JP2015022958A - Positive electrode active material, and lithium battery containing positive electrode active material - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a positive electrode active material whose discharge capacity is increased than conventional one by being used in a lithium battery.SOLUTION: A positive electrode active material belongs to a space group Fm-3m and is represented by the composition formula (1) : LiNiCoMnTiO(In the composition formula (1), x, y, and z are real numbers satisfying 0<x≤0.05, 0.1<y≤0.2 and 0<z≤0.5. Moreover, in the composition formula (1), a and b are real numbers satisfying 0<a≤2 and 0<b≤4) in which there is deficiency in a part of at least transition metal element selected from the group of nickel, cobalt and manganese.

Description

本発明は、リチウム電池に使用されることにより従来よりも放電容量を増加させる正極活物質、及び当該正極活物質を含むリチウム電池に関する。   The present invention relates to a positive electrode active material that is used in a lithium battery to increase the discharge capacity as compared with the prior art, and a lithium battery including the positive electrode active material.

リチウム電池の正極活物質には、リチウムを可逆的に挿入脱離することができるポリアニオン系化合物が用いられることが知られている。特許文献1には、炭素粒子と、化学式:LiMXO(MはMn、Co、Ni等)で表される組成を有するポリアニオン系化合物を含み、平均一次粒径が0.03〜1.4μmであり、前記炭素粒子に担持された化合物粒子と、を備える活物質が開示されている。 It is known that a polyanionic compound capable of reversibly inserting and desorbing lithium is used for a positive electrode active material of a lithium battery. Patent Document 1 includes carbon particles and a polyanionic compound having a composition represented by a chemical formula: Li a MXO 4 (M is Mn, Co, Ni, etc.), and has an average primary particle size of 0.03 to 1. An active material comprising 4 μm and compound particles supported on the carbon particles is disclosed.

特開2010−086772号公報JP 2010-087772 A

特許文献1に記載されたLiMXO型のポリアニオン系化合物の1種として、LiNi1/3Co1/3Mn1/3TiOが知られている。しかし、空間群Fm−3mに属するLiNi1/3Co1/3Mn1/3TiOの場合、放電容量が低いおそれがあったため、実用化には至っていなかった。
本発明は、上記実状を鑑みて成し遂げられたものであり、リチウム電池に使用されることにより従来よりも放電容量を増加させる正極活物質、及び当該正極活物質を含むリチウム電池を提供することを目的とする。
Li 2 Ni 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 TiO 4 is known as one of Li a MXO 4 type polyanionic compounds described in Patent Document 1. However, in the case of Li 2 Ni 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 TiO 4 belonging to the space group Fm-3m, since the discharge capacity may be low, it has not been put into practical use.
The present invention has been accomplished in view of the above circumstances, and provides a positive electrode active material that increases discharge capacity compared to the prior art when used in a lithium battery, and a lithium battery including the positive electrode active material. Objective.

本発明の正極活物質は、空間群Fm−3mに属し、かつ、ニッケル、コバルト、及びマンガンからなる群より選ばれる少なくとも1つの遷移金属元素が一部欠損した下記組成式(1)で表されることを特徴とする。
LiNiCoMnTiO 組成式(1)
(上記組成式(1)中、x、y、及びzは、0<x≦0.05、0.1<y≦0.2、かつ0<z≦0.5を満たす実数である。また、上記組成式(1)中、a及びbは、0<a≦2、かつ0<b≦4を満たす実数である。)
The positive electrode active material of the present invention is represented by the following composition formula (1), which belongs to the space group Fm-3m and is partially deficient in at least one transition metal element selected from the group consisting of nickel, cobalt, and manganese. It is characterized by that.
Li a Ni x Co y Mn z TiO b compositional formula (1)
(In the composition formula (1), x, y, and z are real numbers that satisfy 0 <x ≦ 0.05, 0.1 <y ≦ 0.2, and 0 <z ≦ 0.5. In the composition formula (1), a and b are real numbers that satisfy 0 <a ≦ 2 and 0 <b ≦ 4.)

本発明のリチウム電池は、正極、負極、並びに、当該正極及び当該負極の間に介在する電解質層を備えるリチウム電池であって、前記正極は、少なくとも上記正極活物質を含有することを特徴とする。   The lithium battery of the present invention is a lithium battery comprising a positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte layer interposed between the positive electrode and the negative electrode, wherein the positive electrode contains at least the positive electrode active material. .

本発明によれば、ニッケル、コバルト、及びマンガンのうち少なくともいずれか1つの遷移金属元素が欠損した化学組成を有することにより、当該正極活物質をリチウム電池に使用した際、リチウムイオンの拡散障害を低減することができ、かつ放電容量を従来のリチウム電池よりも増加させることができる。   According to the present invention, when the positive electrode active material is used in a lithium battery, it has a lithium ion diffusion hindrance by having a chemical composition in which at least one transition metal element of nickel, cobalt, and manganese is deficient. It can be reduced and the discharge capacity can be increased as compared with the conventional lithium battery.

本発明に係るLiNiCoMnTiOの原子の配列を模式的に示した図である。The arrangement of atoms of Li a Ni x Co y Mn z TiO b according to the present invention is a diagram schematically showing. 本発明のリチウム電池の層構成の一例を示す図であって、積層方向に切断した断面を模式的に示した図である。It is a figure which shows an example of the laminated constitution of the lithium battery of this invention, Comprising: It is the figure which showed typically the cross section cut | disconnected in the lamination direction. 実施例1及び比較例1の正極活物質のXRDパターンを並べて示したグラフである。4 is a graph showing XRD patterns of the positive electrode active materials of Example 1 and Comparative Example 1 side by side. 実施例1の正極活物質のTEM画像である。2 is a TEM image of the positive electrode active material of Example 1. 実施例2のリチウム電池の充放電曲線である。2 is a charge / discharge curve of the lithium battery of Example 2. FIG. 実施例2及び比較例2のリチウム電池の1回目の放電容量(実容量)を比較した棒グラフである。4 is a bar graph comparing the first discharge capacity (actual capacity) of lithium batteries of Example 2 and Comparative Example 2. FIG. 従来のLiNi1/3Co1/3Mn1/3TiOの原子の配列を模式的に示した図である。The sequence of the conventional Li 2 Ni 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 TiO 4 atoms is a diagram schematically showing.

1.正極活物質
本発明の正極活物質は、空間群Fm−3mに属し、かつ、ニッケル、コバルト、及びマンガンからなる群より選ばれる少なくとも1つの遷移金属元素が一部欠損した下記組成式(1)で表されることを特徴とする。
LiNiCoMnTiO 組成式(1)
(上記組成式(1)中、x、y、及びzは、0<x≦0.05、0.1<y≦0.2、かつ0<z≦0.5を満たす実数である。また、上記組成式(1)中、a及びbは、0<a≦2、かつ0<b≦4を満たす実数である。)
1. Positive electrode active material The positive electrode active material of the present invention belongs to the space group Fm-3m, and at least one transition metal element selected from the group consisting of nickel, cobalt, and manganese is partially lost in the following composition formula (1) It is represented by.
Li a Ni x Co y Mn z TiO b compositional formula (1)
(In the composition formula (1), x, y, and z are real numbers that satisfy 0 <x ≦ 0.05, 0.1 <y ≦ 0.2, and 0 <z ≦ 0.5. In the composition formula (1), a and b are real numbers that satisfy 0 <a ≦ 2 and 0 <b ≦ 4.)

一般的に、従来のLiMTiO系の正極活物質材料は、理論容量の半分程度の実用量しか得られない。従来のLiMTiO系の正極活物質材料は、その化学構造中にリチウムイオンの拡散経路を有するものの、リチウム電池に使用された際に、リチウムイオンが十分量拡散しないという課題がある。これは、従来のLiMTiO系の正極活物質材料におけるリチウムイオンの拡散係数が低く、リチウムイオンの拡散経路が必ずしも十分量確保されていないことによるものと考えられる。
また、理論上は、LiMTiO モルに対し、リチウムイオンは2モル拡散するはずである。しかし、従来のLiMTiO系の正極活物質材料においては、リチウムイオンが2モル拡散する例は知られていない。ここで、リチウムイオンが2モル拡散する例とは、すなわち、下記式(A)に示すような2電子が関与する充電反応の例、及び、下記式(A)の逆反応である2電子が関与する放電反応の例のことを指す。
LiMTiO→MTiO+2Li+2e 式(A)
In general, the conventional Li 2 MTiO 4 -based positive electrode active material can obtain only a practical amount of about half the theoretical capacity. Although the conventional Li 2 MTiO 4 positive electrode active material has a lithium ion diffusion path in its chemical structure, there is a problem that a sufficient amount of lithium ions does not diffuse when used in a lithium battery. This is presumably because the diffusion coefficient of lithium ions in the conventional Li 2 MTiO 4 positive electrode active material is low, and a sufficient amount of lithium ion diffusion paths are not always secured.
Theoretically, lithium ions should diffuse by 2 moles with respect to 4 moles of Li 2 MTiO. However, in the conventional Li 2 MTiO 4 positive electrode active material, an example in which 2 mol of lithium ions diffuse is not known. Here, examples in which lithium ions diffuse by 2 moles are examples of a charging reaction involving two electrons as shown in the following formula (A), and two electrons that are the reverse reaction of the following formula (A). It refers to an example of the discharge reaction involved.
Li 2 MTiO 4 → MTiO 4 + 2Li + + 2e - formula (A)

リチウム電池に従来使用されてきたLiCoOは、リチウム層とコバルト層が交互に積層した岩塩構造を有する。したがって、LiCoOにおいて、リチウムイオンはリチウム層内を2次元的に拡散する。一方、LiNi1/3Co1/3Mn1/3TiOの場合、LiCoOとは異なる化学構造を有する。
図7は、従来のLiNi1/3Co1/3Mn1/3TiOの原子の配列を模式的に示した図である。図7中の円は各原子を、円同士を区切るマスは結晶構造中に各原子が占めるサイトを、細矢印はリチウムイオンの拡散経路を、それぞれ表す。なお、図7はリチウムイオン拡散経路を簡便に説明するための模式図であり、実際のLiNi1/3Co1/3Mn1/3TiOの化学構造を正確に表すものとは限らない。
図7に示すように、従来のLiNi1/3Co1/3Mn1/3TiO(300)は、リチウム、ニッケル、コバルト、マンガン、及びチタンが、等価なサイトに不規則に配列される構造を有している。そのため、LiNi1/3Co1/3Mn1/3TiOは、LiCoOにおけるリチウム層のような、リチウム原子が規則的に連なったイオン拡散経路を持っていない。
LiCoO 2 conventionally used in lithium batteries has a rock salt structure in which lithium layers and cobalt layers are alternately stacked. Therefore, in LiCoO 2 , lithium ions diffuse two-dimensionally in the lithium layer. On the other hand, Li 2 Ni 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 TiO 4 has a different chemical structure from LiCoO 2 .
FIG. 7 is a diagram schematically showing the arrangement of atoms of conventional Li 2 Ni 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 TiO 4 . The circles in FIG. 7 represent each atom, the squares separating the circles represent the sites occupied by each atom in the crystal structure, and the thin arrows represent the lithium ion diffusion path. FIG. 7 is a schematic diagram for simply explaining the lithium ion diffusion path, and does not always accurately represent the actual chemical structure of Li 2 Ni 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 TiO 4. Absent.
As shown in FIG. 7, in the conventional Li 2 Ni 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 TiO 4 (300), lithium, nickel, cobalt, manganese, and titanium are irregularly arranged at equivalent sites. Has a structure. Therefore, Li 2 Ni 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 TiO 4 does not have an ion diffusion path in which lithium atoms are regularly linked, like the lithium layer in LiCoO 2 .

本発明者は、リチウムイオンの拡散係数の向上を狙い試行錯誤した結果、リチウムイオン拡散の障害となっている、ニッケル、コバルト、マンガン等の遷移金属元素が通常占めるサイトを介してリチウムイオンが拡散する構造を想起するに至った。本発明者は、鋭意努力の結果、当該遷移金属元素が通常占めるサイトに部分的に欠損を導入すること、すなわち、当該サイトの一部から当該遷移金属元素を除くことにより、正極活物質中においてリチウムイオンが拡散する際の障害を減らしかつ拡散経路を増やすことができ、正極活物質のリチウムイオン伝導性を向上させると共に、当該正極活物質をリチウム電池に使用した際に、放電容量を向上させることに成功した。また、本発明者は、当該正極活物質をリチウム電池に使用した際に、欠損が導入された当該サイトが、リチウムイオンを吸蔵及び放出するサイトとして働くため、充放電容量の向上に寄与することも見出し、本発明を完成させた。   As a result of trial and error aimed at improving the diffusion coefficient of lithium ions, the present inventor diffuses lithium ions through sites normally occupied by transition metal elements such as nickel, cobalt, and manganese, which are obstacles to lithium ion diffusion. I came up with a structure to do. As a result of diligent efforts, the present inventor partially introduces a defect into a site normally occupied by the transition metal element, that is, by removing the transition metal element from a part of the site, Improves lithium ion conductivity of the positive electrode active material and improves the discharge capacity when the positive electrode active material is used in a lithium battery while reducing obstacles and increasing the diffusion path when lithium ions diffuse Succeeded. In addition, when the present inventor uses the positive electrode active material for a lithium battery, the site into which the defect is introduced functions as a site for occluding and releasing lithium ions, which contributes to an improvement in charge / discharge capacity. And the present invention was completed.

本発明に係る正極活物質は、上記組成式(1)により表され、かつ空間群Fm−3mに属し、かつ遷移金属元素が欠損していることを特徴とする。ここで、空間群Fm−3mとは、いわゆる岩塩型構造を有する結晶の空間群を指す。   The positive electrode active material according to the present invention is represented by the composition formula (1), belongs to the space group Fm-3m, and lacks a transition metal element. Here, the space group Fm-3m refers to a space group of crystals having a so-called rock salt structure.

上記組成式(1)中、x、y、及びzは、0<x≦0.05、0.1<y≦0.2、かつ0<z≦0.5を満たす実数である。ここで、x、y、及びzの和が必ず1未満となることが、本発明における遷移金属元素の欠損を表している。なお、本発明においては、コバルトの組成比yがニッケルの組成比xよりも大きい。
上記組成式(1)中、x、y、及びzは、0.03≦x≦0.05、0.12≦y≦0.17、かつ0.30<z≦0.45を満たす実数であることが好ましい。
In the composition formula (1), x, y, and z are real numbers that satisfy 0 <x ≦ 0.05, 0.1 <y ≦ 0.2, and 0 <z ≦ 0.5. Here, the fact that the sum of x, y, and z is always less than 1 represents a transition metal element defect in the present invention. In the present invention, the composition ratio y of cobalt is larger than the composition ratio x of nickel.
In the composition formula (1), x, y, and z are real numbers that satisfy 0.03 ≦ x ≦ 0.05, 0.12 ≦ y ≦ 0.17, and 0.30 <z ≦ 0.45. Preferably there is.

上記組成式(1)中、a及びbは、0<a≦2、かつ0<b≦4を満たす実数である。aが2を超える場合、又はbが4を超える場合には、空間群Fm−3mに属する化学構造を維持できなくなるおそれがある。a及びbは、1.5≦a≦2、かつ3.5≦b≦4を満たすことが好ましい。   In the composition formula (1), a and b are real numbers that satisfy 0 <a ≦ 2 and 0 <b ≦ 4. If a exceeds 2, or b exceeds 4, the chemical structure belonging to the space group Fm-3m may not be maintained. It is preferable that a and b satisfy 1.5 ≦ a ≦ 2 and 3.5 ≦ b ≦ 4.

図1は、本発明に係るLiNiCoMnTiOの原子の配列を模式的に示した図である。図1中の実線の円、円同士を区切るマス、及び細矢印は、図7と同様のものを示す。また、図1中の破線の円は、サイト中の遷移金属元素が欠損していることを、当該破線の円に重ねて示した太矢印は、当該サイトを介したリチウムイオンの拡散経路を、それぞれ示す。図1はリチウムイオン拡散経路を簡便に説明するための模式図であり、本発明に係る正極活物質の実際の化学構造を正確に表すものとは限らない。
図1と図7とを比較すると分かるように、本発明に係るLiNiCoMnTiO(100)は、遷移金属元素が欠損したサイトを有する。したがって、従来は遷移金属元素の間を縫うように、場合によっては長い迂回路を経てリチウムイオンが拡散していたのに対し、本発明においては空のサイトを介してリチウムイオンが拡散する結果、リチウムイオンの拡散障害が低減され、リチウムイオン伝導性が向上すると考えられる。また、図1には特に示していないが、本発明に係るLiNiCoMnTiOをリチウム電池に使用した際、当該空のサイトがリチウムイオンを吸蔵及び放出することにより、従来のリチウム電池よりも放電容量を向上させることができる。
FIG. 1 is a diagram schematically showing the arrangement of atoms of Li a Ni x Co y Mn z TiO b according to the present invention. The solid line circles, squares separating the circles, and thin arrows in FIG. 1 are the same as those in FIG. In addition, the broken-line circle in FIG. 1 indicates that the transition metal element in the site is deficient, and the thick arrow superimposed on the broken-line circle indicates the lithium ion diffusion path through the site. Each is shown. FIG. 1 is a schematic diagram for simply explaining the lithium ion diffusion path, and does not necessarily accurately represent the actual chemical structure of the positive electrode active material according to the present invention.
As can be seen from a comparison between FIG. 1 and FIG. 7, Li a Ni x Co y Mn z TiO b (100) according to the present invention has a site in which a transition metal element is deficient. Therefore, in the past, lithium ions diffused through a long detour as in the case of sewing between transition metal elements, whereas in the present invention, lithium ions diffused through empty sites, It is considered that the lithium ion diffusion barrier is reduced and the lithium ion conductivity is improved. Although not specifically illustrated in FIG. 1, when the Li a Ni x Co y Mn z TiO b according to the present invention is used for a lithium battery, by which the empty site occluding and releasing lithium ions, conventional The discharge capacity can be improved as compared with lithium batteries.

本発明に係る正極活物質の平均粒径は、例えば1〜50μmの範囲内、中でも1〜20μmの範囲内、特に3〜5μmの範囲内であることが好ましい。当該正極活物質の平均粒径が小さすぎると、取り扱い性が悪くなるおそれがあり、当該正極活物質の平均粒径が大きすぎると、平坦な正極活物質層を得るのが困難になるおそれがあるからである。なお、本発明に係る正極活物質の平均粒径は、例えば透過型電子顕微鏡(TEM)や走査型電子顕微鏡(SEM)により観察される当該正極活物質の粒径を測定して、平均することにより求めることができる。   The average particle diameter of the positive electrode active material according to the present invention is, for example, preferably in the range of 1 to 50 μm, more preferably in the range of 1 to 20 μm, and particularly preferably in the range of 3 to 5 μm. If the average particle size of the positive electrode active material is too small, the handleability may be deteriorated. If the average particle size of the positive electrode active material is too large, it may be difficult to obtain a flat positive electrode active material layer. Because there is. In addition, the average particle diameter of the positive electrode active material according to the present invention is obtained by measuring the particle diameter of the positive electrode active material observed with, for example, a transmission electron microscope (TEM) or a scanning electron microscope (SEM) and averaging the average particle diameter. It can ask for.

本発明に係る正極活物質の製造方法は以下の通りである。
まず、原料として、リチウム化合物、ニッケル化合物、コバルト化合物、マンガン化合物、及びチタン化合物を準備する。なお、原料としてこれら5種類の化合物を全て準備する必要は必ずしもなく、例えば、リチウム化合物がコバルト元素を含む場合等には、コバルト化合物を他に準備する必要は必ずしもない。
リチウム化合物としては、例えば、炭酸リチウム(LiCO)、酢酸リチウム(CHCOLi)、及び硝酸リチウム(LiNO)、並びにこれらの水和物等が挙げられる。
ニッケル化合物としては、例えば、水酸化ニッケル(II)(Ni(OH))、酢酸ニッケル(II)(Ni(CHCO)、硝酸ニッケル(II)(Ni(NO)、硫酸ニッケル(II)(NiSO)、シュウ酸ニッケル(II)(NiC)、及び塩化ニッケル(II)(NiCl)、並びにこれらの水和物等が挙げられる。
コバルト化合物としては、例えば、水酸化コバルト(II)(Co(OH))、酢酸コバルト(II)(Co(CHCO)、硝酸コバルト(II)(Co(NO)、硫酸コバルト(II)(CoSO)、シュウ酸コバルト(II)(CoC)、及び塩化コバルト(II)(CoCl)、並びにこれらの水和物等が挙げられる。
マンガン化合物としては、例えば、酸化マンガン(II)(MnO)、酢酸マンガン(II)(Mn(CHCO)、硝酸マンガン(II)(Mn(NO)、硫酸マンガン(II)(MnSO)、シュウ酸マンガン(II)(MnC)、及び塩化マンガン(II)(MnCl)、並びにこれらの水和物等が挙げられる。
チタン化合物としては、例えば、酸化チタン(II)(TiO)、二酸化チタン(IV)(TiO)、オルトチタン酸テトライソプロピル(Ti(OCH(CH)、テトラブトキシチタン(IV)(Ti(OC)、及び三酸化二チタン(III)(Ti)、並びにこれらの水和物等が挙げられる。
The method for producing the positive electrode active material according to the present invention is as follows.
First, a lithium compound, a nickel compound, a cobalt compound, a manganese compound, and a titanium compound are prepared as raw materials. Note that it is not always necessary to prepare all these five types of compounds as raw materials. For example, when the lithium compound contains a cobalt element, it is not always necessary to prepare another cobalt compound.
Examples of the lithium compound include lithium carbonate (Li 2 CO 3 ), lithium acetate (CH 3 CO 2 Li), lithium nitrate (LiNO 3 ), and hydrates thereof.
Examples of the nickel compound include nickel hydroxide (II) (Ni (OH) 2 ), nickel acetate (II) (Ni (CH 3 CO 2 ) 2 ), nickel nitrate (II) (Ni (NO 3 ) 2 ). Nickel (II) sulfate (NiSO 4 ), nickel (II) oxalate (NiC 2 O 4 ), nickel chloride (II) (NiCl 2 ), and hydrates thereof.
Examples of the cobalt compound include cobalt hydroxide (II) (Co (OH) 2 ), cobalt acetate (II) (Co (CH 3 CO 2 ) 2 ), and cobalt nitrate (II) (Co (NO 3 ) 2 ). , Cobalt sulfate (II) (CoSO 4 ), cobalt oxalate (II) (CoC 2 O 4 ), cobalt chloride (II) (CoCl 2 ), and hydrates thereof.
Examples of the manganese compound include manganese oxide (II) (MnO), manganese (II) acetate (Mn (CH 3 CO 2 ) 2 ), manganese nitrate (II) (Mn (NO 3 ) 2 ), manganese sulfate (II ) (MnSO 4 ), manganese (II) oxalate (MnC 2 O 4 ), manganese chloride (II) (MnCl 2 ), and hydrates thereof.
Examples of the titanium compound include titanium oxide (II) (TiO), titanium dioxide (IV) (TiO 2 ), tetraisopropyl orthotitanate (Ti (OCH (CH 3 ) 2 ) 4 ), and tetrabutoxy titanium (IV). (Ti (OC 4 H 9 ) 4 ), dititanium trioxide (III) (Ti 2 O 3 ), and hydrates thereof.

上記各原料の混合比は、上記組成式(1)の各元素の組成比に合わせることが好ましい。具体的には、上記組成式(1)より、正極活物質中の各金属元素の比は、Li:Ni:Co:Mn:Ti=a:x:y:z:1(a、x、y、zは上述した通りである)である。したがって、混合後の組成が上記金属元素の比に従うように、各原料の混合比を調整すればよい。   The mixing ratio of the raw materials is preferably matched to the composition ratio of each element in the composition formula (1). Specifically, from the above composition formula (1), the ratio of each metal element in the positive electrode active material is Li: Ni: Co: Mn: Ti = a: x: y: z: 1 (a, x, y , Z is as described above). Therefore, what is necessary is just to adjust the mixing ratio of each raw material so that the composition after mixing may follow the ratio of the said metal element.

上記各原料を混合する際には、各原料を酸溶液中に溶解又は分散させることが好ましい。本発明に好適に使用される酸溶液は、上記各原料の大部分を溶解できるものであれば特に限定されず、具体的には、硝酸、酢酸、硫酸、過塩素酸、塩酸、次亜塩素酸等が挙げられる。このうち、上記各原料を溶かす能力が高いという観点から、硝酸が好ましい。   When mixing the raw materials, it is preferable to dissolve or disperse the raw materials in an acid solution. The acid solution suitably used in the present invention is not particularly limited as long as it can dissolve most of the above raw materials, and specifically, nitric acid, acetic acid, sulfuric acid, perchloric acid, hydrochloric acid, hypochlorous acid. An acid etc. are mentioned. Of these, nitric acid is preferred from the viewpoint of high ability to dissolve the above-mentioned raw materials.

上記各原料を混合する際には、さらに有機物を混合してもよい。当該有機物は、結晶化を目的として熱処理する場合に、望ましくない粒子成長を抑制する役割を果たす。
上記各原料と共に混合できる有機物としては、例えば、グリコール酸、クエン酸、アスコルビン酸、ステアリン酸、カルボン酸、及びオレイン酸等が挙げられる。これらの有機物は、1種類のみ用いてもよいし、2種類以上を混合して用いてもよい。これらの中でも、取り扱い性の良さや除去のし易さの観点から、グリコール酸を使用することが好ましい。
When mixing the above raw materials, organic substances may be further mixed. The organic substance plays a role of suppressing undesirable particle growth when heat treatment is performed for the purpose of crystallization.
Examples of organic substances that can be mixed with the above raw materials include glycolic acid, citric acid, ascorbic acid, stearic acid, carboxylic acid, and oleic acid. These organic substances may be used alone or in combination of two or more. Among these, it is preferable to use glycolic acid from the viewpoint of good handleability and ease of removal.

上記各原料及び有機物の混合の順序は特に限定されない。上記各原料及び有機物を一度に混合してもよいし、順番に1つずつ混合していってもよい。なお、上記有機物を使用する場合には、初めにチタン化合物以外の原料及び有機物を混合し、その後に当該混合物中にチタン化合物を混合することが好ましい。   The order of mixing the raw materials and organic substances is not particularly limited. Each of the above raw materials and organic substances may be mixed at one time, or may be mixed one by one in order. In addition, when using the said organic substance, it is preferable to mix raw materials and organic substances other than a titanium compound first, and to mix a titanium compound in the said mixture after that.

上記混合物は、攪拌しながら適宜加熱することにより水分を留去し、ゲル化させてもよい。このときの加熱温度は、60〜100℃程度であればよい。   The above mixture may be gelled by distilling off water by heating appropriately while stirring. The heating temperature at this time should just be about 60-100 degreeC.

本製造方法においては、上記混合物(又はそのゲル)を加熱することにより、目的とする正極活物質が得られる。
加熱方法は特に限定されないが、アルゴン雰囲気や窒素雰囲気等の不活性ガス雰囲気下において焼成することが好ましい。焼成温度は、500〜1,100℃であることが好ましく、700〜1,000℃であることがより好ましい。また、焼成時間は、5〜48時間であることが好ましく、10〜24時間であることがより好ましい。
グリコール酸等の有機物を用いた場合には、上記混合物を予備的に熱処理し、当該有機物を分解除去した後、上記焼成を行うことが好ましい。予備熱処理において加熱方法は特に限定されず、大気下でもよい。焼成温度は、100〜500℃であることが好ましく、200〜400℃であることがより好ましい。また、焼成時間は、5〜48時間であることが好ましく、10〜24時間であることがより好ましい。
In this production method, the target positive electrode active material is obtained by heating the mixture (or gel thereof).
The heating method is not particularly limited, but firing is preferably performed in an inert gas atmosphere such as an argon atmosphere or a nitrogen atmosphere. The firing temperature is preferably 500 to 1,100 ° C, and more preferably 700 to 1,000 ° C. The firing time is preferably 5 to 48 hours, and more preferably 10 to 24 hours.
When an organic substance such as glycolic acid is used, the mixture is preferably preliminarily heat treated to decompose and remove the organic substance, and then the baking is performed. In the preliminary heat treatment, the heating method is not particularly limited, and may be in the air. The firing temperature is preferably 100 to 500 ° C, and more preferably 200 to 400 ° C. The firing time is preferably 5 to 48 hours, and more preferably 10 to 24 hours.

2.リチウム電池
本発明のリチウム電池は、正極、負極、並びに、当該正極及び当該負極の間に介在する電解質層を備えるリチウム電池であって、前記正極は、少なくとも上記正極活物質を含有することを特徴とする。
上記正極活物質が優れたリチウムイオン伝導性及び高い放電容量を有することにより、当該正極活物質を含むリチウム電池は、良好な放電特性を発揮できる。
2. The lithium battery of the present invention is a lithium battery comprising a positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte layer interposed between the positive electrode and the negative electrode, wherein the positive electrode contains at least the positive electrode active material. And
Since the positive electrode active material has excellent lithium ion conductivity and high discharge capacity, a lithium battery including the positive electrode active material can exhibit good discharge characteristics.

図2は、本発明に係るリチウム電池の層構成の一例を示す図であって、積層方向に切断した断面を模式的に示した図である。なお、本発明に係るリチウム電池は、必ずしもこの例のみに限定されるものではない。
リチウム電池200は、正極活物質層2及び正極集電体4を備える正極6と、負極活物質層3及び負極集電体5を備える負極7と、正極6及び負極7に挟持される電解質層1を備える。
以下、本発明に係るリチウム電池に使用される、正極、負極、及び電解質層、並びに本発明に係るリチウム電池に好適に使用されるセパレータ及び電池ケースについて、詳細に説明する。
FIG. 2 is a diagram showing an example of a layer configuration of the lithium battery according to the present invention, and is a diagram schematically showing a cross section cut in the stacking direction. The lithium battery according to the present invention is not necessarily limited to this example.
The lithium battery 200 includes a positive electrode 6 including a positive electrode active material layer 2 and a positive electrode current collector 4, a negative electrode 7 including a negative electrode active material layer 3 and a negative electrode current collector 5, and an electrolyte layer sandwiched between the positive electrode 6 and the negative electrode 7. 1 is provided.
Hereinafter, the positive electrode, the negative electrode, and the electrolyte layer used in the lithium battery according to the present invention, and the separator and battery case suitably used in the lithium battery according to the present invention will be described in detail.

本発明に使用される正極は、好ましくは上述した正極活物質を含む正極活物質層を備えるものであり、通常、これに加えて、正極集電体、及び当該正極集電体に接続された正極リードを備える。   The positive electrode used in the present invention preferably comprises a positive electrode active material layer containing the positive electrode active material described above, and in addition to this, in general, connected to the positive electrode current collector and the positive electrode current collector. A positive lead is provided.

本発明には、上述した本発明に係る正極活物質が使用される。本発明においては、上述した本発明に係る正極活物質のみを単独で用いてもよいし、当該正極活物質と、1種又は2種以上の他の正極活物質とを組み合わせて用いてもよい。
他の正極活物質としては、具体的には、LiCoO、LiNi1/3Mn1/3Co1/3、LiNiPO、LiMnPO、LiNiO、LiMn、LiCoMnO、LiNiMn、LiFe(PO及びLi(PO等を挙げることができる。正極活物質からなる微粒子の表面にLiNbO等を被覆してもよい。
正極活物質層における正極活物質の総含有割合は、通常、50〜90質量%の範囲内である。
In the present invention, the above-described positive electrode active material according to the present invention is used. In the present invention, only the positive electrode active material according to the present invention described above may be used alone, or the positive electrode active material may be used in combination with one or more other positive electrode active materials. .
As other positive electrode active materials, specifically, LiCoO 2 , LiNi 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2 , LiNiPO 4 , LiMnPO 4 , LiNiO 2 , LiMn 2 O 4 , LiCoMnO 4 , Li 2 NiMn 3 O 8 , Li 3 Fe 2 (PO 4 ) 3, Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 and the like can be mentioned. On the surface of fine particles composed of the positive electrode active material may be coated with LiNbO 3 or the like.
The total content of the positive electrode active material in the positive electrode active material layer is usually in the range of 50 to 90% by mass.

本発明に使用される正極活物質層の厚さは、目的とするリチウム電池の用途等により異なるものであるが、0.1〜250μmの範囲内であるのが好ましく、1〜20μmの範囲内であるのが特に好ましく、特に3〜10μmの範囲内であることが最も好ましい。   The thickness of the positive electrode active material layer used in the present invention varies depending on the intended use of the lithium battery, but is preferably in the range of 0.1 to 250 μm, and in the range of 1 to 20 μm. Is particularly preferred, and most preferred is in the range of 3 to 10 μm.

正極活物質層は、必要に応じて導電性材料及び結着剤等を含有していても良い。
本発明に使用される導電性材料としては、正極活物質層の導電性を向上させることができれば特に限定されるものではないが、例えばアセチレンブラック、ケッチェンブラック等のカーボンブラック等を挙げることができる。また、正極活物質層における導電性材料の含有割合は、導電性材料の種類によって異なるものであるが、通常1〜30質量%の範囲内である。
The positive electrode active material layer may contain a conductive material, a binder, and the like as necessary.
The conductive material used in the present invention is not particularly limited as long as the conductivity of the positive electrode active material layer can be improved. Examples thereof include carbon black such as acetylene black and ketjen black. it can. Moreover, although the content rate of the electroconductive material in a positive electrode active material layer changes with kinds of electroconductive material, it is in the range of 1-30 mass% normally.

本発明に使用される結着剤としては、例えばポリビニリデンフロライド(PVdF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等を挙げることができる。また、正極活物質層における結着剤の含有量は、正極活物質等を固定化できる程度の量であれば良く、より少ないことが好ましい。結着剤の含有割合は、通常1〜10質量%の範囲内である。
また、正極活物質の調製には、N−メチル−2−ピロリドンやアセトン等の分散媒を用いてもよい。
Examples of the binder used in the present invention include polyvinylidene fluoride (PVdF) and polytetrafluoroethylene (PTFE). In addition, the content of the binder in the positive electrode active material layer may be an amount that can fix the positive electrode active material or the like, and is preferably smaller. The content rate of a binder is in the range of 1-10 mass% normally.
In addition, a dispersion medium such as N-methyl-2-pyrrolidone or acetone may be used for preparing the positive electrode active material.

本発明に使用される正極集電体は、上記正極活物質層の集電を行う機能を有するものである。上記正極集電体の材料としては、例えばアルミニウム、SUS、ニッケル、鉄及びチタン等を挙げることができ、中でもアルミニウム及びSUSが好ましい。また、正極集電体の形状としては、例えば、箔状、板状、メッシュ状等を挙げることができ、中でも箔状が好ましい。   The positive electrode current collector used in the present invention has a function of collecting the positive electrode active material layer. Examples of the material for the positive electrode current collector include aluminum, SUS, nickel, iron, and titanium. Among these, aluminum and SUS are preferable. Moreover, as a shape of a positive electrode electrical power collector, foil shape, plate shape, mesh shape etc. can be mentioned, for example, Foil shape is preferable.

本発明に使用される正極を製造する方法は、上記の正極を得ることができる方法であれば特に限定されるものではない。なお、正極活物質層を形成した後、電極密度を向上させるために、正極活物質層をプレスしても良い。   The method for producing the positive electrode used in the present invention is not particularly limited as long as it is a method capable of obtaining the positive electrode. In addition, after forming a positive electrode active material layer, in order to improve an electrode density, you may press a positive electrode active material layer.

本発明に使用される負極は、好ましくは負極活物質を含む負極活物質層を備えるものであり、通常、これに加えて、負極集電体、及び当該負極集電体に接続された負極リードを備える。   The negative electrode used in the present invention preferably comprises a negative electrode active material layer containing a negative electrode active material, and in addition to this, in general, a negative electrode current collector, and a negative electrode lead connected to the negative electrode current collector Is provided.

本発明に使用される負極活物質は、リチウムイオンを吸蔵及び/又は放出可能なものであれば特に限定されないが、例えば、リチウム金属、リチウム合金、リチウム元素を含有する金属酸化物、リチウム元素を含有する金属硫化物、リチウム元素を含有する金属窒化物、及びグラファイト等の炭素材料等を挙げることができる。また、負極活物質は、粉末状であっても良く、薄膜状であっても良い。
リチウム合金としては、例えばリチウムアルミニウム合金、リチウムスズ合金、リチウム鉛合金、リチウムケイ素合金等を挙げることができる。また、リチウム元素を含有する金属酸化物としては、例えばリチウムチタン酸化物等を挙げることができる。また、リチウム元素を含有する金属窒化物としては、例えばリチウムコバルト窒化物、リチウム鉄窒化物、リチウムマンガン窒化物等を挙げることができる。また、負極活物質としては、固体電解質をコートしたリチウムを用いることもできる。
The negative electrode active material used in the present invention is not particularly limited as long as it can occlude and / or release lithium ions. For example, lithium metal, a lithium alloy, a metal oxide containing lithium element, and lithium element can be used. Examples thereof include metal sulfides contained, metal nitrides containing lithium element, and carbon materials such as graphite. The negative electrode active material may be in the form of a powder or a thin film.
Examples of the lithium alloy include a lithium aluminum alloy, a lithium tin alloy, a lithium lead alloy, and a lithium silicon alloy. Moreover, as a metal oxide containing a lithium element, lithium titanium oxide etc. can be mentioned, for example. Examples of the metal nitride containing a lithium element include lithium cobalt nitride, lithium iron nitride, and lithium manganese nitride. As the negative electrode active material, lithium coated with a solid electrolyte can also be used.

上記負極活物質層は、負極活物質のみを含有するものであっても良く、負極活物質の他に、導電性材料及び結着剤の少なくとも一方を含有するものであっても良い。例えば、負極活物質が箔状である場合は、負極活物質のみを含有する負極活物質層とすることができる。一方、負極活物質が粉末状である場合は、負極活物質及び結着剤を有する負極活物質層とすることができる。なお、導電性材料及び結着剤については、上述した正極活物質層に含まれる導電性材料又は結着剤と同様であるので、ここでの説明は省略する。
負極活物質層の膜厚としては、特に限定されるものではないが、例えば10〜100μmの範囲内、中でも10〜50μmの範囲内であることが好ましい。
The negative electrode active material layer may contain only the negative electrode active material, or may contain at least one of a conductive material and a binder in addition to the negative electrode active material. For example, when the negative electrode active material has a foil shape, a negative electrode active material layer containing only the negative electrode active material can be obtained. On the other hand, when the negative electrode active material is in a powder form, a negative electrode active material layer having a negative electrode active material and a binder can be obtained. Note that the conductive material and the binder are the same as the conductive material or the binder contained in the positive electrode active material layer described above, and thus description thereof is omitted here.
Although it does not specifically limit as a film thickness of a negative electrode active material layer, For example, it is preferable to exist in the range of 10-100 micrometers, especially in the range of 10-50 micrometers.

上記正極及び上記負極のうち少なくとも一方の電極の電極活物質層が、少なくとも電極活物質及び電極用電解質を含有するという構成をとることもできる。この場合、電極用電解質としては、後述するような固体酸化物電解質、固体硫化物電解質等の固体電解質、ゲル電解質等を用いることができる。   The electrode active material layer of at least one of the positive electrode and the negative electrode can also be configured to contain at least an electrode active material and an electrode electrolyte. In this case, as the electrode electrolyte, a solid electrolyte such as a solid oxide electrolyte or a solid sulfide electrolyte as described later, a gel electrolyte, or the like can be used.

負極集電体の材料としては、上述した正極集電体の材料と同様のものを用いることができる。また、負極集電体の形状としては、上述した正極集電体の形状と同様のものを採用することができる。   As the material for the negative electrode current collector, the same materials as those for the positive electrode current collector described above can be used. Moreover, as a shape of a negative electrode collector, the thing similar to the shape of the positive electrode collector mentioned above is employable.

本発明に使用される負極を製造する方法は、上記負極を得ることができる方法であれば特に限定されない。なお、負極活物質層を形成した後、電極密度を向上させるために、負極活物質層をプレスしても良い。   The method for producing the negative electrode used in the present invention is not particularly limited as long as the method can obtain the negative electrode. In addition, after forming a negative electrode active material layer, in order to improve an electrode density, you may press a negative electrode active material layer.

本発明に使用される電解質層は、正極及び負極の間に保持され、正極と負極との間でリチウムイオンを交換する働きを有する。
電解質層には、電解液、ゲル電解質、及び固体電解質等を用いることができる。これらは、1種類のみを単独で用いてもよいし、2種類以上を組み合わせて用いてもよい。
The electrolyte layer used in the present invention is held between the positive electrode and the negative electrode, and functions to exchange lithium ions between the positive electrode and the negative electrode.
For the electrolyte layer, an electrolytic solution, a gel electrolyte, a solid electrolyte, or the like can be used. These may be used alone or in combination of two or more.

電解液としては、非水系電解液及び水系電解液を用いることができる。
非水系電解液としては、通常、リチウム塩及び非水溶媒を含有したものを用いる。上記リチウム塩としては、例えばLiPF、LiBF、LiClO及びLiAsF等の無機リチウム塩;LiCFSO、LiN(SOCF(Li−TFSA)、LiN(SO及びLiC(SOCF等の有機リチウム塩等を挙げることができる。上記非水溶媒としては、例えばエチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、エチルカーボネート、ブチレンカーボネート、γ−ブチロラクトン、スルホラン、アセトニトリル(AcN)、ジメトキシメタン、1,2−ジメトキシエタン(DME)、1,3−ジメトキシプロパン、ジエチルエーテル、テトラエチレングリコールジメチルエーテル(TEGDME)、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、ジメチルスルホキシド(DMSO)及びこれらの混合物等を挙げることができる。非水系電解液におけるリチウム塩の濃度は、例えば0.5〜3mol/kgである。
As the electrolytic solution, a non-aqueous electrolytic solution and an aqueous electrolytic solution can be used.
As the non-aqueous electrolyte, one containing a lithium salt and a non-aqueous solvent is usually used. Examples of the lithium salt include inorganic lithium salts such as LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4, and LiAsF 6 ; LiCF 3 SO 3 , LiN (SO 2 CF 3 ) 2 (Li-TFSA), LiN (SO 2 C 2 F 5 ) Organic lithium salts such as 2 and LiC (SO 2 CF 3 ) 3 can be mentioned. Examples of the non-aqueous solvent include ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), ethyl methyl carbonate (EMC), ethyl carbonate, butylene carbonate, γ-butyrolactone, and sulfolane. , Acetonitrile (AcN), dimethoxymethane, 1,2-dimethoxyethane (DME), 1,3-dimethoxypropane, diethyl ether, tetraethylene glycol dimethyl ether (TEGDME), tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, dimethyl sulfoxide (DMSO) and A mixture thereof can be exemplified. The concentration of the lithium salt in the non-aqueous electrolyte is, for example, 0.5 to 3 mol / kg.

本発明においては、非水系電解液又は非水溶媒として、例えば、イオン性液体等を用いてもよい。イオン性液体としては、例えば、N−メチル−N−プロピルピペリジニウム ビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド(PP13TFSA)、N−メチル−N−プロピルピロリジニウム ビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド(P13TFSA)、N−ブチル−N−メチルピロリジニウム ビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド(P14TFSA)、N,N−ジエチル−N−メチル−N−(2−メトキシエチル)アンモニウム ビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド(DEMETFSA)、N,N,N−トリメチル−N−プロピルアンモニウム ビス(トリフルオロメタンスルホニル)アミド(TMPATFSA)等が挙げられる。   In the present invention, for example, an ionic liquid or the like may be used as the nonaqueous electrolytic solution or the nonaqueous solvent. Examples of the ionic liquid include N-methyl-N-propylpiperidinium bis (trifluoromethanesulfonyl) amide (PP13TFSA), N-methyl-N-propylpyrrolidinium bis (trifluoromethanesulfonyl) amide (P13TFSA), N-butyl-N-methylpyrrolidinium bis (trifluoromethanesulfonyl) amide (P14TFSA), N, N-diethyl-N-methyl-N- (2-methoxyethyl) ammonium bis (trifluoromethanesulfonyl) amide (DEMETFSA) N, N, N-trimethyl-N-propylammonium bis (trifluoromethanesulfonyl) amide (TMPATFSA) and the like.

水系電解液としては、通常、リチウム塩及び水を含有したものを用いる。上記リチウム塩としては、例えばLiOH、LiCl、LiNO、CHCOLi等のリチウム塩等を挙げることができる。 As the aqueous electrolyte, one containing a lithium salt and water is usually used. Examples of the lithium salt include lithium salts such as LiOH, LiCl, LiNO 3 , and CH 3 CO 2 Li.

本発明に使用されるゲル電解質は、通常、非水系電解液にポリマーを添加してゲル化したものである。非水ゲル電解質は、例えば、上述した非水系電解液に、ポリエチレンオキシド(PEO)、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリメチルメタクリレート(PMMA)、ポリウレタン、ポリアクリレート、及び/又はセルロース等のポリマーを添加し、ゲル化することにより得られる。本発明においては、LiTFSA(LiN(CFSO)−PEO系の非水ゲル電解質が好ましい。 The gel electrolyte used in the present invention is usually gelled by adding a polymer to a non-aqueous electrolyte solution. The non-aqueous gel electrolyte is prepared by adding a polymer such as polyethylene oxide (PEO), polyacrylonitrile (PAN), polymethyl methacrylate (PMMA), polyurethane, polyacrylate, and / or cellulose to the non-aqueous electrolyte solution described above. It is obtained by gelling. In the present invention, a LiTFSA (LiN (CF 3 SO 2 ) 2 ) -PEO-based non-aqueous gel electrolyte is preferable.

固体電解質としては、硫化物系固体電解質、酸化物系固体電解質、及びポリマー電解質等を用いることができる。
硫化物系固体電解質としては、具体的には、LiS−P、LiS−P、LiS−P−P、LiS−SiS、LiS−SiS、LiS−B、LiS−GeS、LiI−LiS−P、LiI−LiS−SiS−P、LiS−SiS−LiSiO、LiS−SiS−LiPO、LiPS−LiGeS、Li3.40.6Si0.4、Li3.250.25Ge0.76、Li4−xGe1−x等を例示することができる。
酸化物系固体電解質としては、具体的には、LiPON(リン酸リチウムオキシナイトライド)、Li1.3Al0.3Ti0.7(PO、La0.51Li0.34TiO0.74、LiPO、LiSiO、LiSiO等を例示することができる。
ポリマー電解質は、通常、リチウム塩及びポリマーを含有する。リチウム塩としては、上述した無機リチウム塩及び有機リチウム塩の少なくともいずれか1つを使用できる。ポリマーとしては、リチウム塩と錯体を形成するものであれば特に限定されるものではなく、例えば、ポリエチレンオキシド等が挙げられる。
As the solid electrolyte, a sulfide-based solid electrolyte, an oxide-based solid electrolyte, a polymer electrolyte, or the like can be used.
Specific examples of the sulfide-based solid electrolyte include Li 2 S—P 2 S 5 , Li 2 S—P 2 S 3 , Li 2 S—P 2 S 3 —P 2 S 5 , and Li 2 S—SiS. 2, Li 2 S-Si 2 S, Li 2 S-B 2 S 3, Li 2 S-GeS 2, LiI-Li 2 S-P 2 S 5, LiI-Li 2 S-SiS 2 -P 2 S 5 , Li 2 S-SiS 2 -Li 4 SiO 4, Li 2 S-SiS 2 -Li 3 PO 4, Li 3 PS 4 -Li 4 GeS 4, Li 3.4 P 0.6 Si 0.4 S 4, Examples include Li 3.25 P 0.25 Ge 0.76 S 4 , Li 4-x Ge 1-x P x S 4, and the like.
Specifically, as the oxide-based solid electrolyte, LiPON (lithium phosphate oxynitride), Li 1.3 Al 0.3 Ti 0.7 (PO 4 ) 3 , La 0.51 Li 0.34 TiO Examples include 0.74 , Li 3 PO 4 , Li 2 SiO 2 , Li 2 SiO 4 and the like.
The polymer electrolyte usually contains a lithium salt and a polymer. As the lithium salt, at least one of the above-described inorganic lithium salt and organic lithium salt can be used. The polymer is not particularly limited as long as it forms a complex with a lithium salt, and examples thereof include polyethylene oxide.

本発明に係るリチウム電池は、正極及び負極の間に、電解液を含浸させたセパレータを備えていてもよい。上記セパレータとしては、例えばポリエチレン、ポリプロピレン等の多孔膜;及び樹脂不織布、ガラス繊維不織布等の不織布等を挙げることができる。   The lithium battery according to the present invention may include a separator impregnated with an electrolytic solution between the positive electrode and the negative electrode. Examples of the separator include porous films such as polyethylene and polypropylene; and nonwoven fabrics such as a resin nonwoven fabric and a glass fiber nonwoven fabric.

本発明に係るリチウム電池は、通常、上記正極、負極、及び電解質層等を収納する電池ケースを備える。電池ケースの形状としては、具体的にはコイン型、平板型、円筒型、ラミネート型等を挙げることができる。   The lithium battery according to the present invention usually includes a battery case that houses the positive electrode, the negative electrode, the electrolyte layer, and the like. Specific examples of the shape of the battery case include a coin type, a flat plate type, a cylindrical type, and a laminate type.

以下に、実施例を挙げて、本発明を更に具体的に説明するが、本発明は、この実施例のみに限定されるものではない。   Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. However, the present invention is not limited to these examples.

1.正極活物質の合成
[実施例1]
まず、硝酸中に、酢酸リチウム(CHCOLi)、酢酸ニッケル(II)(Ni(CHCO)、酢酸コバルト(II)(Co(CHCO)、酢酸マンガン(II)(Mn(CHCO)、及びグリコール酸(CH(OH)COH)を溶解した。このときの金属化合物の混合比(モル比)は、酢酸リチウム:酢酸ニッケル(II):酢酸コバルト(II):酢酸マンガン(II)=2:0.05:0.15:0.38とした。このように、リチウムのモル比を2としたときの、ニッケル、コバルト、及びマンガンの総モル比を1未満とすることにより、得られる正極活物質においてこれら遷移金属元素の一部が欠損した組成となるようにした。
1. Synthesis of positive electrode active material [Example 1]
First, lithium acetate (CH 3 CO 2 Li), nickel (II) acetate (Ni (CH 3 CO 2 ) 2 ), cobalt acetate (II) (Co (CH 3 CO 2 ) 2 ), manganese acetate in nitric acid (II) (Mn (CH 3 CO 2 ) 2 ) and glycolic acid (CH 2 (OH) CO 2 H) were dissolved. The mixing ratio (molar ratio) of the metal compound at this time was lithium acetate: nickel acetate (II): cobalt acetate (II): manganese acetate (II) = 2: 0.05: 0.15: 0.38. . Thus, when the molar ratio of lithium is set to 2, the total molar ratio of nickel, cobalt, and manganese is less than 1, so that a part of these transition metal elements is lost in the positive electrode active material obtained. It was made to become.

得られた溶液中に、二酸化チタン(IV)(TiO)を加えて分散させた。この際、酢酸リチウムの添加量(モル比)を2としたとき、酸化チタンの添加量(モル比)が1となるようにした。
酸化チタンを加えた溶液を、80℃で保持しながら攪拌することにより、水分を適宜蒸発させてゲル化させた。得られたゲルを回収し、大気下、350℃で10時間熱処理することにより、グリコール酸等の有機物を除去した。熱処理後に得られた粉体を、さらにアルゴン雰囲気下、900℃で10時間熱処理することにより、実施例1の正極活物質(LiNi0.05Co0.15Mn0.38TiO)を合成した。
Titanium dioxide (IV) (TiO 2 ) was added and dispersed in the resulting solution. At this time, when the addition amount (molar ratio) of lithium acetate was 2, the addition amount (molar ratio) of titanium oxide was set to 1.
By stirring the solution to which titanium oxide was added while maintaining at 80 ° C., the water was appropriately evaporated to cause gelation. The obtained gel was collected and heat treated at 350 ° C. for 10 hours in the air to remove organic substances such as glycolic acid. The powder obtained after the heat treatment was further heat-treated at 900 ° C. for 10 hours under an argon atmosphere, so that the positive electrode active material (Li 2 Ni 0.05 Co 0.15 Mn 0.38 TiO 4 ) of Example 1 was obtained. Synthesized.

[比較例1]
まず、アセトン中に、炭酸リチウム(LiCO)、水酸化ニッケル(II)(Ni(OH))、水酸化コバルト(II)(Co(OH))、酸化マンガン(II)(MnO)、及び二酸化チタン(IV)(TiO)を分散させた。このときの金属化合物の混合比(モル比)は、炭酸リチウム:水酸化ニッケル(II):水酸化コバルト(II):酸化マンガン(II):二酸化チタン(IV)=1:(1/3):(1/3):(1/3):1とした。このように、リチウムのモル比を2(すなわち炭酸リチウムのモル比を1)としたときの、ニッケル、コバルト、及びマンガンの総モル比を1と等しくすることにより、得られる正極活物質においてこれら遷移金属元素が欠損しない組成となるようにした。
[Comparative Example 1]
First, in acetone, lithium carbonate (Li 2 CO 3 ), nickel hydroxide (II) (Ni (OH) 2 ), cobalt hydroxide (II) (Co (OH) 2 ), manganese oxide (II) (MnO ) And titanium dioxide (IV) (TiO 2 ). The mixing ratio (molar ratio) of the metal compound at this time was as follows: lithium carbonate: nickel hydroxide (II): cobalt hydroxide (II): manganese oxide (II): titanium dioxide (IV) = 1: (1/3) : (1/3) :( 1/3): 1. Thus, in the positive electrode active material obtained by making the total molar ratio of nickel, cobalt, and manganese equal to 1 when the molar ratio of lithium is 2 (that is, the molar ratio of lithium carbonate is 1), The composition was such that the transition metal element was not lost.

得られた分散液をボールミルに供し、当該分散液中の金属化合物を、200rpmで3時間粉砕混合した。ボールミル後、分散液中のアセトンを留去した。得られた粉体をアルゴン雰囲気下、900℃で24時間熱処理することにより、比較例1の正極活物質(LiNi1/3Co1/3Mn1/3TiO)を合成した。 The obtained dispersion was subjected to a ball mill, and the metal compound in the dispersion was pulverized and mixed at 200 rpm for 3 hours. After ball milling, acetone in the dispersion was distilled off. The obtained powder was heat-treated at 900 ° C. for 24 hours under an argon atmosphere to synthesize the positive electrode active material (Li 2 Ni 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 TiO 4 ) of Comparative Example 1.

2.正極活物質のXRD測定
実施例1及び比較例1の正極活物質について、X線回折(XRD)測定を行った。詳細な測定条件は以下の通りである。
X線回折測定装置 RINT−2500(リガク製)
測定範囲 2θ=10〜100°
測定間隔 0.02°
走査速度 2°/min
測定電圧 50kV
測定電流 300mA
2. XRD Measurement of Positive Electrode Active Material For the positive electrode active materials of Example 1 and Comparative Example 1, X-ray diffraction (XRD) measurement was performed. Detailed measurement conditions are as follows.
X-ray diffractometer RINT-2500 (Rigaku)
Measurement range 2θ = 10-100 °
Measurement interval 0.02 °
Scanning speed 2 ° / min
Measurement voltage 50kV
Measurement current 300mA

図3は、実施例1及び比較例1の正極活物質のXRDパターンを並べて示したグラフである。
図3の下のスペクトルから分かるように、比較例1のXRDパターンにおいては、2θ=38°、43°、63°、76°、80°、及び95°に鋭いピークがそれぞれ観察される。これらのピークは、比較例1の正極活物質の結晶構造が空間群Fm−3mに属することを示す。また、2θ=38°のピークは(111)面の回折に、2θ=43°のピークは(200)面の回折に、2θ=63°のピークは(220)面の回折に、2θ=76°のピークは(311)面の回折に、2θ=80°のピークは(222)面の回折に、それぞれ帰属される。
一方、図3の上のスペクトルから分かるように、実施例1のXRDパターンにおいても、比較例1と同様に、2θ=38°、43°、63°、76°、80°、及び95°に鋭いピークがそれぞれ観察される。したがって、図3より、実施例1の正極活物質の結晶構造も空間群Fm−3mに属することが分かる。
以上より、実施例1のように、遷移金属元素の一部が欠損していたとしても(すなわち、ニッケル、コバルト、及びマンガンの組成比の総和が1に満たなくても)、比較例1と同様の空間群Fm−3mに属する結晶構造をとることが確認できた。
FIG. 3 is a graph showing the XRD patterns of the positive electrode active materials of Example 1 and Comparative Example 1 side by side.
As can be seen from the lower spectrum of FIG. 3, in the XRD pattern of Comparative Example 1, sharp peaks are observed at 2θ = 38 °, 43 °, 63 °, 76 °, 80 °, and 95 °, respectively. These peaks indicate that the crystal structure of the positive electrode active material of Comparative Example 1 belongs to the space group Fm-3m. The peak at 2θ = 38 ° is the diffraction of (111) plane, the peak at 2θ = 43 ° is the diffraction of (200) plane, the peak at 2θ = 63 ° is the diffraction of (220) plane, and 2θ = 76. The peak at ° is attributed to diffraction on the (311) plane, and the peak at 2θ = 80 ° is attributed to diffraction at the (222) plane.
On the other hand, as can be seen from the upper spectrum of FIG. 3, in the XRD pattern of Example 1, as in Comparative Example 1, 2θ = 38 °, 43 °, 63 °, 76 °, 80 °, and 95 °. Each sharp peak is observed. Therefore, FIG. 3 shows that the crystal structure of the positive electrode active material of Example 1 also belongs to the space group Fm-3m.
As described above, even if a part of the transition metal element is missing as in Example 1 (that is, even if the sum of the composition ratios of nickel, cobalt, and manganese is less than 1), It was confirmed that a crystal structure belonging to the same space group Fm-3m was taken.

3.正極活物質のTEM観察及びEDS測定
TEM観察及びEDS測定により、正極活物質中のニッケル、コバルト、マンガン、及びチタンの質量比を測定した。詳細な測定条件は以下の通りである。
電界放射型透過電子顕微鏡(日本電子製、型番:JEM−2100F、Cs補正付属)を用いて、加速電圧200kVにて、倍率450,000倍でTEM観察を行った。
UTW型Si(Li)半導体検出器(日本電子製)を備えた電界放射型透過電子顕微鏡(日本電子製、型番:JEM−2100F、Cs補正付属)を用いたエネルギー分散型X線分光法(EDS)によるスポット分析を行い、測定点におけるニッケル、コバルト、マンガン、及びチタンの質量比を算出した。
3. TEM observation and EDS measurement of positive electrode active material The mass ratio of nickel, cobalt, manganese, and titanium in the positive electrode active material was measured by TEM observation and EDS measurement. Detailed measurement conditions are as follows.
Using a field emission transmission electron microscope (manufactured by JEOL Ltd., model number: JEM-2100F, attached with Cs correction), TEM observation was performed at an acceleration voltage of 200 kV and a magnification of 450,000 times.
Energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) using a field emission transmission electron microscope (manufactured by JEOL, model number: JEM-2100F, with Cs correction) equipped with a UTW type Si (Li) semiconductor detector (manufactured by JEOL) ), And the mass ratio of nickel, cobalt, manganese, and titanium at the measurement points was calculated.

図4は、上記観察条件により得られた実施例1の正極活物質のTEM画像(倍率450,000倍)である。
図4の中央に見られる、直径200nm程度の薄く明るい部分は、正極活物質である。当該正極活物質の表面(図4の測定点1)及び内部(図4の測定点2)について、それぞれニッケル、コバルト、マンガン、及びチタンの質量比を測定した。その結果を下記表1に示す。
FIG. 4 is a TEM image (magnification 450,000 times) of the positive electrode active material of Example 1 obtained under the above observation conditions.
A thin and bright portion having a diameter of about 200 nm, which is seen in the center of FIG. 4, is a positive electrode active material. Regarding the surface (measurement point 1 in FIG. 4) and the inside (measurement point 2 in FIG. 4) of the positive electrode active material, mass ratios of nickel, cobalt, manganese, and titanium were measured. The results are shown in Table 1 below.

上記表1には、EDS分析による各元素の半定量結果に加え、当該半定量結果から算出される組成比(x,y,z)を示す。上記表1の結果より、実施例1の正極活物質は、表面及び内部において組成の差がほとんどないこと、及び、表面及び内部における各組成が、いずれも目的とするLiNi0.05Co0.15Mn0.38TiO(すなわち、x=0.05、y=0.15、z=0.38)と略等しいことが分かる。 Table 1 shows the composition ratio (x, y, z) calculated from the semi-quantitative result in addition to the semi-quantitative result of each element by EDS analysis. From the results of Table 1 above, the positive electrode active material of Example 1 has almost no difference in composition between the surface and the inside, and each composition on the surface and inside is the target Li 2 Ni 0.05 Co. It can be seen that it is substantially equal to 0.15 Mn 0.38 TiO 4 (ie, x = 0.05, y = 0.15, z = 0.38).

4.リチウム電池の製造
[実施例2]
まず、正極活物質として上記実施例1の正極活物質を、導電性材料としてアセチレンブラック(電気化学工業社製、商品名:HS−100)を、結着剤としてPVdF(株式会社クレハ製、KRポリマー#7305)を、それぞれ用意した。これら正極活物質、導電性材料及び結着剤を、正極活物質:導電性材料:結着剤=85質量%:10質量%:5質量%となるように混合し、正極合剤を調製した。また、正極合剤には、分散媒として、N−メチル−2−ピロリドン(ナカライテスク社製)を適宜加えた。
正極集電体として、アルミニウム箔を準備した。
負極として、リチウム金属箔(本城金属製)を準備した。また、負極集電体として、SUS箔を準備した。
電解液として、1mol/L LiPF(溶媒 EC:DMC=1:1、キシダ化学社製)を準備した。
電池ケースとして、コインセル(SUS2032型)を準備した。上記各材料を、アルミニウム箔、正極合剤層、電解液、リチウム金属箔、SUS箔の順となるように電池ケースに収納して、実施例2のリチウム電池を製造した。
以上の工程は、全て窒素雰囲気下のグローブボックス内で行った。
4). Production of lithium battery [Example 2]
First, the positive electrode active material of Example 1 above as the positive electrode active material, acetylene black (trade name: HS-100, manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd.) as the conductive material, and PVdF (manufactured by Kureha Co., Ltd., KR) as the binder. Polymer # 7305) was prepared for each. The positive electrode active material, the conductive material, and the binder were mixed so as to be positive electrode active material: conductive material: binder = 85% by mass: 10% by mass: 5% by mass to prepare a positive electrode mixture. . Further, N-methyl-2-pyrrolidone (manufactured by Nacalai Tesque) was appropriately added as a dispersion medium to the positive electrode mixture.
An aluminum foil was prepared as a positive electrode current collector.
A lithium metal foil (made by Honjo Metal) was prepared as the negative electrode. Moreover, SUS foil was prepared as a negative electrode collector.
As the electrolytic solution, 1 mol / L LiPF 6 (solvent EC: DMC = 1: 1, manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd.) was prepared.
A coin cell (SUS2032 type) was prepared as a battery case. The above materials were housed in a battery case in the order of aluminum foil, positive electrode mixture layer, electrolytic solution, lithium metal foil, and SUS foil, to produce a lithium battery of Example 2.
All the above steps were performed in a glove box under a nitrogen atmosphere.

[比較例2]
実施例2において、正極活物質として、上記実施例1の正極活物質の替わりに、上記比較例1の正極活物質を用いたこと以外は、実施例2と同様の材料を用いて、比較例2のリチウム電池を作製した。
[Comparative Example 2]
In Example 2, the same material as in Example 2 was used, except that the positive electrode active material in Comparative Example 1 was used instead of the positive electrode active material in Example 1 as a positive electrode active material. 2 lithium batteries were produced.

5.リチウム電池の充放電試験
実施例2及び比較例2のリチウム電池について、充放電試験を行った。具体的には、まず、4.8Vを上限として、定電流モードで充電を行った。次に、2Vまで放電を行い、得られた容量を放電容量とした。
5. Charge / Discharge Test of Lithium Battery A charge / discharge test was performed on the lithium batteries of Example 2 and Comparative Example 2. Specifically, first, charging was performed in a constant current mode with 4.8V as the upper limit. Next, the battery was discharged to 2 V, and the obtained capacity was defined as the discharge capacity.

図5は、実施例2のリチウム電池の充放電曲線である。また、図6は、実施例2及び比較例2のリチウム電池の1回目の放電容量(実容量)を比較した棒グラフである。
図6より、比較例2のリチウム電池の実容量は200mAh/gであるのに対し、実施例2のリチウム電池の実容量は235mAh/gであり、比較例2よりも18%も高い。
このように、実施例2のリチウム電池において高い放電容量が得られた理由は、実施例2に使用された正極活物質(実施例1)が遷移金属元素(Ni、Co、Mn)を一部欠損した構造を有することにより、リチウムイオンが拡散する際の障害を減らすとともに、当該欠損部位をリチウムイオンの挿入及び脱離するサイトとしても使用することができ、その結果、リチウムイオン伝導性が向上し、かつリチウムイオンが吸蔵及び放出されるサイトが増加したことによるものと推定される。
5 is a charge / discharge curve of the lithium battery of Example 2. FIG. FIG. 6 is a bar graph comparing the first discharge capacities (actual capacities) of the lithium batteries of Example 2 and Comparative Example 2.
6, the actual capacity of the lithium battery of Comparative Example 2 is 200 mAh / g, whereas the actual capacity of the lithium battery of Example 2 is 235 mAh / g, which is 18% higher than that of Comparative Example 2.
Thus, the reason why a high discharge capacity was obtained in the lithium battery of Example 2 was that the positive electrode active material (Example 1) used in Example 2 partially contained transition metal elements (Ni, Co, Mn). By having a deficient structure, it is possible to reduce obstacles when lithium ions diffuse, and to use the deficient site as a site for insertion and desorption of lithium ions, resulting in improved lithium ion conductivity. However, it is presumed that the number of sites where lithium ions are occluded and released is increased.

また、図5から分かるように、実施例2のリチウム電池の充電時の電位は4V以上である。したがって、本発明に係る正極活物質を含むリチウム電池用正極は、いわゆる高電位の正極の中でも、非常に高い充放電容量を有することが分かる。   Further, as can be seen from FIG. 5, the potential of the lithium battery of Example 2 during charging is 4 V or more. Therefore, it turns out that the positive electrode for lithium batteries containing the positive electrode active material which concerns on this invention has very high charge / discharge capacity also in what is called a high potential positive electrode.

1 電解質層
2 正極活物質層
3 負極活物質層
4 正極集電体
5 負極集電体
6 正極
7 負極
100 本発明に係るLiNiCoMnTiO
200 リチウム電池
300 従来のLiNi1/3Co1/3Mn1/3TiO
Li a Ni x Co y Mn z TiO b according to 1 the electrolyte layer 2 cathode active material layer 3 anode active material layer 4 cathode current collector 5 negative electrode current collector 6 positive 7 negative 100 invention
200 Lithium battery 300 Conventional Li 2 Ni 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 TiO 4

Claims (2)

空間群Fm−3mに属し、かつ、ニッケル、コバルト、及びマンガンからなる群より選ばれる少なくとも1つの遷移金属元素が一部欠損した下記組成式(1)で表されることを特徴とする、正極活物質。
LiNiCoMnTiO 組成式(1)
(上記組成式(1)中、x、y、及びzは、0<x≦0.05、0.1<y≦0.2、かつ0<z≦0.5を満たす実数である。また、上記組成式(1)中、a及びbは、0<a≦2、かつ0<b≦4を満たす実数である。)
The positive electrode is represented by the following composition formula (1), which belongs to the space group Fm-3m and is partially deficient in at least one transition metal element selected from the group consisting of nickel, cobalt, and manganese. Active material.
Li a Ni x Co y Mn z TiO b compositional formula (1)
(In the composition formula (1), x, y, and z are real numbers that satisfy 0 <x ≦ 0.05, 0.1 <y ≦ 0.2, and 0 <z ≦ 0.5. In the composition formula (1), a and b are real numbers that satisfy 0 <a ≦ 2 and 0 <b ≦ 4.)
正極、負極、並びに、当該正極及び当該負極の間に介在する電解質層を備えるリチウム電池であって、
前記正極は、少なくとも前記請求項1に記載の正極活物質を含有することを特徴とする、リチウム電池。
A lithium battery comprising a positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte layer interposed between the positive electrode and the negative electrode,
The said positive electrode contains the positive electrode active material of the said Claim 1 at least, The lithium battery characterized by the above-mentioned.
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