JP2016192314A - Positive electrode material, nonaqueous electrolyte secondary battery positive electrode and nonaqueous electrolyte secondary battery - Google Patents
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Abstract
【課題】充放電時の結晶構造の崩壊が抑制され、かつ安全性に優れた正極材料,非水電解質二次電池用正極及び非水電解質二次電池を提供すること。
【解決手段】本発明の正極材料は、Li2NiαM1 βM2 γMnηO4−ε(0.50<α≦1.33、0.33≦γ≦1.1、0≦η≦1.00、0≦β<0.67、0≦ε≦1.00、M1:Co,Gaより選ばれる少なくとも一種、M2:Ge,Sn,Sbより選ばれる少なくとも一種)で表され、Li層と、Ni層とを備えた層状構造を有し、Niと酸素の結合長がShannonのイオン半径表から計算される結合長より小さいことを特徴とする。本発明の非水電解質二次電池用正極14及び非水電解質二次電池1は、この正極材料を用いてなることを特徴とする。
【選択図】なしDisclosed is a positive electrode material, a positive electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery, and a non-aqueous electrolyte secondary battery, which are suppressed in collapse of the crystal structure during charge and discharge and are excellent in safety.
The positive electrode material of the present invention comprises Li 2 Ni α M 1 β M 2 γ Mn η O 4-ε (0.50 <α ≦ 1.33, 0.33 ≦ γ ≦ 1.1, 0 ≦ η ≦ 1.00, 0 ≦ β <0.67, 0 ≦ ε ≦ 1.00, M 1 : at least one selected from Co, Ga, M 2 : at least one selected from Ge, Sn, Sb) And a layered structure including a Li layer and a Ni layer, wherein the bond length between Ni and oxygen is smaller than the bond length calculated from Shannon's ion radius table. The positive electrode 14 for a nonaqueous electrolyte secondary battery and the nonaqueous electrolyte secondary battery 1 of the present invention are characterized by using this positive electrode material.
[Selection figure] None
Description
本発明は、正極材料、非水電解質二次電池用正極及びそれを用いてなる非水電解質二次電池に関する。 The present invention relates to a positive electrode material, a positive electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery, and a non-aqueous electrolyte secondary battery using the same.
ノート型コンピュータ、携帯電話、デジタルカメラ等電子機器の普及に伴い、これら電子機器を駆動するための二次電池の需要が拡大している。近年、これら電子機器においては、高機能化の進展に伴い消費電力が増大していることや、小型化が期待されていることから、二次電池の性能の向上が求められている。二次電池の中でも非水電解質二次電池(特に、リチウムイオン二次電池)は高容量化が可能であることから、種々の電子機器への利用が進められている。 With the widespread use of electronic devices such as notebook computers, mobile phones, and digital cameras, the demand for secondary batteries for driving these electronic devices is increasing. In recent years, these electronic devices have been demanded to improve the performance of secondary batteries because power consumption has increased with the progress of higher functionality and miniaturization is expected. Among secondary batteries, non-aqueous electrolyte secondary batteries (particularly lithium ion secondary batteries) can be increased in capacity, and thus are being used in various electronic devices.
非水電解質二次電池は、一般に、正極活物質に代表される正極材料を有する正極活物質層を正極集電体の表面に形成した正極と、負極活物質を有する負極活物質層を負極集電体の表面に形成した負極とが、非水電解質(非水電解液)を介して接続され、電池ケースに収納される構成を有している。 A nonaqueous electrolyte secondary battery generally includes a positive electrode in which a positive electrode active material layer having a positive electrode material typified by a positive electrode active material is formed on the surface of a positive electrode current collector, and a negative electrode active material layer having a negative electrode active material. The negative electrode formed on the surface of the electric body is connected via a non-aqueous electrolyte (non-aqueous electrolyte solution) and is stored in the battery case.
非水電解質二次電池の代表例であるリチウムイオン二次電池では、正極材料(正極活物質)としてリチウムの複合酸化物が用いられている。この複合酸化物としては、例えば、特許文献1〜6に記載されている。 In a lithium ion secondary battery that is a typical example of a nonaqueous electrolyte secondary battery, a lithium composite oxide is used as a positive electrode material (positive electrode active material). As this complex oxide, it describes in patent documents 1-6, for example.
特許文献1には、LixCoMO2と、LiNiMnMO2と、を混合した正極活物質とすることが記載されている(M:いずれも所定の元素より選択)。この正極活物質は、放電時の平均電圧の高い活物質と、高い熱的安定性を持つ活物質と、を有する。 Patent Document 1 describes that a positive electrode active material in which Li x CoMO 2 and LiNiMnMO 2 are mixed is used (M: all selected from predetermined elements). This positive electrode active material includes an active material having a high average voltage during discharge and an active material having high thermal stability.
特許文献2には、LiNiMnTiO2の層状岩塩型構造の結晶層を含む正極活物質が記載されている。この正極活物質は、Tiを含有することで、含有しない場合と比べて高い充放電容量を得られる。
特許文献3には、LixMnMO4と、LiNiMO2と、を混合した正極活物質とすることが記載されている(M:いずれも所定の元素より選択)。この正極活物質は、高温保存後の電池性能に優れたものとなる。
特許文献4には、層状が多結晶構造のLiMnMO2におけるLiの一部が欠損した正極活物質が記載されている(M:いずれも所定の元素より選択)。この正極活物質は、結晶中の歪みや化学結合の安定化が行われ、充放電時のサイクル安定性,耐久安定性等の効果が得られる。
特許文献5には、LiCoO2においてLi及びCoの一部がそれぞれ所定の元素Mに置換された正極活物質が記載されている(M:いずれも所定の元素より選択)。この正極活物質は、LiとCoのそれぞれが元素Mに置換されたことで、リチウムの層とコバルトの層の結合力が強化され、層間の歪みや結晶格子の膨張が抑えられ、充放電時のサイクル安定性,耐久安定性等の効果が得られる。
特許文献6には、LiNiMnCoO2と、Li2MO3と、を混合した正極活物質とすることが記載されている(M:所定の元素より選択)。この正極活物質は、電池容量と安全性にすぐれた効果を発揮する活物質と、サイクル特性と貯蔵特性とに効果を発揮する活物質と、を有する。 Patent Document 6 describes that a positive electrode active material in which LiNiMnCoO 2 and Li 2 MO 3 are mixed is selected (M: selected from predetermined elements). This positive electrode active material has an active material that exhibits an effect excellent in battery capacity and safety, and an active material that exhibits an effect on cycle characteristics and storage characteristics.
しかしながら、これらの正極活物質(正極材料)では、いずれも充放電時の結晶構造の崩壊が十分に抑制できず、非水電解質二次電池の容量の低下を招くという問題があった。
また、安全性に関しては、Tiを含有した正極、すなわち、LiNiMnTiO2とする技術が非特許文献1に記載されている。
ただし、この非特許文献1に記載のように30%程度のTiの添加では、安全性の圧倒的な向上がない事が記載されている。
However, all of these positive electrode active materials (positive electrode materials) have a problem in that the collapse of the crystal structure during charge / discharge cannot be sufficiently suppressed, leading to a decrease in the capacity of the nonaqueous electrolyte secondary battery.
Regarding safety, Non-Patent Document 1 describes a technique of using a positive electrode containing Ti, that is, LiNiMnTiO 2 .
However, as described in Non-Patent Document 1, it is described that there is no overwhelming improvement in safety when about 30% of Ti is added.
安全性と結晶の高安定化を両立するための別の試みとしては、酸素との結合力の強いSiを遷移金属と同量含有した正極、すなわちLi2MnSiO4とする技術が非特許文献2に記載されている。
しかしながら、この正極において遷移金属は4配位の配位構造をとることで、充電時に構造が不安定化し、やはり十分な耐久性を持つ正極ではなかった。
As another attempt to achieve both safety and high stabilization of the crystal, a technique for forming a positive electrode containing Si having a strong binding force with oxygen in the same amount as the transition metal, that is, Li 2 MnSiO 4 is described in Non-Patent
However, in this positive electrode, the transition metal has a four-coordinate coordination structure, the structure becomes unstable during charging, and it is not a positive electrode with sufficient durability.
特許文献7には、Li[LixMeyM’z]O2+d(x+y+z=1、0<x<0.33、0.05≦y≦0.15、0<d≦0.1、Me:Mn,V,Cr,Fe,Co,Ni,Al,Bより選ばれる少なくとも一種、M’:Ge,Ru,Sn,Ti,Nb,Ptより選ばれる少なくとも一種)で表されるLi酸化物を有する正極活物質が記載されている。 In Patent Document 7, Li [Li x Me y M ′ z ] O 2 + d (x + y + z = 1, 0 <x <0.33, 0.05 ≦ y ≦ 0.15, 0 <d ≦ 0.1, Me : At least one selected from Mn, V, Cr, Fe, Co, Ni, Al, and B, and M ′: at least one selected from Ge, Ru, Sn, Ti, Nb, and Pt). A positive electrode active material is described.
しかしながら、この正極活物質を用いた電池では、安全性の向上が不十分であった。具体的には、遷移金属に占めるMeで示される元素の添加割合が14atm%程度となっており、Meで示される元素と結合しない酸素原子が存在していた。Meで示される元素と酸素原子との結合は、強固であり、結合の切断(酸素の脱離)がほとんど生じない。つまり、引用文献7の正極活物質に含まれるMeで示される元素と結合しない酸素原子が、電池を形成したときに酸素ガスとなり、電池の安全性を低下していた。 However, in the battery using this positive electrode active material, the improvement in safety was insufficient. Specifically, the addition ratio of the element represented by Me in the transition metal is about 14 atm%, and oxygen atoms that do not bind to the element represented by Me existed. The bond between the element represented by Me and the oxygen atom is strong, and bond breakage (desorption of oxygen) hardly occurs. That is, oxygen atoms that do not bind to the element represented by Me contained in the positive electrode active material of Cited Document 7 become oxygen gas when the battery is formed, and the safety of the battery is lowered.
本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、充放電時の結晶構造の崩壊が抑制され、かつ安全性に優れた正極材料,非水電解質二次電池用正極及び非水電解質二次電池を提供することを課題とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and has a positive electrode material, a positive electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery, and a non-aqueous electrolyte secondary battery that are suppressed in crystal structure during charge and discharge and are excellent in safety. It is an issue to provide.
上記課題を解決するために本発明者らは、正極材料の構造に着目し、Ni元素に加え、酸素と強く結合するM2元素を多量に含む正極材料であり、Ni−O結合長がShannonのイオン半径表から計算される結合長よりも小さい構造とすることで上記課題を解決できることを見出した。 In order to solve the above problems, the inventors focused on the structure of the positive electrode material, which is a positive electrode material containing a large amount of M 2 element that strongly bonds to oxygen in addition to Ni element, and the Ni—O bond length is Shannon. It was found that the above problem can be solved by making the structure smaller than the bond length calculated from the ion radius table.
すなわち、本発明の正極材料は、Li2NiαM1 βM2 γMnηO4−ε(0.50<α≦1.33、0.33≦γ≦1.1、0≦η≦1.00、0≦β<0.67、0≦ε≦1.00 M1:Co,Gaより選ばれる少なくとも一種、M2:Ge,Sn,Sbより選ばれる少なくとも一種)で表され、Li層と、Ni層とを備えた層状構造を有し、Niと酸素との結合長がShannonのイオン半径表から計算される結合長よりも小さいことを特徴とする。
本発明の非水電解質二次電池用正極は、請求項1又は2に記載の正極材料を用いてなることを特徴とする。
That is, the positive electrode material of the present invention is Li 2 Ni α M 1 β M 2 γ Mn η O 4-ε (0.50 <α ≦ 1.33, 0.33 ≦ γ ≦ 1.1, 0 ≦ η ≦ 1.00, 0 ≦ β <0.67, 0 ≦ ε ≦ 1.00 M 1 : at least one selected from Co, Ga, M 2 : at least one selected from Ge, Sn, Sb), Li It has a layered structure including a layer and a Ni layer, and a bond length between Ni and oxygen is smaller than a bond length calculated from Shannon's ion radius table.
The positive electrode for a nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention is characterized by using the positive electrode material according to
本発明の非水電解質二次電池は、請求項1又は2に記載の正極材料を用いてなる非水電解質二次電池用正極、請求項3に記載の非水電解質二次電池用正極の少なくとも一つを用いてなることを特徴とする。
The nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention is a positive electrode for a nonaqueous electrolyte secondary battery using the positive electrode material according to claim 1 or 2, and at least a positive electrode for a nonaqueous electrolyte secondary battery according to
本発明の正極材料は、その組成中にNiを含む。このNiは、酸素(O)が6配位した局所構造(6配位の局所構造)を形成する。この結果、安定な充放電が行われる。また、酸化還元種である、Niが0.50<α≦1.33の範囲で多量に含まれることで、高容量化が達成される。 The positive electrode material of the present invention contains Ni in its composition. This Ni forms a local structure in which oxygen (O) is 6-coordinated (6-coordinated local structure). As a result, stable charging / discharging is performed. Further, high capacity can be achieved by containing a large amount of Ni, which is a redox species, in the range of 0.50 <α ≦ 1.33.
また、M1元素及びM2元素を多量に含むことで、結晶構造がより安定し、充放電時の結晶構造が抑制され、その結果として電池容量の低下が抑えられる。M2元素は、酸素を強く固定する。その結果、異常発熱時に懸念される酸素の脱離が抑制され、これにより電池の安全性がより向上する。さらに、M2元素の量が、0.33以上となった際に、平均的には、Ni層中の全ての酸素がM2元素と隣り合い、M2元素との結合を持つこととなる故、酸素脱離効果が顕著に高まる。 Further, by containing a large amount of M 1 element and M 2 element, crystal structure is more stable, the crystal structure during charge and discharge is suppressed, decrease in battery capacity can be suppressed as a result. The M 2 element strongly fixes oxygen. As a result, the desorption of oxygen, which is a concern during abnormal heat generation, is suppressed, thereby further improving battery safety. Furthermore, the amount of M 2 element, when became 0.33 or more, on average, all of the oxygen in the Ni layer is adjoin the M 2 element, and to have a bond with M 2 element Therefore, the oxygen desorption effect is remarkably increased.
本発明の正極材料は、Li層とNi層とを備えた層状構造を有することで、Liイオンの伝導性に優れたものとなる。なお、Li層は、Liを主成分として形成される層を示し、実質的にLiよりなる層である。Ni層は、Ni(Ni化合物)を主成分として形成される層を示し、実質的にはNiおよび、M1元素、M2元素を主成分として含む層である。 The positive electrode material of the present invention has a layered structure including a Li layer and a Ni layer, and thus has excellent Li ion conductivity. The Li layer is a layer formed mainly of Li and is substantially made of Li. The Ni layer is a layer formed with Ni (Ni compound) as a main component and is substantially a layer containing Ni, M 1 element, and M 2 element as main components.
そして、本発明の正極材料は、Niと酸素の結合長がShannonのイオン半径表から計算される結合長よりも小さい。これにより、全ての酸素とM2元素が隣り合った構造をとることが可能となっている。
以上に説明したように、本発明の正極材料は、電池性能の低下が抑えられ、かつ安全性に優れた非水電解質二次電池を得ることができる。
また、本発明の非水電解質二次電池用正極及び非水電解質二次電池は、本発明の正極材料を用いてなり、本発明の正極材料により得られる効果を発揮できる。
In the positive electrode material of the present invention, the bond length between Ni and oxygen is smaller than the bond length calculated from Shannon's ion radius table. Thereby, it is possible to adopt a structure in which all oxygen and M 2 elements are adjacent to each other.
As described above, the positive electrode material of the present invention can provide a non-aqueous electrolyte secondary battery in which a decrease in battery performance is suppressed and is excellent in safety.
Moreover, the positive electrode for nonaqueous electrolyte secondary batteries and the nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention use the positive electrode material of the present invention, and can exhibit the effects obtained by the positive electrode material of the present invention.
以下、本発明を、実施の形態を用いて具体的に説明する。
[実施形態]
本形態は、図1にその構成を概略断面図で示したコイン型のリチウムイオン二次電池1である。本形態のリチウムイオン二次電池1は、本発明の正極材料を正極活物質として有する正極(非水電解質二次電池用正極)を用いてなる二次電池(非水電解質二次電池)である。
Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to embodiments.
[Embodiment]
The present embodiment is a coin-type lithium ion secondary battery 1 whose structure is shown in a schematic sectional view in FIG. The lithium ion secondary battery 1 of the present embodiment is a secondary battery (nonaqueous electrolyte secondary battery) using a positive electrode (a positive electrode for a nonaqueous electrolyte secondary battery) having the positive electrode material of the present invention as a positive electrode active material. .
本形態のリチウムイオン二次電池1は、正極ケース11、シール材12(ガスケット)、非水電解質13、正極14、正極集電体140、正極合剤層141、セパレータ15、負極ケース16、負極17、負極集電体170、負極合剤層171、保持部材18などを有する。
The lithium ion secondary battery 1 of this embodiment includes a
本形態のリチウムイオン二次電池1の正極14は、本発明の正極材料よりなる正極活物質を含む正極合剤層141を有する。正極合剤層141は、正極活物質以外に、必要に応じて、バインダ、導電材等の部材を備える。
The
(正極材料)
正極材料は、Li2NiαM1 βM2 γMnηO4−ε(0.50<α≦1.33、0.33≦γ≦1.1、0≦η≦1.00、0≦β<0.67、0≦ε≦1.00、M1:Co,Gaより選ばれる少なくとも一種、M2:Ge,Sn,Sbより選ばれる少なくとも一種)で表される。
(Positive electrode material)
The positive electrode material is Li 2 Ni α M 1 β M 2 γ Mn η O 4-ε (0.50 <α ≦ 1.33, 0.33 ≦ γ ≦ 1.1, 0 ≦ η ≦ 1.00, 0 ≦ β <0.67, 0 ≦ ε ≦ 1.00, M 1 : at least one selected from Co, Ga, M 2 : at least one selected from Ge, Sn, Sb).
正極材料は、その組成中にNiを含む。このNiは、酸素(O)が6配位した局所構造(6配位の局所構造)を形成する。この結果、安定な充放電が行われる。また、酸化還元種である、Niが0.50<α≦1.33の範囲で多量に含まれることで、高容量化が達成される。 The positive electrode material contains Ni in its composition. This Ni forms a local structure in which oxygen (O) is 6-coordinated (6-coordinated local structure). As a result, stable charging / discharging is performed. Further, high capacity can be achieved by containing a large amount of Ni, which is a redox species, in the range of 0.50 <α ≦ 1.33.
また、M1元素及びM2元素を多量に含むことで、結晶構造がより安定し、充放電時の結晶構造を安定に保ちその結果として電池容量の低下が抑えられる。M1元素は形式価数が3価の元素であり、M1元素の添加は価数の大きく異なるLiのNi層への侵入を抑制することが期待される。M2元素は、酸素を強く固定し、その結果、異常発熱時に懸念される酸素の脱離が抑制され、電池の安全性を向上させる。さらに、M2元素の量が、0.33以上となった際に、平均的には、Ni層中の全ての酸素がM2元素と隣り合い、M2元素との結合を持つこととなる故、酸素脱離効果が顕著に高まる。 Further, by containing a large amount of M 1 element and M 2 element, the crystal structure becomes more stable, the crystal structure at the time of charge / discharge is kept stable, and as a result, the decrease in battery capacity is suppressed. The M 1 element is an element having a trivalent formal valence, and the addition of the M 1 element is expected to suppress the penetration of Li having a significantly different valence into the Ni layer. The M 2 element strongly fixes oxygen, and as a result, the desorption of oxygen, which is a concern during abnormal heat generation, is suppressed, and the safety of the battery is improved. Furthermore, the amount of M 2 element, when became 0.33 or more, on average, all of the oxygen in the Ni layer is adjoin the M 2 element, and to have a bond with M 2 element Therefore, the oxygen desorption effect is remarkably increased.
さらに、M1元素及びM2元素も6配位状態であることが好ましく、この構成となることで、隣接する遷移金属元素(NiやMnの配位構造体)との構造的ギャップを小さくすることを可能とし、耐久性を一層向上させることを可能とする。 Furthermore, it is preferable that the M 1 element and the M 2 element are also in a six-coordinate state, and by this configuration, a structural gap with an adjacent transition metal element (Ni or Mn coordination structure) is reduced. And durability can be further improved.
本形態の正極材料は、その組成中に、さらに遷移金属であるMn(0以上、1.00以下の割合)を含んでも良い。このMnはNiと同様に、酸素(O)が6配位した局所構造(6配位の局所構造)を形成する。この割合で含まれることで、Ni層を安定化させる効果を発揮する。 The positive electrode material of this embodiment may further contain Mn (a ratio of 0 or more and 1.00 or less) which is a transition metal in the composition. Like Mn, this Mn forms a local structure in which oxygen (O) is 6-coordinated (6-coordinated local structure). By being contained at this ratio, the effect of stabilizing the Ni layer is exhibited.
非水電解質二次電池(リチウムイオン電池)では、過充電等が進行すると、発火・発煙の不具合を生じることがある。この電池における発火発煙は、そこに至る過程で、正極活物質(正極材料)から放出される酸素の影響が大きい。具体的には、充電に伴い正極活物質の酸素から電子が奪われ、酸素放出に至りやすくなる。本発明の正極材料では、M2元素を添加しており、添加されたM2元素がNiやMn(遷移金属)よりも酸素と強く結合している。つまり、M2元素の添加により、充放電時の酸素放出を最小限に抑制することが可能となる。 In a nonaqueous electrolyte secondary battery (lithium ion battery), when overcharge or the like proceeds, there may be a problem of ignition and smoke generation. The ignition smoke in this battery is greatly influenced by oxygen released from the positive electrode active material (positive electrode material) in the process leading to the smoke. Specifically, with charge, electrons are deprived of oxygen of the positive electrode active material, leading to oxygen release. In the positive electrode material of the present invention, the M 2 element is added, and the added M 2 element is more strongly bonded to oxygen than Ni or Mn (transition metal). That is, by adding the M 2 element, oxygen release during charging / discharging can be minimized.
本形態の正極材料は、Li層とNi層とを備えた層状構造を有する。この構成となることで、正極材料は、Liイオンの伝導性に優れたものとなる。なお、Li層は、Liを主成分として形成される層を指しており、実質的にLiよりなる層である。Ni層は、Ni(Ni化合物)を主成分として形成される層を示し、実質的にはNiおよび、M1、M2の元素を主成分として形成される層である。 The positive electrode material of this embodiment has a layered structure including a Li layer and a Ni layer. With this configuration, the positive electrode material is excellent in Li ion conductivity. The Li layer refers to a layer formed with Li as a main component, and is a layer substantially made of Li. The Ni layer is a layer formed with Ni (Ni compound) as a main component, and is substantially a layer formed with Ni and elements M 1 and M 2 as main components.
そして、本発明の正極材料におけるNiと酸素との結合長は、従来から知られた結晶構造の解析方法(装置)を用いて知ることができる。特に、X線吸収微細構造(以下、XAFSと称する)の解析によって、正極材料の局所構造を判別することがより好ましい。以下に、一般的なXAFSについて簡単に説明する。 The bond length between Ni and oxygen in the positive electrode material of the present invention can be known by using a conventionally known crystal structure analysis method (apparatus). In particular, it is more preferable to determine the local structure of the positive electrode material by analyzing the X-ray absorption fine structure (hereinafter referred to as XAFS). Hereinafter, general XAFS will be briefly described.
入射X線のエネルギーを変えながら物質の吸光度を測定すると、入射X線エネルギーが測定物質を構成する原子の内殻準位に等しいとき、吸光度の急激な上昇(吸収端)が観測される。その後、入射X線のエネルギー増加に伴い、吸光度の緩やかな減衰が観測される。このスペクトルを詳細に調べると、吸収端付近に大きな変化をもったスペクトル構造がある。また、吸収端より高エネルギー領域においても、小さいながら緩やかな振動構造をもつスペクトル構造がある。 When the absorbance of a substance is measured while changing the energy of incident X-rays, when the incident X-ray energy is equal to the core level of the atoms constituting the measurement substance, a rapid increase in absorbance (absorption edge) is observed. Thereafter, as the incident X-ray energy increases, a moderate attenuation of the absorbance is observed. When this spectrum is examined in detail, there is a spectrum structure having a large change near the absorption edge. In addition, there is a spectrum structure having a small but gentle vibration structure even in a higher energy region than the absorption edge.
前者をX線吸収端構造(XANES)、後者を広域X線吸収微細構造(EXAFS)と呼び、両者をまとめてX線吸収微細構造(XAFS)と総称している。 The former is called the X-ray absorption edge structure (XANES), the latter is called the wide-area X-ray absorption fine structure (EXAFS), and both are collectively called the X-ray absorption fine structure (XAFS).
XANESのスペクトル構造は、測定物質を構成する原子の内殻準位から種々の空準位への遷移に対応するため、測定元素の空状態の密度を反映している。
一方、EXAFSのスペクトル構造は、入射X線により原子外へ放出される電子と、周囲の原子により散乱される電子との干渉効果によって引き起こされるため、測定原子周辺の原子の数(測定原子の配位数)、種類、距離(結合長)などの情報を反映している。
本発明者等は、このEXAFSのスペクトル構造を解析することにより、Niと酸素原子間の結合長を同定している。
The spectral structure of XANES reflects the density of the vacant state of the measurement element in order to correspond to the transition from the core level of the atoms constituting the measurement substance to various vacant levels.
On the other hand, the spectral structure of EXAFS is caused by the interference effect between electrons emitted out of the atom by incident X-rays and electrons scattered by surrounding atoms, so the number of atoms around the measurement atom (the arrangement of the measurement atoms It reflects information such as order), type, and distance (coupling length).
The present inventors have identified the bond length between Ni and oxygen atoms by analyzing the spectral structure of EXAFS.
EXAFSの解析により得られるEXAFS振動(χ(k))は平面波単散乱理論により次式で表される。
ここで、添え字のiは配位圏の番号、S0 2は減衰因子、Niはi番目の配位圏の原子数、Fi(ki)は後方散乱強度、kiは波数、riは結合距離、σiはDebye−Waller(DW)因子、φi(ki)は位相シフトである。 Here, the subscript i is the coordination zone number, S 0 2 is the attenuation factor, N i is the number of atoms in the i-th coordination zone, F i (ki) is the backscattering intensity, k i is the wave number, r i is a coupling distance, σ i is a Debye-Waller (DW) factor, and φ i (ki) is a phase shift.
一般に、各配位圏の原子数(Ni)が減少すると、EXAFS振動(χ(k))の振幅は減少する。また、上式より、測定原子との結合距離(ri)が短い原子の情報ほど、EXAFS振動(χ(k))に大きく反映されることもわかる。 In general, as the number of atoms (N i ) in each coordination sphere decreases, the amplitude of EXAFS oscillation (χ (k)) decreases. It can also be seen from the above formula that the information of the atom having a shorter bond distance (r i ) with the measurement atom is reflected in the EXAFS vibration (χ (k)) more greatly.
さらにEXAFS振動(χ(k))にk3の重みをかけ、高波数側の振動を増強したEXAFS関数(k3χ(k))を得る。そして得られたEXAFS関数(k3χ(k))を3<k≦12の範囲においてフーリエ変換し、Ni元素中心からの1次元距離情報である動径分布関数を得る。本発明者等は、この動径分布関数からNi元素中心から酸素原子までの結合長を求めた。 Further, the EXAFS vibration (χ (k)) is weighted by k3 to obtain an EXAFS function (k3χ (k)) in which the vibration on the high wavenumber side is enhanced. Then, the obtained EXAFS function (k3χ (k)) is Fourier transformed in a range of 3 <k ≦ 12 to obtain a radial distribution function which is one-dimensional distance information from the Ni element center. The present inventors determined the bond length from the Ni element center to the oxygen atom from this radial distribution function.
正極活物質は、上記の正極材料を正極活物質として有するものであればよく、更に、別の正極活物質(正極材料)を有していてもよい。別の正極活物質は、上記化学式に含まれる別の物質であっても、更に別の化合物であっても、いずれでもよい。 The positive electrode active material should just have said positive electrode material as a positive electrode active material, and may have another positive electrode active material (positive electrode material) further. The other positive electrode active material may be another material included in the above chemical formula, or may be another compound.
(正極活物質以外の構成)
本形態のリチウムイオン二次電池1は、正極活物質として上記の正極材料を用いること以外の構成は、従来のリチウムイオン二次電池と同様とすることができる。
正極14は、正極活物質、導電材及び結着材を混合して得られた正極合剤を正極集電体140に塗布して正極合剤層141が形成される。
(Configuration other than positive electrode active material)
The configuration of the lithium ion secondary battery 1 of the present embodiment can be the same as that of a conventional lithium ion secondary battery except that the above positive electrode material is used as the positive electrode active material.
In the
導電材は、正極14の電気伝導性を確保する。導電材としては、黒鉛の微粒子,アセチレンブラック、ケッチェンブラック、カーボンナノファイバーなどのカーボンブラック、ニードルコークスなどの無定形炭素の微粒子などを使用できるが、これらに限定されない。
The conductive material ensures the electrical conductivity of the
結着剤は、正極活物質粒子や導電材を結着する。結着剤としては、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、エチレン‐プロピレン‐ジエンゴム(EPDM)、スチレン‐ブタジエンゴム(SBR)、ニトリルゴム(NBR)、フッ素ゴムなどを使用できるが、これらに限定されない。 The binder binds the positive electrode active material particles and the conductive material. Examples of the binder include, but are not limited to, polyvinylidene fluoride (PVDF), ethylene-propylene-diene rubber (EPDM), styrene-butadiene rubber (SBR), nitrile rubber (NBR), and fluorine rubber. .
正極合剤は、溶媒に分散させて正極集電体140に塗布される。溶媒としては、通常は結着剤を溶解する有機溶媒を使用する。例えば、N‐メチル‐2‐ピロリドン(NMP)、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、メチルエチルケトン、シクロヘキサノン、酢酸メチル、アクリル酸メチル、ジエチルトリアミン、N−N−ジメチルアミノプロピルアミン、エチレンオキシド、テトラヒドロフランなどを挙げることができるが、これらに限定されない。また、水に分散剤、増粘剤などを加えてポリテトラフルオロエチレン(PTFE)などで正極活物質をスラリー化する場合もある。
The positive electrode mixture is dispersed in a solvent and applied to the positive electrode
正極集電体140は、例えば、アルミニウム,ステンレスなどの金属を加工したもの、例えば板状に加工した箔、網、パンチドメタル、フォームメタルなどを用いることができるが、これらに限定されない。
As the positive electrode
(非水電解質)
非水電解質13は、支持塩が有機溶媒に溶解してなるものを用いる。
非水電解質13の支持塩は、その種類が特に限定されるものではないが、LiPF6、LiBF4、LiClO4及びLiAsF6から選ばれる無機塩,これらの無機塩の誘導体,LiSO3CF3、LiC(SO3CF3)3及びLiN(SO2CF3)2、LiN(SO2C2F5)2、LiN(SO2CF3)(SO2C4F9)から選ばれる有機塩、並びにこれらの有機塩の誘導体の少なくとも1種であることが望ましい。これらの支持塩は、電池性能を更に優れたものとすることができ、かつその電池性能を室温以外の温度域においても更に高く維持することができる。支持塩の濃度についても特に限定されるものではなく、用途に応じ、支持塩及び有機溶媒の種類を考慮して適切に選択することが好ましい。
(Non-aqueous electrolyte)
The
The type of the supporting salt of the
支持塩が溶解する有機溶媒(非水溶媒)は、通常の非水電解質に用いられる有機溶媒であれば特に限定されるものではなく、例えばカーボネート類、ハロゲン化炭化水素、エーテル類、ケトン類、ニトリル類、ラクトン類、オキソラン化合物等を用いることができる。特に、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、1,2−ジメトキシエタン、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ビニレンカーボネート等及びそれらの混合溶媒が適当である。例に挙げたこれらの有機溶媒のうち、特にカーボネート類、エーテル類からなる群より選ばれた1種以上の非水溶媒を用いることにより、支持塩の溶解性、誘電率及び粘度において優れ、電池の充放電効率が高いので、好ましい。
本形態のリチウムイオン二次電池1において、最も好ましい非水電解質13は、支持塩が有機溶媒に溶解したものである。
The organic solvent (non-aqueous solvent) in which the supporting salt dissolves is not particularly limited as long as it is an organic solvent used for a normal non-aqueous electrolyte. For example, carbonates, halogenated hydrocarbons, ethers, ketones, Nitriles, lactones, oxolane compounds and the like can be used. In particular, propylene carbonate, ethylene carbonate, 1,2-dimethoxyethane, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, vinylene carbonate and the like, and mixed solvents thereof are suitable. Among these organic solvents mentioned in the examples, in particular, by using one or more non-aqueous solvents selected from the group consisting of carbonates and ethers, the solubility of the supporting salt, the dielectric constant and the viscosity are excellent, and the battery The charge / discharge efficiency is preferable.
In the lithium ion secondary battery 1 of the present embodiment, the most preferable
(負極)
負極17は、負極活物質と結着剤とを混合して得られた負極合剤を負極集電体170の表面に塗布して負極合剤層171が形成される。
負極活物質は、従来の負極活物質を用いることができる。Sn、Si、Sb、Ge、Cの少なくともひとつの元素を含有する負極活物質を挙げることができる。これらの負極活物質のうち、Cは、リチウムイオン二次電池1の電解質イオンを吸蔵・脱離可能な(Li吸蔵能がある)炭素材料であることが好ましく、アモルファスコート天然黒鉛であることがより好ましい。
(Negative electrode)
In the
As the negative electrode active material, a conventional negative electrode active material can be used. A negative electrode active material containing at least one element of Sn, Si, Sb, Ge, and C can be given. Among these negative electrode active materials, C is preferably a carbon material capable of occluding and desorbing electrolyte ions of the lithium ion secondary battery 1 (having Li storage ability), and is preferably amorphous coated natural graphite. More preferred.
また、これらの負極活物質のうち、Sn、Sb、Geは、特に、体積変化の多い合金材料である。これらの負極活物質は、Ti−Si、Ag−Sn、Sn−Sb、Ag−Ge、Cu−Sn、Ni−Snなどのように、別の金属と合金をなしていてもよい。 Of these negative electrode active materials, Sn, Sb, and Ge are alloy materials that have a large volume change. These negative electrode active materials may form an alloy with another metal such as Ti—Si, Ag—Sn, Sn—Sb, Ag—Ge, Cu—Sn, and Ni—Sn.
導電材としては、炭素材料、金属粉、導電性ポリマーなどを用いることができる。導電性と安定性の観点から、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、カーボンブラックなどの炭素材料を使用することが好ましい。 As the conductive material, a carbon material, metal powder, conductive polymer, or the like can be used. From the viewpoint of conductivity and stability, it is preferable to use a carbon material such as acetylene black, ketjen black, or carbon black.
結着材としては、PTFE、PVDF、フッ素樹脂共重合体(例えば四フッ化エチレン・六フッ化プロピレン共重合体(FEP))、SBR、アクリル系ゴム、フッ素系ゴム、ポリビニルアルコール(PVA)、スチレン・マレイン酸樹脂、ポリアクリル酸塩、カルボキシルメチルセルロース(CMC)などを挙げることができる。
溶媒としては、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)などの有機溶媒、又は水などを挙げることができる。
As the binder, PTFE, PVDF, fluororesin copolymer (for example, tetrafluoroethylene / hexafluoropropylene copolymer (FEP)), SBR, acrylic rubber, fluororubber, polyvinyl alcohol (PVA), Examples thereof include styrene / maleic acid resin, polyacrylate, and carboxymethyl cellulose (CMC).
Examples of the solvent include organic solvents such as N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) or water.
負極集電体170としては、従来の集電体を用いることができ、銅、ステンレス、チタンあるいはニッケルなどの金属を加工したもの、例えば板状に加工した箔,網,パンチドメタル,フォームメタルなどを用いることができるが、これらに限定されない。
As the negative electrode
(その他の構成)
正極ケース11と負極ケース16は絶縁性のシール材12を介して内蔵物を密封する。内蔵物は、非水電解質13、正極14、セパレータ15、負極17、保持部材18などである。
正極ケース11には正極集電体140を介して正極合剤層141が面接触して導電する。負極ケース16には負極集電体170を介して負極合剤層171が接触して導通する。
(Other configurations)
The
The positive
正極合剤層141と負極合剤層171との間に介在させるセパレータ15は、正極合剤層141と負極合剤層171とを電気的に絶縁し、非水電解質13を保持する。セパレータ15は、例えば、多孔性合成樹脂膜、特にポリオレフィン系高分子(ポリエチレン、ポリプロピレン)の多孔膜を用いる。セパレータ15は、二つの合剤層141,171の電気的な絶縁を担保するために、合剤層141,171よりも大きな寸法で成形される。
The
保持部材18は、正極集電体140、正極合剤層141、セパレータ15、負極合剤層171、負極集電体170を定位置に保持する役割を担う。弾性片やバネ等の弾性部材を用いると、定位置に保持しやすい。
The holding
(その他の形態)
本形態のリチウムイオン二次電池1は、上記の通りコイン型の形状であるが、その形状には特に制限を受けず、円筒型、角型等、種々の形状の電池や、ラミネート外装体に封入した不定形状の電池とすることができる。
(Other forms)
The lithium ion secondary battery 1 of the present embodiment has a coin shape as described above. However, the shape is not particularly limited, and can be applied to batteries of various shapes such as a cylindrical shape and a rectangular shape, and a laminate outer package. It can be set as the battery of the irregular shape enclosed.
(製造方法)
本形態の正極材料は、上記の構成を有しているものであれば、その製造方法が限定されるものではない。製造方法の例としては、固相合成法、共沈合成法、水熱合成法、錯体重合合成法、イオン交換を介する方法、高温高圧処理による合成法、ゾルゲル法、スプレードライ法、超臨界合成法等が挙げられ、これら方法を単独ないしは複数組み合わせる等の方法を挙げることができる。
(Production method)
If the positive electrode material of this form has said structure, the manufacturing method will not be limited. Examples of production methods include solid-phase synthesis, coprecipitation synthesis, hydrothermal synthesis, complex polymerization synthesis, methods via ion exchange, synthesis by high-temperature and high-pressure treatment, sol-gel method, spray-drying method, supercritical synthesis The method etc. are mentioned, The method of combining these methods individually or in multiple numbers etc. can be mentioned.
以下、実施例を用いて本発明を説明する。
本発明を具体的に説明するための実施例として、正極材料(正極活物質)、それを用いた正極及びリチウムイオン二次電池を製造した。実施例では、上記の図1に示したリチウムイオン二次電池を製造した。
Hereinafter, the present invention will be described using examples.
As an example for specifically explaining the present invention, a positive electrode material (positive electrode active material), a positive electrode using the positive electrode material, and a lithium ion secondary battery were manufactured. In the example, the lithium ion secondary battery shown in FIG. 1 was manufactured.
(実施例1)
まず、出発原料であるNa2NiSnO4を製造した。詳しくは、Na、Ni、Snの一種以上の元素を含有する化合物を、これらの元素が所定の原子比となるように秤量・混合した。そして、焼成(大気雰囲気)し、ほぼ単相の結晶構造を有している出発原料を得た。
つづいて、得られたNa2NiSnO4を、硝酸Li及び塩化Liからなる溶融塩中で加熱してイオン交換処理を施した。
以上により、本例の正極材料(Li2NiSnO4粉末)が製造された。
Example 1
First, Na 2 NiSnO 4 as a starting material was manufactured. Specifically, a compound containing one or more elements of Na, Ni, and Sn was weighed and mixed so that these elements had a predetermined atomic ratio. And it baked (atmosphere atmosphere) and obtained the starting material which has the crystal structure of a substantially single phase.
Subsequently, the obtained Na 2 NiSnO 4 was heated in a molten salt composed of Li nitrate and Li chloride to perform an ion exchange treatment.
Thus, the positive electrode material (Li 2 NiSnO 4 powder) of this example was manufactured.
製造されたLi2NiSnO4粉末に対し、粉末XRDで観察したところ、図2に示した回折結果が得られた。
図2によると、ほぼ単相の化合物であることが確認できる。
When the produced Li 2 NiSnO 4 powder was observed with powder XRD, the diffraction result shown in FIG. 2 was obtained.
According to FIG. 2, it can be confirmed that the compound is almost a single phase.
(実施例2)
Li、Ni、Mn、Geのそれぞれの金属錯体を含有する水溶液を調整した。得られた錯体溶液を目的の正極材料の組成比となるように、すなわちLi:Ni:Mn:Geの原子比が2.1:1:0.67:0.33となるように、混合した。
得られた混合溶液を乾燥炉内で乾燥して有機成分を加熱処理により取り除いた後、加熱し、焼成した。
以上により、本例の正極材料(Li2.1NiMn0.67Ge0.33O4粉末)が製造された。
(Example 2)
An aqueous solution containing each metal complex of Li, Ni, Mn, and Ge was prepared. The obtained complex solution was mixed so as to have the composition ratio of the target positive electrode material, that is, the atomic ratio of Li: Ni: Mn: Ge was 2.1: 1: 0.67: 0.33. .
The obtained mixed solution was dried in a drying furnace to remove organic components by heat treatment, and then heated and baked.
Thus, the positive electrode material (Li 2.1 NiMn 0.67 Ge 0.33 O 4 powder) of this example was manufactured.
製造されたLi2.1NiMn0.67Ge0.33O4粉末に対し、粉末XRDで観察したところ、ほぼ単相の化合物であることが確認できた。 When the produced Li 2.1 NiMn 0.67 Ge 0.33 O 4 powder was observed with a powder XRD, it was confirmed to be a substantially single-phase compound.
(実施例3)
実施例1の出発原料と同様にして、ほぼ単相のNa2NiMn0.67Ge0.33O4を製造した。
つづいて、得られたNa2NiMn0.67Ge0.33O4に対し、実施例1の時と同様にイオン交換処理を施した。
以上により、本例の正極材料(Li2NiMn0.67Ge0.33O4粉末)が製造された。
Example 3
In the same manner as the starting material of Example 1, almost single-phase Na 2 NiMn 0.67 Ge 0.33 O 4 was produced.
Subsequently, the obtained Na 2 NiMn 0.67 Ge 0.33 O 4 was subjected to an ion exchange treatment in the same manner as in Example 1.
Thus, the positive electrode material (Li 2 NiMn 0.67 Ge 0.33 O 4 powder) of this example was manufactured.
製造されたLi2NiMn0.67Ge0.33O4粉末に対し、粉末XRDで観察したところ、ほぼ単相の化合物であることが確認できた。 When the produced Li 2 NiMn 0.67 Ge 0.33 O 4 powder was observed with a powder XRD, it was confirmed to be a substantially single-phase compound.
(実施例4)
実施例2の時と同様にして、金属錯体を含有する水溶液から、本例の正極材料(Li2.1NiMn0.67Sn0.33O4粉末)が製造された。
Example 4
In the same manner as in Example 2, a positive electrode material (Li 2.1 NiMn 0.67 Sn 0.33 O 4 powder) of this example was produced from an aqueous solution containing a metal complex.
製造されたLi2.1NiMn0.67Sn0.33O4粉末に対し、粉末XRDで観察したところ、ほぼ単相の化合物であることが確認できた。 When the manufactured Li 2.1 NiMn 0.67 Sn 0.33 O 4 powder was observed with a powder XRD, it was confirmed to be a substantially single-phase compound.
(実施例5)
実施例1の出発原料と同様にして、ほぼ単相のNa2NiMn0.67Sn0.33O4を製造した。
つづいて、得られたNa2NiMn0.67Sn0.33O4に対し、実施例1の時と同様にイオン交換処理を施した。
以上により、本例の正極材料(Li2NiMn0.67Sn0.33O4粉末)が製造された。
(Example 5)
In the same manner as the starting material of Example 1, almost single phase Na 2 NiMn 0.67 Sn 0.33 O 4 was produced.
Subsequently, the obtained Na 2 NiMn 0.67 Sn 0.33 O 4 was subjected to an ion exchange treatment in the same manner as in Example 1.
Thus, the positive electrode material (Li 2 NiMn 0.67 Sn 0.33 O 4 powder) of this example was manufactured.
製造されたLi2NiMn0.67Sn0.33O4粉末に対し、粉末XRDで観察したところ、ほぼ単相の化合物であることが確認できた。 When the produced Li 2 NiMn 0.67 Sn 0.33 O 4 powder was observed with a powder XRD, it was confirmed to be a substantially single-phase compound.
(実施例6)
本例の正極材料は、Li2NiGeO4粉末である。この組成は、ICP分析によりその組成が確認された。
本例の正極材料であるLi2NiGeO4粉末に対し、粉末XRDで観察したところ、ほぼ単相の化合物であり、かつ層状岩塩型の結晶構造を有することが確認できた。
(Example 6)
The positive electrode material of this example is Li 2 NiGeO 4 powder. This composition was confirmed by ICP analysis.
When Li 2 NiGeO 4 powder, which is the positive electrode material of this example, was observed with powder XRD, it was confirmed that it was a substantially single-phase compound and had a layered rock salt type crystal structure.
(比較例1)
実施例2の時と同様にして、金属錯体を含有する水溶液から、本例の正極材料(Li2.1NiTiO4粉末)が製造された。
(Comparative Example 1)
In the same manner as in Example 2, a positive electrode material (Li 2.1 NiTiO 4 powder) of this example was produced from an aqueous solution containing a metal complex.
製造されたLi2.1NiTiO4粉末に対し、粉末XRDで観察したところ、ほぼ単相の化合物であることが確認できた。 When the produced Li 2.1 NiTiO 4 powder was observed with a powder XRD, it was confirmed to be a substantially single-phase compound.
(比較例2)
比較例1の時と同様にして、金属錯体を含有する水溶液から、本例の正極材料(Li2.1NiMn0.33Ti0.67O4粉末)が製造された。
(Comparative Example 2)
In the same manner as in Comparative Example 1, a positive electrode material (Li 2.1 NiMn 0.33 Ti 0.67 O 4 powder) of this example was produced from an aqueous solution containing a metal complex.
製造されたLi2.1NiMn0.33Ti0.67O4粉末に対し、粉末XRDで観察したところ、ほぼ単相の化合物であることが確認できた。 When the manufactured Li 2.1 NiMn 0.33 Ti 0.67 O 4 powder was observed with a powder XRD, it was confirmed to be a substantially single-phase compound.
(比較例3)
比較例1の時と同様にして、金属錯体を含有する水溶液から、本例の正極材料(Li1.05NiO2粉末)が製造された。
(Comparative Example 3)
In the same manner as in Comparative Example 1, a positive electrode material (Li 1.05 NiO 2 powder) of this example was produced from an aqueous solution containing a metal complex.
製造されたLi1.05NiO2粉末に対し、粉末XRDで観察したところ、ほぼ単相の化合物であることが確認できた。 When the produced Li 1.05 NiO 2 powder was observed with a powder XRD, it was confirmed to be a substantially single-phase compound.
[評価]
上記の各例の正極材料の評価として、リチウムイオン二次電池を組み立て、充放電特性の評価を行った。また、充放電特性の測定後、コイン型電池を分解して正極を取り出し、安全性の評価を行った。
[Evaluation]
As evaluation of the positive electrode material in each of the above examples, a lithium ion secondary battery was assembled, and charge / discharge characteristics were evaluated. After measuring the charge / discharge characteristics, the coin-type battery was disassembled and the positive electrode was taken out, and safety was evaluated.
(リチウムイオン二次電池)
上記の各例の正極活物質を用いて、リチウムイオン二次電池よりなる試験セル(2032型コイン型ハーフセル)を組み立て、評価を行った。
(Lithium ion secondary battery)
A test cell (2032 type coin type half cell) made of a lithium ion secondary battery was assembled and evaluated using the positive electrode active material of each of the above examples.
(コイン型ハーフセル)
試験セル(コイン型ハーフセル)は、図1にその構成を示したコイン型のリチウムイオン二次電池1と同様の構成である。
正極は、正極活物質(各例の正極活物質)91質量部、アセチレンブラック2質量部、PVDF7質量部を混合して得られた正極合剤をアルミニウム箔よりなる正極集電体140に塗布して正極合剤層141を形成したものを用いた。
(Coin type half cell)
The test cell (coin-type half cell) has the same configuration as the coin-type lithium ion secondary battery 1 whose configuration is shown in FIG.
The positive electrode is obtained by applying a positive electrode mixture obtained by mixing 91 parts by mass of a positive electrode active material (positive electrode active material of each example), 2 parts by mass of acetylene black, and 7 parts by mass of PVDF to a positive electrode
負極(対極)には、金属リチウムを用いた。金属リチウムは、図1中の負極合剤層171に相当する。
非水電解質13は、エチレンカーボネート(EC)30体積%とジエチルカーボネート(DEC)70体積%との混合溶媒に、LiPF6を1モル/リットルとなるように溶解させて調製されたものを用いた。
試験セルは、組み立てられた後に、1/3C×2サイクルの充放電での活性化処理が行われた。
以上により、各例の試験セル(ハーフセル)が製造された。
Metal lithium was used for the negative electrode (counter electrode). Metallic lithium corresponds to the negative
The
After the test cell was assembled, an activation process was performed by charge / discharge of 1 / 3C × 2 cycles.
The test cell (half cell) of each example was manufactured by the above.
[充放電特性]
リチウムイオン二次電池に対し、1/50Cレートで充電及び放電を行った。充電は4.5VカットのCC充電で、放電は2.6VカットのCC放電で、それぞれ行われた。
[Charge / discharge characteristics]
The lithium ion secondary battery was charged and discharged at a 1/50 C rate. Charging was performed by CC charging with 4.5V cut, and discharging was performed by CC discharging with 2.6V cut.
各例(実施例1〜6,比較例1〜3)のリチウムイオン二次電池の充電容量と放電容量の測定結果を表1に示した。合わせて、実施例1のリチウムイオン二次電池における充放電特性を図3に示した。 Table 1 shows the measurement results of the charge capacity and discharge capacity of the lithium ion secondary batteries of Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 to 3. In addition, the charge / discharge characteristics of the lithium ion secondary battery of Example 1 are shown in FIG.
表1に示したように、各実施例の二次電池は、充電容量及び放電容量が比較例1及び2と比較して、いずれも優れたものとなっている。
また、図3に示したように、実施例1の二次電池は、良好な充放電特性がえられることが確認された。
As shown in Table 1, the secondary batteries of each example are superior in charge capacity and discharge capacity compared to Comparative Examples 1 and 2.
Moreover, as shown in FIG. 3, it was confirmed that the secondary battery of Example 1 has good charge / discharge characteristics.
[安全性試験]
リチウムイオン二次電池に対し、1/50Cレートで4.8Vまで、CC充電で充電を行った。
充電終了後、電池を解体し、正極を取り出した。
[Safety test]
The lithium ion secondary battery was charged by CC charging up to 4.8 V at a 1/50 C rate.
After charging, the battery was disassembled and the positive electrode was taken out.
取り出した正極は、DMCで洗浄した後、ヘリウム雰囲気下で、室温〜1000℃まで20℃/minの昇温速度で加温した。その際に正極から発生した酸素の量をTPD−MS測定により測定した。
測定結果を、表1に合わせて示した。
The positive electrode taken out was washed with DMC and then heated at a temperature increase rate of 20 ° C./min from room temperature to 1000 ° C. in a helium atmosphere. At that time, the amount of oxygen generated from the positive electrode was measured by TPD-MS measurement.
The measurement results are shown in Table 1.
表1に示したように、各実施例の二次電池は、酸素発生量が比較例2及び比較例3と比較して少なく、すなわち安全性においていずれも優れたものとなっている。 As shown in Table 1, the secondary battery of each example has a smaller amount of oxygen generation than Comparative Example 2 and Comparative Example 3, that is, both are excellent in safety.
[EXAFS解析から導き出すNiと酸素原子間の結合長評価]
実施例1〜6で得られた正極材料に含有されているNi原子と第一近接原子である酸素原子との結合長を以下のようにして同定した。そして、結果を表1に示した。なお、データに飛び値や欠損がある場合、さらにEXAFS解析のために不適なバックグラウンド処理がなされた際は、本目的に応じたパラメータを設定する。この場合においても、本発明の範囲内とすることができる。
(1)実施例1の正極材料と窒化ホウ素とを適量混合し、圧縮成形してペレットを製造した。
(2)8032〜9432eVの範囲においてX線吸収測定を、透過法にて行った。
(3)測定結果のデータを、エネルギー・X線吸収量を直接読み込むためのプラグインを用い、解析ソフト(Athena(Ver.0.9.013))にて開く。そして、デフォルトのアルゴリズムで、バックグラウンドの除去及びE0の決定を行う。プレエッジについては、E0より−150〜−30eVの範囲を適用し、ノーマライズ範囲は、E0より150以降980eVの範囲を用いて行った。
(4)3<k≦12の範囲において、ハニング窓を窓関数としたフーリエ変換を施し、各実施例のNi原子中心からの1次元距離情報である動径分布関数を取得する。なお、この時点で位相の調整は行わなかった。
(5)フーリエ変換が終了したデータを解析ソフト(Artemis(Ver.0.8.012))で読み込む。
(6)フィッティング条件としては、第一配位圏に相当するピークをフィッティング対象とし、k−weightとして3を設定する。
(7)位相シフトや後方散乱因子を考慮した理論EXAFS関数を導出するにあたっては、解析ソフト(Artemis)にアドインされたソフト(Atoms)を用い、層状岩塩型結晶構造Li2NiMnO4(CifNo0000000180552)のNi/Mn(3b)サイトにおいたNiをCoreとしたクラスターサイズ6Åのモデルで計算を行った。
(8)得られたパスの中で、第一配位圏に該当する元素であるNi−Oのパスを選択する。そして、選択したパスに対し、amp:0.1(guess),配位数N=6,enot:0.01(guess),delr:0.01(guess),ss(DW因子):0.01(guess)と初期設定し、第一近接元素のフィッティングを行った。
(9)得られたRファクターは0.00009であった。すなわち、解析は高い精度で行われたと判断できる。さらに、ssは0.0081Å2、enotは4.41eV、ampは0.88となり、解析結果妥当性の高い数値となった。この際に出力されるNi‐O間の結合長、すなわちNi中心から酸素原子までの距離は1.97Åであった(表1)。Shannonのイオン半径表から算出されるNi‐O間の結合長は2.04Åであるため、Shannonのイオン半径表から算出される結合長より小さいことがわかった。
[Evaluation of bond length between Ni and oxygen atoms derived from EXAFS analysis]
The bond length between the Ni atom contained in the positive electrode materials obtained in Examples 1 to 6 and the oxygen atom which is the first adjacent atom was identified as follows. The results are shown in Table 1. If there is a jump value or missing data in the data, and if an inappropriate background process is performed for EXAFS analysis, parameters corresponding to this purpose are set. Even in this case, it can be within the scope of the present invention.
(1) A proper amount of the positive electrode material of Example 1 and boron nitride were mixed and compression molded to produce pellets.
(2) X-ray absorption measurement was performed by the transmission method in the range of 8032 to 9432 eV.
(3) The measurement result data is opened with analysis software (Athena (Ver. 0.9.013)) using a plug-in for directly reading energy and X-ray absorption. Then, the background is removed and E0 is determined by a default algorithm. For the pre-edge, the range of −150 to −30 eV from E0 was applied, and the normalization range was 150 to 980 eV from E0.
(4) In the range of 3 <k ≦ 12, Fourier transform using the Hanning window as a window function is performed to obtain a radial distribution function that is one-dimensional distance information from the Ni atom center of each example. At this point, no phase adjustment was performed.
(5) The data that has undergone Fourier transform is read by analysis software (Artemis (Ver. 0.8.012)).
(6) As a fitting condition, a peak corresponding to the first coordination zone is set as a fitting target, and 3 is set as k-weight.
(7) In deriving the theoretical EXAFS function in consideration of the phase shift and the backscattering factor, the software (Atoms) added to the analysis software (Artemis) is used, and the layered rock salt type crystal structure Li 2 NiMnO 4 (CifNo00000001805552) is used. The calculation was performed using a model with a cluster size of 6 mm, where Ni at the Ni / Mn (3b) site was Core.
(8) Among the obtained paths, a Ni-O path that is an element corresponding to the first coordination sphere is selected. For the selected path, amp: 0.1 (guess), coordination number N = 6, enot: 0.01 (guess), delr: 0.01 (guess), ss (DW factor): 0. The initial setting was 01 (guess), and fitting of the first adjacent element was performed.
(9) The R factor obtained was 0.00009. That is, it can be determined that the analysis was performed with high accuracy. Furthermore, ss was 0.0081 2, enot was 4.41 eV, and amp was 0.88. The bond length between Ni—O output at this time, that is, the distance from the Ni center to the oxygen atom was 1.97 cm (Table 1). Since the bond length between Ni—O calculated from the Shannon ion radius table is 2.04 mm, it was found to be smaller than the bond length calculated from the Shannon ion radius table.
上記と同様にして、実施例2〜6の各正極材料におけるNi−O間の結合長を同定し、表1に示した。表1より、実施例2〜6の各正極材料におけるNi−O間の結合長も、Shannonのイオン半径表から算出される結合長より小さいことがわかった。 In the same manner as described above, the bond length between Ni—O in each positive electrode material of Examples 2 to 6 was identified and shown in Table 1. From Table 1, it was found that the bond length between Ni—O in each positive electrode material of Examples 2 to 6 was also smaller than the bond length calculated from Shannon's ion radius table.
1:リチウムイオン二次電池
11:正極ケース
12:シール材(ガスケット)
13:非水電解質
14:正極
140:正極集電体
141:正極合剤層
15:セパレータ
16:負極ケース
17:負極
170:負極集電体
171:負極合剤層
18:保持部材
1: Lithium ion secondary battery 11: Positive electrode case 12: Sealing material (gasket)
13: Nonaqueous electrolyte 14: Positive electrode 140: Positive electrode current collector 141: Positive electrode mixture layer 15: Separator 16: Negative electrode case 17: Negative electrode 170: Negative electrode current collector 171: Negative electrode mixture layer 18: Holding member
Claims (4)
Li層と、Ni層とを備えた層状構造を有し、
Niと酸素の結合長がShannonのイオン半径表から計算される結合長より小さいことを特徴とする正極材料。 Li 2 Ni α M 1 β M 2 γ Mn η O 4-ε (0.50 <α ≦ 1.33, 0.33 ≦ γ ≦ 1.1, 0 ≦ η ≦ 1.00, 0 ≦ β <0 .67, 0 ≦ ε ≦ 1.00, M 1 : at least one selected from Co, Ga, M 2 : at least one selected from Ge, Sn, Sb)
Having a layered structure comprising a Li layer and a Ni layer;
A positive electrode material, wherein a bond length between Ni and oxygen is smaller than a bond length calculated from Shannon's ion radius table.
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2016195107A (en) * | 2015-03-31 | 2016-11-17 | 株式会社デンソー | Positive electrode material, positive electrode for non-aqueous electrolyte secondary battery and non-aqueous electrolyte secondary battery |
| WO2021144660A1 (en) * | 2020-01-17 | 2021-07-22 | 株式会社半導体エネルギー研究所 | Positive electrode active material, secondary battery, electronic device, and vehicle |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0878006A (en) * | 1994-09-06 | 1996-03-22 | Yuasa Corp | Lithium secondary battery |
| JPH0878005A (en) * | 1994-09-06 | 1996-03-22 | Yuasa Corp | Lithium secondary battery |
| WO2002040404A1 (en) * | 2000-11-16 | 2002-05-23 | Hitachi Maxell, Ltd. | Lithium-containing composite oxide and nonaqueous secondary cell using the same, and method for manufacturing the same |
| JP2005332713A (en) * | 2004-05-20 | 2005-12-02 | Toyota Motor Corp | Lithium secondary battery and positive electrode active material for the secondary battery |
| US20110226985A1 (en) * | 2010-03-19 | 2011-09-22 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Cathode active material, cathode including the same, and lithium battery including cathode |
-
2015
- 2015-03-31 JP JP2015071706A patent/JP2016192314A/en active Pending
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0878006A (en) * | 1994-09-06 | 1996-03-22 | Yuasa Corp | Lithium secondary battery |
| JPH0878005A (en) * | 1994-09-06 | 1996-03-22 | Yuasa Corp | Lithium secondary battery |
| WO2002040404A1 (en) * | 2000-11-16 | 2002-05-23 | Hitachi Maxell, Ltd. | Lithium-containing composite oxide and nonaqueous secondary cell using the same, and method for manufacturing the same |
| JP2005332713A (en) * | 2004-05-20 | 2005-12-02 | Toyota Motor Corp | Lithium secondary battery and positive electrode active material for the secondary battery |
| US20110226985A1 (en) * | 2010-03-19 | 2011-09-22 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Cathode active material, cathode including the same, and lithium battery including cathode |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2016195107A (en) * | 2015-03-31 | 2016-11-17 | 株式会社デンソー | Positive electrode material, positive electrode for non-aqueous electrolyte secondary battery and non-aqueous electrolyte secondary battery |
| WO2021144660A1 (en) * | 2020-01-17 | 2021-07-22 | 株式会社半導体エネルギー研究所 | Positive electrode active material, secondary battery, electronic device, and vehicle |
| JPWO2021144660A1 (en) * | 2020-01-17 | 2021-07-22 |
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