JP2011028999A - Cathode material for lithium ion battery and lithium ion battery using the same - Google Patents

Cathode material for lithium ion battery and lithium ion battery using the same Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a cathode material having stable battery characteristics (especially, high capacity and cycle characteristics) irrespective of a composition method and composition conditions. <P>SOLUTION: The cathode material for a lithium ion battery is expressed in general formula (1) (in the formula, 0<x<1, M<SP>1</SP>is one or more kinds of transition metal wherein an average oxidation state is 4+, and M<SP>2</SP>is one or more kinds of transition metal wherein an average oxidation state is 3+) with a ratio (c/a) of a c-axis length to an a-axis length of the lattice constant in case of defining a crystal structure as a rock salt type hexagonal crystal satisfying 4.983≤c/a≤4.995. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、リチウムイオン電池用正極材料およびこれを用いたリチウムイオン電池に関する。より詳細には、電池の高容量化およびサイクル耐久性の向上のための改良に関する。   The present invention relates to a positive electrode material for a lithium ion battery and a lithium ion battery using the same. More specifically, the present invention relates to an improvement for increasing the battery capacity and improving the cycle durability.

近年、地球温暖化に対処するため、二酸化炭素量の低減が切に望まれている。自動車業界では、電気自動車やハイブリッド電気自動車の導入による二酸化炭素排出量の低減に期待が集まっており、これらの実用化の鍵を握るモータ駆動用電池の開発が盛んに行われている。   In recent years, in order to cope with global warming, reduction of the amount of carbon dioxide is eagerly desired. In the automobile industry, there is a great expectation for the reduction of carbon dioxide emissions by the introduction of electric vehicles and hybrid electric vehicles, and motor drive batteries that hold the key to commercialization of these are actively being developed.

モータ駆動用電池としては、比較的高い理論エネルギーを有するリチウムイオン電池が注目を集めており、現在急速に開発が進められている。リチウムイオン電池は、一般に、バインダーを用いて正極活物質等を正極集電体の両面に塗布した正極と、バインダーを用いて負極活物質等を負極集電体の両面に塗布した負極とが、電解質層を介して接続され、電池ケースに収納される構成を有している。   As a battery for driving a motor, a lithium ion battery having a relatively high theoretical energy is attracting attention, and is currently being developed rapidly. In general, a lithium ion battery includes a positive electrode in which a positive electrode active material or the like is applied to both surfaces of a positive electrode current collector using a binder, and a negative electrode in which a negative electrode active material or the like is applied to both surfaces of the negative electrode current collector using a binder. It is connected via an electrolyte layer and is configured to be stored in a battery case.

こうしたリチウムイオン電池を搭載した電気自動車が広く普及するためには、リチウムイオン電池を高性能にして、より安くする必要がある。特に、電気自動車については、一充電あたりの走行距離をガソリンエンジン車の一給油あたりの走行距離に近づける必要があり、より高エネルギー密度の電池が望まれている。電池を高エネルギー密度にするためには、正極と負極の単位質量当たりの電気容量を大きくする必要がある。   In order for electric vehicles equipped with such a lithium ion battery to be widely spread, it is necessary to make the lithium ion battery high performance and cheaper. Particularly for electric vehicles, the travel distance per charge needs to be close to the travel distance per refueling of a gasoline engine vehicle, and a battery with higher energy density is desired. In order to make the battery have a high energy density, it is necessary to increase the electric capacity per unit mass of the positive electrode and the negative electrode.

この要請に応えられる可能性のある正極材料として、層状構造を有するリチウムマンガン系複合酸化物が提案されている。中でも、電気化学的に不活性の層状のLiMnOと、電気化学的に活性な層状のLiMO(ここでMは、Co、Niなどの遷移金属)との固溶体は200mAh/gを超える大きな電気容量を示しうる高容量正極材料の候補として期待されている(例えば、特許文献1参照)。 A lithium manganese composite oxide having a layered structure has been proposed as a positive electrode material that can meet this demand. Among them, the solid solution of the electrochemically inactive layered Li 2 MnO 3 and the electrochemically active layered LiMO 2 (where M is a transition metal such as Co or Ni) exceeds 200 mAh / g. It is expected as a candidate for a high-capacity positive electrode material that can exhibit a large electric capacity (for example, see Patent Document 1).

特表2004−528691号公報Special table 2004-528691 gazette

しかし、このような固溶体正極材料は合成方法や仕込みリチウム量などの合成条件によって電池特性が大きく異なり、安定した電池特性を有する正極材料を得ることが困難であった。   However, such solid solution positive electrode materials have battery characteristics that vary greatly depending on the synthesis method and the synthesis conditions such as the amount of charged lithium, and it has been difficult to obtain a positive electrode material having stable battery characteristics.

そこで本発明は、合成方法や合成条件によらず安定した電池特性(特に、サイクル特性)を有する正極材料を提供することを目的とする。   Then, an object of this invention is to provide the positive electrode material which has the stable battery characteristic (especially cycling characteristics) irrespective of a synthesis method and synthesis conditions.

本発明者らは、上記の課題を解決すべく鋭意研究を行なった。その結果、正極固溶体材料において、正極固溶体材料の組成と格子定数のc軸長とa軸長との比(c/a)とを制御することにより、上記課題が解決されうることを見出し、本発明を完成した。   The present inventors have intensively studied to solve the above problems. As a result, in the positive electrode solid solution material, it has been found that the above problem can be solved by controlling the composition of the positive electrode solid solution material and the ratio (c / a) between the c-axis length and the a-axis length of the lattice constant. Completed the invention.

すなわち、本発明のリチウムイオン電池用正極材料は、一般式(1):   That is, the positive electrode material for a lithium ion battery of the present invention has the general formula (1):

(式中、0<x<1であり、Mは、平均酸化状態が4+である1つ以上の遷移金属であり、Mは、平均酸化状態が3+である1つ以上の遷移金属である。)
で表される。そして、結晶構造を岩塩型六方晶と定義した場合の格子定数のc軸長とa軸長との比(c/a)が、4.983≦c/a≦4.995を満たす。
(Where 0 <x <1, M 1 is one or more transition metals having an average oxidation state of 4+, and M 2 is one or more transition metals having an average oxidation state of 3+. is there.)
It is represented by The ratio (c / a) between the c-axis length and the a-axis length of the lattice constant when the crystal structure is defined as a rock salt type hexagonal crystal satisfies 4.983 ≦ c / a ≦ 4.995.

本発明のリチウムイオン電池用正極材料は合成方法や合成条件によらず、充放電のサイクル特性が大幅に向上する。   The charge / discharge cycle characteristics of the positive electrode material for lithium ion batteries of the present invention are greatly improved regardless of the synthesis method and synthesis conditions.

本発明の代表的な一実施形態である、扁平型(積層型)の非双極型リチウムイオン二次電池の基本構成を示す概略図である。1 is a schematic diagram showing a basic configuration of a flat (stacked) non-bipolar lithium ion secondary battery, which is a representative embodiment of the present invention. xLi[Li1/3 2/3]・(1−x)LiMの岩塩型六方晶の結晶構造を示す模式図である。xLi is a schematic diagram showing a [Li 1/3 M 1 2/3 O 2 ] · (1-x) LiM 2 O 2 crystal structure of the rock salt type hexagonal. 電子線回折シミュレーション結果であって、図3AはLi―LiM系固溶体のモデル構造の電子線回折シミュレーション結果を示す図面であり、図3Bは、LiMのモデル構造の電子線回折シミュレーション結果を示す図面である。FIG. 3A is a drawing showing electron diffraction simulation results, and FIG. 3A is a drawing showing electron diffraction simulation results of a model structure of a Li 2 M 1 O 3 —LiM 2 O 2 solid solution, and FIG. 3B is a model of LiM 2 O 2 . It is drawing which shows the electron diffraction simulation result of a structure. Li[Li1/3Mn2/3]−LiNi1/2Mn1/2−LiNi1/3Mn1/3Co1/3系の基本組成図である。Li is a [Li 1/3 Mn 2/3 O 2] -LiNi 1/2 Mn 1/2 O 2 -LiNi 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 basic composition diagram of O 2 system. 本発明の一実施形態である積層型電池の外観を模式的に表した斜視図である。1 is a perspective view schematically showing the appearance of a stacked battery which is an embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態に係る組電池の外観図であって、図6Aは組電池の平面図であり、図6Bは組電池の正面図であり、図6Cは組電池の側面図である。FIG. 6A is an external view of an assembled battery according to an embodiment of the present invention, FIG. 6A is a plan view of the assembled battery, FIG. 6B is a front view of the assembled battery, and FIG. 6C is a side view of the assembled battery. 本発明の一実施形態に係る組電池を搭載した車両の概念図である。It is a conceptual diagram of the vehicle carrying the assembled battery which concerns on one Embodiment of this invention. 実施例2で得られた試料の電子線回折パターンである。4 is an electron beam diffraction pattern of a sample obtained in Example 2. FIG. 実施例および比較例で得られた試料の結晶構造の格子定数比(c/a)と放電容量との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the lattice constant ratio (c / a) of the crystal structure of the sample obtained by the Example and the comparative example, and discharge capacity.

本発明の代表的な一実施形態は、一般式(1):   One exemplary embodiment of the present invention is represented by the general formula (1):

(式中、0<x<1であり、Mは、平均酸化状態が4+である1つ以上の遷移金属であり、Mは、平均酸化状態が3+である1つ以上の遷移金属である。)
で表されるリチウムイオン電池用正極材料である。そして、結晶構造を岩塩型六方晶と定義した場合の格子定数のc軸長とa軸長との比(c/a)が、4.983≦c/a≦4.995を満たす。
(Where 0 <x <1, M 1 is one or more transition metals having an average oxidation state of 4+, and M 2 is one or more transition metals having an average oxidation state of 3+. is there.)
It is the positive electrode material for lithium ion batteries represented by these. The ratio (c / a) between the c-axis length and the a-axis length of the lattice constant when the crystal structure is defined as a rock salt type hexagonal crystal satisfies 4.983 ≦ c / a ≦ 4.995.

このような一般式:xLi[Li1/3 2/3]・(1−x)LiMで表される、いわゆる固溶体系の正極材料は高容量材料として期待されている。しかし、このような固溶体系の正極材料は合成方法や仕込みリチウム量などの合成条件によって電池特性が大きく異なり、電池特性と結晶構造との関係が不明であった。また、この固溶体系の正極では、放電容量は大きいものの、充放電電位を高くして使用すると、サイクル特性が悪く充放電の繰り返しで容易に劣化してしまうという問題があった。このように、固溶体系の正極では安定した電池特性を有する正極材料を得ることが困難であった。 A so-called solid solution positive electrode material represented by the general formula: xLi [Li 1/3 M 1 2/3 O 2 ]. (1-x) LiM 2 O 2 is expected as a high-capacity material. . However, such solid solution positive electrode materials have greatly different battery characteristics depending on the synthesis method and the synthesis conditions such as the amount of charged lithium, and the relationship between the battery characteristics and the crystal structure has been unclear. In addition, although this solid solution positive electrode has a large discharge capacity, there is a problem that if the charge / discharge potential is increased, the cycle characteristics are poor and the battery is easily deteriorated by repeated charge / discharge. As described above, it is difficult to obtain a positive electrode material having stable battery characteristics with a solid solution positive electrode.

これに対して、本発明では、結晶構造の格子定数のc軸長とa軸長との比(c/a)が所定の範囲にある場合には、上記の問題点が改善され、合成方法や合成条件によらず、サイクル耐久性に優れた高容量の正極材料を提供することができる。さらに、本発明のリチウムイオン電池では、本発明のリチウムイオン電池用正極材料を正極の主要な活物質として用いることにより、高エネルギー密度で、サイクル耐久性のよい電池が得られる。   On the other hand, in the present invention, when the ratio (c / a) between the c-axis length and the a-axis length of the lattice constant of the crystal structure is within a predetermined range, the above problem is improved, and the synthesis method In addition, a high-capacity positive electrode material having excellent cycle durability can be provided regardless of the synthesis conditions. Furthermore, in the lithium ion battery of the present invention, a battery having high energy density and good cycle durability can be obtained by using the positive electrode material for lithium ion batteries of the present invention as the main active material of the positive electrode.

結晶構造の格子定数のc軸長とa軸長との比(c/a)を制御することによる高容量化およびサイクル耐久性の向上のメカニズムの詳細は不明であるが、結晶構造内の次のような変化に起因していると推定される。xLi[Li1/3 2/3]・(1−x)LiMの結晶構造が、六方晶岩塩型結晶構造を頂点共有した立方晶NaCl構造であると仮定すると、その結晶構造の格子定数比はおよそ4.9と算出される。しかし、六方晶岩塩型結晶構造では酸素と酸素との間に反発力がはたらくため、c軸方向に伸張するような歪みを生じ、実際の結晶構造のc軸長とa軸長との比(c/a)は4.9よりも大きくなる。このc軸長の変化がLiの拡散距離および結晶構造の安定性に影響を与え、その結果、サイクル耐久性に優れた高容量の正極材料が得られると考えられる。ただし、これらは単なるメカニズムの推定であり、このようなメカニズムによって容量特性およびサイクル耐久性が向上する形態に、本発明の範囲が限定されるわけではない。 The details of the mechanism for increasing the capacity and improving the cycle durability by controlling the ratio (c / a) of the c-axis length to the a-axis length of the lattice constant of the crystal structure are unknown. It is estimated that it is caused by such changes. Assuming that the crystal structure of xLi [Li 1/3 M 1 2/3 O 2 ]. (1-x) LiM 2 O 2 is a cubic NaCl structure that shares the apex of the hexagonal rock salt crystal structure, The lattice constant ratio of the crystal structure is calculated to be about 4.9. However, a repulsive force acts between oxygen and oxygen in the hexagonal rock salt type crystal structure, so that a strain that extends in the c-axis direction is generated, and the ratio between the c-axis length and the a-axis length of the actual crystal structure ( c / a) is greater than 4.9. This change in c-axis length affects the diffusion distance of Li and the stability of the crystal structure, and as a result, a high-capacity positive electrode material having excellent cycle durability is considered to be obtained. However, these are merely mechanism estimations, and the scope of the present invention is not limited to the form in which the capacity characteristics and cycle durability are improved by such mechanisms.

以下、添付した図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。ただし、本発明は以下の実施形態のみには制限されない。図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited only to the following embodiments. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. The dimensional ratios in the drawings are exaggerated for convenience of explanation, and may differ from actual ratios.

まず、本実施形態の正極材料が適用され得るリチウム電池の基本的な構成を、図面を用いて説明する。   First, a basic configuration of a lithium battery to which the positive electrode material of the present embodiment can be applied will be described with reference to the drawings.

[電池の全体構造]
本発明において、リチウムイオン電池は、本実施形態のリチウムイオン電池用正極材料を用いてなるものであればよく、他の構成要件に関しては特に制限されない。
[Battery overall structure]
In this invention, a lithium ion battery should just be formed using the positive electrode material for lithium ion batteries of this embodiment, and it does not restrict | limit in particular regarding other structural requirements.

例えば、上記リチウムイオン電池を形態・構造で区別した場合には、積層型(扁平型)電池、巻回型(円筒型)電池など、従来公知のいずれの形態・構造にも適用し得るものである。積層型(扁平型)電池構造を採用することで簡単な熱圧着などのシール技術により長期信頼性を確保でき、コスト面や作業性の点では有利である。   For example, when the lithium ion battery is distinguished by its form / structure, it can be applied to any conventionally known form / structure, such as a stacked (flat) battery or a wound (cylindrical) battery. is there. By adopting a stacked (flat) battery structure, long-term reliability can be secured by a sealing technique such as simple thermocompression bonding, which is advantageous in terms of cost and workability.

また、リチウムイオン電池内の電気的な接続形態(電極構造)で見た場合、非双極型(内部並列接続タイプ)電池および双極型(内部直列接続タイプ)電池のいずれにも適用し得るものである。   Moreover, when viewed in terms of electrical connection form (electrode structure) in a lithium ion battery, it can be applied to both non-bipolar (internal parallel connection type) batteries and bipolar (internal series connection type) batteries. is there.

以下の説明では、代表的な実施形態として、リチウムイオン電池用正極材料を用いてなる非双極型(内部並列接続タイプ)リチウムイオン二次電池である場合を例に挙げて説明する。ただし、本発明の技術的範囲は下記の形態のみに制限されない。   In the following description, as a representative embodiment, a case of a non-bipolar (internal parallel connection type) lithium ion secondary battery using a positive electrode material for a lithium ion battery will be described as an example. However, the technical scope of the present invention is not limited to the following forms.

図1は、本発明の一実施形態である、扁平型(積層型)の非双極型リチウムイオン二次電池(以下、単に「積層型電池」ともいう)の基本構成を示す概略図である。図1に示すように、本実施形態の積層型電池10は、実際に充放電反応が進行する略矩形の発電要素21が、外装体であるラミネートシート29の内部に封止された構造を有する。ここで、発電要素21は、負極集電体11の両面に負極活物質層13が配置された負極と、電解質層17と、正極集電体12の両面に正極活物質層15が配置された正極とを積層した構成を有している。具体的には、1つの負極活物質層13とこれに隣接する正極活物質層15とが、電解質層17を介して対向するようにして、負極、電解質層および正極がこの順に積層されている。   FIG. 1 is a schematic diagram showing a basic configuration of a flat (stacked) non-bipolar lithium ion secondary battery (hereinafter also simply referred to as “stacked battery”) according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the stacked battery 10 of the present embodiment has a structure in which a substantially rectangular power generation element 21 in which a charge / discharge reaction actually proceeds is sealed inside a laminate sheet 29 that is an exterior body. . Here, in the power generation element 21, the negative electrode in which the negative electrode active material layer 13 is disposed on both surfaces of the negative electrode current collector 11, the electrolyte layer 17, and the positive electrode active material layer 15 are disposed on both surfaces of the positive electrode current collector 12. It has a configuration in which a positive electrode is laminated. Specifically, the negative electrode, the electrolyte layer, and the positive electrode are stacked in this order so that one negative electrode active material layer 13 and the positive electrode active material layer 15 adjacent thereto face each other with the electrolyte layer 17 therebetween. .

これにより、隣接する負極、電解質層および正極は、1つの単電池層19を構成する。したがって、本実施形態の積層型電池10は、単電池層19が複数積層されることで、電気的に並列接続されてなる構成を有するともいえる。なお、発電要素21の両最外層に位置する最外層負極集電体には、いずれも片面のみに負極活物質層13が配置されているが、両面に活物質層が設けられてもよい。すなわち、片面にのみ活物質層を設けた最外層専用の集電体とするのではなく、両面に活物質層がある集電体をそのまま最外層の集電体として用いてもよい。また、図1とは正極および負極の配置を逆にすることで、発電要素21の両最外層に最外層正極集電体が位置するようにし、該最外層正極集電体の片面または両面に正極活物質層が配置されているようにしてもよい。   Thereby, the adjacent negative electrode, electrolyte layer, and positive electrode constitute one unit cell layer 19. Therefore, it can be said that the stacked battery 10 of the present embodiment has a configuration in which a plurality of the single battery layers 19 are stacked and electrically connected in parallel. In addition, although the negative electrode active material layer 13 is arrange | positioned only in the single side | surface at all the outermost layer negative electrode collectors located in both outermost layers of the electric power generation element 21, an active material layer may be provided in both surfaces. That is, instead of using a current collector dedicated to the outermost layer provided with an active material layer only on one side, a current collector having an active material layer on both sides may be used as it is as an outermost current collector. Further, by reversing the arrangement of the positive electrode and the negative electrode as compared with FIG. 1, the outermost positive electrode current collector is positioned in both outermost layers of the power generation element 21, and the outermost positive electrode current collector is arranged on one or both surfaces A positive electrode active material layer may be disposed.

負極集電体11および正極集電体12は、各電極(負極および正極)と導通される負極集電板25および正極集電板27がそれぞれ取り付けられ、ラミネートシート29の端部に挟まれるようにしてラミネートシート29の外部に導出される構造を有している。負極集電板25および正極集電板27はそれぞれ、必要に応じて負極リードおよび正極リード(図示せず)を介して、各電極の負極集電体11および正極集電体12に超音波溶接や抵抗溶接等により取り付けられていてもよい。   The negative electrode current collector 11 and the positive electrode current collector 12 are attached to a negative electrode current collector plate 25 and a positive electrode current collector plate 27 that are electrically connected to the respective electrodes (negative electrode and positive electrode), and are sandwiched between end portions of the laminate sheet 29. Thus, it has a structure led out of the laminate sheet 29. The negative electrode current collector plate 25 and the positive electrode current collector plate 27 are ultrasonically welded to the negative electrode current collector 11 and the positive electrode current collector 12 of each electrode via a negative electrode lead and a positive electrode lead (not shown), respectively, as necessary. Or resistance welding or the like.

以下、本実施形態の電池を構成する部材について、詳細に説明する。   Hereinafter, members constituting the battery of this embodiment will be described in detail.

(リチウムイオン電池用正極材料)
本発明では、前記正極(正極活物質層)の主要な活物質が、一般式:xLi[Li1/3 2/3]・(1−x)LiMで表される、いわいる固溶体系の正極材料であることを特徴とする。なお、Li[Li1/3 2/3]はLiとも表記できるため、本明細書では、一般式:xLi[Li1/3 2/3]・(1−x)LiMで表される固溶体を、Li―LiM系固溶体と称することもある。
(Positive electrode material for lithium ion battery)
In the present invention, the main active material of the positive electrode (positive electrode active material layer) is represented by the general formula: xLi [Li 1/3 M 1 2/3 O 2 ] · (1-x) LiM 2 O 2. It is a so-called solid solution positive electrode material. Since Li [Li 1/3 M 1 2/3 O 2 ] can also be expressed as Li 2 M 1 O 3 , in this specification, the general formula: xLi [Li 1/3 M 1 2/3 O 2 ] · a solid solution represented by (1-x) LiM 2 O 2, also referred to as Li 2 M 1 O 3 -LiM 2 O 2 based solid solution.

図2はxLi[Li1/3 2/3]・(1−x)LiMの岩塩型六方晶の結晶構造を示す模式図である。図2に示すように、該固溶体は遷移金属(M、M)およびリチウム(Li)からなる金属層、酸素(O)からなる酸素層1、リチウム(Li)からなるリチウム層1、酸素(O)からなる酸素層2、リチウム(Li)からなるリチウム層2から構成される。ここで、岩塩型六方晶構造を有するLi―LiM系固溶体では、金属層において、リチウムがa軸方向およびb軸方向に3つおきに規則配列して二次元平面を形成している。 FIG. 2 is a schematic diagram showing the crystal structure of xLi [Li 1/3 M 1 2/3 O 2 ]. (1-x) LiM 2 O 2 rock salt type hexagonal crystal. As shown in FIG. 2, the solid solution includes a metal layer composed of transition metals (M 1 , M 2 ) and lithium (Li), an oxygen layer 1 composed of oxygen (O), a lithium layer 1 composed of lithium (Li), oxygen An oxygen layer 2 made of (O) and a lithium layer 2 made of lithium (Li). Here, in the Li 2 M 1 O 3 —LiM 2 O 2 solid solution having a rock salt type hexagonal crystal structure, lithium is regularly arranged in every three in the a-axis direction and the b-axis direction in the two-dimensional plane in the metal layer. Is forming.

この金属層中に規則配列したリチウム(Li)は、[Li1/3 2/3]のLi1/3に起因するものである。かようなリチウムの周期配列構造は、電子線回折データから確認することができる。図3AにLi―LiM系固溶体のモデル構造の電子線回折シミュレーション結果を示す。図3Aに示すように、LiとLiMとの固溶体においては、電子線回折データに金属層内のリチウムの3倍周期に伴う回折斑点が出現する。 The lithium (Li) regularly arranged in the metal layer is caused by Li 1/3 of [Li 1/3 M 1 2/3 O 2 ]. Such a periodic arrangement structure of lithium can be confirmed from electron beam diffraction data. FIG. 3A shows an electron diffraction simulation result of a model structure of a Li 2 M 1 O 3 —LiM 2 O 2 solid solution. As shown in FIG. 3A, in the solid solution of Li 2 M 1 O 3 and LiM 2 O 2, diffraction spots appear due to 3-fold cycle of the lithium in the metal layer to the electron-ray diffraction data.

一方、通常のLiM固溶体の場合には金属層にリチウムが不規則配列する。図3Bに、LiMのモデル構造の電子線回折シミュレーション結果を示す。図3Bに示すように、電子線回折データに金属層内のリチウムの3倍周期に伴う回折斑点が出現しない。 On the other hand, in the case of a normal LiM 2 O 2 solid solution, lithium is irregularly arranged in the metal layer. FIG. 3B shows an electron diffraction simulation result of the model structure of LiM 2 O 2 . As shown in FIG. 3B, diffraction spots associated with the triple period of lithium in the metal layer do not appear in the electron diffraction data.

上記一般式(1)中のxは、0<x<1を満たす数であればよい。電池特性(サイクル特性、高容量)を一層向上させる観点で、好ましくは、0.4≦x<1であり、より好ましくは0.5≦x≦0.8であり、さらに好ましくは0.6≦x≦0.75である。   X in the general formula (1) may be any number that satisfies 0 <x <1. From the viewpoint of further improving battery characteristics (cycle characteristics, high capacity), preferably 0.4 ≦ x <1, more preferably 0.5 ≦ x ≦ 0.8, and still more preferably 0.6. ≦ x ≦ 0.75.

上記一般式(1):xLi[Li1/3 2/3]・(1−x)LiMで表される固溶体のうちの電気化学的に不活性なLi[Li1/3 2/3]のMとしては、平均酸化状態が4+である1つ以上の遷移金属であればよく、特に制限されない。前記式中のMとしては、Mn、Zr、およびTiからなる群から選択される少なくとも1種類以上の遷移金属元素であればよく、好ましくはMnである。これらの遷移金属を用いることで、上記一般式(1)で表される固溶体正極材料のうちの電気化学的に不活性な層状のLiの結晶構造をとることができる。特にMがMnの場合、正極材料として都合のよい電位(3〜5V)に大きな容量を持つため、放電容量を増大させる上で有利である。また、MnにTi、Zrを適量加える形態では、Ti、ZrはMnと比較すると容量特性に劣るが、結晶構造の安定化に寄与することから、Mnの持つ高容量の一部(本発明の放電容量の増大効果を損なわない範囲)を犠牲にしても安定化が求められる用途に有効活用できる。 Electrochemically inactive Li [Li 1 in the solid solution represented by the above general formula (1): xLi [Li 1/3 M 1 2/3 O 2 ]. (1-x) LiM 2 O 2 the M 1 of / 3 M 1 2/3 O 2] , may be a one or more transition metals average oxidation state is 4+, not particularly limited. M 1 in the above formula may be at least one transition metal element selected from the group consisting of Mn, Zr, and Ti, and is preferably Mn. By using these transition metals, an electrochemically inactive layered Li 2 M 1 O 3 crystal structure of the solid solution positive electrode material represented by the general formula (1) can be taken. In particular, when M 1 is Mn, it has a large capacity at a potential (3 to 5 V) convenient for the positive electrode material, which is advantageous in increasing the discharge capacity. In addition, in the form in which Ti and Zr are added in appropriate amounts to Mn, Ti and Zr are inferior in capacity characteristics compared to Mn, but contribute to the stabilization of the crystal structure, so a part of the high capacity of Mn (in the present invention) It can be effectively used in applications where stabilization is required even at the expense of the range that does not impair the effect of increasing the discharge capacity.

上記一般式(1):xLi[Li1/3 2/3]・(1−x)LiMで表される固溶体のうちの電気化学的に活性な、LiMのMとしては、平均酸化状態が3+である1つ以上の遷移金属であればよく、特に制限されるものではない。前記式中のMとしては、Ni、Co、Cr、Al、Mn、Zr、Ti、Fe、Mg、およびZnからなる群から選択される少なくとも1種類以上の遷移金属元素であればよく、好ましくは、Mn、Ni、およびCoから選ばれてなる1種類以上の元素が望ましい。これらの遷移金属を用いる場合には、高容量でサイクル耐久性がよい正極材料を製造できる。 Electrochemically active LiM 2 O 2 in the solid solution represented by the general formula (1): xLi [Li 1/3 M 1 2/3 O 2 ] · (1-x) LiM 2 O 2 As M 2 , there is no particular limitation as long as it is one or more transition metals having an average oxidation state of 3+. M 2 in the above formula may be at least one transition metal element selected from the group consisting of Ni, Co, Cr, Al, Mn, Zr, Ti, Fe, Mg, and Zn, preferably Is preferably one or more elements selected from Mn, Ni, and Co. When these transition metals are used, a positive electrode material having a high capacity and good cycle durability can be produced.

なお、「平均酸化状態」とは、MまたはMを構成する金属の平均の酸化状態を示し、構成金属のモル量と原子価とから算出される。例えば、Mが、モル基準で50%のNi2+と50%のMn4+から構成される場合には、Mの平均酸化状態は、(0.5)・(+2)+(0.5)・(+4)=+3となる。ただし、結晶欠陥等により、MまたはMの平均酸化状態が、それぞれ4+または3+から微量にずれる場合があるが、このような正極材料の固溶体であっても本発明の範囲に含まれる。 The “average oxidation state” indicates the average oxidation state of the metal constituting M 1 or M 2 and is calculated from the molar amount and valence of the constituent metal. For example, when M 2 is composed of 50% Ni 2+ and 50% Mn 4+ on a molar basis, the average oxidation state of M 2 is (0.5) · (+2) + (0.5 ) · (+4) = + 3 However, the average oxidation state of M 1 or M 2 may deviate slightly from 4+ or 3+ due to crystal defects or the like, respectively, but such a solid solution of the positive electrode material is also included in the scope of the present invention.

好ましい実施形態において、リチウムイオン電池用正極材料は、一般式(2):   In a preferred embodiment, the positive electrode material for a lithium ion battery has the general formula (2):

で表される。すなわち、上記一般式(1):xLi[Li1/3 2/3]・(1−x)LiMにおいて、M1がMnであり、LiMが、LiNi1/2Mn1/2およびLiNi1/3Mn1/3Co1/3から構成されている。かような正極材料では、サイクル特性および容量特性がより一層向上する。図4にLi[Li1/3Mn2/3]−LiNi1/2Mn1/2−LiNi1/3Mn1/3Co1/3系の基本組成図を示す。本実施形態の正極材料は、図4の網掛け部分に属する組成を有することが好ましい。 It is represented by That is, in the general formula (1): xLi [Li 1/3 M 1 2/3 O 2 ] · (1-x) LiM 2 O 2 , M 1 is Mn, and LiM 2 O 2 is LiNi 1. / 2 Mn 1/2 O 2 and LiNi 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2 . In such a positive electrode material, cycle characteristics and capacity characteristics are further improved. FIG. 4 shows a basic composition diagram of the Li [Li 1/3 Mn 2/3 O 2 ] —LiNi 1/2 Mn 1/2 O 2 —LiNi 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2 system. The positive electrode material of the present embodiment preferably has a composition belonging to the shaded portion in FIG.

すなわち、上記一般式(2)中のxが、0.4≦x<1を満たす数であることが好ましい。ただし、電池特性(サイクル特性、高容量)を一層向上させ、かつ、高価なNi、Coなどの遷移金属の含有量を低減する観点で、好ましくは0.5≦x≦0.8であり、より好ましくは0.6≦x≦0.75である。   That is, it is preferable that x in the general formula (2) is a number satisfying 0.4 ≦ x <1. However, from the viewpoint of further improving battery characteristics (cycle characteristics, high capacity) and reducing the content of expensive transition metals such as Ni and Co, preferably 0.5 ≦ x ≦ 0.8, More preferably, 0.6 ≦ x ≦ 0.75.

上記一般式(2)中のyは、0≦y≦1を満たす数であればよい。ただし、電池特性(サイクル特性、高容量)を一層向上させ、かつ、高価なコバルトの含有量を低減する観点で、好ましくは、0.25≦y≦1.0であり、より好ましくは0.5≦y<1.0である。   Y in the general formula (2) may be any number satisfying 0 ≦ y ≦ 1. However, from the viewpoint of further improving the battery characteristics (cycle characteristics, high capacity) and reducing the content of expensive cobalt, preferably 0.25 ≦ y ≦ 1.0, more preferably 0.8. 5 ≦ y <1.0.

本発明の正極材料は、結晶構造を岩塩型六方晶と定義した場合の格子定数のc軸長とa軸長との比(c/a)が、4.983≦c/a≦4.995を満たす。かような場合には、サイクル特性および容量特性が向上した正極材料が得られる。サイクル特性のより一層の向上のために、好ましくは、4.983≦c/a≦4.987であり、さらに好ましくは、4.984≦c/a≦4.986である。   In the positive electrode material of the present invention, the ratio (c / a) between the c-axis length and the a-axis length of the lattice constant when the crystal structure is defined as a rock salt type hexagonal crystal is 4.983 ≦ c / a ≦ 4.995. Meet. In such a case, a positive electrode material with improved cycle characteristics and capacity characteristics can be obtained. In order to further improve the cycle characteristics, 4.983 ≦ c / a ≦ 4.987 is preferable, and 4.984 ≦ c / a ≦ 4.986 is more preferable.

次に、上記一般式(1):xLi[Li1/3 2/3]・(1−x)LiMで表される固溶体(正極材料)の作製方法としては、特に制限されるものではなく、従来公知の作製方法を適宜利用して行うことができる。例えば、後述する実施例に示すように、複合炭酸塩法を用いて以下のように行うことができる。 Next, as a method for producing the solid solution (positive electrode material) represented by the general formula (1): xLi [Li 1/3 M 1 2/3 O 2 ] · (1-x) LiM 2 O 2 , The method is not limited, and a conventionally known production method can be used as appropriate. For example, as shown in the Example mentioned later, it can carry out as follows using a composite carbonate method.

まず、出発物質として、上記一般式(1)中のMおよびMに相当する遷移金属元素の各硫酸金属塩、硝酸金属塩など(例えば、硫酸ニッケル、硫酸コバルト、硫酸マンガンなど)を所定量秤量し、これらの混合溶液を調製する。これにアンモニア水をpH7になるまで滴下して、さらにNaCO溶液を滴下して、M−Mの複合炭酸塩(ただし、上記式中のMおよびMの組み合わせにより当該M−Nの金属複合炭酸塩の種類は異なる)を沈殿させる。その後、吸引ろ過した後に、水洗して、所定の温度下で、所定の時間(例えば、120℃にて5時間)、乾燥する。得られた乾燥物を所定の温度下で、所定の時間(例えば、500℃にて5時間)仮焼成する。これに小過剰のLiOH・HOを加えて、自動乳鉢で所定時間(例えば、30分間)混合する。ここで、LiOH・HOの添加量を調節することにより、結晶構造の格子定数のc軸長とa軸長との比(c/a)を所望の値に制御することができる。その後、所定の温度下で、所定の時間(例えば、900℃にて12時間)本焼成することにより、上記一般式(1):xLi[Li1/3 2/3]・(1−x)LiMで表される固溶体を作製することができる。本焼成後、液体窒素等を用いて急冷(クエンチ)するのが、反応性およびサイクル安定性が向上し、非常に綺麗な固溶体状態を得られるために好ましい。 First, as starting materials, metal sulfates and nitrates of transition metal elements corresponding to M 1 and M 2 in the above general formula (1) (for example, nickel sulfate, cobalt sulfate, manganese sulfate, etc.) Quantitatively weigh and prepare these mixed solutions. Aqueous ammonia was added dropwise until pH 7 was reached, and a Na 2 CO 3 solution was further added dropwise to form a complex carbonate of M 1 -M 2 (however, the M 1 and M 2 in the above formulas were used to determine the M -N metal complex carbonates are different types). Then, after suction filtration, it is washed with water and dried at a predetermined temperature for a predetermined time (for example, 120 ° C. for 5 hours). The obtained dried product is calcined at a predetermined temperature for a predetermined time (for example, at 500 ° C. for 5 hours). A small excess of LiOH.H 2 O is added thereto and mixed in an automatic mortar for a predetermined time (for example, 30 minutes). Here, the ratio (c / a) between the c-axis length and the a-axis length of the lattice constant of the crystal structure can be controlled to a desired value by adjusting the addition amount of LiOH.H 2 O. Then, by carrying out main firing at a predetermined temperature for a predetermined time (for example, at 900 ° C. for 12 hours), the above general formula (1): xLi [Li 1/3 M 1 2/3 O 2 ] · ( 1-x) A solid solution represented by LiM 2 O 2 can be produced. After the main calcination, quenching with liquid nitrogen or the like is preferable because the reactivity and cycle stability are improved and a very beautiful solid solution state can be obtained.

なお、上記一般式(1):xLi[Li1/3 2/3]・(1−x)LiMで表される固溶体の同定は、電子線回折、X線回折(XRD)、誘導結合プラズマ(ICP)元素分析を用いて分析することができる。 In addition, the identification of the solid solution represented by the general formula (1): xLi [Li 1/3 M 1 2/3 O 2 ]. (1-x) LiM 2 O 2 is performed by electron diffraction, X-ray diffraction ( XRD), inductively coupled plasma (ICP) elemental analysis can be used.

リチウムイオン電池用正極材料は、酸化処理が施されているのが望ましい。酸化処理の方法としては、特に制限されるものではない。例えば、
(1)所定の電位範囲での充電あるいは、充放電、詳しくは固溶体正極結晶構造の大幅
な変化を最初から引き起こすことのない低い電位領域での充電あるいは充放電;
(2)充電に対応する酸化剤(例えば、臭素、塩素などのハロゲン)での酸化;
(3)レドックスメディエーターを用いての酸化;などの酸化処理を挙げることができ
る。
The positive electrode material for a lithium ion battery is preferably subjected to an oxidation treatment. The method for the oxidation treatment is not particularly limited. For example,
(1) Charging or charging / discharging in a predetermined potential range, specifically charging or charging / discharging in a low potential region that does not cause a significant change in the solid solution positive electrode crystal structure from the beginning;
(2) Oxidation with an oxidizing agent (for example, halogen such as bromine or chlorine) corresponding to charging;
(3) Oxidation treatment using a redox mediator;

ここで、上記(1)の酸化処理方法としては、特に制限されるものではないが、電池を構成した状態、または電極または電極相当の構成にて、所定の最高電位を超えないようにして、充電あるいは、充放電をすること(=電位を規制した充放電前処理)が有効である。これにより、高容量で、なおかつサイクル耐久性がよいリチウムイオン電池用正極材料、ひいては該正極材料を用いた高エネルギー密度の電池を製造できるためである。   Here, the oxidation treatment method (1) is not particularly limited, but in a state where the battery is configured, or in an electrode or an electrode-corresponding configuration so as not to exceed a predetermined maximum potential, Charging or charging / discharging (= charging / discharging pretreatment with regulated potential) is effective. This is because a positive electrode material for a lithium ion battery having high capacity and good cycle durability, and thus a high energy density battery using the positive electrode material can be manufactured.

電位を規制した充放電前処理法として、リチウム金属対極に対する所定の電位範囲の最高の電位(リチウム金属またはリチウム金属に換算した充放電の上限電位)が好ましくは3.9V以上4.6V未満、より好ましくは4.4V以上4.6V未満となる条件下で充放電を1〜30サイクル行うことが望ましい。上記範囲内で充放電による酸化処理を行うことにより、高容量でサイクル耐久性がよいリチウムイオン電池用正極、ひいては高エネルギー密度の電池を製造できる。特に、上記酸化処理(電位を規制した充放電前処理)後に高容量とすべく、最高の電位を4.8V程度として充電あるいは充放電を行う場合に、特に顕著なサイクル耐久性等の効果を有効に発現することができる。さらに、この場合には初期の所定上限電位にての充放電のあと、上限電位を徐々に(段階的に)上げていくことが耐久性向上の点で好ましい。なお、上記リチウム金属またはリチウム金属に換算した電位は、リチウムイオンが1モル溶解した電解液中でリチウム金属が示す電位を基準とした電位に相当する。   As the charge / discharge pretreatment method with regulated potential, the highest potential in the predetermined potential range with respect to the lithium metal counter electrode (the upper limit potential of charge / discharge converted to lithium metal or lithium metal) is preferably 3.9 V or more and less than 4.6 V, More preferably, it is desirable to perform charging and discharging for 1 to 30 cycles under the condition of 4.4V or more and less than 4.6V. By performing oxidation treatment by charging / discharging within the above range, a positive electrode for a lithium ion battery having high capacity and good cycle durability, and thus a battery having a high energy density can be produced. In particular, when charging or charging / discharging at a maximum potential of about 4.8 V in order to obtain a high capacity after the oxidation treatment (pre-charge / discharge pretreatment with regulated potential), particularly remarkable effects such as cycle durability can be obtained. It can be expressed effectively. Further, in this case, it is preferable from the viewpoint of improving durability that the upper limit potential is gradually increased (stepwise) after the initial charge / discharge at the predetermined upper limit potential. Note that the potential converted to lithium metal or lithium metal corresponds to a potential based on the potential exhibited by the lithium metal in the electrolytic solution in which 1 mol of lithium ion is dissolved.

また、リチウム金属対極に対する上記所定の電位範囲の充放電を1〜30サイクル行ったあとさらに、充放電の所定の電位範囲の最高の電位を段階的に上げていくのが望ましい。特に、4.7V、4.8Vvs.Liという高電位の容量分まで使用(高容量使用)する場合において、酸化処理での充放電電位の最高電位を段階的に上げていくことで、短時間の酸化処理(上記充放電前処理)でも電極の耐久性を改善することができる。   In addition, it is desirable to further increase the maximum potential in the predetermined potential range for charging and discharging stepwise after 1 to 30 cycles of charging and discharging in the predetermined potential range with respect to the lithium metal counter electrode. In particular, 4.7V, 4.8Vvs. When using up to the high potential capacity of Li (use of high capacity), the maximum potential of the charge / discharge potential in the oxidation process is increased step by step for a short period of oxidation treatment (pre-charge / discharge pretreatment) However, the durability of the electrode can be improved.

充放電の所定の電位範囲の最高電位(上限電位)を段階的に上げていく際の各段階の充放電に必要なサイクル回数は特に制限されないが、1〜10回の範囲が効果的である。また、充放電の所定の電位範囲の最高電位(上限電位)を段階的に上げていく際の酸化処理工程における総充放電サイクル回数(各段階の充放電に必要なサイクル回数を足し合わせた回数)は特に制限されないが、4回〜20回の範囲が効果的である。   The number of cycles required for charging and discharging at each stage when raising the maximum potential (upper limit potential) in a predetermined potential range of charging and discharging is not particularly limited, but a range of 1 to 10 is effective. . In addition, the total number of charge / discharge cycles in the oxidation process when increasing the maximum potential (upper limit potential) in the predetermined potential range of charge / discharge (the total number of cycles required for charge / discharge in each stage) ) Is not particularly limited, but a range of 4 to 20 times is effective.

充放電の所定の電位範囲の最高電位(上限電位)を段階的に上げていく際の各段階の電位の上げ幅(上げ代)は特に制限されないが、0.05V〜0.1Vが効果的である。   There is no particular limitation on the range of increase (increase) in potential when increasing the maximum potential (upper limit potential) in a predetermined potential range of charge and discharge in stages, but 0.05V to 0.1V is effective. is there.

充放電の所定の電位範囲の最高電位(上限電位)を段階的に上げていく際の最終的な最高電位(終止最高電位)は、4.6V〜4.9Vとするのが効果的である。ただし、上記範囲に制限されるものではなく、上記効果を奏することができるものであれば、より高い終止最高電位まで酸化処理(電位を規制した充放電前処理)を行ってもよい。   It is effective that the final maximum potential (end maximum potential) when increasing the maximum potential (upper limit potential) in a predetermined potential range of charge / discharge stepwise is 4.6V to 4.9V. . However, the present invention is not limited to the above range, and oxidation treatment (charge / discharge pretreatment with regulated potential) may be performed up to a higher termination maximum potential as long as the above effects can be achieved.

ただし、上記した所定の電位範囲での充電を行うだけでもよい。この際の所定の電位範囲の最高の電位に関しても、上記したようにリチウム金属対極に対して3.9V以上4.6V未満、より好ましくは4.4V以上4.6V未満となる条件下で充電を行うことが望ましい。   However, it is only necessary to perform charging in the predetermined potential range described above. The maximum potential in the predetermined potential range at this time is also charged under the condition of 3.9 V or more and less than 4.6 V, more preferably 4.4 V or more and less than 4.6 V with respect to the lithium metal counter electrode as described above. It is desirable to do.

所定の電位範囲の最低の電位は特に制限されず、リチウム金属対極に対して2V以上3.5V未満、より好ましくは2V以上3V未満である。上記範囲内で充電あるいは充放電による酸化処理(電位を規制した充放電前処理)を行うことにより、高容量でサイクル耐久性がよいリチウムイオン電池用正極、及び高エネルギー密度の電池を製造できる。なお、上記充放電の電位(V)は、単電池(単セル)当たりの電位を指すものとする。   The minimum potential in the predetermined potential range is not particularly limited, and is 2 V or more and less than 3.5 V, more preferably 2 V or more and less than 3 V with respect to the lithium metal counter electrode. By performing oxidation treatment (charging / discharging pretreatment with regulated potential) by charging or charging / discharging within the above range, a positive electrode for a lithium ion battery having a high capacity and good cycle durability and a battery having a high energy density can be produced. The charge / discharge potential (V) refers to a potential per unit cell (unit cell).

上記酸化処理(電位を規制した充放電前処理)として充放電する電極(材料)の温度としては、本発明の作用効果を損なわない範囲内であれば、任意に設定することができる。経済性の観点からは、特段の加熱冷却を要しない室温下で行うのが望ましい。一方、より大きな容量を発現でき、なおかつ短時間の充放電処理によりサイクル耐久性が向上し得る点からは、室温より高い温度で行うのが望ましい。   The temperature of the electrode (material) to be charged / discharged as the oxidation treatment (pre-charge / discharge pretreatment with regulated potential) can be arbitrarily set as long as it does not impair the effects of the present invention. From the economical point of view, it is desirable to carry out at room temperature that does not require special heating and cooling. On the other hand, it is desirable to carry out at a temperature higher than room temperature from the viewpoint that a larger capacity can be expressed and the cycle durability can be improved by a short charge / discharge treatment.

上記酸化処理(電位を規制した充放電前処理)方法を適用する工程(時期)としては、特に制限されるものではない。例えば、かかる酸化処理は、上記したように、電池を構成した状態、または電極または電極相当の構成にて、行うことができる。すなわち、正極活物質粉体の状態での適用、電極を構成しての適用、負極とあわせて電池を組んでからの適用のいずれであってもよい。電池への適用に際しては、組み合わせる負極の電気容量の電位プロファイルを考えて、酸化処理条件(電位を規制した充放電前処理条件)を適用することによって実施できる。ここで、電池を構成した状態の場合には、個々の電極または電極相当の構成ごとに行うよりも、一度にまとめて多くの電極の酸化処理が行える点で優れている。一方、個々の電極または電極相当の構成ごとに行う場合には、電池を構成した状態よりも、酸化電位等の条件の制御が容易であるほか、個々の電極への酸化の度合いのバラツキが生じにくい点で優れている。   The step (time) for applying the oxidation treatment (pre-charge / discharge pretreatment with regulated potential) method is not particularly limited. For example, as described above, the oxidation treatment can be performed in a state where a battery is configured, or in a configuration corresponding to an electrode or an electrode. That is, any of application in the state of positive electrode active material powder, application by constituting an electrode, and application after assembling a battery together with the negative electrode may be used. Application to a battery can be carried out by applying an oxidation treatment condition (condition for pre-charge / discharge with regulated potential) in consideration of the potential profile of the capacitance of the negative electrode to be combined. Here, in the case where the battery is configured, it is superior in that the oxidation treatment of a large number of electrodes can be performed at a time, rather than the individual electrodes or the respective configurations corresponding to the electrodes. On the other hand, when it is performed for each individual electrode or each electrode-corresponding configuration, it is easier to control conditions such as the oxidation potential than the state in which the battery is configured, and variations in the degree of oxidation to individual electrodes occur. It is excellent in a difficult point.

上記(2)の酸化処理方法で用いられる酸化剤としては、特に制限されるものではなく、例えば、臭素、塩素などのハロゲンなどを用いることができる。これらの酸化剤は単独であるいは併用で使用しても良い。酸化剤による酸化は、例えば、固溶体の正極材料が溶解しない溶媒に固溶体微粒子を分散させて、その分散溶液に酸化剤を吹き込んで溶解させて徐々に酸化させることができる。   The oxidizing agent used in the oxidation method (2) is not particularly limited, and for example, halogen such as bromine and chlorine can be used. These oxidizing agents may be used alone or in combination. Oxidation with an oxidizing agent can be gradually oxidized by, for example, dispersing solid solution fine particles in a solvent in which the solid solution positive electrode material does not dissolve, and blowing and dissolving the oxidizing agent into the dispersion solution.

上記(3)の酸化処理方法で用いられるレドックスメディエーター(電子伝達剤)としては、適度な酸化還元ポテンシャルや電子移動性を有し、ラジカルを形成する化合物、あるいは電子を受容又は供与する電気化学的に活性な任意化合物とすることができる。レドックスメディエーターとしては、例えば、トリフェニルアミンのパラ位がブロックされて安定化した一連の誘導体を用いることができる。中でもパラ位、及びもしくはメタ位の水素が臭素などのハロゲンで置換されたものが好ましく使用できる。これらは、置換基の位置、種類、数により酸化還元電位を微妙に制御できるので好ましく使用できる。このほか、適当な酸化還元電位をもって安定な各種遷移金属錯体も好ましく使用できる。この例としては、ルテニウムやオスミウムなどの2,2’−ビピリジン及びその誘導体の錯体がある。その他、いわいるリチウムイオン電池の過充電を防止するためのレドックスシャトルとして使用できるもので、適当な酸化還元電位をもつものは好適に使用できる。これらのレドックスメディエーターは単独であるいは併用で使用しても良い。酸化還元電位の低いものから段階的に高いものへと段階的に使用してもよい。さらに、酸化還元電位の高いものをもちいて反応量を確実に制御しながら段階的に酸化していくことも有効である。これを逆に使用して還元して、電池電極の放電に対応するプロセスを組み入れたり、充電(酸化)と放電(還元)に対応するプロセスを繰り返して行うことも好適である。レドックスメディエーターを用いての酸化は、例えば、作用極に白金網を用い、イオン導電性の隔膜で隔てられた対極と、必要に応じて参照電極を用いて、次のように行うことができる。即ち、レドックスメディエーターを溶解させた電解液中に固溶体を分散させて、作用極の電位を参照電極に対して制御しながらレドックスメディエーターを電極酸化して、それを用いて固溶体系の正極材料を酸化させることができる。   As the redox mediator (electron transfer agent) used in the oxidation treatment method of (3) above, a compound that has an appropriate redox potential and electron mobility, forms a radical, or accepts or donates an electron. Any active compound can be used. As the redox mediator, for example, a series of derivatives in which the para-position of triphenylamine is blocked and stabilized can be used. Among them, those in which hydrogen at the para-position and / or meta-position is substituted with a halogen such as bromine can be preferably used. These can be preferably used because the oxidation-reduction potential can be finely controlled by the position, type and number of substituents. In addition, various transition metal complexes that are stable with an appropriate redox potential can also be preferably used. An example of this is a complex of 2,2'-bipyridine and its derivatives such as ruthenium and osmium. In addition, what can be used as a redox shuttle for preventing overcharge of a so-called lithium ion battery, and those having an appropriate oxidation-reduction potential can be suitably used. These redox mediators may be used alone or in combination. It may be used step by step from a low oxidation-reduction potential to a high stepwise one. Furthermore, it is also effective to oxidize stepwise while using a high oxidation-reduction potential and controlling the reaction amount with certainty. It is also preferable to carry out reduction by using this in reverse to incorporate a process corresponding to the discharge of the battery electrode, or to repeat the process corresponding to charge (oxidation) and discharge (reduction). Oxidation using a redox mediator can be performed, for example, using a platinum net as a working electrode, a counter electrode separated by an ion conductive diaphragm, and a reference electrode as necessary, as follows. That is, the solid solution is dispersed in the electrolyte solution in which the redox mediator is dissolved, and the redox mediator is oxidized while controlling the potential of the working electrode with respect to the reference electrode, and the solid solution positive electrode material is oxidized using the redox mediator. Can be made.

以上が、本実施形態のリチウムイオン電池の特徴的な構成要件に関する説明であり、他の構成要件に関しては特に制限されるものではない。よって、以下では、本発明のリチウムイオン電池の特徴的な構成要件以外の他の構成要件に関し、上記した積層型電池10の各構成要件を中心に、以下説明する。ただし、積層型電池以外の電池、例えば双極型電池の各構成要件に関しても、同様の構成要件を適宜利用して構成することができることは言うまでもない。   The above is the description regarding the characteristic configuration requirements of the lithium ion battery of the present embodiment, and the other configuration requirements are not particularly limited. Therefore, in the following, other structural requirements other than the characteristic structural requirements of the lithium ion battery of the present invention will be described below with a focus on the respective structural requirements of the stacked battery 10 described above. However, it goes without saying that the constituent elements of batteries other than the stacked battery, for example, bipolar batteries, can be configured by appropriately using the same constituent elements.

[集電体]
集電体(負極集電体11、正極集電体12;集電体14)としては、いずれも電池用の集電体材料として従来用いられている部材が適宜採用されうる。一例を挙げると、正極集電体および負極集電体としては、アルミニウム、ニッケル、鉄、ステンレス鋼(SUS)、チタンまたは銅が挙げられる。中でも、電子伝導性、電池作動電位という観点からは、正極集電体としてはアルミニウムが好ましく、負極集電体としては銅が好ましい。集電体の一般的な厚さは、10〜20μmである。ただし、この範囲を外れる厚さの集電体を用いてもよい。集電板についても、集電体と同様の材料で形成することができる。
[Current collector]
As the current collector (the negative electrode current collector 11, the positive electrode current collector 12; the current collector 14), any member conventionally used as a current collector material for a battery can be appropriately employed. As an example, examples of the positive electrode current collector and the negative electrode current collector include aluminum, nickel, iron, stainless steel (SUS), titanium, and copper. Among these, from the viewpoints of electron conductivity and battery operating potential, aluminum is preferable as the positive electrode current collector, and copper is preferable as the negative electrode current collector. A typical thickness of the current collector is 10 to 20 μm. However, a current collector having a thickness outside this range may be used. The current collector plate can also be formed of the same material as the current collector.

[活物質層]
活物質層(負極活物質層13、正極活物質層15)は活物質(負極活物質、正極活物質、参照極活物質)を含んで構成される。さらに、これらの活物質層は、必要に応じてバインダー、電気伝導性を高めるための導電剤、電解質(ポリマーマトリックス、イオン伝導性ポリマー、電解液など)、イオン伝導性を高めるための電解質支持塩(リチウム塩)などを含む。
[Active material layer]
The active material layers (the negative electrode active material layer 13 and the positive electrode active material layer 15) are configured to include an active material (negative electrode active material, positive electrode active material, reference electrode active material). In addition, these active material layers include a binder, a conductive agent for increasing electric conductivity, an electrolyte (polymer matrix, ion conductive polymer, electrolytic solution, etc.), and an electrolyte supporting salt for increasing ionic conductivity as necessary. (Lithium salt) and the like.

(a)活物質
正極活物質および負極活物質の材料(材質)としては、本発明のリチウムイオン電池の特徴的な構成要件を具備するものであればよく、特に制限されるものではなく、電池の種類に応じて適宜選択すればよい。
(A) Active material The material (material) of the positive electrode active material and the negative electrode active material is not particularly limited as long as it has the characteristic constituent features of the lithium ion battery of the present invention. What is necessary is just to select suitably according to the kind of.

具体的には、正極活物質としては、上記一般式(1):xLi・(1−x)LiMで表される本発明のリチウムイオン電池用正極材料を正極の主要な活物質として用いる。正極活物質としては、上記一般式(1):xLi・(1−x)LiMで表される正極材料を単独で使用してもよいほか、さらに必要に応じて、従来公知の他の正極活物質を併用してもよい。本発明の効果を顕著に発揮するために、上記一般式(1):xLi・(1−x)LiMで表される正極材料を活物質中に、好ましくは50質量%以上、より好ましくは80質量%以上、さらに好ましくは90質量%以上含む。 Specifically, as the positive electrode active material, the positive electrode material for a lithium ion battery of the present invention represented by the general formula (1): xLi 2 M 1 O 3. (1-x) LiM 2 O 2 is used as the positive electrode. Used as the main active material. As the positive electrode active material, a positive electrode material represented by the above general formula (1): xLi 2 M 1 O 3. (1-x) LiM 2 O 2 may be used alone, and further as necessary. Other conventionally known positive electrode active materials may be used in combination. In order to exert the effect of the present invention remarkably, the positive electrode material represented by the general formula (1): xLi 2 M 1 O 3. (1-x) LiM 2 O 2 is preferably contained in the active material. It is contained by mass% or more, more preferably 80 mass% or more, still more preferably 90 mass% or more.

負極活物質はリチウムを可逆的に吸蔵および放出できるものであれば特に制限されず、従来公知の負極活物質をいずれも使用できる。例えば、高結晶性カーボンであるグラファイト(天然グラファイト、人造グラファイト等)、低結晶性カーボン(ソフトカーボン、ハードカーボン)、カーボンブラック(ケッチェンブラック、アセチレンブラック、チャンネルブラック、ランプブラック、オイルファーネスブラック、サーマルブラック等)、フラーレン、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンナノホーン、カーボンフィブリルなどの炭素材料;Si、Ge、Sn、Pb、Al、In、Zn、H、Ca、Sr、Ba、Ru、Rh、Ir、Pd、Pt、Ag、Au、Cd、Hg、Ga、Tl、C、N、Sb、Bi、O、S、Se、Te、Cl等のリチウムと合金化する元素の単体、およびこれらの元素を含む酸化物(一酸化ケイ素(SiO)、SiO(0<x<2)、二酸化スズ(SnO)、SnO(0<x<2)、SnSiOなど)および炭化物(炭化ケイ素(SiC)など)等;リチウム金属等の金属材料;リチウム−チタン複合酸化物(チタン酸リチウム:LiTi12)等のリチウム−遷移金属複合酸化物;ならびにその他の従来公知の負極活物質が使用可能である。上記負極活物質は、単独で使用されてもあるいは2種以上の混合物の形態で使用されてもよい。 The negative electrode active material is not particularly limited as long as it can reversibly occlude and release lithium, and any conventionally known negative electrode active material can be used. For example, high crystalline carbon graphite (natural graphite, artificial graphite, etc.), low crystalline carbon (soft carbon, hard carbon), carbon black (Ketjen black, acetylene black, channel black, lamp black, oil furnace black, Carbon materials such as thermal black), fullerene, carbon nanotube, carbon nanofiber, carbon nanohorn, carbon fibril; Si, Ge, Sn, Pb, Al, In, Zn, H, Ca, Sr, Ba, Ru, Rh, Ir, Pd, Pt, Ag, Au, Cd, Hg, Ga, Tl, C, N, Sb, Bi, O, S, Se, Te, Cl, and the like, and simple elements of these elements alloyed with lithium oxide containing (silicon monoxide (SiO), SiO x 0 <x <2), tin (SnO 2 dioxide), SnO x (0 <x <2), etc. SnSiO 3) and carbides (such as silicon carbide (SiC)) or the like; a metal material of a lithium metal or the like; lithium - titanium Lithium-transition metal composite oxides such as composite oxides (lithium titanate: Li 4 Ti 5 O 12 ); and other conventionally known negative electrode active materials can be used. The negative electrode active material may be used alone or in the form of a mixture of two or more.

各活物質層(13、15)に含まれるそれぞれの活物質の平均粒子径は特に制限されないが、高容量化、反応性、サイクル耐久性の観点から、通常は0.1〜100μm程度であり、好ましくは1〜20μmである。   The average particle diameter of each active material contained in each active material layer (13, 15) is not particularly limited, but is usually about 0.1 to 100 μm from the viewpoint of high capacity, reactivity, and cycle durability. The thickness is preferably 1 to 20 μm.

各活物質層(13、15)中に含まれる成分の配合比は特に限定されず、リチウムイオン二次電池またはリチウムイオン電池についての公知の知見を適宜参照することにより、調整されうる。また、活物質層の厚さについても特に制限はなく、リチウムイオン二次電池またはリチウムイオン電池についての従来公知の知見が適宜参照されうる。一例を挙げると、活物質層の厚さは、2〜100μm程度である
(b)バインダー
バインダーは、活物質同士または活物質と集電体とを結着させて電極構造を維持する目的で添加される。
The compounding ratio of the components contained in each active material layer (13, 15) is not particularly limited, and can be adjusted by appropriately referring to known knowledge about lithium ion secondary batteries or lithium ion batteries. Moreover, there is no restriction | limiting in particular also about the thickness of an active material layer, The conventionally well-known knowledge about a lithium ion secondary battery or a lithium ion battery can be referred suitably. For example, the thickness of the active material layer is about 2 to 100 μm. (B) Binder A binder is added to maintain the electrode structure by binding the active materials or the active material and the current collector. Is done.

かようなバインダーとしては、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリ酢酸ビニル、ポリイミド(PI)、ポリアミド(PA)、ポリ塩化ビニル(PVC)、ポリメチルアクリレート(PMA)、ポリメチルメタクリレート(PMMA)、ポリエーテルニトリル(PEN)、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)およびポリアクリロニトリル(PAN)などの熱可塑性樹脂、エポキシ樹脂、ポリウレタン樹脂、およびユリア樹脂などの熱硬化性樹脂、ならびにスチレンブタジエンゴム(SBR)などのゴム系材料が挙げられる。   As such a binder, polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinyl acetate, polyimide (PI), polyamide (PA), polyvinyl chloride (PVC), polymethyl acrylate (PMA), Thermosetting resins such as polymethyl methacrylate (PMMA), polyether nitrile (PEN), polyethylene (PE), polypropylene (PP) and polyacrylonitrile (PAN), epoxy resins, polyurethane resins, and urea resins And rubber-based materials such as styrene butadiene rubber (SBR).

(c)導電剤
導電剤とは、導電性を向上させるために配合される導電性の添加物をいう。本実施形態で使用しうる導電剤は特に制限されず、従来公知のものを利用することができる。例えば、アセチレンブラック等のカーボンブラック、グラファイト、炭素繊維などの炭素材料が挙げられる。導電剤を含むと、活物質層の内部における電子ネットワークが効果的に形成され、電池の出力特性の向上、電解液の保液性の向上による信頼性向上に寄与しうる。
(C) Conductive agent A conductive agent means the conductive additive mix | blended in order to improve electroconductivity. The conductive agent that can be used in the present embodiment is not particularly limited, and a conventionally known one can be used. Examples thereof include carbon materials such as carbon black such as acetylene black, graphite, and carbon fiber. When the conductive agent is included, an electronic network inside the active material layer is effectively formed, which can contribute to improvement in reliability by improving output characteristics of the battery and improving liquid retention of the electrolyte.

(d)電解質
電解質としては、後述する[電解質層]の項で説明する液体電解質、ゲルポリマー電解質、および真性ポリマー電解質を特に制限なく用いることができる。液体電解質、ゲルポリマー電解質、および真性ポリマー電解質の具体的な形態については、後述する(電解質層)の項で説明するため、詳細はここでは省略する。これらの電解質は1種単独であってもよいし、2種以上を組み合わせて用いてもよい。また、後述する電解質層に用いた電解質と異なる電解質を用いてもよいし、同一の電解質を用いてもよい。
(D) Electrolyte As the electrolyte, a liquid electrolyte, a gel polymer electrolyte, and an intrinsic polymer electrolyte described in the section of [Electrolyte layer] described later can be used without particular limitation. Specific forms of the liquid electrolyte, the gel polymer electrolyte, and the intrinsic polymer electrolyte will be described later in the section of (electrolyte layer), and the details are omitted here. These electrolytes may be used alone or in combination of two or more. Moreover, an electrolyte different from the electrolyte used for the electrolyte layer described later may be used, or the same electrolyte may be used.

[電解質層]
電解質層は、非水電解質を含む層である。電解質層に含まれる非水電解質(具体的には、リチウム塩)は、充放電時に正負極間を移動するリチウムイオンのキャリアーとしての機能を有する。非水電解質としてはかような機能を発揮できるものであれば特に限定されないが、液体電解質またはポリマー電解質が用いられうる。
[Electrolyte layer]
The electrolyte layer is a layer containing a non-aqueous electrolyte. A nonaqueous electrolyte (specifically, a lithium salt) contained in the electrolyte layer has a function as a carrier of lithium ions that moves between the positive and negative electrodes during charge and discharge. The nonaqueous electrolyte is not particularly limited as long as it can exhibit such a function, but a liquid electrolyte or a polymer electrolyte may be used.

液体電解質は、可塑剤である有機溶媒に支持塩であるリチウム塩が溶解した形態を有する。可塑剤として用いられうる有機溶媒としては、例えば、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)等のカーボネート類が例示される。また、支持塩(リチウム塩)としては、Li(CFSON、Li(CSON、LiPF、LiBF、LiAsF、LiTaF、LiClO、LiCFSO等の電極の合剤層に添加されうる化合物が同様に採用されうる。 The liquid electrolyte has a form in which a lithium salt as a supporting salt is dissolved in an organic solvent as a plasticizer. Examples of the organic solvent that can be used as the plasticizer include carbonates such as ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), dimethyl carbonate (DMC), and diethyl carbonate (DEC). As the supporting salt (lithium salt), Li (CF 3 SO 2 ) 2 N, Li (C 2 F 5 SO 2) 2 N, LiPF 6, LiBF 4, LiAsF 6, LiTaF 6, LiClO 4, LiCF 3 Compounds that can be added to the electrode mixture layer, such as SO 3, can be employed as well.

一方、ポリマー電解質は、電解液を含むゲルポリマー電解質(ゲル電解質)と、電解液を含まない真性ポリマー電解質に分類される。   On the other hand, the polymer electrolyte is classified into a gel polymer electrolyte containing an electrolytic solution (gel electrolyte) and an intrinsic polymer electrolyte containing no electrolytic solution.

ゲルポリマー電解質は、イオン伝導性ポリマーからなるマトリックスポリマー(ホストポリマー)に、上記の液体電解質が注入されてなる構成を有する。電解質としてゲルポリマー電解質を用いることで電解質の流動性がなくなり、各層間のイオン伝導性を遮断することが容易になる点で優れている。マトリックスポリマー(ホストポリマー)として用いられるイオン伝導性ポリマーとしては、特に限定されない。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)、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリフッ化ビニリデンとヘキサフルオロプロピレンの共重合体(PVDF−HFP)、ポリエチレングリコール(PEG)、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリメチルメタクリレート(PMMA)およびこれらの共重合体等が挙げられる。ここで、上記のイオン伝導性ポリマーは、活物質層において電解質として用いられるイオン伝導性ポリマーと同じであってもよく、異なっていてもよいが、同じであることが好ましい。電解液(電解質塩および可塑剤)の種類は特に制限されず、上記で例示したリチウム塩などの電解質塩およびカーボネート類などの可塑剤が用いられうる。   The gel polymer electrolyte has a configuration in which the liquid electrolyte is injected into a matrix polymer (host polymer) made of an ion conductive polymer. Using a gel polymer electrolyte as the electrolyte is superior in that the fluidity of the electrolyte is lost and it is easy to block the ion conductivity between the layers. The ion conductive polymer used as the matrix polymer (host polymer) is not particularly limited. For example, polyethylene oxide (PEO), polypropylene oxide (PPO), polyvinylidene fluoride (PVDF), a copolymer of polyvinylidene fluoride and hexafluoropropylene (PVDF-HFP), polyethylene glycol (PEG), polyacrylonitrile (PAN), Examples thereof include polymethyl methacrylate (PMMA) and copolymers thereof. Here, the ion conductive polymer may be the same as or different from the ion conductive polymer used as the electrolyte in the active material layer, but is preferably the same. The type of the electrolytic solution (electrolyte salt and plasticizer) is not particularly limited, and an electrolyte salt such as the lithium salt exemplified above and a plasticizer such as carbonates may be used.

真性ポリマー電解質は、上記のマトリックスポリマーに支持塩(リチウム塩)が溶解してなる構成を有し、可塑剤である有機溶媒を含まない。従って、電解質として真性ポリマー電解質を用いることで電池からの液漏れの心配がなく、電池の信頼性が向上しうる。   The intrinsic polymer electrolyte has a structure in which a supporting salt (lithium salt) is dissolved in the matrix polymer, and does not include an organic solvent that is a plasticizer. Therefore, by using an intrinsic polymer electrolyte as the electrolyte, there is no fear of liquid leakage from the battery, and the battery reliability can be improved.

ゲルポリマー電解質や真性ポリマー電解質のマトリックスポリマーは、架橋構造を形成することによって、優れた機械的強度を発現しうる。架橋構造を形成させるには、適当な重合開始剤を用いて、高分子電解質形成用の重合性ポリマー(例えば、PEOやPPO)に対して熱重合、紫外線重合、放射線重合、電子線重合等の重合処理を施せばよい。   The matrix polymer of gel polymer electrolyte or intrinsic polymer electrolyte can express excellent mechanical strength by forming a crosslinked structure. In order to form a crosslinked structure, thermal polymerization, ultraviolet polymerization, radiation polymerization, electron beam polymerization, etc. are performed on a polymerizable polymer (for example, PEO or PPO) for forming a polymer electrolyte using an appropriate polymerization initiator. A polymerization treatment may be performed.

これらの電解質層に含まれる非水電解質は、1種単独であってもよいし、2種以上であってもよい。   The non-aqueous electrolyte contained in these electrolyte layers may be one kind alone, or two or more kinds.

なお、電解質層が液体電解質やゲルポリマー電解質から構成される場合には、電解質層にセパレータを用いる。セパレータの具体的な形態としては、例えば、ポリエチレンやポリプロピレン等のポリオレフィンからなる微多孔膜が挙げられる。   In addition, when an electrolyte layer is comprised from a liquid electrolyte or a gel polymer electrolyte, a separator is used for the electrolyte layer. Specific examples of the separator include a microporous film made of polyolefin such as polyethylene or polypropylene.

電解質層の厚さは、内部抵抗を低減させるには薄ければ薄いほどよいといえる。電解質層の厚さは、通常1〜100μm、好ましくは5〜50μm、とするのがよい。   It can be said that the thinner the electrolyte layer, the better to reduce the internal resistance. The thickness of the electrolyte layer is usually 1 to 100 μm, preferably 5 to 50 μm.

[外装体]
リチウムイオン二次電池では、使用時の外部からの衝撃や環境劣化を防止するために、発電要素全体を外装体に収容するのが望ましい。外装体としては、従来公知の金属缶ケースを用いることができほか、アルミニウムを含むラミネートフィルムを用いた発電要素を覆うことができる袋状のケースを用いることができる。ラミネートフィルムには、例えば、PP、アルミニウム、ナイロンをこの順に積層してなる3層構造のラミネートフィルム等を用いることができるが、これらに何ら制限されるものではない。
[Exterior body]
In a lithium ion secondary battery, it is desirable to accommodate the entire power generating element in an exterior body in order to prevent external impact and environmental degradation during use. As the exterior body, a conventionally known metal can case can be used, and a bag-like case that can cover a power generation element using a laminate film containing aluminum can be used. For example, a laminate film having a three-layer structure in which PP, aluminum, and nylon are laminated in this order can be used as the laminate film, but the laminate film is not limited thereto.

[電池の外観]
図5は、本発明の一実施形態である積層型電池の外観を模式的に表した斜視図である。図5に示すように、積層型電池10は、長方形状の扁平な形状を有しており、その両側部からは電力を取り出すための負極集電板25、正極集電板27が引き出されている。発電要素21は、電池10の外装体29によって包まれ、その周囲は熱融着されており、発電要素21は負極集電板25および正極集電板27を引き出した状態で密封されている。ここで、発電要素21は、図1に示す積層型電池10の発電要素21に相当し、負極(負極活物質層)13、電解質層17および正極(正極活物質層)15で構成される単電池層(単セル)19が複数積層されたものである。
[Battery appearance]
FIG. 5 is a perspective view schematically showing the appearance of a stacked battery according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 5, the stacked battery 10 has a rectangular flat shape, and a negative electrode current collector plate 25 and a positive electrode current collector plate 27 for taking out electric power are drawn out from both sides thereof. Yes. The power generation element 21 is encased in an outer package 29 of the battery 10 and the periphery thereof is heat-sealed. The power generation element 21 is sealed with the negative electrode current collector plate 25 and the positive electrode current collector plate 27 drawn out. Here, the power generation element 21 corresponds to the power generation element 21 of the stacked battery 10 shown in FIG. 1, and is composed of a negative electrode (negative electrode active material layer) 13, an electrolyte layer 17, and a positive electrode (positive electrode active material layer) 15. A plurality of battery layers (single cells) 19 are stacked.

なお、本発明のリチウムイオン電池は、図1に示すような扁平な形状(積層型)のものに制限されるわけではない。例えば、巻回型のリチウムイオン電池では、円筒型形状のものであってもよいし、こうした円筒型形状のものを変形させて、長方形状の扁平な形状にしたようなものであってもよい。上記円筒型の形状のものでは、その外装材に、ラミネートシートを用いてもよいし、従来の円筒缶(金属缶)を用いてもよく、特に制限はない。   The lithium ion battery of the present invention is not limited to a flat shape (stacked type) as shown in FIG. For example, the wound type lithium ion battery may have a cylindrical shape, or may have a shape that is a flattened rectangular shape by deforming such a cylindrical shape. . In the cylindrical shape, a laminate sheet or a conventional cylindrical can (metal can) may be used as the exterior material, and there is no particular limitation.

また、図5に示す集電板25、27の取り出しに関しても、特に制限されず、負極集電板25と正極集電板27とを同じ辺から引き出すようにしてもよいし負極集電板25と正極集電板27をそれぞれ複数に分けて、各辺から取り出すようにしてもよい。また、巻回型の双極型二次電池では、集電板に代えて、例えば、円筒缶(金属缶)を利用して端子を形成すればよい。   Further, the removal of the current collector plates 25 and 27 shown in FIG. 5 is not particularly limited, and the negative electrode current collector plate 25 and the positive electrode current collector plate 27 may be pulled out from the same side or the negative electrode current collector plate 25. The positive electrode current collector plate 27 may be divided into a plurality of pieces and taken out from each side. Further, in a wound bipolar secondary battery, a terminal may be formed using, for example, a cylindrical can (metal can) instead of the current collector plate.

本実施形態によれば、高容量で充放電サイクルに優れるリチウムイオン電池が提供されうる。本実施形態のリチウムイオン電池は、電気自動車やハイブリッド電気自動車や燃料電池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、高体積エネルギー密度、高体積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。   According to this embodiment, a lithium ion battery having a high capacity and excellent charge / discharge cycle can be provided. The lithium ion battery of this embodiment is a power source for driving a vehicle or an auxiliary power source that requires high volume energy density and high volume output density as a large capacity power source for an electric vehicle, a hybrid electric vehicle, a fuel cell vehicle, a hybrid fuel cell vehicle, etc. Can be suitably used.

[組電池]
本実施形態の電池の複数個を、並列および/または直列に接続して、組電池としてもよい。図6は、本発明の一実施形態に係る組電池の外観図である。図6Aは組電池の平面図であり、図6Bは組電池の正面図であり、図6Cは組電池の側面図である。
[Battery]
A plurality of the batteries of this embodiment may be connected in parallel and / or in series to form an assembled battery. FIG. 6 is an external view of an assembled battery according to an embodiment of the present invention. 6A is a plan view of the assembled battery, FIG. 6B is a front view of the assembled battery, and FIG. 6C is a side view of the assembled battery.

図6に示す形態では、上記実施形態の積層型電池10を複数、直列および/または並列に接続して装脱着可能な小型の組電池35が形成されている。そして、この装脱着可能な小型の組電池35がさらに複数、直列および/または並列に接続され、組電池37とされている。これにより、組電池37は、高体積エネルギー密度、高体積出力密度が求められる車両駆動用電源や補助電源に適した大容量、大出力を持つ組電池37とされる。作成した装脱着可能な小型の組電池35は、バスバーのような電気的な接続手段を用いて相互に接続され、この組電池35は接続治具39を用いて複数段積層される。何個の非双極型のリチウムイオン二次電池を接続して組電池35を作製するか、また、何段の組電池35を積層して組電池37を作製するかは、搭載される車両(電気自動車)の電池容量や出力に応じて決めればよい。本実施形態によれば、高容量で充放電サイクルに優れる組電池が提供されうる。   In the form shown in FIG. 6, a small assembled battery 35 that can be attached and detached by connecting a plurality of the stacked batteries 10 of the above embodiment in series and / or in parallel is formed. A plurality of small assembled batteries 35 that can be attached and detached are connected in series and / or in parallel to form an assembled battery 37. As a result, the assembled battery 37 is an assembled battery 37 having a large capacity and a large output suitable for a vehicle driving power source and an auxiliary power source that require high volume energy density and high volume output density. The small assembled batteries 35 that can be attached and detached are connected to each other using an electrical connection means such as a bus bar, and the assembled batteries 35 are stacked in a plurality of stages using a connection jig 39. How many non-bipolar lithium ion secondary batteries are connected to produce the assembled battery 35, and how many assembled batteries 35 are laminated to produce the assembled battery 37 are determined by the vehicle mounted ( It may be determined according to the battery capacity and output of the electric vehicle. According to this embodiment, an assembled battery having a high capacity and excellent charge / discharge cycle can be provided.

[車両]
積層型電池10または組電池37は、車両の駆動用電源として用いられうる。積層型電池10または組電池37は、例えば、自動車ならばハイブリット車、燃料電池車、電気自動車(いずれも四輪車(乗用車、トラック、バスなどの商用車、軽自動車など)の他、二輪車(バイク)や三輪車を含む)に用いられうる。これにより、充放電サイクルに優れた自動車が提供されうる。ただし、用途が自動車に限定されるわけではなく、例えば、他の車両であれば、電車などの移動体の各種電源であっても適用は可能であるし、無停電電源装置などの載置用電源として利用することも可能である。
[vehicle]
The stacked battery 10 or the assembled battery 37 can be used as a power source for driving the vehicle. The stacked battery 10 or the assembled battery 37 may be, for example, a hybrid vehicle, a fuel cell vehicle, an electric vehicle (all are automobiles (commercial vehicles such as passenger cars, trucks, buses, etc.), motorcycles, etc.) Motorcycles) and tricycles). Thereby, the motor vehicle excellent in the charge / discharge cycle can be provided. However, the application is not limited to automobiles. For example, if it is another vehicle, it can be applied to various power sources for moving bodies such as trains, and it can be used for mounting uninterruptible power supplies and the like. It can also be used as a power source.

図7は、本発明の組電池37を搭載した車両の概念図である。図7に示すように、組電池37を自動車40のような車両に搭載するには、自動車40の車体中央部の座席下に搭載する。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、組電池37を搭載する場所は、座席下に限らず、後部トランクルームの下部でもよいし、車両前方のエンジンルームに搭載してもよい。以上のような組電池37を用いた自動車40は優れた耐久性を有し、長期間使用しても十分な出力を提供しうる。さらに、燃費、走行性能に優れた電気自動車、ハイブリッド自動車を提供できる。   FIG. 7 is a conceptual diagram of a vehicle equipped with the assembled battery 37 of the present invention. As shown in FIG. 7, in order to mount the assembled battery 37 in a vehicle such as the automobile 40, the assembled battery 37 is mounted under the seat in the center of the vehicle body of the automobile 40. This is because if it is installed under the seat, the interior space and the trunk room can be widened. The place where the assembled battery 37 is mounted is not limited to the position under the seat, but may be a lower part of the rear trunk room or may be mounted in an engine room in front of the vehicle. The automobile 40 using the assembled battery 37 as described above has excellent durability and can provide a sufficient output even when used for a long period of time. Furthermore, it is possible to provide electric vehicles and hybrid vehicles that are excellent in fuel efficiency and driving performance.

本発明の効果を、以下の実施例および比較例を用いて説明する。ただし、本発明の技術的範囲が以下の実施例のみに制限されるわけではない。   The effects of the present invention will be described using the following examples and comparative examples. However, the technical scope of the present invention is not limited only to the following examples.

1.固溶体正極材料の合成
試料の合成は、複合炭酸塩法を用いて以下のように行った。硫酸ニッケル、硫酸コバルト、硫酸マンガンを所定量秤量し、これらの混合溶液を調製して、これにアンモニア水をpH7になるまで滴下して、さらにNaCO溶液を滴下してNi−Co−Mnの複合炭酸塩を沈殿させた。NaCO溶液を滴下している間、アンモニア水でpH7を保持した。その後、吸引ろ過し、水洗して、120℃にて5時間乾燥した。これを500℃にて5時間仮焼成した。これに小過剰のLiOH・HOを加えて、自動乳鉢で30分間混合した。なお、LiOH・HOの添加量は、遷移金属量(Ni、Co、Mnの総モル量)を0.8としたときに、1.2〜1.4のモル量とした。
1. Synthesis of Solid Solution Cathode Material A sample was synthesized as follows using a composite carbonate method. Nickel sulfate, cobalt sulfate, and manganese sulfate are weighed in predetermined amounts to prepare a mixed solution thereof. Ammonia water is added dropwise until pH 7 is reached, and a Na 2 CO 3 solution is further added dropwise to add Ni—Co—. A complex carbonate of Mn was precipitated. While the Na 2 CO 3 solution was dropped, pH 7 was maintained with aqueous ammonia. Then, it filtered by suction, washed with water, and dried at 120 degreeC for 5 hours. This was calcined at 500 ° C. for 5 hours. A small excess of LiOH.H 2 O was added thereto and mixed for 30 minutes in an automatic mortar. The addition amount of LiOH.H 2 O was 1.2 to 1.4 when the transition metal amount (total molar amount of Ni, Co, and Mn) was 0.8.

その後、900℃にて12時間本焼成した後に、液体窒素を用い急速冷却した。これにより下記表1に示す実施例1〜13および比較例1〜4の固溶体正極材料をそれぞれ合成した。なお、表1中のx、yの値は、一般式(2):xLi[Li1/3Mn2/3]・(1−x)[yLiNi1/2Mn1/2・(1−y)LiNi1/3Mn1/3Co1/3]におけるxおよびyに相当する。 Then, after baking at 900 degreeC for 12 hours, it cooled rapidly using liquid nitrogen. Thus, solid solution positive electrode materials of Examples 1 to 13 and Comparative Examples 1 to 4 shown in Table 1 below were synthesized. In addition, the values of x and y in Table 1 are represented by the general formula (2): xLi [Li 1/3 Mn 2/3 O 2 ]. (1-x) [yLiNi 1/2 Mn 1/2 O 2. (1-y) corresponds to x and y in LiNi 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2 ].

2.合成試料の分析
(1)X線回折(XRD):得られた試料についてX線回折測定を行った。合成した全ての試料は、下記の空間群に帰属でき、20〜23°に超格子構造を示す回折線が現れていた。
2. Analysis of synthetic sample (1) X-ray diffraction (XRD): X-ray diffraction measurement was performed on the obtained sample. All the synthesized samples could be assigned to the following space groups, and diffraction lines showing a superlattice structure appeared at 20 to 23 °.

(2)電子線回折:得られた試料について電子線回折測定を行った。実施例の全ての試料の電子線回折パターン中に金属層内のリチウムの周期配列構造に由来する回折斑点が現れていた。図8に実施例2で得られた試料の電子線回折パターンを示す。図8から、金属層内のリチウムの周期配列構造に由来する回折斑点(図8中の矢印)が確認できる。   (2) Electron diffraction: Electron diffraction measurement was performed on the obtained sample. In the electron beam diffraction patterns of all the samples of the examples, diffraction spots derived from the periodic arrangement structure of lithium in the metal layer appeared. FIG. 8 shows an electron diffraction pattern of the sample obtained in Example 2. From FIG. 8, diffraction spots (arrows in FIG. 8) derived from the periodic arrangement structure of lithium in the metal layer can be confirmed.

(3)元素分析:得られた試料について誘導結合プラズマ(ICP)元素分析を行い、得られた試料が表1に示す組成となっていることを確認した。   (3) Elemental analysis: The obtained sample was subjected to inductively coupled plasma (ICP) elemental analysis to confirm that the obtained sample had the composition shown in Table 1.

3.正極材料の評価
(1)電極と評価用セルの作製
上記の表1の正極活物質を用いて以下の手順により評価用セルを作製した。まず、正極活物質:導電性バインダー(TAB−2)=66:34(質量比)にして、混練法を用いて直径16mmのペレットに成形し、同径のステンレスメッシュ(集電体)に2トンの圧力で圧着して、真空下、120℃で4時間加熱乾燥してサンプル正極とした。なお、単位面積当たりの活物質量は10mgとなるようにした。
3. Evaluation of Positive Electrode Material (1) Preparation of Electrode and Evaluation Cell An evaluation cell was prepared by the following procedure using the positive electrode active material shown in Table 1 above. First, a positive electrode active material: conductive binder (TAB-2) = 66: 34 (mass ratio) was formed into a pellet having a diameter of 16 mm by using a kneading method, and 2 pieces were formed on a stainless mesh (current collector) having the same diameter. The sample was positively bonded at a pressure of tons and dried by heating at 120 ° C. for 4 hours under vacuum to obtain a sample positive electrode. The amount of active material per unit area was set to 10 mg.

負極として金属リチウムを用いた。セパレータとしての厚さ25μmのポリプロピレンの多孔質膜2枚を介して上記で得たサンプル正極と負極とを対向させ、コインセルの底部の上に配置させた。続いて、正極と負極との間の絶縁性を保つためのガスケットを装着した後に、シリンジを用いて電解液を注液し、スプリングおよびスペーサを積層した。そして、コインセルの上部を重ね合わせ、かしめを行って評価用セルとした。なお、電解液としては、1M LiPFのエチレンカーボネート(EC):ジエチルカーボネート(DMC)=1:2(体積比)の電解液を用いた。 Metallic lithium was used as the negative electrode. The sample positive electrode and negative electrode obtained above were opposed to each other through two 25 μm-thick polypropylene porous membranes as separators and placed on the bottom of the coin cell. Subsequently, after mounting a gasket for maintaining insulation between the positive electrode and the negative electrode, an electrolyte was injected using a syringe, and a spring and a spacer were laminated. Then, the upper part of the coin cell was overlapped and caulked to obtain an evaluation cell. In addition, as electrolyte solution, electrolyte solution of ethylene carbonate (EC): diethyl carbonate (DMC) = 1: 2 (volume ratio) of 1M LiPF 6 was used.

(2)充放電試験
(充放電前処理)
上記の方法で作製した各評価用セルについて、定電流0.4mAにて、電位差が4.5Vとなるまで充電した後、この電位差が2.0Vとなるまで放電をさせた。この操作を2回繰り返した。さらに、同様にして、4.6Vから2.0Vの範囲の充放電、4.7Vから2.0Vの範囲の充放電、4.8Vから2.0Vの範囲の充放電をそれぞれ2回ずつ行った。
(2) Charge / discharge test (pre-charge / discharge treatment)
Each evaluation cell produced by the above method was charged at a constant current of 0.4 mA until the potential difference reached 4.5V, and then discharged until the potential difference reached 2.0V. This operation was repeated twice. Further, in the same manner, charging / discharging in the range of 4.6V to 2.0V, charging / discharging in the range of 4.7V to 2.0V, and charging / discharging in the range of 4.8V to 2.0V were performed twice. It was.

(評価)
上記の充放電前処理後の評価用セルを、定電流0.4mAにて、4.8V(=最高電位)となるまで充電した後、2.0V(=最低電位)となるまで放電させた。この充放電過程を1サイクルとし、30サイクルの充放電サイクル試験を行い、30サイクル目の放電容量を測定した。結果を図9ならびに表1に示す。図9は実施例および比較例で得られた試料の結晶構造の格子定数比(c/a)と放電容量との関係を示すグラフである。
(Evaluation)
The evaluation cell after the above charge / discharge pretreatment was charged at a constant current of 0.4 mA until 4.8 V (= maximum potential), and then discharged until 2.0 V (= minimum potential). . This charge / discharge process was defined as one cycle, a charge / discharge cycle test of 30 cycles was performed, and the discharge capacity at the 30th cycle was measured. The results are shown in FIG. FIG. 9 is a graph showing the relationship between the lattice constant ratio (c / a) of the crystal structures of the samples obtained in Examples and Comparative Examples and the discharge capacity.

表1および図9から、結晶構造を岩塩型六方晶と定義した場合の格子定数のc軸長とa軸長との比(c/a)が4.983〜4.995の範囲にある実施例1〜10の正極活物質材料を使用したセルは、30サイクルの充放電後においても放電容量が高く維持されることがわかった。特に、格子定数のc軸長とa軸長との比(c/a)が4.983〜4.987の範囲にある正極活物質材料を使用した実施例1〜10のセルは、30サイクル後の放電容量が大きかった。これに対して、格子定数のc軸長とa軸長との比(c/a)が所望の範囲にない比較例のセルは、実施例1〜10のセルに比べて30サイクル目の放電容量が小さいことが確認された。   From Table 1 and FIG. 9, the ratio (c / a) between the c-axis length and the a-axis length of the lattice constant when the crystal structure is defined as a rock salt type hexagonal crystal is in the range of 4.984 to 4.995. It was found that the cells using the positive electrode active material of Examples 1 to 10 maintained a high discharge capacity even after 30 cycles of charge and discharge. In particular, the cells of Examples 1 to 10 using the positive electrode active material having a ratio (c / a) of the c-axis length to the a-axis length of the lattice constant in the range of 4.983 to 4.987 are 30 cycles. The later discharge capacity was large. On the other hand, the cell of the comparative example in which the ratio (c / a) between the c-axis length and the a-axis length of the lattice constant is not in the desired range is the 30th cycle discharge compared to the cells of Examples 1-10. It was confirmed that the capacity was small.

以上から、c軸長とa軸長との比(c/a)が所望の範囲にある本発明の正極活物質材料を使用した場合には、サイクル特性および容量特性が向上した電池が得られることが確認された。   From the above, when the positive electrode active material of the present invention in which the ratio of c-axis length to a-axis length (c / a) is in a desired range, a battery with improved cycle characteristics and capacity characteristics is obtained. It was confirmed.

10 積層型電池、
11 負極集電体、
12 正極集電体、
13 負極活物質層(負極)、
15 正極活物質層(正極)、
17 電解質層、
19 単電池層(単セル)、
21 発電要素、
25 負極集電板、
27 正極集電板、
29 外装体(ラミネートシート)、
35 装脱着可能な小型の組電池、
37 組電池、
39 接続治具、
40 自動車。
10 stacked battery,
11 negative electrode current collector,
12 positive electrode current collector,
13 negative electrode active material layer (negative electrode),
15 positive electrode active material layer (positive electrode),
17 electrolyte layer,
19 Single battery layer (single cell),
21 power generation elements,
25 negative current collector,
27 positive current collector,
29 exterior body (laminate sheet),
35 A small assembled battery that can be attached and detached,
37 battery pack,
39 Connecting jig,
40 cars.

Claims (8)

一般式(1):
(式中、0<x<1であり、Mは、平均酸化状態が4+である1つ以上の遷移金属であり、Mは、平均酸化状態が3+である1つ以上の遷移金属である。)
で表され、
結晶構造を岩塩型六方晶と定義した場合の格子定数のc軸長とa軸長との比(c/a)が、4.983≦c/a≦4.995を満たす、リチウムイオン電池用正極材料。
General formula (1):
(Where 0 <x <1, M 1 is one or more transition metals having an average oxidation state of 4+, and M 2 is one or more transition metals having an average oxidation state of 3+. is there.)
Represented by
When the crystal structure is defined as a rock salt type hexagonal crystal, the ratio (c / a) between the c-axis length and the a-axis length of the lattice constant satisfies 4.983 ≦ c / a ≦ 4.995. Positive electrode material.
はMn、Zr、およびTiからなる群から選択される少なくとも1種類以上の遷移金属元素である、請求項1に記載のリチウムイオン電池用正極材料。 2. The positive electrode material for a lithium ion battery according to claim 1, wherein M 1 is at least one transition metal element selected from the group consisting of Mn, Zr, and Ti. はNi、Co、Cr、Al、Mn、Zr、Ti、Fe、Mg、およびZnからなる群から選択される少なくとも1種類以上の遷移金属元素である、請求項1または2に記載のリチウムイオン電池用正極材料。 3. The lithium according to claim 1, wherein M 2 is at least one transition metal element selected from the group consisting of Ni, Co, Cr, Al, Mn, Zr, Ti, Fe, Mg, and Zn. Positive electrode material for ion batteries. 一般式(2):
(式中、0.4≦x<1.0であり、0≦y≦1である。)
で表される、請求項1〜3のいずれか1項に記載のリチウムイオン電池用正極材料。
General formula (2):
(In the formula, 0.4 ≦ x <1.0 and 0 ≦ y ≦ 1.)
The positive electrode material for a lithium ion battery according to any one of claims 1 to 3, represented by:
前記格子定数のc軸長とa軸長との比(c/a)が、4.983≦c/a≦4.987を満たす、請求項1〜4のいずれか1項に記載のリチウムイオン電池用正極材料。   5. The lithium ion according to claim 1, wherein a ratio (c / a) between the c-axis length and the a-axis length of the lattice constant satisfies 4.983 ≦ c / a ≦ 4.987. Positive electrode material for batteries. 請求項1〜5のいずれか1項に記載のリチウムイオン電池用正極材料を正極活物質として用いてなるリチウムイオン電池。   The lithium ion battery which uses the positive electrode material for lithium ion batteries of any one of Claims 1-5 as a positive electrode active material. 請求項6に記載のリチウムイオン電池を用いた組電池。   An assembled battery using the lithium ion battery according to claim 6. 請求項6に記載のリチウムイオン電池または請求項7に記載の組電池を駆動用電源として搭載した、車両。   A vehicle equipped with the lithium ion battery according to claim 6 or the assembled battery according to claim 7 as a driving power source.
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