JP2016058334A - Positive electrode material for lithium secondary battery - Google Patents

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小西 宏明
Hiroaki Konishi
宏明 小西
所 久人
Hisato Tokoro
久人 所
秀一 高野
Shuichi Takano
秀一 高野
崇 中林
Takashi Nakabayashi
崇 中林
心 高橋
Shin Takahashi
心 高橋
小林 満
Mitsuru Kobayashi
満 小林
章 軍司
Akira Gunji
章 軍司
達哉 遠山
Tatsuya Toyama
達哉 遠山
孝亮 馮
Hyo-Ryang Pung
孝亮 馮
翔 古月
Sho Furutsuki
翔 古月
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a lithium ion secondary battery small in irreversible capacity and high in volume energy density.SOLUTION: A positive electrode material for a lithium ion secondary battery comprises: a positive electrode active material expressed by the compositional formula, Li(NiMnCoM)O(where x+y=2; 1.19<x/y≤1.63; 0.06<a≤0.5; 0.5≤b<0.88; 0≤c<0.25; 0≤d≤0.03; a+b+c+d=1; M represents at least one element of V, Mo, W, Zr, Nb, Ti, Al, Fe, Mg, Cu and the like); and MoOlarger than the positive electrode active material in average particle diameter. Of the total mass of the positive electrode active material and MoO, MoOaccounts for 0-30 mass%, preferably 10-25 mass%. The particle diameter of MoOis 500-2000 nm.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、リチウムイオン二次電池用の正極材料、及び当該正極材料を含むリチウムイオン二次電池用正極、リチウムイオン二次電池に関する。   The present invention relates to a positive electrode material for a lithium ion secondary battery, a positive electrode for a lithium ion secondary battery including the positive electrode material, and a lithium ion secondary battery.

電気自動車の課題は、駆動用電池のエネルギー密度が低く、一充電での走行距離が短いことである。そこで、安価で高エネルギー密度をもつ二次電池が求められている。   The problem of the electric vehicle is that the energy density of the driving battery is low and the travel distance in one charge is short. Therefore, there is a need for a secondary battery that is inexpensive and has a high energy density.

リチウムイオン二次電池は、ニッケル水素電池や鉛電池等の二次電池に比べて重量当たりのエネルギー密度が高い。そのため、電気自動車や電力貯蔵システムへの応用が期待されている。しかし、電気自動車の要請に応えるためには、さらなる高エネルギー密度化が必要である。高エネルギー密度化を実現するためには、正極及び負極のエネルギー密度を高める必要がある。   Lithium ion secondary batteries have a higher energy density per weight than secondary batteries such as nickel metal hydride batteries and lead batteries. Therefore, application to electric vehicles and power storage systems is expected. However, in order to meet the demands of electric vehicles, it is necessary to further increase the energy density. In order to realize high energy density, it is necessary to increase the energy density of the positive electrode and the negative electrode.

高エネルギー密度の正極活物質として、組成式Li2MO3−LiM′O2で表される層状固溶体化合物が期待されている。層状固溶体化合物は、電気化学的に不活性なLi2MO3と、電気化学的に活性なLiM′O2とにより、高容量を引き出しつつ、高活性な性質を利用するものである。層状固溶体化合物は、組成式Li1+x1-x2で表すこともできる。 As a positive energy active material having a high energy density, a layered solid solution compound represented by a composition formula Li 2 MO 3 —LiM′O 2 is expected. The layered solid solution compound utilizes a highly active property while extracting high capacity by electrochemically inactive Li 2 MO 3 and electrochemically active LiM′O 2 . The layered solid solution compound can also be represented by the composition formula Li 1 + x M 1-x O 2 .

特許文献1には、組成式xLi2MnO3―(1−x)LiMnaCobNic2(式中、0.2≦x≦0.5、0.3≦a≦0.5、0.1≦b≦0.3、0.3≦c≦0.5、a+b+c=1である。)で表わされる固溶体の表面の少なくとも一部が、Me(但し、Meは、Mn、Co及びNi以外の遷移金属を表す。)の酸化物または酸化物リチウム塩により被覆されてなる正極活物質を含有する正極により、充電時に正極活物質からガスが発生しにくいリチウムイオン二次電池を提供している。 Patent Document 1, the composition formula xLi 2 MnO 3 - (1- x) LiMn a Co b Ni c O 2 ( wherein, 0.2 ≦ x ≦ 0.5,0.3 ≦ a ≦ 0.5, At least part of the surface of the solid solution represented by 0.1 ≦ b ≦ 0.3, 0.3 ≦ c ≦ 0.5, a + b + c = 1), where Me is Mn, Co and The present invention provides a lithium ion secondary battery in which gas is not easily generated from a positive electrode active material during charging by using a positive electrode containing a positive electrode active material coated with an oxide or a lithium oxide oxide. ing.

特開2012−129166号公報JP 2012-129166 A

層状固溶体化合物を正極活物質として使用したリチウムイオン二次電池は、不可逆容量が大きいという欠点がある。その理由は、初回充放電により正極から引き抜かれたリチウムの一部が、放電時に正極活物質に戻らない点にある。そこで、これらのリチウムを受け入れるため、余分な負極が必要となる。その結果、電池内に反応に関与しない活物質の量が増えることを意味し、単位体積当たりの容量、エネルギー密度が低下する。   A lithium ion secondary battery using a layered solid solution compound as a positive electrode active material has a disadvantage that its irreversible capacity is large. The reason is that a part of lithium extracted from the positive electrode by the first charge / discharge does not return to the positive electrode active material at the time of discharge. Therefore, an extra negative electrode is required to accept these lithium. As a result, the amount of the active material not involved in the reaction in the battery is increased, and the capacity and energy density per unit volume are reduced.

そこで、本発明は、体積エネルギー密度が高く、不可逆容量の小さいリチウムイオン二次電池を提供することを目的とする。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a lithium ion secondary battery having a high volumetric energy density and a small irreversible capacity.

本発明に係るリチウムイオン二次電池用正極材料は、組成式Lix(NiaMnbCocdy2(x+y=2、1.19<x/y≦1.63、0.06<a≦0.5、0.5≦b<0.88、0≦c<0.25、0≦d≦0.03、a+b+c+d=1、MはV、Mo、W、Zr、Nb、Ti、Al、Fe、Mg、Cu等の少なくともいずれかの元素)で表される正極活物質粒子と、該正極活物質粒子より平均粒子径が大きいMoO3粒子とを含み、前記正極活物質粒子と前記MoO3粒子との合計量に占める前記MoO3粒子の割合が、0質量%より大きく30質量%より小さいことを特徴とする。特に、5質量%以上25質量%以下であることが好ましい。 The positive electrode material for a lithium ion secondary battery according to the present invention has a composition formula Li x (Ni a Mn b Co c M d ) y O 2 (x + y = 2, 1.19 <x / y ≦ 1.63, 0. 06 <a ≦ 0.5, 0.5 ≦ b <0.88, 0 ≦ c <0.25, 0 ≦ d ≦ 0.03, a + b + c + d = 1, M is V, Mo, W, Zr, Nb, Positive electrode active material particles represented by: at least one element of Ti, Al, Fe, Mg, Cu, and the like; and MoO 3 particles having an average particle diameter larger than that of the positive electrode active material particles. The ratio of the MoO 3 particles to the total amount of the MoO 3 particles is larger than 0% by mass and smaller than 30% by mass. In particular, the content is preferably 5% by mass or more and 25% by mass or less.

本発明によれば、高い体積エネルギー密度が得られ、不可逆容量が小さいリチウムイオン二次電池を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, a high volume energy density is obtained and the lithium ion secondary battery with a small irreversible capacity | capacitance can be provided.

リチウムイオン二次電池の構造を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of a lithium ion secondary battery typically. 実施例及び比較例の不可逆容量及びエネルギー密度を示す図である。It is a figure which shows the irreversible capacity | capacitance and energy density of an Example and a comparative example.

<正極材料>
リチウムイオン二次電池を電気自動車に採用する場合、一充電当たりの走行距離が長いことが要求される。層状固溶体化合物を用いた正極活物質は、理論容量が大きく、同じ重量の活物質で高容量が得られるという利点があるものの、電極密度が低い。そのため、単位体積当たりのエネルギー密度が低い。さらに、不可逆容量が大きいという欠点もある。一充電当たりの走行距離が長い電池を提供するためには、高いエネルギー密度を有し、不可逆容量の小さい正極材料が必要となる。
<Positive electrode material>
When a lithium ion secondary battery is employed in an electric vehicle, a long travel distance per charge is required. A positive electrode active material using a layered solid solution compound has a large theoretical capacity and an advantage that a high capacity can be obtained with an active material of the same weight, but the electrode density is low. Therefore, the energy density per unit volume is low. Furthermore, there is a drawback that the irreversible capacity is large. In order to provide a battery having a long travel distance per charge, a positive electrode material having a high energy density and a small irreversible capacity is required.

発明者らが鋭意検討した結果、初回充電時において、充電は出来ないが、放電過程においてリチウムが挿入でき、2サイクル目以降は、安定して充放電出来る化合物を層状固溶体化合物と一緒に用いることで、層状固溶体化合物を用いた正極の不可逆容量を緩和出来ることを見出した。   As a result of intensive studies by the inventors, it is not possible to charge at the first charge, but lithium can be inserted in the discharge process, and after the second cycle, a compound that can be stably charged and discharged should be used together with the layered solid solution compound. Thus, it was found that the irreversible capacity of the positive electrode using the layered solid solution compound can be relaxed.

MoO3は、リチウムを吸蔵することで2.0〜3.5Vで290Ah/kg程度の容量の活物質として充放電可能である。従って、MoO3は、初回充電ではリチウムを放出しないが、その後の放電過程で負極活物質より放出されたリチウムを吸蔵することが可能である。従って、初回充放電により層状固溶体化合物から引き抜かれたリチウムのうち、放電時に層状化合物に戻らずに不可逆容量となる要因のリチウムを吸蔵し、活物質性能を発揮することができる。 MoO 3 can be charged and discharged as an active material having a capacity of about 290 Ah / kg at 2.0 to 3.5 V by occluding lithium. Therefore, MoO 3 does not release lithium in the initial charge, but can occlude lithium released from the negative electrode active material in the subsequent discharge process. Therefore, among the lithium extracted from the layered solid solution compound by the first charge / discharge, the lithium that causes irreversible capacity without returning to the layered compound at the time of discharge can be occluded, and active material performance can be exhibited.

さらに、MoO3の反応電位は、層状固溶体化合物の抵抗が高い領域と一致している。低電位の領域では、層状固溶体化合物の抵抗が高く、MoO3の混合により低抵抗化に寄与する。従って、これらは電池の低抵抗化のために好ましい組み合わせである。 Furthermore, the reaction potential of MoO 3 matches the region where the resistance of the layered solid solution compound is high. In the low potential region, the resistance of the layered solid solution compound is high, and mixing with MoO 3 contributes to the reduction in resistance. Therefore, these are preferred combinations for reducing the resistance of the battery.

MoO3は、リチウムを吸収しない状態では活物質性能を発揮せず、また放電電位が低いため、過剰に含むとエネルギー密度が低下する。層状固溶体化合物の不可逆容量は、一般的に10%〜30%程度であるため、正極材料中のMoO3の割合は層状固溶体化合物に対し18mol%以下とする必要がある。質量比では、正極活物質と前記MoO3との合計量に対し、30%質量未満にする必要がある。また、混合量は、不可逆容量分のリチウムを吸収できる量が好ましく、5質量%以上であることが好ましい。特に好ましい割合は、10質量%以上20質量%以下である。 MoO 3 does not exhibit active material performance in a state where lithium is not absorbed, and since the discharge potential is low, if it is excessively contained, the energy density is lowered. Since the irreversible capacity of the layered solid solution compound is generally about 10% to 30%, the ratio of MoO 3 in the positive electrode material needs to be 18 mol% or less with respect to the layered solid solution compound. The mass ratio needs to be less than 30% by mass with respect to the total amount of the positive electrode active material and the MoO 3 . The mixing amount is preferably an amount capable of absorbing irreversible capacity of lithium, and is preferably 5% by mass or more. A particularly desirable ratio is 10% by mass or more and 20% by mass or less.

本発明に係る層状固溶体化合物は、組成式Lix(NiaMnbCocdy2(x+y=2、1.19<x/y≦1.63、0.06<a≦0.5、0.5≦b<0.88、0≦c<0.25、0≦d≦0.03、a+b+c+d=1、MはV、Mo、W、Zr、Nb、Ti、Al、Fe、Mg、Cu等の少なくともいずれかの元素)で表される。 The layered solid solution compound according to the present invention has a composition formula Li x (Ni a Mn b Co c M d ) y O 2 (x + y = 2, 1.19 <x / y ≦ 1.63, 0.06 <a ≦ 0). 0.5, 0.5 ≦ b <0.88, 0 ≦ c <0.25, 0 ≦ d ≦ 0.03, a + b + c + d = 1, M is V, Mo, W, Zr, Nb, Ti, Al, Fe , At least one of elements such as Mg and Cu).

x/yは、層状固溶体化合物における遷移金属に対するリチウムの割合を示す。x/yが1.19以下であると、反応に寄与するリチウムの量が減り高容量が得られない。一方、x/yが1.63より大きいと、結晶格子が不安定になり放電容量が低下する。   x / y indicates the ratio of lithium to the transition metal in the layered solid solution compound. When x / y is 1.19 or less, the amount of lithium contributing to the reaction is reduced, and a high capacity cannot be obtained. On the other hand, if x / y is larger than 1.63, the crystal lattice becomes unstable, and the discharge capacity decreases.

aは遷移金属元素全体に占めるNiの割合を示す。aが0.06以下であると、反応に関与する元素が少なくなり、容量が低下する。一方、aが0.5より大きいと、初充電過程における酸素の活性化反応が起こりにくいため、容量が低下する。   a represents the proportion of Ni in the entire transition metal element. When a is 0.06 or less, the number of elements involved in the reaction decreases, and the capacity decreases. On the other hand, when a is larger than 0.5, the activation reaction of oxygen in the initial charging process hardly occurs, and thus the capacity is reduced.

bは遷移金属元素全体に占めるMnの割合を示す。bが0.5未満であると、酸素の活性化反応が起こりにくいため、容量が低下する。一方、bが0.88以上であると、反応に寄与するNi、Coの量が低下するため、容量が低下する。   b shows the ratio of Mn in the whole transition metal element. When b is less than 0.5, the activation reaction of oxygen hardly occurs, and thus the capacity decreases. On the other hand, when b is 0.88 or more, the amount of Ni and Co contributing to the reaction is lowered, and thus the capacity is lowered.

cは遷移金属元素全体に占めるCoの割合を示す。cが0.25以上であると、初充電過程における酸素の活性化反応が起こりにくいため、容量が低下する。   c represents the proportion of Co in the entire transition metal element. If c is 0.25 or more, the oxygen activation reaction in the initial charging process is unlikely to occur, so the capacity is reduced.

dは遷移金属元素全体に占めるその他の遷移金属元素M(MはV、Mo、W、Zr、Nb、Ti、Al、Fe、Mg、Cu等の少なくともいずれかの元素)の割合を示す。安全性向上のための添加物、不純物等として適宜含まれ、dが0.03より大きいと反応に寄与する元素の割合が低下するため、放電容量が低下する。   d represents the ratio of other transition metal elements M (M is at least one element of V, Mo, W, Zr, Nb, Ti, Al, Fe, Mg, Cu, etc.) in the entire transition metal element. If it is contained appropriately as an additive, an impurity, etc. for improving safety, and d is larger than 0.03, the proportion of elements contributing to the reaction is lowered, so that the discharge capacity is lowered.

本発明に係る正極材料は、層状固溶体化合物よりなる正極活物質粒子と、該正極活物質粒子より平均粒子径が大きいMoO3粒子を含むことを特徴とする。正極活物質より粒子径の大きいMoO3を混合することで、不可逆容量の緩和が可能なMoO3の含有割合を確保するとともに、電極密度が上がり、体積エネルギー密度を向上させることができる。 The positive electrode material according to the present invention includes positive electrode active material particles made of a layered solid solution compound and MoO 3 particles having an average particle size larger than that of the positive electrode active material particles. By mixing MoO 3 having a particle diameter larger than that of the positive electrode active material, the content ratio of MoO 3 capable of relaxing the irreversible capacity can be secured, the electrode density can be increased, and the volume energy density can be improved.

正極活物質粒子よりもMoO3粒子の平均粒子径を小さくした場合や、正極活物質粒子に被覆して設ける場合に比して、充填密度の向上に寄与ができ、体積エネルギー密度が向上する。また、MoO3粒子の平均粒子径を小さくすると、MoO3の割合が小さくなりがちであって、不可逆容量も多くなる。 Compared with the case where the average particle diameter of the MoO 3 particles is made smaller than that of the positive electrode active material particles, or when the MoO 3 particles are coated and provided on the positive electrode active material particles, the packing density can be improved and the volume energy density is improved. Further, when the average particle diameter of the MoO 3 particles is reduced, the ratio of MoO 3 tends to be reduced and the irreversible capacity is increased.

本特徴を有する正極材料とすることで、高い体積エネルギー密度が得られ、不可逆容量の小さい正極を提供することができる。
また、MoO3粒子を混合することで、MoO3化合物の表面被覆を正極活物質粒子上に設ける場合と比して、MoO3の割合を多くすることができる。MoO3化合物の被覆は、厚すぎると出力が低下する傾向に有り、薄すぎると放電時にLiを吸蔵できず、不可逆容量の改善が不十分となる。また、MoO3粒子と正極活物質粒子の混合では、二種類の粒子の大きさに差があるため、電極密度の向上が期待でき好ましい。
By using the positive electrode material having this feature, a high volume energy density can be obtained, and a positive electrode having a small irreversible capacity can be provided.
Further, by mixing MoO 3 particles, the ratio of MoO 3 can be increased as compared with the case where the surface coating of the MoO 3 compound is provided on the positive electrode active material particles. If the coating of the MoO 3 compound is too thick, the output tends to decrease. If the coating is too thin, Li cannot be occluded during discharge, and the improvement of the irreversible capacity becomes insufficient. Also, mixing of MoO 3 particles and positive electrode active material particles is preferable because there is a difference in the size of the two types of particles, and an improvement in electrode density can be expected.

また、不可逆容量を低減させるためには、不可逆容量を緩和できるMoO3を混合する必要がある。MoO3は、リチウムを吸蔵することで3.5〜2.0Vで充放電可能であり、290Ah/kg程度の容量を発揮することができる。MoO3の反応電位は、層状固溶体化合物の抵抗が高い領域と一致しており、電池の低抵抗化のために好ましい組み合わせである。ただし、MoO3は放電電位が低いため、過剰に含むとエネルギー密度が低下する。層状固溶体化合物の不可逆容量は、一般的に70%〜90%程度であるため、正極材料中のMoO3は30%質量未満にする必要がある。特に好ましい割合は、10質量%以上20質量%以下である。 Further, in order to reduce the irreversible capacity, it is necessary to mix MoO 3 that can relax the irreversible capacity. MoO 3 can be charged and discharged at 3.5 to 2.0 V by occluding lithium, and can exhibit a capacity of about 290 Ah / kg. The reaction potential of MoO 3 coincides with the region where the resistance of the layered solid solution compound is high, and is a preferable combination for reducing the resistance of the battery. However, since MoO 3 has a low discharge potential, if it is excessively contained, the energy density is lowered. Since the irreversible capacity of the layered solid solution compound is generally about 70% to 90%, MoO 3 in the positive electrode material needs to be less than 30% by mass. A particularly desirable ratio is 10% by mass or more and 20% by mass or less.

<リチウムイオン二次電池>
本発明に係るリチウムイオン二次電池は、上記の正極材料を含むことを特徴とする。上記の正極材料を正極に使用することにより、高い体積エネルギー密度が得られ、不可逆容量が小さい。本発明に係るリチウムイオン二次電池は、電気自動車に対して好ましく使用することができる。
<Lithium ion secondary battery>
A lithium ion secondary battery according to the present invention includes the above positive electrode material. By using the above positive electrode material for the positive electrode, a high volume energy density is obtained and the irreversible capacity is small. The lithium ion secondary battery according to the present invention can be preferably used for an electric vehicle.

リチウムイオン二次電池は、正極材料を含む正極、負極材料を含む負極、セパレータ、電解液、電解質等から構成される。   A lithium ion secondary battery includes a positive electrode including a positive electrode material, a negative electrode including a negative electrode material, a separator, an electrolytic solution, an electrolyte, and the like.

負極材料は、リチウムイオンを吸蔵放出することができる物質であれば特に限定されない。リチウムイオン二次電池において一般的に使用されている物質を負極材料として使用することができる。例えば、黒鉛、リチウム合金等を例示することができる。   The negative electrode material is not particularly limited as long as it is a substance that can occlude and release lithium ions. Substances generally used in lithium ion secondary batteries can be used as the negative electrode material. For example, graphite, a lithium alloy, etc. can be illustrated.

セパレータとしては、リチウムイオン二次電池において一般的に使用されているものを使用することができる。例えば、ポリプロピレン、ポリエチレン、プロピレンとエチレンとの共重合体等のポリオレフィン製の微孔性フィルムや不織布等を例示することができる。   As a separator, what is generally used in a lithium ion secondary battery can be used. Examples thereof include polyolefin microporous films and nonwoven fabrics such as polypropylene, polyethylene, and a copolymer of propylene and ethylene.

電解液及び電解質としては、リチウムイオン二次電池において一般的に使用されているものを使用することができる。例えば、電解液として、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ビニレンカーボネート、メチルアセテート、エチルメチルカーボネート、メチルプロピルカーボネート、ジメトキシエタン等を例示することができる。また、電解質として、LiClO4、LiPF6、LiBF4、LiAsF6、LiSbF6、LiCF3SO3、LiC49SO3、LiCF3CO2、Li224(SO32、LiN(CF3SO22、LiC(CF3SO23等を例示することができる。 As the electrolytic solution and the electrolyte, those generally used in lithium ion secondary batteries can be used. For example, diethyl carbonate, dimethyl carbonate, ethylene carbonate, propylene carbonate, vinylene carbonate, methyl acetate, ethyl methyl carbonate, methyl propyl carbonate, dimethoxyethane and the like can be exemplified as the electrolytic solution. In addition, as the electrolyte, LiClO 4 , LiPF 6 , LiBF 4 , LiAsF 6 , LiSbF 6 , LiCF 3 SO 3 , LiC 4 F 9 SO 3 , LiCF 3 CO 2 , Li 2 C 2 F 4 (SO 3 ) 2 , LiN Examples thereof include (CF 3 SO 2 ) 2 and LiC (CF 3 SO 2 ) 3 .

本発明に係るリチウムイオン二次電池の構造の一実施形態を、図1を用いて説明する。リチウムイオン二次電池10は、集電体の両面に正極材料を塗布した正極1と、集電体の両面に負極材料を塗布した負極2と、セパレータ3とを有する電極群を備える。正極1及び負極2は、セパレータ3を介して捲回され、捲回体の電極群を形成している。この捲回体は電池缶4に挿入される。   One embodiment of the structure of a lithium ion secondary battery according to the present invention will be described with reference to FIG. The lithium ion secondary battery 10 includes an electrode group having a positive electrode 1 in which a positive electrode material is applied on both sides of a current collector, a negative electrode 2 in which a negative electrode material is applied on both sides of the current collector, and a separator 3. The positive electrode 1 and the negative electrode 2 are wound through a separator 3 to form a wound electrode group. This wound body is inserted into the battery can 4.

負極2は、負極リード片6を介して、電池缶4に電気的に接続される。電池缶4には、パッキン5を介して、密閉蓋7が取り付けられる。正極1は、正極リード片8を介して、密閉蓋7に電気的に接続される。捲回体は、絶縁板9によって絶縁される。   The negative electrode 2 is electrically connected to the battery can 4 via the negative electrode lead piece 6. A sealing lid 7 is attached to the battery can 4 via a packing 5. The positive electrode 1 is electrically connected to the sealing lid 7 via the positive electrode lead piece 8. The wound body is insulated by the insulating plate 9.

なお、電極群は、図1に示す捲回体でなくてもよく、セパレータ3を介して正極1と負極2とを積層した積層体でもよい。   The electrode group may not be the wound body shown in FIG. 1, but may be a laminated body in which the positive electrode 1 and the negative electrode 2 are laminated via the separator 3.

以下、実施例及び比較例を用いて本発明をより詳細に説明するが、本発明の技術的範囲はこれに限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated in detail using an Example and a comparative example, the technical scope of this invention is not limited to this.

<正極活物質の作製>
各実施例で使用した正極活物質は以下の方法で作製した。炭酸リチウム、炭酸ニッケル、炭酸マンガン、炭酸コバルトをボールミルで所定の比率で混合し、前駆体を得た。得られた前駆体を大気中において500℃で12時間焼成し、リチウム遷移金属酸化物を得た。得られたリチウム遷移金属酸化物をペレット化した後、大気中において850〜1050℃で12時間焼成した。焼成したペレットをメノウ乳鉢で粉砕した。作製した正極活物質の組成、平均粒子径を表1に示す。
<Preparation of positive electrode active material>
The positive electrode active material used in each example was produced by the following method. Lithium carbonate, nickel carbonate, manganese carbonate, and cobalt carbonate were mixed at a predetermined ratio by a ball mill to obtain a precursor. The obtained precursor was calcined in the atmosphere at 500 ° C. for 12 hours to obtain a lithium transition metal oxide. The obtained lithium transition metal oxide was pelletized and then fired at 850 to 1050 ° C. for 12 hours in the air. The fired pellets were pulverized in an agate mortar. Table 1 shows the composition and average particle diameter of the produced positive electrode active material.

<試作電池の作製>
実施例1〜6、比較例1〜4では、上述のように作製した正極活物質および平均粒子径1050nmのMoO3の混合物を正極材料に用いて、試作電池を作製した。
<Production of prototype battery>
In Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 to 4, trial batteries were produced using the mixture of the positive electrode active material produced as described above and MoO 3 having an average particle diameter of 1050 nm as the positive electrode material.

合成した正極活物質、MoO3を合計で85質量%、導電剤(質量比10%)とバインダ(質量比5%)を均一に混合して正極スラリーを作製した。正極スラリーを厚み20μmのアルミ集電体箔上に塗布し、120℃で乾燥し、40MPaでプレスして電極板を得た。その後、電極板を直径15mmの円盤状に打ち抜き、正極を作製した。 A total of 85% by mass of the synthesized positive electrode active material and MoO 3 , a conductive agent (mass ratio 10%) and a binder (mass ratio 5%) were uniformly mixed to prepare a positive electrode slurry. The positive electrode slurry was applied onto an aluminum current collector foil having a thickness of 20 μm, dried at 120 ° C., and pressed at 40 MPa to obtain an electrode plate. Thereafter, the electrode plate was punched into a disk shape having a diameter of 15 mm to produce a positive electrode.

負極は金属リチウムを用いて作製した。非水電解液としては、体積比1:2のエチレンカーボネートとジメチルカーボネートとの混合溶媒に、LiPF6を1.0mol/Lの濃度で溶解させたものを用いた。 The negative electrode was produced using metallic lithium. As the non-aqueous electrolyte, a solution obtained by dissolving LiPF 6 at a concentration of 1.0 mol / L in a mixed solvent of ethylene carbonate and dimethyl carbonate having a volume ratio of 1: 2 was used.

同様に、比較例5では、実施例1と同じ正極活物質、及び平均粒子径200nmのMoO3の混合物を正極材料に用いて、試作電池を作製した。比較例6では、実施例1と同じ正極活物質、及び平均粒子径900nmのMoO2の混合物を正極材料に用いて、試作電池を作製した。 Similarly, in Comparative Example 5, a prototype battery was fabricated using the same positive electrode active material as in Example 1 and a mixture of MoO 3 having an average particle diameter of 200 nm as the positive electrode material. In Comparative Example 6, a prototype battery was fabricated using the same positive electrode active material as in Example 1 and a mixture of MoO 2 having an average particle diameter of 900 nm as the positive electrode material.

<充放電試験>
各実施例及び比較例では、上述のように作製した試作電池に対して、充放電試験を行った。
<Charge / discharge test>
In each of the examples and comparative examples, a charge / discharge test was performed on the prototype battery manufactured as described above.

試作電池に対し、充放電試験をした。充電は定電流定電圧充電(CC−CVモード)とし、上限電圧は4.6Vとした。放電は定電流放電(CCモード)とし、下限電圧は2.0Vとした。充放電の電流は0.05C相当とし、充電のカットオフ電流は0.005C相当とした。各実施例及び比較例において、2サイクル目の放電容量を定格容量とした。定格容量と平均放電電位の積を、電極密度で除した値を体積エネルギー密度と定義した。また、初回の充電容量から初回の放電容量を引いた値を不可逆容量とした。ただし、マイナスの場合はゼロとした。   A charge / discharge test was performed on the prototype battery. Charging was constant current constant voltage charging (CC-CV mode), and the upper limit voltage was 4.6V. The discharge was constant current discharge (CC mode), and the lower limit voltage was 2.0V. The charge / discharge current was 0.05 C, and the charge cutoff current was 0.005 C. In each example and comparative example, the discharge capacity at the second cycle was defined as the rated capacity. A value obtained by dividing the product of the rated capacity and the average discharge potential by the electrode density was defined as the volume energy density. The value obtained by subtracting the initial discharge capacity from the initial charge capacity was defined as the irreversible capacity. However, in the case of minus, it was set to zero.

各実施例及び比較例における正極材料の組成、MoO3およびMoO2の正極材料に占める割合、体積エネルギー密度、不可逆容量を表1に示す。 Table 1 shows the composition of the positive electrode material, the ratio of MoO 3 and MoO 2 to the positive electrode material, the volume energy density, and the irreversible capacity in each Example and Comparative Example.

各実施例及び比較例の不可逆容量及び体積エネルギー密度を図2に示す。MoO3を5〜30質量%含む実施例1〜4、比較例2では、いずれの例においても、MoO3を含まない比較例1と比べ不可逆容量が小さくなった。さらに実施例1〜4では、体積エネルギー密度が向上した。これは、不可逆容量を緩和、かつ粒子径が大きく電極密度を向上できるMoO3を含んでいるためである。一方、比較例2では、体積エネルギー密度が低い。一方、MoO3を30質量%含む比較例2では、MoO3を含まない比較例1と比べ体積エネルギー密度が低下した。これは、平均放電電位の低いMoO3の割合が多すぎたためだと考えられる。従って、MoO3の添加量を0質量%より多く、30質量%未満、特に25質量%以下とすることが好ましい。また、10質量%のMoO3の添加で不可逆容量は半分以下となるため、10〜25質量%とすることがより好ましい。 The irreversible capacity | capacitance and volume energy density of each Example and a comparative example are shown in FIG. MoO 3 and Examples 1 to 4 containing 5 to 30 mass%, Comparative Example 2, in each of the examples, the irreversible capacity compared with Comparative Example 1 containing no MoO 3 is reduced. Furthermore, in Examples 1-4, the volume energy density improved. This is because it contains MoO 3 that relieves irreversible capacity and has a large particle diameter and can improve the electrode density. On the other hand, in Comparative Example 2, the volume energy density is low. On the other hand, in Comparative Example 2 including the MoO 3 30 wt%, the volumetric energy density compared to Comparative Example 1 not containing MoO 3 was reduced. This is thought to be because the proportion of MoO 3 having a low average discharge potential was too large. Therefore, the addition amount of MoO 3 is preferably more than 0% by mass and less than 30% by mass, particularly 25% by mass or less. Further, since the half or less irreversible capacity by the addition of 10 wt% of MoO 3, and more preferably 10 to 25 mass%.

比較例1、3、4のMoO3を含まない電池と比して、実施例1、5、6のMoO3を15質量%含む電池は、不可逆容量が大きく低下した。また、体積エネルギー密度は、いずれの例でも上昇がみられた。これは、組成によらず不可逆容量が大きく、電極密度の低い層状固溶体化合物を用いた正極では、MoO3を一部混合することで、不可逆容量の低減と電極密度の向上による体積エネルギー密度の向上に効果があることを示している。 Compared with the batteries not containing MoO 3 in Comparative Examples 1, 3, and 4, the batteries containing 15% by mass of MoO 3 in Examples 1, 5, and 6 have greatly reduced irreversible capacity. Further, the volume energy density increased in any of the examples. This is because the irreversible capacity is large regardless of the composition, and in a positive electrode using a layered solid solution compound with a low electrode density, the volume energy density is improved by reducing the irreversible capacity and improving the electrode density by partially mixing MoO 3. It shows that it is effective.

MoO3の粒子径を200nmとした比較例5でも不可逆容量が抑制できたが、MoO3の粒子径を1050nmとした実施例1に比して、体積エネルギー密度が小さくなった。これは、混合したMoO3の粒子径が正極活物質の粒子径よりも小さいため、電極密度を向上させることが出来なかったためと考えられる。従って、混合するMoO3の粒子径を正極活物質の粒子径よりも大きくすることで、電極密度を向上できる。特に、500nm以上とすることで固溶体の粒子径との差が明確に現れるため、電極密度向上効果が大きく好ましい。一方、MoO3の粒子径は、2μm(2000nm)以下であることが好ましい。大きすぎると、リチウムの吸蔵が困難となる場合があるとともに、充放電の効率が低下するためである。 Although the irreversible capacity could be suppressed even in Comparative Example 5 in which the particle diameter of MoO 3 was 200 nm, the volume energy density was smaller than that in Example 1 in which the particle diameter of MoO 3 was 1050 nm. This is presumably because the electrode density could not be improved because the particle size of the mixed MoO 3 was smaller than the particle size of the positive electrode active material. Therefore, the electrode density can be improved by making the particle diameter of the mixed MoO 3 larger than the particle diameter of the positive electrode active material. In particular, since the difference from the particle diameter of the solid solution appears clearly by setting it to 500 nm or more, the effect of improving the electrode density is large and preferable. On the other hand, the particle diameter of MoO 3 is preferably 2 μm (2000 nm) or less. If it is too large, it may be difficult to occlude lithium, and charge and discharge efficiency will be reduced.

比較例6のMoO2を混合した電池は、不可逆容量の低減効果がなく、却って体積エネルギー密度が低下した。これは、正極活物質に対し加えたモリブデン酸化物が本電気化学試験の2.0〜4.6Vの範囲でほとんど反応しないMoO2であったためである。そこで、正極活物質に対して加えるモリブデン酸化物はMoO3である必要がある。 The battery mixed with MoO 2 of Comparative Example 6 had no effect of reducing the irreversible capacity, and the volume energy density was decreased. This is because the molybdenum oxide added to the positive electrode active material was MoO 2 that hardly reacted in the range of 2.0 to 4.6 V in this electrochemical test. Therefore, the molybdenum oxide added to the positive electrode active material needs to be MoO 3 .

以上の通り、層状固溶体化合物を含む正極材料に、層状固溶体化合物粒子より平均粒子径の大きいMoO3粒子を0質量%より多く30質量%未満の混合比で加えることで、体積エネルギー密度が高く、不可逆容量が小さい正極を提供できる。 As described above, the volume energy density is high by adding MoO 3 particles having a larger average particle diameter than the layered solid solution compound particles in a mixing ratio of more than 0% by mass and less than 30% by mass to the positive electrode material containing the layered solid solution compound. A positive electrode having a small irreversible capacity can be provided.

1 正極
2 負極
3 セパレータ
4 電池缶
5 パッキン
6 負極リード片
7 密閉蓋
8 正極リード片
9 絶縁板
10 リチウムイオン二次電池
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Positive electrode 2 Negative electrode 3 Separator 4 Battery can 5 Packing 6 Negative electrode lead piece 7 Sealing lid 8 Positive electrode lead piece 9 Insulation board 10 Lithium ion secondary battery

Claims (5)

組成式Lix(NiaMnbCocdy2(x+y=2、1.19<x/y≦1.63、0.06<a≦0.5、0.5≦b<0.88、0≦c<0.25、0≦d≦0.03、a+b+c+d=1、MはV、Mo、W、Zr、Nb、Ti、Al、Fe、Mg、Cu等の少なくともいずれかの元素)で表される正極活物質粒子と、MoO3粒子とを含むリチウムイオン二次電池用正極材料であって、
前記MoO3粒子は、前記正極活物質粒子より平均粒子径が大きく、
前記正極活物質とMoO3の合計量に占める前記MoO3の割合が、0質量%より大きく30質量%より小さいことを特徴とするリチウムイオン二次電池用正極材料。
Composition formula Li x (Ni a Mn b Co c M d ) y O 2 (x + y = 2, 1.19 <x / y ≦ 1.63, 0.06 <a ≦ 0.5, 0.5 ≦ b < 0.88, 0 ≦ c <0.25, 0 ≦ d ≦ 0.03, a + b + c + d = 1, M is at least one of V, Mo, W, Zr, Nb, Ti, Al, Fe, Mg, Cu, etc. A positive electrode material for a lithium ion secondary battery comprising positive electrode active material particles represented by the element) and MoO 3 particles,
The MoO 3 particles have a larger average particle size than the positive electrode active material particles,
The positive active material and the proportion of the MoO 3 in the total amount of MoO 3 is a positive electrode material for a lithium ion secondary battery, characterized in that 0 less than weight percent greater than 30 wt%.
請求項1に記載のリチウムイオン二次電池用正極材料であって、
前記正極活物質とMoO3の合計量に占める前記MoO3の割合が、10質量%以上25質量%以下であることを特徴とするリチウムイオン二次電池用正極材料。
The positive electrode material for a lithium ion secondary battery according to claim 1,
The positive active material and the proportion of the MoO 3 in the total amount of MoO 3 is a positive electrode material for a lithium ion secondary battery, characterized in that at most 10 mass% to 25 mass%.
請求項1に記載のリチウムイオン二次電池用正極材料であって、
前記MoO3粒子は、500nm〜2000nmであることを特徴とするリチウムイオン二次電池用正極材料。
The positive electrode material for a lithium ion secondary battery according to claim 1,
The positive electrode material for a lithium ion secondary battery, wherein the MoO 3 particles are 500 nm to 2000 nm.
請求項1ないし3のいずれかに記載のリチウムイオン二次電池用正極材料を含むことを特徴とするリチウムイオン二次電池用正極。   A positive electrode for a lithium ion secondary battery comprising the positive electrode material for a lithium ion secondary battery according to any one of claims 1 to 3. 請求項1ないし3のいずれかに記載のリチウムイオン二次電池用正極材料を用いたことを特徴とするリチウムイオン二次電池。   A lithium ion secondary battery comprising the positive electrode material for a lithium ion secondary battery according to any one of claims 1 to 3.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN111244554A (en) * 2018-11-28 2020-06-05 现代自动车株式会社 Lithium secondary battery and method for manufacturing same

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