JP2011096655A - Cathode active material and lithium secondary battery using the active material - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、リチウム二次電池用正極活物質とその製造方法に関する。さらには該正極活物質を用いて構築されたリチウム二次電池に関する。 The present invention relates to a positive electrode active material for a lithium secondary battery and a method for producing the same. Furthermore, the present invention relates to a lithium secondary battery constructed using the positive electrode active material.
近年、リチウム二次電池やニッケル水素電池等の二次電池は、電気を駆動源とする車両搭載用電源、あるいはパソコン及び携帯端末その他の電気製品等に搭載される電源として重要性が高まっている。特に、軽量で高エネルギー密度が得られるリチウム二次電池(典型的にはリチウムイオン電池)は、車両搭載用高出力電源として好ましく用いられるものとして期待されている。リチウム二次電池に関連する技術文献として特許文献1〜4が挙げられる。
この種のリチウム二次電池の一つの典型的な構成では、電極集電体の表面にリチウムイオンを可逆的に吸蔵および放出し得る電極活物質層(具体的には、正極活物質層および負極活物質層)を有する。例えば、正極の場合、リチウムとニッケル等の遷移金属とを構成金属元素として含む複合酸化物から成る正極活物質が、適当な溶媒(例えば水等の水系溶媒や各種の有機溶剤)に分散された状態のペースト状組成物(ペースト状組成物にはスラリー状組成物が包含される。以下、この種の組成物を単にペーストと呼称する。)が正極集電体上に塗布されることにより形成された正極活物質層を有している。
In recent years, secondary batteries such as lithium secondary batteries and nickel metal hydride batteries have become increasingly important as power sources mounted on vehicles using electricity as a drive source, or power sources mounted on personal computers, portable terminals, and other electrical products. . In particular, a lithium secondary battery (typically a lithium ion battery) that is lightweight and obtains a high energy density is expected to be preferably used as a high-output power source mounted on a vehicle. Patent documents 1-4 are mentioned as technical literature relevant to a lithium secondary battery.
In one typical configuration of this type of lithium secondary battery, an electrode active material layer (specifically, a positive electrode active material layer and a negative electrode capable of reversibly inserting and extracting lithium ions on the surface of the electrode current collector). Active material layer). For example, in the case of a positive electrode, a positive electrode active material composed of a composite oxide containing lithium and a transition metal such as nickel as constituent metal elements is dispersed in an appropriate solvent (for example, an aqueous solvent such as water or various organic solvents). A paste-like composition in a state (a paste-like composition includes a slurry-like composition. Hereinafter, this type of composition is simply referred to as a paste) is applied onto a positive electrode current collector. A positive electrode active material layer.
ところで、リチウム二次電池の正極活物質を構成する複合酸化物のうち、ニッケルを主体として構成されるいわゆるリチウムニッケル系複合酸化物:LiNi1−yMyO2(MはNi以外の適当な他の1種又は2種以上の金属元素)は、従来のコバルト酸リチウム等よりも理論上のリチウムイオン吸蔵容量が大きく、また、コバルトのようなコスト高の金属材料の使用量を削減できる等の観点から、リチウム二次電池の製造上好ましい正極材料として注目されている。
例えば、この種の正極活物質に関連する従来技術として特許文献1には、リチウム二次電池の内部抵抗の増加および放電容量の低下を抑制して充放電サイクル特性を向上させるべく、使用するリチウムニッケル系正極活物質の比表面積を限定し且つ当該活物質表面を水溶性高分子で被覆したことを特徴とするリチウム二次電池が開示されている。
By the way, among the composite oxides constituting the positive electrode active material of the lithium secondary battery, a so-called lithium nickel-based composite oxide composed mainly of nickel: LiNi 1-y M y O 2 (M is an appropriate material other than Ni). Other one or more metal elements) have a theoretical lithium ion storage capacity larger than that of conventional lithium cobalt oxide and the like, and can reduce the amount of expensive metal materials such as cobalt used. In view of the above, it has attracted attention as a preferable positive electrode material in the production of a lithium secondary battery.
For example,
ところで、正極活物質層形成用のペーストを調製する際、溶媒として水系溶媒を使用することが注目されている。水系溶媒を用いて成るペースト(以下、「水系ペースト」ともいう。)は、有機溶剤を用いて成るペースト(以下、「溶剤ペースト」ともいう。)に比べて、有機溶剤およびそれに伴う産業廃棄物が少なくて済み、尚且つそのための設備及び処理コストが発生しないことから総じて環境負荷が低減される利点を有するからである。 By the way, when preparing the paste for forming the positive electrode active material layer, it is attracting attention to use an aqueous solvent as a solvent. Pastes that use aqueous solvents (hereinafter also referred to as “aqueous pastes”) are more organic solvents and associated industrial waste than pastes that use organic solvents (hereinafter also referred to as “solvent pastes”). This is because there is an advantage that the environmental load can be reduced as a whole because there is no need for such a system, and there is no equipment and processing costs for that purpose.
しかしながら、正極活物質としてリチウムニッケル系複合酸化物を使用して水系ペーストを調製した場合、水系溶媒(典型的には水)とリチウムニッケル系複合酸化物とが典型的には以下の反応式:
H2O+LiNiO2 → NiOOH+Li++OH−;
に示すような反応を生じる虞があった。
かかる反応は、上記反応式から明らかなように、まず第1に、水系溶媒中にリチウムイオンが流出することにより電池容量の低下を招くため好ましくない。第2に、上記反応の進行によって正極活物質の導電性が低下し、充放電の繰り返しにより電池内(正極内)の反応抵抗の増大をもたらすため好ましくない。かかる問題に関し、上述の特許文献1に記載の技術は、正極活物質と水との接触をある程度制限するものにすぎないため、根本的な解決策とはならない。また、上記特許文献2に記載の技術は、溶剤ペーストを用いて形成された正極活物質層から電解液中に正極活物質の構成元素であるMnの溶出を抑制するものであり、上記水系ペースト特有の問題を解決するものではない。
However, when an aqueous paste is prepared using a lithium nickel composite oxide as a positive electrode active material, an aqueous solvent (typically water) and a lithium nickel composite oxide typically have the following reaction formula:
H 2 O + LiNiO 2 → NiOOH + Li + + OH − ;
There was a possibility that the reaction shown in FIG.
As is apparent from the above reaction formula, this reaction is unfavorable because, first of all, lithium ions flow out into the aqueous solvent, resulting in a decrease in battery capacity. Secondly, the conductivity of the positive electrode active material is lowered by the progress of the reaction, and the reaction resistance in the battery (in the positive electrode) is increased by repeated charge and discharge, which is not preferable. With regard to such a problem, the technique described in
そこで、本発明は、上述したように、正極活物質としてのリチウムニッケル系複合酸化物を含む正極活物質層形成用水系ペーストと該水系ペーストを用いてリチウム二次電池を製造する際の問題点を解決すべく創出されたものであり、その目的とするところは、当該正極活物質のリチウムと水系溶媒(典型的には水)との反応を抑制し、優れた電池特性(例えば、ハイレート特性またはサイクル特性)を有するリチウム二次電池を提供することにある。また、本発明の他の目的は、そのようなリチウム二次電池の製造に好適な水系ペースト用の正極活物質およびその製造方法の提供である。 Therefore, as described above, the present invention has a problem in manufacturing a lithium secondary battery using an aqueous paste for forming a positive electrode active material layer containing a lithium nickel composite oxide as a positive electrode active material and the aqueous paste. The purpose of this is to suppress the reaction between lithium of the positive electrode active material and an aqueous solvent (typically water), and to achieve excellent battery characteristics (for example, high-rate characteristics) Another object is to provide a lithium secondary battery having cycle characteristics. Another object of the present invention is to provide a positive electrode active material for an aqueous paste suitable for the production of such a lithium secondary battery and a method for producing the same.
上記目的を実現するべく、本発明により、リチウム二次電池の正極活物質層を形成するための水系溶媒と正極活物質とを含む水系ペーストを調製するのに用いられる該水系ペースト調製用の正極活物質が提供される。ここで開示される正極活物質は、少なくともリチウムとニッケルを構成金属元素とする複合酸化物(リチウムニッケル系複合酸化物)により構成されている。該複合酸化物の表面の少なくとも一部は水溶性リチウム化合物で被覆されている。上記水溶性リチウム化合物の被覆量は、中和滴定法に基づく該水溶性リチウム化合物中のリチウムのモル数mLiおよび前記複合酸化物を構成するリチウム以外の全ての金属元素の合計モル数Mallに基づいて下記式(a):
A=mLi/Mall (a);
により表されるリチウムのモル比(A)が0.018〜0.032になるように規定されている。
To achieve the above object, according to the present invention, a positive electrode for preparing an aqueous paste used for preparing an aqueous paste containing an aqueous solvent and a positive electrode active material for forming a positive electrode active material layer of a lithium secondary battery. An active material is provided. The positive electrode active material disclosed here is composed of a composite oxide (lithium nickel composite oxide) having at least lithium and nickel as constituent metal elements. At least a part of the surface of the composite oxide is coated with a water-soluble lithium compound. Coverage of the water-soluble lithium compound, the total number of moles M all of all metallic elements other than lithium constituting the moles m Li and the composite oxide of lithium of the water-soluble lithium compound based on neutralization titration method Based on the following formula (a):
A = m Li / M all (a);
The molar ratio (A) of lithium represented by the formula is specified to be 0.018 to 0.032.
なお、本明細書において「リチウム二次電池」とは、電解質イオンとしてリチウムイオンを利用し、正負極間のリチウムイオンの移動により充放電が実現される二次電池をいう。一般に、リチウムイオン電池と称される二次電池は、本明細書におけるリチウム二次電池に包含される典型例である。
また、本明細書において「正極活物質」とは、二次電池において電荷担体となる化学種(すなわちリチウムイオン)を可逆的に吸蔵および放出(典型的には挿入および脱離)可能な正極側の物質をいう。
In the present specification, the “lithium secondary battery” refers to a secondary battery that uses lithium ions as electrolyte ions and is charged and discharged by movement of lithium ions between the positive and negative electrodes. In general, a secondary battery referred to as a lithium ion battery is a typical example included in the lithium secondary battery in this specification.
In this specification, the “positive electrode active material” means a positive electrode side capable of reversibly occluding and releasing (typically inserting and desorbing) chemical species (that is, lithium ions) serving as charge carriers in a secondary battery. Refers to the substance.
本発明によって提供される正極活物質は、リチウム二次電池の正極活物質層を形成するための水系ペースト調製用の正極活物質である。正極活物質(リチウムニッケル系複合酸化物)を水系溶媒(典型的には水)と混合して正極活物質層形成用のペーストを調製すると、水系溶媒中に正極活物質の構成元素であるリチウムイオンが流出し、該ペーストを用いて構築されるリチウム二次電池の電池容量が低下することがある。また、正極活物質中のリチウムイオンが流出すると、正極活物質の導電性(導電パス)が低下し、充放電の繰り返しにより電池内(正極内)の反応抵抗が増大する虞がある。このような正極活物質と水系溶媒との反応によって生じ得る水系ペースト特有の問題を解決すべく、ここに開示されるリチウムニッケル系複合酸化物(以下、単に「複合酸化物」と呼称する場合もある)により構成される水系ペースト調製用正極活物質では、該複合酸化物の表面の少なくとも一部が、上記規定される被覆量の水溶性リチウム化合物によって被覆されている。そのため、該正極活物質と水系溶媒とが混合されて水系ペーストが調製されるとき、該複合酸化物の結晶中からリチウムイオンが流出する事象を抑制することができる。典型的には、結晶からのリチウムイオン流出よりも先に上記被覆されている水溶性リチウム化合物のリチウムイオンが水系溶媒に流出(溶解)することにより、正極活物質が本来有しているリチウムイオンの流出を防止することができる。これにより、結晶中に高密度のリチウムが保持された状態のままの正極活物質を含む水系ペーストが調製されるため、リチウム二次電池の電池容量を低下させる虞が排除される。
上記水溶性リチウム化合物の被覆量が0.018(モル比)よりも小さすぎる場合には、結晶からのリチウムイオン流出を抑制する効果が小さくなり、上述のように電池内の反応抵抗が増大することがあり得る。他方、上記被覆量が0.032(モル比)よりも大きすぎる場合には、水系ペーストに大量のリチウムイオンが溶解することにより、高pHを呈する水系ペーストが調製される。かかる高pHの水系ペーストは、粘性が高くなるため、正極集電体に均一に薄く塗布され難く、結果として電池性能の低下をもたらす。したがって、上記量の水溶性リチウム化合物が被覆された水系ペースト調製用正極活物質を用いることにより、複合酸化物中のリチウムと水系溶媒との反応が抑制され、その結果、優れた電池特性(サイクル特性またはハイレート特性)、特に低温高出力使用条件下において良好な電池特性(低温出力特性)を有するリチウム二次電池が提供され得る。
The positive electrode active material provided by the present invention is a positive electrode active material for preparing an aqueous paste for forming a positive electrode active material layer of a lithium secondary battery. When a positive electrode active material (lithium nickel composite oxide) is mixed with an aqueous solvent (typically water) to prepare a paste for forming a positive electrode active material layer, lithium as a constituent element of the positive electrode active material is added to the aqueous solvent. The ions may flow out, and the battery capacity of the lithium secondary battery constructed using the paste may decrease. In addition, when lithium ions in the positive electrode active material flow out, the conductivity (conductive path) of the positive electrode active material decreases, and the reaction resistance in the battery (in the positive electrode) may increase due to repeated charge and discharge. In order to solve such problems peculiar to aqueous pastes that may occur due to the reaction between the positive electrode active material and the aqueous solvent, the lithium nickel composite oxide disclosed herein (hereinafter sometimes simply referred to as “composite oxide”). In the positive electrode active material for water-based paste preparation constituted by (A), at least a part of the surface of the composite oxide is coated with a water-soluble lithium compound having a coating amount defined above. Therefore, when the positive electrode active material and the aqueous solvent are mixed to prepare an aqueous paste, an event in which lithium ions flow out from the crystal of the composite oxide can be suppressed. Typically, the lithium ion of the water-soluble lithium compound coated above flows out (dissolves) in an aqueous solvent prior to the outflow of lithium ions from the crystal, so that the positive electrode active material originally has lithium ions. Can be prevented from flowing out. Thereby, since the aqueous paste containing the positive electrode active material with the high-density lithium held in the crystal is prepared, the possibility of reducing the battery capacity of the lithium secondary battery is eliminated.
When the coating amount of the water-soluble lithium compound is too smaller than 0.018 (molar ratio), the effect of suppressing the outflow of lithium ions from the crystal is reduced, and the reaction resistance in the battery is increased as described above. It can happen. On the other hand, when the coating amount is too larger than 0.032 (molar ratio), an aqueous paste exhibiting a high pH is prepared by dissolving a large amount of lithium ions in the aqueous paste. Such a high pH aqueous paste has a high viscosity, so that it is difficult to uniformly and thinly apply to the positive electrode current collector, resulting in a decrease in battery performance. Therefore, by using the positive electrode active material for water-based paste preparation coated with the above-mentioned amount of water-soluble lithium compound, the reaction between lithium in the composite oxide and the water-based solvent is suppressed, and as a result, excellent battery characteristics (cycles) Characteristics or high rate characteristics), in particular, a lithium secondary battery having good battery characteristics (low temperature output characteristics) under low temperature and high power use conditions.
ここで、上記水溶性リチウム化合物の被覆量は、本発明に係る水系ペースト調製用正極活物質を水に分散させ、この分散液に塩化バリウムを加えることにより炭酸系イオンを炭酸バリウムとして除去した後、塩酸で滴定して遊離のアルカリ成分を定量することにより求めることができる。上記滴定においては、pH8付近の第一中和点(変曲点)を、典型的には電位差計を用いて判断するとよい。 Here, the coating amount of the water-soluble lithium compound is obtained by dispersing the positive electrode active material for water-based paste preparation according to the present invention in water and adding barium chloride to the dispersion to remove carbonate ions as barium carbonate. The free alkali component can be determined by titration with hydrochloric acid. In the titration, the first neutralization point (inflection point) near pH 8 is typically determined using a potentiometer.
ここに開示される水系ペースト調製用正極活物質の好ましい一態様では、上記正極活物質を構成する複合酸化物が、以下の一般式:
Lix(Ni1−yCoy)1−zMezO2 (1)
(式(1)中のx,yおよびzは、
0.99≦x≦1.12、
0≦y≦0.25、
0≦z≦0.1であり、
Meは、存在しないか或いはAl、Mn、Mg、Ti、Fe、Cu、ZnおよびGaから成る群から選択される1種又は2種以上の元素である。)で示される複合酸化物である。
上記複合酸化物は、リチウムのモル比xが0.99≦x≦1.12(典型的には1≦x≦1.12)であって、化学量論組成よりも過剰量のリチウムを含み得る結晶構造を有し、また、リチウム(Li)以外の構成金属元素としてニッケル(Ni)を含んでいる。さらに、微少含有金属元素として、コバルト(Co)及び/又はMe元素を含み得る。このように本発明によると、ニッケルの含有率が高い複合酸化物を正極活物質として採用して水系ペーストを調製した場合でも、内部抵抗の上昇を抑制し、高容量化あるいは高出力化を実現し得る水系ペーストを提供することができる。
In a preferred embodiment of the positive electrode active material for aqueous paste preparation disclosed herein, the composite oxide constituting the positive electrode active material has the following general formula:
Li x (Ni 1-y Co y ) 1-z Me z O 2 (1)
(X, y and z in the formula (1) are
0.99 ≦ x ≦ 1.12,
0 ≦ y ≦ 0.25,
0 ≦ z ≦ 0.1,
Me is one or more elements that are not present or are selected from the group consisting of Al, Mn, Mg, Ti, Fe, Cu, Zn, and Ga. ).
The composite oxide has a lithium molar ratio x of 0.99 ≦ x ≦ 1.12 (typically 1 ≦ x ≦ 1.12), and contains an excess of lithium than the stoichiometric composition. It has a crystal structure to be obtained, and also contains nickel (Ni) as a constituent metal element other than lithium (Li). Furthermore, cobalt (Co) and / or Me element may be included as a minute content metal element. As described above, according to the present invention, even when an aqueous paste is prepared by using a composite oxide having a high nickel content as a positive electrode active material, an increase in internal resistance is suppressed and high capacity or high output is realized. An aqueous paste can be provided.
また、好ましい一態様では、上記水溶性リチウム化合物が水酸化リチウムである。水酸化リチウムは、水に対して溶解性が高く、かつ上記複合酸化物を製造する際の出発原料(後述する複合酸化物製造用原料のリチウム供給源)として好適に採用され得る。かかる水溶性リチウム化合物が複合酸化物に被覆された正極活物質は、水系溶媒と混合され水系ペーストが調製される際、該水溶性リチウム化合物が水系溶媒に先に溶解する。そのため、複合酸化物の結晶中のリチウムと水系溶媒との反応が抑制され、該結晶中に高密度のリチウムが保持された状態で正極活物質層形成用の水系ペーストを調製することができる。その結果、該正極活物質を用いることにより、優れた電池特性(サイクル特性または低温出力特性)を有するリチウム二次電池を提供することができる。 In a preferred embodiment, the water-soluble lithium compound is lithium hydroxide. Lithium hydroxide is highly soluble in water and can be suitably employed as a starting material (lithium supply source of a raw material for producing a composite oxide described later) when producing the composite oxide. When the positive electrode active material in which the water-soluble lithium compound is coated with the composite oxide is mixed with an aqueous solvent to prepare an aqueous paste, the water-soluble lithium compound is first dissolved in the aqueous solvent. Therefore, the reaction between lithium in the complex oxide crystal and the aqueous solvent is suppressed, and the aqueous paste for forming the positive electrode active material layer can be prepared in a state where high-density lithium is retained in the crystal. As a result, a lithium secondary battery having excellent battery characteristics (cycle characteristics or low-temperature output characteristics) can be provided by using the positive electrode active material.
ところで、リチウムニッケル系複合酸化物の表面に水酸化リチウムを有する正極活物質は、該表面に炭酸リチウムをも有することが多い。かかる炭酸リチウムは、正極活物質の原料(Li源)として炭酸リチウムを用いた場合にその一部が残留し得るほか、水酸化リチウムが空気中の二酸化炭素と反応することによっても生成し得る。したがって、複合酸化物の表面に所定量の水酸化リチウムを意図的に存在させようとすると、正極活物質の製造や取扱い(保存、輸送など)の際の条件等によって、該複合酸化物の表面に比較的多くの炭酸リチウムが存在するものとなり得る。しかしながら、炭酸リチウムは水に対する溶解性が低いため、水酸化リチウムとは異なり、水系ペーストの調製後も複合酸化物の表面に留まって内部抵抗を増加させる要因となり得る。 By the way, the positive electrode active material having lithium hydroxide on the surface of the lithium nickel composite oxide often has lithium carbonate on the surface. When lithium carbonate is used as a raw material (Li source) of the positive electrode active material, a part of the lithium carbonate can remain, or it can be generated by reacting lithium hydroxide with carbon dioxide in the air. Therefore, if a predetermined amount of lithium hydroxide is intentionally made to exist on the surface of the composite oxide, the surface of the composite oxide may vary depending on conditions during manufacture and handling (storage, transportation, etc.) of the positive electrode active material. Relatively large amounts of lithium carbonate may be present. However, since lithium carbonate has low solubility in water, unlike lithium hydroxide, it can remain on the surface of the composite oxide even after preparation of the aqueous paste and increase internal resistance.
そこで、ここに開示される技術の好ましい一態様では、上記水系ペースト調製用正極活物質において、水溶性リチウム化合物(典型的には水酸化リチウム)に含まれるLi量と炭酸リチウムに含まれるLi量との関係を規定する。すなわち、上記一態様に係る正極活物質は、前記リチウムのモル比(A)と、
前記正極活物質についての高周波燃焼−赤外吸収法に基づく炭素量WTC(質量%)および前記複合酸化物を構成するリチウム以外の全ての金属元素の合計モル数Mallに基づいて下記式(b):
B=WTC×(1/12)×2÷Mall (b);
により算出される、WTCに対応する量の炭酸リチウム(Li2CO3)に含まれるリチウムのモル比(B)とが、以下の関係式(c):
0<(1.2A−B)<0.03 (c);
を満たすことを特徴とする。かかる正極活物質によると、水溶性リチウム化合物(典型的には水酸化リチウム)の被覆量をここに開示される好ましい範囲に規定することによる効果が、より適切に(より確実に)発揮され得る。
Therefore, in a preferred embodiment of the technology disclosed herein, in the positive electrode active material for preparing an aqueous paste, the amount of Li contained in a water-soluble lithium compound (typically lithium hydroxide) and the amount of Li contained in lithium carbonate. Defines the relationship. That is, the positive electrode active material according to the above aspect includes a lithium molar ratio (A),
Based on the carbon amount W TC (mass%) based on the high-frequency combustion-infrared absorption method for the positive electrode active material and the total number of moles M all of all metal elements other than lithium constituting the composite oxide, the following formula ( b):
B = W TC × (1/12) × 2 ÷ M all (b);
The molar ratio (B) of lithium contained in lithium carbonate (Li 2 CO 3 ) in an amount corresponding to W TC calculated by the following relational expression (c):
0 <(1.2A-B) <0.03 (c);
It is characterized by satisfying. According to such a positive electrode active material, the effect of defining the coating amount of the water-soluble lithium compound (typically lithium hydroxide) within the preferable range disclosed herein can be more appropriately (more surely) exhibited. .
ここに開示される技術の他の好ましい一態様では、上記水系ペースト調製用正極活物質において、該正極活物質は一次粒子が複数集合した二次粒子の形態を呈し、前記一次粒子は、X線回折により求められる(003)面方向の結晶子径d(Å)が次式:1300Å≦d≦1500Å;を満たす。かかる正極活物質は、一次粒子の結晶子径がより大きい正極活物質に比べて、より内部抵抗の低いものとなり得る。また、一般にSOC(State of Charge;充電状態)が比較的低いとき(例えば、SOCが20%程度のとき)は、よりSOCが高いとき(例えば60〜80%程度)に比べて内部抵抗が高くなる傾向にあるところ、正極活物質が上記結晶子径を満たすことは低SOC域における内部抵抗の低減に特に大きく寄与する。したがって、このような正極活物質によると、より幅広いSOC域において良好な出力を示すリチウム二次電池が構築され得る。 In another preferable aspect of the technology disclosed herein, in the positive electrode active material for preparing an aqueous paste, the positive electrode active material has a form of secondary particles in which a plurality of primary particles are aggregated, and the primary particles are X-rays. The crystallite diameter d (Å) in the (003) plane direction determined by diffraction satisfies the following formula: 1300Å ≦ d ≦ 1500Å. Such a positive electrode active material can have a lower internal resistance than a positive electrode active material in which the primary crystallite size is larger. In general, when the SOC (State of Charge) is relatively low (for example, when the SOC is about 20%), the internal resistance is higher than when the SOC is higher (for example, about 60 to 80%). When the positive electrode active material satisfies the above crystallite size, it greatly contributes to the reduction of internal resistance in the low SOC region. Therefore, according to such a positive electrode active material, a lithium secondary battery that exhibits good output in a wider SOC range can be constructed.
また、本発明は、上記目的を実現する他の側面として、少なくともリチウムとニッケルを構成金属元素とする複合酸化物により構成されるリチウム二次電池用正極活物質を製造する方法を提供する。ここに開示される製造方法は、リチウム供給源とニッケル供給源とを包含する複合酸化物製造用原料を、リチウムのモル数MLiと他の全ての構成金属元素の合計モル数Mallとのモル比(MLi/Mall)が、1<MLi/Mallとなるようにリチウム過剰に調製すること;および上記リチウム過剰に調製した複合酸化物製造用原料を焼成することによって、上記複合酸化物から成る正極活物質であって該複合酸化物の表面の少なくとも一部が水溶性リチウム化合物で被覆された正極活物質を生成すること;を包含する。
ここで、上記複合酸化物製造用原料を調製するにあたって使用されるリチウム供給源の量は、上記水溶性リチウム化合物の被覆量が、中和滴定法に基づく該水溶性リチウム化合物中のリチウムのモル数mLiおよび前記複合酸化物を構成するリチウム以外の全ての金属元素の合計モル数Mallに基づいて下記式(a):
A=mLi/Mall (a);
により表されるリチウムのモル比(A)が0.018〜0.032になるように規定されることを特徴とする。
かかる製造方法によると、上記複合酸化物製造用原料を構成するリチウムと他の全ての構成金属元素(ここでいう構成金属元素は、ニッケル、コバルトおよび後述する式(1)中のMe元素を包含する。)とのモル組成比(MLi/Mall)が1を超えることにより、該複合酸化物の表面の少なくとも一部が水溶性リチウム化合物で被覆された正極活物質を得ることができる。また、ここに開示される製造方法では、上記モル比(A)が0.018〜0.032となるようにリチウム供給源の量が調整される。その結果、かかる製造方法により得られた正極活物質を使用して水系ペーストを調製する際、該複合酸化物の表面に被覆された水溶性リチウム化合物のリチウムイオンが水系溶媒に先に溶解し、該複合酸化物の結晶からのリチウムイオンの流出が最小限に抑えられる。このように、水系ペースト調製時における複合酸化物中のリチウムと水系溶媒との反応が抑制されるため、該ペーストを用いて構築されるリチウム二次電池の電池容量を低下させることがない。したがって、ここに開示される技術によると、優れた電池特性(サイクル特性またはハイレート特性)、特に低温高出力使用条件下において良好な出力特性を有するリチウム二次電池の構成材料として有用な正極活物質を製造する方法を提供することができる。
Moreover, this invention provides the method of manufacturing the positive electrode active material for lithium secondary batteries comprised by the composite oxide which uses lithium and nickel as a constituent metal element as another side surface which implement | achieves the said objective. In the production method disclosed herein, a raw material for producing a composite oxide including a lithium source and a nickel source is obtained by combining the number of moles of lithium M Li and the total number of moles M all of all other constituent metal elements. By preparing an excess of lithium such that the molar ratio (M Li / M all ) is 1 <M Li / M all ; and firing the composite oxide-prepared raw material for preparing the composite oxide Generating a positive electrode active material comprising an oxide, wherein at least a part of the surface of the composite oxide is coated with a water-soluble lithium compound.
Here, the amount of the lithium source used in preparing the raw material for producing the composite oxide is such that the coating amount of the water-soluble lithium compound is the molar amount of lithium in the water-soluble lithium compound based on the neutralization titration method. Based on the number m Li and the total mole number M all of all metal elements other than lithium constituting the composite oxide, the following formula (a):
A = m Li / M all (a);
The molar ratio (A) of lithium represented by is defined to be 0.018 to 0.032.
According to such a production method, lithium and all other constituent metal elements constituting the raw material for producing the composite oxide (the constituent metal elements here include nickel, cobalt, and Me element in the formula (1) described later) When the molar composition ratio (M Li / M all ) exceeds 1), a positive electrode active material in which at least a part of the surface of the composite oxide is coated with a water-soluble lithium compound can be obtained. Further, in the production method disclosed herein, the amount of the lithium supply source is adjusted so that the molar ratio (A) is 0.018 to 0.032. As a result, when preparing an aqueous paste using the positive electrode active material obtained by such a manufacturing method, lithium ions of the water-soluble lithium compound coated on the surface of the composite oxide are first dissolved in the aqueous solvent, The outflow of lithium ions from the complex oxide crystal is minimized. As described above, since the reaction between lithium in the composite oxide and the aqueous solvent at the time of preparing the aqueous paste is suppressed, the battery capacity of the lithium secondary battery constructed using the paste is not reduced. Therefore, according to the technology disclosed herein, a positive electrode active material useful as a constituent material of a lithium secondary battery having excellent battery characteristics (cycle characteristics or high rate characteristics), particularly good output characteristics under low temperature and high power use conditions Can be provided.
ここに開示される正極活物質の好ましい一態様では、上記複合酸化物製造用原料を、一般式:
Lix(Ni1−yCoy)1−zMezO2 (1)
(式(1)中のx,yおよびzは、
0.99≦x≦1.12、
0≦y≦0.25、
0≦z≦0.1であり、
Meは、存在しないか或いはAl、Mn、Mg、Ti、Fe、Cu、ZnおよびGaから成る群から選択される1種又は2種以上の元素である。)で示される複合酸化物が生成されるように全ての構成金属元素の供給源を包含し、且つ上記のようにリチウム過剰に調製する。
上記複合酸化物におけるリチウムのモル比xが0.99≦x≦1.12(典型的には1≦x≦1.12、例えば1.00<x≦1.12)であって、かつ化学量論組成よりも過剰量のリチウムが含まれるように上記複合酸化物製造用原料を調製することにより、該複合酸化物の表面の少なくとも一部に水溶性リチウム化合物が被覆された正極活物質を生成することができる。加えて、ニッケルの含有比率が高くなるように上記原料を調製することにより、導電性の高い正極活物質が得られ、ひいては高容量化あるいは高出力化を実現し得るリチウム二次電池を提供することができる。
In a preferred embodiment of the positive electrode active material disclosed herein, the raw material for producing the composite oxide is represented by the general formula:
Li x (Ni 1-y Co y ) 1-z Me z O 2 (1)
(X, y and z in the formula (1) are
0.99 ≦ x ≦ 1.12,
0 ≦ y ≦ 0.25,
0 ≦ z ≦ 0.1,
Me is one or more elements that are not present or are selected from the group consisting of Al, Mn, Mg, Ti, Fe, Cu, Zn, and Ga. ) Including all the constituent metal element sources so as to produce a composite oxide as shown in FIG.
The molar ratio x of lithium in the composite oxide is 0.99 ≦ x ≦ 1.12 (typically 1 ≦ x ≦ 1.12, such as 1.00 <x ≦ 1.12), and the chemical A cathode active material in which at least a part of the surface of the composite oxide is coated with a water-soluble lithium compound is prepared by preparing the raw material for producing the composite oxide so that an excess amount of lithium is included rather than a stoichiometric composition. Can be generated. In addition, by providing the above raw material so that the content ratio of nickel is high, a positive electrode active material having high conductivity can be obtained, and thus a lithium secondary battery capable of realizing high capacity or high output is provided. be able to.
また、好ましい一態様では、上記複合酸化物製造用原料は、上記複合酸化物の表面を被覆する上記水溶性リチウム化合物が、水酸化リチウムとなるように調製される。水酸化リチウムは、水に対する溶解性が高く、上記複合酸化物を構成するリチウム元素のリチウム供給源となり得る。そのため、上記複合酸化物製造用原料は、該複合酸化物の表面の少なくとも一部を被覆する水溶性リチウム化合物および該複合酸化物中のリチウム元素となり得る水酸化リチウムをリチウム供給源として調製されることにより、高容量化あるいは高出力化を実現し得るリチウム二次電池用正極活物質を提供することができる。 In a preferred embodiment, the raw material for producing the composite oxide is prepared such that the water-soluble lithium compound that covers the surface of the composite oxide is lithium hydroxide. Lithium hydroxide has high solubility in water and can serve as a lithium supply source of the lithium element constituting the composite oxide. Therefore, the raw material for producing the composite oxide is prepared using a water-soluble lithium compound that covers at least a part of the surface of the composite oxide and lithium hydroxide that can be a lithium element in the composite oxide as a lithium supply source. Thus, it is possible to provide a positive electrode active material for a lithium secondary battery capable of realizing high capacity or high output.
また、本発明によると、ここに開示されるいずれかの正極活物質(ここに開示されるいずれかの製造方法により得られた正極活物質であり得る。)と水系溶媒とを含む水系ペーストが提供される。本発明によって提供される水系ペーストには、正極活物質を構成する複合酸化物の表面の少なくとも一部を被覆する水溶性リチウム化合物(典型的にはリチウムイオン)が溶解している。そのため、該複合酸化物の結晶からのリチウムイオンの流出が最小限に抑えられていることから、該水系ペーストを用いて構築されるリチウム二次電池の電池容量の低下が効果的に抑制され得る。また、本発明では従来のように過剰量のリチウムイオンが水系ペーストに溶け出すことがないため、適度な粘性(ここでいうペーストの粘性はpH依存によるものであって、高pHペーストほど粘性が高くなる傾向にある。)を備えており、薄く均一に良好な状態で正極集電体表面に塗布され得る。これにより、反応抵抗が抑制された、優れた電池特性(サイクル特性または低温出力特性)を有するリチウム二次電池を構築するための水系ペーストを提供することができる。 According to the present invention, there is provided an aqueous paste containing any positive electrode active material disclosed herein (can be a positive electrode active material obtained by any of the production methods disclosed herein) and an aqueous solvent. Provided. In the aqueous paste provided by the present invention, a water-soluble lithium compound (typically lithium ion) covering at least a part of the surface of the composite oxide constituting the positive electrode active material is dissolved. Therefore, since the outflow of lithium ions from the crystal of the composite oxide is minimized, the decrease in the battery capacity of the lithium secondary battery constructed using the aqueous paste can be effectively suppressed. . In addition, in the present invention, an excessive amount of lithium ions does not dissolve into the aqueous paste as in the prior art, so that an appropriate viscosity (the viscosity of the paste here depends on pH, and the higher the pH paste, the more viscous the It can be applied to the surface of the positive electrode current collector in a thin, uniform and good state. Thereby, the aqueous paste for constructing a lithium secondary battery having excellent battery characteristics (cycle characteristics or low-temperature output characteristics) with reduced reaction resistance can be provided.
また、本発明によると、ここに開示される水系ペーストを使用して形成された正極活物質層を正極集電体上に有することを特徴とするリチウム二次電池が提供される。
さらに、本発明によると、ここに開示されるリチウム二次電池を備える車両が提供される。
本発明によって提供されるリチウム二次電池は、上述のように特に車両に搭載される電源として適した電池特性(サイクル特性またはハイレート特性)、特に低温高出力使用条件下において良好な出力特性を示すものであり得る。したがって、ここに開示されるリチウム二次電池は、ハイブリッド自動車、電気自動車のような電動機を備える自動車等の車両に搭載されるモーター(電動機)用の電源として好適に使用され得る。
In addition, according to the present invention, there is provided a lithium secondary battery comprising a positive electrode active material layer formed using the aqueous paste disclosed herein on a positive electrode current collector.
Furthermore, according to this invention, a vehicle provided with the lithium secondary battery disclosed here is provided.
As described above, the lithium secondary battery provided by the present invention exhibits battery characteristics (cycle characteristics or high rate characteristics) particularly suitable as a power source mounted on a vehicle, particularly good output characteristics under conditions of low temperature and high power use. Can be a thing. Therefore, the lithium secondary battery disclosed herein can be suitably used as a power source for a motor (electric motor) mounted on a vehicle such as an automobile equipped with an electric motor such as a hybrid vehicle or an electric vehicle.
以下、本発明の好適な実施形態を説明する。なお、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄(例えば、正極および負極を備えた電極体の構成および製造方法、セパレータや電解質の構成および製造方法、リチウム二次電池その他の電池の構築に係る一般的技術等)は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。
なお、以下の図面において、同じ作用を奏する部材・部位には同じ符号を付し、重複する説明は省略又は簡略化することがある。また、各図における寸法関係(長さ、幅、厚さ等)は実際の寸法関係を反映するものではない。
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described. It should be noted that matters other than matters specifically mentioned in the present specification and necessary for the implementation of the present invention (for example, the configuration and manufacturing method of an electrode body including a positive electrode and a negative electrode, the configuration and manufacturing of a separator and an electrolyte) General techniques related to the construction of a method, a lithium secondary battery, and other batteries) can be understood as design matters of a person skilled in the art based on the prior art in this field. The present invention can be carried out based on the contents disclosed in this specification and common technical knowledge in the field.
In addition, in the following drawings, the same code | symbol is attached | subjected to the member and site | part which show | plays the same effect | action, and the overlapping description may be abbreviate | omitted or simplified. In addition, the dimensional relationships (length, width, thickness, etc.) in each drawing do not reflect actual dimensional relationships.
本発明によって提供される正極活物質は、リチウム二次電池の正極活物質層を形成するための水系溶媒と正極活物質とを含む水系ペーストを調製するのに用いられる該水系ペースト調製用の正極活物質であり、少なくともリチウムとニッケルを構成金属元素とする複合酸化物により構成される。以下、上記正極活物質および該活物質の製造方法を詳細に説明するが、本発明をかかる実施形態に限定することを意図したものではない。 The positive electrode active material provided by the present invention is a positive electrode for preparing an aqueous paste used to prepare an aqueous paste containing an aqueous solvent and a positive electrode active material for forming a positive electrode active material layer of a lithium secondary battery. It is an active material and is composed of a composite oxide containing at least lithium and nickel as constituent metal elements. Hereinafter, although the said positive electrode active material and the manufacturing method of this active material are demonstrated in detail, it is not intending limiting this invention to this embodiment.
まず、本実施形態に係る水系ペースト調製用の正極活物質について説明する。
ここに開示される正極活物質は、少なくともリチウムとニッケルを構成金属元素とする複合酸化物により構成されている。そして、該複合酸化物の表面の少なくとも一部は、水溶性リチウム化合物で被覆されている。リチウムとニッケルを主な構成金属元素とする、所謂リチウムニッケル系複合酸化物は、コバルト酸リチウム等のリチウムコバルト系複合酸化物よりも理論上のリチウムイオン吸蔵容量が大きく、高エネルギー密度が得られるものとして注目されている。他方で、リチウムニッケル系複合酸化物は、リチウム二次電池の正極活物質層を形成するための水系溶媒(典型的には水)と正極活物質とを含む水系ペーストを調製する際、水系溶媒と複合酸化物とが典型的には以下の反応式:
H2O+LiNiO2 → NiOOH+Li++OH−
に示すような反応を生じるため、水系溶媒中に複合酸化物の構成元素であるリチウムイオンが流出し、リチウム二次電池の電池容量が低下したり、正極活物質の導電性(導電パス)が低下して電池内(正極内)の反応抵抗が増大したりする虞があった。
しかしながら、ここに開示される水系ペースト調製用の正極活物質は、該複合酸化物の表面の少なくとも一部が水溶性リチウム化合物で被覆されているため、該複合酸化物の結晶中からリチウムイオンが流出するのが抑制されている。典型的には、その流出より先に上記被覆された水溶性リチウム化合物のリチウムイオンが水系溶媒に流出(溶解)するため、高密度のリチウムが保持された状態のままの複合酸化物を含有する水系ペーストが調製される。
First, the positive electrode active material for preparing an aqueous paste according to this embodiment will be described.
The positive electrode active material disclosed here is composed of a composite oxide containing at least lithium and nickel as constituent metal elements. At least a part of the surface of the composite oxide is coated with a water-soluble lithium compound. The so-called lithium-nickel composite oxide containing lithium and nickel as main constituent metal elements has a larger theoretical lithium ion storage capacity and higher energy density than lithium cobalt-based composite oxides such as lithium cobaltate. Has attracted attention as a thing. On the other hand, when preparing a water-based paste containing a water-based solvent (typically water) and a positive electrode active material for forming a positive electrode active material layer of a lithium secondary battery, the lithium nickel-based composite oxide is a water-based solvent. And the composite oxide typically has the following reaction formula:
H 2 O + LiNiO 2 → NiOOH + Li + + OH −
Therefore, the lithium ion, which is a constituent element of the composite oxide, flows out into the aqueous solvent, the battery capacity of the lithium secondary battery is reduced, and the conductivity (conductive path) of the positive electrode active material is reduced. There is a possibility that the reaction resistance in the battery (in the positive electrode) increases and the reaction resistance increases.
However, in the positive electrode active material for preparing an aqueous paste disclosed here, since at least a part of the surface of the composite oxide is coated with a water-soluble lithium compound, lithium ions are generated from the crystal of the composite oxide. Outflow is suppressed. Typically, the lithium ion of the coated water-soluble lithium compound flows out (dissolves) in the aqueous solvent prior to the outflow, and thus contains a complex oxide that retains a high density of lithium. An aqueous paste is prepared.
上記水系ペーストの調製に用いられる水系溶媒とは、典型には水であるが、全体として水性を示すものであればよく、例えば低級アルコール(メタノール、エタノール等)を含む水溶液も好ましく使用し得る。すなわち、水または水を主体とする混合溶媒を好ましく用いることができる。該混合溶媒を構成する水以外の溶媒としては、水と均一に混合し得る有機溶剤(低級アルコール、低級ケトン等)の1種または2種以上を適宜選択して用いることができる。例えば、水系溶媒の凡そ80質量%以上(より好ましくは凡そ90質量%以上、さらに好ましくは凡そ95質量%以上)が水である溶媒が好ましい。特に好ましい例として、実質的に水からなる溶媒が挙げられる。 The aqueous solvent used for the preparation of the aqueous paste is typically water, but may be any as long as it exhibits aqueous properties as a whole. For example, an aqueous solution containing a lower alcohol (methanol, ethanol, etc.) can be preferably used. That is, water or a mixed solvent mainly composed of water can be preferably used. As the solvent other than water constituting the mixed solvent, one or more organic solvents (lower alcohol, lower ketone, etc.) that can be uniformly mixed with water can be appropriately selected and used. For example, a solvent in which about 80% by mass or more (more preferably about 90% by mass or more, more preferably about 95% by mass or more) of the aqueous solvent is water is preferable. A particularly preferred example is a solvent consisting essentially of water.
上記複合酸化物の表面を被覆する水溶性リチウム化合物としては、水酸化リチウム、炭酸リチウム、硫酸リチウム、硝酸リチウム、過酸化リチウム、リン酸リチウム、シュウ酸リチウム、酢酸リチウムおよびヨウ化リチウム等、または水酸化リチウム・一水和物(LiOH・H2O)のような結晶水のあるものが挙げられる。また、水に対する溶解度の大きい、水酸化リチウム(LiOH)、炭酸リチウム(Li2CO3)および硫酸リチウム(Li2SO4)が好ましく、水酸化リチウムが特に好ましい。なお、ここに開示される技術における水溶性リチウム化合物は、これらのいずれか1種であってもよく、2種以上であってもよい。 Examples of the water-soluble lithium compound that covers the surface of the composite oxide include lithium hydroxide, lithium carbonate, lithium sulfate, lithium nitrate, lithium peroxide, lithium phosphate, lithium oxalate, lithium acetate, and lithium iodide. some of crystal water, such as lithium hydroxide monohydrate (LiOH · H 2 O) and the like. Further, lithium hydroxide (LiOH), lithium carbonate (Li 2 CO 3 ) and lithium sulfate (Li 2 SO 4 ) having high solubility in water are preferable, and lithium hydroxide is particularly preferable. In addition, the water-soluble lithium compound in the technique disclosed here may be any one of these, or may be two or more.
上記水溶性リチウム化合物の被覆量は、中和滴定法に基づく該水溶性リチウム化合物中のリチウムのモル数mLiと、前記複合酸化物(正極活物質)を構成するリチウム以外の全ての金属元素の合計モル数Mallとのモル比(A)=mLi/Mallが、好ましくは0.018〜0.032、特に好ましくは0.018〜0.03、例えば0.018〜0.028になるように規定される。好ましい一態様では、上記中和滴定法を以下のようにして実施する。すなわち、所定量の正極活物質を水に分散させ、これに塩化バリウムを加えて炭酸系イオンを炭酸バリウムとして除去した後、塩酸で中和滴定してpH8付近の第一中和点(変曲点)までの滴定量を判断することによって、上記所定量の複合酸化物の表面を被覆する水溶性リチウム化合物の量を、該化合物に含まれるLi換算の被覆量α(質量%)として求めることができる。具体的には以下の式(2)を用いてαを求めることができる。
α(質量%)=(D×F×K×M÷S)÷10 (2)
D:第一中和点までの塩酸滴定量(mL)
F:塩酸のファクター
K:リチウムの原子量(6.941g/mol)
M:塩酸のモル濃度(mol/L)
S:正極活物質の質量(g)
上記水溶性リチウム化合物中のリチウムのモル数mLiはα/Kにより表される。したがって、(α/K)/Mallによりモル比(A)を算出することができる。このようにして求められるモル比(A)が0.018〜0.032である正極活物質は、複合酸化物中のリチウムと水系溶媒との反応が抑制されるため、優れた電池特性(サイクル特性またはハイレート特性)、特に低温高出力使用条件下において良好な出力特性を有するリチウム二次電池用の正極活物質となり得る。
The coating amount of the water-soluble lithium compound is the number of moles of lithium m Li in the water-soluble lithium compound based on the neutralization titration method and all the metal elements other than lithium constituting the composite oxide (positive electrode active material). the molar ratio between the total number of moles M all of (a) = m Li / M all is preferably 0.018 to 0.032, particularly preferably from 0.018 to 0.03, for example from 0.018 to 0.028 It is prescribed to become. In a preferred embodiment, the neutralization titration method is performed as follows. That is, a predetermined amount of a positive electrode active material is dispersed in water, and barium chloride is added thereto to remove carbonate ions as barium carbonate, followed by neutralization titration with hydrochloric acid to obtain a first neutralization point (inflection) near pH 8. The amount of the water-soluble lithium compound that covers the surface of the predetermined amount of the composite oxide is determined as the coating amount α (mass%) in terms of Li contained in the compound by determining the titration amount up to (point). Can do. Specifically, α can be obtained using the following equation (2).
α (mass%) = (D × F × K × M ÷ S) / 10 (2)
D: hydrochloric acid titration to the first neutralization point (mL)
F: Factor of hydrochloric acid
K: atomic weight of lithium (6.941 g / mol)
M: molar concentration of hydrochloric acid (mol / L)
S: Mass of positive electrode active material (g)
The number of moles Li of lithium in the water-soluble lithium compound is represented by α / K. Therefore, the molar ratio (A) can be calculated from (α / K) / M all . The positive electrode active material having a molar ratio (A) of 0.018 to 0.032 thus obtained suppresses the reaction between lithium in the composite oxide and the aqueous solvent, and thus has excellent battery characteristics (cycles). Characteristic or high rate characteristic), in particular, a positive electrode active material for a lithium secondary battery having good output characteristics under low temperature and high output use conditions.
なお、上記中和滴定法は、正極活物質を水に分散させておく時間(水溶性リチウム化合物を溶出させる時間)を概ね同程度に揃えて実施することが好ましい。このことによって上記被覆量をより精度よく把握することができる。好ましい一態様では、上記水分散時間を120秒〜300秒程度の間に設定される概ね一定の時間(例えば180秒)とする。かかる水分散時間の管理を容易に行う一方法として、水に正極活物質を分散させてから所定時間(水分散時間)経過後に、濾過等により正極活物質を水から分離する方法が例示される。その後、残った水(濾液)に塩化バリウムを加え、次いで中和滴定を行うとよい。 The neutralization titration method is preferably carried out with the time for dispersing the positive electrode active material in water (the time for eluting the water-soluble lithium compound) being substantially the same. As a result, the amount of coating can be grasped more accurately. In a preferred embodiment, the water dispersion time is set to a substantially constant time (for example, 180 seconds) set between about 120 seconds to 300 seconds. As a method for easily managing the water dispersion time, a method of separating the positive electrode active material from water by filtration or the like after a predetermined time (water dispersion time) has elapsed since the positive electrode active material was dispersed in water is exemplified. . Thereafter, barium chloride is added to the remaining water (filtrate), followed by neutralization titration.
ここに開示される水系ペースト調製用正極活物質の好ましい一態様では、該正極活物質において、前記リチウムのモル比(A)と、
前記正極活物質についての高周波燃焼−赤外吸収法に基づく炭素量WTC(質量%)および前記複合酸化物(正極活物質)を構成するリチウム以外の全ての金属元素の合計モル数Mallに基づいて下記式(b):
B=WTC×(1/12)×2÷Mall (b);
により算出される、WTCに対応する量のLi2CO3に含まれるリチウムのモル比(B)とが、以下の関係式(c):
0<(1.2A−B)<0.03 (c);
を満たす。以下、上記1.2A−B(モル比)を「Li量(C)」と表記することがある。なお、上記式(b)中の12は炭素の原子量を表している。
In a preferred embodiment of the positive electrode active material for preparing an aqueous paste disclosed herein, in the positive electrode active material, the molar ratio of lithium (A),
The amount of carbon W TC (mass%) based on the high-frequency combustion-infrared absorption method for the positive electrode active material and the total number of moles M all of all metal elements other than lithium constituting the composite oxide (positive electrode active material) Based on the following formula (b):
B = W TC × (1/12) × 2 ÷ M all (b);
The molar ratio (B) of lithium contained in Li 2 CO 3 in an amount corresponding to W TC calculated by the following relational expression (c):
0 <(1.2A-B) <0.03 (c);
Meet. Hereinafter, the above 1.2A-B (molar ratio) may be referred to as “Li amount (C)”. In addition, 12 in the said Formula (b) represents the atomic weight of carbon.
ここに開示される技術の典型的な態様では、上記中和滴定法において塩酸で滴定されるアルカリ成分の大部分(実質的に全部であり得る。)が、複合化合物表面のLiOHに由来する。この場合、Liのモル比(A)は、正極活物質に含まれるLi以外の全金属元素のモル数Mallに対する「複合化合物表面のLiOHのモル数」の比を示す値として把握され得る。 In a typical embodiment of the technology disclosed herein, most (possibly all) of the alkali components titrated with hydrochloric acid in the neutralization titration method are derived from LiOH on the surface of the composite compound. In this case, the molar ratio of Li (A) can be understood as a value indicating the ratio of "moles of LiOH complex compound surface" to moles M all of the total metal elements other than Li contained in the positive electrode active material.
一方、Liのモル比(B)は、正極活物質に含まれるLi以外の全金属元素のモル数Mallに対する「複合化合物表面のLi2CO3のモル数(Li換算)」の比を示す値として把握され得る。このモル比(B)は、典型的には、JIS Z2615(金属材料の炭素定量方法通則)に規定される高周波燃焼−赤外吸収法により測定される炭素量WTC(質量%)から算出される。具体的には、後述する実施例に記載の炭素量WTC測定方法を好ましく採用することができる。この炭素量WTCに上記式(b)を適用することにより、WTC(質量%)に対応するLi量(B)(モル比)を求めることができる。 On the other hand, the molar ratio of Li (B) shows the ratio of "the number of moles of Li 2 CO 3 complex compound surface (Li conversion)" to moles M all of the total metal elements other than Li contained in the positive electrode active material It can be grasped as a value. This molar ratio (B) is typically calculated from the amount of carbon W TC (mass%) measured by the high-frequency combustion-infrared absorption method defined in JIS Z2615 (general rules for carbon determination of metallic materials). The Specifically, the carbon content W TC measurement method described in Examples described later can be preferably employed. By applying the above formula (b) to this carbon amount W TC , the Li amount (B) (molar ratio) corresponding to W TC (mass%) can be obtained.
ここに開示される水系ペースト調製用正極活物質の好ましい一態様では、「1.2A−B」により定義されるLi量(C)(モル比)が0<C<0.03を満たすように規定されている。Cが0.003≦C≦0.02(例えば0.01<C<0.02)を満たす正極活物質がより好ましい。上述したモル比(A)が所定の数値範囲を満たすことに加えて、AとBとの関係を上記範囲に規定することにより、結晶中のLi溶出防止に役立つLiOHを適正量(典型的には0.018≦A≦0.032)含みつつ、そのLiOHの存在量を考慮して、電池性能(例えば出力性能)を低下させ得るLi2CO3の存在量が適度な範囲に抑えられた水系ペースト調製用正極活物質が実現され得る。また、Cが上記数値範囲にある正極活物質では、例えば図8に示されるように、Cと内部抵抗値との間に強い相関がみられる。したがって、正極活物質におけるCの値を管理することにより、該正極活物質から調製された水系ペーストを用いて製造されたリチウム二次電池の内部抵抗を精度良く管理することができる。 In a preferable embodiment of the positive electrode active material for preparing an aqueous paste disclosed herein, the Li amount (C) (molar ratio) defined by “1.2A-B” satisfies 0 <C <0.03. It is prescribed. A positive electrode active material in which C satisfies 0.003 ≦ C ≦ 0.02 (for example, 0.01 <C <0.02) is more preferable. In addition to the above-mentioned molar ratio (A) satisfying a predetermined numerical range, by defining the relationship between A and B within the above range, an appropriate amount of LiOH (typically 0.018 ≦ A ≦ 0.032), and in consideration of the amount of LiOH, the amount of Li 2 CO 3 that can reduce battery performance (for example, output performance) was suppressed to an appropriate range. A positive electrode active material for preparing an aqueous paste can be realized. Further, in the positive electrode active material in which C is in the above numerical range, for example, as shown in FIG. 8, a strong correlation is observed between C and the internal resistance value. Therefore, by managing the value of C in the positive electrode active material, it is possible to accurately manage the internal resistance of a lithium secondary battery manufactured using an aqueous paste prepared from the positive electrode active material.
このようにLi量(C)(モル比)を所定範囲に規定することの意義を、図7に示す模式図を参照しつつ、さらに具体的に説明する。すなわち、1<MLi/Mallとなるように調整された複合酸化物製造用原料を焼成してなる正極活物質は、例えばLi源としてLiOHのみを使用した場合、図7(a)に示すように、複合酸化物82の表面を被覆する水溶性リチウム化合物84の大部分がLiOHであり、LiOHの一部が環境中のCO2と反応して生じたLi2CO3を含むとしてもその量は少量に留まることが望ましい。Li量(C)が上述した好ましい範囲にあることは、正極活物質80が図7(a)からイメージされる状態にあることに関連づけられる。かかる状態にある正極活物質80は、水系ペーストに調整されることにより、図7(b)に示すように、LiOHが水に溶解して複合酸化物82の表面が露出し、リチウムイオンの出入りに適した表面状態が提供される。したがって、かかる正極活物質80を用いて構築されたリチウム二次電池は、内部抵抗が効果的に低減されたものとなり得る。
The significance of defining the Li amount (C) (molar ratio) in the predetermined range as described above will be described more specifically with reference to the schematic diagram shown in FIG. That is, the positive electrode active material obtained by firing the composite oxide production raw material adjusted so as to satisfy 1 <M Li / M all is shown in FIG. 7A when only LiOH is used as the Li source, for example. As described above, even if most of the water-
これに対して、Li量(C)(モル比)が上述した好ましい範囲よりも小さすぎる正極活物質は、図7(c)からイメージされる正極活物質180に対応づけられる。例えば、Li源の一部または全部としてLi2CO3を使用した場合や、Li源としてLiOHのみを使用した場合であっても保存雰囲気や保存時間によってLiOHの一部または全部が環境中のCO2と反応してLi2CO3を生じることにより、図7(c)に示すような正極活物質180となり得る。この図7(c)に示す正極活物質180は、図7(d)に示すように水系ペーストに調整された場合、LiOHは水に溶解するが、水に対する溶解性の低いLi2CO3はその大部分が複合酸化物82の表面に残り、電解液と複合酸化物との反応(リチウムイオンの挿入・脱離反応)を阻害する要因となり得る。したがって、かかる正極活物質180を用いて構築されたリチウム二次電池は、内部抵抗の高いものとなりがちである。なお、Li量(C)が上述した好ましい範囲よりも大きすぎると、水系ペーストを調製した場合にその粘度が高くなりすぎることがある。
On the other hand, the positive electrode active material whose Li amount (C) (molar ratio) is too smaller than the above-described preferable range is associated with the positive electrode
ここに開示される技術の好ましい一態様では、上記炭素量WTCが、WTC≦0.13質量%(典型的にはWTC<0.13質量%)を満たす。より好ましくはWTC≦0.12質量%である。かかる水系ペースト調製用正極活物質によると、より内部抵抗の低い(したがって出力性能に優れた)リチウム二次電池が構築され得る。好ましい一態様では、化学量論量に対して1.04〜1.12倍のモル数のLi源を含むように(換言すれば、1.04≦MLi/Mall≦1.12となるように)複合酸化物製造用原料を調整する。通常は、1.04≦MLi/Mall≦1.08とすることにより、好適な結果が実現され得る。 In a preferred embodiment of the technology disclosed herein, the carbon amount W TC satisfies W TC ≦ 0.13 mass% (typically W TC <0.13 mass%). More preferably, W TC ≦ 0.12% by mass. According to such a positive electrode active material for preparing an aqueous paste, a lithium secondary battery having lower internal resistance (and thus excellent output performance) can be constructed. In a preferred embodiment, the Li source is included in a molar number of 1.04 to 1.12 times the stoichiometric amount (in other words, 1.04 ≦ M Li / M all ≦ 1.12). And so on) adjusting the raw material for producing the composite oxide. Usually, a preferable result can be realized by setting 1.04 ≦ M Li / M all ≦ 1.08.
なお、モル比(A)、(B)および(C)は、例えば、使用するLi源の種類、複合酸化物製造用原料におけるMLi/Mallの値、焼成条件、放冷条件、保存条件等により調節することができる。焼成、放冷および保存の各条件の具体的な内容としては、温度、時間、雰囲気(例えばCO2濃度や湿度)等が例示される。 The molar ratios (A), (B), and (C) are, for example, the type of Li source to be used, the value of M Li / M all in the raw material for producing the composite oxide, firing conditions, cooling conditions, and storage conditions. Etc. can be adjusted. Specific contents of the firing, cooling, and storage conditions include temperature, time, atmosphere (for example, CO 2 concentration and humidity), and the like.
さらに、上記正極活物質を構成する複合酸化物の好ましい一態様としては、以下の一般式:
Lix(Ni1−yCoy)1−zMezO2 (1)
(式(1)中のx,yおよびzは、
0.99≦x≦1.12、
0≦y≦0.25、
0≦z≦0.1であり、
Meは、存在しないか或いはアルミニウム(Al)、マンガン(Mn)、マグネシウム(Mg)、チタン(Ti)、鉄(Fe)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)およびガリウム(Ga)から成る群から選択される1種又は2種以上の元素である。)で示される。
すなわち、上記複合酸化物のリチウム(Li)のモル比xが、0.99≦x≦1.12(典型的には1≦x≦1.12)であって、化学量論組成よりも過剰のリチウムを含み得る結晶構造を有しており、リチウムの含有率が高い複合酸化物により正極活物質が構成される。また、リチウム以外の構成金属元素として、ニッケル(Ni)を含み、微少含有金属元素として、コバルト(Co)及び/又はMe元素を含み得る。さらに、ニッケルのモル比は、コバルトまたはMe元素のモル比、またはコバルトおよびMe元素の合計モル比よりも大きく、リチウムに次いで含有モル比が高くなるように構成される。
Furthermore, as a preferable embodiment of the composite oxide constituting the positive electrode active material, the following general formula:
Li x (Ni 1-y Co y ) 1-z Me z O 2 (1)
(X, y and z in the formula (1) are
0.99 ≦ x ≦ 1.12,
0 ≦ y ≦ 0.25,
0 ≦ z ≦ 0.1,
Me is absent or from the group consisting of aluminum (Al), manganese (Mn), magnesium (Mg), titanium (Ti), iron (Fe), copper (Cu), zinc (Zn) and gallium (Ga). One or more elements selected. ).
That is, the molar ratio x of lithium (Li) in the composite oxide is 0.99 ≦ x ≦ 1.12 (typically 1 ≦ x ≦ 1.12), which is more than the stoichiometric composition. The positive electrode active material is composed of a composite oxide that has a crystal structure that can contain lithium and has a high lithium content. Moreover, nickel (Ni) may be included as a constituent metal element other than lithium, and cobalt (Co) and / or Me element may be included as a minute metal element. Further, the molar ratio of nickel is larger than the molar ratio of cobalt or Me element, or the total molar ratio of cobalt and Me element, and the content molar ratio is higher next to lithium.
また、上記式(1)中のMeで表わされる元素としては、存在しないか或いはアルミニウム(Al)、マンガン(Mn)、マグネシウム(Mg)、チタン(Ti)、鉄(Fe)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)およびガリウム(Ga)が好ましく、好適例としてAlが挙げられる。また、Me元素は、上記列挙した元素群から選択される1種又は2種以上の元素であり得る。ただし、Me元素として2種以上選択される場合は、各元素の合計モル数を示すzが、0≦z≦0.1である必要がある。これらの元素を適切なモル比で含有されることにより、正極活物質の導電性を向上させ、結果としてリチウム二次電池の内部抵抗の上昇を抑制することができる。 The element represented by Me in the above formula (1) does not exist or is aluminum (Al), manganese (Mn), magnesium (Mg), titanium (Ti), iron (Fe), copper (Cu). Zinc (Zn) and gallium (Ga) are preferable, and Al is a preferable example. Further, the Me element may be one or more elements selected from the above-described element group. However, when two or more kinds of Me elements are selected, z indicating the total number of moles of each element needs to satisfy 0 ≦ z ≦ 0.1. By containing these elements in an appropriate molar ratio, the conductivity of the positive electrode active material can be improved, and as a result, an increase in internal resistance of the lithium secondary battery can be suppressed.
ここに開示される水系ペースト調製用正極活物質は、典型的には、一次粒子が複数集合した二次粒子の形態を呈する。好ましい一態様では、前記一次粒子は、X線回折(例えば、CuKα線を用いたX線回折)により求められる(003)面方向の結晶子径d(Å)が1300Å≦d≦1500Å(典型的には1300Å<d≦1500Åを満たす。上記結晶子径dとしては、(003)面に対応する回折ピークの半値幅からSherrerの計算式により求められる値を採用することができる。かかる正極活物質は、一次粒子の結晶子径がより大きい正極活物質に比べて内部抵抗の低いものとなり得る。また、正極活物質が上記結晶子径を満たすことは、低SOC域における内部抵抗の低減に特に大きく寄与する。したがって、このような正極活物質によると、より幅広いSOC域において優れた出力性能を示す(換言すれば、内部抵抗または出力性能のSOC依存性が少ない)リチウム二次電池が構築され得る。低SOC域(例えばSOC20%)における内部抵抗の低減効果の観点からは、dが1350Å≦d≦1500Åであることが好ましく、より好ましくは1400Å≦d≦1500Å(例えば1400Å<d≦1500Å)である。
The positive electrode active material for preparing an aqueous paste disclosed herein typically has a form of secondary particles in which a plurality of primary particles are aggregated. In a preferred embodiment, the primary particles have a crystallite diameter d (Å) in the (003) plane direction determined by X-ray diffraction (for example, X-ray diffraction using CuKα rays) of 1300Å ≦ d ≦ 1500Å (typical Satisfies the following condition: 1300Å <d ≦ 1500Å The crystallite diameter d may be a value obtained from the half-value width of the diffraction peak corresponding to the (003) plane according to the Sherler formula. May have a lower internal resistance than a positive electrode active material having a larger primary particle crystallite diameter, and the fact that the positive electrode active material satisfies the above crystallite diameter particularly reduces the internal resistance in a low SOC region. Therefore, according to such a positive electrode active material, excellent output performance is exhibited in a wider SOC range (in other words, internal resistance or S of the output performance). Lithium secondary battery can be constructed with less C dependence.From the viewpoint of the effect of reducing internal resistance in a low SOC range (for example,
結晶子径dの調節は、種々の手法により行うことができる。例えば、dをより大きくする手法として:ここに開示される複合酸化物製造用原料におけるMLi/Mallをより大きくする;上記複合酸化物製造用原料の焼成温度をより高くする;上記複合酸化物製造用原料の焼成時間をより長くする;等の手法を例示することができる。これらの手法は、単独で、あるいは適宜組み合わせて採用することができる。 The crystallite diameter d can be adjusted by various methods. For example, as a method of increasing d: M Li / M all in the composite oxide production raw material disclosed herein is made larger; the firing temperature of the composite oxide production raw material is made higher; Examples of such a method include making the firing time of the raw material for manufacturing a product longer. These methods can be employed alone or in appropriate combination.
なお、本発明者らの検討によれば、モル比(A)および(C)の一方または両方をここに開示される好ましい範囲に規定することによる内部抵抗の低減については、低SOC域から中〜高SOC域に至るまで概ね同程度の効果が発揮されることが確認された。したがって、上記AおよびCの一方または両方の規定と、結晶子径dの規定とを組み合わせて適用することにより、かかる組み合わせによる相乗効果として、より幅広いSOC域(特に、低SOC側により広いSOC域)において内部抵抗が大きく低減されたリチウム二次電池、ならびに、該電池を作製するのに適した水系ペースト調整用正極活物質が提供され得る。 According to the study by the present inventors, the reduction of internal resistance by defining one or both of the molar ratios (A) and (C) within the preferred range disclosed herein is from the low SOC region to the middle. It was confirmed that the same effect was exhibited up to the high SOC range. Therefore, by applying one or both of the rules A and C and the crystallite diameter d in combination, as a synergistic effect by such a combination, a wider SOC range (in particular, a wider SOC range on the low SOC side). ), And a positive electrode active material for adjusting an aqueous paste suitable for manufacturing the battery can be provided.
次いで、少なくともリチウムとニッケルを構成金属元素とする複合酸化物により構成されるリチウム二次電池用正極活物質を製造する方法について詳細に説明する。
ここに開示される製造方法は、以下の工程:
(1)リチウム供給源と、ニッケル供給源とを包含する複合酸化物製造用原料を調製する工程、(2)上記複合酸化物製造用原料を焼成する工程、を包含する。
Next, a method for producing a positive electrode active material for a lithium secondary battery composed of a composite oxide containing at least lithium and nickel as constituent metal elements will be described in detail.
The manufacturing method disclosed herein includes the following steps:
(1) A step of preparing a raw material for producing a composite oxide including a lithium supply source and a nickel supply source, and (2) a step of firing the raw material for producing the composite oxide.
まず、複合酸化物の主構成元素を供給するための、リチウム供給源とニッケル供給源とを包含する複合酸化物製造用原料を調製する。上記複合酸化物の好適な実施形態の一つとして、以下の式(1)で表わされる複合酸化物が挙げられる。
Lix(Ni1−yCoy)1−zMezO2 (1)
(式(1)中のx,yおよびzは、
0.99≦x≦1.12、
0≦y≦0.25、
0≦z≦0.1であり、
ここで、Meは、存在しないか或いはAl、Mn、Mg、Ti、Fe、Cu、ZnおよびGaから成る群から選択される1種又は2種以上の元素である。)
そして、上記式(1)で示される複合酸化物が焼成により製造されるように設定されたモル比で混合し、全ての構成金属元素の供給源から成る複合酸化物製造用原料が調製される。
First, a raw material for producing a composite oxide including a lithium supply source and a nickel supply source for supplying main constituent elements of the composite oxide is prepared. One preferred embodiment of the composite oxide is a composite oxide represented by the following formula (1).
Li x (Ni 1-y Co y ) 1-z Me z O 2 (1)
(X, y and z in the formula (1) are
0.99 ≦ x ≦ 1.12,
0 ≦ y ≦ 0.25,
0 ≦ z ≦ 0.1,
Here, Me is one or more elements that are not present or are selected from the group consisting of Al, Mn, Mg, Ti, Fe, Cu, Zn, and Ga. )
And the composite oxide shown by said Formula (1) is mixed by the molar ratio set so that it might be manufactured by baking, and the raw material for composite oxide manufacture which consists of the supply source of all the structural metal elements is prepared. .
上記複合酸化物製造用原料として、必須構成元素であるリチウム供給源およびニッケル供給源と、選択的構成元素であるコバルト供給源およびMe元素供給源とを用意する。
リチウム供給源を包含する化合物としては、生成する正極活物質の表面が水溶性リチウム化合物で被覆されるような材料が用いられる。例えば、水酸化リチウム、炭酸リチウム、硫酸リチウム、硝酸リチウム、過酸化リチウム、リン酸リチウム、シュウ酸リチウム、酢酸リチウムおよびヨウ化リチウム等、または水酸化リチウム・一水和物(LiOH・H2O)のような結晶水のあるものが挙げられる。なかでも、水酸化リチウム(LiOH)、炭酸リチウム(Li2CO3)または硫酸リチウム(Li2SO4)が好ましく、水酸化リチウムが特に好ましい。なお、これらは1種を単独で又は2種以上を混合して用いてもよい。
As raw materials for producing the composite oxide, a lithium supply source and a nickel supply source that are essential constituent elements, and a cobalt supply source and a Me element supply source that are selective constituent elements are prepared.
As the compound including the lithium supply source, a material in which the surface of the positive electrode active material to be produced is coated with a water-soluble lithium compound is used. For example, lithium hydroxide, lithium carbonate, lithium sulfate, lithium nitrate, lithium peroxide, lithium phosphate, lithium oxalate, lithium acetate and lithium iodide, or lithium hydroxide monohydrate (LiOH · H 2 O ) With crystal water such as Among these, lithium hydroxide (LiOH), lithium carbonate (Li 2 CO 3 ) or lithium sulfate (Li 2 SO 4 ) is preferable, and lithium hydroxide is particularly preferable. In addition, you may use these individually by 1 type or in mixture of 2 or more types.
また、ニッケル供給源を包含する化合物としては、ニッケルを構成元素とする水酸化物、酸化物、硫化物、各種の塩(例えば炭酸塩)、ハロゲン化物(例えばフッ化物)等の化合物が選択され得る。例えば、炭酸ニッケル、酸化ニッケル、硫酸ニッケル、硝酸ニッケル、水酸化ニッケル、シュウ酸ニッケル、オキシ水酸化ニッケル等が挙げられる。 In addition, as a compound including a nickel supply source, a compound such as a hydroxide, oxide, sulfide, various salts (for example, carbonate), halide (for example, fluoride) having nickel as a constituent element is selected. obtain. Examples thereof include nickel carbonate, nickel oxide, nickel sulfate, nickel nitrate, nickel hydroxide, nickel oxalate, and nickel oxyhydroxide.
さらに、必須構成元素ではないが、コバルトを構成元素として含むものであってもよい。かかるコバルト供給源を包含する化合物としては、コバルトを構成元素とする水酸化物、酸化物、硫化物、各種の塩(例えば炭酸塩)、ハロゲン化物(例えばフッ化物)等の化合物が選択され得る。特に限定されないが、例えば、炭酸コバルト、酸化コバルト、硫酸コバルト、硝酸コバルト、水酸化コバルト、オキシ水酸化コバルト等が挙げられる。 Furthermore, although it is not an essential constituent element, it may contain cobalt as a constituent element. As a compound including such a cobalt supply source, a compound such as hydroxide, oxide, sulfide, various salts (for example, carbonate), halide (for example, fluoride) having cobalt as a constituent element can be selected. . Although it does not specifically limit, For example, cobalt carbonate, cobalt oxide, cobalt sulfate, cobalt nitrate, cobalt hydroxide, cobalt oxyhydroxide etc. are mentioned.
また好ましくは、ニッケル供給源、コバルト供給源をそれぞれ別の化合物として用意する代わりに、供給されるべき構成元素(ニッケルおよびコバルト)を包含する水酸化物を使用することができる。かかる水酸化物は、各化合物を所定のモル比で混合し、好ましくは不活性ガス雰囲気のような非酸化性雰囲気中、アルカリ条件下で原料化合物を還元することによって2種以上の構成元素を含む水酸化物を生成することができる。こうして生成した水酸化物を使用することにより、上記リチウム供給源と良好に混じり合い、結晶の成長が促進される。 Preferably, a hydroxide containing the constituent elements to be supplied (nickel and cobalt) can be used instead of preparing the nickel source and the cobalt source as separate compounds. Such a hydroxide is obtained by mixing two or more kinds of constituent elements by mixing each compound in a predetermined molar ratio and reducing the raw material compound under an alkaline condition, preferably in a non-oxidizing atmosphere such as an inert gas atmosphere. A hydroxide containing can be produced. By using the hydroxide thus produced, it is well mixed with the lithium source and promotes crystal growth.
また、ここで開示されるリチウムニッケル系複合酸化物は、リチウムおよびニッケル以外の構成金属元素としてコバルトを含み得るが、これらの金属元素の一部を置換し、上記式(1)中のMeで表わされる、アルミニウム(Al)、マンガン(Mn)、マグネシウム(Mg)、チタン(Ti)、鉄(Fe)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)およびガリウム(Ga)から成る群から選択される1種又は2種以上の金属元素を含むものであってもよい。当該Me元素のモル組成比zは、0≦z≦0.1を満足する数である。即ち、Me元素は、存在しないか、若しくはいずれの主構成金属元素(リチウム、ニッケル)よりも小さいモル比で含まれる。このうち、Alを構成元素とするアルミニウム供給源の添加が特に好ましい。これらの元素を適切なモル比で加えることにより、正極活物質の導電性を向上させることができる。 Further, the lithium nickel-based composite oxide disclosed herein may contain cobalt as a constituent metal element other than lithium and nickel, but a part of these metal elements is substituted, and Me in the above formula (1) 1 represented by the group consisting of aluminum (Al), manganese (Mn), magnesium (Mg), titanium (Ti), iron (Fe), copper (Cu), zinc (Zn) and gallium (Ga) It may contain seeds or two or more metal elements. The molar composition ratio z of the Me element is a number that satisfies 0 ≦ z ≦ 0.1. That is, the Me element does not exist or is contained in a molar ratio smaller than any main constituent metal element (lithium, nickel). Among these, addition of an aluminum supply source containing Al as a constituent element is particularly preferable. By adding these elements at an appropriate molar ratio, the conductivity of the positive electrode active material can be improved.
次いで、上記用意した各構成元素の供給源を秤量し、混合して複合酸化物製造用原料を調製する。このとき上記式(1)中のモル比となるように上記供給源をそれぞれ調整(秤量)して複合酸化物製造用原料を調製する。好ましくは、リチウムのモル数MLiと他の全ての構成金属元素の合計モル数(Mall)とのモル比(MLi/Mall)が、1<MLi/Mallとなるようにリチウム過剰に調製する。さらに、好ましくは、Liのモル比(A)が0.018〜0.032になるようにリチウム供給源を添加する。これにより、複合酸化物の結晶構造中に化学量論組成よりも過剰量のリチウムを含み、且つ、該複合酸化物の表面の少なくとも一部が水溶性リチウム化合物で被覆された正極活物質を得ることができる。 Next, the above-prepared supply sources of the constituent elements are weighed and mixed to prepare a composite oxide manufacturing raw material. At this time, each of the above-mentioned supply sources is adjusted (weighed) so as to have a molar ratio in the above formula (1) to prepare a composite oxide production raw material. Preferably, the lithium is such that the molar ratio (M Li / M all ) between the number of moles of lithium M Li and the total number of moles of all other constituent metal elements (M all ) is 1 <M Li / M all Prepare in excess. Further, preferably, the lithium source is added so that the molar ratio (A) of Li is 0.018 to 0.032. As a result, a positive electrode active material containing a lithium in an amount exceeding the stoichiometric composition in the crystal structure of the composite oxide and having at least a part of the surface of the composite oxide coated with a water-soluble lithium compound is obtained. be able to.
なお、各供給源を混合して複合酸化物製造用原料を調製するのに際し、必要に応じて攪拌(混練、粉砕を含む)を行うことができる。混合に用いる装置としては特に限定するものではないが、例えば、プラネタリーミキサー、遊星式撹拌装置、デスパー、ボールミル、ニーダ、ミキサー等を使用することにより、各供給源が均一に拡散または浸透され安定した混合状態を形成することができる。 In addition, when mixing each supply source and preparing the raw material for complex oxide manufacture, stirring (a kneading | mixing and a grinding | pulverization) can be performed as needed. The apparatus used for mixing is not particularly limited. For example, by using a planetary mixer, a planetary stirrer, a desper, a ball mill, a kneader, a mixer, etc., each supply source is uniformly diffused or permeated and stabilized. A mixed state can be formed.
各種の供給源化合物を混合して複合酸化物製造用原料を調製した後、当該複合酸化物製造用原料を適当な温度で焼成する。焼成は、酸化性の雰囲気、例えば大気中や大気よりも酸素がリッチな雰囲気中で行うことが望ましい。また、焼成温度は特に限定されないが、酸化雰囲気中において650℃以上850℃以下の範囲内に最高焼成温度を決定するのが好ましい。さらに好ましくは、調製した複合酸化物製造用原料を先ず400℃以上500℃未満の温度範囲内に設定された中間焼成温度で仮焼成し、次いで650℃以上850℃以下の温度範囲内に設定された最高焼成温度まで昇温して焼成する。かかる温度域で仮焼成することにより、結晶の急激な成長を抑制し、さらに昇温して焼成することで結晶構造中に化学量論組成よりも過剰にリチウムを含む複合酸化物であって、該表面の少なくとも一部には水溶性リチウム化合物が被覆された正極活物質が得られる。
なお、焼成時間については、特に限定するものではないが、上記設定した最高焼成温度まで昇温した後、該温度域で5〜24時間程度(例えば7時間)焼成するのが好ましい。また、焼成後はできる限り水との接触を遮断し、低湿度環境下で余熱を取るのが好ましい。
After various raw material compounds are mixed to prepare a raw material for producing a complex oxide, the raw material for producing a complex oxide is calcined at an appropriate temperature. The firing is desirably performed in an oxidizing atmosphere, for example, in the air or in an atmosphere richer in oxygen than air. Moreover, although a calcination temperature is not specifically limited, It is preferable to determine the maximum calcination temperature within the range of 650 degreeC or more and 850 degrees C or less in an oxidizing atmosphere. More preferably, the prepared composite oxide production raw material is first calcined at an intermediate firing temperature set in a temperature range of 400 ° C. or higher and lower than 500 ° C., and then set in a temperature range of 650 ° C. or higher and 850 ° C. or lower. The temperature is raised to the highest firing temperature and fired. By pre-baking in such a temperature range, the rapid growth of the crystal is suppressed, and further by raising the temperature and baking, a composite oxide containing lithium in excess of the stoichiometric composition in the crystal structure, A positive electrode active material in which at least a part of the surface is coated with a water-soluble lithium compound is obtained.
In addition, although it does not specifically limit about baking time, After heating up to the set maximum baking temperature, it is preferable to bake for about 5 to 24 hours (for example, 7 hours) in this temperature range. Further, after firing, it is preferable to block the contact with water as much as possible and take residual heat in a low humidity environment.
本実施形態に係る製造方法により得られるリチウム二次電池用の正極活物質は、複合酸化物の表面の少なくとも一部が水溶性リチウム化合物で被覆されている。かかる被覆量は、従来公知の中和滴定法により容易に確認することができる。例えば、該中和滴定法の一例として挙げるならば、上記製造した正極活物質を水に分散させ、これに塩化バリウムを加えて炭酸系イオンを難溶性の炭酸バリウムとして除去した後、塩酸で中和滴定し、電位差計を用いて中和点を判断することにより、水溶性リチウム化合物のLi換算の被覆量α(質量%)を求めることができる。具体的には以下の式より求めることができる。
α(質量%)=(D×F×K×M÷S)÷10 (2)
D:塩酸の滴定量(mL)
F:塩酸のファクター
K:リチウムの原子量(6.941g/mol)
M:塩酸のモル濃度(mol/L)
S:正極活物質の質量(g)
上記αを用いて、A=(α/K)/Mallにより(すなわち、A=mLi/Mallにより)表される水溶性リチウム化合物のLi換算の被覆量(モル比(A))が、好ましくは0.018〜0.032、特に好ましくは0.018〜0.03、例えば0.018〜0.028である正極活物質は、複合酸化物中のリチウムと水系溶媒との反応が抑制されるため、優れた電池特性(サイクル特性またはハイレート特性)、特に低温高出力使用条件下において良好な出力特性を有するリチウム二次電池用の正極活物質が提供される。
In the positive electrode active material for a lithium secondary battery obtained by the manufacturing method according to this embodiment, at least a part of the surface of the composite oxide is coated with a water-soluble lithium compound. Such a coating amount can be easily confirmed by a conventionally known neutralization titration method. For example, as an example of the neutralization titration method, the positive electrode active material produced above is dispersed in water, and barium chloride is added thereto to remove carbonate ions as sparingly soluble barium carbonate. By performing Japanese titration and determining the neutralization point using a potentiometer, the coating amount α (% by mass) in terms of Li of the water-soluble lithium compound can be determined. Specifically, it can be obtained from the following equation.
α (mass%) = (D × F × K × M ÷ S) / 10 (2)
D: Hydrochloric acid titration (mL)
F: Factor of hydrochloric acid K: Atomic weight of lithium (6.941 g / mol)
M: molar concentration of hydrochloric acid (mol / L)
S: Mass of positive electrode active material (g)
Using the above α, the coating amount in terms of Li (molar ratio (A)) of the water-soluble lithium compound represented by A = (α / K) / M all (ie, A = m Li / M all ) The positive electrode active material, preferably 0.018 to 0.032, particularly preferably 0.018 to 0.03, for example 0.018 to 0.028, is a reaction between lithium in the composite oxide and an aqueous solvent. Therefore, a positive electrode active material for a lithium secondary battery having excellent battery characteristics (cycle characteristics or high-rate characteristics), in particular, good output characteristics under low temperature and high power use conditions is provided.
以下、ここに開示される製造方法により得られるリチウム二次電池用正極活物質(典型的には水系ペースト調製用正極活物質)を使用した水系ペースト、及び該ペーストを用いた正極、および該正極を備えるリチウム二次電池の一実施形態につき、図1および図2に示す模式図を参照しつつ説明するが、本発明をかかる実施形態に限定することを意図したものではない。 Hereinafter, an aqueous paste using a positive electrode active material for a lithium secondary battery (typically a positive electrode active material for preparing an aqueous paste) obtained by the production method disclosed herein, a positive electrode using the paste, and the positive electrode An embodiment of a lithium secondary battery including the above will be described with reference to the schematic diagrams shown in FIGS. 1 and 2, but the present invention is not intended to be limited to such an embodiment.
図1は、一実施形態に係る角型形状のリチウム二次電池を模式的に示す斜視図であり、図2は、図1中のII−II線断面図である。図1および図2に示されるように、本実施形態に係るリチウム二次電池100は、直方体形状の角型の電池ケース10と、該ケース10の開口部12を塞ぐ蓋体14とを備える。この開口部12より電池ケース10内部に扁平形状の電極体(捲回電極体20)及び電解質を収容することができる。また、蓋体14には、外部接続用の正極端子38と負極端子48とが設けられており、それら端子38,48の一部は蓋体14の表面側に突出している。また、外部端子38,48の一部はケース内部で内部正極端子37または内部負極端子47にそれぞれ接続されている。
FIG. 1 is a perspective view schematically showing a rectangular lithium secondary battery according to an embodiment, and FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line II-II in FIG. As shown in FIGS. 1 and 2, the lithium
図2に示されるように、本実施形態では該ケース10内に捲回電極体20が収容されている。該電極体20は、長尺シート状の正極集電体32の表面に正極活物質層34が形成された正極シート30、長尺シート状の負極集電体42の表面に負極活物質層44が形成された負極シート40、および長尺シート状のセパレータ50からなる。そして、正極シート30及び負極シート40を2枚のセパレータ50と共に重ね合わせて捲回し、得られた捲回電極体20を側面方向から押しつぶして拉げさせることによって扁平形状に成形されている。
As shown in FIG. 2, in this embodiment, a
また、捲回される正極シート30において、その長手方向に沿う一方の端部35は正極活物質層34が形成されずに正極集電体32が露出した部分(正極活物質層非形成部36)を、捲回される負極シート40においても、その長手方向に沿う一方の端部45は負極活物質層44が形成されずに負極集電体42が露出した部分(負極活物質層非形成部46)をそれぞれ有する。そして、正極集電体32の正極活物質層非形成部36に内部正極端子37が、負極集電体42の該露出端部には内部負極端子47がそれぞれ接合され、上記扁平形状に形成された捲回電極体20の正極シート30または負極シート40と電気的に接続されている。正負極端子37,47と正負極集電体32,42とは、例えば超音波溶接、抵抗溶接等によりそれぞれ接合され得る。
Further, in the wound
正極(典型的には正極シート30)は、長尺状の正極集電体32の上に正極活物質を含む正極活物質層34が形成された構成を備える。正極集電体32としては、導電性の良好な金属からなる導電性部材が好ましく用いられる。例えば、アルミニウムまたはアルミニウムを主成分とする合金を用いることができる。正極集電体32の形状は、リチウム二次電池の形状等に応じて異なり得るため、特に制限はなく、棒状、板状、シート状、箔状、メッシュ状等の種々の形態であり得る。
The positive electrode (typically, the positive electrode sheet 30) has a configuration in which a positive electrode
次に、上記正極活物質層34を形成するための水系ペーストの調製方法について説明する。
ここに開示される水系ペーストは、水系溶媒と、上述の製造方法を用いて得られた表面の少なくとも一部が水溶性リチウム化合物で被覆されたリチウムニッケル系複合酸化物からなる正極活物質とが包含され、かかる材料の他に一般的なリチウム二次電池に配合され得る一種または二種以上の結着材や導電材等を必要に応じて含有させることができる。
Next, a method for preparing an aqueous paste for forming the positive electrode
The aqueous paste disclosed herein includes an aqueous solvent and a positive electrode active material comprising a lithium nickel composite oxide in which at least a part of the surface obtained by using the above-described production method is coated with a water-soluble lithium compound. In addition to such materials, one or two or more binders, conductive materials, and the like that can be blended in a general lithium secondary battery can be included as necessary.
まず、導電材としては、カーボン粉末やカーボンファイバー等の導電性粉末材料が好ましく用いられる。例えば、アセチレンブラック、ファーネスブラック、ケッチェンブラック、グラファイト粉末等が好ましく、これらのうち一種のみを用いられていても二種以上が併用されていてもよい。 First, as the conductive material, a conductive powder material such as carbon powder or carbon fiber is preferably used. For example, acetylene black, furnace black, ketjen black, graphite powder and the like are preferable, and only one of these may be used or two or more may be used in combination.
また、結着材としては、水に溶解する水溶性のポリマー材料が好ましい。カルボキシメチルセルロース(CMC)、メチルセルロース(MC)、酢酸フタル酸セルロース(CAP)、ヒドロキシプロピルメチルセルロース(HPMC)、ヒドロキシプロピルメチルセルロースフタレート(HPMCP)、ポリビニルアルコール(PVA)等が挙げられる。また、水に分散する(水分散性の)ポリマー材料を好適に用いることができる。例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重含体(PFA)、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)等のフッ素系樹脂、酢酸ビニル共重合体、スチレンブタジエンブロック共重合体(SBR)、アクリル酸変性SBR樹脂(SBR系ラテックス)、アラビアゴム等のゴム類が例示される。 The binder is preferably a water-soluble polymer material that dissolves in water. Examples thereof include carboxymethylcellulose (CMC), methylcellulose (MC), cellulose acetate phthalate (CAP), hydroxypropylmethylcellulose (HPMC), hydroxypropylmethylcellulose phthalate (HPMCP), and polyvinyl alcohol (PVA). In addition, a polymer material that is dispersed in water (water-dispersible) can be suitably used. For example, polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), ethylene-tetrafluoroethylene copolymer (ETFE) ), Etc., rubbers such as vinyl acetate copolymer, styrene butadiene block copolymer (SBR), acrylic acid-modified SBR resin (SBR latex), and gum arabic.
ここに開示される水系ペーストは、本発明に係る正極活物質と上記例示した導電材と結着材等の添加材とを、適当な水系溶媒に添加し、分散または溶解させて混合することにより調製することができる。こうして調製される水系ペーストは、正極活物質を構成する複合酸化物の表面の少なくとも一部を被覆する水溶性リチウム化合物(典型的にはリチウムイオン)が溶解されている。そのため、該複合酸化物中からのリチウムイオンの溶出が最小限に抑えられており、該水系ペーストを用いて構築されるリチウム二次電池の電池容量の低下が抑制される。さらに、従来のように過剰量のリチウムイオンが水系ペーストに溶け出さないため、適度な粘性(pH依存による粘性であって、通常高pHペーストほど粘性が高くなる)を備えており、薄く均一に良好な状態で正極集電体表面に塗布され得る。 The aqueous paste disclosed herein is obtained by adding the positive electrode active material according to the present invention, the above-exemplified conductive material, and an additive such as a binder to an appropriate aqueous solvent, and dispersing or dissolving the mixture. Can be prepared. In the aqueous paste thus prepared, a water-soluble lithium compound (typically lithium ion) covering at least a part of the surface of the composite oxide constituting the positive electrode active material is dissolved. Therefore, elution of lithium ions from the composite oxide is minimized, and a decrease in battery capacity of a lithium secondary battery constructed using the aqueous paste is suppressed. Furthermore, since an excessive amount of lithium ions does not dissolve into the aqueous paste as in the past, it has an appropriate viscosity (viscosity-dependent viscosity, and usually the higher the pH paste, the higher the viscosity). It can be applied to the surface of the positive electrode current collector in a good state.
そして、調製した水性ペーストを正極集電体32に塗布し、水系溶媒を揮発させて乾燥させた後、圧縮(プレス)する。これにより該水系ペーストを使用して形成された正極活物質層34を正極集電体32上に有するリチウム二次電池用の正極が得られる。
ここで、正極集電体32に水性ペーストを塗布する方法としては、従来公知の方法と同様の技法を適宜採用することができる。例えば、スリットコーター、ダイコーター、グラビアコーター、コンマコーター等の適当な塗布装置を使用することにより、正極集電体32に水性ペーストを好適に塗布することができる。また、溶媒を乾燥するにあたっては、自然乾燥、熱風、低湿風、真空、赤外線、遠赤外線、および電子線を、単独または組合せにて用いることにより良好に乾燥し得る。さらに、圧縮方法としては、従来公知のロールプレス法、平板プレス法等の圧縮方法を採用することができる。かかる厚さを調整するにあたり、膜厚測定器で該厚みを測定し、プレス圧を調整して所望の厚さになるまで複数回圧縮してもよい。
Then, the prepared aqueous paste is applied to the positive electrode
Here, as a method of applying the aqueous paste to the positive electrode
一方、負極(典型的には負極シート40)は、長尺状の負極集電体42(例えば銅箔)の上に負極活物質層44が形成された構成であり得る。負極活物質は、従来からリチウム二次電池に用いられる物質の一種または二種以上を特に限定することなく使用することができる。好適例として、カーボン粒子が挙げられる。少なくとも一部にグラファイト構造(層状構造)を含む粒子状の炭素材料(カーボン粒子)が好ましく用いられる。いわゆる黒鉛質のもの(グラファイト)、難黒鉛化炭素質のもの(ハードカーボン)、易黒鉛化炭素質のもの(ソフトカーボン)、これらを組み合わせた構造を有するもののいずれの炭素材料も好適に使用され得る。
On the other hand, the negative electrode (typically, the negative electrode sheet 40) may have a configuration in which a negative electrode
また、負極活物質層44には、上記負極活物質の他に、一般的なリチウム二次電池に配合され得る一種または二種以上の結着材等の材料を必要に応じて含有させることができる。そして、負極活物質と結着材等とを適当な溶媒(水、有機溶媒およびこれらの混合溶媒)に添加し、分散または溶解させて調製したペーストまたはスラリー状の組成物を負極集電体42に塗布し、溶媒を乾燥させて圧縮することにより好ましく作製され得る。
Moreover, the negative electrode
また、正負極シート30、40間に使用される好適なセパレータシート50としては、多孔質ポリオレフィン系樹脂で構成されたものが挙げられる。例えば、合成樹脂製(例えばポリエチレン等のポリオレフィン製)多孔質セパレータシートを好適に使用し得る。なお、電解質として固体電解質若しくはゲル状電解質を使用する場合には、セパレータが不要な場合(即ちこの場合には電解質自体がセパレータとして機能し得る。)があり得る。
Moreover, as a
また、電解質は、従来からリチウム二次電池に用いられる非水電解液と同様のものを特に限定なく使用することができる。かかる非水電解液は、典型的には、適当な非水溶媒に支持塩を含有させた組成を有する。上記非水溶媒としては、例えば、プロピレンカーボネート(PC)、エチレンカーボネート(EC)、ジエチルカーボネート(DEC)、ジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(EMC)等からなる群から選択された一種又は二種以上を用いることができる。また、上記支持塩としては、例えば、LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiAsF6、LiCF3SO3、LiC4F9SO3、LiN(CF3SO2)2、LiC(CF3SO2)3、LiI等のリチウム化合物(リチウム塩)を用いることができる。なお、非水電解液における支持塩の濃度は、従来のリチウム二次電池で使用される非水電解液と同様でよく、特に制限はない。適当なリチウム化合物(支持塩)を0.1〜5mol/L程度の濃度で含有させた電解質を使用することができる。 Moreover, the electrolyte can use the thing similar to the nonaqueous electrolyte conventionally used for a lithium secondary battery without limitation. Such a nonaqueous electrolytic solution typically has a composition in which a supporting salt is contained in a suitable nonaqueous solvent. Examples of the non-aqueous solvent include one or two selected from the group consisting of propylene carbonate (PC), ethylene carbonate (EC), diethyl carbonate (DEC), dimethyl carbonate (DMC), ethyl methyl carbonate (EMC), and the like. More than seeds can be used. Examples of the supporting salt include LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , LiAsF 6 , LiCF 3 SO 3 , LiC 4 F 9 SO 3 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , LiC (CF 3 SO 2 ). 3. Lithium compounds (lithium salts) such as LiI can be used. In addition, the density | concentration of the support salt in a nonaqueous electrolyte solution may be the same as that of the nonaqueous electrolyte solution used with the conventional lithium secondary battery, and there is no restriction | limiting in particular. An electrolyte containing an appropriate lithium compound (supporting salt) at a concentration of about 0.1 to 5 mol / L can be used.
また、一実施形態に係るリチウム二次電池100の構築について大まかな手順を説明する。上記作製した正極シート30および負極シート40を2枚のセパレータ50と共に積重ね合わせて捲回し、積層方向から押しつぶして拉げさせることによって電極体20を扁平形状に成形し、電池ケース10に収容して電解質を注入後、該ケース開口部12に蓋体14を装着し、封止することによって、本実施形態のリチウム二次電池100を構築することができる。なお、上記電池ケース10の構造、大きさ、材料(例えば金属製またはラミネートフィルム製であり得る)等について特に制限はない。
In addition, a rough procedure for constructing the lithium
このようにして構築されたリチウム二次電池は、上述したように、優れた電池特性(電池容量、サイクル特性またはハイレート特性)、特に低温高出力使用条件下において良好なサイクル特性を示すものであり得る。 As described above, the lithium secondary battery constructed in this manner exhibits excellent battery characteristics (battery capacity, cycle characteristics or high rate characteristics), particularly good cycle characteristics under low temperature and high power use conditions. obtain.
なお、この明細書により開示される事項には、以下のものが含まれる。
(1)評価対象たる正極活物質について、上述した被覆量αを把握する工程;
上記で把握した被覆量αと目標とする数値(所定の合格基準)とを比較する工程;
上記被覆量αが上記目標数値を満たす場合には当該正極活物質を合格と判定し、満たさない場合には不合格と判定する工程;
合格と判定された正極活物質と水系溶媒とを含む水系ペーストを調製する工程;
その水系ペーストを正極集電体に付与することにより、該集電体上に正極活物質層を有する正極を作製する工程;および、
その正極を用いてリチウム二次電池を構築する工程;
を包含する、リチウム二次電池製造方法。
Note that the matters disclosed by this specification include the following.
(1) The process of grasping | ascertaining the coating amount (alpha) mentioned above about the positive electrode active material which is evaluation object;
A step of comparing the covering amount α grasped above with a target numerical value (predetermined acceptance criteria);
A step of determining that the positive electrode active material is acceptable when the coating amount α satisfies the target value;
A step of preparing an aqueous paste containing a positive electrode active material determined to be acceptable and an aqueous solvent;
Applying the aqueous paste to a positive electrode current collector to produce a positive electrode having a positive electrode active material layer on the current collector; and
Building a lithium secondary battery using the positive electrode;
A method for producing a lithium secondary battery.
(2)リチウム二次電池の正極を製造するための水系ペーストの調製に使用する正極活物質の品質を評価する方法であって、
評価対象たる正極活物質について、上述した被覆量αを把握する工程;
上記で把握した被覆量αと目標とする数値(所定の合格基準)とを比較する工程;および、
上記被覆量αが上記目標数値を満たす場合には当該正極活物質を合格と判定し、満たさない場合には不合格と判定する工程;
を包含する、正極活物質の品質評価方法。
(2) A method for evaluating the quality of a positive electrode active material used for preparing an aqueous paste for producing a positive electrode of a lithium secondary battery,
A step of grasping the above-described coating amount α for the positive electrode active material to be evaluated;
A step of comparing the covering amount α grasped above with a target numerical value (predetermined acceptance criteria); and
A step of determining that the positive electrode active material is acceptable when the coating amount α satisfies the target value;
A method for evaluating the quality of a positive electrode active material.
上記(1)および(2)において、不合格と判定された正極活物質は、αが上記範囲を満たすような処理を施した上で水系ペーストの調製に使用してもよく、該正極活物質と有機溶剤とを含む溶剤系ペースト(正極活物質層形成用の組成物)の調製に使用してもよい。また、上記被覆量αは、典型的には上述した中和滴定法を用いてその都度実際に測定することにより把握することができるが、かかる態様に限定されず、例えば過去の実績等に基づいて被覆量αを把握(推定)してもよい。上記合否判定の基準としては、被覆量αが上記範囲を満たすか否かに替えて、あるいはかかる基準に加えて、他のパラメータ(好適例として、Li量(C)および結晶子径が挙げられる。)の1または2以上がここに開示される好ましい範囲を満たすか否かを採用してもよい。また、上記被覆量α(質量%)からモル比(A)を把握し、そのモル比(A)と所定の合格基準(例えば0.018〜0.032(モル比))とを比較して合否を判定してもよい。 The positive electrode active material determined to be unacceptable in the above (1) and (2) may be used for the preparation of an aqueous paste after being treated so that α satisfies the above range. And an organic solvent may be used to prepare a solvent-based paste (composition for forming a positive electrode active material layer). In addition, the coating amount α can be grasped by actually measuring each time using the above-described neutralization titration method, but is not limited to such an embodiment, for example, based on past results. Then, the covering amount α may be grasped (estimated). As a criterion for the above pass / fail judgment, in addition to or in addition to whether or not the coating amount α satisfies the above range, other parameters (preferred examples include Li amount (C) and crystallite diameter). .)) May be adopted as to whether or not one or more of the above satisfy the preferred range disclosed herein. Further, the molar ratio (A) is grasped from the coating amount α (mass%), and the molar ratio (A) is compared with a predetermined acceptance standard (for example, 0.018 to 0.032 (molar ratio)). Pass / fail may be determined.
以下の試験例において、ここで開示される複合酸化物の表面の少なくとも一部に水溶性リチウム化合物が被覆された正極活物質を使用してリチウム二次電池(サンプル電池)を構築し、その性能評価を行った。 In the following test examples, a lithium secondary battery (sample battery) was constructed using a positive electrode active material in which at least a part of the surface of the composite oxide disclosed herein was coated with a water-soluble lithium compound, and its performance Evaluation was performed.
<試験例1:正極活物質の製造>
まず、以下の手順で正極活物質を製造した。すなわち、ニッケル供給源としての硫酸ニッケル(NiSO4)と、コバルト供給源としての硫酸コバルト(CoSO4)とを所定のモル比となるように混合して硫酸塩水溶液を調製した。次に、約50℃に加温しつつ、この溶液にアンモニア(NH3)水溶液と水酸化ナトリウム水溶液(NaOH)とを少量ずつ供給しながら中和し、約pH11に調整してスラリーを作製した。このスラリーを水洗、ろ過し、次いで凡そ70℃で乾燥することによって、ニッケルコバルト複合水酸化物(Ni1−yCoy(OH)2)(ここで、yは、0≦y≦0.25を満足する数である。)から成る粉末を得た。
上記ニッケルコバルト複合水酸化物を、水酸化ナトリウム(NaOH)とアルミン酸ナトリウム(NaAlO2)が溶解された水溶液に分散させ、攪拌しつつ硫酸水溶液(H2SO4)で中和し、ニッケルコバルト複合水酸化物表面に水酸化アルミニウムを析出させたスラリーを調製した。このスラリーを水洗、ろ過し、次いで凡そ100℃で乾燥した後、700℃に加熱して焼成することによって、ニッケルコバルトアルミニウム含有複合酸化物((Ni1−yCoy)1−zAlzO)(ここでyおよびzは、0≦y≦0.25、0≦z≦0.1を全て満足する数である。)を合成した。
<Test Example 1: Production of positive electrode active material>
First, a positive electrode active material was manufactured by the following procedure. That is, nickel sulfate (NiSO 4 ) as a nickel supply source and cobalt sulfate (CoSO 4 ) as a cobalt supply source were mixed at a predetermined molar ratio to prepare a sulfate aqueous solution. Next, while heating to about 50 ° C., the solution was neutralized while supplying an aqueous ammonia (NH 3 ) solution and an aqueous sodium hydroxide solution (NaOH) little by little, and adjusted to about pH 11 to prepare a slurry. . The slurry is washed with water, filtered, and then dried at about 70 ° C. to thereby obtain a nickel cobalt composite hydroxide (Ni 1-y Co y (OH) 2 ) (where y is 0 ≦ y ≦ 0.25). Is obtained).
The nickel cobalt composite hydroxide is dispersed in an aqueous solution in which sodium hydroxide (NaOH) and sodium aluminate (NaAlO 2 ) are dissolved, neutralized with an aqueous sulfuric acid solution (H 2 SO 4 ) while stirring, and nickel cobalt A slurry in which aluminum hydroxide was deposited on the surface of the composite hydroxide was prepared. The slurry was washed with water, filtered, and then dried at about 100 ° C., and then heated to 700 ° C. and fired to obtain a nickel cobalt aluminum-containing composite oxide ((Ni 1-y Co y ) 1-z Al z O. (Wherein y and z are numbers satisfying all 0 ≦ y ≦ 0.25 and 0 ≦ z ≦ 0.1).
次に、上記複合酸化物に、リチウム供給源としての水酸化リチウム(LiOH)を、Liのモル数と他の全ての構成金属元素(Ni,Co,Al)の合計モル数(Mall)とがさまざまなモル比(MLi/Mall)となるような分量で混合し、複数サンプルの複合酸化物製造用原料を調製した。そして、調製した各原料を酸素中において室温から凡そ700〜800℃の温度域まで昇温し、当該温度域で約7時間焼成することにより、複合酸化物の表面の少なくとも一部に水溶性リチウム化合物が被覆された正極活物質(Lix(Ni1−yCoy)1−zAlzO2)(ここで、x,yおよびzは、0.99≦x≦1.12、0≦y≦0.25、0≦z≦0.1を全て満足する数である。)を得た。 Next, lithium hydroxide (LiOH) as a lithium supply source is added to the composite oxide, the number of moles of Li, and the total number of moles of all other constituent metal elements (Ni, Co, Al) (M all ). Were mixed in such amounts that various molar ratios (M Li / M all ) were obtained to prepare a plurality of samples of composite oxide production raw materials. The prepared raw materials are heated in oxygen from room temperature to a temperature range of about 700 to 800 ° C. and fired in the temperature range for about 7 hours, so that at least part of the surface of the composite oxide has water-soluble lithium. Positive electrode active material (Li x (Ni 1-y Co y ) 1-z Al z O 2 ) coated with a compound (where x, y and z are 0.99 ≦ x ≦ 1.12, 0 ≦ y ≦ 0.25 and 0 ≦ z ≦ 0.1 are all satisfied).
こうして製造した各正極活物質について、複合酸化物の表面に被覆された水溶性リチウム化合物の被覆量をそれぞれ測定した。測定方法は、正極活物質2.01g〜2.04gを秤量し、攪拌しながらイオン交換水に分散(溶解)して全量を100mLにした。これに10%塩化バリウム溶液2mLを加え、攪拌しながら1mol/L塩酸で中和滴定し、電位差計を用いてpH8の第一中和点を判断することによって、水溶性リチウム化合物の被覆量α(質量%)を、以下の(2)式を用いて求めた。
α(質量%)=(D×F×K×M÷S)÷10 (2)
D:第一中和点までの塩酸滴定量(mL)
F:塩酸のファクター
K:リチウムの原子量(6.941g/mol)
M:塩酸のモル濃度(1mol/L)
S:正極活物質の質量(g)
さらに、上記αから、次式:(α/K)/Mall;により、上記被覆量αに対応するLi量(モル比(A))を算出した。
About each positive electrode active material manufactured in this way, the coating amount of the water-soluble lithium compound coated on the surface of the composite oxide was measured. In the measurement method, 2.01 g to 2.04 g of the positive electrode active material was weighed and dispersed (dissolved) in ion-exchanged water with stirring to make a total amount of 100 mL. To this, 2 mL of 10% barium chloride solution was added, neutralized with 1 mol / L hydrochloric acid while stirring, and the first neutralization point of pH 8 was judged using a potentiometer, whereby the coating amount α of the water-soluble lithium compound was determined. (Mass%) was calculated | required using the following (2) Formula.
α (mass%) = (D × F × K × M ÷ S) / 10 (2)
D: hydrochloric acid titration to the first neutralization point (mL)
F: Factor of hydrochloric acid
K: atomic weight of lithium (6.941 g / mol)
M: molar concentration of hydrochloric acid (1 mol / L)
S: Mass of positive electrode active material (g)
Furthermore, the Li amount (molar ratio (A)) corresponding to the coating amount α was calculated from the α by the following formula: (α / K) / M all ;
<試験例2:水系ペーストの調製>
上記製造した各正極活物質を用いて、水系ペーストを調製した。すなわち、正極における正極活物質層を形成するにあたり、該正極活物質と、導電材としてのアセチレンブラックと、結着材としてのカルボキシメチルセルロース(CMC)と、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)とを、これらの材料の質量%比が88:10:1:1となるように秤量し、上記材料の固形分率が54質量%になるように水系溶媒(イオン交換水)に添加した。このとき、上記正極活物質と水系溶媒(H2O)とのモル組成比は、正極活物質1に対して、水が凡そ0.75〜1.05(例えば0.97程度)の範囲になるように調製した。次いで、プラネタリーミキサーで50分間混合し、正極活物質層形成用の水系ペーストを調製した。
<Test Example 2: Preparation of aqueous paste>
An aqueous paste was prepared using each of the manufactured positive electrode active materials. That is, in forming the positive electrode active material layer in the positive electrode, the positive electrode active material, acetylene black as a conductive material, carboxymethyl cellulose (CMC) as a binder, and polytetrafluoroethylene (PTFE), The material was weighed so that the mass% ratio of the material was 88: 10: 1: 1, and added to an aqueous solvent (ion-exchanged water) so that the solid content ratio of the material was 54 mass%. At this time, the molar composition ratio between the positive electrode active material and the aqueous solvent (H 2 O) is such that water is about 0.75 to 1.05 (for example, about 0.97) with respect to the positive electrode
<試験例3:水系ペーストの粘度>
上記調製した水系ペーストの粘性について、粘度測定計を用いて求めた。そして、各正極活物質の複合酸化物の表面を被覆するリチウム被覆量と水系ペーストの粘度との関係を調べた。図3に、その結果を示す。
<Test Example 3: Viscosity of aqueous paste>
The viscosity of the prepared aqueous paste was determined using a viscometer. And the relationship between the lithium coating amount which coat | covers the surface of the composite oxide of each positive electrode active material, and the viscosity of aqueous paste was investigated. FIG. 3 shows the result.
図3は、横軸が複合酸化物の表面を被覆する水溶性リチウム化合物の被覆量(モル比)であり、縦軸が水系ペーストの粘度を示す。
図3から明らかなように、リチウム被覆量が大きいほど、水系ペーストの粘度が高くなる傾向にあることが確認された。さらに、被覆量(モル比)が0.018〜0.03程度では水系ペーストの粘度は凡そ3000〜5000mPa・sであるが、被覆量(モル比)が0.036以上になると著しく粘度が高くなる(約13000mPa・s)ことが示された。
In FIG. 3, the horizontal axis represents the coating amount (molar ratio) of the water-soluble lithium compound that coats the surface of the composite oxide, and the vertical axis represents the viscosity of the aqueous paste.
As is clear from FIG. 3, it was confirmed that the viscosity of the aqueous paste tends to increase as the lithium coating amount increases. Furthermore, when the coating amount (molar ratio) is about 0.018 to 0.03, the viscosity of the aqueous paste is about 3000 to 5000 mPa · s, but when the coating amount (molar ratio) is 0.036 or more, the viscosity is extremely high. (About 13000 mPa · s).
<試験例4:水系ペーストを使用した試験用リチウム二次電池の構築>
上記調製した水系ペーストを、正極集電体としての厚み約15μmのアルミニウム箔の両面に、合計塗布量(固形分換算)が凡そ9.5mg/cm2となるように塗布した。次いで、ペースト中の水分を乾燥させ、ローラプレス機にてシート状に引き伸ばして層厚が60μm(正極集電体の厚みを含む)の厚さに調製し、正極活物質層を形成することにより、リチウム二次電池用の正極(正極シート)を作製した。
<Test Example 4: Construction of a test lithium secondary battery using an aqueous paste>
The prepared aqueous paste was applied to both surfaces of an aluminum foil having a thickness of about 15 μm as a positive electrode current collector so that the total coating amount (in terms of solid content) was approximately 9.5 mg / cm 2 . Next, the moisture in the paste is dried and stretched into a sheet with a roller press to prepare a layer thickness of 60 μm (including the thickness of the positive electrode current collector) to form a positive electrode active material layer A positive electrode (positive electrode sheet) for a lithium secondary battery was produced.
次に、リチウム二次電池用の負極を作製した。すなわち、負極活物質としての(アモルファスカーボンでコーティング処理した)グラファイトと、結着材としてのスチレンブタジエンゴム(SBR)、とカルボキシメチルセルロース(CMC)とを、これら材料の質量%比が98:1:1となるようにイオン交換水と混合して、負極活物質層形成用のペーストを調製した。そして、負極集電体としての厚み約10μmの銅箔の両面に、かかるペーストの合計塗布量(固形分換算)が凡そ9.0mg/cm2の範囲となるように塗布した。次いで、ペースト中の水分を乾燥させ、ローラプレス機にてシート状に引き伸ばして層厚が60μm(負極集電体の厚みを含む)の厚さに調製し、負極活物質層を形成することにより、リチウム二次電池用の負極(負極シート)を作製した。 Next, a negative electrode for a lithium secondary battery was produced. That is, graphite (coated with amorphous carbon) as a negative electrode active material, styrene butadiene rubber (SBR) as a binder, and carboxymethyl cellulose (CMC) in a mass% ratio of these materials of 98: 1: 1 was mixed with ion-exchanged water to prepare a paste for forming a negative electrode active material layer. And it apply | coated so that the total application amount (in solid content conversion) of this paste might be in the range of about 9.0 mg / cm < 2 > on both surfaces of the copper foil about 10 micrometers thick as a negative electrode collector. Next, the moisture in the paste is dried and stretched into a sheet shape with a roller press to adjust the layer thickness to 60 μm (including the thickness of the negative electrode current collector) to form a negative electrode active material layer A negative electrode (negative electrode sheet) for a lithium secondary battery was produced.
上記作製した正極シートおよび負極シートを2枚の多孔性セパレータと共に重ね合わせて捲回し、積層方向から押しつぶして拉げさせることによって電極体を扁平形状に成形した。そして、該電極体をケースに収容し、エチレンカーボネート(EC)とジメチルカーボネート(DMC)とを1:1の体積比で含む混合溶媒に支持塩LiPF6を1mol/Lの濃度で溶解した電解質を注入した。次いで、コンディショニング処理として2Aの定電流で4.1Vまで充電することにより、試験用リチウム二次電池を構築した。 The prepared positive electrode sheet and negative electrode sheet were overlapped and wound together with two porous separators, and crushed from the stacking direction to be crushed to form an electrode body into a flat shape. The electrode body is housed in a case, and an electrolyte in which the supporting salt LiPF 6 is dissolved at a concentration of 1 mol / L in a mixed solvent containing ethylene carbonate (EC) and dimethyl carbonate (DMC) at a volume ratio of 1: 1 is prepared. Injected. Next, a lithium secondary battery for testing was constructed by charging up to 4.1 V with a constant current of 2 A as a conditioning treatment.
<試験例5:低温出力特性>
次に、各リチウム二次電池の低温条件下における出力特性を調べた。すなわち、25℃の温度条件下、3.0V迄の定電流放電後、定電流定電圧で充電を行ってSOC(State of Charge)40%に調整した。その後、−30℃にて適宜電流を変化させ、放電開始から2秒後の電圧を測定し、サンプル電池のI−V特性グラフを作成した。放電カット電圧は2.0Vとした。かかるI−V特性グラフから出力値(W)を求めた。そして、各正極活物質の複合酸化物の表面を被覆するリチウム被覆量と低温出力との関係を調べた。図4にその結果を示す。
<Test Example 5: Low-temperature output characteristics>
Next, the output characteristics of each lithium secondary battery under low temperature conditions were examined. That is, after a constant current discharge up to 3.0 V under a temperature condition of 25 ° C., the battery was charged with a constant current and a constant voltage and adjusted to 40% SOC (State of Charge). Thereafter, the current was appropriately changed at −30 ° C., the voltage 2 seconds after the start of discharge was measured, and an IV characteristic graph of the sample battery was created. The discharge cut voltage was 2.0V. The output value (W) was obtained from the IV characteristic graph. Then, the relationship between the amount of lithium coating covering the surface of the composite oxide of each positive electrode active material and the low temperature output was examined. FIG. 4 shows the result.
図4は、横軸が複合酸化物の表面を被覆する水溶性リチウム化合物の被覆量(モル比)を示し、縦軸が低温出力値を示す。
図4から明らかなように、リチウム被覆量(モル比)が大きいほど出力値は高くなることが確認された。また、被覆量(モル比)が0.018〜0.02のリチウム二次電池においても、出力が凡そ110Wあり、低温出力特性が良好であることが示された。
In FIG. 4, the horizontal axis represents the coating amount (molar ratio) of the water-soluble lithium compound that coats the surface of the composite oxide, and the vertical axis represents the low-temperature output value.
As is clear from FIG. 4, it was confirmed that the output value increased as the lithium coating amount (molar ratio) increased. Also, a lithium secondary battery having a coating amount (molar ratio) of 0.018 to 0.02 has an output of approximately 110 W, indicating that the low-temperature output characteristics are good.
<試験例6:内部抵抗増加率>
次に、各リチウム二次電池の内部抵抗増加率を調べた。すなわち、25℃の温度条件下にて、定電流定電圧(CC−CV)充電によって各電池をSOC60%の充電状態に調整した。その後、25℃にて60Aで放電し、放電開始から10秒後の電圧値をプロットしてI−V特性グラフを作成した。このI−V特性グラフの傾きから、25℃における初期内部抵抗値(mΩ)を算出した。
そして、同様の条件で各電池をSOC60%に調整した後、60℃において、これらの電池に対し、SOC80%まで定電流(10A)にて充電し、SOC30%まで定電流(10A)にて放電させる充放電サイクルを2000サイクル繰り返した。これら2000サイクル後の電池について、上記初期内部抵抗値の測定と同様にして内部抵抗値を測定した。そして、横軸をサイクル数の平方根とし、縦軸を内部抵抗値とするグラフを作成し、上記充放電サイクルの前後における内部抵抗値の増加率として、そのグラフの傾きを求めた。各正極活物質の複合酸化物の表面を被覆するリチウム被覆量と内部抵抗増加率との関係を調べた。その結果を図5に示す。
<Test Example 6: Internal resistance increase rate>
Next, the internal resistance increase rate of each lithium secondary battery was examined. That is, each battery was adjusted to a
Then, after adjusting each battery to
図5は、横軸が複合酸化物の表面を被覆する水溶性リチウム化合物の被覆量(モル比)を示し、縦軸が内部抵抗増加率を示す。
図5から明らかなように、充放電サイクルを2000サイクル繰り返した場合、リチウム被覆量(モル比)が小さいほど、内部抵抗増加率が大きくなることが確認された。しかしながら、被覆量(モル比)が凡そ0.02〜0.022と少ないリチウム二次電池においても、内部抵抗の顕著な増加は見られなかった。
In FIG. 5, the horizontal axis represents the coating amount (molar ratio) of the water-soluble lithium compound covering the surface of the composite oxide, and the vertical axis represents the internal resistance increase rate.
As is clear from FIG. 5, it was confirmed that when the charge / discharge cycle was repeated 2000 times, the internal resistance increase rate was increased as the lithium coating amount (molar ratio) was decreased. However, even in a lithium secondary battery having a small coating amount (molar ratio) of about 0.02 to 0.022, no significant increase in internal resistance was observed.
<試験例7:炭酸リチウム量の影響>
試験例1に係る正極活物質の製造と同様にして、複合酸化物製造用原料におけるMLi/Mallが異なる複数種類の正極活物質を作製した。それらを保存雰囲気および保存時間の一方または両方が異なる種々の条件で保存した後の正極活物質サンプル(合計22種)について、被覆量αおよび炭素量WTCを測定した。得られたαおよびWTCをそれぞれ式(a),(b)に代入してLiのモル比(A),(B)を求め、さらにLi量(C)を算出した。なお、αの測定は試験例1と同様にして行った。WTCの測定は以下の方法により行った。
<Test Example 7: Effect of lithium carbonate amount>
In the same manner as in the production of the positive electrode active material according to Test Example 1, a plurality of types of positive electrode active materials having different M Li / M all in the composite oxide production raw material were produced. The coating amount α and the carbon amount W TC were measured for the positive electrode active material samples (total 22 types) after being stored under various conditions in which one or both of the storage atmosphere and the storage time were different. The obtained α and W TC were substituted into formulas (a) and (b), respectively, to determine the molar ratios (A) and (B) of Li, and the Li amount (C) was further calculated. Α was measured in the same manner as in Test Example 1. WTC was measured by the following method.
(炭素量WTCの測定)
測定装置:
LECO社製の炭素硫黄分析装置、型式「CS−600」
測定条件:
キャリアガス 酸素(>99.5%)
ルツボ LECO社製セラミックルツボ
標準試料 社団法人日本鉄鋼連盟 JSS 061−1(C:0.63%)
JSS 173−7(C:0.038%)
分析操作:
1)ルツボを精密天秤に載せてゼロ点設定をし、5秒間質量が変動しないことを確認する。
2)試料0.2〜0.3gを0.1mgの桁まで秤量し、ルツボに入れる。
3)助燃剤としてWおよびSnを添加し、WTCを測定する(n=2)
(Measurement of carbon content WTC )
measuring device:
LECO carbon sulfur analyzer, model “CS-600”
Measurement condition:
Carrier gas Oxygen (> 99.5%)
Crucible LECO ceramic crucible standard sample Japan Iron and Steel Federation JSS 061-1 (C: 0.63%)
JSS 173-7 (C: 0.038%)
Analysis operations:
1) Place the crucible on the precision balance, set the zero point, and confirm that the mass does not change for 5 seconds.
2) Weigh 0.2 to 0.3 g of sample to the order of 0.1 mg and place in a crucible.
3) Add W and Sn as a combustor and measure WTC (n = 2)
(内部抵抗値の測定)
各正極活物質サンプルを用いて、試験例2,4と同様にして試験用リチウム二次電池を構築した。25℃の温度条件下にて、定電流定電圧(CC−CV)充電によって各電池をSOC60%に調整した。該電池を同温度条件下にて12C(60A)の放電レートで放電させ、放電開始から10秒後の電圧値をプロットしてI−V特性グラフを作成した。このI−V特性グラフの傾きから、各電池の内部抵抗値(常温におけるSOC60%内部抵抗値)を算出した。
(Measurement of internal resistance)
A test lithium secondary battery was constructed in the same manner as in Test Examples 2 and 4 using each positive electrode active material sample. Each battery was adjusted to
各正極活物質サンプルのLi量(C)(モル比)と、該サンプルを用いて構築されたリチウム二次電池のIV抵抗との関係をプロットしたグラフを図8に示す。このグラフから判るように、Li量(C)の値(モル比)が0<C<0.03(より具体的には0.003≦C≦0.02、特に0.01<C<0.02)の範囲にある正極活物質を用いてなる電池は、内部抵抗値が低く、Li量(C)と内部抵抗値との相関も高いことが確認された。 FIG. 8 shows a graph in which the relationship between the Li amount (C) (molar ratio) of each positive electrode active material sample and the IV resistance of a lithium secondary battery constructed using the sample is plotted. As can be seen from this graph, the value (molar ratio) of the Li amount (C) is 0 <C <0.03 (more specifically 0.003 ≦ C ≦ 0.02, particularly 0.01 <C <0. It was confirmed that the battery using the positive electrode active material in the range of .02) has a low internal resistance value and a high correlation between the Li amount (C) and the internal resistance value.
<試験例8:結晶子径の影響>
試験例1に係る正極活物質の製造と同様にして、ただし複合酸化物製造用原料におけるMLi/Mallの値、その焼成温度および焼成時間を調整することにより、(003)面方向の結晶子径dが異なる4種類の正極活物質サンプル(サンプル8a〜8d)を作製した。上記結晶子径dは、X線回折装置(PANalytical製、X’Pert PRO)により求めた。また、各サンプルについて、試験例7と同様にしてモル比(A)、炭素量WTC、モル比(B)およびモル比(C)を求めた。それらの結果を表1に示す。
<Test Example 8: Influence of crystallite size>
In the same manner as in the production of the positive electrode active material according to Test Example 1, except that the value of M Li / M all , the firing temperature and the firing time in the raw material for producing the composite oxide are adjusted, so that crystals in the (003) plane direction are obtained. Four types of positive electrode active material samples (
(内部抵抗値および低温出力の測定)
各正極活物質サンプルを用いて、試験例2,4と同様にして試験用リチウム二次電池を構築した。25℃の温度条件下にて、定電流定電圧(CC−CV)充電によって各電池をSOC20%、40%、60%または80%に調整した。該電池を同温度条件下にて12C(60A)の放電レートで放電させ、放電開始から10秒後の電圧値をプロットしてI−V特性グラフを作成した。このI−V特性グラフの傾きから、各電池の内部抵抗値を算出した。また、各電池につき、試験例5と同様にして低温出力を測定した。得られた結果を表1および図9に示す。
(Measurement of internal resistance and low temperature output)
A test lithium secondary battery was constructed in the same manner as in Test Examples 2 and 4 using each positive electrode active material sample. Each battery was adjusted to
これらの図表に示されるように、いずれの正極活物質サンプルを用いた電池でもSOC20%のときはSOC60%〜80%のときに比べて内部抵抗が高くなったが、結晶子径が1300Åに満たないサンプルaに比べて、サンプル8b〜8dでは低SOCに伴う内部抵抗の上昇が少なかった。特に、サンプル8cでは、SOC20%における内部抵抗値が顕著に低減され、その結果、より広いSOC範囲においてよりフラットな出力特性を示すリチウム二次電池が実現された。また、表1に示すように、かかる内部抵抗の低減効果は、低温出力特性にもよく反映されることが確認された。
As shown in these charts, the battery using any positive electrode active material sample had a higher internal resistance when the SOC was 20% than when the SOC was 60% to 80%, but the crystallite diameter was less than 1300 mm. Compared with the sample a which does not, the
以上、本発明を詳細に説明したが、上記実施形態および実施例は例示にすぎず、ここで開示される発明には上述の具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。例えば、電極体構成材料や電解質が異なる種々の内容の電池であってもよい。また、該電池の大きさおよびその他の構成についても、用途(典型的には車載用)によって適切に変更することができる。 As mentioned above, although this invention was demonstrated in detail, the said embodiment and Example are only illustrations and what changed and changed the above-mentioned specific example is contained in the invention disclosed here. For example, the battery of the various content from which an electrode body structural material and electrolyte differ may be sufficient. Further, the size and other configurations of the battery can be appropriately changed depending on the application (typically for in-vehicle use).
本発明の方法により得られた正極活物質を用いて構築したリチウム二次電池は、上述したように優れた電池特性(サイクル特性または低温出力特性)を有するため、特に自動車等の車両に搭載されるモーター(電動機)用電源として好適に使用し得る。したがって本発明は、図6に模式的に示すように、かかるリチウム二次電池(典型的には複数直列接続してなる組電池)100を電源として備える車両1(典型的には自動車、特にハイブリッド自動車、電気自動車、燃料電池自動車のような電動機を備える自動車)を提供する。 The lithium secondary battery constructed using the positive electrode active material obtained by the method of the present invention has excellent battery characteristics (cycle characteristics or low-temperature output characteristics) as described above, and is therefore mounted on vehicles such as automobiles. It can be suitably used as a power source for a motor (electric motor). Therefore, as schematically shown in FIG. 6, the present invention provides a vehicle 1 (typically an automobile, particularly a hybrid) provided with such a lithium secondary battery (typically, a battery pack formed by connecting a plurality of series batteries) 100 as a power source. Automobiles, electric vehicles, automobiles equipped with electric motors such as fuel cell vehicles).
1 車両
10 電池ケース
12 開口部
14 蓋体
20 捲回電極体
30 正極シート
32 正極集電体
34 正極活物質層
38 外部正極端子
40 負極シート
42 負極集電体
44 負極活物質層
48 外部負極端子
50 セパレータ
100 リチウム二次電池
DESCRIPTION OF
Claims (12)
該正極活物質は、少なくともリチウムとニッケルを構成金属元素とする複合酸化物により構成されており、
該複合酸化物の表面の少なくとも一部は水溶性リチウム化合物で被覆されており、
ここで前記水溶性リチウム化合物の被覆量は、中和滴定法に基づく該化合物中のリチウムのモル数mLiおよび前記複合酸化物を構成するリチウム以外の全ての金属元素の合計モル数Mallに基づいて下記式(a):
A=mLi/Mall (a);
により表されるリチウムのモル比(A)が0.018〜0.032になるように規定されていることを特徴とする、水系ペースト調製用正極活物質。 A positive electrode active material for preparing an aqueous paste used to prepare an aqueous paste containing an aqueous solvent and a positive electrode active material for forming a positive electrode active material layer of a lithium secondary battery,
The positive electrode active material is composed of a composite oxide having at least lithium and nickel as constituent metal elements,
At least a portion of the surface of the composite oxide is coated with a water-soluble lithium compound;
Here, the coating amount of the water-soluble lithium compound is the number of moles of lithium m Li in the compound based on the neutralization titration method and the total number of moles M all of all metal elements other than lithium constituting the composite oxide. Based on the following formula (a):
A = m Li / M all (a);
A positive electrode active material for preparing an aqueous paste, characterized in that the molar ratio (A) of lithium represented by the formula is specified to be 0.018 to 0.032.
Lix(Ni1−yCoy)1−zMezO2 (1)
(式(1)中のx,yおよびzは、
0.99≦x≦1.12、
0≦y≦0.25、
0≦z≦0.1であり、
Meは、存在しないか或いはAl、Mn、Mg、Ti、Fe、Cu、ZnおよびGaから成る群から選択される1種又は2種以上の元素である。)
で示される複合酸化物であることを特徴とする、請求項1に記載の正極活物質。 The composite oxide constituting the positive electrode active material has the following general formula:
Li x (Ni 1-y Co y ) 1-z Me z O 2 (1)
(X, y and z in the formula (1) are
0.99 ≦ x ≦ 1.12,
0 ≦ y ≦ 0.25,
0 ≦ z ≦ 0.1,
Me is one or more elements that are not present or are selected from the group consisting of Al, Mn, Mg, Ti, Fe, Cu, Zn, and Ga. )
The positive electrode active material according to claim 1, wherein the positive electrode active material is a composite oxide represented by the formula:
前記正極活物質についての高周波燃焼−赤外吸収法に基づく炭素量WTC(質量%)および前記複合酸化物を構成するリチウム以外の全ての金属元素の合計モル数Mallに基づいて下記式(b):
B=WTC×(1/12)×2÷Mall (b);
により算出される、WTCに対応する量の炭酸リチウムに含まれるリチウムのモル比(B)とが、以下の関係式(c):
0<(1.2A−B)<0.03 (c);
を満たすことを特徴とする、請求項1から3のいずれか一項に記載の正極活物質。 A molar ratio (A) of the lithium;
Based on the carbon amount W TC (mass%) based on the high-frequency combustion-infrared absorption method for the positive electrode active material and the total number of moles M all of all metal elements other than lithium constituting the composite oxide, the following formula ( b):
B = W TC × (1/12) × 2 ÷ M all (b);
The molar ratio (B) of lithium contained in lithium carbonate in an amount corresponding to WTC calculated by the following relational expression (c):
0 <(1.2A-B) <0.03 (c);
The positive electrode active material according to claim 1, wherein:
前記一次粒子は、X線回折により求められる(003)面方向の結晶子径d(Å)が次式:1300Å≦d≦1500Å;を満たす、請求項1から4のいずれか一項に記載の正極活物質。 It takes the form of secondary particles in which multiple primary particles are assembled,
5. The primary particle according to claim 1, wherein a crystallite diameter d (Å) in a (003) plane direction obtained by X-ray diffraction satisfies the following formula: 1300Å ≦ d ≦ 1500Å. Positive electrode active material.
リチウム供給源とニッケル供給源とを包含する複合酸化物製造用原料を、リチウムのモル数MLiと他の全ての構成金属元素の合計モル数Mallとのモル比(MLi/Mall)が、1<MLi/Mallとなるようにリチウム過剰に調製すること;および
前記リチウム過剰に調製した複合酸化物製造用原料を焼成することによって、前記複合酸化物から成る正極活物質であって該複合酸化物の表面の少なくとも一部が水溶性リチウム化合物で被覆された正極活物質を生成すること;
を包含し、
ここで前記複合酸化物製造用原料を調製するにあたって使用されるリチウム供給源の量は、前記水溶性リチウム化合物の被覆量が、中和滴定法に基づく該化合物中のリチウムのモル数mLiおよび前記複合酸化物を構成するリチウム以外の全ての金属元素の合計モル数Mallに基づいて下記式(a):
A=mLi/Mall (a);
により表されるリチウムのモル比(A)が0.018〜0.032になるように規定されることを特徴とする、製造方法。 A method for producing a positive electrode active material for a lithium secondary battery comprising a composite oxide having at least lithium and nickel as constituent metal elements, comprising:
A raw material for producing a complex oxide including a lithium source and a nickel source is a molar ratio between the number of moles of lithium M Li and the total number of moles of all other constituent metal elements M all (M Li / M all ). Is prepared in excess of lithium so that 1 <M Li / M all ; and by firing the composite oxide-producing raw material prepared in excess of lithium, Producing a positive electrode active material in which at least a part of the surface of the composite oxide is coated with a water-soluble lithium compound;
Including
Here, the amount of the lithium source used in preparing the raw material for producing the composite oxide is such that the coating amount of the water-soluble lithium compound is the number of moles of lithium m Li in the compound based on the neutralization titration method and Based on the total number of moles M all of all metal elements other than lithium constituting the composite oxide, the following formula (a):
A = m Li / M all (a);
The molar ratio (A) of lithium represented by the formula is specified to be 0.018 to 0.032.
Lix(Ni1−yCoy)1−zMezO2 (1)
(式(1)中のx,yおよびzは、
0.99≦x≦1.12、
0≦y≦0.25、
0≦z≦0.1を全て満足する数であり、
Meは、存在しないか或いはAl、Mn、Mg、Ti、Fe、Cu、ZnおよびGaから成る群から選択される1種又は2種以上の元素である。)
で示される複合酸化物が生成されるように全ての構成金属元素の供給源を包含し、且つリチウム過剰に調製することを特徴とする、請求項6に記載の製造方法。 The raw material for producing the composite oxide has a general formula:
Li x (Ni 1-y Co y ) 1-z Me z O 2 (1)
(X, y and z in the formula (1) are
0.99 ≦ x ≦ 1.12,
0 ≦ y ≦ 0.25,
A number that satisfies all 0 ≦ z ≦ 0.1,
Me is one or more elements that are not present or are selected from the group consisting of Al, Mn, Mg, Ti, Fe, Cu, Zn, and Ga. )
The production method according to claim 6, comprising a source of all constituent metal elements so as to produce a composite oxide represented by the formula (II) and being prepared in excess of lithium.
前記正極活物質として請求項1から5のいずれか一項に記載の正極活物質または請求項6から8のいずれか一項に記載の製造方法により得られた正極活物質を含むことを特徴とする、水系ペースト。 An aqueous paste containing a positive electrode active material and an aqueous solvent for forming a positive electrode active material layer of a lithium secondary battery,
The positive electrode active material according to any one of claims 1 to 5 or the positive electrode active material obtained by the production method according to any one of claims 6 to 8 is included as the positive electrode active material. A water-based paste.
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