JP2019050099A - Positive electrode active material for non-aqueous electrolyte secondary battery and method for producing the same - Google Patents
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Abstract
【課題】 正極材に用いられた場合に、優れた出力特性と優れた充放電サイクル特性および優れたペースト安定性が得られる非水系電解質二次電池用正極活物質の提供。【解決手段】 一般式(1):LizNi1−x−yCoxMyO2(ただし、0.10≦x≦0.35、0≦y≦0.35、1.00<z<1.30)で表されるリチウム金属複合酸化物粉末と、遷移金属オキソアニオンのアンモニウム塩とを含み、遷移金属オキソアニオンのアンモニウム塩の少なくとも一部は、リチウム金属複合酸化物粉末の表面に分散して存在し、遷移金属オキソアニオンのアンモニウム塩に含まれる遷移金属は、タングステン、モリブデン及びバナジウムから選択される少なくとも1種である、非水系電解質二次電池用正極活物質などによる。【選択図】図1PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery, which has excellent output characteristics, excellent charge/discharge cycle characteristics, and excellent paste stability when used as a positive electrode material. SOLUTION: This is represented by the general formula (1): LizNi1-x-yCoxMyO2 (wherein 0.10≤x≤0.35, 0≤y≤0.35, 1.00<z<1.30). A lithium metal composite oxide powder and an ammonium salt of a transition metal oxo anion are contained, and at least a part of the ammonium salt of the transition metal oxo anion is dispersed and present on the surface of the lithium metal composite oxide powder. The transition metal contained in the ammonium salt of an anion is at least one selected from tungsten, molybdenum, and vanadium, and is based on a positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery. [Selection diagram] Figure 1
Description
本発明は、非水系電解質二次電池用正極活物質とその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery and a method for producing the same.
近年、携帯電話やノート型パソコンなどの携帯電子機器の普及に伴い、高いエネルギー密度を有する小型で軽量な非水系電解質二次電池の開発が強く望まれている。また、ハイブリット自動車を始めとする電気自動車用の電池として出力特性と充放電サイクル特性が優れた二次電池の開発が強く望まれている。 In recent years, with the spread of mobile electronic devices such as mobile phones and notebook computers, development of a small and lightweight non-aqueous electrolyte secondary battery having a high energy density is strongly desired. Moreover, development of a secondary battery having excellent output characteristics and charge / discharge cycle characteristics is strongly desired as a battery for electric vehicles including hybrid vehicles.
このような要求を満たす二次電池として、リチウムイオン二次電池がある。このリチウムイオン二次電池は、負極および正極と電解液等で構成され、負極および正極の活物質は、リチウムを脱離および挿入することの可能な材料が用いられている。 There is a lithium ion secondary battery as a secondary battery which satisfies such a demand. The lithium ion secondary battery is composed of a negative electrode, a positive electrode, an electrolytic solution and the like, and as the active material of the negative electrode and the positive electrode, a material capable of releasing and inserting lithium is used.
このようなリチウムイオン二次電池は、現在研究、開発が盛んに行われているところであるが、中でも、層状またはスピネル型のリチウム金属複合酸化物を正極材料に用いたリチウムイオン二次電池は、4V級の高い電圧が得られるため、高いエネルギー密度を有する電池として実用化が進んでいる。 Such a lithium ion secondary battery is currently under active research and development. Among them, a lithium ion secondary battery using a layered or spinel type lithium metal composite oxide as a positive electrode material is Since a high voltage of 4V class can be obtained, the practical use is advanced as a battery having a high energy density.
これまで主に提案されている材料としては、合成が比較的容易なリチウムコバルト複合酸化物(LiCoO2)や、コバルトよりも安価なニッケルを用いたリチウムニッケル複合酸化物(LiNiO2)、リチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物(LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2)、マンガンを用いたリチウムマンガン複合酸化物(LiMn2O4)などを挙げることができる。 Materials mainly proposed until now include lithium cobalt composite oxide (LiCoO 2 ) which is relatively easy to synthesize, lithium nickel composite oxide (LiNiO 2 ) using nickel which is cheaper than cobalt, lithium nickel Examples include cobalt manganese composite oxide (LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 ), lithium manganese composite oxide using manganese (LiMn 2 O 4 ), and the like.
ところで、出力特性と充放電サイクル特性に優れたリチウムイオン二次電池を得るためには、正極活物質が、小粒径で粒度分布が狭い粒子によって構成されていることが必要となる。これは、粒径が小さい粒子は、比表面積が大きく、正極活物質として用いた場合に電解液との反応面積を十分に確保することができるばかりでなく、正極を薄く構成し、リチウムイオンの正極−負極間の移動距離を短くすることができるため、正極抵抗の低減が可能だからである。また、粒度分布が狭い粒子は、電極内で粒子に印加される電圧を均一化できるため、微粒子が選択的に劣化することによる電池容量の低下を抑制することが可能だからである。 By the way, in order to obtain a lithium ion secondary battery excellent in output characteristics and charge / discharge cycle characteristics, it is necessary that the positive electrode active material be constituted by particles having a small particle diameter and a narrow particle size distribution. This is because particles having a small particle diameter have a large specific surface area, and when used as a positive electrode active material, not only can the reaction area with the electrolytic solution be sufficiently secured, but also the positive electrode is thin and lithium ion This is because the moving distance between the positive electrode and the negative electrode can be shortened, so that the positive electrode resistance can be reduced. In addition, particles having a narrow particle size distribution can equalize the voltage applied to the particles in the electrode, so that it is possible to suppress a decrease in battery capacity due to selective deterioration of the particles.
出力特性と充放電サイクル特性のさらなる改善を図るためには、正極活物質を中空構造とすることが有効である。このような正極活物質は、粒径が同程度である中実構造の正極活物質と比べて、電解液との反応面積を大きくすることができるため、正極抵抗を大幅に低減することができる。 In order to further improve the output characteristics and the charge and discharge cycle characteristics, it is effective to make the positive electrode active material into a hollow structure. Such a positive electrode active material can increase the reaction area with the electrolytic solution as compared with a solid structure positive electrode active material having the same particle diameter, so that the positive electrode resistance can be significantly reduced. .
例えば、特許文献1〜3には、正極活物質の前駆体となる遷移金属複合水酸化物粒子を、主として核生成を行う核生成工程と、主として粒子成長を行う粒子成長工程の2段階に明確に分離した晶析反応により、製造する方法が開示されている。これらの方法では、反応水溶液のpH値を、液温25℃基準で、核生成工程では12.0〜14.0の範囲に、粒子成長工程では、10.5〜12.0の範囲に制御している。また、反応雰囲気を、核生成工程および粒子成長工程の初期では酸化性雰囲気とするとともに、所定のタイミングで、非酸化性雰囲気に切り替えている。
For example,
このような方法により、得られる遷移金属複合水酸化物粒子は、小粒径で粒度分布が狭く、かつ、微細一次粒子からなる低密度の中心部と、板状または針状一次粒子からなる高密度の外殻部とから構成される。したがって、このような遷移金属複合水酸化物粒子を焼成した場合、低密度の中心部が大きく収縮し、内部に空間部が形成されることとなる。しかも、上述したように、複合水酸化物粒子の粒子性状は、正極活物質に引き継がれることとなる。具体的には、これらの文献に記載の技術により得られる正極活物質は、平均粒径が2μm〜8μmまたは2μm〜15μmの範囲にあり、粒度分布の広がりを示す指標である〔(d90−d10)/平均粒径〕が0.60以下であり、かつ、中空構造を備えたものとなっている。 The transition metal composite hydroxide particles obtained by such a method have a small particle diameter and a narrow particle size distribution, and a low density central portion consisting of fine primary particles and a high plate-like or needle-like primary particle It consists of a shell of density. Therefore, when such transition metal composite hydroxide particles are fired, the low density central portion largely shrinks, and a space portion is formed inside. Moreover, as described above, the particle properties of the composite hydroxide particles are taken over to the positive electrode active material. Specifically, the positive electrode active material obtained by the techniques described in these documents has an average particle diameter in the range of 2 μm to 8 μm or 2 μm to 15 μm, and is an index indicating the spread of the particle size distribution [(d90-d10 ) / Average particle diameter] is 0.60 or less, and has a hollow structure.
このため、これらの正極活物質を用いた二次電池では、容量特性、出力特性と充放電サイクル特性を同時に改善できると考えられる。また、充放電サイクル特性のさらなる改善を図るためには、ニッケル、コバルト、マンガンなどの金属元素に対してリチウムを化学両論組成よりも過剰に含有させることが有効である。しかしながら、出力特性と充放電サイクル特性のさらなる向上が求められている。 Therefore, in the secondary battery using these positive electrode active materials, it is considered that the capacity characteristics, the output characteristics, and the charge and discharge cycle characteristics can be simultaneously improved. Further, in order to further improve charge-discharge cycle characteristics, it is effective to contain lithium in excess of the stoichiometric composition with respect to the metal element such as nickel, cobalt, manganese and the like. However, further improvement of output characteristics and charge / discharge cycle characteristics is required.
ところで、非水電解液二次電池の正極は、正極活物質と、PVDF(ポリフッ化ビニリデン)やNMP(ノルマルメチル−2−ピロリドン)などのバインダーとを混合して正極合材ペーストにし、アルミ箔などの集電体に塗布することで形成される。このとき、リチウムを過剰に含有させた正極活物質では、正極活物質からリチウムが遊離し、バインダーに含まれる水分と反応し水酸化リチウムが生成する。生成した水酸化リチウムとバインダーが反応し、結果正極合材ペーストがゲル化を起こし、操作性の悪さ、歩留まりの悪化を招く。この傾向は正極活物質におけるリチウムが化学量論比よりも過剰で、且つニッケルの割合が高い場合に顕著となる。 By the way, the positive electrode of the non-aqueous electrolyte secondary battery is prepared by mixing a positive electrode active material and a binder such as PVDF (polyvinylidene fluoride) or NMP (normal methyl-2-pyrrolidone) to form a positive electrode mixture paste, and aluminum foil Etc. It forms by apply | coating to current collectors etc. At this time, in the positive electrode active material containing an excessive amount of lithium, lithium is liberated from the positive electrode active material, and reacts with the water contained in the binder to generate lithium hydroxide. The generated lithium hydroxide and the binder react with each other to cause gelation of the positive electrode mixture paste, resulting in poor operability and deterioration in yield. This tendency is significant when lithium in the positive electrode active material is in excess of the stoichiometric ratio and the proportion of nickel is high.
このリチウムを過剰に含有させた正極合材ペーストのゲル化を防止する方法として、例えば、特許文献4では、正極活物質と酸性酸化物からなる粒子とを混合して正極組成物とすることが提案されている。この方法によれば生成した水酸化リチウムが酸性酸化物と優先的に反応し、生成した水酸化リチウムとバインダーとの反応を抑制することによって正極合材ペーストのゲル化が抑制されるとされている。更に、酸性酸化物と水酸化リチウムとの反応によって生じた化合物は正極活物質の抵抗を低減する効果があるとされている。よって、出力特性、充放電サイクル特性およびペースト安定性を全て向上することができる。 As a method of preventing the gelation of the positive electrode mixture paste containing an excessive amount of lithium, for example, in Patent Document 4, a positive electrode active material and particles made of an acidic oxide may be mixed to form a positive electrode composition. Proposed. According to this method, the generated lithium hydroxide is preferentially reacted with the acidic oxide, and the reaction of the generated lithium hydroxide with the binder is suppressed to suppress the gelation of the positive electrode mixture paste. There is. Furthermore, the compound produced by the reaction of the acidic oxide and lithium hydroxide is said to have the effect of reducing the resistance of the positive electrode active material. Therefore, output characteristics, charge / discharge cycle characteristics and paste stability can all be improved.
出力特性と充放電サイクル特性のさらなる改善を図る他の方法として、特許文献5には先に記載した正極活物質とPVDFとNMPを混合して正極合材ペーストを得る際に、酸化タングステンの粒子を混合する方法が提案されている。 As another method for further improving the output characteristics and the charge-discharge cycle characteristics, particles of tungsten oxide are obtained when the positive electrode active material described above in Patent Document 5 is mixed with PVDF and NMP to obtain a positive electrode mixture paste. A method of mixing is proposed.
一方、リチウムの遊離に伴うペーストのゲル化を抑制する方法としては、正極活物質を水洗することによって遊離したリチウムを除去する方法が提案されている。たとえば、特許文献6によれば、正極活物質を工業的に水洗することが可能であり、遊離したリチウムを除去することができるとされている。 On the other hand, as a method of suppressing the gelation of the paste due to the liberation of lithium, a method of removing the liberated lithium by washing the positive electrode active material with water has been proposed. For example, according to Patent Document 6, the positive electrode active material can be industrially washed with water, and it is believed that liberated lithium can be removed.
さらに水洗した活物質の出力特性を向上する方法として、タングステン酸リチウムのようなタングステン化合物を溶解させたアルカリ溶液を添加、混合、乾燥することが提案されている。例えば、特許文献7によれば、正極活物質の一次粒子表面全体にWおよびLiを含む微粒子を形成させることによって出力特性が向上することができるとされている。 Furthermore, as a method of improving the output characteristics of the washed active material, it has been proposed to add, mix and dry an alkaline solution in which a tungsten compound such as lithium tungstate is dissolved. For example, according to Patent Document 7, it is supposed that the output characteristics can be improved by forming fine particles containing W and Li on the entire primary particle surface of the positive electrode active material.
しかしながら、特許文献4、5に記載の方法では、酸性酸化物の粒子が残留することによってセパレータの破損およびそれにともなう安全性低下の恐れがある。また、特許文献6の方法は出力特性の低下を招く問題があった。さらに、特許文献7に記載の方法では水洗工程と添加工程および乾燥工程が必要となり、製造工程が増加するため、製造コストが増加する問題があった。 However, in the methods described in Patent Literatures 4 and 5, the particles of the acidic oxide remain, which may cause damage to the separator and the resultant decrease in safety. Further, the method of Patent Document 6 has a problem that the output characteristics are degraded. Furthermore, the method described in Patent Document 7 requires a water washing step, an addition step, and a drying step, and the number of manufacturing steps is increased, resulting in an increase in manufacturing cost.
以上のように、上記文献に記載の方法では、少ない工程によって出力特性、充放電サイクル特性およびペースト安定性(ペーストのゲル化の抑制)の全てを十分に改善することができない。 As described above, the method described in the above document can not sufficiently improve all of the output characteristics, the charge / discharge cycle characteristics and the paste stability (suppression of the gelation of the paste) with few steps.
本発明はかかる問題点に鑑み、正極材に用いられた場合に優れた出力特性と優れた充放電サイクル特性および優れたペースト安定性が得られるとともに、さらに簡便な工程で製造できる非水系電解質二次電池用正極活物質を提供することを目的とする。
In view of the above problems, the present invention provides a
本発明者らは、上記課題を解決するため、非水系電解質二次電池用正極活物質として用いられているリチウム金属複合酸化物の粉体特性が電池の正極抵抗や充放電サイクル特性およびペースト安定性に及ぼす影響について鋭意研究したところ、リチウム金属複合酸化物粉末を構成する粒子表面に、遷移金属オキソアニオンのアンモニウム塩を形成させることで、電池の正極抵抗を低減して出力特性と充放電サイクル特性を向上させるとともに、スラリー安定性を向上することが可能であることを見出した。 In order to solve the above problems, the present inventors have studied powder characteristics of the lithium metal composite oxide used as a positive electrode active material for non-aqueous electrolyte secondary batteries, the positive electrode resistance and charge / discharge cycle characteristics of the battery, and paste stability. The inventors have intensively studied the influence on the conductivity, and by forming the ammonium salt of the transition metal oxoanion on the particle surface constituting the lithium metal complex oxide powder, the positive electrode resistance of the battery is reduced, and the output characteristics and charge / discharge cycle It has been found that it is possible to improve the slurry stability as well as to improve the properties.
さらに、その製造方法として、リチウムを化学両論組成よりも過剰に含有させたリチウム金属複合酸化物粉末に遷移金属オキソアニオンのアンモニウム塩の水溶液を混合、乾燥させることによって、簡便な製造方法によって微細な遷移金属オキソアニオンのアンモニウム塩を添加できることを見出し、本発明を完成させるに至った。 Furthermore, as a method for producing the same, an aqueous solution of an ammonium salt of transition metal oxoanion is mixed with lithium metal complex oxide powder containing lithium in excess of the stoichiometric composition and dried to obtain fine particles by a simple production method. It has been found that ammonium salts of transition metal oxoanions can be added, and the present invention has been completed.
本発明の第1の態様によれば、一般式(1):LizNi1−x−yCoxMyO2(ただし、0.10≦x≦0.35、0≦y≦0.35、1.00<z<1.30、Mは、Mn、V、Mg、Mo、Nb、Ti、WおよびAlから選ばれる少なくとも1種の元素)で表されるリチウム金属複合酸化物粉末と、遷移金属オキソアニオンのアンモニウム塩とを含み、遷移金属オキソアニオンのアンモニウム塩の少なくとも一部は、前記リチウム金属複合酸化物粉末の表面に分散して存在し、遷移金属オキソアニオンのアンモニウム塩に含まれる遷移金属は、タングステン、モリブデン及びバナジウムから選択される少なくとも1種である、非水系電解質二次電池用正極活物質が提供される。 According to a first aspect of the present invention, the general formula (1): Li z Ni 1-xy Co x M y O 2 (where 0.10 ≦ x ≦ 0.35, 0 ≦ y ≦ 0. Lithium metal composite oxide powder wherein 35, 1.00 <z <1.30, M is at least one element selected from Mn, V, Mg, Mo, Nb, Ti, W and Al) And an ammonium salt of a transition metal oxo anion, and at least a part of the ammonium salt of the transition metal oxo anion is dispersed on the surface of the lithium metal composite oxide powder, and is contained in the ammonium salt of the transition metal oxo anion The transition metal is at least one selected from tungsten, molybdenum and vanadium, and the positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery is provided.
また、リチウム金属複合酸化物粉末は、複数の一次粒子が凝集して形成された二次粒子を含み、前記遷移金属オキソアニオンのアンモニウム塩の一部が前記一次粒子間に存在することが好ましい。また、正極活物質5gを、100mlの純水に分散させた後、10分間静置させた上澄み液の25℃におけるpHが、9.0以上11.8以下であることが好ましい。また、遷移金属オキソアニオンのアンモニウム塩が水溶性であることが好ましい。また、遷移金属オキソアニオンのアンモニウム塩がタングステン酸アンモニウムを含むことが好ましい。また、タングステン酸アンモニウムが、メタタングステン酸アンモニウムを含むことが好ましい。 The lithium metal composite oxide powder preferably includes secondary particles formed by aggregating a plurality of primary particles, and a part of the ammonium salt of the transition metal oxo anion is preferably present between the primary particles. Moreover, it is preferable that the pH at 25 ° C. of the supernatant liquid which has been allowed to stand for 10 minutes after dispersing 5 g of the positive electrode active material in 100 ml of pure water is 9.0 or more and 11.8 or less. Preferably, the ammonium salt of the transition metal oxo anion is water soluble. Preferably, the ammonium salt of the transition metal oxo anion comprises ammonium tungstate. Preferably, the ammonium tungstate contains ammonium metatungstate.
本発明の第2の態様によれば、一般式(1):LizNi1−x−yCoxMyO2(ただし、0.10≦x≦0.35、0≦y≦0.35、1.00<z<1.30、Mは、Mn、V、Mg、Mo、Nb、Ti、WおよびAlから選ばれる少なくとも1種の元素)で表されるリチウム金属複合酸化物粉末と、タングステン、モリブデン及びバナジウムから選択される少なくとも1種の遷移金属オキソアニオンのアンモニウム塩の水溶液とを混合し、混合物を得る第1工程と、混合物を乾燥させる第2工程と、を備え、第1工程における、前記リチウム金属複合酸化物粉末の温度が10℃以上100℃以下である、非水系電解質二次電池用正極活物質の製造方法が提供される。 According to a second aspect of the present invention, the general formula (1): Li z Ni 1 -xy Co x M y O 2 (where 0.10 ≦ x ≦ 0.35, 0 ≦ y ≦ 0. Lithium metal composite oxide powder wherein 35, 1.00 <z <1.30, M is at least one element selected from Mn, V, Mg, Mo, Nb, Ti, W and Al) , Mixing an aqueous solution of an ammonium salt of at least one transition metal oxoanion selected from tungsten, molybdenum and vanadium with a first step of obtaining a mixture, and a second step of drying the mixture, The manufacturing method of the positive electrode active material for non-aqueous electrolyte secondary batteries whose temperature of the said lithium metal complex oxide powder in a process is 10 degreeC or more and 100 degrees C or less is provided.
また、第2工程後に得られる正極活物質5gを、100mlの純水に分散させた後、10分間静置させた上澄み液の25℃におけるpHが、9.0以上11.8以下となるように、第1工程おける前記遷移金属オキソアニオンのアンモニウム塩の水溶液を混合する量を調整することが好ましい。また、第1工程に用いるリチウム金属複合酸化物粉末は、該リチウム金属複合酸化物粉末5gを、100mlの純水に分散させた後、10分間静置させた上澄み液の25℃におけるpHが、11.8以上であることが好ましい。また、遷移金属オキソアニオンのアンモニウム塩が水溶性であることが好ましい。また、遷移金属オキソアニオンのアンモニウム塩が、タングステン酸アンモニウムを含むことが好ましい。また、タングステン酸アンモニウムがメタタングステン酸アンモニウムを含むことが好ましい。 In addition, 5 g of the positive electrode active material obtained after the second step is dispersed in 100 ml of pure water, and then the supernatant liquid allowed to stand for 10 minutes has a pH of 9.0 or more and 11.8 or less at 25 ° C. Preferably, the mixing amount of the aqueous solution of the ammonium salt of the transition metal oxoanion in the first step is adjusted. The lithium metal complex oxide powder used in the first step is prepared by dispersing 5 g of the lithium metal complex oxide powder in 100 ml of pure water and then allowing the supernatant liquid to stand for 10 minutes at 25 ° C. It is preferable that it is 11.8 or more. Preferably, the ammonium salt of the transition metal oxo anion is water soluble. Preferably, the ammonium salt of the transition metal oxoanion comprises ammonium tungstate. Preferably, the ammonium tungstate contains ammonium metatungstate.
本発明によれば、電池の正極材に用いられた場合に優れた出力特性と優れた充放電サイクル特性および優れたスラリー安定性が得られる非水系電解質二次電池用正極活物質を提供することができる。さらに、その製造方法は、容易で工業的規模での生産に適したものであり、その工業的価値は極めて大きい。 According to the present invention, there is provided a positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery, which can provide excellent output characteristics and excellent charge / discharge cycle characteristics and excellent slurry stability when used as a positive electrode material of a battery. Can. Furthermore, the production method is easy and suitable for production on an industrial scale, and its industrial value is extremely large.
以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。まず、正極活物質について説明した後、その正極活物質の製造方法と、この正極活物質を用いた非水系電解質二次電池について説明する。また、図面においては、各構成をわかりやすくするために、一部を強調して、あるいは一部を簡略化して表しており、実際の構造または形状、縮尺等が異なっている場合がある。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. First, the positive electrode active material is described, and then a method of manufacturing the positive electrode active material and a non-aqueous electrolyte secondary battery using the positive electrode active material are described. Further, in the drawings, in order to make each configuration easy to understand, a part is emphasized or a part is simplified and represented, and an actual structure or a shape, a scale, or the like may be different.
1.正極活物質
図1は、本実施形態の非水系電解質二次電池用正極活物質(以下、「正極活物質10」ともいう。)の一例を示した模式図である。正極活物質10は、一般式:LizNi1−x−yCoxMyO2(ただし、0.10≦x≦0.35、0≦y≦0.35、1.00<z<1.30、Mは、Mn、V、Mg、Mo、Nb、Ti、WおよびAlから選ばれる少なくとも1種の元素)で表されるリチウム金属複合酸化物粉末Mと、遷移金属オキソアニオンのアンモニウム塩Aとを含む。
1. Positive Electrode Active Material FIG. 1 is a schematic view showing an example of a positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery (hereinafter, also referred to as “positive electrode
本実施形態の正極活物質10は、母材として一般式:LizNi1−x−yCoxMyO2(ただし、0.10≦x≦0.35、0≦y≦0.35、1.00<z<1.30、Mは、Mn、V、Mg、Mo、Nb、Ti、WおよびAlから選ばれる少なくとも1種の元素)で表されるリチウム金属複合酸化物粉末Mを含むことにより、優れた出力特性と優れた充放電サイクル特性を得ることができる。
The positive electrode
リチウム金属複合酸化物粉末Mは、例えば、図1に示すように、一次粒子1、及び、複数の一次粒子1が凝集して構成された二次粒子2のうち、少なくとも一方からなる。すなわち、リチウム金属複合酸化物粉末Mは、一次粒子1のみの態様、二次粒子2のみの態様、一次粒子1と二次粒子2とが混合した態様のいずれも含む。また、リチウム金属複合酸化物粉末Mは、主として二次粒子2と、少量の一次粒子1とを含んでもよい。
For example, as shown in FIG. 1, the lithium metal composite oxide powder M is made of at least one of a
遷移金属オキソアニオンのアンモニウム塩Aは、図1に示すように、リチウム金属複合酸化物粉末Mの表面に分散して存在する。本明細書において、リチウム金属複合酸化物粉末Mの表面とは、二次電池の正極において、電解液と接触可能な表面をいう。すなわち、リチウム金属複合酸化物粉末Mの表面とは、例えば、二次粒子2の外面で露出している一次粒子1の表面、及び、二次粒子2外部と通じて電解液が浸透可能な二次粒子2表面近傍および内部の空隙3に露出している一次粒子1の表面を含むものであり、一次粒子1間の粒界であっても一次粒子1の結合が不完全で電解液が浸透可能な状態となっていれば含むものである。
The ammonium salt A of the transition metal oxo anion is dispersed and present on the surface of the lithium metal composite oxide powder M, as shown in FIG. In the present specification, the surface of the lithium metal composite oxide powder M refers to a surface that can be in contact with the electrolytic solution in the positive electrode of the secondary battery. That is, the surface of the lithium metal composite oxide powder M means, for example, the surface of the
遷移金属オキソアニオンのアンモニウム塩Aは、遷移金属のオキソアニオンを含むアンモニウム塩であり、好ましくはタングステン、モリブデンおよびバナジウムから選択される少なくとも1種のオキソアニオンのアンモニウム塩であり、より好ましくはタングステン酸アンモニウムであり、さらに好ましくはメタタングステン酸アンモニウムである。遷移金属オキソアニオンのアンモニウム塩Aは、後述するように、正極ペースト中の水酸化リチウムと反応して、オキソアニオンのリチウム塩を形成することができる。 The ammonium salt A of the transition metal oxo anion is an ammonium salt containing the transition metal oxo anion, preferably an ammonium salt of at least one oxo anion selected from tungsten, molybdenum and vanadium, more preferably tungstic acid It is ammonium, more preferably ammonium metatungstate. The ammonium salt A of the transition metal oxo anion can be reacted with lithium hydroxide in the positive electrode paste to form a lithium salt of the oxo anion, as described later.
正極活物質10は、遷移金属オキソアニオンのアンモニウム塩Aをリチウム金属複合酸化物粉末Mの表面に形成することにより、正極活物質10を用いた二次電池において、電池容量を維持しながら、出力特性と充放電サイクル特性とをより向上させることができ、かつ、正極活物質10を含む正極ペーストの安定性を向上させることができる。
The positive electrode
一般的に、正極活物質の表面が異種化合物により完全に被覆されてしまうと、リチウムイオンの移動(インターカレーション)が大きく制限されるため、結果的に正極活物質の出力特性は悪化してしまう。一方、本実施形態の正極活物質10を二次電池の正極に用いた場合、出力特定をより向上させることができる。この理由は、特に限定されないが、例えば、以下のように考えられる。
In general, when the surface of the positive electrode active material is completely covered with the foreign compound, the movement (intercalation) of lithium ions is greatly restricted, and as a result, the output characteristics of the positive electrode active material deteriorate. I will. On the other hand, when the positive electrode
電池の構成部材である正極を製造する際、正極活物質、導電助剤、バインダーおよび溶媒を混合する正極ペーストが作製される。この正極ペーストを製造する工程において、正極活物質10から遊離したリチウムとバインダーに含まれる水分との反応によって水酸化リチウムを生成する。リチウム金属複合酸化物粉末Mの表面に存在する遷移金属オキソアニオンのアンモニウム塩Aの微粒子は、この生成した水酸化リチウムと反応して、リチウム金属複合酸化物粉末Mの表面に、遷移金属オキソアニオンのリチウム塩を島状、又は、極めて薄い層状に形成することができる。
When manufacturing the positive electrode which is a structural member of a battery, the positive electrode paste which mixes a positive electrode active material, a conductive support agent, a binder, and a solvent is produced. In the step of producing the positive electrode paste, lithium hydroxide is generated by the reaction between lithium released from the positive electrode
遷移金属オキソアニオンのリチウム塩は、リチウムイオン伝導率が高く、リチウムイオンの移動を促す効果がある。よって、二次電池の正極において、リチウム金属複合酸化物粉末Mの表面に形成された、遷移金属オキソアニオンのリチウム塩は、正極活物質10と電解液との界面でリチウムイオンの伝導パスを確保して、正極活物質10の反応抵抗を低減して出力特性を向上させることができると考えられる。
Lithium salts of transition metal oxo anions have high lithium ion conductivity, and have the effect of promoting lithium ion migration. Therefore, in the positive electrode of the secondary battery, the lithium salt of the transition metal oxoanion formed on the surface of the lithium metal composite oxide powder M secures a conduction path of lithium ions at the interface between the positive electrode
また、一般的に、本実施形態に係るリチウム金属複合酸化物粉末Mのように、組成中のリチウムを遷移金属に対して化学両論組成よりも過剰に含有させた正極活物質では、正極活物質の粉末からリチウムが遊離し、バインダーに含まれる水分と反応し水酸化リチウムが生成しやすい。そして、生成した水酸化リチウムとバインダーとが反応した結果、正極合材ペーストがゲル化を起こし、操作性の悪さ、歩留まりの悪化を招くことがある。この傾向は正極活物質におけるリチウムが化学量論比よりも過剰で、且つニッケルの割合が高い場合に顕著となる。 In general, as in the lithium metal complex oxide powder M according to the present embodiment, in the positive electrode active material in which lithium in the composition is contained in excess of the stoichiometric composition with respect to the transition metal, the positive electrode active material Lithium is liberated from the powder of the above, and reacts with water contained in the binder to easily form lithium hydroxide. Then, as a result of the reaction between the formed lithium hydroxide and the binder, the positive electrode mixture paste may be gelated, which may cause poor operability and deterioration in yield. This tendency is significant when lithium in the positive electrode active material is in excess of the stoichiometric ratio and the proportion of nickel is high.
対して、本実施形態の正極活物質10においては、リチウム金属複合酸化物粉末Mの表面に酸性の上記遷移金属オキソアニオンのアンモニウム塩Aを形成しているため、正極ペーストを製造する工程において生じたアルカリ性の水酸化リチウムは、遷移金属オキソアニオンのアンモニウム塩Aにより、中和することができる。よって、本実施形態の正極活物質10は、正極ペーストのゲル化を防止することもできる。
In contrast, in the positive electrode
正極活物質10中、リチウム金属複合酸化物粉末Mの表面に存在している遷移金属オキソアニオンのアンモニウム塩Aの量は、リチウム金属複合酸化物粉末Mの粒径、比表面積等にも影響されるが、以下の方法で測定されるpHの範囲内になるような量とすることが好ましい。
The amount of ammonium salt A of the transition metal oxoanion present on the surface of lithium metal complex oxide powder M in positive electrode
すなわち、5gの正極活物質10を100mlの純水に分散させた後、10分間静置させた上澄み液の25℃におけるpHが9.0以上11.8以下の範囲になるように調整することが好ましく、より好ましくはpHが9.0以上11.5未満となるように調整することが好ましい。遷移金属オキソアニオンのアンモニウム塩Aは、酸性であることから、上澄み液のpHが低くなるほど正極活物質10から溶出した遷移金属オキソアニオンのアンモニウム塩Aの量が多いことを意味する。
That is, after dispersing 5 g of the positive electrode
上記pHが9.0未満である場合、遷移金属オキソアニオンのアンモニウム塩Aの添加量が多くなり過ぎることによって、充放電容量が低下するとともに、リチウム金属複合酸化物粉末Mと電解液との間のリチウム伝導が阻害され、反応抵抗が増加し、出力特性が低下することがある。なお、上記pHの下限は、より高い電池容量及び出力特性を得るという観点から、10.0以上が好ましく、11.0以上が好ましい。一方、上記pHが11.8を超える場合、正極ペーストの製造工程において生じた水酸化リチウムを十分に中和することができないため、結果正極合材ペーストがゲル化を起こし、操作性の悪さ、歩留まりの悪化を招くことがある。 When the above pH is less than 9.0, the charge / discharge capacity is lowered due to the addition amount of the ammonium salt A of the transition metal oxo anion being too large, and between the lithium metal complex oxide powder M and the electrolyte solution Lithium conduction is inhibited, reaction resistance is increased, and output characteristics may be degraded. From the viewpoint of obtaining higher battery capacity and output characteristics, the lower limit of the pH is preferably 10.0 or more, and more preferably 11.0 or more. On the other hand, when the above pH is more than 11.8, lithium hydroxide generated in the production process of the positive electrode paste can not be sufficiently neutralized, and as a result, the positive electrode mixture paste is gelated, and the operability is poor. It may lead to the deterioration of the yield.
また、リチウム金属複合酸化物粉末Mが、リチウムを遷移金属に対して化学両論組成よりも過剰に含有する場合(すなわち、上記一般式中、1.00<zを満たす場合)、リチウム金属複合酸化物粉末Mの表面に遷移金属オキソアニオンのアンモニウム塩Aを形成させることによって、正極活物質10は、正極スラリーの安定性を損なうことなく出力特性とサイクル特性を改善することができる。なお、正極活物質10としての粒径、タップ密度などの粉体特性は、通常に用いられる正極活物質の範囲内であればよい。
In addition, when the lithium metal composite oxide powder M contains lithium in excess of the stoichiometric composition with respect to the transition metal (that is, when 1.00 <z in the above general formula is satisfied), the lithium metal composite oxide is oxidized. By forming the ammonium salt A of the transition metal oxo anion on the surface of the metal powder M, the positive electrode
例えば、正極活物質10の平均粒径は、3μm以上15μm以下の範囲にあることが好ましい。これにより、充填性を高めて、二次電池の容積あたりの電池容量をより高いものとすることができる。また、リチウム金属複合酸化物粉末間の印加電圧を均一化し、粉末間での負荷を均一化してサイクル特性をされに高めることができる。なお、正極活物質10の平均粒径としては、d50を用い、レーザー光回折散乱式粒度分析計で測定した体積積算値から求められる。
For example, the average particle diameter of the positive electrode
なお、リチウム金属複合酸化物粉末Mの表面に分散して存在する遷移金属のオキソアニオンのアンモニウム塩Aの形態は、その表面に島状に付着した状態であっても、その表面を層状に被覆した状態であってもよく、これらの両方の状態を含んでもよい。遷移金属のオキソアンモニウム塩Aは、後述する正極活物質10の製造方法を用いて、リチウム金属複合酸化物粉末Mの表面に結晶として析出させることにより、形成することができる。
The form of ammonium salt A of the transition metal oxoanion dispersed and present on the surface of lithium metal complex oxide powder M covers the surface in layers even if it is in the state of being attached to the surface in the form of islands. Or both of these states may be included. The transition metal oxoammonium salt A can be formed by precipitating as crystals on the surface of the lithium metal composite oxide powder M using the method for producing the positive electrode
また、遷移金属オキソアニオンのアンモニウム塩Aは、電解液と接触可能な、一次粒子1の表面、及び/又は、二次粒子2の表面に分散して存在してもよい。また、遷移金属オキソアニオンのアンモニウム塩は、一次粒子1間の結合が不完全で電解液が浸透可能な状態となっている、一次粒子1間の粒界に存在してもよい。
The ammonium salt A of the transition metal oxo anion may be dispersed on the surface of the
正極活物質10の製造工程において、リチウム金属複合酸化物粉末Mに、遷移金属オキソアニオンのアンモニウム塩の水溶液を混合する(付着、浸透させる)際に、二次粒子2の表面以外に、二次粒子2を構成する一次粒子1間にも遷移金属オキソアニオンのアンモニウム塩の水溶液は浸透する。その後、浸透した遷移金属オキソアニオンのアンモニウム塩の水溶液中の水分は、乾燥工程により揮発し、二次粒子2を構成する一次粒子1間にも遷移金属オキソアニオンのアンモニウム塩Aが存在することができる。
In the production process of the positive electrode
2.正極活物質の製造方法
以下、本実施形態の非水系電解質二次電池用正極活物質の製造方法(以下、「正極活物質の製造方法」ともいう。)を、図1〜2を参照して、工程ごとに詳細に説明する。本実施形態の正極活物質の製造方法は、上述した正極活物質10を容易に工業規模で生産することができる。
2. Method of Manufacturing Positive Electrode Active Material Hereinafter, a method of manufacturing a positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery of the present embodiment (hereinafter, also referred to as “a method of manufacturing a positive electrode active material”) will be described with reference to FIGS. Each step will be described in detail. The method for producing a positive electrode active material of the present embodiment can easily produce the above-described positive electrode
[第1工程]
まず、図2に示すように、リチウム金属複合酸化物粉末Mと遷移金属オキソアニオンのアンモニウム塩の水溶液と混合する(第1工程:ステップS1)。これにより、水の存在下、リチウム金属複合酸化物粉末Mの表面に、遷移金属オキソアニオンのアンモニウム塩を分散させることができる。
[First step]
First, as shown in FIG. 2, a lithium metal composite oxide powder M and an aqueous solution of an ammonium salt of a transition metal oxo anion are mixed (first step: step S1). Thereby, the ammonium salt of the transition metal oxo anion can be dispersed on the surface of the lithium metal composite oxide powder M in the presence of water.
ここで、リチウム金属複合酸化物粉末Mの表面とは、二次電池の正極において、電解液と接触可能な表面をいう。リチウム金属複合酸化物粉末Mの表面とは、例えば、二次粒子2の外面で露出している一次粒子1の表面、及び、二次粒子2外部と通じて電解液が浸透可能な二次粒子2表面近傍および内部の空隙3に露出している一次粒子1の表面を含むものであり、一次粒子1間の粒界であっても一次粒子1の結合が不完全で電解液が浸透可能な状態となっていれば含むものである。以下、本工程で用いられる各材料及び混合方法の詳細について説明する。
Here, the surface of the lithium metal composite oxide powder M refers to a surface that can be in contact with the electrolytic solution in the positive electrode of the secondary battery. The surface of the lithium metal composite oxide powder M refers to, for example, the surface of the
(1)リチウム金属複合酸化物粉末
原料として用いられるリチウム金属複合酸化物粉末Mは、一般式:LizNi1−x−yCoxMyO2(ただし、0.10≦x≦0.35、0≦y≦0.35、1.00<z<1.30、Mは、Mn、V、Mg、Mo、Nb、Ti、WおよびAlから選ばれる少なくとも1種の元素)で表される。上記一般式中、リチウムの含有割合を示すzは、1を超え1.30未満である。リチウムを遷移金属に対して化学両論組成よりも過剰に含有させた場合(すなわち、上記一般式中、zが1を超える場合)、得られる正極活物質を正極に用いた二次電池は、より低い反応抵抗と高い充放電サイクル特性を有することができる。一方、リリチウムの含有割合を示すzが、1.30以上である場合、電池容量が低下するとともにpHが増加する。
(1) Lithium Metal Complex Oxide Powder A lithium metal complex oxide powder M used as a raw material has a general formula: Li z Ni 1-x-y Co x M y O 2 (where, 0.10 ≦ x ≦ 0. 35, 0 ≦ y ≦ 0.35, 1.00 <z <1.30, M is represented by at least one element selected from Mn, V, Mg, Mo, Nb, Ti, W and Al) Ru. In the above general formula, z representing the lithium content is more than 1 and less than 1.30. When lithium is contained in excess of the stoichiometric composition with respect to the transition metal (that is, when z exceeds 1 in the above general formula), a secondary battery using the obtained positive electrode active material for the positive electrode is more It can have low reaction resistance and high charge / discharge cycle characteristics. On the other hand, when z indicating the content ratio of lithium is 1.30 or more, the battery capacity decreases and the pH increases.
リチウム金属複合酸化物粉末Mは、単独の一次粒子1、及び、複数の一次粒子1が凝集して形成された二次粒子2の少なくとも一方からなる。また、リチウム金属複合酸化物粉末Mは、電解液の浸透可能な一次粒子1間の空隙および粒界を有する二次粒子2を含むことが好ましい。二次粒子2が電解液の浸透可能な一次粒子1間の空隙および粒界を有する場合、二次電池の正極において、正極活物質10と電解液との接触面積が多くなり、出力特性の向上に有利である。
The lithium metal composite oxide powder M is composed of at least one of a single
リチウム金属複合酸化物粉末Mと遷移金属オキソアニオンのアンモニウム塩の水溶液とを混合する際、電解液と接触可能な一次粒子1間の空隙および粒界には、遷移金属オキソアニオンのアンモニウム塩の水溶液も浸透することができ、後述する乾燥(ステップS2)後、遷移金属オキソアニオンのアンモニウム塩Aを、このような一次粒子1間の空隙及び粒界を含む表面に、分散して存在させることができる。
When mixing lithium metal complex oxide powder M and an aqueous solution of ammonium salt of transition metal oxoanion, an aqueous solution of ammonium salt of transition metal oxoanion is contained in voids and grain boundaries between
第1工程(ステップS1)において、原料として用いられるリチウム金属複合酸化物粉末Mの温度は、500℃以下が好ましく、200℃以下がより好ましい。リチウム金属複合酸化物粉末Mの温度を上記範囲とした場合、遷移金属オキソアニオンのアンモニウム塩の水溶液を、リチウム金属複合酸化物粉末Mの表面により均一に分散させることができる。一方、リチウム金属複合酸化物粉末Mの温度が500℃を超える場合、遷移金属オキソアニオンのアンモニウム塩が分解するため、本発明の効果が減少する。なお、リチウム金属複合酸化物粉末の温度の下限は特に限定されないが、10℃以上であれば、乾燥後の遷移金属オキソアニオンのアンモニウム塩は十分に分散された状態となる。より好ましくはリチウム金属複合酸化物粉末の温度の下限を30℃以上とし、50℃以上とすればさらに好ましい。 500 degrees C or less is preferable, and, as for the temperature of lithium metal complex oxide powder M used as a raw material in a 1st process (step S1), 200 degrees C or less is more preferable. When the temperature of the lithium metal composite oxide powder M is in the above range, an aqueous solution of an ammonium salt of a transition metal oxo anion can be dispersed more uniformly on the surface of the lithium metal composite oxide powder M. On the other hand, when the temperature of the lithium metal composite oxide powder M exceeds 500 ° C., the ammonium salt of the transition metal oxo anion decomposes, so the effect of the present invention is reduced. The lower limit of the temperature of the lithium metal composite oxide powder is not particularly limited, but if it is 10 ° C. or higher, the ammonium salt of the transition metal oxoanion after drying will be in a sufficiently dispersed state. More preferably, the lower limit of the temperature of the lithium metal composite oxide powder is 30 ° C. or higher, and more preferably 50 ° C. or higher.
また、原料として用いられるリチウム金属複合酸化物粉末Mの温度は、100℃以下の温度がさらに好ましい。リチウム金属複合酸化物粉末Mの温度が100℃以下である場合、水溶液中のアンモニウムイオンの消費が抑えられ、乾燥(ステップS2)後に、リチウム金属複合酸化物粉末Mの表面に、遷移金属オキソアニオンのアンモニウム塩Aをより多く残留させることができる。また、遷移金属オキソアニオンのアンモニウム塩の水溶液を、リチウム金属複合酸化物粉末Mの表面(一次粒子1間の粒界含む)に、水分の揮発を抑制しながら、十分に拡散、浸透させることができ、遷移金属オキソアニオンのアンモニウム塩Aの分散性をより向上させることができる。 The temperature of the lithium metal composite oxide powder M used as the raw material is more preferably 100 ° C. or less. When the temperature of the lithium metal composite oxide powder M is 100 ° C. or lower, consumption of ammonium ions in the aqueous solution is suppressed, and after drying (step S2), a transition metal oxoanion is formed on the surface of the lithium metal composite oxide powder M. More ammonium salt A can be left. In addition, an aqueous solution of an ammonium salt of a transition metal oxoanion can be sufficiently diffused and permeated to the surface of the lithium metal composite oxide powder M (including the grain boundary between primary particles 1) while suppressing the evaporation of water. Thus, the dispersibility of the ammonium salt A of the transition metal oxo anion can be further improved.
リチウム金属複合酸化物粉末Mの温度は、電磁波や熱風で加熱するなどの方法により上記範囲に調整することができる。 The temperature of the lithium metal composite oxide powder M can be adjusted to the above range by a method such as heating with electromagnetic waves or hot air.
なお、原料として用いられるリチウム金属複合酸化物粉末Mは、5gのリチウム金属複合酸化物粉末Mを100mlの純水に分散させた後、10分間静置させた上澄み液の25℃におけるpHが11.8以上となるのが好ましい。なお、pHの上限は特に限定されないが、通常、pH12.5以下程度である。 The lithium metal complex oxide powder M used as a raw material has a pH of 11 of the supernatant liquid obtained by dispersing 5 g of the lithium metal complex oxide powder M in 100 ml of pure water and then allowing it to stand for 10 minutes. Preferably, it is not less than .8. The upper limit of pH is not particularly limited, but is usually about pH 12.5 or less.
(2)遷移金属オキソアニオンのアンモニウム塩の水溶液
遷移金属オキソアニオンのアンモニウム塩の水溶液は、上述した遷移金属オキソアニオンのアンモニウム塩Aを溶解させた水溶液をいう。水溶液に含まれる遷移金属オキソアニオンのアンモニウム塩は、遷移金属のオキソアニオンを含むアンモニウム塩であり、好ましくはタングステンもしくはモリブデンもしくはバナジウムから選択される少なくとも1種のオキソアニオンのアンモニウム塩である。
(2) Aqueous solution of ammonium salt of transition metal oxoanion The aqueous solution of ammonium salt of transition metal oxoanion refers to an aqueous solution in which ammonium salt A of the transition metal oxoanion described above is dissolved. The ammonium salt of the transition metal oxoanion contained in the aqueous solution is an ammonium salt containing an oxoanion of the transition metal, preferably an ammonium salt of at least one oxoanion selected from tungsten or molybdenum or vanadium.
遷移金属オキソアニオンのアンモニウム塩は、水に対して易溶性の遷移金属オキソアニオンのアンモニウム塩が好ましく、さらに易溶性のタングステン酸アンモニウムが好ましく、またさらにメタタングステン酸アンモニウムが特に好ましい。水に対して易溶性の遷移金属オキソアニオンのアンモニウム塩を用いることで、低コストで製造することができる。 The ammonium salt of the transition metal oxo anion is preferably an ammonium salt of a transition metal oxo anion which is readily soluble in water, more preferably ammonium tungstate which is readily soluble, and further more preferably ammonium metatungstate. It can be manufactured at low cost by using an ammonium salt of a transition metal oxoanion which is easily soluble in water.
遷移金属オキソアニオンのアンモニウム塩の水溶液における遷移金属オキソアニオンのアンモニウム塩の濃度は、含まれる遷移金属の濃度で100g/l以上2000g/l以下であることが好ましい。濃度が100g/l未満である場合、水溶液中の遷移金属オキソアニオンのアンモニウム塩の濃度が低く、溶媒である水が大量にリチウム金属複合酸化物粉末Mに添加されるため、リチウム金属複合酸化物粉末Mの結晶構造中に含まれるリチウムが溶出してしまい、得られる正極活物質10を用いた二次電池の電池特性の低下や、正極スラリー安定性の低下を招いてしまうことがある。一方、遷移金属オキソアニオンのアンモニウム塩の濃度が2000g/lを超える場合、溶媒である水が少なすぎて、リチウム金属複合酸化物粉末Mの表面に遷移金属オキソアニオンのアンモニウム塩Aを均一に分散できないことがある。
The concentration of the transition metal oxoanion ammonium salt in the aqueous solution of the transition metal oxoanion ammonium salt is preferably 100 g / l or more and 2000 g / l or less as the concentration of transition metal contained. When the concentration is less than 100 g / l, the concentration of the ammonium salt of transition metal oxoanion in the aqueous solution is low, and water as a solvent is added to lithium metal composite oxide powder M in a large amount, lithium metal composite oxide Lithium contained in the crystal structure of the powder M may be eluted, which may lead to a decrease in battery characteristics of a secondary battery using the obtained positive electrode
遷移金属オキソアニオンのアンモニウム塩の水溶液を混合する量は、混合するリチウム金属複合酸化物粉末Mの物性により適宜調整することができ、得られる正極活物質10を100mlの純水に5g分散させた後、10分間静置させた上澄み液の25℃におけるpHが9.0以上11.8以下となるような量に調整することが好ましく、より好ましくは10.0以上11.8以下となる量、さらに好ましくは11.0以上11.8以下となる量に調整する。
The amount of mixing the aqueous solution of ammonium salt of transition metal oxoanion can be appropriately adjusted according to the physical properties of the lithium metal composite oxide powder M to be mixed, and 5 g of the obtained positive electrode
得られる正極活物質10の上記pHが9.0未満である場合、遷移金属オキソアニオンのアンモニウム塩の添加量が多くなり過ぎることによって充放電容量が低下するとともに、リチウム金属複合酸化物と電解液のリチウム伝導が阻害され、反応抵抗が増加することによって出力特性が低下することがある。また、得られる正極活物質10の上記pHが11.8を超える場合、正極を製造する工程において生じた水酸化リチウムを十分に中和することができないため、結果正極用スラリーがゲル化を起こし、操作性の悪さ、歩留まりの悪化を招くことがある。
When the above pH of the obtained positive electrode
遷移金属オキソアニオンのアンモニウム塩の水溶液の混合量は、リチウム金属複合酸化物粉末の粒径、比表面積等や、水溶液中の遷移金属オキソアニオンのアンモニウム塩の濃度にも影響されるため、あらかじめ予備試験で乾燥後の遷移金属オキソアニオンのアンモニウム塩を形成させたリチウム金属複合酸化物粉末を、上記の評価でpHが9.0以上11.8以下の範囲内となるように確認したうえで、混合量を決めることが好ましい。 The mixing amount of the transition metal oxoanion ammonium salt aqueous solution is influenced by the particle size of the lithium metal complex oxide powder, the specific surface area, etc. and the concentration of the transition metal oxoanion ammonium salt in the aqueous solution. After confirming lithium metal complex oxide powder which formed the ammonium salt of the transition metal oxo anion after drying by a test by the above-mentioned evaluation so that pH might become in the range of 9.0 or more and 11.8 or less, It is preferable to determine the mixing amount.
(3)混合
第1工程(ステップS1)における混合の方法は、リチウム金属複合酸化物粉末Mと、遷移金属オキソアニオンのアンモニウム塩の水溶液とが、均一に混合できれば、特に限定されない。例えば、リチウム金属複合酸化物粉末Mに、所定量の遷移金属オキソアニオンのアンモニウム塩の水溶液を添加した後、公知の混合機を用いて、十分に混合して、混合物を得ることができる。
(3) Mixing The mixing method in the first step (step S1) is not particularly limited as long as the lithium metal composite oxide powder M and the aqueous solution of ammonium salt of transition metal oxoanion can be uniformly mixed. For example, after adding a predetermined amount of an aqueous solution of an ammonium salt of a transition metal oxo anion to a lithium metal composite oxide powder M, the mixture can be sufficiently mixed using a known mixer to obtain a mixture.
また、例えば、リチウム金属複合酸化物粉末M(粉体)を撹拌しながら、遷移金属オキソアニオンのアンモニウム塩の水溶液を噴霧したり、リチウム金属複合酸化物粉末M(粉体)を流動させながら遷移金属オキソアニオンのアンモニウム塩の水溶液を噴霧したりすることにより、混合して、混合物を得ることができる。遷移金属オキソアニオンのアンモニウム塩の水溶液を噴霧して添加する場合、リチウム金属複合酸化物粉末M中、遷移金属オキソアニオンのアンモニウム塩の水溶液を容易、かつ、均一に分散させることができる。 For example, while stirring lithium metal complex oxide powder M (powder), an aqueous solution of ammonium salt of transition metal oxoanion is sprayed or transition is caused while flowing lithium metal complex oxide powder M (powder) The mixture can be obtained by mixing or the like by spraying an aqueous solution of an ammonium salt of a metal oxo anion. When the aqueous solution of ammonium salt of transition metal oxoanion is sprayed and added, the aqueous solution of ammonium salt of transition metal oxoanion can be easily and uniformly dispersed in the lithium metal complex oxide powder M.
遷移金属オキソアニオンのアンモニウム塩の水溶液を混合により分散をさせる場合、一般的な混合機を使用することができる。混合機としては、例えばシェーカーミキサーやレーディゲミキサー、ジュリアミキサー、Vブレンダーなどを用いることができる。また、混合機としては、流動層コーティング装置を用いることもできる。 When dispersing the aqueous solution of ammonium salt of transition metal oxoanion by mixing, a common mixer can be used. As a mixer, a shaker mixer, a Loedige mixer, a Julia mixer, a V blender etc. can be used, for example. Moreover, as a mixer, a fluid bed coating apparatus can also be used.
[第2工程]
第2工程(ステップS2)は、混合物を乾燥させる工程である。乾燥は、混合物中の水分が十分に揮発し、かつ、遷移金属オキソアニオンのアンモニウム塩が分解されずに残留する範囲の条件で行う。第2工程において、混合物中、遷移金属オキソアニオンのアンモニウム塩の水溶液に由来する水分の少なくとも一部が揮発する。水分が揮発することにより、リチウム金属複合酸化物粉末Mの表面や、二次粒子2の粉末を構成する一次粒子1間の界面や空隙などに、遷移金属オキソアニオンのアンモニウム塩Aが結晶として析出する。
[Second step]
The second step (step S2) is a step of drying the mixture. Drying is performed under conditions such that the water in the mixture is sufficiently volatilized, and the ammonium salt of the transition metal oxo anion remains undegraded. In the second step, in the mixture, at least a part of the water derived from the aqueous solution of the ammonium salt of transition metal oxoanion volatilizes. By evaporation of water, ammonium salt A of transition metal oxoanion precipitates as crystals on the surface of lithium metal complex oxide powder M, the interface between
乾燥する温度は、混合物中の水分が十分に揮発し、かつ、遷移金属オキソアニオンのアンモニウム塩が分解されずに残留する範囲の条件とすることができ、例えば、500℃以下、好ましくは400℃以下、より好ましくは300℃以下、さらに好ましくは200℃以下である。乾燥温度が500℃を超える場合、遷移金属オキソアニオンのアンモニウム塩の分解が進行し、本発明の効果が減少することがある。また、この温度の下限は特に限定されることはないが、25℃以上とするのが好ましい。25℃未満では、水分が揮発するまでの乾燥時間が長くなり、生産性が低下する。 The drying temperature may be set to such a range that the water in the mixture is sufficiently volatilized and the ammonium salt of the transition metal oxoanion is not decomposed and remains, for example, 500 ° C. or less, preferably 400 ° C. C. or less, more preferably 300.degree. C. or less, still more preferably 200.degree. C. or less. When the drying temperature exceeds 500 ° C., decomposition of the ammonium salt of the transition metal oxo anion may proceed, and the effect of the present invention may be reduced. The lower limit of this temperature is not particularly limited, but is preferably 25 ° C. or more. If it is less than 25 ° C., the drying time until the water is volatilized will be long, and the productivity will be reduced.
乾燥時間は、例えば、6時間以下、好ましくは4時間以下、より好ましくは2時間以下、さらに好ましくは1時間以下である。乾燥時間が6時間を超える場合、500℃以下の乾燥温度である場合でも、遷移金属オキソアニオンのアンモニウム塩の分解が進行し、本発明の効果が減少することがある。乾燥時間の下限は、特に限定されることはないが、10分以上とするのが好ましい。乾燥時間が10分未満である場合、水分が揮発しないことがある。 The drying time is, for example, 6 hours or less, preferably 4 hours or less, more preferably 2 hours or less, still more preferably 1 hour or less. When the drying time exceeds 6 hours, decomposition of the ammonium salt of the transition metal oxoanion may proceed even when the drying temperature is 500 ° C. or less, and the effect of the present invention may be reduced. The lower limit of the drying time is not particularly limited, but is preferably 10 minutes or more. If the drying time is less than 10 minutes, the water may not evaporate.
乾燥時の雰囲気は、雰囲気中の水分や炭酸との反応を避けるため、酸素雰囲気などのような酸化性雰囲気、又は、減圧雰囲気とすることが好ましい。 The atmosphere for drying is preferably an oxidizing atmosphere such as an oxygen atmosphere or a reduced pressure atmosphere to avoid reaction with moisture and carbonic acid in the atmosphere.
なお、乾燥後に得られるリチウム金属複合酸化物は、そのまま正極活物質10として用いてもよいし、粒度分布を調整するための解砕工程などの他の工程をさらに行った後、正極活物質10として用いてもよい。
The lithium metal composite oxide obtained after drying may be used as it is as the positive electrode
3.非水系電解質二次電池
本実施形態の非水系電解質二次電池は、正極、負極および非水系電解液を備える。本実施形態の非水系電解質二次電池は、例えば、一般の非水系電解質二次電池と同様の構成要素により構成されてもよい。なお、以下で説明する実施形態は例示に過ぎず、本発明の非水系電解質二次電池は、本明細書に記載されている実施形態を基に、当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した形態で実施することができる。また、本発明の非水系電解質二次電池は、その用途を特に限定するものではない。
3. Nonaqueous Electrolyte Secondary Battery The nonaqueous electrolyte secondary battery of the present embodiment includes a positive electrode, a negative electrode, and a nonaqueous electrolytic solution. The non-aqueous electrolyte secondary battery of the present embodiment may be configured by, for example, the same components as general non-aqueous electrolyte secondary batteries. Note that the embodiments described below are merely examples, and the non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention has various modifications based on the knowledge of those skilled in the art based on the embodiments described herein. It can implement in the form which gave improvement. Moreover, the non-aqueous electrolyte secondary battery of this invention does not specifically limit the use.
(a)正極
上記の非水系電解質二次電池用正極活物質を用いて、例えば、以下のようにして、非水系電解質二次電池の正極を作製する。
(A) Positive Electrode A positive electrode of a non-aqueous electrolyte secondary battery is manufactured, for example, as follows, using the above-described positive electrode active material for non-aqueous electrolyte secondary battery.
まず、粉末状の正極活物質、導電材、結着剤を混合し、さらに必要に応じて活性炭、粘度調整等の目的の溶剤を添加し、これを混練して正極合材ペーストを作製する。
その正極合材ペースト中のそれぞれの混合比も、非水系電解質二次電池の性能を決定する重要な要素となる。溶剤を除いた正極合材の固形分の全質量を100質量部とした場合、一般の非水系電解質二次電池の正極と同様、正極活物質の含有量を60〜95質量部とし、導電材の含有量を1〜20質量部とし、結着剤の含有量を1〜20質量部とすることが望ましい。
First, a powdery positive electrode active material, a conductive material, and a binder are mixed, and if necessary, activated carbon and a solvent for adjusting viscosity etc. are added, and the mixture is kneaded to prepare a positive electrode mixture paste.
The mixing ratio of each in the positive electrode mixture paste is also an important factor in determining the performance of the non-aqueous electrolyte secondary battery. When the total mass of the solid content of the positive electrode mixture excluding the solvent is 100 parts by mass, the content of the positive electrode active material is 60 to 95 parts by mass as in the positive electrode of a general non-aqueous electrolyte secondary battery. It is desirable that the content of the binder be 1 to 20 parts by mass, and the content of the binder be 1 to 20 parts by mass.
得られた正極合材ペーストを、例えば、アルミニウム箔製の集電体の表面に塗布し、乾燥して、溶剤を飛散させる。必要に応じ、電極密度を高めるべく、ロールプレス等により加圧することもある。このようにして、シート状の正極を作製することができる。シート状の正極は、目的とする電池に応じて適当な大きさに裁断等をして、電池の作製に供することができる。ただし、正極の作製方法は、例示のものに限られることなく、他の方法によってもよい。 The obtained positive electrode mixture paste is applied, for example, on the surface of a current collector made of aluminum foil, and dried to disperse the solvent. If necessary, pressure may be applied by a roll press or the like to increase the electrode density. Thus, a sheet-like positive electrode can be produced. The sheet-like positive electrode can be cut into an appropriate size according to the target battery, and can be used for battery production. However, the method of producing the positive electrode is not limited to the illustrated one, and may be another method.
正極の作製にあたって、導電剤としては、例えば、黒鉛(天然黒鉛、人造黒鉛、膨張黒鉛など)や、アセチレンブラック、ケッチェンブラックなどのカーボンブラック系材料などを用いることができる。 In the preparation of the positive electrode, for example, graphite (natural graphite, artificial graphite, expanded graphite and the like), carbon black-based materials such as acetylene black and ketjen black can be used as the conductive agent.
結着剤は、活物質粒子をつなぎ止める役割を果たすもので、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、フッ素ゴム、エチレンプロピレンジエンゴム、スチレンブタジエン、セルロース系樹脂、ポリアクリル酸などを用いることができる。 The binding agent plays a role of holding the active material particles, and for example, polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroethylene (PTFE), fluororubber, ethylene propylene diene rubber, styrene butadiene, cellulose resin, polyacrylic An acid etc. can be used.
なお、必要に応じ、正極活物質、導電材、活性炭を分散させ、結着剤を溶解する溶剤を正極合材に添加する。溶剤としては、具体的には、N−メチル−2−ピロリドン等の有機溶剤を用いることができる。また、正極合材には、電気二重層容量を増加させるために、活性炭を添加することができる。 If necessary, a positive electrode active material, a conductive material, and activated carbon are dispersed, and a solvent that dissolves the binder is added to the positive electrode mixture. Specifically, an organic solvent such as N-methyl-2-pyrrolidone can be used as the solvent. In addition, activated carbon can be added to the positive electrode mixture in order to increase the capacity of the electric double layer.
(b)負極
負極には、金属リチウムやリチウム合金等、あるいは、リチウムイオンを吸蔵および脱離できる負極活物質に、結着剤を混合し、適当な溶剤を加えてペースト状にした負極合材を、銅等の金属箔集電体の表面に塗布し、乾燥し、必要に応じて電極密度を高めるべく圧縮して形成したものを使用する。
(B) Negative electrode In the negative electrode, metal lithium, lithium alloy, etc. or a negative electrode active material capable of absorbing and desorbing lithium ions, a binder is mixed, and an appropriate solvent is added to make a negative electrode composite material Is applied to the surface of a metal foil current collector such as copper, dried, and compressed if necessary to increase the electrode density.
負極活物質としては、例えば、天然黒鉛、人造黒鉛、フェノール樹脂等の有機化合物焼成体、コークス等の炭素物質の粉状体を用いることができる。この場合、負極結着剤としては、正極同様、PVDF等の含フッ素樹脂等を用いることができ、これらの活物質および結着剤を分散させる溶剤としては、N−メチル−2−ピロリドン等の有機溶剤を用いることができる。 As the negative electrode active material, it is possible to use, for example, a calcined product of an organic compound such as natural graphite, artificial graphite, or a phenol resin, or a powder of a carbon material such as coke. In this case, as the negative electrode binder, a fluorine-containing resin such as PVDF can be used as in the positive electrode, and as a solvent for dispersing the active material and the binder, N-methyl-2-pyrrolidone and the like can be used. Organic solvents can be used.
(c)セパレータ
正極と負極との間には、セパレータを挟み込んで配置する。セパレータは、正極と負極とを分離し、電解質を保持するものであり、ポリエチレン、ポリプロピレン等の薄い膜で、微少な孔を多数有する膜を用いることができる。
(C) Separator A separator is interposed and arrange | positioned between a positive electrode and a negative electrode. The separator separates the positive electrode and the negative electrode and holds the electrolyte, and may be a thin film of polyethylene, polypropylene or the like and a film having a large number of minute holes.
(d)非水系電解液
非水系電解液は、支持塩としてのリチウム塩を有機溶媒に溶解したものである。
有機溶媒としては、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、トリフルオロプロピレンカーボネート等の環状カーボネート、また、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジプロピルカーボネート等の鎖状カーボネート、さらに、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、ジメトキシエタン等のエーテル化合物、エチルメチルスルホン、ブタンスルトン等の硫黄化合物、リン酸トリエチル、リン酸トリオクチル等のリン化合物等から選ばれる1種を単独で、あるいは2種以上を混合して用いることができる。
(D) Nonaqueous Electrolyte The nonaqueous electrolyte is a lithium salt as a supporting salt dissolved in an organic solvent.
Examples of the organic solvent include cyclic carbonates such as ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate and trifluoropropylene carbonate, linear carbonates such as diethyl carbonate, dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate and dipropyl carbonate, and further tetrahydrofuran, 2- Ethers such as methyltetrahydrofuran and dimethoxyethane, sulfur compounds such as ethylmethylsulfone and butanesultone, and phosphorus compounds such as triethyl phosphate and trioctyl phosphate alone or in combination of two or more. be able to.
支持塩としては、LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiAsF6、LiN(CF3SO2)2等、およびそれらの複合塩を用いることができる。さらに、非水系電解液は、ラジカル捕捉剤、界面活性剤および難燃剤等を含んでいてもよい。 As the supporting salt, LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , LiAsF 6 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 and the like, and complex salts thereof can be used. Furthermore, the non-aqueous electrolytic solution may contain a radical scavenger, a surfactant, a flame retardant, and the like.
(e)電池の形状、構成
以上のように説明してきた正極、負極、セパレータおよび非水系電解液で構成される本発明の非水系電解質二次電池の形状は、円筒型、積層型等、種々のものとすることができる。
(E) Shape and Configuration of Battery The shape of the non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention, which is composed of the positive electrode, the negative electrode, the separator, and the non-aqueous electrolyte described above, is variously cylindrical, laminated, etc. It can be
いずれの形状を採る場合であっても、正極および負極を、セパレータを介して積層させて電極体とし、得られた電極体に、非水系電解液を含浸させ、正極集電体と外部に通ずる正極端子との間、および、負極集電体と外部に通ずる負極端子との間を、集電用リード等を用いて接続し、電池ケースに密閉して、非水系電解質二次電池を完成させる。 In any of the shapes, the positive electrode and the negative electrode are stacked via a separator to form an electrode body, and the obtained electrode body is impregnated with a non-aqueous electrolytic solution and passed to the positive electrode current collector and the outside. Connection with the positive electrode terminal and between the negative electrode current collector and the negative electrode terminal leading to the outside are connected using a current collection lead or the like, and sealed in a battery case to complete a non-aqueous electrolyte secondary battery. .
(f)特性
本実施形態の正極活物質を用いた非水系電解質二次電池は、高容量で高出力となる。特により好ましい形態で得られた本発明による正極活物質を用いた非水系電解質二次電池は、例えば、2032型コイン電池の正極に用いた場合、145mAh/g以上の高い初期放電容量と低い正極抵抗が得られる。
(F) Characteristics The nonaqueous electrolyte secondary battery using the positive electrode active material of the present embodiment has high capacity and high output. A non-aqueous electrolyte secondary battery using the positive electrode active material according to the present invention obtained in a particularly preferred form is, for example, a high initial discharge capacity of 145 mAh / g or more and a low positive electrode when used for the positive electrode of a 2032 type coin battery Resistance is obtained.
なお、上記正極抵抗の測定方法を例示すれば、次のようになる。電気化学的評価手法として一般的な交流インピーダンス法にて電池反応の周波数依存性について測定を行うと、溶液抵抗、負極抵抗と負極容量、および正極抵抗と正極容量に基づくナイキスト線図が図3のように得られる。 The following is an example of a method of measuring the positive electrode resistance. When the frequency dependence of the cell reaction is measured by the general alternating current impedance method as an electrochemical evaluation method, the Nyquist diagram based on the solution resistance, the negative electrode resistance and the negative electrode capacity, and the positive electrode resistance and the positive electrode capacity is shown in FIG. As obtained.
電極における電池反応は、電荷移動に伴う抵抗成分と電気二重層による容量成分とからなり、これらを電気回路で表すと抵抗と容量の並列回路となり、電池全体としては溶液抵抗と負極、正極の並列回路を直列に接続した等価回路で表される。この等価回路を用いて測定したナイキスト線図に対してフィッティング計算を行い、各抵抗成分、容量成分を見積もることができる。正極抵抗は、得られるナイキスト線図の低周波数側の半円の直径と等しい。 The cell reaction at the electrode is composed of a resistance component associated with charge transfer and a capacity component by the electric double layer, and when these are represented by an electric circuit, it becomes a parallel circuit of resistance and capacity. It is represented by an equivalent circuit in which circuits are connected in series. Fitting calculations can be performed on the Nyquist diagram measured using this equivalent circuit to estimate each resistance component and capacitance component. The positive electrode resistance is equal to the diameter of the low frequency side semicircle of the obtained Nyquist diagram.
以上のことから、作製される正極について、交流インピーダンス測定を行い、得られたナイキスト線図に対し等価回路でフィッティング計算することで、正極抵抗を見積もることができる。 From the above, it is possible to estimate the positive electrode resistance by performing alternating current impedance measurement on the manufactured positive electrode and performing fitting calculation on the obtained Nyquist diagram using an equivalent circuit.
本発明により得られた正極活物質のpH、正極合材ペースト、およびこの正極活物質を用いた正極を有する二次電池について、その性能(初期放電容量、正極抵抗、60℃500充放電サイクル後の放電容量維持率)を測定した。なお、本実施例では、複合水酸化物製造、正極活物質および二次電池の作製には、和光純薬工業株式会社製試薬特級の各試料を使用した。以下、本発明の実施例を用いて具体的に説明するが、本発明は、これらの実施例によって何ら限定されるものではない。 The performance of the pH of the positive electrode active material obtained by the present invention, the positive electrode mixture paste, and the secondary battery having the positive electrode using this positive electrode active material (initial discharge capacity, positive electrode resistance, after 60 ° C. 500 charge / discharge cycles Discharge capacity maintenance rate) was measured. In the present example, Wako Pure Chemical Industries, Ltd. reagent special grade samples were used for producing the composite hydroxide, the positive electrode active material, and the secondary battery. Hereinafter, the present invention will be specifically described using examples of the present invention, but the present invention is not limited to these examples.
(電池の製造および評価)
正極活物質の評価には、図4に示す2032型コイン電池CBA(以下、コイン型電池CBAと称す)を使用した。
(Battery manufacture and evaluation)
For the evaluation of the positive electrode active material, a 2032 type coin battery CBA (hereinafter referred to as a coin type battery CBA) shown in FIG. 4 was used.
図4に示すように、コイン型電池CBAは、ケースCAと、このケースCA内に収容された電極3とから構成されている。
As shown in FIG. 4, the coin-type battery CBA is composed of a case CA and an
ケースCAは、中空かつ一端が開口された正極缶PCと、この正極缶PCの開口部に配置される負極缶NCとを有しており、負極缶NCを正極缶PCの開口部に配置すると、負極缶NCと正極缶PCとの間に電極ELを収容する空間が形成されるように構成されている。電極ELは、正極PE、セパレータSEおよび負極NEとからなり、この順で並ぶように積層されており、正極PEが正極缶PCの内面に接触し、負極NEが負極缶NCの内面に接触するようにケースCAに収容されている。 The case CA has a hollow positive electrode can PC open at one end and a negative electrode can NC disposed at the opening of the positive electrode can PC. When the negative electrode can NC is disposed at the opening of the positive electrode can PC A space for accommodating the electrode EL is formed between the negative electrode can NC and the positive electrode can PC. The electrode EL is composed of a positive electrode PE, a separator SE, and a negative electrode NE, and is stacked in this order, the positive electrode PE contacts the inner surface of the positive electrode can PC, and the negative electrode NE contacts the inner surface of the negative electrode can NC. Is housed in case CA.
なお、ケースCAはガスケットGAを備えており、このガスケットGAによって、正極缶PCと負極NCとの間が非接触の状態を維持するように相対的な移動が固定されている。また、ガスケットGAは、正極缶PCと負極NCとの隙間を密封してケースCA内と外部との間を気密液密に遮断する機能も有している。 The case CA is provided with a gasket GA, and the relative movement is fixed by the gasket GA so as to maintain a non-contact state between the positive electrode can PC and the negative electrode NC. In addition, the gasket GA also has a function of sealing the gap between the positive electrode can PC and the negative electrode NC to shut off the inside and the outside of the case CA from airtight liquid tightness.
上記の図4に示すコイン型電池CBAは、以下のようにして製作した。
まず、非水系電解質二次電池用正極活物質52.5mg、アセチレンブラック15mg、およびポリテトラフッ化エチレン樹脂(PTFE)7.5mgを混合して正極合材ペーストを作製し、100MPaの圧力で直径11mm、厚さ100μmにプレス成形して、正極PEを作製した。作製した正極PEを真空乾燥機中120℃で12時間乾燥した。
The coin-type battery CBA shown in FIG. 4 described above was manufactured as follows.
First, 52.5 mg of a positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery, 15 mg of acetylene black, and 7.5 mg of a polytetrafluoroethylene resin (PTFE) are mixed to prepare a positive electrode mixture paste, and a diameter of 11 mm is obtained at a pressure of 100 MPa. It press-molded to 100 micrometers in thickness, and produced positive electrode PE. The produced positive electrode PE was dried in a vacuum dryer at 120 ° C. for 12 hours.
この正極PEと、負極NE、セパレータSEおよび電解液とを用いて、上述したコイン型電池CBAを、露点が−80℃に管理されたAr雰囲気のグローブボックス内で作製した。
なお、負極NEには、直径14mmの円盤状に打ち抜かれた平均粒径20μm程度の黒鉛粉末とポリフッ化ビニリデンが銅箔に塗布された負極シートを用いた。
Using the positive electrode PE, the negative electrode NE, the separator SE, and the electrolytic solution, the above-described coin-type battery CBA was produced in a glove box under an Ar atmosphere with a dew point controlled to -80.degree.
In addition, as the negative electrode NE, a negative electrode sheet in which a graphite powder having an average particle diameter of about 20 μm punched into a disk shape having a diameter of 14 mm and polyvinylidene fluoride were coated on a copper foil was used.
セパレータSEには膜厚25μmのポリエチレン多孔膜を用いた。電解液には、1MのLiClO4を支持電解質とするエチレンカーボネート(EC)とジエチルカーボネート(DEC)の等量混合液(富山薬品工業株式会社製)を用いた。 A polyethylene porous film with a film thickness of 25 μm was used as the separator SE. As an electrolyte solution, an equivalent mixed solution of ethylene carbonate (EC) and diethyl carbonate (DEC) (made by Toyama Pharmaceutical Co., Ltd.) using 1 M LiClO 4 as a supporting electrolyte was used.
製造したコイン型電池CBAの性能を示す初期放電容量、正極抵抗は、以下のように評価した。 The initial discharge capacity and positive electrode resistance which show the performance of the manufactured coin-type battery CBA were evaluated as follows.
(初期放電容量)
初期放電容量は、コイン型電池CBAを製作してから24時間程度放置し、開回路電圧OCV(Open Circuit Voltage)が安定した後、正極に対する電流密度を0.1mA/cm2としてカットオフ電圧4.3Vまで充電し、1時間の休止後、カットオフ電圧3.0Vまで放電したときの容量を初期放電容量とした。
(Initial discharge capacity)
The initial discharge capacity is left for about 24 hours after manufacturing the coin-type battery CBA, and after the open circuit voltage OCV (Open Circuit Voltage) is stabilized, the current density to the positive electrode is set to 0.1 mA /
(正極抵抗)
正極抵抗は、コイン型電池CBAを充電電位4.1Vで充電して、周波数応答アナライザおよびポテンショガルバノスタット(ソーラトロン製、1255B)を使用して交流インピーダンス法により測定すると、図3に示すナイキストプロットが得られる。このナイキストプロットは、溶液抵抗、負極抵抗とその容量、および、正極抵抗とその容量を示す特性曲線の和として表しているため、このナイキストプロットに基づき等価回路を用いてフィッティング計算を行い、正極抵抗の値を算出した。
(Positive electrode resistance)
The positive electrode resistance is measured by an alternating current impedance method using a frequency response analyzer and a potentio galvanostat (manufactured by Solartron, 1255B) after charging the coin-type battery CBA at a charging potential of 4.1 V, the Nyquist plot shown in FIG. can get. Since this Nyquist plot is expressed as the sum of solution resistance, negative electrode resistance and its capacity, and positive electrode resistance and characteristic curve showing its capacity, fitting calculation is performed using an equivalent circuit based on this Nyquist plot, and positive electrode resistance is calculated. The value of was calculated.
(放電容量維持率)
60℃500充放電サイクル後の放電容量維持率の評価は、60℃に保持して初期放電容量測定後、10分間休止し、初期放電容量測定と同様に充放電サイクルを、初期放電容量測定を含めて500サイクル(充放電)を繰り返した。500サイクル目の放電容量を測定して、1サイクル目の放電容量(初期放電容量)に対する500サイクル目の放電容量の百分率を容積維持率(%)として求めた。
(Discharge capacity maintenance rate)
Evaluation of the discharge capacity retention rate after the charge and discharge cycle at 60 ° C for 500 ° C is maintained at 60 ° C and paused for 10 minutes after the measurement of initial discharge capacity, and the charge and discharge cycle is measured in the same manner as the initial discharge capacity measurement. 500 cycles (charge and discharge) were repeated. The discharge capacity at the 500th cycle was measured, and the percentage of the discharge capacity at the 500th cycle to the discharge capacity at the first cycle (initial discharge capacity) was determined as the volume retention (%).
[実施例1]
ニッケルを主成分とする酸化物粉末と水酸化リチウムを混合して焼成する公知技術で得られたLi1.20Ni0.35Co0.35Mn0.30O2で表されるリチウム金属複合酸化物粉末Mを母材とした。
Example 1
A lithium metal composite represented by Li 1.20 Ni 0.35 Co 0.35 Mn 0.30 O 2 obtained by a known technique in which a nickel-based oxide powder and lithium hydroxide are mixed and fired Oxide powder M was used as a base material.
50℃に調整した母材であるリチウム金属複合酸化物粉末50gに、メタタングステン酸アンモニウム水溶液(日本無機化学工業社製、MW−2)中のタングステン濃度が150g/lのメタタングステン酸アンモニウム水溶液0.31mlを添加した後、混合し、190℃で5時間乾燥させることによってメタタングステン酸アンモニウムが分散したリチウム金属複合酸化物粉末の混合物を得た。なお、メタタングステン酸アンモニウムの存在は、XRD回折により確認した。 Ammonium metatungstate aqueous solution 0 having a tungsten concentration of 150 g / l in ammonium metatungstate aqueous solution (MW-2, manufactured by Japan Inorganic Chemical Industry Co., Ltd.) in 50 g of lithium metal composite oxide powder which is a base material adjusted to 50 ° C. After adding .31 ml, they were mixed and dried at 190 ° C for 5 hours to obtain a mixture of lithium metal composite oxide powder in which ammonium metatungstate was dispersed. The presence of ammonium metatungstate was confirmed by XRD diffraction.
[pH測定]
得られた活物質5gを100mlの純水に分散させた後、10分間静置させた状態の上澄み液の25℃におけるpHを測定した。
[PH measurement]
After dispersing 5 g of the obtained active material in 100 ml of pure water, the pH at 25 ° C. of the supernatant liquid in which it was allowed to stand for 10 minutes was measured.
[正極合材ペースト評価]
正極合材ペースト作製時にゲル化の発生の有無を評価した。ゲル化しなかった場合を「○」、ゲル化した場合を「×」とした。
[Evaluation of positive electrode mixture paste]
During the preparation of the positive electrode mixture paste, the occurrence of gelation was evaluated. The case where it did not gelatinize was made into "(circle)" and the case where it gelatinized was made into "x".
[電池評価]
得られた正極活物質を使用して作製された正極を有するコイン型電池CBAの電池特性を評価した。pH測定、正極合材ペースト、および電池特性(初期放電容量、正極抵抗、60℃500充放電サイクル後の放電容量維持率)の評価値を表1に示す。
[Battery evaluation]
The battery characteristics of a coin-type battery CBA having a positive electrode manufactured using the obtained positive electrode active material were evaluated. Table 1 shows evaluation values of pH measurement, positive electrode mixture paste, and battery characteristics (initial discharge capacity, positive electrode resistance, discharge capacity retention ratio after 60 ° C. 500 charge / discharge cycles).
[実施例2]
用いたメタタングステン酸アンモニウム溶液を0.62mlとした以外は実施例1と同様にして、非水系電解質二次電池用正極活物質を得るとともにpH、正極合材ペースト、および電池特性の評価を行い、その結果を表1に示す。
[実施例3]
用いたメタタングステン酸アンモニウム溶液を1.24mlとした以外は実施例1と同様にして、非水系電解質二次電池用正極活物質を得るとともにpH、正極合材ペースト、および電池特性の評価を行い、その結果を表1に示す。
[実施例4]
用いたメタタングステン酸アンモニウム溶液を2.48mlとした以外は実施例1と同様にして、非水系電解質二次電池用正極活物質を得るとともにpH、正極合材ペースト、および電池特性の評価を行い、その結果を表1に示す。
[実施例5]
用いたメタタングステン酸アンモニウム溶液を4.96mlとした以外は実施例1と同様にして、非水系電解質二次電池用正極活物質を得るとともにpH、正極合材ペースト、および電池特性の評価を行い、その結果を表1に示す。
Example 2
In the same manner as in Example 1 except that the ammonium metatungstate solution used was changed to 0.62 ml, a positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery was obtained, and evaluation of pH, positive electrode mixture paste, and battery characteristics was performed. The results are shown in Table 1.
[Example 3]
In the same manner as in Example 1 except that the ammonium metatungstate solution used was changed to 1.24 ml, a positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery was obtained, and the pH, the positive electrode mixture paste, and the battery characteristics were evaluated. The results are shown in Table 1.
Example 4
In the same manner as in Example 1 except that the used ammonium metatungstate solution was changed to 2.48 ml, a positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery was obtained, and the pH, the positive electrode mixture paste, and the battery characteristics were evaluated. The results are shown in Table 1.
[Example 5]
In the same manner as in Example 1 except that the ammonium metatungstate solution used was changed to 4.96 ml, a positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery was obtained, and evaluation of pH, positive electrode mixture paste, and battery characteristics The results are shown in Table 1.
[実施例6]
母材となる正極活物質にLi1.25Ni0.35Co0.35Mn0.30O2を用いた以外は実施例1と同様にして、非水系電解質二次電池用正極活物質を得るとともにpH、正極合材ペースト、および電池特性の評価を行った。その結果を表1に示す。
[実施例7]
母材となる正極活物質にLi1.25Ni0.35Co0.35Mn0.30O2を用いた以外は実施例2と同様にして、非水系電解質二次電池用正極活物質を得るとともにpH、正極合材ペースト、および電池特性の評価を行った。その結果を表1に示す。
[実施例8]
母材となる正極活物質にLi1.25Ni0.35Co0.35Mn0.30O2を用いた以外は実施例3と同様にして、非水系電解質二次電池用正極活物質を得るとともにpH、正極合材ペースト、および電池特性の評価を行った。その結果を表1に示す。
[実施例9]
母材となる正極活物質にLi1.25Ni0.35Co0.35Mn0.30O2を用いた以外は実施例4と同様にして、非水系電解質二次電池用正極活物質を得るとともにpH、正極合材ペースト、および電池特性の評価を行った。その結果を表1に示す。
[実施例10]
母材となる正極活物質にLi1.25Ni0.35Co0.35Mn0.30O2を用いた以外は実施例5と同様にして、非水系電解質二次電池用正極活物質を得るとともにpH、正極合材ペースト、および電池特性の評価を行った。その結果を表1に示す。
[Example 6]
A positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery was prepared in the same manner as in Example 1 except that Li 1.25 Ni 0.35 Co 0.35 Mn 0.30 O 2 was used as a positive electrode active material as a base material. While being obtained, evaluation of pH, positive electrode mixture paste, and battery characteristics was performed. The results are shown in Table 1.
[Example 7]
A positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery was prepared in the same manner as in Example 2 except that Li 1.25 Ni 0.35 Co 0.35 Mn 0.30 O 2 was used as a positive electrode active material as a base material. While being obtained, evaluation of pH, positive electrode mixture paste, and battery characteristics was performed. The results are shown in Table 1.
[Example 8]
A positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery is prepared in the same manner as in Example 3 except that Li 1.25 Ni 0.35 Co 0.35 Mn 0.30 O 2 is used as a positive electrode active material as a base material. While being obtained, evaluation of pH, positive electrode mixture paste, and battery characteristics was performed. The results are shown in Table 1.
[Example 9]
A positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery was prepared in the same manner as in Example 4 except that Li 1.25 Ni 0.35 Co 0.35 Mn 0.30 O 2 was used as a positive electrode active material as a base material. While being obtained, evaluation of pH, positive electrode mixture paste, and battery characteristics was performed. The results are shown in Table 1.
[Example 10]
A positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery was prepared in the same manner as in Example 5 except that Li 1.25 Ni 0.35 Co 0.35 Mn 0.30 O 2 was used as a positive electrode active material as a base material. While being obtained, evaluation of pH, positive electrode mixture paste, and battery characteristics was performed. The results are shown in Table 1.
[比較例1]
Li1.20Ni0.35Co0.35Mn0.30O2で表されるリチウム金属複合酸化物粉末のpH、正極合材ペースト、および電池特性の評価を行い、その結果を表1に示す。
[比較例2]
Li1.25Ni0.35Co0.35Mn0.30O2で表されるリチウム金属複合酸化物粉末のpH、正極合材ペースト、および電池特性の評価を行い、その結果を表1に示す。
Comparative Example 1
The pH of the lithium metal composite oxide powder represented by Li 1.20 Ni 0.35 Co 0.35 Mn 0.30 O 2 , the positive electrode mixture paste, and the battery characteristics were evaluated, and the results are shown in Table 1. Show.
Comparative Example 2
The pH of the lithium metal composite oxide powder represented by Li 1.25 Ni 0.35 Co 0.35 Mn 0.30 O 2 , the positive electrode mixture paste, and the battery characteristics were evaluated, and the results are shown in Table 1. Show.
[比較例3]
母材となる正極活物質にLi1.00Ni0.35Co0.35Mn0.30O2を用いた以外は実施例2と同様にして、非水系電解質二次電池用正極活物質を得るとともにpH、正極合材ペースト、および電池特性の評価を行った。その結果を表1に示す。
[比較例4]
母材となる正極活物質にLi1.30Ni0.35Co0.35Mn0.30O2を用いた以外は実施例2と同様にして、非水系電解質二次電池用正極活物質を得るとともにpH、正極合材ペースト、および電池特性の評価を行った。その結果を表1に示す。
Comparative Example 3
A positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery is prepared in the same manner as in Example 2 except that Li 1.00 Ni 0.35 Co 0.35 Mn 0.30 O 2 is used as a positive electrode active material as a base material. While being obtained, evaluation of pH, positive electrode mixture paste, and battery characteristics was performed. The results are shown in Table 1.
Comparative Example 4
A positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery was prepared in the same manner as in Example 2 except that Li 1.30 Ni 0.35 Co 0.35 Mn 0.30 O 2 was used as a positive electrode active material as a base material. While being obtained, evaluation of pH, positive electrode mixture paste, and battery characteristics was performed. The results are shown in Table 1.
[評価結果]
実施例で得られた正極活物質は、XRDにより、メタタングステン酸アンモニウム(遷移金属オキソアニオンのアンモニウム塩A)が検出された。また、実施例で得られた正極活物質5gを、100mlの純水に分散させた後、10分間静置させた上澄み液の25℃におけるpHが11.3〜11.7の範囲であり、正極ペーストを製造した際、ゲル化が抑制されることが確認された。
[Evaluation results]
In the positive electrode active material obtained in the example, ammonium metatungstate (ammonium salt A of transition metal oxoanion) was detected by XRD. After dispersing 5 g of the positive electrode active material obtained in the example in 100 ml of pure water, the pH of the supernatant liquid allowed to stand for 10 minutes is in the range of 11.3 to 11.7 at 25 ° C. When the positive electrode paste was produced, it was confirmed that gelation was suppressed.
一方、遷移金属オキソアニオンのアンモニウム塩を含まない比較例1、2で得られた正極活物質では、正極ペーストのゲル化が確認された。 On the other hand, gelation of the positive electrode paste was confirmed in the positive electrode active materials obtained in Comparative Examples 1 and 2 which did not contain the ammonium salt of the transition metal oxo anion.
また、実施例で得られた正極活物質を用いた二次電池は、比較例1、2で得られた正極活物質の正極活物質を用いたと比較して、同程度の初期充放電容量を有し、かつ、正極抵抗及び充放電容量維持率がより低減されることが確認された。 In addition, secondary batteries using the positive electrode active material obtained in the examples have comparable initial charge and discharge capacities compared to using the positive electrode active material of the positive electrode active material obtained in Comparative Examples 1 and 2. In addition, it was confirmed that the positive electrode resistance and the charge / discharge capacity retention rate were further reduced.
さらに、母材として用いたリチウム金属複合酸化物粉末のLiの含有量(z)が1である比較例3では、正極抵抗及び充放電容量維持率が上昇し、Liの含有量(z)が1.3である比較例4では、初期放電容量が低下することが確認された。 Furthermore, in Comparative Example 3 in which the content (z) of Li of the lithium metal composite oxide powder used as the base material is 1, the positive electrode resistance and the charge / discharge capacity retention ratio increase, and the content (z) of Li is In the comparative example 4 which is 1.3, it was confirmed that initial stage discharge capacity falls.
M……リチウム金属複合酸化物粉末
A……遷移金属オキソアニオンのアンモニウム塩
1……一次粒子
2……二次粒子
3……空隙
10…正極活物質
CBA……コイン型電池
CA……ケース
PC……正極缶
NC……負極缶
GA……ガスケット
EL……電極
PE……正極
NE……負極
SE……セパレータ
M: lithium metal composite oxide powder A: ammonium salt of transition metal oxo anion 1: primary particle 2: secondary particle 3: air gap 10: positive electrode active material CBA: coin-type battery CA: case PC ...... Positive electrode can NC ... Negative electrode can GA ... Gasket EL ... Electrode PE ... Positive electrode NE ... Negative electrode SE ... Separator
Claims (13)
前記遷移金属オキソアニオンのアンモニウム塩の少なくとも一部は、前記リチウム金属複合酸化物粉末の表面に分散して存在し、
前記遷移金属オキソアニオンのアンモニウム塩に含まれる遷移金属は、タングステン、モリブデン及びバナジウムから選択される少なくとも1種である、非水系電解質二次電池用正極活物質。 General formula (1): Li z Ni 1-xy Co x M y O 2 (where, 0.10 ≦ x ≦ 0.35, 0 ≦ y ≦ 0.35, 1.00 <z <1.30) , M, lithium metal composite oxide powder represented by at least one element selected from Mn, V, Mg, Mo, Nb, Ti, W and Al), and an ammonium salt of a transition metal oxoanion ,
At least a portion of the ammonium salt of the transition metal oxo anion is present in a dispersed manner on the surface of the lithium metal composite oxide powder,
The positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery, wherein the transition metal contained in the ammonium salt of the transition metal oxo anion is at least one selected from tungsten, molybdenum and vanadium.
前記混合物を乾燥させる第2工程と、を備え、
前記第1工程において、10℃以上100℃以下の前記リチウム金属複合酸化物粉末を、前記遷移金属オキソアニオンのアンモニウム塩の水溶液と混合する、非水系電解質二次電池用正極活物質の製造方法。 General formula (1): Li z Ni 1-xy Co x M y O 2 (where, 0.10 ≦ x ≦ 0.35, 0 ≦ y ≦ 0.35, 1.00 <z <1.30) , M is at least one element selected from the group consisting of Mn, V, Mg, Mo, Nb, Ti, W and Al) lithium metal complex oxide powder, and at least one selected from tungsten, molybdenum and vanadium Mixing an aqueous solution of an ammonium salt of one transition metal oxoanion to obtain a mixture;
And d) drying the mixture.
A method for producing a positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery, comprising mixing the lithium metal composite oxide powder at 10 ° C. to 100 ° C. with an aqueous solution of an ammonium salt of the transition metal oxoanion in the first step.
前記正極が、請求項1〜6のいずれか一項に記載の非水系電解質二次電池用正極活物質を含む、非水系電解質二次電池。
A positive electrode, a negative electrode, and a non-aqueous electrolyte,
The non-aqueous electrolyte secondary battery in which the said positive electrode contains the positive electrode active material for non-aqueous electrolyte secondary batteries as described in any one of Claims 1-6.
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