JP2017199670A - Positive electrode material for lithium ion battery, method for manufacturing the same, positive electrode for lithium ion battery, and lithium ion battery - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a positive electrode material for a lithium ion battery, by which a lithium ion battery with high-temperature storage suitability good enough to suppress battery degradation can be obtained without marring output characteristics.SOLUTION: A positive electrode material for a lithium ion battery comprises positive electrode active material particles coated with functionalized graphene. The coverage of the positive electrode active material particles by the functionalized graphene is 80% or more on average. The ratio of functionalization determined from an expression (1) below based on measurements according to X-ray photoelectron spectrometry on the positive electrode material is 0.3-1.3. Functionalization ratio=[(Peak area based on C-O single bond)+(Peak area based on C=O double bond)+(Peak area based on COO bond)]/(Peak area based on C-C, C=C and C-H bonds) (1).SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、リチウムイオン電池用正極材料およびその製造方法に関する。   The present invention relates to a positive electrode material for a lithium ion battery and a method for producing the same.

リチウムイオン電池は、従来のニッケルカドミウム電池やニッケル水素電池に比べて、高電圧・高エネルギー密度が得られる電池として小型・軽量化が図れることから、携帯電話やラップトップパソコンなど情報関連のモバイル通信電子機器に広く用いられている。今後更に環境問題を解決する一つの手段として電気自動車・ハイブリッド電気自動車などに搭載する車載用途あるいは電動工具などの産業用途に利用拡大が進むと見られており、リチウムイオン電池の更なる高容量化と高出力化が切望されている。   Compared to conventional nickel cadmium batteries and nickel metal hydride batteries, lithium-ion batteries can be made smaller and lighter as high-voltage, high-energy density batteries. Information-related mobile communications such as mobile phones and laptop computers Widely used in electronic equipment. As one of the means to solve environmental problems in the future, it is expected that the use will be expanded to in-vehicle applications mounted on electric vehicles and hybrid electric vehicles, and industrial applications such as electric tools. High output is eagerly desired.

リチウムイオン電池は少なくともリチウムイオンを可逆的に脱挿入可能な活物質を有する正極と負極、そして正極と負極を隔絶するセパレータを容器内に配置し、非水電解液を充填して構成されている。   A lithium ion battery is configured by arranging a positive electrode and a negative electrode having an active material capable of reversibly removing and inserting lithium ions, and a separator separating the positive electrode and the negative electrode in a container and filling a non-aqueous electrolyte. .

正極はアルミニウム等の金属箔集電体にリチウムイオン電池用正極活物質(以下、正極活物質あるいは活物質という場合がある。)、導電助剤および結着剤を含有する電極剤を塗布し加圧成形したものである。現行の正極活物質としては、コバルト酸リチウム(LiCoO)、ニッケル酸リチウム(LiNiO)、ニッケルをマンガン・コバルトで一部置換した三元系(LiNiMnCo1−x−y)、コバルト・アルミニウムで一部置換した三元系(LiNiCoAl1−x−y)、スピネル型マンガン酸リチウム(LiMn)などのリチウムと遷移金属の複合酸化物(以後、リチウム金属酸化物と称することがある。)の粉体が比較的良く用いられている。近年では安全性の高いオリビン系(リン酸系)が注目されており、特に資源的に豊富で安価な材料である鉄を含有したリン酸鉄リチウム(LiFePO)が実用化され始めていて、さらにエネルギー密度の高いリン酸マンガンリチウム(LiMnPO)が次世代活物質として注目されている。他には、V等の金属酸化物やTiS、MoS、NbSeなどの金属化合物等も利用されている。 For the positive electrode, a positive electrode active material for a lithium ion battery (hereinafter sometimes referred to as a positive electrode active material or an active material), a conductive agent and a binder containing a binder are applied to a metal foil current collector such as aluminum. It is pressure-molded. Current positive electrode active materials include lithium cobaltate (LiCoO 2 ), lithium nickelate (LiNiO 2 ), and a ternary system in which nickel is partially substituted with manganese and cobalt (LiNi x Mn y Co 1-xy O 2 ), Ternary system partially substituted with cobalt-aluminum (LiNi x Co y Al 1-xy O 2 ), spinel-type lithium manganate (LiMn 2 O 4 ), and complex oxides of lithium and transition metals ( Hereinafter, a powder of lithium metal oxide) may be used relatively well. In recent years, highly safe olivine (phosphoric acid) has attracted attention, and in particular, lithium iron phosphate (LiFePO 4 ) containing iron, which is a resource-rich and inexpensive material, has begun to be put into practical use. A lithium manganese phosphate (LiMnPO 4 ) having a high energy density has attracted attention as a next-generation active material. In addition, metal oxides such as V 2 O 5 and metal compounds such as TiS 2 , MoS 2 , and NbSe 2 are also used.

また負極は銅などの金属箔集電体に、正極同様に活物質や導電助剤および結着剤を含有する電極剤を塗布し加圧成形したものであり、一般に負極の活物質としては、金属リチウムやLi−Al合金、Li−Sn等のリチウム合金、SiOやSiC、SiOC等を基本構成元素とするケイ素化合物、ポリアセチレンやポリピロール等のリチウムをドープした導電性高分子、リチウムイオンを結晶中に取り込んだ層間化合物や天然黒鉛、人造黒鉛、ハードカーボンなどの炭素材料等が用いられている。   Also, the negative electrode is formed by applying an electrode material containing an active material, a conductive additive and a binder to a metal foil current collector such as copper as in the case of the positive electrode, and in general, as the active material of the negative electrode, Lithium alloys such as metallic lithium, Li-Al alloy, Li-Sn, silicon compounds containing SiO, SiC, SiOC, etc. as basic constituent elements, conductive polymers doped with lithium, such as polyacetylene and polypyrrole, lithium ions in the crystal Intercalation compounds incorporated into the carbon material, carbon materials such as natural graphite, artificial graphite, and hard carbon are used.

現在実用化されている正極活物質においては、ニッケル酸リチウム(LiNiO)のNi原子の一部をCo原子とAl原子で置換したLiNi0.8Co0.15Al0.05や、Ni原子の一部をMn原子とCo原子で置換した三元系(LiMnNiCo1−x−y)が価格、特性、安全面でバランスが取れているため、これらの正極活物質が一般的に使用されている。 In the positive electrode active material currently in practical use, LiNi 0.8 Co 0.15 Al 0.05 O 2 in which a part of Ni atoms of lithium nickelate (LiNiO 2 ) is substituted with Co atoms and Al atoms, since the ternary part of Ni atoms were replaced by Mn atoms and Co atoms (LiMn x Ni y Co 1- x-y O 2) price, properties and balanced in terms of safety, these cathode active Substances are commonly used.

しかし、このような構造安定化への試みにも関わらず、繰り返し使用、あるいは高温での使用などの過酷な条件で使用した際に、容量劣化や内部抵抗の増加という電池劣化問題が依然として存在している。このような電池劣化は、正極活物質表面で電解液の分解反応が起こり、高抵抗な劣化層が生じることが原因と考えられている。例えば、活物質としてLiNi0.8Co0.15Al0.05を用いた場合において、サイクル試験や保存試験によって、特に表面において不活性な2価のNiが生成し、成長する結果、電子およびイオン伝導性が減少することが報告されている。 However, despite such attempts to stabilize the structure, battery degradation problems such as capacity degradation and increased internal resistance still exist when used under severe conditions such as repeated use or use at high temperatures. ing. Such battery deterioration is considered to be caused by a decomposition reaction of the electrolytic solution on the surface of the positive electrode active material, resulting in a high-resistance deterioration layer. For example, when LiNi 0.8 Co 0.15 Al 0.05 O 2 is used as the active material, divalent Ni that is inactive on the surface is generated and grown by the cycle test and the storage test, It has been reported that electronic and ionic conductivity is reduced.

このような電池劣化を抑制するため、非特許文献1には、Al、AlPO、およびLiAlOなどの絶縁層を活物質粒子表面に被覆する手法が開示されている。また特許文献1および2ならびに非特許文献2には、酸化グラフェンと正極活物質を混合してから還元する手法が開示されている。 In order to suppress such battery deterioration, Non-Patent Document 1 discloses a method of covering the active material particle surface with an insulating layer such as Al 2 O 3 , AlPO 4 , and LiAlO 2 . Patent Documents 1 and 2 and Non-Patent Document 2 disclose a technique of reducing after mixing graphene oxide and a positive electrode active material.

特開2013−93316号公報JP 2013-93316 A 国際公開第2014/115669号International Publication No. 2014/115669

J. Cho, Y. J. Kim, and B. Park, Chemistry of Materials, 12(12), 3788(2000).J. et al. Cho, Y. et al. J. et al. Kim, and B.B. Park, Chemistry of Materials, 12 (12), 3788 (2000). Qin Z., et al. Journal of Materials Chemistry, 2011, 22, 21144Qin Z. , Et al. Journal of Materials Chemistry, 2011, 22, 21144

非特許文献1に記載された絶縁層による被覆は、アルミ酸化物が電子伝導性およびイオン伝導性に乏しいため、電池劣化が抑制される代償として出力特性の低下が避けられない。   Since the coating with the insulating layer described in Non-Patent Document 1 is poor in electronic conductivity and ion conductivity, aluminum oxide is unavoidably reduced in output characteristics as a compensation for suppressing battery deterioration.

一方、特許文献1および非特許文献2では、酸化グラフェンと活物質を混合後、乾燥し、乾燥体を還元することで粒子を得ている。しかし、いずれの場合も500℃〜800℃の高温で還元性雰囲気又は不活性雰囲気で加熱することで酸化グラフェンを還元しているため、活物質は電子伝導性の高いグラフェンで覆われることになる。そうすると、電子伝導性が高くなる反面、イオン伝導性が乏しくなる傾向がある。   On the other hand, in Patent Document 1 and Non-Patent Document 2, particles are obtained by mixing graphene oxide and an active material, drying, and reducing the dried body. However, in any case, since the graphene oxide is reduced by heating in a reducing atmosphere or an inert atmosphere at a high temperature of 500 ° C. to 800 ° C., the active material is covered with graphene having high electron conductivity. . If it does so, while electronic conductivity will become high, there exists a tendency for ionic conductivity to become scarce.

特許文献2では、導電性が低い活物質に導電性を付与することを目的に、酸化グラフェン粉末とオリビン系活物質粒子をボールミルで固相混合することにより前駆体粒子を作製し、空気中で150℃〜250℃の条件で還元している。この方法によると、オリビン系活物質粒子を用いた場合に電子伝導性とイオン導電性が両立するため出力特性は改善される。しかし混合にボールミルを用いているため、造粒体正極粒子を用いた場合に造粒体正極粒子が砕かれ比表面積が増加し、かつグラフェンの欠陥が増える傾向にあり、正極活物質表面で電解液の分解反応の抑制効果には課題が残る。   In Patent Document 2, for the purpose of imparting conductivity to an active material having low conductivity, a precursor particle is produced by solid-phase mixing graphene oxide powder and olivine-based active material particles with a ball mill, and in the air Reduction is performed at 150 ° C to 250 ° C. According to this method, when olivine-based active material particles are used, the output characteristics are improved because the electron conductivity and the ionic conductivity are compatible. However, since a ball mill is used for mixing, when the granulated cathode particles are used, the granulated cathode particles are crushed and the specific surface area increases, and the graphene defects tend to increase. Problems remain in the effect of suppressing the decomposition reaction of the liquid.

本発明の目的は、出力特性を損なうことなく、電池劣化が抑制された良好な高温貯蔵特性を有するリチウムイオン電池が得られるリチウムイオン電池用正極材料を提供することである。   The objective of this invention is providing the positive electrode material for lithium ion batteries from which the lithium ion battery which has the favorable high temperature storage characteristic by which battery deterioration was suppressed, without impairing output characteristics.

上記課題を解決するための本発明は、正極活物質粒子が官能基化グラフェンで被覆されてなるリチウムイオン電池用正極材料であって、
前記官能基化グラフェンによる前記正極活物質粒子の平均被覆率が80%以上であり;
前記正極材料のX線光電子分光測定による測定値から下記式(1)により求められる官能基化率が0.3以上1.3以下であるリチウムイオン電池用正極材料である。
官能基化率=[(C−O一重結合に基づくピーク面積)+(C=O二重結合に基づくピーク面積)+(COO結合に基づくピーク面積)]/(C−C、C=C及びC−H結合に基づくピーク面積) ・・・(1)
The present invention for solving the above problems is a positive electrode material for a lithium ion battery in which positive electrode active material particles are coated with functionalized graphene,
An average coverage of the positive electrode active material particles by the functionalized graphene is 80% or more;
It is a positive electrode material for a lithium ion battery having a functionalization ratio of 0.3 or more and 1.3 or less obtained from the following formula (1) from a measurement value of the positive electrode material measured by X-ray photoelectron spectroscopy.
Functionalization rate = [(peak area based on C—O single bond) + (C = peak area based on O double bond) + (peak area based on COO bond)] / (C—C, C = C and Peak area based on C—H bond) (1)

本発明のリチウムイオン電池用正極材料を用いてリチウムイオン電池を作製することにより、出力特性を損なうことなく、良好な高温貯蔵特性およびサイクル特性を有するリチウムイオン電池を得ることができる。   By producing a lithium ion battery using the positive electrode material for a lithium ion battery of the present invention, a lithium ion battery having good high-temperature storage characteristics and cycle characteristics can be obtained without impairing output characteristics.

測定例2に従い、正極材料をX線光電子分光測定したときの、炭素に由来するピーク及びピークフィッティングの結果を示す図である。It is a figure which shows the result of the peak derived from carbon, and peak fitting when a positive electrode material is measured by X-ray photoelectron spectroscopy according to the measurement example 2.

<リチウムイオン電池用正極材料>
本発明におけるリチウムイオン電池用正極活物質粒子は、リチウム二次電池において正極として作用するものであれば特に制限は無く用いることができる。例えば、層状酸化物系活物質、リチウム過剰系活物質、マンガン酸リチウム(LiMn)などのスピネル型正極活物質、V等の金属酸化物活物質やTiS、MoS、NbSeなどの金属化合物系活物質、リン酸鉄リチウム、リン酸マンガンリチウムなどのオリビン系活物質、などを用いることができるが、中でも正極活物質の表面劣化の影響が大きい層状酸化物系活物質に、本発明が好適に適用できる。
<Positive electrode material for lithium ion battery>
The positive electrode active material particles for lithium ion batteries in the present invention can be used without particular limitation as long as they act as positive electrodes in lithium secondary batteries. For example, a layered oxide active material, a lithium excess active material, a spinel positive electrode active material such as lithium manganate (LiMn 2 O 4 ), a metal oxide active material such as V 2 O 5 , TiS 2 , MoS 2 , A metal compound-based active material such as NbSe 2 or an olivine-based active material such as lithium iron phosphate or lithium manganese phosphate can be used. The present invention can be suitably applied to substances.

層状酸化物系活物質の種類は特に限定されないが、容量と出力、リチウムイオン電池用正極材料としての実績から、LiCoO、LiNiO、Li(NiCo)O(ただしx+y=1)、Li(NiCoAl)O(ただしx+y+z=1)、Li(NiMnCo)O(ただしx+y+z=1)、Li(NiMn)O(ただしx+y=1)、LiMnO−Li(NiMnCo)O(ただしx+y+z=1)、を好適に用いることができる。中でもNiを含む正極材料は、活物質自体の電子伝導性は高く、高容量である半面、安定性に乏しく、正極活物質の表面劣化の影響が大きいため、本発明の技術をより好適に適用できる。 The type of the layered oxide-based active material is not particularly limited. However, LiCoO 2 , LiNiO 2 , Li (Ni x Co y ) O 2 (where x + y = 1) from the capacity and output, and the results as a positive electrode material for a lithium ion battery. , Li (Ni x Co y Al z) O 2 ( provided that x + y + z = 1) , Li (Ni x Mn y Co z) O 2 ( provided that x + y + z = 1) , Li (Ni x Mn y) O 2 ( provided that x + y = 1), Li 2 MnO 3 -Li (Ni x Mn y Co z) O 2 ( provided that x + y + z = 1) , can be suitably used. Among them, the positive electrode material containing Ni has a high electron conductivity of the active material itself, a high capacity, but is poor in stability and has a large influence on the surface deterioration of the positive electrode active material. Therefore, the technique of the present invention is more suitably applied. it can.

また、本発明における活物質粒子は、ドーピング元素金属として、Na、Mg、K、Ca、Sc、Ti、V、Cr、Cu、Zn、Rb、Sr、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、In、Sn、CsおよびBaからなる群より選択される一または二以上の金属元素を、活物質粒子に対して10重量%未満含んでいてもよい。   Further, the active material particles in the present invention include Na, Mg, K, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Cu, Zn, Rb, Sr, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru as doping element metals. Rh, Pd, Ag, Cd, In, Sn, Cs and Ba may contain one or more metal elements selected from the group consisting of less than 10% by weight based on the active material particles.

グラフェンとは、一般には1原子の厚さのsp結合炭素原子のシート(単層グラフェン)を指すが、本明細書においては、単層グラフェンが積層した薄片状の形態を持つ物質も含めてグラフェンと呼ぶ。また後述する官能基化グラフェン、および酸化グラフェンも同様に、積層した薄片状の形態を持つ物質も含めた呼称とする。 Graphene generally refers to a sheet of sp 2 bonded carbon atoms having a thickness of 1 atom (single-layer graphene). In this specification, a material having a flaky shape in which single-layer graphene is stacked is also included. Called graphene. Similarly, functionalized graphene and graphene oxide, which will be described later, are also referred to as including a laminated flake-like substance.

官能基化グラフェンとは、グラフェンのグラファイト構造のうちの一部が、水酸基、カルボキシル基、ケトン基、エポキシ基等の官能基によって修飾されているグラフェンを指す。本発明においては、官能基化グラフェンとして、官能基化率が0.3以上のグラフェンを用いることが好ましい。   Functionalized graphene refers to graphene in which a part of the graphene graphite structure is modified with a functional group such as a hydroxyl group, a carboxyl group, a ketone group, or an epoxy group. In the present invention, it is preferable to use graphene having a functionalization rate of 0.3 or more as the functionalized graphene.

官能基化率は、X線光電子分光測定により求められる。X線光電子分光測定では、炭素を含有する試料を測定すると284eV付近に炭素に由来するピークが検出されるが、炭素が酸素に結合している場合は高エネルギー側にシフトすることが知られている。具体的には炭素が酸素に結合していないC−C結合、C=C結合、C−H結合に基づくピークはシフトせずに284eV付近に検出され、C−O結合の場合286eV付近に、C=O結合の場合287.5eV付近に、COO結合の場合288.5eV付近にシフトする。そのため、炭素に由来する信号は、284eV付近、286eV付近、287.5eV付近、288.5eV付近のそれぞれのピークを重ね合わせた形で検出される。このピークをピークフィッティングにより各成分にピーク分離することにより、各々のピーク面積を算出することが可能であり、どの程度の割合で炭素が官能基化されているかがわかる。グラファイト成分に基づき286e付近と290.5eV付近にも信号が現われる。この信号はC−C、C=C及びC−H結合に基づく成分としてフィッティングする。   The functionalization rate is determined by X-ray photoelectron spectroscopy. In X-ray photoelectron spectroscopy, when a sample containing carbon is measured, a peak derived from carbon is detected in the vicinity of 284 eV, but it is known that when carbon is bonded to oxygen, it shifts to a higher energy side. Yes. Specifically, peaks based on C—C bonds, C═C bonds, and C—H bonds, in which carbon is not bonded to oxygen, are detected in the vicinity of 284 eV without shifting, and in the case of C—O bonds, in the vicinity of 286 eV, In the case of C = O bond, it shifts to around 287.5 eV, and in the case of COO bond, it shifts to around 288.5 eV. Therefore, a signal derived from carbon is detected in a form in which respective peaks around 284 eV, 286 eV, 287.5 eV, and 288.5 eV are superimposed. By separating the peak into each component by peak fitting, each peak area can be calculated, and it can be understood how much carbon is functionalized. Signals also appear near 286e and 290.5eV based on the graphite component. This signal is fitted as a component based on CC, C = C and CH bonds.

すなわち、官能基化率は、
官能基化率=[(C−O結合に基づくピーク面積)+(C=O結合に基づくピーク面積)+(COO結合に基づくピーク面積)]/(C−C、C=C及びC−H結合に基づくピーク面積)
で定義される数値である。
That is, the functionalization rate is
Functionalization rate = [(peak area based on C—O bond) + (peak area based on C = O bond) + (peak area based on COO bond)] / (C—C, C = C and C—H Peak area based on binding)
It is a numerical value defined by.

本発明の正極材料の官能基化グラフェンのグラフェン層に平行な方向の大きさは、小さすぎると官能基化グラフェン間の接触抵抗が増加するため電子伝導性が悪くなる。また、正極活物質粒子に官能基化グラフェンが被覆されにくくなる。そのため、本発明における官能基化グラフェンはある程度以上大きい必要がある。グラフェン層に平行な方向の大きさは、好ましくは1.0μm以上、より好ましくは5.0μm以上、さらに好ましくは10μm以上である。ここで、グラフェン層に平行な方向の大きさとは、グラフェンの面方向に垂直な方向から観察したときの最大径と最小径の平均を言い、ランダムに正極活物質粒子上のグラフェン10個について測定した場合の平均値を意味するものとする。   If the size in the direction parallel to the graphene layer of the functionalized graphene of the positive electrode material of the present invention is too small, the contact resistance between the functionalized graphene increases, resulting in poor electron conductivity. Moreover, it becomes difficult to coat the functionalized graphene on the positive electrode active material particles. Therefore, the functionalized graphene in the present invention needs to be larger than a certain level. The size in the direction parallel to the graphene layer is preferably 1.0 μm or more, more preferably 5.0 μm or more, and further preferably 10 μm or more. Here, the size in the direction parallel to the graphene layer means the average of the maximum diameter and the minimum diameter when observed from a direction perpendicular to the plane direction of the graphene, and is randomly measured for 10 graphenes on the positive electrode active material particles. Mean the average value.

本発明の正極材料においては、正極活物質粒子を官能基化グラフェンにより被覆することで電解液の分解反応を抑制することができ、平均被覆率が高いほど反応を抑制できる。本発明において、被覆とは、後述する正極活物質粒子の粒子径(メジアン径)をL(μm)、後述する官能基化グラフェンの平均被覆厚みをT(μm)とした時にL>Tを満たす状態で正極活物質粒子の表面に官能基化グラフェンが存在していることを指す。本発明においては、正極活物質粒子が官能基化グラフェンによって平均被覆率80%以上で被覆されている必要があり、平均被覆率90%以上で被覆されていることがより好ましい。なお、本明細書における平均被覆率とは、走査電子顕微鏡(SEM)により正極材料、または正極材料を含む正極の表面を観察し、観察像を二次元平面画像とみなした上で正極材料表面におけるグラフェン被覆部分の占める割合を算出した値である。具体的には、SEMにより正極材料の1個を拡大して観察し、観察像を二次元平面画像とみなした上で正極活物質粒子の面積に占めるグラフェン被覆部分の面積を算出する。この操作をランダムに選択した正極活物質粒子50個について行い、その平均値を平均被覆率とする。   In the positive electrode material of the present invention, the decomposition reaction of the electrolytic solution can be suppressed by coating the positive electrode active material particles with functionalized graphene, and the reaction can be suppressed as the average coverage is higher. In the present invention, the coating satisfies L> T when the particle diameter (median diameter) of positive electrode active material particles described later is L (μm) and the average coating thickness of functionalized graphene described later is T (μm). It means that functionalized graphene exists on the surface of the positive electrode active material particles in the state. In the present invention, the positive electrode active material particles need to be coated with functionalized graphene with an average coverage of 80% or more, and more preferably with an average coverage of 90% or more. The average coverage in this specification refers to the surface of the positive electrode material after observing the surface of the positive electrode material or the positive electrode containing the positive electrode material with a scanning electron microscope (SEM) and considering the observed image as a two-dimensional planar image. It is the value which calculated the ratio for which a graphene coating part accounts. Specifically, one of the positive electrode materials is magnified and observed by SEM, and the area of the graphene-coated portion in the area of the positive electrode active material particles is calculated after regarding the observed image as a two-dimensional planar image. This operation is performed for 50 positive electrode active material particles selected at random, and the average value is defined as the average coverage.

本発明の正極材料は、官能基化率が0.3以上1.3以下である。官能基化率が高すぎると、イオン伝導性が高くなる反面、グラファイト構造が崩れて電子伝導性が悪くなる。また、官能基と電解液との反応が起きやすくなり、高温貯蔵特性が悪化する。そのため電子伝導性を保つためには官能基化率が1.3以下である必要がある。また官能基化率が低すぎると、電子伝導性の高いグラフェンで覆われることで電子伝導性が高くなる反面、イオン伝導性が乏しくなる傾向がある。これらの観点から、官能基化率は0.5以上であることが好ましく、0.8より大きいことがより好ましい。また、官能基化率は、0.9以下であることが好ましい。   The positive electrode material of the present invention has a functionalization rate of 0.3 or more and 1.3 or less. If the functionalization rate is too high, the ion conductivity increases, but the graphite structure collapses and the electron conductivity deteriorates. In addition, the reaction between the functional group and the electrolytic solution is likely to occur, and the high temperature storage characteristics are deteriorated. Therefore, in order to maintain electron conductivity, the functional grouping rate needs to be 1.3 or less. On the other hand, if the functionalization rate is too low, the electron conductivity is increased by being covered with graphene having high electron conductivity, but the ion conductivity tends to be poor. From these viewpoints, the functionalization rate is preferably 0.5 or more, and more preferably greater than 0.8. The functionalization rate is preferably 0.9 or less.

さらに平均被覆率が高く、かつ官能基化率が高い条件の組み合わせにより、出力特性と、高温貯蔵特性の両方を兼ね備えた正極材料を得ることが可能となる。平均被覆率が90%以上で、かつ官能基化率が0.8より大きく、1.3以下であることにより、特に高い高温貯蔵特性を達成することができる。   Furthermore, a positive electrode material having both output characteristics and high-temperature storage characteristics can be obtained by a combination of conditions having a high average coverage and a high functional grouping ratio. When the average coverage is 90% or more and the functionalization rate is greater than 0.8 and less than or equal to 1.3, particularly high temperature storage characteristics can be achieved.

正極材料の官能基化率の測定方法は、前述の通りである。   The method for measuring the functionalization rate of the positive electrode material is as described above.

図1は、測定例2に従い、正極材料をX線光電子分光測定したときの、炭素に由来するピーク及びピークフィッティングの結果を示す図である。実線で示した成分はそれぞれ、官能基化された炭素の成分であり、点線で示した成分はC−C、C=C及びC−H結合に基づく成分である。   FIG. 1 is a diagram showing the peak derived from carbon and the results of peak fitting when the positive electrode material is measured by X-ray photoelectron spectroscopy according to Measurement Example 2. Each component indicated by a solid line is a functionalized carbon component, and each component indicated by a dotted line is a component based on C—C, C═C, and C—H bonds.

本発明の正極材料は、レーザーラマン分光法により測定されるラマンスペクトルのDバンド(1360cm−1付近)の強度(I(D))とGバンド(1590cm−1付近)の強度(I(G))の比(I(D)/I(G))が0.7以上1.7以下であることが好ましい。I(D)/I(G)は、より好ましくは0.8以上1.1以下であり、さらに好ましくは0.8以上0.9以下である。 The positive electrode material of the present invention has the intensity (I (D)) of the D band (near 1360 cm −1 ) and the intensity (I (G)) of the G band (near 1590 cm −1 ) of the Raman spectrum measured by laser Raman spectroscopy. ) Ratio (I (D) / I (G)) is preferably 0.7 or more and 1.7 or less. I (D) / I (G) is more preferably 0.8 or more and 1.1 or less, and further preferably 0.8 or more and 0.9 or less.

ラマン分光法において、炭素材料は、グラファイト構造にもとづく1590cm−1付近のピーク(Gバンドピーク)を持つ。Gバンドピークのピーク位置はグラファイト構造の欠陥が増えるにつれ高エネルギー側にシフトする。本発明の正極材料は、官能基化グラフェンを用いるため、ピーク位置は比較的高エネルギー側にあることが好ましく、具体的にはピーク位置は1600cm−1以上であることが好ましい。本明細書においては1600cm−1以上にシフトした場合でもGバンドと呼ぶこととする。 In Raman spectroscopy, the carbon material has a peak (G band peak) near 1590 cm −1 based on the graphite structure. The peak position of the G band peak shifts to a higher energy side as the number of defects in the graphite structure increases. Since the positive electrode material of the present invention uses functionalized graphene, the peak position is preferably on a relatively high energy side, and specifically, the peak position is preferably 1600 cm −1 or more. In this specification, even when shifted to 1600 cm −1 or more, it is called a G band.

I(D)/I(G)は、欠陥の度合いの評価指標である。同程度の官能基化率であれば、I(D)/I(G)が大きいほどグラフェンの欠陥が多いことを意味し、欠陥をリチウムイオンが通ることによりリチウムイオン伝導性が向上するが、大きすぎると欠陥部分で電解液の分解反応が起き易くなる。一方で、I(D)/I(G)が小さすぎると、電子伝導性が高くなる反面、イオン伝導性が乏しくなる傾向がある。   I (D) / I (G) is an evaluation index of the degree of defects. If the functionalization rate is comparable, it means that the larger the I (D) / I (G), the more graphene defects, and the lithium ion conductivity is improved by passing lithium ions through the defects. If it is too large, the decomposition reaction of the electrolytic solution tends to occur at the defective portion. On the other hand, if I (D) / I (G) is too small, electron conductivity tends to be high, but ion conductivity tends to be poor.

なお、本発明におけるラマン分光法測定はすべて、励起レーザーにアルゴンイオンレーザーを用い、励起波長514.5nmで行った結果である。   In addition, all the Raman spectroscopy measurements in the present invention are results obtained by using an argon ion laser as an excitation laser and an excitation wavelength of 514.5 nm.

本発明の正極材料の官能基化グラフェンの平均被覆厚みは、厚すぎるとイオン導電性が低下し、出力特性を損なうことから、好ましくは100nm以下、さらに好ましくは50nm以下、特に好ましくは20nm以下である。本発明における被覆厚みは、正極材料をエポキシ樹脂と混練してPETフィルムに塗布した後、硬化させて樹脂包埋したものを、このフィルムごと、イオンミリング装置によりミリングして、樹脂及び正極材料粒子の断面を出したものをサンプルとして測定する。このサンプルを、透過型電子顕微鏡を用いて観察し、正極材料表面上に存在するグラフェンのうち最も厚い部分と最も薄い部分の厚みの平均値を被覆厚みとする。これを任意に10個の正極活物質粒子について測定した平均値を平均被覆厚みとする。   The average coating thickness of the functionalized graphene of the positive electrode material of the present invention is preferably 100 nm or less, more preferably 50 nm or less, particularly preferably 20 nm or less, because if it is too thick, the ionic conductivity decreases and the output characteristics are impaired. is there. The coating thickness in the present invention is that the positive electrode material is kneaded with an epoxy resin, applied to a PET film, and then cured and resin-embedded, and the whole film is milled by an ion milling device to obtain resin and positive electrode material particles. A sample with the cross section taken out is measured as a sample. This sample is observed using a transmission electron microscope, and the average value of the thicknesses of the thickest part and the thinnest part of the graphene present on the surface of the positive electrode material is defined as the coating thickness. An average value obtained by arbitrarily measuring 10 positive electrode active material particles is defined as an average coating thickness.

本発明における正極材料の粒子径は、小さすぎると電極ペースト作製時に凝集しやすくなるため、電極塗膜作製が困難になるなどの問題が生じることがある。そのため、正極材料の粒子径は0.5μm以上であることが好ましく、1.0μm以上であることがより好ましく、3.0μm以上であることがさらに好ましい。また、粒子径が大きすぎると電解液が内部にまで浸透するのに時間がかかり、イオン導電性が悪くなる傾向がある。このことから粒子径は20μm以下であることが好ましく、15μm以下であることがより好ましく、10μm以下であることがさらに好ましい。ここで、正極材料の粒子径は、レーザー回折・散乱装置によって測定されるメジアン径を指す。当該測定は、水分散系で、透過度75%〜95%に調整して測定される。   If the particle size of the positive electrode material in the present invention is too small, it tends to agglomerate when preparing the electrode paste, which may cause problems such as difficulty in preparing the electrode coating film. Therefore, the particle diameter of the positive electrode material is preferably 0.5 μm or more, more preferably 1.0 μm or more, and further preferably 3.0 μm or more. On the other hand, if the particle diameter is too large, it takes time for the electrolytic solution to penetrate into the inside, and the ionic conductivity tends to deteriorate. Therefore, the particle diameter is preferably 20 μm or less, more preferably 15 μm or less, and further preferably 10 μm or less. Here, the particle diameter of the positive electrode material refers to the median diameter measured by a laser diffraction / scattering apparatus. The measurement is performed by adjusting the transmittance to 75% to 95% in an aqueous dispersion.

本発明の正極材料において、官能基化グラフェンのグラフェン層に平行な方向の大きさを正極活物質粒子の粒子径(メジアン径)で除した値は、0.05以上3.0以下であることが好ましく、0.3以上2.0以下であることがより好ましく、0.5以上1.5以下であることがさらに好ましい。0.05を下回る、あるいは3.0を超えると、活物質の露出が多くなるため、正極活物質表面で電解液の分解反応の抑制効果が弱くなる。   In the positive electrode material of the present invention, the value obtained by dividing the size of the functionalized graphene in the direction parallel to the graphene layer by the particle diameter (median diameter) of the positive electrode active material particles is 0.05 to 3.0. Is preferably 0.3 or more and 2.0 or less, more preferably 0.5 or more and 1.5 or less. If it is less than 0.05 or exceeds 3.0, the exposure of the active material increases, so that the effect of suppressing the decomposition reaction of the electrolytic solution on the surface of the positive electrode active material becomes weak.

本発明における正極材料の、酸素原子の炭素原子に対する元素割合(酸化度)は、高すぎると、イオン伝導性が高くなる反面、グラファイト構造が崩れて電子伝導性が悪くなる。また、官能基と電解液との反応が起きやすくなり、高温貯蔵特性が悪化する。そのため電子伝導性を保つためには酸化度が0.6以下であることが好ましく、0.5以下であることがより好ましい。また酸化度が低すぎると、電子伝導性の高いグラフェンで覆われることで電子伝導性が高くなる反面、イオン伝導性が乏しくなる傾向がある。これらの観点から、酸化度は0.3以上であることが好ましく、0.4以上であることがより好ましい。なお、本発明において、酸化度は、正極材料をX線光電子分光法により測定して求めた値とする。   If the element ratio (oxidation degree) of the oxygen atom to the carbon atom of the positive electrode material in the present invention is too high, the ion conductivity increases, but the graphite structure collapses and the electron conductivity deteriorates. In addition, the reaction between the functional group and the electrolytic solution is likely to occur, and the high temperature storage characteristics are deteriorated. Therefore, in order to maintain electronic conductivity, the degree of oxidation is preferably 0.6 or less, and more preferably 0.5 or less. On the other hand, if the degree of oxidation is too low, the electron conductivity is increased by being covered with graphene having high electron conductivity, but the ion conductivity tends to be poor. From these viewpoints, the degree of oxidation is preferably 0.3 or more, and more preferably 0.4 or more. In the present invention, the degree of oxidation is a value obtained by measuring the positive electrode material by X-ray photoelectron spectroscopy.

<リチウムイオン電池用正極>
本発明のリチウムイオン電池用正極(以下、単に「正極」という場合がある。)は、本発明のリチウムイオン電池用正極材料と、必要に応じ導電助剤、結着剤を含有する合剤層を有するものである。
<Positive electrode for lithium ion battery>
The positive electrode for a lithium ion battery of the present invention (hereinafter sometimes simply referred to as “positive electrode”) is a mixture layer containing the positive electrode material for a lithium ion battery of the present invention and, if necessary, a conductive additive and a binder. It is what has.

合剤層は、電子伝導性が高い導電助剤を更に含むことが好ましい。導電助剤としては、低官能基化グラフェン、黒鉛、炭素繊維、カーボンブラック、アセチレンブラック、カーボンナノファイバーなどの炭素材料、銅、ニッケル、アルミニウムもしくは銀などの金属材料またはこれらの混合物の粉末や繊維などが好ましく、ストラクチャと呼ばれる一次粒子のつながりが発達したカーボンブラックや繊維形状のカーボンナノファイバーが電極の厚み方向の導電性を向上させるためより好ましい。導電助剤は、少なすぎると電子伝導性が悪くなり、多すぎると合剤層当りの活物質の割合が少なくなるため、導電助剤の含有量は、本発明の正極材料中0.50〜5.0重量%であることが好ましく、0.75〜1.5重量%であることがより好ましい。   It is preferable that the mixture layer further includes a conductive additive having high electron conductivity. Conductive aids include low functionalized graphene, graphite, carbon fiber, carbon black, acetylene black, carbon materials such as carbon nanofiber, metal materials such as copper, nickel, aluminum or silver, or powders and fibers of these mixtures. Carbon black or a fiber-shaped carbon nanofiber in which the connection of primary particles called a structure is developed is more preferable because it improves the conductivity in the thickness direction of the electrode. When the amount of the conductive auxiliary is too small, the electron conductivity is deteriorated, and when the amount is too large, the ratio of the active material per mixture layer is reduced. Therefore, the content of the conductive auxiliary is 0.50 in the positive electrode material of the present invention. It is preferably 5.0% by weight, and more preferably 0.75 to 1.5% by weight.

リチウムイオン電池用正極の合剤層には通常、結着剤が含まれている。合剤層に含まれる結着剤としては、澱粉、カルボキシメチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、再生セルロース、ジアセチルセルロースなどの多糖類、ポリビニルクロリド、ポリビニルピロリドン、ポリビニルアルコール、ポリエチレン、ポリプロピレンなどの熱可塑性樹脂、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)などのフッ素系重合体、エチレンプロピレンジエンモノマー(EPDM)、スルホン化EPDM、スチレンブタジエンゴム、ブタジエンゴム、フッ素ゴムなどのゴム弾性を有するポリマー、ポリイミド前駆体および/またはポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリアミド樹脂、ポリアクリル酸、ポリアクリル酸ナトリウム、アクリル樹脂、ポリアクリロニトリル、もしくはポリエチレンオキシドなどのポリエーテルが挙げられる。結着剤は、少なすぎると結着強度が弱くなり、多すぎると抵抗が大きくなるため、結着剤の含有量は、本発明の正極材料中0.50〜5.0重量%であることが好ましく、0.75〜1.5重量%であることがより好ましい。   The mixture layer of the positive electrode for a lithium ion battery usually contains a binder. Examples of the binder contained in the mixture layer include polysaccharides such as starch, carboxymethylcellulose, hydroxypropylcellulose, regenerated cellulose, and diacetylcellulose, thermoplastic resins such as polyvinyl chloride, polyvinylpyrrolidone, polyvinyl alcohol, polyethylene, and polypropylene; Fluoropolymers such as tetrafluoroethylene (PTFE) and polyvinylidene fluoride (PVDF), ethylene propylene diene monomer (EPDM), sulfonated EPDM, styrene butadiene rubber, butadiene rubber, fluororubber and other polymers having rubber elasticity, polyimide Precursor and / or polyimide resin, polyamideimide resin, polyamide resin, polyacrylic acid, sodium polyacrylate, acrylic resin, polyacrylonitrile, if It can be mentioned polyether such as polyethylene oxide. When the amount of the binder is too small, the binding strength is weakened, and when the amount is too large, the resistance is increased. Therefore, the content of the binder is 0.50 to 5.0% by weight in the positive electrode material of the present invention. Is preferable, and it is more preferable that it is 0.75 to 1.5 weight%.

通常、リチウムイオン電池用正極は、上記のような合剤層が集電体上に形成されてなる。集電体としては、金属箔あるいは金属メッシュが好ましく用いられ、特にアルミニウム箔が好ましく用いられる。   Usually, a positive electrode for a lithium ion battery has a mixture layer as described above formed on a current collector. As the current collector, a metal foil or a metal mesh is preferably used, and an aluminum foil is particularly preferably used.

なお、正極中に存在するリチウムイオン電池用正極材料の物性を分析する場合は以下のように行う。まず電池をArグローブボックス内で解体し、正極をジメチルカーボネートで洗浄し、Arグローブボックスのサイドボックス内で1時間真空乾燥を行う。次にスパチュラを用いて合剤層を剥離し、得られた粉体をN−メチルピロリドン(NMP)に溶解させ、ろ過を行うことでろ物(リチウムイオン電池用正極材料、導電助剤、NMP)とろ液(NMP、その他)に分離する。得られたろ物を真空乾燥させ、再びろ物重量に対して5倍量のNMPを添加し、フィルミックス(登録商標)30−30型(プライミクス社)あるいは湿式ジェットミル等の強いせん断力がかかる装置を用いてリチウムイオン電池用正極材料と導電助剤を分離させる。得られた処理物を、SEM観察により求めた導電助剤の大きさとリチウムイオン電池用正極材料の粒子径のいずれか小さい方のみを通過可能な孔径を有するふるいに数回かけることでリチウムイオン電池用正極材料と導電助剤を分離する。このようにして単離されたリチウムイオン電池用正極材料の物性を分析することができる。   In addition, when analyzing the physical property of the positive electrode material for lithium ion batteries which exists in a positive electrode, it carries out as follows. First, the battery is disassembled in an Ar glove box, the positive electrode is washed with dimethyl carbonate, and vacuum-dried for 1 hour in the side box of the Ar glove box. Next, the mixture layer is peeled off using a spatula, the obtained powder is dissolved in N-methylpyrrolidone (NMP), and filtered to obtain a filtered material (a positive electrode material for a lithium ion battery, a conductive aid, NMP). Separate into filtrate (NMP, etc.). The obtained filtrate is vacuum-dried, NMP is added in an amount 5 times the weight of the filtrate again, and a strong shearing force such as Filmix (registered trademark) 30-30 (Primics) or wet jet mill is applied. The positive electrode material for lithium ion batteries and the conductive aid are separated using an apparatus. Lithium ion battery is obtained by subjecting the obtained processed product to a sieve having a pore diameter that can pass only the smaller one of the size of the conductive auxiliary agent obtained by SEM observation and the particle diameter of the positive electrode material for lithium ion battery. Separate the positive electrode material and the conductive additive. The physical properties of the positive electrode material for a lithium ion battery thus isolated can be analyzed.

<リチウムイオン電池用正極材料の製造方法>
本発明のリチウムイオン電池用正極材料の製造方法は、酸化グラフェン分散液と正極活物質粒子とを液相混合した後に乾燥させる操作により、リチウムイオン電池用正極活物質粒子が酸化グラフェンで被覆されてなる前駆体粒子を準備する工程と、前駆体粒子を、X線光電子分光測定による測定値から下記式(1)により求められる官能基化率が0.3以上1.3以下となるように還元する工程とを含む。
官能基化率=[(C−O一重結合に基づくピーク面積)+(C=O二重結合に基づくピーク面積)+(COO結合に基づくピーク面積)]/(C−C、C=C及びC−H結合に基づくピーク面積) ・・・(1)
酸化グラフェンは公知の方法で作製することができる。また市販の酸化グラフェンを購入してもよい。黒鉛(グラファイト)を酸化したものは酸化グラファイトとも呼ばれるが、本明細書においては酸化グラフェンに含めるものとする。黒鉛は、酸化されるとグラファイト層間距離が長くなり、X線回折測定で9.0°〜13.0°にピークをもつようになる。
<Method for producing positive electrode material for lithium ion battery>
In the method for producing a positive electrode material for a lithium ion battery according to the present invention, the positive electrode active material particles for a lithium ion battery are coated with graphene oxide by an operation of liquid-phase mixing the graphene oxide dispersion and the positive electrode active material particles, followed by drying. Preparing the precursor particles, and reducing the precursor particles so that the functionalization rate obtained by the following formula (1) from the measured value by X-ray photoelectron spectroscopy is 0.3 or more and 1.3 or less Including the step of.
Functionalization rate = [(peak area based on C—O single bond) + (C = peak area based on O double bond) + (peak area based on COO bond)] / (C—C, C = C and Peak area based on C—H bond) (1)
Graphene oxide can be produced by a known method. Commercially available graphene oxide may be purchased. Oxidized graphite (graphite) is also called graphite oxide, but in this specification, it is included in graphene oxide. When graphite is oxidized, the distance between the graphite layers becomes long, and it has a peak at 9.0 ° to 13.0 ° by X-ray diffraction measurement.

酸化グラフェンの原料となる黒鉛は、人造黒鉛・天然黒鉛のどちらでも良いが、天然黒鉛が好ましく用いられる。原料黒鉛のメッシュ数は20000以下が好ましく、5000以下がさらに好ましい。   The graphite used as the raw material for graphene oxide may be either artificial graphite or natural graphite, but natural graphite is preferably used. The number of meshes of the raw graphite is preferably 20000 or less, and more preferably 5000 or less.

酸化グラフェンの作製法は改良ハマーズ法が好ましい。その例を下記する。黒鉛(例えば石墨粉など)を原料にして、濃硫酸、硝酸ナトリウムと過マンガン酸カリウムを入れて、25〜50℃で、0.2〜5時間攪拌しながら反応させる。その後脱イオン水を加えて希釈し、懸濁液を得て、これを引き続き80〜100℃で5〜50分間反応させる。最後に過酸化水素と脱イオン水を加え、1〜30分間反応させて、酸化グラフェン分散液を得る。得られた酸化グラフェン分散液を濾過、洗浄し、酸化グラフェン分散液を得る。   The modified Hammers method is preferable as a method for producing graphene oxide. An example is given below. Using graphite (for example, graphite powder) as a raw material, concentrated sulfuric acid, sodium nitrate and potassium permanganate are added and reacted at 25-50 ° C. with stirring for 0.2-5 hours. Then deionized water is added to dilute to obtain a suspension, which is subsequently reacted at 80-100 ° C. for 5-50 minutes. Finally, hydrogen peroxide and deionized water are added and reacted for 1 to 30 minutes to obtain a graphene oxide dispersion. The obtained graphene oxide dispersion is filtered and washed to obtain a graphene oxide dispersion.

各反応物の比の例としては、石墨粉、濃硫酸、硝酸ナトリウム、過マンガン酸カリウムと過酸化水素の比が10g:150〜300ml:2〜8g:10〜40g:40〜80gである。濃硫酸、硝酸ナトリウムと過マンガン酸カリウムを加える時は氷浴を利用して温度を制御する。過酸化水素と脱イオン水を加える時、脱イオン水の質量は過酸化水素の質量の10〜20倍である。   As an example of the ratio of each reactant, the ratio of graphite powder, concentrated sulfuric acid, sodium nitrate, potassium permanganate and hydrogen peroxide is 10 g: 150 to 300 ml: 2 to 8 g: 10 to 40 g: 40 to 80 g. When adding concentrated sulfuric acid, sodium nitrate and potassium permanganate, use an ice bath to control the temperature. When adding hydrogen peroxide and deionized water, the mass of deionized water is 10 to 20 times the mass of hydrogen peroxide.

酸化グラフェンの欠陥はリチウムイオン電池用正極材料のリチウムイオン伝導性に影響するため、欠陥が多いものを用いることが好ましい。具体的にはレーザーラマン分光法により測定されるDバンド(1360cm−1)の強度(I(D))とGバンド(1590cm−1)の強度(I(G))の比(I(D)/I(G))が0.6以上1.0以下であることが好ましい。 Since defects in graphene oxide affect the lithium ion conductivity of the positive electrode material for lithium ion batteries, it is preferable to use those having many defects. The ratio of the intensity of the intensity of the D band is specifically measured by laser Raman spectroscopy (1360cm -1) (I (D )) and G band (1590cm -1) (I (G )) (I (D) / I (G)) is preferably 0.6 or more and 1.0 or less.

酸化グラフェンの官能基化率は、還元処理をした後の官能基化グラフェンの官能基化率、および正極活物質の被覆状態に影響するため、適度な官能基化率であることが好ましい。具体的には、酸化グラフェンの官能基化率は0.3以上1.3以下であることが好ましい。   The functionalization rate of graphene oxide is preferably an appropriate functionalization rate because it affects the functionalization rate of functionalized graphene after the reduction treatment and the coating state of the positive electrode active material. Specifically, the functionalization rate of graphene oxide is preferably 0.3 or more and 1.3 or less.

また、酸化グラフェンの酸素原子の炭素原子に対する元素割合(酸化度)は、高い方が、極性溶媒中で官能基同士の反発により、極性溶媒への分散性も向上し、凝集が少なくなり、薄く被覆される傾向がある。一方で層状酸化物正極活物質を酸化グラフェンで被覆した後に、低温加熱にて酸化グラフェンのみを還元できるように、酸化度は0.8以下であることが好ましい。なお、酸化度は、正極材料をX線光電子分光法により測定して求めた値とする。   In addition, the higher the element ratio (degree of oxidation) of oxygen atoms to carbon atoms in graphene oxide, the dispersibility in the polar solvent is improved due to the repulsion between the functional groups in the polar solvent. There is a tendency to be coated. On the other hand, after the layered oxide positive electrode active material is coated with graphene oxide, the degree of oxidation is preferably 0.8 or less so that only graphene oxide can be reduced by low-temperature heating. The oxidation degree is a value obtained by measuring the positive electrode material by X-ray photoelectron spectroscopy.

酸化グラフェンの官能基化率と酸化度は、黒鉛の酸化反応に用いる酸化剤の量を変化させることで調整することができる。具体的には、酸化反応の際に用いる、黒鉛に対する硝酸ナトリウム及び過マンガン酸カリウムの量が多いほど高い酸化度になり、少ないほど低い酸化度になる。黒鉛に対する硝酸ナトリウムの重量比は特に限定されるものではないが、0.2以上0.8以下であることが好ましい。黒鉛に対する過マンガン酸カリウムの比は特に限定されるものではないが、1以上4以下であることが好ましい。   The functionalization rate and the degree of oxidation of graphene oxide can be adjusted by changing the amount of oxidizing agent used for the oxidation reaction of graphite. Specifically, the higher the amount of sodium nitrate and potassium permanganate used in the oxidation reaction, the higher the degree of oxidation, and the lower the amount, the lower the degree of oxidation. The weight ratio of sodium nitrate to graphite is not particularly limited, but is preferably 0.2 or more and 0.8 or less. The ratio of potassium permanganate to graphite is not particularly limited, but is preferably 1 or more and 4 or less.

前駆体粒子は、酸化グラフェン分散液を正極活物質粒子と液相で混合した後、乾燥させる操作を、必要に応じ複数回繰り返すことにより準備することが好ましい。   The precursor particles are preferably prepared by repeating the operation of mixing the graphene oxide dispersion in the liquid phase with the positive electrode active material particles and then drying the mixture several times as necessary.

この操作においては、まず酸化グラフェン粉末とNMPなどの極性溶媒を、フィルミックス(登録商標)30−30型(プライミクス社)等のミキサーを用いて混合して、酸化グラフェン分散液を得る。酸化グラフェン分散液の濃度としては、異なる酸化グラフェン同士の凝集する力よりも酸化グラフェン同士の官能基による静電反発力が起きやすくなるような条件が必要であるため、固形分濃度1.0%以下が好ましく、0.5%以下がより好ましく、0.2%以下がさらに好ましい。   In this operation, first, graphene oxide powder and a polar solvent such as NMP are mixed using a mixer such as Filmix (registered trademark) 30-30 (Primix) to obtain a graphene oxide dispersion. The concentration of the graphene oxide dispersion must be such that electrostatic repulsion due to the functional group of graphene oxide is more likely to occur than the force of aggregation of different graphene oxides, so the solid content concentration is 1.0%. The following is preferable, 0.5% or less is more preferable, and 0.2% or less is more preferable.

そして、得られた酸化グラフェン分散液と正極活物質粒子を混合する。混合するための機器としては、せん断力を加えることのできる装置が好ましく、例えばプラネタリーミキサー、フィルミックス(登録商標)(プライミクス社)、自公転ミキサー、遊星ボールミルなどが挙げられる。   And the obtained graphene oxide dispersion liquid and positive electrode active material particles are mixed. As an apparatus for mixing, an apparatus capable of applying a shearing force is preferable, and examples thereof include a planetary mixer, Philmix (registered trademark) (Primics), a self-revolving mixer, a planetary ball mill, and the like.

さらに、酸化グラフェン分散液と正極活物質粒子を混合した後、ろ過やふるいなどを用いて活物質粒子を回収し、乾燥させる。乾燥の方法は特に限定されないが、溶媒を除去可能な温度以上に昇温可能な乾燥機を用いれば良く、例えばイナートオーブンを80℃以上に昇温した後、試料を投入し、40分間程度加熱する方法が挙げられる。より均一に、かつ多量に処理を行いたい場合は、例えばバッチ式ロータリーキルンなどを用いても良い。   Further, after mixing the graphene oxide dispersion and the positive electrode active material particles, the active material particles are collected by using filtration or sieving and dried. The drying method is not particularly limited, and a drying machine capable of raising the temperature to a temperature at which the solvent can be removed or higher may be used. For example, after raising the temperature of the inert oven to 80 ° C. or higher, the sample is charged and heated for about 40 minutes. The method of doing is mentioned. If it is desired to perform treatment more uniformly and in a large amount, for example, a batch type rotary kiln may be used.

回収した活物質粒子のSEM観察を行い、平均被覆率が50%に満たない場合は、複数回繰り返し酸化グラフェン分散液との混合および乾燥を行うことにより、高い被覆率の前駆体粒子を得るための製造条件を設定することができる。   When the collected active material particles are observed with an SEM, and the average coverage is less than 50%, by mixing and drying with graphene oxide dispersion a plurality of times, precursor particles with a high coverage are obtained. Manufacturing conditions can be set.

酸化グラフェン分散液を正極活物質粒子と混合する前か、あるいは混合する際に、前記正極活物質粒子をシランカップリング剤と接触させることも、前駆体粒子の作製方法として好ましい。この方法を用いると、薄く、効率良く酸化グラフェンを活物質粒子に被覆することが可能となる。   It is also preferable as a method for producing the precursor particles that the positive electrode active material particles are brought into contact with the silane coupling agent before or when the graphene oxide dispersion is mixed with the positive electrode active material particles. If this method is used, it becomes possible to coat the active material particles thinly and efficiently with graphene oxide.

ここでシランカップリング剤とは、一つの分子中に、有機物との反応や相互作用が期待できる、加水分解によりヒドロキシ基となって無機材料と化学結合しやすい反応基(加水分解性基)と、有機材料と化学結合しやすい反応基(反応性官能基)の両方を併せ持つ有機ケイ素化合物である。シランカップリング剤は、加水分解性基としてアルコキシシリル基を、反応性官能基としてビニル基、エポキシ基またはアミノ基を有するものが好ましく用いられる。   Here, the silane coupling agent is a reaction group (hydrolyzable group) that can be expected to react with or interact with organic substances in one molecule, and easily forms a hydroxyl group by hydrolysis to chemically bond with an inorganic material. It is an organosilicon compound having both reactive groups (reactive functional groups) that are easily chemically bonded to organic materials. As the silane coupling agent, those having an alkoxysilyl group as a hydrolyzable group and a vinyl group, an epoxy group or an amino group as a reactive functional group are preferably used.

この方法で用いられるシランカップリング剤としては、活物質粒子と酸化グラフェンをより密着させやすい点で、加水分解性基と反応性官能基との最短距離が10原子以内のものが好ましい。例えば、好ましいシランカップリング剤として後述する3−アミノプロピルトリメトキシシラン(HNCSi(OCH)の場合は、加水分解性基であるメトキシシランのSi原子と反応性官能基であるアミノ基のN原子との間を最短距離で結ぶと炭素原子3原子分の距離で配置されていると考える。 The silane coupling agent used in this method is preferably one in which the shortest distance between the hydrolyzable group and the reactive functional group is 10 atoms or less in that the active material particles and graphene oxide are more easily adhered. For example, in the case of 3-aminopropyltrimethoxysilane (H 2 NC 3 H 6 Si (OCH 3 ) 3 ) described later as a preferred silane coupling agent, the Si atom of methoxysilane which is a hydrolyzable group and a reactive functional group When the N atoms of the amino group as a group are connected with the shortest distance, it is considered that they are arranged at a distance corresponding to three carbon atoms.

この方法において好ましく用いられる最短距離が10原子以内のシランカップリング剤としては、以下のものが挙げられる。   Examples of the silane coupling agent having a shortest distance of 10 atoms or less that are preferably used in this method include the following.

ビニル基とアルコキシシリル基を有するシランカップリング剤としては、ビニルトリメトキシシラン、ビニルトリエトキシシラン、ビニルトリアセトキシシラン、アリルトリメトキシシラン、ビニルトリス(2−メトキシエトキシ)シラン、p−スチリルトリメトキシシラン、3−アクリロキシプロピルトリメトキシシラン、3−メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン、3−メタクリロキシプロピルトリエトキシシラン、3−メタクリロキシプロピルメチルジメトキシシラン、3−メタクリロキシプロピルメチルジエトキシシランが挙げられる。   Examples of the silane coupling agent having a vinyl group and an alkoxysilyl group include vinyltrimethoxysilane, vinyltriethoxysilane, vinyltriacetoxysilane, allyltrimethoxysilane, vinyltris (2-methoxyethoxy) silane, and p-styryltrimethoxysilane. , 3-acryloxypropyltrimethoxysilane, 3-methacryloxypropyltrimethoxysilane, 3-methacryloxypropyltriethoxysilane, 3-methacryloxypropylmethyldimethoxysilane, and 3-methacryloxypropylmethyldiethoxysilane.

エポキシ基とアルコキシシリル基を有するシランカップリング剤としては、3−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、3−グリシドキシプロピルトリエトキシシラン、3−グリシドキシプロピルメチルジメトキシシラン、3−グリシドキシプロピルメチルジエトキシシラン、2−(3,4−エポキシシクロヘキシル)エチルトリメトキシシラン、イソシアネート基とアルコキシシランを具有した3−イソシアネートプロピルトリメトキシシラン、3−イソシアネートプロピルトリエトキシシランが挙げられる。   Examples of the silane coupling agent having an epoxy group and an alkoxysilyl group include 3-glycidoxypropyltrimethoxysilane, 3-glycidoxypropyltriethoxysilane, 3-glycidoxypropylmethyldimethoxysilane, and 3-glycidoxy. Examples thereof include propylmethyldiethoxysilane, 2- (3,4-epoxycyclohexyl) ethyltrimethoxysilane, 3-isocyanatepropyltrimethoxysilane having an isocyanate group and alkoxysilane, and 3-isocyanatepropyltriethoxysilane.

アミノ基とアルコキシシリル基を有するシランカップリング剤としては、3−アミノプロピルトリメトキシシラン、3−アミノプロピルトリエトキシシラン、3−(2−アミノエチル)アミノプロピルトリメトキシシラン、N−(2−アミノエチル)−3−アミノプロピルトリメトキシシラン、N−(2−アミノエチル)−3−アミノプロピルメチルジメトキシシランが挙げられる。アミノ基とアルコキシシリル基を有するシランカップリング剤は、活物質表面のヒドロキシ基およびグラフェン表面の酸素原子を含む官能基の両方と容易に強固な結合を形成することが可能であるため、特に好ましく用いられる。   Examples of the silane coupling agent having an amino group and an alkoxysilyl group include 3-aminopropyltrimethoxysilane, 3-aminopropyltriethoxysilane, 3- (2-aminoethyl) aminopropyltrimethoxysilane, N- (2- Aminoethyl) -3-aminopropyltrimethoxysilane, N- (2-aminoethyl) -3-aminopropylmethyldimethoxysilane. A silane coupling agent having an amino group and an alkoxysilyl group is particularly preferable because it can easily form a strong bond with both the hydroxy group on the active material surface and the functional group containing an oxygen atom on the graphene surface. Used.

シランカップリング剤を接触するタイミングには特に制限はなく、正極活物質粒子と酸化グラフェンを混合するのと同時にシランカップリング剤を混合してもよいし、予め正極活物質粒子にシランカップリング剤を接触させるシランカップリング剤処理を行った上で、酸化グラフェン分散液と混合しても良い。   The timing for contacting the silane coupling agent is not particularly limited, and the silane coupling agent may be mixed with the positive electrode active material particles in advance at the same time as mixing the positive electrode active material particles and graphene oxide. The silane coupling agent may be mixed with the graphene oxide dispersion after the silane coupling agent treatment.

正極活物質粒子のシランカップリング剤処理においては、正極活物質とシランカップリング剤との間にシロキサン結合を含む化学結合が形成させる。すなわち、シランカップリング剤の加水分解性基が加水分解されてシラノール基が生じ、活物質表面のヒドロキシ基との間に水素結合などの比較的弱い結合を作った後、脱水縮合反応が起き、強固なシロキサン結合が形成される。   In the silane coupling agent treatment of the positive electrode active material particles, a chemical bond including a siloxane bond is formed between the positive electrode active material and the silane coupling agent. That is, the hydrolyzable group of the silane coupling agent is hydrolyzed to form a silanol group, and after making a relatively weak bond such as a hydrogen bond with the hydroxy group on the active material surface, a dehydration condensation reaction occurs, A strong siloxane bond is formed.

正極活物質粒子のシランカップリング剤処理においては、リチウムイオン電池用正極活物質とシランカップリング剤とを接触させ、熱処理を行うことが好ましい。熱処理の方法は特に限定されないが、80℃以上に昇温可能な乾燥機を用いれば良く、例えばイナートオーブンを80℃以上150℃未満に昇温した後、試料を投入し、40分間程度加熱する方法が挙げられる。より均一に、かつ多量に処理を行いたい場合は、例えばバッチ式ロータリーキルンなどを用いても良い。   In the silane coupling agent treatment of the positive electrode active material particles, it is preferable to perform heat treatment by bringing the positive electrode active material for a lithium ion battery and the silane coupling agent into contact with each other. The heat treatment method is not particularly limited, and a dryer that can raise the temperature to 80 ° C. or higher may be used. For example, after raising the temperature of the inert oven to 80 ° C. or higher and lower than 150 ° C., the sample is charged and heated for about 40 minutes. A method is mentioned. If it is desired to perform treatment more uniformly and in a large amount, for example, a batch type rotary kiln may be used.

正極活物質粒子とシランカップリング剤を接触させる方法としては、両者を混合することが好ましい。混合の方法は特に限定されないが、シランカップリング剤を直接、あるいはアルコールなどの溶媒に予め溶解させてから活物質粒子と混合する方法が挙げられる。混合するための機器としては、せん断力を加えることのできる装置が好ましく、例えばプラネタリーミキサー、フィルミックス(登録商標)(プライミクス社)、自公転ミキサー、遊星ボールミルなどがあげられる。また、シランカップリング剤を溶解させた溶液を活物質に噴霧することで活物質粒子とシランカップリング剤を接触させる方法を用いることもできる。   As a method of bringing the positive electrode active material particles into contact with the silane coupling agent, it is preferable to mix both. The mixing method is not particularly limited, and examples thereof include a method in which the silane coupling agent is directly dissolved in a solvent such as alcohol and then mixed with the active material particles. As an apparatus for mixing, an apparatus capable of applying a shearing force is preferable, and examples thereof include a planetary mixer, Philmix (registered trademark) (Primics), a self-revolving mixer, a planetary ball mill, and the like. Moreover, the method of making active material particle and a silane coupling agent contact can also be used by spraying the solution which dissolved the silane coupling agent on the active material.

このようにして得た前駆体粒子は、必要に応じて洗浄することが好ましい。洗浄操作としては、例えば、前駆体粒子にNMPを加え、超音波処理を行った後、前駆体粒子の粒子径以下の孔を有するろ過やふるいなどを用いて粒子を回収し、乾燥させる操作を挙げることができる。洗浄操作により凝集した酸化グラフェンを取り除くことが可能となり、より粒子径が揃い、かつ薄い被覆状態の前駆体粒子を得ることができる。   The precursor particles thus obtained are preferably washed as necessary. As the cleaning operation, for example, NMP is added to the precursor particles, and after ultrasonic treatment, the particles are collected and dried using filtration or sieving having pores smaller than the particle diameter of the precursor particles and dried. Can be mentioned. The graphene oxide aggregated by the washing operation can be removed, and precursor particles with a more uniform particle diameter and a thin coating state can be obtained.

本発明の正極材料は、上記の酸化グラフェンと正極活物質粒子を複合化して得た前駆体粒子をX線光電子分光測定による測定値から前記式(1)により求められる官能基化率が0.3以上1.3以下となるように還元することにより製造することができる。   The positive electrode material of the present invention has a functionalization ratio of 0. 0 obtained by the above formula (1) from the measured value of X-ray photoelectron spectroscopy of the precursor particles obtained by combining the graphene oxide and the positive electrode active material particles. It can manufacture by reducing so that it may become 3 or more and 1.3 or less.

酸化グラフェンの一般的な熱還元法では、不活性ガス雰囲気や還元性ガス雰囲気中で、500℃以上の高温で還元する。しかしこのような条件で還元を行うと酸化グラフェンが還元されすぎてしまい、活物質表面が電子伝導性の高いグラフェンで覆われるため、電子伝導性が高くなる反面、イオン伝導性が乏しくなる傾向がある。そのため、熱還元法を用いる場合、空気中において、150℃以上300℃以下の温度環境下で還元処理することが好ましい。特に、層状酸化物正極活物質は耐熱性が低く、かつ正極活物質自体の表面の電子伝導性が高いため、180℃以上250℃以下の温度環境下で還元処理するのが好ましい。   In a general thermal reduction method of graphene oxide, reduction is performed at a high temperature of 500 ° C. or higher in an inert gas atmosphere or a reducing gas atmosphere. However, if the reduction is performed under such conditions, graphene oxide is excessively reduced, and the active material surface is covered with graphene having high electron conductivity, so that the electron conductivity increases, but the ion conductivity tends to be poor. is there. Therefore, when using the thermal reduction method, it is preferable to perform the reduction treatment in the air in a temperature environment of 150 ° C. or higher and 300 ° C. or lower. In particular, since the layered oxide positive electrode active material has low heat resistance and high electron conductivity on the surface of the positive electrode active material itself, the reduction treatment is preferably performed in a temperature environment of 180 ° C. or higher and 250 ° C. or lower.

酸化グラフェンのもう一つの還元手法として、還元剤を使用する手法が挙げられる。ここでいう還元剤とは、常温で液体または固体の状態で存在する物質に限られ、還元性ガスは含まれない。還元剤を使用する還元法では、雰囲気制御した熱還元ほどには還元が進まないので、グラフェン中の官能基化率を保つのに好適である。   Another technique for reducing graphene oxide is to use a reducing agent. The reducing agent here is limited to a substance that exists in a liquid or solid state at room temperature, and does not include a reducing gas. The reduction method using a reducing agent is suitable for maintaining the functionalization rate in graphene because the reduction does not proceed as much as thermal reduction under controlled atmosphere.

還元剤としては、有機還元剤もしくは無機還元剤があげられる。有機還元剤としてはアルデヒド系還元剤、ヒドラジン誘導体還元剤、アルコール系還元剤が挙げられる。   Examples of the reducing agent include organic reducing agents and inorganic reducing agents. Examples of the organic reducing agent include aldehyde reducing agents, hydrazine derivative reducing agents, and alcohol reducing agents.

有機還元剤の中でもアルコール系還元剤は比較的穏やかに還元することができるため好適である。好適なアルコール系還元剤としては、メタノール、エタノール、プロパノール、イソプロピルアルコール、ブタノール、ベンジルアルコール、フェノール、カテコール、エタノールアミン、ドーパミン、エチレングリコール、プロピレングリコール、ジエチレングリコール、などが挙げられ、特にベンジルアルコール、カテコール、ドーパミンが好適である。   Among organic reducing agents, alcohol-based reducing agents are preferable because they can be reduced relatively gently. Suitable alcohol reducing agents include methanol, ethanol, propanol, isopropyl alcohol, butanol, benzyl alcohol, phenol, catechol, ethanolamine, dopamine, ethylene glycol, propylene glycol, diethylene glycol, and the like, particularly benzyl alcohol, catechol. Dopamine is preferred.

無機還元剤としては亜ジチオン酸ナトリウム、亜ジチオン酸カリウム、亜リン酸、水素化ホウ素ナトリウム、ヒドラジンなどがあげられ、無機還元剤の中でも亜ジチオン酸ナトリウム、亜ジチオン酸カリウムは、官能基を比較的保持しながら還元できるので、好適に用いられる。   Examples of inorganic reducing agents include sodium dithionite, potassium dithionite, phosphorous acid, sodium borohydride, and hydrazine. Among inorganic reducing agents, sodium dithionite and potassium dithionite are functional groups. It is preferably used because it can be reduced while maintaining the target.

活物質として層状酸化物系活物質を使用する場合、層状酸化物系活物質は還元剤で変性されやすいため、空気中で80℃〜150℃で酸化グラフェンを還元する手法が好適である。一方、オリビン系活物質は安定で還元剤により変性されにくいため、還元剤を使用して還元する手法が好適である。   When a layered oxide active material is used as the active material, the layered oxide active material is easily modified with a reducing agent, and thus a method of reducing graphene oxide at 80 ° C. to 150 ° C. in air is preferable. On the other hand, since an olivine-based active material is stable and hardly denatured by a reducing agent, a technique of reducing using a reducing agent is suitable.

酸化グラフェンの還元においては上記の空気中で150℃〜300℃で熱還元する手法と、還元剤で還元する手法を組み合わせても良く、組み合わせることによりグラフェンの官能基比率をさらにコントロールしやすくなる。   In the reduction of graphene oxide, the method of thermal reduction at 150 ° C. to 300 ° C. in the above air may be combined with the method of reduction with a reducing agent, and the combination makes it easier to control the functional group ratio of graphene.

(測定例1:平均被覆率、官能基化グラフェンの大きさ、平均被覆厚み)
正極材料を、走査電子顕微鏡(日立製作所、S−5500)により3千倍〜40万倍にて観察し、観察像を二次元平面画像とみなした上で正極活物質粒子の面積に占めるグラフェン被覆部分の面積から平均被覆率を算出した。この操作をランダムに選択した正極活物質粒子50個について行い、その平均値を平均被覆率とした。
(Measurement example 1: average coverage, size of functionalized graphene, average coating thickness)
The positive electrode material is observed with a scanning electron microscope (Hitachi, S-5500) at a magnification of 3,000 to 400,000, and the observation image is regarded as a two-dimensional planar image, and then graphene coating occupies the area of the positive electrode active material particles The average coverage was calculated from the area of the part. This operation was performed for 50 positively selected positive electrode active material particles, and the average value was defined as the average coverage.

また、ランダムに選択した複数の正極活物質粒子上のグラフェン10個に対して、グラフェン層に平行な方向の最大径と最小径を測定し、平均値を官能基化グラフェンの大きさとした。   Further, for 10 graphenes on a plurality of randomly selected positive electrode active material particles, the maximum diameter and the minimum diameter in the direction parallel to the graphene layer were measured, and the average value was the size of the functionalized graphene.

また、正極材料をエポキシ樹脂と混練し、PETフィルムに塗布した後、硬化させて樹脂包埋した。このフィルムごと、イオンミリング装置(日立製作所、IM4000)によりミリングして、樹脂及び正極材料粒子の断面を出して測定サンプルを作製した。このサンプルを、透過型電子顕微鏡を用いて観察し、正極材料表面上に存在するグラフェンのうち最も厚い部分と最も薄い部分の厚みの平均値を被覆厚みとし、これを任意に10個の正極活物質粒子について測定した平均値を平均被覆厚みとした。   The positive electrode material was kneaded with an epoxy resin, applied to a PET film, cured, and embedded in the resin. The whole film was milled by an ion milling device (Hitachi, IM4000), and cross sections of the resin and positive electrode material particles were taken out to prepare a measurement sample. This sample was observed using a transmission electron microscope, and the average value of the thicknesses of the thickest and thinnest portions of the graphene existing on the surface of the positive electrode material was defined as the coating thickness, and this was arbitrarily set to 10 positive electrode actives. The average value measured for the substance particles was taken as the average coating thickness.

(測定例2:官能基化率、酸化度)
X線光電子測定装置として、Quantera SXM (PHI 社製))を使用した。励起X線は、monochromatic Al Kα1,2 線(1486.6 eV)とし、X線径は200μm、光電子脱出角度は45°とした。
(Measurement Example 2: Functionalization rate, degree of oxidation)
Quantera SXM (manufactured by PHI) was used as an X-ray photoelectron measuring device. Excitation X-rays were monochromatic Al K α1,2 rays (1486.6 eV), the X-ray diameter was 200 μm, and the photoemission angle was 45 °.

官能基化率は、ナロースキャンの炭素原子に基づくピークのピークシフトから求めた。具体的には、炭素原子に基づくピークを、C=C結合、C−H結合に基づく284eV付近のピーク、C−O結合の場合に基づく286eV付近のピーク、C=O結合に基づく287.5eV付近のピーク、COO結合に基づく288.5eV付近のピーク、の4つの成分にピーク分離し、各ピークの面積比から下記式(1)により求めた。
官能基化率=[(C−O一重結合に基づくピーク面積)+(C=O二重結合に基づくピーク面積)+(COO結合に基づくピーク面積)]/(C−C、C=C及びC−H結合に基づくピーク面積) ・・・(1)
官能基化グラフェンの、酸素原子の炭素原子に対する割合(酸化度)は、ワイドスキャンの酸素原子のピーク面積と、炭素原子のピーク面積から求めた。
The functionalization rate was determined from the peak shift of the peak based on the narrow scan carbon atom. Specifically, a peak based on a carbon atom includes a peak near 284 eV based on a C═C bond, a C—H bond, a peak near 286 eV based on a C—O bond, and a 287.5 eV based on a C═O bond. The peak was separated into four components, a peak in the vicinity and a peak in the vicinity of 288.5 eV based on the COO bond, and the area ratio of each peak was determined by the following formula (1).
Functionalization rate = [(peak area based on C—O single bond) + (C = peak area based on O double bond) + (peak area based on COO bond)] / (C—C, C = C and Peak area based on C—H bond) (1)
The ratio (oxidation degree) of the functionalized graphene to the carbon atom of the oxygen atom was obtained from the peak area of the oxygen atom in the wide scan and the peak area of the carbon atom.

(測定例3:I(D)/I(G))
ラマン測定はRamanor T−64000(Jobin Yvon/愛宕物産)を用いて測定した。ビーム径は100μm、光源はアルゴンイオンレーザー(波長:514.5nm)を用い、得られたラマンスペクトルのDバンド(1360cm−1付近)の強度(I(D))とGバンド(1590cm−1付近)の強度(I(G))の比(I(D)/I(G))を求めた。
(Measurement Example 3: I (D) / I (G))
Raman measurement was performed using Raman T-64000 (Jobin Yvon / Ehime Bussan). The beam diameter is 100 μm, the light source is an argon ion laser (wavelength: 514.5 nm), the intensity (I (D)) of the D band (near 1360 cm −1 ) and the G band (near 1590 cm −1 ) of the obtained Raman spectrum. ) Intensity (I (G)) ratio (I (D) / I (G)).

(測定例4:放電容量および負荷特性)
電極を以下のように作製した。各実施例、比較例で作製した正極材料を100重量部、導電助剤としてアセチレンブラック(電気化学工業株式会社製デンカブラック(登録商標))を5重量部、バインダーとしてポリフッ化ビニリデン#7200(クレハ社製)5重量部、溶剤としてN−メチルピロリドンを50重量部加えたものをプラネタリーミキサー(プライミクス社製)で混合して電極ペーストを得た。電極ペーストをアルミニウム箔(厚さ15μm)にドクターブレードを用いて片面塗布し、80℃、30分間乾燥して電極板を得た。乾燥後の電極合剤層(アルミニウム箔除く)は40μmとした。
(Measurement Example 4: Discharge capacity and load characteristics)
An electrode was prepared as follows. 100 parts by weight of the positive electrode material prepared in each example and comparative example, 5 parts by weight of acetylene black (Denka Black (registered trademark) manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd.) as a conductive additive, and polyvinylidene fluoride # 7200 (Kureha) as a binder 5 parts by weight) and 50 parts by weight of N-methylpyrrolidone as a solvent were mixed with a planetary mixer (Primics) to obtain an electrode paste. The electrode paste was applied to one side of an aluminum foil (thickness: 15 μm) using a doctor blade and dried at 80 ° C. for 30 minutes to obtain an electrode plate. The electrode mixture layer after drying (excluding the aluminum foil) was 40 μm.

作製した電極板を直径15.9mmに切り出して正極とし、直径16.1mm厚さ0.2mmに切り出したリチウム箔を負極とし、直径17mmに切り出したセルガード#2400(セルガード社製)セパレータとして、LiPFを1M含有するエチレンカーボネート:ジエチルカーボネート=7:3の溶媒を電解液として、2032型コイン電池を作製し、充放電試験機(東洋システム社製 TOSCAT−3100)にセットし、電気化学評価を行った。 The produced electrode plate was cut out to a diameter of 15.9 mm to be a positive electrode, a lithium foil cut to a diameter of 16.1 mm and a thickness of 0.2 mm was used as a negative electrode, and a cell guard # 2400 (manufactured by Celgard) separator cut to a diameter of 17 mm was used as a LiPF. 6 ethylene carbonate containing 1M: diethyl carbonate = 7: 3 solvent as an electrolytic solution, to prepare a 2032 type coin battery was set in a charge-discharge tester (manufactured by Toyo system Co., Ltd. TOSCAT-3100), the electrochemical evaluation went.

充放電測定において、
活物質がLiMnPOの場合、上限電圧4.4V、下限電圧2.7V、
活物質がLiFePOの場合、上限電圧4.0V、下限電圧2.5V、
活物質がLiMnの場合、上限電圧4.3V、下限電圧2.7V、
活物質がLiNi1/3Mn1/3Co1/3の場合、上限電圧4.2V、下限電圧3.0V
とし、活物質がLi過剰系活物質以外の場合、充電レートはすべて1Cで固定し、放電レートは1Cで3回行った後、続けて3Cで3回行い、各レートの3回目の放電時の容量を放電容量とした。測定により得られた1C放電容量に対する3C放電容量の比(3C放電容量/1C放電容量)を負荷特性とした。
In charge / discharge measurement,
When the active material is LiMnPO 4 , the upper limit voltage is 4.4V, the lower limit voltage is 2.7V,
When the active material is LiFePO 4 , the upper limit voltage is 4.0V, the lower limit voltage is 2.5V,
When the active material is LiMn 2 O 4 , the upper limit voltage is 4.3V, the lower limit voltage is 2.7V,
When the active material is LiNi 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2 , the upper limit voltage is 4.2V and the lower limit voltage is 3.0V.
When the active material is other than the Li-rich active material, the charge rate is fixed at 1C, the discharge rate is 3 times at 1C, then 3 times at 3C, and at the third discharge at each rate. Was defined as the discharge capacity. The ratio of the 3C discharge capacity to the 1C discharge capacity obtained by measurement (3C discharge capacity / 1C discharge capacity) was taken as the load characteristic.

活物質がLi過剰系活物質の場合、電流レート0.1Cで上限電圧4.5Vまで定電流充電した後、2.0Vまで放電する充放電を2回繰り返す、続けて上限電圧4.8V下限電圧2.0Vで3回充放電し、3回目の放電時の容量を放電容量とした。測定により得られた上限電圧4.5Vの放電容量に対する上限電圧4.8Vの放電容量の比を負荷特性とした。   When the active material is a Li-rich active material, the battery is charged with a constant current to an upper limit voltage of 4.5 V at a current rate of 0.1 C, and then repeatedly charged and discharged to 2.0 V twice, followed by a lower limit of the upper limit voltage of 4.8 V The battery was charged and discharged three times at a voltage of 2.0 V, and the capacity at the third discharge was defined as the discharge capacity. The ratio of the discharge capacity with an upper limit voltage of 4.8 V to the discharge capacity with an upper limit voltage of 4.5 V obtained by measurement was taken as load characteristics.

(測定例5:高温貯蔵特性)
測定例4の試験を行った後、上限電圧まで1Cで定電流充電を行い、その後上限電圧で定電圧充電を行った。定電圧充電の終了電流は0.01Cであった。その後、電池を試験機から取り外し(充電状態)、イナートオーブン(ヤマト化学社製、DN411I)を用いて、60℃で1週間保存した。1週間後、電池を取り出し、Arグローブボックス(美和製作所社製)内に搬送し、解体し、正極のみを取り出した。取り出した正極を用いて、直径17mmに切り出したセルガード#2400(セルガード社製)セパレータとして、対極として金属リチウムを用い、電解液としてLiPF/EC+DMC(富山薬品(株)製 LI−PASTE1)を200μL用いて、コインセルを再び作製し、測定例4と同様の条件により放電容量を測定した。ここでも各レートの3回目の放電時の容量を放電容量とした。測定例4で測定した1C放電容量(貯蔵前)に対する本測定例で測定した1C放電容量(貯蔵後)の割合(%)を高温貯蔵特性とした。
(Measurement Example 5: High-temperature storage characteristics)
After performing the test of Measurement Example 4, constant current charging was performed at 1 C up to the upper limit voltage, and then constant voltage charging was performed at the upper limit voltage. The end current of the constant voltage charge was 0.01C. Thereafter, the battery was removed from the test machine (charged state), and stored at 60 ° C. for 1 week using an inert oven (DN411I manufactured by Yamato Chemical Co., Ltd.). One week later, the battery was taken out, transferred into an Ar glove box (manufactured by Miwa Seisakusho), disassembled, and only the positive electrode was taken out. Using the positive electrode taken out, as a cell guard # 2400 (manufactured by Celgard) separator cut into a diameter of 17 mm, metallic lithium was used as the counter electrode, and LiPF 6 / EC + DMC (LI-PASTE1 manufactured by Toyama Pharmaceutical Co., Ltd.) was used as the electrolyte. Then, a coin cell was produced again, and the discharge capacity was measured under the same conditions as in Measurement Example 4. Again, the capacity at the third discharge at each rate was taken as the discharge capacity. The ratio (%) of the 1C discharge capacity (after storage) measured in this measurement example to the 1C discharge capacity (before storage) measured in Measurement Example 4 was defined as the high-temperature storage characteristics.

活物質がLi過剰系活物質の場合、同様にコインセルを再び作成し、測定例4と同様の条件により放電容量を測定し、貯蔵後の放電容量とした。測定例4で測定した上限電圧4.5Vの放電容量(貯蔵前)に対する本測定例で測定した上限電圧4.5Vの放電容量(貯蔵後)の割合(%)を高温貯蔵特性とした。   When the active material was a Li-rich active material, a coin cell was similarly created again, and the discharge capacity was measured under the same conditions as in Measurement Example 4 to obtain the discharge capacity after storage. The ratio (%) of the discharge capacity (after storage) of the upper limit voltage 4.5V measured in this measurement example to the discharge capacity (before storage) of the upper limit voltage 4.5V measured in Measurement Example 4 was taken as the high temperature storage characteristics.

(合成例1−1:酸化グラフェン粉末の合成)
2000メッシュの天然黒鉛粉末(上海一帆石墨有限会社 メジアン径20μm)を原料として用いた。氷浴中の10gの天然黒鉛粉末に、220mlの98%濃硫酸、5gの硝酸ナトリウム、30gの過マンガン酸カリウムを入れ、1時間機械攪拌し、混合液の温度は20℃以下で保持した。上述混合液を氷浴から取り出し、35℃水浴中で4時間攪拌反応し、その後イオン交換水500mlを入れて得られた懸濁液を90℃で更に15分反応を行った。最後に600mlのイオン交換水と50mlの過酸化水素を入れ、5分間の反応を行い、酸化グラフェン分散液を得た。これを濾過し、希塩酸溶液で金属イオンを洗浄し、イオン交換水で酸を洗浄し、pHが7になるまで洗浄を繰り返し、酸化グラフェンゲルを作製した。酸化グラフェンゲルを凍結乾燥することにより、酸化グラフェン粉末を得た。
(Synthesis Example 1-1: Synthesis of graphene oxide powder)
2000 mesh natural graphite powder (Shanghai Ichiho Graphite Co., Ltd. median diameter 20 μm) was used as a raw material. To 10 g of natural graphite powder in an ice bath, 220 ml of 98% concentrated sulfuric acid, 5 g of sodium nitrate, and 30 g of potassium permanganate were added and mechanically stirred for 1 hour, and the temperature of the mixture was kept at 20 ° C. or lower. The above mixed solution was taken out from the ice bath and reacted with stirring in a 35 ° C. water bath for 4 hours, and then a suspension obtained by adding 500 ml of ion-exchanged water was further reacted at 90 ° C. for 15 minutes. Finally, 600 ml of ion-exchanged water and 50 ml of hydrogen peroxide were added, and the reaction was performed for 5 minutes to obtain a graphene oxide dispersion. This was filtered, the metal ions were washed with a dilute hydrochloric acid solution, the acid was washed with ion-exchanged water, and the washing was repeated until the pH became 7, thereby producing a graphene oxide gel. The graphene oxide powder was obtained by freeze-drying the graphene oxide gel.

得られた酸化グラフェンの官能基化率は1.3、I(D)/I(G)は0.990、酸化度は0.69であった。   The functionalization rate of the obtained graphene oxide was 1.3, I (D) / I (G) was 0.990, and the oxidation degree was 0.69.

(合成例1−2:酸化グラフェン粉末の合成)
硝酸ナトリウムと過マンガン酸カリウムの量の黒鉛に対する比を合成例1の70%とした以外は、合成例1−1と同様に、酸化グラフェンゲルを作製した。酸化グラフェンゲルを凍結乾燥することにより、酸化グラフェン粉末を得た。
(Synthesis Example 1-2: Synthesis of graphene oxide powder)
A graphene oxide gel was produced in the same manner as in Synthesis Example 1-1 except that the ratio of the amount of sodium nitrate and potassium permanganate to 70% of that in Synthesis Example 1 was set to 70%. The graphene oxide powder was obtained by freeze-drying the graphene oxide gel.

得られた酸化グラフェンの官能基化率は0.6、I(D)/I(G)は0.6、酸化度は0.30であった。   The graphene oxide obtained had a functionalization ratio of 0.6, I (D) / I (G) of 0.6, and an oxidation degree of 0.30.

(合成例1−3:官能基化グラフェン粉末の合成)
2000メッシュの天然黒鉛粉末(上海一帆石墨有限会社 メジアン径20μm)1gと塩化ナトリウム20gを乳鉢で10分〜15分混合したあと、水洗し乾燥した。乾燥した黒鉛粉末と、23mlの濃硫酸をフラスコ中で24時間、室温で混合した。その後、攪拌しながら40℃に加熱して100mgの硝酸ナトリウムを加えた。次に、攪拌を続け、過マンガン酸カリウム500mgを熱暴走しないように温度を45℃以下に保ちながら少量ずつ添加し、30分間保持した。3mlの水を加えて5分間待ったあと、さらに3mlの水を加え5分間待ち、40mlの水を加えて15分間待った。最後に140mlのイオン交換水と10mlの過酸化水素を入れ、5分間の反応を行い、酸化グラフェン分散液を得た。これを濾過し、希塩酸溶液で金属イオンを洗浄し、イオン交換水で酸を洗浄し、pHが7になるまで洗浄を繰り返し、酸化グラフェンゲルを作製した。この酸化グラフェンゲルを凍結乾燥することにより、酸化グラフェン粉末を得た。
(Synthesis Example 1-3: Synthesis of functionalized graphene powder)
1 g of 2000-mesh natural graphite powder (Shanghai Isho Graphite Co., Ltd., median diameter 20 μm) and sodium chloride 20 g were mixed in a mortar for 10 to 15 minutes, then washed with water and dried. The dried graphite powder and 23 ml of concentrated sulfuric acid were mixed in a flask for 24 hours at room temperature. Thereafter, the mixture was heated to 40 ° C. with stirring, and 100 mg of sodium nitrate was added. Next, stirring was continued, and 500 mg of potassium permanganate was added little by little while keeping the temperature at 45 ° C. or lower so as not to cause thermal runaway, and held for 30 minutes. After 3 ml of water was added and waited for 5 minutes, another 3 ml of water was added and waited for 5 minutes, and 40 ml of water was added and waited for 15 minutes. Finally, 140 ml of ion-exchanged water and 10 ml of hydrogen peroxide were added, and the reaction was performed for 5 minutes to obtain a graphene oxide dispersion. This was filtered, the metal ions were washed with a dilute hydrochloric acid solution, the acid was washed with ion-exchanged water, and the washing was repeated until the pH became 7, thereby producing a graphene oxide gel. This graphene oxide gel was freeze-dried to obtain graphene oxide powder.

得られた酸化グラフェンの官能基化率は0.4、I(D)/I(G)は0.410、酸化度は0.3であった。   The graphene oxide obtained had a functionalization rate of 0.4, I (D) / I (G) of 0.410, and an oxidation degree of 0.3.

(合成例1−4:酸化グラフェン粉末の合成)
硝酸ナトリウムと過マンガン酸カリウムの量の黒鉛に対する比を合成例1の400%とした以外は、合成例1−1と同様に、酸化グラフェンゲルを作製した。酸化グラフェンゲルを凍結乾燥することにより、酸化グラフェン粉末を得た。
(Synthesis Example 1-4: Synthesis of graphene oxide powder)
A graphene oxide gel was produced in the same manner as in Synthesis Example 1-1 except that the ratio of the amount of sodium nitrate and potassium permanganate to graphite was 400% of Synthesis Example 1. The graphene oxide powder was obtained by freeze-drying the graphene oxide gel.

得られた酸化グラフェンの官能基化率は1.5、I(D)/I(G)は1.1、酸化度は0.85であった。   The functionalization rate of the obtained graphene oxide was 1.5, I (D) / I (G) was 1.1, and the oxidation degree was 0.85.

(合成例1−5:酸化グラフェン粉末の合成)
天然黒鉛粉末(メジアン径10.0μm)を用いたこと以外は合成例1−1と同様に、酸化グラフェンゲルを作製した。酸化グラフェンゲルを凍結乾燥することにより、酸化グラフェン粉末を得た。
(Synthesis Example 1-5: Synthesis of graphene oxide powder)
A graphene oxide gel was prepared in the same manner as in Synthesis Example 1-1 except that natural graphite powder (median diameter 10.0 μm) was used. The graphene oxide powder was obtained by freeze-drying the graphene oxide gel.

得られた酸化グラフェンの官能基化率は1.3、I(D)/I(G)は0.92、酸化度は0.71であった。   The functionalization rate of the obtained graphene oxide was 1.3, I (D) / I (G) was 0.92, and the degree of oxidation was 0.71.

(合成例1−6:酸化グラフェン粉末の合成)
天然黒鉛粉末(メジアン径5.0μm)を用いたこと以外は合成例1−1と同様に、酸化グラフェンゲルを作製した。酸化グラフェンゲルを凍結乾燥することにより、酸化グラフェン粉末を得た。
(Synthesis Example 1-6: Synthesis of Graphene Oxide Powder)
A graphene oxide gel was prepared in the same manner as in Synthesis Example 1-1 except that natural graphite powder (median diameter: 5.0 μm) was used. The graphene oxide powder was obtained by freeze-drying the graphene oxide gel.

得られた酸化グラフェンの官能基化率は1.4、I(D)/I(G)は0.90、酸化度は0.75であった。   The functionalization rate of the obtained graphene oxide was 1.4, I (D) / I (G) was 0.90, and the oxidation degree was 0.75.

(合成例1−7:酸化グラフェン粉末の合成)
天然黒鉛粉末(メジアン径3.0μm)を用いたこと以外は合成例1−1と同様に、酸化グラフェンゲルを作製した。酸化グラフェンゲルを凍結乾燥することにより、酸化グラフェン粉末を得た。
(Synthesis Example 1-7: Synthesis of graphene oxide powder)
A graphene oxide gel was produced in the same manner as in Synthesis Example 1-1 except that natural graphite powder (median diameter: 3.0 μm) was used. The graphene oxide powder was obtained by freeze-drying the graphene oxide gel.

得られた酸化グラフェンの官能基化率は1.3、I(D)/I(G)は0.91、酸化度は0.76であった。   The functionalization rate of the obtained graphene oxide was 1.3, I (D) / I (G) was 0.91, and the oxidation degree was 0.76.

(合成例1−8:酸化グラフェン粉末の合成)
天然黒鉛粉末(メジアン径1.0μm)を用いたこと以外は合成例1−1と同様に、酸化グラフェンゲルを作製した。酸化グラフェンゲルを凍結乾燥することにより、酸化グラフェン粉末を得た。
(Synthesis Example 1-8: Synthesis of Graphene Oxide Powder)
A graphene oxide gel was produced in the same manner as in Synthesis Example 1-1 except that natural graphite powder (median diameter 1.0 μm) was used. The graphene oxide powder was obtained by freeze-drying the graphene oxide gel.

得られた酸化グラフェンの官能基化率は1.3、I(D)/I(G)は0.92、酸化度は0.91であった。   The functionalization rate of the obtained graphene oxide was 1.3, I (D) / I (G) was 0.92, and the degree of oxidation was 0.91.

(合成例2−1:リチウムイオン電池用正極活物質粒子の合成)
Ni、Co、Alの硝酸塩を、化学量論比(Ni:Co:Al=0.8:0.15:0.05)に合わせて均一溶液を作り、アンモニア水でpH=9に合わせて共沈させた後、洗浄して150℃で6時間乾燥させた。その後、LiCOをモル比に合わせて混合して粉砕した後、750℃で12時間焼成して、LiNi0.8Co0.15Al0.05粒子を合成した。得られた活物質粒子のメジアン径は10.0μmであった。
(Synthesis Example 2-1: Synthesis of positive electrode active material particles for lithium ion battery)
Ni, Co, and Al nitrates are adjusted to a stoichiometric ratio (Ni: Co: Al = 0.8: 0.15: 0.05) to make a uniform solution, and then adjusted to pH = 9 with aqueous ammonia. After settling, it was washed and dried at 150 ° C. for 6 hours. Thereafter, Li 2 CO 3 was mixed and pulverized according to the molar ratio, and then fired at 750 ° C. for 12 hours to synthesize LiNi 0.8 Co 0.15 Al 0.05 O 2 particles. The median diameter of the obtained active material particles was 10.0 μm.

(合成例2−2:Li過剰系活物質粒子の合成)
Ni,Mn,Co,Liの酢酸塩を組成比でのモル比で秤量し、酢酸塩と等モルのクエン酸と共に純水に溶解させてクエン酸錯体溶液を調整し、スプレードライにて前駆体を得た。次いで得られた前駆体を400℃の仮焼成後粉砕し、ペレット成型して大気中900℃にて本焼成することで、0.5LiMnO−0.5Li(Ni1/3Co1/3Mn1/3)Oの組成比のLi過剰系活物質を得た。得られた活物質粒子のメジアン径は10.0μmであった。
(Synthesis Example 2-2: Synthesis of Li-rich active material particles)
Ni, Mn, Co and Li acetates are weighed at a molar ratio in terms of composition ratio, dissolved in pure water together with acetate and equimolar citric acid to prepare a citric acid complex solution, and precursors are spray-dried. Got. Next, the obtained precursor was pre-fired at 400 ° C., pulverized, formed into pellets, and finally fired at 900 ° C. in the atmosphere. Thus, 0.5Li 2 MnO 3 -0.5Li (Ni 1/3 Co 1 / A Li-rich active material having a composition ratio of 3 Mn 1/3 ) O 2 was obtained. The median diameter of the obtained active material particles was 10.0 μm.

(実施例1)
合成例1−1に従って合成した酸化グラフェン0.15gにNMPを29.85g加え、フィルミックス(登録商標)30−30型(プライミクス社)を用いて混合して、酸化グラフェン分散液を得た。その後、分散液にLiNi0.5Mn0.3Co0.2(ユミコア社製NCM523、メジアン径10μmの造粒体である層状酸化物活物質粒子)の活物質粒子3gを加え、30−30型(プライミクス社)で回転速度40m/s(せん断速度:毎秒40000)で60秒処理した。処理後、孔径5μmのふるいにより沈降した粒子と上澄み液とを分けた後、粒子のみイナートオーブン(ヤマト化学社製、DN411I)を用いて80℃で1時間乾燥した。乾燥後の粒子を再び上澄み液に加え、混合、乾燥する工程を合計5回繰り返すことにより前駆体粒子を得た。
Example 1
29.85 g of NMP was added to 0.15 g of graphene oxide synthesized according to Synthesis Example 1-1, and mixed using Filmix (registered trademark) 30-30 type (Primics) to obtain a graphene oxide dispersion. Thereafter, 3 g of active material particles of LiNi 0.5 Mn 0.3 Co 0.2 O 2 (NCM523 manufactured by Umicore, layered oxide active material particles that are granules having a median diameter of 10 μm) are added to the dispersion, and 30 g It was processed for 60 seconds at a rotational speed of 40 m / s (shear speed: 40,000 per second) with a -30 type (Primics). After the treatment, the settled particles and the supernatant liquid were separated by a sieve having a pore diameter of 5 μm, and then only the particles were dried at 80 ° C. for 1 hour using an inert oven (DN411I, manufactured by Yamato Chemical Co., Ltd.). The dried particles were added to the supernatant again, and the steps of mixing and drying were repeated a total of 5 times to obtain precursor particles.

前駆体粒子を、オーブンを用いて150℃の空気中で6時間加熱することにより、酸化グラフェンを還元し、正極材料を得た。   The precursor particles were heated in air at 150 ° C. for 6 hours using an oven to reduce graphene oxide and obtain a positive electrode material.

(実施例2)
実施例1において、前駆体粒子を作製する際に混合・乾燥を合計4回にした点と、オーブンを用いて200℃空気中で加熱した点以外は同様に、正極材料を作製した。
(Example 2)
In Example 1, a positive electrode material was prepared in the same manner except that the mixing and drying were performed four times in total when the precursor particles were produced, and that heating was performed in air at 200 ° C. using an oven.

(実施例3)
実施例1において、酸化グラフェン分散液を得た後に、0.05gのアミノプロピルトリエトキシシラン(APTS)を加えた点と、前駆体粒子を作製する際に混合・乾燥を合計3回にした点と、オーブンを用いて200℃空気中で加熱した点以外は同様にして正極材料を作製した。
(Example 3)
In Example 1, after obtaining the graphene oxide dispersion, 0.05 g of aminopropyltriethoxysilane (APTS) was added, and mixing and drying were performed three times in total when preparing the precursor particles. A positive electrode material was prepared in the same manner except that it was heated in air at 200 ° C. using an oven.

(実施例4)
実施例1において、酸化グラフェン分散液を得た後に、0.05gのアミノプロピルトリエトキシシランを加えた点と、前駆体粒子を作製する際に混合・乾燥を合計2回にした点と、オーブンを用いて190℃空気中で加熱した点以外は同様にして正極材料を作製した。
Example 4
In Example 1, after obtaining the graphene oxide dispersion, 0.05 g of aminopropyltriethoxysilane was added, mixing and drying were performed twice when preparing the precursor particles, and the oven A positive electrode material was prepared in the same manner except that it was heated in air at 190 ° C.

(実施例5)
合成例1−3に従って合成した酸化グラフェンを用いて酸化グラフェン分散液を得たこと、還元条件を300℃空気中で6時間の加熱としたこと以外は実施例1と同様にして正極材料を作製した。
(Example 5)
A positive electrode material was prepared in the same manner as in Example 1 except that a graphene oxide dispersion was obtained using graphene oxide synthesized according to Synthesis Example 1-3, and that the reduction conditions were heating in air at 300 ° C. for 6 hours. did.

(実施例6)
前駆体粒子を作製する際に混合・乾燥を合計7回にした点と、還元条件を、150℃空気中で6時間の加熱とした点以外は実施例1と同様にして、正極材料を作製した。
(Example 6)
A positive electrode material was produced in the same manner as in Example 1, except that the mixing and drying were performed a total of 7 times when the precursor particles were produced, and that the reduction conditions were heating in air at 150 ° C. for 6 hours. did.

(実施例7)
NMPの添加量を14.85gとしたと、前駆体粒子を作製する際に混合・乾燥を合計8回にした点と、還元条件を200℃空気中で6時間の加熱とした点以外は実施例1と同様の方法で正極材料を作製した。
(Example 7)
When the amount of NMP added was 14.85 g, it was carried out except that the mixing and drying were performed a total of 8 times when producing the precursor particles, and the reduction conditions were heating for 6 hours in 200 ° C. air. A positive electrode material was produced in the same manner as in Example 1.

(実施例8)
還元条件を120℃窒素雰囲気とした点以外は実施例1と同様にして正極材料を作製した。
(Example 8)
A positive electrode material was prepared in the same manner as in Example 1 except that the reducing condition was a nitrogen atmosphere at 120 ° C.

(実施例9)
合成例1−2に従って合成した酸化グラフェンを用いた点と、酸化グラフェン分散液を得た後に、0.05gのアミノプロピルトリエトキシシランを加えた点と、還元条件を180℃空気中での加熱した点以外は実施例1と同様に正極材料を作製した。
Example 9
The point of using graphene oxide synthesized according to Synthesis Example 1-2, the point of adding 0.05 g of aminopropyltriethoxysilane after obtaining the graphene oxide dispersion, and heating under reducing conditions at 180 ° C. in air A positive electrode material was produced in the same manner as in Example 1 except for the points described above.

(実施例10)
活物質粒子を合成例2−1で得られたNCA活物質粒子に変えた点と、還元条件を250℃空気中で6時間の加熱とした点以外は実施例1と同様の方法で正極材料を作製した。
(Example 10)
The positive electrode material was prepared in the same manner as in Example 1 except that the active material particles were changed to the NCA active material particles obtained in Synthesis Example 2-1, and that the reduction conditions were heated in air at 250 ° C. for 6 hours. Was made.

(実施例11)
活物質粒子を合成例2−2で得られたLi過剰系活物質粒子に変えた点と、還元条件を、250℃空気中で6時間の加熱とした点以外は実施例1と同様の方法で、正極材料を作製した。
(Example 11)
The same method as in Example 1 except that the active material particles were changed to the Li-rich active material particles obtained in Synthesis Example 2-2 and the reduction conditions were heated in air at 250 ° C. for 6 hours. Thus, a positive electrode material was produced.

(実施例12)
活物質粒子をLCO活物質(LiCoO2、宝泉株式会社製)に変えた点と、還元条件を、250℃空気中で6時間の加熱とした点以外は実施例1と同様の方法で正極材料を作製した。
Example 12
The positive electrode was prepared in the same manner as in Example 1 except that the active material particles were changed to LCO active material (LiCoO 2 manufactured by Hosen Co., Ltd.) and the reduction conditions were heated in air at 250 ° C. for 6 hours. The material was made.

(実施例13)
LiNi0.5Mn0.3Co0.2(ユミコア社製NCM523、メジアン径20μmの造粒体である層状酸化物活物質粒子)の活物質粒子としたこと以外は実施例1と同様にして正極材料を作製した。
(Example 13)
Same as Example 1 except that the active material particles were LiNi 0.5 Mn 0.3 Co 0.2 O 2 (NCM523 manufactured by Umicore, layered oxide active material particles that are granules with a median diameter of 20 μm). Thus, a positive electrode material was produced.

(実施例14)
LiNi0.5Mn0.3Co0.2(ユミコア社製NCM523、メジアン径5.0μmの造粒体である層状酸化物活物質粒子)の活物質粒子としたこと以外は実施例1と同様にして正極材料を作製した。
(Example 14)
Example 1 except that the active material particles were LiNi 0.5 Mn 0.3 Co 0.2 O 2 (NCM523 manufactured by Umicore, layered oxide active material particles that are granules having a median diameter of 5.0 μm). In the same manner as above, a positive electrode material was produced.

(実施例15)
合成例1−5に従って合成した酸化グラフェンを用いて酸化グラフェン分散液を得たこと、LiNi0.5Mn0.3Co0.2(ユミコア社製NCM523、メジアン径1.0μmの造粒体である層状酸化物活物質粒子)の活物質粒子としたこと以外は実施例1と同様にして正極材料を作製した。
(Example 15)
Obtaining a graphene oxide dispersion using graphene oxide synthesized according to Synthesis Example 1-5, LiNi 0.5 Mn 0.3 Co 0.2 O 2 (NCM523 manufactured by Umicore, granulated with a median diameter of 1.0 μm) A positive electrode material was produced in the same manner as in Example 1 except that the active material particles were layered oxide active material particles.

(実施例16)
合成例1−6に従って合成した酸化グラフェンを用いて酸化グラフェン分散液を得たこと、以外は実施例1と同様にして正極材料を作製した。
(Example 16)
A positive electrode material was produced in the same manner as in Example 1 except that the graphene oxide dispersion was obtained using the graphene oxide synthesized according to Synthesis Example 1-6.

(実施例17)
合成例1−7に従って合成した酸化グラフェンを用いて酸化グラフェン分散液を得たこと、以外は実施例1と同様にして正極材料を作製した。
(Example 17)
A positive electrode material was produced in the same manner as in Example 1 except that the graphene oxide dispersion was obtained using the graphene oxide synthesized according to Synthesis Example 1-7.

(実施例18)
合成例1−8に従って合成した酸化グラフェンを用いて酸化グラフェン分散液を得たこと、以外は実施例1と同様にして正極材料を作製した。
(Example 18)
A positive electrode material was produced in the same manner as in Example 1 except that the graphene oxide dispersion was obtained using the graphene oxide synthesized according to Synthesis Example 1-8.

(実施例19)
LiNi0.5Mn0.3Co0.2(ユミコア社製NCM523、メジアン径0.5μmの造粒体である層状酸化物活物質粒子)の活物質粒子としたこと以外は実施例1と同様にして正極材料を作製した。
(Example 19)
Example 1 except that the active material particles were LiNi 0.5 Mn 0.3 Co 0.2 O 2 (NCM523 manufactured by Umicore, layered oxide active material particles that are granules with a median diameter of 0.5 μm). In the same manner as above, a positive electrode material was produced.

(比較例1)
合成例1−1に従って合成した酸化グラフェン粉末0.24gにLiNi0.5Mn0.3Co0.2(ユミコア社製NCM523)の活物質粒子3gとNMP3gを加え、得られたペーストを30−30型(プライミクス社)で回転速度40m/s(せん断速度:毎秒40000)で60秒処理した。処理後、イナートオーブン(ヤマト化学社製、DN411I)を用いて80℃で1時間乾燥した。その後圧力0.01MPaの真空雰囲気中で、で、温度100℃で乾燥させて乾燥体を作製した。次に、この乾燥体を粉砕して粉体混合物を作製し、粉体混合物を圧力0.01MPa以下の真空雰囲気中で、温度300℃で6時間加熱することにより、酸化グラフェンを還元し、正極材料を作製した。
(Comparative Example 1)
To 0.24 g of graphene oxide powder synthesized according to Synthesis Example 1-1, 3 g of active material particles of LiNi 0.5 Mn 0.3 Co 0.2 O 2 (NCM523 manufactured by Umicore) and 3 g of NMP were added, and the obtained paste was used. A 30-30 type (Primics Co., Ltd.) was used for 60 seconds at a rotational speed of 40 m / s (shear rate: 40000 per second). After the treatment, it was dried at 80 ° C. for 1 hour using an inert oven (manufactured by Yamato Chemical Co., DN411I). Thereafter, it was dried at a temperature of 100 ° C. in a vacuum atmosphere at a pressure of 0.01 MPa to produce a dried body. Next, the dried product is pulverized to prepare a powder mixture. The powder mixture is heated in a vacuum atmosphere at a pressure of 0.01 MPa or less at a temperature of 300 ° C. for 6 hours to reduce graphene oxide, The material was made.

(比較例2)
前駆体粒子を、600℃空気中で6時間加熱することにより、酸化グラフェンを還元した点以外は実施例1と同様の方法で正極材料を作製した。
(Comparative Example 2)
A positive electrode material was produced in the same manner as in Example 1 except that the graphene oxide was reduced by heating the precursor particles in air at 600 ° C. for 6 hours.

(比較例3)
実施例1において、前駆体粒子を作製する際に混合・乾燥を1回のみとした点以外は実施例1と同様の方法で正極材料を作製した。
(Comparative Example 3)
In Example 1, a positive electrode material was produced in the same manner as in Example 1 except that mixing and drying were performed only once when producing the precursor particles.

(比較例4)
実施例1において、合成例1−2に従って合成した酸化グラフェンを用いた点と前駆体粒子を作製する際に混合・乾燥を合計3回にした点と複合体粒子前駆体を、500℃空気中で6時間加熱することにより、酸化グラフェンを還元した点以外は実施例1と同様の方法で正極材料を作製した。
(Comparative Example 4)
In Example 1, the point using the graphene oxide synthesized according to Synthesis Example 1-2, the point where the mixing and drying were performed a total of three times when producing the precursor particles, and the composite particle precursor in the air at 500 ° C. A positive electrode material was produced in the same manner as in Example 1 except that the graphene oxide was reduced by heating for 6 hours.

(比較例5)
実施例1において、合成例1−4に従って合成した酸化グラフェンを用いた点と前駆体粒子を作製する際に混合・乾燥を合計2回にした点と複合体粒子前駆体を、300℃空気中で6時間加熱することにより、酸化グラフェンを還元した点以外は実施例1と同様にして正極材料を作製した。
(Comparative Example 5)
In Example 1, the point using the graphene oxide synthesized according to Synthesis Example 1-4, the point where mixing and drying were performed a total of two times when producing the precursor particles, and the composite particle precursor were 300 ° C. in air The positive electrode material was produced in the same manner as in Example 1 except that the graphene oxide was reduced by heating for 6 hours.

(比較例6)
実施例1において、合成例1−1に従って合成した酸化グラフェンを用いた点と前駆体粒子を作製する際に混合・乾燥を合計2回にした点と、還元条件を80℃空気中で6時間の加熱とした点以外は実施例1と同様の方法で正極材料を作製した。
(Comparative Example 6)
In Example 1, the point of using graphene oxide synthesized according to Synthesis Example 1-1, the point that mixing and drying were performed twice when preparing the precursor particles, and the reducing conditions were 6 hours in air at 80 ° C. A positive electrode material was produced in the same manner as in Example 1 except that the heating was performed.

(比較例7)
(合成例1)で作製した酸化グラフェン粉末0.06gとLiNi0.5Mn0.3Co0.2(ユミコア社製NCM523)の活物質粒子3gと、水0.1gと、ジルコニアボール(直径1cm)7個をジルコニア容器(12ml)内に入れて、遊星型ボールミル(フリッチュ社製、型式P−5)で300rpm、6時間混合し、前駆体粒子を得た。前駆体粒子を、イナートオーブン(ヤマト化学社製、DN411I)を用いて150℃空気中で6時間加熱することにより、酸化グラフェンを還元し、NMC活物質粒子−高官能基化グラフェン複合電極材料を得た。
(Comparative Example 7)
0.06 g of graphene oxide powder prepared in (Synthesis Example 1), 3 g of active material particles of LiNi 0.5 Mn 0.3 Co 0.2 O 2 (NCM523 manufactured by Umicore), 0.1 g of water, and zirconia balls Seven (diameter 1 cm) were put in a zirconia container (12 ml), and mixed with a planetary ball mill (manufactured by Fritsch, model P-5) at 300 rpm for 6 hours to obtain precursor particles. The precursor particles are heated in air at 150 ° C. for 6 hours using an inert oven (manufactured by Yamato Chemical Co., DN411I) to reduce graphene oxide, and NMC active material particles-highly functionalized graphene composite electrode material Obtained.

各実施例、比較例で作製した正極材料について、測定例1〜5に従って各種物性および電池性能評価の測定を行った結果を表1に示す。   Table 1 shows the results of measurement of various physical properties and battery performance evaluations according to Measurement Examples 1 to 5 for the positive electrode materials prepared in each Example and Comparative Example.

Figure 2017199670
Figure 2017199670

Claims (16)

正極活物質粒子が官能基化グラフェンで被覆されてなるリチウムイオン電池用正極材料であって、
前記官能基化グラフェンによる前記正極活物質粒子の平均被覆率が80%以上であり;
前記正極材料のX線光電子分光測定による測定値から下記式(1)により求められる官能基化率が0.3以上1.3以下であるリチウムイオン電池用正極材料。
官能基化率=[(C−O一重結合に基づくピーク面積)+(C=O二重結合に基づくピーク面積)+(COO結合に基づくピーク面積)]/(C−C、C=C及びC−H結合に基づくピーク面積) ・・・(1)
A positive electrode material for a lithium ion battery in which positive electrode active material particles are coated with functionalized graphene,
An average coverage of the positive electrode active material particles by the functionalized graphene is 80% or more;
A positive electrode material for a lithium ion battery, having a functional grouping ratio of 0.3 or more and 1.3 or less determined by the following formula (1) from a measurement value of the positive electrode material measured by X-ray photoelectron spectroscopy.
Functionalization rate = [(peak area based on C—O single bond) + (C = peak area based on O double bond) + (peak area based on COO bond)] / (C—C, C = C and Peak area based on C—H bond) (1)
前記正極材料のレーザーラマン分光法により測定されるDバンド(1360cm−1付近)の強度(I(D))とGバンド(1590cm−1付近)の強度(I(G))の比(I(D)/I(G))が0.7以上1.7以下である、請求項1に記載のリチウムイオン電池用正極材料。 The ratio (I (G)) of the intensity (I (D)) of the D band (near 1360 cm −1) and the intensity (I (G)) of the G band (near 1590 cm −1) measured by laser Raman spectroscopy of the positive electrode material. The positive electrode material for a lithium ion battery according to claim 1, wherein D) / I (G)) is 0.7 or more and 1.7 or less. 前記I(D)/I(G)が0.8以上1.1以下である、請求項2に記載のリチウムイオン電池用正極材料。 The positive electrode material for a lithium ion battery according to claim 2, wherein the I (D) / I (G) is 0.8 or more and 1.1 or less. 前記官能基化グラフェンは、グラフェン層に平行な方向の大きさが1μm以上である、請求項1〜3のいずれかに記載のリチウムイオン電池用正極材料。 The positive electrode material for a lithium ion battery according to claim 1, wherein the functionalized graphene has a size in a direction parallel to the graphene layer of 1 μm or more. 前記官能基化グラフェンによる前記正極活物質粒子の平均被覆率が90%以上である、請求項1〜4のいずれかに記載のリチウムイオン電池用正極材料。 The positive electrode material for a lithium ion battery according to any one of claims 1 to 4, wherein an average coverage of the positive electrode active material particles by the functionalized graphene is 90% or more. 前記正極材料の官能基化率が0.8以上1.3以下である、請求項1〜5のいずれかに記載のリチウムイオン電池用正極材料。 The positive electrode material for a lithium ion battery according to any one of claims 1 to 5, wherein the functionalization rate of the positive electrode material is 0.8 or more and 1.3 or less. 前記官能基化グラフェンによる被覆厚みが100nm以下である、請求項1〜6のいずれかに記載のリチウムイオン電池用正極材料。 The positive electrode material for a lithium ion battery according to claim 1, wherein a coating thickness of the functionalized graphene is 100 nm or less. 前記正極活物質粒子が層状酸化物活物質粒子である、請求項1〜7のいずれかに記載のリチウムイオン電池用正極材料。 The positive electrode material for a lithium ion battery according to any one of claims 1 to 7, wherein the positive electrode active material particles are layered oxide active material particles. 前記正極活物質粒子がNiを含む層状酸化物活物質粒子である、請求項8に記載のリチウムイオン電池用正極材料。 The positive electrode material for a lithium ion battery according to claim 8, wherein the positive electrode active material particles are layered oxide active material particles containing Ni. 前記官能基化グラフェンのグラフェン層に平行な方向の大きさを前記正極活物質粒子の粒子径で除した値が0.05以上3.0以下である、請求項1〜9のいずれかに記載のリチウムイオン電池用正極材料。 The value obtained by dividing the size of the functionalized graphene in the direction parallel to the graphene layer by the particle diameter of the positive electrode active material particles is 0.05 or more and 3.0 or less. Positive electrode material for lithium ion batteries. 請求項1〜10のいずれかに記載のリチウムイオン電池用正極材料を含むリチウムイオン電池用正極。 The positive electrode for lithium ion batteries containing the positive electrode material for lithium ion batteries in any one of Claims 1-10. 請求項11に記載のリチウムイオン電池用正極を用いてなるリチウムイオン電池。 The lithium ion battery which uses the positive electrode for lithium ion batteries of Claim 11. 酸化グラフェン分散液と正極活物質粒子とを液相混合した後に乾燥させる操作により、リチウムイオン電池用正極活物質粒子が酸化グラフェンで被覆されてなる前駆体粒子を準備する工程;
該前駆体粒子を、X線光電子分光測定による測定値から下記式(1)により求められる官能基化率が0.3以上1.3以下となるように還元する工程;
を有するリチウムイオン電池用正極材料の製造方法。
官能基化率=[(C−O一重結合に基づくピーク面積)+(C=O二重結合に基づくピーク面積)+(COO結合に基づくピーク面積)]/(C−C、C=C及びC−H結合に基づくピーク面積) ・・・(1)
A step of preparing precursor particles in which the positive electrode active material particles for lithium ion batteries are coated with graphene oxide by an operation of drying after mixing the graphene oxide dispersion and the positive electrode active material particles;
A step of reducing the precursor particles so that a functionalization rate obtained by the following formula (1) from a measurement value by X-ray photoelectron spectroscopy measurement is 0.3 or more and 1.3 or less;
The manufacturing method of the positive electrode material for lithium ion batteries which has.
Functionalization rate = [(peak area based on C—O single bond) + (C = peak area based on O double bond) + (peak area based on COO bond)] / (C—C, C = C and Peak area based on C—H bond) (1)
前記前駆体粒子を還元する工程を150℃以上300℃以下の温度環境下で行う、請求項13に記載のリチウムイオン電池用正極材料の製造方法。 The method for producing a positive electrode material for a lithium ion battery according to claim 13, wherein the step of reducing the precursor particles is performed in a temperature environment of 150 ° C. or higher and 300 ° C. or lower. 前記酸化グラフェン分散液と正極活物質粒子とを液相混合した後に乾燥させる操作を複数回繰り返すことにより前駆体粒子を作製する、請求項13または14に記載のリチウムイオン電池用正極材料の製造方法。 The method for producing a positive electrode material for a lithium ion battery according to claim 13 or 14, wherein the precursor particles are produced by repeating the operation of drying after mixing the graphene oxide dispersion and the positive electrode active material particles a plurality of times. . 酸化グラフェン分散液を正極活物質粒子と混合する前か、あるいは混合する際に、前記正極活物質粒子をシランカップリング剤と接触させる、請求項13〜15のいずれかに記載のリチウムイオン電池用正極材料の製造方法。
The lithium ion battery according to any one of claims 13 to 15, wherein the positive electrode active material particles are brought into contact with a silane coupling agent before or when the graphene oxide dispersion is mixed with the positive electrode active material particles. Manufacturing method of positive electrode material.
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