JP2013089393A - Active material for secondary battery, and method for producing active material for secondary battery - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide: an active material for a secondary battery, with which a secondary battery having large discharge capacity can be obtained; a method for manufacturing the active material for a secondary battery; and a secondary battery manufactured by using the active material for a secondary battery.SOLUTION: An active material for a secondary battery includes lithium manganese phosphate. A primary particle of the lithium manganese phosphate has: a rod-like shape; a length in the short axis direction of 40 nm or less; and an aspect ratio (long axis length/short axis length) of 3 or more and 5 or less, the aspect ratio representing a ratio of a length in the long axis direction of the primary particle with respect to the length in the short axis direction thereof. Thus, the discharge capacity of a secondary battery manufactured by using the active material can be increased.

Description

本発明は、二次電池用活物質及び二次電池用活物質の製造方法に関する。   The present invention relates to an active material for a secondary battery and a method for producing an active material for a secondary battery.

近年、携帯電話、ノートパソコン等の携帯機器用、電気自動車用などの電源としてエネルギー密度が高く、かつ自己放電が少なくてサイクル性能の良いリチウム二次電池に代表される非水電解質二次電池が注目されている。   In recent years, non-aqueous electrolyte secondary batteries represented by lithium secondary batteries with high energy density and low self-discharge and good cycle performance have been used as power sources for mobile devices such as mobile phones and laptop computers, and electric vehicles. Attention has been paid.

現在のリチウム二次電池の主流は、2Ah以下の携帯電話用を中心とした小型民生用である。リチウム二次電池用の正極活物質としては数多くのものが提案されているが、最も一般的に知られているものは、作動電圧が4V付近のリチウムコバルト酸化物(LiCoO)やリチウムニッケル酸化物(LiNiOあるいはスピネル構造を持つリチウムマンガン酸化物(LiMn)等を基本構成とするリチウム含有遷移金属酸化物である。中でも、リチウムコバルト酸化物は、充放電性能とエネルギー密度に優れることから、電池容量2Ahまでの小容量リチウム二次電池の正極活物質として広く採用されている。 The current mainstream of lithium secondary batteries is for consumer use, mainly for mobile phones of 2 Ah or less. Many positive electrode active materials for lithium secondary batteries have been proposed, but the most commonly known materials are lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ) and lithium nickel oxide whose operating voltage is around 4V. object is a (LiNiO 2), or lithium manganese oxide having a spinel structure lithium-containing transition metal oxide to basic configuration (LiMn 2 O 4) or the like. Among these, lithium cobalt oxide is widely used as a positive electrode active material for small-capacity lithium secondary batteries up to a battery capacity of 2 Ah because of its excellent charge / discharge performance and energy density.

しかしながら、今後の中型・大型、特に大きな需要が見込まれる産業用途へのリチウム二次電池の展開を考えた場合、安全性が非常に重要視される為、現在の小型電池向けの仕様では必ずしも充分であるとはいえない。この要因の一つに、リチウム含有遷移金属化合物の熱的不安定性の課題が挙げられ、様々な対策が成されてきたが、未だ十分とはいえず、高安全でエネルギー密度の高い電池が求められている。   However, when considering the development of lithium secondary batteries for future medium-sized and large-sized, especially industrial applications where large demand is expected, safety is very important, so the specifications for current small batteries are not always sufficient. It cannot be said. One of the factors is the problem of thermal instability of lithium-containing transition metal compounds, and various countermeasures have been taken, but it is still not sufficient, and there is a need for batteries that are safe and have high energy density. It has been.

最近、熱的安定性が優れるポリアニオン系正極活物質が注目を集めている。このポリアニオン系正極活物質は酸素が遷移金属以外の元素と共有結合することで固定化されているため、高温においても酸素を放出することが無く、正極活物質として使用することでリチウム二次電池の安全性を飛躍的に高めることができると考えられる。   Recently, polyanionic positive electrode active materials having excellent thermal stability have attracted attention. Since this polyanionic positive electrode active material is immobilized by covalently bonding oxygen to an element other than a transition metal, it does not release oxygen even at high temperatures, and can be used as a positive electrode active material to provide a lithium secondary battery. It is thought that the safety of can be dramatically improved.

このようなポリアニオン系正極活物質として、オリビン構造を有するリン酸鉄リチウム(LiFePO)の研究が盛んに行われている。しかし、LiFePOは理論容量が170mAh/gと限られる上、3.4V(vs.Li/Li)の卑な電位でリチウムの挿入脱離が行われる為、従来のリチウム含有遷移金属化合物に比べてエネルギー密度は小さいものとなる。 As such a polyanionic positive electrode active material, lithium iron phosphate (LiFePO 4 ) having an olivine structure has been actively studied. However, the theoretical capacity of LiFePO 4 is limited to 170 mAh / g, and lithium is inserted and desorbed at a base potential of 3.4 V (vs. Li / Li + ). Compared with the energy density, the energy density is small.

そこで、LiFePOに続くリチウムイオン二次電池の正極活物質の次世代材料として、LiMnPOに関する検討が行われている。この材料は、LiFePOと比較して、その理論容量は同程度であるものの、その電位は約0.7V程度高い4.1V(vs.Li/Li)を示すので、理論的に高エネルギー密度を有する可能性がある。しかしながら、LiMnPOは、その電子伝導性がLiFePOよりも低く、理論容量である170mAh/gを到達することは非常に困難である.そこで、粒子の小粒径化により、電子伝導性が低いLiMnPOであっても、理論容量に近い大きな充放電容量を得ようとする試みが行われている。 Therefore, as a next-generation material of the positive electrode active material of a lithium ion secondary battery following the LiFePO 4, Study LiMnPO 4 has been performed. Although this material has the same theoretical capacity as LiFePO 4 , its potential shows 4.1 V (vs. Li / Li + ), which is about 0.7 V higher, so theoretically high energy. May have a density. However, LiMnPO 4 has a lower electronic conductivity than LiFePO 4, and it is very difficult to reach a theoretical capacity of 170 mAh / g. Thus, attempts have been made to obtain a large charge / discharge capacity close to the theoretical capacity even with LiMnPO 4 having low electron conductivity by reducing the particle diameter of the particles.

特許文献1には、「本発明のリチウムイオン電池用正極活物質の製造方法は、LiPO、またはLi源及びリン酸源と、Fe源、Mn源、Co源及びNi源の群から選択される1種または2種以上とを、LiMPO(但し、MはFe、Mn、Co及びNiの群から選択される1種または2種以上)換算で0.5mol/L以上かつ1.5mol/L以下含有するとともに、水及び沸点が150℃以上の水溶性有機溶媒を含有する混合物を、高温高圧下にて反応させ、平均一次粒子径が30nm以上かつ80nm以下のLiMPO(但し、MはFe、Mn、Co及びNiの群から選択される1種または2種以上)微粒子を生成することを特徴とする。」という技法が開示されている。この技法によると、「平均一次粒子径が小さくかつ粒度分布の狭いLiMPO微粒子を効率良く生成することができる。さらに、水溶性有機溶媒の種類及び含有率を変えることにより、このLiMPO微粒子の平均一次粒子径を制御することができる。」(段落0018)ことによって、「本発明のリチウムイオン電池用正極活物質によれば、LiMPO(但し、MはFe、Mn、Co及びNiの群から選択される1種または2種以上)微粒子が、平均一次粒子径が30nm以上かつ80nm以下の範囲で、かつ粒度分布が狭いので、初期の放電容量を向上させることができ、さらには高速充放電特性を向上させることができる。」(段落0019)と記載されている。 Patent Document 1 states that “the method for producing a positive electrode active material for a lithium ion battery according to the present invention includes Li 3 PO 4 , or a Li source and a phosphate source, and a group of Fe source, Mn source, Co source, and Ni source. One or two or more selected are converted to LiMPO 4 (where M is one or more selected from the group of Fe, Mn, Co and Ni) in terms of 0.5 mol / L or more and 1. A mixture containing 5 mol / L or less and water and a water-soluble organic solvent having a boiling point of 150 ° C. or higher is reacted under high temperature and high pressure, and LiMPO 4 having an average primary particle size of 30 nm or more and 80 nm or less (provided that M is characterized in that it produces fine particles (one or more selected from the group consisting of Fe, Mn, Co and Ni). According to this technique, "narrow LiMPO 4 particles having an average primary particle size of small and particle size distribution can be efficiently produced. Further, by changing the type and content of the water-soluble organic solvent, the LiMPO 4 particles "The average primary particle size can be controlled." (Paragraph 0018), "According to the positive electrode active material for a lithium ion battery of the present invention, LiMPO 4 (where M is a group of Fe, Mn, Co and Ni). (1 type or 2 types selected from the above) fine particles have an average primary particle diameter in the range of 30 nm to 80 nm and a narrow particle size distribution, so that the initial discharge capacity can be improved, and further high-speed charge can be achieved. The discharge characteristics can be improved "(paragraph 0019).

また、非特許文献1には、Li、Mn、Pの各元素を含む原料溶液を、10.2≦pH≦10.7、温度298Kの条件下において還流を行うことにより、他の物質を経由することなく、LiMnPOを合成する技法が開示されている。この技法では、原料溶液中の各元素の濃度を高くすることで、核形成速度が上昇し、100nm以下の小粒径のLiMnPOを合成できることが記載されている。 Non-Patent Document 1 discloses that a raw material solution containing each element of Li, Mn, and P is refluxed under conditions of 10.2 ≦ pH ≦ 10.7 and a temperature of 298 K, thereby passing through other substances. Techniques for synthesizing LiMnPO 4 without doing so are disclosed. This technique describes that by increasing the concentration of each element in the raw material solution, the nucleation rate is increased, and LiMnPO 4 having a small particle diameter of 100 nm or less can be synthesized.

特開2010−251302号公報JP 2010-251302 A

C. Delacourt et.al. Chem. Mater. 16, p.93-99, 2004C. Delacourt et.al. Chem. Mater. 16, p. 93-99, 2004

上記特許文献1では、有機溶媒を用いる上に、水熱反応を行うために耐圧容器が必須であること、反応を行うために180℃という高温で加熱する必要があることから、二次電池用活物質の合成コストが高くなるという問題があった。
また、特許文献1の技法では、「上記のLiMPO微粒子を含む反応物を、デカンテーション、遠心分離、フィルター濾過等により、LiMPO微粒子とLi含有廃液(未反応のLiを含む溶液)とに分離する。
分離されたLiMPO微粒子は、乾燥器等を用いて40℃以上にて3時間以上乾燥し、平均一次粒子径が30nm以上かつ80nm以下のLiMPO微粒子を効率良く得ることができる。」(段落0035)の記載からもわかるように、水熱反応後の生成物から目的とする二次電池用活物質を分離するために、さらにいくつかの工程を要することから、製造工程が煩雑になり、この点でも合成コストが高くなるという問題があった。
In the above Patent Document 1, in addition to using an organic solvent, a pressure vessel is essential for performing a hydrothermal reaction, and it is necessary to heat at a high temperature of 180 ° C. for performing the reaction. There was a problem that the synthesis cost of the active material was increased.
Further, in the technique of Patent Document 1, “the reactant containing the above LiMPO 4 microparticles is converted into LiMPO 4 microparticles and Li-containing waste liquid (solution containing unreacted Li) by decantation, centrifugation, filter filtration, and the like. To separate.
Separated LiMPO 4 microparticles, dryer, etc. and dried over 3 hours at 40 ° C. or higher with an average primary particle size can be obtained efficiently 30nm or more and 80nm or less of LiMPO 4 particles. As can be seen from the description in paragraph 0035, the manufacturing process is complicated because several steps are required to separate the target active material for the secondary battery from the product after the hydrothermal reaction. In this respect, there was a problem that the synthesis cost was high.

上記非特許文献1においては、共沈によりLiMPOを得るために、原料溶液のpHを厳密に制御することに加えて、そのpH制御をLi源であるLiOHにより行うことから、Li源を他の元素よりも大過剰とする必要があるために、合成コストが高くなるという問題があった。 In Non-Patent Document 1, in order to obtain LiMPO 4 by coprecipitation, in addition to strictly controlling the pH of the raw material solution, the pH is controlled by LiOH as the Li source. Therefore, there is a problem that the synthesis cost becomes high because it is necessary to make the amount excessively larger than the above elements.

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、リン酸マンガンリチウムを含有する二次電池用活物質の放電性能を向上させることにより、エネルギー密度に優れた二次電池を提供することを目的としている。   This invention is made | formed in view of the said subject, and provides the secondary battery excellent in energy density by improving the discharge performance of the active material for secondary batteries containing lithium manganese phosphate. It is aimed.

本発明の構成及び作用効果は以下の通りである。但し、本明細書中に記載する作用機構には推定が含まれており、その正否は本発明を何ら制限するものではない。   The configuration and effects of the present invention are as follows. However, the action mechanism described in this specification includes estimation, and its correctness does not limit the present invention.

本発明は、リン酸マンガンリチウムを含有する二次電池用活物質であって、前記リン酸マンガンリチウムは、一次粒子が棒状の形状からなり、前記一次粒子の短軸方向の長さが40nm以下であり、前記一次粒子の短軸方向の長さに対する長軸方向の長さの比を表すアスペクト比(長軸の長さ/短軸の長さ)が3以上5以下であることを特徴とする二次電池用活物質である。
本発明におけるリン酸マンガンリチウムとは、一般式LiMn(1−x)PO(x<0.5)で表される化合物である。ここで、Mは、Fe、Co、Ni等の遷移金属、Mg、Na、K、Ca、B、Al、Zn、In、Sn、Srの群から選ばれる少なくとも一種以上の元素である。このようなリン酸マンガンリチウムは、その化合物中にマンガンが50%以上含まれるので、リン酸鉄リチウムよりも高いLi挿入脱離電位を示す。
本発明の二次電池用活物質の一次粒子とは、活物質粉末を構成する最も小さい粒子であり、リン酸マンガンリチウムの結晶構造を有する粒子のことを指す。
このような形状の一次粒子を含有する二次電池用活物質とすることにより、前記二次電池用活物質の放電性能を向上させることが可能となる。
The present invention is an active material for a secondary battery containing lithium manganese phosphate, wherein the lithium manganese phosphate has a primary particle having a rod-like shape, and the length of the primary particle in the minor axis direction is 40 nm or less. The aspect ratio (major axis length / minor axis length) representing the ratio of the length in the major axis direction to the length in the minor axis direction of the primary particles is 3 or more and 5 or less. Secondary battery active material.
The lithium manganese phosphate in the present invention is a compound represented by the general formula LiMn (1-x) M x PO 4 (x <0.5). Here, M is at least one element selected from the group consisting of transition metals such as Fe, Co, and Ni, Mg, Na, K, Ca, B, Al, Zn, In, Sn, and Sr. Such a lithium manganese phosphate has a higher Li + insertion potential than lithium iron phosphate because 50% or more of manganese is contained in the compound.
The primary particles of the active material for a secondary battery of the present invention are the smallest particles constituting the active material powder and refer to particles having a crystal structure of lithium manganese phosphate.
By using a secondary battery active material containing primary particles having such a shape, the discharge performance of the secondary battery active material can be improved.

また、本発明の二次電池用活物質は、前記リン酸マンガンリチウムの前記一次粒子または前記一次粒子が複数個集合(凝集)したμmオーダーの二次粒子、さらにそれらが凝集したより高次の粒子の表面にカーボンが備えられていることが好ましい。
ここで、粒子の表面にカーボンを備えるとは、粒子の表面の少なくとも一部に、リン酸マンガンリチウムよりも電気伝導度に優れるカーボンが接触している状態をいう。
Further, the active material for a secondary battery of the present invention includes the primary particles of the lithium manganese phosphate or secondary particles in the order of μm in which a plurality of the primary particles are aggregated (aggregated), and further higher-ordered than those aggregated. It is preferable that carbon is provided on the surface of the particles.
Here, “comprising carbon on the surface of the particle” means a state in which carbon having electric conductivity higher than that of lithium manganese phosphate is in contact with at least a part of the surface of the particle.

また本発明は、前記二次電池用活物質を含有する二次電池用電極である。   Moreover, this invention is the electrode for secondary batteries containing the said active material for secondary batteries.

さらに、本発明は、前記二次電池用電極と、対極と、電解質とを備えた二次電池である。   Furthermore, the present invention is a secondary battery comprising the secondary battery electrode, a counter electrode, and an electrolyte.

本発明は、リチウム源、マンガン源及びリン源を含む水溶液を110℃以下で反応させることによりリン酸マンガンリチウムを合成する工程を含む二次電池用活物質の製造方法である。
このような合成方法を採用することにより、前記リン酸マンガンリチウムの前記一次粒子が前記棒状の形状を備えた二次電池用活物質とすることが可能となる。
This invention is a manufacturing method of the active material for secondary batteries including the process of synthesize | combining lithium manganese phosphate by making the aqueous solution containing a lithium source, a manganese source, and a phosphorus source react at 110 degrees C or less.
By adopting such a synthesis method, the primary particles of the lithium manganese phosphate can be used as an active material for a secondary battery having the rod shape.

また、本発明は、前記水溶液を6時間以上反応させることにより前記リン酸マンガンリチウムを合成する工程を含む二次電池用活物質の製造方法である。
さらに、本発明は、前記水溶液を常圧付近で反応させることにより前記リン酸マンガンリチウムを合成する工程を含む二次電池用活物質の製造方法である。
ここで、本発明における常圧付近とは、0.5〜1.5気圧の範囲を指す。
このような合成方法を採用することにより、前記リン酸マンガンリチウムの前記一次粒子を前記棒状の形状とするとともに、前記一次粒子の短軸の成長が抑制された二次電池用活物質とすることが可能となる。
Moreover, this invention is a manufacturing method of the active material for secondary batteries including the process of synthesize | combining the said lithium manganese phosphate by making the said aqueous solution react for 6 hours or more.
Furthermore, this invention is a manufacturing method of the active material for secondary batteries including the process of synthesize | combining the said lithium manganese phosphate by making the said aqueous solution react at normal pressure vicinity.
Here, the vicinity of normal pressure in the present invention refers to a range of 0.5 to 1.5 atm.
By adopting such a synthesis method, the primary particles of the lithium manganese phosphate have the rod-like shape, and the active material for a secondary battery in which the short axis growth of the primary particles is suppressed is used. Is possible.

本発明によれば、放電性能に優れた二次電池用活物質及びそれを用いたエネルギー密度の高い二次電池を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the secondary battery active material excellent in discharge performance and a secondary battery with high energy density using the same can be provided.

リン酸マンガンリチウムは斜方晶の空間群Pnmbに帰属される結晶構造を有している。このリン酸マンガンリチウムは、固相内のリチウムイオンの拡散パスが一次元であることが知られており、二次元あるいは三次元のリチウムイオン拡散パスを有している酸化物系の活物質と比較して、放電性能に劣る要因の一つとなっている。
本発明では、後述のTEM写真にて示すように、リン酸マンガンリチウムの一次粒子の形状を棒状としている。この棒状の形状を詳細に検討(分析)すると、リン酸マンガンリチウムの結晶格子のb軸方向が一次粒子における短軸方向に相当することが判明した。リン酸マンガンリチウムのリチウムイオン拡散パスはb軸方向に存在する、即ち、リチウムイオンの拡散がb軸方向の一次元で行われている。従って、本発明のように、b軸方向が短軸となるような棒状の一次粒子とすることにより、リチウムイオン拡散パスの距離が短くなるために、リン酸マンガンリチウムの放電性能が向上しているものと考えられる。更に、本発明の二次電池用活物質では、含有するリン酸マンガンリチウムの一次粒子が、特定のアスペクト比を有する棒状である。これにより、上記一次粒子が凝集して形成される二次粒子において、二次粒子内の一次粒子が一定の向きに揃いやすくなる、即ち、一次粒子のリチウムイオン拡散パスの方向がある一定方向に揃いやすくなるために、二次粒子内のリチウムイオンの拡散速度が向上するものと考えられ、本発明の二次電池用活物質の放電性能の向上に寄与しているものと推察される。
よって、本発明の二次電池用活物質における一次粒子の短軸は短いことが好ましく、その長さとしては40nm以下が好ましい。長軸については、リン酸マンガンリチウムの性質として、電池の充放電によるリチウムイオンの挿入・脱離に伴い、結晶格子体積が約10%近く変化することから、余りにもアスペクト比が大きすぎると、結晶格子体積の変化に粒子が順応できなくなり、粒子が割れることによりリン酸マンガンリチウムの放電性能及び充放電サイクル性能が低下する可能性がある。よって、アスペクト比は3以上5以下であることが好ましい。また、一次粒子の具体的な長軸の長さとしては、50nm以上150nm以下であることが好ましい。
The lithium manganese phosphate has a crystal structure belonging to the orthorhombic space group Pnmb. This lithium manganese phosphate is known to have a one-dimensional lithium ion diffusion path in the solid phase, and an oxide-based active material having a two-dimensional or three-dimensional lithium ion diffusion path. In comparison, it is one of the factors inferior in discharge performance.
In the present invention, as shown in a TEM photograph to be described later, the primary particles of lithium manganese phosphate have a rod shape. Detailed examination (analysis) of this rod-like shape revealed that the b-axis direction of the lithium manganese phosphate crystal lattice corresponds to the minor axis direction of the primary particles. The lithium ion diffusion path of lithium manganese phosphate exists in the b-axis direction, that is, lithium ions are diffused in one dimension in the b-axis direction. Therefore, as in the present invention, by using rod-shaped primary particles whose b-axis direction is the short axis, the distance of the lithium ion diffusion path is shortened, so that the discharge performance of lithium manganese phosphate is improved. It is thought that there is. Furthermore, in the secondary battery active material of the present invention, the primary particles of lithium manganese phosphate contained are rod-shaped having a specific aspect ratio. Thereby, in the secondary particles formed by aggregation of the primary particles, the primary particles in the secondary particles are easily aligned in a certain direction, that is, the direction of the lithium ion diffusion path of the primary particles is in a certain direction. Since it becomes easy to arrange, it is thought that the diffusion rate of lithium ions in the secondary particles is improved, and it is assumed that it contributes to the improvement of the discharge performance of the active material for secondary battery of the present invention.
Therefore, the short axis of the primary particles in the active material for a secondary battery of the present invention is preferably short, and the length is preferably 40 nm or less. As for the long axis, as the nature of lithium manganese phosphate, the crystal lattice volume changes by about 10% with the insertion / extraction of lithium ions due to charging / discharging of the battery, so if the aspect ratio is too large, There is a possibility that the discharge performance and the charge / discharge cycle performance of lithium manganese phosphate may deteriorate due to the particles becoming unable to adapt to the change in crystal lattice volume and cracking the particles. Therefore, the aspect ratio is preferably 3 or more and 5 or less. In addition, the specific major axis length of the primary particles is preferably 50 nm or more and 150 nm or less.

上記の二次電池用活物質がリチウム原子、マンガン原子及びリン原子等を含んでいること、ならびにその量は、高周波誘導結合プラズマ(ICP)発光分光分析により確認することができる。また、斜方晶の結晶構造を持つことは、粉末X線回折分析(XRD)により確認することができる。他にも透過型電子顕微鏡観察(TEM)、エネルギー分散X線分光法(EDX)、走査電顕X線分析(EPMA)、高分解能電子顕微鏡分析(HRAEM)及び電子エネルギー損失分光法(EELS)などの分析機器を併用することにより、詳細な分析を行うことが可能である。   It can be confirmed that the active material for a secondary battery contains a lithium atom, a manganese atom, a phosphorus atom, and the like, and the amount thereof by high frequency inductively coupled plasma (ICP) emission spectroscopy. The orthorhombic crystal structure can be confirmed by powder X-ray diffraction analysis (XRD). In addition, transmission electron microscope observation (TEM), energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX), scanning electron microscope X-ray analysis (EPMA), high resolution electron microscope analysis (HRAEM), electron energy loss spectroscopy (EELS), etc. It is possible to perform detailed analysis by using together the analytical instrument.

本発明に係るリン酸マンガンリチウムは、リチウム源、マンガン源及びリン源をそれぞれ水に溶解させた水溶液を混合して作製した前駆体水溶液を、110℃以下で所定時間保持することにより合成する方法により得ることができる。また、前記保持時間としては、6時間以上30時間以下が好ましい。前記保持時間を6時間以上とすることにより、リン酸マンガンリチウムの生成反応に必要な合成時間を確保できるため、優れた性能を備えたリン酸マンガンリチウムが合成することができる。よって、本発明の製造方法において、リン酸マンガンリチウムを合成するには、前記保持時間は6時間以上が好ましい。また、反応時間が30時間以下とすることにより、一度生成したリン酸マンガンリチウム粒子が溶解―析出過程を繰り返し経ることにより、一次粒子の成長反応が促進され、一次粒子が粗大化することによる、放電性能の低下を抑制することができる。このため、前記保持時間は30時間以下とすることが好ましい。   The lithium manganese phosphate according to the present invention is a method of synthesizing a precursor aqueous solution prepared by mixing an aqueous solution in which a lithium source, a manganese source, and a phosphorus source are dissolved in water, respectively, by holding at 110 ° C. or lower for a predetermined time. Can be obtained. The holding time is preferably 6 hours or more and 30 hours or less. By setting the holding time to 6 hours or longer, the synthesis time required for the production reaction of lithium manganese phosphate can be secured, so that lithium manganese phosphate having excellent performance can be synthesized. Therefore, in the production method of the present invention, in order to synthesize lithium manganese phosphate, the holding time is preferably 6 hours or more. In addition, by setting the reaction time to 30 hours or less, the lithium manganese phosphate particles once generated are repeatedly subjected to the dissolution-precipitation process, whereby the growth reaction of the primary particles is promoted and the primary particles are coarsened. A decrease in discharge performance can be suppressed. Therefore, the holding time is preferably 30 hours or less.

さらに、リチウム源、マンガン源及びリン源は、水溶性であることが好ましい。これらの各元素の原料が難水溶性である場合、リン酸マンガンリチウムの生成反応速度が著しく遅くなり、前記保持時間を長時間必要とすることから、合成コストの面から好ましいとは云えない。水溶性のリチウム源としては、水酸化リチウム、硫酸リチウム、酢酸リチウム等、マンガン源としては、硫酸マンガン、塩化マンガン等、リン源としては、リン酸二水素アンモニウム、リン酸水素二アンモニウム、リン酸等が挙げられる。なお、前駆体水溶液は中性、あるいはアルカリ性であることが好ましい。これは、前駆体水溶液が酸性の場合、生成したリン酸マンガンリチウムが溶解してしまう可能性があるためである。この点に鑑み、リチウム源については、水溶性で、水への溶解後アルカリ性を示す水酸化リチウムが好ましい。マンガン源において、水への溶解性が高いものは溶解後酸性を示すものが多く、リン源については、酸性から中性を示すものが多い。リチウム源として水への溶解後に中性を示すものを用いると、前駆体水溶液が酸性となるからである。但し、前駆体水溶液が強アルカリ性の場合は、合成後の生成物にLi3PO4が残存しやすくなることから、前駆体水溶液のpHは14を超えないことが好ましく、さらには前記pHが12以下であることがより好ましい。 Furthermore, the lithium source, manganese source, and phosphorus source are preferably water-soluble. When the raw materials of these elements are sparingly water-soluble, the production reaction rate of lithium manganese phosphate is remarkably slow and the holding time is required for a long time, so it cannot be said that it is preferable from the viewpoint of synthesis cost. Examples of water-soluble lithium sources include lithium hydroxide, lithium sulfate, and lithium acetate; manganese sources such as manganese sulfate and manganese chloride; and phosphorus sources such as ammonium dihydrogen phosphate, diammonium hydrogen phosphate, and phosphoric acid. Etc. The aqueous precursor solution is preferably neutral or alkaline. This is because when the precursor aqueous solution is acidic, the produced lithium manganese phosphate may be dissolved. In view of this point, the lithium source is preferably lithium hydroxide that is water-soluble and exhibits alkalinity after being dissolved in water. Of the manganese sources, those with high solubility in water often show acidity after dissolution, and phosphorus sources often show acidity to neutrality. This is because if the lithium source is neutral after being dissolved in water, the precursor aqueous solution becomes acidic. However, when the precursor aqueous solution is strongly alkaline, Li 3 PO 4 tends to remain in the product after synthesis. Therefore, the pH of the precursor aqueous solution preferably does not exceed 14, and further, the pH is 12 The following is more preferable.

また、前駆体水溶液を調製する際には、不活性雰囲気下において作業を行うことが好ましい。これは、前駆体水溶液中においてマンガンが2価から3価に酸化されることを防ぐことにより、不純物の生成を抑制するためである。従って、上記の前駆体水溶液を110℃以下で所定時間保持する工程においても、反応容器内の雰囲気を不活性雰囲気とすることが好ましい。但し、この工程においては、通常の大気雰囲気下であっても、リン酸マンガンリチウムを合成することは可能である。   Moreover, when preparing the precursor aqueous solution, it is preferable to work in an inert atmosphere. This is to suppress the generation of impurities by preventing manganese from being oxidized from divalent to trivalent in the precursor aqueous solution. Therefore, it is preferable that the atmosphere in the reaction vessel is an inert atmosphere also in the step of holding the precursor aqueous solution at 110 ° C. or lower for a predetermined time. However, in this step, it is possible to synthesize lithium manganese phosphate even under a normal air atmosphere.

また、リン酸マンガンリチウムの合成時に前駆体水溶液にカーボン源を共存させることが好ましい。この場合には、リン酸マンガンリチウムの合成時にカーボン源を共存させることによって、生成したリン酸マンガンリチウムの粒子の表面に均一なカーボン前駆体の膜状体が形成されるため、特に好ましい。なお、合成時に共存させるカーボン源としては、アスコルビン酸等の有機酸化合物及びショ糖等の糖類が挙げられる。   Further, it is preferable that a carbon source is allowed to coexist in the aqueous precursor solution during the synthesis of lithium manganese phosphate. In this case, since a uniform carbon precursor film is formed on the surface of the generated lithium manganese phosphate particles by coexisting a carbon source during the synthesis of lithium manganese phosphate, it is particularly preferable. In addition, as a carbon source coexisting at the time of a synthesis | combination, saccharides, such as organic acid compounds, such as ascorbic acid, and sucrose are mentioned.

また、本発明においては、リン酸マンガンリチウムの電子伝導性を補う目的で二次電池用正極活物質の粒子の表面に、ポリビニルアルコール、ショ糖、アスコルビン酸等の有機物の熱分解により生成したカーボンを備える事が好ましい。二次電池用正極活物質の粒子の表面にカーボンを備えるために行う熱分解工程を実施する温度は、用いる有機物が熱分解する温度より高いことが求められるが、リン酸マンガンリチウムの性能が低下する虞を低減するために、上記熱分解工程の温度は、300℃〜900℃が好ましい。より好ましくは、500℃〜800℃である。   Further, in the present invention, carbon generated by thermal decomposition of organic substances such as polyvinyl alcohol, sucrose, and ascorbic acid is formed on the surface of the positive electrode active material particles for the secondary battery in order to supplement the electronic conductivity of lithium manganese phosphate. It is preferable to provide. The temperature at which the pyrolysis step performed to provide carbon on the surface of the positive electrode active material particles for secondary batteries is required to be higher than the temperature at which the organic matter used undergoes pyrolysis, but the performance of lithium manganese phosphate is reduced. In order to reduce the risk of this, the temperature of the pyrolysis step is preferably 300 ° C to 900 ° C. More preferably, it is 500 degreeC-800 degreeC.

本発明において、カーボンを備えた二次電池用活物質は、二次粒子の平均粒子サイズ100μm以下の粉体であることが好ましい。特に、二次粒子の平均粒子径は0.1〜50μmがより好ましい。また、粉体粒子の流動法窒素ガス吸着法によるBET比表面積は正極の高率充放電特性を向上させるために大きい方が良く、1〜100m/gが好ましい。より好ましくは5〜100m/gである。粉体を所定の形状で得るため、粉砕機や分級機を用いることができる。例えば乳鉢、ボールミル、サンドミル、振動ボールミル、遊星ボールミル、ジェットミル、カウンタージェトミル、旋回気流型ジェットミルや篩等を用いることができる。粉砕時には水、あるいはアルコール、ヘキサン等の有機溶剤を共存させた湿式粉砕を用いても良い。分級方法としては、特に限定はなく、必要に応じて篩や風力分級機などを乾式、或いは湿式にて用いることができる。 In the present invention, the active material for secondary battery provided with carbon is preferably a powder having a secondary particle average particle size of 100 μm or less. In particular, the average particle diameter of the secondary particles is more preferably 0.1 to 50 μm. Moreover, the BET specific surface area by the flow method nitrogen gas adsorption method of powder particle | grains is good in order to improve the high rate charge / discharge characteristic of a positive electrode, and 1-100 m < 2 > / g is preferable. More preferably, it is 5-100 m < 2 > / g. In order to obtain the powder in a predetermined shape, a pulverizer or a classifier can be used. For example, a mortar, a ball mill, a sand mill, a vibrating ball mill, a planetary ball mill, a jet mill, a counter jet mill, a swirling air flow type jet mill, a sieve, or the like can be used. At the time of pulverization, wet pulverization in which water or an organic solvent such as alcohol or hexane coexists may be used. The classification method is not particularly limited, and a sieve, an air classifier, or the like can be used dry or wet as necessary.

更に、本発明の二次電池用活物質には、その性能の向上を目的として意図的に不純物や異種元素を共存させてもよく、そのような場合にも本発明の効果が失われることはない。   Furthermore, the active material for a secondary battery of the present invention may intentionally coexist with impurities or different elements for the purpose of improving its performance, and in such a case, the effect of the present invention is lost. Absent.

本発明の二次電池用活物質を非水電解質中で用いる場合には、正極中に含まれる水分量は少ない方が好ましく、具体的には1000ppm未満であることが好ましい。水分量を減少させる手段としては、高温・減圧環境において電極を乾燥する方法や、電極に含まれる水分を電気化学的に分解する方法が適している。   When the active material for a secondary battery of the present invention is used in a non-aqueous electrolyte, it is preferable that the amount of water contained in the positive electrode is small, specifically, less than 1000 ppm. As a means for reducing the amount of moisture, a method of drying the electrode in a high temperature / depressurized environment and a method of electrochemically decomposing moisture contained in the electrode are suitable.

本発明の二次電池用活物質を用いて二次電池用正極を作製するに当たり、前記二次電池用活物質の他に、ポリフッ化ビニリデン、シリコンブタジエンゴム、ポリテトラフルオロエチレン、カルボキシメチルセルロース等の周知の結着剤や、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、カーボンナノファイバー等の周知の導電助剤を周知の処方で用いることができる。   In producing a positive electrode for a secondary battery using the active material for a secondary battery of the present invention, in addition to the active material for a secondary battery, polyvinylidene fluoride, silicon butadiene rubber, polytetrafluoroethylene, carboxymethylcellulose, etc. Well-known binders and well-known conductive aids such as acetylene black, ketjen black, and carbon nanofiber can be used in a well-known formulation.

また、電極合材層の厚さは電池のエネルギー密度との兼ね合いから本発明を適用する電極合材層の厚みは10μm以上500μm以下であることが好ましい。   In addition, the thickness of the electrode mixture layer is preferably 10 μm or more and 500 μm or less in consideration of the energy density of the battery.

本発明電池の負極は、何ら限定されるものではなく、リチウム金属、リチウム合金(リチウム―アルミニウム、リチウム―鉛、リチウム―錫、リチウム―アルミニウム―錫、リチウム―ガリウム、およびウッド合金等のリチウム金属含有合金)の他、リチウムを吸蔵・放出可能な合金、炭素材料(例えばグラファイト、ハードカーボン、低温焼成炭素、非晶質カーボン等)、金属酸化物、リチウム金属酸化物(LiTi12等)、ポリリン酸化合物等が挙げられる。これらを、二次電池に用いる電解質の種類に応じて使用することができる。これらの中でもグラファイトは、金属リチウムに極めて近い作動電位を有し、高い作動電圧での充放電を実現できるため負極材料として好ましい。例えば、人造黒鉛、天然黒鉛が好ましい。特に,負極活物質粒子表面を不定形炭素等で修飾してあるグラファイトは、充電中のガス発生が少ないことから望ましい。 The negative electrode of the battery of the present invention is not limited in any way, but lithium metal, lithium alloy (lithium metal such as lithium-aluminum, lithium-lead, lithium-tin, lithium-aluminum-tin, lithium-gallium, and wood alloy) Alloys), alloys capable of inserting and extracting lithium, carbon materials (eg, graphite, hard carbon, low-temperature fired carbon, amorphous carbon, etc.), metal oxides, lithium metal oxides (Li 4 Ti 5 O 12) Etc.), polyphosphoric acid compounds and the like. These can be used according to the kind of electrolyte used for the secondary battery. Among these, graphite is preferable as a negative electrode material because it has an operating potential very close to that of metallic lithium and can realize charge and discharge at a high operating voltage. For example, artificial graphite and natural graphite are preferable. In particular, graphite in which the surface of the negative electrode active material particles is modified with amorphous carbon or the like is desirable because it generates less gas during charging.

一般的に、リチウム二次電池の形態としては、正極、負極、電解質塩が溶媒に含有された電解質から構成され、一般的には、正極と負極との間に、セパレータとこれらを包装する外装体が設けられる。   In general, the form of the lithium secondary battery is composed of a positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte containing an electrolyte salt in a solvent. Generally, a separator and an outer packaging for packaging them between the positive electrode and the negative electrode. A body is provided.

溶媒としては、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート等の環状炭酸エステル類;γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン等の環状エステル類;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−ト等の鎖状カーボネート類;ギ酸メチル、酢酸メチル、酪酸メチル等の鎖状エステル類;テトラヒドロフランまたはその誘導体;1,3−ジオキサン、1,4−ジオキサン、1,2−ジメトキシエタン、1,4−ジブトキシエタン、メチルジグライム等のエ−テル類;アセトニトリル、ベンゾニトリル等のニトリル類;ジオキソランまたはその誘導体;エチレンスルフィド、スルホラン、スルトンまたはその誘導体等の単独またはそれら2種以上の混合物等からなる非水溶媒や水を挙げることができるが、これらに限定されるものではない。   Solvents include cyclic carbonates such as propylene carbonate and ethylene carbonate; cyclic esters such as γ-butyrolactone and γ-valerolactone; chain carbonates such as dimethyl carbonate, diethyl carbonate and ethyl methyl carbonate; formic acid Chain esters such as methyl, methyl acetate and methyl butyrate; tetrahydrofuran or derivatives thereof; 1,3-dioxane, 1,4-dioxane, 1,2-dimethoxyethane, 1,4-dibutoxyethane, methyldiglyme, etc. Ethers such as acetonitrile, nitriles such as benzonitrile, dioxolane or derivatives thereof, and non-aqueous solvents and water consisting of ethylene sulfide, sulfolane, sultone or derivatives thereof alone or a mixture of two or more thereof You can It is not limited.

電解質塩としては、例えば、LiBF、LiPF、LiClO、LiN(CSO、LiN(CFSO等のイオン性化合物が挙げられ、これらのイオン性化合物を単独、あるいは2種類以上混合して用いることが可能である。電解質における電解質塩の濃度としては、高い電池特性を有する二次電池を確実に得るために、0.5mol/l以上5mol/l以下が好ましく、さらに好ましくは、1mol/l以上2.5mol/l以下である。 Examples of the electrolyte salt include ionic compounds such as LiBF 4 , LiPF 6 , LiClO 4 , LiN (C 2 F 5 SO 2 ) 2 , and LiN (CF 3 SO 2 ) 2. It can be used alone or in combination of two or more. The concentration of the electrolyte salt in the electrolyte is preferably 0.5 mol / l or more and 5 mol / l or less, more preferably 1 mol / l or more and 2.5 mol / l, in order to reliably obtain a secondary battery having high battery characteristics. It is as follows.

以下に、実施例を例示して本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではない。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of examples. However, the present invention is not limited to the following embodiments.

(実施例1)
まず、水酸化リチウム一水和物(LiOH・HO)(株式会社ナカライテスク)を10.07g及びリン酸水素二アンモニウム((NHHPO)(株式会社ナカライテスク)を1.06g量り取り、それぞれ80及び20mlのイオン交換水中に溶解した後に、両溶液を攪拌しながら2時間混合した。次に、アスコルビン酸(株式会社ナカライテスク)0.36gを溶解させた60mlのイオン交換水に、硫酸マンガン五水和物(MnSO・5HO)(株式会社ナカライテスク)19.28gを溶解させた。この溶液を上記LiOH・HOと(NHHPOとの混合溶液に加えることによって、前駆体水溶液を得た。この前駆体水溶液のpHを測定(株式会社堀場製作所製pH meter D-51)したところpHは7.92であった。なお、ここまでの全ての作業は、水溶液中のMn2+のMn3+への酸化を防止するために、十分に窒素置換を行った簡易グローブボックス内で実施した。得られた前駆体水溶液を二口のセパラブルフラスコ(500ml)に移し、一方の口には還流管を、残った口には熱電対と窒素ガス導入管を設置した。このセパラブルフラスコをホットプレート上に配置し、前駆体水溶液が沸騰するまで加熱した後、その加熱状態を維持することで合成反応行った。合成反応時間(前記加熱状態を維持する時間)は8時間とした。その後自然放冷によって室温まで冷却した。この間、上記窒素ガス導入管から窒素ガスを導入し続けた。合成反応後のセパラブルフラスコ内の水溶液を濾過し、イオン交換水とアセトンによる洗浄を行った後、120℃で5時間の真空乾燥を行うことにより、リン酸マンガンリチウムを含有する二次電池用活物質を作製した。これを本発明二次電池用活物質a1とする。
Example 1
First, 10.07 g of lithium hydroxide monohydrate (LiOH.H 2 O) (Nacalai Tesque, Inc.) and diammonium hydrogen phosphate ((NH 4 ) 2 HPO 4 ) (Nacalai Tesque, Inc.) After weighing 06 g and dissolving in 80 and 20 ml of ion-exchanged water, both solutions were mixed for 2 hours with stirring. Next, 19.28 g of manganese sulfate pentahydrate (MnSO 4 .5H 2 O) (Nacalai Tesque) was dissolved in 60 ml of ion-exchanged water in which 0.36 g of ascorbic acid (Nacalai Tesque, Inc.) was dissolved. I let you. This solution was added to the mixed solution of LiOH.H 2 O and (NH 4 ) 2 HPO 4 to obtain an aqueous precursor solution. The pH of this aqueous precursor solution was measured (pH meter D-51, manufactured by Horiba, Ltd.), and the pH was 7.92. Incidentally, all operations up to this point, in order to prevent oxidation of Mn 3+ in the Mn 2+ in aqueous solution, were carried out in a simple glove box was thoroughly purged with nitrogen. The obtained precursor aqueous solution was transferred to a two-necked separable flask (500 ml), and a reflux tube was installed in one of the ports, and a thermocouple and a nitrogen gas introduction tube were installed in the remaining ports. The separable flask was placed on a hot plate, heated until the precursor aqueous solution boiled, and then the synthesis reaction was performed by maintaining the heated state. The synthesis reaction time (time for maintaining the heating state) was 8 hours. Then, it cooled to room temperature by natural cooling. During this time, nitrogen gas was continuously introduced from the nitrogen gas introduction pipe. The aqueous solution in the separable flask after the synthesis reaction is filtered, washed with ion-exchanged water and acetone, and then vacuum-dried at 120 ° C. for 5 hours for a secondary battery containing lithium manganese phosphate. An active material was prepared. This is designated as an active material a1 for secondary battery of the present invention.

(実施例2)
前記合成反応時間を6時間としたことを除いては実施例1と同様にして二次電池用活物質を合成した。これを本発明二次電池用活物質a2とする。
(Example 2)
A secondary battery active material was synthesized in the same manner as in Example 1 except that the synthesis reaction time was 6 hours. This is designated as an active material a2 for secondary battery of the present invention.

(実施例3)
前記前駆体水溶液をポリテトラフルオロエチレン製容器(内容積500cm)に移し、これを水熱反応容器(耐圧硝子工業株式会社製、TVS-N2)に設置した。反応容器内を窒素ガスで充分に置換して密閉し、前駆体水溶液を100℃まで加熱し、その後、その温度を保持し続けることにより、合成反応を行った。合成反応時間(前駆体水溶液を100℃で保持し続ける時間)は6時間とした。なお、昇温速度は100℃/hr、降温は自然放冷とし、昇温開始時から降温が終わるまで、200rpmで前駆体水溶液の攪拌を行った。また、本実施例では、水熱反応容器を使用しているが、前駆体水溶液の温度を100℃としているため、水熱反応容器内の圧力は1.2気圧であった。上記の合成反応を行うことを除いては実施例1と同様にして二次電池用活物質を合成した。これを本発明二次電池用活物質a3とする。
(Example 3)
The precursor aqueous solution was transferred to a polytetrafluoroethylene container (internal volume: 500 cm 3 ), and this was installed in a hydrothermal reaction container (manufactured by Pressure Glass Industrial Co., Ltd., TVS-N2). The inside of the reaction vessel was sufficiently replaced with nitrogen gas and sealed, and the precursor aqueous solution was heated to 100 ° C., and then kept at that temperature to carry out the synthesis reaction. The synthesis reaction time (time for keeping the precursor aqueous solution at 100 ° C.) was 6 hours. The temperature increase rate was 100 ° C./hr, the temperature decrease was naturally allowed to cool, and the precursor aqueous solution was stirred at 200 rpm from the start of the temperature increase until the temperature decrease ended. Further, in this example, a hydrothermal reaction vessel was used, but since the temperature of the precursor aqueous solution was 100 ° C., the pressure in the hydrothermal reaction vessel was 1.2 atm. A secondary battery active material was synthesized in the same manner as in Example 1 except that the above synthesis reaction was performed. This is designated as an active material a3 for secondary battery of the present invention.

(比較例1)
前記前駆体水溶液をポリテトラフルオロエチレン製容器(内容積500cm)に移し、これを水熱反応容器(耐圧硝子工業株式会社製、TVS-N2)に設置した。反応容器内を窒素ガスで充分に置換して密閉し、前駆体水溶液を170℃まで加熱し、その後、その温度を保持し続けることにより、合成反応を行った。合成反応時間(前駆体水溶液を170℃で保持し続ける時間)は6時間とした。なお、昇温速度は100℃/hr、降温は自然放冷とし、昇温開始時から降温が終わるまで、200rpmで前駆体水溶液の攪拌を行った。また、本比較例では、水熱反応容器内の圧力は1.2気圧であった。上記の合成反応を行うことを除いては実施例1と同様にして二次電池用活物質を合成した。これを比較活物質b1とする。
(Comparative Example 1)
The precursor aqueous solution was transferred to a polytetrafluoroethylene container (internal volume: 500 cm 3 ), and this was installed in a hydrothermal reaction container (manufactured by Pressure Glass Industrial Co., Ltd., TVS-N2). The inside of the reaction vessel was sufficiently substituted with nitrogen gas and sealed, and the precursor aqueous solution was heated to 170 ° C., and then kept at that temperature to carry out the synthesis reaction. The synthesis reaction time (time for keeping the precursor aqueous solution at 170 ° C.) was 6 hours. The temperature increase rate was 100 ° C./hr, the temperature decrease was naturally allowed to cool, and the precursor aqueous solution was stirred at 200 rpm from the start of the temperature increase until the temperature decrease ended. In this comparative example, the pressure in the hydrothermal reaction vessel was 1.2 atm. A secondary battery active material was synthesized in the same manner as in Example 1 except that the above synthesis reaction was performed. This is referred to as a comparative active material b1.

(比較例2)
上記二次電池用活物質の合成にあたり、リチウム源として、水酸化リチウム一水和物(LiOH・HO)に変えて、リン酸リチウム(LiPO)(株式会社ナカライテスク)を9.26g量り取り、100mlのイオン交換水中に縣濁させたものを使用したことを除いては実施例1と同様にして二次電池用活物質を合成した。これを比較活物質b2とする。
(Comparative Example 2)
In synthesizing the active material for a secondary battery, lithium phosphate (Li 3 PO 4 ) (Nacalai Tesque) was used instead of lithium hydroxide monohydrate (LiOH.H 2 O) as a lithium source. A secondary battery active material was synthesized in the same manner as in Example 1 except that .26 g was weighed and suspended in 100 ml of ion exchange water. This is referred to as a comparative active material b2.

(TEM観察)
本発明活物質a1及び比較活物質b1について、電解放出型分析透過電子顕微鏡(FE−TEM)(株式会社トプコンテクノハウス製 EB002BF)観察を行った。この観察において得られた本発明活物質a1の画像を図1に、比較活物質b1の画像を図2に示す。
(TEM observation)
The present invention active material a1 and comparative active material b1 were subjected to field emission analytical transmission electron microscope (FE-TEM) (EB002BF manufactured by Topcon Technohouse Co., Ltd.). An image of the active material a1 of the present invention obtained in this observation is shown in FIG. 1, and an image of the comparative active material b1 is shown in FIG.

(カーボンコート)
本発明二次電池用活物質a1〜a3及び比較活物質b1の粉末各2.0gに、ポリビニルアルコール(和光純薬工業株式会社、重合度1500)2.29gを加えて、メノウ乳鉢を用いて混合し,さらに60℃に加温した水を少量加え,再度乳鉢で混合−混練してガム状のペーストとした。前記混合物をアルミナ製の匣鉢(外形寸法90×90×50mm)に入れ、雰囲気置換式焼成炉(株式会社デンケン社製卓上真空ガス置換炉KDF−75、内容積2400cm)を用いて、窒素ガスの流通下(流速0.5 l/min)で加熱を行った。加熱温度は700℃とし、加熱時間(前記加熱温度を維持する時間)は1時間とした。なお、昇温速度は10℃/min、降温は自然放冷とした。このようにして、各活物質粒子の表面にカーボンを備えた二次電池用活物質を作製した。
(Carbon coat)
Add 2.29 g of polyvinyl alcohol (Wako Pure Chemical Industries, Ltd., degree of polymerization 1500) to each 2.0 g of the powders of the active materials a1 to a3 for the secondary battery of the present invention and the comparative active material b1, and use an agate mortar. After mixing, a small amount of water heated to 60 ° C. was added and mixed and kneaded again in a mortar to obtain a gum-like paste. The mixture was placed in an alumina bowl (outside dimensions 90 × 90 × 50 mm), and the atmosphere-replacement-type firing furnace (a tabletop vacuum gas replacement furnace KDF-75 manufactured by Denken Co., Ltd., internal volume 2400 cm 3 ) was used for nitrogen. Heating was performed under gas flow (flow rate 0.5 l / min). The heating temperature was 700 ° C., and the heating time (time for maintaining the heating temperature) was 1 hour. The rate of temperature rise was 10 ° C./min, and the temperature was naturally cooled. Thus, the active material for secondary batteries provided with carbon on the surface of each active material particle was produced.

(XRD測定)
本発明二次電池用活物質a1及び比較活物質b2は、CuKα線源を用いたエックス線回折装置(Rigaku社製、型名:MiniFlex II)を行いてエックス線回折測定を行った。なお、測定は、管電圧30kV、管電流15mA、スキャン速度4°/s、スキャンステップ0.02°の条件で実施した。この測定結果を図3に示す。
(XRD measurement)
The active material a1 for the secondary battery of the present invention and the comparative active material b2 were subjected to X-ray diffraction measurement using an X-ray diffraction apparatus (manufactured by Rigaku, model name: MiniFlex II) using a CuKα radiation source. The measurement was performed under the conditions of a tube voltage of 30 kV, a tube current of 15 mA, a scan speed of 4 ° / s, and a scan step of 0.02 °. The measurement results are shown in FIG.

(正極の作製)
カーボンを備えた本発明の二次電池用活物質a1、導電助剤であるアセチレンブラック及び結着剤であるポリフッ化ビニリデン(PVdF)を(80:8:12)の質量比で含有し、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)を溶媒とする正極ペーストを調製した。なお、この正極ペーストの固形分濃度は30質量%に調整した。該正極ペーストを、アルミニウム端子を取り付けたアルミニウムメッシュ集電体(6cm×1.5cm)の長辺の半分の両面に塗布し、80℃でNMPを除去した後、塗布部分同士を二重に重ね、塗布部分の投影面積が半分になるように折り曲げ、折り曲げた後の厚みが400μmになるようにプレス加工を行い、正極とした。折り曲げた後の活物質の塗布面積は2.25cm、塗布質量は0.065gである。上記正極は150℃で5時間以上の減圧乾燥を行い、極板中の水分を除去して使用した。
(Preparation of positive electrode)
Containing an active material a1 for a secondary battery of the present invention including carbon, acetylene black as a conductive additive, and polyvinylidene fluoride (PVdF) as a binder in a mass ratio of (80: 8: 12), N -A positive electrode paste using methyl-2-pyrrolidone (NMP) as a solvent was prepared. The solid content concentration of the positive electrode paste was adjusted to 30% by mass. The positive electrode paste is applied to both sides of the half of the long side of an aluminum mesh current collector (6 cm × 1.5 cm) with an aluminum terminal attached, NMP is removed at 80 ° C., and then the applied portions are overlapped in layers. Then, it was bent so that the projected area of the coated part was halved, and press working was performed so that the thickness after bending was 400 μm, to obtain a positive electrode. The application area of the active material after bending is 2.25 cm 2 and the application mass is 0.065 g. The positive electrode was dried under reduced pressure at 150 ° C. for 5 hours or more to remove moisture in the electrode plate.

(負極の作製)
ステンレス鋼(品名:SUS316)製の端子を取り付けたステンレス鋼(品名:SUS316)製のメッシュ集電体の両面に、厚さ300μmのリチウム金属箔を貼り合わせてプレス加工したものを負極とした。
(Preparation of negative electrode)
A stainless steel (product name: SUS316) mesh current collector attached with a stainless steel (product name: SUS316) terminal was bonded to both sides of a 300 μm-thick lithium metal foil and pressed to form a negative electrode.

(参照極の作製)
リチウム金属片をステンレス鋼(品名:SUS316)製の集電棒の先端に貼り付けたものを参照極とした。
(Production of reference electrode)
A reference electrode was prepared by attaching a lithium metal piece to the tip of a current collector rod made of stainless steel (product name: SUS316).

(電解液の調製)
エチレンカーボネート、ジメチルカーボネート及びエチルメチルカーボネートを体積比1:1:1の割合で混合した混合溶媒に、含フッ素系電解質塩であるLiPFを1.0mol/lの濃度で溶解させ、非水電解質を作製した。該非水電解質中の水分量は50ppm未満とした。
(Preparation of electrolyte)
In a mixed solvent in which ethylene carbonate, dimethyl carbonate and ethyl methyl carbonate are mixed at a volume ratio of 1: 1: 1, LiPF 6 which is a fluorine-containing electrolyte salt is dissolved at a concentration of 1.0 mol / l, and a non-aqueous electrolyte is obtained. Was made. The amount of water in the non-aqueous electrolyte was less than 50 ppm.

(電池の組み立て)
露点−40℃以下のArボックス中においてガラス製のリチウムイオン二次電池を組み立てた。予め容器の蓋部分に導線部を固定した金メッキクリップに正極と負極と参照極とを各1枚ずつ挟んだ後、正・負極が対向するように固定した。参照極は負極から見て正極の裏側となる位置に固定した。次に、一定量の電解液を入れたポリプロピレン製カップをガラス容器内に設置し、そこに正極、負極及び参照極が浸かるように蓋をすることで電池を組み立てた。この電池を本発明電池A1とする。
(Battery assembly)
A glass lithium ion secondary battery was assembled in an Ar box having a dew point of −40 ° C. or lower. Each of the positive electrode, the negative electrode, and the reference electrode was sandwiched between gold-plated clips whose conductors were previously fixed to the lid portion of the container, and then fixed so that the positive and negative electrodes were opposed to each other. The reference electrode was fixed at a position on the back side of the positive electrode when viewed from the negative electrode. Next, a polypropylene cup containing a certain amount of electrolyte was placed in a glass container, and a battery was assembled by covering the positive electrode, the negative electrode, and the reference electrode so as to be immersed therein. This battery is referred to as a battery A1 of the present invention.

同様にして、カーボンを備えた本発明の二次電池用活物質a2、a3及びカーボンを備えた比較活物質b1のそれぞれの活物質を用いて正極を作製し、上記の手順にてリチウム二次電池を組み立てた。カーボンを備えた本発明の二次電池用活物質a2、a3を用いた正極を使用したリチウム二次電池を本発明電池A2、A3、そして、カーボンを備えた比較活物質b1を用いた正極を使用したリチウム二次電池を比較電池B1とする。   Similarly, a positive electrode was prepared using each of the active materials for secondary battery active materials a2 and a3 of the present invention provided with carbon and a comparative active material b1 provided with carbon, and the lithium secondary material was subjected to the above procedure. I assembled the battery. The lithium secondary battery using the positive electrode using the active materials a2 and a3 for the secondary battery of the present invention including carbon is used as the lithium secondary battery of the present invention battery A2 and A3, and the positive electrode using the comparative active material b1 including the carbon. The used lithium secondary battery is referred to as comparative battery B1.

(充放電試験)
上記のようにして作製した本発明電池A1〜A3及び比較電池B1を温度20℃において、1サイクルの充放電を行う充放電工程に供した。充電条件は、電流0.1CmA(約10時間率)、電圧4.3V、15時間の定電流定電圧充電とし、放電条件は、電流0.1CmA(約10時間率)、終止電圧2.0Vの定電流放電とした。得られた放電容量の結果を表1に示す。
(Charge / discharge test)
The inventive batteries A1 to A3 and comparative battery B1 produced as described above were subjected to a charge / discharge process in which charge / discharge of one cycle was performed at a temperature of 20 ° C. The charging conditions were a current of 0.1 CmA (about 10 hours rate), a voltage of 4.3 V, and a constant current constant voltage charging of 15 hours. The discharging conditions were a current of 0.1 CmA (about 10 hours rate) and a final voltage of 2.0 V. Constant current discharge. Table 1 shows the results of the obtained discharge capacity.

表1からわかるように、本発明電池A1は、比較電池B1と比較して、放電容量が大きい。この電池性能の違いは、活物質に由来するものと考えられる。図1及び図2のTEM画像からわかるように、本発明二次電池用活物質a1の一次粒子の形状は、比較活物質b1の一次粒子の立方体状の形状とは異なり、棒状の形状を有しているとともに、その短軸の長さは40nm以下であり、アスペクト比は3以上5以下の範囲内となっている。なお、ここには示していないが、短軸の長さは最大でも40nmであることがTEM観察において確認されている。一方、比較活物質b1の一次粒子の形状は、棒状ではなく立方体に近いものとなっている。このため、本発明二次電池用活物質は、前述のように、リチウムイオン拡散パスの距離が短くなっていることに加えて、特定のアスペクト比を有することにより、二次粒子内の一次粒子のリチウムイオン拡散パスの方向がある一定方向に揃いやすくなっているために、放電性能が向上しているものと考えられる。また、ここには示していないが、本発明二次電池用活物質a2、a3についても、同様な一次粒子形状をしていることが確認されている。従って、比較活物質b1を活物質として使用した比較電池B1よりも優れた放電容量を示している。   As can be seen from Table 1, the battery A1 of the present invention has a larger discharge capacity than the comparative battery B1. This difference in battery performance is considered to be derived from the active material. As can be seen from the TEM images in FIG. 1 and FIG. 2, the shape of the primary particles of the active material a1 for the secondary battery of the present invention is different from the cubic shape of the primary particles of the comparative active material b1, and has a rod-like shape. In addition, the length of the minor axis is 40 nm or less, and the aspect ratio is in the range of 3 to 5. Although not shown here, it has been confirmed by TEM observation that the length of the short axis is at most 40 nm. On the other hand, the shape of the primary particles of the comparative active material b1 is not a rod shape but close to a cube. Therefore, as described above, the active material for a secondary battery of the present invention has a specific aspect ratio in addition to the distance of the lithium ion diffusion path being shortened. It is thought that the discharge performance is improved because the direction of the lithium ion diffusion path is easily aligned in a certain direction. Although not shown here, it has been confirmed that the secondary battery active materials a2 and a3 of the present invention have similar primary particle shapes. Therefore, the discharge capacity is superior to that of the comparative battery B1 using the comparative active material b1 as the active material.

また、図3からわかるように、本発明二次電池用活物質a1と比較活物質b2を比較すると、本発明二次電池用活物質a1はリン酸マンガンリチウムが主成分として生成していることがわかるが、比較活物質b2には、LiPOを主とする不純物ピークが存在しており、原料として使用したLiPOが未反応のまま残っていることが判る。この違いは、Li源の原料に起因するものと考えられる。本発明二次電池用活物質a1のように、Li源として水酸化リチウムを用いた場合は、前駆体水溶液を調製する際に、予め水酸化リチウムを溶解させた水溶液を使用することから、前駆体水溶液中でLiPOが生成しても、非常に微細粒子であるため、リン酸マンガンリチウムの合成反応を阻害することなく円滑に進行するのに対して、比較活物質b2のように、Li源としてLiPOを使用した場合は、LiPOが難水溶性であることから、前駆体水溶液中において巨大なLiPOの粒子とマンガン源との反応速度が遅く、同じ合成反応時間では十分にリン酸マンガンリチウムの生成反応が進行しなかったものと推察される。つまり、Li源としてLiPOを用いた場合には、さらに長時間の合成反応時間が必要となることから、合成コストの面から好ましいとは云えない。従って、本発明の合成方法においては、Li源として水溶性のLi源を使用することが好ましく、特に水酸化リチウムを使用することが好ましい。 Further, as can be seen from FIG. 3, when the active material a1 for the secondary battery of the present invention and the comparative active material b2 are compared, the active material a1 for the secondary battery of the present invention is produced mainly with lithium manganese phosphate. but it is known, the comparison active material b2, Li 3 PO 4 is present impurities peaks mainly, it can be seen that Li 3 PO 4 was used as the raw material is remained unreacted. This difference is considered to be caused by the raw material of the Li source. When lithium hydroxide is used as the Li source like the active material a1 for the secondary battery of the present invention, an aqueous solution in which lithium hydroxide is dissolved in advance is used when preparing the precursor aqueous solution. Even if Li 3 PO 4 is produced in the body aqueous solution, it is very fine particles, so that it proceeds smoothly without hindering the synthesis reaction of lithium manganese phosphate, whereas the comparative active material b2 When Li 3 PO 4 is used as the Li source, since Li 3 PO 4 is poorly water-soluble, the reaction rate between the giant Li 3 PO 4 particles and the manganese source in the precursor aqueous solution is slow, It is presumed that the formation reaction of lithium manganese phosphate did not proceed sufficiently in the same synthesis reaction time. That is, when Li 3 PO 4 is used as the Li source, a longer synthesis reaction time is required, which is not preferable from the viewpoint of synthesis cost. Therefore, in the synthesis method of the present invention, it is preferable to use a water-soluble Li source as the Li source, and it is particularly preferable to use lithium hydroxide.

本発明の二次電池用活物質は、放電容量が大きいので、エネルギー密度の高い二次電池を提供することができる。本発明の二次電池は、エネルギー密度が高いので、今後の展開が期待される電気自動車等、産業用電池に於いて特に高容量化が求められる分野への応用に適しており、産業上の利用可能性は極めて大きい。   Since the secondary battery active material of the present invention has a large discharge capacity, a secondary battery having a high energy density can be provided. Since the secondary battery of the present invention has a high energy density, the secondary battery is suitable for application to fields requiring a higher capacity in industrial batteries such as electric vehicles that are expected to be developed in the future. The availability is extremely large.

本発明活物質a1のTEM画像。The TEM image of this invention active material a1. 比較活物質b1のTEM画像。TEM image of comparative active material b1. 本発明活物質a1と比較活物質b2のXRDプロファイル。The XRD profile of this invention active material a1 and the comparison active material b2.

Claims (7)

リン酸マンガンリチウムを含有する二次電池用活物質であって、前記リン酸マンガンリチウムは、一次粒子が棒状の形状からなり、前記一次粒子の短軸方向の長さが40nm以下であり、前記一次粒子の短軸方向の長さに対する長軸方向の長さの比を表すアスペクト比(長軸の長さ/短軸の長さ)が3以上5以下であることを特徴とする二次電池用活物質。 An active material for a secondary battery containing lithium manganese phosphate, wherein the lithium manganese phosphate has a primary particle having a rod-like shape, and a length in a minor axis direction of the primary particle is 40 nm or less, A secondary battery having an aspect ratio (major axis length / minor axis length) representing a ratio of a major axis length to a minor axis length of primary particles of 3 or more and 5 or less. Active material. 前記一次粒子または前記二次粒子以上の高次粒子の表面にカーボンが備えられていることを特徴とする請求項1に記載の二次電池用活物質。 2. The active material for a secondary battery according to claim 1, wherein carbon is provided on a surface of the primary particles or higher-order particles higher than the secondary particles. 請求項1又は2に記載の二次電池用活物質を含有する二次電池用電極。 The electrode for secondary batteries containing the active material for secondary batteries of Claim 1 or 2. 請求項3に記載の電極と、対極と、電解質とを備えた二次電池。 A secondary battery comprising the electrode according to claim 3, a counter electrode, and an electrolyte. リチウム源、マンガン源及びリン源を含む水溶液を110℃以下で反応させることによりリン酸マンガンリチウムを合成する工程を含む二次電池用活物質の製造方法。 The manufacturing method of the active material for secondary batteries including the process of synthesize | combining lithium manganese phosphate by making the aqueous solution containing a lithium source, a manganese source, and a phosphorus source react at 110 degrees C or less. 前記水溶液を6時間以上反応させることにより前記リン酸マンガンリチウムを合成する工程を含む、請求項5に記載の二次電池用活物質の製造方法。 The manufacturing method of the active material for secondary batteries of Claim 5 including the process of synthesize | combining the said lithium manganese phosphate by making the said aqueous solution react for 6 hours or more. 前記水溶液を常圧付近で反応させることにより前記リン酸マンガンリチウムを合成する工程を含む、請求項5に記載の二次電池用活物質の製造方法。 The manufacturing method of the active material for secondary batteries of Claim 5 including the process of synthesize | combining the said lithium manganese phosphate by making the said aqueous solution react at normal pressure vicinity.
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