JP2015118874A - Positive electrode material for lithium batteries, and method for manufacturing the same - Google Patents

Positive electrode material for lithium batteries, and method for manufacturing the same Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a positive electrode material which enables the improvement of battery characteristics.SOLUTION: A positive electrode material for lithium batteries comprises: (A) an active material of an olivine structure expressed by the general formula (I), LiMYPO(where M represents at least one transition metal selected from a group consisting of Mn, Fe, Co and Ni; Y is at least one transition metal selected from a group consisting of Mn, Fe, Co, Ni, Mg, Cr, Ti, Al, Zn, Cu and V, but different from M; and 0<x≤1); and (B) a coating film of a carbon material complex formed on at least part of the surface of each particle of the active material. The coating film includes a first carbon material forming a carbon layer deposited on the surface of each active material particle, and a fibrous second carbon material having an average fiber length of 1 μm or less in the proportions of 25:75 to 62.5:37.5 by mass ratio. The carbon material complex coating films formed on at least part of the surfaces of the adjacent active material particles are connected with each other through at least part of the fibrous second carbon material.

Description

本発明は、リチウム電池用正極材料及びその製造方法に関する。   The present invention relates to a positive electrode material for a lithium battery and a method for producing the same.

リチウムイオン二次電池の正極材料として、オリビン型構造を有するリン酸塩LiMPO(M=Mn、Fe、Co、Ni)(以下、「オリビン型リン酸塩」という)は、高い安定性及び高い容量を有するため、注目を集めている。しかし、オリビン型リン酸塩は、電子伝導性が極めて低いためにレート特性が非常に劣るという欠点がある。オリビン型リン酸塩のうち、高い作動電位を示すオリビン型LiMnPOは、極めて導電性が低いため、低レートでも電池特性を得ることが非常に困難である。 As a positive electrode material of a lithium ion secondary battery, phosphate LiMPO 4 (M = Mn, Fe, Co, Ni) (hereinafter referred to as “olivine phosphate”) having an olivine structure has high stability and high It has attracted attention because of its capacity. However, olivine-type phosphate has a drawback that its rate characteristics are very poor because of its extremely low electronic conductivity. Of the olivine-type phosphates, olivine-type LiMnPO 4 exhibiting a high operating potential has extremely low conductivity, so that it is very difficult to obtain battery characteristics even at a low rate.

オリビン型リン酸塩の電子伝導性を高める技術として、オリビン型リン酸塩の粒子中に炭素材料微粒子を分散させることが特許文献1に提案されており、オリビン型リン酸塩と炭素などの導電性物質とを含む溶液又は懸濁液を噴霧熱分解した後に焼成することが特許文献2に提案されている。高速での充放電が可能でかつ高容量の電気化学素子を得るために、カーボンブラックなどの炭素材料にオリビン型リン酸リチウムが被覆した複合体を形成することが特許文献3に提案されている。特許文献4には、電極の高密度化により電解液の浸透性が低下することを抑制するために、リチウム系電池用正極に炭素繊維を含めることにより電極活物質粉末間に電解液が浸透しやすくするための微細な空隙を生じさせることが提案されている。特許文献5には、集電体と合剤層との界面の結着性を向上させるために、繊維状炭素などの導電材を正極中に分散させることが提案されている。特許文献6には、繊維状炭素とカーボンブラックとの複合体と活物質とをらいかい機により機械的に混合することが記載されている。特許文献7には、活物質粒子の表面に、炭素材料からなる第1導電材を付着させた後に第1導電材に繊維状の炭素材料からなる第2導電材をメカノケミカル結合させることが記載されている。特許文献8には、特定の比表面積を有する導電性カーボンブラックもしくは特定の比表面積を有するグラファイト又は特定の比表面積を有する活性炭と、リン酸マンガンリチウム前駆体とをメカノケミカル反応させることが記載されている。   As a technique for increasing the electronic conductivity of olivine-type phosphate, it is proposed in Patent Document 1 to disperse carbon material fine particles in olivine-type phosphate particles. Conductivity of olivine-type phosphate and carbon, etc. Patent Document 2 proposes that a solution or suspension containing an active substance is spray pyrolyzed and then fired. In order to obtain a high-capacity electrochemical device that can be charged / discharged at high speed, it is proposed in Patent Document 3 to form a composite in which a carbon material such as carbon black is coated with olivine-type lithium phosphate. . In Patent Document 4, in order to suppress a decrease in the permeability of the electrolyte due to the densification of the electrodes, the electrolyte penetrates between the electrode active material powders by including carbon fibers in the positive electrode for the lithium battery. It has been proposed to create fine voids to facilitate. Patent Document 5 proposes to disperse a conductive material such as fibrous carbon in the positive electrode in order to improve the binding property at the interface between the current collector and the mixture layer. Patent Document 6 describes that a composite of fibrous carbon and carbon black and an active material are mechanically mixed by a cracking machine. Patent Document 7 describes that after a first conductive material made of a carbon material is attached to the surface of the active material particles, a second conductive material made of a fibrous carbon material is mechanochemically bonded to the first conductive material. Has been. Patent Document 8 describes a mechanochemical reaction between conductive carbon black having a specific surface area, graphite having a specific surface area or activated carbon having a specific surface area, and a lithium manganese phosphate precursor. ing.

特開2003−36889号公報JP 2003-36889 A 特開2004−259471号公報JP 2004-259471 A 特開2005−123107号公報JP 2005-123107 A 特開2013−65482号公報JP 2013-65482 A 特開2006−86116号公報JP 2006-86116 A 特開2011−108522号公報JP 2011-108522 A 特開2009−43514号公報JP 2009-43514 A 特表2011−517053号公報Special table 2011-517053 gazette

しかし、特許文献1及び2に記載されている技術では、炭素材料微粒子又は導電性物質はオリビン型リン酸塩粒子の内部に取り込まれてしまうため、オリビン型リン酸塩粒子間に電子伝導パスを十分に形成することができない。また、特許文献3に記載されている技術では、炭素材料がオリビン型リン酸リチウムにより被覆されるため、十分な電池特性を達成することができない。
したがって、本発明が解決しようとする課題は、オリビン型リン酸塩を活物質として含む正極材料において、電池特性をより一層向上させることである。
However, in the techniques described in Patent Documents 1 and 2, since the carbon material fine particles or the conductive substance are taken into the olivine-type phosphate particles, an electron conduction path is provided between the olivine-type phosphate particles. It cannot be formed sufficiently. Moreover, in the technique described in Patent Document 3, since the carbon material is coated with olivine-type lithium phosphate, sufficient battery characteristics cannot be achieved.
Therefore, the problem to be solved by the present invention is to further improve battery characteristics in a positive electrode material containing olivine-type phosphate as an active material.

本発明によれば、
(A)下記一般式(I):
LiM(1−x)PO
(式中、Mは、Mn、Fe、Co及びNiからなる群から選ばれる少なくとも1種の遷移金属であり、Yは、Mと異なる遷移金属であって、Mn、Fe、Co、Ni、Mg、Cr、Ti、Al、Zn、Cu及びVからなる群から選ばれる少なくとも1種の遷移金属であり、0<x≦1である)
により表されるオリビン型構造を有するリチウム遷移金属リン酸塩からなる粒子状の活物質と、
(B)前記活物質の粒子の表面の少なくとも一部に形成された炭素材料複合体の被膜と、
を含み、
前記炭素材料複合体の被膜が、
前記活物質の粒子の表面に付着した炭素層を形成している第1炭素材料と、
1μm以下の平均繊維長を有する繊維状の第2炭素材料と、
を第1炭素材料:第2炭素材料=25:75〜62.5:37.5の質量比で含み、
少なくとも一部の繊維状の第2炭素材料を介して、隣接する複数の活物質粒子の表面に付着した炭素層が互いに連結されている、リチウム電池用正極材料が提供される。
According to the present invention,
(A) The following general formula (I):
LiM x Y (1-x) PO 4
(Wherein, M is at least one transition metal selected from the group consisting of Mn, Fe, Co and Ni, Y is a transition metal different from M, and Mn, Fe, Co, Ni, Mg And at least one transition metal selected from the group consisting of Cr, Ti, Al, Zn, Cu and V, and 0 <x ≦ 1)
A particulate active material comprising a lithium transition metal phosphate having an olivine structure represented by:
(B) a carbon material composite film formed on at least a part of the surface of the active material particles;
Including
The coating of the carbon material composite is
A first carbon material forming a carbon layer attached to the surface of the active material particles;
A fibrous second carbon material having an average fiber length of 1 μm or less;
In a mass ratio of first carbon material: second carbon material = 25: 75 to 62.5: 37.5,
Provided is a positive electrode material for a lithium battery in which carbon layers attached to the surfaces of a plurality of adjacent active material particles are connected to each other through at least a part of the fibrous second carbon material.

さらに、本発明によれば、
(i)下記一般式(I):
LiM(1−x)PO
(式中、Mは、Mn、Fe、Co及びNiからなる群から選ばれる少なくとも1種の遷移金属であり、Yは、Mと異なる遷移金属であって、Mn、Fe、Co、Ni、Mg、Cr、Ti、Al、Zn、Cu及びからなる群から選ばれる少なくとも1種の遷移金属であり、0<x≦1である)
により表されるオリビン型構造を有するリチウム遷移金属リン酸塩からなる粒子状の活物質と、
平板状粒子、球状粒子、又はこれらの混合物の形態にある第1炭素材料前駆体と、
繊維状の第2炭素材料前駆体と、
を、第1炭素材料前駆体:第2炭素材料前駆体=25:75〜62.5:37.5の質量比でメカニカルミリングすることにより正極材料前駆体を得る工程;及び
(ii)前記正極材料前駆体を不活性雰囲気下で焼成して、前記活物質の粒子の表面の少なくとも一部に炭素材料複合体の被膜が形成された正極材料を得る工程、ここで、前記炭素材料複合体の被膜は、
前記活物質の粒子の表面に付着して炭素層を形成している第1炭素材料と、
1μm以下の平均繊維長を有する繊維状の第2炭素材料と、
を第1炭素材料:第2炭素材料=25:75〜62.5:37.5の質量比で含み、
少なくとも一部の繊維状の第2炭素材料を介して、隣接する複数の活物質粒子の表面に付着した炭素層が互いに連結されている;
を含む、リチウム電池用正極材料の製造方法が提供される。
Furthermore, according to the present invention,
(I) The following general formula (I):
LiM x Y (1-x) PO 4
(Wherein, M is at least one transition metal selected from the group consisting of Mn, Fe, Co and Ni, Y is a transition metal different from M, and Mn, Fe, Co, Ni, Mg And at least one transition metal selected from the group consisting of Cr, Ti, Al, Zn, Cu, and 0 <x ≦ 1)
A particulate active material comprising a lithium transition metal phosphate having an olivine structure represented by:
A first carbon material precursor in the form of tabular grains, spherical grains, or mixtures thereof;
A fibrous second carbon material precursor;
A first carbon material precursor: second carbon material precursor = mechanically milling at a mass ratio of 25:75 to 62.5: 37.5 to obtain a positive electrode material precursor; and (ii) the positive electrode Calcining a material precursor in an inert atmosphere to obtain a positive electrode material in which a coating of a carbon material composite is formed on at least a part of the surface of the particles of the active material, wherein the carbon material composite The coating is
A first carbon material attached to the surface of the active material particles to form a carbon layer;
A fibrous second carbon material having an average fiber length of 1 μm or less;
In a mass ratio of first carbon material: second carbon material = 25: 75 to 62.5: 37.5,
Carbon layers attached to the surfaces of a plurality of adjacent active material particles are connected to each other through at least a part of the fibrous second carbon material;
A method for producing a positive electrode material for a lithium battery is provided.

図1は、本発明の正極材料の模式的拡大断面図である。FIG. 1 is a schematic enlarged cross-sectional view of the positive electrode material of the present invention. 図2は、実施例1〜6及び比較例1〜4の電池特性を示すグラフ図である。FIG. 2 is a graph showing the battery characteristics of Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 to 4. 図3(a)及び(b)は、それぞれ、実施例1の正極材料のボールミリング前及び後の走査型電子顕微鏡(SEM)画像を示す。FIGS. 3A and 3B show scanning electron microscope (SEM) images before and after ball milling of the positive electrode material of Example 1, respectively.

以下、本発明の正極材料及びその製造方法について詳細に説明する。
本発明の正極材料は、上記のとおり、(A)一般式(I):LiM(1−x)PO(式中、Mは、Mn、Fe、Co及びNiからなる群から選ばれる少なくとも1種の遷移金属であり、Yは、Mと異なる遷移金属であって、Mn、Fe、Co、Ni、Mg、Cr、Ti、Al、Zn、Cu及びVからなる群から選ばれる少なくとも1種の遷移金属であり、0<x≦1である)により表されるオリビン型構造を有するリチウム遷移金属リン酸塩からなる粒子状の活物質と、(B)活物質の粒子の表面の少なくとも一部に形成された炭素材料複合体の被膜とを含む。炭素材料複合体の被膜は、前記活物質の粒子の表面に付着した炭素層を形成している第1炭素材料と、1μm以下の平均繊維長を有する繊維状の第2炭素材料とを第1炭素材料:第2炭素材料=25:75〜62.5:37.5の質量比で含む。
Hereinafter, the positive electrode material and the manufacturing method thereof of the present invention will be described in detail.
As described above, the positive electrode material of the present invention is selected from the group consisting of (A) general formula (I): LiM x Y (1-x) PO 4 (wherein M is Mn, Fe, Co, and Ni). Is at least one transition metal, and Y is a transition metal different from M, and is at least one selected from the group consisting of Mn, Fe, Co, Ni, Mg, Cr, Ti, Al, Zn, Cu, and V A particulate active material comprising a lithium transition metal phosphate having an olivine structure represented by 0 <x ≦ 1), and (B) at least the surface of the particles of the active material And a carbon material composite film formed in part. The film of the carbon material composite includes a first carbon material forming a carbon layer attached to the surface of the active material particles and a fibrous second carbon material having an average fiber length of 1 μm or less. Carbon material: Second carbon material = Included in a mass ratio of 25:75 to 62.5: 37.5.

本発明の正極材料において、オリビン型構造を有するリチウム遷移金属リン酸塩からなる粒子状の活物質(A)は、好ましくはマンガン(Mn)を含み、より好ましくは、LiMnFe(1−x)PO(式中、0<x≦1)である。オリビン型構造を有するリチウム遷移金属リン酸塩からなる活物質は、公知の方法に従って調製されたものであるか、あるいは、市販されているものであることができる。活物質(A)は、好ましくは1μm以下の平均粒径を有する。本発明の正極材料において、活物質の平均粒径は、走査型電子顕微鏡(SEM)の画像解析により求められた面積円相当径の粒度分布における個数基準の50%累積値に相当する粒径d50を意味する。かかる小さい平均粒径を有する粒子状の活物質は、極めて高い比表面積を有するため、リチウムイオンの挿入・脱離反応が起こる表面を確保することができる。本発明の正極材料は、当該正極材料中に含まれる第1炭素材料と第2炭素材料の総質量100質量部当たり、好ましくは50〜95質量部、より好ましくは70〜95質量部の活物質(A)を含む。正極材料中の活物質(A)の量が少なすぎると、正極としての機能を十分に発揮することができず、一方、活物質(A)の量が多すぎると、成形が困難になるおそれがある。 In the positive electrode material of the present invention, the particulate active material (A) composed of a lithium transition metal phosphate having an olivine structure preferably contains manganese (Mn), more preferably LiMn x Fe (1-x ) PO 4 (where 0 <x ≦ 1). The active material comprising a lithium transition metal phosphate having an olivine structure can be prepared according to a known method or can be commercially available. The active material (A) preferably has an average particle size of 1 μm or less. In the positive electrode material of the present invention, the average particle diameter of the active material is a particle diameter d50 corresponding to a 50% cumulative value based on the number in the particle size distribution of the equivalent circle diameter obtained by image analysis with a scanning electron microscope (SEM). Means. Since the particulate active material having such a small average particle size has a very high specific surface area, it is possible to secure a surface on which lithium ion insertion / extraction reaction occurs. The positive electrode material of the present invention is preferably an active material having a total mass of 100 parts by mass of the first carbon material and the second carbon material contained in the positive electrode material, preferably 50 to 95 parts by mass, more preferably 70 to 95 parts by mass. (A) is included. If the amount of the active material (A) in the positive electrode material is too small, the function as the positive electrode cannot be sufficiently exerted. On the other hand, if the amount of the active material (A) is too large, molding may be difficult. There is.

炭素材料複合体の被膜(B)において、第1炭素材料は、活物質の粒子との界面において炭素層を形成しており、当該炭素層は、活物質の粒子の表面に付着している。電子伝導パスの確保のために、活物質粒子上に第1炭素材料が堆積する厚さは薄いほどよく、50nm以下が望ましい。繊維状の第2炭素材料は、1μm以下、好ましくは0.1μm〜1μm、より好ましくは0.3〜1μmの平均繊維長を有する。第2炭素材料の平均繊維長は、SEMの画像解析により求められた長さ分布における個数基準の50%累積値に相当する長さd50を意味する。   In the coating (B) of the carbon material composite, the first carbon material forms a carbon layer at the interface with the active material particles, and the carbon layer adheres to the surface of the active material particles. In order to secure an electron conduction path, the thickness of the first carbon material deposited on the active material particles is preferably as small as possible, and is preferably 50 nm or less. The fibrous second carbon material has an average fiber length of 1 μm or less, preferably 0.1 μm to 1 μm, more preferably 0.3 to 1 μm. The average fiber length of the second carbon material means a length d50 corresponding to a 50% cumulative value based on the number distribution in the length distribution obtained by image analysis of SEM.

第1炭素材料により形成される炭素層と繊維状の第2炭素材料とによって、本発明の正極材料中に、良好な電子伝導ネットワークが形成される。本発明の正極材料では、少なくとも一部の繊維状の第2炭素材料を介して、隣接する複数の活物質粒子の表面に付着した炭素層が互いに連結されているために隣接する複数の活物質粒子間に多数の電子伝導パスが確保され、高い電池容量を示す正極材料を得ることができると考えられる。第2炭素材料の平均繊維長が長くなるほど、第2炭素材料の単位長さ又は単位質量当りの、隣接する複数の活物質粒子の表面上に付着した炭素層が第2炭素材料によって互いに連結される数がより少なくなり、それに応じて電子伝導パスの数が減少すると考えられる。そのため、第2炭素材料の平均繊維長が長すぎると、第2炭素材料による電子伝導パスを十分に確保することが困難になる。第1炭素材料と第2炭素材料の総質量を基準として37.5質量%より少ない量の第2炭素材料は、電子伝導パスの数を増加させるのに十分でない。第1炭素材料と第2炭素材料の総質量を基準として第2炭素材料の割合が75質量%を超えると、活物質粒子の表面に付着して炭素層を形成し得る第1炭素材料の割合が少なくなり、活物質粒子間の導電性を十分に高めることが困難になる。正極材料中の電子伝導パスが増加することに加えて、第1炭素材料の電子伝導性が高いほど、活物質粒子上の炭素層中を通じて電子が流れやすくなるため、高い電池容量を有する正極材料を得ることができると考えられる。本発明の正極材料は、好ましくは1.3〜2.7g/ccの密度を有する。正極材料の密度が低すぎると電子伝導パスが減少し、正極材料の密度が高すぎるとリチウムイオンの拡散性が低下すると考えられる。   A good electron conduction network is formed in the positive electrode material of the present invention by the carbon layer formed of the first carbon material and the fibrous second carbon material. In the positive electrode material of the present invention, the carbon layers attached to the surfaces of the plurality of adjacent active material particles are connected to each other through at least a part of the fibrous second carbon material. A large number of electron conduction paths are ensured between the particles, and it is considered that a positive electrode material exhibiting a high battery capacity can be obtained. As the average fiber length of the second carbon material becomes longer, the carbon layers deposited on the surfaces of a plurality of adjacent active material particles per unit length or unit mass of the second carbon material are connected to each other by the second carbon material. It is believed that the number of electron conduction paths will decrease and the number of electron conduction paths will decrease accordingly. Therefore, if the average fiber length of the second carbon material is too long, it is difficult to ensure a sufficient electron conduction path by the second carbon material. An amount of the second carbon material of less than 37.5% by mass based on the total mass of the first carbon material and the second carbon material is not sufficient to increase the number of electron conduction paths. When the ratio of the second carbon material exceeds 75% by mass based on the total mass of the first carbon material and the second carbon material, the ratio of the first carbon material that can adhere to the surface of the active material particles and form a carbon layer It becomes difficult to sufficiently increase the conductivity between the active material particles. In addition to the increase in the electron conduction path in the positive electrode material, the higher the electron conductivity of the first carbon material, the easier the electrons flow through the carbon layer on the active material particles. It is thought that can be obtained. The positive electrode material of the present invention preferably has a density of 1.3 to 2.7 g / cc. If the density of the positive electrode material is too low, the electron conduction path decreases, and if the density of the positive electrode material is too high, the diffusibility of lithium ions is considered to decrease.

図1に、本発明の正極材料の模式的拡大断面図を示す。図1において、正極材料10は活物質粒子12を含み、活物質粒子12の表面の少なくとも一部に、第1炭素材料14と繊維状の第2炭素材料16とを含む炭素材料複合体の被膜が形成されている。第1炭素材料は、活物質の粒子の表面に付着した炭素層を形成している。隣接する活物質粒子12の表面に付着した炭素層は繊維状の第2炭素材料を介して互いに連結されている。図1に示されているように、隣接する活物質粒子上の炭素層が互いに接触していてもよい。   In FIG. 1, the typical expanded sectional view of the positive electrode material of this invention is shown. In FIG. 1, a positive electrode material 10 includes active material particles 12, and a coating of a carbon material composite including a first carbon material 14 and a fibrous second carbon material 16 on at least a part of the surface of the active material particles 12. Is formed. The first carbon material forms a carbon layer attached to the surface of the active material particles. The carbon layers attached to the surfaces of the adjacent active material particles 12 are connected to each other through a fibrous second carbon material. As shown in FIG. 1, carbon layers on adjacent active material particles may be in contact with each other.

本発明の正極材料は、(i)上記一般式(I)により表されるオリビン型構造を有するリチウム遷移金属リン酸塩からなる粒子状の活物質と、
平板状粒子、球状粒子、又はこれらの混合物の形態にある第1炭素材料前駆体と、
繊維状の第2炭素材料前駆体と、
をメカニカルミリングすることにより正極材料前駆体を得る工程;及び
(ii)前記正極材料前駆体を不活性雰囲気下で焼成して、前記活物質の粒子の表面の少なくとも一部に炭素材料複合体の被膜が形成された正極材料を得る工程;
を含む方法により製造することができる。
上記製造方法により得られる正極材料において、炭素材料複合体の被膜は、
活物質の粒子の表面に付着して炭素層を形成している第1炭素材料と、
1μm以下の平均繊維長を有する繊維状の第2炭素材料と、
を第1炭素材料:第2炭素材料=25:75〜62.5:37.5の質量比で含み、
少なくとも一部の繊維状の第2炭素材料を介して、隣接する複数の活物質粒子の表面の少なくとも一部に形成された炭素材料複合体の被膜が互いに連結されている。
The positive electrode material of the present invention comprises (i) a particulate active material comprising a lithium transition metal phosphate having an olivine structure represented by the general formula (I),
A first carbon material precursor in the form of tabular grains, spherical grains, or mixtures thereof;
A fibrous second carbon material precursor;
And (ii) firing the positive electrode material precursor in an inert atmosphere to form a carbon material composite on at least a part of the surfaces of the active material particles. Obtaining a positive electrode material having a coating formed thereon;
It can manufacture by the method containing.
In the positive electrode material obtained by the above production method, the coating of the carbon material composite is
A first carbon material attached to the surface of the active material particles to form a carbon layer;
A fibrous second carbon material having an average fiber length of 1 μm or less;
In a mass ratio of first carbon material: second carbon material = 25: 75 to 62.5: 37.5,
The coatings of the carbon material composite formed on at least a part of the surfaces of a plurality of adjacent active material particles are connected to each other via at least a part of the fibrous second carbon material.

上記正極材料の製造方法において、平板状粒子、球状粒子、又はこれらの混合物の形態にある第1炭素材料前駆体として使用できる炭素材料の例としては、グラファイト及び球状中空炭素微粒子(例えば中空シェル状構造を有するカーボンブラックであるケッチェンブラック)などが挙げられる。第1炭素材料前駆体としてグラファイトが使用される場合、グラファイトの微粒子は、好ましくは0.1μm〜100μmの範囲内の平均粒径を有する。球状中空炭素微粒子(例えばケッチェンブラック)は、好ましくは10nm〜50nm、より好ましくは15nm〜30nmの範囲内の平均粒径を有する。第1炭素材料前駆体の平均粒径は、走査型電子顕微鏡(SEM)の画像解析により求められた面積円相当径の粒度分布における個数基準の50%累積値に相当する粒径d50を意味する。球状中空炭素微粒子としては、ケッチェンブラックが好ましい。グラファイト及びケッチェンブラックは、いずれも、メカニカルミリングにより、活物質粒子の表面に沿って密着した状態の炭素層を形成するため好ましい。グラファイト及びケッチェンブラックは、いずれも、一般的に、高い導電性を有することが知られているが、通常、ケッチェンブラックは、グラファイトよりも結晶性(又は黒鉛化度)が低いため、グラファイトよりも低い粉体抵抗を有する。本発明の正極材料において使用される場合、グラファイトは、温度25℃で測定した場合に、1×10−3Ω・cm以下の粉体抵抗を有することが好ましく、ケッチェンブラックは、温度25℃で測定した場合に、1×10−2Ω・cm以下の粉体抵抗を有することが好ましい。第1炭素材料前駆体としては、グラファイトがより好ましい。第1炭素材料の導電性が高いほど、活物質粒子上に形成された炭素層中を電子が流れやすくなるが、正極材料の電池容量を向上させるためには、炭素材料複合体自体が高い電子伝導性を有することに加えて、隣接する複数の活物質粒子間に多数の電子伝導パスが存在することが必要であると考えられる。 Examples of the carbon material that can be used as the first carbon material precursor in the form of tabular particles, spherical particles, or a mixture thereof in the above method for producing a positive electrode material include graphite and spherical hollow carbon fine particles (for example, hollow shell-shaped particles). Ketjen black, which is a carbon black having a structure). When graphite is used as the first carbon material precursor, the fine particles of graphite preferably have an average particle size in the range of 0.1 μm to 100 μm. The spherical hollow carbon fine particles (for example, ketjen black) preferably have an average particle size in the range of 10 nm to 50 nm, more preferably 15 nm to 30 nm. The average particle diameter of the first carbon material precursor means a particle diameter d50 corresponding to a 50% cumulative value based on the number in the particle size distribution of the equivalent area circle diameter obtained by image analysis with a scanning electron microscope (SEM). . As the spherical hollow carbon fine particles, ketjen black is preferable. Both graphite and ketjen black are preferable because they form a carbon layer in close contact with the surface of the active material particles by mechanical milling. Both graphite and ketjen black are generally known to have high conductivity. However, ketjen black usually has lower crystallinity (or degree of graphitization) than graphite, and therefore graphite. Lower powder resistance. When used in the positive electrode material of the present invention, the graphite preferably has a powder resistance of 1 × 10 −3 Ω · cm or less when measured at a temperature of 25 ° C., and the ketjen black has a temperature of 25 ° C. It is preferable to have a powder resistance of 1 × 10 −2 Ω · cm or less. As the first carbon material precursor, graphite is more preferable. The higher the conductivity of the first carbon material, the easier it is for electrons to flow through the carbon layer formed on the active material particles. However, in order to improve the battery capacity of the positive electrode material, the carbon material composite itself has a higher electron. In addition to having conductivity, it is considered necessary that a large number of electron conduction paths exist between a plurality of adjacent active material particles.

繊維状の第2炭素材料前駆体として使用できる炭素材料の例としては、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブ、気相成長炭素繊維(VGCF: Vapor Grown Carbon Fiber)などが挙げられる。繊維状の第2炭素材料前駆体は、10μm以下、好ましくは0.1μm〜10μm、より好ましくは0.2μm〜2μmの平均長さを有する。第2炭素材料前駆体の平均長さは、SEMの画像解析により求められた長さ分布における個数基準の50%累積値に相当する長さd50を意味する。繊維状の第2炭素材料前駆体は、好ましくは、50nm〜300nmの繊維径を有する。   Examples of the carbon material that can be used as the fibrous second carbon material precursor include carbon nanofibers, carbon nanotubes, vapor grown carbon fibers (VGCF), and the like. The fibrous second carbon material precursor has an average length of 10 μm or less, preferably 0.1 μm to 10 μm, more preferably 0.2 μm to 2 μm. The average length of the second carbon material precursor means a length d50 corresponding to a 50% cumulative value on a number basis in the length distribution obtained by image analysis of SEM. The fibrous second carbon material precursor preferably has a fiber diameter of 50 nm to 300 nm.

工程(i)において、活物質粒子と第1炭素材料前駆体と第2炭素材料前駆体とをメカニカルミリングすることによって、第1炭素材料前駆体と第2炭素材料前駆体とを複合化すると同時に、活物質粒子の表面の少なくとも一部に第1炭素材料前駆体と第2炭素材料前駆体を含む炭素材料複合体前駆体の被膜を形成する。工程(i)において、活物質粒子と第1炭素材料前駆体と第2炭素材料前駆体とをメカニカルミリングする前に、第1炭素材料前駆体と第2炭素材料前駆体とを予め混合してもよい。工程(i)におけるメカニカルミリングは、ボールミル等のメカニカルミリング装置を使用して、大気雰囲気下、25〜300℃の範囲内の温度で実施することができる。メカニカルミリングは、第1炭素材料前駆体と第2炭素材料前駆体とを複合化すると同時に、活物質粒子の表面の少なくとも一部に炭素材料複合体前駆体の被膜を形成するのに十分な機械的エネルギー量及びミリング時間で実施される。例えば、ボールミルを使用してメカニカルミリングを実施する場合、ボールミル時間は、好ましくは10時間以上40時間以下である。10時間未満のボールミル時間は、第1炭素材料前駆体と第2炭素材料前駆体とを複合化すると同時に、活物質粒子の表面の少なくとも一部に第1炭素材料前駆体と第2炭素材料前駆体を含む炭素材料複合体前駆体の被膜を形成するには不十分であり、40時間を超えると、活物質粒子の表面上への炭素材料複合体前駆体の被膜の形成速度が飽和する。繊維状の第2炭素材料前駆体が、1μmを超える平均繊維長を有する場合には、第1炭素材料前駆体と第2炭素材料前駆体とを複合化すること及び活物質粒子の表面の少なくとも一部に炭素材料複合体前駆体の被膜を形成することに加えて、メカニカルミリング後に得られる正極材料において、第2炭素材料前駆体の平均繊維長が1μm以下になるのに十分な機械的エネルギー量及びミリング時間でメカニカルミリングを実施する。   Simultaneously compounding the first carbon material precursor and the second carbon material precursor by mechanically milling the active material particles, the first carbon material precursor and the second carbon material precursor in the step (i). A film of the carbon material composite precursor including the first carbon material precursor and the second carbon material precursor is formed on at least a part of the surface of the active material particles. In step (i), before mechanically milling the active material particles, the first carbon material precursor, and the second carbon material precursor, the first carbon material precursor and the second carbon material precursor are mixed in advance. Also good. The mechanical milling in the step (i) can be performed using a mechanical milling device such as a ball mill at a temperature within a range of 25 to 300 ° C. in an air atmosphere. Mechanical milling is a mechanical sufficient to form a coating of a carbon material composite precursor on at least a part of the surface of the active material particles at the same time that the first carbon material precursor and the second carbon material precursor are combined. It is carried out with a certain amount of energy and milling time. For example, when mechanical milling is performed using a ball mill, the ball mill time is preferably 10 hours or longer and 40 hours or shorter. When the ball mill time is less than 10 hours, the first carbon material precursor and the second carbon material precursor are combined, and at the same time, the first carbon material precursor and the second carbon material precursor are formed on at least a part of the surface of the active material particles. It is insufficient to form a carbon material composite precursor film containing a body, and when the time exceeds 40 hours, the rate of carbon material composite precursor film formation on the surface of the active material particles is saturated. When the fibrous second carbon material precursor has an average fiber length exceeding 1 μm, the first carbon material precursor and the second carbon material precursor are combined and at least on the surface of the active material particles In addition to forming a coating of the carbon material composite precursor in part, in the positive electrode material obtained after mechanical milling, mechanical energy sufficient to make the average fiber length of the second carbon material precursor less than 1 μm Perform mechanical milling with quantity and milling time.

工程(i)により、活物質粒子の表面の少なくとも一部に炭素材料複合体前駆体の被膜が形成された正極材料前駆体を形成した後、工程(ii)において、正極材料前駆体を不活性雰囲気下(例えばアルゴンガス雰囲気下)で焼成することによって、リチウム電池用正極材料を得ることができる。工程(ii)における焼成温度は、好ましくは500℃〜900℃の範囲内、より好ましくは600℃〜800℃の範囲内であり、焼成時間は好ましくは0.5時間〜5時間、より好ましくは1時間〜3時間である。焼成温度が高すぎると、または、焼成時間が長すぎると、粒子が成長し、比表面積が減少するため、容量が減少してしまう。   After forming the positive electrode material precursor in which the coating of the carbon material composite precursor is formed on at least a part of the surface of the active material particles by the step (i), the positive electrode material precursor is deactivated in the step (ii). By baking in an atmosphere (for example, in an argon gas atmosphere), a positive electrode material for a lithium battery can be obtained. The firing temperature in step (ii) is preferably in the range of 500 ° C. to 900 ° C., more preferably in the range of 600 ° C. to 800 ° C., and the firing time is preferably 0.5 hours to 5 hours, more preferably. 1 to 3 hours. If the firing temperature is too high, or if the firing time is too long, the particles grow and the specific surface area decreases, so the capacity decreases.

上記のように製造された正極材料と、必要に応じて導電材及びバインダーとを、溶媒中で混合してスラリー状の組成物を調製し、正極集電体上に塗布し、乾燥させ、プレスすることによって、正極集電体上に正極合剤層が形成された正極を得ることができる。得られた正極を、セパレータを介して負極と対向して配置し、電解液とともに電池ケースに収容することによって、電池を作製することができる。   A positive electrode material manufactured as described above, and if necessary, a conductive material and a binder are mixed in a solvent to prepare a slurry-like composition, applied onto the positive electrode current collector, dried, and pressed. By doing so, a positive electrode in which a positive electrode mixture layer is formed on the positive electrode current collector can be obtained. A battery can be produced by arranging the obtained positive electrode so as to face the negative electrode with a separator interposed between the positive electrode and the electrolytic solution.

正極集電体の例としては、箔状、板状、網状などの形状を有するアルミニウム、ニッケル、チタン、ステンレス鋼などが挙げられるが、これらに限定されない。正極集電体の形状は、製造される電池の形状等に応じて適宜選択される。導電材の例としては、アセチレンブラック、グラファイト、ナノチューブ、気相成長カーボンファイバ(VGCF)などが挙げられる。バインダーの例としては、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)などのフッ素系バインダー、スチレンブタジエンゴム(SBR)、ブタジエンゴム(BR)などのゴム系バインダーなどが挙げられるが、これらに限定されない。   Examples of the positive electrode current collector include, but are not limited to, aluminum, nickel, titanium, stainless steel, and the like having a foil shape, a plate shape, a net shape, and the like. The shape of the positive electrode current collector is appropriately selected according to the shape of the battery to be produced. Examples of the conductive material include acetylene black, graphite, nanotube, vapor grown carbon fiber (VGCF), and the like. Examples of the binder include fluorine-based binders such as polyvinylidene fluoride (PVdF) and polytetrafluoroethylene (PTFE), and rubber-based binders such as styrene butadiene rubber (SBR) and butadiene rubber (BR). It is not limited to.

上記スラリーの形成に使用できる溶媒の例としては、従来から非水電解質二次電池の製造に用いられている溶媒のうち一種または二種以上を用いることができ、アミド系溶剤(例えばN−メチル−2−ピロリドン(NMP)、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド)、アルコール系溶剤(例えば2−プロパノール、エタノール、メタノール)、ケトン系溶剤(例えばアセトン)、エステル系溶剤(例えば酢酸メチル、酢酸エチル)、アミン系溶剤(例えばジエチルトリアミン)、ニトリル系溶剤(例えばアセトニトリル)等が挙げられる。   As an example of the solvent that can be used for forming the slurry, one or two or more kinds of solvents conventionally used in the production of non-aqueous electrolyte secondary batteries can be used, and amide solvents (for example, N-methyl) can be used. -2-pyrrolidone (NMP), N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide), alcohol solvents (eg 2-propanol, ethanol, methanol), ketone solvents (eg acetone), ester solvents (eg Methyl acetate, ethyl acetate), amine solvents (for example, diethyltriamine), nitrile solvents (for example, acetonitrile), and the like.

負極は、負極集電体と、当該負極集電体の表面に形成された負極合剤層を含む。負極は、従来のリチウム電池用の負極と同様の構成を有するものであることができ、その製法は特に限定されない。負極合剤層は、少なくとも負極活物質(例えば、天然黒鉛、人造黒鉛、ハードカーボン、ソフトカーボンなどの炭素材料、酸化チタン、酸化バナジウム、リチウムケイ素複合酸化物などの金属酸化物など)を含み、必要に応じて導電材、バインダーなどを含んでもよい。負極合剤層は、例えば、負極活物質と、必要に応じて導電材及びバインダーとを、溶媒中で混合してスラリー状の組成物を調製し、負極集電体(例えば、箔状、板状、網状などの形状を有する銅、ニッケル、チタン、ステンレス鋼等)上に塗布し、乾燥させ、プレスすることによって、負極集電体上に負極合剤層が形成された負極を得ることができる。   The negative electrode includes a negative electrode current collector and a negative electrode mixture layer formed on the surface of the negative electrode current collector. The negative electrode can have the same configuration as a conventional negative electrode for a lithium battery, and its production method is not particularly limited. The negative electrode mixture layer includes at least a negative electrode active material (for example, carbon materials such as natural graphite, artificial graphite, hard carbon, and soft carbon, metal oxides such as titanium oxide, vanadium oxide, and lithium silicon composite oxide). A conductive material, a binder, and the like may be included as necessary. The negative electrode mixture layer is prepared, for example, by mixing a negative electrode active material and, if necessary, a conductive material and a binder in a solvent to prepare a slurry-like composition, and a negative electrode current collector (for example, a foil shape, a plate) To obtain a negative electrode in which a negative electrode mixture layer is formed on a negative electrode current collector by coating, drying, and pressing on copper, nickel, titanium, stainless steel, etc. having a shape such as a net or a net. it can.

[実施例1]
<正極材料の作製>
1.正極活物質の合成
ゾルゲル法を用いて正極活物質を合成した。酢酸リチウム・二水和物(ナカライテスク(株)製)、リン酸二水素アンモニウム(ナカライテスク(株)製)、酢酸マンガン・四水和物(ナカライテスク(株)製)、酢酸鉄(アルドリッチ社製)を、Li:Mn:Fe:P=1:0.8:0.2:1のモル比で,pHが1.5以下に保たれるように濃硝酸で調整しながら1Lの純水に溶解させた。その後、得られた溶液に、目標化合物であるLiMn0.8Fe0.2POの5倍のモル量のグリコール酸(ナカライテスク(株)製)を、粒子成長抑制のためのキレート剤として加えた。得られたゾル状の溶液を80℃のオイルバスに浸し、約20時間撹拌して水分を蒸発させることによりゲル状の活物質前駆体を得た。次に、得られた前駆体を80℃の乾燥炉に入れて、さらに24時間乾燥させた。その後、前駆体をアルゴン雰囲気下で200℃で仮焼成した。得られた粉体を乳鉢で粉砕後、アルゴン雰囲気下で600℃で1時間本焼成し、正極活物質LiMn0.8Fe0.2POを得た。
2.炭素材料複合体による正極活物質の被覆
上記のように得られた活物質と、ケッチェンブラック(Ketjen Black International Co., Ltd.製)及び気相成長炭素繊維(VGCF)(昭和電工(株)製のVGCF−H、平均繊維長:5μm)を予め乳鉢で15分間混合し、次いで、ボールミルポットに投入した後、活物質に対して30倍の質量のボールを入れ、遊星型ボールミル装置P−7(フリッチュ社製)を使用して、温度25℃、300rpmで25時間メカニカルミリングを行った。KB(第1炭素材料)とVGCF(第2炭素材料)の合計質量を基準としてVGCF(第2炭素材料)の質量%は37.5質量%であった。
[Example 1]
<Preparation of positive electrode material>
1. Synthesis of positive electrode active material A positive electrode active material was synthesized using a sol-gel method. Lithium acetate dihydrate (Nacalai Tesque), ammonium dihydrogen phosphate (Nacalai Tesque), manganese acetate tetrahydrate (Nacalai Tesque), iron acetate (Aldrich) 1L pure while adjusting with concentrated nitric acid so that the pH is kept at 1.5 or less at a molar ratio of Li: Mn: Fe: P = 1: 0.8: 0.2: 1. Dissolved in water. Thereafter, glycolic acid (manufactured by Nacalai Tesque Co., Ltd.) having a molar amount five times that of the target compound LiMn 0.8 Fe 0.2 PO 4 is used as a chelating agent for particle growth inhibition. added. The obtained sol-like solution was immersed in an oil bath at 80 ° C. and stirred for about 20 hours to evaporate water, thereby obtaining a gel-like active material precursor. Next, the obtained precursor was put into a drying furnace at 80 ° C. and further dried for 24 hours. Thereafter, the precursor was temporarily calcined at 200 ° C. in an argon atmosphere. The obtained powder was pulverized in a mortar and then calcined at 600 ° C. for 1 hour in an argon atmosphere to obtain a positive electrode active material LiMn 0.8 Fe 0.2 PO 4 .
2. Coating of positive electrode active material with carbon material composite Active material obtained as described above, Ketjen Black (manufactured by Ketjen Black International Co., Ltd.) and vapor grown carbon fiber (VGCF) (Showa Denko Co., Ltd.) VGCF-H, average fiber length: 5 μm) was previously mixed in a mortar for 15 minutes, and then charged into a ball mill pot. Then, a ball having a mass 30 times that of the active material was added to the planetary ball mill device P- 7 (manufactured by Fritsch) was used and mechanical milling was performed at a temperature of 25 ° C. and 300 rpm for 25 hours. Based on the total mass of KB (first carbon material) and VGCF (second carbon material), the mass% of VGCF (second carbon material) was 37.5 mass%.

<正極の作製>
上記のように作製した正極材料と、導電材としてのアセチレンブラック、及びバインダーとしてのポリフッ化ビニリデン(PVDF)をN−メチル−2−ピロリドン(ナカライテスク(株)製)をN−メチル−2−ピロリドン(ナカライテスク(株)製)中に分散させてスラリーを得た。得られたスラリーをアルミニウム箔(厚さ15μm)上にドクターブレード法で塗布し、80℃で30分間乾燥させ、次いで、電極密度が2g/ccになるようにロールプレス機によりプレスし、120℃で真空乾燥させ、打ち抜き機により円形に打ち抜いて電極を得た。炭素材料複合体で被覆された正極活物質とアセチレンブラックとPVDFの質量比は75:20:5であった。
<電池の作製>
上記のとおり作製した正極と負極(リチウム金属)を、セパレータのポリプロピレン(PP)−ポリエチレン(PE)積層型多孔膜フィルムを介して対向するように配置し、電解液とともにSUS製コイン型ケースに収容し、リチウム二次電池を作製した。電解液は、エチレンカーボネート(EC)とジメチルカーボネート(DMC)とエチルメチルカーボネート(EMC)とを3:3:4の体積比で含む混合溶媒に電解質LiPFを1モル/リットルの割合で溶解させることにより調製した。
<Preparation of positive electrode>
The positive electrode material produced as described above, acetylene black as a conductive material, and polyvinylidene fluoride (PVDF) as a binder were changed to N-methyl-2-pyrrolidone (manufactured by Nacalai Tesque Co., Ltd.). A slurry was obtained by dispersing in pyrrolidone (manufactured by Nacalai Tesque). The obtained slurry was applied onto an aluminum foil (thickness: 15 μm) by a doctor blade method, dried at 80 ° C. for 30 minutes, and then pressed by a roll press so that the electrode density was 2 g / cc. The electrode was obtained by vacuum drying with a punching machine and punched into a circle. The mass ratio of the positive electrode active material coated with the carbon material composite, acetylene black, and PVDF was 75: 20: 5.
<Production of battery>
The positive electrode and the negative electrode (lithium metal) produced as described above are arranged so as to face each other through a separator (polypropylene (PP) -polyethylene (PE) laminated porous film), and accommodated in a SUS coin-type case together with the electrolyte. Then, a lithium secondary battery was produced. The electrolytic solution is obtained by dissolving electrolyte LiPF 6 at a ratio of 1 mol / liter in a mixed solvent containing ethylene carbonate (EC), dimethyl carbonate (DMC) and ethyl methyl carbonate (EMC) in a volume ratio of 3: 3: 4. It was prepared by.

[実施例2]
正極材料の作製において、活物質に対する炭素材料複合体の量を変更せず、KB(第1炭素材料)とVGCF(第2炭素材料)の合計質量を基準としてVGCF(第2炭素材料)の量を62.5質量%に変更したことを除き、実施例1と同様に電池を作製した。
[Example 2]
In the production of the positive electrode material, the amount of the carbon material composite with respect to the active material is not changed, and the amount of VGCF (second carbon material) based on the total mass of KB (first carbon material) and VGCF (second carbon material). A battery was produced in the same manner as in Example 1 except that the content of was changed to 62.5% by mass.

[実施例3]
正極材料の作製において、活物質に対する炭素材料複合体の量を変更せず、KB(第1炭素材料)とVGCF(第2炭素材料)の合計質量を基準としてVGCFの量を75質量%に変更したことを除き、実施例1と同様に電池を作製した。
[Example 3]
In the production of the positive electrode material, the amount of the carbon material composite with respect to the active material is not changed, and the amount of VGCF is changed to 75% by mass based on the total mass of KB (first carbon material) and VGCF (second carbon material). A battery was fabricated in the same manner as in Example 1 except that.

[実施例4]
正極材料の作製において、活物質に対する炭素材料複合体の量を変更せず、第1炭素材料としてKBの代わりにグラファイト(Gr)(ナカライテスク(株)製)を使用し、グラファイト(第1炭素材料)とVGCF(第2炭素材料)の合計質量を基準としてVGCF(第2炭素材料)の量を37.5質量%に変更したことを除き、実施例1と同様に電池を作製した。
[Example 4]
In the production of the positive electrode material, graphite (Gr) (manufactured by Nacalai Tesque) was used instead of KB as the first carbon material without changing the amount of the carbon material composite with respect to the active material. A battery was fabricated in the same manner as in Example 1 except that the amount of VGCF (second carbon material) was changed to 37.5% by mass based on the total mass of the material) and VGCF (second carbon material).

[実施例5]
正極材料の作製において、活物質に対する炭素材料複合体の量を変更せず、グラファイト(第1炭素材料)とVGCF(第2炭素材料)の合計質量を基準としてVGCF(第2炭素材料)の量を62.5質量%に変更したことを除き、実施例4と同様に電池を作製した。
[Example 5]
The amount of VGCF (second carbon material) based on the total mass of graphite (first carbon material) and VGCF (second carbon material) without changing the amount of the carbon material composite with respect to the active material in the production of the positive electrode material A battery was fabricated in the same manner as in Example 4 except that the content was changed to 62.5% by mass.

[実施例6]
正極材料の作製において、活物質に対する炭素材料複合体の量を変更せず、グラファイト(第1炭素材料)とVGCF(第2炭素材料)の合計質量を基準としてVGCF(第2炭素材料)の量を75質量%に変更したことを除き、実施例4と同様に電池を作製した。
[Example 6]
The amount of VGCF (second carbon material) based on the total mass of graphite (first carbon material) and VGCF (second carbon material) without changing the amount of the carbon material composite with respect to the active material in the production of the positive electrode material A battery was fabricated in the same manner as in Example 4 except that the content was changed to 75% by mass.

[比較例1]
実施例1において、正極活物質とケッチェンブラックとVGCFを遊星型ボールミル装置によりメカニカルミリングせずに正極を作製したことを除いて実施例1と同様に電池を作製した。
[Comparative Example 1]
A battery was produced in the same manner as in Example 1 except that the positive electrode was produced without mechanically milling the positive electrode active material, ketjen black and VGCF with a planetary ball mill apparatus.

[比較例2]
正極材料の作製において、VGCFの全てをKBに置き換えたことを除き、実施例1と同様に電池を作製した。
[Comparative Example 2]
A battery was produced in the same manner as in Example 1 except that in the production of the positive electrode material, all of VGCF was replaced with KB.

[比較例3]
正極材料の作製において、KBの全てをVGCFに置き換えたことを除き、実施例1と同様に電池を作製した。
[Comparative Example 3]
A battery was produced in the same manner as in Example 1 except that in the production of the positive electrode material, all KB was replaced with VGCF.

<電池容量の評価>
実施例1〜6及び比較例1〜4の電池について、温度25℃で、実容量150mAh/gに対して電流レート0.1Cで4.8V上限の定電流・定電圧モードで充電を行い、その後、3Vまで放電を行い、放電容量を測定した。測定結果を下記表1及び図2に示す。
<Evaluation of battery capacity>
The batteries of Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 to 4 are charged in a constant current / constant voltage mode with an upper limit of 4.8 V at a current rate of 0.1 C and an actual capacity of 150 mAh / g at a temperature of 25 ° C. Thereafter, the battery was discharged to 3 V and the discharge capacity was measured. The measurement results are shown in Table 1 and FIG.

さらに、正極材料の製造に使用したグラファイト(Gr)及びケッチェンブラック(KB)及びVGCFについて、粉体抵抗を四探針法で測定した。装置は粉体抵抗システム(三菱化学アナリテック(株))を使用した。粉体を20MPaで圧粉した後、電気抵抗を測定した。測定結果を下記表2に示す。   Furthermore, the powder resistance of graphite (Gr), ketjen black (KB), and VGCF used for the production of the positive electrode material was measured by a four-point probe method. The apparatus used was a powder resistance system (Mitsubishi Chemical Analytech Co., Ltd.). After the powder was compacted at 20 MPa, the electrical resistance was measured. The measurement results are shown in Table 2 below.

上記表1及び図2から、平板状又は球状の第1炭素材料と繊維状の第2炭素材料とを本発明の範囲内の特定の割合で含む正極材料は、高い放電容量を示すことが分かる。さらに、表1及び図2に示した結果と、表2に示した炭素材料の粉体抵抗の測定結果から、正極材料が、第1炭素材料として粉体抵抗の小さい、すなわち導電性の高いグラファイトを含む場合に、放電容量が増加することが判る。これらの結果から、第1炭素材料の導電性がより高いほど、炭素材料複合体を構成する繊維状の第2炭素材料を介して連結された隣接する活物質粒子上の炭素材料複合体を通じて電子が流れやすくなるため、高い電池容量を有する正極材料を得ることができると考えられる。また、VGCFと炭素材料とを単に混合することにより調製された正極材料を含む比較例1の電池と比べて、正極材料をボールミルにより調製された正極材料を含む実施例1及び4の電池は、大幅に増加した電池容量を示した。   From Table 1 and FIG. 2, it can be seen that a positive electrode material containing a flat or spherical first carbon material and a fibrous second carbon material in a specific ratio within the scope of the present invention exhibits a high discharge capacity. . Further, from the results shown in Table 1 and FIG. 2 and the measurement results of the powder resistance of the carbon material shown in Table 2, the positive electrode material is a graphite having a low powder resistance as the first carbon material, that is, a highly conductive graphite. It can be seen that the discharge capacity increases when it contains. From these results, the higher the conductivity of the first carbon material, the more the electrons pass through the carbon material composite on adjacent active material particles connected via the fibrous second carbon material constituting the carbon material composite. Therefore, it is considered that a positive electrode material having a high battery capacity can be obtained. In addition, compared with the battery of Comparative Example 1 including the positive electrode material prepared by simply mixing VGCF and the carbon material, the batteries of Examples 1 and 4 including the positive electrode material prepared by the ball mill as the positive electrode material were: The battery capacity increased significantly.

次に、実施例1の正極材料について、ボールミリング前及びボールミリング後に採取した各サンプルの表面を走査型電子顕微鏡により観察した。加速電圧は20kV、電流値は10μAであった。観察前に、正極材料の観察面にAu層を蒸着した。SEM画像を図3(a)及び(b)に示す。図3(a)はボールミリング前に採取したサンプルのSEM画像を示し、図3(b)はボールミリング後に採取したサンプルのSEM画像を示す。図3(a)と図3(b)との比較から、ボールミル処理によって、VGCFが微細に分断され、活物質粒子がケッチェンブラックと微細に分断されたVGCFとの炭素材料複合体により被覆されていることが判る。VGCFが微細に分断されることで、VGCFの単位長さ又は単位質量当りの、隣接する複数の活物質粒子の表面上の炭素層が互いに連結される数が増加し、電子伝導パスの数が増加すると考えられる。   Next, for the positive electrode material of Example 1, the surface of each sample collected before and after ball milling was observed with a scanning electron microscope. The acceleration voltage was 20 kV and the current value was 10 μA. Prior to observation, an Au layer was deposited on the observation surface of the positive electrode material. SEM images are shown in FIGS. 3 (a) and 3 (b). FIG. 3A shows an SEM image of a sample collected before ball milling, and FIG. 3B shows an SEM image of a sample collected after ball milling. From comparison between FIG. 3 (a) and FIG. 3 (b), VGCF is finely divided by ball milling, and the active material particles are coated with a carbon material composite of ketjen black and finely divided VGCF. You can see that By finely dividing VGCF, the number of carbon layers on the surface of a plurality of adjacent active material particles per unit length or unit mass of VGCF is increased, and the number of electron conduction paths is increased. It is thought to increase.

本発明のリチウム電池用正極材料は、高い安定性、高い容量及び高い電池特性を有するリチウム電池を得ることを可能にする。   The positive electrode material for a lithium battery of the present invention makes it possible to obtain a lithium battery having high stability, high capacity, and high battery characteristics.

10 正極材料
12 活物質粒子
14 第1炭素材料
16 繊維状の第2炭素材料
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Positive electrode material 12 Active material particle 14 1st carbon material 16 Fibrous 2nd carbon material

Claims (3)

(A)下記一般式(I):
LiM(1−x)PO
(式中、Mは、Mn、Fe、Co及びNiからなる群から選ばれる少なくとも1種の遷移金属であり、Yは、Mと異なる遷移金属であって、Mn、Fe、Co、Ni、Mg、Cr、Ti、Al、Zn、Cu及びVからなる群から選ばれる少なくとも1種の遷移金属であり、0<x≦1である)
により表されるオリビン型構造を有するリチウム遷移金属リン酸塩からなる粒子状の活物質と、
(B)前記活物質の粒子の表面の少なくとも一部に形成された炭素材料複合体の被膜と、
を含み、
前記炭素材料複合体の被膜が、
前記活物質の粒子の表面に付着した炭素層を形成している第1炭素材料と、
1μm以下の平均繊維長を有する繊維状の第2炭素材料と、
を第1炭素材料:第2炭素材料=25:75〜62.5:37.5の質量比で含み、
少なくとも一部の繊維状の第2炭素材料を介して、隣接する複数の活物質粒子の表面に付着した炭素層が互いに連結されている、リチウム電池用正極材料。
(A) The following general formula (I):
LiM x Y (1-x) PO 4
(Wherein, M is at least one transition metal selected from the group consisting of Mn, Fe, Co and Ni, Y is a transition metal different from M, and Mn, Fe, Co, Ni, Mg And at least one transition metal selected from the group consisting of Cr, Ti, Al, Zn, Cu and V, and 0 <x ≦ 1)
A particulate active material comprising a lithium transition metal phosphate having an olivine structure represented by:
(B) a carbon material composite film formed on at least a part of the surface of the active material particles;
Including
The coating of the carbon material composite is
A first carbon material forming a carbon layer attached to the surface of the active material particles;
A fibrous second carbon material having an average fiber length of 1 μm or less;
In a mass ratio of first carbon material: second carbon material = 25: 75 to 62.5: 37.5,
A positive electrode material for a lithium battery, wherein carbon layers attached to the surfaces of a plurality of adjacent active material particles are connected to each other through at least a part of the fibrous second carbon material.
一般式(I)においてMがMnである、請求項1に記載の正極材料。   The positive electrode material according to claim 1, wherein M in the general formula (I) is Mn. (i)下記一般式(I):
LiM(1−x)PO
(式中、Mは、Mn、Fe、Co及びNiからなる群から選ばれる少なくとも1種の遷移金属であり、Yは、Mと異なる遷移金属であって、Mn、Fe、Co、Ni、Mg、Cr、Ti、Al、Zn、Cu及びVからなる群から選ばれる少なくとも1種の遷移金属であり、0<x≦1である)
により表されるオリビン型構造を有するリチウム遷移金属リン酸塩からなる粒子状の活物質と、
平板状粒子、球状粒子、又はこれらの混合物の形態にある第1炭素材料前駆体と、
繊維状の第2炭素材料前駆体と、
を、第1炭素材料前駆体:第2炭素材料前駆体=25:75〜62.5:37.5の質量比でメカニカルミリングすることにより正極材料前駆体を得る工程;及び
(ii)前記正極材料前駆体を不活性雰囲気下で焼成して、前記活物質の粒子の表面の少なくとも一部に炭素材料複合体の被膜が形成された正極材料を得る工程、ここで、前記炭素材料複合体の被膜は、
前記活物質の粒子の表面に付着して炭素層を形成している第1炭素材料と、
1μm以下の平均繊維長を有する繊維状の第2炭素材料と、
を第1炭素材料:第2炭素材料=25:75〜62.5:37.5の質量比で含み、
少なくとも一部の繊維状の第2炭素材料を介して、隣接する複数の活物質粒子の表面の少なくとも一部に形成された炭素材料複合体の被膜が互いに連結されている;
を含む、リチウム電池用正極材料の製造方法。
(I) The following general formula (I):
LiM x Y (1-x) PO 4
(Wherein, M is at least one transition metal selected from the group consisting of Mn, Fe, Co and Ni, Y is a transition metal different from M, and Mn, Fe, Co, Ni, Mg And at least one transition metal selected from the group consisting of Cr, Ti, Al, Zn, Cu and V, and 0 <x ≦ 1)
A particulate active material comprising a lithium transition metal phosphate having an olivine structure represented by:
A first carbon material precursor in the form of tabular grains, spherical grains, or mixtures thereof;
A fibrous second carbon material precursor;
A first carbon material precursor: second carbon material precursor = mechanically milling at a mass ratio of 25:75 to 62.5: 37.5 to obtain a positive electrode material precursor; and (ii) the positive electrode Calcining a material precursor in an inert atmosphere to obtain a positive electrode material in which a coating of a carbon material composite is formed on at least a part of the surface of the particles of the active material, wherein the carbon material composite The coating is
A first carbon material attached to the surface of the active material particles to form a carbon layer;
A fibrous second carbon material having an average fiber length of 1 μm or less;
In a mass ratio of first carbon material: second carbon material = 25: 75 to 62.5: 37.5,
A coating of carbon material composites formed on at least a part of the surface of a plurality of adjacent active material particles is connected to each other through at least a part of the fibrous second carbon material;
The manufacturing method of the positive electrode material for lithium batteries containing.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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