be performed a plurality of times at the same or different temperatures. For example, the baking may be performed at 700 to 900 ° C. after baking at 400 to 600 ° C. Multiple firings may be performed continuously with the raw material in the furnace, or after firing at a certain temperature, the raw material is taken out of the furnace and subjected to processing such as mixing, crushing, and compression again. You may bake in a furnace.

以上のようにして製造されたリチウム含有金属酸化物Aが目的の構造を有しているか否かは、既知のX線結晶解析手法によって判別することができる。また、リチウム含有金属酸化物A中のリチウム及び金属元素の重量割合は、既知の誘導結合プラズマ発光分析法(以下、ICPと略す。)によって求めることができる。また、リチウム含有金属酸化物Aを構成する結晶の平均一次粒径は、走査型電子顕微鏡(以下、SEMと略す。)を用いた画像に写る結晶の粒子径を複数測長し平均化することによって、あるいは不活性気体の物理吸着法量を計測する比表面積測定(以下、BETと略す。)によって求めることができる。BETによって求められた平均一次粒径は、粒子を真球の球体と仮定して算出したものとする。   Whether or not the lithium-containing metal oxide A produced as described above has the target structure can be determined by a known X-ray crystallographic technique. The weight ratio of lithium and metal element in the lithium-containing metal oxide A can be determined by a known inductively coupled plasma emission analysis method (hereinafter abbreviated as ICP). In addition, the average primary particle size of the crystals constituting the lithium-containing metal oxide A is obtained by measuring a plurality of crystal particle sizes in an image using a scanning electron microscope (hereinafter abbreviated as SEM) and averaging them. Or by specific surface area measurement (hereinafter abbreviated as BET) for measuring the physical adsorption method amount of an inert gas. The average primary particle size obtained by BET is calculated on the assumption that the particles are true spheres.

[工程(2)]
工程(2)では、工程(1)で得られたリチウム含有金属酸化物Aと、下記組成式(2):
Li・・・(2)
{式中、1≦x≦2、0≦a≦1、1≦b≦3、及び0≦c≦2の関係を満足する。}で表されるリチウム化合物Bを混合して、前記工程(1)における最高焼成温度より低い温度で焼成して、下記組成式(3):
Li1+jMeOα・・・(3)
{式中、Meは、Li以外の2種類以上の金属元素であり、そして0≦j≦1、及び2≦α≦3である。}で表されるLiが層状に配列した層状構造を有する結晶C、又は下記組成式(4):
Li1+kMe4―β・・・(4)
{式中、Meは、Li以外の2種類以上の金属元素であり、そして0≦k<1、及び0≦β<1である。}で表されるスピネル構造を有する結晶D、又は該結晶Cと該結晶Dとが固溶した結晶を製造する。
[Step (2)]
In the step (2), the lithium-containing metal oxide A obtained in the step (1) and the following composition formula (2):
Li x C a O b H c (2)
{In the formula, 1 ≦ x ≦ 2, 0 ≦ a ≦ 1, 1 ≦ b ≦ 3, and 0 ≦ c ≦ 2 are satisfied. } Is mixed and calcined at a temperature lower than the maximum calcining temperature in the step (1), and the following composition formula (3):
Li 1 + j MeO α (3)
{Wherein Me is two or more metal elements other than Li, and 0 ≦ j ≦ 1 and 2 ≦ α ≦ 3. } The crystal C having a layered structure in which Li represented by the following formula is arranged, or the following composition formula (4):
Li 1 + k Me 2 O 4-β (4)
{Wherein Me is two or more metal elements other than Li, and 0 ≦ k <1 and 0 ≦ β <1. }, Or a crystal in which the crystal C and the crystal D are in solid solution.

工程(2)は、リチウム含有金属酸化物Aにリチウムを追加で導入する(追添する)ことで、正極活物質を構成するリチウム含有金属酸化物中のリチウム含有量を増やす工程である。追加で導入するリチウムの原料としては、リチウム含有金属酸化物Aと反応することでリチウム含有金属酸化物Aの結晶内にリチウムが拡散していくものであれば特に限定されないが、前述の組成式(2)で表されるリチウム化合物Bが、効率的にリチウムを導入できるため好ましい。そのようなリチウム化合物Bとしては、炭酸リチウム、水酸化リチウム、それらの混合物を挙げることができる。
尚、追加で導入するリチウムの原料としては、組成式(2)で表されるリチウム化合物B以外に、必要に応じて、硝酸リチウム、硫酸リチウム、塩化リチウム等を単独で用いても又は併用してもよい。
Step (2) is a step of increasing the lithium content in the lithium-containing metal oxide constituting the positive electrode active material by additionally introducing (adding) lithium to the lithium-containing metal oxide A. The lithium material to be additionally introduced is not particularly limited as long as lithium diffuses into the crystal of the lithium-containing metal oxide A by reacting with the lithium-containing metal oxide A, but the above-described composition formula The lithium compound B represented by (2) is preferable because lithium can be efficiently introduced. Examples of the lithium compound B include lithium carbonate, lithium hydroxide, and a mixture thereof.
In addition to the lithium compound B represented by the composition formula (2), lithium nitrate, lithium sulfate, lithium chloride, etc. may be used alone or in combination as the lithium raw material to be additionally introduced, if necessary. May be.

リチウム含有金属酸化物Aとリチウム化合物Bとを混合させる際には、粉砕等により微細化したリチウム化合物Bを用いてもよいし、水等の液体に溶かした又は分散させたリチウム化合物Bを用いてもよい。水等の液に溶かした場合には、焼成する前に液体をドライアップしてもよいし、液体が残ったまま焼成してもよい。   When mixing the lithium-containing metal oxide A and the lithium compound B, the lithium compound B refined by pulverization or the like may be used, or the lithium compound B dissolved or dispersed in a liquid such as water is used. May be. When dissolved in a liquid such as water, the liquid may be dried up before firing, or may be fired with the liquid remaining.

工程(2)における焼成温度は、以下の2つの下限と上限の温度範囲であることが必要である。
焼成温度の下限は、リチウム含有金属酸化物Aとリチウム化合物Bが反応し、リチウム含有金属酸化物Aの結晶内にリチウムが拡散し始める温度以上である。この温度はリチウム含有金属酸化物Aとリチウム化合物Bの種類によって変わるが、上記の反応は一般に吸熱反応で、かつ混合物の重量減を伴う反応であるため、熱重量−示差熱分析(Thermogravimetric − Differential Thermal Analysis、以下、TG−DTAと略す。)を行い、重量減と吸熱反応が起こる温度を計測することで、上記温度を設定することができる。より具体的には、重量減を示しつつ、示唆熱減少が極小値を示す温度に対して、−100℃以上+200℃以下の範囲が好ましく、より好ましくは―50℃以上+150℃以下の範囲である。
The firing temperature in the step (2) needs to be in the following two lower and upper temperature ranges.
The lower limit of the firing temperature is equal to or higher than the temperature at which lithium-containing metal oxide A and lithium compound B react and lithium starts to diffuse into the crystal of lithium-containing metal oxide A. Although this temperature varies depending on the types of the lithium-containing metal oxide A and the lithium compound B, since the above reaction is generally an endothermic reaction and is accompanied by weight loss of the mixture, thermogravimetric-differential thermal analysis (Thermogravimetric-Differential). Thermal Analysis (hereinafter abbreviated as TG-DTA) is performed, and the temperature can be set by measuring the temperature at which weight loss and endothermic reaction occur. More specifically, it is preferably in the range of −100 ° C. or higher and + 200 ° C. or lower, more preferably in the range of −50 ° C. or higher and + 150 ° C. or lower, with respect to the temperature at which the suggested heat reduction shows the minimum value while showing weight loss. is there.

焼成温度の上限は、工程(1)の最高焼成温度未満である。焼成温度がこの上限を超えてしまうと、追加で導入したリチウムの結晶内拡散によって結晶成長が急激に加速し、その平均一次粒径が好適な範囲(好適な範囲は本実施形態におけるリチウム含有金属酸化物Aのそれと同じである)を超えてしまって放電特性を悪化させる。
また、工程(2)における焼成温度は上記の温度範囲であることが必要であるが、上記の温度範囲における下限に近い温度付近で焼成するほうが好ましい場合が多い。工程(2)での焼成温度が高いと、リチウム含有金属酸化物Aの結晶内でリチウムだけでなく金属元素の拡散も同時に発生し、結果、特定の金属元素が偏析して元素分散性が低下し、目的とする組成・結晶構造の正極活物質が得られない。本発明では、工程(1)で製造したリチウム含有金属酸化物A中における金属元素の分散(分布)状態をできる限り保持したままリチウムの含有量を増加させることにより元素分散性の高い目的の正極活物質を得るため、リチウム含有金属酸化物Aの結晶内での金属元素の拡散はできるだけ抑制しつつ、工程(2)においてリチウム含有金属酸化物Aの結晶内にリチウムを均一に導入することが望ましい。従って、リチウム含有金属酸化物A及びリチウム化合物Bの種類に依存するものの、工程(2)における焼成温度は、前述の温度範囲における下限又は下限よりやや高い温度付近が好ましい。
The upper limit of the firing temperature is less than the maximum firing temperature of step (1). If the firing temperature exceeds this upper limit, crystal growth is accelerated rapidly due to the diffusion of lithium introduced into the crystal, and the average primary particle size is in a suitable range (preferable range is the lithium-containing metal in the present embodiment). It is the same as that of oxide A) and the discharge characteristics are deteriorated.
In addition, the firing temperature in the step (2) needs to be in the above temperature range, but it is often preferable to perform firing near the lower limit in the above temperature range. When the firing temperature in the step (2) is high, not only lithium but also metal elements diffuse simultaneously in the crystal of the lithium-containing metal oxide A. As a result, specific metal elements segregate and element dispersibility decreases. However, a positive electrode active material having a desired composition and crystal structure cannot be obtained. In the present invention, the target positive electrode having high element dispersibility is obtained by increasing the lithium content while maintaining the dispersion (distribution) state of the metal element in the lithium-containing metal oxide A produced in the step (1) as much as possible. In order to obtain an active material, it is possible to uniformly introduce lithium into the crystal of the lithium-containing metal oxide A in step (2) while suppressing diffusion of the metal element in the crystal of the lithium-containing metal oxide A as much as possible. desirable. Accordingly, although depending on the types of the lithium-containing metal oxide A and the lithium compound B, the firing temperature in the step (2) is preferably near the lower limit or slightly higher than the lower limit in the above temperature range.

工程(2)では、上記の温度範囲内で、同じ又は異なる温度で複数回焼成を行ってもよい。複数回の焼成は、炉の中に原料を入れた状態で連続して行ってもよいし、ある温度で焼成後炉から原料を取り出して混合・解砕・圧縮等の処理を施した後に再度炉に入れて焼成してもよい。例えば、400℃〜600℃で焼成した後、炉から出して混合・解砕した後、再度、400℃〜600℃で焼成を行う等してもよい。この際の焼成時間は特に限定されるものではないが、リチウム含有金属酸化物Aとリチウム化合物Bとの反応を十分に完結させるために、30分以上が好ましく、より好ましくは1時間以上であって、上限時間は特に問わない。但し、生産コストの点からは、焼成時間を24時間以下にすることが好ましく、10時間以下がより好ましい。   In the step (2), baking may be performed a plurality of times at the same or different temperatures within the above temperature range. Multiple firings may be performed continuously with the raw material in the furnace, or after firing at a certain temperature, the raw material is taken out of the furnace and subjected to processing such as mixing, crushing, and compression again. You may bake in a furnace. For example, after firing at 400 ° C. to 600 ° C., the mixture may be removed from the furnace, mixed and crushed, and then fired again at 400 ° C. to 600 ° C. The firing time at this time is not particularly limited, but is preferably 30 minutes or more, more preferably 1 hour or more in order to sufficiently complete the reaction between the lithium-containing metal oxide A and the lithium compound B. The upper limit time is not particularly limited. However, from the viewpoint of production cost, the firing time is preferably 24 hours or less, and more preferably 10 hours or less.

工程(2)では、リチウム含有金属酸化物Aとリチウム化合物Bとの反応においてリチウム含有金属酸化物Aの結晶内にリチウムが導入され内部を拡散していく際、リチウム含有金属酸化物Aの結晶構造は保持されたままでもよいし、一部又は全部が別の構造に変化してもよい。変化したことによって正極活物質としての機能が発現してもよい。
本実施形態におけるリチウムイオン二次電池用の正極活物質の製造方法では、工程(2)の後に、必要に応じて、工程(2)における最高焼成温度より高い温度で更に焼成する工程を有してもよい。これにより、正極活物質を構成する結晶の平均一次粒径を好適な範囲(好適な範囲はリチウム含有金属酸化物Aのそれと同じである)に調整してもよい。
また、上記の更なる焼成する工程を経ることにより、リチウム含有金属酸化物Aの構造とは異なる下記組成式(3):
Li1+jMeOα・・・(3)
{式中、Meは、Li以外の少なくとも2種類以上の金属元素であり、そして0≦j≦1、及び2≦α≦3である。}で表されるLiが層状に配列した層状構造を有する結晶Cを、リチウム含有金属酸化物の結晶内に形成してもよい。そのような新たな結晶構造としては、例えば、リチウムの含有量が多い下記組成式(6):
LiMeO3−γ・・・(6)
{式中、0≦γ≦1である。}で表される層状構造を有する結晶を挙げることができるが、特に限定されるものではない。
In step (2), when lithium is introduced into the crystal of lithium-containing metal oxide A and diffuses in the reaction between lithium-containing metal oxide A and lithium compound B, the crystal of lithium-containing metal oxide A The structure may remain retained, or part or all may be changed to another structure. The function as the positive electrode active material may be manifested by the change.
In the manufacturing method of the positive electrode active material for lithium ion secondary batteries in this embodiment, it has the process of further baking at the temperature higher than the highest baking temperature in a process (2) as needed after a process (2). May be. Thereby, you may adjust the average primary particle diameter of the crystal | crystallization which comprises a positive electrode active material to the suitable range (The suitable range is the same as that of the lithium containing metal oxide A).
In addition, the composition formula (3) below, which is different from the structure of the lithium-containing metal oxide A, is obtained through the above-mentioned further firing step.
Li 1 + j MeO α (3)
{Wherein Me is at least two kinds of metal elements other than Li, and 0 ≦ j ≦ 1 and 2 ≦ α ≦ 3. } May be formed in the crystal of the lithium-containing metal oxide. As such a new crystal structure, for example, the following composition formula (6) having a large lithium content:
Li 2 MeO 3-γ (6)
{Where 0 ≦ γ ≦ 1. }, There is no particular limitation, but there is no particular limitation.

ここで、リチウム含有金属酸化物Aを構成する金属元素の1つとしてマンガン又はチタンを用いることで、リチウムを過剰に含有するLiMeO3−γの組成で示される構造を形成しやすくなる。Meがマンガン又はチタンだけからなるLiMeO3−γの組成で示される構造は前述のとおり電気抵抗が高く、あまり焼成温度が高すぎるとMeがマンガン又はチタンだけからなる結晶が発生・肥大化してくるため、工程(2)の後に更に焼成する工程を追加する場合は、その焼成温度を好ましくは1000℃以下、より好ましくは950℃以下とするのがより好ましい。
尚、工程(1)と工程(2)の両者における焼成時の雰囲気としては、酸素雰囲気下であっても窒素雰囲気下であってもよく特に限定されない。また、焼成工程の昇温及び降温速度も特に限定されないが、好ましくは両方とも1℃/min〜50℃/minであり、より好ましくは1℃/min〜15℃/minである。
Here, by using manganese or titanium as one of the metal elements constituting the lithium-containing metal oxide A, a structure represented by a composition of Li 2 MeO 3-γ containing excessive lithium can be easily formed. The structure shown by the composition of Li 2 MeO 3-γ where Me is composed of only manganese or titanium has high electrical resistance as described above, and if the firing temperature is too high, crystals where Me is composed of only manganese or titanium are generated and enlarged. Therefore, when a step of further baking is added after step (2), the baking temperature is preferably 1000 ° C. or lower, more preferably 950 ° C. or lower.
Note that the atmosphere during firing in both step (1) and step (2) may be in an oxygen atmosphere or a nitrogen atmosphere, and is not particularly limited. Moreover, although the temperature increase and temperature decrease rate of a baking process are not specifically limited, Preferably both are 1 degreeC / min-50 degreeC / min, More preferably, they are 1 degreeC / min-15 degreeC / min.

以上の工程(1)と工程(2)を含む製造方法によって、本発明に係るリチウムイオン二次電池用正極活物質を製造することができる。
本発明によって製造されるリチウムイオン二次電池用正極活物質は、下記組成式(3):
Li1+jMeOα・・・(3)
{式中、Meは、Li以外の2種類以上の金属元素であり、そして0≦j≦1、及び2≦α≦3である。}で表されるLiが層状に配列した層状構造を有する結晶C、又は下記組成式(4):
Li1+kMe4―β・・・(4)
{式中、Meは、Li以外の2種類以上の金属元素であり、そして0≦k<1、及び0≦β<1である。}で表されるスピネル構造を有する結晶D、又は該結晶Cと該結晶Dとが固溶した結晶のいずれかを含む。
The positive electrode active material for a lithium ion secondary battery according to the present invention can be produced by the production method including the steps (1) and (2).
The positive electrode active material for a lithium ion secondary battery produced by the present invention has the following composition formula (3):
Li 1 + j MeO α (3)
{Wherein Me is two or more metal elements other than Li, and 0 ≦ j ≦ 1 and 2 ≦ α ≦ 3. } The crystal C having a layered structure in which Li represented by the following formula is arranged, or the following composition formula (4):
Li 1 + k Me 2 O 4-β (4)
{Wherein Me is two or more metal elements other than Li, and 0 ≦ k <1 and 0 ≦ β <1. } The crystal | crystallization D which has a spinel structure represented by these, or the crystal | crystallization where this crystal | crystallization C and this crystal | crystallization D dissolved.

組成式Li1+jMeOαで表される層状構造としては、j=1及びα=2であるLiMeO組成のものから、j=2及びα=3であるLiMeO組成のものまでが、また、それらの複数組成が任意の割合で混ざった状態のものが含まれる。
組成式Li1+kMe4―βで表されるスピネル構造においても、複数組成が任意の割合で混ざった結晶構造のものが含まれる。
さらに、前述の層状構造とスピネル構造が固溶した結晶構造のものも含まれる。
The layered structure represented by the composition formula Li 1 + j MeO α is from a LiMeO 2 composition where j = 1 and α = 2 to a Li 2 MeO 3 composition where j = 2 and α = 3. Moreover, the thing of the state in which those multiple compositions were mixed in arbitrary ratios is contained.
The spinel structure represented by the composition formula Li 1 + k Me 2 O 4-β also includes a crystal structure in which a plurality of compositions are mixed at an arbitrary ratio.
Furthermore, the thing of the crystal structure which the above-mentioned layered structure and spinel structure dissolved is contained.

具体的な例としては、前述のスピネル構造と前述のLiMeO3−γ組成の層状構造とが固溶した結晶構造を有するものを挙げることができる。かかる結晶構造を有する正極活物質は、スピネル構造の高い結晶安定性と、リチウム含有量の多いLiMeO3−γ組成の層状構造とが固溶した結晶構造により、高耐久性と高容量を両立することができ、高い元素分散性を担保することで大電流を流しやすくすることができる。 As a specific example, one having a crystal structure in which the above-mentioned spinel structure and the above-described layered structure having the Li 2 MeO 3 -γ composition are dissolved can be given. The positive electrode active material having such a crystal structure has high durability and high capacity due to a crystal structure in which a high crystal stability of a spinel structure and a layered structure of a Li 2 MeO 3-γ composition with a high lithium content are dissolved. It is possible to achieve both, and it is easy to flow a large current by ensuring high element dispersibility.

また、前述のスピネル構造と前述のLiMeO組成の層状構造とが固溶した結晶構造を有するものを挙げることができる。かかる結晶構造を有し、高い元素分散性を保持することにより、スピネル構造の高い結晶安定性と、大電流を流しやすいLiMeO組成の層状構造の両方の特徴を兼ね備えた正極活物質を得ることができる。 Further, there can be mentioned those having a crystal structure in which the above-mentioned spinel structure and the above-described layered structure of the LiMeO 2 composition are dissolved. By having such a crystal structure and maintaining high element dispersibility, it is possible to obtain a positive electrode active material having both characteristics of a high crystal stability of a spinel structure and a layered structure of a LiMeO 2 composition that easily allows a large current to flow. Can do.

さらに、前述のLiMeO3−γ組成の層状構造と前述のLiMeO組成の層状構造とが固溶した結晶構造を有するものを挙げることができる。かかる結晶構造を有し、高い元素分散性を保持することにより、高容量かつ大電流を流しやすい正極活物質を得ることができる。 Further, there may be mentioned those having a crystal structure in which the layered structure of the above Li 2 MeO 3-γ composition and layer structure of the aforementioned LiMeO 2 composition in a solid solution state. By having such a crystal structure and maintaining high element dispersibility, it is possible to obtain a positive electrode active material that is easy to pass a large capacity and large current.

さらに、前述のLiMeO3−γ組成の層状構造からなるものを挙げることもできる。Meが2種類以上の金属元素からなり、かつ、高い元素分散性を保持することにより、高容量かつ大電流を流しやすい正極活物質を得ることができる。
さらに、組成式Li1+kMe4―βで表されるスピネル構造において、k>0のリチウムを過剰に含有するものも挙げることができる。かかる結晶構造を有し、高い元素分散性を保持することにより、高容量かつ大電流を流しやすい正極活物質を得ることができる。
In addition, there may also be mentioned those made of a layered structure of the above Li 2 MeO 3-γ composition. When Me is composed of two or more kinds of metal elements and maintains high element dispersibility, a positive electrode active material that is easy to pass a large capacity and a large current can be obtained.
Furthermore, in the spinel structure represented by the composition formula Li 1 + k Me 2 O 4−β , one containing an excessive amount of lithium of k> 0 can be given. By having such a crystal structure and maintaining high element dispersibility, it is possible to obtain a positive electrode active material that is easy to pass a large capacity and large current.

[リチウムイオン二次電池]
本実施形態におけるリチウムイオン含有金属酸化物をリチウムイオン二次電池に用いる際の一例を以下に示す。
リチウムイオン二次電池は、正極、負極、電解液、セパレーター、及びそれらを収納して電気的接続及び絶縁をとるための外装体からなる。
正極及びその製造方法の一例を以下に示す。正極は一般に正極活物質と集電箔以外に、導電助剤とバインダーを含有することが好ましい。ここで、導電助剤としては、電子を伝導できる公知のものであれば特に限定されないが、グラファイトやアセチレンブラックやカーボンブラックに代表される炭素材料が好適である。また、バインダーとしては正極に含まれる2種類以上の構成材料を結着できるものであれば特に限定されないが、ポリフッ化ビニリデン(以下、PVDFと略す。)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリアクリル酸、スチレンブタジエンゴム及びフッ素ゴムに代表されるポリマー材料が好適である。これらは1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いられる。集電箔としては特に限定されないが、例えば、アルミニウム、チタン、ステンレス等の金属箔、エキスパンドメタル、パンチメタル、発泡メタル、カーボンクロス、カーボンペーパー等が好適である。
[Lithium ion secondary battery]
An example of using the lithium ion-containing metal oxide in the present embodiment for a lithium ion secondary battery is shown below.
The lithium ion secondary battery includes a positive electrode, a negative electrode, an electrolytic solution, a separator, and an exterior body for housing them for electrical connection and insulation.
An example of the positive electrode and its manufacturing method is shown below. In general, the positive electrode preferably contains a conductive additive and a binder in addition to the positive electrode active material and the current collector foil. Here, the conductive auxiliary agent is not particularly limited as long as it is a known one that can conduct electrons, but a carbon material typified by graphite, acetylene black, and carbon black is preferable. The binder is not particularly limited as long as it can bind two or more kinds of constituent materials contained in the positive electrode, but is not limited to polyvinylidene fluoride (hereinafter abbreviated as PVDF), polytetrafluoroethylene (PTFE), polyacrylic. Polymer materials typified by acid, styrene butadiene rubber and fluoro rubber are preferred. These are used singly or in combination of two or more. Although it does not specifically limit as current collection foil, For example, metal foil, such as aluminum, titanium, stainless steel, an expanded metal, a punch metal, a foam metal, carbon cloth, carbon paper, etc. are suitable.

正極活物質であるリチウム含有金属酸化物と、必要に応じて、前述の導電助剤やバインダー等を加えて混合した正極合剤をN−メチルピロリドン(以下、NMPと略す。)のような溶剤に分散させて正極合剤含有ペーストを調製する。次いで、この正極合剤含有ペーストを集電箔に塗布し、乾燥して正極合剤層を形成し、それを必要に応じて加圧し厚みを調整することによって、正極が製造される。尚、正極活物質は1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いることができる。   A solvent such as N-methylpyrrolidone (hereinafter abbreviated as NMP) is prepared by mixing a lithium-containing metal oxide, which is a positive electrode active material, and, if necessary, a positive electrode mixture obtained by adding the above-described conductive additive or binder. To prepare a positive electrode mixture-containing paste. Next, this positive electrode mixture-containing paste is applied to a current collector foil and dried to form a positive electrode mixture layer, which is pressurized as necessary to adjust the thickness, thereby producing a positive electrode. In addition, a positive electrode active material can be used individually by 1 type or in combination of 2 or more types.

負極及びその製造方法の一例を以下に示す。負極は、リチウムイオン二次電池の負極として作用するものであれば特に限定されず、公知のものを用いることができる。負極は、負極活物質としてリチウムイオンを吸蔵及び放出することが可能な材料からなる群より選ばれる1種以上を含有することが好ましい。すなわち、負極は、リチウム金属、あるいは、負極活物質として炭素負極活物質、ケイ素合金負極活物質やスズ合金負極活物質といったリチウムと合金形成が可能な元素を含む負極活物質、ケイ素酸化物負極活物質、スズ酸化物負極活物質、及びチタン酸リチウム負極活物質に代表されるリチウム含有化合物からなる群より選ばれる1種以上の負極活物質を含有することが好ましい。これらの負極活物質は、1種又は組合せて用いることも可能である。   An example of the negative electrode and the manufacturing method thereof is shown below. A negative electrode will not be specifically limited if it acts as a negative electrode of a lithium ion secondary battery, A well-known thing can be used. It is preferable that a negative electrode contains 1 or more types chosen from the group which consists of a material which can occlude and discharge | release lithium ion as a negative electrode active material. That is, the negative electrode is lithium metal, or a negative electrode active material containing an element capable of forming an alloy with lithium, such as a carbon negative electrode active material, a silicon alloy negative electrode active material, or a tin alloy negative electrode active material, and a silicon oxide negative electrode active material. It is preferable to contain at least one negative electrode active material selected from the group consisting of a material, a tin oxide negative electrode active material, and a lithium-containing compound typified by a lithium titanate negative electrode active material. These negative electrode active materials can be used alone or in combination.

炭素負極活物質としては、例えば、ハードカーボン、ソフトカーボン、人造黒鉛、天然黒鉛、黒鉛、熱分解炭素、コークス、ガラス状炭素、有機高分子化合物の焼成体、メソカーボンマイクロビーズ、炭素繊維、活性炭、グラファイト、炭素コロイド、カーボンブラックが挙げられる。コークスとしては、例えば、ピッチコークス、ニードルコークス、石油コークスが挙げられる。また、有機高分子化合物の焼成体とは、フェノール樹脂やフラン樹脂などの高分子材料を適当な温度で焼成して炭素化したものである。   Examples of the carbon negative electrode active material include hard carbon, soft carbon, artificial graphite, natural graphite, graphite, pyrolytic carbon, coke, glassy carbon, fired body of organic polymer compound, mesocarbon microbead, carbon fiber, activated carbon , Graphite, carbon colloid, and carbon black. Examples of coke include pitch coke, needle coke, and petroleum coke. Moreover, the fired body of an organic polymer compound is obtained by firing and carbonizing a polymer material such as a phenol resin or a furan resin at an appropriate temperature.

リチウムイオンを吸蔵及び放出することが可能な材料としては、リチウムと合金を形成可能な元素を含む負極活物質も挙げられる。この負極活物質は金属又は半金属の単体であっても、合金や化合物であってもよく、また、これらの1種又は2種以上の相を少なくとも一部に有するようなものであってもよい。尚、本明細書において、「合金」には、2種以上の金属元素からなるものに加えて、1種以上の金属元素と1種以上の半金属元素とを有するものも含まれる。また、合金には、全体として金属の性質を有するものであれば非金属元素が含まれていてもよい。   Examples of a material capable of inserting and extracting lithium ions include a negative electrode active material containing an element capable of forming an alloy with lithium. The negative electrode active material may be a single metal or metalloid, an alloy or a compound, and may have at least a part of one or more of these phases. Good. In the present specification, the “alloy” includes an alloy having one or more metal elements and one or more metalloid elements in addition to an alloy composed of two or more metal elements. Further, the alloy may contain a nonmetallic element as long as it has metal properties as a whole.

金属元素及び半金属元素としては、例えば、チタン、スズ(Sn)、鉛(Pb)、アルミニウム、インジウム(In)、ケイ素(Si)、亜鉛(Zn)、アンチモン(Sb)、ビスマス(Bi)、ガリウム(Ga)、ゲルマニウム(Ge)、ヒ素(As)、銀(Ag)、ハフニウム(Hf)、ジルコニウム、イットリウム(Y)が挙げられる。
これらの中でも、長周期型周期表における4族又は14族の金属元素及び半金属元素が好ましく、特に好ましくはチタン、ケイ素、スズである。
スズの合金としては、例えば、スズ以外の第2の構成元素として、ケイ素、マグネシウム(Mg)、ニッケル、銅、鉄、コバルト、マンガン、亜鉛、インジウム、銀、チタン,ゲルマニウム、ビスマス、アンチモン、クロム(Cr)からなる群より選ばれる1種以上の元素を有するものが挙げられる。
ケイ素の合金としては、例えば、ケイ素以外の第2の構成元素として、スズ、マグネシウム、ニッケル、銅、鉄、コバルト、マンガン、亜鉛、インジウム、銀、チタン、ゲルマニウム、ビスマス、アンチモン、クロムからなる群より選ばれる1種以上の元素を有するものが挙げられる。
チタン化合物、スズ化合物及びケイ素化合物としては、例えば、酸素又は炭素を有するものが挙げられ、チタン、スズ又はケイ素に加えて、上述の第2の構成元素を有していてもよい。
Examples of metal elements and metalloid elements include titanium, tin (Sn), lead (Pb), aluminum, indium (In), silicon (Si), zinc (Zn), antimony (Sb), bismuth (Bi), Examples include gallium (Ga), germanium (Ge), arsenic (As), silver (Ag), hafnium (Hf), zirconium, and yttrium (Y).
Among these, metal elements and metalloid elements of Group 4 or Group 14 in the long-period periodic table are preferable, and titanium, silicon, and tin are particularly preferable.
Examples of the tin alloy include silicon, magnesium (Mg), nickel, copper, iron, cobalt, manganese, zinc, indium, silver, titanium, germanium, bismuth, antimony, and chromium as the second constituent element other than tin. Examples thereof include those having one or more elements selected from the group consisting of (Cr).
Examples of the silicon alloy include, as the second constituent element other than silicon, a group consisting of tin, magnesium, nickel, copper, iron, cobalt, manganese, zinc, indium, silver, titanium, germanium, bismuth, antimony, and chromium. Those having one or more elements selected from the above are listed.
As a titanium compound, a tin compound, and a silicon compound, what has oxygen or carbon is mentioned, for example, In addition to titanium, tin, or silicon, you may have the above-mentioned 2nd structural element.

上記負極活物質に、必要に応じて、導電助剤やバインダー等を加えて混合した負極合剤を溶剤に分散させて負極合剤含有ペーストを調製する。バインダーとしては負極に含まれる2種類以上の構成材料を結着できるものであれば特に限定されないが、その中でも、カルボキシメチルセルロース、スチレン−ブタジエンの架橋ゴムラテックス、アクリル系ラテックス、ポリフッ化ビニリデンが好ましい。これらは1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いられる。
次いで、この負極合剤含有ペーストを集電体に塗布し、乾燥して負極合剤層を形成し、それを必要に応じて加圧し厚みを調整することによって、負極が製造される。負極における集電体は、例えば、銅箔、ニッケル箔、ステンレス箔などの金属箔により構成される。尚、負極活物質は1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いることができる。
A negative electrode mixture-containing paste is prepared by dispersing, in a solvent, a negative electrode mixture prepared by adding a conductive additive, a binder, or the like to the negative electrode active material as necessary. The binder is not particularly limited as long as it can bind two or more constituent materials contained in the negative electrode. Among them, carboxymethyl cellulose, styrene-butadiene crosslinked rubber latex, acrylic latex, and polyvinylidene fluoride are preferable. These are used singly or in combination of two or more.
Next, this negative electrode mixture-containing paste is applied to a current collector and dried to form a negative electrode mixture layer, which is pressurized as necessary to adjust the thickness, thereby producing a negative electrode. The current collector in the negative electrode is made of, for example, a metal foil such as a copper foil, a nickel foil, or a stainless steel foil. In addition, a negative electrode active material can be used individually by 1 type or in combination of 2 or more types.

電解液は、リチウム塩と非水溶媒を含有し、リチウムイオン二次電池の電解液として作用するものであれば特に限定されず、公知のものを用いることができる。
リチウム塩としては、イオン伝導性の観点から、好ましくは、LiPF、LiCIO、LiAsF、LiSiF、LiOSO2k+1〔kは1〜8の整数〕、LiN(SO2t+1〔tは1〜8の整数〕、LiPF(C2t+16−n[nは1〜5の整数、tは1〜8の整数〕、LiPF(C)、LiPF(C、LiBF、LiAlO、LiAlCl、Li1212−g〔gは0〜3の整数〕、LiBF(C2s+14−q〔qは1〜3の整数、sは1〜8の整数〕、LiB(C、LiBF(C)、LiB(C、LiPF(C)等であり、特に好ましくは、LiPFが挙げられる。これらの電解質は、1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いることができる。
The electrolytic solution is not particularly limited as long as it contains a lithium salt and a non-aqueous solvent and acts as an electrolytic solution of a lithium ion secondary battery, and a known one can be used.
From the viewpoint of ion conductivity, the lithium salt is preferably LiPF 6 , LiCIO 4 , LiAsF 6 , Li 2 SiF 6 , LiOSO 2 C k F 2k + 1 [k is an integer of 1 to 8], LiN (SO 2 C t F 2t + 1 ) 2 [t is an integer of 1 to 8], LiPF n (C t F 2t + 1 ) 6-n [n is an integer of 1 to 5, t is an integer of 1 to 8], LiPF 4 (C 2 O 2), LiPF 2 (C 2 O 2) 2, LiBF 4, LiAlO 4, LiAlCl 4, Li 2 B 12 F g H 12-g [g is an integer of from 0 to 3], LiBF q (C s F 2s + 1) 4-q [q is an integer of 1 to 3, s is an integer of 1 to 8], LiB (C 2 O 4 ) 2 , LiBF 2 (C 2 O 4 ), LiB (C 3 O 4 H 2 ) 2 , LiPF 4 (C 2 O 2 ) etc. Particularly preferred is LiPF 6 . These electrolytes can be used singly or in combination of two or more.

非水溶媒としては、様々なものを用いることができるが、非プロトン性極性溶媒が好ましい。その具体例としては、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、1,2−ブチレンカーボネート、2,3−ブチレンカーボネート、1,2−ペンチレンカーボネート、2,3−ペンチレンカーボネート、トリフルオロメチルエチレンカーボネート、フルオロエチレンカーボネート、4,5−ジフルオロエチレンカーボネートなどの環状カーボネート;γ−プチロラクトン、γ−バレロラクトンなどのラクトン;スルホランなどの環状スルホン;テトラヒドロフラン、ジオキサンなどの環状エーテル;エチルメチルカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルプロピルカーボネート、メチルイソプロビルカーボネート、ジプロピルカーボネート、メチルブチルカーボネート、ジブチルカーボネート、エチルプロピルカーボネート、メチルトリフルオロエチルカーボネートなどの鎖状カーボネート;アセトニトリルなどのニトリル;ジメチルエーテルなどの鎖状エ一テル;プロピオン酸メチルなどの鎖状カルボン酸エステル;ジメトキシエタンなどの鎖状エーテルカーボネート化合物が挙げられる。これらは1種を単独で又は2種以上を組み合わせて用いることができる。   Although various things can be used as a non-aqueous solvent, an aprotic polar solvent is preferable. Specific examples thereof include ethylene carbonate, propylene carbonate, 1,2-butylene carbonate, 2,3-butylene carbonate, 1,2-pentylene carbonate, 2,3-pentylene carbonate, trifluoromethylethylene carbonate, fluoroethylene. Cyclic carbonates such as carbonate and 4,5-difluoroethylene carbonate; lactones such as γ-ptyrolactone and γ-valerolactone; cyclic sulfones such as sulfolane; cyclic ethers such as tetrahydrofuran and dioxane; ethyl methyl carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, Methyl propyl carbonate, methyl isopropyl carbonate, dipropyl carbonate, methyl butyl carbonate, dibutyl carbonate, ethyl pro Chain carbonates such as pyr carbonate and methyl trifluoroethyl carbonate; Nitriles such as acetonitrile; Chain ethers such as dimethyl ether; Chain carboxylic acid esters such as methyl propionate; Chain ether carbonate compounds such as dimethoxyethane It is done. These can be used individually by 1 type or in combination of 2 or more types.

非水溶媒としては、イオン伝導性の観点から、環状カーボネート、鎖状カーボネートなどのカーボネート系溶媒を用いることがより好ましい。また、カーボネート系溶媒として、環状カーボネートと鎖状カーボネートを組合せて用いることがさらに好ましい。環状カーボネートとしては様々なものを用いることができるが、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、フルオロエチレンカーボネートが好ましく、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネートがより好ましい。鎖状カーボネートとしては様々なものを用いることができるが、エチルメチルカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネートが好ましい。
カーボネート系溶媒として、環状カーボネートと鎖状カーボネートを組合せて含む場合、環状カーボネートと鎖状カーボネートとの混合比は、イオン伝導性の観点から、体積比で1:10〜5:1であることが好ましく、1:5〜3:1であることがより好ましい。
カーボネート系溶媒を用いる場合、電池物性改善の観点から、必要に応じて、アセトニトリル、スルホラン等の別の非水溶媒をさらに添加することができる。
As the non-aqueous solvent, it is more preferable to use a carbonate-based solvent such as cyclic carbonate and chain carbonate from the viewpoint of ion conductivity. Further, it is more preferable to use a combination of a cyclic carbonate and a chain carbonate as the carbonate solvent. Various cyclic carbonates can be used, but ethylene carbonate, propylene carbonate, and fluoroethylene carbonate are preferable, and ethylene carbonate and propylene carbonate are more preferable. Various chain carbonates can be used, but ethyl methyl carbonate, dimethyl carbonate, and diethyl carbonate are preferred.
When the carbonate solvent includes a combination of a cyclic carbonate and a chain carbonate, the mixing ratio of the cyclic carbonate and the chain carbonate is 1:10 to 5: 1 in terms of volume ratio from the viewpoint of ion conductivity. Preferably, it is 1: 5 to 3: 1.
In the case of using a carbonate-based solvent, another nonaqueous solvent such as acetonitrile or sulfolane can be further added as necessary from the viewpoint of improving battery physical properties.

本実施形態に用い得るセパレーターとしては、リチウムイオン二次電池に用いられる従来公知のものを用いることができ、特に制限されない。中でも、イオン透過性が大きく、機械的強度に優れる絶縁性の薄膜が好ましい。そのようなセパレーターとしては、例えば、織布、不織布、合成樹脂製微多孔膜が挙げられ、これらの中でも、合成樹脂製微多孔膜が好ましい。合成樹脂製微多孔膜としては、例えば、ポリエチレン又はポリプロピレンを主成分として含有する微多孔膜、又はこれらのポリオレフィンを共に含有する微多孔膜等のポリオレフィン系微多孔膜が好適に用いられる。不織布としては、ガラスを含むセラミック製、ポリオレフィン製、ポリエステル製、ポリアミド製、液晶ポリエステル製、アラミド製などの耐熱樹脂製の多孔膜が用いられる。セパレーターは、1種の微多孔膜を単層又は複数積層したものであってもよく、2種以上の微多孔膜を積層したものであってもよい。   As a separator that can be used in the present embodiment, a conventionally known separator used for a lithium ion secondary battery can be used, and is not particularly limited. Among them, an insulating thin film having high ion permeability and excellent mechanical strength is preferable. Examples of such a separator include a woven fabric, a nonwoven fabric, and a synthetic resin microporous membrane, and among these, a synthetic resin microporous membrane is preferable. As the synthetic resin microporous membrane, for example, a polyolefin microporous membrane such as a microporous membrane containing polyethylene or polypropylene as a main component or a microporous membrane containing both of these polyolefins is suitably used. As the non-woven fabric, a porous film made of a heat-resistant resin such as glass-containing ceramic, polyolefin, polyester, polyamide, liquid crystal polyester, or aramid is used. The separator may be a single microporous membrane or a laminate of a plurality of microporous membranes, or may be a laminate of two or more microporous membranes.

本実施形態に用い得る外装体は、従来公知のものを用いることができ、特に制限されない。外装体の材料としては、特に限定されないが、例えば、ステンレス、鉄、アルミニウムなどの金属、あるいはその金属の表面を樹脂で被覆したラミネートフィルムが挙げられる。   A conventionally well-known thing can be used for the exterior body which can be used for this embodiment, and it does not restrict | limit in particular. The material of the outer package is not particularly limited, and examples thereof include metals such as stainless steel, iron, and aluminum, or a laminate film in which the surface of the metal is coated with a resin.

以下、実施例によって本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
[実施例1]
<工程(1)>
以下の硫酸塩:MnSO・5HO(関東化学株式会社製)79.6g、NiSO・6HO(関東化学株式会社製)26.0g、及びFeSO・7HO(関東化学株式会社製)3.12gを純水に溶解させて合計220mlとした水溶液Aを調製した。炭酸ナトリウムNaCO(関東化学株式会社製)46.6gを純水に溶解させて28質量%アンモニア水(関東化学株式会社製)14.6mlを加え合計220mlとした水溶液Bを調製した。
撹拌機構と不活性ガスをバブリングさせる機構を有する反応槽に、硫酸ナトリウムNaSO(関東化学株式会社製)を純水に溶解させて合計200mlとした水溶液Cを入れ、撹拌させながら窒素ガスを吹き込みつつ、水溶液Aと水溶液Bを5ml/分の速度で同時に水溶液C中に滴下させることで、水に難溶性の金属塩の粒子を生成させた。10分ごとに100mlずつ反応槽から液を抜き出し、40分後に滴下を止め、反応槽内の液を回収し、ろ過、水洗、そして乾燥して、沈殿Dを得た。
EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention concretely, this invention is not limited to these Examples.
[Example 1]
<Step (1)>
Following Sulfate: MnSO 4 · 5H 2 O (manufactured by Kanto Chemical Co., Ltd.) 79.6g, NiSO 4 · 6H 2 O ( manufactured by Kanto Chemical Co., Ltd.) 26.0 g, and FeSO 4 · 7H 2 O (Kanto Chemical stock Aqueous solution A was prepared by dissolving 3.12 g (made by company) in pure water to a total of 220 ml. An aqueous solution B was prepared by dissolving 46.6 g of sodium carbonate Na 2 CO 3 (manufactured by Kanto Chemical Co., Ltd.) in pure water and adding 14.6 ml of 28% by mass ammonia water (manufactured by Kanto Chemical Co., Ltd.) to a total of 220 ml.
In a reaction tank having a stirring mechanism and a mechanism for bubbling an inert gas, an aqueous solution C in which sodium sulfate Na 2 SO 4 (manufactured by Kanto Chemical Co., Ltd.) is dissolved in pure water to make a total of 200 ml is added, and nitrogen gas is stirred while stirring. The aqueous solution A and the aqueous solution B were simultaneously dropped into the aqueous solution C at a rate of 5 ml / min. The liquid was extracted from the reaction tank 100 ml every 10 minutes, the dropping was stopped after 40 minutes, the liquid in the reaction tank was recovered, filtered, washed with water, and dried to obtain a precipitate D.

この沈澱Dを乾燥させたもの2.00gと、平均一次粒径<2μm以下に粉砕した炭酸リチウムLiCO(本荘ケミカル株式会社)0.318gとをよく混合した後、大気下800℃で5時間焼成し、リチウム含有金属酸化物Aを得た。X線構造解析により、リチウム含有金属酸化物Aがスピネル構造を有していることが分かった。これをマイクロウェーブ(アナリティクイエナ社製、TOPwave(登録商標))により酸分解し、ICP測定(Perkin Elmer社製、Optima8300)により、その金属元素の組成比が、Li:Mn:Ni:Fe=0.33:0.51:0.14:0.02であった。 After thoroughly mixing 2.00 g of the dried precipitate D with 0.318 g of lithium carbonate Li 2 CO 3 (Honjo Chemical Co., Ltd.) pulverized to an average primary particle size <2 μm, the mixture was heated at 800 ° C. in the atmosphere. The lithium-containing metal oxide A was obtained by firing for 5 hours. X-ray structural analysis revealed that the lithium-containing metal oxide A has a spinel structure. This was acid-decomposed with microwaves (Analyte Jena, TOPwave (registered trademark)), and by ICP measurement (Perkin Elmer, Optima 8300), the composition ratio of the metal elements was Li: Mn: Ni: Fe = 0.33: 0.51: 0.14: 0.02.

<工程(2)>
上記のリチウム含有金属酸化物A1.41gと、前述の炭酸リチウムLiCO0.286gとをよく混合した後、TG−DTA分析を行ったところ、425℃からこの混合物の重量減と示唆熱の減少が認められ、500℃で示唆熱減少が極小値をとることが分かった。そこで、この混合物を大気下650℃で5時間焼成し、リチウムを酸化物内に追加で導入した後、更に800℃で5時間焼成し、正極活物質を得た。
X線構造解析により、該正極活物質が、スピネル構造と、概ねC2/mの空間群に帰属できるLiMeO3−γの組成を有していることが分かった。ICP測定により求められた金属元素の組成比は、Li:Mn:Ni:Fe=0.49:0.39:0.11:0.01であった。
<Step (2)>
After thoroughly mixing 1.41 g of the above lithium-containing metal oxide A and 0.286 g of the above-mentioned lithium carbonate Li 2 CO 3 , TG-DTA analysis was performed, and the weight loss and suggested heat from 425 ° C. It was found that the suggested decrease in heat takes a minimum value at 500 ° C. Therefore, this mixture was fired at 650 ° C. in the atmosphere for 5 hours, lithium was additionally introduced into the oxide, and then further fired at 800 ° C. for 5 hours to obtain a positive electrode active material.
X-ray structural analysis revealed that the positive electrode active material had a spinel structure and a composition of Li 2 MeO 3-γ that could be assigned to a space group of approximately C2 / m. The composition ratio of the metal elements determined by ICP measurement was Li: Mn: Ni: Fe = 0.49: 0.39: 0.11: 0.01.

<リチウムイオン二次電池の製造>
前述のようにして得られた正極活物質と、導電助剤であるグラファイトの粉末(TIMCAL社製、KS−6)及びアセチレンブラックの粉末(電気化学工業社製、HS−100)と、バインダーであるポリフッ化ビニリデン溶液(クレハ社製、L#7208)と、を固形分比で80:5:5:10の質量比で混合した。得られた混合物に、分散溶媒としてNMPを固形分30質量%となるように投入して更に混合して、スラリー状の溶液を調製した。このスラリー状の溶液を厚さ20μmのアルミニウム箔の片面に塗布し、溶剤を乾燥除去した後、ロールプレスで圧延し、厚さ64μmの正極を得た。
エチレンカーボネート(EC)とエチルメチルカーボネート(EMC)とを体積比1:2で混合した混合溶媒に、LiPFを1mol/Lとなるように溶解して、電解液を得た。
ステンレス製の円盤型電池ケース(外装体)に、負極として直径16mmに打ち抜いたリチウム金属箔(厚さ0.5mm)を挿入し、その上からポリエチレン製の微多孔膜からなるセパレーター及びガラス繊維製のセパレーター(ADVANTEC社製、GA−100、膜厚約500μm)を挿入した後、直径16mmに打ち抜いた正極を挿入した。次いで、そこに、前述の電解液を1.0mL注入し、正極、負極及びセパレーターを電解液に浸漬した後、電池ケースを密閉してリチウムイオン二次電池を製造した。
<Manufacture of lithium ion secondary batteries>
The positive electrode active material obtained as described above, graphite powder (TIMCAL, KS-6) and acetylene black powder (HS-100, manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd.), which are conductive assistants, and a binder A certain polyvinylidene fluoride solution (manufactured by Kureha, L # 7208) was mixed at a mass ratio of 80: 5: 5: 10 in terms of solid content. To the obtained mixture, NMP as a dispersion solvent was added so as to have a solid content of 30% by mass, and further mixed to prepare a slurry solution. This slurry solution was applied to one side of an aluminum foil having a thickness of 20 μm, and the solvent was removed by drying, followed by rolling with a roll press to obtain a positive electrode having a thickness of 64 μm.
LiPF 6 was dissolved in a mixed solvent in which ethylene carbonate (EC) and ethyl methyl carbonate (EMC) were mixed at a volume ratio of 1: 2 so as to be 1 mol / L to obtain an electrolytic solution.
A lithium metal foil (thickness 0.5 mm) punched out to a diameter of 16 mm as a negative electrode is inserted into a stainless steel disk-type battery case (exterior body), and a separator made of a microporous film made of polyethylene and glass fiber is formed thereon. The separator (ADVANTEC, GA-100, film thickness: about 500 μm) was inserted, and then a positive electrode punched to a diameter of 16 mm was inserted. Next, 1.0 mL of the above-described electrolytic solution was injected therein, and after immersing the positive electrode, the negative electrode, and the separator in the electrolytic solution, the battery case was sealed to manufacture a lithium ion secondary battery.

<電池評価>
得られたリチウムイオン二次電池(以下、単に「電池」ともいう。)を、25℃に設定した恒温槽(二葉科学社製、恒温槽PLM−73S)に収容し、充放電装置(アスカ電子(株)製、充放電装置ACD−01)に接続した。次いで、その電池を0.1Cの定電流で充電し、5.0Vに到達した後、5.0Vの定電圧で2時間充電し、0.1Cの定電流で2.0Vまで放電した際の放電容量を計測したところ、230mAh/gという容量が得られた。尚、1Cとは電池が1時間で放電される電流値である。
次に、その電池を0.3Cの定電流で充電し、4.9Vに到達した後、4.9Vの定電圧で電流が0.05mA以下になるまで充電し、その後、2Cの定電流で2.0Vまで放電した際の放電容量を計測したところ、186mAh/gという容量が得られた。
<Battery evaluation>
The obtained lithium ion secondary battery (hereinafter, also simply referred to as “battery”) is housed in a thermostatic chamber (manufactured by Futaba Kagaku Corporation, thermostatic chamber PLM-73S) set at 25 ° C., and a charge / discharge device (Asuka Electronics) It connected to the product made by Corporation | KK Co., Ltd. charge / discharge device ACD-01). Next, the battery was charged with a constant current of 0.1 C, reached 5.0 V, charged with a constant voltage of 5.0 V for 2 hours, and discharged to 2.0 V with a constant current of 0.1 C. When the discharge capacity was measured, a capacity of 230 mAh / g was obtained. 1C is a current value at which the battery is discharged in one hour.
Next, the battery was charged with a constant current of 0.3 C, reached 4.9 V, charged with a constant voltage of 4.9 V until the current became 0.05 mA or less, and then with a constant current of 2 C. When the discharge capacity when discharging to 2.0 V was measured, a capacity of 186 mAh / g was obtained.

[比較例1]
実施例1で製造した沈澱Dを乾燥させたもの2.00g、平均一次粒径<2μm以下に粉砕した炭酸リチウムLiCO0.634gとよく混合した後、850℃で5時間焼成し、正極活物質を得た。
X線構造解析により、該正極活物質がスピネル構造と、概ねC2/mの空間群に帰属できるLiMeO3−γ組成を有していることが分かった。ICPにより求められた金属元素の組成比は、Li:Mn:Ni:Fe=0.48:0.41:0.1:0.01であった。実施例1と同様にリチウムイオン二次電池を製造し、実施例1と同様に0.1Cの定電流で充電し、5.0Vに到達した後、5.0Vの定電圧で2時間充電し、0.1Cの定電流で2.0Vまで放電した際の放電容量を計測したところ、161mAh/gという容量が得られた。次に、実施例1と同様に2Cの定電流で2.0Vまで放電した際の放電容量を計測したところ、150mAh/gという容量が得られた。
[Comparative Example 1]
2.00 g of dried precipitate D produced in Example 1 and mixed well with 0.634 g of lithium carbonate Li 2 CO 3 pulverized to an average primary particle size <2 μm or less, then calcined at 850 ° C. for 5 hours, A positive electrode active material was obtained.
X-ray structural analysis revealed that the positive electrode active material had a spinel structure and a Li 2 MeO 3 -γ composition that could be attributed to a C2 / m space group. The composition ratio of the metal elements determined by ICP was Li: Mn: Ni: Fe = 0.48: 0.41: 0.1: 0.01. A lithium ion secondary battery was manufactured in the same manner as in Example 1, and charged at a constant current of 0.1 C as in Example 1. After reaching 5.0 V, it was charged at a constant voltage of 5.0 V for 2 hours. When the discharge capacity when discharged to 2.0 V with a constant current of 0.1 C was measured, a capacity of 161 mAh / g was obtained. Next, when the discharge capacity at the time of discharging to 2.0 V with a constant current of 2 C as in Example 1 was measured, a capacity of 150 mAh / g was obtained.

本発明のリチウムイオン二次電池用正極活物質の製造方法は、各種民生用機器用電源、自動車用電源の製造において好適に利用可能である。   The manufacturing method of the positive electrode active material for lithium ion secondary batteries of this invention can be utilized suitably in manufacture of the power supply for various consumer devices, and the power supply for motor vehicles.

Claims (8)

以下の工程:
(1)Liの炭酸塩及び/又は水酸化物塩と、Li以外の2種類以上の金属の酸化物、炭酸塩、水酸化物塩、硫酸塩、硝酸塩、塩酸塩、及び酢酸塩の内の少なくとも1つとを焼成して、Liと、Li以外に少なくとも2種類の金属元素を含み、かつ、Liのモル分率をM、Li以外の2種類以上の金属元素のモル分率をMとするとき、下記式(1):
1≦M/M≦4・・・(1)
を満足するリチウム含有金属酸化物Aを得;及び
(2)次いで、得られたリチウム含有金属酸化物Aと、下記組成式(2):
Li・・・(2)
{式中、1≦x≦2、0≦a≦1、1≦b≦3、及び0≦c≦2の関係を満足する。}で表されるリチウム化合物Bを混合して、前記工程(1)における最高焼成温度より低い温度で焼成して、下記組成式(3):
Li1+jMeOα・・・(3)
{式中、Meは、Li以外の2種類以上の金属元素であり、そして0≦j≦1、及び2≦α≦3である。}で表されるLiが層状に配列した層状構造を有する結晶C、又は下記組成式(4):
Li1+kMe4―β・・・(4)
{式中、Meは、Li以外の2種類以上の金属元素であり、そして0≦k<1、及び0≦β<1である。}で表されるスピネル構造を有する結晶D、又は該結晶Cと該結晶Dとが固溶した結晶を得る工程;
を含む、
リチウムイオン二次電池用正極活物質の製造方法。
The following steps:
(1) Among carbonates and / or hydroxide salts of Li and oxides, carbonates, hydroxide salts, sulfates, nitrates, hydrochlorides, and acetates of two or more metals other than Li At least one is fired, Li and at least two kinds of metal elements other than Li are included, and the mole fraction of Li is M L , and the mole fraction of two or more kinds of metal elements other than Li is M M When the following formula (1):
1 ≦ M M / M L ≦ 4 (1)
And (2) the resulting lithium-containing metal oxide A and the following compositional formula (2):
Li x C a O b H c (2)
{In the formula, 1 ≦ x ≦ 2, 0 ≦ a ≦ 1, 1 ≦ b ≦ 3, and 0 ≦ c ≦ 2 are satisfied. } Is mixed and calcined at a temperature lower than the maximum calcining temperature in the step (1), and the following composition formula (3):
Li 1 + j MeO α (3)
{Wherein Me is two or more metal elements other than Li, and 0 ≦ j ≦ 1 and 2 ≦ α ≦ 3. } The crystal C having a layered structure in which Li represented by the following formula is arranged, or the following composition formula (4):
Li 1 + k Me 2 O 4-β (4)
{Wherein Me is two or more metal elements other than Li, and 0 ≦ k <1 and 0 ≦ β <1. A crystal D having a spinel structure represented by the following formula: or a crystal in which the crystal C and the crystal D are dissolved;
including,
A method for producing a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery.
前記工程(2)の後に、該工程(2)における最高焼成温度より高い温度で焼成する工程をさらに含む、請求項1に記載の方法。   The method according to claim 1, further comprising a step of firing after the step (2) at a temperature higher than a maximum firing temperature in the step (2). 前記リチウム含有金属酸化物Aがスピネル構造を有する、請求項1又は2に記載の方法。   The method according to claim 1 or 2, wherein the lithium-containing metal oxide A has a spinel structure. 前記リチウム含有金属酸化物Aは、下記組成式(5):
Li1+kMn2−x4―α・・・(5)
{式中、Mは、Mn及びLi以外の1種類以上の金属元素であり、そして0≦k<1、0<x≦0.5、0≦α<1の関係を満足する。}で表されるスピネル構造を有する、請求項3に記載の方法。
The lithium-containing metal oxide A has the following composition formula (5):
Li 1 + k Mn 2-x M x O 4-α (5)
{In the formula, M is one or more metal elements other than Mn and Li, and satisfies the relations 0 ≦ k <1, 0 <x ≦ 0.5, and 0 ≦ α <1. } The method of Claim 3 which has a spinel structure represented by these.
前記Mは、少なくともNiである、請求項4に記載の方法。   The method of claim 4, wherein M is at least Ni. 前記Meは、少なくともMnとNiである、請求項1〜3のいずれか1項に記載の方法。   The method according to claim 1, wherein Me is at least Mn and Ni. 前記リチウム化合物Bとして、炭酸リチウム又は水酸化リチウムを少なくとも含む、請求項1〜6のいずれか1項に記載の方法。   The method according to claim 1, wherein the lithium compound B includes at least lithium carbonate or lithium hydroxide. 請求項1〜7のいずれか1項に記載の方法によって製造されたリチウムイオン二次電池用正極活物質。   The positive electrode active material for lithium ion secondary batteries manufactured by the method of any one of Claims 1-7.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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