JP2018073481A - Positive electrode active material for nonaqueous electrolyte secondary battery, method for manufacturing the same, positive electrode for nonaqueous electrolyte secondary battery, and nonaqueous electrolyte secondary battery - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide: a positive electrode active material for a nonaqueous electrolyte secondary battery, which has both of a high discharge capacity and a high charge/discharge cycle performance; and a method of manufacturing the positive electrode active material for a nonaqueous electrolyte secondary battery.SOLUTION: A positive electrode active material for a nonaqueous electrolyte secondary battery comprises a lithium transition metal composite oxide. The lithium transition metal composite oxide has an α-NaFeOstructure, of which the transition metal element (Me) includes Mn and at least one of Co and Ni; the mole ratio (Mn/Me) of Mn to Me is given by 0.5<Mn/Me, and the mole ratio (Li/Me) of Li to Me is given by 1<Li/Me<1.5. The positive electrode active material further comprises boron. The surface of each particle of the lithium transition metal composite oxide is coated with the born; and the boron is included at 0.5 to 5 mol% to a quantity of Me.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、非水電解質二次電池用正極活物質、その製造方法、非水電解質二次電池用正極、及び非水電解質二次電池に関する。   The present invention relates to a positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery, a manufacturing method thereof, a positive electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery, and a non-aqueous electrolyte secondary battery.

リチウム二次電池に代表される非水電解質二次電池は、近年ますます用途が拡大され、より高容量の正極材料の開発が求められている。
従来、非水電解質二次電池用正極活物質として、α−NaFeO型結晶構造を有するリチウム遷移金属複合酸化物が検討され、LiCoOを用いた非水電解質二次電池が広く実用化されていた。しかし、LiCoOの放電容量は120〜130mAh/g程度であった。
Non-aqueous electrolyte secondary batteries represented by lithium secondary batteries have been increasingly used in recent years, and development of higher-capacity cathode materials has been demanded.
Conventionally, lithium transition metal composite oxides having an α-NaFeO 2 type crystal structure have been studied as positive electrode active materials for non-aqueous electrolyte secondary batteries, and non-aqueous electrolyte secondary batteries using LiCoO 2 have been widely put into practical use. It was. However, the discharge capacity of LiCoO 2 was about 120 to 130 mAh / g.

前記リチウム遷移金属複合酸化物を構成する遷移金属(Me)として、地球資源として豊富なMnを用い、前記リチウム遷移金属複合酸化物を構成する遷移金属に対するLiのモル比Li/Meがほぼ1であり、遷移金属中のMnのモル比Mn/Meが0.5以下であるいわゆる「LiMeO型」活物質が一部実用化されている。例えば、LiNi1/2Mn1/2やLiNi1/3Co1/3Mn1/3を含有する正極活物質は、150〜180mAh/gの放電容量を有する。
また、前記リチウム遷移金属複合酸化物を構成する遷移金属に対して、遷移金属(Me)中のMnのモル比Mn/Meが0.5を超え、遷移金属(Me)に対するLiのモル比Li/Meが1を超えるいわゆる「リチウム過剰型」活物質は、「LiMeO型」活物質に比べて高い放電容量を有することから、その実用化に向けて、検討が行われている。
As the transition metal (Me) constituting the lithium transition metal composite oxide, abundant Mn is used as an earth resource, and the molar ratio Li / Me of Li to the transition metal constituting the lithium transition metal composite oxide is approximately 1. In addition, a so-called “LiMeO 2 type” active material having a Mn molar ratio Mn / Me in the transition metal of 0.5 or less has been put into practical use. For example, a positive electrode active material containing LiNi 1/2 Mn 1/2 O 2 or LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 has a discharge capacity of 150 to 180 mAh / g.
The molar ratio of Mn in the transition metal (Me) to the transition metal constituting the lithium transition metal composite oxide exceeds 0.5, and the molar ratio of Li to the transition metal (Me) Li Since the so-called “lithium-excess type” active material with / Me exceeding 1 has a higher discharge capacity than the “LiMeO 2 type” active material, studies have been conducted for its practical use.

特許文献1には、「一般式Li1+xMn1−x−y(ここで、x及びyは、0<x<0.33、0<y<0.66の範囲であり、MはMn以外の少なくとも1つの遷移金属を示す。)で表され、かつ層状構造を有するリチウム含有遷移金属酸化物であって、その表面に酸化ホウ素の層が形成されていることを特徴とするリチウム二次電池用正極活物質。」(請求項1)が記載されている。
そして、その実施例について、「<実験1> 〔リチウム含有遷移金属酸化物の作製〕水酸化リチウム(LiOH)及びMn、Co及びNiの共沈水酸化物を出発材料として用いた。これらの材料を、所定の組成比となるように混合し、混合した粉末をペレットに形成した。このペレットを900℃で24時間焼成することにより、Li1.2Mn0.54Co0.13Ni0.13の組成を有するリチウム含有遷移金属酸化物を得た。得られたリチウム含有遷移金属酸化物の平均粒子径は、11μmであった。」(段落[0048])、「〔正極活物質の作製〕 得られたリチウム含有遷移金属酸化物の表面に、以下の実施例において記載するように酸化ホウ素の層を形成し、正極活物質とした。」(段落[0049])、「(実施例1〜5) 上記のようにして得られたリチウム含有遷移金属酸化物の表面に、以下のようにして酸化ホウ素の層を形成した。」(段落[0056])、「リチウム含有遷移金属酸化物100質量部に対し、2質量部のHBOと50質量部の水を調製し、この水溶液を、リチウム含有遷移金属酸化物と混合した。次に、この混合物を空気中80℃で乾燥した。次に、この乾燥した粉末を、空気中所定の温度で5時間熱処理した。熱処理温度は、200℃(実施例1)、300℃(実施例2)、400℃(実施例3)、500℃(実施例4)、及び600℃(実施例5)とした。」(段落[0057])と記載されている。
また、実施例及び比較例の正極活物質を用いたテストセルの評価結果として、「表1に示すように、本発明に従い、表面に酸化ホウ素の層を形成した実施例2〜4においては、表面に酸化ホウ素の層を形成していないそれぞれ同じ熱処理温度の比較例1〜3に比べ、1サイクル目の放電容量が高くなっている。」(段落[0062])と記載されている。
Patent Document 1 states that “general formula Li 1 + x Mn 1- xy My O 2 (where x and y are in the range of 0 <x <0.33, 0 <y <0.66, M represents at least one transition metal other than Mn.) And is a lithium-containing transition metal oxide having a layered structure, and a boron oxide layer is formed on the surface thereof. "Positive electrode active material for lithium secondary battery" (Claim 1).
For the example, “<Experiment 1> [Preparation of lithium-containing transition metal oxide] Lithium hydroxide (LiOH) and a coprecipitated hydroxide of Mn, Co and Ni were used as starting materials. The mixed powder was formed into pellets, and the pellets were baked at 900 ° C. for 24 hours to obtain Li 1.2 Mn 0.54 Co 0.13 Ni 0.13. A lithium-containing transition metal oxide having a composition of O 2 was obtained. The average particle diameter of the obtained lithium-containing transition metal oxide was 11 μm ”(paragraph [0048]),“ [positive electrode active material Preparation] On the surface of the obtained lithium-containing transition metal oxide, a layer of boron oxide was formed as described in the following examples to obtain a positive electrode active material ”(paragraph [0049]),“ (implementation). Examples 1 to 5) A layer of boron oxide was formed on the surface of the lithium-containing transition metal oxide obtained as described above as follows. "(Paragraph [0056])," lithium-containing transition metal oxide 2 parts by weight of H 3 BO 3 and 50 parts by weight of water were prepared for 100 parts by weight of the product, and this aqueous solution was mixed with a lithium-containing transition metal oxide. Next, the dried powder was heat-treated in air at a predetermined temperature for 5 hours at 200 ° C. (Example 1), 300 ° C. (Example 2), 400 ° C. (Example 3). , 500 ° C. (Example 4), and 600 ° C. (Example 5) ”(paragraph [0057]).
Moreover, as an evaluation result of the test cells using the positive electrode active materials of Examples and Comparative Examples, “As shown in Table 1, in Examples 2 to 4 in which a boron oxide layer was formed on the surface according to the present invention, The discharge capacity at the first cycle is higher than those of Comparative Examples 1 to 3 having the same heat treatment temperature where no boron oxide layer is formed on the surface ”(paragraph [0062]).

特許文献2には、「式Li1+x1−x2−z(Mは、非リチウム金属元素またはそれらの組み合わせであり、0.01≦x≦0.3であり、0≦z≦0.2である)で近似的に表されるリチウム金属酸化物を含み、約0.1〜約0.75重量パーセントの金属/半金属酸化物でコーティングされた、リチウムイオン電池正極材料。」(請求項1)、「前記金属/半金属酸化物が、酸化アルミニウム(Al)、酸化ビスマス(Bi)、酸化ホウ素(B)、酸化ジルコニウム(ZrO)、酸化マグネシウム(MgO)、酸化クロム(Cr)、アルミン酸マグネシウム(MgAl)、酸化ガリウム(Ga)、酸化ケイ素(SiO)、酸化スズ(SnO)、酸化カルシウム(CaO)、酸化ストロンチウム(SrO)、酸化バリウム(BaO)、酸化チタン(TiO)、酸化鉄(Fe)、酸化モリブデン(MoOおよびMoO)、酸化セリウム(CeO)、酸化ランタン(La)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化リチウムアルミニウム(LiAlO)、またはそれらの組み合わせを含む、請求項1に記載の正極材料。」(請求項2)について記載されている。
そして、その実施例について、段落[0068]〜[0103]には、表3に記載の「xLiMnO−(1−x)LiMO中のx」が0.5、0.3、0.1である組成物1〜8に、酸化アルミニウム(Al)、酸化ビスマス(Bi)又は酸化マグネシウム(MgO)をコーティングした正極材料を用いたコインセル電池が記載され、Alコーティングの場合、「0.2重量パーセントのコーティングを有するサンプルから形成した電池は、放電率のC/3で55サイクルまで驚くべき優れた性能を示した。」(段落[0086])、「0.2重量パーセントのコーティングを有するサンプルは、すべてのレートにおいて、他のコーティングされたサンプルより高い電池容量を示した。」(段落[0087])と記載され、Biコーティングの場合、「0.1重量パーセントのBiコーティングおよび0.5重量パーセントのBiコーティングを有するリチウム金属酸化物粉末から作製した電池は、コーティングされていないサンプルから作製した電池よりも高い比放電容量をあらゆるレートで有した。」(段落[0096])と記載され、MgOコーティングの場合、「コーティングされたサンプルは、充電および放電比容量の増加を示し、対応する同程度または増加した第1サイクル不可逆容量損失(IRCL)を示した。」(段落「0101」)と記載されている。
Patent Document 2 states that “formula Li 1 + x M 1−x O 2−z F z (M is a non-lithium metal element or a combination thereof, 0.01 ≦ x ≦ 0.3, 0 ≦ z Lithium ion battery cathode material comprising a lithium metal oxide approximately represented by ≦ 0.2 and coated with about 0.1 to about 0.75 weight percent metal / metalloid oxide. (Claim 1), “The metal / metalloid oxide is aluminum oxide (Al 2 O 3 ), bismuth oxide (Bi 2 O 3 ), boron oxide (B 2 O 3 ), zirconium oxide (ZrO 2 ). , Magnesium oxide (MgO), chromium oxide (Cr 2 O 3 ), magnesium aluminate (MgAl 2 O 4 ), gallium oxide (Ga 2 O 3 ), silicon oxide (SiO 2 ), tin oxide (SnO 2 ), oxidation Mosquito Siumu (CaO 2), strontium oxide (SrO), barium oxide (BaO), titanium oxide (TiO 2), iron oxide (Fe 2 O 3), molybdenum oxide (MoO 3 and MoO 2), cerium oxide (CeO 2) , Lanthanum oxide (La 2 O 3 ), zinc oxide (ZnO), lithium aluminum oxide (LiAlO 2 ), or a combination thereof. Yes.
Then, for the examples, the paragraphs [0068] - [0103], according to Table 3 - "xLi 2 MnO 3 (1-x ) x in LiMO 2" 0.5,0.3,0 a composition that is 1 to 8.1, aluminum oxide (Al 2 O 3), is coin battery using bismuth oxide (Bi 2 O 3) or the positive electrode material coated with magnesium oxide (MgO) is described, Al 2 In the case of the O 3 coating, “cells formed from samples with a 0.2 weight percent coating showed surprisingly good performance up to 55 cycles at C / 3 discharge rate” (paragraph [0086]). “Samples with a 0.2 weight percent coating showed higher battery capacity than other coated samples at all rates.” (Paragraph [008 7]) and in the case of Bi 2 O 3 coating, “battery made from lithium metal oxide powder with 0.1 weight percent Bi 2 O 3 coating and 0.5 weight percent Bi 2 O 3 coating Had a higher specific discharge capacity at any rate than batteries made from uncoated samples ”(paragraph [0096]), and in the case of MgO coating,“ the coated sample is charged and discharged. It showed an increase in specific capacity and a corresponding comparable or increased first cycle irreversible capacity loss (IRCL) ”(paragraph“ 0101 ”).

特許文献3には、「少なくとも空間群R−3mに属する結晶系と空間群C2/mに属する結晶系とを有する化合物からなる正極活物質粒子粉末であって、当該化合物は少なくともLiとMnとホウ素とCo及び/又はNiとを含有する複合酸化物であり、正極活物質粒子粉末のCu−Kα線を使用した粉末X線回折図の2θ=20.8±1°における最大回折ピークの強度(a)と2θ=18.6±1°における最大回折ピークの強度(b)との相対強度比(a)/(b)が0.02〜0.5である正極活物質粒子粉末であって、該正極活物質粒子粉末のMn含有量はモル比でMn/(Ni+Co+Mn)が0.55以上であり、ホウ素を0.001〜3wt%含むことを特徴とする正極活物質粒子粉末。」(請求項1)が記載されている。
そして、その実施例について、「実施例1 密閉型反応槽に水を14L入れ、窒素ガスを流通させながら50℃に保持した。さらにpH=8.2(±0.2)となるよう、攪拌しながら連続的に1.5MのNi、Co、Mnの混合硫酸塩水溶液と0.8M炭酸ナトリウム水溶液と2Mアンモニア水溶液を加えた。反応中は濃縮装置により濾液のみを系外に排出して固形分は反応槽に滞留させながら、20時間反応後、共沈生成物のスラリーを採取した。採取したスラリーを濾過、水洗し、105℃で一晩乾燥させ、共沈前駆体の粉末を得た。得られた共沈前駆体と炭酸リチウム粉末とホウ酸を秤量し、十分に混合した。これを電気炉を用いて、エアー流通下、800℃で5hr焼成し、正極活物質粒子粉末を得た。X線回折測定の結果、得られた正極活物質粒子粉末は、空間群R−3mに属する結晶系と、空間群C2/mに属する結晶系とを含んでおり、ピーク強度比(a)/(b)が0.11であった。ICP組成分析の結果、それぞれモル比でLi/(Ni+Co+Mn)=1.33、Ni:Co:Mn=21.6:12.4:66(Mn/(Ni+Co+Mn)=0.66)であり、B=0.05wt%であった。窒素吸着法によるBET比表面積は3.5m/gであった。また、走査型電子顕微鏡(SEM)によって前記正極活物質粒子粉末の粒子を観察した結果、平均一次粒子径が0.07μmの一次粒子が凝集して平均二次粒子径が12.1μmの二次粒子を形成している様子が観測された。」(段落[0063])と記載されている。また、実施例2〜13にも、Bを0.003〜1.600wt%含む正極活物質について記載されている。
Patent Document 3 states that “a positive electrode active material particle powder made of a compound having at least a crystal system belonging to space group R-3m and a crystal system belonging to space group C2 / m, wherein the compound includes at least Li and Mn. Intensity of maximum diffraction peak at 2θ = 20.8 ± 1 ° in a powder X-ray diffraction diagram using a Cu—Kα ray of a positive electrode active material particle powder, which is a composite oxide containing boron and Co and / or Ni. The positive electrode active material particle powder in which the relative intensity ratio (a) / (b) between (a) and the intensity (b) of the maximum diffraction peak at 2θ = 18.6 ± 1 ° is 0.02 to 0.5. The positive electrode active material particle powder is characterized in that the positive electrode active material particle powder has a molar ratio of Mn / (Ni + Co + Mn) of 0.55 or more and contains boron in an amount of 0.001 to 3 wt%. (Claim 1) is described.
And about the Example, "Example 1 14L of water was put into the sealed reaction tank, and it maintained at 50 degreeC, distribute | circulating nitrogen gas. Furthermore, it stirred so that it might become pH = 8.2 (± 0.2). While adding 1.5M Ni, Co, Mn mixed sulfate aqueous solution, 0.8M sodium carbonate aqueous solution and 2M ammonia aqueous solution continuously, only the filtrate was discharged out of the system by the concentrator during the reaction. After the reaction for 20 hours, the slurry of the coprecipitation product was collected, and the collected slurry was filtered, washed with water, and dried at 105 ° C. overnight to obtain a coprecipitation precursor powder. The obtained coprecipitation precursor, lithium carbonate powder and boric acid were weighed and mixed well, and this was fired at 800 ° C. for 5 hours under an air flow using an electric furnace to obtain a positive electrode active material particle powder. As a result of X-ray diffraction measurement The positive electrode active material particle powder includes a crystal system belonging to the space group R-3m and a crystal system belonging to the space group C2 / m, and the peak intensity ratio (a) / (b) was 0.11. As a result of ICP composition analysis, the molar ratios are Li / (Ni + Co + Mn) = 1.33, Ni: Co: Mn = 21.6: 12.4: 66 (Mn / (Ni + Co + Mn) = 0.66), B = 0.05 wt% BET specific surface area by nitrogen adsorption method was 3.5 m 2 / g, and the result of observation of particles of the positive electrode active material particles by a scanning electron microscope (SEM) It was observed that primary particles having an average primary particle diameter of 0.07 μm aggregated to form secondary particles having an average secondary particle diameter of 12.1 μm ”(paragraph [0063]). ing. Examples 2 to 13 also describe a positive electrode active material containing 0.003 to 1.600 wt% of B.

特許文献4には、「金属リチウム基準で4.5V以上の電位を発現する正極活物質と、導電剤と、結着剤と、を有する正極合剤を有する正極と、負極と、リチウム塩を非水溶媒に溶解した非水電解液、とを有するリチウムイオン二次電池であって、正極合剤の表面の少なくとも一部にホウ素を含む正極被覆層を有し、かつ正極被覆層中のホウ素量が正極合剤重量に対し0.0001重量%以上0.005重量%以下であることを特徴とするリチウムイオン二次電池。」(請求項1)が記載されている。
そして、その実施例について、「本実施形態の電池である、電池A,電池B,電池Cを、以下のとおり作製した。金属リチウム基準で4.5V以上の電位を発現する正極活物質として、LiMn1.52Ni0.484を作成した。原料として、二酸化マンガン(MnO2)と酸化ニッケル(NiO)を所定の組成比になるよう秤量し純水を用い湿式混合した。乾燥後、電気炉により、昇温3℃/分、降温2℃/分で、1000℃12時間、空気雰囲気で焼成した。この焼成体を粉砕後、これと所定の組成比になるよう秤量した炭酸リチウム(Li2CO3)とを同様に湿式混合した。乾燥後、昇温3℃/分、降温2℃/分で、800℃20時間、空気雰囲気で焼成した。これを粉砕し正極活物質を得た。」(段落[0065]〜[0067])、「非水電解液は以下のとおり作製した。エチレンカーボネート,ジメチルカーボネート,及びメチルエチルカーボネートの、体積比2:4:4の非水混合溶媒に、リチウム塩として六フッ化リン酸リチウム1mol/dm3溶解した。これに、ホウ素エトキシド(B(OC253)を各々0.2重量%(電池A),1重量%(電池B)、および4重量%(電池C)を加えたものを用いた。」(段落[0071]、[0072])と記載されている。
Patent Document 4 states that “a positive electrode active material that expresses a potential of 4.5 V or more on the basis of metallic lithium, a conductive agent, a positive electrode having a positive electrode mixture having a binder, a negative electrode, and a lithium salt. A lithium ion secondary battery having a non-aqueous electrolyte dissolved in a non-aqueous solvent, having a positive electrode coating layer containing boron on at least a part of the surface of the positive electrode mixture, and boron in the positive electrode coating layer The amount of the lithium ion secondary battery is 0.0001 wt% or more and 0.005 wt% or less with respect to the weight of the positive electrode mixture. ”(Claim 1) is described.
And about the Example, "The battery of this embodiment, the battery A, the battery B, and the battery C were produced as follows. As a positive electrode active material which expresses the electric potential of 4.5V or more on a metal lithium basis, LiMn 1.52 Ni 0.48 O 4 was prepared as a raw material, manganese dioxide (MnO 2 ) and nickel oxide (NiO) were weighed to a predetermined composition ratio and wet-mixed with pure water. The calcined product was calcined in an air atmosphere at a temperature increase of 3 ° C./min and a temperature decrease of 2 ° C./min for 12 hours at 1000 ° C. Lithium carbonate (Li 2 CO 3 ) was pulverized and weighed so as to have a predetermined composition ratio with this The mixture was wet mixed in the same manner, and dried, and then fired in an air atmosphere at 800 ° C. for 20 hours at a temperature increase of 3 ° C./min and a temperature decrease of 2 ° C./min. Paragraphs [0065]-[0067]), “ Aqueous electrolyte was prepared as follows ethylene carbonate, dimethyl carbonate, and methyl ethyl carbonate at a volume ratio 2:. 4: in a non-aqueous solvent mixture of 4, lithium 1 mol / dm 3 dissolved phosphate hexafluoride as lithium salt To this, boron ethoxide (B (OC 2 H 5 ) 3 ) was added in an amount of 0.2% by weight (Battery A), 1% by weight (Battery B), and 4% by weight (Battery C), respectively. Used "(paragraphs [0071], [0072]).

特開2011−171113号公報JP 2011-171113 A 特表2013−503449号公報Special table 2013-503449 gazette 特開2011−96650号公報JP 2011-96650 A 特開2012−94459号公報JP 2012-94459 A

Mn/Meが0.5を超え、Liのモル比Li/Meが1を超えるいわゆる「リチウム過剰型」活物質は、いわゆる「LiMeO型」活物質に比べて、充電上限電位をより貴な電位に設定することができるため、これに伴って高い放電容量を取り出すことができる。しかしながら、充放電サイクル性能が十分でないという課題があった。「リチウム過剰型」活物質を製造する方法としては、水酸化物前駆体を用いる方法や、炭酸塩前駆体を用いる方法が知られている。炭酸塩前駆体を用いる方法を採用することにより、大きな比表面積を有する活物質とすることができるため、活物質粒子と非水電解質の界面から粒子内部への拡散距離を短くできる。したがって、初期効率や放電容量の点で優れた非水電解質電池とすることができる。しかし、比表面積が大きい活物質は、電解質との接触面積が大きいことに伴い、副反応や遷移金属の溶出が促進される傾向があるため、充放電サイクル性能については依然として課題があった。
特許文献1には、水酸化物前駆体を用いて作成したリチウム過剰型活物質に酸化ホウ素の表面被覆を設けた活物質を用いると、初期放電容量が向上し、不可逆容量が低減することが記載されている。しかし、水酸化物前駆体由来の活物質は、通常比表面積が3m/g以下と小さいから、特許文献1の記載から、充放電サイクル時の上記の課題を窺うことはできない。
特許文献2には、リチウム過剰型活物質に酸化アルミニウム等の金属/半金属酸化物のコーティングを施すことにより、これを用いた電池の充放電サイクル性能やレート特性を向上することが記載されている。しかし、正極活物質に酸化ホウ素をコーティングする具体例は記載されていない。
特許文献3には、遷移金属炭酸塩前駆体と、リチウム化合物と、ホウ酸とを混合、焼成して製造したリチウム過剰型活物質を用いた非水電解質二次電池は、高容量でサイクル特性が向上することが記載されている。そして、Bを0.050wt%以上含み、空気中800〜950℃で焼成する実施例1、2、8〜13に係る活物質のBET比表面積は、3.5m/g以下と小さい。これは、ホウ酸が空気中の焼成で焼結を促進する焼結助剤として作用するためと考えられる。また、特許文献3の実施例に記載の製造方法では、ホウ素が活物質粒子表面を被覆するのではなく、粒子の中に取り込まれている。
特許文献4には、正極合剤の表面にホウ素を含む被覆層を有する正極を備えた非水電解質二次電池であって、放電容量およびクーロン効率が高く、サイクル寿命に優れたものが記載されている。しかし、この正極に用いる活物質として具体的に示されているのはスピネル型であって、リチウム過剰型活物質は示されていない。
A so-called “lithium-excess” active material having a Mn / Me ratio of more than 0.5 and a Li molar ratio of Li / Me of more than 1 has a more noble charge upper limit potential than a so-called “LiMeO 2 type” active material. Since the potential can be set, a high discharge capacity can be taken out. However, there is a problem that the charge / discharge cycle performance is not sufficient. As a method for producing a “lithium-rich” active material, a method using a hydroxide precursor and a method using a carbonate precursor are known. By adopting a method using a carbonate precursor, an active material having a large specific surface area can be obtained, so that the diffusion distance from the interface between the active material particles and the nonaqueous electrolyte to the inside of the particles can be shortened. Therefore, a nonaqueous electrolyte battery excellent in terms of initial efficiency and discharge capacity can be obtained. However, an active material having a large specific surface area has a problem in charge / discharge cycle performance because there is a tendency for side reactions and elution of transition metals to be promoted with a large contact area with the electrolyte.
In Patent Document 1, when an active material provided with a boron oxide surface coating on a lithium-excess type active material prepared using a hydroxide precursor is used, the initial discharge capacity is improved and the irreversible capacity is reduced. Have been described. However, since the active material derived from the hydroxide precursor usually has a specific surface area as small as 3 m 2 / g or less, the above-mentioned problem during the charge / discharge cycle cannot be obtained from the description in Patent Document 1.
Patent Document 2 describes that a lithium / rich active material is coated with a metal / metalloid oxide such as aluminum oxide, thereby improving charge / discharge cycle performance and rate characteristics of a battery using the same. Yes. However, no specific example of coating the positive electrode active material with boron oxide is described.
Patent Document 3 discloses a non-aqueous electrolyte secondary battery using a lithium-excess active material prepared by mixing and baking a transition metal carbonate precursor, a lithium compound, and boric acid, and has a high capacity and cycle characteristics. Is described as improving. And the BET specific surface area of the active material which concerns on Example 1, 2 , 8-13 containing B 0.050 wt% or more and baking at 800-950 degreeC in air is as small as 3.5 m < 2 > / g or less. This is presumably because boric acid acts as a sintering aid that promotes sintering by firing in air. Moreover, in the manufacturing method described in the Example of patent document 3, the boron is taken in in the particle | grains rather than coat | covering the active material particle surface.
Patent Document 4 describes a nonaqueous electrolyte secondary battery including a positive electrode having a coating layer containing boron on the surface of a positive electrode mixture, which has a high discharge capacity and coulomb efficiency, and an excellent cycle life. ing. However, what is specifically shown as the active material used for the positive electrode is a spinel type, and no lithium-excess type active material is shown.

本発明は、高い放電容量及び高い充放電サイクル性能を兼ね備えた非水電解質二次電池用正極活物質、前記正極活物質の製造方法、前記正極活物質を含有する非水電解質二次電池用正極、及び前記正極を備えた非水電解質二次電池を提供することを課題とする。   The present invention relates to a positive electrode active material for a nonaqueous electrolyte secondary battery having high discharge capacity and high charge / discharge cycle performance, a method for producing the positive electrode active material, and a positive electrode for a nonaqueous electrolyte secondary battery containing the positive electrode active material. And a non-aqueous electrolyte secondary battery including the positive electrode.

本発明の一側面は、リチウム遷移金属複合酸化物を含む非水電解質二次電池用正極活物質であって、前記リチウム遷移金属複合酸化物は、α−NaFeO構造を有し、遷移金属(Me)がMnを含み、且つ、Co又はNiの内の少なくとも1つを含み、Meに対するMnのモル比Mn/Meが0.5<Mn/Meであり、Meに対するLiのモル比Li/Meが1<Li/Me<1.5であり、前記リチウム遷移金属複合酸化物の粒子表面にホウ素を含む被覆が存在し、Meに対して前記ホウ素を0.5mol%以上5mol%以下含む、非水電解質二次電池用活物質である。 One aspect of the present invention is a positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery including a lithium transition metal composite oxide, wherein the lithium transition metal composite oxide has an α-NaFeO 2 structure, and a transition metal ( Me) contains Mn and contains at least one of Co or Ni, the molar ratio of Mn to Me is Mn / Me 0.5 <Mn / Me, and the molar ratio of Li to Me is Li / Me. 1 <Li / Me <1.5, a coating containing boron is present on the surface of the lithium transition metal composite oxide particles, and the boron is contained in an amount of 0.5 mol% to 5 mol% with respect to Me. It is an active material for water electrolyte secondary batteries.

本発明の他の一側面は、前記非水電解質二次電池用正極活物質の製造方法であって、Mnと、Co又はNiの内の少なくとも1つを含み、遷移金属(Mn)に対するMnのモル比Mn/Meが0.5<Mn/Meである遷移金属炭酸塩前駆体を作製し、前記遷移金属炭酸塩前駆体とリチウム化合物を混合し焼成して、Meに対するLiモル比Li/Meが1<Li/Me<1.5であるリチウム遷移金属複合酸化物の粒子を作製し、前記粒子にホウ素化合物を混合し、熱処理して、ホウ素を含む被覆を前記粒子の表面に形成することを備える非水電解質二次電池用活物質の製造方法である。   Another aspect of the present invention is a method for producing a positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery, comprising Mn and at least one of Co or Ni, wherein Mn is a transition metal (Mn). A transition metal carbonate precursor having a molar ratio Mn / Me of 0.5 <Mn / Me is prepared, the transition metal carbonate precursor and the lithium compound are mixed and fired, and a Li molar ratio Li / Me to Me Producing lithium transition metal composite oxide particles having a ratio of 1 <Li / Me <1.5, mixing the particles with a boron compound, and heat-treating to form a coating containing boron on the surface of the particles It is a manufacturing method of the active material for nonaqueous electrolyte secondary batteries provided with this.

本発明のさらに他の一側面は、前記活物質を含有する非水電解質二次電池用正極、及び前記正極を備える非水電解質二次電池である。   Still another aspect of the present invention is a nonaqueous electrolyte secondary battery positive electrode containing the active material and a nonaqueous electrolyte secondary battery including the positive electrode.

本発明によれば、高い充放電容量及び高い充放電サイクル性能を兼ね備えた非水電解質二次電池用正極活物質、前記正極活物質の製造方法、前記正極活物質を備える非水電解質二次電池用正極、及び前記正極を有する非水電解質二次電池を提供することができる。   According to the present invention, a positive electrode active material for a nonaqueous electrolyte secondary battery having high charge / discharge capacity and high charge / discharge cycle performance, a method for producing the positive electrode active material, and a nonaqueous electrolyte secondary battery provided with the positive electrode active material And a non-aqueous electrolyte secondary battery having the positive electrode.

本発明の実施例に係る活物質粒子の電子顕微鏡写真Electron micrograph of active material particles according to examples of the present invention 本発明の比較例に係る活物質粒子の電子顕微鏡写真Electron micrograph of active material particles according to a comparative example of the present invention 本発明の一側面に係る非水電解質二次電池の一実施形態を示す斜視図The perspective view which shows one Embodiment of the nonaqueous electrolyte secondary battery which concerns on 1 side of this invention 本発明の一側面に係る非水電解質二次電池を複数個備えた蓄電装置を示す概略図Schematic showing a power storage device comprising a plurality of non-aqueous electrolyte secondary batteries according to one aspect of the present invention

本発明の構成及び作用効果について、技術思想を交えて説明する。但し、作用機構については推定を含んでおり、その正否は、本発明を制限するものではない。なお、本発明は、その精神又は主要な特徴から逸脱することなく、他のいろいろな形で実施することができる。そのため、後述の実施形態又は実施例は、あらゆる点で単なる例示に過ぎず、限定的に解釈してはならない。さらに、特許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、すべて本発明の範囲内のものである。   The configuration and operational effects of the present invention will be described with the technical idea. However, the action mechanism includes estimation, and the correctness does not limit the present invention. It should be noted that the present invention can be implemented in various other forms without departing from the spirit or main features thereof. For this reason, the following embodiments or examples are merely examples in all respects, and should not be interpreted in a limited manner. Further, all modifications and changes belonging to the equivalent scope of the claims are within the scope of the present invention.

<正極活物質(リチウム遷移金属複合酸化物)>
本発明の一実施形態(以下、「本実施形態」という。)に係る非水電解質二次電池用正極活物質は、リチウム遷移金属複合酸化物を含む正極活物質である。
前記リチウム遷移金属複合酸化物は、高い放電容量が得られる点から、遷移金属(Me)がMnを含み、且つ、Co又はNiの内の少なくとも1つを含み、Li1+zMeO2+z(z>0)と表記することができる、いわゆる「リチウム過剰型」であり、前記リチウム遷移金属複合酸化物は、その粒子表面にホウ素を含む被覆が存在する。
この正極活物質は、典型的には、組成式Li1+zMeB2+z(Me:Mn並びにNi若しくはCoを含む遷移金属)で表される。放電容量が高い非水電解質二次電池を得るために、遷移金属元素Meに対するMnのモル比Mn/Meは0.5より大きく、遷移金属元素Meに対するLiのモル比Li/Me(上記組成式における(1+z))は、1<Li/Me<1.5のリチウム過剰型活物質とする。
<Positive electrode active material (lithium transition metal composite oxide)>
The positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery according to an embodiment of the present invention (hereinafter referred to as “this embodiment”) is a positive electrode active material containing a lithium transition metal composite oxide.
In the lithium transition metal composite oxide, since a high discharge capacity can be obtained, the transition metal (Me) contains Mn and contains at least one of Co or Ni, and Li 1 + z MeO 2 + z (z > 0), which is a so-called “lithium-excess type”, and the lithium transition metal composite oxide has a coating containing boron on the particle surface.
This positive electrode active material is typically represented by a composition formula Li 1 + z MeB y O 2 + z (Me: transition metal including Mn and Ni or Co). In order to obtain a non-aqueous electrolyte secondary battery having a high discharge capacity, the molar ratio of Mn to transition metal element Me, Mn / Me is greater than 0.5, and the molar ratio of Li to transition metal element Me, Li / Me (the above composition formula (1 + z)) is a lithium-excess type active material of 1 <Li / Me <1.5.

遷移金属元素Meに対するLiのモル比Li/Meは、1.15〜1.45が好ましく、1.2〜1.45がより好ましい。この範囲であると、放電容量が特に向上する。
遷移金属元素Meに対するMnのモル比Mn/Meは、0.60〜0.75が好ましく、0.60〜0.70がより好ましく、0.65〜0.70が特に好ましい。この範囲であると、エネルギー密度が向上する。
リチウム遷移金属複合酸化物に含有されるCoは、初期効率を向上させる効果があるが、希少資源であることからコスト高である。したがって、遷移金属元素Meに対するCoのモル比Co/Meは0.20以下とすることが好ましく、0でもよい。
遷移金属元素Meに対するNiのモル比Ni/Meは0.15〜0.35が好ましい。この範囲であると、エネルギー密度が向上する。
The molar ratio Li / Me of Li to the transition metal element Me is preferably 1.15 to 1.45, more preferably 1.2 to 1.45. Within this range, the discharge capacity is particularly improved.
The molar ratio Mn / Me of the Mn with respect to the transition metal element Me is preferably 0.60 to 0.75, more preferably 0.60 to 0.70, and particularly preferably 0.65 to 0.70. Within this range, the energy density is improved.
Co contained in the lithium transition metal composite oxide has an effect of improving the initial efficiency, but is expensive because it is a scarce resource. Therefore, the molar ratio Co / Me of Co to the transition metal element Me is preferably 0.20 or less, and may be 0.
The molar ratio Ni / Me of Ni to the transition metal element Me is preferably 0.15 to 0.35. Within this range, the energy density is improved.

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

なお、本実施形態に係るリチウム遷移金属複合酸化物は、本発明の効果を損なわない範囲で、Na,K等のアルカリ金属、Mg,Ca等のアルカリ土類金属、Fe,Zn等の3d遷移金属に代表される遷移金属など少量の他の金属を含有することを排除するものではない。   Note that the lithium transition metal composite oxide according to the present embodiment is an alkali metal such as Na and K, an alkaline earth metal such as Mg and Ca, and a 3d transition such as Fe and Zn within a range not impairing the effects of the present invention. It does not exclude inclusion of a small amount of other metals such as transition metals typified by metals.

本実施形態に係るリチウム遷移金属複合酸化物において、その粒子表面にホウ素を含む被覆を存在させることにより、充放電サイクル性能に優れた正極活物質を得ることができる。その理由は明らかではないが、正極活物質粒子表面にホウ素を含む被覆が存在することで、非水電解質との接触面積を小さくすることができ、遷移金属の溶出に伴う副反応が抑えられたためと推測される。また、ホウ素を含む被覆はLiイオンの輸送が容易であるため、放電容量を維持しつつ、充放電サイクル性能を向上させることができる。
ホウ素が、リチウム遷移金属複合酸化物の二次粒子の中心から表面にかけて均一に存在していると、高い放電容量を備えた正極活物質とすることができない。リチウム遷移金属複合酸化物の粒子表面にホウ素を含む被覆が存在することは、EPMA(電子線マイクロアナライザ)を用いて、リチウム遷移金属複合酸化物の粒子の断面について、ホウ素の分布を観察することで確認できる。本発明に係る正極活物質は、ホウ素の存在比率が、リチウム遷移金属複合酸化物の二次粒子の中心よりも表面の方が高いことが必要であり、前記粒子の中心から表面にかけて濃度傾斜を伴って存在していることが好ましく、前記粒子の表面付近に局在していることがより好ましく、前記粒子の表面のみに存在していることが最も好ましい。なお、二次粒子が複数個会合している場合、前記粒子とは、個々の二次粒子を指すものとする。
In the lithium transition metal composite oxide according to the present embodiment, a positive electrode active material excellent in charge / discharge cycle performance can be obtained by making the particle surface have a coating containing boron. The reason for this is not clear, but the presence of a coating containing boron on the surface of the positive electrode active material particles can reduce the contact area with the nonaqueous electrolyte and suppress side reactions associated with elution of transition metals. It is guessed. Moreover, since the coating containing boron can easily transport Li ions, the charge / discharge cycle performance can be improved while maintaining the discharge capacity.
If boron is present uniformly from the center to the surface of the secondary particles of the lithium transition metal composite oxide, it cannot be a positive electrode active material having a high discharge capacity. The presence of a coating containing boron on the particle surface of the lithium transition metal composite oxide means that the distribution of boron is observed on the cross section of the particle of the lithium transition metal composite oxide using EPMA (electron beam microanalyzer). It can be confirmed with. The positive electrode active material according to the present invention requires that the boron abundance ratio be higher on the surface than the center of the secondary particles of the lithium transition metal composite oxide, and the concentration gradient from the center of the particles to the surface. It is preferable to be present together, more preferably to be localized near the surface of the particle, and most preferably to be present only on the surface of the particle. In addition, when a plurality of secondary particles are associated, the particles refer to individual secondary particles.

前記ホウ素の被覆量は、遷移金属元素(Me)に対するBのモル比B/Me(上記組成式におけるy)が0.005≦B/Me≦0.05、すなわち、Meに対してBが0.5〜5mol%であることが好ましい。
Li/Me、Mn/Meが上記の組成範囲を満たすリチウム遷移金属複合酸化物であれば、上記のモル比B/Meは、概ね正極活物質中のホウ素含有量0.05〜0.48質量%に換算することができる。
Meに対してホウ素を0.5mol%以上含むことによって、充放電サイクル性能を向上させることができ、5mol%以下とすることによって、高い放電容量を維持することができる。
The boron coating amount is such that the molar ratio B / Me of transition metal element (Me) B / Me (y in the above composition formula) is 0.005 ≦ B / Me ≦ 0.05, ie, B is 0 with respect to Me. It is preferable that it is 5-5 mol%.
If Li / Me and Mn / Me are lithium transition metal composite oxides satisfying the above composition range, the molar ratio B / Me is generally about 0.05 to 0.48 mass of boron in the positive electrode active material. % Can be converted.
By containing 0.5 mol% or more of boron with respect to Me, charge / discharge cycle performance can be improved, and by setting it to 5 mol% or less, a high discharge capacity can be maintained.

本実施形態により得られる正極活物質粒子は、BET比表面積が4.0m/g以上であることが好ましく、5.0m/g以上であることがより好ましく、5.3m/g以上であることがさらに好ましい。また、BET比表面積が7.0m/g以下であることが好ましく、6.8m/g以下であることがより好ましい。
本願明細書において、正極活物質の比表面積の測定は、次の条件で行うものとする。正極活物質粒子を測定試料とし、ユアサアイオニクス社製比表面積測定装置(商品名:MONOSORB)を用いて、一点法により、測定試料に対する窒素吸着量[m]を求める。測定試料の投入量は、0.5g±0.01gとする。予備加熱は120℃15minとする。液体窒素を用いて冷却を行い、冷却過程の窒素ガス吸着量を測定する。測定された吸着量(m)を活物質質量(g)で除した値をBET比表面積とする。
図1は、本実施形態(後述の実施例4)に係るホウ素による被覆が存在する正極活物質粒子の電子顕微鏡写真であり、図2は、従来(後述の比較例1)のホウ素による被覆を有しない正極活物質粒子の電子顕微鏡写真である。どちらも炭酸塩前駆体由来であるため、球状の粒子である。
図2に示す比較例1のホウ素による被覆を有しない正極活物質粒子では、粒子表面に細かい凹凸を有する真球状であり、BET比表面積が大きく、7.0m/gを超える。
これに対して、図1に示すホウ素による被覆(BがMeに対して5mol%)が存在する本実施形態に係る正極活物質粒子では、二次粒子が複数個会合した粒子の生成が見られ、粒子表面の凹凸が比較例1よりも大きく、BET比表面積が小さくなり、5.0m/g程度になる。後述する比較例では、B含有量がMeに対して5mol%を超えると、BET比表面積がさらに小さくなり、5.0m/g未満となった。しかしながら、BET比表面積は他の製造条件によっても左右されるものであり、ホウ素の被覆量について、BがMeに対して5mol%以下のとき、BET比表面積が4.0m/g以上であれば、本発明の効果が奏される。
The positive electrode active material particles obtained according to the present embodiment preferably have a BET specific surface area of 4.0 m 2 / g or more, more preferably 5.0 m 2 / g or more, and 5.3 m 2 / g or more. More preferably. It is preferable that the BET specific surface area is less than 7.0 m 2 / g, and more preferably 6.8 m 2 / g or less.
In this specification, the specific surface area of the positive electrode active material is measured under the following conditions. Using the positive electrode active material particles as a measurement sample, a specific surface area measurement device (trade name: MONOSORB) manufactured by Yuasa Ionics Co., Ltd. is used to determine the nitrogen adsorption amount [m 2 ] on the measurement sample by a one-point method. The input amount of the measurement sample is 0.5 g ± 0.01 g. Preheating is performed at 120 ° C. for 15 minutes. Cooling is performed using liquid nitrogen, and the amount of nitrogen gas adsorbed during the cooling process is measured. A value obtained by dividing the measured adsorption amount (m 2 ) by the active material mass (g) is defined as a BET specific surface area.
FIG. 1 is an electron micrograph of positive electrode active material particles in which a coating with boron according to the present embodiment (Example 4 described later) is present, and FIG. 2 illustrates a conventional coating with boron (Comparative Example 1 described later). It is an electron micrograph of the positive electrode active material particle which does not have. Since both are derived from a carbonate precursor, they are spherical particles.
The positive electrode active material particles having no boron coating of Comparative Example 1 shown in FIG. 2 are true spheres having fine irregularities on the particle surface, have a large BET specific surface area, and exceed 7.0 m 2 / g.
On the other hand, in the positive electrode active material particles according to this embodiment in which the coating with boron (B is 5 mol% with respect to Me) shown in FIG. 1 is generated, the generation of particles in which a plurality of secondary particles are associated is observed. The irregularities on the particle surface are larger than those in Comparative Example 1, and the BET specific surface area is reduced to about 5.0 m 2 / g. In a comparative example to be described later, when the B content exceeds 5 mol% with respect to Me, the BET specific surface area is further reduced to less than 5.0 m 2 / g. However, the BET specific surface area depends on other production conditions. When the boron coating amount is 5 mol% or less with respect to Me, the BET specific surface area should be 4.0 m 2 / g or more. If it is, the effect of this invention is show | played.

<正極活物質の製造方法>
本実施形態に係る非水電解質二次電池用正極活物質の製造方法は、遷移金属炭酸塩前駆体を作製し、前記前駆体とリチウム化合物を混合し焼成して、リチウム過剰型のリチウム遷移金属酸化物粒子を作製し、前記粒子にホウ素化合物を混合し、熱処理して、前記粒子表面にホウ素を含む被覆を形成することを備える。
本実施形態に係る正極活物質に用いるリチウム遷移金属複合酸化物は、基本的に、活物質を構成する金属元素(Li,Ni,Co,Mn)を目的とする活物質(酸化物)の組成どおりに含有する原料を調製し、これを焼成することによって得ることができる。但し、Li原料の量については、焼成中にLi原料の一部が消失することを見込んで、1〜5%程度過剰に仕込むことが好ましい。
<Method for producing positive electrode active material>
The method for producing a positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery according to the present embodiment includes producing a transition metal carbonate precursor, mixing and calcining the precursor and a lithium compound, and lithium-excess lithium transition metal Forming oxide particles, mixing a boron compound with the particles, and heat-treating to form a coating containing boron on the particle surfaces;
The lithium transition metal composite oxide used for the positive electrode active material according to the present embodiment is basically composed of an active material (oxide) for the purpose of metal elements (Li, Ni, Co, Mn) constituting the active material. It can be obtained by preparing a raw material containing the same and firing it. However, with respect to the amount of the Li raw material, it is preferable to add an excess of about 1 to 5% in view of the disappearance of a part of the Li raw material during firing.

目的とする組成の複合酸化物を作製するにあたり、Li,Ni,Co,Mnのそれぞれの塩を混合し焼成するいわゆる「固相法」や、Ni、Co及びMnを含有する原料水溶液を滴下し、溶液中でNi、Co及びMnを含有する化合物を共沈させて、予めNi,Co,Mnを一粒子中に存在させた共沈前駆体を作製しておき、これにLi塩を混合し焼成する「共沈法」が知られている。「固相法」による合成過程では、特にMnはNi,Coに対して均一に固溶しにくいため、各元素が一粒子中に均一に分布した試料を得ることは困難であり、「共沈法」の方が原子レベルで均一相を得ることが容易である。そこで、本実施形態に係るリチウム遷移金属複合酸化物の製造方法においては、遷移金属の共沈前駆体を作製する。   In producing a composite oxide having a desired composition, a so-called “solid phase method” in which salts of Li, Ni, Co, and Mn are mixed and fired, or a raw material aqueous solution containing Ni, Co, and Mn is dropped. Then, a compound containing Ni, Co and Mn is coprecipitated in a solution to prepare a coprecipitation precursor in which Ni, Co and Mn are present in one particle in advance, and a Li salt is mixed with this. A “coprecipitation method” of firing is known. In the synthesis process by the “solid phase method”, since Mn is difficult to be uniformly dissolved in Ni and Co, it is difficult to obtain a sample in which each element is uniformly distributed in one particle. The “method” is easier to obtain a homogeneous phase at the atomic level. Therefore, in the method for producing a lithium transition metal composite oxide according to the present embodiment, a transition metal coprecipitation precursor is prepared.

遷移金属の共沈前駆体としては、炭酸塩前駆体と水酸化物前駆体が知られている。炭酸塩前駆体を用いると、水酸化物前駆体を用いるよりも比表面積が大きい球状の正極活物質粒子を得ることができる。比表面積が大きい正極活物質は、活物質/電解質界面から粒子内部への拡散距離が短いから、放電容量及び初期効率が高い正極活物質が得られる。したがって、本実施形態においては、炭酸塩前駆体を用いる製造方法を選択する。   Carbonate precursors and hydroxide precursors are known as transition metal coprecipitation precursors. When the carbonate precursor is used, spherical positive electrode active material particles having a specific surface area larger than that of using the hydroxide precursor can be obtained. Since the positive electrode active material having a large specific surface area has a short diffusion distance from the active material / electrolyte interface to the inside of the particle, a positive electrode active material having a high discharge capacity and high initial efficiency can be obtained. Therefore, in this embodiment, the manufacturing method using a carbonate precursor is selected.

遷移金属の共沈前駆体を作製するにあたって、Ni,Co,MnのうちMnは酸化されやすく、Ni,Co,Mnが2価の状態で均一に分布した共沈前駆体を作製することが容易ではないため、Ni,Co,Mnの原子レベルでの均一な混合は不十分なものとなりやすい。したがって、共沈前駆体に分布して存在するMnの酸化を抑制するために、溶存酸素を除去することが好ましい。溶存酸素を除去する方法としては、酸素を含まないガスをバブリングする方法が挙げられる。酸素を含まないガスとしては、限定されるものではないが、窒素ガス、アルゴンガス、二酸化炭素(CO)等を用いることができる。 In preparing a transition metal coprecipitation precursor, Mn is easily oxidized among Ni, Co, and Mn, and it is easy to prepare a coprecipitation precursor in which Ni, Co, and Mn are uniformly distributed in a divalent state. Therefore, uniform mixing at the atomic level of Ni, Co, and Mn tends to be insufficient. Therefore, it is preferable to remove dissolved oxygen in order to suppress oxidation of Mn present in the coprecipitation precursor. Examples of the method for removing dissolved oxygen include a method of bubbling a gas not containing oxygen. The gas not containing oxygen is not limited, but nitrogen gas, argon gas, carbon dioxide (CO 2 ), or the like can be used.

溶液中でNi、Co及びMnを含有する化合物を共沈させて前駆体を作製する工程におけるpHは限定されるものではないが、炭酸塩前駆体を作製する場合には、7.5〜11とすることができる。pHを9.4以下とすることにより、タップ密度を1.25g/cc以上とすることができ、高率放電性能を向上させることができる。さらに、pHを8.0以下とすることにより、粒子成長速度を促進できるので、原料水溶液滴下終了後の撹拌継続時間を短縮できる。   The pH in the step of preparing a precursor by co-precipitation of a compound containing Ni, Co and Mn in a solution is not limited. However, when preparing a carbonate precursor, 7.5 to 11 is used. It can be. By setting the pH to 9.4 or less, the tap density can be set to 1.25 g / cc or more, and the high rate discharge performance can be improved. Furthermore, since the particle growth rate can be accelerated by setting the pH to 8.0 or less, the stirring continuation time after completion of dropping of the raw material aqueous solution can be shortened.

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

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

また、反応槽内にNH等の錯化剤が存在し、かつ一定の対流条件を適用した場合、前記原料水溶液の滴下終了後、さらに攪拌を続けることにより、粒子の自転および攪拌槽内における公転が促進され、この過程で、粒子同士が衝突しつつ、粒子が段階的に同心円球状に成長する。即ち、共沈前駆体は、反応槽内に原料水溶液が滴下された際の金属錯体形成反応、及び、前記金属錯体が反応槽内の滞留中に生じる沈殿形成反応という2段階での反応を経て形成される。したがって、前記原料水溶液の滴下終了後、さらに攪拌を続ける時間を適切に選択することにより、目的とする粒子径を備えた共沈前駆体を得ることができる。 Further, when a complexing agent such as NH 3 is present in the reaction tank and a certain convection condition is applied, by continuing the stirring after the dropwise addition of the raw material aqueous solution, the rotation of the particles and in the stirring tank are performed. Revolution is promoted, and in this process, particles collide with each other, and the particles grow into concentric spheres step by step. That is, the coprecipitation precursor undergoes a reaction in two stages: a metal complex formation reaction when the raw material aqueous solution is dropped into the reaction tank, and a precipitation formation reaction that occurs while the metal complex is retained in the reaction tank. It is formed. Therefore, a coprecipitation precursor having a target particle size can be obtained by appropriately selecting a time for continuing stirring after the dropping of the raw material aqueous solution.

原料水溶液滴下終了後の好ましい攪拌継続時間については、反応槽の大きさ、攪拌条件、pH、反応温度等にも影響されるが、粒子を均一な球状粒子として成長させるために0.5時間以上の反応時間が好ましく、1時間以上がより好ましい。また、粒子径が大きくなりすぎることで電池の低SOC領域における出力性能が充分でないものとなる虞を低減させるため、30時間以下が好ましく、25時間以下がより好ましく、20時間以下が最も好ましい。   The preferable stirring duration after the dropping of the raw material aqueous solution is influenced by the size of the reaction vessel, stirring conditions, pH, reaction temperature, etc., but 0.5 hours or more in order to grow the particles as uniform spherical particles The reaction time is preferably 1 hour or longer. Further, in order to reduce the possibility that the output performance in the low SOC region of the battery is not sufficient due to the particle size becoming too large, it is preferably 30 hours or less, more preferably 25 hours or less, and most preferably 20 hours or less.

上記のようにして得られた共沈前駆体と、水酸化リチウム、炭酸リチウム等のLi化合物とを焼成することでリチウム遷移金属複合酸化物粒子を得ることができる。
焼成温度は、活物質の可逆容量に影響を与える。
焼成温度が低すぎると、結晶化が十分に進まず、電極特性が低下する傾向がある。本実施形態においては、焼成温度は800℃以上とすることが好ましい。800℃以上とすることにより、焼結度が高い正極活物質粒子を得ることができ、充放電サイクル性能を向上させることができる。
一方、焼成温度が高すぎると層状α−NaFeO構造から岩塩型立方晶構造へと構造変化がおこり、充放電反応中における正極活物質中のリチウムイオン移動に不利な状態となり、放電性能が低下する。また、焼結が進みすぎて比表面積が小さくなったり、細孔容積が減少したりするため、放電容量や初期効率が低下する。本実施形態において、焼成温度は900℃以下とすることが好ましい。900℃以下とすることにより、充放電サイクル性能を向上させることができる。
したがって、本実施形態に係るリチウム遷移金属複合酸化物を含有する正極活物質を作製する場合、充放電サイクル性能を向上させるために、焼成温度は800〜900℃とすることが好ましい。焼成時の雰囲気は酸化性ガス雰囲気が好ましく、より好ましくは通常の空気である。焼成時間は1〜30時間が好ましい。
Lithium transition metal composite oxide particles can be obtained by firing the coprecipitation precursor obtained as described above and a Li compound such as lithium hydroxide or lithium carbonate.
The firing temperature affects the reversible capacity of the active material.
If the firing temperature is too low, crystallization does not proceed sufficiently and the electrode characteristics tend to deteriorate. In the present embodiment, the firing temperature is preferably 800 ° C. or higher. By setting the temperature to 800 ° C. or higher, positive electrode active material particles having a high degree of sintering can be obtained, and charge / discharge cycle performance can be improved.
On the other hand, if the firing temperature is too high, the structural change occurs from the layered α-NaFeO 2 structure to the rock salt cubic structure, which is disadvantageous for lithium ion movement in the positive electrode active material during the charge / discharge reaction, and the discharge performance decreases. To do. Further, since the sintering progresses too much, the specific surface area becomes small or the pore volume decreases, so that the discharge capacity and the initial efficiency are lowered. In the present embodiment, the firing temperature is preferably 900 ° C. or lower. By setting the temperature to 900 ° C. or less, the charge / discharge cycle performance can be improved.
Therefore, when producing the positive electrode active material containing the lithium transition metal complex oxide according to the present embodiment, the firing temperature is preferably set to 800 to 900 ° C. in order to improve charge / discharge cycle performance. The atmosphere during firing is preferably an oxidizing gas atmosphere, and more preferably normal air. The firing time is preferably 1 to 30 hours.

炭酸塩前駆体を用いて上記の焼成を行うと、窒素ガス吸着法を用いた吸着等温線からBJH法で求めた細孔分布における微分細孔容積が極大値を示す細孔径が10〜100nmの範囲に存在し、その極大値が0.20mm/(g・nm)以上のリチウム遷移金属複合酸化物の粒子を得ることができる。
リチウム遷移金属複合酸化物の粒子の細孔容積は、次の窒素ガス吸着法を用いた測定により求める。前記測定の脱離側において得られる吸着等温線に対して、細孔が円筒形であるという仮定に基づいて、BJH法を適用して累積細孔容積カーブを求める。次に、前記累積細孔容積カーブを線形(linear)微分することにより、横軸を細孔径(nm)とし、縦軸を細孔容積(mm/(g・nm))とする微分細孔容積カーブを得る。本明細書において、「微分細孔容積が最大値を示す細孔径」とは、前記微分細孔容積カーブが最大値を示す点に対応する横軸の値をいう。また、「ピーク微分細孔容積」とは、前記微分細孔容積カーブが最大値を示す点に対応する縦軸の値をいう。
When the above-mentioned calcination is performed using a carbonate precursor, the pore diameter is 10 to 100 nm where the differential pore volume in the pore distribution obtained by the BJH method from the adsorption isotherm using the nitrogen gas adsorption method shows the maximum value. Lithium transition metal composite oxide particles having a maximum value of 0.20 mm 3 / (g · nm) or more can be obtained.
The pore volume of the lithium transition metal composite oxide particles is determined by measurement using the following nitrogen gas adsorption method. Based on the assumption that the pores are cylindrical with respect to the adsorption isotherm obtained on the desorption side of the measurement, a cumulative pore volume curve is obtained by applying the BJH method. Next, by differentiating the cumulative pore volume curve linearly, differential pores in which the horizontal axis is the pore diameter (nm) and the vertical axis is the pore volume (mm 3 / (g · nm)) Get the volume curve. In the present specification, the “pore diameter at which the differential pore volume exhibits the maximum value” refers to a value on the horizontal axis corresponding to the point at which the differential pore volume curve exhibits the maximum value. “Peak differential pore volume” refers to the value on the vertical axis corresponding to the point at which the differential pore volume curve shows the maximum value.

本実施形態においては、上記の焼成工程により合成されたリチウム遷移金属複合酸化物粒子にホウ素化合物を混合し、熱処理して、粒子表面にホウ素を含む被覆を形成する工程を備える。
ホウ素化合物の混合量は、リチウム遷移金属複合酸化物の遷移金属元素(Me)に対するモル比B/Meで0.005≦B/Me≦0.05(Meに対して0.5〜5.0mol%)とする。
前記ホウ素化合物としては、ホウ酸(HBO)又は酸化ホウ素(B)を用いることが好ましい。混合するホウ素化合物としてホウ酸を使用する場合、正極活物質に対して概ね0.29〜2.8質量%のホウ酸を混合することにより、上記のモル比B/Meが得られる。
混合後の熱処理は、空気雰囲気中、200℃〜600℃で1〜10時間行うことが好ましい。熱処理温度を600℃以下とすることにより、リチウム遷移金属複合酸化物の粒子の内部へのホウ素の拡散を抑制できる。
In the present embodiment, a step is provided in which a boron compound is mixed with the lithium transition metal composite oxide particles synthesized by the firing step and heat-treated to form a coating containing boron on the particle surface.
The mixing amount of the boron compound is 0.005 ≦ B / Me ≦ 0.05 (0.5 to 5.0 mol with respect to Me) at a molar ratio B / Me to the transition metal element (Me) of the lithium transition metal composite oxide. %).
As the boron compound, boric acid (H 3 BO 3 ) or boron oxide (B 2 O 3 ) is preferably used. When boric acid is used as the boron compound to be mixed, the above molar ratio B / Me can be obtained by mixing approximately 0.29 to 2.8% by mass of boric acid with respect to the positive electrode active material.
The heat treatment after mixing is preferably performed at 200 ° C. to 600 ° C. for 1 to 10 hours in an air atmosphere. By setting the heat treatment temperature to 600 ° C. or lower, it is possible to suppress the diffusion of boron into the lithium transition metal composite oxide particles.

<負極材料>
負極材料としては、限定されるものではなく、リチウムイオンを放出あるいは吸蔵することのできる形態のものであればどれを選択してもよい。例えば、Li[Li1/3Ti5/3]Oに代表されるスピネル型結晶構造を有するチタン酸リチウム等のチタン系材料、SiやSb,Sn系などの合金系材料、リチウム金属、リチウム合金(リチウム−シリコン、リチウム−アルミニウム,リチウム−鉛,リチウム−スズ,リチウム−アルミニウム−スズ,リチウム−ガリウム,及びウッド合金等のリチウム金属含有合金)、リチウム複合酸化物(リチウム−チタン)、酸化珪素の他、リチウムを吸蔵・放出可能な合金、炭素材料(例えばグラファイト、ハードカーボン、低温焼成炭素、非晶質カーボン等)等が挙げられる。
<Negative electrode material>
The negative electrode material is not limited, and any negative electrode material may be selected as long as it can release or occlude lithium ions. For example, titanium-based materials such as lithium titanate having a spinel crystal structure typified by Li [Li 1/3 Ti 5/3 ] O 4 , alloy-based materials such as Si, Sb, and Sn-based materials, lithium metal, lithium Alloys (lithium-containing alloys such as lithium-silicon, lithium-aluminum, lithium-lead, lithium-tin, lithium-aluminum-tin, lithium-gallium, and wood alloys), lithium composite oxide (lithium-titanium), oxidation In addition to silicon, alloys that can occlude / release lithium, carbon materials (eg, graphite, hard carbon, low-temperature fired carbon, amorphous carbon, etc.), and the like can be given.

<正極・負極>
正極活物質の粉体および負極材料の粉体は、平均粒子サイズ(D50)が100μm以下であることが望ましい。特に、正極活物質の粉体は、非水電解質電池の高出力特性を向上する目的で50μm以下であることが好ましく、充放電サイクル性能を維持するためには3μm以上であることが好ましい。粉体を所定の形状で得るためには粉砕機や分級機が用いられる。例えば乳鉢、ボールミル、サンドミル、振動ボールミル、遊星ボールミル、ジェットミル、カウンタージェトミル、旋回気流型ジェットミルや篩等が用いられる。粉砕時には水、あるいはヘキサン等の有機溶剤を共存させた湿式粉砕を用いることもできる。分級方法としては、特に限定はなく、篩や風力分級機などが、乾式、湿式ともに必要に応じて用いられる。
<Positive electrode / Negative electrode>
The positive electrode active material powder and the negative electrode material powder preferably have an average particle size (D50) of 100 μm or less. In particular, the positive electrode active material powder is preferably 50 μm or less for the purpose of improving the high output characteristics of the nonaqueous electrolyte battery, and preferably 3 μm or more in order to maintain charge / discharge cycle performance. In order to obtain the powder in a predetermined shape, a pulverizer or a classifier is used. For example, a mortar, a ball mill, a sand mill, a vibrating ball mill, a planetary ball mill, a jet mill, a counter jet mill, a swirling air flow type jet mill or a sieve is used. At the time of pulverization, wet pulverization in the presence of water or an organic solvent such as hexane may be used. There is no particular limitation on the classification method, and a sieve, an air classifier, or the like is used as needed for both dry and wet methods.

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

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

これらの中で、導電剤としては、電子伝導性及び塗工性の観点よりアセチレンブラックが望ましい。導電剤の添加量は、正極または負極の総重量に対して0.1重量%〜50重量%が好ましく、特に0.5重量%〜30重量%が好ましい。特にアセチレンブラックを0.1〜0.5μmの超微粒子に粉砕して用いると必要炭素量を削減できるため望ましい。これらの混合方法は、物理的な混合であり、その理想とするところは均一混合である。そのため、V型混合機、S型混合機、擂かい機、ボールミル、遊星ボールミルといったような粉体混合機を乾式、あるいは湿式で混合することが可能である。   Among these, as the conductive agent, acetylene black is desirable from the viewpoints of electron conductivity and coatability. The addition amount of the conductive agent is preferably 0.1% by weight to 50% by weight, and particularly preferably 0.5% by weight to 30% by weight with respect to the total weight of the positive electrode or the negative electrode. In particular, it is desirable to use acetylene black by pulverizing into ultrafine particles of 0.1 to 0.5 μm because the required carbon amount can be reduced. These mixing methods are physical mixing, and the ideal is uniform mixing. Therefore, powder mixers such as V-type mixers, S-type mixers, crackers, ball mills, and planetary ball mills can be mixed dry or wet.

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

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

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

集電体としては、Al箔、Cu箔等の集電箔を用いることができる。正極の集電箔としてはAl箔が好ましく、負極の集電箔としてはCu箔が好ましい。集電箔の厚みは10〜30μmが好ましい。また、合剤層の厚みはプレス後において、40〜150μm(集電箔厚みを除く)が好ましい。   As the current collector, a current collector foil such as an Al foil or a Cu foil can be used. The positive electrode current collector foil is preferably an Al foil, and the negative electrode current collector foil is preferably a Cu foil. The thickness of the current collector foil is preferably 10 to 30 μm. Further, the thickness of the mixture layer is preferably 40 to 150 μm (excluding the current collector foil thickness) after pressing.

<非水電解質>
本実施形態に係る非水電解質二次電池に用いる非水電解質は、限定されるものではなく、一般にリチウム電池等への使用が提案されているものが使用可能である。非水電解質に用いる非水溶媒としては、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ブチレンカーボネート、クロロエチレンカーボネート、ビニレンカーボネート等の環状炭酸エステル類;γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン等の環状エステル類;ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート等の鎖状カーボネート類;ギ酸メチル、酢酸メチル、酪酸メチル等の鎖状エステル類;テトラヒドロフランまたはその誘導体;1,3−ジオキサン、1,4−ジオキサン、1,2−ジメトキシエタン、1,4−ジブトキシエタン、メチルジグライム等のエーテル類;アセトニトリル、ベンゾニトリル等のニトリル類;ジオキソランまたはその誘導体;エチレンスルフィド、スルホラン、スルトンまたはその誘導体等の単独またはそれら2種以上の混合物等を挙げることができるが、これらに限定されるものではない。
<Nonaqueous electrolyte>
The nonaqueous electrolyte used for the nonaqueous electrolyte secondary battery according to the present embodiment is not limited, and those generally proposed for use in lithium batteries and the like can be used. Nonaqueous solvents used for the nonaqueous electrolyte include cyclic carbonates such as propylene carbonate, ethylene carbonate, butylene carbonate, chloroethylene carbonate and vinylene carbonate; cyclic esters such as γ-butyrolactone and γ-valerolactone; dimethyl carbonate, Chain carbonates such as diethyl carbonate and ethyl methyl carbonate; chain esters such as methyl formate, methyl acetate and methyl butyrate; tetrahydrofuran or derivatives thereof; 1,3-dioxane, 1,4-dioxane, 1,2-dimethoxy Ethers such as ethane, 1,4-dibutoxyethane and methyldiglyme; Nitriles such as acetonitrile and benzonitrile; Dioxolane or derivatives thereof; Ethylene sulfide, sulfolane, sultone or derivatives thereof Examples thereof include a conductor alone or a mixture of two or more thereof, but are not limited thereto.

非水電解質に用いる電解質塩としては、例えば、LiClO4,LiBF4,LiAsF6,LiPF6,LiSCN,LiBr,LiI,Li2SO4,Li210Cl10,NaClO4,NaI,NaSCN,NaBr,KClO4,KSCN等のリチウム(Li)、ナトリウム(Na)またはカリウム(K)の1種を含む無機イオン塩、LiCF3SO3,LiN(CF3SO22,LiN(C25SO22,LiN(CF3SO2)(C49SO2),LiC(CF3SO23,LiC(C25SO23,(CH34NBF4,(CH34NBr,(C254NClO4,(C254NI,(C374NBr,(n−C494NClO4,(n−C494NI,(C254N−maleate,(C254N−benzoate,(C254N−phthalate、ステアリルスルホン酸リチウム、オクチルスルホン酸リチウム、ドデシルベンゼンスルホン酸リチウム等の有機イオン塩等が挙げられ、これらのイオン性化合物を単独、あるいは2種類以上混合して用いることが可能である。 Examples of the electrolyte salt used for the nonaqueous electrolyte include LiClO 4 , LiBF 4 , LiAsF 6 , LiPF 6 , LiSCN, LiBr, LiI, Li 2 SO 4 , Li 2 B 10 Cl 10 , NaClO 4 , NaI, NaSCN, NaBr. , KClO 4 , KSCN, and other inorganic ion salts containing one of lithium (Li), sodium (Na), or potassium (K), LiCF 3 SO 3 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , LiN (C 2 F 5 SO 2 ) 2 , LiN (CF 3 SO 2 ) (C 4 F 9 SO 2 ), LiC (CF 3 SO 2 ) 3 , LiC (C 2 F 5 SO 2 ) 3 , (CH 3 ) 4 NBF 4 , ( CH 3 ) 4 NBr, (C 2 H 5 ) 4 NClO 4 , (C 2 H 5 ) 4 NI, (C 3 H 7 ) 4 NBr, (n-C 4 H 9 ) 4 NClO 4 , (n-C 4 H 9) 4 NI, ( C 2 H 5) 4 N-mal ate, (C 2 H 5) 4 N-benzoate, (C 2 H 5) 4 N-phthalate, lithium stearyl sulfonate, lithium octyl sulfonate, organic ion salts of lithium dodecyl benzene sulfonate, and the like. These These ionic compounds can be used alone or in admixture of two or more.

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

また、非水電解質として常温溶融塩やイオン液体を用いてもよい。   Moreover, you may use normal temperature molten salt and an ionic liquid as a nonaqueous electrolyte.

非水電解質における電解質塩の濃度としては、高い電池特性を有する非水電解質電池を確実に得るために、0.1mol/l〜5mol/lが好ましく、さらに好ましくは、0.5mol/l〜2.5mol/lである。   The concentration of the electrolyte salt in the non-aqueous electrolyte is preferably 0.1 mol / l to 5 mol / l, more preferably 0.5 mol / l to 2 in order to reliably obtain a non-aqueous electrolyte battery having high battery characteristics. .5 mol / l.

<セパレータ>
本実施形態に係る非水電解質二次電池に用いるセパレータとしては、優れた高率放電性能を示す多孔膜や不織布等を、単独あるいは併用することが好ましい。非水電解質電池用セパレータを構成する材料としては、例えばポリエチレン,ポリプロピレン等に代表されるポリオレフィン系樹脂、ポリエチレンテレフタレート,ポリブチレンテレフタレート等に代表されるポリエステル系樹脂、ポリフッ化ビニリデン、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、フッ化ビニリデン−パーフルオロビニルエーテル共重合体、フッ化ビニリデン−テトラフルオロエチレン共重合体、フッ化ビニリデン−トリフルオロエチレン共重合体、フッ化ビニリデン−フルオロエチレン共重合体、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロアセトン共重合体、フッ化ビニリデン−エチレン共重合体、フッ化ビニリデン−プロピレン共重合体、フッ化ビニリデン−トリフルオロプロピレン共重合体、フッ化ビニリデン−テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、フッ化ビニリデン−エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体等を挙げることができる。
<Separator>
As a separator used for the non-aqueous electrolyte secondary battery according to the present embodiment, it is preferable to use a porous film or a nonwoven fabric exhibiting excellent high rate discharge performance alone or in combination. Examples of the material constituting the separator for a nonaqueous electrolyte battery include polyolefin resins typified by polyethylene, polypropylene, etc., polyester resins typified by polyethylene terephthalate, polybutylene terephthalate, etc., polyvinylidene fluoride, vinylidene fluoride-hexa. Fluoropropylene copolymer, vinylidene fluoride-perfluorovinyl ether copolymer, vinylidene fluoride-tetrafluoroethylene copolymer, vinylidene fluoride-trifluoroethylene copolymer, vinylidene fluoride-fluoroethylene copolymer, fluorine Vinylidene fluoride-hexafluoroacetone copolymer, vinylidene fluoride-ethylene copolymer, vinylidene fluoride-propylene copolymer, vinylidene fluoride-trifluoropropylene copolymer, vinylidene fluoride - tetrafluoroethylene - hexafluoropropylene copolymer, vinylidene fluoride - ethylene - can be mentioned tetrafluoroethylene copolymer.

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

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

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

前記親溶媒性ポリマーとしては、ポリフッ化ビニリデンの他、エチレンオキシド基やエステル基等を有するアクリレートモノマー、エポキシモノマー、イソシアナート基を有するモノマー等が架橋したポリマー等が挙げられる。該モノマーは、ラジカル開始剤を併用して加熱や紫外線(UV)を用いたり、電子線(EB)等の活性光線等を用いて架橋反応を行わせることが可能である。   Examples of the solvophilic polymer include polyvinylidene fluoride, an acrylate monomer having an ethylene oxide group or an ester group, an epoxy monomer, a polymer having a monomer having an isocyanate group, and the like crosslinked. The monomer can be subjected to a crosslinking reaction using a radical initiator in combination with heating or ultraviolet rays (UV), or using an actinic ray such as an electron beam (EB).

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

<非水電解質二次電池>
本発明の一側面に係る非水電解質二次電池の実施形態であるリチウム二次電池を図5に示す。図5は、矩形状のリチウム二次電池の容器内部を透視した斜視図である。電極群2が収納された電池容器3内に非水電解質(電解液)を注入することによりリチウム二次電池1が組み立てられる。電極群2は、正極活物質を備える正極と、負極活物質を備える負極とが、セパレータを介して捲回されることにより形成されている。正極は、正極リード4’を介して正極端子4と電気的に接続され、負極は、負極リード5’を介して負極端子5と電気的に接続されている。
本実施形態に係るリチウム二次電池の形状については特に限定されるものではなく、円筒型電池、角型電池(矩形状の電池)、扁平型電池等が一例として挙げられる。
<Nonaqueous electrolyte secondary battery>
FIG. 5 shows a lithium secondary battery which is an embodiment of the nonaqueous electrolyte secondary battery according to one aspect of the present invention. FIG. 5 is a perspective view of the inside of a rectangular lithium secondary battery seen through. The lithium secondary battery 1 is assembled by injecting a nonaqueous electrolyte (electrolytic solution) into the battery container 3 in which the electrode group 2 is housed. The electrode group 2 is formed by winding a positive electrode including a positive electrode active material and a negative electrode including a negative electrode active material via a separator. The positive electrode is electrically connected to the positive electrode terminal 4 via the positive electrode lead 4 ′, and the negative electrode is electrically connected to the negative electrode terminal 5 via the negative electrode lead 5 ′.
The shape of the lithium secondary battery according to this embodiment is not particularly limited, and examples thereof include a cylindrical battery, a square battery (rectangular battery), a flat battery, and the like.

本発明は、他の一側面として上記のリチウム二次電池を複数個集合した蓄電装置としても実現することができる。蓄電装置の一例を図6に示す。図6において、蓄電装置30は、複数の蓄電ユニット20を備えている。それぞれの蓄電ユニット20は、複数のリチウム二次電池1を備えている。前記蓄電装置30は、電気自動車(EV)、ハイブリッド自動車(HEV)、プラグインハイブリッド自動車(PHEV)等の自動車用電源として搭載することができる。   The present invention can also be realized as a power storage device in which a plurality of the above lithium secondary batteries are assembled as another aspect. An example of the power storage device is illustrated in FIG. In FIG. 6, the power storage device 30 includes a plurality of power storage units 20. Each power storage unit 20 includes a plurality of lithium secondary batteries 1. The power storage device 30 can be mounted as a power source for vehicles such as an electric vehicle (EV), a hybrid vehicle (HEV), and a plug-in hybrid vehicle (PHEV).

(実施例1)
<前駆体作製工程>
硫酸コバルト7水和物13.8g、硫酸ニッケル6水和物19.9g及び硫酸マンガン5水和物66.3gを秤量し、これらの全量をイオン交換水200mlに溶解させ、Co:Ni:Mnのモル比が12.3:18.9:68.7となる2.0Mの硫酸塩水溶液を作製した。一方、2Lの反応槽に750mlのイオン交換水を注ぎ、COガスを30minバブリングさせることにより、イオン交換水中にCOを溶解させた。反応槽の温度を50℃(±2℃)に設定し、攪拌モーターを備えたディスクタービン翼を用いて、邪魔板付きの反応槽内を1000rpmの回転速度で攪拌しながら、前記硫酸塩水溶液を3ml/minの速度で滴下した。ここで、滴下の開始から終了までの間、1.0Mの炭酸ナトリウム及びアンモニアを含有する水溶液を適宜滴下することにより、反応槽中のpHが常に8.0(±0.05)、アンモニア濃度が0.5g/Lを保つように制御した。滴下終了後、反応槽内の攪拌をさらに3時間継続した。攪拌の停止後、12時間以上静置した。
次に、吸引ろ過装置を用いて、反応槽内に生成した共沈炭酸塩の粒子を分離し、さらにイオン交換水を用いて粒子に付着しているナトリウムイオンを洗浄除去し、電気炉を用いて、空気雰囲気中、常圧下、80℃にて乾燥させた。その後、粒径を揃えるために、瑪瑙製自動乳鉢で数分間粉砕した。このようにして、共沈炭酸塩前駆体を作製した。
Example 1
<Precursor production process>
Weigh 13.8 g of cobalt sulfate heptahydrate, 19.9 g of nickel sulfate hexahydrate and 66.3 g of manganese sulfate pentahydrate, and dissolve all of them in 200 ml of ion-exchanged water. Co: Ni: Mn A 2.0 M aqueous sulfate solution with a molar ratio of 12.3: 18.9: 68.7 was prepared. On the other hand, 750 ml of ion exchange water was poured into a 2 L reaction tank, and CO 2 gas was bubbled for 30 minutes to dissolve CO 2 in the ion exchange water. The temperature of the reaction vessel was set to 50 ° C. (± 2 ° C.), and the aqueous sulfate solution was stirred while stirring the reaction vessel with a baffle plate at a rotational speed of 1000 rpm using a disc turbine blade equipped with a stirring motor. The solution was dropped at a rate of 3 ml / min. Here, during the period from the start to the end of dropping, an aqueous solution containing 1.0 M sodium carbonate and ammonia is appropriately dropped, so that the pH in the reaction tank is always 8.0 (± 0.05), the ammonia concentration. Was controlled to maintain 0.5 g / L. After completion of the dropwise addition, stirring in the reaction vessel was further continued for 3 hours. After the stirring was stopped, the mixture was allowed to stand for 12 hours or more.
Next, using a suction filtration device, the coprecipitated carbonate particles produced in the reaction vessel are separated, and sodium ions adhering to the particles are washed away using ion-exchanged water, and an electric furnace is used. And dried at 80 ° C. under normal pressure in an air atmosphere. Then, in order to arrange | equalize a particle size, it grind | pulverized for several minutes with the smoked automatic mortar. In this way, a coprecipitated carbonate precursor was produced.

<焼成工程>
前記共沈炭酸塩前駆体3.00gに、炭酸リチウム1.40gを加え、瑪瑙製自動乳鉢を用いて十分混合し、Li:(Co,Ni,Mn)のモル比が1.42:1である混合粉体を調製した。前記混合粉体をアルミナ製るつぼに載置し、箱型電気炉(型番:AMF20)に設置し、空気雰囲気中、常圧下、常温から870℃まで10時間かけて昇温し、870℃で4時間焼成した。前記箱型電気炉の内部寸法は、縦10cm、幅20cm、奥行き30cmであり、幅方向20cm間隔に電熱線が入っている。焼成後、ヒーターのスイッチを切り、アルミナ製るつぼを炉内に置いたまま自然放冷した。この結果、炉の温度は5時間後には約200℃程度にまで低下するが、その後の降温速度はやや緩やかである。一昼夜経過後、炉の温度が100℃以下となっていることを確認してから、ペレットを取り出し、粒径を揃えるために、瑪瑙製自動乳鉢で数分間粉砕した。このようにして、比較例1に係るリチウム遷移金属複合酸化物Li1.42Ni0.189o0.123Mn0.6872+zを合成した。ここで、前記組成式から化学量論的に計算されるzの値は0.42であるが、α−NaFeO型結晶構造を有している限りzの値は必ずしも化学量論比通りでなくてよい。以下の実施例および比較例においても同様である。
<Baking process>
1.40 g of lithium carbonate is added to 3.00 g of the coprecipitated carbonate precursor, and mixed well using a smoked automatic mortar. The molar ratio of Li: (Co, Ni, Mn) is 1.42: 1. A mixed powder was prepared. The mixed powder was placed in an alumina crucible and placed in a box-type electric furnace (model number: AMF20). The temperature was raised from ambient temperature to normal temperature to 870 ° C. over 10 hours in an air atmosphere, and the temperature was increased at 870 ° C. for 4 hours. Baked for hours. The box-type electric furnace has internal dimensions of 10 cm in length, 20 cm in width, and 30 cm in depth, and heating wires are inserted at intervals of 20 cm in the width direction. After firing, the heater was turned off and allowed to cool naturally with the alumina crucible placed in the furnace. As a result, the temperature of the furnace decreases to about 200 ° C. after 5 hours, but the subsequent temperature decrease rate is somewhat moderate. After the passage of day and night, it was confirmed that the furnace temperature was 100 ° C. or lower, and then the pellets were taken out and pulverized for several minutes in a smoked automatic mortar in order to make the particle diameter uniform. Thus, the lithium transition metal complex oxide Li 1.42 Ni 0.189 Co 0.123 Mn 0.687 O 2 + z according to Comparative Example 1 was synthesized. Here, the value of z calculated stoichiometrically from the composition formula is 0.42, but the value of z is not necessarily in the stoichiometric ratio as long as it has an α-NaFeO 2 type crystal structure. It is not necessary. The same applies to the following examples and comparative examples.

<表面処理工程>
合成したリチウム遷移金属複合酸化物3.0gに、ホウ酸0.0087gを加え、瑪瑙製自動乳鉢を用いて十分混合し、Li:(Co,Ni,Mn):Bのモル比が1.42:1:0.005である混合粉体を調製した。前記混合粉体をアルミナ製るつぼに載置し、箱型電気炉(型番:AMF20)に設置し、空気雰囲気中、常圧下、常温から400℃まで1.5℃/minの昇温速度で昇温し、400℃で5時間熱処理した。前記箱型電気炉の内部寸法は、縦10cm、幅20cm、奥行き30cmであり、幅方向20cm間隔に電熱線が入っている。熱処理後、ヒーターのスイッチを切り、アルミナ製るつぼを炉内に置いたまま自然放冷した。この結果、降温速度はやや緩やかである。一昼夜経過後、炉の温度が100℃以下となっていることを確認してから、ペレットを取り出し、粒径を揃えるために、瑪瑙製自動乳鉢で数分間粉砕した。このようにして、実施例1に係るリチウム遷移金属複合酸化物Li1.42Ni0.189Co0.123Mn0.6870.0052+zを作製した。ここで、前記組成式から化学量論的に計算されるzの値は0.42であるが、α−NaFeO型結晶構造を有している限りzの値は必ずしも化学量論比通りでなくてよい。
<Surface treatment process>
0.0087 g of boric acid is added to 3.0 g of the synthesized lithium transition metal composite oxide and mixed well using a smoked automatic mortar, and the molar ratio of Li: (Co, Ni, Mn): B is 1.42. A mixed powder of 1: 0.005 was prepared. The mixed powder is placed in an alumina crucible and placed in a box-type electric furnace (model number: AMF20), and the temperature is increased from normal temperature to 400 ° C at a temperature increase rate of 1.5 ° C / min in an air atmosphere. Warmed and heat treated at 400 ° C. for 5 hours. The box-type electric furnace has internal dimensions of 10 cm in length, 20 cm in width, and 30 cm in depth, and heating wires are inserted at intervals of 20 cm in the width direction. After the heat treatment, the heater was turned off, and the alumina crucible was left in the furnace and allowed to cool naturally. As a result, the temperature drop rate is slightly moderate. After the passage of day and night, it was confirmed that the furnace temperature was 100 ° C. or lower, and then the pellets were taken out and pulverized for several minutes in a smoked automatic mortar in order to make the particle diameter uniform. Thus, to prepare a lithium transition metal composite oxide Li 1.42 Ni 0.189 Co 0.123 Mn 0.687 B 0.005 O 2 + z according to the first embodiment. Here, the value of z calculated stoichiometrically from the composition formula is 0.42, but the value of z is not necessarily in the stoichiometric ratio as long as it has an α-NaFeO 2 type crystal structure. It is not necessary.

(比較例1)
実施例1において合成したLi1.42Ni0.189Co0.123Mn0.6872+zに表面処理工程を行わないリチウム遷移金属複合酸化物を比較例1とした(図2参照)。
(Comparative Example 1)
Lithium transition metal composite oxide that was not subjected to the surface treatment step on Li 1.42 Ni 0.189 Co 0.123 Mn 0.687 O 2 + z synthesized in Example 1 was defined as Comparative Example 1 (see FIG. 2). .

(実施例2〜4)
実施例1において合成したLi1.42Ni0.189Co0.123Mn0.6872+zに対して、遷移金属元素に対するホウ素のモル比がそれぞれ2mol%、3mol%、及び5mol%となるようにホウ酸を加えて、表面処理工程を行った以外は実施例1と同様にして、実施例2〜4に係るリチウム遷移金属複合酸化物Li1.42Ni0.189Co0.123Mn0.6870.022+z、Li1.42Ni0.189Co0.123Mn0.6870.032+z、及びLi1.42Ni0.189Co0.123Mn0.6870.052+zを作製した(実施例4については、図1参照。)。
(Examples 2 to 4)
With respect to Li 1.42 Ni 0.189 Co 0.123 Mn 0.687 O 2 + z synthesized in Example 1, the molar ratio of boron to transition metal element was 2 mol%, 3 mol%, and 5 mol%, respectively. The lithium transition metal composite oxides Li 1.42 Ni 0.189 Co 0.123 according to Examples 2 to 4 were the same as Example 1 except that boric acid was added and the surface treatment step was performed. Mn 0.687 B 0.02 O 2 + z , Li 1.42 Ni 0.189 Co 0.123 Mn 0.687 B 0.03 O 2 + z and Li 1.42 Ni 0.189 Co 0.123 Mn 0.687 B 0.05 O 2 + z was produced (see FIG. 1 for Example 4).

(比較例2,3)
実施例1において合成したLi1.42Ni0.189Co0.123Mn0.6872+zに対して、遷移金属元素に対するホウ素のモル比がそれぞれ7mol%、及び10mol%となるようにホウ酸を加えて表面処理工程を行った以外は実施例1と同様にして、比較例2,3に係るリチウム遷移金属複合酸化物Li1.42Ni0.189Co0.123Mn0.6870.072+z、及びLi1.42Ni0.189Co0.123Mn0.6870.102+zを作製した。
(Comparative Examples 2 and 3)
With respect to Li 1.42 Ni 0.189 Co 0.123 Mn 0.687 O 2 + z synthesized in Example 1, the molar ratio of boron to transition metal element is 7 mol% and 10 mol%, respectively. The lithium transition metal composite oxide Li 1.42 Ni 0.189 Co 0.123 Mn 0.687 according to Comparative Examples 2 and 3 was obtained in the same manner as in Example 1 except that boric acid was added and the surface treatment step was performed. B 0.07 O 2 + z and Li 1.42 Ni 0.189 Co 0.123 Mn 0.687 B 0.10 O 2 + z were prepared.

(比較例4)
硫酸コバルト7水和物、硫酸ニッケル6水和物及び硫酸マンガン5水和物をCo:Ni:Mnのモル比が1:1:1となるように秤量した以外は、実施例1と同様にして共沈炭酸塩前駆体を作製した。
前記共沈炭酸塩前駆体に、炭酸リチウムをLi:(Co,Ni,Mn)のモル比が1.13:1になるように加えた以外は、実施例1と同様の混合工程、焼成工程を行い、表処理工程を行わずに、比較例4に係るリチウム遷移金属複合酸化物Li1.13Ni0.33Co0.33Mn0.332+zを合成した。前記組成式から化学量論的に計算されるzの値は0.13であるが、α−NaFeO型結晶構造を有している限りzの値は必ずしも化学量論比通りでなくてよい。
(Comparative Example 4)
Except that cobalt sulfate heptahydrate, nickel sulfate hexahydrate and manganese sulfate pentahydrate were weighed so that the molar ratio of Co: Ni: Mn was 1: 1: 1, the same as in Example 1 was performed. Thus, a coprecipitated carbonate precursor was prepared.
A mixing step and a firing step similar to Example 1 except that lithium carbonate was added to the coprecipitated carbonate precursor so that the molar ratio of Li: (Co, Ni, Mn) was 1.13: 1. The lithium transition metal composite oxide Li 1.13 Ni 0.33 Co 0.33 Mn 0.33 O 2 + z according to Comparative Example 4 was synthesized without performing the surface treatment step. The value of z calculated stoichiometrically from the composition formula is 0.13, but the value of z does not necessarily have to be in the stoichiometric ratio as long as it has an α-NaFeO 2 type crystal structure. .

(比較例5〜8)
比較例4で合成したリチウム遷移金属複合酸化物Li1.13Ni0.33Co0.33Mn0.332+zに対して、遷移金属元素に対するホウ素のモル比がそれぞれ0.5,2,3及び5mol%となるようにホウ酸を加えて表面処理工程を行った以外は比較例4と同様にして、比較例5〜8に係るリチウム遷移金属複合酸化物Li1.13Ni0.33Co0.33Mn0.330.0052+z、Li1.13Ni0.33Co0.33Mn0.330.022+z、Li1.13Ni0.33Co0.33Mn0.330.032+z、およびLi1.13Ni0.33Co0.33Mn0.330.052+zを作製した。
(Comparative Examples 5 to 8)
With respect to the lithium transition metal composite oxide Li 1.13 Ni 0.33 Co 0.33 Mn 0.33 O 2 + z synthesized in Comparative Example 4, the molar ratio of boron to transition metal element was 0.5, Lithium transition metal composite oxides Li 1.13 Ni 0 according to Comparative Examples 5 to 8 were the same as Comparative Example 4 except that boric acid was added so as to be 2, 3 and 5 mol% and the surface treatment step was performed. .33 Co 0.33 Mn 0.33 B 0.005 O 2 + z , Li 1.13 Ni 0.33 Co 0.33 Mn 0.33 B 0.02 O 2 + z , Li 1.13 Ni 0 .33 Co 0.33 Mn 0.33 B 0.03 O 2 + z, and to prepare a Li 1.13 Ni 0.33 Co0.33Mn 0.33 B 0.05 O 2 + z.

[結晶構造の確認]
実施例1〜4及び比較例1〜8に係るリチウム遷移金属複合酸化物をエックス線回折装置(Rigaku社製、型名:MiniFlex II)を用いて粉末エックス線回折測定を行った。
その結果、全ての実施例及び比較例において作成したリチウム遷移金属複合酸化物は、α−NaFeO構造を有することを確認した。
[Confirmation of crystal structure]
Powder X-ray diffraction measurement was performed on the lithium transition metal composite oxides according to Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 8 using an X-ray diffractometer (manufactured by Rigaku, model name: MiniFlex II).
As a result, it was confirmed that the lithium transition metal composite oxides prepared in all Examples and Comparative Examples had an α-NaFeO 2 structure.

[比表面積の測定]
上記した測定条件を採用して、実施例1〜4及び比較例1〜3に係るリチウム遷移金属複合酸化物について、BET比表面積を測定した。測定に当たって、液体窒素を用いた冷却によるガス吸着を行った。また、冷却前に120℃15minの予備加熱を行った。また、測定試料の投入量は、0.5g±0.01gとした。
[Specific surface area measurement]
By adopting the measurement conditions described above, the BET specific surface area was measured for the lithium transition metal composite oxides according to Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 3. In the measurement, gas adsorption by cooling with liquid nitrogen was performed. In addition, preheating at 120 ° C. for 15 minutes was performed before cooling. The input amount of the measurement sample was 0.5 g ± 0.01 g.

<非水電解質二次電池用正極の作製>
実施例1〜4及び比較例1〜8に係るリチウム遷移金属複合酸化物をそれぞれ非水電解質二次電池用正極活物質として用いて、以下の手順で、非水電解質二次電池用正極を作製した。N−メチルピロリドンを分散媒とし、正極活物質、アセチレンブラック(AB)及びポリフッ化ビニリデン(PVdF)が質量比90:5:5の割合で混練分散されている塗布用ペーストを作製した。該塗布ペーストを厚さ20μmのアルミニウム箔集電体の片方の面に塗布し、正極板を作製した。なお、全ての実施例及び比較例に係る非水電解質二次電池同士で試験条件が同一になるように、一定面積当たりに塗布されている活物質の質量及び塗布厚みを統一した。
<Preparation of positive electrode for nonaqueous electrolyte secondary battery>
Using the lithium transition metal composite oxides according to Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 8 as a positive electrode active material for a nonaqueous electrolyte secondary battery, a positive electrode for a nonaqueous electrolyte secondary battery was produced by the following procedure. did. Using N-methylpyrrolidone as a dispersion medium, a coating paste in which a positive electrode active material, acetylene black (AB), and polyvinylidene fluoride (PVdF) were kneaded and dispersed at a mass ratio of 90: 5: 5 was prepared. The coating paste was applied to one side of an aluminum foil current collector having a thickness of 20 μm to produce a positive electrode plate. In addition, the mass and coating thickness of the active material applied per fixed area were standardized so that the test conditions were the same among the nonaqueous electrolyte secondary batteries according to all Examples and Comparative Examples.

<非水電解質二次電池の作製>
非水電解質二次電池の負極には、正極の理論容量に対して十分に大きい容量を備える金属リチウムをニッケル集電体に貼り付けた金属リチウム電極を用いた。
<Preparation of nonaqueous electrolyte secondary battery>
As the negative electrode of the nonaqueous electrolyte secondary battery, a metal lithium electrode in which metal lithium having a capacity sufficiently larger than the theoretical capacity of the positive electrode was attached to a nickel current collector was used.

実施例1〜4及び比較例1〜9に係るリチウム遷移金属複合酸化物を用いたそれぞれのリチウム二次電池用正極を用い、上記の負極を用いた非水電解質二次電池を作製した(以下、それぞれ実施例電池1〜4、比較例電池1〜9という。)。   Using each of the positive electrodes for lithium secondary batteries using the lithium transition metal composite oxides according to Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 9, non-aqueous electrolyte secondary batteries using the above negative electrodes were produced (hereinafter referred to as the following). And Example batteries 1 to 4 and Comparative example batteries 1 to 9, respectively).

非水電解質として、エチレンカーボネート(EC)/エチルメチルカーボネート(EMC)/ジメチルカーボネート(DMC)が体積比6:7:7である混合溶媒に濃度が1mol/lとなるようにLiPFを溶解させた溶液を用いた。セパレータとして、ポリアクリレートで表面改質したポリプロピレン製の微孔膜を用いた。外装体には、ポリエチレンテレフタレート(15μm)/アルミニウム箔(50μm)/金属接着性ポリプロピレンフィルム(50μm)からなる金属樹脂複合フィルムを用い、正極端子及び負極端子の開放端部が外部露出するように電極を収納し、前記金属樹脂複合フィルムの内面同士が向かい合った融着代を注液孔となる部分を除いて気密封止し、前記非水電解質を注液後、注液孔を封止した。 As a non-aqueous electrolyte, LiPF 6 was dissolved in a mixed solvent of ethylene carbonate (EC) / ethyl methyl carbonate (EMC) / dimethyl carbonate (DMC) in a volume ratio of 6: 7: 7 so that the concentration would be 1 mol / l. Solution was used. As the separator, a polypropylene microporous film whose surface was modified with polyacrylate was used. A metal resin composite film made of polyethylene terephthalate (15 μm) / aluminum foil (50 μm) / metal-adhesive polypropylene film (50 μm) is used for the exterior body, and the electrodes are exposed so that the open ends of the positive electrode terminal and the negative electrode terminal are exposed to the outside. The metal resin composite film was hermetically sealed with the fusion allowance where the inner surfaces of the metal resin composite films faced each other except for the portion serving as a liquid injection hole, and the liquid injection hole was sealed after the nonaqueous electrolyte was injected.

[初期充放電工程]
実施例1〜4及び比較例1〜3の電池について、25℃にて、2サイクルの初期充放電を行った。これらの電池の充電は、電流0.1CmA、電圧4.7Vの定電流定電圧充電とし、充電終止条件は電流値が1/6に減衰した時点とした。放電は、電流0.1CmA、終止電圧2.0Vの定電流放電とした。ここで、充電後及び放電後にそれぞれ10分の休止過程を設け、初期放電容量を確認した。
比較例4〜8の電池について、充電終止電圧を4.45Vとし、放電終止電圧を2.75Vとした以外は実施例1〜4及び比較例1〜3の電池と同様の条件で初期充放電を行い、初期放電容量を確認した。
[Initial charge / discharge process]
The batteries of Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 3 were subjected to two cycles of initial charge / discharge at 25 ° C. The charging of these batteries was constant current and constant voltage charging with a current of 0.1 CmA and a voltage of 4.7 V, and the charge termination condition was when the current value attenuated to 1/6. The discharge was a constant current discharge with a current of 0.1 CmA and a final voltage of 2.0 V. Here, a pause process of 10 minutes was provided after charging and discharging, respectively, and the initial discharge capacity was confirmed.
For the batteries of Comparative Examples 4 to 8, initial charge and discharge were performed under the same conditions as those of Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 3 except that the charge end voltage was 4.45 V and the discharge end voltage was 2.75 V. The initial discharge capacity was confirmed.

[充放電サイクル試験]
初期放電容量を確認後、25サイクルの充放電サイクル試験を行った。実施例1〜4及び比較例1〜3の電池について、充電は、電流1CmA、電圧4.7Vの定電流定電圧充電とし、充電終止条件は電流値が1/6に減衰した時点とした。放電は、電流1CmA、終止電圧2.0Vの定電流放電とした。ここで、充電後及び放電後にそれぞれ10分の休止過程を設けた。比較例4〜8の電池について、充電終止電圧を4.45Vとし、放電終止電圧を2.75Vとした以外は実施例1〜4及び比較例1〜3の電池と同様の条件で充放電した。
上記充放電サイクル試験における1サイクル目の放電容量に対する25サイクル目の放電容量の百分率を算出し、「容量維持率(%)」とした。
[Charge / discharge cycle test]
After confirming the initial discharge capacity, a 25-cycle charge / discharge cycle test was conducted. Regarding the batteries of Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 3, charging was performed at a constant current and a constant voltage at a current of 1 CmA and a voltage of 4.7 V, and the charge termination condition was set at the time when the current value was attenuated to 1/6. The discharge was a constant current discharge with a current of 1 CmA and a final voltage of 2.0V. Here, a pause process of 10 minutes was provided after charging and discharging, respectively. The batteries of Comparative Examples 4 to 8 were charged and discharged under the same conditions as the batteries of Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 3 except that the charge end voltage was 4.45 V and the discharge end voltage was 2.75 V. .
The percentage of the discharge capacity at the 25th cycle with respect to the discharge capacity at the 1st cycle in the charge / discharge cycle test was calculated to be “capacity maintenance ratio (%)”.

以上の結果を表1に示す。   The results are shown in Table 1.

表1の実施例1〜4及び比較例1〜3の結果から、遷移金属(Me)中のMnのモル比Mn/Meが0.5を超え、遷移金属(Me)に対するリチウムのモル比Li/Meが1を超えるリチウム過剰型活物質において、Meに対してホウ素を0.5mol%以上添加し、活物質表面にホウ素を含む被覆を形成すると、容量維持率が向上していることがわかる。但し、ホウ素の前記添加量が5mol%を超える比較例2,3では、初期放電容量が比較例1(ホウ素非添加品)から5%以上低下し、25サイクルの充放電後の放電容量も比較例1を下回っている。また、ホウ素添加量が増加すると、BET比表面積の減少が見られる。
したがって、高い放電容量と充放電サイクル後の容量維持率の向上を兼ね備えたホウ素を含む被覆を形成するためのホウ素添加量は、0.5〜5mol%であることが好ましい。
From the results of Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 3 in Table 1, the molar ratio of Mn in transition metal (Me) Mn / Me exceeds 0.5, and the molar ratio of lithium to transition metal (Me) Li In a lithium-excess type active material with / Me exceeding 1 and adding 0.5 mol% or more of boron to Me and forming a coating containing boron on the active material surface, it can be seen that the capacity retention rate is improved. . However, in Comparative Examples 2 and 3 in which the amount of boron added exceeds 5 mol%, the initial discharge capacity is reduced by 5% or more from Comparative Example 1 (non-boron added product), and the discharge capacity after 25 cycles of charge and discharge is also compared. Below example 1. Moreover, when the boron addition amount increases, the BET specific surface area decreases.
Therefore, it is preferable that the boron addition amount for forming a coating containing boron having both a high discharge capacity and an improvement in capacity retention rate after the charge / discharge cycle is 0.5 to 5 mol%.

比較例4〜8は、遷移金属中のMnのモル比Mn/Meが0.5以下であり、Ni:Co:Mnの比率が1:1:1のLiMeO型活物質を用い、ホウ素添加によるホウ素を含む被覆の影響を調べた例である。
ホウ素を添加しない比較例1と比較例4とを対比すると、LiMeO型活物質は、容量維持率が高く、充放電サイクル性能に優れているが、初期放電容量がリチウム過剰型活物質より格段に小さいことがわかる。そして、LiMeO型活物質にホウ素を添加すると、少ない添加量では容量維持率の向上に効果が無く(比較例5,6)、添加量の増大とともに放電容量が低下する結果となる(比較例7,8)。
したがって、活物質粒子の表面にホウ素を含む被覆を形成することにより、高い放電容量と充放電サイクル後の高い容量維持率とを両立する効果は、リチウム過剰型活物質に特有のものであることがわかる。
Comparative Examples 4 to 8 use a LiMeO 2 type active material having a Mn molar ratio Mn / Me in the transition metal of 0.5 or less and a Ni: Co: Mn ratio of 1: 1: 1. It is the example which investigated the influence of the coating containing boron by.
Comparing Comparative Example 1 and Comparative Example 4 in which no boron is added, the LiMeO 2 type active material has a high capacity retention rate and excellent charge / discharge cycle performance, but the initial discharge capacity is much higher than the lithium excess type active material. It can be seen that it is small. When boron is added to the LiMeO 2 type active material, there is no effect in improving the capacity retention rate with a small addition amount (Comparative Examples 5 and 6), and the discharge capacity decreases as the addition amount increases (Comparative Example). 7, 8).
Therefore, by forming a coating containing boron on the surface of the active material particles, the effect of achieving both a high discharge capacity and a high capacity retention rate after the charge / discharge cycle is unique to the lithium-rich active material. I understand.

本発明に係るリチウム遷移金属複合酸化物を含有する正極活物質を用いることにより、高い放電容量と高い充放電サイクル性能を兼ね備えた非水電解質二次電池を提供することができるので、この非水電解質二次電池は、ハイブリッド自動車用、電気自動車用の非水電解質二次電池として有用である。   By using the positive electrode active material containing the lithium transition metal composite oxide according to the present invention, a non-aqueous electrolyte secondary battery having a high discharge capacity and a high charge / discharge cycle performance can be provided. The electrolyte secondary battery is useful as a non-aqueous electrolyte secondary battery for hybrid vehicles and electric vehicles.

1 非水電解質二次電池(リチウム二次電池)
2 電極群
3 電池容器
4 正極端子
4’ 正極リード
5 負極端子
5’ 負極リード
20 蓄電ユニット
30 蓄電装置
1 Nonaqueous electrolyte secondary battery (lithium secondary battery)
2 Electrode group 3 Battery container 4 Positive electrode terminal 4 ′ Positive electrode lead 5 Negative electrode terminal 5 ′ Negative electrode lead 20 Power storage unit 30 Power storage device

Claims (5)

リチウム遷移金属複合酸化物を含む非水電解質二次電池用正極活物質であって、
前記リチウム遷移金属複合酸化物は、
α−NaFeO構造を有し、
遷移金属元素(Me)がMnを含み、且つ、Co又はNiの内の少なくとも1つを含み、
Meに対するMnのモル比Mn/Meが0.5<Mn/Meであり、
Meに対するLiのモル比Li/Meが1<Li/Me<1.5であり、
前記リチウム遷移金属複合酸化物の粒子表面にホウ素を含む被覆が存在し、
Meに対して前記ホウ素を0.5mol%以上5mol%以下含む、
非水電解質二次電池用正極活物質。
A positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery comprising a lithium transition metal composite oxide,
The lithium transition metal composite oxide is
having an α-NaFeO 2 structure,
The transition metal element (Me) contains Mn and contains at least one of Co or Ni;
The molar ratio of Mn to Me, Mn / Me is 0.5 <Mn / Me,
The molar ratio of Li to Me Li / Me is 1 <Li / Me <1.5,
A coating containing boron is present on the particle surface of the lithium transition metal composite oxide,
Containing 0.5 mol% or more and 5 mol% or less of the boron with respect to Me;
Positive electrode active material for non-aqueous electrolyte secondary battery.
前記リチウム遷移金属複合酸化物は、BET比表面積が4.0m/g以上7.0m/g以下である、請求項1に記載の非水電解質二次電池用正極活物質。 2. The positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery according to claim 1, wherein the lithium transition metal composite oxide has a BET specific surface area of 4.0 m 2 / g or more and 7.0 m 2 / g or less. 請求項1又は2に記載の非水電解質二次電池用正極活物質の製造方法であって、
Mnと、Co又はNiの内の少なくとも1つを含み、遷移金属元素(Me)に対するMnのモル比Mn/Meが0.5<Mn/Meである遷移金属炭酸塩前駆体を作製し、
前記遷移金属炭酸塩前駆体とリチウム化合物を混合し焼成して、Meに対するLiモル比Li/Meが1<Li/Me<1.5であるリチウム遷移金属複合酸化物の粒子を作製し、
前記粒子にホウ素化合物を混合し、熱処理して、ホウ素を含む被覆を前記粒子の表面に形成することを備える非水電解質二次電池用正極活物質の製造方法。
A method for producing a positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery according to claim 1 or 2,
A transition metal carbonate precursor comprising Mn and at least one of Co or Ni, wherein a molar ratio of Mn to transition metal element (Me) Mn / Me is 0.5 <Mn / Me;
The transition metal carbonate precursor and the lithium compound are mixed and fired to produce lithium transition metal composite oxide particles in which the Li molar ratio Li / Me to Me is 1 <Li / Me <1.5,
A method for producing a positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery, comprising: mixing a boron compound with the particles, and performing heat treatment to form a coating containing boron on the surface of the particles.
請求項1又は2に記載の正極活物質を含有する非水電解質二次電池用正極。   The positive electrode for nonaqueous electrolyte secondary batteries containing the positive electrode active material of Claim 1 or 2. 請求項4に記載の正極、負極及び非水電解質を備える非水電解質二次電池。
A nonaqueous electrolyte secondary battery comprising the positive electrode according to claim 4, a negative electrode, and a nonaqueous electrolyte.
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