JP4655453B2 - Positive electrode material for lithium secondary battery, secondary battery using the same, and method for producing positive electrode material for lithium secondary battery - Google Patents

Positive electrode material for lithium secondary battery, secondary battery using the same, and method for producing positive electrode material for lithium secondary battery Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、リチウム遷移金属複合酸化物からなるリチウム二次電池用正極材料、該リチウム二次電池用正極材料の製造方法および該リチウム二次電池用正極材料を用いた二次電池に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、携帯用電子機器、通信機器の小型化、軽量化に伴い、その電源として高出力、高エネルギー密度である二次電池が求められている。また、自動車用動力源としても、上記の特徴を有する二次電池が求められている。特にリチウム二次電池は上記の要件を満たすため、その開発が急速に行われている。
リチウム二次電池の正極材料としては、標準組成がLiCoO2、LiNiO2、LiMn24等のリチウム遷移金属複合酸化物が用いられているが、電池特性を改良するために、種々の検討がなされている。
【0003】
例えば、LiCoO2のCoの一部をBまたはBiで置換することにより、充放電サイクル特性がすることが特許文献1に、LiCoO2の一次粒子の表面をホウ素で被覆することにより、充放電サイクル特性が向上することが特許文献2に開示されている。また、LiMO2(MはCo、Niなど)に元素Z(Bi、B、W)を原子比(Z/M)が0.1以下となるように添加して焼成すると、一次粒子の粒界で元素Zが溶融するため、一次粒子のサイズを増大させることができ、これを正極材料として用いると放電容量が向上することが特許文献3に開示されている。
【0004】
一方、前記のリチウム遷移金属複合酸化物のなかでもLiMn24及びLiNiO2は、LiCoO2に比較すると安価である点では有利であるが、実用化のためには、高温でのサイクル特性、保存特性、焼成・保存時の雰囲気制御、安全面などでの改良が必要である。そこで、LiNiO2のNiサイトの一部をMnで置換したLiNi1-xMnx2の検討がなされている。(例えば、非特許文献1〜3)しかしながら、Mnの置換量を増やすと十分な容量が得られないという問題がある。
【0005】
【特許文献1】
特開平4−253162号公報
【特許文献2】
特開平4−328258号公報
【特許文献3】
特開平8−55624号公報
【非特許文献1】
J.Mater.Chem.6(1996)p.1149
【非特許文献2】
J.Electrochem.Soc.145(1998)p.1113
【非特許文献3】
第41回電池討論会予稿集(2000)p.460
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
近年のリチウム電池に対する高性能化への要求はますます高くなっており、高容量、高出力、繰り返し充放電使用時の出力低下の抑制などの特性を高度に達成することが求められている。特に高容量のためには、嵩密度の大きな正極材料が求められている。
【0007】
しかしながら、特許文献2に開示されているLiCoO2の一次粒子の表面をホウ素で被覆した正極材料では、繰り返し充放電使用時の出力低下を十分に抑制することができない。特許文献1や特許文献3の実施例に開示されている正極材料では、嵩密度が小さいため高容量化することが困難であり、また、繰り返し充放電使用時の出力低下を十分に抑制することもできない。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明者は上記課題に鑑み鋭意検討した結果、ホウ素及び/又はビスマスを含むリチウム遷移金属複合酸化物が二次粒子を形成しており、かつ全体の組成に比較して二次粒子の表面部分にホウ素とビスマスが高濃度で存在するリチウム遷移金属複合酸化物は、嵩密度が高く比表面積も小さいので、これを正極材料として用いた場合には高容量を達成でき、さらにこれを正極材料として用いると、電極抵抗が低下し、その結果、電池の出力を増大できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【0009】
即ち、本発明の要旨は、ホウ素及び/又はビスマスを含むリチウム遷移金属複合酸化物の二次粒子からなり、二次粒子の表面部分のリチウム、ホウ素及びビスマス以外の金属元素の合計に対するホウ素とビスマスの合計の原子比が、二次粒子全体の該原子比の5倍以上70倍以下であることを特徴とするリチウム二次電池用正極材料に存する。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明にかかるリチウム二次電池用正極材料を構成するホウ素及び/又はビスマスを含むリチウム遷移金属複合酸化物としては、層状構造を有するリチウム遷移金属酸化物、スピネル構造を有するリチウム遷移金属複合酸化物などであって、かつホウ素及び/又はビスマスを含有するのもが挙げられる。これらのなかでも、リチウム遷移金属複合酸化物の化学量論比を超える過剰なリチウムを含有し、かつ、リチウムの過剰量(a)とホウ素とビスマスの合計(b)の原子比(b/a)が、0.1≦b/a≦5、特には0.1≦b/a≦4である組成のものが好ましい。この理由は明確ではないが、二次粒子表面に濃化して存在するホウ素及び/またはビスマスがリチウムと複合化合物の形態をとっているものと考えられるので、このことが関係しているものと考えられる。なお、リチウム遷移金属複合酸化物の化学量論比とは、組成をモル比で表記したときの数値を意味する。
【0011】
例えば、LiMn24、LiNiO2、LiCoO2等で代表される層状構造を有するリチウム遷移金属複合酸化物にビスマス及び/又はホウ素を含有させたものの場合、その組成は一般式(4)で表される。この層状構造を有するリチウム遷移金属複合酸化物のリチウムの化学量論比は1なので、化学量論比を超えるリチウム過剰量(a)は、x−1で求められる。また、ホウ素とビスマスの合計(b)は、v+wで求められる。
【0012】
【化4】
LixMBivw2 (4)
【0013】
(式中、Mは遷移金属を表す。)
また、LiMn24で代表されるスピネル構造を有するリチウム遷移金属複合酸化物にビスマス及び/又はホウ素を含有させたものの場合、その組成は一般式(5)で表される。このスピネル構造を有するリチウム遷移金属複合酸化物のリチウムの化学量論比も1なので、化学量論比を超えるリチウム過剰量(a)は、x−1で求められる。また、ホウ素とビスマスの合計(b)は、v+wで求められる。
【0014】
【化5】
Lix2Bivw4 (5)
【0015】
(式中、Mは遷移金属を表す。)
ホウ素及び/又はビスマスを含むリチウム遷移金属複合酸化物としては、下記一般式(1)で示されるものが好ましい。
【0016】
【化6】
LixyBivw2 (1)
【0017】
一般式(1)中、Mは遷移金属、アルカリ金属、アルカリ土類金属、ハロゲン元素、カルコゲン元素から選ばれる元素を表す。なかでもNi、Mn、Co、Al、Fe、Ga、Sn、V、Cr、Cu、Zn、Mg、Ti、Ge、Nb、Ta、Zr、及びCaから選ばれるものが好ましく、更に好ましいのはNi、Mn又はCoである。
【0018】
一般式(1)中、xは0<x≦1.2、好ましくは0<x≦1.15の数である。xが大きすぎると、結晶構造が不安定化したり、これを使用したリチウム二次電池の電池容量低下を招く恐れがある。yは、通常0.9以上、1.1以下であり、好ましくは0.95以上、1.05以下の数である。vおよびwは、それぞれ、0以上、好ましくは0.001以上、より好ましくは0.002以上、特に好ましいのは0.005以上である。また、上限は、0.1以下、好ましくは0.05以下、より好ましくは0.03以下、特に好ましいのは0.02以下である。v及びwは小さすぎると本発明の効果が発現されず、また大きすぎても電池の性能を悪化させる恐れがある。
【0019】
vとwの一方は、0であってもよい。また、vとwの和は、0より大きく、好ましくは0.001以上、より好ましくは0.002以上であり、通常0.2以下、好ましくは0.15以下、より好ましくは0.1以下である。
なお、一般式(1)の組成においては、酸素量に多少の不定比性があってもよい。
一般式(1)のなかでも好ましいのは、下記一般式(2)で表されるものである。
【0020】
【化7】
Lix1 y12 y2Bivw2 (2)
【0021】
一般式(2)中、M1は、Ni、Mn及びCoから選ばれる少なくとも1種の元素を表す。M1は、1種類でも2種類以上を併用してもよい。M2は、Ni、Mn、Co、Al、Fe、Ga、Sn、V、Cr、Cu、Zn、Mg、Ti、Ge、Nb、Ta、Zr及びCaから選ばれる少なくとも1種の元素(置換金属元素ということがある)を表す。M2として好ましいのは、Al、Co、Fe、Mg、Ga、Ti又はCaである。Al、Co又はMg、特にAl又はCo、さらにはCoが好ましい。M2は、1種類でも2種類以上を併用してもよい。
【0022】
一般式(2)中、x、v、wは一般式(1)と同じものを表す。y1とy2は、0<y1、0≦y2、かつ、y1+y2は、通常0.9以上、1.1以下であり、好ましくは0.95以上、1.05以下の数である。
一般式(2)の組成においては、酸素量に多少の不定比性があってもよい。
【0023】
一般式(2)のホウ素及び/又はビスマスを含むリチウム遷移金属複合酸化物のなかでも好ましいのは、層状の結晶構造を有し、リチウムとニッケルとマンガンとを含む下記一般式(3)で表される複合酸化物である。
【0024】
【化8】
LixNiαMnβ(1- α - β )Bivw2 (3)
【0025】
一般式(3)中、Qは、NiとMnのサイトの一部を置換する金属元素を表し(このような金属元素を以下「置換金属元素」と呼ぶことがある)、Qとしては、遷移金属、アルカリ金属、アルカリ土類金属、ハロゲン元素、カルコゲン元素などが挙げられ、特にAl、Fe、Ga、Sn、V、Cr、Co、Cu、Zn、Mg、Ti、Ge、Nb、Ta、Zr、Ca等の元素が挙げられる。Qとして好ましいのは、Al、Co、Fe、Mg、Ga、Ti又はCaである。Al、Co又はMg、特にAl又はCo、さらにはCoが好ましい。Qは、1種類でも2種類以上を併用してもよい。
【0026】
一般式(3)中、xは0<x≦1.2、好ましくは0<x≦1.15の数を表わす。xが大きすぎると、結晶構造が不安定化したり、これを使用したリチウム二次電池の電池容量低下を招く恐れがある。
αは、通常0.3≦α≦0.8、好ましくは0.3≦α≦0.7である。βは、0.05以上、特に0.1以上であることが好ましく、また、0.6以下、特に0.45以下であることが好ましい。βが大きすぎると単一相のリチウムニッケルマンガン複合酸化物が合成しにくくなり、逆にαが大きすぎると、全体のコストが上がる他、本発明の効果が顕著に現れなくなる。
【0027】
Ni/Mnのモル比α/βは、0.7以上、好ましくは0.8以上、特に好ましくは0.9以上であり、9以下、好ましくは8以下、特に好ましくは6以下である。
(1−α−β)の値は、0以上であり、0.5以下、好ましくは0.4以下、さらに好ましくは0.3以下とする。置換金属元素Qの含有量が多すぎると、電池用の電極として使用した場合の容量が低下したり、特に遷移金属元素QがCoの場合は資源的に乏しく高価な原料を多く使うことになるので実用的ではない。
【0028】
v及びwは、それぞれ、0以上、好ましくは0.001以上、より好ましくは0.002以上、特に好ましいのは0.005以上である。また、上限は、0.05以下、好ましくは0.03以下、より好ましいのは0.02以下である。v及びwが小さすぎると本発明の効果が発現されず、また大きすぎても電池用電極としての性能を悪化させる恐れがある。vとwの一方は0であってもよい。また、vとwの和は、0より大きく、好ましくは0.001以上、より好ましくは0.002以上であり、通常0.2以下、好ましくは0.15以下、より好ましくは0.1以下である。
一般式(3)の組成においては、酸素量に多少の不定比性があってもよい。
【0029】
ホウ素及び/又はビスマスを含むリチウム遷移金属複合酸化物は二次粒子を形成している。この二次粒子は、単一の結晶相を示し、その表面部分にビスマス及びホウ素が濃化して存在していることが特徴である。
具体的には、二次粒子の表面部分のリチウム、ホウ素及びビスマス以外の金属元素の合計に対するホウ素とビスマスの合計の原子比が、二次粒子全体のリチウム、ホウ素及びビスマス以外の金属元素の合計に対するホウ素とビスマスの合計の原子比の5倍以上70倍以下である。この比率は8倍以上であるのが好ましく、上限は60倍以下、特に50倍以下であるのが好ましい。この比率が小さすぎると電池性能改善の効果が小さく、反対に大きすぎると電池性能や嵩密度等の粉体特性の悪化を招く。
【0030】
二次粒子の表面部分の組成の分析は、X線光電子分光法(XPS)により、X線源としてAlKαを用い、分析面積0.8mm径、取り出し角45度の条件で行う。二次粒子の組成により、分析可能な範囲(深さ)は異なるが、通常0.1nm以上50nm以下、特に正極活物質においては通常1nm以上10nm以下となる。従って、本発明において二次粒子の表面部分とは、この条件において測定可能な範囲を示す。
【0031】
この二次粒子の平均粒径(平均二次粒径)は、通常1μm以上、好ましくは4μm以上、通常50μm以下、好ましくは40μm以下である。平均二次粒径は、公知のレーザー回折/散乱式粒度分布測定装置によって測定することができ、測定の際に用いる分散媒としては、例えば0.1重量%ヘキサメタリン酸ナトリウム水溶液を挙げることができる。二次粒子の粒径は、例えば、後述する噴霧乾燥工程における気液比等の噴霧条件等の製造条件により制御することが可能である。また、二次粒子の粒径が小さすぎるとサイクル特性や安全性が低下する傾向にあり、大きすぎると内部抵抗が大きくなって十分な出力が出にくくなる傾向がある。
【0032】
二次粒子を形成する一次粒子の平均粒径(平均一次粒径)は、通常0.01μm以上、好ましくは0.02μm以上、更に好ましくは0.1μm以上、通常10μm以下、好ましくは5μm以下、更に好ましくは3μm以下である。平均一次粒径は、走査型電子顕微鏡(SEM)観察によって測定することができる。一次粒子の大きさは、焼成温度、焼成時間、焼成雰囲気等の製造条件等により制御することが可能である。一次粒径が小さすぎると表面での副反応等が起こりやすくなるためにサイクル特性等が低下する傾向にあり、大きすぎるとリチウム拡散の阻害や導電パス不足等によりレート特性や容量が低下する傾向にある。
【0033】
ホウ素及び/又はビスマスを含むリチウム遷移金属複合酸化物からなる二次粒子の比表面積は、組成比と含有される元素によって大きく異なるので一概には言えないが、通常0.1m2/g以上、好ましくは0.2m2/g以上、更に好ましくは0.3m2/g以上である。比表面積があまり小さすぎるということは、一次粒径が大きくなることを意味し、即ちレート特性や容量が低下する傾向にあるので好ましくない。また、比表面積があまり大きすぎてもサイクル特性等が低下する傾向にあるので、通常は8m2/g以下、好ましくは5m2/g以下、更に好ましくは2m2/g以下である。
【0034】
比表面積は、公知のBET式粉体比表面積測定装置によって測定される。具体的には、吸着ガスに窒素、キャリアガスにヘリウムを使用し、連続流動法によるBET1点法測定を行う。まず、粉体試料を混合ガスにより450℃以下の温度で加熱脱気し、次いで液体窒素温度まで冷却してヘリウムと窒素の混合ガスを吸着させる。これを水により室温まで加温して吸着された窒素ガスを脱着させ、熱伝導度検出器によって検出し、脱着ピークとしてその量を求め、試料の比表面積として算出する。
【0035】
また、本発明に係るホウ素及び/又はビスマスを含むリチウム遷移金属複合酸化物からなる二次粒子のタップ密度は、リチウム遷移金属複合酸化物粉末約8gを10mlメスシリンダーに入れて、200回タップ(落下)して測定される。メスシリンダーを落下させる高さは1〜5cm、メスシリンダーを落下させる際の下の材質は特に限定されず、落下の間隔は50〜500回/分である。タップ密度は、組成比と含有される元素によって大きく異なるので一概には言えないが、通常0.8g/cm3以上、好ましくは1.6g/cm3以上、更に好ましくは1.8g/cm3以上、最も好ましくは2.0g/cm3以上である。タップ密度が低いと、単位体積当たりの正極材料の量が少なくなり、二次電池を作成する場合、一定のエネルギー容量を確保するためには電池の容積が大きくなってしまう。また、タップ密度が低いと、電池を小型化しようとした場合に低いエネルギー容量しか得られなくなるので、タップ密度は大きければ大きいほど好ましいが、現実的には3.0g/cm3以下、通常は2.5g/cm3以下である。
【0036】
ホウ素及び/又はビスマスを含むリチウム遷移金属複合酸化物からなる二次粒子は、目的とするリチウム遷移金属複合酸化物を構成する金属元素、並びにホウ素及び/又はビスマスを含有する化合物を含む原料混合物を粒子状に成形した後、この成形物を原料として用いたホウ素化合物及びビスマス化合物の融点よりも高い温度で焼成することによって製造することができる。
原料としては、通常、上記元素の酸化物;炭酸塩、硫酸塩、硝酸塩、リン酸塩等の無機塩;ハロゲン化物;有機塩等の各種のものを用いることができる。
【0037】
リチウムを含有する化合物としては、Li2CO3、LiNO3、酢酸Liなどの無機リチウム塩;LiOH、LiOH・H2Oなどのリチウムの水酸化物;LiCl、LiIなどのリチウムハロゲン化物;Li2O等の無機リチウム化合物、アルキルリチウム、脂肪酸リチウム等の有機リチウム化合物等を挙げることができる。リチウム化合物は溶媒に可溶であってもよい。中でも好ましいのは、Li2CO3、LiNO3、LiOH・H2O、酢酸Liである。また、湿式法により原料を混合する場合、LiOH・H2Oが好ましく用いられる。LiOH・H2Oは水溶性であり、分散媒が水の場合に分散媒中の拡散効率や均一性が向上するだけでなく、N及びS等を含まない化合物なので、焼成の際に、NOx及びSOx等の有害物質を発生させない利点をも有する。これらは単独で用いても2種以上を併用してもよい。
【0038】
ニッケルを含有する化合物としては、Ni(OH)2、NiO、NiOOH、NiCO3・2Ni(OH)2・4H2O、NiC24・2H2O、Ni(NO32・6H2O、NiSO4、NiSO4・6H2O、脂肪酸ニッケル、ニッケルハロゲン化物等を挙げることができる。なかでも、Ni(OH)2、NiO、NiOOH、NiCO3・2Ni(OH)2・4H2O、NiC24・2H2OのようなN及びS等を含まない化合物は、焼成工程においてNOx及びSOx等の有害物質を発生させないので好ましい。工業原料として安価に入手できる観点、及び焼成を行う際に反応性が高いという観点から、特に好ましいのはNi(OH)2、NiO、NiOOHである。これらは単独で用いても2種以上を併用してもよい。
【0039】
マンガンを含有する化合物としては、Mn34、Mn23、MnO2、MnOOH、MnCO3、Mn(NO32、MnSO4、有機マンガン化合物、マンガン水酸化物、マンガンハロゲン化物等を挙げることができる。これらマンガン化合物の中でも、Mn23、MnO2、Mn34は、最終目的物である複合酸化物のマンガン酸化数に近い価数を有しているため好ましい。
【0040】
ホウ素を含有する化合物としては、ホウ酸、ホウ素、ハロゲン化ホウ素、炭化ホウ素、窒化ホウ素、酸化ホウ素、ハロゲン化ホウ素有機錯体、有機ホウ素化合物、アルキルホウ酸、ボラン類等を挙げることができる。ホウ素及び/又はビスマスを含むリチウム遷移金属複合酸化物を製造する際の焼成温度より融点が低いホウ素化合物もしくはそれを生成するホウ素化合物であれば、上述のいずれも用いることができるが、工業原料として安価に入手できる観点、及び取り扱いが容易であることから、これらホウ素化合物の中でもホウ酸、酸化ホウ素が好ましい。これらは単独で用いても2種以上を併用してもよい
【0041】
ビスマスを含有する化合物としては、ビスマス金属、酸化ビスマス、ハロゲン化ビスマス、炭化ビスマス、窒化ビスマス、水酸化ビスマス、カルコゲン化ビスマス、硫酸ビスマス、硝酸ビスマス、有機ビスマス化合物を挙げることができる。ホウ素及び/又はビスマスを含むリチウム遷移金属複合酸化物を製造する際の焼成温度より融点が低いビスマス化合物もしくはそれを生成するビスマス化合物であれば、上述のいずれも用いることができるが、工業原料として安価に入手できる観点、及び取り扱いが容易であることから、これらビスマス化合物の中でも酸化ビスマスが好ましく、特にBi23が好ましい。これらは単独で用いても2種以上を併用してもよい
【0042】
これらの原料の配合比は、目的とするホウ素及び/又はビスマスを含むリチウム遷移金属複合酸化物の組成比に応じて適宜選択される。
ホウ素及びビスマスは、合成過程における揮発等による欠損、原料からの不純物としての混入を考慮して、適宜調整すればよいが、具体的には、反応系内に存在させるビスマスのモル比(v)は、通常0≦v≦0.2、好ましくは0≦v≦0.1、特に0≦v≦0.05であることが好ましい。同様に、反応系内に存在させるホウ素のモル比(w)は、通常0≦w≦0.2、好ましくは0≦w≦0.1、特に0≦w≦0.05であることが好ましい。また、リチウム遷移金属複合酸化物の化学量論比を超えて過剰に存在するリチウム(a)とホウ素とビスマスの合計(b)の原子比(b/a)が、0.15≦b/a≦5となるような割合で原料を配合すると、嵩密度の大きい二次粒子が製造しやすいので好ましい。
【0043】
原料の混合方法は特に限定されるものではなく、湿式でも乾式でも良い。例えば、ボールミル、振動ミル、ビーズミル等の装置を使用する方法が挙げられる。水酸化リチウム等の水溶性の原料は水溶液として他の固体の原料と混合しても良い。湿式混合は、より均一な混合が可能であり、後に供される焼成工程において反応性を高めることができるので好ましい。
【0044】
混合の時間は、混合方法により異なるため一概には言えないが、原料が粒子レベルで均一に混合されていれば良く、例えばボールミル(湿式又は乾式)では通常1時間から2日間程度、ビーズミル(湿式連続法)では通常対流時間0.1時間から6時間程度である。
粉砕の程度としては、原料粒子の粒径が指標となるが、これを通常2μm以下、好ましくは1μm以下、さらに好ましくは0.5μm以下とする。湿式混合における原料を含む分散媒(以下これをスラリーということがある)中の固形物の平均粒子径が大きすぎると、焼成工程における反応性が低下するだけでなく、後述する噴霧乾燥における乾燥粉体の球状度が低下し、最終的な粉体充填密度が低くなる傾向にある。この傾向は、平均粒子径で50μm以下の造粒粒子を製造しようとした場合に特に顕著になる。また、必要以上に小粒子化することは、粉砕のコストアップに繋がるので、スラリー中の固形物の平均粒子径は通常0.01μm以上、好ましくは0.02μm以上、さらに好ましくは0.1μm以上とする。
【0045】
原料混合物は、粒子状に成形される。粒子状物の製造方法としては、目的とするリチウム遷移金属複合酸化物を構成する金属元素、並びにホウ素及び/又はビスマスを含有する化合物を含む粒子状物が得られる方法であれば、特に限定されない。例えば、原料の湿式混合物を噴霧乾燥する方法、原料水溶液から共沈法により沈殿物を生成させ、これを乾燥させる方法、原料の乾式混合物を少量の水やバインダーを用いて造粒する方法などにより得ることができる。噴霧乾燥は生成する粒子状物の均一性や粉体流動性、粉体ハンドリング性能、二次粒子を効率よく形成できる等の観点から好ましい。
【0046】
具体的には、リチウムを含有する化合物及び遷移金属を含有する化合物を含む粒子を噴霧乾燥法により製造し、これとホウ素を含有する化合物及び/又はビスマスを含有する化合物を乾式混合する方法、リチウムを含有する化合物、遷移金属を含有する化合物並びにホウ素を含有する化合物及び/又はビスマスを含有する化合物を含むスラリーから噴霧乾燥法により粒子状物を製造する方法などが挙げられる。
【0047】
粒子状物の平均粒子径は、50μm以下、さらには40μm以下となるようにするのが好ましい。ただし、あまりに小さな粒径は得にくい傾向にあるので、通常は4μm以上、好ましくは5μm以上である。噴霧乾燥法で粒子状物を製造する場合、その粒子径は、噴霧形式、加圧気体流供給速度、スラリー供給速度、乾燥温度等を適宜選定することによって制御することができる。
【0048】
目的とするリチウム遷移金属複合酸化物を構成する金属元素、並びにホウ素及び/又はビスマスを含有する化合物を含む粒子状物を焼成することによって1次粒子が焼結して形成された二次粒子を得ることができる。焼成には、例えば箱形炉、管状炉、トンネル炉、ロータリーキルン等を使用することができる。焼成は、通常、昇温・最高温度保持・降温の三部分に分けられる。また、二番目の最高温度保持部分は必ずしも一回とは限らず、目的に応じて二段階またはそれ以上の段階を踏んでもよい。二次粒子を破壊しない程度に凝集を解消する解砕工程、若しくは、一次粒子または一次粒子よりも微細粉末にまで粉砕する粉砕工程を挟んで、昇温・最高温度保持・降温の工程を二回またはそれ以上繰り返してもよい。但し、粉砕工程を経た場合は、次いで焼成を行う前に噴霧乾燥などにより二次粒子を形成する工程を経るようにする。
【0049】
昇温部分は、通常1〜5℃/分の昇温速度で炉内を昇温させる。あまり遅すぎても時間がかかって工業的に不利であるが、あまり早すぎても炉によっては炉内温度が設定温度に追従しなくなる。
【0050】
最高温度保持部分では、焼成温度は通常500℃以上、好ましくは600℃以上、より好ましくは800℃以上である。温度が低すぎると、結晶性の良いリチウム遷移金属複合酸化物を得るために長時間の焼成時間を要する傾向にある反面、温度が高すぎるとリチウム遷移金属複合酸化物が激しく焼結して焼成後の粉砕・解砕歩留まりが悪く工業的に不利となったり、あるいは酸素欠損等の欠陥が多いリチウム遷移金属複合酸化物を生成する結果となり、該リチウム遷移金属複合酸化物を正極活物質として使用したリチウム二次電池の電池容量が低下あるいは充放電による結晶構造の崩壊による劣化を招くことがあることから、通常1100℃以下、好ましくは1000℃以下である。
【0051】
最高温度保持部分での保持時間は、通常1時間以上100時間以下の広い範囲から選択されるが、表面部分のホウ素及び/又はビスマスの濃度が高い二次粒子を得るためには、80時間以下、特に50時間以下にするのが好ましい。なかでも30時間以下、特に20時間以下、更には15時間以下とするのが好ましい。焼成時間が長すぎると、ホウ素、ビスマスが二次粒子表面に濃化せず、二次粒子全体に均一に分布するようになる場合もあり、また、焼成時間が短すぎると結晶性の良いリチウム遷移金属複合酸化物が得られにくい。
【0052】
降温部分では、通常0.1〜5℃/分の降温速度で炉内を降温させる。あまり遅すぎても時間がかかって工業的に不利な方向であり、あまり早すぎても目的物の均一性に欠けたり、容器の劣化を早める傾向にある。
【0053】
本発明にかかるホウ素及び/又はビスマスを含むリチウム遷移金属複合酸化物、特にホウ素及び/又はビスマスを含むリチウムニッケルマンガン複合酸化物では、焼成雰囲気によって、タップ密度などの嵩密度が変化するので、焼成時の雰囲気としては、空気などの酸素濃度が10〜80体積%である雰囲気が好ましく、更に好ましくは10〜50体積%の雰囲気とする。酸素濃度が高すぎると、得られるホウ素及び/又はビスマスを含むリチウム遷移金属複合酸化物の嵩密度が低下する恐れがある。
【0054】
本発明は、粒子状物を形成した後に、原料として用いたホウ素化合物及び/またはビスマス化合物の融点以上の温度で焼成することにより、粒子状物に含まれるホウ素及び/またはビスマスが融解し、一次粒子の焼結を促進しながら二次粒子表面へと拡散するため、最終的に二次粒子表面にホウ素及び/またはビスマスが濃化することを見出して達成されたものである。原料混合物粉末を粒子状に成形せずにそのまま、又は、原料混合物をプレス成形したものを焼成しても、このような二次粒子を得ることができない。
【0055】
このようにして得られたホウ素及び/又はビスマスを含むリチウム遷移金属複合酸化物は、一次粒子同士が融着したように密に焼結した二次粒子からなるので、従来のリチウム遷移金属複合酸化物に比べ、タップ密度が高い。このため単位体積当たりの正極材料量をより多くすることができる。また、これを二次電池の正極材料に用いれば、電池容積当たりのエネルギー容量を大きくすることができ、電池の小型化も可能となる。加えて、本発明にかかる二次粒子の表面には、リチウムサイトにニッケルが入った抵抗層が形成されていて、充放電を繰り返すことにより、この抵抗層が次第に消失することにより次第に抵抗が小さくなり、充放電を繰り返すことによる出力の低下を防止しているものと推察される。
【0056】
本発明にかかる正極材料は、リチウム二次電池の正極に用いられる。正極は、通常、正極材料とバインダーと導電剤とを含有する正極活物質層を集電体上に形成してなる。本発明において正極活物質は、上記のリチウム二次電池用正極材料である。正極活物質層は通常、上記構成成分をシート状に成形し、これを集電体に圧着する方法、または、上記構成成分を含有するスラリーを調製し、これを集電体上に塗布、乾燥する方法などにより得られる。塗布、乾燥により得られた正極活物質層は、電極材料の充填密度を高めるために、ローラープレス等により圧密するのが好ましい。
【0057】
正極活物質層中の正極材料の割合は、通常10重量%以上、好ましくは30重量%以上であり、通常99.9重量%以下、好ましくは99重量%以下である。正極材料が多すぎると正極の強度が不足する傾向があり、少なすぎると容量の面で不十分となるおそれがある。
【0058】
正極に使用される導電剤としては、天然黒鉛、人造黒鉛、アセチレンブラック等を挙げることができる。活物質層中の導電剤の割合は通常0.1重量%以上、好ましくは1重量%以上であり、通常50重量%以下、好ましくは10重量%以下である。導電剤が多すぎると容量の面で不十分となることがあり、少なすぎると電気導電性が不十分となることがある。
【0059】
正極に使用されるバインダーとしては、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリ酢酸ビニル、ポリメチルメタクリレート、ポリエチレン、ニトロセルロース等を挙げることができる。正極活物質層中のバインダーの割合は、通常0.1重量%以上、好ましくは1重量%以上であり、通常60重量%以下、好ましくは40重量%以下である。多すぎると容量の面で不十分となることがあり、少なすぎると強度が不十分となることがある。
【0060】
また、正極活物質層を形成するためのスラリーを調製する際に使用する溶媒としては、N−メチルピロリドン、テトラヒドロフラン、ジメチルホルムアミド、水等を挙げることができる。正極集電体の材料としては、アルミニウム、ステンレス等が挙げられ、好ましくはアルミニウムである。
【0061】
本発明にかかるリチウム二次電池は、通常、上記正極、負極及び電解質とを有する。
負極は、負極活物質、バインダー及び必要に応じて導電剤を含有する負極活物質層を集電体上に形成したものや、リチウム金属、リチウム−アルミニウム合金等のリチウム合金などの金属箔が用いられる。
【0062】
負極活物質としては、炭素材料を用いるのが好ましい。炭素材料としては、天然黒鉛、熱分解炭素等が挙げられる。負極集電体の材料としては、銅が好ましい。負極に使用されるバインダーや導電剤は正極に使用するものと同様のものを例示することができる。負極として好ましいのは、炭素材料を含む負極活性層を集電体上に形成したものである。
【0063】
電解質としては、電解液、固体電解質、ゲル状電解質などが挙げられるが、電解液、特には非水電解液が好ましい。非水電解液としては、各種の電解塩を非水系溶媒に溶解したものが挙げられる。電解塩としては、LiCiO4、LiAsF6、LiPF6、LiBF4、LiBr、LiCF3SO3等のリチウム塩が挙げられる。また、非水系溶媒としては、テトラヒドロフラン、1,4−ジオキサン、ジメチルホルムアミド、アセトニトリル、ベンゾニトリル、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、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等が挙げられる。これら電解塩や非水系溶媒は単独で用いても良いし、2種類以上を混合して用いても良い。
正極と負極の間には、通常セパレーターが設けられる。セパレーターとしては、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエステル等の高分子からなる微多孔性高分子フィルム、ガラス繊維等の不繊布フィルター、ガラス繊維と高分子繊維の複合不繊布フィルター等を挙げることができる。
【0064】
【実施例】
以下、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明はその要旨を越えない限り、以下の実施例に制約されるものではない。
【0065】
<電池の評価>
<A.正極の作製及び容量確認>
後述の実施例又は比較例で得られたリチウムニッケルマンガン複合酸化物を75重量部、アセチレンブラック20重量部、ポリテトラフルオロエチレンパウダー5重量部を乳鉢で十分に混合し、薄くシート状にしたものを9mmφ、12mmφのポンチを用いて打ち抜いた。この際、全体の重量が各々約8mg、約18mgになるように調整した。これをAlのエキスパンドメタルに圧着して正極とした。
9mmφに打ち抜いた前記正極を試験極とし、Li金属を対極としてコインセルを組み立てた。このコインセルに、0.2mA/cm2の定電流で4.2Vまで充電(正極からリチウムイオンを放出させる反応)し、ついで0.2mA/cm2の定電流で3.0Vまで放電(正極にリチウムイオンを吸蔵させる反応)を行った。この時の正極活物質単位重量当たりの初期充電容量をQs(C)[mAh/g]、初期放電容量をQs(D)[mAh/g]とし、初期充放電容量E[%]=Qs(D)/Qs(C)を求めた。
【0066】
<B.負極の作製及び容量確認>
平均粒径約8〜10μmの黒鉛粉末(d002=3.35Å)92.5重量部、ポリフッ化ビニリデン7.5重量部を混合し、これにN−メチルピロリドンを加え、スラリーとした。このスラリーを20μmの厚さの銅箔の片面に塗布し、乾燥して溶媒を蒸発させた後、12mmφに打ち抜き、0.5ton/cm2でプレス処理をして負極を作製した。
この負極を試験極とし、Li金属を対極として電池セルを組み、0.5mA/cm2の定電流で、0Vになるまで負極にLiイオンを吸蔵させた際の負極活物質単位重量当たりの初期吸蔵容量をQf[mAh/g]とした。
【0067】
<C.コインセルの組立及び電池性能の評価>
正極缶の上に12mmφに打ち抜いた正極を置き、その上にセパレータとして厚さ25μmの多孔性ポリエチレンフィルムを置き、ポリプロピレン製ガスケットで押さえた後、負極を置き、厚み調整用のスペーサーを置いた後、非水電解液を電池内に加えて十分しみ込ませた後、負極缶をのせ電池を封口した。
非水電解液としては、エチレンカーボネート(EC)とジエチルカーボネート(DEC)の体積比3:7の混合溶媒に、六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)を1mol/Lとなるように溶解させたものを用いた。
また、正極活物質の重量と負極活物質重量のバランスは、ほぼ、次式を満足するように設定した。
【0068】
【数1】
正極活物質重量[g]/負極活物質重量[g]
=(Qf[mAh/g]/1.2)/Qs(C)[mAh/g]
【0069】
<D.サイクル試験>
電池の1時間率電流値(1C)を次式のように設定し、以下の測定を行った。
【0070】
【数2】
1C[mA]=Qs(D)×正極活物質重量[g]
【0071】
まず、室温で定電流0.2C充放電2サイクル及び定電流1C充放電1サイクルを行い、次に60℃の高温で定電流0.2C充放電1サイクル、ついで定電流1C充放電100サイクルの試験を行った。なお、充電上限は4.1V、下限電圧は3.0Vとした。
この時60℃での1C充放電100サイクル試験部分の1サイクル目の放電容量をQh(1)、100サイクル目の放電容量をQh(100)とし、次式により高温サイクル容量維持率P[%]を求めた。
【0072】
【数3】
P[%]={Qh(100)/Qh(1)}×100
【0073】
<E.室温抵抗測定>
【数4】
コンディショニング電流値I[mA]=Qs(D)[mAh/g]×正極活物質重量M[g]/5
【0074】
得られたコインセルについて、上記の式で求められるコンディショニング電流値Iで、充電上限電圧4.1V、放電下限電圧3.0Vとして、充放電2サイクルの初期コンディショニングを行い、その際の2サイクル目における正極活物質単位重量当たりの放電容量Qs2(D)[mAh/g]を測定し、次式に基づき1Cを設定し、以下の測定を行った。
【0075】
【数5】
1C[mA]=Qs2(D)[mAh/g]×正極活物質重量M[g]
【0076】
25℃の室温雰囲気下で電池を十分緩和した後、定電流1/3C[mA]で108分間充電を行い、1時間静置し、次いで定電流3Cで10秒間放電を行った。
このときの放電10秒後の電圧をV[mV]とし、放電前の電圧をV0[mV]として、その差ΔV[mV]=V[mV]−V0[mV]を算出し、放電電流3C[mA]を用いて抵抗R[Ω]=ΔV[mV]/3C[mA]として算出した。この抵抗R[Ω]が小さい程、室温における充電特性に優れ、急速充電に有利である等の効果が得られる。
この抵抗の測定を<D.サイクル試験>の前後に行い、サイクル試験前後の室温抵抗値とその変化倍率を求めた。
【0077】
<実施例1>
LiOH・H2O、NiO、Mn23、Co(OH)2、H3BO3を、Li:Ni:Mn:Co:B=1.05:0.65:0.15:0.20:0.010(モル比)となるように混合し、これに純水を加え、固形分濃度25重量%のスラリーを調製した。循環式媒体攪拌型湿式粉砕機を用いて、スラリー中の固形分の平均粒子径が0.30μmになるまで粉砕した後、四流体ノズル型スプレードライヤーを用いて噴霧乾燥を行い、粒子状物を得た。なお、噴霧乾燥時の乾燥ガスとしては空気を用い、乾燥ガス導入量は1200L/min、乾燥ガス入り口温度は90℃とした。
【0078】
噴霧乾燥により得られた粒子状物約8gを直径50mmのアルミナ製るつぼに仕込み、雰囲気焼成炉に入れて9L/minの流量の空気を流通させながら、昇温速度5℃/分で最高温度830℃まで昇温させ、830℃で10時間保持した後、降温速度5℃/分で降温させて、ほぼ仕込みのモル比組成のリチウムニッケルマンガン複合酸化物(平均粒径8μm)を得た。このリチウムニッケルマンガン複合酸化物は、粉末X線回折パターンにより層状構造の単相であることが確認された。
【0079】
得られたリチウムニッケルマンガン複合酸化物約5gを10mlのガラス製メスシリンダーに入れ、200回タップした後の粉体充填密度(タップ密度)を測定した結果、1.89g/ccであった。
また、この複合酸化物のBET比表面積を大倉理研製「AMS8000型全自動粉体比表面積測定装置」を用いて測定した結果、0.70m2/gであった。さらに、この複合酸化物の二次粒子表面の組成分析をX線光電子分光法(XPS)(PhysicalElectronics社製X線光電子分光装置「ESCA−5500MC」、X線源:AlKα、分析面積:0.8mm径、取り出し角:45度)により行った結果、二次粒子全体のホウ素の原子比(B/(Ni+Mn+Co))に対して、二次粒子表面のホウ素の原子比は32倍となっていた。
得られたリチウムニッケルマンガン複合酸化物を用いてリチウム二次電池を作製し、評価を行った。結果を表−1に示す。
【0080】
<実施例2>
原料として、LiOH・H2O、NiO、Mn23、Co(OH)2、Bi23を、Li:Ni:Mn:Co:Bi=1.05:0.65:0.15:0.20:0.020(モル比)となるような量で用いた他は、実施例1と同様にして単相のリチウムニッケルマンガン複合酸化物を得た。
実施例1と同様にして各種物性を測定した結果、粉体充填密度(タップ密度)は1.90g/cc、BET比表面積は0.60m2/g、二次粒子全体のビスマスの原子比(Bi/(Ni+Mn+Co))に対する二次粒子表面のビスマスの原子比は9倍であった。
得られたリチウムニッケルマンガン複合酸化物を用いてリチウム二次電池を作製し、評価を行った。結果を表−1に示す。
【0081】
<比較例1>
ホウ酸を加えないこと以外は、実施例1と同様にしてリチウムニッケルマンガン複合酸化物を得た。得られたリチウムニッケルマンガン複合酸化物は、粉末X線回折パターンにより、層状構造の単相であることが確認された。
実施例1と同様にして各種物性を測定した結果、粉体充填密度(タップ密度)は1.73g/cc、BET比表面積は0.69m2/gであった。
得られたリチウムニッケルマンガン複合酸化物を用いてリチウム二次電池を作製し、評価を行った。結果を表−1に示す。
【0082】
<実施例3>
原料として、LiOH・H2O、NiO、Mn23、Co(OH)2、Bi23を、Li:Ni:Mn:Co:B=1.05:0.33:0.33:0.33:0.005(モル比)となるような量で用い、焼成時の最高温度を900℃で焼成した以外は、実施例1と同様にして単相のリチウムニッケルマンガン複合酸化物を得た。
実施例1と同様にして各種物性を測定した結果、粉体充填密度(タップ密度)は1.70g/cc、BET比表面積は0.80m2/g、二次粒子全体のビスマスの原子比(Bi/(Ni+Mn+Co))に対する二次粒子表面のビスマスの原子比は44倍であった。
得られたリチウムニッケルマンガン複合酸化物を用いてリチウム二次電池を作製し、評価を行った。結果を表−1に示す。
【0083】
<比較例2>
ビスマスを加えないこと以外は、実施例3と同様にしてリチウムニッケルマンガン複合酸化物を得た。得られたリチウムニッケルマンガン複合酸化物は、粉末X線回折パターンにより、層状構造の単相であることが確認された。
実施例1と同様にして各種物性を測定した結果、粉体充填密度(タップ密度)は1.01g/cc、BET比表面積は2.27m2/gであった。
得られたリチウムニッケルマンガン複合酸化物を用いてリチウム二次電池を作製し、評価を行った。結果を表−1に示す。
【0084】
【表1】

Figure 0004655453
【0085】
表−1において、実施例1、2と比較例1を比較すると、正極活物質組成の5倍以上、70倍以下のホウ素またはビスマスが二次粒子表面に濃化して存在している本発明のリチウムニッケルマンガン複合酸化物は、ホウ素とビスマスのいずれも存在しないその他金属配合比が同じリチウムニッケルマンガン複合酸化物よりも、タップ密度が高く、コインセル室温抵抗の60℃充放電100サイクル試験前後の変化倍率が低く、よってリチウム二次電池用正極材料として有利であることが判る。実施例3と比較例2を比較すると、同様に実施例3の方がタップ密度が高く、コインセル室温抵抗の60℃充放電100サイクル試験前後の変化倍率が低い。マンガン含有量が多い実施例3のような組成では、正極活物質組成の5倍以上、70倍以下のホウ素またはビスマスを二次粒子表面に濃化させることで、非常に嵩密度が低い比較例3の組成でも高嵩密度を実現できたことが判る。参考例のように、ニッケル含有量が多い組成では、本発明の効果が小さいことが判る。
表−1より、実施例で得られたリチウムニッケルマンガン複合酸化物は粉体タップ密度が高くてかつ比表面積が低く、加えて二次電池としたときの電池性能に優れているものであることが確認された。
【0086】
【発明の効果】
本発明によれば、リチウム二次電池の正極材料として好適な高性能(高容量、高サイクル特性、高レート特性、高保存特性等)のリチウム二次電池用正極材料を安価に提供することができる。特に、本発明によれば、従来合成されてきたものよりも嵩密度の高いリチウム遷移金属複合酸化物を提供することができる。さらに、本発明によれば、高性能(高充放電効率、低抵抗高出力等)なリチウム二次電池用正極及びリチウム二次電池を提供することができる。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a positive electrode material for a lithium secondary battery comprising a lithium transition metal composite oxide, a method for producing the positive electrode material for a lithium secondary battery, and a secondary battery using the positive electrode material for the lithium secondary battery. .
[0002]
[Prior art]
In recent years, with the reduction in size and weight of portable electronic devices and communication devices, a secondary battery having high output and high energy density is required as a power source. Further, a secondary battery having the above characteristics is also required as a power source for automobiles. In particular, lithium secondary batteries are being developed rapidly to meet the above requirements.
As a positive electrode material for a lithium secondary battery, the standard composition is LiCoO.2LiNiO2, LiMn2OFourLithium transition metal composite oxides such as these have been used, but various studies have been made to improve battery characteristics.
[0003]
For example, LiCoO2Patent Document 1 shows that LiCoO has a charge / discharge cycle characteristic by replacing a part of Co with B or Bi.2Patent Document 2 discloses that charge and discharge cycle characteristics are improved by coating the surfaces of primary particles with boron. LiMO2When element Z (Bi, B, W) is added to (M is Co, Ni, etc.) so that the atomic ratio (Z / M) is 0.1 or less and fired, element Z is formed at the grain boundaries of the primary particles. Since melting, the size of the primary particles can be increased, and it is disclosed in Patent Document 3 that when this is used as a positive electrode material, the discharge capacity is improved.
[0004]
Meanwhile, among the lithium transition metal composite oxides, LiMn2OFourAnd LiNiO2LiCoO2Although it is advantageous in that it is less expensive than the above, for practical use, it is necessary to improve the cycle characteristics at high temperature, storage characteristics, atmosphere control during firing and storage, safety aspects, and the like. Therefore, LiNiO2LiNi in which a part of Ni site of Mn was replaced with Mn1-xMnxO2Is being studied. (For example, Non-Patent Documents 1 to 3) However, when the amount of substitution of Mn is increased, there is a problem that a sufficient capacity cannot be obtained.
[0005]
[Patent Document 1]
JP-A-4-253162
[Patent Document 2]
JP-A-4-328258
[Patent Document 3]
JP-A-8-55624
[Non-Patent Document 1]
J. et al. Mater. Chem. 6 (1996) p. 1149
[Non-Patent Document 2]
J. et al. Electrochem. Soc. 145 (1998) p. 1113
[Non-Patent Document 3]
41st Battery Symposium Proceedings (2000) p. 460
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
In recent years, the demand for higher performance of lithium batteries has been increasing, and it has been required to achieve high characteristics such as high capacity, high output, and suppression of output decrease during repeated charge / discharge use. In particular, a positive electrode material having a large bulk density is required for high capacity.
[0007]
However, LiCoO disclosed in Patent Document 22In the positive electrode material in which the surface of the primary particles is coated with boron, the output reduction during repeated charge / discharge use cannot be sufficiently suppressed. In the positive electrode materials disclosed in Examples of Patent Document 1 and Patent Document 3, it is difficult to increase the capacity because the bulk density is small, and sufficiently suppress the decrease in output during repeated charge / discharge use. I can't.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
As a result of intensive studies in view of the above problems, the present inventor has found that the lithium transition metal composite oxide containing boron and / or bismuth forms secondary particles, and the surface portion of the secondary particles compared to the overall composition. Lithium transition metal composite oxides with high concentrations of boron and bismuth have a high bulk density and a small specific surface area. Therefore, when used as a positive electrode material, a high capacity can be achieved. When used, the electrode resistance was lowered, and as a result, it was found that the output of the battery can be increased, and the present invention has been completed.
[0009]
That is, the gist of the present invention consists of secondary particles of lithium transition metal composite oxide containing boron and / or bismuth, and boron and bismuth with respect to the total of metal elements other than lithium, boron and bismuth on the surface portion of the secondary particles. Is a positive electrode material for a lithium secondary battery, characterized in that the total atomic ratio is 5 to 70 times the atomic ratio of the entire secondary particles.
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
Examples of the lithium transition metal composite oxide containing boron and / or bismuth constituting the positive electrode material for a lithium secondary battery according to the present invention include a lithium transition metal oxide having a layered structure and a lithium transition metal composite oxide having a spinel structure And containing boron and / or bismuth. Among these, excess lithium exceeding the stoichiometric ratio of the lithium transition metal composite oxide is contained, and the atomic ratio (b / a) of the excess amount of lithium (a) and the total of boron and bismuth (b) ) Is preferably 0.1 ≦ b / a ≦ 5, particularly 0.1 ≦ b / a ≦ 4. The reason for this is not clear, but it is considered that boron and / or bismuth concentrated on the surface of the secondary particles are in the form of a composite compound with lithium. It is done. Note that the stoichiometric ratio of the lithium transition metal composite oxide means a numerical value when the composition is expressed in molar ratio.
[0011]
For example, LiMn2OFourLiNiO2LiCoO2In the case where bismuth and / or boron is contained in a lithium transition metal composite oxide having a layered structure represented by the above, the composition is represented by the general formula (4). Since the lithium stoichiometric ratio of the lithium transition metal composite oxide having this layered structure is 1, an excess amount of lithium (a) exceeding the stoichiometric ratio can be obtained by x-1. Further, the total (b) of boron and bismuth is obtained by v + w.
[0012]
[Formula 4]
LixMBivBwO2        (4)
[0013]
(In the formula, M represents a transition metal.)
LiMn2OFourIn the case of a lithium transition metal composite oxide having a spinel structure represented by bismuth and / or boron, the composition is represented by the general formula (5). Since the lithium stoichiometric ratio of the lithium transition metal composite oxide having this spinel structure is also 1, the lithium excess (a) exceeding the stoichiometric ratio can be obtained by x-1. Further, the total (b) of boron and bismuth is obtained by v + w.
[0014]
[Chemical formula 5]
LixM2BivBwOFour        (5)
[0015]
(In the formula, M represents a transition metal.)
As the lithium transition metal composite oxide containing boron and / or bismuth, those represented by the following general formula (1) are preferable.
[0016]
[Chemical 6]
LixMyBivBwO2        (1)
[0017]
In general formula (1), M represents an element selected from a transition metal, an alkali metal, an alkaline earth metal, a halogen element, and a chalcogen element. Among these, those selected from Ni, Mn, Co, Al, Fe, Ga, Sn, V, Cr, Cu, Zn, Mg, Ti, Ge, Nb, Ta, Zr, and Ca are preferable, and Ni is more preferable. , Mn or Co.
[0018]
In the general formula (1), x is a number satisfying 0 <x ≦ 1.2, preferably 0 <x ≦ 1.15. If x is too large, the crystal structure may become unstable, or the battery capacity of a lithium secondary battery using this may be reduced. y is usually 0.9 or more and 1.1 or less, preferably 0.95 or more and 1.05 or less. v and w are each 0 or more, preferably 0.001 or more, more preferably 0.002 or more, and particularly preferably 0.005 or more. The upper limit is 0.1 or less, preferably 0.05 or less, more preferably 0.03 or less, and particularly preferably 0.02 or less. If v and w are too small, the effects of the present invention are not exhibited, and if they are too large, the battery performance may be deteriorated.
[0019]
One of v and w may be 0. The sum of v and w is greater than 0, preferably 0.001 or more, more preferably 0.002 or more, and usually 0.2 or less, preferably 0.15 or less, more preferably 0.1 or less. It is.
In the composition of general formula (1), the amount of oxygen may have some non-stoichiometry.
Among the general formula (1), those represented by the following general formula (2) are preferable.
[0020]
[Chemical 7]
LixM1 y1M2 y2BivBwO2                (2)
[0021]
In general formula (2), M1Represents at least one element selected from Ni, Mn and Co. M1May be used alone or in combination of two or more. M2Is at least one element selected from Ni, Mn, Co, Al, Fe, Ga, Sn, V, Cr, Cu, Zn, Mg, Ti, Ge, Nb, Ta, Zr and Ca (referred to as a substituted metal element) May be present). M2Preferred is Al, Co, Fe, Mg, Ga, Ti, or Ca. Al, Co or Mg, particularly Al or Co, and further Co are preferable. M2May be used alone or in combination of two or more.
[0022]
In general formula (2), x, v, and w represent the same as in general formula (1). y1 and y2 are 0 <y1, 0 ≦ y2, and y1 + y2 is usually 0.9 or more and 1.1 or less, preferably 0.95 or more and 1.05 or less.
In the composition of the general formula (2), the amount of oxygen may have some non-stoichiometry.
[0023]
Among the lithium transition metal composite oxides containing boron and / or bismuth of the general formula (2), those having a layered crystal structure and represented by the following general formula (3) containing lithium, nickel, and manganese are preferable. Composite oxide.
[0024]
[Chemical 8]
LixNiαMnβQ(1- α - β )BivBwO2        (3)
[0025]
In the general formula (3), Q represents a metal element that substitutes a part of the sites of Ni and Mn (such metal element may be hereinafter referred to as “substitution metal element”), and Q represents a transition Metal, alkali metal, alkaline earth metal, halogen element, chalcogen element, etc. are mentioned, especially Al, Fe, Ga, Sn, V, Cr, Co, Cu, Zn, Mg, Ti, Ge, Nb, Ta, Zr And elements such as Ca. Preferred as Q is Al, Co, Fe, Mg, Ga, Ti or Ca. Al, Co or Mg, particularly Al or Co, and further Co are preferable. Q may be used alone or in combination of two or more.
[0026]
In the general formula (3), x represents a number of 0 <x ≦ 1.2, preferably 0 <x ≦ 1.15. If x is too large, the crystal structure may become unstable, or the battery capacity of a lithium secondary battery using this may be reduced.
α is usually 0.3 ≦ α ≦ 0.8, preferably 0.3 ≦ α ≦ 0.7. β is preferably 0.05 or more, particularly 0.1 or more, and preferably 0.6 or less, particularly 0.45 or less. If β is too large, it becomes difficult to synthesize a single-phase lithium nickel manganese composite oxide. Conversely, if α is too large, the overall cost increases and the effect of the present invention does not appear remarkably.
[0027]
The molar ratio α / β of Ni / Mn is 0.7 or more, preferably 0.8 or more, particularly preferably 0.9 or more, and is 9 or less, preferably 8 or less, particularly preferably 6 or less.
The value of (1-α-β) is 0 or more, 0.5 or less, preferably 0.4 or less, and more preferably 0.3 or less. If the content of the substitutional metal element Q is too large, the capacity when used as an electrode for a battery is reduced, or in particular, when the transition metal element Q is Co, a large amount of resources that are scarce in resources and expensive are used. So it's not practical.
[0028]
v and w are each 0 or more, preferably 0.001 or more, more preferably 0.002 or more, and particularly preferably 0.005 or more. The upper limit is 0.05 or less, preferably 0.03 or less, and more preferably 0.02 or less. If v and w are too small, the effect of the present invention is not exhibited, and if it is too large, the performance as a battery electrode may be deteriorated. One of v and w may be 0. The sum of v and w is greater than 0, preferably 0.001 or more, more preferably 0.002 or more, and usually 0.2 or less, preferably 0.15 or less, more preferably 0.1 or less. It is.
In the composition of the general formula (3), the amount of oxygen may have some non-stoichiometry.
[0029]
The lithium transition metal composite oxide containing boron and / or bismuth forms secondary particles. The secondary particles show a single crystal phase and are characterized by the presence of concentrated bismuth and boron on the surface portion.
Specifically, the atomic ratio of the total of boron and bismuth to the total of metal elements other than lithium, boron, and bismuth on the surface portion of the secondary particle is the sum of the metal elements other than lithium, boron, and bismuth of the entire secondary particle. 5 to 70 times the total atomic ratio of boron and bismuth with respect to. This ratio is preferably 8 times or more, and the upper limit is preferably 60 times or less, particularly preferably 50 times or less. If this ratio is too small, the effect of improving the battery performance is small. On the other hand, if the ratio is too large, powder characteristics such as battery performance and bulk density are deteriorated.
[0030]
The analysis of the composition of the surface part of the secondary particles is performed by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) using AlKα as an X-ray source under the conditions of an analysis area of 0.8 mm diameter and an extraction angle of 45 degrees. Although the range (depth) that can be analyzed varies depending on the composition of the secondary particles, it is usually 0.1 nm to 50 nm, particularly 1 nm to 10 nm for the positive electrode active material. Therefore, in the present invention, the surface portion of the secondary particle indicates a measurable range under these conditions.
[0031]
The average particle size (average secondary particle size) of the secondary particles is usually 1 μm or more, preferably 4 μm or more, usually 50 μm or less, preferably 40 μm or less. The average secondary particle diameter can be measured by a known laser diffraction / scattering particle size distribution measuring device, and examples of the dispersion medium used in the measurement include a 0.1 wt% sodium hexametaphosphate aqueous solution. . The particle size of the secondary particles can be controlled, for example, by production conditions such as spray conditions such as a gas-liquid ratio in a spray drying process described later. On the other hand, if the particle size of the secondary particles is too small, the cycle characteristics and safety tend to be lowered. If the particle size is too large, the internal resistance is increased and it is difficult to produce sufficient output.
[0032]
The average particle size (average primary particle size) of the primary particles forming the secondary particles is usually 0.01 μm or more, preferably 0.02 μm or more, more preferably 0.1 μm or more, usually 10 μm or less, preferably 5 μm or less, More preferably, it is 3 μm or less. The average primary particle size can be measured by scanning electron microscope (SEM) observation. The size of the primary particles can be controlled by the production conditions such as the firing temperature, firing time and firing atmosphere. If the primary particle size is too small, side reactions and the like on the surface are likely to occur, so cycle characteristics and the like tend to decrease. If it is too large, rate characteristics and capacity tend to decrease due to inhibition of lithium diffusion and insufficient conductive paths. It is in.
[0033]
The specific surface area of the secondary particles composed of a lithium transition metal composite oxide containing boron and / or bismuth is largely different depending on the composition ratio and contained elements, but cannot be generally stated.2/ G or more, preferably 0.2 m2/ G or more, more preferably 0.3 m2/ G or more. If the specific surface area is too small, it means that the primary particle size is increased, that is, the rate characteristics and the capacity tend to decrease, which is not preferable. Also, even if the specific surface area is too large, the cycle characteristics and the like tend to be reduced, so normally 8 m2/ G or less, preferably 5 m2/ G or less, more preferably 2 m2/ G or less.
[0034]
The specific surface area is measured by a known BET type powder specific surface area measuring device. Specifically, nitrogen is used for the adsorption gas and helium is used for the carrier gas, and BET one-point measurement by the continuous flow method is performed. First, the powder sample is heated and deaerated with a mixed gas at a temperature of 450 ° C. or lower, and then cooled to liquid nitrogen temperature to adsorb the mixed gas of helium and nitrogen. This is heated to room temperature with water, and the adsorbed nitrogen gas is desorbed, detected by a thermal conductivity detector, the amount is determined as a desorption peak, and is calculated as the specific surface area of the sample.
[0035]
Further, the tap density of the secondary particles composed of the lithium transition metal composite oxide containing boron and / or bismuth according to the present invention is about 200 times tapped by putting about 8 g of the lithium transition metal composite oxide powder into a 10 ml graduated cylinder ( Measured). The height at which the graduated cylinder is dropped is 1 to 5 cm, and the material under which the graduated cylinder is dropped is not particularly limited, and the interval between drops is 50 to 500 times / minute. The tap density varies greatly depending on the composition ratio and contained elements, so it cannot be generally stated, but usually 0.8 g / cm.ThreeOr more, preferably 1.6 g / cmThreeOr more, more preferably 1.8 g / cmThreeOr more, most preferably 2.0 g / cmThreeThat's it. When the tap density is low, the amount of the positive electrode material per unit volume is small, and when a secondary battery is produced, the volume of the battery becomes large in order to ensure a certain energy capacity. Also, if the tap density is low, only a low energy capacity can be obtained when attempting to reduce the size of the battery. Therefore, it is preferable that the tap density is large, but in reality it is 3.0 g / cm.ThreeHereinafter, usually 2.5 g / cmThreeIt is as follows.
[0036]
A secondary particle comprising a lithium transition metal composite oxide containing boron and / or bismuth is a raw material mixture containing a metal element constituting the target lithium transition metal composite oxide and a compound containing boron and / or bismuth. After being formed into particles, it can be produced by firing at a temperature higher than the melting point of the boron compound and bismuth compound using the molded product as a raw material.
As the raw materials, various kinds of materials such as oxides of the above elements; inorganic salts such as carbonates, sulfates, nitrates, and phosphates; halides; organic salts and the like can be used.
[0037]
As a compound containing lithium, Li2COThree, LiNOThree, Inorganic lithium salts such as Li acetate; LiOH, LiOH.H2Lithium hydroxide such as O; Lithium halide such as LiCl and LiI; Li2Examples thereof include inorganic lithium compounds such as O, and organic lithium compounds such as alkyl lithium and fatty acid lithium. The lithium compound may be soluble in the solvent. Among these, Li is preferable.2COThree, LiNOThree, LiOH · H2O, Li acetate. In addition, when mixing raw materials by a wet method, LiOH · H2O is preferably used. LiOH ・ H2O is water-soluble, and when the dispersion medium is water, it not only improves the diffusion efficiency and uniformity in the dispersion medium, but is a compound that does not contain N, S, etc., so that during firing, NOx, SOx, etc. It also has the advantage of not generating harmful substances. These may be used alone or in combination of two or more.
[0038]
As a compound containing nickel, Ni (OH)2, NiO, NiOOH, NiCOThree・ 2Ni (OH)2・ 4H2O, NiC2OFour・ 2H2O, Ni (NOThree)2・ 6H2O, NiSOFour, NiSOFour・ 6H2O, fatty acid nickel, nickel halide, etc. can be mentioned. Above all, Ni (OH)2, NiO, NiOOH, NiCOThree・ 2Ni (OH)2・ 4H2O, NiC2OFour・ 2H2A compound that does not contain N and S such as O is preferable because it does not generate harmful substances such as NOx and SOx in the firing step. Ni (OH) is particularly preferable from the viewpoint that it can be obtained as an industrial raw material at a low cost and that the reactivity is high when firing.2, NiO, NiOOH. These may be used alone or in combination of two or more.
[0039]
As a compound containing manganese, MnThreeOFour, Mn2OThree, MnO2, MnOOH, MnCOThree, Mn (NOThree)2, MnSOFour, Organic manganese compounds, manganese hydroxides, manganese halides, and the like. Among these manganese compounds, Mn2OThree, MnO2, MnThreeOFourIs preferable because it has a valence close to the manganese oxidation number of the composite oxide that is the final object.
[0040]
Examples of the compound containing boron include boric acid, boron, boron halide, boron carbide, boron nitride, boron oxide, boron halide organic complex, organic boron compound, alkylboric acid, and boranes. Any of the above can be used as long as it is a boron compound having a melting point lower than the firing temperature when producing a lithium transition metal composite oxide containing boron and / or bismuth or a boron compound that produces it. Of these boron compounds, boric acid and boron oxide are preferred because they can be obtained at low cost and are easy to handle. These may be used alone or in combination of two or more.
[0041]
Examples of the compound containing bismuth include bismuth metal, bismuth oxide, bismuth halide, bismuth carbide, bismuth nitride, bismuth hydroxide, bismuth chalcogenide, bismuth sulfate, bismuth nitrate, and organic bismuth compounds. Any of the above can be used as long as it is a bismuth compound having a melting point lower than the firing temperature at the time of producing a lithium transition metal composite oxide containing boron and / or bismuth or a bismuth compound that produces it. Among these bismuth compounds, bismuth oxide is preferable because it can be obtained at a low cost and is easy to handle.2OThreeIs preferred. These may be used alone or in combination of two or more.
[0042]
The mixing ratio of these raw materials is appropriately selected according to the composition ratio of the target lithium transition metal composite oxide containing boron and / or bismuth.
Boron and bismuth may be appropriately adjusted in consideration of defects caused by volatilization in the synthesis process and contamination as impurities from the raw material. Specifically, the molar ratio (v) of bismuth present in the reaction system. Is usually 0 ≦ v ≦ 0.2, preferably 0 ≦ v ≦ 0.1, and particularly preferably 0 ≦ v ≦ 0.05. Similarly, the molar ratio (w) of boron present in the reaction system is usually 0 ≦ w ≦ 0.2, preferably 0 ≦ w ≦ 0.1, particularly preferably 0 ≦ w ≦ 0.05. . Further, the atomic ratio (b / a) of lithium (a) existing in excess beyond the stoichiometric ratio of the lithium transition metal composite oxide and the total (b) of boron and bismuth is 0.15 ≦ b / a It is preferable to mix the raw materials at a ratio such that ≦ 5 because secondary particles having a large bulk density can be easily produced.
[0043]
The method for mixing the raw materials is not particularly limited, and may be wet or dry. For example, a method using an apparatus such as a ball mill, a vibration mill, or a bead mill can be used. A water-soluble raw material such as lithium hydroxide may be mixed with other solid raw materials as an aqueous solution. Wet mixing is preferable because more uniform mixing is possible and the reactivity can be increased in the firing step to be provided later.
[0044]
The mixing time varies depending on the mixing method and cannot be generally specified. However, it is sufficient that the raw materials are uniformly mixed at the particle level. For example, in a ball mill (wet or dry type), the bead mill (wet type) is usually about 1 hour to 2 days. In the continuous method), the convection time is usually about 0.1 to 6 hours.
As the degree of pulverization, the particle diameter of the raw material particles serves as an index, but this is usually 2 μm or less, preferably 1 μm or less, and more preferably 0.5 μm or less. If the average particle size of the solid material in the dispersion medium containing the raw material in the wet mixing (hereinafter sometimes referred to as a slurry) is too large, not only the reactivity in the firing step is reduced, but also the dry powder in the spray drying described later. The sphericity of the body tends to decrease and the final powder packing density tends to be low. This tendency becomes particularly remarkable when trying to produce granulated particles having an average particle diameter of 50 μm or less. Further, making particles smaller than necessary leads to an increase in the cost of pulverization, so the average particle size of the solid matter in the slurry is usually 0.01 μm or more, preferably 0.02 μm or more, more preferably 0.1 μm or more. And
[0045]
The raw material mixture is formed into particles. The method for producing the particulate matter is not particularly limited as long as it is a method capable of obtaining a particulate matter containing a metal element constituting the target lithium transition metal composite oxide and a compound containing boron and / or bismuth. . For example, by a method of spray drying a wet mixture of raw materials, a method of generating a precipitate from a raw material aqueous solution by a coprecipitation method, and a method of drying this, a method of granulating a dry mixture of raw materials using a small amount of water or a binder Obtainable. Spray drying is preferable from the viewpoints of uniformity of the generated particulate matter, powder flowability, powder handling performance, and the ability to efficiently form secondary particles.
[0046]
Specifically, a method of producing particles containing a compound containing lithium and a compound containing a transition metal by a spray-drying method, and dry-mixing this with a compound containing boron and / or a compound containing bismuth, lithium And a method of producing a particulate material by a spray drying method from a slurry containing a compound containing a compound, a compound containing a transition metal, a compound containing boron and / or a compound containing bismuth.
[0047]
The average particle size of the particulate matter is preferably 50 μm or less, more preferably 40 μm or less. However, since it tends to be difficult to obtain a too small particle size, it is usually 4 μm or more, preferably 5 μm or more. In the case of producing a particulate material by the spray drying method, the particle size can be controlled by appropriately selecting the spray format, the pressurized gas flow supply rate, the slurry supply rate, the drying temperature, and the like.
[0048]
Secondary particles formed by sintering primary particles by firing a particulate material containing a metal element constituting a target lithium transition metal composite oxide and a compound containing boron and / or bismuth. Obtainable. For firing, for example, a box furnace, a tubular furnace, a tunnel furnace, a rotary kiln or the like can be used. Firing is usually divided into three parts: temperature rise, maximum temperature hold, and temperature drop. Further, the second maximum temperature holding portion is not necessarily limited to one time, and two or more steps may be taken depending on the purpose. Twice the crushing process to eliminate agglomeration to the extent that the secondary particles are not broken, or the crushing process to crush the primary particles or fine particles to a finer powder than the primary particles. Or you may repeat more. However, when the pulverization step is performed, a secondary particle formation step is performed by spray drying or the like before the subsequent firing.
[0049]
The temperature raising portion normally raises the temperature inside the furnace at a temperature raising rate of 1 to 5 ° C./min. If it is too slow, it takes time and is industrially disadvantageous. However, if it is too early, the furnace temperature does not follow the set temperature depending on the furnace.
[0050]
In the maximum temperature holding portion, the firing temperature is usually 500 ° C. or higher, preferably 600 ° C. or higher, more preferably 800 ° C. or higher. If the temperature is too low, it tends to require a long firing time in order to obtain a lithium transition metal composite oxide having good crystallinity. On the other hand, if the temperature is too high, the lithium transition metal composite oxide is vigorously sintered and fired. The resulting pulverization / pulverization yield is poor, resulting in industrial disadvantages, or the production of lithium transition metal composite oxides with many defects such as oxygen vacancies. The lithium transition metal composite oxides are used as positive electrode active materials. Since the battery capacity of the lithium secondary battery may be reduced or deteriorate due to the collapse of the crystal structure due to charge / discharge, it is usually 1100 ° C. or lower, preferably 1000 ° C. or lower.
[0051]
The holding time at the maximum temperature holding portion is usually selected from a wide range of 1 hour or more and 100 hours or less, but in order to obtain secondary particles having a high concentration of boron and / or bismuth in the surface portion, 80 hours or less. In particular, it is preferable to make it 50 hours or less. In particular, it is preferably 30 hours or less, particularly 20 hours or less, more preferably 15 hours or less. If the firing time is too long, boron and bismuth may not be concentrated on the surface of the secondary particles and may be distributed uniformly throughout the secondary particles. If the firing time is too short, lithium having good crystallinity may be obtained. It is difficult to obtain a transition metal composite oxide.
[0052]
In the temperature lowering portion, the temperature in the furnace is usually decreased at a temperature decreasing rate of 0.1 to 5 ° C / min. If it is too slow, it takes time and is industrially disadvantageous. If it is too early, the uniformity of the object tends to be lacking or the container tends to deteriorate.
[0053]
In the lithium transition metal composite oxide containing boron and / or bismuth according to the present invention, in particular, the lithium nickel manganese composite oxide containing boron and / or bismuth, the bulk density such as tap density varies depending on the firing atmosphere. The atmosphere at the time is preferably an atmosphere having an oxygen concentration of 10 to 80% by volume such as air, more preferably 10 to 50% by volume. If the oxygen concentration is too high, the bulk density of the resulting lithium transition metal composite oxide containing boron and / or bismuth may be reduced.
[0054]
In the present invention, after forming the particulate matter, the boron and / or bismuth contained in the particulate matter is melted by firing at a temperature equal to or higher than the melting point of the boron compound and / or bismuth compound used as a raw material. This is achieved by finding that boron and / or bismuth eventually concentrate on the surface of the secondary particle because it diffuses to the surface of the secondary particle while promoting the sintering of the particle. Such secondary particles cannot be obtained even if the raw material mixture powder is directly formed without being formed into particles, or the raw material mixture is press-molded.
[0055]
The lithium transition metal composite oxide containing boron and / or bismuth obtained in this way is composed of secondary particles that are densely sintered so that the primary particles are fused together. The tap density is high compared to things. For this reason, the amount of positive electrode material per unit volume can be increased. Moreover, if this is used for the positive electrode material of a secondary battery, the energy capacity per battery volume can be increased, and the battery can be miniaturized. In addition, on the surface of the secondary particles according to the present invention, a resistance layer containing nickel at the lithium site is formed, and the resistance layer becomes gradually smaller as the resistance layer gradually disappears by repeated charge and discharge. Therefore, it is assumed that the output is prevented from decreasing due to repeated charge and discharge.
[0056]
The positive electrode material according to the present invention is used for a positive electrode of a lithium secondary battery. The positive electrode is usually formed by forming a positive electrode active material layer containing a positive electrode material, a binder, and a conductive agent on a current collector. In the present invention, the positive electrode active material is the above-described positive electrode material for a lithium secondary battery. The positive electrode active material layer is usually formed by forming the above-described constituents into a sheet and press-bonding the constituents to a current collector, or preparing a slurry containing the above-described constituents, and applying and drying the slurry on the current collector. Or the like. The positive electrode active material layer obtained by coating and drying is preferably consolidated by a roller press or the like in order to increase the packing density of the electrode material.
[0057]
The proportion of the positive electrode material in the positive electrode active material layer is usually 10% by weight or more, preferably 30% by weight or more, and usually 99.9% by weight or less, preferably 99% by weight or less. If the amount of the positive electrode material is too large, the strength of the positive electrode tends to be insufficient. If the amount is too small, the capacity may be insufficient.
[0058]
Examples of the conductive agent used for the positive electrode include natural graphite, artificial graphite, and acetylene black. The ratio of the conductive agent in the active material layer is usually 0.1% by weight or more, preferably 1% by weight or more, and usually 50% by weight or less, preferably 10% by weight or less. If the amount of the conductive agent is too large, the capacity may be insufficient, and if the amount is too small, the electrical conductivity may be insufficient.
[0059]
Examples of the binder used for the positive electrode include polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, polyvinyl acetate, polymethyl methacrylate, polyethylene, and nitrocellulose. The ratio of the binder in the positive electrode active material layer is usually 0.1% by weight or more, preferably 1% by weight or more, and usually 60% by weight or less, preferably 40% by weight or less. If the amount is too large, the capacity may be insufficient. If the amount is too small, the strength may be insufficient.
[0060]
Moreover, N-methylpyrrolidone, tetrahydrofuran, dimethylformamide, water, etc. can be mentioned as a solvent used when preparing the slurry for forming a positive electrode active material layer. Examples of the material for the positive electrode current collector include aluminum and stainless steel, and preferably aluminum.
[0061]
The lithium secondary battery according to the present invention usually has the positive electrode, the negative electrode, and the electrolyte.
For the negative electrode, a negative electrode active material, a binder, and a negative electrode active material layer containing a conductive agent as necessary are formed on a current collector, or a metal foil such as a lithium alloy such as lithium metal or lithium-aluminum alloy is used. It is done.
[0062]
A carbon material is preferably used as the negative electrode active material. Examples of the carbon material include natural graphite and pyrolytic carbon. The material for the negative electrode current collector is preferably copper. Examples of the binder and conductive agent used for the negative electrode are the same as those used for the positive electrode. The negative electrode preferably has a negative electrode active layer containing a carbon material formed on a current collector.
[0063]
Examples of the electrolyte include an electrolytic solution, a solid electrolyte, and a gel electrolyte, but an electrolytic solution, particularly a nonaqueous electrolytic solution is preferable. Examples of the nonaqueous electrolytic solution include those obtained by dissolving various electrolytic salts in a nonaqueous solvent. As an electrolytic salt, LiCiOFour, LiAsF6, LiPF6, LiBFFour, LiBr, LiCFThreeSOThreeAnd lithium salts such as Examples of the non-aqueous solvent include tetrahydrofuran, 1,4-dioxane, dimethylformamide, acetonitrile, benzonitrile, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, methyl ethyl carbonate, ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, and the like. These electrolytic salts and non-aqueous solvents may be used alone or in combination of two or more.
Usually, a separator is provided between the positive electrode and the negative electrode. Examples of separators include microporous polymer films composed of polymers such as polytetrafluoroethylene, polyethylene, polypropylene, and polyester, non-woven cloth filters such as glass fibers, and composite non-woven cloth filters made of glass fibers and polymer fibers. Can do.
[0064]
【Example】
EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention still in detail, this invention is not restrict | limited to a following example, unless the summary is exceeded.
[0065]
<Battery evaluation>
<A. Production of positive electrode and capacity confirmation>
75 parts by weight of lithium nickel manganese composite oxide obtained in the examples or comparative examples described later, 20 parts by weight of acetylene black, and 5 parts by weight of polytetrafluoroethylene powder are thoroughly mixed in a mortar to form a thin sheet. Was punched out using punches of 9 mmφ and 12 mmφ. At this time, the total weight was adjusted to about 8 mg and about 18 mg, respectively. This was crimped to Al expanded metal to obtain a positive electrode.
The positive electrode punched out to 9 mmφ was used as a test electrode, and a coin cell was assembled using Li metal as a counter electrode. In this coin cell, 0.2mA / cm2The battery is charged to 4.2 V at a constant current (reaction for releasing lithium ions from the positive electrode), and then 0.2 mA / cm.2Was discharged at a constant current of 3.0 V (reaction to occlude lithium ions in the positive electrode). The initial charge capacity per unit weight of the positive electrode active material at this time is Qs (C) [mAh / g], the initial discharge capacity is Qs (D) [mAh / g], and the initial charge and discharge capacity E [%] = Qs ( D) / Qs (C) was determined.
[0066]
<B. Production of negative electrode and capacity confirmation>
92.5 parts by weight of graphite powder (d002 = 3.35 kg) having an average particle size of about 8 to 10 μm and 7.5 parts by weight of polyvinylidene fluoride were mixed, and N-methylpyrrolidone was added thereto to form a slurry. This slurry was applied to one side of a copper foil having a thickness of 20 μm, dried to evaporate the solvent, then punched out to 12 mmφ, 0.5 ton / cm2A negative electrode was produced by pressing the material.
A battery cell is assembled with this negative electrode as a test electrode and Li metal as a counter electrode, and 0.5 mA / cm2The initial storage capacity per unit weight of the negative electrode active material when Li ions were stored in the negative electrode until the voltage became 0 V at a constant current of Qf [mAh / g].
[0067]
<C. Coin cell assembly and battery performance evaluation>
After placing a positive electrode punched to 12 mmφ on the positive electrode can, placing a porous polyethylene film with a thickness of 25 μm on it as a separator, holding it with a polypropylene gasket, placing a negative electrode, and placing a spacer for adjusting the thickness After adding a non-aqueous electrolyte into the battery and sufficiently impregnating it, the negative electrode can was placed and the battery was sealed.
As the non-aqueous electrolyte, a mixed solvent of ethylene carbonate (EC) and diethyl carbonate (DEC) in a volume ratio of 3: 7 is mixed with lithium hexafluorophosphate (LiPF).6) Was dissolved to 1 mol / L.
The balance between the weight of the positive electrode active material and the weight of the negative electrode active material was set so as to satisfy the following formula.
[0068]
[Expression 1]
Positive electrode active material weight [g] / Negative electrode active material weight [g]
= (Qf [mAh / g] /1.2) / Qs (C) [mAh / g]
[0069]
<D. Cycle test>
The 1 hour rate current value (1C) of the battery was set as in the following equation, and the following measurements were performed.
[0070]
[Expression 2]
1C [mA] = Qs (D) × positive electrode active material weight [g]
[0071]
First, a constant current 0.2C charge / discharge cycle and a constant current 1C charge / discharge cycle are performed at room temperature, followed by a constant current 0.2C charge / discharge cycle at a high temperature of 60 ° C., and then a constant current 1C charge / discharge cycle. A test was conducted. The upper limit of charging was 4.1 V, and the lower limit voltage was 3.0 V.
At this time, the discharge capacity at the first cycle of the 1C charge / discharge 100 cycle test portion at 60 ° C. is Qh (1), the discharge capacity at the 100th cycle is Qh (100), and the high-temperature cycle capacity maintenance rate P [% ] Was requested.
[0072]
[Equation 3]
P [%] = {Qh (100) / Qh (1)} × 100
[0073]
<E. Room temperature resistance measurement>
[Expression 4]
Conditioning current value I [mA] = Qs (D) [mAh / g] × positive electrode active material weight M [g] / 5
[0074]
With respect to the obtained coin cell, initial conditioning of charge / discharge 2 cycles was performed with the conditioning current value I obtained by the above formula as the charge upper limit voltage 4.1 V and the discharge lower limit voltage 3.0 V, and in the second cycle at that time Discharge capacity Qs per unit weight of positive electrode active material2(D) [mAh / g] was measured, 1C was set based on the following formula, and the following measurements were performed.
[0075]
[Equation 5]
1C [mA] = Qs2(D) [mAh / g] x cathode active material weight M [g]
[0076]
After sufficiently relaxing the battery in a room temperature atmosphere at 25 ° C., the battery was charged with a constant current of 1/3 C [mA] for 108 minutes, allowed to stand for 1 hour, and then discharged with a constant current of 3 C for 10 seconds.
The voltage 10 seconds after the discharge at this time is V [mV], and the voltage before the discharge is V0[mV], the difference ΔV [mV] = V [mV] −V0[mV] was calculated, and the resistance R [Ω] = ΔV [mV] / 3C [mA] was calculated using the discharge current 3C [mA]. As this resistance R [Ω] is smaller, effects such as excellent charging characteristics at room temperature and advantageous for rapid charging can be obtained.
This resistance measurement is <D. It was performed before and after the cycle test>, and the room temperature resistance value before and after the cycle test and the rate of change thereof were determined.
[0077]
<Example 1>
LiOH ・ H2O, NiO, Mn2OThree, Co (OH)2, HThreeBOThreeAre mixed so as to be Li: Ni: Mn: Co: B = 1.05: 0.65: 0.15: 0.20: 0.010 (molar ratio), and pure water is added thereto to obtain a solid. A slurry having a partial concentration of 25% by weight was prepared. After pulverization using a circulating medium agitation type wet pulverizer until the average particle size of the solid content in the slurry becomes 0.30 μm, spray drying is performed using a four-fluid nozzle type spray dryer, Obtained. In addition, air was used as the drying gas at the time of spray drying, the drying gas introduction amount was 1200 L / min, and the drying gas inlet temperature was 90 ° C.
[0078]
About 8 g of the particulate matter obtained by spray drying is placed in an alumina crucible having a diameter of 50 mm, placed in an atmosphere firing furnace, and air at a flow rate of 9 L / min is circulated, while the maximum temperature is 830 at a temperature rising rate of 5 ° C./min. The temperature was raised to 0 ° C. and held at 830 ° C. for 10 hours, and then the temperature was lowered at a rate of temperature reduction of 5 ° C./min to obtain a lithium nickel manganese composite oxide (average particle size 8 μm) having a substantially charged molar ratio composition. This lithium nickel manganese composite oxide was confirmed to be a single phase having a layered structure by a powder X-ray diffraction pattern.
[0079]
About 5 g of the obtained lithium nickel manganese composite oxide was put in a 10 ml glass graduated cylinder, and the powder filling density (tap density) after tapping 200 times was measured. As a result, it was 1.89 g / cc.
In addition, the BET specific surface area of this composite oxide was measured using an “AMS8000 type fully automatic powder specific surface area measuring device” manufactured by Ritsu Okura.2/ G. Furthermore, the composition analysis of the secondary particle surface of this composite oxide was performed by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) (Physical Electronics X-ray photoelectron spectrometer “ESCA-5500MC”, X-ray source: AlKα, analysis area: 0.8 mm. As a result, the atomic ratio of boron on the surface of the secondary particles was 32 times the atomic ratio of boron in the entire secondary particles (B / (Ni + Mn + Co)).
A lithium secondary battery was produced using the obtained lithium nickel manganese composite oxide and evaluated. The results are shown in Table-1.
[0080]
<Example 2>
LiOH / H as raw material2O, NiO, Mn2OThree, Co (OH)2, Bi2OThreeExcept that Li: Ni: Mn: Co: Bi = 1.05: 0.65: 0.15: 0.20: 0.020 (molar ratio) was used. Similarly, a single-phase lithium nickel manganese composite oxide was obtained.
As a result of measuring various physical properties in the same manner as in Example 1, the powder packing density (tap density) was 1.90 g / cc, and the BET specific surface area was 0.60 m.2/ G, the atomic ratio of bismuth on the secondary particle surface to the atomic ratio of bismuth of the entire secondary particle (Bi / (Ni + Mn + Co)) was 9 times.
A lithium secondary battery was produced using the obtained lithium nickel manganese composite oxide and evaluated. The results are shown in Table-1.
[0081]
<Comparative Example 1>
A lithium nickel manganese composite oxide was obtained in the same manner as in Example 1 except that boric acid was not added. The obtained lithium nickel manganese composite oxide was confirmed to be a single phase of a layered structure by a powder X-ray diffraction pattern.
As a result of measuring various physical properties in the same manner as in Example 1, the powder packing density (tap density) was 1.73 g / cc, and the BET specific surface area was 0.69 m.2/ G.
A lithium secondary battery was produced using the obtained lithium nickel manganese composite oxide and evaluated. The results are shown in Table-1.
[0082]
<Example 3>
LiOH / H as raw material2O, NiO, Mn2OThree, Co (OH)2, Bi2OThreeIs used in such an amount that Li: Ni: Mn: Co: B = 1.05: 0.33: 0.33: 0.33: 0.005 (molar ratio), and the maximum temperature during firing is 900. A single-phase lithium-nickel-manganese composite oxide was obtained in the same manner as in Example 1 except that the firing was performed at 0 ° C.
As a result of measuring various physical properties in the same manner as in Example 1, the powder packing density (tap density) was 1.70 g / cc, and the BET specific surface area was 0.80 m.2/ G, the atomic ratio of bismuth on the surface of the secondary particles to the atomic ratio of bismuth of the entire secondary particles (Bi / (Ni + Mn + Co)) was 44 times.
A lithium secondary battery was produced using the obtained lithium nickel manganese composite oxide and evaluated. The results are shown in Table-1.
[0083]
<Comparative example 2>
A lithium nickel manganese composite oxide was obtained in the same manner as in Example 3 except that bismuth was not added. The obtained lithium nickel manganese composite oxide was confirmed to be a single phase of a layered structure by a powder X-ray diffraction pattern.
As a result of measuring various physical properties in the same manner as in Example 1, the powder packing density (tap density) was 1.01 g / cc, and the BET specific surface area was 2.27 m.2/ G.
A lithium secondary battery was produced using the obtained lithium nickel manganese composite oxide and evaluated. The results are shown in Table-1.
[0084]
[Table 1]
Figure 0004655453
[0085]
In Table 1, when Examples 1 and 2 and Comparative Example 1 are compared, boron or bismuth having a concentration of 5 to 70 times the positive electrode active material composition is concentrated on the surface of the secondary particles. The lithium nickel manganese composite oxide has a higher tap density and changes in the coin cell room temperature resistance before and after the 100 ° C. charge / discharge cycle test, as compared with other lithium nickel manganese composite oxides in which neither boron nor bismuth is present. It can be seen that the magnification is low and therefore advantageous as a positive electrode material for a lithium secondary battery. Comparing Example 3 and Comparative Example 2, similarly, Example 3 has a higher tap density, and the change rate before and after the 60 ° C. charge / discharge 100 cycle test of the coin cell room temperature resistance is low. In the composition such as Example 3 having a high manganese content, a comparatively low bulk density is obtained by concentrating boron or bismuth at 5 to 70 times the positive electrode active material composition on the secondary particle surface. It can be seen that even with the composition of 3, high bulk density could be realized. As in the reference example, it can be seen that the effect of the present invention is small in a composition having a high nickel content.
From Table 1, the lithium nickel manganese composite oxide obtained in the examples has a high powder tap density and a low specific surface area, and in addition, has excellent battery performance when used as a secondary battery. Was confirmed.
[0086]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to provide a high-performance (high capacity, high cycle characteristic, high rate characteristic, high storage characteristic, etc.) positive electrode material for a lithium secondary battery suitable as a positive electrode material for a lithium secondary battery at a low cost. it can. In particular, according to the present invention, it is possible to provide a lithium transition metal composite oxide having a bulk density higher than that conventionally synthesized. Furthermore, according to the present invention, it is possible to provide a positive electrode for lithium secondary batteries and a lithium secondary battery having high performance (high charge / discharge efficiency, low resistance, high output, etc.).

Claims (12)

下記一般式(3)で表されるホウ素及び/又はビスマスを含むリチウム遷移金属複合酸化物の二次粒子からなり、二次粒子の表面部分のリチウム、ホウ素及びビスマス以外の金属元素の合計に対するホウ素とビスマスの合計の原子比が、二次粒子全体の該原子比の8倍以上であり、リチウム遷移金属複合酸化物の化学量論比に対してリチウムを過剰に含有し、かつ、リチウムの化学量論比に対する過剰量(a)とホウ素とビスマスの合計(b)の原子比(b/a)が5以下であることを特徴とするリチウム二次電池用正極材料。
Li x Ni α Mn β (1- α - β ) Bi v w 2 (3)
(式中、QはAl、Fe、Ga、Sn、V、Cr、Co、Cu、Zn、Mg、Ti、Ge、Nb、Ta、Zr及びCaから選ばれる少なくとも一種の元素を表す。xは0<x≦1.2、α及びβは0.7≦α/β≦9、及び0≦(1−α−β)≦0.5、vは0≦v≦0.1、wは0≦w≦0.1(但し、vとwの少なくとも一方は0ではない)の関係を満たす数を表す。)
It consists of secondary particles of lithium transition metal composite oxide containing boron and / or bismuth represented by the following general formula (3), and boron with respect to the total of metal elements other than lithium, boron and bismuth on the surface part of the secondary particles The total atomic ratio of bismuth and bismuth is 8 times or more the total atomic ratio of the secondary particles, and contains an excess of lithium with respect to the stoichiometric ratio of the lithium transition metal composite oxide. A positive electrode material for a lithium secondary battery, wherein an atomic ratio (b / a) of an excess amount (a) to a stoichiometric ratio and a total of boron and bismuth (b) (b / a) is 5 or less.
Li x Ni α Mn β Q ( 1- α - β) Bi v B w O 2 (3)
(In the formula, Q represents at least one element selected from Al, Fe, Ga, Sn, V, Cr, Co, Cu, Zn, Mg, Ti, Ge, Nb, Ta, Zr and Ca. x is 0. <X ≦ 1.2, α and β are 0.7 ≦ α / β ≦ 9, and 0 ≦ (1-α−β) ≦ 0.5, v is 0 ≦ v ≦ 0.1, and w is 0 ≦ represents a number satisfying the relationship of w ≦ 0.1 (provided that at least one of v and w is not 0).)
αが0.3≦α≦0.8であることを特徴とする請求項に記載のリチウム二次電池用正極材料。The positive electrode material for a lithium secondary battery according to claim 1 , wherein α is 0.3 ≦ α ≦ 0.8. βが0.05≦β≦0.6であることを特徴とする請求項またはに記載のリチウム二次電池用正極材料。The positive electrode material for a lithium secondary battery according to claim 1 or 2 beta is characterized by a 0.05 ≦ β ≦ 0.6. ホウ素及び/又はビスマスを含むリチウム遷移金属複合酸化物からなる二次粒子の比表面積が0.1m2/g以上8m2/g以下である請求項1からのいずれかに記載のリチウム二次電池用正極材料。Boron and / or lithium secondary according to any one of claims 1 to 3, a specific surface area of secondary particles of lithium transition metal composite oxide is less than 0.1 m 2 / g or more 8m 2 / g containing bismuth Positive electrode material for batteries. ホウ素及び/又はビスマスを含むリチウム遷移金属複合酸化物からなる二次粒子のタップ密度が0.8g/cm3以上3.0g/cm3以下である請求項1からのいずれかに記載のリチウム二次電池用正極材料。The lithium according to any one of claims 1 to 4 , wherein the tap density of secondary particles made of a lithium transition metal composite oxide containing boron and / or bismuth is 0.8 g / cm 3 or more and 3.0 g / cm 3 or less. Positive electrode material for secondary battery. ホウ素及び/又はビスマスを含むリチウム遷移金属複合酸化物からなる二次粒子の平均粒径が1μm以上50μm以下である請求項1からのいずれかに記載のリチウム二次電池用正極材料。The positive electrode material for a lithium secondary battery according to any one of claims 1 to 5 , wherein the secondary particles made of a lithium transition metal composite oxide containing boron and / or bismuth have an average particle size of 1 µm or more and 50 µm or less. 請求項1からのいずれかに記載のリチウム二次電池用正極材料とバインダーとを含有することを特徴とするリチウム二次電池用正極。A positive electrode for a lithium secondary battery, characterized by containing a positive electrode material and a binder for a lithium secondary battery according to any one of claims 1 to 6. 請求項に記載のリチウム二次電池用正極、負極及び電解質からなることを特徴とするリチウム二次電池。A lithium secondary battery comprising the positive electrode for a lithium secondary battery according to claim 7 , a negative electrode, and an electrolyte. 請求項1からのいずれかに記載のリチウム二次電池用正極材料を製造する方法であって、目的とするリチウム遷移金属複合酸化物を構成する金属元素、並びにホウ素及び/又はビスマスを含有する化合物を含む原料混合物を粒子状に成形し、この成形物を原料として用いたホウ素化合物及びビスマス化合物の融点よりも高い温度で焼成して、ホウ素及び/又はビスマスを含むリチウム遷移金属複合酸化物の二次粒子を生成させることを特徴とするリチウム二次電池用正極材料の製造方法。A method for producing a positive electrode material for a lithium secondary battery according to any one of claims 1 to 8 , comprising a metal element constituting a target lithium transition metal composite oxide, and boron and / or bismuth. The raw material mixture containing the compound is formed into particles and fired at a temperature higher than the melting point of the boron compound and bismuth compound used as the raw material to form a lithium transition metal composite oxide containing boron and / or bismuth. A method for producing a positive electrode material for a lithium secondary battery, characterized by producing secondary particles. 焼成を、酸素濃度が10〜80体積%である雰囲気下で行うことを特徴とする請求項に記載のリチウム二次電池用正極材料の製造方法。The method for producing a positive electrode material for a lithium secondary battery according to claim 9 , wherein the firing is performed in an atmosphere having an oxygen concentration of 10 to 80% by volume. ホウ素原料が、ホウ酸、ホウ素、ハロゲン化ホウ素、炭化ホウ素、窒化ホウ素、酸化ホウ素、ハロゲン化ホウ素有機錯体、有機ホウ素化合物、アルキルホウ酸、ボラン類からなる群から選ばれる少なくとも一種であることを特徴とする請求項又は10に記載のリチウム二次電池用正極材料の製造方法。The boron raw material is at least one selected from the group consisting of boric acid, boron, boron halide, boron carbide, boron nitride, boron oxide, boron halide organic complex, organic boron compound, alkylboric acid, and borane. The manufacturing method of the positive electrode material for lithium secondary batteries of Claim 9 or 10 . ビスマス原料が、ビスマス金属、酸化ビスマス、ハロゲン化ビスマス、炭化ビスマス、窒化ビスマス、水酸化ビスマス、カルコゲン化ビスマス、硫酸ビスマス、硝酸ビスマス、有機ビスマス化合物からなる群から選ばれる少なくとも一種であることを特徴とする請求項から11のいずれかに記載のリチウム二次電池用正極材料の製造方法。The bismuth raw material is at least one selected from the group consisting of bismuth metal, bismuth oxide, bismuth halide, bismuth carbide, bismuth nitride, bismuth hydroxide, bismuth hydroxide, bismuth sulfate, bismuth nitrate, and organic bismuth compounds. The manufacturing method of the positive electrode material for lithium secondary batteries in any one of Claim 9 to 11 .
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