JP2007257890A - Positive electrode material for nonaqueous lithium ion battery and battery using this - Google Patents

Positive electrode material for nonaqueous lithium ion battery and battery using this Download PDF

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孝憲 伊藤
Shin Nagayama
森 長山
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a positive electrode material for a nonaqueous electrolyte lithium ion battery suppressing elution of Mn even in storage and charge discharge at high temperature, holding high output, and suppressing increase in internal resistance in high output charge discharge. <P>SOLUTION: The positive electrode material uses a lithium nickel manganese oxide having an average valence number of Mn of 3.2 or more in a region of the depth of five times the length of c axis of a crystal from the surface of a primary particles as a positive active material. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、正極活物質にリチウムニッケルマンガン酸化物を用いてなる非水電解質リチウムイオン電池用正極材料およびこれを用いた非水電解質リチウムイオン電池に関するものである。   The present invention relates to a positive electrode material for a non-aqueous electrolyte lithium ion battery using lithium nickel manganese oxide as a positive electrode active material and a non-aqueous electrolyte lithium ion battery using the same.

現在、携帯電話などの携帯機器向けの非水電解質二次電池として、リチウムイオン二次電池が商品化されている。この非水電解質リチウムイオン二次電池は、携帯機器の軽量・薄型化が進むに連れ、電池自体の薄型化も必要となり、最近ではラミネートフィルムを外装材として用いる薄型電池の開発も進み、正極活物質にリチウムコバルト酸化物(LiCoO)、負極活物質に黒鉛質材料や炭素質材料、非水電解質にリチウム塩を溶解した有機溶媒やポリマー電解質を用いたラミネートタイプの薄型電池が実用化されつつある。 Currently, lithium ion secondary batteries are commercialized as non-aqueous electrolyte secondary batteries for portable devices such as mobile phones. This non-aqueous electrolyte lithium ion secondary battery needs to be made thinner as the portable device becomes lighter and thinner. Recently, the development of a thin battery using a laminate film as an exterior material has progressed. Laminate type thin batteries using lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ) as material, graphite or carbonaceous material as negative electrode active material, organic solvent or polymer electrolyte in which lithium salt is dissolved in nonaqueous electrolyte are being put into practical use is there.

さらに、近年、携帯機器の多機能化・高性能化に伴い、機器の消費電力は高まりつつあり、その電源となる電池に対して、高容量化の要求が一層強くなってきた。そこで、従来のリチウムコバルト酸化物に比べて、高容量化が期待できるリチウムニッケルマンガン酸化物の開発が進んでいる。   Furthermore, in recent years, with the increase in functionality and performance of portable devices, the power consumption of the devices is increasing, and there is an increasing demand for higher capacity for batteries serving as power sources. Thus, development of lithium nickel manganese oxides that can be expected to have a higher capacity than conventional lithium cobalt oxides is progressing.

こうした用途とは別に、近年、環境保護運動の高まりを背景として電気自動車(EV)、ハイブリッド自動車(HEV)、燃料電池車(FCV)の導入を促進すべく、これらのモータ駆動用電源やハイブリッド用補助用電源等の開発が行われている。こうした用途にも、繰り返し充放電可能な非水電解質リチウムイオン二次電池が使用されている。EV、HEV、FCVのモータ駆動等のような高出力及び高エネルギー密度が要求される用途では、単一の大型電池は事実上作れず、複数個の電池を直列に接続して構成した組電池を使用することが一般的である。このような組電池を構成する一個の電池として、ラミネートタイプの薄型の非水電解質リチウムイオン電池(単に薄型ラミネート電池という)を用いることが提案されている。   Apart from these applications, in order to promote the introduction of electric vehicles (EV), hybrid vehicles (HEV), and fuel cell vehicles (FCV) against the backdrop of the recent increase in environmental protection movements, these motor drive power supplies and hybrid devices Auxiliary power supplies are being developed. Non-aqueous electrolyte lithium ion secondary batteries that can be repeatedly charged and discharged are also used for such applications. In applications where high output and high energy density are required, such as EV, HEV, FCV motor drive, etc., a single large battery cannot be made practically, and an assembled battery constructed by connecting a plurality of batteries in series. Is generally used. It has been proposed to use a laminate-type thin nonaqueous electrolyte lithium ion battery (simply referred to as a thin laminate battery) as one battery constituting such an assembled battery.

こうした高出力及び高エネルギー密度が要求される用途での薄型ラミネート電池でも、同様に、電池の外装容器を金属製シート材料に変えた電池となっている。具体的には、容器内外で水蒸気および酸素などの気体の交換が行われないようアルミニウム箔などの金属薄膜と、ポリエチレンテレフタレートなどの金属薄膜を物理的に保護する樹脂フィルムおよび、アイオノマーなどの熱融着性樹脂フィルムを重ね合わせて多層化したラミネートシートが用いられている。この薄型ラミネート電池の外装容器は平面視で矩形状をなし、所定の薄型をなしている。外装容器に板状の正極および負極を挿入し、液状の非水電解質を封入することで電池となしている。   Even in a thin laminated battery for such applications requiring high output and high energy density, the battery outer container is similarly changed to a metal sheet material. Specifically, a metal thin film such as aluminum foil and a resin film that physically protects a metal thin film such as polyethylene terephthalate and heat fusion such as an ionomer so that gas such as water vapor and oxygen is not exchanged inside and outside the container. A laminate sheet in which adhesive resin films are stacked to form a multilayer is used. The outer container of the thin laminated battery has a rectangular shape in plan view and has a predetermined thin shape. A battery is formed by inserting a plate-like positive electrode and negative electrode into an outer container and enclosing a liquid nonaqueous electrolyte.

このような薄型ラミネート電池は、個々に金属製の外装容器を持たないため軽量であり、過充電等により容器内の圧力が高圧となり破裂に至った場合でも、金属容器に比べて衝撃が少ないので、EV、HEV、FCVのモータ駆動等のような高出力及び高エネルギー密度が要求される用途においても好適である。   Such a thin laminated battery is lightweight because it does not have an individual metal outer container, and even when the pressure inside the container becomes high due to overcharge or the like, and it ruptures, it has less impact than a metal container. , EV, HEV, FCV motor drive, and other applications that require high output and high energy density.

更に、こうしたEV、HEV、FCVのモータ駆動等のような高出力及び高エネルギー密度が要求される用途に用いられる薄型ラミネート電池においても、上述した携帯機器向けの場合と同様に、その電源となる電池に対して、高容量化の要求が一層強くなってきた。また、自動車用としては安全性が極めて重要な評価項目となる。そのため、従来のリチウムコバルト酸化物に比べて、高容量化、高安全性が期待できるリチウムニッケルマンガン酸化物の開発が進んでいる。   Furthermore, the thin laminated battery used for such applications as high power and high energy density such as EV, HEV, FCV motor drive, etc. is the power source as in the case of the portable device described above. The demand for higher capacity has become stronger for batteries. In addition, safety is an extremely important evaluation item for automobiles. Therefore, development of lithium nickel manganese oxide that can be expected to have higher capacity and higher safety than conventional lithium cobalt oxide is progressing.

ところが、このリチウムニッケルマンガン酸化物を正極活物質として含有する正極材料を用いてなるリチウムイオン電池においては、高温(45℃以上)での保存やサイクル耐久において正極材料中のMnが3価イオンとして電解液に溶出し、負極に析出し、電池の容量、出力を低下させる問題がある。   However, in a lithium ion battery using a positive electrode material containing this lithium nickel manganese oxide as a positive electrode active material, Mn in the positive electrode material becomes a trivalent ion in storage at high temperature (45 ° C. or higher) and cycle durability. There is a problem in that it elutes into the electrolyte and deposits on the negative electrode, reducing the capacity and output of the battery.

高温で安定に保存、充放電を行うために、特許文献1には、遷移金属の元素置換を行っている。
特開2005−38629号公報
In order to stably store and charge / discharge at high temperatures, Patent Document 1 performs element substitution of transition metals.
JP 2005-38629 A

しかしながら、上記特許文献1に記載の方法は、遷移金属を置換することによって、容量低下、抵抗上昇などによってHEV用としては出力が低下するとの問題があった。更に、HEV用としての高出力充放電サイクルによる内部抵抗の上昇に問題があった。   However, the method described in Patent Document 1 has a problem that the output is decreased for HEV due to a decrease in capacity, an increase in resistance, and the like by replacing the transition metal. Furthermore, there has been a problem in an increase in internal resistance due to a high output charge / discharge cycle for HEV.

そこで、本発明は、上記の従来技術の課題に着目されたものであり、高温での保存、充放電においても、Mnの溶出を抑制し、且つ高出力を維持し、高出力充放電による内部抵抗の上昇を抑制することのできる非水電解質リチウムイオン電池用正極材料およびこれを用いた電池を提供することを目的とする。   Therefore, the present invention has been focused on the above-mentioned problems of the prior art, and suppresses the elution of Mn even during storage and charge / discharge at a high temperature and maintains high output. It aims at providing the positive electrode material for non-aqueous electrolyte lithium ion batteries which can suppress the raise of resistance, and a battery using the same.

本発明者は、正極活物質に用いられるリチウムニッケルマンガン酸化物の1次粒子表面から一定の深さの領域のMnの平均価数を3.2価以上にすることで、保存、充放電においても、Mnの溶出を抑制し、且つ高出力を維持し、高出力のサイクル充放電による内部抵抗上昇を抑制できることを見出し、本発明を完成させた。   The inventor makes the average valence of Mn in a region at a certain depth from the surface of the primary particles of lithium nickel manganese oxide used for the positive electrode active material 3.2 or more in storage and charge / discharge. In addition, the present inventors have found that the elution of Mn can be suppressed, the high output can be maintained, and the increase in internal resistance due to the high output cycle charge / discharge can be suppressed.

すなわち、本発明は、1次粒子表面から結晶のc軸長の5倍の深さの領域(単に表面近傍領域ともいう)における、Mnの平均価数が3.2以上であるリチウムニッケルマンガン酸化物を正極活物質に用いてなることを特徴とする正極材料により上記目的を達成することができる。   That is, the present invention relates to lithium nickel manganese oxidation in which the average valence of Mn is 3.2 or more in a region having a depth five times the c-axis length of the crystal from the primary particle surface (also simply referred to as a near-surface region). The above object can be achieved by a positive electrode material characterized by using a product as a positive electrode active material.

本発明の非水電解質リチウムイオン電池用正極材料によれば、正極活物質であるリチウムニッケルマンガン酸化物の1次粒子表面から結晶のc軸長の5倍の深さの領域のMnの平均価数を3.2価以上にすることによって、表面から電解液へのMn溶出を抑制することができる。Mnを3.2価以上にする方策としては、表面近傍領域(特に表面上)に過剰な酸素を導入する。あるいは正極活物質であるリチウムニッケルマンガン酸化物の表面近傍領域を酸素終端とする。また、表面近傍領域のMnを+2価イオン(元素)で置換する。表面近傍領域の酸素を−3価イオン(元素)によって置換する。さらに、表面近傍領域のMnを欠損させることによってもMnの価数を+4価に上昇させることができる。また、正極活物質の表面近傍領域を酸素終端にすることによって炭素系の導電助材との結着力が強まり、高出力充放電による内部抵抗の上昇を抑制することができる。   According to the positive electrode material for a non-aqueous electrolyte lithium ion battery of the present invention, the average valence of Mn in the region 5 times deeper than the c-axis length of the crystal from the primary particle surface of the lithium nickel manganese oxide as the positive electrode active material By making the number 3.2 or more, elution of Mn from the surface to the electrolytic solution can be suppressed. As a measure to make Mn 3.2 or more, excess oxygen is introduced into the surface vicinity region (especially on the surface). Alternatively, the surface vicinity region of the lithium nickel manganese oxide that is the positive electrode active material is terminated with oxygen. Further, Mn in the vicinity of the surface is replaced with +2 valent ions (elements). Oxygen in the vicinity of the surface is replaced with a trivalent ion (element). Furthermore, the valence of Mn can be increased to +4 by deleting Mn in the surface vicinity region. Further, by making the region near the surface of the positive electrode active material oxygen-terminated, the binding force with the carbon-based conductive additive is increased, and an increase in internal resistance due to high output charge / discharge can be suppressed.

本発明の正極材料は、1次粒子表面から結晶のc軸長の5倍の深さの領域における、Mnの平均価数が3.2以上であるリチウムニッケルマンガン酸化物を正極活物質に用いてなることを特徴とするものである。   The positive electrode material of the present invention uses, as a positive electrode active material, lithium nickel manganese oxide having an average valence of Mn of 3.2 or more in a region having a depth five times the c-axis length of the crystal from the primary particle surface. It is characterized by.

本発明の正極材料に用いることのできるリチウムニッケルマンガン酸化物は、正極活物質として用いられるものであれば特に制限されるべきものではなく、従来公知のものを用いることができる。これらリチウムニッケルマンガン酸化物においては、発明の効果において述べたようなMnを3.2価以上にする方策を利用して、1次粒子表面から結晶のc軸長の5倍の深さの領域におけるMnの平均価数を3.2以上にすることによって、当該酸化物表面から電解液へのMn溶出を抑制することのできる表面構造を有する酸化物が得られるものである。   The lithium nickel manganese oxide that can be used for the positive electrode material of the present invention is not particularly limited as long as it is used as a positive electrode active material, and conventionally known ones can be used. In these lithium nickel manganese oxides, a region having a depth of 5 times the c-axis length of the crystal from the surface of the primary particles by utilizing the measure for increasing Mn to 3.2 or more as described in the effect of the invention. By making the average valence of Mn at 3.2 or more, an oxide having a surface structure capable of suppressing Mn elution from the oxide surface to the electrolytic solution is obtained.

これらリチウムニッケルマンガン酸化物には、上記したようにリチウム、ニッケルおよびマンガンを主成分とし、更に1次粒子表面から結晶のc軸長の5倍の深さの領域におけるMnの平均価数が3.2以上に調整されてなるリチウムニッケルマンガン系複合酸化物を含むものである。リチウムニッケルマンガン酸化物としては、例えば、LiNi0.5Mn0.5の1次粒子表面から結晶のc軸長の5倍の深さの領域における、Mnの平均価数が3.2以上のもののほか、ニッケル、マンガンの一部を他の遷移金属等の元素により置換したもの、例えば、LiNi0.5−xMn0.5−yCox+y(0<x<0.4、0<y<0.4)において、更に1次粒子表面から結晶のc軸長の5倍の深さの領域におけるMnの平均価数が3.2以上であるもの、あるいは;下記一般式(I)において、 These lithium nickel manganese oxides have lithium, nickel and manganese as the main components as described above, and the average valence of Mn in the region 5 times deeper than the c-axis length of the crystal from the primary particle surface is 3 It contains a lithium nickel manganese based composite oxide adjusted to 2 or more. As the lithium nickel manganese oxide, for example, the average valence of Mn is 3.2 in a region having a depth five times the c-axis length of the crystal from the primary particle surface of LiNi 0.5 Mn 0.5 O 2. In addition to the above, nickel, a part of manganese is substituted with other elements such as transition metals, for example, LiNi 0.5-x Mn 0.5-y Co x + y O 2 (0 <x <0.4 0 <y <0.4), the average valence of Mn is 3.2 or more in the region where the depth is 5 times the c-axis length of the crystal from the primary particle surface, or the following general formula In (I),

Figure 2007257890
Figure 2007257890

(式中、Mはアルカリ金属(但し、リチウムは除く)、アルカリ土類金属(ベリリウム、マグネシウムを含む)、遷移金属(但し、ニッケル、マンガン、コバルトを除く)、アルミニウムから選ばれる少なくとも1種の元素を示す。Aはカルコゲン元素(但し、酸素は除く)、窒素、リン、およびハロゲン元素から選ばれる少なくとも1種の元素を示す。x、y、z、a、b、c、dについては、
0.5<x≦1.1、
0.3≦y≦0.7、
0.3≦z≦0.7、
0.0≦a≦0.4、
0.0≦b≦0.2、
1.8≦c≦2.4、
0.0≦d≦0.2
を示す。)で表されるリチウムニッケルマンガン系複合酸化物などが挙げられる。本発明では、(I)式で表されるリチウムニッケルマンガン系複合酸化物が使用できるが、本発明はこれらの材料に限定されるものではない。これらリチウムニッケルマンガン酸化物、特に特に一般式(I)の組成は、例えば、ICP(誘導結合プラズマ)分析、原子吸光法、蛍光エックス線法、パーティクルアナライザー、質量分析により測定することができる。
(Wherein M is at least one selected from alkali metals (excluding lithium), alkaline earth metals (including beryllium and magnesium), transition metals (excluding nickel, manganese and cobalt), and aluminum. A represents an element, A represents at least one element selected from chalcogen elements (excluding oxygen), nitrogen, phosphorus, and halogen elements, and x, y, z, a, b, c, d
0.5 <x ≦ 1.1,
0.3 ≦ y ≦ 0.7,
0.3 ≦ z ≦ 0.7,
0.0 ≦ a ≦ 0.4,
0.0 ≦ b ≦ 0.2,
1.8 ≦ c ≦ 2.4,
0.0 ≦ d ≦ 0.2
Indicates. ) And the like. In the present invention, the lithium nickel manganese composite oxide represented by the formula (I) can be used, but the present invention is not limited to these materials. These lithium nickel manganese oxides, particularly the composition of the general formula (I), can be measured by, for example, ICP (inductively coupled plasma) analysis, atomic absorption method, fluorescent X-ray method, particle analyzer, and mass spectrometry.

本発明では、上記したように1次粒子表面から結晶のc軸長の5倍の深さの領域におけるMnの平均価数が3.2以上であるリチウムニッケルマンガン酸化物を正極活物質に用いてなることを特徴とするものである。   In the present invention, as described above, lithium nickel manganese oxide having an average valence of Mn of 3.2 or more in the region having a depth of 5 times the c-axis length of the crystal from the primary particle surface is used as the positive electrode active material. It is characterized by.

好ましくは、一般式(I)   Preferably, the general formula (I)

Figure 2007257890
Figure 2007257890

(式中、Mはアルカリ金属(但し、リチウムは除く)、アルカリ土類金属(ベリリウム、マグネシウムを含む)、遷移金属(但し、ニッケル、マンガン、コバルトを除く)、アルミニウムから選ばれる少なくとも1種の元素を示す。Aはカルコゲン元素(但し、酸素は除く)、窒素、リン、およびハロゲン元素から選ばれる少なくとも1種の元素を示す。x、y、z、a、b、c、dについては、
0.5<x≦1.1、
0.3≦y≦0.7、
0.3≦z≦0.7、
0.0≦a≦0.4、
0.0≦b≦0.2、
1.8≦c≦2.4、
0.0≦d≦0.2を示す。)で表されるリチウムニッケルマンガン酸化物を正極活物質に用いてなる正極材料であって、Liの含有量が0.95≦x≦1.05のときの前記リチウムニッケルマンガン酸化物において、1次粒子表面から結晶のc軸長の5倍の深さの領域における、Mnの平均価数が3.2以上であることを特徴とするものである。
(Wherein M is at least one selected from alkali metals (excluding lithium), alkaline earth metals (including beryllium and magnesium), transition metals (excluding nickel, manganese and cobalt), and aluminum. A represents an element, A represents at least one element selected from chalcogen elements (excluding oxygen), nitrogen, phosphorus, and halogen elements, and x, y, z, a, b, c, d
0.5 <x ≦ 1.1,
0.3 ≦ y ≦ 0.7,
0.3 ≦ z ≦ 0.7,
0.0 ≦ a ≦ 0.4,
0.0 ≦ b ≦ 0.2,
1.8 ≦ c ≦ 2.4,
0.0 <= d <= 0.2 is shown. In the lithium nickel manganese oxide when the Li content is 0.95 ≦ x ≦ 1.05, the positive electrode material is obtained by using a lithium nickel manganese oxide represented by The average valence of Mn is 3.2 or more in a region having a depth five times the c-axis length of the crystal from the surface of the next particle.

上記Mは、リチウムニッケルマンガン酸化物のLi層(Liのサイト)ないしNi、Mn、Coの遷移金属サイトに置換する元素(置換体)であって、アルカリ金属(但し、リチウムは除く)、アルカリ土類金属(ベリリウム、マグネシウムを含む)、遷移金属(但し、ニッケル、マンガン、コバルトを除く)、アルミニウムから選ばれる少なくとも1種の元素を示す。   M is an element (substitution) for substituting a lithium nickel manganese oxide Li layer (Li site) or a transition metal site of Ni, Mn, Co, an alkali metal (however, excluding lithium), an alkali It represents at least one element selected from earth metals (including beryllium and magnesium), transition metals (excluding nickel, manganese and cobalt), and aluminum.

上記Mのうち、アルカリ金属、アルカリ土類金属は、リチウムニッケルマンガン酸化物のLi層(Liのサイト)に置換する元素(置換体)になり得る。Li層(Liのサイト)の一部を当該元素で置換することで、置換した部分はLiの充放電に関与しないので、充放電による構造変化を抑制することができるものである。ただし、これらの元素は、リチウムニッケルマンガン酸化物のニッケル(Ni)、マンガン(Mn)、コバルト(Co)の遷移金属サイトの一部を置換する場合もあり得る。   Among the above M, alkali metals and alkaline earth metals can be elements (substitutes) that substitute for the Li nickel manganese oxide Li layer (Li site). By substituting a part of the Li layer (site of Li) with the element, the substituted part does not participate in charging / discharging of Li, so that structural change due to charging / discharging can be suppressed. However, these elements may replace some of transition metal sites of nickel (Ni), manganese (Mn), and cobalt (Co) in the lithium nickel manganese oxide.

上記アルカリ金属は、リチウム(Li)、ナトリウム(Na)、カリウム(K)、ルビジウム(Rb)、セシウム(Cs)、フランシウム(Fr)をいうが、ここでは、Liを除いた、Na、K、Rb、Cs、Frをいうものとする。また、アルカリ土類金属は、カルシウム(Ca)、ストロンチウム(Sr)、バリウム(Ba)、ラジウム(Ra)をいうが、ここでは、さらにベリリウム(Be)、マグネシウム(Mg)を加えたものをいうものとする。   The alkali metal refers to lithium (Li), sodium (Na), potassium (K), rubidium (Rb), cesium (Cs), francium (Fr), and here, Na, K, excluding Li, Rb, Cs, Fr shall be said. Alkaline earth metal refers to calcium (Ca), strontium (Sr), barium (Ba), and radium (Ra), but here, the one further added with beryllium (Be) and magnesium (Mg). Shall.

また、上記式中のMのうち、アルカリ土類金属(ベリリウム、マグネシウムを含む)、遷移金属(但し、ニッケル、マンガン、コバルトを除く)、アルミニウムは、リチウムニッケルマンガン酸化物のNi、Mn、Coの遷移金属サイトに置換する元素(M置換体)になり得る。リチウムニッケルマンガン酸化物のNi、Mn、Coのサイトの一部をこれらの元素で置換することで、表面組成を変化させた置換体を得ることが出来る。とりわけ、リチウムニッケルマンガン酸化物の1次粒子表面から結晶のc軸長の5倍の深さの領域(表面近傍領域)のMnの平均価数を3.2価以上にする方策の1つとして、表面近傍領域のNi、Mn、Coの遷移金属サイト、特にMnのサイトを+2価の金属イオンの元素(Ni、Mn、Coを除く)で置換するものである。遷移金属サイトを+2価の金属イオンの元素のM置換体(例えば、Mg、Zn等)で置換してMnの平均価数を3.2価以上にすることにより、高温での保存やサイクル耐久において、Mnが3価イオンとして表面から電解液に溶出するのを抑制することができる。その結果、溶出したMnイオンが負極に析出し、電池の容量、出力が低下するのを抑制できる。かかる観点から、M置換体としては、+2価の金属イオンの元素(アルカリ土類金属や遷移金属)が好ましく、具体的には、Mgおよび/またはZnであるが、
上記遷移金属は、周期律表の3〜12族に属する元素をいうが、ここでは、一般式(I)のリチウムニッケルマンガン酸化物の当該Ni、Mn、Coの遷移金属サイトを構成しているNi、Mn、Coは含めないものとする。
Of the M in the above formula, alkaline earth metals (including beryllium and magnesium), transition metals (excluding nickel, manganese and cobalt), and aluminum are Ni, Mn, and Co of lithium nickel manganese oxide. It can become an element (M substitution product) that substitutes the transition metal site. By substituting a part of Ni, Mn, and Co sites of lithium nickel manganese oxide with these elements, it is possible to obtain a substitute having a changed surface composition. In particular, as one of the measures to increase the average valence of Mn in the region (region near the surface) 5 times the c-axis length of the crystal from the primary particle surface of lithium nickel manganese oxide to 3.2 or more. The transition metal sites of Ni, Mn, and Co in the vicinity of the surface, in particular, the Mn site are replaced with elements of +2 metal ions (excluding Ni, Mn, and Co). The transition metal site is replaced with an M-substitution of element of a divalent metal ion (for example, Mg, Zn, etc.) to increase the average valence of Mn to 3.2 or more, so that it can be stored at high temperature and cycle durability. In this case, Mn can be prevented from eluting from the surface into the electrolyte as trivalent ions. As a result, it is possible to suppress the eluted Mn ions from depositing on the negative electrode and reducing the battery capacity and output. From this point of view, the M-substituted product is preferably a +2 valent metal ion element (alkaline earth metal or transition metal), specifically, Mg and / or Zn.
The transition metal refers to an element belonging to Group 3 to 12 of the periodic table. Here, the transition metal site of the lithium nickel manganese oxide of the general formula (I) constitutes the transition metal site of Ni, Mn, and Co. Ni, Mn, and Co are not included.

さらに、上記式中のAは、リチウムニッケルマンガン酸化物の酸素(O)のサイトに置換する元素(置換体)であって、カルコゲン元素(16族の元素、但し酸素は除く。)、窒素、リン、およびハロゲン元素から選ばれる少なくとも1種の元素を示す。リチウムニッケルマンガン酸化物のOのサイトの一部を該置換体Aで置換することで、表面構造を安定化させることが出来る。とりわけ、リチウムニッケルマンガン酸化物の1次粒子表面から結晶のc軸長の5倍の深さの領域のMnの平均価数を3.2価以上にする方策の1つとして、表面近傍領域の酸素サイトを−3価の非金属イオンの元素によって置換するものである。酸素を−3価の非金属イオンのA置換体(例えば、N、P等)で置換してMnの平均価数を3.2価以上にすることにより、高温での保存やサイクル耐久において、Mnが3価イオンとして表面から電解液に溶出するのを抑制することができる。その結果、溶出したMnイオンが負極に析出し、電池の容量、出力が低下するのを抑制できる。かかる観点から、A置換体としては、−3価の非金属イオンの元素が好ましく、具体的には、Nおよび/またはPであるが、これらに制限されるものではない。   Furthermore, A in the above formula is an element (substitute) that substitutes for the oxygen (O) site of the lithium nickel manganese oxide, and is a chalcogen element (group 16 element, excluding oxygen), nitrogen, At least one element selected from phosphorus and halogen elements is shown. By substituting a part of the O site of the lithium nickel manganese oxide with the substitution product A, the surface structure can be stabilized. In particular, as one of the measures to make the average valence of Mn in the region 5 times the c-axis length of the crystal from the primary particle surface of lithium nickel manganese oxide to 3.2 or more, The oxygen site is substituted with an element of a trivalent nonmetallic ion. By substituting oxygen with an A-substitution of -3 valent non-metallic ions (for example, N, P, etc.) to make the average valence of Mn 3.2 or more, in storage at high temperatures and cycle durability, It can suppress that Mn elutes from a surface to electrolyte solution as a trivalent ion. As a result, it is possible to suppress the eluted Mn ions from depositing on the negative electrode and reducing the battery capacity and output. From this point of view, the A-substituted product is preferably a trivalent non-metallic ion element, specifically N and / or P, but is not limited thereto.

上記カルコゲン元素は、酸素(O)、硫黄(S)、セレン(Se)、テルル(Te)、ポロニウム(Po)をいうが、ここでは、Oを除いた、S、Se、Te、Poをいうものとする。   The chalcogen element includes oxygen (O), sulfur (S), selenium (Se), tellurium (Te), and polonium (Po). Here, S, Se, Te, and Po, excluding O, are used. Shall.

上記式中のxは、リチウムニッケルマンガン酸化物中のLi含有量を示すものであり、0.5<x≦1.1、好ましくは0.66≦x≦1.0である。Li含有量xが1.1を超える場合には、そもそも酸化リチウムなどを形成しやすく、合成が困難であるほか、結晶構造が不安定化したり、これを使用したリチウム二次電池の電池容量低下を招く恐れがある。また、下限は特に制限されるものではなく、Liを必須成分として含有していればよいが、Li含有量xが0.5未満である場合には、電池としての容量の減少に加えてLiの拡散パスの減少につながり好ましくない。   X in the above formula represents the Li content in the lithium nickel manganese oxide, and 0.5 <x ≦ 1.1, preferably 0.66 ≦ x ≦ 1.0. When the Li content x exceeds 1.1, it is easy to form lithium oxide in the first place, it is difficult to synthesize, the crystal structure becomes unstable, or the battery capacity of a lithium secondary battery using this decreases. There is a risk of inviting. Further, the lower limit is not particularly limited, and it is sufficient that Li is contained as an essential component. However, when the Li content x is less than 0.5, in addition to the decrease in capacity as a battery, Li This is undesirable because it leads to a decrease in the diffusion path.

上記式中のyは、リチウムニッケルマンガン酸化物中のNi含有量を示すものであり、0.3≦y≦0.7、好ましくは0.33≦y≦0.67である。Ni含有量yが0.3未満の場合には、容量の低下を招く虞れがあるほか、結晶構造が不安定化したり、高出力充放電による内部抵抗が上昇したり、高容量化の要求を十分満足させるのが困難となるおそれがある。また、Ni含有量yが0.7を超える場合には、ニッケル酸リチウムに組成が近くなるために、合成が困難、熱安定性が下がるといった問題のほか、結晶構造が不安定化し、高温での高出力充放電による内部抵抗を抑制させるのが困難となるおそれがある。   Y in the above formula indicates the Ni content in the lithium nickel manganese oxide, and 0.3 ≦ y ≦ 0.7, preferably 0.33 ≦ y ≦ 0.67. When the Ni content y is less than 0.3, there is a risk of lowering the capacity, the crystal structure becomes unstable, the internal resistance increases due to high output charge / discharge, and there is a demand for higher capacity. It may be difficult to satisfy the above sufficiently. In addition, when the Ni content y exceeds 0.7, the composition is close to that of lithium nickelate, so that the synthesis is difficult and the thermal stability is lowered. It may be difficult to suppress the internal resistance due to the high output charge / discharge.

上記式中のzは、リチウムニッケルマンガン酸化物中のMn含有量を示すものであり、0.3≦z≦0.7、好ましくは0.33≦z≦0.55である。Mn含有量zが0.3未満の場合には、熱安定性が下がり、温度上昇により不安定になる。また、Mn含有量zが0.7を超える場合には、容量の低下に加え、Mnの溶出などを起こす恐れがある。   Z in the above formula represents the Mn content in the lithium nickel manganese oxide, and 0.3 ≦ z ≦ 0.7, preferably 0.33 ≦ z ≦ 0.55. When the Mn content z is less than 0.3, the thermal stability is lowered and becomes unstable due to a temperature rise. Further, when the Mn content z exceeds 0.7, there is a risk of causing elution of Mn in addition to a decrease in capacity.

上記式中のaは、リチウムニッケルマンガン酸化物中のCo含有量を示すものであり、0.0≦a≦0.4、好ましくは0.1≦a≦0.35である。リチウムニッケルマンガン酸化物に、Coを含有させることにより容量劣化が抑制できる。Co含有量aの下限は特に規定されないが、Co含有量aが0.4を超える場合には、原料コストの上昇とともに熱安定性も悪くなる。   A in the above formula represents the Co content in the lithium nickel manganese oxide, and 0.0 ≦ a ≦ 0.4, preferably 0.1 ≦ a ≦ 0.35. By including Co in the lithium nickel manganese oxide, capacity deterioration can be suppressed. The lower limit of the Co content a is not particularly specified, but when the Co content a exceeds 0.4, the thermal stability is deteriorated as the raw material cost increases.

上記式中のbは、リチウムニッケルマンガン酸化物中のアルカリ金属(但し、リチウムは除く)、アルカリ土類金属(ベリリウム、マグネシウムを含む)、遷移金属(但し、ニッケル、マンガン、コバルトを除く)、アルミニウムからなる置換体Mの含有量を示すものであり、0≦b≦0.2、好ましくは0.01≦b≦0.1である。リチウムニッケルマンガン酸化物に、置換体Mが含まれることにより容量劣化が抑制できる。置換体Mの含有量bが0.2を超える場合には、電池容量や出力の低下を引き起こす。また、置換体Mは任意成分であり、特に含有している必要はないことから、下限は特に制限されるものではない。置換体Mが含まれる場合には、置換体Mによる作用効果を有効に発揮し得る程度まで置換されているのが望ましい。かかる観点から、置換体Mの含有量bは、0.01以上であるのが望ましい。   B in the above formula represents an alkali metal (excluding lithium), an alkaline earth metal (including beryllium and magnesium), a transition metal (excluding nickel, manganese and cobalt) in the lithium nickel manganese oxide, The content of the substitution product M made of aluminum is shown, and 0 ≦ b ≦ 0.2, preferably 0.01 ≦ b ≦ 0.1. By including the substitution product M in the lithium nickel manganese oxide, capacity deterioration can be suppressed. When the content b of the substitution product M exceeds 0.2, the battery capacity and the output are reduced. Moreover, since the substitution product M is an optional component and does not need to be contained in particular, the lower limit is not particularly limited. When the substitution product M is included, it is desirable that the substitution product M is substituted to such an extent that the effect of the substitution product M can be effectively exhibited. From this point of view, the content b of the substitution product M is desirably 0.01 or more.

上記式中のcは、リチウムニッケルマンガン酸化物中の置換体Aが未置換状態の酸素の含有量を示すものであり、1.8≦c≦2.4、好ましくは2.0≦c≦2.2である。当該酸素の含有量cが1.8未満の場合には、酸素数が少ないために構造が安定しない。また、当該酸素の含有量cが2.4を超える場合には、遷移金属の酸化数が高くなりすぎ熱的に不安定である。   C in the above formula represents the content of oxygen in which the substitution product A in the lithium nickel manganese oxide is in an unsubstituted state, and 1.8 ≦ c ≦ 2.4, preferably 2.0 ≦ c ≦ 2.2. When the oxygen content c is less than 1.8, the structure is not stable because the number of oxygen is small. On the other hand, when the oxygen content c exceeds 2.4, the oxidation number of the transition metal becomes too high and is thermally unstable.

上記式中のdは、リチウムニッケルマンガン酸化物中の置換体Aの含有量を示すものであり、0≦d≦0.2、好ましくは0.05≦d≦0.1である。特に、リチウムニッケルマンガン酸化物の表面近傍領域の酸素サイトに、上記含有量dの範囲で−3価イオンの置換体Aを導入することで、表面近傍領域のMnの平均価数を3.2価以上にする方策の1つとして有効利用することができる。これにより表面から電解液へのMn溶出を抑制することができる。また高出力を維持し、高出力のサイクル充放電による内部抵抗上昇を抑制することができる。当該置換体Aの含有量dが0.2を超える場合には、構造が不安定化するので合成が困難である。また、置換体Aは任意成分であり、特に含有している必要はないことから、下限は特に制限されるものではない。置換体Aが含まれる場合には、置換体Aによる上記作用効果を有効に発揮し得る程度まで置換されているのが望ましい。かかる観点から、置換体Aの含有量dは、0.03を超えるのが望ましく、より好ましくは0.05以上である(実施例15〜20と比較例5〜6を対比参照のこと)。   D in the above formula represents the content of the substitution product A in the lithium nickel manganese oxide, and 0 ≦ d ≦ 0.2, preferably 0.05 ≦ d ≦ 0.1. In particular, by introducing the substitution A of -3 valent ions in the range of the above content d into the oxygen site in the vicinity of the surface of the lithium nickel manganese oxide, the average valence of Mn in the vicinity of the surface is 3.2. It can be effectively used as one of the measures to increase the price. Thereby, Mn elution from the surface to the electrolytic solution can be suppressed. Moreover, a high output can be maintained and an increase in internal resistance due to a high output cycle charge / discharge can be suppressed. When the content d of the substitution product A exceeds 0.2, the structure becomes unstable, so that synthesis is difficult. Moreover, since the substitute A is an arbitrary component and does not need to contain in particular, a minimum in particular is not restrict | limited. When the substitution product A is included, it is desirable that the substitution product A is substituted to such an extent that the above-described effects of the substitution product A can be effectively exhibited. From this point of view, the content d of the substitution product A desirably exceeds 0.03, more preferably 0.05 or more (see Examples 15 to 20 and Comparative Examples 5 to 6).

なお、本発明では、上記一般式(I)で表されるリチウムニッケルマンガン酸化物は、その1次粒子全体が上記一般式(I)で表されるものであるのが望ましい。ただし、その1次粒子表面から結晶のc軸長の5倍の深さの領域(表面近傍領域)における組成が、上記一般式(I)で表されるものであってもよい。これは、上記したようにリチウムニッケルマンガン酸化物の表面近傍領域のMnの価数を高めることができるように表面処理を行っているが、こうした表面処理後の表面近傍領域の組成も、上記一般式(I)で規定される範囲に含まれる為である。なお、表面処理後の表面近傍領域の組成の確認は、例えば、TOF−MASS(飛行時間型質量分析法)、TOF−SIMS(飛行時間型二次イオン質量分析法)によって確認できる。また、リチウムニッケルマンガン酸化物粒子のコア部分、即ち、表面近傍領域よりも深い部分の組成の確認は、例えば、X線回折パターンの低角側ピークの大きさによって確認できる。   In the present invention, the lithium nickel manganese oxide represented by the above general formula (I) is preferably one in which the entire primary particles are represented by the above general formula (I). However, the composition in the region (surface vicinity region) having a depth five times the c-axis length of the crystal from the primary particle surface may be represented by the above general formula (I). As described above, the surface treatment is performed so that the valence of Mn in the vicinity of the surface of the lithium nickel manganese oxide can be increased. This is because it is included in the range defined by the formula (I). In addition, confirmation of the composition of the surface vicinity area | region after surface treatment can be confirmed by TOF-MASS (time-of-flight mass spectrometry) and TOF-SIMS (time-of-flight secondary ion mass spectrometry), for example. Moreover, the confirmation of the composition of the core part of the lithium nickel manganese oxide particles, that is, the part deeper than the surface vicinity region can be confirmed by, for example, the size of the low angle side peak of the X-ray diffraction pattern.

さらに本発明では、上記リチウムニッケルマンガン酸化物の1次粒子表面から結晶のc軸長の5倍の深さの領域に過剰な酸素を導入してなること、即ち、一般式(I)においてc≧2−dであることが望ましい。リチウムニッケルマンガン酸化物の表面上に過剰な酸素を導入することにより、正極活物質表面を酸素終端とすることができるためである。これにより、リチウムニッケルマンガン酸化物の1次粒子表面から結晶のc軸長の5倍の深さの領域のMnの平均価数を3.2価以上にすることができ、表面から電解液へのMn溶出を抑制することができる。また、正極活物質の表面を酸素終端とすることによって炭素系の導電助材との結着力が強まり、高出力充放電による内部抵抗の上昇をより一層抑制することができる点でも優れている。   Furthermore, in the present invention, excess oxygen is introduced from the surface of the primary particles of the lithium nickel manganese oxide into a region having a depth five times the c-axis length of the crystal, that is, in the general formula (I), It is desirable that ≧ 2-d. This is because the surface of the positive electrode active material can be terminated with oxygen by introducing excess oxygen onto the surface of the lithium nickel manganese oxide. As a result, the average valence of Mn in the region 5 times deeper than the c-axis length of the crystal from the primary particle surface of the lithium nickel manganese oxide can be increased to 3.2 or more, and from the surface to the electrolytic solution. Mn elution can be suppressed. In addition, the surface of the positive electrode active material is oxygen-terminated, so that the binding force with the carbon-based conductive additive is strengthened, and the increase in internal resistance due to high output charge / discharge can be further suppressed.

以上の点から、本発明では、リチウムニッケルマンガン酸化物の1次粒子表面が、40%以上100%以下、好ましくは60%以上100%以下の割合で酸素終端されていることが望ましい。1次粒子表面が、40%以上100%以下の割合で酸素終端されている場合には、遷移金属の安定性が増し、長寿命化可能である点で優れている。   From the above points, in the present invention, it is desirable that the primary particle surface of the lithium nickel manganese oxide is oxygen-terminated at a rate of 40% to 100%, preferably 60% to 100%. When the primary particle surface is oxygen-terminated at a ratio of 40% or more and 100% or less, the stability of the transition metal is increased, which is excellent in that the life can be extended.

かかる酸素終端率の測定は、実施例において説明するように、リチウムニッケルマンガン酸化物を製膜後に表面処理(アニール処理)して、表面近傍領域のMnの価数を高めた後に測定することができる。例えば、比較例1に示すような製造方法に従って得られた表面処理されていない既存のリチウムニッケルマンガン酸化物粉末を、適当な大きさ(例えば、直径20mm、厚さ5mm)の円柱状のペレットに成形する。このペレットを500〜1000℃、酸素雰囲気中で1〜100時間、焼結する。そのペレットをターゲットとして、例えば、パルス・レーザ・デポジッション(PLD)法を用いて、導電性を持った基板上(例えば、SrTiO(100)基板上)に製膜する。製膜条件は、温度が室温〜700℃で、酸素分圧0.01〜10mmHg、0.01〜10時間の範囲とすることができる。作製される膜厚は、通常2〜100nm程度であれば十分な評価が可能である。製膜後に表面処理(例えば、アニール処理)として、酸素分圧0.2〜10atm、300〜1000℃で、1〜100時間アニールすることで、薄膜状のリチウムニッケルマンガン酸化物(正極活物質)を得ることができる(詳しくは、後述する実施例を参照のこと)。こうして、得られた表面処理済みの薄膜状のリチウムニッケルマンガン酸化物(正極活物質)につき、実施例に示す酸素終端率の測定方法に従って、10×10nmの面積に占める酸素終端している面積を算出し、酸素終端率(%)を求めることができる(詳しくは、実施例に規定する「酸素終端率の測定方法」の項を参照のこと。)。ただし、かかる製膜方法は、実施例で説明するパルス・レーザ・デポジッション法(PLD)に限られず、ケミカル・ヴェーパー・デポジッション法(CVD)、PVD、スパッタリング法などを用いる事が出来る。また、基板としてもMgO、LaSrGaOなどを用いる事が出来る。また、表面処理に関しても、酸素分圧0.1気圧(atm)以上の雰囲気でのアニール処理のほか、例えば、酸素2気圧よりも高い雰囲気でのアニール処理、電解酸化処理、オゾンを用いたアニール処理などを用いて行うことができる。 As described in the examples, the oxygen termination rate can be measured after surface treatment (annealing) of lithium nickel manganese oxide after film formation to increase the valence of Mn in the vicinity of the surface. it can. For example, existing lithium nickel manganese oxide powder not subjected to surface treatment obtained according to the production method as shown in Comparative Example 1 is formed into a cylindrical pellet having an appropriate size (for example, a diameter of 20 mm and a thickness of 5 mm). Mold. The pellet is sintered at 500 to 1000 ° C. in an oxygen atmosphere for 1 to 100 hours. Using the pellet as a target, a film is formed on a conductive substrate (for example, an SrTiO 3 (100) substrate) by using, for example, a pulse laser deposition (PLD) method. The film forming conditions may be a temperature of room temperature to 700 ° C., an oxygen partial pressure of 0.01 to 10 mmHg, and a range of 0.01 to 10 hours. If the film thickness to be produced is usually about 2 to 100 nm, sufficient evaluation is possible. Thin film lithium nickel manganese oxide (positive electrode active material) by annealing for 1 to 100 hours at a partial pressure of oxygen of 0.2 to 10 atm and 300 to 1000 ° C. as surface treatment (for example, annealing treatment) after film formation (For details, refer to Examples described later). Thus, the surface-treated thin-film lithium nickel manganese oxide (positive electrode active material) thus obtained has an oxygen-terminated area occupying an area of 10 × 10 nm 2 according to the method for measuring the oxygen termination rate shown in the Examples. And the oxygen termination rate (%) can be calculated (for details, refer to the section “Method for measuring oxygen termination rate” defined in the Examples). However, such a film forming method is not limited to the pulse laser deposition method (PLD) described in the embodiment, and a chemical vapor deposition method (CVD), PVD, sputtering method, or the like can be used. Further, MgO, LaSrGaO, or the like can be used as the substrate. As for the surface treatment, in addition to an annealing treatment in an atmosphere having an oxygen partial pressure of 0.1 atm (atm) or higher, for example, an annealing treatment in an atmosphere higher than 2 atm of oxygen, an electrolytic oxidation treatment, and an annealing using ozone. It can be performed using processing.

また、本発明では、上記リチウムニッケルマンガン酸化物の1次粒子表面から結晶のc軸長の5倍の深さの領域で、前記1次粒子表面から結晶のc軸長の5倍の深さの領域で遷移金属サイトの遷移金属のサイト占有率が、90%以上98%以下、好ましくは92%以上96%以下である。ここでいう遷移金属サイトとは、記リチウムニッケルマンガン酸化物のNi、Mn、Coの遷移金属サイト、特に好ましくはMnのサイトをいう。また、この遷移金属サイトでの遷移金属には、Ni、Mn、Coのほか、当該遷移金属サイトに導入し得る上記一般式(I)中のM(遷移金属に限る)が含まれ得るが、好ましくはMnである。遷移金属サイト(Mnサイト)での遷移金属(Mn)のサイト占有率を上記範囲内に調整(制御)することで、表面近傍領域のMnの平均価数を3.2価以上にする方策の1つとして有効利用することができる。言い換えれば、前記1次粒子表面から結晶のc軸長の5倍の深さの領域でMnを欠損させる、即ち、表面近傍領域でMnサイトのMnのサイト占有率が100%よりも低い90〜98%になるように欠損させることによっても、表面近傍領域のMn(一部)の価数を+4価に上昇させることができる。これにより表面から電解液へのMn溶出を抑制することができる。また高出力を維持し、高出力のサイクル充放電による内部抵抗上昇を抑制することができる(実施例21〜22と比較例7を対比参照のこと)。   Further, in the present invention, in the region having a depth of 5 times the c-axis length of the crystal from the primary particle surface of the lithium nickel manganese oxide, a depth of 5 times the c-axis length of the crystal from the primary particle surface. In this region, the transition metal site occupancy ratio of the transition metal site is 90% to 98%, preferably 92% to 96%. The transition metal site here refers to a Ni, Mn, Co transition metal site of the lithium nickel manganese oxide, particularly preferably a Mn site. In addition to Ni, Mn, and Co, the transition metal at this transition metal site may include M in the general formula (I) that can be introduced into the transition metal site (limited to the transition metal). Mn is preferable. By adjusting (controlling) the site occupancy rate of the transition metal (Mn) at the transition metal site (Mn site) within the above range, the average valence of Mn in the vicinity of the surface is set to 3.2 or more. It can be used effectively as one. In other words, Mn is lost from the primary particle surface in a region having a depth of 5 times the c-axis length of the crystal, that is, the Mn site occupancy of the Mn site is lower than 100% in the region near the surface. Also, the valence of Mn (partial) in the vicinity of the surface can be increased to +4 by making the defect to be 98%. Thereby, Mn elution from the surface to the electrolytic solution can be suppressed. Moreover, a high output can be maintained and an increase in internal resistance due to a high output cycle charge / discharge can be suppressed (see the comparison between Examples 21 to 22 and Comparative Example 7).

上記1次粒子表面から結晶のc軸長の5倍の深さの領域で遷移金属サイトの遷移金属のサイト占有率(例えば、MnサイトのMnのサイト占有率)は、1次粒子表面から結晶のc軸長の5倍の深さの領域の組成から、薄膜X線解析、RHEEDといった方法により算出することができる(表8参照のこと)。   The transition metal site occupancy ratio (for example, the Mn site occupancy ratio of the Mn site) in the region having a depth five times the c-axis length of the crystal from the primary particle surface is the crystal from the primary particle surface. It can be calculated by a method such as thin film X-ray analysis or RHEED from the composition of the region having a depth of 5 times the c-axis length (see Table 8).

さらに、本発明では、上記リチウムニッケルマンガン酸化物の1次粒子表面から結晶のc軸長の5倍の深さの領域で1.8≦(c−d)/(y+z+a+b)≦2.4、好ましくは2≦(c−d)/(y+z+a+b)≦2.2となることが望ましい。上記次粒子表面から結晶のc軸長の5倍の深さの領域で、酸素含有量(c−d)/Ni+Mn+Co+M含有量(y+z+a+b)が1.8以上の場合には十分な酸素原子数があるので構造的に安定であり、2.4以下であれば、遷移金属の酸化数が高くなりすぎず、熱的安定性が保たれる点で優れている。   Furthermore, in the present invention, 1.8 ≦ (cd) / (y + z + a + b) ≦ 2.4 in a region having a depth five times the c-axis length of the crystal from the primary particle surface of the lithium nickel manganese oxide. Preferably, 2 ≦ (cd) / (y + z + a + b) ≦ 2.2. When the oxygen content (cd) / Ni + Mn + Co + M content (y + z + a + b) is 1.8 or more in a region having a depth of 5 times the c-axis length of the crystal from the surface of the next particle, the number of oxygen atoms is sufficient. Therefore, it is structurally stable, and if it is 2.4 or less, the oxidation number of the transition metal does not become too high, and it is excellent in that the thermal stability is maintained.

本発明では、上述した一般式(I)で表されるリチウムニッケルマンガン酸化物は、いわば初期充電前の正極活物質の状態を表すものである。   In the present invention, the lithium nickel manganese oxide represented by the general formula (I) described above represents the state of the positive electrode active material before initial charging.

本発明では、Liの含有量が0.5<x≦1.1、特に0.95≦x≦1.05のときの一般式(I)で表される前記リチウムニッケルマンガン酸化物において、1次粒子表面から結晶のc軸長の5倍の深さの領域における、Mnの平均価数が3.2以上であることを特徴とするものである。これは、+3価イオンとして溶出されるMnを、より価数の高いMnとして表面全体を覆うようにしておくことで、Mnがイオン化されて溶出するのを効果的に抑制することができる。特に表面近傍をこうしたより価数の高いMnすることで、これよりも内部のMnが溶出するのを効果的にブロッキングすることもできる。そのため、本発明では、少なくとも1次粒子表面から結晶のc軸長の5倍の深さまでの領域について、Mnの平均価数が3.2以上に制御されていればよく、その内部(粒子のより深部)のMn価数については、特に制限されるものではない。したがって、1次粒子表面から結晶のc軸長の5倍の深さよりも内部(粒子のより深部)のMn価数が、3.2以上であればもちろんのこと、3.2よりも低くてもその溶出を抑制することができ、本発明の作用効果を有効に発現することができる。かかる要件を満足することにより、高温(45℃以上)での保存やサイクル耐久においてリチウムニッケルマンガン酸化物中のMnが3価イオンとして電解液に溶出するのを抑制することができる。Mnを3.2価以上にする方策としては、表面上に過剰な酸素を導入して表面を酸素終端とする。また、表面近傍領域のMnを+2価イオン(元素)で置換する。表面近傍領域の酸素を−3価イオン(元素)によって置換する。Mnを欠損させることによってもMnの価数を+4価に上昇させることなどが挙げられるが、これらに制限されるものではない。一方、1次粒子表面から結晶のc軸長の5倍の深さの領域における、Mnの平均価数が3.2未満の場合には、高温での保存やサイクル耐久において正極活物質表面からMnが3価イオンとして電解液に溶出するのを抑制するのが困難となる。その結果、高出力充放電による内部抵抗が上昇することにもなる(各表の実施例と比較例との抵抗比率1〜3、Mn溶出量を対比参照のこと。)。   In the present invention, in the lithium nickel manganese oxide represented by the general formula (I) when the Li content is 0.5 <x ≦ 1.1, particularly 0.95 ≦ x ≦ 1.05, 1 The average valence of Mn is 3.2 or more in a region having a depth five times the c-axis length of the crystal from the surface of the next particle. This can effectively prevent Mn from being ionized and eluted by covering the entire surface with Mn having a higher valence as Mn eluted as +3 valent ions. In particular, by using Mn having a higher valence in the vicinity of the surface, it is possible to effectively block elution of Mn inside than this. Therefore, in the present invention, it is sufficient that the average valence of Mn is controlled to be 3.2 or more in the region from at least the surface of the primary particle to the depth of 5 times the c-axis length of the crystal. The Mn valence of the deeper part is not particularly limited. Therefore, if the Mn valence in the inside (deeper part of the particle) is 3.2 or more than the depth of 5 times the c-axis length of the crystal from the primary particle surface, it is naturally lower than 3.2. The elution can be suppressed, and the effects of the present invention can be effectively expressed. By satisfying such requirements, it is possible to suppress the dissolution of Mn in the lithium nickel manganese oxide as a trivalent ion into the electrolyte during storage at high temperatures (45 ° C. or higher) and cycle durability. As a measure for increasing Mn to 3.2 or more, excessive oxygen is introduced onto the surface to terminate the surface with oxygen. Further, Mn in the vicinity of the surface is replaced with +2 valent ions (elements). Oxygen in the vicinity of the surface is replaced with a trivalent ion (element). Although the valence of Mn can be increased to +4 by depleting Mn, it is not limited thereto. On the other hand, when the average valence of Mn is less than 3.2 in the region 5 times deeper than the c-axis length of the crystal from the primary particle surface, the surface of the positive electrode active material can be used for storage at high temperatures and cycle durability. It becomes difficult to suppress Mn from eluting into the electrolyte as trivalent ions. As a result, the internal resistance due to high output charge / discharge also increases (refer to the comparison of the resistance ratios 1 to 3 and the elution amount of Mn between the examples and comparative examples in each table).

ここで、「Liの含有量が0.95≦x≦1.05のとき」とは、必要に応じて、表面層に導入されるリチウム原子の量を調整することにより、Li含有量を0.95≦x≦1.05に調整したときを指すものである。なお、必要に応じてとしたのは、後述する各実施例で得られた充放電前の状態の一般式(I)で表されるリチウムニッケルマンガン酸化物のLi含有量xが既に0.95≦x≦1.05の範囲にあるため、こうした場合は、特に上記調整を行う必要がないためである。こうした場合には、そのまま充放電前の状態の一般式(I)で表されるリチウムニッケルマンガン酸化物につき、1次粒子表面から結晶のc軸長の5倍の深さの領域におけるMnの平均価数を測定することができる。但し、充放電前の状態においては、一般式(I)で表されるリチウムニッケルマンガン酸化物のLi含有量xが必ずしも0.95≦x≦1.05の範囲にある必要はなく、一般式(I)において規定したように、0.5<x≦1.1、好ましくは0.66≦x≦1.0を満足すればよい。   Here, “when the Li content is 0.95 ≦ x ≦ 1.05” means that the Li content is reduced to 0 by adjusting the amount of lithium atoms introduced into the surface layer as necessary. .95 ≦ x ≦ 1.05. It should be noted that the Li content x of the lithium nickel manganese oxide represented by the general formula (I) in the state before charge / discharge obtained in each example described later is already 0.95. This is because it is not necessary to make the above adjustment in such a case because it is in the range of ≦ x ≦ 1.05. In such a case, the average value of Mn in the region 5 times deeper than the c-axis length of the crystal from the primary particle surface with respect to the lithium nickel manganese oxide represented by the general formula (I) in the state before charge and discharge as it is. Valence can be measured. However, in the state before charge / discharge, the Li content x of the lithium nickel manganese oxide represented by the general formula (I) is not necessarily in the range of 0.95 ≦ x ≦ 1.05. As defined in (I), 0.5 <x ≦ 1.1, preferably 0.66 ≦ x ≦ 1.0 may be satisfied.

本発明では、Liの含有量xが上記範囲のとき、該リチウムニッケルマンガン酸化物の1次粒子表面から結晶のc軸長の5倍の深さの領域におけるMnの平均価数が3.2以上、好ましくは3.3以上である事を特徴とするものである。言い換えれば、一次粒子表面全体を価数の高いMnで覆っておくことができるものといえる。即ち、粒子表面の一部だけを価数の高いMnで覆うことによっても当該部分からのMnの溶出を抑えることができるため、一定の効果は得られる。しかしながら、価数の高いMnで覆われていない表面部分に関しては、効果的にMnの溶出を抑えることができない。本発明者が検討した結果、表面近傍領域におけるMnの平均価数が3.2以上であれば、Mnの溶出抑制効果が一様になる(ほぼ一定の値になる。表2〜8参照のこと。)ことから、この時点で一次粒子表面全体を価数の高いMnで覆うことができているものと考える。   In the present invention, when the Li content x is in the above range, the average valence of Mn in the region 5 times the c-axis length of the crystal from the primary particle surface of the lithium nickel manganese oxide is 3.2. As described above, it is preferably 3.3 or more. In other words, it can be said that the entire primary particle surface can be covered with Mn having a high valence. That is, by covering only a part of the particle surface with Mn having a high valence, elution of Mn from the part can be suppressed, so that a certain effect can be obtained. However, the elution of Mn cannot be effectively suppressed with respect to the surface portion not covered with Mn having a high valence. As a result of the study by the present inventors, when the average valence of Mn in the surface vicinity region is 3.2 or more, the elution suppressing effect of Mn becomes uniform (almost constant value. See Tables 2 to 8) Therefore, it is considered that the entire primary particle surface can be covered with Mn having a high valence at this point.

ここで、リチウムニッケルマンガン酸化物の1次粒子表面から結晶のc軸長の5倍の深さの領域(表面近傍領域)の組成は、例えば、金属元素の定量方法としてはICP(誘導イオンプラズマ法)、非金属、金属元素の定量法としてはTOF−MASS(飛行時間型質量分析法)、TOF−SIMS(飛行時間型二次イオン質量分析法)などを用いて求めることができる。こうして求めた表面近傍領域の組成から、電気中性の原理により、Mnの価数を求めることができる。ここで、一般式(I)に示す各元素(M元素の遷移元素については、第一遷移元素(3d遷移元素)を例示した)の価数の1例を下記表1に示す。   Here, the composition of the region (surface vicinity region) having a depth five times the c-axis length of the crystal from the primary particle surface of lithium nickel manganese oxide is, for example, ICP (inductive ion plasma) as a method for quantifying metal elements. Method), nonmetals, and metal elements can be determined using TOF-MASS (time-of-flight mass spectrometry), TOF-SIMS (time-of-flight secondary ion mass spectrometry), or the like. From the composition of the region near the surface thus obtained, the valence of Mn can be obtained based on the principle of electric neutrality. Here, Table 1 shows an example of the valence of each element represented by the general formula (I) (for the transition element of M element, the first transition element (3d transition element) is exemplified).

Figure 2007257890
Figure 2007257890

上記表中のアルカリは、Liを除いたアルカリ金属元素を表す。土類は、Be、Mgを含むアルカリ土類金属元素を表す。Xは、ハロゲン元素を表す。カルコゲンは、Oを除いたカルコゲン元素を表す。Wは、Mnの価数を表す。   The alkali in the above table represents an alkali metal element excluding Li. The earth represents an alkaline earth metal element including Be and Mg. X represents a halogen element. Chalcogen represents a chalcogen element excluding O. W represents the valence of Mn.

従って、例えば、後述する実施例1のリチウムニッケルマンガン酸化物の表面近傍領域の組成;LiNi0.4Co0.3Mn0.32.06を例にとれば、以下のようにして求めることができる。 Accordingly, for example, the composition in the vicinity of the surface of the lithium nickel manganese oxide of Example 1 described later; LiNi 0.4 Co 0.3 Mn 0.3 O 2.06 is taken as an example and obtained as follows. be able to.

W=−(1×1+0.4×3+0.3×3+2.06×(−2))/0.3
W=3.4
なお、Li含有量が上記範囲にあるときの一般式(I)で表されるリチウムニッケルマンガン酸化物における結晶構造(結晶の空間群の対称性)は、特に制限されるものではないが、後述する実施例に示すようにR3−mであるのが望ましい。かかる結晶構造(結晶の空間群の対称性)は、例えば、粉末X線回折装置(粉末XRD)等により確認することができる。
W = − (1 × 1 + 0.4 × 3 + 0.3 × 3 + 2.06 × (−2)) / 0.3
W = 3.4
The crystal structure (symmetry of the crystal space group) in the lithium nickel manganese oxide represented by the general formula (I) when the Li content is in the above range is not particularly limited, but will be described later. R3-m is desirable as shown in the examples. Such crystal structure (symmetry of crystal space group) can be confirmed by, for example, a powder X-ray diffractometer (powder XRD) or the like.

本発明では、正極活物質に高容量化、高安全化が期待できる上記リチウムニッケルマンガン酸化物を用いることを特徴とするものであるが、さらに、リチウムニッケルマンガン酸化物以外に本発明の作用効果を損なわない範囲内で使用可能な他の正極活物質を含んでいてもよい。かかる他の正極活物質としては、従来公知の非水電解質リチウムイオン電池で使用される正極活物質を用いることができる。具体的には、他の正極活物質を任意で含有していてもよく、従来公知のものを用いることができる。具体的には、遷移金属とリチウムとの複合酸化物(リチウム−遷移金属複合酸化物)を好適に使用できる。例えば、LiMnなどのLi・Mn系複合酸化物、LiCoOなどのLi・Co系複合酸化物、LiCr、LiCrOなどのLi・Cr系複合酸化物など、LiFeOなどのLi・Fe系複合酸化物およびこれらの遷移金属の一部を他の元素により置換したものなどが併用できるなど、Li金属酸化物から選択し使用できるが、これらの材料に限定されるものではない。これらリチウム−遷移金属複合酸化物は、高容量化の点ではリチウムニッケルマンガン酸化物に及ばないものの、リチウムニッケルマンガン酸化物と同様に反応性、サイクル耐久性に優れ、低コストな材料である。そのためこれらの材料を電極に用いることにより、出力特性に優れた電池を形成することができる。この他にも、LiFePOなどの遷移金属とリチウムのリン酸化合物や硫酸化合物;V、MnO、TiS、MoS、MoOなどの遷移金属酸化物や硫化物;PbO、AgO、NiOOHなどが併用できる。 In the present invention, the positive electrode active material is characterized by using the above-described lithium nickel manganese oxide that can be expected to have high capacity and high safety. The other positive electrode active material which can be used within the range which does not impair this may be included. As such another positive electrode active material, a positive electrode active material used in a conventionally known non-aqueous electrolyte lithium ion battery can be used. Specifically, other positive electrode active materials may optionally be contained, and conventionally known materials can be used. Specifically, a composite oxide of lithium and transition metal (lithium-transition metal composite oxide) can be preferably used. For example, Li · Mn based composite oxides such as LiMn 2 O 4 , Li · Co based composite oxides such as LiCoO 2 , Li · Cr based composite oxides such as Li 2 Cr 2 O 7 and Li 2 CrO 4, etc. Li / Fe-based composite oxides such as LiFeO 2 and those obtained by substituting some of these transition metals with other elements can be used in combination. However, it is limited to these materials. It is not something. Although these lithium-transition metal composite oxides are not as good as lithium nickel manganese oxide in terms of capacity increase, they are excellent in reactivity and cycle durability and are low-cost materials like lithium nickel manganese oxide. Therefore, a battery having excellent output characteristics can be formed by using these materials for the electrodes. In addition to these, transition metal and lithium phosphate compounds and sulfuric acid compounds such as LiFePO 4 ; transition metal oxides and sulfides such as V 2 O 5 , MnO 2 , TiS 2 , MoS 2 , and MoO 3 ; PbO 2 , AgO, NiOOH, etc. can be used together.

上記正極活物質のリチウムニッケルマンガン酸化物粒子の平均粒径としては、その製造方法にもよるが、正極活物質であるリチウムニッケルマンガン酸化物の高容量化、反応性、サイクル耐久性の観点からは、0.1〜20μmの範囲であるのが望ましいといえるが、本発明では、必ずしも上記範囲に制限されるものではない。なお、該リチウムニッケルマンガン酸化物が2次粒子である場合には該2次粒子を構成する1次粒子の平均粒径が0.01〜5μmの範囲であるのが望ましいといえるが、本発明では、必ずしも上記範囲に制限されるものではない。ただし、製造方法にもよるが、リチウムニッケルマンガン酸化物が凝集、塊状などにより2次粒子化したものでなくても良いことはいうまでもない。かかるリチウムニッケルマンガン酸化物粒子の粒径および1次粒子の粒径は、例えば、走査電子顕微鏡(SEM)観察、透過電子顕微鏡(TEM)観察により測定することができる。   The average particle diameter of the lithium nickel manganese oxide particles of the positive electrode active material depends on the production method, but from the viewpoint of increasing the capacity, reactivity, and cycle durability of the lithium nickel manganese oxide, which is the positive electrode active material. Is desirably in the range of 0.1 to 20 μm, but is not necessarily limited to the above range in the present invention. In addition, when the lithium nickel manganese oxide is secondary particles, it can be said that the average particle size of the primary particles constituting the secondary particles is preferably in the range of 0.01 to 5 μm. Then, it is not necessarily limited to the above range. However, it is needless to say that the lithium nickel manganese oxide does not have to be secondary particles formed by aggregation, agglomeration or the like, depending on the production method. The particle size of the lithium nickel manganese oxide particles and the particle size of the primary particles can be measured, for example, by observation with a scanning electron microscope (SEM) or transmission electron microscope (TEM).

次に、リチウムニッケルマンガン酸化物の表面近傍領域のMnを3.2価以上にする方法である、以下の(1)〜(4)につき、以下に説明する。   Next, the following (1) to (4), which are methods for increasing the Mn in the region near the surface of the lithium nickel manganese oxide to 3.2 or more, will be described below.

(1)リチウムニッケルマンガン酸化物の表面近傍領域への過剰酸素の導入方法
リチウムニッケルマンガン酸化物の表面近傍領域への過剰酸素の導入方法としては、(i)酸素1気圧以上の雰囲気での高酸素圧アニール処理、(ii)オゾンを用いてアニール処理を用いることができる。但し、過剰酸素の導入方法については、これらの方法に何ら制限されるものではない。
(1) Method of introducing excess oxygen into the region near the surface of lithium nickel manganese oxide As a method of introducing excess oxygen into the region near the surface of lithium nickel manganese oxide, (i) high oxygen in an atmosphere of 1 atmosphere or more of oxygen Oxygen pressure annealing treatment (ii) Annealing treatment using ozone can be used. However, the method for introducing excess oxygen is not limited to these methods.

上記(i)の高酸素圧アニール処理としては、所望の過剰酸素を導入することができる条件であれば特に制限されるものではない。例えば、300℃〜500℃において、2気圧より高い雰囲気、好ましくは2気圧超20気圧以下の雰囲気で高酸素圧アニール処理を行うことで、リチウムニッケルマンガン酸化物表面に過剰酸素を導入することができる。   The high oxygen pressure annealing treatment (i) is not particularly limited as long as desired excess oxygen can be introduced. For example, excess oxygen may be introduced into the surface of the lithium nickel manganese oxide by performing a high oxygen pressure annealing treatment at 300 ° C. to 500 ° C. in an atmosphere higher than 2 atmospheres, preferably in an atmosphere higher than 2 atmospheres and 20 atmospheres or lower. it can.

上記(ii)のオゾンアニール処理でも、所望の過剰酸素を導入することができる条件であれば特に制限されるものではない。例えば、300℃〜500℃において、オゾンを用いてアニール処理を行うことで、リチウムニッケルマンガン酸化物表面に過剰酸素を導入することができる。なお、オゾンアニールには、酸素、オゾンの混合ガスや空気、オゾンの混合ガスを用いて行うことができる。オゾンアニール時の圧力に関しても、上記高酸素アニールと同程度になるようにすればよい。また混合ガスを用いる場合の、オゾン濃度に関しても、所望の過剰酸素を導入することができる条件であれば特に制限されるものではない。   The ozone annealing treatment (ii) is not particularly limited as long as desired excess oxygen can be introduced. For example, excess oxygen can be introduced into the surface of the lithium nickel manganese oxide by performing an annealing process using ozone at 300 ° C. to 500 ° C. Note that ozone annealing can be performed using a mixed gas of oxygen and ozone, air, and a mixed gas of ozone. The pressure at the time of ozone annealing may be the same as that of the high oxygen annealing. Further, the ozone concentration in the case of using a mixed gas is not particularly limited as long as desired excess oxygen can be introduced.

なお、当該(1)の(i)〜(ii)のいずれの場合も、表面(近傍領域)に過剰酸素を導入する前のリチウムニッケルマンガン酸化物は、後述する(3)の製造方法と同様にして作製することができる。即ち、共沈前の原材料(正極活物質であるリチウムニッケルマンガン酸化物の原材料)を含有する化合物を混入させ、共沈させて、熱分解させ、焼成(アニールを含む)することにより作製することができる。   In any of the cases (i) to (ii) of the above (1), the lithium nickel manganese oxide before introducing excess oxygen to the surface (near region) is the same as the manufacturing method of (3) described later. Can be produced. That is, it is prepared by mixing a compound containing a raw material before coprecipitation (a raw material of lithium nickel manganese oxide that is a positive electrode active material), coprecipitating, pyrolyzing, and firing (including annealing). Can do.

(2)リチウムニッケルマンガン酸化物の1次粒子の表面(近傍領域)を酸素終端とする方法
リチウムニッケルマンガン酸化物の表面(近傍領域)を酸素終端とする方法としては、特に制限されるものではなく、上記過剰酸素の導入方法と同様な方法で実施(確認)することができる。本発明では、上記過剰酸素の導入方法以外にも、例えば、実施例で用いたような方法を用いて酸素終端を形成することができる。即ち、レーザーパルスドデポジッション法(PLD)を用いて電子ドープ型のSrTiO(100)基板を用い、リチウムニッケルマンガン酸化物の薄膜を作成する。その後、酸素アニールすることによって、酸素終端を形成させin situ STM(走査型トンネル顕微鏡によるその場観察装置)、RHEED(反射高速電子回折法)の回折パターンによりアニール前とアニール後の酸素の終端率を測定した。製膜方法としてはPLDに限られず、化学気相成長法(ケミカル・ヴェーパー・デポジッション法;CVD)、物理気相成長法(フィジカル・ヴェーパー・デポジッション法;PVD)、スパッタなども可能である。また、基板についても、電子ドープ型のSrTiO(100)基板に何ら制限されるものではなく、例えば、MgO、LaSrGaOなどを用いることができる。さらに、製膜後の酸素アニール条件としては、表面(近傍領域)に所望の酸素終端を形成することができるものであればよく、特に制限されるものではない。例えば、300〜1000℃において、酸素分圧0.05気圧以上、好ましくは0.1気圧以上、より好ましくは0.1〜10気圧の雰囲気にて酸素アニールを行うことで、リチウムニッケルマンガン酸化物表面(近傍領域)に所望の酸素終端を形成することができる、リチウムニッケルマンガン酸化物表面(近傍領域)を酸素終端にすることによって炭素系の導電助材との結着力が強まり、高出力充放電による内部抵抗の上昇を抑制することができる。
(2) A method in which the surface (near region) of the primary particle of lithium nickel manganese oxide is oxygen-terminated The method of having the surface (near region) of the lithium nickel manganese oxide is oxygen-terminated is not particularly limited. However, it can be carried out (confirmed) by the same method as the method for introducing excess oxygen. In the present invention, in addition to the method for introducing excess oxygen, for example, the oxygen termination can be formed by using the method used in the examples. That is, a thin film of lithium nickel manganese oxide is formed using an electron-doped SrTiO 3 (100) substrate using a laser pulsed deposition method (PLD). After that, oxygen termination is formed by oxygen annealing, and the oxygen termination rate before annealing and after annealing by the diffraction pattern of in situ STM (in-situ observation device using scanning tunneling microscope) and RHEED (reflection high-energy electron diffraction) Was measured. The film forming method is not limited to PLD, and chemical vapor deposition (chemical vapor deposition method; CVD), physical vapor deposition method (physical vapor deposition method; PVD), sputtering, and the like are also possible. . Also, the substrate is not limited to the electron-doped SrTiO 3 (100) substrate, and for example, MgO, LaSrGaO, or the like can be used. Furthermore, the oxygen annealing conditions after the film formation are not particularly limited as long as a desired oxygen termination can be formed on the surface (near region). For example, at 300 to 1000 ° C., by performing oxygen annealing in an atmosphere having an oxygen partial pressure of 0.05 atmospheres or more, preferably 0.1 atmospheres or more, more preferably 0.1 to 10 atmospheres, lithium nickel manganese oxide A desired oxygen termination can be formed on the surface (near region). By making the surface of the lithium nickel manganese oxide (near region) an oxygen termination, the binding force with the carbon-based conductive additive is strengthened and high output charge is achieved. An increase in internal resistance due to discharge can be suppressed.

なお、当該(2)の場合も、表面(近傍領域)を酸素終端とする前のリチウムニッケルマンガン酸化物粉末は、後述する(3)の製造方法と同様にして作製することができる。即ち、共沈前の原材料(正極活物質であるリチウムニッケルマンガン酸化物の原材料)を含有する化合物を混入させ、共沈させて、熱分解させ、焼成(アニールを含む)することにより作製することができる。   In the case of (2), the lithium nickel manganese oxide powder before the surface (near region) is terminated with oxygen can be produced in the same manner as in the production method (3) described later. That is, it is prepared by mixing a compound containing a raw material before coprecipitation (a raw material of lithium nickel manganese oxide that is a positive electrode active material), coprecipitating, pyrolyzing, and firing (including annealing). Can do.

(3)リチウムニッケルマンガン酸化物の表面近傍領域のMnを+2価イオン(元素M)で置換する方法
表面近傍領域のMnを+2価イオン(主に遷移金属元素M)で置換する方法としては、特に制限されるべきものではない。例えば、リチウムニッケルマンガン酸化物を共沈法により作製する際に、共沈前の原材料(正極活物質であるリチウムニッケルマンガン酸化物の原材料)にMg、Zn等の元素Mを含有する化合物を混入させ、共沈させて、熱分解させ、焼成(アニールを含む)することにより、リチウムニッケルマンガン酸化物表面のマンガンを置換元素に置換できる。置換後、表面組成の確認はTOF−MASS、TOF−SIMSによって確認できる。また、置換元素が存在しないLi層(粒子のコア部分の組成)については、X線回折パターンの低角側ピークの大きさによって確認できる。
(3) Method of substituting Mn in the region near the surface of the lithium nickel manganese oxide with +2 valent ions (element M) As a method for substituting Mn in the region near the surface with +2 valent ions (mainly transition metal element M), There is no particular limitation. For example, when lithium nickel manganese oxide is produced by the coprecipitation method, a compound containing element M such as Mg or Zn is mixed into the raw material before coprecipitation (raw material of lithium nickel manganese oxide, which is a positive electrode active material). , Coprecipitation, thermal decomposition, and firing (including annealing), manganese on the surface of the lithium nickel manganese oxide can be replaced with a substitution element. After substitution, confirmation of the surface composition can be confirmed by TOF-MASS and TOF-SIMS. Moreover, about the Li layer (composition of the core part of particle | grains) which does not have a substitution element, it can confirm by the magnitude | size of the low angle side peak of a X-ray diffraction pattern.

(4)リチウムニッケルマンガン酸化物の表面近傍領域の酸素を−3価イオン(元素A)によって置換する方法
表面近傍領域の酸素を窒素、リン等の−3価イオン(元素A)に置換する方法については、特に制限されるべきものではない。例えば、上記(3)の方法において、マンガン窒素化合物、マンガンリン化合物を共沈前の原材料(一部)として用いることにより、酸素サイトに窒素、リン等の−3価イオン(元素A)を導入することができる。表面上の窒素、リンの定量方法として、TOF−MASS、TOF−SIMSなど用いることができる。
(4) Method of substituting oxygen in the region near the surface of the lithium nickel manganese oxide with a trivalent ion (element A) Method of substituting oxygen in the region near the surface with a trivalent ion (element A) such as nitrogen or phosphorus There is no particular limitation on the above. For example, in the method of (3) above, by using a manganese nitrogen compound or a manganese phosphorus compound as a raw material (a part) before coprecipitation, a trivalent ion (element A) such as nitrogen or phosphorus is introduced into the oxygen site. can do. As a method for quantifying nitrogen and phosphorus on the surface, TOF-MASS, TOF-SIMS and the like can be used.

(5)リチウムニッケルマンガン酸化物の表面近傍領域のMnを欠損させる方法
表面近傍領域のMnを欠損させる方法としては、特に制限されるものではない。例えば、上記(3)や(4)の方法において、共沈前の原材料(正極活物質であるリチウムニッケルマンガン酸化物の原材料)のMnを含有する化合物の混入量を調整することにより、リチウムニッケルマンガン酸化物表面のマンガンを欠損させることができる。Mnを欠損させることによってもMnの価数を+4価に上昇させることができる。
(5) Method for missing Mn in the vicinity of the surface of the lithium nickel manganese oxide The method for missing Mn in the vicinity of the surface is not particularly limited. For example, in the above methods (3) and (4), by adjusting the mixing amount of the compound containing Mn in the raw material before coprecipitation (raw material of lithium nickel manganese oxide as the positive electrode active material), lithium nickel Manganese on the surface of the manganese oxide can be lost. The valence of Mn can be increased to +4 by depleting Mn.

上記(1)〜(5)で用いられるリチウムニッケルマンガン酸化物の製造方法(並びに該製造時になされるZnやMg等のM元素やNやP等のA元素の置換方法)としては、特に制限されるものではなく、従来公知の各種の複合酸化物の製造技術を適用することができる。例えば、共沈前の原材料としてリチウムニッケルマンガン酸化物の原材料に、必要に応じて、ZnやMg等のM元素やNやP等のA元素を含有する化合物を混入させ、共沈させて、熱分解させ、焼成する(アニールを含む)ことにより、リチウムニッケルマンガン酸化物の表面近傍領域のMnを3.2価以上にすることができる。具体的には、共沈前の原材料として水酸化リチウム水和物と、Mn、Co、更に必要に応じてZnやMg等のM元素を含んだ水酸化ニッケルに、必要に応じてNやP等のA元素を含有する化合物として硝酸マンガン、燐酸マンガン等を混入させ、共沈させて、熱分解させ、焼成する(アニールを含む)。これにより、リチウムニッケルマンガン酸化物の表面近傍領域のMnをZnやMg等のM元素に置換し、酸素の一部を窒素やリンで置換することができ、表面近傍領域のMnを3.2価以上にすることができる。ただし、かかる製造方法に何ら制限されるものではない。   Especially as a manufacturing method of lithium nickel manganese oxide used in said (1)-(5) (and the substitution method of M elements, such as Zn and Mg, and A elements, such as N and P, made at the time of manufacture), it is especially restricted. However, conventionally known techniques for producing various complex oxides can be applied. For example, the raw material of lithium nickel manganese oxide as a raw material before coprecipitation is mixed with a compound containing an M element such as Zn or Mg and an A element such as N or P, if necessary, and coprecipitated, By thermal decomposition and firing (including annealing), Mn in the region near the surface of the lithium nickel manganese oxide can be increased to 3.2 or more. Specifically, lithium hydroxide hydrate as a raw material before coprecipitation, Mn, Co, and optionally nickel hydroxide containing M element such as Zn or Mg, N or P as necessary Manganese nitrate, manganese phosphate or the like is mixed as a compound containing an A element such as coprecipitate, thermally decomposed, and fired (including annealing). As a result, Mn in the region near the surface of the lithium nickel manganese oxide can be replaced with M element such as Zn or Mg, and a part of oxygen can be replaced with nitrogen or phosphorus, and Mn in the region near the surface can be reduced to 3.2. It can be more than the value. However, the manufacturing method is not limited at all.

上記ZnやMg等のM元素を含有する化合物としては、Ni、Mnのほかに、更にZnやMg等のM元素を1次粒子内に含んだ水酸化物、例えば、Co、Mn、Mgを適量含んだ水酸化ニッケル;Co、Mn、Znを適量含んだ水酸化ニッケルなどを用いることが望ましい。共沈法などの水溶液系での合成が容易になるためである。   As the compound containing M element such as Zn and Mg, in addition to Ni and Mn, a hydroxide further containing M element such as Zn and Mg in the primary particles, for example, Co, Mn and Mg. It is desirable to use nickel hydroxide containing appropriate amounts; nickel hydroxide containing appropriate amounts of Co, Mn and Zn. This is because synthesis in an aqueous solution system such as a coprecipitation method becomes easy.

また、上記NやP等のA元素を含有する化合物としては、例えば、硝酸マンガン、燐酸マンガンなどを用いることができる。これにより、酸素を窒素、リン等のA元素で置換することができ、良好な導電性を保持することができる。ただし、本発明は、これらに何ら制限されるものではない。   Moreover, as a compound containing A elements, such as said N and P, manganese nitrate, manganese phosphate, etc. can be used, for example. Thereby, oxygen can be substituted with an A element such as nitrogen or phosphorus, and good conductivity can be maintained. However, the present invention is not limited to these.

上記した、原材料に、必要に応じて、ZnやMg等のM元素やNやP等のA元素を含有する化合物を混入させ(混入工程)、共沈させて(共沈工程)、熱分解させ(熱分解工程)、焼成する(焼成工程;アニールを含む)までの各処理(工程)条件に関しては、後述する各実施例に具体例を示している。より一般的な条件を以下に簡単に説明するが、本発明は、これらの範囲に何ら制限されるものではない。   If necessary, the above raw materials are mixed with a compound containing M element such as Zn or Mg and A element such as N or P (mixing process) and co-precipitated (co-precipitation process), followed by thermal decomposition. Specific examples of the processing (process) conditions until the heat treatment (thermal decomposition process) and the firing (firing process; including annealing) are shown in the respective examples described later. More general conditions will be briefly described below, but the present invention is not limited to these ranges.

(混入/共沈工程)
原材料の水酸化リチウム水和物と、マンガン、コバルト、更に必要に応じて一般式(I)に示す元素Mを含んだ水酸化ニッケルを、所望のリチウムニッケルマンガン酸化物の組成となるように純水に溶解させる。この過程で、更に必要に応じて、所望のリチウムニッケルマンガン酸化物の組成になるように、窒素、リン等の一般式(I)に示す元素Aを含む化合物を混合する。
(Mixing / coprecipitation process)
The raw material lithium hydroxide hydrate and manganese, cobalt, and optionally nickel hydroxide containing the element M shown in the general formula (I) are purified so as to have a desired lithium nickel manganese oxide composition. Dissolve in water. In this process, if necessary, a compound containing the element A represented by the general formula (I) such as nitrogen or phosphorus is mixed so that the composition of the desired lithium nickel manganese oxide is obtained.

(共沈工程)(混入工程から共沈が開始するのでこのような手順(形)になる。)
ここで、混入開始後に生成した沈殿を0.1〜24時間放置し熟成した後、純水、エタノール等で濾過、洗浄し、共沈物を得る。
(Co-precipitation step) (Since co-precipitation starts from the mixing step, this is the procedure (form).)
Here, the precipitate formed after the start of mixing is allowed to stand for 0.1 to 24 hours and matured, and then filtered and washed with pure water, ethanol or the like to obtain a coprecipitate.

(熱分解工程)
共沈物を0.1〜20℃/分の昇温速度にて120〜300℃の間まで昇温し、その温度範囲、好ましくは当該温度範囲内の一定温度で、空気中ないし不活性雰囲気下、1〜24時間熱分解する。該熱分解の温度によって2次粒子の空隙率がコントロールできる。
(Pyrolysis process)
The coprecipitate is heated to a temperature of 120 to 300 ° C. at a temperature rising rate of 0.1 to 20 ° C./min, and in the temperature range, preferably a constant temperature within the temperature range, in the air or in an inert atmosphere Pyrolysis under 1-24 hours. The porosity of the secondary particles can be controlled by the temperature of the thermal decomposition.

(焼成工程)
上記熱分解の温度から0.1〜20℃/分の昇温速度にて500〜1000℃の範囲まで昇温し、その温度範囲、好ましくは当該温度範囲内の一定温度で、酸素雰囲気中、均質化を行いながら1〜100時間焼成する。焼成後、上記焼成温度から0.1〜20℃/分の降温速度にて300〜700℃の範囲まで降温し、その温度範囲、好ましくは当該温度範囲内の一定温度で、空気中ないし酸素雰囲気下、0〜100時間、アニールを行うことで、所望のリチウムニッケルマンガン酸化物を作製することができるものである。本工程において、リチウムニッケルマンガン酸化物の粒子が成長する。
(Baking process)
The temperature is raised from the temperature of the thermal decomposition to a range of 500 to 1000 ° C. at a rate of temperature increase of 0.1 to 20 ° C./min, and the temperature range, preferably a constant temperature within the temperature range, in an oxygen atmosphere, Baking for 1 to 100 hours while homogenizing. After firing, the temperature is lowered from the firing temperature to a range of 300 to 700 ° C. at a rate of temperature reduction of 0.1 to 20 ° C./min, and in that temperature range, preferably a constant temperature within the temperature range, in the air or in an oxygen atmosphere The desired lithium nickel manganese oxide can be produced by annealing for 0 to 100 hours. In this step, lithium nickel manganese oxide particles grow.

ここまでの工程で、ZnやMg等のM元素やNやP等のA元素を含有する化合物を混入したり、Mnの混入量を調節し、所望のアニール処理を行うことで、表面近傍領域のMnの価数を3.2以上にすることができる(上記(3)〜(5)参照)。ただし、上記(1)(2)のように、上記アニール処理において上述した高酸素圧(2気圧よりも高い雰囲気での)アニール処理や製膜後に酸素アニール処理して過剰酸素を導入しても、表面近傍領域のMnの価数を3.2以上にすることができる。この場合には、M元素やA元素を含有する化合物を混入しなくてもよい。   In the process up to here, by mixing a compound containing M element such as Zn or Mg and A element such as N or P, or adjusting the amount of Mn mixed, and performing the desired annealing treatment, The valence of Mn can be 3.2 or more (see (3) to (5) above). However, as in the above (1) and (2), excess oxygen may be introduced by oxygen annealing after the high oxygen pressure (in an atmosphere higher than 2 atmospheres) annealing or after film formation in the annealing. The valence of Mn in the surface vicinity region can be 3.2 or more. In this case, a compound containing M element or A element may not be mixed.

金属元素の定量方法としてはICP(誘導イオンプラズマ法)、非金属、金属元素の定量法としてはTOF−MASS(飛行時間型質量分析法)、TOF−SIMS(飛行時間型二次イオン質量分析法)などを用いることができる。   ICP (inductive ion plasma method) as a quantitative method for metal elements, TOF-MASS (time-of-flight mass spectrometry), TOF-SIMS (time-of-flight secondary ion mass spectrometry) as non-metallic and metal element quantitative methods ) Etc. can be used.

本発明の正極材料に用いることのできる他の構成成分としては、電子伝導性を高めるための導電助剤、バインダ、イオン伝導性を高めるための電解質支持塩(リチウム塩)、高分子ゲルないし固体電解質(ホストポリマー、電解液など)などが含まれ得る。電池電解質層に高分子ゲル電解質を用いる場合には、従来公知のバインダ、電子伝導性を高めるための導電助剤などが含まれていればよく、高分子電解質の原料のホストポリマー、電解液やリチウム塩などは含まれていなくても良い。電池電解質層に溶液電解質を用いる場合にも、正極材料には高分子電解質の原料のホストポリマー、電解液やリチウム塩などは含まれていなくてもよい。   Other constituent components that can be used in the positive electrode material of the present invention include a conductive auxiliary agent for increasing electronic conductivity, a binder, an electrolyte supporting salt (lithium salt) for increasing ionic conductivity, a polymer gel or a solid. Electrolytes (host polymers, electrolytes, etc.) can be included. In the case of using a polymer gel electrolyte for the battery electrolyte layer, it is sufficient that a conventionally known binder, a conductive auxiliary agent for enhancing electronic conductivity, etc. are contained. Lithium salt or the like may not be contained. Even when a solution electrolyte is used for the battery electrolyte layer, the positive electrode material may not contain a host polymer, an electrolytic solution, a lithium salt, or the like as a raw material of the polymer electrolyte.

上記導電助剤としては、アセチレンブラック、カーボンブラック、グラファイト、気相成長カーボンファイバー(VGCF)等が挙げられる。ただし、これらに限られるわけではない。   Examples of the conductive aid include acetylene black, carbon black, graphite, and vapor grown carbon fiber (VGCF). However, it is not necessarily limited to these.

上記バインダとしては、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、SBR、ポリイミドなどが使用できる。ただし、これらに限られるわけではない。   As the binder, polyvinylidene fluoride (PVDF), SBR, polyimide, or the like can be used. However, it is not necessarily limited to these.

上記高分子ゲル電解質は、イオン導伝性を有する固体高分子電解質に、従来公知の非水電解質リチウムイオン電池で用いられる電解液を含んだものであるが、さらに、リチウムイオン導伝性を持たない高分子の骨格中に、同様の電解液を保持させたものも含まれるものである。   The polymer gel electrolyte includes a solid polymer electrolyte having ion conductivity and an electrolyte used in a conventionally known non-aqueous electrolyte lithium ion battery, and further has lithium ion conductivity. A structure in which a similar electrolyte solution is held in a non-polymeric skeleton is also included.

ここで、高分子ゲル電解質に含まれる電解液(電解質支持塩および可塑剤)としては、特に制限されるべきものではなく、従来既知の各種電解液を適宜使用することができるものである。例えば、LiPF、LiBF、LiClO、LiAsF、LiTaF、LiAlCl、Li10Cl10等の無機酸陰イオン塩、LiCFSO、Li(CFSON、Li(CSON等の有機酸陰イオン塩の中から選ばれる、少なくとも1種類のリチウム塩(電解質支持塩)を含み、プロピレンカーボネート、エチ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、メチルエチルカーボネート、ジエチルカーボネート等の鎖状カーボネート類;テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、1,4−ジオキサン、1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジブトキシエタン等のエーテル類;γ−ブチロ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;プロピオン酸メチル等のエステル類;ジメチルホルムアミド等のアミド類;酢酸メチル、蟻酸メチルの中から選ばれる少なくともから1種類または2種以上を混合した、非プロトン性溶媒等の可塑剤(有機溶媒)を用いたものなどが使用できる。ただし、これらに限られるわけではない。 Here, the electrolytic solution (electrolyte supporting salt and plasticizer) contained in the polymer gel electrolyte is not particularly limited, and various conventionally known electrolytic solutions can be appropriately used. For example, inorganic acid anion salts such as LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , LiAsF 6 , LiTaF 6 , LiAlCl 4 , Li 2 B 10 Cl 10 , LiCF 3 SO 3 , Li (CF 3 SO 2 ) 2 N, Li (C 2 F 5 SO 2) selected from organic acid anion salts such as 2 N, wherein at least one lithium salt (electrolyte support salt), propylene carbonate, cyclic carbonates such as ethylene carbonate; dimethyl carbonate Chain carbonates such as methyl ethyl carbonate and diethyl carbonate; ethers such as tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, 1,4-dioxane, 1,2-dimethoxyethane, 1,2-dibutoxyethane; γ-butyrolactone, etc. Lactones; Nitto such as acetonitrile Lyls; Esters such as methyl propionate; Amides such as dimethylformamide; Plasticizers such as aprotic solvents (organic) mixed with at least one selected from methyl acetate and methyl formate Those using a solvent) can be used. However, it is not necessarily limited to these.

イオン導伝性を有する固体高分子電解質としては、例えば、ポリエチレンオキシド(PEO)、ポリプロピレンオキシド(PPO)、これらの共重合体のような公知の固体高分子電解質が挙げられる。   Examples of the solid polymer electrolyte having ion conductivity include known solid polymer electrolytes such as polyethylene oxide (PEO), polypropylene oxide (PPO), and copolymers thereof.

高分子ゲル電解質に用いられるリチウムイオン導伝性を持たない高分子としては、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリビニルクロライド(PVC)、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリメチルメタクリレート(PMMA)などが使用できる。ただし、これらに限られるわけではない。なお、PAN、PMMAなどは、どちらかと言うとイオン伝導性がほとんどない部類に入るものであるため、上記イオン伝導性を有する高分子とすることもできるが、ここでは高分子ゲル電解質に用いられるリチウムイオン導伝性を持たない高分子として例示したものである。   For example, polyvinylidene fluoride (PVDF), polyvinyl chloride (PVC), polyacrylonitrile (PAN), polymethyl methacrylate (PMMA), etc. are used as the polymer having no lithium ion conductivity used for the polymer gel electrolyte. it can. However, it is not necessarily limited to these. Note that PAN, PMMA, etc. are in a class that has almost no ionic conductivity, and therefore can be a polymer having the above ionic conductivity, but here, they are used for a polymer gel electrolyte. This is exemplified as a polymer having no lithium ion conductivity.

上記イオン伝導性を高めるための電解質支持塩としては、例えば、LiPF、LiBF、LiClO、LiAsF、LiTaF、LiAlCl、Li10Cl10等の無機酸陰イオン塩、Li(CFSON、Li(CSON等の有機酸陰イオン塩、またはこれらの混合物などが使用できる。ただし、これらに限られるわけではない。 As an electrolyte support salt to increase the ionic conductivity, for example, LiPF 6, LiBF 4, LiClO 4, LiAsF 6, LiTaF 6, LiAlCl 4, Li 2 B 10 Cl 10 inorganic acid anion salts such as, Li ( An organic acid anion salt such as CF 3 SO 2 ) 2 N, Li (C 2 F 5 SO 2 ) 2 N, or a mixture thereof can be used. However, it is not necessarily limited to these.

高分子ゲル電解質中のホストポリマーと電解液との比率(質量比)は、使用目的などに応じて決定すればよいが、2:98〜90:10の範囲である。すなわち、本発明では、特にLiNi酸化物からのラジカル酸素の放出により、電解液が分解されるのを抑制する観点から、非水電解質のなかでも、とりわけ電解液を用いる溶液電解質ないし高分子ゲル電解質に対して効果的に作用するものである。そのため、上記高分子ゲル電解質中のホストポリマーと電解液との比率(質量比)に関しては、電解液の分解による電池の膨れ対策目的で電解液量を制限する必要がなく、電池特性を優先することができるものである。   The ratio (mass ratio) between the host polymer and the electrolytic solution in the polymer gel electrolyte may be determined according to the purpose of use, but is in the range of 2:98 to 90:10. That is, in the present invention, particularly from the viewpoint of suppressing the decomposition of the electrolytic solution due to the release of radical oxygen from the LiNi oxide, among nonaqueous electrolytes, a solution electrolyte or a polymer gel electrolyte that uses an electrolytic solution is particularly used. It works effectively against. Therefore, regarding the ratio (mass ratio) between the host polymer and the electrolytic solution in the polymer gel electrolyte, it is not necessary to limit the amount of the electrolytic solution for the purpose of preventing the swelling of the battery due to the decomposition of the electrolytic solution, and priority is given to the battery characteristics. It is something that can be done.

次に、本発明に係る非水電解質リチウムイオン電池用正極材料は、非水電解質リチウムイオン電池に幅広く適用できるものである。   Next, the positive electrode material for a non-aqueous electrolyte lithium ion battery according to the present invention can be widely applied to a non-aqueous electrolyte lithium ion battery.

即ち、本発明の正極材料を適用し得る電池としては、高容量化が期待できるリチウムニッケルマンガン酸化物を用いた非水電解質リチウムイオン電池である。特に高エネルギー密度、高出力密度が達成でき、車両の駆動電源用等として好適に利用できるほか、携帯電話などの携帯機器向けの非水電解質二次電池にも十分に適用可能である。したがって、以下の説明では、本発明の正極材料を用いてなる非水電解質リチウムイオン二次電池につき説明するが、これらに何ら制限されるべきものではない。   That is, the battery to which the positive electrode material of the present invention can be applied is a non-aqueous electrolyte lithium ion battery using lithium nickel manganese oxide that can be expected to have a high capacity. In particular, high energy density and high output density can be achieved, and it can be suitably used as a drive power source for vehicles, etc., and can be sufficiently applied to non-aqueous electrolyte secondary batteries for portable devices such as mobile phones. Therefore, although the following description demonstrates the nonaqueous electrolyte lithium ion secondary battery using the positive electrode material of this invention, it should not be restrict | limited at all to these.

[集電体]
本発明で用いることのできる集電体としては、特に制限されるものではなく、従来公知のものを利用することができる。例えば、アルミニウム箔、ステンレス(SUS)箔、ニッケルとアルミニウムのクラッド材、銅とアルミニウムのクラッド材、SUSとアルミニウムのクラッド材あるいはこれら金属の組み合わせのめっき材などが好ましく使える。また、金属表面に、アルミニウムを被覆させた集電体であってもよい。また、場合によっては、2つ以上の金属箔を張り合わせた集電体を用いてもよい。複合集電体を用いる場合、正極集電体の材料としては、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、SUS、チタンなどの導電性金属を用いることができるが、アルミニウムが特に好ましい。一方、負極集電体の材料としては、例えば、銅、ニッケル、銀、SUSなどの導電性金属を用いることができるが、SUS及びニッケル等が特に好ましい。また、複合集電体においては、正極集電体と負極集電体とは、互いに直接あるいは第三の材料からなる導電性を有する中間層を介して電気的に接続していれば良い。また、正極集電体及び負極集電体には、平板(箔)のほか、ラスプレート、すなわちプレートに切目を入れたものをエキスパンドすることにより網目空間が形成されるプレートにより構成されているものを用いることもできる。
[Current collector]
The current collector that can be used in the present invention is not particularly limited, and conventionally known current collectors can be used. For example, aluminum foil, stainless steel (SUS) foil, nickel-aluminum clad material, copper-aluminum clad material, SUS-aluminum clad material, or a plated material of a combination of these metals can be preferably used. Further, a current collector in which a metal surface is coated with aluminum may be used. Moreover, you may use the electrical power collector which bonded 2 or more metal foil depending on the case. When the composite current collector is used, as a material for the positive electrode current collector, for example, a conductive metal such as aluminum, an aluminum alloy, SUS, or titanium can be used, and aluminum is particularly preferable. On the other hand, as the material of the negative electrode current collector, for example, conductive metals such as copper, nickel, silver, and SUS can be used, and SUS and nickel are particularly preferable. Further, in the composite current collector, the positive electrode current collector and the negative electrode current collector may be electrically connected to each other directly or via a conductive intermediate layer made of a third material. In addition to the flat plate (foil), the positive electrode current collector and the negative electrode current collector are constituted by a lath plate, that is, a plate in which a mesh space is formed by expanding a plate with a cut. Can also be used.

集電体の厚さは、特に限定されないが、通常は1〜100μm程度である。   Although the thickness of a collector is not specifically limited, Usually, it is about 1-100 micrometers.

[正極活物質層]
ここで、正極活物質層の構成材料としては、本発明の正極材料を用いることを特徴とするものであり、既に説明した通りであるので、ここでの説明は省略する。
[Positive electrode active material layer]
Here, the constituent material of the positive electrode active material layer is characterized in that the positive electrode material of the present invention is used, and since it has already been described, the description thereof is omitted here.

正極活物質層の厚さは、特に限定するものではなく、電池の使用目的(出力重視、エネルギー重視など)、イオン伝導性を考慮して決定すべきである。一般的な正極活物質層の厚さは1〜500μm程度であり、この範囲であれば本発明でも十分に利用可能であるが、本発明の正極材料の持つ機能を有効に発現するには、特に4〜60μmの範囲とするのが望ましい。   The thickness of the positive electrode active material layer is not particularly limited, and should be determined in consideration of the purpose of use of the battery (output importance, energy importance, etc.) and ion conductivity. The thickness of a general positive electrode active material layer is about 1 to 500 μm, and if it is within this range, it can be sufficiently used in the present invention, but in order to effectively express the function of the positive electrode material of the present invention, In particular, the range of 4 to 60 μm is desirable.

[負極活物質層]
負極活物質層の構成材料としては、負極材料を用いるものであればよい。この負極材料に関しては、負極活物質を含むものであればよい。この他にも、電子伝導性を高めるための導電助剤、バインダ、イオン伝導性を高めるための電解質支持塩(リチウム塩)、高分子ゲルないし固体電解質(ホストポリマー、電解液など)などが含まれ得る。負極活物質の種類以外は、基本的に本発明の「非水電解質リチウムイオン電池用正極材料」の項で記載した内容と同様であるため、ここでは説明を省略する。
[Negative electrode active material layer]
As a constituent material of the negative electrode active material layer, any material using a negative electrode material may be used. The negative electrode material only needs to include a negative electrode active material. In addition to this, conductive aids to enhance electronic conductivity, binders, electrolyte supporting salts (lithium salts) to enhance ionic conductivity, polymer gels or solid electrolytes (host polymers, electrolytes, etc.), etc. Can be. Except for the type of the negative electrode active material, the content is basically the same as that described in the section “Positive electrode material for non-aqueous electrolyte lithium ion battery” of the present invention, and thus the description thereof is omitted here.

負極活物質としては、従来公知の溶液系のリチウムイオン電池でも使用される負極活物質を用いることができる。具体的には、天然黒鉛、人造黒鉛、アモルファスカーボン、コークスおよびメソフェーズピッチ系炭素繊維、グラファイト、非晶質炭素であるハードカーボンなどの炭素材料から選ばれてなる少なくとも1種を主材料とする負極活物質を用いることが望ましいが、特に限定されない。この他にも金属酸化物(特に遷移金属酸化物、具体的にはチタン酸化物)、金属(特に遷移金属、具体的にはチタン)とリチウムとの複合酸化物などを用いることもできる。   As a negative electrode active material, the negative electrode active material used also in a conventionally well-known solution-type lithium ion battery can be used. Specifically, a negative electrode mainly composed of at least one selected from carbon materials such as natural graphite, artificial graphite, amorphous carbon, coke and mesophase pitch carbon fiber, graphite, and hard carbon which is amorphous carbon. Although it is desirable to use an active material, it is not particularly limited. In addition, a metal oxide (particularly a transition metal oxide, specifically titanium oxide), a composite oxide of a metal (particularly a transition metal, specifically titanium) and lithium, or the like can also be used.

[非水電解質層]
本発明では、その使用目的に応じて、(a)電解液を染み込ませたセパレータ、(b)高分子ゲル電解質、(c)高分子固体電解質のいずれにも適用し得るものである。
[Nonaqueous electrolyte layer]
The present invention can be applied to any of (a) a separator impregnated with an electrolytic solution, (b) a polymer gel electrolyte, and (c) a polymer solid electrolyte depending on the purpose of use.

(a)電解液を染み込ませたセパレータ
セパレータに染み込ませることのできる電解液としては、既に説明した本発明の「非水電解質リチウムイオン電池用正極材料」の項の高分子ゲル電解質に含まれる電解液(電解質塩および可塑剤)と同様のものを用いることができるため、ここでの説明は省略するが、電解液の好適な1例を示せば、電解質として、LiClO、LiAsF、LiPF、LiBOB、LiCFSOおよびLi(CFSOの少なくとも1種類を用い、溶媒として、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ジエチルカーボネート(DEC)、ジメチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジエトキシエタン、テトラヒドロフラン、1,3−ジオキソランおよびγ−ブチルラクトンよりなるエーテル類から少なくとも1種類を用い、前記電解質を前記溶媒に溶解させることにより、電解質の濃度が0.5〜2モル/リットルに調整されているものであるが、本発明はこれらに何ら制限されるべきものではない。
(A) Separator soaked with electrolyte solution As an electrolyte solution that can be soaked into the separator, the electrolyte contained in the polymer gel electrolyte of the above-described "positive electrode material for non-aqueous electrolyte lithium ion battery" of the present invention Since the same liquid (electrolyte salt and plasticizer) can be used, description thereof will be omitted. However, if a suitable example of the electrolytic solution is shown, as the electrolyte, LiClO 4 , LiAsF 6 , LiPF 5 are used. , LiBOB, LiCF 3 SO 3 and Li (CF 3 SO 2 ) 2 , and as a solvent, ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), diethyl carbonate (DEC), dimethyl carbonate, methyl ethyl carbonate 1,2-dimethoxyethane, 1,2-diethoxyethane, tetrahydride The concentration of the electrolyte is adjusted to 0.5 to 2 mol / liter by dissolving at least one kind of ethers composed of furan, 1,3-dioxolane and γ-butyllactone and dissolving the electrolyte in the solvent. However, the present invention should not be limited to these.

上記セパレータとしては、特に制限されるべきものではなく、従来公知のものを用いることができるものであり、例えば、上記電解液を吸収保持するポリマーからなる多孔性シート(例えば、ポリオレフィン系微多孔質セパレータなど)、不織布セパレータなどを用いることができる。有機溶媒に対して化学的に安定であるという性質を持つ上記ポリオレフィン系微多孔質セパレータは、電解質(電解液)との反応性を低く抑えることができるという優れた効果を有するものである。   The separator is not particularly limited, and a conventionally known separator can be used. For example, a porous sheet made of a polymer that absorbs and holds the electrolytic solution (for example, a polyolefin microporous material). Separator, etc.), a nonwoven fabric separator, etc. can be used. The polyolefin microporous separator having the property of being chemically stable to an organic solvent has an excellent effect that the reactivity with the electrolyte (electrolytic solution) can be kept low.

上記ポリオレフィン系微多孔質セパレータなどの多孔性シートの材質としては、例えば、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、PP/PE/PPの3層構造をした積層体、ポリイミドなどが挙げられる。   Examples of the material for the porous sheet such as the polyolefin-based microporous separator include a laminate having a three-layer structure of polyethylene (PE), polypropylene (PP), PP / PE / PP, and polyimide.

不織布セパレータの材質としては、例えば、綿、レーヨン、アセテート、ナイロン、ポリエステル、ポリプロピレン、ポリエチレンなどのポリオレフィン、ポリイミド、アラミドなど従来公知のものを用いることができ、使用目的(電解質層に要求される機械強度など)に応じて、単独または混合して用いる。   As the material of the nonwoven fabric separator, for example, conventionally known materials such as cotton, rayon, acetate, nylon, polyester, polypropylene, polyethylene such as polyethylene, polyimide, aramid, etc. can be used, and the purpose of use (machine required for the electrolyte layer) Depending on strength, etc., they are used alone or in combination.

また、不織布のかさ密度は、含浸させた高分子ゲル電解質により十分な電池特性を得られるものであればよく、特に制限されるべきものではない。すなわち、あまり不織布のかさ密度が大きすぎると、電解質層中の非電解質材料が占める割合が大きくなりすぎ、電解質層におけるイオン伝導度などを損なうおそれがあるためである。   Further, the bulk density of the nonwoven fabric is not particularly limited as long as sufficient battery characteristics can be obtained by the impregnated polymer gel electrolyte. That is, if the bulk density of the nonwoven fabric is too large, the proportion of the non-electrolyte material in the electrolyte layer becomes too large, which may impair the ionic conductivity in the electrolyte layer.

上記セパレータ(不織布セパレータを含む)の厚みとして、使用用途により異なることから一義的に規定することはできないが、電気自動車(EV)やハイブリッド電気自動車(HEV)などのモータ駆動用二次電池などの用途においては、5〜200μmであることが望ましい。セパレータの厚さが、かかる範囲にあることで、保持性、抵抗が増大するのを抑制することができる。また、セパレータに微粒が食い込むことによって発生する短絡の防止と、高出力のために電極間を狭くすることが望ましいという理由から、厚さ方向の機械的強度と高出力性の確保という効果がある。また電池を複数接続する場合には、電極面積が増大することから、電池の信頼性を高めるために上記範囲のなかでも厚形のセパレータを用いることが望ましい。   The thickness of the separator (including the nonwoven fabric separator) cannot be unambiguously defined because it varies depending on the intended use. In use, it is desirable to be 5 to 200 μm. When the thickness of the separator is within such a range, it is possible to suppress increase in retention and resistance. In addition, there is an effect of securing mechanical strength in the thickness direction and ensuring high output performance because it is desirable to prevent a short circuit caused by fine particles entering the separator and to narrow the space between the electrodes for high output. . In addition, when a plurality of batteries are connected, the electrode area increases, so that it is desirable to use a thick separator in the above range in order to increase the reliability of the battery.

上記セパレータ(ポリオレフィン系微多孔質セパレータなど)の微細孔の径は、最大で1μm以下(通常、数十nm程度の孔径である)であることが望ましい。セパレータの微細孔の平均径が、上記範囲にあることで熱によってセパレータが溶融して微細孔が閉じる「シャットダウン現象」が速やかに起きるという理由から、異常時信頼性が上がり、その結果として耐熱性が向上するという効果がある。すなわち、過充電で電池温度が上昇していったとき(異常時)に、セパレータが溶融して微細孔が閉じる「シャットダウン現象」が速やかに起きることで、電池(電極)の正極(+)から負極(−)側にLiイオンが通れなくなり、それ以上は充電できなくなる。そのため過充電できなくなり、過充電が解消する。その結果、電池の耐熱性(安全性)が向上するほか、ガスがでて電池外装材の熱融着部(シール部)が開くのを防止できる。ここでセパレータの微細孔の平均径は、セパレータを走査電子顕微鏡等で観察し、その写真をイメージアナライザ等で統計的に処理した平均径として算出される。   It is desirable that the fine pore diameter of the separator (polyolefin-based microporous separator or the like) is 1 μm or less (usually a pore diameter of about several tens of nm). When the average diameter of the micropores in the separator is within the above range, the “shutdown phenomenon” that the separator melts due to heat and the micropores close quickly occurs, resulting in higher reliability during abnormalities, resulting in heat resistance. Has the effect of improving. In other words, when the battery temperature rises due to overcharging (in an abnormal state), the “shutdown phenomenon” that the separator melts and closes the micropores occurs quickly, so that the positive electrode (+) of the battery (electrode) Li ions cannot pass through to the negative electrode (−) side, and no further charge is possible. As a result, overcharging cannot be performed and overcharging is eliminated. As a result, the heat resistance (safety) of the battery is improved, and it is possible to prevent gas from being released and the heat fusion part (seal part) of the battery exterior material from being opened. Here, the average diameter of the micropores of the separator is calculated as an average diameter obtained by observing the separator with a scanning electron microscope or the like and statistically processing the photograph with an image analyzer or the like.

上記セパレータ(ポリオレフィン系微多孔質セパレータなど)の空孔率は20〜50%であることが望ましい。セパレータの空孔率が、上記範囲にあることで電解質(電解液)の抵抗による出力低下の防止と、微粒がセパレータの空孔(微細孔)を貫くことによる短絡の防止という理由から出力と信頼性の両方を確保するという効果がある。ここでセパレータの空孔率とは、原材料レジンの密度と最終製品のセパレータの密度から体積比として求められる値である。   The porosity of the separator (such as a polyolefin microporous separator) is desirably 20 to 50%. The separator's porosity is within the above range, preventing output from being reduced due to the resistance of the electrolyte (electrolyte), and preventing the short circuit caused by fine particles penetrating the separator's pores (micropores). It has the effect of securing both sexes. Here, the porosity of the separator is a value obtained as a volume ratio from the density of the raw material resin and the density of the separator of the final product.

また不織布セパレータの空孔率は50〜90%であることが好ましい。空孔率が50%未満では、電解質の保持性が悪化し、90%超では強度が不足する。   The porosity of the nonwoven fabric separator is preferably 50 to 90%. If the porosity is less than 50%, the electrolyte retention deteriorates, and if it exceeds 90%, the strength is insufficient.

上記セパレータへの電解液の含浸量は、セパレータの保液能力範囲まで含浸させればよいが、当該保液能力範囲を超えて含浸させてもよい。これは、電解質シール部に樹脂を注入して電解質層からの電解液の染み出しを防止できるため、該電解質層に保液できる範囲であれば含浸可能である。該電解液は、真空注液法などにより注液した後、完全にシールすることができるなど、従来公知の方法でセパレータに電解液を含浸させることができる。   The amount of the electrolytic solution impregnated in the separator may be impregnated to the range of the liquid retention capacity of the separator, but may be impregnated beyond the liquid retention capacity range. This can prevent impregnation of the electrolyte from the electrolyte layer by injecting a resin into the electrolyte seal portion, and therefore can be impregnated as long as the electrolyte layer can be retained. The electrolyte can be impregnated in the separator by a conventionally known method, for example, the electrolyte can be completely sealed after being injected by a vacuum injection method or the like.

(b)高分子ゲル電解質及び(c)高分子固体電解質
高分子ゲル電解質および高分子固体電解質としては、既に説明した本発明の「非水電解質リチウムイオン電池用正極材料」の項の高分子ゲル電解質および高分子固体電解質と同様のものを用いることができるため、ここでの説明は省略する。
(B) Polymer gel electrolyte and (c) Polymer solid electrolyte As the polymer gel electrolyte and polymer solid electrolyte, the polymer gel described in the section “Positive electrode material for non-aqueous electrolyte lithium ion battery” of the present invention described above is used. Since the same electrolyte and polymer solid electrolyte can be used, description thereof is omitted here.

また、上記(b)では、上記(a)で説明したセパレータに高分子ゲル電解質を含浸・担持させてなるものも含まれるものとする。この場合の上記セパレータへの高分子ゲル電解質の含浸・担持量は、セパレータの保液・保持能力範囲まで含浸・担持させればよいが、当該保液・保持能力範囲を超えて含浸・担持させてもよい。これは、電解質シール部に樹脂を注入して電解質層(主に高分子ゲル電解質)からの電解液の染み出しを防止できるため、該電解質層に保液・保持できる範囲であれば含浸・担持可能である。該高分子ゲル電解質は、セパレータに高分子電解質の原料のホストポリマー、電解液やリチウム塩を塗布・含浸後に、加熱することで、ホストポリマーを架橋させて、セパレータに高分子ゲル電解質を含浸・担持させればよいなど、特に制限されるものではない。   In addition, the above (b) includes those obtained by impregnating and supporting the polymer gel electrolyte in the separator described in the above (a). In this case, the amount of the polymer gel electrolyte impregnated / supported in the separator may be impregnated / supported up to the range of the liquid retention / retention capacity of the separator. May be. This is because resin can be injected into the electrolyte seal portion to prevent the electrolyte solution from leaking out from the electrolyte layer (mainly polymer gel electrolyte), so that the electrolyte layer can be impregnated and supported as long as it can be retained and retained. Is possible. The polymer gel electrolyte is a polymer electrolyte raw material host polymer, an electrolytic solution or a lithium salt applied to and impregnated in the separator, and then heated to crosslink the host polymer, and the separator is impregnated with the polymer gel electrolyte. What is necessary is just to carry | support, and it does not restrict | limit in particular.

同様に、上記(c)でも、上記(a)で説明したセパレータに高分子固体電解質を担持させてなるものも含まれるものとする。この場合の上記セパレータへの高分子固体電解質の担持量は、セパレータの保持能力範囲まで担持させればよいが、当該保持能力範囲を超えて担持させてもよい。これは、電解質層に染み出しの原因となる電解液が存在しない為、液絡のおそれがないため、該電解質層に保持できる範囲であれば担持可能である。該高分子固体電解質は、セパレータに高分子電解質の原料のホストポリマー、溶剤(主に粘度調整用溶剤)やリチウム塩を塗布・含浸後に、加熱することで、ホストポリマーを架橋させると共に溶剤を除去して、セパレータに高分子固体電解質を担持させればよいなど、特に制限されるものではない。   Similarly, the above (c) includes the one in which the polymer solid electrolyte is supported on the separator described in the above (a). In this case, the amount of the solid polymer electrolyte supported on the separator may be supported up to the holding capacity range of the separator, but may be supported beyond the holding capacity range. Since there is no electrolyte solution that causes the electrolyte layer to bleed out, there is no risk of liquid junction. Therefore, the electrolyte layer can be supported as long as it can be held in the electrolyte layer. The polymer solid electrolyte is applied to the separator with the host polymer, solvent (mainly viscosity adjusting solvent) or lithium salt as the raw material of the polymer electrolyte, and heated to crosslink the host polymer and remove the solvent. The separator is not particularly limited, for example, a polymer solid electrolyte may be supported on the separator.

なお、上記(a)〜(c)の電解質層は、1つの電池の中で併用してもよい。   The electrolyte layers (a) to (c) may be used in one battery.

また、高分子電解質は、高分子ゲル電解質層、正極活物質層、負極活物質層に含まれ得るが、同一の高分子電解質を使用してもよく、層によって異なる高分子電解質を用いてもよい。   In addition, the polymer electrolyte may be included in the polymer gel electrolyte layer, the positive electrode active material layer, and the negative electrode active material layer, but the same polymer electrolyte may be used, or different polymer electrolytes may be used depending on the layer. Good.

ところで、現在好ましく使用される高分子ゲル電解質用のホストポリマーは、PEO、PPOのようなポリエーテル系高分子である。このため、高温条件下における正極側での耐酸化性が弱い。従って、酸化還元電位の高い正極材料を使用する場合には、負極(活物質層)の容量が、高分子ゲル電解質層を介して対向する正極(活物質層)の容量より少ないことが好ましい。負極(活物質層)の容量が対向する正極(活物質層)の容量より少ないと、充電末期に正極電位が上がり過ぎることを防止できる。なお、正極(活物質層)および負極(活物質層)の容量は、正極(活物質層)および負極(活物質層)を製造する際の理論容量として、製造条件から求めることができる。完成品の容量を測定装置で直接測定してもよい。ただし、負極(活物質層)の容量を対向する正極(活物質層)の容量と比べて少ないと、負極電位が下がりすぎて電池の耐久性が損なわれる恐れがあるので充放電電圧に注意する必要がある。例えば、一のセル(単電池層)の平均充電電圧を使用する正極活物質の酸化還元電位に対して適切な値に設定して、耐久性が低下しないように注意する。   By the way, a host polymer for a polymer gel electrolyte that is preferably used at present is a polyether polymer such as PEO and PPO. For this reason, the oxidation resistance on the positive electrode side under high temperature conditions is weak. Therefore, when using a positive electrode material having a high oxidation-reduction potential, the capacity of the negative electrode (active material layer) is preferably smaller than the capacity of the positive electrode (active material layer) opposed via the polymer gel electrolyte layer. When the capacity of the negative electrode (active material layer) is less than the capacity of the opposing positive electrode (active material layer), it is possible to prevent the positive electrode potential from rising excessively at the end of charging. In addition, the capacity | capacitance of a positive electrode (active material layer) and a negative electrode (active material layer) can be calculated | required from manufacturing conditions as theoretical capacity | capacitance at the time of manufacturing a positive electrode (active material layer) and a negative electrode (active material layer). You may measure the capacity | capacitance of a finished product directly with a measuring device. However, if the capacity of the negative electrode (active material layer) is smaller than the capacity of the opposing positive electrode (active material layer), the negative electrode potential will drop too much and the durability of the battery may be impaired. There is a need. For example, care should be taken not to lower the durability by setting the average charge voltage of one cell (single cell layer) to an appropriate value for the oxidation-reduction potential of the positive electrode active material.

電池を構成する電解質層の厚さは、特に限定するものではない。しかしながら、コンパクトな電池を得るためには、電解質としての機能が確保できる範囲で極力薄くすることが好まく、電解質層の厚さは5〜200μmであることが望ましい。
[正極および負極端子板]
正極および負極端子板を用いる場合には、端子としての機能を有するほか、薄型化の観点からは極力薄い方がよいが、積層されてなる電極、電解質および集電体はいずれも機械的強度が弱いため、これらを両側から挟示し支持するだけの強度を持たせることが望ましい。さらに、端子部での内部抵抗を抑える観点から、正極および負極端子板の厚さは、通常0.1〜2mm程度が望ましいといえる。
The thickness of the electrolyte layer constituting the battery is not particularly limited. However, in order to obtain a compact battery, it is preferable to make it as thin as possible within a range in which the function as an electrolyte can be ensured, and the thickness of the electrolyte layer is preferably 5 to 200 μm.
[Positive electrode and negative electrode terminal plate]
When using positive and negative terminal plates, in addition to having a function as a terminal, it is better to be as thin as possible from the viewpoint of thinning, but the laminated electrode, electrolyte and current collector all have mechanical strength. Since it is weak, it is desirable to have strength to sandwich and support these from both sides. Furthermore, it can be said that the thickness of the positive electrode and the negative electrode terminal plate is usually preferably about 0.1 to 2 mm from the viewpoint of suppressing the internal resistance at the terminal portion.

正極および負極端子板の材質は、従来公知のリチウムイオン電池で用いられる材質を用いることができる。例えば、アルミニウム、銅、チタン、ニッケル、ステンレス鋼(SUS)、これらの合金などを利用することができる。耐蝕性、作り易さ、経済性などの観点からは、アルミニウムを用いることが好ましい。   As materials for the positive electrode and the negative electrode terminal plate, materials used in a conventionally known lithium ion battery can be used. For example, aluminum, copper, titanium, nickel, stainless steel (SUS), and alloys thereof can be used. Aluminum is preferably used from the viewpoints of corrosion resistance, ease of production, economy, and the like.

正極端子板と負極端子板との材質は、同一の材質を用いてもよいし、異なる材質のものを用いてもよい。さらに、これら正極および負極端子板は、材質の異なるものを多層に積層したものであってもよい。   The material of the positive electrode terminal plate and the negative electrode terminal plate may be the same material or different materials. Furthermore, the positive electrode and the negative electrode terminal plate may be a laminate of different materials.

[正極および負極リード]
正極および負極リードに関しては、従来公知のリチウムイオン電池で用いられるリードと同様のものを用いることができる。なお、電池外装材(電池ケース)から取り出された部分は、周辺機器や配線などに接触して漏電したりして製品(例えば、自動車部品、特に電子機器等)に影響を与えないように、耐熱絶縁性の熱収縮チューブなどにより被覆しておくのが好ましい。
[Positive electrode and negative electrode lead]
Regarding the positive electrode and the negative electrode lead, the same lead as that used in a conventionally known lithium ion battery can be used. In addition, the part taken out from the battery exterior material (battery case) does not affect the product (for example, automobile parts, especially electronic devices, etc.) by contacting with peripheral devices or wiring and leaking electricity. It is preferable to coat with a heat-resistant insulating heat-shrinkable tube or the like.

[電池外装材(電池ケース)]
リチウムイオン電池では、使用する際の外部からの衝撃、環境劣化を防止するために、電池本体である電池積層体ないし電池巻回体全体を電池外装材ないし電池ケースに収容するのが望ましい。軽量化の観点からは、アルミニウム、ステンレス、ニッケル、銅などの金属(合金を含む)の両面をポリプロピレンフィルム等の絶縁体(好ましく耐熱性の絶縁体)で被覆した高分子−金属複合ラミネートフィルムなど、従来公知の電池外装材を用いて、その周辺部の一部または全部を熱融着にて接合することにより、電池積層体を収納し密封した構成とするのが好ましい。この場合、上記正極および負極リードは、上記熱融着部に挟まれて上記電池外装材の外部に露出される構造とすればよい。また熱伝導性に優れた高分子−金属複合ラミネートフィルムなどを用いることが、自動車の熱源から効率よく熱を伝え、電池内部を電池動作温度まですばやく加熱することができる点で好ましい。高分子−金属複合ラミネートフィルムとしては、特に制限されるべきものではなく、高分子フィルム間に金属フィルムを配置し全体を積層一体化してなる従来公知のものを使用することができる。具体例としては、例えば、高分子フィルムからなる外装保護層(ラミネート最外層)、金属フィルム層、高分子フィルムからなる熱融着層(ラミネート最内層)のように配置し全体を積層一体化してなるものが挙げられる。詳しくは、外装材に用いられる高分子−金属複合ラミネートフィルムは、上記金属フィルムの両面に、高分子フィルムとして、まず耐熱絶縁樹脂フィルムを形成し、少なくとも片面側の耐熱絶縁樹脂フィルム上に熱融着絶縁性フィルムが積層されたものである。かかるラミネートフィルムは、適当な方法にて熱融着させることにより、熱融着絶縁性フィルム部分が融着して接合し熱融着部が形成される。上記金属フィルムとしては、アルミニウムフィルム等が例示できる。また、上記絶縁性樹脂フィルムとしては、ポリエチレンテトラフタレートフィルム(耐熱絶縁性フィルム)、ナイロンフィルム(耐熱絶縁性フィルム)、ポリエチレンフィルム(熱融着絶縁性フィルム)、ポリプロピレンフィルム(熱融着絶縁性フィルム)等が例示できる。ただし、本発明の外装材は、これらに制限されるべきものではない。こうしたラミネートフィルムでは、超音波溶着等により熱融着絶縁性フィルムを利用して1対ないし1枚(袋状)のラミネートフィルムの熱融着による接合を、容易かつ確実に行うことができる。なお、電池の長期信頼性を最大限高めるためには、ラミネートシートの構成要素である金属フィルム同士を直接接合してもよい。金属フィルム間にある熱融着性樹脂を除去もしくは破壊して金属フィルム同士を接合するには超音波溶着を用いることができる。
[Battery exterior material (battery case)]
In a lithium ion battery, in order to prevent external impact and environmental degradation during use, it is desirable to accommodate the entire battery stack or battery winding body, which is the battery body, in a battery exterior material or battery case. From the viewpoint of weight reduction, a polymer-metal composite laminate film in which both surfaces of metals (including alloys) such as aluminum, stainless steel, nickel, and copper are covered with an insulator (preferably a heat-resistant insulator) such as a polypropylene film. It is preferable that the battery stack is housed and sealed by joining a part or all of the peripheral part thereof by heat fusion using a conventionally known battery exterior material. In this case, the positive electrode and the negative electrode lead may be structured to be sandwiched between the heat-sealed portions and exposed to the outside of the battery exterior material. In addition, it is preferable to use a polymer-metal composite laminate film having excellent thermal conductivity because heat can be efficiently transmitted from a heat source of an automobile and the inside of the battery can be quickly heated to the battery operating temperature. The polymer-metal composite laminate film is not particularly limited, and a conventionally known film in which a metal film is disposed between polymer films and the whole is laminated and integrated can be used. As specific examples, for example, an outer protective layer made of a polymer film (laminate outermost layer), a metal film layer, a heat-sealing layer made of a polymer film (laminate innermost layer), and the whole is laminated and integrated. The thing which becomes. Specifically, in the polymer-metal composite laminate film used for the exterior material, a heat-resistant insulating resin film is first formed as a polymer film on both surfaces of the metal film, and heat fusion is performed on at least one heat-resistant insulating resin film. An insulating insulating film is laminated. Such a laminate film is heat-sealed by an appropriate method, whereby the heat-welding insulating film portion is fused and joined to form a heat-sealing portion. An example of the metal film is an aluminum film. Moreover, as said insulating resin film, a polyethylene tetraphthalate film (heat-resistant insulating film), a nylon film (heat-resistant insulating film), a polyethylene film (heat-bonding insulating film), a polypropylene film (heat-bonding insulating film) ) Etc. can be illustrated. However, the exterior material of the present invention should not be limited to these. In such a laminate film, it is possible to easily and surely join one to one (bag-like) laminate films by heat fusion using a heat fusion insulating film by ultrasonic welding or the like. In order to maximize the long-term reliability of the battery, metal films that are constituent elements of the laminate sheet may be directly joined. Ultrasonic welding can be used to join the metal films by removing or destroying the heat-fusible resin between the metal films.

上述してなる本発明の非水電解質リチウムイオン電池は、バイポーラ型の非水電解質リチウムイオン電池(バイポーラ電池ともいう)であってもよいし、バイポーラ型でない非水電解質リチウムイオン電池(バイポーラ型でない電池ともいう)であってもよい。   The nonaqueous electrolyte lithium ion battery of the present invention described above may be a bipolar nonaqueous electrolyte lithium ion battery (also referred to as a bipolar battery) or a nonaqueous bipolar lithium ion battery (not bipolar). (Also referred to as a battery).

次に、本発明の非水電解質リチウムイオン二次電池の用途としては、例えば、ハイブリッド自動車、電気自動車(EV)やハイブリッド電気自動車(HEV)や燃料電池自動車やハイブリッド燃料電池自動車などの大容量電源として、高エネルギー密度、高出力密度が求められる車両駆動用電源や補助電源に好適に利用することができる。この場合には、本発明の非水電解質リチウムイオン電池を複数個接続して構成した組電池とすることが望ましい。すなわち、本発明では、上記非水電解質リチウムイオン二次を複数個、並列接続または直列接続または並列−直列接続または直列−並列接続の少なくとも一つを用いて組電池(車両用サブモジュール)とすることができる。これにより、種々の車両用ごとの容量・電圧の要望を基本の電池の組み合わせで対応が可能になる。その結果、必要エネルギー、出力の設計選択性を容易にすることが可能になる。そのため種々の車両用ごとに異なる電池を設計、生産する必要がなく、基本となる電池の大量生産が可能となり、量産化によるコスト削減が可能となる。以下に、当該組電池(車両用サブモジュール)の代表的な実施形態につき、図面を用いて簡単に説明する。   Next, as a use of the nonaqueous electrolyte lithium ion secondary battery of the present invention, for example, a large-capacity power source such as a hybrid vehicle, an electric vehicle (EV), a hybrid electric vehicle (HEV), a fuel cell vehicle, and a hybrid fuel cell vehicle Thus, it can be suitably used for a vehicle driving power source and an auxiliary power source that require high energy density and high output density. In this case, it is desirable that the assembled battery is constructed by connecting a plurality of the nonaqueous electrolyte lithium ion batteries of the present invention. That is, in the present invention, an assembled battery (vehicle sub-module) is formed using at least one of the plurality of nonaqueous electrolyte lithium ion secondary devices in parallel connection, series connection, parallel-series connection, or series-parallel connection. be able to. This makes it possible to meet the demands for capacity and voltage for various types of vehicles by combining basic batteries. As a result, it becomes possible to facilitate the design selectivity of required energy and output. For this reason, it is not necessary to design and produce different batteries for various vehicles, and it becomes possible to mass-produce basic batteries and to reduce costs by mass production. Hereinafter, a representative embodiment of the assembled battery (vehicle submodule) will be briefly described with reference to the drawings.

なお、組電池の他の構成要件に関しては、何ら制限されるべきものではなく、既存のリチウムイオン二次電池を用いた組電池の構成要件と同様のものが適宜適用することができるものであり、従来公知の組電池用の構成部材および製造技術が利用できるため、ここでの説明は省略する。   The other constituent requirements of the assembled battery should not be limited at all, and the same constituent requirements as the assembled battery using the existing lithium ion secondary battery can be applied as appropriate. Since conventionally known components and manufacturing techniques for assembled batteries can be used, the description thereof is omitted here.

次に、上記の組電池(車両用サブモジュール)を少なくとも2以上直列、並列、または直列と並列の複合接続した複合組電池(車両用組電池)とすることで、使用目的ごとの電池容量や出力に対する要求に、新たに組電池を作製することなく、比較的安価に対応することが可能になる。すなわち、本発明の複合組電池は、組電池(本発明のバイポーラ電池ないしバイポーラ型でない電池だけで構成したもの、本発明のバイポーラ電池とバイポーラ型でない電池とを組み合わせて構成したものなど)を少なくとも2以上直列、並列、または直列と並列の複合接続したことを特徴とするものであり、基準の組電池を製造し、それを組み合わせて複合組電池とすることで、組電池の仕様をチューニングできる。これにより、仕様の異なる沢山の組電池種を製造しなくてよいため、複合組電池コストを減少することができる。   Next, at least two or more of the above-mentioned assembled batteries (vehicle submodules) are combined in series, parallel, or in series and parallel to form a combined battery (vehicle assembled battery). It is possible to meet the demand for output relatively inexpensively without producing a new assembled battery. In other words, the composite assembled battery of the present invention comprises at least an assembled battery (such as one composed only of the bipolar battery or non-bipolar battery of the present invention, or a combination of the bipolar battery of the present invention and a non-bipolar battery). It is characterized by two or more series, parallel, or series and parallel composite connections. By manufacturing a standard assembled battery and combining it into a composite assembled battery, the specifications of the assembled battery can be tuned. . Thereby, since it is not necessary to manufacture many assembled battery types with different specifications, the composite assembled battery cost can be reduced.

また、上記複合組電池では、これを構成する複数の組電池をそれぞれ脱着可能に接続しておくのが望ましい。このように、組電池を複数直並列接続されてなる複合組電池では、一部の電池、組電池が故障しても、その故障部分を交換するだけで修理が可能となるためである。   Moreover, in the said composite assembled battery, it is desirable to connect the some assembled battery which comprises this so that attachment or detachment is possible respectively. As described above, in the composite assembled battery in which a plurality of assembled batteries are connected in series and parallel, even if some of the batteries and the assembled battery fail, the repair can be performed only by replacing the failed part.

また、本発明の車両は、上記組電池および/または上記複合組電池を搭載することを特徴とするものである。これにより、軽く小さい電池にすることでスペース要望の大きな車両要望に合致できる。電池のスペースを小さくすることで、車両の軽量化も達成できる。   The vehicle according to the present invention is characterized in that the assembled battery and / or the composite assembled battery is mounted. This makes it possible to meet a large vehicle demand for space by using a light and small battery. By reducing the battery space, the weight of the vehicle can be reduced.

例えば、複合組電池を、ハイブリッドカーや電気自動車や燃料電池等の車両に搭載するには、当該車両の車体中央部の座席(シート)下に搭載する。座席下に搭載すれば、車内空間およびトランクルームを広く取ることができるからである。なお、電池を搭載する場所は、座席下に限らず、車両の床下、シートバック裏、後部トランクルームの下部でも良いし、車両前方のエンジンルームでも良い。   For example, in order to mount the composite assembled battery on a vehicle such as a hybrid car, an electric vehicle, or a fuel cell, the composite assembled battery is mounted under a seat (seat) at the center of the vehicle body of the vehicle. This is because if it is installed under the seat, the interior space and the trunk room can be widened. The place where the battery is mounted is not limited to under the seat, but may be under the floor of the vehicle, behind the seat back, under the rear trunk room, or in the engine room in front of the vehicle.

なお、本発明では、複合組電池だけではなく、使用用途によっては、組電池を車両に搭載するようにしてもよいし、これら複合組電池と組電池を組み合わせて搭載するようにしてもよい。また、本発明の組電池および/または複合組電池を、例えば、駆動用電源や補助電源等として搭載することのできる車両としては、通常のハイブリッドカー(ガソリンエンジンと本発明の組電池および/または複合組電池の組み合わせ)、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、燃料電池自動車、ハイブリッド燃料電池自動車等が好ましいが、これらに制限されるものではない。   In the present invention, not only the composite battery pack but also the battery pack may be mounted on the vehicle depending on the intended use, or the composite battery pack and the battery pack may be mounted in combination. In addition, as a vehicle on which the assembled battery and / or the composite assembled battery of the present invention can be mounted, for example, as a driving power supply or an auxiliary power supply, an ordinary hybrid car (a gasoline engine and the assembled battery of the present invention and / or Combinations of composite assembled batteries), electric vehicles, hybrid electric vehicles, fuel cell vehicles, hybrid fuel cell vehicles and the like are preferred, but are not limited thereto.

以下、実施例および比較例を挙げて本発明の内容を説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。なお、以下の実施例及び比較例で、特に断らない場合には、「%」は、「(遷移金属原子)中のモル比の割合(mol%)」を表すものとする。   Hereinafter, the content of the present invention will be described with reference to examples and comparative examples, but the present invention is not limited to these examples. In the following examples and comparative examples, unless otherwise specified, “%” represents “ratio of molar ratio in (transition metal atom) (mol%)”.

実施例及び比較例
1−1.正極(粉末)の作製(実施例1〜5、11〜22、比較例1〜2、4〜8)
水酸化リチウム水和物と、マンガン30%及びコバルト30%を含んだ水酸化ニッケルとを、純水に溶解させた。この過程で、更に各実施例及び比較例のリチウムニッケルマンガン酸化物の組成に応じて、マグネシウム、亜鉛、窒素、リンを含む化合物を混合した。室温から300℃まで加熱し、空気中で24時間、脱水した。その後、300〜500℃の間で8時間、熱分解を行い、500〜850℃、酸素雰囲気中、均質化を行いながら24時間焼成した。本焼成工程において、リチウムニッケル複合酸化物の粒子が成長する。当該工程までの置換体の原材料の種類や添加量、更に本焼成後のアニール温度条件を変えて各実施例及び比較例を行った。後述する各実施例及び比較例では、当該工程につき説明するものとし、他の要件については各実施例及び比較例で全て同様であるため、以下にまとめて説明する。なお、ここで得られたリチウムニッケルマンガン酸化物(正極活物質)粒子の平均粒径は5μmであった。
Examples and Comparative Examples 1-1. Preparation of positive electrode (powder) (Examples 1-5, 11-22, Comparative Examples 1-2, 4-8)
Lithium hydroxide hydrate and nickel hydroxide containing 30% manganese and 30% cobalt were dissolved in pure water. In this process, compounds containing magnesium, zinc, nitrogen and phosphorus were further mixed according to the compositions of the lithium nickel manganese oxides of the examples and comparative examples. The mixture was heated from room temperature to 300 ° C. and dehydrated in air for 24 hours. Then, it thermally decomposed between 300-500 degreeC for 8 hours, and baked for 24 hours, performing homogenization in 500-850 degreeC and oxygen atmosphere. In the main firing step, lithium nickel composite oxide particles grow. Each Example and Comparative Example were carried out by changing the type and amount of the raw material of the substitution product up to this step and the annealing temperature condition after the main firing. In each example and comparative example to be described later, the process will be described, and other requirements are the same in each example and comparative example. In addition, the average particle diameter of the lithium nickel manganese oxide (positive electrode active material) particles obtained here was 5 μm.

得られたリチウムニッケルマンガン酸化物(正極活物質)75質量%、導電助剤のアセチレンブラック(デンカブラック)を10質量%、バインダのポリフッ化ビニリデン(PVDFともいう)を15質量%の割合で、溶媒としてN−メチエル−2−ピロリドン(NMPともいう)を加えて撹拌してスラリーを調整して、これを正極集電体のアルミ箔(厚さ20μm)上にアプリケーターにて塗布して、真空乾燥機にて80℃程度で加熱乾燥した後、電極を直径15mmに打ち抜き、90℃にて高真空にて6時間乾燥した。打ち抜いた正極活物質層の厚さは50μmであった。   75% by mass of the obtained lithium nickel manganese oxide (positive electrode active material), 10% by mass of the conductive auxiliary agent acetylene black (Denka black), and 15% by mass of the binder polyvinylidene fluoride (also referred to as PVDF), N-methyl-2-pyrrolidone (also referred to as NMP) is added as a solvent and stirred to prepare a slurry, which is applied onto an aluminum foil (thickness 20 μm) of a positive electrode current collector with an applicator, and vacuum After drying by heating at about 80 ° C. with a dryer, the electrode was punched to a diameter of 15 mm and dried at 90 ° C. in a high vacuum for 6 hours. The thickness of the punched positive electrode active material layer was 50 μm.

1−2.正極(薄膜)の作製(実施例6〜10及び実施例1’)
水酸化リチウム水和物と、Co30%及びMn30%を含んだ水酸化ニッケルとを、純水に溶解させた。撹拌しながら室温から300℃まで加熱し、空気中で24時間、脱水した。その後、300℃〜500℃の間で熱分解を8時間、空気中で行い、500〜850℃、酸素雰囲気中、24時間、焼成した。その後、500℃にて、酸素1気圧の雰囲気で12時間アニールした。アニールして得られた粉末を、直径20mm、厚さ5mmの円柱状のペレットにし、850℃、酸素雰囲気中で12時間、焼結させた。そのペレットをターゲットとしてパルス・レーザ・デポジッション(PLD)法を用いて、導電性を持ったSrTiO(100)基板上に製膜した。製膜条件は温度700℃、酸素分圧100mmHg、6時間とした。作製される膜圧は500nm程度になった。当該工程での製膜後、更にアニール温度条件を変えて実施例6〜10及び実施例1’を行った。よって、後述する実施例6〜10及び実施例1’では、当該工程につき説明するものとし、他の要件については各実施例で全て同様であるため、以下にまとめて説明する。なお、製膜後にアニール(酸素分圧0〜0.8atm、300℃)して得られた薄膜状のリチウムニッケルマンガン酸化物(正極活物質)については、表3に示す組成及び酸素終端率の測定用サンプルに用いた。一方、製膜することなく粉末のままでアニール(酸素分圧0〜0.8atm、300℃)して得られた粉末状のリチウムニッケルマンガン酸化物(正極活物質)については、ラミネートセルに用い、表3に示す抵抗比率2、3及びMn溶出量の測定を行った。
1-2. Production of positive electrode (thin film) (Examples 6 to 10 and Example 1 ′)
Lithium hydroxide hydrate and nickel hydroxide containing 30% Co and 30% Mn were dissolved in pure water. The mixture was heated from room temperature to 300 ° C. with stirring, and dehydrated in air for 24 hours. Then, thermal decomposition was performed between 300 ° C. and 500 ° C. in the air for 8 hours, and calcination was performed at 500 to 850 ° C. in an oxygen atmosphere for 24 hours. Thereafter, annealing was performed at 500 ° C. in an atmosphere of 1 atmosphere of oxygen for 12 hours. The powder obtained by annealing was formed into a cylindrical pellet having a diameter of 20 mm and a thickness of 5 mm, and sintered in an oxygen atmosphere at 850 ° C. for 12 hours. Using the pellet as a target, a film was formed on a conductive SrTiO 3 (100) substrate using a pulsed laser deposition (PLD) method. The film forming conditions were a temperature of 700 ° C., an oxygen partial pressure of 100 mmHg, and 6 hours. The film pressure produced was about 500 nm. After film formation in this step, Examples 6 to 10 and Example 1 ′ were performed by further changing the annealing temperature conditions. Therefore, in Examples 6 to 10 and Example 1 ′ to be described later, the process will be described, and other requirements are the same in each Example, and will be described collectively below. In addition, about the thin film-like lithium nickel manganese oxide (positive electrode active material) obtained by annealing (oxygen partial pressure of 0 to 0.8 atm, 300 ° C.) after the film formation, the composition and oxygen termination rate shown in Table 3 were obtained. Used as a sample for measurement. On the other hand, powdered lithium nickel manganese oxide (positive electrode active material) obtained by annealing (oxygen partial pressure of 0 to 0.8 atm, 300 ° C.) without forming a film is used for a laminate cell. The resistance ratios 2 and 3 shown in Table 3 and the elution amount of Mn were measured.

得られたリチウムニッケルマンガン酸化物(正極活物質)75質量%、導電助剤のアセチレンブラック(デンカブラック)を10質量%、バインダのポリフッ化ビニリデン(PVDFともいう)を15質量%の割合で、溶媒としてN−メチエル−2−ピロリドン(NMPともいう)を加えて撹拌してスラリーを調整して、これを正極集電体のアルミ箔(厚さ20μm)上にアプリケーターにて塗布して、真空乾燥機にて80℃程度で加熱乾燥した後、電極を直径15mmに打ち抜き、90℃にて高真空にて6時間乾燥した。打ち抜いた正極活物質層の厚さは50μmであった。   75% by mass of the obtained lithium nickel manganese oxide (positive electrode active material), 10% by mass of the conductive auxiliary agent acetylene black (Denka black), and 15% by mass of the binder polyvinylidene fluoride (also referred to as PVDF), N-methyl-2-pyrrolidone (also referred to as NMP) is added as a solvent and stirred to prepare a slurry, which is applied onto an aluminum foil (thickness 20 μm) of a positive electrode current collector with an applicator, and vacuum After drying by heating at about 80 ° C. with a dryer, the electrode was punched to a diameter of 15 mm and dried at 90 ° C. in a high vacuum for 6 hours. The thickness of the punched positive electrode active material layer was 50 μm.

2.負極の作製(各実施例及び比較例で全て同じものとした)
負極活物質粉末として炭素系材料のハードカーボン(スーパーP;呉羽化学工業株式会社製)を85質量%、導電助剤のアセチレンブラック(デンカブラック)を8質量%、気相成長カーボンファイバー(VGCF)を2質量%、バインダのPVDFを5質量%に、溶媒としてNMPを加えて撹拌してスラリーを調整して、アプリケーターにて、負極集電体の銅箔(厚さ20μm)の上に塗布して、真空乾燥機にて80℃程度で加熱乾燥した後、電極を直径16mmに打ち抜き、90℃にて高真空にて6時間乾燥した。打ち抜いた負極の活物質層の厚さは80μmであった。
2. Production of negative electrode (all the same in each example and comparative example)
85% by mass of carbon-based material hard carbon (Super P; manufactured by Kureha Chemical Co., Ltd.), 8% by mass of conductive auxiliary agent acetylene black (DENKA BLACK), vapor grown carbon fiber (VGCF) 2% by mass, PVDF of the binder to 5% by mass, NMP as a solvent is added and stirred to adjust the slurry, and is applied onto the copper foil (thickness 20 μm) of the negative electrode current collector with an applicator. After heating and drying at about 80 ° C. with a vacuum dryer, the electrode was punched to a diameter of 16 mm and dried at 90 ° C. in a high vacuum for 6 hours. The thickness of the active material layer of the punched negative electrode was 80 μm.

3.電池の作製
上記で作製した正極(詳しくは、後述する実施例1〜22、実施例1’および比較例1〜2、4〜8参照のこと)及び負極(全て同じ)を用いて、それぞれの電池(ラミネートセル)を構成した。詳しくは、セパレータにはポリプロピレン系微多孔質セパレータ(微細孔の平均孔径800nm、空孔率35%、厚さ30μm)を用い、非水系電解液には1.0MのLiPFのPC+EC+DEC溶液(PC:EC:DEC=2:2:6(体積比))を用いて、ラミネートセルを組んだ。正負極の容量バランスは正極支配とした。
3. Production of Battery Using the positive electrode produced above (for details, see Examples 1-22, Example 1 ′ and Comparative Examples 1-2, 4-8 described later) and negative electrode (all the same), A battery (laminate cell) was constructed. Specifically, a polypropylene microporous separator (average pore diameter of 800 nm, porosity of 35%, thickness of 30 μm) is used as the separator, and 1.0 M LiPF 6 PC + EC + DEC solution (PC) is used as the non-aqueous electrolyte. : EC: DEC = 2: 2: 6 (volume ratio)), a laminate cell was assembled. The capacity balance between the positive and negative electrodes was controlled by the positive electrode.

4−1.電池の評価:抵抗比率1の測定(実施例1〜5、11〜22及び比較例1〜2、4〜8)
(初期充放電)
まず、サンプル数は5セルでラミネートセル作製直後、初期充電として、室温にて、正極の換算で0.2C相当で上限電圧4.2Vまで定電流充電し、更に4.2V定電圧充電で12時間充電し、室温4.2Vにて1週間保存(エージング)した。その後、25℃で放電深度(DOD)50%に調整し、3C相当で10秒間定電流放電し、電圧降下より直流によって初期抵抗を求めた。いずれも平均値を取った。
4-1. Evaluation of battery: measurement of resistance ratio 1 (Examples 1-5, 11-22 and Comparative Examples 1-2, 4-8)
(Initial charge / discharge)
First, the number of samples is 5 cells. Immediately after the production of the laminate cell, as initial charging, constant current charging is performed up to an upper limit voltage of 4.2 V corresponding to 0.2 C in terms of positive electrode at room temperature, and further 12 by 4.2 V constant voltage charging. The battery was charged for an hour and stored (aging) at a room temperature of 4.2 V for 1 week. Thereafter, the depth of discharge (DOD) was adjusted to 50% at 25 ° C., constant current discharge was performed at 3C equivalent for 10 seconds, and the initial resistance was determined by direct current from the voltage drop. All were averaged.

(保存試験)
次に、上記室温4.2Vにて1週間保存(エージング)後、60℃にて一ヶ月保存した。その後、25℃でDOD50%に調整し、3C相当で10秒間定電流放電し、電圧降下より一ヶ月保存後の抵抗を求めた。
(Preservation test)
Next, after storage (aging) at room temperature of 4.2 V for 1 week, the product was stored at 60 ° C. for 1 month. Thereafter, the DOD was adjusted to 50% at 25 ° C., a constant current discharge was performed at 3C for 10 seconds, and the resistance after storage for one month was determined from the voltage drop.

各サンプルの一ヶ月保存後の抵抗と比較例1の一ヶ月保存後の抵抗から、以下に示す計算によって抵抗比率1を算出した。いずれもサンプル数は5セルで平均値を取った。   The resistance ratio 1 was calculated from the resistance after one month storage of each sample and the resistance after one month storage of Comparative Example 1 by the calculation shown below. In all cases, the average number of samples was 5 cells.

Figure 2007257890
Figure 2007257890

4−2.電池の評価:抵抗比率2、3の測定(実施例6〜10及び実施例1’)
(初期充放電)
まず、ラミネートセル作製直後、初期充電として、室温にて、正極の換算で0.2C相当で上限電圧4.2Vまで定電流充電し、室温4.2Vにて2時間保持し、2時間休止した。その後、25℃で放電深度(DOD)50%に調整し、1C相当で10秒間定電流放電し、電圧降下より初期抵抗を算出した。いずれもサンプル数は5セルで平均値を取った。
4-2. Battery evaluation: measurement of resistance ratios 2 and 3 (Examples 6 to 10 and Example 1 ′)
(Initial charge / discharge)
First, immediately after production of the laminate cell, as an initial charge, constant current charge was performed up to an upper limit voltage of 4.2 V corresponding to 0.2 C in terms of positive electrode at room temperature, held at room temperature of 4.2 V for 2 hours, and rested for 2 hours. . Thereafter, the discharge depth (DOD) was adjusted to 50% at 25 ° C., constant current discharge was performed at 1 C for 10 seconds, and the initial resistance was calculated from the voltage drop. In all cases, the average number of samples was 5 cells.

(サイクル試験)
次に、上記初期抵抗を評価後、下記に示す条件でサイクル試験を実施した。サイクル試験後、25℃でDOD50%に調整し、1C相当で10秒間定電流放電し、電圧降下よりサイクル試験後の抵抗を算出した。
(Cycle test)
Next, after evaluating the initial resistance, a cycle test was performed under the following conditions. After the cycle test, the DOD was adjusted to 50% at 25 ° C., a constant current discharge was performed at 1 C for 10 seconds, and the resistance after the cycle test was calculated from the voltage drop.

サイクル試験の条件:25℃にて、1C相当で定電流充電、上限電圧4.2V、休止10分、1C相当で定電流放電、下限電圧2.5V、休止10分を1サイクルとし、150サイクル実施した。   Cycle test conditions: constant current charge at 1C at 25 ° C, upper limit voltage 4.2V, pause 10 minutes, 1C equivalent constant current discharge, lower limit voltage 2.5V, pause 10 minutes as one cycle, 150 cycles Carried out.

各サンプル(実施例6〜10及び実施例1’)のサイクル試験後の抵抗と、実施例1’のサイクル試験後の抵抗から、以下に示す計算によって抵抗比率2を算出した。いずれもサンプル数は5セルで平均値を取った。   From the resistance after the cycle test of each sample (Examples 6 to 10 and Example 1 ') and the resistance after the cycle test of Example 1', the resistance ratio 2 was calculated by the following calculation. In all cases, the average number of samples was 5 cells.

Figure 2007257890
Figure 2007257890

また、各サンプル(実施例6〜10及び実施例1’)ごとの、サイクル試験後の抵抗と初期抵抗とから、以下に示す計算式によって抵抗比率3を算出した。いずれもサンプル数は5セルで平均値を取った。   Moreover, the resistance ratio 3 was calculated from the resistance after the cycle test and the initial resistance for each sample (Examples 6 to 10 and Example 1 ') by the following formula. In all cases, the average number of samples was 5 cells.

Figure 2007257890
Figure 2007257890

《Mn溶出の測定》
電池(ラミネートセル)を1C相当で2.5Vまで放電し、電池を解体し、負極と、セパレータを、硝酸と硫酸の混酸中で加熱した後、不溶部分を過塩素酸と硫酸の混酸中で加熱し、完全に溶解させた。この溶解液中のMn量をICP(誘導結合プラズマ原子発光分析)により測定し、正極活物質1g当たりのMn溶出量を算出した。
<Measurement of Mn elution>
The battery (laminated cell) was discharged to 2.5V at 1C equivalent, the battery was disassembled, the negative electrode and the separator were heated in a mixed acid of nitric acid and sulfuric acid, and the insoluble portion was then mixed in a mixed acid of perchloric acid and sulfuric acid. Heat to dissolve completely. The amount of Mn in this solution was measured by ICP (inductively coupled plasma atomic emission spectrometry), and the amount of Mn eluted per gram of the positive electrode active material was calculated.

《組成及び結晶構造の確認》
正極活物質として得られたリチウムニッケルマンガン酸化物全体及び1次粒子表面から結晶のc軸長の5倍の深さの領域(表面近傍領域)の組成につき、TOF−MASSにより確認した。なお、各実施例及び比較例では、表面近傍領域として、1次粒子表面から結晶(R3−m結晶構造)のc軸長について、その5倍に相当する14.3Åまでの深さの領域を測定した。また、得られたリチウムニッケルマンガン酸化物の結晶構造は、粉末XRDにより確認した。さらに、各実施例及び比較例での表面近傍領域におけるMnの平均価数は、正極活物質として得られたリチウムニッケルマンガン酸化物(いずれも0.5<x≦1.1の範囲内)の表面近傍領域の組成を測定し、算出した。
<Confirmation of composition and crystal structure>
The composition of the entire lithium nickel manganese oxide obtained as the positive electrode active material and the region (surface vicinity region) having a depth five times the c-axis length of the crystal from the primary particle surface was confirmed by TOF-MASS. In each of the examples and comparative examples, a region having a depth of up to 14.3 mm corresponding to five times the c-axis length of the crystal (R3-m crystal structure) from the surface of the primary particle is used as the surface vicinity region. It was measured. The crystal structure of the obtained lithium nickel manganese oxide was confirmed by powder XRD. Furthermore, the average valence of Mn in the surface vicinity region in each Example and Comparative Example is the lithium nickel manganese oxide obtained as the positive electrode active material (both in the range of 0.5 <x ≦ 1.1). The composition in the vicinity of the surface was measured and calculated.

《表面処理》
各実施例及び比較例での表面処理(アニール処理)については、粉末状態でも製膜状態でも実施可能なことから、以下のようにして、それぞれにつき、実験を行った。
"surface treatment"
Since the surface treatment (annealing treatment) in each of the examples and the comparative examples can be performed in a powder state or a film formation state, an experiment was performed for each as follows.

実施例1〜5、11〜22及び比較例1〜2、4〜8の粉末に関しては、焼成後にアニールを行って実験した。実施例6〜10及び実施例1’の薄膜については、製膜後にアニールを行って実験した。これは、実施例6〜10及び実施例1’の酸素終端率を下記式のように規定していることから、製膜などにより薄膜にして面積が測定可能な状態にしておく必要があるためである。   The powders of Examples 1 to 5, 11 to 22, and Comparative Examples 1 to 2, and 4 to 8 were subjected to an experiment after annealing after firing. The thin films of Examples 6 to 10 and Example 1 'were subjected to an experiment after annealing. This is because the oxygen termination rates of Examples 6 to 10 and Example 1 ′ are defined by the following formula, and therefore it is necessary to form a thin film by film formation or the like so that the area can be measured. It is.

《酸素終端率の測定方法》
in situ STM、RHEEDの回折パターンによりアニール前とアニール後の薄膜(10×10nm面積で測定)につき、酸素の終端率を測定し、以下に示す計算式によって酸素終端率を算出した。
<Measurement method of oxygen termination rate>
The termination rate of oxygen was measured for thin films before and after annealing (measured at 10 × 10 nm 2 area) by the in situ STM and RHEED diffraction patterns, and the oxygen termination rate was calculated by the following formula.

Figure 2007257890
Figure 2007257890

以下の比較例1〜2及び実施例1〜5は、LiNi0.4Co0.3Mn0.3(1次粒子表面から結晶(R3−m結晶構造)のc軸長について14.3Åまでの組成;1次粒子表面から結晶のc軸長の5倍の深さの領域を含めた表面近傍の組成)のOの含有量cの値を代えて実験を行った。詳しくは、表面近傍領域に過剰な酸素を導入し(1次粒子表面の一部ないし全部を酸素終端とし)て実験を行った。 Comparative Examples 1 to 2 and Examples 1 to 5 below are related to LiNi 0.4 Co 0.3 Mn 0.3 O c (c-axis length of crystals (R3-m crystal structure) from the primary particle surface). Experiments were carried out by changing the value of the O content c of the composition up to 3%; the composition in the vicinity of the surface including the region having a depth of 5 times the c-axis length of the crystal from the primary particle surface. Specifically, the experiment was conducted by introducing excess oxygen into the region in the vicinity of the surface (a part or all of the primary particle surface was terminated with oxygen).

比較例1
水酸化リチウム水和物と、Co30%及びMn30%を含んだ水酸化ニッケルとを、純水に溶解させた。撹拌しながら室温から300℃まで加熱し、空気中で24時間脱水した。その後、300℃〜500℃の間で熱分解を8時間空気中で行い、500〜850℃、酸素雰囲気中で24時間焼成した。その後、500℃にて、酸素1気圧の雰囲気で12時間アニールした。得られたリチウムニッケルマンガン酸化物を用いた実験結果を表2に示す。
Comparative Example 1
Lithium hydroxide hydrate and nickel hydroxide containing 30% Co and 30% Mn were dissolved in pure water. The mixture was heated from room temperature to 300 ° C. with stirring and dehydrated in air for 24 hours. Then, thermal decomposition was performed in the air between 300 ° C. and 500 ° C. for 8 hours, and calcined in an oxygen atmosphere at 500 to 850 ° C. for 24 hours. Thereafter, annealing was performed at 500 ° C. in an atmosphere of 1 atmosphere of oxygen for 12 hours. The experimental results using the obtained lithium nickel manganese oxide are shown in Table 2.

比較例2
水酸化リチウム水和物と、Co30%及びMn30%を含んだ水酸化ニッケルとを、純水に溶解させた。撹拌しながら室温から300℃まで加熱し、空気中で24時間脱水した。その後、300℃〜500℃の間で熱分解を8時間空気中で行い、500〜850℃、酸素雰囲気中で24時間焼成した。その後、500℃にて、酸素2気圧の雰囲気で12時間アニールした。得られたリチウムニッケルマンガン酸化物を用いた実験結果を表2に示す。
Comparative Example 2
Lithium hydroxide hydrate and nickel hydroxide containing 30% Co and 30% Mn were dissolved in pure water. The mixture was heated from room temperature to 300 ° C. with stirring and dehydrated in air for 24 hours. Then, thermal decomposition was performed in the air between 300 ° C. and 500 ° C. for 8 hours, and calcined in an oxygen atmosphere at 500 to 850 ° C. for 24 hours. Thereafter, annealing was performed at 500 ° C. in an atmosphere of 2 atmospheres of oxygen for 12 hours. The experimental results using the obtained lithium nickel manganese oxide are shown in Table 2.

実施例1
水酸化リチウム水和物と、Co30%及びMn30%を含んだ水酸化ニッケルとを、純水に溶解させた。撹拌しながら室温から300℃まで加熱し、空気中で24時間脱水した。その後、300℃〜500℃の間で熱分解を8時間空気中で行い、500〜850℃、酸素雰囲気中で24時間焼成した。その後、500℃にて、酸素4気圧の雰囲気で12時間アニールした。得られたリチウムニッケルマンガン酸化物を用いた実験結果を表2に示す。
Example 1
Lithium hydroxide hydrate and nickel hydroxide containing 30% Co and 30% Mn were dissolved in pure water. The mixture was heated from room temperature to 300 ° C. with stirring and dehydrated in air for 24 hours. Then, thermal decomposition was performed in the air between 300 ° C. and 500 ° C. for 8 hours, and calcined in an oxygen atmosphere at 500 to 850 ° C. for 24 hours. Thereafter, annealing was performed at 500 ° C. in an atmosphere of 4 atmospheres of oxygen for 12 hours. The experimental results using the obtained lithium nickel manganese oxide are shown in Table 2.

実施例2
水酸化リチウム水和物と、Co30%及びMn30%を含んだ水酸化ニッケルとを、純水に溶解させた。撹拌しながら室温から300℃まで加熱し、空気中で24時間、脱水した。その後、300℃〜500℃の間で熱分解を8時間、空気中で行い、500〜850℃、酸素雰囲気中、24時間、焼成した。その後、500℃にて、酸素6気圧の雰囲気で12時間アニールした。得られたリチウムニッケルマンガン酸化物を用いた実験結果を表2に示す。
Example 2
Lithium hydroxide hydrate and nickel hydroxide containing 30% Co and 30% Mn were dissolved in pure water. The mixture was heated from room temperature to 300 ° C. with stirring, and dehydrated in air for 24 hours. Then, thermal decomposition was performed between 300 ° C. and 500 ° C. in the air for 8 hours, and calcination was performed at 500 to 850 ° C. in an oxygen atmosphere for 24 hours. Thereafter, annealing was performed at 500 ° C. in an atmosphere of oxygen at 6 atmospheres for 12 hours. The experimental results using the obtained lithium nickel manganese oxide are shown in Table 2.

実施例3
水酸化リチウム水和物と、Co30%及びMn30%を含んだ水酸化ニッケルとを、純水に溶解させた。撹拌しながら室温から300℃まで加熱し、空気中で24時間、脱水した。その後、300℃〜500℃の間で熱分解を8時間、空気中で行い、500〜850℃、酸素雰囲気中、24時間、焼成した。その後、500℃にて、酸素10気圧の雰囲気で12時間アニールした。得られたリチウムニッケルマンガン酸化物を用いた実験結果を表2に示す。
Example 3
Lithium hydroxide hydrate and nickel hydroxide containing 30% Co and 30% Mn were dissolved in pure water. The mixture was heated from room temperature to 300 ° C. with stirring, and dehydrated in air for 24 hours. Then, thermal decomposition was performed between 300 ° C. and 500 ° C. in the air for 8 hours, and calcination was performed at 500 to 850 ° C. in an oxygen atmosphere for 24 hours. Thereafter, annealing was performed at 500 ° C. in an atmosphere of oxygen at 10 atmospheres for 12 hours. The experimental results using the obtained lithium nickel manganese oxide are shown in Table 2.

実施例4
水酸化リチウム水和物と、Co30%及びMn30%を含んだ水酸化ニッケルとを、純水に溶解させた。撹拌しながら室温から300℃まで加熱し、空気中で24時間、脱水した。その後、300℃〜500℃の間で熱分解を8時間、空気中で行い、500〜850℃、酸素雰囲気中、24時間、焼成した。その後、500℃にて、酸素15気圧の雰囲気で12時間アニールした。得られたリチウムニッケルマンガン酸化物を用いた実験結果を表2に示す。
Example 4
Lithium hydroxide hydrate and nickel hydroxide containing 30% Co and 30% Mn were dissolved in pure water. The mixture was heated from room temperature to 300 ° C. with stirring, and dehydrated in air for 24 hours. Then, thermal decomposition was performed between 300 ° C. and 500 ° C. in the air for 8 hours, and calcination was performed at 500 to 850 ° C. in an oxygen atmosphere for 24 hours. Thereafter, annealing was performed at 500 ° C. in an atmosphere of oxygen at 15 atmospheres for 12 hours. The experimental results using the obtained lithium nickel manganese oxide are shown in Table 2.

実施例5
水酸化リチウム水和物と、Co30%及びMn30%を含んだ水酸化ニッケルとを、純水に溶解させた。撹拌しながら室温から300℃まで加熱し、空気中で24時間、脱水した。その後、300℃〜500℃の間で熱分解を8時間、空気中で行い、500〜850℃、酸素雰囲気中、24時間、焼成した。その後、500℃にて、酸素20気圧の雰囲気で12時間アニールした。得られたリチウムニッケルマンガン酸化物を用いた実験結果を表2に示す。
Example 5
Lithium hydroxide hydrate and nickel hydroxide containing 30% Co and 30% Mn were dissolved in pure water. The mixture was heated from room temperature to 300 ° C. with stirring, and dehydrated in air for 24 hours. Then, thermal decomposition was performed between 300 ° C. and 500 ° C. in the air for 8 hours, and calcination was performed at 500 to 850 ° C. in an oxygen atmosphere for 24 hours. Thereafter, annealing was performed at 500 ° C. in an atmosphere of oxygen at 20 atmospheres for 12 hours. The experimental results using the obtained lithium nickel manganese oxide are shown in Table 2.

Figure 2007257890
Figure 2007257890

(注)実施例5のLiNi0.4Co0.3Mn0.32.4よりもOの含有量cを高めたものの合成は不可能であった。 (Note) Although the content of O was higher than LiNi 0.4 Co 0.3 Mn 0.3 O 2.4 in Example 5, synthesis was impossible.

<考察>
焼成時の酸素分圧の上昇とともに活物質中での酸素組成比が上昇し、結果としてMnの価数が3.2を超えた組成で明確にMnの溶出が抑えられていることがわかる。また、抵抗も低く、劣化が抑えられていることがわかる。
<Discussion>
It can be seen that as the oxygen partial pressure during firing increases, the oxygen composition ratio in the active material increases, and as a result, elution of Mn is clearly suppressed with a composition in which the valence of Mn exceeds 3.2. Moreover, resistance is also low and it turns out that deterioration is suppressed.

以下の実施例1’及び実施例6〜10は、焼成後に製膜し、該製膜後のアニール条件(表面処理条件)を代えて実験を行った。詳しくは、表面近傍領域に過剰な酸素を導入し、1次粒子表面の一部ないし全部を酸素終端として実験を行った。   In the following Example 1 'and Examples 6 to 10, a film was formed after firing, and an experiment was performed by changing the annealing conditions (surface treatment conditions) after the film formation. Specifically, an experiment was conducted in which excess oxygen was introduced into the region near the surface, and part or all of the primary particle surface was terminated with oxygen.

実施例1’
水酸化リチウム水和物と、Co30%及びMn30%を含んだ水酸化ニッケルとを、純水に溶解させた。撹拌しながら室温から300℃まで加熱し、空気中で24時間、脱水した。その後、300℃〜500℃の間で熱分解を8時間、空気中で行い、500〜850℃、酸素雰囲気中、24時間、焼成した。その後、500℃にて、酸素1気圧の雰囲気で12時間アニールした粉末を、直径20mm、厚さ5mmの円柱状のペレットにし、850℃、酸素雰囲気中で12時間、焼結させた。そのペレットをターゲットとしてPLD法を用いて、SrTiO(100)面上に製膜を行った。得られたリチウムニッケルマンガン酸化物(粉末及び薄膜)を用いた実験結果を表3に示す。
Example 1 '
Lithium hydroxide hydrate and nickel hydroxide containing 30% Co and 30% Mn were dissolved in pure water. The mixture was heated from room temperature to 300 ° C. with stirring, and dehydrated in air for 24 hours. Then, thermal decomposition was performed between 300 ° C. and 500 ° C. in the air for 8 hours, and calcination was performed at 500 to 850 ° C. in an oxygen atmosphere for 24 hours. Thereafter, the powder annealed at 500 ° C. in an atmosphere of 1 atmosphere of oxygen for 12 hours was formed into a cylindrical pellet having a diameter of 20 mm and a thickness of 5 mm and sintered in an oxygen atmosphere at 850 ° C. for 12 hours. A film was formed on the SrTiO 3 (100) surface using the PLD method with the pellet as a target. Table 3 shows the experimental results using the obtained lithium nickel manganese oxide (powder and thin film).

実施例6
水酸化リチウム水和物と、Co30%及びMn30%を含んだ水酸化ニッケルとを、純水に溶解させた。撹拌しながら室温から300℃まで加熱し、空気中で24時間、脱水した。その後、300℃〜500℃の間で熱分解を8時間、空気中で行い、500〜850℃、酸素雰囲気中、24時間、焼成した。その後、500℃にて、酸素1気圧の雰囲気で12時間アニールした粉末を、直径20mm、厚さ5mmの円柱状のペレットにし、850℃、酸素雰囲気中で12時間、焼結させた。そのペレットをターゲットとしてPLD法を用いて、SrTiO(100)面上に製膜を行った。製膜後、基板温度を300℃として、酸素分圧0.1気圧にして24時間アニールを行った。また、製膜せずに同様の酸素分圧下でアニール処理を行った。こうして得られたリチウムニッケルマンガン酸化物(粉末及び薄膜)を用いた実験結果を表3に示す。
Example 6
Lithium hydroxide hydrate and nickel hydroxide containing 30% Co and 30% Mn were dissolved in pure water. The mixture was heated from room temperature to 300 ° C. with stirring, and dehydrated in air for 24 hours. Then, thermal decomposition was performed between 300 ° C. and 500 ° C. in the air for 8 hours, and calcination was performed at 500 to 850 ° C. in an oxygen atmosphere for 24 hours. Thereafter, the powder annealed at 500 ° C. in an atmosphere of 1 atmosphere of oxygen for 12 hours was formed into a cylindrical pellet having a diameter of 20 mm and a thickness of 5 mm and sintered in an oxygen atmosphere at 850 ° C. for 12 hours. A film was formed on the SrTiO 3 (100) surface using the PLD method with the pellet as a target. After film formation, annealing was performed for 24 hours at a substrate temperature of 300 ° C. and an oxygen partial pressure of 0.1 atm. Also, annealing was performed under the same oxygen partial pressure without film formation. Table 3 shows the experimental results using the lithium nickel manganese oxide (powder and thin film) thus obtained.

実施例7
水酸化リチウム水和物と、Co30%及びMn30%を含んだ水酸化ニッケルとを、純水に溶解させた。撹拌しながら室温から300℃まで加熱し、空気中で24時間、脱水した。その後、300℃〜500℃の間で熱分解を8時間、空気中で行い、500〜850℃、酸素雰囲気中、24時間、焼成した。その後、500℃にて、酸素1気圧の雰囲気で12時間アニールした粉末を、直径20mm、厚さ5mmの円柱状のペレットにし、850℃、酸素雰囲気中で12時間、焼結させた。そのペレットをターゲットとしてPLD法を用いて、SrTiO(100)面上に製膜を行った。製膜後、基板温度を300℃として、酸素分圧0.2気圧にして24時間アニールを行った。また、製膜せずに同様の酸素分圧下でアニール処理を行った。こうして得られたリチウムニッケルマンガン酸化物(粉末及び薄膜)を用いた実験結果を表3に示す。
Example 7
Lithium hydroxide hydrate and nickel hydroxide containing 30% Co and 30% Mn were dissolved in pure water. The mixture was heated from room temperature to 300 ° C. with stirring, and dehydrated in air for 24 hours. Then, thermal decomposition was performed between 300 ° C. and 500 ° C. in the air for 8 hours, and calcination was performed at 500 to 850 ° C. in an oxygen atmosphere for 24 hours. Thereafter, the powder annealed at 500 ° C. in an atmosphere of 1 atmosphere of oxygen for 12 hours was formed into a cylindrical pellet having a diameter of 20 mm and a thickness of 5 mm and sintered in an oxygen atmosphere at 850 ° C. for 12 hours. A film was formed on the SrTiO 3 (100) surface using the PLD method with the pellet as a target. After the film formation, annealing was performed for 24 hours at a substrate temperature of 300 ° C. and an oxygen partial pressure of 0.2 atm. Also, annealing was performed under the same oxygen partial pressure without film formation. Table 3 shows the experimental results using the lithium nickel manganese oxide (powder and thin film) thus obtained.

実施例8
水酸化リチウム水和物と、Co30%及びMn30%を含んだ水酸化ニッケルとを、純水に溶解させた。撹拌しながら室温から300℃まで加熱し、空気中で24時間、脱水した。その後、300℃〜500℃の間で熱分解を8時間、空気中で行い、500〜850℃、酸素雰囲気中、24時間、焼成した。その後、500℃にて、酸素1気圧の雰囲気で12時間アニールした粉末を、直径20mm、厚さ5mmの円柱状のペレットにし、850℃、酸素雰囲気中で12時間、焼結させた。そのペレットをターゲットとしてPLD法を用いて、SrTiO(100)面上に製膜を行った。製膜後、基板温度を300℃として、酸素分圧0.4気圧にして24時間アニールを行った。また、製膜せずに同様の酸素分圧下でアニール処理を行った。こうして得られたリチウムニッケルマンガン酸化物(粉末及び薄膜)を用いた実験結果を表3に示す。
Example 8
Lithium hydroxide hydrate and nickel hydroxide containing 30% Co and 30% Mn were dissolved in pure water. The mixture was heated from room temperature to 300 ° C. with stirring, and dehydrated in air for 24 hours. Then, thermal decomposition was performed between 300 ° C. and 500 ° C. in the air for 8 hours, and calcination was performed at 500 to 850 ° C. in an oxygen atmosphere for 24 hours. Thereafter, the powder annealed at 500 ° C. in an atmosphere of 1 atmosphere of oxygen for 12 hours was formed into a cylindrical pellet having a diameter of 20 mm and a thickness of 5 mm and sintered in an oxygen atmosphere at 850 ° C. for 12 hours. A film was formed on the SrTiO 3 (100) surface using the PLD method with the pellet as a target. After the film formation, the substrate temperature was set to 300 ° C., and the oxygen partial pressure was set to 0.4 atm. Also, annealing was performed under the same oxygen partial pressure without film formation. Table 3 shows the experimental results using the lithium nickel manganese oxide (powder and thin film) thus obtained.

実施例9
水酸化リチウム水和物と、Co30%及びMn30%を含んだ水酸化ニッケルとを、純水に溶解させた。撹拌しながら室温から300℃まで加熱し、空気中で24時間、脱水した。その後、300℃〜500℃の間で熱分解を8時間、空気中で行い、500〜850℃、酸素雰囲気中、24時間、焼成した。その後、500℃にて、酸素1気圧の雰囲気で12時間アニールした粉末を、直径20mm、厚さ5mmの円柱状のペレットにし、850℃、酸素雰囲気中で12時間、焼結させた。そのペレットをターゲットとしてPLD法を用いて、SrTiO(100)面上に製膜を行った。製膜後、基板温度を300℃として、酸素分圧0.6気圧にして24時間アニールを行った。また、製膜せずに同様の酸素分圧下でアニール処理を行った。こうして得られたリチウムニッケルマンガン酸化物(粉末及び薄膜)を用いた実験結果を表3に示す。
Example 9
Lithium hydroxide hydrate and nickel hydroxide containing 30% Co and 30% Mn were dissolved in pure water. The mixture was heated from room temperature to 300 ° C. with stirring, and dehydrated in air for 24 hours. Then, thermal decomposition was performed between 300 ° C. and 500 ° C. in the air for 8 hours, and calcination was performed at 500 to 850 ° C. in an oxygen atmosphere for 24 hours. Thereafter, the powder annealed at 500 ° C. in an atmosphere of 1 atmosphere of oxygen for 12 hours was formed into a cylindrical pellet having a diameter of 20 mm and a thickness of 5 mm and sintered in an oxygen atmosphere at 850 ° C. for 12 hours. A film was formed on the SrTiO 3 (100) surface using the PLD method with the pellet as a target. After the film formation, the substrate temperature was set to 300 ° C., and the oxygen partial pressure was set to 0.6 atm. Also, annealing was performed under the same oxygen partial pressure without film formation. Table 3 shows the experimental results using the lithium nickel manganese oxide (powder and thin film) thus obtained.

実施例10
水酸化リチウム水和物と、Co30%及びMn30%を含んだ水酸化ニッケルとを、純水に溶解させた。撹拌しながら室温から300℃まで加熱し、空気中で24時間、脱水した。その後、300℃〜500℃の間で熱分解を8時間、空気中で行い、500〜850℃、酸素雰囲気中、24時間、焼成した。その後、500℃にて、酸素1気圧の雰囲気で12時間アニールした粉末を、直径20mm、厚さ5mmの円柱状のペレットにし、850℃、酸素雰囲気中で12時間、焼結させた。そのペレットをターゲットとしてPLD法を用いて、SrTiO(100)面上に製膜を行った。製膜後、基板温度を300℃として、酸素分圧1気圧にして24時間アニールを行った。また、製膜せずに同様の酸素分圧下でアニール処理を行った。こうして得られたリチウムニッケルマンガン酸化物(粉末及び薄膜)を用いた実験結果を表3に示す。
Example 10
Lithium hydroxide hydrate and nickel hydroxide containing 30% Co and 30% Mn were dissolved in pure water. The mixture was heated from room temperature to 300 ° C. with stirring, and dehydrated in air for 24 hours. Then, thermal decomposition was performed between 300 ° C. and 500 ° C. in the air for 8 hours, and calcination was performed at 500 to 850 ° C. in an oxygen atmosphere for 24 hours. Thereafter, the powder annealed at 500 ° C. in an atmosphere of 1 atmosphere of oxygen for 12 hours was formed into a cylindrical pellet having a diameter of 20 mm and a thickness of 5 mm and sintered in an oxygen atmosphere at 850 ° C. for 12 hours. A film was formed on the SrTiO 3 (100) surface using the PLD method with the pellet as a target. After the film formation, the substrate temperature was set to 300 ° C., and the oxygen partial pressure was set to 1 atm. Also, annealing was performed under the same oxygen partial pressure without film formation. Table 3 shows the experimental results using the lithium nickel manganese oxide (powder and thin film) thus obtained.

Figure 2007257890
Figure 2007257890

<考察>
本発明では、Mnの価数を3.2より上げることで電極の耐久性が上がるが、それに加えて、表面に酸素末端を導入することでより一層の効果が得られるということがわかる。
<Discussion>
In the present invention, the durability of the electrode is improved by increasing the valence of Mn from 3.2, but in addition, it can be seen that a further effect can be obtained by introducing an oxygen terminal on the surface.

以下の比較例4及び実施例11〜12は、LiNi0.4Co0.3Mn(1次粒子表面から結晶(R3−m結晶構造)のc軸長について14.3Åまでの組成;1次粒子表面から結晶のc軸長の5倍の深さの領域を含めた表面近傍の組成)のM(=Mg)の含有量bの値を代えて実験を行った。詳しくは、表面近傍領域のMnを+2価イオンのMgに一部置換して実験を行った。 In Comparative Example 4 and Examples 11 to 12 below, LiNi 0.4 Co 0.3 Mn a M b O 2 (from the primary particle surface to the crystal (R3-m crystal structure) c-axis length up to 14.3 mm The composition b in the vicinity of the surface including the region having a depth of 5 times the c-axis length of the crystal from the surface of the primary particle) was changed for the M (= Mg) content b. Specifically, the experiment was performed by partially replacing Mn in the vicinity of the surface with Mg of +2 valent ions.

比較例4
水酸化リチウム水和物と、Co30%、Mn27%及びMg3%を含んだ水酸化ニッケルとを、純水に溶解させた。撹拌しながら室温から300℃まで加熱し、空気中で24時間、脱水した。その後、300℃〜500℃の間で熱分解を8時間、空気中で行い、500〜850℃、酸素雰囲気中、24時間、焼成した。その後、500℃にて、酸素1気圧の雰囲気で12時間アニールした。得られたリチウムニッケルマンガン酸化物を用いた実験結果を表4に示す。
Comparative Example 4
Lithium hydroxide hydrate and nickel hydroxide containing Co 30%, Mn 27% and Mg 3% were dissolved in pure water. The mixture was heated from room temperature to 300 ° C. with stirring, and dehydrated in air for 24 hours. Then, thermal decomposition was performed between 300 ° C. and 500 ° C. in the air for 8 hours, and calcination was performed at 500 to 850 ° C. in an oxygen atmosphere for 24 hours. Thereafter, annealing was performed at 500 ° C. in an atmosphere of 1 atmosphere of oxygen for 12 hours. Table 4 shows the experimental results using the obtained lithium nickel manganese oxide.

実施例11
水酸化リチウム水和物と、Co30%、Mn24%及びMg6%を含んだ水酸化ニッケルとを、純水に溶解させた。撹拌しながら室温から300℃まで加熱し、空気中で24時間、脱水した。その後、300℃〜500℃の間で熱分解を8時間、空気中で行い、500〜850℃、酸素雰囲気中、24時間、焼成した。その後、500℃にて、酸素1気圧の雰囲気で12時間アニールした。得られたリチウムニッケルマンガン酸化物を用いた実験結果を表4に示す。
Example 11
Lithium hydroxide hydrate and nickel hydroxide containing Co 30%, Mn 24% and Mg 6% were dissolved in pure water. The mixture was heated from room temperature to 300 ° C. with stirring, and dehydrated in air for 24 hours. Then, thermal decomposition was performed between 300 ° C. and 500 ° C. in the air for 8 hours, and calcination was performed at 500 to 850 ° C. in an oxygen atmosphere for 24 hours. Thereafter, annealing was performed at 500 ° C. in an atmosphere of 1 atmosphere of oxygen for 12 hours. Table 4 shows the experimental results using the obtained lithium nickel manganese oxide.

実施例12
水酸化リチウム水和物と、Co30%、Mn20%及びMg10%を含んだ水酸化ニッケルとを、純水に溶解させた。撹拌しながら室温から300℃まで加熱し、空気中で24時間、脱水した。その後、300℃〜500℃の間で熱分解を8時間、空気中で行い、500〜850℃、酸素雰囲気中、24時間、焼成した。その後、500℃にて、酸素1気圧の雰囲気で12時間アニールした。得られたリチウムニッケルマンガン酸化物を用いた実験結果を表4に示す。
Example 12
Lithium hydroxide hydrate and nickel hydroxide containing Co 30%, Mn 20% and Mg 10% were dissolved in pure water. The mixture was heated from room temperature to 300 ° C. with stirring, and dehydrated in air for 24 hours. Then, thermal decomposition was performed between 300 ° C. and 500 ° C. in the air for 8 hours, and calcination was performed at 500 to 850 ° C. in an oxygen atmosphere for 24 hours. Thereafter, annealing was performed at 500 ° C. in an atmosphere of 1 atmosphere of oxygen for 12 hours. Table 4 shows the experimental results using the obtained lithium nickel manganese oxide.

Figure 2007257890
Figure 2007257890

(注)実施例12のLiNi0.4Co0.3Mn0.2Mg0.1よりもM=Mgの含有量bを高めたものの合成は不可能であり、不純物としてMgO相を確認した。 (Note) Although the content b of M = Mg is higher than that of LiNi 0.4 Co 0.3 Mn 0.2 Mg 0.1 O 2 in Example 12, synthesis is impossible, and MgO phase is used as an impurity. confirmed.

<考察>
さらに典型金属元素で価数の少ないものを導入することでMnの価数が増え、耐久性が増加することがわかる。
<Discussion>
Furthermore, it can be seen that introduction of a typical metal element having a low valence increases the valence of Mn and increases the durability.

以下の比較例5及び実施例13〜14は、LiNi0.4Co0.3Mn(1次粒子表面から結晶(R3−m結晶構造)のc軸長について14.3Åまでの組成;1次粒子表面から結晶のc軸長の5倍の深さの領域を含めた表面近傍の組成)のM(=Zn)の含有量bの値を代えて実験を行った。詳しくは、表面近傍領域のMnを+2価イオンのZnに一部置換して実験を行った。 Comparative Example 5 and Examples 13 to 14 below are LiNi 0.4 Co 0.3 Mn a M b O 2 (from the primary particle surface to the crystal (R3-m crystal structure) c-axis length up to 14.3 mm. The composition b in the vicinity of the surface including the region 5 times deeper than the c-axis length of the crystal from the surface of the primary particles) was changed for the value of M (= Zn) content b. Specifically, the experiment was performed by substituting Mn in the region near the surface with Zn of +2 valent ions.

比較例5
水酸化リチウム水和物と、Co30%、Mn28%及びZn2%を含んだ水酸化ニッケルとを、純水に溶解させた。撹拌しながら室温から300℃まで加熱し、空気中で24時間、脱水した。その後、300℃〜500℃の間で熱分解を8時間、空気中で行い、500〜850℃、酸素雰囲気中、24時間、焼成した。その後、500℃にて、酸素1気圧の雰囲気で12時間アニールした。得られたリチウムニッケルマンガン酸化物を用いた実験結果を表5に示す。
Comparative Example 5
Lithium hydroxide hydrate and nickel hydroxide containing Co 30%, Mn 28% and Zn 2% were dissolved in pure water. The mixture was heated from room temperature to 300 ° C. with stirring, and dehydrated in air for 24 hours. Then, thermal decomposition was performed between 300 ° C. and 500 ° C. in the air for 8 hours, and calcination was performed at 500 to 850 ° C. in an oxygen atmosphere for 24 hours. Thereafter, annealing was performed at 500 ° C. in an atmosphere of 1 atmosphere of oxygen for 12 hours. Table 5 shows the experimental results using the obtained lithium nickel manganese oxide.

実施例13
水酸化リチウム水和物と、Co30%、Mn24%及びZn6%を含んだ水酸化ニッケルとを、純水に溶解させた。撹拌しながら室温から300℃まで加熱し、空気中で24時間、脱水した。その後、300℃〜500℃の間で熱分解を8時間、空気中で行い、500〜850℃、酸素雰囲気中、24時間、焼成した。その後、500℃にて、酸素1気圧の雰囲気で12時間アニールした。得られたリチウムニッケルマンガン酸化物を用いた実験結果を表5に示す。
Example 13
Lithium hydroxide hydrate and nickel hydroxide containing Co 30%, Mn 24% and Zn 6% were dissolved in pure water. The mixture was heated from room temperature to 300 ° C. with stirring, and dehydrated in air for 24 hours. Then, thermal decomposition was performed between 300 ° C. and 500 ° C. in the air for 8 hours, and calcination was performed at 500 to 850 ° C. in an oxygen atmosphere for 24 hours. Thereafter, annealing was performed at 500 ° C. in an atmosphere of 1 atmosphere of oxygen for 12 hours. Table 5 shows the experimental results using the obtained lithium nickel manganese oxide.

実施例14
水酸化リチウム水和物と、Co30%、Mn20%及びZn10%を含んだ水酸化ニッケルとを、純水に溶解させた。撹拌しながら室温から300℃まで加熱し、空気中で24時間、脱水した。その後、300℃〜500℃の間で熱分解を8時間、空気中で行い、500〜850℃、酸素雰囲気中、24時間、焼成した。その後、500℃にて、酸素1気圧の雰囲気で12時間アニールした。得られたリチウムニッケルマンガン酸化物を用いた実験結果を表5に示す。
Example 14
Lithium hydroxide hydrate and nickel hydroxide containing Co 30%, Mn 20% and Zn 10% were dissolved in pure water. The mixture was heated from room temperature to 300 ° C. with stirring, and dehydrated in air for 24 hours. Then, thermal decomposition was performed between 300 ° C. and 500 ° C. in the air for 8 hours, and calcination was performed at 500 to 850 ° C. in an oxygen atmosphere for 24 hours. Thereafter, annealing was performed at 500 ° C. in an atmosphere of 1 atmosphere of oxygen for 12 hours. Table 5 shows the experimental results using the obtained lithium nickel manganese oxide.

Figure 2007257890
Figure 2007257890

(注)実施例14のLiNi0.4Co0.3Mn0.2Zn0.1よりもM=Znの含有量bを高めたものの合成は不可能であり、不純物としてZnO相を確認した。 (Note) Although the M = Zn content b is higher than that of LiNi 0.4 Co 0.3 Mn 0.2 Zn 0.1 O 2 in Example 14, synthesis is impossible, and ZnO phase is used as an impurity. confirmed.

<考察>
また、遷移金属であっても酸化数が少ないものであれば、Mnの価数の増加につながり耐久性が向上する。
<Discussion>
Moreover, even if it is a transition metal, if there are few oxidation numbers, it will lead to the increase in the valence of Mn and durability will improve.

以下の比較例6及び実施例15〜17は、LiNi0.4Co0.3Mn0.32−d(1次粒子表面から結晶(R3−m結晶構造)のc軸長について14.3Åまでの組成;1次粒子表面から結晶のc軸長の5倍の深さの領域を含めた表面近傍の組成)のN含有量dの値を代えて実験を行った。詳しくは、表面近傍領域の酸素を−3価イオンのNに一部置換して実験を行った。 Comparative Example 6 and Examples 15 to 17 below are for LiNi 0.4 Co 0.3 Mn 0.3 O 2-d N d (c-axis length of crystals (R3-m crystal structure) from the primary particle surface). Experiments were conducted by changing the value of the N content d of the composition up to 14.3%; the composition in the vicinity of the surface including the region having a depth of 5 times the c-axis length of the crystal from the primary particle surface. Specifically, the experiment was performed by partially replacing oxygen in the vicinity of the surface with N of -3valent ions.

比較例6
水酸化リチウム水和物と、Co30%及びMn25%を含んだ水酸化ニッケルと、硝酸マンガン5%とを、純水に溶解させた。撹拌しながら室温から300℃まで加熱し、空気中で24時間、脱水した。その後、300℃〜500℃の間で熱分解を8時間、空気中で行い、500〜850℃、酸素雰囲気中、24時間、焼成した。その後、500℃にて、酸素1気圧の雰囲気で12時間アニールした。得られたリチウムニッケルマンガン酸化物を用いた実験結果を表6に示す。
Comparative Example 6
Lithium hydroxide hydrate, nickel hydroxide containing Co 30% and Mn 25%, and manganese nitrate 5% were dissolved in pure water. The mixture was heated from room temperature to 300 ° C. with stirring, and dehydrated in air for 24 hours. Then, thermal decomposition was performed between 300 ° C. and 500 ° C. in the air for 8 hours, and calcination was performed at 500 to 850 ° C. in an oxygen atmosphere for 24 hours. Thereafter, annealing was performed at 500 ° C. in an atmosphere of 1 atmosphere of oxygen for 12 hours. Table 6 shows the experimental results using the obtained lithium nickel manganese oxide.

実施例15
水酸化リチウム水和物と、Co30%及びMn22%を含んだ水酸化ニッケルと、硝酸マンガン8%とを、純水に溶解させた。撹拌しながら室温から300℃まで加熱し、空気中で24時間、脱水した。その後、300℃〜500℃の間で熱分解を8時間、空気中で行い、500〜850℃、酸素雰囲気中、24時間、焼成した。その後、500℃にて、酸素1気圧の雰囲気で12時間アニールした。得られたリチウムニッケルマンガン酸化物を用いた実験結果を表6に示す。
Example 15
Lithium hydroxide hydrate, nickel hydroxide containing Co 30% and Mn 22%, and manganese nitrate 8% were dissolved in pure water. The mixture was heated from room temperature to 300 ° C. with stirring, and dehydrated in air for 24 hours. Then, thermal decomposition was performed between 300 ° C. and 500 ° C. in the air for 8 hours, and calcination was performed at 500 to 850 ° C. in an oxygen atmosphere for 24 hours. Thereafter, annealing was performed at 500 ° C. in an atmosphere of 1 atmosphere of oxygen for 12 hours. Table 6 shows the experimental results using the obtained lithium nickel manganese oxide.

実施例16
水酸化リチウム水和物と、Co30%及びMn5%を含んだ水酸化ニッケルと、硝酸マンガン15%とを、純水に溶解させた。撹拌しながら室温から300℃まで加熱し、空気中で24時間、脱水した。その後、300℃〜500℃の間で熱分解を8時間、空気中で行い、500〜850℃、酸素雰囲気中、24時間、焼成した。その後、500℃にて、酸素1気圧の雰囲気で12時間アニールした。得られたリチウムニッケルマンガン酸化物を用いた実験結果を表6に示す。
Example 16
Lithium hydroxide hydrate, nickel hydroxide containing Co 30% and Mn 5%, and manganese nitrate 15% were dissolved in pure water. The mixture was heated from room temperature to 300 ° C. with stirring, and dehydrated in air for 24 hours. Then, thermal decomposition was performed between 300 ° C. and 500 ° C. in the air for 8 hours, and calcination was performed at 500 to 850 ° C. in an oxygen atmosphere for 24 hours. Thereafter, annealing was performed at 500 ° C. in an atmosphere of 1 atmosphere of oxygen for 12 hours. Table 6 shows the experimental results using the obtained lithium nickel manganese oxide.

実施例17
水酸化リチウム水和物と、Co30%を含んだ水酸化ニッケルと、硝酸マンガン20%とを、純水に溶解させた。撹拌しながら室温から300℃まで加熱し、空気中で24時間、脱水した。その後、300℃〜500℃の間で熱分解を8時間、空気中で行い、500〜850℃、酸素雰囲気中、24時間、焼成した。その後、500℃にて、酸素1気圧の雰囲気で12時間アニールした。得られたリチウムニッケルマンガン酸化物を用いた実験結果を表6に示す。
Example 17
Lithium hydroxide hydrate, nickel hydroxide containing Co 30%, and manganese nitrate 20% were dissolved in pure water. The mixture was heated from room temperature to 300 ° C. with stirring, and dehydrated in air for 24 hours. Then, thermal decomposition was performed between 300 ° C. and 500 ° C. in the air for 8 hours, and calcination was performed at 500 to 850 ° C. in an oxygen atmosphere for 24 hours. Thereafter, annealing was performed at 500 ° C. in an atmosphere of 1 atmosphere of oxygen for 12 hours. Table 6 shows the experimental results using the obtained lithium nickel manganese oxide.

Figure 2007257890
Figure 2007257890

(注)実施例17のLiNi0.4Co0.3Mn0.31.80.2よりもNの含有量dを高めたものの合成は不可能であった。 (Note) Although the N content d was higher than that of LiNi 0.4 Co 0.3 Mn 0.3 O 1.8 N 0.2 in Example 17, synthesis was impossible.

<考察>
また、酸素原子の代わりに負の価数が大きい元素を導入することでもMnの価数を増加させる効果が得られ、耐久性の向上を見込むことができる。
<Discussion>
Further, by introducing an element having a large negative valence instead of an oxygen atom, an effect of increasing the valence of Mn can be obtained, and an improvement in durability can be expected.

以下の比較例7及び実施例18〜20は、LiNi0.4Co0.3Mn0.32−d(1次粒子表面から結晶(R3−m結晶構造)のc軸長について14.3Åまでの組成;1次粒子表面から結晶のc軸長の5倍の深さの領域を含めた表面近傍の組成)のP含有量dの値を代えて実験を行った。詳しくは、表面近傍領域の酸素を−3価イオンのPに一部置換して実験を行った。 Comparative Example 7 and Examples 18 to 20 below are for LiNi 0.4 Co 0.3 Mn 0.3 O 2-d P d (c-axis length of crystal (R3-m crystal structure) from the primary particle surface). Experiments were conducted by changing the value of the P content d of the composition up to 14.3%; the composition in the vicinity of the surface including the region having a depth of 5 times the c-axis length of the crystal from the primary particle surface. Specifically, the experiment was performed by partially replacing oxygen in the vicinity of the surface with P of -3valent ions.

比較例7
水酸化リチウム水和物と、Co30%及びMn25%を含んだ水酸化ニッケルと、燐酸マンガン5%とを、純水に溶解させた。撹拌しながら室温から300℃まで加熱し、空気中で24時間、脱水した。その後、300℃〜500℃の間で熱分解を8時間、空気中で行い、500〜850℃、酸素雰囲気中、24時間、焼成した。その後、500℃にて、酸素1気圧の雰囲気で12時間アニールした。得られたリチウムニッケルマンガン酸化物を用いた実験結果を表7に示す。
Comparative Example 7
Lithium hydroxide hydrate, nickel hydroxide containing Co 30% and Mn 25%, and manganese phosphate 5% were dissolved in pure water. The mixture was heated from room temperature to 300 ° C. with stirring, and dehydrated in air for 24 hours. Then, thermal decomposition was performed between 300 ° C. and 500 ° C. in the air for 8 hours, and calcination was performed at 500 to 850 ° C. in an oxygen atmosphere for 24 hours. Thereafter, annealing was performed at 500 ° C. in an atmosphere of 1 atmosphere of oxygen for 12 hours. Table 7 shows the experimental results using the obtained lithium nickel manganese oxide.

実施例18
水酸化リチウム水和物と、Co30%及びMn22%を含んだ水酸化ニッケルと、燐酸マンガン8%とを、純水に溶解させた。撹拌しながら室温から300℃まで加熱し、空気中で24時間、脱水した。その後、300℃〜500℃の間で熱分解を8時間、空気中で行い、500〜850℃、酸素雰囲気中、24時間、焼成した。その後、500℃にて、酸素1気圧の雰囲気で12時間アニールした。得られたリチウムニッケルマンガン酸化物を用いた実験結果を表7に示す。
Example 18
Lithium hydroxide hydrate, nickel hydroxide containing Co 30% and Mn 22%, and manganese phosphate 8% were dissolved in pure water. The mixture was heated from room temperature to 300 ° C. with stirring, and dehydrated in air for 24 hours. Then, thermal decomposition was performed between 300 ° C. and 500 ° C. in the air for 8 hours, and calcination was performed at 500 to 850 ° C. in an oxygen atmosphere for 24 hours. Thereafter, annealing was performed at 500 ° C. in an atmosphere of 1 atmosphere of oxygen for 12 hours. Table 7 shows the experimental results using the obtained lithium nickel manganese oxide.

実施例19
水酸化リチウム水和物と、Co30%及びMn5%を含んだ水酸化ニッケルと、燐酸マンガン15%とを、純水に溶解させた。撹拌しながら室温から300℃まで加熱し、空気中で24時間、脱水した。その後、300℃〜500℃の間で熱分解を8時間、空気中で行い、500〜850℃、酸素雰囲気中、24時間、焼成した。その後、500℃にて、酸素1気圧の雰囲気で12時間アニールした。得られたリチウムニッケルマンガン酸化物を用いた実験結果を表7に示す。
Example 19
Lithium hydroxide hydrate, nickel hydroxide containing Co 30% and Mn 5%, and manganese phosphate 15% were dissolved in pure water. The mixture was heated from room temperature to 300 ° C. with stirring, and dehydrated in air for 24 hours. Then, thermal decomposition was performed between 300 ° C. and 500 ° C. in the air for 8 hours, and calcination was performed at 500 to 850 ° C. in an oxygen atmosphere for 24 hours. Thereafter, annealing was performed at 500 ° C. in an atmosphere of 1 atmosphere of oxygen for 12 hours. Table 7 shows the experimental results using the obtained lithium nickel manganese oxide.

実施例20
水酸化リチウム水和物と、Co30%を含んだ水酸化ニッケルと、燐酸マンガン20%とを、純水に溶解させた。撹拌しながら室温から300℃まで加熱し、空気中で24時間、脱水した。その後、300℃〜500℃の間で熱分解を8時間、空気中で行い、500〜850℃、酸素雰囲気中、24時間、焼成した。その後、500℃にて、酸素1気圧の雰囲気で12時間アニールした。得られたリチウムニッケルマンガン酸化物を用いた実験結果を表7に示す。
Example 20
Lithium hydroxide hydrate, nickel hydroxide containing Co 30%, and manganese phosphate 20% were dissolved in pure water. The mixture was heated from room temperature to 300 ° C. with stirring, and dehydrated in air for 24 hours. Then, thermal decomposition was performed between 300 ° C. and 500 ° C. in the air for 8 hours, and calcination was performed at 500 to 850 ° C. in an oxygen atmosphere for 24 hours. Thereafter, annealing was performed at 500 ° C. in an atmosphere of 1 atmosphere of oxygen for 12 hours. Table 7 shows the experimental results using the obtained lithium nickel manganese oxide.

Figure 2007257890
Figure 2007257890

(注)実施例20のLiNi0.4Co0.3Mn0.31.80.2よりもPの含有量dを高めたものの合成は不可能であった。詳しくは、表面近傍領域のMnを欠損させることによってMnの価数を+4価に上昇させて実験を行った。 (Note) Although the content d of P was higher than that of LiNi 0.4 Co 0.3 Mn 0.3 O 1.8 P 0.2 of Example 20, synthesis was impossible. Specifically, the experiment was conducted by increasing the valence of Mn to +4 by deleting Mn in the region near the surface.

<考察>
窒素原子に限らずリン原子でもMnの価数を増加させる効果が得られ、耐久性の向上を見込むことができる。
<Discussion>
The effect of increasing the valence of Mn can be obtained not only with nitrogen atoms but also with phosphorus atoms, and improvement in durability can be expected.

以下の比較例8及び実施例21〜22は、LiNi0.4Co0.3Mn0.3−e(1次粒子表面から結晶(R3−m結晶構造)のc軸長について14.3Åまでの組成;1次粒子表面から結晶のc軸長の5倍の深さの領域を含めた表面近傍の組成)のMn含有量eの値を代えて実験を行った。 Comparative Example 8 and Examples 21 to 22 below are related to LiNi 0.4 Co 0.3 Mn 0.3-e O 2 (about the c-axis length of the crystal (R3-m crystal structure) from the primary particle surface). Experiments were conducted by changing the value of the Mn content e of the composition up to 3%; the composition in the vicinity of the surface including the region having a depth of 5 times the c-axis length of the crystal from the primary particle surface.

比較例8
水酸化リチウム水和物と、Co30%及びMn29%を含んだ水酸化ニッケルとを、純水に溶解させた。撹拌しながら室温から300℃まで加熱し、空気中で24時間、脱水した。その後、300℃〜500℃の間で熱分解を8時間、空気中で行い、500〜850℃、酸素雰囲気中、24時間、焼成した。その後、500℃にて、酸素2気圧の雰囲気で12時間アニールした。得られたリチウムニッケルマンガン酸化物を用いた実験結果を表8に示す。
Comparative Example 8
Lithium hydroxide hydrate and nickel hydroxide containing Co 30% and Mn 29% were dissolved in pure water. The mixture was heated from room temperature to 300 ° C. with stirring, and dehydrated in air for 24 hours. Then, thermal decomposition was performed between 300 ° C. and 500 ° C. in the air for 8 hours, and calcination was performed at 500 to 850 ° C. in an oxygen atmosphere for 24 hours. Thereafter, annealing was performed at 500 ° C. in an atmosphere of 2 atmospheres of oxygen for 12 hours. Table 8 shows the experimental results using the obtained lithium nickel manganese oxide.

実施例21
水酸化リチウム水和物と、Co30%及びMn28%を含んだ水酸化ニッケルとを、純水に溶解させた。撹拌しながら室温から300℃まで加熱し、空気中で24時間、脱水した。その後、300℃〜500℃の間で熱分解を8時間、空気中で行い、500〜850℃、酸素雰囲気中、24時間、焼成した。その後、500℃にて、酸素2気圧の雰囲気で12時間アニールした。得られたリチウムニッケルマンガン酸化物を用いた実験結果を表8に示す。
Example 21
Lithium hydroxide hydrate and nickel hydroxide containing 30% Co and 28% Mn were dissolved in pure water. The mixture was heated from room temperature to 300 ° C. with stirring, and dehydrated in air for 24 hours. Then, thermal decomposition was performed between 300 ° C. and 500 ° C. in the air for 8 hours, and calcination was performed at 500 to 850 ° C. in an oxygen atmosphere for 24 hours. Thereafter, annealing was performed at 500 ° C. in an atmosphere of 2 atmospheres of oxygen for 12 hours. Table 8 shows the experimental results using the obtained lithium nickel manganese oxide.

実施例22
水酸化リチウム水和物と、Co30%及びMn27%を含んだ水酸化ニッケルとを、純水に溶解させた。撹拌しながら室温から300℃まで加熱し、空気中で24時間、脱水した。その後、300℃〜500℃の間で熱分解を8時間、空気中で行い、500〜850℃、酸素雰囲気中、24時間、焼成した。その後、500℃にて、酸素2気圧の雰囲気で12時間アニールした。得られたリチウムニッケルマンガン酸化物を用いた実験結果を表8に示す。
Example 22
Lithium hydroxide hydrate and nickel hydroxide containing 30% Co and 27% Mn were dissolved in pure water. The mixture was heated from room temperature to 300 ° C. with stirring, and dehydrated in air for 24 hours. Then, thermal decomposition was performed between 300 ° C. and 500 ° C. in the air for 8 hours, and calcination was performed at 500 to 850 ° C. in an oxygen atmosphere for 24 hours. Thereafter, annealing was performed at 500 ° C. in an atmosphere of 2 atmospheres of oxygen for 12 hours. Table 8 shows the experimental results using the obtained lithium nickel manganese oxide.

Figure 2007257890
Figure 2007257890

(注)実施例22のLiNi0.4Co0.3Mn0.27よりもMnの含有量eを小さくしたもの(Mnを欠損させたもの)の合成は不可能であった。 (Note) It was impossible to synthesize a material having a Mn content e smaller than that of LiNi 0.4 Co 0.3 Mn 0.27 O 2 in Example 22 (a material in which Mn was lost).

<考察>
Mnの価数を増やす別の方法としては、Mn自身の量を減らし、欠陥サイトすなわち0価のサイトを造ることで、Mn全体の価数を上昇させることができることもわかる。結果として耐久性が向上する。
<Discussion>
As another method of increasing the valence of Mn, it can be seen that the valence of the entire Mn can be increased by reducing the amount of Mn itself and creating defect sites, that is, zero-valent sites. As a result, durability is improved.

Claims (14)

1次粒子表面から結晶のc軸長の5倍の深さの領域における、Mnの平均価数が3.2以上であるリチウムニッケルマンガン酸化物を正極活物質に用いてなることを特徴とする正極材料。   A lithium nickel manganese oxide having an average valence of Mn of 3.2 or more in a region having a depth of 5 times the c-axis length of the crystal from the primary particle surface is used as the positive electrode active material. Positive electrode material. 下記一般式(I)で表されるリチウムニッケルマンガン酸化物を正極活物質に用いてなる正極材料であって、
1次粒子表面から結晶のc軸長の5倍の深さの領域における、Mnの平均価数が3.2以上であることを特徴とする正極材料で
Figure 2007257890
式中、Mはアルカリ金属(但し、リチウムは除く)、アルカリ土類金属(ベリリウム、マグネシウムを含む)、遷移金属(但し、ニッケル、マンガン、コバルトを除く)、アルミニウムから選ばれる少なくとも1種の元素を示す。
Aはカルコゲン元素(但し、酸素は除く)、窒素、リン、およびハロゲン元素から選ばれる少なくとも1種の元素を示す。
x、y、z、a、b、c、dについては、充放電前の初期状態において、
0.5<x≦1.1、
0.3≦y≦0.7、
0.3≦z≦0.7、
0.0≦a≦0.4、
0.0≦b≦0.2、
1.8≦c≦2.4、
0.0≦d≦0.2を示す。
A positive electrode material using a lithium nickel manganese oxide represented by the following general formula (I) as a positive electrode active material,
A positive electrode material characterized in that the average valence of Mn is 3.2 or more in a region having a depth five times the c-axis length of the crystal from the primary particle surface.
Figure 2007257890
In the formula, M is at least one element selected from alkali metals (excluding lithium), alkaline earth metals (including beryllium and magnesium), transition metals (excluding nickel, manganese and cobalt), and aluminum. Indicates.
A represents at least one element selected from chalcogen elements (excluding oxygen), nitrogen, phosphorus, and halogen elements.
For x, y, z, a, b, c, d, in the initial state before charging and discharging,
0.5 <x ≦ 1.1,
0.3 ≦ y ≦ 0.7,
0.3 ≦ z ≦ 0.7,
0.0 ≦ a ≦ 0.4,
0.0 ≦ b ≦ 0.2,
1.8 ≦ c ≦ 2.4,
0.0 <= d <= 0.2 is shown.
1次粒子表面から結晶のc軸長の5倍の深さの領域に過剰な酸素を導入してなるリチウムニッケルマンガン酸化物を正極活物質に用いてなることを特徴とする請求項1または2に記載の正極材料。   The lithium nickel manganese oxide obtained by introducing excess oxygen into a region having a depth five times the c-axis length of the crystal from the primary particle surface is used as the positive electrode active material. The positive electrode material described in 1. 前記1次粒子表面が、40%以上100%以下の割合で酸素終端されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の正極材料。   4. The positive electrode material according to claim 1, wherein the primary particle surface is oxygen-terminated at a ratio of 40% to 100%. 前記1次粒子表面から結晶のc軸長の5倍の深さの領域で1.8≦(c−d)/(y+z+a+b)≦2.4となることを特徴とする請求項2〜4のいずれか1項に記載の正極材料。   The range of 1.8 ≦ (cd) / (y + z + a + b) ≦ 2.4 in a region having a depth five times the c-axis length of the crystal from the primary particle surface The positive electrode material according to any one of the above. 前記1次粒子表面から結晶のc軸長の5倍の深さの領域で遷移金属サイトを+2価の金属イオンで置換してなることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の正極材料。   The transition metal site is substituted with a +2 valent metal ion in a region having a depth of 5 times the c-axis length of the crystal from the primary particle surface. The positive electrode material described. 前記+2価の金属イオンが、Mgおよび/またはZnであることを特徴とする請求項6に記載の正極材料。   The positive electrode material according to claim 6, wherein the +2 valent metal ion is Mg and / or Zn. 前記1次粒子表面から結晶のc軸長の5倍の深さの領域の酸素サイトを−3価の非金属イオンで置換してなることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の正極材料。   8. The oxygen site in a region having a depth five times the c-axis length of the crystal from the primary particle surface is substituted with a trivalent nonmetallic ion. The positive electrode material described in 1. 前記−3価の非金属イオンが、Nおよび/またはPであることを特徴とする請求項8に記載の正極材料。   The positive electrode material according to claim 8, wherein the nonvalent metal ion of −3 is N and / or P. 前記1次粒子表面から結晶のc軸長の5倍の深さの領域で遷移金属サイトの遷移金属のサイト占有率が、90%以上98%以下であることを特徴とする請求項1〜9のいずれか1項に記載の正極材料。   The site occupancy of the transition metal at the transition metal site is 90% or more and 98% or less in a region having a depth five times the c-axis length of the crystal from the primary particle surface. The positive electrode material according to any one of the above. 前記リチウムニッケルマンガン酸化物であって、酸素1気圧以上の雰囲気でアニール処理を行ったものであることを特徴とする請求項1〜10のいずれか1項に記載の正極材料。   11. The positive electrode material according to claim 1, wherein the positive electrode material is the lithium nickel manganese oxide that is annealed in an atmosphere of oxygen at 1 atmosphere or more. 前記リチウムニッケルマンガン酸化物であって、酸素分圧0.1気圧以上の雰囲気でアニール処理を行ったものであることを特徴とする請求項1〜10のいずれか1項に記載の正極材料。   11. The positive electrode material according to claim 1, wherein the positive electrode material is the lithium nickel manganese oxide that is annealed in an atmosphere having an oxygen partial pressure of 0.1 atm or more. 前記リチウムニッケルマンガン酸化物において、原料としてニッケル、マンガンを1次粒子内に含んだ水酸化物を用いることを特徴とする請求項1〜12のいずれか1項に記載の正極材料。   13. The positive electrode material according to claim 1, wherein in the lithium nickel manganese oxide, a hydroxide containing nickel and manganese in primary particles is used as a raw material. 請求項1〜13のいずれか1項に記載の正極材料を用いてなることを特徴とする非水電解質リチウムイオン電池。   A non-aqueous electrolyte lithium ion battery comprising the positive electrode material according to claim 1.
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