JP2020001935A - Transition metal composite hydroxide particles and production method thereof, positive electrode active material for lithium ion secondary battery and production method thereof, and lithium ion secondary battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、遷移金属複合水酸化物の粒子とその製造方法、この遷移金属複合水酸化物の粒子を前駆体とするリチウムイオン二次電池用正極活物質とその製造方法、および、このリチウムイオン二次電池用正極活物質を正極材料として用いたリチウムイオン二次電池に関する。 The present invention relates to a transition metal composite hydroxide particle and a method for producing the same, the transition metal composite hydroxide particle as a precursor, a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery, a method for producing the same, and a lithium ion The present invention relates to a lithium ion secondary battery using a positive electrode active material for a secondary battery as a positive electrode material.
近年、スマートフォン、タブレットPCなどの携帯電子機器の普及に伴い、高いエネルギー密度を有する小型で軽量な非水系電解質二次電池の開発が強く望まれている。また、ハイブリット電気自動車、プラグインハイブリッド電気自動車、電池式電気自動車などの電気自動車用の電源として高出力の二次電池の開発が強く望まれている。 2. Description of the Related Art In recent years, with the spread of portable electronic devices such as smartphones and tablet PCs, development of a small and lightweight non-aqueous electrolyte secondary battery having a high energy density has been strongly desired. Also, there is a strong demand for the development of a high-output secondary battery as a power source for electric vehicles such as hybrid electric vehicles, plug-in hybrid electric vehicles, and battery-powered electric vehicles.
このような要求を満たす二次電池として、非水系電解質二次電池の一種であるリチウムイオン二次電池がある。このリチウムイオン二次電池は、負極、正極、電解質などで構成され、その負極および正極の材料として用いられる活物質には、リチウムを脱離および挿入することが可能な材料が使用される。なお、電解質としては、支持塩であるリチウム塩を有機溶媒に溶解してなる非水系電解液や、不燃性でイオン電導性を有する固体電解質などの非水系電解質が用いられている。 As a secondary battery satisfying such requirements, there is a lithium ion secondary battery which is a kind of non-aqueous electrolyte secondary battery. This lithium ion secondary battery is composed of a negative electrode, a positive electrode, an electrolyte, and the like. As an active material used as a material of the negative electrode and the positive electrode, a material capable of removing and inserting lithium is used. As the electrolyte, a non-aqueous electrolyte such as a non-aqueous electrolyte obtained by dissolving a lithium salt as a supporting salt in an organic solvent or a non-flammable solid electrolyte having ionic conductivity is used.
このリチウムイオン二次電池のうち、層状またはスピネル型のリチウム遷移金属複合酸化物を正極活物質に用いたリチウムイオン二次電池は、4V級の電圧が得られるため、高エネルギー密度を有する二次電池として、現在、研究開発が盛んに行われており、一部では実用化も進んでいる。 Among these lithium ion secondary batteries, a lithium ion secondary battery using a layered or spinel-type lithium transition metal composite oxide as a positive electrode active material can obtain a voltage of 4 V class, and thus has a high energy density secondary battery. Currently, research and development are being actively carried out as batteries, and some of them are being put to practical use.
このようなリチウムイオン二次電池の正極活物質として、合成が比較的容易なリチウムコバルト複合酸化物(LiCoO2)、コバルトよりも安価なニッケルを用いたリチウムニッケル複合酸化物(LiNiO2)、リチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物(LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2)、マンガンを用いたリチウムマンガン複合酸化物(LiMn2O4)、リチウムニッケルマンガン複合酸化物(LiNi0.5Mn0.5O2)などのリチウム遷移金属複合酸化物の粒子が提案されている。 As a positive electrode active material of such a lithium ion secondary battery, a lithium cobalt composite oxide (LiCoO 2 ) which is relatively easy to synthesize, a lithium nickel composite oxide (LiNiO 2 ) using nickel cheaper than cobalt, lithium Nickel cobalt manganese composite oxide (LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 ), lithium manganese composite oxide using manganese (LiMn 2 O 4 ), lithium nickel manganese composite oxide (LiNi 0.5 Particles of a lithium transition metal composite oxide such as Mn 0.5 O 2 ) have been proposed.
また、リチウムイオン二次電池において、高い電池特性(高サイクル特性、高出力特性等)を有する正極を得ることを目的として、上記リチウム遷移金属複合酸化物の粒子構造を制御する技術が提案されている。 In addition, in order to obtain a positive electrode having high battery characteristics (high cycle characteristics, high output characteristics, etc.) in a lithium ion secondary battery, a technique for controlling the particle structure of the lithium transition metal composite oxide has been proposed. I have.
例えば、特許文献1〜3には、主として核生成を行う核生成工程と、主として粒子成長を行う粒子成長工程との2段階に明確に分離した晶析反応により、正極活物質の前駆体となる遷移金属複合水酸化物の粒子を製造する方法が開示されている。これらの方法では、核生成工程および粒子成長工程におけるpH値や反応雰囲気を適宜調整することで、小粒径で粒度分布が狭く、かつ、微細一次粒子からなる低密度の中心部と、板状または針状一次粒子からなる高密度の外殻部とから構成される遷移金属複合水酸化物の粒子を得ている。 For example, Patent Documents 1 to 3 disclose a precursor of a positive electrode active material by a crystallization reaction clearly separated into two stages of a nucleation step of mainly performing nucleation and a particle growth step of mainly performing particle growth. A method for producing transition metal composite hydroxide particles is disclosed. In these methods, by appropriately adjusting the pH value and the reaction atmosphere in the nucleation step and the particle growth step, a small particle size, a narrow particle size distribution, and a low-density central portion composed of fine primary particles, Alternatively, a transition metal composite hydroxide particle composed of a high-density outer shell portion made of needle-like primary particles is obtained.
一方、高い電池特性(高サイクル特性、高出力特性等)を有する正極を得るため、上記リチウム遷移金属複合酸化物に、リチウム、ニッケル、コバルト、マンガン以外の元素を添加する技術がいくつか提案されている。 On the other hand, in order to obtain a positive electrode having high battery characteristics (high cycle characteristics, high output characteristics, etc.), several techniques for adding elements other than lithium, nickel, cobalt, and manganese to the above lithium transition metal composite oxide have been proposed. ing.
例えば、特許文献4には、一般式:Ni1−x−yCoxMnyMz(OH)2+a(但し0.10≦x≦0.35、0≦y≦0.35、0<z≦0.05,0≦a≦0.5、MはAl、Mg、Ca、Ti、Zr、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Fe、Cu、Si、Sn、Bi、Ga、Y、Sm、Er、Ce、Nd、La、Cd、Luからなる群より選択される少なくとも一種以上元素)で表されるニッケルコバルト複合水酸化物であって、ニッケルコバルト複合水酸化物は一次粒子が複数集合した二次粒子からなり、二次粒子は、二次粒子の半径に対する半径方向への深さの割合が表面から5%未満の第一層と、半径方向への深さの割合が5%以上50%未満の前記第一層より二次粒子の内側に存在する第二層と、半径方向への深さの割合が50%以上の第二層より二次粒子の内側に存在する第三層と、からなり、二次粒子の半径方向の深さに対する元素Mに関するSEM―EDXのスペクトルが第二層においてピークを有するニッケルコバルト複合水酸化物が開示されている。この複合水酸化物から得られる正極活物質は、二次粒子の表面に存在する第一層と、第一層より前記二次粒子の内側に存在する第二層と、第二層より二次粒子の内側に存在する第三層とからなり、二次粒子の半径方向の深さに対する元素Mに関するSEM―EDXのスペクトルが第二層においてピークを有し、優れた低温出力特性、高放電容量の電池特性が得られるとされている。 For example, Patent Document 4, the general formula: Ni 1-x-y Co x Mn y M z (OH) 2 + a ( where 0.10 ≦ x ≦ 0.35,0 ≦ y ≦ 0.35,0 <z ≦ 0.05, 0 ≦ a ≦ 0.5, M is Al, Mg, Ca, Ti, Zr, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Fe, Cu, Si, Sn, Bi, Ga, Y, Sm , Er, Ce, Nd, La, Cd, and at least one element selected from the group consisting of Lu), the nickel-cobalt composite hydroxide is composed of a plurality of primary particles The secondary particles are composed of a first layer in which the ratio of the depth in the radial direction to the radius of the secondary particles is less than 5% from the surface, and the ratio of the depth in the radial direction is 5% or more. Less than 50% of the second layer present on the inner side of the secondary particles than the first layer, and a radial depth And a third layer present on the inner side of the secondary particles from the second layer having a ratio of 50% or more, wherein the spectrum of SEM-EDX for the element M with respect to the radial depth of the secondary particles in the second layer A nickel cobalt composite hydroxide having a peak is disclosed. The positive electrode active material obtained from the composite hydroxide has a first layer present on the surface of the secondary particles, a second layer present on the inner side of the secondary particles from the first layer, and a secondary layer present on the second layer. The SEM-EDX spectrum for the element M with respect to the radial depth of the secondary particles has a peak in the second layer, and has excellent low-temperature output characteristics and high discharge capacity. It is said that the following battery characteristics can be obtained.
例えば、上記特許文献1〜3のように、正極活物質が、小粒径で粒度分布が狭い粒子によって構成されている場合、サイクル特性や出力特性を向上させることができる。これは、粒径が小さい粒子は、比表面積が大きく、正極活物質として用いた場合に電解液との反応面積を十分に確保することができるばかりでなく、正極を薄く構成し、リチウムイオンの正極板内の移動距離を短くすることができるため、正極抵抗の低減が可能だからである。また、粒度分布が狭い粒子は、電極内で粒子に印加される電圧を均一化できるため、充放電を繰り返した際に微粒子が選択的に劣化することによる電池容量の低下を抑制することが可能だからである。 For example, when the positive electrode active material is composed of particles having a small particle size and a narrow particle size distribution as in Patent Documents 1 to 3, the cycle characteristics and output characteristics can be improved. This is because particles having a small particle diameter have a large specific surface area, and when used as a positive electrode active material, not only can a sufficient reaction area with an electrolytic solution be secured, but also the positive electrode can be made thin and lithium ions can be formed. This is because the moving distance in the positive electrode plate can be shortened, so that the positive electrode resistance can be reduced. In addition, since particles with a narrow particle size distribution can equalize the voltage applied to the particles in the electrode, it is possible to suppress a decrease in battery capacity due to selective deterioration of the particles when charge and discharge are repeated. That's why.
また、上記特許文献1〜3のように、正極活物質粒子の内部に、電解液が侵入可能な空間部を形成することにより、出力特性のさらなる改善を図ることができる。このような正極活物質は、粒径が同程度である中実構造の正極活物質と比べて、電解液との反応面積を大きくすることができるため、正極抵抗を大幅に低減することが可能となる。なお、正極活物物質の粒子性状は、その前駆体となる遷移金属複合水酸化物の粒子性状に大きく依存することが知られている。すなわち、その前駆体である遷移金属複合水酸化物の粒子の粒径、粒度分布および粒子構造などを適切に制御することにより、上述した正極活物質を得ることができる。 Further, as described in Patent Documents 1 to 3, the output characteristics can be further improved by forming a space into which the electrolytic solution can enter inside the positive electrode active material particles. Such a positive electrode active material can have a larger reaction area with an electrolytic solution than a solid-structured positive electrode active material having a similar particle size, and thus can significantly reduce the positive electrode resistance. It becomes. It is known that the particle properties of the positive electrode active material greatly depend on the particle properties of the transition metal composite hydroxide that is a precursor thereof. That is, the above-described positive electrode active material can be obtained by appropriately controlling the particle size, particle size distribution, particle structure, and the like of the particles of the transition metal composite hydroxide that is the precursor.
しかしながら、上記特許文献1〜3に記載の記述のように、粒子構造を制御するのみでは、電池特性(例、高サイクル特性、出力特性等)の向上に限界があり、電池特性のさらなる向上が求められている。 However, as described in Patent Documents 1 to 3, merely controlling the particle structure has a limitation in improving battery characteristics (eg, high cycle characteristics, output characteristics, and the like), and further improving battery characteristics. It has been demanded.
また、例えば、上記特許文献4によれば、二次粒子内部で元素Mが特定の分布を有することにより、電池特性が改善されているものの、電池特性のさらなる向上が求められている。 According to Patent Document 4, for example, although the element M has a specific distribution inside the secondary particles, the battery characteristics are improved, but further improvement in the battery characteristics is required.
本発明は、上述の問題に鑑みて、二次電池を構成した場合に、電池特性をさらに向上することができる正極活物質、及び、その前駆体として好適に用いられる遷移金属複合水酸化物の粒子を提供することを目的とする。また、本発明は、上記の正極活物質、及び、遷移金属複合水酸化物の粒子を工業規模で容易に生産性高く製造する方法を提供することを目的とする。また、本発明は、高い電池特性を有する二次電池を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and when a secondary battery is configured, a cathode active material capable of further improving battery characteristics, and a transition metal composite hydroxide suitably used as a precursor thereof. It is intended to provide particles. Another object of the present invention is to provide a method for easily producing the above-mentioned positive electrode active material and particles of the transition metal composite hydroxide with high productivity on an industrial scale. Another object of the present invention is to provide a secondary battery having high battery characteristics.
本発明の第1の態様によれば、遷移金属を含む原料水溶液と、アンモニウムイオン供給体と、を供給して反応水溶液を形成し、晶析反応によって、遷移金属複合水酸化物の粒子を製造する方法であって、液温25℃基準におけるpH値が12.0以上14.0以下の範囲となるように制御して、酸素濃度が5容量%を超える酸性雰囲気下で核の生成を行う核生成工程と、核生成工程で得られた核を含む反応水溶液を、液温25℃基準におけるpH値が、核生成工程の反応水溶液のpH値よりも低く、かつ、10.5以上12.0以下の範囲となるように制御して、核を成長させる粒子成長工程と、を備え、粒子成長工程は、酸性雰囲気下で核を成長させる第1の粒子成長工程と、第1の粒子成長工程における酸化雰囲気を、酸素濃度が5容量%以下の非酸化性雰囲気に切り替えて、非酸化性雰囲気下で、さらに核を成長させる第2の粒子成長工程と、を備え、酸化性雰囲気下で、遷移金属とは異なる添加元素を含む原料水溶液を反応水溶液に供給することと、非酸化性雰囲気下で、添加元素を含む原料水溶液の反応水溶液への供給を停止すること、又は、添加元素の反応水溶液への供給量を、酸化性雰囲気下よりも減少させることを含む、遷移金属複合水酸化物の粒子の製造方法が提供される。 According to the first aspect of the present invention, a raw material aqueous solution containing a transition metal and an ammonium ion donor are supplied to form a reaction aqueous solution, and a transition metal composite hydroxide particle is produced by a crystallization reaction. A nucleus is formed in an acidic atmosphere in which the oxygen concentration exceeds 5% by volume by controlling the pH value at a liquid temperature of 25 ° C. to be in a range of 12.0 or more and 14.0 or less. 11. The pH value of the nucleation step and the reaction aqueous solution containing nuclei obtained in the nucleation step is lower than the pH value of the reaction aqueous solution in the nucleation step at a liquid temperature of 25 ° C., and 10.5 or more. A particle growth step of growing nuclei while controlling the particle growth to be 0 or less, wherein the particle growth step is a first particle growth step of growing nuclei in an acidic atmosphere, and a first particle growth step. Oxidizing atmosphere in the process, the oxygen concentration is 5 volumes A second particle growth step of further growing nuclei under a non-oxidizing atmosphere by switching to the following non-oxidizing atmosphere, wherein the raw material aqueous solution containing an additional element different from the transition metal under the oxidizing atmosphere To the reaction aqueous solution, and stopping the supply of the raw material aqueous solution containing the additive element to the reaction aqueous solution under a non-oxidizing atmosphere, or reducing the supply amount of the additive element to the reaction aqueous solution under the oxidizing atmosphere. And a method for producing particles of a transition metal composite hydroxide, the method comprising reducing the amount of the transition metal composite hydroxide.
また、第2の粒子成長工程における、酸化性雰囲気から非酸化性雰囲気への切り替えは、晶析反応中の粒子成長が行われる時間全体に対して、0.5%以上30%以下経過した時点で行ってもよい。また、遷移金属複合水酸化物の粒子 は、ニッケル(Ni)、マンガン(Mn)、コバルト(Co)、及び、添加元素(M)を含み、それぞれの元素の物質量比(モル比)が、Ni:Mn:Co:M=x:y:z:t(x+y+z+t=1、0.3≦x≦0.95、0.05≦y≦0.55、0≦z≦0.4、0<≦t≦0.1、Mは、Nb、Mo、Ta、Ti、Zr、及び、Wから選択される1種以上の添加元素)で表されてもよい。また、第2の粒子成長工程の後に得られた晶析物を、添加元素を含む化合物で被覆する被覆工程をさらに備えてもよい。また、第2の粒子成長工程において、添加元素を含む原料水溶液の反応水溶液への供給を停止した場合、晶析反応中の粒子成長が行われる時間全体に対して、50%以上80%以下経過した時点で、添加元素を含む原料水溶液の反応水溶液への添加を再開してもよい。 The switching from the oxidizing atmosphere to the non-oxidizing atmosphere in the second particle growth step is performed when 0.5% or more and 30% or less have elapsed with respect to the entire time during which the grain growth is performed during the crystallization reaction. May be performed. The particles of the transition metal composite hydroxide include nickel (Ni), manganese (Mn), cobalt (Co), and an additional element (M), and the material ratio (molar ratio) of each element is as follows: Ni: Mn: Co: M = x: y: z: t (x + y + z + t = 1, 0.3 ≦ x ≦ 0.95, 0.05 ≦ y ≦ 0.55, 0 ≦ z ≦ 0.4, 0 < ≦ t ≦ 0.1, M may be represented by one or more additional elements selected from Nb, Mo, Ta, Ti, Zr, and W). Further, the method may further include a coating step of coating the crystallized product obtained after the second particle growth step with a compound containing an additional element. In the case where the supply of the raw material aqueous solution containing the additional element to the reaction aqueous solution is stopped in the second particle growth step, 50% or more and 80% or less with respect to the entire time during which the particle growth is performed during the crystallization reaction. At this point, the addition of the raw material aqueous solution containing the additional element to the reaction aqueous solution may be restarted.
本発明の第2の態様によれば、遷移金属と、粒子内で分布に偏りを有する添加元素と、を含む遷移金属複合水酸化物の粒子であって、複数の一次粒子が凝集して形成された二次粒子を含み、二次粒子は、中心部と、中心部の外側に配置された外周部と、を備え、中心部は、複数の微細一次粒子が凝集して形成され、外周部は、微細一次粒子よりも大きく、板状の一次粒子が凝集して形成され、添加元素は、外周部よりも中心部に高濃度で含有され、平均粒径が1μm以上15μm以下である、遷移金属複合水酸化物の粒子が提供される。 According to the second aspect of the present invention, there is provided a transition metal composite hydroxide particle including a transition metal and an additive element having an uneven distribution in the particle, wherein a plurality of primary particles are formed by aggregation. The secondary particles include a central portion and an outer peripheral portion disposed outside the central portion, and the central portion is formed by aggregating a plurality of fine primary particles, and the outer peripheral portion Is larger than the fine primary particles, the plate-like primary particles are formed by agglomeration, the additive element is contained at a higher concentration in the center than in the outer periphery, and the average particle diameter is 1 μm or more and 15 μm or less. A metal composite hydroxide particle is provided.
また、ニッケル(Ni)、マンガン(Mn)、及び、添加元素(M)と、コバルト(Co)とを含み、かつ、それぞれの元素の物質量比(モル比)が、Ni:Mn:Co:M=x:y:z:t(x+y+z+t=1、0.3≦x≦0.95、0.05≦y≦0.55、0≦z≦0.4、0<t≦0.1、Mは、Nb、Mo、Ta、Ti、Zr、及び、Wから選択される1種以上の添加元素)で表されてもよい。また、二次粒子の表面に被覆層を有し、被覆層は、添加元素を含む化合物を含有してもよい。また、外周部は、表面から粒子内部にかけて、外周部の厚さに対して50%以上80%以下の範囲で添加元素を含む領域と、添加元素を含まない、それ以外の領域とを有してもよい。 Further, nickel (Ni), manganese (Mn), and an additional element (M), and cobalt (Co) are contained, and the material ratio (molar ratio) of each element is Ni: Mn: Co: M = x: y: z: t (x + y + z + t = 1, 0.3 ≦ x ≦ 0.95, 0.05 ≦ y ≦ 0.55, 0 ≦ z ≦ 0.4, 0 <t ≦ 0.1, M may be represented by one or more additional elements selected from Nb, Mo, Ta, Ti, Zr, and W). Further, a coating layer may be provided on the surface of the secondary particles, and the coating layer may contain a compound containing an additive element. Further, the outer peripheral portion has, from the surface to the inside of the particle, a region containing the additive element in a range of 50% or more and 80% or less with respect to the thickness of the peripheral portion, and another region not containing the additive element. You may.
本発明の第3の態様によれば、上記の遷移金属複合水酸化物の粒子、又は、遷移金属複合水酸化物の粒子を熱処理して得られた粒子と、リチウム化合物を混合して、リチウム混合物を形成する混合工程と、混合工程で形成されたリチウム混合物を、酸化性雰囲気中、650℃以上980℃以下で焼成する焼成工程を備える、リチウムイオン二次電池用正極活物質の製造方法が提供される。 According to the third aspect of the present invention, the particles of the transition metal composite hydroxide or the particles obtained by heat-treating the particles of the transition metal composite hydroxide are mixed with a lithium compound to form a lithium compound. A method for producing a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery, comprising: a mixing step of forming a mixture; and a firing step of firing the lithium mixture formed in the mixing step at 650 ° C. or higher and 980 ° C. or lower in an oxidizing atmosphere. Provided.
また、混合工程において、リチウム混合物を、リチウム混合物に含まれるリチウム以外の金属の原子数の和(NAMe)と、リチウムの原子数(NALi)との比(NALi/NAMe)が、0.95以上1.5以下となるように調整してもよい。また、混合工程前に、遷移金属複合水酸化物の粒子を105℃以上750℃以下で熱処理する、熱処理工程を備えてもよい。また、正極活物質は、リチウム(Li)、ニッケル(Ni)、マンガン(Mn)、及び、添加元素(M)と、任意にコバルト(Co)とを含み、かつ、それぞれの元素の物質量比(モル比)が、Li:Ni:Mn:Co:M=(1+u):x:y:z:t(−0.05≦u≦0.50、x+y+z+t=1、0.3≦x≦0.95、0.05≦y≦0.55、0≦z≦0.4、0<t≦0.1、Mは、Nb、Mo、Ta、Ti、Zr、及び、Wから選択される1種以上の添加元素)で表されてもよい。 In the mixing step, the ratio of the sum of the number of atoms of metals other than lithium (NAMe) contained in the lithium mixture (NAMe) to the number of atoms of lithium (NALi) (NALi / NAMe) is 0.95 or more. The adjustment may be made to be 1.5 or less. Before the mixing step, a heat treatment step of heat-treating the transition metal composite hydroxide particles at 105 ° C. or more and 750 ° C. or less may be provided. Further, the positive electrode active material contains lithium (Li), nickel (Ni), manganese (Mn), an additional element (M), and optionally cobalt (Co), and a material ratio of each element. (Molar ratio) Li: Ni: Mn: Co: M = (1 + u): x: y: z: t (−0.05 ≦ u ≦ 0.50, x + y + z + t = 1, 0.3 ≦ x ≦ 0 .95, 0.05 ≦ y ≦ 0.55, 0 ≦ z ≦ 0.4, 0 <t ≦ 0.1, M is 1 selected from Nb, Mo, Ta, Ti, Zr, and W Or more kinds of additional elements).
本発明の第4の態様によれば、リチウムと、遷移金属と、遷移金属以外の添加元素を含むリチウム遷移金属複合酸化物の粒子を含有する、正極活物質であって、複数の一次粒子が凝集して形成された二次粒子を含み、二次粒子は、外殻部と、外殻部の内側に、中空部とを備え、中空部は、一次粒子を含まず、二次粒子は、平均粒径が1μm以上15μm以下であり、かつ、一次粒子の表面に添加元素が濃化して存在する濃化層を有する、リチウムイオン二次電池用正極活物質が提供される。 According to the fourth aspect of the present invention, a positive electrode active material containing lithium, a transition metal, and particles of a lithium transition metal composite oxide containing an additional element other than the transition metal, wherein the plurality of primary particles are Including secondary particles formed by aggregation, the secondary particles include an outer shell portion, a hollow portion inside the outer shell portion, the hollow portion does not include the primary particles, the secondary particles are: Provided is a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery having an average particle diameter of 1 μm or more and 15 μm or less and having a concentrated layer in which an additional element is concentrated on the surface of primary particles.
また、濃化層に含まれる添加元素の濃度は、一次粒子の内部の濃度との比が5以上であってもよい。また、BET比表面積が0.7m2/g以上5.0m2/g以下であってもよい。また、リチウム遷移金属複合酸化物の粒子は、リチウム(Li)、ニッケル(Ni)、マンガン(Mn)、及び、添加元素(M)と、任意にコバルト(Co)とを含み、かつ、それぞれの元素の物質量比(モル比)が、Li:Ni:Mn:Co:M=(1+u):x:y:z:t(−0.05≦u≦0.50、x+y+z+t=1、0.3≦x≦0.95、0.05≦y≦0.55、0≦z≦0.4、0<t≦0.1、Mは、Nb、Mo、Ta、Ti、Zr、及び、Wから選択される1種以上の添加元素)で表され、層状構造を有する六方晶系の結晶構造を有してもよい。 Further, the ratio of the concentration of the additional element contained in the concentrated layer to the concentration inside the primary particles may be 5 or more. Further, the BET specific surface area may be 0.7 m 2 / g or more and 5.0 m 2 / g or less. The particles of the lithium transition metal composite oxide contain lithium (Li), nickel (Ni), manganese (Mn), an additional element (M), and optionally cobalt (Co). When the substance amount ratio (molar ratio) of the elements is Li: Ni: Mn: Co: M = (1 + u): x: y: z: t (−0.05 ≦ u ≦ 0.50, x + y + z + t = 1, 0. 3 ≦ x ≦ 0.95, 0.05 ≦ y ≦ 0.55, 0 ≦ z ≦ 0.4, 0 <t ≦ 0.1, M is Nb, Mo, Ta, Ti, Zr, and W And one or more additional elements selected from the group consisting of :), and may have a hexagonal crystal structure having a layered structure.
本発明の第5の態様によれば、正極と、負極と、セパレータと、非水系電解質とを備え、正極の正極材料として、上記のリチウムイオン二次電池用正極活物質が用いられる、リチウムイオン二次電池が提供される。 According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a positive electrode, a negative electrode, a separator, and a non-aqueous electrolyte, wherein the positive electrode active material for a lithium ion secondary battery is used as the positive electrode material of the positive electrode. A secondary battery is provided.
本発明の遷移金属複合水酸化物は、二次電池の正極活物質の前駆体として用いられた場合、添加元素の効果(例、出力特性の改善など)がより向上した二次電池を得ることができる。本発明の正極活物質は、二次電池に用いられた場合、添加元素の効果がより向上した二次電池を得ることができる。また、本発明の製造方法は、上記の遷移金属複合水酸化物の粒子、及び、上記の正極活物質を、工業規模で容易に生産性高く製造することができる。また、本発明のリチウムイオン二次電池は、添加元素の効果がより向上した、優れた電池特性を有する。よって、本発明の工業的意義はきわめて大きい。 When the transition metal composite hydroxide of the present invention is used as a precursor of a positive electrode active material of a secondary battery, it is possible to obtain a secondary battery in which the effect of an additional element (eg, improvement in output characteristics, etc.) is further improved. Can be. When the positive electrode active material of the present invention is used in a secondary battery, a secondary battery in which the effect of the additional element is further improved can be obtained. Further, the production method of the present invention can easily produce the transition metal composite hydroxide particles and the positive electrode active material with high productivity on an industrial scale. Further, the lithium ion secondary battery of the present invention has excellent battery characteristics in which the effect of the added element is further improved. Therefore, the industrial significance of the present invention is extremely large.
以下、図面を参照して、実施形態に係る遷移金属複合水酸化物の粒子とその製造方法、リチウムイオン二次電池用正極活物質とその製造方法、及び、リチウムイオン二次電池について説明する。なお、本発明は以下説明する実施形態に限定されるものではない。また、図面においては、各構成をわかりやすくするために、一部を強調して、あるいは一部を簡略化して表しており、実際の構造または形状、縮尺等が異なっている場合がある。 Hereinafter, the transition metal composite hydroxide particles according to the embodiment, a method for producing the same, a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery and a method for producing the same, and a lithium ion secondary battery according to the embodiment will be described with reference to the drawings. The present invention is not limited to the embodiments described below. In the drawings, some components are emphasized or some components are simplified for easy understanding, and actual structures, shapes, scales, and the like may be different.
1.遷移金属複合水酸化物の粒子
本実施形態に係る遷移金属複合水酸化物の粒子は、遷移金属と、粒子内で分布に偏りを有する添加元素と、を含む。本実施形態に係る遷移金属複合水酸化物の粒子をリチウムイオン二次電池用正極活物質の前駆体として用いた場合、添加元素の効果がより向上した正極活物質を得ることができる。
1. Transition Metal Composite Hydroxide Particles The transition metal composite hydroxide particles according to the present embodiment include a transition metal and an additive element having a distribution uneven in the particles. When the particles of the transition metal composite hydroxide according to the present embodiment are used as a precursor of a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery, a positive electrode active material in which the effect of an additional element is further improved can be obtained.
図1(A)〜(B)、図2(A)〜(B)は、本実施形態に係る遷移金属複合水酸化物の粒子の一例を示す模式図である。また、図3(A)〜(B)は、遷移金属複合水酸化物の粒子を前駆体として用いて得られる正極活物質の一例を示す模式図である。 1 (A) and 1 (B) and FIGS. 2 (A) and 2 (B) are schematic diagrams showing an example of particles of the transition metal composite hydroxide according to the present embodiment. FIGS. 3A and 3B are schematic diagrams showing an example of a positive electrode active material obtained using transition metal composite hydroxide particles as a precursor.
遷移金属複合水酸化物の粒子10は、図1(A)に示すように、中心部3と、中心部3の外側に配置された外周部4と、を備える。図1(B)に示すように、遷移金属複合水酸化物の粒子10は、複数の一次粒子1(微細一次粒子1a、板状の一次粒子1b)が凝集して形成された二次粒子2を含む。図1(B)に示すように、中心部3は、複数の微細一次粒子1aが凝集して形成される。外周部4は、微細一次粒子1aよりも大きく、板状の一次粒子1bが凝集して形成される。また、遷移金属複合水酸化物の粒子10(二次粒子2)の平均粒径は、1μm以上15μm以下であることが好ましい。 As shown in FIG. 1A, the transition metal composite hydroxide particles 10 include a central portion 3 and an outer peripheral portion 4 arranged outside the central portion 3. As shown in FIG. 1 (B), a transition metal composite hydroxide particle 10 is composed of a plurality of primary particles 1 (fine primary particles 1a, plate-like primary particles 1b), and secondary particles 2 formed by agglomeration. including. As shown in FIG. 1B, the central portion 3 is formed by agglomeration of a plurality of fine primary particles 1a. The outer peripheral portion 4 is larger than the fine primary particles 1a, and is formed by aggregating the plate-like primary particles 1b. The average particle size of the transition metal composite hydroxide particles 10 (secondary particles 2) is preferably 1 μm or more and 15 μm or less.
なお、遷移金属複合水酸化物の粒子10は、主に二次粒子2から構成されるが、単独の一次粒子1を含んでもよい。以下、遷移金属複合水酸化物の粒子10の詳細について、説明する。 The transition metal composite hydroxide particles 10 are mainly composed of the secondary particles 2, but may include the single primary particles 1. Hereinafter, the details of the transition metal composite hydroxide particles 10 will be described.
[粒子構造]
(二次粒子)
遷移金属複合水酸化物の粒子10は、複数の一次粒子1(微細一次粒子1a、板状の一次粒子1bを含む)が凝集して形成された略球状の二次粒子2を含む。さらに詳細には、遷移金属複合水酸化物の粒子10は、微細一次粒子1aからなる中心部3を有し、中心部3の外側に微細一次粒子1aよりも大きな板状の一次粒子1bからなる外周部4を有する構造を備える。この遷移金属複合水酸化物の粒子10を前駆体として、正極活物質100を製造することにより、後述する焼成工程(ステップS50、図7参照)において、粒子内へのリチウムの拡散が十分に行われ、リチウムの分布が均一で良好な正極活物質100を得ることができる。
[Particle structure]
(Secondary particles)
The transition metal composite hydroxide particles 10 include substantially spherical secondary particles 2 formed by aggregating a plurality of primary particles 1 (including fine primary particles 1a and plate-like primary particles 1b). More specifically, the particles 10 of the transition metal composite hydroxide have a central portion 3 composed of the fine primary particles 1a, and are formed outside the central portion 3 by plate-like primary particles 1b larger than the fine primary particles 1a. A structure having an outer peripheral portion 4 is provided. By manufacturing the positive electrode active material 100 using the transition metal composite hydroxide particles 10 as a precursor, lithium can be sufficiently diffused into the particles in a firing step (step S50, see FIG. 7) described later. Thus, a favorable positive electrode active material 100 having a uniform lithium distribution can be obtained.
中心部3は、例えば、微細一次粒子1aが連なった隙間の多い構造を有する。よって、中心部3は、微細一次粒子1aより大きく厚みのある板状の一次粒子1bからなる外周部4と比べた場合、焼成工程(ステップS50、図7参照)において焼結による収縮がより低温から発生する。このため、焼結の進行に伴い、中心部3に存在する微細一次粒子1aは、二次粒子2の中心から、焼結の進行がより遅い外周部4側に収縮して、最終的に外周部4に吸収されて、図3(A)の符号「24」に示すような外殻部を構成する。一方、このような微細一次粒子1aの収縮と外周部4への吸収により、中心部3に空間が生じる。そして、中心部3は低密度と考えられること、及び、中心部3に存在する微細一次粒子1aの収縮率が大きいことから、焼結の進行に伴い、中心部3は、一次粒子1の存在しない十分な大きさを有する空間となり、正極活物質100において中空部23(図3(A)、(B)参照)を形成する。 The central portion 3 has, for example, a structure with many gaps in which the fine primary particles 1a are continuous. Therefore, when compared with the outer peripheral portion 4 composed of the plate-like primary particles 1b having a thickness larger than the fine primary particles 1a, the central portion 3 has a lower shrinkage due to sintering in the firing step (step S50, see FIG. 7). Arising from Therefore, as the sintering progresses, the fine primary particles 1a present in the central portion 3 contract from the center of the secondary particles 2 to the outer peripheral portion 4 where sintering progresses more slowly, and finally the outer peripheral portion 4a. The shell 4 is absorbed by the portion 4 to form an outer shell portion indicated by reference numeral “24” in FIG. On the other hand, due to the contraction of the fine primary particles 1a and the absorption to the outer peripheral portion 4, a space is generated in the central portion 3. Since the central portion 3 is considered to have a low density and the contraction rate of the fine primary particles 1a existing in the central portion 3 is large, the central portion 3 The hollow space 23 (see FIGS. 3A and 3B) is formed in the positive electrode active material 100.
(添加元素の分布)
中心部3に存在する微細一次粒子1aは、外周部4より高濃度の添加元素を含む。微細一次粒子1aが高濃度の添加元素を含む場合、焼成工程(ステップS50、図7参照)での微細一次粒子1aの収縮により、添加元素が濃縮され、かつ、正極活物質100の外殻部24を形成する一次粒子21の表面に添加元素が拡散される。そして、得られる正極活物質100において、外殻部24に存在する一次粒子21の表面に、添加元素が濃化した濃化層Cが形成される。なお、遷移金属複合水酸化物の粒子10における添加元素の分布は、例えば、粒子断面のエネルギー分散型X線分析装置(EDX)を用いた面分析で添加元素を検出することにより、確認することができる。
(Distribution of additive elements)
The fine primary particles 1 a existing in the central portion 3 contain a higher concentration of the additional element than the outer peripheral portion 4. When the fine primary particles 1a contain a high concentration of the additional element, the additional element is concentrated by the shrinkage of the fine primary particles 1a in the firing step (step S50, see FIG. 7), and the outer shell of the positive electrode active material 100 The additive element is diffused on the surface of the primary particles 21 forming the element 24. Then, in the obtained positive electrode active material 100, a concentrated layer C in which the additive element is concentrated is formed on the surface of the primary particles 21 existing in the outer shell 24. The distribution of the additional element in the transition metal composite hydroxide particles 10 should be confirmed, for example, by detecting the additional element by surface analysis using an energy dispersive X-ray analyzer (EDX) of the particle cross section. Can be.
また、遷移金属複合水酸化物の粒子10は、図2(A)に示すように、添加元素を含む化合物を含有する被覆層5でさらに被覆されてもよい。このような粒子構造を有することで、得られる正極活物質100は、二次粒子22全体において、より均一に一次粒子21の表面に濃化層Cが形成され、電池特性をさらに向上させることが可能となる(図3(A)、(B)参照)。 The transition metal composite hydroxide particles 10 may be further coated with a coating layer 5 containing a compound containing an additive element, as shown in FIG. By having such a particle structure, in the obtained positive electrode active material 100, the concentrated layer C is more uniformly formed on the surface of the primary particles 21 in the entire secondary particles 22, and the battery characteristics can be further improved. It becomes possible (see FIGS. 3A and 3B).
また、添加元素は、中心部3のみに含まれてもよいが、中心部3と外周部4との両方に含まれてもよい。外周部4に添加元素を含む場合、図2(B)に示すように、外周部4の表面側に、外周部4の内部側よりも高濃度の添加元素を含む層4aを有することが好ましい。遷移金属複合水酸化物の粒子10が、このような粒子構造を有する場合、得られる正極活物質100は、二次粒子22全体において、より均一に、一次粒子21の表面に濃化層Cが形成され、電池特性をさらに向上させることができる。また、外周部4において、内部側より高濃度の添加元素を含む層4aの厚さは、外周部4の厚さtに対して、50%以上80%以下であることが好ましい。高濃度の添加元素を含む層4aの厚さが上記範囲である場合、得られる正極活物質100は、二次粒子22全体において、より均一に一次粒子21の表面に濃化層Cが形成され、電池特性をさらに向上させることが可能となる。 Further, the additive element may be contained only in the central portion 3, or may be contained in both the central portion 3 and the outer peripheral portion 4. When the outer peripheral portion 4 contains an additional element, as shown in FIG. 2B, it is preferable that the outer peripheral portion 4 has a layer 4a containing an additional element at a higher concentration than the inner side of the outer peripheral portion 4 on the surface side. . When the particles 10 of the transition metal composite hydroxide have such a particle structure, the obtained positive electrode active material 100 has a concentrated layer C on the surface of the primary particles 21 more uniformly in the entire secondary particles 22. Thus, the battery characteristics can be further improved. In the outer peripheral portion 4, the thickness of the layer 4 a containing the additional element in a higher concentration than the inner side is preferably 50% or more and 80% or less with respect to the thickness t of the outer peripheral portion 4. When the thickness of the layer 4 a containing the high concentration of the additional element is within the above range, the obtained positive electrode active material 100 has the concentrated layer C formed more uniformly on the surface of the primary particles 21 in the entire secondary particles 22. In addition, the battery characteristics can be further improved.
(添加元素の種類)
添加元素の種類は、特に限定されないが、リチウムイオン二次電池の耐久性や出力特性をさらに改善するという観点から、マグネシウム(Mg)、カルシウム(Ca)、アルミニウム(Al)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、ジルコニウム(Zr)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)、ランタン(La)、タングステン(W)から選択される1種以上を含むことが好ましい。これらの中でも、より出力特性を向上させるという観点から、Nb、Mo、Ta、Ti、Zr、及び、Wから選択される1種以上の元素を含むことがより好ましく、例えば、Wを含む添加元素を含んでもよい。添加元素は、1種類を含んでもよく、2種類以上を含んでもよい。なお、添加元素は、上記の一次粒子1の内部に含まれる。
(Type of additive element)
The type of the added element is not particularly limited, but from the viewpoint of further improving the durability and output characteristics of the lithium ion secondary battery, magnesium (Mg), calcium (Ca), aluminum (Al), titanium (Ti), One selected from vanadium (V), chromium (Cr), zirconium (Zr), niobium (Nb), molybdenum (Mo), hafnium (Hf), tantalum (Ta), lanthanum (La), and tungsten (W) It is preferable to include the above. Among these, from the viewpoint of further improving the output characteristics, it is more preferable to include one or more elements selected from Nb, Mo, Ta, Ti, Zr, and W. For example, an additive element containing W May be included. The additive element may include one type or two or more types. Note that the additional element is included in the primary particles 1.
(微細一次粒子)
中心部3を構成する微細一次粒子1aは、平均粒径が0.01μm以上0.3μm以下であることが好ましく、0.1μm以上0.3μm以下であることがより好ましい。微細一次粒子1aの平均粒径が上記範囲である場合、十分な大きさを有する空間(中空部23)を形成することができる。一方、微細一次粒子1aの平均粒径0.01μm未満である場合、十分な大きさを有する中心部3が形成されないことがある。また、0.3μmを超える場合、焼成工程(ステップS50)における焼結開始の低温化および収縮が十分でなく、焼成(ステップS50)後に十分な大きさの空間(中空部23)が得られないことがある。
(Fine primary particles)
The fine primary particles 1a constituting the central portion 3 preferably have an average particle size of 0.01 μm or more and 0.3 μm or less, more preferably 0.1 μm or more and 0.3 μm or less. When the average particle diameter of the fine primary particles 1a is within the above range, a space (hollow portion 23) having a sufficient size can be formed. On the other hand, when the average particle diameter of the fine primary particles 1a is less than 0.01 μm, the central portion 3 having a sufficient size may not be formed. On the other hand, when the thickness exceeds 0.3 μm, the lowering of the temperature and the shrinkage at the start of sintering in the firing step (Step S50) are not sufficient, and a sufficiently large space (hollow portion 23) cannot be obtained after firing (Step S50). Sometimes.
また、微細一次粒子1aの形状は、特に限定されないが、板状および/または針状であることが好ましい。微細一次粒子1aが、これらの形状である場合、中心部3は十分に低密度となり、焼成(ステップS50)によって大きな収縮が発生して十分な量の空間(中空部23)を形成することができる。 The shape of the fine primary particles 1a is not particularly limited, but is preferably plate-like and / or needle-like. When the fine primary particles 1a have these shapes, the central portion 3 has a sufficiently low density, and a large amount of space (hollow portion 23) can be formed due to large shrinkage due to firing (step S50). it can.
(板状の一次粒子)
外周部4を構成する板状の一次粒子1bは、ランダムな方向に凝集することが好ましい。板状の一次粒子1bがランダムな方向に凝集する場合、外周部4の一次粒子1間にほぼ均一に空隙が生じて、リチウム化合物と遷移金属複合酸化物の粒子10とを混合(ステップS40)して、焼成(ステップS50)する際、溶融したリチウム化合物が二次粒子2の内部へ行きわたり、リチウムの拡散が十分に行われることができる。
(Plate-shaped primary particles)
It is preferable that the plate-like primary particles 1b constituting the outer peripheral portion 4 aggregate in random directions. When the plate-like primary particles 1b agglomerate in random directions, voids are generated almost uniformly between the primary particles 1 of the outer peripheral portion 4, and the lithium compound and the particles 10 of the transition metal composite oxide are mixed (Step S40). Then, at the time of firing (step S50), the molten lithium compound can reach inside the secondary particles 2 and the diffusion of lithium can be sufficiently performed.
また、板状の一次粒子1bがランダムな方向に凝集していることで、焼成工程(ステップS50)における中心部3の収縮もより均等に生じることから、正極活物質100の内部に十分な大きさを有する空間(中空部23)を形成することができる。 In addition, since the plate-like primary particles 1b are agglomerated in random directions, the shrinkage of the central portion 3 in the firing step (step S50) is more evenly generated. The space (hollow portion 23) having a height can be formed.
板状の一次粒子1bは、平均粒径が0.3μm以上3μm以下であることが好ましく、0.4μm以上1.5μm以下であることがより好ましく、0.4μm以上1.0μm以下であることが特に好ましい。板状の一次粒子1bの平均粒径が0.3μm未満である場合、焼成工程(ステップS50)における焼結開始が低温化して、焼成後に十分な大きさの空間が得られないことがあり、3μmを超えると、得られる正極活物質の結晶性を十分なのもとするために、焼成温度を高くする必要があり、上記二次粒子間で焼結が発生して、得られる正極活物質の粒径が上記範囲を超えることがある。 The plate-like primary particles 1b preferably have an average particle size of 0.3 μm or more and 3 μm or less, more preferably 0.4 μm or more and 1.5 μm or less, and 0.4 μm or more and 1.0 μm or less. Is particularly preferred. When the average particle diameter of the plate-like primary particles 1b is less than 0.3 μm, the start of sintering in the firing step (step S50) is reduced in temperature, and a sufficiently large space may not be obtained after firing. If it exceeds 3 μm, it is necessary to raise the sintering temperature in order to obtain sufficient crystallinity of the obtained positive electrode active material, and sintering occurs between the secondary particles, and the obtained positive electrode active material The particle size may exceed the above range.
なお、微細一次粒子1aおよび板状の一次粒子1bの粒径は、遷移金属複合水酸化物の粒子10の断面を、走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて観察することによって測定できる。例えば、複数の二次粒子2(遷移金属複合水酸化物の粒子10)を、樹脂などに埋め込み、クロスセクションポリッシャ加工などにより、複数の二次粒子2の断面観察が可能な状態とする。微細一次粒子1aおよび板状の一次粒子1bのそれぞれの粒径は、二次粒子2中の、好ましくは10個以上の各一次粒子1a、1b断面の最大径(最大長さ)を粒径として測定し、平均値を計算することで求めることができる。 The particle diameters of the fine primary particles 1a and the plate-like primary particles 1b can be measured by observing the cross section of the transition metal composite hydroxide particles 10 using a scanning electron microscope (SEM). For example, a plurality of secondary particles 2 (particles 10 of the transition metal composite hydroxide) are embedded in a resin or the like, and a cross-section polisher process or the like is performed to enable observation of a cross section of the plurality of secondary particles 2. The particle diameter of each of the fine primary particles 1a and the plate-like primary particles 1b is preferably the maximum diameter (maximum length) of a cross section of each of the primary particles 1a and 1b in the secondary particles 2, preferably 10 or more. It can be obtained by measuring and calculating the average value.
(外周部)
外周部4の厚さt(図1(A)参照)は、二次粒子2の粒径(直径)に対して、5%以上45%以下であることが好ましく、7%以上35%以下であることがより好ましい。ここで、正極活物質100における外殻部24の厚さは、遷移金属複合水酸化物の粒子10における外周部4の厚さが概ね維持される。よって、外周部4の厚さtが上記範囲である場合、リチウム金属複合酸化物の粒子(正極活物質100)に十分な中空部23を形成することができる。一方、外周部4の厚さが5%未満である場合、外周部4が薄くなりすぎて、焼成工程(ステップS50)において、遷移金属複合水酸化物の粒子10全体の収縮が大きくなり、かつ、得られる正極活物質100の二次粒子22間に焼結が生じて、正極活物質100の粒度分布が悪化することがある。また、外周部4の厚さが45%を超える場合、十分な大きさの中心部3が形成されないことがある。
(The outer periphery)
The thickness t (see FIG. 1A) of the outer peripheral portion 4 is preferably 5% or more and 45% or less, more preferably 7% or more and 35% or less, with respect to the particle diameter (diameter) of the secondary particles 2. More preferably, there is. Here, as for the thickness of the outer shell portion 24 in the positive electrode active material 100, the thickness of the outer peripheral portion 4 in the transition metal composite hydroxide particles 10 is substantially maintained. Therefore, when the thickness t of the outer peripheral portion 4 is within the above range, a sufficient hollow portion 23 can be formed in the lithium metal composite oxide particles (the positive electrode active material 100). On the other hand, when the thickness of the outer peripheral portion 4 is less than 5%, the outer peripheral portion 4 becomes too thin, and the entire transition metal composite hydroxide particles 10 shrink in the firing step (step S50), and In addition, sintering may occur between the secondary particles 22 of the obtained positive electrode active material 100, and the particle size distribution of the positive electrode active material 100 may be deteriorated. When the thickness of the outer peripheral portion 4 exceeds 45%, the central portion 3 having a sufficient size may not be formed.
なお、外周部4の厚さtは、以下の方法で測定することができる。まず、樹脂中の複数の二次粒子2から、ほぼ粒子中心の断面観察が可能な二次粒子2を選択して、3箇所以上の任意の箇所で、外周部4の外周上と中心部3側の内周上の距離が最短となる2点間の距離を測定して、粒子ごとの外周部4の平均厚みを求める。次いで、二次粒子2の外周上で距離が最大となる任意の2点間の距離を二次粒子2の粒径(直径)として、二次粒子2の粒径(直径)で、上記の平均厚みを除して(外周部4の平均厚み/二次粒子2の粒径(直径))、二次粒子2ごとの外周部4の厚さ(%)を求める。さらに、10個以上の二次粒子2について求めた、各二次粒子2の厚さ(%)を平均して、二次粒子2の粒径(直径)に対する外周部4の厚さ(%)を求めることができる。 Note that the thickness t of the outer peripheral portion 4 can be measured by the following method. First, the secondary particles 2 from which the cross section of the particle center can be observed are selected from the plurality of secondary particles 2 in the resin, and the outer periphery of the outer peripheral portion 4 and the central portion 3 are selected at three or more arbitrary positions. The distance between two points where the distance on the inner circumference of the side is the shortest is measured, and the average thickness of the outer circumference 4 for each particle is determined. Next, the distance between any two points at which the distance is maximum on the outer periphery of the secondary particle 2 is defined as the particle diameter (diameter) of the secondary particle 2, and the above-described average is obtained by the particle diameter (diameter) of the secondary particle 2. By dividing the thickness (average thickness of outer peripheral portion 4 / particle diameter (diameter) of secondary particles 2), the thickness (%) of outer peripheral portion 4 for each secondary particle 2 is determined. Further, the thickness (%) of each secondary particle 2 obtained for ten or more secondary particles 2 is averaged, and the thickness (%) of the outer peripheral portion 4 with respect to the particle diameter (diameter) of the secondary particle 2 is obtained. Can be requested.
(平均粒径)
遷移金属複合水酸化物の粒子10の平均粒径は、1μm以上15μm以下、好ましくは3μm以上12μm以下、より好ましくは3μm以上10μm以下である。遷移金属複合水酸化物の粒子10の平均粒径は、この遷移金属複合水酸化物の粒子10を前駆体として得られる正極活物質100の平均粒径と相関する。よって、平均粒径を上記範囲に制御することで、正極活物質100の平均粒径を所定の範囲に制御することができる。なお、遷移金属複合水酸化物の粒子10の平均粒径とは、体積基準平均粒径(MV)を意味し、例えば、レーザ光回折散乱式粒度分析計で測定した体積積算値から求めることができる。
(Average particle size)
The average particle size of the transition metal composite hydroxide particles 10 is 1 μm or more and 15 μm or less, preferably 3 μm or more and 12 μm or less, more preferably 3 μm or more and 10 μm or less. The average particle diameter of the transition metal composite hydroxide particles 10 correlates with the average particle diameter of the positive electrode active material 100 obtained using the transition metal composite hydroxide particles 10 as a precursor. Therefore, by controlling the average particle size in the above range, the average particle size of the positive electrode active material 100 can be controlled in a predetermined range. In addition, the average particle diameter of the particles 10 of the transition metal composite hydroxide means a volume-based average particle diameter (MV), and can be determined from, for example, a volume integrated value measured by a laser light diffraction / scattering particle size analyzer. it can.
(粒度分布)
また、遷移金属複合水酸化物の粒子10は、粒度分布の広がりを示す指標である〔(d90−d10)/平均粒径〕が、好ましくは0.65以下、より好ましくは0.55以下、さらに好ましくは0.50以下である。
(Particle size distribution)
In addition, the transition metal composite hydroxide particle 10 is an index indicating the spread of the particle size distribution [(d90−d10) / average particle size], preferably 0.65 or less, more preferably 0.55 or less, More preferably, it is 0.50 or less.
正極活物質100の粒度分布は、その前駆体である遷移金属複合水酸化物の粒子10の影響を強く受ける。このため、微細粒子や粗大粒子を多く含む遷移金属複合水酸化物の粒子を前駆体とした場合には、正極活物質にも微細粒子や粗大粒子が多く含まれることとなり、これを用いた二次電池の安全性、サイクル特性および出力特性を十分に改善することができなくなる。これに対して、遷移金属複合水酸化物の粒子10の段階で、〔(d90−d10)/平均粒径〕が0.65以下となるように調整しておけば、これを前駆体として得られる正極活物質100の粒度分布も狭くすることができ、上述した問題を回避することができる。 The particle size distribution of the positive electrode active material 100 is strongly affected by the transition metal composite hydroxide particles 10 as its precursor. For this reason, when the transition metal composite hydroxide particles containing a large number of fine particles and coarse particles are used as the precursor, the positive electrode active material also contains many fine particles and coarse particles. The safety, cycle characteristics and output characteristics of the secondary battery cannot be sufficiently improved. On the other hand, if ((d90−d10) / average particle size) is adjusted to be 0.65 or less at the stage of the transition metal composite hydroxide particles 10, this can be obtained as a precursor. The particle size distribution of the resulting positive electrode active material 100 can also be narrowed, and the above-described problem can be avoided.
なお、工業規模の生産を前提とした場合には、遷移金属複合水酸化物の粒子10として、〔(d90−d10)/平均粒径〕が過度に小さいものを使用することは現実的ではない。したがって、コストや生産性を考慮すると、遷移金属複合水酸化物の粒子10における〔(d90−d10)/平均粒径〕の下限値は、0.25程度とすることが好ましい。 In addition, on the assumption of production on an industrial scale, it is not realistic to use particles having an excessively small [(d90−d10) / average particle diameter] as the transition metal composite hydroxide particles 10. . Therefore, in consideration of cost and productivity, the lower limit of [(d90−d10) / average particle diameter] of the transition metal composite hydroxide particles 10 is preferably about 0.25.
なお、d10は、各粒径における粒子数を粒径の小さい側から累積し、その累積体積が全粒子の合計体積の10%となる粒径を、d90は、同様に粒子数を累積し、その累積体積が全粒子の合計体積の90%となる粒径を意味する。d10およびd90は、平均粒径と同様に、レーザ光回折散乱式粒度分析計で測定した体積積算値から求めることができる。 In addition, d10 accumulates the number of particles in each particle size from the smaller particle size side, and a particle size whose accumulated volume becomes 10% of the total volume of all particles, d90 similarly accumulates the number of particles, It means the particle size whose cumulative volume is 90% of the total volume of all particles. d10 and d90 can be determined from the volume integrated value measured by the laser light diffraction / scattering particle size analyzer in the same manner as the average particle diameter.
(組成)
遷移金属複合水酸化物の粒子10の組成は、上述した構造、平均粒径および粒度分布を有する限り、その組成は特に限定されない。遷移金属複合水酸化物の粒子10は、例えば、ニッケル、コバルト、マンガンから選択される1種以上の金属元素と、これらの金属元素以外の添加元素とを含んでもよい。また、遷移金属複合水酸化物の粒子10は、例えば、ニッケル、マンガン、及び、添加元素を含んでもよく、ニッケル、マンガン、コバルト、及び、添加元素を含んでもよい。
(composition)
The composition of the transition metal composite hydroxide particles 10 is not particularly limited as long as it has the above-described structure, average particle size, and particle size distribution. The transition metal composite hydroxide particles 10 may include, for example, one or more metal elements selected from nickel, cobalt, and manganese, and additional elements other than these metal elements. Further, the transition metal composite hydroxide particles 10 may include, for example, nickel, manganese, and an additional element, or may include nickel, manganese, cobalt, and an additional element.
例えば、遷移金属複合水酸化物の粒子10は、ニッケル(Ni)、マンガン(Mn)、及び、添加元素(M)と、任意にコバルト(Co)と、を含み、それぞれの元素の物質量比(モル比)が、Ni:Mn:Co:M=x:y:z:t(x+y+z+t=1、0.3≦x≦0.95、0.05≦y≦0.55、0≦z≦0.4、0<t≦0.1、Mは、Nb、Mo、Ta、Ti、Zr、及び、Wから選択される1種以上の添加元素)で表されることが好ましい。このような組成を有する遷移金属複合水酸化物の粒子10を正極活物質の前駆体として用いた場合、高い出力特性、サイクル特性を有する二次電池を得ることができる。 For example, the particles 10 of the transition metal composite hydroxide include nickel (Ni), manganese (Mn), an additional element (M), and optionally cobalt (Co), and a material amount ratio of each element. (Molar ratio) Ni: Mn: Co: M = x: y: z: t (x + y + z + t = 1, 0.3 ≦ x ≦ 0.95, 0.05 ≦ y ≦ 0.55, 0 ≦ z ≦ 0.4, 0 <t ≦ 0.1, and M is preferably represented by one or more additional elements selected from Nb, Mo, Ta, Ti, Zr, and W). When the transition metal composite hydroxide particles 10 having such a composition are used as a precursor of a positive electrode active material, a secondary battery having high output characteristics and cycle characteristics can be obtained.
また、遷移金属複合水酸化物の粒子10は、一般式(1):NixMnyCozMt(OH)2+a(x+y+z+t=1、0.3≦x≦0.95、0.05≦y≦0.55、0≦z≦0.4、0<t≦0.1、0≦a≦0.5、Mは、Nb、Mo、Ta、Ti、Zr、及び、Wから選択される1種以上の添加元素)で表されてもよい。このような遷移金属複合水酸化物の粒子を前駆体とすることで、後述する一般式(2)で表される正極活物質を容易に得ることができ、高い出力特性、サイクル特性を有する二次電池を得ることができる。 Furthermore, particles 10 of the transition metal complex hydroxide represented by the general formula (1): Ni x Mn y Co z M t (OH) 2 + a (x + y + z + t = 1,0.3 ≦ x ≦ 0.95,0.05 ≦ y ≦ 0.55, 0 ≦ z ≦ 0.4, 0 <t ≦ 0.1, 0 ≦ a ≦ 0.5, and M is selected from Nb, Mo, Ta, Ti, Zr, and W (At least one additional element). By using such transition metal composite hydroxide particles as a precursor, a positive electrode active material represented by the following general formula (2) can be easily obtained, and a secondary electrode having high output characteristics and cycle characteristics can be obtained. The following battery can be obtained.
なお、遷移金属複合水酸化物の粒子10の上記のモル比、及び、一般式(1)において、これを構成するニッケル、マンガン、コバルトおよび添加元素の好ましい組成範囲は、後述する正極活物質100のモル比、及び、一般式(2)における、各元素の好ましい組成範囲と同様となる。このため、これらの事項について、ここでの説明は省略する。 The above molar ratio of the transition metal composite hydroxide particles 10 and the preferable composition range of nickel, manganese, cobalt, and the additional element constituting the particles in the general formula (1) are determined by the positive electrode active material 100 described later. And the preferable composition range of each element in the general formula (2). Therefore, a description of these matters is omitted here.
なお、遷移金属複合水酸化物の粒子10の製造方法は、上記の特定の構造、及び、平均粒径等を備える限り、特に限定されないが、以下に説明する製造方法により、容易に得ることができる。 The method for producing the transition metal composite hydroxide particles 10 is not particularly limited as long as it has the above-mentioned specific structure, average particle size, and the like, but can be easily obtained by the production method described below. it can.
2.遷移金属複合水酸化物の粒子の製造方法
図4〜6は、本実施形態に係る遷移金属複合水酸化物の粒子10の製造方法の一例を示す図である。本実施形態に係る製造方法は、晶析反応により、遷移金属複合水酸化物の粒子10を製造する方法であり、図4〜6に示すように、遷移金属を含む原料水溶液とアンモニウムイオン供給体とを供給して反応水溶液を形成し、反応水溶液の液温25℃基準におけるpH値を12.0以上14.0以下の範囲に調整し、核生成を行う、核生成工程(ステップS10)と、核生成工程で得られた核を含む反応水溶液の液温25℃基準におけるpH値を、核生成工程のpH値よりも低く、かつ、10.5以上12.0以下となるように制御して、核を成長させる、粒子成長工程(ステップS20)と、を備える。
2. Method for Producing Transition Metal Composite Hydroxide Particles FIGS. 4 to 6 are diagrams illustrating an example of a method for producing the transition metal composite hydroxide particle 10 according to the present embodiment. The production method according to the present embodiment is a method for producing the transition metal composite hydroxide particles 10 by a crystallization reaction. As shown in FIGS. 4 to 6, a raw material aqueous solution containing a transition metal and an ammonium ion supplier To form a reaction aqueous solution, adjust the pH value of the reaction aqueous solution based on a liquid temperature of 25 ° C. to a range of 12.0 or more and 14.0 or less, and perform nucleation (step S10). Controlling the pH value of the reaction aqueous solution containing nuclei obtained in the nucleation step at a liquid temperature of 25 ° C. so as to be lower than the pH value in the nucleation step and to be 10.5 or more and 12.0 or less. And a step of growing a nucleus (step S20).
晶析反応において、主として核生成を行う核生成工程(ステップS10)と、主として粒子成長を行う粒子成長工程(ステップS20)とを2段階に明確に区別することにより、狭い粒度分布を有し、より均一な粒径を有する遷移金属複合水酸化物を得ることができる。 The crystallization reaction has a narrow particle size distribution by clearly distinguishing a nucleation step (step S10) of mainly performing nucleation and a particle growth step (step S20) of mainly performing particle growth into two stages, A transition metal composite hydroxide having a more uniform particle size can be obtained.
また、核生成工程(ステップS10)は、酸素濃度が5容量%を超える酸性雰囲気下で核の生成を行う。また、粒子成長工程(ステップS20)は、酸性雰囲気下で前記核を成長させる第1の粒子成長工程(ステップS21)と、第1の粒子成長工程(ステップS21)における酸化雰囲気を、酸素濃度が5容量%以下の非酸化性雰囲気に切り替えて、非酸化性雰囲気下で、さらに前記核を成長させる第2の粒子成長工程(ステップS22)と、を備える。 In the nucleation step (step S10), nuclei are generated in an acidic atmosphere in which the oxygen concentration exceeds 5% by volume. The particle growth step (step S20) includes a first particle growth step (step S21) for growing the nucleus in an acidic atmosphere and an oxidizing atmosphere in the first particle growth step (step S21). A second particle growth step (step S22) of switching to a non-oxidizing atmosphere of 5% by volume or less and further growing the nucleus under the non-oxidizing atmosphere.
本実施形態に係る製造方法では、核生成工程(ステップS10)と、粒子成長工程(ステップS20)の2段階に分離し、かつ、粒子成長工程(ステップS20)において、反応雰囲気を切り換えることにより、上述した粒子構造を有する遷移金属複合水酸化物の粒子10を工業的規模で、生産性高く、容易に製造することができる。 In the manufacturing method according to the present embodiment, the nucleation step (step S10) and the particle growth step (step S20) are separated into two stages, and the reaction atmosphere is switched in the particle growth step (step S20). The transition metal composite hydroxide particles 10 having the above-mentioned particle structure can be easily produced on an industrial scale with high productivity.
また、粒子成長工程(ステップS20)においては、酸化性雰囲気下で、上記反応水溶液に含まれる遷移金属以外の添加元素を含む原料水溶液を反応水溶液に添加し、非酸化性雰囲気下で、添加元素を含む原料水溶液の反応水溶液への添加を停止する、又は、添加元素の反応水溶液への供給量を減少させる。なお、核生成工程(ステップS10)においては、添加元素を含む原料水溶液を反応水溶液に供給してもよいし、供給しなくてもよい。 In the particle growth step (step S20), a raw material aqueous solution containing an additional element other than the transition metal contained in the reaction aqueous solution is added to the reaction aqueous solution in an oxidizing atmosphere, and the additive element is added in a non-oxidizing atmosphere. Is stopped, or the supply amount of the added element to the reaction aqueous solution is reduced. In the nucleation step (step S10), the raw material aqueous solution containing the additional element may or may not be supplied to the reaction aqueous solution.
本発明者らは、上記特許文献2などに記載の技術に基づいて、電池特性をより向上させるため、鋭意研究を重ねた。その結果、酸化性雰囲気においては添加元素を含む原料水溶液を供給し、非酸化性雰囲気においては、添加元素を含む原料水溶液の供給を停止する、又は、添加元素の反応水溶液への供給量を減少させることによって、正極活物質100の結晶中に固溶する添加元素が減少し、かつ、得られる正極活物質100の一次粒子21の表面に、より多くの添加元素を含ませることができるとの知見を得た。二次電池において、電解液と接触する一次粒子21の表面に添加元素が高濃度で存在する場合、添加元素の添加効果をより効率的に発現することができ、電池特性がより向上される。以下、各工程について、説明する。 The present inventors have conducted intensive studies based on the technology described in Patent Document 2 and the like in order to further improve battery characteristics. As a result, in the oxidizing atmosphere, the raw material aqueous solution containing the additional element is supplied, and in the non-oxidizing atmosphere, the supply of the raw material aqueous solution containing the additional element is stopped, or the supply amount of the additional element to the reaction aqueous solution is reduced. By doing so, the amount of the additional element that forms a solid solution in the crystal of the positive electrode active material 100 decreases, and the surface of the primary particles 21 of the obtained positive electrode active material 100 can contain more additional element. Obtained knowledge. In the secondary battery, when the additive element is present at a high concentration on the surface of the primary particles 21 that comes into contact with the electrolytic solution, the effect of the additive element can be more efficiently exhibited, and the battery characteristics are further improved. Hereinafter, each step will be described.
(1)晶析反応
[核生成工程(ステップS10)]
核生成工程(ステップS10)では、遷移金属を含む原料水溶液と、アンモニウムイオン供給体と、を含む反応水溶液を、液温25℃基準におけるpH値が12.0以上14.0以下の範囲となるように制御して、酸素濃度が5容量%を超える酸性雰囲気下で核の生成を行う。以下、核生成工程(ステップS10)における、反応水溶液(以下、「核生成用水溶液」ともいう)を製造する方法の一例について、説明する。
(1) Crystallization reaction [nucleation step (step S10)]
In the nucleation step (Step S10), the reaction aqueous solution containing the transition metal-containing raw material aqueous solution and the ammonium ion donor has a pH value of 12.0 or more and 14.0 or less based on a liquid temperature of 25 ° C. With such control, nucleation is performed in an acidic atmosphere having an oxygen concentration exceeding 5% by volume. Hereinafter, an example of a method of producing a reaction aqueous solution (hereinafter, also referred to as “nucleus generation aqueous solution”) in the nucleation step (step S10) will be described.
まず、原料となる遷移金属を含む化合物を水に溶解し、原料水溶液を調製する。また、反応槽内に、アルカリ水溶液と、アンモニウムイオン供給体と、を含む水溶液を供給、及び、混合して、液温25℃基準で測定するpH値が12.0以上14.0以下の範囲である反応前水溶液を調製する。反応前水溶液のアンモニウムイオン濃度は、3g/L以上25g/L以下であることが好ましい。なお、反応前水溶液のpH値は、pH計により、アンモニウムイオン濃度はイオンメータにより測定することができる。 First, a compound containing a transition metal as a raw material is dissolved in water to prepare a raw material aqueous solution. Further, an aqueous solution containing an alkaline aqueous solution and an ammonium ion donor is supplied and mixed into the reaction tank, and the pH value measured at a liquid temperature of 25 ° C. is in the range of 12.0 to 14.0. Is prepared. The ammonium ion concentration of the aqueous solution before the reaction is preferably 3 g / L or more and 25 g / L or less. The pH value of the pre-reaction aqueous solution can be measured with a pH meter, and the ammonium ion concentration can be measured with an ion meter.
次に、この反応前水溶液を撹拌しながら、原料水溶液を供給する。これにより、反応槽内には、核生成用水溶液が形成される。核生成用水溶液のpH値は上述した範囲であるため、核生成工程(ステップS10)では、核はほとんど成長することなく、核生成が優先的に起こる。 Next, a raw material aqueous solution is supplied while stirring the pre-reaction aqueous solution. Thereby, an aqueous solution for nucleation is formed in the reaction tank. Since the pH value of the aqueous solution for nucleation is in the range described above, in the nucleation step (Step S10), nuclei hardly grow, and nucleation occurs preferentially.
核生成工程(ステップS10)では、核生成に伴い、核生成用水溶液のpH値およびアンモニウムイオンの濃度が変化する。よって、アルカリ水溶液およびアンモニア水溶液を適時供給し、核生成用水溶液(反応槽内液)のpH値が液温25℃基準でpH12.0以上14.0以下の範囲となるように制御する。また、アンモニウムイオンの濃度が3g/L以上25g/L以下の範囲に調整することが好ましい。 In the nucleation step (step S10), the pH value and the ammonium ion concentration of the aqueous solution for nucleation change with the nucleation. Therefore, an aqueous alkaline solution and an aqueous ammonia solution are supplied as needed, and the pH value of the aqueous solution for nucleation (the liquid in the reaction tank) is controlled so as to be in a range of pH 12.0 to 14.0 based on a liquid temperature of 25 ° C. Further, it is preferable to adjust the concentration of ammonium ion to a range of 3 g / L or more and 25 g / L or less.
なお、核生成工程(ステップS10)においては、反応雰囲気を酸素濃度が5容量%を超える酸化性雰囲気に調整する。これにより、遷移金属複合水酸化物の粒子10の内部に微細一次粒子1が凝集して形成された中心部3を形成することができ、この遷移金属複合水酸化物の粒子10を前駆体として用いることによって、最終的に中空構造を有する正極活物質を得ることができるため、電解液との反応面積を一層大きくすることができる。 In the nucleation step (step S10), the reaction atmosphere is adjusted to an oxidizing atmosphere in which the oxygen concentration exceeds 5% by volume. As a result, it is possible to form the central portion 3 formed by aggregating the fine primary particles 1 inside the particles 10 of the transition metal composite hydroxide, and using the particles 10 of the transition metal composite hydroxide as a precursor. By using this, a positive electrode active material having a hollow structure can be finally obtained, so that the reaction area with the electrolytic solution can be further increased.
核生成工程(ステップS10)では、核生成用水溶液に、原料水溶液、アルカリ水溶液およびアンモニウムイオン供給体を含む水溶液を供給することにより、連続して新しい核の生成が継続される。そして、核生成用水溶液中に、所定量の核が生成した時点で、核生成工程(ステップS10)を終了する。 In the nucleation step (step S10), a new nucleus is continuously generated by supplying an aqueous solution containing a raw material aqueous solution, an aqueous alkali solution and an ammonium ion donor to the aqueous solution for nucleation. Then, when a predetermined amount of nuclei have been generated in the aqueous solution for nucleation, the nucleation step (step S10) is ended.
この際、核の生成量は、核生成用水溶液に供給した原料水溶液に含まれる金属化合物の量から判断することができる。核生成工程における核の生成量は、特に制限されるものではないが、粒度分布の狭い遷移金属複合水酸化物の粒子を得るためには、核生成工程および粒子成長工程を通じて供給する原料水溶液に含まれる金属化合物中の金属元素に対して、0.1原子%以上2原子%以下とすることが好ましく、0.1原子%以上1.5原子%以下とすることがより好ましい。 At this time, the amount of nuclei generated can be determined from the amount of the metal compound contained in the raw material aqueous solution supplied to the nucleation aqueous solution. The amount of nuclei generated in the nucleation step is not particularly limited, but in order to obtain particles of the transition metal composite hydroxide having a narrow particle size distribution, the raw material aqueous solution supplied through the nucleation step and the particle growth step is required. The content is preferably from 0.1 atomic% to 2 atomic%, more preferably from 0.1 atomic% to 1.5 atomic%, based on the metal element in the contained metal compound.
[粒子成長工程(ステップS20)]
粒子成長工程(ステップS20)では、核生成工程(ステップS10)で得られた核を含む反応水溶液を、液温25℃基準におけるpH値が、核生成工程の反応水溶液のpH値よりも低く、かつ、10.5以上12.0以下の範囲となるように制御して、核を成長させる。以下、粒子成長工程(ステップS20)の反応水溶液(以下、「粒子成長用水溶液」ともいう。)を調整する方法の一例について説明する。
[Particle Growth Step (Step S20)]
In the particle growth step (Step S20), the pH value of the reaction solution containing nuclei obtained in the nucleation step (Step S10) at a liquid temperature of 25 ° C. is lower than the pH value of the reaction aqueous solution in the nucleation step, At the same time, the nucleus is grown under the control of 10.5 or more and 12.0 or less. Hereinafter, an example of a method of adjusting the reaction aqueous solution (hereinafter, also referred to as “aqueous solution for particle growth”) in the particle growth step (Step S20) will be described.
粒子成長用水溶液のpH値は、例えば、アルカリ水溶液の供給を停止することでも調整可能であるが、粒度分布の狭い遷移金属複合水酸化物の粒子を得るためには、一旦、すべての水溶液の供給を停止してpH値を調整することが好ましい。具体的には、すべての水溶液の供給を停止した後、核生成用水溶液に、原料となる遷移金属化合物を構成する酸と同種の無機酸を供給することにより、pH値を調整することが好ましい。 The pH value of the aqueous solution for particle growth can be adjusted, for example, by stopping the supply of the alkaline aqueous solution.However, in order to obtain particles of the transition metal composite hydroxide having a narrow particle size distribution, the pH value of all aqueous solutions must be once determined. It is preferable to stop the supply and adjust the pH value. Specifically, after stopping the supply of all the aqueous solutions, it is preferable to adjust the pH value by supplying the same inorganic acid as the acid constituting the transition metal compound to be the raw material to the nucleation aqueous solution. .
次いで、粒子成長用水溶液を撹拌しながら、原料水溶液の供給を再開する。この際、粒子成長用水溶液のpH値は上述した範囲にあるため、新たな核はほとんど生成せず、核(粒子)成長が進行し、所定の粒径を有する遷移金属複合水酸化物の粒子が形成される。なお、粒子成長工程(ステップS20)においても、粒子成長に伴い、粒子成長用水溶液のpH値およびアンモニウムイオン濃度は変化するので、アルカリ水溶液およびアンモニア水溶液を適時供給し、pH値およびアンモニウムイオン濃度を上記範囲に維持する。 Next, the supply of the raw material aqueous solution is restarted while stirring the particle growth aqueous solution. At this time, since the pH value of the aqueous solution for particle growth is in the above-described range, almost no new nuclei are generated, nucleus (particle) growth proceeds, and particles of the transition metal composite hydroxide having a predetermined particle size are obtained. Is formed. In the particle growth step (step S20), the pH value and the ammonium ion concentration of the aqueous solution for particle growth change as the particles grow, so that an alkaline aqueous solution and an aqueous ammonia solution are supplied at appropriate times to adjust the pH value and the ammonium ion concentration. Maintain in the above range.
なお、粒子成長用水溶液は、上述のように、pH値を調整する以外は核生成用水溶液と同一の反応水溶液を用いてもよいが、核生成用水溶液とは別の反応水溶液を用意して、これを用いてもよい。例えば、核生成用水溶液とは別に、粒子成長工程(ステップS20)に適したpH値およびアンモニウムイオン濃度に調整された成分調整水溶液を用意し、この成分調整用水溶液に、核生成工程(ステップS10)後の核生成用水溶液、好ましくは核生成工程後の核生成用水溶液から液体成分の一部を除去したもの、を添加および混合して、これを粒子成長用水溶液として、粒子成長工程を行ってもよい。 The aqueous solution for particle growth may use the same reaction aqueous solution as the aqueous solution for nucleation, except for adjusting the pH value, as described above. , May be used. For example, separately from the nucleation aqueous solution, a component adjustment aqueous solution adjusted to a pH value and an ammonium ion concentration suitable for the particle growth step (step S20) is prepared, and the component adjustment aqueous solution is added to the nucleation step (step S10). The nucleation aqueous solution after the nucleation, preferably the nucleation aqueous solution after the nucleation step, in which a part of the liquid component is removed, is added and mixed, and this is used as a particle growth aqueous solution to perform the particle growth step. You may.
核生成用水溶液とは別に、粒子成長用水溶液(成分調整用水溶液)を用意した場合、核生成工程(ステップS10)と粒子成長工程(ステップS20)の分離をより確実に行うことができるため、各工程における反応水溶液を、最適な状態に制御することができる。特に、粒子成長工程(ステップS20)の開始時から粒子成長用水溶液のpH値を最適な範囲に制御することができるため、得られる遷移金属複合水酸化物の粒子10の粒度分布をより狭いものとすることができる。 When an aqueous solution for particle growth (aqueous solution for component adjustment) is prepared separately from the aqueous solution for nucleation, the separation between the nucleation step (step S10) and the particle growth step (step S20) can be performed more reliably. The reaction aqueous solution in each step can be controlled to an optimal state. In particular, since the pH value of the aqueous solution for particle growth can be controlled to an optimal range from the start of the particle growth step (step S20), the particle size distribution of the obtained transition metal composite hydroxide particles 10 is narrower. It can be.
また、粒子成長工程(ステップS20)は、上述したように、第1の粒子成長工程(ステップS21)と、第2の粒子成長工程(ステップS22)とを含む。以下、粒子成長工程(ステップS20)における各工程について、説明する。 As described above, the particle growing step (Step S20) includes the first particle growing step (Step S21) and the second particle growing step (Step S22). Hereinafter, each step in the particle growth step (Step S20) will be described.
[第1の粒子成長工程(ステップS21)]
第1の粒子成長工程(ステップS21)では、核生成工程(ステップS10)に引き続き、酸性雰囲気下で核を成長させる。第1の粒子成長工程(ステップS21)では、酸化性雰囲気下で粒子成長を行うことにより、上述した微細一次粒子1aが凝集した中心部3を形成することができる。
[First Particle Growth Step (Step S21)]
In the first particle growth step (Step S21), nuclei are grown in an acidic atmosphere following the nucleation step (Step S10). In the first particle growth step (step S21), the central portion 3 in which the fine primary particles 1a are aggregated can be formed by growing the particles in an oxidizing atmosphere.
酸化性雰囲気における酸素の濃度は、5容量%を超え、かつ、第2の粒子成長工程(ステップS22)の非酸化性雰囲気における酸素の濃度に対して、好ましく2倍以上、より好ましくは5倍以上である。 The oxygen concentration in the oxidizing atmosphere exceeds 5% by volume, and is preferably at least twice, more preferably 5 times, the oxygen concentration in the non-oxidizing atmosphere in the second particle growth step (step S22). That is all.
また、酸化性雰囲気下で、遷移金属とは異なる添加元素を含む原料水溶液を反応水溶液に供給する。これにより、中心部3に添加元素を含有させることができる。中心部3に含まれる添加元素は、最終的に正極活物質100において、一次粒子21の表面に存在する濃化層Cに分布する。 Further, a raw material aqueous solution containing an additional element different from the transition metal is supplied to the reaction aqueous solution under an oxidizing atmosphere. Thereby, the central part 3 can contain an additional element. The additional element contained in the central part 3 is finally distributed in the concentrated layer C existing on the surface of the primary particles 21 in the positive electrode active material 100.
[第2の粒子成長工程(ステップS22)]
次いで、第2の粒子成長工程(ステップS22)では、第1の粒子成長工程(ステップS21)における酸化雰囲気を、酸素濃度が5容量%以下の非酸化性雰囲気に切り替えて、非酸化性雰囲気下で、さらに核を成長させる。第2の粒子成長工程(ステップS22)では、板状の一次粒子1bが凝集した外周部4を形成することができる。
[Second Particle Growth Step (Step S22)]
Next, in the second particle growth step (Step S22), the oxidizing atmosphere in the first particle growing step (Step S21) is switched to a non-oxidizing atmosphere having an oxygen concentration of 5% by volume or less, and the non-oxidizing atmosphere is changed to a non-oxidizing atmosphere. Then grow the nucleus further. In the second particle growth step (Step S22), the outer peripheral portion 4 in which the plate-like primary particles 1b are aggregated can be formed.
粒子成長工程(ステップS20)の途中で、反応雰囲気を酸化性雰囲気から酸素濃度が5容量%以下の非酸化性雰囲気に切り替えることにより、上述した粒子構造を有する遷移金属複合水酸化物の粒子10を得ることが可能となる。 By switching the reaction atmosphere from an oxidizing atmosphere to a non-oxidizing atmosphere having an oxygen concentration of 5% by volume or less in the course of the particle growing step (step S20), the transition metal composite hydroxide particles 10 having the above-described particle structure are changed. Can be obtained.
また、非酸化性雰囲気下で、添加元素を含む原料水溶液の反応水溶液への供給を停止する、又は、添加元素を含む原料水溶液中の添加元素の反応水溶液へ供給する量を減少させる。これにより、外周部4よりも中心部3で添加元素を高濃度で含有することができる。 In a non-oxidizing atmosphere, supply of the raw material aqueous solution containing the additional element to the reaction aqueous solution is stopped, or the amount of the additional element in the raw material aqueous solution containing the additional element supplied to the reaction aqueous solution is reduced. This allows the central portion 3 to contain the added element at a higher concentration than the outer peripheral portion 4.
例えば、原料水溶液中における添加元素以外の元素(遷移金属を含む)に対する添加元素の濃度は、酸化性雰囲気における濃度を、非酸化性雰囲気における濃度より高くする。酸化性雰囲気における添加元素の濃度は、非酸化性雰囲気における添加元素の濃度の好ましく2倍以上、より好ましくは5倍以上とする。特に好ましくは、酸化性雰囲気においては添加元素を含む原料水溶液を添加し、非酸化性雰囲気においては添加元素を含む原料水溶液の添加を停止する。 For example, the concentration of the additional element with respect to the elements (including transition metals) other than the additional element in the raw material aqueous solution is set to be higher in an oxidizing atmosphere than in a non-oxidizing atmosphere. The concentration of the additive element in the oxidizing atmosphere is preferably at least twice, more preferably at least five times the concentration of the additive element in the non-oxidizing atmosphere. Particularly preferably, the raw material aqueous solution containing the additional element is added in an oxidizing atmosphere, and the addition of the raw material aqueous solution containing the additional element is stopped in a non-oxidizing atmosphere.
酸化性雰囲気で形成された中心部3(微細一次粒子1a)は、正極活物質100を製造した際に、非酸化性雰囲気において形成された外周部4の内側に収縮して中空部23を形成する。よって、酸化性雰囲気で添加した添加元素は、焼成工程(ステップS50)において、外周部4に拡散し、最終的に正極活物質100の外殻部24を形成する一次粒子21の表面に多く存在し、添加元素の濃化層Cが形成される。電解液と接触する一次粒子21の表面に濃化層Cを形成することによって、添加元素の添加効果をより効率的に発現することができる。例えば、出力特性を向上する効果を有する添加元素(例、タングステン、ニオブ、モリブデン、タンタルなど)を添加した場合、従来の技術と比較して、より有効に出力特性を向上させることが可能となる。 The central portion 3 (fine primary particles 1a) formed in the oxidizing atmosphere contracts inside the outer peripheral portion 4 formed in the non-oxidizing atmosphere to form the hollow portion 23 when the positive electrode active material 100 is manufactured. I do. Therefore, a large amount of the additional element added in the oxidizing atmosphere is diffused to the outer peripheral portion 4 in the firing step (Step S50) and finally present on the surface of the primary particles 21 forming the outer shell 24 of the positive electrode active material 100. Thus, a concentrated layer C of the additional element is formed. By forming the concentrated layer C on the surface of the primary particles 21 that comes into contact with the electrolytic solution, the effect of adding the additional element can be more efficiently exhibited. For example, when an additional element (eg, tungsten, niobium, molybdenum, tantalum, or the like) having an effect of improving the output characteristics is added, the output characteristics can be more effectively improved as compared with the related art. .
酸化性雰囲気で添加した添加元素は、一次粒子21の表面(濃化層C)に多く存在するのに対し、非酸化性雰囲気で添加した添加元素は、一次粒子21の内部に多く存在することになる。よって、粒子成長用水溶液に供給される添加元素以外の金属元素(例、遷移金属)の単位時間あたりの物質量(モル)に対する、粒子成長用水溶液中に供給される添加元素の単位時間あたりの物質量(モル)の割合を、非酸化性雰囲気よりも酸化性雰囲気において、より高く調整することにより、一次粒子21の表面(濃化層C)に高い濃度の添加元素を存在させることができる。 The additive element added in the oxidizing atmosphere is present in a large amount on the surface of the primary particles 21 (concentrated layer C), whereas the additive element added in the non-oxidizing atmosphere is present in the primary particles 21 in a large amount. become. Therefore, with respect to the amount (mol) of a metal element (eg, transition metal) per unit time other than the additional element supplied to the aqueous solution for particle growth per unit time of the additional element supplied to the aqueous solution for particle growth. By adjusting the ratio of the amount of the substance (mol) higher in an oxidizing atmosphere than in a non-oxidizing atmosphere, a high concentration of the additional element can be present on the surface of the primary particles 21 (concentrated layer C). .
なお、添加元素を含む原料水溶液中に含まれる添加元素の、反応水溶液へ供給量を減少させる場合、単位時間あたりの反応水溶液への添加元素の供給量を、酸化性雰囲気よりも、非酸化性雰囲気において、減少させることにより、調整することができる。例えば、添加元素を含む原料水溶液の反応水溶液への供給速度を一定とする場合、添加元素を含む原料水溶液中の添加元素の濃度を、酸化性雰囲気よりも、非酸化性雰囲気で減少させてもよい。また、例えば、添加元素を含む原料水溶液の濃度を一定とする場合、添加元素を含む原料水溶液の単位時間当たりの供給量を、酸化性雰囲気よりも、非酸化性雰囲気で減少させてもよい。 When the supply amount of the additional element contained in the raw material aqueous solution containing the additional element to the reaction aqueous solution is reduced, the supply amount of the additional element to the reaction aqueous solution per unit time is set to be more non-oxidizing than the oxidizing atmosphere. It can be adjusted by reducing it in the atmosphere. For example, when the supply rate of the raw material aqueous solution containing the additional element to the reaction aqueous solution is constant, the concentration of the additional element in the raw material aqueous solution containing the additional element may be reduced in a non-oxidizing atmosphere than in an oxidizing atmosphere. Good. Further, for example, when the concentration of the raw material aqueous solution containing the additional element is constant, the supply amount of the raw material aqueous solution containing the additional element per unit time may be reduced in a non-oxidizing atmosphere rather than an oxidizing atmosphere.
また、第2の粒子成長工程(ステップS22)において、添加元素を含む原料水溶液の粒子成長用水溶液への供給を停止した後、又は、添加元素の反応水溶液へ供給する量を減少させた後、図6に示すように、添加元素を含む原料水溶液の粒子成長用水溶への供給を再開することが好ましい。 Further, in the second particle growth step (Step S22), after the supply of the raw material aqueous solution containing the additional element to the aqueous solution for particle growth is stopped, or after the amount of the additional element to be supplied to the reaction aqueous solution is reduced, As shown in FIG. 6, it is preferable to restart the supply of the raw material aqueous solution containing the additional element to the aqueous solution for particle growth.
添加元素を含む原料水溶液の粒子成長用水溶液への供給を停止した場合、添加元素を含む原料水溶液の粒子の供給を再開するタイミングとしては、晶析反応中の粒子成長が行われる時間全体に対して、50%以上80%以下経過した時点で再開することが好ましい。 When the supply of the raw material aqueous solution containing the additive element to the aqueous solution for particle growth is stopped, the timing of resuming the supply of the particles of the raw material aqueous solution containing the additional element is determined based on the entire time during which the particle growth during the crystallization reaction is performed. Therefore, it is preferable to restart when 50% or more and 80% or less have elapsed.
また、第2の粒子成長工程(ステップS22)において、添加元素の反応水溶液へ供給する量を減少させた場合、晶析反応中の粒子成長が行われる時間全体に対して、35%以上75%以下経過した時点で、さらに、添加元素の反応水溶液へ供給する量を増加させてもよい。 Also, in the second particle growth step (step S22), when the amount of the additional element supplied to the reaction aqueous solution is reduced, 35% or more and 75% or more of the entire time during which the crystal growth is performed during the crystallization reaction. At the time when the following has passed, the amount of the additional element supplied to the reaction aqueous solution may be further increased.
上記のように、添加元素を含む原料水溶液の供給の再開、又は、添加元素の供給量を増加させた場合、外周部4の表面から粒子内部にかけて、厚さに対して50%以上80%以下の範囲(表面側)の添加元素の濃度を、外周部4の内部側(表面側よりも内側の部分)より高くすることができる。このような内部側より高濃度の添加元素を含む層を外周部4の表面側に形成することで、正極活物質100における濃化層Cの形成をさらに均一して電池特性を向上させることが可能となる。 As described above, when the supply of the raw material aqueous solution containing the additional element is restarted or when the supply amount of the additional element is increased, from the surface of the outer peripheral portion 4 to the inside of the particle, 50% or more and 80% or less with respect to the thickness. The concentration of the additional element in the range (surface side) can be higher than the concentration inside the outer peripheral portion 4 (the portion inside the surface side). By forming such a layer containing a higher concentration of the additional element than the inner side on the surface side of the outer peripheral portion 4, the formation of the concentrated layer C in the positive electrode active material 100 can be further uniformed and the battery characteristics can be improved. It becomes possible.
なお、核生成工程(ステップS10)および粒子成長工程(ステップS20)において、反応水溶液中の遷移金属等の金属イオンは、核または一次粒子1となって析出する。このため、晶析反応の進行に伴って、核生成用水溶液および粒子成長用水溶液中の金属成分に対する液体成分の割合が増加する。この結果、見かけ上、原料水溶液の濃度が低下し、特に、粒子成長工程(ステップS20)においては、遷移金属複合水酸化物の粒子10(一次粒子1、二次粒子2)の成長が停滞することがある。したがって、液体成分の増加を抑制するため、核生成工程(ステップS10)の終了後から粒子成長工程(ステップS20)の途中で、粒子成長用水溶液の液体成分の一部を反応槽外に排出することが好ましい。 In the nucleation step (step S10) and the particle growth step (step S20), metal ions such as transition metals in the reaction aqueous solution precipitate as nuclei or primary particles 1. Therefore, as the crystallization reaction proceeds, the ratio of the liquid component to the metal component in the nucleation aqueous solution and the particle growth aqueous solution increases. As a result, apparently, the concentration of the raw material aqueous solution decreases, and in particular, in the particle growth step (Step S20), the growth of the transition metal composite hydroxide particles 10 (primary particles 1, secondary particles 2) stagnates. Sometimes. Therefore, in order to suppress the increase of the liquid component, part of the liquid component of the aqueous solution for particle growth is discharged out of the reaction tank after the nucleation step (step S10) is completed and during the particle growth step (step S20). Is preferred.
粒子成長用水溶液の液体成分の一部を反応槽外に排出する方法としては、例えば、原料水溶液、アルカリ水溶液およびアンモニウムイオン供給体を含む水溶液の供給および攪拌を一旦停止し、粒子成長用水溶液中の核や遷移金属複合水酸化物の粒子10を沈降させて、粒子成長用水溶液の上澄み液を排出することが好ましい。このような操作により、粒子成長用水溶液における混合水溶液の相対的な濃度を高めることができるため、粒子成長の停滞を防止し、得られる遷移金属複合水酸物の粒子10の粒度分布を好適な範囲に制御することができるばかりでなく、二次粒子2全体としての密度も向上させることができる。なお、粒子成長用水溶液の液体成分の一部を反応槽外に排出するタイミングは、特に限定されず、遷移金属複合水酸化物の粒子10の成長の程度により、適宜、調整することができる。 As a method of discharging a part of the liquid component of the aqueous solution for particle growth out of the reaction tank, for example, the supply and stirring of the aqueous solution containing the raw material aqueous solution, the alkaline aqueous solution and the ammonium ion donor are temporarily stopped, and It is preferable to settle the nucleus and the particles 10 of the transition metal composite hydroxide and discharge the supernatant liquid of the aqueous solution for particle growth. By such an operation, the relative concentration of the mixed aqueous solution in the aqueous solution for particle growth can be increased, so that stagnation of the particle growth is prevented, and the particle size distribution of the obtained transition metal composite hydroxide particles 10 is preferably adjusted. Not only can it be controlled within the range, but also the density of the secondary particles 2 as a whole can be improved. The timing of discharging a part of the liquid component of the aqueous solution for particle growth to the outside of the reaction tank is not particularly limited, and can be appropriately adjusted depending on the degree of growth of the transition metal composite hydroxide particles 10.
[遷移金属複合水酸化物の粒子の粒径制御]
得られる遷移金属複合水酸化物の粒子10の粒径は、特に限定されないが、1μm以上15μm以下であることが好ましい。なお、遷移金属複合水酸化物の粒子10の粒径は、核生成工程(ステップS10)の時間やpH値、粒子成長工程(ステップS20)の時間やpH値、原料水溶液の供給量等により制御することができる。
[Control of particle size of transition metal composite hydroxide particles]
The particle size of the obtained transition metal composite hydroxide particles 10 is not particularly limited, but is preferably 1 μm or more and 15 μm or less. The particle size of the transition metal composite hydroxide particles 10 is controlled by the time and pH value of the nucleation step (step S10), the time and pH value of the particle growth step (step S20), the supply amount of the raw material aqueous solution, and the like. can do.
例えば、核生成工程(ステップS10)を高pH値で行うことにより、または、粒子生成工程(ステップS20)の時間を長くすることにより、核生成工程(ステップS10)において、反応水溶液に供給される原料水溶液中に含まれる金属元素の量を増やし、核の生成量を増加させ、得られる遷移金属複合水酸化物の粒子10の粒径を小さくすることができる。 For example, by performing the nucleation step (step S10) at a high pH value, or by extending the time of the particle generation step (step S20), the nucleus is supplied to the reaction aqueous solution in the nucleation step (step S10). The amount of the metal element contained in the raw material aqueous solution can be increased, the amount of nuclei generated can be increased, and the particle size of the resulting transition metal composite hydroxide particles 10 can be reduced.
反対に、核生成工程(ステップS10)における核の生成量を抑制することで、得られる遷移金属複合水酸化物の粒子10の粒径を大きくすることができる。また、例えば、所望の粒径に成長するまで粒子成長工程(ステップS20)を継続すれば、所望の粒径を有する遷移金属複合水酸化物の粒子10を得ることができる。 Conversely, by suppressing the amount of nuclei generated in the nucleation step (step S10), the particle size of the resulting transition metal composite hydroxide particles 10 can be increased. Further, for example, if the particle growth step (Step S20) is continued until the particles grow to a desired particle size, particles 10 of the transition metal composite hydroxide having a desired particle size can be obtained.
以下、上記晶析工程に好ましく用いられる各原料、条件について、説明する。
[原料]
遷移金属を含む原料水溶液としては、遷移金属を含む化合物を水に溶解させて得られる水溶液を用いてもよい。遷移金属を含む化合物としては、特に制限されないが、取扱いの容易性から、水溶性の化合物を用いることが好ましく、水溶性の硝酸塩、硫酸塩および塩酸塩などを用いることがより好ましく、コストやハロゲンの混入を防止する観点から、硫酸塩を好適に用いることがさらに好ましい。
Hereinafter, each raw material and conditions preferably used in the crystallization step will be described.
[material]
As the raw material aqueous solution containing a transition metal, an aqueous solution obtained by dissolving a compound containing a transition metal in water may be used. The compound containing a transition metal is not particularly limited, but is preferably a water-soluble compound from the viewpoint of ease of handling, more preferably a water-soluble nitrate, sulfate, hydrochloride, or the like. It is further preferable to use a sulfate from the viewpoint of preventing the contamination of sulfide.
遷移金属と異なる添加元素を含む原料水溶液(原料水溶液)としては、目的の添加元素を含む化合物を水に溶解させて得られる水溶液を用いてもよい。添加元素を含む化合物としては、特に限定されないが、水溶性の化合物を用いることが好ましい。例えば、添加元素が、Nb、Mo、Ta、Ti、Zr、及び、Wから選択される1種以上の元素である場合、水溶性の化合物が好ましく、例えば、シュウ酸ニオブ、モリブデン酸アンモニウム、タンタル酸ナトリウム、タングステン酸ナトリウム、タングステン酸アンモニウムなどを好適に用いることができる。 As the raw material aqueous solution containing the additional element different from the transition metal (raw material aqueous solution), an aqueous solution obtained by dissolving a compound containing the target additional element in water may be used. The compound containing the additional element is not particularly limited, but it is preferable to use a water-soluble compound. For example, when the additive element is one or more elements selected from Nb, Mo, Ta, Ti, Zr, and W, a water-soluble compound is preferable. For example, niobium oxalate, ammonium molybdate, tantalum Sodium acid, sodium tungstate, ammonium tungstate and the like can be suitably used.
本実施形態に係る製造方法においては、原料水溶液(全体)中の各金属元素の比率が、概ね、得られる遷移金属複合水酸化物の粒子10の組成比となる。このため、原料水溶液は、目的とする遷移金属複合水酸化物の粒子10の組成に応じて、各金属元素の含有量を適宜調整してもよい。 In the production method according to the present embodiment, the ratio of each metal element in the raw material aqueous solution (entire) is approximately the composition ratio of the obtained transition metal composite hydroxide particles 10. For this reason, in the raw material aqueous solution, the content of each metal element may be appropriately adjusted according to the desired composition of the transition metal composite hydroxide particles 10.
例えば、上述した一般式(1)で表される遷移金属複合水酸化物の粒子10を得ようとする場合には、原料水溶液中(全体)の各金属元素の比率を、Ni:Mn:Co:M=x:y:z:t(ただし、x+y+z+t=1、0.3≦x≦0.95、0.05≦y≦0.55、0≦z≦0.4、0<t≦0.1、Mは、Nb、Mo、Ta、Ti、Zr、及び、Wから選択される1種以上の元素)となるように調整する。 For example, when trying to obtain the transition metal composite hydroxide particles 10 represented by the general formula (1), the ratio of each metal element in the raw material aqueous solution (total) is set to Ni: Mn: Co. : M = x: y: z: t (where x + y + z + t = 1, 0.3 ≦ x ≦ 0.95, 0.05 ≦ y ≦ 0.55, 0 ≦ z ≦ 0.4, 0 <t ≦ 0 .1, M are adjusted to be one or more elements selected from Nb, Mo, Ta, Ti, Zr, and W).
原料水溶液の濃度は、原料となる各金属元素を含む化合物の合計で、好ましくは1mol/L以上2.6mol/L以下、より好ましくは1.5mol/L以上2.2mol/L以下とする。原料水溶液の濃度が1mol/L未満である場合、反応槽当たりの晶析物の量が少なくなるため、生産性が低下する。一方、混合水溶液の濃度が2.6mol/Lを超える場合、常温での飽和濃度を超えるため、各金属元素を含む化合物の結晶が再析出して、配管などを詰まらせるおそれがある。 The concentration of the raw material aqueous solution is preferably 1 mol / L or more and 2.6 mol / L or less, more preferably 1.5 mol / L or more and 2.2 mol / L or less in total of the compounds containing each metal element as the raw material. When the concentration of the raw material aqueous solution is less than 1 mol / L, the amount of the crystallized substance per reaction vessel decreases, and the productivity decreases. On the other hand, when the concentration of the mixed aqueous solution exceeds 2.6 mol / L, the concentration of the compound containing each metal element is re-precipitated because the concentration exceeds the saturation concentration at normal temperature, which may cause clogging of pipes and the like.
なお、異なる金属元素を含む複数の化合物は、1種類の原料水溶液として反応槽に供給してもよく、異なる金属元素をそれぞれ含む、複数の原料水溶液として、反応槽に供給してもよい。例えば、複数の金属元素を含む化合物を水に混合した際に、互いに反応して、目的とする化合物以外の化合物を生成する場合、個別に金属元素を含む化合物の水溶液(原料水溶液)を調製することが好ましい。異なる金属元素をそれぞれ含む、複数の原料水溶液を用いる場合、全ての原料水溶液における金属元素の合計の濃度が上記範囲となるように、複数の原料水溶液を調整して、所定の割合で反応槽内に供給してもよい。 A plurality of compounds containing different metal elements may be supplied to the reaction tank as one kind of raw material aqueous solution, or a plurality of raw material aqueous solutions containing different metal elements may be supplied to the reaction tank. For example, when a compound containing a plurality of metal elements is mixed with water to react with each other to produce a compound other than the target compound, an aqueous solution of the compound containing the metal element (raw material aqueous solution) is separately prepared. Is preferred. When a plurality of raw material aqueous solutions each containing a different metal element are used, the plurality of raw material aqueous solutions are adjusted so that the total concentration of the metal elements in all the raw material aqueous solutions is within the above range, and a predetermined ratio is adjusted in the reaction tank. May be supplied.
また、原料水溶液の供給量は、粒子成長工程の終了時点において、粒子成長用水溶液中の生成物の濃度が、好ましくは30g/L以上200g/L以下、より好ましくは以上80g/L150g/L以下となるようにする。生成物の濃度が30g/L未満では、一次粒子の凝集が不十分になる場合がある。一方、200g/Lを超えると、反応槽内に、核生成用水溶液または粒子成長用水溶液が十分に拡散せず、粒子成長に偏りが生じる場合がある。 The supply amount of the raw material aqueous solution is such that the concentration of the product in the aqueous solution for particle growth is preferably 30 g / L or more and 200 g / L or less, more preferably 80 g / L or more and 150 g / L or less at the end of the particle growth step. So that If the concentration of the product is less than 30 g / L, the aggregation of the primary particles may be insufficient. On the other hand, if it exceeds 200 g / L, the aqueous solution for nucleation or the aqueous solution for particle growth may not be sufficiently diffused in the reaction tank, and the particle growth may be biased.
(アルカリ水溶液)
反応水溶液中のpH値を調整するアルカリ水溶液は、特に制限されることはなく、水酸化ナトリウムや水酸化カリウムなどの一般的なアルカリ金属水酸化物水溶液を用いることができる。なお、アルカリ金属水酸化物を、直接、反応水溶液に添加することもできるが、pH制御の容易さから、水溶液として添加することが好ましい。この場合、アルカリ金属水酸化物水溶液の濃度を、好ましくは20質量%以上50質量%以下、より好ましくは20質量%以上30質量%以下とする。アルカリ金属水溶液の濃度をこのような範囲に規制することにより、反応系に供給する溶媒量(水量)を抑制しつつ、添加位置で局所的にpH値が高くなることを防止することができるため、粒度分布の狭い遷移金属複合水酸化物の粒子を効率的に得ることが可能となる。
(Alkaline aqueous solution)
The alkaline aqueous solution for adjusting the pH value in the reaction aqueous solution is not particularly limited, and a general alkaline metal hydroxide aqueous solution such as sodium hydroxide or potassium hydroxide can be used. The alkali metal hydroxide can be directly added to the reaction aqueous solution, but is preferably added as an aqueous solution because of easy pH control. In this case, the concentration of the aqueous alkali metal hydroxide solution is preferably 20% by mass or more and 50% by mass or less, more preferably 20% by mass or more and 30% by mass or less. By regulating the concentration of the aqueous alkali metal solution in such a range, it is possible to prevent the pH value from locally increasing at the addition position while suppressing the amount of the solvent (the amount of water) supplied to the reaction system. In addition, it is possible to efficiently obtain particles of the transition metal composite hydroxide having a narrow particle size distribution.
なお、アルカリ水溶液の供給方法は、反応水溶液のpH値が局所的に高くならず、かつ、所定の範囲に維持される限り、特に制限されることはない。たとえば、反応水溶液を十分に撹拌しながら、定量ポンプなどの流量制御が可能なポンプにより供給すればよい。 The method of supplying the aqueous alkali solution is not particularly limited as long as the pH value of the aqueous reaction solution does not locally increase and is maintained within a predetermined range. For example, the reaction aqueous solution may be supplied by a pump capable of controlling the flow rate, such as a metering pump, while sufficiently stirring.
(アンモニウム供給体を含む水溶液)
アンモニウムイオン供給体を含む水溶液も、特に制限されることはなく、たとえば、アンモニア水、または、硫酸アンモニウム、塩化アンモニウム、炭酸アンモニウムもしくはフッ化アンモニウムなどの水溶液を使用することができる。
(Aqueous solution containing ammonium donor)
The aqueous solution containing the ammonium ion donor is not particularly limited, either. For example, aqueous ammonia or an aqueous solution of ammonium sulfate, ammonium chloride, ammonium carbonate or ammonium fluoride can be used.
アンモニウムイオン供給体として、アンモニア水を使用する場合には、その濃度は、好ましくは20質量%以上30質量%以下、より好ましくは22質量%以上28質量%以下とする。アンモニア水の濃度をこのような範囲に規制することにより、揮発などによるアンモニアの損失を最小限に抑制することができるため、生産効率の向上を図ることが可能となる。 When ammonia water is used as the ammonium ion supplier, its concentration is preferably 20% by mass or more and 30% by mass or less, more preferably 22% by mass or more and 28% by mass or less. By regulating the concentration of the ammonia water in such a range, the loss of ammonia due to volatilization or the like can be suppressed to a minimum, so that the production efficiency can be improved.
なお、アンモニウムイオン供給体を含む水溶液の供給方法も、アルカリ水溶液と同様に、流量制御が可能なポンプにより供給することができる。 In addition, the supply method of the aqueous solution containing the ammonium ion supplier can also be supplied by a pump whose flow rate can be controlled, similarly to the alkaline aqueous solution.
(pH値)
核生成工程(ステップS10)では、反応水溶液の液温25℃基準におけるpH値を12.0以上14.0以下の範囲に、粒子成長工程(ステップS20)では、反応水溶液の液温25℃基準におけるpH値を10.5以上12.0以下の範囲に制御する。なお、いずれの工程においても、晶析反応中のpH値の変動幅は、±0.2以内に制御することが好ましい。pH値の変動幅が大きい場合、核生成量と粒子成長の割合が一定とならず、粒度分布の狭い遷移金属複合水酸化物の粒子を得ることが困難となることがある。
(PH value)
In the nucleation step (step S10), the pH value of the reaction aqueous solution based on the liquid temperature of 25 ° C. is in the range of 12.0 or more and 14.0 or less. Is controlled in the range from 10.5 to 12.0. In any step, the fluctuation range of the pH value during the crystallization reaction is preferably controlled within ± 0.2. When the fluctuation range of the pH value is large, the nucleation amount and the ratio of the particle growth are not constant, and it may be difficult to obtain particles of the transition metal composite hydroxide having a narrow particle size distribution.
核生成工程(ステップS10)においては、反応水溶液(核生成用水溶液)のpH値を、液温25℃基準で、12.0以上14.0以下、好ましくは12.3以上13.5以下、より好ましくは12.5以上13.3以下の範囲に制御する。これにより、核の成長を抑制し、核生成を優先させることが可能となり、核生成工程(ステップS10)で生成する核を均質かつ粒度分布の狭いものとすることができる。一方、pH値が12.0未満である場合、核生成とともに核(粒子)の成長が進行するため、得られる遷移金属複合水酸化物の粒子の粒径が不均一となり、粒度分布が悪化する。また、pH値が14.0を超える場合、生成する核が微細になりすぎ、反応水溶液(核生成用水溶液)がゲル化する問題が生じる。 In the nucleation step (Step S10), the pH value of the reaction aqueous solution (nucleation aqueous solution) is 12.0 or more and 14.0 or less, preferably 12.3 or more and 13.5 or less, based on a liquid temperature of 25 ° C. More preferably, it is controlled in the range of 12.5 to 13.3. This makes it possible to suppress the growth of nuclei and give priority to nucleation, and to make the nuclei generated in the nucleation step (step S10) uniform and have a narrow particle size distribution. On the other hand, when the pH value is less than 12.0, the growth of nuclei (particles) proceeds along with the nucleation, so that the resulting transition metal composite hydroxide particles have non-uniform particle sizes, and the particle size distribution deteriorates. . When the pH value exceeds 14.0, nuclei to be formed are too fine, and a problem arises in that the reaction aqueous solution (nucleus generation aqueous solution) gels.
粒子成長工程(ステップS20)においては、反応水溶液(粒子成長水溶液)のpH値を、液温25℃基準で、10.5以上12.0以下、好ましくは11.0以上12.0以下、より好ましくは11.5以上12.0以下の範囲に制御する。これにより、新たな核の生成が抑制され、粒子成長を優先させることが可能となり、得られる遷移金属複合水酸化物の粒子10を均質かつ粒度分布が狭いものとすることができる。一方、pH値が10.5未満である場合、アンモニウムイオン濃度が上昇し、金属イオンの溶解度が高くなるため、晶析反応の速度が遅くなるばかりでなく、反応水溶液中に残存する金属イオン量が増加し、生産性が悪化する。また、pH値が12.0を超える場合、粒子成長工程(ステップS20)中の核生成量が増加し、得られる遷移金属複合水酸化物の粒子10の粒径が不均一となり、粒度分布が悪化する。 In the particle growth step (Step S20), the pH value of the reaction aqueous solution (particle growth aqueous solution) is 10.5 or more and 12.0 or less, preferably 11.0 or more and 12.0 or less, based on a liquid temperature of 25 ° C. Preferably, it is controlled in the range of 11.5 or more and 12.0 or less. Thereby, generation of new nuclei is suppressed, and it becomes possible to give priority to particle growth, and it is possible to make the obtained transition metal composite hydroxide particles 10 uniform and have a narrow particle size distribution. On the other hand, when the pH value is less than 10.5, the concentration of ammonium ions increases, and the solubility of metal ions increases, so that not only the rate of the crystallization reaction decreases, but also the amount of metal ions remaining in the reaction aqueous solution. Increases and productivity decreases. When the pH value exceeds 12.0, the amount of nucleation during the particle growth step (step S20) increases, the particle size of the resulting transition metal composite hydroxide particles 10 becomes non-uniform, and the particle size distribution increases. Getting worse.
なお、反応水溶液(粒子成長水溶液)のpH値が12.0の場合は、核生成と核成長の境界条件であるため、反応水溶液中に存在する核の有無により、核生成、または粒子成長のいずれかの条件とすることができる。すなわち、核生成工程(ステップS10)のpH値を12.0より高くして多量に核生成させた後、粒子成長工程(ステップS20)のpH値を12.0とすると、反応水溶液中に多量の核が存在するため、粒子成長が優先して起こり、粒径分布が狭い遷移金属複合水酸化物の粒子10を得ることができる。 When the pH value of the reaction aqueous solution (particle growth aqueous solution) is 12.0, which is a boundary condition between nucleation and nucleus growth, the nucleation or particle growth depends on the presence or absence of nuclei present in the reaction aqueous solution. Either condition can be set. That is, if the pH value in the nucleation step (step S10) is higher than 12.0 to generate a large amount of nuclei and then the pH value in the particle growth step (step S20) is 12.0, a large amount Nuclei exist, so that particle growth occurs preferentially, and particles 10 of the transition metal composite hydroxide having a narrow particle size distribution can be obtained.
一方、核生成工程(ステップS10)のpH値を12.0とすると、反応水溶液中に成長する核が存在しないため、核生成が優先して起こり、粒子成長工程(ステップS20)のpH値を12.0より小さくすることで、生成した核が成長して良好な遷移金属複合水酸化物の粒子10を得ることができる。いずれの場合においても、粒子成長工程(ステップS20)のpH値を核生成工程(ステップS10)のpH値より低い値で制御すればよく、核生成と粒子成長を明確に分離するためには、粒子成長工程(ステップS20)のpH値を核生成工程(ステップS10)のpH値より0.5以上低くすることが好ましく、1.0以上低くすることがより好ましい。 On the other hand, if the pH value in the nucleation step (step S10) is 12.0, there is no nucleus to grow in the reaction aqueous solution, so nucleation occurs preferentially, and the pH value in the particle growth step (step S20) is increased. By making it smaller than 12.0, the generated nucleus grows and good transition metal composite hydroxide particles 10 can be obtained. In any case, the pH value in the particle growth step (step S20) may be controlled to a value lower than the pH value in the nucleation step (step S10). In order to clearly separate nucleation and particle growth, The pH value in the particle growth step (Step S20) is preferably lower than the pH value in the nucleation step (Step S10) by 0.5 or more, more preferably 1.0 or more.
(反応雰囲気)
本実施形態の製造方法においては、各工程におけるpH値を上述のように制御した上で、核生成工程(ステップS10)と第1の粒子成長工程(ステップS21)の反応雰囲気を酸化性雰囲気に調整する。これにより、微細一次粒子1aが凝集した中心部3が形成される。また、粒子成長工程(ステップS20)の途中で、酸化性雰囲気から非酸化性雰囲気に切り替えて、非酸性化雰囲気で粒子成長を行う第2の粒子成長工程(ステップS22)を行うことにより、中心部3の外側に、板状の一次粒子1bが凝集した外周部4が形成される。
(Reaction atmosphere)
In the manufacturing method of the present embodiment, the reaction atmosphere in the nucleation step (step S10) and the first particle growth step (step S21) is changed to an oxidizing atmosphere after controlling the pH value in each step as described above. adjust. Thereby, the central part 3 where the fine primary particles 1a are aggregated is formed. In the middle of the particle growth step (step S20), the oxidizing atmosphere is switched to the non-oxidizing atmosphere, and the second particle growing step (step S22) of growing the particles in the non-acidifying atmosphere is performed. An outer peripheral portion 4 in which the plate-like primary particles 1b are aggregated is formed outside the portion 3.
上記のように反応雰囲気を制御する場合、中心部3を構成する微細一次粒子1aは、例えば、図1(B)に示すように、板状および/または針状であってもよいが、それ以外の形状であってもよい。それ以外の形状としては、例えば、直方体状、楕円状、稜面体状などであってもよい。微細一次粒子1aの形状は、遷移金属複合水酸化物の粒子10の組成等により、調整することができる。また、外周部4を構成する板状の一次粒子1bについても、同様に、それ以外の形状を有してもよい。また、本実施形態に係る製造方法においては、目的とする遷移金属複合水酸化物の粒子10の組成に応じて、各段階における反応雰囲気を適切に制御することが好ましい。 When controlling the reaction atmosphere as described above, the fine primary particles 1a constituting the central portion 3 may be plate-like and / or needle-like, for example, as shown in FIG. Other shapes may be used. As other shapes, for example, a rectangular parallelepiped shape, an elliptical shape, a ridge shape, or the like may be used. The shape of the fine primary particles 1a can be adjusted by the composition of the transition metal composite hydroxide particles 10 and the like. Similarly, the plate-shaped primary particles 1b constituting the outer peripheral portion 4 may have other shapes. In the manufacturing method according to the present embodiment, it is preferable to appropriately control the reaction atmosphere in each stage according to the composition of the target transition metal composite hydroxide particles 10.
第1の粒子成長工程(ステップS21)では、反応雰囲気を、酸化性雰囲に制御して、遷移金属複合水酸化物の粒子10の中心部3を形成する。具体的には、反応雰囲気中における酸素濃度が、5容量%を超えるように、好ましくは10容量%以上、より好ましくは大気雰囲気(酸素濃度:21容量%)となるように制御する。反応雰囲気中の酸素濃度を上記範囲に制御することにより、平均粒径が0.01μm以上0.3μm以下の範囲となる微細一次粒子1aを形成することができる。 In the first particle growth step (step S21), the reaction atmosphere is controlled to be an oxidizing atmosphere, and the central portion 3 of the transition metal composite hydroxide particle 10 is formed. Specifically, control is performed so that the oxygen concentration in the reaction atmosphere exceeds 5% by volume, preferably 10% by volume or more, and more preferably the air atmosphere (oxygen concentration: 21% by volume). By controlling the oxygen concentration in the reaction atmosphere within the above range, fine primary particles 1a having an average particle size in a range of 0.01 μm to 0.3 μm can be formed.
なお、第1の粒子成長工程(ステップS21)における反応雰囲気中の酸素濃度の上限は特に制限されることはないが、酸素濃度が過度に高いと、微細一次粒子1aの平均粒径が0.01μm未満となり、添加元素が低密度の層(外周部4)が十分な大きさとならない場合がある。このため、第1の粒子成長工程(ステップS21)酸素濃度は30容量%以下とすることが好ましい。 The upper limit of the oxygen concentration in the reaction atmosphere in the first particle growth step (step S21) is not particularly limited. However, if the oxygen concentration is excessively high, the average particle size of the fine primary particles 1a is 0.1. When the thickness is less than 01 μm, the layer (the outer peripheral portion 4) having a low density of the additive element may not be sufficiently large. For this reason, it is preferable that the oxygen concentration in the first particle growth step (step S21) be 30% by volume or less.
一方、第2の粒子成長工程(ステップS22)では、弱酸化性雰囲気ないしは非酸化性雰囲気に制御して、遷移金属複合水酸化物の粒子10の外周部を形成する。具体的には、反応雰囲気中における酸素濃度が、5容量%以下、好ましくは2容量%以下、より好ましくは1容量%以下となるように、酸素と不活性ガスの混合雰囲気に制御する。これにより、不要な酸化を抑制しつつ、核生成工程(ステップS10)で生成した核を一定の範囲まで成長させることができるため、外周部4を、平均粒径が0.3μm以上3μm以下の範囲であり、かつ、板状の一次粒子1bが凝集した構造とすることができる。よって、上述した中心部3と十分な一次粒子1の粒径の差を有する外周部4を形成することができる。 On the other hand, in the second particle growth step (Step S22), the outer periphery of the transition metal composite hydroxide particles 10 is formed by controlling the atmosphere to a weakly oxidizing atmosphere or a non-oxidizing atmosphere. Specifically, the mixed atmosphere of oxygen and an inert gas is controlled so that the oxygen concentration in the reaction atmosphere is 5% by volume or less, preferably 2% by volume or less, more preferably 1% by volume or less. As a result, the nuclei generated in the nucleation step (step S10) can be grown to a certain range while suppressing unnecessary oxidation, so that the outer peripheral portion 4 has an average particle diameter of 0.3 μm or more and 3 μm or less. Within this range, a plate-like primary particle 1b can be formed to have a structure in which the primary particles 1b are aggregated. Therefore, it is possible to form the outer peripheral portion 4 having a sufficient difference between the central portion 3 and the primary particles 1 described above.
なお、微細一次粒子1aおよび板状の一次粒子1bのそれぞれの粒径は、二次粒子2中の、好ましくは10個以上の各一次粒子1a、1b断面の最大径(最大長さ)を粒径として測定し、平均値を計算することで求めることができる。 In addition, the particle diameter of each of the fine primary particles 1a and the plate-like primary particles 1b is preferably the maximum diameter (maximum length) of the cross section of the secondary particles 2, preferably 10 or more of each of the primary particles 1a and 1b. It can be obtained by measuring as a diameter and calculating an average value.
(雰囲気の切り替え)
粒子成長工程(ステップS20)における、酸化性雰囲気から非酸化性雰囲気への切り替えは、上述した粒子構造を有する遷移金属複合水酸化物の粒子10が形成されるように、適切なタイミングで行う。以下、雰囲気の切り替えの一例について、説明する。
(Change of atmosphere)
The switching from the oxidizing atmosphere to the non-oxidizing atmosphere in the particle growth step (Step S20) is performed at an appropriate timing so that the transition metal composite hydroxide particles 10 having the above-described particle structure are formed. Hereinafter, an example of switching the atmosphere will be described.
雰囲気の切り替えは、正極活物質100において、微粒子が発生してサイクル特性が悪化しない程度の中空部23が得られるように、中心部3の大きさを考慮して、そのタイミングを決定することが好ましい。雰囲気の切り替えは、例えば、晶析反応中の粒子成長が行われる時間の全体に対して、0.5%以上40%以下経過した時点で行ってもよく、好ましくは0.5%以上30%以下経過した時点、さらに好ましくは0.5%以上25%以下経過した時点で行う。雰囲気の切り替えを粒子成長が行われる時間の全体に対して40%を超える時点で行う場合、中心部3が大きくなり、二次粒子2の粒径に対する外周部4の厚さが薄くなり過ぎることがある。一方、雰囲気の切り替えを粒子成長が行われる時間の全体に対して0.5%未満の時点で行う場合、中心部3が小さくなりすぎたり、上記の中心部3と外周部4とを備える二次粒子2が形成されなかったりすることがある。 The timing of the switching of the atmosphere may be determined in consideration of the size of the central portion 3 so that the hollow portion 23 in which the fine particles are not generated and the cycle characteristics are not deteriorated in the positive electrode active material 100 is obtained. preferable. The switching of the atmosphere may be performed, for example, at the time when 0.5% or more and 40% or less have elapsed with respect to the entire time during which the grain growth is performed during the crystallization reaction, and preferably 0.5% to 30%. This is performed at the time when the following has elapsed, more preferably at the time when 0.5% or more and 25% or less have elapsed. When the atmosphere is switched at a time point exceeding 40% of the entire time during which the particle growth is performed, the central portion 3 becomes large, and the thickness of the outer peripheral portion 4 with respect to the particle size of the secondary particles 2 becomes too thin. There is. On the other hand, when the atmosphere is switched at a time point of less than 0.5% with respect to the entire time during which the grain growth is performed, the central portion 3 becomes too small, or the central portion 3 and the outer peripheral portion 4 are provided. The secondary particles 2 may not be formed.
雰囲気の切り替えの方法は、特に限定されないが、雰囲気の切り替えの時間を短縮するという観点から、散気管を用いて行うことが好ましい。従来、反応雰囲気の切り替えは、反応槽内に雰囲気ガスを流通させたり、反応水溶液に、内径が1mm〜50mm程度の導管を挿入し、雰囲気ガスによってバブリングしたりすることで行っていた。しかしながら、これらの方法では、反応雰囲気の切り替えに長時間を要するため、雰囲気の切替中に、原料水溶液の供給を停止することが必要であった。一方、散気管は、表面に微細な孔を多数有する導管によって構成され、液体中に微細なガス(気泡)を多数放出することができる。よって、散気管を用いて雰囲気の切り替えを行う場合、短時間で反応雰囲気の切り替えを行うことが可能であり、雰囲気の切り替えの際に原料水溶液の供給を停止する必要はなく、生産効率の改善を図ることができる。 The method for switching the atmosphere is not particularly limited, but is preferably performed using an air diffuser from the viewpoint of reducing the time for switching the atmosphere. Conventionally, the reaction atmosphere has been switched by flowing an atmosphere gas into the reaction tank, or by inserting a conduit having an inner diameter of about 1 mm to 50 mm into the reaction aqueous solution and bubbling with the atmosphere gas. However, in these methods, it takes a long time to switch the reaction atmosphere, and thus it is necessary to stop the supply of the raw material aqueous solution during the switching of the atmosphere. On the other hand, the air diffuser is constituted by a conduit having a large number of fine holes on its surface, and can discharge a large number of fine gases (bubbles) into a liquid. Therefore, when the atmosphere is switched using an air diffuser, it is possible to switch the reaction atmosphere in a short time, and it is not necessary to stop the supply of the raw material aqueous solution at the time of switching the atmosphere, thereby improving the production efficiency. Can be achieved.
散気管としては、高pH環境下における耐性に優れるという観点から、セラミック製のものを用いることが好ましい。また、散気管は、その孔径が小さいほど好ましく、孔径が100μm以下、より好ましくは50μm以下のものを用いる。散気管の孔径が十分に小さい場合、微細な気泡を放出することができるため、高い効率で反応雰囲気を切り替えることが可能となる。 It is preferable to use a ceramic air diffuser from the viewpoint of excellent resistance under a high pH environment. The air diffuser preferably has a smaller pore size, and has a pore size of 100 μm or less, more preferably 50 μm or less. When the pore diameter of the air diffuser is sufficiently small, fine bubbles can be released, and thus the reaction atmosphere can be switched with high efficiency.
(アンモニウムイオン濃度)
反応水溶液中のアンモニウムイオン濃度は、好ましくは3g/L以上25g/L以下、より好ましくは5g/L以上20g/L以下である。アンモニウムイオンは、反応水溶液中で錯化剤として機能する。アンモニウムイオン濃度が3g/L未満である場合、反応水溶液中の金属イオンの溶解度を一定に保持することができなかったり、反応水溶液がゲル化しやすくなったりして、形状や粒径の整った遷移金属複合水酸化物の粒子10を得ることが困難となる。一方、アンモニウムイオン濃度が25g/Lを超える場合、反応水溶液中の金属イオンの溶解度が大きくなりすぎて、反応水溶液中に残存する金属イオン量が増加し、組成ずれなどの原因となることがある。
(Ammonium ion concentration)
The ammonium ion concentration in the reaction aqueous solution is preferably 3 g / L or more and 25 g / L or less, more preferably 5 g / L or more and 20 g / L or less. The ammonium ion functions as a complexing agent in the reaction aqueous solution. When the ammonium ion concentration is less than 3 g / L, the solubility of the metal ions in the reaction aqueous solution cannot be kept constant, or the reaction aqueous solution tends to gel, and the transition in which the shape and particle size are well-ordered. It is difficult to obtain the metal composite hydroxide particles 10. On the other hand, when the ammonium ion concentration exceeds 25 g / L, the solubility of metal ions in the reaction aqueous solution becomes too large, and the amount of metal ions remaining in the reaction aqueous solution increases, which may cause a composition deviation or the like. .
また、反応水溶液中のアンモニウムイオン濃度は、上記の範囲内で一定値に保持することが好ましい。晶析反応中にアンモニウムイオン濃度が変動する場合、金属イオンの溶解度が変動し、均一な遷移金属複合水酸化物の粒子10が形成されなくなることがある。このため、核生成工程(ステップS10)と粒子成長工程(ステップS20)を通じて、アンモニウムイオン濃度の変動幅を一定の範囲に制御することが好ましく、具体的には、±5g/Lの変動幅に制御することが好ましい。 Further, it is preferable that the ammonium ion concentration in the reaction aqueous solution is kept at a constant value within the above range. If the ammonium ion concentration fluctuates during the crystallization reaction, the solubility of the metal ion fluctuates, and the uniform transition metal composite hydroxide particles 10 may not be formed. For this reason, it is preferable that the fluctuation range of the ammonium ion concentration be controlled within a certain range through the nucleation step (step S10) and the particle growth step (step S20), and specifically, the fluctuation range of ± 5 g / L. It is preferable to control.
(反応温度)
反応水溶液の温度(反応温度)は、核生成工程(ステップS10)と粒子成長工程(ステップS20)を通じて、好ましくは20℃以上、より好ましくは20℃以上60℃以下の範囲に制御する。反応温度が20℃未満である場合、反応水溶液の溶解度が低くなることに起因して、核生成が起こりやすくなり、得られる遷移金属複合水酸化物の粒子10の平均粒径や粒度分布を好適に範囲に制御することが困難となる。なお、反応温度の上限は、特に限定されないが、60℃を超える場合、アンモニアの揮発が促進され、反応水溶液中のアンモニウムイオンを一定範囲に制御するために供給するアンモニウムイオン供給体を含む水溶液の量が増加し、生産コストが増加してしまう。
(Reaction temperature)
The temperature (reaction temperature) of the reaction aqueous solution is preferably controlled to 20 ° C. or higher, more preferably 20 ° C. to 60 ° C., throughout the nucleation step (Step S10) and the particle growth step (Step S20). When the reaction temperature is lower than 20 ° C., nucleation is likely to occur due to the low solubility of the reaction aqueous solution, and the average particle size and particle size distribution of the resulting transition metal composite hydroxide particles 10 are suitable. It is difficult to control the range. The upper limit of the reaction temperature is not particularly limited. However, when the temperature exceeds 60 ° C., volatilization of ammonia is promoted, and the aqueous solution containing an ammonium ion supplier supplied to control the ammonium ion in the reaction aqueous solution within a certain range is controlled. The amount increases and the production cost increases.
(製造装置)
晶析反応に用いられる晶析装置(反応槽)としては、特に限定されないが、上述した散気管によって反応雰囲気の切り替えを行うことができるものが好ましい。また、晶析反応が終了するまで、析出した生成物を回収しないバッチ式の晶析装置を用いることが好ましい。バッチ式の晶析装置を用いた場合、オーバーフロー方式によって生成物を回収する連続晶析装置とは異なり、成長中の粒子がオーバーフロー液と同時に回収されることがないため、粒度分布の狭い遷移金属複合水酸化物の粒子10を容易に得ることができる。また、晶析反応中の反応雰囲気を適切に制御するという観点から、密閉式の晶析装置を用いることが好ましい。
(manufacturing device)
The crystallization apparatus (reaction tank) used for the crystallization reaction is not particularly limited, but a crystallization apparatus that can switch the reaction atmosphere by the above-described aeration tube is preferable. Further, it is preferable to use a batch-type crystallization apparatus that does not collect the precipitated product until the crystallization reaction is completed. When a batch type crystallizer is used, unlike a continuous crystallizer that collects products by the overflow method, the growing particles are not collected at the same time as the overflow liquid, so transition metal with a narrow particle size distribution is used. The composite hydroxide particles 10 can be easily obtained. Further, from the viewpoint of appropriately controlling the reaction atmosphere during the crystallization reaction, it is preferable to use a closed crystallization apparatus.
(2)被覆工程(ステップS30)
本実施形態に係る製造方法では、図6に示すように、第2の粒子成長工程(ステップS20)の後に得られた晶析物を、添加元素を含む化合物で被覆する被覆工程(ステップS30)をさらに備えてもよい。被覆工程(ステップS30)を備えることにより、正極活物質100における濃化層Cをさらに均一に形成して、より電池特性を向上することができる。
(2) Covering step (Step S30)
In the manufacturing method according to the present embodiment, as shown in FIG. 6, a coating step (Step S30) of coating a crystallized substance obtained after the second particle growth step (Step S20) with a compound containing an additional element. May be further provided. By providing the coating step (Step S30), the concentrated layer C in the positive electrode active material 100 can be formed more uniformly, and the battery characteristics can be further improved.
被覆方法は、遷移金属複合水酸化物の粒子10を、添加元素を含む化合物によって均一に被覆することができる限り、特に制限されない。以下、例えば、被覆工程(ステップS30)の一例について説明する。 The coating method is not particularly limited as long as the particles 10 of the transition metal composite hydroxide can be uniformly coated with the compound containing the additive element. Hereinafter, for example, an example of the coating step (Step S30) will be described.
例えば、第2の粒子成長工程(ステップS22)後に得られた晶析物をスラリー化し、そのpH値を所定の範囲に制御した後、添加元素を含む化合物を溶解した水溶液(被覆用水溶液)を添加して、晶析物(遷移複合水酸化物の粒子)の表面に添加元素を含む化合物を析出させる。これにより、添加元素を含む化合物によって均一に被覆された遷移金属複合水酸化物の粒子10を得ることができる。この場合、被覆用水溶液に代えて、添加元素のアルコキシド溶液を、スラリー化した晶析物に添加してもよい。また、晶析物をスラリー化せずに、添加元素を含む化合物を溶解した水溶液、または、スラリーを晶析物に吹き付けて、乾燥させることにより、晶析物の表面に被覆してもよい。また、例えば、晶析物と添加元素を含む化合物とが懸濁したスラリーを噴霧乾燥させる方法により被覆してもよく、例えば、晶析物と添加元素を含む化合物とを固相法で混合するなどの方法により被覆してもよい。 For example, the crystallized product obtained after the second particle growth step (step S22) is slurried, the pH value is controlled within a predetermined range, and then an aqueous solution (a coating aqueous solution) in which the compound containing the additional element is dissolved is used. In addition, a compound containing the additional element is precipitated on the surface of the crystallized product (transition composite hydroxide particles). Thereby, the particles 10 of the transition metal composite hydroxide uniformly coated with the compound containing the additional element can be obtained. In this case, instead of the coating aqueous solution, an alkoxide solution of the additional element may be added to the slurry crystallized product. Alternatively, the surface of the crystallized product may be coated by spraying an aqueous solution or a slurry in which the compound containing the additive element is dissolved or by spraying the slurry on the crystallized product without drying the crystallized product. Further, for example, the slurry in which the crystallized substance and the compound containing the additional element are suspended may be coated by a method of spray drying, for example, the crystallized substance and the compound containing the additional element are mixed by a solid phase method. Or the like.
なお、晶析物(遷移複合水酸化物の粒子)の表面を添加元素で被覆する場合には、被覆後に得られる遷移金属複合水酸化物の粒子10の組成が、目的とする遷移金属複合水酸化物の粒子10の組成と一致するように、原料水溶液および被覆用水溶液の組成を適宜調整する。また、被覆工程(ステップS30)は、晶析物(遷移金属複合水酸化物の粒子)を熱処理した後の熱処理粒子に対して行ってもよい。なお、熱処理粒子の少なくとも一部は、晶析物(遷移金属複合水酸化物の粒子)が酸化された遷移金属複合酸化物の粒子を含んでもよい。 When the surface of the crystallized substance (particles of the transition composite hydroxide) is coated with the additional element, the composition of the transition metal composite hydroxide particles 10 obtained after the coating is changed to the target transition metal composite hydroxide. The compositions of the raw material aqueous solution and the coating aqueous solution are appropriately adjusted to match the composition of the oxide particles 10. Further, the coating step (Step S30) may be performed on the heat-treated particles after the crystallization (particles of the transition metal composite hydroxide) are heat-treated. In addition, at least a part of the heat-treated particles may include transition metal composite oxide particles obtained by oxidizing a crystallized substance (transition metal composite hydroxide particles).
(遷移金属複合水酸化物の粒子)
なお、本実施形態に係る製造方法は、上述した構造、平均粒径および粒度分布を実現できる限り、得られる遷移金属複合水酸化物の粒子10の組成によって制限されることはない。遷移金属複合水酸化物の粒子10は、例えば、ニッケル、コバルト、マンガンから選択される1種以上の金属元素と、これらの金属元素以外の添加元素を含んでもよく、ニッケル、マンガン、及び、添加元素を含んでもよく、ニッケル、マンガン、コバルト、及び、添加元素を含んでもよい。
(Transition metal composite hydroxide particles)
The production method according to this embodiment is not limited by the composition of the obtained transition metal composite hydroxide particles 10 as long as the above-described structure, average particle size, and particle size distribution can be realized. The transition metal composite hydroxide particles 10 may include, for example, one or more metal elements selected from nickel, cobalt, and manganese, and additional elements other than these metal elements. An element may be included, and nickel, manganese, cobalt, and an additional element may be included.
例えば、遷移金属複合水酸化物の粒子10は、ニッケル(Ni)、マンガン(Mn)、コバルト(Co)、及び、添加元素(M)を含み、それぞれの元素の物質量比(モル比)が、Ni:Mn:Co:M=x:y:z:t(x+y+z+t=1、0.3≦x≦0.95、0.05≦y≦0.55、0≦z≦0.4、0<t≦0.1、Mは、Nb、Mo、Ta、Ti、Zr、及び、Wから選択される1種以上の添加元素)で表されることが好ましい。 For example, the particles 10 of the transition metal composite hydroxide include nickel (Ni), manganese (Mn), cobalt (Co), and an additive element (M), and the material ratio (molar ratio) of each element is , Ni: Mn: Co: M = x: y: z: t (x + y + z + t = 1, 0.3 ≦ x ≦ 0.95, 0.05 ≦ y ≦ 0.55, 0 ≦ z ≦ 0.4, 0 <T ≦ 0.1, M is preferably represented by one or more additional elements selected from Nb, Mo, Ta, Ti, Zr, and W).
また、本実施形態に係る製造方法は、下記の一般式(1)で表される遷移金属複合水酸化物の粒子10に対して、好適に適用することができる。
一般式(1):NixMnyCozMt(OH)2+a(x+y+z+t=1、0.3≦x≦0.95、0.05≦y≦0.55、0≦z≦0.4、0<t≦0.1、0≦a≦0.5、Mは、Nb、Mo、Ta、Ti、Zr、及び、Wから選択される1種以上の添加元素)
Further, the production method according to the present embodiment can be suitably applied to the transition metal composite hydroxide particles 10 represented by the following general formula (1).
Formula (1): Ni x Mn y Co z M t (OH) 2 + a (x + y + z + t = 1,0.3 ≦ x ≦ 0.95,0.05 ≦ y ≦ 0.55,0 ≦ z ≦ 0.4 , 0 <t ≦ 0.1, 0 ≦ a ≦ 0.5, and M is one or more additional elements selected from Nb, Mo, Ta, Ti, Zr, and W)
なお、各元素の好ましい範囲は、後述する正極活物質100における各元素の好ましい範囲と同様である。 Note that a preferable range of each element is the same as a preferable range of each element in the positive electrode active material 100 described later.
3.リチウムイオン二次電池用正極活物質
図3(A)、図3(B)に示すように、本実施形態に係る正極活物質100は、リチウム遷移金属複合酸化物の粒子20を含み、リチウムイオン二次電池の正極材料として好適に用いることができる。
3. As shown in FIGS. 3A and 3B, the positive electrode active material 100 according to the present embodiment includes particles 20 of a lithium transition metal composite oxide, and includes lithium ion It can be suitably used as a positive electrode material of a secondary battery.
リチウム遷移金属複合酸化物の粒子20(正極活物質100)は、複数の一次粒子21が凝集して形成された二次粒子22から構成される。また、二次粒子22は、外殻部24と、外殻部24の内側に配置される中空部23とを備える。また、正極活物質100の平均粒径は1μm以上15μm以下である。 The lithium transition metal composite oxide particles 20 (positive electrode active material 100) are composed of secondary particles 22 formed by aggregating a plurality of primary particles 21. The secondary particles 22 include an outer shell 24 and a hollow 23 disposed inside the outer shell 24. The average particle size of the positive electrode active material 100 is 1 μm or more and 15 μm or less.
なお、リチウム遷移金属複合酸化物の粒子20は、主に二次粒子22から構成されるが、単独の一次粒子21を含んでもよい。以下、正極活物質100の詳細について、説明する。 The particles 20 of the lithium transition metal composite oxide are mainly composed of the secondary particles 22, but may include the single primary particles 21. Hereinafter, the details of the positive electrode active material 100 will be described.
[粒子構造]
(二次粒子)
リチウム遷移金属複合酸化物の粒子20は、図3(A)に示すように、外殻部24と、外殻部24の内側にあり一次粒子が存在しない中空部23とを備える。リチウム遷移金属複合酸化物の粒子20は、図3(B)に示すように、複数の一次粒子21が凝集して形成された二次粒子22を含む。このような粒子構造を有する正極活物質100では、一次粒子21間の粒界または空隙から電解液が浸入して、粒子内部の中空部23側の一次粒子21表面における反応界面でもリチウムの挿脱入が行われるため、Liイオンや、電子の移動が妨げられず、出力特性を高くすることができる。
[Particle structure]
(Secondary particles)
As shown in FIG. 3A, the particles 20 of the lithium transition metal composite oxide include an outer shell portion 24 and a hollow portion 23 inside the outer shell portion 24 where no primary particles exist. As shown in FIG. 3B, the particles 20 of the lithium transition metal composite oxide include secondary particles 22 formed by aggregating a plurality of primary particles 21. In the positive electrode active material 100 having such a particle structure, the electrolytic solution intrudes from the grain boundaries or voids between the primary particles 21, and lithium is inserted and removed at the reaction interface on the surface of the primary particles 21 on the hollow portion 23 side inside the particles. Since the transfer is performed, the movement of Li ions and electrons is not hindered, and the output characteristics can be improved.
(外殻部)
外殻部24の厚さは、二次粒子22の粒径に対する比率において、5%以上45%以下であることが好ましく、8%以上38%以下であることがより好ましい。外殻部24の厚さの比率が5%未満である場合、二次粒子22の強度が低下することにより、粉体取扱時および電池の正極とするときに二次粒子22が破壊され微粒子が発生し、電池特性を悪化させることがある。一方、外殻部24の厚さの比率が45%を超える場合、二次粒子22内部の中空部23へ電解液が侵入可能な上記粒界あるいは空隙が少なくなり、粒子内部へ侵入する電解液が少なくなり、電池反応に寄与する表面積が小さくなるため、正極抵抗が上がり、出力特性が低下することがある。なお、二次粒子径に対する外殻部24の厚さの比率は、上述した遷移金属複合水酸化物の粒子10の外周部4と同様にして求めることができる。なお、外殻部24の厚さ(絶対値)は、例えば、0.5μm以上2.5μm以下の範囲であり、0.4μm以上2.0μm以下の範囲にあることが好ましい。
(Outer shell)
The thickness of the outer shell portion 24 is preferably 5% or more and 45% or less, more preferably 8% or more and 38% or less, as a ratio to the particle size of the secondary particles 22. When the ratio of the thickness of the outer shell portion 24 is less than 5%, the strength of the secondary particles 22 is reduced, so that the secondary particles 22 are destroyed during powder handling and when used as a positive electrode of a battery, and fine particles are reduced. This may cause deterioration of battery characteristics. On the other hand, when the ratio of the thickness of the outer shell portion 24 exceeds 45%, the above-mentioned grain boundaries or voids where the electrolytic solution can enter the hollow portion 23 inside the secondary particles 22 are reduced, and the electrolytic solution entering the inside of the particles is reduced. And the surface area contributing to the battery reaction decreases, so that the positive electrode resistance may increase and output characteristics may decrease. The ratio of the thickness of the outer shell portion 24 to the secondary particle size can be determined in the same manner as the outer peripheral portion 4 of the transition metal composite hydroxide particle 10 described above. The thickness (absolute value) of the outer shell 24 is, for example, in the range of 0.5 μm to 2.5 μm, and preferably in the range of 0.4 μm to 2.0 μm.
(濃化層)
正極活物質100は、一次粒子21の表面に添加元素が濃化して存在する濃化層Cを有する(図3(B)参照)。正極活物質100は、濃化層Cを有する場合、添加元素による効果をより効率的に発現することができる。特に、出力特性の向上に寄与する添加元素を含む場合、中空構造との相互作用により、リチウム遷移金属複合酸化物の粒子20内部の抵抗(内部抵抗)を大幅に低減することができる。したがって、この正極活物質100を用いて二次電池を構成した場合に、電池容量やサイクル特性を損なうことなく、出力特性をさらに改善することが可能となる。
(Thick layer)
The positive electrode active material 100 has a concentrated layer C in which the additive element is concentrated and present on the surface of the primary particles 21 (see FIG. 3B). When the positive electrode active material 100 has the concentrated layer C, the effect of the additional element can be exhibited more efficiently. In particular, when an additive element that contributes to the improvement of output characteristics is included, the resistance (internal resistance) inside the particles 20 of the lithium transition metal composite oxide can be significantly reduced due to the interaction with the hollow structure. Therefore, when a secondary battery is configured using the positive electrode active material 100, the output characteristics can be further improved without impairing the battery capacity and the cycle characteristics.
濃化層Cに含まれる添加元素の濃度は、一次粒子21の内部(濃化層C以外の部分)に含まれる添加元素の濃度との比(濃化層Cに含まれる添加元素の濃度/一次粒子21の内部に含まれる添加元素の濃度)が2以上であることが好ましく、5以上であることがより好ましい。これにより、添加元素の効果(例、出力特性)の改善をより大きなものとすることができる。なお、一次粒子21の表面における添加元素の濃度は、透過型電子顕微鏡(TEM)による断面観察により、一次粒子21の表面から内部に向けて組成を分析して求めることができる(例、TEM−EDX分析、実施例参照)。濃化層Cは、添加元素の一次粒子21の濃度プロファイルから、一次粒子21の表面側にある濃度の高いピークとして検出することができる。また、濃化層Cと、一次粒子21の内部との添加元素の濃度比は、一次粒子21内の表面側にある濃度の最も高いピークと、濃化層Cよりも内側における最低濃度と比により求めることができる。 The concentration of the additive element contained in the concentrated layer C is a ratio of the concentration of the additive element contained inside the primary particles 21 (the portion other than the concentrated layer C) (the concentration of the additive element contained in the concentrated layer C / (The concentration of the additional element contained inside the primary particles 21) is preferably 2 or more, and more preferably 5 or more. As a result, the effect of the additional element (eg, output characteristics) can be further improved. The concentration of the additional element on the surface of the primary particles 21 can be determined by analyzing the composition from the surface to the inside of the primary particles 21 by cross-sectional observation with a transmission electron microscope (TEM) (eg, TEM- EDX analysis, see Examples). The concentrated layer C can be detected as a high concentration peak on the surface side of the primary particles 21 from the concentration profile of the primary particles 21 of the additive element. Further, the concentration ratio of the added element between the concentrated layer C and the inside of the primary particle 21 is a ratio between the highest concentration peak on the surface side in the primary particle 21 and the lowest concentration inside the concentrated layer C. Can be obtained by
なお、添加元素は、主に一次粒子21内の表面側に存在して濃化層Cを形成しており、添加元素は、リチウム遷移金属複合酸化物の結晶中に固溶して存在してもよく、粒界にリチウムと添加元素の化合物の微細粒子として存在してもよい。 Note that the additive element mainly exists on the surface side in the primary particles 21 to form the concentrated layer C, and the additive element exists as a solid solution in the crystal of the lithium transition metal composite oxide. May be present as fine particles of a compound of lithium and an additive element at the grain boundary.
[平均粒径]
正極活物質100は、平均粒径が、1μm以上15μm以下であり、好ましくは3μm以上12μm以下、より好ましくは3μm以上10μm以下である。正極活物質100の平均粒径が上記範囲である場合、正極活物質100を用いた二次電池の単位体積あたりの電池容量を増加させることができるばかりでなく、熱安定性や出力特性も改善することができる。一方、正極活物質100の平均粒径が1μm未満である場合、正極活物質の充填性が低下し、単位体積あたりの電池容量を増加させることができない。また、正極活物質100の平均粒径が15μmを超える場合、正極活物質100の反応面積が低下し、電解液との界面が減少するため、出力特性を改善することが困難となる。
[Average particle size]
The positive electrode active material 100 has an average particle diameter of 1 μm or more and 15 μm or less, preferably 3 μm or more and 12 μm or less, and more preferably 3 μm or more and 10 μm or less. When the average particle diameter of the positive electrode active material 100 is in the above range, not only can the battery capacity per unit volume of the secondary battery using the positive electrode active material 100 be increased, but also the thermal stability and output characteristics are improved. can do. On the other hand, when the average particle diameter of the positive electrode active material 100 is less than 1 μm, the filling property of the positive electrode active material decreases, and the battery capacity per unit volume cannot be increased. When the average particle diameter of the positive electrode active material 100 exceeds 15 μm, the reaction area of the positive electrode active material 100 decreases, and the interface with the electrolyte decreases, so that it becomes difficult to improve the output characteristics.
なお、正極活物質100の平均粒径とは、上述した遷移金属複合水酸化物の粒子10の平均粒径と同様に、体積基準平均粒径(MV)を意味し、たとえば、レーザ光回折散乱式粒度分析計で測定した体積積算値から求めることができる。 The average particle size of the positive electrode active material 100 means a volume-based average particle size (MV), like the average particle size of the transition metal composite hydroxide particles 10 described above. It can be determined from the integrated value of the volume measured by a particle size analyzer.
[粒度分布]
正極活物質100の粒度分布の広がりを示す指標である〔(d90−d10)/平均粒径〕は、特に限定されないが、好ましくは0.70以下、より好ましくは0.60以下、さらに好ましくは0.55以下である。〔(d90−d10)/平均粒径〕が上記範囲である場合、きわめて粒度分布が狭い粒子により構成されることを示す。このような正極活物質100は、微細粒子や粗大粒子の割合が少なく、これを用いた二次電池は、熱安定性、サイクル特性および出力特性がより優れたものとなる。
[Particle size distribution]
The index [(d90−d10) / average particle diameter], which is an index indicating the spread of the particle size distribution of the positive electrode active material 100, is not particularly limited, but is preferably 0.70 or less, more preferably 0.60 or less, and still more preferably. 0.55 or less. When [(d90−d10) / average particle diameter] is in the above range, it indicates that the particles are composed of particles having an extremely narrow particle size distribution. Such a positive electrode active material 100 has a small proportion of fine particles and coarse particles, and a secondary battery using the same has more excellent thermal stability, cycle characteristics, and output characteristics.
一方、正極活物質100の〔(d90−d10)/平均粒径〕が0.70を超える場合、正極活物質100中の微細粒子や粗大粒子の割合が増加する。たとえば、微細粒子の割合が多い正極活物質100を用いた二次電池では、微細粒子の局所的な反応に起因して、二次電池が発熱しやすくなり、熱安定性が低下するばかりでなく、微細粒子の選択的な劣化により、サイクル特性が劣ったものとなることがある。また、粗大粒子の割合が多い正極活物質100を用いた二次電池では、電解液と正極活物質の反応面積を十分に確保することができず、出力特性が劣ったものとなることがある。 On the other hand, when [(d90−d10) / average particle diameter] of the positive electrode active material 100 exceeds 0.70, the ratio of fine particles and coarse particles in the positive electrode active material 100 increases. For example, in a secondary battery using the positive electrode active material 100 having a large proportion of fine particles, due to local reaction of the fine particles, the secondary battery is likely to generate heat, and not only is thermal stability reduced. In addition, the cycle characteristics may be inferior due to the selective deterioration of the fine particles. Further, in a secondary battery using the positive electrode active material 100 having a large proportion of coarse particles, the reaction area between the electrolyte and the positive electrode active material cannot be sufficiently secured, and the output characteristics may be poor. .
なお、工業規模の生産を前提とした場合には、正極活物質100として、〔(d90−d10)/平均粒径〕が過度に小さいものを使用することは現実的ではない。したがって、コストや生産性を考慮した場合、正極活物質100における〔(d90−d10)/平均粒径〕の下限値は、0.25程度とすることが好ましい。 In addition, on the assumption of production on an industrial scale, it is not realistic to use a material having an excessively small [(d90−d10) / average particle diameter] as the positive electrode active material 100. Therefore, in consideration of cost and productivity, the lower limit of [(d90−d10) / average particle size] in the positive electrode active material 100 is preferably set to about 0.25.
なお、〔(d90−d10)/平均粒径〕におけるd10およびd90の意味、ならびに、これらの求め方は、上述した遷移金属複合水酸化物の粒子10と同様であるため、ここでの説明は省略する。 The meanings of d10 and d90 in [(d90−d10) / average particle diameter] and how to obtain them are the same as those of the transition metal composite hydroxide particles 10 described above. Omitted.
[組成]
正極活物質100は、上述した構造を有する限り、その組成は特に限定されない。正極活物質100は、例えば、リチウムと、ニッケル、コバルト、マンガンから選択される1種以上の金属元素と、これらの金属元素以外の添加元素とを含んでもよい。また、正極活物質100は、リチウム、ニッケル、マンガン、及び、添加元素を含んでもよく、リチウム、ニッケル、マンガン、コバルト、及び、添加元素を含んでもよい。
[composition]
The composition of the positive electrode active material 100 is not particularly limited as long as it has the above-described structure. The positive electrode active material 100 may include, for example, lithium, one or more metal elements selected from nickel, cobalt, and manganese, and additional elements other than these metal elements. In addition, the positive electrode active material 100 may include lithium, nickel, manganese, and an additional element, or may include lithium, nickel, manganese, cobalt, and an additional element.
例えば、正極活物質100は、リチウム(Li)、ニッケル(Ni)、マンガン(Mn)、及び、添加元素(M)と、任意にコバルト(Co)と含み、それぞれの元素の物質量比(モル比)が、Li:Ni:Mn:Co:M=(1+u):x:y:z:t(−0.05≦u≦0.50、x+y+z+t=1、0.3≦x≦0.95、0.05≦y≦0.55、0≦z≦0.4、0<t≦0.1、Mは、Nb、Mo、Ta、Ti、Zr、及び、Wから選択される1種以上の添加元素)で表されることが好ましい。このような組成を有する正極活物質100を用いた場合、より高い出力特性、サイクル特性を有する二次電池を得ることができる。 For example, the positive electrode active material 100 includes lithium (Li), nickel (Ni), manganese (Mn), an additional element (M), and optionally cobalt (Co), and a substance amount ratio (molar) of each element. Ratio: Li: Ni: Mn: Co: M = (1 + u): x: y: z: t (-0.05 ≦ u ≦ 0.50, x + y + z + t = 1, 0.3 ≦ x ≦ 0.95) , 0.05 ≦ y ≦ 0.55, 0 ≦ z ≦ 0.4, 0 <t ≦ 0.1, and M is at least one selected from Nb, Mo, Ta, Ti, Zr, and W Is preferable. When the positive electrode active material 100 having such a composition is used, a secondary battery having higher output characteristics and cycle characteristics can be obtained.
また、正極活物質100は、一般式(2):Li1+uNixMnyCozMtO2+b(−0.05≦u≦0.50、x+y+z+t=1、0.3≦x≦0.95、0.05≦y≦0.55、0≦z≦0.4、0<t≦0.1、0≦b≦0.5、Mは、Nb、Mo、Ta、Ti、Zr、及びWから選択される1種以上の添加元素)で表されてもよい。 Also, the positive electrode active material 100, the general formula (2): Li 1 + u Ni x Mn y Co z M t O 2 + b (-0.05 ≦ u ≦ 0.50, x + y + z + t = 1,0.3 ≦ x ≦ 0. 95, 0.05 ≦ y ≦ 0.55, 0 ≦ z ≦ 0.4, 0 <t ≦ 0.1, 0 ≦ b ≦ 0.5, M is Nb, Mo, Ta, Ti, Zr, and Or one or more additional elements selected from W).
上記モル比、又は、一般式(2)において、リチウム(Li)の過剰量を示すuの値は、好ましくは−0.05以上0.50以下であり、より好ましく0以上0.50以下、さらに好ましくは0以上0.35以下である。uの値が上記範囲である場合、正極活物質100を正極材料として用いた二次電池の出力特性および電池容量をより向上させることができる。一方、uの値が−0.05未満である場合、二次電池の正極抵抗が大きくなり、出力特性を向上させることができないことがある。また、uの値が0.50が超える場合、初期放電容量が低下したり、正極抵抗が大きくなったりすることがある。 In the above molar ratio or the general formula (2), the value of u indicating the excess amount of lithium (Li) is preferably -0.05 to 0.50, more preferably 0 to 0.50, More preferably, it is 0 or more and 0.35 or less. When the value of u is within the above range, the output characteristics and battery capacity of a secondary battery using the positive electrode active material 100 as a positive electrode material can be further improved. On the other hand, when the value of u is less than -0.05, the positive electrode resistance of the secondary battery becomes large, and the output characteristics may not be improved. When the value of u exceeds 0.50, the initial discharge capacity may decrease or the positive electrode resistance may increase.
ニッケル(Ni)は、二次電池の高電位化および高容量化に寄与する元素である。上記モル比、又は、一般式(2)において、ニッケルの含有量を示すxの値は、好ましくは0.3以上0.95以下であり、より好ましくは0.3以上0.9以下である。xの値が0.3未満である場合、正極活物質100を用いた二次電の電池容量を向上させることが困難となる。一方、xの値が0.95を超える場合、他の元素の含有量が減少するため、その効果を得ることができない。 Nickel (Ni) is an element that contributes to higher potential and higher capacity of the secondary battery. In the above molar ratio or the general formula (2), the value of x indicating the nickel content is preferably 0.3 or more and 0.95 or less, more preferably 0.3 or more and 0.9 or less. . When the value of x is less than 0.3, it is difficult to improve the battery capacity of the secondary battery using the positive electrode active material 100. On the other hand, when the value of x exceeds 0.95, the effect cannot be obtained because the content of other elements decreases.
マンガン(Mn)は、熱安定性の向上に寄与する元素である。上記モル比、又は、一般式(2)において、マンガンの含有量を示すyの値は、好ましくは0.05以上0.55以下であり、より好ましくは0.10以上0.40以下である。yの値が0.05未満である場合、正極活物質100を用いた二次電池の熱安定性を向上させることが困難となる。一方、yの値が0.55を超える場合、高温作動時に正極活物質100からMnが溶出し、充放電サイクル特性が劣化することがある。 Manganese (Mn) is an element that contributes to improvement in thermal stability. In the above molar ratio or general formula (2), the value of y indicating the manganese content is preferably 0.05 or more and 0.55 or less, more preferably 0.10 or more and 0.40 or less. . If the value of y is less than 0.05, it becomes difficult to improve the thermal stability of the secondary battery using the positive electrode active material 100. On the other hand, when the value of y exceeds 0.55, Mn is eluted from the positive electrode active material 100 during high-temperature operation, and the charge / discharge cycle characteristics may be deteriorated.
コバルト(Co)は、充放電サイクル特性の向上に寄与する元素である。上記モル比、又は、一般式(2)において、コバルトの含有量を示すzの値は、好ましくは0以上0.4以下であり、より好ましくは0.10以上0.35以下である。zの値が0.4を超える場合、正極活物質100を用いた二次電池の初期放電容量が大幅に低下してしまうことがある。 Cobalt (Co) is an element that contributes to improvement of charge / discharge cycle characteristics. In the above molar ratio or the general formula (2), the value of z indicating the cobalt content is preferably from 0 to 0.4, more preferably from 0.10 to 0.35. If the value of z exceeds 0.4, the initial discharge capacity of the secondary battery using the positive electrode active material 100 may be significantly reduced.
正極活物質100では、電池特性をさらに改善するため、上述した金属元素に加えて、添加元素を含有する。添加元素としては、例えば、マグネシウム(Mg)、カルシウム(Ca)、アルミニウム(Al)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、ジルコニウム(Zr)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)、ランタン(La)、タングステン(W)から選択される1種以上の元素を用いることができる。これらの中でも、添加元素としては、Nb、Mo、Ta、Ti、Zr、及び、Wから選択される1種以上であることが好ましい。これらの添加元素を含む場合、電池特性(例、耐久性や出力特性等)を向上させることができる。 The positive electrode active material 100 contains an additional element in addition to the above-described metal element in order to further improve the battery characteristics. Examples of the additional element include magnesium (Mg), calcium (Ca), aluminum (Al), titanium (Ti), vanadium (V), chromium (Cr), zirconium (Zr), niobium (Nb), and molybdenum (Mo). ), Hafnium (Hf), tantalum (Ta), lanthanum (La), and tungsten (W). Among these, the additive element is preferably at least one selected from Nb, Mo, Ta, Ti, Zr, and W. When these additional elements are included, battery characteristics (eg, durability, output characteristics, and the like) can be improved.
これらの中でも、より出力特性を向上させるという観点から、Nb、Mo、Ta、Ti、Zr、及び、Wから選択される1種以上の元素を含むことがより好ましく、例えば、Wを含む添加元素を含んでもよい。添加元素は、1種類を含んでもよく、2種類以上を含んでもよい。なお、添加元素は、一次粒子21の表面に形成される濃化層Cに存在することが好ましい。 Among these, from the viewpoint of further improving the output characteristics, it is more preferable to include one or more elements selected from Nb, Mo, Ta, Ti, Zr, and W. For example, an additive element containing W May be included. The additive element may include one type or two or more types. Note that the additive element is preferably present in the concentrated layer C formed on the surface of the primary particles 21.
上記モル比、又は、一般式(2)において、添加元素Mの含有量を示すtの値は、好ましくは0を超え0.1以下であり、より好ましくは0.001以上0.05以下である。一方、tの値が0.1を超える場合、Redox反応に寄与する金属元素が減少するため、電池容量が低下する。 In the above molar ratio or the general formula (2), the value of t indicating the content of the additional element M is preferably more than 0 and 0.1 or less, more preferably 0.001 or more and 0.05 or less. is there. On the other hand, when the value of t exceeds 0.1, the metal element contributing to the Redox reaction decreases, and the battery capacity decreases.
なお、正極活物質100において、これを用いた二次電池の電池容量のさらなる改善を図る場合には、その組成を、一般式(3):Li1+uNixMnyCozMtO2(−0.05≦u≦0.20、x+y+z+t=1、0.7<x≦0.95、0.05≦y≦0.1、0≦z≦0.2、0<t≦0.1、Mは、Nb、Mo、Ta、Ti、Zr、及び、Wから選択される1種以上の添加元素)で表されるように調整することが好ましい。特に、熱安定性との両立を図る場合には、一般式(3)におけるxの値を、0.7<x≦0.9とすることがより好ましく、0.7<x≦0.85とすることがさらに好ましい。 Note that in the positive electrode active material 100, when to achieve further improvement of the battery capacity of the secondary battery using this, its composition formula (3): Li 1 + u Ni x Mn y Co z M t O 2 ( −0.05 ≦ u ≦ 0.20, x + y + z + t = 1, 0.7 <x ≦ 0.95, 0.05 ≦ y ≦ 0.1, 0 ≦ z ≦ 0.2, 0 <t ≦ 0.1 And M are preferably adjusted to be represented by one or more additional elements selected from Nb, Mo, Ta, Ti, Zr, and W). In particular, when achieving compatibility with thermal stability, the value of x in the general formula (3) is more preferably set to 0.7 <x ≦ 0.9, and 0.7 <x ≦ 0.85. More preferably,
また、正極活物質100において、熱安定性のさらなる改善を図る場合には、その組成を、一般式(4):Li1+uNixMnyCozMtO2(−0.05≦u≦0.50、x+y+z+t=1、0.3≦x≦0.7、0.1≦y≦0.55、0≦z≦0.4、0<t≦0.1、Mは、Nb、Mo、Ta、Ti、Zr、及び、Wから選択される1種以上の添加元素)で表されるように調整することが好ましい。 Further, in the positive electrode active material 100, when to achieve further improvement of thermal stability, the composition, the general formula (4): Li 1 + u Ni x Mn y Co z M t O 2 (-0.05 ≦ u ≦ 0.50, x + y + z + t = 1, 0.3 ≦ x ≦ 0.7, 0.1 ≦ y ≦ 0.55, 0 ≦ z ≦ 0.4, 0 <t ≦ 0.1, M is Nb, Mo , Ta, Ti, Zr, and W).
[比表面積]
また、正極活物質100は、例えば、比表面積が、0.7m2/g以上5.0m2/g以下であることが好ましく、1.8m2/g以上5.0m2/g以下であることがより好ましい。正極活物質100の比表面積が上記範囲である場合、電解液との接触面積が大きく、これを用いた二次電池の出力特性を大幅に改善することができる。これに対して、正極活物質の比表面積が0.7m2/g未満である場合、二次電池を構成した場合に、電解液との反応面積を確保することができず、出力特性を十分に向上させることが困難となる。一方、正極活物質の比表面積が5.0m2/gを超える場合、電解液との反応性が高くなりすぎるため、熱安定性が低下する場合がある。
[Specific surface area]
Further, the positive electrode active material 100 preferably has a specific surface area of, for example, 0.7 m 2 / g or more and 5.0 m 2 / g or less, and 1.8 m 2 / g or more and 5.0 m 2 / g or less. Is more preferable. When the specific surface area of the positive electrode active material 100 is in the above range, the contact area with the electrolytic solution is large, and the output characteristics of a secondary battery using the same can be greatly improved. On the other hand, when the specific surface area of the positive electrode active material is less than 0.7 m 2 / g, when a secondary battery is formed, a reaction area with the electrolyte cannot be secured, and the output characteristics are insufficient. It is difficult to improve the quality. On the other hand, when the specific surface area of the positive electrode active material exceeds 5.0 m 2 / g, the reactivity with the electrolytic solution becomes too high, so that the thermal stability may decrease.
なお、正極活物質100の比表面積は、例えば、窒素ガス吸着によるBET法により測定することができる。 The specific surface area of the positive electrode active material 100 can be measured by, for example, a BET method using nitrogen gas adsorption.
[タップ密度]
近年、携帯電子機器の使用時間や電気自動車の走行距離を伸ばすために、二次電池のさらなる高容量化が要求されている。一方、二次電池の電極の厚さは、電池全体のパッキングや電子伝導性の問題から数ミクロン程度とすることが要求される。このため、正極活物質としては、高容量、かつ、高い充填性を有することにより、二次電池全体としての高容量化を図ることが求められる。このような観点から、正極活物質100は、充填性の指標であるタップ密度を、1.0g/cm3以上とすることが好ましく、1.3g/cm3以上とすることがより好ましい。タップ密度が1.0g/cm3未満である場合、充填性が低く、二次電池全体の電池容量を十分に改善することができない場合がある。一方、タップ密度の上限値は、特に制限されるものではないが、通常の製造条件での上限は、3.0g/cm3程度となる。
[Tap density]
In recent years, in order to extend the usage time of portable electronic devices and the mileage of electric vehicles, further increase in capacity of secondary batteries is required. On the other hand, the thickness of the electrode of the secondary battery is required to be about several microns due to packing of the whole battery and problems of electron conductivity. For this reason, it is required that the positive electrode active material has a high capacity and a high filling property so that the secondary battery as a whole has a high capacity. From such a viewpoint, in the positive electrode active material 100, the tap density, which is an index of the filling property, is preferably 1.0 g / cm 3 or more, and more preferably 1.3 g / cm 3 or more. When the tap density is less than 1.0 g / cm 3 , the filling property is low, and the battery capacity of the entire secondary battery may not be sufficiently improved. On the other hand, the upper limit of the tap density is not particularly limited, but the upper limit under normal manufacturing conditions is about 3.0 g / cm 3 .
なお、タップ密度は、JIS Z−2504に基づき、容器に採取した試料粉末を、100回タッピングした後のかさ密度を表し、振とう比重測定器を用いて測定することができる。 The tap density represents the bulk density of a sample powder collected in a container after tapping 100 times based on JIS Z-2504, and can be measured using a shaking specific gravity measuring device.
なお、正極活物質100の製造方法は、上記の特定の構造、及び、平均粒径等を備える限り、特に限定されないが、以下に説明する製造方法により、容易に得ることができる。 The method for producing the positive electrode active material 100 is not particularly limited as long as it has the above-described specific structure, average particle size, and the like, but can be easily obtained by the production method described below.
4.リチウムイオン二次電池用正極活物質の製造方法
図7、図8は、本実施形態に係る正極活物質100の製造の一例を示した図である。本実施形態に係る製造方法は、リチウムイオン二次電池用正極活物質100を製造する方法であり、図7に示すように、上記の遷移金属複合水酸化物の粒子10とリチウム化合物とを混合して、リチウム混合物を形成する混合工程(ステップS40)と、リチウム混合物を、酸化性雰囲気中、650℃以上980℃以下で焼成する焼成工程(ステップS50)とを備える。このような製造方法によれば、上述した正極活物質100を容易に得ることができる。
4. Method for Producing Positive Electrode Active Material for Lithium Ion Secondary Battery FIGS. 7 and 8 are views showing an example of production of the positive electrode active material 100 according to the present embodiment. The manufacturing method according to the present embodiment is a method for manufacturing the positive electrode active material 100 for a lithium ion secondary battery. As shown in FIG. 7, the particles 10 of the transition metal composite hydroxide and the lithium compound are mixed. Then, a mixing step (Step S40) of forming a lithium mixture and a firing step (Step S50) of firing the lithium mixture at 650 ° C. or more and 980 ° C. or less in an oxidizing atmosphere are provided. According to such a manufacturing method, the above-described positive electrode active material 100 can be easily obtained.
なお、図8に示すように、必要に応じて、上述した工程に、熱処理工程(ステップS35)や仮焼工程(ステップS45)、解砕工程(ステップS55)などの工程を追加してもよい。以下、各工程について説明する。 Note that, as shown in FIG. 8, if necessary, steps such as a heat treatment step (step S35), a calcining step (step S45), and a crushing step (step S55) may be added to the above-described steps. . Hereinafter, each step will be described.
[熱処理工程(ステップS35)]
本実施形態に係る正極活物質100の製造方法においては、混合工程(ステップS40)の前に熱処理工程(ステップS35)を設けてもよい。本工程(ステップS35)では、遷移金属複合水酸化物の粒子10を熱処理して、熱処理後の粒子を得る。ここで、熱処理後の粒子は、余剰水分の少なくとも一部が除去された遷移金属複合水酸化物の粒子10、熱処理工程(ステップS35)により、酸化物に転換された遷移金属複合酸化物の粒子、又は、これらの混合物を含んでもよい。
[Heat treatment step (Step S35)]
In the method for manufacturing the positive electrode active material 100 according to the present embodiment, a heat treatment step (Step S35) may be provided before the mixing step (Step S40). In this step (Step S35), the particles 10 of the transition metal composite hydroxide are heat-treated to obtain particles after the heat treatment. Here, the particles after the heat treatment are the transition metal composite hydroxide particles 10 from which at least a part of the excess water has been removed, and the transition metal composite oxide particles converted into the oxide by the heat treatment step (Step S35). Or a mixture thereof.
熱処理工程(ステップS35)は、遷移金属複合水酸化物の粒子10を加熱して熱処理することにより、遷移金属複合水酸化物の粒子10に含有される余剰水分を除去する。これにより、焼成工程(ステップS50)後まで残留する水分を一定量まで減少させることができ、得られる正極活物質100の組成のばらつきを抑制することができる。 In the heat treatment step (step S35), excess water contained in the transition metal composite hydroxide particles 10 is removed by heating the transition metal composite hydroxide particles 10 and performing a heat treatment. This makes it possible to reduce the amount of water remaining until after the firing step (step S50) to a certain amount, and to suppress a variation in the composition of the obtained positive electrode active material 100.
熱処理工程における加熱温度は、好ましくは105℃以上750℃以下である。加熱温度が105℃未満である場合、遷移金属複合水酸化物の粒子10中の余剰水分が除去できず、ばらつきを十分に抑制することができないことがある。一方、加熱温度が700℃を超える場合、それ以上の効果は期待できないばかりか、生産コストが増加することがある。 The heating temperature in the heat treatment step is preferably 105 ° C. or more and 750 ° C. or less. If the heating temperature is lower than 105 ° C., excess water in the transition metal composite hydroxide particles 10 cannot be removed, and the variation may not be sufficiently suppressed. On the other hand, if the heating temperature exceeds 700 ° C., not only no further effect can be expected, but also the production cost may increase.
なお、熱処理工程(ステップS35)は、得られる正極活物質100中の各金属成分の原子数や、Liの原子数の割合にばらつきが生じない程度に水分が除去できればよいので、必ずしもすべての遷移金属複合水酸化物の粒子10を遷移金属複合酸化物の粒子に転換する必要はない。しかしながら、各金属成分の原子数やLiの原子数の割合のばらつきをより少ないものとするためには、400℃以上に加熱して、すべての遷移金属複合水酸化物の粒子10を、遷移金属複合酸化物の粒子に転換することが好ましい。 Note that the heat treatment step (Step S35) is not limited to all transitions, since it is only necessary to remove water to such an extent that the number of atoms of each metal component in the obtained positive electrode active material 100 and the ratio of the number of Li atoms do not vary. It is not necessary to convert the metal composite hydroxide particles 10 into transition metal composite oxide particles. However, in order to reduce the dispersion of the number of atoms of each metal component and the ratio of the number of atoms of Li, the particles 10 of all the transition metal composite hydroxides are heated to 400 ° C. or more, Conversion to composite oxide particles is preferred.
なお、熱処理条件による、遷移金属複合水酸化物の粒子10に含有される金属成分を分析によって予め求めておき、リチウム化合物との混合比を決めておくことで、上述したばらつきをより抑制することができる。 The above-described variation can be further suppressed by previously determining the metal component contained in the transition metal composite hydroxide particles 10 by analysis under the heat treatment conditions and determining the mixing ratio with the lithium compound. Can be.
なお、熱処理の雰囲気は、特に限定されず、非還元性雰囲気であればよいが、簡易的に行える空気気流中で行うことが好ましい。 The atmosphere of the heat treatment is not particularly limited and may be a non-reducing atmosphere, but is preferably performed in an air stream that can be easily performed.
また、熱処理時間は、特に制限されないが、遷移金属複合水酸化物の粒子10中の余剰水分を十分に除去する観点から、少なくとも1時間とすることが好ましく、5時間以上15時間以下とすることがより好ましい。 The heat treatment time is not particularly limited, but is preferably at least 1 hour, and more preferably 5 hours or more and 15 hours or less from the viewpoint of sufficiently removing excess water in the transition metal composite hydroxide particles 10. Is more preferred.
[混合工程(ステップS40)]
混合工程(ステップS40)は、遷移金属複合水酸化物の粒子10、又は、上記の熱処理後の粒子(以下、これらをまとめて、「前駆体粒子」ともいう。)に、リチウム化合物を混合して、リチウム混合物を得る工程である。
[Mixing Step (Step S40)]
In the mixing step (step S40), a lithium compound is mixed with the transition metal composite hydroxide particles 10 or the particles after the heat treatment (hereinafter, these are collectively referred to as “precursor particles”). To obtain a lithium mixture.
混合工程(ステップS40)では、リチウム混合物中のリチウム以外の金属原子、例えば、ニッケル、コバルト、マンガンおよび添加元素Mとの原子数の和(NMe)と、リチウムの原子数(NLi)との比(NLi/NMe)が、0.95以上1.5以下、好ましくは1.0以上1.5以下、より好ましくは1.0以上1.35以下、さらに好ましくは1.0以上1.2以下となるように、前駆体粒子とリチウム化合物とを混合する。すなわち、焼成工程(ステップS50)の前後ではNLi/NMeは変化しないので、混合工程(ステップS40)におけるNLi/NMeが、目的とする正極活物質のNLi/NMeとなるように、前駆体粒子とリチウム化合物を混合することが必要となる。 In the mixing step (step S40), the sum of the number of atoms of metal atoms other than lithium in the lithium mixture, for example, nickel, cobalt, manganese, and the additional element M (N Me ), and the number of lithium atoms (N Li ) (N Li / N Me ) is 0.95 or more and 1.5 or less, preferably 1.0 or more and 1.5 or less, more preferably 1.0 or more and 1.35 or less, and still more preferably 1.0 or more. The precursor particles and the lithium compound are mixed so as to be 1.2 or less. That is, since before and after the firing step (step S50) is N Li / N Me does not change, so that N Li / N Me in the mixing step (step S40) becomes the N Li / N Me of the positive electrode active substance of interest In addition, it is necessary to mix the precursor particles and the lithium compound.
混合工程(ステップS40)で使用するリチウム化合物は、特に制限されないが、入手の容易性から、水酸化リチウム、硝酸リチウム、炭酸リチウム、又は、これらの混合物を用いることが好ましい。特に、取り扱いの容易さや品質の安定性を考慮すると、水酸化リチウム、又は、炭酸リチウムを用いることが好ましい。 Although the lithium compound used in the mixing step (Step S40) is not particularly limited, it is preferable to use lithium hydroxide, lithium nitrate, lithium carbonate, or a mixture thereof from the viewpoint of easy availability. Particularly, considering ease of handling and stability of quality, it is preferable to use lithium hydroxide or lithium carbonate.
前駆体粒子とリチウム化合物とは、微粉が生じない程度に十分に混合することが好ましい。混合が不十分である場合、個々の粒子間でNLi/NMeにばらつきが生じ、十分な電池特性を得ることができない場合がある。なお、混合には、一般的な混合機を使用することができる。混合機としては、シェーカーミキサ、レーディゲミキサ、ジュリアミキサ、Vブレンダなどを用いることができる。 It is preferable that the precursor particles and the lithium compound are sufficiently mixed so that fine powder is not generated. If the mixing is insufficient, variations in N Li / N Me occur between the individual particles, and sufficient battery characteristics may not be obtained. Note that a general mixer can be used for mixing. As the mixer, a shaker mixer, a Reedige mixer, a Julia mixer, a V blender, or the like can be used.
[仮焼工程(ステップS45)]
リチウム化合物として、水酸化リチウムや炭酸リチウムを使用する場合、図8に示すように、混合工程(ステップS40)後、焼成工程(ステップS50)の前に、仮焼工程(ステップS45)を備えてもよい。
[Calcination process (Step S45)]
When lithium hydroxide or lithium carbonate is used as the lithium compound, as shown in FIG. 8, a calcining step (step S45) is provided after the mixing step (step S40) and before the firing step (step S50). Is also good.
仮焼工程(ステップS45)は、リチウム混合物を、焼成工程(ステップS50)における焼成温度よりも低温、かつ、350℃以上800℃以下、好ましくは450℃以上780℃以下で仮焼する工程である。仮焼工程(ステップS45)を備える場合、前駆体粒子中に、リチウムを十分に拡散させることができ、最終的に、より均一なリチウム遷移金属複合酸化物の粒子20を得ることができる。 The calcining step (Step S45) is a step of calcining the lithium mixture at a temperature lower than the firing temperature in the firing step (Step S50) and at 350 ° C to 800 ° C, preferably 450 ° C to 780 ° C. . When the calcination step (Step S45) is provided, lithium can be sufficiently diffused into the precursor particles, and finally, more uniform lithium transition metal composite oxide particles 20 can be obtained.
なお、上記仮焼温度での保持時間は、1時間以上10時間以下とすることが好ましく、3時間以上6時間以下とすることが好ましい。また、仮焼工程(ステップS45)における雰囲気は、後述する焼成工程(ステップS50)と同様に、酸化性雰囲気とすることが好ましく、酸素濃度が18容量%以上100容量%以下の雰囲気とすることがより好ましい。 The holding time at the calcination temperature is preferably 1 hour or more and 10 hours or less, and more preferably 3 hours or more and 6 hours or less. Further, the atmosphere in the calcining step (step S45) is preferably an oxidizing atmosphere, as in the later-described baking step (step S50), and the oxygen concentration is preferably 18% by volume or more and 100% by volume or less. Is more preferred.
[焼成工程(ステップS50)]
焼成工程(ステップS50)は、リチウム混合物を、酸化性雰囲気中、650℃以上980℃以下で焼成する工程である。リチウム混合物を焼成することにより、前駆体粒子中にリチウムを拡散させて、リチウム遷移金属複合酸化物の粒子20(正極活物質100)を得る。
[Firing Step (Step S50)]
The firing step (Step S50) is a step of firing the lithium mixture in an oxidizing atmosphere at a temperature of 650 ° C to 980 ° C. By baking the lithium mixture, lithium is diffused into the precursor particles to obtain lithium transition metal composite oxide particles 20 (positive electrode active material 100).
焼成工程(ステップS50)において、前駆体粒子(遷移金属複合水酸化物の粒子10)の中心部3および外周部4に存在する一次粒子1は、焼結収縮しながら、正極活物質100における一次粒子21を形成する。中心部3は、微細一次粒子1aによって構成されているため、より大きな板状の一次粒子1bによって構成される外周部4よりも低温域から焼結し始める。さらに、中心部3は、外周部4と比べて収縮量が大きなものとなる。このため、中心部3を構成する微細一次粒子1aは、焼結の進行が遅い外周部4側に収縮し、適度な大きさの空間を有する中空部23が形成される。また、外周部4は、焼結収縮しながら、微細一次粒子1aを吸収して、外殻部24を形成する。この結果、正極活物質100の内部抵抗が大幅に減少し、二次電池を構成した場合に、電池容量やサイクル特性を損ねることなく、出力特性を改善することが可能となる。 In the firing step (step S50), the primary particles 1 existing in the central portion 3 and the outer peripheral portion 4 of the precursor particles (particles 10 of the transition metal composite hydroxide) undergo primary shrinkage while sintering and shrinking. The particles 21 are formed. Since the central portion 3 is composed of the fine primary particles 1a, it starts to sinter from a lower temperature region than the outer peripheral portion 4 composed of the larger plate-like primary particles 1b. Further, the central portion 3 has a larger contraction amount than the outer peripheral portion 4. For this reason, the fine primary particles 1a constituting the central portion 3 shrink toward the outer peripheral portion 4 where sintering progresses slowly, and the hollow portion 23 having a space of an appropriate size is formed. Further, the outer peripheral portion 4 absorbs the fine primary particles 1a while shrinking by sintering, and forms the outer shell portion 24. As a result, the internal resistance of the positive electrode active material 100 is significantly reduced, and when a secondary battery is configured, the output characteristics can be improved without impairing the battery capacity or cycle characteristics.
正極活物質100の粒子構造は、基本的に、前駆体である遷移金属複合水酸化物の粒子10の粒子構造に応じて定まるものであるが、その組成や焼成条件などの影響を受けることがあるため、予備試験を行った上で、所望の構造となるように、各条件を適宜調整することが好ましい。 The particle structure of the positive electrode active material 100 is basically determined according to the particle structure of the transition metal composite hydroxide particles 10 that are precursors, but may be affected by the composition, firing conditions, and the like. Therefore, it is preferable to perform a preliminary test and appropriately adjust each condition so as to obtain a desired structure.
なお、焼成工程(ステップS50)に用いられる炉は、特に制限されることはなく、大気、又は、酸素気流中でリチウム混合物を加熱できるものであればよい。ただし、炉内の雰囲気を均一に保つ観点から、ガス発生がない電気炉が好ましく、バッチ式あるいは連続式の電気炉のいずれも好適に用いることができる。この点については、熱処理工程(ステップS35)および仮焼工程(ステップS45)に用いる炉についても同様である。 The furnace used in the firing step (Step S50) is not particularly limited, and may be any furnace that can heat the lithium mixture in the air or in an oxygen stream. However, from the viewpoint of keeping the atmosphere in the furnace uniform, an electric furnace without gas generation is preferable, and any of a batch type or a continuous type electric furnace can be suitably used. This is the same for the furnace used in the heat treatment step (step S35) and the calcining step (step S45).
(焼成温度)
焼成工程(ステップS50)における焼成温度は、650℃以上980℃以下である。焼成温度が650℃未満である場合、前駆体粒子中にリチウムが十分に拡散せず、余剰のリチウムや未反応の前駆体粒子が残存したり、得られるリチウム遷移金属複合酸化物の粒子20の結晶性が不十分なものとなったりする。一方、焼成温度が980℃を超える場合、リチウム遷移金属複合酸化物の粒子20間が激しく焼結し、異常粒成長が引き起こされ、不定形な粗大粒子の割合が増加することがある。
(Firing temperature)
The firing temperature in the firing step (Step S50) is from 650 ° C to 980 ° C. When the calcination temperature is lower than 650 ° C., lithium does not sufficiently diffuse into the precursor particles, so that surplus lithium and unreacted precursor particles remain, or the obtained lithium transition metal composite oxide particles 20 Crystallinity may be insufficient. On the other hand, when the calcination temperature exceeds 980 ° C., the particles 20 of the lithium transition metal composite oxide sinter violently, causing abnormal grain growth and increasing the proportion of irregularly shaped coarse particles.
なお、上述した一般式(4)で表される正極活物質100を得ようとする場合には、焼成温度を650℃以上900℃以下とすることが好ましい。一方、一般式(5)で表される正極活物質を得ようとする場合には、焼成温度を800℃以上980℃以下とすることが好ましい。 In the case where the positive electrode active material 100 represented by the general formula (4) is to be obtained, it is preferable that the firing temperature be 650 ° C. or more and 900 ° C. or less. On the other hand, when obtaining the positive electrode active material represented by the general formula (5), the firing temperature is preferably set to 800 ° C. or more and 980 ° C. or less.
また、焼成工程(ステップS50)における昇温速度は、2℃/分以上10℃/分以下とすることが好ましく、5℃/分以上10℃/分以下とすることがより好ましい。さらに、焼成工程(ステップS50)中、上記焼成温度に昇温する前に、リチウム化合物の融点付近(例、融点の±50℃程度)の温度で、好ましくは1時間以上5時間以下、より好ましくは2時間以上5時間以下保持することが好ましい。これにより、前駆体粒子とリチウム化合物とを、より均一に反応させることができる。例えば、リチウム化合物が水酸化リチウム(融点:462℃)の場合、焼成工程(ステップS50)中、上記焼成温度に昇温する前に、融点付近の温度400℃〜500℃で保持するのが好ましい。 Further, the rate of temperature rise in the firing step (step S50) is preferably 2 ° C./min to 10 ° C./min, more preferably 5 ° C./min to 10 ° C./min. Furthermore, during the firing step (step S50), before raising the temperature to the above firing temperature, at a temperature near the melting point of the lithium compound (eg, about ± 50 ° C. of the melting point), preferably 1 hour to 5 hours, more preferably Is preferably maintained for 2 hours to 5 hours. Thereby, the precursor particles and the lithium compound can be more uniformly reacted. For example, when the lithium compound is lithium hydroxide (melting point: 462 ° C.), it is preferable to maintain the temperature near the melting point at 400 ° C. to 500 ° C. before raising the temperature to the firing temperature during the firing step (Step S50). .
(焼成時間)
焼成時間のうち、上述した焼成温度での保持時間は、少なくとも2時間以上とすることが好ましく、4時間以上24時間以下とすることがより好ましい。焼成温度における保持時間が2時間未満である場合、前駆体粒子中にリチウムが十分に拡散せず、余剰のリチウムや未反応の前駆体粒子が残存したり、得られるリチウム遷移金属複合酸化物の粒子20の結晶性が不十分なものとなったりするおそれがある。
(Firing time)
Among the firing times, the holding time at the above-described firing temperature is preferably at least 2 hours or more, more preferably 4 hours or more and 24 hours or less. When the holding time at the firing temperature is less than 2 hours, lithium does not sufficiently diffuse into the precursor particles, and surplus lithium and unreacted precursor particles remain or the obtained lithium transition metal composite oxide The crystallinity of the particles 20 may be insufficient.
なお、保持時間終了後、焼成温度から少なくとも200℃までの冷却速度は、2℃/分以上10℃/分以下とすることが好ましく、3℃/分以上7℃/分以下とすることがより好ましい。冷却速度をこのような範囲に制御した場合、生産性を確保しつつ、匣鉢などの設備が、急冷により破損することを防止することができる。 After the holding time, the cooling rate from the firing temperature to at least 200 ° C is preferably 2 ° C / min to 10 ° C / min, more preferably 3 ° C / min to 7 ° C / min. preferable. When the cooling rate is controlled in such a range, it is possible to prevent the equipment such as the sagger from being damaged by rapid cooling while securing the productivity.
(焼成雰囲気)
焼成時の雰囲気は、酸化性雰囲気とすることが好ましく、酸素濃度が18容量%以上100容量%以下の雰囲気とすることがより好ましく、上記酸素濃度の酸素と不活性ガスとの混合雰囲気とすることが特に好ましい。すなわち、焼成は、大気、又は、酸素気流中で行うことが好ましい。酸素濃度が18容量%未満である場合、リチウム遷移金属複合酸化物の粒子20の結晶性が不十分なものとなるおそれがある。
(Firing atmosphere)
The atmosphere during the firing is preferably an oxidizing atmosphere, more preferably an atmosphere having an oxygen concentration of 18% by volume or more and 100% by volume or less, and a mixed atmosphere of oxygen having the above oxygen concentration and an inert gas. Is particularly preferred. That is, firing is preferably performed in the air or in an oxygen stream. If the oxygen concentration is less than 18% by volume, the crystallinity of the lithium transition metal composite oxide particles 20 may be insufficient.
[解砕工程(ステップS55)]
焼成工程(ステップS50)後に、リチウム遷移金属複合酸化物の粒子10の凝集体または焼結体を解砕する解砕工程(ステップS55)を備えてもよい。焼成工程(ステップS50)後に得られたリチウム遷移金属複合酸化物の粒子10(正極活物質100)は、凝集または軽度の焼結が生じている場合がある。解砕工程(ステップS55)を備える場合、得られる正極活物質100の平均粒径や粒度分布を好適な範囲に調整することができる。なお、解砕とは、焼成時に二次粒子間の焼結ネッキングなどにより生じた複数の二次粒子からなる凝集体に、機械的エネルギーを投入して、二次粒子自体をほとんど破壊することなく分離させて、凝集体をほぐす操作を意味する。
[Crushing Step (Step S55)]
After the firing step (Step S50), a crushing step (Step S55) for crushing the aggregate or the sintered body of the lithium transition metal composite oxide particles 10 may be provided. The particles 10 (positive electrode active material 100) of the lithium transition metal composite oxide obtained after the firing step (Step S50) may have undergone aggregation or slight sintering. When a crushing step (Step S55) is provided, the average particle size and particle size distribution of the obtained positive electrode active material 100 can be adjusted to a suitable range. In addition, crushing is a method of applying mechanical energy to an aggregate composed of a plurality of secondary particles generated by sintering necking between the secondary particles during firing and hardly destroying the secondary particles themselves. It means an operation of separating and loosening aggregates.
解砕の方法としては、公知の手段を用いることができ、たとえば、ピンミルやハンマーミルなどを使用することができる。なお、この際、二次粒子を破壊しないように解砕力を適切な範囲に調整することが好ましい。 Known methods can be used as the crushing method. For example, a pin mill, a hammer mill, or the like can be used. At this time, it is preferable to adjust the crushing force to an appropriate range so as not to destroy the secondary particles.
3.リチウムイオン二次電池
本実施形態に係るリチウムイオン二次電池(以下、「二次電池」ともいう。)は、上述した正極活物質100を含む正極と、負極と、非水系電解質とを備える。二次電池は、例えば、正極、負極、及び非水系電解液を備える。また、二次電池は、例えば、正極、負極、及び固体電解質を備えてもよい。また、二次電池は、リチウムイオンの脱離及び挿入により、充放電を行う二次電池であればよく、例えば、非水系電解液二次電池であってもよく、全固体リチウム二次電池であってもよい。なお、以下に説明する実施形態は例示にすぎず、本実施形態に係る二次電池は、本明細書に記載されている実施形態を基づいて、種々の変更、改良を施した形態に適用してもよい。
3. Lithium-ion secondary battery The lithium-ion secondary battery (hereinafter, also referred to as “secondary battery”) according to this embodiment includes a positive electrode including the above-described positive electrode active material 100, a negative electrode, and a nonaqueous electrolyte. The secondary battery includes, for example, a positive electrode, a negative electrode, and a non-aqueous electrolyte. In addition, the secondary battery may include, for example, a positive electrode, a negative electrode, and a solid electrolyte. Further, the secondary battery may be a secondary battery that performs charging and discharging by desorption and insertion of lithium ions, for example, may be a non-aqueous electrolyte secondary battery, and may be an all-solid lithium secondary battery. There may be. The embodiment described below is merely an example, and the secondary battery according to this embodiment is applied to a form in which various changes and improvements are made based on the embodiment described in this specification. May be.
[構成部材]
(正極)
まず、上記の正極活物質100、導電材および結着剤を混合し、さらに必要に応じて活性炭や、粘度調整などの目的の溶剤を添加し、これを混練して正極合材ペーストを作製する。その際、目的とする二次電池の性能に応じて、正極合材ペースト中のそれぞれの混合比は、適宜、調整することができる。例えば、溶剤を除いた正極合材の固形分を100質量部とした場合、正極活物質の含有量を60質量部以上95質量部以下、導電材の含有量を1質量部以上20質量部以下とし、結着剤の含有量を1質量部以上20質量部以下としてもよい。
[Components]
(Positive electrode)
First, the above-described positive electrode active material 100, a conductive material and a binder are mixed, and if necessary, activated carbon or a solvent for viscosity control or the like is added, and the mixture is kneaded to prepare a positive electrode mixture paste. . At this time, the respective mixing ratios in the positive electrode mixture paste can be appropriately adjusted according to the intended performance of the secondary battery. For example, when the solid content of the positive electrode mixture excluding the solvent is 100 parts by mass, the content of the positive electrode active material is 60 parts by mass or more and 95 parts by mass or less, and the content of the conductive material is 1 part by mass or more and 20 parts by mass or less. And the content of the binder may be 1 part by mass or more and 20 parts by mass or less.
導電材としては、例えば、黒鉛(天然黒鉛、人造黒鉛および膨張黒鉛など)や、アセチレンブラックやケッチェンブラックなどのカーボンブラック系材料を用いることができる。 As the conductive material, for example, graphite (natural graphite, artificial graphite, expanded graphite, or the like) or a carbon black-based material such as acetylene black or Ketjen black can be used.
結着剤は、活物質粒子をつなぎ止める役割を果たすもので、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、フッ素ゴム、エチレンプロピレンジエンゴム、スチレンブタジエン、セルロース系樹脂およびポリアクリル酸を用いることができる。 The binder plays a role of retaining the active material particles, and is, for example, polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroethylene (PTFE), fluoro rubber, ethylene propylene diene rubber, styrene butadiene, cellulose resin, and polyacryl. Acids can be used.
必要に応じ、正極活物質、導電材および活性炭を分散させ、結着剤を溶解する溶剤を正極合材に添加してもよい。溶剤としては、具体的には、N−メチル−2−ピロリドンなどの有機溶剤を用いることができる。また、正極合材には、電気二重層容量を増加させるために、活性炭を添加してもよい。 If necessary, a positive electrode active material, a conductive material and activated carbon may be dispersed, and a solvent for dissolving the binder may be added to the positive electrode mixture. Specifically, an organic solvent such as N-methyl-2-pyrrolidone can be used as the solvent. Activated carbon may be added to the positive electrode mixture in order to increase the electric double layer capacity.
得られた正極合材ペーストを、例えば、アルミニウム箔製の集電体の表面に塗布し、乾燥して、溶剤を飛散させる。必要に応じ、電極密度を高めるべく、ロールプレスなどにより加圧することもある。このようにして、シート状の正極を作製することができる。シート状の正極は、目的とする電池に応じて適当な大きさに裁断などをして、電池の作製に供することができる。なお、正極の作製方法は、上記の方法に限られることなく、他の方法によってもよい。 The obtained positive electrode mixture paste is applied to the surface of a current collector made of, for example, aluminum foil, dried, and the solvent is scattered. If necessary, pressure may be applied by a roll press or the like to increase the electrode density. Thus, a sheet-shaped positive electrode can be manufactured. The sheet-shaped positive electrode can be cut to an appropriate size according to the intended battery and used for battery production. Note that the method for manufacturing the positive electrode is not limited to the above method, but may be another method.
(負極)
負極として、金属リチウムやリチウム合金などを用いてもよい。また、負極として、リチウムイオンを吸蔵および脱離できる負極活物質に、結着剤を混合し、適当な溶剤を加えてペースト状にした負極合材を、銅などの金属箔集電体の表面に塗布し、乾燥し、必要に応じて電極密度を高めるべく圧縮して形成したものを用いてもよい。
(Negative electrode)
As the negative electrode, metallic lithium, a lithium alloy, or the like may be used. In addition, as a negative electrode, a negative electrode mixture obtained by mixing a binder with a negative electrode active material capable of absorbing and desorbing lithium ions and adding an appropriate solvent to form a paste is formed on the surface of a metal foil current collector such as copper. May be applied, dried, and, if necessary, compressed to increase the electrode density.
負極活物質としては、例えば、天然黒鉛、人造黒鉛およびフェノール樹脂などの有機化合物焼成体、およびコークスなどの炭素物質の粉状体を用いることができる。この場合、負極結着剤としては、正極同様、PVDFなどの含フッ素樹脂を用いることができ、これらの活物質および結着剤を分散させる溶剤としては、N−メチル−2−ピロリドンなどの有機溶剤を用いることができる。 As the negative electrode active material, for example, fired organic compounds such as natural graphite, artificial graphite and phenolic resin, and powdered carbon materials such as coke can be used. In this case, a fluorine-containing resin such as PVDF can be used as the negative electrode binder similarly to the positive electrode, and an organic material such as N-methyl-2-pyrrolidone can be used as a solvent for dispersing the active material and the binder. Solvents can be used.
(セパレータ)
正極と負極との間には、必要に応じてセパレータを挟み込んで配置する。セパレータは、正極と負極とを分離し、電解質を保持するものであり、ポリエチレンやポリプロピレンなどの薄い膜で、微少な孔を多数有する膜を用いることができる。
(Separator)
A separator is interposed between the positive electrode and the negative electrode as necessary. The separator separates the positive electrode and the negative electrode and retains the electrolyte, and may be a thin film such as polyethylene or polypropylene having a large number of fine pores.
(非水系電解質)
非水系電解質としては、非水系電解液を用いることができる。非水系電解液は、例えば、支持塩としてのリチウム塩を有機溶媒に溶解したものを用いてもよい。また、非水系電解液として、イオン液体にリチウム塩が溶解したものを用いてもよい。なお、イオン液体とは、リチウムイオン以外のカチオンおよびアニオンから構成され、常温でも液体状を示す塩をいう。
(Non-aqueous electrolyte)
As the non-aqueous electrolyte, a non-aqueous electrolyte can be used. As the non-aqueous electrolyte, for example, a solution obtained by dissolving a lithium salt as a supporting salt in an organic solvent may be used. Further, as the non-aqueous electrolyte, an ionic liquid in which a lithium salt is dissolved may be used. In addition, the ionic liquid refers to a salt composed of cations and anions other than lithium ions, and which is liquid even at normal temperature.
有機溶媒としては、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネートおよびトリフルオロプロピレンカーボネートなどの環状カーボネート、また、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およびジプロピルカーボネートなどの鎖状カーボネート、さらに、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフランおよびジメトキシエタンなどのエーテル化合物、エチルメチルスルホンやブタンスルトンなどの硫黄化合物、リン酸トリエチルやリン酸トリオクチルなどのリン化合物などから選ばれる1種を単独で用いてもよく、2種以上を混合して用いることができる。 Examples of the organic solvent include cyclic carbonates such as ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, and trifluoropropylene carbonate, and linear carbonates such as diethyl carbonate, dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, and dipropyl carbonate, and further, tetrahydrofuran, 2-hydrogen carbonate, and the like. One compound selected from ether compounds such as methyltetrahydrofuran and dimethoxyethane, sulfur compounds such as ethylmethylsulfone and butanesultone, and phosphorus compounds such as triethyl phosphate and trioctyl phosphate may be used alone or as a mixture of two or more. Can be used.
支持塩としては、LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiAsF6、LiN(CF3SO2)2、およびそれらの複合塩などを用いることができる。さらに、非水系電解液は、ラジカル捕捉剤、界面活性剤および難燃剤などを含んでいてもよい。 As the supporting salt, LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , LiAsF 6 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , and a composite salt thereof can be used. Further, the non-aqueous electrolyte may contain a radical scavenger, a surfactant, a flame retardant, and the like.
また、非水系電解質としては、固体電解質を用いてもよい。固体電解質は、高電圧に耐えうる性質を有する。固体電解質としては、無機固体電解質、有機固体電解質が挙げられる。 Further, a solid electrolyte may be used as the non-aqueous electrolyte. The solid electrolyte has a property that can withstand a high voltage. Examples of the solid electrolyte include an inorganic solid electrolyte and an organic solid electrolyte.
無機固体電解質として、酸化物系固体電解質、硫化物系固体電解質等が用いられる。 As the inorganic solid electrolyte, an oxide solid electrolyte, a sulfide solid electrolyte, or the like is used.
酸化物系固体電解質としては、特に限定されず、酸素(O)を含有し、かつ、リチウムイオン電導性と電子絶縁性とを有するものであれば用いることができる。酸化物系固体電解質としては、例えば、リン酸リチウム(Li3PO4)、Li3PO4NX、LiBO2NX、LiNbO3、LiTaO3、Li2SiO3、Li4SiO4−Li3PO4、Li4SiO4−Li3VO4、Li2O−B2O3−P2O5、Li2O−SiO2、Li2O−B2O3−ZnO、Li1+XAlXTi2−X(PO4)3(0≦X≦1)、Li1+XAlXGe2−X(PO4)3(0≦X≦1)、LiTi2(PO4)3、Li3XLa2/3−XTiO3(0≦X≦2/3)、Li5La3Ta2O12、Li7La3Zr2O12、Li6BaLa2Ta2O12、Li3.6Si0.6P0.4O4等が挙げられる。 The oxide solid electrolyte is not particularly limited, and any oxide containing oxygen (O) and having lithium ion conductivity and electronic insulation can be used. The oxide-based solid electrolyte, for example, lithium phosphate (Li 3 PO 4), Li 3 PO 4 N X, LiBO 2 N X, LiNbO 3, LiTaO 3, Li 2 SiO 3, Li 4 SiO 4 -Li 3 PO 4 , Li 4 SiO 4 —Li 3 VO 4 , Li 2 O—B 2 O 3 —P 2 O 5 , Li 2 O—SiO 2 , Li 2 O—B 2 O 3 —ZnO, Li 1 + X Al X Ti 2-X (PO 4 ) 3 (0 ≦ X ≦ 1), Li 1 + X Al X Ge 2-X (PO 4 ) 3 (0 ≦ X ≦ 1), LiTi 2 (PO 4 ) 3 , Li 3X La 2 / 3-X TiO 3 (0 ≦ X ≦ 2/3), Li 5 La 3 Ta 2 O 12 , Li 7 La 3 Zr 2 O 12 , Li 6 BaLa 2 Ta 2 O 12 , Li 3.6 Si 0.6 P 0.4 O 4 etc. I can do it.
硫化物系固体電解質としては、特に限定されず、硫黄(S)を含有し、かつ、リチウムイオン電導性と電子絶縁性とを有するものであれば用いることができる。硫化物系固体電解質としては、例えば、Li2S−P2S5、Li2S−SiS2、LiI−Li2S−SiS2、LiI−Li2S−P2S5、LiI−Li2S−B2S3、Li3PO4−Li2S−Si2S、Li3PO4−Li2S−SiS2、LiPO4−Li2S−SiS、LiI−Li2S−P2O5、LiI−Li3PO4−P2S5等が挙げられる。 The sulfide-based solid electrolyte is not particularly limited, and any electrolyte containing sulfur (S) and having lithium ion conductivity and electronic insulation can be used. The sulfide-based solid electrolyte, for example, Li 2 S-P 2 S 5, Li 2 S-SiS 2, LiI-Li 2 S-SiS 2, LiI-Li 2 S-P 2 S 5, LiI-Li 2 S-B 2 S 3, Li 3 PO 4 -Li 2 S-Si 2 S, Li 3 PO 4 -Li 2 S-SiS 2, LiPO 4 -Li 2 S-SiS, LiI-Li 2 S-P 2 O 5, LiI-Li 3 PO 4 -P 2 S 5 , and the like.
なお、無機固体電解質としては、上記以外のものを用いてよく、例えば、Li3N、LiI、Li3N−LiI−LiOH等を用いてもよい。 In addition, as the inorganic solid electrolyte, one other than the above may be used. For example, Li 3 N, LiI, Li 3 N—LiI—LiOH, or the like may be used.
有機固体電解質としては、イオン電導性を示す高分子化合物であれば、特に限定されず、例えば、ポリエチレンオキシド、ポリプロピレンオキシド、これらの共重合体などを用いることができる。また、有機固体電解質は、支持塩(リチウム塩)を含んでいてもよい。なお、固体電解質を用いる場合は、電解質と正極活物質の接触を確保するため、正極材中にも固体電解質を混合させてもよい。 The organic solid electrolyte is not particularly limited as long as it is a polymer compound having ion conductivity, and examples thereof include polyethylene oxide, polypropylene oxide, and copolymers thereof. Further, the organic solid electrolyte may contain a supporting salt (lithium salt). When a solid electrolyte is used, a solid electrolyte may be mixed in the positive electrode material in order to ensure contact between the electrolyte and the positive electrode active material.
(電池の形状、構成)
二次電池の構成は、特に限定されず、上述したように正極、負極、セパレータ、非水系電解質などで構成されてもよく、正極、負極、固体電解質などで構成されもよい。また、二次電池の形状は、特に限定されず、円筒形や積層形など、種々の形状にすることができる。
(Battery shape and configuration)
The configuration of the secondary battery is not particularly limited, and may be configured with a positive electrode, a negative electrode, a separator, a non-aqueous electrolyte, or the like as described above, or may be configured with a positive electrode, a negative electrode, a solid electrolyte, or the like. The shape of the secondary battery is not particularly limited, and may be various shapes such as a cylindrical shape and a stacked shape.
例えば、二次電池が非水系電解液二次電池である場合、正極および負極を、セパレータを介して積層させて電極体とし、得られた電極体に、非水系電解液を含浸させ、正極集電体と外部に通ずる正極端子との間、および、負極集電体と外部に通ずる負極端子との間を、集電用リードなどを用いて接続し、電池ケースに密閉して、二次電池を完成させる。 For example, when the secondary battery is a non-aqueous electrolyte secondary battery, a positive electrode and a negative electrode are laminated via a separator to form an electrode body, and the obtained electrode body is impregnated with a non-aqueous electrolyte solution to form a positive electrode. Connect between the current collector and the positive terminal connected to the outside, and between the negative electrode current collector and the negative terminal connected to the outside using a current collecting lead or the like, and seal the battery case to the secondary battery. To complete.
(3)リチウムイオン二次電池の特性
本実施形態に係るリチウムイオン二次電池は、上述したように、正極活物質100を正極材料として用いているため、従来よりも添加元素による効果を効率的に発現することが可能となり、電池特性(例、電池容量、出力特性、サイクル特性など)に優れる。
(3) Characteristics of Lithium-ion Secondary Battery As described above, the lithium-ion secondary battery according to the present embodiment uses the positive electrode active material 100 as a positive electrode material, so that the effect of the additional element is more efficient than before. And excellent in battery characteristics (eg, battery capacity, output characteristics, cycle characteristics, etc.).
(4)用途
本実施形態に係る二次電池は、上述のように、電池特性に優れており、これらの特性が高いレベルで要求される小型携帯電子機器(ノート型パーソナルコンピュータや携帯電話など)の電源に好適に利用することができる。また、熱安定性に効果のある添加元素を含む場合、高価な保護回路を簡略することができるため、搭載スペースに制約を受ける輸送用機器の電源としても好適に利用することができる。
(4) Applications The secondary battery according to the present embodiment has excellent battery characteristics as described above, and small portable electronic devices (such as notebook personal computers and mobile phones) that require these characteristics at a high level. It can be suitably used for a power supply. In addition, when an additional element having an effect on thermal stability is included, an expensive protection circuit can be simplified, so that it can be suitably used as a power source for transportation equipment which is limited in mounting space.
以下、実施例および比較例を用いて、本発明を詳細に説明する。なお、以下の実施例および比較例では、特に断りがない限り、遷移金属複合水酸化物の粒子および正極活物質の作製には、和光純薬工業株式会社製試薬特級の各試料を使用した。また、核生成工程および粒子成長工程を通じて、反応水溶液のpH値は、pHコントローラ(日伸理化製、NPH−690D)により測定し、この測定値に基づき、水酸化ナトリウム水溶液の供給量を調整することで、各工程における反応水溶液のpH値の変動幅を±0.2の範囲に制御した。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to Examples and Comparative Examples. In the following Examples and Comparative Examples, samples of a special grade reagent manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd. were used for preparing transition metal composite hydroxide particles and a positive electrode active material unless otherwise specified. During the nucleation step and the particle growth step, the pH value of the reaction aqueous solution is measured by a pH controller (Nippon Rika, NPH-690D), and the supply amount of the aqueous sodium hydroxide solution is adjusted based on the measured values. Thus, the fluctuation range of the pH value of the reaction aqueous solution in each step was controlled within a range of ± 0.2.
(実施例1)
[遷移金属複合水酸化物の粒子の製造]
(核生成工程)
はじめに、反応槽(34L)内に、水を半分の量まで入れて撹拌しながら、槽内温度を40℃に設定した。このときの反応槽内は、大気雰囲気(酸素濃度:21容量%)とした。この反応槽内の水に、25質量%水酸化ナトリウム水溶液と25質量%アンモニア水を適量加えて、液温25℃基準で、槽内の反応液のpH値が13.0となるように調整した。さらに、該反応液中のアンモニア濃度を10g/Lに調節して反応前水溶液とした。
(Example 1)
[Production of transition metal composite hydroxide particles]
(Nucleation process)
First, the temperature inside the reaction tank (34 L) was set to 40 ° C. while stirring half of the water and stirring. At this time, the inside of the reaction tank was set to an air atmosphere (oxygen concentration: 21% by volume). An appropriate amount of a 25% by mass aqueous solution of sodium hydroxide and 25% by mass aqueous ammonia are added to the water in the reaction tank, and the pH of the reaction liquid in the tank is adjusted to 13.0 based on a liquid temperature of 25 ° C. did. Further, the ammonia concentration in the reaction solution was adjusted to 10 g / L to obtain an aqueous solution before the reaction.
同時に、硫酸ニッケル、硫酸コバルト、硫酸マンガン、硫酸ジルコニウムを、各金属元素のモル比がNi:Mn:Co:Zr=33.1:33.1:33.1:0.2となるように水に溶解し、1.8mol/Lの原料水溶液を調製した。 At the same time, nickel sulfate, cobalt sulfate, manganese sulfate, and zirconium sulfate were mixed with water so that the molar ratio of each metal element was Ni: Mn: Co: Zr = 33.1: 33.1: 33.1: 0.2. To prepare a 1.8 mol / L raw material aqueous solution.
この原料水溶液を、反応槽内の反応前水溶液に88ml/minの割合で加えて、反応水溶液(核生成用水溶液)とした。同時に、25質量%アンモニア水および25質量%水酸化ナトリウム水溶液も、この反応水溶液に一定速度で加えていき、反応水溶液中のアンモニア濃度を上記値に保持した状態で、pH値を13.0(核生成pH値)に制御しながら、2分30秒間晶析させて核生成を行った。 This raw material aqueous solution was added to the pre-reaction aqueous solution in the reaction vessel at a rate of 88 ml / min to obtain a reaction aqueous solution (nucleus generation aqueous solution). At the same time, a 25% by mass aqueous ammonia solution and a 25% by mass aqueous sodium hydroxide solution are also added to the reaction aqueous solution at a constant rate, and while maintaining the ammonia concentration in the reaction aqueous solution at the above value, the pH value is increased to 13.0 ( While controlling the nucleation pH value, crystallization was performed for 2 minutes and 30 seconds to perform nucleation.
(粒子成長工程)
(i)第1の粒子成長工程
核生成終了後、一旦、すべての水溶液の供給を一旦停止するとともに、硫酸を加えて、pH値が、液温25℃基準で11.6となるように調整して、反応水溶液(粒子成長用水溶液)を形成した。反応水溶液に、再度、原料水溶液と25質量%水酸化ナトリウム水溶液の供給を再開するとともに、添加元素(W)を含む原料水溶液としてタングステン酸ナトリウム水溶液を追加供給し、25質量%アンモニア水によりアンモニア濃度を上記値(10g/L)に保持して、pH値を上記値(11.6)に保持し、晶析を継続して粒子成長(第1の粒子成長工程)を30分間行った。なお、タングステン酸ナトリウム水溶液は、最終的に得られる組成に合うように濃度と流量を調整した。
(Grain growth process)
(I) First Particle Growth Step After the nucleation, the supply of all aqueous solutions is temporarily stopped, and sulfuric acid is added to adjust the pH value to 11.6 based on a liquid temperature of 25 ° C. Thus, an aqueous reaction solution (aqueous solution for particle growth) was formed. To the reaction aqueous solution, the supply of the raw material aqueous solution and the 25% by mass aqueous sodium hydroxide solution was restarted, and an aqueous solution of sodium tungstate was additionally supplied as the raw material aqueous solution containing the additional element (W). Was maintained at the above value (10 g / L), the pH value was maintained at the above value (11.6), crystallization was continued, and grain growth (first grain growth step) was performed for 30 minutes. The concentration and flow rate of the aqueous solution of sodium tungstate were adjusted so as to match the finally obtained composition.
(ii)第2の粒子成長工程
第1の粒子成長工程の後、給液を一旦停止し、反応槽内空間の酸素濃度が0.2容量%以下の非酸化性雰囲気となるまで窒素ガスを5L/minで流通させた(反応雰囲気の切り替え)。その後、添加元素(W)を含まない原料水溶液のみの給液を再開し(粒子成長が行われる時間全体に対して12.5%経過後)、アンモニア濃度とpH値を保持して成長開始からあわせて2時間晶析を行った。
(Ii) Second Particle Growth Step After the first particle growth step, the liquid supply is temporarily stopped, and nitrogen gas is supplied until the oxygen concentration in the reaction tank space becomes a non-oxidizing atmosphere of 0.2% by volume or less. It was circulated at 5 L / min (switching of reaction atmosphere). Thereafter, the supply of only the raw material aqueous solution containing no added element (W) was restarted (after 12.5% of the entire time during which the particle growth was performed), and the ammonia concentration and the pH value were maintained and the growth was started. Crystallization was performed for 2 hours in total.
反応槽内が満液になったところで、晶析を停止するとともに、撹拌を止めて静置することで、生成物の沈殿を促した。その後、反応槽から上澄み液を半量抜き出した後、晶析を再開し、2時間晶析を行った後(計4時間)、晶析を終了させた。 When the inside of the reaction tank became full, crystallization was stopped, stirring was stopped, and the mixture was allowed to stand, thereby promoting precipitation of the product. Then, after half of the supernatant was taken out of the reaction tank, crystallization was restarted, crystallization was performed for 2 hours (total 4 hours), and crystallization was terminated.
(水洗、濾過、乾燥)
そして、生成物を水洗、濾過、乾燥させて遷移金属複合水酸化物の粒子を得た。なお、上記大気雰囲気から窒素雰囲気への切り替えは、粒子成長工程の開始時から粒子成長工程時間の全体に対して12.5%の時点で行ったことになる。
(Washing, filtration, drying)
The product was washed with water, filtered, and dried to obtain transition metal composite hydroxide particles. Note that the switching from the air atmosphere to the nitrogen atmosphere is performed at the time of 12.5% of the entire grain growth process time from the start of the grain growth process.
上記晶析において、pHは、pHコントローラにより水酸化ナトリウム水溶液の供給流量を調整することで制御され、変動幅は設定値の上下0.2の範囲内であった。 In the crystallization, the pH was controlled by adjusting the supply flow rate of the aqueous sodium hydroxide solution using a pH controller, and the fluctuation range was within a range of 0.2 above and below the set value.
[遷移金属複合水酸化物の粒子の分析]
得られた遷移金属複合水酸化物の粒子について、その試料を無機酸により溶解した後、ICP発光分光法により化学分析を行ったところ、その組成は、Ni0.331Mn0.331Co0.331Zr0.002W0.005(OH)2+a(0≦a≦0.5)であった。
[Analysis of transition metal composite hydroxide particles]
The resulting particles of the transition metal complex hydroxide was, after dissolving the sample by an inorganic acid, was subjected to chemical analysis by ICP emission spectroscopy, the composition may, Ni 0.331 Mn 0.33 1Co 0. 33 1Zr 0.002 W 0.005 (OH) 2 + a (0 ≦ a ≦ 0.5).
また、この遷移金属複合水酸化物の粒子について、平均粒径および粒度分布を示す〔(d90−d10)/平均粒径〕値を、レーザ回折散乱式粒度分布測定装置(日機装株式会社製、マイクロトラックHRA)を用いて測定した体積積算値から算出して求めた。その結果、平均粒径は5.2μmであり、〔(d90−d10)/平均粒径〕値は、0.48であった。 Further, for the particles of the transition metal composite hydroxide, [(d90−d10) / average particle size] values indicating the average particle size and the particle size distribution were measured using a laser diffraction / scattering type particle size distribution analyzer (Nikkiso Co., Ltd. (Track HRA). As a result, the average particle size was 5.2 μm, and the value of [(d90−d10) / average particle size] was 0.48.
次に、得られた遷移金属複合水酸化物の粒子のSEM(株式会社日立ハイテクノロジース製、走査電子顕微鏡S−4700)観察(倍率:1000倍)を行ったところ、この遷移金属複合水酸化物の粒子は、略球状であり、粒径がほぼ均一に揃っていることが確認された。 Next, the obtained transition metal composite hydroxide particles were observed by an SEM (manufactured by Hitachi High-Technologies Corporation, scanning electron microscope S-4700) (magnification: 1000 times). The particles of the product were substantially spherical, and it was confirmed that the particle sizes were substantially uniform.
また、得られた遷移金属複合水酸化物の粒子の試料を、樹脂に埋め込み、クロスセクションポリッシャ加工を行ったものについて、倍率を10,000倍としたSEM観察結果を行ったところ、この遷移金属複合水酸化物の粒子が二次粒子により構成され、該二次粒子は、針状、薄片状の微細一次粒子(粒径およそ0.3μm)からなる中心部と、該中心部の外側にこの微細一次粒子よりも大きい板状の一次粒子(粒径およそ0.6μm)からなる外周部とにより構成されていることが確認された。断面のSEM観察から求めた、二次粒子径に対する外周部の厚さは、12%であった。また、TEMを用いた粒子断面のEDX分析により得られたタングステン(W)の濃度プロファイルから、タングステン(W)が、主に中心部に存在することが確認された。 In addition, a sample of the obtained transition metal composite hydroxide particles embedded in resin and subjected to cross section polisher processing was subjected to SEM observation with a magnification of 10,000 times. The particles of the composite hydroxide are composed of secondary particles, and the secondary particles have a central portion composed of fine needle-like or flaky primary particles (having a particle diameter of about 0.3 μm) and a central portion outside the central portion. It was confirmed that it was composed of plate-shaped primary particles (diameter: about 0.6 μm) larger than the fine primary particles and an outer peripheral portion. The thickness of the outer peripheral portion with respect to the secondary particle diameter, determined from SEM observation of the cross section, was 12%. Further, from the concentration profile of tungsten (W) obtained by EDX analysis of the particle cross section using a TEM, it was confirmed that tungsten (W) was mainly present in the central portion.
[正極活物質の製造]
(熱処理工程)
上記遷移金属複合水酸化物の粒子を、空気(酸素:21容量%)気流中にて、700℃で6時間の熱処理を行って、遷移金属複合酸化物の粒子に転換して回収した。
[Manufacture of positive electrode active material]
(Heat treatment process)
The particles of the transition metal composite hydroxide were subjected to a heat treatment at 700 ° C. for 6 hours in a stream of air (oxygen: 21% by volume) to be converted into transition metal composite oxide particles and collected.
(リチウム混合工程)
NLi/NMe=1.12となるように水酸化リチウムを秤量し、上記複合酸化物粒子と混合してリチウム混合物を調製した。混合は、シェーカーミキサ装置(ウィリー・エ・バッコーフェン(WAB)社製、TURBULA TypeT2C)を用いて行った。
(Lithium mixing process)
Lithium hydroxide was weighed so that N Li / N Me = 1.12, and mixed with the composite oxide particles to prepare a lithium mixture. The mixing was performed using a shaker mixer (TURBULA Type T2C, manufactured by Willy & Bacoffen (WAB)).
(焼成工程)
得られたリチウム混合物を大気中(酸素:21容量%)にて、500℃で4時間仮焼した後、950℃で4時間焼成し、冷却した後、解砕して正極活物質を得た。
(Baking process)
The obtained lithium mixture was calcined at 500 ° C. for 4 hours in the air (oxygen: 21% by volume), calcined at 950 ° C. for 4 hours, cooled, and then crushed to obtain a positive electrode active material. .
[正極活物質の分析]
遷移金属複合水酸化物の粒子と同様の方法で、得られた正極活物質の粒度分布を測定したところ、平均粒径は4.7μmであり、〔(d90−d10)/平均粒径〕値は、0.48であった。
[Analysis of positive electrode active material]
When the particle size distribution of the obtained positive electrode active material was measured in the same manner as the particles of the transition metal composite hydroxide, the average particle size was 4.7 μm, and the value of [(d90−d10) / average particle size] value was obtained. Was 0.48.
また、遷移金属複合水酸化物の粒子と同様の方法で、正極活物質のSEM観察および断面SEM観察を行ったところ、得られた正極活物質は、略球状であり、粒径がほぼ均一に揃っていることが確認された。一方、断面SEM観察により、この正極活物質が、一次粒子が焼結して構成された外殻部と、その内部に中空部を備える中空構造となっていることを確認した。この観察から求めた、正極活物質の粒子径に対する外殻部の厚さの比率は、11%であった。 In addition, SEM observation and cross-sectional SEM observation of the positive electrode active material were performed in the same manner as the transition metal composite hydroxide particles, and the obtained positive electrode active material was substantially spherical, and the particle size was substantially uniform. It was confirmed that they were complete. On the other hand, cross-sectional SEM observation confirmed that the positive electrode active material had a hollow structure having a shell portion formed by sintering primary particles and a hollow portion inside. The ratio of the thickness of the outer shell to the particle diameter of the positive electrode active material, determined from this observation, was 11%.
さらに、TEMを用いて正極活物質の粒子の断面のEDX(TEM−EDX)分析を行った。その結果を図11(A)〜(C)に示す。図11(A)は、TEM−EDX分析を行った正極活物質の二次粒子の外殻部の一部の断面を模式的に示す図であり、図11(B)は、TEM観察像の写真であり、図11(C)は、TEM−EDX像の写真である。図11(A)〜(C)に示すように、TEM−EDX分析により得られたタングステン(W)の濃度プロファイルから、一次粒子内の表面から粒子内部に向けて0.1μm付近にW濃度の高いピークが確認された(濃化層)。また、解析した一次粒子内における、このピークの濃度と、濃化層の内側の最低濃度との比(ピーク濃度/内側の最低濃度)が5以上であることが確認された。 Further, EDX (TEM-EDX) analysis of the cross section of the particles of the positive electrode active material was performed using TEM. The results are shown in FIGS. FIG. 11A is a diagram schematically showing a partial cross section of the outer shell of the secondary particle of the positive electrode active material subjected to TEM-EDX analysis, and FIG. 11B is a TEM observation image. FIG. 11C is a photograph of a TEM-EDX image. As shown in FIGS. 11A to 11C, from the concentration profile of tungsten (W) obtained by the TEM-EDX analysis, the W concentration was found to be around 0.1 μm from the surface in the primary particles to the inside of the particles. A high peak was confirmed (concentrated layer). In addition, it was confirmed that the ratio of the concentration of this peak to the lowest concentration inside the concentrated layer (peak concentration / minimum concentration inside) in the analyzed primary particles was 5 or more.
得られた正極活物質について、流動方式ガス吸着法比表面積測定装置(ユアサアイオニクス株式会社製、マルチソーブ)により比表面積を、タッピングマシン(株式会社蔵持科学器械製作所、KRS−406)によりタップ密度を、それぞれ測定した。この結果、比表面積は1.5m2/gであり、タップ密度は1.31g/cm3であることが確認された。 For the obtained positive electrode active material, the specific surface area was measured by a fluid surface gas adsorption method specific surface area measuring device (manufactured by Yuasa Ionics Co., Ltd., Multisorb), and the tap density was measured by a tapping machine (Kuramo Scientific Instruments, KRS-406). , Respectively. As a result, it was confirmed that the specific surface area was 1.5 m 2 / g and the tap density was 1.31 g / cm 3 .
また、得られた正極活物質について、X線回折装置(パナリティカル社製、X’Pert PRO)を用いて、Cu−Kα線による粉末X線回折で分析したところ、この正極活物質の結晶構造が、六方晶の層状結晶リチウムニッケルマンガン複合酸化物単相からなることを確認した。 Further, the obtained cathode active material was analyzed by powder X-ray diffraction using Cu-Kα ray using an X-ray diffractometer (X'Pert PRO, manufactured by PANalytical), and the crystal structure of the cathode active material was determined. Consisted of a single phase of hexagonal layered crystal lithium nickel manganese composite oxide.
さらに、ICP発光分光分析装置を用いた分析により、この正極活物質は、一般式:Li1.12Ni0.331Mn0.331Co0.331Zr0.002W0.005O2で表されるものであることが確認された。 Further, by analysis using an ICP emission spectrometer, this positive electrode active material was represented by a general formula: Li 1.12 Ni 0.331 Mn 0.331 Co 0.331 Zr 0.002 W 0.005 O 2 . It was confirmed that it was done.
[コイン型電池の製造および電池特性の評価]
上記の正極活物質52.5mg、アセチレンブラック15mg、およびポリテトラフッ化エチレン樹脂(PTFE)7.5mgを混合し、100MPaの圧力で直径11mm、厚さ100μmにプレス成形して、図9に示す正極PE(評価用電極)を作製した。その作製した正極PEを真空乾燥機中120℃で12時間乾燥した。そして、この正極PEを用いて2032型のコイン型電池CBAを、露点が−80℃に管理されたAr雰囲気のグローブボックス内で作製した。
[Manufacture of coin-type battery and evaluation of battery characteristics]
The above positive electrode active material (52.5 mg), acetylene black (15 mg), and polytetrafluoroethylene resin (PTFE) (7.5 mg) were mixed and press-molded under a pressure of 100 MPa to a diameter of 11 mm and a thickness of 100 μm. (Evaluation electrode) was produced. The produced positive electrode PE was dried in a vacuum dryer at 120 ° C. for 12 hours. Then, using this positive electrode PE, a 2032 type coin-type battery CBA was produced in a glove box in an Ar atmosphere where the dew point was controlled at -80 ° C.
負極NEには、直径14mmの円盤状に打ち抜かれた平均粒径20μm程度の黒鉛粉末とポリフッ化ビニリデンが銅箔に塗布された負極シートを用い、電解液には、1MのLiPF6を支持電解質とするエチレンカーボネート(EC)とジエチルカーボネート(DEC)の等量混合液(富山薬品工業株式会社製)を用いた。セパレータ3には膜厚25μmのポリエチレン多孔膜を用いた。また、コイン型電池CBAは、ガスケットGAとウェーブワッシャーWWを有し、正極缶PCと負極缶NCとでコイン状の電池に組み立てられた。製造したコイン型電池CBAの性能を示す初期放電容量、正極抵抗は、以下のように評価した。 For the negative electrode NE, a negative electrode sheet formed by applying a graphite powder having an average particle diameter of about 20 μm and a polyvinylidene fluoride coated on a copper foil and punched into a disk having a diameter of 14 mm, and 1 M LiPF 6 as an electrolyte is used as a supporting electrolyte. A mixed solution (equivalent to Toyama Pharmaceutical Co., Ltd.) of ethylene carbonate (EC) and diethyl carbonate (DEC) was used. As the separator 3, a polyethylene porous film having a thickness of 25 μm was used. The coin-type battery CBA had a gasket GA and a wave washer WW, and was assembled into a coin-shaped battery with the positive electrode can PC and the negative electrode can NC. The initial discharge capacity and the positive electrode resistance indicating the performance of the manufactured coin-type battery CBA were evaluated as follows.
[初期放電容量]
初期放電容量は、コイン型電池CBAを製作してから24時間程度放置し、開回路電圧OCV(Open Circuit Voltage)が安定した後、正極に対する電流密度を0.1mA/cm2としてカットオフ電圧4.3Vまで充電し、1時間の休止後、カットオフ電圧3.0Vまで放電したときの容量を初期放電容量とした。
[Initial discharge capacity]
After the coin-type battery CBA was manufactured, the initial discharge capacity was allowed to stand for about 24 hours after the open-circuit voltage OCV (Open Circuit Voltage) was stabilized. After that, the current density with respect to the positive electrode was 0.1 mA / cm 2 , and the cut-off voltage was 4 The capacity when the battery was charged to 0.3 V, discharged for 1 hour, and then discharged to a cutoff voltage of 3.0 V was defined as the initial discharge capacity.
[正極抵抗]
また、正極抵抗は、コイン型電池CBAを25℃で充電電位4.1Vで充電して、周波数応答アナライザおよびポテンショガルバノスタット(ソーラトロン製、1255B)を使用して交流インピーダンス法により測定すると、図10に示すナイキストプロットが得られる。このナイキストプロットは、溶液抵抗、負極抵抗とその容量、および、正極抵抗とその容量を示す特性曲線の和として表しているため、このナイキストプロットに基づき等価回路を用いてフィッティング計算を行い、正極抵抗の値を算出した。
[Positive electrode resistance]
Further, the positive electrode resistance was measured by charging the coin-type battery CBA at 25 ° C. at a charging potential of 4.1 V and using a frequency response analyzer and a potentiogalvanostat (manufactured by Solartron, 1255B) by the AC impedance method. The Nyquist plot shown in FIG. Since this Nyquist plot is represented as the sum of characteristic curves indicating solution resistance, negative electrode resistance and its capacity, and positive electrode resistance and its capacity, fitting calculation is performed using an equivalent circuit based on this Nyquist plot, and positive electrode resistance is calculated. Was calculated.
本実施例により得られた遷移金属複合水酸化物の粒子の特性を表1に、正極活物質の特性およびこの正極活物質を用いて製造したコイン型電池CBAの各評価を表2に、それぞれ示す。また、以下の実施例2〜5および比較例1についても、同様の内容について、表1および表2に示す。 Table 1 shows the characteristics of the transition metal composite hydroxide particles obtained in this example, and Table 2 shows the characteristics of the positive electrode active material and each evaluation of the coin-type battery CBA manufactured using this positive electrode active material. Show. Tables 1 and 2 show the same contents in Examples 2 to 5 and Comparative Example 1 below.
(実施例2)
第2の粒子成長工程において、酸化性雰囲気における原料水溶液中の添加元素(タングステン)の濃度に対して、非酸化性雰囲気におけるタングステンの濃度が20%となるようにタングステン酸ナトリウム水溶液の流量を調整したこと以外は、実施例1と同様にして、正極活物質等を得るとともに評価を行った。得られた正極活物質の組成は、Li1.12Ni0.331Mn0.331Co0.331Zr0.002W0.005O2で表されるものであることが確認された。
(Example 2)
In the second particle growth step, the flow rate of the aqueous solution of sodium tungstate is adjusted such that the concentration of tungsten in the non-oxidizing atmosphere is 20% of the concentration of the additional element (tungsten) in the aqueous solution of the raw material in the oxidizing atmosphere. Except that, a positive electrode active material and the like were obtained and evaluated in the same manner as in Example 1. It was confirmed that the composition of the obtained positive electrode active material was represented by Li 1.12 Ni 0.331 Mn 0.331 Co 0.331 Zr 0.002 W 0.005 O 2 .
(実施例3)
粒子成長工程において、大気雰囲気から窒素雰囲気への反応雰囲気の切り替えを、粒子成長が行われる時間全体に対して、6.25%経過した時点で行ったこと以外は、実施例1と同様にして、正極活物質等を得るとともに評価した。なお、得られた遷移金属複合水酸化物の粒子および正極活物質の組成は、実施例1と同様であり、遷移金属複合水酸化物の粒子は実施例1と同様に針状の微細一次粒子(粒径およそ0.2μm)からなる中心部と、該中心部の外側にこの微細一次粒子よりも大きい板状の一次粒子(粒径0.8μm)からなる外周部とにより構成されていた。
(Example 3)
In the particle growth step, the reaction atmosphere was switched from the air atmosphere to the nitrogen atmosphere in the same manner as in Example 1 except that 6.25% of the entire time during which the particle growth was performed was performed. And a positive electrode active material were obtained and evaluated. The obtained transition metal composite hydroxide particles and the composition of the positive electrode active material were the same as in Example 1, and the transition metal composite hydroxide particles were needle-like fine primary particles as in Example 1. (A particle diameter of about 0.2 μm) and an outer peripheral part of plate-like primary particles (particle diameter 0.8 μm) larger than the fine primary particles outside the central part.
(実施例4)
粒子成長工程において、酸化性雰囲気における原料水溶液中の添加元素(W)の濃度に対して、非酸化性雰囲気における添加元素(W)の濃度(添加比)が10%となるようにタングステン酸ナトリウム水溶液の流量を調整したこと以外は、実施例1と同様にして、正極活物質等を得るとともに評価を行った。得られた正極活物質の組成は、Li1.12Ni0.331Mn0.331Co0.331Zr0.002W0.005O2で表されるものであることが確認された。
(Example 4)
In the particle growth step, sodium tungstate is adjusted so that the concentration (addition ratio) of the additive element (W) in the non-oxidizing atmosphere is 10% of the concentration of the additional element (W) in the raw material aqueous solution in the oxidizing atmosphere. A positive electrode active material and the like were obtained and evaluated in the same manner as in Example 1 except that the flow rate of the aqueous solution was adjusted. It was confirmed that the composition of the obtained positive electrode active material was represented by Li 1.12 Ni 0.331 Mn 0.331 Co 0.331 Zr 0.002 W 0.005 O 2 .
(実施例5)
粒子成長工程において、粒子成長が行われる時間全体に対して、50%経過した時点でタングステン酸ナトリウム水溶液を酸化性雰囲気における流量と同量となるように調整したこと以外は、実施例1と同様にして、正極活物質等を得るとともに評価を行った。得られた正極活物質の組成は、Li1.12Ni0.331Mn0.331Co0.331Zr0.002W0.005O2で表されるものであることが確認された。
(Example 5)
In the particle growth step, the same as Example 1 except that the aqueous solution of sodium tungstate was adjusted to have the same flow rate as the flow rate in the oxidizing atmosphere when 50% had elapsed with respect to the entire time during which the particle growth was performed. In this way, a positive electrode active material and the like were obtained and evaluated. It was confirmed that the composition of the obtained positive electrode active material was represented by Li 1.12 Ni 0.331 Mn 0.331 Co 0.331 Zr 0.002 W 0.005 O 2 .
(比較例1)
粒子成長工程の全時間において、一定量のタングステン酸ナトリウム水溶液を供給、すなわちM添加比を100%としたこと以外は、実施例1と同様にして、正極活物質等を得るとともに評価を行った。得られた正極活物質の組成は、Li1.12Ni0.331Mn0.331Co0.331Zr0.002W0.005O2で表されるものであることが確認された。
(Comparative Example 1)
A positive electrode active material and the like were obtained and evaluated in the same manner as in Example 1 except that a fixed amount of an aqueous solution of sodium tungstate was supplied, that is, the M addition ratio was set to 100% during the entire time of the particle growth step. . It was confirmed that the composition of the obtained positive electrode active material was represented by Li 1.12 Ni 0.331 Mn 0.331 Co 0.331 Zr 0.002 W 0.005 O 2 .
(評価)
実施例1〜5の遷移金属複合水酸化物の粒子は、微細一次粒子からなる中心部と、板状の一次粒子からなる外周部とからなる構造を備える。また、中心部は、添加元素含むことが確認された。また、実施例1〜5の正極活物質は、凝集した一次粒子が焼結している外殻部と、その内側の中空部とからなる構造を備え、一次粒子の表面に添加元素の濃縮層を有している。これらの正極活物質を用いたコイン型電池CBAは、初期放電容量が高く、正極抵抗も低いものとなっており、優れた電池特性を有することが示された。
(Evaluation)
The particles of the transition metal composite hydroxide of Examples 1 to 5 have a structure including a central portion composed of fine primary particles and an outer peripheral portion composed of plate-like primary particles. In addition, it was confirmed that the central portion contained an additional element. Further, the positive electrode active materials of Examples 1 to 5 each have a structure including an outer shell portion in which aggregated primary particles are sintered and a hollow portion inside the shell portion, and a concentrated layer of an additive element on the surface of the primary particles. have. The coin-type battery CBA using these positive electrode active materials had a high initial discharge capacity and a low positive electrode resistance, indicating that it had excellent battery characteristics.
1…一次粒子
1a…微細一次粒子
1b…板状の一次粒子
2…二次粒子
3…中心部
4…外周部
4a…高濃度の添加元素を含む層(外周部)
5…被覆層
10…遷移金属複合水酸化物の粒子
20…リチウム遷移金属複合酸化物の粒子
21…一次粒子(正極活物質)
22…二次粒子(正極活物質)
23…中空部
24…外殻部
100…正極活物質
t…外周部の厚さ
C…濃化層
CBA…コイン型電池
PE…正極(評価用電極)
NE…負極
SE…セパレータ
GA…ガスケット
WW…ウェーブワッシャー
PC…正極缶
NC…負極缶
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Primary particle 1a ... Fine primary particle 1b ... Plate-like primary particle 2 ... Secondary particle 3 ... Central part 4 ... Peripheral part 4a ... Layer containing high concentration additive element (peripheral part)
5 ... Coating layer 10 ... Transition metal composite hydroxide particles 20 ... Lithium transition metal composite oxide particles 21 ... Primary particles (positive electrode active material)
22 Secondary particles (positive electrode active material)
23 hollow part 24 outer shell 100 positive electrode active material t outer peripheral thickness C concentrated layer CBA coin cell battery PE positive electrode (evaluation electrode)
NE: negative electrode SE: separator GA: gasket WW: wave washer PC: positive electrode can NC: negative electrode can
Claims (18)
液温25℃基準におけるpH値が12.0以上14.0以下の範囲となるように制御して、酸素濃度が5容量%を超える酸性雰囲気下で核の生成を行う核生成工程と、
前記核生成工程で得られた核を含む反応水溶液を、液温25℃基準におけるpH値が、前記核生成工程の反応水溶液のpH値よりも低く、かつ、10.5以上12.0以下の範囲となるように制御して、前記核を成長させる粒子成長工程と、を備え、
前記粒子成長工程は、
前記酸性雰囲気下で前記核を成長させる第1の粒子成長工程と、
前記第1の粒子成長工程における前記酸化雰囲気を、酸素濃度が5容量%以下の非酸化性雰囲気に切り替えて、前記非酸化性雰囲気下で、さらに前記核を成長させる第2の粒子成長工程と、を備え、
前記酸化性雰囲気下で、前記遷移金属とは異なる添加元素を含む原料水溶液を前記反応水溶液に供給することと、
前記非酸化性雰囲気下で、前記添加元素を含む原料水溶液の前記反応水溶液への供給を停止すること、又は、前記添加元素の前記反応水溶液への供給量を、前記酸化性雰囲気下よりも減少させることを含む、
遷移金属複合水酸化物の粒子の製造方法。 A method of producing particles of a transition metal composite hydroxide by supplying a raw material aqueous solution containing a transition metal and an ammonium ion donor to form a reaction aqueous solution, and by performing a crystallization reaction,
A nucleation step of performing nucleation in an acidic atmosphere having an oxygen concentration exceeding 5% by volume by controlling the pH value at a liquid temperature of 25 ° C. to be in a range of 12.0 to 14.0;
The reaction aqueous solution containing a nucleus obtained in the nucleation step, the pH value at a liquid temperature of 25 ° C. is lower than the pH value of the reaction aqueous solution in the nucleation step, and 10.5 or more and 12.0 or less. A particle growth step of growing the nucleus by controlling to be in a range,
The particle growing step,
A first particle growing step of growing the nucleus under the acidic atmosphere;
A second particle growth step of switching the oxidizing atmosphere in the first particle growing step to a non-oxidizing atmosphere having an oxygen concentration of 5% by volume or less and further growing the nucleus under the non-oxidizing atmosphere; ,
Supplying a raw material aqueous solution containing an additional element different from the transition metal to the reaction aqueous solution under the oxidizing atmosphere;
In the non-oxidizing atmosphere, the supply of the raw material aqueous solution containing the additional element to the reaction aqueous solution may be stopped, or the supply amount of the additional element to the reaction aqueous solution may be reduced from that in the oxidizing atmosphere. Including causing
A method for producing particles of a transition metal composite hydroxide.
複数の一次粒子が凝集して形成された二次粒子を含み、
前記二次粒子は、中心部と、前記中心部の外側に配置された外周部と、を備え、
前記中心部は、複数の微細一次粒子が凝集して形成され、
前記外周部は、前記微細一次粒子よりも大きく、板状の一次粒子が凝集して形成され、
前記添加元素は、前記外周部よりも前記中心部に高濃度で含有され、
平均粒径が1μm以上15μm以下である、
遷移金属複合水酸化物の粒子。 Transition metal, and an additive element having an uneven distribution in the particles, transition metal composite hydroxide particles containing,
Including secondary particles formed by aggregation of a plurality of primary particles,
The secondary particles have a central portion and an outer peripheral portion disposed outside the central portion,
The central portion is formed by aggregating a plurality of fine primary particles,
The outer peripheral portion is larger than the fine primary particles, and is formed by aggregating plate-like primary particles,
The additive element is contained in the central portion at a higher concentration than the outer peripheral portion,
The average particle size is 1 μm or more and 15 μm or less;
Transition metal composite hydroxide particles.
前記混合工程で形成された前記リチウム混合物を、酸化性雰囲気中、650℃以上980℃以下で焼成する焼成工程を備える、リチウムイオン二次電池用正極活物質の製造方法。 The particles of the transition metal composite hydroxide according to any one of claims 6 to 9 or the particles obtained by heat-treating the particles of the transition metal composite hydroxide are mixed with a lithium compound. A mixing step of forming a lithium mixture;
A method for producing a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery, comprising a firing step of firing the lithium mixture formed in the mixing step at 650 ° C. or more and 980 ° C. or less in an oxidizing atmosphere.
複数の一次粒子が凝集して形成された二次粒子を含み、
前記二次粒子は、外殻部と、前記外殻部の内側に、中空部とを備え、
前記中空部は、前記一次粒子を含まず、
前記二次粒子は、平均粒径が1μm以上15μm以下であり、かつ、一次粒子の表面に前記添加元素が濃化して存在する濃化層を有する、
リチウムイオン二次電池用正極活物質。 Lithium, a transition metal, containing particles of a lithium transition metal composite oxide containing an additional element other than the transition metal, a positive electrode active material,
Including secondary particles formed by aggregation of a plurality of primary particles,
The secondary particles include an outer shell portion and a hollow portion inside the outer shell portion,
The hollow portion does not include the primary particles,
The secondary particles have an average particle diameter of 1 μm or more and 15 μm or less, and have a concentrated layer in which the additive element is present on the surface of the primary particles.
Positive electrode active material for lithium ion secondary batteries.
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