JP2013082581A - Lithium-containing composite oxide powder and method for producing the same - Google Patents

Lithium-containing composite oxide powder and method for producing the same Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a lithium-containing composite oxide powder which contains a lithium manganese nickel-based oxide belonging to the spinel structure and which, when used as a positive electrode active material of a non-aqueous electrolyte secondary battery, enables the secondary battery to be stably used even performing charging and discharging upto a high votage, and to provide a method for producing the lithium-containing composite oxide powder.SOLUTION: The lithium-containing composite oxide powder contains primary particles of single crystal comprising a lithium manganese nickel-based oxide which contains at least lithium, manganese and nickel and has a crystal structure belonging to the spinel structure, wherein an average primary particle diameter of the powder which is an average particle diameter of the primary particles is 1-50 μm. The lithium-containing composite oxide powder is obtained by heating metal-containing raw materials and lithium hydroxide at ≥900°C.

Description

本発明は、主としてリチウムイオン二次電池の正極活物質として使用される複合酸化物粉末およびその複合酸化物粉末を用いた二次電池に関するものである。   The present invention relates to a composite oxide powder mainly used as a positive electrode active material of a lithium ion secondary battery and a secondary battery using the composite oxide powder.

近年、携帯電話やノート型パソコンなどのポータブル電子機器の発達や、電気自動車の実用化などに伴い、小型軽量でかつ高容量の二次電池が必要とされている。たとえば、リチウムイオン二次電池は、リチウム(Li)を挿入および脱離することができる活物質を正極と負極にそれぞれ有する。そして、両極間に設けられた電解液内をLiイオンが移動することによって動作する。   In recent years, along with the development of portable electronic devices such as mobile phones and notebook computers, and the practical application of electric vehicles, secondary batteries with small and light weight and high capacity are required. For example, a lithium ion secondary battery has an active material capable of inserting and removing lithium (Li) in each of a positive electrode and a negative electrode. And it operate | moves because Li ion moves in the electrolyte solution provided between both electrodes.

二次電池の性能は、二次電池を構成する正極、負極および電解質の材料に左右される。そのなかでも、活物質を形成する活物質材料の研究開発が活発に行われている。たとえば、二次電池の正極活物質として、LiNi0.5Mn1.5のようなスピネル構造をもつリチウムマンガンニッケル系酸化物が挙げられる。LiNi0.5Mn1.5は、金属リチウム基準で4.8V付近で充放電する。そのため、理論的には、5.0V程度の高電圧まで充電させることで、エネルギー密度が高くなる。 The performance of the secondary battery depends on the materials of the positive electrode, the negative electrode, and the electrolyte constituting the secondary battery. Among them, active research and development of active material forming active material is being actively conducted. For example, as the positive electrode active material of the secondary battery, a lithium manganese nickel-based oxide having a spinel structure such as LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 can be given. LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 is charged and discharged at around 4.8 V on the basis of metallic lithium. Therefore, theoretically, the energy density is increased by charging to a high voltage of about 5.0V.

たとえば、特許文献1では、5V級の電位が期待されるリチウムマンガンニッケル酸化物を使用したリチウム電池を構成する材料として実用価値の高い、単結晶のリチウムマンガンニッケル酸化物を合成している。実施例3では、LiCl粉末、NiCl粉末およびMnCl粉末をモル比で120:1:3で混合した後、この混合粉末を750℃60時間加熱することで、LiNi0.5Mn1.5を基本組成とする単結晶を育成している。得られる単結晶は、最大で200μm角程度の正八面体状であることが記載されている。 For example, in Patent Document 1, single crystal lithium manganese nickel oxide having a high practical value is synthesized as a material constituting a lithium battery using a lithium manganese nickel oxide that is expected to have a potential of 5 V class. In Example 3, after mixing LiCl powder, NiCl 2 powder, and MnCl 2 powder at a molar ratio of 120: 1: 3, this mixed powder was heated at 750 ° C. for 60 hours to obtain LiNi 0.5 Mn 1.5 A single crystal having a basic composition of O 4 is grown. It is described that the obtained single crystal has a regular octahedral shape of about 200 μm square at the maximum.

また、特許文献2では、正極活物質として使用されるLiMnの平均粒径を5μm以下さらには1μm以下とすることで、二次電池の出力を向上させている。使用されるLiMnは、LiOHとMnOとをLi:Mnが原子比で1:2となるように混合して、大気中700〜900℃で焼成する「固相法」によって合成する。 In Patent Document 2, it has an average particle size of LiMn 2 O 4 which is used as a positive electrode active material 5μm or less and still more by a 1μm or less, to improve the output of the secondary battery. The LiMn 2 O 4 used is synthesized by a “solid phase method” in which LiOH and MnO 2 are mixed so that Li: Mn is an atomic ratio of 1: 2, and fired at 700 to 900 ° C. in the atmosphere. .

特開2004−196579号公報JP 2004-196579 A 特開2005−116304号公報JP-A-2005-116304

特許文献1には明記されていないが、リチウムイオン二次電池を高電圧で充放電させると、二次電池に使用される一般的な有機電解液が分解することが知られている。有機電解液の分解は、サイクル特性などの電池特性の低下に繋がる。そのため、LiNi0.5Mn1.5は、現行の電池システムでは効率良く使用し難く、改善すべき問題が多くある。 Although not specified in Patent Document 1, it is known that when a lithium ion secondary battery is charged and discharged at a high voltage, a general organic electrolyte used in the secondary battery is decomposed. Decomposition of the organic electrolyte leads to deterioration of battery characteristics such as cycle characteristics. Therefore, LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 is difficult to use efficiently in the current battery system, and there are many problems to be improved.

特許文献1には、LiNi0.5Mn1.5を基本組成とする単結晶中の構成元素の濃度分布が均質であることから、5V級の電位が期待されると記載されている。確かに、特許文献1では、実施例3において粗大な単結晶のリチウムマンガンニッケル酸化物の合成に成功している。しかし、実施例3で合成されたリチウムマンガンニッケル酸化物は、二次電池の正極活物質として使用した場合の初期容量やサイクル特性などが明らかにされていない。さらには、この酸化物が、二次電池として十分な充放電を行うか否かさえ不明である。 Patent Document 1 describes that a potential of 5V class is expected because the concentration distribution of constituent elements in a single crystal having a basic composition of LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 is uniform. . Indeed, in Patent Document 1, in Example 3, a coarse single crystal lithium manganese nickel oxide was successfully synthesized. However, the initial capacity and cycle characteristics of the lithium manganese nickel oxide synthesized in Example 3 when used as a positive electrode active material for a secondary battery are not clarified. Furthermore, it is unclear whether or not this oxide performs sufficient charge and discharge as a secondary battery.

特許文献2では、平均粒径が5μm以下さらには1μm以下のLiMnを正極活物質として使用することが記載されている。さらに、LiMnの粒子構造が単結晶であるのが好ましいと記載されている。しかしながら、各実施例には、LiMn粒子が単結晶であるかどうかは記載されておらず、平均粒径についても、単結晶粒子の平均一次粒子径であるのか、多結晶粒子あるいは単結晶粒子の凝集体の平均粒子径であるのか、不明である。また、実施例に記載の固相法では、その焼成温度(800℃前後)から考えて、1μm未満の複数の微細な単結晶粒子が凝集した多結晶に近い単粒子が合成されると推測される。そのため、特許文献2は、二次粒子の平均粒径と二次電池の出力との関係を示していても、特定の粒径をもつ単結晶のLiMnを二次電池の正極活物質に用いた場合の電池特性を評価するまで至っていない。 Patent Document 2 describes that LiMn 2 O 4 having an average particle diameter of 5 μm or less, further 1 μm or less is used as a positive electrode active material. Furthermore, it is described that the particle structure of LiMn 2 O 4 is preferably a single crystal. However, each example does not describe whether the LiMn 2 O 4 particles are single crystals, and the average particle size is also the average primary particle size of single crystal particles, polycrystalline particles or single crystals. It is unclear whether the average particle size of the aggregate of crystal particles. Further, in the solid phase method described in the examples, it is estimated that single particles close to polycrystals in which a plurality of fine single crystal particles less than 1 μm are aggregated are synthesized in view of the firing temperature (around 800 ° C.). The Therefore, even if Patent Document 2 shows the relationship between the average particle size of the secondary particles and the output of the secondary battery, single-crystal LiMn 2 O 4 having a specific particle size is used as the positive electrode active material of the secondary battery. The battery characteristics when used for the above have not been evaluated.

本発明は、スピネル構造に属するリチウムマンガンニッケル系酸化物を含み、非水電解液二次電池の正極活物質として用いられた場合に高電圧まで充放電しても二次電池を安定的に使用することができるリチウム含有複合酸化物粉末およびその製造方法を提供する。   The present invention includes a lithium manganese nickel-based oxide belonging to a spinel structure and stably uses a secondary battery even when charged and discharged to a high voltage when used as a positive electrode active material of a non-aqueous electrolyte secondary battery. Provided is a lithium-containing composite oxide powder and a method for producing the same.

本発明者等は、リチウム供給源としてリチウム水酸化物を用い、マンガンおよびニッケルを含む原料とリチウム水酸化物とをリチウム水酸化物の分解温度付近あるいは分解温度以上の高温で加熱することで、高電圧で使用される非水電解液二次電池の正極活物質として好適なリチウムマンガンニッケル系酸化物を合成できることを新たに見出した。そして、このような方法により得られるリチウムマンガンニッケル系酸化物は、高電圧での使用に有利な粒子構造を有することから、本発明に至った。   The present inventors use lithium hydroxide as a lithium supply source, and heat the raw material containing manganese and nickel and lithium hydroxide at a temperature near or near the decomposition temperature of the lithium hydroxide, It was newly found that a lithium manganese nickel-based oxide suitable as a positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery used at high voltage can be synthesized. And since the lithium manganese nickel-type oxide obtained by such a method has a particle structure advantageous for use at a high voltage, it came to this invention.

すなわち、本発明のリチウム含有複合酸化物粉末は、少なくともリチウム、マンガンおよびニッケルを含み結晶構造がスピネル構造に属するリチウムマンガンニッケル系酸化物からなる単結晶の一次粒子を含み、該一次粒子の平均粒径である平均一次粒径が1μm以上50μm以下であることを特徴とする。   That is, the lithium-containing composite oxide powder of the present invention includes primary particles of single crystals composed of a lithium manganese nickel-based oxide containing at least lithium, manganese and nickel and having a crystal structure belonging to a spinel structure, and the average particle size of the primary particles The average primary particle size as a diameter is 1 μm or more and 50 μm or less.

本発明のリチウム含有複合酸化物粉末は、単結晶の一次粒子を含み、その平均一次粒径が1μm以上50μm以下である。単結晶と対比した表現として多結晶がある。多結晶粒子には、結晶粒界が存在する。そのため、多結晶粒子を含むリチウム含有複合酸化物粉末を非水電解液二次電池の正極活物質として用いた二次電池を充放電させると、結晶粒界を起点として崩壊しやすい。また、結晶粒界には、目的のリチウムマンガンニッケル系酸化物と異なる組成の化合物(不純物)が存在しやすい。そのため、結晶粒界は、電解液分解の活性点となりやすい。単結晶の一次粒子を含みその平均一次粒径が1μm以上50μm以下であるリチウム含有複合酸化物は、単結晶粒子の粒径がミクロンオーダーで比較的大きいため、仮に単結晶粒子同士の間に結晶粒界があったとしても、その量は比較的少なくなる。また、単結晶粒子が比較的大きければ、電解液と接触する面積が小さくなることで電解液の分解する領域が減少する。その結果、二次電池の充放電に伴う活物質粒子の崩壊および電解液の分解が抑制され、電池特性、なかでもサイクル特性に優れる二次電池が得られる。このような効果は、金属リチウム基準で4.3V以上の高電圧まで充電を行う非水電解液二次電池において顕著である。   The lithium-containing composite oxide powder of the present invention contains primary particles of single crystals and has an average primary particle size of 1 μm or more and 50 μm or less. There is a polycrystal as an expression in contrast to a single crystal. There are crystal grain boundaries in the polycrystalline particles. Therefore, when a secondary battery using a lithium-containing composite oxide powder containing polycrystalline particles as a positive electrode active material of a non-aqueous electrolyte secondary battery is charged and discharged, it tends to collapse starting from a grain boundary. In addition, a compound (impurity) having a composition different from that of the target lithium manganese nickel-based oxide tends to exist in the crystal grain boundary. Therefore, the crystal grain boundary is likely to be an active point for electrolytic solution decomposition. Lithium-containing composite oxides containing primary particles of single crystals and having an average primary particle size of 1 μm or more and 50 μm or less have a relatively large single crystal particle size on the order of microns. Even if there are grain boundaries, the amount is relatively small. In addition, if the single crystal particles are relatively large, the area in contact with the electrolytic solution is reduced, so that the region where the electrolytic solution is decomposed decreases. As a result, the collapse of the active material particles and the decomposition of the electrolytic solution accompanying charging / discharging of the secondary battery are suppressed, and a secondary battery excellent in battery characteristics, particularly cycle characteristics, is obtained. Such an effect is remarkable in a non-aqueous electrolyte secondary battery that is charged to a high voltage of 4.3 V or higher with respect to metallic lithium.

なお、本明細書における「一次粒子」としては、単体粒子(単粒子)、または、多結晶体あるいは凝集体を構成する最小単位の粒子が挙げられる。したがって、凝集体および多結晶体は、「二次粒子」として扱う。凝集体や多結晶体との判別は困難である、複数の粒子同士が焼結結合してなる粗大粒子も、二次粒子の範疇である。また、「平均一次粒径」とは、単粒子の径、または、多結晶体、凝集体あるいは粗大粒子を構成する最小単位の粒子の径、つまり一次粒子の径を指す。   As used herein, “primary particles” include single particles (single particles), or particles of a minimum unit constituting a polycrystal or aggregate. Therefore, aggregates and polycrystals are treated as “secondary particles”. Coarse particles formed by sintering and bonding a plurality of particles, which are difficult to distinguish from aggregates and polycrystals, are also in the category of secondary particles. The “average primary particle diameter” refers to the diameter of a single particle, or the diameter of a minimum unit particle constituting a polycrystal, aggregate or coarse particle, that is, the diameter of a primary particle.

本発明のリチウム含有複合酸化物粉末は、単結晶粒子の単粒子および/または単結晶粒子の凝集体を含むのが好ましい。単結晶粒子の単粒子および単結晶粒子の凝集体には、理論的には結晶粒界が存在しないため、このようなリチウム含有複合酸化物を非水電解液二次電池の正極活物質を用いた二次電池は、サイクル特性に非常に優れる。   The lithium-containing composite oxide powder of the present invention preferably contains single particles of single crystal particles and / or aggregates of single crystal particles. In theory, there is no grain boundary in single-crystal particles and single-crystal particle aggregates. Therefore, such lithium-containing composite oxides are used as positive electrode active materials for non-aqueous electrolyte secondary batteries. The rechargeable battery had excellent cycle characteristics.

さらに、本発明のリチウム含有複合酸化物粉末は、比較的大きなサイズの単結晶粒子からなるため、均一かつ高密度で正極の活物質層に充填できる。その結果、本発明のリチウム含有複合酸化物粉末を用いて、サイクル特性に優れ高容量を示す非水電解液二次電池が得られる。   Furthermore, since the lithium-containing composite oxide powder of the present invention comprises single crystal particles having a relatively large size, it can be uniformly and densely filled in the active material layer of the positive electrode. As a result, a non-aqueous electrolyte secondary battery having excellent cycle characteristics and high capacity can be obtained using the lithium-containing composite oxide powder of the present invention.

また、本発明は、上記本発明のリチウム含有複合酸化物粉末の製造方法であって、
少なくともマンガンおよびニッケルを含む金属含有原料とリチウム水酸化物とを、該金属含有原料に含まれる金属元素に対する該リチウム水酸化物に含まれるリチウムの原子比が、前記リチウムマンガンニッケル系酸化物の金属元素に対するリチウムの化学量論比の1.0倍を超え1.1倍以下となるように調製された反応原料を900℃以上で加熱する加熱反応工程を含むことを特徴とする。
Further, the present invention is a method for producing the lithium-containing composite oxide powder of the present invention,
A metal-containing raw material containing at least manganese and nickel and a lithium hydroxide, wherein an atomic ratio of lithium contained in the lithium hydroxide to a metal element contained in the metal-containing raw material is a metal of the lithium manganese nickel-based oxide It includes a heating reaction step in which a reaction raw material prepared so as to be more than 1.0 times and less than 1.1 times the stoichiometric ratio of lithium to element is heated at 900 ° C. or higher.

リチウム供給源としてリチウム水酸化物を用い、上記の金属含有原料とリチウム水酸化物とをリチウム水酸化物の分解温度付近あるいは分解温度以上の高温で加熱することで、結晶構造がスピネル構造に属するリチウムマンガンニッケル系酸化物からなる単結晶粒子を含み平均一次粒径が1μm以上50μm以下であるリチウム含有複合酸化物粉末が容易に得られる。   A lithium hydroxide is used as a lithium supply source, and the crystal structure belongs to the spinel structure by heating the above metal-containing raw material and lithium hydroxide at a temperature near or higher than the decomposition temperature of the lithium hydroxide. A lithium-containing composite oxide powder containing single crystal particles made of lithium manganese nickel-based oxide and having an average primary particle size of 1 μm or more and 50 μm or less can be easily obtained.

また、本発明のリチウム含有複合酸化物粉末の製造方法は、上記製造方法において、
前記加熱反応工程は、前記反応原料にさらに塩化リチウムを配合させて、前記金属含有原料をリチウム水酸化物および塩化リチウムの溶融塩中で反応させる工程であり、
さらに、前記加熱反応工程後の前記溶融塩を冷却する冷却工程と、生成された前記リチウムマンガンニッケル系酸化物を冷却後の固形物から回収する回収工程と、を含むことを特徴としてもよい。
Further, the method for producing a lithium-containing composite oxide powder of the present invention is the above production method,
The heating reaction step is a step in which lithium chloride is further added to the reaction raw material, and the metal-containing raw material is reacted in a molten salt of lithium hydroxide and lithium chloride,
Furthermore, a cooling step for cooling the molten salt after the heating reaction step and a recovery step for recovering the generated lithium manganese nickel-based oxide from the solid after cooling may be included.

すなわち、本発明のリチウム含有複合酸化物粉末は、溶融塩法によっても合成可能である。添加される塩化リチウムはフラックスとしてはたらき反応に寄与しないと考えられるが、加熱反応工程において合成される単結晶粒子が凝集するのを抑制することができる。   That is, the lithium-containing composite oxide powder of the present invention can be synthesized by a molten salt method. Although the added lithium chloride is considered to act as a flux and not contribute to the reaction, it can suppress aggregation of single crystal particles synthesized in the heating reaction step.

本発明のリチウム含有複合酸化物粉末は、リチウムイオン二次電池などの非水電解液二次電池の正極活物質として使用することができる。すなわち、本発明は、本発明のリチウム含有複合酸化物粉末を含むことを特徴とする正極活物質と捉えることもできる。   The lithium-containing composite oxide powder of the present invention can be used as a positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery such as a lithium ion secondary battery. That is, the present invention can also be regarded as a positive electrode active material characterized by including the lithium-containing composite oxide powder of the present invention.

本発明のリチウム含有複合酸化物粉末をリチウムイオン二次電池のような非水電解液二次電池の正極活物質として使用した場合に、サイクル特性などの電池特性が向上する。   When the lithium-containing composite oxide powder of the present invention is used as a positive electrode active material of a non-aqueous electrolyte secondary battery such as a lithium ion secondary battery, battery characteristics such as cycle characteristics are improved.

本発明のリチウム含有複合酸化物粉末(LiNi0.5Mn1.5粉末:実施例1)を走査電子顕微鏡(SEM)により観察した結果を示す図面代用写真である。Lithium-containing composite oxide powder of the present invention: a drawing-substitute photograph showing a result of observation of the (LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 powder Example 1) by a scanning electron microscope (SEM). 従来の方法により合成されたLiNi0.5Mn1.5粉末(比較例1−1)をSEMにより観察した結果を示す図面代用写真である。 LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 powder synthesized by the conventional method (Comparative Example 1-1) is a drawing-substitute photograph showing a result of observation by SEM. 従来の方法により合成されたLiNi0.5Mn1.5粉末(比較例1−2)をSEMにより観察した結果を示す図面代用写真である。Conventional of LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 powder synthesized by the method (Comparative Example 1-2) is a drawing-substitute photograph showing a result of observation by SEM. 塩化リチウムを用いて合成した本発明のリチウム含有複合酸化物粉末(LiNi0.5Mn1.5粉末:実施例2)をSEMにより観察した結果を示す図面代用写真である。Lithium-containing composite oxide powder of the present invention synthesized using lithium chloride: is a photograph substituted for a drawing, showing the (LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 powder Example 2) As a result of observation by SEM and. 塩化ナトリウムを用いて合成した比較例のリチウム含有複合酸化物粉末(LiNi0.5Mn1.5粉末:比較例2)をSEMにより観察した結果を示す図面代用写真である。Lithium-containing composite oxide powder of the comparative example were synthesized using sodium chloride is a photograph substituted for a drawing, showing the (LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 powder Comparative Example 2) As a result of observation by SEM and. 本発明および従来のリチウム含有複合酸化物粉末(LiNi0.5Mn1.5粉末)を正極活物質として使用した二次電池の充放電特性を示すグラフである。The present invention and the conventional lithium-containing composite oxide powder (LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 powder) is a graph showing the charge-discharge characteristics of the secondary battery using as the positive electrode active material. 本発明および従来のリチウム含有複合酸化物粉末(LiNi0.5Mn1.5粉末)を正極活物質として使用した二次電池のサイクル特性を示すグラフである。The present invention and the conventional lithium-containing composite oxide powder (LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 powder) is a graph showing the cycle characteristics of the secondary battery using as the positive electrode active material.

以下に、本発明のリチウム含有複合酸化物粉末の製造方法を実施するための形態を説明する。なお、特に断らない限り、本明細書に記載された数値範囲「a〜b」は、下限aおよび上限bをその範囲に含む。そして、これらの上限値および下限値、ならびに実施例中に列記した数値も含めてそれらを任意に組み合わせることで数値範囲を構成し得る。   Below, the form for implementing the manufacturing method of the lithium containing complex oxide powder of this invention is demonstrated. Unless otherwise specified, the numerical range “ab” described herein includes the lower limit “a” and the upper limit “b”. The numerical range can be configured by arbitrarily combining these upper limit value and lower limit value and the numerical values listed in the examples.

<リチウム含有複合酸化物粉末>
本発明のリチウム含有複合酸化物粉末は、少なくともリチウム、マンガンおよびニッケルを含み結晶構造がスピネル構造に属するリチウムマンガンニッケル系酸化物からなる粒子を含む。リチウムマンガンニッケル系酸化物は、二次電池の正極活物質として用いた場合に高いカットオフ電圧(たとえばLi基準で4.8V以上まで充電)で使用されることで、エネルギー密度が高くなり容量増加が期待される化合物である。
<Lithium-containing composite oxide powder>
The lithium-containing composite oxide powder of the present invention includes particles composed of a lithium manganese nickel-based oxide containing at least lithium, manganese, and nickel and having a crystal structure belonging to a spinel structure. Lithium manganese nickel-based oxides have high energy density and increased capacity when used as a positive electrode active material for secondary batteries at high cut-off voltages (for example, charging up to 4.8 V or more based on Li). Is an expected compound.

スピネル構造に属する結晶構造をもつリチウムマンガンニッケル系酸化物を組成式で表すのであれば、Li1+x(Ni0.5Mn1.51−x−yMe(0≦x≦0.5、0≦y≦0.5、(x+y)<1、MeはAl、Mg、CaおよびCoのうちの一種以上)である。なお、Liの一部がHに置換されていてもよく、原子比で60%以下さらには45%以下のLiがHに置換されてもよい。特に好ましくは、LiNi0.5Mn1.5である。リチウムマンガンニッケル系酸化物は、上記組成式またはLiNi0.5Mn1.5を基本組成とするものであり、言うまでもなく、不可避的に生じるLi、Ni、Mn、MeまたはOの欠損等により、上記組成式からわずかにずれた複合酸化物をも含む。リチウムマンガンニッケル系酸化物の結晶構造および組成の同定は、X線回折(XRD)、電子線回折、発光分光分析(ICP)などにより可能である。 If a lithium manganese nickel-based oxide having a crystal structure belonging to the spinel structure is expressed by a composition formula, Li 1 + x (Ni 0.5 Mn 1.5 ) 1-xy Me y O 4 (0 ≦ x ≦ 0) 0.5, 0 ≦ y ≦ 0.5, (x + y) <1, Me is one or more of Al, Mg, Ca, and Co). In addition, a part of Li may be substituted with H, and 60% or less, or 45% or less of Li in atomic ratio may be substituted with H. LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 is particularly preferable. The lithium manganese nickel-based oxide is based on the above composition formula or LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 , and needless to say, defects of Li, Ni, Mn, Me, or O that are inevitably generated, etc. Thus, a composite oxide slightly deviating from the above composition formula is also included. The crystal structure and composition of the lithium manganese nickel-based oxide can be identified by X-ray diffraction (XRD), electron diffraction, emission spectroscopic analysis (ICP), and the like.

本発明のリチウム含有複合酸化物粉末は、平均一次粒径が1μm以上50μm以下である。なお、平均一次粒径の測定は、SEMなどの顕微鏡写真から複数個の一次粒子の最大径(粒子を2本の平行線で挟んだとき平行線の間隔の最大値)を測定し、それらの平均値とする。平均一次粒径が上記の範囲にあれば、二次電池の充放電に伴う活物質粒子の崩壊および電解液の分解が抑制され、電池特性、なかでもサイクル特性に優れる二次電池が得られることは前述の通りである。   The lithium-containing composite oxide powder of the present invention has an average primary particle size of 1 μm or more and 50 μm or less. The average primary particle size is measured by measuring the maximum diameter of a plurality of primary particles (maximum value of the interval between parallel lines when the particles are sandwiched between two parallel lines) from a micrograph such as SEM. Average value. If the average primary particle size is in the above range, the secondary battery is excellent in battery characteristics, in particular, cycle characteristics, by suppressing the collapse of the active material particles and the decomposition of the electrolyte accompanying the charging / discharging of the secondary battery. Is as described above.

平均一次粒径が1μm以上の粉末は、工業的に取り扱いやすい。具体的には、電極の作製時に粒子同士の凝集が抑制され、活物質層に均一に分散させやすい。また、結晶性が高いため、活物質層における充填性、熱安定性、等の特性に優れる。好ましくは1.1μm以上、1.2μm以上、さらに好ましくは1.3μm以上である。一方、平均一次粒径が大きすぎると、電解液と接触して電池反応に寄与する表面が少なくなるが、平均一次粒径を50μm以下とすることで、容量やレート特性などの面で十分な電池特性が得られる。また、平均一次粒径が50μmを越えると、集電体に形成される正極活物質層の厚さ(通常30〜100μm程度)を考慮しても現実的ではない。好ましい平均一次粒径は30μm以下、25μm以下さらに好ましくは10μm以下である。   A powder having an average primary particle size of 1 μm or more is industrially easy to handle. Specifically, aggregation of particles is suppressed during the production of the electrode, and it is easy to uniformly disperse in the active material layer. Moreover, since crystallinity is high, it is excellent in characteristics, such as a filling property in an active material layer, and heat stability. Preferably it is 1.1 micrometers or more, 1.2 micrometers or more, More preferably, it is 1.3 micrometers or more. On the other hand, when the average primary particle size is too large, the surface that comes into contact with the electrolytic solution and contributes to the battery reaction decreases. However, the average primary particle size of 50 μm or less is sufficient in terms of capacity and rate characteristics. Battery characteristics are obtained. On the other hand, when the average primary particle size exceeds 50 μm, it is not practical even if the thickness of the positive electrode active material layer formed on the current collector (usually about 30 to 100 μm) is taken into consideration. A preferable average primary particle size is 30 μm or less, 25 μm or less, more preferably 10 μm or less.

本発明のリチウム含有複合酸化物粉末は、単結晶の一次粒子の粒径が上記の範囲にあれば多結晶粒子や複数の粒子同士が焼結結合してなる粗大粒子を含んでもよいが、単結晶粒子の単粒子および/または単結晶粒子の凝集体を含むのが好ましい。本明細書において「単粒子」とは、複数の結晶粒からなる多結晶粒子や微粒子が複数凝集してなる二次粒子とは異なり、結晶粒界を含まない単一粒子からなる粒子を言う。なお、単粒子が単結晶であることは、たとえば、透過型電子顕微鏡による電子線回折像の解析によって知ることができる。   The lithium-containing composite oxide powder of the present invention may include polycrystalline particles or coarse particles formed by sintering and bonding a plurality of particles as long as the primary crystal particle size is in the above range. It is preferable to include single particles of crystal particles and / or aggregates of single crystal particles. In the present specification, the term “single particle” refers to a particle composed of a single particle that does not include a crystal grain boundary, unlike a polycrystalline particle composed of a plurality of crystal grains or a secondary particle composed of a plurality of fine particles aggregated. The fact that the single particle is a single crystal can be known, for example, by analyzing an electron beam diffraction image using a transmission electron microscope.

本発明のリチウム含有複合酸化物粉末を比表面積により規定するのであれば、0.01m/g以上2.0m/g以下であるのが好ましい。比表面積が上記の範囲にあれば、電解液との適度な接触面積が確保される。さらに好ましい粉末の比表面積は、0.05〜1.5m/g、0.1〜1.3m/gさらには0.5〜0.8m/gである。なお、本明細書において上記の比表面積は、リチウム含有複合酸化物粉末をBET法により測定した値を採用する。 If the lithium-containing composite oxide powder of the present invention is defined by the specific surface area, it is preferably 0.01 m 2 / g or more and 2.0 m 2 / g or less. If the specific surface area is in the above range, an appropriate contact area with the electrolytic solution is ensured. A further preferred specific surface area of the powder, 0.05~1.5m 2 /g,0.1~1.3m 2 / g even at 0.5~0.8m 2 / g. In the present specification, the specific surface area employs a value obtained by measuring the lithium-containing composite oxide powder by the BET method.

<リチウム含有複合酸化物粉末の製造方法>
次に、上記本発明のリチウム含有複合酸化物粉末の製造方法について、各工程を説明する。リチウム含有酸化物粉末の製造方法は、主として加熱反応工程を含む。
<Method for producing lithium-containing composite oxide powder>
Next, each process is demonstrated about the manufacturing method of the lithium containing complex oxide powder of the said invention. The method for producing a lithium-containing oxide powder mainly includes a heating reaction step.

加熱反応工程においては、はじめに、Li、NiおよびMnの供給源を含む反応原料を調製する原料調製工程を行うとよい。Li供給源として、リチウム水酸化物を用いる。NiおよびMnなどの金属元素の供給源として、少なくともそれらを含む金属含有原料を用いる。いずれも粉末状で用いるのが好ましく、その粒径に特に限定はないが、100μm以下さらには50μm以下に篩い分けするなどして粗大な粒子を除くことが望ましい。原料調製工程を行う場合には、金属含有原料とリチウム水酸化物とを均一に混合して原料混合物を得るとよい。   In the heating reaction step, first, a raw material preparation step for preparing a reaction raw material including a supply source of Li, Ni, and Mn may be performed. Lithium hydroxide is used as the Li supply source. As a supply source of metal elements such as Ni and Mn, a metal-containing raw material containing at least them is used. Any of them is preferably used in a powder form, and the particle size is not particularly limited, but it is desirable to remove coarse particles by sieving to 100 μm or less, further 50 μm or less. When performing a raw material preparation process, it is good to mix a metal containing raw material and lithium hydroxide uniformly, and to obtain a raw material mixture.

リチウム水酸化物は、無水物水酸化リチウム(LiOH)を用いても水酸化リチウム一水和物(LiOH・HO)を用いてもよい。 The lithium hydroxide may be anhydrous lithium hydroxide (LiOH) or lithium hydroxide monohydrate (LiOH.H 2 O).

金属含有原料は、少なくともNiおよびMn、必要に応じてAl、Mg、Ca、Co等の添加金属(Me)のうちの一種以上を含む材料であれば特に限定はない。それぞれの単体金属、Mn化合物、Ni化合物、さらには添加金属(Me)の化合物、を目的のリチウム含有複合酸化物粉末の組成に応じて併用するのがよい。特に好ましくは、Ni、MnおよびMeのうちの少なくとも一種を含む金属酸化物、金属水酸化物、その他の金属塩である。具体的には、Mn供給源であれば、二酸化マンガン(MnO)、三酸化二マンガン(Mn)、一酸化マンガン(MnO)、四三酸化マンガン(Mn)、水酸化マンガン(Mn(OH))、オキシ水酸化マンガン(MnOOH)、等が挙げられる。Ni供給源であれば、酸化ニッケル(NiO)、硝酸ニッケル(Ni(NO・6HO)、硫酸ニッケル(NiSO・6HO)、塩化ニッケル(NiCl・6HO)、等が挙げられる。また、添加金属(Me)の供給源としては、水酸化アルミニウム(Al(OH))、硝酸アルミニウム(Al(NO・9HO)、水酸化マグネシウム(Mg(OH))、硝酸マグネシウム(Mg(NO・6HO)、水酸化カルシウム(Ca(OH))、酸化コバルト(CoO、Co)、硝酸コバルト(Co(NO・6HO)、水酸化コバルト(Co(OH))、塩化コバルト(CoCl・6HO)、硫酸コバルト(Co(SO)・7HO)などが挙げられる。これらの酸化物、水酸化物または金属塩に含まれる金属元素の一部が他の金属元素で置換された金属化合物であってもよい。 The metal-containing raw material is not particularly limited as long as it is a material containing at least Ni and Mn and, if necessary, one or more of additive metals (Me) such as Al, Mg, Ca and Co. Each single metal, Mn compound, Ni compound, and compound of added metal (Me) may be used in combination according to the composition of the target lithium-containing composite oxide powder. Particularly preferred are metal oxides, metal hydroxides, and other metal salts containing at least one of Ni, Mn and Me. Specifically, if it is a Mn supply source, manganese dioxide (MnO 2 ), dimanganese trioxide (Mn 2 O 3 ), manganese monoxide (MnO), trimanganese tetroxide (Mn 3 O 4 ), hydroxide Manganese (Mn (OH) 2 ), manganese oxyhydroxide (MnOOH), and the like can be given. If it is Ni supply source, nickel oxide (NiO), nickel nitrate (Ni (NO 3 ) 2 .6H 2 O), nickel sulfate (NiSO 4 .6H 2 O), nickel chloride (NiCl 2 .6H 2 O), Etc. As the added source of metal (Me), aluminum hydroxide (Al (OH) 3), aluminum nitrate (Al (NO 3) 3 · 9H 2 O), magnesium hydroxide (Mg (OH) 2), Magnesium nitrate (Mg (NO 3 ) 2 .6H 2 O), calcium hydroxide (Ca (OH) 2 ), cobalt oxide (CoO, Co 3 O 4 ), cobalt nitrate (Co (NO 3 ) 2 .6H 2 O ), Cobalt hydroxide (Co (OH) 2 ), cobalt chloride (CoCl 2 .6H 2 O), cobalt sulfate (Co (SO 4 ) · 7H 2 O), and the like. A metal compound in which a part of a metal element contained in these oxides, hydroxides, or metal salts is substituted with another metal element may be used.

上記の金属化合物のうち、Mn供給源であればMnO、Mn、Mn、Ni供給源であればNi(OH)、が好ましく、入手が容易であるとともに、比較的高純度のものが入手しやすい。 Among the above metal compounds, MnO 2 , Mn 2 O 3 and Mn 3 O 4 are preferable for the Mn supply source, and Ni (OH) 2 is preferable for the Ni supply source. High purity is easy to obtain.

また、金属含有原料は、加熱反応工程の前に金属含有原料合成工程を行い、少なくともマンガンイオンおよびニッケルイオンを含む水溶液をアルカリ性にして沈殿物(前駆体)として得るとよい。水溶液としては、水溶性の無機塩、具体的には金属元素の硝酸塩、硫酸塩、塩化物塩などを水に溶解し、アルカリ金属水酸化物、アンモニア水などで水溶液をアルカリ性にすると、前駆体は沈殿物として生成される。前駆体を用いた製造方法を採用することで、除去が困難な副生成物(NiO)の生成が抑制されるため好ましい。得られた沈殿物は、乾燥させた後そのまま金属含有原料として使用してもよい。あるいは、得られた沈殿物を酸素含有雰囲気中で熱処理し、沈殿物を金属水酸化物から金属酸化物にした後で金属含有原料として使用してもよい。   In addition, the metal-containing raw material may be obtained as a precipitate (precursor) by performing a metal-containing raw material synthesis step before the heating reaction step to make an aqueous solution containing at least manganese ions and nickel ions alkaline. As an aqueous solution, a water-soluble inorganic salt, specifically, a nitrate, sulfate, or chloride salt of a metal element is dissolved in water, and the aqueous solution is made alkaline with an alkali metal hydroxide, aqueous ammonia, etc. Is produced as a precipitate. Adopting a production method using a precursor is preferable because generation of by-products (NiO) that are difficult to remove is suppressed. The obtained precipitate may be used as it is as a metal-containing raw material after being dried. Alternatively, the obtained precipitate may be heat-treated in an oxygen-containing atmosphere so that the precipitate is converted from a metal hydroxide to a metal oxide and then used as a metal-containing raw material.

金属含有原料とリチウム水酸化物との配合割合は、金属含有原料に含まれる金属元素(NiおよびMn必要に応じてMe)に対するリチウム水酸化物に含まれるLiの原子比が、目的のリチウムマンガンニッケル系酸化物の金属元素(Li除く)に対するLiの化学量論比の1.0倍を超え1.1倍以下となるように調製する。より好ましくは、1.03倍以上1.1倍以下さらには1.05倍以上1.1倍以下である。したがって、本製造方法は、反応において存在するリチウム量において、後述する塩化リチウムを用いた溶融塩法とは異なる。   The compounding ratio of the metal-containing raw material and the lithium hydroxide is such that the atomic ratio of Li contained in the lithium hydroxide to the metal element (Ni and Mn as required Me) contained in the metal-containing raw material is the target lithium manganese It is prepared so as to be more than 1.0 times and less than 1.1 times the stoichiometric ratio of Li to the metal element (excluding Li) of the nickel-based oxide. More preferably, it is 1.03 times or more and 1.1 times or less, and further 1.05 times or more and 1.1 times or less. Therefore, this production method differs from the molten salt method using lithium chloride described later in the amount of lithium present in the reaction.

加熱反応工程は、調製された反応原料を900℃以上で加熱する工程である。リチウム水酸化物の分解温度が925℃であることから、加熱反応工程は、900℃以上さらには930℃以上1300℃以下で行われるとよい。加熱温度が低い場合には、粗大な多結晶粒子が形成されやすい。加熱温度を高くすることで、単結晶粒子が形成されやすくなるが、900℃未満では、一次粒子の平均粒径が1μm未満の微細な単結晶粒子しか得られない。   A heating reaction process is a process of heating the prepared reaction raw material at 900 degreeC or more. Since the decomposition temperature of lithium hydroxide is 925 ° C., the heating reaction step is preferably performed at 900 ° C. or higher, further 930 ° C. or higher and 1300 ° C. or lower. When the heating temperature is low, coarse polycrystalline particles are easily formed. By increasing the heating temperature, single crystal particles are likely to be formed, but if the temperature is less than 900 ° C., only fine single crystal particles having an average primary particle size of less than 1 μm can be obtained.

加熱反応工程(本焼成)に先立ち、予備的な焼成(仮焼成)を行ってもよい。つまり、予備的な焼成を行う第一加熱反応工程と、必須の焼成工程である第二加熱反応工程(すなわち前述の加熱反応工程)と、の二段階の焼成を行ってもよい。二段階の焼成のうち、前者は主にNiおよびMn等をLiと反応させて目的の組成の複合酸化物を合成する工程であり、後者は主に粒子を成長させて所望の粒子構造にする工程である。第一加熱反応工程は、調製された反応原料を450〜700℃さらには600〜700℃で加熱する工程であるのが望ましい。加熱時間に特に限定はないが、1〜24時間さらには5〜14時間が望ましい。第二加熱反応工程は、第一加熱反応工程後の粉末をさらに焼成する工程であって、900℃以上さらには930℃以上1300℃以下で行うのが好ましい。加熱時間に特に限定はないが、1〜24時間さらには5〜14時間が望ましい。なお、第一加熱反応工程を行わず、第二加熱反応工程のみ(すなわち前述の加熱反応工程のみ)を行う場合には、第二加熱反応工程においてNiおよびMn等とLiとの反応および結晶成長が順に進行する。   Prior to the heating reaction step (main baking), preliminary baking (temporary baking) may be performed. That is, two-stage baking, that is, a first heating reaction process for performing preliminary baking and a second heating reaction process (that is, the above-described heating reaction process) that is an essential baking process may be performed. Of the two-stage firing, the former is a process in which Ni, Mn, etc. are mainly reacted with Li to synthesize a composite oxide having a desired composition, and the latter is mainly used to grow particles to obtain a desired particle structure. It is a process. The first heating reaction step is desirably a step of heating the prepared reaction raw material at 450 to 700 ° C, further 600 to 700 ° C. The heating time is not particularly limited, but is preferably 1 to 24 hours, and more preferably 5 to 14 hours. The second heating reaction step is a step of further firing the powder after the first heating reaction step, and is preferably performed at 900 ° C. or higher, more preferably 930 ° C. or higher and 1300 ° C. or lower. The heating time is not particularly limited, but is preferably 1 to 24 hours, and more preferably 5 to 14 hours. In the case where only the second heating reaction step (that is, only the heating reaction step described above) is performed without performing the first heating reaction step, the reaction and crystal growth of Ni, Mn, etc. with Li in the second heating reaction step Proceed in order.

また、加熱反応工程を行う雰囲気に特に限定はなく、大気中で行えばよい。スピネル構造を有する化合物は、高温で酸素欠損組成となりやすい。そのため、加熱反応工程後の冷却(冷却工程)を大気中のような酸素含有雰囲気で行うことで、スピネル構造を有するリチウム含有複合酸化物粉末が単相で得られやすい。加熱反応工程および冷却における雰囲気中の酸素ガス濃度は、50体積%以下さらには15〜25体積%とするのがよい。   Moreover, there is no limitation in particular in the atmosphere which performs a heating reaction process, What is necessary is just to carry out in air | atmosphere. A compound having a spinel structure tends to have an oxygen deficient composition at high temperatures. Therefore, the lithium-containing composite oxide powder having a spinel structure is easily obtained in a single phase by performing cooling after the heating reaction step (cooling step) in an oxygen-containing atmosphere such as the air. The oxygen gas concentration in the atmosphere in the heating reaction step and cooling is preferably 50% by volume or less, more preferably 15 to 25% by volume.

加熱反応工程後の冷却速度に特に限定はないが、単結晶粒子を大きく成長させる観点から、反応温度から室温になるまで徐冷するのが望ましい。たとえば、加熱反応工程に用いた炉内で、室温になるまで炉冷するとよい。具体的には、100℃/時間以下、さらには50℃/時間以下の遅い冷却速度が望ましい。冷却速度の下限に特に限定はないが、たとえば10℃/時間未満の非常に遅い冷却速度では、生産効率がよくないため望ましくない。冷却の後、必要に応じて軽く粉砕などして、粉末状のリチウム含有複合酸化物粉末が得られる。   Although there is no particular limitation on the cooling rate after the heating reaction step, it is desirable to gradually cool from the reaction temperature to room temperature from the viewpoint of growing single crystal particles greatly. For example, the furnace may be cooled to room temperature in the furnace used for the heating reaction step. Specifically, a slow cooling rate of 100 ° C./hour or less, further 50 ° C./hour or less is desirable. The lower limit of the cooling rate is not particularly limited, but a very slow cooling rate of, for example, less than 10 ° C./hour is not desirable because production efficiency is not good. After cooling, the powdered lithium-containing composite oxide powder is obtained by lightly pulverizing as necessary.

また、リチウム含有複合酸化物粉末の合成後に、そのLiの一部を水素(H)に置換するプロトン置換工程を行ってもよい。プロトン置換工程では、合成後のリチウム含有複合酸化物を希釈した酸などの溶媒に接触させることで、Liの一部が容易にHに置換する。   Moreover, after synthesizing the lithium-containing composite oxide powder, a proton substitution step of substituting a part of Li with hydrogen (H) may be performed. In the proton substitution step, a part of Li is easily substituted with H by bringing the synthesized lithium-containing composite oxide into contact with a solvent such as diluted acid.

<塩化リチウムを用いたリチウム含有複合酸化物粉末の製造方法>
加熱反応工程において、反応原料は、さらに塩化リチウムを含んでもよい。この場合、反応原料は、上記の配合割合の金属含有原料およびリチウム水酸化物にさらに塩化リチウムを含むため、加熱反応工程では、リチウム水酸化物および塩化リチウムの溶融塩中で金属含有原料を反応させることになる。その結果、生成物の一次粒子の凝集が抑制される。これ以下、塩化リチウムを用いた本発明のリチウム含有複合酸化物粉末の製造方法を説明するが、既に説明した塩化リチウムを用いないリチウム含有複合酸化物粉末の製造方法と異なる点のみを説明する。特記しない事項は、既に説明した塩化リチウムを用いないリチウム含有複合酸化物粉末の製造方法と同様である。
<Method for producing lithium-containing composite oxide powder using lithium chloride>
In the heating reaction step, the reaction raw material may further contain lithium chloride. In this case, since the reaction raw material further contains lithium chloride in the metal-containing raw material and lithium hydroxide in the above blending ratio, in the heating reaction step, the metal-containing raw material is reacted in a molten salt of lithium hydroxide and lithium chloride. I will let you. As a result, the aggregation of the primary particles of the product is suppressed. Hereinafter, although the manufacturing method of the lithium containing complex oxide powder of this invention using lithium chloride is demonstrated, only a different point from the manufacturing method of the lithium containing complex oxide powder which does not use lithium chloride already demonstrated is demonstrated. Matters not specifically mentioned are the same as those described above for the method for producing a lithium-containing composite oxide powder that does not use lithium chloride.

反応原料に含まれる塩化リチウムの配合割合に特に限定はないが、金属含有原料に含まれる金属元素(NiおよびMn必要に応じてMe)に対する塩化リチウムに含まれるLiの原子比が、目的のリチウムマンガンニッケル系酸化物の金属元素(Li除く)に対するLiの化学量論比の5倍以上15倍以下さらには10倍以上15倍以下であるのが望ましい。5倍以上であれば、金属含有原料を分散させる溶融塩が十分に存在し、溶融塩中における生成物の凝集が抑制される。しかし、15倍を超えると、使用する溶融塩原料の量に対して生成物の量が少なくなるため、製造効率の面で望ましくない。   The mixing ratio of lithium chloride contained in the reaction raw material is not particularly limited, but the atomic ratio of Li contained in lithium chloride to the metal element (Ni and Mn as required Me) contained in the metal-containing raw material is the target lithium. It is desirable that the stoichiometric ratio of Li to the metal element (excluding Li) of the manganese nickel-based oxide is 5 to 15 times, further 10 to 15 times. If it is 5 times or more, there is sufficient molten salt for dispersing the metal-containing raw material, and the aggregation of the product in the molten salt is suppressed. However, if it exceeds 15 times, the amount of the product is less than the amount of the molten salt raw material to be used, which is not desirable in terms of production efficiency.

また、塩化リチウムを用いる場合には、溶融塩中で反応が進行する。そのため、金属含有原料、リチウム水酸化物および塩化リチウムは、粗大な粒子を含んでもよく、前述のような篩い分けの工程や、各原料を均一に混合する混合工程などを省略してもよい。   When lithium chloride is used, the reaction proceeds in the molten salt. Therefore, the metal-containing raw material, lithium hydroxide, and lithium chloride may contain coarse particles, and the sieving step as described above, the mixing step of uniformly mixing each raw material, and the like may be omitted.

塩化リチウムを用いる場合には、加熱反応工程に先立ち、少なくともリチウム水酸化物を乾燥させる乾燥工程を行うとよい。乾燥工程は、主に、水酸化リチウム一水和物を脱水することを目的とするが、無水水酸化リチウムを用いる場合であっても、金属含有原料に吸湿性の高い化合物を使用する場合には、有効である。加熱反応工程において水酸化リチウムを含む溶融塩中に存在する水は、非常にpHが高くなる。pHの高い水の存在下で加熱反応工程が行われると、その水が坩堝と接触することで、坩堝の種類によっては坩堝の成分が微量ではあるが溶融塩に溶出する可能性がある。乾燥工程では、原料混合物の水分が除去されるため、坩堝の成分の溶出抑制につながる。また、乾燥工程において原料混合物から水分を除去することで、単結晶育成工程において水が沸騰して溶融塩が飛散するのを防止できる。乾燥工程は、真空乾燥器を用いるのであれば、80〜150℃で2〜24時間真空乾燥するとよい。   In the case of using lithium chloride, a drying step of drying at least lithium hydroxide is preferably performed prior to the heating reaction step. The drying step is mainly intended to dehydrate lithium hydroxide monohydrate, but even when anhydrous lithium hydroxide is used, when a highly hygroscopic compound is used as the metal-containing raw material. Is valid. The water present in the molten salt containing lithium hydroxide in the heating reaction step has a very high pH. When the heating reaction step is performed in the presence of water having a high pH, the water may come into contact with the crucible, and depending on the type of the crucible, there is a possibility that the components of the crucible may elute into the molten salt although the amount is small. In the drying process, water in the raw material mixture is removed, which leads to suppression of elution of the crucible components. In addition, by removing moisture from the raw material mixture in the drying step, it is possible to prevent water from boiling and the molten salt from being scattered in the single crystal growing step. If a vacuum dryer is used for a drying process, it is good to vacuum-dry at 80-150 degreeC for 2 to 24 hours.

加熱反応工程は、調製された反応原料を900℃以上で加熱する工程である。塩化リチウムの融点が613℃であることから、900℃以上であれば塩化リチウムの溶融塩が得られる。加熱反応工程は、900℃以上さらには930℃以上1300℃以下で行われるとよい。900℃未満では、溶融した塩化リチウムによるニッケルの還元が発生することがあるため望ましくない。しかし、1300℃を越えると、塩化リチウムが蒸発して溶融塩の形態を取れなくなるため望ましくない。また、加熱反応工程における加熱時間に特に限定はないが、30分〜24時間さらには5〜14時間が望ましい。   A heating reaction process is a process of heating the prepared reaction raw material at 900 degreeC or more. Since the melting point of lithium chloride is 613 ° C., a molten salt of lithium chloride can be obtained at 900 ° C. or higher. The heating reaction step may be performed at 900 ° C. or higher, further 930 ° C. or higher and 1300 ° C. or lower. If it is less than 900 ° C., reduction of nickel by molten lithium chloride may occur, which is not desirable. However, when the temperature exceeds 1300 ° C., lithium chloride evaporates and cannot take a molten salt form. The heating time in the heating reaction step is not particularly limited, but is preferably 30 minutes to 24 hours, and more preferably 5 to 14 hours.

加熱反応工程後の冷却速度に特に限定はないが、単結晶粒子を大きく成長させる観点から、反応温度から室温になるまで徐冷するのが望ましい。たとえば、加熱反応工程に用いた炉内で炉冷するとよい。具体的には、100℃/時間以下、さらには50℃/時間以下の遅い冷却速度が望ましい。冷却速度の下限に特に限定はないが、たとえば10℃/時間未満の非常に遅い冷却速度では、生産効率がよくないため望ましくない。冷却工程後には、塩化リチウムの溶融塩は凝固するため、合成されたリチウム含有複合酸化物と溶融塩との混合物が固形物で得られる。   Although there is no particular limitation on the cooling rate after the heating reaction step, it is desirable to gradually cool from the reaction temperature to room temperature from the viewpoint of growing single crystal particles greatly. For example, the furnace may be cooled in the furnace used for the heating reaction step. Specifically, a slow cooling rate of 100 ° C./hour or less, further 50 ° C./hour or less is desirable. The lower limit of the cooling rate is not particularly limited, but a very slow cooling rate of, for example, less than 10 ° C./hour is not desirable because production efficiency is not good. After the cooling step, the molten salt of lithium chloride solidifies, so that a mixture of the synthesized lithium-containing composite oxide and the molten salt is obtained as a solid.

塩化リチウムを用いる場合には、生成された目的のリチウムマンガンニッケル系酸化物を冷却後の固形物から回収する回収工程が必要となる。具体的には、冷却工程により固化した溶融塩を極性プロトン性溶媒に溶解させて、固化した溶融塩から単結晶育成工程で生成されたリチウム含有複合酸化物を分離する分離回収工程であるとよい。極性プロトン性溶媒は、凝固した溶融塩(つまり塩化リチウム)を溶解することができるため本工程に採用される。極性プロトン性溶媒の具体例としては、イオン交換水などの純水、エタノールなどのアルコール類、等が挙げられ、これらのうちの一種を単独、二種以上を混合して使用してもよい。凝固した溶融塩は極性プロトン性溶媒に容易に溶解し、極性プロトン性溶媒に溶解しにくいリチウム含有複合酸化物は溶媒中に溶け残る。そのため、溶融塩とリチウム含有複合酸化物とは、容易に分離される。リチウム含有複合酸化物粉末の回収方法に特に限定はないが、溶液を遠心分離したり濾過したりして、回収可能である。回収後のリチウム含有複合酸化物を乾燥させてもよい。回収工程の後、必要に応じて軽く粉砕などして、粉末状のリチウム含有複合酸化物粉末が得られる。   In the case of using lithium chloride, a recovery step of recovering the produced target lithium manganese nickel-based oxide from the solid after cooling is necessary. Specifically, it may be a separation and recovery step in which the molten salt solidified in the cooling step is dissolved in a polar protic solvent, and the lithium-containing composite oxide produced in the single crystal growth step is separated from the solidified molten salt. . The polar protic solvent is employed in this step because it can dissolve the solidified molten salt (that is, lithium chloride). Specific examples of the polar protic solvent include pure water such as ion exchange water, alcohols such as ethanol, and the like. One of these may be used alone, or two or more may be used in combination. The solidified molten salt is easily dissolved in the polar protic solvent, and the lithium-containing composite oxide that is difficult to dissolve in the polar protic solvent remains undissolved in the solvent. Therefore, the molten salt and the lithium-containing composite oxide are easily separated. The method for recovering the lithium-containing composite oxide powder is not particularly limited, but it can be recovered by centrifuging or filtering the solution. The recovered lithium-containing composite oxide may be dried. After the collection step, the powdered lithium-containing composite oxide powder is obtained by lightly pulverizing as necessary.

<二次電池>
本発明のリチウム含有複合酸化物は、非水電解液二次電池のような二次電池、たとえばリチウムイオン二次電池用正極活物質として用いることができる。以下に、上記複合酸化物を含む正極活物質を用いた非水電解液二次電池を説明する。非水電解液二次電池は、主として、正極、負極および非水電解液を備える。また、一般の非水電解液二次電池と同様に、正極と負極の間に挟装されるセパレータを備える。
<Secondary battery>
The lithium-containing composite oxide of the present invention can be used as a positive electrode active material for a secondary battery such as a non-aqueous electrolyte secondary battery, for example, a lithium ion secondary battery. Hereinafter, a non-aqueous electrolyte secondary battery using a positive electrode active material containing the composite oxide will be described. The non-aqueous electrolyte secondary battery mainly includes a positive electrode, a negative electrode, and a non-aqueous electrolyte. Moreover, the separator pinched | interposed between a positive electrode and a negative electrode is provided similarly to a general nonaqueous electrolyte secondary battery.

正極は、リチウムイオンを挿入・脱離可能な正極活物質と、正極活物質を結着する結着剤と、を含む。さらに、導電助材を含んでもよい。正極活物質は、上記本発明の複合酸化物を単独、あるいは、本発明により得られる効果に悪影響のない範囲で、上記本発明の複合酸化物とともに一般の非水電解液二次電池に用いられる一種以上の他の正極活物質を含んでもよい。   The positive electrode includes a positive electrode active material capable of inserting / extracting lithium ions and a binder that binds the positive electrode active material. Further, a conductive aid may be included. The positive electrode active material is used for a general non-aqueous electrolyte secondary battery together with the composite oxide of the present invention, as long as the composite oxide of the present invention is used alone or without adversely affecting the effects obtained by the present invention. One or more other positive electrode active materials may be included.

また、結着剤および導電助材にも特に限定はなく、一般の非水電解液二次電池で使用可能なものであればよい。導電助材は、電極の電気伝導性を確保するためのものであり、たとえば、カーボンブラック、アセチレンブラック、黒鉛などの炭素物質粉状体の1種または2種以上を混合したものを用いることができる。結着剤は、正極活物質および導電助材を繋ぎ止める役割を果たすもので、たとえば、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、フッ素ゴム等の含フッ素樹脂、ポリプロピレン、ポリエチレン等の熱可塑性樹脂などを用いることができる。   Further, the binder and the conductive additive are not particularly limited as long as they can be used in a general non-aqueous electrolyte secondary battery. The conductive aid is for ensuring the electrical conductivity of the electrode, and for example, a mixture of one or more carbon material powders such as carbon black, acetylene black, and graphite may be used. it can. The binder plays a role of connecting the positive electrode active material and the conductive additive, and includes, for example, fluorine-containing resins such as polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, and fluororubber, and thermoplastic resins such as polypropylene and polyethylene. Can be used.

正極に対向させる負極は、負極活物質である金属リチウムをシート状にして、あるいはシート状にしたものをニッケル、ステンレス等の集電体網に圧着して形成することができる。金属リチウムのかわりに、リチウム合金またはリチウム化合物をも用いることができる。また、正極同様、リチウムイオンを吸蔵・脱離できる負極活物質と結着剤とからなる負極を使用してもよい。負極活物質としては、たとえば、天然黒鉛、人造黒鉛、フェノール樹脂等の有機化合物焼成体、コークス等の炭素物質の粉状体を用いることができる。結着剤としては、正極同様、含フッ素樹脂、熱可塑性樹脂などを用いることができる。   The negative electrode opposed to the positive electrode can be formed by forming a sheet of metal lithium, which is a negative electrode active material, or by pressing the sheet into a current collector network such as nickel or stainless steel. A lithium alloy or a lithium compound can also be used in place of metallic lithium. Moreover, you may use the negative electrode which consists of a negative electrode active material and binder which can occlude / desorb lithium ion like a positive electrode. Examples of the negative electrode active material that can be used include a fired organic compound such as natural graphite, artificial graphite, and phenol resin, and a powdery carbon material such as coke. As the binder, as in the positive electrode, a fluorine-containing resin, a thermoplastic resin, or the like can be used.

正極および負極は、少なくとも正極活物質または負極活物質が結着剤で結着されてなる活物質層が、集電体に付着してなるのが一般的である。そのため、正極および負極は、活物質および結着剤、必要に応じて導電助材を含む電極合材層形成用組成物を調製し、さらに適当な溶剤を加えてペースト状にしてから集電体の表面に塗布後、乾燥し、必要に応じて電極密度を高めるべく圧縮して形成することができる。   The positive electrode and the negative electrode generally have an active material layer formed by binding at least a positive electrode active material or a negative electrode active material with a binder attached to a current collector. Therefore, a positive electrode and a negative electrode are prepared by preparing an electrode mixture layer forming composition containing an active material, a binder, and, if necessary, a conductive additive, and further adding a suitable solvent to make a paste, After coating on the surface of the film, it can be dried and, if necessary, compressed to increase the electrode density.

集電体は、金属製のメッシュや金属箔を用いることができる。集電体としては、ステンレス鋼、チタン、ニッケル、アルミニウム、銅などの金属材料または導電性樹脂からなる多孔性または無孔の導電性基板が挙げられる。多孔性導電性基板としては、たとえば、メッシュ体、ネット体、パンチングシート、ラス体、多孔質体、発泡体、不織布などの繊維群成形体、などが挙げられる。無孔の導電性基板としては、たとえば、箔、シート、フィルムなどが挙げられる。電極合材層形成用組成物の塗布方法としては、ドクターブレード、バーコーターなどの従来から公知の方法を用いればよい。   A metal mesh or metal foil can be used for the current collector. Examples of the current collector include a porous or non-porous conductive substrate made of a metal material such as stainless steel, titanium, nickel, aluminum, or copper, or a conductive resin. Examples of the porous conductive substrate include a mesh body, a net body, a punching sheet, a lath body, a porous body, a foamed body, a fiber group molded body such as a nonwoven fabric, and the like. Examples of the non-porous conductive substrate include a foil, a sheet, and a film. As a method for applying the composition for forming an electrode mixture layer, a conventionally known method such as a doctor blade or a bar coater may be used.

粘度調整のための溶剤としては、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)、メタノール、メチルイソブチルケトン(MIBK)などが使用可能である。   As a solvent for adjusting the viscosity, N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), methanol, methyl isobutyl ketone (MIBK) and the like can be used.

非水電解液には、有機溶媒に電解質を溶解させた一般的な有機溶媒系電解液を用いればよい。本発明のリチウム含有複合酸化物粉末を正極活物質として使用することで、非水電解液二次電池に使用される一般的な電解液の分解が抑制される。   As the nonaqueous electrolytic solution, a general organic solvent-based electrolytic solution in which an electrolyte is dissolved in an organic solvent may be used. By using the lithium-containing composite oxide powder of the present invention as the positive electrode active material, decomposition of a general electrolytic solution used in a non-aqueous electrolyte secondary battery is suppressed.

一般に、有機溶媒は、負荷特性の点から鎖状エステルを含んでいることが好ましい。そのような鎖状エステルとしては、たとえば、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネートに代表される鎖状のカーボネートや、酢酸エチル、プロピロン酸メチルなどの有機溶媒が挙げられる。これらの鎖状エステルは、単独でもあるいは2種以上を混合して用いてもよく、特に、低温特性の改善のためには、上記鎖状エステルが全有機溶媒中の50体積%以上を占めることが好ましく、特に鎖状エステルが全有機溶媒中の65体積%以上を占めることが好ましい。   In general, the organic solvent preferably contains a chain ester from the viewpoint of load characteristics. Examples of such chain esters include chain carbonates typified by dimethyl carbonate, diethyl carbonate, and ethyl methyl carbonate, and organic solvents such as ethyl acetate and methyl propionate. These chain esters may be used alone or in admixture of two or more. Particularly, for improving low-temperature characteristics, the above-mentioned chain esters occupy 50% by volume or more in the total organic solvent. In particular, it is preferable that the chain ester occupies 65% by volume or more of the total organic solvent.

ただし、放電容量の向上をはかるために、上記鎖状エステルのみで構成するよりも、上記鎖状エステルに誘導率の高い(誘導率:30以上)エステルを混合した有機溶媒を用いることが好ましい。このようなエステルの具体例としては、たとえば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ビニレンカーボネートに代表される環状のカーボネートや、γ−ブチロラクトン、エチレングリコールサルファイトなどが挙げられ、特にエチレンカーボネート、プロピレンカーボネートなどの環状構造のエステルが好ましい。そのような誘電率の高いエステルは、放電容量の点から、全有機溶媒中10体積%以上、特に20体積%以上含有されることが好ましい。また、負荷特性の点からは、40体積%以下が好ましく、30体積%以下がより好ましい。   However, in order to improve the discharge capacity, it is preferable to use an organic solvent in which an ester having a high induction rate (induction rate: 30 or more) is mixed with the chain ester rather than the chain ester alone. Specific examples of such esters include, for example, cyclic carbonates represented by ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, vinylene carbonate, γ-butyrolactone, ethylene glycol sulfite, and the like. A cyclic ester such as carbonate is preferred. Such an ester having a high dielectric constant is preferably contained in an amount of 10% by volume or more, particularly 20% by volume or more in the total organic solvent from the viewpoint of discharge capacity. Moreover, from the point of load characteristics, 40 volume% or less is preferable and 30 volume% or less is more preferable.

上記のうち広く使用されているのは、エチレンカーボネートおよびエチルメチルカーボネートを含む電解液であって、本発明のリチウム含有複合酸化物粉末の使用は、このような電解液に対しても有効である。   Among the above, the electrolyte solution containing ethylene carbonate and ethyl methyl carbonate is widely used, and the use of the lithium-containing composite oxide powder of the present invention is also effective for such an electrolyte solution. .

有機溶媒に溶解させる電解質としては、たとえば、LiClO、LiPF、LiBF、LiAsF、LiSbF、LiCFSO、LiCSO、LiCFCO、Li(SO、LiN(CFSO、LiC(CFSO、LiC2n+1SO(n≧2)などが単独でまたは2種以上混合して用いられる。中でも、良好な充放電特性が得られるLiPFやLiCSOなどが好ましく用いられる。 As an electrolyte to be dissolved in an organic solvent, for example, LiClO 4, LiPF 6, LiBF 4, LiAsF 6, LiSbF 6, LiCF 3 SO 3, LiC 4 F 9 SO 3, LiCF 3 CO 2, Li 2 C 2 F 4 ( SO 3 ) 2 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , LiC (CF 3 SO 2 ) 3 , LiC n F 2n + 1 SO 3 (n ≧ 2) are used alone or in combination. Among these, LiPF 6 and LiC 4 F 9 SO 3 that can obtain good charge / discharge characteristics are preferably used.

電解液中における電解質の濃度は、特に限定されるものではないが、0.3〜1.7mol/dm、特に0.4〜1.5mol/dm程度が好ましい。 The concentration of the electrolyte in the electrolytic solution is not particularly limited, but is preferably about 0.3 to 1.7 mol / dm 3 , particularly about 0.4 to 1.5 mol / dm 3 .

また、電池の安全性や貯蔵特性を向上させるために、非水電解液に芳香族化合物を含有させてもよい。芳香族化合物としては、シクロヘキシルベンゼンやt−ブチルベンゼンなどのアルキル基を有するベンゼン類、ビフェニル、あるいはフルオロベンゼン類が好ましく用いられる。   Moreover, in order to improve the safety | security and storage characteristic of a battery, you may make an non-aqueous electrolyte contain an aromatic compound. As the aromatic compound, benzenes having an alkyl group such as cyclohexylbenzene or t-butylbenzene, biphenyl, or fluorobenzenes are preferably used.

セパレータとしては、強度が充分でしかも電解液を多く保持できるものがよく、そのような観点から、5〜50μmの厚さで、ポリプロピレン製、ポリエチレン製、プロピレンとエチレンとの共重合体などポリオレフィン製の微孔性フィルムや不織布などが好ましく用いられる。特に、5〜20μmと薄いセパレータを用いた場合には、充放電サイクルや高温貯蔵などにおいて電池の特性が劣化しやすく、安全性も低下するが、上記の複合酸化物を正極活物質として用いたリチウムイオン二次電池は安定性と安全性に優れているため、このような薄いセパレータを用いても安定して電池を機能させることができる。   As the separator, a separator having sufficient strength and capable of holding a large amount of electrolyte solution is preferable. From such a viewpoint, the separator is made of polyolefin such as polypropylene, polyethylene, a copolymer of propylene and ethylene, with a thickness of 5 to 50 μm. A microporous film or non-woven fabric is preferably used. In particular, when a thin separator of 5 to 20 μm is used, the characteristics of the battery are likely to deteriorate during charge / discharge cycles, high-temperature storage, and the like, and the safety is also lowered. However, the above composite oxide was used as the positive electrode active material. Since the lithium ion secondary battery is excellent in stability and safety, the battery can function stably even if such a thin separator is used.

以上の構成要素によって構成される非水電解液二次電池の形状は円筒型、積層型、コイン型等、種々のものとすることができる。いずれの形状を採る場合であっても、正極と負極との間にセパレータを挟装させ電極体とする。そして正極集電体および負極集電体から外部に通ずる正極端子および負極端子までの間を集電用リードなどで接続し、この電極体に上記電解液を含浸させ電池ケースに密閉し、非水電解液二次電池が完成する。   The shape of the non-aqueous electrolyte secondary battery constituted by the above components can be various, such as a cylindrical type, a laminated type, and a coin type. In any case, a separator is sandwiched between the positive electrode and the negative electrode to form an electrode body. Then, the positive electrode current collector and the negative electrode current collector are connected to the positive electrode terminal and the negative electrode terminal that communicate with the outside with a current collecting lead or the like, and the electrode body is impregnated with the electrolyte solution and sealed in the battery case. An electrolyte secondary battery is completed.

なお、本発明の二次電池の使用時における充電のカットオフ電圧は、金属リチウム基準(Li/Liを基準)で4.3V以上さらには4.8V以上に設定するのが望ましい。本発明のリチウム含有複合酸化物粉末を使用することで、従来4.3V以上の充放電で生じやすい電解液の分解が抑制される。特に、本発明のリチウム含有複合酸化物粉末は、4.8V付近で効率よく充放電を行うため、充電のカットオフ電圧を4.8〜5.0Vの範囲で設定するのが好ましい。 In addition, it is desirable that the cut-off voltage for charging when the secondary battery of the present invention is used is set to 4.3 V or higher, more preferably 4.8 V or higher on the basis of metallic lithium (based on Li / Li + ). By using the lithium-containing composite oxide powder of the present invention, it is possible to suppress the decomposition of the electrolytic solution that is likely to occur with charge / discharge of 4.3 V or higher. In particular, since the lithium-containing composite oxide powder of the present invention efficiently charges and discharges at around 4.8 V, it is preferable to set the charge cut-off voltage in the range of 4.8 to 5.0 V.

以上説明した本発明のリチウム含有複合酸化物粉末を用いた二次電池は、携帯電話、パソコン等の通信機器、情報関連機器の分野の他、自動車の分野においても好適に利用できる。たとえば、この二次電池を車両に搭載すれば、二次電池を電気自動車用の電源として使用できる。   The secondary battery using the lithium-containing composite oxide powder of the present invention described above can be suitably used not only in the field of communication devices such as mobile phones and personal computers, and information-related devices but also in the field of automobiles. For example, if this secondary battery is mounted on a vehicle, the secondary battery can be used as a power source for an electric vehicle.

以上、本発明のリチウム含有複合酸化物およびその製造方法、さらには二次電池の実施形態を説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。本発明の要旨を逸脱しない範囲において、当業者が行い得る変更、改良等を施した種々の形態にて実施することができる。   As mentioned above, although embodiment of the lithium containing complex oxide of this invention, its manufacturing method, and a secondary battery was described, this invention is not limited to the said embodiment. The present invention can be implemented in various forms without departing from the gist of the present invention, with modifications and improvements that can be made by those skilled in the art.

以下に、本発明のリチウム含有複合酸化物およびその製造方法の実施例を挙げて、本発明を具体的に説明する。   Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to examples of the lithium-containing composite oxide and the method for producing the same.

<実施例1:LiNi0.5Mn1.5の高温合成>
0.67molの無水水酸化リチウム(LiOH、25.6g)と、金属化合物原料として前駆体(100g)と、を混合して原料混合物を調製した。以下に、前駆体の合成手順を説明する。
<Example 1: High-temperature synthesis of LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 >
A raw material mixture was prepared by mixing 0.67 mol of anhydrous lithium hydroxide (LiOH, 25.6 g) and a precursor (100 g) as a metal compound raw material. Below, the synthesis | combining procedure of a precursor is demonstrated.

0.30molのMn(NO・6HO(86.1g)と、0.10molのNi(NO・6HO(29.0g)と、を500mLの蒸留水に溶解させて金属塩含有水溶液を作製した。この水溶液を氷浴中でスターラーを用いて撹拌しながら、50g(1.2mol)のLiOH・HOを300mLの蒸留水に溶解させたものを2時間かけて滴下して水溶液をアルカリ性とし、金属水酸化物の沈殿を析出させた。この沈殿溶液を5℃に保持したまま酸素雰囲気下で1日熟成を行った。得られた沈殿物を濾過、蒸留水を用いて洗浄することによりNiおよびMnをMn:Ni=3:1で含む金属水酸化物を得た。この金属水酸化物を500℃で2時間焼成して、金属酸化物からなる前駆体を得た。 0.30 mol of Mn (NO 3 ) 2 .6H 2 O (86.1 g) and 0.10 mol of Ni (NO 3 ) 2 .6H 2 O (29.0 g) were dissolved in 500 mL of distilled water. Thus, an aqueous solution containing a metal salt was prepared. While stirring this aqueous solution with a stirrer in an ice bath, a solution obtained by dissolving 50 g (1.2 mol) of LiOH.H 2 O in 300 mL of distilled water was dropped over 2 hours to make the aqueous solution alkaline. A metal hydroxide precipitate was deposited. The precipitation solution was aged for one day in an oxygen atmosphere while being kept at 5 ° C. The resulting precipitate was filtered and washed with distilled water to obtain a metal hydroxide containing Ni and Mn at Mn: Ni = 3: 1. This metal hydroxide was calcined at 500 ° C. for 2 hours to obtain a precursor made of a metal oxide.

なお、得られた前駆体は、XRD測定および発光分光分析(ICP)により、MnおよびNiOの混合相からなることが確認された。そのため、この前駆体100gのNiおよびMnの合計の含有量は1.28molである。したがって、原料混合物に含まれるLi、MnおよびNiのモル比は、Li:(Ni+Mn)=1.05:2となり、このLi量は、目的のLiNi0.5Mn1.5のNiおよびMnに対するLiの化学量論比(Li:(Ni+Mn)=1:2)の1.05倍であった。 The obtained precursor was confirmed to be composed of a mixed phase of Mn 3 O 4 and NiO by XRD measurement and emission spectroscopic analysis (ICP). Therefore, the total content of Ni and Mn in 100 g of this precursor is 1.28 mol. Therefore, the molar ratio of Li, Mn and Ni contained in the raw material mixture is Li: (Ni + Mn) = 1.05: 2, and the amount of Li is determined by the target LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 Ni and It was 1.05 times the stoichiometric ratio of Li to Mn (Li: (Ni + Mn) = 1: 2).

なお、LiNi0.5Mn1.5は、組成式、Li1+x(Ni0.5Mn1.51−x−yMe(0≦x≦0.5、0≦y≦0.5、(x+y)<1、MeはAl、Mg、CaおよびCoのうちの一種以上)において、x=0、y=0の場合に相当する。 Note that LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 is a composition formula, Li 1 + x (Ni 0.5 Mn 1.5 ) 1-xy Me y O 4 (0 ≦ x ≦ 0.5, 0 ≦ y ≦ 0.5, (x + y) <1, Me is one or more of Al, Mg, Ca and Co), and corresponds to the case of x = 0 and y = 0.

上記の手順で得られた原料混合物をアルミナ製坩堝に入れて、600℃に加熱したマッフル炉内で大気中6時間加熱し、仮焼成を行った。その後、マッフル炉内で室温まで徐冷した。冷却後の粉末は、乳鉢と乳棒を用いて粉砕した。   The raw material mixture obtained by the above procedure was placed in an alumina crucible and heated in the atmosphere for 6 hours in a muffle furnace heated to 600 ° C. to perform preliminary firing. Thereafter, it was gradually cooled to room temperature in a muffle furnace. The cooled powder was pulverized using a mortar and pestle.

次いで、仮焼成後の粉末を、1000℃に加熱したマッフル炉内で大気中6時間加熱し、本焼成を行った。その後、マッフル炉内で室温まで徐冷した。全体が室温(25℃)となるまでに24時間要したため、冷却速度は40℃/時間であった。冷却後の粉末は、乳鉢と乳棒を用いて粉砕した。   Next, the powder after the pre-baking was heated in the atmosphere for 6 hours in a muffle furnace heated to 1000 ° C. to perform main baking. Thereafter, it was gradually cooled to room temperature in a muffle furnace. Since it took 24 hours for the whole to reach room temperature (25 ° C.), the cooling rate was 40 ° C./hour. The cooled powder was pulverized using a mortar and pestle.

得られた粉末について、発光分光分析(ICP)および酸化還元滴定によるMnの平均価数分析をおこなった。その結果、組成はLiNi0.5Mn1.5であると確認された。また、得られた粉末についてCuKα線を用いたX線回折(XRD)測定を行った。XRDによれば、得られた化合物はスピネル構造であることがわかった。 The obtained powder was subjected to emission spectroscopic analysis (ICP) and average valence analysis of Mn by oxidation-reduction titration. As a result, the composition was confirmed to be LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 . Further, X-ray diffraction (XRD) measurement using CuKα rays was performed on the obtained powder. According to XRD, the obtained compound was found to have a spinel structure.

なお、Mnの価数評価は、次のように行った。0.05gの試料を三角フラスコに取り、シュウ酸ナトリウム水溶液(1%)40mLを正確に加え、さらにHSOを50mL加えて窒素ガス雰囲気中90℃水浴中で試料を溶解した。この溶液に、過マンガン酸カリウム水溶液(0.1N)を滴定し、微紅色にかわる終点(滴定量:V1)まで行った。別のフラスコに、シュウ酸ナトリウム水溶液(1%)20mLを正確に取り、上記と同様に過マンガン酸カリウム水溶液(0.1N)を終点まで滴定した(滴定量:V2)。V1およびV2から下記の式により、高価数のMnがMn2+に還元された時のシュウ酸の消費量を酸素量(活性酸素量)として算出した。
活性酸素量(%)={(2×V2−V1)×0.00080/試料量}×100
上記の式において、V1およびV2の単位はmL、試料量の単位はgである。そして、試料中のMn量(ICP測定値)と活性酸素量からMnの平均価数を算出した。
In addition, the valence evaluation of Mn was performed as follows. A sample of 0.05 g was placed in an Erlenmeyer flask, 40 mL of an aqueous sodium oxalate solution (1%) was accurately added, and 50 mL of H 2 SO 4 was further added to dissolve the sample in a 90 ° C. water bath in a nitrogen gas atmosphere. To this solution, an aqueous potassium permanganate solution (0.1 N) was titrated, and the reaction was performed until the end point (titer: V1) instead of a slight red color. In another flask, 20 mL of an aqueous sodium oxalate solution (1%) was accurately taken, and an aqueous potassium permanganate solution (0.1 N) was titrated to the end point in the same manner as described above (titration: V2). The consumption amount of oxalic acid when an expensive number of Mn was reduced to Mn 2+ was calculated as an oxygen amount (active oxygen amount) from V1 and V2 by the following formula.
Active oxygen amount (%) = {(2 × V2−V1) × 0.00080 / sample amount} × 100
In the above formula, the unit of V1 and V2 is mL, and the unit of the sample amount is g. And the average valence of Mn was computed from the amount of Mn in a sample (ICP measured value) and the amount of active oxygen.

<比較例1−1:固相法によるLiNi0.5Mn1.5の低温合成I>
実施例1で調製した原料混合物を用い、LiNi0.5Mn1.5を低温で合成した。
<Comparative Example 1-1: Low-temperature synthesis of LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 by solid phase method I>
Using the raw material mixture prepared in Example 1, LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 was synthesized at a low temperature.

上記の手順で得られた原料混合物をアルミナ製坩堝に入れて、700℃に加熱したマッフル炉内で大気中12時間加熱し、仮焼成を行った。その後、マッフル炉内で室温まで徐冷した。冷却後の粉末は、乳鉢と乳棒を用いて粉砕した。   The raw material mixture obtained by the above procedure was put into an alumina crucible and heated in the atmosphere for 12 hours in a muffle furnace heated to 700 ° C. to perform preliminary firing. Thereafter, it was gradually cooled to room temperature in a muffle furnace. The cooled powder was pulverized using a mortar and pestle.

次いで、仮焼成後の粉末を、800℃に加熱したマッフル炉内で大気中6時間加熱し、本焼成を行った。その後、マッフル炉内で室温まで徐冷した。全体が室温(25℃)となるまでに24時間要したため、冷却速度は32℃/時間であった。冷却後の粉末は、乳鉢と乳棒を用いて粉砕した。   Next, the powder after the preliminary firing was heated in the atmosphere for 6 hours in a muffle furnace heated to 800 ° C. to perform the main firing. Thereafter, it was gradually cooled to room temperature in a muffle furnace. Since it took 24 hours for the whole to reach room temperature (25 ° C.), the cooling rate was 32 ° C./hour. The cooled powder was pulverized using a mortar and pestle.

得られた粉末について、ICPおよび酸化還元滴定によるMnの平均価数分析をおこなった。その結果、組成はLiNi0.5Mn1.5であると確認された。また、得られた粉末についてCuKα線を用いたXRD測定を行った。XRDによれば、得られた化合物はスピネル構造であることがわかった。 The obtained powder was subjected to an average valence analysis of Mn by ICP and oxidation-reduction titration. As a result, the composition was confirmed to be LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 . Further, XRD measurement using CuKα rays was performed on the obtained powder. According to XRD, the obtained compound was found to have a spinel structure.

<比較例1−2:固相法によるLiNi0.5Mn1.5の低温合成II>
実施例1で調製した原料混合物を用い、LiNi0.5Mn1.5を低温で合成した。
<Comparative Example 1-2: Low-temperature synthesis of LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 by solid phase method II>
Using the raw material mixture prepared in Example 1, LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 was synthesized at a low temperature.

上記の手順で得られた原料混合物をアルミナ製坩堝に入れて、700℃に加熱したマッフル炉内で大気中6時間加熱し、仮焼成を行った。その後、マッフル炉内で室温まで徐冷した。冷却後の粉末は、乳鉢と乳棒を用いて粉砕した。   The raw material mixture obtained by the above procedure was put in an alumina crucible and heated in the atmosphere for 6 hours in a muffle furnace heated to 700 ° C. to perform preliminary firing. Thereafter, it was gradually cooled to room temperature in a muffle furnace. The cooled powder was pulverized using a mortar and pestle.

次いで、仮焼成後の粉末を、650℃に加熱したマッフル炉内で大気中12時間加熱し、本焼成を行った。その後、マッフル炉内で室温まで徐冷した。全体が室温(25℃)となるまでに24時間要したため、冷却速度は26℃/時間であった。冷却後の粉末は、乳鉢と乳棒を用いて粉砕した。   Next, the powder after the preliminary firing was heated in the atmosphere for 12 hours in a muffle furnace heated to 650 ° C. to perform the main firing. Thereafter, it was gradually cooled to room temperature in a muffle furnace. Since it took 24 hours for the whole to reach room temperature (25 ° C.), the cooling rate was 26 ° C./hour. The cooled powder was pulverized using a mortar and pestle.

得られた粉末について、ICPおよび酸化還元滴定によるMnの平均価数分析をおこなった。その結果、組成はLiNi0.5Mn1.5であると確認された。また、得られた粉末についてCuKα線を用いたXRD測定を行った。XRDによれば、得られた化合物はスピネル構造であることがわかった。 The obtained powder was subjected to an average valence analysis of Mn by ICP and oxidation-reduction titration. As a result, the composition was confirmed to be LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 . Further, XRD measurement using CuKα rays was performed on the obtained powder. According to XRD, the obtained compound was found to have a spinel structure.

<実施例2:LiClを用いた溶融塩法によるLiNi0.5Mn1.5の合成>
0.67molの無水水酸化リチウム(LiOH、25.6g)と、金属化合物原料として前駆体(100g)と、を混合して原料混合物を調製した。前駆体は、実施例1と同じ前駆体を用いた。したがって、原料混合物に含まれるLi、MnおよびNiのモル比は、Li:(Ni+Mn)=1.05:2となり、このLi量は、目的のLiNi0.5Mn1.5のNiおよびMnに対するLiの化学量論比(Li:(Ni+Mn)=1:2)の1.05倍であった。
<Example 2: Synthesis of LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 by the molten salt method using LiCl>
A raw material mixture was prepared by mixing 0.67 mol of anhydrous lithium hydroxide (LiOH, 25.6 g) and a precursor (100 g) as a metal compound raw material. The same precursor as in Example 1 was used as the precursor. Therefore, the molar ratio of Li, Mn and Ni contained in the raw material mixture is Li: (Ni + Mn) = 1.05: 2, and the amount of Li is determined by the target LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 Ni and It was 1.05 times the stoichiometric ratio of Li to Mn (Li: (Ni + Mn) = 1: 2).

上記の原料混合物に、5.73molの塩化リチウム(LiCl、242.95g)を添加した。LiClに含まれるLiと原料混合物に含まれるMnおよびNiのモル比は、Li:(Ni+Mn)=5:1となり、このLi量は、目的のLiNi0.5Mn1.5のNiおよびMnに対するLiの化学量論比(Li:(Ni+Mn)=1:2)の10倍であった。 To the above raw material mixture, 5.73 mol of lithium chloride (LiCl, 242.95 g) was added. The molar ratio of Li contained in LiCl and Mn and Ni contained in the raw material mixture is Li: (Ni + Mn) = 5: 1. The amount of Li is determined by the target LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 Ni and It was 10 times the stoichiometric ratio of Li to Mn (Li: (Ni + Mn) = 1: 2).

このLiCl含有原料混合物をアルミナ製坩堝に入れて、真空乾燥容器にて120℃で12時間真空乾燥した。その後、乾燥機を大気圧に戻し、原料混合物の入った坩堝を取り出し、直ちに900℃のマッフル炉に移し、900℃の大気中で3時間加熱した。このとき、坩堝の中の原料混合物は融解して溶融塩となり、黒色の生成物が沈殿していた。   This LiCl-containing raw material mixture was put in an alumina crucible and vacuum-dried at 120 ° C. for 12 hours in a vacuum drying container. Thereafter, the dryer was returned to atmospheric pressure, the crucible containing the raw material mixture was taken out, immediately transferred to a 900 ° C. muffle furnace, and heated in the atmosphere at 900 ° C. for 3 hours. At this time, the raw material mixture in the crucible melted into a molten salt, and a black product was precipitated.

その後、炉内で溶融塩の入った坩堝を室温まで冷却し、坩堝を電気炉から取り出した。溶融塩が固化して室温(25℃)となるまでに24時間要したため、冷却速度は36℃/時間であった。溶融塩が十分に冷却されて固体化した後、坩堝ごと200mLのイオン交換水に浸し、攪拌することで、固体化した溶融塩を水に溶解した。生成物は水に不溶性であるため、水は黒色の懸濁液となった。黒色の懸濁液を濾過すると、透明な濾液と、濾紙上に黒色固体の濾物と、が得られた。   Thereafter, the crucible containing the molten salt was cooled to room temperature in the furnace, and the crucible was taken out from the electric furnace. Since it took 24 hours for the molten salt to solidify to room temperature (25 ° C.), the cooling rate was 36 ° C./hour. After the molten salt was sufficiently cooled and solidified, the crucible was immersed in 200 mL of ion exchange water and stirred to dissolve the solidified molten salt in water. Since the product was insoluble in water, the water became a black suspension. Filtration of the black suspension yielded a clear filtrate and a black solid residue on the filter paper.

得られた濾物をさらにアセトンを用いて十分に洗浄しながら濾過した。洗浄後の黒色固体を120℃の恒温槽で12時間以上保持した後、乳鉢と乳棒を用いて粉砕し、黒色粉末を得た。   The obtained filtrate was further filtered while thoroughly washing with acetone. The washed black solid was held in a constant temperature bath at 120 ° C. for 12 hours or more and then pulverized using a mortar and pestle to obtain a black powder.

得られた粉末について、ICPおよび酸化還元滴定によるMnの平均価数分析をおこなった。その結果、組成はLiNi0.5Mn1.5であると確認された。また、得られた粉末についてCuKα線を用いXRD測定を行った。XRDによれば、得られた化合物はスピネル構造であることがわかった。 The obtained powder was subjected to an average valence analysis of Mn by ICP and oxidation-reduction titration. As a result, the composition was confirmed to be LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 . Further, XRD measurement was performed on the obtained powder using CuKα rays. According to XRD, the obtained compound was found to have a spinel structure.

<比較例2:NaClを用いた溶融塩法によるLiNi0.5Mn1.5の合成>
塩化リチウムを用いず塩化ナトリウムを用い、合成温度を変更した他は実施例2と同様にして、LiNi0.5Mn1.5を合成した。
<Comparative Example 2: Synthesis of LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 by the molten salt method using NaCl>
LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 was synthesized in the same manner as in Example 2 except that sodium chloride was used without using lithium chloride and the synthesis temperature was changed.

具体的には、0.67molの無水水酸化リチウム(LiOH、25.6g)と、金属化合物原料として前駆体(100g)と、を混合して原料混合物を調製し、さらに、5.73molの塩化ナトリウム(NaCl、335g)を添加した。このNaCl含有原料混合物をアルミナ製坩堝に入れて、1000℃で12時間加熱した。その他の手順は、実施例2と同様とした。   Specifically, a raw material mixture is prepared by mixing 0.67 mol of anhydrous lithium hydroxide (LiOH, 25.6 g) and a precursor (100 g) as a metal compound raw material, and further, 5.73 mol of chloride. Sodium (NaCl, 335 g) was added. This NaCl-containing raw material mixture was put in an alumina crucible and heated at 1000 ° C. for 12 hours. Other procedures were the same as in Example 2.

得られた粉末について、ICPおよび酸化還元滴定によるMnの平均価数分析をおこなった。その結果、組成はLiNi0.5Mn1.5であると確認された。また、得られた粉末についてCuKα線を用いたXRD測定を行った。XRDによれば、得られた化合物はスピネル構造であることがわかった。 The obtained powder was subjected to an average valence analysis of Mn by ICP and oxidation-reduction titration. As a result, the composition was confirmed to be LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 . Further, XRD measurement using CuKα rays was performed on the obtained powder. According to XRD, the obtained compound was found to have a spinel structure.

<粒子の観察>
上記の手順で合成された実施例および比較例のリチウム含有複合酸化物粉末を、走査電子顕微鏡(SEM)を用いて観察した。各リチウム含有複合酸化物粉末の観察結果を、図1〜図5にそれぞれ示した。
<Observation of particles>
The lithium-containing composite oxide powders of Examples and Comparative Examples synthesized by the above procedure were observed using a scanning electron microscope (SEM). The observation results of each lithium-containing composite oxide powder are shown in FIGS.

実施例1(図1)、比較例1−1(図2)、実施例2(図4)および比較例2(図5)では、単結晶粒子に特徴的な面や稜が見られることから、単結晶性の一次粒子を含むことが分かった。また、SEM観察(ただし比較例1−2はTEM観察)により得られた複数の粒子の画像から、粒子の最大径を測定し、平均一次粒径を算出した。結果は次の通りであった。
実施例1 : 8μm
比較例1−1:950nm
比較例1−2: 80nm(ただし二次粒子は多結晶粒子)
実施例2 :1.3μm
比較例2 :620nm
In Example 1 (FIG. 1), Comparative Example 1-1 (FIG. 2), Example 2 (FIG. 4), and Comparative Example 2 (FIG. 5), characteristic faces and ridges are seen in the single crystal particles. It was found to contain single crystalline primary particles. Moreover, the maximum primary particle diameter was measured from the image of a plurality of particles obtained by SEM observation (in Comparative Example 1-2, TEM observation), and the average primary particle diameter was calculated. The results were as follows.
Example 1: 8 μm
Comparative Example 1-1: 950 nm
Comparative Example 1-2: 80 nm (secondary particles are polycrystalline particles)
Example 2: 1.3 μm
Comparative Example 2: 620 nm

<比表面積の測定>
低温低湿物理吸着によるBET法(吸着質:窒素)を用い、各実施例のリチウム含有複合酸化物粉末の比表面積を測定した。結果は次の通りであった。
実施例1 : 0.61m/g
比較例1−1: 1.28m/g
比較例1−2: 3.23m/g
実施例2 : 0.79m/g
比較例2 : 1.59m/g
<Measurement of specific surface area>
Using the BET method (adsorbate: nitrogen) by low temperature and low humidity physical adsorption, the specific surface area of the lithium-containing composite oxide powder of each example was measured. The results were as follows.
Example 1: 0.61 m 2 / g
Comparative Example 1-1: 1.28 m 2 / g
Comparative Example 1-2: 3.23 m 2 / g
Example 2: 0.79 m 2 / g
Comparative Example 2: 1.59 m 2 / g

<電子線回折>
実施例1および2のリチウム含有複合酸化物粉末を、透過型電子顕微鏡(TEM)で観察し、加速電圧200kVの条件下の制限視野電子線回折を行い、単結晶の同定および評価を行った。一つの粒子全体を制限視野に入れた制限視野電子線回折パターンは、いずれの粒子を観察しても、単結晶の特徴を示す規則的な回折点が観察された。また、一つの粒子における同一の面内の異なる位置から得られる回折パターンは、互いに同一の面指数を示す回折点として観察された。したがって、一次粒子は結晶粒界のない単結晶粒子であることがわかった。
<Electron diffraction>
The lithium-containing composite oxide powders of Examples 1 and 2 were observed with a transmission electron microscope (TEM), subjected to limited field electron diffraction under conditions of an acceleration voltage of 200 kV, and single crystals were identified and evaluated. In the limited-field electron diffraction pattern in which one entire particle was placed in the limited field, regular diffraction points indicating the characteristics of single crystals were observed regardless of which particle was observed. In addition, diffraction patterns obtained from different positions in the same plane in one particle were observed as diffraction spots having the same plane index. Therefore, it was found that the primary particles are single crystal particles having no grain boundaries.

一方、比較例1−2について同様のTEM観察を行うと、一つの粒子全体を制限視野に入れた制限視野電子線回折パターンは、多結晶の特徴を示す不規則な回折パターンであった。したがって、比較例1−2は、多結晶粒子の単粒子からなることがわかった。   On the other hand, when the same TEM observation was performed with respect to Comparative Example 1-2, the limited-field electron diffraction pattern in which one entire particle was placed in the limited field was an irregular diffraction pattern showing the characteristics of polycrystal. Therefore, it was found that Comparative Example 1-2 was composed of single particles of polycrystalline particles.

<充放電試験>
上記の手順で合成された実施例1、比較例1−1および1−2のリチウム含有複合酸化物粉末を、それぞれ正極活物質として用い、三種類の二次電池を作製した。
<Charge / discharge test>
Three types of secondary batteries were produced using the lithium-containing composite oxide powders of Example 1, Comparative Examples 1-1 and 1-2 synthesized by the above procedure as positive electrode active materials, respectively.

いずれかの複合酸化物、導電助剤としてのアセチレンブラック、結着材としてのポリテトラフルオロエチレン(PTFE)を質量比で50:40:10の割合で混合した。次いで、この混合物を集電体であるアルミニウムメッシュに圧着した。その後、120℃で12時間以上真空乾燥し、電極(正極:φ12mm)とした。正極に対向させる負極は、金属リチウム(φ14mm、厚さ30μm)とした。   Any of the composite oxides, acetylene black as a conductive additive, and polytetrafluoroethylene (PTFE) as a binder were mixed at a mass ratio of 50:40:10. Subsequently, this mixture was crimped | bonded to the aluminum mesh which is a collector. Then, it vacuum-dried at 120 degreeC for 12 hours or more, and was set as the electrode (positive electrode: (phi) 12mm). The negative electrode facing the positive electrode was metallic lithium (φ14 mm, thickness 30 μm).

正極および負極の間にセパレータとして厚さ20μmの微孔性ポリエチレンフィルムを挟装して電極体電池とした。この電極体電池を電池ケース(宝泉株式会社製CR2032コインセル)に収容した。また、電池ケースには、エチレンカーボネートとエチルメチルカーボネートとを体積比1:2で混合した混合溶媒にLiPFを1.0mol/Lの濃度で溶解した非水電解液を注入して、リチウムイオン二次電池を得た。 A microporous polyethylene film having a thickness of 20 μm was sandwiched between the positive electrode and the negative electrode as a separator to obtain an electrode body battery. This electrode body battery was accommodated in a battery case (CR2032 coin cell manufactured by Hosen Co., Ltd.). In addition, a non-aqueous electrolyte solution in which LiPF 6 is dissolved at a concentration of 1.0 mol / L is injected into a mixed solvent in which ethylene carbonate and ethyl methyl carbonate are mixed at a volume ratio of 1: 2 into the battery case, and lithium ions are added. A secondary battery was obtained.

作製した二次電池を用いて室温(25℃)において充放電試験を行った。充電は0.2Cのレートで5.0Vまで定電流充電を行い、その後0.02Cの電流値まで一定電圧で充電を行った。放電は、3.5Vまで0.2Cのレートで行った。それぞれの二次電池の5サイクル目の充放電カーブを図6に示した。また、初回から50サイクル目までの放電容量の変化を図7に示した。   A charge / discharge test was conducted at room temperature (25 ° C.) using the produced secondary battery. Charging was performed at a constant current of up to 5.0 V at a rate of 0.2 C, and then charged at a constant voltage up to a current value of 0.02 C. The discharge was performed at a rate of 0.2 C up to 3.5V. The charge / discharge curve at the fifth cycle of each secondary battery is shown in FIG. Moreover, the change of the discharge capacity from the first to the 50th cycle is shown in FIG.

<評価結果>
図1〜図3は、本焼成の温度が異なるLiNi0.5Mn1.5粉末のSEM像である。本焼成の温度は、図1(実施例1)が1000℃、図2(比較例1−1)が800℃、図3(比較例1−2)が650℃であった。非常に低温で本焼成を行った比較例1−2では、粗大な粒子を含む粉末が合成されたが、この粒子は、非常に微細な単結晶粒子から構成される多結晶の二次粒子であった。比較例1−2よりも高い温度で本焼成を行った比較例1−1では、微細な単結晶一次粒子が複数集まって二次粒子を形成した。この二次粒子が、単結晶の凝集体であるか単結晶が焼結結合した粗大粒子であるかの判別は困難であるが、二次粒子を構成する一次粒子の平均粒径は1μm未満の微細な粒子であった。さらに高い温度で本焼成を行った実施例1では、1.2〜9.5μm程度の粒径の単結晶一次粒子からなる粉末が得られた。
<Evaluation results>
1 to 3 are SEM images of LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 powders having different temperatures for main firing. The firing temperature was 1000 ° C. in FIG. 1 (Example 1), 800 ° C. in FIG. 2 (Comparative Example 1-1), and 650 ° C. in FIG. 3 (Comparative Example 1-2). In Comparative Example 1-2, in which the main firing was performed at a very low temperature, a powder containing coarse particles was synthesized. This particle is a polycrystalline secondary particle composed of very fine single crystal particles. there were. In Comparative Example 1-1 in which the main baking was performed at a temperature higher than that of Comparative Example 1-2, a plurality of fine single crystal primary particles gathered to form secondary particles. It is difficult to determine whether the secondary particles are aggregates of single crystals or coarse particles in which the single crystals are sinter-bonded, but the average particle size of the primary particles constituting the secondary particles is less than 1 μm. It was fine particles. In Example 1 where the main calcination was performed at a higher temperature, a powder composed of single crystal primary particles having a particle size of about 1.2 to 9.5 μm was obtained.

また、図6より、実施例1、比較例1−1および1−2で得られたLiNi0.5Mn1.5粉末を正極活物質として用いた二次電池は、いずれもLi基準で4.8V付近で効率よく充放電が行われることが確認できた。しかし、SEMにより観察された粒子構造の違いから、放電容量とその安定性に差が生じることが分かった。 In addition, as shown in FIG. 6, the secondary batteries using the LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 powders obtained in Example 1 and Comparative Examples 1-1 and 1-2 as positive electrode active materials are all based on Li. Thus, it was confirmed that charging / discharging was efficiently performed at around 4.8V. However, it was found that there was a difference in discharge capacity and its stability due to the difference in particle structure observed by SEM.

図6および図7から、比較例1−1および1−2で得られたLiNi0.5Mn1.5粉末を用いた二次電池の2〜7サイクル目あたりの放電容量に、大きな差はなかった。しかし、サイクル特性は、比較例1−1で得られたLiNi0.5Mn1.5粉末を用いた二次電池の方が優れていた。これは、比較例1−2にて合成された粉末に多結晶粒子が含まれており、多結晶粒子を構成する結晶粒界が、充放電に伴う粒子の崩壊および電解質の分解の原因となったためであると考えられる。比較例1−1は、サイクル特性に優れているため、比較例1−1で得られたLiNi0.5Mn1.5粉末は単結晶微粒子の凝集体であって、結晶粒界が無く不純物が少なかったと推測される。サイクル特性がよくても高い放電容量が得られなかったのは、合成中に酸素の脱離が発生してLiNi0.5Mn1.5から組成が大きくずれたためであると考えられる。さらに、50サイクル後には、比較例1−2で得られたLiNi0.5Mn1.5粉末を用いた二次電池に膨れが見られ、これは充放電により発生したガスによると推測される。一方、実施例1で得られたLiNi0.5Mn1.5粉末を用いた二次電池は、サイクル特性に優れ、初回から50サイクル目に至るまで、高い放電容量を示した。これは、一次粒子が比較的大きな単結晶粒子であることから、サイクル特性の低下の原因となる結晶粒界が少なく、比表面積が小さいためである。つまり、本発明のリチウム含有複合酸化物粉末を用いることで、高容量でサイクル特性に優れた非水電解液二次電池が得られることがわかった。 From FIG. 6 and FIG. 7, the discharge capacity per second to seventh cycles of the secondary battery using the LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 powder obtained in Comparative Examples 1-1 and 1-2 is large. There was no difference. However, in terms of cycle characteristics, the secondary battery using the LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 powder obtained in Comparative Example 1-1 was superior. This is because the powder synthesized in Comparative Example 1-2 contains polycrystalline particles, and the crystal grain boundaries constituting the polycrystalline particles cause the breakdown of the particles accompanying charge and discharge and the decomposition of the electrolyte. This is probably because Since Comparative Example 1-1 is excellent in cycle characteristics, the LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 powder obtained in Comparative Example 1-1 is an aggregate of single crystal fine particles, and the crystal grain boundaries are It is estimated that there were few impurities. The reason why a high discharge capacity could not be obtained even though the cycle characteristics were good was considered to be that the composition of the NiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 was greatly deviated due to the desorption of oxygen during the synthesis. Furthermore, after 50 cycles, the secondary battery using the LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 powder obtained in Comparative Example 1-2 was swollen, and this was presumed to be due to the gas generated by charging and discharging. Is done. On the other hand, the secondary battery using the LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 powder obtained in Example 1 was excellent in cycle characteristics and exhibited a high discharge capacity from the first to the 50th cycle. This is because the primary particles are relatively large single crystal particles, so that there are few crystal grain boundaries that cause deterioration in cycle characteristics and the specific surface area is small. That is, it was found that by using the lithium-containing composite oxide powder of the present invention, a non-aqueous electrolyte secondary battery having a high capacity and excellent cycle characteristics can be obtained.

なお、前述の特許文献2に記載の固相法は、比較例1−1と同様にLiOHを使用しており、同程度の温度で焼成されている。そのため、特許文献2に記載の固相法によれば、図2に示した微細な単結晶微粒子の凝集体が得られるものと推測される。   Note that the solid phase method described in Patent Document 2 uses LiOH as in Comparative Example 1-1, and is fired at the same temperature. Therefore, according to the solid phase method described in Patent Document 2, it is presumed that the fine single crystal fine particle aggregate shown in FIG. 2 can be obtained.

図4および図5は、LiClまたはNaClをフラックスとして用いた溶融塩法により得られたLiNi0.5Mn1.5粉末である。LiClを用いた実施例2で得られたLiNi0.5Mn1.5粉末は、1〜5μm程度の粒径の単結晶一次粒子からなる粉末であった。したがって、実施例2で得られたLiNi0.5Mn1.5粉末を正極活物質として含む二次電池も、実施例1と同様にサイクル特性に優れると推測される。また、実施例1のLiNi0.5Mn1.5粉末は、図1において単結晶粒子同士が直接隣接する箇所が部分的に観察されたが、実施例2では、ほとんどの単結晶粒子は、それぞれ独立した単粒子であった。つまり、LiClをフラックスとして用いることで、単結晶粒子を単粒子で得ることができることが分かった。一方、NaClを用いた比較例2で得られたLiNi0.5Mn1.5粉末は、1μm未満の非常に微細な粒子から構成された二次粒子を含んだ。すなわち、NaClをフラックスとして用いても、単結晶粒子の凝集を抑制する効果は無く、一次粒子が微細となり、所望のLiNi0.5Mn1.5粉末は得られないと言える。 4 and 5 are LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 powders obtained by the molten salt method using LiCl or NaCl as a flux. The LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 powder obtained in Example 2 using LiCl was a powder composed of single crystal primary particles having a particle diameter of about 1 to 5 μm. Therefore, the secondary battery including the LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 powder obtained in Example 2 as the positive electrode active material is also estimated to have excellent cycle characteristics as in Example 1. In addition, in the LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 powder of Example 1, a portion where single crystal particles are directly adjacent to each other in FIG. 1 was partially observed, but in Example 2, most of the single crystal particles were observed. Were independent single particles. That is, it was found that single crystal particles can be obtained as single particles by using LiCl as a flux. On the other hand, the LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 powder obtained in Comparative Example 2 using NaCl contained secondary particles composed of very fine particles of less than 1 μm. That is, it can be said that even if NaCl is used as the flux, there is no effect of suppressing the aggregation of the single crystal particles, the primary particles become fine, and the desired LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 powder cannot be obtained.

Claims (14)

少なくともリチウム、マンガンおよびニッケルを含み結晶構造がスピネル構造に属するリチウムマンガンニッケル系酸化物からなる単結晶の一次粒子を含み、該一次粒子の平均粒径である平均一次粒径が1μm以上50μm以下であることを特徴とするリチウム含有複合酸化物粉末。   Including primary particles of a single crystal comprising at least lithium, manganese and nickel and having a crystal structure belonging to a spinel structure and having an average primary particle size of 1 μm to 50 μm. There is a lithium-containing composite oxide powder. 比表面積が、0.01m/g以上2.0m/g以下である請求項1に記載のリチウム含有複合酸化物粉末。 2. The lithium-containing composite oxide powder according to claim 1, wherein the specific surface area is 0.01 m 2 / g or more and 2.0 m 2 / g or less. 前記リチウムマンガンニッケル系酸化物は、Li1+x(Ni0.5Mn1.51−x−yMe(0≦x≦0.5、0≦y≦0.5、(x+y)<1、MeはAl、Mg、CaおよびCoのうちの一種以上)を基本組成とする請求項1または2に記載のリチウム含有複合酸化物粉末。 The lithium manganese nickel-based oxide is Li 1 + x (Ni 0.5 Mn 1.5 ) 1-xy Me y O 4 (0 ≦ x ≦ 0.5, 0 ≦ y ≦ 0.5, (x + y) The lithium-containing composite oxide powder according to claim 1 or 2, wherein <1, Me is one or more of Al, Mg, Ca and Co). 請求項1〜3のいずれかに記載のリチウム含有複合酸化物粉末を含むことを特徴とする非水電解液二次電池用正極活物質。   A positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery, comprising the lithium-containing composite oxide powder according to claim 1. 請求項4に記載の非水電解液二次電池用正極活物質を含む正極と、負極と、非水電解液と、を少なくとも備えることを特徴とする非水電解液二次電池。   A nonaqueous electrolyte secondary battery comprising at least a positive electrode including the positive electrode active material for a nonaqueous electrolyte secondary battery according to claim 4, a negative electrode, and a nonaqueous electrolyte. 金属リチウム基準で4.3V以上まで充電を行う請求項5に記載の非水電解液二次電池。   The nonaqueous electrolyte secondary battery according to claim 5, wherein the battery is charged up to 4.3 V or more based on metallic lithium. 請求項5または6に記載の非水電解液二次電池を搭載したことを特徴とする車両。   A vehicle comprising the non-aqueous electrolyte secondary battery according to claim 5. 請求項1〜3のいずれかに記載のリチウム含有複合酸化物粉末の製造方法であって、
少なくともマンガンおよびニッケルを含む金属含有原料とリチウム水酸化物とを、該金属含有原料に含まれる金属元素に対する該リチウム水酸化物に含まれるリチウムの原子比が、前記リチウムマンガンニッケル系酸化物の金属元素に対するリチウムの化学量論比の1.0倍を超え1.1倍以下となるように調製された反応原料を900℃以上で加熱する加熱反応工程を含むことを特徴とするリチウム含有複合酸化物粉末の製造方法。
A method for producing a lithium-containing composite oxide powder according to any one of claims 1 to 3,
A metal-containing raw material containing at least manganese and nickel and a lithium hydroxide, wherein an atomic ratio of lithium contained in the lithium hydroxide to a metal element contained in the metal-containing raw material is a metal of the lithium manganese nickel-based oxide A lithium-containing composite oxidation comprising a heating reaction step of heating a reaction raw material prepared so as to be more than 1.0 times and less than 1.1 times the stoichiometric ratio of lithium to an element at 900 ° C. or more A method for producing powder.
前記加熱反応工程の前に、少なくともマンガンイオンおよびニッケルイオンを含む水溶液をアルカリ性にして前記金属含有原料を沈殿物として得る金属含有原料合成工程を含む請求項8に記載のリチウム含有複合酸化物粉末の製造方法。   The lithium-containing composite oxide powder according to claim 8, further comprising a metal-containing raw material synthesis step in which an aqueous solution containing at least manganese ions and nickel ions is made alkaline before the heating reaction step to obtain the metal-containing raw material as a precipitate. Production method. 前記加熱反応工程は、930℃以上1300℃以下で前記反応原料を加熱する工程である請求項8または9に記載のリチウム含有複合酸化物粉末の製造方法。   The method for producing a lithium-containing composite oxide powder according to claim 8 or 9, wherein the heating reaction step is a step of heating the reaction raw material at 930 ° C or higher and 1300 ° C or lower. 前記加熱反応工程は、前記金属含有原料と前記リチウム水酸化物とを、該金属含有原料に含まれる金属元素に対する該リチウム水酸化物に含まれるリチウムの原子比が、前記リチウムマンガンニッケル系酸化物の金属元素に対するリチウムの化学量論比の1.05倍以上1.1倍以下となるように調製する工程である請求項8、9または10に記載のリチウム含有複合酸化物粉末の製造方法。   In the heating reaction step, the metal-containing raw material and the lithium hydroxide have an atomic ratio of lithium contained in the lithium hydroxide with respect to a metal element contained in the metal-containing raw material. 11. The method for producing a lithium-containing composite oxide powder according to claim 8, 9 or 10, wherein the lithium-containing composite oxide powder is prepared in such a manner that the stoichiometric ratio of lithium to the metal element is 1.05 to 1.1 times. 請求項8〜11のいずれかに記載のリチウム含有複合酸化物粉末の製造方法において、
前記加熱反応工程は、前記反応原料にさらに塩化リチウムを配合させて、前記金属含有原料をリチウム水酸化物および塩化リチウムの溶融塩中で反応させる工程であり、
さらに、前記加熱反応工程後の前記溶融塩を冷却する冷却工程と、生成された前記リチウムマンガンニッケル系酸化物を冷却後の固形物から回収する回収工程と、を含むことを特徴とするリチウム含有複合酸化物粉末の製造方法。
In the manufacturing method of the lithium containing complex oxide powder in any one of Claims 8-11,
The heating reaction step is a step in which lithium chloride is further added to the reaction raw material, and the metal-containing raw material is reacted in a molten salt of lithium hydroxide and lithium chloride,
Furthermore, a cooling step for cooling the molten salt after the heating reaction step, and a recovery step for recovering the generated lithium manganese nickel-based oxide from the solid after cooling, containing lithium A method for producing a composite oxide powder.
前記金属含有原料に含まれる前記金属元素に対する塩化リチウムに含まれるリチウムの原子比が、前記リチウムマンガンニッケル系酸化物の金属元素に対するリチウムの化学量論比の5倍以上15倍以下である請求項12に記載のリチウム含有複合酸化物粉末の製造方法。   The atomic ratio of lithium contained in lithium chloride to the metal element contained in the metal-containing raw material is not less than 5 times and not more than 15 times the stoichiometric ratio of lithium to the metal element of the lithium manganese nickel-based oxide. 12. The method for producing a lithium-containing composite oxide powder according to 12. 請求項8〜13に記載の方法により得られることを特徴とするリチウム含有複合酸化物粉末。   A lithium-containing composite oxide powder obtained by the method according to claim 8.
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