JP2019003786A - 正極活物質、非水二次電池、および正極活物質の製造方法 - Google Patents

正極活物質、非水二次電池、および正極活物質の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】放電容量を維持しつつ、サイクル特性を向上させることが可能な正極活物質、非水二次電池、および正極活物質の製造方法を提供する。【解決手段】ニッケルを主成分とするリチウム複合酸化物を含有する活物質粒子と、前記活物質粒子の表面を被覆する被覆層と、を備える正極活物質であって、前記被覆層は、必須元素としてLiおよびLaを含み、Al、Zr、Nb、Sc、Ti、TaおよびYからなる群より選択された1種以上の元素Eをさらに含む酸化物を含有し、前記被覆層の割合は、前記正極活物質の総質量に対して0.3質量%以上1.0質量%以下である、正極活物質。【選択図】図1

Description

本発明は、正極活物質、非水二次電池、および正極活物質の製造方法に関する。
近年、各種電子機器の小型化および軽量化に伴い、これらの電子機器の電源として使用される非水二次電池の高容量化および高電位化が求められている。例えば、ニッケル(Ni)を主成分とするリチウム複合酸化物は、比較的高い電位と、高容量とを示す正極活物質として知られている。このようなニッケルを主成分とするリチウム複合酸化物は、一般的にグラファイト(graphite)を対極として4.2Vの充電電圧で使用される。
近年、高容量化のため、ニッケルを主成分とするリチウム複合酸化物を用いた非水二次電池にて、ニッケル比率を増加させると共に充電電圧を高めることが検討されている。
具体的には、グラファイトを対極として充電電圧を4.3Vに高めることで、ニッケル比率80%で200mAh/g以上の高容量を実現することができる。しかしながら、上記のような高充電電圧では、リチウム複合酸化物の酸化力が極めて高くなる。これにより、脱リチウム化されたリチウム複合酸化物の結晶構造の安定性が失われるため、非水二次電池のサイクル(cycle)特性が低下してしまう。
そのため、ニッケルを主成分とするリチウム複合酸化物を用いた非水二次電池では、サイクル特性を向上させるために種々の改善が試みられている。
例えば、下記の特許文献1には、リチウムニッケルコバルト(LiNiCo)複合酸化物にハロゲン(halgen)元素をドーピング(doping)することが開示されている。これにより、非水二次電池のサイクル特性を向上させることができる。また、下記の特許文献2には、リチウムニッケルコバルト(LiNiCo)複合酸化物に、B、Al、InおよびSnのうちの1種以上の元素を添加することが開示されている。これにより、非水二次電池のサイクル特性を向上させることができる。さらに、下記の特許文献3には、リチウムニッケルコバルトアルミニウム(LiNiCoAl)複合酸化物を硫酸塩およびホウ酸化合物で被覆することが開示されている。これにより、非水二次電池のサイクル特性を向上させることができる。
特開2006−261127号公報 特開平8−78006号公報 特開2009−146739号公報
しかし、上記特許文献1〜3に開示された技術では、正極活物質に異種元素を添加している。そのため、正極活物質にてリチウムがインターカレーション(intercalation)およびデインターカレーション(deintercalation)することが可能な範囲が狭まってしまう。そのため、上記特許文献1〜3に開示された非水二次電池では、サイクル特性が向上する一方で、放電容量が低下してしまっていた。
そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものである。本発明の目的は、放電容量を維持しつつ、サイクル特性をより向上させることが可能な正極活物質、非水二次電池、および正極活物質の製造方法を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、下記化学式1で表されるリチウム複合酸化物を含有する活物質粒子と、前記活物質粒子の表面を被覆する被覆層と、を備える正極活物質であって、前記被覆層は、必須元素としてLiおよびLaを含み、Al、Zr、Nb、Sc、Ti、TaおよびYからなる群より選択された1種以上の元素Eをさらに含む酸化物を含有し、前記被覆層の割合は、前記正極活物質の総質量に対して0.3質量%以上1.0質量%以下である、正極活物質が提供される。
LiNiCo ・・化学式1
上記化学式1において、Mは、Al、Mn、Cr、Fe、V、Mg、Ti、Zr、Nb、Mo、W、Cu、Zn、Ga、In、Sn、La、およびCeからなる群から選択される1種または2種以上の金属元素であり、0.10≦a≦1.20であり、0.70≦x<1.00、かつ0<y≦0.20、かつ0≦z≦0.10、かつx+y+z=1である。
上記構成により、非水二次電池の放電容量を維持しつつ、サイクル特性を向上させることができる。
前記元素Eは、ZrまたはTiであってもよい。
上記構成により、非水二次電池の放電容量の低下をさらに抑制することができる。
前記被覆層は、平均粒径が0.1μm以上1μm以下である前記酸化物の粒子にて形成されてもよい。
上記構成により、乾式プロセスによって形成された被覆層にて、非水二次電池の放電容量を維持しつつ、サイクル特性を向上させることができる。
前記酸化物の粒子は、ガーネット型固体電解質であるLiLaZr12を含有してもよい。
上記構成により、非水二次電池の放電容量の低下をさらに抑制することができる。
前記酸化物の粒子は、ペロブスカイト型固体電解質であるLa0.5Li0.3TiOを含有してもよい。
上記構成により、非水二次電池の放電容量の低下をさらに抑制することができる。
前記被覆層の厚さは、0.1μm以上1μm以下であってもよい。
上記構成により、湿式プロセスによって形成された被覆層にて、非水二次電池の放電容量を維持しつつ、サイクル特性を向上させることができる。
質量平均分子量が500,000以上800,000以下のポリアクリロニトリルを含有し、前記被覆層の上からさらに前記活物質粒子を被覆する樹脂被覆層を備えてもよい。
上記構成により、非水二次電池の放電容量を維持しつつ、サイクル特性をさらに向上させることができる。
前記活物質粒子は、複数の一次粒子が結合した二次粒子であり、前記一次粒子の長径の平均長さは、0.1μm以上2μm以下であり、前記二次粒子の平均粒子径は、3μm以上20μm以下であってもよい。
上記構成により、非水二次電池の電池特性をさらに向上させることができる。
また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、上記のいずれかに記載された正極活物質を含む正極と、アルカリ金属イオン、アルカリ土類金属イオンまたはアルミニウムイオンをカチオンとする塩、フルオロエチレンカーボネート、フルオロエーテルおよびフルオロカーボネートを含有する電解液と、を備える、非水二次電池が提供される。
上記構成により、非水二次電池は、放電容量を維持しつつ、サイクル特性を向上させることができる。
セラミックにてコーティングされたセパレータをさらに備えてもよい。
上記構成により、非水二次電池は、信頼性を向上させることができる。
前記セパレータは、元素としてMgまたはAlを含有してもよい。
上記構成により、非水二次電池は、信頼性を向上させることができる。
また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、下記化学式1で表されるリチウム複合酸化物を含有する活物質粒子を形成するステップと、前記活物質粒子の表面に被覆層を形成するステップと、を含む正極活物質の製造方法であって、前記被覆層は、必須元素としてLiおよびLaを含み、Al、Zr、Nb、Sc、Ti、TaおよびYからなる群より選択された1種以上の元素Eをさらに含む酸化物を含有し、前記被覆層は、湿式または乾式プロセスによって前記正極活物質の総質量に対して0.3質量%以上1.0質量%以下で前記活物質粒子の表面を被覆する、正極活物質の製造方法が提供される。
LiNiCo ・・化学式1
上記化学式1において、Mは、Al、Mn、Cr、Fe、V、Mg、Ti、Zr、Nb、Mo、W、Cu、Zn、Ga、In、Sn、La、およびCeからなる群から選択される1種以上の金属元素であり、0.10≦a≦1.20であり、0.70≦x<1.00、かつ0<y≦0.20、かつ0≦z≦0.10、かつx+y+z=1である。
上記構成により、非水二次電池の放電容量を維持しつつ、サイクル特性を向上させることが可能な正極活物質を製造することができる。
前記被覆層は、前記活物質粒子の表面に前記酸化物を被覆した後、500℃以上600℃以下で前記活物質粒子を熱処理することで形成されてもよい。
上記構成により、非水二次電池の放電容量を維持しつつ、サイクル特性を向上させることが可能な正極活物質を製造することができる。
前記活物質粒子は、共沈法によって形成されてもよい。
上記構成により、非水二次電池の放電容量を維持しつつ、サイクル特性を向上させることが可能な正極活物質を製造することができる。
以上説明したように本発明によれば、非水二次電池の放電容量を維持しつつ、サイクル特性を向上させることが可能である。
本発明の一実施形態に係る非水二次電池の構成を模式的に示す説明図である。
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
<1.非水二次電池の構成>
まず、図1を参照して、本発明の一実施形態に係る非水二次電池10の構成について、具体的に説明する。
図1に示すように、非水二次電池10は、正極20と、負極30と、電解液を含浸させたセパレータ(separator)層40とを備える。なお、非水二次電池10の形態は、特に限定されない。例えば、非水二次電池10の形態は、円筒型、角型、ラミネート(laminate)型、またはボタン(button)型等のいずれであってもよい。
正極20は、集電体21と、正極活物質層22とを含む。集電体21は、導電体であればどのようなものでも良い。例えば、集電体21は、アルミニウム(aluminium)、ステンレス鋼(stainless steel)、またはニッケルメッキ鋼(nickel‐plated steel)等であってもよい。
正極活物質層22は、正極活物質およびバインダ(binder)樹脂を少なくとも含み、さらに導電助剤を含んでもよい。なお、正極活物質、導電助剤、およびバインダ樹脂の含有量の比率は、特に制限されない。該含有量の比率は、一般的な非水二次電池にて用いられる含有量の比率を使用することが可能である。
導電助剤は、正極の導電性を高める。導電助剤は、例えば、ケッチェンブラック(ketjen black)、およびアセチレンブラック(acetylene black)等のカーボンブラック(carbon black)、天然黒鉛、人造黒鉛、カーボンナノチューブ(carbon nanotubes)、グラフェン(graphene)、およびカーボンナノファイバ(carbon nanofibers)等の繊維状炭素、または、これら繊維状炭素とカーボンブラック(carbon black)との複合体等を用いることができる。ただし、導電助剤は、正極の導電性を高めることができれば、上記の物質に限定されずに、他の物質を用いることが可能である。
バインダ樹脂は、正極活物質および導電助剤を集電体21上に結着させる。バインダ樹脂は、例えば、ポリフッ化ビニリデン(polyvinylidene difluoride)、エチレンプロピレンジエン三元共重合体(ethylene−propylene−diene terpolymer)、スチレンブタジエンゴム(styrene−butadiene rubber)、アクリロニトリルブタジエンゴム(acrylonitrile−butadiene rubber)、フッ素ゴム(fluoroelastomer)、ポリ酢酸ビニル(polyvinyl acetate)、ポリメチルメタクリレート(polymethylmethacrylate)、ポリエチレン(polyethylene)、またはニトロセルロース(nitrocellulose)等を用いることができる。ただし、バインダ樹脂は、正極活物質および導電剤を集電体21上に結着させることができれば、上記の物質に限定されない。例えば、バインダ樹脂として他の物質を用いることも可能である。
本実施形態において、正極活物質は、活物質粒子と、活物質粒子の表面を被覆する被覆層とを備える。また、正極活物質は、被覆層の上に、さらに活物質粒子を被覆する樹脂被覆層を備えていてもよい。
活物質粒子は、ニッケルを主成分とするリチウム複合酸化物を含有し、具体的には、下記化学式1で表されるリチウム複合酸化物を含有する。
LiNiCo ・・・化学式1
上記化学式1において、Mは、アルミニウム(Al)、マンガン(Mn)、クロム(Cr)、鉄(Fe)、バナジウム(V)、マグネシウム(Mg)、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、タングステン(W)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、ガリウム(Ga)、インジウム(In)、スズ(Sn)、ランタン(La)、およびセリウム(Ce)からなる群から選択される1種または2種以上の金属元素であり、0.10≦a≦1.20であり、0.70≦x<1.00、かつ0<y≦0.20、かつ0≦z≦0.10、かつx+y+z=1である。
上記化学式1において、Mは、好ましくは、Al、Mn、MgおよびTiからなる群から選択される1種または2種以上の金属元素である。また、aは、好ましくは、0.10≦a≦1.00であり、x、y、zは、好ましくは、0.80≦x≦0.95、かつ0.05≦y≦0.20、かつ0≦z≦0.10、かつx+y+z=1である。
上記化学式1で表されるリチウム複合酸化物を含有する活物質粒子を用いてもよい。これにより、非水二次電池10は、グラファイト(graphite)を対極として4.3V以上の高充電電圧で使用することができる。
なお、活物質粒子は、上記化学式1で表されるリチウム複合酸化物に加えて、さらに他のリチウム複合酸化物を含有してもよい。他のリチウム複合酸化物としては、例えば、LiNiCoMn等のLi/Ni/Co/Mn系複合酸化物、LiNiO等のLi/Ni系複合酸化物、LiMn、LiMn1.5Ni0.5等のLi/Mn系複合酸化物、またはLiMnCoNi(1.150≦a≦1.430、0.45≦x≦0.6、0.10≦y≦0.15、0.20≦z≦0.28)もしくはLiMnCoNi(0.3≦x≦0.85、0.10≦y≦0.3、0.10≦z≦0.3)等の固溶体酸化物を例示することができる。
また、活物質粒子は、多数の一次粒子が結合した二次粒子として形成される。一次粒子の長径の平均長さは、0.1μm以上2μm以下であってもよく、より好ましくは0.1μm以上1μm以下であってもよい。また、活物質粒子の二次粒子の平均粒子径は、3μm以上20μm以下であってもよく、より好ましくは5μm以上15μm以下であってもよい。
活物質粒子の一次粒子の長径の平均長さが0.1μm未満である場合、活物質粒子の結晶性が低下し、電池容量の大きな低下を引き起こす要因となる。また、このような場合、内部抵抗が上昇する可能性があるため好ましくない。また、活物質粒子の一次粒子の長径の平均長さが2μm超である場合、活物質粒子のせん断応力が大きくなる。これにより、活物質粒子に割れが生じやすくなり、電池特性が低下する可能性があるため好ましくない。
また、活物質粒子の二次粒子の平均粒子径が3μm未満である場合、活物質粒子の取り扱いが煩雑になり、非水二次電池10の製造コスト(cost)が増加してしまう。活物質粒子の二次粒子の平均粒子径が20μm超である場合、活物質粒子と、電解液との反応面積を十分に確保することが困難になり、非水二次電池10の放電容量が低下してしまう。
ここで、活物質粒子の一次粒子の長径の平均長さ、および二次粒子の平均粒子径は、活物質粒子をSEM(Scanning Electron Microscope)にて観察した画像を画像解析することで測定することができる。なお、一次粒子の長径の平均長さとは、活物質粒子の観察画像において、一次粒子の最も長い箇所の長さの算術平均値を表す。また、二次粒子の平均粒子径とは、例えば、二次粒子を球体とみなしたときの直径の算術平均値を表す。
被覆層は、必須元素としてLiおよびLaを含み、Al、Zr、Nb、Sc、Ti、TaおよびYからなる群より選択された1種以上の元素Eをさらに含む酸化物を含有する。このような酸化物は、高いリチウムイオン(Li ion)伝導度を示すため、被覆層は、活物質粒子からのイオン伝導を阻害せずに、活物質粒子の表面を保護する。したがって、被覆層は、非水二次電池10の電池特性を低下させることなく、活物質粒子の結晶構造を安定化させ、非水二次電池10のサイクル特性を向上させることができる。
また、被覆層は、活物質粒子を含む正極活物質の総質量に対して、0.3質量%以上1.0質量%以下で活物質粒子の表面を被覆してもよい。被覆層の被覆量が0.3質量%未満である場合、本実施形態による非水二次電池10のサイクル特性を向上させる効果が得られにくくなるため好ましくない。また、被覆層の被覆量が1.0質量%超である場合、非水二次電池10の放電容量が低下し、かつ正極活物質の表面抵抗が増加するため好ましくない。
ここで、被覆層を構成する酸化物が含む元素Eは、ZrまたはTiであってもよい。元素EがZrまたはTiである場合、被覆層は、リチウムイオン伝導度をより高くすることができる。これにより、非水二次電池10の電池特性をより向上させることができる。
被覆層を構成する酸化物が含む元素EがZrである場合について説明する。このとき、被覆層は、活物質粒子を含む正極活物質の総質量に対して、0.3質量%以上0.8質量%以下で活物質粒子の表面を被覆することがより好ましい。被覆層の被覆量が0.3質量%未満である場合、本実施形態による非水二次電池10のサイクル特性を向上させる効果が得られにくくなるため好ましくない。また、被覆層の被覆量が0.8質量%超である場合、非水二次電池10の放電容量が低下し、かつ正極活物質の表面抵抗が増加するため好ましくない。
また、被覆層を構成する酸化物が含む元素EがTiである場合について説明する。このとき、被覆層は、活物質粒子を含む正極活物質の総質量に対して、0.3質量%以上1.0質量%以下で活物質粒子の表面を被覆することがより好ましい。被覆層の被覆量が0.3質量%未満である場合、本実施形態による非水二次電池10のサイクル特性を向上させる効果が得られにくくなるため好ましくない。また、被覆層の被覆量が1.0質量%超である場合、非水二次電池10の放電容量が低下し、かつ正極活物質の表面抵抗が増加するため好ましくない。
被覆層は、湿式または乾式プロセス(process)のいずれで活物質粒子の表面に形成されてもよい。具体的には、被覆層は、アルコキシド(alkoxide)を用いた湿式プロセスによって形成されてもよい。また、被覆層は、メカノケミカル(mechanochemical)法などの乾式プロセスによって形成されてもよい。
被覆層が湿式プロセスで形成される場合、活物質粒子に対する被覆層の被覆率をより高めることができる。これにより、非水二次電池10のサイクル特性をさらに向上させることができる。なお、このような場合、被覆層は、Li、La、および元素Eの少なくともいずれかを含む酸化物の混合物として形成される。
また、湿式プロセスで形成された被覆層の厚さは、0.1μm以上1μm以下であってもよい。被覆層の厚さが0.1μm未満である場合、本実施形態による非水二次電池10のサイクル特性を向上させる効果が得られにくくなるため好ましくない。また、被覆層の厚さが1μm超である場合、非水二次電池10の放電容量が低下し、かつ正極活物質の表面抵抗が増加するため好ましくない。なお、被覆層の厚さは、例えば、CP(Cross−section Polisher)法にて断面出しを行った活物質粒子の断面をSEMまたはTEM(Transmission Electron Microscope)等を用いて観察した画像を解析することで測定することができる。
一方、被覆層が乾式プロセスで形成される場合、リチウムイオン伝導度がより高い固体電解質を用いて被覆層を形成することができる。具体的には、固体電解質を微粉に粉砕した後、粉砕した微粉を乾式プロセスにて活物質粒子の表面に結合させることで、被覆層を形成することができる。
リチウムイオン伝導性が高い酸化物系固体電解質としては、例えば、ガーネット(garnet)型固体電解質であるLiLaZr12、またはペロブスカイト(perovskite)型固体電解質であるLa0.5Li0.3TiOを例示することができる。酸化物系固体電解質は、大気中で安定であり、かつ室温で非常に高いリチウムイオン伝導度を示す。したがって、酸化物系固体電解質で被覆層を形成することで、被覆層のイオン伝導性をより向上させることができる。これによれば、非水二次電池10は、電池特性をより向上させることができる。
また、乾式プロセスで活物質粒子の表面に結合される固体電解質の微粉の平均粒径は、0.1μm以上1μm以下であってもよい。固体電解質の微粉の平均粒径が0.1μm未満である場合、本実施形態による非水二次電池10のサイクル特性を向上させる効果が得られにくくなるため好ましくない。また、固体電解質の微粉の平均粒径が1μm超である場合、非水二次電池10の放電容量が低下し、かつ正極活物質の表面抵抗が増加するため好ましくない。なお、固体電解質の微粉の平均粒径は、SEMにて観察した正極活物質の画像を画像解析することで測定することができる。固体電解質の微粉の平均粒径は、例えば、球であると仮定した場合の固体電解質の微粉の直径の算術平均値である。
樹脂被覆層は、被覆層の上に形成され、被覆層の上から活物質粒子をさらに被覆する。具体的には、樹脂被覆層は、ポリアクリロニトリル(polyacrylonitrile)にて形成されてもよい。樹脂被覆層は、活物質粒子の表面をさらに保護することで、活物質粒子の結晶構造をさらに安定化させ、非水二次電池10のサイクル特性をさらに向上させることができる。
なお、本実施形態において、ポリアクリロニトリルとは、アクリロニトリル(acrylonitrile)を主なモノマー(monomaer)として重合されたポリマー(polymer)を表す。具体的には、ポリアクリロニトリルとは、モノマーとしてアクリロニトリルを90%以上用いて重合されたポリマーを表す。
また、ポリアクリロニトリルの質量平均分子量は、200,000以上800,000以下であることが好ましい。また、500,000以上800,000以下であることがより好ましい。ポリアクリロニトリルの質量平均分子量が200,000未満である場合、非水二次電池10のサイクル特性を向上させる効果が得られにくくなるため好ましくない。ポリアクリロニトリルの質量平均分子量が800,000超である場合、ポリアクリロニトリルの取り扱いが煩雑になり、非水二次電池10の製造コストが増加するため好ましくない。
本実施形態に係る非水二次電池10は、上述した被覆層によって、正極活物質に含有されるリチウム複合酸化物の結晶構造を安定化させることができる。したがって、本実施形態に係る非水二次電池10は、サイクル特性を向上させることができる。
正極活物質層22は、例えば、正極スラリー(slurry)を形成し、該正極スラリーを集電体21上に塗工した後、乾燥および圧延することで形成することができる。正極スラリーは、上記の正極活物質、導電助剤、およびバインダ樹脂を適当な有機溶媒(例えば、N−メチル−2−ピロリドン(N−methyl−2−pyrrolidone)など)に分散させることで形成することができる。なお、圧延後の正極活物質層22の密度は、特に制限されず、一般的な非水二次電池の正極活物質層にて用いられる密度であればよい。
負極30は、集電体31と、負極活物質層32とを含む。集電体31は、導電体であればどのようなものでも良く、例えば、銅、銅合金、アルミニウム、ステンレス鋼、またはニッケルメッキ鋼等であってもよい。
負極活物質層32は、少なくとも負極活物質を含み、導電助剤およびバインダ樹脂をさらに含んでもよい。なお、負極活物質、導電助剤、およびバインダの含有量の比率は、特に制限されず、一般的な非水二次電池にて用いられる含有量の比率を使用することが可能である。
負極活物質は、例えば、黒鉛活物質、ケイ素(Si)もしくはスズ(Sn)系活物質、または酸化チタン(TiO)系活物質等を使用することができる。また、これらの混合物も使用可能である。具体的には、黒鉛系活物質は、人造黒鉛、天然黒鉛、人造黒鉛と天然黒鉛との混合物、または人造黒鉛で被覆した天然黒鉛などである。ケイ素(Si)もしくはスズ(Sn)系活物質は、ケイ素(Si)もしくはスズ(Sn)の微粒子、ケイ素(Si)もしくはスズ(Sn)の酸化物の微粒子、またはケイ素もしくはスズの合金などである。酸化チタン(TiO)系活物質は、LiTi12等である。さらに、負極活物質としては、これらの他に、例えば金属リチウム(Li)等を使用することも可能である。
導電助剤は、負極の導電性を高める。例えば、導電助剤は、正極活物質層22で用いた導電助剤と同様のものが使用可能である。
バインダ樹脂は、負極活物質および導電助剤を集電体21上に結着させる。例えば、バインダ樹脂は、スチレンブタジエンゴム(Styrene−Butadiene Rubber:SBR)などを用いることができる。
負極活物質層32は、例えば、負極スラリーを形成し、該負極スラリーを集電体31上に塗工した後、乾燥および圧延することで形成することができる。負極スラリーは、上記の負極活物質、導電助剤、およびバインダ樹脂を適当な溶媒(例えば、水など)に分散させることで形成することができる。なお、圧延後の負極活物質層32の密度は、特に制限されず、一般的な非水二次電池の負極活物質層にて用いられる密度であればよい。
セパレータ層40は、セパレータと、電解液とを含む。
セパレータは、非水二次電池のセパレータとして使用されるものであれば、特に制限されず、どのようなものも使用可能である。セパレータとしては、例えば、優れた高率放電性能を示す多孔膜または不織布等を単独でまたは併用して使用することが好ましい。
また、セパレータの少なくともいずれかの面は、セラミック(ceramic)によってコーティング(coating)されていてもよい。具体的には、セパレータの少なくともいずれかの面は、Mg(OH)またはAlなどの無機物を含有するポリフッ化ビニリデンなどによってコーティングされていてもよい。さらに、セパレータは、フィラー(filler)として、Mg(OH)またはAlなどの無機物を含んでいてもよい。すなわち、セパレータは、内部または表面にMgまたはAlの無機化合物を含有していることが好ましい。このような場合、セパレータは、強度および耐熱性を向上させることができるため、非水二次電池の信頼性を向上させることができる。なお、セラミックによるコーティングは、セパレータの両面に形成されてもよく、セパレータの片面のみに形成されてもよい。
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(polyethylene)またはポリプロピレン(polypropylene)等に代表されるポリオレフィン(polyolefin)系樹脂、ポリエチレンテレフタレート(polyethylene terephthalate)またはポリブチレンテレフタレート(polybuthylene terephthalate)等に代表されるポリエステル(polyester)系樹脂、ポリフッ化ビニリデン(polyvinylidene difluoride)、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン(vinylidene difluoride−hexafluoropropylene)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(vinylidene difluoride−perfluorovinylether)共重合体、フッ化ビニリデン−テトラフルオロエチレン(vinylidene difluoride−tetrafluoroethylene)共重合体、フッ化ビニリデン−トリフルオロエチレン(vinylidene difluoride−trifluoroethylene)共重合体、フッ化ビニリデン−フルオロエチレン(vinylidene difluoride−fluoroethylene)共重合体、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロアセトン(vinylidene difluoride−hexafluoroacetone)共重合体、フッ化ビニリデン−エチレン(vinylidene difluoride−ethylene)共重合体、フッ化ビニリデン−プロピレン(vinylidene difluoride−propylene)共重合体、フッ化ビニリデン−トリフルオロプロピレン(vinylidene difluoride−trifluoropropylene)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(vinylidene difluoride−tetrafluoroethylene−hexafluoropropylene)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(vinylidene difluoride−ethylene−tetrafluoroethylene)共重合体等を使用することができる。なお、セパレータの気孔率は、特に制限されず、一般的な非水二次電池のセパレータで使用される気孔率を用いることができる。
電解液は、電解質塩と、非水電解質とを含む。
電解質塩は、電解液の電気伝導性を高める。具体的には、電解質塩は、アルカリ(alkali)金属イオン、アルカリ土類金属イオン、またはアルミニウムイオンをカチオン(cation)とする塩であってもよい。例えば、電解質塩は、LiClO、LiBF、LiAsF、LiPF、LiSCN、LiBr、LiI、LiSO、Li10Cl10、NaClO、NaI、NaSCN、NaBr、KClO、KSCN等の塩であってもよい。これらの電解質塩は、単独で使用されてもよく、2種類以上を混合して使用されてもよい。電解質塩の濃度は、一般的な非水二次電池で用いられる濃度であればよく、例えば、0.5mol/L〜2.0mol/Lであってもよい。
また、電解質塩は、例えば、LiCFSO、LiN(CFSO、LiN(CSO、LiN(CFSO)(CSO)、LiC(CFSO、LiC(CSO、(CHNBF、(CHNBr、(CNClO、(CNI、(CNBr、(n−CNClO、(n−CNI、(CN−maleate、(CN−benzoate、(CN−phtalate、ステアリルスルホン酸リチウム(lithium stearyl sulfate)、オクチルスルホン酸リチウム(lithium octyl sulfate)、ドデシルベンゼンスルホン酸リチウム(lithium dodecylbenzene sulphonate)等の有機イオン塩であってもよい。
非水電解質としては、例えば、プロピレンカーボネート(propylene carbonate)、エチレンカーボネート(ethylene carbonate)、ブチレンカーボネート(buthylene carbonate)、クロロエチレンカーボネート(chloroethylene carbonate)またはビニレンカーボネート(vinylene carbonate)等の環状炭酸エステル(ester)類、γ−ブチロラクトン(butyrolactone)またはγ−バレロラクトン(valerolactone)等の環状エステル類、ジメチルカーボネート(dimethyl carbonate)、ジエチルカーボネート(diethyl carbonate)またはエチルメチルカーボネート(ethylmethyl carbonate)等の鎖状カーボネート(carbonate)類、ギ酸メチル(methyl formate)、酢酸メチル(methyl acetate)または酪酸メチル(methyl butyrate)等の鎖状エステル類、テトラヒドロフラン(tetrahydrofuran)またはその誘導体、1,3−ジオキサン(1,3−dioxane)、1,4−ジオキサン(1,4−dioxane)、1,2−ジメトキシエタン(1,2−dimethoxyethane)、1,4−ジブトキシエタン(1,4−dibutoxyethane)またはメチルジグライム(methyldiglyme)等のエーテル(ether)類、アセトニトリル(acetonitrile)またはベンゾニトリル(benzonitrile)等のニトリル(nitrile)類、ジオキソラン(dioxolane)またはその誘導体、エチレンスルフィド(ethylene sulfide)、スルホラン(sulfolane)、スルトン(sultone)またはこれらの誘導体を、単独でまたは2種以上を混合して使用することができる。
なお、非水電解質は、フルオロエチレンカーボネート(fluoroethylene carbonate)、フルオロエーテル(fluoroether)、およびフルオロカーボネート(fluorocarbonate)などのフッ素化合物を含むことが好ましい。非水電解質がフッ素化合物を含む場合、非水電解質の耐酸性が向上するため、非水二次電池10の高温下または高充電電圧下での安定性が向上する。
本実施形態では、特に、電解質塩としてアルカリ金属イオン、アルカリ土類金属イオン、またはアルミニウムイオンをカチオンとする塩を含有することが好ましい。さらに、本実施形態では、非水電解質としてフルオロエチレンカーボネート、フルオロエーテルおよびフルオロカーボネートを含有することが好ましい。このような場合、本実施形態に係る非水二次電池は、高温下または高充電電圧下での安定性をさらに向上させることができる。
さらに、電解液は、負極SEI(Solid Electrolyte Interface)形成剤、または界面活性剤等の各種添加剤を含んでいてもよい。
各種添加剤としては、例えば、コハク酸無水物(succinic anhydride)、リチウムビスオキサラートボレート(lithium bis(oxalate)borate)、テトラフルオロホウ酸リチウム(lithium tetrafluoroborate)、プロパンスルトン(propane sultone)、ブタンスルトン(butane sultone)、プロペンスルトン(propene sultone)、3−スルフォレン(3−sulfolene)、フッ素化アリルエーテル(fluorinated arylether)、フッ素化アクリレート(fluorinated methacrylate)等を例示することができる。なお、これら各種添加剤の含有量は、一般的な非水二次電池における添加剤の含有量を用いることが可能である。
<2.非水二次電池の製造方法>
(正極活物質の製造方法)
まず、本実施形態に係る正極活物質の製造方法について説明する。本実施形態に係る正極活物質は、共沈法などを用いて活物質粒子を作製した後、活物質粒子の表面に湿式または乾式プロセスによって被覆層を形成することで、作製することができる。
例えば、活物質粒子は、共沈法によって作製することができる。具体的には、硫酸ニッケル6水和物(NiSO・6HO)、硫酸コバルト5水和物(CoSO・5HO)、および金属元素Mを含む化合物をイオン交換水に溶解させて、混合水溶液を形成する。ここで、硫酸ニッケル6水和物、硫酸コバルト5水和物、および金属元素Mを含む化合物の総質量は、混合水溶液の総質量に対して、例えば20質量%程度とすればよい。また、硫酸ニッケル6水和物、硫酸コバルト5水和物、および金属元素Mを含む化合物は、Ni、CoおよびMのモル比が所望の活物質粒子の組成となるように混合される。
なお、上述したように、金属元素Mは、アルミニウム(Al)、マンガン(Mn)、クロム(Cr)、鉄(Fe)、バナジウム(V)、マグネシウム(Mg)、チタン(Ti)、ジルコニウム(Zr)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、タングステン(W)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、ガリウム(Ga)、インジウム(In)、スズ(Sn)、ランタン(La)、およびセリウム(Ce)からなる群から選択される1種または2種以上の金属元素である。また、金属元素Mを含む化合物は、例えば、金属元素Mの硫酸塩、硝酸塩、酸化物、窒化物および水酸化物などであってもよい。
次に、反応槽に所定量(例えば、500ml)のイオン交換水を投入し、窒素等の不活性ガス(gas)をバブリング(bubbling)することでイオン交換水中の溶存酸素を除去する。
続いて、反応槽内のイオン交換水の温度を50℃に保持しつつ、イオン交換水を撹拌しながら、上述した混合水溶液をイオン交換水に滴下する。さらに、pHを11.5に保持し、かつ温度を50℃に保持しつつ、イオン交換水に飽和NaCO水溶液を滴下する。なお、飽和NaCO水溶液は、混合水溶液のNi、Co、および金属元素Mに対して過剰量となるように滴下する。
混合水溶液、および飽和NaCO水溶液の滴下速度は特に制限されないが、早過ぎると均一な前駆体(共沈水酸化物塩)が得られない可能性がある。そのため、滴下速度は、例えば、3ml/min程度とすればよい。また、混合水溶液、および飽和NaCO水溶液の滴下は、例えば、10時間程度で行えばよい。これにより、各金属元素の水酸化物塩が共沈する。
次に、固液分離(例えば、吸引ろ過など)を行うことで、共沈した水酸化物塩を反応槽内の水溶液から取り出し、取り出した水酸化物塩をイオン交換水で洗浄する。さらに、水酸化物塩を所定温度(例えば、100℃程度)で、所定時間(例えば、10時間程度)真空乾燥させる。
次に、乾燥後の水酸化物塩を乳鉢で数分間粉砕し、乾燥粉末を得る。その後、乾燥粉末と、水酸化リチウム(LiOH)とを混合することで、混合粉体を生成する。なお、Liと、Ni+Co+Mとのモル比は、活物質粒子の組成に応じて決定される。
続いて、生成した混合粉体を酸素雰囲気下で焼成することで、活物質粒子が作製される。なお、焼成時間、焼成温度は任意に調整することが可能であるが、例えば、焼成温度は、700℃〜800℃程度としてもよく、焼成時間は、例えば、10時間程度としてもよい。
次に、活物質粒子の表面に被覆層を形成する方法について説明する。
湿式プロセスを用いる場合、まず、反応槽に分散媒としてイソプロパノール(isopropanol)を投入する。その後、反応槽に被覆層の構成元素であるリチウムアルコキシド、ランタンアルコキシド、ならびにAl、Zr、Nb、Sc、Ti、TaおよびYからなる群より選択された1種以上の元素Eのアルコキシドを添加して混合液を形成する。なお、これらのアルコキシドは、Li、Laおよび元素Eの各元素のモル比が所望の被覆層の組成となるように添加される。
続いて、反応槽に上記で作製した活物質粒子を投入した後、撹拌する。その後、スプレードライ(spray dry)またはエバポレータ(evaporator)を用いて分散媒であるイソプロパノールを除去する。さらに、活物質粒子を酸素雰囲気下で焼成することで、被覆層が形成された正極活物質を作製することができる。
なお、焼成温度は、500℃〜600℃程度とし、焼成時間は、例えば、6時間程度とすることが好ましい。焼成温度が500℃未満である場合、分散媒の除去および被覆層と活物質粒子との複合化が不十分となることで、非水二次電池10の電池特性が低下するため好ましくない。また、焼成温度が600℃超である場合、活物質粒子が変質することで、非水二次電池10のサイクル特性が低下するため好ましくない。
一方、乾式プロセスを用いる場合、まず、被覆層を構成する固体電解質であるLiLaZr12またはLa0.5Li0.3TiOを粉砕して微粉を形成する。固体電解質の粉砕方法は、例えば、ジェットミル(jet mill)、ボールミル(ball mill)、ビーズミル(beads mill)、または乳化分散などを用いることが可能である。ただし、被覆層の形成をすべて乾式プロセスで行うためには、固体電解質の粉砕はジェットミルを用いることが好ましい。
粉砕された固体電解質の微粉は、ノビルタ(ホソカワミクロン社製)などの乾式被覆装置を用いることで、活物質粒子の表面に結合され、被覆層が形成される。乾式被覆装置による固体電解質の被覆条件は、例えば、2000回転で5分間としてもよい。その後、被覆層が形成された活物質粒子を酸素雰囲気下で焼成することで、正極活物質を作製することができる。
なお、焼成温度は、500℃〜600℃程度とし、焼成時間は、例えば、6時間程度とすることが好ましい。焼成温度が500℃未満である場合、被覆層と活物質粒子との複合化が不十分となることで、非水二次電池10の電池特性が低下するため好ましくない。また、焼成温度が600℃超である場合、活物質粒子が変質することで、非水二次電池10のサイクル特性が低下するため好ましくない。
以上のような方法により、被覆層が形成された正極活物質を作製することができる。
(非水二次電池の製造方法)
続いて、非水二次電池10の製造方法について説明する。ただし、非水二次電池10の製造方法は、以下の方法に制限されず、公知の製造方法を用いることも可能である。
まず、正極20は、以下のように作製される。まず、上記で作製した正極活物質、導電助剤、およびバインダ樹脂を所望の割合で混合したものを有機溶媒に分散させることで、正極スラリーを形成する。次に、正極スラリーを集電体21上に塗工し、乾燥させることで、正極活物質層22を形成する。なお、塗工の方法は、特に限定されないが、例えば、ナイフコーター(knife coater)法、グラビアコーター(gravure coater)法等を用いることができる。
さらに、ロールプレス(roll press)機にて正極活物質層22を所望の密度または厚さとなるように圧縮する。これにより、正極20を作製することができる。ここで、正極活物質層22の密度または厚さは特に制限されず、一般的な非水二次電池の正極活物質層が有する密度または厚さであればよい。
負極30も、正極20と同様の方法で作製される。まず、負極活物質、導電助剤、およびバインダ樹脂を所望の割合で混合したものを溶媒(例えば、水)に分散させることで、負極スラリーを形成する。次に、負極スラリーを集電体31上に塗工し、乾燥させることで、負極活物質層32を形成する。なお、塗工の方法は、特に限定されないが、例えば、ナイフコーター(knife coater)法、グラビアコーター(gravure coater)法等を用いることができる。
さらに、ロールプレス機にて負極活物質層32を所望の密度または厚さとなるように圧縮する。これにより、負極30を作製することができる。ここで、負極活物質層32の密度または厚さは特に制限されず、一般的な非水二次電池の負極活物質層が有する密度または厚さであればよい。なお、負極活物質層32として金属リチウムを用いる場合、集電体31に金属リチウム箔を貼り合せることで、負極30を作製することができる。
続いて、セパレータを正極20および負極30にて挟み込むことで、電極構造体を製造する。作製した電極構造体を所望の形態(例えば、円筒型、角型、ラミネート型、ボタン型等)に適した形状に加工した後、該形態の容器に挿入する。さらに、上述した電解質塩および非水電解質を含む電解液を該容器内に注入することで、セパレータ内に電解液を含浸させる。その後、電極構造体、および電解液を注入した容器を封止する。これにより、非水二次電池10を作製することができる。
以下では、実施例および比較例を参照しながら、本実施形態に係る正極活物質、正極活物質の製造方法、および非水二次電池について具体的に説明する。なお、以下に示す実施例は、あくまでも一例であって、本実施形態に係る正極活物質、正極活物質の製造方法、および非水二次電池が下記の例に限定されるものではない。
<試験例1>
(正極活物質の製造)
まず、硫酸ニッケル6水和物(NiSO・6HO)、硫酸コバルト5水和物(CoSO・5HO)、硝酸アルミニウム(Al(NO)、および硫酸マグネシウム7水和物(MgSO・7HO)をイオン交換水に溶解させて、混合水溶液を作製した。ここで、硫酸ニッケル6水和物、硫酸コバルト5水和物、硝酸アルミニウム、および硫酸マグネシウム7水和物の総質量は、混合水溶液の総質量に対して20質量%程度とした。各元素のモル比Ni:Co:Al:Mgは88:10:1:1とした。
また、反応槽に500mlのイオン交換水を投入した。イオン交換水の温度を50℃に保持しつつ、窒素等の不活性ガスによってイオン交換水をバブリングすることで、イオン交換水中の溶存酸素を除去した。
次に、反応槽内の温度を50℃に保持しつつ、イオン交換水を撹拌しながら、上記の混合水溶液をイオン交換水に滴下した。さらに、混合水溶液中のNi、Co、AlおよびMgに対して過剰量の飽和NaCO水溶液をイオン交換水に滴下した。なお、滴下中は、反応槽内の水溶液のpHは11.5に保持し、温度は50℃に保持した。混合水溶液および飽和NaCO水溶液の滴下速度は、3ml/min程度とした。混合水溶液および飽和NaCO水溶液の滴下は、10時間かけて行った。これにより、各金属元素の水酸化物塩を共沈させた。
続いて、吸引ろ過によって、共沈した水酸化物塩を反応槽中の水溶液から取り出し、取り出した水酸化物塩をイオン交換水で洗浄した。さらに、水酸化物塩を100℃の乾燥温度で、10時間程度、真空乾燥した。
次に、乾燥後の水酸化物塩を乳鉢で粉砕し、乾燥粉末を得た。その後、乾燥粉末と、水酸化リチウム(LiOH)とを混合することで、混合粉体を形成した。なお、Liと、Ni、Co、AlおよびMg(=Me)とのモル比Li:Meは、1.0:1.0とした。さらに、混合粉体を酸素雰囲気下、かつ700℃〜800℃の焼成温度で、10時間焼成した。
これにより、活物質粒子を作製した。なお、活物質粒子の組成は、LiNi0.88Co0.1Al0.01Mg0.01であった。また、SEM画像を用いて、活物質粒子の一次粒子の長径の平均長さ、および二次粒子の平均粒子径を測定した。
続いて、湿式または乾式プロセスを用いて、作製した活物質粒子に被覆層を形成した。
湿式プロセスを用いる場合、具体的には、反応槽に分散媒としてイソプロパノールを投入した後、反応槽に被覆層の構成材料を添加した。被覆層の組成がLiLaZr12である場合、リチウムメトキシド(Lithium methoxide)、ランタンイソプロポキシド(lanthanum isopropoxide)、および70質量%ジルコニウムプロポキシド(zirconium propoxide)を7:4:3のモル比で反応槽に添加した。また、被覆層の組成がLa0.5Li0.3TiOである場合、ランタンイソプロポキシド、リチウムメトキシド、およびオルトチタン酸テトライソプロピル(tetraisopropyl orthotitanate)を0.5:0.3:1のモル比で反応槽に添加した。
次に、被覆層の構成材料を添加した反応槽に、上記で作製した活物質粒子を添加した後、混合液を撹拌した。続いて、スプレードライまたはエバポレータを用いて活物質粒子からイソプロパノールを除去した。その後、酸素雰囲気下、かつ500℃〜600℃の焼成温度で、活物質粒子を6時間焼成することで、被覆層が形成された正極活物質を作製した。なお、湿式プロセスにおける被覆層の組成は、各元素の仕込み量の割合を示しており、被覆層は、厳密には上述した組成にはなっていない可能性がある。
一方、乾式プロセスを用いる場合、まず、市販の固体電解質であるLiLaZr12またはLa0.5Li0.3TiOを平均粒径が1μm以下となるまでジェットミルにて粉砕した。次に、ノビルタ(ホソカワミクロン社製)を用いて、粉砕した固体電解質を上記で作製した活物質粒子に2000rpm〜3000rpmで5分間結合させることで、被覆層を作製した。その後、酸素雰囲気下、かつ500℃〜600℃の焼成温度で、活物質粒子を6時間焼成することで、被覆層が形成された正極活物質を作製した。
(ハーフセルの製造)
続いて、以下の方法でハーフセル(half cell)非水二次電池を作製した。まず、上記で作製した正極活物質、アセチレンブラック(デンカ社製)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)を96:2:2の質量比で秤量したものをN−メチル−2−ピロリドンに分散させて正極スラリーを形成した。正極スラリーを乾燥後の塗布量が13mg/cmとなるようにアルミニウム箔の集電体に塗工し、乾燥させることで、正極活物質層を形成した。その後、正極活物質層の密度が3.0g/cmとなるように圧延することで、正極を作製した。
負極は、集電体である銅箔上に金属リチウム箔を載せることで作製した。その後、酸化アルミニウム(Al)と、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)とを70:30の質量比で混合したコーティング液で両面をコーティングしたセパレータ(厚さ12μm)を用意した。該セパレータを正極と負極との間に配置することで、電極構造体を作製した。
さらに、エチレンカーボネート(EC)、およびジメチルカーボネート(DMC)を3:7の体積比で混合した非水溶媒に、ヘキサフルオロリン酸リチウム(LiPF)を1.3Mの濃度で溶解して電解液を作製した。次に、電極構造体を加工し、コインハーフセルの容器に収納した後、電解液を注入して容器を封止した。これにより、非水二次電池を作製した。
また、45℃容量維持率の試験用に、非水溶媒に、ヘキサフルオロリン酸リチウム(LiPF)を1.4Mの濃度で溶解して電解液を作製した。非水溶媒は、フルオロエチレンカーボネート(FEC)、ジメチルカーボネート(DMC)、フルオロエーテル(FE)、およびフルオロカーボネート(FC)を15:45:20:20の体積比で混合した。次に、電極構造体を加工し、コインハーフセルの容器に収納した後、電解液を注入して容器を封止した。これにより、45℃容量維持率の試験用の非水二次電池を作製した。
(充放電評価)
以下の表1に示す充放電レート(rate)にて非水二次電池の充放電を行った。なお、カットオフ(cut−off)電圧は3.0V〜4.4Vとした。また、CC−CVは定電流定電圧を意味し、CCは定電流を意味する。非水二次電池への充放電は、25℃で行った。ただし、45℃容量維持率の試験のみ、2サイクルまでの充放電は25℃で行い、3サイクル後の充放電は45℃で行った。
Figure 2019003786
ここで、1サイクル目の充電容量を初期充電容量と定義し、1サイクル目の放電容量を1サイクル目の充電容量で除算した値を初期効率と定義した。また、2サイクル目の放電容量を初期容量と定義し、53サイクル目の放電容量を2サイクル目の放電容量で除算した値を容量維持率(すなわち、サイクル特性)と定義した。これらの評価結果を表2にまとめて示す。
なお、表2において、「平均粒子径」は、活物質粒子の二次粒子の平均粒子径を表す。また、「乾式プロセス回転数」が記載された実施例は、乾式プロセスにて被覆層を形成したことを表す。「乾式プロセス回転数」が記載されていない実施例は、湿式プロセスにて被覆層を形成したことを表す。さらに、「被覆量」の割合は、正極活物質の総質量に対する割合として算出し、「被覆層」の列の「−」は当該プロセスを実施していないことを表す。
Figure 2019003786
表2の結果を参照すると、実施例1〜13は、活物質粒子が被覆層で被覆されているため、比較例1、2、13とほぼ同等の初期充電容量および初期容量を維持している。加えて、実施例1〜13は、比較例1、2、13よりも高い25℃容量維持率および45℃容量維持率を有することがわかる。また、実施例1〜13は、被覆層の形成プロセスが本実施形態の範囲に含まれているため、比較例3〜12とほぼ同等の初期充電容量および初期容量を維持している。加えて、実施例1〜13は、比較例3〜12よりも高い25℃容量維持率および45℃容量維持率を有することがわかる。
なお、比較例1、2の25℃試験用のハーフセル非水二次電池を用いて、45℃容量維持率を評価するサイクル試験を行ったところ、容量維持率が急激に低下してしまうことがわかった。したがって、フルオロエチレンカーボネート、フルオロエーテル(FE)、およびフルオロカーボネート(FC)のフッ素化合物を電解液に含有させることにより、特に高温でのサイクル特性が向上することがわかる。
<試験例2>
(フルセルの製造)
次に、以下の方法でフルセル(full cell)非水二次電池を作製した。まず、試験例1で作製した正極活物質、アセチレンブラック(デンカ社製)、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)を96:2:2の質量比で秤量したものをN−メチル−2−ピロリドンに分散させて正極スラリーを形成した。正極スラリーを乾燥後の塗布量が13mg/cmとなるようにアルミニウム箔の集電体に塗工し、乾燥させることで、正極活物質層を形成した。その後、正極活物質層の密度が3.0g/cmとなるように圧延することで、正極を作製した。
負極には、グラファイトを用いた。その後、水酸化マグネシウム(Mg(OH))と、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)とを70:30の質量比で混合したコーティング液で両面をコーティングしたセパレータ(厚さ12μm)を用意した。該セパレータを正極と負極との間に配置することで、電極構造体を作製した。
さらに、非水溶媒に、ヘキサフルオロリン酸リチウム(LiPF)を1.3Mの濃度で溶解することで、電解液を作製した。非水溶媒は、エチレンカーボネート(EC)、およびジメチルカーボネート(DMC)を3:7の体積比で混合した。次に、電極構造体を加工し、コインフルセルの容器に収納した後、電解液を注入して容器を封止した。これにより、非水二次電池を作製した。
(充放電評価)
以下の表3に示す充放電レート(rate)にて非水二次電池の充放電を行った。なお、カットオフ電圧は2.85V〜4.35Vとした。また、CC−CVは定電流定電圧を意味し、CCは定電流を意味する。非水二次電池への充放電は、25℃で行った。ただし、45℃容量維持率の試験のみ、2サイクルまでの充放電は25℃で行い、3サイクル後の充放電は45℃で行った。
Figure 2019003786
ここで、1サイクル目の充電容量を初期充電容量と定義し、1サイクル目の放電容量を1サイクル目の充電容量で除算した値を初期効率と定義した。また、3サイクル目の放電容量を初期容量と定義し、101サイクル目の放電容量を3サイクル目の放電容量で除算した値を容量維持率(すなわち、サイクル特性)と定義した。これらの評価結果を表4にまとめて示す。
なお、表4において、「平均粒子径」は、活物質粒子の二次粒子の平均粒子径を表す。また、「乾式プロセス回転数」が記載された実施例は、乾式プロセスにて被覆層を形成したことを表す。「乾式プロセス回転数」が記載されていない実施例は、湿式プロセスにて被覆層を形成したことを表す。さらに、「被覆量」の割合は、正極活物質の総質量に対する割合として算出し、「被覆層」の列の「−」は当該プロセスを実施していないことを表す。
Figure 2019003786
表4の結果を参照すると、フルセルの非水二次電池の場合でも、実施例14〜17は、活物質粒子が被覆層で被覆されているため、比較例14、15とほぼ同等の初期充電容量および初期容量を維持している。加えて、実施例14〜17は、比較例14、15よりも高い25℃容量維持率および45℃容量維持率を有することがわかる。
<試験例3>
(フルセルの製造)
続いて、以下の方法でフルセル(full cell)非水二次電池を作製した。まず、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)をN−メチル−2−ピロリドン(NMP)に分散させた。一方、アクリロニトリルと、アクリル酸とを97.5:2.5のモル比で重合させた質量平均分子量500,000のポリアクリロニトリルをN−メチル−2−ピロリドン(NMP)に分散させた。その後、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)を分散させたNMPと、ポリアクリロニトリルを分散させたNMPとを混合した。さらに、混合物に、アセチレンブラック、および試験例1で作製した正極活物質を順次混合して、混合物を混練した。最終的な正極活物質、アセチレンブラック、ポリフッ化ビニリデン、およびポリアクリロニトリルの混合割合は、質量比で、96:2:2:1とした。その後、上記の混合物にNMPを添加して粘度を調節することで、正極スラリーを形成した。
正極スラリーを乾燥後の塗布量が20mg/cmとなるようにアルミニウム箔の集電体に塗工し、乾燥させることで、正極活物質層を形成した。その後、正極活物質層の密度が3.6g/cmとなるように圧延することで、正極を作製した。
負極には、グラファイトを用いた。その後、水酸化マグネシウム(Mg(OH))と、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)とを70:30の質量比で混合したコーティング液で両面をコーティングしたセパレータ(厚さ12μm)を用意した。該セパレータを正極と負極との間に配置することで、電極構造体を作製した。
さらに、非水溶媒に、ヘキサフルオロリン酸リチウム(LiPF)を1.3Mの濃度で溶解することで、電解液を作製した。非水溶媒は、エチレンカーボネート(EC)、およびジメチルカーボネート(DMC)を3:7の体積比で混合した。次に、電極構造体を加工し、コインフルセルの容器に収納した後、電解液を注入して容器を封止した。これにより、非水二次電池を作製した。
(充放電評価)
以下の表5に示す充放電レート(rate)にて非水二次電池の充放電を行った。なお、カットオフ電圧は2.85〜4.35Vとした。また、CC−CVは定電流定電圧を意味し、CCは定電流を意味する。非水二次電池への充放電は、25℃で行った。ただし、45℃容量維持率の試験のみ、2サイクルまでの充放電は25℃で行い、3サイクル後の充放電は45℃で行った。
Figure 2019003786
ここで、1サイクル目の充電容量を初期充電容量と定義し、1サイクル目の放電容量を1サイクル目の充電容量で除算した値を初期効率と定義した。また、3サイクル目の放電容量を初期容量と定義し、101サイクル目の放電容量を3サイクル目の放電容量で除算した値を容量維持率(すなわち、サイクル特性)と定義した。これらの評価結果を表6にまとめて示す。
なお、表6において、「平均粒子径」は、活物質粒子の二次粒子の平均粒子径を表す。また、「PAN」は、上述した質量平均分子量が500,000のポリアクリロニトリルを表す。さらに、「被覆量」の割合は、正極活物質の総質量に対する割合として算出し、「被覆層」および「樹脂被覆層」の列の「−」は当該プロセスを実施していないことを表す。
Figure 2019003786
表6の結果を参照すると、実施例18、19は、活物質粒子が被覆層に加えて、ポリアクリロニトリルを含有する樹脂被覆層で被覆されているため、比較例14とほぼ同等の初期充電容量および初期容量を維持している。加えて、実施例18、19は、比較例14よりも高い25℃容量維持率および45℃容量維持率を有することがわかる。また、実施例18、19は、活物質粒子が被覆層および樹脂被覆層で被覆されている。したがって、実施例18、19は、被覆層または樹脂被覆層のいずれか一方のみで被覆されている場合よりも、両者の相乗効果によってさらに高い5℃容量維持率および45℃容量維持率を有することがわかる。
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかである。これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
10 非水二次電池
20 正極
21 集電体
22 正極活物質層
30 負極
31 集電体
32 負極活物質層
40 セパレータ層

Claims (14)

  1. 下記化学式1で表されるリチウム複合酸化物を含有する活物質粒子と、
    前記活物質粒子の表面を被覆する被覆層と、
    を備える正極活物質であって、
    前記被覆層は、必須元素としてLiおよびLaを含み、Al、Zr、Nb、Sc、Ti、TaおよびYからなる群より選択された1種以上の元素Eをさらに含む酸化物を含有し、
    前記被覆層の割合は、前記正極活物質の総質量に対して0.3質量%以上1.0質量%以下である、正極活物質。
    LiNiCo ・・化学式1
    上記化学式1において、Mは、Al、Mn、Cr、Fe、V、Mg、Ti、Zr、Nb、Mo、W、Cu、Zn、Ga、In、Sn、La、およびCeからなる群から選択される1種または2種以上の金属元素であり、0.10≦a≦1.20であり、0.70≦x<1.00、かつ0<y≦0.20、かつ0≦z≦0.10、かつx+y+z=1である。
  2. 前記元素Eは、ZrまたはTiである、請求項1に記載の正極活物質。
  3. 前記被覆層は、平均粒径が0.1μm以上1μm以下である前記酸化物の粒子にて形成される、請求項1または2に記載の正極活物質。
  4. 前記酸化物の粒子は、ガーネット型固体電解質であるLiLaZr12を含有する、請求項1〜3のいずれか一項に記載の正極活物質。
  5. 前記酸化物の粒子は、ペロブスカイト型固体電解質であるLa0.5Li0.3TiOを含有する、請求項1〜3のいずれか一項に記載の正極活物質。
  6. 前記被覆層の厚さは、0.1μm以上1μm以下である、請求項1または2に記載の正極活物質。
  7. 質量平均分子量が500,000以上800,000以下のポリアクリロニトリルを含有し、前記被覆層の上からさらに前記活物質粒子を被覆する樹脂被覆層を備える、請求項1〜6のいずれか一項に記載の正極活物質。
  8. 前記活物質粒子は、複数の一次粒子が結合した二次粒子であり、
    前記一次粒子の長径の平均長さは、0.1μm以上2μm以下であり、前記二次粒子の平均粒子径は、3μm以上20μm以下である、請求項1〜7のいずれか一項に記載の正極活物質。
  9. 請求項1〜8のいずれか一項に記載された正極活物質を含む正極と、
    アルカリ金属イオン、アルカリ土類金属イオンまたはアルミニウムイオンをカチオンとする塩、フルオロエチレンカーボネート、フルオロエーテルおよびフルオロカーボネートを含有する電解液と、
    を備える、非水二次電池。
  10. セラミックにてコーティングされたセパレータをさらに備える、請求項9に記載の非水二次電池。
  11. 前記セパレータは、元素としてMgまたはAlを含有する、請求項10に記載の非水二次電池。
  12. 下記化学式1で表されるリチウム複合酸化物を含有する活物質粒子を形成するステップと、
    前記活物質粒子の表面に被覆層を形成するステップと、
    を含む正極活物質の製造方法であって、
    前記被覆層は、必須元素としてLiおよびLaを含み、Al、Zr、Nb、Sc、Ti、TaおよびYからなる群より選択された1種以上の元素Eをさらに含む酸化物を含有し、
    前記被覆層は、湿式または乾式プロセスによって、前記正極活物質の総質量に対して0.3質量%以上1.0質量%以下で前記活物質粒子の表面を被覆する、正極活物質の製造方法。
    LiNiCo ・・化学式1
    上記化学式1において、Mは、Al、Mn、Cr、Fe、V、Mg、Ti、Zr、Nb、Mo、W、Cu、Zn、Ga、In、Sn、La、およびCeからなる群から選択される1種以上の金属元素であり、0.10≦a≦1.20であり、0.70≦x<1.00、かつ0<y≦0.20、かつ0≦z≦0.10、かつx+y+z=1である。
  13. 前記被覆層は、前記活物質粒子の表面に前記酸化物を被覆した後、500℃以上600℃以下で前記活物質粒子を熱処理することで形成される、請求項12に記載の正極活物質の製造方法。
  14. 前記活物質粒子は、共沈法によって形成される、請求項12または13に記載の正極活物質の製造方法。

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