JP2013051086A - Electrode material for secondary battery, and method of manufacturing the same - Google Patents

Electrode material for secondary battery, and method of manufacturing the same Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrode material for a secondary battery arranged so that no irreversible capacity is produced.SOLUTION: The electrode material for a secondary battery comprises at least a layered lithium manganese-based complex oxide, a conductive material, and a binder. The complex oxide is characterized in (1) it is expressed by the general formula: xLi[LiMn]O(1-x)LiMeO, where Me represents one or more kinds of transition metals, x meets 0<x<1; (2) assuming that the material belongs to a space group R(-3)m, the lattice constant thereof falls in a range defined by 2.864 Å≤a≤2.878 Å and 14.27 Å≤c≤14.39 Å; and (3)the X-ray diffraction intensity ratio of (003)plane to (104)plane meets the condition I(003)/I(104)>1.

Description

本発明は、二次電池用電極材料とその製造方法に関する。   The present invention relates to an electrode material for a secondary battery and a method for producing the same.

近年、リチウム二次電池(典型的にはリチウムイオン電池)が、車両搭載用電源あるいはパソコンおよび携帯端末の電源として重要性が高まっている。特に、軽量で高エネルギー密度が得られるリチウムイオン二次電池は、車両搭載用高出力電源として好ましく用いられる。
この種の二次電池の一つの典型的な構成では、電荷担体となるリチウムイオンを可逆的に吸蔵および放出し得る電極活物質を含む電極材料(活物質層)が導電性部材(電極集電体)に保持された構成の電極を備えており、さらなる高エネルギー密度化および高出力化を実現し得るため、上記電極活物質を含む電極材料の検討が行われている。
In recent years, lithium secondary batteries (typically lithium ion batteries) have become increasingly important as vehicle-mounted power supplies or personal computers and portable terminals. In particular, a lithium ion secondary battery that is lightweight and has a high energy density is preferably used as a high-output power source for mounting on a vehicle.
In one typical configuration of this type of secondary battery, an electrode material (active material layer) containing an electrode active material capable of reversibly occluding and releasing lithium ions serving as charge carriers is formed by a conductive member (electrode current collector). The electrode material including the electrode active material has been studied since the electrode has a structure held in the body and can achieve higher energy density and higher output.

正極活物質として従来より広く用いられている物質に、層状リチウムニッケル系複合酸化物や層状リチウムコバルト系複合酸化物がある。これらの層状複合酸化物は安定性やコストの面で問題があることなどから、近年ではマンガンを含む層状リチウムマンガン系複合酸化物の利用に注目が集まっている。この層状リチウムマンガン系複合酸化物としては、スピネル構造を有するLiMnがあるが、正極活物質としてリチウムニッケル系複合酸化物やリチウムコバルト系複合酸化物に匹敵するほどの性能は持ち合わせていない。そのため、リチウムマンガン系の正極活物質としては、LiMnOが最も優れた材料として注目されている。 Examples of materials that have been widely used as positive electrode active materials include layered lithium nickel composite oxides and layered lithium cobalt composite oxides. Since these layered complex oxides have problems in terms of stability and cost, attention has recently been paid to the use of layered lithium manganese based complex oxides containing manganese. As this layered lithium manganese composite oxide, there is LiMn 2 O 4 having a spinel structure, but it does not have performance comparable to lithium nickel composite oxide or lithium cobalt composite oxide as a positive electrode active material. . Therefore, LiMnO 2 has attracted attention as the most excellent material as a lithium manganese-based positive electrode active material.

一方で、層状リチウムマンガン系複合酸化物としては、リチウム含有量の高い単斜晶系LiMnOがある。一般的な層状岩塩型酸化物は、結晶構造においてリチウム層と遷移金属層と酸素層とが積層した構成となっており、電荷担体となるリチウムは主としてリチウム層にのみ存在する。しかしながら、このLiMnOは、リチウム層に加えて遷移金属層のMnの1/3がリチウムで置換されており、電荷担体としてのリチウムを過剰に含むことができる。ところが、このLiMnOは化学的に安定で反応不活性であり、また充放電特性が低いことなどから、正極活物質としては他のリチウムマンガン系複合酸化物に比べて注目されていない。そして正極活物質として用いる場合は、他の層状岩塩型酸化物と固溶させて用いるのが一般的である。 On the other hand, the layered lithium manganese composite oxide includes monoclinic Li 2 MnO 3 having a high lithium content. A general layered rock salt type oxide has a structure in which a lithium layer, a transition metal layer, and an oxygen layer are laminated in a crystal structure, and lithium as a charge carrier exists mainly only in the lithium layer. However, in this Li 2 MnO 3 , in addition to the lithium layer, 1/3 of Mn of the transition metal layer is substituted with lithium, and thus lithium as a charge carrier can be contained excessively. However, since Li 2 MnO 3 is chemically stable and reaction-inactive, and has low charge / discharge characteristics, it has not received much attention as a positive electrode active material compared to other lithium manganese composite oxides. And when using as a positive electrode active material, it is common to use it by making it dissolve with other layered rock salt type oxides.

これらの層状リチウムマンガン系複合酸化物に関して、例えば、リチウム、ニッケル、マンガン、コバルトといった含有する原子の比率を特定の範囲に限定することにより、低コスト化、耐高電圧化および高安全化と、レートや出力特性といった電池性能の向上との両立が可能とされた正極活物質材料が提案されている(例えば、特許文献1および2参照)。
また、層状構造のリチウムマンガン系複合酸化物において、金属元素の価数を制限することで、充放電の可逆性および充放電サイクルに対する耐久性に優れ、体積当たりのエネルギー密度が高い正極活物質材料を実現することが提案されている(例えば、特許文献3参照)。
With regard to these layered lithium manganese composite oxides, for example, by limiting the ratio of atoms such as lithium, nickel, manganese, cobalt to a specific range, cost reduction, high voltage resistance and high safety, Cathode active material materials that are compatible with improved battery performance such as rate and output characteristics have been proposed (see, for example, Patent Documents 1 and 2).
In addition, in a lithium-manganese composite oxide having a layered structure, by limiting the valence of the metal element, the positive electrode active material is excellent in reversibility of charge / discharge, durability against charge / discharge cycles, and high energy density per volume Has been proposed (see, for example, Patent Document 3).

特開2006−253119号公報JP 2006-253119 A 特開2003−203633号公報JP 2003-203633 A 特開2008−120679号公報JP 2008-120679 A

LiMnOおよびその固溶体である上記の層状リチウムマンガン系複合酸化物は、リチウム電極に対して4.45V未満で用いる場合には、従来の層状岩塩型酸化物よりも容量が低くなってしまうという問題があった。そのため、4.45V以上で充電することで、高容量の正極活物質材料として用いるようにしている。
しかしながら、4.45V以上で用いる場合には、リチウムイオンのドープにより結晶構造が変化して不可逆容量が発生し、その結果、繰り返し充放電によるサイクル寿命が短いという問題点があった。
Li 2 MnO 3 and the above-mentioned layered lithium manganese composite oxide, which is a solid solution thereof, have a lower capacity than conventional layered rock salt type oxides when used at less than 4.45 V with respect to the lithium electrode. There was a problem. Therefore, it is used as a high-capacity positive electrode active material by charging at 4.45 V or higher.
However, when used at 4.45 V or higher, the crystal structure is changed by doping with lithium ions to generate irreversible capacity. As a result, there is a problem that the cycle life due to repeated charge and discharge is short.

本発明は、かかる従来の問題を解決すべく創出されたものであり、その目的とするところは、結晶構造の変化に由来する不可逆容量の発生しない二次電池用電極材料を提供することである。また、本発明の他の一の目的は、かかる二次電池用電極材料を備えるリチウム二次電池や、車両その他の製品を提供することである。   The present invention was created to solve such conventional problems, and an object of the present invention is to provide an electrode material for a secondary battery that does not generate irreversible capacity resulting from a change in crystal structure. . Another object of the present invention is to provide a lithium secondary battery, a vehicle and other products provided with the electrode material for a secondary battery.

本発明によって以下の態様の二次電池用電極材料が提供される。
かかる二次電池用電極材料は、以下の(1)〜(3)の要件で特徴づけられる層状リチウムマンガン系複合酸化物(以下、単に複合酸化物ということもある。)と、導電材と、結合材とを含んでいる。
(1)一般式:
xLi[Li1/3Mn2/3]O・(1−x)LiMeO
で表される。ここで、式中のMeは1種または2種以上の遷移金属であり、xは0<x<1を満たす。
(2)空間群R(−3)mに帰属させた際の格子定数が、2.864Å≦a≦2.878Å、14.27Å≦c≦14.39Å、の範囲にある。
(3)(003)面と(104)面のX線回折強度比がI(003)/I(104)>1である。
According to the present invention, an electrode material for a secondary battery having the following modes is provided.
Such an electrode material for a secondary battery includes a layered lithium manganese composite oxide (hereinafter sometimes simply referred to as a composite oxide) characterized by the following requirements (1) to (3), a conductive material, Includes binders.
(1) General formula:
xLi [Li 1/3 Mn 2/3 ] O 2. (1-x) LiMeO 2
It is represented by Here, Me in the formula is one or more transition metals, and x satisfies 0 <x <1.
(2) The lattice constants when assigned to the space group R (−3) m are in the ranges of 2.864Å ≦ a ≦ 2.878Å and 14.27Å ≦ c ≦ 14.39Å.
(3) The X-ray diffraction intensity ratio between the (003) plane and the (104) plane is I (003) / I (104)> 1.

ここで開示される複合酸化物は、LiMnOにLiMeOを固溶させたリチウムマンガン系複合酸化物を主体とする。電極材料は、上記(1)〜(3)を具備するマンガン主体の複合酸化物を有する。このため、リチウム層、遷移金属層および酸素層が一軸方向に積層した結晶構造を有する。そして上記(1)から明らかなとおり、リチウムは、遷移金属層(厳密には、遷移金属を主体とする層)に存在し得る。また、遷移金属層はマンガン(Mn)を主成分とし、遷移金属層の遷移金属サイトのうち1/3までをリチウム(Li)と置換し得る。これらのことから解るとおり、ここで開示される二次電池用電極材料は、高容量な正極活物質として用いることができるものである。 The composite oxide disclosed here is mainly composed of a lithium manganese based composite oxide in which LiMeO 2 is dissolved in Li 2 MnO 3 . The electrode material has a manganese-based composite oxide having the above (1) to (3). For this reason, it has a crystal structure in which a lithium layer, a transition metal layer, and an oxygen layer are stacked in a uniaxial direction. As is clear from the above (1), lithium can be present in the transition metal layer (strictly speaking, a layer mainly composed of the transition metal). The transition metal layer is mainly composed of manganese (Mn), and up to 1/3 of the transition metal sites of the transition metal layer can be replaced with lithium (Li). As understood from these, the electrode material for a secondary battery disclosed here can be used as a high-capacity positive electrode active material.

そして、かかる複合酸化物は、本質的に、公知の、原料の混合および焼成のみからなる常法により調製された複合酸化物とは、厳密な結晶構造(ここで開示される発明の場合は結晶格子の寸法)が異なる。例えば、上記(2)および(3)に示した通り、かかる複合酸化物は常法により調製された複合酸化物と比較して、格子定数a,cおよび(003)面と(104)面のX線回折強度比のいずれもが変化されている。具体的には、かかる複合酸化物を空間群R(−3)mに帰属させた場合の格子定数が、常法により調製された複合酸化物よりいずれも拡大され、また、(003)面と(104)面のX線回折強度比は減少される。このような変化は、常法により調製された複合酸化物において見られるリチウムの脱離に因る僅かな結晶構造の変化が、リチウムの繰り返しの挿入と脱離により蓄積してゆき、遂にその変化が完了(これ以上変化しない状態)に至ったものと等しい(あるいは、その状態を吸収できる)とみることができる。すなわち、ここで開示される複合酸化物は、遷移金属層からのリチウムイオンの脱離に伴う構造変化が既に完了した安定した構造を有し、さらなる充電により遷移金属層からリチウムイオンが脱離した場合であってもこれ以上の結晶構造の変化は見られない。つまり、これが正極活物質として機能する場合、リチウムイオンの脱離の際の結晶構造の変化に因る不可逆容量の発生の問題は解消されることになる。   Such a composite oxide essentially has a strict crystal structure (in the case of the invention disclosed herein, a crystal), which is known in the art and is prepared by a conventional method consisting only of mixing and firing of raw materials. The grid dimensions are different. For example, as shown in the above (2) and (3), such a complex oxide has lattice constants a, c and (003) planes and (104) planes as compared with complex oxides prepared by a conventional method. Both X-ray diffraction intensity ratios are changed. Specifically, the lattice constant when such a complex oxide is assigned to the space group R (-3) m is larger than that of a complex oxide prepared by a conventional method, and (003) plane and The (104) plane X-ray diffraction intensity ratio is reduced. This change is due to the fact that slight changes in the crystal structure due to lithium desorption observed in complex oxides prepared by conventional methods accumulate due to repeated lithium insertion and desorption, and finally the change. Can be regarded as being equivalent to (or capable of absorbing) the state that has been completed (a state that does not change any more). That is, the composite oxide disclosed here has a stable structure in which the structural change accompanying the desorption of lithium ions from the transition metal layer has already been completed, and the lithium ions are desorbed from the transition metal layer by further charging. Even in this case, no further change in crystal structure is observed. That is, when this functions as a positive electrode active material, the problem of generation of irreversible capacity due to a change in crystal structure upon desorption of lithium ions is solved.

また、かかる複合酸化物は結晶格子が拡大されていることから、イオン半径の大きいリチウムイオンの移動がより自由となり、高い反応速度をも期待できる。
なお、上記のヘルマン・モーガン記号による空間群の表記R(−3)mについて、本来“(−3)”は「3」にオーバーラインを記載して表すべきところであるが、本明細書においては簡便のため、(−3)と記す。
In addition, since such a complex oxide has an enlarged crystal lattice, movement of lithium ions having a large ionic radius becomes more free and a high reaction rate can be expected.
As for the space group notation R (−3) m by the Hermann-Morgan symbol above, “(−3)” should be represented by an overline in “3”, but in this specification, For simplicity, it is described as (-3).

ここで開示される二次電池用電極材料の好ましい一態様では、上記複合酸化物は、Mnとともに上記Meとして少なくともNiおよびCoを含み、
Mn>Ni+Co
かつ、Liと、Mnおよび上記Meとの含有モル比が、次式:
1<Li/(Mn+Me)≦1.5
を満たす。かかる複合酸化物がこのような組成を有することで、ここで開示される二次電池用電極材料は、より高容量な正極活物質として利用し得る。
In a preferred aspect of the secondary battery electrode material disclosed herein, the composite oxide includes at least Ni and Co as Me together with Mn,
Mn> Ni + Co
And the content molar ratio of Li, Mn, and said Me is the following formula:
1 <Li / (Mn + Me) ≦ 1.5
Meet. When such a composite oxide has such a composition, the electrode material for a secondary battery disclosed here can be used as a higher-capacity positive electrode active material.

ここで開示される二次電池用電極材料の好ましい一態様では、上記複合酸化物は、さらに、以下の要件で特徴づけられる。
(4)表面に、リチウムの欠乏した立方晶の層を含む。
これは以下に説明する本発明の製造方法により、かかる複合酸化物に上記の結晶構造の変化をもたらした結果として付随してくる、特徴的な構成であるといえる。
In a preferred aspect of the secondary battery electrode material disclosed herein, the composite oxide is further characterized by the following requirements.
(4) The surface includes a cubic layer lacking lithium.
This can be said to be a characteristic configuration that accompanies the composite oxide as a result of the change in the crystal structure described above by the manufacturing method of the present invention described below.

また、本発明によって、正極集電体上に正極活物質層が保持された正極と、負極と、非水電解質とを備えるリチウム二次電池が提供される。かかるリチウム二次電池において、上記正極活物質層は少なくとも上記いずれかの二次電池用電極材料を含む。したがって、充電により遷移金属層からリチウムイオンが脱離した場合であっても上記の複合酸化物(すなわち、正極活物質)に更なる結晶構造の変化は起こらず、可逆容量の問題が解消されたリチウム二次電池が実現される。したがって、このリチウム二次電池は、充放電サイクル特性が向上されるものと考えられる。   The present invention also provides a lithium secondary battery including a positive electrode in which a positive electrode active material layer is held on a positive electrode current collector, a negative electrode, and a non-aqueous electrolyte. In such a lithium secondary battery, the positive electrode active material layer includes at least one of the electrode materials for a secondary battery. Therefore, even when lithium ions are desorbed from the transition metal layer by charging, the above-mentioned composite oxide (that is, the positive electrode active material) does not change further in crystal structure, and the problem of reversible capacity is solved. A lithium secondary battery is realized. Therefore, it is considered that this lithium secondary battery has improved charge / discharge cycle characteristics.

さらに、本発明によって以下の態様の二次電池用の電極材料の製造方法が提供される。即ち、かかる製造方法は、常法により調製された層状リチウムマンガン系複合酸化物(以下、単に常法により調製された複合酸化物ということもある。)と、導電材と、結合材との混合物を用意すること、該混合物に対し、上限電圧を4.5V〜5Vとする酸化、および、下限電圧を2.0V〜3Vとする還元からなる電気化学処理を施すこと、を包含している。
そして常法により調製された複合酸化物は、一般式:
xLi[Li1/3Mn2/3]O・(1−x)LiMeO
で表されることを特徴とする。ここで、式中のMeは1種または2種以上の遷移金属であり、xは0<x<1を満たす。したがって、前記のとおり、この常法により調製された複合酸化物は、高容量な正極活物質となり得るものである。
また、かかる方法により混合物に電気化学処理を施すことで、常法により調製された複合酸化物の結晶構造に変化をもたらす。すなわち、複合酸化物の結晶構造を、遷移金属層からのリチウムイオンの脱離に伴う構造変化が完全に終了した状態か、あるいはその状態を吸収し得る安定した構造へと変化させる。したがって、充電により遷移金属層からリチウムイオンが脱離した場合であってもこれ以上の構造変化は生じない。これにより、正極活物質材料として有用で、リチウムイオンの脱離の際の結晶構造の変化に伴う不可逆容量の発生の問題が解消された二次電池用材料が提供される。
Furthermore, the present invention provides a method for producing an electrode material for a secondary battery according to the following embodiment. That is, such a production method is a mixture of a layered lithium manganese composite oxide prepared by a conventional method (hereinafter sometimes simply referred to as a composite oxide prepared by a conventional method), a conductive material, and a binder. And subjecting the mixture to an electrochemical treatment comprising oxidation to an upper limit voltage of 4.5V to 5V and reduction to a lower limit voltage of 2.0V to 3V.
The composite oxide prepared by a conventional method has the general formula:
xLi [Li 1/3 Mn 2/3 ] O 2. (1-x) LiMeO 2
It is represented by. Here, Me in the formula is one or more transition metals, and x satisfies 0 <x <1. Therefore, as described above, the composite oxide prepared by this conventional method can be a high-capacity positive electrode active material.
Further, by subjecting the mixture to electrochemical treatment by such a method, the crystal structure of the composite oxide prepared by a conventional method is changed. That is, the crystal structure of the composite oxide is changed to a state where the structural change accompanying the desorption of lithium ions from the transition metal layer is completely completed or to a stable structure capable of absorbing the state. Therefore, even when lithium ions are desorbed from the transition metal layer by charging, no further structural change occurs. Accordingly, a secondary battery material that is useful as a positive electrode active material and in which the problem of generation of irreversible capacity due to a change in crystal structure upon desorption of lithium ions is eliminated is provided.

ここで開示される製造方法の好ましい一態様では、上記複合酸化物は、Mnとともに上記Meとして少なくともNiおよびCoを含み、
Mn>Ni+Co
かつ、Liと、Mnおよび上記Meとの含有モル比が、次式:
1<Li/(Mn+Me)≦1.5
を満たすことを特徴とする。このような組成の複合酸化物を用いることで、より高容量な二次電池用電極材料を製造することができる。
In one preferable aspect of the production method disclosed herein, the composite oxide includes at least Ni and Co as Me together with Mn.
Mn> Ni + Co
And the content molar ratio of Li, Mn, and said Me is the following formula:
1 <Li / (Mn + Me) ≦ 1.5
It is characterized by satisfying. By using the composite oxide having such a composition, a higher-capacity electrode material for a secondary battery can be produced.

また、ここで開示されるリチウム二次電池は、上記のとおり、リチウムイオンの脱離に由来する不可逆容量がない。そのため、特に充放電サイクル特性が要求され、車両に搭載されるモーター駆動のための動力源(電源)として使用される電池として、適した性能を備える。そこで本発明は、ここで開示されるリチウム二次電池を備える車両を提供する。
ここで開示されるリチウム二次電池は、上記のとおりの構成により、高容量化とサイクル特性の向上を実現し得る。このため、特にハイレート充放電が要求される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、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)の提供が可能とされる。
Moreover, the lithium secondary battery disclosed here does not have an irreversible capacity derived from the desorption of lithium ions as described above. Therefore, charge / discharge cycle characteristics are particularly required, and the battery has suitable performance as a battery used as a power source (power source) for driving a motor mounted on a vehicle. Therefore, the present invention provides a vehicle including the lithium secondary battery disclosed herein.
The lithium secondary battery disclosed herein can achieve higher capacity and improved cycle characteristics by the configuration as described above. For this reason, it is equipped with performance suitable as a battery mounted on a vehicle that requires high-rate charge / discharge. Therefore, according to the present invention, it is possible to provide 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).

一実施形態に係るリチウム二次電池の外形を模式的に示す斜視図である。It is a perspective view which shows typically the external shape of the lithium secondary battery which concerns on one Embodiment. 図1中のII−II線に沿う縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which follows the II-II line | wire in FIG. 実施例に係る二次電池用材料のXRDパターンを例示した図である。It is the figure which illustrated the XRD pattern of the material for secondary batteries which concerns on an Example. 本発明の一実施形態に係る二次電池用材料の透過型電子顕微鏡(TEM)像を例示した図である。It is the figure which illustrated the transmission electron microscope (TEM) image of the material for secondary batteries concerning one embodiment of the present invention. 比較例に係る二次電池の充放電曲線を例示した図である。It is the figure which illustrated the charging / discharging curve of the secondary battery which concerns on a comparative example. 実施例に係る二次電池の充放電曲線を例示した図である。It is the figure which illustrated the charging / discharging curve of the secondary battery which concerns on an Example. 本発明の一実施形態に係るリチウムイオン電池を備えた車両を模式的に示す側面図である。It is a side view showing typically a vehicle provided with a lithium ion battery concerning one embodiment of the present invention.

以下、本発明の好適な実施形態を説明する。なお、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described. Note that matters other than matters specifically mentioned in the present specification and necessary for the implementation of the present invention can be grasped as design matters of those skilled in the art based on the prior art in this field. The present invention can be carried out based on the contents disclosed in this specification and common technical knowledge in the field.

なお、本明細書において「リチウム二次電池」とは、リチウムイオンを電荷担体とし繰り返し充電可能な電池一般をいい、典型的にはリチウムイオン電池、リチウムポリマー電池、リチウムキャパシター等を包含する。
また、本明細書において「活物質」は、二次電池において電荷担体となる化学種(例えば、リチウムイオン電池ではリチウムイオン)を可逆的に吸蔵および放出(典型的には挿入および脱離)可能な物質をいう。
In the present specification, the “lithium secondary battery” means a general battery that can be repeatedly charged using lithium ions as a charge carrier, and typically includes a lithium ion battery, a lithium polymer battery, a lithium capacitor, and the like.
In this specification, “active material” can reversibly occlude and release (typically insertion and removal) chemical species (for example, lithium ions in a lithium ion battery) that serve as charge carriers in a secondary battery. Refers to a substance.

<二次電池用電極材料>
ここで開示される二次電池用電極材料とその製造方法の一実施態様について、以下に詳しく説明する。
ここで開示される二次電池用電極材料は、層状リチウムマンガン系複合酸化物と、導電材と、結合材とを含む。この複合酸化物として好適なものは、
(1)一般式:
xLi[Li1/3Mn2/3]O・(1−x)LiMeO
で表される層状リチウムマンガン系複合酸化物である。ここで、式中のMeは、1種または2種以上の遷移金属であり、xは0<x<1を満たす。このような複合酸化物としては、たとえば、理解しやすいものとして、0.2(LiMnO)・0.7(LiFe0.5Mn0.5)<x=0.3の場合>や、0.4(LiMnO)・0.4(LiNi1/3Mn1/3Co1/3)<x=0.6>などが挙げられる。より好ましくは、上記複合酸化物は、Meとして少なくともNiおよびCoの両方を含む。この場合、NiおよびCoの含有量の合計よりもMnの含有量の方が多くなるようにする。また、Liと、MnおよびMeとの含有モル比は、次式:
1<Li/(Mn+Me)≦1.5
を満たすものとする。これにより電荷担体としてのリチウムを安定かつ多量に含む複合酸化部となり得る。そしてこの複合酸化物は、さらに、前記の(2)及び(3)に示す特徴を備えるよう調製される。
<Electrode material for secondary battery>
An embodiment of the secondary battery electrode material disclosed herein and a method for producing the same will be described in detail below.
The electrode material for a secondary battery disclosed herein includes a layered lithium manganese composite oxide, a conductive material, and a binder. What is suitable as this complex oxide is
(1) General formula:
xLi [Li 1/3 Mn 2/3 ] O 2. (1-x) LiMeO 2
It is the layered lithium manganese type complex oxide represented by these. Here, Me in the formula is one or more transition metals, and x satisfies 0 <x <1. As such a complex oxide, for example, 0.2 (Li 2 MnO 3 ) · 0.7 (LiFe 0.5 Mn 0.5 O 2 ) <x = 0.3 >, 0.4 (Li 2 MnO 3 ) · 0.4 (LiNi 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2 ) <x = 0.6>. More preferably, the composite oxide includes at least both Ni and Co as Me. In this case, the content of Mn is set to be larger than the total content of Ni and Co. In addition, the molar ratio of Li to Mn and Me is represented by the following formula:
1 <Li / (Mn + Me) ≦ 1.5
Shall be satisfied. Thereby, it can become a composite oxidation part which contains lithium as a charge carrier stably and in large quantities. The composite oxide is further prepared to have the characteristics shown in the above (2) and (3).

このような調整は、ここで開示される製造方法により行い得る。すなわち、下記の工程(A)および工程(B)を含むことで、上記(1)の高容量な活物質としての複合酸化物の結晶構造を変化させて、前記(2)(3)の特徴を備える不可化逆容量の発生しない新しい材料へと変換させる。
ここで開示される製造方法は、まず、(A)層状リチウムマンガン系複合酸化物と、導電材と、結合材との混合物を用意する工程を含む。
Such adjustment can be performed by the manufacturing method disclosed herein. That is, by including the following steps (A) and (B), the crystal structure of the composite oxide as the high-capacity active material of (1) above is changed, and the features of (2) and (3) above It is converted into a new material that does not generate a disabling reverse capacity.
The manufacturing method disclosed here includes (A) a step of preparing a mixture of a layered lithium manganese composite oxide, a conductive material, and a binder.

出発材料としての層状リチウムマンガン系複合酸化物は、上記(1)に示したとおりの組成を有するものであって、公知の各種の方法で用意することができる。
導電材は、次の電気化学処理工程において上記の複合酸化物への導電性を確保するために用いる。導電材としては、カーボンブラック(例えばアセチレンブラック)、グラファイト粉末等の炭素材、或いはニッケル粉末等の導電性金属粉末が例示される。これらは一種を単独で用いてもよいし、二種以上を併用して用いるようにしてもよい。導電材の使用量については特に限定されるものではないが、例えば、正極活物質100質量部に対して1〜20質量部(好ましくは5〜15質量部)とすることが例示される。
The layered lithium manganese composite oxide as a starting material has a composition as shown in the above (1), and can be prepared by various known methods.
The conductive material is used to ensure the conductivity to the above complex oxide in the next electrochemical treatment step. Examples of the conductive material include carbon black (for example, acetylene black), carbon material such as graphite powder, or conductive metal powder such as nickel powder. These may be used individually by 1 type, and may be used in combination of 2 or more types. Although it does not specifically limit about the usage-amount of an electrically conductive material, For example, setting it as 1-20 mass parts (preferably 5-15 mass parts) with respect to 100 mass parts of positive electrode active materials is illustrated.

結合材は、上記複合材と導電材とを一体化させるために用いる。結合材としては、公知の各種の結着材を用いることができ、中でも水に溶解する水溶性のポリマー材料が好ましい。例えば、カルボキシメチルセルロース(CMC)、メチルセルロース(MC)、酢酸フタル酸セルロース(CAP)、ヒドロキシプロピルメチルセルロース(HPMC)、ヒドロキシプロピルメチルセルロースフタレート(HPMCP)、ポリビニルアルコール(PVA)等が挙げられる。また、水に分散する(水分散性の)ポリマー材料を好適に用いることができる。例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重含体(PFA)、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体(ETFE)等のフッ素系樹脂、酢酸ビニル共重合体、スチレンブタジエンブロック共重合体(SBR)、アクリル酸変性SBR樹脂(SBR系ラテックス)、アラビアゴム等のゴム類が例示される。バインダの使用量は特に限定されるものではないが、例えば、固形分重量として、正極活物質100質量部に対して0.5〜10質量部とすることができる。   The binding material is used to integrate the composite material and the conductive material. As the binder, various known binders can be used, and among them, a water-soluble polymer material that dissolves in water is preferable. For example, carboxymethylcellulose (CMC), methylcellulose (MC), cellulose acetate phthalate (CAP), hydroxypropylmethylcellulose (HPMC), hydroxypropylmethylcellulose phthalate (HPMCP), polyvinyl alcohol (PVA) and the like. In addition, a polymer material that is dispersed in water (water-dispersible) can be suitably used. For example, polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), ethylene-tetrafluoroethylene copolymer (ETFE) ), Etc., rubbers such as vinyl acetate copolymer, styrene butadiene block copolymer (SBR), acrylic acid-modified SBR resin (SBR latex), and gum arabic. Although the usage-amount of a binder is not specifically limited, For example, it can be set as 0.5-10 mass parts with respect to 100 mass parts of positive electrode active materials as solid content weight.

そしてこれらの材料を混合(溶解、分散等を含む)して混合物を用意する。なお、混合物の状態は、液状、ペースト状、練り物状、固体状などのいずれの形態であってもよい。また、固体状の場合はその形状についても特に制限されない。
次いで、ここで開示される発明は、(B)その混合物に対し、上限電圧を4.5V〜5Vとする酸化、および、下限電圧を2.0V〜3Vとする還元からなる電気化学処理を施すことを含む。
上限電圧は、4.5V〜5Vの範囲で適宜設定することができる。例えば、4.8V、さらには4.85Vなどとすることができる。上限電圧が4.5Vに満たないと、複合酸化物に対し、前記のとおりの適切な構造変化を生じさせることができないため好ましくない。また、5Vを超過すると、複合酸化物の結晶構造が破壊されてしまうため好ましくない。下限電圧は2.0V〜3Vの範囲で適宜設定することができる。例えば、2.5Vとすることができる。下限電圧は3Vより高くすると、その後の取り扱いにおいて問題が生じるため好ましくない。また、2.0Vよりも低くすると劣化が促進されるため好ましくない。
These materials are mixed (including dissolution and dispersion) to prepare a mixture. The state of the mixture may be any form such as liquid, paste, kneaded or solid. In the case of a solid, the shape is not particularly limited.
Next, the invention disclosed herein performs (B) an electrochemical treatment consisting of oxidation with an upper limit voltage of 4.5 V to 5 V and reduction with a lower limit voltage of 2.0 V to 3 V on the mixture. Including that.
The upper limit voltage can be appropriately set in the range of 4.5V to 5V. For example, it can be set to 4.8V, or even 4.85V. If the upper limit voltage is less than 4.5 V, it is not preferable because an appropriate structural change as described above cannot be caused in the composite oxide. On the other hand, if it exceeds 5 V, the crystal structure of the composite oxide is destroyed, which is not preferable. The lower limit voltage can be appropriately set in the range of 2.0V to 3V. For example, it can be set to 2.5V. If the lower limit voltage is higher than 3V, problems occur in subsequent handling, which is not preferable. Moreover, since deterioration will be accelerated | stimulated when lower than 2.0V, it is unpreferable.

以上のような電気化学処理が施された複合酸化物は、電気化学処理の結果として、結晶構造が以下に示す(2)〜(4)の特徴を含むものに変化される。
(2)空間群R(−3)mに帰属させた際の格子定数が、2.864Å≦a≦2.878Å、14.27Å≦c≦14.39Å、の範囲にある。
このように結晶格子が変化されることで、さらなる充電により遷移金属層からリチウムイオンが脱離した場合であっても、これ以上の結晶構造の変化は見られない。したがって、結晶構造の変化に伴う不可逆容量が発生しなくなる。また、このように結晶格子が拡大されることで、比較的イオン半径の大きいリチウムが自由に移動しやすくなり、遷移金属とリチウムとの置換が容易となる。これによっても、不可逆容量の発生が解消され、また反応速度の改善も期待できる。なお、結晶格子の格子定数は、例えば、X線回折パターンからリートベルト解析等を行うことにより、精密に求めることができる。
As a result of the electrochemical treatment, the composite oxide subjected to the electrochemical treatment as described above is changed into a crystal structure including the following features (2) to (4).
(2) The lattice constants when assigned to the space group R (−3) m are in the ranges of 2.864Å ≦ a ≦ 2.878Å and 14.27Å ≦ c ≦ 14.39Å.
By changing the crystal lattice in this way, no further change in the crystal structure is observed even when lithium ions are desorbed from the transition metal layer by further charging. Therefore, the irreversible capacity accompanying the change of the crystal structure does not occur. In addition, since the crystal lattice is expanded in this way, lithium having a relatively large ionic radius can easily move freely, and replacement of the transition metal with lithium is facilitated. Also by this, generation | occurrence | production of an irreversible capacity | capacitance is eliminated and the improvement of reaction rate can also be anticipated. Note that the lattice constant of the crystal lattice can be accurately obtained by performing Rietveld analysis or the like from the X-ray diffraction pattern, for example.

(3)(003)面と(104)面のX線回折強度比がI(003)/I(104)>1である。
ここで開示される電気化学処理により(003)面と(104)面のX線回折強度比は減少される。ここで、(003)面と(104)面のX線回折強度比は、リチウムと遷移金属との置換の割合に加え、酸素原子の座標情報を反映している。酸素原子の座標情報が大きく変化せず、かつこの値が小さいほど置換量が多く結晶構造の変化傾向が高いと判断できる。しかしながら、このX線回折強度比が1以下となると、置換量が多すぎて構造が不安定となるため、X線回折強度比は1より大きい値とする。なお、X線回折強度比の上限については特に限定されない。2以上の値を示す複合酸化物は得られていない。
(3) The X-ray diffraction intensity ratio between the (003) plane and the (104) plane is I (003) / I (104)> 1.
The electrochemical treatment disclosed here reduces the X-ray diffraction intensity ratio between the (003) plane and the (104) plane. Here, the X-ray diffraction intensity ratio between the (003) plane and the (104) plane reflects the coordinate information of oxygen atoms in addition to the ratio of substitution between lithium and transition metal. It can be determined that the coordinate information of oxygen atoms does not change greatly and the smaller the value, the greater the substitution amount and the higher the tendency of the crystal structure to change. However, when the X-ray diffraction intensity ratio is 1 or less, the substitution amount is too large and the structure becomes unstable. Therefore, the X-ray diffraction intensity ratio is set to a value larger than 1. The upper limit of the X-ray diffraction intensity ratio is not particularly limited. A composite oxide showing a value of 2 or more has not been obtained.

(4)表面に、リチウムの欠乏した立方晶の層を含む。
ここで開示される電気化学処理により、複合酸化物の表面部のリチウムは結晶構造から脱離し、格子定数がa=cであるリチウムの欠乏した立方晶の層が形成される。この立方晶の層は、厚みが1〜5nm程度の層として、例えば、透過型電子顕微鏡での観察等により確認することができる。この層は、ここに開示された電気化学処理の結果として理解される。これにより、複合酸化物のリチウムの含有量は減少されて初回容量は僅かに減少されるものの、この複合酸化物には不可逆容量がないため、結果として容量は不可逆容量を発生する複合酸化物に比べて高い値で維持される。
(4) The surface includes a cubic layer lacking lithium.
By the electrochemical treatment disclosed here, lithium in the surface portion of the composite oxide is desorbed from the crystal structure, and a lithium-depleted cubic layer having a lattice constant of a = c is formed. This cubic crystal layer can be confirmed as a layer having a thickness of about 1 to 5 nm by, for example, observation with a transmission electron microscope. This layer is understood as a result of the electrochemical processing disclosed herein. As a result, although the lithium content of the composite oxide is reduced and the initial capacity is slightly reduced, this composite oxide has no irreversible capacity, and as a result, the capacity is changed to a composite oxide that generates irreversible capacity. It is maintained at a relatively high value.

すなわち、ここで開示される二次電池用電極材料が好適に提供される。この二次電池用電極材料は、前記の混合物と同様に、その形態および形状について特に制限されず、様々な態様を取り得る。この二次電池用電極材料によると、上述のとおり、高容量な正極活物質材料となり得るうえに、リチウムイオンの脱離に伴う結晶構造の変化がない。したがって、不可逆容量の問題が解消された高容量の正極活物質材料が提供されることになる。   That is, the electrode material for secondary batteries disclosed here is suitably provided. This electrode material for a secondary battery is not particularly limited with respect to its form and shape, as in the case of the aforementioned mixture, and can take various forms. According to this secondary battery electrode material, as described above, it can be a high-capacity positive electrode active material, and there is no change in the crystal structure associated with the desorption of lithium ions. Therefore, a high-capacity positive electrode active material that eliminates the problem of irreversible capacity is provided.

<リチウム二次電池>
また、ここで開示されるリチウム二次電池は、正極と負極と非水電解質とを備える。この正極は、少なくとも上記の二次電池用電極材料を活物質層として集電体に付着させた形態のものを好ましく使用することができる。
<Lithium secondary battery>
The lithium secondary battery disclosed herein includes a positive electrode, a negative electrode, and a nonaqueous electrolyte. As the positive electrode, a positive electrode having a form in which at least the electrode material for a secondary battery is attached to a current collector as an active material layer can be preferably used.

正極集電体としては、アルミニウム、ニッケル、チタン、ステンレス鋼等を主体とする棒状体、板状体、箔状体、網状体等を用いることができる。   As the positive electrode current collector, a rod-like body, a plate-like body, a foil-like body, a net-like body or the like mainly composed of aluminum, nickel, titanium, stainless steel, or the like can be used.

一方、負極(典型的には負極シート)76としては、Liを可逆的に吸蔵および放出可能な活物質を結合材および必要に応じて使用される導電材等とともに負極活物質層74として集電体72に付着させた形態のものを好ましく使用することができる。   On the other hand, as the negative electrode (typically, the negative electrode sheet) 76, an active material capable of reversibly occluding and releasing Li is collected as a negative electrode active material layer 74 together with a binder and a conductive material used as necessary. The thing attached to the body 72 can be preferably used.

負極集電体72としては、銅、ニッケル、チタン、ステンレス鋼等を主体とする棒状体、板状体、箔状体、網状体等を用いることができる。
バインダとしては、上記正極と同様であって、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)、カルボキシメチルセルロース(CMC)、スチレンブタジエンゴム(SBR)等が例示される。
導電材および結合材については、特に制限されず、例えばここに開示された二次電池用電極材料で用いるのと同様のものとすることができる。導電材については、カーボンブラック等の炭素材を好ましく使用することができる。
As the negative electrode current collector 72, a rod-like body, a plate-like body, a foil-like body, a net-like body or the like mainly composed of copper, nickel, titanium, stainless steel, or the like can be used.
The binder is the same as that of the positive electrode, and examples thereof include polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroethylene (PTFE), carboxymethyl cellulose (CMC), and styrene butadiene rubber (SBR).
The conductive material and the binding material are not particularly limited, and can be the same as those used for the secondary battery electrode material disclosed herein, for example. As the conductive material, a carbon material such as carbon black can be preferably used.

負極活物質としては、例えば種々の金属化合物(例えば金属酸化物)、具体的には、例えばSi、Ge、Sn、Pb、Al、Ga、In、As、Sb、Bi等を構成金属元素とする金属化合物(好ましくは金属酸化物)としてもよい。また、例えば、表面が炭素被膜によって充分に被覆された導電性に優れた粒状負極活物質を好適に用いることもできる。この場合、負極活物質層に導電材を含有させないか或いは従来よりも導電材の含有率を低減させることができる。導電材の使用量は特に限定されるものではないが、使用する負極活物質100質量部に対して、例えば凡そ1〜30質量部(好ましくは凡そ2〜20質量部、例えば5〜10質量部程度)とすることができる。上述した電極活物質供給材料中に導電材を予め含有させておいてもよい。   Examples of the negative electrode active material include various metal compounds (for example, metal oxides), specifically, Si, Ge, Sn, Pb, Al, Ga, In, As, Sb, Bi, and the like as constituent metal elements. It may be a metal compound (preferably a metal oxide). Moreover, for example, a granular negative electrode active material excellent in conductivity whose surface is sufficiently covered with a carbon coating can be suitably used. In this case, the conductive material is not contained in the negative electrode active material layer, or the content of the conductive material can be reduced as compared with the conventional case. Although the usage-amount of an electrically conductive material is not specifically limited, For example, about 1-30 mass parts (preferably about 2-20 mass parts, for example, 5-10 mass parts) with respect to 100 mass parts of negative electrode active materials to be used. Degree). A conductive material may be previously contained in the electrode active material supply material described above.

また、ここで開示されるリチウム二次電池においては、上記正極と上記負極との間にセパレータを介在させることができる。このセパレータとしては、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリエステル、セルロース、ポリアミド等の樹脂からなる多孔質シート、不織布等を用いることができる。好適には、多孔質ポリオレフィン系樹脂で構成されたものが挙げられる。例えば、合成樹脂製(例えばポリエチレン等のポリオレフィン製)多孔質セパレータシートを好適に使用し得る。なお、電解質として後述する固体電解質若しくはゲル状電解質を使用する場合には、セパレータが不要な場合(即ちこの場合には電解質自体がセパレータとして機能し得る。)があり得る。   Moreover, in the lithium secondary battery disclosed here, a separator can be interposed between the positive electrode and the negative electrode. As this separator, a porous sheet made of a resin such as polyethylene (PE), polypropylene (PP), polyester, cellulose, or polyamide, a nonwoven fabric, or the like can be used. Preferable examples include those composed of a porous polyolefin resin. For example, a porous separator sheet made of synthetic resin (for example, made of polyolefin such as polyethylene) can be suitably used. When a solid electrolyte or a gel electrolyte described later is used as the electrolyte, a separator may not be necessary (that is, in this case, the electrolyte itself can function as a separator).

電解質としては、非水溶媒と該溶媒に溶解可能なリチウム塩とを含む液状電解質が好ましく用いられる。かかる液状電解質にポリマーが添加された固体状(ゲル状)の電解質であってもよい。上記非水溶媒としては、カーボネート類、エステル類、エーテル類、ニトリル類、スルホン類、ラクトン類等の非プロトン性溶媒を用いることができる。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)、1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジエトキシエタン、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、ジオキサン、1,3−ジオキソラン、ジエチレングリコールジメチルエーテル、エチレングリコールジメチルエーテル、アセトニトリル、プロピオニトリル、ニトロメタン、N,N−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、スルホラン、γ−ブチロラクトン等の、一般にリチウムイオン電池の電解質に使用し得るものとして知られている非水溶媒から選択される一種または二種以上を用いることができる。   As the electrolyte, a liquid electrolyte containing a nonaqueous solvent and a lithium salt soluble in the solvent is preferably used. It may be a solid (gel) electrolyte in which a polymer is added to such a liquid electrolyte. As the non-aqueous solvent, aprotic solvents such as carbonates, esters, ethers, nitriles, sulfones, and lactones can be used. For example, ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), diethyl carbonate (DEC), dimethyl carbonate (DMC), ethyl methyl carbonate (EMC), 1,2-dimethoxyethane, 1,2-diethoxyethane, tetrahydrofuran, Generally lithium ion batteries such as 2-methyltetrahydrofuran, dioxane, 1,3-dioxolane, diethylene glycol dimethyl ether, ethylene glycol dimethyl ether, acetonitrile, propionitrile, nitromethane, N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, sulfolane, γ-butyrolactone One kind or two or more kinds selected from non-aqueous solvents known as those that can be used in the electrolyte can be used.

リチウム塩としては、LiPF,LiBF,LiN(SOCF,LiN(SO,LiCFSO,LiCSO,LiC(SOCF,LiClO等の、リチウムイオン電池の電解液において支持電解質として機能し得ることが知られている各種のリチウム塩から選択される一種または二種以上を用いることができる。リチウム塩の濃度は特に制限されず、例えば従来のリチウムイオン電池で使用される電解質と同様とすることができる。通常は、支持電解質(リチウム塩)を凡そ0.1mol/L〜5mol/L(例えば凡そ0.8mol/L〜1.5mol/L)程度の濃度で含有する非水電解質を好ましく使用することができる。 Lithium salts include LiPF 6 , LiBF 4 , LiN (SO 2 CF 3 ) 2 , LiN (SO 2 C 2 F 5 ) 2 , LiCF 3 SO 3 , LiC 4 F 9 SO 3 , LiC (SO 2 CF 3 ) 3 , LiClO 4, etc., one or more selected from various lithium salts known to be capable of functioning as a supporting electrolyte in the electrolyte of a lithium ion battery can be used. The concentration of the lithium salt is not particularly limited, and can be the same as, for example, the electrolyte used in a conventional lithium ion battery. Usually, a non-aqueous electrolyte containing a supporting electrolyte (lithium salt) at a concentration of about 0.1 mol / L to 5 mol / L (for example, about 0.8 mol / L to 1.5 mol / L) is preferably used. it can.

ここに開示されるリチウム二次電池の組み立てに際しては、上記正極および負極を電解質とともに適当な容器(金属または樹脂製の筐体、ラミネートフィルムからなる袋体等)に収容することで、リチウム二次電池(リチウムイオン二次電池)を構築する。ここに開示されるリチウム二次電池の代表的な構成では、正極と負極との間にセパレータが介在される。リチウム二次電池の形状(容器の外形)は特に限定されず、例えば、円筒型、角型、コイン型等の形状であり得る。   When assembling the lithium secondary battery disclosed herein, the positive electrode and the negative electrode are accommodated in an appropriate container (a metal or resin casing, a bag made of a laminate film, etc.) together with the electrolyte, thereby providing a lithium secondary battery. Build a battery (lithium ion secondary battery). In a typical configuration of the lithium secondary battery disclosed herein, a separator is interposed between the positive electrode and the negative electrode. The shape (outer shape of the container) of the lithium secondary battery is not particularly limited, and may be, for example, a cylindrical shape, a square shape, a coin shape, or the like.

以上のとおり開示された技術は、本発明の二次電池用電極材料が電気化学的処理を施され、結晶構造が特定のものへと変化されていることで特徴づけられる。したがって、この電気化学的処理のタイミングが制限されることはない。たとえば、リチウム二次電池の組み立て前に行ってもよいし、組立後に、例えばコンディショニングの一環として行われてもよいものである。また、本発明の目的を実現し得る限り、他の電池構成要素の材質や形状等は特に制限されず、従来のリチウム二次電池(典型的にはリチウムイオン電池)と同様の態様、変更を考慮することができる。   The technology disclosed as described above is characterized in that the electrode material for a secondary battery of the present invention is subjected to electrochemical treatment, and the crystal structure is changed to a specific one. Therefore, the timing of this electrochemical treatment is not limited. For example, it may be performed before the assembly of the lithium secondary battery, or may be performed after the assembly, for example, as part of conditioning. In addition, as long as the object of the present invention can be realized, the material and shape of other battery components are not particularly limited, and the same aspects and modifications as those of conventional lithium secondary batteries (typically lithium ion batteries) Can be considered.

以下、ここに開示されるリチウム二次電池の好ましい一実施形態としてのリチウムイオン電池について、図面を参照しつつ説明する。   Hereinafter, a lithium ion battery as a preferred embodiment of the lithium secondary battery disclosed herein will be described with reference to the drawings.

図1は、本実施形態に係るリチウム二次電池を模式的に示す斜視図である。また、図2は、図1中のII−II線に沿う縦断面図である。
図1および図2に示すように、本実施形態に係るリチウム二次電池10は、上記の二次電池用電極材料および正極集電体62、セパレータ80、負極活物質および負極集電体72等を具備する倦回電極体50と、該倦回電極体50および適当な非水系の電解質(図示せず。典型的には電解液)を収容する角型形状(典型的には扁平な直方体形状)の電池ケース15とを備える。
FIG. 1 is a perspective view schematically showing a lithium secondary battery according to this embodiment. 2 is a longitudinal sectional view taken along line II-II in FIG.
As shown in FIGS. 1 and 2, the lithium secondary battery 10 according to the present embodiment includes the above-described secondary battery electrode material and positive electrode current collector 62, separator 80, negative electrode active material, negative electrode current collector 72, and the like. A wound electrode body 50 and a square shape (typically a flat rectangular parallelepiped shape) that accommodates the wound electrode body 50 and a suitable non-aqueous electrolyte (not shown; typically an electrolyte) ) Battery case 15.

ケース15は、上記扁平な直方体形状における幅狭面の一つが開口部20となっている箱型のケース本体30と、その開口部20に取り付けられて(例えば溶接されて)該開口部20を塞ぐ蓋体25とを備えている。ケース15を構成する材質としては、一般的なリチウム二次電池で使用されるものと同様のものを適宜使用することができ、特に制限はない。例えば、金属(例えばアルミニウム、スチール等)製の容器、合成樹脂(例えばポリオレフィン系樹脂等、ポリアミド系樹脂等の高融点樹脂等)製の容器等を好ましく用いることができる。本実施形態に掛かるケース15は、例えばアルミニウム製である。   The case 15 includes a box-shaped case main body 30 in which one of the narrow surfaces in the flat rectangular parallelepiped shape is an opening 20, and the opening 20 is attached (for example, welded) to the opening 20. And a lid 25 for closing. As a material constituting the case 15, the same material as that used in a general lithium secondary battery can be used as appropriate, and there is no particular limitation. For example, a metal (for example, aluminum, steel, etc.) container, a synthetic resin (for example, a polyolefin resin, a high melting point resin such as a polyamide resin, etc.), or the like can be preferably used. The case 15 according to the present embodiment is made of, for example, aluminum.

蓋体25は、ケース本体30の開口部20の形状に適合する長方形状に形成されている。さらに、蓋体25には、外部接続用の正極端子60と負極端子70とがそれぞれ設けられており、これらの端子60,70の一部は蓋体25からケース15の外方に向けて突出するように形成されている。また、従来のリチウム二次電池のケースと同様に、蓋体25には、電池異常の際にケース15内部で発生したガスをケース15の外部に排出するための安全弁(図示せず)が設けられている。安全弁は、ケース15内部の圧力が所定のレベルを超えて上昇した際に開弁し、ケース15の外部にガスを排出する機構を備えていれば特に制限無く使用することができる。   The lid body 25 is formed in a rectangular shape that matches the shape of the opening 20 of the case body 30. Further, the lid body 25 is provided with a positive electrode terminal 60 and a negative electrode terminal 70 for external connection, respectively, and a part of these terminals 60, 70 protrudes from the lid body 25 toward the outside of the case 15. It is formed to do. Similarly to the case of the conventional lithium secondary battery, the lid 25 is provided with a safety valve (not shown) for discharging the gas generated inside the case 15 to the outside of the case 15 when the battery is abnormal. It has been. The safety valve can be used without any limitation as long as the safety valve is provided with a mechanism that opens when the pressure inside the case 15 exceeds a predetermined level and discharges the gas outside the case 15.

図2に示すように、リチウム二次電池10は、通常のリチウム二次電池と同様に捲回電極体50を備えている。電極体50は、捲回軸が横倒しとなる姿勢(すなわち、上記開口部20が捲回軸に対して横方向に位置する向き)でケース本体30に収容されている。電極体50は、長尺シート状の正極集電体62の表面に正極活物質層64が形成された正極シート(正極)66と、長尺シート状の負極集電体(電極集電体)72の表面に負極活物質層(電極活物質層)74が形成された負極シート(負極)76とを2枚の長尺状のセパレータシート80と共に重ね合わせて捲回し、得られた電極体50を側面方向から押しつぶして拉げさせることによって扁平形状に形成されている。   As shown in FIG. 2, the lithium secondary battery 10 includes a wound electrode body 50 in the same manner as a normal lithium secondary battery. The electrode body 50 is accommodated in the case main body 30 in a posture in which the winding axis is laid down (that is, in the direction in which the opening 20 is positioned in the lateral direction with respect to the winding axis). The electrode body 50 includes a positive electrode sheet (positive electrode) 66 having a positive electrode active material layer 64 formed on the surface of a long sheet-like positive electrode current collector 62 and a long sheet-like negative electrode current collector (electrode current collector). A negative electrode sheet (negative electrode) 76 having a negative electrode active material layer (electrode active material layer) 74 formed on the surface of 72 is overlapped with two long separator sheets 80 and wound, and the resulting electrode body 50 is obtained. It is formed into a flat shape by crushing it from the side direction and causing it to be ablated.

また、捲回される正極シート66において、その長手方向に沿う一方の端部には正極活物質層64が形成されずに正極集電体62が露出しており、一方、捲回される負極シート76においても、その長手方向に沿う一方の端部は負極活物質層74が形成されずに負極集電体72が露出している。そして、正極集電体62の上記露出している端部に正極端子60が接合され、上記扁平形状に形成された捲回電極体50の正極シート66と電気的に接続されている。同様に、負極集電体72の上記露出している端部に負極端子70が接合され、負極シート76と電気的に接続されている。なお、正負極端子60,70と正負極集電体62,72とは、例えば、超音波溶接、抵抗溶接等によりそれぞれ接合され得る。   Further, in the wound positive electrode sheet 66, the positive electrode current collector 62 is exposed without forming the positive electrode active material layer 64 at one end portion along the longitudinal direction, while the negative electrode is wound. Also in the sheet 76, the negative electrode current collector 72 is exposed at one end portion along the longitudinal direction without forming the negative electrode active material layer 74. A positive electrode terminal 60 is joined to the exposed end of the positive electrode current collector 62, and is electrically connected to the positive electrode sheet 66 of the wound electrode body 50 formed in the flat shape. Similarly, the negative electrode terminal 70 is joined to the exposed end portion of the negative electrode current collector 72 and is electrically connected to the negative electrode sheet 76. The positive and negative electrode terminals 60 and 70 and the positive and negative electrode current collectors 62 and 72 can be joined by, for example, ultrasonic welding, resistance welding, or the like.

上記構成の捲回電極体50を構成する材料および部材自体は、正極活物質層64としてここに開示された二次電池用電極材料(ここでは正極活物質層64)を採用する以外、従来のリチウム二次電池と同様でよく特に制限はない。   The materials and members themselves constituting the wound electrode body 50 having the above-described configuration are the conventional ones except that the secondary battery electrode material (here, the positive electrode active material layer 64) disclosed here is adopted as the positive electrode active material layer 64. It may be the same as the lithium secondary battery and is not particularly limited.

正極シート66は、長尺状の正極集電体(例えば長尺状のアルミニウム箔)62の上に上述した二次電池用電極材料を層状に形成することによって作製できる。即ち、公知の層状リチウムマンガン系複合材料と導電材(例えばアセチレンブラック)と結着材(例えばPVDF)とを有機溶媒(例えばNMP)に分散させてなるペースト状の混合物を調製し、これにここで開示された電気化学処理を施すことで二次電池用電極材料とする。このように調製した二次電池用電極材料を負極集電体62に塗布し、乾燥させた後、圧縮(プレス)することによって正極活物質層64が形成される。なお、正極活物質層64の形成方法自体は、従来と同様でよく本発明を特徴付けるものではないため詳細な説明は省略する。   The positive electrode sheet 66 can be produced by forming the above-described secondary battery electrode material in a layered manner on a long positive electrode current collector (for example, a long aluminum foil) 62. That is, a paste-like mixture prepared by dispersing a known layered lithium manganese composite material, a conductive material (for example, acetylene black) and a binder (for example, PVDF) in an organic solvent (for example, NMP) is prepared. The electrode material for a secondary battery is obtained by performing the electrochemical treatment disclosed in the above. The thus prepared secondary battery electrode material is applied to the negative electrode current collector 62, dried, and then compressed (pressed) to form the positive electrode active material layer 64. In addition, since the formation method itself of the positive electrode active material layer 64 may be the same as the conventional one and does not characterize the present invention, a detailed description thereof is omitted.

負極シート76については、電気化学処理を施すこと以外は正極シート66とほぼ同様で、長尺状の負極集電体(例えば長尺状の銅箔)72の上に負極活物質層74を形成することによって作製される。即ち、負極活物質(例えばグラファイト)と結着材(例えばPVDF)とを有機溶媒(例えばNMP)に分散させてなる負極活物質層形成用ペーストを調製する。調製した該ペーストを負極集電体72に塗布し、乾燥させた後、圧縮(プレス)することによって負極活物質層74が形成される。なお、負極活物質層74の形成方法についても従来と同様でよく、本発明を特徴付けるものではないため詳細な説明は省略する。   The negative electrode sheet 76 is substantially the same as the positive electrode sheet 66 except that electrochemical treatment is performed, and a negative electrode active material layer 74 is formed on a long negative electrode current collector (for example, a long copper foil) 72. It is produced by doing. That is, a negative electrode active material layer forming paste is prepared by dispersing a negative electrode active material (for example, graphite) and a binder (for example, PVDF) in an organic solvent (for example, NMP). The prepared paste is applied to the negative electrode current collector 72, dried, and then compressed (pressed) to form the negative electrode active material layer 74. Note that the method of forming the negative electrode active material layer 74 may be the same as that of the conventional one, and does not characterize the present invention, and thus detailed description thereof is omitted.

上記作製した正極シート66および負極シート76を2枚のセパレータ(例えば多孔質ポリオレフィン樹脂)80と共に積み重ね合わせて捲回し、得られた捲回電極体50をケース本体30内に捲回軸が横倒しとなるように収容するとともに、適当な支持塩(例えばLiPF等のリチウム塩)を適当量(例えば濃度1M)含むECとDMCとの混合溶媒(例えば質量比1:1)のような非水電解液を注入した後、開口部20に蓋体25を装着し封止する(例えばレーザ溶接)ことによって本実施形態のリチウム二次電池10を構築することができる。 The positive electrode sheet 66 and the negative electrode sheet 76 produced above are stacked and wound together with two separators (for example, porous polyolefin resin) 80, and the wound electrode body 50 obtained is rolled into the case body 30 with its winding shaft lying sideways. Non-aqueous electrolysis such as a mixed solvent of EC and DMC (for example, a mass ratio of 1: 1) containing an appropriate amount of a supporting salt (for example, a lithium salt such as LiPF 6 ) (for example, a concentration of 1M). After injecting the liquid, the lithium secondary battery 10 of the present embodiment can be constructed by mounting the lid 25 on the opening 20 and sealing (for example, laser welding).

上述した実施形態は、リチウム二次電池の正極活物質に対して本発明の二次電池用電極材料を適用したが、かかる形態に限定されず、例えば、リチウムポリマー電池の正極や、リチウムイオンキャパシタの電極などに対しても本発明を適用することができる。   In the embodiment described above, the electrode material for the secondary battery of the present invention is applied to the positive electrode active material of the lithium secondary battery. However, the present invention is not limited to this mode. For example, the positive electrode of the lithium polymer battery or the lithium ion capacitor The present invention can be applied to other electrodes.

以上の構成のリチウム二次電池10においては、充電および放電の繰り返しに伴い、正極活物質64から非水電解液中に荷電担体のリチウムイオンが脱離および挿入される。正極活物質64として従来の層状リチウムマンガン系複合酸化物を用いていた場合、複合酸化物の結晶格子はリチウムイオンの脱離に伴って結晶構造が僅かずつ変化され、不可逆容量を発生していた。しかしながら、ここに開示されるリチウムイオン電池10は正極活物質として本発明の二次電池用電極材料を用いており、たとえリチウムイオンが繰り返し脱離しようとも、このような結晶構造の変化は見られない。したがって、ここに開示されるリチウムイオン電池10は不可逆容量を発生することなく、充放電サイクル特性に優れる。   In the lithium secondary battery 10 having the above-described configuration, the lithium ions of the charge carrier are desorbed and inserted from the positive electrode active material 64 into the non-aqueous electrolyte as charging and discharging are repeated. When a conventional layered lithium manganese composite oxide was used as the positive electrode active material 64, the crystal structure of the composite oxide crystal lattice was changed little by little with the desorption of lithium ions, generating irreversible capacity. . However, the lithium ion battery 10 disclosed here uses the electrode material for a secondary battery of the present invention as a positive electrode active material, and even if lithium ions are repeatedly desorbed, such a change in crystal structure is observed. Absent. Therefore, the lithium ion battery 10 disclosed herein is excellent in charge / discharge cycle characteristics without generating irreversible capacity.

以下、具体的な実施例として、ここで開示される二次電池用電極材料およびリチウム二次電池(サンプル電池)を構築し、その性能を評価した。   Hereinafter, as specific examples, an electrode material for a secondary battery and a lithium secondary battery (sample battery) disclosed herein were constructed and their performance was evaluated.

<サンプル1>
[正極活物質の準備]
一般式:Li1.2Mn0.54Co0.13Ni0.13で表わされる組成の層状リチウムマンガン系複合酸化物を用意した。即ち、ビーカーに純水を入れ、リチウム源としての酢酸リチウム・二水和物〔Li(CHCOO)・2HO〕と、マンガン源としての酢酸マンガン(II)・四水和物〔Mn(CHCOO)・4HO〕と、ニッケル源としての酢酸ニッケル(II)・四水和物〔Ni(CHCOO)・4HO〕と、コバルト源としての酢酸コバルト(II)・四水和物〔Co(CHCOO)・4HO〕と、マンガン源としての酢酸マンガン(II)・四水和物〔Mn(CHCOO)・4HO〕、およびグリコール酸を所定量添加して溶解混合した。次いでこれを酢酸によりpH1.8に調製し、80℃のオイルバスに一晩かけて水を蒸発させた。その後、600℃で5時間の焼成を行い、乳鉢にて粉砕したのち、さらに900℃で5時間焼成した。
<サンプル2>
[二次電池用電極材料1の準備]
サンプル1で用意した層状リチウムマンガン系複合酸化物と、アセチレンブラックと、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)を、重量比で85:10:5で混合した。
この混合物を、Al箔に塗付して乾燥させて正極を作成した。この正極と、負極としてリチウム金属、電解液として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)との重量比3:3:4の混合溶媒に1mol/LのLiPFを溶解させたものを用い、電気化学セルを組み立てて、正極の混合物に対して電気化学処理を施した。電気化学処理の条件は、25℃において、電流密度50mA/gで4.8Vまで酸化後、2.5Vまで還元するものとした。
<サンプル3>
[二次電池用電極材料2の準備]
電気化学処理の条件を、25℃において、電流密度50mA/gで4.8Vまで酸化後、2.5Vまで還元することを、2サイクル行うものとし、他はサンプル2と同様にした。
<サンプル4>
[二次電池用電極材料3の準備]
電気化学処理の条件を、25℃において、電流密度15mA/gで4.8Vまで酸化後、2.5Vまで還元し、他はサンプル2と同様にした。
<Sample 1>
[Preparation of positive electrode active material]
A layered lithium manganese composite oxide having a composition represented by the general formula: Li 1.2 Mn 0.54 Co 0.13 Ni 0.13 O 2 was prepared. Namely, pure water is put into a beaker, lithium acetate dihydrate [Li (CH 3 COO) · 2H 2 O] as a lithium source, and manganese (II) acetate tetrahydrate as a manganese source [Mn (CH 3 COO) 2 .4H 2 O], nickel acetate (II) tetrahydrate as a nickel source [Ni (CH 3 COO) 2 .4H 2 O], and cobalt acetate (II ) Tetrahydrate [Co (CH 3 COO) 2 .4H 2 O] and manganese acetate (II) tetrahydrate as a manganese source [Mn (CH 3 COO) 2 .4H 2 O], and A predetermined amount of glycolic acid was added and dissolved and mixed. This was then adjusted to pH 1.8 with acetic acid and the water was evaporated overnight in an 80 ° C. oil bath. Then, after baking at 600 degreeC for 5 hours and grind | pulverizing in a mortar, it further baked at 900 degreeC for 5 hours.
<Sample 2>
[Preparation of secondary battery electrode material 1]
The layered lithium manganese composite oxide prepared in Sample 1, acetylene black, and polyvinylidene fluoride (PVDF) were mixed at a weight ratio of 85: 10: 5.
This mixture was applied to an Al foil and dried to prepare a positive electrode. 1 mol / L LiPF 6 was added to a mixed solvent of 3: 3: 4 in a weight ratio of this positive electrode, lithium metal as the negative electrode, and ethylene carbonate (EC), dimethyl carbonate (DMC), and ethyl methyl carbonate (EMC) as the electrolyte. Using the dissolved material, an electrochemical cell was assembled, and the positive electrode mixture was subjected to electrochemical treatment. The conditions for the electrochemical treatment were such that, at 25 ° C., the current density was 50 mA / g, oxidation to 4.8 V, and then reduction to 2.5 V.
<Sample 3>
[Preparation of secondary battery electrode material 2]
The electrochemical treatment was performed at 25 ° C. at a current density of 50 mA / g up to 4.8 V and then reduced to 2.5 V for 2 cycles.
<Sample 4>
[Preparation of secondary battery electrode material 3]
The conditions of the electrochemical treatment were the same as those of Sample 2 except that oxidation was performed to 4.8 V at a current density of 15 mA / g at 25 ° C. and then reduced to 2.5 V.

<評価>
[X線回折分析]
上記で得られたサンプル1〜4について、CuのKα線を用いてX線回折分析を行った。得られたXRDパターンを図3に示した。また、(003)面と(104)面からの回折強度の比を計算した結果をI(003)/I(104)として表1に示した。なお、図3のサンプル2〜4のパターンについては、電気化学セルを分解して正極を取り出して測定した結果を示した。表1から明らかなように、電気化学処理を施されたサンプル2〜4は、未処理のサンプル1に比べて、(104)面に対する(003)面のXRD強度比が低いことが確認された。これは、Li層へ遷移金属の一部が再配列したことを示している。
<Evaluation>
[X-ray diffraction analysis]
Samples 1 to 4 obtained above were subjected to X-ray diffraction analysis using Cu Kα rays. The obtained XRD pattern is shown in FIG. Table 1 shows the result of calculating the ratio of diffraction intensities from the (003) plane and the (104) plane as I (003) / I (104). In addition, about the pattern of the samples 2-4 of FIG. 3, the result of having decomposed | disassembled the electrochemical cell and taking out the positive electrode and having measured was shown. As is clear from Table 1, it was confirmed that the samples 2 to 4 subjected to the electrochemical treatment had a lower XRD intensity ratio of the (003) plane relative to the (104) plane than the untreated sample 1. . This indicates that a part of the transition metal has been rearranged in the Li layer.

[透過型電子顕微鏡(TEM)観察]
上記で得られたサンプル1〜4中の層状リチウムマンガン系複合酸化物粒子について、TEMによる分析を行った。サンプル2〜4については、Al箔から電気化学処理を施した正極の混合物粒子を取り出して用いた。
まず、サンプル1〜4の粒子の電子線回折像から空間群を解析したところ、いずれもR(−3)mに帰属し得ることが確認された。次に、サンプル1〜4の粒子の電子線回折像から結晶の格子定数を調べ、表1に示した。表1から明らかなように、電気化学処理を施されたサンプル2〜4は、未処理のサンプル1に比べて、格子定数が増大し、結晶格子が拡大されていることが確認された。
また、走査型TEM(STEM)を用いて電子線エネルギー損失分光スペクトル(EELS)を測定するSTEM−EELSスペクトラル・イメージング法により粒子中のリチウム元素の分布を調べた。サンプル2の粒子の表面観察の結果を図4に示した。サンプル1の粒子については、粒子全体にLiが分布しているのに対し、電気化学処理を施されたサンプル2〜4の粒子は表面のLiが欠陥しており、立方晶の層が配列している様子が確認された。
[Transmission electron microscope (TEM) observation]
The layered lithium manganese composite oxide particles in Samples 1 to 4 obtained above were analyzed by TEM. For Samples 2 to 4, positive electrode mixture particles subjected to electrochemical treatment were taken out from the Al foil and used.
First, when the space group was analyzed from the electron diffraction patterns of the particles of Samples 1 to 4, it was confirmed that any of them could be attributed to R (-3) m. Next, the lattice constant of the crystal was examined from the electron beam diffraction images of the particles of Samples 1 to 4 and shown in Table 1. As is apparent from Table 1, it was confirmed that Samples 2 to 4 subjected to the electrochemical treatment had an increased lattice constant and an expanded crystal lattice as compared with the untreated Sample 1.
Further, the distribution of lithium elements in the particles was examined by a STEM-EELS spectral imaging method in which an electron beam energy loss spectrum (EELS) was measured using a scanning TEM (STEM). The results of the surface observation of the particles of Sample 2 are shown in FIG. As for the particles of sample 1, Li is distributed throughout the particles, whereas the particles of samples 2 to 4 subjected to electrochemical treatment have defects in the surface Li, and cubic layers are arranged. It was confirmed.

[ICP発光分光分析]
サンプル1〜4の粒子について、ICP発光分光分析法によりLi,Mn,Ni,Coについて元素分析を行い、その結果から遷移金属(Mn,Ni,Co)に対するLi量を求め、(Li/(Mn+Me))として表1に示した。サンプル1に比べてサンプル2〜4の粒子のほうがLi量が少なく、粒子表面でのLi欠陥を反映したものとなった。
[ICP emission spectroscopy]
The particles of Samples 1 to 4 were subjected to elemental analysis for Li, Mn, Ni, and Co by ICP emission spectroscopy, and the Li amount relative to the transition metal (Mn, Ni, Co) was determined from the results, and (Li / (Mn + Me )) As shown in Table 1. Compared with sample 1, the particles of samples 2 to 4 have a smaller amount of Li, and reflect Li defects on the particle surface.

[容量特性評価]
サンプル1〜4の材料について、コイン電池による容量特性評価を行った。即ち、サンプル1の複合酸化物については、サンプル2〜4と同様に、アセチレンブラックと、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)を、重量比で85:10:5で混合し、この混合物をAl箔に塗付して乾燥させて正極とした。サンプル2〜4については、電気化学処理後の正極を用いた。これら正極の電極密度が同じとなるようプレスし、次いで直径16mmの円形に打ち抜いて評価用電極を作製した。
対極としては直径15mm、厚み0.15mmの金属リチウム箔を使用した。セパレータとしては、直径22mm、厚み0.02mmの多孔質ポリオレフィンシートを使用した。電解液としては、エチレンカーボネート(EC)とジエチルカーボネート(DEC)との体積比3:7の混合溶媒に、リチウム塩としてのLiPFを約1モル/Lの濃度で溶解させたものを使用した。
これらの構成要素をステンレス製容器に組み込んで、厚み3.2mm、直径20.0mm(いわゆる2032型)の一般的形状の評価用コインセルを構築した。
[Capacitance evaluation]
The materials of Samples 1 to 4 were evaluated for capacity characteristics using a coin battery. That is, for the composite oxide of Sample 1, as in Samples 2 to 4, acetylene black and polyvinylidene fluoride (PVDF) were mixed at a weight ratio of 85: 10: 5, and this mixture was applied to an Al foil. And dried to obtain a positive electrode. For Samples 2 to 4, positive electrodes after electrochemical treatment were used. The positive electrodes were pressed so as to have the same electrode density, and then punched into a circle having a diameter of 16 mm to produce an evaluation electrode.
A metal lithium foil having a diameter of 15 mm and a thickness of 0.15 mm was used as the counter electrode. As the separator, a porous polyolefin sheet having a diameter of 22 mm and a thickness of 0.02 mm was used. As the electrolytic solution, a solution obtained by dissolving LiPF 6 as a lithium salt at a concentration of about 1 mol / L in a mixed solvent of ethylene carbonate (EC) and diethyl carbonate (DEC) in a volume ratio of 3: 7 was used. .
These constituent elements were incorporated into a stainless steel container to construct a coin cell for evaluation having a general shape with a thickness of 3.2 mm and a diameter of 20.0 mm (so-called 2032 type).

上記のように作製したコインセル(以下、サンプル1の複合酸化物を用いて作製したセルを「サンプル1のセル」、サンプル2の電極材料を用いて作製したセルを「サンプル2のセル」のようにいう。)に対し、50mA/gの定電流にて、極間電圧が4.8Vとなるまで充電する操作と、2.5Vとなるまで放電する操作とを行った。サンプル1のセルとサンプル2のセルの充放電曲線を、それぞれ図5および図6に示した。また、すべてのサンプルのセルについて、充電容量と放電容量とを計測し、クーロン効率(%)を求めた。具体的には、クーロン効率(%)=(放電容量)/(充電容量)×100として計算し、その結果を表1に示した。
図5〜6および表1の結果から明らかなように、サンプル1のセルはクーロン効率が約80%と従来並みであるのに対し、電気化学処理を施したサンプル2〜4のセルはいずれもクーロン効率が100%であり、不可逆容量が全く発生しないことが確認された。サンプル2〜4のセルは、リチウム量が少ないにもかかわらず、結果として、サンプル1よりも高い容量を確保できることが確認された。
The coin cell produced as described above (hereinafter, the cell produced using the composite oxide of sample 1 is referred to as “cell of sample 1”, and the cell produced using the electrode material of sample 2 is referred to as “cell of sample 2”. In other words, at a constant current of 50 mA / g, an operation of charging until the voltage between the electrodes was 4.8 V and an operation of discharging until 2.5 V were performed. The charge / discharge curves of the sample 1 cell and the sample 2 cell are shown in FIGS. 5 and 6, respectively. Further, the charge capacity and the discharge capacity were measured for all the sample cells, and the coulomb efficiency (%) was obtained. Specifically, the coulomb efficiency (%) = (discharge capacity) / (charge capacity) × 100 was calculated, and the result is shown in Table 1.
As is apparent from the results of FIGS. 5 to 6 and Table 1, the cell of sample 1 has a coulomb efficiency of about 80%, which is the same as the conventional cell, whereas the cells of samples 2 to 4 subjected to electrochemical treatment are all. It was confirmed that the coulomb efficiency was 100% and no irreversible capacity was generated. As a result, it was confirmed that the cells of Samples 2 to 4 could ensure a higher capacity than Sample 1 even though the amount of lithium was small.

以上をまとめると、ここに開示された製造方法により、二次電池用電極材料に含まれる層状リチウムマンガン系複合酸化物の結晶構造に変化がもたらされる。その結果、この二次電池用電極材料を正極活物質層形成材料として用いた場合に得られる正極は、充放電に伴う正極活物質からのリチウムの脱離の際にも結晶構造は変化されず、これに由来する不可逆容量の発生は解消されるものと考えられる。   In summary, the manufacturing method disclosed herein changes the crystal structure of the layered lithium manganese composite oxide contained in the secondary battery electrode material. As a result, the crystal structure of the positive electrode obtained when this secondary battery electrode material is used as the positive electrode active material layer forming material does not change even when lithium is desorbed from the positive electrode active material during charge and discharge. The occurrence of irreversible capacity resulting from this is considered to be eliminated.

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。
ここに開示されるいずれかのリチウム二次電池は、車両に搭載される電池として適した性能、特に容量維持率が高く耐久性に優れたものであり得る。また、負極活物質としてSiO等の金属酸化物を採用することによっても高容量化を実現することができる。
したがって本発明によると、図7に示すように、ここに開示されるいずれかのリチウム二次電池10を備えた車両100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。
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.
Any of the lithium secondary batteries disclosed herein may have a performance suitable as a battery mounted on a vehicle, in particular, a high capacity maintenance ratio and an excellent durability. In addition, the capacity can be increased by using a metal oxide such as SiO x as the negative electrode active material.
Therefore, according to the present invention, as shown in FIG. 7, there is provided a vehicle 100 including any lithium secondary battery 10 disclosed herein. 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.

ここで開示される製造方法によると、不可逆容量がない二次電池用電極材料が提供される。その結果、充放電サイクル特性、ひいてはハイレート特性にも優れたリチウム二次電池を提供することができる。このような特徴からここで開示されるリチウム二次電池を車載用二次電池(特には車載用リチウム二次電池)として採用することにより、例えば、リチウム二次電池を駆動電源とする車両を提供することができる。   According to the manufacturing method disclosed herein, an electrode material for a secondary battery having no irreversible capacity is provided. As a result, it is possible to provide a lithium secondary battery that is excellent in charge / discharge cycle characteristics, and thus in high-rate characteristics. Due to such features, the lithium secondary battery disclosed here is employed as an in-vehicle secondary battery (in particular, an in-vehicle lithium secondary battery), thereby providing a vehicle using, for example, a lithium secondary battery as a driving power source. can do.

10 リチウム二次電池
15 電池ケース
20 開口部
25 蓋体
30 ケース本体
50 捲回電極体
60 正極端子
62 正極集電体
64 二次電池用電極材料(正極活物質層)
66 正極シート(正極)
70 負極端子
72 負極集電体
74 負極活物質層
76 負極シート(負極)
80 セパレータ
100 車両
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Lithium secondary battery 15 Battery case 20 Opening part 25 Cover body 30 Case main body 50 Winding electrode body 60 Positive electrode terminal 62 Positive electrode current collector 64 Secondary battery electrode material (positive electrode active material layer)
66 Positive electrode sheet (positive electrode)
70 Negative electrode terminal 72 Negative electrode current collector 74 Negative electrode active material layer 76 Negative electrode sheet (negative electrode)
80 separator 100 vehicle

Claims (7)

層状リチウムマンガン系複合酸化物と、導電材と、結合材とを含み、
前記複合酸化物は、
(1)一般式:
xLi[Li1/3Mn2/3]O・(1−x)LiMeO
(式中、Meは1種または2種以上の遷移金属であり、xは0<x<1を満たす。)
で表され、
(2)空間群R(−3)mに帰属させた際の格子定数が、2.864Å≦a≦2.878Å、14.27Å≦c≦14.39Å、の範囲にあり、
(3)(003)面と(104)面のX線回折強度比がI(003)/I(104)>1である、二次電池用電極材料。
Including a layered lithium manganese composite oxide, a conductive material, and a binder;
The composite oxide is
(1) General formula:
xLi [Li 1/3 Mn 2/3 ] O 2. (1-x) LiMeO 2
(In the formula, Me is one or more transition metals, and x satisfies 0 <x <1.)
Represented by
(2) The lattice constant when attributed to the space group R (-3) m is in the range of 2.864Å ≦ a ≦ 2.878Å, 14.27Å ≦ c ≦ 14.39Å,
(3) An electrode material for a secondary battery, wherein the X-ray diffraction intensity ratio between the (003) plane and the (104) plane is I (003) / I (104)> 1.
前記複合酸化物は、Mnとともに前記Meとして少なくともNiおよびCoを含み、
Mn>Ni+Co
かつ、Liと、Mnおよび前記Meとの含有モル比が、次式:
1<Li/(Mn+Me)≦1.5
を満たす、請求項1記載の二次電池用電極材料。
The composite oxide includes at least Ni and Co as the Me together with Mn,
Mn> Ni + Co
And, the molar ratio of Li to Mn and Me is represented by the following formula:
1 <Li / (Mn + Me) ≦ 1.5
The electrode material for a secondary battery according to claim 1, wherein
前記複合酸化物は、さらに、
(4)表面に、リチウムの欠乏した立方晶の層を含む、
請求項1または2に記載の二次電池用電極材料。
The composite oxide further includes:
(4) including a cubic layer lacking lithium on the surface;
The electrode material for secondary batteries according to claim 1 or 2.
正極集電体上に正極活物質層が保持された正極と、負極と、非水電解質とを備えるリチウム二次電池であって、
前記正極活物質層は少なくとも請求項1〜3のいずれかに記載の二次電池用電極材料を含む、リチウム二次電池。
A lithium secondary battery comprising a positive electrode in which a positive electrode active material layer is held on a positive electrode current collector, a negative electrode, and a nonaqueous electrolyte,
The said positive electrode active material layer is a lithium secondary battery containing the electrode material for secondary batteries in any one of Claims 1-3.
請求項4記載のリチウム二次電池を備える、車両。   A vehicle comprising the lithium secondary battery according to claim 4. 二次電池用電極材料の製造方法であって、
層状リチウムマンガン系複合酸化物と、導電材と、結合材との混合物を用意すること、
該混合物に対し、上限電圧を4.5V〜5Vとする酸化、および、下限電圧を2.0V〜3Vとする還元からなる電気化学処理を施すこと、
を包含し、
ここで前記複合酸化物は、一般式:
xLi[Li1/3Mn2/3]O・(1−x)LiMeO
(式中、Meは1種または2種以上の遷移金属であり、xは0<x<1を満たす。)
で表される、製造方法。
A method for producing an electrode material for a secondary battery,
Preparing a mixture of a layered lithium manganese composite oxide, a conductive material, and a binder;
Subjecting the mixture to an electrochemical treatment comprising oxidation to an upper limit voltage of 4.5 V to 5 V and reduction to a lower limit voltage of 2.0 V to 3 V;
Including
Here, the composite oxide has a general formula:
xLi [Li 1/3 Mn 2/3 ] O 2. (1-x) LiMeO 2
(In the formula, Me is one or more transition metals, and x satisfies 0 <x <1.)
A manufacturing method represented by
前記複合酸化物は、Mnとともに前記Meとして少なくともNiおよびCoを含み、
Mn>Ni+Co
かつ、Liと、Mnおよび前記Meとの含有モル比が、次式:
1<Li/(Mn+Me)≦1.5
を満たす、請求項6記載の製造方法。
The composite oxide includes at least Ni and Co as the Me together with Mn,
Mn> Ni + Co
And, the molar ratio of Li to Mn and Me is represented by the following formula:
1 <Li / (Mn + Me) ≦ 1.5
The manufacturing method of Claim 6 which satisfy | fills.
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