JP2017103008A - Positive electrode active material for all-solid-state lithium ion secondary battery and all-solid-state lithium ion secondary battery - Google Patents

Positive electrode active material for all-solid-state lithium ion secondary battery and all-solid-state lithium ion secondary battery Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a positive electrode active material for an all-solid-state lithium ion secondary battery, with which a charge reaction and a discharge reaction can be smoothly performed and the capacity of the positive electrode active material can be effectively utilized.SOLUTION: A positive electrode active material contains a metal oxide particle and an anion (carbonate radical and/or sulfate radical). The metal oxide has a LiMnOtype crystal structure and is represented by formula (A): Li(MM)O(in the formula, an element Mrepresents a first metal element with a valence of 4, an element Mrepresents a second metal element with a valence of 3, and 0<x≤1/3 and 0.5≤y≤0.8 are satisfied.). The first metal element contains at least Mn, the molar ratio y1 of Mn in the total of the first and second metal elements satisfies 0.5≤y1≤0.8, and the second metal element contains Ni, Co and/or Fe and contains at least Ni. The anion is unevenly distributed on a surface layer of the particle.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、Li2MnO3型の結晶構造を有する金属酸化物を含む全固体リチウムイオン二次電池用正極活物質およびそれを用いた全固体リチウムイオン二次電池に関する。 The present invention relates to a positive electrode active material for an all solid lithium ion secondary battery containing a metal oxide having a Li 2 MnO 3 type crystal structure and an all solid lithium ion secondary battery using the same.

様々な二次電池が開発されている中、高いエネルギー密度が得られ易いリチウムイオン二次電池(LIB)が最も有望視されている。一方、電池の用途拡大に伴って、自動車用電池や据え置き型電池などの大型電池が注目されている。大型電池では、小型電池に比べて安全性の確保がさらに重要になる。無機系の固体電解質を用いる全固体リチウムイオン二次電池(全固体LIB)は、電解液を用いるLIBに比べて、大型化しても安全性を確保し易く、活物質の容量を有効利用し易いと期待されている。   Among various secondary batteries being developed, a lithium ion secondary battery (LIB) that can easily obtain a high energy density is considered most promising. On the other hand, with the expansion of battery applications, large batteries such as automobile batteries and stationary batteries are attracting attention. For large batteries, ensuring safety is even more important than small batteries. An all-solid lithium ion secondary battery (all-solid LIB) using an inorganic solid electrolyte is easy to ensure safety even when the size is increased, and it is easy to effectively use the capacity of an active material, compared to LIB using an electrolyte. It is expected.

全固体LIBの正極活物質として、Li2MnO3とLiM32(式中、M3 は、Ni、Coなどの遷移金属元素である。)とを固溶化させた固溶体正極材料が注目されている。固溶体正極材料の具体例としては、zLi2MnO3−(1−z)LiM32(式中、zは固溶体に占めるLi2MnO3のモル比である。)、もしくはLi1+x1(Mny23 1-y21-x12(式中、x1は、リチウム過剰量であり、y2は、MnおよびM3の合計に占めるMnのモル比である。)などが挙げられる。 As a positive electrode active material of all solid LIB, a solid solution positive electrode material obtained by solidifying Li 2 MnO 3 and LiM 3 O 2 (wherein M 3 is a transition metal element such as Ni or Co) has attracted attention. ing. Specific examples of the solid solution positive electrode material include zLi 2 MnO 3 — (1-z) LiM 3 O 2 (wherein z is a molar ratio of Li 2 MnO 3 in the solid solution), or Li 1 + x1 ( Mn y2 M 3 1-y2 ) 1-x1 O 2 (wherein x1 is an excess amount of lithium and y2 is a molar ratio of Mn to the total of Mn and M 3 ).

例えば、特許文献1には、Li243とLiM52との固溶体を用いた固溶体正極材料が提案され、特許文献2には、Li−M5−Mn系複合酸化物からなる固溶体正極材料が開示されている。なお、これらの式において、M4は4価の金属元素であり、M5は3価の金属元素である。 For example, Patent Document 1 proposes a solid solution positive electrode material using a solid solution of Li 2 M 4 O 3 and LiM 5 O 2, and Patent Document 2 includes a Li—M 5 —Mn-based composite oxide. A solid solution cathode material is disclosed. In these formulas, M 4 is a tetravalent metal element, and M 5 is a trivalent metal element.

特開2012−059528号公報JP 2012-059528 A 特表2004−538610号公報JP-T-2004-538610

特許文献1や特許文献2の固溶体正極材料は、電気化学的に活性化されにくい。そのため、充放電反応が可逆的にスムーズに行われずに、充電容量および放電容量ともに高容量を確保し難い。このような問題は、特に、全ての電気化学的反応が固体/固体界面で生じる全固体LIBにおいて、特に顕著である。   The solid solution positive electrode materials of Patent Document 1 and Patent Document 2 are not easily activated electrochemically. Therefore, the charge / discharge reaction is not performed reversibly and smoothly, and it is difficult to secure a high capacity for both the charge capacity and the discharge capacity. Such problems are particularly pronounced in all solid LIBs where all electrochemical reactions occur at the solid / solid interface.

本発明の目的は、全固体LIBにおいて、充電反応および放電反応をスムーズに行い、正極活物質の容量を有効利用することである。   An object of the present invention is to perform a charging reaction and a discharging reaction smoothly in an all-solid-state LIB and effectively use the capacity of a positive electrode active material.

本発明の一局面は、金属酸化物の粒子と、炭酸根および硫酸根からなる群より選択される少なくとも一種のアニオンとを含み、
前記金属酸化物は、Li2MnO3型の結晶構造を有し、かつ下記式(A):
Li1+x(M1 y2 1-y1-x2
(式中、元素M1は4価の第1金属元素であり、元素M2は3価の第2金属元素であり、0<x≦1/3および0.5≦y≦0.8を充足する。)
で表され、
前記第1金属元素は、少なくともMnを含み、
前記第1金属元素および前記第2金属元素の合計に占めるMnのモル比y1が、0.5≦y1≦0.8を充足し、
前記第2金属元素は、Ni、Co、およびFeからなる群より選択される少なくとも一種を含み、かつ少なくともNiを含み、
前記アニオンが、前記粒子の表層に偏在している、全固体リチウムイオン二次電池用正極活物質に関する。
One aspect of the present invention includes metal oxide particles and at least one anion selected from the group consisting of carbonate and sulfate.
The metal oxide has a Li 2 MnO 3 type crystal structure and has the following formula (A):
Li 1 + x (M 1 y M 2 1-y ) 1-x O 2
(In the formula, element M 1 is a tetravalent first metal element, element M 2 is a trivalent second metal element, and 0 <x ≦ 1/3 and 0.5 ≦ y ≦ 0.8. Satisfaction.)
Represented by
The first metal element includes at least Mn,
The molar ratio y1 of Mn in the total of the first metal element and the second metal element satisfies 0.5 ≦ y1 ≦ 0.8,
The second metal element includes at least one selected from the group consisting of Ni, Co, and Fe, and includes at least Ni,
The present invention relates to a positive electrode active material for an all-solid-state lithium ion secondary battery in which the anions are unevenly distributed in the surface layer of the particles.

本発明の他の局面は、上記の正極活物質を含む正極と、
リチウムイオンを挿入および脱離する負極活物質を含む負極と、
前記正極と前記負極との間に介在し、リチウムイオン伝導性を示す無機固体電解質を含む固体電解質層と、を含む、全固体リチウムイオン二次電池に関する。
Another aspect of the present invention is a positive electrode including the positive electrode active material described above,
A negative electrode containing a negative electrode active material that inserts and desorbs lithium ions;
The present invention relates to an all solid lithium ion secondary battery including a solid electrolyte layer including an inorganic solid electrolyte that is interposed between the positive electrode and the negative electrode and exhibits lithium ion conductivity.

本発明によれば、全固体LIBにおいて、充電反応および放電反応をスムーズに行うことができる。よって、充電容量および放電容量を高めることができるため、正極活物質の容量を有効利用することができる。   According to the present invention, charging reaction and discharging reaction can be performed smoothly in all solid LIB. Therefore, since the charge capacity and the discharge capacity can be increased, the capacity of the positive electrode active material can be effectively used.

本発明の一実施形態に係る全固体LIBに含まれる電極群を概略的に示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows schematically the electrode group contained in the all-solid-state LIB which concerns on one Embodiment of this invention. 実施例1および比較例1の正極活物質のX線光電子分光法(XPS)によるスペクトルのO1sピークである。It is an O1s peak of the spectrum by the X ray photoelectron spectroscopy (XPS) of the positive electrode active material of Example 1 and Comparative Example 1. 実施例2および比較例2の正極活物質のXPSスペクトルのO1sピークである。It is an O1s peak of the XPS spectrum of the positive electrode active material of Example 2 and Comparative Example 2. 比較例3および参考例1の正極活物質のXPSスペクトルのO1sピークである。It is an O1s peak of the XPS spectrum of the positive electrode active material of Comparative Example 3 and Reference Example 1.

[全固体LIB用正極活物質]
本発明の一実施形態に係る全固体LIB用正極活物質は、金属酸化物の粒子と、炭酸根および硫酸根からなる群より選択される少なくとも一種のアニオンとを含む。金属酸化物は、Li2MnO3型の結晶構造を有し、かつ下記式(A):
Li1+x(M1 y2 1-y1-x2
(式中、元素M1は4価の第1金属元素であり、元素M2は3価の第2金属元素であり、0<x≦1/3および0.5≦y≦0.8を充足する。)で表される。第1金属元素(元素M1)は、少なくともMnを含み、第1金属元素および第2金属元素の合計に占めるMnのモル比y1は、0.5≦y1≦0.8を充足する。第2金属元素(元素M2)は、Ni、Co、およびFeからなる群より選択される少なくとも一種を含み、かつ少なくともNiを含む。そして、アニオンは、粒子の表層に偏在している。
[Cathode active material for all solid LIB]
The positive electrode active material for all-solid-state LIB according to an embodiment of the present invention includes metal oxide particles and at least one anion selected from the group consisting of carbonate groups and sulfate groups. The metal oxide has a Li 2 MnO 3 type crystal structure and has the following formula (A):
Li 1 + x (M 1 y M 2 1-y ) 1-x O 2
(In the formula, element M 1 is a tetravalent first metal element, element M 2 is a trivalent second metal element, and 0 <x ≦ 1/3 and 0.5 ≦ y ≦ 0.8. It is satisfied.) The first metal element (element M 1 ) contains at least Mn, and the molar ratio y1 of Mn in the total of the first metal element and the second metal element satisfies 0.5 ≦ y1 ≦ 0.8. The second metal element (element M 2 ) includes at least one selected from the group consisting of Ni, Co, and Fe, and includes at least Ni. And the anion is unevenly distributed in the surface layer of particle | grains.

Li2MnO3型の結晶構造を有する上記のような組成の金属酸化物の粒子は、Liイオンを挿入および脱離することができる。しかし、導電性が低く、電気化学的に活性化し難い。そのため、充放電反応を可逆的にスムーズに行うことが難しい。全固体LIBでは、電池内の電気化学的反応が固体/固体界面で行われるため、上記の金属酸化物粒子を正極活物質として用いると、充放電反応をスムーズに進行させることがさらに難しい。そのため、従来は、このような正極活物質を全固体LIBに用いても、十分な容量を得ることができなかった。 The metal oxide particles having the above composition having a Li 2 MnO 3 type crystal structure can insert and desorb Li ions. However, it has low conductivity and is difficult to be activated electrochemically. Therefore, it is difficult to perform the charge / discharge reaction reversibly and smoothly. In the all-solid LIB, the electrochemical reaction in the battery is performed at the solid / solid interface. Therefore, when the metal oxide particles are used as the positive electrode active material, it is further difficult to make the charge / discharge reaction proceed smoothly. Therefore, conventionally, even when such a positive electrode active material is used for the all-solid-state LIB, a sufficient capacity cannot be obtained.

本実施形態では、炭酸根および/または硫酸根といったアニオンを、金属酸化物粒子の表層に偏在させることで、充放電反応を可逆的にスムーズに行うことができる。これは、アニオンが金属酸化物粒子の表層に偏在することで、正極活物質と固体電解質との界面に高抵抗層が形成されることが抑制されるためと考えられる。このように、本実施形態では、充放電反応の可逆性が増すため、充電容量および放電容量が向上し、全固体電池の高容量化が可能である。また、高抵抗層の形成が抑制されることで、サイクル特性やレート特性も向上する。アニオンの存在は、金属酸化物粒子の表層の組成を分析することで把握できる。よって、電池を組み立てて充放電試験を行うまでもなく、正極活物質の段階で良品を選別することもできる。   In the present embodiment, the charge / discharge reaction can be performed reversibly and smoothly by unevenly distributing anions such as carbonate and / or sulfate radicals on the surface layer of the metal oxide particles. This is considered because an anion is unevenly distributed on the surface layer of the metal oxide particles, thereby suppressing the formation of a high resistance layer at the interface between the positive electrode active material and the solid electrolyte. Thus, in this embodiment, since the reversibility of the charge / discharge reaction is increased, the charge capacity and the discharge capacity are improved, and the capacity of the all-solid-state battery can be increased. In addition, since the formation of the high resistance layer is suppressed, cycle characteristics and rate characteristics are also improved. The presence of anions can be grasped by analyzing the composition of the surface layer of the metal oxide particles. Therefore, it is possible to select a non-defective product at the positive electrode active material stage without assembling the battery and conducting a charge / discharge test.

本実施形態では、金属酸化物粒子の表層にアニオンが偏在しているが、粒子の表層とは、粒子の表面から、XPSスペクトルで分析できる深さまでの領域を言う。粒子の表層は、例えば、粒子の表面から深さ10nmまでの領域である。   In this embodiment, anions are unevenly distributed on the surface layer of the metal oxide particles, but the surface layer of the particles refers to a region from the surface of the particles to a depth that can be analyzed by XPS spectrum. The surface layer of the particle is, for example, a region from the particle surface to a depth of 10 nm.

なお、電解液を用いるLIBでは、例えば、LiCoO2などの空間群R−3mに属する結晶構造を有する正極活物質が利用されている。電解液を用いるLIBおよび全固体LIBに炭酸根などのアニオンを含むLiCoO2粒子を正極活物質として用いると、充放電反応が阻害される。つまり、アニオンを表層に偏在させる効果は、正極活物質の結晶構造や電池系の違いによって全く異なると言える。 In LIB using an electrolytic solution, for example, a positive electrode active material having a crystal structure belonging to the space group R-3m such as LiCoO 2 is used. When LiCoO 2 particles containing anions such as carbonate radicals are used as the positive electrode active material in the LIB using the electrolyte and the all-solid LIB, the charge / discharge reaction is inhibited. That is, it can be said that the effect of uneven distribution of anions on the surface layer is completely different depending on the crystal structure of the positive electrode active material and the difference in battery system.

本実施形態に係る正極活物質についてより詳細に説明する。
(金属酸化物粒子)
一般に、Li2MnO3型(単斜晶)の結晶構造は、空間群C2/mに属し、LiMO2型(六方晶)(式中、Mは、Mnと、Niおよび/またはCoとの組合せを含む。)の結晶構造は、空間群R−3mに属する。これらは、いずれも層状岩塩型構造であり、固溶体を形成できる。上記のような固溶体は、少なくともLi2MnO3型の結晶構造を含み、理論容量は高容量である。上述の金属酸化物は、全体として不活性なLi2MnO3型の結晶構造を有するが、LiMO2型の結晶構造を有する金属酸化物の固溶により活性化されると考えられる。
The positive electrode active material according to this embodiment will be described in more detail.
(Metal oxide particles)
In general, the crystal structure of the Li 2 MnO 3 type (monoclinic crystal) belongs to the space group C2 / m, and the LiMO 2 type (hexagonal crystal) (where M is a combination of Mn and Ni and / or Co) The crystal structure belongs to the space group R-3m. All of these have a layered rock salt structure and can form a solid solution. The solid solution as described above includes at least a Li 2 MnO 3 type crystal structure and has a high theoretical capacity. The metal oxide described above has an inactive Li 2 MnO 3 type crystal structure as a whole, but is considered to be activated by the solid solution of the metal oxide having the LiMO 2 type crystal structure.

第1金属元素および第2金属元素を含む金属酸化物としては、高容量化の観点から、Li2MnO3型の結晶構造を有するLi213と、上記のLiMO2型の結晶構造を有するLiM22との固溶体が有望である。Li213とLiM22との固溶体は、モル比に換算して、第1金属元素と第2金属元素との合計量よりも多くのLiを含むことができる。このような固溶体は、全体としてLi2MnO3型の結晶構造を有し、上記式(A)で表すことができる。 As the metal oxide containing the first metal element and the second metal element, Li 2 M 1 O 3 having a Li 2 MnO 3 type crystal structure and the above LiMO 2 type crystal structure are used from the viewpoint of increasing the capacity. A solid solution with LiM 2 O 2 having the following is promising. The solid solution of Li 2 M 1 O 3 and LiM 2 O 2 can contain more Li than the total amount of the first metal element and the second metal element in terms of molar ratio. Such a solid solution has a Li 2 MnO 3 type crystal structure as a whole, and can be represented by the above formula (A).

式(A)において、xは、0<x≦1/3であり、0.10≦x≦0.30であることが好ましく、0.14≦x≦0.26であることがさらに好ましい。xがこのような範囲である場合、金属酸化物を高容量化することができるとともに、充放電を安定に行うことができる。   In the formula (A), x satisfies 0 <x ≦ 1/3, preferably 0.10 ≦ x ≦ 0.30, and more preferably 0.14 ≦ x ≦ 0.26. When x is in such a range, the capacity of the metal oxide can be increased and charging / discharging can be performed stably.

第1金属元素および第2金属元素の合計に占める第1金属元素のモル比yは、0.5≦y≦0.8であり、0.6≦y≦0.8であることが好ましい。yがこのような範囲である場合、容量と電気化学的活性とのバランスがとり易い。   The molar ratio y of the first metal element to the total of the first metal element and the second metal element is 0.5 ≦ y ≦ 0.8, and preferably 0.6 ≦ y ≦ 0.8. When y is in such a range, the capacity and the electrochemical activity are easily balanced.

金属酸化物に含まれる第1金属元素は、少なくともMnを含んでいればよく、Mnのみであってもよく、MnとMn以外の第1金属元素とを含んでいてもよい。Mn以外の第1金属元素としては、例えば、Ti、およびZrからなる群より選択される少なくとも一種などが挙げられる。第1金属元素は、平均的価数が4価であればよい。第1金属元素としては、MnのみまたはMnとTiとの組み合わせなどが好ましく、中でもMnのみであることが好ましい。   The first metal element contained in the metal oxide only needs to contain at least Mn, may contain only Mn, and may contain Mn and a first metal element other than Mn. Examples of the first metal element other than Mn include at least one selected from the group consisting of Ti and Zr. The first metal element only needs to be tetravalent in average valence. As the first metal element, only Mn or a combination of Mn and Ti is preferable, and among them, only Mn is preferable.

第1金属元素および第2金属元素の合計に占めるMnのモル比y1は、0.5≦y1≦0.8を充足する。モル比y1が0.5未満では、Li2MnO3由来の容量が低下して、固溶体正極材料としての寄与が得られず、0.8を超えると、Li2MnO3の寄与が大きくなり過ぎ、電気化学的に活性が低下する。容量と電気化学的活性とのバランスの観点から、モル比y1は、0.6≦y1≦0.8または0.6≦y1≦0.7を充足することが好ましい。 The molar ratio y1 of Mn in the total of the first metal element and the second metal element satisfies 0.5 ≦ y1 ≦ 0.8. When the molar ratio y1 is less than 0.5, the capacity derived from Li 2 MnO 3 is reduced, and a contribution as a solid solution positive electrode material cannot be obtained, and when it exceeds 0.8, the contribution of Li 2 MnO 3 becomes too large. , The activity decreases electrochemically. From the viewpoint of the balance between capacity and electrochemical activity, the molar ratio y1 preferably satisfies 0.6 ≦ y1 ≦ 0.8 or 0.6 ≦ y1 ≦ 0.7.

金属酸化物に含まれる第2金属元素(元素M2)は、少なくともNiを含む、さらにCoおよび/またはFeを含んでもよい。第2金属元素がNiを含むことで、結晶構造の安定性および電子伝導性を高め易くなる。第2金属元素は、Niのみであってもよく、Niと、Coおよび/またはFeとの組み合わせであってもよい。元素M2は、平均的価数が3価であればよい。第2金属元素としては、Niのみの場合、および少なくともNiおよびCoを含む場合などが好ましい。後者には、NiとCoとの組み合わせ、Niと、Coと、Feとの組み合わせが含まれる。詳細は定かではないが、これらの組み合わせでは、LiあるいはLi2Oが脱離した時の構造安定性が高くなると推測される。 The second metal element (element M 2 ) contained in the metal oxide contains at least Ni, and may further contain Co and / or Fe. When the second metal element contains Ni, it becomes easy to improve the stability of the crystal structure and the electron conductivity. The second metal element may be Ni alone or a combination of Ni and Co and / or Fe. The element M 2 has only to be trivalent in average valence. As a 2nd metal element, the case where only Ni and the case where Ni and Co are included at least are preferable. The latter includes a combination of Ni and Co, and a combination of Ni, Co, and Fe. Although the details are not clear, it is presumed that these combinations increase the structural stability when Li or Li 2 O is desorbed.

第2金属元素に占めるNiの比率は、例えば、10〜100モル%であり、40〜80モル%または50〜75モル%であることが好ましい。Niの比率がこのような範囲である場合、高容量化の点でより有利である。   The ratio of Ni in the second metal element is, for example, 10 to 100 mol%, and preferably 40 to 80 mol% or 50 to 75 mol%. When the ratio of Ni is in such a range, it is more advantageous in terms of increasing the capacity.

第2金属元素がCoを含む場合、第2金属元素に占めるCoの比率は、例えば、5〜60モル%であり、15〜50モル%または25〜50モル%であることが好ましい。Coの比率がこのような範囲である場合、電子伝導性を高め易い点でより有利である。   When the second metal element contains Co, the proportion of Co in the second metal element is, for example, 5 to 60 mol%, and preferably 15 to 50 mol% or 25 to 50 mol%. When the ratio of Co is in such a range, it is more advantageous in that the electron conductivity can be easily increased.

式(A)の金属酸化物のうち、特に第1金属元素がMnであるものが好ましい。このような金属酸化物は、下記式(1):
Li1+x(Mny12 1-y11-x2
(式中、元素M2、xおよびy1は前記に同じ。)
で表すことができる。
Of the metal oxides of the formula (A), those in which the first metal element is Mn are particularly preferable. Such a metal oxide has the following formula (1):
Li 1 + x (Mny 1 M 2 1-y1 ) 1-x O 2
(In the formula, the elements M 2 , x and y 1 are the same as above.)
Can be expressed as

なお、上記式(A)および(1)では、金属酸化物を二酸化物として記載したが、酸素の係数「2」は、「2±δ」であってもよく、酸素の係数が2±δである式(A)や式(1)の金属酸化物も本実施形態に含まれる。ここで、δは、酸素過剰量または酸素欠損量であり、例えば、0〜0.2である。
式(A)および式(1)の金属酸化物の具体例としては、Li1+x(Ni0.3Co0.1Mn0.61-x2、Li1+x(Ni0.2Co0.1Mn0.71-x2、Li1+x(Ni0.3Co0.1Mn0.61-x2などが挙げられる。
In the above formulas (A) and (1), the metal oxide is described as a dioxide, but the oxygen coefficient “2” may be “2 ± δ”, and the oxygen coefficient is 2 ± δ. The metal oxides of formula (A) and formula (1) are also included in this embodiment. Here, δ is an oxygen excess amount or an oxygen deficiency amount, for example, 0 to 0.2.
Specific examples of the metal oxides of the formula (A) and formula (1) include Li 1 + x (Ni 0.3 Co 0.1 Mn 0.6 ) 1-x O 2 , Li 1 + x (Ni 0.2 Co 0.1 Mn 0.7 ) 1 -x O 2, Li 1 + x (Ni 0.3 Co 0.1 Mn 0.6) 1-x O 2 and the like.

金属酸化物粒子の平均粒子径は、例えば、4〜10μmであり、5〜9μmであることが好ましい。なお、本明細書中、平均粒子径は、レーザー回折式粒度分布測定装置を用いて測定される体積基準の粒度分布におけるメディアン径(D50)である。 The average particle diameter of the metal oxide particles is, for example, 4 to 10 μm, and preferably 5 to 9 μm. In the present specification, the average particle size is the median diameter (D 50) in volume-based particle size distribution measured using a laser diffraction type particle size distribution measuring apparatus.

(アニオン)
金属酸化物粒子の表層に偏在するアニオンは、炭酸根および硫酸根からなる群より選択される少なくとも一種である。アニオンは、CO3 2-、SO4 2-などの遊離のアニオンの形態で含まれていてもよいが、多くの場合、金属塩の形態で含まれている。ただし、金属酸化物粒子の表層において、アニオンは、遷移金属塩以外の形態で存在していることが好ましい。ここで、遷移金属塩とは、金属酸化物に含まれる第1金属元素および第2金属元素の中の遷移金属とアニオンとの塩である。遷移金属塩以外の形態としては、例えば、アニオンのLi塩が挙げられる。
(Anion)
The anion unevenly distributed in the surface layer of the metal oxide particles is at least one selected from the group consisting of carbonate groups and sulfate groups. The anion may be contained in the form of a free anion such as CO 3 2− or SO 4 2−, but is often included in the form of a metal salt. However, the anion is preferably present in a form other than the transition metal salt in the surface layer of the metal oxide particles. Here, the transition metal salt is a salt of a transition metal and an anion in the first metal element and the second metal element contained in the metal oxide. Examples of forms other than the transition metal salt include an anionic Li salt.

金属酸化物粒子の表層にアニオンが偏在しているかどうかは、XPSスペクトルにより、金属酸化物に由来するO1sのピークP1およびより高結合エネルギー側に位置するアニオンに由来するO1sのピークP2から確認できる。金属酸化物粒子の表層にアニオンが分布しているときは、ピークP2が検出される。XPSスペクトルにおけるピークP1の面積S1に対するピークP2の面積S2の比S2/S1が、例えば、S2/S1≧1.0を充足するとき、金属酸化物粒子の表層に、アニオンが偏在していると言うことができる。このように、比S2/S1は、S2/S1≧1.0であることが望ましく、S2/S1≧2.0であることが好ましく、S2/S1≧3.0であることがさらに好ましい。比S2/S1がこのような範囲である場合、金属酸化物粒子の表層にアニオンが多く含まれるため、充放電反応をスムーズに行うことができる。比S2/S1の上限は特に制限されないが、例えば、S2/S1≦10である。 Whether or not the anion is unevenly distributed on the surface layer of the metal oxide particle is determined from the peak P 1 of O1s derived from the metal oxide and the peak P 2 of O1s derived from the anion located on the higher binding energy side by XPS spectrum. I can confirm. When anions are distributed on the surface layer of the metal oxide particles, the peak P 2 is detected. When the ratio S 2 / S 1 of the area S 2 of the peak P 2 to the area S 1 of the peak P 1 in the XPS spectrum satisfies, for example, S 2 / S 1 ≧ 1.0, the surface layer of the metal oxide particles It can be said that anions are unevenly distributed. Thus, the ratio S 2 / S 1 is desirably S 2 / S 1 ≧ 1.0, preferably S 2 / S 1 ≧ 2.0, and S 2 / S 1 ≧ 3. More preferably, it is 0. When the ratio S 2 / S 1 is in such a range, since the surface layer of the metal oxide particles contains a large amount of anions, the charge / discharge reaction can be performed smoothly. The upper limit of the ratio S 2 / S 1 is not particularly limited, but for example, S 2 / S 1 ≦ 10.

XPSスペクトルにおけるピークP1とピークP2の結合エネルギーの差の絶対値は、例えば、1〜4eVであり、1〜3eVであってもよい。なお、ピークP1とピークP2の結合エネルギーの差とは、ピークP1の極大値の結合エネルギーとピークP2の極大値の結合エネルギーとの差の絶対値である。 The absolute value of the difference in binding energy between the peak P 1 and the peak P 2 in the XPS spectrum is, for example, 1 to 4 eV, and may be 1 to 3 eV. Note that the difference between the binding energy of the peak P 1 and the peak P 2, the absolute value of the difference between the binding energy of the maximum value of the binding energy peak P 2 of the maximum value of the peak P 1.

正極活物質のXPSスペクトルにおいて、ピークP1は、例えば、528.1〜531.1eVの間に検出され、ピークP2は、例えば、530.5〜532.5eVの間に検出される。530.5〜532.5eVの間に検出されるピークP2は、アニオン(炭酸根、および/または硫酸根)、有機系酸素(有機基に結合した酸素)などに由来する。なお、有機系酸素は極少量であるため、ピークP1への影響は無視することができる。 In the XPS spectrum of the positive electrode active material, the peak P 1 is detected, for example, between 528.1 and 531.1 eV, and the peak P 2 is detected, for example, between 530.5 and 532.5 eV. The peak P 2 detected between 530.5 and 532.5 eV is derived from anions (carbonate groups and / or sulfate groups), organic oxygen (oxygen bonded to an organic group), and the like. Note that since the amount of organic oxygen is extremely small, the influence on the peak P 1 can be ignored.

比S2/S1は、XPSスペクトルにおいてピークフィッティングにより波形分離を行い、解析ソフトでピーク面積S1およびS2を算出し、得られた算出結果から求めることができる。ピークフィッティングの際には、例えば、Shirley法により、XPSスペクトルのバックグラウンドを除去し、スムージングを行う。スペクトル全体のピーク位置は、炭素Cの波形分離を行い、最も低エネルギー側にある炭素Cのピークのエネルギー値を基準値(284.6eV:C−C結合)に設定することで補正することができる。ピークフィッティングの際には、一定の規則を守りつつ(ピークの半値幅が一定値を超えないなど)、解析し易いように、ピーク数やピーク位置などを調整してもよい。必要なピークについて波形分離した後のスペクトルにおいて、ピークの頂点位置のエネルギー値をデータベースの値と照らし合わせることで各ピークの化学状態を判別することができる。 The ratio S 2 / S 1 can be obtained from the calculation result obtained by performing waveform separation by peak fitting in the XPS spectrum and calculating the peak areas S 1 and S 2 with analysis software. At the time of peak fitting, for example, the background of the XPS spectrum is removed and smoothing is performed by the Shirley method. The peak position of the entire spectrum can be corrected by separating the waveform of carbon C and setting the energy value of the peak of carbon C on the lowest energy side to a reference value (284.6 eV: CC bond). it can. At the time of peak fitting, the number of peaks, the peak position, etc. may be adjusted so as to facilitate analysis while keeping certain rules (such as the peak half-value width not exceeding a certain value). In the spectrum after waveform separation of necessary peaks, the chemical state of each peak can be determined by comparing the energy value at the peak apex position with the value in the database.

本実施形態に係る正極活物質は、例えば、Liを含む前駆体と、第1金属元素および第2金属元素を含む前駆体とを含む混合物を、焼成することにより得ることができる。このとき、例えば、Liを含む前駆体として、炭酸塩および/または硫酸塩を化学量論比よりも多く用いることで、金属酸化物粒子の表層に多くのアニオンを分布させることができる。Liを含む前駆体としては、炭酸リチウムを用いることが好ましい。このとき、第1金属元素および第2金属元素の合計に対するLiの原子比が、化学量論比である1.3より多くなるような割合、例えば、原子比が1.4〜2.0または1.5〜1.7となるような割合で炭酸リチウムを用いることが好ましい。なお、焼成は、必要に応じて多段階で行ってもよい。   The positive electrode active material according to the present embodiment can be obtained, for example, by firing a mixture containing a precursor containing Li and a precursor containing a first metal element and a second metal element. At this time, for example, by using a carbonate and / or sulfate more than the stoichiometric ratio as a precursor containing Li, a large number of anions can be distributed on the surface layer of the metal oxide particles. As the precursor containing Li, lithium carbonate is preferably used. At this time, the ratio of the atomic ratio of Li to the total of the first metal element and the second metal element is higher than 1.3 which is the stoichiometric ratio, for example, the atomic ratio is 1.4 to 2.0 or It is preferable to use lithium carbonate at a ratio of 1.5 to 1.7. In addition, you may perform baking by a multistep as needed.

また、焼成により得られた金属酸化物粒子を水洗すると、表層のアニオンが減少する。そのため、水洗する際の水の量や回数を制限することも好ましい。水洗することなく焼成した金属酸化物を正極活物質として用いてもよい。   Moreover, when the metal oxide particles obtained by firing are washed with water, anions on the surface layer are reduced. Therefore, it is also preferable to limit the amount and the number of times of water when washing with water. A metal oxide fired without washing with water may be used as the positive electrode active material.

焼成原料である各前駆体としては、炭酸塩や硫酸塩以外に、硝酸塩、水酸化物、酸化物、ハロゲン化物なども用いることができる。
第1金属元素および第2金属元素を含む前駆体としては、第1金属元素を含む前駆体と、第2金属元素を含む前駆体とを含む混合物を用いてもよく、第1金属元素および第2金属元素の双方を含む前駆体を用いてもよい。第1金属元素および第2金属元素を含む前駆体は、各金属元素を含む化合物から共沈法により得られる共沈物であってもよい。
In addition to carbonates and sulfates, nitrates, hydroxides, oxides, halides, and the like can be used as the precursors that are firing raw materials.
As the precursor containing the first metal element and the second metal element, a mixture containing a precursor containing the first metal element and a precursor containing the second metal element may be used. A precursor containing both of the two metal elements may be used. The precursor containing the first metal element and the second metal element may be a coprecipitate obtained by a coprecipitation method from a compound containing each metal element.

金属酸化物粒子が複数の第1金属元素を含む場合、各々の第1金属元素を含む前駆体を併用してもよく、複数の第1金属元素を含む前駆体を用いてもよい。同様に、金属酸化物粒子が複数の第2金属元素を含む場合、各々の第2金属元素を含む前駆体を併用してもよく、複数の第2金属元素を含む前駆体を用いてもよい。   When the metal oxide particles include a plurality of first metal elements, a precursor including each first metal element may be used in combination, or a precursor including a plurality of first metal elements may be used. Similarly, when the metal oxide particles include a plurality of second metal elements, a precursor including each second metal element may be used in combination, or a precursor including a plurality of second metal elements may be used. .

前駆体の混合物は、適当な段階で粉砕してもよい。
焼成は、不活性ガス雰囲気下で行うこともできるが、大気中で行うことが好ましい。焼成温度は、例えば、700〜1000℃である。焼成を多段階で行う場合には、各段階の焼成条件が異なっていてもよい。例えば、最初の焼成を大気中で行い、2回目の焼成を不活性ガス雰囲気下で行っても良い。
The mixture of precursors may be pulverized at an appropriate stage.
Firing can be performed in an inert gas atmosphere, but is preferably performed in the air. The firing temperature is, for example, 700 to 1000 ° C. When firing is performed in multiple stages, the firing conditions at each stage may be different. For example, the first baking may be performed in the air and the second baking may be performed in an inert gas atmosphere.

[全固体LIB]
本発明の一実施形態に係る全固体LIBは、上記の正極活物質を含む正極と、負極と、これらの間に介在する固体電解質層とを含む。
(正極)
正極は、正極活物質を含んでいればよく、正極活物質に加え、全固体LIBで正極に使用される公知の成分を含んでもよい。正極におけるリチウムイオン伝導性を高める観点から、正極は、正極活物質とともに、リチウムイオン伝導性を示す無機固体電解質を含むことが好ましい。
[All-solid LIB]
An all-solid LIB according to an embodiment of the present invention includes a positive electrode including the positive electrode active material described above, a negative electrode, and a solid electrolyte layer interposed therebetween.
(Positive electrode)
The positive electrode should just contain the positive electrode active material, and may contain the well-known component used for a positive electrode by all the solid LIB in addition to a positive electrode active material. From the viewpoint of increasing lithium ion conductivity in the positive electrode, the positive electrode preferably includes an inorganic solid electrolyte exhibiting lithium ion conductivity together with the positive electrode active material.

無機固体電解質としては、リチウムイオン伝導性を示す限り、特に制限されず、全固体LIBで固体電解質層に使用されるような無機固体電解質が使用できる。無機固体電解質の結晶状態も特に制限されず、結晶性および非晶質のいずれであってもよい。無機固体電解質としては、硫化物(硫化物系無機固体電解質)が好ましく、LiおよびPを含む硫化物がより好ましい。硫化物としては、例えば、Li7311、Li3PS4、Li10GeP212、Li6PS5X(Xは、F、Cl、Br、IおよびAtからなる群より選択される少なくとも一種である。)などが挙げられる。これらの固体電解質は、一種を単独で用いてもよく、必要に応じて、二種以上を併用してもよい。 The inorganic solid electrolyte is not particularly limited as long as it exhibits lithium ion conductivity, and an inorganic solid electrolyte such as that used for a solid electrolyte layer in an all-solid LIB can be used. The crystal state of the inorganic solid electrolyte is not particularly limited, and may be crystalline or amorphous. As the inorganic solid electrolyte, a sulfide (sulfide-based inorganic solid electrolyte) is preferable, and a sulfide containing Li and P is more preferable. As the sulfide, for example, Li 7 P 3 S 11 , Li 3 PS 4 , Li 10 GeP 2 S 12 , Li 6 PS 5 X (X is selected from the group consisting of F, Cl, Br, I and At. At least one kind). These solid electrolytes may be used individually by 1 type, and may use 2 or more types together as needed.

正極活物質と無機固体電解質との総量に占める無機固体電解質の割合は、5〜40質量%であることが好ましく、10〜40質量%であることがさらに好ましい。無機固体電解質の割合がこのような範囲である場合、正極の高いリチウムイオン伝導性を確保し易い。   The proportion of the inorganic solid electrolyte in the total amount of the positive electrode active material and the inorganic solid electrolyte is preferably 5 to 40% by mass, and more preferably 10 to 40% by mass. When the proportion of the inorganic solid electrolyte is in such a range, it is easy to ensure high lithium ion conductivity of the positive electrode.

正極は、正極集電体と、正極集電体に担持された正極活物質または正極合剤とを含んでもよい。正極合剤とは、正極活物質および無機固体電解質を含む混合物である。
正極集電体としては、全固体LIBの正極集電体として使用されるものであれば特に制限なく使用することができる。このような正極集電体の形態としては、例えば、金属箔、板状体、粉体の集合体などが挙げられ、正極集電体の材質を成膜したものを用いてもよい。金属箔は、電解箔、エッチド箔などであってもよい。
The positive electrode may include a positive electrode current collector and a positive electrode active material or a positive electrode mixture supported on the positive electrode current collector. The positive electrode mixture is a mixture containing a positive electrode active material and an inorganic solid electrolyte.
As the positive electrode current collector, any positive electrode current collector can be used without particular limitation as long as it is used as a positive electrode current collector of all solid LIB. Examples of the form of such a positive electrode current collector include metal foils, plate-like bodies, powder aggregates, and the like, and a material obtained by forming a film of the positive electrode current collector may be used. The metal foil may be an electrolytic foil, an etched foil, or the like.

正極集電体の材質としては、アルミニウム、マグネシウム、ステンレス鋼、チタン、鉄、コバルト、亜鉛、スズ、またはこれらの合金などが例示される。
正極の厚みは、例えば、50〜200μmである。
正極は、例えば、正極活物質または正極合剤を圧縮することにより得ることができる。正極集電体の表面に、正極活物質や正極合剤の層を形成することにより正極を形成してもよい。
Examples of the material of the positive electrode current collector include aluminum, magnesium, stainless steel, titanium, iron, cobalt, zinc, tin, and alloys thereof.
The thickness of the positive electrode is, for example, 50 to 200 μm.
The positive electrode can be obtained, for example, by compressing a positive electrode active material or a positive electrode mixture. The positive electrode may be formed by forming a layer of a positive electrode active material or a positive electrode mixture on the surface of the positive electrode current collector.

(負極)
負極は負極活物質を含む。負極活物質としては、リチウムイオンを挿入および脱離することができる限り、特に制限されず、LIBで使用される公知の負極活物質が利用できる。例えば、リチウムイオンを挿入および脱離可能な炭素質材料の他、リチウムイオンを挿入および脱離可能な金属や半金属の単体、合金、または化合物などが挙げられる。炭素質材料としては、黒鉛、ハードカーボン、非晶質炭素などが例示できる。金属や半金属の単体、合金としては、リチウム金属や合金、Si単体などが挙げられる。化合物としては、例えば、酸化物、硫化物、窒化物、水化物、シリサイド(リチウムシリサイドなど)などが挙げられる。酸化物としては、チタン酸化物、ケイ素酸化物などが挙げられる。負極活物質は、一種を単独で用いてもよく、二種以上を組み合わせて用いてもよい。例えば、ケイ素酸化物と炭素質材料とを併用してもよい。
(Negative electrode)
The negative electrode includes a negative electrode active material. The negative electrode active material is not particularly limited as long as lithium ions can be inserted and desorbed, and a known negative electrode active material used in LIB can be used. For example, in addition to a carbonaceous material that can insert and desorb lithium ions, a simple substance, alloy, or compound of a metal or a semimetal that can insert and desorb lithium ions can be used. Examples of the carbonaceous material include graphite, hard carbon, and amorphous carbon. Examples of simple metals and metalloids and alloys include lithium metal, alloys, and Si. Examples of the compound include oxides, sulfides, nitrides, hydrates, silicides (such as lithium silicide), and the like. Examples of the oxide include titanium oxide and silicon oxide. A negative electrode active material may be used individually by 1 type, and may be used in combination of 2 or more type. For example, silicon oxide and a carbonaceous material may be used in combination.

負極は、負極活物質に加え、全固体LIBで負極に使用される公知の成分を含んでもよい。正極の場合と同様、負極におけるリチウムイオン伝導性を高める観点から、負極は、負極活物質とともに、リチウムイオン伝導性を示す無機固体電解質を含むことが好ましい。このような無機固体電解質としては、正極について例示したものから適宜選択できる。負極活物質および無機固体電解質の総量に占める無機固体電解質の割合は、正極活物質および無機固体電解質の総量に占める無機固体電解質の割合として記載した範囲から適宜選択できる。   In addition to the negative electrode active material, the negative electrode may include known components used for the negative electrode in all solid LIB. As in the case of the positive electrode, from the viewpoint of increasing lithium ion conductivity in the negative electrode, the negative electrode preferably contains an inorganic solid electrolyte exhibiting lithium ion conductivity together with the negative electrode active material. As such an inorganic solid electrolyte, it can select from what was illustrated about the positive electrode suitably. The ratio of the inorganic solid electrolyte to the total amount of the negative electrode active material and the inorganic solid electrolyte can be appropriately selected from the range described as the ratio of the inorganic solid electrolyte to the total amount of the positive electrode active material and the inorganic solid electrolyte.

負極は、負極集電体と、負極集電体に担持された負極活物質または負極合剤とを含んでもよい。負極合剤とは、負極活物質および無機固体電解質を含む混合物である。負極集電体の形態としては、正極集電体について記載したものが挙げられる。負極集電体の材質としては、銅、ニッケル、ステンレス鋼、チタン、これらの合金などが挙げられる。   The negative electrode may include a negative electrode current collector and a negative electrode active material or a negative electrode mixture supported on the negative electrode current collector. The negative electrode mixture is a mixture containing a negative electrode active material and an inorganic solid electrolyte. Examples of the form of the negative electrode current collector include those described for the positive electrode current collector. Examples of the material for the negative electrode current collector include copper, nickel, stainless steel, titanium, and alloys thereof.

負極の厚みは、例えば、50〜200μmである。
負極は、負極活物質または負極合剤と、必要に応じて負極集電体とを用いて、正極の場合に準じて作製できる。
The thickness of the negative electrode is, for example, 50 to 200 μm.
The negative electrode can be produced according to the case of the positive electrode, using a negative electrode active material or a negative electrode mixture, and if necessary, a negative electrode current collector.

(固体電解質層)
正極と負極との間に介在する固体電解質層は、リチウムイオン伝導性を示す無機固体電解質を含む。このような無機固体電解質としては、正極について例示した無機固体電解質が挙げられ、硫化物が好ましい。
(Solid electrolyte layer)
The solid electrolyte layer interposed between the positive electrode and the negative electrode includes an inorganic solid electrolyte that exhibits lithium ion conductivity. As such an inorganic solid electrolyte, the inorganic solid electrolyte illustrated about the positive electrode is mentioned, A sulfide is preferable.

固体電解質層は、無機固体電解質を圧縮することにより形成できる。固体電解質層は、必要に応じて、全固体LIBの固体電解質層に用いられる公知の添加剤を含むことができる。
固体電解質層の厚みは、例えば、20〜200μmである。
The solid electrolyte layer can be formed by compressing the inorganic solid electrolyte. The solid electrolyte layer can contain known additives used for the solid electrolyte layer of the all-solid LIB, if necessary.
The thickness of the solid electrolyte layer is, for example, 20 to 200 μm.

図1は、本実施形態に係る全固体LIBに含まれる電極群を概略的に示す縦断面図である。全固体LIBが備える電極群1は、正極2と、負極4と、これらの間に介在する固体電解質層3とを備える。正極2は、正極集電体2bとこれに担持された正極合剤層2aとを備える。負極4は、負極集電体4bとこれに担持された負極合剤層4aとを備える。正極2と負極4とは、正極合剤層2aと負極合剤層4aとが対向するように配置される。正極合剤層2aと負極合剤層4aとの間に、固体電解質層3が配置されている。固体電解質層3は、リチウムイオン伝導性の無機固体電解質を含む。   FIG. 1 is a longitudinal sectional view schematically showing an electrode group included in the all solid LIB according to the present embodiment. The electrode group 1 included in the all-solid LIB includes a positive electrode 2, a negative electrode 4, and a solid electrolyte layer 3 interposed therebetween. The positive electrode 2 includes a positive electrode current collector 2b and a positive electrode mixture layer 2a supported thereon. The negative electrode 4 includes a negative electrode current collector 4b and a negative electrode mixture layer 4a supported thereon. The positive electrode 2 and the negative electrode 4 are disposed so that the positive electrode mixture layer 2a and the negative electrode mixture layer 4a face each other. The solid electrolyte layer 3 is disposed between the positive electrode mixture layer 2a and the negative electrode mixture layer 4a. The solid electrolyte layer 3 includes a lithium ion conductive inorganic solid electrolyte.

正極合剤層2aと負極合剤層4aと固体電解質層3とはほぼ同じサイズの円盤状であり、固体電解質層3を間に挟持した状態で積層され、円柱状の積層体6を形成している。積層体6の側面には、負極合剤層4aの側面および固体電解質層3の負極合剤層4a側の側面を覆うように、絶縁体5が装着されている。正極集電体2bおよび負極集電体4bは、正極合剤層2aおよび負極合剤層4aよりもサイズが大きな円状の金属箔である。正極集電体2bおよび負極集電体4bは、絶縁体5を装着した状態の積層体6とほぼ同じサイズとなるように形成されている。   The positive electrode mixture layer 2 a, the negative electrode mixture layer 4 a, and the solid electrolyte layer 3 have a disk shape having substantially the same size, and are stacked with the solid electrolyte layer 3 sandwiched therebetween to form a cylindrical laminate 6. ing. The insulator 5 is attached to the side surface of the multilayer body 6 so as to cover the side surface of the negative electrode mixture layer 4a and the side surface of the solid electrolyte layer 3 on the negative electrode mixture layer 4a side. The positive electrode current collector 2b and the negative electrode current collector 4b are circular metal foils that are larger in size than the positive electrode mixture layer 2a and the negative electrode mixture layer 4a. The positive electrode current collector 2b and the negative electrode current collector 4b are formed to have substantially the same size as the stacked body 6 with the insulator 5 attached.

全固体LIBは、電極群をセルケースに収容することにより作製できる。電極群の正極および負極には、それぞれリードの一端部が接続される。リードの他端部はセルケースの外部に露出した外部端子と電気的に接続される。
全固体LIBは、図1に示す例に限らず、丸型、円筒型、角型、薄層フラット型などの様々なタイプであってもよい。電極群は、複数の正極および/または複数の負極を含んでもよい。
The all solid LIB can be produced by housing the electrode group in a cell case. One end of a lead is connected to each of the positive electrode and the negative electrode of the electrode group. The other end of the lead is electrically connected to an external terminal exposed to the outside of the cell case.
The all-solid LIB is not limited to the example shown in FIG. 1, but may be various types such as a round shape, a cylindrical shape, a square shape, and a thin layer flat type. The electrode group may include a plurality of positive electrodes and / or a plurality of negative electrodes.

以下、本発明を実施例および比較例に基づいて具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated concretely based on an Example and a comparative example, this invention is not limited to a following example.

実施例1
(1)正極活物質の合成
下記の手順で、金属酸化物a1:Li1+x(Ni0.2Co0.1Mn0.71-x2を合成した。
Ni(NO32・9H2O、Co(NO32・6H2O、およびMnCl2・4H2Oを、Ni:Co:Mnの原子比が2:1:7となるような量で用い、蒸留水に溶解させて前駆体水溶液を調製した。この前駆体水溶液を、恒温槽内で20℃に保たれた水酸化ナトリウム水溶液に、数時間かけて滴下することで、Ni−Co−Mn共沈物を生成させた。得られた混合物を、恒温槽から取り出し、室温で2日間空気を吹き込みながら撹拌することで共沈物を熟成させた。次いで、共沈物を濾別し、蒸留水で洗浄することにより水酸化ナトリウムを除去した。
Example 1
(1) Synthesis of positive electrode active material Metal oxide a1: Li 1 + x (Ni 0.2 Co 0.1 Mn 0.7 ) 1-x O 2 was synthesized by the following procedure.
Ni (NO 3 ) 2 .9H 2 O, Co (NO 3 ) 2 .6H 2 O, and MnCl 2 .4H 2 O in such an amount that the Ni: Co: Mn atomic ratio is 2: 1: 7 The precursor aqueous solution was prepared by dissolving in distilled water. This precursor aqueous solution was dropped into a sodium hydroxide aqueous solution kept at 20 ° C. in a thermostatic bath over several hours, thereby generating a Ni—Co—Mn coprecipitate. The obtained mixture was taken out from the thermostatic bath, and the coprecipitate was aged by stirring while blowing air at room temperature for 2 days. The coprecipitate was then filtered off and washed with distilled water to remove sodium hydroxide.

Li/(Ni+Co+Mn)比が1.7となるような量の炭酸リチウム(0.2125mol)を蒸留水中に分散させた。得られた分散液と共沈物とをミキサーに入れて、撹拌した。得られた混合物を、50℃で2日間乾燥させた。乾燥物を機械的に粉砕した後、大気中、900℃で、5時間焼成することにより、目的とする金属酸化物a1(1バッチ当たり0.25mol)を合成した。   An amount of lithium carbonate (0.2125 mol) such that the Li / (Ni + Co + Mn) ratio was 1.7 was dispersed in distilled water. The obtained dispersion and coprecipitate were placed in a mixer and stirred. The resulting mixture was dried at 50 ° C. for 2 days. The dried product was pulverized mechanically and then fired at 900 ° C. for 5 hours in the air to synthesize the target metal oxide a1 (0.25 mol per batch).

金属酸化物a1のXRDパターンから、金属酸化物a1は、単斜晶Li2MnO3型単位胞(空間群C2/m)単一相からなり、Li2MnO3−LiM22固溶体であることが確認された。XRDパターンからは不純物は認められなかった。XRDパターンから分析された金属酸化物a1の組成は、Li1+x(Ni0.2Co0.1Mn0.71-x2(x=0.25)であった。 From the XRD pattern of the metal oxide a1, the metal oxide a1 is composed of a monoclinic Li 2 MnO 3 type unit cell (space group C2 / m) single phase and is a Li 2 MnO 3 —LiM 2 O 2 solid solution. It was confirmed. No impurities were observed from the XRD pattern. The composition of the metal oxide a1 analyzed from the XRD pattern was Li 1 + x (Ni 0.2 Co 0.1 Mn 0.7 ) 1-x O 2 (x = 0.25).

(2)全固体LIBの作製
下記の手順で図1に示す全固体LIBを作製した。
(a)固体電解質層3の作製
冷間ダイス鋼(SKD)製の円筒金型(内径10mm、高さ30mm)を立てて設置し、円筒金型の底部に底板となる短ピンを差し込んだ。この状態で、リチウムイオン伝導性の固体電解質であるLi2S(70mol%)−P25(30mol%)固溶体(組成:Li7311)50mgを円筒金型内に層状に充填した。そして、円筒金型の内径に合わせたサイズの円柱状の長ピンを、円筒金型の頂部から内部に差し込み、層の厚み方向に188MPaの圧力で1回加圧プレスすることにより、固体電解質層3を作製した。
(2) Production of all-solid LIB All-solid LIB shown in FIG. 1 was produced by the following procedure.
(A) Production of Solid Electrolyte Layer 3 A cylindrical die (inner diameter 10 mm, height 30 mm) made of cold die steel (SKD) was placed upright, and a short pin serving as a bottom plate was inserted into the bottom of the cylindrical die. In this state, 50 mg of Li 2 S (70 mol%)-P 2 S 5 (30 mol%) solid solution (composition: Li 7 P 3 S 11 ), which is a lithium ion conductive solid electrolyte, is layered in a cylindrical mold. did. Then, a solid electrolyte layer is formed by inserting a cylindrical long pin having a size matched to the inner diameter of the cylindrical mold from the top of the cylindrical mold into the inside and pressurizing once at a pressure of 188 MPa in the thickness direction of the layer. 3 was produced.

(b)負極合剤層4aの作製
黒鉛、およびLi2S(70mol%)−P25(30mol%)固溶体を、6:4の質量比で用いて、乳鉢内で十分に混合した。得られた混合物16mgを、(a)で作製した、円筒金型内の固体電解質層3上に層状に充填した。そして、層の厚み方向に、3回加圧プレスすることにより、負極合剤層4aを作製した。加圧プレスの圧力は、1回当たり188MPaとした。
(B) Production of Negative Electrode Mixture Layer 4a Graphite and Li 2 S (70 mol%)-P 2 S 5 (30 mol%) solid solution were sufficiently mixed in a mortar using a mass ratio of 6: 4. 16 mg of the obtained mixture was filled in layers on the solid electrolyte layer 3 in the cylindrical mold produced in (a). And the negative mix layer 4a was produced by press-pressing 3 times in the thickness direction of a layer. The pressure of the pressure press was 188 MPa per time.

次いで、円筒金型の上下を反対にして短ピンを取り出し、負極合剤層4a側に短ピンを差し込み、短ピンが底になるように、円筒金型を配置した。次いで、長ピンを用いて、固体電解質層3および負極合剤層4aを、固体電解質層3側から押圧した。このようにして、負極合剤層4aとは反対側において、固体電解質層3上に円筒金型の内壁で囲まれた空間を形成した。   Next, the cylindrical mold was placed so that the cylindrical pin was turned upside down, the short pin was taken out, the short pin was inserted into the negative electrode mixture layer 4a side, and the short pin became the bottom. Next, the solid electrolyte layer 3 and the negative electrode mixture layer 4a were pressed from the solid electrolyte layer 3 side using a long pin. In this way, a space surrounded by the inner wall of the cylindrical mold was formed on the solid electrolyte layer 3 on the side opposite to the negative electrode mixture layer 4a.

(c)正極合剤層2aの作製
上記(1)で得られた金属酸化物a1およびLi2S(70mol%)−P25(30mol%)固溶体を、7:3の質量比で用いて、乳鉢内で十分に混合することにより混合物を得た。混合物20mgを、円筒金型内の固体電解質層3上に層状に充填し、層の厚み方向に、それぞれ、376MPa、752MPa、および1050MPaの順で3回加圧プレスすることにより正極合剤層2aを作製した。
(C) Production of Positive Electrode Mixture Layer 2a The metal oxide a1 and Li 2 S (70 mol%)-P 2 S 5 (30 mol%) solid solution obtained in (1) above were used at a mass ratio of 7: 3. The mixture was obtained by thoroughly mixing in a mortar. 20 mg of the mixture was filled in layers on the solid electrolyte layer 3 in the cylindrical mold, and the positive electrode mixture layer 2a was press-pressed three times in the order of 376 MPa, 752 MPa, and 1050 MPa in the thickness direction of the layer, respectively. Was made.

(d)全固体LIBの組み立て
(a)〜(c)のようにして形成された正極合剤層2aと負極合剤層4aとで固体電解質層3を挟持した状態の積層体6を、円筒金型から取り出した。
負極集電体4bとしての銅箔(縦20mm×横20mm、厚み100μm)の一方の表面上に、中央に孔を有する絶縁体5(内径11mm、高さ50μm)を配置した。そして、積層体6(外径10mm)を、負極合剤層4aが負極集電体4bに接するように絶縁体5の孔内に収容した。次いで、積層体6の正極合剤層2a上に正極集電体2bとしてのアルミニウム箔(縦20mm×横20mm、厚み20μm)を配置することにより電極群1を作製した。なお、絶縁体5は、負極合剤層4aおよび負極集電体4bと、正極合剤層2aおよび正極集電体2bとの接触を抑制するように配される。
負極リードおよび正極リードを有するラミネートセルに、電極群1を収容し、セル内のガスを真空ポンプで吸引しながら密封した。このようにして、全固体LIBを作製した。
(D) Assembly of all-solid LIB A laminate 6 in a state in which the solid electrolyte layer 3 is sandwiched between the positive electrode mixture layer 2a and the negative electrode mixture layer 4a formed as in (a) to (c) Removed from the mold.
On one surface of a copper foil (vertical 20 mm × horizontal 20 mm, thickness 100 μm) as the negative electrode current collector 4b, an insulator 5 (inner diameter 11 mm, height 50 μm) having a hole in the center was disposed. And the laminated body 6 (outer diameter 10 mm) was accommodated in the hole of the insulator 5 so that the negative mix layer 4a might contact | connect the negative electrode collector 4b. Next, an electrode group 1 was prepared by placing an aluminum foil (vertical 20 mm × horizontal 20 mm, thickness 20 μm) as the positive electrode current collector 2 b on the positive electrode mixture layer 2 a of the laminate 6. The insulator 5 is disposed so as to suppress contact between the negative electrode mixture layer 4a and the negative electrode current collector 4b, and the positive electrode mixture layer 2a and the positive electrode current collector 2b.
The electrode group 1 was accommodated in a laminate cell having a negative electrode lead and a positive electrode lead, and the gas in the cell was sealed while being sucked with a vacuum pump. In this way, an all-solid LIB was produced.

(3)評価
(a)正極活物質のXPSスペクトル測定
上記(1)で得られた正極活物質(金属酸化物a1)のXPSスペクトルを測定し、O1sピークを確認した。XPS スペクトルでは、金属酸化物に由来するピークP1が528.1〜531.1eV に、CO3 2-、有機系酸素、およびSO4 2-に由来するピークP2が、530.5〜532.5eVに、それぞれ確認された。既述の手順で、ピークP1のピーク面積S1とピークP2のピーク面積S2を求め、これらの値から、比S2/S1を求めた。解析ソフトとしては、SpecSurf(日本電子(株))を用いた。
(3) Evaluation (a) XPS spectrum measurement of positive electrode active material The XPS spectrum of the positive electrode active material (metal oxide a1) obtained in (1) above was measured to confirm the O1s peak. In the XPS spectrum, the peak P 1 derived from the metal oxide is 528.1 to 531.1 eV, and the peak P 2 derived from CO 3 2− , organic oxygen, and SO 4 2− is 530.5 to 532. Each was confirmed at .5 eV. In above procedure, determine the peak area S 2 of the peak area of the peak P 1 S 1 and the peak P 2, from these values, to determine the ratio S 2 / S 1. As the analysis software, SpecSurf (JEOL Ltd.) was used.

(b)全固体LIB電池の充電容量、放電容量および容量維持率
全固体LIBを、恒温槽内において25℃で維持し、58.8MPaで加圧した。この状態で、0.02mA/cm2の電流で、充電終止電圧4.7Vまで充電し、次いで、0.02mA/cm2の電流で、放電終止電圧2.0Vまで放電した。このときの充電容量および放電容量(初回放電容量)を求めた。
上記の充電および放電を10サイクル繰り返して、10サイクル目の放電容量を求め、初回放電容量に対する容量維持率(%)を求めた。
(B) Charge capacity, discharge capacity and capacity maintenance rate of all-solid-state LIB battery All-solid-state LIB was maintained at 25 ° C. in a thermostat and pressurized at 58.8 MPa. In this state, in the current 0.02 mA / cm 2, and charged to the charging end voltage 4.7V, then in the current 0.02 mA / cm 2, and discharged to the discharge termination voltage 2.0 V. The charge capacity and discharge capacity (initial discharge capacity) at this time were determined.
The above charging and discharging were repeated 10 cycles, the discharge capacity at the 10th cycle was determined, and the capacity retention rate (%) with respect to the initial discharge capacity was determined.

比較例1
Li/(Ni+Co+Mn)比が2.0となるような量の炭酸リチウム(0.14mol)を用いたこと以外は、実施例1と同様にして、金属酸化物を合成した。そして、得られた金属酸化物を、蒸留水で水洗し、濾過して、100℃で乾燥させることで、目的とする金属酸化物b1を得た。
Comparative Example 1
A metal oxide was synthesized in the same manner as in Example 1 except that lithium carbonate (0.14 mol) was used in such an amount that the Li / (Ni + Co + Mn) ratio was 2.0. Then, the obtained metal oxide was washed with distilled water, filtered, and dried at 100 ° C. to obtain a target metal oxide b1.

金属酸化物b1のXRDパターンから、金属酸化物b1は、単斜晶Li2MnO3型単位胞(空間群C2/m)単一相からなり、Li2MnO3−LiM22固溶体であることが確認された。XRDパターンからは不純物は認められなかった。XRDパターンから分析された金属酸化物b1の組成は、Li1+x(Ni0.2Co0.1Mn0.71-x2(x=0.26)であった。
金属酸化物a1に代えて金属酸化物b1を正極活物質として用いた以外は、実施例1と同様に、全固体LIBを作製し、評価を行った。
From the XRD pattern of the metal oxide b1, the metal oxide b1 is composed of a monoclinic Li 2 MnO 3 type unit cell (space group C2 / m) single phase and is a Li 2 MnO 3 —LiM 2 O 2 solid solution. It was confirmed. No impurities were observed from the XRD pattern. The composition of the metal oxide b1 analyzed from the XRD pattern was Li 1 + x (Ni 0.2 Co 0.1 Mn 0.7 ) 1-x O 2 (x = 0.26).
An all-solid LIB was prepared and evaluated in the same manner as in Example 1 except that the metal oxide b1 was used as the positive electrode active material instead of the metal oxide a1.

実施例2
Ni(NO32・9H2O、Co(NO32・6H2O、およびMnCl2・4H2Oを、Ni:Co:Mnの原子比が3:1:6となるような量で用いるとともに、Li/(Ni+Co+Mn)比が1.6となるような量の炭酸リチウムを用いたこと以外は、実施例1と同様にして、金属酸化物a2を合成した。
Example 2
Ni (NO 3 ) 2 .9H 2 O, Co (NO 3 ) 2 .6H 2 O, and MnCl 2 .4H 2 O in such an amount that the Ni: Co: Mn atomic ratio is 3: 1: 6. A metal oxide a2 was synthesized in the same manner as in Example 1 except that lithium carbonate was used in such an amount that the Li / (Ni + Co + Mn) ratio was 1.6.

金属酸化物a2のXRDパターンから、金属酸化物a2は、ほぼ、単斜晶Li2MnO3型単位胞(空間群C2/m)単一相からなり、Li2MnO3−LiM22固溶体であることが確認された。XRDパターンからは不純物は認められなかった。XRDパターンから分析された金属酸化物a2の組成は、Li1+x(Ni0.3Co0.1Mn0.61-x2(x=0.25)であった。
金属酸化物a1に代えて金属酸化物a2を正極活物質として用いた以外は、実施例1と同様に、全固体LIBを作製し、評価を行った。
From the XRD pattern of the metal oxide a2, the metal oxide a2 is substantially composed of a monoclinic Li 2 MnO 3 type unit cell (space group C2 / m) single phase, and Li 2 MnO 3 —LiM 2 O 2 solid solution. It was confirmed that. No impurities were observed from the XRD pattern. The composition of the metal oxide a2 analyzed from the XRD pattern was Li 1 + x (Ni 0.3 Co 0.1 Mn 0.6 ) 1-x O 2 (x = 0.25).
An all-solid LIB was prepared and evaluated in the same manner as in Example 1 except that the metal oxide a2 was used as the positive electrode active material instead of the metal oxide a1.

比較例2
Li/(Ni+Co+Mn)比が2.0となるような量の炭酸リチウム(0.14mol)を用いたこと以外は、実施例2と同様にして、金属酸化物を合成した。そして、得られた金属酸化物を、蒸留水で水洗し、濾過して、100℃で乾燥させることで、目的とする金属酸化物b2を得た。
Comparative Example 2
A metal oxide was synthesized in the same manner as in Example 2 except that lithium carbonate (0.14 mol) was used in such an amount that the Li / (Ni + Co + Mn) ratio was 2.0. Then, the obtained metal oxide was washed with distilled water, filtered, and dried at 100 ° C. to obtain a target metal oxide b2.

金属酸化物b2のXRDパターンから、金属酸化物b2は、単斜晶Li2MnO3型単位胞(空間群C2/m)単一相からなり、Li2MnO3−LiM22固溶体であることが確認された。XRDパターンからは不純物は認められなかった。XRDパターンから金属酸化物b2の組成は、Li1+x(Ni0.3Co0.1Mn0.61-x2(x=0.23)であった。
金属酸化物a1に代えて金属酸化物b2を正極活物質として用いた以外は、実施例1と同様に、全固体LIBを作製し、評価を行った。
From the XRD pattern of the metal oxide b2, the metal oxide b2 is composed of a monoclinic Li 2 MnO 3 type unit cell (space group C2 / m) single phase and is a Li 2 MnO 3 —LiM 2 O 2 solid solution. It was confirmed. No impurities were observed from the XRD pattern. From the XRD pattern, the composition of the metal oxide b2 was Li 1 + x (Ni 0.3 Co 0.1 Mn 0.6 ) 1-x O 2 (x = 0.23).
An all-solid LIB was prepared and evaluated in the same manner as in Example 1 except that the metal oxide b2 was used as the positive electrode active material instead of the metal oxide a1.

比較例3
市販のLiCoO2(金属酸化物b3)を準備した。XRDパターンから、金属酸化物b3は、六方晶(空間群R−3m)単一相からなり、Li2MnO3型の結晶構造を有さないことが確認された。金属酸化物b3のMnのモル比y1は、0.0であった。また、XRDパターンから不純物は認められなかった。
金属酸化物a1に代えて金属酸化物b3を正極活物質として用いるとともに、実施例1の(2)(b)において層状に充填する際の混合物の質量を15mgに変更した。これら以外は、実施例1と同様に、全固体LIBを作製した。電流値を0.1mA/cm2、充電終止電圧を4.2Vとした以外は、実施例1と同様にして、評価を行った。
Comparative Example 3
Commercially available LiCoO 2 (metal oxide b3) was prepared. From the XRD pattern, it was confirmed that the metal oxide b3 consists of a hexagonal crystal (space group R-3m) single phase and does not have a Li 2 MnO 3 type crystal structure. Mn molar ratio y1 of metal oxide b3 was 0.0. Further, no impurity was observed from the XRD pattern.
The metal oxide b3 was used as the positive electrode active material instead of the metal oxide a1, and the mass of the mixture when layered in Example 2 (2) (b) was changed to 15 mg. Except for these, an all-solid LIB was prepared in the same manner as in Example 1. Evaluation was performed in the same manner as in Example 1 except that the current value was 0.1 mA / cm 2 and the end-of-charge voltage was 4.2 V.

参考例1
比較例3で用いた金属酸化物b3を、空気気流中、炭酸リチウムの分解温度(690℃)よりも高い700℃で15時間焼成することにより、金属酸化物c1を得た。XRDパターンから、金属酸化物c1は、六方晶(空間群R−3m)単一相からなり、Li2MnO3型の結晶構造を有さないことが確認された。金属酸化物c1のMnのモル比y1は、0.0であった。また、XRDパターンから不純物は認められなかった。XRDパターンから分析された金属酸化物b3の組成は、LiCoO2であった。
金属酸化物b3に代えて、金属酸化物c1を用いたこと以外は、比較例3と同様に、全固体LIBを作製し、評価を行った。
Reference example 1
The metal oxide b1 used in Comparative Example 3 was fired in an air stream at 700 ° C., which is higher than the decomposition temperature of lithium carbonate (690 ° C.) for 15 hours, to obtain a metal oxide c1. From the XRD pattern, it was confirmed that the metal oxide c1 consists of a hexagonal crystal (space group R-3m) single phase and does not have a Li 2 MnO 3 type crystal structure. Mn molar ratio y1 of metal oxide c1 was 0.0. Further, no impurity was observed from the XRD pattern. The composition of the metal oxide b3 analyzed from the XRD pattern was LiCoO 2 .
An all-solid LIB was prepared and evaluated in the same manner as in Comparative Example 3 except that the metal oxide c1 was used instead of the metal oxide b3.

実施例2、比較例1〜3および参考例1についても、実施例1と同様にして、正極活物質のXPSスペクトルを測定した。図2は、実施例1の金属酸化物a1および比較例1の金属酸化物b1のXPSスペクトルのO1sピークである。図3は、実施例2の金属酸化物a2および比較例2の金属酸化物b2のXPSスペクトルのO1sピークである。図4は、比較例3の金属酸化物b3および参考例1の金属酸化物c1のXPSスペクトルのO1sピークである。   For Example 2, Comparative Examples 1 to 3, and Reference Example 1, the XPS spectrum of the positive electrode active material was measured in the same manner as in Example 1. FIG. 2 is an O1s peak of the XPS spectrum of the metal oxide a1 of Example 1 and the metal oxide b1 of Comparative Example 1. FIG. 3 is an O1s peak of the XPS spectrum of the metal oxide a2 of Example 2 and the metal oxide b2 of Comparative Example 2. FIG. 4 shows O1s peaks of XPS spectra of the metal oxide b3 of Comparative Example 3 and the metal oxide c1 of Reference Example 1.

図2では、金属酸化物a1およびb1のピークP1を、それぞれP1(a1)およびP1(b1)で示し、金属酸化物a1およびb1のピークP2を、それぞれP2(a1)およびP2(b1)で示した。図3では、金属酸化物a2のピークP2をP2(a2)で示し、金属酸化物b2のピークP1をP1(b2)で示した。実施例1および2の金属酸化物a1およびa2および比較例3の金属酸化物b3では、528.1〜531.1eVの金属酸化物のピークP1は小さく、ピークP1に比べて、炭酸根や硫酸根などに由来する530.5〜532.5eVのピークP2が格段に大きくなっている。それに対して、比較例1および2の金属酸化物b1およびb2では、炭酸根や硫酸根などに由来するピークP2は小さく、金属酸化物に由来するピークP1は格段に大きくなっている。これらから、実施例1および2、ならびに比較例3の金属酸化物では、炭酸根や硫酸根などのアニオンが表層に偏析しており、比較例1および2、ならびに参考例1の金属酸化物の表層には、アニオンよりもむしろ金属酸化物が多く含まれていると言える。 In FIG. 2, the peaks P 1 of the metal oxides a1 and b1 are denoted by P 1 (a1) and P 1 (b1), respectively, and the peaks P 2 of the metal oxides a1 and b1 are respectively represented by P 2 (a1) and P 2 (b1). In FIG. 3, the peak P 2 of the metal oxide a2 is indicated by P 2 (a2), and the peak P 1 of the metal oxide b2 is indicated by P 1 (b2). In the metal oxides a1 and a2 of Examples 1 and 2 and the metal oxide b3 of Comparative Example 3, the peak P 1 of the metal oxide of 528.1 to 531.1 eV is small, and the carbonate group is smaller than the peak P 1. And a peak P 2 of 530.5 to 532.5 eV derived from sulfite and sulfate radicals is remarkably large. On the other hand, in the metal oxides b1 and b2 of Comparative Examples 1 and 2, the peak P 2 derived from the carbonate or sulfate radical is small, and the peak P 1 derived from the metal oxide is remarkably large. From these, in the metal oxides of Examples 1 and 2 and Comparative Example 3, anions such as carbonate radicals and sulfate radicals are segregated on the surface layer, and the metal oxides of Comparative Examples 1 and 2 and Reference Example 1 It can be said that the surface layer contains a large amount of metal oxide rather than anions.

実施例1〜2、比較例1〜3および参考例1の評価結果を正極活物質の組成とともに表1に示す。実施例1および2をそれぞれA1およびA2、比較例1、2および3をそれぞれB1、B2およびB3、参考例1をC1で表した。   The evaluation results of Examples 1-2, Comparative Examples 1-3, and Reference Example 1 are shown in Table 1 together with the composition of the positive electrode active material. Examples 1 and 2 were represented by A1 and A2, Comparative Examples 1, 2, and 3 were represented by B1, B2, and B3, respectively, and Reference Example 1 was represented by C1.

Figure 2017103008
Figure 2017103008

表1に示されるように、表層に炭酸根や硫酸根などのアニオンが偏在していない比較例1および2では、XPSスペクトルにおけるピーク面積比S2/S1が、実施例に比べて大幅に小さく、1未満である。このような比較例では、充電容量が極めて小さく、放電容量も全く得られなかった。つまり、比較例1および2のセルは、実質的に充放電を行うことができなかった。 As shown in Table 1, in Comparative Examples 1 and 2 where anions such as carbonate radicals and sulfate radicals are not unevenly distributed on the surface layer, the peak area ratio S 2 / S 1 in the XPS spectrum is significantly larger than in the Examples. Small and less than 1. In such a comparative example, the charge capacity was extremely small and no discharge capacity was obtained. That is, the cells of Comparative Examples 1 and 2 could not be substantially charged and discharged.

一方、表層にアニオンが偏在している実施例では、比S2/S1が格段に大きくなっている。表1に示されるように、実施例では、大きな充電容量が得られ、ある程度の放電容量も確保することができた。つまり、実施例のセルは、全固体LIBとして充放電を行うことができた。また、実施例1および2の電池では、充放電を10サイクル繰り返した後も、100%と高い容量維持率が得られた。 On the other hand, in the example in which anions are unevenly distributed on the surface layer, the ratio S 2 / S 1 is remarkably large. As shown in Table 1, in the example, a large charge capacity was obtained, and a certain amount of discharge capacity could be secured. That is, the cell of the example could be charged / discharged as an all-solid LIB. Further, in the batteries of Examples 1 and 2, a high capacity retention rate of 100% was obtained even after 10 cycles of charge / discharge.

六方晶(空間群R−3m)の結晶構造を有するLiCoO2では、表層にアニオンが偏在している比較例3の方が、偏在していない参考例1に比べて、放電容量はむしろ低くなった。つまり、比較例3および参考例1では、結晶構造が異なる金属酸化物を用いた実施例とは、全く異なる充放電挙動が示された。比較例3および参考例1と、実施例とは、正極活物質だけでなく、充電終止電圧や充放電の電流値が異なるため、充放電容量を一概に比較することはできない。しかし、理論容量は、比較例3および参考例1(260〜273mAh/g)よりも実施例(360〜365mAh/g)の方が大きく、有利である。また、充放電サイクルを10回繰り返した後の容量維持率は、比較例3では79%、参考例1では72%とかなり低い値になった。 In LiCoO 2 having a hexagonal crystal (space group R-3m) crystal structure, the discharge capacity of Comparative Example 3 in which anions are unevenly distributed in the surface layer is lower than that in Reference Example 1 in which uneven distribution is not present. It was. That is, in Comparative Example 3 and Reference Example 1, charge / discharge behaviors completely different from those in Examples using metal oxides having different crystal structures were shown. Since Comparative Example 3 and Reference Example 1 and Examples differ not only in the positive electrode active material but also in the charge end voltage and charge / discharge current value, the charge / discharge capacities cannot be generally compared. However, the theoretical capacity is larger in Examples (360 to 365 mAh / g) than Comparative Example 3 and Reference Example 1 (260 to 273 mAh / g), which is advantageous. In addition, the capacity retention rate after repeating the charge / discharge cycle 10 times was as low as 79% in Comparative Example 3 and 72% in Reference Example 1.

本発明に係る正極活物質は、全固体LIBに用いて充放電を行うことができる。従って、全固体LIBは、高い安全性が求められる様々な用途に有用である。   The positive electrode active material according to the present invention can be charged and discharged by using it as an all-solid LIB. Therefore, the all-solid-state LIB is useful for various applications that require high safety.

1:電極群、2:正極、2a:正極合剤層、2b:正極集電体、3:固体電解質層、4:負極、4a:負極合剤層、4b:負極集電体、5:絶縁体、6:積層体 1: electrode group, 2: positive electrode, 2a: positive electrode mixture layer, 2b: positive electrode current collector, 3: solid electrolyte layer, 4: negative electrode, 4a: negative electrode mixture layer, 4b: negative electrode current collector, 5: insulation Body, 6: Laminated body

Claims (7)

金属酸化物の粒子と、炭酸根および硫酸根からなる群より選択される少なくとも一種のアニオンとを含み、
前記金属酸化物は、Li2MnO3型の結晶構造を有し、かつ下記式(A):
Li1+x(M1 y2 1-y1-x2
(式中、元素M1は4価の第1金属元素であり、元素M2は3価の第2金属元素であり、0<x≦1/3および0.5≦y≦0.8を充足する。)
で表され、
前記第1金属元素は、少なくともMnを含み、
前記第1金属元素および前記第2金属元素の合計に占めるMnのモル比y1が、0.5≦y1≦0.8を充足し、
前記第2金属元素は、Ni、Co、およびFeからなる群より選択される少なくとも一種を含み、かつ少なくともNiを含み、
前記アニオンが、前記粒子の表層に偏在している、全固体リチウムイオン二次電池用正極活物質。
Comprising metal oxide particles and at least one anion selected from the group consisting of carbonate and sulfate radicals,
The metal oxide has a Li 2 MnO 3 type crystal structure and has the following formula (A):
Li 1 + x (M 1 y M 2 1-y ) 1-x O 2
(In the formula, element M 1 is a tetravalent first metal element, element M 2 is a trivalent second metal element, and 0 <x ≦ 1/3 and 0.5 ≦ y ≦ 0.8. Satisfaction.)
Represented by
The first metal element includes at least Mn,
The molar ratio y1 of Mn in the total of the first metal element and the second metal element satisfies 0.5 ≦ y1 ≦ 0.8,
The second metal element includes at least one selected from the group consisting of Ni, Co, and Fe, and includes at least Ni,
A positive electrode active material for an all-solid-state lithium ion secondary battery, wherein the anions are unevenly distributed in the surface layer of the particles.
前記第2金属元素は、NiおよびCoを少なくとも含む、請求項1に記載の全固体リチウムイオン二次電池用正極活物質。   The positive electrode active material for an all-solid-state lithium ion secondary battery according to claim 1, wherein the second metal element includes at least Ni and Co. 前記モル比y1は、0.6≦y1≦0.7を充足する、請求項1または2に記載の全固体リチウムイオン二次電池用正極活物質。   The positive electrode active material for an all-solid-state lithium ion secondary battery according to claim 1, wherein the molar ratio y1 satisfies 0.6 ≦ y1 ≦ 0.7. 前記正極活物質のX線光電子分光法によるスペクトルにおいて、前記金属酸化物に由来するO1sのピークP1の面積S1と、前記アニオンに由来するO1sのピークP2の面積S2とが、S2/S1≧1.0を充足する、請求項1〜3のいずれか1項に記載の全固体リチウムイオン二次電池用正極活物質。 In the spectrum of the positive electrode active material by X-ray photoelectron spectroscopy, the area S 1 of the peak P 1 of O1s derived from the metal oxide and the area S 2 of the peak P 2 of O1s derived from the anion are S The positive electrode active material for an all-solid-state lithium ion secondary battery according to any one of claims 1 to 3, satisfying 2 / S 1 ≥1.0. 前記面積S1および前記面積S2が、S2/S1≧2.0を充足する、請求項4に記載の全固体リチウムイオン二次電池用正極活物質。 The positive electrode active material for an all-solid-state lithium ion secondary battery according to claim 4, wherein the area S 1 and the area S 2 satisfy S 2 / S 1 ≧ 2.0. 請求項1〜5のいずれか1項に記載の正極活物質を含む正極と、
リチウムイオンを挿入および脱離する負極活物質を含む負極と、
前記正極と前記負極との間に介在し、リチウムイオン伝導性を示す無機固体電解質を含む固体電解質層とを含む、全固体リチウムイオン二次電池。
A positive electrode comprising the positive electrode active material according to claim 1;
A negative electrode containing a negative electrode active material that inserts and desorbs lithium ions;
An all solid lithium ion secondary battery comprising a solid electrolyte layer including an inorganic solid electrolyte interposed between the positive electrode and the negative electrode and exhibiting lithium ion conductivity.
前記無機固体電解質は、硫化物である、請求項6に記載の全固体リチウムイオン二次電池。   The all-solid-state lithium ion secondary battery according to claim 6, wherein the inorganic solid electrolyte is a sulfide.
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