JP2012129102A - Lithium secondary battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、正極活物質を有するリチウム二次電池に関する。 The present invention relates to a lithium secondary battery having a positive electrode active material.
正極と負極との間をリチウムイオンが行き来することによって充電および放電するリチウム二次電池(典型的にはリチウムイオン電池)は、軽量で高出力が得られることから、車両搭載用電源あるいはパソコンや携帯端末の電源として今後益々の需要増大が見込まれている。これらの用途においては、電池の小型化・軽量化が求められており、電池のエネルギー密度を高めることが重要な技術課題となっている。エネルギー密度を高めるためには、電池の作動電圧を上昇させることが有効な手段である。現在、4V級のリチウム二次電池を構成できる正極活物質として、層状構造リチウムコバルト複合酸化物(LiCoO2)、層状構造リチウムニッケル複合酸化物(LiNiO2)、スピネル構造リチウムマンガン複合酸化物(LiMn2O4)等を用いることが考えられているが、さらに高電位の正極活物質が開発されれば、より一層の高エネルギー化が可能になる。 A lithium secondary battery (typically a lithium ion battery) that is charged and discharged as lithium ions move between the positive electrode and the negative electrode is lightweight and provides high output. The demand for mobile terminals is expected to increase further in the future. In these applications, reduction in size and weight of the battery is required, and increasing the energy density of the battery is an important technical issue. In order to increase the energy density, it is an effective means to increase the operating voltage of the battery. Currently, as a positive electrode active material capable of constituting a 4V class lithium secondary battery, a layered structure lithium cobalt composite oxide (LiCoO 2 ), a layered structure lithium nickel composite oxide (LiNiO 2 ), a spinel structure lithium manganese composite oxide (LiMn) 2 O 4 ) or the like is considered, but if a positive electrode active material having a higher potential is developed, higher energy can be achieved.
このような目的で、現在、Li2MnO3‐LiMO2(M=Ni,Co,Mn等)固溶体正極材料が検討されている。Li2MnO3‐LiMO2固溶体正極材料は、4.5V以上で充電すると酸素の脱離が起こり、電気化学活性が向上することが知られている。また、この固溶体正極材料は放電電位も高く、高エネルギー密度が期待できるため、有望な正極材料として期待されている。この種のLi2MnO3−LiMO2固溶体正極材料に関する従来技術としては特許文献1が挙げられる。その他、正極活物質に関する従来技術としては特許文献2が挙げられる。
For this purpose, Li 2 MnO 3 —LiMO 2 (M = Ni, Co, Mn, etc.) solid solution positive electrode materials are currently being studied. It is known that the Li 2 MnO 3 -LiMO 2 solid solution positive electrode material is desorbed of oxygen when charged at 4.5 V or higher, and the electrochemical activity is improved. Further, since this solid solution positive electrode material has a high discharge potential and a high energy density can be expected, it is expected as a promising positive electrode material. Include
しかしながら、上述したLi2MnO3‐LiMO2固溶体正極材料は、放電時にMnのMn4+→Mn3+の還元反応によってリチウムを取り込むため、八面体配位を取るMn3+のヤーンテラー効果によって結晶構造に大きな歪みが生じる。そのため、Mn4+→Mn3+の還元反応が進行しにくく、レート特性が不十分(大電流を流したときの電圧降下が速い)という課題があった。 However, since the Li 2 MnO 3 -LiMO 2 solid solution positive electrode material described above takes in lithium by the reduction reaction of Mn Mn 4+ → Mn 3+ at the time of discharge, the crystal structure is large due to the Mn 3+ Yarn Teller effect that takes octahedral coordination. Distortion occurs. Therefore, there has been a problem that the reduction reaction of Mn 4+ → Mn 3+ does not proceed easily, and the rate characteristics are insufficient (the voltage drop when a large current is passed is fast).
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、その主な目的は、Li2M1O3‐LiM2O2系固溶体を正極活物質に用いたリチウム二次電池において、高容量でかつレート特性に優れたリチウム二次電池を提供することである。 The present invention has been made in view of the above points, and its main purpose is a lithium secondary battery using a Li 2 M1O 3 -LiM2O 2 solid solution as a positive electrode active material, and has high capacity and excellent rate characteristics. It is to provide a lithium secondary battery.
本発明によって提供されるリチウム二次電池は、正極活物質として、以下の一般式:
xLi2M1O3‐(1−x)LiM2O2 (1)
(ここでM1は、4価のカチオンを構成する少なくとも一種の金属元素であり、M2は、3価のカチオンを構成する少なくとも一種の金属元素であり、xは0<x<1を満たす実数である);
で表される固溶体を含有する。
そして、上記固溶体中のM1及び/又はM2の一部が、Fe,AlおよびCrからなる群から選択される少なくとも一種の金属元素M3で置換されていることを特徴とする。
The lithium secondary battery provided by the present invention has the following general formula as a positive electrode active material:
xLi 2 M1O 3 - (1- x) LiM2O 2 (1)
(Here, M1 is at least one metal element constituting a tetravalent cation, M2 is at least one metal element constituting a trivalent cation, and x is a real number satisfying 0 <x <1. is there);
The solid solution represented by these is contained.
A part of M1 and / or M2 in the solid solution is substituted with at least one metal element M3 selected from the group consisting of Fe, Al and Cr.
本発明の構成によれば、Li2M1O3‐LiM2O2系固溶体のM1及び/又はM2の一部が、Fe,AlおよびCrからなる群から選択される少なくとも一種の金属元素M3で置換されているので、M3で置換していない従来のLi2M1O3‐LiM2O2系固溶体と比較して、リチウムイオンの出し入れにより生じ得る結晶構造の歪みが減少し、高出力時においても安定な結晶構造となる。そのため、このLi2M1O3‐LiM2O2系固溶体を正極活物質に用いたリチウム二次電池のレート特性が好ましく向上する。 According to the configuration of the present invention, a part of M1 and / or M2 of the Li 2 M1O 3 -LiM2O 2 solid solution is substituted with at least one metal element M3 selected from the group consisting of Fe, Al, and Cr. Therefore, compared with the conventional Li 2 M1O 3 -LiM2O 2 solid solution not substituted with M3, the distortion of the crystal structure that can occur due to the insertion and removal of lithium ions is reduced, and the stable crystal structure even at high output Become. Therefore, the rate characteristic of the lithium secondary battery using this Li 2 M1O 3 -LiM2O 2 solid solution as the positive electrode active material is preferably improved.
ここで、上記Li2M1O3‐LiM2O2系固溶体に含有されるM3は、Fe,AlおよびCrのうちの1種または2種以上の金属元素である。このうち、Fe又はAl、あるいはFeとAlとの2種の組み合わせが好ましく、かかる元素の含有率の高い組成のものが好適である。特に、M3がFeであるか、あるいはFeの含有率が高いこと(例えば、M3中においてFeが50モル%以上含まれていること)が好適である。Feの含有率が高ければ高いほど、この固溶体を正極活物質に用いたリチウム二次電池のレート特性が向上する点で好ましい。 Here, M3 contained in the Li 2 M1O 3 -LiM2O 2 solid solution is one or more metal elements of Fe, Al, and Cr. Among these, Fe or Al, or two types of combinations of Fe and Al are preferable, and a composition having a high content of such elements is preferable. In particular, it is preferable that M3 is Fe or that the Fe content is high (for example, M3 contains 50 mol% or more of Fe). The higher the Fe content, the better the rate characteristics of a lithium secondary battery using this solid solution as the positive electrode active material.
上記Li2M1O3‐LiM2O2系固溶体中のM3含有量は特に限定されないが、例えば正極活物質の全体組成を、以下の略式:
LiM1M2M3yO2 (2)
で表した場合に、M3の含有量を示すyの値が、0<y≦0.015であることが適当である。上記式(2)において、yの値が0.015より大きすぎると、合成時に未反応物が残存したり不純物が生成したりしてレート特性に影響を及ぼすようになるため、yの値は0.015以下に規制することが好ましい。M3含有量の下限値は特に限定されないが、M3の含有量が少なすぎると、M3置換によるレート特性向上効果が十分に得られないことがある。レート特性向上効果を確実に得るためには、上記yの取り得る範囲は、概ね0.001≦yが適当であり、好ましくは0.003≦yであり、特に好ましくは0.005≦yである。このことによって、M3で置換していない従来のLi2M1O3‐LiM2O2系固溶体と比較して、リチウムイオンの出し入れにより生じ得る結晶構造の歪みが減少し、高出力時においても安定な結晶構造となる。そのため、このLi2M1O3‐LiM2O2系固溶体を正極活物質に用いたリチウム二次電池のレート特性が好ましく向上する。
The M3 content in the Li 2 M1O 3 -LiM2O 2 solid solution is not particularly limited. For example, the overall composition of the positive electrode active material is expressed by the following abbreviation:
LiM1M2M3 y O 2 (2)
It is appropriate that the value of y indicating the content of M3 is 0 <y ≦ 0.015. In the above formula (2), if the value of y is larger than 0.015, unreacted substances remain or impurities are generated during synthesis, which affects the rate characteristics. It is preferable to regulate to 0.015 or less. The lower limit value of the M3 content is not particularly limited, but if the M3 content is too small, the effect of improving the rate characteristics by M3 substitution may not be sufficiently obtained. In order to obtain the rate characteristic improving effect with certainty, the range that y can take is generally 0.001 ≦ y, preferably 0.003 ≦ y, and particularly preferably 0.005 ≦ y. is there. This reduces the distortion of the crystal structure that may occur due to the insertion and removal of lithium ions, compared to the conventional Li 2 M1O 3 -LiM2O 2 solid solution not substituted with M3, and a stable crystal structure even at high output It becomes. Therefore, the rate characteristic of the lithium secondary battery using this Li 2 M1O 3 -LiM2O 2 solid solution as the positive electrode active material is preferably improved.
ここで開示されるリチウム二次電池の好ましい一態様では、上記式(1)中のM1は、Mn,Ti,ZrおよびSnからなる群から選択される少なくとも一種の金属元素を含む。このうち、Mn又はTi、あるいはMnとTiとの2種の組み合わせが好ましく、かかる金属元素の含有率の高い組成のものが好適である。特に、M1がMnであるか、あるいはMnの含有率が高いこと(例えば、M1中においてMnが50モル%以上含まれていること)が好適である。Mnを主として含むものは、リチウムイオンの出し入れに伴う結晶構造の歪みが大きいことから、本発明を適用することが特に有用である。 In a preferred embodiment of the lithium secondary battery disclosed herein, M1 in the above formula (1) contains at least one metal element selected from the group consisting of Mn, Ti, Zr and Sn. Of these, Mn or Ti, or two combinations of Mn and Ti are preferable, and a composition having a high content of such a metal element is preferable. In particular, it is preferable that M1 is Mn or that the Mn content is high (for example, M1 contains 50 mol% or more in M1). Those containing mainly Mn are particularly useful to apply the present invention because the crystal structure is greatly distorted when lithium ions are taken in and out.
ここで開示されるリチウム二次電池の好ましい一態様では、上記式(1)中のM2は、Mn,CoおよびNiからなる群から選択される少なくとも一種の金属元素を含む。これらのいずれか2種以上の組み合わせが好ましい。特に、M2中においてMn,Co及びNiがすべて含まれていることが好ましく、さらにM2が、Ni1/3Co1/3Mn1/3であることが好適である。Mn,Co及びNiのうちの1種または2種以上の金属元素を含むものは、Li2M1O3‐LiM2O2系固溶体のさらなる高電位化を実現し得る点で好ましい。好ましくは、上記正極活物質の全体組成は、Li1.2Mn(0.4−yCo0.13Ni0.13)M3yO2(ただし、yは0<y<1を満たす実数である)で示される。 In a preferred embodiment of the lithium secondary battery disclosed herein, M2 in the above formula (1) contains at least one metal element selected from the group consisting of Mn, Co and Ni. Any combination of two or more of these is preferred. In particular, it is preferable that all of Mn, Co and Ni are contained in M2, and it is more preferable that M2 is Ni 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 . Those containing one or more metal elements of Mn, Co, and Ni are preferable in that a higher potential of the Li 2 M1O 3 -LiM2O 2 solid solution can be realized. Preferably, the overall composition of the positive electrode active material is Li 1.2 Mn (0.4-y Co 0.13 Ni 0.13) M3 y O 2 (where y is a real number satisfying 0 <y <1). Is).
また、本発明によると、ここに開示される何れかのリチウム二次電池に用いられる正極が提供される。この正極は、正極活物質として、以下の一般式:
xLi2M1O3‐(1−x)LiM2O2 (1)
(ここでM1は、4価のカチオンを構成する少なくとも一種の金属元素であり、M2は、3価のカチオンを構成する少なくとも一種の金属元素であり、xは0<x<1を満たす実数である);
で表される固溶体を含有し、
ここで、前記固溶体中のM1及び/又はM2の一部が、Fe,AlおよびCrからなる群から選択される少なくとも一種の金属元素M3で置換されていることを特徴とする。
Moreover, according to this invention, the positive electrode used for any lithium secondary battery disclosed here is provided. This positive electrode has the following general formula as a positive electrode active material:
xLi 2 M1O 3 - (1- x) LiM2O 2 (1)
(Here, M1 is at least one metal element constituting a tetravalent cation, M2 is at least one metal element constituting a trivalent cation, and x is a real number satisfying 0 <x <1. is there);
Containing a solid solution represented by
Here, a part of M1 and / or M2 in the solid solution is substituted with at least one metal element M3 selected from the group consisting of Fe, Al, and Cr.
好ましくは、上記正極活物質の全体組成を、以下の略式:
LiM1M2M3yO2 (2)
で表した場合に、M3の含有量を示すyの値が、0<y≦0.015である。
また好ましくは、上記式(1)中のM1は、Mn,Ti,ZrおよびSnからなる群から選択される少なくとも一種の金属元素を含む。
さらに好ましくは、上記式(1)中のM2は、Mn,CoおよびNiからなる群から選択される少なくとも一種の金属元素を含む。
Preferably, the overall composition of the positive electrode active material has the following abbreviation:
LiM1M2M3 y O 2 (2)
In this case, the value of y indicating the content of M3 is 0 <y ≦ 0.015.
Also preferably, M1 in the above formula (1) contains at least one metal element selected from the group consisting of Mn, Ti, Zr and Sn.
More preferably, M2 in the above formula (1) contains at least one metal element selected from the group consisting of Mn, Co and Ni.
また、本発明によると、ここに開示される何れかのリチウム二次電池に用いられる正極活物質が提供される。この正極活物質は、
以下の一般式:
xLi2M1O3‐(1−x)LiM2O2 (1)
(ここでM1は、4価のカチオンを構成する少なくとも一種の金属元素であり、M2は、3価のカチオンを構成する少なくとも一種の金属元素であり、xは0<x<1を満たす実数である);
で表される固溶体を含有し、
ここで、前記固溶体中のM1及び/又はM2の一部が、Fe,AlおよびCrからなる群から選択される少なくとも一種の金属元素M3で置換されていることを特徴とする。
In addition, according to the present invention, a positive electrode active material used for any of the lithium secondary batteries disclosed herein is provided. This positive electrode active material is
The following general formula:
xLi 2 M1O 3 - (1- x) LiM2O 2 (1)
(Here, M1 is at least one metal element constituting a tetravalent cation, M2 is at least one metal element constituting a trivalent cation, and x is a real number satisfying 0 <x <1. is there);
Containing a solid solution represented by
Here, a part of M1 and / or M2 in the solid solution is substituted with at least one metal element M3 selected from the group consisting of Fe, Al, and Cr.
好ましくは、上記正極活物質の全体組成を、以下の略式:
LiM1M2M3yO2 (2)
で表した場合に、M3の含有量を示すyの値が、0<y≦0.015である。
また好ましくは、上記式(1)中のM1は、Mn,Ti,ZrおよびSnからなる群から選択される少なくとも一種の金属元素を含む。
さらに好ましくは、上記式(1)中のM2は、Mn,CoおよびNiからなる群から選択される少なくとも一種の金属元素を含む。
Preferably, the overall composition of the positive electrode active material has the following abbreviation:
LiM1M2M3 y O 2 (2)
In this case, the value of y indicating the content of M3 is 0 <y ≦ 0.015.
Also preferably, M1 in the above formula (1) contains at least one metal element selected from the group consisting of Mn, Ti, Zr and Sn.
More preferably, M2 in the above formula (1) contains at least one metal element selected from the group consisting of Mn, Co and Ni.
ここに開示されるいずれかのLi2M1O3‐LiM2O2系固溶体を含む正極活物質を正極に備えるリチウム二次電池(典型的にはリチウムイオン電池)は、高容量でかつ高出力時におけるサイクル劣化が少ないことから、車両に搭載される電池として適した性能を備える。したがって本発明によると、ここに開示されるリチウム二次電池(複数のリチウム二次電池が接続された組電池の形態であり得る。)を備える車両が提供される。特に、該リチウム二次電池を動力源(典型的には、ハイブリッド車両または電気車両の動力源)として備える車両(例えば自動車)が提供される。 A lithium secondary battery (typically a lithium ion battery) having a positive electrode active material containing any one of the Li 2 M1O 3 -LiM2O 2 -based solid solutions disclosed herein as a positive electrode has a high capacity and a high power cycle. Since it is less deteriorated, it has performance suitable for a battery mounted on a vehicle. Therefore, according to the present invention, there is provided a vehicle including the lithium secondary battery disclosed herein (which may be in the form of an assembled battery to which a plurality of lithium secondary batteries are connected). In particular, a vehicle (for example, an automobile) including the lithium secondary battery as a power source (typically, a power source of a hybrid vehicle or an electric vehicle) is provided.
以下、図面を参照しながら、本発明による実施の形態を説明する。以下の図面においては、同じ作用を奏する部材・部位には同じ符号を付して説明している。なお、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。また、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法、セパレータや電解質の構成および製法、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。 Embodiments according to the present invention will be described below with reference to the drawings. In the following drawings, members / parts having the same action are described with the same reference numerals. Note that the dimensional relationship (length, width, thickness, etc.) in each drawing does not reflect the actual dimensional relationship. Further, matters other than the matters specifically mentioned in the present specification and matters necessary for carrying out 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 method of a separator and an electrolyte, General techniques relating to the construction of lithium secondary batteries and other batteries, etc.) can be understood as design matters for those skilled in the art based on the prior art in this field.
本実施形態のリチウム二次電池は、正極活物質として、以下の一般式:
xLi2M1O3‐(1−x)LiM2O2 (1)
(ここでM1は、4価のカチオンを構成する少なくとも一種の金属元素であり、M2は、3価のカチオンを構成する少なくとも一種の金属元素であり、xは0<x<1を満たす実数である);
で表される固溶体を含有する。
そして、上記固溶体中のM1及び/又はM2の一部が、Fe,AlおよびCrからなる群から選択される少なくとも一種の金属元素M3で置換されていることを特徴とする。
The lithium secondary battery of the present embodiment has the following general formula as a positive electrode active material:
xLi 2 M1O 3 - (1- x) LiM2O 2 (1)
(Here, M1 is at least one metal element constituting a tetravalent cation, M2 is at least one metal element constituting a trivalent cation, and x is a real number satisfying 0 <x <1. is there);
The solid solution represented by these is contained.
A part of M1 and / or M2 in the solid solution is substituted with at least one metal element M3 selected from the group consisting of Fe, Al and Cr.
<Li2M1O3>
本実施形態のリチウム二次電池に用いられるLi2M1O3‐LiM2O2系固溶体の一方の端成分を構成するLi2M1O3は、電気化学的に活性の低い層状構造を有する酸化物である。上記式(1)中のM1は、4価のカチオンを構成し得る少なくとも一種の金属元素であり、好ましくは、マンガン(Mn),チタン(Ti),ジルコニウム(Zr)およびスズ(Sn)のうちの1種または2種以上の金属元素である。このうち、Mn又はTi、あるいはMnとTiとの2種の組み合わせが好ましく、かかる金属元素の含有率の高い組成のものが好適である。特に、M1がMnであるか、あるいはMnの含有率が高いこと(例えば、M1中においてMnが50モル%以上含まれていること)が好適である。Mnを主として含むものは、リチウムイオンの出し入れに伴う結晶構造の歪みが大きいことから、本構成を適用することが特に有用である。
<Li 2 M1O 3 >
Li 2 M1O 3 constituting one end component of Li 2 M1O 3 -LiM2O 2 based solid solution used in the lithium secondary battery of the present embodiment is an oxide having a low layered structure with an electrochemically active. M1 in the above formula (1) is at least one metal element that can form a tetravalent cation, preferably among manganese (Mn), titanium (Ti), zirconium (Zr), and tin (Sn). Or one or more metal elements. Of these, Mn or Ti, or two combinations of Mn and Ti are preferable, and a composition having a high content of such a metal element is preferable. In particular, it is preferable that M1 is Mn or that the Mn content is high (for example, M1 contains 50 mol% or more in M1). It is particularly useful to apply this configuration to those mainly containing Mn because the distortion of the crystal structure accompanying the taking in and out of lithium ions is large.
<LiM2O2>
本実施形態のリチウム二次電池に用いられるLi2M1O3‐LiM2O2系固溶体の他方の端成分を構成するLiM2O2は、電気化学的に活性の高い層状構造を有する酸化物である。上記式(1)中のM2は、3価のカチオンを構成し得る少なくとも一種の金属元素であり、好ましく、マンガン(Mn),コバルト(Co)およびニッケル(Ni)のうちの1種または2種以上の金属元素である。これらのいずれか2種以上の組み合わせが好ましい。特に、M2中においてMn,Co及びNiがすべて含まれていることが好ましく、特にM2が、Ni1/3Co1/3Mn1/3であることが好適である。Mn,Co及びNiのうちの1種または2種以上の金属元素を含むものは、Li2M1O3‐LiM2O2系固溶体のさらなる高電位化を実現し得る点で好ましい。
<LiM2O 2>
LiM2O 2 constituting the other end component of Li 2 M1O 3 -LiM2O 2 based solid solution used in the lithium secondary battery of the present embodiment is an oxide having an electrochemically more active layered structure. M2 in the formula (1) is at least one metal element that can form a trivalent cation, and preferably one or two of manganese (Mn), cobalt (Co), and nickel (Ni) These are the above metal elements. Any combination of two or more of these is preferred. In particular, it is preferable that Mn, Co, and Ni are all contained in M2, and it is particularly preferable that M2 is Ni 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 . Those containing one or more metal elements of Mn, Co, and Ni are preferable in that a higher potential of the Li 2 M1O 3 -LiM2O 2 solid solution can be realized.
本実施形態のリチウム二次電池に用いられるLi2M1O3‐LiM2O2系固溶体において、Li2M1O3とLiM2O2とを固溶させる割合は、Li2M1O3とLiM2O2とが不可分一体の組成物を形成し得る限りにおいて0<x<1の範囲内であればいずれの実数をとってもよい。即ち、本構成の目的に応じてLi2M1O3とLiM2O2とを固溶させる割合は適宜選択されるが、好ましくは0.3≦x≦0.8であり、より好ましくは0.4≦x≦0.7であり、さらに好ましくは0.45≦x≦0.55(特に好ましくは0.5)である。xの値が0.3より小さすぎると、LiM2O2にLi2M1O3を固溶させることによる高電位化の効果が不十分になるため好ましくない。一方、xの値が0.8より大きすぎると、Li2M1O3の特徴がなくなり、放電容量が低下するため好ましくない。 In Li 2 M1O 3 -LiM2O 2 based solid solution used in the lithium secondary battery of the present embodiment, the ratio for solid solution and Li 2 M1O 3 and LiM2O 2 is, Li 2 M1O 3 and LiM2O 2 and the composition of the inseparable As long as an object can be formed, any real number may be taken as long as it is within the range of 0 <x <1. That is, the proportion of Li 2 M1O 3 and LiM 2 O 2 in solid solution is appropriately selected according to the purpose of this configuration, but preferably 0.3 ≦ x ≦ 0.8, more preferably 0.4 ≦ x ≦ 0.7, more preferably 0.45 ≦ x ≦ 0.55 (particularly preferably 0.5). If the value of x is too small, it is not preferable because the effect of increasing the potential by dissolving Li 2 M 1 O 3 in LiM 2 O 2 becomes insufficient. On the other hand, if the value of x is larger than 0.8, the characteristics of Li 2 M1O 3 are lost and the discharge capacity is lowered, which is not preferable.
本実施形態のリチウム二次電池に用いられるLi2M1O3‐LiM2O2系固溶体は、該固溶体中のM1及び/又はM2の一部が、Fe,AlおよびCrのうちの1種または2種以上の金属元素で置換されたものである。ここで、上記Li2M1O3‐LiM2O2系固溶体が含有するM3は、Fe,AlおよびCrのうちの1種または2種以上の金属元素である。このうち、Fe又はAl、あるいはFeとAlとの2種の組み合わせが好ましく、かかる元素の含有率の高い組成のものが好適である。特に、M3がFeであるか、あるいはFeの含有率が高いこと(例えば、M3中においてFeが50モル%以上含まれていること)が好適である。 In the Li 2 M1O 3 -LiM2O 2 solid solution used in the lithium secondary battery of the present embodiment, a part of M1 and / or M2 in the solid solution is one or more of Fe, Al, and Cr. The metal element is substituted. Here, M3 contained in the Li 2 M1O 3 -LiM2O 2 solid solution is one or more metal elements of Fe, Al, and Cr. Among these, Fe or Al, or two types of combinations of Fe and Al are preferable, and a composition having a high content of such elements is preferable. In particular, it is preferable that M3 is Fe or that the Fe content is high (for example, M3 contains 50 mol% or more of Fe).
このように、Li2M1O3‐LiM2O2系固溶体中のM1及び/又はM2の一部を、Fe,AlおよびCrからなる群から選択される少なくとも一種の金属元素M3で置換することにより、M3で置換していない従来のLi2M1O3‐LiM2O2系固溶体と比較して、リチウムイオンの出し入れにより生じ得る結晶構造の歪みが減少し、高出力時においても安定な結晶構造となる。そのため、このLi2M1O3‐LiM2O2系固溶体を正極活物質に用いたリチウム二次電池のレート特性が好ましく向上する。 Thus, by replacing a part of M1 and / or M2 in the Li 2 M1O 3 -LiM2O 2 solid solution with at least one metal element M3 selected from the group consisting of Fe, Al and Cr, M3 Compared with a conventional Li 2 M1O 3 -LiM2O 2 solid solution not substituted with, the distortion of the crystal structure that can be caused by the insertion and removal of lithium ions is reduced, and a stable crystal structure is obtained even at high output. Therefore, the rate characteristic of the lithium secondary battery using this Li 2 M1O 3 -LiM2O 2 solid solution as the positive electrode active material is preferably improved.
本実施形態のリチウム二次電池に用いられるLi2M1O3‐LiM2O2系固溶体中のM3含有量は特に限定されないが、例えば正極活物質の全体組成を、以下の略式:
LiM1M2M3yO2 (2)
で表した場合に、M3の含有量を示すyの値が、0<y≦0.015であることが適当である。上記式(2)において、yの値が0.015より大きすぎると、合成時に未反応物が残存したり不純物が生成したりしてレート特性に影響を及ぼすようになる。そのため、yの値は0.015以下に規制することが好ましい。M3含有量の下限値は特に限定されないが、M3の含有量が少なすぎると、M3置換によるレート特性向上効果が十分に得られないことがある。レート特性向上効果を確実に得るためには、上記yの取り得る範囲は、概ね0.001≦yが適当であり、好ましくは0.003≦yであり、特に好ましくは0.005≦yである。このことによって、M3で置換していない若しくはM3の含有量が0.015を上回るようなLi2M1O3‐LiM2O2系固溶体と比較して、リチウムイオンの出し入れにより生じ得る結晶構造の歪みが減少し、高出力時においても安定な結晶構造となる。そのため、このLi2M1O3‐LiM2O2系固溶体を正極活物質に用いたリチウム二次電池のレート特性が好ましく向上する。
The M3 content in the Li 2 M1O 3 -LiM2O 2 solid solution used in the lithium secondary battery of the present embodiment is not particularly limited. For example, the overall composition of the positive electrode active material is represented by the following abbreviation:
LiM1M2M3 y O 2 (2)
It is appropriate that the value of y indicating the content of M3 is 0 <y ≦ 0.015. In the above formula (2), if the value of y is too larger than 0.015, unreacted substances remain or impurities are generated during synthesis, which affects the rate characteristics. For this reason, the value of y is preferably regulated to 0.015 or less. The lower limit value of the M3 content is not particularly limited, but if the M3 content is too small, the effect of improving the rate characteristics by M3 substitution may not be sufficiently obtained. In order to obtain the rate characteristic improving effect with certainty, the range that y can take is generally 0.001 ≦ y, preferably 0.003 ≦ y, and particularly preferably 0.005 ≦ y. is there. This reduces the distortion of the crystal structure that can occur due to the insertion and removal of lithium ions, compared to Li 2 M1O 3 -LiM2O 2 solid solutions that are not substituted with M3 or have a M3 content greater than 0.015. However, a stable crystal structure is obtained even at high output. Therefore, the rate characteristic of the lithium secondary battery using this Li 2 M1O 3 -LiM2O 2 solid solution as the positive electrode active material is preferably improved.
なお、本実施形態のリチウム二次電池に用いられるLi2M1O3‐LiM2O2系固溶体は、粒状形状であることが好ましく、その平均粒径は、0.1μm〜50μm(特に1μm〜10μm)であることが好ましい。ここで、平均粒径は、体積基準のメディアン(D50)径のことである。平均粒径が小さすぎるか大きすぎると、正極の作製が困難になる場合がある。また、本実施形態のリチウム二次電池に用いられるLi2M1O3‐LiM2O2系固溶体のBET比表面積は、1m2/g〜20m2/g(特に2m2/g〜10m2/g)であることが好ましい。BET比表面積が小さすぎるか大きすぎると、正極の作製が困難になる場合がある。 Incidentally, Li 2 M1O 3 -LiM2O 2 based solid solution used in the lithium secondary battery of the present embodiment is preferably a granular shape, the average particle diameter, in 0.1Myuemu~50myuemu (particularly 1 m to 10 m) Preferably there is. Here, the average particle diameter is a volume-based median (D50) diameter. If the average particle size is too small or too large, it may be difficult to produce the positive electrode. Further, BET specific surface area of the Li 2 M1O 3 -LiM2O 2 based solid solution used in the lithium secondary battery of this embodiment, in 1m 2 / g~20m 2 / g (especially 2m 2 / g~10m 2 / g) Preferably there is. If the BET specific surface area is too small or too large, it may be difficult to produce the positive electrode.
本実施形態のリチウム二次電池に用いられるLi2M1O3‐LiM2O2系固溶体は、固相法または液相法によって合成することができる。具体的には、上記固溶体を液相法により合成する場合、上記固溶体は、原料混合スラリー調製工程と、加熱工程と、焼成工程とを経て製造され得る。以下、各プロセスについて詳細に説明する。 The Li 2 M1O 3 -LiM2O 2 solid solution used in the lithium secondary battery of this embodiment can be synthesized by a solid phase method or a liquid phase method. Specifically, when the solid solution is synthesized by a liquid phase method, the solid solution can be manufactured through a raw material mixed slurry preparation step, a heating step, and a firing step. Hereinafter, each process will be described in detail.
<原料混合スラリー調製工程>
原料混合スラリー調製工程では、上記Li2M1O3‐LiM2O2系固溶体の構成元素に応じて適宜選択される固溶体を構成するための原料(Li供給源、M1供給源、M2供給源、M3供給源)を、所定の溶媒と混合して原料混合スラリーを調製する。
<Raw material mixed slurry preparation process>
In the raw material mixed slurry preparation step, raw materials (Li supply source, M1 supply source, M2 supply source, M3 supply source) for configuring a solid solution appropriately selected according to the constituent elements of the Li 2 M1O 3 -LiM2O 2 -based solid solution ) Is mixed with a predetermined solvent to prepare a raw material mixed slurry.
上記原料としては、少なくともLi供給源、M1供給源、M2給源およびM3供給源を包含する一種または二種以上の化合物を適宜選択して用いることができる。Li供給源、M1供給源、M2供給源およびM3供給源としては、最終的な焼成により目的のLi2M1O3‐LiM2O2系固溶体を形成し得るものであれば特に限定されない。例えば、これらを構成元素とする各種の塩(例えば酢酸塩)、水酸化物、酸化物、等が選択され得る。これらを単独で使用してもよいし、あるいは2種以上を併用して用いてもよい。 As the raw material, one or more compounds including at least a Li supply source, an M1 supply source, an M2 supply source, and an M3 supply source can be appropriately selected and used. The Li supply source, the M1 supply source, the M2 supply source, and the M3 supply source are not particularly limited as long as the target Li 2 M1O 3 -LiM2O 2 solid solution can be formed by final firing. For example, various salts (for example, acetate), hydroxides, oxides, and the like containing these as constituent elements can be selected. These may be used alone or in combination of two or more.
特に好ましい例として、Li供給源としての酢酸リチウム、炭酸リチウム、水酸化リチウム等、Mn供給源としての酢酸マンガン、炭酸マンガン、酸化マンガン、硝酸マンガン、水酸化マンガン、オキシ水酸化マンガン等、Co供給源としての酢酸コバルト、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、Ni供給源としての酢酸ニッケル、炭酸ニッケル、酸化ニッケル、硝酸ニッケル、水酸化ニッケル、オキシ水酸化ニッケル等、が挙げられる。 Particularly preferred examples include lithium acetate, lithium carbonate, lithium hydroxide, etc. as a Li supply source, manganese acetate, manganese carbonate, manganese oxide, manganese nitrate, manganese hydroxide, manganese oxyhydroxide, etc. as a Mn supply source, Co supply Cobalt acetate, cobalt carbonate, cobalt oxide, cobalt sulfate, cobalt nitrate, cobalt hydroxide, cobalt oxyhydroxide, etc. as sources, nickel acetate, nickel carbonate, nickel oxide, nickel nitrate, nickel hydroxide, oxy as sources of Ni And nickel hydroxide.
また、Ti供給源としての酢酸チタン、酸化チタン、水酸化チタン、チタンエトキシド、塩化チタン等、Zr供給源としての酢酸ジルコニウム、酸化ジルコニウム、水酸化ジルコニウム等、Sn供給源としての酢酸スズ、酸化スズ、水酸化スズ等、Fe供給源としての酢酸鉄、炭酸鉄、酸化鉄等、Al供給源としての酢酸アルミニウム、炭酸アルミニウム、酸化アルミニウム等、Cr供給源としての酢酸クロム、炭酸クロム、酸化クロム等、が選択され得る。 In addition, titanium acetate, titanium oxide, titanium hydroxide, titanium ethoxide, titanium chloride, etc. as Ti supply source, zirconium acetate, zirconium oxide, zirconium hydroxide, etc. as Zr supply source, tin acetate, oxidation as Sn supply source Tin, tin hydroxide, etc., iron acetate, iron carbonate, iron oxide, etc. as Fe supply source, aluminum acetate, aluminum carbonate, aluminum oxide, etc. as Al supply source, chromium acetate, chromium carbonate, chromium oxide as Cr supply source Etc. may be selected.
原料混合スラリーに用いられる溶媒としては、上記原料を均一に溶解または分散し得る溶媒であればよい。例えば、水または水を主体とする混合溶媒が好ましく用いられる。かかる混合溶媒を構成する水以外の溶媒成分としては、水と均一に混合し得る有機溶媒(低級アルコール、低級ケトン等)の一種または二種以上を適宜選択して用いることができる。例えば、該水系溶媒の80質量%以上(より好ましくは90質量%以上、さらに好ましくは95質量%以上)が水である水系溶媒の使用が好ましい。特に好ましい例として、実質的に水からなる水系溶媒が挙げられる。水の沸点は約100℃であるため、過剰な溶媒の蒸発を抑止しつつ原料混合スラリーを所定の温度域に加温することを容易に行うことができる。 The solvent used for the raw material mixed slurry may be any solvent that can uniformly dissolve or disperse the raw material. For example, water or a mixed solvent mainly composed of water is preferably used. As a solvent component other than water constituting such a 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, it is preferable to use an aqueous solvent in which 80% by mass or more (more preferably 90% by mass or more, more preferably 95% by mass or more) of the aqueous solvent is water. A particularly preferred example is an aqueous solvent substantially consisting of water. Since the boiling point of water is about 100 ° C., it is possible to easily heat the raw material mixture slurry to a predetermined temperature range while suppressing the evaporation of excess solvent.
出発原料を所定の組成比となるように秤量して上記溶媒中で混合することにより原料混合スラリーを調製する。該原料混合スラリーを調製するときには、必要に応じて攪拌を行ってもよい。上記攪拌する操作は、例えばマグネチックスターラー等の適当な攪拌手段を用いて行うことができる。この攪拌により原料混合スラリーの調製を短時間で行うことができる。原料混合スラリー中には、上記原料が完全に溶解していてもよいし、その一部または全部が未溶解の状態で分散していてもよい。また、必要に応じて、グリコール酸やカルボン酸等の添加剤を使用することもできる。これらの添加剤は、粒子成長の抑制剤として作用する。 A starting material mixture slurry is prepared by weighing starting materials to a predetermined composition ratio and mixing them in the solvent. When preparing the raw material mixed slurry, stirring may be performed as necessary. The stirring operation can be performed using an appropriate stirring means such as a magnetic stirrer. By this stirring, the raw material mixed slurry can be prepared in a short time. In the raw material mixed slurry, the raw material may be completely dissolved, or a part or all of the raw material may be dispersed in an undissolved state. Moreover, additives, such as glycolic acid and carboxylic acid, can also be used as needed. These additives act as particle growth inhibitors.
<加熱工程>
加熱工程では、上記調製した原料混合スラリーを加熱し溶媒を揮発させることによって、前駆体を得る。原料混合スラリーを加熱する手段としては特に限定されず、オイルバス等の任意の手段を採用することができる。加熱温度は、使用する溶媒によっても異なるが、例えば溶媒として水を用いる場合、水の揮発が十分に進行する温度で加熱することが必要であり、通常は70℃以上(例えば70〜90℃、好ましくは75℃〜85℃程度、特に好ましくは80℃程度)にすることが好適である。加熱温度の上限は、使用する溶媒の沸点を下回る温度であればよい。加熱時間は、出発原料が液相を介して十分に拡散または浸透して前駆体の生成が十分に進行するまでの時間とすればよく、通常は5〜48時間程度であり、好ましくは10〜24時間程度である。
<Heating process>
In the heating step, the precursor is obtained by heating the prepared raw material mixed slurry to volatilize the solvent. The means for heating the raw material mixed slurry is not particularly limited, and any means such as an oil bath can be adopted. Although heating temperature changes also with the solvent to be used, when using water as a solvent, for example, it is necessary to heat at the temperature which volatilization of water fully advances, and usually 70 degreeC or more (for example, 70-90 degreeC, The temperature is preferably about 75 ° C to 85 ° C, particularly preferably about 80 ° C. The upper limit of the heating temperature may be a temperature lower than the boiling point of the solvent used. The heating time may be a time until the starting material sufficiently diffuses or permeates through the liquid phase and the production of the precursor sufficiently proceeds, and is usually about 5 to 48 hours, preferably 10 to 10 hours. About 24 hours.
<焼成工程>
焼成工程では、上記得られた前駆体を600℃〜1000℃で焼成する。この焼成によって、前駆体から目的のLi2M1O3‐LiM2O2系固溶体を合成することができる。焼成温度は、上記固溶体を合成し得る温度であればよく特に制限されないが、反応を十分に進行させるためには、焼成温度は600℃以上であることが必要であり、その一方で、焼成温度が1000℃を超えると、粒子が成長して粒径が大きくなりすぎるため好ましくない。焼成温度は、通常は600〜1000℃が適当であり、好ましくは700〜950℃であり、より好ましくは800〜900℃である。焼成時間は、前駆体を構成する各成分が均一に反応するまでの時間とすればよく、通常は2〜24時間である。焼成手段としては特に限定されず、電気加熱炉等の任意の手段を採用することができる。焼成雰囲気としては特に限定されず、例えば大気中であってもよいし、大気よりも酸素がリッチな酸素ガス雰囲気中であってもよい。あるいは、必要に応じてArガス等の不活性ガス雰囲気中で焼成することもできる。好ましくは、大気中もしくは大気よりも酸素がリッチな酸素ガス雰囲気中である。
<Baking process>
In the firing step, the obtained precursor is fired at 600 ° C to 1000 ° C. By this firing, the target Li 2 M1O 3 -LiM2O 2 solid solution can be synthesized from the precursor. The firing temperature is not particularly limited as long as it is a temperature capable of synthesizing the solid solution. However, in order to sufficiently advance the reaction, the firing temperature is required to be 600 ° C. or higher. If the temperature exceeds 1000 ° C., the particles grow and the particle size becomes too large, which is not preferable. The firing temperature is usually suitably 600 to 1000 ° C, preferably 700 to 950 ° C, more preferably 800 to 900 ° C. The firing time may be a time until each component constituting the precursor reacts uniformly, and is usually 2 to 24 hours. The firing means is not particularly limited, and any means such as an electric heating furnace can be adopted. The firing atmosphere is not particularly limited, and may be, for example, the air or an oxygen gas atmosphere richer in oxygen than the air. Alternatively, it can be fired in an inert gas atmosphere such as Ar gas as necessary. Preferably, it is in the atmosphere or an oxygen gas atmosphere richer in oxygen than the atmosphere.
必要に応じて、上記焼成を複数回に分けて行うこともできる。即ち、上記の焼成を行うにあたっては、まず比較的低めの温度域(例えば600℃未満、例えば400℃以上600℃未満)で仮焼成し、その仮焼成物をいったん解砕した後、より高い温度域(例えば600℃〜1000℃)で本焼成する。このように、まず低めの温度域で仮焼成を行った後に高めの温度域で本焼成を行うことにより、前駆体を最初から高めの温度域(例えば600℃〜1000℃)で焼成する場合に比べて、最終的に得られるLi2M1O3‐LiM2O2系固溶体の均質性を高めることができる。仮焼成物を解砕し、再度焼成するという操作を本焼成前に繰り返し行ってもよい。 If necessary, the firing can be performed in a plurality of times. That is, in performing the above-mentioned firing, first, pre-baking in a relatively low temperature range (for example, less than 600 ° C., for example, 400 ° C. or more and less than 600 ° C.) The main baking is performed in a region (for example, 600 ° C. to 1000 ° C.). As described above, when the precursor is fired in a higher temperature range (for example, 600 ° C. to 1000 ° C.) from the beginning by performing preliminary firing in a higher temperature range after first performing preliminary firing in a lower temperature range. In comparison, the homogeneity of the finally obtained Li 2 M1O 3 -LiM2O 2 solid solution can be enhanced. The operation of crushing the calcined product and firing it again may be repeated before the main firing.
上記のような焼成により得られたLi2M1O3‐LiM2O2系固溶体を、好ましくは冷却後、ミルがけ等により粉砕し適当に分級することによって、平均粒子径が0.1μm〜50μm(特に1μm〜10μm)程度の微粒子形態の固溶体を得ることができる。 The Li 2 M1O 3 -LiM2O 2 solid solution obtained by firing as described above is preferably cooled, pulverized by milling or the like, and appropriately classified to obtain an average particle size of 0.1 μm to 50 μm (particularly 1 μm). A solid solution in the form of fine particles of about 10 μm to 10 μm can be obtained.
このようにして得られたLi2M1O3‐LiM2O2系固溶体粉末は、正極活物質としてそのまま用いることができる。例えば、上記Li2M1O3‐LiM2O2系固溶体粉末を、種々の形態のリチウム二次電池の構成要素または該リチウム二次電池に内蔵される電極の構成要素(正極活物質)として好ましく使用し得る。この場合、ここで開示されるLi2M1O3‐LiM2O2系固溶体粉末を正極活物質として使用すること以外は、従来と同様のプロセスを採用してリチウム二次電池を構築することができる。 The Li 2 M1O 3 —LiM2O 2 solid solution powder thus obtained can be used as it is as the positive electrode active material. For example, the Li 2 M1O 3 -LiM2O 2 solid solution powder can be preferably used as a constituent element of a lithium secondary battery of various forms or a constituent element (positive electrode active material) of an electrode incorporated in the lithium secondary battery. . In this case, a lithium secondary battery can be constructed by adopting a process similar to the conventional one except that the Li 2 M1O 3 -LiM2O 2 solid solution powder disclosed herein is used as the positive electrode active material.
例えば、ここで開示されるLi2M1O3‐LiM2O2系固溶体粉末を含む正極活物質に、導電材としてアセチレンブラック、ケッチェンブラック等のカーボンブラックやその他(グラファイト等)の粉末状カーボン材料を混合することができる。また、正極活物質と導電材の他に、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、スチレンブタジエンラバー(SBR)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、カルボキシメチルセルロース(CMC)等の結着材(バインダ)を添加することができる。これらを適当な分散媒体に分散させて混練することによって、ペースト状(スラリー状またはインク状を含む。以下同じ。)の正極活物質層形成用組成物(以下、「正極活物質層形成用ペースト」という場合がある。)を調製することができる。このペーストを、好ましくはアルミニウムまたはアルミニウムを主成分とする合金から構成される正極集電体上に適当量塗布しさらに乾燥ならびにプレスすることによって、非水電解質二次電池用正極を作製することができる。 For example, a positive electrode active material containing the Li 2 M1O 3 -LiM2O 2 solid solution powder disclosed here is mixed with carbon black such as acetylene black and ketjen black and other (graphite etc.) powdered carbon materials as a conductive material can do. In addition to the positive electrode active material and the conductive material, a binder (binder) such as polyvinylidene fluoride (PVDF), styrene butadiene rubber (SBR), polytetrafluoroethylene (PTFE), or carboxymethyl cellulose (CMC) is added. be able to. By dispersing these in a suitable dispersion medium and kneading, the composition for forming a positive electrode active material layer (hereinafter referred to as “positive electrode active material layer forming paste”) is in the form of a paste (including slurry or ink. The same shall apply hereinafter). Can be prepared.). An appropriate amount of this paste is applied onto a positive electrode current collector preferably made of aluminum or an aluminum-based alloy, and then dried and pressed to produce a positive electrode for a nonaqueous electrolyte secondary battery. it can.
他方、対極となるリチウム二次電池用負極は、従来と同様の手法により作製することができる。例えば負極活物質としては、リチウムを吸蔵且つ放出可能な材料であればよい。典型例として黒鉛(グラファイト)等から成る粉末状の炭素材料が挙げられる。そして正極と同様、かかる粉末状材料を適当な結着材(バインダ)とともに適当な分散媒体に分散させて混練することによって、ペースト状の負極活物質層形成用組成物(以下、「負極活物質層形成用ペースト」という場合がある。)を調製することができる。このペーストを、好ましくは銅やニッケル或いはそれらの合金から構成される負極集電体上に適当量塗布しさらに乾燥ならびにプレスすることによって、リチウム二次電池用負極を作製することができる。 On the other hand, the negative electrode for a lithium secondary battery serving as a counter electrode can be produced by a method similar to the conventional one. For example, the negative electrode active material may be any material that can occlude and release lithium. A typical example is a powdery carbon material made of graphite or the like. As in the case of the positive electrode, the powdery material is dispersed in a suitable dispersion medium together with a suitable binder (binder) and kneaded to obtain a paste-like composition for forming a negative electrode active material layer (hereinafter referred to as “negative electrode active material”). May be referred to as “layer forming paste”). An appropriate amount of this paste is preferably applied onto a negative electrode current collector composed of copper, nickel, or an alloy thereof, and further dried and pressed, whereby a negative electrode for a lithium secondary battery can be produced.
ここで開示されるLi2M1O3‐LiM2O2系固溶体粉末を正極活物質に用いるリチウム二次電池において、従来と同様のセパレータを使用することができる。例えばポリオレフィン樹脂から成る多孔質のシート(多孔質フィルム)等を使用することができる。 In the lithium secondary battery using the Li 2 M1O 3 -LiM2O 2 -based solid solution powder disclosed here as the positive electrode active material, the same separator as the conventional one can be used. For example, a porous sheet (porous film) made of a polyolefin resin can be used.
また、電解質としては非水系の電解質(典型的には電解液)を使用することができる。典型的には、適当な非水溶媒に支持塩を含有させた組成である。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等から選択される一種または二種以上のリチウム化合物(リチウム塩)を用いることができる。 Further, as the electrolyte, a non-aqueous electrolyte (typically, an electrolytic solution) can be used. Typically, the composition includes a supporting salt 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 , 1 type, or 2 or more types of lithium compounds (lithium salt) selected from LiI etc. can be used.
また、ここで開示されるLi2M1O3‐LiM2O2系固溶体粉末を正極活物質として採用される限りにおいて、構築されるリチウム二次電池の形状(外形やサイズ)には特に制限はない。外装がラミネートフィルム等で構成される薄型シートタイプであってもよく、電池外装ケースが円筒形状や直方体形状の電池でもよく、或いは小型のボタン形状であってもよい。 Furthermore, the extent employed a Li 2 M1O 3 -LiM2O 2 solid solution powder disclosed herein as a positive electrode active material, there is no particular restriction on the shape of the lithium secondary battery to be constructed (outer and size). The outer package may be a thin sheet type constituted by a laminate film or the like, and the battery outer case may be a cylindrical or cuboid battery, or may be a small button shape.
以下、捲回電極体を備えるリチウム二次電池を例にしてここで開示される正極の使用態様を説明するが、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, although the usage mode of the positive electrode disclosed here will be described using a lithium secondary battery including a wound electrode body as an example, it is not intended to limit the present invention to such an embodiment.
図1に示すように、本実施形態に係るリチウム二次電池100は、長尺状の正極シート10と長尺状の負極シート20が長尺状のセパレータ40を介して扁平に捲回された形態の電極体(捲回電極体)80が、図示しない非水電解液とともに、該捲回電極体80を収容し得る形状(扁平な箱型)の容器50に収容された構成を有する。
As shown in FIG. 1, in the lithium
容器50は、上端が開放された扁平な直方体状の容器本体52と、その開口部を塞ぐ蓋体54とを備える。容器50を構成する材質としては、アルミニウム、スチール等の金属材料が好ましく用いられる(本実施形態ではアルミニウム)。あるいは、ポリフェニレンサルファイド樹脂(PPS)、ポリイミド樹脂等の樹脂材料を成形してなる容器50であってもよい。容器50の上面(すなわち蓋体54)には、捲回電極体80の正極と電気的に接続する正極端子70および該電極体80の負極20と電気的に接続する負極端子72が設けられている。容器50の内部には、扁平形状の捲回電極体80が図示しない非水電解液とともに収容される。
The
上記構成の捲回電極体80を構成する材料および部材自体は、正極活物質としてここで開示されるLi2M1O3‐LiM2O2系固溶体を採用する以外、従来のリチウム二次電池の電極体と同様でよく、特に制限はない。本実施形態に係る捲回電極体80は、図2に示すように、捲回電極体80を組み立てる前段階において長尺状(帯状)のシート構造を有している。
The material and the member itself constituting the
正極シート10は、長尺シート状の箔状の正極集電体12の両面に正極活物質を含む正極活物質層14が保持された構造を有している。ただし、正極活物質層14は正極シート10の幅方向の一方の側縁(図では上側の側縁部分)には付着されず、正極集電体12を一定の幅にて露出させた正極活物質層非形成部が形成されている。負極シート20も正極シート10と同様に、長尺シート状の箔状の負極集電体22の両面に負極活物質を含む負極活物質層24が保持された構造を有している。ただし、負極活物質層24は負極シート20の幅方向の一方の側縁(図では下側の側縁部分)には付着されず、負極集電体22を一定の幅にて露出させた負極活物質層非形成部が形成されている。
The
捲回電極体80を作製するに際しては、正極シート10と負極シート20とがセパレータシート40を介して積層される。このとき、正極シート10の正極活物質層非形成部分と負極シート20の負極活物質層非形成部分とがセパレータシート40の幅方向の両側からそれぞれはみ出すように、正極シート10と負極シート20とを幅方向にややずらして重ね合わせる。このように重ね合わせた積層体を捲回し、次いで得られた捲回体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状の捲回電極体80が作製され得る。
In producing the
捲回電極体80の捲回軸方向における中央部分には、捲回コア部分82(即ち正極シート10の正極活物質層14と負極シート20の負極活物質層24とセパレータシート40とが密に積層された部分)が形成される。また、捲回電極体80の捲回軸方向の両端部には、正極シート10および負極シート20の電極活物質層非形成部分がそれぞれ捲回コア部分82から外方にはみ出ている。かかる正極側はみ出し部分(すなわち正極活物質層14の非形成部分)84および負極側はみ出し部分(すなわち負極活物質層24の非形成部分)86には、正極リード端子74および負極リード端子76がそれぞれ付設されており、上述の正極端子70および負極端子72とそれぞれ電気的に接続される。
A wound core portion 82 (that is, the positive electrode
かかる構成の捲回電極体80を容器本体52に収容し、その容器本体52内に適当な非水電解液を配置(注液)する。そして、容器本体52の開口部を蓋体54との溶接等により封止することにより、本実施形態に係るリチウム二次電池100の構築(組み立て)が完成する。なお、容器本体52の封止プロセスや電解液の配置(注液)プロセスは、従来のリチウム二次電池の製造で行われている手法と同様にして行うことができる。その後、該電池のコンディショニング(初期充放電)を行う。必要に応じてガス抜きや品質検査等の工程を行ってもよい。
The
以下の試験例において、ここで開示されるLi2M1O3‐LiM2O2系固溶体粉末を正極活物質として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 the Li 2 M1O 3 -LiM2O 2 solid solution powder disclosed herein as a positive electrode active material, and its performance was evaluated.
[Li2M1O3‐LiM2O2系固溶体の合成]
この性能評価試験では、0.5Li2M1O3‐0.5LiM2O2で表わされる固溶体において、該固溶体中の遷移金属の一部をM3で置換したものを合成した。具体的には、全体組成がLi1.2[Mn0.54−yM3yCo0.13Ni0.13]O2(M3=Fe、Ar、Cr、y=0、0.005、0.01、0.015、0.02)で表される固溶体試料を合成した。
[Synthesis of Li 2 M1O 3 -LiM2O 2 solid solution]
In this performance evaluation test, a solid solution represented by 0.5Li 2 M1O 3 -0.5LiM2O 2 was synthesized by substituting a part of the transition metal in the solid solution with M3. Specifically, the overall composition is Li 1.2 [Mn 0.54-y M3 y Co 0.13 Ni 0.13 ] O 2 (M3 = Fe, Ar, Cr, y = 0, 0.005, 0 .01, 0.015, 0.02) were synthesized.
<実施例1>
本例では、全体組成がLi1.2[Mn0.535Fe0.005Co0.13Ni0.13]O2(M3=Fe、y=0.005)で表される固溶体試料を合成した。具体的には、酢酸リチウムと酢酸マンガンと酢酸コバルトと酢酸ニッケルと酢酸鉄とを、上記組成比となるように秤量したのち水中で溶解混合し、グリコール酸を適量添加して原料混合スラリーを調製した。この原料混合スラリーを約80℃で24時間加熱して水を蒸発させることにより前駆体を得た。その前駆体を大気中において500℃で仮焼成し、これをいったんボールミルで粉砕した後、さらに900℃で本焼成した。その焼成体を適当な粒径までボールミルで粉砕することにより、Li1.2[Mn0.535Fe0.005Co0.13Ni0.13]O2固溶体粉末を得た。得られた固溶体粉末をX線回折測定で解析したところ、図3に示すように、空間群R−3mに属する結晶構造を有し、かつ、2θ=20〜23°付近に超格子構造を示すLi2M1O3‐LiM2O2系固溶体に特有のピークがあることが確認された。
<Example 1>
In this example, a solid solution sample whose total composition is represented by Li 1.2 [Mn 0.535 Fe 0.005 Co 0.13 Ni 0.13 ] O 2 (M3 = Fe, y = 0.005) was synthesized. did. Specifically, lithium acetate, manganese acetate, cobalt acetate, nickel acetate, and iron acetate are weighed to achieve the above composition ratio, dissolved and mixed in water, and an appropriate amount of glycolic acid is added to prepare a raw material mixed slurry. did. This raw material mixed slurry was heated at about 80 ° C. for 24 hours to evaporate water to obtain a precursor. The precursor was calcined at 500 ° C. in the atmosphere, and this was once pulverized by a ball mill, and further calcined at 900 ° C. The fired body was pulverized to a suitable particle size with a ball mill to obtain a Li 1.2 [Mn 0.535 Fe 0.005 Co 0.13 Ni 0.13 ] O 2 solid solution powder. When the obtained solid solution powder was analyzed by X-ray diffraction measurement, as shown in FIG. 3, it had a crystal structure belonging to the space group R-3m and a superlattice structure in the vicinity of 2θ = 20 to 23 °. It was confirmed that there was a peculiar peak in the Li 2 M1O 3 -LiM2O 2 solid solution.
<実施例2>
本例では、全体組成がLi1.2[Mn0.53Fe0.01Co0.13Ni0.13]O2(M3=Fe、y=0.01)で表される固溶体試料を合成した。合成条件は、上記組成比となるように各原料の配合比を変えたこと以外は実施例1と同様にした。得られた固溶体粉末をX線回折測定で解析したところ、図4に示すように、空間群R−3mに属する結晶構造を有し、かつ、2θ=20〜23°付近に超格子構造を示すLi2M1O3‐LiM2O2系固溶体に特有のピークがあることが確認された。
<Example 2>
In this example, a solid solution sample whose total composition is Li 1.2 [Mn 0.53 Fe 0.01 Co 0.13 Ni 0.13 ] O 2 (M3 = Fe, y = 0.01) was synthesized. did. The synthesis conditions were the same as in Example 1 except that the blending ratio of each raw material was changed so as to achieve the above composition ratio. When the obtained solid solution powder was analyzed by X-ray diffraction measurement, as shown in FIG. 4, it had a crystal structure belonging to the space group R-3m and a superlattice structure in the vicinity of 2θ = 20 to 23 °. It was confirmed that there was a peculiar peak in the Li 2 M1O 3 -LiM2O 2 solid solution.
<実施例3>
本例では、全体組成がLi1.2[Mn0.525Fe0.015Co0.13Ni0.13]O2(M3=Fe、y=0.015)で表される固溶体試料を合成した。合成条件は、上記組成比となるように各原料の配合比を変えたこと以外は実施例1と同様にした。得られた固溶体粉末をX線回折測定で解析したところ、図5に示すように、空間群R−3mに属する結晶構造を有し、かつ、2θ=20〜23°付近に超格子構造を示すLi2M1O3‐LiM2O2系固溶体に特有のピークがあることが確認された。
<Example 3>
In this example, a solid solution sample whose total composition is represented by Li 1.2 [Mn 0.525 Fe 0.015 Co 0.13 Ni 0.13 ] O 2 (M3 = Fe, y = 0.015) was synthesized. did. The synthesis conditions were the same as in Example 1 except that the blending ratio of each raw material was changed so as to achieve the above composition ratio. When the obtained solid solution powder was analyzed by X-ray diffraction measurement, as shown in FIG. 5, it had a crystal structure belonging to the space group R-3m and a superlattice structure in the vicinity of 2θ = 20 to 23 °. It was confirmed that there was a peculiar peak in the Li 2 M1O 3 -LiM2O 2 solid solution.
<実施例4>
本例では、全体組成がLi1.2[Mn0.52Fe0.02Co0.13Ni0.13]O2(M3=Fe、y=0.02)で表される固溶体試料を合成した。合成条件は、上記組成比となるように各原料の配合比を変えたこと以外は実施例1と同様にした。得られた固溶体粉末をX線回折測定で解析したところ、図6に示すように、空間群R−3mに属する結晶構造を有し、かつ、2θ=20〜23°付近に超格子構造を示すLi2M1O3‐LiM2O2系固溶体に特有のピークがあることが確認された。
<Example 4>
In this example, a solid solution sample whose total composition is represented by Li 1.2 [Mn 0.52 Fe 0.02 Co 0.13 Ni 0.13 ] O 2 (M3 = Fe, y = 0.02) was synthesized. did. The synthesis conditions were the same as in Example 1 except that the blending ratio of each raw material was changed so as to achieve the above composition ratio. When the obtained solid solution powder was analyzed by X-ray diffraction measurement, as shown in FIG. 6, it had a crystal structure belonging to the space group R-3m and a superlattice structure in the vicinity of 2θ = 20-23 °. It was confirmed that there was a peculiar peak in the Li 2 M1O 3 -LiM2O 2 solid solution.
<実施例5>
本例では、全体組成がLi1.2[Mn0.535Al0.005Co0.13Ni0.13]O2(M3=Al、x=0.005)で表される固溶体試料を合成した。合成条件は、酢酸鉄に代えて酢酸アルミニウム(Al供給源)を使用し、かつ上記組成比となるように各原料の配合比を調整したこと以外は実施例1と同様にした。得られた固溶体粉末をX線回折測定で解析したところ、空間群R−3mに属する結晶構造を有し、かつ、2θ=20〜23°付近に超格子構造を示すLi2M1O3‐LiM2O2系固溶体に特有のピークがあることが確認された。
<Example 5>
In this example, a solid solution sample whose total composition is represented by Li 1.2 [Mn 0.535 Al 0.005 Co 0.13 Ni 0.13 ] O 2 (M3 = Al, x = 0.005) was synthesized. did. The synthesis conditions were the same as in Example 1 except that aluminum acetate (Al supply source) was used instead of iron acetate, and the blending ratio of each raw material was adjusted to the above composition ratio. The obtained solid solution powder was analyzed by X-ray diffraction measurement. As a result, Li 2 M1O 3 -LiM2O 2 having a crystal structure belonging to the space group R-3m and showing a superlattice structure in the vicinity of 2θ = 20 to 23 °. It was confirmed that there was a peak peculiar to the system solid solution.
<実施例6>
本例では、全体組成がLi1.2[Mn0.535Cr0.005Co0.13Ni0.13]O2(M3=Cr、x=0.005)で表される固溶体試料を合成した。合成条件は、酢酸鉄に代えて酢酸クロム(Cr供給源)を使用し、かつ上記組成比となるように各原料の配合比を調整したこと以外は実施例1と同様にした。得られた固溶体粉末をX線回折測定で解析したところ、空間群R−3mに属する結晶構造を有し、かつ、2θ=20〜23°付近に超格子構造を示すLi2M1O3‐LiM2O2系固溶体に特有のピークがあることが確認された。
<Example 6>
In this example, a solid solution sample is synthesized whose overall composition is represented by Li 1.2 [Mn 0.535 Cr 0.005 Co 0.13 Ni 0.13 ] O 2 (M3 = Cr, x = 0.005). did. The synthesis conditions were the same as in Example 1 except that chromium acetate (Cr supply source) was used instead of iron acetate, and the blending ratio of each raw material was adjusted to the above composition ratio. The obtained solid solution powder was analyzed by X-ray diffraction measurement. As a result, Li 2 M1O 3 -LiM2O 2 having a crystal structure belonging to the space group R-3m and showing a superlattice structure in the vicinity of 2θ = 20 to 23 °. It was confirmed that there was a peak peculiar to the system solid solution.
<比較例>
本例では、比較のために、M3(Fe、AlおよびCr)で置換していない固溶体試料を合成した。具体的には、全体組成がLi1.2[Mn0.54Co0.13Ni0.13]O2(x=0)で表される固溶体試料を合成した。合成条件は、上記組成比となるように各原料の配合比を変えたこと以外は実施例1と同様にした。得られた固溶体粉末をX線回折測定で解析したところ、図7に示すように、空間群R−3mに属する結晶構造を有し、かつ、2θ=20〜23°付近に超格子構造を示すLi2M1O3‐LiM2O2系固溶体に特有のピークがあることが確認された。
<Comparative example>
In this example, for comparison, a solid solution sample not synthesized with M3 (Fe, Al, and Cr) was synthesized. Specifically, a solid solution sample whose total composition was represented by Li 1.2 [Mn 0.54 Co 0.13 Ni 0.13 ] O 2 (x = 0) was synthesized. The synthesis conditions were the same as in Example 1 except that the blending ratio of each raw material was changed so as to achieve the above composition ratio. When the obtained solid solution powder was analyzed by X-ray diffraction measurement, as shown in FIG. 7, it had a crystal structure belonging to the space group R-3m and a superlattice structure in the vicinity of 2θ = 20 to 23 °. It was confirmed that there was a peculiar peak in the Li 2 M1O 3 -LiM2O 2 solid solution.
[正極シートの作製]
上記得られた各実施例1〜6及び比較例のLi2M1O3‐LiM2O2系固溶体粉末に、導電材としてのアセチレンブラックと、結着剤としてのポリビニリデンフロライド(PVDF)とを、それらの質量比が85:10:5となるように秤量してN−メチルピロリドン(NMP)中で均一に混合し、ペースト状の正極活物質層形成用組成物を調製した。このペースト状正極活物質層形成用組成物をアルミニウム箔(正極集電体:厚さ15μm)の片面に層状に塗布して乾燥することにより、該正極集電体の片面に正極活物質層が設けられた正極シートを得た。
[Preparation of positive electrode sheet]
In each of the Li 2 M1O 3 -LiM2O 2 solid solution powders of Examples 1 to 6 and Comparative Example obtained above, acetylene black as a conductive material and polyvinylidene fluoride (PVDF) as a binder, Were weighed so that the mass ratio was 85: 10: 5 and mixed uniformly in N-methylpyrrolidone (NMP) to prepare a paste-like composition for forming a positive electrode active material layer. The composition for forming a paste-like positive electrode active material layer is applied in a layer on one side of an aluminum foil (positive electrode current collector: thickness 15 μm) and dried, so that the positive electrode active material layer is formed on one side of the positive electrode current collector. The provided positive electrode sheet was obtained.
[負極シートの作製]
負極活物質としての天然黒鉛粉末に、結着剤としてのSBRを、それらの質量比が98:2となるように秤量して水中で均一に混合し、ペースト状の負極活物質層形成用組成物を調製した。このペースト状負極活物質層形成用組成物を銅箔(負極集電体:厚さ10μm)の片面に層状に塗布して乾燥することにより、該負極集電体の片面に負極活物質層が設けられた負極シートを得た。
[Preparation of negative electrode sheet]
A composition for forming a paste-like negative electrode active material layer is prepared by weighing SBR as a binder to natural graphite powder as a negative electrode active material so that the mass ratio thereof is 98: 2 and uniformly mixing in water. A product was prepared. The paste-like negative electrode active material layer forming composition is applied in a layer form on one side of a copper foil (negative electrode current collector:
[コインセルの作製]
上記得られた正極シートを直径16mmの円形に打ち抜いて、ペレット状の正極を作製した。この正極(作用極)と、負極(対極)としての金属リチウム(直径19mm、厚さ0.02mmの金属Li箔を使用した。)と、セパレータ(直径19mm、厚さ0.02mmの3層構造(ポリプロピレン(PP)/ポリエチレン(PE)/ポリプロピレン(PP))の多孔質シートを使用した。)とを、非水電解液とともにステンレス製容器に組み込んで、直径20mm、厚さ3.2mm(2032型)の図8に示すコインセル60(充放電性能評価用のハーフセル)を構築した。図8中、符号61は正極を、符号62は負極を、符号63は電解液の含浸したセパレータを、符号64はガスケットを、符号65は容器(負極端子)を、符号66は蓋(正極端子)をそれぞれ示す。なお、非水電解液としては、エチレンカーボネート(EC)とジメチルカーボネート(DMC)とエチルメチルカーボネート(EMC)とを3:4:4の体積比で含む混合溶媒に支持塩としてのLiPF6を約1mol/リットルの濃度で含有させたものを用いた。このようにしてリチウム二次電池(試験用コインセル)60を作製した。
[Production of coin cell]
The obtained positive electrode sheet was punched into a circle having a diameter of 16 mm to produce a pellet-shaped positive electrode. This positive electrode (working electrode), metallic lithium (a metal Li foil having a diameter of 19 mm and a thickness of 0.02 mm) as a negative electrode (counter electrode), and a separator (a three-layer structure having a diameter of 19 mm and a thickness of 0.02 mm) (Polypropylene (PP) / polyethylene (PE) / polypropylene (PP) porous sheet) was incorporated into a stainless steel container together with a non-aqueous electrolyte, and the diameter was 20 mm and the thickness was 3.2 mm (2032). The coin cell 60 (half cell for charge / discharge performance evaluation) shown in FIG. In FIG. 8,
[充放電試験]
以上のように得られた各試験用コインセルを、25℃の温度条件にて、端子間電圧が4.8Vとなるまで1/3C(50mA/g)の定電流で充電した。かかるCC充電後の電池を、端子間電圧が2.5Vとなるまで1/3Cの定電流で放電させ、1サイクル目(初回)の充放電を行った。次いで、上記1サイクル目の充放電後の各電池を、25℃の温度条件にて、端子間電圧が4.3Vとなるまで1/3Cの定電流で充電した。かかるCC充電後の電池を、端子間電圧が2.5Vとなるまで1/3Cの定電流で放電させ、2サイクル目の充放電を行った。そして、そのときの放電容量を測定した。さらに、2サイクル目の充電レート及び放電レートをそれぞれ1C、20Cに変更して、各レートでの放電容量を測定した。そして、放電レート1Cのときの放電容量と、放電レート20Cのときの放電容量との比率から、20C/1C容量比=[放電レート20Cのときの放電容量/放電レート1Cのときの放電容量]×100を算出した。結果を表1、図9及び図10に示す。図9はFe含有量と1C放電容量(mAh/g)との関係を示すグラフであり、図10はFe含有量と20C/1C容量比との関係を示すグラフである。
[Charge / discharge test]
Each test coin cell obtained as described above was charged at a constant current of 1/3 C (50 mA / g) under a temperature condition of 25 ° C. until the voltage between terminals reached 4.8V. The battery after the CC charge was discharged at a constant current of 1/3 C until the voltage between the terminals became 2.5V, and the first cycle (first time) charge / discharge was performed. Next, each battery after charge and discharge in the first cycle was charged with a constant current of 1/3 C under a temperature condition of 25 ° C. until the voltage between terminals reached 4.3 V. The battery after the CC charge was discharged at a constant current of 1/3 C until the voltage between the terminals became 2.5 V, and the second cycle charge / discharge was performed. And the discharge capacity at that time was measured. Further, the charge rate and discharge rate in the second cycle were changed to 1C and 20C, respectively, and the discharge capacity at each rate was measured. Then, from the ratio of the discharge capacity at the discharge rate 1C and the discharge capacity at the discharge rate 20C, the 20C / 1C capacity ratio = [discharge capacity at the discharge rate 20C / discharge capacity at the discharge rate 1C]. X100 was calculated. The results are shown in Table 1, FIG. 9 and FIG. FIG. 9 is a graph showing the relationship between Fe content and 1C discharge capacity (mAh / g), and FIG. 10 is a graph showing the relationship between Fe content and 20C / 1C capacity ratio.
図9、図10及び表1から明らかなように、比較例に係る電池は、実施例1〜3に係る電池に比べて1C放電容量が低かった。また、大電流を流したときの電位低下もはやく、20C/1C容量比は低い値に留まった。これに対して、実施例1〜3に係る電池は、Mnの一部をFeで置換しているため、比較例に係る電池に比べて1C放電容量が高く、また放電レートを20Cまで上げたときの20C/1C容量比も良好であり、64%以上という極めて高い値を示した。 As is clear from FIGS. 9 and 10 and Table 1, the battery according to the comparative example had a lower 1C discharge capacity than the batteries according to Examples 1 to 3. Further, the potential drop when a large current was passed was no longer so that the 20C / 1C capacity ratio remained at a low value. On the other hand, since the batteries according to Examples 1 to 3 partially substituted Mn with Fe, the 1C discharge capacity was higher than that of the battery according to the comparative example, and the discharge rate was increased to 20C. The 20C / 1C capacity ratio at that time was also good, showing an extremely high value of 64% or more.
ここで供試した電池の場合、Fe含有量を0<y≦0.015にすることによって、64.3%以上という高い20C/1C容量比を実現でき、特にFe含有量を0.01にすることによって、64.6%以上という極めて高い20C/1C容量比を実現できた。レート特性を良好にする観点からは、Fe含有量は0<y≦0.015が適当であり、好ましくは0.005≦y≦0.015であり、より好ましくは0.008≦y≦0.012であり、特に好ましくはy=0.01である。また、ここで供試した電池の場合、Fe含有量を0.015以下にすることによって、157mAh/g以上という高い1C放電容量を実現でき、特にFe含有量を0.005以下にすることによって、163mAh/g以上という極めて高い1C放電容量を実現できた。高容量化の観点からは、Fe含有量は0<y≦0.015が適当であり、好ましくは0<y≦0.01であり、特に好ましくは0<y≦0.005である。 In the case of the battery used here, by setting the Fe content to 0 <y ≦ 0.015, a high 20C / 1C capacity ratio of 64.3% or more can be realized. In particular, the Fe content is set to 0.01. By doing so, an extremely high 20C / 1C capacity ratio of 64.6% or more was realized. From the viewpoint of improving rate characteristics, the Fe content is suitably 0 <y ≦ 0.015, preferably 0.005 ≦ y ≦ 0.015, and more preferably 0.008 ≦ y ≦ 0. .012, particularly preferably y = 0.01. In addition, in the case of the battery tested here, by setting the Fe content to 0.015 or less, a high 1C discharge capacity of 157 mAh / g or more can be realized, and in particular by making the Fe content 0.005 or less. 1C discharge capacity of 163 mAh / g or more was achieved. From the viewpoint of increasing the capacity, the Fe content is suitably 0 <y ≦ 0.015, preferably 0 <y ≦ 0.01, and particularly preferably 0 <y ≦ 0.005.
なお、Feに代えてAl若しくはCrで置換した実施例5,6に係る電池は、Feで置換した実施例1〜3に係る電池とほぼ同様の性能を有していた。このことより、AlまたはCrで置換することによって、Feで置換するのと同様の効果が得られることが確かめられた。ここで供試した電池の場合、Al若しくはCrで置換した実施例5,6に係る電池は、Feで置換した実施例1に係る電池に比べて1C放電容量が高かった。高容量化の観点からは、固溶体が含有するM3は、Al又はCrが好ましく、特にM3がAlであることが好適である。また、Fe若しくはAlで置換した実施例1,5に係る電池は、Crで置換した実施例6に係る電池に比べて、20C/1C容量比が高かった。レート特性を良好にする観点からは、固溶体が含有するM3は、Fe又はAlが好ましく、特にM3がFeであることが好適である。さらにレート特性と高容量化を両立させる観点からは、固溶体が含有するM3は、Fe又はAlが好ましく、特にM3がAlであることが好適である。 In addition, the batteries according to Examples 5 and 6 substituted with Al or Cr instead of Fe had substantially the same performance as the batteries according to Examples 1 to 3 substituted with Fe. From this, it was confirmed that the same effect as the substitution with Fe can be obtained by substituting with Al or Cr. In the case of the battery tested here, the batteries according to Examples 5 and 6 substituted with Al or Cr had a higher 1C discharge capacity than the battery according to Example 1 substituted with Fe. From the viewpoint of increasing the capacity, M3 contained in the solid solution is preferably Al or Cr, and particularly preferably M3 is Al. In addition, the batteries according to Examples 1 and 5 replaced with Fe or Al had a higher 20C / 1C capacity ratio than the battery according to Example 6 replaced with Cr. From the viewpoint of improving the rate characteristics, M3 contained in the solid solution is preferably Fe or Al, and particularly preferably M3 is Fe. Furthermore, from the viewpoint of achieving both rate characteristics and high capacity, M3 contained in the solid solution is preferably Fe or Al, and particularly preferably M3 is Al.
以上の結果から、本実施例によると、Li2M1O3‐LiM2O2系固溶体中のM1及び/又はM2の一部を、Fe,AlおよびCrからなる群から選択される少なくとも一種の金属元素M3で置換することによって、1C放電容量が高く、かつ20C/1C容量比が高いリチウム二次電池を構築することができた。そのため、本構成によると、高容量でかつレート特性に優れたリチウム二次電池を提供することができる。 From the above results, according to the present example, a part of M1 and / or M2 in the Li 2 M1O 3 -LiM2O 2 solid solution is at least one metal element M3 selected from the group consisting of Fe, Al, and Cr. Thus, a lithium secondary battery having a high 1C discharge capacity and a high 20C / 1C capacity ratio could be constructed. Therefore, according to this configuration, it is possible to provide a lithium secondary battery having high capacity and excellent rate characteristics.
以上、本発明を好適な実施形態により説明してきたが、こうした記述は限定事項ではなく、勿論、種々の改変が可能である。 As mentioned above, although this invention was demonstrated by suitable embodiment, such description is not a limitation matter and of course various modifications are possible.
ここに開示されるいずれかのリチウム二次電池100は、上述したように高容量でかつ高出力時の容量低下も少ないことから、車両に搭載される電池として適した性能を備える。したがって本発明によると、図11に示すように、ここに開示されるリチウム二次電池100(複数のリチウム二次電池が接続された組電池の形態であり得る。)を備える車両1が提供される。特に、該リチウム二次電池を動力源(典型的には、ハイブリッド車両または電気車両の動力源)として備える車両(例えば自動車)が提供される。
Since any of the lithium
1 車両
10 正極シート
12 正極集電体
14 正極活物質層
20 負極シート
22 負極集電体
24 負極活物質層
40 セパレータシート
50 容器
52 容器本体
54 蓋体
60 コインセル
70 正極端子
72 負極端子
74 正極リード端子
76 負極リード端子
80 捲回電極体
82 捲回コア部分
100 リチウム二次電池
DESCRIPTION OF
Claims (9)
正極活物質として、以下の一般式:
xLi2M1O3‐(1−x)LiM2O2 (1)
(ここでM1は、4価のカチオンを構成する少なくとも一種の金属元素であり、M2は、3価のカチオンを構成する少なくとも一種の金属元素であり、xは0<x<1を満たす実数である);
で表される固溶体を含有し、
ここで、前記固溶体中のM1及び/又はM2の一部が、Fe,AlおよびCrからなる群から選択される少なくとも一種の金属元素M3で置換されていることを特徴とする、リチウム二次電池。 A lithium secondary battery,
As a positive electrode active material, the following general formula:
xLi 2 M1O 3 - (1- x) LiM2O 2 (1)
(Here, M1 is at least one metal element constituting a tetravalent cation, M2 is at least one metal element constituting a trivalent cation, and x is a real number satisfying 0 <x <1. is there);
Containing a solid solution represented by
Here, a part of M1 and / or M2 in the solid solution is substituted with at least one metal element M3 selected from the group consisting of Fe, Al, and Cr. .
LiM1M2M3yO2 (2)
で表した場合に、M3の含有量を示すyの値が、0<y≦0.015である、請求項1に記載のリチウム二次電池。 The overall composition of the positive electrode active material is represented by the following abbreviations:
LiM1M2M3 y O 2 (2)
The lithium secondary battery according to claim 1, wherein a value of y indicating a content of M3 is represented by 0 <y ≦ 0.015.
正極活物質として、以下の一般式:
xLi2M1O3‐(1−x)LiM2O2 (1)
(ここでM1は、4価のカチオンを構成する少なくとも一種の金属元素であり、M2は、3価のカチオンを構成する少なくとも一種の金属元素であり、xは0<x<1を満たす実数である);
で表される固溶体を含有し、
ここで、前記固溶体中のM1及び/又はM2の一部が、Fe,AlおよびCrからなる群から選択される少なくとも一種の金属元素M3で置換されていることを特徴とする、リチウム二次電池用正極。 A positive electrode for a lithium secondary battery,
As a positive electrode active material, the following general formula:
xLi 2 M1O 3 - (1- x) LiM2O 2 (1)
(Here, M1 is at least one metal element constituting a tetravalent cation, M2 is at least one metal element constituting a trivalent cation, and x is a real number satisfying 0 <x <1. is there);
Containing a solid solution represented by
Here, a part of M1 and / or M2 in the solid solution is substituted with at least one metal element M3 selected from the group consisting of Fe, Al, and Cr. Positive electrode.
xLi2M1O3‐(1−x)LiM2O2 (1)
(ここでM1は、4価のカチオンを構成する少なくとも一種の金属元素であり、M2は、3価のカチオンを構成する少なくとも一種の金属元素であり、xは0<x<1を満たす実数である);
で表される固溶体を含有し、
ここで、前記固溶体中のM1及び/又はM2の一部が、Fe,AlおよびCrからなる群から選択される少なくとも一種の金属元素M3で置換されていることを特徴とする、リチウム二次電池用正極活物質。 The following general formula:
xLi 2 M1O 3 - (1- x) LiM2O 2 (1)
(Here, M1 is at least one metal element constituting a tetravalent cation, M2 is at least one metal element constituting a trivalent cation, and x is a real number satisfying 0 <x <1. is there);
Containing a solid solution represented by
Here, a part of M1 and / or M2 in the solid solution is substituted with at least one metal element M3 selected from the group consisting of Fe, Al, and Cr. Positive electrode active material.
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