JP2014107033A - Lithium ion secondary battery electrode material, method for manufacturing lithium ion secondary battery electrode material, and lithium ion secondary battery - Google Patents

Lithium ion secondary battery electrode material, method for manufacturing lithium ion secondary battery electrode material, and lithium ion secondary battery Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a lithium ion secondary battery electrode material having a good rate property.SOLUTION: A lithium ion secondary battery electrode material of the invention comprises: conductive carbon powder; and particles of a spinel type oxide expressed by the general formula, LiMMnO(where M represents one or more kinds of metals selected from a group consisting of metals other than Mn, and x satisfies the condition, 0<x≤0.15), which stick to the conductive carbon powder. The spinel type oxide particles are substantially crystalline primary particles having particle diameters of 10-50 nm. The electrode material can be obtained by causing the conductive carbon powder to hold a spinel type oxide fine precursor thereon by means of an ultracentrifugal treatment, followed by a heat treatment in an oxygen-containing atmosphere.

Description

本発明は、レート特性に優れたリチウムイオン二次電池を与える電極材料及びこの電極材料を用いた正極を備えたリチウムイオン二次電池に関する。本発明はまた、上記電極材料の製造に適したリチウムイオン二次電池用電極材料の製造方法に関する。   The present invention relates to an electrode material that provides a lithium ion secondary battery having excellent rate characteristics, and a lithium ion secondary battery that includes a positive electrode using the electrode material. The present invention also relates to a method for producing an electrode material for a lithium ion secondary battery suitable for producing the electrode material.

携帯電話やノート型パソコンなどの情報機器の電源として、エネルギー密度が高い非水系電解液を使用したリチウムイオン二次電池が広く使用されているが、これらの情報機器の高性能化や取扱う情報量の増大に伴う消費電力の増加に対応するために、リチウムイオン二次電池の放電容量の向上が望まれている。また、石油消費量の低減、大気汚染の緩和、地球温暖化の原因となる二酸化炭素の排出量の低減などの観点から、ガソリン車やディーゼル車に代わる電気自動車やハイブリッド自動車などの低公害車に対する期待が高まっており、これらの低公害車のモーター駆動電源として、高い放電容量を有する大型のリチウムイオン二次電池の開発が望まれる。   Lithium ion secondary batteries that use non-aqueous electrolytes with high energy density are widely used as the power source for information devices such as mobile phones and laptop computers. The performance of these information devices and the amount of information handled In order to cope with an increase in power consumption associated with an increase in battery life, it is desired to improve the discharge capacity of lithium ion secondary batteries. In addition, from the viewpoints of reducing oil consumption, mitigating air pollution, and reducing carbon dioxide emissions that cause global warming, we are working on low-pollution vehicles such as electric vehicles and hybrid vehicles that replace gasoline and diesel vehicles. Expectations are increasing, and it is desired to develop a large-sized lithium ion secondary battery having a high discharge capacity as a motor drive power source for these low-pollution vehicles.

現在の非水系電解液を使用したリチウムイオン二次電池は、コバルト酸リチウム(LiCoO)を正極活物質とし、黒鉛を負極活物質とし、六フッ化リン酸リチウム(LiPF)などのリチウム塩をエチレンカーボネートやプロピレンカーボネートなどの非水系溶媒に溶解させた液を電解液としたものが主流である。しかし、正極活物質であるコバルト酸リチウムに関しては、コバルトが高価であるため大量使用が困難であるという問題がある。そこで、資源的に豊富で安価なMnを主体とし、約4Vの高い電池電圧を得ることができるLiMnが、次世代の正極活物質として注目されてきた。スピネル型構造を有するLiMnは、結晶構造中にリチウムイオンが移動可能な通路を有するため、リチウムイオンの速い拡散が可能であり、良好な出力特性を示す。しかしながら、LiMnは、充放電を繰り返すにつれてヤーン・テーラー歪により結晶構造変化が生じやすく、また、Mn3+イオンが電解液に溶出されやすいため、サイクル安定性が悪いという問題を有している。 A lithium ion secondary battery using a current non-aqueous electrolyte includes lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ) as a positive electrode active material, graphite as a negative electrode active material, and a lithium salt such as lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ). The mainstream is an electrolyte obtained by dissolving a solution in a non-aqueous solvent such as ethylene carbonate or propylene carbonate. However, lithium cobaltate, which is a positive electrode active material, has a problem that it is difficult to use in large quantities because cobalt is expensive. Therefore, LiMn 2 O 4 which is mainly composed of resource-rich and inexpensive Mn and can obtain a high battery voltage of about 4 V has been attracting attention as a next-generation positive electrode active material. Since LiMn 2 O 4 having a spinel structure has a passage through which lithium ions can move in the crystal structure, lithium ions can be diffused quickly, and excellent output characteristics are exhibited. However, LiMn 2 O 4 has a problem that cycle stability is poor because the crystal structure is likely to change due to yarn-Taylor strain as charge and discharge are repeated, and Mn 3+ ions are easily eluted into the electrolyte. Yes.

この問題を解決するため、LiMnにおける(16d)サイトのMn3+をLi、Mg、Al等の金属のイオンで置換した正極活物質の検討が行われてきた(例えば、特許文献1(特開平11−71115号公報)、特許文献2(特開2002−104827号公報)、特許文献3(特開2002−226214号公報)、特許文献4(特開2006−114408号公報)、特許文献5(特開2011−108406号公報)、特許文献6(特開2011−219354号公報)参照)。金属置換により結晶構造が安定化し、サイクル特性が改善される。この置換された酸化物は、一般式LiMMn(2−x)(式中、Mが、Mn以外の金属から成る群から選択された一種以上の金属を表わし、Xは置換量を表わす。以下、単に「スピネル型酸化物」という。)で表わすことができる。 In order to solve this problem, studies have been made on a positive electrode active material in which Mn 3+ at the (16d) site in LiMn 2 O 4 is substituted with a metal ion such as Li, Mg, Al (for example, Patent Document 1 ( JP-A-11-71115), Patent Document 2 (JP-A 2002-104827), Patent Document 3 (JP-A 2002-226214), Patent Document 4 (JP-A 2006-114408), Patent Document 5 (Japanese Patent Laid-Open No. 2011-108406) and Patent Document 6 (Japanese Patent Laid-Open No. 2011-219354). Metal substitution stabilizes the crystal structure and improves cycle characteristics. This substituted oxide has the general formula LiM x Mn (2-x) O 4 (wherein M represents one or more metals selected from the group consisting of metals other than Mn, and X represents the amount of substitution) Hereinafter, it can be expressed simply as “spinel oxide”).

これらのスピネル型酸化物は一般に、固相反応法又は噴霧熱分解法により製造される。特許文献1は、平均凝集粒子径が0.5〜50μmであるマンガン化合物と、リチウム化合物と、他の金属を含む化合物とを混合し、焼成することにより、平均凝集粒子径が1〜50μmであり、BET比表面積が0.1〜5m/gであるスピネル型酸化物を得る方法を提案している。特許文献2は、一次粒子の平均粒径が0.01μm以上、0.2μm以下である酸化マンガンを主成分とする微粒子と、リチウム含有化合物と、マンガン、リチウムを除く金属の化合物とを加熱処理することにより、一次粒子の平均粒径が0.01μm以上、0.2μm以下であり、二次粒子の平均粒径が0.2μm以上、100μm以下であるスピネル型酸化物を得る方法を提案している。特許文献3は、マンガンの平均酸化数が8/3以上のマンガン化合物と、リチウム化合物と、他の金属を含む化合物との混合物を、500℃以下の温度で第1の焼成を行った後に、500℃を超えて950℃以下の温度で第2の焼成を行い、その後に500℃まで冷却するのに1時間当たり20℃以下の速度で行うことにより、平均粒子径が5〜20μm、BET比表面積が1.0m/g以下であり、且つ、平均結晶子径が1000オングストローム以上であるスピネル型酸化物を製造する方法を提案している。 These spinel type oxides are generally produced by a solid phase reaction method or a spray pyrolysis method. Patent Document 1 discloses that an average aggregate particle diameter is 1 to 50 μm by mixing and firing a manganese compound having an average aggregate particle diameter of 0.5 to 50 μm, a lithium compound, and a compound containing another metal. A method for obtaining a spinel oxide having a BET specific surface area of 0.1 to 5 m 2 / g is proposed. Patent Document 2 discloses a heat treatment of fine particles mainly composed of manganese oxide having an average primary particle size of 0.01 μm or more and 0.2 μm or less, a lithium-containing compound, and a metal compound except manganese and lithium. To obtain a spinel oxide having an average primary particle size of 0.01 μm or more and 0.2 μm or less and an average secondary particle size of 0.2 μm or more and 100 μm or less. ing. In Patent Document 3, a mixture of a manganese compound having an average oxidation number of manganese of 8/3 or more, a lithium compound, and a compound containing another metal is first baked at a temperature of 500 ° C. or lower. The second baking is performed at a temperature exceeding 500 ° C. and not more than 950 ° C., and then cooling to 500 ° C. is performed at a rate of 20 ° C. or less per hour. A method for producing a spinel oxide having a surface area of 1.0 m 2 / g or less and an average crystallite size of 1000 angstroms or more is proposed.

特許文献4は、噴霧熱分解法により得られた中実状のスピネル型酸化物粒子を空気雰囲気下で650〜850℃、1〜24時間焼成することにより、結晶子サイズが30〜150nmの一次粒子が凝集したナノ構造から構成されるスピネル型酸化物を製造する方法を提案している。特許文献5は、リチウム化合物と、マンガン化合物と、他の金属の化合物を増粘剤で分散させた溶液を生成し、得られた溶液を噴霧し、噴霧されたミストを加熱して前駆体を生成し、この前駆体を焼成することにより、凝集した二次粒子から成るスピネル型酸化物を製造する方法を提案している。特許文献6は、他の金属とマンガンを含むマンガン複合水溶液、アンモニア水溶液及びシュウ酸水溶液を混合反応してマンガン複合シュウ酸塩を製造し、このマンガン複合シュウ酸塩を乾燥した後熱処理してマンガン複合酸化物を製造し、次いで、得られたマンガン複合酸化物とリチウム化合物とを混合して高温で焼成することにより、100〜2000nmの一次粒子が凝集して5〜20μmの二次粒子を形成したスピネル型酸化物を製造する方法を提供している。   Patent Document 4 discloses primary particles having a crystallite size of 30 to 150 nm by firing solid spinel oxide particles obtained by a spray pyrolysis method in an air atmosphere at 650 to 850 ° C. for 1 to 24 hours. Has proposed a method for producing a spinel oxide composed of nanostructures in which nuclei are aggregated. Patent Document 5 generates a solution in which a lithium compound, a manganese compound, and another metal compound are dispersed with a thickener, sprays the obtained solution, and heats the sprayed mist to form a precursor. It has been proposed to produce a spinel oxide comprising aggregated secondary particles by firing and firing this precursor. In Patent Document 6, a manganese composite aqueous solution containing other metals and manganese, an aqueous ammonia solution, and an aqueous oxalic acid solution are mixed to produce a manganese composite oxalate, and the manganese composite oxalate is dried and then heat treated to produce manganese. A composite oxide is manufactured, and then the obtained manganese composite oxide and a lithium compound are mixed and fired at a high temperature, whereby primary particles of 100 to 2000 nm aggregate to form secondary particles of 5 to 20 μm. A method for producing a spinel oxide is provided.

上記特許文献1〜6の方法により得られたスピネル型酸化物から成る正極活物質は、導電性カーボン粉末と混合され、リチウムイオン二次電池の正極のための電極材料として使用される。スピネル型酸化物と混合される導電性カーボン粉末は、導電性の低い活物質と併用されて電極材料に導電性を付与する役割を果たすが、これだけでなく、活物質のリチウムの吸蔵・放出に伴う体積変化を吸収するマトリックスとしても作用し、また、活物質が機械的な損傷を受けても電子伝導パスを確保するという役割も果たしている。   The positive electrode active material composed of the spinel oxide obtained by the methods of Patent Documents 1 to 6 is mixed with conductive carbon powder and used as an electrode material for a positive electrode of a lithium ion secondary battery. The conductive carbon powder mixed with the spinel oxide plays a role of imparting conductivity to the electrode material in combination with an active material having low conductivity. It also acts as a matrix that absorbs the accompanying volume change, and also plays a role of securing an electron conduction path even if the active material is mechanically damaged.

上述したように活物質を製造した後に導電性カーボン粉末と混合する方法が一般的であるが、導電性カーボン粉末の共存下で活物質を製造する方法も存在する。出願人は、金属酸化物から成る活物質の生成と共に、導電剤としての導電性カーボン粉末に生成した金属酸化物を担持させる方法として、特許文献7(特開2007−160151号公報)において、旋回する反応器内で反応物にずり応力と遠心力を加えて化学反応を進行させる反応方法を提案している。   As described above, a method in which an active material is manufactured and then mixed with conductive carbon powder is common, but there is also a method of manufacturing an active material in the presence of conductive carbon powder. As a method for supporting the generated metal oxide on the conductive carbon powder as the conductive agent together with the generation of the active material composed of the metal oxide, the applicant disclosed in Patent Document 7 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-160151). We propose a reaction method in which a chemical reaction is advanced by applying shear stress and centrifugal force to the reactants in the reactor.

特開平11−71115号公報JP-A-11-71115 特開2002−104827号公報JP 2002-104827 A 特開2002−226214号公報JP 2002-226214 A 特開2006−114408号公報JP 2006-114408 A 特開2011−108406号公報JP 2011-108406 A 特開2011−219354号公報JP2011-219354A 特開2007−160151号公報JP 2007-160151 A

上述したように、LiMnにおける(16d)サイトのMn3+をLi、Mg、Al等の金属のイオンで置換したスピネル型酸化物から成る正極活物質の使用により、リチウムイオン二次電池のサイクル特性が改善されるが、リチウムイオン二次電池に要求されているのは優れたサイクル特性だけでなく、高レートでの充放電においても高い放電容量を示すことも要求されている。特に、ハイブリッド自動車用のリチウムイオン二次電池にとって、自動車が発進する際や加速する際のパワーアシスト性能、自動車が減速する際の運動エネルギーの回生性能が重要であり、正極活物質には短時間で大電流を出し入れする能力が要求され、10C或いはそれ以上のレートでの充放電における高い容量が要請されている。 As described above, by using a positive electrode active material made of a spinel oxide in which Mn 3+ at the (16d) site in LiMn 2 O 4 is replaced with a metal ion such as Li, Mg, Al, etc., the lithium ion secondary battery Although the cycle characteristics are improved, the lithium ion secondary battery is required not only to have excellent cycle characteristics but also to exhibit a high discharge capacity even in charge / discharge at a high rate. In particular, for lithium-ion secondary batteries for hybrid vehicles, power assist performance when the vehicle starts and accelerates, and kinetic energy regeneration performance when the vehicle decelerates are important. Therefore, the ability to take in and out a large current is required, and a high capacity in charge / discharge at a rate of 10 C or higher is required.

特許文献4〜6には、得られたスピネル型酸化物を用いたリチウムイオン二次電池のレート特性についても記載されている。特許文献4の製造方法で得られたスピネル型酸化物を正極のために用いたリチウムイオン二次電池では、レート10Cでの充放電における容量がレート5Cでの充放電における容量の約60〜98%に低下しており、レート15C以上の充放電では容量が顕著に低下している(この文献の表3参照)。また、特許文献5の製造方法で得られたスピネル型酸化物を正極のために用いたリチウムイオン二次電池は、レート1Cでの充放電において120mAh/gの容量を示したものの、レート10Cでの充放電では容量が90mAh/gに低下している(この文献の図7参照)。特許文献6の製造方法で得られたスピネル型酸化物を正極のために用いたリチウムイオン二次電池は、レート1Cでの充放電において約107mAh/gの容量を示したが、レート4Cでの充放電では容量が約90〜100mAh/gに低下している(この文献の図11参照)。   Patent Documents 4 to 6 also describe rate characteristics of lithium ion secondary batteries using the obtained spinel oxide. In the lithium ion secondary battery using the spinel oxide obtained by the manufacturing method of Patent Document 4 for the positive electrode, the capacity in charge / discharge at the rate of 10C is about 60 to 98 of the capacity in charge / discharge at the rate of 5C. The capacity is remarkably reduced when charging / discharging at a rate of 15 C or higher (see Table 3 of this document). Moreover, the lithium ion secondary battery using the spinel oxide obtained by the manufacturing method of Patent Document 5 for the positive electrode showed a capacity of 120 mAh / g in charge / discharge at a rate of 1C, but at a rate of 10C. In the charging / discharging, the capacity is reduced to 90 mAh / g (see FIG. 7 of this document). The lithium ion secondary battery using the spinel type oxide obtained by the manufacturing method of Patent Document 6 for the positive electrode showed a capacity of about 107 mAh / g in charge / discharge at a rate of 1C, but at a rate of 4C. In charge / discharge, the capacity is reduced to about 90 to 100 mAh / g (see FIG. 11 of this document).

したがって、上述した10C或いはそれ以上のレートでの充放電における高い容量の要請に答えることができるスピネル型酸化物から成る正極活物質は、これまで知られていなかった。   Therefore, a positive electrode active material made of a spinel oxide that can meet the above-described demand for high capacity in charge / discharge at a rate of 10 C or higher has not been known so far.

そこで、本発明の目的は、サイクル特性が改善されたスピネル型酸化物を基礎として、優れたレート特性を有するリチウムイオン二次電池へと導く電極材料を提供することである。   Accordingly, an object of the present invention is to provide an electrode material that leads to a lithium ion secondary battery having excellent rate characteristics based on a spinel oxide having improved cycle characteristics.

発明者らは、特許文献7に示されている反応方法の適用可能性を検討した。この反応方法は、一種又は二種以上の金属酸化物のナノ粒子を導電性カーボン粉末に担持させることができ、また、導電性カーボン粉末上に金属酸化物が担持されるため、導電剤をさらに混合する工程も不要であるか、或いは導電剤の量を減少させることができる。しかしながら、特許文献7に具体的に示されているのは、ずり応力と遠心力を加えて加速化したゾルゲル反応による酸化チタン、酸化ルテニウム等の生成反応だけであり、スピネル型酸化物の製造については示唆されておらず、この反応方法の応用が未だ十分に検討されていなかった。   The inventors examined the applicability of the reaction method disclosed in Patent Document 7. In this reaction method, one or more kinds of metal oxide nanoparticles can be supported on the conductive carbon powder, and the metal oxide is supported on the conductive carbon powder. A mixing step is unnecessary, or the amount of the conductive agent can be reduced. However, Patent Document 7 specifically shows only the formation reaction of titanium oxide, ruthenium oxide, etc. by the sol-gel reaction accelerated by applying shear stress and centrifugal force. Has not been suggested, and the application of this reaction method has not yet been fully studied.

発明者らが検討したところ、特許文献7の反応方法を利用することにより、導電性カーボン粉末上に微細なスピネル型酸化物の結晶が付着している電極材料が得られることがわかった。しかも、この微細なスピネル型酸化物の粒子は、多面体形状を有する結晶粒子であり、10〜50nmの粒径を有する一次粒子の形態で存在し、特許文献1〜6におけるスピネル型酸化物のような凝集した二次粒子を形成していなかった。そして、この電極材料を正極のために用いたリチウムイオン二次電池は、優れたレート特性を示し、上述した10C或いはそれ以上のレートでの充放電における高い容量の要請にも答えることができた。   As a result of investigations by the inventors, it has been found that by using the reaction method of Patent Document 7, an electrode material in which fine spinel-type oxide crystals are deposited on conductive carbon powder can be obtained. Moreover, the fine spinel-type oxide particles are polyhedral crystal grains and exist in the form of primary particles having a particle size of 10 to 50 nm, like the spinel-type oxides in Patent Documents 1 to 6. No agglomerated secondary particles were formed. And the lithium ion secondary battery using this electrode material for the positive electrode showed excellent rate characteristics, and was able to answer the above-mentioned demand for high capacity in charge / discharge at a rate of 10 C or higher. .

したがって、本発明はまず、導電性カーボン粉末と、該導電性カーボン粉末に付着している、一般式LiMMn(2−x)(式中、Mが、Mn以外の金属から成る群から選択された一種以上の金属を表わし、0<x≦0.15である。)で表されるスピネル型酸化物の粒子と、を含み、上記スピネル型酸化物の粒子が、実質的に、10〜50nmの粒径を有する結晶性一次粒子であることを特徴とするリチウムイオン二次電池用電極材料を提供する。xが0.15を超えると、充放電時の酸化還元反応に寄与する3価のMnが減少し、結果的にリチウムイオン二次電池の放電容量が低下するため好ましくない。ここで、「実質的に10〜50nmの粒径を有する結晶性一次粒子である」とは、スピネル型酸化物の粒子の90%以上が10〜50nmの粒径を有する結晶性一次粒子の形態で存在することを意味し、粒径はTEMによる観察結果から求めたものである。 Therefore, the present invention first comprises a conductive carbon powder and a general formula LiM x Mn (2-x) O 4 (wherein M is a metal other than Mn, attached to the conductive carbon powder ). One or more metals selected from the group consisting of spinel oxide particles represented by 0 <x ≦ 0.15), and the spinel oxide particles substantially comprising: Provided is an electrode material for a lithium ion secondary battery, characterized by being crystalline primary particles having a particle size of 10 to 50 nm. When x exceeds 0.15, trivalent Mn contributing to the oxidation-reduction reaction during charging / discharging is decreased, and as a result, the discharge capacity of the lithium ion secondary battery is decreased, which is not preferable. Here, “substantially crystalline primary particles having a particle size of 10 to 50 nm” means that 90% or more of the spinel-type oxide particles are crystalline primary particles having a particle size of 10 to 50 nm. The particle diameter is obtained from the observation result by TEM.

本発明の電極材料では、多面体形状を有するスピネル型酸化物の結晶粒子が、10〜50nmの粒径を有する一次粒子の形態で存在している。したがって、荷電交換・荷電移動反応の有効反応面積を大きくすることができ、充放電時におけるリチウムイオンの移動距離を短くすることができる。また、特許文献7の反応方法を利用して製造されているため、スピネル型酸化物の微細な結晶粒子と導電性カーボン粉末とが均一に混合されており、しかも、上記結晶粒子が導電性カーボン粉末に密着性良く付着している。これらのことが、高レートでの充放電においても高い容量を有するリチウムイオン二次電池が得られる要因であると考えられる。   In the electrode material of the present invention, the crystal particles of the spinel oxide having a polyhedral shape are present in the form of primary particles having a particle size of 10 to 50 nm. Therefore, the effective reaction area of the charge exchange / charge transfer reaction can be increased, and the movement distance of lithium ions during charge / discharge can be shortened. Moreover, since it is manufactured using the reaction method of Patent Document 7, fine crystal particles of spinel oxide and conductive carbon powder are uniformly mixed, and the crystal particles are conductive carbon. It adheres well to the powder. These are considered to be the factors for obtaining a lithium ion secondary battery having a high capacity even in charge and discharge at a high rate.

図1は、電極材料の動作を説明する概念図であり、この図を用いて本発明の電極材料の使用により高レートでの充放電においても高い容量を有するリチウムイオン二次電池が得られる理由をさらに詳細に説明する。従来の電極材料では、図1(b)に示すように、粒径の大きなスピネル型酸化物の二次粒子が導電性カーボン粉末によって接合された状態になっており、スピネル型酸化物の粒子とカーボン粉末との接合及びカーボン粉末同士の接合は密ではない。したがって、二次粒子のリチウムの固体内拡散に時間がかかり、さらにカーボン粉末を通して同時におこる集電体への電子伝導パスも良好ではない。これに対して、本発明の電極材料では、図1(a)に示すように、10〜50nmの粒径を有するスピネル型酸化物の結晶性一次粒子が導電性カーボン粉末に密に接合しており、カーボン粉末同士の接合も良好である。そのため、リチウムの固体内拡散が速く、さらに電子伝導パスも良好である。このことによって、本発明の電極材料の使用によりレート特性に優れたリチウムイオン二次電池が得られると考えられる。   FIG. 1 is a conceptual diagram illustrating the operation of an electrode material, and the reason why a lithium ion secondary battery having a high capacity can be obtained even when charging / discharging at a high rate by using the electrode material of the present invention. Will be described in more detail. In the conventional electrode material, as shown in FIG. 1B, the secondary particles of the spinel oxide having a large particle size are joined by the conductive carbon powder. Bonding with carbon powder and bonding between carbon powders are not dense. Therefore, it takes time for the secondary particles of lithium to diffuse into the solid, and the electron conduction path to the current collector that occurs simultaneously through the carbon powder is not good. On the other hand, in the electrode material of the present invention, as shown in FIG. 1 (a), the crystalline primary particles of the spinel oxide having a particle size of 10 to 50 nm are closely bonded to the conductive carbon powder. In addition, the bonding between the carbon powders is also good. Therefore, the diffusion of lithium in the solid is fast and the electron conduction path is also good. Thus, it is considered that a lithium ion secondary battery excellent in rate characteristics can be obtained by using the electrode material of the present invention.

一般式LiMMn(2−x)におけるMは、Mg、Al、Co、Cr、Fe及びNiから選択された金属であるのが好ましい。これらの金属のイオンによる(16d)サイトのMn3+の置換により、サイクル安定性に優れたリチウムイオン二次電池へと導く電極材料が得られるからである。 M in the general formula LiM x Mn (2-x) O 4 is preferably a metal selected from Mg, Al, Co, Cr, Fe and Ni. This is because substitution of Mn 3+ at the (16d) site with ions of these metals provides an electrode material that leads to a lithium ion secondary battery having excellent cycle stability.

特許文献7に示されている、反応液を旋回可能な反応器内に導入した後、反応器を旋回させて上記反応液にずり応力と遠心力とを加える反応方法は、導電性カーボン粉末上でスピネル型酸化物の粒子を形成するために適している。   The reaction method shown in Patent Document 7 is that a reaction liquid is introduced into a swirlable reactor, and then the reactor is swirled to apply shear stress and centrifugal force to the reaction liquid. Suitable for forming spinel oxide particles.

したがって、本発明はまた、導電性カーボン粉末と、該導電性カーボン粉末に付着している一般式LiMMn(2−x)(式中、Mが、Mn以外の金属から成る群から選択された一種以上の金属を表わし、0<x≦0.15である。)で表されるスピネル型酸化物の粒子と、を含むリチウムイオン二次電池用電極材料の製造方法であって、
a1)Liを含む化合物とMnを含む化合物とを含む活物質原料を溶解させた溶液に導電性カーボン粉末を添加した反応液を、旋回可能な反応器内に導入する調製工程、
b1)上記反応器を旋回させて上記反応液にずり応力と遠心力とを加えることにより、上記導電性カーボン粉末に上記活物質原料及び/又はその反応生成物を担持させる担持工程、及び、
c1)上記活物質原料及び/又はその反応生成物を担持させた導電性カーボン粉末を、上記Mで表される金属を含む化合物と混合した後、加熱処理することにより、上記導電性カーボン粉末上で上記スピネル型酸化物を形成する熱処理工程
を含むことを特徴とする、第1の製造方法を提供する。第1の製造方法により、本発明の電極材料を好適に得ることができる。
Therefore, the present invention also includes a conductive carbon powder and a general formula LiM x Mn (2-x) O 4 (wherein M is a metal other than Mn ) attached to the conductive carbon powder. A spinel-type oxide particle represented by one or more selected metals represented by 0 <x ≦ 0.15), and a method for producing an electrode material for a lithium ion secondary battery,
a1) A preparation step of introducing a reaction solution obtained by adding conductive carbon powder to a solution in which an active material raw material containing a compound containing Li and a compound containing Mn is dissolved, into a swirlable reactor,
b1) A supporting step of supporting the active material raw material and / or the reaction product thereof on the conductive carbon powder by swirling the reactor and applying shear stress and centrifugal force to the reaction liquid; and
c1) The conductive carbon powder supporting the active material raw material and / or the reaction product thereof is mixed with the compound containing the metal represented by M and then heat-treated, whereby the conductive carbon powder is heated. A first manufacturing method is provided, which includes a heat treatment step of forming the spinel oxide. By the first production method, the electrode material of the present invention can be suitably obtained.

b1)の担持工程において上記反応器の旋回により上記反応液に印加される遠心力は、一般に「超遠心力」といわれる範囲の遠心力であり、好ましくは1500kgms−2以上、特に好ましくは70000kgms−2以上の遠心力である。この範囲の遠心力により、スピネル型酸化物を構成するLiの化合物及びMnの化合物及び/又はその反応生成物が均一な大きさの微粒子として導電性カーボン粉末上に担持される。本明細書において、旋回する反応器内で反応液にずり応力と遠心力とを印加する処理を、「超遠心処理」ということがある。反応器としては、反応液に超遠心力を印加可能な反応器であれば特に限定なく使用することができるが、特許文献7の図1に記載されている、外筒と内筒の同心円筒からなり、旋回可能な内筒の側面に貫通孔が設けられ、外筒の開口部にせき板が配置されている反応器が好適に使用される。特許文献7における反応器に関する記載は、参照により本明細書に組み入れられる。上記反応器において、内筒外壁面と外筒内壁面との間隔は、5mm以下であるのが好ましく、2.5mm以下であるのがより好ましい。 The centrifugal force applied to the reaction solution by swirling the reactor in the loading step of b1) is a centrifugal force in a range generally referred to as “ultracentrifugal force”, preferably 1500 kgms −2 or more, particularly preferably 70000 kgms − 2 or more centrifugal force. By the centrifugal force in this range, the Li compound and Mn compound constituting the spinel oxide and / or the reaction product thereof are supported on the conductive carbon powder as fine particles of uniform size. In the present specification, the process of applying shear stress and centrifugal force to the reaction solution in a swirling reactor may be referred to as “ultracentrifugation process”. As the reactor, any reactor can be used as long as it can apply an ultracentrifugal force to the reaction solution. However, a concentric cylinder of an outer cylinder and an inner cylinder described in FIG. It is preferable to use a reactor in which a through hole is provided in a side surface of a rotatable inner cylinder, and a slat is arranged in an opening of the outer cylinder. The description relating to the reactor in US Pat. In the reactor, the distance between the inner cylinder outer wall surface and the outer cylinder inner wall surface is preferably 5 mm or less, and more preferably 2.5 mm or less.

そして、b1)工程の生成物をMで表される金属を含む化合物と混合した後、加熱処理することにより、上記導電性カーボン粉末上で上記スピネル型酸化物を形成する。加熱処理は一般に酸素含有雰囲気中で行われる。加熱温度は一般に200〜300℃である。300℃を超える温度における長時間の加熱は、導電性カーボン粉末の燃焼及び消失を促進する。しかしながら、600〜700℃の高温で、短時間、例えば3〜5分間、フラッシュ加熱する方法により、加熱処理を行っても良い。ここで、「フラッシュ加熱処理」とは、600〜700℃の加熱温度まで急速に昇温し、加熱後は急速に冷却する処理を意味する。フラッシュ加熱を行う場合には、上記導電性カーボン粉末の表面を、酸化スズ、酸化鉄、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化ケイ素及び酸化ジルコニウムから成る群から選択された金属酸化物のナノ粒子及び/又は薄膜で部分的に被覆しておくのが好ましい。これらの酸化物が、電極材料作成時の加熱による導電性カーボン粉末の燃焼及び消失を抑制し、また、これらの酸化物はスピネル型酸化物の形成に悪影響をもたらさないからである。もっとも、上記金属酸化物の量が多すぎると、電極材料の導電率が低下してリチウムイオン二次電池の放電容量が低下するため好ましくない。電極材料の導電率は10−3S/cm以上であるのが好ましい。なお、「ナノ粒子」とは、球状粒子の場合には直径が200nm以下の粒子を意味し、針状、管状或いは繊維状の粒子の場合には粒子断面の直径(短径)が200nm以下の粒子を意味する。ナノ粒子は、一次粒子であっても二次粒子であっても良い。 And after mixing the product of the b1) process with the compound containing the metal represented by M, the said spinel type oxide is formed on the said conductive carbon powder by heat-processing. The heat treatment is generally performed in an oxygen-containing atmosphere. The heating temperature is generally 200 to 300 ° C. Prolonged heating at a temperature exceeding 300 ° C. promotes burning and disappearance of the conductive carbon powder. However, the heat treatment may be performed by flash heating at a high temperature of 600 to 700 ° C. for a short time, for example, 3 to 5 minutes. Here, the “flash heat treatment” means a treatment in which the temperature is rapidly raised to a heating temperature of 600 to 700 ° C. and is rapidly cooled after heating. When performing flash heating, the surface of the conductive carbon powder is a metal oxide nanoparticle selected from the group consisting of tin oxide, iron oxide, aluminum oxide, titanium oxide, silicon oxide and zirconium oxide and / or It is preferable to partially cover with a thin film. This is because these oxides suppress the burning and disappearance of the conductive carbon powder due to heating during the preparation of the electrode material, and these oxides do not adversely affect the formation of the spinel oxide. However, if the amount of the metal oxide is too large, the electrical conductivity of the electrode material is lowered and the discharge capacity of the lithium ion secondary battery is lowered, which is not preferable. The conductivity of the electrode material is preferably 10 −3 S / cm or more. The term “nanoparticle” means a particle having a diameter of 200 nm or less in the case of a spherical particle, and a diameter (short axis) of a particle cross section in the case of a needle-like, tubular or fibrous particle of 200 nm or less. Means particles. The nanoparticles may be primary particles or secondary particles.

本発明はまた、導電性カーボン粉末と、該導電性カーボン粉末に付着している一般式LiMMn(2−x)(式中、Mが、Mn以外の金属から成る群から選択された一種以上の金属を表わし、0<x≦0.15である。)で表されるスピネル型酸化物の粒子と、を含むリチウムイオン二次電池用電極材料の製造方法であって、
a2)Liを含む化合物とMnを含む化合物と上記Mで表される金属を含む化合物とを含む活物質原料を溶解させた溶液に導電性カーボン粉末を添加した反応液を、旋回可能な反応器内に導入する調製工程、
b2)上記反応器を旋回させて上記反応液にずり応力と遠心力とを加えることにより、上記導電性カーボン粉末に上記活物質原料及び/又はその反応生成物を担持させる担持工程、及び、
c2)上記活物質原料及び/又はその反応生成物を担持させた導電性カーボン粉末を加熱処理することにより、上記導電性カーボン粉末上で上記スピネル型酸化物を形成する熱処理工程
を含むことを特徴とする、第2の製造方法を提供する。この方法は、第1の製造方法においてc1)工程において用いられるMで表される金属を含む化合物を、予めa2)工程で調製する反応液中に含ませておく方法であり、第1の製造方法の変形方法とも言える。この場合にも、特許文献7の図1に記載されている反応器を用いて超遠心処理を好適に行うことができ、反応液に印加される遠心力の大きさ及び内筒外壁面と外筒内壁面との間隔に関する上述の記載は、この場合にも当てはまる。また、第1の製造方法における加熱処理に関する記載も、この場合にも当てはまる。第2の製造方法により、本発明の電極材料を好適に得ることができる。
The present invention also includes a conductive carbon powder and a general formula LiM x Mn (2-x) O 4 (wherein M is selected from the group consisting of metals other than Mn ) attached to the conductive carbon powder. And a spinel-type oxide particle represented by 0 <x ≦ 0.15), and a method for producing an electrode material for a lithium ion secondary battery,
a2) Reactor capable of turning a reaction liquid obtained by adding conductive carbon powder to a solution in which an active material raw material containing a compound containing Li, a compound containing Mn, and a compound containing a metal represented by M is dissolved The preparation process to be introduced in,
b2) a supporting step of supporting the active material raw material and / or the reaction product thereof on the conductive carbon powder by rotating the reactor and applying shear stress and centrifugal force to the reaction solution; and
c2) including a heat treatment step of forming the spinel oxide on the conductive carbon powder by heat-treating the conductive carbon powder supporting the active material raw material and / or the reaction product thereof. A second manufacturing method is provided. This method is a method in which the compound containing the metal represented by M used in step c1) in the first production method is previously contained in the reaction solution prepared in step a2). It can also be said to be a modified method. Also in this case, the ultracentrifugation process can be suitably performed using the reactor described in FIG. 1 of Patent Document 7, and the magnitude of the centrifugal force applied to the reaction solution and the outer wall surface of the inner cylinder and the outside The above description regarding the distance from the cylinder inner wall surface also applies in this case. The description relating to the heat treatment in the first manufacturing method also applies to this case. The electrode material of the present invention can be suitably obtained by the second production method.

本発明はまた、導電性カーボン粉末と、該導電性カーボン粉末に付着している一般式LiMMn(2−x)(式中、Mが、Mn以外の金属から成る群から選択された一種以上の金属を表わし、0<x≦0.15である。)で表されるスピネル型酸化物の粒子と、を含むリチウムイオン二次電池用電極材料の製造方法であって、
a3)水と、Liの水酸化物と、Mnを含む化合物と、導電性カーボン粉末とを含み、9〜11の範囲のpHを有する反応液を、旋回可能な反応器内に導入する調製工程、
b3)上記反応器を旋回させて上記反応液にずり応力と遠心力とを加えることにより、Mnの水酸化物の核を生成させ、この生成したMnの水酸化物の核と上記導電性カーボン粉末とを分散させると同時に上記導電性カーボン粉末にMnの水酸化物を担持させる担持工程、及び、
c3)上記Mnの水酸化物を担持させた導電性カーボン粉末と、Liを含む化合物と、上記Mで表される金属を含む化合物と、を混合して加熱処理することにより、上記導電性カーボン粉末上で上記スピネル型酸化物を形成する熱処理工程
を含むことを特徴とする、第3の製造方法を提供する。この方法は、第1の製造方法のa1)工程における反応液として、水と、Liの水酸化物と、Mnを含む化合物と、導電性カーボン粉末とを含み、9〜11の範囲のpHを有する反応液を調製する方法であり、第1の製造方法の変形方法とも言える。ここで、実在しないものの慣用的に水酸化物として表されるMn(OH)(Mn・nHO)も、上述の「水酸化物」の範囲に含まれる。b3)工程において、反応液に含まれるMnのほとんど全てが導電性カーボン粉末上に微粒子として担持されるため、効率よく電極材料を得ることができる。特許文献7の図1に記載されている反応器を用いて超遠心処理を好適に行うことができ、反応液に印加される遠心力の大きさ及び内筒外壁面と外筒内壁面との間隔に関する上述の記載は、この場合にも当てはまる。また、第1の製造方法における加熱処理に関する記載も、この場合にも当てはまる。第3の製造方法により、本発明の電極材料を好適に得ることができる。
The present invention also includes a conductive carbon powder and a general formula LiM x Mn (2-x) O 4 (wherein M is selected from the group consisting of metals other than Mn ) attached to the conductive carbon powder. And a spinel-type oxide particle represented by 0 <x ≦ 0.15), and a method for producing an electrode material for a lithium ion secondary battery,
a3) Preparation step for introducing a reaction solution containing water, a Li hydroxide, a compound containing Mn, and a conductive carbon powder and having a pH in the range of 9 to 11 into a swirlable reactor ,
b3) The reactor is swirled to apply shear stress and centrifugal force to the reaction solution to generate Mn hydroxide nuclei, and the generated Mn hydroxide nuclei and the conductive carbon. A supporting step of dispersing the powder and simultaneously supporting a hydroxide of Mn on the conductive carbon powder; and
c3) The conductive carbon powder supporting the Mn hydroxide, the compound containing Li, and the compound containing the metal represented by M are mixed and heat-treated, whereby the conductive carbon powder is mixed. A third manufacturing method is provided, comprising a heat treatment step of forming the spinel oxide on a powder. This method includes water, a Li hydroxide, a compound containing Mn, and a conductive carbon powder as a reaction solution in the step a1) of the first production method, and has a pH in the range of 9 to 11. It is a method for preparing a reaction solution having the same, and can be said to be a modification method of the first manufacturing method. Here, Mn (OH) 3 (Mn 2 O 3 .nH 2 O), which is not actually present but is conventionally expressed as a hydroxide, is also included in the above-mentioned “hydroxide” range. In the step b3), almost all of Mn contained in the reaction solution is supported as fine particles on the conductive carbon powder, so that an electrode material can be obtained efficiently. The ultracentrifugation treatment can be suitably performed using the reactor described in FIG. 1 of Patent Document 7, and the magnitude of the centrifugal force applied to the reaction liquid and the inner cylinder outer wall surface and the outer cylinder inner wall surface The above description regarding the spacing also applies here. The description relating to the heat treatment in the first manufacturing method also applies to this case. By the third manufacturing method, the electrode material of the present invention can be suitably obtained.

本発明はまた、導電性カーボン粉末と、該導電性カーボン粉末に付着している、一般式LiMMn(2−x)(式中、Mが、Mn以外の金属から成る群から選択された一種以上の金属を表わし、0<x≦0.15である。)で表されるスピネル型酸化物の粒子と、を含むリチウムイオン二次電池用電極材料の製造方法であって、
a4)水と、Liの水酸化物と、Mnを含む化合物と、上記Mで表される金属を含む化合物と、導電性カーボン粉末とを含み、9〜11の範囲のpHを有する反応液を、旋回可能な反応器内に導入する調製工程、
b4)上記反応器を旋回させて上記反応液にずり応力と遠心力とを加えることにより、Mnの水酸化物及び上記Mで表される金属の水酸化物の核を生成させ、この生成したMnの水酸化物及び上記Mで表される金属の水酸化物の核と上記導電性カーボン粉末とを分散させると同時に上記導電性カーボン粉末にMnの水酸化物及び上記Mで表される金属の水酸化物を担持させる担持工程、及び、
c4)上記Mnの水酸化物及び上記Mで表される金属の水酸化物を担持させた導電性カーボン粉末と、Liを含む化合物と、を混合して加熱処理することにより、上記導電性カーボン粉末上で上記スピネル型酸化物を形成する熱処理工程
を含むことを特徴とする、第4の製造方法を提供する。この方法は、第3の製造方法においてc3)工程において用いられるMで表される金属を含む化合物を、予めa4)工程で調製する反応液中に含ませておく方法であり、第3の製造方法の変形方法と言うことができ、したがってまた第1の製造方法の変形方法と言うこともできる。第4の製造方法により、本発明の電極材料を好適に得ることができる。この方法は特に、MがFe、Ni、Coを含む場合に好適である。ここで、実在しないものの慣用的に水酸化物として表されるFe(OH)(Fe・nHO)、Co(OH)(Co・nHO)、Ni(OH)(Ni・nHO)のような酸化水酸化物或いは水和酸化物も、上述の「水酸化物」の範囲に含まれる。b4)工程において、反応液に含まれるMn及び存在する場合にはFe、Co及びNiのほとんど全てが導電性カーボン粉末上に微粒子として担持されるため、効率よく電極材料を得ることができる。特許文献7の図1に記載されている反応器を用いて超遠心処理を好適に行うことができ、反応液に印加される遠心力の大きさ及び内筒外壁面と外筒内壁面との間隔に関する上述の記載は、この場合にも当てはまる。また、第1の製造方法における加熱処理に関する記載も、この場合にも当てはまる。
The present invention also includes a conductive carbon powder and a general formula LiM x Mn (2-x) O 4 (wherein M is selected from the group consisting of metals other than Mn ) attached to the conductive carbon powder. A spinel-type oxide particle represented by: 0 <x ≦ 0.15), and a method for producing an electrode material for a lithium ion secondary battery,
a4) A reaction liquid containing water, a hydroxide of Li, a compound containing Mn, a compound containing a metal represented by M and a conductive carbon powder, and having a pH in the range of 9 to 11. A preparation process to be introduced into the swirlable reactor,
b4) The reactor was swirled to apply shear stress and centrifugal force to the reaction solution, thereby generating a Mn hydroxide and a metal hydroxide nucleus represented by M. Mn hydroxide and the metal hydroxide nucleus represented by M and the conductive carbon powder are dispersed, and at the same time, the Mn hydroxide and the metal represented by M are dispersed in the conductive carbon powder. A supporting step for supporting a hydroxide of, and
c4) Conductive carbon powder carrying the hydroxide of Mn and the metal hydroxide represented by M and a compound containing Li are mixed and heat-treated, whereby the conductive carbon is obtained. A fourth production method is provided, comprising a heat treatment step of forming the spinel oxide on the powder. This method is a method in which the compound containing the metal represented by M used in step c3) in the third production method is previously contained in the reaction solution prepared in step a4). It can be said that it is a modified method of the method, and therefore also a modified method of the first manufacturing method. The electrode material of the present invention can be suitably obtained by the fourth production method. This method is particularly suitable when M contains Fe, Ni, and Co. Here, Fe (OH) 3 (Fe 2 O 3 .nH 2 O), Co (OH) 3 (Co 2 O 3 .nH 2 O), Ni (), which are not actually present but are conventionally expressed as hydroxides. Oxide hydroxides or hydrated oxides such as (OH) 3 (Ni 2 O 3 .nH 2 O) are also included in the above-mentioned “hydroxide” range. In step b4), almost all of Mn contained in the reaction solution and Fe, Co and Ni, if present, are supported as fine particles on the conductive carbon powder, so that an electrode material can be obtained efficiently. The ultracentrifugation treatment can be suitably performed using the reactor described in FIG. 1 of Patent Document 7, and the magnitude of the centrifugal force applied to the reaction liquid and the inner cylinder outer wall surface and the outer cylinder inner wall surface The above description regarding the spacing also applies here. The description relating to the heat treatment in the first manufacturing method also applies to this case.

本発明の電極材料により、高レートでの充放電においても高い容量を示す優れたレート特性を有するリチウムイオン二次電池が得られる。したがって、本発明はまた、本発明の電極材料を含む活物質層を有する正極を備えたリチウムイオン二次電池に関する。   With the electrode material of the present invention, a lithium ion secondary battery having excellent rate characteristics exhibiting a high capacity even in charge and discharge at a high rate can be obtained. Therefore, this invention relates also to the lithium ion secondary battery provided with the positive electrode which has an active material layer containing the electrode material of this invention.

本発明の電極材料では、実質的に10〜50nmの粒径を有する結晶性一次粒子の形態で存在するスピネル型酸化物が導電性カーボン粉末に密着性良く且つ均一に付着しており、荷電交換・荷電移動反応の有効反応面積を大きくすることができ、充放電時におけるリチウムイオンの移動距離を短くすることができる。そのため、本発明の電極材料を正極のために使用することにより、10C或いはそれ以上のレートでの充放電においても高い容量を示す優れたレート特性を有するリチウムイオン二次電池が得られる。   In the electrode material of the present invention, the spinel oxide present in the form of crystalline primary particles having a particle size of substantially 10 to 50 nm adheres to the conductive carbon powder with good adhesion and uniformity, and charge exchange -The effective reaction area of the charge transfer reaction can be increased, and the movement distance of lithium ions during charge / discharge can be shortened. Therefore, by using the electrode material of the present invention for the positive electrode, a lithium ion secondary battery having excellent rate characteristics exhibiting a high capacity even in charge and discharge at a rate of 10 C or higher can be obtained.

電極材料の動作を説明するための概念図であり、(a)は本発明の電極材料に関する図であり、(b)は従来の電極材料に関する図である。It is a conceptual diagram for demonstrating operation | movement of an electrode material, (a) is a figure regarding the electrode material of this invention, (b) is a figure regarding the conventional electrode material. 本発明の電極材料のTEM写真である。It is a TEM photograph of the electrode material of the present invention. 本発明の電極材料を用いたリチウムイオン二次電池におけるレート特性を示した図である。It is the figure which showed the rate characteristic in the lithium ion secondary battery using the electrode material of this invention. 本発明の電極材料を用いたリチウムイオン二次電池におけるサイクル特性を示した図である。It is the figure which showed the cycling characteristics in the lithium ion secondary battery using the electrode material of this invention.

(A)電極材料
本発明のリチウムイオン二次電池用電極材料は、導電性カーボン粉末と、該導電性カーボン粉末に付着している、一般式LiMMn(2−x)(式中、Mが、Mn以外の金属から成る群から選択された一種以上の金属を表わし、0<x≦0.15である。)で表される微細なスピネル型酸化物の粒子と、を含む。そして、微細なスピネル型酸化物の粒子は、多面体形状を有する結晶粒子であり、しかも実質的に10〜50nmの粒径を有する一次粒子の形態で存在し、凝集した二次粒子を実質的に形成していない。
(A) Electrode material An electrode material for a lithium ion secondary battery of the present invention comprises a conductive carbon powder and a general formula LiM x Mn (2-x) O 4 (wherein M represents one or more metals selected from the group consisting of metals other than Mn, and 0 <x ≦ 0.15.) Fine spinel oxide particles represented by: The fine spinel-type oxide particles are polyhedral crystal grains, and exist substantially in the form of primary particles having a particle size of 10 to 50 nm. Not formed.

一般式LiMMn(2−x)において、MはMn以外の金属から成る群から選択された一種以上の金属を表わし、好ましくは、平均価数が+3価以下である一種以上の金属を表わす。具体的には、Liの他、B、Mg、Ca、Ba、Al、Si、Sc、Ti、V、Cr、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Y、Zr、Nb、Mo、Ru、Sn、In、Sb、La、Ce、Pr、Nd、Hf、Ta、Pb、Te、Wが挙げられる。Mが、Mg、Al、Co、Cr、Fe及びNiから選択された金属であるのが特に好ましい。これらの金属による(16d)サイトのMn3+の置換により、サイクル安定性に優れたリチウムイオン二次電池へと導く電極材料が得られるからである。 In the general formula LiM x Mn (2-x) O 4 , M represents one or more metals selected from the group consisting of metals other than Mn, and preferably one or more metals having an average valence of +3 or less. Represents. Specifically, in addition to Li, B, Mg, Ca, Ba, Al, Si, Sc, Ti, V, Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Y, Zr, Nb, Mo, Ru , Sn, In, Sb, La, Ce, Pr, Nd, Hf, Ta, Pb, Te, and W. It is particularly preferred that M is a metal selected from Mg, Al, Co, Cr, Fe and Ni. This is because substitution of Mn 3+ at the (16d) site with these metals yields an electrode material that leads to a lithium ion secondary battery having excellent cycle stability.

導電性カーボン粉末と、該導電性カーボン粉末に付着しているスピネル型酸化物の粒子と、を含むリチウムイオン二次電池用電極材料は、以下に示す第1〜第4の製造方法により得ることができる。これらの方法により、本発明の電極材料を好適に得ることができる。   An electrode material for a lithium ion secondary battery including conductive carbon powder and spinel oxide particles adhering to the conductive carbon powder is obtained by the following first to fourth manufacturing methods. Can do. By these methods, the electrode material of the present invention can be suitably obtained.

(i)第1の製造方法
第1の製造方法は、
a1)Liを含む化合物とMnを含む化合物とを含む活物質原料を溶解させた溶液に導電性カーボン粉末を添加した反応液を、旋回可能な反応器内に導入する調製工程、
b1)上記反応器を旋回させて上記反応液にずり応力と遠心力とを加えることにより、上記導電性カーボン粉末に上記活物質原料及び/又はその反応生成物を担持させる担持工程、及び、
c1)上記活物質原料及び/又はその反応生成物を担持させた導電性カーボン粉末を、上記Mで表される金属を含む化合物と混合した後、加熱処理することにより、上記導電性カーボン粉末上で上記スピネル型酸化物を形成する熱処理工程
を含む。
(I) First manufacturing method The first manufacturing method is:
a1) A preparation step of introducing a reaction solution obtained by adding conductive carbon powder to a solution in which an active material raw material containing a compound containing Li and a compound containing Mn is dissolved, into a swirlable reactor,
b1) A supporting step of supporting the active material raw material and / or the reaction product thereof on the conductive carbon powder by swirling the reactor and applying shear stress and centrifugal force to the reaction liquid; and
c1) The conductive carbon powder supporting the active material raw material and / or the reaction product thereof is mixed with the compound containing the metal represented by M and then heat-treated, whereby the conductive carbon powder is heated. And a heat treatment step of forming the spinel oxide.

a1)の調製工程では、溶媒に、活物質原料としてのLiを含む化合物及びMnを含む化合物と、導電性カーボン粉末とを添加し、上記化合物を溶媒に溶解させることによって、反応液を得る。   In the preparation step of a1), a reaction liquid is obtained by adding a compound containing Li as an active material raw material, a compound containing Mn, and conductive carbon powder to a solvent, and dissolving the compound in the solvent.

溶媒としては、反応に悪影響を及ぼさない液であれば特に限定なく使用することができ、水、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコールなどを好適に使用することができる。2種以上の溶媒を混合して使用しても良い。水を好適に使用することができる。   As the solvent, any solvent that does not adversely influence the reaction can be used without particular limitation, and water, methanol, ethanol, isopropyl alcohol, and the like can be suitably used. Two or more solvents may be mixed and used. Water can be preferably used.

活物質原料としてのLiを含む化合物及びMnを含む化合物としては、上記溶媒に溶解可能な化合物を特に限定なく使用することができる。例としては、上記金属のハロゲン化物、硝酸塩、硫酸塩、炭酸塩等の無機金属塩、ギ酸塩、酢酸塩、蓚酸塩、メトキシド、エトキシド、イソプロポキシド等の有機金属塩、或いはこれらの混合物を使用することができる。一種の金属について、単独の化合物を使用しても良く、2種以上の化合物を混合して使用しても良い。   As the compound containing Li as an active material material and the compound containing Mn, a compound that can be dissolved in the solvent can be used without any particular limitation. Examples include inorganic metal salts such as halides, nitrates, sulfates and carbonates of the above metals, organometallic salts such as formate, acetate, oxalate, methoxide, ethoxide, isopropoxide, or mixtures thereof. Can be used. With respect to one kind of metal, a single compound may be used, or two or more kinds of compounds may be mixed and used.

導電性カーボン粉末としては、導電性を有しているカーボンであれば特に限定なく使用することができる。例としては、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、チャネルブラックなどのカーボンブラック、フラーレン、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバ、無定形炭素、炭素繊維、天然黒鉛、人造黒鉛、黒鉛化ケッチェンブラック、活性炭、メソポーラス炭素などを挙げることができる。また、気相法炭素繊維を使用することもできる。これらのカーボン粉末は、単独で使用しても良く、2種以上を混合して使用しても良い。カーボン粉末の少なくとも一部がカーボンナノファイバであるのが好ましい。導電性の高い電極材料が得られるからである。導電性カーボンが球状の粒子である場合には、粒子の直径が10nm〜300nmの範囲であるのが好ましく、10〜100nmの範囲であるのがより好ましく、10〜50nmの範囲であるのが特に好ましい。導電性カーボンが針状、管状或いは繊維状の粒子である場合には、粒子断面の直径(短径)が10nm〜300nmの範囲であるのが好ましく、10〜100nmの範囲であるのがより好ましく、10〜50nmの範囲であるのが特に好ましい。   As the conductive carbon powder, any conductive carbon powder can be used without particular limitation. Examples include carbon black such as ketjen black, acetylene black, channel black, fullerene, carbon nanotube, carbon nanofiber, amorphous carbon, carbon fiber, natural graphite, artificial graphite, graphitized ketjen black, activated carbon, mesoporous carbon And so on. Also, vapor grown carbon fiber can be used. These carbon powders may be used alone or in combination of two or more. It is preferable that at least a part of the carbon powder is a carbon nanofiber. This is because a highly conductive electrode material can be obtained. When the conductive carbon is a spherical particle, the particle diameter is preferably in the range of 10 nm to 300 nm, more preferably in the range of 10 to 100 nm, particularly in the range of 10 to 50 nm. preferable. When the conductive carbon is acicular, tubular or fibrous particles, the diameter (short axis) of the particle cross section is preferably in the range of 10 nm to 300 nm, and more preferably in the range of 10 to 100 nm. The range of 10 to 50 nm is particularly preferable.

旋回可能な反応器としては、反応液に超遠心力を印加可能な反応器であれば特に限定なく使用することができるが、特許文献7(特開2007−160151号公報)の図1に記載されている、外筒と内筒の同心円筒からなり、旋回可能な内筒の側面に貫通孔が設けられ、外筒の開口部にせき板が配置されている反応器が好適に使用される。以下、この好適な反応器を使用する形態について説明する。   As the reactor capable of turning, any reactor can be used as long as it can apply a supercentrifugal force to the reaction solution. However, it is described in FIG. 1 of Patent Document 7 (Japanese Patent Laid-Open No. 2007-160151). A reactor having a concentric cylinder of an outer cylinder and an inner cylinder, in which a through-hole is provided in a side surface of the rotatable inner cylinder, and a slat plate is disposed at an opening of the outer cylinder is preferably used. . Hereinafter, the form which uses this suitable reactor is demonstrated.

超遠心力場での反応に付すための反応液は、上記反応器の内筒内に導入される。予め調製した反応液を内筒内に導入しても良く、内筒内で反応液を調製することにより導入しても良い。活物質原料が溶媒に溶解しており且つ導電性カーボン粉末が液に分散している反応液が得られれば良く、溶媒に対する、Liを含む化合物、Mnを含む化合物及び導電性カーボン粉末の添加順序には限定がない。溶媒にMnを含む化合物と導電性カーボン粉末とを添加し、得られた液を攪拌して導電性カーボン粉末を液に分散させた後、リチウムを含む化合物を添加するのが好ましい。導電性カーボン粉末の分散性を高めることによって、以下の担持工程において活物質原料及び/又はその反応生成物がより均一且つ微細にカーボン粉末上に担持されるからである。攪拌は、ホモジナイザー等の攪拌手段を用いて行っても良く、反応器内で反応液を調製する場合には反応器を旋回させることによって行っても良い。反応液にはさらに、以下の担持工程において目的の反応生成物を導電性カーボンに担持させるために、反応促進剤を添加することができる。反応促進剤としては、加水分解反応を促進するNaOH、KOH、NHOH、Na、NaHCO等が挙げられる。 A reaction solution for reaction in an ultracentrifugal force field is introduced into the inner cylinder of the reactor. A reaction liquid prepared in advance may be introduced into the inner cylinder, or may be introduced by preparing the reaction liquid in the inner cylinder. It is only necessary to obtain a reaction solution in which the active material raw material is dissolved in the solvent and the conductive carbon powder is dispersed in the liquid. The order of addition of the compound containing Li, the compound containing Mn, and the conductive carbon powder to the solvent There is no limitation. It is preferable to add a compound containing lithium after adding a compound containing Mn and conductive carbon powder to the solvent, stirring the resulting liquid to disperse the conductive carbon powder in the liquid. This is because by increasing the dispersibility of the conductive carbon powder, the active material raw material and / or the reaction product thereof are more uniformly and finely supported on the carbon powder in the following supporting step. Stirring may be performed using a stirring means such as a homogenizer, or when preparing a reaction liquid in the reactor, the stirring may be performed by rotating the reactor. Further, a reaction accelerator can be added to the reaction solution in order to support the target reaction product on the conductive carbon in the following supporting step. Examples of the reaction accelerator include NaOH, KOH, NH 4 OH, Na 2 O 3 , NaHCO 3 and the like that promote the hydrolysis reaction.

b1)の担持工程では、反応器を旋回させて反応液にずり応力と遠心力とを加えることにより、上記導電性カーボン粉末に、活物質原料及び/又はその反応生成物を担持させる。反応液の種類に依存して、活物質原料が多く担持されることもあり、水酸化物等の反応生成物が多く担持されることもある。   In the supporting step of b1), the active carbon material and / or the reaction product thereof are supported on the conductive carbon powder by rotating the reactor and applying shear stress and centrifugal force to the reaction liquid. Depending on the type of reaction solution, a large amount of active material raw material may be supported, and a large amount of reaction product such as hydroxide may be supported.

活物質原料から反応生成物への転化、及び、活物質原料及び/又はその反応生成物の導電性カーボン粉末への担持は、反応液に加えられるずり応力と遠心力の機械的エネルギーによって実現されると考えられるが、このずり応力と遠心力は内筒の旋回により反応液に加えられる遠心力によって生じる。内筒の反応液に加えられる遠心力は、一般に「超遠心力」といわれる範囲の遠心力であり、一般には1500kgms−2以上、好ましくは70000kgms−2以上、特に好ましくは270000kgms−2以上である。 Conversion from the active material raw material to the reaction product, and loading of the active material raw material and / or the reaction product onto the conductive carbon powder are realized by the mechanical energy of shear stress and centrifugal force applied to the reaction liquid. However, the shear stress and the centrifugal force are generated by the centrifugal force applied to the reaction liquid by the rotation of the inner cylinder. The centrifugal force applied to the reaction solution in the inner cylinder is a centrifugal force in a range generally referred to as “ultracentrifugal force”, and is generally 1500 kgms −2 or more, preferably 70000 kgms −2 or more, particularly preferably 270000 kgms −2 or more. .

上述した外筒と内筒とを有する好適な反応器を使用する形態について説明すると、反応液を導入した反応器の内筒を旋回させると、内筒の旋回による遠心力によって、内筒内の反応液が貫通孔を通じて外筒に移動し、内筒外壁と外筒内壁の間の反応液が外筒内壁上部にずり上がる。その結果、反応液にずり応力と遠心力が加わり、この機械的なエネルギーにより、内筒外壁面と外筒内壁面の間で、反応液の種類に依存して、活物質原料から反応生成物への転化、及び、活物質原料及び/又はその反応生成物の導電性カーボン粉末への担持が生じる。活物質原料及び/又はその反応生成物は、この超遠心力場での反応により、極めて微細な粒として、分散性良く導電性カーボン粉末に担持される。   The embodiment using the preferred reactor having the outer cylinder and the inner cylinder described above will be described. When the inner cylinder of the reactor into which the reaction liquid has been introduced is swung, the centrifugal force generated by the swirling of the inner cylinder causes The reaction liquid moves to the outer cylinder through the through hole, and the reaction liquid between the outer wall of the inner cylinder and the inner wall of the outer cylinder rises to the upper part of the inner wall of the outer cylinder. As a result, shear stress and centrifugal force are applied to the reaction liquid, and this mechanical energy causes reaction products from the active material raw material between the outer wall surface of the inner cylinder and the inner wall surface of the outer cylinder depending on the type of the reaction liquid. And conversion of the active material raw material and / or its reaction product onto the conductive carbon powder occurs. The active material raw material and / or the reaction product thereof are supported on the conductive carbon powder as very fine particles by a reaction in the ultracentrifugal field with good dispersibility.

上記反応において、内筒外壁面と外筒内壁面との間隔が狭いほど、反応液に大きな機械的エネルギーを印加できるため好ましい。内筒外壁面と外筒内壁面との間隔は、5mm以下であるのが好ましく、2.5mm以下であるのがより好ましく、1.0mm以下であるのが特に好ましい。内筒外壁面と外筒内壁面との間隔は、反応器のせき板の幅及び反応器に導入される反応液の量によって設定することができる。   In the above reaction, the smaller the distance between the outer wall surface of the inner cylinder and the inner wall surface of the outer cylinder, the larger the mechanical energy that can be applied to the reaction solution. The distance between the inner cylinder outer wall surface and the outer cylinder inner wall surface is preferably 5 mm or less, more preferably 2.5 mm or less, and particularly preferably 1.0 mm or less. The distance between the inner cylinder outer wall surface and the outer cylinder inner wall surface can be set by the width of the reactor plate and the amount of the reaction liquid introduced into the reactor.

内筒の旋回時間には厳密な制限がなく、反応液の量や内筒の旋回速度(遠心力の値)によっても変化するが、一般的には0.5分〜10分の範囲である。反応終了後に、内筒の旋回を停止し、活物質原料及び/又はその反応生成物を担持させた導電性カーボン粉末を回収して乾燥する。   The turning time of the inner cylinder is not strictly limited and varies depending on the amount of the reaction solution and the turning speed (centrifugal force) of the inner cylinder, but is generally in the range of 0.5 to 10 minutes. . After completion of the reaction, the inner cylinder stops turning, and the conductive carbon powder carrying the active material material and / or the reaction product thereof is collected and dried.

c1)の熱処理工程では、回収物をMで表される金属を含む化合物と混合した後、加熱処理することにより、導電性カーボン粉末上でスピネル型酸化物を形成する。ここで、Mで表される金属を含んでいる化合物を特に限定なく使用することができ、例えば、水酸化物、炭酸塩、ハロゲン化物、硝酸塩、硫酸塩等の無機金属塩、ギ酸塩、酢酸塩、シュウ酸塩、乳酸塩等の有機金属塩、或いはこれらの混合物を使用することができる。これらの化合物は、単独で使用しても良く、2種以上を混合して使用しても良い。   In the heat treatment step c1), the recovered material is mixed with a compound containing a metal represented by M, and then heat-treated to form a spinel oxide on the conductive carbon powder. Here, a compound containing a metal represented by M can be used without any particular limitation. For example, inorganic metal salts such as hydroxide, carbonate, halide, nitrate, sulfate, formate, acetic acid Organic metal salts such as salts, oxalates and lactates, or mixtures thereof can be used. These compounds may be used alone or in combination of two or more.

上記b1)工程で得られた回収物と、Mで表わされる金属を含む化合物とを、必要に応じて適量の分散媒とを組み合わせ、必要に応じて分散媒を蒸発させながら混錬することにより、混錬物を得る。混錬のための分散媒としては、複合体に悪影響を及ぼさない媒体であれば特に限定なく使用することができ、水、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコールなどを好適に使用することができ、水を特に好適に使用することができる。   By combining the recovered material obtained in the step b1) and the compound containing a metal represented by M with an appropriate amount of a dispersion medium as necessary, and kneading while evaporating the dispersion medium as necessary. Get kneaded. As a dispersion medium for kneading, any medium that does not adversely affect the composite can be used without particular limitation, and water, methanol, ethanol, isopropyl alcohol, and the like can be preferably used. It can be particularly preferably used.

次いで、加熱処理を施すことにより、上記導電性カーボン粉末に担持された活物質原料及び/又はその反応生成物をMで表わされる金属を含む化合物と反応させ、スピネル型酸化物の粒子に転化させる。加熱処理は一般に酸素含有雰囲気中で行われる。酸素を含まない雰囲気中で加熱すると、反応生成物が還元されて目的のスピネル型酸化物が得られない場合がある。反応温度は一般に200〜300℃である。加熱時間は一般的に0.5〜5時間の範囲である。300℃を超える温度における長時間の加熱は、導電性カーボン粉末の燃焼及び消失を促進するため好ましくない。   Next, by applying heat treatment, the active material raw material supported on the conductive carbon powder and / or the reaction product thereof is reacted with a compound containing a metal represented by M to be converted into spinel oxide particles. . The heat treatment is generally performed in an oxygen-containing atmosphere. When heated in an oxygen-free atmosphere, the reaction product may be reduced and the desired spinel oxide may not be obtained. The reaction temperature is generally 200-300 ° C. The heating time is generally in the range of 0.5 to 5 hours. Prolonged heating at a temperature exceeding 300 ° C. is not preferable because it promotes combustion and disappearance of the conductive carbon powder.

上記担持工程において、活物質原料及び/又はその反応生成物が微粒子として分散性良く導電性カーボン粉末に担持されているため、熱処理工程で生成するスピネル型酸化物は微細で均一な大きさの粒子となる。   In the supporting step, since the active material raw material and / or the reaction product thereof are supported as fine particles on the conductive carbon powder with good dispersibility, the spinel-type oxide generated in the heat treatment step is fine and has a uniform size. It becomes.

加熱処理はまた、600〜700℃の高温で短時間、例えば3〜5分間、フラッシュ加熱する方法により行っても良い。フラッシュ加熱処理の前に、低温で予備加熱を行うこともできる。予備加熱は必須ではない。予備加熱の雰囲気には厳密な制限がなく、真空中での予備加熱でも良く、窒素、アルゴン等の不活性雰囲気中での予備加熱でも良く、酸素、空気等の酸素含有雰囲気中での予備加熱でも良い。一般には、酸素含有雰囲気中又は不活性雰囲気中での加熱処理は200〜300℃の温度で3分〜2時間、真空中での予備加熱は常温〜200℃の温度で3分〜2時間の範囲で行われる。   The heat treatment may also be performed by flash heating at a high temperature of 600 to 700 ° C. for a short time, for example, 3 to 5 minutes. Prior to the flash heat treatment, preheating can also be performed at a low temperature. Preheating is not essential. The preheating atmosphere is not strictly limited and may be preheating in vacuum, preheating in an inert atmosphere such as nitrogen or argon, or preheating in an oxygen-containing atmosphere such as oxygen or air. But it ’s okay. In general, heat treatment in an oxygen-containing atmosphere or inert atmosphere is performed at a temperature of 200 to 300 ° C. for 3 minutes to 2 hours, and preheating in a vacuum is performed at a temperature of room temperature to 200 ° C. for 3 minutes to 2 hours. Done in a range.

フラッシュ加熱は、公知のフラッシュ加熱装置、例えばフラッシュランプを備えたフラッシュ加熱装置を用いて行うことができる。フラッシュ加熱の条件は、酸素含有雰囲気中600〜700℃で3〜5分間である。酸素を含まない雰囲気中でのフラッシュ加熱では、スピネル型酸化物が還元されて、目的の活物質が得られない。フラッシュ加熱温度が700℃よりも高温であると、またフラッシュ加熱時間が5分より長いと、導電性カーボン粉末の燃焼及び消失が進行しすぎて、電極材料の導電率が低下する。   The flash heating can be performed using a known flash heating device, for example, a flash heating device including a flash lamp. The conditions for flash heating are 600 to 700 ° C. for 3 to 5 minutes in an oxygen-containing atmosphere. In flash heating in an atmosphere not containing oxygen, the spinel oxide is reduced, and the target active material cannot be obtained. If the flash heating temperature is higher than 700 ° C., and if the flash heating time is longer than 5 minutes, the conductive carbon powder burns and disappears too much, and the conductivity of the electrode material decreases.

フラッシュ加熱を行う場合には、a1)の調製工程に先立って、
p)上記導電性カーボン粉末の表面を、酸化スズ、酸化鉄、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化ケイ素及び酸化ジルコニウムから成る群から選択された金属酸化物のナノ粒子で部分的に被覆する工程、を実施するのが好ましい。これらの酸化物が電極材料作成時のフラッシュ加熱による導電性カーボン粉末の燃焼及び消失を抑制する。
When performing flash heating, prior to the preparation step of a1),
p) partially coating the surface of the conductive carbon powder with nanoparticles of metal oxide selected from the group consisting of tin oxide, iron oxide, aluminum oxide, titanium oxide, silicon oxide and zirconium oxide. It is preferable to carry out. These oxides suppress the burning and disappearance of the conductive carbon powder due to the flash heating at the time of preparing the electrode material.

上記p)工程は、溶媒と、Sn、Fe、Al、Ti、Si、Zrから成る群から選択された金属を含む化合物と、必要に応じて加水分解促進剤と、導電性カーボン粉末と、を含む液を用いて行うことができる。   The step p) includes a solvent, a compound containing a metal selected from the group consisting of Sn, Fe, Al, Ti, Si, and Zr, a hydrolysis accelerator, and a conductive carbon powder as necessary. It can carry out using the liquid containing.

溶媒としては、反応に悪影響を及ぼさない液であれば特に限定なく使用することができ、水、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコールなどを好適に使用することができる。2種以上の溶媒を混合して使用しても良い。水を好適に使用することができる。   As the solvent, any solvent that does not adversely influence the reaction can be used without particular limitation, and water, methanol, ethanol, isopropyl alcohol, and the like can be suitably used. Two or more solvents may be mixed and used. Water can be preferably used.

Sn、Fe、Al、Ti、Si、Zrを含む化合物としては、上記溶媒に溶解可能な化合物を特に限定なく使用することができる。例としては、上記金属のハロゲン化物、硝酸塩、硫酸塩、炭酸塩等の無機金属塩、ギ酸塩、酢酸塩、蓚酸塩、メトキシド、エトキシド、イソプロポキシド等の有機金属塩、或いはこれらの混合物を使用することができる。単独の化合物を使用しても良く、2種以上の化合物を混合して使用しても良い。   As the compound containing Sn, Fe, Al, Ti, Si, and Zr, a compound that can be dissolved in the solvent can be used without any particular limitation. Examples include inorganic metal salts such as halides, nitrates, sulfates and carbonates of the above metals, organometallic salts such as formate, acetate, oxalate, methoxide, ethoxide, isopropoxide, or mixtures thereof. Can be used. A single compound may be used, or two or more compounds may be mixed and used.

加水分解促進剤としては、NaOH、KOH、NHOH、Na、NaHCO等を使用することができる。 As the hydrolysis accelerator, NaOH, KOH, NH 4 OH, Na 2 O 3 , NaHCO 3 or the like can be used.

溶媒に、Sn、Fe、Al、Ti、Si、Zrから成る群から選択された金属を含む化合物と、必要に応じて加水分解促進剤と、導電性カーボン粉末とを添加した後、ホモジナイザー、超音波照射等により攪拌・均一化した後、導電性カーボン粉末をろ過して乾燥し、加熱処理を施すことにより、表面が上記金属酸化物のナノ粒子で部分的に被覆された導電性カーボン粉末を得ることができる。   After adding a compound containing a metal selected from the group consisting of Sn, Fe, Al, Ti, Si, and Zr, a hydrolysis accelerator and conductive carbon powder as necessary, a solvent, a homogenizer, After stirring and homogenizing by sonication, etc., the conductive carbon powder is filtered and dried, and then subjected to heat treatment, whereby the conductive carbon powder whose surface is partially coated with the metal oxide nanoparticles is obtained. Can be obtained.

また、表面が上記金属酸化物のナノ粒子で部分的に被覆された導電性カーボン粉末は、上述したa1)〜c1)に類似した工程により得ることができる。この場合には、反応液の調製において、活物質原料の代わりに上述したSn、Fe、Al、Ti、Si、Zrを含む化合物を使用する。この場合には、真空中での加熱処理でも良く、窒素、アルゴン等の不活性雰囲気中での加熱処理でも良く、酸素、空気等の酸素含有雰囲気中での加熱処理でも良い。この場合にも、特許文献7の図1に記載されている反応器を用いて超遠心処理を好適に行うことができ、反応液に印加される遠心力の大きさ及び内筒外壁面と外筒内壁面との間隔に関する上述の記載は、この場合にも当てはまる。   The conductive carbon powder whose surface is partially coated with the metal oxide nanoparticles can be obtained by a process similar to the above-described a1) to c1). In this case, in the preparation of the reaction solution, the compound containing Sn, Fe, Al, Ti, Si, Zr described above is used instead of the active material. In this case, heat treatment in a vacuum, heat treatment in an inert atmosphere such as nitrogen or argon, or heat treatment in an oxygen-containing atmosphere such as oxygen or air may be used. Also in this case, the ultracentrifugation process can be suitably performed using the reactor described in FIG. 1 of Patent Document 7, and the magnitude of the centrifugal force applied to the reaction solution and the outer wall surface of the inner cylinder and the outside The above description regarding the distance from the cylinder inner wall surface also applies in this case.

また、上記a1)の調製工程に先立って、
p)´上記導電性カーボン粉末の表面に、シランカップリング剤、アルミネートカップリング剤、チタネートカップリング剤、及びジルコネートカップリング剤から成る群から選択されたカップリング剤を結合させる工程、を実施することもできる。導電性カーボン粉末の表面に結合したカップリング剤が上記c1)工程において薄膜状の酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化ジルコニウムに変化して、導電性カーボン粉末の表面を被覆する。
Prior to the preparation step a1),
p) ′ bonding a coupling agent selected from the group consisting of a silane coupling agent, an aluminate coupling agent, a titanate coupling agent, and a zirconate coupling agent to the surface of the conductive carbon powder. It can also be implemented. In the step c1), the coupling agent bonded to the surface of the conductive carbon powder is changed into a thin film of silicon oxide, aluminum oxide, titanium oxide, and zirconium oxide to cover the surface of the conductive carbon powder.

上記p)´工程において、シランカップリング剤、アルミネートカップリング剤、チタネートカップリング剤、ジルコネートカップリング剤として、公知のカップリング剤を特に限定なく使用することができる。例としては、メチルトリメトキシシラン、γ−アミノプロピルトリエトキシシラン、N−(β−アミノエチル)−γ−アミノプロピルトリメトキシシラン、N−フェニルアミノメチルトリメトキシシラン、ビニルメチルジエトキシシラン、アセトアルコキシアルミニウムジイソプロピレート、アルミニウムイソプロピレート、アルミニウムエチレート、アルミニウムトリス(エチルアセトアセテート)、アルミニウムジイソプロポキシモノエチルアセトアセテート、イソプロピルトリイソステアロイルチタネート、イソプロピルトリス(ジオクチルパイロホスフェート)チタネート、テトラオクチルビス(ジトリデシルホスファイト)チタネート、ビス(ジオクチルパイロホスフェート)オキシアセテートチタネート、ジルコニウムテトラキスアセチルアセトネート、ジルコニウムジブトキシビスアセチルアセトネート、ジルコニウムテトラキスエチルアセトアセテートを挙げることができる。   In the step p) ′, a known coupling agent can be used without particular limitation as a silane coupling agent, an aluminate coupling agent, a titanate coupling agent, or a zirconate coupling agent. Examples include methyltrimethoxysilane, γ-aminopropyltriethoxysilane, N- (β-aminoethyl) -γ-aminopropyltrimethoxysilane, N-phenylaminomethyltrimethoxysilane, vinylmethyldiethoxysilane, aceto Alkoxy aluminum diisopropylate, aluminum isopropylate, aluminum ethylate, aluminum tris (ethyl acetoacetate), aluminum diisopropoxy monoethyl acetoacetate, isopropyl triisostearoyl titanate, isopropyl tris (dioctyl pyrophosphate) titanate, tetraoctyl bis ( Ditridecyl phosphite) titanate, bis (dioctylpyrophosphate) oxyacetate titanate, zirconium tetrakis Cetyl acetonate, zirconium dibutoxy bis acetylacetonate, may be mentioned zirconium tetrakis ethyl acetoacetate.

上記カップリング剤を溶解可能なイソプロピルアルコール等の有機溶媒に、カップリング剤と導電性カーボン粉末とを添加し、ホモジナイザー、超音波照射等により攪拌・均一化した後、導電性カーボン粉末をろ過して乾燥することにより、上記カップリング剤が表面に結合した導電性カーボン粉末を得ることができる。   Add the coupling agent and conductive carbon powder to an organic solvent such as isopropyl alcohol that can dissolve the coupling agent, stir and homogenize by homogenizer, ultrasonic irradiation, etc., and then filter the conductive carbon powder. By drying, a conductive carbon powder in which the coupling agent is bonded to the surface can be obtained.

(ii)第2の製造方法
第2の製造方法は、
a2)Liを含む化合物とMnを含む化合物と上記Mで表される金属を含む化合物とを含む活物質原料を溶解させた溶液に導電性カーボン粉末を添加した反応液を、旋回可能な反応器内に導入する調製工程、
b2)上記反応器を旋回させて上記反応液にずり応力と遠心力とを加えることにより、上記導電性カーボン粉末に上記活物質原料及び/又はその反応生成物を担持させる担持工程、及び、
c2)上記活物質原料及び/又はその反応生成物を担持させた導電性カーボン粉末を加熱処理することにより、上記導電性カーボン粉末上で上記スピネル型酸化物を形成する熱処理工程
を含む。
(Ii) Second manufacturing method The second manufacturing method is:
a2) Reactor capable of turning a reaction liquid obtained by adding conductive carbon powder to a solution in which an active material raw material containing a compound containing Li, a compound containing Mn, and a compound containing a metal represented by M is dissolved The preparation process to be introduced in,
b2) a supporting step of supporting the active material raw material and / or the reaction product thereof on the conductive carbon powder by rotating the reactor and applying shear stress and centrifugal force to the reaction solution; and
c2) It includes a heat treatment step of forming the spinel oxide on the conductive carbon powder by heat-treating the conductive carbon powder carrying the active material raw material and / or the reaction product thereof.

第2の製造方法は、第1の製造方法においてc1)工程において用いられるMで表される金属を含む化合物を、予めa2)工程で調製する反応液中に含ませておく方法であり、第1の製造方法の変形方法とも言える。   The second production method is a method in which the compound containing the metal represented by M used in step c1) in the first production method is previously contained in the reaction solution prepared in step a2). This can be said to be a modification of the manufacturing method 1.

a2)の調製工程では、溶媒に、活物質原料としてのLiを含む化合物、Mnを含む化合物及びMで表される金属を含む化合物と、導電性カーボン粉末とを添加し、上記化合物を溶媒に溶解させることによって、反応液を得る。   In the preparation step of a2), a compound containing Li as an active material raw material, a compound containing Mn, a compound containing a metal represented by M, and a conductive carbon powder are added to a solvent, and the compound is used as a solvent. A reaction liquid is obtained by dissolving.

溶媒としては、反応に悪影響を及ぼさない液であれば特に限定なく使用することができ、活物質原料としてのLiを含む化合物及びMnを含む化合物及びMで表わされる金属を含む化合物としては、溶媒に溶解可能な化合物を特に限定なく使用することができる。例としては、上記金属のハロゲン化物、硝酸塩、硫酸塩、炭酸塩等の無機金属塩、ギ酸塩、酢酸塩、蓚酸塩、メトキシド、エトキシド、イソプロポキシド等の有機金属塩、或いはこれらの混合物を使用することができる。一種の金属について、単独の化合物を使用しても良く、2種以上の化合物を混合して使用しても良い。導電性カーボン粉末としては、導電性を有しているカーボンであれば特に限定なく使用することができる。この場合にも、活物質原料が溶媒に溶解しており且つ導電性カーボン粉末が液に分散している反応液が得られれば良く、溶媒に対する、Liを含む化合物、Mnを含む化合物、Mで表わされる金属を含む化合物及び導電性カーボン粉末の添加順序には限定がない。溶媒にMnを含む化合物及びMで表わされる金属を含む化合物と導電性カーボン粉末とを添加し、得られた液を攪拌して導電性カーボン粉末を液に分散させた後、リチウムを含む化合物を添加するのが好ましい。導電性カーボン粉末の分散性を高めることによって、以下の担持工程において活物質原料及び/又はその反応生成物がより均一且つ微細にカーボン粉末上に担持されるからである。攪拌は、ホモジナイザー等の攪拌手段を用いて行っても良く、反応器内で反応液を調製する場合には反応器を旋回させることによって行っても良い。   As the solvent, any liquid that does not adversely affect the reaction can be used without particular limitation. As the active material, a compound containing Li, a compound containing Mn, and a compound containing a metal represented by M are solvents. A compound that can be dissolved in can be used without particular limitation. Examples include inorganic metal salts such as halides, nitrates, sulfates and carbonates of the above metals, organometallic salts such as formate, acetate, oxalate, methoxide, ethoxide, isopropoxide, or mixtures thereof. Can be used. With respect to one kind of metal, a single compound may be used, or two or more kinds of compounds may be mixed and used. As the conductive carbon powder, any conductive carbon powder can be used without particular limitation. Also in this case, it is only necessary to obtain a reaction liquid in which the active material raw material is dissolved in the solvent and the conductive carbon powder is dispersed in the liquid. The compound containing Li, the compound containing Mn, There is no limitation in the addition order of the compound containing the represented metal and the conductive carbon powder. A compound containing Mn, a compound containing a metal represented by M and a conductive carbon powder are added to a solvent, and the obtained liquid is stirred to disperse the conductive carbon powder in the liquid, and then a compound containing lithium is added. It is preferable to add. This is because by increasing the dispersibility of the conductive carbon powder, the active material raw material and / or the reaction product thereof are more uniformly and finely supported on the carbon powder in the following supporting step. Stirring may be performed using a stirring means such as a homogenizer, or when preparing a reaction liquid in the reactor, the stirring may be performed by rotating the reactor.

b2)の担持工程では、反応器を旋回させて反応液にずり応力と遠心力とを加えることにより、上記導電性カーボン粉末に、活物質原料及び/又はその反応生成物を担持させる。この場合にも、特許文献7の図1に記載されている反応器を用いて超遠心処理を好適に行うことができ、反応液に印加される遠心力の大きさ及び内筒外壁面と外筒内壁面との間隔、及び旋回時間に関する上述の記載は、この場合にも当てはまる。   In the supporting step of b2), the active carbon material and / or the reaction product thereof are supported on the conductive carbon powder by rotating the reactor and applying shear stress and centrifugal force to the reaction solution. Also in this case, the ultracentrifugation process can be suitably performed using the reactor described in FIG. 1 of Patent Document 7, and the magnitude of the centrifugal force applied to the reaction solution and the outer wall surface of the inner cylinder and the outside The above description regarding the distance from the cylinder inner wall surface and the turning time also applies to this case.

c2)の熱処理工程では、回収物を加熱処理することにより、スピネル型酸化物の粒子に転化する。第1の製造方法における加熱処理に関する記載は、この場合にも当てはまるため、これ以上の説明を省略する。   In the heat treatment step c2), the recovered material is heat-treated to be converted into spinel oxide particles. Since the description regarding the heat treatment in the first manufacturing method is applicable also in this case, further description is omitted.

(iii)第3の製造方法
第3の製造方法は、
a3)水と、Liの水酸化物と、Mnを含む化合物と、導電性カーボン粉末とを含み、9〜11の範囲のpHを有する反応液を、旋回可能な反応器内に導入する調製工程、
b3)上記反応器を旋回させて上記反応液にずり応力と遠心力とを加えることにより、Mnの水酸化物の核を生成させ、この生成したMnの水酸化物の核と上記導電性カーボン粉末とを分散させると同時に上記導電性カーボン粉末にMnの水酸化物を担持させる担持工程、及び、
c3)上記Mnの水酸化物を担持させた導電性カーボン粉末と、Liを含む化合物と、上記Mで表される金属を含む化合物と、を混合して加熱処理することにより、上記導電性カーボン粉末上で上記スピネル型酸化物を形成する熱処理工程
を含む。
(Iii) Third Manufacturing Method The third manufacturing method is
a3) Preparation step for introducing a reaction solution containing water, a Li hydroxide, a compound containing Mn, and a conductive carbon powder and having a pH in the range of 9 to 11 into a swirlable reactor ,
b3) The reactor is swirled to apply shear stress and centrifugal force to the reaction solution to generate Mn hydroxide nuclei, and the generated Mn hydroxide nuclei and the conductive carbon. A supporting step of dispersing the powder and simultaneously supporting a hydroxide of Mn on the conductive carbon powder; and
c3) The conductive carbon powder supporting the Mn hydroxide, the compound containing Li, and the compound containing the metal represented by M are mixed and heat-treated, whereby the conductive carbon powder is mixed. A heat treatment step of forming the spinel oxide on the powder.

第3の製造方法は、第1の製造方法のa1)工程における反応液として、水と、Liの水酸化物と、Mnを含む化合物と、導電性カーボン粉末とを含み、9〜11の範囲のpHを有する反応液を調製する方法に相当し、第1の製造方法の変形方法とも言える。   The 3rd manufacturing method contains water, the hydroxide of Li, the compound containing Mn, and the conductive carbon powder as a reaction liquid in the a1) process of the 1st manufacturing method, The range of 9-11 This corresponds to a method for preparing a reaction solution having a pH of 5 and can be said to be a modified method of the first production method.

Mnを含む化合物としては、水溶性の化合物を特に限定なく使用することができる。例としては、Mnのハロゲン化物、硝酸塩、硫酸塩等の無機金属塩、ギ酸塩、酢酸塩等の有機金属塩、或いはこれらの混合物を使用することができる。単独の化合物を使用しても良く、2種以上を混合して使用しても良い。   As the compound containing Mn, a water-soluble compound can be used without any particular limitation. For example, Mn halides, inorganic metal salts such as nitrates and sulfates, organometallic salts such as formates and acetates, or mixtures thereof can be used. A single compound may be used, or two or more kinds may be mixed and used.

Mnを含む化合物を水に溶解させた液のpHを上げていくと、MnにOHが配位するようになり、さらにpHを上げると、やがてはMnの水酸化物が不溶化する。a3)の調製工程では、pHを9〜11の範囲に調整した反応液を旋回可能な反応器内に入れ、或いは、旋回可能な反応器内で上記反応液を調製する。反応液中に不溶化したMnの水酸化物が認められる場合があるが、a3)の調製工程では、反応液中のMnのほとんどは導電性カーボン粉末上に担持されていない。 When the pH of a solution in which a compound containing Mn is dissolved in water is increased, OH is coordinated to Mn, and when the pH is further increased, the hydroxide of Mn is eventually insolubilized. In the preparation step of a3), a reaction liquid whose pH is adjusted to a range of 9 to 11 is placed in a swirlable reactor, or the reaction liquid is prepared in a swirlable reactor. Although Mn hydroxide insolubilized in the reaction solution may be observed, in the preparation step a3), most of Mn in the reaction solution is not supported on the conductive carbon powder.

この反応液のpHの調整は、Liの水酸化物により行う。反応液は、Mnを含む化合物が水に溶解しており且つ導電性カーボン粉末が液に分散している液と、水にLiの水酸化物を溶解させた液と、を混合することにより容易に調製することができる。水にMnを含む化合物と導電性カーボン粉末とを添加し、得られた液を攪拌して導電性カーボン粉末を液に分散させた後、水にLiの水酸化物を溶解させた液と混合するのが好ましい。導電性カーボン粉末の分散性を高めることによって、以下の担持工程においてMnの水酸化物がより均一且つ微細にカーボン粉末上に担持されるからである。攪拌は、ホモジナイザー等の攪拌手段を用いて行っても良く、反応器内で反応液を調製する場合には反応器を旋回させることによって行っても良い。   The pH of the reaction solution is adjusted with Li hydroxide. The reaction solution is easy by mixing a solution in which a compound containing Mn is dissolved in water and a conductive carbon powder is dispersed in a solution and a solution in which Li hydroxide is dissolved in water. Can be prepared. A compound containing Mn and conductive carbon powder are added to water, and the obtained liquid is stirred to disperse the conductive carbon powder in the liquid, and then mixed with a liquid in which Li hydroxide is dissolved in water. It is preferable to do this. This is because by increasing the dispersibility of the conductive carbon powder, the hydroxide of Mn is more uniformly and finely supported on the carbon powder in the following supporting process. Stirring may be performed using a stirring means such as a homogenizer, or when preparing a reaction liquid in the reactor, the stirring may be performed by rotating the reactor.

次いで、b3)の担持工程において、反応器を旋回させる。この場合にも、特許文献7の図1に記載されている反応器を用いて超遠心処理を好適に行うことができ、反応液に印加される遠心力の大きさ及び内筒外壁面と外筒内壁面との間隔、及び旋回時間に関する上述の記載は、この場合にも当てはまる。反応器の旋回によるずり応力と遠心力により、すなわち、機械的エネルギーにより、Mnの水酸化物の核が生成する。この核は、旋回している反応器内で、分散されつつ均一に成長し、均一な大きさの微粒子として導電性カーボン粉末上に担持される。また、反応液中のMnのほとんど全てが水酸化物として導電性カーボン粉末上に担持されるため、効率が良い。反応液のpHが9未満では、担持工程における水酸化物の核の生成効率及び生成した水酸化物の導電性カーボン粉末への担持効率が低く、pHが11を超えると、担持工程における水酸化物の不溶化速度が速すぎて、微細な水酸化物が得られにくい。したがって、反応液のpHを9〜11の範囲に調整した上で、この反応液に旋回する反応器中で機械的エネルギーを印加することにより、反応液中に水酸化物の核を効率よく生成させることができ、ひいては水酸化物を均一な大きさの微粒子として導電性カーボン粉末に担持させることができる。   Next, in the loading step b3), the reactor is swirled. Also in this case, the ultracentrifugation process can be suitably performed using the reactor described in FIG. 1 of Patent Document 7, and the magnitude of the centrifugal force applied to the reaction solution and the outer wall surface of the inner cylinder and the outside The above description regarding the distance from the cylinder inner wall surface and the turning time also applies to this case. Mn hydroxide nuclei are generated by shear stress and centrifugal force due to the rotation of the reactor, that is, by mechanical energy. The nuclei grow uniformly while being dispersed in the rotating reactor, and are supported on the conductive carbon powder as fine particles of uniform size. Moreover, since almost all of Mn in the reaction solution is supported on the conductive carbon powder as a hydroxide, the efficiency is good. If the pH of the reaction solution is less than 9, the efficiency of generation of hydroxide nuclei in the supporting step and the supporting efficiency of the generated hydroxide on the conductive carbon powder are low, and if the pH exceeds 11, the hydroxylation in the supporting step The insolubilization speed of the product is too fast, and it is difficult to obtain a fine hydroxide. Therefore, after adjusting the pH of the reaction solution in the range of 9 to 11, mechanical energy is applied in the reactor swirling to the reaction solution, thereby efficiently generating hydroxide nuclei in the reaction solution. As a result, the hydroxide can be supported on the conductive carbon powder as fine particles of uniform size.

そして、c3)の熱処理工程において、Mnの水酸化物が均一な大きさの微粒子として担持された導電性カーボン粉末を、Liを含む化合物及びMで表わされる金属を含む化合物と混合した後、加熱処理を行う。   In the heat treatment step c3), the conductive carbon powder in which Mn hydroxide is supported as fine particles having a uniform size is mixed with a compound containing Li and a compound containing a metal represented by M, and then heated. Process.

Liを含む化合物としては、Liを含んでいれば特に限定なく使用することができ、例えば、Liの水酸化物、炭酸塩、ハロゲン化物、硝酸塩、硫酸塩等の無機金属塩、ギ酸塩、酢酸塩、シュウ酸塩、乳酸塩等の有機金属塩、或いはこれらの混合物を使用することができる。Mで表わされる金属を含む化合物としては、Mで表される金属を含んでいれば特に限定なく使用することができ、例えば、水酸化物、炭酸塩、ハロゲン化物、硝酸塩、硫酸塩等の無機金属塩、ギ酸塩、酢酸塩、シュウ酸塩、乳酸塩等の有機金属塩、或いはこれらの混合物を使用することができる。これらの化合物は、単独で使用しても良く、2種以上を混合して使用しても良い。   The compound containing Li can be used without particular limitation as long as it contains Li. For example, inorganic metal salts such as Li hydroxide, carbonate, halide, nitrate, sulfate, formate, acetic acid, etc. Organic metal salts such as salts, oxalates and lactates, or mixtures thereof can be used. The compound containing a metal represented by M can be used without particular limitation as long as it contains a metal represented by M. For example, inorganic compounds such as hydroxide, carbonate, halide, nitrate, sulfate, etc. Metal salts, formate salts, acetate salts, oxalate salts, organometallic salts such as lactate salts, or mixtures thereof can be used. These compounds may be used alone or in combination of two or more.

上記b3)の担持工程で得られたMnの水酸化物の微粒子を担持させた導電性カーボン粉末と、Liを含む化合物と、Mで表わされる金属を含む化合物とを、必要に応じて適量の分散媒とを組み合わせ、必要に応じて分散媒を蒸発させながら混錬することにより、混錬物を得る。混錬のための分散媒としては、複合体に悪影響を及ぼさない媒体であれば特に限定なく使用することができる。   A conductive carbon powder carrying fine particles of Mn hydroxide obtained in the carrying step of b3), a compound containing Li, and a compound containing a metal represented by M are appropriately added as necessary. A kneaded product is obtained by combining with a dispersion medium and kneading while evaporating the dispersion medium as necessary. As a dispersion medium for kneading, any medium that does not adversely affect the composite can be used without particular limitation.

次いで、加熱処理を施すことにより、上記導電性カーボン粉末に担持されたMnの水酸化物をLiを含む化合物及びMで表わされる金属を含む化合物と反応させ、スピネル型酸化物の粒子に転化させる。第1の製造方法における加熱処理に関する記載は、この場合にも当てはまるため、これ以上の説明を省略する。   Next, by performing a heat treatment, the hydroxide of Mn supported on the conductive carbon powder is reacted with a compound containing Li and a compound containing a metal represented by M to be converted into spinel oxide particles. . Since the description regarding the heat treatment in the first manufacturing method is applicable also in this case, further description is omitted.

(iv)第4の製造方法
第4の製造方法は、
a4)水と、Liの水酸化物と、Mnを含む化合物と、上記Mで表される金属を含む化合物と、導電性カーボン粉末とを含み、9〜11の範囲のpHを有する反応液を、旋回可能な反応器内に導入する調製工程、
b4)上記反応器を旋回させて上記反応液にずり応力と遠心力とを加えることにより、Mnの水酸化物及び上記Mで表される金属の水酸化物の核を生成させ、この生成したMnの水酸化物及び上記Mで表される金属の水酸化物の核と上記導電性カーボン粉末とを分散させると同時に上記導電性カーボン粉末にMnの水酸化物及び上記Mで表される金属の水酸化物を担持させる担持工程、及び、
c4)上記Mnの水酸化物及び上記Mで表される金属の水酸化物を担持させた導電性カーボン粉末と、Liを含む化合物と、を混合して加熱処理することにより、上記導電性カーボン粉末上で上記スピネル型酸化物を形成する熱処理工程
を含む。
(Iv) Fourth Manufacturing Method The fourth manufacturing method is
a4) A reaction liquid containing water, a hydroxide of Li, a compound containing Mn, a compound containing a metal represented by M and a conductive carbon powder, and having a pH in the range of 9 to 11. A preparation process to be introduced into the swirlable reactor,
b4) The reactor was swirled to apply shear stress and centrifugal force to the reaction solution, thereby generating a Mn hydroxide and a metal hydroxide nucleus represented by M. Mn hydroxide and the metal hydroxide nucleus represented by M and the conductive carbon powder are dispersed, and at the same time, the Mn hydroxide and the metal represented by M are dispersed in the conductive carbon powder. A supporting step for supporting a hydroxide of, and
c4) Conductive carbon powder carrying the hydroxide of Mn and the metal hydroxide represented by M and a compound containing Li are mixed and heat-treated, whereby the conductive carbon is obtained. A heat treatment step of forming the spinel oxide on the powder.

第4の製造方法は、第3の製造方法においてc3)工程において用いられるMで表される金属を含む化合物を、予めa4)工程で調製する反応液中に含ませておく方法であり、第3の製造方法の変形方法と言うことができ、したがってまた第1の製造方法の変形方法と言うこともできる。この方法は特に、MがFe、Ni、Coを含む場合に好適である。   The fourth production method is a method in which the compound containing the metal represented by M used in step c3) in the third production method is previously contained in the reaction solution prepared in step a4). 3 can be said to be a modified method of the first manufacturing method. This method is particularly suitable when M contains Fe, Ni, and Co.

a4)の工程では、水と、Liの水酸化物と、Mnを含む化合物と、Mで表される金属を含む化合物と、導電性カーボン粉末とを含み、9〜11の範囲のpHを有する反応液を調製する。   The step a4) includes water, a hydroxide of Li, a compound containing Mn, a compound containing a metal represented by M, and a conductive carbon powder, and has a pH in the range of 9 to 11. Prepare a reaction solution.

Mnを含む化合物及びMで表わされる金属を含む化合物としては、水溶性の化合物を特に限定なく使用することができる。例としては、Mn又はMで表わされる金属のハロゲン化物、硝酸塩、硫酸塩等の無機金属塩、ギ酸塩、酢酸塩等の有機金属塩、或いはこれらの混合物を使用することができる。一種類の金属について、単独の化合物を使用しても良く、2種以上を混合して使用しても良い。   As the compound containing Mn and the compound containing a metal represented by M, a water-soluble compound can be used without any particular limitation. For example, a metal halide represented by Mn or M, an inorganic metal salt such as nitrate or sulfate, an organic metal salt such as formate or acetate, or a mixture thereof can be used. With respect to one kind of metal, a single compound may be used, or two or more kinds may be mixed and used.

反応液のpHの調整は、Liの水酸化物により行う。反応液は、Mnを含む化合物及びMで表わされる金属を含む化合物が水に溶解しており且つ導電性カーボン粉末が液に分散している液と、水にLiの水酸化物を溶解させた液と、を混合することにより容易に調製することができる。水にMnを含む化合物とMで表わされる金属を含む化合物と導電性カーボン粉末とを添加し、得られた液を攪拌して導電性カーボン粉末を液に分散させた後、水にLiの水酸化物を溶解させた液と混合するのが好ましい。導電性カーボン粉末の分散性を高めることによって、以下の担持工程においてMnの水酸化物及びMで表わされる金属の水酸化物がより均一且つ微細にカーボン粉末上に担持されるからである。攪拌は、ホモジナイザー等の攪拌手段を用いて行っても良く、反応器内で反応液を調製する場合には反応器を旋回させることによって行っても良い。   The pH of the reaction solution is adjusted with Li hydroxide. In the reaction solution, a compound containing Mn and a compound containing a metal represented by M are dissolved in water, and a conductive carbon powder is dispersed in the solution, and Li hydroxide is dissolved in water. It can be easily prepared by mixing the liquid. A compound containing Mn, a compound containing a metal represented by M and conductive carbon powder are added to water, and the obtained liquid is stirred to disperse the conductive carbon powder in the liquid. It is preferable to mix with a solution in which an oxide is dissolved. This is because by increasing the dispersibility of the conductive carbon powder, the hydroxide of Mn and the metal hydroxide represented by M are more uniformly and finely supported on the carbon powder in the following supporting process. Stirring may be performed using a stirring means such as a homogenizer, or when preparing a reaction liquid in the reactor, the stirring may be performed by rotating the reactor.

次いで、b4)の担持工程において、反応器を旋回させる。この場合にも、特許文献7の図1に記載されている反応器を用いて超遠心処理を好適に行うことができ、反応液に印加される遠心力の大きさ及び内筒外壁面と外筒内壁面との間隔、及び旋回時間に関する上述の記載は、この場合にも当てはまる。反応器の旋回によるずり応力と遠心力により、すなわち、機械的エネルギーにより、Mnの水酸化物及びMで表わされる金属の水酸化物の核が生成する。この核は、旋回している反応器内で、分散されつつ均一に成長し、均一な大きさの微粒子として導電性カーボン粉末上に担持される。   Next, in the loading step b4), the reactor is swirled. Also in this case, the ultracentrifugation process can be suitably performed using the reactor described in FIG. 1 of Patent Document 7, and the magnitude of the centrifugal force applied to the reaction solution and the outer wall surface of the inner cylinder and the outside The above description regarding the distance from the cylinder inner wall surface and the turning time also applies to this case. Mn hydroxide and metal hydroxide nuclei represented by M are generated by shear stress and centrifugal force due to the swirling of the reactor, that is, mechanical energy. The nuclei grow uniformly while being dispersed in the rotating reactor, and are supported on the conductive carbon powder as fine particles of uniform size.

そして、c4)の熱処理工程において、Mnの水酸化物及びMで表わされる金属の水酸化物が均一な大きさの微粒子として担持された導電性カーボン粉末を、Liを含む化合物と混合した後、加熱処理を行う。Liを含む化合物としては、Liを含んでいれば特に限定なく使用することができる。   Then, in the heat treatment step of c4), after mixing the conductive carbon powder in which the hydroxide of Mn and the hydroxide of the metal represented by M are supported as fine particles of uniform size with the compound containing Li, Heat treatment is performed. Any compound containing Li can be used without particular limitation as long as it contains Li.

上記b4)の担持工程で得られたMnの水酸化物及びMで表わされる金属の水酸化物の微粒子を担持させた導電性カーボン粉末と、Liの化合物とを、必要に応じて適量の分散媒とを組み合わせ、必要に応じて分散媒を蒸発させながら混錬することにより、混錬物を得る。混錬のための分散媒としては、複合体に悪影響を及ぼさない媒体であれば特に限定なく使用することができる。   A conductive carbon powder carrying fine particles of Mn hydroxide and metal hydroxide represented by M obtained in the carrying step of b4) above, and a Li compound, if necessary, an appropriate amount of dispersion A kneaded product is obtained by combining with a medium and kneading while evaporating the dispersion medium as necessary. As a dispersion medium for kneading, any medium that does not adversely affect the composite can be used without particular limitation.

次いで、加熱処理を施すことにより、上記導電性カーボン粉末に担持されたMnの水酸化物及びMで表わされる金属の水酸化物をLiを含む化合物と反応させ、スピネル型酸化物の粒子に転化させる。第1の製造方法における加熱処理に関する記載は、この場合にも当てはまるため、これ以上の説明を省略する。   Next, by performing a heat treatment, the hydroxide of Mn supported on the conductive carbon powder and the metal hydroxide represented by M are reacted with a compound containing Li to be converted into particles of spinel oxide. Let Since the description regarding the heat treatment in the first manufacturing method is applicable also in this case, further description is omitted.

上記第1〜第4の製造方法により好適に得ることができる本発明の電極材料を用いてリチウムイオン二次電池の正極を形成すると、高レートでの充放電においても高い放電容量を示し、ハイブリッド自動車用のリチウムイオン二次電池に対して要請されている10C或いはそれ以上のレートでの充放電における高い容量の要請にも十分に答えうる、優れたレート特性を有するリチウムイオン二次電池が得られる。本発明の電極材料はまた、50nmより大きな一次粒子径又は二次粒子径を有するスピネル型酸化物の粒子、例えば特許文献1〜6の製造方法で得られたスピネル型酸化物の粒子、と混合して使用することもできる。大きな粒径を有するスピネル型酸化物と混合することにより、高いエネルギー密度を有するリチウムイオン二次電池が得られる。   When the positive electrode of the lithium ion secondary battery is formed using the electrode material of the present invention that can be suitably obtained by the first to fourth manufacturing methods, a high discharge capacity is exhibited even in charge and discharge at a high rate, and a hybrid A lithium ion secondary battery having excellent rate characteristics that can sufficiently meet the demand for high capacity in charge / discharge at a rate of 10 C or higher required for lithium ion secondary batteries for automobiles is obtained. It is done. The electrode material of the present invention is also mixed with spinel-type oxide particles having a primary particle size or secondary particle size larger than 50 nm, for example, spinel-type oxide particles obtained by the production methods of Patent Documents 1 to 6. Can also be used. By mixing with a spinel oxide having a large particle size, a lithium ion secondary battery having a high energy density can be obtained.

(B)リチウムイオン二次電池
本発明の電極材料は、リチウムイオン二次電池の正極のために好適である。したがって、本発明はまた、本発明の電極材料を含む活物質層を有する正極と、負極と、負極と正極との間に配置された非水系電解液を保持したセパレータとを備えたリチウムイオン二次電池を提供する。
(B) Lithium ion secondary battery The electrode material of this invention is suitable for the positive electrode of a lithium ion secondary battery. Therefore, the present invention also provides a lithium ion battery comprising a positive electrode having an active material layer containing the electrode material of the present invention, a negative electrode, and a separator holding a non-aqueous electrolyte disposed between the negative electrode and the positive electrode. Provide the next battery.

正極のための活物質層は、必要に応じてバインダを溶解した溶媒に、本発明の電極材料を分散させ、得られた分散物をドクターブレード法などによって集電体上に塗工し、乾燥することにより作成することができる。また、得られた分散物を所定形状に成形し、集電体上に圧着しても良い。   The active material layer for the positive electrode is dispersed in a solvent in which a binder is dissolved, if necessary, by dispersing the electrode material of the present invention on the current collector by a doctor blade method or the like, and then dried. Can be created. Further, the obtained dispersion may be formed into a predetermined shape and may be pressure-bonded on the current collector.

集電体としては、白金、金、ニッケル、アルミニウム、チタン、鋼、カーボンなどの導電材料を使用することができる。集電体の形状は、膜状、箔状、板状、網状、エキスパンドメタル状、円筒状などの任意の形状を採用することができる。   As the current collector, a conductive material such as platinum, gold, nickel, aluminum, titanium, steel, or carbon can be used. As the shape of the current collector, any shape such as a film shape, a foil shape, a plate shape, a net shape, an expanded metal shape, and a cylindrical shape can be adopted.

バインダとしては、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレンコポリマー、ポリフッ化ビニル、カルボキシメチルセルロースなどの公知のバインダが使用される。バインダの含有量は、混合材料の総量に対して1〜30質量%であるのが好ましい。1質量%以下であると活物質層の強度が十分でなく、30質量%以上であると、負極の放電容量が低下する、内部抵抗が過大になるなどの不都合が生じる。   As the binder, known binders such as polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer, polyvinyl fluoride, and carboxymethyl cellulose are used. The content of the binder is preferably 1 to 30% by mass with respect to the total amount of the mixed material. If it is 1% by mass or less, the strength of the active material layer is not sufficient, and if it is 30% by mass or more, disadvantages such as a decrease in the discharge capacity of the negative electrode and an excessive internal resistance occur.

負極としては、一般的なリチウムイオン二次電池において使用されている黒鉛電極の他、公知の負極活物質を含む活物質層を備えた負極を特に限定無く使用することができる。負極活物質の例としては、Fe、MnO、MnO、Mn、Mn、CoO、Co、NiO、Ni、TiO、TiO、SnO、SnO、SiO、RuO、WO、WO、ZnO等の酸化物、Sn、Si、Al、Zn等の金属、LiVO、LiVO、LiTi12などの複合酸化物、Li2.6Co0.4N、Ge、Zn、CuNなどの窒化物を挙げることができる。 As the negative electrode, in addition to the graphite electrode used in a general lithium ion secondary battery, a negative electrode including an active material layer containing a known negative electrode active material can be used without any particular limitation. Examples of the negative electrode active material include Fe 2 O 3 , MnO, MnO 2 , Mn 2 O 3 , Mn 3 O 4 , CoO, Co 3 O 4 , NiO, Ni 2 O 3 , TiO, TiO 2 , SnO, SnO 2 , oxides such as SiO 2 , RuO 2 , WO, WO 2 , ZnO, metals such as Sn, Si, Al, Zn, composite oxides such as LiVO 2 , Li 3 VO 4 , Li 4 Ti 5 O 12 , Examples thereof include nitrides such as Li 2.6 Co 0.4 N, Ge 3 N 4 , Zn 3 N 2 , and Cu 3 N.

負極のための活物質層は、必要に応じてバインダを溶解した溶媒に、上記負極活物質と導電剤とを分散させ、得られた分散物をドクターブレード法などによって集電体上に塗工し、乾燥することにより作成することができる。また、得られた分散物を所定形状に成形し、集電体上に圧着しても良い。   The active material layer for the negative electrode is dispersed on the current collector by the doctor blade method or the like by dispersing the negative electrode active material and the conductive agent in a solvent in which a binder is dissolved as necessary. And can be made by drying. Further, the obtained dispersion may be formed into a predetermined shape and may be pressure-bonded on the current collector.

集電体及びバインダについては、正極のための集電体及びバインダについての記載が負極においてもあてはまる。導電剤としては、カーボンブラック、天然黒鉛、人造黒鉛などの炭素粉末を使用することができる。   Regarding the current collector and binder, the description of the current collector and binder for the positive electrode also applies to the negative electrode. As the conductive agent, carbon powder such as carbon black, natural graphite, and artificial graphite can be used.

セパレータとしては、例えばポリオレフィン繊維不織布、ガラス繊維不織布などが好適に使用される。セパレータに保持される電解液は、非水系溶媒に電解質を溶解させた電解液が使用され、公知の非水系電解液を特に制限なく使用することができる。   As the separator, for example, a polyolefin fiber nonwoven fabric or a glass fiber nonwoven fabric is preferably used. As the electrolytic solution retained in the separator, an electrolytic solution in which an electrolyte is dissolved in a non-aqueous solvent is used, and a known non-aqueous electrolytic solution can be used without any particular limitation.

非水系電解液の溶媒としては、電気化学的に安定な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、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、スルホラン、3−メチルスルホラン、γ−ブチロラクトン、アセトニトリル及びジメトキシエタン、N−メチル−2−ピロリドン、ジメチルホルムアミド又はこれらの混合物を好適に使用することができる。   As the solvent for the non-aqueous electrolyte, electrochemically stable ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, diethyl carbonate, sulfolane, 3-methyl sulfolane, γ-butyrolactone, acetonitrile, and dimethoxyethane, N-methyl-2-pyrrolidone, dimethylformamide or a mixture thereof can be preferably used.

非水系電解液の溶質としては、有機電解液に溶解したときにリチウムイオンを生成する塩を、特に限定なく使用することができる。例えば、LiPF、LiBF、LiClO、LiN(CFSO、LiCFSO、LiC(SOCF、LiN(SO、LiAsF、LiSbF、又はこれらの混合物を好適に使用することができる。非水系電解液の溶質として、リチウムイオンを生成する塩に加えて、第4級アンモニウムカチオン又は第4級ホスホニウムカチオンを有する第4級アンモニウム塩又は第4級ホスホニウム塩を使用することができる。例えば、R又はRで表されるカチオン(ただし、R、R、R、Rは炭素数1〜6のアルキル基を表す)と、PF 、BF 、ClO 、N(CFSO 、CFSO 、C(SOCF 、N(SO 、AsF 又はSbF からなるアニオンとからなる塩、又はこれらの混合物を好適に使用することができる。 As a solute of the nonaqueous electrolytic solution, a salt that generates lithium ions when dissolved in an organic electrolytic solution can be used without any particular limitation. For example, LiPF 6, LiBF 4, LiClO 4, LiN (CF 3 SO 2) 2, LiCF 3 SO 3, LiC (SO 2 CF 3) 3, LiN (SO 2 C 2 F 5) 2, LiAsF 6, LiSbF 6 Or a mixture thereof can be preferably used. As a solute of the nonaqueous electrolytic solution, a quaternary ammonium salt or a quaternary phosphonium salt having a quaternary ammonium cation or a quaternary phosphonium cation can be used in addition to a salt that generates lithium ions. For example, a cation represented by R 1 R 2 R 3 R 4 N + or R 1 R 2 R 3 R 4 P + (where R 1 , R 2 , R 3 and R 4 are alkyl having 1 to 6 carbon atoms) Group), PF 6 , BF 4 , ClO 4 , N (CF 3 SO 3 ) 2 , CF 3 SO 3 , C (SO 2 CF 3 ) 3 , N (SO 2 C 2 A salt composed of an anion composed of F 5 ) 2 , AsF 6 or SbF 6 , or a mixture thereof can be suitably used.

本発明を以下の実施例を用いて説明するが、本発明は以下の実施例に限定されない。   The present invention will be described with reference to the following examples, but the present invention is not limited to the following examples.

(i)電極材料の製造   (I) Production of electrode material

実施例1:LiAl0.05Mn1.95を含む電極材料
特開2007−160151号公報の図1に示されている、外筒と内筒の同心円筒からなり、内筒の側面に貫通孔が設けられ、外筒の開口部にせき板が配置されている反応器の内筒に、1.54gのMn(CHCOO)・4HO及び0.21gの質量比でケッチェンブラック(粒径約40nm):カーボンナノファイバ(直径約20nm、長さ数百nm)=1:1に混合したカーボン混合物を水75mLに添加した液を導入し、70000kgms−2の遠心力が反応液に印加されるように内筒を300秒間旋回させ、Mn(CHCOO)・4HOを溶解させると共にカーボン混合物を分散させた。一旦内筒の旋回を停止し、内筒内に0.6gのLiOH・HOを水に溶解させた液を添加した。液のpHは10であった。次に、再び70000kgms−2の遠心力が反応液に印加されるように内筒を300秒間旋回させた。この間に、外筒の内壁と内筒の外壁との間でMn水酸化物の核が形成され、この核が成長してカーボン混合物の表面に担持された。内筒の旋回停止後に、カーボン混合物をろ過して回収し、空気中100℃で12時間乾燥した。ろ液をICP分光分析により確認したところ、Mn(CHCOO)・4HO原料に含まれるMnの95%以上が担持されていることがわかった。次いで、乾燥後の粉末と、Mn:Liが1.95:1になる量のLiOH・HOとMn:Alが質量比で1.95:0.05になる量のAl(NO・9HOとを含む水溶液を混合して混練し、乾燥後に、空気中300℃で1時間加熱処理し、電極材料を得た。図2に、得られた電極材料のTEM写真を示す。粒径が約20〜約30nmのLiAl0.05Mn1.95の一次粒子が分散性良く形成されていることがわかる。また、一次粒子は、多面体形状を有する結晶粒子であり、凝集して二次粒子を形成していないこともわかる。
Example 1: Electrode material containing LiAl 0.05 Mn 1.95 O 4 Consisting of a concentric cylinder of an outer cylinder and an inner cylinder shown in FIG. 1 of JP 2007-160151 A, on the side surface of the inner cylinder An inner cylinder of a reactor in which a through-hole is provided and a dam plate is arranged at the opening of the outer cylinder is filled with 1.54 g of Mn (CH 3 COO) 2 .4H 2 O and a mass ratio of 0.21 g. Chain black (particle size: about 40 nm): carbon nanofiber (diameter: about 20 nm, length: several hundreds of nm) = a mixture obtained by adding a carbon mixture mixed in 1: 1 to 75 mL of water, and a centrifugal force of 70000 kgms -2 The inner cylinder was swung for 300 seconds so as to be applied to the reaction solution, and Mn (CH 3 COO) 2 .4H 2 O was dissolved and the carbon mixture was dispersed. The turning of the inner cylinder was once stopped, and a solution obtained by dissolving 0.6 g of LiOH.H 2 O in water was added to the inner cylinder. The pH of the liquid was 10. Next, the inner cylinder was rotated for 300 seconds so that a centrifugal force of 70000 kgms- 2 was applied to the reaction solution again. During this time, a nucleus of Mn hydroxide was formed between the inner wall of the outer cylinder and the outer wall of the inner cylinder, and this nucleus grew and was supported on the surface of the carbon mixture. After the inner cylinder stopped rotating, the carbon mixture was collected by filtration and dried in air at 100 ° C. for 12 hours. When the filtrate was confirmed by ICP spectroscopic analysis, it was found that 95% or more of Mn contained in the Mn (CH 3 COO) 2 .4H 2 O raw material was supported. Next, the powder after drying, and LiOH.H 2 O in an amount such that Mn: Li becomes 1.95: 1 and Al (NO 3 ) in an amount such that Mn: Al becomes 1.95: 0.05 by mass ratio. An aqueous solution containing 3.9H 2 O was mixed and kneaded, dried, and then heat-treated in air at 300 ° C. for 1 hour to obtain an electrode material. FIG. 2 shows a TEM photograph of the obtained electrode material. It can be seen that primary particles of LiAl 0.05 Mn 1.95 O 4 having a particle size of about 20 to about 30 nm are formed with good dispersibility. It can also be seen that the primary particles are crystal particles having a polyhedral shape and do not aggregate to form secondary particles.

実施例2:LiAl0.10Mn1.90を含む電極材料
Mn:Liが1.95:1になる量のLiOH・HOとMn:Alが質量比で1.95:0.05になる量のAl(NO・9HOとを含む水溶液の代わりに、Mn:Liが1.90:1になる量のLiOH・HOとMn:Alが質量比で1.90:0.10になる量のAl(NO・9HOとを含む水溶液を用いたことを除いて、実施例1の手順を繰り返した。実施例1と同様に、粒径が約20〜約30nmの結晶性一次粒子が分散性良く形成されていた。
Example 2 Electrode Material Containing LiAl 0.10 Mn 1.90 O 4 An amount of LiOH.H 2 O and Mn: Al in a ratio of Mn: Li of 1.95: 1 is 1.95: 0. Instead of an aqueous solution containing Al (NO 3 ) 3 · 9H 2 O in an amount of 05, LiOH · H 2 O and Mn: Al in an amount of Mn: Li of 1.90: 1 are 1 by mass. The procedure of Example 1 was repeated except that an aqueous solution containing Al (NO 3 ) 3 .9H 2 O in an amount of .90: 0.10 was used. Similar to Example 1, crystalline primary particles having a particle size of about 20 to about 30 nm were formed with good dispersibility.

(ii)半電池として評価
実施例1及び2の電極材料にポリフッ化ビニリデンを全体の10質量%加えて成形したものを正極とし、1MのLiPFのエチレンカーボネート/ジエチルカーボネート1:1溶液を電解液とし、対極をリチウムとした半電池を作成した。この評価は半電池としての評価であるが、負極を用いた全電池においても同様の効果が期待できる。
(Ii) Evaluation as a half-cell The electrode material of Examples 1 and 2 was molded by adding 10% by mass of polyvinylidene fluoride as a positive electrode, and a 1M LiPF 6 ethylene carbonate / diethyl carbonate 1: 1 solution was electrolyzed. A half-cell was prepared in which the liquid was used and the counter electrode was lithium. Although this evaluation is an evaluation as a half battery, the same effect can be expected in all batteries using a negative electrode.

得られた半電池について、常温で広範囲の電流密度の条件下でLi/Liに対して3.0〜4.3Vの範囲で充放電特性を評価した。図3は、実施例1及び実施例2の電極材料を用いた半電池についてのレートと放電容量との関係を示した図である。 About the obtained half battery, charge / discharge characteristics were evaluated in the range of 3.0-4.3V with respect to Li / Li + on the conditions of the electric current density of wide range at normal temperature. FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the rate and the discharge capacity for the half-cells using the electrode materials of Example 1 and Example 2.

図3から把握されるように、実施例1の電極材料を用いたリチウムイオン二次電池は、レート1Cにおいて122mAhg−1の高い容量を示し、レート10Cにおいても117mAhg−1(レート1Cにおける容量の96%)を示し、レート30Cにおいても111mAhg−1(レート1Cにおける容量の91%)を示した。実施例2の電極材料を用いたリチウムイオン二次電池は、レート1Cにおいて116mAhg−1の高い容量を示し、レート10Cにおいても112mAhg−1(レート1Cにおける容量の97%)を示し、レート30Cにおいても103mAhg−1(レート1Cにおける容量の89%)を示した。これらの結果を、本明細書の冒頭部分に示した特許文献4〜6のリチウムイオン二次電池におけるレート特性と比較すると、実施例1及び実施例2の電極材料の使用により顕著に優れたレート特性を有するリチウムイオン二次電池が得られたことがわかる。この結果は、実施例1及び実施例2の電極材料において、実質的に約20〜約30nmの粒径を有する結晶性一次粒子の形態で存在するスピネル型酸化物が導電性カーボン粉末に密着性良く且つ均一に付着しており、荷電交換・荷電移動反応の有効反応面積を大きくすることができ、充放電時におけるリチウムイオンの移動距離を短くすることができたことを反映したものである。本発明の電極材料及びこれを用いたリチウムイオン二次電池は、特にハイブリッド自動車用のリチウムイオン二次電池に対して要請されている、10C或いはそれ以上のレートでの充放電における高い容量の要請にも十分に答えうるものであった。 As can be seen from FIG. 3, the lithium ion secondary battery using the electrode material of Example 1 shows a high capacity of 122 mAhg −1 at rate 1C, and 117 mAhg −1 (capacity of rate 1C at rate 10C). 96%) and 111 mAhg −1 (91% of the capacity at rate 1C) even at a rate of 30C. The lithium ion secondary battery using the electrode material of Example 2 shows a high capacity of 116 mAhg −1 at a rate of 1C, 112 mAhg −1 (97% of the capacity at a rate of 1C) even at a rate of 10C, and at a rate of 30C. Also showed 103 mAhg −1 (89% of capacity at rate 1C). When these results are compared with the rate characteristics in the lithium ion secondary batteries of Patent Documents 4 to 6 shown at the beginning of the present specification, the rates significantly improved by using the electrode materials of Example 1 and Example 2. It turns out that the lithium ion secondary battery which has a characteristic was obtained. As a result, in the electrode materials of Example 1 and Example 2, the spinel oxide existing in the form of crystalline primary particles having a particle size of about 20 to about 30 nm substantially adheres to the conductive carbon powder. It is well and uniformly attached, reflecting the fact that the effective reaction area of the charge exchange / charge transfer reaction can be increased, and the movement distance of lithium ions during charge / discharge can be shortened. The electrode material of the present invention and a lithium ion secondary battery using the same are required for a high capacity in charge / discharge at a rate of 10 C or higher, which is particularly required for lithium ion secondary batteries for hybrid vehicles. It could be answered enough.

次いで、レート1Cの条件下で、Li/Liに対して3.0〜4.3Vの範囲での充放電を100サイクル繰り返すサイクル試験を行った、図4にその結果を示す。図4から把握されるように、本発明の電極材料の使用により、優れたサイクル安定性を有するリチウムイオン二次電池が得られていることがわかる。一般に、スピネル型酸化物の比表面積の増加がサイクル安定性について不利な結果をもたらすと言われている。実施例1及び実施例2の電極材料において、スピネル型酸化物が実質的に約20〜約30nmの粒径を有する結晶性一次粒子の形態で存在するため、従来のリチウムイオン二次電池用のスピネル型酸化物、例えば特許文献1〜6のスピネル型酸化物に比較して、比表面積が著しく大きい。このような著しく大きな比表面積においても優れたサイクル安定性が得られた原因は現在のところ明確ではないが、実施例1及び実施例2の電極材料において微細で結晶性の高いスピネル型酸化物が導電性カーボン粉末に密着性良く且つ均一に付着しているため、結果的に結晶の安定化が図られているためであると思われる。 Next, a cycle test in which charging / discharging in the range of 3.0 to 4.3 V with respect to Li / Li + was repeated 100 cycles under the condition of a rate of 1C was shown in FIG. As can be seen from FIG. 4, it can be seen that a lithium ion secondary battery having excellent cycle stability is obtained by using the electrode material of the present invention. In general, it is said that an increase in the specific surface area of a spinel type oxide has a disadvantageous effect on cycle stability. In the electrode materials of Example 1 and Example 2, the spinel-type oxide is present in the form of crystalline primary particles having a particle size of about 20 to about 30 nm, so that it is used for a conventional lithium ion secondary battery. Compared with a spinel type oxide, for example, the spinel type oxides of Patent Documents 1 to 6, the specific surface area is remarkably large. The reason why excellent cycle stability was obtained even at such a remarkably large specific surface area is not clear at present, but in the electrode materials of Example 1 and Example 2, a fine and highly crystalline spinel oxide is used. This is probably because the crystal is stabilized as a result of being adhered to the conductive carbon powder with good adhesion and uniformity.

本発明により、レート特性に優れたリチウムイオン二次電池が得られる。   According to the present invention, a lithium ion secondary battery having excellent rate characteristics can be obtained.

Claims (8)

導電性カーボン粉末と、
該導電性カーボン粉末に付着している、一般式LiMMn(2−x)(式中、Mが、Mn以外の金属から成る群から選択された一種以上の金属を表わし、0<x≦0.15である。)で表されるスピネル型酸化物の粒子と、
を含み、
前記スピネル型酸化物の粒子が、実質的に、10〜50nmの粒径を有する結晶性一次粒子である
ことを特徴とするリチウムイオン二次電池用電極材料。
Conductive carbon powder;
The general formula LiM x Mn (2-x) O 4 (wherein M represents one or more metals selected from the group consisting of metals other than Mn, attached to the conductive carbon powder, and 0 < x ≦ 0.15.) Spinel oxide particles represented by:
Including
The electrode material for a lithium ion secondary battery, wherein the spinel-type oxide particles are substantially crystalline primary particles having a particle size of 10 to 50 nm.
前記一般式LiMMn(2−x)におけるMが、Mg、Al、Co、Cr、Fe及びNiから選択された金属を表わす、請求項1に記載のリチウムイオン二次電池用電極材料。 The electrode material for a lithium ion secondary battery according to claim 1, wherein M in the general formula LiM x Mn (2-x) O 4 represents a metal selected from Mg, Al, Co, Cr, Fe and Ni. . 導電性カーボン粉末と、
該導電性カーボン粉末に付着している、一般式LiMMn(2−x)(式中、Mが、Mn以外の金属から成る群から選択された一種以上の金属を表わし、0<x≦0.15である。)で表されるスピネル型酸化物の粒子と、
を含むリチウムイオン二次電池用電極材料の製造方法であって、
a1)Liを含む化合物とMnを含む化合物とを含む活物質原料を溶解させた溶液に導電性カーボン粉末を添加した反応液を、旋回可能な反応器内に導入する調製工程、
b1)前記反応器を旋回させて前記反応液にずり応力と遠心力とを加えることにより、前記導電性カーボン粉末に前記活物質原料及び/又はその反応生成物を担持させる担持工程、及び、
c1)前記活物質原料及び/又はその反応生成物を担持させた導電性カーボン粉末を、前記Mで表される金属を含む化合物と混合した後、加熱処理することにより、前記導電性カーボン粉末上で前記スピネル型酸化物を形成する熱処理工程
を含むことを特徴とするリチウムイオン二次電池用電極材料の製造方法。
Conductive carbon powder;
The general formula LiM x Mn (2-x) O 4 (wherein M represents one or more metals selected from the group consisting of metals other than Mn, attached to the conductive carbon powder, and 0 < x ≦ 0.15.) Spinel oxide particles represented by:
A method for producing an electrode material for a lithium ion secondary battery comprising:
a1) A preparation step of introducing a reaction solution obtained by adding conductive carbon powder to a solution in which an active material raw material containing a compound containing Li and a compound containing Mn is dissolved, into a swirlable reactor,
b1) a supporting step of supporting the active material raw material and / or the reaction product thereof on the conductive carbon powder by swirling the reactor and applying shear stress and centrifugal force to the reaction liquid; and
c1) The conductive carbon powder supporting the active material raw material and / or the reaction product thereof is mixed with the compound containing the metal represented by M, and then heat-treated, whereby the conductive carbon powder is heated. A method for producing an electrode material for a lithium ion secondary battery, comprising: a heat treatment step for forming the spinel oxide.
導電性カーボン粉末と、
該導電性カーボン粉末に付着している、一般式LiMMn(2−x)(式中、Mが、Mn以外の金属から成る群から選択された一種以上の金属を表わし、0<x≦0.15である。)で表されるスピネル型酸化物の粒子と、
を含むリチウムイオン二次電池用電極材料の製造方法であって、
a2)Liを含む化合物とMnを含む化合物と前記Mで表される金属を含む化合物とを含む活物質原料を溶解させた溶液に導電性カーボン粉末を添加した反応液を、旋回可能な反応器内に導入する調製工程、
b2)前記反応器を旋回させて前記反応液にずり応力と遠心力とを加えることにより、前記導電性カーボン粉末に前記活物質原料及び/又はその反応生成物を担持させる担持工程、及び、
c2)前記活物質原料及び/又はその反応生成物を担持させた導電性カーボン粉末を加熱処理することにより、前記導電性カーボン粉末上で前記スピネル型酸化物を形成する熱処理工程
を含むことを特徴とするリチウムイオン二次電池用電極材料の製造方法。
Conductive carbon powder;
The general formula LiM x Mn (2-x) O 4 (wherein M represents one or more metals selected from the group consisting of metals other than Mn, attached to the conductive carbon powder, and 0 < x ≦ 0.15.) Spinel oxide particles represented by:
A method for producing an electrode material for a lithium ion secondary battery comprising:
a2) Reactor capable of turning a reaction solution obtained by adding conductive carbon powder to a solution in which an active material raw material containing a compound containing Li, a compound containing Mn, and a compound containing a metal represented by M is dissolved The preparation process to be introduced in,
b2) A supporting step of supporting the active material raw material and / or the reaction product thereof on the conductive carbon powder by rotating the reactor and applying shear stress and centrifugal force to the reaction solution; and
c2) including a heat treatment step of forming the spinel oxide on the conductive carbon powder by heat-treating the conductive carbon powder supporting the active material raw material and / or a reaction product thereof. A method for producing an electrode material for a lithium ion secondary battery.
導電性カーボン粉末と、
該導電性カーボン粉末に付着している、一般式LiMMn(2−x)(式中、Mが、Mn以外の金属から成る群から選択された一種以上の金属を表わし、0<x≦0.15である。)で表されるスピネル型酸化物の粒子と、
を含むリチウムイオン二次電池用電極材料の製造方法であって、
a3)水と、Liの水酸化物と、Mnを含む化合物と、導電性カーボン粉末とを含み、9〜11の範囲のpHを有する反応液を、旋回可能な反応器内に導入する調製工程、
b3)前記反応器を旋回させて前記反応液にずり応力と遠心力とを加えることにより、Mnの水酸化物の核を生成させ、この生成したMnの水酸化物の核と前記導電性カーボン粉末とを分散させると同時に前記導電性カーボン粉末にMnの水酸化物を担持させる担持工程、及び、
c3)前記Mnの水酸化物を担持させた導電性カーボン粉末と、Liを含む化合物と、前記Mで表される金属を含む化合物と、を混合して加熱処理することにより、前記導電性カーボン粉末上で前記スピネル型酸化物を形成する熱処理工程
を含むことを特徴とする、リチウムイオン二次電池用電極材料の製造方法。
Conductive carbon powder;
The general formula LiM x Mn (2-x) O 4 (wherein M represents one or more metals selected from the group consisting of metals other than Mn, attached to the conductive carbon powder, and 0 < x ≦ 0.15.) Spinel oxide particles represented by:
A method for producing an electrode material for a lithium ion secondary battery comprising:
a3) Preparation step for introducing a reaction solution containing water, a Li hydroxide, a compound containing Mn, and a conductive carbon powder and having a pH in the range of 9 to 11 into a swirlable reactor ,
b3) Rotating the reactor to apply shear stress and centrifugal force to the reaction solution to generate Mn hydroxide nuclei, and the generated Mn hydroxide nuclei and the conductive carbon. A supporting step of dispersing a powder and simultaneously supporting a hydroxide of Mn on the conductive carbon powder; and
c3) The conductive carbon powder carrying the hydroxide of Mn, the compound containing Li, and the compound containing the metal represented by M are mixed and heat-treated, whereby the conductive carbon powder is mixed. A method for producing an electrode material for a lithium ion secondary battery, comprising a heat treatment step of forming the spinel oxide on a powder.
導電性カーボン粉末と、
該導電性カーボン粉末に付着している、一般式LiMMn(2−x)(式中、Mが、Mn以外の金属から成る群から選択された一種以上の金属を表わし、0<x≦0.15である。)で表されるスピネル型酸化物の粒子と、
を含むリチウムイオン二次電池用電極材料の製造方法であって、
a4)水と、Liの水酸化物と、Mnを含む化合物と、前記Mで表される金属を含む化合物と、導電性カーボン粉末とを含み、9〜11の範囲のpHを有する反応液を、旋回可能な反応器内に導入する調製工程、
b4)前記反応器を旋回させて前記反応液にずり応力と遠心力とを加えることにより、Mnの水酸化物及び前記Mで表される金属の水酸化物の核を生成させ、この生成したMnの水酸化物及び前記Mで表される金属の水酸化物の核と前記導電性カーボン粉末とを分散させると同時に前記導電性カーボン粉末にMnの水酸化物及び前記Mで表される金属の水酸化物を担持させる担持工程、及び、
c4)前記Mnの水酸化物及び前記Mで表される金属の水酸化物を担持させた導電性カーボン粉末と、Liを含む化合物と、を混合して加熱処理することにより、前記導電性カーボン粉末上で前記スピネル型酸化物を形成する熱処理工程
を含むことを特徴とする、リチウムイオン二次電池用電極材料の製造方法。
Conductive carbon powder;
The general formula LiM x Mn (2-x) O 4 (wherein M represents one or more metals selected from the group consisting of metals other than Mn, attached to the conductive carbon powder, and 0 < x ≦ 0.15.) Spinel oxide particles represented by:
A method for producing an electrode material for a lithium ion secondary battery comprising:
a4) a reaction solution containing water, a hydroxide of Li, a compound containing Mn, a compound containing a metal represented by M, and a conductive carbon powder, and having a pH in the range of 9 to 11. A preparation process to be introduced into the swirlable reactor,
b4) The reactor is swirled to apply shear stress and centrifugal force to the reaction solution, thereby generating a Mn hydroxide and a metal hydroxide nucleus represented by M. Mn hydroxide and a metal hydroxide nucleus represented by M and the conductive carbon powder are dispersed, and at the same time, Mn hydroxide and the metal represented by M are dispersed in the conductive carbon powder. A supporting step for supporting a hydroxide of, and
c4) The conductive carbon powder obtained by mixing and heat-treating a conductive carbon powder carrying the hydroxide of Mn and the metal hydroxide represented by M and a compound containing Li. A method for producing an electrode material for a lithium ion secondary battery, comprising a heat treatment step of forming the spinel oxide on a powder.
前記熱処理工程における加熱処理を、酸素含有雰囲気中で200〜300℃の温度で行う、請求項3〜6のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池用電極材料の製造方法。   The manufacturing method of the electrode material for lithium ion secondary batteries of any one of Claims 3-6 which performs the heat processing in the said heat processing process at the temperature of 200-300 degreeC in oxygen containing atmosphere. 請求項1又は2に記載の電極材料を含む活物質層を有する正極を備えたリチウムイオン二次電池。   The lithium ion secondary battery provided with the positive electrode which has an active material layer containing the electrode material of Claim 1 or 2.
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