JP2016167446A - Lithium secondary battery - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To suppress increase of resistance caused by the charging/discharging cycle of a lithium secondary battery using a "lithium excess type" positive electrode active material.SOLUTION: In a lithium secondary battery including a positive electrode, a negative electrode and nonaqueous electrolyte, the positive electrode has an α-NaFeOstructure, contains Co, Ni and Mn as transition metal Me, and contains a positive electrode active material in which at least one kind of element selected from Al, Zr and Ti exists on the particle surfaces of lithium-transition metal composite oxide of a molar ratio Li/Me>1 and a molar ratio Mn/Me>0.5. The negative electrode contains a negative electrode active material comprising a carbon material, sulfur existing on the negative electrode, and the nonaqueous electrolyte containing fluoroethylene carbonate.SELECTED DRAWING: None

Description

本発明は、正極活物質としてリチウム遷移金属複合酸化物、負極活物質として炭素を用いたリチウム二次電池、特に、その中でも、特定の電解液を用いたリチウム二次電池に関する。   The present invention relates to a lithium secondary battery using a lithium transition metal composite oxide as a positive electrode active material and carbon as a negative electrode active material, and particularly relates to a lithium secondary battery using a specific electrolyte.

従来、リチウム二次電池用正極活物質として、α−NaFeO型結晶構造を有する「LiMeO型」活物質(Meは遷移金属)が検討され、LiCoOを用いたリチウム二次電池が広く実用化されていた。しかし、LiCoOの放電容量は120〜130mAh/g程度であった。前記Meとして、地球資源として豊富なMnを用いることが望まれてきた。しかし、MeとしてMnを含有させた「LiMeO型」活物質は、Meに対するMnのモル比Mn/Meが0.5を超える場合には、充電をするとスピネル型へと構造変化が起こり、結晶構造が維持できないため、充放電サイクル性能が著しく劣るという問題があった。 Conventionally, as a positive electrode active material for a lithium secondary battery, a “LiMeO 2 type” active material (Me is a transition metal) having an α-NaFeO 2 type crystal structure has been studied, and lithium secondary batteries using LiCoO 2 have been widely put into practical use. It was converted. However, the discharge capacity of LiCoO 2 was about 120 to 130 mAh / g. As Me, it has been desired to use abundant Mn as a global resource. However, the “LiMeO 2 type” active material containing Mn as Me, when the molar ratio of Mn to Me, Mn / Me exceeds 0.5, the structure changes to spinel type when charged, Since the structure could not be maintained, there was a problem that the charge / discharge cycle performance was extremely inferior.

そこで、Meに対するMnのモル比Mn/Meが0.5以下であり、充放電サイクル性能の点でも優れる「LiMeO型」活物質が種々提案され、一部実用化されている。例えば、LiNi1/2Mn1/2やLiCo1/3Ni1/3Mn1/3は、150〜180mAh/gの放電容量を有する。 Accordingly, various “LiMeO 2 type” active materials having a Mn to Me molar ratio Mn / Me of 0.5 or less and excellent in charge / discharge cycle performance have been proposed and partially put into practical use. For example, LiNi 1/2 Mn 1/2 O 2 and LiCo 1/3 Ni 1/3 Mn 1/3 O 2 have a discharge capacity of 150 to 180 mAh / g.

近年、MeとしてNi,Co及びMnを含み、Meに対するMnのモル比Mn/Meが0.5を超えるリチウム遷移金属複合酸化物を含有し、充電をしてもα−NaFeO構造を維持できる正極活物質が提案された(特許文献1及び2参照)。 In recent years, Me contains Ni, Co, and Mn, and a molar ratio of Mn to Me, Mn / Me, containing a lithium transition metal composite oxide exceeding 0.5, can maintain an α-NaFeO 2 structure even when charged. A positive electrode active material has been proposed (see Patent Documents 1 and 2).

特許文献1及び2には、MeとしてNi,Co及びMnを含み、Meに対するMnのモル比Mn/Meが0.5を超える正極活物質を用いた場合、4.3V(vs.Li/Li)を超え4.8V以下(vs.Li/Li)の正極電位範囲に出現する、電位変化が比較的平坦な領域に少なくとも至る充電を行う製造工程を設けることにより、使用時において、充電時の正極の最大到達電位が4.3V(vs.Li/Li)以下又は4.4V(vs.Li/Li)未満である充電方法が採用された場合であっても、200mAh/g以上の放電容量が得られる電池を製造できることが記載されている。 In Patent Documents 1 and 2, when a positive electrode active material containing Ni, Co and Mn as Me and having a molar ratio Mn to Me of Mn / Me exceeding 0.5 is used, 4.3 V (vs. Li / Li + )) And 4.8V or less (vs. Li / Li + ), which appears in the positive electrode potential range, and is charged at the time of use by providing a manufacturing process for charging at least the region where the potential change is relatively flat. Even when a charging method in which the maximum potential of the positive electrode at the time is 4.3 V (vs. Li / Li + ) or less or less than 4.4 V (vs. Li / Li + ) is employed, 200 mAh / g It is described that a battery capable of obtaining the above discharge capacity can be manufactured.

このように、従来の「LiMeO型」正極活物質の場合とは異なり、MeとしてNi,Co及びMnを含み、Meに対するMnのモル比Mn/Meが0.5を超える正極活物質では、少なくとも最初の充電において4.3Vを超える比較的高い電位、特に4.4V以上の電位に至って行うことにより、高い放電容量が得られるという特徴がある。
なお、この正極活物質は、遷移金属(Me)の比率に対するリチウム(Li)の組成比率Li/Meが1より大きく、例えばLi/Meが1.25〜1.6であるように原料を混合して合成されることから、「リチウム過剰型」活物質とも呼ばれ、合成後の組成はLi1+αMe1−α(α>0)と表記できる。ここで、遷移金属(Me)の比率に対するリチウム(Li)の組成比率Li/Meをβとすると、β=(1+α)/(1−α)であるから、例えば、Li/Meが1.5のとき、α=0.2である。
Thus, unlike the case of the conventional “LiMeO 2 type” positive electrode active material, in the positive electrode active material containing Ni, Co and Mn as Me and having a molar ratio of Mn to Me, Mn / Me exceeding 0.5, It is characterized in that a high discharge capacity can be obtained by performing a relatively high potential exceeding 4.3 V, particularly a potential of 4.4 V or higher, at least in the first charge.
In this positive electrode active material, the raw materials are mixed so that the composition ratio Li / Me of lithium (Li) with respect to the ratio of transition metal (Me) is larger than 1, for example, Li / Me is 1.25 to 1.6. Therefore, it is also called a “lithium-excess type” active material, and the composition after synthesis can be expressed as Li 1 + α Me 1-α O 2 (α> 0). Here, when the composition ratio Li / Me of lithium (Li) with respect to the ratio of the transition metal (Me) is β, β = (1 + α) / (1-α), and thus, for example, Li / Me is 1.5. In this case, α = 0.2.

また、上記のような「リチウム過剰型」活物質(リチウム遷移金属複合酸化物)粒子の表面にZr、Ti、及びAlからなる群から選ばれる少なくとも一種の金属元素の酸化物を存在させた正極活物質も公知であり(特許文献3及び4参照)、また、「リチウム過剰型」正極活物質を用いるリチウム二次電池の非水電解液として、フルオロエチレンカーボネートを含むものを用いることも公知である(特許文献4及び5参照)。   Further, a positive electrode in which an oxide of at least one metal element selected from the group consisting of Zr, Ti, and Al is present on the surface of the above-described “lithium-excess” active material (lithium transition metal composite oxide) particles Active materials are also known (see Patent Documents 3 and 4), and it is also known to use a material containing fluoroethylene carbonate as a non-aqueous electrolyte for a lithium secondary battery using a “lithium-rich” positive electrode active material. Yes (see Patent Documents 4 and 5).

特許文献3には、「Li元素と、Ni、Co、およびMnからなる群から選ばれる少なくとも一種の遷移金属元素とを含む(ただし、Li元素のモル量が該遷移金属元素の総モル量に対して1.2倍超である。)リチウム含有複合酸化物の表面に、Zr、Ti、およびAlから選ばれる少なくとも一種の金属元素の酸化物(I)が偏在する粒子(II)からなることを特徴とするリチウムイオン二次電池用の正極活物質。」(請求項1)の発明が記載されている。
また、この発明の課題として「高電圧で充電を行ってもサイクル特性、レート特性に優れるリチウムイオン二次電池用の正極活物質、正極、リチウムイオン二次電池、およびリチウムイオン二次電池用正極活物質の製造方法を提供する」(段落[0007])ことが記載されている。
Patent Document 3 includes “Li element and at least one transition metal element selected from the group consisting of Ni, Co, and Mn (provided that the molar amount of Li element is the total molar amount of the transition metal element). It is more than 1.2 times.) It is composed of particles (II) in which the oxide (I) of at least one metal element selected from Zr, Ti, and Al is unevenly distributed on the surface of the lithium-containing composite oxide. A positive electrode active material for a lithium ion secondary battery characterized by the above. "(Claim 1) is described.
Further, as an object of the present invention, “a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery excellent in cycle characteristics and rate characteristics even when charged at a high voltage, a positive electrode, a lithium ion secondary battery, and a positive electrode for a lithium ion secondary battery” "Provide a method for producing an active material" (paragraph [0007]).

特許文献4には、「正極活物質を含む正極と、負極と、非水溶媒に電解質が溶解されている非水電解液とを備える非水電解液二次電池において、前記正極活物質が、一般式xLi[Li1/3Mn2/3]O2・(1-x)LiMO2 (0<x≦1,MはNi,Co,Mnから選択される一種以上の遷移金属元素)の組成式を有するリチウム含有遷移金属酸化物を含み、前記非水溶媒が、カーボネート環にフッ素原子が直接結合したフッ素化環状カーボネートを含有することを特徴とする非水電解液二次電池。」(請求項1)、「前記フッ素化環状カーボネートが4−フルオロエチレンカーボネートであることを特徴とする請求項1〜請求項7のいずれか1項に記載の非水電解液二次電池。」(請求項8)、「前記正極活物質粒子の表面にAl含有酸化物及び/またはAl含有水酸化物が付着または被覆されていることを特徴とする請求項1〜請求項11のいずれか1項に記載の非水電解液二次電池。」(請求項12)の発明が記載されている。
また、この発明の目的として「初回充電時に酸素を放出するリチウム含有遷移金属酸化物を正極活物質として含む非水電解液二次電池であって、放電容量が高く、かつ高電圧でのサイクル特性に優れた非水電解液二次電池を提供すること」(段落[0011])が記載されている。
In Patent Document 4, "in a non-aqueous electrolyte secondary battery including a positive electrode including a positive electrode active material, a negative electrode, and a non-aqueous electrolyte solution in which an electrolyte is dissolved in a non-aqueous solvent, the positive electrode active material includes: Composition of the general formula xLi [Li 1/3 Mn 2/3 ] O 2 · (1-x) LiMO 2 (0 <x ≦ 1, M is one or more transition metal elements selected from Ni, Co, Mn) A non-aqueous electrolyte secondary battery comprising a lithium-containing transition metal oxide having the formula, wherein the non-aqueous solvent contains a fluorinated cyclic carbonate in which a fluorine atom is directly bonded to a carbonate ring. Item 1), "The non-aqueous electrolyte secondary battery according to any one of claims 1 to 7, wherein the fluorinated cyclic carbonate is 4-fluoroethylene carbonate." 8), “Al-containing oxide and / or Al-containing hydroxide adheres to the surface of the positive electrode active material particles. Others are described invention of the non-aqueous electrolyte secondary battery according to any one of claims 1 to 11, characterized in that it is covered. "(Claim 12).
Further, an object of the present invention is “a nonaqueous electrolyte secondary battery containing a lithium-containing transition metal oxide that releases oxygen at the time of initial charge as a positive electrode active material, having a high discharge capacity and cycle characteristics at a high voltage. To provide a non-aqueous electrolyte secondary battery excellent in (paragraph [0011]).

さらに、特許文献4には、「これらリチウム含有遷移金属酸化物は、リチウム含有遷移金属酸化物の表面を、Alなどの無機化合物の微粒子で覆うことが好ましい。更に、好ましくは、リチウム含有遷移金属酸化物の表面に突起状のAl含有酸化物及び又はAl含有水酸化物が均一に分散されて付着または被覆されていることが好ましい。このような構成にすることにより、高い充電電圧状態での非水電解液の分解が抑制され、より一層、高電圧サイクル特性が向上するためである。」(段落[0028])、「本発明で用いる非水電解液は、非水溶媒としてカーボネート環にフッ素原子が直接結合したフッ素化環状カーボネートを含有する。カーボネート環にフッ素原子が直接結合したフッ素化環状カーボネートとしては、エチレンカーボネートのカーボネート環に結合した水素をフッ素原子に置換したものなどがあり、たとえば、・・・などが挙げられる。なかでも、4−フルオロエチレンカーボネートが、比較的粘度が低く、負極での保護被膜の形成性が高い。」(段落[0034]〜[0036])と記載されている。 Further, Patent Document 4 states that “These lithium-containing transition metal oxides preferably cover the surface of the lithium-containing transition metal oxide with fine particles of an inorganic compound such as Al 2 O 3 . It is preferable that the protruding Al-containing oxide and / or Al-containing hydroxide is uniformly dispersed and adhered or coated on the surface of the transition metal oxide. This is because decomposition of the non-aqueous electrolyte in the state is suppressed and the high voltage cycle characteristics are further improved ”(paragraph [0028]),“ The non-aqueous electrolyte used in the present invention is a non-aqueous solvent. Contains fluorinated cyclic carbonates in which fluorine atoms are directly bonded to the carbonate ring.The fluorinated cyclic carbonates in which fluorine atoms are directly bonded to the carbonate ring include ethylene Examples include those in which hydrogen bonded to the carbonate ring of the carbonate is substituted with a fluorine atom, and the like, for example, etc. Among them, 4-fluoroethylene carbonate has a relatively low viscosity and is a protective film on the negative electrode. Is highly formed ”(paragraphs [0034] to [0036]).

特許文献5には、「正極と、負極と、電解液とを備えるリチウムイオン二次電池であって、前記正極は、正極活物質として下記式(1)で表される化合物を含み、前記電解液は、環状カーボネートと鎖状カーボネートからなる溶媒を含み、前記鎖状カーボネートはメトキシ基を有さない化合物からなり、前記環状カーボネートはフッ素化環状カーボネートを含むことを特徴とするリチウムイオン二次電池。
xLiMO−(1−x)LiAO ・・・(1)
(MはMn,Ti,Zrのうち少なくとも1種以上の元素であり、AはNi,Co,Mn,Fe,Ti,Zr,Al,Mg,Cr,Vのうち少なくとも1種以上の元素であり、0<x<1である。)」(請求項1)、「前記環状カーボネートは、エチレンカーボネート及びプロピレンカーボネートの少なくとも一つを含み、かつ、前記フッ素化環状カーボネートとしてフルオロエチレンカーボネート及びジフルオロエチレンカーボネートの少なくとも一つを含み、前記鎖状カーボネートがジエチルカーボネートであることを特徴とする請求項1に記載のリチウムイオン二次電池。」(請求項2)の発明が記載されている。
また、この発明の目的として「サイクル特性および安定性に優れたリチウムイオン二次電池を提供すること」(段落[0008])が記載されている。
Patent Document 5 states that “a lithium ion secondary battery including a positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte solution, wherein the positive electrode includes a compound represented by the following formula (1) as a positive electrode active material, The liquid includes a solvent composed of a cyclic carbonate and a chain carbonate, the chain carbonate is composed of a compound having no methoxy group, and the cyclic carbonate includes a fluorinated cyclic carbonate. .
xLi 2 MO 3 - (1- x) LiAO 2 ··· (1)
(M is at least one element of Mn, Ti, and Zr, and A is at least one element of Ni, Co, Mn, Fe, Ti, Zr, Al, Mg, Cr, and V. 0 <x <1) ”(Claim 1),“ The cyclic carbonate includes at least one of ethylene carbonate and propylene carbonate, and the fluorinated cyclic carbonate includes fluoroethylene carbonate and difluoroethylene carbonate. The lithium carbonate secondary battery according to claim 1, wherein the chain carbonate is diethyl carbonate ”(claim 2).
Further, “Providing a lithium ion secondary battery excellent in cycle characteristics and stability” (paragraph [0008]) is described as an object of the present invention.

上記のような「リチウム過剰型」正極活物質を用いる非水電解質二次電池(リチウム二次電池)の電解液として、環状スルホン酸化合物を含むものを用いることも公知である(特許文献6参照)。   It is also known to use a non-aqueous electrolyte secondary battery (lithium secondary battery) containing a cyclic sulfonic acid compound as the electrolyte solution of the above-described “lithium-rich” positive electrode active material (see Patent Document 6). ).

特許文献6には、「正極、負極及び非水電解質を備えた非水電解質二次電池であって、前記正極は、α−NaFeO型結晶構造を有し、組成式Li1+αMe1−α(MeはMn、Ni及びCoを含む遷移金属元素、1.0≦(1+α)/(1−α)≦1.6)で表されるリチウム遷移金属複合酸化物を含む正極活物質を含有し、且つ、前記非水電解質は、下記一般式(1)で表される環状スルホン酸化合物を含有していることを特徴とする非水電解質二次電池。・・・」(請求項1)の発明が記載されている。
また、この発明の課題として「α−NaFeO型結晶構造を有し、Co、Ni及びMnを含むリチウム遷移金属複合酸化物を含む正極活物質、中でも『リチウム過剰型』正極活物質を用いた非水電解質二次電池の充放電サイクル性能を、特定の環状スルホン酸化合物を含有する非水電解質より改善すること」(段落[0014])が記載されている。
Patent Document 6 states that “a nonaqueous electrolyte secondary battery including a positive electrode, a negative electrode, and a nonaqueous electrolyte, where the positive electrode has an α-NaFeO 2 type crystal structure and has a composition formula Li 1 + α Me 1-α. A positive electrode active material containing a lithium transition metal composite oxide represented by O 2 (Me is a transition metal element containing Mn, Ni and Co, 1.0 ≦ (1 + α) / (1-α) ≦ 1.6) And the non-aqueous electrolyte contains a cyclic sulfonic acid compound represented by the following general formula (1): a non-aqueous electrolyte secondary battery. ).
Further, as an object of the present invention, “a positive electrode active material having an α-NaFeO 2 type crystal structure and including a lithium transition metal composite oxide containing Co, Ni, and Mn, especially a“ lithium-excess type ”positive electrode active material was used. "Improvement of charge / discharge cycle performance of a nonaqueous electrolyte secondary battery over a nonaqueous electrolyte containing a specific cyclic sulfonic acid compound" (paragraph [0014]) is described.

さらに、特許文献6には、「上記環状スルホン酸化合物の作用機構はかならずしも明確ではない。以下に、ジグリコールサルフェート(DGLST)を含有する非水電解質を用いた場合の充放電サイクル性能改善の推定メカニズムを記載する。α−NaFeO型結晶構造を有し、Mnを含有するリチウム遷移金属複合酸化物を正極活物質として含む正極は、充放電に伴い、正極からMnが電解液中に溶出し、そのMnが負極に到達して、負極上でMnを含む被膜が形成される。このMnを含む被膜が、サイクル特性等の電池の寿命を低下させる原因になっていると考えられる。DGLSTの還元分解電位は約1.1V(vs.Li/Li)であり、他の一般的な溶媒よりも比較的高いため、非水電解質二次電池の初回充電時に他の溶媒に先駆けて、負極上にDGLST由来の被膜が形成される。その還元分解時に、スルホン酸を含む部位が分離し、この部位が、正極からの溶解等により発生するMnを補足することにより、負極上にMnを含む被膜が形成されることを防ぐと推測される。よって、DGLSTを非水電解質に含有させることにより、サイクル特性等の非水電解質二次電池の寿命が改善するものと考えられる。」(段落[0034])、「組成式Li1+αMe1−α(MeはMn、Ni及びCoを含む遷移金属元素、1.0<(1+α)/(1−α)≦1.6)で表されるリチウム遷移金属複合酸化物を含む『Li過剰型』正極活物質に、ジグリコールサルフェート(DGLST)を含有する非水電解質を用いた実施例1〜実施例9の電池は、DGLSTを含まない非水電解質を用いた比較例1の電池と比較して、サイクル容量維持率(充放電サイクル性能)が向上し、サイクル後内部抵抗、放置時内部抵抗が減少することがわかる。・・・1,3−プロペンスルトン(PRS)を含有する非水電解質を用いた比較例4の電池は、含有しない場合と比較して、内部抵抗は改善されるが、サイクル容量維持率は低下し、電池厚みは増加する。」(段落[0102])と記載されている。 Furthermore, Patent Document 6 states that “the mechanism of action of the above cyclic sulfonic acid compound is not always clear. The following is an estimate of charge / discharge cycle performance improvement when a nonaqueous electrolyte containing diglycol sulfate (DGLST) is used. In the positive electrode having a α-NaFeO 2 type crystal structure and containing a lithium transition metal composite oxide containing Mn as a positive electrode active material, Mn is eluted from the positive electrode into the electrolyte during charge and discharge. The Mn reaches the negative electrode, and a film containing Mn is formed on the negative electrode, and this Mn-containing film is considered to be the cause of reducing the battery life such as cycle characteristics. reductive decomposition potential is about 1.1V (vs.Li/Li +), relatively higher than other common solvents, nonaqueous other solvent during the first charge of the electrolyte secondary battery First, a DGLST-derived film is formed on the negative electrode, and at the time of the reductive decomposition, a part containing sulfonic acid is separated, and this part supplements Mn generated by dissolution from the positive electrode. Therefore, it is considered that the life of the non-aqueous electrolyte secondary battery such as cycle characteristics is improved by including DGLST in the non-aqueous electrolyte. (Paragraph [0034]), “composition formula Li 1 + α Me 1-α O 2 (Me is a transition metal element containing Mn, Ni and Co, 1.0 <(1 + α) / (1-α) ≦ 1.6 The batteries of Examples 1 to 9 using a non-aqueous electrolyte containing diglycol sulfate (DGLST) as a “Li-excess type” positive electrode active material containing a lithium transition metal composite oxide represented by DGLST Compared to the battery of Comparative Example 1 using a non-aqueous electrolyte that does not contain, the cycle capacity retention rate (charge / discharge cycle performance) is improved, and the internal resistance after cycling and the internal resistance during standing are reduced.- The battery of Comparative Example 4 using a non-aqueous electrolyte containing 1,3-propene sultone (PRS) is improved in internal resistance as compared with the case where it is not contained, but the cycle capacity maintenance rate is reduced. The battery thickness increases "(paragraph [0102]).

WO2012/091015WO2012 / 091015 WO2013/084923WO2013 / 084923 WO2012/057289WO2012 / 057289 特開2011−34943号公報JP 2011-34943 A 特開2013−206561号公報JP 2013-206561 A 特開2014−89800号公報JP 2014-89800 A

上記のように、「リチウム過剰型」正極活物質の粒子表面に異種元素(Al、Zr、Ti)修飾を行うことにより、また、「リチウム過剰型」正極活物質を用いるリチウム二次電池の電解液として、フルオロエチレンカーボネートや環状スルホン酸化合物を含むものを用いることにより、サイクル特性(充放電サイクル性能)を向上させることは知られているが、充放電サイクル性能の向上は充分ではなかった。また、特許文献6には、「リチウム過剰型」正極活物質を用いるリチウム二次電池の電解液として、環状スルホン酸化合物を含むものを用いることにより、充放電サイクル性能が向上し、抵抗上昇が抑制されることが記載されているが、充放電サイクルに伴う抵抗上昇を抑制する効果は充分ではなかった。
本発明は、上記の従来技術に鑑み、「リチウム過剰型」正極活物質を用いるリチウム二次電池の充放電サイクルに伴う抵抗上昇を抑制することを課題とする。
As described above, the surface of the particles of the “lithium-rich” positive electrode active material is modified with different elements (Al, Zr, Ti), and the electrolysis of the lithium secondary battery using the “lithium-rich” cathode active material. Although it is known to improve cycle characteristics (charge / discharge cycle performance) by using a liquid containing fluoroethylene carbonate or a cyclic sulfonic acid compound as the liquid, the charge / discharge cycle performance has not been sufficiently improved. Patent Document 6 also discloses that the use of a lithium secondary battery electrolyte containing a “lithium-excess type” positive electrode active material containing a cyclic sulfonic acid compound improves charge / discharge cycle performance and increases resistance. Although described as being suppressed, the effect of suppressing the increase in resistance accompanying the charge / discharge cycle was not sufficient.
In view of the above prior art, an object of the present invention is to suppress an increase in resistance associated with a charge / discharge cycle of a lithium secondary battery using a “lithium-rich” positive electrode active material.

本発明においては、上記課題を解決するために、以下の手段を採用する。
(1)正極と負極と非水電解液を備えたリチウム二次電池において、前記正極は、α−NaFeO構造を有し、遷移金属MeとしてCo、Ni及びMnを含み、モル比Li/Me>1、モル比Mn/Me>0.5であるリチウム遷移金属複合酸化物の粒子表面に、Al、Zr、及びTiから選ばれる少なくとも一種が存在する正極活物質を含有し、前記負極は、炭素材料からなる負極活物質を含有し、前記負極上に硫黄が存在し、前記非水電解液は、フルオロエチレンカーボネートを含むことを特徴とするリチウム二次電池。
(2)前記非水電解液に硫黄含有化合物を含むことを特徴とする前記(1)のリチウム二次電池。
In the present invention, in order to solve the above problems, the following means are adopted.
(1) In a lithium secondary battery including a positive electrode, a negative electrode, and a non-aqueous electrolyte, the positive electrode has an α-NaFeO 2 structure, includes Co, Ni, and Mn as transition metals Me, and has a molar ratio of Li / Me > 1, a positive electrode active material in which at least one selected from Al, Zr, and Ti is present on the particle surface of the lithium transition metal composite oxide having a molar ratio Mn / Me> 0.5, A lithium secondary battery comprising a negative electrode active material made of a carbon material, sulfur existing on the negative electrode, and the non-aqueous electrolyte containing fluoroethylene carbonate.
(2) The lithium secondary battery according to (1), wherein the non-aqueous electrolyte contains a sulfur-containing compound.

本発明により、「リチウム過剰型」正極活物質を用いるリチウム二次電池の充放電サイクルに伴う抵抗上昇を抑制すると共に、サイクル容量維持率を顕著に向上させることができる。   According to the present invention, it is possible to suppress an increase in resistance accompanying a charge / discharge cycle of a lithium secondary battery using a “lithium-rich” positive electrode active material and to remarkably improve a cycle capacity maintenance rate.

本発明に係るリチウム二次電池の一実施形態を示す外観斜視図1 is an external perspective view showing an embodiment of a lithium secondary battery according to the present invention. 本発明に係るリチウム二次電池を複数個集合した蓄電装置を示す概略図Schematic showing a power storage device in which a plurality of lithium secondary batteries according to the present invention are assembled

本発明者等は、「リチウム過剰型」正極活物質は、「LiMeO型」活物質と比較して、高容量であるものの、抵抗が大きいこと、さらにそれがサイクルに伴って大きくなっていくことを確認した。
そこで、「リチウム過剰型」正極活物質の表面に、異種元素を存在させることで表面状態を改善し、さらに非水電解液の添加剤を適切に選択したところ、サイクルに伴う抵抗上昇が大きく抑制されることがわかった。
The present inventors have found that the “lithium-excess type” positive electrode active material has a higher capacity than the “LiMeO 2 type” active material, but has a large resistance and further increases with the cycle. It was confirmed.
Therefore, the presence of different elements on the surface of the “lithium-rich” positive electrode active material improves the surface condition, and when a non-aqueous electrolyte additive is appropriately selected, the increase in resistance with the cycle is greatly suppressed. I found out that

後述するように、(a)「リチウム過剰型」正極活物質(リチウム遷移金属複合酸化物)に対して行う異種元素修飾には、Al、Zr、及びTiから選ばれる少なくとも一種を用いる。また、(b)非水電解液には、フルオロエチレンカーボネートを含有させる。さらに、非水電解液に硫黄含有化合物を含有させることにより、(c)炭素負極上に硫黄が存在することを見出した。上記(a)、(b)及び(c)の相乗効果により、「リチウム過剰型」正極活物質を用いるリチウム二次電池のサイクルに伴う抵抗上昇が大きく抑制されることを実験により確認した。   As will be described later, (a) at least one selected from Al, Zr, and Ti is used for the different element modification performed on the “lithium-rich” positive electrode active material (lithium transition metal composite oxide). Further, (b) the non-aqueous electrolyte contains fluoroethylene carbonate. Furthermore, it has been found that sulfur is present on the carbon negative electrode by adding a sulfur-containing compound to the non-aqueous electrolyte. It was experimentally confirmed that the increase in resistance accompanying the cycle of the lithium secondary battery using the “lithium-excess type” positive electrode active material is largely suppressed by the synergistic effect of the above (a), (b) and (c).

本発明に係るリチウム二次電池の正極活物質に用いるリチウム遷移金属複合酸化物は、高い放電容量を得るために、遷移金属Meに対するリチウム(Li)のモル比Li/Meを1より大きい、「リチウム過剰型」リチウム遷移金属複合酸化物とする。この特徴は、典型的には、組成式Li1+αMe11−αにおいて、(1+α)/(1−α)>1、すなわち、α>0と表記することができる。
なかでも、放電容量が大きいリチウム二次電池を得るために、遷移金属Meに対するLiのモル比Li/Meは、1.2より大きく且つ1.5より小さくとすること、すなわち、組成式Li1+αMe1−αにおいて1.2<(1+α)/(1−α)<1.5とすることが好ましい。特に、放電容量が大きく、高率放電性能が優れたリチウム二次電池を得ることができるという観点から、前記Li/Meが1.25〜1.4のものを選択することが好ましい。
In order to obtain a high discharge capacity, the lithium transition metal composite oxide used for the positive electrode active material of the lithium secondary battery according to the present invention has a molar ratio Li / Me of the lithium (Li) to the transition metal Me of greater than 1. Lithium excess ”lithium transition metal composite oxide. Typically, this feature can be expressed as (1 + α) / (1-α)> 1, that is, α> 0 in the composition formula Li 1 + α Me1 1-α O 2 .
In particular, in order to obtain a lithium secondary battery having a large discharge capacity, the molar ratio Li / Me of the transition metal Me is set to be larger than 1.2 and smaller than 1.5, that is, the composition formula Li 1 + α It is preferable that 1.2 <(1 + α) / (1-α) <1.5 in Me 1-α O 2 . In particular, from the viewpoint that a lithium secondary battery having a large discharge capacity and excellent high-rate discharge performance can be obtained, it is preferable to select one having the Li / Me of 1.25 to 1.4.

リチウム遷移金属複合酸化物の組成は、高い放電容量が得られる点から、遷移金属MeがCo、Ni及びMnを含み、モル比Mn/Me>0.5である。モル比Mn/Meは0.6以上が好ましく、0.6〜0.75がより好ましい。   The composition of the lithium transition metal composite oxide is such that the transition metal Me contains Co, Ni, and Mn, and the molar ratio Mn / Me> 0.5 from the viewpoint that a high discharge capacity can be obtained. The molar ratio Mn / Me is preferably 0.6 or more, and more preferably 0.6 to 0.75.

また、リチウム二次電池の初期効率及び高率放電性能を向上させるために、遷移金属元素Meに対するCoのモル比Co/Meは、0.05〜0.40とすることが好ましく、0.10〜0.30とすることがより好ましい。   In order to improve the initial efficiency and high rate discharge performance of the lithium secondary battery, the molar ratio Co / Me of Co to the transition metal element Me is preferably 0.05 to 0.40. More preferably, it is set to ˜0.30.

本発明に係るリチウム二次電池の正極活物質に用いるリチウム遷移金属複合酸化物の典型例は、一般式Li1+α(CoNiMn1−α、但し、(1+α)/(1−α)>1、a+b+c=1、a>0、b>0、c>0.5で表わされるLi、Co、Ni及びMnからなる複合酸化物である。例えば、Li1.13Co0.11Ni0.17Mn0.59(Li/Me=1.3、Mn/Me=0.68)、Li1.11Co0.11Ni0.18Mn0.60(Li/Me=1.25、Mn/Me=0.67)、Li1.15Co0.11Ni0.17Mn0.57(Li/Me=1.35、Mn/Me=0.67)、Li1.17Co0.10Ni0.17Mn0.56(Li/Me=1.4、Mn/Me=0.67)等の複合酸化物であるが、放電容量を向上させるために、Naを1000ppm以上含ませることが好ましい。Naの含有量は、2000〜10000ppmがより好ましい。 A typical example of the lithium transition metal composite oxide used for the positive electrode active material of the lithium secondary battery according to the present invention is represented by the general formula Li 1 + α (Co a Ni b Mn c ) 1-α O 2 , where (1 + α) / ( 1-α)> 1, a + b + c = 1, a> 0, b> 0, c> 0.5, a composite oxide composed of Li, Co, Ni, and Mn. For example, Li 1.13 Co 0.11 Ni 0.17 Mn 0.59 O 2 (Li / Me = 1.3, Mn / Me = 0.68), Li 1.11 Co 0.11 Ni 0.18 Mn 0.60 O 2 (Li / Me = 1.25, Mn / Me = 0.67), Li 1.15 Co 0.11 Ni 0.17 Mn 0.57 O 2 (Li / Me = 1.35) , Mn / Me = 0.67), Li 1.17 Co 0.10 Ni 0.17 Mn 0.56 O 2 (Li / Me = 1.4, Mn / Me = 0.67), etc. However, in order to improve discharge capacity, it is preferable to contain 1000 ppm or more of Na. As for content of Na, 2000-10000 ppm is more preferable.

Naの含有量を上記の範囲に調製するために、後述する炭酸塩前駆体を作製する工程において、炭酸ナトリウム等のナトリウム化合物を中和剤として使用し、洗浄工程でNaを残存させるか、及び、その後の焼成工程において炭酸ナトリウム等のナトリウム化合物を添加する方法を採用することができる。   In order to adjust the Na content to the above range, in the step of preparing a carbonate precursor described later, a sodium compound such as sodium carbonate is used as a neutralizing agent, and Na is left in the washing step, and In the subsequent firing step, a method of adding a sodium compound such as sodium carbonate can be employed.

また、本発明の効果を損なわない範囲で、Na以外のアルカリ金属、Mg,Ca等のアルカリ土類金属、Fe,Zn等の3d遷移金属に代表される遷移金属など少量の他の金属を含有することを排除するものではない。   In addition, a small amount of other metals such as alkali metals other than Na, alkaline earth metals such as Mg and Ca, transition metals typified by 3d transition metals such as Fe and Zn, and the like are included as long as the effects of the present invention are not impaired. It does not exclude doing.

本発明に係るリチウム二次電池の正極活物質に用いるリチウム遷移金属複合酸化物は、α−NaFeO構造を有している。合成後(充放電を行う前)の上記リチウム遷移金属複合酸化物は、空間群P312あるいはR3−mに帰属される。このうち、空間群P312に帰属されるものには、CuKα管球を用いたエックス線回折図上、2θ=21°付近に超格子ピーク(Li[Li1/3Mn2/3]O型の単斜晶に見られるピーク)が確認される。ところが、一度でも充電を行い、結晶中のLiが脱離すると結晶の対称性が変化することにより、上記超格子ピークが消滅して、上記リチウム遷移金属複合酸化物は空間群R3−mに帰属されるようになる。ここで、P312は、R3−mにおける3a、3b、6cサイトの原子位置を細分化した結晶構造モデルであり、R3−mにおける原子配置に秩序性が認められるときに該P312モデルが採用される。なお、「R3−m」は本来「R3m」の「3」の上にバー「−」を施して表記すべきものである。 The lithium transition metal composite oxide used for the positive electrode active material of the lithium secondary battery according to the present invention has an α-NaFeO 2 structure. The lithium transition metal composite oxide after synthesis (before charging and discharging) is attributed to the space group P3 1 12 or R3-m. Among these, those belonging to the space group P3 1 12 are superlattice peaks (Li [Li 1/3 Mn 2/3 ] O 2 near 2θ = 21 ° on the X-ray diffraction diagram using the CuKα tube. The peak observed in the monoclinic type) is confirmed. However, when charging is performed once and Li in the crystal is desorbed, the symmetry of the crystal changes, whereby the superlattice peak disappears and the lithium transition metal composite oxide belongs to the space group R3-m. Will come to be. Here, P3 1 12 is a crystal structure model in which the atomic positions of the 3a, 3b, and 6c sites in R3-m are subdivided, and when ordering is recognized in the atomic arrangement in R3-m, the P3 1 12 model Is adopted. Note that “R3-m” should be represented by adding a bar “-” on “3” of “R3m”.

リチウム遷移金属複合酸化物は、六方晶の空間群P312あるいはR3−mのいずれかに帰属され、CuKα管球を用いたエックス線回折図上、2θ=18.6°±1°の回折ピークの半値幅が0.20°〜0.27°又は/及び、2θ=44.1°±1°の回折ピークの半値幅が0.26°〜0.39°であることが好ましい。こうすることにより、正極活物質の放電容量を大きくすることが可能となる。なお、2θ=18.6°±1°の回折ピークは、空間群P312及びR3−mではミラー指数hklにおける(003)面に、2θ=44.1°±1°の回折ピークは、空間群P312では(114)面、空間群R3−mでは(104)面にそれぞれ指数付けされる。 The lithium transition metal composite oxide is assigned to either the hexagonal space group P3 1 12 or R3-m, and is a diffraction peak of 2θ = 18.6 ° ± 1 ° on an X-ray diffraction diagram using a CuKα tube. Is preferably 0.20 ° to 0.27 °, and / or the half width of the diffraction peak at 2θ = 44.1 ° ± 1 ° is 0.26 ° to 0.39 °. By doing so, it becomes possible to increase the discharge capacity of the positive electrode active material. The diffraction peak of 2θ = 18.6 ° ± 1 ° is a (003) plane in space group P3 1 12 and R3-m in Miller indices hkl, the diffraction peak of 2θ = 44.1 ° ± 1 °, the The space group P3 1 12 is indexed on the (114) plane, and the space group R3-m is indexed on the (104) plane.

さらに、リチウム過剰型リチウム遷移金属複合酸化物は、エックス線回折パターンを基にリートベルト法による結晶構造解析から求められる酸素位置パラメータが、放電末において0.262以下、充電末において0.267以上であることが好ましい。これにより、高率放電性能が優れたリチウム二次電池を得ることができる。なお、酸素位置パラメータとは、空間群R3−mに帰属されるリチウム遷移金属複合酸化物のα―NaFeO型結晶構造について、Me(遷移金属)の空間座標を(0,0,0)、Li(リチウム)の空間座標を(0,0,1/2)、O(酸素)の空間座標を(0,0,z)と定義したときの、zの値をいう。即ち、酸素位置パラメータは、O(酸素)位置がMe(遷移金属)位置からどれだけ離れているかを示す相対的な指標となる(特許文献1及び2参照)。 Further, in the lithium-excess type lithium transition metal composite oxide, the oxygen position parameter obtained from the crystal structure analysis by the Rietveld method based on the X-ray diffraction pattern is 0.262 or less at the end of discharge and 0.267 or more at the end of charge. Preferably there is. Thereby, a lithium secondary battery excellent in high rate discharge performance can be obtained. Note that the oxygen positional parameter is Me (transition metal) spatial coordinates (0, 0, 0) for the α-NaFeO 2 type crystal structure of the lithium transition metal composite oxide belonging to the space group R3-m, This is the value of z when the spatial coordinates of Li (lithium) are defined as (0, 0, 1/2) and the spatial coordinates of O (oxygen) are defined as (0, 0, z). In other words, the oxygen position parameter is a relative index indicating how far the O (oxygen) position is from the Me (transition metal) position (see Patent Documents 1 and 2).

本発明において、リチウム遷移金属複合酸化物を含有する正極活物質は、粒度分布測定における50%粒子径(D50)を5〜10μmとすることが好ましい。炭酸塩前駆体から作製することにより、粒度分布測定における50%粒子径(D50)が5〜10μmであっても、放電容量が大きい正極活物質が得られる。   In the present invention, the positive electrode active material containing the lithium transition metal composite oxide preferably has a 50% particle diameter (D50) in the particle size distribution measurement of 5 to 10 μm. By producing from a carbonate precursor, a positive electrode active material having a large discharge capacity can be obtained even if the 50% particle size (D50) in the particle size distribution measurement is 5 to 10 μm.

本発明において、リチウム遷移金属複合酸化物は、窒素ガス吸着法を用いた吸着等温線からBJH法で求めた微分細孔容積が最大値を示す細孔径が30〜40nmの範囲で、ピーク微分細孔容積が0.85mm/(g・nm)以上であることが好ましい。ピーク微分細孔容積が0.85mm/(g・nm)以上であることにより、初期効率が優れたリチウム二次電池を得ることができる。また、ピーク微分細孔容積を1.76mm/(g・nm)以下とすることにより、初期効率に加え、放電容量が特に優れたリチウム二次電池を得ることができるから、ピーク微分細孔容積は0.85〜1.76mm/(g・nm)であることがより好ましい。 In the present invention, the lithium transition metal composite oxide has a peak differential fine particle size in the range of 30 to 40 nm in pore diameter, which shows the maximum differential pore volume determined by the BJH method from the adsorption isotherm using the nitrogen gas adsorption method. The pore volume is preferably 0.85 mm 3 / (g · nm) or more. When the peak differential pore volume is 0.85 mm 3 / (g · nm) or more, a lithium secondary battery having excellent initial efficiency can be obtained. Further, by setting the peak differential pore volume to 1.76 mm 3 / (g · nm) or less, it is possible to obtain a lithium secondary battery having particularly excellent discharge capacity in addition to the initial efficiency. The volume is more preferably 0.85 to 1.76 mm 3 / (g · nm).

本発明においては、上記のようなリチウム遷移金属複合酸化物の粒子表面に、Al、Zr、及びTiから選ばれる少なくとも一種の異種元素の酸化物を修飾(添加)する。異種元素の酸化物の好ましい添加量は、金属換算で0.1〜1質量%である。   In the present invention, an oxide of at least one different element selected from Al, Zr, and Ti is modified (added) to the particle surface of the lithium transition metal composite oxide as described above. A preferable addition amount of the oxide of the different element is 0.1 to 1% by mass in terms of metal.

次に、本発明のリチウム二次電池に用いる正極活物質を製造する方法について説明する。
本発明のリチウム二次電池に用いる正極活物質は、基本的に、活物質を構成する金属元素(Li,Mn,Co,Ni)を目的とする活物質(酸化物)の組成通りに含有する原料を調整し、これを焼成することによって得ることができる。但し、Li原料の量については、焼成中にLi原料の一部が消失することを見込んで、1〜5%程度過剰に仕込むことが好ましい。
目的とする組成の酸化物を作製するにあたり、Li,Co,Ni,Mnのそれぞれの塩を混合・焼成するいわゆる「固相法」や、あらかじめCo,Ni,Mnを一粒子中に存在させた共沈前駆体を作製しておき、これにLi塩を混合・焼成する「共沈法」が知られている。「固相法」による合成過程では、特にMnはCo,Niに対して均一に固溶しにくいため、各元素が一粒子中に均一に分布した試料を得ることは困難である。これまで文献などにおいては固相法によってNiやCoの一部にMnを固溶(LiNi1−xMnなど)しようという試みが多数なされているが、「共沈法」を選択する方が原子レベルで均一相を得ることが容易である。そこで、後述する実施例においては、「共沈法」を採用した。
Next, a method for producing a positive electrode active material used for the lithium secondary battery of the present invention will be described.
The positive electrode active material used in the lithium secondary battery of the present invention basically contains the metal elements (Li, Mn, Co, Ni) constituting the active material according to the composition of the active material (oxide) intended. It can be obtained by adjusting the raw materials and firing them. However, with respect to the amount of the Li raw material, it is preferable to add an excess of about 1 to 5% in view of the disappearance of a part of the Li raw material during firing.
In producing an oxide having a desired composition, a so-called “solid phase method” in which salts of Li, Co, Ni, and Mn are mixed and fired, or Co, Ni, and Mn were previously present in one particle. A “coprecipitation method” is known in which a coprecipitation precursor is prepared, and a Li salt is mixed and fired therein. In the synthesis process by the “solid phase method”, especially Mn is difficult to uniformly dissolve in Co and Ni, so it is difficult to obtain a sample in which each element is uniformly distributed in one particle. In literatures and the like, many attempts have been made to dissolve Mn in a part of Ni or Co (LiNi 1-x Mn x O 2 etc.) by solid phase method, but the “coprecipitation method” is selected. It is easier to obtain a homogeneous phase at the atomic level. Therefore, the “coprecipitation method” is employed in the examples described later.

共沈前駆体を作製するにあたって、Co,Ni,MnのうちMnは酸化されやすく、Co,Ni,Mnが2価の状態で均一に分布した共沈前駆体を作製することが容易ではないため、Co,Ni,Mnの原子レベルでの均一な混合は不十分なものとなりやすい。特に本発明の組成範囲においては、Mn比率がCo,Ni比率に比べて高いので、水溶液中の溶存酸素を除去することが特に重要である。溶存酸素を除去する方法としては、酸素を含まないガスをバブリングする方法が挙げられる。酸素を含まないガスとしては、限定されるものではないが、窒素ガス、アルゴンガス、二酸化炭素(CO)等を用いることができる。なかでも、後述する実施例のように、共沈炭酸塩前駆体を作製する場合には、酸素を含まないガスとして二酸化炭素を採用すると、炭酸塩がより生成しやすい環境が与えられるため、好ましい。 When preparing a coprecipitation precursor, Mn is easily oxidized among Co, Ni and Mn, and it is not easy to prepare a coprecipitation precursor in which Co, Ni and Mn are uniformly distributed in a divalent state. Uniform mixing at the atomic level of Co, Ni and Mn tends to be insufficient. In particular, in the composition range of the present invention, since the Mn ratio is higher than the Co and Ni ratios, it is particularly important to remove dissolved oxygen in the aqueous solution. Examples of the method for removing dissolved oxygen include a method of bubbling a gas not containing oxygen. The gas not containing oxygen is not limited, but nitrogen gas, argon gas, carbon dioxide (CO 2 ), or the like can be used. Among these, when preparing a coprecipitated carbonate precursor as in the examples described later, it is preferable to employ carbon dioxide as a gas not containing oxygen because an environment in which carbonate is more easily generated is provided. .

溶液中でCo、Ni及びMnを含有する化合物を共沈させて前駆体を製造する工程におけるpHは限定されるものではないが、前記共沈前駆体を共沈炭酸塩前駆体として作製しようとする場合には、7.5〜11とすることができる。タップ密度を大きくするためには、pHを制御することが好ましい。pHを9.4以下とすることにより、タップ密度を1.25g/cm以上とすることができ、高率放電性能を向上させることができる。さらに、pHを8.0以下とすることにより、粒子成長速度を促進できるので、原料水溶液滴下終了後の撹拌継続時間を短縮できる。 Although the pH in the step of producing a precursor by co-precipitation of a compound containing Co, Ni and Mn in a solution is not limited, an attempt is made to prepare the co-precipitation precursor as a co-precipitation carbonate precursor. When it does, it can be set to 7.5-11. In order to increase the tap density, it is preferable to control the pH. By setting the pH to 9.4 or less, the tap density can be set to 1.25 g / cm 3 or more, and high-rate discharge performance can be improved. Furthermore, since the particle growth rate can be accelerated by setting the pH to 8.0 or less, the stirring continuation time after completion of dropping of the raw material aqueous solution can be shortened.

前記共沈前駆体は、MnとNiとCoとが均一に混合された化合物であることが好ましい。本発明においては、放電容量が大きいリチウム二次電池用活物質を得るために、共沈前駆体を炭酸塩とすることが好ましい。また、錯化剤を用いた晶析反応等を用いることによって、より嵩密度の大きな前駆体を作製することもできる。その際、Li源と混合・焼成することでより高密度の活物質を得ることができるので電極面積あたりのエネルギー密度を向上させることができる。   The coprecipitation precursor is preferably a compound in which Mn, Ni, and Co are uniformly mixed. In the present invention, in order to obtain an active material for a lithium secondary battery having a large discharge capacity, the coprecipitation precursor is preferably a carbonate. In addition, a precursor having a larger bulk density can be produced by using a crystallization reaction using a complexing agent. At that time, a higher density active material can be obtained by mixing and firing with a Li source, so that the energy density per electrode area can be improved.

前記共沈前駆体の原料は、Mn化合物としては酸化マンガン、炭酸マンガン、硫酸マンガン、硝酸マンガン、酢酸マンガン等を、Ni化合物としては、水酸化ニッケル、炭酸ニッケル、硫酸ニッケル、硝酸ニッケル、酢酸ニッケル等を、Co化合物としては、硫酸コバルト、硝酸コバルト、酢酸コバルト等を一例として挙げることができる。   The raw materials for the coprecipitation precursor include manganese oxide, manganese carbonate, manganese sulfate, manganese nitrate, manganese acetate, etc. as the Mn compound, and nickel hydroxide, nickel carbonate, nickel sulfate, nickel nitrate, nickel acetate as the Ni compound. As examples of the Co compound, cobalt sulfate, cobalt nitrate, cobalt acetate, and the like can be given as examples.

本発明においては、アルカリ性を保った反応槽に前記共沈前駆体の原料水溶液を滴下供給して共沈炭酸塩前駆体を得る反応晶析法を採用する。ここで、中和剤として、炭酸ナトリウム等のナトリウム化合物を使用するが、炭酸ナトリウム、又は炭酸ナトリウムと炭酸リチウムの混合物を使用することが好ましい。Naを1000ppm以上残存させるために、炭酸ナトリウムと炭酸リチウムのモル比であるNa/Liは、1/1[M]以上とすることが好ましい。Na/Liを1/1[M]以上とすることにより、引き続く洗浄工程でNaが除去されすぎて1000ppm未満となってしまう虞を低減できる。   In the present invention, a reaction crystallization method is employed in which a raw material aqueous solution of the coprecipitation precursor is supplied dropwise to a reaction tank maintaining alkalinity to obtain a coprecipitation carbonate precursor. Here, a sodium compound such as sodium carbonate is used as the neutralizing agent, but it is preferable to use sodium carbonate or a mixture of sodium carbonate and lithium carbonate. In order to leave Na at least 1000 ppm, Na / Li, which is the molar ratio of sodium carbonate to lithium carbonate, is preferably 1/1 [M] or more. By setting Na / Li to 1/1 [M] or more, it is possible to reduce the possibility that Na is excessively removed in the subsequent washing step and becomes less than 1000 ppm.

前記原料水溶液の滴下速度は、生成する共沈前駆体の1粒子内における元素分布の均一性に大きく影響を与える。特にMnは、CoやNiと均一な元素分布を形成しにくいので注意が必要である。好ましい滴下速度については、反応槽の大きさ、攪拌条件、pH、反応温度等にも影響されるが、30ml/min以下が好ましい。放電容量を向上させるためには、滴下速度は10ml/min以下がより好ましく、5ml/min以下が最も好ましい。   The dropping speed of the raw material aqueous solution greatly affects the uniformity of element distribution in one particle of the coprecipitation precursor to be generated. In particular, Mn is difficult to form a uniform element distribution with Co and Ni, so care must be taken. The preferred dropping rate is influenced by the reaction vessel size, stirring conditions, pH, reaction temperature, etc., but is preferably 30 ml / min or less. In order to improve the discharge capacity, the dropping rate is more preferably 10 ml / min or less, and most preferably 5 ml / min or less.

また、反応槽内に錯化剤が存在し、かつ一定の対流条件を適用した場合、前記原料水溶液の滴下終了後、さらに攪拌を続けることにより、粒子の自転および攪拌槽内における公転が促進され、この過程で、粒子同士が衝突しつつ、粒子が段階的に同心円球状に成長する。即ち、共沈前駆体は、反応槽内に原料水溶液が滴下された際の金属錯体形成反応、及び、前記金属錯体が反応槽内の滞留中に生じる沈殿形成反応という2段階での反応を経て形成される。従って、前記原料水溶液の滴下終了後、さらに攪拌を続ける時間を適切に選択することにより、目的とする粒子径を備えた共沈前駆体を得ることができる。   In addition, when a complexing agent is present in the reaction tank and a certain convection condition is applied, the particle rotation and revolution in the stirring tank are promoted by continuing the stirring after the dropwise addition of the raw material aqueous solution. In this process, the particles grow concentrically in stages while colliding with each other. That is, the coprecipitation precursor undergoes a reaction in two stages: a metal complex formation reaction when the raw material aqueous solution is dropped into the reaction tank, and a precipitation formation reaction that occurs while the metal complex is retained in the reaction tank. It is formed. Therefore, a coprecipitation precursor having a target particle size can be obtained by appropriately selecting a time for continuing stirring after the dropping of the raw material aqueous solution.

原料水溶液滴下終了後の好ましい攪拌継続時間については、反応槽の大きさ、攪拌条件、pH、反応温度等にも影響されるが、粒子を均一な球状粒子として成長させるために0.5h以上が好ましく、1h以上がより好ましい。また、粒子径が大きくなりすぎることで電池の低SOC領域における出力性能が充分でないものとなる虞を低減させるため、15h以下が好ましく、10h以下がより好ましく、5h以下が最も好ましい。   The preferable stirring duration after completion of dropping of the raw material aqueous solution is influenced by the size of the reaction vessel, stirring conditions, pH, reaction temperature, etc., but 0.5 h or more is required to grow the particles as uniform spherical particles. Preferably, 1 h or more is more preferable. Further, in order to reduce the possibility that the output performance in the low SOC region of the battery is not sufficient due to the particle size becoming too large, it is preferably 15 h or less, more preferably 10 h or less, and most preferably 5 h or less.

また、炭酸塩前駆体及びリチウム遷移金属複合酸化物の2次粒子の粒度分布における累積体積が50%となる粒子径であるD50を5〜10μmとするための好ましい攪拌継続時間は、制御するpHによって異なる。例えば、pHを8.3〜8.9に制御した場合には、撹拌継続時間は3〜7hが好ましく、pHを7.5〜8.0に制御した場合には、撹拌継続時間は1〜5hが好ましい。   Moreover, the preferable stirring duration time for setting D50, which is a particle diameter at which the cumulative volume in the particle size distribution of the secondary particles of the carbonate precursor and the lithium transition metal composite oxide is 50%, to 5 to 10 μm is controlled by pH It depends on. For example, when the pH is controlled to 8.3 to 8.9, the stirring duration is preferably 3 to 7 h, and when the pH is controlled to 7.5 to 8.0, the stirring duration is 1 to 1. 5h is preferred.

炭酸塩前駆体の粒子を、中和剤として炭酸ナトリウム等のナトリウム化合物を使用して作製した場合、その後の洗浄工程において粒子に付着しているナトリウムイオンを洗浄除去するが、本発明においては、Naが1000ppm以上残存するような条件で洗浄除去することが好ましい。例えば、作製した炭酸塩前駆体を吸引ろ過して取り出す際に、イオン交換水200mlによる洗浄回数を5回とするような条件を採用することができる。   When the carbonate precursor particles are prepared using a sodium compound such as sodium carbonate as a neutralizing agent, sodium ions adhering to the particles are washed away in the subsequent washing step. It is preferable to wash and remove under conditions such that Na remains at 1000 ppm or more. For example, when the produced carbonate precursor is removed by suction filtration, a condition that the number of washings with 200 ml of ion-exchanged water is 5 times can be employed.

炭酸塩前駆体は、80℃〜100℃未満で、空気雰囲気中、常圧下で乾燥させることが好ましい。100℃以上にて乾燥を行うことで短時間でより多くの水分を除去できるが、80℃にて長時間かけて乾燥させることで、より優れた電極特性を示す活物質とすることができる。その理由は必ずしも明らかではないが、炭酸塩前駆体は比表面積が50〜100m/gの多孔体であるため、水分を吸着しやすい構造となっている。そこで、低い温度で乾燥させることによって、前駆体の状態において細孔にある程度の吸着水が残っている状態とした方が、Li塩と混合して焼成する焼成工程において、細孔から除去される吸着水と入れ替わるように、その細孔に溶融したLiが入り込むことができ、これによって、100℃で乾燥を行った場合と比べて、より均一な組成の活物質が得られるためではないかと発明者は推察している。なお、100℃にて乾燥を行って得られた炭酸塩前駆体は黒茶色を呈するが、80℃にて乾燥を行って得られた炭酸塩前駆体は後品は肌色を呈するので、前駆体の色によって区別ができる。 The carbonate precursor is preferably dried at 80 ° C. to less than 100 ° C. in an air atmosphere under normal pressure. By drying at 100 ° C. or higher, more water can be removed in a short time, but by drying at 80 ° C. for a long time, an active material having more excellent electrode characteristics can be obtained. Although the reason is not necessarily clear, since the carbonate precursor is a porous body having a specific surface area of 50 to 100 m 2 / g, it has a structure that easily adsorbs moisture. Therefore, by drying at a low temperature, a state in which a certain amount of adsorbed water remains in the pores in the state of the precursor is removed from the pores in the firing step of mixing with the Li salt and firing. The invention may be because molten Li can enter the pores so as to replace the adsorbed water, and thereby, an active material having a more uniform composition can be obtained compared with the case of drying at 100 ° C. Have guessed. In addition, although the carbonate precursor obtained by drying at 100 ° C. exhibits a black brown color, the carbonate precursor obtained by drying at 80 ° C. has a skin color, so the precursor Can be distinguished by the color.

そこで、上記知見された前駆体の差異を定量的に評価するため、それぞれの前駆体の色相を測定し、JIS Z 8721に準拠した日本塗料工業会が発行する塗料用標準色(JPMA Standard Paint Colors)2011年度F版と比較した。色相の測定には、コニカミノルタ社製カラーリーダーCR10を用いた。この測定方法によれば、明度を表すdL*の値は、白い方が大きくなり、黒い方が小さくなる。また、色相を表すda*の値は、赤色が強い方が大きくなり、緑色が強い方(赤色が弱い方)が小さくなる。また、色相を表すdb*の値は、黄色が強い方が大きくなり、青色が強い方(黄色が弱い方)が大きくなる。
100℃乾燥品(比較例)の色相は、標準色F05−20Bと比べて、赤色方向に標準色F05−40Dに至る範囲内にあり、また、標準色FN−10と比べて、白色方向に標準色FN−25に至る範囲内にあることがわかった。中でも、標準色F05−20Bが呈する色相との色差が最も小さいものと認められた。
一方、80℃乾燥品(実施例)の色相は、標準色F19−50Fと比べて、白色方向に標準色F19−70Fに至る範囲内にあり、また、標準色F09−80Dと比べて、黒色方向に標準色F09−60Hに至る範囲内にあることがわかった。中でも、標準色F19−50Fが呈する色相との色差が最も小さいものと認められた。
以上の知見から、炭酸塩前駆体の色相は、標準色F05−20Bに比べて、dL,da及びdbの全てにおいて+方向であるものが好ましく、dLが+5以上、daが+2以上、dbが+5以上であることがより好ましいといえる。
この様な前駆体の色相範囲とすることにより、合成後の正極活物質は、より大きな放電容量を有するようになる。
Therefore, in order to quantitatively evaluate the difference in the precursors found above, the hues of the respective precursors are measured, and standard colors for paints (JPMA Standard Paint Colors) issued by the Japan Paint Manufacturers Association in accordance with JIS Z 8721. ) Compared with the 2011 F version. For measuring the hue, a color reader CR10 manufactured by Konica Minolta Co., Ltd. was used. According to this measuring method, the value of dL * representing lightness is larger in white and smaller in black. Further, the value of da * representing the hue is larger when red is stronger and smaller when green is stronger (red is weaker). In addition, the value of db * representing the hue becomes larger when yellow is stronger and larger when blue is stronger (yellow is weaker).
The hue of the 100 ° C. dried product (Comparative Example) is in the range reaching the standard color F05-40D in the red direction compared to the standard color F05-20B, and in the white direction compared to the standard color FN-10. It was found to be within the range leading to the standard color FN-25. Among these, it was recognized that the color difference from the hue exhibited by the standard color F05-20B was the smallest.
On the other hand, the hue of the 80 ° C. dried product (Example) is in the range reaching the standard color F19-70F in the white direction as compared with the standard color F19-50F, and is black compared with the standard color F09-80D. It was found that it was in the range reaching the standard color F09-60H in the direction. Especially, it was recognized that the color difference with the hue which standard color F19-50F exhibits is the smallest.
From the above knowledge, the hue of the carbonate precursor is preferably positive in all of dL, da and db as compared with the standard color F05-20B, dL is +5 or more, da is +2 or more, and db is It can be said that +5 or more is more preferable.
By setting the hue range of such a precursor, the synthesized positive electrode active material comes to have a larger discharge capacity.

本発明のリチウム二次電池に用いる正極活物質は、前記炭酸塩前駆体とLi化合物とを混合した後、熱処理することで好適に作製することができる。Li化合物としては、水酸化リチウム、炭酸リチウム、硝酸リチウム、酢酸リチウム等を用いることで好適に製造することができる。但し、Li化合物の量については、焼成中にLi化合物の一部が消失することを見込んで、1〜5%程度過剰に仕込むことが好ましい。   The positive electrode active material used for the lithium secondary battery of the present invention can be suitably prepared by mixing the carbonate precursor and the Li compound and then heat-treating them. As a Li compound, it can manufacture suitably by using lithium hydroxide, lithium carbonate, lithium nitrate, lithium acetate, etc. However, with respect to the amount of the Li compound, it is preferable to add an excess of about 1 to 5% in view of the disappearance of a part of the Li compound during firing.

本発明においては、リチウム遷移金属複合酸化物中のNaの含有量を3000ppm以上とするために、焼成工程においてLi化合物と共にNa化合物を、前記炭酸塩前駆体と混合することが好ましい。Na化合物としては炭酸ナトリウムが好ましい。前記炭酸塩前駆体中のNaの含有量は1000〜2100ppm程度であるが、Na化合物を混合することにより、Naの含有量を3000ppm以上とすることができる。   In the present invention, in order to set the content of Na in the lithium transition metal composite oxide to 3000 ppm or more, it is preferable to mix the Na compound together with the carbonate precursor together with the Li compound in the firing step. As the Na compound, sodium carbonate is preferable. Although the content of Na in the carbonate precursor is about 1000 to 2100 ppm, the content of Na can be increased to 3000 ppm or more by mixing the Na compound.

焼成温度は、正極活物質の可逆容量に影響を与える。
焼成温度が高すぎると、得られた正極活物質が酸素放出反応を伴って崩壊すると共に、主相の六方晶に加えて単斜晶のLi[Li1/3Mn2/3]O型に規定される相が、固溶相としてではなく、分相して観察される傾向がある。このような分相が多く含まれすぎると、正極活物質の可逆容量の減少を導くので好ましくない。このような材料では、X線回折図上35°付近及び45°付近に不純物ピークが観察される。従って、焼成温度は、正極活物質の酸素放出反応の影響する温度未満とすることが好ましい。正極活物質の酸素放出温度は、本発明に係る組成範囲においては、概ね1000℃以上であるが、正極活物質の組成によって酸素放出温度に若干の差があるので、あらかじめ正極活物質の酸素放出温度を確認しておくことが好ましい。特に試料に含まれるCo量が多いほど前駆体の酸素放出温度は低温側にシフトすることが確認されているので注意が必要である。正極活物質の酸素放出温度を確認する方法としては、焼成反応過程をシミュレートするために、共沈前駆体とリチウム化合物を混合したものを熱重量分析(DTA−TG測定)に供してもよいが、この方法では測定機器の試料室に用いている白金が揮発したLi成分により腐食されて機器を痛めるおそれがあるので、あらかじめ500℃程度の焼成温度を採用してある程度結晶化を進行させた組成物を熱重量分析に供するのが良い。
The firing temperature affects the reversible capacity of the positive electrode active material.
When the firing temperature is too high, the obtained positive electrode active material collapses with an oxygen releasing reaction, and in addition to the main phase hexagonal crystal, monoclinic Li [Li 1/3 Mn 2/3 ] O 2 type There is a tendency that the phase defined in is observed as a phase separation rather than as a solid solution phase. Too much phase separation is not preferable because it leads to a reduction in reversible capacity of the positive electrode active material. In such materials, impurity peaks are observed around 35 ° and 45 ° on the X-ray diffraction pattern. Therefore, it is preferable that the firing temperature be lower than the temperature at which the oxygen release reaction of the positive electrode active material affects. The oxygen release temperature of the positive electrode active material is approximately 1000 ° C. or higher in the composition range according to the present invention, but there is a slight difference in the oxygen release temperature depending on the composition of the positive electrode active material. It is preferable to check the temperature. In particular, it is confirmed that the oxygen release temperature of the precursor shifts to the lower temperature side as the amount of Co contained in the sample increases. As a method for confirming the oxygen release temperature of the positive electrode active material, a mixture of a coprecipitation precursor and a lithium compound may be subjected to thermogravimetric analysis (DTA-TG measurement) in order to simulate the firing reaction process. However, in this method, platinum used in the sample chamber of the measuring instrument may be corroded by the Li component volatilized, and the instrument may be damaged, so a crystallization temperature is advanced to some extent by adopting a firing temperature of about 500 ° C. in advance. The composition may be subjected to thermogravimetric analysis.

一方、焼成温度が低すぎると、結晶化が十分に進まず、電極特性が低下する傾向がある。本発明においては、焼成温度は少なくとも700℃以上とすることが好ましい。十分に結晶化させることにより、結晶粒界の抵抗を軽減し、円滑なリチウムイオン輸送を促すことができる。
また、発明者らは、本発明活物質の回折ピークの半値幅を詳細に解析することで750℃までの温度で合成した試料においては格子内にひずみが残存しており、それ以上の温度で合成することでほとんどひずみを除去することができることを確認した。また、結晶子のサイズは合成温度が上昇するに比例して大きくなるものであった。よって、本発明活物質の組成においても、系内に格子のひずみがほとんどなく、かつ結晶子サイズが十分成長した粒子を志向することで良好な放電容量を得られるものであった。具体的には、格子定数に及ぼすひずみ量が2%以下、かつ結晶子サイズが50nm以上に成長しているような合成温度(焼成温度)及びLi/Me比組成を採用することが好ましいことがわかった。これらを電極として成型して充放電をおこなうことで膨張収縮による変化も見られるが、充放電過程においても結晶子サイズは30nm以上を保っていることが得られる効果として好ましい。即ち、焼成温度を上記した活物質の酸素放出温度にできるだけ近付けるように選択することにより、はじめて、可逆容量が顕著に大きい活物質を得ることができる。
On the other hand, if the firing temperature is too low, crystallization does not proceed sufficiently and the electrode characteristics tend to deteriorate. In the present invention, the firing temperature is preferably at least 700 ° C. or higher. By sufficiently crystallizing, the resistance of the crystal grain boundary can be reduced and smooth lithium ion transport can be promoted.
In addition, the inventors have analyzed the half width of the diffraction peak of the active material of the present invention in detail, and in the sample synthesized at a temperature up to 750 ° C., strain remains in the lattice, and at a temperature higher than that, It was confirmed that almost all strains could be removed by synthesis. The crystallite size was increased in proportion to the increase in the synthesis temperature. Therefore, even in the composition of the active material of the present invention, a favorable discharge capacity can be obtained by aiming at a particle having almost no lattice distortion in the system and having a sufficiently grown crystallite size. Specifically, it is preferable to employ a synthesis temperature (firing temperature) and a Li / Me ratio composition in which the strain amount affecting the lattice constant is 2% or less and the crystallite size is grown to 50 nm or more. all right. Although changes due to expansion and contraction are observed by charging and discharging by molding these as electrodes, it is preferable as an effect that the crystallite size is maintained at 30 nm or more in the charging and discharging process. That is, an active material having a remarkably large reversible capacity can be obtained only by selecting the firing temperature as close as possible to the oxygen release temperature of the active material.

上記のように、好ましい焼成温度は、正極活物質の酸素放出温度により異なるから、一概に焼成温度の好ましい範囲を設定することは難しいが、モル比Li/Meが1.2〜1.6である場合に放電容量を充分なものとするために、焼成温度は700℃を超え950℃以下とすることが好ましく、特にLi/Meが1.25〜1.4においては800〜900℃付近がより好ましい。   As described above, since the preferable firing temperature varies depending on the oxygen release temperature of the positive electrode active material, it is difficult to generally set a preferable range of the firing temperature, but the molar ratio Li / Me is 1.2 to 1.6. In some cases, the firing temperature is preferably more than 700 ° C. and not more than 950 ° C. in order to make the discharge capacity sufficient. Especially when Li / Me is 1.25 to 1.4, the firing temperature is around 800 to 900 ° C. More preferred.

本発明のリチウム二次電池に用いる正極活物質が、高い放電容量を備えたものとするためには、リチウム遷移金属複合酸化物を構成する遷移金属元素が層状岩塩型結晶構造の遷移金属サイト以外の部分に存在する割合が小さいものであることが好ましい。これは、焼成工程に供する前駆体において、前駆体コア粒子のCo,Ni,Mnといった遷移金属元素が十分に均一に分布していること、及び、活物質試料の結晶化を促すための適切な焼成工程の条件を選択することによって達成できる。焼成工程に供する前駆体コア粒子中の遷移金属の分布が均一でない場合、十分な放電容量が得られないものとなる。この理由については必ずしも明らかではないが、焼成工程に供する前駆体コア粒子中の遷移金属の分布が均一でない場合、得られるリチウム遷移金属複合酸化物は、層状岩塩型結晶構造の遷移金属サイト以外の部分、即ちリチウムサイトに遷移金属元素の一部が存在するものとなる、いわゆるカチオンミキシングが起こることに由来するものと本発明者らは推察している。同様の推察は焼成工程における結晶化過程においても適用でき、活物質試料の結晶化が不十分であると層状岩塩型結晶構造におけるカチオンミキシングが起こりやすくなる。前記遷移金属元素の分布の均一性が高いものは、X線回折測定結果を空間群R3−mに帰属した場合の(003)面と(104)面の回折ピークの強度比が大きいものとなる傾向がある。本発明において、X線回折測定による前記(003)面と(104)面の回折ピークの強度比は、I(003)/I(104)≧1.0であることが好ましい。また、充放電を経た放電末の状態においてI(003)/I(104)>1であることが好ましい。前駆体の合成条件や合成手順が不適切である場合、前記ピーク強度比はより小さい値となり、しばしば1未満の値となる。 In order for the positive electrode active material used in the lithium secondary battery of the present invention to have a high discharge capacity, the transition metal element constituting the lithium transition metal composite oxide is other than a transition metal site having a layered rock salt type crystal structure. It is preferable that the ratio existing in the portion is small. This is because, in the precursor to be subjected to the firing step, the transition metal elements such as Co, Ni, and Mn in the precursor core particles are sufficiently uniformly distributed, and appropriate for promoting the crystallization of the active material sample. This can be achieved by selecting the conditions for the firing process. If the distribution of the transition metal in the precursor core particles subjected to the firing step is not uniform, a sufficient discharge capacity cannot be obtained. Although the reason for this is not necessarily clear, when the distribution of the transition metal in the precursor core particles to be subjected to the firing step is not uniform, the resulting lithium transition metal composite oxide has a layered rock salt type crystal structure other than the transition metal site. The present inventors speculate that this is due to the occurrence of so-called cation mixing, in which a part of the transition metal element is present at the lithium site. The same inference can be applied to the crystallization process in the firing step. If the crystallization of the active material sample is insufficient, cation mixing in the layered rock salt type crystal structure is likely to occur. When the distribution uniformity of the transition metal element is high, the intensity ratio of the diffraction peaks of the (003) plane and the (104) plane when the X-ray diffraction measurement result belongs to the space group R3-m is large. Tend. In the present invention, the intensity ratio of the diffraction peaks of the (003) plane and the (104) plane by X-ray diffraction measurement is preferably I (003) / I (104) ≧ 1.0. Further, it is preferable that I (003) / I (104) > 1 in the state after the discharge after charging and discharging. If the precursor synthesis conditions and procedure are inadequate, the peak intensity ratio will be smaller and often less than 1.

本発明においては、上記のようにして合成したリチウム遷移金属複合酸化物の粒子表面に、Al、Zr、及びTiから選ばれる少なくとも一種の異種元素を存在させるために、合成したリチウム遷移金属複合酸化物の粒子を、Al、Zr及びTiから選ばれる少なくとも一種の異種元素を含む化合物(硫酸塩、硝酸塩、酢酸塩等)の水溶液に投入する方法を採用することができる。この水溶液は酸性とすることが好ましい。但し、投入する順序は、これに限定されない。例えば、水に分散させたリチウム遷移金属複合酸化物粒子に異種元素を含む化合物の水溶液を投入する方法を採用してもよい。また、異種元素を含む水溶液にリチウム遷移複合酸化物を投入した後、又は投入する際に、pH調整剤を投入してもよい。前記pH調整剤としては、アルカリ溶液であれば、限定されない。前記アルカリ溶液としては、例えば、NaOH水溶液、KOH水溶液が挙げられる。pH調整剤を投入することによって調整されるpHの値は、適宜選択することができる。
ろ過等により、異種元素の化合物の添加された粒子を分別し、得られた粒子を、好ましくは、80〜120℃で乾燥し、さらに、300〜500℃にて1〜10h、大気中で熱処理を行うことにより、粒子表面にAl、Zr及びTiから選ばれる少なくとも一種の異種元素を含む酸化物の存在するリチウム遷移金属複合酸化物粒子が得られる。
In the present invention, the lithium transition metal composite oxide synthesized in order to allow at least one kind of different element selected from Al, Zr, and Ti to exist on the particle surface of the lithium transition metal composite oxide synthesized as described above. It is possible to employ a method in which the particles of the product are put into an aqueous solution of a compound (sulfate, nitrate, acetate, etc.) containing at least one different element selected from Al, Zr and Ti. This aqueous solution is preferably acidic. However, the order of input is not limited to this. For example, a method of introducing an aqueous solution of a compound containing a different element into lithium transition metal composite oxide particles dispersed in water may be employed. Further, a pH adjusting agent may be added after or when the lithium transition composite oxide is added to an aqueous solution containing a different element. The pH adjuster is not limited as long as it is an alkaline solution. Examples of the alkaline solution include an aqueous NaOH solution and an aqueous KOH solution. The pH value adjusted by adding the pH adjusting agent can be appropriately selected.
The particles to which the compound of the different element is added are separated by filtration or the like, and the obtained particles are preferably dried at 80 to 120 ° C., and further heat treated in the atmosphere at 300 to 500 ° C. for 1 to 10 hours. By performing the step, lithium transition metal composite oxide particles in which an oxide containing at least one kind of different element selected from Al, Zr and Ti is present on the particle surface can be obtained.

本発明においては、負極活物質として、リチウムイオンを吸蔵及び放出することのできる炭素材料を使用する。ここで、炭素材料は、黒鉛と不定形炭素の混合物からなるものが好ましい。
不定形炭素からなる負極は、黒鉛からなる負極と比較して放電容量は小さいものの、充電時のLi析出を抑制する効果が大きい。したがって、黒鉛に不定形炭素を混合して負極活物質とすることにより、初期充放電工程の高電位化成において負極のより深い利用率まで踏み込んで充電することができる。すなわち、高電位化成時と実用時の正極容量差分のLiを不定形炭素に挿入させることで、負極の放電容量をより大きくすることができる。
また、黒鉛に不定形炭素を混合して負極活物質とすることにより、「リチウム過剰型」正極活物質の弱点である抵抗の大きい低SOC領域をカットでき、低SOC出力が改善されるという利点がある。
電池容量を増大させ、低SOC出力を改善するために、炭素材料に含まれる前記不定形炭素の比率を5〜60質量%とすることが好ましい。電池容量をより増大させ、低SOC出力を改善するために、炭素材料に含まれる前記不定形炭素の比率を10〜50質量%とすることがより好ましく、10〜30質量%とすることが特に好ましい。また、前記不定形炭素の比率を60質量%以下から50質量%以下、さらに、30質量%以下とすることにより、初期効率が向上するので、この範囲が好ましい。
In the present invention, a carbon material capable of occluding and releasing lithium ions is used as the negative electrode active material. Here, the carbon material is preferably made of a mixture of graphite and amorphous carbon.
Although the negative electrode made of amorphous carbon has a smaller discharge capacity than the negative electrode made of graphite, it has a great effect of suppressing Li precipitation during charging. Therefore, by mixing amorphous carbon with graphite to form a negative electrode active material, it is possible to charge by deepening the utilization rate of the negative electrode in the high potential formation in the initial charge / discharge process. That is, the discharge capacity of the negative electrode can be further increased by inserting Li +, which is the difference in positive electrode capacity between high potential formation and practical use, into amorphous carbon.
In addition, by mixing amorphous carbon with graphite to form a negative electrode active material, it is possible to cut a low SOC region with high resistance, which is a weak point of a “lithium-excess type” positive electrode active material, and to improve low SOC output. There is.
In order to increase the battery capacity and improve the low SOC output, the ratio of the amorphous carbon contained in the carbon material is preferably 5 to 60% by mass. In order to further increase the battery capacity and improve the low SOC output, the ratio of the amorphous carbon contained in the carbon material is more preferably 10 to 50% by mass, and particularly preferably 10 to 30% by mass. preferable. Moreover, since initial efficiency improves by making the ratio of the said amorphous carbon 60 mass% or less to 50 mass% or less, and also 30 mass% or less, this range is preferable.

正極活物質及び負極活物質の粉体は、平均粒子サイズ100μm以下であることが好ましい。特に、正極活物質の粉体は、リチウム二次電池の高出力特性を向上する目的で10μm以下であることが好ましい。粉体を所定の形状で得るためには粉砕機や分級機が用いられる。例えば乳鉢、ボールミル、サンドミル、振動ボールミル、遊星ボールミル、ジェットミル、カウンタージェトミル、旋回気流型ジェットミルや篩等が用いられる。粉砕時には水、あるいはヘキサン等の有機溶剤を共存させた湿式粉砕を用いることもできる。分級方法としては、特に限定はなく、篩や風力分級機などが、乾式、湿式ともに必要に応じて用いられる。   The powder of the positive electrode active material and the negative electrode active material preferably has an average particle size of 100 μm or less. In particular, the powder of the positive electrode active material is preferably 10 μm or less for the purpose of improving the high output characteristics of the lithium secondary battery. In order to obtain the powder in a predetermined shape, a pulverizer or a classifier is used. For example, a mortar, a ball mill, a sand mill, a vibrating ball mill, a planetary ball mill, a jet mill, a counter jet mill, a swirling air flow type jet mill or a sieve is used. At the time of pulverization, wet pulverization in the presence of water or an organic solvent such as hexane may be used. There is no particular limitation on the classification method, and a sieve, an air classifier, or the like is used as needed for both dry and wet methods.

以上、正極及び負極の主要構成成分である正極活物質及び負極活物質について詳述したが、前記正極及び負極には、前記主要構成成分の他に、導電剤、結着剤、増粘剤、フィラー等が、他の構成成分として含有されてもよい。   As described above, the positive electrode active material and the negative electrode active material which are main components of the positive electrode and the negative electrode have been described in detail. In addition to the main component, the positive electrode and the negative electrode include a conductive agent, a binder, a thickener, A filler etc. may be contained as another structural component.

導電剤としては、電池性能に悪影響を及ぼさない電子伝導性材料であれば限定されないが、通常、天然黒鉛(鱗状黒鉛,鱗片状黒鉛,土状黒鉛等)、人造黒鉛、カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、カーボンウイスカー、炭素繊維、金属(銅,ニッケル,アルミニウム,銀,金等)粉、金属繊維、導電性セラミックス材料等の導電性材料を1種またはそれらの混合物として含ませることができる。   The conductive agent is not limited as long as it is an electron conductive material that does not adversely affect the battery performance. Usually, natural graphite (such as scaly graphite, scaly graphite, earthy graphite), artificial graphite, carbon black, acetylene black, Conductive materials such as ketjen black, carbon whisker, carbon fiber, metal (copper, nickel, aluminum, silver, gold, etc.) powder, metal fiber, and conductive ceramic material can be included as one kind or a mixture thereof. .

これらの中で、導電剤としては、電子伝導性及び塗工性の観点よりアセチレンブラックが好ましい。導電剤の添加量は、正極または負極の総重量に対して0.1重量%〜50重量%が好ましく、特に0.5重量%〜30重量%が好ましい。特にアセチレンブラックを0.1〜0.5μmの超微粒子に粉砕して用いると必要炭素量を削減できるため好ましい。正極活物質に導電剤を十分に混合するために、V型混合機、S型混合機、擂かい機、ボールミル、遊星ボールミル等の粉体混合機を乾式、あるいは湿式で用いることが可能である。   Among these, as the conductive agent, acetylene black is preferable from the viewpoints of electron conductivity and coatability. The addition amount of the conductive agent is preferably 0.1% by weight to 50% by weight, and particularly preferably 0.5% by weight to 30% by weight with respect to the total weight of the positive electrode or the negative electrode. In particular, acetylene black is preferably used after being pulverized into ultrafine particles of 0.1 to 0.5 μm because the required carbon amount can be reduced. In order to sufficiently mix the conductive agent with the positive electrode active material, a powder mixer such as a V-type mixer, an S-type mixer, a grinder, a ball mill, a planetary ball mill, or the like can be used in a dry or wet manner. .

前記結着剤としては、通常、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE),ポリフッ化ビニリデン(PVDF),ポリエチレン,ポリプロピレン等の熱可塑性樹脂、エチレン−プロピレン−ジエンターポリマー(EPDM),スルホン化EPDM,スチレンブタジエンゴム(SBR)、フッ素ゴム等のゴム弾性を有するポリマーを1種または2種以上の混合物として用いることができる。結着剤の添加量は、正極または負極の総重量に対して1〜50重量%が好ましく、特に2〜30重量%が好ましい。   The binder is usually a thermoplastic resin such as polytetrafluoroethylene (PTFE), polyvinylidene fluoride (PVDF), polyethylene, polypropylene, ethylene-propylene-diene terpolymer (EPDM), sulfonated EPDM, styrene butadiene. Polymers having rubber elasticity such as rubber (SBR) and fluororubber can be used as one kind or a mixture of two or more kinds. The addition amount of the binder is preferably 1 to 50% by weight, particularly preferably 2 to 30% by weight, based on the total weight of the positive electrode or the negative electrode.

フィラーとしては、電池性能に悪影響を及ぼさない材料であれば限定されない。通常、ポリプロピレン,ポリエチレン等のオレフィン系ポリマー、無定形シリカ、アルミナ、ゼオライト、ガラス、炭素等が用いられる。フィラーの添加量は、正極または負極の総重量に対して添加量は30重量%以下が好ましい。   The filler is not limited as long as it does not adversely affect battery performance. Usually, olefin polymers such as polypropylene and polyethylene, amorphous silica, alumina, zeolite, glass, carbon and the like are used. The addition amount of the filler is preferably 30% by weight or less with respect to the total weight of the positive electrode or the negative electrode.

正極及び負極は、前記主要構成成分(正極においては正極活物質、負極においては負極材料)、およびその他の材料を混練し合剤とし、N−メチルピロリドン,トルエン等の有機溶媒又は水に混合させた後、得られた混合液を下記に詳述する集電体の上に塗布し、または圧着して50℃〜250℃程度の温度で、2時間程度加熱処理することにより好適に作製される。前記塗布方法については、例えば、アプリケーターロールなどのローラーコーティング、スクリーンコーティング、ドクターブレード方式、スピンコーティング、バーコータ等の手段を用いて任意の厚さ及び任意の形状に塗布することが好ましいが、これらに限定されるものではない。   The positive electrode and the negative electrode are prepared by mixing the main constituents (positive electrode active material in the positive electrode, negative electrode material in the negative electrode) and other materials into a mixture and mixing with an organic solvent such as N-methylpyrrolidone or toluene or water. After that, the obtained liquid mixture is applied on a current collector described in detail below, or pressed and heat-treated at a temperature of about 50 ° C. to 250 ° C. for about 2 hours. . About the application method, for example, it is preferable to apply to any thickness and any shape using means such as roller coating such as applicator roll, screen coating, doctor blade method, spin coating, bar coater, etc. It is not limited.

本発明に係るリチウム二次電池に用いる非水電解液に用いる非水溶媒は、限定されず、一般にリチウム電池等への使用が提案されているものが使用可能である。プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ブチレンカーボネート、クロロエチレンカーボネート、ビニレンカーボネート等の環状炭酸エステル類;γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン等の環状エステル類;ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート等の鎖状カーボネート類;ギ酸メチル、酢酸メチル、酪酸メチル等の鎖状エステル類;テトラヒドロフランまたはその誘導体;1,3−ジオキサン、1,4−ジオキサン、1,2−ジメトキシエタン、1,4−ジブトキシエタン、メチルジグライム等のエーテル類;アセトニトリル、ベンゾニトリル等のニトリル類;ジオキソランまたはその誘導体の単独またはそれら2種以上の混合物等を挙げることができるが、これらに限定されるものではない。   The non-aqueous solvent used for the non-aqueous electrolyte used in the lithium secondary battery according to the present invention is not limited, and those generally proposed for use in lithium batteries and the like can be used. Cyclic carbonates such as propylene carbonate, ethylene carbonate, butylene carbonate, chloroethylene carbonate and vinylene carbonate; cyclic esters such as γ-butyrolactone and γ-valerolactone; chain carbonates such as dimethyl carbonate, diethyl carbonate and ethylmethyl carbonate Chain esters such as methyl formate, methyl acetate, and methyl butyrate; Tetrahydrofuran or derivatives thereof; 1,3-dioxane, 1,4-dioxane, 1,2-dimethoxyethane, 1,4-dibutoxyethane, methyl Examples thereof include, but are not limited to, ethers such as diglyme; nitriles such as acetonitrile and benzonitrile; dioxolane or a derivative thereof alone or a mixture of two or more thereof. .

本発明に係るリチウム二次電池においては、上記のような非水溶媒を用いた非水電解液に、フルオロエチレンカーボネート(FEC)を含有させることを特徴とする。非水電解液中のFECの好ましい含有量は5〜10体積%であり、5〜7.5体積%がより好ましい。   The lithium secondary battery according to the present invention is characterized in that fluoroethylene carbonate (FEC) is contained in a nonaqueous electrolytic solution using a nonaqueous solvent as described above. The preferable content of FEC in the non-aqueous electrolyte is 5 to 10% by volume, and more preferably 5 to 7.5% by volume.

また、非水電解液には、1,3−プロペンスルトン、ジグリコールサルフェート、1,3-プロパンスルトン(PS)、1,4-ブタンスルトン、2,4-ブタンスルトン、スルホラン、エチレングリコール環状サルフェート、プロピレングリコール環状サルフェート等の硫黄含有化合物を添加することにより、負極上に硫黄(S)を存在させることができる。非水電解液中の硫黄含有化合物の添加量は、0.5〜2質量%が好ましい。初回充電時にこれらの添加剤が負極上で還元分解されることにより、負極にSを含む被膜が形成されると推定される。   Non-aqueous electrolytes include 1,3-propene sultone, diglycol sulfate, 1,3-propane sultone (PS), 1,4-butane sultone, 2,4-butane sultone, sulfolane, ethylene glycol cyclic sulfate, propylene By adding a sulfur-containing compound such as glycol cyclic sulfate, sulfur (S) can be present on the negative electrode. The addition amount of the sulfur-containing compound in the nonaqueous electrolytic solution is preferably 0.5 to 2% by mass. It is presumed that a film containing S is formed on the negative electrode by reducing and decomposing these additives on the negative electrode during the first charge.

非水電解液に用いる電解質塩としては、例えば、LiClO,LiBF,LiAsF,LiPF,LiSCN,LiBr,LiI,LiSO,Li10Cl10,NaClO,NaI,NaSCN,NaBr,KClO,KSCN等のリチウム(Li)、ナトリウム(Na)またはカリウム(K)の1種を含む無機イオン塩、LiCFSO,LiN(CFSO,LiN(CSO,LiN(CFSO)(CSO),LiC(CFSO,LiC(CSO,(CHNBF,(CHNBr,(CNClO,(CNI,(CNBr,(n−CNClO,(n−CNI,(CN−maleate,(CN−benzoate,(CN−phthalate、ステアリルスルホン酸リチウム、オクチルスルホン酸リチウム、ドデシルベンゼンスルホン酸リチウム等の有機イオン塩等が挙げられ、これらのイオン性化合物を単独、あるいは2種類以上混合して用いることが可能である。 Examples of the electrolyte salt used for the non-aqueous electrolyte include LiClO 4 , LiBF 4 , LiAsF 6 , LiPF 6 , LiSCN, LiBr, LiI, Li 2 SO 4 , Li 2 B 10 Cl 10 , NaClO 4 , NaI, NaSCN, Inorganic ion salts containing one of lithium (Li), sodium (Na) or potassium (K) such as NaBr, KClO 4 , KSCN, LiCF 3 SO 3 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , LiN (C 2 F 5 SO 2 ) 2 , LiN (CF 3 SO 2 ) (C 4 F 9 SO 2 ), LiC (CF 3 SO 2 ) 3 , LiC (C 2 F 5 SO 2 ) 3 , (CH 3 ) 4 NBF 4 , (CH 3 ) 4 NBr, (C 2 H 5 ) 4 NClO 4 , (C 2 H 5 ) 4 NI, (C 3 H 7 ) 4 NBr, (n-C 4 H 9 ) 4 NClO 4 , (nC 4 H 9 ) 4 NI, (C 2 H 5 ) 4 N-maleate, (C 2 H 5 ) 4 N-benzoate, (C 2 H 5 ) 4 N-phthalate, Examples thereof include organic ionic salts such as lithium stearyl sulfonate, lithium octyl sulfonate, and lithium dodecylbenzene sulfonate. These ionic compounds can be used alone or in admixture of two or more.

さらに、LiPF6又はLiBF4と、LiN(C25SO22のようなパーフルオロアルキル基を有するリチウム塩とを混合して用いることにより、さらに電解質の粘度を下げることができるので、低温特性をさらに高めることができ、また、自己放電を抑制することができ、より好ましい。 Furthermore, by mixing and using LiPF 6 or LiBF 4 and a lithium salt having a perfluoroalkyl group such as LiN (C 2 F 5 SO 2 ) 2 , the viscosity of the electrolyte can be further reduced. Low temperature characteristics can be further improved, and self-discharge can be suppressed, which is more preferable.

非水電解液における電解質塩の濃度としては、高い電池特性を有するリチウム二次電池を確実に得るために、0.1mol/l〜5mol/lが好ましく、さらに好ましくは、0.5mol/l〜2.5mol/lである。   The concentration of the electrolyte salt in the non-aqueous electrolyte is preferably 0.1 mol / l to 5 mol / l, more preferably 0.5 mol / l to obtain a lithium secondary battery having high battery characteristics. 2.5 mol / l.

セパレータとしては、優れた高率放電性能を示す多孔膜や不織布等を、単独あるいは併用することが好ましい。リチウム二次電池用セパレータを構成する材料としては、例えばポリエチレン,ポリプロピレン等に代表されるポリオレフィン系樹脂、ポリエチレンテレフタレート,ポリブチレンテレフタレート等に代表されるポリエステル系樹脂、ポリフッ化ビニリデン、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、フッ化ビニリデン−パーフルオロビニルエーテル共重合体、フッ化ビニリデン−テトラフルオロエチレン共重合体、フッ化ビニリデン−トリフルオロエチレン共重合体、フッ化ビニリデン−フルオロエチレン共重合体、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロアセトン共重合体、フッ化ビニリデン−エチレン共重合体、フッ化ビニリデン−プロピレン共重合体、フッ化ビニリデン−トリフルオロプロピレン共重合体、フッ化ビニリデン−テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、フッ化ビニリデン−エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体等を挙げることができる。   As the separator, it is preferable to use a porous film or a non-woven fabric exhibiting excellent high rate discharge performance alone or in combination. Examples of the material constituting the lithium secondary battery separator include polyolefin resins typified by polyethylene and polypropylene, polyester resins typified by polyethylene terephthalate and polybutylene terephthalate, polyvinylidene fluoride, and vinylidene fluoride-hexa. Fluoropropylene copolymer, vinylidene fluoride-perfluorovinyl ether copolymer, vinylidene fluoride-tetrafluoroethylene copolymer, vinylidene fluoride-trifluoroethylene copolymer, vinylidene fluoride-fluoroethylene copolymer, fluorine Vinylidene fluoride-hexafluoroacetone copolymer, vinylidene fluoride-ethylene copolymer, vinylidene fluoride-propylene copolymer, vinylidene fluoride-trifluoropropylene copolymer, vinylidene fluoride Down - tetrafluoroethylene - hexafluoropropylene copolymer, vinylidene fluoride - ethylene - can be mentioned tetrafluoroethylene copolymer.

セパレータの空孔率は強度の観点から98体積%以下が好ましい。また、充放電特性の観点から空孔率は20体積%以上が好ましい。   The porosity of the separator is preferably 98% by volume or less from the viewpoint of strength. Further, the porosity is preferably 20% by volume or more from the viewpoint of charge / discharge characteristics.

また、セパレータは、例えばアクリロニトリル、エチレンオキシド、プロピレンオキシド、メチルメタアクリレート、ビニルアセテート、ビニルピロリドン、ポリフッ化ビニリデン等のポリマーと電解質とで構成されるポリマーゲルを用いてもよい。非水電解質を上記のようにゲル状態で用いると、漏液を防止する効果がある点で好ましい。   The separator may be a polymer gel composed of a polymer such as acrylonitrile, ethylene oxide, propylene oxide, methyl methacrylate, vinyl acetate, vinyl pyrrolidone, polyvinylidene fluoride, and an electrolyte. Use of the non-aqueous electrolyte in the gel state as described above is preferable in that it has an effect of preventing leakage.

さらに、セパレータは、上述したような多孔膜や不織布等とポリマーゲルを併用して用いると、電解質の保液性が向上するため好ましい。即ち、ポリエチレン微孔膜の表面及び微孔壁面に厚さ数μm以下の親溶媒性ポリマーを被覆したフィルムを形成し、前記フィルムの微孔内に電解質を保持させることで、前記親溶媒性ポリマーがゲル化する。   Furthermore, it is preferable to use a separator in combination with the above-described porous film, non-woven fabric, or the like and a polymer gel because the liquid retention of the electrolyte is improved. That is, by forming a film in which the surface of the polyethylene microporous membrane and the microporous wall are coated with a solvophilic polymer having a thickness of several μm or less, and holding the electrolyte in the micropores of the film, Gels.

前記親溶媒性ポリマーとしては、ポリフッ化ビニリデンの他、エチレンオキシド基やエステル基等を有するアクリレートモノマー、エポキシモノマー、イソシアナート基を有するモノマー等が架橋したポリマー等が挙げられる。該モノマーは、電子線(EB)照射、又は、ラジカル開始剤を添加して加熱若しくは紫外線(UV)照射を行うこと等により、架橋反応を行わせることが可能である。   Examples of the solvophilic polymer include polyvinylidene fluoride, an acrylate monomer having an ethylene oxide group or an ester group, an epoxy monomer, a polymer having a monomer having an isocyanate group, and the like crosslinked. The monomer can be subjected to a crosslinking reaction by irradiation with an electron beam (EB) or heating or ultraviolet (UV) irradiation with a radical initiator added.

その他の電池の構成要素としては、端子、絶縁板、電池ケース等があるが、これらの部品は従来用いられてきたものをそのまま用いて差し支えない。   Other battery components include a terminal, an insulating plate, a battery case, and the like, but these components may be used as they are.

図1に、本発明に係るリチウム二次電池の一実施形態である矩形状のリチウム二次電池1の外観斜視図を示す。なお、同図は、容器内部を透視した図としている。図1に示すリチウム二次電池1は、電極群2が電池容器3に収納されている。電極群2は、正極活物質を備える正極と、負極活物質を備える負極とが、セパレータを介して捲回されることにより形成されている。正極は、正極リード4’を介して正極端子4と電気的に接続され、負極は、負極リード5’を介して負極端子5と電気的に接続されている。   FIG. 1 shows an external perspective view of a rectangular lithium secondary battery 1 which is an embodiment of a lithium secondary battery according to the present invention. In the figure, the inside of the container is seen through. In the lithium secondary battery 1 shown in FIG. 1, an electrode group 2 is housed in a battery container 3. The electrode group 2 is formed by winding a positive electrode including a positive electrode active material and a negative electrode including a negative electrode active material via a separator. The positive electrode is electrically connected to the positive electrode terminal 4 via the positive electrode lead 4 ′, and the negative electrode is electrically connected to the negative electrode terminal 5 via the negative electrode lead 5 ′.

本発明に係るリチウム二次電池の形状については特に限定されるものではなく、円筒型電池、角型電池(矩形状の電池)、扁平型電池等が一例として挙げられる。本発明は、上記のリチウム二次電池を複数個集合した蓄電装置としても実現することができる。蓄電装置の一実施形態を図2に示す。図2において、蓄電装置30は、複数の蓄電ユニット20を備えている。それぞれの蓄電ユニット20は、複数のリチウム二次電池1を備えている。前記蓄電装置30は、電気自動車(EV)、ハイブリッド自動車(HEV)、プラグインハイブリッド自動車(PHEV)等の自動車用電源として搭載することができる。   The shape of the lithium secondary battery according to the present invention is not particularly limited, and examples thereof include a cylindrical battery, a square battery (rectangular battery), a flat battery, and the like. The present invention can also be realized as a power storage device in which a plurality of the lithium secondary batteries are assembled. One embodiment of a power storage device is shown in FIG. In FIG. 2, the power storage device 30 includes a plurality of power storage units 20. Each power storage unit 20 includes a plurality of lithium secondary batteries 1. The power storage device 30 can be mounted as a power source for vehicles such as an electric vehicle (EV), a hybrid vehicle (HEV), and a plug-in hybrid vehicle (PHEV).

(実施例1)
(正極活物質の作製)
<リチウム遷移金属複合酸化物の作製>
硫酸コバルト7水和物7.04g、硫酸ニッケル6水和物10.53g及び硫酸マンガン5水和物32.60gを秤量し、これらの全量をイオン交換水200mlに溶解させ、Co:Ni:Mnのモル比が12.5:20.0:67.5となる1.0Mの硫酸塩水溶液を作製した。一方、2Lの反応槽に750mlのイオン交換水を注ぎ、COガスを30minバブリングさせることにより、イオン交換水中にCOを溶解させた。反応槽の温度を50℃(±2℃)に設定し、攪拌モーターを備えたパドル翼を用いて反応槽内を700rpmの回転速度で攪拌しながら、前記硫酸塩水溶液を3ml/minの速度で滴下した。ここで、滴下の開始から終了までの間、1.0Mの炭酸ナトリウム及び0.2Mのアンモニアを含有する水溶液を適宜滴下することにより、反応槽中のpHが常に8.0(±0.05)を保つように制御した。滴下終了後、反応槽内の攪拌をさらに3h継続した。攪拌の停止後、12h以上静置した。
Example 1
(Preparation of positive electrode active material)
<Preparation of lithium transition metal composite oxide>
7.04 g of cobalt sulfate heptahydrate, 10.53 g of nickel sulfate hexahydrate and 32.60 g of manganese sulfate pentahydrate were weighed, and all of these were dissolved in 200 ml of ion-exchanged water, and Co: Ni: Mn A 1.0 M aqueous sulfate solution having a molar ratio of 12.5: 20.0: 67.5 was prepared. On the other hand, 750 ml of ion exchange water was poured into a 2 L reaction tank, and CO 2 gas was bubbled for 30 minutes to dissolve CO 2 in the ion exchange water. The temperature of the reaction vessel was set to 50 ° C. (± 2 ° C.), and the aqueous sulfate solution was stirred at a rate of 3 ml / min while stirring the inside of the reaction vessel at a rotational speed of 700 rpm using a paddle blade equipped with a stirring motor. It was dripped. Here, during the period from the start to the end of the dropwise addition, an aqueous solution containing 1.0 M sodium carbonate and 0.2 M ammonia is appropriately dropped, so that the pH in the reaction tank is always 8.0 (± 0.05). ) Was controlled. After completion of the dropping, stirring in the reaction vessel was continued for 3 hours. After stopping the stirring, the mixture was allowed to stand for 12 hours or more.

次に、吸引ろ過装置を用いて、反応槽内に生成した共沈炭酸塩の粒子を分離し、さらにイオン交換水を用いて200mlによる洗浄を1回としたときに、5回の洗浄を行う条件で粒子に付着しているナトリウムイオンを適度に洗浄除去し、電気炉を用いて、空気雰囲気中、常圧下、80℃にて乾燥させた。その後、粒径を揃えるために、瑪瑙製自動乳鉢で数分間粉砕した。このようにして、共沈炭酸塩前駆体を作製した。   Next, using a suction filtration device, the coprecipitated carbonate particles generated in the reaction vessel are separated, and further, washing is performed 5 times when 200 ml is washed once with ion-exchanged water. Sodium ions adhering to the particles under conditions were washed and removed appropriately, and dried in an air atmosphere at 80 ° C. in an air atmosphere using an electric furnace. Then, in order to arrange | equalize a particle size, it grind | pulverized for several minutes with the smoked automatic mortar. In this way, a coprecipitated carbonate precursor was produced.

前記共沈炭酸塩前駆体11.140gに、炭酸リチウム5.110gを加え、瑪瑙製自動乳鉢を用いてよく混合し、Li:(Co,Ni,Mn)のモル比が140:100である混合粉体を調製した。ペレット成型機を用いて、6MPaの圧力で成型し、直径25mmのペレットとした。ペレット成型に供した混合粉体の量は、想定する最終生成物の質量が5gとなるように換算して決定した。前記ペレット1個を全長約100mmのアルミナ製ボートに載置し、箱型電気炉(型番:AMF20)に設置し、空気雰囲気中、常圧下、常温から890℃まで10時間かけて昇温し、890℃で4h焼成した。前記箱型電気炉の内部寸法は、縦10cm、幅20cm、奥行き30cmであり、幅方向20cm間隔に電熱線が入っている。焼成後、ヒーターのスイッチを切り、アルミナ製ボートを炉内に置いたまま自然放冷した。この結果、炉の温度は5時間後には約200℃程度にまで低下するが、その後の降温速度はやや緩やかである。一昼夜経過後、炉の温度が100℃以下となっていることを確認してから、ペレットを取り出し、粒径を揃えるために、瑪瑙製自動乳鉢で数分間粉砕し、リチウム遷移金属複合酸化物Li1.17Co0.10Ni0.17Mn0.56を作製した。このリチウム遷移金属複合酸化物が、エックス線回折測定より、α−NaFeO構造を有していることを確認した。 5.110 g of lithium carbonate is added to 11.140 g of the coprecipitated carbonate precursor, mixed well using a smoked automatic mortar, and the molar ratio of Li: (Co, Ni, Mn) is 140: 100 A powder was prepared. Using a pellet molding machine, molding was performed at a pressure of 6 MPa to obtain pellets having a diameter of 25 mm. The amount of the mixed powder subjected to pellet molding was determined by conversion so that the mass of the assumed final product was 5 g. One pellet was placed on an alumina boat having a total length of about 100 mm, placed in a box-type electric furnace (model number: AMF20), and heated from ambient temperature to normal temperature to 890 ° C. over 10 hours in an air atmosphere. Baked at 890 ° C. for 4 h. The box-type electric furnace has internal dimensions of 10 cm in length, 20 cm in width, and 30 cm in depth, and heating wires are inserted at intervals of 20 cm in the width direction. After firing, the heater was turned off and allowed to cool naturally with the alumina boat placed in the furnace. As a result, the temperature of the furnace decreases to about 200 ° C. after 5 hours, but the subsequent temperature decrease rate is somewhat moderate. After a day and night, after confirming that the furnace temperature is 100 ° C. or less, the pellets are taken out, and pulverized in a smoked automatic mortar for several minutes in order to make the particle size uniform, and the lithium transition metal composite oxide Li 1.17 Co 0.10 Ni 0.17 Mn 0.56 O 2 was produced. This lithium transition metal composite oxide was confirmed to have an α-NaFeO 2 structure by X-ray diffraction measurement.

<リチウム遷移金属複合酸化物への異種元素の添加>
次に、上記のようにして作製したリチウム遷移金属複合酸化物5gを0.1Mの硫酸アルミニウム水溶液200mlに投入し、マグネチックスターラーを用いて25℃、400rpmにて30秒撹拌した。その後、吸引ろ過により粉末とろ液に分別した。ろ液のpHを測定したところ2.3であった。得られた粉末は80℃の大気中で20h乾燥した。さらに、先述の箱型電気炉をもちいて400℃にて4hの大気中による熱処理を行った。このようにして、実施例1の正極活物質に係るAl酸化物が粒子表面に存在する前記リチウム遷移金属複合酸化物を作製した。
<Addition of different elements to lithium transition metal composite oxide>
Next, 5 g of the lithium transition metal composite oxide prepared as described above was put into 200 ml of a 0.1 M aqueous solution of aluminum sulfate, and stirred at 25 ° C. and 400 rpm for 30 seconds using a magnetic stirrer. Then, it separated into the powder and the filtrate by suction filtration. The pH of the filtrate was measured and found to be 2.3. The obtained powder was dried in air at 80 ° C. for 20 hours. Further, heat treatment was performed in the atmosphere for 4 hours at 400 ° C. using the above-described box-type electric furnace. Thus, the lithium transition metal composite oxide in which the Al oxide according to the positive electrode active material of Example 1 was present on the particle surface was produced.

(粒子径の測定)
実施例1に係るリチウム遷移金属複合酸化物は、次の条件及び手順に沿って粒度分布測定を行った。測定装置には日機装社製Microtrac(型番:MT3000)を用いた。前記測定装置は、光学台、試料供給部及び制御ソフトを搭載したコンピューターを備えており、光学台にはレーザー光透過窓を有する湿式セルが設置される。測定原理は、測定対象試料が分散溶媒中に分散している分散液が循環している湿式セルにレーザー光を照射し、測定試料からの散乱光分布を粒度分布に変換する方式である。前記分散液は試料供給部に蓄えられ、ポンプによって湿式セルに循環供給される。前記試料供給部は、常に超音波振動が加えられている。今回の測定では、分散溶媒として水を用いた。又、測定制御ソフトにはMicrotrac DHS for Win98(MT3000)を使用した。前記測定装置に設定入力する「物質情報」については、溶媒の「屈折率」として1.33を設定し、「透明度」として「透過(TRANSPARENT)」を選択し、「球形粒子」として「非球形」を選択した。試料の測定に先立ち、「Set Zero」操作を行う。「Set zero」操作は、粒子からの散乱光以外の外乱要素(ガラス、ガラス壁面の汚れ、ガラス凹凸など)が後の測定に与える影響を差し引くための操作であり、試料供給部に分散溶媒である水のみを入れ、湿式セルに分散溶媒である水のみが循環している状態でバックグラウンド操作を行い、バックグラウンドデータをコンピューターに記憶させる。続いて「Sample LD (Sample Loading)」操作を行う。Sample LD操作は、測定時に湿式セルに循環供給される分散液中の試料濃度を最適化するための操作であり、測定制御ソフトの指示に従って試料供給部に測定対象試料を手動で最適量に達するまで投入する操作である。続いて、「測定」ボタンを押すことで測定操作が行われる。前記測定操作を2回繰り返し、その平均値として測定結果がコンピューターから出力される。測定結果は、粒度分布ヒストグラム、並びに、D10、D50及びD90の各値(D10、D50及びD90は、二次粒子の粒度分布における累積体積がそれぞれ10%、50%及び90%となる粒度)として取得される。測定されたD50の値は8μmであった。
(Measurement of particle diameter)
The lithium transition metal composite oxide according to Example 1 was subjected to particle size distribution measurement according to the following conditions and procedures. Microtrac (model number: MT3000) manufactured by Nikkiso Co., Ltd. was used as a measuring device. The measurement apparatus includes an optical bench, a sample supply unit, and a computer equipped with control software. A wet cell having a laser light transmission window is installed on the optical bench. The measurement principle is a method in which a wet cell in which a dispersion liquid in which a sample to be measured is dispersed in a dispersion solvent circulates is irradiated with laser light, and the scattered light distribution from the measurement sample is converted into a particle size distribution. The dispersion is stored in a sample supply unit and circulated and supplied to a wet cell by a pump. The sample supply unit is always subjected to ultrasonic vibration. In this measurement, water was used as a dispersion solvent. Moreover, Microtrac DHS for Win98 (MT3000) was used for the measurement control software. For the “substance information” to be set and input to the measuring apparatus, 1.33 is set as the “refractive index” of the solvent, “TRANSPARENT” is selected as the “transparency”, and “non-spherical” is selected as the “spherical particle”. Was selected. Prior to sample measurement, perform “Set Zero” operation. The “Set zero” operation is an operation to subtract the influence of disturbance elements other than the scattered light from the particles (glass, dirt on the glass wall, glass irregularities, etc.) on subsequent measurements. A background operation is performed in a state where only certain water is added and only water as a dispersion solvent is circulating in the wet cell, and the background data is stored in the computer. Next, perform the “Sample LD (Sample Loading)” operation. The Sample LD operation is an operation for optimizing the sample concentration in the dispersion that is circulated and supplied to the wet cell during measurement, and manually reaches the optimum amount of the sample to be measured in the sample supply unit according to the instructions of the measurement control software. It is an operation to throw up. Subsequently, the measurement operation is performed by pressing the “Measure” button. The measurement operation is repeated twice, and the measurement result is output from the computer as the average value. The measurement results are as a particle size distribution histogram and values of D10, D50, and D90 (D10, D50, and D90 are particle sizes at which the cumulative volume in the particle size distribution of the secondary particles is 10%, 50%, and 90%, respectively) To be acquired. The measured D50 value was 8 μm.

(細孔容積分布の測定)
実施例1に係るリチウム遷移金属複合酸化物は、次の条件及び手順に沿って細孔容積分布測定を行った。細孔容積分布の測定には、Quantachrome社製の「autosorb iQ」及び制御・解析ソフト「ASiQwin」を用いた。測定対象の試料であるリチウム遷移金属複合酸化物1.00gを測定用のサンプル管に入れ、120℃にて12h真空乾燥することで、測定試料中の水分を十分に除去した。次に、液体窒素を用いた窒素ガス吸着法により、相対圧力P/P0(P0=約770mmHg)が0から1の範囲内で吸着側および脱離側の等温線を測定した。そして、脱離側の等温線を用いてBJH法により計算することにより細孔分布を評価した。このリチウム遷移金属複合酸化物は、窒素ガス吸着法を用いた吸着等温線からBJH法で求めた微分細孔容積が最大値を示す細孔径が30〜40nmの範囲内であり、ピーク微分細孔容積の値が1.05mm/(g・nm)であった。
(Measurement of pore volume distribution)
The lithium transition metal composite oxide according to Example 1 was measured for pore volume distribution according to the following conditions and procedures. For measurement of pore volume distribution, “autosorb iQ” manufactured by Quantachrome and control / analysis software “ASiQwin” were used. 1.00 g of the lithium transition metal composite oxide, which is the sample to be measured, was placed in a sample tube for measurement and vacuum-dried at 120 ° C. for 12 hours to sufficiently remove moisture in the measurement sample. Next, the adsorption side and desorption side isotherms were measured by a nitrogen gas adsorption method using liquid nitrogen within a relative pressure P / P0 (P0 = about 770 mmHg) range of 0 to 1. Then, the pore distribution was evaluated by calculating by the BJH method using the isotherm on the desorption side. This lithium transition metal composite oxide has a differential pore volume in the range of 30 to 40 nm where the differential pore volume determined by the BJH method from the adsorption isotherm using the nitrogen gas adsorption method is the maximum, and the peak differential pore The volume value was 1.05 mm 3 / (g · nm).

(異種元素の存在量の測定)
リチウム遷移金属複合酸化物の粒子表面にAlが存在していること、そのAl(異種元素)の存在量は、以下のようにして測定した。
異種元素を含む正極活物質を35wt%塩酸中に加え、150℃で10分間煮沸することによって溶解させた。得られた溶液についてICP発光分光分析を行うことによって、異種元素の定量を行った。
なお、比較例6及び比較例8を除く全ての実施例及び比較例において、異種元素の量は、金属換算又はB換算で0.3質量%であった。
(Measurement of abundance of different elements)
The presence of Al on the particle surface of the lithium transition metal composite oxide and the abundance of the Al (foreign element) were measured as follows.
A positive electrode active material containing a different element was added to 35 wt% hydrochloric acid and dissolved by boiling at 150 ° C. for 10 minutes. The obtained solution was subjected to ICP emission spectroscopic analysis to quantify the different elements.
In all Examples and Comparative Examples except Comparative Example 6 and Comparative Example 8, the amount of the different element was 0.3% by mass in terms of metal or B.

(正極の作製)
上記のようにして作製したAlが粒子表面に存在するリチウム遷移金属複合酸化物をリチウム二次電池用正極活物質として用いて、以下の手順でリチウム二次電池を作製した。
N−メチルピロリドンを分散媒とし、正極活物質、アセチレンブラック(AB)及びポリフッ化ビニリデン(PVdF)が質量比90:5:5の割合で混練分散されている塗布用ペーストを作製した。該塗布ペーストを厚さ20μmのアルミニウム箔集電体の片方の面に塗布し乾燥することで、正極板を作製した。なお、単位面積当たりに塗布されている活物質の質量を5mg/cmとした。また、ロールプレスを用いて電極の多孔度が35%となるようにプレスを行った。
(Preparation of positive electrode)
A lithium secondary battery was produced by the following procedure using the lithium transition metal composite oxide in which Al produced on the particle surface was produced as described above as a positive electrode active material for a lithium secondary battery.
Using N-methylpyrrolidone as a dispersion medium, a coating paste in which a positive electrode active material, acetylene black (AB), and polyvinylidene fluoride (PVdF) were kneaded and dispersed at a mass ratio of 90: 5: 5 was prepared. The coating paste was applied to one side of an aluminum foil current collector with a thickness of 20 μm and dried to prepare a positive electrode plate. In addition, the mass of the active material applied per unit area was set to 5 mg / cm 2 . Moreover, it pressed so that the porosity of an electrode might be 35% using a roll press.

(負極の作製)
N−メチルピロリドンを分散媒とし、黒鉛性炭素と不定形炭素を90:10の質量比率で混合した活物質とポリフッ化ビニリデン(PVdF)が質量比94:6の割合で混練分散されている塗布用ペーストを作製した。該塗布ペーストを厚さ20μmの銅箔集電体の片方の面に塗布し乾燥することで、負極板を作製した。
負極活物質である黒鉛性炭素にはTIMCAL製のSFG15を、不定形炭素にはクレハ製のカーボトロンP(ハードカーボン)を用いた。
なお、単位面積当たりに塗布されている活物質の質量を4mg/cmとした。また、ロールプレスを用いて電極の多孔度が35%となるようにプレスを行った。
(Preparation of negative electrode)
Coating in which N-methylpyrrolidone is used as a dispersion medium and an active material obtained by mixing graphitic carbon and amorphous carbon in a mass ratio of 90:10 and polyvinylidene fluoride (PVdF) are kneaded and dispersed in a mass ratio of 94: 6. A paste was prepared. The coating paste was applied to one side of a 20 μm thick copper foil current collector and dried to prepare a negative electrode plate.
TIMCAL SFG15 was used for the graphitic carbon as the negative electrode active material, and Kureha Carbotron P (hard carbon) was used for the amorphous carbon.
The mass of the active material applied per unit area was 4 mg / cm 2 . Moreover, it pressed so that the porosity of an electrode might be 35% using a roll press.

(非水電解液の作製)
エチルメチルカーボネート(EMC)にフルオロエチレンカーボネートCFO(FEC)を添加し、EMCとFECが体積比95:5で含有する混合溶媒を作製した。前記混合溶媒に、濃度が1mol/lとなるようにLiPFを溶解させた。この溶液の質量に対して、さらに2質量%の1,3−プロペンスルトン(PRS)を添加して、実施例1に係るリチウム二次電池の非水電解液を作製した。
(Preparation of non-aqueous electrolyte)
Fluoroethylene carbonate C 3 H 3 FO 3 (FEC) was added to ethyl methyl carbonate (EMC) to prepare a mixed solvent containing EMC and FEC in a volume ratio of 95: 5. LiPF 6 was dissolved in the mixed solvent so as to have a concentration of 1 mol / l. 2 mass% of 1, 3- propene sultone (PRS) was further added with respect to the mass of this solution, and the non-aqueous electrolyte of the lithium secondary battery which concerns on Example 1 was produced.

(リチウム二次電池の組み立て)
セパレータとして、ポリアクリレートで表面改質したポリプロピレン製の微孔膜を用いた。外装体には、ポリエチレンテレフタレート(15μm)/アルミニウム箔(50μm)/金属接着性ポリプロピレンフィルム(50μm)からなる金属樹脂複合フィルムを用い、正極端子及び負極端子の開放端部が外部露出するように前記の正極及び負極を収納し、前記金属樹脂複合フィルムの内面同士が向かい合った融着代を注液孔となる部分を除いて気密封止し、前記非水電解液を注液後、注液孔を封止した。
(Assembly of lithium secondary battery)
As the separator, a polypropylene microporous film whose surface was modified with polyacrylate was used. A metal resin composite film composed of polyethylene terephthalate (15 μm) / aluminum foil (50 μm) / metal-adhesive polypropylene film (50 μm) is used for the outer package, and the open ends of the positive terminal and the negative terminal are exposed to the outside The metal resin composite film is hermetically sealed except for the portion that becomes the injection hole, and the non-aqueous electrolyte is injected, and then the injection hole Was sealed.

(初期充放電工程)
以上の手順にて作製されたリチウム二次電池は、環境温度25℃にて、初期充放電工程に供した。充電は、電流0.1CmA、電圧4.6Vの定電流定電圧充電とし、充電終止条件は電流値が1/6に減衰した時点とした。放電は、電流0.1CmA、終止電圧2.0Vの定電流放電とした。この充放電を2サイクル行った。ここで、充電後及び放電後にそれぞれ30分の休止過程を設けた。このようにして、実施例1に係るリチウム二次電池を作製した。
(Initial charge / discharge process)
The lithium secondary battery produced by the above procedure was subjected to an initial charge / discharge process at an environmental temperature of 25 ° C. Charging was performed at a constant current and a constant voltage with a current of 0.1 CmA and a voltage of 4.6 V, and the charge termination condition was when the current value attenuated to 1/6. The discharge was a constant current discharge with a current of 0.1 CmA and a final voltage of 2.0 V. This charge / discharge was performed for two cycles. Here, a pause process of 30 minutes was provided after charging and after discharging, respectively. In this way, a lithium secondary battery according to Example 1 was produced.

(実施例2)
非水電解液の作製工程において、1,3−プロペンスルトン(PRS)の代わりに2質量%のジグリコールサルフェート(DGLST)を添加した他は、実施例1と同様にして、実施例2に係るリチウム二次電池を作製した。
(Example 2)
According to Example 2, except that 2% by mass of diglycol sulfate (DGLST) was added in place of 1,3-propene sultone (PRS) in the non-aqueous electrolyte preparation process A lithium secondary battery was produced.

(実施例3)
リチウム遷移金属複合酸化物への異種元素の添加工程において、前記リチウム遷移金属複合酸化物5gを0.1Mの硫酸ジルコニウム水溶液200mlに投入し、Zr酸化物が粒子表面に存在する前記リチウム遷移金属複合酸化物を作製した他は、実施例1と同様にして、実施例3に係るリチウム二次電池を作製した。
(Example 3)
In the step of adding a different element to the lithium transition metal composite oxide, 5 g of the lithium transition metal composite oxide is added to 200 ml of a 0.1 M zirconium sulfate aqueous solution, and the Zr oxide is present on the particle surface. A lithium secondary battery according to Example 3 was produced in the same manner as Example 1 except that the oxide was produced.

(実施例4)
リチウム遷移金属複合酸化物への異種元素の添加工程において、前記リチウム遷移金属複合酸化物5gを0.1Mの硫酸チタン水溶液200mlに投入し、Ti酸化物が粒子表面に存在する前記リチウム遷移金属複合酸化物を作製した他は、実施例1と同様にして、実施例4に係るリチウム二次電池を作製した。
Example 4
In the step of adding a different element to the lithium transition metal composite oxide, 5 g of the lithium transition metal composite oxide is added to 200 ml of a 0.1 M titanium sulfate aqueous solution, and the lithium transition metal composite in which Ti oxide is present on the particle surface. A lithium secondary battery according to Example 4 was produced in the same manner as in Example 1 except that the oxide was produced.

(比較例1)
非水電解液の作製工程において、1,3−プロペンスルトン(PRS)を添加しない他は、実施例1と同様にして、比較例1に係るリチウム二次電池を作製した。
(Comparative Example 1)
A lithium secondary battery according to Comparative Example 1 was produced in the same manner as in Example 1 except that 1,3-propene sultone (PRS) was not added in the production process of the nonaqueous electrolytic solution.

(比較例2)
非水電解液の作製工程において、フルオロエチレンカーボネート(FEC)を添加しない他は、実施例1と同様にして、比較例2に係るリチウム二次電池を作製した。
(Comparative Example 2)
A lithium secondary battery according to Comparative Example 2 was produced in the same manner as in Example 1 except that fluoroethylene carbonate (FEC) was not added in the production process of the nonaqueous electrolytic solution.

(比較例3)
非水電解液の作製工程において、フルオロエチレンカーボネート(FEC)及び1,3−プロペンスルトン(PRS)を添加しない他は、実施例1と同様にして、比較例3に係るリチウム二次電池を作製した。
(Comparative Example 3)
A lithium secondary battery according to Comparative Example 3 was produced in the same manner as in Example 1 except that fluoroethylene carbonate (FEC) and 1,3-propene sultone (PRS) were not added in the non-aqueous electrolyte production process. did.

(比較例4)
非水電解液の作製工程において、フルオロエチレンカーボネート(FEC)を添加しない他は、実施例2と同様にして、比較例4に係るリチウム二次電池を作製した。
(Comparative Example 4)
A lithium secondary battery according to Comparative Example 4 was produced in the same manner as in Example 2 except that fluoroethylene carbonate (FEC) was not added in the production process of the nonaqueous electrolytic solution.

(比較例5)
リチウム遷移金属複合酸化物への異種元素の添加工程において、前記リチウム遷移金属複合酸化物5gを0.1Mのホウ酸水溶液200mlに投入し、B酸化物が粒子表面に存在する前記リチウム遷移金属複合酸化物を作製した他は、実施例1と同様にして、比較例5に係るリチウム二次電池を作製した。
(Comparative Example 5)
In the step of adding a different element to the lithium transition metal composite oxide, 5 g of the lithium transition metal composite oxide is added to 200 ml of 0.1 M boric acid aqueous solution, and the B transition oxide is present on the particle surface. A lithium secondary battery according to Comparative Example 5 was produced in the same manner as in Example 1 except that the oxide was produced.

(比較例6)
リチウム遷移金属複合酸化物への異種元素の添加工程を設けない他は、実施例1と同様にして、比較例6に係るリチウム二次電池を作製した。
(Comparative Example 6)
A lithium secondary battery according to Comparative Example 6 was produced in the same manner as in Example 1 except that the step of adding a different element to the lithium transition metal composite oxide was not provided.

(比較例7)
リチウム遷移金属複合酸化物の作製工程において作製したリチウム遷移金属複合酸化物Li1.17Co0.10Ni0.17Mn0.56の代わりに、以下の方法により作製したLiMeO型リチウム遷移金属複合酸化物LiCo1/3Ni1/3Mn1/3を用いた他は、実施例1と同様にして、比較例7に係るリチウム二次電池を作製した。
硫酸コバルト7水和物18.77g、硫酸ニッケル6水和物17.56g及び硫酸マンガン5水和物16.10gを秤量し、これらの全量をイオン交換水200mlに溶解させ、Co:Ni:Mnのモル比が1:1:1となる1.0Mの硫酸塩水溶液を作製した。一方、2Lの反応槽に750mlのイオン交換水を注ぎ、Arガスを30minバブリングさせることにより、イオン交換水中の溶存酸素を追い出した。反応槽の温度を50℃(±2℃)に設定し、攪拌モーターを備えたパドル翼を用いて反応槽内を700rpmの回転速度で攪拌しながら、前記硫酸塩水溶液を3ml/minの速度で滴下した。ここで、滴下の開始から終了までの間、2.0Mの水酸化ナトリウム及び0.5Mのアンモニアを含有する水溶液を適宜滴下することにより、反応槽中のpHが常に11.0(±0.05)を保つように制御した。滴下終了後、反応槽内の攪拌をさらに3h継続した。攪拌の停止後、12h以上静置した。
(Comparative Example 7)
LiMeO 2 type lithium produced by the following method instead of lithium transition metal composite oxide Li 1.17 Co 0.10 Ni 0.17 Mn 0.56 O 2 produced in the production process of lithium transition metal composite oxide A lithium secondary battery according to Comparative Example 7 was produced in the same manner as in Example 1 except that the transition metal composite oxide LiCo 1/3 Ni 1/3 Mn 1/3 O 2 was used.
18.77 g of cobalt sulfate heptahydrate, 17.56 g of nickel sulfate hexahydrate and 16.10 g of manganese sulfate pentahydrate were weighed, and all of these were dissolved in 200 ml of ion-exchanged water, and Co: Ni: Mn A 1.0 M aqueous sulfate solution with a molar ratio of 1: 1: 1 was prepared. On the other hand, 750 ml of ion-exchanged water was poured into a 2 L reaction vessel, and Ar gas was bubbled for 30 minutes to expel dissolved oxygen in the ion-exchanged water. The temperature of the reaction vessel was set to 50 ° C. (± 2 ° C.), and the aqueous sulfate solution was stirred at a rate of 3 ml / min while stirring the inside of the reaction vessel at a rotational speed of 700 rpm using a paddle blade equipped with a stirring motor. It was dripped. Here, during the period from the start to the end of the dropping, an aqueous solution containing 2.0 M sodium hydroxide and 0.5 M ammonia is appropriately dropped, so that the pH in the reaction tank is always 11.0 (± 0.00. 05). After completion of the dropping, stirring in the reaction vessel was continued for 3 hours. After stopping the stirring, the mixture was allowed to stand for 12 hours or more.

(比較例8)
リチウム遷移金属複合酸化物への異種元素の添加工程を設けない他は、比較例7と同様にして、比較例8に係るリチウム二次電池を作製した。
(Comparative Example 8)
A lithium secondary battery according to Comparative Example 8 was produced in the same manner as Comparative Example 7, except that the step of adding a different element to the lithium transition metal composite oxide was not provided.

(比較例9)
非水電解液の作製工程において、1,3−プロペンスルトン(PRS)を添加しない他は、比較例7と同様にして、比較例9に係るリチウム二次電池を作製した。
(Comparative Example 9)
A lithium secondary battery according to Comparative Example 9 was produced in the same manner as Comparative Example 7 except that 1,3-propene sultone (PRS) was not added in the non-aqueous electrolyte production process.

(比較例10)
非水電解液の作製工程において、フルオロエチレンカーボネート(FEC)を添加しない他は、比較例7と同様にして、比較例10に係るリチウム二次電池を作製した。
(Comparative Example 10)
A lithium secondary battery according to Comparative Example 10 was produced in the same manner as Comparative Example 7 except that fluoroethylene carbonate (FEC) was not added in the production process of the nonaqueous electrolytic solution.

(比較例11)
非水電解液の作製工程において、フルオロエチレンカーボネート(FEC)及び1,3−プロペンスルトン(PRS)を添加しない他は、比較例7と同様にして、比較例11に係るリチウム二次電池を作製した。
(Comparative Example 11)
A lithium secondary battery according to Comparative Example 11 is manufactured in the same manner as Comparative Example 7, except that fluoroethylene carbonate (FEC) and 1,3-propene sultone (PRS) are not added in the non-aqueous electrolyte manufacturing process. did.

(実施例5)
リチウム遷移金属複合酸化物の作製工程において、前記共沈炭酸塩前駆体5.763gに、炭酸リチウム2.354gを加え、Li:(Co,Ni,Mn)のモル比が125:100である混合粉体を調製し、Li1.11Co0.11Ni0.18Mn0.60を作製した他は、実施例1と同様にして、実施例5に係る混合活物質を作製した。
(Example 5)
In the step of preparing a lithium transition metal composite oxide, 2.354 g of lithium carbonate is added to 5.763 g of the coprecipitated carbonate precursor, and the molar ratio of Li: (Co, Ni, Mn) is 125: 100. A mixed active material according to Example 5 was produced in the same manner as in Example 1 except that powder was prepared and Li 1.11 Co 0.11 Ni 0.18 Mn 0.60 O 2 was produced.

(実施例6)
リチウム遷移金属複合酸化物への異種元素の添加工程において、前記リチウム遷移金属複合酸化物5gを0.1Mの硫酸ジルコニウム水溶液200mlに投入し、Zr酸化物が粒子表面に存在する前記リチウム遷移金属複合酸化物を作製した他は、実施例5と同様にして、実施例6に係るリチウム二次電池を作製した。
(Example 6)
In the step of adding a different element to the lithium transition metal composite oxide, 5 g of the lithium transition metal composite oxide is added to 200 ml of a 0.1 M zirconium sulfate aqueous solution, and the Zr oxide is present on the particle surface. A lithium secondary battery according to Example 6 was produced in the same manner as Example 5 except that the oxide was produced.

(実施例7)
リチウム遷移金属複合酸化物への異種元素の添加工程において、前記リチウム遷移金属複合酸化物5gを0.1Mの硫酸チタン水溶液200mlに投入し、Ti酸化物が粒子表面に存在する前記リチウム遷移金属複合酸化物を作製した他は、実施例5と同様にして、実施例7に係るリチウム二次電池を作製した。
(Example 7)
In the step of adding a different element to the lithium transition metal composite oxide, 5 g of the lithium transition metal composite oxide is added to 200 ml of a 0.1 M titanium sulfate aqueous solution, and the lithium transition metal composite in which Ti oxide is present on the particle surface. A lithium secondary battery according to Example 7 was produced in the same manner as Example 5 except that the oxide was produced.

(実施例8)
リチウム遷移金属複合酸化物の作製工程において、前記共沈炭酸塩前駆体5.696gに、炭酸リチウム2.424gを加え、Li:(Co,Ni,Mn)のモル比が130:100である混合粉体を調製し、Li1.13Co0.11Ni0.17Mn0.59を作製した他は、実施例1と同様にして、実施例8に係る混合活物質を作製した。
(Example 8)
In the production process of the lithium transition metal composite oxide, 2.424 g of lithium carbonate is added to 5.696 g of the coprecipitated carbonate precursor, and the molar ratio of Li: (Co, Ni, Mn) is 130: 100. A mixed active material according to Example 8 was produced in the same manner as in Example 1 except that powder was prepared and Li 1.13 Co 0.11 Ni 0.17 Mn 0.59 O 2 was produced.

(実施例9)
リチウム遷移金属複合酸化物への異種元素の添加工程において、前記リチウム遷移金属複合酸化物5gを0.1Mの硫酸ジルコニウム水溶液200mlに投入し、Zr酸化物が粒子表面に存在する前記リチウム遷移金属複合酸化物を作製した他は、実施例8と同様にして、実施例9に係るリチウム二次電池を作製した。
Example 9
In the step of adding a different element to the lithium transition metal composite oxide, 5 g of the lithium transition metal composite oxide is added to 200 ml of a 0.1 M zirconium sulfate aqueous solution, and the Zr oxide is present on the particle surface. A lithium secondary battery according to Example 9 was produced in the same manner as in Example 8, except that the oxide was produced.

(実施例10)
リチウム遷移金属複合酸化物への異種元素の添加工程において、前記リチウム遷移金属複合酸化物5gを0.1Mの硫酸チタン水溶液200mlに投入し、Ti酸化物が粒子表面に存在する前記リチウム遷移金属複合酸化物を作製した他は、実施例8と同様にして、実施例10に係るリチウム二次電池を作製した。
(Example 10)
In the step of adding a different element to the lithium transition metal composite oxide, 5 g of the lithium transition metal composite oxide is added to 200 ml of a 0.1 M titanium sulfate aqueous solution, and the lithium transition metal composite in which Ti oxide is present on the particle surface. A lithium secondary battery according to Example 10 was produced in the same manner as Example 8 except that the oxide was produced.

(実施例11〜14)
非水電解液の作製工程において、1,3−プロペンスルトン(PRS)の代わりに、それぞれ、1,3−プロパンスルトン(PS)、スルホラン(SL)、1,4−ブタンスルトン、エチレングリコール環状サルフェートを添加した他は、実施例1と同様にして、実施例11〜14に係るリチウム二次電池を作製した。
(Examples 11-14)
In the non-aqueous electrolyte preparation process, 1,3-propane sultone (PS), sulfolane (SL), 1,4-butane sultone, and ethylene glycol cyclic sulfate were used instead of 1,3-propene sultone (PRS), respectively. Except for the addition, lithium secondary batteries according to Examples 11 to 14 were fabricated in the same manner as Example 1.

(負極上のSの存在の確認)
作製した実施例1〜14及び比較例1〜11のリチウム二次電池について、負極上にSが存在すること、又は存在しないことは以下の測定により確認した。放電末状態の電池を解体し、負極板を取り出した。LiPFを取り除くことを目的としてジメチルカーボネートを用いて洗浄を行い、この洗浄した負極板を、X線光電子分光分析(XPS)装置(SHIMADZU社製、AXIS-Nova)にセットした。常法に沿った測定により得られたスペクトルにおいて、163〜169eV間にピークが認められることによってS(S系の化合物)の存在を確認した。
(Confirmation of the presence of S on the negative electrode)
About the produced lithium secondary battery of Examples 1-14 and Comparative Examples 1-11, it was confirmed by the following measurements that S existed or did not exist on a negative electrode. The discharged battery was disassembled and the negative electrode plate was taken out. Cleaning was performed using dimethyl carbonate for the purpose of removing LiPF 6 , and the cleaned negative electrode plate was set in an X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) apparatus (manufactured by SHIMADZU, AXIS-Nova). The presence of S (S-based compound) was confirmed by the presence of a peak between 163 and 169 eV in the spectrum obtained by measurement according to a conventional method.

(放電容量)
作製した実施例1〜14及び比較例1〜11のリチウム二次電池について、環境温度25℃にて、3サイクルの充放電を行った。電圧制御は、電池の正負極端子間に対して行った。1サイクル目及び2サイクル目について、充電は、電流0.1CmA、電圧4.5Vの電流値定電圧充電とし、充電終止条件は電流値が0.02CmAに低下した時点とした。10分の休止後、放電は、電流0.1CmA、終止電圧2.0Vの定電流放電とした。3サイクル目について、充電は、電流0.1CmA、電圧4.35Vの電流値定電圧充電とし、充電終止条件は電流値が0.02CmAに低下した時点とした。10分の休止後、放電は、電流0.1CmA、終止電圧2.0Vの定電流放電とした。3サイクル目の放電容量を「0.1C容量(mAh)」として記録した。
(Discharge capacity)
About the produced lithium secondary battery of Examples 1-14 and Comparative Examples 1-11, 3 cycles charge / discharge was performed at environmental temperature 25 degreeC. Voltage control was performed between the positive and negative terminals of the battery. For the first cycle and the second cycle, the charging was performed at a constant voltage with a current of 0.1 CmA and a voltage of 4.5 V, and the charge termination condition was when the current value decreased to 0.02 CmA. After a pause of 10 minutes, the discharge was a constant current discharge with a current of 0.1 CmA and a final voltage of 2.0 V. For the third cycle, charging was performed at a constant voltage with a current of 0.1 CmA and a voltage of 4.35 V, and the charge termination condition was when the current value decreased to 0.02 CmA. After a pause of 10 minutes, the discharge was a constant current discharge with a current of 0.1 CmA and a final voltage of 2.0 V. The discharge capacity at the third cycle was recorded as “0.1 C capacity (mAh)”.

(サイクル容量維持率)
さらに10分の休止後、環境温度25℃にて、繰り返し充放電サイクル試験を行った。充電は、電流1.0CmA、電圧4.35Vの定電流定電圧充電とし、充電終止条件は、電流値が0.02CmAに減衰した時点とした。放電は、電流0.1CmA、終止電圧2.0Vの定電流放電とした。充電後及び放電後にはそれぞれ10分間の休止過程を設けた。この一連の充放電過程を1サイクルとしたときに、1サイクル目に得られた放電電気量に対する50サイクル目に得られた放電電気量の比率を「サイクル容量維持率(%)」として記録した。
(Cycle capacity maintenance rate)
Further, after a pause of 10 minutes, a charge / discharge cycle test was repeatedly performed at an environmental temperature of 25 ° C. Charging was performed at a constant current and constant voltage with a current of 1.0 CmA and a voltage of 4.35 V, and the charge termination condition was when the current value attenuated to 0.02 CmA. The discharge was a constant current discharge with a current of 0.1 CmA and a final voltage of 2.0 V. After charging and discharging, a pause process of 10 minutes was provided. When this series of charging / discharging processes was defined as one cycle, the ratio of the discharge electricity amount obtained at the 50th cycle to the discharge electricity amount obtained at the first cycle was recorded as “cycle capacity maintenance rate (%)”. .

(抵抗の測定)
作製した実施例1〜14及び比較例1〜11のリチウム二次電池について、以下の測定を行い、抵抗を求めた。
上記充放電サイクル試験前の放電末状態、及び、50サイクル後の放電末状態のリチウム二次電池について、交流(AC)抵抗を測定した。具体的には、リチウム二次電池の正負極端子間に高速応答接点抵抗計(HIOKI社製、AC mΩ HiTESTER 3560)の測定端子を接続して測定を行った。上記充放電サイクル試験前の抵抗値に対する50サイクル後の抵抗の比率を「抵抗上昇率(%)」として記録した。
(Measurement of resistance)
About the produced lithium secondary battery of Examples 1-14 and Comparative Examples 1-11, the following measurements were performed and resistance was calculated | required.
The alternating current (AC) resistance was measured about the lithium secondary battery of the discharge end state before the said charging / discharging cycle test and the discharge end state after 50 cycles. Specifically, measurement was performed by connecting a measurement terminal of a high-speed response contact resistance meter (AC mΩ HiTESTER 3560, manufactured by HIOKI) between the positive and negative terminals of the lithium secondary battery. The ratio of the resistance after 50 cycles to the resistance value before the charge / discharge cycle test was recorded as “resistance increase rate (%)”.

実施例1〜14及び比較例1〜11に係るリチウム二次電池についての試験結果を表1に示す。   Table 1 shows the test results for the lithium secondary batteries according to Examples 1 to 14 and Comparative Examples 1 to 11.

Figure 2016167446
Figure 2016167446

表1より、正極活物質として、リチウム過剰型リチウム遷移金属複合酸化物(モル比Li/Me>1、モル比Mn/Me>0.5)を用いたリチウム二次電池について、(a)粒子表面にAl、Zr、及びTiから選ばれる少なくとも一種の酸化物が存在し、(b)非水電解液にフルオロエチレンカーボネートを含み、(c)炭素負極上に硫黄が存在する(〇印)という3つの要件を満たす実施例1〜14のリチウム二次電池は、サイクル容量維持率が大きく、抵抗上昇が抑制されていることが分かる。
これに対して、(a)及び(b)の要件を満たすが、(c)の要件を満たさない(×印は、負極上に硫黄が存在しないことを意味する。以下、同じ)比較例1、(a)の要件を満たすが、(b)及び(c)の要件を満たさない比較例3、(b)及び(c)の要件を満たすが、(a)の要件を見たさない比較例6のリチウム二次電池は、サイクル容量維持率が小さくなり、抵抗上昇が極めて大きくなる。
また、(a)及び(c)の要件を満たすが、(b)の要件を満たさない比較例2及び4、粒子表面にAl、Zr、及びTiから選ばれる少なくとも一種の代わりにBが存在する比較例5のリチウム二次電池は、抵抗上昇は抑制されているが、サイクル容量維持率が大きく低下する。
From Table 1, the lithium secondary battery using the lithium-excess type lithium transition metal composite oxide (molar ratio Li / Me> 1, molar ratio Mn / Me> 0.5) as the positive electrode active material, (a) particles There is at least one oxide selected from Al, Zr, and Ti on the surface, (b) it contains fluoroethylene carbonate in the non-aqueous electrolyte, and (c) sulfur exists on the carbon negative electrode (◯ mark). It can be seen that the lithium secondary batteries of Examples 1 to 14 that satisfy the three requirements have a large cycle capacity maintenance rate and a rise in resistance is suppressed.
On the other hand, the requirements of (a) and (b) are satisfied, but the requirement of (c) is not satisfied (the x mark means that sulfur is not present on the negative electrode. The same applies hereinafter) Comparative Example 1 Comparative example 3, which satisfies the requirements of (a) but does not satisfy the requirements of (b) and (c), the comparison which satisfies the requirements of (b) and (c) but does not see the requirements of (a) In the lithium secondary battery of Example 6, the cycle capacity retention rate is small, and the resistance increase is extremely large.
Further, Comparative Examples 2 and 4 that satisfy the requirements of (a) and (c) but do not satisfy the requirement of (b), and B exists on the particle surface instead of at least one selected from Al, Zr, and Ti. In the lithium secondary battery of Comparative Example 5, the increase in resistance is suppressed, but the cycle capacity retention rate is greatly reduced.

一方、正極活物質として、LiMeO型リチウム遷移金属複合酸化物を用いたリチウム二次電池については、(a)粒子表面にAl、Zr、及びTiから選ばれる少なくとも一種の酸化物が存在し、(b)非水電解液にフルオロエチレンカーボネートを含み、(c)炭素負極上に硫黄が存在するという3つの要件を満たす比較例7のリチウム二次電池は、(a)の要件を満たさない比較例8のリチウム二次電池と比較して、サイクル容量維持率、抵抗上昇は改善されない。なお、比較例7及び8のリチウム二次電池は、サイクル容量維持率は高く、抵抗上昇は抑制されているが、リチウム過剰型リチウム遷移金属複合酸化物を用いたリチウム二次電池と比較して、容量が劣る。
また、比較例7のリチウム二次電池は、(c)の要件を満たさない比較例9、(b)の要件を満たさない比較例10、(b)及び(c)の要件を満たさない比較例11のリチウム二次電池と比較しても、サイクル容量維持率、抵抗上昇の改善の程度は大きくない。
以上のことからみて、正極活物質として、リチウム過剰型リチウム遷移金属複合酸化物(モル比Li/Me>1、モル比Mn/Me>0.5)を用いたリチウム二次電池において、(a)粒子表面にAl、Zr、及びTiから選ばれる少なくとも一種の酸化物が存在し、(b)非水電解液にフルオロエチレンカーボネートを含み、(c)炭素負極上に硫黄が存在するという3つの要件を採用した効果は際立って大きいといえる。
On the other hand, for the lithium secondary battery using LiMeO 2 type lithium transition metal composite oxide as the positive electrode active material, (a) at least one oxide selected from Al, Zr, and Ti is present on the particle surface, (B) The lithium secondary battery of Comparative Example 7 that satisfies the three requirements that the non-aqueous electrolyte contains fluoroethylene carbonate and (c) sulfur exists on the carbon negative electrode is a comparison that does not satisfy the requirement of (a) Compared to the lithium secondary battery of Example 8, the cycle capacity retention rate and resistance increase are not improved. In addition, the lithium secondary batteries of Comparative Examples 7 and 8 have a high cycle capacity maintenance rate and a resistance increase is suppressed, but compared with lithium secondary batteries using a lithium-excess type lithium transition metal composite oxide. , Capacity is inferior.
Moreover, the lithium secondary battery of Comparative Example 7 is Comparative Example 9 that does not satisfy the requirement of (c), Comparative Example 10 that does not satisfy the requirement of (b), and Comparative Example that does not satisfy the requirements of (b) and (c). Compared with 11 lithium secondary batteries, the degree of improvement in cycle capacity retention and resistance increase is not large.
In view of the above, in a lithium secondary battery using a lithium-excess type lithium transition metal composite oxide (molar ratio Li / Me> 1, molar ratio Mn / Me> 0.5) as a positive electrode active material, 3) at least one oxide selected from Al, Zr, and Ti is present on the particle surface, (b) non-aqueous electrolyte contains fluoroethylene carbonate, and (c) sulfur exists on the carbon negative electrode. The effect of adopting the requirements can be said to be significant.

(符号の説明)
1 リチウム二次電池
2 電極群
3 電池容器
4 正極端子
4’ 正極リード
5 負極端子
5’ 負極リード
20 蓄電ユニット
30 蓄電装置
(Explanation of symbols)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Lithium secondary battery 2 Electrode group 3 Battery container 4 Positive electrode terminal 4 'Positive electrode lead 5 Negative electrode terminal 5' Negative electrode lead 20 Power storage unit 30 Power storage device

本発明により、高容量の「リチウム過剰型」正極活物質を用いるリチウム二次電池のサイクルに伴う抵抗上昇を抑制することができるので、このリチウム二次電池は、ハイブリッド自動車用、電気自動車用のリチウム二次電池として有用である。   According to the present invention, it is possible to suppress an increase in resistance associated with a cycle of a lithium secondary battery using a high capacity “lithium-excess type” positive electrode active material. Therefore, the lithium secondary battery is used for a hybrid vehicle and an electric vehicle. It is useful as a lithium secondary battery.

Claims (2)

正極と負極と非水電解液を備えたリチウム二次電池において、前記正極は、α−NaFeO構造を有し、遷移金属MeとしてCo、Ni及びMnを含み、モル比Li/Me>1、モル比Mn/Me>0.5であるリチウム遷移金属複合酸化物の粒子表面に、Al、Zr、及びTiから選ばれる少なくとも一種が存在する正極活物質を含有し、前記負極は、炭素材料からなる負極活物質を含有し、前記負極上に硫黄が存在し、前記非水電解液は、フルオロエチレンカーボネートを含むことを特徴とするリチウム二次電池。 In a lithium secondary battery including a positive electrode, a negative electrode, and a non-aqueous electrolyte, the positive electrode has an α-NaFeO 2 structure, includes Co, Ni, and Mn as transition metals Me, and has a molar ratio Li / Me> 1. A cathode active material containing at least one selected from Al, Zr, and Ti is included on the particle surface of the lithium transition metal composite oxide having a molar ratio Mn / Me> 0.5, and the anode is made of a carbon material. A lithium secondary battery comprising: a negative active material comprising: sulfur on the negative electrode; and the non-aqueous electrolyte containing fluoroethylene carbonate. 前記非水電解液に硫黄含有化合物を含むことを特徴とする請求項1に記載のリチウム二次電池。   The lithium secondary battery according to claim 1, wherein the non-aqueous electrolyte contains a sulfur-containing compound.
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