JP2012059527A - Positive electrode for lithium ion battery and lithium ion battery using the same - Google Patents

Positive electrode for lithium ion battery and lithium ion battery using the same Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a positive electrode for a lithium ion battery which has high durability and improved capacity density per unit volume.SOLUTION: A positive electrode for a lithium ion battery includes a positive electrode material which is formed by mixing a solid solution which comprises Li[LiMn]Oand LiM1O, (where M1 is at least one transition metals), and has total metal valence of 4, with a secondary active material represented by LiM2O, (where M2 is at least one transition metals having a total valence of 3), as a positive electrode active material.

Description

本発明は、リチウムイオン電池用正極およびこれを用いたリチウムイオン電池に関する。より詳細には、電池の高耐久性を維持しつつ、体積当りの容量密度を改善するための改良に関する。   The present invention relates to a positive electrode for a lithium ion battery and a lithium ion battery using the same. More specifically, the present invention relates to an improvement for improving capacity density per volume while maintaining high durability of the battery.

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

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

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

この要請に応えられる可能性のある正極材料として、層状構造を有するリチウムマンガン系複合酸化物が提案されている。中でも、電気化学的に不活性の層状のLiMnOと、電気化学的に活性な層状のLiMO(ここでMは、Co、Mn、Niなどの遷移金属)との固溶体は200mAh/gを超える大きな電気容量を示しうる高容量正極材料の候補として期待されている。例えば、下記特許文献1には擬三元系固溶体であるxLi[Mn1/2Ni1/2]O・yLiCoO・zLi[Li1/3Mn2/3]O(x+y+z=1、0<x<1、0≦y<0.5、0<z<1)が開示されている。 A lithium manganese composite oxide having a layered structure has been proposed as a positive electrode material that can meet this demand. Among them, the solid solution of the electrochemically inactive layered Li 2 MnO 3 and the electrochemically active layered LiMO 2 (where M is a transition metal such as Co, Mn, Ni) is 200 mAh / g. It is expected as a candidate for a high-capacity positive electrode material capable of exhibiting a large electric capacity that exceeds. For example, in Patent Document 1 below, xLi [Mn 1/2 Ni 1/2 ] O 2 .yLiCoO 2 .zLi [Li 1/3 Mn 2/3 ] O 2 (x + y + z = 1, which is a pseudo ternary solid solution, 0 <x <1, 0 ≦ y <0.5, 0 <z <1) is disclosed.

特開2007−287445号公報JP 2007-287445 A

上述した擬三元系固溶体は、正極活物質として用いた場合、重量当りの容量密度が高く、高い耐久性を有する。その一方で、充填密度(タップ密度)が低いため、体積当りの容量密度が低いという問題があった。   The pseudo ternary solid solution described above has a high capacity density per weight and high durability when used as a positive electrode active material. On the other hand, since the packing density (tap density) is low, there is a problem that the capacity density per volume is low.

そこで本発明は、高耐久性を保持しつつ、体積当りの容量密度が改善された、リチウムイオン電池用正極を提供することを目的とする。   Then, an object of this invention is to provide the positive electrode for lithium ion batteries with which the capacity density per volume was improved, maintaining high durability.

本発明者らは、上記の課題を解決すべく鋭意研究を行なった。その結果、正極活物質として、LiMnOとLiM1Oとの固溶体に、充填密度の高い副活物質であるLiM2Oを混合することによって、上記課題が解決されうることを見出し、本発明を完成させた。 The present inventors have intensively studied to solve the above problems. As a result, as the positive electrode active material, a solid solution of Li 2 MnO 3 and LiM1O 2, by mixing LiM2O 2 is a high subsidiary active substance filling density, found that the above problems can be solved, the present invention Completed.

すなわち本発明は、Li[Li1/3Mn2/3]OとLiM1O(M1は1つ以上の遷移金属である)との固溶体であって、金属価数の合計が4である、固溶体と、LiM2O(M2は価数の合計が3である1つ以上の遷移金属である)で表される副活物質とが混合されてなる正極材料を正極活物質として含む、リチウムイオン電池用正極である。 That is, the present invention is a solid solution of Li [Li 1/3 Mn 2/3] O 2 and LiM1O 2 (M1 is one or more transition metals), the sum of the metal valence is 4, solid solutions, LiM2O 2 (M2 is one or more transition metals total valence is 3) comprising a positive electrode material and subsidiary active substance represented by is formed by mixing a positive electrode active material, a lithium ion battery This is a positive electrode for use.

本発明のリチウムイオン電池用正極によれば、前記固溶体に前記副活物質を混合することでタップ密度が改善される。また、前記副活物質を混合した場合であっても、前記固溶体の高い耐久性が維持される。このため、電池の高耐久性を保持した上で、体積当りの容量密度が改善されうる。   According to the positive electrode for a lithium ion battery of the present invention, the tap density is improved by mixing the secondary active material into the solid solution. Moreover, even when the secondary active material is mixed, high durability of the solid solution is maintained. For this reason, the capacity density per volume can be improved while maintaining the high durability of the battery.

本発明の代表的な一実施形態である、扁平型(積層型)の非双極型リチウムイオン二次電池の基本構成を示す概略図である。1 is a schematic diagram showing a basic configuration of a flat (stacked) non-bipolar lithium ion secondary battery, which is a representative embodiment of the present invention. Li[Li1/3Mn2/3]O(a)とLiM1O(b)との結晶構造の関係を示す模式図である。Li is a schematic diagram showing the relationship between the crystal structure of [Li 1/3 Mn 2/3] O 2 with (a) LiM1O 2 and (b). 本発明の一実施形態である積層型電池の外観を模式的に表した斜視図である。1 is a perspective view schematically showing an appearance of a stacked battery which is an embodiment of the present invention. 実施例で用いたLiMnO―LiM1O系固溶体の組成を表す図である。Is a diagram representing the composition of Li 2 MnO 3 -LiM1O 2 based solid solution used in Example. 実施例および比較例で得られた正極を用いた電池について、正極活物質の総質量に対する副活物質の含有量(質量%)と、正極活物質の体積当りの容量密度(体積容量密度)との関係を示すグラフである。About the battery using the positive electrode obtained by the Example and the comparative example, content (mass%) of the secondary active material with respect to the total mass of a positive electrode active material, and the capacity density (volume capacity density) per volume of a positive electrode active material It is a graph which shows the relationship. 実施例および比較例で得られた正極を用いた電池について、正極活物質の総質量に対する副活物質の含有量(質量%)と、容量保持率との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between content (mass%) of the subactive material with respect to the total mass of a positive electrode active material, and a capacity | capacitance retention rate about the battery using the positive electrode obtained by the Example and the comparative example. 実施例および比較例で得られた正極を用いた電池の容量保持率と体積当りの容量密度との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the capacity retention of the battery using the positive electrode obtained by the Example and the comparative example, and the capacity density per volume.

本発明の代表的な一実施形態は、Li[Li1/3Mn2/3]OとLiM1O(M1は1つ以上の遷移金属である)との固溶体であって、金属価数の合計が4である、固溶体と、LiM2O(M2は価数の合計が3である1つ以上の遷移金属である)で表される副活物質とが混合されてなる正極材料を正極活物質として含む、リチウムイオン電池用正極である。 One exemplary embodiment of the present invention is a solid solution of Li [Li 1/3 Mn 2/3 ] O 2 and LiM 1 O 2 (M 1 is one or more transition metals) having a metal valence of A positive electrode material obtained by mixing a solid solution having a total of 4 and a secondary active material represented by LiM 2 O 2 (M 2 is one or more transition metals having a total valence of 3) A positive electrode for a lithium ion battery.

一般式:aLi[Li1/3Mn2/3]O・(1−a)LiM1O(0<a<1)で表される、いわゆる固溶体系の正極材料は高容量材料として期待されている。式中、M1は1つ以上の遷移金属であり、固溶体に含まれるすべての金属の価数の合計が4になるように選択される。すなわち、酸素を除くすべての原子の価数の合計が4になるように選択される。ここで、例えば、Li(I)[Li(I)1/3Mn(IV)2/3]Oを考えると、金属価数の合計は4であり、酸素の価数(−2)×2と整合する。また、例えば、LiM1Oにおいて金属価数の合計が4であれば、酸素の価数(−2)×2と整合する。したがって、aLi[Li1/3Mn2/3]O・(1−a)LiM1O(0<a<1)で表される固溶体において、固溶体に含まれるすべての金属の価数の合計が4であれば、酸素の価数と整合するようになる。好ましくは、M1は、価数の合計が3である1つ以上の遷移金属であり、例えば、Mn、Ni、Co、Al、Cu、Ti、Feなどが好ましく用いられうる。「金属価数の合計」とは、構成する金属の平均の酸化状態を示し、構成金属のモル量と原子価とから算出される。例えば、モル基準で50%のNi(II)と50%のMn(IV)から構成される場合には、金属価数の合計は、(0.5)・(+2)+(0.5)・(+4)=+3となる。 General formula: ALI represented by [Li 1/3 Mn 2/3] O 2 · (1-a) LiM1O 2 (0 <a <1), cathode material of the so-called solid solution system is expected as a high-capacity material Yes. In the formula, M1 is one or more transition metals, and is selected so that the total valence of all the metals contained in the solid solution is 4. That is, it is selected so that the total valence of all atoms except oxygen is 4. Here, for example, considering Li (I) [Li (I) 1/3 Mn (IV) 2/3 ] O 2 , the total metal valence is 4, and the valence of oxygen (−2) × Consistent with 2. Further, for example, if the total metal valence is 4 in LiM1O 2 , it matches the oxygen valence (−2) × 2. Thus, ALI in solid solution represented by [Li 1/3 Mn 2/3] O 2 · (1-a) LiM1O 2 (0 <a <1), the valence sum of all the metal contained in the solid solution If it is 4, it becomes consistent with the valence of oxygen. Preferably, M1 is one or more transition metals having a total valence of 3, for example, Mn, Ni, Co, Al, Cu, Ti, Fe, etc. may be preferably used. The “total metal valence” indicates an average oxidation state of the constituent metals, and is calculated from the molar amount and valence of the constituent metals. For example, when composed of 50% Ni (II) and 50% Mn (IV) on a molar basis, the total metal valence is (0.5) · (+2) + (0.5) (+4) = + 3

具体的には、上記特許文献1に記載されるように、LiMnOと、Li[Ni0.5Mn0.5]O、Li[Ni1/3Co1/3Mn1/3]O、LiCoOなどとの間の固溶体について検討が進められてきた。なお、Li[Li1/3Mn2/3]OはLiMnOとも表記できるため、本明細書では、一般式:aLi[Li1/3Mn2/3]O・(1−a)LiM1Oで表される固溶体を、LiMnO―LiM1O系固溶体と称することもある。 Specifically, as described in Patent Document 1, Li 2 MnO 3 , Li [Ni 0.5 Mn 0.5 ] O 2 , Li [Ni 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 Investigations have been made on solid solutions between O 2 , LiCoO 2 and the like. Note that since Li [Li 1/3 Mn 2/3 ] O 2 can also be expressed as Li 2 MnO 3 , in this specification, the general formula: aLi [Li 1/3 Mn 2/3 ] O 2. the solid solution represented by a) LiM1O 2, also referred to as Li 2 MnO 3 -LiM1O 2 based solid solution.

このような固溶体系の正極材料は、重量当りの容量密度が高く、かつ高耐久性を有するものの、充填密度(タップ密度)が低いため、体積当りの容量密度が乏しいという問題があった。   Such a solid solution positive electrode material has a high capacity density per weight and high durability, but has a problem that the capacity density per volume is poor because the packing density (tap density) is low.

これに対して、本実施形態の正極では、LiMnO―LiM1O系固溶体に、充填密度の高いLiM2Oを副活物質として混合した正極材料を正極活物質として用いることを特徴とする。このような副活物質を用いることで、充填密度が改善され、体積当りの容量密度を改善することができる。したがって、リチウムイオン電池において、本実施形態のリチウムイオン電池用正極を用いることにより、高容量、高耐久性の電池が得られうる。 In contrast, in the positive electrode of the present embodiment, Li in 2 MnO 3 -LiM1O 2 based solid solution, which comprises using a mixed cathode material having a high packing density LiM2O 2 as subsidiary active material as a positive electrode active material. By using such a secondary active material, the packing density can be improved and the capacity density per volume can be improved. Therefore, in a lithium ion battery, a high capacity and high durability battery can be obtained by using the positive electrode for a lithium ion battery of the present embodiment.

電気化学的に活性な層状のLiM2O(M2は価数の合計が3である1つ以上の遷移金属である)は、高い充填密度を有する。しかしながらLiM2Oのみを正極材料として用いた場合は、高電位まで充電し、過剰にリチウムを結晶構造内から引き抜くと、耐久性が大幅に低下することが知られていた。そのため、LiM2Oを副活物質として前記固溶体に混合すると、前記副活物質の含有量が高くなるにつれて耐久性が直線的に低下すると予想される。しかしながら、本実施形態の正極においては、このような耐久性の直線的な低下はみられず、高耐久性を保持しつつ、体積当りの容量密度が改善された正極が得られることが明らかになった。 LiM2O 2 of electrochemically active layers (M2 is one or more transition metals total valence is 3) has a high packing density. However in the case of using only LiM2O 2 as a positive electrode material, charged to a high potential, an excessive withdrawal of the lithium from the crystal structure, durability has been known to be significantly reduced. Therefore, when mixed with the solid solution LiM2O 2 as subsidiary active material, the durability as the content increases the subsidiary active substance is expected to linearly decrease. However, in the positive electrode of the present embodiment, such a linear decrease in durability is not observed, and it is clear that a positive electrode having an improved capacity density per volume while maintaining high durability can be obtained. became.

上記の正極で高い耐久性が得られる理由の一つとしては、高電位領域でLiMnO―LiM1O系固溶体が反応しやすいため、LiM2Oへの電気化学的な負荷を軽減できるためと考えられる。ただし、このようなメカニズムによって正極の特性が向上する形態に限定されるわけではない。 One of the reasons why high durability can be obtained with the positive electrode is that the Li 2 MnO 3 —LiM 1 O 2 -based solid solution easily reacts in a high potential region, so that the electrochemical load on LiM 2 O 2 can be reduced. Conceivable. However, it is not necessarily limited to the form in which the positive electrode characteristics are improved by such a mechanism.

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

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

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

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

また、リチウムイオン電池内の電気的な接続形態(電極構造)で見た場合、非双極型(内部並列接続タイプ)電池および双極型(内部直列接続タイプ)電池のいずれにも適用し得るものである。ここで、非双極型電池では、バインダーなどを用いて正極活物質または負極活物質等を正極用集電体または負極用集電体にそれぞれ塗布して電極(正極または負極)を構成する。双極型の電池の場合には、集電体の一方の面に正極活物質等を塗布して正極活物質層を、反対側の面に負極活物質等を塗布して負極活物質層を積層して双極型電極を構成する。   Moreover, when viewed in terms of electrical connection form (electrode structure) in a lithium ion battery, it can be applied to both non-bipolar (internal parallel connection type) batteries and bipolar (internal series connection type) batteries. is there. Here, in a non-bipolar battery, a positive electrode active material, a negative electrode active material, or the like is applied to a positive electrode current collector or a negative electrode current collector using a binder or the like to constitute an electrode (positive electrode or negative electrode). In the case of a bipolar battery, a positive electrode active material or the like is applied to one surface of the current collector, and a positive electrode active material layer is applied to the opposite surface, and a negative electrode active material layer is stacked. Thus, a bipolar electrode is formed.

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

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

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

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

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

(リチウムイオン電池用正極)
本実施形態では、一般式(1):
aLi[Li1/3Mn2/3]O・(1−a)LiM1O (1)
(式中、M1は1つ以上の遷移金属であり、0<a<1であり、固溶体の金属価数の合計が4である)
で表される固溶体と、LiM2O(M2は価数の合計が3である1つ以上の遷移金属である)で表される副活物質とが混合されてなる正極材料を正極活物質として用いることを特徴とする。
(Positive electrode for lithium ion battery)
In the present embodiment, the general formula (1):
aLi [Li 1/3 Mn 2/3 ] O 2. (1-a) LiM 1 O 2 (1)
(Wherein M1 is one or more transition metals, 0 <a <1, and the total metal valence of the solid solution is 4)
It used a solid solution represented in the LiM2O 2 (M2 total valence is one or more transition metals is 3) positive electrode material and subsidiary active substance represented by is formed by mixing a positive electrode active material It is characterized by that.

上記のLiMnO―LiM1O系固溶体は、少なくとも初期状態での空間群がC2/m(単斜晶構造)である。かような構造は、活物質の電子線回折あるいはX線回折(2θで20−25°に現れるブロードなピーク)から確認することができる。 The above Li 2 MnO 3 —LiM 1 O 2 solid solution has a space group of C2 / m (monoclinic structure) at least in the initial state. Such a structure can be confirmed from electron diffraction or X-ray diffraction (broad peak appearing at 20-25 ° at 2θ) of the active material.

図2はLi[Li1/3Mn2/3]O(a)と、LiM1O(b)との結晶構造の関係を示す模式図である。図2(a)および図2(b)のそれぞれについて、右側の図は左側の構造を矢印の方向から見た原子の配置およびこれに隣接する格子の原子の配置を記載した図である。図2(a)に示すように、Li[Li1/3Mn2/3]Oの結晶構造は、遷移金属(Mn)およびリチウム(Li)からなる金属層を含む。金属層においては、以下に示すように、リチウムがa軸方向およびb軸方向に3つおきに(3倍周期)規則配列して二次元平面を形成している。 FIG. 2 is a schematic diagram showing the relationship between the crystal structures of Li [Li 1/3 Mn 2/3 ] O 2 (a) and LiM 1 O 2 (b). For each of FIG. 2A and FIG. 2B, the diagram on the right side shows the arrangement of atoms as viewed from the direction of the arrow on the left side structure and the arrangement of atoms in the lattice adjacent thereto. As shown in FIG. 2A, the crystal structure of Li [Li 1/3 Mn 2/3 ] O 2 includes a metal layer composed of a transition metal (Mn) and lithium (Li). In the metal layer, as shown below, lithium is regularly arranged every third (three-fold period) in the a-axis direction and the b-axis direction to form a two-dimensional plane.

この金属層中に規則配列したリチウム(Li)は、[Li1/3Mn2/3]OのLi1/3に起因するものである。かようなリチウムの周期配列構造は、電子線回折データから確認することができる。 The lithium (Li) regularly arranged in the metal layer is caused by Li 1/3 of [Li 1/3 Mn 2/3 ] O 2 . Such a periodic arrangement structure of lithium can be confirmed from electron beam diffraction data.

一方、LiM1Oの結晶構造においては、金属層内のリチウムの3倍周期の配列は生じない。 On the other hand, in the crystal structure of LiM 1 O 2 , no three-fold arrangement of lithium in the metal layer occurs.

上記一般式(1)中のaは、0<a<1を満たす数であればよい。好ましくは、0.4<a<0.9であり、より好ましくは0.5≦a≦0.8であり、さらに好ましくは0.6≦a≦0.75である。aの値が0.4より大きければ、結晶内でのLiMnOの成分の比率が大きくなり、大きな容量を発現できる。また、aの値が0.9より小さければ、十分な反応性が得られ、大きな容量が得られうる。充放電反応メカニズムがまだ解明されているとはいえないので、リチウム量をどこまで使用できるかはまだ確実にはわからないが、結晶内でLiMnO成分が多いと大きな容量を期待できる理由は、もし結晶内のLi層のリチウムがすべて可逆容量に寄与できるとすると344mAh/gの容量となり、組成式内のLiがすべて可逆容量に寄与できるとすると459mAh/gという大きな値になるからである。これに比べてLiM1Oでは、理論容量でも275mAh/g程度である。 A in the general formula (1) may be a number satisfying 0 <a <1. Preferably, 0.4 <a <0.9, more preferably 0.5 ≦ a ≦ 0.8, and still more preferably 0.6 ≦ a ≦ 0.75. If the value of a is larger than 0.4, the ratio of the Li 2 MnO 3 component in the crystal becomes large, and a large capacity can be expressed. If the value of a is less than 0.9, sufficient reactivity can be obtained and a large capacity can be obtained. The charge / discharge reaction mechanism has not yet been elucidated, so it is still unclear how much lithium can be used, but the reason why a large capacity can be expected when there are many Li 2 MnO 3 components in the crystal is This is because if all the lithium in the Li layer in the crystal can contribute to the reversible capacity, the capacity is 344 mAh / g, and if all the Li in the composition formula can contribute to the reversible capacity, the value is as large as 459 mAh / g. In comparison, LiM1O 2 has a theoretical capacity of about 275 mAh / g.

上記一般式(1)中、M1は1つ以上の遷移金属であり、固溶体の金属価数の合計が4になるように選択される。M1の元素種としては、例えば、Mn、Ni、Co、Al、Cu、Ti、およびFeからなる群から選択される1以上が用いられうる。M1として上記のうち少なくとも1種を含む固溶体を用いると、高容量および高耐久性が得られうる。中でも、Mn、Ni、Coを含む場合ことが好ましい。   In the general formula (1), M1 is one or more transition metals, and is selected so that the total metal valence of the solid solution is 4. As the element species of M1, for example, one or more selected from the group consisting of Mn, Ni, Co, Al, Cu, Ti, and Fe can be used. When a solid solution containing at least one of the above as M1 is used, high capacity and high durability can be obtained. Among these, it is preferable to contain Mn, Ni, and Co.

前記副活物質LiM2Oにおいて、M2は価数の合計が3である1つ以上の遷移金属である。M2の元素種としては、例えば、Mn、Ni、Co、Al、Ti、およびFeからなる群から選択される1以上が用いられうる。M2として上記のうち少なくとも1種を含む場合、副活物質が高性能を示し、高い電池性能が得られうる。好ましくは、前記副活物質は、Li[Ni1/3Co1/3Mn1/3]O、LiCoO、LiNiO、LiNi1/2Mn1/2であり、特に好ましくはLi[Ni1/3Co1/3Mn1/3]Oである。 In the secondary active material LiM 2 O 2 , M 2 is one or more transition metals having a total valence of 3. As the element species of M2, for example, one or more selected from the group consisting of Mn, Ni, Co, Al, Ti, and Fe can be used. When M2 contains at least one of the above, the secondary active material exhibits high performance, and high battery performance can be obtained. Preferably, the secondary active material is Li [Ni 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 ] O 2 , LiCoO 2 , LiNiO 2 , LiNi 1/2 Mn 1/2 O 2 , particularly preferably Li [Ni 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 ] O 2 .

次に、上記一般式(1):aLi[Li1/3Mn2/3]O・(1−a)LiM1Oで表される固溶体の作製方法としては、特に制限されず、従来公知の方法を適宜利用して行うことができる。例えば、複合炭酸塩法を用いて以下のように行うことができる。 Next, the general formula (1): aLi As a manufacturing method of a solid solution represented by [Li 1/3 Mn 2/3] O 2 · (1-a) LiM1O 2 is not particularly limited, conventionally known The method can be carried out appropriately. For example, the complex carbonate method can be used as follows.

まず、出発物質として、上記一般式(1)中の各遷移金属元素の各硫酸金属塩、硝酸金属塩など(例えば、硫酸ニッケル、硫酸コバルト、硫酸マンガンなど)を所定量秤量し、これらの混合溶液を調製する。これにアンモニア水をpH7になるまで滴下して、さらにNaCO溶液を滴下して、Mn−M1の複合炭酸塩(ただし、上記式中のM1の組み合わせにより当該複合炭酸塩の種類は異なる)を沈殿させる。その後、吸引ろ過した後に、水洗して、所定の温度下で、所定の時間(例えば、120℃にて5時間)、乾燥する。得られた乾燥物を所定の温度下で、所定の時間(例えば、500℃にて5時間)仮焼成する。これに小過剰のLiOH・HOを加えて、自動乳鉢で所定時間(例えば、30分間)混合する。その後、所定の温度下で、所定の時間(例えば、800〜900℃にて12時間)本焼成することにより、上記一般式(1):aLi[Li1/3Mn2/3]O・(1−a)LiM1Oで表される固溶体を作製することができる。本焼成後、液体窒素等を用いて急冷(クエンチ)するのが、反応性およびサイクル安定性が向上し、非常に綺麗な固溶体状態を得られるために好ましい。 First, as a starting material, a predetermined amount of each of the metal sulfates, metal nitrates (eg, nickel sulfate, cobalt sulfate, manganese sulfate, etc.) of each transition metal element in the general formula (1) is weighed and mixed. Prepare the solution. Ammonia water is added dropwise to this until pH 7 is reached, and then a Na 2 CO 3 solution is further added dropwise. Mn-M1 composite carbonate (however, the type of the composite carbonate differs depending on the combination of M1 in the above formula) ). Then, after suction filtration, it is washed with water and dried at a predetermined temperature for a predetermined time (for example, 120 ° C. for 5 hours). The obtained dried product is calcined at a predetermined temperature for a predetermined time (for example, at 500 ° C. for 5 hours). A small excess of LiOH.H 2 O is added thereto and mixed in an automatic mortar for a predetermined time (for example, 30 minutes). Then, by carrying out main firing at a predetermined temperature for a predetermined time (for example, at 800 to 900 ° C. for 12 hours), the above general formula (1): aLi [Li 1/3 Mn 2/3 ] O 2. (1-a) can be prepared a solid solution represented by LiM1O 2. After the main calcination, quenching with liquid nitrogen or the like is preferable because the reactivity and cycle stability are improved and a very beautiful solid solution state can be obtained.

なお、上記固溶体の同定は、電子線回折、X線回折(XRD)、誘導結合プラズマ(ICP)元素分析を用いて分析することができる。   The solid solution can be identified using electron diffraction, X-ray diffraction (XRD), or inductively coupled plasma (ICP) elemental analysis.

副活物質の作製方法も特に制限されず、従来公知の方法を適宜利用して行うことができる。例えば、上記と同様の複合炭酸塩法を用いて作製されうる。   The method for producing the secondary active material is not particularly limited, and any conventionally known method can be used as appropriate. For example, the composite carbonate method similar to the above can be used.

好ましくは、主要な正極材料として、前記LiMnO―LiM1O系固溶体と前記副活物質とが混合されてなる正極材料を用いる。前記固溶体と前記副活物質との混合比は特に制限されない。例えば、前記固溶体と前記副活物質との合計質量に対する前記副活物質の含有量が、例えば、90質量%以下であり、好ましくは70質量%以下であり、より好ましくは60質量%以下であり、さらに好ましくは50質量%以下である。副活物質の含有量が90質量%以下であれば、高い耐久性が得られうる。前記副活物質の含有量の下限値も特に制限されないが、例えば、5質量%以上であり、好ましくは10質量%以上である。上記範囲であれば体積当りの容量密度を改善する効果が高い。 Preferably, a positive electrode material obtained by mixing the Li 2 MnO 3 —LiM 1 O 2 solid solution and the secondary active material is used as a main positive electrode material. The mixing ratio of the solid solution and the secondary active material is not particularly limited. For example, the content of the secondary active material with respect to the total mass of the solid solution and the secondary active material is, for example, 90% by mass or less, preferably 70% by mass or less, and more preferably 60% by mass or less. More preferably, it is 50 mass% or less. When the content of the secondary active material is 90% by mass or less, high durability can be obtained. The lower limit of the content of the secondary active material is not particularly limited, but is, for example, 5% by mass or more, and preferably 10% by mass or more. If it is the said range, the effect of improving the capacity density per volume will be high.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

具体的には、正極活物質としては、上記の正極材料を正極の主要な活物質として用いる。正極活物質としては、上述の正極材料を単独で使用してもよいほか、さらに必要に応じて、従来公知の他の正極活物質を併用してもよい。本発明の効果を顕著に発揮するために、上述の正極材料を活物質中に、好ましくは50質量%以上、より好ましくは80質量%以上、さらに好ましくは90質量%以上含む。   Specifically, as the positive electrode active material, the above positive electrode material is used as the main active material of the positive electrode. As the positive electrode active material, the above-described positive electrode material may be used alone, or, if necessary, other conventionally known positive electrode active materials may be used in combination. In order to exert the effect of the present invention remarkably, the positive electrode material described above is preferably contained in the active material by 50% by mass or more, more preferably by 80% by mass or more, and further preferably by 90% by mass or more.

負極活物質はリチウムを可逆的に吸蔵および放出できるものであれば特に制限されず、従来公知の負極活物質をいずれも使用できる。例えば、高結晶性カーボンであるグラファイト(天然グラファイト、人造グラファイト等)、低結晶性カーボン(ソフトカーボン、ハードカーボン)、カーボンブラック(ケッチェンブラック、アセチレンブラック、チャンネルブラック、ランプブラック、オイルファーネスブラック、サーマルブラック等)、フラーレン、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンナノホーン、カーボンフィブリルなどの炭素材料;Si、Ge、Sn、Pb、Al、In、Zn、H、Ca、Sr、Ba、Ru、Rh、Ir、Pd、Pt、Ag、Au、Cd、Hg、Ga、Tl、C、N、Sb、Bi、O、S、Se、Te、Cl等のリチウムと合金化する元素の単体、およびこれらの元素を含む酸化物(一酸化ケイ素(SiO)、SiO(0<x<2)、二酸化スズ(SnO)、SnO(0<x<2)、SnSiOなど)および炭化物(炭化ケイ素(SiC)など)等;リチウム金属等の金属材料;リチウム−チタン複合酸化物(チタン酸リチウム:LiTi12)等のリチウム−遷移金属複合酸化物;ならびにその他の従来公知の負極活物質が使用可能である。上記負極活物質は、単独で使用されてもあるいは2種以上の混合物の形態で使用されてもよい。高容量電池を作製する上で特に好ましい負極材料の例としては、たとえば高結晶性で配向性が高く充放電容量が理論容量の372mAh/gに近く、初期の不可逆容量が小さい種類の黒鉛がある。 The negative electrode active material is not particularly limited as long as it can reversibly occlude and release lithium, and any conventionally known negative electrode active material can be used. For example, high crystalline carbon graphite (natural graphite, artificial graphite, etc.), low crystalline carbon (soft carbon, hard carbon), carbon black (Ketjen black, acetylene black, channel black, lamp black, oil furnace black, Carbon materials such as thermal black), fullerene, carbon nanotube, carbon nanofiber, carbon nanohorn, carbon fibril; Si, Ge, Sn, Pb, Al, In, Zn, H, Ca, Sr, Ba, Ru, Rh, Ir, Pd, Pt, Ag, Au, Cd, Hg, Ga, Tl, C, N, Sb, Bi, O, S, Se, Te, Cl, and the like, and simple elements of these elements alloyed with lithium oxide containing (silicon monoxide (SiO), SiO x 0 <x <2), tin (SnO 2 dioxide), SnO x (0 <x <2), etc. SnSiO 3) and carbides (such as silicon carbide (SiC)) or the like; a metal material of a lithium metal or the like; lithium - titanium Lithium-transition metal composite oxides such as composite oxides (lithium titanate: Li 4 Ti 5 O 12 ); and other conventionally known negative electrode active materials can be used. The negative electrode active material may be used alone or in the form of a mixture of two or more. As an example of a particularly preferable negative electrode material for producing a high-capacity battery, there is, for example, a type of graphite having high crystallinity, high orientation, charge / discharge capacity close to the theoretical capacity of 372 mAh / g, and small initial irreversible capacity. .

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

各活物質層(13、15)中に含まれる成分の配合比は特に限定されず、リチウムイオン二次電池またはリチウムイオン電池についての公知の知見を適宜参照することにより、調整されうる。また、活物質層の厚さについても特に制限はなく、リチウムイオン二次電池またはリチウムイオン電池についての従来公知の知見が適宜参照されうる。一例を挙げると、活物質層の厚さは、2〜100μm程度である。   The compounding ratio of the components contained in each active material layer (13, 15) is not particularly limited, and can be adjusted by appropriately referring to known knowledge about lithium ion secondary batteries or lithium ion batteries. Moreover, there is no restriction | limiting in particular also about the thickness of an active material layer, The conventionally well-known knowledge about a lithium ion secondary battery or a lithium ion battery can be referred suitably. For example, the thickness of the active material layer is about 2 to 100 μm.

(b)バインダー
バインダーは、活物質同士または活物質と集電体とを結着させて電極構造を維持する目的で添加される。
(B) Binder The binder is added for the purpose of maintaining the electrode structure by binding the active materials or the active material and the current collector.

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

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

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

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

液体電解質は、有機溶媒にリチウム塩が溶解した形態を有する。有機溶媒としては、例えば、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)等のカーボネート類が例示される。また、リチウム塩としては、Li(CFSON、Li(CSON、LiPF、LiBF、LiAsF、LiTaF、LiClO、LiCFSO等の電極の活物質層に添加されうる化合物が同様に採用されうる。 The liquid electrolyte has a form in which a lithium salt is dissolved in an organic solvent. Examples of the organic solvent include carbonates such as ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), dimethyl carbonate (DMC), and diethyl carbonate (DEC). As the lithium salt, Li (CF 3 SO 2) 2 N, Li (C 2 F 5 SO 2) 2 N, LiPF 6, LiBF 4, LiAsF 6, LiTaF 6, LiClO 4, LiCF 3 SO 3 , etc. A compound that can be added to the active material layer of the electrode can be similarly employed.

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

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

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

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

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

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

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

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

[電池の外観]
図3は、本発明の一実施形態である積層型電池の外観を模式的に表した斜視図である。図3に示すように、積層型電池10は、長方形状の扁平な形状を有しており、その両側部からは電力を取り出すための負極集電板25、正極集電板27が引き出されている。発電要素21は、電池10の外装体29によって包まれ、その周囲は熱融着されており、発電要素21は負極集電板25および正極集電板27を引き出した状態で密封されている。ここで、発電要素21は、図1に示す積層型電池10の発電要素21に相当し、負極(負極活物質層)13、電解質層17および正極(正極活物質層)15で構成される単電池層(単セル)19が複数積層されたものである。
[Battery appearance]
FIG. 3 is a perspective view schematically showing the appearance of the stacked battery which is one embodiment of the present invention. As shown in FIG. 3, the stacked battery 10 has a rectangular flat shape, and a negative electrode current collector plate 25 and a positive electrode current collector plate 27 for taking out electric power are drawn out from both sides thereof. Yes. The power generation element 21 is encased in an outer package 29 of the battery 10 and the periphery thereof is heat-sealed. The power generation element 21 is sealed with the negative electrode current collector plate 25 and the positive electrode current collector plate 27 drawn out. Here, the power generation element 21 corresponds to the power generation element 21 of the stacked battery 10 shown in FIG. 1, and is composed of a negative electrode (negative electrode active material layer) 13, an electrolyte layer 17, and a positive electrode (positive electrode active material layer) 15. A plurality of battery layers (single cells) 19 are stacked.

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

また、図3に示す集電板25、27の取り出しに関しても、特に制限されず、負極集電板25と正極集電板27とを同じ辺から引き出すようにしてもよいし負極集電板25と正極集電板27をそれぞれ複数に分けて、各辺から取り出すようにしてもよい。また、巻回型の双極型二次電池では、集電板に代えて、例えば、円筒缶(金属缶)を利用して端子を形成すればよい。   Further, the removal of the current collector plates 25 and 27 shown in FIG. 3 is not particularly limited, and the negative electrode current collector plate 25 and the positive electrode current collector plate 27 may be drawn out from the same side or the negative electrode current collector plate 25. The positive electrode current collector plate 27 may be divided into a plurality of pieces and taken out from each side. Further, in a wound bipolar secondary battery, a terminal may be formed using, for example, a cylindrical can (metal can) instead of the current collector plate.

本実施形態によれば、高耐久性であり、体積当りの容量密度が改善された正極材料を主要な正極活物質として用いるため、容量密度および耐久性の高いリチウムイオン電池が提供されうる。本実施形態のリチウムイオン電池は、電気自動車やハイブリッド電気自動車や燃料電池車やハイブリッド燃料電池自動車などの大容量電源として、高体積エネルギー密度、高体積出力密度が求められる車両駆動用電源や補助電源に好適に利用することができる。   According to this embodiment, since a positive electrode material that is highly durable and has an improved capacity density per volume is used as the main positive electrode active material, a lithium ion battery with high capacity density and durability can be provided. The lithium ion battery of this embodiment is a power source for driving a vehicle or an auxiliary power source that requires high volume energy density and high volume output density as a large capacity power source for an electric vehicle, a hybrid electric vehicle, a fuel cell vehicle, a hybrid fuel cell vehicle, etc. Can be suitably used.

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

1.正極活物質の調製
(1)LiMnO―LiM1O系固溶体の合成
固溶体であるLi[Ni0.183Li0.200Co0.033Mn0.583]O(これは0.6Li[Li1/3Mn2/3]O・0.4Li[Ni0.4575Co0.0825Mn0.4575]Oと表すことができる)は、次のように複合炭酸塩法を用いて調製した。
1. Preparation of positive electrode active material (1) Synthesis of Li 2 MnO 3 —LiM 1 O 2 solid solution Li [Ni 0.183 Li 0.200 Co 0.033 Mn 0.583 ] O 2 (this is 0.6Li [ Li 1/3 Mn 2/3 ] O 2 .0.4Li [Ni 0.4575 Co 0.0825 Mn 0.4575 ] O 2 ) can be expressed using the complex carbonate method as follows: Prepared.

出発物質として、硫酸ニッケル、硫酸コバルト、硫酸マンガンを所定量秤量し、これらの混合溶液を調製して、これにアンモニア水をpH7になるまで滴下して、さらにNaCO溶液を滴下してNi−Co−Mnの複合炭酸塩を沈殿させた。NaCO溶液を滴下している間、アンモニア水でpH7を保持した。その後、吸引ろ過し、水洗して、120℃にて5時間乾燥した。これを500℃にて5時間仮焼成した。これに小過剰のLiOH・HOを加えて、自動乳鉢で30分間混合した。なお、LiOH・HOの添加量は、化学量論量が1.2であるのに対して、1.2〜1.3のモル量とした。 As a starting material, nickel sulfate, cobalt sulfate and manganese sulfate are weighed in a predetermined amount, and a mixed solution thereof is prepared. Ammonia water is added dropwise until pH 7 is reached, and then a Na 2 CO 3 solution is further added dropwise. Ni—Co—Mn complex carbonate was precipitated. While the Na 2 CO 3 solution was dropped, pH 7 was maintained with aqueous ammonia. Then, it filtered by suction, washed with water, and dried at 120 degreeC for 5 hours. This was calcined at 500 ° C. for 5 hours. A small excess of LiOH.H 2 O was added thereto and mixed for 30 minutes in an automatic mortar. The addition amount of LiOH.H 2 O was 1.2 to 1.3 while the stoichiometric amount was 1.2.

(2)副活物質の合成
副活物質であるLi[Ni1/3Co1/3Mn1/3]Oは、上記(1)と同様の手法で作製した。
(2) Synthesis of side active material Li [Ni 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 ] O 2 as a side active material was produced by the same method as in the above (1).

2.合成試料の分析
(1)元素分析:得られた固溶体および副活物質の組成比については、誘導結合プラズマ(ICP)元素分析を用いて確認し、得られた試料が上記の組成となっていることを確認した。図4に得られた固溶体の組成を示す。
2. Analysis of synthetic sample (1) Elemental analysis: The composition ratio of the obtained solid solution and by-active material was confirmed using inductively coupled plasma (ICP) elemental analysis, and the obtained sample had the above composition. It was confirmed. FIG. 4 shows the composition of the solid solution obtained.

(2)粉末X線回折:得られた固溶体および副活物質について、粉末X線回折法により結晶構造を調べた。固溶体は、空間群R3Mに帰属でき、2θが20〜23°の超格子構造を示す回折線が現れており、目的の化合物が得られたことが確認できた。   (2) Powder X-ray diffraction: The crystal structure of the obtained solid solution and by-active material was examined by a powder X-ray diffraction method. The solid solution can be assigned to the space group R3M, and a diffraction line showing a superlattice structure with 2θ of 20 to 23 ° appears, confirming that the target compound was obtained.

3.正極材料の調製
上記で得られたLiMnO―LiM1O系固溶体と副活物質とを、下記表1に示す混合比で混合して、正極活物質とした(実施例1〜4)。また、比較例1として、固溶体のみを正極活物質として用い、比較例2として、副活物質のみを正極活物質として用いた。
3. Preparation of Positive Electrode Material The Li 2 MnO 3 —LiM 1 O 2 -based solid solution obtained above and a secondary active material were mixed at a mixing ratio shown in Table 1 below to obtain positive electrode active materials (Examples 1 to 4). In Comparative Example 1, only the solid solution was used as the positive electrode active material, and in Comparative Example 2, only the secondary active material was used as the positive electrode active material.

4.評価
(1)電極と評価用セルの作製
表1の正極活物質を用いて以下の手順により評価用セルを作製した。まず、正極活物質と導電結着剤であるTAB−2を、正極活物質:TAB−2=60:40(質量比)で混合し、NMPで希釈して正極活物質スラリーを調製した。この正極活物質スラリーを、正極集電体である直径15mmのAl箔上に塗布し、120℃の乾燥機にて4時間乾燥させて正極を作製した。ここで、TAB−2は、アセチレンブラックとポリテトラフルオロエチレンとの質量比1:1の混合物である。なお、電極の単位面積当りの正極活物質量は、10mg/cmになるようにした。
4). Evaluation (1) Production of electrode and evaluation cell An evaluation cell was produced by the following procedure using the positive electrode active material of Table 1. First, the positive electrode active material and the conductive binder TAB-2 were mixed at a positive electrode active material: TAB-2 = 60: 40 (mass ratio) and diluted with NMP to prepare a positive electrode active material slurry. This positive electrode active material slurry was applied onto an Al foil having a diameter of 15 mm, which was a positive electrode current collector, and dried in a dryer at 120 ° C. for 4 hours to produce a positive electrode. Here, TAB-2 is a mixture of acetylene black and polytetrafluoroethylene having a mass ratio of 1: 1. The amount of the positive electrode active material per unit area of the electrode was set to 10 mg / cm 2 .

負極として金属リチウムを用いた。セパレータとしての厚さ20μmのポリプロピレンの多孔質膜2枚を介して上記で得た正極と負極を対向させ、コインセルの底部の上に配置させた。続いて、正極と負極との間の絶縁性を保つためのガスケットを装着した後に、シリンジを用いて電解液を注液し、スプリングおよびスペーサを積層した。そして、コインセルの上部を重ね合わせ、かしめを行なって評価用セルとした。なお、電解液としては、1M LiPFのエチレンカーボネート(EC):ジエチルカーボネート(DEC)=1:2(体積比)の電解液を用いた。 Metallic lithium was used as the negative electrode. The positive electrode and the negative electrode obtained above were opposed to each other through two 20 μm-thick polypropylene porous membranes as separators, and were placed on the bottom of the coin cell. Subsequently, after mounting a gasket for maintaining insulation between the positive electrode and the negative electrode, an electrolyte was injected using a syringe, and a spring and a spacer were laminated. Then, the upper part of the coin cell was overlapped and caulked to obtain an evaluation cell. In addition, as electrolyte solution, electrolyte solution of ethylene carbonate (EC): diethyl carbonate (DEC) = 1: 2 (volume ratio) of 1M LiPF 6 was used.

(2)充放電試験
(充放電前処理)
上記の方法で作製した各評価用セルについて、充放電前処理を以下のように行なった。各評価用セルを充放電装置に接続して、室温にて電位差が4.5Vとなるまで電流レートを1/12Cとして定電流充電した後、この電位差が2.0Vとなるまで放電をさせた。この操作を2回繰り返した。さらに、同様にして、4.6Vから2.0Vの範囲の充放電、4.7Vから2.0Vの範囲の充放電、4.8Vから2.0Vの範囲の充放電をそれぞれ2回ずつ行った。
(2) Charge / discharge test (pre-charge / discharge treatment)
About each evaluation cell produced by said method, the pre-charging / discharging process was performed as follows. Each evaluation cell was connected to a charging / discharging device, charged at a constant current rate of 1/12 C until the potential difference became 4.5 V at room temperature, and then discharged until this potential difference became 2.0 V. . This operation was repeated twice. Further, in the same manner, charging / discharging in the range of 4.6V to 2.0V, charging / discharging in the range of 4.7V to 2.0V, and charging / discharging in the range of 4.8V to 2.0V were performed twice each. It was.

(評価)
上記の充放電前処理後の評価用セルを、25℃で、定電流レート(1/12Cレート)にて、上限電圧が4.8Vとなるまで充電した後、下限電圧が2.0Vとなるまで放電させた。この充放電過程を1サイクルとし、1サイクル目の放電容量を初期放電容量とした。その後10サイクルの充放電を行い、10サイクル目の放電容量を測定した。10サイクル目の放電容量の初期放電容量に対する比を容量保持率とした。
(Evaluation)
The evaluation cell after the above charge / discharge pretreatment is charged at 25 ° C. at a constant current rate (1 / 12C rate) until the upper limit voltage becomes 4.8 V, and then the lower limit voltage becomes 2.0 V. Until discharged. This charge / discharge process was defined as one cycle, and the discharge capacity at the first cycle was defined as the initial discharge capacity. Thereafter, 10 cycles of charge and discharge were performed, and the discharge capacity at the 10th cycle was measured. The ratio of the discharge capacity at the 10th cycle to the initial discharge capacity was defined as the capacity retention rate.

図5に、実施例1〜4および比較例1、2の正極を用いた電池について、正極活物質の総質量に対する副活物質の含有量(質量%)と、正極活物質の体積当りの容量密度との関係を示す。体積当りの容量密度(mAh/cm)は、各実施例、比較例で作製した電池の、正極活物質の質量基準で求めた初期放電容量(mAh/g)に、それぞれの正極活物質の密度(g/cm)を乗じて求めた値である。ここで、前記固溶体の密度は、1.9g/cmであり、前記副活物質の密度は、3.0g/cmであった。図5の結果から、固溶体に副活物質であるLi[Ni1/3Co1/3Mn1/3]Oを混合することによって、正極活物質の単位体積当りの電池の容量が向上することがわかる。これは、Li[Ni1/3Co1/3Mn1/3]Oは、上限電圧4.8Vにした場合、240mAh/gと、固溶体の280mAh/gを下回るものの、比較的高い容量を示し、かつタップ密度が高いためと考えられる。 FIG. 5 shows the contents (mass%) of the secondary active material with respect to the total mass of the positive electrode active material and the capacity per volume of the positive electrode active material for the batteries using the positive electrodes of Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 and 2. The relationship with density is shown. The capacity density per volume (mAh / cm 3 ) is the initial discharge capacity (mAh / g) obtained on the basis of the mass of the positive electrode active material of the battery produced in each example and comparative example. It is the value calculated by multiplying the density (g / cm 3 ). Here, the density of the solid solution was 1.9 g / cm 3 , and the density of the side active material was 3.0 g / cm 3 . From the result of FIG. 5, the capacity of the battery per unit volume of the positive electrode active material is improved by mixing the secondary active material Li [Ni 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 ] O 2 into the solid solution. I understand that. This is because Li [Ni 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 ] O 2 has a relatively high capacity although it is 240 mAh / g, which is lower than 280 mAh / g of the solid solution, when the upper limit voltage is 4.8V. This is probably because the tap density is high.

図6に、実施例1〜4および比較例1、2で得られた正極を用いた電池について、正極活物質の総質量に対する副活物質の含有量(質量%)と、10サイクル後の容量保持率との関係を示すグラフを示す。併せて、固溶体および副活物質をそれぞれ単独で用いた場合の容量保持率から見積もった混合正極材料の容量保持率の予測値を点線で示した。図6から、副活物質を混合することによって、耐久性が副活物質の含有量に比例して直線的に低下するわけではなく、固溶体の耐久性が維持されることがわかる。副活物質の含有量が70質量%以下、特に50質量%以下であれば、固溶体に高耐久性がほとんど損なわれない。これは、副活物質を高電位まで充電して過剰にリチウムを結晶構造内から引き抜くと耐久性が低下するが、固溶体を混合することで、高電位領域で固溶体が優先的に反応したためと考えられる。このような混合正極材料は、例えば3.8V程度までの低電位領域では、副活物質が優先的に反応し、容量に大きく寄与するが、それ以上の高電位領域では、固溶体のほうが反応しやすく、固溶体の成分が容量に大きく寄与する。そのため、高電位領域における副活物質への電気化学的負荷を軽減でき、高電位まで充電した場合の副活物質の結晶構造の破壊の進行を緩和、抑制でき、高耐久性が得られるものと考えられる。   FIG. 6 shows the contents (% by mass) of the secondary active material with respect to the total mass of the positive electrode active material and the capacity after 10 cycles for the batteries using the positive electrodes obtained in Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 and 2. The graph which shows the relationship with a retention rate is shown. In addition, the predicted value of the capacity retention rate of the mixed positive electrode material estimated from the capacity retention rate when the solid solution and the secondary active material are used alone is indicated by a dotted line. FIG. 6 shows that mixing the secondary active material does not cause the durability to decrease linearly in proportion to the content of the secondary active material, but maintains the durability of the solid solution. When the content of the secondary active material is 70% by mass or less, particularly 50% by mass or less, the high durability is hardly impaired in the solid solution. This is thought to be due to the preferential reaction of the solid solution in the high-potential region by mixing the solid solution, although the durability decreases when the secondary active material is charged to a high potential and lithium is excessively extracted from the crystal structure. It is done. In such a mixed positive electrode material, for example, in the low potential region up to about 3.8 V, the secondary active material reacts preferentially and greatly contributes to the capacity. However, in the higher potential region, the solid solution reacts more. It is easy and the components of the solid solution greatly contribute to the capacity. Therefore, the electrochemical load on the secondary active material in the high potential region can be reduced, the progress of the destruction of the crystal structure of the secondary active material when charged to a high potential can be mitigated and suppressed, and high durability can be obtained. Conceivable.

以上の結果を、表1にまとめる。   The above results are summarized in Table 1.

表1に示すように、正極活物質として固溶体および副活物質をそれぞれ単独で用いた場合は、体積当りの容量密度と耐久性との両方の性能が優れた電池は得られないが、これらを混合して用いると体積当りの容量密度と耐久性が共に優れた電池が得られうる。   As shown in Table 1, when each of the solid solution and the secondary active material is used alone as the positive electrode active material, a battery having both excellent capacity density per volume and durability cannot be obtained. When mixed and used, a battery having both excellent capacity density per volume and durability can be obtained.

また、図7に、実施例および比較例で得られた正極を用いた電池の容量保持率と体積当りの容量密度との関係をグラフで示す。図7から、実施例1〜4の結果に対応する点は、比較例1および比較例2の結果に対応する点を結ぶ直線よりも体積当りの容量密度が大きく、10サイクル後の容量保持率が大きい領域に存在することがわかる。すなわち、LiMnO―LiM1O系固溶体と副活物質とを混合した正極材料を正極活物質として用いることによって、LiMnO―LiM1O系固溶体または副活物質を単独で用いた場合に比べて良好な電池性能を得ることができることが確認された。 FIG. 7 is a graph showing the relationship between the capacity retention rate of the battery using the positive electrode obtained in the example and the comparative example and the capacity density per volume. From FIG. 7, the point corresponding to the results of Examples 1 to 4 has a larger capacity density per volume than the straight line connecting the points corresponding to the results of Comparative Example 1 and Comparative Example 2, and the capacity retention after 10 cycles. It can be seen that exists in a large area. That is, when a positive electrode material obtained by mixing a Li 2 MnO 3 —LiM 1 O 2 solid solution and a secondary active material is used as a positive electrode active material, a Li 2 MnO 3 —LiM 1 O 2 solid solution or a secondary active material is used alone. It was confirmed that better battery performance can be obtained.

10 積層型電池、
11 負極集電体、
12 正極集電体、
13 負極活物質層(負極)、
15 正極活物質層(正極)、
17 電解質層、
19 単電池層(単セル)、
21 発電要素、
25 負極集電板、
27 正極集電板、
29 外装体(ラミネートシート)。
10 stacked battery,
11 negative electrode current collector,
12 positive electrode current collector,
13 negative electrode active material layer (negative electrode),
15 positive electrode active material layer (positive electrode),
17 electrolyte layer,
19 Single battery layer (single cell),
21 power generation elements,
25 negative current collector,
27 positive current collector,
29 Exterior body (laminate sheet).

Claims (7)

Li[Li1/3Mn2/3]OとLiM1O(M1は1つ以上の遷移金属である)との固溶体であって、金属価数の合計が4である、固溶体と、LiM2O(M2は価数の合計が3である1つ以上の遷移金属である)で表される副活物質とが混合されてなる正極材料を正極活物質として含む、リチウムイオン電池用正極。 Li [Li 1/3 Mn 2/3] O 2 and LiM1O 2 (M1 is a is one or more transition metals) a solid solution of the total of the metal valence is 4, and the solid solution, LiM2O 2 A positive electrode for a lithium ion battery, comprising a positive electrode material obtained by mixing a secondary active material represented by (M2 is one or more transition metals having a total valence of 3). 前記固溶体と前記副活物質との合計質量に対する前記副活物質の含有量が、90質量%以下である、請求項1に記載のリチウムイオン電池用正極。   2. The positive electrode for a lithium ion battery according to claim 1, wherein a content of the secondary active material with respect to a total mass of the solid solution and the secondary active material is 90% by mass or less. 前記固溶体と前記副活物質との合計質量に対する前記副活物質の含有量が、50質量%以下である、請求項1に記載のリチウムイオン電池用正極。   2. The positive electrode for a lithium ion battery according to claim 1, wherein a content of the secondary active material with respect to a total mass of the solid solution and the secondary active material is 50% by mass or less. 前記固溶体におけるLi[Li1/3Mn2/3]Oの組成比aが、0.4<a<0.9である、請求項1〜3のいずれか1項に記載のリチウムイオン電池用正極。 The lithium ion battery according to any one of claims 1 to 3, wherein a composition ratio a of Li [Li 1/3 Mn 2/3 ] O 2 in the solid solution is 0.4 <a <0.9. Positive electrode. 前記固溶体におけるM1の元素種が、Mn、Ni、Co、Al、Cu、Ti、およびFeからなる群から選択される1以上である、請求項1〜4のいずれか1項に記載のリチウムイオン電池用正極。   The lithium ion according to any one of claims 1 to 4, wherein the element species of M1 in the solid solution is one or more selected from the group consisting of Mn, Ni, Co, Al, Cu, Ti, and Fe. Battery positive electrode. 前記副活物質におけるM2の元素種が、Mn、Ni、Co、Al、Ti、およびFeからなる群から選択される1以上である、請求項1〜5のいずれか1項に記載のリチウムイオン電池用正極。   The lithium ion according to any one of claims 1 to 5, wherein the element species of M2 in the secondary active material is one or more selected from the group consisting of Mn, Ni, Co, Al, Ti, and Fe. Battery positive electrode. 請求項1〜6のいずれか1項に記載のリチウムイオン電池用正極を用いてなるリチウムイオン電池。   The lithium ion battery which uses the positive electrode for lithium ion batteries of any one of Claims 1-6.
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