JP2004047449A - Manufacturing method for surface modified lithium nickel composite oxide, positive electrode active material using surface modified lithium nickel composite oxide, positive electrode material, and lithium secondary battery - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To suppress increase in impedance caused by high temperature storage or the like of a lithium secondary battery. <P>SOLUTION: Surface modified lithium nickel composite oxide is manufactured by placing an element having an atomic weight of 28 or more of group 4A-6A elements of the periodic table on the surface of a lithium nickel composite oxide, and then baking them. By using the surface modified lithium nickel composite oxide as the positive electrode active material of the lithium secondary battery, the high temperature stability of the lithium secondary battery is tremendously enhanced. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、所定の化合物で表面を修飾したリチウムニッケル複合酸化物の製造方法、及びこれを用いたリチウム二次電池用正極活物質、正極材料及びリチウム二次電池に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
リチウム二次電池(本明細書においては、単に電池という場合がある。)に用いる正極活物質として、リチウム遷移金属複合酸化物が有望視されている。これらリチウム遷移金属複合酸化物の中でも、遷移金属としてニッケルを用いるリチウムニッケル複合酸化物は、単位重量あたりの電池容量が大きいため、有用な正極活物質として注目されている。実際に、リチウムニッケル複合酸化物を正極活物質として用いるリチウム二次電池は、充電電圧を4V以上とすることにより高容量を確保することができるようになる。
【0003】
リチウム二次電池は、携帯情報端末(Personal Digital Assistants、PDA)、携帯用のパーソナルコンピュータ、携帯電話等の電気機器の電源として採用されつつある。しかし、近年、上記携帯情報端末間や携帯電話間で動画のような大容量のデータを有線又は無線により高速通信する技術が確立されたこと等によって、これら電気機器の消費電力も大きくなる傾向にある。このため、電源として用いるリチウム二次電池の電池容量もより高くすることが望まれている。
【0004】
さらに、リチウム二次電池は、電気自動車用の電源として採用することも検討されている。自動車の電源として用いられる場合、エンジンを始動させたり、急加速をしたりすることが必要となるので、瞬時の間に大電流を取り出せることがリチウム二次電池に求められるようになる。
上記の通り、リチウムニッケル複合酸化物を用いることにより、リチウム二次電池のエネルギー密度を高くすることができる。従って、リチウムニッケル複合酸化物を正極活物質とするリチウム二次電池を携帯情報端末、携帯用パーソナルコンピュータ、携帯電話等の民生機器の電源として採用することが検討されているのみでなく、自動車用の電源として採用する事も検討されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、リチウムニッケル複合酸化物を用いるリチウム二次電池は、他のリチウム遷移金属複合酸化物(例えば、リチウムコバルト複合酸化物、リチウムマンガン複合酸化物)を用いるリチウム二次電池と比較して、熱安定性が劣るという問題がある。具体的には、リチウムニッケル複合酸化物を用いるリチウム二次電池を満充電状態において高温中(例えば60℃/24時間)で保存、又は高温中(例えば60℃)で充放電を繰り返すと、正極のインピーダンスが上昇するという問題がある。この正極のインピーダンス上昇は、リチウム二次電池のレート特性の悪化、低温出力の低下、電池容量の低下等の電池特性の劣化を引き起こす。従って、高温保存および高温中での充放電の繰り返しによる正極のインピーダンス上昇を抑制することは非常に重要である。
【0006】
実際に、携帯用パーソナルコンピュータの電源としてリチウム二次電池を用いた場合、携帯用パーソナルコンピュータ中の電子回路が発生する熱によるパソコンの昇温により、電源のリチウム二次電池は50〜60℃の環境下にさらされる場合がある。また、自動車の電源としてリチウム二次電池を用いる場合、リチウム二次電池は通常エンジンルーム内に設置されるため、リチウム二次電池の周囲温度は常に60℃付近になっている。従って、リチウムニッケル複合酸化物を用いるリチウム二次電池を実使用可能なものとするためには、高温保存又は高温中での充放電の繰り返しによるインピーダンス上昇を抑制することが非常に重要となるのである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記実情に鑑み、本発明者等は、リチウムニッケル複合酸化物を正極活物質として用いるリチウム二次電池において、リチウムニッケル複合酸化物の利点である高い容量を維持しつつ、高温保存および高温中での充放電の繰り返し(本明細書においては、これを「高温サイクル運転」という場合がある。)においてもリチウム二次電池のインピーダンス上昇を抑制するべく鋭意検討を行った。その結果、少なくとも所定の元素の複合酸化物をリチウムニッケル複合酸化物の表面に存在させてやれば、高温保存および高温サイクル運転においてもインピーダンス上昇のないリチウム二次電池を得ることができることを見出し本発明を完成した。
【0008】
すなわち、本発明の第一の要旨は、リチウムニッケル複合酸化物の表面に、4A〜6A族元素であって原子量が28以上の元素の化合物を存在させた後にこれを焼成することを特徴とする表面修飾リチウムニッケル複合酸化物の製造方法に存する。尚、本発明において、焼成とは、常温(25℃)以上で熱処理をして上記化合物を反応をさせることをいう。
そして、本発明の第二の要旨は、リチウム二次電池の正極活物質として用いる表面修飾リチウムニッケル複合酸化物であって、リチウムニッケル複合酸化物の表面に、周期表4A〜6A族元素であって原子量が28以上の元素の複合酸化物が存在することを特徴とする表面修飾リチウムニッケル複合酸化物に存する。
【0009】
さらに、本発明の第三の要旨は、上記表面修飾リチウムニッケル複合酸化物含有す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】
さらにまた、本発明の第四の要旨は、上記表面修飾リチウムニッケル複合酸化物を正極活物質とすることを特徴とするリチウム二次電池に存する。
本発明者等は、リチウムニッケル複合酸化物を用いたリチウム二次電池を高温で保存した、又は高温中で充放電を繰り返した場合に発生するリチウム二次電池のインピーダンス上昇は、リチウムニッケル複合酸化物の表面における反応性が原因であると考えた。すなわち、他のリチウム遷移金属複合酸化物と比較して、リチウムニッケル複合酸化物は塩基性が高くなる分、その反応性が高くなるため、高温になると電解液に含有される溶媒がリチウムニッケル複合酸化物表面で酸化分解して被膜を形成し、この被膜がインピーダンス上昇を発生させる要因であると推測したのである。本発明者等は、上記推測の下、リチウムニッケル複合酸化物の表面を何らかの材料で被覆して、又は何らかの材料と反応させて表面の活性を押さえ込めば、リチウムニッケル複合酸化物を用いるリチウム二次電池を高温で保存した場合又は高温中で充放電を繰り返し行った場合においても、そのインピーダンス上昇を抑制することができると考えた。さらに、リチウムニッケル複合酸化物は一般に塩基性が高いため、表面修飾することで塩基性を低下させることができれば、電池の性能向上が期待される。こうした観点より、本発明者等は、上記何らかの材料として、リチウムニッケル複合酸化物の表面で安定に存在するような物質が好ましいと考えた。但し、前記被覆材料あるいは反応材料は、リチウムニッケル複合酸化物を用いたリチウム二次電池の通常の状態でのインピーダンス、電池容量、レート特性、及び低温特性等の電池特性を損なうことなく、高温保存時および高温サイクル運転時のインピーダンス上昇を抑制できるような材料でなければならない。本発明者等は、そのような材料について鋭意検討を行った結果、上記材料として、周期表4A〜6A族元素であって原子量が28以上の元素の酸化物又は複合酸化物が好ましいこと、及びそれら化合物の中でも特にSbの酸化物又は複合酸化物が好適であることを見出したのである。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下本発明をより詳細に説明する。まず、表面修飾リチウムニッケル複合酸化物の製造方法について説明する。次に、表面修飾リチウムニッケル複合酸化物について説明する。そして、表面修飾リチウムニッケル複合酸化物を正極活物質として用いるリチウム二次電池について説明する。
(A)表面修飾リチウムニッケル複合酸化物の製造方法
本発明の表面修飾リチウムニッケル複合酸化物は、リチウムニッケル複合酸化物の表面に、4A〜6A族元素であって原子量が28以上の元素の化合物を存在させた後にこれを焼成することによって製造される。尚、本発明において、「表面修飾リチウムニッケル複合酸化物」とは、存在させた前記所定の化合物を、焼成によりリチウムニッケル複合酸化物表面で反応させる場合を含むものとする。また、本発明において、所定の化合物としてSb化合物を用いて表面修飾リチウムニッケル複合酸化物を製造した場合に、この表面修飾リチウムニッケル複合酸化物を特にSb表面修飾リチウムニッケル複合酸化物と呼ぶ場合がある。
尚、本発明においては、元素の周期表として1983年度のものを用いている。すなわち、4A族元素は、C、Si、Ge、Sn、及びPbであり、5A族元素は、N、P、As、Sb、及びBiであり、6A族元素は、O、S、Se、Te、及びPoである。
以下、本発明の製造方法についてより詳細に説明する。
【0012】
(A−1)リチウムニッケル複合酸化物
本発明において用いるリチウムニッケル複合酸化物は、少なくともリチウム及びニッケルを含有する酸化物である。リチウムニッケル複合酸化物としては、例えば、α−NaFeO構造等の層状構造を有する、LiNiOのようなリチウムニッケル複合酸化物が好ましい。具体的な組成としては、例えば、LiNiO、LiNi等を挙げることができる。この場合、リチウムニッケル複合酸化物は、Niが占めるサイトの一部をNi以外の元素で置換したものであってもよい。Niサイトの一部を他の元素で置換することによって、結晶構造の安定性を向上させることができ、繰り返し充放電する際のNi元素の一部がLiサイトに移動して発生する容量低下が抑制されるため、サイクル特性も向上する。さらに、Niサイトの一部をNi以外の元素で置換することによって、DSC(Differential Scanning Calorimetry:示差走査熱量測定)の発熱開始温度が高温側にシフトするため、電池の温度が上昇した場合のリチウムニッケル複合酸化物の熱暴走反応も抑制され、結果として高温保存時の安全性の向上につながる。
【0013】
Niが占めるサイトの一部をNi以外の元素で置換する際の、該元素(以下、置換元素と表記する)としては、例えば、Al、Ti、V、Mn、Co、Li、Cu、Zn、Mg、Ga、Zr等が挙げられる。無論、Niサイトは2種以上の他元素で置換されていてもよい。好ましくはAl、Ti、Co、Li、Mg、Ga、Mnが挙げられ、更に好ましくはAl、Ti、Co、Mnが挙げられる。Ni元素の一部をAl、Ti、Co、Mnで置換することにより、サイクル特性、安全性の改善効果が大きくなる。
【0014】
置換元素によりNiサイトを置換する場合、その割合は通常Ni元素の2.5モル%以上、好ましくは5モル%以上であり、通常Ni元素の50モル%以下、好ましくは30モル%以下である。置換割合が少なすぎるとサイクル特性等の改善効果が充分ではない場合があり、多すぎると電池にした場合の容量が低下してしまう場合がある。
【0015】
尚、上記の組成において、少量の酸素欠損等の不定比性を持っていてもよい。また、酸素サイトの一部が硫黄やハロゲン元素で置換されていてもよい。
本発明においては、リチウムニッケル複合酸化物は、下記一般式(1)で表される、無置換又はNiサイトがCo及び所定の元素で置換される化合物であることが好ましい。
【0016】
【化3】
LiαNiCo2− ββ                     (1)
一般式(1)中、αは、電池内での充放電の状況により変化する数であり、αは、通常0以上、好ましくは0.3以上、より好ましくは0.95以上であり、一方、通常1.1以下、好ましくは1.08以下である。この範囲とすれば、高容量を維持しつつ、繰り返し充放電特性(本明細書においては、サイクル特性という場合がある。)が良好となる。特にαを0.95以上とすれば、容量とサイクル特性のバランスがより良好に保たれる。
【0017】
Xは、0.1以上、好ましくは0.5以上、より好ましくは0.7以上であり、一方、1以下、好ましくは0.9以下である。この範囲とすれば、容量を高く保もちつつ、サイクル特性も良好となる。容量の点からは、Xは1に近いことが好ましいがサイクル特性を考慮すると特に良好なのはXを0.7以上0.9以下とすることである。
【0018】
Yは、0以上、好ましくは0.05以上、より好ましくは0.1以上であり、一方、0.9以下、好ましくは0.4以下、より好ましくは0.3以下である。この範囲とすればサイクル特性を良好に保ちつつ、リチウム二次電池としての安全性も確保されるようになる。
Zは、0以上、好ましくは0.01以上、より好ましくは0.05以上であり、一方、0.8以下、好ましくは0.2以下、より好ましくは0.1以下である。この範囲とすれば、電池容量を落とさずに、リチウム二次電池としての安全性を確保することができるようになる。
【0019】
尚、上記のX、Y、Zは、0.9≦X+Y+Z≦1.1の関係を満たすが、通常1.0である。
βは、0以上、好ましくは0.01以上であり、一方、0.5以下、好ましくは0.1以下である。この範囲とすれば、リチウムニッケル複合酸化物の結晶に取り込まれるようになるので、リチウム二次電池としての安全性を高くすることができる。
【0020】
Mは、Li,Mg,Ca,Sr,Cu,Zn,Al,Ga,Ti,Zr,V,Nb,Ta,Cr,Mo,W,Mn,及びFeからなる群から選ばれる少なくとも1つである。Mを上記元素の少なくとも1つとすることにより、リチウム二次電池としての安全性を高くすることができるようになる。好ましくは、MをLi、Mg、Al、Ga、Ti、Nb、Cr、Mo、Mn、及びFeからなる群から選ばれる少なくとも1つとすることである。これら元素は、Niとイオン半径が近く、Niと置換されやすいという利点があるのみならず、工業的にも入手しやすいという利点がある。さらに好ましくは、MをMn、Mg、Al、Gaの少なくともいずれか1つとすることである。これら元素は工業的に特に入手しやすいからである。特に好ましいのは、MをAl、Mnとすることである。Al、Mnはコストが安価である利点がある。
【0021】
本発明で用いるリチウムニッケル複合酸化物の比表面積は、通常0.01m/g以上、好ましくは0.1m/g以上、より好ましくは0.3m/g以上であり、また通常10m/g以下、好ましくは1m/g以下、より好ましくは0.7m/g以下である。比表面積がこの範囲とすれば、高温保存時のガス発生を有効に抑制しつつ、リチウムイオンがインターカレーション、デインターカレーションするサイトが少なくなることによる、大電流での充放電特性が悪化することもなくなる。比表面積の測定はBET法に従う。
【0022】
本願発明で用いるリチウムニッケル複合酸化物の平均2次粒径は、通常0.1μm以上、好ましくは0.2μm以上、さらに好ましくは0.3μm以上、最も好ましくは0.5μm以上であり、通常300μm以下、好ましくは100μm以下、さらに好ましくは50μm以下、最も好ましくは20μm以下である。平均2次粒径を上記範囲とすれば、電池のサイクル劣化を抑制しつつ、リチウム二次電池としての高い安全性を保つことができる。また、電池の内部抵抗値を小さくすることができるため、電池出力も大きくすることができる。
【0023】
(A−2)4A〜6A族元素であって原子量が28以上の元素の化合物
本発明においては、リチウムニッケル複合酸化物の表面での高温での反応性を抑制するために、その表面を4A〜6A族元素であって原子量が28以上の元素の化合物で被覆又は修飾して、リチウムニッケル複合酸化物表面の活性点を不活性にすることが必要である。
リチウムニッケル複合酸化物を正極活物質として用いるリチウム二次電池の高温下での安定性の低下は、リチウムニッケル複合酸化物合成時に未反応で残留するNiOが電解液と反応するために発生すると推測される。このため、リチウムニッケル複合酸化物の表面を被覆又は修飾する化合物としては、焼成時にNiOと反応して複合酸化物を作るような化合物であることが好ましい。このような観点から、上記化合物として、4A〜6A族元素であって原子量が28以上の元素の化合物を用いることが好ましい。4A〜6A族元素のうち、炭素、窒素は安定な化合物を得ることが困難であるため、また酸素は元々リチウムニッケル複合酸化物に含まれるため、4A〜6A族元素のうちでも原子量が28以上の元素を用いる必要がある。
このような化合物としては、Si化合物、Ge化合物、Sn化合物、Pb化合物、P化合物、As化合物、Sb化合物、Bi化合物、S化合物、Se化合物、Te化合物、Po化合物を挙げることができる。
上記NiOと反応して生成される複合酸化物が燃焼促進性を有さないという観点から好ましいのは、P化合物、Sb化合物、Bi化合物、Te化合物であり、さらに好ましいのはSb化合物又はBi化合物であり、特に好ましいのはSb化合物を用いることである。
Bi化合物は、特に制限はされないものの、前述の通り、最終的にリチウムニッケル複合酸化物表面でビスマスの複合酸化物として存在するような化合物であることが好ましい。このような化合物としては、例えばトリフェニルビスマスを挙げることができる。
【0024】
本発明において用いるSb化合物は、特に制限はされないものの、酸化アンチモン、ハロゲン化アンチモン、硫化アンチモン、セレン化アンチモン、テルル化アンチモン、酢酸アンチモン、オキシ塩化アンチモン、トリメトキシアンチモン、トリエトキシアンチモン、トリプロポキシアンチモン、トリブトキシアンチモン、トリフェニルアンチモン、及びトリフェニルアンチモンジクロライドからなる群より選ばれる少なくとも一つであることが好ましい。これらSb化合物を用いることでリチウムニッケル複合酸化物を用いたリチウム二次電池の高温保存時等におけるインピーダンス上昇を良好に抑制することができるようになる。
【0025】
上記の化合物のうち、酸化アンチモンとしては、例えば、Sb、Sb、Sb及びSbの含水物を挙げることができるが、これら酸化アンチモンの性状は、常温常湿で固体である。ハロゲン化アンチモンとしては、例えば、弗化アンチモン、塩化アンチモン、臭化アンチモン、沃化アンチモンを挙げることができるが、これらハロゲン化アンチモンの性状は、常温で固体である。硫化アンチモン、セレン化アンチモン、テルル化アンチモンの性状は、それぞれ常温常湿で粉末状の固体である。酢酸アンチモン、オキシ塩化アンチモン、トリメトキシアンチモンの性状は、常温常湿で固体である。トリエトキシアンチモン、トリプロポキシアンチモン、トリブトキシアンチモンの性状は、それぞれ常温常湿で液体である。また、トリフェニルアンチモン、トリフェニルアンチモンジクロライドの性状は、それぞれ常温常湿で固体である。尚、本明細書において常温とは25℃をいい、常湿とは50%RHをいう。
【0026】
これらSb化合物の中で、より好ましいのは、Sb、Sb、Sb及びSbの含水物等の酸化アンチモン、ハロゲン化アンチモン、酢酸アンチモン、トリフェニルアンチモンである。これらのSb化合物を用いることによって本発明の効果がより顕著に発揮されるようになる。
これらSb化合物の中で、特に好ましいのは、Sb、沃化アンチモン、酢酸アンチモン、トリフェニルアンチモンである。Sbは、融点が656℃と低いため、リチウムニッケル複合酸化物の分解温度(一般に780〜800℃)以下で固体と液体との反応で均一な反応を完結できる。さらにSbは、工業的に多量に生産されており安価である利点がある。沃化アンチモンは、ガスとして反応させやすい利点がある。また、ガスとして反応させても、発生ガスがヨウ素であるため安全性が高く、反応炉材質に及ぼす悪影響が少ない。トリフェニルアンチモンは、ガスとして反応させやすい利点があるのみならず、ガスとして反応させても危険なガスが発生しない利点もある。
【0027】
(A−3)4A〜6A族元素であって原子量が28以上の元素の化合物の存在方法
本発明の表面修飾リチウムニッケル複合酸化物の製造方法においては、リチウムニッケル複合酸化物の表面に、4A〜6A族元素であって原子量が28以上の元素の化合物を存在させる。
(1)4A〜6A族元素であって原子量が28以上の元素の化合物とリチウムニッケル複合酸化物との混合比等
リチウムニッケル複合酸化物の表面に4A〜6A族元素であって原子量が28以上の元素の化合物を存在させる場合、4A〜6A族元素であって原子量が28以上の元素の化合物のリチウムニッケル複合酸化物に対する混合比は、通常0.001mol%以上、好ましくは0.01mol%以上、より好ましくは0.05mol%以上であり、一方、通常10mol%以下、好ましくは7mol%以下、より好ましくは5mol%以下、特に好ましくは3mol%以下、最も好ましくは2mol%以下である。
特に、4A〜6A族元素であって原子量が28以上の元素の化合物としてSb化合物を用いる場合、Sb化合物をリチウムニッケル複合酸化物に対して、0.05mol%以上、3mol%以下とすれば、高温保存等によるインピーダンス上昇を有効に抑制しつつ、未処理のリチウムニッケル複合酸化物とほぼ同等の電池容量、レート特性、低温出力特性を得ることができる。そして、Sb化合物をリチウムニッケル複合酸化物に対して、0.1mol%以上、2mol%以下とすれば、高温保存等によるインピーダンス上昇を有効に抑制しつつ、未処理のリチウムニッケル複合酸化物と同等の電池容量、レート特性、低温出力特性を得ることができる。
【0028】
また、表面修飾リチウムニッケル複合酸化物の製造においては、リチウムニッケル複合酸化物の粒子表面に4A〜6A族元素であって原子量が28以上の元素の化合物を均一に存在させることが好ましい。
例えば、4A〜6A族元素であって原子量が28以上の元素の化合物が常温で粉末状の粒子である場合は、リチウムニッケル複合酸化物の一次粒子径よりも4A〜6A族元素であって原子量が28以上の元素の化合物の一次粒子径が小さいことが非常に好ましい。4A〜6A族元素であって原子量が28以上の元素の化合物の一次粒子径がリチウムニッケル複合酸化物の一次粒子径に対してあまりに大きすぎる場合、前記化合物がリチウムニッケル複合酸化物表面に部分的にしか付着せず、均一な修飾はできないおそれがある。
このような観点から、リチウムニッケル複合酸化物に対する4A〜6A族元素であって原子量が28以上の元素の化合物の一次粒径比を、通常0.005以上、好ましくは0.01以上、より好ましくは0.015以上とし、一方、通常5以下、好ましくは4以下、より好ましくは2以下、特に好ましくは1以下とする。
特に、4A〜6A族元素であって原子量が28以上の元素の化合物としてSb化合物を用いる場合、リチウムニッケル複合酸化物に対するSb化合物の一次粒径比を0.01以上とすると、Sb化合物が固体の粉体状である場合に、その取り扱いが容易になり、かつコストも安価なSb化合物を得ることができる。さらに前記一次粒径比を0.015以上とすれば、市販されているSb化合物をそのまま用いることができる利点がある。一方、リチウムニッケル複合酸化物とSb化合物との一次粒径比を2以下とすると、高温保存時等のインピーダンス上昇を特に有効に抑制しつつ、電池容量、レート特性、低温出力特性をそれぞれ未処理の場合と同等の性能とできる利点がある。さらに、前記一次粒径比を1以下とすれば、市販されているSb化合物をそのまま用いることができる利点がある。
【0029】
(2)4A〜6A族元素であって原子量が28以上の元素の化合物の存在方法
リチウムニッケル複合酸化物の粒子表面に4A〜6A族元素であって原子量が28以上の元素の化合物を存在させる方法としては、特に限定はされないが、湿式法、乾式法、又は気相法を用いることが好ましい。
(2−1)湿式法
湿式法とは、4A〜6A族元素であって原子量が28以上の元素の化合物を溶媒に溶解又は分散しこれにリチウムニッケル複合酸化物を分散して、4A〜6A族元素であって原子量が28以上の元素の化合物とリチウムニッケル複合酸化物とを溶媒中で接触させることにより、前記リチウムニッケル複合酸化物の表面に前記化合物を存在させる方法である。
特に、4A〜6A族元素であって原子量が28以上の元素の化合物としてSb化合物を用いる場合、前記Sb化合物と前記リチウムニッケル複合酸化物とを溶媒中で接触させることにより、前記リチウムニッケル複合酸化物の表面に前記Sb化合物を存在させる方法を挙げることができる。
【0030】
ここで、4A〜6A族元素であって原子量が28以上の元素の化合物を溶媒に溶解又は分散させる場合の溶媒としては、例えば、アセトン、メタノール、エタノール、ヘキサン、シクロヘキサン、トルエン、水を挙げることができる。
また、4A〜6A族元素であって原子量が28以上の元素の化合物を溶媒に分散させる装置としては、熱をかけながら混練・撹拌できる装置であればよく、さらに、これを減圧で蒸発乾固できるような機能が付加された分散装置であればなお好ましい。このような装置としては、実験室的にはロータリーエバポレーターを挙げることができる。また、4A〜6A族元素であって原子量が28以上の元素の化合物を溶媒に分散させる際に、分散剤を用いると、均一なスラリーが得られ、4A〜6A族元素であって原子量が28以上の元素の化合物をリチウムニッケル複合酸化物表面に均一に付着させることが容易となる。分散剤としては、例えば界面活性剤を挙げることができる。
【0031】
リチウムニッケル複合酸化物表面に4A〜6A族元素であって原子量が28以上の元素の化合物を存在させる装置としては、例えば、リチウムニッケル複合酸化物の粒子を動かしながら、4A〜6A族元素であって原子量が28以上の元素の化合物を付着させることができる装置を挙げることができる。工業的には、リチウムニッケル複合酸化物粉体を流動させながら、4A〜6A族元素であって原子量が28以上の元素の化合物を含有する分散溶液(例えばスラリー)をスプレー等を用いて噴霧して付着させる装置、例えば、パンコーティング機、スプレードライヤー等を挙げることができる。
【0032】
(2−2)乾式法
乾式法とは、固体状の4A〜6A族元素であって原子量が28以上の元素の化合物とリチウムニッケル複合酸化物粒子(固体)とを溶媒を介さずに接触させて、これら固体状の4A〜6A族元素であって原子量が28以上の元素の化合物とリチウムニッケル複合酸化物粒子とを混合することにより、リチウムニッケル複合酸化物の粒子表面に4A〜6A族元素であって原子量が28以上の元素の化合物を存在させる方法である。
特に、乾式法として好ましいのは、4A〜6A族元素であって原子量が28以上の元素の化合物と前記リチウムニッケル複合酸化物とをそれぞれ粉末状態にて接触させることにより、前記リチウムニッケル複合酸化物の表面に前記4A〜6A族元素であって原子量が28以上の元素の化合物を存在させることである。例えば、4A〜6A族元素であって原子量が28以上の元素の化合物がSb化合物である場合、Sb化合物とリチウムニッケル複合酸化物とをそれぞれ粉末状態にて接触させて、Sb化合物をリチウムニッケル複合酸化物表面に存在させればよい。
【0033】
(2−3)気相法
さらに、気相法とは、気体状の4A〜6A族元素であって原子量が28以上の元素の化合物を固体状のリチウムニッケル複合酸化物粒子と接触させることにより、4A〜6A族元素であって原子量が28以上の元素の化合物をリチウムニッケル複合酸化物粒子表面に存在させる方法をいう。気相法は、リチウムニッケル複合酸化物の表面に4A〜6A族元素であって原子量が28以上の元素の化合物を均一に存在させやすい利点がある。
特に、気相法として好ましいのは、4A〜6A族元素であって原子量が28以上の元素の化合物を気体状にして、これを前記リチウムニッケル複合酸化物と接触させることにより、前記リチウムニッケル複合酸化物の表面に前記4A〜6A族元素であって原子量が28以上の元素の化合物を存在させる方法である。
例えば、4A〜6A族元素であって原子量が28以上の元素の化合物としてSb化合物を用いる場合、Sb化合物を気体状にして、これをリチウムニッケル複合酸化物と接触させることにより、リチウムニッケル複合酸化物の表面にSb化合物を存在させればよい。具体的な方法としては、リチウムニッケル複合酸化物粒子を炉の中に入れて、これに気体状のSb化合物(例えば、トリフェニルアンチモン)蒸気を吹き込む方法や、固体状のリチウムニッケル複合酸化物及びSb化合物を共に炉内に設置し、炉を加熱しSb化合物を気化させて、リチウムニッケル複合酸化物表面に付着せるような方法を挙げることができる。
【0034】
(A−4)焼成方法
本発明の表面修飾リチウムニッケル複合酸化物の製造方法においては、リチウムニッケル複合酸化物の表面に、4A〜6A族元素であって原子量が28以上の元素の化合物を存在させた後にこれを焼成する。焼成を行うと、4A〜6A族元素であって原子量が28以上の元素の化合物が複合酸化物となること等によって、リチウムニッケル複合酸化物表面に強固に付着されるようになる。
(1)焼成温度
まず、焼成を行う温度は特に制限されない。好ましいのは、焼成を4A〜6A族元素であって原子量が28以上の元素の化合物の融点以上の温度で行うことである。4A〜6A族元素であって原子量が28以上の元素の化合物が固体状でリチウムニッケル複合酸化物粒子の表面に存在している場合には、前記化合物の融点以上の温度で焼成すれば前記化合物が溶融してその融液がリチウムニッケル複合酸化物を覆い、固体−液体反応によって均一に反応を完結できる。一方、融点以下の温度で焼成した場合には、固体状の4A〜6A族元素であって原子量が28以上の元素の化合物と固体状のリチウムニッケル複合酸化物との反応、すなわち、固体−固体反応となるため、4A〜6A族元素であって原子量が28以上の元素の化合物とリチウムニッケル複合酸化物との反応が遅く、長時間焼成したとしても4A〜6A族元素であって原子量が28以上の元素の化合物をリチウムニッケル複合酸化物表面に均一に存在させることが難しい。
一方、焼成温度は、リチウムニッケル複合酸化物の分解温度以下であることが好ましい。焼成温度が前期分解温度以上である場合には、リチウムニッケル複合酸化物自体が分解してしまうため、4A〜6A族元素であって原子量が28以上の元素の化合物をリチウムニッケル複合酸化物表面に強固に付着させることが困難となる場合がある。ここで、リチウムニッケル複合酸化物の分解温度は、その組成によって異なる。つまり、例えば、Niサイトの一部をCo又はAlで置換する場合には、置換量が多いほどリチウムニッケル複合酸化物の分解温度は高くなる。また、リチウムニッケル複合酸化物がLi[Li0.2Ni0.4Mn0.4]Oの組成である場合は、リチウムニッケル複合酸化物の合成を900℃で行うため、4A〜6A族元素であって原子量が28以上の元素の化合物との焼成は、900℃以下で行うことが好ましい。後述の実施例でも用いた組成(例えば、LiNi0.82Co0.15Al0.03、LiNi0.8Co0.2及びLiNi0.7Co0.2Mn0.1)においては、780℃付近が分解温度(少なくとも電池性能が低下し始める温度)であると考えられるため、780℃以下で4A〜6A族元素であって原子量が28以上の元素の化合物(Sb化合物)との焼成を行っている。例えば、実施例でSb化合物としてSbを使う場合には、その融点が656℃であるため、656〜780℃が焼成の最適温度領域となる。但し、656℃以下でも時間をかければある程度反応は進むと考えられる。
【0035】
以上から、焼成温度は用いる4A〜6A族元素であって原子量が28以上の元素の化合物(実施例ではSb化合物)の種類、性状、及びリチウムニッケル複合酸化物の組成等に依存するため、焼成温度領域を一義的に定めることは困難であるが、一般的には400℃以上、好ましくは500℃以上、より好ましくは656℃以上であり、一方、一般的には850℃以下、好ましくは780℃以下、より好ましくは750℃以下である。この温度範囲とすれば、4A〜6A族元素であって原子量が28以上の元素の化合物の融点以上、かつリチウムニッケル複合酸化物の分解温度以下の温度領域が確保されやすくなる。
【0036】
(2)焼成時の雰囲気
4A〜6A族元素であって原子量が28以上の元素の化合物とリチウムニッケル複合酸化物との焼成を行う際の雰囲気は、大気中で行えばよいが、好ましいのは、酸素雰囲気中で焼成することである。一方、焼成雰囲気中に大量の炭酸ガスや水分が混入する場合には、焼成の際にリチウムニッケル複合酸化物自体が変質してしまう場合があるため、焼成雰囲気中の炭酸ガスや水分は極力少なくすることが好ましい。
【0037】
(3)焼成時間
4A〜6A族元素であって原子量が28以上の元素の化合物とリチウムニッケル複合酸化物との焼成を行う際の焼成時間は、焼成温度に依存する。つまり、焼成の際、周期表4A〜6A族元素であって原子量が28以上の元素の化合物とリチウムニッケル複合酸化物とが十分に反応を行うか否かは、反応速度の問題であるため、焼成温度が高い場合には、焼成時間は少なくて済むし、一方焼成温度が低い場合には、焼成時間を長く取る必要が出てくる。
【0038】
また、4A〜6A族元素であって原子量が28以上の元素の化合物とリチウムニッケル複合酸化物との焼成を行う際の焼成時間は、焼成を行うスケールに依存する。つまり、100gスケールのような実験室レベルでは1時間程度で済むし、1kgスケールのような場合には2時間程度必要になる。また、工業的生産を行う場合には、焼成を行う炉の温度と周期表4A〜6A族元素であって原子量が28以上の元素の化合物及びリチウムニッケル複合酸化物の温度とがほぼ同一になるまでにある程度の時間が必要になるため、焼成時間を決める場合には、焼成を行うスケールにも十分注意しなければならない。
【0039】
さらに、4A〜6A族元素であって原子量が28以上の元素の化合物とリチウムニッケル複合酸化物との焼成を行う際の焼成時間は、用いる4A〜6A族元素であって原子量が28以上の元素の化合物の種類にも依存する。例えば、4A〜6A族元素であって原子量が28以上の元素の化合物としてSb化合物のうちのSbを使用する場合には、通常1分以上、好ましくは30分以上、より好ましくは1時間以上であり、一方、通常72時間以下、好ましくは12時間以下、より好ましくは6時間以下である。
【0040】
特に4A〜6A族元素であって原子量が28以上の元素の化合物としてSb化合物を用いる場合の焼成時間は、生産性を考慮するとその時間が短いに越したことはないが、リチウムニッケル複合酸化物とSb化合物との反応が完結するか否かは、混合状態によっても変わる面もある。従って、焼成時間の上限は、Sb表面修飾リチウムニッケル複合酸化物の生産性や焼成温度から決まり、例えば焼成温度を700℃とする場合は、焼成時間を24時間とすれば十分であると考えられる。
【0041】
(B)表面修飾リチウムニッケル複合酸化物
本発明の表面修飾リチウムニッケル複合酸化物は、リチウム二次電池の正極活物質として用いる表面修飾リチウムニッケル複合酸化物であって、リチウムニッケル複合酸化物の表面に、周期表4A〜6A族元素であって原子量が28以上の元素の複合酸化物を少なくとも存在させる必要がある。
(B−1)周期表4A〜6A族元素であって原子量が28以上の元素の複合酸化物
周期表4A〜6A族元素であって原子量が28以上の元素の複合酸化物とは、周期表4A〜6A族元素であって原子量が28以上の元素、酸素、及び更に他の元素とからなる化合物をいう。
周期表4A〜6A族元素であって原子量が28以上の元素の複合酸化物としては、例えば、Si、Ge、Sn、Pb、P、As、Sb、Bi、S、Se、Te、及びPoから選ばれる元素の複合酸化物を挙げることができる。
リチウムニッケル複合酸化物を正極活物質として用いるリチウム二次電池の高温下での安定性の低下を促進する原因は、リチウムニッケル複合酸化物合成時に反応せずに残留するNiOであると考えられる。つまり、高温環境下において、リチウムニッケル複合酸化物表面上でこのNiOと電解液とが反応して被膜の形成等を起こし、リチウム二次電池の高温下での安定性が低下すると考えられるのである。従って、4A〜6A族元素であって原子量が28以上の元素の化合物とNiOとが反応して複合酸化物を形成して、リチウムニッケル複合酸化物表面に存在するNiO量を少なくすれば、リチウム二次電池の高温下での安定性を向上させることができると推測される。
このような観点から、周期表4A〜6A族元素であって原子量が28以上の元素として好ましいのは、P、Sb、Bi、及びTeから選ばれる元素であり、さらに好ましいのはSb又はBiであり、特に好ましいのはSbである。
周期表4A〜6A族元素であって原子量が28以上の元素の複合酸化物として好ましいのは、Li又はNiの少なくとも一方と、周期表4A〜6A族元素であって原子量が28以上の元素と、酸素との複合酸化物であり、特に好ましいのは、Niと、周期表4A〜6A族元素であって原子量が28以上の元素と、酸素との複合酸化物、又は、Ni及びLiと、周期表4A〜6A族元素であって原子量が28以上の元素と、酸素との複合酸化物である。
例えば、周期表4A〜6A族元素であって原子量が28以上の元素としてSbを用いる場合、Sb及び酸素に加え、Ni、又はNi及びLiを含有する複合酸化物を用いることが好ましい。Ni、又はNi及びLiを含有するのが好ましいのは、上記NiOの存在量を少なくすることができるためであり、また、焼成工程において修飾材料とNi及びLiを有するリチウムニッケル複合酸化物とが反応する可能性が高いからである。
このような複合酸化物としては、具体的には、LiSbO、NiSbO、LiSbO、LiSbO、LiNiSb等を挙げることができる。化合物の安定性の観点からは、Sbと、酸素と、Ni又はNi及びLiと、の複合酸化物を用いるのが好ましい。このような複合酸化物としては、具体的には、NiSbO、LiNiSbを挙げることができる。
リチウムニッケル複合酸化物表面には、周期表4A〜6A族元素であって原子量が28以上の元素の複合酸化物以外の物質も存在し得るものの、所定量の周期表4A〜6A族元素であって原子量が28以上の元素の複合酸化物が存在すれば本発明の効果は十分に発揮される。そして、本発明の効果を十分に発揮されるために、リチウムニッケル複合酸化物に対する周期表4A〜6A族元素であって原子量が28以上の元素の化合物の混合比を、上記(A−3)で説明した通りの範囲とすることが好ましい。
(B−2)リチウムニッケル複合酸化物
本発明のSb表面修飾リチウムニッケル複合酸化物において用いるリチウムニッケル複合酸化物としては、上記(A−1)で説明したものと同様のものを用いればよい。また、上記(A−1)で説明したように、リチウムニッケル複合酸化物として好ましいのは、下記一般式(1)で表されるものである。
【0042】
【化4】
LiαNiCo2− ββ                    (1)
(一般式(1)中、α、X、Y、Z、βは、それぞれ、0<α≦1.1、0.1≦X≦1、0≦Y≦0.9、0≦Z≦0.8、0.9≦X+Y+Z≦1.1、0≦β≦0.5を満たす数である。Mは、Li,Mg,Ca,Sr,Cu,Zn,Al,Ga,Ti,Zr,V,Nb,Ta,Cr,Mo,W,Mn,及びFeからなる群から選ばれる少なくとも1つである。)
ここで、α、X、Y、Z、β、Mの好ましい範囲等についても上記(A−1)で説明した通りである。
(B−3)好ましい表面修飾リチウムニッケル複合酸化物の態様
(1)X線光電子分光法による規定
本発明の表面修飾リチウムニッケル複合酸化物が、Sb表面修飾リチウムニッケル複合酸化物である場合、好ましいのは、上記一般式(1)中のMがAlであり、下記測定条件でX線光電子分光法(X−ray photo−electron spectroscopy)測定した場合に、下記数式(2)で表されるSb濃度が1%以上、95%以下であることである。
【0043】
【数2】
Sb濃度=[(Sb3d3/2補正後ピーク面積)/{(Sb3d3/2補正後
ピーク面積)+(Ni2p補正後ピーク面積)+(Co2p補正後ピーク面積)
+(Al2s補正後ピーク面積)}]×100・・・(2)
(X線光電子分光測定の測定条件)
1.表面修飾リチウムニッケル複合酸化物の測定
金属板に両面テープを貼付け、その上に粉末状態の表面修飾リチウムニッケル複合酸化物をテープが見えない厚みにふりかけ、表面が平滑になるよう圧着したものをホルダーに固定し、測定に供する。
【0044】
測定のための光源には単色化Al−Kα線(14kV、150W)を用いて、下記条件にて測定を行うが、測定の際、帯電補正のために電子中和銃を用いる。
PassEnergy:29.35eV
データ取込間隔:0.125eV/step
測定面積:0.8mm径
取出角:45度
測定元素は、Ni2p,Co2p,Al2s,Sb3d3/2である。
2.Sb濃度の測定
測定元素各々のピークの始点と終点とを決めて、シャーリー法で始点と終点とを結ぶ。そして、始点と終点とを結んだ線とピークとに囲まれる面積を、各測定元素ごとに求め、これを各測定元素のピーク面積とする。
【0045】
次に、測定元素各々に決められた相対感度補正係数を用い、前記各々の測定元素のピーク面積をそれそれの元素の相対感度補正係数で除する。このようにして相対感度補正係数で除したピーク面積を「補正後ピーク面積」という。
本発明のSb表面修飾リチウムニッケル複合酸化物では、リチウムニッケル複合酸化物の表面にSb化合物を反応させてこれを得るため、リチウムニッケル複合酸化物表面のSbが所定量以上存在することが必要である。本発明においては、このようなSb表面修飾リチウムニッケル複合酸化物が得られているか否かを確かめるために、物質の最表面の情報を検出する有効な手段である、X線光電池分光法を用いる。
【0046】
X線光電子分光法は、1次光源として試料表面に特性X線(Al Kα, Mg Kα,等)を照射し、励起された試料表面から放出される光電子をエネルギー分光器にて検出する手法である。光電子の脱出深さはおよそ5nm程度であり、測定試料の最表面の情報を検出する有効な手段である。入射X線のエネルギーと励起された試料表面から放出される光電子が有する運動エネルギーとの差は、光電子の結合エネルギーを表し、この結合エネルギーは元素の種類に固有のものである。また、この結合エネルギーは、隣り合う元素の種類や化学結合の種類によっても微妙にその値がシフトする。X線光電子分光法を用いれば、上記現象を利用して元素定性並びに化学状態に関する情報を得ることができる。また、各構成元素由来のピーク面積を比較することによって、相対的な元素組成を知ることが出来る。本発明においては、リチウムニッケル複合酸化物の表面における所定元素の相対的な比率を求めることにより、Sb濃度を見積もった。
【0047】
本発明における表面修飾リチウムニッケル複合酸化物のXPS測定は具体的には以下のようにして行う。
まず、金属板に両面テープを貼付け、その上に粉末状態の表面修飾リチウムニッケル複合酸化物をテープが見えなくなるまで十分にふりかけた後、表面が平滑になるようにする。その後、表面修飾リチウムニッケル複合酸化物が貼り付けられた両面テープを金属板ごとホルダーに固定し、測定に供する。
【0048】
測定のための光源には単色化Al−Kα線(14kV、150W)を用いる。また、下記条件にて測定を行うが、測定の際、帯電補正のために電子中和銃を用いる。ここで、測定に際し電子中和銃による帯電補正が必要となる理由は、表面修飾リチウムニッケル複合酸化物が完全な導電性試料でなく帯電するからである。
PassEnergy:29.35eV
データ取込間隔:0.125eV/step
測定面積:0.8mm径
取出角:45度
上記測定上件にてXPS測定を行うが、測定元素は、Ni2p,Co2p,Al2s,Sb3d3/2である。
【0049】
XPS測定後、得られた生データにおける測定元素各々のピークの始点と終点とを決めて、シャーリー法で始点と終点とを結ぶ。ここで、前記ピークの始点と終点とは、ピークの裾が完全に平坦になる部分に取るようにする。ピークの裾の途中で始点、終点を決めると、正確なピーク面積が求められないおそれがあるからである。始点と終点との決め方の具体的な例を図1で説明する。図1は、測定元素Sb3d3/2のXPS測定例であり、横軸は結合エネルギー(BINDING ENERGY:eV)を表し、縦軸は信号強度(N(E)/E:counts/s)を表す。図1において、始点1は、Sb3d3/2ピークにおける結合エネルギーの低エネルギー側の裾が完全に平坦になった部分に取ってある。一方、終点2は、高エネルギー側のピークの裾が完全に平坦になった部分に取ってある。このようにして決めた始点と終点とをシャーリー法を用いてベースライン3で結ぶ。そして、ベースラインとピークとに囲まれる面積を、各測定元素ごとに求め、これを各測定元素のピーク面積とする。図1においては、ピーク面積とは、ベースラインとピークとに囲まれた斜線部分の面積をいう。
【0050】
次に、測定元素各々に決められた相対感度補正係数を用い、前記各々の測定元素のピーク面積をそれぞれの元素の相対感度補正係数で除する。ここで、各々の測定元素のピーク面積をそれぞれの元素の相対感度補正係数で除するのは、各光電子の発生効率の違いを考慮する必要があるためである。すなわち、光電子の発生効率は全て同一ではなく、例えば、元素A,B,Cがそれぞれ同じ元素比で存在する場合、元素Aの光電子A1sは信号強度100であるのに対して元素Bの光電子B1sは信号強度80であったり(発生効率が低い)、元素Cの光電子C1sは信号強度120であったりする(発生効率が高い)からである。この相対的な感度の比は、測定条件や測定機種によっても微妙に異なるため、装置メーカーは各々の装置に固有の値を補正係数として提供している。従って、XPS測定の生データから得られるピーク面積のデータをそのまま用いても、このデータは、実際の元素比を反映していないこととなる。このため、本発明においては、上記のように装置ごとに決められた相対感度補正係数を用いるのである。
【0051】
このようにして相対感度補正係数で除したピーク面積を「補正後ピーク面積」という。すなわち、例えば「Sb3d3/2補正後ピーク面積」といえば、これは図1に斜線で示すピーク面積を、Sb3d3/2の相対感度補正係数で除した値となる。
後述の実施例においては、相対感度補正係数として、Ni2pは3.653、Co2pは3.255、Al2sは0.288、Sb3d3/2は3.066を用いた。相対感度補正係数は、用いるX線光電子分光装置によって決まる値である。後述の実施例においては、X線光電子分光装置は、Physical Electronics社製のESCA−5500MCを用いている。
【0052】
上記のようにして求められる、Sb3d3/2補正後ピーク面積、Ni2p補正後ピーク面積、Co2p補正後ピーク面積、及びAl2s補正後ピーク面積の値から、下記一般式(2)で表されるメタル濃度に対するSb濃度を算出する。
【0053】
【数3】
Sb濃度=[(Sb3d3/2補正後ピーク面積)/{(Sb3d3/2補正後ピーク面積)+(Ni2p補正後ピーク面積)+(Co2p補正後ピーク面積)+(Al2s補正後ピーク面積)}]×100・・・(2)
本発明においては、上記一般式(2)で表されるSb濃度が1%以上、好ましくは2%以上、より好ましくは5%以上であり、一方、95%以下、好ましくは70%以下、より好ましくは50%以下、特に好ましくは30%以下、最も好ましくは25%以下である。上記の範囲とすれば、高温保存時等におけるインピーダンス上昇を効果的に抑制することができるようになる。
(2)昇温熱脱離・熱分解−質量分析法による規定
本発明のSb表面修飾リチウムニッケル複合酸化物として好ましいもう一つの態様は、下記測定条件で昇温熱脱離・熱分解−質量分析法(Temperature Programed Desorption/Decomposition−Mass Spectroscopy:以下単にTPD−MSと記載する場合がある。)測定した場合に、150〜250℃の範囲にCOの脱離によるピークを有することである。
(昇温熱脱離・熱分解−質量分析法の測定条件)
(a)粉末状態の表面修飾リチウムニッケル複合酸化物をHeガス中で400℃付近まで加熱後、100℃付近まで降温する。
具体的には、粉末状態の表面修飾リチウムニッケル複合酸化物50mgを精秤後パイロライザーに充填し、Heガス(80ml/min.)中で400℃30分加熱し、大気中で表面修飾リチウムニッケル複合酸化物表面に吸着していたガスを除去し、(b)で行うCO吸着状態の再現性を向上させることができる。(b)COを導入して表面修飾リチウムニッケル複合酸化物の表面にCOを吸着させる。
具体的には、100℃に降温し、系内を約10−2torrまで真空排気して、約70torrのCOを導入し、表面修飾リチウムニッケル複合酸化物の表面(特に塩基点)にCOを15分間飽和吸着させる。飽和吸着させるためには、時間は少なくとも15分程度は必要である。
(c)その後、雰囲気中等に残留するCOを排気してから室温付近まで温度を下げる。
具体的には、100℃で約10−2torrまで真空排気し、雰囲気中に残留するCOや表面修飾リチウムニッケル複合酸化物表面に物理吸着COを除去した後に、Heフロー(200ml/min.)処理後、室温に戻す。
(d)900℃付近まで昇温し、昇温時に発生するCO量の温度プロファイルを測定する。
具体的には、室温から900℃まで10℃/min.で昇温し、昇温時に発生するCO量の温度プロファイルを測定する。
TPD−MSとは、試料の温度を連続的に上昇させたときに発生するガスを質量分析器に連続的に導入して発生の温度プロファイルを測定する手法である。この手法は、試料が分解脱離する過程を測定することができるために、化学吸着の状態及び官能基種を調べるのに有効な手法である。具体的には、温度プロファイルのピークの数により吸着種及び吸着活性点の識別、脱離温度から結合状態、脱離量から表面活性点数または吸着量、官能基量を比較することが可能である。また、比較的多量の試料を分析できるため、極微量の発生ガスの分析も可能である。
本願発明において、表面修飾リチウムニッケル複合酸化物の分析方法として、TPD−MSを用いるのが有効な理由は以下の通りである。すなわち、CO吸着後のCO脱離の温度プロファイルを測定することにより、固体表面に存在する塩基点の量や分布を調べることが可能であるからである。そして、リチウムニッケル複合酸化物においては、固体表面に存在する塩基点が高温下における反応点(リチウム二次電池の高温下での特性を劣化させる原因)と考えられるため、リチウムニッケル複合酸化物と表面修飾リチウムニッケル複合酸化物表面との塩基点の量や分布をそれぞれ分析すればよい。具体的には、塩基点に飽和吸着させたCOが熱脱離する温度分布を調べ、表面修飾リチウムニッケル複合酸化物におけるCO脱離ピークが、未処理のリチウムニッケル複合酸化物に比べて、低温側にシフトしていれば、表面修飾したリチウムニッケル複合酸化物の塩基性が低下している(リチウム二次電池の高温特性が改善されている)ことが検証できる。
ここで、TPD−MS測定において、COの吸着脱離を測定するのは、COは塩基点に特異的に吸着すると考えられるためである。
上述の通り、表面修飾リチウムニッケル複合酸化物におけるCO脱離ピークが、未処理のリチウムニッケル複合酸化物に比べて、低温側にシフトすればよいが、具体的な温度領域は以下の通りである。つまり、TPD−MSを0〜900℃で測定した場合、脱離温度が結合状態を反映しているため、300℃までのCOプロファイルは塩基点に飽和吸着したCOの脱離であり、700℃以上のCOプロファイルはLiCOの分解により発生したCOと考えられる。
そして、本発明において、低温のピークを示す「150〜250℃の範囲のCOの脱離によるピーク」とは、TPD−MS測定において質量44(CO)の脱離量の温度依存性を測定した場合に、150〜250℃の温度領域にピーク(頂点)が観察されることをいう。
図2は、周期表4A〜6A族元素であって原子量が28以上の元素の化合物としてSb化合物を用いて表面修飾を行ったリチウムニッケル複合酸化物及び未処理のリチウムニッケル複合酸化物のTPD−MS測定結果(25〜900℃まで測定)である(詳細は後述の実施例参照)。図2からわかるように、Sb化合物で0.75mol%又は2mol%処理したリチウムニッケル複合酸化物は、220〜230℃付近にCOの脱離によるピークが観測される。一方、Sb化合物で処理を行っていない(未処理の)リチウムニッケル複合酸化物は、220℃付近から徐々にCOの脱離が観測されるが、150〜250℃の温度領域にピーク(頂点)は存在しない。
【0054】
(C)リチウム二次電池
本発明のSb表面修飾リチウムニッケル複合酸化物は、リチウム二次電池の正極活物質として用いられる。リチウム二次電池は、通常、正極活物質を含有する正極、負極、及び電解質を有する電池要素と、前記電池要素を収納するケースとを有する。
(C−1)正極、正極活物質、及び正極材料
正極は、通常、集電体の上に正極材料層を形成してなり、前記正極材料層は正極材料から構成される。この正極材料には、Liを吸蔵・放出し得る正極活物質及び後述のバインダーや導電材等が含有される。
本発明においては、正極活物質としてSb表面修飾リチウムニッケル複合酸化物を用いる。リチウムニッケル複合酸化物は、単位重量あたりの電流容量が大きくなる利点がある一方で、熱安定性に劣り、高温保存又は高温サイクル運転時にリチウム二次電池のインピーダンスが上昇してしまうという問題がある。本発明においては、リチウムニッケル複合酸化物表面をSb化合物で修飾することにより、上記インピーダンス上昇を抑制することができるようになる。
【0055】
本発明のリチウム二次電池用正極材料及びリチウム二次電池に用いるSb表面修飾リチウムニッケル複合酸化物については、上記(B)で説明した通りである。
また、正極活物質としては、Sb表面修飾リチウムニッケル複合酸化物を単独で用いても良いが、他のリチウム遷移金属複合酸化物と併用しても良い。このようなリチウム遷移金属複合酸化物として、リチウムコバルト複合酸化物を挙げることができる。リチウムコバルト複合酸化物は、少なくともリチウム及びコバルトを含有する酸化物である。リチウムコバルト複合酸化物は、放電曲線が平坦であるためレート特性に優れる有用な正極材料である。リチウムコバルト複合酸化物としては、例えば、層状構造を有するLiCoO等を挙げることができる。また、リチウムコバルト複合酸化物は、Coが占めるサイトの一部をCo以外の元素で置換したものであってもよい。Coサイトを他元素で置換することにより、電池のサイクル特性・レート特性が向上する場合がある。Coが占めるサイトの一部をCo以外の元素で置換する際の、置換元素としては、Ti、Al、Ti、V、Mn、Li、Ni、Cu、Zn、Mg、Ga、Sb、Ge等が挙げられ、好ましくはTi、Al、Li、Ni、Mg、Ga、Sb、Ge更に好ましくはTi、Al、Mgである。なお、Coサイトは2種以上の他元素で置換されていてもよい。
【0056】
置換元素によりCoサイトを置換する場合、その割合は通常Co元素の0.03モル%以上、好ましくは0.05モル%以上であり、通常Co元素の30モル%以下、好ましくは20モル%以下である。置換割合が少なすぎると結晶構造の安定性向上が充分ではない場合があり、多すぎると電池にした場合の容量が低下してしまう場合がある。
【0057】
リチウムコバルト複合酸化物は、通常、充電前の基本的な組成としてLiCoOで表されるが、前記したようにCoサイトの一部を他の元素で置換してもよい。また、上記組成式において、少量の酸素欠損、不定性があっても良く、酸素サイトの一部が硫黄やハロゲン元素で置換されていてもよい。さらには、上記組成式において、リチウム量を過剰又は不足にしたりすることができる。
【0058】
リチウムコバルト複合酸化物の比表面積は、通常0.01m/g以上、好ましくは0.1m/g以上、より好ましくは0.4m/g以上であり、また通常10m/g以下、好ましくは5.0m/g以下、より好ましくは2.0m/g以下である。比表面積が小さすぎるとレート特性の低下、容量の低下を招き、大きすぎると電解液等と好ましくない反応を引き起こし、サイクル特性を低下させることがある。比表面積の測定はBET法に従う。
【0059】
リチウムコバルト複合酸化物の平均二次粒径は、通常0.1μm以上、好ましくは0.2μm以上、さらに好ましくは0.3μm以上、最も好ましくは0.5μm以上であり、通常300μm以下、好ましくは100μm以下、さらに好ましくは50μm以下、最も好ましくは20μm以下である。平均二次粒径が小さすぎると電池のサイクル劣化が大きくなったり、安全性に問題が生じたりする場合があり、大きすぎると電池の内部抵抗が大きくなり、出力が出にくくなる場合がある。
【0060】
リチウムコバルト複合酸化物以外にリチウムニッケル複合酸化物と併用できる正極活物質としては、遷移金属酸化物、上記リチウムコバルト複合酸化物以外の各種のリチウム遷移金属複合酸化物、遷移金属硫化物等各種の無機化合物が挙げることができる。ここで遷移金属としてはFe、Mn等が用いられる。具体的には、MnO、V O 、V O13、TiO 等の遷移金属酸化物粉末、リチウムマンガン複合酸化物などのリチウムと遷移金属との複合酸化物粉末、TiS 、FeS、MoS などの遷移金属硫化物粉末等が挙げられる。これらの化合物はその特性を向上させるために部分的に元素置換したものであっても良い。また、ポリアニリン、ポリピロール、ポリアセン、ジスルフィド系化合物、ポリスルフィド系化合物、N−フルオロピリジニウム塩等の有機化合物も併用することができる。当然これらの無機化合物、有機化合物を混合して併用しても良い。これら正極の活物質の粒径は、通常1〜30μm、好ましくは1〜10μmとする。粒径が大きすぎても小さすぎても、レート特性、サイクル特性等の電池特性が低下する傾向にある。
【0061】
(C−2)負極、負極活物質
本発明のリチウム二次電池に使用される負極は、通常、集電体の上に負極材料層を形成してなり、前記負極材料層中に、Liを吸蔵・放出し得る負極活物質を通常含有する。
負極活物質としては、炭素系活物質を挙げることができる。炭素系活物質としては、例えば、黒鉛及び、石炭系コークス、石油系コークス、石炭系ピッチの炭化物、石油系ピッチの炭化物、あるいはこれらピッチを酸化処理したものの炭化物、ニードルコークス、ピッチコークス、フェノール樹脂、及び結晶セルロース等の炭化物等並びにこれらを一部黒鉛化した炭素材、ファーネスブラック、アセチレンブラック、ピッチ系炭素繊維等を用いることができる。また、これら炭素系活物質は、金属やその塩、酸化物との混合体、被覆体の形であっても利用できる。上記炭素系活物質の他、負極活物質としては、けい素、錫、亜鉛、マンガン、鉄、ニッケルなどの酸化物、あるいは硫酸塩さらには金属リチウムやLi−Al、Li−Bi−Cd、Li−Sn−Cdなどのリチウム合金、リチウム遷移金属窒化物、けい素、錫などの金属なども使用できる。これら負極活物質の粒径は、通常1〜50μm、好ましくは5〜30μmである。あまりに大きすぎても小さすぎても初期効率、レート特性、サイクル特性等の電池特性が低下する傾向にある。無論、上記した中から選ばれる2種以上の負極活物質を併用してもよい。
【0062】
(C−3)正極、負極の共通事項
正極材料層及び負極材料層には、上記の正極活物質、負極活物質の他にバインダーを含有しても良い。活物質100重量部に対するバインダーの場合は、通常0.01重量部以上、好ましくは0.1重量部以上、更に好ましくは1重量部以上、通常50重量部以下、好ましくは30重量部以下、更に好ましくは15重量部以下である。バインダーの量が少なすぎると強固な正極が形成させにくい。バインダーの量が多すぎると、エネルギー密度やサイクル特性が低下する場合がある。
【0063】
バインダーとしては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ−1,1−ジメチルエチレンなどのアルカン系ポリマー;ポリブタジエン、ポリイソプレンなどの不飽和系ポリマー;ポリスチレン、ポリメチルスチレン、ポリビニルピリジン、ポリ−N−ビニルピロリドンなどの環を有するポリマー;ポリメタクリル酸メチル、ポリメタクリル酸エチル、ポリメタクリル酸ブチル、ポリアクリル酸メチル、ポリアクリル酸エチル、ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸、ポリアクリルアミドなどのアクリル誘導体系ポリマー;ポリフッ化ビニル、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素系樹脂;ポリアクリロニトリル、ポリビニリデンシアニドなどのCN基含有ポリマー;ポリ酢酸ビニル、ポリビニルアルコールなどのポリビニルアルコール系ポリマー;ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデンなどのハロゲン含有ポリマー;ポリアニリンなどの導電性ポリマーなど各種の樹脂が使用できる。また、上記のポリマーなどの混合物、変成体、誘導体、ランダム共重合体、交互共重合体、グラフト共重合体、ブロック共重合体などであっても使用できる。また、シリケートやガラスのような無機化合物を使用することもできる。本発明においては、ポリフッ化ビニル、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素系樹脂を使用することが好ましい。
【0064】
バインダーの重量平均分子量は、通常1000以上、好ましくは10000以上、さらに好ましくは20000以上であり、通常5000000以下、好ましくは1000000以下、さらに好ましくは300000以下である。低すぎると塗膜の強度が低下し好ましくない。高すぎると粘度が高くなり活物質層の形成が困難になる。
【0065】
また正極材料層及び負極材料層には、必要に応じて導電材料、補強材など各種の機能を発現する添加剤、粉体、充填材などを含有しても良い。導電材料としては、上記活物質に適量混合して導電性を付与できるものであれば特に制限は無いが、通常、アセチレンブラック、カーボンブラック、黒鉛などの炭素粉末や、各種の金属ファイバー、箔などが挙げられる。補強材としては各種の無機、有機の球状、繊維状フィラーなどが使用できる。
【0066】
本発明においては、正極材料層中に有機酸又は有機酸のリチウム塩を含有させることが好ましい。正極材料層中に有機酸又は有機酸のリチウム塩を含有させることにより、リチウムニッケル複合酸化物の熱安定性がさらに向上する。
前記有機酸は、特に限定されるものではなく、例えば、酢酸、プロピオン酸、ステアリン酸、グリオキシル酸、ピルビン酸、アセト酢酸、レブリン酸、フェニル酢酸、ベンゾイルプロピオン酸、安息香酸、シュウ酸、マロン酸、コハク酸、グルタル酸、アジピン酸、マレイン酸、フタル酸、トリメリト酸、ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸、トリカルバリル酸、ベンゼントリカルボン酸等を挙げることができる。また、有機酸のリチウム塩も特に限定されるものではなく、例えば上記有機酸のリチウム塩を挙げることができる。
【0067】
前記有機酸は、2価以上の有機酸であることが特に好ましい。2価以上とすることによって、高温保存時の安定性がより向上するようになる。2価以上の有機酸としては、例えば、2価の有機酸や3価の有機酸を挙げることができる。2価の有機酸としては、例えば、脂肪族飽和ジカルボン酸、脂肪族不飽和ジカルボン酸、芳香族ジカルボン酸等を挙げることができる。脂肪族飽和ジカルボン酸の具体的な化合物としては、例えば、シュウ酸、マロン酸、コハク酸、グルタル酸等を挙げることができる。脂肪族不飽和ジカルボン酸の具体的な化合物としては、例えば、マレイン酸等を挙げることができる。芳香族ジカルボン酸の具体的な化合物としては、例えば、フタル酸等を挙げることができる。3価の有機酸としては、例えば、トリカルバリル酸、ベンゼントリカルボン酸等を挙げることができる。
【0068】
また、有機酸のリチウム塩も2価以上の有機酸のリチウム塩であることが好ましく、例えば、上記2価、3価の有機酸のリチウム塩を挙げることができる。
前記有機酸としては、シュウ酸、コハク酸を用いるのが特に好ましく、シュウ酸を用いるのが最も好ましい。これら有機酸は、分子サイズが小さく高温での安定性を向上させる効果が大きい。有機酸のリチウム塩も、上記有機酸と同様の理由から、シュウ酸、コハク酸のリチウム塩を用いるのが好ましく、シュウ酸のリチウム塩を用いることがより好ましい。これら有機酸及び/又は有機酸のリチウム塩を用いて、さらにリチウムニッケル複合酸化物の表面をSb化合物で修飾することにより、本発明のリチウム二次電池の高温環境下での熱安定性が飛躍的に向上する。
【0069】
前記有機酸及び/又は有機酸のリチウム塩は、正極材料層100重量部に対して、通常0.1重量部以上、好ましくは0.2重量部以上、より好ましくは0.3重量部以上であり、一方、通常1.0重量部以下、好ましくは0.8重量部以下、より好ましくは0.6重量部以下である。添加量をこの範囲とすることにより、リチウム二次電池を高温環境下で保存した場合の熱安定性を向上させつつ、電池の充放電特性を良好に保つことができるようになる。
【0070】
正極及び負極に使用される集電体の材料としては、通常、アルミニウム、銅、ニッケル、錫、ステンレス鋼等の金属、これら金属の合金等を用いることができる。この場合、正極の集電体としては、通常アルミニウムが用いられ、負極の集電体としては、通常銅が用いられる。集電体の形状は特に制限されず、例えば、板状やメッシュ状の形状を挙げることができる。集電体の厚みは通常1〜50μm、好ましくは1〜30μmである。薄すぎると機械的強度が弱くなるが、厚すぎると電池が大きくなり、電池の中で占めるスペースが大きくなってしまい、電池のエネルギー密度が小さくなる。
【0071】
正極及び負極の厚さは、それぞれ通常1μm以上、好ましくは10μm以上であり、通常は500μm以下、好ましくは200μm以下である。あまりに厚くても薄くても容量やレート特性等の電池性能が低下する傾向にある。
正極及び負極の製造方法には、特に制限はなく、例えば、活物質及び必要に応じて用いられるバインダーや導電材等からなるリチウム二次電池用正極材料を溶媒に含有させたスラリーを集電体に塗布し、乾燥することにより製造することができる。また、例えば、溶媒を用いずに、活物質及び必要に応じて用いられるバインダーや導電材等のリチウム二次電池用正極材料を混練後、集電体に圧着することにより製造することもできる。
【0072】
(C−4)電解質
本発明のリチウム二次電池に用いられる電解質は、通常、溶質、非水系溶媒を含有する(本明細書においては、溶質及び非水系溶媒を合わせて電解液、又は非水電解液と呼ぶ場合がある。)。また、電解質が、溶質、非水系溶媒及びポリマーを含有してもよい。ポリマーを含有させることで、電解質が非流動化して保液性が向上し液漏れを防止することができるようになるため、高温保存時の安全性が改善されるようになる。
【0073】
溶質としては、従来公知のリチウム塩のいずれもが使用できる。例えば、LiClO、LiAsF、LiPF、LiBF、LiB(C 、CHSOLi、CFSOLi、LiN(SOCF、LiN(SO、LiC(SOCF、LiSbF 、LiSCN等が挙げられ、これらのうち少なくとも1種以上のものを用いることができる。これらのうちでは、本発明の効果が顕著となる点から、LiClO、LiPF が特に好ましい。これら溶質の非水電解液に対する含有量は、通常0.5〜2.5mol/lである。
【0074】
非水系溶媒としては、例えば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ビニレンカーボネート等の環状カーボネート類、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネートなどの非環状カーボネート類、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン等のフラン類、ジメトキシエタン等のエーテル類、γ−ブチルラクトン等のラクトン類、アセトニトリル等のニトリル類等の1種又は2種以上の混合物を挙げることができる。これらのうちでは、環状カーボネート類、非環状カーボネート類及びラクトン類から選ばれた1種又は2種以上の混合溶液が好ましい。
【0075】
高温保存時の電解質の安定性を確保する観点から、本発明においては、非水系溶媒に20℃/1気圧での沸点が150℃以上の高沸点溶媒を含有させることがより好ましい。上記高沸点溶媒とは、通常、沸点が150℃〜300℃の範囲にある溶媒をいうが、好ましくは、沸点が180℃〜270℃、より好ましくは、沸点が200℃〜250℃の範囲にある溶媒である。上記範囲の沸点を有する溶媒を使用することで、電池の高温保存時の熱安定性をより確実に向上させることができる。このような溶媒としては、例えば、エチレンカーボネート(沸点243℃)、プロピレンカーボネート(沸点240℃)及びγ−ブチロラクトン(沸点204℃)等を挙げることができる。これら高沸点溶媒を単独で使用してもよく、複数を併用してもよいし、さらには、低沸点溶媒(本発明においては、沸点が150℃以下のものをいう。)と併用して用いても良い。尚、「20℃/1気圧での沸点がX℃以上」とは、圧力1気圧の下で20℃からX℃まで加熱しても蒸気圧が1気圧を越えないことを意味する。
【0076】
尚、非水電解液は、上記溶質、非水系溶媒の他に、安全性や電池特性(例えばサイクル特性)を確保するための添加剤をさらに含有してもよい。
電解質に含有されるポリマーとしては、電解質の保液性をある程度確保できるもので有れば特に制限はなく、例えば、ポリメタクリル酸メチルのようなアクリル系高分子や、アルキレンオキシドユニットを有するアルキレンオキシド系高分子、ポリフッ化ビニリデンやフッ化ビニリデン−へキサフルオロプロピレン共重合体のようなフッ素系高分子等を挙げることができる。これらポリマーのうち電解質の保液性を十分に確保する観点から、鎖状に結合した原子からなる分子のうちの任意の2原子間に橋をかけるように形成された結合(架橋結合)を有する高分子を用いることが好ましい(本明細書においては、これを「架橋性ポリマー」という)。
【0077】
架橋性ポリマーの基本骨格となる材料としては、例えば、ポリエステル、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリイミドなどの重縮合によって生成させるもの、ポリウレタン、ポリウレアなどのように重付加によって生成されるもの、ポリメタクリル酸メチルなどのアクリル系高分子やポリ酢酸ビニル、ポリ塩化ビニルなどのポリビニル系高分子などの付加重合で生成されるもの等を挙げることができる。
【0078】
本発明においては、スペーサ(詳細は後述)に含浸させてから重合させるのが好ましいことから、重合の制御が容易で重合時に副生成物が発生しない付加重合により生成される高分子を使用することが望ましい。このようなポリマーとしては、アクリル系高分子を挙げることができる。アクリル系高分子は、電池容量やレート特性、機械的強度等の電池特性上からも好ましい材料である。
【0079】
アクリル系高分子しては、アクリロイル基を有するモノマーを重合することにより得られる高分子が特に好ましい。アクリロイル基を有するモノマーとしては、例えば、アクリル酸メチル、アクリル酸エチル、アクリル酸ブチル、アクリルアミド、2−エトキシエチルアクリレート、ジエチレングリコールエチルエーテルアクリレート、ポリエチレングリコールアルキルエーテルアクリレート、ポリプロピレングリコールアルキルエーテルアクリレート、2―シアノエチルアクリレートなどモノアクリレート類;1、2―ブタンジオールジアクリレート、1、3―ブタンジオールジアクリレート、1、4―ブタンジオールジアクリレート、ネオペンタンジオールジアクリレート、1、6―ヘキサンジオールジアクリレートなどのアルカンジオールジアクリレート類;エチレングリコールジアクリレート、ジエチレングリコールジアクリレート、トリエチレングリコールジアクリレート、テトラエチレングリコールジアクリレートなどのポリエチレングリコールジアクリレート類;プロピレングリコールジアクリレート、ジプロピレングリコールジアクリレート、トリプロピレングリコールジアクリレート、テトラプロピレングリコールジアクリレートなどのポリプロピレングリコールジアクリレート類;ビスフェノールFエトキシレートジアクリレート、ビスフェノールFエトキシレートジメタアクリレート、ビスフェノールAエトキシレートジアクリレート、トリメチロールプロパントリアクリレート、トリメチロールプロパンエトキシレートトリアクリレート、トリメチロールプロパンプロポキシレートトリアクリレート、イソシアヌル酸エトキシレートトリアクリレート、グリセロールエトキシレートトリアクリレート、グリセロールプロポキシレートトリアクリレート、ペンタエリスリトールエトキシレートテトラアクリレート、ジトリメチロールプロパンエトキリレートテトラアクリレート、ジペンタエリスリトールエトキシレートヘキサアクリレート等を挙げることができる。
【0080】
これらの中でも、リチウムイオンの導電性の観点からエチレングリコールユニットを有するポリアクリレート系高分子が特に好ましい。
本発明においては、アクリル系高分子として上記のモノマー成分と他のモノマー成分との共重合体を用いることができる。即ち、モノマー成分として上記のモノマーの他に別の構造を有するモノマーを共存させて重合させてもよい。特に、メタクリロイル基、ビニル基、アリル基等の不飽和二重結合を有する基を有するモノマーを共存させると電解質の強度及び保液性が向上する場合がある。このようなモノマーとしては、メタクリル酸メチル、メタクリルアミド、ブタジエン、アクリロニトリル、スチレン、酢酸ビニル、塩化ビニルなどの化合物が使用できる。
【0081】
アクリル系高分子を使用する場合の、アクリロイル基を有するモノマーの全モノマーに対する存在率は特に限定されないが、通常50重量%以上、好ましくは70重量%以上、特に好ましくは80重量%以上である。上記存在率が高い方が、重合速度が早く、電解質の生産性を高めることができる点で有利である。
架橋性ポリマーは、架橋結合を有する。架橋結合は、高分子間を架橋剤によって架橋反応させることによって製造することができる。また、高分子の原料として、反応点を複数有するモノマー(以下、「多官能モノマー」ということがある)を使用することによって製造することができる。好ましくは後者の方法である。
【0082】
後者の方法で架橋性ポリマーを製造する場合、原料として、多官能モノマーの外に、反応点を1つ有するモノマー(以下「単官能モノマー」ということがある)を併用することができる。多官能モノマーと単官能モノマーを併用する場合、多官能モノマーの官能基の当量比は、通常10%以上であり、好ましくは15%以上、更に好ましくは20%以上である。
【0083】
最も好ましい架橋性ポリマーの製造方法としては、アクリロイル基を複数有する多官能モノマーを、必要に応じて、アクリロイル基を1つ有する単官能モノマーと共に重合する方法である。
電解質に含有させるポリマーの含量は、電解質の全重量に対して通常80重量%以下、好ましくは50重量%以下、さらに好ましくは20重量%以下である。ポリマー含量が多すぎると非水電解液の濃度低下によりイオン伝導度が低下してレート特性などの電池特性が低下する傾向がある。一方、ポリマーの割合が少な過ぎる場合は、ゲルの形成が困難となり非水系溶媒の保持性が低下して流動及び液漏れが生じることがあるのみならず、電池の安全性を確保できない可能性もあるので、ポリマーの電解質に対する含有量は、通常0.1重量%以上、好ましくは1重量%以上、更に好ましくは2重量%以上、最も好ましくは5重量%以上である。
【0084】
非水系溶媒に対するポリマーの割合は、ポリマーの分子量に応じて適宜選択されるが、通常0.1重量%以上、好ましくは1重量%以上、通常50重量%以下、好ましくは30重量%以下である。ポリマーの割合が少な過ぎる場合は、ゲルの形成が困難となり非水電解液の保持性が低下して流動及び液漏れの問題が生じる傾向がある。ポリマーの割合が多過ぎる場合は、粘度が高くなり過ぎて取り扱いが困難となり、また、非水電解液の濃度低下によりイオン伝導度が低下してレート特性等の電池特性が低下する傾向にある。
【0085】
本発明では、電解質にポリマーの原料となるモノマーを含有させた状態で、スペーサ(詳細は後述)の空隙に充填させ、その後前記モノマーを重合させることによって、ポリマーを形成させる方法を用いるのが好ましい。
これらのモノマーを重合する方法としては、例えば、熱、紫外線、電子線などによる手法を挙げることができるが、本発明においては、製造上の容易性から加熱又は紫外線照射によってモノマーを重合させることが好ましい。熱による重合の場合、反応を効果的に進行させるため、含浸させる電解質に熱に反応する重合開始剤をいれておくこともできる。利用できる熱重合開始剤としては、アゾビスイソブチロニトリル、2,2′−アゾビスイン酪酸ジメチル等のアゾ系化合物、過酸化ベンゾイル、クメンハイドロパーオキサイド、t−ブチルパーオキシ−2−エチルヘキサノエート等の過酸化物などが使用でき、反応性、極性、安全性などから好ましいものを単独、または組み合わせて用いれば良い。尚、ポリマーを得るためには、モノマーの全官能基のうち、通常30%以上を反応させるが、40%以上を反応させることが好ましく、50%以上を反応させるのがより好ましい。
【0086】
(C−5)スペーサ
上記電解質は、リチウムイオンによるイオン伝導度の向上のために、正極、負極、及び正極・負極間に配置されることがあるスペーサにそれぞれ含浸させることが好ましい。
スペーサは、通常、正極・負極間の短絡を防止するために用いられる。スペーサは、通常多孔性膜からなる。スペーサとして使用する材料としては、例えば、ポリエチレンやポリプロピレンなどのポリオレフィン類や、これらの水素原子の一部又は全部がフッ素原子で置換されたポリオレフィン類、ポリアクリロニトリル、ポリアラミド等の樹脂の多孔性膜が挙げられる。電解質に対する化学的安定性の点、印加される電圧に対する安定性の点から、好ましくは、ポリオレフィン又は、フッ素置換されたポリオレフィンであり、具体的には、ポリエチレンやポリプロピレン、これらの水素原子の一部又は全部がフッ素原子で置換されたものを挙げることができる。これらの中でも特に好ましくは、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)及びポリフッ化ビニリデンであり、最も好ましくは、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィンである。無論これらの共重合体や混合物を使用することもできる。
【0087】
スペーサの原料として用いられる樹脂の数平均分子量は、通常1万以上、好ましくは10万以上であり、また通常1000万以下、好ましくは300万以下である。分子量が小さすぎると、その機械的強度が不十分となり、電極の短絡が生じやすい傾向にある。また、分子量が大きすぎると、多孔性膜の空隙内への電解質の含浸が困難になりがちであり、電池の生産効率を低下させ、またレート特性等の電池性能も低下させる傾向にある。さらに、分子量が大きすぎると、後述する可塑剤を混合した後延伸する方法等において製膜が困難になることもある。
【0088】
前述したように、通常、スペーサは多孔性膜である。多孔性膜としては、例えば、多孔性延伸膜、不織布などが挙げられるが、本発明においては延伸によって製造される延伸膜であることがより好ましい。多孔性延伸膜は、不織布よりもさらに膜内の抵抗がより均一になるため、局所的なリチウムの析出、すなわち電極間短絡の原因となるデンドライトの析出を抑制することができる。
【0089】
多孔性延伸膜の延伸は、一軸又は二軸延伸のいずれであってもよいが、二軸延伸のものを使用するのが好ましい。二軸延伸とすれば、膜の縦・横の機械的強度バランスがよいため、電池製造上の取り扱いが容易となる。
スペーサの空孔率は通常30%以上、好ましくは35%以上、通常80%以下、好ましくは75%以下、さらに好ましくは72%以下である。空孔率が小さすぎると膜抵抗が大きくなりレート特性が悪化する。特に、高レートで使用した際の容量が低下する。一方、空孔率が大きすぎると、膜の機械的強度が低下する結果、電池要素の形状が変化する際に短絡が生じやすくなる。本発明においては、空孔率が大きいほど架橋性ポリマー使用による電解質の保液性の効果が大きくなるため、高温保存での安全性・安定性が高くなる。
【0090】
スペーサに存在する空孔の平均孔径は、通常1.0μm以下、好ましくは0.2μm以下、より好ましくは0.18μm以下、最も好ましくは0.15μm以下であり、通常は0.01μm以上、好ましくは0.07μm以上である。孔径があまりに大きいと短絡が生じやすいくなる一方、孔径があまりに小さいと膜抵抗が大きくなり、レート特性等の電池性能が低下する傾向にある。本発明においては、平均孔径が大きいほど架橋性ポリマー使用による電解質の保液性の効果が大きくなるため、高温保存での安全性・安定性が高くなる。
【0091】
スペーサの膜厚は通常5μm以上、好ましくは7μm以上であり、通常50μm以下、好ましくは28μm以下、さらに好ましくは25μm以下であり、最も好ましくは20μm以下である。あまりに膜厚が小さいと、マイルドショート現象による自己放電が生じやすく、あまりに膜厚が大きいとレート特性等の電池特性が不十分になるばかりでなく、体積エネルギー密度が低下する傾向にある。本発明においては、スペーサの膜厚が小さい場合に架橋性ポリマーを使用すると、自己放電が有効に防止される。
【0092】
スペーサは、例えば以下のようにして製造することができる。数平均分子量1 万〜1000万程度、好ましくは10万〜300万の樹脂に不均一分散媒としての可塑剤を混合し、混練した後にシート状に成膜する。さらにこれから溶媒で可塑剤を抽出する工程と所定の倍率で縦横方向いずれかまたは両方に延伸する工程を経ることにより、所望のスペーサを得ることが出来る。
【0093】
(C−6)単位電池要素、電池要素、及びケース
本発明のリチウム二次電池は、通常、電池要素をケースに収納してなる。電池要素は、通常、活物質を主成分とする正極及び負極と、電解質とから構成される単位電池要素を基本として形成され、該単位電池要素を長尺に形成してこれを捲き回したり、平板状に形成した該単位電池要素を複数積層したりすることにより形成される。つまり、電池要素の形態としては、例えば、平板状の単位電池要素を複数枚積層した平板積層型、長尺に形成した単位電池要素を平板状となるように捲回した平板状捲回型、さらには、長尺に形成した単位電池要素を円筒状に捲回した円筒捲回型を挙げることができる。本発明においては、生産性及び小型化が可能である点から、電池要素の形態は、平板状捲回型又は平板積層型であることが好ましい。
【0094】
本発明のリチウム二次電池において、電池要素を収納するケースは、SUS(ステンレス)製等の金属ケースや、形状可変性を有するケースを挙げることができる。金属ケースは、剛性が高いため、リチウム二次電池の安全性を十分確保することができるようになる利点がある一方で、重量が重いため携帯用の電気機器の電池には不向きであるという不利な点がある。一方、ラミネートフィルム等からなる形状可変性を有するケースは、ケースの厚みが薄いため、軽量化が可能となる利点がある一方で、剛性が低いため、リチウム二次電池の対衝撃性が劣る不利な点がある。つまり、リチウム二次電池が用いられる用途によって、上記ケースの種類を選べばよいこととなる。
【0095】
前述の通り、携帯するような電気機器の電源としてリチウム二次電池を用いる場合には、形状可変性を有するケースを用いることが好ましい。形状可変性ケースの材料としては、アルミニウム、ニッケルメッキした鉄、銅等の金属、合成樹脂等を用いることができる。好ましくは、ガスバリア層と樹脂層とを設けてなるラミネートフィルム、特に、ガスバリア層の両面に樹脂層が設けられたラミネートフィルムである。このようなラミネートフィルムは、高いガスバリア性を有すると共に、高い形状可変性と、薄さを有する。その結果、外装材の薄膜化・軽量化が可能となり、電池全体としての容量を向上させることができる。
【0096】
ラミネートフィルムに使用するガスバリア層の材料としては、アルミニウム、鉄、銅、ニッケル、チタン、モリブデン、金等の金属やステンレスやハステロイ等の合金、酸化ケイ素や酸化アルミニウム等の金属酸化物を使用することができる。好ましくは、軽量で加工性に優れるアルミニウムである。
樹脂層に使用する樹脂としては、熱可塑性プラスチック、熱可塑性エラストマー類、熱硬化性樹脂、プラスチックアロイ等各種の合成樹脂を使うことができる。これらの樹脂にはフィラー等の充填材が混合されているものも含んでいる。
【0097】
形状可変性ケースの厚さは、通常0.01μm以上、好ましくは0.02μm以上、さらに好ましくは0.05μm以上であり、通常1mm以下、好ましくは0.5mm以下、さらに好ましくは0.3mm以下、さらに好ましくは0.2mm以下、最も好ましくは0.15mm以下とする。薄いほど電池がより小型・軽量化できるが、あまりに薄いと、高温保存時のガス発生によりケースが破裂する危険性が大きくなるだけでなく、十分な剛性の付与ができなくなったり密閉性が低下する可能性もある。
【0098】
電池要素がケースに収納されてなるリチウム二次電池全体の厚さは、通常5mm以下、好ましくは4.5mm以下、さらに好ましくは4mm以下である。このような薄型のリチウム二次電池に対して本発明の効果は特に大きい。ただし、あまりに薄い電池は、容量が小さすぎたり、製造が困難だったりするので、通常0.5mm以上、好ましくは1mm以上、さらに好ましくは2mm以上である。
【0099】
尚、電池の機器への装着等の利便を図るため、形状可変性ケースに電池要素を封入し好ましい形状に成形後、必要に応じてこれら複数のリチウム二次電池をさらに剛性を持つ外装ケースに収納することも可能である。
(C−7)リチウム二次電池の用途
本発明のリチウム二次電池が電源として使用される電気機器としては、例えば、携帯用パーソナルコンピュータ(本明細書においては、パーソナルコンピュータを単にパソコンという場合がある。)、ペン入力パソコン、モバイルパソコン、電子ブックプレーヤー、携帯電話、コードレスフォン子機、ページャー、ハンディーターミナル、携帯ファックス、携帯コピー、携帯プリンター、ヘッドフォンステレオ、ビデオムービー、液晶テレビ、ハンディークリーナー、ポータブルCD、ミニディスク、電気シェーバー、トランシーバー、電子手帳、電卓、メモリーカード、携帯テープレコーダー、ラジオ、バックアップ電源、モーター、照明器具、玩具、ゲーム機器、ロードコンディショナー、時計、ストロボ、カメラ、医療機器(ペースメーカー、補聴器、肩もみ機など)等を挙げることができる。また、本発明のリチウム二次電池は、電気自動車用の電源として用いることもできる。
【0100】
以上、本発明について詳細に説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
【0101】
【実施例】
以下、本発明の表面修飾リチウムニッケル複合酸化物をリチウム二次電池に用いる実施例について説明する。ただし、これらはあくまでも1つの例であり、これらの実施例に限定されるものでないことは言うまでもない。
(1)正極剤の製造
[正極剤1の製造]
一次粒径が1μmであるリチウムニッケル複合酸化物:LiNi0.82Co0.15Al0.03を用い、この材料にSb化合物を反応させて、Sb表面修飾リチウムニッケル複合酸化物を製造した。
【0102】
具体的には、Sb化合物を300mlビーカーに秤量し、アセトンを50ml程度入れて、撹拌して分散させた後に、リチウムニッケル複合酸化物を入れて撹拌しながら、アセトンを蒸発させた。最後に、120℃オーブン中で加熱して完全に乾固させた。乾燥後のSb化合物とリチウムニッケル複合酸化物との混合物は、凝集しているため、これを薬さじで軽く崩して粉体状とした。得られた混合粉をアルミナ製焼成皿に入れて、酸素気流中で700℃×4時間焼成することによりSb表面修飾リチウムニッケル複合酸化物を得た。
【0103】
正極材1の製造において用いたSb化合物は、一次粒子平均粒径が0.02μmのSb(日本精鉱(株)製PATOX−U)であり、このSb化合物をリチウムニッケル複合酸化物に対して、0.01,0.05,0.1,0.5,1,2,3,5,及び7mol%となるようにそれぞれ添加した。
このようにして得られた、Sbの仕込量が異なる正極剤を表−1のように呼ぶ。
【0104】
【表1】

Figure 2004047449
【0105】
[正極剤2の製造]
正極剤1の製造において、リチウムニッケル複合酸化物として、一次粒径が1μmであるLiNi0.8Co0.2及びLiNi0.7Co0.2Mn0.1をそれぞれ用いたこと、及びSbの仕込量をリチウムニッケル複合酸化物に対して1mol%とした以外は、正極剤1と同様にして正極剤2を製造した。
【0106】
このようにして得られた正極剤2のうち、リチウムニッケル複合酸化物としてLiNi0.8Co0.2を用いたものを正極剤2aとし、LiNi0.7Co0.2Mn0.1を用いたものを正極剤2bとした。
[正極剤3の製造]
正極剤1の製造において、Sb化合物としてトリフェニルアンチモンを用いたこと、及びトリフェニルアンチモンの仕込量をリチウムニッケル複合酸化物に対して0.5mol%とした以外は、正極剤1と同様にして正極剤3を製造した。[正極剤4の製造]
正極剤1の製造において、一次粒子平均粒径が0.02μmのSb(日本精鉱(株)製PATOX−U)、一次粒子平均粒径が0.5μmのSb(日本精鉱(株)製PATOX−M)、一次粒子平均粒径が1μmのSb(日本精鉱(株)製PATOX−C)、一次粒子平均粒径が3μmのSb(日本精鉱(株)製PATOX−P)、一次粒子平均粒径が8μmのSb(日本精鉱(株)製PATOX−L)をそれぞれ必要に応じて粉砕して、一次粒径がそれぞれ0.004μm、0.008μm、0.02μm、0.5μm、1.6μm、3.2μm、5μm、8μmであるSbをSb化合物としたこと、及びSbの仕込量をリチウムニッケル複合酸化物に対して1mol%とした以外は、正極剤1と同様にして正極剤4を製造した。
【0107】
このようにして得た正極剤4のうち、一次粒径の異なるSbを用いた正極剤を表−2のように呼ぶ。
【0108】
【表2】
Figure 2004047449
【0109】
[正極剤5の製造]
正極剤1の製造において、Sb化合物をトリフェニルアンチモンとしたこと、トリフェニルアンチモンの仕込量をリチウムニッケル複合酸化物に対して0.5molとしたこと、及び粉末状のリチウムニッケル複合酸化物を入れた焼成皿と粉末状のトリフェニルアンチモンを入れた焼成皿とをそれぞれ同じ炉内に置き、酸素気流中で加熱してトリフェニルアンチモンを気化させてリチウムニッケル複合酸化物と反応させたこと以外は、正極剤1の製造と同様にして正極5を製造した。
[正極剤6の製造]
正極剤1の製造において、Sbの仕込量をリチウムニッケル複合酸化物に対して1.0mol%としたこと、及び焼成を600℃と700℃でそれぞれ行ったこと以外は、正極剤1の製造と同様にして正極剤6を製造した。
【0110】
このようにして得た正極剤6のうち、焼成温度を600℃としたものを正極剤6a、焼成温度を700℃としたものを正極剤6bとした。
[正極剤1’、正極剤2a’、正極剤2b’]
正極剤1の製造で用いた、一次粒径が0.6〜0.8μmであるリチウムニッケル複合酸化物:LiNi0.82Co0.15Al0.03を正極剤1’とする。
【0111】
正極剤2の製造で用いた、一次粒径が0.5〜1μmであるLiNi0.8Co0.2及びLiNi0.7Co0.2Mn0.1をそれぞれ正極剤2a’、正極剤2b’とする。
つまり、正極剤1’、2a’、及び2b’は、Sb化合物で処理していない未処理のリチウムニッケル複合酸化物となっている。
(2)正極の製造
[正極1の製造]
上記のようにして得られた正極剤1〜6及び正極剤1’、2a’、2b’を用いて、正極1を製造した。その方法を以下に示す。
【0112】
まず、以下の組成をプラネタリーミキサータイプの混練機により2時間混練し正極塗料を製造した。
【0113】
【表3】
Sb表面修飾リチウムニッケル複合酸化物又は未処理のリチウムニッケル複
合酸化物                           85重量部
アセチレンブラック                    10重量部
ポリフッ化ビリニデン                  5重量部
N−メチル−2−ピロリドン            80重量部
次に上記の正極塗料を15μm厚のアルミニウム集電体基材上に、エクストルージョン型のダイコーティングによって塗布、乾燥し、活物質がバインダーによって集電体上に結着された正極材料層を製造した。ついで、ロールプレス(カレンダー)をもちいて圧密することによって電極シートを製造した。この後、電極シートから電極を切り出し、正極1とした。
[正極2の製造]
上記のようにして得られた正極剤1〜6及び正極剤1’、2a’、2b’を用いて、正極2を製造した。その方法を以下に示す。
【0114】
まず、以下の組成をプラネタリーミキサータイプの混練機により2時間混練し正極塗料を製造した。
【0115】
【表4】
Sb表面修飾リチウムニッケル複合酸化物又は未処理のリチウムニッケル複
合酸化物                                  45重量部
リチウムコバルト複合酸化物(LiCoO)    45重量部
アセチレンブラック                           5重量部
ポリフッ化ビニリデン                         5重量部
N−メチル−2−ピロリドン                   80重量部
次に上記の正極塗料1を15μm厚のアルミニウム集電体基材上に、エクストルージョン型のダイコーティングによって塗布、乾燥し、活物質がバインダーによって集電体上に結着された正極材料層を製造した。ついで、ロールプレス(カレンダー)をもちいて圧密することによって電極シートを製造した。この後、電極シートから電極を切り出し、正極2とした。
(3)負極の製造
[負極の製造]
最初に以下の組成を、プラネタリーミキサータイプの混練機により2時間混練し負極塗料とした。
【0116】
【表5】
グラファイト(粒径15μm)                 90部
ポリフッ化ビニリデン                         10部
N−メチル−2−ピロリドン                 100部
次に上記の負極塗料を20μm厚の銅集電体基材上にエクストルージョン型のダイコーティングによって塗布、乾燥し、活物質がバインダーによって集電体上に結着された負極材料層を製造した。ついで、ロールプレス(カレンダー)を用い圧密することによって電極シートを作製した。この後、電極シートから電極を切り出し、負極とした。
[正極・負極材料層の比]
上記の正極1、正極2、及び負極の製造においては、(正極の充電容量)/(負極の充電容量)=0.93となるように、正極材料層及び負極材料層の膜厚を調整した。ここで、負極の充電容量は、対極Liを用い1.5V〜3mVまで充電したときの負極単位体積あたりの容量(mAh/g)を基準とした。
(4)電解質の製造
[電解質層形成用の塗料1の製造]
電解質にポリマーを含有するリチウム二次電池を作製する場合には、下記組成を混合・攪拌して、電解質層形成用の塗料1を製造した。
【0117】
【表6】
1M濃度のLiPFをリチウム塩として含有するエチレンカーボネート及
びプロピレンカーボネートの混合液(体積比率;エチレンカーボネート:プ
ロピレンカーボネート=1:1)                 925部
テトラエチレングルコールジアクリレート              44部
ポリエチレンオキシドトリアクリレート                22部
重合開始剤                                          2部
添加剤(無水コハク酸)                              9部
[電解液1の製造]
1M濃度のLiPFをリチウム塩として溶解したエチレンカーボネート(EC)、ジメチルカーボネート(DMC)、及びエチルメチルカーボネート(EMC)の混合液(体積比EC:DMC:EMC=30:35:35)を電解液1とした。
[電解液2の製造]
1M濃度のLiPFをリチウム塩として溶解したエチレンカーボネート(EC)及びジエチルカーボネート(DEC)の混合液(体積比EC:DEC=50:50)を電解液2とした。
(5)リチウム二次電池の製造
[液系リチウム二次電池1、2の製造]
上記のようにして準備した正極1と負極とを高分子多孔質フィルム製セパレーターを介して積層し、さらに正極及び負極それぞれの電極端子部に電流を取り出すリード線を接続して、電池積層体を製造した。
【0118】
こうして得られた電池積層体を、アルミニウム膜の両面を樹脂層で被覆したラミネートフィルムを対向成形した袋状ケースに収容後、電解液1又は2を注入し、電解液を正極、負極、及びセパレーターに含浸させた。
2枚のポリエチレン製テープで電極端子部を挟み(端子部の短絡防止のため)、減圧シールで封口後、リード線を取り出した辺をを除くシール部を電池外装材側面に沿うように折曲した。折曲されたシール部は外装材被包部側面に市販のエポキシ系接着剤で接着した。このうにして、製造した平板状の液系リチウム二次電池のうち、電解液1を用いたリチウム二次電池を液系リチウム二次電池1、電解液2を用いたリチウム二次電池を液系リチウム二次電池2とした。
[ポリマー系リチウム二次電池1の製造]
上記のようにして準備した正極2、負極に、上記のようにして準備した電解質層形成用の塗料1を塗布し、別途電解質層形成用の塗料1に浸した高分子多孔質フィルム(スペーサー)を用意し、このフィルムを正極2と負極との間に挟んだ後、90℃で10分加熱することにより、電解質層形成用の塗料中のテトラエチレングルコールジアクリレート及びポリエチレンオキシドトリアクリレートを重合させた。これによって、活物質とバインダーを含み集電体上に形成された正極、負極を有し、該正極と負極との間に非流動化された電解質層を有する平板状の単位電池要素を作製した。このようにして得たポリマーを含有する電解質をポリマー電解質1という
次に、この単位電池要素の正極及び負極それぞれの電極端子部に電流を取り出すリード線を接続した後、これをアルミニウム膜の両面を樹脂層で被覆したラミネートフィルムを対向成形した袋状ケースに収容した。その後、2枚のポリエチレン製テープで電極端子部を挟み(端子部の短絡防止のため)、ラミネートフィルムを真空シールで封入後、リード線を取り出した辺を除くシール部を電池外装材側面に沿うように折曲した。折曲されたシール部は外装材被包部側面に市販のエポキシ系接着剤で接着して平板状のポリマー系リチウム二次電池1を製造した。
(6)XPS分析
Sbで表面を修飾した、Sb表面修飾リチウムニッケル複合酸化物である正極剤1c及び1eについては、その表面のSb濃度を測定するために、それぞれの正極剤のXPS分析を行った。測定方法を以下に示す。
【0119】
金属板に両面テープを貼付け、その上に粉末状態の正極剤1c又は1eをテープが見えない厚みにふりかけ、表面が平滑になるよう圧着したものをホルダーに固定し、測定に供した。
XPS測定装置として、Physical Electronics社製のESCA−5500MCを用いた。そして、測定のための光源には単色化Al−Kα線(14kV、150W)を用いて、Ni2p,Co2p,Al2s,Sb3d3/2の各元素について下記条件にて測定を行った。尚、測定の際、帯電補正のために電子中和銃を用いた。
【0120】
PassEnergy:29.35eV
データ取込間隔:0.125eV/step
測定面積:0.8mm径
取出角:45度
得られた各測定元素の測定ピークにつき、それぞれ始点と終点とを決めて、シャーリー法で始点と終点とを結んだ。そして、始点と終点とを結んだ線とピークとに囲まれる面積を、各測定元素ごとに求め、これを各測定元素のピーク面積とした。Sb3d3/2の測定例を図1に示す。図1において、始点1は、Sb3d3/2ピークにおける結合エネルギーの低エネルギー側の裾が完全に平坦になった部分に取り、終点2は、高エネルギー側のピークの裾が完全に平坦になった部分に取った。このようにして決めた始点と終点とをシャーリー法を用いてベースライン3で結んで、ベースラインとピークとに囲まれる面積を、Sb3d3/2のピーク面積とした。このようにして求めた、正極剤1c及び1eの各測定元素のピーク面積を表−3に示す。
【0121】
次に、測定元素各々に決められた相対感度補正係数を用い、前記各々の測定元素のピーク面積をそれそれの元素の相対感度補正係で除して、各測定元素の補正後ピーク面積を求めた。このようにして得られた、正極剤1c及び1eの各測定元素の補正後ピーク面積を表−3に示す。尚、測定に用いたXPS測定装置(Physical Electronics社製のESCA−5500MC)における、各測定元素の相対感度補正係数は、以下の通りである。
【0122】
【表7】
Ni2p              : 3.653
Co2p              : 3.255
Al2s              : 0.288
Sb3d3/2        : 3.066
上記のようにして求められる、Sb3d3/2補正後ピーク面積、Ni2p補正後ピーク面積、Co2p補正後ピーク面積、及びAl2s補正後ピーク面積の値から、下記一般式(2)で表されるメタル濃度に対するSb濃度を算出した。このようにして得た正極剤1c及び1eのSb濃度は、Sbの仕込量が0.1mol%の正極剤1cが、4.5%、1mol%の正極剤1eが18.3%であった。
【0123】
【数4】
Sb濃度=[(Sb3d3/2補正後ピーク面積)/{(Sb3d3/2補正後
ピーク面積)+(Ni2p補正後ピーク面積)+(Co2p補正後ピーク面積)
+(Al2s補正後ピーク面積)}]×100・・・(2)
【0124】
【表8】
Figure 2004047449
【0125】
(7)リチウム二次電池の評価
[電池容量測定]
正極剤1’を使用して製造した正極1を用いた液系リチウム二次電池1の正極活物質である、LiNi0.82Co0.15Al0.03の単位重量当たりの容量が185mAh/gであったので、正極活物質1g当たりの1C’を185mAとし、各リチウム二次電池の放電容量を以下のように測定して、各リチウム二次電池の「本来の」1Cの値を求めた。すなわち、25℃のもと、0.5C’×(正極活物質重量)の定電流にて4.2Vまで充電した後、4.2Vにて電流値が25mAに減衰するまで定電圧充電を行った。その後、0.2C’×(正極活物質重量)の定電流にて2.7Vまで放電を行った際の容量を測定し、これをリチウム二次電池の放電容量αとした。そして、このようにして得られた放電容量α(mAh)のα(mA)を各々のリチウム二次電池の1Cとした。
【0126】
各リチウム二次電池の電池容量は、25℃のもと、0.5CmA定電流にて4.2Vまで充電した後、4.2Vにて電流値が25mAに減衰するまで定電圧充電を行った。その後、0.2CmAで2.7Vまで定電流放電を行った際の容量を測定し、これを各々のリチウム二次電池の電池容量とした。
[レート特性測定]
各リチウム二次電池を、25℃のもと、0.5CmA定電流にて4.2Vまで充電した後、4.2Vにて電流値が25mAに減衰するまで定電圧充電を行った。
【0127】
その後、液系リチウム二次電池1、2については、6C放電レートで2.7Vまで定電流放電を行い、得られた放電容量と、上記[電池容量測定]で得られた0.2C放電レート容量との割合をレート特性とした。
一方、ポリマー系リチウム二次電池1については、2C放電レートで2.7Vまで定電流放電を行い、得られた放電容量と、上記[電池容量測定]で得られた0.2C放電レート容量との割合をレート特性とした。
[インピーダンス測定]
solartron instruments社製のSI 1287 Electrochemical Interfaceと同社製SI1260 Impedance/Gain−Phase Analyzer とを組み合わせた装置を用いて 、25℃のもと、4.2V又は3.7Vまで充電した各リチウム二次電池のインピーダンスを25℃、周波数100KHz〜0.01Hzの領域で測定した。
[サイクル容量維持試験]
液系リチウム二次電池1を、25℃のもと、2Cで4.2Vまで定電流充電した後4.2Vにて電流値が25mAに減衰するまで定電圧充電を行って充電をした後、2Cで3.0Vまで定電流放電を行って放電を行った。この充放電を1サイクルとして400サイクルの充放電を行った。
【0128】
サイクル容量維持率は、各液系リチウム二次電池1における、1サイクル目の2C放電の容量に対する400サイクル後の2C放電における容量を計算することにより求めた。
[高温サイクル容量維持率試験]
ポリマー系リチウム二次電池1を、60℃のもと、4.2Vまで1.0Cで定電流充電した後4.2Vにて電流値が25mAに減衰するまで定電圧充電を行って充電をした後、1Cで3.0Vまで定電流放電を行って放電を行った。
【0129】
高温サイクル容量維持率は、各ポリマー系リチウム二次電池における、1サイクル目の1C放電の容量に対する400サイクル後の1C放電における容量を計算することにより求めた。
また、高温サイクル容量維持率試験前の電池のインピーダンスを上記[インピーダンス測定]に記した方法で25℃のもと、3.7Vまで充電した状態で測定した。更に、高温サイクル容量維持率試験後、25℃のもと、3.7Vまで充電した状態でインピーダンスを測定した。そして、得られた試験前後のインピーダンス値をそれぞれ用いて、(試験後のインピーダンス)/(試験前のインピーダンス)をインピーダンス変化として算出した。
[高温保存試験]
各リチウム二次電池を、25℃のもと、0.5CmA定電流にて4.2Vまで充電した後、4.2Vにて電流値が25mAに減衰するまで定電圧充電を行った。そしてこの充電状態におけるインピーダンスを測定した後、電池を60℃又は90℃の恒温槽中に入れ、所定時間放置した後に恒温槽より取り出した。そして、インピーダンス変化、残存容量測定、再充電後の電池容量測定、再充電後のレート特性測定を以下に記す方法で行った。
・インピーダンス変化
高温保存試験前の各リチウム二次電池のインピーダンスを上記[インピーダンス測定]に示した方法で行った。更に、高温保存試験後、恒温槽より取り出した状態におけるリチウム二次電池のインピーダンスを再度測定した。さらに、一旦前記リチウム二次電池を0.2CmAにて2.7Vまで放電した後、再度、0.5CmA定電流にて4.2Vまで充電した後、4.2Vにて電流値が25mAに減衰するまで定電圧充電を行って充電状態とし、この状態でリチウム二次電池のインピーダンスを測定した。
【0130】
高温保存試験前後のそれぞれインピーダンス値の比、すなわち、(試験後のインピーダンス)/(試験前のインピーダンス)をインピーダンス変化とした。また、高温保存試験前のインピーダンス値と高温保存試験後の再充電後のインピーダンス値との比、すなわち、(試験後再充電後のインピーダンス)/(試験前のインピーダンス)を再充電後のインピーダンス変化とした。
【0131】
尚、上記インピーダンス変化については、インピーダンス変化が1よりも若干小さい値に近ければ近いほど、インピーダンス変化が小さいことになる。また、上記再充電後のインピーダンス変化については、再充電後にインピーダンス変化が1に近ければ近いほど、インピーダンス変化が小さいことになる。その理由を以下に示す。
【0132】
すなわち、4.2V充電でリチウム二次電池を高温保存すると、自己放電による電圧低下が発生する。この電圧低下は、電解質がポリマーを含有するか又電解液のみから構成されるかといった電解質の種類の違いや、高温保存条件(保存時間、保存温度)に影響される。この自己放電による電圧低下は、液系リチウム二次電池を60℃×24hrs保存した場合は、通常0.5V程度であり、ポリマー系リチウム二次電池を90℃×4hrs保存した場合は、通常0.1V程度である。
【0133】
一方、リチウム二次電池の充電電圧に対するインピーダンス値の変化は次の通りである。すなわち、充電電圧が2.7Vから徐々に高くなるにつれインピーダンス値は徐々に低下していき、充電電圧が4V付近でインピーダンス値は最低値をとる。その後更に4.2Vまで充電電圧が上がるにつれ再度インピーダンスが上昇する。
【0134】
従って、高温保存試験におけるリチウム二次電池のインピーダンス変化が全くない場合には、高温保存後は、自己放電に伴う電圧低下によりインピーダンス値の低下が発生するため、高温保存直後のインピーダンス値は、高温保存試験前のインピーダンス値よりも若干小さい値となる。このため、上記インピーダンス変化については、インピーダンス変化が1よりも若干小さい値に近ければ近いほど、インピーダンス変化が小さいことを意味するのである。
【0135】
これに対し、リチウム二次電池を再度充電すれば、インピーダンス値は充電電圧が4.2Vの時の値に復帰する。よって、高温保存試験におけるリチウム二次電池のインピーダンス変化が全くない場合には、再充電後のインピーダンス変化は1になるはずである。このため、再充電後のインピーダンス値は、1に近ければ近いほど、インピーダンス変化が小さいことになるのである。
・残存容量測定
高温保存試験後に恒温槽より取り出した各リチウム二次電池を、0.2CmAで3Vまで放電し、その放電容量を残存容量とした。そして、高温保存試験前の電池容量に対する残存容量((残存容量/高温保存試験前の電池容量)×100)を残存容量率とした。
・再充電後の電池容量測定(容量回復率の測定)
上記残存容量測定後、0.2CmAにて2.7Vまで放電した後、再度、0.5CmA定電流にて4.2Vまで充電した後、4.2Vにて電流値が25mAに減衰するまで定電圧充電を行った。その後、0.2CmAで2.7Vまで定電流放電を行った際の容量を測定して、これを再充電後の電池容量とした。そして、高温保存試験前の電池容量に対する、前記再充電後の電池容量を容量回復率とした。
・再充電後の低温特性
液系リチウム二次電池については、容量回復率を測定した後、25℃のもと、0.5CmA定電流にて4.2Vまで充電した後、4.2Vにて電流値が25mAに減衰するまで定電圧充電を行った。その後、25℃および−30℃で2.7Vまで1CmA放電を行った。その際の25℃での放電容量に対する−30℃での放電容量の割合((−30℃での放電容量/25℃での放電容量)×100)を再充電後の低温特性とした。
[低温特性試験]
液系リチウム二次電池については、25℃のもと、0.5CmA定電流にて4.2Vまで充電した後、4.2Vにて電流値が25mAに減衰するまで定電圧充電を行った。その後、25℃および−30℃で2.7Vまで1CmA放電を行った。その際の25℃での放電容量に対する−30℃での放電容量の割合((−30℃での放電容量/25℃での放電容量)×100)を低温特性とした。
[実施例1〜8、比較例1〜4]
表−4に示す電池構成を有するリチウム二次電池を製造した。
【0136】
【表9】
Figure 2004047449
【0137】
実施例1及び比較例1の各リチウム二次電池について、電池容量、レート特性、サイクル特性、及び低温出力特性を、それぞれ上記[電池容量測定]、[レート特性測定]、[サイクル容量維持試験]、及び[低温特性試験]に従って測定した。測定結果を表−5に示す。さらに、実施例1及び比較例1の各リチウム二次電池について、上記[高温保存試験]に従って、恒温槽内放置温度60℃・放置時間24時間の保存試験条件で高温保存試験を行い、インピーダンス変化、再充電後のインピーダンス変化、残存容量率、容量回復率、及び再充電後の低温特性をそれぞれ測定した。測定結果を表−5に示す。
【0138】
【表10】
Figure 2004047449
【0139】
表−5から、未処理のリチウムニッケル複合酸化物(比較例1)と比較して、Sbでリチウムニッケル複合酸化物表面を修飾することにより、インピーダンス変化、再充電のインピーダンス変化、及び高温保存試験後の再充電後の低温特性が改善されることがわかる。特に、Sbの仕込量が増加するにつれ、インピーダンス変化及び再充電後のインピーダンス変化が良好になっていくことがわかる。一方、電池容量、レート特性、及びサイクル容量維持率は、Sbの仕込量が増えるにつれ、徐々に低下していくことがわかる。これは、求められるリチウム二次電池の性能に合わせて、自由にリチウム二次電池を設計できることを意味する。すなわち、電池容量等をより重視するようなリチウム二次電池においては、Sbの仕込量を少なくすればよい。一方、高温環境下で使用されることが多く、高温保存時等のインピーダンス変化を小さくすることをより重視するようなリチウム二次電池においては、Sbの仕込み量を多くすればいいのである。
【0140】
実施例2及び比較例2の各リチウム二次電池について、電池容量、レート特性、サイクル特性、及び低温出力特性を、それぞれ上記[電池容量測定]、[レート特性測定]、[サイクル容量維持試験]、及び[低温特性試験]に従って測定した。測定結果を表−6に示す。さらに、実施例2及び比較例2の各リチウム二次電池について、上記[高温保存試験]に従って、恒温槽内放置温度60℃・放置時間24時間の保存試験条件で高温保存試験を行い、インピーダンス変化、再充電後のインピーダンス変化、残存容量率、及び容量回復率をそれぞれ測定した。測定結果を表−6に示す。
【0141】
【表11】
Figure 2004047449
【0142】
表−6から、リチウムニッケル複合酸化物をLiNi0.8Co0.2及びLiNi0.7Co0.2Mn0.1とし、その表面をそれぞれSbで表面修飾した場合、高温保存試験における残存容量率及び容量回復率を損なうことなく、インピーダンス変化及び再充電後のインピーダンス変化を大幅に抑制することができることがわかる。一方、Sbでの処理により、電池容量は低下するが、サイクル特性は損なわれず、レート特性及び低温特性はむしろ改善されていることがわかる。
【0143】
実施例3及び比較例1の各リチウム二次電池について、電池容量、レート特性、サイクル特性、及び低温出力特性を、それぞれ上記[電池容量測定]、[レート特性測定]、[サイクル容量維持試験]、及び[低温特性試験]に従って測定した。測定結果を表−7に示す。さらに、実施例3及び比較例1の各リチウム二次電池について、上記[高温保存試験]に従って、恒温槽内放置温度60℃・放置時間24時間の保存試験条件で高温保存試験を行い、インピーダンス変化、再充電後のインピーダンス変化、残存容量率、及び容量回復率をそれぞれ測定した。測定結果を表−7に示す。
【0144】
【表12】
Figure 2004047449
【0145】
表−7から、リチウムニッケル複合酸化物をトリフェニルアンチモンで表面修飾した場合、高温保存試験における残存容量率及び容量回復率を損なうことなく、インピーダンス変化及び再充電後のインピーダンス変化を大幅に抑制することができることがわかる。一方、トリフェニルアンチモンでの処理により、電池容量は低下するが、サイクル特性及びレート特性はほどんど損なわれず、低温特性はむしろ改善されていることがわかる。
【0146】
実施例4及び比較例3の各リチウム二次電池について、電池容量、及びレート特性を、それぞれ上記[電池容量測定]及び[レート特性測定]に従って測定した。測定結果を表−8に示す。次に、実施例4及び比較例3の各リチウム二次電池について、上記[高温保存試験]に従って、恒温槽内放置温度90℃・放置時間4時間の保存試験条件及び恒温漕内放置温度60℃・放置時間1週間でそれぞれ高温保存試験を行い、インピーダンス変化、再充電後のインピーダンス変化、残存容量率、及び容量回復率をそれぞれ測定した。測定結果を表−8に示す。さらに、実施例4及び比較例3の各リチウム二次電池について、高温サイクル試験を上記[高温サイクル容量維持率試験]に従って、高温サイクル容量維持率及びインピーダンス変化を測定した。測定結果を表−8に示す。
【0147】
【表13】
Figure 2004047449
【0148】
表−8から、ポリマー系リチウム二次電池においても、リチウムニッケル複合酸化物の表面をSbで修飾することにより、高温保存試験における、インピーダンス変化、再充電後のインピーダンス変化、残存容量率及び容量回復率が大幅に改善されることがわかる。特にSbの修飾量が増えるに従って、上記高温保存試験における各種特性がさらに改良されていくことがわかる。また、高温サイクル容量維持率試験における、高温サイクル容量維持率及びインピーダンス変化もSbの表面修飾量が増えるに従って、良好になっていくことがわかる。一方、電池容量及びレート特性は、Sbの仕込量が増えるにつれ、徐々に低下していくことがわかる。これは、求められるリチウム二次電池の性能に合わせて、自由にリチウム二次電池を設計できることを意味する。
【0149】
実施例5の各リチウム二次電池について、電池容量、レート特性、サイクル特性、及び低温出力特性を、それぞれ上記[電池容量測定]、[レート特性測定]、[サイクル容量維持試験]、及び[低温特性試験]に従って測定した。測定結果を表−9に示す。さらに、実施例5の各リチウム二次電池について、上記[高温保存試験]に従って、恒温槽内放置温度60℃・放置時間24時間の保存試験条件で高温保存試験を行い、インピーダンス変化、再充電後のインピーダンス変化、残存容量率、及び容量回復率をそれぞれ測定した。測定結果を表−9に示す。
【0150】
【表14】
Figure 2004047449
【0151】
表−9から、実施例5の電池構成においては、リチウムニッケル複合酸化物の一次粒径に対するSb化合物の一次粒径が0.01〜4の範囲に、電池容量、サイクル特性、及び低温特性、並びに高温保存試験後のインピーダンス変化、再充電後のインピーダンス変化、残存容量、及び容量回復率の各種性能を最適にするような一次粒径比が存在することがわかる。
【0152】
実施例6及び比較例1の各リチウム二次電池について、電池容量、レート特性、サイクル特性、及び低温出力特性を、それぞれ上記[電池容量測定]、[レート特性測定]、[サイクル容量維持試験]、及び[低温特性試験]に従って測定した。測定結果を表−10に示す。さらに、実施例6及び比較例1の各リチウム二次電池について、上記[高温保存試験]に従って、恒温槽内放置温度60℃・放置時間24時間の保存試験条件で高温保存試験を行い、インピーダンス変化、再充電後のインピーダンス変化、残存容量率、容量回復率、及び再充電後の低温特性をそれぞれ測定した。測定結果を表−10に示す。
【0153】
【表15】
Figure 2004047449
【0154】
表−10から、トリフェニルアンチモンを気相法によりリチウムニッケル複合酸化物の表面に修飾することにより、サイクル容量維持率、低温特性、並びに高温保存試験におけるインピーダンス変化、再充電後のインピーダンス変化、残存容量率、容量回復率、及び再充電後の低温特性の各種特性が改良されることがわかる。一方、トリフェニルアンチモンを気相法によりリチウムニッケル複合酸化物の表面に修飾することにより、電池容量は若干低下するが、レート特性はほぼ同等であるため、電池性能のバランスが非常に良好なリチウム二次電池を得ることができるといえる。
【0155】
実施例7の各リチウム二次電池について、電池容量、レート特性、サイクル特性、及び低温出力特性を、それぞれ上記[電池容量測定]、[レート特性測定]、[サイクル容量維持試験]、及び[低温特性試験]に従って測定した。測定結果を表−11に示す。さらに、実施例7の各リチウム二次電池について、上記[高温保存試験]に従って、恒温槽内放置温度60℃・放置時間24時間の保存試験条件で高温保存試験を行い、インピーダンス変化、再充電後のインピーダンス変化、残存容量率、容量回復率、及び再充電後の低温特性をそれぞれ測定した。測定結果を表−11に示す。
【0156】
【表16】
Figure 2004047449
【0157】
表−11から、実施例7の電池構成においては、Sbの融点656℃以下の温度(600℃)で焼成を行うと、前記融点以上の温度(700℃)で焼成した場合と比較して、低温特性、並びに高温保存試験におけるインピーダンス変化、再充電後のインピーダンス変化、残存容量率、容量回復率、及び再充電後の低温特性の各種特性が十分でないことが分かる。これは、焼成温度がSb化合物の融点よりも低い場合には、リチウムニッケル複合酸化物表面をSb化合物で修飾することによる効果が十分に発揮されない場合があることを意味する。しかしながら、焼成温度600℃のリチウム二次電池においては、電池容量やサイクル容量維持率はかえって良好となるため、求められるリチウム二次電池の性能に合わせて焼成温度を変化させてやれば、リチウム二次電池の性能を自由に設計できることを意味する。
【0158】
実施例8及び比較例4の各リチウム二次電池について、電池容量、レート特性、及び低温出力特性を、それぞれ上記[電池容量測定]、[レート特性測定]、及び[低温特性試験]に従って測定した。測定結果を表−12に示す。さらに、実施例8及び比較例4の各リチウム二次電池について、上記[高温保存試験]に従って、恒温槽内放置温度60℃・放置時間24時間の保存試験条件で高温保存試験を行い、インピーダンス変化、再充電後のインピーダンス変化、残存容量率、容量回復率、及び再充電後の低温特性をそれぞれ測定した。測定結果を表−12に示す。
【0159】
【表17】
Figure 2004047449
【0160】
表−12から、ECとDECとの混合溶媒を用いた電解液において、リチウムニッケル複合酸化物の表面をSbで修飾すると、レート特性を損なうことなく、低温特性並びに高温保存試験におけるインピーダンス変化、再充電後のインピーダンス変化、残存容量率、容量回復率、及び再充電後の低温特性の各種特性が改良されることがわかる。
[実施例9]
LiNi0.82Co0.15Al0.03で表される、平均二次粒子径11μm(平均一次粒子径1μm)の正極活物質粉末に対し、平均一次粒子径0.5μmのSb粉末(日本精鉱(株)製 PATOX−M)を、0.75mol%相当となる様に添加し、密閉した容器中で十分に振とう混合した後、酸素気流中、680℃にて2Hr焼成を行った(サンプル名称:「0.75mol%処理Sbサンプル」)。また、同じ正極活物質粉末と、Sb粉末を、Sb粉末の添加量を2.0mol%となる様にした点を除いては、前述のものと同様に混合、焼成したサンプルを得た(サンプル名称:「2.0mol%処理Sbサンプル」)。
得られた、0.75mol%処理Sbサンプル及び2.0mol%処理Sbサンプルに加え、Sbの添加及び焼成を施していない正極活物質粉末(サンプル名称:「未処理サンプル」)に関し、以下記載の方法で、TPD−MS分析を実施した。
・TPD−MS分析法
粉末状の、未処理サンプル、0.75mol%処理Sbサンプル、及び2mol%処理Sbサンプル約50mgをそれぞれ精秤後以下の処理を行った。
粉末状のサンプルをパイロライザーに充填し、Heガス(80ml/min.)中で400℃30分加熱し、塩基点上に吸着しているガスを除去する。
その後、100℃に降温し、系内を約10−2torrまで真空排気した後、約70torrのCOを導入し、サンプル表面の塩基点にCOを15分間飽和吸着させる。飽和吸着させるために時間は15分必要である。
次に、100℃で約10−2torrまで真空排気し、雰囲気中に残留するCO、や物理吸着しているCOを除去した後に、Heフロー(200ml/min.)処理後、室温に戻す。
室温から900℃まで10℃/min.で昇温し、昇温時に発生するCO量の温度プロファイルを測定する。これによって、塩基点に吸着したCOの吸着状態すなわち塩基性を評価した。
そして、得られたCO量の温度プロファイルにおいて、100〜360℃付近に観測されたピークトップの温度を求めた。測定結果を図2に示す。図2からわかるように、未処理サンプル、0.75mol%処理Sbサンプル、及び2mol%処理SbサンプルのCO脱離ピークトップ温度は、未処理サンプルが270℃、0.75mol%処理Sbサンプル及び2mol%処理Sbサンプルが230℃であった。
以上の結果から、Sbの複合酸化物で修飾した正極剤は、未処理に比べて、塩基性が低下することがわかる。
【0161】
【発明の効果】
本発明によれば、各種の電池特性が非常に高いレベルで満足されるリチウム二次電池を提供する表面修飾リチウムニッケル複合酸化物及びその製造方法を得ることができる。
特に、高温保存した際又は高温環境下で充放電を繰り返した際のインピーダンス変化が良好に抑制されるリチウム二次電池を提供する表面修飾リチウムニッケル複合酸化物及びその製造方法を得ることができる。
また、本発明によれば、高温保存後の残存容量率、容量回復率、及び再充電後の低温特性に優れ、高温サイクル試験における容量維持率の高いリチウム二次電池を提供する表面修飾リチウムニッケル複合酸化物及びその製造方法を得ることができる。
さらに、本発明によれば、電池容量、レート特性、サイクル容量維持率、及び低温特性に優れるリチウム二次電池を提供する表面修飾リチウムニッケル複合酸化物及びその製造方法を得ることができる。そして、本発明によれば、リチウム二次電池がポリマー系リチウム二次電池である場合には、高温保存によるガス発生も大幅に抑制することができるリチウム二次電池を提供する表面修飾リチウムニッケル複合酸化物及びその製造方法を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】Sb3d3/2のXPS測定結果及びそのピーク面積の求め方を示す図である。
【図2】表面修飾リチウムニッケル複合酸化物のTPD−MS測定結果を示す図である。
【符号の説明】
1  始点
2  終点
3  ベースライン[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for producing a lithium nickel composite oxide whose surface is modified with a predetermined compound, and a positive electrode active material for a lithium secondary battery, a positive electrode material, and a lithium secondary battery using the same.
[0002]
[Prior art]
As a positive electrode active material used for a lithium secondary battery (in this specification, it may be simply referred to as a battery), a lithium transition metal composite oxide is expected to be promising. Among these lithium transition metal composite oxides, a lithium nickel composite oxide using nickel as a transition metal has attracted attention as a useful positive electrode active material because of its large battery capacity per unit weight. Actually, a lithium secondary battery using a lithium nickel composite oxide as a positive electrode active material can ensure a high capacity by setting the charging voltage to 4 V or more.
[0003]
Lithium secondary batteries are being adopted as power supplies for electric devices such as personal digital assistants (PDAs), portable personal computers, and mobile phones. However, in recent years, the power consumption of these electric devices tends to increase due to, for example, the establishment of technology for high-speed wired or wireless communication of large volumes of data such as moving images between the portable information terminals or mobile phones. is there. For this reason, it is desired to further increase the battery capacity of a lithium secondary battery used as a power supply.
[0004]
Further, adoption of a lithium secondary battery as a power source for an electric vehicle is also being studied. When used as a power source for automobiles, it is necessary to start an engine or accelerate suddenly, so that a lithium secondary battery is required to be able to take out a large current instantaneously.
As described above, by using the lithium nickel composite oxide, the energy density of the lithium secondary battery can be increased. Therefore, it is not only considered to adopt a lithium secondary battery using a lithium nickel composite oxide as a positive electrode active material as a power source for consumer devices such as portable information terminals, portable personal computers, and mobile phones, but also for automobiles. It is also being considered to adopt it as a power source for the system.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, a lithium secondary battery using a lithium nickel composite oxide has a higher thermal conductivity than a lithium secondary battery using another lithium transition metal composite oxide (eg, lithium cobalt composite oxide, lithium manganese composite oxide). There is a problem that stability is poor. Specifically, when a lithium secondary battery using a lithium nickel composite oxide is stored in a fully charged state at a high temperature (for example, 60 ° C./24 hours), or is repeatedly charged and discharged at a high temperature (for example, 60 ° C.), the positive electrode There is a problem that the impedance of the device increases. This increase in the impedance of the positive electrode causes deterioration of the battery characteristics such as deterioration of the rate characteristics of the lithium secondary battery, reduction of the low-temperature output, and reduction of the battery capacity. Therefore, it is very important to suppress an increase in the impedance of the positive electrode due to high-temperature storage and repeated charging and discharging at high temperatures.
[0006]
Actually, when a lithium secondary battery is used as a power source of a portable personal computer, the temperature of the personal computer is raised by heat generated by an electronic circuit in the portable personal computer. May be exposed to the environment. When a lithium secondary battery is used as a power source of an automobile, the ambient temperature of the lithium secondary battery is always around 60 ° C. since the lithium secondary battery is usually installed in an engine room. Therefore, in order to make a lithium secondary battery using a lithium nickel composite oxide practically usable, it is very important to suppress an increase in impedance due to high-temperature storage or repeated charge / discharge at a high temperature. is there.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In view of the above circumstances, the present inventors have found that in a lithium secondary battery using a lithium nickel composite oxide as a positive electrode active material, while maintaining the high capacity that is an advantage of the lithium nickel composite oxide, (In the present specification, this may be referred to as “high-temperature cycle operation”). In order to suppress an increase in the impedance of the lithium secondary battery, intensive studies have been made. As a result, it has been found that a lithium secondary battery having no impedance rise even at high temperature storage and high temperature cycle operation can be obtained if at least a composite oxide of a predetermined element is present on the surface of the lithium nickel composite oxide. Completed the invention.
[0008]
That is, the first gist of the present invention is characterized in that after a compound of an element belonging to the 4A to 6A group and having an atomic weight of 28 or more is present on the surface of the lithium nickel composite oxide, the compound is fired. The present invention relates to a method for producing a surface-modified lithium nickel composite oxide. In the present invention, firing means that the above-mentioned compound is reacted by heat treatment at room temperature (25 ° C.) or higher.
A second gist of the present invention is a surface-modified lithium nickel composite oxide used as a positive electrode active material of a lithium secondary battery, wherein the surface of the lithium nickel composite oxide includes a Group 4A to 6A element of the periodic table. And a surface modified lithium-nickel composite oxide characterized by the presence of a composite oxide of an element having an atomic weight of 28 or more.
[0009]
Further, a third gist of the present invention resides in a positive electrode material for a lithium secondary battery, which contains the surface-modified lithium nickel composite oxide.
[0010]
Furthermore, a fourth gist of the present invention resides in a lithium secondary battery using the surface-modified lithium nickel composite oxide as a positive electrode active material.
The present inventors have found that when a lithium secondary battery using a lithium nickel composite oxide is stored at a high temperature, or when the charge and discharge are repeated at a high temperature, an increase in the impedance of the lithium secondary battery is caused by the lithium nickel composite oxide. It was attributed to the reactivity on the surface of the object. That is, compared to other lithium transition metal composite oxides, the lithium nickel composite oxide has a higher basicity and, therefore, has higher reactivity. It was presumed that a film was formed by oxidative decomposition on the oxide surface, and this film was a factor that caused an increase in impedance. Based on the above assumption, the present inventors have proposed that if the surface of a lithium nickel composite oxide is coated with some material or reacted with some material to suppress the activity of the surface, the lithium nickel composite oxide It is considered that the impedance rise can be suppressed even when the secondary battery is stored at a high temperature or when charge and discharge are repeatedly performed at a high temperature. Furthermore, since lithium nickel composite oxides generally have high basicity, if the basicity can be reduced by surface modification, improvement in battery performance is expected. From such a viewpoint, the present inventors considered that a substance which stably exists on the surface of the lithium nickel composite oxide is preferable as the above-mentioned material. However, the coating material or the reaction material may be stored at a high temperature without impairing battery characteristics such as impedance, battery capacity, rate characteristics, and low temperature characteristics in a normal state of a lithium secondary battery using a lithium nickel composite oxide. The material must be capable of suppressing an increase in impedance at the time of operation and during high-temperature cycle operation. The present inventors have conducted intensive studies on such a material, and as a result, as the material, an oxide or a composite oxide of an element in the periodic table 4A to 6A and having an atomic weight of 28 or more is preferable, and It has been found that among these compounds, oxides or composite oxides of Sb are particularly suitable.
[0011]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in more detail. First, a method for producing a surface-modified lithium nickel composite oxide will be described. Next, the surface-modified lithium nickel composite oxide will be described. Then, a lithium secondary battery using a surface-modified lithium nickel composite oxide as a positive electrode active material will be described.
(A) Method for producing surface-modified lithium nickel composite oxide
The surface-modified lithium-nickel composite oxide of the present invention is produced by allowing a compound of an element having a group of 4A to 6A and having an atomic weight of 28 or more to exist on the surface of the lithium-nickel composite oxide, followed by firing. You. In the present invention, the “surface-modified lithium-nickel composite oxide” includes a case where the existing compound is reacted on the surface of the lithium-nickel composite oxide by firing. In the present invention, when a surface-modified lithium nickel composite oxide is produced using an Sb compound as a predetermined compound, this surface-modified lithium nickel composite oxide may be particularly referred to as an Sb surface-modified lithium nickel composite oxide. is there.
In the present invention, the periodic table of elements in 1983 is used. That is, group 4A elements are C, Si, Ge, Sn, and Pb, group 5A elements are N, P, As, Sb, and Bi, and group 6A elements are O, S, Se, and Te. , And Po.
Hereinafter, the production method of the present invention will be described in more detail.
[0012]
(A-1) Lithium nickel composite oxide
The lithium nickel composite oxide used in the present invention is an oxide containing at least lithium and nickel. Examples of the lithium nickel composite oxide include α-NaFeO2LiNiO having a layered structure such as a structure2And a lithium nickel composite oxide such as As a specific composition, for example, LiNiO2, LiNi2O4And the like. In this case, the lithium nickel composite oxide may be one obtained by substituting a part of the site occupied by Ni with an element other than Ni. By substituting a part of the Ni site with another element, the stability of the crystal structure can be improved, and a decrease in capacity that occurs when a part of the Ni element moves to the Li site when repeatedly charged and discharged is reduced. As a result, the cycle characteristics are also improved. Further, by substituting a part of the Ni site with an element other than Ni, the heat generation start temperature of DSC (Differential Scanning Calorimetry) shifts to a higher temperature side. The thermal runaway reaction of the nickel composite oxide is also suppressed, and as a result, safety during high-temperature storage is improved.
[0013]
When a part of the site occupied by Ni is replaced with an element other than Ni, the element (hereinafter referred to as a substitution element) includes, for example, Al, Ti, V, Mn, Co, Li, Cu, Zn, Mg, Ga, Zr, and the like. Of course, the Ni site may be replaced by two or more other elements. Preferably, Al, Ti, Co, Li, Mg, Ga, and Mn are used, and Al, Ti, Co, and Mn are more preferable. By partially replacing the Ni element with Al, Ti, Co, and Mn, the effect of improving cycle characteristics and safety is enhanced.
[0014]
When the Ni site is substituted by the substitution element, the proportion is usually 2.5 mol% or more, preferably 5 mol% or more of the Ni element, and usually 50 mol% or less, preferably 30 mol% or less of the Ni element. . If the substitution ratio is too small, the effect of improving the cycle characteristics and the like may not be sufficient, and if it is too large, the capacity of the battery may decrease.
[0015]
Incidentally, the above composition may have a non-stoichiometric property such as a small amount of oxygen deficiency. Further, a part of the oxygen site may be substituted with sulfur or a halogen element.
In the present invention, the lithium nickel composite oxide is preferably a compound represented by the following general formula (1), which is unsubstituted or whose Ni site is substituted by Co and a predetermined element.
[0016]
Embedded image
LiαNiXCoYMZO2- βFβ(1)
In the general formula (1), α is a number that changes depending on the state of charge and discharge in the battery, and α is usually 0 or more, preferably 0.3 or more, more preferably 0.95 or more. , Usually 1.1 or less, preferably 1.08 or less. Within this range, high charge / discharge characteristics (sometimes referred to as cycle characteristics in this specification) are improved while maintaining high capacity. In particular, when α is set to 0.95 or more, the balance between the capacity and the cycle characteristics is better maintained.
[0017]
X is 0.1 or more, preferably 0.5 or more, more preferably 0.7 or more, while X is 1 or less, preferably 0.9 or less. Within this range, the cycle characteristics will be good while keeping the capacity high. From the viewpoint of capacity, it is preferable that X is close to 1, but it is particularly preferable that X be 0.7 or more and 0.9 or less in consideration of cycle characteristics.
[0018]
Y is 0 or more, preferably 0.05 or more, more preferably 0.1 or more, while 0.9 is 0.9 or less, preferably 0.4 or less, more preferably 0.3 or less. Within this range, safety as a lithium secondary battery can be secured while maintaining good cycle characteristics.
Z is 0 or more, preferably 0.01 or more, more preferably 0.05 or more, while Z is 0.8 or less, preferably 0.2 or less, more preferably 0.1 or less. Within this range, the safety as a lithium secondary battery can be ensured without reducing the battery capacity.
[0019]
Note that the above X, Y, and Z satisfy the relationship of 0.9 ≦ X + Y + Z ≦ 1.1, but are usually 1.0.
β is 0 or more, preferably 0.01 or more, while β is 0.5 or less, preferably 0.1 or less. Within this range, the lithium secondary battery is taken into the crystals of the lithium-nickel composite oxide, so that the safety as a lithium secondary battery can be enhanced.
[0020]
M is at least one selected from the group consisting of Li, Mg, Ca, Sr, Cu, Zn, Al, Ga, Ti, Zr, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, and Fe. . When M is at least one of the above elements, the safety as a lithium secondary battery can be improved. Preferably, M is at least one selected from the group consisting of Li, Mg, Al, Ga, Ti, Nb, Cr, Mo, Mn, and Fe. These elements have an advantage that they have an ionic radius close to that of Ni and are easily replaced with Ni, and are also easily available industrially. More preferably, M is at least one of Mn, Mg, Al, and Ga. This is because these elements are particularly easily available industrially. It is particularly preferable that M is Al or Mn. Al and Mn have the advantage of low cost.
[0021]
The specific surface area of the lithium nickel composite oxide used in the present invention is usually 0.01 m2/ G or more, preferably 0.1 m2/ G or more, more preferably 0.3 m2/ G or more and usually 10 m2/ G or less, preferably 1 m2/ G or less, more preferably 0.7 m2/ G or less. When the specific surface area is within this range, the charge / discharge characteristics at a large current deteriorate due to the reduction of sites where lithium ions are intercalated and deintercalated while effectively suppressing gas generation during high-temperature storage. No more. The measurement of the specific surface area follows the BET method.
[0022]
The average secondary particle size of the lithium-nickel composite oxide used in the present invention is usually 0.1 μm or more, preferably 0.2 μm or more, more preferably 0.3 μm or more, most preferably 0.5 μm or more, and usually 300 μm or more. Or less, preferably 100 μm or less, more preferably 50 μm or less, and most preferably 20 μm or less. When the average secondary particle size is in the above range, high safety as a lithium secondary battery can be maintained while suppressing cycle deterioration of the battery. Further, since the internal resistance value of the battery can be reduced, the battery output can be increased.
[0023]
(A-2) A compound of an element belonging to Groups 4A to 6A and having an atomic weight of 28 or more
In the present invention, in order to suppress the reactivity of the surface of the lithium nickel composite oxide at a high temperature, the surface is coated or modified with a compound of a 4A to 6A group element having an atomic weight of 28 or more. In addition, it is necessary to make the active sites on the surface of the lithium nickel composite oxide inactive.
It is speculated that the decrease in stability at high temperatures of lithium secondary batteries using lithium nickel composite oxide as a positive electrode active material occurs because unreacted residual NiO reacts with the electrolyte during the synthesis of lithium nickel composite oxide. Is done. For this reason, it is preferable that the compound that coats or modifies the surface of the lithium nickel composite oxide is a compound that reacts with NiO to form a composite oxide during firing. From such a viewpoint, it is preferable to use, as the compound, a compound of an element belonging to Groups 4A to 6A and having an atomic weight of 28 or more. Among the 4A to 6A group elements, carbon and nitrogen are difficult to obtain a stable compound, and oxygen is originally contained in the lithium nickel composite oxide, so that the atomic weight among the 4A to 6A group elements is 28 or more. Element must be used.
Examples of such compounds include Si compounds, Ge compounds, Sn compounds, Pb compounds, P compounds, As compounds, Sb compounds, Bi compounds, S compounds, Se compounds, Te compounds, and Po compounds.
From the viewpoint that the composite oxide produced by reacting with NiO does not have combustion promoting properties, P compounds, Sb compounds, Bi compounds, and Te compounds are preferable, and Sb compounds or Bi compounds are more preferable. It is particularly preferable to use an Sb compound.
The Bi compound is not particularly limited, but is preferably a compound that finally exists as a bismuth composite oxide on the surface of the lithium nickel composite oxide as described above. Examples of such a compound include triphenylbismuth.
[0024]
Although the Sb compound used in the present invention is not particularly limited, antimony oxide, antimony halide, antimony sulfide, antimony selenide, antimony telluride, antimony acetate, antimony oxychloride, trimethoxyantimony, triethoxyantimony, tripropoxyantimony , Tributoxyantimony, triphenylantimony, and triphenylantimony dichloride. By using these Sb compounds, an increase in impedance of a lithium secondary battery using a lithium nickel composite oxide during high-temperature storage or the like can be favorably suppressed.
[0025]
Among the above compounds, examples of antimony oxide include Sb2O3, Sb2O4, Sb2O5And Sb2O5These antimony oxides are solid at room temperature and normal humidity. Examples of the antimony halide include antimony fluoride, antimony chloride, antimony bromide, and antimony iodide. These antimony halides are solid at room temperature. The properties of antimony sulfide, antimony selenide, and antimony telluride are powdery solids at room temperature and normal humidity, respectively. Antimony acetate, antimony oxychloride, and trimethoxyantimony are solid at room temperature and humidity. The properties of triethoxyantimony, tripropoxyantimony, and tributoxyantimony are liquid at normal temperature and normal humidity. The properties of triphenylantimony and triphenylantimony dichloride are solid at room temperature and normal humidity, respectively. In addition, in this specification, normal temperature means 25 degreeC, and normal humidity means 50% RH.
[0026]
Among these Sb compounds, more preferred is Sb2O3, Sb2O4, Sb2O5And Sb2O5Antimony oxide, antimony halide, antimony acetate, and triphenylantimony. By using these Sb compounds, the effects of the present invention can be more remarkably exhibited.
Of these Sb compounds, particularly preferred is Sb2O3, Antimony iodide, antimony acetate, and triphenylantimony. Sb2O3Since has a low melting point of 656 ° C., a uniform reaction can be completed by a reaction between a solid and a liquid at a decomposition temperature of the lithium nickel composite oxide (generally 780 to 800 ° C.) or lower. Further Sb2O3Is advantageous in that it is industrially produced in large quantities and is inexpensive. Antimony iodide has the advantage of being easily reacted as a gas. Further, even if the reaction is carried out as a gas, the generated gas is iodine, so that the safety is high and the adverse effect on the reactor material is small. Triphenylantimony not only has the advantage of being easily reacted as a gas, but also has the advantage that no dangerous gas is generated when reacted as a gas.
[0027]
(A-3) Method for Existing Compounds of Elements of Groups 4A to 6A and Having an Atomic Weight of 28 or More
In the method for producing a surface-modified lithium-nickel composite oxide of the present invention, a compound of an element belonging to the 4A to 6A group and having an atomic weight of 28 or more is present on the surface of the lithium-nickel composite oxide.
(1) Mixing ratio of a compound of a group 4A to 6A element having an atomic weight of 28 or more with a lithium nickel composite oxide
When a compound of a 4A to 6A element having an atomic weight of 28 or more is present on the surface of the lithium nickel composite oxide, a lithium nickel composite oxidation of a compound of a 4A to 6A element having an atomic weight of 28 or more is performed. The mixing ratio to the product is usually 0.001 mol% or more, preferably 0.01 mol% or more, more preferably 0.05 mol% or more, while it is usually 10 mol% or less, preferably 7 mol% or less, more preferably 5 mol%. Or less, particularly preferably 3 mol% or less, most preferably 2 mol% or less.
In particular, when an Sb compound is used as a compound of a 4A to 6A group element having an atomic weight of 28 or more, if the Sb compound is 0.05 mol% or more and 3 mol% or less with respect to the lithium nickel composite oxide, It is possible to obtain a battery capacity, a rate characteristic, and a low-temperature output characteristic substantially equal to those of an untreated lithium nickel composite oxide, while effectively suppressing an increase in impedance due to high-temperature storage or the like. When the amount of the Sb compound is set to 0.1 mol% or more and 2 mol% or less with respect to the lithium nickel composite oxide, it is possible to effectively suppress an increase in impedance due to high-temperature storage and the like, and at the same time to an untreated lithium nickel composite oxide. Battery capacity, rate characteristics, and low-temperature output characteristics.
[0028]
In the production of the surface-modified lithium nickel composite oxide, it is preferable that a compound of a 4A to 6A group element having an atomic weight of 28 or more is uniformly present on the surface of the particles of the lithium nickel composite oxide.
For example, when the compound of an element having an atomic weight of 28 or more that is a group 4A to 6A element is a powdery particle at room temperature, the element of the group 4A to 6A having an atomic weight greater than the primary particle diameter of the lithium nickel composite oxide is used. It is very preferable that the primary particle diameter of the compound of the element having a value of 28 or more is small. When the primary particle diameter of a compound of an element having an atomic weight of 28 or more that is a group 4A to 6A element is too large with respect to the primary particle diameter of the lithium nickel composite oxide, the compound partially covers the lithium nickel composite oxide surface. May not be able to be uniformly modified.
From such a viewpoint, the primary particle size ratio of the compound of an element having an atomic weight of 28 or more that is a group 4A to 6A element to the lithium nickel composite oxide is usually 0.005 or more, preferably 0.01 or more, more preferably Is 0.015 or more, while it is usually 5 or less, preferably 4 or less, more preferably 2 or less, and particularly preferably 1 or less.
In particular, when an Sb compound is used as a compound of a 4A to 6A group element having an atomic weight of 28 or more, if the primary particle size ratio of the Sb compound to the lithium nickel composite oxide is 0.01 or more, the Sb compound becomes a solid. When the powder is in the form of a powder, the Sb compound can be easily handled and the cost can be reduced. Further, when the primary particle size ratio is 0.015 or more, there is an advantage that a commercially available Sb compound can be used as it is. On the other hand, when the primary particle size ratio between the lithium nickel composite oxide and the Sb compound is 2 or less, the battery capacity, the rate characteristics, and the low-temperature output characteristics are each untreated while the impedance rise during high-temperature storage and the like is particularly effectively suppressed. There is an advantage that the performance can be equivalent to that of the case. Further, when the primary particle size ratio is 1 or less, there is an advantage that a commercially available Sb compound can be used as it is.
[0029]
(2) A method of presenting a compound of a 4A to 6A group element having an atomic weight of 28 or more
The method for causing a compound of an element having a group 4A to 6A element and an atomic weight of 28 or more to be present on the particle surface of the lithium nickel composite oxide is not particularly limited, but a wet method, a dry method, or a gas phase method is used. Is preferred.
(2-1) Wet method
The wet method is a method of dissolving or dispersing a compound of an element having an atomic weight of 28 or more that is a group 4A to 6A element in a solvent and dispersing a lithium nickel composite oxide in the solvent, thereby forming a group 4A to 6A element having an atomic weight of A method in which a compound of 28 or more elements is brought into contact with a lithium-nickel composite oxide in a solvent so that the compound is present on the surface of the lithium-nickel composite oxide.
In particular, when an Sb compound is used as a compound of a group 4A to 6A element having an atomic weight of 28 or more, the Sb compound is contacted with the lithium nickel composite oxide in a solvent to form the lithium nickel composite oxide. A method in which the Sb compound is present on the surface of a product can be exemplified.
[0030]
Here, as a solvent for dissolving or dispersing a compound of an element having an atomic weight of 28 or more that is a group 4A to 6A element, for example, acetone, methanol, ethanol, hexane, cyclohexane, toluene, and water are mentioned. Can be.
As a device for dispersing a compound of a group 4A to 6A element having an atomic weight of 28 or more in a solvent, any device capable of kneading and stirring while applying heat may be used. It is more preferable that the dispersing device has a function that can be added. As such an apparatus, a rotary evaporator can be mentioned in a laboratory. In addition, when a compound of an element having an atomic weight of 28 or more that is a group 4A to 6A element is dispersed in a solvent, a uniform slurry can be obtained by using a dispersing agent. It becomes easy to make the compounds of the above elements uniformly adhere to the surface of the lithium nickel composite oxide. Examples of the dispersant include a surfactant.
[0031]
As an apparatus for allowing a compound of an element having a group 4A to 6A element and having an atomic weight of 28 or more to be present on the surface of the lithium nickel composite oxide, for example, a group of elements belonging to the group 4A to 6A while moving particles of the lithium nickel composite oxide is used. A device capable of adhering a compound of an element having an atomic weight of 28 or more. Industrially, a dispersion solution (for example, a slurry) containing a compound of an element having an atomic weight of 28 or more that is a group 4A to 6A element is sprayed while spraying a lithium nickel composite oxide powder using a spray or the like. For example, a pan coating machine, a spray dryer and the like can be used.
[0032]
(2-2) Dry method
The dry method refers to a method in which a solid compound of an element having an atomic weight of 28 or more and a lithium nickel composite oxide particle (solid) is brought into contact with a solid 4A to 6A element without a solvent, and the solid 4A is mixed. By mixing a lithium nickel composite oxide particle with a compound of an element having an atomic weight of 28 to 6A that is a Group 4A to 6A element and having an atomic weight of 28 or more on the particle surface of the lithium nickel composite oxide. Is a method in which a compound of the element is present.
In particular, the dry process is preferably performed by bringing a compound of an element having a group of 4A to 6A and having an atomic weight of 28 or more into contact with the lithium-nickel composite oxide in a powder state, respectively. A compound of an element having an atomic weight of 28 or more, which is a group 4A to 6A element, is present on the surface. For example, when the compound of an element having an atomic weight of 28 or more that is a group 4A to 6A element is an Sb compound, the Sb compound is brought into contact with the lithium-nickel composite oxide in a powder state to convert the Sb compound into a lithium-nickel composite. What is necessary is just to exist on an oxide surface.
[0033]
(2-3) Gas phase method
Further, the vapor phase method is a method of contacting a group 4A to 6A element by bringing a compound of a gaseous group 4A to 6A element having an atomic weight of 28 or more into contact with solid lithium nickel composite oxide particles. Means that a compound of an element having an atomic weight of 28 or more is present on the surface of the lithium nickel composite oxide particles. The vapor phase method has an advantage that a compound of an element having a group of 4A to 6A and having an atomic weight of 28 or more can be easily uniformly present on the surface of the lithium nickel composite oxide.
In particular, as the vapor phase method, a compound of an element having a group of 4A to 6A and having an atomic weight of 28 or more is converted into a gaseous state, and the compound is brought into contact with the lithium nickel composite oxide to thereby form the lithium nickel composite oxide. This is a method in which a compound of an element belonging to the group 4A to 6A and having an atomic weight of 28 or more is present on the surface of the oxide.
For example, when an Sb compound is used as a compound of an element having an atomic weight of 28 or more that is a group 4A to 6A element, the Sb compound is made into a gaseous state and brought into contact with a lithium nickel composite oxide to form a lithium nickel composite oxide. What is necessary is just to make the Sb compound exist on the surface of the object. As a specific method, a method in which lithium nickel composite oxide particles are put in a furnace and gaseous Sb compound (for example, triphenylantimony) vapor is blown into the particles, or a solid lithium nickel composite oxide and A method in which both Sb compounds are placed in a furnace, the furnace is heated to vaporize the Sb compounds, and adhere to the surface of the lithium-nickel composite oxide.
[0034]
(A-4) Firing method
In the method for producing a surface-modified lithium-nickel composite oxide of the present invention, a compound of an element having a group of 4A to 6A and an atomic weight of 28 or more is present on the surface of the lithium-nickel composite oxide, and then calcined. . When calcination is performed, a compound of an element having an atomic weight of 28 or more that is a group 4A to 6A element becomes a composite oxide, and thus is firmly attached to the surface of the lithium nickel composite oxide.
(1) Firing temperature
First, the firing temperature is not particularly limited. Preferably, the calcination is carried out at a temperature equal to or higher than the melting point of a compound of an element belonging to the group 4A to 6A and having an atomic weight of 28 or more. In the case where a compound of an element having an atomic weight of 28 or more which is a group 4A to 6A element is present in a solid state on the surface of the lithium nickel composite oxide particles, the compound can be fired at a temperature not lower than the melting point of the compound. Is melted and the melt covers the lithium nickel composite oxide, and the reaction can be completed uniformly by a solid-liquid reaction. On the other hand, when calcined at a temperature equal to or lower than the melting point, a reaction between a solid compound of a group 4A to 6A element having an atomic weight of 28 or more and a solid lithium nickel composite oxide, that is, a solid-solid Because of the reaction, the reaction between the compound of an element having an atomic weight of 28 or more that is a group 4A to 6A element and the lithium nickel composite oxide is slow. It is difficult to make the compounds of the above elements uniformly exist on the surface of the lithium nickel composite oxide.
On the other hand, the firing temperature is preferably equal to or lower than the decomposition temperature of the lithium nickel composite oxide. If the firing temperature is higher than the decomposition temperature, the lithium-nickel composite oxide itself is decomposed, so that a compound of a 4A to 6A group element having an atomic weight of 28 or more is deposited on the surface of the lithium-nickel composite oxide. It may be difficult to firmly adhere. Here, the decomposition temperature of the lithium nickel composite oxide varies depending on its composition. That is, for example, when a part of the Ni site is replaced with Co or Al, the decomposition temperature of the lithium nickel composite oxide increases as the replacement amount increases. Further, the lithium nickel composite oxide is Li [Li0.2Ni0.4Mn0.4] O2In the case of the composition, the synthesis of the lithium-nickel composite oxide is performed at 900 ° C., and the baking with a compound of an element having an atomic weight of 28 or more which is a 4A to 6A element is preferably performed at 900 ° C. or less. . The composition (for example, LiNi0.82Co0.15Al0.03O2, LiNi0.8Co0.2O2And LiNi0.7Co0.2Mn0.1O2) Is considered to be the decomposition temperature around 780 ° C. (at least the temperature at which the battery performance starts to decrease). Therefore, at 780 ° C. or less, a compound of an element belonging to Group 4A to 6A and having an atomic weight of 28 or more (Sb compound) ) And firing. For example, in the examples, Sb is used as the Sb compound.2O3When is used, its melting point is 656 ° C., and 656 to 780 ° C. is the optimum temperature range for firing. However, it is considered that the reaction proceeds to some extent even if it takes time even at 656 ° C. or lower.
[0035]
From the above, since the firing temperature depends on the type and properties of the compound (Sb compound in the example) of the group 4A to 6A element having an atomic weight of 28 or more, the composition of the lithium nickel composite oxide, etc. Although it is difficult to define the temperature range uniquely, it is generally 400 ° C. or higher, preferably 500 ° C. or higher, more preferably 656 ° C. or higher, while generally 850 ° C. or lower, preferably 780 ° C. ° C or lower, more preferably 750 ° C or lower. Within this temperature range, a temperature range that is equal to or higher than the melting point of a compound of an element having a group of 4A to 6A and having an atomic weight of 28 or more and equal to or lower than the decomposition temperature of the lithium nickel composite oxide is easily secured.
[0036]
(2) Atmosphere during firing
The atmosphere for sintering the lithium-nickel composite oxide with a compound of an element having an atomic weight of 28 or more that is a group 4A to 6A element may be performed in the air, but is preferably performed in an oxygen atmosphere. That is. On the other hand, when a large amount of carbon dioxide gas or moisture is mixed in the firing atmosphere, the lithium nickel composite oxide itself may be deteriorated during firing, so that the carbon dioxide gas or moisture in the firing atmosphere is minimized. Is preferred.
[0037]
(3) Firing time
The firing time for firing the lithium nickel composite oxide with a compound of an element having an atomic weight of 28 or more that is a group 4A to 6A element depends on the firing temperature. That is, at the time of firing, it is a matter of the reaction rate whether or not the compound of the element of the periodic table 4A to 6A and having an atomic weight of 28 or more and the lithium nickel composite oxide sufficiently reacts. When the firing temperature is high, the firing time is short, while when the firing temperature is low, the firing time needs to be long.
[0038]
In addition, the firing time when firing a compound of an element having an atomic weight of 28 or more which is a group 4A to 6A element and a lithium nickel composite oxide depends on the scale at which firing is performed. In other words, it takes about 1 hour at the laboratory level such as 100 g scale, and about 2 hours at 1 kg scale. In the case of industrial production, the temperature of the furnace for firing and the temperature of the compound of the element of the periodic table 4A to 6A and having an atomic weight of 28 or more and the temperature of the lithium nickel composite oxide are substantially the same. Since some time is required before the firing, when determining the firing time, sufficient attention must be paid to the scale for firing.
[0039]
Further, the sintering time when sintering a lithium nickel composite oxide with a compound of an element having an atomic weight of 28 or more, which is a group 4A to 6A element, is based on an element having an atomic weight of 28 or more which is a group 4A to 6A element to be used. Depends on the type of compound. For example, Sb among Sb compounds as a compound of an element having an atomic weight of 28 or more which is a group 4A to 6A element2O3When is used, it is usually 1 minute or more, preferably 30 minutes or more, more preferably 1 hour or more, while it is usually 72 hours or less, preferably 12 hours or less, more preferably 6 hours or less.
[0040]
In particular, when the Sb compound is used as the compound of an element having an atomic weight of 28 or more which is a group 4A to 6A element, the firing time does not exceed a short time in consideration of productivity. Whether or not the reaction between the and the Sb compound is completed may vary depending on the mixed state. Therefore, the upper limit of the calcination time is determined by the productivity and the calcination temperature of the Sb surface-modified lithium nickel composite oxide. For example, when the calcination temperature is set to 700 ° C., setting the calcination time to 24 hours is considered to be sufficient. .
[0041]
(B) Surface-modified lithium nickel composite oxide
The surface-modified lithium-nickel composite oxide of the present invention is a surface-modified lithium-nickel composite oxide used as a positive electrode active material of a lithium secondary battery. It is necessary to have at least a compound oxide of an element having an atomic weight of 28 or more.
(B-1) A complex oxide of an element belonging to Groups 4A to 6A of the periodic table and having an atomic weight of 28 or more
The term “composite oxide of an element in the periodic table 4A to 6A having an atomic weight of 28 or more” includes an element of the group 4A to 6A in the periodic table having an atomic weight of 28 or more, oxygen, and other elements. Refers to a compound.
Examples of complex oxides of elements of the Periodic Tables 4A to 6A and having an atomic weight of 28 or more include, for example, Si, Ge, Sn, Pb, P, As, Sb, Bi, S, Se, Te, and Po. A composite oxide of the selected element can be given.
It is considered that NiO remaining without reacting at the time of synthesizing the lithium nickel composite oxide is a cause of promoting a decrease in stability at high temperature of the lithium secondary battery using the lithium nickel composite oxide as the positive electrode active material. In other words, in a high-temperature environment, the NiO and the electrolytic solution react on the surface of the lithium-nickel composite oxide to form a film or the like, and the stability of the lithium secondary battery at high temperatures is considered to be reduced. . Accordingly, if a compound of a group 4A to 6A element having an atomic weight of 28 or more reacts with NiO to form a composite oxide and reduce the amount of NiO present on the surface of the lithium nickel composite oxide, lithium It is presumed that the stability of the secondary battery at high temperatures can be improved.
From such a viewpoint, an element selected from P, Sb, Bi, and Te that is a group 4A to 6A element of the periodic table and that has an atomic weight of 28 or more is preferable, and more preferable is Sb or Bi. Yes, particularly preferred is Sb.
Preferred as a composite oxide of elements of the periodic table 4A to 6A and having an atomic weight of 28 or more include at least one of Li and Ni and an element of the periodic table 4A to 6A and an element having an atomic weight of 28 or more. And a composite oxide of oxygen, and particularly preferred are Ni, a composite oxide of oxygen and an element having an atomic weight of 28 or more, which is a Group 4A to 6A element, or Ni and Li, It is a composite oxide of oxygen with an element having an atomic weight of 28 or more which is a group 4A to 6A element in the periodic table.
For example, when Sb is used as an element in the periodic table 4A to 6A and having an atomic weight of 28 or more, it is preferable to use Ni or a composite oxide containing Ni and Li in addition to Sb and oxygen. It is preferable to contain Ni, or Ni and Li, because it is possible to reduce the amount of NiO, and in the firing step, the modifying material and the lithium nickel composite oxide containing Ni and Li This is because there is a high possibility of reaction.
As such a composite oxide, specifically, LiSbO2, NiSbO6, Li3SbO4, LiSbO3, Li3NiSb2O9And the like. From the viewpoint of the stability of the compound, it is preferable to use a composite oxide of Sb, oxygen, and Ni or Ni and Li. As such a composite oxide, specifically, NiSbO6, Li3NiSb2O9Can be mentioned.
On the surface of the lithium-nickel composite oxide, although there may be substances other than the composite oxide of elements in the periodic table 4A to 6A and having an atomic weight of 28 or more, a predetermined amount of the element in the periodic table 4A to 6A is used. If the composite oxide of an element having an atomic weight of 28 or more exists, the effect of the present invention is sufficiently exhibited. In order to sufficiently exhibit the effects of the present invention, the mixing ratio of the compound of an element having an atomic weight of 28 or more, which is a group 4A to 6A element in the periodic table with respect to the lithium nickel composite oxide, is adjusted to the above (A-3) It is preferable to set the range as described above.
(B-2) Lithium nickel composite oxide
As the lithium-nickel composite oxide used in the Sb surface-modified lithium-nickel composite oxide of the present invention, those similar to those described in the above (A-1) may be used. Further, as described in the above (A-1), a compound represented by the following general formula (1) is preferable as the lithium nickel composite oxide.
[0042]
Embedded image
LiαNiXCoYMZO2- βFβ(1)
(In the general formula (1), α, X, Y, Z, and β are 0 <α ≦ 1.1, 0.1 ≦ X ≦ 1, 0 ≦ Y ≦ 0.9, and 0 ≦ Z ≦ 0, respectively. 0.8, 0.9 ≦ X + Y + Z ≦ 1.1, 0 ≦ β ≦ 0.5 M is Li, Mg, Ca, Sr, Cu, Zn, Al, Ga, Ti, Zr, V , Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, and Fe.)
Here, preferable ranges of α, X, Y, Z, β, and M are the same as described in the above (A-1).
(B-3) Preferred embodiment of surface-modified lithium nickel composite oxide
(1) Regulation by X-ray photoelectron spectroscopy
When the surface-modified lithium-nickel composite oxide of the present invention is an Sb-surface-modified lithium-nickel composite oxide, it is preferable that M in the above general formula (1) be Al and X-ray photoelectron spectroscopy under the following measurement conditions. When measured by the method (X-ray @ photo-electron @ spectroscopy), the Sb concentration represented by the following formula (2) is 1% or more and 95% or less.
[0043]
(Equation 2)
Sb concentration = [(peak area after Sb3d3 / 2 correction) / {(after Sb3d3 / 2 correction)
Peak area) + (peak area after Ni2p correction) + (peak area after Co2p correction)
+ (Peak area after Al2s correction)}] × 100 (2)
(Measurement conditions for X-ray photoelectron spectroscopy)
1. Measurement of surface modified lithium nickel composite oxide
A double-sided tape is attached to a metal plate, and a surface-modified lithium-nickel composite oxide in a powder state is sprinkled on the metal plate so that the tape cannot be seen.
[0044]
The measurement is performed under the following conditions using a monochromatic Al-Kα ray (14 kV, 150 W) as a light source for the measurement. At the time of the measurement, an electron neutralizing gun is used for charge correction.
PassEnergy: 29.35 eV
Data acquisition interval: 0.125 eV / step
Measurement area: 0.8mm diameter
Extraction angle: 45 degrees
The measurement elements are Ni2p, Co2p, Al2s, and Sb3d3 / 2.
2. Measurement of Sb concentration
The start point and the end point of each peak of each measurement element are determined, and the start point and the end point are connected by the Shirley method. Then, the area surrounded by the line connecting the start point and the end point and the peak is determined for each measurement element, and this is defined as the peak area of each measurement element.
[0045]
Next, using the relative sensitivity correction coefficient determined for each of the measurement elements, the peak area of each of the measurement elements is divided by the relative sensitivity correction coefficient of each element. The peak area thus divided by the relative sensitivity correction coefficient is referred to as “post-correction peak area”.
In the Sb surface-modified lithium nickel composite oxide of the present invention, it is necessary that Sb on the surface of the lithium nickel composite oxide be present in a predetermined amount or more in order to react the Sb compound with the surface of the lithium nickel composite oxide to obtain the compound. is there. In the present invention, in order to confirm whether or not such an Sb surface-modified lithium nickel composite oxide is obtained, X-ray photovoltaic spectroscopy, which is an effective means for detecting information on the outermost surface of a substance, is used. .
[0046]
X-ray photoelectron spectroscopy is a technique in which a sample surface is irradiated with characteristic X-rays (Al Kα, Mg Kα, etc.) as a primary light source, and photoelectrons emitted from the excited sample surface are detected by an energy spectrometer. is there. The escape depth of photoelectrons is about 5 nm, which is an effective means for detecting information on the outermost surface of the measurement sample. The difference between the energy of the incident X-ray and the kinetic energy of the photoelectrons emitted from the excited sample surface represents the binding energy of the photoelectrons, and this binding energy is specific to the type of element. Further, the value of the binding energy is slightly shifted depending on the type of an adjacent element or the type of a chemical bond. By using the X-ray photoelectron spectroscopy, information on elemental qualification and chemical state can be obtained by utilizing the above phenomenon. Further, by comparing the peak areas derived from the respective constituent elements, the relative element composition can be known. In the present invention, the Sb concentration was estimated by determining the relative ratio of a predetermined element on the surface of the lithium nickel composite oxide.
[0047]
The XPS measurement of the surface-modified lithium nickel composite oxide in the present invention is specifically performed as follows.
First, a double-sided tape is attached to a metal plate, and a surface-modified lithium nickel composite oxide in a powder state is sufficiently sprinkled on the double-sided tape until the tape becomes invisible, and then the surface is smoothed. Thereafter, the double-sided tape to which the surface-modified lithium nickel composite oxide has been attached is fixed to a holder together with the metal plate, and is subjected to measurement.
[0048]
A monochromatic Al-Kα ray (14 kV, 150 W) is used as a light source for measurement. The measurement is carried out under the following conditions. At the time of the measurement, an electron neutralizing gun is used to correct the charge. Here, the reason that the charge correction by the electron neutralizing gun is necessary for the measurement is that the surface-modified lithium nickel composite oxide is not a completely conductive sample but is charged.
PassEnergy: 29.35 eV
Data acquisition interval: 0.125 eV / step
Measurement area: 0.8mm diameter
Extraction angle: 45 degrees
The XPS measurement is performed in the above measurement conditions, and the measurement elements are Ni2p, Co2p, Al2s, and Sb3d3 / 2.
[0049]
After the XPS measurement, the starting point and the ending point of each peak of the measured element in the obtained raw data are determined, and the starting point and the ending point are connected by the Shirley method. Here, the starting point and the ending point of the peak are set to a portion where the skirt of the peak becomes completely flat. This is because if the starting point and the ending point are determined in the middle of the tail of the peak, an accurate peak area may not be obtained. A specific example of how to determine the start point and the end point will be described with reference to FIG. FIG. 1 is an example of XPS measurement of the measurement element Sb3d3 / 2, in which the horizontal axis represents binding energy (BINDING @ ENERGY: eV) and the vertical axis represents signal intensity (N (E) / E: counts / s). In FIG. 1, the starting point 1 is located at a portion where the bottom of the binding energy in the Sb3d3 / 2 peak on the low energy side is completely flat. On the other hand, the end point 2 is located at a portion where the tail of the peak on the high energy side is completely flat. The start point and the end point determined in this way are connected by the baseline 3 using the Shirley method. Then, the area surrounded by the baseline and the peak is determined for each measurement element, and this is defined as the peak area of each measurement element. In FIG. 1, the peak area refers to the area of a hatched portion surrounded by a baseline and a peak.
[0050]
Next, using the relative sensitivity correction coefficient determined for each measurement element, the peak area of each measurement element is divided by the relative sensitivity correction coefficient of each element. Here, the reason why the peak area of each measurement element is divided by the relative sensitivity correction coefficient of each element is that it is necessary to consider the difference in the generation efficiency of each photoelectron. That is, the photoelectron generation efficiencies are not all the same. For example, when the elements A, B, and C exist at the same element ratio, the photoelectron A1s of the element A has a signal intensity of 100 while the photoelectron B1s of the element B has This is because the signal intensity is 80 (the generation efficiency is low), and the photoelectron C1s of the element C has the signal intensity 120 (the generation efficiency is high). Since the relative sensitivity ratio slightly differs depending on the measurement conditions and the measurement model, the device maker provides a value unique to each device as a correction coefficient. Therefore, even if the data of the peak area obtained from the raw data of the XPS measurement is used as it is, this data does not reflect the actual element ratio. For this reason, in the present invention, the relative sensitivity correction coefficient determined for each device as described above is used.
[0051]
The peak area thus divided by the relative sensitivity correction coefficient is referred to as “post-correction peak area”. That is, for example, the “peak area after Sb3d3 / 2 correction” is a value obtained by dividing the peak area indicated by oblique lines in FIG. 1 by the relative sensitivity correction coefficient of Sb3d3 / 2.
In the examples described later, 3.653 for Ni2p, 3.255 for Co2p, 0.288 for Al2s, and 3.066 for Sb3d3 / 2 were used as relative sensitivity correction coefficients. The relative sensitivity correction coefficient is a value determined by the X-ray photoelectron spectrometer used. In the examples described below, the X-ray photoelectron spectrometer uses ESCA-5500MC manufactured by Physical @ Electronics.
[0052]
From the values of the peak area after Sb3d3 / 2 correction, the peak area after Ni2p correction, the peak area after Co2p correction, and the peak area after Al2s correction determined as described above, the metal concentration represented by the following general formula (2) Is calculated with respect to.
[0053]
(Equation 3)
Sb concentration = [(Sb3d3 / 2 corrected peak area) / {(Sb3d3 / 2 corrected peak area) + (Ni2p corrected peak area) + (Co2p corrected peak area) + (Al2s corrected peak area)}] × 100 ・ ・ ・ (2)
In the present invention, the Sb concentration represented by the general formula (2) is 1% or more, preferably 2% or more, more preferably 5% or more, while 95% or less, preferably 70% or less. It is preferably at most 50%, particularly preferably at most 30%, most preferably at most 25%. Within the above range, it is possible to effectively suppress an increase in impedance at the time of high-temperature storage or the like.
(2) Heated thermal desorption / pyrolysis-spectrometry by mass spectrometry
Another preferred embodiment of the Sb surface-modified lithium nickel composite oxide of the present invention is a temperature-programmed thermal desorption / pyrolysis-mass spectrometry (Temperature \ Programmed \ Decomposition / Decomposition-Mass \ Spectroscopy: hereinafter simply referred to as TPD-MS) under the following measurement conditions. It may be described.) When measured, CO is in the range of 150 to 250 ° C.2Has a peak due to elimination of
(Measurement conditions of thermal desorption / pyrolysis-mass spectrometry at elevated temperature)
(A) A surface-modified lithium nickel composite oxide in a powder state is heated to about 400 ° C. in He gas, and then cooled to about 100 ° C.
Specifically, 50 mg of a powdery surface-modified lithium nickel composite oxide was precisely weighed, filled into a pyrolyzer, heated at 400 ° C. for 30 minutes in He gas (80 ml / min.), And then surface-modified lithium nickel The gas adsorbed on the composite oxide surface is removed, and the CO2The reproducibility of the adsorption state can be improved. (B) CO2To introduce CO into the surface of the surface-modified lithium nickel composite oxide2Is adsorbed.
Specifically, the temperature is lowered to 100 ° C.-2evacuate to about 70 torr and reduce CO2 to about 70 torr.2Into the surface of the surface-modified lithium nickel composite oxide (especially at the base point).2For 15 minutes. In order to perform the saturated adsorption, at least about 15 minutes are required.
(C) Thereafter, CO remaining in the atmosphere or the like2And then lower the temperature to around room temperature.
Specifically, at 100 ° C., about 10-2Evacuate to torr and remove CO remaining in the atmosphere2Adsorbed CO on the surface of surface-modified lithium nickel composite oxide2, And then returned to room temperature after He flow (200 ml / min.) Treatment.
(D) The temperature is raised to around 900 ° C., and CO generated when the temperature is raised2Measure the temperature profile of the volume.
Specifically, 10 ° C./min. And the CO generated at the time of temperature rise2Measure the temperature profile of the volume.
The TPD-MS is a technique of continuously introducing a gas generated when the temperature of a sample is continuously increased into a mass spectrometer and measuring a temperature profile of the generated gas. This method is an effective method for examining the state of chemical adsorption and the type of functional group because the process of decomposing and desorbing a sample can be measured. Specifically, it is possible to identify the adsorbed species and adsorption active sites by the number of peaks in the temperature profile, to compare the binding state from the desorption temperature, and to compare the number of surface active points or the amount of adsorption and the amount of functional groups from the amount of desorption. . Further, since a relatively large amount of sample can be analyzed, it is possible to analyze a very small amount of generated gas.
In the present invention, the reason why it is effective to use TPD-MS as an analysis method of the surface-modified lithium nickel composite oxide is as follows. That is, CO2CO after adsorption2By measuring the temperature profile of desorption, it is possible to examine the amount and distribution of base points present on the solid surface. In the lithium-nickel composite oxide, the base point present on the solid surface is considered to be a reaction point at a high temperature (a cause of deteriorating the characteristics of the lithium secondary battery at a high temperature). What is necessary is just to analyze the quantity and distribution of the base point with the surface modified lithium nickel composite oxide surface. Specifically, CO adsorbed saturated at the base site2The temperature distribution of thermal desorption of CO was examined, and CO in the surface-modified lithium nickel composite oxide was investigated.2If the desorption peak is shifted to a lower temperature side compared to the untreated lithium nickel composite oxide, the basicity of the surface-modified lithium nickel composite oxide is reduced (the high temperature characteristics of the lithium secondary battery). Has been improved).
Here, in the TPD-MS measurement, CO 22To measure the adsorption and desorption of2Is considered to specifically adsorb to the base site.
As described above, CO in the surface-modified lithium nickel composite oxide2The desorption peak may be shifted to a lower temperature side as compared with the untreated lithium nickel composite oxide, but the specific temperature range is as follows. That is, when TPD-MS is measured at 0 to 900 ° C., since the desorption temperature reflects the bonding state, CO 2 up to 300 ° C.2The profile is CO which is saturated at base point.2Desorption of CO2Profile is Li2CO3Generated by decomposition of CO2it is conceivable that.
Then, in the present invention, "CO in the range of 150 to 250 ° C.2The peak due to the desorption of "is a mass of 44 (CO 2) in TPD-MS measurement.2) Means that a peak (apex) is observed in a temperature region of 150 to 250 ° C. when the temperature dependence of the desorption amount is measured.
FIG. 2 shows TPD- of a lithium-nickel composite oxide surface-modified and an untreated lithium-nickel composite oxide obtained by performing a surface modification using an Sb compound as a compound of an element having an atomic weight of 28 or more, which is an element in the periodic table 4A to 6A. This is an MS measurement result (measured from 25 to 900 ° C.) (for details, see Examples described later). As can be seen from FIG. 2, the lithium-nickel composite oxide treated with the Sb compound at 0.75 mol% or 2 mol% has CO 2 around 220 to 230 ° C.2The peak due to desorption of is observed. On the other hand, the lithium-nickel composite oxide not treated with the Sb compound (untreated) gradually becomes CO2 around 220 ° C.2Is observed, but no peak (apex) exists in the temperature region of 150 to 250 ° C.
[0054]
(C) Lithium secondary battery
The Sb surface-modified lithium nickel composite oxide of the present invention is used as a positive electrode active material of a lithium secondary battery. A lithium secondary battery generally has a battery element having a positive electrode containing a positive electrode active material, a negative electrode, and an electrolyte, and a case for housing the battery element.
(C-1) Positive electrode, positive electrode active material, and positive electrode material
The positive electrode usually has a positive electrode material layer formed on a current collector, and the positive electrode material layer is composed of a positive electrode material. The positive electrode material contains a positive electrode active material capable of inserting and extracting Li, a binder and a conductive material described below.
In the present invention, an Sb surface-modified lithium nickel composite oxide is used as the positive electrode active material. Lithium-nickel composite oxide has the advantage of increasing the current capacity per unit weight, but has poor thermal stability and has the problem that the impedance of the lithium secondary battery increases during high-temperature storage or high-temperature cycle operation. . In the present invention, the increase in the impedance can be suppressed by modifying the surface of the lithium nickel composite oxide with the Sb compound.
[0055]
The positive electrode material for a lithium secondary battery of the present invention and the Sb surface-modified lithium nickel composite oxide used for the lithium secondary battery are as described in (B) above.
As the positive electrode active material, the Sb surface-modified lithium nickel composite oxide may be used alone, or may be used in combination with another lithium transition metal composite oxide. As such a lithium transition metal composite oxide, a lithium cobalt composite oxide can be given. The lithium-cobalt composite oxide is an oxide containing at least lithium and cobalt. Lithium-cobalt composite oxide is a useful cathode material having a flat discharge curve and excellent rate characteristics. Examples of the lithium-cobalt composite oxide include LiCoO having a layered structure.2And the like. The lithium-cobalt composite oxide may be one obtained by substituting some of the sites occupied by Co with an element other than Co. Replacing the Co site with another element may improve the cycle characteristics and rate characteristics of the battery. When a part of the site occupied by Co is replaced with an element other than Co, examples of the replacement element include Ti, Al, Ti, V, Mn, Li, Ni, Cu, Zn, Mg, Ga, Sb, and Ge. And preferably Ti, Al, Li, Ni, Mg, Ga, Sb, and Ge, and more preferably Ti, Al, and Mg. Note that the Co site may be substituted with two or more kinds of other elements.
[0056]
When the Co site is substituted by a substitution element, the proportion is usually 0.03 mol% or more of the Co element, preferably 0.05 mol% or more, and usually 30 mol% or less of the Co element, preferably 20 mol% or less. It is. If the substitution ratio is too small, the stability of the crystal structure may not be sufficiently improved. If the substitution ratio is too large, the capacity of the battery may decrease.
[0057]
Lithium-cobalt composite oxide usually has LiCoOO as a basic composition before charging.2However, as described above, a part of the Co site may be replaced with another element. In the above composition formula, a small amount of oxygen deficiency or indefiniteness may be present, and a part of oxygen sites may be substituted with sulfur or a halogen element. Further, in the above composition formula, the amount of lithium can be excessive or insufficient.
[0058]
The specific surface area of the lithium cobalt composite oxide is usually 0.01 m2/ G or more, preferably 0.1 m2/ G or more, more preferably 0.4 m2/ G or more and usually 10 m2/ G or less, preferably 5.0 m2/ G or less, more preferably 2.0 m2/ G or less. If the specific surface area is too small, the rate characteristics and the capacity will be reduced. If the specific surface area is too large, undesired reactions with the electrolyte and the like will be caused, and the cycle characteristics may be reduced. The measurement of the specific surface area follows the BET method.
[0059]
The average secondary particle size of the lithium-cobalt composite oxide is usually 0.1 μm or more, preferably 0.2 μm or more, more preferably 0.3 μm or more, most preferably 0.5 μm or more, and usually 300 μm or less, preferably It is 100 μm or less, more preferably 50 μm or less, and most preferably 20 μm or less. If the average secondary particle size is too small, the cycle deterioration of the battery may increase, or a problem may occur in safety. If the average secondary particle size is too large, the internal resistance of the battery may increase, making it difficult to output.
[0060]
Examples of the positive electrode active material that can be used in combination with the lithium nickel composite oxide in addition to the lithium cobalt composite oxide include transition metal oxides, various lithium transition metal composite oxides other than the above lithium cobalt composite oxide, and various transition metal sulfides. Inorganic compounds can be mentioned. Here, Fe, Mn, or the like is used as the transition metal. Specifically, MnO, V2O5, V6O13, TiO2Transition metal oxide powder such as, composite oxide powder of lithium and transition metal such as lithium manganese composite oxide, TiS2, FeS, MoS2And transition metal sulfide powders such as. These compounds may be partially substituted with elements in order to improve their properties. Organic compounds such as polyaniline, polypyrrole, polyacene, disulfide compounds, polysulfide compounds, and N-fluoropyridinium salts can also be used in combination. Naturally, these inorganic compounds and organic compounds may be mixed and used in combination. The particle size of the active material of these positive electrodes is usually 1 to 30 μm, preferably 1 to 10 μm. If the particle size is too large or too small, battery characteristics such as rate characteristics and cycle characteristics tend to decrease.
[0061]
(C-2) Negative electrode, negative electrode active material
The negative electrode used in the lithium secondary battery of the present invention is usually formed by forming a negative electrode material layer on a current collector, and in the negative electrode material layer, a negative electrode active material capable of inserting and extracting Li is usually used. contains.
Examples of the negative electrode active material include a carbon-based active material. Examples of the carbon-based active material include graphite and coal-based coke, petroleum-based coke, coal-based pitch carbide, petroleum-based pitch carbide, or carbide obtained by oxidizing these pitches, needle coke, pitch coke, and phenolic resin. And carbonized materials such as crystalline cellulose, and carbon materials partially graphitized thereof, furnace black, acetylene black, pitch-based carbon fibers, and the like. These carbon-based active materials can also be used in the form of a mixture with a metal, a salt thereof, or an oxide, or a coating. In addition to the carbon-based active material, examples of the negative electrode active material include oxides such as silicon, tin, zinc, manganese, iron, and nickel, and sulfates, and lithium metal, Li-Al, Li-Bi-Cd, and Li. A metal such as a lithium alloy such as —Sn—Cd, a lithium transition metal nitride, silicon, and tin can also be used. The particle size of these negative electrode active materials is usually 1 to 50 μm, preferably 5 to 30 μm. If it is too large or too small, the battery characteristics such as initial efficiency, rate characteristics, and cycle characteristics tend to decrease. Of course, two or more negative electrode active materials selected from the above may be used in combination.
[0062]
(C-3) Common items of positive electrode and negative electrode
The positive electrode material layer and the negative electrode material layer may contain a binder in addition to the positive electrode active material and the negative electrode active material. In the case of a binder based on 100 parts by weight of the active material, it is usually at least 0.01 part by weight, preferably at least 0.1 part by weight, more preferably at least 1 part by weight, usually at most 50 parts by weight, preferably at most 30 parts by weight, furthermore Preferably it is 15 parts by weight or less. If the amount of the binder is too small, it is difficult to form a strong positive electrode. If the amount of the binder is too large, the energy density and the cycle characteristics may decrease.
[0063]
Examples of the binder include alkane-based polymers such as polyethylene, polypropylene, and poly-1,1-dimethylethylene; unsaturated polymers such as polybutadiene and polyisoprene; polystyrene, polymethylstyrene, polyvinylpyridine, and poly-N-vinylpyrrolidone. Polymers having a ring such as; polymethyl methacrylate, polyethyl methacrylate, polybutyl methacrylate, polymethyl acrylate, polyethyl acrylate, polyacrylic acid, polymethacrylic acid, polyacrylamide and other acrylic derivative-based polymers; Fluorinated resins such as polyvinyl chloride, polyvinylidene fluoride and polytetrafluoroethylene; CN group-containing polymers such as polyacrylonitrile and polyvinylidene cyanide; polyvinyl acetate, polyvinyl alcohol Polyvinyl chloride, halogen-containing polymers such as polyvinylidene chloride; various resins such as a conductive polymer such as polyaniline can be used polyvinyl alcohol-based polymer. In addition, a mixture of the above-mentioned polymers and the like, a modified substance, a derivative, a random copolymer, an alternating copolymer, a graft copolymer, a block copolymer and the like can also be used. Also, inorganic compounds such as silicate and glass can be used. In the present invention, it is preferable to use a fluorine-based resin such as polyvinyl fluoride, polyvinylidene fluoride, and polytetrafluoroethylene.
[0064]
The weight average molecular weight of the binder is usually at least 1,000, preferably at least 10,000, more preferably at least 20,000, usually at most 5,000,000, preferably at most 1,000,000, more preferably at most 300,000. If it is too low, the strength of the coating film decreases, which is not preferable. If it is too high, the viscosity becomes high and it becomes difficult to form an active material layer.
[0065]
In addition, the positive electrode material layer and the negative electrode material layer may contain additives that exhibit various functions such as a conductive material and a reinforcing material, a powder, a filler, and the like, as necessary. The conductive material is not particularly limited as long as it is capable of imparting conductivity by being mixed in an appropriate amount with the above-mentioned active material, but usually, acetylene black, carbon black, carbon powder such as graphite, various metal fibers, foil and the like Is mentioned. As the reinforcing material, various inorganic and organic spherical or fibrous fillers can be used.
[0066]
In the present invention, the positive electrode material layer preferably contains an organic acid or a lithium salt of an organic acid. By including an organic acid or a lithium salt of an organic acid in the positive electrode material layer, the thermal stability of the lithium nickel composite oxide is further improved.
The organic acid is not particularly limited, for example, acetic acid, propionic acid, stearic acid, glyoxylic acid, pyruvic acid, acetoacetic acid, levulinic acid, phenylacetic acid, benzoylpropionic acid, benzoic acid, oxalic acid, malonic acid Succinic acid, glutaric acid, adipic acid, maleic acid, phthalic acid, trimellitic acid, polyacrylic acid, polymethacrylic acid, tricarballylic acid, benzenetricarboxylic acid, and the like. Further, the lithium salt of the organic acid is not particularly limited, and examples thereof include the lithium salt of the organic acid.
[0067]
The organic acid is particularly preferably a divalent or higher valent organic acid. When the valence is two or more, the stability at the time of high-temperature storage is further improved. Examples of the divalent or higher valent organic acid include a divalent organic acid and a trivalent organic acid. Examples of the divalent organic acid include an aliphatic saturated dicarboxylic acid, an aliphatic unsaturated dicarboxylic acid, an aromatic dicarboxylic acid, and the like. Specific examples of the aliphatic saturated dicarboxylic acid include oxalic acid, malonic acid, succinic acid, and glutaric acid. Specific examples of the aliphatic unsaturated dicarboxylic acid include maleic acid. Specific compounds of the aromatic dicarboxylic acid include, for example, phthalic acid and the like. Examples of the trivalent organic acid include tricarballylic acid and benzenetricarboxylic acid.
[0068]
The lithium salt of an organic acid is also preferably a lithium salt of a divalent or higher valent organic acid, and examples thereof include the lithium salts of the above divalent and trivalent organic acids.
As the organic acid, oxalic acid and succinic acid are particularly preferably used, and oxalic acid is most preferably used. These organic acids have a small molecular size and a great effect of improving the stability at high temperatures. As the lithium salt of an organic acid, it is preferable to use a lithium salt of oxalic acid or succinic acid, and it is more preferable to use a lithium salt of oxalic acid for the same reason as the above organic acid. By using the organic acid and / or the lithium salt of the organic acid and further modifying the surface of the lithium-nickel composite oxide with an Sb compound, the thermal stability of the lithium secondary battery of the present invention in a high-temperature environment is dramatically increased. To improve.
[0069]
The organic acid and / or lithium salt of the organic acid is usually 0.1 part by weight or more, preferably 0.2 part by weight or more, more preferably 0.3 part by weight or more based on 100 parts by weight of the positive electrode material layer. On the other hand, it is usually at most 1.0 part by weight, preferably at most 0.8 part by weight, more preferably at most 0.6 part by weight. When the amount of addition is in this range, the charge / discharge characteristics of the lithium secondary battery can be kept good while improving the thermal stability when stored in a high-temperature environment.
[0070]
As a material of the current collector used for the positive electrode and the negative electrode, usually, metals such as aluminum, copper, nickel, tin, and stainless steel, alloys of these metals, and the like can be used. In this case, the current collector of the positive electrode is usually aluminum, and the current collector of the negative electrode is usually copper. The shape of the current collector is not particularly limited, and examples thereof include a plate shape and a mesh shape. The thickness of the current collector is usually 1 to 50 μm, preferably 1 to 30 μm. If the thickness is too small, the mechanical strength will be weak, but if it is too thick, the battery will be large, occupying a large space in the battery, and the energy density of the battery will be small.
[0071]
The thickness of each of the positive electrode and the negative electrode is usually 1 μm or more, preferably 10 μm or more, and usually 500 μm or less, preferably 200 μm or less. Battery performance such as capacity and rate characteristics tends to decrease even if it is too thick or too thin.
The method for producing the positive electrode and the negative electrode is not particularly limited. For example, a slurry in which a solvent contains a positive electrode material for a lithium secondary battery including an active material and a binder and a conductive material used as needed is used as a current collector. And dried. Further, for example, it can also be manufactured by kneading an active material and a positive electrode material for a lithium secondary battery such as a binder and a conductive material used as needed without using a solvent, and then pressing the mixture on a current collector.
[0072]
(C-4) Electrolyte
The electrolyte used in the lithium secondary battery of the present invention generally contains a solute and a non-aqueous solvent (in this specification, the solute and the non-aqueous solvent may be collectively referred to as an electrolyte or a non-aqueous electrolyte. is there.). Further, the electrolyte may contain a solute, a non-aqueous solvent and a polymer. By containing the polymer, the electrolyte becomes non-fluidized, the liquid retention is improved, and liquid leakage can be prevented, so that the safety during high-temperature storage can be improved.
[0073]
As the solute, any of conventionally known lithium salts can be used. For example, LiClO4, LiAsF6, LiPF6, LiBF4, LiB (C6H5)4, CH3SO3Li, CF3SO3Li, LiN (SO2CF3)2, LiN (SO2C2F5)2, LiC (SO2CF3)3, LiSbF6And LiSCN, and at least one of these can be used. Among these, from the point that the effect of the present invention becomes remarkable, LiClO4, LiPF6Is particularly preferred. The content of these solutes in the nonaqueous electrolyte is usually 0.5 to 2.5 mol / l.
[0074]
Examples of the non-aqueous solvent include, for example, cyclic carbonates such as ethylene carbonate, propylene carbonate and vinylene carbonate, non-cyclic carbonates such as dimethyl carbonate, diethyl carbonate and ethyl methyl carbonate, furans such as tetrahydrofuran and 2-methyltetrahydrofuran, and dimethoxy. One or a mixture of two or more of ethers such as ethane, lactones such as γ-butyl lactone, and nitriles such as acetonitrile can be mentioned. Among these, one or a mixed solution of two or more selected from cyclic carbonates, acyclic carbonates, and lactones is preferable.
[0075]
From the viewpoint of ensuring the stability of the electrolyte during high-temperature storage, in the present invention, it is more preferable that the non-aqueous solvent contains a high-boiling solvent having a boiling point of 150 ° C. or more at 20 ° C./1 atm. The high-boiling solvent generally refers to a solvent having a boiling point in the range of 150 ° C to 300 ° C, preferably a boiling point of 180 ° C to 270 ° C, more preferably a boiling point in the range of 200 ° C to 250 ° C. A certain solvent. By using a solvent having a boiling point in the above range, the thermal stability of the battery during high-temperature storage can be more reliably improved. Examples of such a solvent include ethylene carbonate (boiling point: 243 ° C.), propylene carbonate (boiling point: 240 ° C.), γ-butyrolactone (boiling point: 204 ° C.), and the like. These high-boiling solvents may be used alone or in combination of two or more, and further used in combination with a low-boiling solvent (in the present invention, a solvent having a boiling point of 150 ° C. or lower). May be. Here, "the boiling point at 20 ° C./1 atm. Is not lower than X ° C." means that the vapor pressure does not exceed 1 atm even when heating from 20 ° C. to X ° C. under 1 atm.
[0076]
The non-aqueous electrolyte may further contain an additive for ensuring safety and battery characteristics (for example, cycle characteristics), in addition to the solute and the non-aqueous solvent.
The polymer contained in the electrolyte is not particularly limited as long as it can secure the liquid retaining property of the electrolyte to some extent, and examples thereof include an acrylic polymer such as polymethyl methacrylate and an alkylene oxide having an alkylene oxide unit. And a fluorine-based polymer such as polyvinylidene fluoride and vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer. Among these polymers, from the viewpoint of sufficiently securing the liquid retaining property of the electrolyte, the polymer has a bond (cross-linking) formed so as to bridge between any two atoms of molecules consisting of chain-bonded atoms. It is preferable to use a polymer (this is referred to as “crosslinkable polymer” in the present specification).
[0077]
Examples of the material serving as the basic skeleton of the crosslinkable polymer include, for example, those produced by polycondensation of polyester, polyamide, polycarbonate, and polyimide; those produced by polyaddition such as polyurethane and polyurea; and polymethyl methacrylate. And those produced by addition polymerization such as acrylic polymers and polyvinyl polymers such as polyvinyl acetate and polyvinyl chloride.
[0078]
In the present invention, since it is preferable to polymerize after impregnating the spacers (details will be described later), it is preferable to use a polymer produced by addition polymerization, which can easily control the polymerization and does not generate by-products during the polymerization. Is desirable. Examples of such a polymer include an acrylic polymer. Acrylic polymers are preferable materials in terms of battery characteristics such as battery capacity, rate characteristics, and mechanical strength.
[0079]
As the acrylic polymer, a polymer obtained by polymerizing a monomer having an acryloyl group is particularly preferable. Examples of the monomer having an acryloyl group include, for example, methyl acrylate, ethyl acrylate, butyl acrylate, acrylamide, 2-ethoxyethyl acrylate, diethylene glycol ethyl ether acrylate, polyethylene glycol alkyl ether acrylate, polypropylene glycol alkyl ether acrylate, and 2-cyanoethyl. Monoacrylates such as acrylates; alkanes such as 1,2-butanediol diacrylate, 1,3-butanediol diacrylate, 1,4-butanediol diacrylate, neopentanediol diacrylate, and 1,6-hexanediol diacrylate Diol diacrylates; ethylene glycol diacrylate, diethylene glycol diacrylate, triethylene Polyethylene glycol diacrylates such as recol diacrylate and tetraethylene glycol diacrylate; polypropylene glycol diacrylates such as propylene glycol diacrylate, dipropylene glycol diacrylate, tripropylene glycol diacrylate, and tetrapropylene glycol diacrylate; bisphenol F ethoxy Rate diacrylate, bisphenol F ethoxylate dimethacrylate, bisphenol A ethoxylate diacrylate, trimethylolpropane triacrylate, trimethylolpropane ethoxylate triacrylate, trimethylolpropane propoxylate triacrylate, isocyanuric acid ethoxylate triacrylate, glycerol eth Shi triacrylate, glycerol propoxylate triacrylate, pentaerythritol ethoxylate tetraacrylate, ditrimethylolpropane ethoxylate tung tetraacrylate, and di pentaerythritol ethoxylate hexaacrylate.
[0080]
Among these, a polyacrylate polymer having an ethylene glycol unit is particularly preferable from the viewpoint of lithium ion conductivity.
In the present invention, a copolymer of the above monomer component and another monomer component can be used as the acrylic polymer. That is, polymerization may be carried out in the presence of a monomer having another structure in addition to the above-mentioned monomer as a monomer component. In particular, when a monomer having a group having an unsaturated double bond such as a methacryloyl group, a vinyl group, or an allyl group coexists, the strength and liquid retention of the electrolyte may be improved. As such a monomer, compounds such as methyl methacrylate, methacrylamide, butadiene, acrylonitrile, styrene, vinyl acetate, and vinyl chloride can be used.
[0081]
When the acrylic polymer is used, the abundance of the monomer having an acryloyl group with respect to all the monomers is not particularly limited, but is usually 50% by weight or more, preferably 70% by weight or more, and particularly preferably 80% by weight or more. A higher abundance is advantageous in that the polymerization rate is higher and the productivity of the electrolyte can be increased.
The crosslinkable polymer has a crosslink. The cross-linking can be produced by causing a cross-linking reaction between polymers with a cross-linking agent. Further, the polymer can be produced by using a monomer having a plurality of reaction points (hereinafter, sometimes referred to as a “polyfunctional monomer”) as a raw material of the polymer. The latter method is preferred.
[0082]
In the case of producing a crosslinkable polymer by the latter method, a monomer having one reaction point (hereinafter, sometimes referred to as a “monofunctional monomer”) can be used as a raw material in addition to the polyfunctional monomer. When a polyfunctional monomer and a monofunctional monomer are used in combination, the equivalent ratio of the functional groups of the polyfunctional monomer is usually at least 10%, preferably at least 15%, more preferably at least 20%.
[0083]
The most preferred method for producing a crosslinkable polymer is a method in which a polyfunctional monomer having a plurality of acryloyl groups is polymerized, if necessary, with a monofunctional monomer having one acryloyl group.
The content of the polymer contained in the electrolyte is usually 80% by weight or less, preferably 50% by weight or less, more preferably 20% by weight or less based on the total weight of the electrolyte. If the polymer content is too large, the ionic conductivity tends to decrease due to a decrease in the concentration of the non-aqueous electrolyte, and battery characteristics such as rate characteristics tend to decrease. On the other hand, if the proportion of the polymer is too small, gel formation becomes difficult, the retention of the non-aqueous solvent is reduced, and not only flow and liquid leakage may occur, but also the safety of the battery may not be ensured. Therefore, the content of the polymer with respect to the electrolyte is usually 0.1% by weight or more, preferably 1% by weight or more, more preferably 2% by weight or more, and most preferably 5% by weight or more.
[0084]
The ratio of the polymer to the non-aqueous solvent is appropriately selected according to the molecular weight of the polymer, but is usually 0.1% by weight or more, preferably 1% by weight or more, usually 50% by weight or less, preferably 30% by weight or less. . If the proportion of the polymer is too small, it is difficult to form a gel, the retention of the non-aqueous electrolyte is reduced, and problems of flow and liquid leakage tend to occur. When the proportion of the polymer is too large, the viscosity becomes too high to make handling difficult, and the ionic conductivity tends to decrease due to the decrease in the concentration of the non-aqueous electrolyte, and battery characteristics such as rate characteristics tend to deteriorate.
[0085]
In the present invention, it is preferable to use a method of forming a polymer by filling a gap of a spacer (details will be described later) with the electrolyte containing a monomer that is a raw material of the polymer, and then polymerizing the monomer. .
As a method of polymerizing these monomers, for example, a method using heat, ultraviolet rays, an electron beam and the like can be mentioned, but in the present invention, the monomers may be polymerized by heating or irradiation with ultraviolet rays from the ease of production. preferable. In the case of heat polymerization, a heat-initiated polymerization initiator can be added to the electrolyte to be impregnated in order to make the reaction proceed effectively. Usable thermal polymerization initiators include azo compounds such as azobisisobutyronitrile and dimethyl 2,2'-azobisinbutyrate, benzoyl peroxide, cumene hydroperoxide, t-butylperoxy-2-ethylhexano. Peroxides such as ate can be used, and those which are preferable in terms of reactivity, polarity, safety and the like may be used alone or in combination. In order to obtain a polymer, usually at least 30% of all functional groups of the monomer are reacted, preferably at least 40%, more preferably at least 50%.
[0086]
(C-5) Spacer
The electrolyte is preferably impregnated in a positive electrode, a negative electrode, and a spacer that may be disposed between the positive electrode and the negative electrode, in order to improve ion conductivity by lithium ions.
The spacer is usually used to prevent a short circuit between the positive electrode and the negative electrode. The spacer usually consists of a porous membrane. Examples of the material used as the spacer include, for example, polyolefins such as polyethylene and polypropylene, and polyolefins in which some or all of these hydrogen atoms have been replaced with fluorine atoms, polyacrylonitrile, and a porous film of a resin such as polyaramid. No. From the viewpoint of chemical stability with respect to the electrolyte and stability with respect to the applied voltage, preferably, polyolefin or fluorine-substituted polyolefin, specifically, polyethylene or polypropylene, a part of these hydrogen atoms Or those in which all are substituted by fluorine atoms can be mentioned. Among these, particularly preferred are polyolefins such as polyethylene and polypropylene, polytetrafluoroethylene (PTFE) and polyvinylidene fluoride, and most preferred are polyolefins such as polyethylene and polypropylene. Of course, these copolymers and mixtures can also be used.
[0087]
The number average molecular weight of the resin used as a raw material for the spacer is usually 10,000 or more, preferably 100,000 or more, and is usually 10,000,000 or less, preferably 3,000,000 or less. If the molecular weight is too small, the mechanical strength becomes insufficient, and the short circuit of the electrode tends to occur. On the other hand, if the molecular weight is too large, it tends to be difficult to impregnate the electrolyte into the pores of the porous membrane, which tends to reduce the production efficiency of the battery and the battery performance such as rate characteristics. Further, when the molecular weight is too large, it may be difficult to form a film by a method of mixing a plasticizer described below and then stretching.
[0088]
As mentioned above, usually, the spacer is a porous membrane. Examples of the porous film include a porous stretched film and a nonwoven fabric, and in the present invention, a stretched film produced by stretching is more preferable. The porous stretched film has a more uniform resistance in the film than the nonwoven fabric, so that local deposition of lithium, that is, precipitation of dendrite that causes a short circuit between electrodes can be suppressed.
[0089]
The stretching of the porous stretched film may be either uniaxial or biaxial stretching, but it is preferable to use biaxial stretching. When the film is biaxially stretched, the film has a good balance of mechanical strength in the vertical and horizontal directions, so that handling in battery production becomes easy.
The porosity of the spacer is usually at least 30%, preferably at least 35%, usually at most 80%, preferably at most 75%, more preferably at most 72%. If the porosity is too small, the film resistance increases and the rate characteristics deteriorate. In particular, the capacity when used at a high rate is reduced. On the other hand, if the porosity is too large, the mechanical strength of the film is reduced, so that a short circuit is likely to occur when the shape of the battery element changes. In the present invention, the larger the porosity, the greater the effect of using the crosslinkable polymer to retain the electrolyte, and thus the higher the safety and stability during high-temperature storage.
[0090]
The average pore diameter of the pores present in the spacer is usually 1.0 μm or less, preferably 0.2 μm or less, more preferably 0.18 μm or less, most preferably 0.15 μm or less, and usually 0.01 μm or more, preferably Is 0.07 μm or more. If the pore size is too large, a short circuit is likely to occur, while if the pore size is too small, the membrane resistance tends to increase and the battery performance such as rate characteristics tends to decrease. In the present invention, the larger the average pore diameter, the greater the effect of the electrolyte in retaining the liquid by the use of the crosslinkable polymer, and thus the higher the safety and stability during high-temperature storage.
[0091]
The thickness of the spacer is usually 5 μm or more, preferably 7 μm or more, usually 50 μm or less, preferably 28 μm or less, more preferably 25 μm or less, and most preferably 20 μm or less. If the film thickness is too small, self-discharge easily occurs due to the mild short phenomenon. If the film thickness is too large, not only battery characteristics such as rate characteristics become insufficient, but also volume energy density tends to decrease. In the present invention, when a crosslinkable polymer is used when the thickness of the spacer is small, self-discharge is effectively prevented.
[0092]
The spacer can be manufactured, for example, as follows. A resin having a number average molecular weight of about 100,000 to 10,000,000, preferably 100,000 to 3,000,000 is mixed with a plasticizer as a heterogeneous dispersion medium, kneaded, and then formed into a sheet. Further, a desired spacer can be obtained by passing through a step of extracting a plasticizer with a solvent and a step of stretching in a longitudinal or transverse direction at a predetermined magnification or both.
[0093]
(C-6) Unit battery element, battery element, and case
The lithium secondary battery of the present invention usually has a battery element housed in a case. The battery element is usually formed on the basis of a unit battery element composed of a positive electrode and a negative electrode mainly composed of an active material, and an electrolyte. It is formed by laminating a plurality of the unit battery elements formed in a flat shape. That is, as the form of the battery element, for example, a flat plate stacked type in which a plurality of flat unit battery elements are stacked, a flat wound type in which a long unit battery element is wound into a flat shape, Further, a cylindrical wound type in which a long unit battery element is wound in a cylindrical shape can be used. In the present invention, the form of the battery element is preferably a flat wound type or a flat plate laminated type from the viewpoint that productivity and miniaturization are possible.
[0094]
In the lithium secondary battery of the present invention, examples of the case for housing the battery element include a metal case made of SUS (stainless steel) or the like and a case having shape changeability. The metal case has the advantage of being able to sufficiently secure the safety of the lithium secondary battery due to its high rigidity, but has the disadvantage that it is not suitable for batteries of portable electric devices due to its heavy weight. There is a point. On the other hand, a case having a variable shape made of a laminated film or the like has an advantage that the case can be reduced in weight because the thickness of the case is thin, but has a disadvantage that the rigidity is low and the impact resistance of the lithium secondary battery is inferior. There is a point. That is, the type of the above case may be selected depending on the use in which the lithium secondary battery is used.
[0095]
As described above, when a lithium secondary battery is used as a power source of a portable electric device, a case having shape variability is preferably used. As the material of the shape-variable case, metals such as aluminum, nickel-plated iron and copper, and synthetic resins can be used. Preferably, it is a laminate film provided with a gas barrier layer and a resin layer, particularly a laminate film in which resin layers are provided on both surfaces of the gas barrier layer. Such a laminated film has high gas barrier properties, high shape variability, and thinness. As a result, the thickness and weight of the exterior material can be reduced, and the capacity of the battery as a whole can be improved.
[0096]
As the material of the gas barrier layer used for the laminate film, use metals such as aluminum, iron, copper, nickel, titanium, molybdenum, and gold, alloys such as stainless steel and Hastelloy, and metal oxides such as silicon oxide and aluminum oxide. Can be. Preferably, aluminum is lightweight and excellent in workability.
As the resin used for the resin layer, various synthetic resins such as thermoplastics, thermoplastic elastomers, thermosetting resins, and plastic alloys can be used. These resins include those in which a filler such as a filler is mixed.
[0097]
The thickness of the shape-variable case is generally 0.01 μm or more, preferably 0.02 μm or more, more preferably 0.05 μm or more, and usually 1 mm or less, preferably 0.5 mm or less, more preferably 0.3 mm or less. , More preferably 0.2 mm or less, most preferably 0.15 mm or less. The thinner the battery, the smaller and lighter the battery can be.However, if the battery is too thin, not only does the risk of rupture of the case due to gas generation during high-temperature storage increase, but it also becomes impossible to provide sufficient rigidity or the sealing performance decreases. There is a possibility.
[0098]
The total thickness of the lithium secondary battery in which the battery element is housed in the case is usually 5 mm or less, preferably 4.5 mm or less, and more preferably 4 mm or less. The effect of the present invention is particularly great for such a thin lithium secondary battery. However, an extremely thin battery usually has a capacity of 0.5 mm or more, preferably 1 mm or more, and more preferably 2 mm or more, because the capacity is too small or the production is difficult.
[0099]
In addition, for convenience such as mounting the battery to the device, the battery element is sealed in a variable shape case and molded into a preferable shape, and then, if necessary, the plurality of lithium secondary batteries are formed into an outer case having more rigidity. It is also possible to store.
(C-7) Applications of lithium secondary batteries
Examples of the electric device in which the lithium secondary battery of the present invention is used as a power supply include, for example, a portable personal computer (in the present specification, the personal computer may be simply referred to as a personal computer), a pen input personal computer, a mobile personal computer, E-book player, mobile phone, cordless phone handset, pager, handy terminal, mobile fax, mobile copy, mobile printer, headphone stereo, video movie, LCD TV, handy cleaner, portable CD, minidisc, electric shaver, transceiver, electronic Notebooks, calculators, memory cards, portable tape recorders, radios, backup power supplies, motors, lighting fixtures, toys, game machines, road conditioners, clocks, strobes, cameras, medical equipment (pacemakers) Car, hearing aids, massaging machines, etc.), and the like. Further, the lithium secondary battery of the present invention can be used as a power source for an electric vehicle.
[0100]
As described above, the present invention has been described in detail, but the present invention is not limited to the above embodiment. The above embodiment is an exemplification, and has substantially the same configuration as the technical idea described in the scope of the claims of the present invention. It is included in the technical scope of the invention.
[0101]
【Example】
Hereinafter, examples using the surface-modified lithium nickel composite oxide of the present invention for a lithium secondary battery will be described. However, these are merely examples, and it is needless to say that the present invention is not limited to these examples.
(1) Production of positive electrode agent
[Production of positive electrode agent 1]
LiNi composite oxide having a primary particle size of 1 μm: LiNi0.82Co0.15Al0.03O2Was used to react an Sb compound with this material to produce an Sb surface-modified lithium nickel composite oxide.
[0102]
Specifically, the Sb compound was weighed into a 300 ml beaker, and about 50 ml of acetone was added and stirred to disperse. Then, the acetone was evaporated while adding and stirring the lithium nickel composite oxide. Finally, it was heated in an oven at 120 ° C. to completely dry it. Since the mixture of the dried Sb compound and the lithium-nickel composite oxide was agglomerated, the mixture was lightly broken with a spoon to make a powder. The obtained mixed powder was placed in an alumina baking dish and calcined in an oxygen stream at 700 ° C. for 4 hours to obtain an Sb surface-modified lithium nickel composite oxide.
[0103]
The Sb compound used in the production of the positive electrode material 1 was Sb having an average primary particle size of 0.02 μm.2O3(PATOX-U manufactured by Nippon Seiko Co., Ltd.), and the Sb compound was added to the lithium-nickel composite oxide in an amount of 0.01, 0.05, 0.1, 0.5, 1, 2, 3, 3. 5 and 7 mol% were added, respectively.
The Sb thus obtained2O3Are called as shown in Table-1.
[0104]
[Table 1]
Figure 2004047449
[0105]
[Production of positive electrode agent 2]
In the production of the positive electrode material 1, LiNi having a primary particle size of 1 μm is used as the lithium nickel composite oxide.0.8Co0.2O2And LiNi0.7Co0.2Mn0.1O2And Sb2O3Positive electrode material 2 was produced in the same manner as positive electrode material 1 except that the amount of was charged to 1 mol% based on the lithium nickel composite oxide.
[0106]
Of the positive electrode agent 2 thus obtained, LiNi was used as a lithium nickel composite oxide.0.8Co0.2O2Is used as the positive electrode agent 2a, and LiNi0.7Co0.2Mn0.1O2Was used as positive electrode agent 2b.
[Production of positive electrode agent 3]
In the production of the positive electrode material 1, the same procedure as in the positive electrode material 1 was carried out except that triphenylantimony was used as the Sb compound and the amount of triphenylantimony was 0.5 mol% based on the lithium nickel composite oxide. A positive electrode agent 3 was produced. [Production of positive electrode agent 4]
In the production of the positive electrode agent 1, Sb having an average primary particle size of 0.02 μm2O3(Nippon Seiko Co., Ltd., PATOX-U), Sb having an average primary particle size of 0.5 μm2O3(Nippon Seiko Co., Ltd., PATOX-M), Sb having an average primary particle diameter of 1 μm2O3(PATOX-C manufactured by Nippon Seiko Co., Ltd.), Sb having an average primary particle size of 3 μm2O3(PATOX-P manufactured by Nippon Seiko Co., Ltd.), Sb having an average primary particle size of 8 μm2O3(PATOX-L manufactured by Nippon Seimitsu Co., Ltd.) was pulverized as necessary, and the primary particle diameters were 0.004 μm, 0.008 μm, 0.02 μm, 0.5 μm, 1.6 μm, and 3.2 μm, respectively. Sb of 5 μm and 8 μm2O3Is an Sb compound, and Sb2O3Positive electrode material 4 was produced in the same manner as positive electrode material 1 except that the amount of was charged to 1 mol% with respect to the lithium nickel composite oxide.
[0107]
Among the positive electrode agents 4 thus obtained, Sb with different primary particle diameters2O3Are referred to as shown in Table-2.
[0108]
[Table 2]
Figure 2004047449
[0109]
[Production of positive electrode agent 5]
In the production of the positive electrode agent 1, the Sb compound was triphenylantimony, the amount of triphenylantimony charged was 0.5 mol based on the lithium nickel composite oxide, and the powdery lithium nickel composite oxide was charged. Except that the fired dish and the fired dish containing powdered triphenylantimony were each placed in the same furnace and heated in an oxygen stream to vaporize the triphenylantimony and react with the lithium nickel composite oxide. The positive electrode 5 was produced in the same manner as in the production of the positive electrode agent 1.
[Production of positive electrode agent 6]
In the production of the positive electrode agent 1, Sb2O3The positive electrode material 6 was produced in the same manner as the production of the positive electrode material 1 except that the charged amount of lithium was 1.0 mol% with respect to the lithium-nickel composite oxide, and that firing was performed at 600 ° C. and 700 ° C., respectively. did.
[0110]
Of the positive electrode agents 6 thus obtained, those having a firing temperature of 600 ° C. were referred to as positive electrode agents 6a, and those having a firing temperature of 700 ° C. were referred to as positive electrode agents 6b.
[Positive electrode agent 1 ', positive electrode agent 2a', positive electrode agent 2b ']
LiNi composite oxide having a primary particle size of 0.6 to 0.8 μm used in the production of the positive electrode agent 1: LiNi0.82Co0.15Al0.03O2Is referred to as positive electrode agent 1 '.
[0111]
LiNi having a primary particle size of 0.5 to 1 μm used in the production of the positive electrode agent 20.8Co0.2O2And LiNi0.7Co0.2Mn0.1O2Are referred to as positive electrode agent 2a 'and positive electrode agent 2b', respectively.
That is, the positive electrode agents 1 ', 2a', and 2b 'are untreated lithium nickel composite oxides that have not been treated with the Sb compound.
(2) Manufacture of positive electrode
[Manufacture of positive electrode 1]
Positive electrode 1 was manufactured using positive electrode agents 1 to 6 and positive electrode agents 1 ', 2a', and 2b 'obtained as described above. The method is described below.
[0112]
First, the following composition was kneaded with a planetary mixer type kneader for 2 hours to produce a positive electrode paint.
[0113]
[Table 3]
Sb surface modified lithium nickel composite oxide or untreated lithium nickel composite
Compound oxide 85 parts by weight
Acetylene black 10 parts by weight
5 parts by weight of polyvinylidene fluoride
N-methyl-2-pyrrolidone 80 parts by weight
Next, the above-mentioned positive electrode paint is applied on an aluminum current collector base material having a thickness of 15 μm by extrusion die coating and dried to produce a positive electrode material layer in which the active material is bound on the current collector by a binder. did. Next, an electrode sheet was manufactured by compacting using a roll press (calender). Thereafter, an electrode was cut out from the electrode sheet to obtain a positive electrode 1.
[Production of positive electrode 2]
Positive electrode 2 was manufactured using positive electrode agents 1 to 6 and positive electrode agents 1 ', 2a', and 2b 'obtained as described above. The method is described below.
[0114]
First, the following composition was kneaded with a planetary mixer type kneader for 2 hours to produce a positive electrode paint.
[0115]
[Table 4]
Sb surface modified lithium nickel composite oxide or untreated lithium nickel composite
Composite oxide 45 parts by weight
Lithium cobalt composite oxide (LiCoO2) 45 parts by weight
Acetylene black 5 parts by weight
Polyvinylidene fluoride 5 parts by weight
N-methyl-2-pyrrolidone 80 parts by weight
Next, the above-mentioned positive electrode paint 1 is applied on an aluminum current collector base material having a thickness of 15 μm by extrusion die coating, and dried, to form a positive electrode material layer in which an active material is bound on the current collector by a binder. Manufactured. Next, an electrode sheet was manufactured by compacting using a roll press (calender). Thereafter, an electrode was cut out from the electrode sheet to obtain a positive electrode 2.
(3) Production of negative electrode
[Production of negative electrode]
First, the following composition was kneaded for 2 hours with a planetary mixer type kneader to obtain a negative electrode paint.
[0116]
[Table 5]
Graphite (particle size 15μm) 90 parts
Polyvinylidene fluoride 10 parts
N-methyl-2-pyrrolidone 100 parts
Next, the negative electrode paint was applied on a 20 μm-thick copper current collector substrate by extrusion die coating, and dried to produce a negative electrode material layer in which the active material was bound on the current collector by a binder. . Subsequently, the electrode sheet was produced by compacting using a roll press (calender). Thereafter, the electrode was cut out from the electrode sheet to obtain a negative electrode.
[Positive electrode / negative electrode material ratio]
In the manufacture of the positive electrode 1, the positive electrode 2, and the negative electrode, the thicknesses of the positive electrode material layer and the negative electrode material layer were adjusted such that (charge capacity of the positive electrode) / (charge capacity of the negative electrode) = 0.93. . Here, the charge capacity of the negative electrode was based on the capacity per unit volume of the negative electrode (mAh / g) when charged to 1.5 V to 3 mV using the counter electrode Li.
(4) Production of electrolyte
[Manufacture of paint 1 for forming electrolyte layer]
In the case of producing a lithium secondary battery containing a polymer in the electrolyte, the following composition was mixed and stirred to produce a paint 1 for forming an electrolyte layer.
[0117]
[Table 6]
1M concentration of LiPF6Ethylene carbonate containing lithium as a lithium salt and
And propylene carbonate mixed solution (volume ratio; ethylene carbonate:
Ropylene carbonate = 1: 1) 925 parts
Tetraethylene glycol diacrylate 44 parts
Polyethylene oxide triacrylate 22 parts
Polymerization initiator 2 parts
Additive (succinic anhydride) 9 parts
[Production of electrolyte solution 1]
1M concentration of LiPF6Was dissolved as a lithium salt, and a mixed solution (volume ratio EC: DMC: EMC = 30: 35: 35) of ethylene carbonate (EC), dimethyl carbonate (DMC), and ethyl methyl carbonate (EMC) was used as electrolyte 1.
[Production of electrolyte solution 2]
1M concentration of LiPF6Was dissolved as a lithium salt, and a mixed solution of ethylene carbonate (EC) and diethyl carbonate (DEC) (volume ratio EC: DEC = 50: 50) was used as an electrolytic solution 2.
(5) Production of lithium secondary battery
[Manufacture of liquid lithium secondary batteries 1 and 2]
The positive electrode 1 and the negative electrode prepared as described above are laminated via a polymer porous film separator, and a lead wire for extracting current is connected to each of the electrode terminals of the positive electrode and the negative electrode. Manufactured.
[0118]
After the thus obtained battery laminate is housed in a bag-shaped case in which a laminate film in which both surfaces of an aluminum film are covered with a resin layer is molded oppositely, electrolyte solution 1 or 2 is injected, and the electrolyte solution is used as a positive electrode, a negative electrode, and a separator. Was impregnated.
The electrode terminals are sandwiched between two polyethylene tapes (to prevent short-circuiting of the terminals), sealed with a reduced-pressure seal, and the seal excluding the side from which the lead wire is taken out is bent along the side of the battery exterior material did. The bent seal portion was adhered to the side surface of the outer package member with a commercially available epoxy adhesive. In this way, of the flat liquid lithium secondary batteries manufactured in this manner, the lithium secondary battery using the electrolytic solution 1 was used as the liquid lithium secondary battery 1 and the lithium secondary battery using the electrolytic solution 2 was used as the liquid. The lithium secondary battery 2 was used.
[Manufacture of polymer lithium secondary battery 1]
The coating material 1 for forming the electrolyte layer prepared as described above is applied to the positive electrode 2 and the negative electrode prepared as described above, and separately immersed in the coating material 1 for forming the electrolyte layer (spacer). Is prepared and sandwiched between the positive electrode 2 and the negative electrode, and then heated at 90 ° C. for 10 minutes to polymerize the tetraethylene glycol diacrylate and the polyethylene oxide triacrylate in the paint for forming the electrolyte layer. I let it. This produced a flat unit battery element having a positive electrode, a negative electrode formed on a current collector containing an active material and a binder, and having a non-fluidized electrolyte layer between the positive electrode and the negative electrode. . The electrolyte containing the polymer thus obtained is referred to as polymer electrolyte 1.
Next, after connecting a lead wire for extracting current to each of the electrode terminals of the positive electrode and the negative electrode of the unit battery element, this is housed in a bag-shaped case in which a laminate film in which both surfaces of an aluminum film are covered with a resin layer is opposedly formed. did. Thereafter, the electrode terminal portion is sandwiched between two polyethylene tapes (to prevent short-circuiting of the terminal portion), the laminated film is sealed with a vacuum seal, and the seal portion excluding the side from which the lead wire is taken out is along the side of the battery exterior material. Folded. The folded seal portion was adhered to the side surface of the outer packaging material enclosing portion with a commercially available epoxy adhesive to produce a flat polymer lithium secondary battery 1.
(6) XPS analysis
For the positive electrode agents 1c and 1e, which are Sb surface-modified lithium nickel composite oxides whose surfaces were modified with Sb, XPS analysis was performed on each of the positive electrode agents in order to measure the Sb concentration on the surface. The measuring method is described below.
[0119]
A double-sided tape was attached to a metal plate, and the positive electrode agent 1c or 1e in a powder state was sprinkled on the metal plate so that the tape could not be seen.
As an XPS measuring apparatus, ESCA-5500MC manufactured by Physical @ Electronics was used. Using a monochromatic Al-Kα ray (14 kV, 150 W) as a light source for measurement, measurement was performed on each element of Ni2p, Co2p, Al2s, and Sb3d3 / 2 under the following conditions. At the time of measurement, an electron neutralizing gun was used for charge correction.
[0120]
PassEnergy: 29.35 eV
Data acquisition interval: 0.125 eV / step
Measurement area: 0.8mm diameter
Extraction angle: 45 degrees
With respect to the obtained measurement peaks of the respective measurement elements, a start point and an end point were determined, and the start point and the end point were connected by the Shirley method. Then, the area surrounded by the line connecting the start point and the end point and the peak was determined for each measurement element, and this was defined as the peak area of each measurement element. FIG. 1 shows a measurement example of Sb3d3 / 2. In FIG. 1, the starting point 1 is located at a portion where the low energy side of the binding energy in the Sb3d3 / 2 peak is completely flat, and the ending point 2 is where the high energy side peak is completely flat. Taken in pieces. The starting point and the ending point thus determined were connected by the baseline 3 using the Shirley method, and the area surrounded by the baseline and the peak was defined as the peak area of Sb3d3 / 2. Table 3 shows the peak areas of the respective measurement elements of the positive electrode agents 1c and 1e thus determined.
[0121]
Next, using the relative sensitivity correction coefficient determined for each of the measurement elements, the peak area of each of the measurement elements is divided by the relative sensitivity correction factor of each of the elements to determine the corrected peak area of each of the measurement elements. Was. Table 3 shows the corrected peak areas of the respective measurement elements of the positive electrode agents 1c and 1e thus obtained. In addition, the relative sensitivity correction coefficient of each measurement element in the XPS measuring apparatus (ESCA-5500MC manufactured by Physical @ Electronics) used for the measurement is as follows.
[0122]
[Table 7]
Ni2p: 3.653
Co2p: 3.255
Al2s: 0.288
Sb3d3 / 2: 3.066
From the values of the peak area after Sb3d3 / 2 correction, the peak area after Ni2p correction, the peak area after Co2p correction, and the peak area after Al2s correction determined as described above, the metal concentration represented by the following general formula (2) The Sb concentration with respect to was calculated. The Sb concentration of the positive electrode agents 1c and 1e thus obtained was Sb2O3Of the positive electrode agent 1c having a charged amount of 0.1 mol% was 4.5%, and 18.3% of the positive electrode agent 1e was 1 mol%.
[0123]
(Equation 4)
Sb concentration = [(peak area after Sb3d3 / 2 correction) / {(after Sb3d3 / 2 correction)
Peak area) + (peak area after Ni2p correction) + (peak area after Co2p correction)
+ (Peak area after Al2s correction)}] × 100 (2)
[0124]
[Table 8]
Figure 2004047449
[0125]
(7) Evaluation of lithium secondary battery
[Battery capacity measurement]
LiNi, which is a positive electrode active material of a liquid lithium secondary battery 1 using the positive electrode 1 manufactured using the positive electrode agent 1 ',0.82Co0.15Al0.03O2Was 185 mAh / g, so 1 C 'per gram of the positive electrode active material was set to 185 mA, and the discharge capacity of each lithium secondary battery was measured as follows. The "original" 1C value was determined. That is, at 25 ° C., the battery was charged to 4.2 V with a constant current of 0.5 C ′ × (weight of the positive electrode active material), and then charged at 4.2 V until the current value attenuated to 25 mA. Was. Thereafter, the capacity at the time of discharging to 2.7 V at a constant current of 0.2 C ′ × (weight of the positive electrode active material) was measured, and this was defined as the discharge capacity α of the lithium secondary battery. Then, α (mA) of the discharge capacity α (mAh) thus obtained was defined as 1C of each lithium secondary battery.
[0126]
The battery capacity of each lithium secondary battery was charged to 4.2 V at a constant current of 0.5 CmA at 25 ° C., and then constant voltage charging was performed at 4.2 V until the current value attenuated to 25 mA. . Thereafter, the capacity when constant current discharging was performed to 2.7 V at 0.2 CmA was measured, and this was defined as the battery capacity of each lithium secondary battery.
[Rate characteristic measurement]
Each lithium secondary battery was charged to 4.2 V at a constant current of 0.5 CmA at 25 ° C., and then charged at 4.2 V at a constant voltage until the current value attenuated to 25 mA.
[0127]
Thereafter, with respect to the liquid lithium secondary batteries 1 and 2, a constant current discharge was performed up to 2.7 V at a 6 C discharge rate, and the obtained discharge capacity was compared with the 0.2 C discharge rate obtained in the above [Battery capacity measurement]. The ratio with the capacity was defined as the rate characteristic.
On the other hand, with respect to the polymer lithium secondary battery 1, a constant current discharge was performed up to 2.7 V at a 2C discharge rate, and the obtained discharge capacity was compared with the 0.2C discharge rate capacity obtained in the above [Battery capacity measurement]. Is defined as the rate characteristic.
[Impedance measurement]
Each lithium secondary battery was charged to 4.2 V or 3.7 V at 25 ° C. by using a device combining SI @ 1287 Electrochemical Interface manufactured by solartron instruments and SI1260 Impedance / Gain-Phase Analyzer manufactured by the company. The impedance was measured at 25 ° C. in a frequency range of 100 KHz to 0.01 Hz.
[Cycle capacity maintenance test]
The liquid lithium secondary battery 1 was charged at a constant current of 2 C at 4.2 ° C. to 4.2 V at 25 ° C., and then charged at a constant voltage of 4.2 V until the current value attenuated to 25 mA. Discharge was performed by discharging at a constant current up to 3.0 V at 2C. With this charge / discharge as one cycle, charge / discharge of 400 cycles was performed.
[0128]
The cycle capacity retention rate was determined by calculating the capacity in the 2C discharge after 400 cycles with respect to the capacity in the first cycle of the 2C discharge in each liquid lithium secondary battery 1.
[High temperature cycle capacity retention test]
The polymer-based lithium secondary battery 1 was charged at a constant current of 1.0 C up to 4.2 V at 60 ° C., and then charged at a constant voltage of 4.2 V until the current value attenuated to 25 mA. Thereafter, the battery was discharged by discharging at a constant current of 1 C to 3.0 V.
[0129]
The high-temperature cycle capacity retention rate was obtained by calculating the capacity at 1C discharge after 400 cycles with respect to the capacity at 1C discharge at the first cycle in each polymer-based lithium secondary battery.
Further, the impedance of the battery before the high-temperature cycle capacity retention test was measured by the method described in [Impedance Measurement] above at 25 ° C. and charged to 3.7 V. Further, after the high-temperature cycle capacity retention rate test, the impedance was measured while being charged to 3.7 V at 25 ° C. Then, using the obtained impedance values before and after the test, (impedance after the test) / (impedance before the test) was calculated as an impedance change.
[High temperature storage test]
Each lithium secondary battery was charged to 4.2 V at a constant current of 0.5 CmA at 25 ° C., and then charged at 4.2 V at a constant voltage until the current value attenuated to 25 mA. After measuring the impedance in this charged state, the battery was placed in a thermostat at 60 ° C. or 90 ° C., left for a predetermined time, and then taken out of the thermostat. Then, impedance change, remaining capacity measurement, battery capacity measurement after recharging, and rate characteristic measurement after recharging were performed by the following methods.
・ Impedance change
The impedance of each lithium secondary battery before the high-temperature storage test was measured by the method described in the above [Impedance measurement]. Furthermore, after the high-temperature storage test, the impedance of the lithium secondary battery in a state where it was taken out of the thermostat was measured again. Further, once the lithium secondary battery was discharged to 2.7 V at 0.2 CmA, it was charged again to 4.2 V at a constant current of 0.5 CmA, and the current value attenuated to 25 mA at 4.2 V. The battery was charged at a constant voltage until charging, and the impedance of the lithium secondary battery was measured in this state.
[0130]
The ratio of the impedance values before and after the high-temperature storage test, that is, (impedance after test) / (impedance before test) was defined as the impedance change. Also, the ratio of the impedance value before the high-temperature storage test to the impedance value after the recharge after the high-temperature storage test, that is, (impedance after the recharge after the test) / (impedance before the test) is the impedance change after the recharge. And
[0131]
As for the impedance change, the closer the impedance change is to a value slightly smaller than 1, the smaller the impedance change is. Regarding the impedance change after the recharge, the closer the impedance change to 1 after the recharge, the smaller the impedance change. The reason is shown below.
[0132]
That is, when the lithium secondary battery is stored at 4.2 V charge at a high temperature, a voltage drop occurs due to self-discharge. This voltage drop is affected by differences in the type of electrolyte, such as whether the electrolyte contains a polymer or is composed solely of an electrolytic solution, and high-temperature storage conditions (storage time, storage temperature). The voltage drop due to the self-discharge is usually about 0.5 V when the liquid lithium secondary battery is stored at 60 ° C. × 24 hrs, and usually 0 V when the polymer lithium secondary battery is stored at 90 ° C. × 4 hrs. It is about 1V.
[0133]
On the other hand, the change of the impedance value with respect to the charging voltage of the lithium secondary battery is as follows. That is, as the charging voltage gradually increases from 2.7 V, the impedance value gradually decreases. When the charging voltage is around 4 V, the impedance value has the lowest value. Thereafter, the impedance increases again as the charging voltage further increases to 4.2 V.
[0134]
Therefore, if there is no change in the impedance of the lithium secondary battery in the high-temperature storage test, the impedance value after self-discharge after the high-temperature storage decreases because of the decrease in the impedance value. The value is slightly smaller than the impedance value before the storage test. For this reason, as for the impedance change, the closer the impedance change is to a value slightly smaller than 1, the smaller the impedance change is.
[0135]
On the other hand, when the lithium secondary battery is charged again, the impedance value returns to the value when the charging voltage is 4.2V. Therefore, if there is no change in impedance of the lithium secondary battery in the high-temperature storage test, the change in impedance after recharging should be 1. Therefore, the closer the impedance value after recharging is to 1, the smaller the impedance change.
・ Remaining capacity measurement
Each lithium secondary battery taken out of the thermostat after the high-temperature storage test was discharged to 3 V at 0.2 CmA, and the discharge capacity was defined as the remaining capacity. The remaining capacity relative to the battery capacity before the high-temperature storage test ((remaining capacity / battery capacity before the high-temperature storage test) × 100) was defined as the remaining capacity ratio.
・ Battery capacity measurement after recharge (measurement of capacity recovery rate)
After the measurement of the remaining capacity, the battery was discharged to 2.7 V at 0.2 CmA, charged again to 4.2 V at a constant current of 0.5 CmA, and kept constant at 4.2 V until the current value attenuated to 25 mA. Voltage charging was performed. Thereafter, the capacity at the time of constant current discharging to 2.7 V at 0.2 CmA was measured, and this was defined as the battery capacity after recharging. The battery capacity after the recharge with respect to the battery capacity before the high-temperature storage test was defined as a capacity recovery rate.
・ Low temperature characteristics after recharging
After measuring the capacity recovery rate of the liquid lithium secondary battery, the battery was charged to 4.2 V at a constant current of 0.5 CmA at 25 ° C., and the current value attenuated to 25 mA at 4.2 V. Charged to constant voltage until Thereafter, 1 CmA discharge was performed at 25 ° C. and −30 ° C. to 2.7 V. The ratio of the discharge capacity at −30 ° C. to the discharge capacity at 25 ° C. ((discharge capacity at −30 ° C./discharge capacity at 25 ° C.) × 100) at that time was defined as low-temperature characteristics after recharging.
[Low temperature property test]
The liquid lithium secondary battery was charged at 25 C at a constant current of 0.5 CmA to 4.2 V, and then charged at 4.2 V at a constant voltage until the current value attenuated to 25 mA. Thereafter, 1 CmA discharge was performed at 25 ° C. and −30 ° C. to 2.7 V. The ratio of the discharge capacity at −30 ° C. to the discharge capacity at 25 ° C. at that time ((discharge capacity at −30 ° C./discharge capacity at 25 ° C.) × 100) was defined as low-temperature characteristics.
[Examples 1 to 8, Comparative Examples 1 to 4]
A lithium secondary battery having the battery configuration shown in Table 4 was manufactured.
[0136]
[Table 9]
Figure 2004047449
[0137]
For each lithium secondary battery of Example 1 and Comparative Example 1, the battery capacity, rate characteristic, cycle characteristic, and low-temperature output characteristic were measured by the above [battery capacity measurement], [rate characteristic measurement], and [cycle capacity maintenance test], respectively. , And [low temperature property test]. Table 5 shows the measurement results. Further, with respect to each of the lithium secondary batteries of Example 1 and Comparative Example 1, a high-temperature storage test was performed according to the above-mentioned [high-temperature storage test] under the storage test conditions of a standing temperature of 60 ° C. and a standing time of 24 hours, and impedance change , The change in impedance after recharging, the remaining capacity ratio, the capacity recovery ratio, and the low-temperature characteristics after recharging were measured. Table 5 shows the measurement results.
[0138]
[Table 10]
Figure 2004047449
[0139]
From Table-5, it was found that Sb was higher than that of the untreated lithium nickel composite oxide (Comparative Example 1).2O3It can be seen that, by modifying the surface of the lithium nickel composite oxide with, the change in impedance, the change in impedance in recharging, and the low-temperature characteristics after recharging after a high-temperature storage test are improved. In particular, Sb2O3It can be understood that the impedance change and the impedance change after recharging become better as the charge amount of the battery increases. On the other hand, the battery capacity, rate characteristics, and cycle capacity2O3It can be seen that the amount gradually decreases as the charged amount of increases. This means that the lithium secondary battery can be freely designed according to the required performance of the lithium secondary battery. That is, in a lithium secondary battery that places more importance on battery capacity and the like, Sb2O3May be reduced. On the other hand, a lithium secondary battery that is often used in a high-temperature environment and places more emphasis on reducing impedance changes during storage at a high temperature, etc.2O3What is necessary is just to increase the preparation amount.
[0140]
For the lithium secondary batteries of Example 2 and Comparative Example 2, the battery capacity, rate characteristics, cycle characteristics, and low-temperature output characteristics were measured by the above [battery capacity measurement], [rate characteristic measurement], and [cycle capacity maintenance test], respectively. , And [low temperature property test]. Table 6 shows the measurement results. Further, with respect to each of the lithium secondary batteries of Example 2 and Comparative Example 2, a high-temperature storage test was performed according to the above-mentioned [high-temperature storage test] under a storage test condition of a standing temperature of 60 ° C. and a standing time of 24 hours to change impedance. , The change in impedance after recharging, the remaining capacity ratio, and the capacity recovery ratio were measured. Table 6 shows the measurement results.
[0141]
[Table 11]
Figure 2004047449
[0142]
Table 6 shows that the lithium nickel composite oxide was LiNi0.8Co0.2O2And LiNi0.7Co0.2Mn0.1O2And the surface is Sb2O3It can be seen that, when the surface is modified with, the impedance change and the impedance change after recharging can be significantly suppressed without impairing the residual capacity ratio and the capacity recovery ratio in the high-temperature storage test. On the other hand, Sb2O3It can be seen that the battery processing decreases the battery capacity but does not impair the cycle characteristics, but rather improves the rate characteristics and low-temperature characteristics.
[0143]
For the lithium secondary batteries of Example 3 and Comparative Example 1, the battery capacity, rate characteristics, cycle characteristics, and low-temperature output characteristics were measured by the above [battery capacity measurement], [rate characteristic measurement], and [cycle capacity maintenance test], respectively. , And [low temperature property test]. Table 7 shows the measurement results. Further, with respect to each of the lithium secondary batteries of Example 3 and Comparative Example 1, a high-temperature storage test was performed according to the above-mentioned [high-temperature storage test] under the storage test conditions of a standing temperature of 60 ° C. and a standing time of 24 hours, and impedance change was performed. , The change in impedance after recharging, the remaining capacity ratio, and the capacity recovery ratio were measured. Table 7 shows the measurement results.
[0144]
[Table 12]
Figure 2004047449
[0145]
From Table 7, when the surface of the lithium nickel composite oxide is modified with triphenylantimony, the impedance change and the impedance change after recharging are largely suppressed without impairing the residual capacity ratio and the capacity recovery ratio in the high-temperature storage test. We can see that we can do it. On the other hand, although the battery capacity is reduced by the treatment with triphenylantimony, the cycle characteristics and the rate characteristics are hardly impaired, and the low-temperature characteristics are rather improved.
[0146]
For each of the lithium secondary batteries of Example 4 and Comparative Example 3, the battery capacity and the rate characteristic were measured in accordance with the above [battery capacity measurement] and [rate characteristic measurement], respectively. Table 8 shows the measurement results. Next, for each of the lithium secondary batteries of Example 4 and Comparative Example 3, according to the above-mentioned [high-temperature storage test], storage test conditions of a temperature of 90 ° C in a thermostat and a storage time of 4 hours, and a temperature of 60 ° C in a thermostat. A high-temperature storage test was performed for each one-week standing time, and the impedance change, the impedance change after recharging, the remaining capacity ratio, and the capacity recovery ratio were measured. Table 8 shows the measurement results. Further, with respect to each of the lithium secondary batteries of Example 4 and Comparative Example 3, a high-temperature cycle test was performed to measure a high-temperature cycle capacity retention rate and an impedance change in accordance with the above-mentioned [high-temperature cycle capacity retention rate test]. Table 8 shows the measurement results.
[0147]
[Table 13]
Figure 2004047449
[0148]
Table 8 shows that the surface of the lithium nickel composite oxide was Sb in the polymer lithium secondary battery as well.2O3It can be seen that the modification with significantly improves the impedance change, the impedance change after recharging, the residual capacity ratio and the capacity recovery ratio in the high-temperature storage test. Especially Sb2O3It can be seen that as the amount of modification increases, various characteristics in the above-mentioned high-temperature storage test are further improved. In the high-temperature cycle capacity retention test, the high-temperature cycle capacity retention and the impedance change were also Sb.2O3It can be seen that as the amount of surface modification increases, it becomes better. On the other hand, the battery capacity and rate characteristics are Sb2O3It can be seen that the amount gradually decreases as the charged amount of increases. This means that the lithium secondary battery can be freely designed according to the required performance of the lithium secondary battery.
[0149]
For each of the lithium secondary batteries of Example 5, the battery capacity, rate characteristics, cycle characteristics, and low-temperature output characteristics were measured using the above [battery capacity measurement], [rate characteristic measurement], [cycle capacity maintenance test], and [low temperature], respectively. Characteristic test]. Table 9 shows the measurement results. Further, with respect to each lithium secondary battery of Example 5, a high-temperature storage test was performed under the storage test conditions of a constant temperature bath of 60 ° C. and a storage time of 24 hours according to the above [high-temperature storage test]. Was measured for the change in impedance, the remaining capacity ratio, and the capacity recovery ratio. Table 9 shows the measurement results.
[0150]
[Table 14]
Figure 2004047449
[0151]
From Table-9, in the battery configuration of Example 5, the primary particle size of the Sb compound with respect to the primary particle size of the lithium nickel composite oxide was in the range of 0.01 to 4, and the battery capacity, cycle characteristics, and low-temperature characteristics were as follows. Further, it can be seen that there is a primary particle size ratio that optimizes various performances of the impedance change after the high-temperature storage test, the impedance change after the recharge, the remaining capacity, and the capacity recovery rate.
[0152]
For the lithium secondary batteries of Example 6 and Comparative Example 1, the battery capacity, rate characteristics, cycle characteristics, and low-temperature output characteristics were measured by the above [battery capacity measurement], [rate characteristic measurement], and [cycle capacity maintenance test], respectively. , And [low temperature property test]. Table 10 shows the measurement results. Further, the lithium secondary batteries of Example 6 and Comparative Example 1 were subjected to a high-temperature storage test according to the above-mentioned [high-temperature storage test] under a storage test condition of a standing temperature of 60 ° C. and a standing time of 24 hours to change impedance. , The change in impedance after recharging, the remaining capacity ratio, the capacity recovery ratio, and the low-temperature characteristics after recharging were measured. Table 10 shows the measurement results.
[0153]
[Table 15]
Figure 2004047449
[0154]
From Table-10, by modifying the surface of the lithium-nickel composite oxide by the vapor phase method with triphenylantimony, the cycle capacity retention, low-temperature characteristics, impedance change in high-temperature storage test, impedance change after recharging, and residual It is understood that various characteristics such as the capacity ratio, the capacity recovery ratio, and the low-temperature characteristics after recharging are improved. On the other hand, by modifying triphenylantimony on the surface of the lithium-nickel composite oxide by the gas phase method, the battery capacity is slightly reduced, but the rate characteristics are almost the same. It can be said that a secondary battery can be obtained.
[0155]
For each lithium secondary battery of Example 7, the battery capacity, rate characteristics, cycle characteristics, and low-temperature output characteristics were measured using the above-mentioned [battery capacity measurement], [rate characteristic measurement], [cycle capacity maintenance test], and [low temperature], respectively. Characteristic test]. Table 11 shows the measurement results. Further, a high-temperature storage test was performed on each lithium secondary battery of Example 7 in accordance with the above-mentioned [high-temperature storage test] under a storage test condition of a standing temperature of 60 ° C. and a standing time of 24 hours. Was measured for its impedance change, residual capacity ratio, capacity recovery ratio, and low-temperature characteristics after recharging. Table 11 shows the measurement results.
[0156]
[Table 16]
Figure 2004047449
[0157]
From Table 11, it can be seen that in the battery configuration of Example 7, Sb2O3Baking at a temperature (600 ° C.) having a melting point of 656 ° C. or lower as compared with baking at a temperature (700 ° C.) or higher at the melting point, a change in impedance in a high-temperature storage test, a change in impedance after recharging, It can be seen that various characteristics such as impedance change, remaining capacity ratio, capacity recovery ratio, and low-temperature characteristics after recharging are not sufficient. This means that if the firing temperature is lower than the melting point of the Sb compound, the effect of modifying the surface of the lithium nickel composite oxide with the Sb compound may not be sufficiently exerted. However, in the case of a lithium secondary battery having a firing temperature of 600 ° C., the battery capacity and the cycle capacity retention ratio are rather good. Therefore, if the firing temperature is changed in accordance with the required performance of the lithium secondary battery, the lithium secondary battery can be recharged. This means that the performance of the secondary battery can be freely designed.
[0158]
For each of the lithium secondary batteries of Example 8 and Comparative Example 4, the battery capacity, rate characteristics, and low-temperature output characteristics were measured according to the above [battery capacity measurement], [rate characteristic measurement], and [low-temperature characteristic test], respectively. . Table 12 shows the measurement results. Further, the lithium secondary batteries of Example 8 and Comparative Example 4 were subjected to a high-temperature storage test according to the above-mentioned [high-temperature storage test] under a storage test condition of a temperature of 60 ° C. and a storage time of 24 hours in a constant temperature bath, and impedance change was performed. , The change in impedance after recharging, the remaining capacity ratio, the capacity recovery ratio, and the low-temperature characteristics after recharging were measured. Table 12 shows the measurement results.
[0159]
[Table 17]
Figure 2004047449
[0160]
Table 12 shows that the surface of the lithium nickel composite oxide was treated with Sb in the electrolytic solution using the mixed solvent of EC and DEC.2O3When modified with, various characteristics such as low-temperature characteristics and impedance change in high-temperature storage test, impedance change after recharging, remaining capacity ratio, capacity recovery rate, and low-temperature characteristics after recharging are improved without impairing rate characteristics. You can see that.
[Example 9]
LiNi0.82Co0.15Al0.03O2Sb having an average primary particle diameter of 0.5 μm with respect to the positive electrode active material powder having an average secondary particle diameter of 11 μm (average primary particle diameter of 1 μm)2O3A powder (Nippon Seiko Co., Ltd., PATOX-M) was added in an amount equivalent to 0.75 mol%, and the mixture was sufficiently shaken and mixed in a closed container, and then calcined at 680 ° C. for 2 hours in an oxygen stream. (Sample name: “0.75 mol% treated Sb sample”). Further, the same positive electrode active material powder and Sb2O3Powder, Sb2O3A sample mixed and fired in the same manner as described above, except that the amount of the powder added was 2.0 mol%, was obtained (sample name: "2.0 mol% treated Sb sample").
In addition to the obtained 0.75 mol% treated Sb sample and 2.0 mol% treated Sb sample,2O3TPD-MS analysis was performed on the positive electrode active material powder (sample name: “unprocessed sample”) that had not been subjected to the addition and calcination by the method described below.
・ TPD-MS analysis
Approximately 50 mg of the powdery, untreated sample, 0.75 mol% treated Sb sample, and 2 mol% treated Sb sample were precisely weighed and then subjected to the following treatment.
A powdery sample is filled in a pyrolyzer, and heated at 400 ° C. for 30 minutes in He gas (80 ml / min.) To remove a gas adsorbed on a base point.
Thereafter, the temperature is lowered to 100 ° C.-2After evacuation to about torr, about 70 torr of CO2And introduce CO to the base point on the sample surface.2For 15 minutes. It takes 15 minutes for saturation adsorption.
Next, at 100 ° C. for about 10-2Evacuate to torr and remove CO remaining in the atmosphere2CO that is physically adsorbed2, And then returned to room temperature after He flow (200 ml / min.) Treatment.
10 ° C / min. From room temperature to 900 ° C. And the CO generated at the time of temperature rise2Measure the temperature profile of the volume. As a result, CO adsorbed at the base site2Was evaluated for its adsorption state, that is, basicity.
And the obtained CO2In the temperature profile of the amount, the peak top temperature observed around 100 to 360 ° C. was determined. FIG. 2 shows the measurement results. As can be seen from FIG. 2, the CO of the untreated sample, the 0.75 mol% treated Sb sample, and the 2 mol% treated Sb sample2The desorption peak top temperature was 270 ° C. for the untreated sample, and 230 ° C. for the 0.75 mol% treated Sb sample and the 2 mol% treated Sb sample.
From the above results, it can be understood that the positive electrode agent modified with the composite oxide of Sb has a lower basicity than the untreated one.
[0161]
【The invention's effect】
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the surface modification lithium nickel composite oxide which provides the lithium secondary battery which satisfies various battery characteristics at a very high level, and its manufacturing method can be obtained.
In particular, it is possible to obtain a surface-modified lithium-nickel composite oxide that provides a lithium secondary battery in which a change in impedance when stored at a high temperature or when charge and discharge are repeated in a high-temperature environment is suppressed well, and a method for producing the same.
Further, according to the present invention, a surface-modified lithium nickel which provides a lithium secondary battery excellent in the remaining capacity ratio after high-temperature storage, the capacity recovery ratio, and the low-temperature characteristics after recharging, and having a high capacity retention ratio in a high-temperature cycle test A composite oxide and a method for producing the same can be obtained.
Further, according to the present invention, it is possible to obtain a surface-modified lithium nickel composite oxide which provides a lithium secondary battery having excellent battery capacity, rate characteristics, cycle capacity retention, and low-temperature characteristics, and a method for producing the same. According to the present invention, when the lithium secondary battery is a polymer-based lithium secondary battery, a surface-modified lithium-nickel composite that provides a lithium secondary battery that can significantly suppress gas generation due to high-temperature storage An oxide and a method for producing the oxide can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing an XPS measurement result of Sb3d3 / 2 and a method of obtaining a peak area thereof.
FIG. 2 is a diagram showing a TPD-MS measurement result of a surface-modified lithium nickel composite oxide.
[Explanation of symbols]
1 Starting point
2 End point
3 Baseline

Claims (19)

リチウムニッケル複合酸化物の表面に、4A〜6A族元素であって原子量が28以上の元素の化合物を存在させた後にこれを焼成することを特徴とする表面修飾リチウムニッケル複合酸化物の製造方法。A method for producing a surface-modified lithium-nickel composite oxide, characterized in that a compound of an element belonging to the group 4A to 6A and having an atomic weight of 28 or more is present on the surface of the lithium-nickel composite oxide and then calcined. 前記リチウムニッケル複合酸化物が、下記一般式(1)で表される請求項1に記載の表面修飾リチウムニッケル複合酸化物の製造方法。
Figure 2004047449
(一般式(1)中、α、X、Y、Z、βは、それぞれ、0<α≦1.1、0.1≦X≦1、0≦Y≦0.9、0≦Z≦0.8、0.9≦X+Y+Z≦1.1、0≦β≦0.5を満たす数である。Mは、Li,Mg,Ca,Sr,Cu,Zn,Al,Ga,Ti,Zr,V,Nb,Ta,Cr,Mo,W,Mn,及びFeからなる群から選ばれる少なくとも1つである。)
The method for producing a surface-modified lithium nickel composite oxide according to claim 1, wherein the lithium nickel composite oxide is represented by the following general formula (1).
Figure 2004047449
(In the general formula (1), α, X, Y, Z, β are respectively 0 <α ≦ 1.1, 0.1 ≦ X ≦ 1, 0 ≦ Y ≦ 0.9, 0 ≦ Z ≦ 0 0.8, 0.9 ≦ X + Y + Z ≦ 1.1, 0 ≦ β ≦ 0.5 M is Li, Mg, Ca, Sr, Cu, Zn, Al, Ga, Ti, Zr, V , Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, and Fe.)
4A〜6A族元素であって原子量が28以上の元素の化合物がSb(アンチモン)化合物である請求項1又は2に記載の表面修飾リチウムニッケル複合酸化物の製造方法。The method for producing a surface-modified lithium nickel composite oxide according to claim 1 or 2, wherein the compound of an element having an atomic weight of 28 or more that is a group 4A to 6A element is an Sb (antimony) compound. 前記Sb化合物が、酸化アンチモン、ハロゲン化アンチモン、硫化アンチモン、セレン化アンチモン、テルル化アンチモン、酢酸アンチモン、オキシ塩化アンチモン、トリメトキシアンチモン、トリエトキシアンチモン、トリプロポキシアンチモン、トリブトキシアンチモン、トリフェニルアンチモン、及びトリフェニルアンチモンジクロライドからなる群より選ばれる少なくとも一つである請求項3に記載の表面修飾リチウムニッケル複合酸化物の製造方法。The Sb compound, antimony oxide, antimony halide, antimony sulfide, antimony selenide, antimony telluride, antimony acetate, antimony oxychloride, trimethoxyantimony, triethoxyantimony, tripropoxyantimony, tributoxyantimony, triphenylantimony, 4. The method for producing a surface-modified lithium nickel composite oxide according to claim 3, wherein the method is at least one selected from the group consisting of: and triphenylantimony dichloride. 前記Sb化合物が酸化アンチモン、ハロゲン化アンチモン、酢酸アンチモン、トリフェニルアンチモンのいずれかである請求項4に記載の表面修飾リチウムニッケル複合酸化物の製造方法。The method for producing a surface-modified lithium nickel composite oxide according to claim 4, wherein the Sb compound is any one of antimony oxide, antimony halide, antimony acetate, and triphenylantimony. リチウムニッケル複合酸化物の表面に4A〜6A族元素であって原子量が28以上の元素の化合物を存在させる際に、前記リチウムニッケル複合酸化物に対して前記4A〜6A族元素であって原子量が28以上の元素の化合物を0.001mol%以上、10mol%以下用いる請求項1乃至5のいずれかに記載の表面修飾リチウムニッケル複合酸化物の製造方法。When a compound of a group 4A to 6A element having an atomic weight of 28 or more is present on the surface of the lithium-nickel composite oxide, the group 4A to 6A element having an atomic weight of The method for producing a surface-modified lithium nickel composite oxide according to any one of claims 1 to 5, wherein a compound of 28 or more elements is used in an amount of 0.001 mol% or more and 10 mol% or less. 前記リチウムニッケル複合酸化物の一次粒径に対する、25℃において固体である4A〜6A族元素であって原子量が28以上の元素の化合物の一次粒径の比を0.005以上、5以下とする請求項1乃至6のいずれかに記載の表面修飾リチウムニッケル複合酸化物の製造方法。The ratio of the primary particle diameter of a compound of an element having an atomic weight of 28 or more that is a group 4A to 6A element that is solid at 25 ° C. to the primary particle diameter of the lithium nickel composite oxide is 0.005 or more and 5 or less. A method for producing the surface-modified lithium nickel composite oxide according to any one of claims 1 to 6. 前記4A〜6A族元素であって原子量が28以上の元素の化合物と前記リチウムニッケル複合酸化物とを溶媒中で接触させることにより、前記リチウムニッケル複合酸化物の表面に前記4A〜6A族元素であって原子量が28以上の元素の化合物を存在させる請求項1乃至7のいずれかに記載の表面修飾リチウムニッケル複合酸化物の製造方法。By bringing a compound of an element having an atomic weight of 28 or more that is a group 4A to 6A element into contact with the lithium nickel composite oxide in a solvent, the surface of the lithium nickel composite oxide is coated with the group 4A to 6A element. The method for producing a surface-modified lithium nickel composite oxide according to any one of claims 1 to 7, wherein a compound of an element having an atomic weight of 28 or more is present. 前記4A〜6A族元素であって原子量が28以上の元素の化合物と前記リチウムニッケル複合酸化物とをそれぞれ粉末状態にて接触させることにより、前記リチウムニッケル複合酸化物の表面に前記4A〜6A族元素であって原子量が28以上の元素の化合物を存在させる請求項1乃至7のいずれかに記載の表面修飾リチウムニッケル複合酸化物の製造方法。By bringing a compound of an element having an atomic weight of 28 or more that is a group 4A to 6A element into contact with the lithium nickel composite oxide in a powder state, the surface of the lithium nickel composite oxide is treated with the group 4A to 6A. The method for producing a surface-modified lithium nickel composite oxide according to any one of claims 1 to 7, wherein a compound of an element having an atomic weight of 28 or more is present. 前記4A〜6A族元素であって原子量が28以上の元素の化合物を気体状にして、これを前記リチウムニッケル複合酸化物と接触させることにより、前記リチウムニッケル複合酸化物の表面に前記4A〜6A族元素であって原子量が28以上の元素の化合物を存在させる請求項1乃至7のいずれかに記載の表面修飾リチウムニッケル複合酸化物の製造方法。The compound of the 4A to 6A group element having an atomic weight of 28 or more is made into a gaseous state, and is brought into contact with the lithium nickel composite oxide, whereby the surface of the lithium nickel composite oxide becomes 4A to 6A. The method for producing a surface-modified lithium-nickel composite oxide according to any one of claims 1 to 7, wherein a compound of an element belonging to the group III and having an atomic weight of 28 or more is present. 前記焼成を、4A〜6A族元素であって原子量が28以上の元素の化合物の融点以上の温度で行う請求項1乃至10のいずれかに記載の表面修飾リチウムニッケル複合酸化物の製造方法。The method for producing a surface-modified lithium nickel composite oxide according to any one of claims 1 to 10, wherein the calcination is performed at a temperature equal to or higher than the melting point of a compound of an element having a group of 4A to 6A and having an atomic weight of 28 or more. リチウム二次電池の正極活物質として用いる表面修飾リチウムニッケル複合酸化物であって、
リチウムニッケル複合酸化物の表面に、周期表4A〜6A族元素であって原子量が28以上の元素の複合酸化物が存在することを特徴とする表面修飾リチウムニッケル複合酸化物。
A surface-modified lithium nickel composite oxide used as a positive electrode active material of a lithium secondary battery,
A surface-modified lithium-nickel composite oxide, characterized in that a composite oxide of an element belonging to Groups 4A to 6A of the periodic table and having an atomic weight of 28 or more is present on the surface of the lithium-nickel composite oxide.
前記周期表4A〜6A族元素であって原子量が28以上の元素の複合酸化物が、Li又はNiの少なくとも一方と、周期表4A〜6A族元素であって原子量が28以上の元素と、酸素との複合酸化物である請求項12に記載の表面修飾リチウムニッケル複合酸化物。The composite oxide of an element having an atomic weight of 28 or more that is an element in the Periodic Tables 4A to 6A includes at least one of Li and Ni, an element having an atomic weight of 28 or more that is an element in the Groups 4A to 6A of the periodic table, and oxygen. The surface-modified lithium nickel composite oxide according to claim 12, which is a composite oxide with: 周期表4A〜6A族元素であって原子量が28以上の元素がSb(アンチモン)である請求項12又は13に記載の表面修飾リチウムニッケル複合酸化物。The surface-modified lithium-nickel composite oxide according to claim 12 or 13, wherein the element having an atomic weight of 28 or more which is a group 4A to 6A element of the periodic table is Sb (antimony). 前記リチウムニッケル複合酸化物が、下記一般式(1)で表される請求項12乃至14のいずれかに記載の表面修飾リチウムニッケル複合酸化物。
Figure 2004047449
(一般式(1)中、α、X、Y、Z、βは、それぞれ、0<α≦1.1、0.1≦X≦1、0≦Y≦0.9、0≦Z≦0.8、0.9≦X+Y+Z≦1.1、0≦β≦0.5を満たす数である。Mは、Li,Mg,Ca,Sr,Cu,Zn,Al,Ga,Ti,Zr,V,Nb,Ta,Cr,Mo,W,Mn,及びFeからなる群から選ばれる少なくとも1つである。)
The surface-modified lithium nickel composite oxide according to any one of claims 12 to 14, wherein the lithium nickel composite oxide is represented by the following general formula (1).
Figure 2004047449
(In the general formula (1), α, X, Y, Z, β are respectively 0 <α ≦ 1.1, 0.1 ≦ X ≦ 1, 0 ≦ Y ≦ 0.9, 0 ≦ Z ≦ 0 0.8, 0.9 ≦ X + Y + Z ≦ 1.1, 0 ≦ β ≦ 0.5 M is Li, Mg, Ca, Sr, Cu, Zn, Al, Ga, Ti, Zr, V , Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, and Fe.)
請求項12乃至15のいずれかに記載の表面修飾リチウムニッケル複合酸化物であって、下記測定条件で昇温熱脱離・熱分解−質量分析法(Temperature Programed Desorption/Decomposition−Mass Spectroscopy)測定した場合に、150〜250℃の範囲にCOの脱離によるピークを有する表面修飾リチウムニッケル複合酸化物。
(昇温熱脱離・熱分解−質量分析法の測定条件)
(1)粉末状態の表面修飾リチウムニッケル複合酸化物をHeガス中で400℃付近まで加熱後、100℃付近まで降温する。
(2)COを導入して表面修飾リチウムニッケル複合酸化物の表面にCOを吸着させる。
(3)その後、雰囲気中等に残留するCOを排気してから室温付近まで温度を下げる。
(4)900℃付近まで昇温し、昇温時に発生するCO量の温度プロファイルを測定する。
The surface-modified lithium nickel composite oxide according to any one of claims 12 to 15, which is measured by temperature-programmed thermal desorption / pyrolysis-mass spectrometry under the following measurement conditions. A surface-modified lithium nickel composite oxide having a peak in the range of 150 to 250 ° C. due to elimination of CO 2 .
(Measurement conditions of thermal desorption / pyrolysis-mass spectrometry at elevated temperature)
(1) The surface-modified lithium nickel composite oxide in a powder state is heated to about 400 ° C. in He gas, and then cooled to about 100 ° C.
(2) CO 2 is introduced to adsorb CO 2 on the surface of the surface-modified lithium nickel composite oxide.
(3) After that, the CO 2 remaining in the atmosphere or the like is exhausted, and the temperature is lowered to around room temperature.
(4) The temperature is raised to around 900 ° C., and the temperature profile of the amount of CO 2 generated at the time of the temperature rise is measured.
前記一般式(1)中のMがAlであり、下記測定条件でX線光電子分光法(X−ray photo−electron spectroscopy)測定した場合に、下記数式(2)で表されるSb濃度が1%以上、95%以下である請求項15に記載の表面修飾リチウムニッケル複合酸化物。
Figure 2004047449
(X線光電子分光測定の測定条件)
1.表面修飾リチウムニッケル複合酸化物の測定
金属板に両面テープを貼付け、その上に粉末状態の表面修飾リチウムニッケル複合酸化物をテープが見えない厚みにふりかけ、表面が平滑になるよう圧着したものをホルダーに固定し、測定に供する。
測定のための光源には単色化Al−Kα線(14kV、150W)を用いて、下記条件にて測定を行うが、測定の際、帯電補正のために電子中和銃を用いる。
PassEnergy:29.35eV
データ取込間隔:0.125eV/step
測定面積:0.8mm径
取出角:45度
測定元素は、Ni2p,Co2p,Al2s,Sb3d3/2である。
2.Sb濃度の測定
測定元素各々のピークの始点と終点とを決めて、シャーリー法で始点と終点とを結ぶ。そして、始点と終点とを結んだ線とピークとに囲まれる面積を、各測定元素ごとに求め、これを各測定元素のピーク面積とする。
次に、測定元素各々に決められた相対感度補正係数を用い、前記各々の測定元素のピーク面積をそれそれの元素の相対感度補正係数で除する。このようにして相対感度補正係数で除したピーク面積を「補正後ピーク面積」という。
M in the general formula (1) is Al, and when measured by X-ray photo-electron spectroscopy (X-ray photoelectron spectroscopy) under the following measurement conditions, the Sb concentration represented by the following formula (2) is 1 The surface-modified lithium nickel composite oxide according to claim 15, which is not less than 95% and not more than 95%.
Figure 2004047449
(Measurement conditions for X-ray photoelectron spectroscopy)
1. Measurement of surface-modified lithium-nickel composite oxide A double-sided tape was attached to a metal plate, and a powdery surface-modified lithium-nickel composite oxide was sprinkled on the metal plate so that the tape could not be seen. Fix to and provide for measurement.
The measurement is performed under the following conditions using a monochromatic Al-Kα ray (14 kV, 150 W) as a light source for the measurement. At the time of the measurement, an electron neutralizing gun is used for charging correction.
PassEnergy: 29.35 eV
Data acquisition interval: 0.125 eV / step
Measurement area: 0.8 mm Diameter take-out angle: 45 degrees The measurement elements are Ni2p, Co2p, Al2s, and Sb3d3 / 2.
2. Measurement of Sb concentration The starting point and the ending point of each peak of the measuring element are determined, and the starting point and the ending point are connected by the Shirley method. Then, the area surrounded by the line connecting the start point and the end point and the peak is determined for each measurement element, and this is defined as the peak area of each measurement element.
Next, using the relative sensitivity correction coefficient determined for each of the measurement elements, the peak area of each of the measurement elements is divided by the relative sensitivity correction coefficient of each element. The peak area thus divided by the relative sensitivity correction coefficient is referred to as “post-correction peak area”.
請求項12乃至17のいずれかに記載の表面修飾リチウムニッケル複合酸化物含有することを特徴とするリチウム二次電池用正極材料。A positive electrode material for a lithium secondary battery, comprising the surface-modified lithium nickel composite oxide according to any one of claims 12 to 17. 請求項12乃至17のいずれかに記載の表面修飾リチウムニッケル複合酸化物を正極活物質とすることを特徴とするリチウム二次電池。A lithium secondary battery comprising the surface-modified lithium nickel composite oxide according to any one of claims 12 to 17 as a positive electrode active material.
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