JP2020035693A - Transition metal composite hydroxide, manufacturing method thereof, lithium transition metal composite oxide active material, and lithium ion secondary battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、リチウムイオン二次電池用正極活物質の前駆体である遷移金属複合水酸化物、遷移金属複合水酸化物の製造方法、リチウム遷移金属複合酸化物活物質及び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 that is a precursor of a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery, a method for producing the transition metal composite hydroxide, a lithium transition metal composite oxide active material, and a lithium ion secondary battery. .
近年、スマートフォンやタブレットPCなどの小型情報端末の普及に伴い、高いエネルギー密度を有する小型で軽量な二次電池の開発が強く望まれている。また、モータ駆動用電源、特に輸送機器用電源の電池として高出力の二次電池の開発が強く望まれている。 In recent years, with the spread of small information terminals such as smartphones and tablet PCs, development of small and lightweight secondary batteries having high energy density has been strongly desired. Also, there is a strong demand for the development of a high-output secondary battery as a battery for a motor drive power supply, particularly for a power supply for transportation equipment.
このような要求を満たす二次電池として、リチウムイオン二次電池がある。リチウムイオン二次電池は、負極、正極、電解液などで構成され、負極及び正極の活物質として、リチウムを脱離及び挿入することが可能な活物質が用いられている。リチウムイオン二次電池については、現在研究開発が盛んに行われているところであるが、その中でも、層状またはスピネル型の結晶構造を有するリチウム金属複合酸化物を正極材料に用いたリチウムイオン二次電池は、4V級の高い電圧が得られるため、高いエネルギー密度を有する電池として実用化が進んでいる。 As a secondary battery satisfying such a demand, there is a lithium ion secondary battery. A lithium ion secondary battery is composed of a negative electrode, a positive electrode, an electrolytic solution, and the like, and an active material capable of removing and inserting lithium is used as an active material of the negative electrode and the positive electrode. Research and development of lithium-ion secondary batteries are currently being actively conducted. Among them, lithium-ion secondary batteries using a lithium metal composite oxide having a layered or spinel-type crystal structure as the cathode material Since a high voltage of 4V class can be obtained, it has been put to practical use as a battery having a high energy density.
係るリチウムイオン二次電池の正極材料として、現在、合成が比較的容易なリチウムコバルト複合酸化物(LiCoO2)や、コバルトよりも安価なニッケルを用いたリチウム遷移金属複合酸化物(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(LiNi1/2Mn1/2O2)などのリチウム遷移金属複合酸化物が提案されている。 At present, as a positive electrode material of such a lithium ion secondary battery, a lithium cobalt composite oxide (LiCoO 2 ) which is relatively easy to synthesize, a lithium transition metal composite oxide using nickel which is cheaper than cobalt (LiNiO 2 ), 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 1 / 2 Mn 1/2 O 2 ) and the like have been proposed.
これらのリチウム遷移金属複合酸化物の中でも、近年、埋蔵量の少ないコバルトの使用量を低減できるとともに高充放電容量であるリチウムニッケル複合酸化物(LiNiO2)や、さらに熱安定性にも優れているリチウムニッケルマンガン複合酸化物(LiNi1/2Mn1/2O2)、またさらにサイクル特性が良く、低抵抗で高出力が取り出せる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)が注目されている。 Among these lithium transition metal composite oxides, recently, lithium nickel composite oxides (LiNiO 2 ), which can reduce the amount of cobalt having a small reserve and a high charge / discharge capacity, and have excellent thermal stability. Lithium nickel manganese composite oxide (LiNi 1/2 Mn 1/2 O 2 ), and a lithium nickel cobalt manganese composite oxide (LiNi 1/3 Co 1/3 ) which has better cycle characteristics, low resistance and high output. Mn 1/3 O 2 ) is receiving attention.
ところで、リチウム二次電池の用途のなかには、ハイレートでの充放電(急速充放電)を繰り返す使用が想定されるものがある。自動車の動力源として用いられるリチウムイオン二次電池(例えば動力源として、リチウムイオン二次電池と、ガソリンエンジンのような作動原理の異なる動力源とを併用する、ハイブリッド自動車に搭載されるリチウムイオン二次電池)は、このような使用が想定される代表例である。しかし、従来の一般的なリチウムイオン二次電池は、ローレートでの充放電サイクルに対しては比較的高い耐久性を示すものであっても、ハイレートでの充放電サイクルに対しては性能劣化(内部抵抗の上昇等)を起こしやすいことが知られていた。そこで上記問題点に対し、下記の文献が開示されている。 By the way, some uses of the lithium secondary battery are assumed to be used repeatedly at high rates of charge and discharge (rapid charge and discharge). Lithium-ion secondary battery used as a power source of a vehicle (for example, a lithium-ion secondary battery mounted on a hybrid vehicle using both a lithium-ion secondary battery and a power source having a different operating principle such as a gasoline engine as a power source) A secondary battery is a typical example in which such use is expected. However, the conventional general lithium ion secondary battery shows relatively high durability for a low-rate charge / discharge cycle, but deteriorates in performance for a high-rate charge / discharge cycle ( Internal resistance, etc.). Therefore, the following documents are disclosed for the above problems.
例えば、特許文献1には、リチウムイオン二次電池の正極または負極を多孔質中空構造の活物質から構成する技術が記載されている。かかる多孔質中空構造の活物質によると、電解液との接触面積が大きくなってリチウムイオンの移動が容易になり、またリチウムの挿入に伴う活物質の体積膨張による歪みが抑えられること等から、急速充電が可能で高容量・長寿命のリチウム電池が得られるとされている。 For example, Patent Literature 1 discloses a technique in which a positive electrode or a negative electrode of a lithium ion secondary battery is formed of an active material having a porous hollow structure. According to the active material having such a porous hollow structure, the contact area with the electrolytic solution is large, lithium ions can easily move, and distortion due to volume expansion of the active material due to insertion of lithium is suppressed, and the like. It is said that a high-capacity, long-life lithium battery that can be rapidly charged is obtained.
また、特許文献2〜4には、一次粒子が集合した中空球形の二次粒子であってその表面に内部に通じる多数の隙間が存在する複合酸化物粒子(リチウムコバルト複合酸化物粒子またはスピネル型リチウムマンガン複合酸化物粒子)を正極活物質として用いることにより、非水電解液との接触面積を大きくして正極活物質の利用率を向上させ得ることが記載されている。 Further, Patent Documents 2 to 4 disclose composite oxide particles (lithium-cobalt composite oxide particles or spinel-type secondary particles) which are hollow spherical secondary particles in which primary particles are aggregated and whose surface has a large number of gaps communicating with the interior. It is described that by using (lithium-manganese composite oxide particles) as a positive electrode active material, the contact area with a nonaqueous electrolyte can be increased to improve the utilization rate of the positive electrode active material.
また、特許文献5にはオリビン構造を有するリチウムリン酸化合物であって、吸油量を増すことによって出力を向上することが記載されている。また、特許文献6には、リチウム遷移金属複合酸化物の一次粒子が複数集合した二次粒子と、その内側に形成された中空部とを有する中空構造により、高出力化に適した性能を示し且つ充放電サイクルによる劣化の少ない活物質粒子が得られうることが記載されている。 Patent Literature 5 describes a lithium phosphate compound having an olivine structure, which improves output by increasing the oil absorption. Patent Literature 6 discloses a performance suitable for high output by a hollow structure having secondary particles in which a plurality of primary particles of a lithium transition metal composite oxide are aggregated and a hollow portion formed inside the secondary particles. It also describes that active material particles with little deterioration due to charge / discharge cycles can be obtained.
更に、特許文献7には、酸化性雰囲気中で核生成を行う核生成工程と、その核生成工程において形成された核を含有する粒子成長用水溶液を、液温25℃基準におけるpHが10.5〜12.0の範囲で核生成段階より低くなるように制御するとともに、粒子成長工程の途中で酸化性雰囲気から酸素濃度1容量%以下の酸素と不活性ガスの混合雰囲気に切り替えることで中空構造を形成した前駆体及びその前駆体を焼成して得た活物質が提案されている。 Further, Patent Literature 7 discloses a nucleation step of performing nucleation in an oxidizing atmosphere and an aqueous solution for particle growth containing nuclei formed in the nucleation step, which has a pH of 10.degree. It is controlled so that it is lower than the nucleation stage in the range of 5 to 12.0, and by switching from an oxidizing atmosphere to a mixed atmosphere of oxygen and an inert gas having an oxygen concentration of 1% by volume or less in the middle of the particle growing step, it becomes hollow. A precursor having a structure and an active material obtained by firing the precursor have been proposed.
しかしながら、これら従来の活物質やその製造方法では吸油量が低く、十分な出力特性が得られないという問題があった。 However, these conventional active materials and their production methods have a problem that the oil absorption is low and sufficient output characteristics cannot be obtained.
そこで本発明は、従来に比して吸油量が高く、優れた出力特性を発現しうる、遷移金属複合水酸化物、遷移金属複合水酸化物の製造方法、リチウム遷移金属複合酸化物活物質及びリチウムイオン二次電池を提供することを目的とする。 Thus, the present invention provides a transition metal composite hydroxide, a method for producing a transition metal composite hydroxide, a lithium transition metal composite oxide active material, An object is to provide a lithium ion secondary battery.
本発明の一態様に係る遷移金属複合水酸化物は、リチウムイオン二次電池用正極活物質の前駆体である遷移金属複合水酸化物であって、前記遷移金属複合水酸化物は、結晶構造が異なる中心部と外周部からなる二層構造であり、前記中心部は、遷移金属水酸化物の結晶層間に水分子が挿入されたアルファ型遷移金属水酸化物からなり、前記外周部は遷移金属複合水酸化物の結晶層間に水分子を含まないベータ型遷移金属水酸化物からなることを特徴とする。 The transition metal composite hydroxide according to one embodiment of the present invention is a transition metal composite hydroxide that is a precursor of a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery, wherein the transition metal composite hydroxide has a crystal structure. Is a two-layer structure consisting of a different central portion and an outer peripheral portion, wherein the central portion is made of an alpha-type transition metal hydroxide in which water molecules are inserted between crystal layers of the transition metal hydroxide, and the outer peripheral portion is transitional. It is characterized by comprising a beta-type transition metal hydroxide containing no water molecules between crystal layers of the metal composite hydroxide.
このようにすれば、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ると、従来に比して吸油量が高く、優れた出力特性を発現しうる遷移金属複合水酸化物を提供することができる。 In this way, it is possible to provide a transition metal composite hydroxide that has a higher oil absorption amount and can exhibit excellent output characteristics when used as a precursor of a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery. Can be.
このとき、本発明の一態様では、前記遷移金属複合水酸化物は、一般式:NixCoyMnzAt(OH)2+a(x+y+z+t=1、0.3≦x≦0.7、0.1≦y≦0.4、0.1≦z≦0.4、0<t≦0.1、0≦a≦0.5、Aは、Al、Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、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 this case, in one aspect of the present invention, the transition metal complex hydroxide represented by the general formula: Ni x Co y Mn z A t (OH) 2 + a (x + y + z + t = 1,0.3 ≦ x ≦ 0.7 , 0.1 ≦ y ≦ 0.4, 0.1 ≦ z ≦ 0.4, 0 <t ≦ 0.1, 0 ≦ a ≦ 0.5, where A is Al, Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, and one or more additional elements selected from W).
このようにすれば、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ると、正極抵抗の値を低くできるとともに、電池性能を良好なものとすることができる。 In this way, when used as a precursor of the positive electrode active material for a lithium ion secondary battery, the value of the positive electrode resistance can be reduced and the battery performance can be improved.
このとき、本発明の一態様では、前記遷移金属複合水酸化物は、平均粒径D50が3μm以上、8μm以下、(D90−D10)/D50が1.0以下、BET比表面積が10m2/g以上、30m2/g以下としてもよい。 At this time, in one embodiment of the present invention, the transition metal composite hydroxide has an average particle size D50 of 3 μm or more and 8 μm or less, (D90−D10) / D50 of 1.0 or less, and a BET specific surface area of 10 m 2 / g or more and 30 m 2 / g or less.
このようにすれば、容積あたりの充放電容量の低下を防止でき、また正極活物質の分散性を向上できる。 By doing so, it is possible to prevent a decrease in the charge / discharge capacity per volume and to improve the dispersibility of the positive electrode active material.
本発明の一態様では、リチウムイオン二次電池用正極活物質の前駆体である遷移金属複合水酸化物の製造方法であって、一種以上の遷移金属化合物を含む遷移金属原料水溶液とアンモニウムイオン供給体とを含む核生成用水溶液を、液温25℃基準でのpHが12.5以上、かつアンモニウムイオン濃度が25g/L以下、雰囲気中の酸素濃度が10容量%以上となるように制御して晶析反応槽に供給し核を生成させる核生成工程と、生成された前記核を粒子成長させる第一の粒子成長工程と第二の粒子成長工程とを有し、前記第一の粒子成長工程では、前記核生成工程で生成された前記核を含有する粒子成長用水溶液を、液温25℃基準におけるpHが10.5〜11.5、かつアンモニウムイオン濃度が25g/L以下、雰囲気中の酸素濃度が10容量%以上となるように制御しつつ、前記遷移金属原料水溶液と前記アンモニウムイオン供給体とを連続的に供給し、前記第二の粒子成長工程では、液温25℃基準におけるpHが11.5〜12.0、かつアンモニウムイオン濃度が25g/L以下、雰囲気中の酸素濃度が1容量%以下となるように制御しつつ、前記遷移金属原料水溶液と前記アンモニウムイオン供給体とを連続的に供給することを特徴とする。 In one embodiment of the present invention, there is provided a method for producing a transition metal composite hydroxide which is a precursor of a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery, comprising an aqueous transition metal raw material solution containing one or more transition metal compounds and an ammonium ion supply. The aqueous solution for nucleation including the body is controlled so that the pH based on a liquid temperature of 25 ° C. is 12.5 or more, the ammonium ion concentration is 25 g / L or less, and the oxygen concentration in the atmosphere is 10% by volume or more. A nucleation step of generating a nucleus by supplying the nucleus to the crystallization reaction tank, and a first particle growth step and a second particle growth step of particle growth of the generated nucleus, the first particle growth In the step, the aqueous solution for particle growth containing the nuclei generated in the nucleation step is mixed with an aqueous solution having a pH of 10.5 to 11.5 based on a liquid temperature of 25 ° C. and an ammonium ion concentration of 25 g / L or less in an atmosphere. Oxygen The transition metal raw material aqueous solution and the ammonium ion supplier are continuously supplied while controlling the temperature to be 10% by volume or more, and in the second particle growth step, the pH at a liquid temperature of 25 ° C. is adjusted. The transition metal raw material aqueous solution and the ammonium ion supplier are continuously connected while controlling so that the concentration of oxygen is 11.5 to 12.0, the ammonium ion concentration is 25 g / L or less, and the oxygen concentration in the atmosphere is 1% by volume or less. It is characterized in that it is supplied on a regular basis.
このようにすれば、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ると、従来に比して吸油量が高く、優れた出力特性を発現しうる遷移金属複合水酸化物の製造方法を提供することができる。 In this manner, when used as a precursor of a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery, a method for producing a transition metal composite hydroxide that has a higher oil absorption compared to the conventional art and can exhibit excellent output characteristics. Can be provided.
本発明の一態様では、リチウムイオン二次電池に用いられるリチウム遷移金属複合酸化物活物質であって、前記リチウム遷移金属複合酸化物活物質の粒子の中心が空間である中空部と、該中空部を覆う外殻部からなり、前記リチウム遷移金属複合酸化物は、少なくともニッケルを遷移金属の一つとして含む、α−NaFeO2型結晶構造であることを特徴とする。 In one embodiment of the present invention, there is provided a lithium transition metal composite oxide active material used for a lithium ion secondary battery, wherein a center of a particle of the lithium transition metal composite oxide active material is a space; The lithium transition metal composite oxide has an α-NaFeO 2 type crystal structure including at least nickel as one of the transition metals.
このようにすれば、リチウムイオン二次電池に用いると、従来に比して吸油量が高く、優れた出力特性を発現しうるリチウム遷移金属複合酸化物活物質を提供することができる。 In this manner, when used in a lithium ion secondary battery, a lithium transition metal composite oxide active material that has a higher oil absorption than conventional ones and can exhibit excellent output characteristics can be provided.
このとき、本発明の一態様では、前記リチウム遷移金属複合酸化物は、一般式:Li1+sNixCoyMnzAtO2(−0.05≦s≦0.50、x+y+z+t=1、0.3≦x≦0.7、0.1≦y≦0.4、0.1≦z≦0.4、0<t≦0.1)で表され、AはAl、Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、Wから選択される1種以上の元素を含むとしてもよい。 In this case, in one aspect of the present invention, the lithium transition metal composite oxide is represented by the general formula: Li 1 + s Ni x Co y Mn z A t O 2 (-0.05 ≦ s ≦ 0.50, x + y + z + t = 1, 0.3 ≦ x ≦ 0.7, 0.1 ≦ y ≦ 0.4, 0.1 ≦ z ≦ 0.4, 0 <t ≦ 0.1), where A is Al, Ti, It may include one or more elements selected from V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, and W.
このようにすれば、正極抵抗の値を低くできるとともに、電池性能を良好なものとすることができる。 By doing so, the value of the positive electrode resistance can be reduced, and the battery performance can be improved.
本発明の一態様では、正極と負極と非水系電解質を備えるリチウムイオン二次電池であって、前記正極及び前記負極のうち少なくとも一方は、前記リチウム遷移金属複合酸化物活物質を含むことを特徴とする。 One embodiment of the present invention is a lithium ion secondary battery including a positive electrode, a negative electrode, and a nonaqueous electrolyte, wherein at least one of the positive electrode and the negative electrode includes the lithium transition metal composite oxide active material. And
このようにすれば、優れた出力特性を発現しうるリチウムイオン二次電池を提供することができる。 By doing so, it is possible to provide a lithium ion secondary battery capable of exhibiting excellent output characteristics.
本発明によれば、従来に比して吸油量が高く、優れた出力特性を発現しうる、遷移金属複合水酸化物、遷移金属複合水酸化物の製造方法、リチウム遷移金属複合酸化物活物質及びリチウムイオン二次電池を提供することすることができる。 According to the present invention, a transition metal composite hydroxide, a method for producing a transition metal composite hydroxide, a lithium transition metal composite oxide active material, which has a higher oil absorption compared to conventional ones and can exhibit excellent output characteristics And a lithium ion secondary battery.
本発明者は、リチウムイオン二次電池の電池性能は正極に採用される正極活物質の性能に大きく影響されることに鑑み、上記の課題を解決すべく鋭意検討を行った結果、中心部は、遷移金属水酸化物の結晶層間に水分子が挿入されたアルファ型遷移金属水酸化物、外周部は遷移金属複合水酸化物の結晶層間に水分子を含まないベータ型遷移金属水酸化物からなることにより、吸油量の大きな正極活物質は正極を製造した際にリチウムイオンの出入りする経路が多く、二次電池の反応抵抗を小さくすることができ、優れた出力特性を得ることが可能であるとの知見を得て、本発明を完成するに至った。以下、本発明の好適な実施の形態について説明する。 In view of the fact that the battery performance of a lithium ion secondary battery is greatly affected by the performance of the positive electrode active material used for the positive electrode, the present inventor has conducted intensive studies to solve the above-described problems. , An alpha-type transition metal hydroxide in which water molecules are inserted between crystal layers of a transition metal hydroxide, and an outer peripheral portion from a beta-type transition metal hydroxide containing no water molecules between crystal layers of a transition metal composite hydroxide. As a result, a positive electrode active material having a large oil absorption has many paths through which lithium ions enter and leave when the positive electrode is manufactured, and can reduce the reaction resistance of the secondary battery, thereby obtaining excellent output characteristics. With the knowledge that there is, the present invention has been completed. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described.
なお、以下に説明する本実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で変更が可能である。また、本実施形態で説明される構成の全てが本発明の解決手段として必須であるとは限らない。本発明の一実施形態に係る遷移金属複合水酸化物、遷移金属複合水酸化物の製造方法、リチウム遷移金属複合酸化物活物質及びリチウムイオン二次電池について、下記の順に説明する。
1.遷移金属複合水酸化物
2.遷移金属複合水酸化物の製造方法
2−1.核生成工程
2−2.第一の粒子成長工程
2−3.第二の粒子成長工程
2−4.各工程における、pHの制御、反応雰囲気の制御、各工程において使用する物質や溶液、反応条件等
3.リチウム遷移金属複合酸化物活物質
4.リチウム遷移金属複合酸化物活物質の製造方法
4−1.熱処理工程
4−2.混合工程
4−3.焼成工程
5.リチウムイオン二次電池
The present embodiment described below does not unduly limit the contents of the present invention described in the claims, and can be modified without departing from the gist of the present invention. Also, not all of the configurations described in the present embodiment are necessarily indispensable as means for solving the present invention. A transition metal composite hydroxide, a method for producing a transition metal composite hydroxide, a lithium transition metal composite oxide active material, and a lithium ion secondary battery according to an embodiment of the present invention will be described in the following order.
1. 1. Transition metal composite hydroxide 2. Method for producing transition metal composite hydroxide 2-1. Nucleation step 2-2. First particle growth step 2-3. Second particle growth step 2-4. 2. Control of pH, control of reaction atmosphere, substances and solutions used in each step, reaction conditions, etc. in each step. 3. Lithium transition metal composite oxide active material Method for producing lithium transition metal composite oxide active material 4-1. Heat treatment step 4-2. Mixing step 4-3. Firing step 5. Lithium ion secondary battery
<1.遷移金属複合水酸化物>
本発明の一実施形態に係る遷移金属複合水酸化物は、リチウムイオン二次電池用正極活物質の前駆体である。上記遷移金属複合水酸化物は、結晶構造が異なる中心部と外周部からなる二層構造であり、上記中心部は、遷移金属水酸化物の結晶層間に水分子が挿入されたアルファ型遷移金属水酸化物からなり、上記外周部は遷移金属複合水酸化物の結晶層間に水分子を含まないベータ型遷移金属水酸化物からなることを特徴とする。以下、本発明の一実施形態に係る遷移金属複合水酸化物の組成、平均粒径、粒度分布、粒子構造、結晶構造について説明する。
<1. Transition metal composite hydroxide>
The transition metal composite hydroxide according to one embodiment of the present invention is a precursor of a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery. The transition metal composite hydroxide has a two-layer structure including a central portion and an outer peripheral portion having different crystal structures, and the central portion is an alpha-type transition metal in which water molecules are inserted between crystal layers of the transition metal hydroxide. The outer peripheral portion is made of a beta-type transition metal hydroxide containing no water molecules between crystal layers of the transition metal composite hydroxide. Hereinafter, the composition, average particle size, particle size distribution, particle structure, and crystal structure of the transition metal composite hydroxide according to one embodiment of the present invention will be described.
(組成)
本発明の一実施形態に係る遷移金属複合水酸化物は、その組成が、一般式:NixCoyMnzAt(OH)2+a(x+y+z+t=1、0.3≦x≦0.7、0.1≦y≦0.4、0.1≦z≦0.4、0<t≦0.1、0≦a≦0.5、Aは、Al、Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、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される。
(composition)
Transition metal composite hydroxide according to an embodiment of the present invention, the composition has the general formula: Ni x Co y Mn z A t (OH) 2 + a (x + y + z + t = 1,0.3 ≦ x ≦ 0. 7, 0.1 ≦ y ≦ 0.4, 0.1 ≦ z ≦ 0.4, 0 <t ≦ 0.1, 0 ≦ a ≦ 0.5, where A is Al, Ti, V, Cr, Zr , Nb, Mo, Hf, Ta, W, or at least one additional element).
このような組成を有する遷移金属複合水酸化物を前駆体として、リチウム遷移金属複合酸化物を製造すれば、このリチウム遷移金属複合酸化物を正極活物質とする電極を二次電池に用いた場合に、測定される正極抵抗の値を低くできるとともに、電池性能を良好なものとすることができる。 When a transition metal composite hydroxide having such a composition is used as a precursor to produce a lithium transition metal composite oxide, an electrode using the lithium transition metal composite oxide as a positive electrode active material is used in a secondary battery. In addition, the value of the measured positive electrode resistance can be reduced, and the battery performance can be improved.
なお、上記遷移金属複合水酸化物を原料として正極活物質を得た場合、この遷移金属複合水酸化物の各構成元素の物質量比(Ni:Mn:Co:M)は、得られる正極活物質においても維持される。したがって、本発明の複合水酸化物の物質量比は、目的とする正極活物質に要求される物質量比と同じくなるように調製される。 When a positive electrode active material is obtained using the above transition metal composite hydroxide as a raw material, the material ratio (Ni: Mn: Co: M) of each constituent element of the transition metal composite hydroxide is determined by the obtained positive electrode active material. It is also maintained in substances. Therefore, the material ratio of the composite hydroxide of the present invention is adjusted to be the same as the material ratio required for the intended positive electrode active material.
(平均粒径)
本発明の一実施形態に係る遷移金属複合水酸化物は、平均粒径D50が1μmを超え、15μm以下、好ましくは平均粒径が3μm以上、8μm以下の範囲に調製する。遷移金属複合水酸化物の平均粒径をこのような範囲とすることにより、当該遷移金属複合水酸化物を原料として得られる正極活物質を目的とする平均粒径である1μmを超え、15μm以下に調整することができる。正極活物質の粒度分布は、原料とする遷移金属複合水酸化物の粒度分布に近しくなるため、上記粒径の正極活物質を正極材料に用いた電池の特性に影響するものである。
(Average particle size)
The transition metal composite hydroxide according to one embodiment of the present invention has an average particle diameter D50 of more than 1 μm and 15 μm or less, preferably an average particle diameter of 3 μm or more and 8 μm or less. By setting the average particle diameter of the transition metal composite hydroxide in such a range, the average particle diameter of the positive electrode active material obtained from the transition metal composite hydroxide as a raw material exceeds 1 μm, and is 15 μm or less. Can be adjusted. Since the particle size distribution of the positive electrode active material becomes close to the particle size distribution of the transition metal composite hydroxide used as a raw material, it affects the characteristics of a battery using the positive electrode active material having the above particle size as a positive electrode material.
この遷移金属複合水酸化物の平均粒径が1μm以下であると、得られる正極活物質の平均粒径も小さくなり、正極活物質の比表面積が増加することで二次電池にした際に高い出力は得られるが、正極の充填密度が低下して容積あたりの充放電容量が低下するとともに、電極ペーストを調製する際に導電助剤と正極活物質の分散性が悪化する場合がある。また、電極内で個々の正極活物質粒子に印加される電圧が不均一となることで、高電圧が加えられた粒子は充放電を繰り返すと劣化していき、二次電池の充放電容量が低下する場合がある。 When the average particle size of the transition metal composite hydroxide is 1 μm or less, the average particle size of the obtained positive electrode active material is also small, and the specific surface area of the positive electrode active material is increased. Although an output is obtained, the filling density of the positive electrode is reduced, the charge / discharge capacity per volume is reduced, and the dispersibility of the conductive additive and the positive electrode active material may be deteriorated when preparing the electrode paste. In addition, since the voltage applied to the individual positive electrode active material particles in the electrode becomes non-uniform, the particles to which a high voltage is applied deteriorate as charge and discharge are repeated, and the charge and discharge capacity of the secondary battery is reduced. May decrease.
逆に、当該複合水酸化物の平均粒径が15μmを超えると、得られる正極活物質の比表面積が低下して、電解液との界面が減少することによりリチウムイオンが出入りする経路が少なくなるため、正極の抵抗が上昇して電池の出力特性が低下する場合がある。 Conversely, when the average particle size of the composite hydroxide exceeds 15 μm, the specific surface area of the obtained positive electrode active material decreases, and the interface with the electrolyte decreases, so that the number of paths for lithium ions to enter and exit decreases. Therefore, the resistance of the positive electrode may increase and the output characteristics of the battery may decrease.
(粒度分布)
本発明の一実施形態に係る遷移金属複合水酸化物は、その粒度分布の広がりを示す指標である〔(D90−D10)/平均粒径〕が、1.0以下、好ましくは0.70以下となるように調製されることが好ましい。
(Particle size distribution)
The transition metal composite hydroxide according to one embodiment of the present invention has an index [(D90-D10) / average particle size] of 1.0 or less, preferably 0.70 or less, which is an index indicating the spread of the particle size distribution. It is preferably prepared so that
上記のように正極活物質の粒度分布は、原料である複合水酸化物の影響を強く受け、例えば、遷移金属複合水酸化物に微粒子あるいは粗大粒子が混入していると、正極活物質にも、同様に、微粒子あるいは粗大粒子が存在するようになる。すなわち、〔(D90−D10)/平均粒径〕が1.0を超え、粒度分布が広い状態であると、正極活物質にも微粒子あるいは粗大粒子が存在するようになる場合がある。 As described above, the particle size distribution of the positive electrode active material is strongly affected by the composite hydroxide as a raw material.For example, if fine particles or coarse particles are mixed in the transition metal composite hydroxide, Similarly, fine particles or coarse particles are present. That is, when [(D90−D10) / average particle size] exceeds 1.0 and the particle size distribution is wide, fine particles or coarse particles may be present in the positive electrode active material in some cases.
微粒子が多く存在する正極活物質を用いて正極を製造した場合、微粒子が局所的な反応を起こし発熱する可能性があり、二次電池の安全性が低下するとともに、微粒子が選択的に劣化するため、サイクル特性が悪化してしまう。一方、大径粒子が多く存在する正極活物質を用いて正極を形成した場合、電解液と正極活物質との反応面積が十分に取れず、反応抵抗の増加により二次電池の出力特性が悪化する。 When a positive electrode is manufactured using a positive electrode active material containing a large amount of fine particles, the fine particles may cause a local reaction and generate heat, thereby lowering the safety of the secondary battery and selectively deteriorating the fine particles. Therefore, the cycle characteristics deteriorate. On the other hand, when a positive electrode is formed using a positive electrode active material having a large number of large-diameter particles, a reaction area between the electrolyte and the positive electrode active material cannot be sufficiently obtained, and the output characteristics of the secondary battery deteriorate due to an increase in reaction resistance. I do.
平均粒径や、D90、D10を求める方法は特に限定されないが、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。平均粒径はD10、D90と同様の考えで累積体積が全粒子体積の50%となる粒径であるD50を用いることができる。 The method for determining the average particle diameter and D90 and D10 is not particularly limited, but for example, can be determined from the integrated volume value measured by a laser diffraction / scattering particle size analyzer. The average particle diameter can be D50, which is a particle diameter whose cumulative volume is 50% of the total particle volume, based on the same concept as D10 and D90.
(粒子構造)
本発明の一実施形態に係る遷移金属複合水酸化物は、複数の一次粒子が凝集して形成された略球状の二次粒子により構成される。二次粒子を構成する一次粒子の形状としては、板状、針状、直方体状、楕円状、稜面体状などのさまざまな形態を採りうる。また、その凝集状態も、ランダムな方向に凝集する場合のほか、中心から外周方向に向けて放射状に粒子の長径方向が揃ったような形態も本発明の一実施形態に係る遷移金属複合水酸化物に適用することが可能である。
(Particle structure)
The transition metal composite hydroxide according to one embodiment of the present invention is composed of substantially spherical secondary particles formed by aggregating a plurality of primary particles. The shape of the primary particles constituting the secondary particles can take various forms such as a plate shape, a needle shape, a rectangular parallelepiped shape, an elliptical shape, and a ridge shape. Further, in addition to the aggregation state in which the particles are aggregated in a random direction, the transition metal composite hydroxide according to an embodiment of the present invention also has a form in which the major axis directions of the particles are radially aligned from the center to the outer peripheral direction. It can be applied to objects.
本発明の一実施形態に係る遷移金属複合水酸化物では特に、板状及び/または針状の一次粒子がランダムな方向に凝集して二次粒子を形成していることが好ましい。このような構造の場合、一次粒子間にほぼ均一に空隙が生じて、リチウム化合物と混合して焼成する過程で、溶融したリチウム化合物が二次粒子内部へ十分に拡散し、リチウムと遷移金属複合水酸化物の反応が進みやすいからである。 In the transition metal composite hydroxide according to one embodiment of the present invention, it is particularly preferable that the plate-like and / or needle-like primary particles aggregate in random directions to form secondary particles. In the case of such a structure, voids are generated almost uniformly between the primary particles, and in the process of mixing with the lithium compound and firing, the molten lithium compound sufficiently diffuses into the secondary particles, and the lithium and the transition metal complex are mixed. This is because the reaction of the hydroxide easily proceeds.
二次粒子を構成する一次粒子の平均粒径は、0.3〜3.0μmの範囲であることが好ましい。一次粒子の大きさが上記範囲であることにより、一次粒子間に適切な空隙が得られ、焼成時に二次粒子内へのリチウムの十分な拡散が容易に行われる。なお、一次粒子の平均粒径は、0.4〜1.5μmであることがより好ましい。 The average particle diameter of the primary particles constituting the secondary particles is preferably in the range of 0.3 to 3.0 μm. When the size of the primary particles is in the above range, appropriate voids are obtained between the primary particles, and sufficient diffusion of lithium into the secondary particles during firing is easily performed. The average particle size of the primary particles is more preferably from 0.4 to 1.5 μm.
一次粒子の平均粒径が0.3μm未満であると、焼成過程で焼結温度が低温化して、二次粒子同士の焼結が多くなり、二次粒子が凝集した粗大粒子が正極活物質に含まれるようになる場合がある。一方、一次粒子の平均粒径が3μmを超えると、リチウム化合物の二次粒子内部への拡散が進みにくくなり、得られる正極活物質の結晶性を十分なものとするためには焼成温度を高くする必要が生じ、このような高い温度での焼成により、二次粒子間での焼結凝集が発生することで粗大粒子が生成し、正極活物質が適切な粒度分布から外れてしまう場合がある。 If the average particle size of the primary particles is less than 0.3 μm, the sintering temperature is lowered during the firing process, the sintering of the secondary particles increases, and the coarse particles in which the secondary particles are aggregated form the positive electrode active material. May be included. On the other hand, when the average particle size of the primary particles exceeds 3 μm, the diffusion of the lithium compound into the secondary particles becomes difficult, and the firing temperature must be increased in order to obtain sufficient crystallinity of the obtained positive electrode active material. It is necessary to perform firing at such a high temperature, so that sintering and agglomeration between the secondary particles occur, coarse particles are generated, and the positive electrode active material may deviate from an appropriate particle size distribution. .
本発明の一実施形態に係る遷移金属複合水酸化物において、正極活物質の二次粒子の構造として、緻密な外殻部と活物質の存在しない中空部を有する中空構造が好ましい。上記中空構造の正極活物質の合成に用いる前駆体としては、中空部を形成する微細で粗な一次粒子の集合体と、中空部の外側に外殻部を形成する緻密な一次粒子の集合体を外周部に備える遷移金属複合水酸化物が好ましい。 In the transition metal composite hydroxide according to one embodiment of the present invention, the structure of the secondary particles of the positive electrode active material is preferably a hollow structure having a dense outer shell portion and a hollow portion where no active material exists. The precursor used in the synthesis of the above-mentioned cathode active material having a hollow structure includes an aggregate of fine and coarse primary particles forming a hollow portion and an aggregate of dense primary particles forming an outer shell portion outside the hollow portion. Is preferably a transition metal composite hydroxide provided on the outer peripheral portion.
このような遷移金属複合水酸化物の粒子構造は、密度や大きさが異なる2種類以上の一次粒子の集合体から構成される。 The particle structure of such a transition metal composite hydroxide is composed of an aggregate of two or more types of primary particles having different densities and sizes.
上記中空構造の正極活物質の前駆体である遷移金属複合水酸化物は、中心部は微細な一次粒子が連なった隙間が多い構造であり、外殻部は大きく厚みのある板状の一次粒子からなる中心部より緻密な構造であることが好ましい。このような遷移金属複合水酸化物はリチウム化合物との反応時に、外殻部よりも中心部において焼結がより低温から進行し、中心部の一次粒子は二次粒子の中心から外周部に向かって収縮していく。また、中心部は遷移金属複合水酸化物の密度が低いため、リチウム化合物と反応した時の収縮率も大きくなり、その結果、得られるリチウム遷移金属複合酸化物粒子の中心部には十分な大きさを有する空間である中空部が形成される。 The transition metal composite hydroxide, which is a precursor of the positive electrode active material having the hollow structure, has a structure in which a central portion has many gaps in which fine primary particles are connected, and an outer shell portion has a large and thick plate-like primary particle. It is preferable that the structure be more dense than the central portion composed of When such a transition metal composite hydroxide reacts with a lithium compound, sintering proceeds at a lower temperature in the center than in the outer shell, and the primary particles at the center move from the center of the secondary particles to the outer periphery. Shrink. In addition, since the density of the transition metal composite hydroxide is low in the central part, the shrinkage rate when reacting with the lithium compound becomes large, and as a result, the central part of the obtained lithium transition metal composite oxide particles has a sufficient size. A hollow portion, which is a space having a height, is formed.
このような中空構造を形成させるには、遷移金属複合水酸化物の一次粒子の性状が大きく影響する。すなわち、中心部では微細な一次粒子がランダムな方向に凝集し、かつ、外周部では、より大きな一次粒子がランダムな方向に凝集していることが好ましい。ランダムな方向の凝集により中心部の収縮が全方位に向け均等に生じ、リチウム遷移金属複合酸化物を形成した時に十分な大きさを有する中空部を形成することができる。 In order to form such a hollow structure, the properties of the primary particles of the transition metal composite hydroxide greatly affect. That is, it is preferable that fine primary particles are agglomerated in random directions at the center and larger primary particles are agglomerated in random directions at the outer periphery. Aggregation in a random direction causes the central portion to shrink uniformly in all directions, so that a hollow portion having a sufficient size can be formed when the lithium transition metal composite oxide is formed.
また、中心部の微細一次粒子の平均粒径は、0.01〜0.3μmであることが好ましく、0.1〜0.3μmであることがより好ましい。微細一次粒子の平均粒径0.01μm未満であると、遷移金属複合水酸化物において十分な大きさの中心部が形成されないことがあり、0.3μmを超えると、焼結開始の低温化及び収縮が十分でなく、焼成後に十分な大きさの空間が得られないことがある。なお、外殻部の一次粒子の性状については、上記のものとすればよい。 Further, the average particle size of the fine primary particles at the center is preferably from 0.01 to 0.3 μm, more preferably from 0.1 to 0.3 μm. If the average particle size of the fine primary particles is less than 0.01 μm, a sufficiently large central portion may not be formed in the transition metal composite hydroxide. Shrinkage is not sufficient, and a sufficient space may not be obtained after firing. The properties of the primary particles of the outer shell may be as described above.
このような遷移金属複合水酸化物を原料として得られるリチウム遷移金属複合酸化物からなる正極活物質を構成する二次粒子は、中空構造を有し、粒子径に対する外殻部の厚さの比率は、上記遷移金属複合水酸化物二次粒子における粒子径に対する外周部の比率がほぼ維持される。よって、二次粒子径に対する外周部の厚さの比率を上記範囲とすることで、リチウム遷移金属複合酸化物に十分な中空部を形成することができる。 Secondary particles constituting the positive electrode active material composed of the lithium transition metal composite oxide obtained using such a transition metal composite hydroxide as a raw material have a hollow structure, and the ratio of the thickness of the outer shell to the particle diameter. The ratio of the outer peripheral portion to the particle diameter of the transition metal composite hydroxide secondary particles is substantially maintained. Therefore, by setting the ratio of the thickness of the outer peripheral portion to the secondary particle diameter in the above range, a sufficient hollow portion can be formed in the lithium transition metal composite oxide.
なお、遷移金属複合水酸化物中心部の微細一次粒子及び外周部のより大きな一次粒子の粒径、ならびに外周部の厚さは、例えば、複数の遷移金属複合水酸化物二次粒子をエポキシ樹脂などに埋め込み、クロスセクションポリッシャ加工した後に、露出した粒子断面を、走査型電子顕微鏡を用いて観察することによって測定できる。 The particle diameter of the fine primary particles in the center of the transition metal composite hydroxide and the larger primary particles in the outer peripheral portion, and the thickness of the outer peripheral portion are, for example, a plurality of transition metal composite hydroxide secondary particles in an epoxy resin. After performing embedding in a cross section and performing cross-section polisher processing, the cross section of the exposed particles can be measured by observing with a scanning electron microscope.
また、遷移金属複合水酸化物のBET比表面積が10m2/g以上、30m2/g以下であることが好ましい。遷移金属複合水酸化物のBET比表面積が10m2/g未満では、リチウムイオン二次電池を構成した場合に、電解液との反応面積を十分に確保することができず、出力特性を十分に向上させることが困難となる場合がある。一方、30m2/gを超えると、リチウムイオン二次電池を構成した場合に、十分な安全性を得ることが困難となる場合がある。 The transition metal composite hydroxide preferably has a BET specific surface area of 10 m 2 / g or more and 30 m 2 / g or less. If the BET specific surface area of the transition metal composite hydroxide is less than 10 m 2 / g, when a lithium ion secondary battery is formed, a sufficient reaction area with the electrolyte cannot be secured, and the output characteristics are not sufficiently improved. It may be difficult to improve. On the other hand, when it exceeds 30 m 2 / g, it may be difficult to obtain sufficient safety when a lithium ion secondary battery is configured.
(結晶構造)
上記遷移金属複合水酸化物は、微細な一次粒子からなる中心部と、より大きな一次粒子からなる外周部から構成される。本発明の一実施形態に係る遷移金属複合水酸化物は、中心部と外周部の結晶構造が異なることを特徴とする。
(Crystal structure)
The transition metal composite hydroxide is composed of a central portion composed of fine primary particles and an outer peripheral portion composed of larger primary particles. The transition metal composite hydroxide according to one embodiment of the present invention is characterized in that the central part and the outer peripheral part have different crystal structures.
水酸化ニッケルにはアルファ型構造とベータ型構造が存在し、アルファ型構造はベータ型構造のNi−OH…OH−Niの層間を広げて積層をずらしたような構造をとり、この層間に水分子が挿入されていることを特徴とする。このような構造のため、アルファ型構造の水酸化ニッケルはベータ型構造の水酸化ニッケルに比べて単位質量当たりの体積が大きく、より疎な結晶を作りやすい。よって上記微細な一次粒子からなる中心部を作成する際には水酸化ニッケルはアルファ型構造であることが好ましく、上記よりおおきな一次粒子からなる外周部を作成する際には水酸化ニッケルはベータ型構造であることが好ましい。 Nickel hydroxide has an alpha-type structure and a beta-type structure. The alpha-type structure has a structure in which the layers of Ni-OH ... OH-Ni of the beta-type structure are spread and the lamination is shifted, and water is interposed between these layers. It is characterized in that a molecule is inserted. Due to such a structure, the nickel hydroxide having an alpha structure has a larger volume per unit mass than the nickel hydroxide having a beta structure, and thus it is easy to form a sparser crystal. Therefore, when creating the central portion composed of the fine primary particles, the nickel hydroxide preferably has an alpha-type structure, and when creating the outer peripheral portion composed of the larger primary particles, the nickel hydroxide is beta-type. It is preferably a structure.
晶析条件と水酸化ニッケルの結晶構造の関係は晶析反応時の雰囲気中の酸素濃度に影響され、酸素濃度が高い酸化性雰囲気中では晶析pHが低い方がアルファ型構造を取りやすく、晶析pHが高い方がベータ型構造を取りやすい。逆に晶析反応時の酸素濃度が低い非酸化性雰囲気では晶析pHが高い方がアルファ型構造を取りやすく、晶析pHが低い方がベータ型構造を取りやすい。 The relationship between the crystallization conditions and the crystal structure of nickel hydroxide is affected by the oxygen concentration in the atmosphere during the crystallization reaction.In an oxidizing atmosphere with a high oxygen concentration, the lower the crystallization pH, the easier it is to take the alpha-type structure, The higher the crystallization pH, the easier it is to adopt a beta-type structure. Conversely, in a non-oxidizing atmosphere having a low oxygen concentration during the crystallization reaction, a higher crystallization pH tends to take an alpha-type structure, and a lower crystallization pH tends to take a beta-type structure.
但し、上記遷移金属水酸化物の中心部を作成する際は酸化性雰囲気、外周部を作成する際は非酸化性雰囲気で晶析反応を進める必要があるので、中心部を作成する際にはpHを低めに、外周部を作成する際にはpHを高めに制御することが重要となる。より具体的には、酸化性雰囲気かつ高pHで核生成工程を行わせたのち、酸化性雰囲気のまま低pHで中心部を形成させ、雰囲気を非酸化性雰囲気に切り替えるとともにpHを高くし外周部を形成させることで、中心部がアルファ型構造、外周部がベータ型構造の遷移金属複合水酸化物を作成することができる。詳細な製造方法については後述する。 However, when creating the center of the transition metal hydroxide, it is necessary to proceed with the crystallization reaction in an oxidizing atmosphere, and when creating the outer periphery, the crystallization reaction needs to proceed in a non-oxidizing atmosphere. It is important to control the pH to be lower and the pH to be higher when forming the outer periphery. More specifically, after the nucleation step is performed in an oxidizing atmosphere and at a high pH, the central portion is formed at a low pH in the oxidizing atmosphere, the atmosphere is switched to a non-oxidizing atmosphere, and the pH is increased to increase the outer periphery. By forming the portion, a transition metal composite hydroxide having an alpha structure at the center and a beta structure at the outer periphery can be produced. The detailed manufacturing method will be described later.
なお、水酸化ニッケルのアルファ型構造とベータ型構造はX線回折パターンに明確な相違があるため、形成された結晶構造はX線回折により確認することができるが、本発明における遷移金属複合水酸化物は中心部がアルファ型構造、外周部がベータ型構造であるため、通常の粉末X線回折では内部構造まで同定することは困難である。そこで、遷移金属複合酸化物表面を酸などで溶解除去してからX線回折測定を行い、遷移金属水酸化物の粒度分布を指標とした溶解除去量とアルファ型、ベータ型各々の回折ピーク高あるいはピーク面積の比の関係を求めることで、遷移金属複合水酸化物の内部結晶構造を推定することが可能となる。また、後述する第一の粒子成長工程S21、第二の粒子成長工程S22ごとに遷移金属水酸化物を採取し、X線回折測定を行うこととしても良い。 Since the alpha-type structure and the beta-type structure of nickel hydroxide have a clear difference in the X-ray diffraction pattern, the crystal structure formed can be confirmed by X-ray diffraction. Since the oxide has an alpha-type structure at the center and a beta-type structure at the outer periphery, it is difficult to identify even the internal structure by ordinary powder X-ray diffraction. Therefore, after dissolving and removing the surface of the transition metal composite oxide with an acid or the like, X-ray diffraction measurement is performed, and the amount of dissolution removal using the particle size distribution of the transition metal hydroxide as an index and the diffraction peak height of each of the alpha type and beta type are determined. Alternatively, the internal crystal structure of the transition metal composite hydroxide can be estimated by determining the relationship between the peak area ratios. Further, a transition metal hydroxide may be collected for each of the first particle growth step S21 and the second particle growth step S22 described below, and X-ray diffraction measurement may be performed.
以上より、本発明の一実施形態に係る遷移金属複合水酸化物によれば、従来に比して吸油量が高く、優れた出力特性を発現しうる遷移金属複合水酸化物を提供することすることができる。 As described above, according to the transition metal composite hydroxide according to one embodiment of the present invention, it is possible to provide a transition metal composite hydroxide that has a higher oil absorption compared to the related art and can exhibit excellent output characteristics. be able to.
<2.遷移金属複合水酸化物の製造方法>
次に本発明の一実施形態に係る遷移金属複合水酸化物の製造方法について、図1を用いて説明する。本発明の一実施形態に係る遷移金属複合水酸化物の製造方法は、図1に示すように、一種以上の遷移金属化合物を含む遷移金属原料水溶液とアンモニウムイオン供給体とを含む核生成用水溶液を、液温25℃基準でのpHが12.5以上、かつアンモニウムイオン濃度が25g/L以下、雰囲気中の酸素濃度が10容量%以上となるように制御して晶析反応槽に供給し核を生成させる核生成工程S10と、生成された上記核を粒子成長させる第一の粒子成長工程S21と第二の粒子成長工程S22とを有する。
<2. Method for producing transition metal composite hydroxide>
Next, a method for producing a transition metal composite hydroxide according to one embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 1, a method for producing a transition metal composite hydroxide according to an embodiment of the present invention includes a transition metal raw material aqueous solution containing one or more transition metal compounds and an ammonium nucleation aqueous solution containing an ammonium ion donor. Is supplied to the crystallization reactor while controlling the pH at a liquid temperature of 25 ° C. to 12.5 or more, the ammonium ion concentration to 25 g / L or less, and the oxygen concentration in the atmosphere to 10% by volume or more. The method includes a nucleus generation step S10 for generating nuclei, and a first particle growth step S21 and a second particle growth step S22 for growing particles of the generated nuclei.
特許文献5に示された従来の晶析法では、中空部を形成する微細な一次粒子の粗な集合体と、それを包み込む外周部の緻密な一次粒子の集合体の境界が比較的凹凸が少ないため、焼成後に得られたリチウム遷移金属複合酸化物の外殻部の内部は凹凸の少ない形状を有していた。これに対して、本発明の一実施形態に係る製造方法によって得られる遷移金属複合水酸化物は、中心部を形成する微細一次粒子の粗な集合体と、それを包み込む外周部の緻密な一次粒子の集合体を備えている点に特徴がある。以下工程ごとに説明する。 In the conventional crystallization method disclosed in Patent Document 5, the boundary between a coarse aggregate of fine primary particles forming a hollow portion and a dense primary particle aggregate on an outer peripheral portion surrounding the aggregate is relatively uneven. Because of the small amount, the inside of the outer shell portion of the lithium transition metal composite oxide obtained after the firing had a shape with little unevenness. In contrast, the transition metal composite hydroxide obtained by the production method according to one embodiment of the present invention has a coarse aggregate of fine primary particles forming a central portion, and a dense primary particle of an outer peripheral portion surrounding the aggregate. It is characterized by having an aggregate of particles. Hereinafter, each step will be described.
<2−1.核生成工程>
本発明の一実施形態に係る遷移金属複合水酸化物の製造方法においては、まず、少なくともニッケルを含有する複数の遷移金属化合物を所定の物質量比で水に溶解させ、遷移金属原料水溶液を作製する。本発明の一実施形態に係る遷移金属複合水酸化物の製造方法では、得られる遷移金属複合水酸化物における上記各遷移金属の物質量比は、混合水溶液における各遷移金属の物質量比と同様となる。
<2-1. Nucleation process>
In the method for producing a transition metal composite hydroxide according to one embodiment of the present invention, first, a plurality of transition metal compounds containing at least nickel are dissolved in water at a predetermined mass ratio to prepare a transition metal raw material aqueous solution. I do. In the method for producing a transition metal composite hydroxide according to one embodiment of the present invention, the substance ratio of each transition metal in the obtained transition metal composite hydroxide is the same as the substance ratio of each transition metal in the mixed aqueous solution. Becomes
よって、遷移金属原料水溶液中における各遷移金属の物質量比が、本発明の一実施形態に係る遷移金属複合水酸化物中における各遷移金属の物質量比と同じ比となるように、水に溶解させる各遷移金属化合物の割合を調整して遷移金属原料水溶液を作製する。 Therefore, the water content ratio of each transition metal in the transition metal raw material aqueous solution is the same as the material ratio of each transition metal in the transition metal composite hydroxide according to one embodiment of the present invention. The ratio of each transition metal compound to be dissolved is adjusted to prepare a transition metal raw material aqueous solution.
一方、反応槽には、水酸化ナトリウム水溶液などのアルカリ水溶液、アンモニウムイオンを含む水溶液、及び水を供給し混合してアンモニウムイオン供給体を作製する。アルカリ水溶液の供給量を調整することにより、上記アンモニウムイオン供給体のpHを液温25℃基準で12.5以上好ましくは12.5〜14.0となるように調整する。また、アンモニア水溶液の供給量を調整することにより、反応前水溶液中のアンモニウムイオン濃度を好ましくは3〜25g/L、より好ましくは5〜20g/L、さらに好ましくは5〜15g/Lとなるように調節する。なお、反応前水溶液の温度についても、好ましくは20〜60℃、より好ましくは35〜60℃となるように調整する。反応槽内の反応前水溶液のpH、アンモニウムイオンの濃度については、それぞれ一般的なpH計、イオンメーターによって測定可能である。 On the other hand, an alkaline aqueous solution such as an aqueous sodium hydroxide solution, an aqueous solution containing ammonium ions, and water are supplied to the reaction tank and mixed to prepare an ammonium ion supply body. By adjusting the supply amount of the alkaline aqueous solution, the pH of the ammonium ion supplier is adjusted to be 12.5 or more, preferably 12.5 to 14.0, based on a liquid temperature of 25 ° C. Further, by adjusting the supply amount of the aqueous ammonia solution, the ammonium ion concentration in the aqueous solution before the reaction is adjusted to preferably 3 to 25 g / L, more preferably 5 to 20 g / L, and still more preferably 5 to 15 g / L. Adjust to. The temperature of the aqueous solution before the reaction is also adjusted to preferably 20 to 60 ° C, more preferably 35 to 60 ° C. The pH of the aqueous solution before the reaction in the reaction tank and the concentration of ammonium ion can be measured by a general pH meter and an ion meter, respectively.
反応前水溶液のpH、アンモニウムイオン濃度及び温度を調整した後、攪拌しながらアンモニウムイオン供給体を反応槽内に供給する。これにより、反応槽内には、アンモニウムイオン供給体と遷移金属原料水溶液とが混合した核生成用水溶液が得られる。当該核生成用水溶液中において遷移金属複合水酸化物の微細な核が生成されることになる。この時、核生成用水溶液のpHは上記範囲にあるので、供給された原料水溶液中の遷移金属元素は核生成のみを起こし、生成した核はほとんど成長することなく、核の生成のみが進行する。 After adjusting the pH, ammonium ion concentration, and temperature of the aqueous solution before the reaction, an ammonium ion supplier is supplied into the reaction vessel with stirring. Thereby, an aqueous solution for nucleation in which the ammonium ion supplier and the aqueous solution of the transition metal raw material are mixed is obtained in the reaction tank. Fine nuclei of the transition metal composite hydroxide are generated in the nucleation aqueous solution. At this time, since the pH of the aqueous solution for nucleation is in the above range, the transition metal element in the supplied raw material aqueous solution causes only nucleation, and the generated nucleus hardly grows, and only nucleation proceeds. .
なお、原料水溶液の供給による核生成に伴って、核生成用水溶液のpH及びアンモニウムイオンの濃度は低下するので、核生成用水溶液にはアルカリ水溶液、アンモニア水溶液を含むアンモニウム供給体を供給して供給量を調整することによって、核生成用水溶液のpHが液温25℃基準で12.5〜14.0の範囲に、アンモニウムイオン濃度が3〜25g/Lの範囲にそれぞれ維持されるように制御する。 Since the pH of the aqueous solution for nucleation and the concentration of ammonium ions decrease with the nucleation due to the supply of the raw material aqueous solution, the aqueous solution for nucleation is supplied and supplied with an ammonium supplier including an aqueous alkali solution and an aqueous ammonia solution. By adjusting the amount, the pH of the aqueous solution for nucleation is controlled so as to be maintained in the range of 12.5 to 14.0 and the ammonium ion concentration in the range of 3 to 25 g / L based on the liquid temperature of 25 ° C. I do.
上記核生成用水溶液に対する原料水溶液、アルカリ水溶液及びアンモニア水溶液の供給により、核生成用水溶液中には、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、所定の量の核が生成された時点で、核生成工程S10を終了する。所定量の核が生成したか否かは、核生成用水溶液に添加した金属塩の量によって判断する。また、所定量の核が生成するまで、上記アンモニウム供給体や遷移金属原料水溶液を適宜供給する。 By the supply of the raw material aqueous solution, the aqueous alkali solution and the aqueous ammonia solution to the aqueous solution for nucleation, generation of new nuclei is continuously continued in the aqueous solution for nucleation. Then, when a predetermined amount of nuclei is generated in the nucleus generation aqueous solution, the nucleation step S10 ends. Whether a predetermined amount of nuclei has been generated is determined by the amount of metal salt added to the aqueous solution for nucleation. Also, the above-mentioned ammonium supplier and aqueous solution of the transition metal raw material are appropriately supplied until a predetermined amount of nuclei is generated.
核生成工程S10において生成する核の量は、特に限定されるものではないが、粒度分布の良好な複合水酸化物を得るためには、全体量、つまり、遷移金属複合水酸化物を得るために供給する全遷移金属化合物の0.1〜2質量%とすることが好ましく、1.5質量%以下とすることがより好ましい。 The amount of nuclei generated in the nucleation step S10 is not particularly limited, but in order to obtain a composite hydroxide having a good particle size distribution, in order to obtain a total amount, that is, to obtain a transition metal composite hydroxide. Is preferably 0.1 to 2% by mass, more preferably 1.5% by mass or less of the total transition metal compound supplied to the metal.
<2−2.第一の粒子成長工程>
核生成工程S10の終了後、第一の粒子成長工程S21では、核を含有する粒子成長用水溶液を、液温25℃基準におけるpHが10.5〜11.5、好ましくは10.8〜11.3となるように制御して、粒子成長した第一の粒子成長用水溶液を得る。具体的には、このpH制御は、アルカリ水溶液の供給量を調節することにより行う。
<2-2. First Particle Growth Process>
After the nucleation step S10, in the first particle growth step S21, the aqueous solution for particle growth containing nuclei is adjusted to a pH of 10.5 to 11.5, preferably 10.8 to 11 at a liquid temperature of 25 ° C. 0.3 to obtain a first aqueous solution for particle growth in which particles have grown. Specifically, this pH control is performed by adjusting the supply amount of the alkaline aqueous solution.
第一の粒子成長用水溶液のpHを上記範囲とすると、核の生成反応よりも核の成長反応の方が優先して生じる。そのため、第一の粒子成長工程S21においては、第一の粒子成長用水溶液中に新たな核はほとんど生成することなく、核が成長(粒子成長)して、所定の粒子径を有する遷移金属複合水酸化物が形成される。また、酸化性雰囲気下、上記pHで晶析反応を行わせることによりアルファ型構造の遷移金属複合水酸化物が優先的に生成し、微細な一次粒子からなる中心部が形成される。 When the pH of the first aqueous solution for particle growth is in the above range, the nucleus growth reaction occurs preferentially to the nucleus formation reaction. Therefore, in the first particle growth step S21, the nucleus grows (particle growth) with almost no new nuclei generated in the first aqueous solution for particle growth, and the transition metal composite having a predetermined particle diameter is formed. A hydroxide is formed. Further, by performing the crystallization reaction at the above pH under an oxidizing atmosphere, a transition metal composite hydroxide having an alpha-type structure is preferentially generated, and a central portion composed of fine primary particles is formed.
核生成反応と同様に、粒子成長に伴って第一の粒子成長用水溶液のpH及びアンモニウムイオン濃度が減少するので、第一の粒子成長用水溶液にも、原料水溶液とともに、アルカリ水溶液、アンモニア水溶液を含むアンモニウム供給体を供給して、粒子成長用水溶液のpHが液温25℃基準で10.5〜11.5の範囲に、アンモニウムイオンの濃度が3〜25g/Lの範囲に維持するように制御する。また、遷移金属イオンの濃度も減少するので、遷移金属原料水溶液も適宜供給する。 As in the nucleation reaction, the pH and ammonium ion concentration of the first aqueous solution for particle growth decrease with the growth of particles. And supplying the ammonium feed containing the solution so as to maintain the pH of the aqueous solution for particle growth in the range of 10.5 to 11.5 and the concentration of ammonium ion in the range of 3 to 25 g / L based on the liquid temperature of 25 ° C. Control. In addition, since the concentration of the transition metal ion also decreases, an aqueous solution of the transition metal raw material is supplied as appropriate.
その後、上記遷移金属複合水酸化物が目的とする中心部の粒径まで成長した時点で、第一の粒子成長工程S21を終了する。 Thereafter, when the transition metal composite hydroxide has grown to the target central part particle size, the first particle growth step S21 is completed.
<2−3.第二の粒子成長工程>
第一の粒子成長工程S21の終了後、第二の粒子成長工程S22では、一旦遷移金属原料水溶液の供給を停止し、上記第一の粒子成長用水溶液を液温25℃基準におけるpHが11.5〜12.0となるように制御して、さらに粒子成長した第二の粒子成長用水溶液を得る。このpH制御は、具体的には、アルカリ水溶液の供給量を調節することにより行う。また、雰囲気ガスを酸素濃度0.1%以下の非酸化性雰囲気に切り替える。
<2-3. Second Particle Growth Step>
After the first particle growth step S21 is completed, in the second particle growth step S22, the supply of the transition metal raw material aqueous solution is temporarily stopped, and the pH of the first particle growth aqueous solution based on a liquid temperature of 25 ° C. is set to 11.1. The second aqueous solution for particle growth is further obtained by controlling the particle size to 5 to 12.0. Specifically, the pH control is performed by adjusting the supply amount of the aqueous alkali solution. Further, the atmosphere gas is switched to a non-oxidizing atmosphere having an oxygen concentration of 0.1% or less.
第二の粒子成長用水溶液のpHを上記範囲とすると、第一の粒子成長工程S21にて生成した粒子がさらに成長(粒子成長)して、所定の粒子径を有する遷移金属複合水酸化物が形成される。この時、非酸化性雰囲気下、上記pHで晶析反応を行わせることによりベータ型構造の遷移金属複合水酸化物が優先的に生成し、第一の粒子成長工程S21で生成した微細な一次粒子よりも大きな一次粒子からなる外周部が形成される。 When the pH of the second aqueous solution for particle growth is in the above range, the particles generated in the first particle growth step S21 further grow (particle growth), and a transition metal composite hydroxide having a predetermined particle diameter is formed. It is formed. At this time, a transition metal composite hydroxide having a beta structure is preferentially generated by performing a crystallization reaction at the above pH under a non-oxidizing atmosphere, and the fine primary particles generated in the first particle growth step S21 are formed. An outer peripheral portion composed of primary particles larger than the particles is formed.
第二の粒子成長工程S22でも、遷移金属原料水溶液の供給による粒子成長に伴って粒子成長用水溶液のpH及びアンモニウムイオン濃度が減少するので、第二の粒子成長用水溶液にも、遷移金属原料水溶液と、アルカリ水溶液とアンモニア水溶液を含むアンモニウム供給体とを供給して、粒子成長用水溶液のpHが液温25℃基準で11.5〜12.0の範囲に、アンモニウムイオンの濃度が3〜25g/Lの範囲に維持するように制御する。 Also in the second particle growth step S22, the pH and the ammonium ion concentration of the aqueous solution for particle growth decrease with the particle growth by the supply of the aqueous solution of the transition metal raw material. And an ammonium supplier containing an aqueous alkali solution and an aqueous ammonia solution, the pH of the aqueous solution for particle growth is in the range of 11.5 to 12.0 based on the liquid temperature of 25 ° C., and the concentration of ammonium ion is 3 to 25 g. / L.
その後、上記第二の粒子成長工程S22における遷移金属複合水酸化物が目的とする遷移金属複合水酸化物の粒径まで成長した時点で、第二の粒子成長工程S22を終了する。 Thereafter, when the transition metal composite hydroxide in the second particle growth step S22 has grown to the target particle diameter of the transition metal composite hydroxide, the second particle growth step S22 ends.
なお、各工程での遷移金属複合水酸化物の粒径は、予備試験により各工程におけるそれぞれの反応水溶液への遷移金属化合物の添加量と得られる粒子の粒度分布の関係を求めておけば、各工程での遷移金属化合物の添加量から容易に判断できる。 Incidentally, the particle size of the transition metal composite hydroxide in each step, if the relationship between the amount of the transition metal compound added to each reaction aqueous solution in each step and the particle size distribution of the obtained particles is determined by a preliminary test, It can be easily determined from the amount of the transition metal compound added in each step.
また、図1に示すように、核生成工程S10が終了した核を含有する粒子成長用水溶液のpHを調整して、核生成工程S10から引き続いて第一及び第二の粒子成長工程S21、S22を行っているので、粒子成長工程への移行を迅速に行うことができるという利点がある。さらに、核生成工程S10から粒子成長工程への移行は、反応水溶液のpHを調整するだけで移行でき、pHの調整も一時的にアルカリ水溶液の供給を停止することで容易に行うことができるという利点がある。この利点は第一の粒子成長工程S21から第二の粒子成長工程S22へ移行する際にも同様である。 Further, as shown in FIG. 1, the pH of the aqueous solution for particle growth containing nuclei after the nucleation step S10 is adjusted, and the first and second particle growth steps S21 and S22 are continued from the nucleation step S10. Therefore, there is an advantage that the transition to the particle growth step can be performed quickly. Further, the transition from the nucleation step S10 to the particle growth step can be made only by adjusting the pH of the reaction aqueous solution, and the adjustment of the pH can be easily performed by temporarily stopping the supply of the alkaline aqueous solution. There are advantages. This advantage is the same when shifting from the first grain growth step S21 to the second grain growth step S22.
なお、反応水溶液のpHは、遷移金属化合物を構成する酸と同種の無機酸、例えば、遷移金属化合物に硫酸塩を用いた場合、硫酸を反応水溶液に添加することでも調整できる。 The pH of the reaction aqueous solution can also be adjusted by adding sulfuric acid to the reaction aqueous solution when an inorganic acid of the same kind as the acid constituting the transition metal compound, for example, a sulfate is used as the transition metal compound.
また、第一の粒子成長工程S21にて、粗な構造のアルファ型遷移金属複合水酸化物を得る場合には、酸化性雰囲気を維持しつつ、反応槽内の撹拌回転数を、反応溶液の単位体積当たりの撹拌所用動力が0.5〜4kW/m3の範囲となるように適正化して、晶折反応を行うことが好ましい。このように第一の粒子成長工程S21において酸化性雰囲気とすることで、一次粒子の成長よりは、微細一次粒子の凝集が促進され、空隙の多い低密度の微細一次粒子の集合体が形成されやすい。 Further, in the case of obtaining an alpha-type transition metal composite hydroxide having a coarse structure in the first particle growth step S21, while maintaining the oxidizing atmosphere, the stirring rotation speed in the reaction vessel is increased. It is preferable to perform the crystallization reaction by optimizing the power for the stirring place per unit volume so as to be in the range of 0.5 to 4 kW / m 3 . By setting the oxidizing atmosphere in the first particle growth step S21 as described above, the aggregation of the fine primary particles is promoted rather than the growth of the primary particles, and an aggregate of low-density fine primary particles having many voids is formed. Cheap.
一方、第二の粒子成長工程S22にて緻密な構造のベータ型遷移金属複合水酸化物を得るには、非酸化性雰囲気を維持しつつ、反応槽内の撹拌回転数を、反応溶液の単位体積当たりの撹拌所用動力が0.5〜4kW/m3の範囲となるようにして、晶折反応を行うことが好ましい。このように第二の粒子成長工程S22において酸化を抑制し、撹拌を適正化することで、一次粒子の成長がより促進され、一次粒子が大きく緻密な粒子成長を進めることができる。 On the other hand, in order to obtain a beta-structured transition metal composite hydroxide having a dense structure in the second particle growth step S22, while maintaining the non-oxidizing atmosphere, the stirring rotation speed in the reaction vessel is increased by the unit of the reaction solution. It is preferable to carry out the crystallization reaction in such a manner that the power for the stirring station per volume is in the range of 0.5 to 4 kW / m 3 . In this way, by suppressing the oxidation and optimizing the agitation in the second particle growth step S22, the growth of the primary particles is further promoted, and the growth of the large and dense primary particles can be promoted.
次に、各工程における、pHの制御、反応雰囲気の制御、各工程において使用する物質や溶液、反応条件について、詳細に説明する。 Next, control of pH, control of a reaction atmosphere, substances and solutions used in each step, and reaction conditions in each step will be described in detail.
<2−4.各工程における、pHの制御、反応雰囲気の制御、各工程において使用する物質や溶液、反応条件等>
(pH制御)
核生成工程S10においては、核生成用水溶液を液温25℃基準におけるpHが、12.5〜14.0、好ましくは12.5〜13.5の範囲となるように制御する必要がある。pHが14.0を超える場合、生成する核が微細になり過ぎ、反応水溶液がゲル化する問題がある。また、pHが12.5未満では、核形成とともに核の成長反応が生じるので、形成される核の粒度分布の範囲が広くなり不均質なものとなってしまう。すなわち、核生成工程S10において、上述の範囲に反応水溶液のpHを制御することで、核の成長を抑制してほぼ核生成のみを起こすことができ、形成される核も均質かつ粒度分布の範囲が狭いものとすることができる。
<2-4. PH control, reaction atmosphere control, substances and solutions used in each step, reaction conditions, etc. in each step>
(PH control)
In the nucleation step S10, it is necessary to control the pH of the aqueous solution for nucleation at a liquid temperature of 25 ° C. in the range of 12.5 to 14.0, preferably 12.5 to 13.5. When the pH exceeds 14.0, there is a problem that the generated nucleus becomes too fine, and the reaction aqueous solution gels. When the pH is less than 12.5, a nucleus growth reaction occurs at the same time as the nucleus formation, so that the range of the particle size distribution of the nuclei formed is widened and the nuclei become heterogeneous. That is, in the nucleation step S10, by controlling the pH of the reaction aqueous solution within the above range, nucleus growth can be suppressed and almost only nucleation can occur, and the nuclei to be formed are also homogeneous and in a range of particle size distribution. Can be narrow.
一方、第一の粒子成長工程S21においては、核を含有する粒子成長用水溶液を液温25℃基準におけるpHが10.5〜11.5、好ましくは10.7〜11.2の範囲となるように制御する必要がある。pHが11.5を超える場合、新たに生成される核が多くなり、微細二次粒子が副次的に生成するため、粒径分布が良好な水酸化物が得られない。また、pHが10.5未満では、アンモニウムイオンによる溶解度が高く、析出せずに液中に残る金属イオンが増えるため、生産効率が悪化する。すなわち、第一の粒子成長工程S21において、上述の範囲に核を含有する粒子成長用水溶液のpHを制御することで、核生成工程S10で生成した核の成長のみを優先的に起こさせ、新たな核形成を抑制することができ、また、酸化性雰囲気下で上記pHの範囲で粒子成長を起こさせるとアルファ型構造の遷移金属複合水酸化物が優先的に生成するため、得られる遷移金属複合水酸化物は微細な一次粒子からなる粗な粒子であり、かつ粒径の揃ったものとすることができる。 On the other hand, in the first particle growth step S21, the pH of the aqueous solution for particle growth containing nuclei at a liquid temperature of 25 ° C. is in the range of 10.5 to 11.5, preferably 10.7-11.2. Need to be controlled. When the pH exceeds 11.5, newly formed nuclei increase, and fine secondary particles are secondarily generated, so that a hydroxide having a good particle size distribution cannot be obtained. If the pH is less than 10.5, the solubility due to ammonium ions is high, and the amount of metal ions remaining in the liquid without being precipitated increases, so that the production efficiency deteriorates. That is, in the first particle growth step S21, by controlling the pH of the aqueous solution for particle growth containing nuclei in the above range, only the nuclei generated in the nucleation step S10 are preferentially caused to grow, and Nucleation can be suppressed, and when a particle is grown in the above pH range under an oxidizing atmosphere, a transition metal composite hydroxide having an alpha structure is preferentially generated. The composite hydroxide is a coarse particle composed of fine primary particles and can have a uniform particle diameter.
第二の粒子成長工程S22においては、第一の粒子成長用水溶液を液温25℃基準におけるpHが11.5〜12.0、好ましくは11.5〜11.8の範囲となるように制御する必要がある。非酸化性雰囲気下で上記pHの範囲で粒子成長を起こさせるとベータ型構造の遷移金属複合水酸化物が優先的に生成するため、得られる遷移金属複合水酸化物は一段目の粒子成長工程で得られる一次粒子よりも大きな一次粒子からなる密な粒子であり、かつ粒径の揃ったものとすることができる。 In the second particle growth step S22, the pH of the first aqueous solution for particle growth is controlled so that the pH based on a liquid temperature of 25 ° C. is in the range of 11.5 to 12.0, preferably 11.5 to 11.8. There is a need to. When particles are grown in the above pH range in a non-oxidizing atmosphere, a transition metal composite hydroxide having a beta structure is preferentially generated, and thus the obtained transition metal composite hydroxide is subjected to a first-stage particle growth process. These are dense particles composed of primary particles larger than the primary particles obtained in the above, and can be uniform in particle size.
核生成工程S10及び第一、第二の粒子成長工程S21、S22のいずれにおいても、pHの変動幅は、設定値の上下0.2以内とすることが好ましい。pHの変動幅が大きい場合、核生成と粒子成長が一定とならず、粒度分布の範囲の狭い均一な遷移金属複合水酸化物が得られない場合がある。 In both the nucleation step S10 and the first and second particle growth steps S21 and S22, it is preferable that the fluctuation range of the pH is within 0.2 of the set value. When the fluctuation range of the pH is large, nucleation and particle growth are not constant, and a uniform transition metal composite hydroxide having a narrow particle size distribution range may not be obtained.
(反応雰囲気の制御)
本発明の一実施形態に係る遷移金属複合水酸化物の粒子構造は、核生成工程S10及び第一の粒子成長工程S21及び第二の粒子成長工程S22における反応雰囲気によって制御される。
(Control of reaction atmosphere)
The particle structure of the transition metal composite hydroxide according to one embodiment of the present invention is controlled by the reaction atmosphere in the nucleation step S10, the first particle growth step S21, and the second particle growth step S22.
核生成工程S10及び第一の粒子成長工程S21の初期における反応雰囲気を酸化性雰囲気に制御することにより、微細一次粒子からなる中心部を低密度のものとすることができる。具体的には、上記核生成工程S10及び第一の粒子成長工程S21の酸化性雰囲気は、反応槽内空間部の酸素濃度を10容量%以上、好ましくは20容量%以上とする。特に、制御が容易な大気雰囲気(酸素濃度:21容量%)とすることが好ましい。酸素濃度が10容量%を超える雰囲気とすることで、一次粒子の平均粒径を0.01〜0.3μmと微細なものにすることができる。一方、酸素濃度が10容量%以下では、中心部の一次粒子の平均粒径が0.3μmを超えることがある。酸素濃度の上限は、特に限定されるものではないが、30容量%を超えると、上記一次粒子の平均粒径が0.01μm未満となる場合があり、好ましくない。 By controlling the reaction atmosphere in the initial stage of the nucleation step S10 and the first particle growth step S21 to an oxidizing atmosphere, the central portion composed of fine primary particles can have a low density. Specifically, in the oxidizing atmosphere in the nucleation step S10 and the first particle growth step S21, the oxygen concentration in the space inside the reaction tank is 10% by volume or more, preferably 20% by volume or more. In particular, it is preferable that the atmosphere be easy to control (oxygen concentration: 21% by volume). By setting the atmosphere in which the oxygen concentration exceeds 10% by volume, the average particle size of the primary particles can be as fine as 0.01 to 0.3 μm. On the other hand, when the oxygen concentration is 10% by volume or less, the average particle size of the primary particles in the central portion may exceed 0.3 μm. The upper limit of the oxygen concentration is not particularly limited, but if it exceeds 30% by volume, the average particle size of the primary particles may be less than 0.01 μm, which is not preferable.
一方、第二の粒子成長工程S22中の反応槽内の雰囲気を非酸化性雰囲気に制御した場合、遷移金属複合水酸化物を形成する一次粒子の成長が促進され、一次粒子が大きく緻密で、粒径が適度に大きな二次粒子が形成される。特に、酸素濃度が1容量%以下、好ましくは0.5容量%以下、より好ましくは0.3容量%以下の非酸化性雰囲気とすることで、比較的大きな一次粒子が生成し凝集することにより粒子成長が促進され、緻密で適度に大きな外周部を有する遷移金属複合水酸化物を得ることができる。 On the other hand, when the atmosphere in the reaction tank during the second particle growth step S22 is controlled to a non-oxidizing atmosphere, the growth of the primary particles forming the transition metal composite hydroxide is promoted, and the primary particles are large and dense. Secondary particles having an appropriately large particle size are formed. In particular, by setting the oxygen concentration to 1% by volume or less, preferably 0.5% by volume or less, more preferably 0.3% by volume or less in a non-oxidizing atmosphere, relatively large primary particles are generated and aggregated. Particle growth is promoted, and a transition metal composite hydroxide having a dense and moderately large outer peripheral portion can be obtained.
このような雰囲気に反応槽内空間部を保つための手段としては、窒素などの不活性ガスを反応槽内空間部へ流通させること、さらには反応液中に不活性ガスをバブリングさせることがあげられる。 Means for keeping the reaction vessel space in such an atmosphere include flowing an inert gas such as nitrogen to the reaction vessel space, and bubbling the inert gas into the reaction solution. Can be
上記第二の粒子成長工程S22における雰囲気の切り替えは、最終的に得られる正極活物質において、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が得られるように、遷移金属複合水酸化物の中心部の大きさを考慮して、そのタイミングが決定される。例えば、第一と第二の粒子成長工程S21、S22の全体の時間に対して、第一の粒子成長工程S21が第一の粒子成長工程S21開始時から0〜40%の範囲で行うことが好ましく、0〜30%の範囲で行うことがより好ましく、0〜25%の範囲で行うことがさらに好ましい。第一及び第二の粒子成長工程S21、S22の全体の時間に対して40%を超える時点で切り替えを行うと、形成される中心部が大きくなり、上記二次粒子の粒径に対する外殻部の厚さが薄くなり過ぎる。一方、第二の粒子成長工程S22の開始前、すなわち、核生成工程S10中に第二の粒子成長工程S22へと切り替えを行うと、中心部が小さくなりすぎるか、上述した中心部と外周部からなる二層構造を有する二次粒子が形成されない。 The switching of the atmosphere in the second particle growth step S22 is performed such that a transition metal composite hydroxide is formed in the finally obtained positive electrode active material so as to obtain a hollow portion where fine particles are not generated and cycle characteristics are not deteriorated. The timing is determined in consideration of the size of the central portion of. For example, the first particle growth step S21 may be performed in a range of 0 to 40% from the start of the first particle growth step S21 with respect to the entire time of the first and second particle growth steps S21 and S22. Preferably, the reaction is performed in the range of 0 to 30%, more preferably, in the range of 0 to 25%. If the switching is performed at a time point exceeding 40% of the total time of the first and second particle growth steps S21 and S22, the formed central part becomes large, and the outer shell part with respect to the particle diameter of the secondary particles is increased. Is too thin. On the other hand, if the switching to the second particle growth step S22 is performed before the start of the second particle growth step S22, that is, during the nucleation step S10, the central portion becomes too small or the above-described central portion and outer peripheral portion are reduced. No secondary particles having a two-layer structure consisting of
(遷移金属化合物)
遷移金属化合物としては、目的とする遷移金属を含有する化合物を用いる。使用する化合物は、水溶性の化合物を用いることが好ましく、硝酸塩、硫酸塩、塩酸塩などがあげられる。例えば、ニッケル、コバルト、マンガンの金属化合物としては硫酸ニッケル、硫酸マンガン、硫酸コバルトが好ましく用いられる。
(Transition metal compound)
As the transition metal compound, a compound containing a target transition metal is used. As the compound to be used, a water-soluble compound is preferably used, and examples thereof include a nitrate, a sulfate and a hydrochloride. For example, as a metal compound of nickel, cobalt, and manganese, nickel sulfate, manganese sulfate, and cobalt sulfate are preferably used.
(添加元素)
添加元素(Al、Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、Wから選択される1種以上の元素)は、水溶性の化合物を用いることが好ましく、例えば、硫酸チタン、ペルオキソチタン酸アンモニウム、シュウ酸チタンカリウム、硫酸バナジウム、バナジン酸アンモニウム、硫酸クロム、クロム酸カリウム、硫酸ジルコニウム、硝酸ジルコニウム、シュウ酸ニオブ、モリブデン酸アンモニウム、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用いることができる。
(Additive element)
As the additional element (at least one element selected from Al, Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, and W), it is preferable to use a water-soluble compound, for example, titanium sulfate, peroxo. Ammonium titanate, titanium potassium oxalate, vanadium sulfate, ammonium vanadate, chromium sulfate, potassium chromate, zirconium sulfate, zirconium nitrate, niobium oxalate, ammonium molybdate, sodium tungstate, ammonium tungstate can be used. .
係る添加元素を複合水酸化物の内部に均一に分散させる場合には、上記核生成工程S10及び第一及び第二の粒子成長工程S21、S22において、核生成用水溶液、核を含有する粒子成長用水溶液、第一の粒子成長用水溶液又は第二の粒子成長用水溶液に、上記1種以上の添加元素を含む塩を溶解させた水溶液を添加して、又は、上記1種以上の添加元素を含む塩を溶解させた水溶液と上記水溶液とを同時に晶析槽中に給液して、複合水酸化物の内部に添加元素を均一に分散させた状態で共沈させることできる。 When such an additive element is uniformly dispersed inside the composite hydroxide, in the nucleation step S10 and the first and second particle growth steps S21 and S22, an aqueous solution for nucleation and particle growth containing nuclei are used. An aqueous solution in which a salt containing the one or more additional elements is dissolved, or an aqueous solution for dissolving the salt containing the one or more additional elements, or the one or more additional elements The aqueous solution in which the salt is dissolved and the above aqueous solution are simultaneously supplied into the crystallization tank, and the added element can be co-precipitated in a state where the added element is uniformly dispersed inside the composite hydroxide.
また、上記複合水酸化物の表面を添加元素で被覆する場合には、例えば、添加元素を含んだ水溶液で当該複合水酸化物をスラリー化し、所定のpHとなるように制御しつつ、上記1種以上の添加元素を含む水溶液を添加して、晶析反応により添加元素を複合水酸化物表面に析出させれば、その表面を添加元素で均一に被覆することができる。この場合、添加元素を含んだ水溶液に替えて、添加元素のアルコキシド溶液を用いてもよい。さらに、上記複合水酸化物に対して、添加元素を含んだ水溶液あるいはスラリーを吹き付けて乾燥させることによっても、複合水酸化物の表面を添加元素で被覆することができる。また、複合水酸化物と上記1種以上の添加元素を含む塩が懸濁したスラリーを噴霧乾燥させる、あるいは複合水酸化物と上記1種以上の添加元素を含む塩を固相法で混合するなどの方法により被覆することができる。 When the surface of the composite hydroxide is coated with the additional element, for example, the composite hydroxide is slurried with an aqueous solution containing the additional element, and the slurry is controlled so as to have a predetermined pH. If an aqueous solution containing at least one or more additional elements is added and the additional elements are precipitated on the surface of the composite hydroxide by a crystallization reaction, the surface can be uniformly coated with the additional elements. In this case, an alkoxide solution of the additive element may be used instead of the aqueous solution containing the additive element. Furthermore, the surface of the composite hydroxide can also be coated with the additional element by spraying an aqueous solution or slurry containing the additional element on the composite hydroxide and drying. Further, a slurry in which the composite hydroxide and the salt containing the one or more additional elements are suspended is spray-dried, or the composite hydroxide and the salt containing the one or more additional elements are mixed by a solid phase method. And the like.
なお、表面を添加元素で被覆する場合、混合水溶液中に存在する添加元素イオンの原子数比を被覆する量だけ少なくしておくことで、得られる複合水酸化物の金属イオンの原子数比と一致させることができる。また、粒子の表面を添加元素で被覆する工程は、遷移金属複合水酸化物を熱処理した後の粒子に対して行ってもよい。 When the surface is coated with the additional element, the atomic ratio of the additional element ions present in the mixed aqueous solution is reduced by the amount to be coated, so that the atomic ratio of the metal ions of the obtained composite hydroxide is reduced. Can be matched. The step of coating the surface of the particles with the additional element may be performed on the particles after the heat treatment of the transition metal composite hydroxide.
(原料水溶液の濃度)
遷移金属原料水溶液の濃度は、遷移金属化合物の合計物質量で好ましくは1〜2.6mol/L、より好ましくは1.5〜2.4mol/L、さらに好ましくは1.8〜2.2mol/Lとする。遷移金属原料水溶液の濃度が1mol/L未満では、反応槽体積当たりの遷移金属複合水酸化物の生産量が少なくなるために生産性が低下して好ましくない。一方、遷移金属原料水溶液の塩濃度が2.6mol/Lを超えると、遷移金属原料水溶液の液温が低い場合に配管内で凍結して配管を詰まらせるなどの危険があるため、配管の保温もしくは加温する必要があり、コストがかかる。
(Concentration of raw material aqueous solution)
The concentration of the transition metal raw material aqueous solution is preferably 1 to 2.6 mol / L, more preferably 1.5 to 2.4 mol / L, and still more preferably 1.8 to 2.2 mol / L in terms of the total amount of the transition metal compound. L. When the concentration of the aqueous solution of the transition metal raw material is less than 1 mol / L, the productivity of the transition metal composite hydroxide per volume of the reaction vessel decreases, which is not preferable because the productivity decreases. On the other hand, if the salt concentration of the transition metal raw material aqueous solution exceeds 2.6 mol / L, there is a risk that the transition metal raw material aqueous solution may freeze in the pipe and clog the pipe when the liquid temperature is low. Alternatively, it is necessary to heat, which is costly.
また、遷移金属化合物は、必ずしも遷移金属原料水溶液として反応槽に供給しなくてもよく、例えば、混合すると反応して化合物が生成される遷移金属化合物を用いる場合、全遷移金属化合物水溶液の合計の濃度が上記範囲となるように、個別に金属化合物水溶液を調製して、個々の金属化合物の水溶液として所定の割合で同時に反応槽内に供給してもよい。 In addition, the transition metal compound does not necessarily need to be supplied to the reaction tank as a transition metal raw material aqueous solution.For example, when a transition metal compound that reacts to produce a compound when mixed is used, the total of the total transition metal compound aqueous solution is used. An aqueous solution of a metal compound may be individually prepared so that the concentration falls within the above range, and the aqueous solution of each metal compound may be simultaneously supplied to the reaction vessel at a predetermined ratio as an aqueous solution.
さらに、遷移金属原料水溶液や個々の金属化合物の水溶液を反応槽に供給する量は、晶析反応を終えた時点での遷移金属複合水酸化物のスラリー濃度が、概ね30〜250g/L、好ましくは80〜150g/Lになるようにすることが好ましい。スラリー濃度が30g/L未満の場合には、一次粒子の凝集が不十分になることがあり、250g/Lを超える場合には、添加する混合水溶液の反応槽内での拡散が十分でなく、粒子成長に偏りが生じることがあるからである。 Further, the amount of the aqueous solution of the transition metal raw material or the aqueous solution of each metal compound to be supplied to the reaction tank is preferably such that the slurry concentration of the transition metal composite hydroxide at the time of completion of the crystallization reaction is approximately 30 to 250 g / L. Is preferably 80 to 150 g / L. When the slurry concentration is less than 30 g / L, the aggregation of the primary particles may be insufficient. When the slurry concentration is more than 250 g / L, the diffusion of the added mixed aqueous solution in the reaction tank is not sufficient, This is because there is a case where the grain growth is biased.
(錯化剤)
上記遷移複合水酸化物の製造方法においては、非還元性錯化剤を用いることが好ましい。還元性のある錯化剤を用いると、反応水溶液中でのマンガンの溶解度が大きくなり過ぎ、高いタップ密度の遷移金属複合水酸化物が得られない。非還元性錯化剤は、特に限定されるものではなく、水溶液中でニッケルイオン、コバルトイオン及びマンガンイオンと結合して錯体を形成可能なものであればよい。例えば、アンモニウムイオン供給体、エチレンジアミン四酢酸、ニトリト三酢酸、ウラシル二酢酸及びグリシンなどが挙げられる。
(Complexing agent)
In the method for producing a transition composite hydroxide, it is preferable to use a non-reducing complexing agent. If a reducing complexing agent is used, the solubility of manganese in the reaction aqueous solution becomes too large, and a transition metal composite hydroxide having a high tap density cannot be obtained. The non-reducing complexing agent is not particularly limited, and may be any as long as it can form a complex by binding to nickel, cobalt, and manganese ions in an aqueous solution. For example, an ammonium ion donor, ethylenediaminetetraacetic acid, nitrite triacetic acid, uracil diacetate, glycine and the like can be mentioned.
アンモニウムイオン供給体については、特に限定されないが、例えば、アンモニア、硫酸アンモニウム、塩化アンモニウム、炭酸アンモニウム、フッ化アンモニウムなどを使用することができる。 The ammonium ion donor is not particularly limited, but for example, ammonia, ammonium sulfate, ammonium chloride, ammonium carbonate, ammonium fluoride, and the like can be used.
(アンモニア濃度)
反応水溶液中のアンモニア濃度は、好ましくは3〜25g/L、より好ましくは5〜20g/L、さらに好ましくは5〜15g/Lの範囲内で一定値に保持する。
(Ammonia concentration)
The ammonia concentration in the reaction aqueous solution is maintained at a constant value within a range of preferably 3 to 25 g / L, more preferably 5 to 20 g / L, and still more preferably 5 to 15 g / L.
アンモニアはアンモニウムイオンとなって遷移金属元素の錯化剤として作用するため、アンモニア濃度が3g/L未満であると、遷移金属イオンの溶解度を一定に保持することができず、形状及び粒径が整った板状の水酸化物一次粒子が形成されず、ゲル状の核が生成しやすいため粒度分布も広がりやすい。 Ammonia becomes an ammonium ion and acts as a complexing agent for the transition metal element. If the ammonia concentration is less than 3 g / L, the solubility of the transition metal ion cannot be kept constant, and the shape and the particle size are reduced. Well-shaped plate-like hydroxide primary particles are not formed, and a gel-like nucleus is easily formed.
一方、上記アンモニア濃度が25g/Lを超える濃度では、遷移金属イオンの溶解度が大きく、水酸化物が緻密に形成されるため、最終的に得られるリチウムイオン二次電池用正極活物質も緻密な構造になり、粒径が小さく、比表面積も低くなることがある。また、遷移金属イオンの溶解度が大きくなり過ぎると、反応水溶液中に残存する遷移金属イオン量が増えて、各遷移金属元素の物質量比のずれなどが起きる。 On the other hand, when the ammonia concentration exceeds 25 g / L, the solubility of the transition metal ion is large, and the hydroxide is densely formed. Therefore, the finally obtained positive electrode active material for a lithium ion secondary battery is also dense. It may have a structure, a small particle size, and a low specific surface area. Further, when the solubility of the transition metal ion becomes too large, the amount of the transition metal ion remaining in the reaction aqueous solution increases, and a shift in the substance ratio of each transition metal element occurs.
また、アンモニア濃度が変動すると、遷移金属イオンの溶解度が変動し、均一な水酸化物が形成されないため、反応水溶液中のアンモニア濃度は一定値に保持することが好ましい。例えば、アンモニア濃度は、上限と下限の幅を5g/L程度として所望の濃度に保持することが好ましい。 Further, when the ammonia concentration fluctuates, the solubility of the transition metal ion fluctuates and a uniform hydroxide is not formed. Therefore, the ammonia concentration in the reaction aqueous solution is preferably maintained at a constant value. For example, it is preferable that the ammonia concentration is maintained at a desired concentration by setting the range between the upper limit and the lower limit to about 5 g / L.
(反応液温度)
反応槽内において、反応液の温度は、好ましくは20〜60℃、より好ましくは35〜60℃に設定する。反応液の温度が20℃未満の場合、遷移金属イオンの溶解度が低いため核発生が起こりやすく制御が難しくなる。一方、60℃を超えると、アンモニアの揮発が促進されるため、所定のアンモニア濃度を保つために、過剰のアンモニウムイオン供給体を添加しなければならならず、コスト高となる。
(Reaction liquid temperature)
In the reaction tank, the temperature of the reaction solution is preferably set at 20 to 60 ° C, more preferably 35 to 60 ° C. When the temperature of the reaction solution is lower than 20 ° C., nucleation is likely to occur due to low solubility of the transition metal ion, and control becomes difficult. On the other hand, when the temperature exceeds 60 ° C., the volatilization of ammonia is promoted, so that an excessive amount of ammonium ion donor must be added to maintain a predetermined ammonia concentration, which increases the cost.
(アルカリ水溶液)
反応水溶液中のpHを調整するアルカリ水溶液については、特に限定されるものではなく、例えば、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムなどのアルカリ金属水酸化物水溶液を用いることができる。かかるアルカリ金属水酸化物の場合、直接、反応水溶液中に供給してもよいが、反応槽内における反応水溶液のpH制御の容易さから、水溶液として反応槽内の水溶液に添加することが好ましい。
(Alkaline aqueous solution)
The alkaline aqueous solution for adjusting the pH in the reaction aqueous solution is not particularly limited, and for example, an aqueous solution of an alkali metal hydroxide such as sodium hydroxide or potassium hydroxide can be used. In the case of such an alkali metal hydroxide, it may be supplied directly to the reaction aqueous solution, but it is preferable to add the alkali metal hydroxide as an aqueous solution to the aqueous solution in the reaction tank because of easy pH control of the reaction aqueous solution in the reaction tank.
また、アルカリ水溶液を反応槽に添加する方法についても、特に限定されるものではなく、反応水溶液を十分に攪拌しながら、定量ポンプなど、流量制御が可能なポンプで、反応水溶液のpHが所定の範囲に保持されるように、添加すればよい。 The method of adding the alkaline aqueous solution to the reaction vessel is not particularly limited, and the pH of the reaction aqueous solution is controlled to a predetermined value by a pump capable of controlling the flow rate, such as a metering pump, while sufficiently stirring the reaction aqueous solution. What is necessary is just to add so that it may be maintained in the range.
(製造設備)
本発明の一実施形態に係る遷移金属複合水酸化物の製造方法では、反応が完了するまで生成物を回収しないバッチ式の装置を用いる。例えば、撹拌機を設置したバッチ晶析反応槽などである。かかる装置を採用すると、一般的なオーバーフローによって生成物を回収する連続晶析装置のように、成長中の粒子がオーバーフロー液と同時に回収されるという問題が生じないため、粒度分布が狭く粒径の揃った粒子を得ることができる。
(production equipment)
In the method for producing a transition metal composite hydroxide according to one embodiment of the present invention, a batch-type apparatus that does not collect products until the reaction is completed is used. For example, a batch crystallization reaction tank equipped with a stirrer is used. When such an apparatus is employed, there is no problem that the growing particles are collected at the same time as the overflow liquid, unlike a continuous crystallization apparatus that collects a product by a general overflow. Uniform particles can be obtained.
また、反応雰囲気を制御する必要があるため、密閉式の装置などの雰囲気制御可能な装置を用いる。このような装置を用いることで、得られる複合水酸化物を上記構造のものとすることができるとともに、核生成反応や粒子成長反応をほぼ均一に進めることができるので、粒径分布の優れた粒子、すなわち粒度分布の範囲の狭い粒子を得ることができる。 Further, since it is necessary to control the reaction atmosphere, a device capable of controlling the atmosphere such as a closed type device is used. By using such an apparatus, the obtained composite hydroxide can have the above structure, and the nucleation reaction and the particle growth reaction can proceed almost uniformly, so that the particle size distribution is excellent. Particles, that is, particles with a narrow range of particle size distribution, can be obtained.
上述した工程を経て得られた遷移金属複合水酸化物は、結晶構造が異なる中心部と外周部からなる二層構造であり、上記中心部は、遷移金属水酸化物の結晶層間に水分子が挿入されたアルファ型遷移金属水酸化物からなり、上記外周部は遷移金属複合水酸化物の結晶層間に水分子を含まないベータ型遷移金属水酸化物からなることを特徴とする。 The transition metal composite hydroxide obtained through the above-described steps has a two-layer structure including a central portion and an outer peripheral portion having different crystal structures, and the central portion has water molecules between crystal layers of the transition metal hydroxide. It is characterized by comprising an inserted alpha-type transition metal hydroxide, wherein the outer peripheral portion comprises a beta-type transition metal hydroxide containing no water molecules between crystal layers of the transition metal composite hydroxide.
以上より、本発明の一実施形態に係る遷移金属複合水酸化物の製造方法によれば、従来に比して吸油量が高く、優れた出力特性を発現しうる遷移金属複合水酸化物を提供することすることができる。 As described above, according to the method for producing a transition metal composite hydroxide according to one embodiment of the present invention, there is provided a transition metal composite hydroxide that has a higher oil absorption compared to the conventional art and can exhibit excellent output characteristics. Can be done.
<3.リチウム遷移金属複合酸化物活物質>
本発明の一実施形態に係るリチウム遷移金属複合酸化物活物質は、リチウムイオン二次電池に用いられる。また、上記リチウム遷移金属複合酸化物活物質の粒子の中心が空間である中空部と、当該中空部を覆う外殻部からなり、上記リチウム遷移金属複合酸化物は、少なくともニッケルを遷移金属の一つとして含む、α−NaFeO2型結晶構造であることを特徴とする。
<3. Lithium transition metal composite oxide active material>
The lithium transition metal composite oxide active material according to one embodiment of the present invention is used for a lithium ion secondary battery. Further, the lithium transition metal composite oxide active material includes a hollow portion in which the center of the particles of the active material is a space, and an outer shell portion covering the hollow portion. The lithium transition metal composite oxide includes at least nickel as one of transition metals. It is characterized by having an α-NaFeO 2 type crystal structure.
(組成)
本発明の一実施形態に係るリチウム遷移金属複合酸化物活物質は、正極活物質であるが、その組成が、一般式:Li1+sNixCoyMnzAtO2(−0.05≦s≦0.50、x+y+z+t=1、0.3≦x≦0.7、0.1≦y≦0.4、0.1≦z≦0.4、0<t≦0.1、Aは、Al、Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、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されることが好ましい。
(composition)
Lithium transition metal composite oxide active material according to an embodiment of the present invention is a positive electrode active material, the composition has the general formula: Li 1 + s Ni x Co y Mn z A t O 2 (-0.05 ≦ s ≦ 0.50, x + y + z + t = 1, 0.3 ≦ x ≦ 0.7, 0.1 ≦ y ≦ 0.4, 0.1 ≦ z ≦ 0.4, 0 <t ≦ 0.1, A is preferably adjusted so as to be represented by Al, Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, or W).
本発明の一実施形態に係るリチウム遷移金属複合酸化物活物質において、リチウムの過剰量を示すsの値は、−0.05から0.50までの範囲である。リチウムの過剰量sが−0.05未満の場合、得られたリチウム遷移金属複合酸化物活物質を用いたリチウムイオン二次電池における正極の反応抵抗が大きくなるため、電池の出力が低くなってしまう場合がある。一方、リチウムの過剰量sが0.50を超える場合、上記リチウム遷移金属複合酸化物活物質を電池の正極に用いた場合の初期放電容量が低下するとともに、正極の反応抵抗も増加してしまう場合がある。 In the lithium transition metal composite oxide active material according to one embodiment of the present invention, the value of s indicating the excess amount of lithium is in a range from −0.05 to 0.50. When the excess amount s of lithium is less than -0.05, the reaction resistance of the positive electrode in the lithium ion secondary battery using the obtained lithium transition metal composite oxide active material increases, and the output of the battery decreases. In some cases. On the other hand, when the excess amount s of lithium exceeds 0.50, the initial discharge capacity when the lithium transition metal composite oxide active material is used for the positive electrode of a battery decreases, and the reaction resistance of the positive electrode also increases. There are cases.
なお、当該反応抵抗をより低減させるためには、リチウムの過剰量sは、0以上とすることが好ましく、0以上0.35以下とすることがより好ましく、0以上0.20以下とすることがさらに好ましい。なお、上記一般式におけるニッケルの含有量を示すxが0.7以下、かつ、yが0.1以上の場合には、高容量化の観点から、リチウム過剰量sは0.10以上とすることがより好ましい。 In order to further reduce the reaction resistance, the excess amount s of lithium is preferably 0 or more, more preferably 0 or more and 0.35 or less, and 0 or more and 0.20 or less. Is more preferred. When x representing the nickel content in the above general formula is 0.7 or less and y is 0.1 or more, the lithium excess amount s is 0.10 or more from the viewpoint of increasing the capacity. Is more preferable.
コバルトの含有量を示すyの値は0.1以上0.4以下とする。yの値が、このような範囲にある場合、正極活物質として用いたときの二次電池の充放電容量とサイクル特性、安全性を高いレベルで両立させることが出来る。 The value of y indicating the content of cobalt is 0.1 or more and 0.4 or less. When the value of y is in such a range, the charge / discharge capacity, cycle characteristics, and safety of the secondary battery when used as a positive electrode active material can be compatible at a high level.
マンガンの含有量を示すzの値は0.1以上0.4以下とする。zの値が、このような範囲にある場合、前駆体である遷移金属複合水酸化物が、微細一次粒子からなる中心部と中心部の外側に該微細一次粒子よりも大きな一次粒子からなる外殻部を有する構造となる場合がある。マンガンの含有量が0.4を超える場合には、正極活物質として用いた電池の容量が低下し、抵抗が上昇するという問題がある。 The value of z indicating the manganese content is 0.1 or more and 0.4 or less. When the value of z is in such a range, the transition metal composite hydroxide as a precursor has a central part composed of fine primary particles and an outer part composed of primary particles larger than the fine primary particles outside the central part. In some cases, the structure may have a shell. When the manganese content exceeds 0.4, there is a problem that the capacity of the battery used as the positive electrode active material decreases and the resistance increases.
また、上記一般式で表されるように、本発明の一実施形態に係るリチウム遷移金属複合酸化物活物質は、添加元素を含有するように調整されていることが、より好ましい。上記添加元素を含有させることで、これを正極活物質として用いた電池の耐久特性や出力特性を向上させることができる。 Further, as represented by the above general formula, it is more preferable that the lithium transition metal composite oxide active material according to one embodiment of the present invention is adjusted to contain an additional element. By including the above-mentioned additional element, it is possible to improve the durability characteristics and output characteristics of a battery using the same as the positive electrode active material.
特に、添加元素が粒子の表面または内部に均一に分布することで、粒子全体で上記効果を得ることができ、少量の添加で上記効果が得られるとともに容量の低下を抑制できる。 In particular, when the additive element is uniformly distributed on the surface or inside of the particle, the above effect can be obtained in the whole particle, and the above effect can be obtained with a small amount of addition, and a decrease in capacity can be suppressed.
さらに、より少ない添加量で効果を得るためには、粒子内部より粒子表面における添加元素の濃度を高めることが好ましい。 Further, in order to obtain an effect with a smaller addition amount, it is preferable to increase the concentration of the added element on the particle surface rather than on the inside of the particle.
全原子に対する添加元素Aの原子数比tが0.1を超えると、Redox反応に貢献する金属元素が減少するため、電池容量が低下するため好ましくない。したがって、添加元素Mは、上記原子数比tで上記範囲となるように調整する。 If the atomic ratio t of the additional element A to all atoms exceeds 0.1, the amount of metal elements contributing to the Redox reaction decreases, which is not preferable because the battery capacity decreases. Therefore, the additive element M is adjusted so that the above atomic ratio t falls within the above range.
(平均粒径)
本発明の一実施形態に係るリチウム遷移金属複合酸化物活物質は、平均粒径が1μmを超え、15μm以下であり、好ましくは3μmを超え、10μm以下が好ましい。平均粒径が5μm以下の場合には、タップ密度が低下して、正極を形成したときに粒子の充填密度が低下して、正極の容積あたりの電池容量が低下する場合がある。一方、平均粒径が15μmを超えると、リチウム遷移金属複合酸化物活物質の比表面積が低下して、電池の電解液との界面が減少することにより、正極の抵抗が上昇して電池の出力特性が低下する場合がある。
(Average particle size)
The lithium transition metal composite oxide active material according to one embodiment of the present invention has an average particle size of more than 1 μm and 15 μm or less, preferably more than 3 μm and preferably 10 μm or less. When the average particle size is 5 μm or less, the tap density may decrease, and when the positive electrode is formed, the packing density of the particles may decrease, and the battery capacity per positive electrode volume may decrease. On the other hand, if the average particle size exceeds 15 μm, the specific surface area of the lithium transition metal composite oxide active material decreases, and the interface with the electrolyte of the battery decreases. The characteristics may deteriorate.
従って、本発明の一実施形態に係るリチウム遷移金属複合酸化物活物質を、上記範囲に調整すれば、このリチウム遷移金属複合酸化物活物質の正極活物質を正極に用いた電池では、容積あたりの電池容量を大きくすることができるとともに、高安全性、高出力などに優れた電池特性が得られる。 Therefore, if the lithium transition metal composite oxide active material according to one embodiment of the present invention is adjusted to the above range, in a battery using the positive electrode active material of the lithium transition metal composite oxide active material for the positive electrode, Battery capacity can be increased, and excellent battery characteristics such as high safety and high output can be obtained.
(粒度分布)
本発明の一実施形態に係るリチウム遷移金属複合酸化物活物質は、その粒度分布の広がりを示す指標である〔(D90−D10)/平均粒径〕が、1.0以下、好ましくは0.70以下である、きわめて均質性が高いリチウム遷移金属複合酸化物の二次粒子により構成されることが好ましい。粒度分布が広範囲になっている場合、正極活物質に、平均粒径に対して粒径が非常に小さい微粒子や、平均粒径に対して非常に粒径の大きい粗大粒子が多く存在することになる場合がある。微粒子が多く存在する正極活物質を用いて正極を形成した場合には、微粒子の局所的な反応に起因して発熱する可能性があり、安全性が低下するとともに、微粒子が選択的に劣化するのでサイクル特性が悪化してしまう。一方、粗大粒子が多く存在するリチウム遷移金属複合酸化物活物質を用いて正極を形成した場合には、電解液と正極活物質との反応面積が十分に取れず、反応抵抗の増加による電池出力が低下する。
(Particle size distribution)
The lithium transition metal composite oxide active material according to one embodiment of the present invention has an index [(D90-D10) / average particle diameter] of 1.0 or less, preferably 0.1, which is an index indicating the spread of the particle size distribution. It is preferable to be composed of secondary particles of lithium transition metal composite oxide having a very high homogeneity of 70 or less. When the particle size distribution is wide, the positive electrode active material contains many fine particles with a very small particle size with respect to the average particle size and many large particles with a very large particle size with respect to the average particle size. May be. When a positive electrode is formed using a positive electrode active material having a large amount of fine particles, heat may be generated due to local reaction of the fine particles, which reduces safety and selectively deteriorates the fine particles. Therefore, the cycle characteristics deteriorate. On the other hand, when a positive electrode is formed using a lithium transition metal composite oxide active material having many coarse particles, the reaction area between the electrolyte and the positive electrode active material cannot be sufficiently obtained, and the battery output due to an increase in the reaction resistance is increased. Decrease.
従って、リチウム遷移金属複合酸化物活物質の粒度分布を上記指標〔(D90−D10)/平均粒径〕で0.70以下とすることで、微粒子や粗大粒子の割合を少なくすることができ、このリチウム遷移金属複合酸化物活物質を正極に用いた電池は、安全性に優れ、良好なサイクル特性及び電池出力を有するものとなる。上記平均粒径や、D90、D10は、上述した複合水酸化物に用いられているものと同様のものであり、測定も同様にして行うことができる。 Therefore, by setting the particle size distribution of the lithium transition metal composite oxide active material to 0.70 or less in the above index [(D90-D10) / average particle size], the ratio of fine particles and coarse particles can be reduced, A battery using the lithium transition metal composite oxide active material for the positive electrode has excellent safety, and has good cycle characteristics and battery output. The average particle diameter, D90 and D10 are the same as those used for the above-described composite hydroxide, and the measurement can be performed in the same manner.
なお、リチウム遷移金属複合酸化物活物質についても、前駆体である複合水酸化物と同様に、幅広い正規分布を有する正極活物質を分級して、粒度分布の狭い正極活物質を得ることが困難であることが確認されている。 Note that, similarly to the composite hydroxide as the precursor, it is difficult to classify a positive electrode active material having a wide normal distribution to obtain a positive electrode active material having a narrow particle size distribution also for the lithium transition metal composite oxide active material. Has been confirmed.
(タップ密度)
本発明の一実施形態に係るリチウム遷移金属複合酸化物活物質は、タッピングをしたときの充填密度の指標であるタップ密度が、1.0g/cm3以上であることが好ましく、1.3g/cm3以上であることがより好ましい。
(Tap density)
In the lithium transition metal composite oxide active material according to one embodiment of the present invention, the tap density, which is an index of the packing density when tapping is performed, is preferably 1.0 g / cm 3 or more, and is preferably 1.3 g / cm 3. cm 3 or more is more preferable.
民生向けや電気自動車向けでは電池の使用時間、走行可能距離を延ばすために高容量化が非常に重要な課題となっており、活物質自身の高容量化だけでなく、電極として活物質量を多く充填させることが求められている。一方、二次電池の電極厚みは、電池全体のパッキングの問題から、また電子伝導性の問題から数十ミクロン程度となっている。特に、タップ密度が1.0g/cm3未満になると、限られた電極体積内に入れられる活物質量が低下し、二次電池全体の容量を高容量とすることができない。 For consumers and electric vehicles, increasing the capacity of the battery is a very important issue in order to extend the operating time and the mileage of the battery.In addition to increasing the capacity of the active material itself, the amount of active material used as an electrode is also important. It is required to fill a large amount. On the other hand, the electrode thickness of the secondary battery is about several tens of microns due to the problem of packing of the whole battery and the problem of electron conductivity. In particular, when the tap density is less than 1.0 g / cm 3 , the amount of active material that can be put in a limited electrode volume decreases, and the capacity of the entire secondary battery cannot be increased.
なお、タップ密度の上限は、特に限定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程度である。 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 .
(特性)
上記リチウム遷移金属複合酸化物活物質は、例えば、2032型コイン電池の正極に用いた場合、150mAh/g以上の高い初期放電容量と、低い正極抵抗及び高いサイクル容量維持率が得られるものとなり、リチウムイオン二次電池用正極活物質として優れた特性を示すものである。
(Characteristic)
For example, when the lithium transition metal composite oxide active material is used for a positive electrode of a 2032 type coin battery, a high initial discharge capacity of 150 mAh / g or more, a low positive electrode resistance, and a high cycle capacity retention rate are obtained, It shows excellent characteristics as a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery.
以上より、本発明の一実施形態に係るリチウム遷移金属複合酸化物活物質によれば、リチウムイオン二次電池に用いると、従来に比して吸油量が高く、優れた出力特性を発現しうるリチウム遷移金属複合酸化物活物質を提供することができる。 As described above, according to the lithium transition metal composite oxide active material of one embodiment of the present invention, when used in a lithium ion secondary battery, the oil absorption is higher than in the past, and excellent output characteristics can be exhibited. A lithium transition metal composite oxide active material can be provided.
<4.リチウム遷移金属複合酸化物活物質の製造方法>
本発明の一実施形態に係るリチウム遷移金属複合酸化物活物質の製造方法は、上記平均粒径、粒度分布、粒子構造及び組成となるように正極活物質を製造できるのであれば、特に限定されないが、以下の方法を採用すれば、当該リチウム遷移金属複合酸化物活物質をより確実に製造できるので好ましい。
<4. Method for producing lithium transition metal composite oxide active material>
The method for producing a lithium transition metal composite oxide active material according to one embodiment of the present invention is not particularly limited as long as the positive electrode active material can be produced so as to have the above-described average particle diameter, particle size distribution, particle structure, and composition. However, it is preferable to employ the following method since the lithium transition metal composite oxide active material can be more reliably produced.
リチウム遷移金属複合酸化物活物質の製造方法は、原料となる遷移金属複合水酸化物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S40と、当該混合工程S40で形成された混合物を焼成する焼成工程S50を含むものであるが、混合工程S40の前に遷移金属複合水酸化物を熱処理する熱処理工程S30を加えてもよい。 The method for producing a lithium transition metal composite oxide active material includes a mixing step S40 of mixing a transition metal composite hydroxide as a raw material with a lithium compound to form a lithium mixture, and firing the mixture formed in the mixing step S40. Although the firing step S50 is included, a heat treatment step S30 of heat-treating the transition metal composite hydroxide may be added before the mixing step S40.
すなわち、本発明の一実施形態に係るリチウム遷移金属複合酸化物活物質の製造方法は、図2に示すように、遷移金属複合水酸化物を熱処理する熱処理工程S30と、熱処理後の粒子に対して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S40と、混合工程S40で形成された混合物を焼成する焼成工程S50を含むものとすることができ、リチウム遷移金属複合酸化物活物質を得る。以下、各工程を説明する。 That is, as shown in FIG. 2, the method for producing a lithium transition metal composite oxide active material according to one embodiment of the present invention includes a heat treatment step S30 of heat-treating a transition metal composite hydroxide, And a firing step S50 of firing the mixture formed in the mixing step S40 to obtain a lithium transition metal composite oxide active material. Hereinafter, each step will be described.
<4−1.熱処理工程>
熱処理工程S30は、上記遷移金属複合水酸化物の製造方法で得た遷移金属複合水酸化物を105〜750℃、好ましくは105〜400℃の温度に加熱して熱処理する工程である。この熱処理工程S30を行うことにより、複合水酸化物に含有されている水分を除去している。この熱処理工程S30を行うことによって、粒子中に焼成工程S50まで残留している水分を一定量まで減少させることができる。このため、得られる遷移金属酸化物活物質中の金属の原子数やリチウムの原子数の割合がばらつくことを防ぐことができる。
<4-1. Heat treatment process>
The heat treatment step S30 is a step of subjecting the transition metal composite hydroxide obtained by the above-described method for producing a transition metal composite hydroxide to a heat treatment at a temperature of 105 to 750 ° C, preferably 105 to 400 ° C. By performing the heat treatment step S30, moisture contained in the composite hydroxide is removed. By performing the heat treatment step S30, the moisture remaining in the particles up to the firing step S50 can be reduced to a certain amount. For this reason, it is possible to prevent the ratio of the number of metal atoms and the ratio of lithium atoms in the obtained transition metal oxide active material from varying.
なお、遷移金属酸化物活物質中の金属の原子数やリチウム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、必ずしもすべての複合水酸化物を遷移金属複合酸化物に転換する必要はなく、400℃以下の温度で熱処理すれば十分であるが、ばらつきをより少なくするためには、加熱温度を400℃以上として、すべての複合水酸化物を複合酸化物に転換すればよい。後工程である焼成工程S50においても、加熱中に複合酸化物に転換されるが、熱処理により上記ばらつきをより少なく抑制できる。 Note that it is only necessary to remove water to such an extent that there is no variation in the number of metal atoms or the ratio of lithium atoms in the transition metal oxide active material. It is not necessary to perform heat treatment at a temperature of 400 ° C. or less, but it is sufficient to reduce the variation by setting the heating temperature to 400 ° C. or more and converting all the composite hydroxides to composite oxides. Good. In the post-firing step S50 also, the oxide is converted into the composite oxide during heating, but the above-mentioned variation can be suppressed to a lesser extent by heat treatment.
熱処理工程S30において、加熱温度が105℃未満の場合、複合水酸化物中の余剰水分が除去できず、上記ばらつきを抑制することができないことがある。一方、加熱温度が750℃を超えると、熱処理により粒子が焼結して均一な粒径の複合酸化物が得られない。熱処理条件による複合水酸化物中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比を決めておくことで、上記ばらつきを抑制することができる。 In the heat treatment step S30, when the heating temperature is lower than 105 ° C., the excess water in the composite hydroxide cannot be removed, and the above-described variation may not be able to be suppressed. On the other hand, when the heating temperature exceeds 750 ° C., the particles are sintered by the heat treatment, and a composite oxide having a uniform particle size cannot be obtained. The above-mentioned variation can be suppressed by previously determining the metal component contained in the composite hydroxide under the heat treatment conditions by analysis and determining the ratio to the lithium compound.
熱処理を行う雰囲気は特に制限されるものではなく、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において行うことが好ましい。 The atmosphere in which the heat treatment is performed 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、1時間未満では複合水酸化物の余剰水分の除去が十分に行われない場合があるので、少なくとも1時間以上が好ましく、5〜15時間がより好ましい。 The heat treatment time is not particularly limited, but if it is less than 1 hour, excess water of the composite hydroxide may not be sufficiently removed in some cases. Therefore, it is preferably at least 1 hour or more, more preferably 5 to 15 hours.
そして、熱処理に用いられる設備は、特に限定されるものではなく、複合水酸化物を非還元性雰囲気中、好ましくは、空気気流中で加熱できるものであればよく、ガス発生がない電気炉などが好適に用いられる。 The equipment used for the heat treatment is not particularly limited, and may be any equipment capable of heating the composite hydroxide in a non-reducing atmosphere, preferably in an air stream, such as an electric furnace without gas generation. Is preferably used.
<4−2.混合工程>
混合工程S40は、遷移金属複合水酸化物、あるいは上記熱処理工程S30において熱処理された複合水酸化物(以下、「熱処理粒子」ということがある)などと、リチウムを含有する物質、例えば、リチウム化合物とを混合して、リチウム混合物を得る工程である。
<4-2. Mixing process>
The mixing step S40 includes a transition metal composite hydroxide or a composite hydroxide heat-treated in the heat treatment step S30 (hereinafter, sometimes referred to as “heat-treated particles”) and a substance containing lithium, for example, a lithium compound. And mixing to obtain a lithium mixture.
ここで、上記熱処理粒子には、熱処理工程S30において残留水分を除去された複合水酸化物のみならず、熱処理工程S30で酸化物に転換された複合酸化物、もしくはこれらの混合粒子も含まれる。 Here, the heat-treated particles include not only the composite hydroxide from which residual moisture has been removed in the heat treatment step S30, but also the composite oxide converted into an oxide in the heat treatment step S30, or a mixed particle thereof.
遷移金属複合水酸化物または熱処理粒子と、リチウム化合物とは、リチウム混合物中のリチウム以外の金属の原子数、すなわち、ニッケル、マンガン、コバルト及び添加元素の原子数の和(Me)と、リチウムの原子数(Li)との比(Li/Me)が、0.95〜1.5、好ましくは1〜1.35、より好ましくは1〜1.20となるように、混合される。すなわち、焼成工程S50前後でLi/Meは通常は変化しないので、この混合工程S40で混合するLi/Meが正極活物質におけるLi/Meとなるため、リチウム混合物におけるLi/Meが、得ようとする正極活物質におけるLi/Meと同じになるように混合される。 The transition metal composite hydroxide or the heat-treated particles and the lithium compound are the same as the number of atoms of metals other than lithium in the lithium mixture, that is, the sum of the numbers of atoms of nickel, manganese, cobalt, and additional elements (Me); They are mixed so that the ratio (Li / Me) to the number of atoms (Li) is 0.95 to 1.5, preferably 1 to 1.35, and more preferably 1 to 1.20. That is, since Li / Me does not usually change before and after the sintering step S50, Li / Me mixed in the mixing step S40 becomes Li / Me in the positive electrode active material, so that Li / Me in the lithium mixture may be obtained. And Li / Me in the positive electrode active material to be mixed.
リチウム混合物を形成するために使用されるリチウム化合物は、特に限定されるものではないが、例えば、水酸化リチウム、硝酸リチウム、炭酸リチウム、もしくはこれらの混合物が、入手が容易であるという点で好ましい。特に、取り扱いの容易さ、品質の安定性を考慮すると、水酸化リチウムまたは炭酸リチウムもしくはそれらの混合物を用いることがより好ましい。 The lithium compound used to form the lithium mixture is not particularly limited, but, for example, lithium hydroxide, lithium nitrate, lithium carbonate, or a mixture thereof is preferable in that it is easily available. . Particularly, considering ease of handling and stability of quality, it is more preferable to use lithium hydroxide or lithium carbonate or a mixture thereof.
なお、リチウム混合物は、焼成前に十分混合しておくことが好ましい。混合が十分でない場合には、個々の粒子間でLi/Meがばらつき、十分な電池特性が得られないなどの問題が生じる可能性がある。 It is preferable that the lithium mixture is sufficiently mixed before firing. When mixing is not sufficient, there is a possibility that Li / Me varies between individual particles, and problems such as insufficient battery characteristics can be obtained.
また、混合には、一般的な混合機を使用することができ、例えば、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、遷移金属複合水酸化物などの形骸が破壊されない程度で、複合酸化物または熱処理粒子と、リチウムを含有する物質とが十分に混合されればよい。 In addition, a general mixer can be used for mixing, for example, a shaker mixer, a Reedige mixer, a Julia mixer, a V blender, or the like can be used. It is sufficient that the composite oxide or the heat-treated particles and the substance containing lithium are sufficiently mixed.
<4−3.焼成工程>
焼成工程S50は、上記混合工程S40で得られたリチウム混合物を焼成して、リチウム遷移金属複合酸化物を形成する工程である。焼成工程S50においてリチウム混合物を焼成すると、遷移金属複合水酸化物、あるいは熱処理粒子に、リチウムを含有する物質中のリチウムが拡散するので、リチウム遷移金属複合酸化物が形成される。
<4-3. Firing process>
The firing step S50 is a step of firing the lithium mixture obtained in the mixing step S40 to form a lithium transition metal composite oxide. When the lithium mixture is fired in the firing step S50, lithium in the lithium-containing substance diffuses into the transition metal composite hydroxide or the heat-treated particles, so that a lithium transition metal composite oxide is formed.
(焼成温度)
リチウム混合物の焼成は、650〜1000℃で行われる。焼成温度が650℃未満であると、遷移金属複合酸化物中へのリチウムの拡散が十分でなく、余剰のリチウムと未反応の遷移金属複合酸化物が残ったり、あるいは結晶構造が十分整わなくなったりして、電池に用いられた場合に十分な電池特性が得られない。また、1000℃を超えるとリチウム遷移金属複合酸化物間で激しく焼結が生じるとともに、異常粒成長を生じることから粒子が粗大となり、球状二次粒子の形態を保持できなくなる。いずれの場合でも、電池容量が低下するばかりかでなく、正極抵抗の値も高くなってしまう。
(Firing temperature)
The calcination of the lithium mixture is performed at 650-1000 ° C. If the calcination temperature is lower than 650 ° C., diffusion of lithium into the transition metal composite oxide is not sufficient, and excess lithium and unreacted transition metal composite oxide remain or the crystal structure is not sufficiently prepared. As a result, when used for a battery, sufficient battery characteristics cannot be obtained. On the other hand, when the temperature exceeds 1000 ° C., severe sintering occurs between the lithium transition metal composite oxides and abnormal grain growth occurs, so that the grains become coarse and the form of spherical secondary particles cannot be maintained. In any case, not only does the battery capacity decrease, but also the value of the positive electrode resistance increases.
なお、焼成温度は800〜980℃とすることが好ましく、850〜950℃とすることがより好ましい。 The firing temperature is preferably from 800 to 980 ° C, more preferably from 850 to 950 ° C.
(焼成時間)
焼成時間のうち、所定温度での保持時間は、少なくとも1時間以上とすることが好ましく、2〜10時間とすることがより好ましい。1時間未満では、リチウム遷移金属複合酸化物の生成が十分に行われないことがある。
(Firing time)
Of the firing time, the holding time at the predetermined temperature is preferably at least one hour or more, more preferably 2 to 10 hours. If the time is less than 1 hour, the lithium transition metal composite oxide may not be sufficiently generated.
(仮焼)
特に、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した場合には、焼成工程S50の前に、焼成温度より低く、かつ、350〜800℃、好ましくは450〜780℃の温度に1〜10時間程度、好ましくは3〜6時間保持して仮焼することが好ましい。あるいは、焼成温度に達するまでの昇温速度を遅くすることで、実質的に仮焼した場合と同様の効果を得ることができる。すなわち、水酸化リチウムや炭酸リチウムと遷移金属複合酸化物の反応温度において仮焼することが好ましい。この場合、水酸化リチウムや炭酸リチウムの上記反応温度付近で保持すれば、熱処理粒子へのリチウムの拡散が十分に行われ、均一なリチウム遷移金属複合酸化物を得ることができる。
(Calcination)
In particular, when lithium hydroxide or lithium carbonate is used as the lithium compound, before the firing step S50, the firing temperature is lower than the firing temperature and 350 to 800 ° C, preferably 450 to 780 ° C. It is preferable to perform calcination by holding for about an hour, preferably for 3 to 6 hours. Alternatively, the same effect as in the case of calcining can be obtained by slowing the rate of temperature rise until the temperature reaches the firing temperature. That is, it is preferable to perform calcination at the reaction temperature of lithium hydroxide or lithium carbonate and the transition metal composite oxide. In this case, if the temperature of the lithium hydroxide or lithium carbonate is maintained near the above reaction temperature, diffusion of the lithium into the heat-treated particles is sufficiently performed, and a uniform lithium transition metal composite oxide can be obtained.
(焼成雰囲気)
焼成時の雰囲気は、酸化性雰囲気とするが好ましく、酸素濃度を10〜100容量%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の混合雰囲気とすることが特に好ましい。すなわち、大気ないしは酸素気流中で行なうことが好ましい。酸素濃度が10容量%未満であると、酸化が十分でなく、リチウム遷移金属複合酸化物の結晶性が十分でない場合がある。
(Firing atmosphere)
The atmosphere during the firing is preferably an oxidizing atmosphere, more preferably an atmosphere having an oxygen concentration of 10 to 100% by volume, and particularly preferably a mixed atmosphere of oxygen having the above oxygen concentration and an inert gas. That is, it is preferable to carry out the reaction in the atmosphere or in an oxygen stream. If the oxygen concentration is less than 10% by volume, the oxidation may not be sufficient, and the crystallinity of the lithium transition metal composite oxide may not be sufficient.
なお、焼成に用いられる炉は、特に限定されるものではなく、大気〜酸素気流中で加熱できるものであればよいが、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炉が用いられる。 The furnace used for firing is not particularly limited, as long as it can be heated in the air to oxygen stream, but from the viewpoint of keeping the atmosphere in the furnace uniform, an electric furnace that does not generate gas is used. Preferably, a batch or continuous furnace is used.
(解砕)
焼成によって得られたリチウム遷移金属複合酸化物は、凝集もしくは軽度の焼結が生じている場合がある。この場合には、解砕してもよく、これにより、リチウム遷移金属複合酸化物、つまり、本発明の正極活物質を得ることができる。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二次粒子を分離させて、凝集体をほぐす操作のことである。
(Crushing)
The lithium transition metal composite oxide obtained by calcination may have agglomeration or slight sintering. In this case, crushing may be performed, whereby the lithium transition metal composite oxide, that is, the positive electrode active material of the present invention can be obtained. In addition, crushing means that mechanical energy is applied to an aggregate composed of a plurality of secondary particles generated by sintering necking between the secondary particles at the time of firing, without substantially destroying the secondary particles themselves. This is the operation of separating the secondary particles and loosening the aggregates.
本発明の一実施形態に係るリチウム遷移金属複合酸化物活物質の製造方法は、以上の工程を含むものとすることができ、上述した工程を経て得られたリチウム遷移金属複合酸化物活物質は、上記リチウム遷移金属複合酸化物活物質の粒子の中心が空間である中空部と、当該中空部を覆う外殻部からなり、上記リチウム遷移金属複合酸化物は、少なくともニッケルを遷移金属の一つとして含む、α−NaFeO2型結晶構造であることを特徴とする。 The method for producing a lithium transition metal composite oxide active material according to one embodiment of the present invention can include the above steps, and the lithium transition metal composite oxide active material obtained through the above-described steps is The center of the particles of the lithium transition metal composite oxide active material is a hollow portion in which the center is a space and an outer shell portion covering the hollow portion, and the lithium transition metal composite oxide contains at least nickel as one of the transition metals. , Α-NaFeO 2 type crystal structure.
<5.リチウムイオン二次電池>
本発明の一実施形態に係るリチウムイオン二次電池は、正極と負極と非水系電解質を備える。また、上記正極及び上記負極のうち少なくとも一方は、上述したリチウム遷移金属複合酸化物活物質を含むことを特徴とする。
<5. Lithium ion secondary battery>
A lithium ion secondary battery according to one embodiment of the present invention includes a positive electrode, a negative electrode, and a non-aqueous electrolyte. Further, at least one of the positive electrode and the negative electrode contains the above-described lithium transition metal composite oxide active material.
なお、以下に説明する実施形態は例示に過ぎず、本発明の一実施形態にリチウムイオン二次電池は、本明細書に記載されている実施形態を基ついて、種々の変更、改良を施した形態に適用することも可能である。 The embodiment described below is merely an example, and a lithium ion secondary battery according to an embodiment of the present invention has been subjected to various changes and improvements based on the embodiment described in this specification. It is also possible to apply to the form.
(3−1)正極
本発明の一実施形態により得られた正極活物質であるリチウム遷移金属複合酸化物活物質を用いて、例えば、以下のようにしてリチウムイオン二次電池の正極を作製する。
(3-1) Positive electrode For example, a positive electrode of a lithium ion secondary battery is manufactured as follows using a lithium transition metal composite oxide active material that is a positive electrode active material obtained according to an embodiment of the present invention. .
まず、本発明の一実施形態により得られた粉末状のリチウム遷移金属複合酸化物活物質に、導電材及び結着剤を混合し、さらに必要に応じて活性炭や、粘度調整などの溶剤を添加し、これらを混練して正極合材ペーストを作製する。その際、正極合材ペースト中のそれぞれの混合比も、リチウムイオン二次電池の性能を決定する重要な要素となる。溶剤を除いた正極合材の固形分を100質量部とした場合、一般のリチウムイオン二次電池の正極と同様、正極活物質の含有量を60〜95質量部とし、導電材の含有量を1〜20質量部とし、結着剤の含有量を1〜20質量部とすることが望ましい。 First, a conductive material and a binder are mixed with a powdery lithium transition metal composite oxide active material obtained according to an embodiment of the present invention, and activated carbon or a solvent such as viscosity adjustment is further added as necessary. Then, these are kneaded to produce a positive electrode mixture paste. At that time, the respective mixing ratios in the positive electrode mixture paste are also important factors that determine the performance of the lithium ion secondary battery. When the solid content of the positive electrode mixture excluding the solvent is set to 100 parts by mass, the content of the positive electrode active material is set to 60 to 95 parts by mass, and the content of the conductive material is set to 60 to 95 parts by mass similarly to the positive electrode of a general lithium ion secondary battery. It is desirable that the content be 1 to 20 parts by mass and the content of the binder be 1 to 20 parts by mass.
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。ただし、正極の作製方法は、上記の例示のもの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, for example, the surface of a current collector made of 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. However, the method of manufacturing the positive electrode is not limited to the above-described example, and another method may be used.
導電材としては、例えば、黒鉛(天然黒鉛、人造黒鉛及び膨張黒鉛など)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、セルロース系樹脂及びポリアクリル酸を用いることができる。 The binder plays a role of binding 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.
また、必要に応じて、正極活物質、導電材及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することができる。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媒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、活性炭を添加することもできる。 Further, if necessary, a solvent for dispersing the positive electrode active material, the conductive material and the activated carbon and dissolving the binder can 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 can also be added to the positive electrode mixture in order to increase the electric double layer capacity.
(3−2)負極
負極には、金属リチウムやリチウム合金など、あるいは、リチウムイオンを吸蔵及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使用する。
(3-2) Negative Electrode The negative electrode is prepared by mixing a binder with a negative electrode active material capable of absorbing and desorbing lithium ions, such as metallic lithium or a lithium alloy, and adding an appropriate solvent to form a negative electrode. The mixture is applied to the surface of a metal foil current collector such as copper, 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、人造黒鉛及びフェノール樹脂などの有機化合物焼成体、及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、これらの活物質及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媒を用いることができる。 As the negative electrode active material, for example, an organic compound fired body such as natural graphite, artificial graphite and a phenol resin, and a powdered carbon material 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 is used as a solvent for dispersing the active material and the binder. Solvents can be used.
(3−3)セパレータ
正極と負極との間には、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。
(3-3) Separator A separator is interposed between the positive electrode and the negative electrode. 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.
(3−4)電解質
電解質として、非水系電解液あるいは固体電解質を用いることができる。非水系電解液は、支持塩としてのリチウム塩を有機溶媒に溶解したものである。
(3-4) Electrolyte A non-aqueous electrolyte or a solid electrolyte can be used as the electrolyte. The non-aqueous electrolyte is obtained by dissolving a lithium salt as a supporting salt in an organic solvent.
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及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及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及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、あるいは2種以上を混合して用いることができる。 As the organic solvent, cyclic carbonates such as ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate and trifluoropropylene carbonate, and chain carbonates such as diethyl carbonate, dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate and dipropyl carbonate, further, tetrahydrofuran, 2-hydrogen carbonate One 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 are used alone or in combination of two or more. be able to.
支持塩としては、LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiAsF6、LiN(CF3SO2)2、及びそれらの複合塩などを用いることができる。 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.
さらに、非水系電解液は、ラジカル捕捉剤、界面活性剤及び難燃剤などを含んでいてもよい。 Further, the non-aqueous electrolyte may contain a radical scavenger, a surfactant, a flame retardant, and the like.
一方、固体電解質としては、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。 On the other hand, as the 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, the solid electrolyte may be mixed in the positive electrode material in order to ensure contact between the electrolyte and the positive electrode active material.
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及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。 Further, as the non-aqueous electrolyte, an ionic liquid in which a lithium salt is dissolved may be used. The ionic liquid refers to a salt that is composed of cations and anions other than lithium ions and that is liquid even at normal temperature.
(3−5)電池の形状、構成
以上のように説明してきた正極、負極、セパレータ及び非水系電解質で構成される本発明の一実施形態に係るリチウムイオン二次電池は、円筒形や積層形など、種々の形状にすることができる。
(3-5) Shape and Configuration of Battery The lithium ion secondary battery according to one embodiment of the present invention, which includes the positive electrode, the negative electrode, the separator, and the nonaqueous electrolyte described above, has a cylindrical shape or a stacked shape. And various other shapes.
いずれの形状を採る場合であっても、正極及び負極を、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、及び、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、リチウムイオン二次電池を完成させる。 In any case, the positive electrode and the negative electrode are laminated via a separator to form an electrode body, and the obtained electrode body is impregnated with a non-aqueous electrolytic solution, and communicates with the positive electrode current collector and the outside. A positive electrode terminal and a negative electrode current collector and a negative electrode terminal communicating with the outside are connected using a current collecting lead or the like, and sealed in a battery case to complete a lithium ion secondary battery.
(3−6)特性
本発明の一実施形態に係るリチウムイオン二次電池は、150mAh/g以上の高い初期放電容量、10Ω以下の低い正極抵抗が得られ、高容量で高出力である。また、従来のリチウムコバルト系酸化物またはリチウム遷移金属系酸化物の正極活物質との比較においても、熱安定性が高く、安全性においても優れているといえる。
(3-6) Characteristics The lithium ion secondary battery according to one embodiment of the present invention has a high initial discharge capacity of 150 mAh / g or more, a low positive electrode resistance of 10 Ω or less, a high capacity, and a high output. Also, in comparison with a conventional lithium-cobalt-based oxide or lithium-transition metal-based oxide positive electrode active material, it can be said that thermal stability is high and safety is excellent.
(3−7)用途
本発明の一実施形態に係るリチウムイオン二次電池は、常に高容量を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端末など)の電源に好適である。
(3-7) Use The lithium ion secondary battery according to one embodiment of the present invention is suitable for a power supply of a small portable electronic device (a notebook personal computer, a mobile phone terminal, or the like) which always requires a high capacity.
また、本発明の一実施形態に係るリチウムイオン二次電池は、高出力が要求されるモータ駆動用電源としての電池にも好適である。電池は大型化すると安全性の確保が困難になり高価な保護回路が必要不可欠である。これに対して、本発明の一実施形態に係るリチウムイオン二次電池は、電池が大型化することなく優れた安全性を有しているため、安全性の確保が容易になるばかりでなく、高価な保護回路を簡略化し、より低コストにできる。さらに、小型化、高出力化が可能であることから、搭載スペースに制約を受ける輸送機器用の電源として好適である。 Further, the lithium ion secondary battery according to one embodiment of the present invention is also suitable for a battery as a motor drive power supply requiring high output. As the size of the battery increases, it becomes difficult to ensure safety, and an expensive protection circuit is indispensable. On the other hand, the lithium ion secondary battery according to one embodiment of the present invention has excellent safety without increasing the size of the battery. The expensive protection circuit can be simplified and the cost can be reduced. Further, since it is possible to reduce the size and increase the output, it is suitable as a power supply for transportation equipment which is limited in mounting space.
次に、本発明の一実施形態に係る遷移金属複合水酸化物、遷移金属複合水酸化物の製造方法、リチウム遷移金属複合酸化物活物質及びリチウムイオン二次電池について、実施例により詳しく説明する。なお、本発明は、これらの実施例に限定されるものではない。 Next, the transition metal composite hydroxide, the method for producing the transition metal composite hydroxide, the lithium transition metal composite oxide active material, and the lithium ion secondary battery according to one embodiment of the present invention will be described in more detail with reference to examples. . Note that the present invention is not limited to these examples.
(実施例)
(核生成工程S10)
まず、有効容積60Lの反応槽内に、水を10L入れて撹拌しながら、槽内温度を40℃に調整した。この時の反応槽内には空気を5L/分で送り込み、酸化性雰囲気(酸素濃度:21容量%)とした。この反応槽内に、20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が13.0となるように調整した。また、当該反応前水溶液中のアンモニア濃度を10g/Lに調節してアンモニウム供給体とした。
(Example)
(Nucleation step S10)
First, 10 L of water was put into a reaction tank having an effective volume of 60 L, and the temperature in the tank was adjusted to 40 ° C. while stirring. At this time, air was fed into the reaction tank at a rate of 5 L / min to form an oxidizing atmosphere (oxygen concentration: 21% by volume). An appropriate amount of a 20% by mass aqueous solution of sodium hydroxide and 25% by mass of aqueous ammonia were added to the reaction tank, and the pH of the reaction solution in the tank was adjusted to 13.0 based on a liquid temperature of 25 ° C. Further, the concentration of ammonia in the aqueous solution before the reaction was adjusted to 10 g / L to obtain an ammonium supplier.
それとは別に、硫酸ニッケルと硫酸マンガン及び硫酸コバルトを水に溶かして全遷移金属元素濃度にして2mol/Lの遷移金属原料水溶液を調製した。この遷移金属原料水溶液では、各金属の物質量比(モル比)が、Ni:Mn:Co=1:1:1となるように調整した。 Separately, nickel sulfate, manganese sulfate and cobalt sulfate were dissolved in water to prepare a 2 mol / L aqueous solution of a transition metal raw material having a total transition metal element concentration. In this transition metal raw material aqueous solution, the amount ratio (molar ratio) of each metal was adjusted so that Ni: Mn: Co = 1: 1: 1.
この遷移金属原料水溶液を、100ml/分で3分加えて、核生成反応を行わせた。この時同時に、25質量%アンモニア水及び20質量%水酸化ナトリウム水溶液を含むアンモニウム供給体も一定速度で加えて、核生成用水溶液中のpHを液温25℃基準で13.0に、アンモニア濃度を10g/Lに維持しながら、核生成を行った。 This transition metal raw material aqueous solution was added at 100 ml / min for 3 minutes to cause a nucleation reaction. At the same time, an ammonium supplier containing 25% by mass aqueous ammonia and a 20% by mass aqueous sodium hydroxide solution was also added at a constant rate to adjust the pH of the aqueous solution for nucleation to 13.0 based on a liquid temperature of 25 ° C. Was maintained at 10 g / L to perform nucleation.
(第一の粒子成長工程)
核生成工程S10終了後、核を含有する粒子成長用水溶液のpHが液温25℃基準で11.0になるまで、64質量%硫酸を加えてpH調整を行った。
(First particle growth step)
After the nucleation step S10, the pH was adjusted by adding 64% by mass sulfuric acid until the pH of the aqueous solution for particle growth containing nuclei reached 11.0 based on a liquid temperature of 25 ° C.
核を含有する粒子成長用水溶液のpHが11.0に到達した後、反応水溶液(粒子成長用水溶液)に、再度、20質量%水酸化ナトリウム水溶液と25%質量%アンモニア水の供給を再開し、pHを液温25℃基準で11.6に制御したまま、100L/分で遷移金属原料水溶液を供給し、第一の粒子成長用水溶液を得て、180分間の晶析を継続し粒子成長を行った。また、アンモニア濃度を10g/Lに維持した。 After the pH of the aqueous solution for particle growth containing the nucleus reached 11.0, the supply of the aqueous solution of 20% by mass sodium hydroxide and the aqueous solution of 25% by mass ammonia to the reaction aqueous solution (aqueous solution for particle growth) was restarted. While maintaining the pH at 11.6 based on a liquid temperature of 25 ° C., a transition metal raw material aqueous solution is supplied at 100 L / min to obtain a first aqueous solution for particle growth, and crystallization is continued for 180 minutes to grow particles. Was done. Further, the ammonia concentration was maintained at 10 g / L.
(第二の粒子成長工程)
第一の粒子成長工程S21終了後、遷移金属原料水溶液の給液を一旦停止し、反応槽内空間部の酸素濃度が0.1容量%以下となるまで窒素ガスを10L/minで流通させた。また、第一の粒子成長用水溶液のpHが液温25℃基準で11.6になるまで、20%水酸化ナトリウム水溶液を加えてpH調整を行った。
(Second particle growth step)
After the completion of the first particle growth step S21, the supply of the aqueous solution of the transition metal raw material solution was temporarily stopped, and nitrogen gas was flowed at 10 L / min until the oxygen concentration in the space inside the reaction tank became 0.1% by volume or less. . The pH of the first aqueous solution for particle growth was adjusted by adding a 20% aqueous sodium hydroxide solution until the pH of the aqueous solution for particle growth reached 11.6 based on a liquid temperature of 25 ° C.
その後、遷移金属原料水溶液の給液を100L/分で再開し、第二の粒子成長用水溶液を得て、210分間の晶析を行った。 Thereafter, the supply of the transition metal raw material aqueous solution was restarted at 100 L / min to obtain a second aqueous solution for particle growth, and crystallization was performed for 210 minutes.
そして、生成した遷移金属複合水酸化物を濾過回収し、100Lの脱イオン水で2回の水洗を行い、水分率5%以下まで濾過脱水した後、真空乾燥器にて0.1Pa以下、110℃12時間乾燥させて遷移金属複合水酸化物粒子を得た。 The resulting transition metal composite hydroxide is collected by filtration, washed twice with 100 L of deionized water, and dehydrated by filtration to a moisture content of 5% or less. Drying at 12 ° C. for 12 hours gave transition metal composite hydroxide particles.
得られた遷移金属複合水酸化物は、D10、D50、D90は各々4.1μm、5.0μm、6.2μmであり、(D90−D10)/D50は0.42であった。また、窒素吸着等温線により求めたBET比表面積は21.2m2/gであった。なお、平均粒径は、レーザ光回折散乱式粒度分析計(日機装株式会社製、マイクロトラックHRA)を用いた。BET比表面積は、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)を用いた。 In the obtained transition metal composite hydroxide, D10, D50, and D90 were 4.1 μm, 5.0 μm, and 6.2 μm, respectively, and (D90−D10) / D50 was 0.42. The BET specific surface area determined by the nitrogen adsorption isotherm was 21.2 m 2 / g. In addition, the average particle diameter used the laser beam diffraction-scattering type particle size analyzer (Microtrack HRA by Nikkiso Co., Ltd.). As the BET specific surface area, a fluidized gas adsorption method specific surface area measuring device (manufactured by Yuasa Ionics Co., Ltd., Multisorb) was used.
第一の粒子成長工程S21及び第二の粒子成長工程S22のそれぞれの終了後に遷移金属複合水酸化物のサンプリングを行い、X線回折により測定した。その結果、第一の粒子成長工程S21終了後の遷移金属複合水酸化物は、アルファ型構造の水酸化ニッケルのものと同定されるピークが確認され、一方、第二の粒子成長工程S22終了後の遷移金属複合水酸化物は、ベータ型構造と同定されるピークが確認された。なお、X線回折は、XRD(PANALYTICAL社製、X‘Pert、PROMRD)を用いて測定した。 After each of the first particle growth step S21 and the second particle growth step S22, the transition metal composite hydroxide was sampled and measured by X-ray diffraction. As a result, the transition metal composite hydroxide after completion of the first particle growth step S21 has a peak identified as that of nickel hydroxide having an alpha-type structure, whereas, after the completion of the second particle growth step S22. In the transition metal composite hydroxide, a peak identified as a beta type structure was confirmed. The X-ray diffraction was measured using XRD (X @ Pert, PROMRD, manufactured by PANALYTICAL).
また、得られた遷移金属複合水酸化物10gを0.1N薄硫酸100ml中に投入し、5、10、20、30、60分間攪拌した後に回収し、ろ過、真空乾燥したサンプルをX線回折により測定した結果、薄硫酸での処理時間が長くなるほどアルファ型構造の水酸化ニッケルのものと同定される第一ピークに対するベータ型構造の水酸化ニッケルのものと同定される第一ピークの比が小さくなり、60分間処理したサンプルではアルファ型構造の水酸化ニッケルのものと同定されるピークしか認められなくなった。 Further, 10 g of the obtained transition metal composite hydroxide was put into 100 ml of 0.1 N thin sulfuric acid, and the mixture was stirred for 5, 10, 20, 30, and 60 minutes, collected, filtered, and dried under vacuum to obtain an X-ray diffraction sample. As a result of the measurement, the ratio of the first peak identified as that of beta-type nickel hydroxide to the first peak identified as that of alpha-type nickel hydroxide increases as the treatment time with thin sulfuric acid becomes longer. In the sample treated for 60 minutes, only a peak identified as that of nickel hydroxide having an alpha structure was observed.
以上より、得られた遷移金属複合水酸化物は、中心部がアルファ型構造、外周部がベータ型構造の水酸化ニッケル型結晶であると判断できた。 From the above, it was determined that the obtained transition metal composite hydroxide was a nickel hydroxide type crystal having an alpha structure at the center and a beta structure at the outer periphery.
(熱処理工程、混合工程、焼成工程)
得られた遷移金属複合水酸化物を150℃、12時間熱処理したのち、市販の炭酸リチウムを、金属とリチウムのモル比(Li/M比)が1.2となるように加えて、シェーカーミキサー装置(ウィリー・エ・バッコーフェン(WAB)社製TURBULA TypeT2C)を用いて十分に混合し、混合物を得た。この混合物を空気(酸素:21容量%)気流中にて950℃で焼成し、さらに解砕してリチウム遷移金属複合酸化物活物質を得た。
(Heat treatment process, mixing process, firing process)
After heat-treating the obtained transition metal composite hydroxide at 150 ° C. for 12 hours, commercially available lithium carbonate is added so that the molar ratio of metal and lithium (Li / M ratio) becomes 1.2, and a shaker mixer is added. The mixture was sufficiently mixed by using an apparatus (TURBULA Type T2C manufactured by Willy & Bacoffen (WAB)) to obtain a mixture. This mixture was calcined at 950 ° C. in a stream of air (oxygen: 21% by volume) and further crushed to obtain a lithium transition metal composite oxide active material.
そして、得られたリチウム遷移金属複合酸化物活物質の吸油量及びコインセルの正極抵抗を測定した。 Then, the oil absorption of the obtained lithium transition metal composite oxide active material and the positive electrode resistance of the coin cell were measured.
吸油量は、JIS K6217−4:2008に準拠して測定されるDBP吸収量とした。その結果、吸油量は40.3ml/100gであった。 The oil absorption was the DBP absorption measured according to JIS K6217-4: 2008. As a result, the oil absorption was 40.3 ml / 100 g.
また、コインセルの正極抵抗は、コイン型電池を充電電位4.1Vで充電して、周波数応答アナライザ及びポテンショガルバノスタット(ソーラトロン社製、1255B)を使用して交流インピーダンス法により測定してナイキストプロットを得た。 The positive electrode resistance of the coin cell was measured by an AC impedance method using a frequency response analyzer and a potentiogalvanostat (1255B, manufactured by Solartron) by charging a coin-type battery at a charging potential of 4.1 V, and a Nyquist plot was obtained. Obtained.
得られたナイキストプロットは、溶液抵抗、負極抵抗とその容量、及び、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して、正極抵抗の値を算出した。その結果、正極抵抗は3.1Ωであった。 Since the obtained Nyquist plot is represented as a solution resistance, a negative electrode resistance and its capacity, and a sum of characteristic curves showing the positive electrode resistance and its capacity, fitting calculation is performed using an equivalent circuit based on this Nyquist plot, The value of the positive electrode resistance was calculated. As a result, the positive electrode resistance was 3.1Ω.
(比較例)
核生成工程S10及び第一の粒子成長工程S21における反応槽内の雰囲気を非酸化性雰囲気(酸素濃度:0.1容量%)とした以外は実施例と同じ方法で遷移金属複合水酸化物及びリチウム遷移金属複合酸化物活物質を得た。
(Comparative example)
Except that the atmosphere in the reaction tank in the nucleation step S10 and the first particle growth step S21 was changed to a non-oxidizing atmosphere (oxygen concentration: 0.1% by volume), the transition metal composite hydroxide and A lithium transition metal composite oxide active material was obtained.
得られた遷移金属複合水酸化物は、D10、D50、D90は各々3.9μm、4.8μm、6.1μmであり、(D90−D10)/D50は0.46であった。また、窒素吸着等温線により求めたBET比表面積は19.8m2/gであった。 D10, D50, and D90 of the obtained transition metal composite hydroxide were 3.9 μm, 4.8 μm, and 6.1 μm, respectively, and (D90−D10) / D50 was 0.46. The BET specific surface area determined by the nitrogen adsorption isotherm was 19.8 m 2 / g.
また、得られた遷移金属複合水酸化物を実施例と同様に処理した後、X線回折により測定した結果、どの処理時間でもベータ型構造の水酸化ニッケルのものと同定されるピークしか認められなかった。このことから得られた遷移金属複合水酸化物は、全てがベータ型構造の水酸化ニッケル型結晶であると判断できた。 Further, after treating the obtained transition metal composite hydroxide in the same manner as in the example, as a result of measurement by X-ray diffraction, only a peak identified as that of nickel hydroxide having a beta structure was observed at any treatment time. Did not. From this, it was determined that all the transition metal composite hydroxides obtained were nickel hydroxide type crystals having a beta type structure.
また、吸油量は24.8ml/100g、正極抵抗は4.8Ωであった。 The oil absorption was 24.8 ml / 100 g, and the positive electrode resistance was 4.8Ω.
以上の実施例及び比較例の結果を表1に示す。 Table 1 shows the results of the above Examples and Comparative Examples.
(実施例及び比較例の評価結果)
実施例におけるリチウム遷移金属複合酸化物活物質の吸油量は、比較例のそれよりも高い値であった。また、実施例におけるコインセルの正極抵抗は、比較例のそれよりも低い値であり、優れた出力特性を発現しうる。
(Evaluation results of Examples and Comparative Examples)
The oil absorption of the lithium transition metal composite oxide active material in the example was higher than that of the comparative example. Further, the positive electrode resistance of the coin cell in the example is lower than that of the comparative example, and excellent output characteristics can be exhibited.
以上より、本発明の一実施形態に係る遷移金属複合水酸化物、遷移金属複合水酸化物の製造方法、リチウム遷移金属複合酸化物活物質及びリチウムイオン二次電池は、従来に比して吸油量が高く、かつ抵抗値の低い優れた出力特性を発現しうる、遷移金属複合水酸化物、遷移金属複合水酸化物の製造方法、リチウム遷移金属複合酸化物活物質及びリチウムイオン二次電池を提供することすることができた。 As described above, the transition metal composite hydroxide, the method for producing the transition metal composite hydroxide, the lithium transition metal composite oxide active material, and the lithium ion secondary battery according to one embodiment of the present invention have higher oil absorption than the conventional one. A transition metal composite hydroxide, a method for producing a transition metal composite hydroxide, a lithium transition metal composite oxide active material, and a lithium ion secondary battery, which can exhibit excellent output characteristics with a high amount and a low resistance value. Could be offered.
なお、上記のように本発明の各実施形態及び各実施例について詳細に説明したが、本発明の新規事項及び効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは、当業者には、容易に理解できるであろう。従って、このような変形例は、全て本発明の範囲に含まれるものとする。 Although each embodiment and each example of the present invention have been described in detail as described above, it is obvious to those skilled in the art that many modifications that do not substantially depart from the novel matter and effects of the present invention are possible. , Will be easy to understand. Therefore, such modified examples are all included in the scope of the present invention.
例えば、明細書又は図面において、少なくとも一度、より広義又は同義な異なる用語と共に記載された用語は、明細書又は図面のいかなる箇所においても、その異なる用語に置き換えることができる。また遷移金属複合水酸化物、遷移金属複合水酸化物の製造方法、リチウム遷移金属複合酸化物活物質及びリチウムイオン二次電池の構成、動作も本発明の各実施形態及び各実施例で説明したものに限定されず、種々の変形実施が可能である。 For example, in the description or drawings, a term described at least once together with a broader or synonymous different term can be replaced with the different term in any part of the description or drawing. Also, the transition metal composite hydroxide, the method for producing the transition metal composite hydroxide, the configuration and operation of the lithium transition metal composite oxide active material and the lithium ion secondary battery have been described in each embodiment and each example of the present invention. The present invention is not limited to this, and various modifications can be made.
S10 核生成工程、S21 第一の粒子成長工程、S22 第二の粒子成長工程、
S30 熱処理工程、S40 混合工程、S50 焼成工程
S10 nucleation step, S21 first particle growth step, S22 second particle growth step,
S30 heat treatment step, S40 mixing step, S50 baking step
Claims (7)
前記遷移金属複合水酸化物は、結晶構造が異なる中心部と外周部からなる二層構造であり、
前記中心部は、遷移金属水酸化物の結晶層間に水分子が挿入されたアルファ型遷移金属水酸化物からなり、
前記外周部は遷移金属複合水酸化物の結晶層間に水分子を含まないベータ型遷移金属水酸化物からなることを特徴とする遷移金属複合水酸化物。 A transition metal composite hydroxide that is a precursor of a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery,
The transition metal composite hydroxide has a two-layer structure composed of a central portion and a peripheral portion having different crystal structures,
The central portion is made of an alpha-type transition metal hydroxide in which water molecules are inserted between crystal layers of the transition metal hydroxide,
The transition metal composite hydroxide, wherein the outer peripheral portion is made of a beta-type transition metal hydroxide containing no water molecules between crystal layers of the transition metal composite hydroxide.
一種以上の遷移金属化合物を含む遷移金属原料水溶液とアンモニウムイオン供給体とを含む核生成用水溶液を、液温25℃基準でのpHが12.5以上、かつアンモニウムイオン濃度が25g/L以下、雰囲気中の酸素濃度が10容量%以上となるように制御して晶析反応槽に供給し核を生成させる核生成工程と、
生成された前記核を粒子成長させる第一の粒子成長工程と第二の粒子成長工程とを有し、
前記第一の粒子成長工程では、前記核生成工程で生成された前記核を含有する粒子成長用水溶液を、液温25℃基準におけるpHが10.5〜11.5、かつアンモニウムイオン濃度が25g/L以下、雰囲気中の酸素濃度が10容量%以上となるように制御しつつ、前記遷移金属原料水溶液と前記アンモニウムイオン供給体とを連続的に供給し、
前記第二の粒子成長工程では、液温25℃基準におけるpHが11.5〜12.0、かつアンモニウムイオン濃度が25g/L以下、雰囲気中の酸素濃度が1容量%以下となるように制御しつつ、前記遷移金属原料水溶液と前記アンモニウムイオン供給体とを連続的に供給することを特徴とする遷移金属複合水酸化物の製造方法。 A method for producing a transition metal composite hydroxide that is a precursor of a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery,
An aqueous solution for nucleation including an aqueous solution of a transition metal material containing one or more transition metal compounds and an ammonium ion supplier has a pH of 12.5 or more at a liquid temperature of 25 ° C. and an ammonium ion concentration of 25 g / L or less, A nucleation step of controlling the oxygen concentration in the atmosphere to be 10% by volume or more and supplying the oxygen concentration to the crystallization reaction tank to generate nuclei;
It has a first particle growth step and a second particle growth step of growing the generated nuclei,
In the first particle growth step, the pH of the aqueous solution for particle growth containing the nuclei generated in the nucleation step is 10.5 to 11.5 based on a liquid temperature of 25 ° C., and the ammonium ion concentration is 25 g. / L or less, while continuously controlling the oxygen concentration in the atmosphere to be 10% by volume or more, continuously supplying the aqueous solution of the transition metal raw material and the ammonium ion supplier,
In the second particle growth step, control is performed so that the pH at a liquid temperature of 25 ° C. is 11.5-12.0, the ammonium ion concentration is 25 g / L or less, and the oxygen concentration in the atmosphere is 1% by volume or less. A method for producing a transition metal composite hydroxide, wherein the aqueous solution of the transition metal raw material and the ammonium ion supplier are continuously supplied to the mixture.
前記リチウム遷移金属複合酸化物活物質の粒子の中心が空間である中空部と、該中空部を覆う外殻部からなり、
前記リチウム遷移金属複合酸化物は、少なくともニッケルを遷移金属の一つとして含む、α−NaFeO2型結晶構造であることを特徴とするリチウム遷移金属複合酸化物活物質。 A lithium transition metal composite oxide active material used for a lithium ion secondary battery,
A hollow portion in which the center of the particles of the lithium transition metal composite oxide active material is a space, and an outer shell portion covering the hollow portion,
The lithium transition metal composite oxide active material according to claim 1, wherein the lithium transition metal composite oxide has an α-NaFeO 2 type crystal structure containing at least nickel as one of transition metals.
前記正極及び前記負極のうち少なくとも一方は、請求項5又は6に記載のリチウム遷移金属複合酸化物活物質を含むことを特徴とするリチウムイオン二次電池。 A lithium ion secondary battery including a positive electrode, a negative electrode, and a non-aqueous electrolyte,
A lithium ion secondary battery, wherein at least one of the positive electrode and the negative electrode contains the lithium transition metal composite oxide active material according to claim 5.
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