JP2019175630A - Positive electrode active material and lithium ion secondary battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は正極活物質材料およびそれを用いたリチウムイオン二次電池に関する。 The present invention relates to a positive electrode active material and a lithium ion secondary battery using the same.
リチウムイオン二次電池は携帯電話に代表されるモバイル機器の電源として急速な普及を遂げたが、その理由の一つにエネルギー密度が高い事が挙げられる。モバイル機器のように電源のスペースが限られた機器では、小さくても蓄えられるエネルギー量が大きな、すなわち高エネルギー密度の電池が望ましい。同様の理由で、電源の搭載空間が限られた電気自動車でもリチウムイオン二次電池が注目されており、より高エネルギー密度の電池が今なお求められている。 Lithium ion secondary batteries have rapidly spread as a power source for mobile devices such as mobile phones. One of the reasons is the high energy density. In a device having a limited power supply space such as a mobile device, a battery having a large energy amount, that is, a high energy density is desirable even if it is small. For the same reason, lithium ion secondary batteries are attracting attention even in electric vehicles with limited power supply mounting space, and batteries with higher energy density are still required.
電池のエネルギー密度は主に電極活物質の充放電容量によって決まるため、高エネルギー密度化には電極活物質の高容量化が必要である。その手段の一つに、従来50%程度であった正極活物質の充放電深度をより深くし、充放電容量を増やすことが検討されている。しかしながら、充電深度を深くすると充電電圧が高くなるため、正極活物質と電解質界面での分解反応の促進、Li脱離による正極活物質の結晶構造の不安定化、正極活物質からの遷移金属イオンの溶出等が生じ、サイクル特性が低下するという問題があった。 Since the energy density of the battery is mainly determined by the charge / discharge capacity of the electrode active material, it is necessary to increase the capacity of the electrode active material in order to increase the energy density. As one of the means, it has been studied to increase the charge / discharge capacity of the positive electrode active material, which was conventionally about 50%, and to increase the charge / discharge capacity. However, since the charging voltage increases as the charging depth is increased, the decomposition reaction at the cathode active material / electrolyte interface is accelerated, the crystal structure of the cathode active material is unstable due to Li desorption, and transition metal ions from the cathode active material. There was a problem that the cycle characteristics deteriorated.
深い充放電深度でも良好なサイクル特性を得るために、例えば正極活物質粒子表面を反応抑制層で被覆する検討がなされている(非特許文献1)。 In order to obtain good cycle characteristics even at a deep charge / discharge depth, for example, studies have been made to coat the surface of the positive electrode active material particles with a reaction suppression layer (Non-patent Document 1).
しかしながら、特性としては未だ満足できるものでは無く、更なる改善が求められている。
本発明は従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、深い充放電深度でもサイクル特性が改善された正極活物質材料およびそれを用いたリチウムイオン二次電池を提供することを目的とする。
However, the characteristics are still unsatisfactory and further improvement is required.
The present invention has been made in view of the problems of the prior art, and an object thereof is to provide a positive electrode active material having improved cycle characteristics even at a deep charge / discharge depth and a lithium ion secondary battery using the same. .
上記課題を解決するため、本発明に係る正極活物質材料は、正極活物質上の少なくとも一部にリチウム含有複合酸化物からなる被覆層を有する正極活物質であって、前記リチウム含有複合酸化物が下記組成式(1)であることを特徴とする。
LixMaOy ・・・(1)
[1<x<8、3<y<6、MaはAl,Si,Ga,Ge,In,Sn,Nbからなる群から選択される少なくとも1種]
In order to solve the above problems, a positive electrode active material according to the present invention is a positive electrode active material having a coating layer made of a lithium-containing composite oxide on at least a part of the positive electrode active material, the lithium-containing composite oxide Is the following composition formula (1).
Li x MaO y (1)
[1 <x <8, 3 <y <6, Ma is at least one selected from the group consisting of Al, Si, Ga, Ge, In, Sn, and Nb]
かかる構成によれば、正極活物質上を触媒活性の低いリチウム含有複合酸化物で被覆することで、高電位で起こる正極活物質材料と電解質との反応が効果的に抑制され、サイクル特性が向上する。 According to such a configuration, the positive electrode active material is coated with a lithium-containing composite oxide having low catalytic activity, so that the reaction between the positive electrode active material and the electrolyte that occurs at a high potential is effectively suppressed, and cycle characteristics are improved. To do.
本発明に係る正極活物質材料は、前記正極活物質と前記被覆層との間に中間層を有し、前記中間層は2価金属含有複合酸化物を含むことが好ましい。 The positive electrode active material according to the present invention preferably has an intermediate layer between the positive electrode active material and the coating layer, and the intermediate layer preferably contains a divalent metal-containing composite oxide.
かかる構成によれば、Liイオンと置換した2価金属は充電時に正極活物質から脱離せず残るため、正極活物質の積層構造を安定化することができ、よりサイクル特性が向上する。 According to such a configuration, the divalent metal substituted with Li ions remains without being detached from the positive electrode active material at the time of charging, so that the laminated structure of the positive electrode active material can be stabilized and the cycle characteristics are further improved.
本発明に係る正極活物質材料の中間層をなす2価金属含有複合酸化物は、下記組成式(2)であることが好ましい。
MbMc2O4 ・・・(2)
[MbはCa、Mg、Ba、Znからなる群から選択される少なくとも1種、McはMn、Fe、Co、Ni、Alからなる群から選択される少なくとも1種]
The divalent metal-containing composite oxide constituting the intermediate layer of the positive electrode active material according to the present invention is preferably represented by the following composition formula (2).
MbMc 2 O 4 (2)
[Mb is at least one selected from the group consisting of Ca, Mg, Ba, Zn, and Mc is at least one selected from the group consisting of Mn, Fe, Co, Ni, Al]
かかる構成によれば、正極活物質の積層構造を安定化させるのに好適であり、よりサイクル特性が向上する。 Such a configuration is suitable for stabilizing the laminated structure of the positive electrode active material, and the cycle characteristics are further improved.
本発明に係る正極活物質は、下記組成式(3)であることが好ましい。
LiaNibCocMndAleO2 ・・・(3)
[上記式(3)中、0≦a≦1.0、0≦b≦1.0、0≦c<1.0、0≦d≦1.0、0≦e≦1.0、a+b+c+d+e=1.0]
The positive electrode active material according to the present invention is preferably represented by the following composition formula (3).
Li a Ni b Co c Mn d Al e O 2 (3)
[In the above formula (3), 0 ≦ a ≦ 1.0, 0 ≦ b ≦ 1.0, 0 ≦ c <1.0, 0 ≦ d ≦ 1.0, 0 ≦ e ≦ 1.0, a + b + c + d + e = 1.0]
本発明に係るリチウムイオン二次電池は、正極集電体と、正極活物質材料を含む正極活物質層と、を有する正極と、負極集電体と、負極活物質材料を含む負極活物質層と、を有する負極と、セパレータと、電解質と、を備え、前記正極活物質材料が上記正極活物質材料であることを特徴とする。 A lithium ion secondary battery according to the present invention includes a positive electrode current collector, a positive electrode active material layer including a positive electrode active material, a negative electrode current collector, and a negative electrode active material layer including a negative electrode active material. And a separator and an electrolyte, wherein the positive electrode active material is the positive electrode active material.
前記電解質は、イオン液体とリチウム塩からなることが好ましい。 The electrolyte is preferably composed of an ionic liquid and a lithium salt.
本発明によれば、深い充放電深度でもサイクル特性に優れた正極活物質材料およびリチウムイオン二次電池を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a positive electrode active material and a lithium ion secondary battery excellent in cycle characteristics even at a deep charge / discharge depth.
以下、図面を参照しながら本発明に係るリチウムイオン二次電池の好適な実施形態について説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。また以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれる。さらに以下に記載した構成要素は、適宜組み合わせることができる。 Hereinafter, preferred embodiments of a lithium ion secondary battery according to the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, this invention is not limited to the following embodiment. The constituent elements described below include those that can be easily assumed by those skilled in the art and those that are substantially the same. Furthermore, the constituent elements described below can be appropriately combined.
A.リチウムイオン二次電池
図1は、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池の一例を示す概略断面図である。図1に示すように、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池100は、互いに対向する板状の負極20及び板状の正極10と、負極20と正極10との間に隣接して配置される板状のセパレータ18と、を備える発電要素30と、リチウムイオンを含む電解質と、これらを密閉した状態で収容するケース50と、負極20に一方の端部が電気的に接続されると共に他方の端部がケースの外部に突出される負極リード62と、正極10に一方の端部が電気的に接続されると共に他方の端部がケースの外部に突出される正極リード60とを備える。
A. Lithium Ion Secondary Battery FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of a lithium ion secondary battery according to this embodiment. As shown in FIG. 1, a lithium ion
正極10は、正極集電体12と、正極集電体12上に形成された正極活物質層14とを有する。また、負極20は、負極集電体22と、負極集電体22上に形成された負極活物質層24とを有する。セパレータ18は、正極活物質層14と負極活物質層24との間に位置している。
The
以下、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池について、構成ごとに説明する。 Hereinafter, the lithium ion secondary battery according to the present embodiment will be described for each configuration.
1.正極
正極10は、正極集電体12と、正極集電体12上に形成された正極活物質層14と、を有し、正極活物質層14は、正極活物質141上の少なくとも一部にリチウム含有複合酸化物からなる被覆層143を有する正極活物質材料140を含有するものである。更に、正極活物質層14は正極導電剤および正極結着剤を含有していても良い。
1. The
(正極集電体)
正極集電体12は、導電性の板材であればよく、例えば、アルミニウム、ステンレス(SUS)、ニッケル、鉄およびチタンなどを挙げることができる。中でも、アルミニウムおよびSUSが好ましく用いられる。
(Positive electrode current collector)
The positive electrode
(正極活物質)
本実施形態に係る正極活物質141とは、被覆層が無いリチウム含有遷移金属酸化物を指す。上記正極活物質141は、リチウムイオンを吸蔵・放出することができるものであれば特に限定されるものではなく、例えば、スピネル系正極活物質であるLiMn2O4やLiNi0.5Mn1.5O4、層状酸化物系であるLiMnO2、LiCoO2、LiNiO2、LiNi0.33Co0.33Mn0.33O2、LiNi0.8Co0.15Al0.05O2、オリビン系正極活物質であるLiFePO4、LiCoPO4、LiNiPO4等を挙げることができるが、特に層状酸化物系の正極活物質であることが好ましい。
(Positive electrode active material)
The positive electrode
正極活物質が層状酸化物系である場合は充電深度を深めることでLiの脱挿入量が増加し、充放電容量を向上できる。 When the positive electrode active material is a layered oxide, the amount of Li insertion / extraction increases by increasing the charging depth, and the charge / discharge capacity can be improved.
一方、正極活物質が層状酸化物系の場合、深い充放電深度において、低いサイクル特性であるものが大幅に向上されるため好ましい。 On the other hand, when the positive electrode active material is a layered oxide material, it is preferable because a material having low cycle characteristics is greatly improved at a deep charge / discharge depth.
正極活物質141の粒径としては一次粒子径として0.1μm〜50μm程度が好ましい。また一次粒子は造粒されて二次粒子となっていても良く、その場合5μm〜100μm程度の二次粒子径が好ましい。
The particle diameter of the positive electrode
正極活物質層14に含まれる正極活物質141の含有量としては、正極活物質141の種類によっても異なるが、具体的には80wt%〜99.5wt%程度であることが好ましいが、より好ましくは90wt%〜99.5wt%の範囲内である。
Although the content of the positive electrode
(正極活物質材料)
本実施形態に係る正極活物質材料140とは、図2および図3に示す様に、正極活物質上の少なくとも一部に、下記組成式(1)に示す被覆層を最外層に有するものを指す。上記正極活物質材料140は、正極活物質141上の少なくとも一部にリチウム含有複合酸化物からなる被覆層143を有するものであって、前記リチウム含有複合酸化物が下記組成式(1)であるものである。
LixMaOy ・・・(1)
[1<x<8、3<y<6、MaはAl、Si、Ga、Ge、In、Sn、Nbから成る群から選択される少なくとも1種]
(Positive electrode active material)
As shown in FIG. 2 and FIG. 3, the positive electrode
Li x MaO y (1)
[1 <x <8, 3 <y <6, Ma is at least one selected from the group consisting of Al, Si, Ga, Ge, In, Sn, and Nb]
上記被覆層143は、結晶性または非晶質のリチウム含有複合酸化物からなるものであり、特に3d遷移金属を含まない化合物であることが好ましく、例えば、一般式LixMaOy(1<x<8、3<y<6、MaはAl,Si,Ga,Ge,In,Sn,Nbからなる群から選択される少なくとも1種)で表される。
The
上記リチウム含有複合酸化物は、結晶性であっても非晶質であってもよい。 The lithium-containing composite oxide may be crystalline or amorphous.
リチウム含有複合酸化物が結晶性の場合、透過電子顕微鏡−制限視野回折(TEM−SAED)によって同定が可能である。 When the lithium-containing composite oxide is crystalline, it can be identified by transmission electron microscope-restricted field diffraction (TEM-SAED).
リチウム含有複合酸化物が非晶質の場合は、透過型電子顕微鏡―エネルギー分散型X線分光(TEM−EDX)、透過電子顕微鏡―電子エネルギー損失分光(TEM−EELS)、誘導結合プラズマ−発光分光分析法(ICP−AES)、飛行時間型二次イオン質量分析(TOF−SIMS)によって組成を分析することで同定が可能であるが、特にTEM−EDXによる同定が好ましい。 When the lithium-containing composite oxide is amorphous, transmission electron microscope-energy dispersive X-ray spectroscopy (TEM-EDX), transmission electron microscope-electron energy loss spectroscopy (TEM-EELS), inductively coupled plasma-luminescence spectroscopy Although identification is possible by analyzing the composition by analysis method (ICP-AES) or time-of-flight secondary ion mass spectrometry (TOF-SIMS), identification by TEM-EDX is particularly preferable.
被覆層143の厚みに特に限定は無いが、1nm〜500nmであることが好ましい。
Although there is no limitation in particular in the thickness of the
また、上記被覆層143の被覆形態は必ずしも正極活物質141上の全体である必要は無く、図3に示す様に正極活物質141上の一部であっても被覆効果を発揮することが出来る。
Further, the coating form of the
このように、正極活物質141上を触媒活性の低いリチウム含有複合酸化物で被覆することで、高電位で起こる正極活物質材料140と電解質との反応が効果的に抑制され、サイクル特性を向上させることが可能となる。
Thus, by covering the positive electrode
(中間層)
更に、正極活物質の積層構造を安定化させるため、図2および図3に示す様に、上記正極活物質141と上記被覆層143との間に、2価金属含有複合酸化物を含む中間層142を有することが好ましい。
(Middle layer)
Further, in order to stabilize the laminated structure of the positive electrode active material, as shown in FIGS. 2 and 3, an intermediate layer containing a divalent metal-containing composite oxide is interposed between the positive electrode
上記2価金属としては、例えば、Ca、Mg、Ba、Znが挙げられる。 Examples of the divalent metal include Ca, Mg, Ba, and Zn.
また、上記2価金属含有複合酸化物としては、例えば下記式(2)で表されるものが挙げられる。
MbMc2O4 ・・・(2)
[MbはCa、Mg、Ba、Znからなる群から選択される少なくとも1種、McはMn、Fe、Co、Ni、Alからなる群から選択される少なくとも1種]
Moreover, as said bivalent metal containing complex oxide, what is represented, for example by following formula (2) is mentioned.
MbMc 2 O 4 (2)
[Mb is at least one selected from the group consisting of Ca, Mg, Ba, Zn, and Mc is at least one selected from the group consisting of Mn, Fe, Co, Ni, Al]
上記2価金属が正極活物質の金属酸化物層間に挿入すると、2価金属が充電の際に脱離せずに層間に残り、さらに高い電荷密度によって積層構造が固定化されるため、充電時の正極活物質の構造変化を抑制し、構造安定性を高めることができる。 When the divalent metal is inserted between the metal oxide layers of the positive electrode active material, the divalent metal does not desorb during charging and remains between the layers, and the stacked structure is fixed by a higher charge density. The structural change of the positive electrode active material can be suppressed and the structural stability can be enhanced.
上記中間層142は、熱処理の条件によっては正極活物質中の遷移金属元素とも置換が起こり、スピネル相MbMc2O4(MbはCa、Mg、Ba、Znからなる群から選択される少なくとも1種、McはMn、Fe、Co、Ni、Alからなる群から選択される少なくとも1種)となることがある。
The
このスピネル相は充放電による構造変化が小さく安定なため、充電時の正極活物質の構造変化を抑制し、より構造安定性を高めることができる。 Since this spinel phase has a small structural change due to charging and discharging and is stable, the structural change of the positive electrode active material during charging can be suppressed and the structural stability can be further improved.
上記中間層142の被覆形態は必ずしも正極活物質141上の全体である必要は無く、図3に示す様に正極活物質141上の一部であっても効果を発揮することが出来る。また、中間層142上の被覆層143は、必ずしも中間層142のすべてを覆う必要な無く一部が露出していても良い。
The covering form of the
上記中間層は、飛行時間型二次イオン質量分析(TOF−SIMS)、誘導結合プラズマ−発光分光分析法(ICP−AES)や透過電子顕微鏡−エネルギー分散X線分光(TEM−EDX)、制限視野回折(SAED)によって同定が可能であるが、特にTEM−EDXによる同定が好ましい。 The intermediate layer includes time-of-flight secondary ion mass spectrometry (TOF-SIMS), inductively coupled plasma-emission spectroscopy (ICP-AES), transmission electron microscope-energy dispersive X-ray spectroscopy (TEM-EDX), limited field of view. Identification by diffraction (SAED) is possible, but identification by TEM-EDX is particularly preferable.
(正極活物質層)
正極活物質層14は、正極活物質材料140、正極結着剤、及び、必要に応じた量の正極導電剤から主に構成されるものである。
(Positive electrode active material layer)
The positive electrode
(正極導電剤)
正極導電剤としては、例えばアセチレンブラック、ケッチェンブラックなどのカーボンブラック等を挙げることができる。
(Positive electrode conductive agent)
Examples of the positive electrode conductive agent include carbon black such as acetylene black and ketjen black.
(正極結着剤)
正極結着剤としては、例えばポリビニリデンフルオライド(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等を挙げることができる。
(Positive electrode binder)
Examples of the positive electrode binder include polyvinylidene fluoride (PVDF) and polytetrafluoroethylene (PTFE).
2.負極
本発明に用いられる負極20は、負極集電体22と、負極集電体22上に形成された負極活物質層24と、を有するものである。更に、負極活物質層は負極導電剤および負極結着剤を含有していても良い。
2. Negative Electrode The
(負極集電体)
負極集電体22の材料としては、導電性を有するものであれば特に限定されるものではなく、例えば、銅、ステンレス(SUS)、ニッケルなどを挙げることができる。中でも、銅およびSUSが好ましく用いられる。
(Negative electrode current collector)
The material of the negative electrode current collector 22 is not particularly limited as long as it has conductivity, and examples thereof include copper, stainless steel (SUS), and nickel. Of these, copper and SUS are preferably used.
(負極活物質層)
負極活物質層24は、負極活物質20、負極結着剤、及び、必要に応じた量の負極導電剤から主に構成されるものである。
(Negative electrode active material layer)
The negative electrode active material layer 24 is mainly composed of the negative electrode
(負極活物質)
負極活物質20としては、リチウムイオンを吸蔵・放出することができるものであれば特に限定されるものではなく、例えば、金属リチウム、リチウム合金、金属酸化物、金属硫化物、金属窒化物、およびグラファイトなどの炭素材料等を挙げる事ができる。また、負極活物質20は、粉末状であっても良く、薄膜状であっても良い。
(Negative electrode active material)
The negative electrode
(負極結着剤および導電剤)
負極活物質層24に用いられる負極結着剤および負極導電剤については、上記正極活物質層に用いられる正極結着剤および正極導電剤と同様のものの他、ポリイミド、ポリアミド、ポリアミドイミド、カルボキシメチルセルロースやスチレンブタジエンゴムなどを用いることができる。
(Negative electrode binder and conductive agent)
The negative electrode binder and the negative electrode conductive agent used for the negative electrode active material layer 24 are the same as the positive electrode binder and the positive electrode conductive agent used for the positive electrode active material layer, but also polyimide, polyamide, polyamideimide, carboxymethylcellulose. Or styrene butadiene rubber can be used.
3.セパレータ
セパレータ18としては、電解質を保持する機能を有するものであれば特に限定されるものではなく、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレンなどの多孔膜、樹脂不織布、ガラス繊維不織布等を挙げることができる。
3. Separator The separator 18 is not particularly limited as long as it has a function of retaining an electrolyte, and examples thereof include a porous film such as polyethylene and polypropylene, a resin nonwoven fabric, and a glass fiber nonwoven fabric.
4.電解質
本実施形態で用いられる電解質は、上記リチウム含有複合酸化物からなる被覆層を有する正極活物質材料と接触するように配置されたものであり、有機物でも無機物でも構わないが、特に有機電解質である場合に高い効果を発揮する。
4). Electrolyte The electrolyte used in the present embodiment is disposed so as to be in contact with the positive electrode active material having the coating layer made of the lithium-containing composite oxide, and may be an organic substance or an inorganic substance. It is highly effective in some cases.
有機電解質としては、上記リチウム含有複合酸化物からなる被覆層143を有する正極活物質材料140に接触するように配置することができ、酸化分解され得るものであれば特に限定されるものではなく、例えば、有機電解液、ポリマー電解質、ゲル電解質などを挙げることができる。
The organic electrolyte is not particularly limited as long as it can be disposed so as to be in contact with the positive electrode
有機電解液としては、通常、リチウム塩および非水系溶媒を含有する非水電解液が使用される。
リチウム塩としては、一般的なリチウムイオン二次電池に用いられるリチウム塩であれば特に限定されるものではなく、例えばLiPF6、LiBF4、LiN(CF3SO2)2、LiCF3SO3、LiC(CF3SO2)3、LiN(SO2CF3)2、LiN(SO2F)2およびLiClO4等を挙げることができる。
As the organic electrolyte, a non-aqueous electrolyte containing a lithium salt and a non-aqueous solvent is usually used.
The lithium salt is not particularly limited as long as it is a lithium salt used in a general lithium ion secondary battery. For example, LiPF 6 , LiBF 4 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , LiCF 3 SO 3 , Examples include LiC (CF 3 SO 2 ) 3 , LiN (SO 2 CF 3 ) 2 , LiN (SO 2 F) 2 and LiClO 4 .
また、非水系溶媒としては、上記リチウム塩を溶解できるものであれば特に限定されるものではなく、例えば、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、1、2−ジメトキシエタン、1、2−ジエトキシエタン、アセトニトリル、プロピオニトリル、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、ジオキサン、1、3−ジオキソラン、ニトロメタン、N、N−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、スルホラン、γ―ブチロラクトンなどが挙げられる。これらの非水系溶媒は、一種のみ用いてもよく、二種以上を混合して用いても良い。また、非水系溶媒として、イオン液体を用いることもできる。 The non-aqueous solvent is not particularly limited as long as it can dissolve the lithium salt. For example, propylene carbonate, ethylene carbonate, diethyl carbonate, dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, 1,2-dimethoxyethane. 1,2-diethoxyethane, acetonitrile, propionitrile, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, dioxane, 1,3-dioxolane, nitromethane, N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, sulfolane, γ-butyrolactone, etc. It is done. These non-aqueous solvents may be used alone or in combination of two or more. Moreover, an ionic liquid can also be used as a non-aqueous solvent.
ポリマー電解質は、リチウム塩およびポリマーを含有するものである。
リチウム塩としては、上記有機電解液に用いられるリチウム塩と同様のものを用いることができる。
また、ポリマーとしては、ゲル化が可能なものであれば特に限定されるものではなく、例えば、ポリエチレンオキシド、ポリプロプレンオキシド、ポリアクリルニトリル、ポリビニリデンフルオライド(PVDF)、ポリウレタン、ポリアクリレート、セルロースなどが挙げられる。
The polymer electrolyte contains a lithium salt and a polymer.
As a lithium salt, the thing similar to the lithium salt used for the said organic electrolyte solution can be used.
The polymer is not particularly limited as long as it can be gelled. For example, polyethylene oxide, polypropylene oxide, polyacrylonitrile, polyvinylidene fluoride (PVDF), polyurethane, polyacrylate, cellulose Etc.
5.電池ケース
ケース50は、その内部に積層体30及び電解液を密封するものである。ケース50は、電解液の外部への漏出や、外部からのリチウムイオン二次電池100内部への水分等の侵入等を抑止できる物であれば特に限定されない。例えば、ケース50として、図1に示すように、金属箔52を高分子膜54で両側からコーティングした金属ラミネートフィルムを利用できる。金属箔52としては例えばアルミ箔を、高分子膜54としてはポリプロピレン等の膜を利用できる。例えば、外側の高分子膜54の材料としては融点の高い高分子、例えば、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリアミド等が好ましく、内側の高分子膜54の材料としてはポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)等が好ましい。
5. Battery Case The
B.リチウムイオン二次電池の製造方法
本実施形態に係るリチウムイオン二次電池100の製造方法は、正極活物質層14と、負極活物質層24と、有機電解質とを有するリチウムイオン二次電池100の製造方法であって、リチウム含有複合酸化物からなる被覆層143を有する正極活物質材料140を製造する正極活物質材料製造工程を有する。
B. Method for Producing Lithium Ion Secondary Battery A method for producing a lithium ion
本実施形態によれば、リチウム含有複合酸化物からなる被覆層を有する正極活物質材料140を得ることができる。このような正極活物質材料140を用いて正極活物質層14を形成することにより、深い充電深度、すなわち高電圧充電下でものサイクル特性の低下を抑制することができる。
以下、本実施形態に係るリチウム二イオン次電池100の製造方法における各工程について説明する。
According to this embodiment, the positive electrode
Hereinafter, each process in the manufacturing method of the lithium
(1)正極活物質材料製造工程
本実施形態における正極活物質材料の製造工程は、中間層である2価金属含有複合酸化物の正極活物質への形成工程と、被覆層であるリチウム含有複合酸化物の被覆工程とが含まれる。中間層142の形成工程は必ずしも必要ではないが、中間層142を形成することによりサイクル特性を大きく改善することができる。
(1) Positive electrode active material manufacturing process The manufacturing process of the positive electrode active material in the present embodiment includes a step of forming a bivalent metal-containing composite oxide as an intermediate layer into a positive electrode active material and a lithium-containing composite as a coating layer. An oxide coating step. Although the formation process of the
(中間層の形成工程)
本実施形態に係る正極活物質材料の中間層142は、正極活物質141に2価金属含有複合酸化物または水酸化物を被着し、熱処理を行う事によって得られる。被着の工程は、湿式法であっても乾式法であっても構わない。
(Intermediate layer formation process)
The
湿式法としては、例えばアルカリ性溶液に正極活物質を投入し、撹拌しながら二価金属塩化物などの水溶液を滴下することで正極活物質上に2価金属の水酸化物を被着したのち、熱処理により脱水することで酸化物とし、さらに500℃以上の高温で熱処理する等の方法が挙げられる。 As a wet method, for example, after putting a positive electrode active material into an alkaline solution and dropping an aqueous solution such as a divalent metal chloride while stirring, a divalent metal hydroxide is deposited on the positive electrode active material, Examples of the method include dehydration by heat treatment to obtain an oxide, and heat treatment at a high temperature of 500 ° C. or higher.
乾式法としては、例えばメカニカルミリングなどにより、2価金属含有複合酸化物を正極活物質に圧着するなどの方法が挙げられる。 Examples of the dry method include a method in which a divalent metal-containing composite oxide is pressure-bonded to a positive electrode active material by, for example, mechanical milling.
本工程における熱処理温度としては、500℃〜900℃の範囲内であることが好ましく、600℃〜800℃の範囲内であることがより好ましい。また、本工程における熱処理時間としては、0.5時間〜3時間の範囲内であることが好ましく、0.5時間〜2時間の範囲内であることがより好ましい。 As heat processing temperature in this process, it is preferable to exist in the range of 500 to 900 degreeC, and it is more preferable to exist in the range of 600 to 800 degreeC. The heat treatment time in this step is preferably in the range of 0.5 hours to 3 hours, and more preferably in the range of 0.5 hours to 2 hours.
本工程における熱処理雰囲気としては、目的とする中間層を形成することができ、正極活物質材料を劣化させる雰囲気でなければ特に限定されるものではなく、例えば、大気雰囲気、酸素雰囲気、窒素雰囲気やアルゴン−水素雰囲気、あるいは減圧環境下などを挙げることができる。また、正極活物質材料の熱処理方法としては、例えば、焼成炉を用いる方法等を挙げることができる。 The heat treatment atmosphere in this step is not particularly limited as long as the target intermediate layer can be formed and the cathode active material material is not deteriorated. For example, an air atmosphere, an oxygen atmosphere, a nitrogen atmosphere, Examples thereof include an argon-hydrogen atmosphere or a reduced pressure environment. Examples of the heat treatment method for the positive electrode active material include a method using a firing furnace.
(被覆層の形成工程)
本実施形態に係る正極活物質材料の被覆層143は、正極活物質と、リチウム含有複合酸化物原料となる金属アルコキシド溶液を混合したのち、加水分解によって正極活物質上にリチウム含有複合酸化物からなる被覆層143を形成し、さらに熱処理によって被覆層143を結晶化させるものである。
(Coating layer formation process)
The
上記正極活物質は、上記中間層形成工程により中間層142を形成したものを用いても良い。
As the positive electrode active material, a material in which the
上記金属アルコキシド溶液と正極活物質の混合工程は、例えば正極活物質にリチウムエトキシドとテトラエトキシシランとを化学量論比で混合した溶液を滴下し、遊星混合装置などで混合するなどの方法が挙げられる。 The mixing step of the metal alkoxide solution and the positive electrode active material is, for example, a method in which a solution obtained by mixing lithium ethoxide and tetraethoxysilane in a stoichiometric ratio is dropped into the positive electrode active material and mixed with a planetary mixer or the like. Can be mentioned.
本工程における加水分解による被覆層143の形成方法としては、濃厚な金属アルコキシドと正極活物質との遊星混合処理によって得られたスラリーに、加水分解に必要な蒸留水を滴下し、再び遊星混合処理する等の方法が挙げられる。
As a method for forming the
本工程における熱処理温度としては、120℃〜900℃の範囲内であることが好ましく、250℃〜750℃の範囲内であることがより好ましい。
また、本工程における熱処理時間としては、0.5時間〜3時間の範囲内であることが好ましく、0.5時間〜1時間の範囲内であることがより好ましい。
As heat processing temperature in this process, it is preferable to exist in the range of 120 to 900 degreeC, and it is more preferable to exist in the range of 250 to 750 degreeC.
In addition, the heat treatment time in this step is preferably in the range of 0.5 hours to 3 hours, and more preferably in the range of 0.5 hours to 1 hour.
本工程における熱処理雰囲気としては、目的とする被覆層を結晶化させることができ、正極活物質材料を劣化させる雰囲気でなければ特に限定されるものではなく、例えば、大気雰囲気、酸素雰囲気、窒素雰囲気やアルゴン−水素雰囲気、減圧環境下などを挙げることができる。また、正極活物質材料の熱処理方法としては、例えば、焼成炉を用いる方法等を挙げることができる。 The heat treatment atmosphere in this step is not particularly limited as long as the target coating layer can be crystallized and does not degrade the positive electrode active material, and examples thereof include an air atmosphere, an oxygen atmosphere, and a nitrogen atmosphere. And an argon-hydrogen atmosphere and a reduced pressure environment. Examples of the heat treatment method for the positive electrode active material include a method using a firing furnace.
(2)その他の工程
本実施形態に係るリチウムイオン二次電池100の製造方法は、少なくとも上記正極活物質材料製造工程を有するものであれば特に限定されるものではなく、例えば、上記正極活物質材料製造工程にて得られた、リチウム含有複合酸化物からなる被覆層を有する正極活物質材料を含有する正極活物質層14を形成する正極活物質層形成工程、負極活物質層24を形成する負極活物質層形成工程、およびリチウムイオン二次電池を組立てる電池組立工程等を有していてもよい。これらの工程については、一般的なリチウムイオン二次電池における工程と同様であるので、ここでの説明は省略する。また、得られるリチウムイオン二次電池については、上記「A.リチウムイオン二次電池」に記載したものと同様であるので、ここでの説明は省略する
(2) Other processes The manufacturing method of the lithium ion
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。 The present invention is not limited to the above embodiment. The above-described embodiment is an exemplification, and the present invention has substantially the same configuration as the technical idea described in the claims of the present invention, and any device that exhibits the same function and effect is the present invention. It is included in the technical scope of the invention.
以下に実施例を示して本発明をさらに具体的に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples.
[実施例1]
(正極活物質材料の製造)
リチウムエトキシドとテトラエトキシシランのエタノール溶液をLi/Si=2、Li濃度が1.0mol/Lとなるように混合調整し、リチウム含有複合酸化物の前駆体溶液を作成した。この前駆体溶液を15gのLiCoO2粉末に添加し、遊星混合装置にて2000rpmで1分間混合した。このときの前駆体溶液の添加量は、リチウム含有複合酸化物組成をLixSiO2+x/2(x=Li/Si比)と仮定したときに0.5wt%となるように調整した。混合により得られたスラリーに0.18mLの蒸留水を添加し、さらに遊星混合装置にて2000rpmで一分間混合することで加水分解処理したのち、大気中120℃で乾燥し、真空下で350℃の熱処理を30分行い、正極活物質材料を得た。
[Example 1]
(Manufacture of positive electrode active material)
An ethanol solution of lithium ethoxide and tetraethoxysilane was mixed and adjusted so that Li / Si = 2 and the Li concentration was 1.0 mol / L to prepare a precursor solution of a lithium-containing composite oxide. This precursor solution was added to 15 g of LiCoO 2 powder and mixed with a planetary mixer at 2000 rpm for 1 minute. The addition amount of the precursor solution at this time was adjusted to be 0.5 wt% when the lithium-containing composite oxide composition was assumed to be Li x SiO 2 + x / 2 (x = Li / Si ratio). After adding 0.18 mL of distilled water to the slurry obtained by mixing and further hydrolyzing by mixing at 2000 rpm for 1 minute with a planetary mixer, it is dried at 120 ° C. in the atmosphere and 350 ° C. under vacuum. The heat treatment was performed for 30 minutes to obtain a positive electrode active material.
(正極の作製)
上記の正極活物質材料とアセチレンブラックとを混合し、さらにn−メチルピロリドン(NMP)に溶解したポリビニリデンフロライド(PVDF)バインダーを添加し、スラリーを作製した。正極活物質材料とアセチレンブラックとPVDFとの混合割合は、97.5:1.0:1.5(重量比)とした。このスラリーをAl集電体に塗布し、乾燥後、プレスすることにより正極を作製した。
(Preparation of positive electrode)
The above positive electrode active material and acetylene black were mixed, and a polyvinylidene fluoride (PVDF) binder dissolved in n-methylpyrrolidone (NMP) was added to prepare a slurry. The mixing ratio of the positive electrode active material, acetylene black, and PVDF was 97.5: 1.0: 1.5 (weight ratio). The slurry was applied to an Al current collector, dried, and pressed to prepare a positive electrode.
(リチウムイオン二次電池の作製)
上記の正極と、銅箔(厚み16μm)をそれぞれ所定の寸法に切断し、それぞれに外部引き出し端子としてアルミニウム箔(幅4mm、長さ40mm、厚み100μm)、ニッケル箔(幅4mm、長さ40mm、厚み100μm)を超音波溶接した。この外部引き出し端子に、ポリプロピレン(PP)を巻き付け熱接着させた。これら正極および銅箔の間に所定の寸法に切断したポリエチレン製のセパレータをはさみ、これら電池要素をポリエチレンテレフタレート(PET)層、Al層及びポリプロピレン(PP)層から構成されるアルミニウムラミネート材料に熱圧着により固定した。セパレータはポリエチレン製の微多孔質膜を用いた。得られた電池要素は乾燥したのち、アルゴンガスで満たされたグローブボックス中に移し、銅箔上に所定の寸法に切断したLi箔を貼り付けた。ラミネート剤のPET層の厚さは12μm、Al層の厚さは40μm、PP層の厚さは50μmであった。また電池外装体の作製では、PP層を外装体の内側に配置させた。この外装体の中に電池要素を入れ、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)を体積比率3:7で混合した混合溶媒と、六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)を濃度1mol/Lで含んだ電解液を適当量添加し、外装体を真空密封した。これにより、実施例1のリチウムイオン二次電池を作製した。
(Production of lithium ion secondary battery)
The positive electrode and copper foil (thickness 16 μm) are cut into predetermined dimensions, respectively, and aluminum foil (width 4 mm, length 40 mm,
(被覆層の同定)
前記正極活物質材料の製造工程により得られた正極活物質材料のXRDパターンでは、LiCoO2に帰属できる回折パターンと、Li2SiO3に帰属できる回折パターンが観察されたことから、被覆層はLi2SiO3であることが分かった。
(Identification of coating layer)
In the XRD pattern of the positive electrode active material obtained by the manufacturing process of the positive electrode active material, a diffraction pattern that can be attributed to LiCoO 2 and a diffraction pattern that can be attributed to Li 2 SiO 3 were observed. 2 SiO 3 was found.
(電気特性の測定)
実施例1のリチウムイオン二次電池を、25℃の恒温槽内で、電流密度として0.1Cに相当する電流値で4.5Vまで定電流で充電した後、4.5Vで定電圧充電を行った。定電圧充電は電流密度が0.01Cに相当する値に低下するまで続けた。その後、0.1Cの電流密度で2.5Vまで定電流放電した。このとき、実施例1の初回放電容量は183.0mAh/gであった。
上記の電気特性の測定後、さらに1.0Cに相当する電流値で4.5Vまで定電流で充電した後、4.5Vで定電圧充電を行った。定電圧充電は電流密度が0.1Cに相当する値に低下するまで続けた。その後、1.0Cの電流密度で2.5Vまで定電流放電した。これを30サイクル繰返すサイクル試験を行ったところ、初回放電容量を100%とすると、30サイクル後の放電容量は44.9%であった。この値を容量維持率とし、正極活物質材料の製造条件と共に表1に記載した。サイクル特性が高いことは、容量維持率が高いまま維持されていることを示し、充放電サイクルにおける耐久性に優れていることを示す。
(Measurement of electrical characteristics)
The lithium ion secondary battery of Example 1 was charged at a constant current up to 4.5 V at a current value corresponding to 0.1 C as a current density in a constant temperature bath at 25 ° C., and then charged at a constant voltage at 4.5 V. went. Constant voltage charging was continued until the current density dropped to a value corresponding to 0.01C. Thereafter, constant current discharge was performed to 2.5 V at a current density of 0.1 C. At this time, the initial discharge capacity of Example 1 was 183.0 mAh / g.
After the measurement of the above electric characteristics, the battery was further charged at a constant current up to 4.5 V at a current value corresponding to 1.0 C, and then charged at a constant voltage at 4.5 V. Constant voltage charging was continued until the current density dropped to a value corresponding to 0.1C. Thereafter, constant current discharge was performed to 2.5 V at a current density of 1.0 C. When a cycle test was repeated for 30 cycles, assuming that the initial discharge capacity was 100%, the discharge capacity after 30 cycles was 44.9%. This value was taken as the capacity retention rate and listed in Table 1 together with the production conditions for the positive electrode active material. A high cycle characteristic indicates that the capacity retention rate is maintained at a high level, and that the durability in the charge / discharge cycle is excellent.
容量維持率の改善は、LiCoO2上に形成した被覆層が電解液と正極活物質材料との反応を抑制し、またLiCoO2からのCoイオンの溶出を抑制したためと考えられる。図4〜6に実施例1、2と比較例1のSEM−COMPO像を示す。重金属であるCoを含むLiCoO2は明るいコントラストを与える(比較例1)が、軽元素であるSiを含む層がLiCoO2上を被覆することで、実施例1、2は暗いコントラストとなっている。被覆層は均一に近いため、電解液との接触を効果的に抑制する事が分かる。 The improvement in the capacity retention rate is thought to be because the coating layer formed on LiCoO 2 suppressed the reaction between the electrolytic solution and the positive electrode active material, and also suppressed elution of Co ions from LiCoO 2 . 4 to 6 show SEM-COMPO images of Examples 1 and 2 and Comparative Example 1. FIG. LiCoO 2 containing Co, which is a heavy metal, gives a bright contrast (Comparative Example 1), but the layers containing Si, which is a light element, cover LiCoO 2 so that Examples 1 and 2 have a dark contrast. . Since the coating layer is nearly uniform, it can be seen that the contact with the electrolytic solution is effectively suppressed.
[実施例2]
(正極活物質材料の製造)
リチウム含有複合酸化物の前駆体溶液の作製においてLi/Si=4とし、Li濃度を1.5mol/Lとした事以外は、実施例1と同様の方法で正極活物質材料を製造し、リチウムイオン二次電池の作製と電気特性の測定を行った。
[Example 2]
(Manufacture of positive electrode active material)
A positive electrode active material was produced in the same manner as in Example 1 except that Li / Si = 4 and Li concentration was 1.5 mol / L in the preparation of the precursor solution of the lithium-containing composite oxide. Ion secondary batteries were fabricated and electrical characteristics were measured.
(被覆層の同定)
上記正極活物質材料のXRDパターンでは、LiCoO2に帰属できる回折パターンと、Li4SiO4に帰属できる回折パターンが観察されたことから、被覆層はLi4SiO4であることが分かった。
(Identification of coating layer)
In the XRD pattern of the positive electrode active material, a diffraction pattern that can be attributed to LiCoO 2 and a diffraction pattern that can be attributed to Li 4 SiO 4 were observed, which revealed that the coating layer was Li 4 SiO 4 .
表1に容量維持率を示す。被覆層がLi2SiO3の場合と比較すると、容量維持率が若干改善する傾向に有ることが分かる。これは、LiCoO2界面近傍でのLi濃度が上がることによりLiCoO2界面でのLi移動が促進され、それにより過電圧が低下して有機物の分解抑制がより促進されたためと考えられる。 Table 1 shows the capacity retention rate. Compared with the case where the coating layer is Li 2 SiO 3 , it can be seen that the capacity retention rate tends to be slightly improved. This, Li movement in LiCoO 2 interface is facilitated by the Li concentration at LiCoO 2 interface area increases, thereby presumably because the overvoltage is more accelerated the decomposition inhibiting organic substances decreases.
[実施例3]
(正極活物質材料の製造)
リチウム含有複合酸化物の前駆体溶液の作製においてLi/Si=8とし、Li濃度を2.0mol/Lとし、さらに熱処理温度を600℃とした事以外は、実施例1と同様の方法で正極活物質材料を製造し、リチウムイオン二次電池の作製と電気特性の測定を行った。
[Example 3]
(Manufacture of positive electrode active material)
In the preparation of the lithium-containing composite oxide precursor solution, Li / Si = 8, Li concentration was 2.0 mol / L, and the heat treatment temperature was 600 ° C. An active material was manufactured, and a lithium ion secondary battery was manufactured and its electrical characteristics were measured.
(被覆層の同定)
上記正極活物質材料のXRDパターンでは、LiCoO2に帰属できる回折パターンと、Li8SiO6に帰属できる回折パターンが観察されたことから、被覆層はLi8SiO6であることが分かった。
(Identification of coating layer)
In the XRD pattern of the positive electrode active material, a diffraction pattern that can be attributed to LiCoO 2 and a diffraction pattern that can be attributed to Li 8 SiO 6 were observed, which revealed that the coating layer was Li 8 SiO 6 .
表1に容量維持率を示す。Li8SiO6がコートされたものでも、被覆することで容量維持率が改善する事が分かる。 Table 1 shows the capacity retention rate. It can be seen that even when Li 8 SiO 6 is coated, the capacity retention rate is improved by coating.
[比較例1]
何も被覆していないLiCoO2を使用し、リチウムイオン二次電池の作製と電気特性の測定を行った。表1に容量維持率を示す。被覆層が無いものは容量維持率が低い値となっている事が分かる。
[Comparative Example 1]
Using LiCoO 2 not coated with anything, a lithium ion secondary battery was produced and its electrical characteristics were measured. Table 1 shows the capacity retention rate. It can be seen that the one without the coating layer has a low capacity retention rate.
[実施例4〜6]
テトラエトキシシランの代わりにアルミニウムトリイソプロポキシドを用い、Li/Ma比と熱処理温度を表2に示した条件に変更した事以外は実施例1と同様にして被覆層を形成し、XRDにより被覆層の同定を行った。ここで、MaはAlを示す。また正極活物質材料、リチウムイオン二次電池の作製および電気特性の評価は実施例1と同様の方法で行った。
[Examples 4 to 6]
A coating layer was formed in the same manner as in Example 1 except that aluminum triisopropoxide was used instead of tetraethoxysilane and the Li / Ma ratio and heat treatment temperature were changed to the conditions shown in Table 2. The layer was identified. Here, Ma represents Al. In addition, the production of the positive electrode active material, the lithium ion secondary battery, and the evaluation of the electrical characteristics were performed in the same manner as in Example 1.
[実施例7〜9]
テトラエトキシシランの代わりにゲルマニウムテトラエトキシドを用い、Li/Ma比と熱処理温度を表2に示した条件に変更した事以外は実施例1と同様にして被覆層を形成し、XRDにより被覆層の同定を行った。ここで、MaはGeを示す。また正極活物質材料、リチウムイオン二次電池の作製および電気特性の評価は実施例1と同様の方法で行った。
[Examples 7 to 9]
A coating layer was formed in the same manner as in Example 1 except that germanium tetraethoxide was used instead of tetraethoxysilane, and the Li / Ma ratio and the heat treatment temperature were changed to the conditions shown in Table 2, and the coating layer was formed by XRD. Was identified. Here, Ma represents Ge. In addition, the production of the positive electrode active material, the lithium ion secondary battery, and the evaluation of the electrical characteristics were performed in the same manner as in Example 1.
[実施例10〜11]
テトラエトキシシランの代わりにインジウムトリプロポキシドを用い、Li/Ma比と熱処理温度を表2に示した条件に変更した事以外は実施例1と同様にして被覆層を形成し、XRDにより被覆層の同定を行った。ここで、MaはInを示す。また正極活物質材料、リチウムイオン二次電池の作製および電気特性の評価は実施例1と同様の方法で行った。
[Examples 10 to 11]
A coating layer was formed in the same manner as in Example 1 except that indium tripropoxide was used instead of tetraethoxysilane, and the Li / Ma ratio and the heat treatment temperature were changed to the conditions shown in Table 2. The coating layer was formed by XRD. Was identified. Here, Ma represents In. In addition, the production of the positive electrode active material, the lithium ion secondary battery, and the evaluation of the electrical characteristics were performed in the same manner as in Example 1.
[実施例12]
テトラエトキシシランの代わりにスズテトラエトキドを用い、Li/Ma比と熱処理温度を表2に示した条件に変更した事以外は実施例1と同様にして被覆層を形成し、XRDにより被覆層の同定を行った。ここで、MaはSnを示す。また正極活物質材料、リチウムイオン二次電池の作製および電気特性の評価は実施例1と同様の方法で行った。
[Example 12]
A coating layer was formed in the same manner as in Example 1 except that tin tetraethoxide was used instead of tetraethoxysilane, and the Li / Ma ratio and the heat treatment temperature were changed to the conditions shown in Table 2, and the coating layer was formed by XRD. Was identified. Here, Ma represents Sn. In addition, the production of the positive electrode active material, the lithium ion secondary battery, and the evaluation of the electrical characteristics were performed in the same manner as in Example 1.
[実施例13〜14]
テトラエトキシシランの代わりにニオブペンタエトキドを用い、Li/Ma比と熱処理温度を表2に示した条件に変更した事以外は実施例1と同様にして被覆層を形成し、XRDにより被覆層の同定を行った。ここで、MaはNbを示す。また正極活物質材料、リチウムイオン二次電池の作製および電気特性の評価は実施例1と同様の方法で行った。
[Examples 13 to 14]
A coating layer was formed in the same manner as in Example 1 except that niobium pentaethoxide was used instead of tetraethoxysilane, and the Li / Ma ratio and the heat treatment temperature were changed to the conditions shown in Table 2. The coating layer was formed by XRD. Was identified. Here, Ma represents Nb. In addition, the production of the positive electrode active material, the lithium ion secondary battery, and the evaluation of the electrical characteristics were performed in the same manner as in Example 1.
表2に実施例4〜14の容量維持率を示す。元素の種類が異なっても、被覆による容量維持率の改善効果が見られる。 Table 2 shows capacity retention rates of Examples 4 to 14. Even if the kinds of elements are different, the effect of improving the capacity retention rate by the coating can be seen.
[実施例15]
(中間層の形成)
濃度を0.1mol/Lに調整したHNO3溶液50mLにLiCoO210gを投入し、10分間撹拌したのち、水洗・回収し、100℃で2時間乾燥した。このLiCoO2を、0.2mol/Lの濃度に調整したNaOH水溶液1000mLに投入し撹拌を行いつつ、1mol/LのMgCl2水溶液11mLをゆっくり滴下しながら加えた。室温5時間の撹拌ののち、得られた黒色粉末を水洗・回収し、空気中で800℃の温度の下2時間、熱処理を行う事でLiCoO2上にMg2+を含む複合金属酸化物を含む中間層を形成した。
[Example 15]
(Formation of intermediate layer)
10 g of LiCoO 2 was added to 50 mL of HNO 3 solution adjusted to a concentration of 0.1 mol / L, stirred for 10 minutes, washed with water, recovered, and dried at 100 ° C. for 2 hours. This LiCoO 2 was added to 1000 mL of an aqueous NaOH solution adjusted to a concentration of 0.2 mol / L, and 11 mL of an aqueous 1 mol / L MgCl 2 solution was slowly added dropwise while stirring. After stirring at room temperature for 5 hours, the resulting black powder is washed with water and collected, and heat treatment is performed in air at a temperature of 800 ° C. for 2 hours to include a composite metal oxide containing Mg 2+ on LiCoO 2 An intermediate layer was formed.
(中間層の同定)
中間層を形成したLiCoO2についてTEM−EDX測定を行ったところ、LiCoO2粒子上に10〜50nm程度のMgOが分布しており、EDXのラインスキャンを行った結果、MgOとLiCoO2の界面にMgとCoのみが共存している領域が確認できたことから、MgとCoを含む複合酸化物が形成していることが分かった。
(Identification of the intermediate layer)
When TEM-EDX measurement was performed on LiCoO 2 with an intermediate layer formed, MgO of about 10 to 50 nm was distributed on the LiCoO 2 particles, and as a result of EDX line scan, the interface between MgO and LiCoO 2 was observed. Since the region where only Mg and Co coexist was confirmed, it was found that a composite oxide containing Mg and Co was formed.
TEM−SAEDにより、上記MgとCoの共存領域の制限視野回折パターンを取ると、LiCoO2と類似の六方晶に帰属できる回折パターンを与えたことから、複合酸化物の構造はLiCoO2と類似の構造を維持していることが分かった。 The TEM-SAED, taking the area diffraction pattern of the coexistence region of the Mg and Co, since it gave a diffraction pattern that can be attributed to similar hexagonal and LiCoO 2, the structure of the composite oxide similar to LiCoO 2 It was found that the structure was maintained.
さらに、ICP−AESにより中間層を形成したLiCoO2粒子中のMg量を定量すると、MgはCoに対してモル比で約3.5%程度含まれていることが分かった。 Furthermore, when the amount of Mg in LiCoO 2 particles in which the intermediate layer was formed by ICP-AES was quantified, it was found that Mg was included in a molar ratio of about 3.5% with respect to Co.
(正極活物質材料の製造)
リチウムエトキシドとテトラエトキシシランのエタノール溶液をLi/Si=4、Li=1.5mol/Lとなるように混合調整し、リチウム含有複合酸化物の前駆体溶液を作成した。この前駆体溶液を、前記手法により中間層を形成したLiCoO2粉末15gに添加し、遊星混合装置にて2000rpmで1分間混合した。このときの前駆体溶液の添加量は、リチウム含有複合酸化物組成をLixSiO2+x/2(x=Li/Si比)と仮定したときに0.5wt%となるようにした。混合により得られたスラリーに0.18mLの蒸留水を添加し、さらに遊星混合装置にて2000rpmで一分間混合することで加水分解処理したのち、大気中120℃で乾燥し、真空下で350℃の熱処理を30分行い、正極活物質材料を得た。
(Manufacture of positive electrode active material)
An ethanol solution of lithium ethoxide and tetraethoxysilane was mixed and adjusted so that Li / Si = 4 and Li = 1.5 mol / L to prepare a precursor solution of a lithium-containing composite oxide. This precursor solution was added to 15 g of LiCoO 2 powder on which an intermediate layer was formed by the above method, and mixed for 1 minute at 2000 rpm with a planetary mixer. The amount of the precursor solution added at this time was 0.5 wt% when the lithium-containing composite oxide composition was assumed to be Li x SiO 2 + x / 2 (x = Li / Si ratio). After adding 0.18 mL of distilled water to the slurry obtained by mixing and further hydrolyzing by mixing at 2000 rpm for 1 minute with a planetary mixer, it is dried at 120 ° C. in the atmosphere and 350 ° C. under vacuum. The heat treatment was performed for 30 minutes to obtain a positive electrode active material.
正極活物質層の製造、リチウムイオン二次電池の作製、電気特性の測定については実施例1と同様とした。容量維持率を表3に示す。表3中の熱処理温度(A)は中間層形成時の熱処理温度、熱処理温度(B)は被覆層形成時の熱処理温度を示している。 The production of the positive electrode active material layer, the production of the lithium ion secondary battery, and the measurement of the electric characteristics were the same as in Example 1. The capacity retention rate is shown in Table 3. The heat treatment temperature (A) in Table 3 indicates the heat treatment temperature when forming the intermediate layer, and the heat treatment temperature (B) indicates the heat treatment temperature when forming the coating layer.
Li4SiO4の被覆層のみを有する実施例3と比較すると、中間層を導入することによって容量維持率が大きく改善したことが分かる。 As compared with Example 3 having only the coating layer of Li 4 SiO 4 , it can be seen that the capacity retention rate was greatly improved by introducing the intermediate layer.
[比較例2〜4]
中間層のみで熱処理温度を600〜800℃と変化させて電気特性の検討を行った結果を、ICP−AESで見積もったMg/Co比と共に比較例2〜4に示す。被覆層が無いためか、比較例ではどれも実施例2よりも低い容量維持率となっている。
[Comparative Examples 2 to 4]
Comparative examples 2 to 4 show the results of examining the electrical characteristics by changing the heat treatment temperature to 600 to 800 ° C. only in the intermediate layer, together with the Mg / Co ratio estimated by ICP-AES. Because there is no coating layer, all of the comparative examples have a capacity retention rate lower than that of Example 2.
中間層とともに被覆層を形成することで容量維持率が飛躍的に改善された原因として、電解液との界面反応により破壊されてしまう中間層が、Li含有複合酸化物で被覆することにより保護され、中間層によるLiCoO2の構造安定化の効果が大きく改善されたためと考えられる。 The reason why the capacity retention rate has been dramatically improved by forming the coating layer together with the intermediate layer is that the intermediate layer that is destroyed by the interface reaction with the electrolytic solution is protected by coating with the Li-containing composite oxide. This is probably because the effect of stabilizing the structure of LiCoO 2 by the intermediate layer was greatly improved.
[実施例16〜18]
実施例15において、中間層に使用する元素をCa、Ba、Znとした場合の評価結果を、ICP−AESにより見積もったMb/Co比と共に表4に示す。ここでMbはCa,Ba,Znのいずれかの元素を指す。中間層の形成方法はMgCl2の代わりにMbの塩化物を使用した以外、同一の方法である。正極活物質材料の製造、正極活物質層の作製、リチウムイオン二次電池の作製、電気特性の測定については実施例1と同様とした。表4中の熱処理温度(A)は中間層形成時の熱処理温度、熱処理温度(B)は被覆層形成時の熱処理温度を示している
[Examples 16 to 18]
In Example 15, the evaluation results when the elements used for the intermediate layer are Ca, Ba, and Zn are shown in Table 4 together with the Mb / Co ratio estimated by ICP-AES. Here, Mb refers to any element of Ca, Ba, and Zn. The intermediate layer is formed by the same method except that Mb chloride is used instead of MgCl 2 . Production of the positive electrode active material, production of the positive electrode active material layer, production of the lithium ion secondary battery, and measurement of electrical characteristics were the same as in Example 1. The heat treatment temperature (A) in Table 4 indicates the heat treatment temperature when forming the intermediate layer, and the heat treatment temperature (B) indicates the heat treatment temperature when forming the coating layer.
中間層に導入する2価金属は、Mg以外でも容量維持率の改善効果がある事が分かる。 It can be seen that the divalent metal introduced into the intermediate layer has an effect of improving the capacity retention rate other than Mg.
[実施例19]
実施例15において、中間層の形成時の熱処理温度を900℃とした事以外、正極活物質材料の製造方法は同一である。正極活物質層の作製、リチウムイオン二次電池の作製、電気特性の測定については実施例1と同様とした。表5中の熱処理温度(A)は中間層形成時の熱処理温度、熱処理温度(B)は被覆層形成時の熱処理温度を示している。ICP−AESにより見積もったMg/Co比と共に、容量維持率を表5に示す。
[Example 19]
In Example 15, the manufacturing method of the positive electrode active material is the same except that the heat treatment temperature at the time of forming the intermediate layer is 900 ° C. The production of the positive electrode active material layer, the production of the lithium ion secondary battery, and the measurement of electric characteristics were the same as in Example 1. The heat treatment temperature (A) in Table 5 indicates the heat treatment temperature during formation of the intermediate layer, and the heat treatment temperature (B) indicates the heat treatment temperature during formation of the coating layer. Table 5 shows the capacity retention ratio together with the Mg / Co ratio estimated by ICP-AES.
(中間層の同定)
中間層を形成したLiCoO2についてTEM−EDX測定を行ったところ、LiCoO2粒子上に10〜50nm程度のMgOが分布しており、EDXのラインスキャンを行った結果、MgOとLiCoO2の界面にMgとCoのみが共存している領域が確認できたことから、MgとCoを含む複合酸化物が形成していることが分かった。
(Identification of the intermediate layer)
When TEM-EDX measurement was performed on LiCoO 2 with an intermediate layer formed, MgO of about 10 to 50 nm was distributed on the LiCoO 2 particles, and as a result of EDX line scan, the interface between MgO and LiCoO 2 was observed. Since the region where only Mg and Co coexist was confirmed, it was found that a composite oxide containing Mg and Co was formed.
TEM−SAEDにより、上記MgとCoの共存領域の制限視野回折パターンを取ると、LiCoO2とは異なる立方晶に帰属できる回折パターンを与えた。TEM−EELSによる組成分析と合わせた結果、複合酸化物はスピネル構造のMgCo2O4であることが分かった。 When a limited field diffraction pattern of the coexistence region of Mg and Co was taken by TEM-SAED, a diffraction pattern that could be attributed to a cubic crystal different from LiCoO 2 was given. As a result of combining with the composition analysis by TEM-EELS, it was found that the composite oxide was MgCo 2 O 4 having a spinel structure.
高温熱処理により中間層がスピネル構造となっても、容量維持率が改善できることが分かる。 It can be seen that even when the intermediate layer has a spinel structure by high-temperature heat treatment, the capacity retention rate can be improved.
[実施例20〜23]
実施例15において、正極活物質をLiNi0.5Co0.5O2,LiNi0.33Co0.33Mn0.33O2,LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2,LiNi0.8Co0.15Al0.05O2とした場合の結果を表6に示す。正極活物質の種類を変えた事以外は、正極活物質材料の製造方法は実施例15と同一である。正極活物質層の作製、リチウムイオン二次電池の作製、電気特性の測定については実施例1と同様とした。
[Examples 20 to 23]
In Example 15, the positive electrode active materials were LiNi 0.5 Co 0.5 O 2 , LiNi 0.33 Co 0.33 Mn 0.33 O 2 , LiNi 0.8 Co 0.1 Mn 0.1 O 2 , Table 6 shows the results when LiNi 0.8 Co 0.15 Al 0.05 O 2 is used. The manufacturing method of the positive electrode active material is the same as that of Example 15 except that the type of the positive electrode active material is changed. The production of the positive electrode active material layer, the production of the lithium ion secondary battery, and the measurement of electric characteristics were the same as in Example 1.
[比較例5〜8]
実施例21〜23において、中間層および被覆層を形成しなかった場合の正極活物質、LiNi0.5Co0.5O2,LiNi0.33Co0.33Mn0.33O2,LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2,LiNi0.8Co0.15Al0.05O2の容量維持率を表6に示す。正極活物質の種類を変えた事以外は、正極活物質層の作製、リチウムイオン二次電池の作製、電気特性の測定など比較例1と同様とした。表6中の熱処理温度(A)は中間層形成時の熱処理温度、熱処理温度(B)は被覆層形成時の熱処理温度を示している。
[Comparative Examples 5 to 8]
In Examples 21 to 23, the positive electrode active material, LiNi 0.5 Co 0.5 O 2 , LiNi 0.33 Co 0.33 Mn 0.33 O 2 , LiNi when the intermediate layer and the coating layer were not formed Table 6 shows capacity retention rates of 0.8 Co 0.1 Mn 0.1 O 2 and LiNi 0.8 Co 0.15 Al 0.05 O 2 . Except that the type of the positive electrode active material was changed, it was the same as Comparative Example 1 such as the production of the positive electrode active material layer, the production of the lithium ion secondary battery, and the measurement of electrical characteristics. The heat treatment temperature (A) in Table 6 indicates the heat treatment temperature when forming the intermediate layer, and the heat treatment temperature (B) indicates the heat treatment temperature when forming the coating layer.
表6から、正極活物質の種類を変えても、中間層と被覆層の形成によりそれぞれの正極活物質の容量維持率が改善されることが分かる。 From Table 6, it can be seen that even when the type of the positive electrode active material is changed, the capacity retention rate of each positive electrode active material is improved by forming the intermediate layer and the coating layer.
10・・・正極
20・・・負極
12・・・正極集電体
14・・・正極活物質層
140・・・正極活物質材料
141・・・正極活物質
142・・・中間層
143・・・被覆層
18・・・セパレータ
22・・・負極集電体
24・・・負極活物質層
30・・・電池要素
50・・・ケース
52・・・金属箔
54・・・高分子膜
60、62・・・リード
100・・・リチウムイオン二次電池。
DESCRIPTION OF
Claims (6)
LixMaOy ・・・(1)
[1<x<8、3<y<6、MaはAl,Si,Ga,Ge,In,Sn,Nbからなる群から選択される少なくとも1種] A positive electrode active material having a coating layer containing a lithium-containing composite oxide at least partially on the positive electrode active material, wherein the lithium-containing composite oxide is represented by the following composition formula (1).
LixMaOy (1)
[1 <x <8, 3 <y <6, Ma is at least one selected from the group consisting of Al, Si, Ga, Ge, In, Sn, and Nb]
MbMc2O4 ・・・(2)
[MbはCa、Mg、Ba、Znからなる群から選択される少なくとも1種、McはMn、Fe、Co、Ni、Alからなる群から選択される少なくとも1種] The positive electrode active material according to claim 2, wherein the divalent metal-containing composite oxide is represented by the following composition formula (2).
MbMc 2 O 4 (2)
[Mb is at least one selected from the group consisting of Ca, Mg, Ba, Zn, and Mc is at least one selected from the group consisting of Mn, Fe, Co, Ni, Al]
LiaNibCocMndAleO2 ・・・(3)
[上記式(3)中、0≦a≦1.0、0≦b≦1.0、0≦c<1.0、0≦d≦1.0、0≦e≦1.0、a+b+c+d+e=1.0] The positive electrode active material according to any one of claims 1 to 3, wherein the positive electrode active material is represented by the following composition formula (3).
Li a Ni b Co c Mn d Al e O 2 (3)
[In the above formula (3), 0 ≦ a ≦ 1.0, 0 ≦ b ≦ 1.0, 0 ≦ c <1.0, 0 ≦ d ≦ 1.0, 0 ≦ e ≦ 1.0, a + b + c + d + e = 1.0]
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