JP2016081716A - Positive electrode active material for lithium ion secondary battery, method for manufacturing the same, and lithium ion secondary battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、リチウムイオン二次電池に用いられる正極活物質及びその製造方法並びにその正極活物質を用いたリチウムイオン二次電池に関する。 The present invention relates to a positive electrode active material used for a lithium ion secondary battery, a manufacturing method thereof, and a lithium ion secondary battery using the positive electrode active material.
近年、地球温暖化の防止や化石燃料の枯渇への懸念から、走行に必要となるエネルギーが少ない電気自動車や、太陽光や風力等の自然エネルギーを利用した発電システムに期待が集まっている。しかしながら、これらの技術には以下のような技術的課題があり、普及を妨げる一因になっている。 In recent years, due to concerns about the prevention of global warming and the depletion of fossil fuels, there are high expectations for electric vehicles that require less energy for driving and power generation systems that use natural energy such as sunlight and wind power. However, these technologies have the following technical problems, which are one factor that hinders their spread.
例えば、電気自動車では、駆動用電池のエネルギー密度の向上及び一充電での航続距離を長くすることが課題となる。また、例えば、自然エネルギーを利用した発電システムでは、発電量の変動が大きいため、出力の平準化のためにコストの高い大容量の電池を用いた電力貯蔵システムが必要となる。これらの技術的課題を解決するためには、高いエネルギー密度を有する安価な二次電池が求められている。 For example, in an electric vehicle, there are problems in improving the energy density of the driving battery and increasing the cruising distance in one charge. In addition, for example, in a power generation system using natural energy, the amount of power generation varies greatly, so that an electric power storage system using a large-capacity battery with high cost is required for leveling the output. In order to solve these technical problems, an inexpensive secondary battery having a high energy density is required.
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他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ため、電気自動車や電力貯蔵システム等への応用が期待されている。しかし、前記したような技術的課題を解決するためには、リチウムイオン二次電池のさらなる高エネルギー密度化が必要である。そのためには、リチウムイオン二次電池の正極及び負極の高エネルギー密度化を行う必要がある。 Lithium ion secondary batteries have a higher energy density per weight than other secondary batteries such as nickel metal hydride batteries and lead batteries, and therefore are expected to be applied to electric vehicles and power storage systems. However, in order to solve the technical problems as described above, it is necessary to further increase the energy density of the lithium ion secondary battery. For that purpose, it is necessary to increase the energy density of the positive electrode and the negative electrode of the lithium ion secondary battery.
充放電容量が大きく、充電時の熱安定性に優れたLi含有複合酸化物粒子粉末として、Ni、MnとCo及び/又はAlとを含有するLi含有複合酸化物粒子粉末が知られている(下記特許文献1参照)。特許文献1に記載のLi含有系複合酸化物粒子粉末は、Co、Alが粒子内部に存在し、Mnの濃度が粒子の半径方向に対して濃度勾配を有し、且つ、粒子の中心部に対して粒子表面におけるMnの濃度が高いことを特徴としている。
A Li-containing composite oxide particle powder containing Ni, Mn and Co and / or Al is known as a Li-containing composite oxide particle powder having a large charge / discharge capacity and excellent thermal stability during charging ( See
前記特許文献1に記載された非水電解質二次電池用Li−Ni系複合酸化物粒子粉末では、粒子表面のNi組成比が大きくなると、粒子表面にLi成分が析出しやすくなる。そのため、正極活物質を純水に分散させたときに粒子表面のLi成分が溶出し、分散液のpHが高くなってアルカリ性が強まる傾向がある。このような正極活物質を用いてリチウムイオン二次電池の正極を作製すると、リチウムイオン二次電池の電解液の分解が促進され、充放電のサイクル数の経過に伴って正極容量が低下し、サイクル特性が劣化する虞がある。
In the Li—Ni based composite oxide particle powder for non-aqueous electrolyte secondary battery described in
本発明は、前記課題に鑑みてなされたものであり、リチウムイオン二次電池の高エネルギー密度化とサイクル特性の改善を両立することが可能なリチウムイオン二次電池用正極活物質及びその製造方法並びにその正極活物質を用いたリチウムイオン二次電池を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the problems described above, and provides a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery and a method for producing the same capable of achieving both high energy density and improved cycle characteristics of the lithium ion secondary battery. An object of the present invention is to provide a lithium ion secondary battery using the positive electrode active material.
前記目的を達成すべく、本発明のリチウムイオン二次電池用正極活物質は、下記組成式(1)で表わされる層状構造を有する化合物からなる粒子内部と、下記組成式(2)で表される層状構造を有する化合物からなる粒子表層部と、を有する粒子からなることを特徴とする。 In order to achieve the above object, the positive electrode active material for a lithium ion secondary battery of the present invention is represented by the inside of a particle comprising a compound having a layered structure represented by the following composition formula (1) and the following composition formula (2). And a particle surface layer portion made of a compound having a layered structure.
Li1+aNibMncCodMeO2 …(1)
Li1+wNixMnyMzO2 …(2)
Li 1 + a Ni b Mn c Co d M e O 2 ... (1)
Li 1 + w Ni x Mn y M z O 2 (2)
ただし、組成式(1)及び(2)中、Mは、Mg、Al、Ti、Zr、Mo、Nbからなる群より選択される少なくとも1種の元素であり、組成式(1)中、a、b、c、d及びeは、0.9≦a+b+c+d+e≦1.1、−0.1≦a≦0.2、0.7≦b≦0.9、0≦c≦0.35、0.05≦d≦0.3、及び0≦e≦0.35を満たす数値であり、組成式(2)中、w、x、y及びzは、0.9≦w+x+y+z≦1.1、0.01≦w≦0.3、0.1≦x≦0.4、0.35≦y≦0.6、及び0≦z≦0.2を満たす数値である。 However, in the composition formulas (1) and (2), M is at least one element selected from the group consisting of Mg, Al, Ti, Zr, Mo, and Nb. In the composition formula (1), a , B, c, d and e are 0.9 ≦ a + b + c + d + e ≦ 1.1, −0.1 ≦ a ≦ 0.2, 0.7 ≦ b ≦ 0.9, 0 ≦ c ≦ 0.35, 0 0.05 ≦ d ≦ 0.3 and 0 ≦ e ≦ 0.35. In the composition formula (2), w, x, y, and z are 0.9 ≦ w + x + y + z ≦ 1.1, 0. .01 ≦ w ≦ 0.3, 0.1 ≦ x ≦ 0.4, 0.35 ≦ y ≦ 0.6, and 0 ≦ z ≦ 0.2.
本発明の正極活物質をリチウムイオン二次電池の正極の材料として用いることで、リチウムイオン二次電池の高エネルギー密度化とサイクル特性の改善を両立することができる。 By using the positive electrode active material of the present invention as a positive electrode material of a lithium ion secondary battery, it is possible to achieve both higher energy density and improved cycle characteristics of the lithium ion secondary battery.
以下、図面を参照して本発明の実施形態に係るリチウムイオン二次電池用正極活物質及びその製造方法、並びに、その正極活物質を用いたリチウムイオン二次電池について説明する。 Hereinafter, a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery according to an embodiment of the present invention, a manufacturing method thereof, and a lithium ion secondary battery using the positive electrode active material according to embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(リチウムイオン二次電池用正極活物質)
図1は、本発明の実施形態に係るリチウムイオン二次電池用正極活物質10の粒子1を示す模式的な断面図である。
(Positive electrode active material for lithium ion secondary battery)
FIG. 1 is a schematic cross-sectional
本実施形態のリチウムイオン二次電池用正極活物質10は、複数の粒子1からなる粉末状の物質であり、後述するリチウムイオン二次電池の正極の材料として用いられる。正極活物質10の粒子1は、以下の組成式(1)で表されるNi含有量の高い層状構造を有する化合物からなる粒子内部1Aと、以下の組成式(2)で表されるLi過剰の層状構造を有する化合物からなる粒子表層部1Bとを有している。
The positive electrode
Li1+aNibMncCodMeO2 …(1)
Li1+wNixMnyMzO2 …(2)
Li 1 + a Ni b Mn c Co d M e O 2 ... (1)
Li 1 + w Ni x Mn y M z O 2 (2)
ただし、組成式(1)及び(2)中、Mは、Mg、Al、Ti、Zr、Mo、Nbからなる群より選択される少なくとも1種の元素である。 However, in the composition formulas (1) and (2), M is at least one element selected from the group consisting of Mg, Al, Ti, Zr, Mo, and Nb.
また、組成式(1)中、a、b、c、d、及びeは、0.9≦a+b+c+d+e≦1.1、−0.1≦a≦0.2、0.7≦b≦0.9、0≦c≦0.35、0.05≦d≦0.3、及び0≦e≦0.35を満たす数値である。さらに、組成式(1)中、a及びeは、−0.05≦a≦0.1及び0≦e≦0.1を満たす数値であることが好ましい、この場合、粒子内部1Aを構成するNi含有量の高い層状構造を有する化合物として、例えば、LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2を用いることができる。
In the composition formula (1), a, b, c, d, and e are 0.9 ≦ a + b + c + d + e ≦ 1.1, −0.1 ≦ a ≦ 0.2, 0.7 ≦ b ≦ 0. 9, 0 ≦ c ≦ 0.35, 0.05 ≦ d ≦ 0.3, and 0 ≦ e ≦ 0.35. Furthermore, in the composition formula (1), a and e are preferably numerical values satisfying −0.05 ≦ a ≦ 0.1 and 0 ≦ e ≦ 0.1. In this case, the
また、組成式(2)中、w、x、y及びzは、0.9≦w+x+y+z≦1.1、0.01≦w≦0.3、0.1≦x≦0.4、0.35≦y≦0.6、及び0≦z≦0.2を満たす数値である。さらに、組成式(2)中、w、x、y及びzは、0.1≦w≦0.25、0.1≦x≦0.3、0.5≦y≦0.6、及び0≦z≦0.1を満たす数値であることが好ましい。この場合、粒子表層部1Bを構成するLi過剰の層状構造を有する化合物として、例えば、Li1.2Ni0.2Mn0.6O2を用いることができる。また、組成式(1)(2)において、酸素は層状構造が維持される範囲であれば欠損していても構わない。
In the composition formula (2), w, x, y and z are 0.9 ≦ w + x + y + z ≦ 1.1, 0.01 ≦ w ≦ 0.3, 0.1 ≦ x ≦ 0.4, It is a numerical value satisfying 35 ≦ y ≦ 0.6 and 0 ≦ z ≦ 0.2. Furthermore, in the composition formula (2), w, x, y, and z are 0.1 ≦ w ≦ 0.25, 0.1 ≦ x ≦ 0.3, 0.5 ≦ y ≦ 0.6, and 0, respectively. A numerical value satisfying ≦ z ≦ 0.1 is preferable. In this case, for example, Li 1.2 Ni 0.2 Mn 0.6 O 2 can be used as the compound having a Li-excess layered structure constituting the particle
本実施形態では、α−NaFeO2型層状構造を有する正極材料のうち、Ni組成比が0.5より大きいものをNi含有量の高い層状を有する化合物という。また、一般に、組成式Li1+xM’1−xO2(x>0.1、M’は少なくともMnとNiを含む金属、Mnの組成比は、Niの組成比よりも大きい。)で表されるLi過剰の層状構造を有する化合物は、LiMO2(Mは金属)−Li2MnO3とも表すことができる。 In the present embodiment, among the positive electrode materials having an α-NaFeO 2 type layered structure, those having a Ni composition ratio larger than 0.5 are referred to as compounds having a layered state with a high Ni content. In general, the composition formula is Li 1 + x M ′ 1-x O 2 (x> 0.1, M ′ is a metal containing at least Mn and Ni, and the composition ratio of Mn is larger than the composition ratio of Ni). The compound having a layer structure with an excess of Li formed can also be expressed as LiMO 2 (M is a metal) -Li 2 MnO 3 .
正極活物質10の粒子1は、核となる粒子内部1AがNi含有量の高い層状構造を有する化合物からなり、粒子内部1AのNi含有量の高い層状構造を有する化合物を覆うように、Li過剰の層状構造を有する化合物からなる粒子表層部1Bが形成されている。換言すると、正極活物質10の粒子1は、Ni含有量の高い層状構造を有する化合物からなるコア部としての粒子内部1Aと、コア部を覆うLi過剰の層状構造を有する化合物からなる被覆層としての粒子表層部1Bとを有し、コア部の表面が被覆層で覆われた構造を有している。
The
粒子内部の化合物のNi組成比を0.7以上かつ0.9以下とすることにより、本発明の正極活物質を正極の材料として用いたリチウムイオン二次電池において、高エネルギー密度化を実現することができる。 High energy density is achieved in a lithium ion secondary battery using the positive electrode active material of the present invention as a positive electrode material by setting the Ni composition ratio of the compound inside the particles to 0.7 or more and 0.9 or less. be able to.
また、粒子表層部の化合物のNi組成比を0.1以上かつ0.4以下の低い比率とすることにより、粒子表面におけるLi成分の析出を抑制することができる。Li成分の析出の度合いは、粒子を純水に分散させたpH値で評価できる。粒子表面におけるLi成分の析出をすることにより、粒子を純水に分散させたpHの上昇を抑制でき、アルカリ性を弱めることができる。そのため、本発明の正極活物質をリチウムイオン二次電池の正極の材料として用いることで、リチウムイオン二次電池の電解液の分解を抑制し、充放電のサイクル数の経過に伴う正極容量の低下を抑制し、サイクル特性を改善することができる。 Moreover, precipitation of the Li component on the particle surface can be suppressed by setting the Ni composition ratio of the compound in the particle surface layer portion to a low ratio of 0.1 or more and 0.4 or less. The degree of precipitation of the Li component can be evaluated by a pH value in which particles are dispersed in pure water. By precipitating the Li component on the particle surface, it is possible to suppress an increase in pH in which particles are dispersed in pure water, and weaken alkalinity. Therefore, by using the positive electrode active material of the present invention as a positive electrode material of a lithium ion secondary battery, the decomposition of the electrolyte of the lithium ion secondary battery is suppressed, and the positive electrode capacity decreases with the progress of the number of charge / discharge cycles. Can be suppressed, and the cycle characteristics can be improved.
粒子内部1Aに対する粒子表層部1Bの質量比は、例えば、2.5質量%以上かつ10質量%以下とすることができる。例えば、粒子内部1Aに対する粒子表層部1Bの質量比が2.5質量%よりも小さくなると、粒子表層部1Bによって粒子内部1Aを十分に被覆することができなくなる虞がある。また、粒子内部1Aに対する粒子表層部1Bの質量比が10質量%よりも大きくなると、相対的に粒子内部1AのNi含有量の高い層状構造を有する化合物の質量比が低下し、リチウムイオン二次電池の高容量化、高エネルギー密度化が困難になる虞がある。
The mass ratio of the particle
また、被覆層としての粒子表層部1Bに覆われたコア部としての粒子内部1Aの直径は、例えば、500nm以上かつ2μm以下とすることができる。粒子内部1Aの直径が500nmよりも小さくなると、粒子内部1AのNi含有量の高い層状構造を有する化合物の質量比が低下し、リチウムイオン二次電池の高容量化、高エネルギー密度化が困難になる虞がある。また、粒子内部1Aの直径が2μmよりも大きくなると、本実施形態の正極活物質10を正極に用いたリチウムイオン二次電池が所定の性能を発揮できなくなる虞がある。
Moreover, the diameter of the particle | grain inside 1A as a core part covered with the particle | grain
正極活物質10の粒子1の粒子内部1Aの直径は、例えば、粒子表層部1Bを形成する前に、粒子内部1Aとなる複数の内部粒子1a(図3参照)を電子顕微鏡によって観察し、平均粒径を算出することによって推定できる。また、粒子内部1Aの直径は、例えば、正極活物質10の複数の粒子1の断面を電子顕微鏡によって観察し、粒子1の平均粒径と粒子表層部1Bの厚さを測定することによって求めてもよい。内部粒子1a又は粒子1の粒径は、例えば、電子顕微鏡によって内部粒子1a又は粒子1の長径と短径を測定し、その平均径を球状の内部粒子1a又は粒子1の粒径とすることにより求めることができる。
The diameter of the
また、正極活物質10の粒子1の粒子内部1Aを覆う粒子表層部1Bの平均厚さは、例えば、20nm以上かつ50nm以下とすることができる。粒子表層部1Bの平均厚さが20nmよりも小さくなると、粒子表層部1Bによって粒子内部1Aを十分に被覆することができなくなる虞がある。また、粒子表層部1Bの平均厚さが50nmよりも大きくなると、本実施形態の正極活物質10を正極に用いたリチウムイオン二次電池が所定の性能を発揮できなくなる虞がある。
Moreover, the average thickness of the particle | grain
また、粒子1の集合体である正極活物質10のBET比表面積は、0.2m2/g以上かつ1.0m2/g以下であることが好ましい。BET比表面積が0.2m2/gより小さい場合には、正極活物質10を正極に用いたリチウムイオン二次電池の容量が低下する虞がある。BET比表面積が1.0m2/gより大きい場合には、正極活物質10を正極に用いたリチウムイオン二次電池の充放電サイクルの経過に伴う放電容量の低下が大きくなってしまう虞がある。
Further, BET specific surface area of the positive electrode
組成式(1)で表されるNi含有量の高い層状構造を有する化合物からなる粒子内部1Aにおいて、Ni組成比が0.7よりも小さくなると、リチウムイオン二次電池において要求される仕様を満たすことが困難になる。より具体的には、小型でかつ高容量、高エネルギー密度のリチウムイオン二次電池を提供することが困難になる。また、粒子内部1Aにおいて、Ni組成比が0.9よりも大きくなると、組成式(1)で表されるNi含有量の高い層状構造を有する化合物のその他の元素の組成比が必要以上に低下してしまう。
When the Ni composition ratio is smaller than 0.7 in the
組成式(2)で表されるLi過剰の層状構造を有する化合物からなる粒子表層部1Bにおいて、Ni組成比が0.4よりも大きくなると、粒子1表面において、例えば、LiOH、Li2CO3等のLi成分が析出しやすくなる。すると、粒子1を純水に分散させたときに粒子1表面のLi成分が溶出し、粒子を純水に分散させたときのpHが上昇してアルカリ性が強くなってしまう。すなわち、Li成分の析出の度合いは、粒子を純水に分散させたときのpH値で評価することができる。例えば、正極活物質10の粒子1を0.1質量%の比率で純水に分散させたときのpHが10を超えるような場合、その正極活物質10を正極に用いたリチウムイオン二次電池において、電解液の分解が促進され、充放電のサイクル数の経過に伴って正極容量が低下し、サイクル特性が劣化する虞がある。
In the particle
また、正極活物質10の粒子1を0.1質量%の比率で純水に分散させたときのpHが10を超えるような場合、リチウムイオン二次電池の正極の製造工程において、正極活物質10の粒子1を含むスラリーの製造が困難になる。より具体的には、正極活物質10の粒子1を含むスラリーがゲル化して不均一な混合状態になる。このような不均一な混合状態のスラリーを正極集電体としての金属箔表面に塗工して正極を作製すると、リチウムイオン二次電池が所定の性能を発揮できなくなる虞がある。
Further, in the case where the pH when the
また、組成式(2)で表されるLi過剰の層状構造を有する化合物からなる粒子表層部1Bにおいて、Liの組成比が1.01以上であれば、粒子1表面のLi成分を粒子表層部1Bに取り込みやすくなり、Li成分の析出及び溶出を防止することができる。これにより、正極活物質10の粒子1を正極に用いたリチウムイオン二次電池のサイクル特性を向上させることができる。一方、粒子表層部1BにおいてLiの組成比が1.01よりも小さくなると、粒子1表面にLi成分が析出しやすくなり、正極活物質10の粒子1を正極に用いたリチウムイオン二次電池のサイクル特性が低下するだけでなく、容量及びエネルギー密度が低下する虞がある。
In addition, in the particle
また、組成式(1)で表されるNi含有量の高い層状構造を有する化合物からなる粒子内部1A又は組成式(2)で表されるLi過剰の層状構造を有する化合物からなる粒子表層部1Bにおいて、Mnの組成比を0よりも大きくすることで、結晶構造を安定化することができる。
Also, a particle
本実施形態の正極活物質10の粒子1は、粒子内部1Aの層状の結晶構造と粒子表層部1Bの層状の結晶構造が連続し、結晶構造として一体となっていることが望ましい。すなわち、正極活物質10の粒子1は、粒子内部1Aと粒子表層部1Bとの界面において、粒子表層部1BのLi過剰の層状構造を有する化合物が粒子内部1AのNi含有量の高い層状構造を有する化合物に固溶し、粒子表層部1Bの結晶構造と粒子内部1Aの結晶構造とが連続し、一体になっていることが好ましい。粒子表層部1B又は粒子内部1Aに含まれるMnは、このような結晶構造の一体化にも寄与する。粒子表層部1Bから粒子内部1Aにかけて層状の結晶構造が連続していることは、例えば透過型電子顕微鏡(TEM)の画像において元素のマッピングをすることによって確認することができる。
In the
また、組成式(1)で表されるNi含有量の高い層状構造を有する化合物からなる粒子内部1Aにおいて、Coの組成比を0.05以上にすることで、Ni含有量の高い層状構造を有する化合物の結晶を生成しやすくなる。Coの組成比が0.05よりも小さいと、粒子内部1Aに不純物が混入しやすくなる虞がある。
Moreover, in the inside 1A of the particle composed of a compound having a layered structure with a high Ni content represented by the composition formula (1), the layered structure with a high Ni content is obtained by setting the Co composition ratio to 0.05 or more. It becomes easy to produce | generate the crystal | crystallization of the compound which has. If the Co composition ratio is smaller than 0.05, impurities may be easily mixed into the
また、本実施形態の正極活物質10の粒子1は、粒子表層部1Bを覆う被覆層をさらに有してもよい。粒子表層部1Bを覆う被覆層の材料としては、例えば、Al2O3、SiO2、MgO、TiO2、SnO2、B2O3、Fe2O3、ZrO2、AlF3など電気化学的に不活性な材料を用いることができる。この場合、正極活物質10の粒子1表面は、粒子1の粒子表層部1Bを覆う被覆層の表面になる。
Moreover, the
(リチウム二次電池用正極活物質の製造方法)
以下、本実施形態の正極活物質10の製造方法について説明する。
図2は、本実施形態の正極活物質10の製造工程を示すフロー図である。図3は、図2に示す混合工程S1を説明する概念図である。
(Method for producing positive electrode active material for lithium secondary battery)
Hereinafter, the manufacturing method of the positive electrode
FIG. 2 is a flowchart showing the manufacturing process of the positive electrode
本実施形態の正極活物質10を製造する際には、混合工程S1と熱処理工程S2を実施する。混合工程S1では、組成式(1)で表されるNi含有量の高い層状構造を有する化合物からなる一次粒子である内部粒子1aと、内部粒子1aの粒径よりも小さく、組成式(2)で表されるLi過剰の層状構造を有する化合物からなる一次粒子である表層粒子1bとを、固相状態で混合する。混合工程S1では、内部粒子1aと表層粒子1bとを純水等の分散媒に分散させて混合してもよいし、分散媒を用いず、内部粒子1aと表層粒子1bとを撹拌して混合してもよい。これにより、内部粒子1aの表面に表層粒子1bが配置される。なお、図3では、内部粒子1aの表面以外に存在する表層粒子1bの図示を省略している。
When manufacturing the positive electrode
混合工程S1において、内部粒子1aの粒径は、例えば、500nm以上かつ2μm以下とし、表層粒子1bの粒径は、例えば、10nm以上かつ100nm以下とすることができる。すなわち、Li過剰の層状構造を有する化合物からなる表層粒子1bの粒径は、例えば、Ni含有量の高い層状構造を有する化合物からなる内部粒子1aの粒径の1/200以上かつ1/5以下とすることができる。また、内部粒子1aに対する表層粒子1bの質量比は、例えば、2.5質量%以上かつ10質量%以下とすることができる。
In the mixing step S1, the
次に、混合工程S1で得られた混合物を、例えば、700℃以上かつ850℃以下の温度で熱処理する熱処理工程S2を実施する。これにより、図1に示すように、Ni含有量の高い層状構造を有する化合物からなる粒子内部1AとLi過剰の層状構造を有する化合物からなる粒子表層部1Bとを有する粒子1が形成され、本実施形態の正極活物質10が得られる。なお、必要に応じて、熱処理工程S2によって得られた焼成物の空冷、粉砕、解砕、分級等を行って正極活物質10を得る後工程を実施してもよい。
Next, a heat treatment step S2 is performed in which the mixture obtained in the mixing step S1 is heat treated at a temperature of 700 ° C. or higher and 850 ° C. or lower, for example. As a result, as shown in FIG. 1,
熱処理工程S2における熱処理の温度が700℃よりも低い場合には、組成式(1)で表されるNi含有量の高い層状構造を有する化合物からなる内部粒子1aの表面に、組成式(2)で表されるLi過剰の層状構造を有する化合物からなる表層粒子1bが固溶しない。また、熱処理工程S2における熱処理の温度が850℃よりも高い場合には、粒子1全体で組成が均一化してしまい、粒子1における粒子内部1Aと粒子表層部1Bとの区別がなくなってしまう。
When the temperature of the heat treatment in the heat treatment step S2 is lower than 700 ° C., the composition formula (2) is formed on the surface of the
(リチウムイオン二次電池)
図4は、本実施形態のリチウムイオン二次電池用正極活物質10を正極104に用いたリチウムイオン二次電池100の模式的な断面図である。
リチウムイオン二次電池100は、上部に開口を有する有底筒状の電池缶101と、電池缶101の開口を封止するガスケット102及び密閉蓋103と、電池缶101内に収容された正極104及び負極105と、正極104と負極105との間に介在されたセパレータ106と、を備えている。また、リチウムイオン二次電池100は、正極104を密閉蓋103に接続する正極リード107と、負極105を電池缶101の底部101bに接続する負極リード108と、正極104及び負極105と密閉蓋103との間に配置される絶縁板109と、正極104及び負極105と電池缶101の底部101bとの間に配置される絶縁板110と、を備えている。
(Lithium ion secondary battery)
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of a lithium ion
The lithium ion
電池缶101は、例えば、円筒の形状を有し、密閉蓋103は、上方から見た平面視で円形の形状を有している。電池缶101及び密閉蓋103は、ステンレス鋼(SUS)、アルミニウム、又はアルミニウム合金等の金属材料によって作製され、例えば、電池缶101と密閉蓋103の少なくとも一方を塑性変形させてかしめることで、電池缶101と密閉蓋103とが一体に設けられている。なお、電池缶101及び密閉蓋103からなるリチウムイオン二次電池100の外装の形状は、円筒形に限定されず、例えば、偏平型、角型、コイン型、ボタン型又はシート型であってもよい。また、電池缶101及び密閉蓋103は、例えば、ポリエチレンやポリプロピレン製の絶縁性シートで内張りされた袋状のアルミラミネートシートであってもよい。
The battery can 101 has, for example, a cylindrical shape, and the sealing
ガスケット102は、絶縁性を有する樹脂材料によって作製され、電池缶101と密閉蓋103との間を電気的に絶縁するとともに、電池缶101と密閉蓋103との間を密閉封止している。また、絶縁板109,110は、例えば、絶縁性を有する樹脂材料によって作製されている。
The
正極104及び負極105は、それぞれ長尺帯状に設けられ、長手方向の一端から他端まで長尺帯状のセパレータ106を介在させた状態で互いに対向して積層配置され、幅方向に平行な捲回軸を中心として捲回されている。正極104は、例えば、アルミニウム箔である正極集電体と、正極集電体の表面に形成された正極合剤層とを備えている。正極104の正極合剤層は、前述の本実施形態の正極活物質10を含んでいる。負極105は、例えば、銅箔である負極集電体と、負極集電体の表面に形成された負極合剤層とを備えている。
Each of the
セパレータ106としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィンや、ポリアミド、アラミド等の樹脂や、繊維状ガラス等によって作製された微多孔質薄膜を用いることができる。なお、セパレータ106には、耐熱性又は難燃性を向上させるためにアルミナ、ガラス等の絶縁性無機化合物層を被覆してもよい。セパレータ106は、正極104と負極105とを隔てて短絡を防止するとともに、リチウムイオン(Li+)が通過するイオン伝導性を有している。
As the
正極104は、正極集電体が正極リード107を介して密閉蓋103に電気的に接続されるとともに、絶縁板109によって密閉蓋103との短絡が防止されている。負極105は、負極集電体が負極リード108を介して電池缶101の底部101bに電気的に接続されるとともに、絶縁板110によって電池缶101の底部101bとの短絡が防止されている。
In the
リチウムイオン二次電池100を作製する際には、まず、セパレータ106を介在させて捲回した正極104及び負極105を電池缶101に収容して正極104及び負極105をそれぞれ密閉蓋103と電池缶101とに接続する。次に、乾燥空気中又は不活性ガス雰囲気下で電池缶101に電解液を注入した後、ガスケット102及び密閉蓋103によって電池缶101を密閉封止することによって、リチウムイオン二次電池100が作製される。
When manufacturing the lithium ion
電解液としては、リチウム塩を非水溶媒に溶解させた非水電解液を用いることができる。リチウム塩としては、過塩素酸リチウム(LiClO4)、トリフルオロメタンスルホン酸リチウム(LiCF3SO3)、六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)、四フッ化ホウ酸リチウム(LiBF4)、六フッ化リン酸リチウム(LiAsF6)等を一種又は複数種組み合わせて用いることができる。 As the electrolytic solution, a nonaqueous electrolytic solution in which a lithium salt is dissolved in a nonaqueous solvent can be used. Examples of the lithium salt include lithium perchlorate (LiClO 4 ), lithium trifluoromethanesulfonate (LiCF 3 SO 3 ), lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ), lithium tetrafluoroborate (LiBF 4 ), and six fluorine. Lithium phosphate (LiAsF 6 ) or the like can be used singly or in combination.
非水溶媒としては、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、メチルエチルカーボネート等の鎖状又は環状のカーボネート系溶媒やパーフルオロアルキルエーテル等のフッ素系溶媒を用いることができる。なお、これらカーボネートは、フッ素置換する等した誘導体であってもよい。また、電解液には、電池寿命を向上させるためにビニレンカーボネート、フェニルシクロヘキサン、1,3−プロパンサルトン、ジフェニルジスルフィド等を添加したり、難燃性を向上させるためにリン酸エステル等を添加したりしてもよい。 As the non-aqueous solvent, a chain or cyclic carbonate solvent such as ethylene carbonate, propylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, or methyl ethyl carbonate, or a fluorine solvent such as perfluoroalkyl ether can be used. These carbonates may be derivatives substituted with fluorine. In addition, vinylene carbonate, phenylcyclohexane, 1,3-propane sultone, diphenyl disulfide, etc. are added to the electrolyte to improve battery life, or phosphate esters are added to improve flame retardancy. You may do it.
以下、本実施形態のリチウムイオン二次電池100の正極104及び負極105の製造方法について説明する。
Hereinafter, the manufacturing method of the
リチウムイオン二次電池100の正極104を作製する際には、まず、正極集電体と、前述のリチウムイオン二次電池用正極活物質10と、導電剤と、バインダと、バインダの溶媒とを用意する。
When producing the
正極集電体としては、例えば、厚さが10μm以上かつ30μm以下程度のアルミニウム箔を用いることができる。また、正極集電体は、エキスパンドメタル、パンチングメタル等の形態であってもよい。 As the positive electrode current collector, for example, an aluminum foil having a thickness of about 10 μm to about 30 μm can be used. Further, the positive electrode current collector may be in the form of expanded metal, punching metal, or the like.
導電剤としては、一般的なリチウムイオン二次電池用正極に用いられる導電剤であれば特に限定されず、例えば、天然黒鉛粉末、炭素繊維、カーボンブラック、金属粉末、導電性ポリマー等を用いることができる。より具体的には、カーボンブラックとして、例えば、アセチレンブラック、ファーネスブラック、サーマルブラック、チャンネルブラック等を用いることができる。また、金属粉末として、例えば、アルミニウム、ニッケル、銅、銀等を用いることができる。また、導電性ポリマーとして、例えば、ポリフェニレン等を用いることができる。正極合剤層における導電剤の含有量は、正極合剤層の全体の質量に対して0.1質量%以上かつ10質量%以下であることが好ましい。 The conductive agent is not particularly limited as long as it is a conductive agent used for a positive electrode for a general lithium ion secondary battery. For example, natural graphite powder, carbon fiber, carbon black, metal powder, conductive polymer, etc. are used. Can do. More specifically, as carbon black, for example, acetylene black, furnace black, thermal black, channel black, and the like can be used. Moreover, as metal powder, aluminum, nickel, copper, silver, etc. can be used, for example. As the conductive polymer, for example, polyphenylene or the like can be used. It is preferable that content of the electrically conductive agent in a positive mix layer is 0.1 to 10 mass% with respect to the whole mass of a positive mix layer.
バインダとしては、一般的なリチウムイオン二次電池用正極に用いられるバインダであれば特に限定されないが、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリ四フッ化エチレン、ポリ六フッ化プロピレン等のフッ素系樹脂や、スチレン−ブタジエンゴム等のスチレン系樹脂や、ポリエチレン、ポリプロピレン等のオレフィン系樹脂や、ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸、ポリアクリロニトリル等のアクリル系樹脂や、カルボキシメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース等のセルロース系樹脂等を用いることができる。 Although it will not specifically limit if it is a binder used for the positive electrode for common lithium ion secondary batteries as a binder, For example, fluorine-type, such as polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroethylene, polyhexafluoropropylene, etc. Resins, styrene resins such as styrene-butadiene rubber, olefin resins such as polyethylene and polypropylene, acrylic resins such as polyacrylic acid, polymethacrylic acid and polyacrylonitrile, and cellulose resins such as carboxymethylcellulose and hydroxyethylcellulose Resin or the like can be used.
溶媒としては、例えば、N−メチルピロリドン(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等のアミドや、メタノール、エタノール、プロパノール、イソプロパノール等のアルコールや、エチレングリコール、ジエチレングリコール、グリセリン等の多価アルコールや、エーテル類や、ジメチルスルホキシド、テトラヒドロフラン、水等を用いることができる。 Examples of the solvent include amides such as N-methylpyrrolidone (NMP), N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, alcohols such as methanol, ethanol, propanol, and isopropanol, ethylene glycol, diethylene glycol, and glycerin. Polyhydric alcohols such as, ethers, dimethyl sulfoxide, tetrahydrofuran, water and the like can be used.
次に、本実施形態の正極活物質10と、導電材と、バインダと、溶媒とを混合してスラリーを調製するスラリー調製工程を実施する。スラリー調製工程では、混合手段として、せん断力が比較的強い高粘度用撹拌機を用いることが好ましい。具体的には、混合手段として、プラネタリーミキサ、ディスパーミキサ、自転・公転ミキサ等を用いることができる。
Next, the positive electrode
ここで、本実施形態の正極活物質10の粒子1は、粒子表層部1Bが前記組成式(2)で表されるLi過剰の層状構造を有する化合物からなり、粒子表層部1BのNi組成比が0.4以下とされている。これにより、正極活物質10の粒子1表面におけるLi成分の析出が抑制され、正極活物質10の粒子1を0.1質量%の比率で純水に分散させたときの分散媒のpH、すなわち粒子1の表面に析出した成分が純水に溶出した溶液のpHを、例えば、10以下にすることができる。正極活物質10がこのような性質を有することにより、正極活物質10を含むスラリーのアルカリ性が強まるのを抑制することができ、スラリーのゲル化を抑制することができる。したがって、正極活物質10と、導電材と、バインダとがより均一に混合されたスラリーを調製することができる。
Here, the
次に、スラリー調製工程で調製した本実施形態の正極活物質10を含むスラリーを正極集電体の表面に塗工するスラリー塗工工程を実施する。スラリー塗工工程では、スラリー調製工程で調製したスラリーを正極集電体に塗工し、乾燥させて正極合剤層を形成する。スラリー塗工工程では、ダイコーター、グラビアコーター、ドクターブレード等の一般的な塗工手段を用いることができる。
Next, a slurry coating step is performed in which the slurry containing the positive electrode
次に、正極合剤層を圧縮して正極104を形成する圧縮・成形工程を実施する。圧縮・成形工程では、まず、正極合剤層が形成された正極集電体を、例えば、ロールプレス等の圧縮手段によって所定の圧力を負荷して圧縮し、正極合剤層を成形する。圧縮成形後の正極合剤層の厚さは、例えば、100μm以上かつ300μm以下程度になる。その後、正極合剤層を形成した正極集電体を所望の形状に裁断又は打ち抜くことでリチウムイオン二次電池100の正極104を作製することができる。以上により、直流内部抵抗が小さく、高い放電容量を有するリチウムイオン二次電池100を実現する正極104を好適に製造することができる。
Next, a compression / molding process for compressing the positive electrode mixture layer to form the
リチウムイオン二次電池100の負極105を作製する際には、まず、負極集電体と、負極活物質と、導電剤と、バインダと、バインダの溶媒とを用意する。なお、負極105の製造に用いる導電剤、バインダ、及び溶媒は、正極104と同様のものを用いることができる。なお、負極105の製造工程において、導電材は省略してもよい。
When the
負極集電体としては、例えば、厚さが5μm以上かつ20μm以下程度の銅箔又はニッケル箔等を用いることができる。また、負極集電体は、エキスパンドメタル、パンチングメタル等の形態であってもよい。 As the negative electrode current collector, for example, a copper foil or nickel foil having a thickness of about 5 μm to about 20 μm can be used. The negative electrode current collector may be in the form of expanded metal, punching metal, or the like.
負極活物質としては、一般的なリチウムイオン二次電池の負極に用いられる負極活物質であれば特に限定されないが、例えば、グラファイト、コークス、熱分解炭素、炭素繊維、ハードカーボン、アモルファスカーボン等の炭素材料や、チタン酸リチウムに代表されるSi、Ti、Sn等とのリチウム金属酸化物や、Si、As、Al、Sn、Sb、Pb、In、Ga、アルカリ土類金属等の元素とリチウムとの合金や、金属リチウムや、これらを複合化した材料を用いることができる。 The negative electrode active material is not particularly limited as long as it is a negative electrode active material used for a negative electrode of a general lithium ion secondary battery. For example, graphite, coke, pyrolytic carbon, carbon fiber, hard carbon, amorphous carbon, etc. Carbon materials, lithium metal oxides such as Si, Ti, Sn and the like typified by lithium titanate, elements such as Si, As, Al, Sn, Sb, Pb, In, Ga, alkaline earth metals and lithium Alloy, metallic lithium, or a composite material of these can be used.
次に、負極105の製造工程においても、前述の正極104の製造工程と同様に、スラリー調製工程、スラリー塗工工程及び圧縮・成形工程を実施する。なお、負極105に導電剤を含有させる場合には、スラリー調製工程において、所望の量の導電材を秤量して、負極活物質及びバインダと共に混合すればよい。圧縮・成形工程を経た負極105の負極合剤層の厚さは、例えば、20μm以上かつ70μm以下程度になる。
Next, also in the manufacturing process of the
以上のように作製された正極104及び負極105を備える本実施形態のリチウムイオン二次電池100は、密閉蓋103及び電池缶101の底部101bを介して外部の発電機や電力供給装置から供給された電力を、正極104と負極105との間に充電する。また、リチウムイオン二次電池100は、正極104と負極105との間に充電した電力を、密閉蓋103及び電池缶101の底部101bを介して電力を消費する外部の装置に供給する。
The lithium ion
ここで、本実施形態のリチウムイオン二次電池100の正極104は、正極合剤層に前述の本実施形態の正極活物質10を含んでいる。そして、本実施形態の正極活物質10は、前記組成式(1)で表わされるNi含有量の高い層状構造を有する化合物からなる粒子内部1Aと、前記組成式(2)で表されるLi過剰の層状構造を有する化合物からなる粒子表層部1Bと、を有する粒子1からなっている。
Here, the
このように、正極活物質10の粒子内部1AがNi含有量の高い層状構造を有する化合物からなり、Ni組成比が0.7以上かつ0.9以下の高い比率になっていることで、リチウムイオン二次電池100の高エネルギー密度化を実現することができる。
Thus, the inside 1A of the particles of the positive electrode
また、正極活物質10の粒子表層部1Bは、Li組成比が1.01以上のLi過剰の層状構造を有する化合物からなり、Ni組成比が0.1以上かつ0.4以下の低い比率になっている。これにより、粒子1表面におけるLi成分の析出を抑制するとともに、Li成分を粒子表層部1Bに取り込み、粒子1を純水に分散させたときのLi成分の溶出を抑制し、析出成分が溶出した溶液のpHの上昇を抑制し、アルカリ性を弱めることができる。
Further, the particle
正極活物質10がこのような性質を有することで、正極合剤層に正極活物質10を含む正極104を備えるリチウムイオン二次電池100において、電解液の分解を抑制することができる。したがって、本実施形態の正極活物質10及びリチウムイオン二次電池100によれば、充放電のサイクル数の経過に伴う正極容量の低下を抑制し、サイクル特性が改善することができる。
When the positive electrode
以上のように、本実施形態の正極活物質10及びリチウムイオン二次電池100によれば、正極活物質10の粒子1の粒子内部1AがNi含有量の高い層状構造を有する化合物からなることによって、リチウムイオン二次電池100の高エネルギー密度化を実現し、かつ粒子表層部1BがLi過剰の層状構造を有する化合物からなることによってリチウムイオン二次電池100のサイクル特性を改善することができる。
As described above, according to the positive electrode
また、正極活物質10は、粒子1を純水に0.1質量%の比率で分散させたときのpH、すなわち粒子1の表面の析出物が溶出した溶液のpHが、10.0以下になる性質を有している。そのため、正極104を作製する際に正極活物質10を含むスラリーのアルカリ性が強まるのを抑制することができ、スラリーのゲル化を抑制することができる。したがって、正極活物質10と、導電材と、バインダとがより均一に混合されたスラリーを調製して、より均一な正極合剤層を形成することができ、リチウムイオン二次電池100の高エネルギー密度化とサイクル特性の改善に寄与することができる。なお、粒子1を純水に0.1質量%の比率で分散させたときのpHは、9以上になる。
In addition, the positive electrode
以上説明したように、本実施形態の正極活物質10及びリチウムイオン二次電池100によれば、リチウムイオン二次電池の高エネルギー密度化とサイクル特性の改善を両立することができる。また、本実施形態の正極活物質10の製造方法は、本実施形態の正極活物質10の製造に好適である。
As described above, according to the positive electrode
以上、図面を用いて本発明の実施の形態を詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。 The embodiment of the present invention has been described in detail with reference to the drawings, but the specific configuration is not limited to this embodiment, and there are design changes and the like without departing from the gist of the present invention. They are also included in the present invention.
[実施例]
以下、本発明のリチウムイオン二次電池用正極活物質及びその製造方法並びにリチウムイオン二次電池の実施例について、本発明と異なる比較例と比較しつつ説明する。
[Example]
Examples of the positive electrode active material for a lithium ion secondary battery, a method for producing the same, and a lithium ion secondary battery of the present invention will be described below in comparison with comparative examples different from the present invention.
(実施例1)
前述の実施形態で説明した図3に示す内部粒子1aを以下の手順で製造した。まず、原料の炭酸リチウム、炭酸ニッケル、炭酸マンガン、炭酸コバルトを、Li:Ni:Mn:Coが、モル濃度比で、1.0:0.8:0.1:0.1となるように秤量し、これらを湿式粉砕及び混合して原料粉末を調製した。得られた原料粉末を、エバポレータを用いて真空乾燥した後、高純度アルミナ容器に投入し、酸素気流下において600℃で12時間の仮焼成を行った。
Example 1
The
次に、得られた仮焼成体を空冷し、解砕した後、再び高純度アルミナ容器に投入して、酸素気流下において850℃で8時間の本焼成を行った。そして、得られた焼成体を空冷し、解砕及び分級し、内部粒子1aを得た。得られた内部粒子1aの分析を行ったところ、下記組成式(1)を満たす組成式:Li1.0Ni0.8Mn0.1Co0.1O2.0が得られ、内部粒子1aがNi含有量の高い層状構造を有する化合物からなることが確認された。また、内部粒子1aの粒径を電子顕微鏡で測定したところ、約1μmであった。
Next, after the obtained calcined product was air-cooled and crushed, it was again put into a high-purity alumina container and subjected to main firing at 850 ° C. for 8 hours under an oxygen stream. And the obtained sintered body was air-cooled, crushed and classified to obtain
Li1+aNibMncCodMeO2 …(1)
Li 1 + a Ni b Mn c Co d
ただし、組成式(1)中、Mは、Mg、Al、Ti、Zr、Mo、Nbからなる群より選択される少なくとも1種の元素であり、a、b、c、d及びeは、0.9≦a+b+c+d+e≦1.1、−0.1≦a≦0.2、0.7≦b≦0.9、0≦c≦0.35、0.05≦d≦0.3、及び0≦e≦0.35を満たす数値である。 However, in the composition formula (1), M is at least one element selected from the group consisting of Mg, Al, Ti, Zr, Mo, and Nb, and a, b, c, d, and e are 0 .9 ≦ a + b + c + d + e ≦ 1.1, −0.1 ≦ a ≦ 0.2, 0.7 ≦ b ≦ 0.9, 0 ≦ c ≦ 0.35, 0.05 ≦ d ≦ 0.3, and 0 It is a numerical value satisfying ≦ e ≦ 0.35.
次に、前述の実施形態で説明した図3に示す表層粒子1bを以下の手順で製造した。まず、原料の炭酸リチウム、炭酸ニッケル、炭酸マンガンを、Li:Ni:Mnが、モル濃度比で、1.2:0.2:0.6となるように秤量し、これらを湿式粉砕及び混合して原料粉末を調製した。得られた原料粉末を、エバポレータを用いて真空乾燥した後、高純度アルミナ容器に投入し、空気気流下において700℃で12時間の焼成を行った。
Next, the
そして、得られた焼成体を空冷し、解砕及び分級し、表層粒子1bを得た。得られた表層粒子1bの分析を行ったところ、下記組成式(2)を満たす組成式:Li1.2Ni0.2Mn0.6O2.0が得られ、表層粒子1bがLi過剰の層状構造を有する化合物からなることが確認された。また、表層粒子1bの粒径を電子顕微鏡で測定したところ、約50nmであった。
And the obtained sintered body was air-cooled, crushed and classified to obtain
Li1+wNixMnyMzO2 …(2) Li 1 + w Ni x Mn y M z O 2 (2)
ただし、組成式(2)中、Mは、Mg、Al、Ti、Zr、Mo、Nbからなる群より選択される少なくとも1種の元素であり、w、x、y及びzは、0.9≦w+x+y+z=1.1、0.01≦w≦0.3、0.1≦x≦0.4、0.35≦y≦0.6、及び0≦z≦0.2を満たす数値である。 However, in composition formula (2), M is at least one element selected from the group consisting of Mg, Al, Ti, Zr, Mo, and Nb, and w, x, y, and z are 0.9. ≦ w + x + y + z = 1.1, 0.01 ≦ w ≦ 0.3, 0.1 ≦ x ≦ 0.4, 0.35 ≦ y ≦ 0.6, and 0 ≦ z ≦ 0.2 .
次に、内部粒子1aと表層粒子1bとを、質量比が0.95:0.05となるように秤量し、遊星ボールミル中にて水に分散させた状態で混合することで、図2に示す混合工程S1を実施した。混合速度は100rpmとし、混合時間は3時間とした。混合後の分散媒を、エバポレータを用いて真空乾燥した後、高純度アルミナ容器に投入し、酸素気流下において800℃で1時間の熱処理を行うことで、図2に示す熱処理工程S2を実施した。その結果、図1に示す粒子1からなる正極活物質10が得られた。粒子1の粒径を電子顕微鏡によって測定したところ、約1μmであった。
Next, the
次に、得られた正極活物質10の粒子1の結晶構造を分析した。X線回折装置(株式会社リガク製 RINTIII)を用い、CuKα線を用いて測定した結果、R3−mに帰属する層状構造のピークが確認できた。また、正極活物質10の粒子1を純水10g(10ml)に対して0.01gの比率で分散させ、分散してから5分後にpHメーターを用いて分散媒のpHを測定した。その結果、分散媒のpHは、9.5であった。
Next, the crystal structure of the
次に、正極活物質10のBET比表面積を測定した。自動比表面積/細孔分布測定装置(日本ベル株式会社製 BELSORP−mini)を用い、吸脱着等温曲線からLangmuir法によって比表面積を算出した。その結果、正極活物質10のBET比表面積は、0.6m2/gであった。
Next, the BET specific surface area of the positive electrode
次に、得られた正極活物質10を用いてリチウムイオン二次電池を作製した。まず、90質量部の正極活物質10と、6質量部の導電材と、4質量部の結着剤とを溶媒中で混合し、プラネタリーミキサを用いて3時間撹拌してスラリーを調製した。なお、導電材としては、炭素粒子の粉末、結着剤としては、ポリフッ化ビニリデン、溶媒としては、N−メチルピロリドンを用いた。
Next, a lithium ion secondary battery was produced using the obtained positive electrode
次に、得られたスラリーを、ブレードコーターによって厚さ15μmのアルミニウム箔である正極集電体の片面に塗布、乾燥させ、ロールプレスを用いて、密度が2.70g/cm3となるように加圧、成形して正極合剤層を形成した。その後、正極合剤層が形成された正極集電体を直径15mmの円板状に打ち抜き、リチウムイオン二次電池用正極とした。 Next, the obtained slurry is applied to one side of a positive electrode current collector, which is an aluminum foil having a thickness of 15 μm, by a blade coater, dried, and using a roll press, the density is 2.70 g / cm 3. The positive electrode mixture layer was formed by pressurization and molding. Thereafter, the positive electrode current collector on which the positive electrode mixture layer was formed was punched into a disk shape having a diameter of 15 mm to obtain a positive electrode for a lithium ion secondary battery.
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、実施例1に係るリチウムイオン二次電池を作製した。 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. A secondary battery was produced.
次に、作製したリチウムイオン二次電池について、充放電試験を行い、充放電サイクル特性を評価した。なお、充放電試験は、25℃の環境温度下行った。リチウムイオン二次電池の充放電サイクル特性については、以下の手順で求めた。リチウムイオン二次電池を、1C相当の電流で上限電圧4.3Vまで定電流低電圧充電し、10分間の休止の後、1C相当の定電流で下限電圧3.3Vまで放電した。リチウムイオン二次電池の初期放電容量は、185Ah/kgであった。この充放電サイクルを計50サイクル繰り返し、リチウムイオン二次電池の初回の放電容量に対する50サイクル目の放電容量の比を評価した。その結果、実施例1に係るリチウムイオン二次電池の50サイクル後の容量維持率は90%であった。実施例1の結果を、表1に示す。 Next, the produced lithium ion secondary battery was subjected to a charge / discharge test to evaluate charge / discharge cycle characteristics. The charge / discharge test was performed at an environmental temperature of 25 ° C. The charge / discharge cycle characteristics of the lithium ion secondary battery were determined by the following procedure. The lithium ion secondary battery was charged at a constant current and low voltage up to an upper limit voltage of 4.3 V at a current corresponding to 1 C, and after a pause of 10 minutes, was discharged to a lower limit voltage of 3.3 V at a constant current equivalent to 1 C. The initial discharge capacity of the lithium ion secondary battery was 185 Ah / kg. This charge / discharge cycle was repeated 50 times in total, and the ratio of the discharge capacity at the 50th cycle to the initial discharge capacity of the lithium ion secondary battery was evaluated. As a result, the capacity retention rate after 50 cycles of the lithium ion secondary battery according to Example 1 was 90%. The results of Example 1 are shown in Table 1.
(実施例2)
内部粒子1aは、実施例1で作成したものを用意した。次に、表層粒子1bを以下の手順によって作製した。原料の炭酸リチウム、炭酸ニッケル、炭酸マンガンを、Li:Mnが、モル濃度比で、1:2となるように秤量し、これらを湿式粉砕及び混合して原料粉末を調製した。得られた原料粉末を、エバポレータを用いて真空乾燥した後、高純度アルミナ容器に投入し、空気気流下において700℃で12時間の焼成を行った。
(Example 2)
The
そして、得られた焼成体を空冷し、解砕及び分級し、表層粒子1bを得た。実施例1と同様に、得られた表層粒子1bの分析を行ったところ、前記組成式(2)を満たす組成式:Li1.33Mn0.67O2.0が得られ、表層粒子1bがLi過剰の層状構造を有する化合物からなることが確認された。また、表層粒子1bの粒径を電子顕微鏡で測定したところ、約50nmであった。
And the obtained sintered body was air-cooled, crushed and classified to obtain
次に、内部粒子1aと表層粒子1bとを、実施例1と同様に秤量し、混合工程S1及び熱処理工程S2を実施することで、図1に示す粒子1からなる実施例2の正極活物質10が得られた。得られた正極活物質10の粒子1の粒径を電子顕微鏡によって測定したところ、約1μmであった。次に、実施例1と同様に、得られた実施例2の正極活物質10の粒子1の結晶構造を分析したところ、R3−mに帰属する層状構造のピークが確認できた。また、実施例1と同様の条件で、実施例2の正極活物質10の粒子1を純水に分散させて分散媒のpHを測定したところ、分散媒のpHは、9.5であった。また、実施例1と同様に、実施例2の正極活物質10のBET比表面積を測定したところ、BET比表面積は0.6m2/gであった。
Next, the
次に、実施例1と同様に、実施例2の正極活物質10を用いて実施例2のリチウムイオン二次電池を作製した。そして、実施例1と同様に、実施例2のリチウムイオン二次電池の充放電試験を行い、充放電サイクル特性の評価を行った。実施例2のリチウムイオン二次電池の初期放電容量は、182Ah/kgであり、50サイクル後の容量維持率は89%であった。実施例2の結果を、表1に示す。
Next, similarly to Example 1, a lithium ion secondary battery of Example 2 was produced using the positive electrode
(実施例3)
原料の比率のみを変えて、実施例1と同様に内部粒子1aを作製した。原料の炭酸リチウム、炭酸ニッケル、炭酸コバルト、炭酸マンガンは、Li:Ni:Mn:Coが、モル濃度比で、1.03:0.8:0.05:0.15となるように秤量した。実施例1と同様に、得られた内部粒子1aの分析を行ったところ、前記組成式(1)を満たす組成式:Li1.00Ni0.80Mn0.05Co0.15O2.00が得られ、内部粒子1aがNi含有量の高い層状構造を有する化合物からなることが確認された。また、内部粒子1aの粒径を電子顕微鏡で測定したところ、約1μmであった。表層粒子1bは、実施例1で作製したものを用意した。
(Example 3)
次に、内部粒子1aと表層粒子1bとを、実施例1と同様に秤量し、混合工程S1及び熱処理工程S2を実施することで、図1に示す粒子1からなる実施例3の正極活物質10が得られた。得られた正極活物質10の粒子1の粒径を電子顕微鏡によって測定したところ、約1μmであった。次に、実施例1と同様に、実施例3の正極活物質10の粒子1の結晶構造を分析したところ、R3−mに帰属する層状構造のピークが確認できた。また、実施例1と同様の条件で、実施例3の正極活物質10の粒子1を純水に分散させて分散媒のpHを測定したところ、分散媒のpHは、9.6であった。また、実施例1と同様に、実施例3の正極活物質10のBET比表面積を測定したところ、BET比表面積は0.7m2/gであった。
Next, the
次に、実施例1と同様に、実施例3の正極活物質10を用いて実施例3のリチウムイオン二次電池を作製した。そして、実施例1と同様に、実施例3のリチウムイオン二次電池の充放電試験を行い、充放電サイクル特性の評価を行った。実施例3のリチウムイオン二次電池の初期放電容量は、184Ah/kgであり、50サイクル後の容量維持率は92%であった。実施例3の結果を、表1に示す。
Next, similarly to Example 1, a lithium ion secondary battery of Example 3 was fabricated using the positive electrode
(実施例4)
実施例3で作製した内部粒子1aと、実施例2で作製した表層粒子1bとを用意し、内部粒子1aと表層粒子1bとを、実施例1と同様に秤量し、混合工程S1及び熱処理工程S2を実施することで、図1に示す粒子1からなる実施例4の正極活物質10が得られた。得られた正極活物質10の粒子1の粒径を電子顕微鏡によって測定したところ、約1μmであった。次に、実施例1と同様に、実施例4の正極活物質10の粒子1の結晶構造を分析したところ、R3−mに帰属する層状構造のピークが確認できた。また、実施例1と同様の条件で、実施例4の正極活物質10の粒子1を純水に分散させて分散媒のpHを測定したところ、分散媒のpHは、9.5であった。また、実施例1と同様に、実施例4の正極活物質10のBET比表面積を測定したところ、BET比表面積は0.6m2/gであった。
Example 4
The
次に、実施例1と同様に、実施例4の正極活物質10を用いて実施例4のリチウムイオン二次電池を作製した。そして、実施例1と同様に、実施例4のリチウムイオン二次電池の充放電試験を行い、充放電サイクル特性の評価を行った。実施例4のリチウムイオン二次電池の初期放電容量は、185Ah/kgであり、50サイクル後の容量維持率は91%であった。実施例4の結果を、表1に示す。
Next, similarly to Example 1, a lithium ion secondary battery of Example 4 was produced using the positive electrode
(比較例1)
実施例1で作製したNi含有量の高い層状構造を有する化合物からなる内部粒子1aのみを、比較例1の正極活物質として用いた。実施例1と同様の条件で、比較例1の正極活物質の粒子(内部粒子1a)を純水に分散させて分散媒のpHを測定したところ、分散媒のpHは、10.2であった。また、実施例1と同様に、内部粒子1aのみからなる比較例1の正極活物質のBET比表面積を測定したところ、BET比表面積は0.4m2/gであった。
(Comparative Example 1)
Only the
次に、実施例1と同様に、比較例1の正極活物質を用いて比較例1のリチウムイオン二次電池を作製した。そして、実施例1と同様に、比較例1のリチウムイオン二次電池の充放電試験を行い、充放電サイクル特性の評価を行った。比較例1のリチウムイオン二次電池の初期放電容量は、184Ah/kgであり、50サイクル後の容量維持率は77%であった。比較例1の結果を、表1に示す。 Next, similarly to Example 1, a lithium ion secondary battery of Comparative Example 1 was produced using the positive electrode active material of Comparative Example 1. And similarly to Example 1, the charging / discharging test of the lithium ion secondary battery of the comparative example 1 was done, and the charging / discharging cycling characteristics were evaluated. The initial discharge capacity of the lithium ion secondary battery of Comparative Example 1 was 184 Ah / kg, and the capacity retention rate after 50 cycles was 77%. The results of Comparative Example 1 are shown in Table 1.
(比較例2)
実施例1で作製したNi含有量の高い層状構造を有する化合物からなる内部粒子1aのみを、純水10g(10ml)に対して1gの比率で分散させ、その後、真空乾燥させたものを、比較例2の正極活物質として用いた。実施例1と同様の条件で、比較例2の正極活物質の粒子(内部粒子1a)を純水に分散させて分散媒のpHを測定したところ、分散媒のpHは、10.7であった。また、実施例1と同様に、内部粒子1aのみからなる比較例2の正極活物質のBET比表面積を測定したところ、BET比表面積は0.3m2/gであった。
(Comparative Example 2)
Comparison was made by dispersing only the
次に、実施例1と同様に、比較例2の正極活物質を用いて比較例2のリチウムイオン二次電池を作製した。そして、実施例1と同様に、比較例2のリチウムイオン二次電池の充放電試験を行い、充放電サイクル特性の評価を行った。比較例2のリチウムイオン二次電池の初期放電容量は、178Ah/kgであり、50サイクル後の容量維持率は60%であった。比較例2の結果を、表1に示す。 Next, similarly to Example 1, a lithium ion secondary battery of Comparative Example 2 was produced using the positive electrode active material of Comparative Example 2. And similarly to Example 1, the charging / discharging test of the lithium ion secondary battery of the comparative example 2 was done, and the charging / discharging cycling characteristics were evaluated. The initial discharge capacity of the lithium ion secondary battery of Comparative Example 2 was 178 Ah / kg, and the capacity retention rate after 50 cycles was 60%. The results of Comparative Example 2 are shown in Table 1.
(比較例3)
実施例3で作製したNi含有量の高い層状構造を有する化合物からなる内部粒子1aのみを、比較例3の正極活物質として用いた。実施例1と同様の条件で、比較例3の正極活物質の粒子(内部粒子1a)を純水に分散させて分散媒のpHを測定したところ、分散媒のpHは、10.2であった。また、実施例1と同様に、内部粒子1aのみからなる比較例3の正極活物質のBET比表面積を測定したところ、BET比表面積は0.4m2/gであった。
(Comparative Example 3)
Only the
次に、実施例1と同様に、比較例3の正極活物質を用いて比較例3のリチウムイオン二次電池を作製した。そして、実施例1と同様に、比較例3のリチウムイオン二次電池の充放電試験を行い、充放電サイクル特性の評価を行った。比較例3のリチウムイオン二次電池の初期放電容量は、183Ah/kgであり、50サイクル後の容量維持率は70%であった。比較例3の結果を、表1に示す。 Next, similarly to Example 1, a lithium ion secondary battery of Comparative Example 3 was fabricated using the positive electrode active material of Comparative Example 3. And similarly to Example 1, the charging / discharging test of the lithium ion secondary battery of the comparative example 3 was done, and the charging / discharging cycling characteristics were evaluated. The initial discharge capacity of the lithium ion secondary battery of Comparative Example 3 was 183 Ah / kg, and the capacity retention rate after 50 cycles was 70%. The results of Comparative Example 3 are shown in Table 1.
以上の実施例1から4及び比較例1から3の結果を示す表1を参照すると、Ni含有量の高い層状構造を有する化合物からなる粒子内部1AとLi過剰の層状構造を有する化合物からなる粒子表層部1Bとを有する粒子1からなる正極活物質10を用いた実施例1から4では、正極活物質10の粒子1を純水に分散させた分散媒のpHが10以下でありアルカリ性を十分に弱めることができた。これに対し、正極活物質としてNi含有量の高い層状構造を有する化合物からなる内部粒子1aのみを用いた比較例1から3では、正極活物質の粒子を純水に分散させた分散媒のpHが10を超え、アルカリ性を十分に低下させることができなかった。
Referring to Table 1 showing the results of Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 3 described above,
また、実施例1から4では、正極活物質10のBET比表面積を0.6m2/kg以上にすることができたのに対し、比較例1から3では、BET比表面積が0.4m2/kg以下に低下した。また、実施例1から4及び比較例1から3では、初期充放電容量に大きな差異は見られなかったが、実施例1から4では50サイクル後の容量維持率が89%以上の高い割合であったのに対し、比較例1から3では50サイクル後の容量維持率が77%以下に低下した。
Moreover, in Examples 1 to 4, the BET specific surface area of the positive electrode
以上の結果から、実施例1から3に係る正極活物質及びリチウムイオン二次電池によれば、リチウムイオン二次電池の高エネルギー密度化とサイクル特性の改善を両立することができることが確認できた。 From the above results, it was confirmed that the positive electrode active material and the lithium ion secondary battery according to Examples 1 to 3 can achieve both high energy density and improved cycle characteristics of the lithium ion secondary battery. .
1 粒子、1A 粒子内部、1a 内部粒子、1B 粒子表層部、1b 表層粒子、10 正極活物質、100 リチウムイオン二次電池、104 正極、S1 混合工程、S2 熱処理工程 1 particle, 1A particle inside, 1a inside particle, 1B particle surface layer part, 1b surface layer particle, 10 positive electrode active material, 100 lithium ion secondary battery, 104 positive electrode, S1 mixing step, S2 heat treatment step
Claims (5)
組成式(1)で表わされる層状構造を有する化合物からなる粒子内部と、組成式(2)で表される層状構造を有する化合物からなる粒子表層部と、を有する粒子からなることを特徴とするリチウムイオン二次電池用正極活物質。
Li1+aNibMncCodMeO2 …(1)
Li1+wNixMnyMzO2 …(2)
ただし、組成式(1)及び(2)中、Mは、Mg、Al、Ti、Zr、Mo、Nbからなる群より選択される少なくとも1種の元素であり、
組成式(1)中、a、b、c、d及びeは、0.9≦a+b+c+d+e≦1.1、−0.1≦a≦0.2、0.7≦b≦0.9、0≦c≦0.35、0.05≦d≦0.3、及び0≦e≦0.35を満たす数値であり、
組成式(2)中、w、x、y及びzは、0.9≦w+x+y+z≦1.1、0.01≦w≦0.3、0.1≦x≦0.4、0.35≦y≦0.6、及び0≦z≦0.2を満たす数値である。 A positive electrode active material for a lithium ion secondary battery,
It is characterized by comprising particles having a particle interior comprising a compound having a layered structure represented by the composition formula (1) and a particle surface layer portion comprising a compound having a layered structure represented by the composition formula (2). Positive electrode active material for lithium ion secondary batteries.
Li 1 + a Ni b Mn c Co d M e O 2 ... (1)
Li 1 + w Ni x Mn y M z O 2 (2)
However, in the composition formulas (1) and (2), M is at least one element selected from the group consisting of Mg, Al, Ti, Zr, Mo, and Nb.
In the composition formula (1), a, b, c, d and e are 0.9 ≦ a + b + c + d + e ≦ 1.1, −0.1 ≦ a ≦ 0.2, 0.7 ≦ b ≦ 0.9, 0 ≦ c ≦ 0.35, 0.05 ≦ d ≦ 0.3, and a numerical value satisfying 0 ≦ e ≦ 0.35,
In the composition formula (2), w, x, y and z are 0.9 ≦ w + x + y + z ≦ 1.1, 0.01 ≦ w ≦ 0.3, 0.1 ≦ x ≦ 0.4, 0.35 ≦. It is a numerical value satisfying y ≦ 0.6 and 0 ≦ z ≦ 0.2.
組成式(1)で表わされる層状構造を有する化合物からなる内部粒子と、該内部粒子よりも粒径が小さく、組成式(2)で表される層状構造を有する化合物からなる表層粒子と、を混合する混合工程と、
前記混合工程で得られた混合物を、700℃以上かつ850℃以下の温度で熱処理することで、前記組成式(1)で表わされる層状構造を有する化合物からなる粒子内部と、前記組成式(2)で表される層状構造を有する化合物からなる粒子表層部と、を有する粒子を形成する熱処理工程と、
を有することを特徴とするリチウムイオン二次電池用正極活物質の製造方法。
Li1+aNibMncCodMeO2 …(1)
Li1+wNixMnyMzO2 …(2)
ただし、組成式(1)及び(2)中、Mは、Mg、Al、Ti、Zr、Mo、Nbからなる群より選択される少なくとも1種の元素であり、
組成式(1)中、a、b、c、d及びeは、0.9≦a+b+c+d+e≦1.1、−0.1≦a≦0.2、0.7≦b≦0.9、0≦c≦0.35、0.05≦d≦0.3、及び0≦e≦0.35を満たす数値であり、
組成式(2)中、w、x、y及びzは、0.9≦w+x+y+z≦1.1、0.01≦w≦0.3、0.1≦x≦0.4、0.35≦y≦0.6、及び0≦z≦0.2を満たす数値である。 A method for producing a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery, comprising:
Internal particles composed of a compound having a layered structure represented by the composition formula (1), and surface layer particles composed of a compound having a particle size smaller than the inner particles and represented by the composition formula (2). A mixing step of mixing;
By heat-treating the mixture obtained in the mixing step at a temperature of 700 ° C. or higher and 850 ° C. or lower, the inside of the particle composed of the compound having a layered structure represented by the composition formula (1), and the composition formula (2 And a particle surface layer portion composed of a compound having a layered structure represented by:
The manufacturing method of the positive electrode active material for lithium ion secondary batteries characterized by having.
Li 1 + a Ni b Mn c Co d M e O 2 ... (1)
Li 1 + w Ni x Mn y M z O 2 (2)
However, in the composition formulas (1) and (2), M is at least one element selected from the group consisting of Mg, Al, Ti, Zr, Mo, and Nb.
In the composition formula (1), a, b, c, d and e are 0.9 ≦ a + b + c + d + e ≦ 1.1, −0.1 ≦ a ≦ 0.2, 0.7 ≦ b ≦ 0.9, 0 ≦ c ≦ 0.35, 0.05 ≦ d ≦ 0.3, and a numerical value satisfying 0 ≦ e ≦ 0.35,
In the composition formula (2), w, x, y and z are 0.9 ≦ w + x + y + z ≦ 1.1, 0.01 ≦ w ≦ 0.3, 0.1 ≦ x ≦ 0.4, 0.35 ≦. It is a numerical value satisfying y ≦ 0.6 and 0 ≦ z ≦ 0.2.
前記正極合剤層は、請求項1から3のいずれか一項に記載のリチウムイオン二次電池用正極活物質を含む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 a positive electrode having a positive electrode current collector and a positive electrode mixture layer formed on the surface of the positive electrode current collector,
The said positive mix layer contains the positive electrode active material for lithium ion secondary batteries as described in any one of Claim 1 to 3, The lithium ion secondary battery characterized by the above-mentioned.
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