JP2020149901A - Manufacturing method of positive electrode material for lithium ion secondary battery, positive electrode material for lithium ion secondary battery, manufacturing method of positive electrode mixture for lithium ion secondary battery, 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材料の製造方法、リチウムイオン二次電池用正極材料、リチウムイオン二次電池用正極合材の製造方法、およびリチウムイオン二次電池に関する。 The present invention relates to a method for producing a positive electrode material for a lithium ion secondary battery, a positive electrode material for a lithium ion secondary battery, a method for producing a positive electrode mixture for a lithium ion secondary battery, and a lithium ion secondary battery.
近年、携帯電話やノート型パソコンなどの携帯電子機器の普及に伴い、高いエネルギー密度を有する小型で軽量な非水系電解質二次電池の開発が強く望まれ、また、ハイブリット自動車をはじめとする電気自動車用の電池として高出力の二次電池の開発も強く望まれている。 In recent years, with the spread of portable electronic devices such as mobile phones and notebook computers, the development of small and lightweight non-aqueous electrolyte secondary batteries with high energy density has been strongly desired, and electric vehicles such as hybrid vehicles have been strongly desired. The development of a high-power secondary battery as a battery for use is also strongly desired.
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。 As a secondary battery satisfying such a requirement, there is a lithium ion secondary battery.
このリチウムイオン二次電池は、負極および正極の活物質に、リチウムが脱離および挿入できる材料が用いられている。 In this lithium ion secondary battery, a material capable of desorbing and inserting lithium is used as the active material of the negative electrode and the positive electrode.
このような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、中でも、層状またはスピネル型の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。 Currently, research and development of such lithium ion secondary batteries are being actively carried out. Among them, lithium ion secondary batteries using a layered or spinel type lithium metal composite oxide as a positive electrode material are used. Since a high voltage of 4V class can be obtained, it is being put into practical use as a battery having a high energy density.
これまでに提案されている活物質材料としては、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ニッケル複合酸化物(LiNiO2)、リチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物(LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2)、マンガンを用いたリチウムマンガン複合酸化物(LiMn2O4)などが挙げられる。 As active material materials proposed so far, lithium cobalt composite oxide (LiCoO 2 ), which is relatively easy to synthesize, lithium nickel composite oxide (LiNiO 2 ) using nickel, which is cheaper than cobalt, and 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 ) and the like can be mentioned.
このうちリチウムニッケル複合酸化物、及びリチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物は、サイクル特性が良く、低抵抗で高出力が得られ電池特性に優れた材料として注目され、近年、さらには高出力化に必要な低抵抗化が重要視されている。 Of these, lithium-nickel composite oxide and lithium-nickel-cobalt-manganese composite oxide are attracting attention as materials with good cycle characteristics, low resistance, high output, and excellent battery characteristics, and have been required for higher output in recent years. It is important to reduce the resistance.
このような電池特性を改善する方法として、異元素の添加が用いられており、とりわけW、Mo、Nb、Ta、Reなどの高価数をとることができる遷移金属が有用とされている。 As a method for improving such battery characteristics, addition of a different element is used, and in particular, a transition metal such as W, Mo, Nb, Ta, Re, which can take an expensive number, is considered to be useful.
例えば、特許文献1には、非水系電解質二次電池の正極材として、リチウム金属複合酸化物粉末とタングステン酸リチウムを混合することで高容量、高出力をもたらすことができる正極材料が提案されている。また、特許文献2では、リチウム金属複合酸化物粉末と酸化タングステンを混合して同様の効果が得られるとある。
For example, Patent Document 1 proposes a positive electrode material capable of providing high capacity and high output by mixing lithium metal composite oxide powder and lithium tungstate as a positive electrode material for a non-aqueous electrolyte secondary battery. There is. Further,
電気自動車のさらなる普及には、リチウムイオン二次電池のさらなる高容量化および低コスト化が必要であり、このため、正極活物質に含まれるコバルトの量を低減させ、ニッケル量を高めることが検討されている。 For the further spread of electric vehicles, it is necessary to further increase the capacity and cost of lithium-ion secondary batteries. Therefore, it is considered to reduce the amount of cobalt contained in the positive electrode active material and increase the amount of nickel. Has been done.
しかしながら、このような方策では、正極活物質の表面に酸化ニッケルが形成されやすくなり、正極活物質の構造が不安定となるおそれがある。特に、酸化ニッケルの生成は、正極活物質の抵抗を高めるだけでなく、リチウムの脱着反応が不均一に生じる要因となり得る。さらに、正極活物質においてリチウムの脱着反応が局所的に生じるようになると、二次電池のサイクル特性が低下するという問題が生じ得る。 However, with such a measure, nickel oxide is likely to be formed on the surface of the positive electrode active material, and the structure of the positive electrode active material may become unstable. In particular, the formation of nickel oxide can not only increase the resistance of the positive electrode active material, but also cause a non-uniform lithium desorption reaction. Further, if the desorption reaction of lithium occurs locally in the positive electrode active material, there may be a problem that the cycle characteristics of the secondary battery are deteriorated.
本発明は、このような背景に鑑みなされたものであり、本発明では、コバルトに対するニッケルの量を相対的に高めた場合であっても、サイクル特性の低下が生じ難いリチウムイオン二次電池用正極材料の製造方法、およびリチウムイオン二次電池用正極合材の製造方法を提供することを目的とする。また、本発明では、コバルトに対するニッケルの量を相対的に高めた場合であっても、サイクル特性の低下が生じ難いリチウムイオン二次電池用正極材料、およ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。 The present invention has been made in view of such a background, and in the present invention, even when the amount of nickel with respect to cobalt is relatively increased, the cycle characteristics are unlikely to be deteriorated for a lithium ion secondary battery. It is an object of the present invention to provide a method for producing a positive electrode material and a method for producing a positive electrode mixture for a lithium ion secondary battery. Further, the present invention provides a positive electrode material for a lithium ion secondary battery and a lithium ion secondary battery in which the cycle characteristics are unlikely to deteriorate even when the amount of nickel relative to cobalt is relatively increased. The purpose.
本発明では、
リチウム(Li)、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)、及び、元素Mを、Li:Ni:Co:M=z:(1−x−y):x:y
(ただし、0.97≦z≦1.20、0≦x<0.01、0≦y≦0.10、0≦x+y≦0.10、Mは、Mn、V、Mg、Mo、Nb、TiおよびAlから選ばれる少なくとも1種の元素)で表される原子数比で含むリチウム金属複合酸化物粉末と、粒径0.01〜0.09μmの酸化タングステン、若しくは粒径0.01〜0.09μmのタングステン酸リチウムのタングステン添加材料と、を混合することを特徴とするリチウムイオン二次電池用正極材料の製造方法が提供される。
In the present invention
Lithium (Li), nickel (Ni), cobalt (Co), and element M are composed of Li: Ni: Co: M = z: (1-xy): x: y.
(However, 0.97 ≦ z ≦ 1.20, 0 ≦ x <0.01, 0 ≦ y ≦ 0.10, 0 ≦ x + y ≦ 0.10. M is Mn, V, Mg, Mo, Nb, Lithium metal composite oxide powder contained in an atomic number ratio represented by (at least one element selected from Ti and Al), tungsten oxide having a particle size of 0.01 to 0.09 μm, or a particle size of 0.01 to 0. Provided is a method for producing a positive electrode material for a lithium ion secondary battery, which comprises mixing a tungsten-added material of .09 μm lithium tartrate.
また、本発明では、
リチウム(Li)、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)、及び、元素Mを、Li:Ni:Co:M=z:(1−x−y):x:y(ただし、0.97≦z≦1.20、0≦x<0.01、0≦y≦0.10、0≦x+y≦0.10、Mは、Mn、V、Mg、Mo、Nb、TiおよびAlから選ばれる少なくとも1種の元素)vで表される原子数比で含むリチウム金属複合酸化物粉末と、エタノール、メタノール、プロパノール、ブタノール、アセトニトリルから選択される少なくとも1種の有機溶剤と、粒径0.01〜0.09μmの酸化タングステン、若しくは粒径0.01〜0.09μmのタングステン酸リチウムのタングステン添加材料とを混合することを特徴とするリチウムイオン二次電池用正極材料の製造方法が提供される。
Further, in the present invention,
Lithium (Li), nickel (Ni), cobalt (Co), and element M are composed of Li: Ni: Co: M = z: (1-xy): x: y (where 0.97 ≦ z). ≤1.20, 0≤x <0.01, 0≤y≤0.10, 0≤x + y≤0.10, M is at least 1 selected from Mn, V, Mg, Mo, Nb, Ti and Al. Species element) Lithium metal composite oxide powder contained in the atomic number ratio represented by v, at least one organic solvent selected from ethanol, methanol, propanol, butanol, and acetonitrile, and a particle size of 0.01 to 0. Provided is a method for producing a positive electrode material for a lithium ion secondary battery, which comprises mixing a tungsten oxide material of .09 μm or a tungsten-added material of lithium tartrate having a particle size of 0.01 to 0.09 μm.
ここで、前記製造方法は、前記リチウム金属複合酸化物粉末と、前記タングステン添加材料とを混合する前に、前記リチウム金属複合酸化物粉末を水洗する工程を含んでもよい。 Here, the production method may include a step of washing the lithium metal composite oxide powder with water before mixing the lithium metal composite oxide powder and the tungsten-added material.
また、前記正極材料に含まれるタングステン量は、リチウム金属複合酸化物粉末に含まれるニッケル、コバルトおよび添加元素Mの原子数の合計に対して、0.1〜3.0原子%であってもよい。 Further, the amount of tungsten contained in the positive electrode material may be 0.1 to 3.0 atomic% with respect to the total number of atoms of nickel, cobalt and the additive element M contained in the lithium metal composite oxide powder. Good.
また、前記タングステン添加材料は、WO3の酸化タングステン、若しくはLi2WO4、Li4WO5、Li6W2O9から選択される少なくとも1種のタングステン酸リチウムであってもよい。 Further, the tungsten-added material may be tungsten oxide of WO 3 , or at least one lithium tungstate selected from Li 2 WO 4 , Li 4 WO 5 , and Li 6 W 2 O 9 .
また、本発明では、
リチウム(Li)、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)、及び、元素Mを、Li:Ni:Co:M=z:(1−x−y):x:y(ただし、0.97≦z≦1.20、0≦x<0.01、0≦y≦0.10、0≦x+y≦0.10、Mは、Mn、V、Mg、Mo、Nb、TiおよびAlから選ばれる少なくとも1種の元素)で表される原子数比で含むリチウム金属複合酸化物粉末と、粒径0.01〜0.09μmの酸化タングステン、若しくは粒径0.01〜0.09μmのタングステン酸リチウムのタングステン添加材料とを含むことを特徴とするリチウムイオン二次電池用正極材料が提供される。
Further, in the present invention,
Lithium (Li), nickel (Ni), cobalt (Co), and element M are composed of Li: Ni: Co: M = z: (1-xy): x: y (where 0.97 ≦ z). ≤1.20, 0≤x <0.01, 0≤y≤0.10, 0≤x + y≤0.10, M is at least 1 selected from Mn, V, Mg, Mo, Nb, Ti and Al. Lithium metal composite oxide powder contained in the atomic number ratio represented by (species element) and tungsten oxide having a particle size of 0.01 to 0.09 μm or lithium tungstate having a particle size of 0.01 to 0.09 μm. Provided is a positive electrode material for a lithium ion secondary battery, which comprises an additive material.
また、本発明では、
リチウム(Li)、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)、及び、元素Mを、Li:Ni:Co:M=z:(1−x−y):x:y(ただし、0.97≦z≦1.20、0≦x<0.01、0≦y≦0.10、0≦x+y≦0.10、Mは、Mn、V、Mg、Mo、Nb、TiおよびAlから選ばれる少なくとも1種の元素)で表される原子数比で含むリチウム金属複合酸化物粉末と、エタノール、メタノール、プロパノール、ブタノール、アセトニトリルから選択される少なくとも1種の有機溶剤と、粒径0.01〜0.09μmの酸化タングステン、若しくは粒径0.01〜0.09μmのタングステン酸リチウムのタングステン添加材料とを含むことを特徴とするリチウムイオン二次電池用正極材料が提供される。
Further, in the present invention,
Lithium (Li), nickel (Ni), cobalt (Co), and element M are composed of Li: Ni: Co: M = z: (1-xy): x: y (where 0.97 ≦ z). ≤1.20, 0≤x <0.01, 0≤y≤0.10, 0≤x + y≤0.10, M is at least 1 selected from Mn, V, Mg, Mo, Nb, Ti and Al. Lithium metal composite oxide powder contained in the atomic number ratio represented by the element of the species), at least one organic solvent selected from ethanol, methanol, propanol, butanol, and acetonitrile, and a particle size of 0.01 to 0. Provided is a positive electrode material for a lithium ion secondary battery, which comprises a tungsten oxide material of 09 μm or a tungsten-added material of lithium tartrate having a particle size of 0.01 to 0.09 μm.
ここで、前記正極材料に含まれるタングステン量は、リチウム金属複合酸化物粉末に含まれるニッケル、コバルトおよび添加元素Mの原子数の合計に対して、0.1〜3.0原子%であってもよい。 Here, the amount of tungsten contained in the positive electrode material is 0.1 to 3.0 atomic% with respect to the total number of atoms of nickel, cobalt and the additive element M contained in the lithium metal composite oxide powder. May be good.
また、前記タングステン添加材料は、WO3の酸化タングステン、若しくはLi2WO4、Li4WO5、Li6W2O9から選択される少なくとも1種のタングステン酸リチウムであってもよい。 Further, the tungsten-added material may be tungsten oxide of WO 3 , or at least one lithium tungstate selected from Li 2 WO 4 , Li 4 WO 5 , and Li 6 W 2 O 9 .
また、前記タングステン添加材料は、タングステン酸リチウムである場合にはLi4WO5を含むタングステン酸リチウムであってもよい。 Further, the tungsten-added material may be lithium tungstate containing Li 4 WO 5 when it is lithium tungstate.
さらに、本発明では、
リチウム(Li)、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)、及び、元素Mを、Li:Ni:Co:M=z:(1−x−y):x:y(ただし、0.97≦z≦1.20、0≦x<0.01、0≦y≦0.10、0≦x+y≦0.10、Mは、Mn、V、Mg、Mo、Nb、TiおよびAlから選ばれる少なくとも1種の元素)で表される原子数比で含むリチウム金属複合酸化物粉末と、N−メチル−2−ピロリジノンと、粒径0.01〜0.09μmの酸化タングステン若しくは粒径0.01〜0.09μmのタングステン酸リチウムのタングステン添加材料とを含むことを特徴とするリチウムイオン二次電池用正極材料が提供される。
Further, in the present invention,
Lithium (Li), nickel (Ni), cobalt (Co), and element M are composed of Li: Ni: Co: M = z: (1-xy): x: y (where 0.97 ≦ z). ≤1.20, 0≤x <0.01, 0≤y≤0.10, 0≤x + y≤0.10, M is at least 1 selected from Mn, V, Mg, Mo, Nb, Ti and Al. Lithium metal composite oxide powder contained in the atomic number ratio represented by (species element), N-methyl-2-pyrrolidinone, tungsten oxide having a particle size of 0.01 to 0.09 μm or a particle size of 0.01 to 0 Provided is a positive electrode material for a lithium ion secondary battery, which comprises a tung-added material of .09 μm lithium tartrate.
また、本発明では、前述のリチウムイオン二次電池用正極材料を含む正極を有することを特徴とするリチウムイオン二次電池が提供される。 Further, the present invention provides a lithium ion secondary battery characterized by having a positive electrode containing the above-mentioned positive electrode material for a lithium ion secondary battery.
また、本発明では、
リチウム(Li)、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)、及び、元素Mを、Li:Ni:Co:M=z:(1−x−y):x:y(ただし、0.97≦z≦1.20、0≦x<0.01、0≦y≦0.10、0≦x+y≦0.10、Mは、Mn、V、Mg、Mo、Nb、TiおよびAlから選ばれる少なくとも1種の元素)で表される原子数比で含むリチウム金属複合酸化物粉末と、粒径0.01〜0.09μmの酸化タングステン若しくは粒径0.01〜0.09μmのタングステン酸リチウムのタングステン添加材料との混合物に、導電材及び結着剤と、前記結着剤を溶解する溶剤のN−メチル−2−ピロリジノンとを混合することを特徴とするリチウムイオン二次電池用正極合材の製造方法が提供される。
Further, in the present invention,
Lithium (Li), nickel (Ni), cobalt (Co), and element M are composed of Li: Ni: Co: M = z: (1-xy): x: y (where 0.97 ≦ z). ≤1.20, 0≤x <0.01, 0≤y≤0.10, 0≤x + y≤0.10, M is at least 1 selected from Mn, V, Mg, Mo, Nb, Ti and Al. Lithium metal composite oxide powder contained in the atomic number ratio represented by (seed element) and tungsten oxide having a particle size of 0.01 to 0.09 μm or lithium tungstate having a particle size of 0.01 to 0.09 μm are added. Production of a positive electrode mixture for a lithium ion secondary battery, which comprises mixing a conductive material and a binder with a mixture with the material and N-methyl-2-pyrrolidinone, which is a solvent for dissolving the binder. The method is provided.
また、本発明では、
リチウム(Li)、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)、及び、元素Mを、Li:Ni:Co:M=z:(1−x−y):x:y(ただし、0.97≦z≦1.20、0≦x<0.01、0≦y≦0.10、0≦x+y≦0.10、Mは、Mn、V、Mg、Mo、Nb、TiおよびAlから選ばれる少なくとも1種の元素)で表される原子数比で含むリチウム金属複合酸化物粉末と、エタノール、メタノール、プロパノール、ブタノール、アセトニトリルから選択される少なくとも1種の有機溶剤と、粒径0.01〜0.09μmの酸化タングステン若しくは粒径0.01〜0.09μmのタングステン酸リチウムのタングステン添加材料との混合物に、
導電材及び結着剤と前記結着剤を溶解する溶剤のN−メチル−2−ピロリジノンを混合することを特徴とするリチウムイオン二次電池用正極合材の製造方法が提供される。
Further, in the present invention,
Lithium (Li), nickel (Ni), cobalt (Co), and element M are composed of Li: Ni: Co: M = z: (1-xy): x: y (where 0.97 ≦ z). ≤1.20, 0≤x <0.01, 0≤y≤0.10, 0≤x + y≤0.10, M is at least one selected from Mn, V, Mg, Mo, Nb, Ti and Al. Lithium metal composite oxide powder containing an atomic number ratio represented by (species element), at least one organic solvent selected from ethanol, methanol, propanol, butanol, and acetonitrile, and a particle size of 0.01 to 0. In a mixture of 09 μm tungsten oxide or a lithium tungsten-added material having a particle size of 0.01 to 0.09 μm,
Provided is a method for producing a positive electrode mixture for a lithium ion secondary battery, which comprises mixing a conductive material and a binder with N-methyl-2-pyrrolidinone, a solvent that dissolves the binder.
また、本発明では、前述のようなリチウムイオン二次電池用正極合材を含む正極を有することを特徴とするリチウムイオン二次電池が提供される。 Further, the present invention provides a lithium ion secondary battery characterized by having a positive electrode including the above-mentioned positive electrode mixture for a lithium ion secondary battery.
本発明では、コバルトに対するニッケルの量を相対的に高めた場合であっても、サイクル特性の低下が生じ難いリチウムイオン二次電池用正極材料の製造方法、およびリチウムイオン二次電池用正極合材の製造方法を提供することができる。また、本発明では、コバルトに対するニッケルの量を相対的に高めた場合であっても、サイクル特性の低下が生じ難いリチウムイオン二次電池用正極材料、およびリチウムイオン二次電池を提供することができる。 In the present invention, a method for producing a positive electrode material for a lithium ion secondary battery and a positive electrode mixture for a lithium ion secondary battery, in which the cycle characteristics are unlikely to deteriorate even when the amount of nickel relative to cobalt is relatively increased. Manufacturing method can be provided. Further, in the present invention, it is possible to provide a positive electrode material for a lithium ion secondary battery and a lithium ion secondary battery in which the cycle characteristics are unlikely to deteriorate even when the amount of nickel relative to cobalt is relatively increased. it can.
本発明の製造方法は、容易で工業的規模での生産に適したものであり、その工業的価値は極めて大きい。 The manufacturing method of the present invention is easy and suitable for production on an industrial scale, and its industrial value is extremely large.
以下、本発明について詳細に説明するが、まず本発明の正極活物質(正極材料)について説明した後、その製造方法および該正極活物質を用いた非水系電解質二次電池について説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in detail. First, the positive electrode active material (positive electrode material) of the present invention will be described, and then a method for producing the positive electrode active material and a non-aqueous electrolyte secondary battery using the positive electrode active material will be described.
(1)正極活物質(正極材料)
本発明のリチウムイオン二次電池用正極材料は、リチウム(Li)、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)、及び、元素Mを、Li:Ni:Co:M=z:(1−x−y):x:y(ただし、0.97≦z≦1.20、0≦x<0.01、0≦y≦0.10、0≦x+y≦0.10、Mは、Mn、V、Mg、Mo、Nb、TiおよびAlから選ばれる少なくとも1種の元素)で表される原子数比で含むリチウム金属複合酸化物粉末と、粒径0.01〜0.09μmの酸化タングステン、若しくは粒径0.01〜0.09μmのタングステン酸リチウムのタングステン添加材料と、を混合することを特徴とするものである。
(1) Positive electrode active material (positive electrode material)
The positive electrode material for a lithium ion secondary battery of the present invention contains lithium (Li), nickel (Ni), cobalt (Co), and element M, Li: Ni: Co: M = z: (1-xy). ): X: y (where 0.97 ≦ z ≦ 1.20, 0 ≦ x <0.01, 0 ≦ y ≦ 0.10, 0 ≦ x + y ≦ 0.10, M is Mn, V, Mg , Mo, Nb, Ti and Al) and lithium metal composite oxide powder contained in the atomic number ratio represented by the atomic number ratio, and tungsten oxide having a particle size of 0.01 to 0.09 μm, or a particle size. It is characterized in that it is mixed with a tungsten-added material of 0.01 to 0.09 μm lithium tartrate.
本発明においては、母材となる正極活物質として、一般式LizNi1−x−yCoxMyO2+α(ただし、0≦x<0.01、0≦y≦0.10、0≦x+y≦0.10、0.97≦z≦1.20、−0.2≦α≦0.2、Mは添加元素であり、Mn、V、Mg、Mo、Nb、TiおよびAlから選ばれる少なくとも1種の元素)で表されるリチウム金属複合酸化物粉末を用いることにより、高い充放電容量が得られ、さらにリチウム金属複合酸化物粉末と、粒径0.01〜0.09μmの酸化タングステン若しくは粒径0.01〜0.09μmのタングステン酸リチウムのタングステン添加材料を混合することにより、充放電容量を維持しながら出力特性を向上させる。
In the present invention, as a positive electrode active material comprising a base material, the general formula Li z Ni 1-x-y Co x
なお、リチウム金属複合酸化物は、層状の六方晶系岩塩型構造の結晶構造を有することが好ましい。 The lithium metal composite oxide preferably has a layered hexagonal rock salt type crystal structure.
本発明の一実施形態によるリチウムイオン二次電池用正極材料では、リチウム金属複合酸化物粉末(以下、「骨格材料」とも称する)の一次粒子および二次粒子の表面に、タングステン添加材料が存在する。このタングステン添加材料の存在により、骨格材料に含まれるニッケル量がコバルト量に対して比較的高い場合であっても、正極活物質の抵抗の上昇を有意に抑制することができる。 In the positive electrode material for a lithium ion secondary battery according to an embodiment of the present invention, a tungsten-added material is present on the surfaces of the primary particles and the secondary particles of the lithium metal composite oxide powder (hereinafter, also referred to as “skeleton material”). .. Due to the presence of the tungsten-added material, it is possible to significantly suppress an increase in the resistance of the positive electrode active material even when the amount of nickel contained in the skeleton material is relatively high with respect to the amount of cobalt.
また、これにより、リチウムイオンの脱着が正極材料全体において比較的均一に生じるようになり、正極材料のサイクル特性の低下を有意に抑制することができる。 Further, as a result, the desorption of lithium ions occurs relatively uniformly in the entire positive electrode material, and the deterioration of the cycle characteristics of the positive electrode material can be significantly suppressed.
本発明で使用する酸化タングステンは、正極活物質表面の余剰リチウムと反応してタングステン酸リチウムへと変化して活物質表面に存在していると考えられる。 It is considered that the tungsten oxide used in the present invention reacts with the excess lithium on the surface of the positive electrode active material to change to lithium tungstate and exists on the surface of the active material.
またタングステン酸リチウムも、リチウムイオン伝導率が高い化合物であるが、タングステン酸リチウムの場合には、リチウム金属複合酸化物と単に混合して、リチウム金属複合酸化物の粒子間に分散させるのみで、リチウムの移動を促進して、大幅に正極抵抗を低減できる効果を示す。 Lithium tungate is also a compound having high lithium ion conductivity, but in the case of lithium tungstate, it is simply mixed with the lithium metal composite oxide and dispersed between the particles of the lithium metal composite oxide. It has the effect of promoting the movement of lithium and significantly reducing the positive electrode resistance.
このタングステン酸リチウムが、活物質の表面に微粒子として均一に存在することで、電解液若しくは正極活物質に作用して、電解液と正極活物質界面との間でリチウムの伝導パスが形成され、活物質の反応抵抗を低減して出力特性を向上させる。 When this lithium tartrate is uniformly present as fine particles on the surface of the active material, it acts on the electrolytic solution or the positive electrode active material to form a lithium conduction path between the electrolytic solution and the positive electrode active material interface. The reaction resistance of the active material is reduced to improve the output characteristics.
正極材料内でタングステン添加材料である粒径0.01〜0.09μmの酸化タングステン若しくは粒径0.01〜0.09μmのタングステン酸リチウムが不均一に分布した場合には、リチウム金属複合酸化物の粒子間でリチウムイオンの移動が不均一となるため、特定のリチウム金属複合酸化物粒子に負荷がかかり、サイクル特性の悪化や反応抵抗の上昇を招きやすい。 When tungsten oxide having a particle size of 0.01 to 0.09 μm or lithium tantistate having a particle size of 0.01 to 0.09 μm, which is a tungsten-added material, is unevenly distributed in the positive electrode material, a lithium metal composite oxide Since the movement of lithium ions becomes non-uniform between the particles, a load is applied to specific lithium metal composite oxide particles, which tends to cause deterioration of cycle characteristics and increase of reaction resistance.
したがって、活物質表面にタングステン酸リチウムの微粒子が均一に存在し、正極材料内において均一に粒径0.01〜0.09μmの酸化タングステン若しくは粒径0.01〜0.09μmのタングステン酸リチウムが分布されていることが好ましい。 Therefore, fine particles of lithium tungstate are uniformly present on the surface of the active material, and tungsten oxide having a particle size of 0.01 to 0.09 μm or lithium tungstate having a particle size of 0.01 to 0.09 μm is uniformly present in the positive electrode material. It is preferably distributed.
したがって、上記酸化タングステン若しくはタングステン酸リチウムの微粒子を正極活物質表面と正極材料内で均一に分散させる必要があり、その粒径を0.01〜0.09μmとすることが好ましく、0.01〜0.05μmとすることがより好ましい。 Therefore, it is necessary to uniformly disperse the fine particles of tungsten oxide or lithium tungstate in the surface of the positive electrode active material and in the positive electrode material, and the particle size is preferably 0.01 to 0.09 μm, preferably 0.01 to 0.09 μm. It is more preferably 0.05 μm.
その粒径が0.01μm未満では、粉砕コストがかかり過ぎることがあるため好ましくなく、粒子径が0.09μmを超えると、正極材料表面にタングステン酸リチウムを均一に付着させることができず、反応抵抗の低減効果が十分に得られない場合があり好ましくない。 If the particle size is less than 0.01 μm, the pulverization cost may be too high, which is not preferable. If the particle size exceeds 0.09 μm, lithium tungstate cannot be uniformly adhered to the surface of the positive electrode material, resulting in a reaction. It is not preferable because the effect of reducing resistance may not be sufficiently obtained.
この粒径は、レーザー回折散乱法、またはマイクロトラックにおける体積積算平均値を用いて測定した平均粒径を使用する。 For this particle size, the average particle size measured by the laser diffraction / scattering method or the volume integration average value in Microtrac is used.
なお、粒子径が上記範囲を超える場合には、混合前に粉砕することが好ましい。 When the particle size exceeds the above range, it is preferable to pulverize the particles before mixing.
さらに、この正極材料に含まれるタングステン量は、混合するリチウム金属複合酸化物粉末に含まれるニッケル、コバルトおよび添加元素Mの原子数の合計に対して、0.1〜3.0原子%とすることが好ましい。 Further, the amount of tungsten contained in this positive electrode material is 0.1 to 3.0 atomic% with respect to the total number of atoms of nickel, cobalt and the additive element M contained in the mixed lithium metal composite oxide powder. Is preferable.
これにより、高い充放電容量と出力特性を両立することができるが、タングステン量が0.1原子%未満では、活物質表面に均一に微粒子を設けることができずに、出力特性の改善効果が十分に得られない場合がある。一方タングステン量が3.0原子%を超えると、タングステン酸リチウムが多くなり過ぎてリチウム金属複合酸化物と電解液のリチウム伝導が阻害され、または、活物質の量が相対的に減少するため充放電容量が低下することがある。 As a result, both high charge / discharge capacity and output characteristics can be achieved, but if the amount of tungsten is less than 0.1 atomic%, fine particles cannot be uniformly provided on the surface of the active material, and the effect of improving the output characteristics can be improved. It may not be enough. On the other hand, when the amount of tungsten exceeds 3.0 atomic%, the amount of lithium tungstate becomes too large and the lithium conduction between the lithium metal composite oxide and the electrolytic solution is hindered, or the amount of the active material is relatively reduced. The discharge capacity may decrease.
このタングステン酸リチウムは、Li2WO4、Li4WO5若しくはLi6W2O9から選択される少なくとも1種であることが好ましく、Li4WO5を含むものであることがより好ましい。 The lithium tungstate is preferably at least one selected from Li 2 WO 4 , Li 4 WO 5 or Li 6 W 2 O 9, and more preferably contains Li 4 WO 5 .
タングステン酸リチウム中にLi4WO5が50%以上含まれることが特に好ましい。 It is particularly preferable that the lithium tungstate contains 50% or more of Li 4 WO 5 .
これらのタングステン酸リチウムは、高いリチウムイオン伝導率を有するものであり、リチウム金属複合酸化物粉末と混合することで上記効果が十分に得られる。 These lithium tungstates have high lithium ion conductivity, and the above effects can be sufficiently obtained by mixing with lithium metal composite oxide powder.
リチウム金属複合酸化物のリチウム量は、リチウム金属複合酸化物中のニッケル、コバルトおよび添加元素Mの原子数の和(Me)とリチウム(Li)の原子数との比(Li/Me)で0.97〜1.20である。 The amount of lithium in the lithium metal composite oxide is 0 as the ratio (Li / Me) of the sum of the number of atoms of nickel, cobalt and the additive element M (Me) in the lithium metal composite oxide to the number of atoms of lithium (Li). It is .97 to 1.20.
Li/Meが0.97未満であると、上記正極材料を用いた非水系電解質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。また、Li/Meが1.20を超えると、正極材料の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。そこで、より大きな放電容量を得るためには、Li/Meを1.10以下とすることが好ましい。 If Li / Me is less than 0.97, the reaction resistance of the positive electrode in the non-aqueous electrolyte secondary battery using the positive electrode material becomes large, so that the output of the battery becomes low. Further, when Li / Me exceeds 1.20, the discharge capacity of the positive electrode material decreases and the reaction resistance of the positive electrode also increases. Therefore, in order to obtain a larger discharge capacity, it is preferable to set Li / Me to 1.10 or less.
Coおよび添加元素Mは、サイクル特性や出力特性などの電池特性を向上させるために添加するものであるが、これらの添加量を示すxおよびyが0.10を超えると、Redox反応に貢献するNiが減少するため、電池容量が低下する。 Co and the additive element M are added in order to improve battery characteristics such as cycle characteristics and output characteristics, and when x and y indicating the amount of these additions exceed 0.10, they contribute to the Redox reaction. Since Ni decreases, the battery capacity decreases.
したがって、電池に用いたときに十分な電池容量を得るためには、添加元素Mの添加量を示すyを0.1以下とすることが好ましい。 Therefore, in order to obtain a sufficient battery capacity when used in a battery, it is preferable that y indicating the amount of the additive element M added is 0.1 or less.
また、電解液との接触面積を多くすることが、出力特性の向上に有利であることから、一次粒子および一次粒子が凝集して構成された二次粒子からなるリチウム金属複合酸化物粒子を用いる。 Further, since increasing the contact area with the electrolytic solution is advantageous for improving the output characteristics, lithium metal composite oxide particles composed of primary particles and secondary particles formed by aggregating the primary particles are used. ..
本発明の正極材料は、リチウム金属複合酸化物粉末と、酸化タングステン若しくはタングステン酸リチウムの微粉末を有機溶剤とともに混合することにより酸化タングステン若しくはタングステン酸リチウムの微粒子を正極活物質表面と正極材料内で均一に分散させて出力特性を改善したものであり、正極活物質としてのリチウム金属複合酸化物の粒径、タップ密度などの粉体特性は、通常に用いられる正極活物質の範囲内であれば良く、また、リチウム金属複合酸化物は、公知の方法で得られたものでよく、上記組成および粉体特性を満たすものを用いることができる。 In the positive electrode material of the present invention, fine particles of tungsten oxide or lithium tungstate are mixed with an organic solvent by mixing a lithium metal composite oxide powder and a fine powder of tungsten oxide or lithium tungstate on the surface of the positive electrode active material and in the positive electrode material. The output characteristics are improved by uniformly dispersing, and the powder characteristics such as the particle size and tap density of the lithium metal composite oxide as the positive electrode active material are within the range of the commonly used positive electrode active material. Well, the lithium metal composite oxide may be obtained by a known method, and those satisfying the above composition and powder characteristics can be used.
リチウム金属複合酸化物粉末と、酸化タングステン若しくはタングステン酸リチウムを混合することにより得られる効果は、たとえば、リチウムコバルト系複合酸化物、リチウムマンガン系複合酸化物、リチウムニッケルコバルトマンガン系複合酸化物など、本発明で掲げた正極活物質だけでなく一般的に使用されるリチウム二次電池用正極活物質にも適用できる。 The effect obtained by mixing the lithium metal composite oxide powder with tungsten oxide or lithium tungstate is, for example, a lithium cobalt-based composite oxide, a lithium manganese-based composite oxide, a lithium nickel cobalt manganese-based composite oxide, or the like. It can be applied not only to the positive electrode active material described in the present invention but also to the commonly used positive electrode active material for a lithium secondary battery.
(2)正極活物質(正極材料)の製造方法
本発明の非水系電解質二次電池用正極材料の製造方法においては、母材としての正極活物質として、一般式LizNi1−x−yCoxMyO2+α(ただし、0≦x<0.01、0≦y≦0.10、0≦x+y≦0.10、0.97≦z≦1.20、−0.2≦α≦0.2、Mは添加元素であり、Mn、V、Mg、Mo、Nb、TiおよびAlから選ばれる少なくとも1種の元素)で表されるリチウム金属複合酸化物粉末と、エタノール、メタノール、プロパノール、ブタノール、アセトニトリルから選択される少なくとも1種の有機溶剤と、粒径0.01〜0.09μmの酸化タングステン、若しくは粒径0.01〜0.09μmのタングステン酸リチウムのタングステン添加材料とを混合する。
(2) In the manufacturing method of the positive electrode active material a positive electrode material for a nonaqueous electrolyte secondary battery manufacturing method present invention (positive electrode material), as the positive electrode active material as a base material, the general formula Li z Ni 1-x-y Co x M y O 2 + α ( although, 0 ≦ x <0.01,0 ≦ y ≦ 0.10,0 ≦ x + y ≦ 0.10,0.97 ≦ z ≦ 1.20, -0.2 ≦ α ≦ 0.2 and M are additive elements, and lithium metal composite oxide powder represented by (at least one element selected from Mn, V, Mg, Mo, Nb, Ti and Al), ethanol, methanol and propanol. , Butanol, and acetonitrile are mixed with at least one organic solvent and a tungsten oxide material having a particle size of 0.01 to 0.09 μm of tungsten oxide or lithium tungstenate having a particle size of 0.01 to 0.09 μm. To do.
混合後、溶剤を含む正極材料を乾燥させてもいいし、そのまま正極合材の製造に用いることもできる。乾燥は、公知の方法および条件でよく、リチウム金属複合酸化物の電池特性が劣化しない範囲で行えばよい。 After mixing, the positive electrode material containing the solvent may be dried, or may be used as it is in the production of the positive electrode mixture. Drying may be performed by a known method and conditions, and may be performed within a range in which the battery characteristics of the lithium metal composite oxide are not deteriorated.
リチウム金属複合酸化物粉末と、酸化タングステン若しくはタングステン酸リチウムは、正極活物質表面への微粒子形成と正極材料内での微粒子の分散を均一にするためには十分な混合が必要であるが、本発明では、さらにリチウム金属複合酸化物粉末とタングステン添加材料との混合時に、リチウム金属複合酸化物粉末との濡れ性の良好なエタノール、メタノール、プロパノール、ブタノール、アセトニトリルから選択される少なくとも1種の有機溶剤を、リチウム金属複合酸化物粉末100g当たり、10〜200ml、より好
ましくは30〜100mlの範囲で添加して混合する。10mlより少ないと均一な混合が難しくなり、200mlを超えると乾燥に時間を要することになり好ましくない。
Lithium metal composite oxide powder and tungsten oxide or lithium tungstate need to be sufficiently mixed in order to form fine particles on the surface of the positive electrode active material and uniformly disperse the fine particles in the positive electrode material. In the invention, at least one organic substance selected from ethanol, methanol, propanol, butanol, and acetonitrile having good wettability with the lithium metal composite oxide powder when the lithium metal composite oxide powder and the tungsten-added material are mixed. The solvent is added and mixed in the range of 10 to 200 ml, more preferably 30 to 100 ml per 100 g of the lithium metal composite oxide powder. If it is less than 10 ml, uniform mixing becomes difficult, and if it exceeds 200 ml, it takes time to dry, which is not preferable.
その混合には、一般的な混合機を使用することができ、例えば、シェーカーミキサーやレーディゲミキサー、ジュリアミキサー、Vブレンダーなどを用いてリチウム金属複合酸化物粒子の形骸が破壊されない程度で、酸化タングステン若しくはタングステン酸リチウムとを十分に混合してやればよい。 A general mixer can be used for the mixing, for example, using a shaker mixer, a Ladyge mixer, a Julia mixer, a V blender, etc., to the extent that the skeleton of the lithium metal composite oxide particles is not destroyed. It suffices to mix well with tungsten oxide or lithium tungstate.
これにより、酸化タングステン若しくはタングステン酸リチウムの微粒子を、リチウム金属複合酸化物粉末表面に均一に分布させることができる。 Thereby, the fine particles of tungsten oxide or lithium tungstate can be uniformly distributed on the surface of the lithium metal composite oxide powder.
本発明の製造方法においては、正極材料の電池容量および安全性を向上させるために、上記混合工程の前に、さらにリチウム金属複合酸化物粉末を水洗することができる。 In the production method of the present invention, in order to improve the battery capacity and safety of the positive electrode material, the lithium metal composite oxide powder can be further washed with water before the mixing step.
この水洗は、公知の方法および条件でよく、リチウム金属複合酸化物粉末から過度にリチウムが溶出して電池特性が劣化しない範囲で行えばよい。 This washing with water may be carried out by a known method and conditions, and may be carried out within a range in which lithium is not excessively eluted from the lithium metal composite oxide powder and the battery characteristics are not deteriorated.
水洗した場合には、乾燥してから酸化タングステン若しくはタングステン酸リチウムと混合しても、固液分離のみで乾燥せずに酸化タングステン若しくはタングステン酸リチウムと混合した後、乾燥しても、いずれの方法でもよい。 When washed with water, it can be dried and then mixed with tungsten oxide or lithium tungstate, or it can be mixed with tungsten oxide or lithium tungstate without drying by solid-liquid separation and then dried. It may be.
また乾燥は、公知の方法および条件でよく、リチウム金属複合酸化物の電池特性が劣化しない範囲で行えばよい。 Further, the drying may be carried out by a known method and conditions as long as the battery characteristics of the lithium metal composite oxide are not deteriorated.
(リチウムイオン二次電池)
本実施形態のリチウムイオン二次電池(以下、「二次電池」ともいう。)は、既述の正極活物質を含む正極を有することができる。
(Lithium-ion secondary battery)
The lithium ion secondary battery of the present embodiment (hereinafter, also referred to as “secondary battery”) can have a positive electrode containing the above-mentioned positive electrode active material.
以下、本実施形態の二次電池の一構成例について、構成要素ごとにそれぞれ説明する。本実施形態の二次電池は、例えば正極、負極及び非水系電解質を含み、一般のリチウムイオン二次電池と同様の構成要素から構成される。なお、以下で説明する実施形態は例示に過ぎず、本実施形態のリチウムイオン二次電池は、下記実施形態をはじめとして、当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した形態で実施することができる。また、二次電池は、その用途を特に限定するものではない。 Hereinafter, one configuration example of the secondary battery of the present embodiment will be described for each component. The secondary battery of the present embodiment includes, for example, a positive electrode, a negative electrode, and a non-aqueous electrolyte, and is composed of the same components as a general lithium ion secondary battery. The embodiment described below is merely an example, and the lithium ion secondary battery of the present embodiment is implemented in a form in which various changes and improvements are made based on the knowledge of those skilled in the art, including the following embodiment. can do. Moreover, the use of the secondary battery is not particularly limited.
(正極)
本実施形態の二次電池が有する正極は、既述の正極活物質を含むことができる。
(Positive electrode)
The positive electrode of the secondary battery of the present embodiment may contain the above-mentioned positive electrode active material.
以下に正極の製造方法の一例を説明する。まず、既述の正極活物質(粉末状)、導電材および結着剤(バインダー)を混合して正極合材とし、さらに必要に応じて活性炭や、粘度調整などの目的の溶剤を添加し、これを混練して正極合材ペーストを作製することができる。 An example of a method for manufacturing a positive electrode will be described below. First, the above-mentioned positive electrode active material (powder), conductive material and binder (binder) are mixed to form a positive electrode mixture, and if necessary, activated carbon or a solvent for viscosity adjustment or the like is added. This can be kneaded to prepare a positive electrode mixture paste.
正極合材中のそれぞれの材料の混合比は、リチウムイオン二次電池の性能を決定する要素となるため、用途に応じて、調整することができる。材料の混合比は、公知のリチウムイオン二次電池の正極と同様とすることができ、例えば、溶剤を除いた正極合材の固形分の全質量を100質量%とした場合、正極活物質を60質量%以上95質量%以下、導電材を1質量%以上20質量%以下、結着剤を1質量%以上20質量%以下の割合で含有することができる。 Since the mixing ratio of each material in the positive electrode mixture is a factor that determines the performance of the lithium ion secondary battery, it can be adjusted according to the application. The mixing ratio of the materials can be the same as that of the positive electrode of a known lithium ion secondary battery. For example, when the total mass of the solid content of the positive electrode mixture excluding the solvent is 100% by mass, the positive electrode active material is used. The conductive material can be contained in a proportion of 60% by mass or more and 95% by mass or less, the conductive material in an amount of 1% by mass or more and 20% by mass or less, and the binder in an amount of 1% by mass or more and 20% by mass or less.
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、シート状の正極が作製される。必要に応じ、電極密度を高めるべくロールプレス等により加圧することもできる。このようにして得られたシート状の正極は、目的とする電池に応じて適当な大きさに裁断等し、電池の作製に供することができる。 The obtained positive electrode mixture paste is applied to the surface of a current collector made of aluminum foil, for example, and dried to disperse the solvent to prepare a sheet-shaped positive electrode. If necessary, pressurization can be performed by a roll press or the like in order to increase the electrode density. The sheet-shaped positive electrode thus obtained can be cut into an appropriate size according to the target battery and used for manufacturing the battery.
導電材としては、例えば、黒鉛(天然黒鉛、人造黒鉛および膨張黒鉛など)や、アセチレンブラックやケッチェンブラック(登録商標)などのカーボンブラック系材料などを用いることができる。 As the conductive material, for example, graphite (natural graphite, artificial graphite, expanded graphite, etc.), carbon black materials such as acetylene black and Ketjen black (registered trademark), and the like can be used.
結着剤(バインダー)としては、活物質粒子をつなぎ止める役割を果たすもので、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、フッ素ゴム、エチレンプロピレンジエンゴム、スチレンブタジエン、セルロース系樹脂およびポリアクリル酸等から選択された1種類以上を用いることができる。 As a binder, it plays a role of binding active material particles. For example, polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroethylene (PTFE), fluororubber, ethylene propylene diene rubber, styrene butadiene, cellulose-based One or more kinds selected from resin, polyacrylic acid and the like can be used.
必要に応じ、正極活物質、導電材等を分散させて、結着剤を溶解する溶剤を正極合材に添加することもできる。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剤を用いることができる。また、正極合材には、電気二重層容量を増加させるために、活性炭を添加することもできる。 If necessary, a positive electrode active material, a conductive material, or the like can be dispersed, and a solvent that dissolves the binder can be added to the positive electrode mixture. Specifically, as the solvent, an organic solvent such as N-methyl-2-pyrrolidone can be used. In addition, activated carbon can be added to the positive electrode mixture in order to increase the electric double layer capacity.
正極の作製方法は、上述した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。例えば正極合材をプレス成形した後、真空雰囲気下で乾燥することで製造することもできる。 The method for producing the positive electrode is not limited to the above-described example, and other methods may be used. For example, it can be produced by press-molding a positive electrode mixture and then drying it in a vacuum atmosphere.
(負極)
負極は、金属リチウム、リチウム合金等を用いることができる。また、負極は、リチウムイオンを吸蔵・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、銅等の金属箔集電体の表面に塗布、乾燥し、必要に応じて電極密度を高めるべく圧縮して形成したものを用いてもよい。
(Negative electrode)
As the negative electrode, metallic lithium, a lithium alloy, or the like can be used. For the negative electrode, a binder is mixed with a negative electrode active material that can occlude and desorb lithium ions, and a paste-like negative electrode mixture is added to a suitable solvent on the surface of a metal leaf current collector such as copper. It may be coated, dried, and if necessary, compressed to increase the electrode density.
負極活物質としては、例えば、天然黒鉛、人造黒鉛およびフェノール樹脂などの有機化合物焼成体、およびコークスなどの炭素物質の粉状体を用いることができる。この場合、負極結着剤としては、正極同様、PVDFなどの含フッ素樹脂を用いることができ、これらの活物質および結着剤を分散させる溶剤としては、N−メチル−2−ピロリドンなどの有機溶剤を用いることができる。 As the negative electrode active material, for example, a calcined organic compound such as natural graphite, artificial graphite and phenol resin, and a powdered carbon substance such as coke can be used. In this case, a fluororesin such as PVDF can be used as the negative electrode binder as in the case of the positive electrode, and an organic such as N-methyl-2-pyrrolidone can be used as the solvent for dispersing these active substances and the binder. A solvent can be used.
(セパレータ)
正極と負極との間には、必要に応じてセパレータを挟み込んで配置することができる。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、公知のものを用いることができ、例えば、ポリエチレンやポリプロピレンなどの薄い膜で、微少な孔を多数有する膜を用いることができる。
(Separator)
A separator can be sandwiched between the positive electrode and the negative electrode, if necessary. As the separator, a positive electrode and a negative electrode are separated to retain an electrolyte, and a known one can be used. For example, a thin film such as polyethylene or polypropylene, which has a large number of fine pores, may be used. it can.
(非水系電解質)
非水系電解質としては、例えば非水系電解液を用いることができる。
(Non-aqueous electrolyte)
As the non-aqueous electrolyte, for example, a non-aqueous electrolyte solution can be used.
非水系電解液としては、例えば支持塩としてのリチウム塩を有機溶媒に溶解したものを用いることができる。また、非水系電解液として、イオン液体にリチウム塩が溶解したものを用いてもよい。なお、イオン液体とは、リチウムイオン以外のカチオンおよびアニオンから構成され、常温でも液体状の塩をいう。 As the non-aqueous electrolyte solution, for example, a solution in which a lithium salt as a supporting salt is dissolved in an organic solvent can be used. Further, as the non-aqueous electrolyte solution, one in which a lithium salt is dissolved in an ionic liquid may be used. The ionic liquid is a salt that is composed of cations and anions other than lithium ions and is liquid even at room temperature.
有機溶媒としては、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネートおよびトリフルオロプロピレンカーボネートなどの環状カーボネートや、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネートおよびジプロピルカーボネートなどの鎖状カーボネート、さらにテトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフランおよびジメトキシエタンなどのエーテル化合物、エチルメチルスルホン、ブタンスルトンなどの硫黄化合物、リン酸トリエチル、リン酸トリオクチルなどのリン化合物等から選ばれる1種類を単独で用いてもよく、2種類以上を混合して用いることもできる。 Examples of the organic solvent include cyclic carbonates such as ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate and trifluoropropylene carbonate, chain carbonates such as diethyl carbonate, dimethyl carbonate, ethylmethyl carbonate and dipropyl carbonate, and tetrahydrofuran and 2-methyltetrahydrofuran. And one selected from ether compounds such as dimethoxyethane, sulfur compounds such as ethylmethyl sulfone and butane sulton, phosphorus compounds such as triethyl phosphate and trioctyl phosphate may be used alone, or two or more thereof may be mixed. It can also be used.
支持塩としては、LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiAsF6、LiN(CF3SO2)2、およびそれらの複合塩などを用いることができる。さらに、非水系電解液は、ラジカル捕捉剤、界面活性剤および難燃剤などを含んでいてもよい。 As the supporting salt, LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , LiAsF 6 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , and a composite salt thereof can be used. Further, the non-aqueous electrolyte solution may contain a radical scavenger, a surfactant, a flame retardant and the like.
また、非水系電解質としては、固体電解質を用いてもよい。固体電解質は、高電圧に耐えうる性質を有する。固体電解質としては、無機固体電解質、有機固体電解質が挙げられる。 Moreover, you may use a solid electrolyte as a non-aqueous electrolyte. The solid electrolyte has a property of being able to withstand a high voltage. Examples of the solid electrolyte include an inorganic solid electrolyte and an organic solid electrolyte.
無機固体電解質としては、酸化物系固体電解質、硫化物系固体電解質等が挙げられる。 Examples of the inorganic solid electrolyte include oxide-based solid electrolytes and sulfide-based solid electrolytes.
酸化物系固体電解質としては、特に限定されず、例えば酸素(O)を含有し、かつリチウムイオン伝導性と電子絶縁性とを有するものを好適に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等から選択された1種類以上を用いることができる。 The oxide-based solid electrolyte is not particularly limited, and for example, one containing oxygen (O) and having lithium ion conductivity and electron insulating property can be preferably used. Examples of the oxide-based solid electrolyte include 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 One or more types selected from P 0.4 O 4 and the like can be used.
硫化物系固体電解質としては、特に限定されず、例えば硫黄(S)を含有し、かつリチウムイオン伝導性と電子絶縁性とを有するものを好適に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等から選択された1種類以上を用いることができる。
The sulfide-based solid electrolyte is not particularly limited, and for example, one containing sulfur (S) and having lithium ion conductivity and electron insulating property can be preferably used. Examples of the sulfide-based solid electrolyte include 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-
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。 As the inorganic solid electrolyte, an electrolyte other than the above may be used, and 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、イオン伝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。 The organic solid electrolyte is not particularly limited as long as it is a polymer compound exhibiting ionic conductivity, and for example, polyethylene oxide, polypropylene oxide, copolymers thereof and the like can be used. Further, the organic solid electrolyte may contain a supporting salt (lithium salt).
(二次電池の形状、構成)
以上のように説明してきた本実施形態の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。いずれの形状を採る場合であっても、本実施形態の二次電池が非水系電解質として非水系電解液を用いる場合であれば、正極および負極を、セパレータを介して積層させて電極体とし、得られた電極体に、非水系電解液を含浸させ、正極集電体と外部に通ずる正極端子との間、および、負極集電体と外部に通ずる負極端子との間を、集電用リードなどを用いて接続し、電池ケースに密閉した構造とすることができる。
(Shape and configuration of secondary battery)
The lithium ion secondary battery of the present embodiment described as described above can have various shapes such as a cylindrical shape and a laminated shape. Regardless of which shape is adopted, if the secondary battery of the present embodiment uses a non-aqueous electrolyte solution as the non-aqueous electrolyte, the positive electrode and the negative electrode are laminated via a separator to form an electrode body. The obtained electrode body is impregnated with a non-aqueous electrolyte solution, and a lead for collecting current is provided between the positive electrode current collector and the positive electrode terminal communicating with the outside, and between the negative electrode current collector and the negative electrode terminal communicating with the outside. It can be connected using such as, and the structure can be sealed in the battery case.
なお、既述の様に本実施形態の二次電池は非水系電解質として非水系電解液を用いた形態に限定されるものではなく、例えば固体の非水系電解質を用いた二次電池、すなわち全固体電池とすることもできる。全固体電池とする場合、正極活物質以外の構成は必要に応じて変更することができる。 As described above, the secondary battery of the present embodiment is not limited to the form in which the non-aqueous electrolyte solution is used as the non-aqueous electrolyte. For example, the secondary battery using a solid non-aqueous electrolyte, that is, all. It can also be a solid-state battery. In the case of an all-solid-state battery, the configurations other than the positive electrode active material can be changed as needed.
本実施形態の二次電池では、ガスの発生を抑制することができ保存安定性に優れている。このため、ラミネート型の電池等の様にガス発生の影響を受けやすい電池に特に好適に用いることができる。また、本実施形態の二次電池は、ガスの発生が抑制されることで、電池特性を安定させることができるため、ラミネート型以外の電池にも好適に用いることができる。 The secondary battery of the present embodiment can suppress the generation of gas and is excellent in storage stability. Therefore, it can be particularly preferably used for a battery that is easily affected by gas generation, such as a laminated battery. Further, since the secondary battery of the present embodiment can stabilize the battery characteristics by suppressing the generation of gas, it can be suitably used for batteries other than the laminated type.
そして、本実施形態の二次電池は、各種用途に用いることができるが、高容量、高出力な二次電池とすることができるため、例えば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)の電源に好適であり、高出力が要求される電気自動車用電源にも好適である。 The secondary battery of the present embodiment can be used for various purposes, but since it can be a high-capacity, high-output secondary battery, for example, a small portable electronic device (notebook) that always requires a high capacity. It is suitable as a power source for (type personal computers, mobile phone terminals, etc.), and is also suitable as a power source for electric vehicles that require high output.
また、本実施形態の二次電池は、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電気自動車用電源として好適である。なお、本実施形態の二次電池は、純粋に電気エネルギーで駆動する電気自動車用の電源のみならず、ガソリンエンジンやディーゼルエンジンなどの燃焼機関と併用するいわゆるハイブリッド車用の電源としても用いることができる。 Further, since the secondary battery of the present embodiment can be miniaturized and has a high output, it is suitable as a power source for an electric vehicle whose mounting space is restricted. The secondary battery of the present embodiment can be used not only as a power source for an electric vehicle driven by purely electric energy, but also as a power source for a so-called hybrid vehicle used in combination with a combustion engine such as a gasoline engine or a diesel engine. it can.
(特性)
本発明の正極活物質を用いた非水系電解質二次電池は、高容量で高出力となる。
(Characteristic)
The non-aqueous electrolyte secondary battery using the positive electrode active material of the present invention has a high capacity and a high output.
特により好ましい形態で得られた正極活物質を用いた非水系電解質二次電池は、例えば、2032型コイン電池の正極に用いた場合、165mAh/g以上の高い初期放電容量と低い正極抵抗が得られ、さらに高容量で高出力である。また、熱安定性が高く、安全性においても優れているものである。 A non-aqueous electrolyte secondary battery using a positive electrode active material obtained in a particularly preferable form can obtain a high initial discharge capacity of 165 mAh / g or more and a low positive electrode resistance, for example, when used for the positive electrode of a 2032 type coin battery. It has a higher capacity and higher output. In addition, it has high thermal stability and is also excellent in safety.
なお、本発明における正極抵抗の測定方法を以下に例示する。 The method for measuring the positive electrode resistance in the present invention is illustrated below.
電気化学的評価手法として一般的な交流インピーダンス法にて電池反応の周波数依存性について測定を行うと、溶液抵抗、負極抵抗と負極容量、および正極抵抗と正極容量に基づくナイキスト線図が図1のように得られる。 When the frequency dependence of the battery reaction is measured by the general AC impedance method as an electrochemical evaluation method, the Nyquist diagram based on the solution resistance, the negative electrode resistance and the negative electrode capacitance, and the positive electrode resistance and the positive electrode capacitance is shown in FIG. Obtained like this.
この電極における電池反応は電荷移動に伴う抵抗成分と電気二重層による容量成分とからなり、これらを電気回路で表すと抵抗と容量の並列回路となり、電池全体としては溶液抵抗と負極、正極の並列回路を直列に接続した等価回路で表される。 The battery reaction at this electrode consists of a resistance component due to charge transfer and a capacitance component due to the electric double layer. When these are represented by an electric circuit, it becomes a parallel circuit of resistance and capacitance, and the battery as a whole is a solution resistance, a negative electrode, and a positive electrode in parallel. It is represented by an equivalent circuit in which the circuits are connected in series.
この等価回路を用いて測定したナイキスト線図に対してフィッティング計算を行い、各抵抗成分、容量成分を見積もることができる。 Fitting calculation can be performed on the Nyquist diagram measured using this equivalent circuit, and each resistance component and capacitance component can be estimated.
正極抵抗は、得られるナイキスト線図の低周波数側の半円の直径と等しい。 The positive electrode resistance is equal to the diameter of the resulting semicircle on the low frequency side of the Nyquist diagram.
以上のことから、作製される正極について、交流インピーダンス測定を行い、得られたナイキスト線図に対し等価回路でフィッティング計算することで、正極抵抗を見積もることができる。 From the above, the positive electrode resistance can be estimated by measuring the AC impedance of the manufactured positive electrode and calculating the fitting of the obtained Nyquist diagram with an equivalent circuit.
以下に、実施例によって本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は、これらの実施例によってなんら限定されるものではない。なお、以下に説明するように、各実施例、比較例で調製した正極活物質を用いて電池を製造し、評価を実施した。まず、電池の製造方法、および評価方法について説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of examples, but the present invention is not limited to these examples. As described below, a battery was manufactured using the positive electrode active material prepared in each Example and Comparative Example, and the evaluation was carried out. First, a battery manufacturing method and an evaluation method will be described.
(電池の製造および評価)
正極活物質の評価には、図2に示す2032型コイン型電池10(以下、コイン型電池と称す)を使用した。
(Battery manufacturing and evaluation)
A 2032 type coin-type battery 10 (hereinafter referred to as a coin-type battery) shown in FIG. 2 was used for the evaluation of the positive electrode active material.
図2に示すように、コイン型電池10は、ケース11と、このケース11内に収容された電極12とから構成されている。 As shown in FIG. 2, the coin-type battery 10 is composed of a case 11 and an electrode 12 housed in the case 11.
ケース11は、中空かつ一端が開口された正極缶11aと、この正極缶11aの開口部に配置される負極缶11bとを有しており、負極缶11bを正極缶11aの開口部に配置すると、負極缶11bと正極缶11aとの間に電極12を収容する空間が形成されるように構成されている。 The case 11 has a positive electrode can 11a that is hollow and has one end opened, and a negative electrode can 11b that is arranged in the opening of the positive electrode can 11a. When the negative electrode can 11b is arranged in the opening of the positive electrode can 11a, , A space for accommodating the electrode 12 is formed between the negative electrode can 11b and the positive electrode can 11a.
電極12は、正極12a、セパレータ12cおよび負極12bとからなり、この順で並ぶように積層されており、正極12aが正極缶11aの内面に集電体13を介して接触し、負極12bが集電体13を介して負極缶11bの内面に接触するようにケース11に収容されている。正極12aとセパレータ12cとの間にも集電体13が配置されている。 The electrode 12 is composed of a positive electrode 12a, a separator 12c, and a negative electrode 12b, and is laminated so as to be arranged in this order. The positive electrode 12a contacts the inner surface of the positive electrode can 11a via a current collector 13, and the negative electrode 12b collects. It is housed in the case 11 so as to come into contact with the inner surface of the negative electrode can 11b via the electric body 13. A current collector 13 is also arranged between the positive electrode 12a and the separator 12c.
なお、ケース11はガスケット11cを備えており、このガスケット11cによって、正極缶11aと負極缶11bとの間が非接触の状態を維持するように相対的な移動が固定されている。また、ガスケット11cは、正極缶11aと負極缶11bとの隙間を密封してケース11内と外部との間を気密液密に遮断する機能も有している。 The case 11 is provided with a gasket 11c, and the gasket 11c fixes the relative movement of the case 11 so as to maintain a non-contact state between the positive electrode can 11a and the negative electrode can 11b. Further, the gasket 11c also has a function of sealing the gap between the positive electrode can 11a and the negative electrode can 11b to hermetically and liquidally shut off the inside and the outside of the case 11.
上記の図2に示すコイン型電池10は、以下のようにして製作した。 The coin-type battery 10 shown in FIG. 2 above was manufactured as follows.
まず、以下の実施例、比較例で調製したリチウムイオン二次電池用正極活物質52.5mg、アセチレンブラック15mg、およびポリテトラフッ化エチレン樹脂(PTFE)7.5mgを混合し、100MPaの圧力で直径11mm、厚さ100μmにプレス成形して、正極12aを作製した。作製した正極12aを真空乾燥機中120℃で12時間乾燥した。 First, 52.5 mg of the positive electrode active material for a lithium ion secondary battery, 15 mg of acetylene black, and 7.5 mg of polytetrafluoroethylene resin (PTFE) prepared in the following Examples and Comparative Examples were mixed, and the diameter was 11 mm at a pressure of 100 MPa. , Press-molded to a thickness of 100 μm to prepare a positive electrode 12a. The prepared positive electrode 12a was dried in a vacuum dryer at 120 ° C. for 12 hours.
この正極12aと、負極12b、セパレータ12cおよび電解液とを用いて、上述したコイン型電池10を、露点が−80℃に管理されたAr雰囲気のグローブボックス内で作製した。 Using the positive electrode 12a, the negative electrode 12b, the separator 12c, and the electrolytic solution, the coin-type battery 10 described above was produced in a glove box having an Ar atmosphere with a dew point controlled at −80 ° C.
なお、負極12bには、直径14mmの円盤状に打ち抜かれた平均粒径20μm程度の黒鉛粉末とポリフッ化ビニリデンが銅箔に塗布された負極シートを用いた。 For the negative electrode 12b, a graphite powder having an average particle diameter of about 20 μm punched into a disk shape having a diameter of 14 mm and a negative electrode sheet coated with polyvinylidene fluoride on a copper foil were used.
セパレータ12cには膜厚25μmのポリエチレン多孔膜を用いた。電解液には、1MのLiClO4を支持電解質とするエチレンカーボネート(EC)とジエチルカーボネート(DEC)の等量混合液(富山薬品工業株式会社製)を用いた。 A polyethylene porous membrane having a film thickness of 25 μm was used for the separator 12c. As the electrolytic solution, an equal amount mixture of ethylene carbonate (EC) and diethyl carbonate (DEC) using 1M LiClO 4 as a supporting electrolyte (manufactured by Tomiyama Pure Chemical Industries, Ltd.) was used.
製造したコイン型電池10の性能を示す初期放電容量およびサイクル特性は、以下のように評価した。 The initial discharge capacity and cycle characteristics indicating the performance of the manufactured coin-type battery 10 were evaluated as follows.
初期放電容量は、コイン型電池10を製作してから24時間程度放置し、開回路電圧OCV(Open Circuit Voltage)が安定した後、正極に対する電流密度を0.1mA/cm2としてカットオフ電圧4.3Vまで充電し、1時間の休止後、カットオフ電圧3.0Vまで放電したときの容量を初期放電容量とした。 The initial discharge capacity is the cutoff voltage 4 with the current density for the positive electrode set to 0.1 mA / cm 2 after the open circuit voltage OCV (Open Circuit Voltage) stabilizes after leaving the coin-type battery 10 for about 24 hours after manufacturing it. The initial discharge capacity was defined as the capacity when the battery was charged to 3 V, paused for 1 hour, and then discharged to a cutoff voltage of 3.0 V.
また、得られたコイン型電池について、電池評価として、サイクル特性を評価した。サイクル特性は、200サイクル充放電を行った時の容量維持率を測定することにより評価した。具体的には、作製したコイン型電池を、25℃に保持された恒温槽内で、電流密度0.3mA/cm2として、カットオフ電圧4.3Vまで充電し、1時間の休止後、カットオフ電圧3.0Vまで放電するサイクルを5サイクル繰り返すコンディショニングを行った後、60℃に保持された恒温槽内で、電流密度2.0mA/cm2として、カットオフ電圧4.3Vまで充電し、1時間の休止後、カットオフ電圧3.0Vまで放電するサイクルを200サイクル繰り返し、各サイクルの放電容量を測定することにより評価した。 In addition, the cycle characteristics of the obtained coin-type battery were evaluated as a battery evaluation. The cycle characteristics were evaluated by measuring the capacity retention rate after 200 cycles of charging and discharging. Specifically, the produced coin-type battery is charged to a cutoff voltage of 4.3 V in a constant temperature bath held at 25 ° C. with a current density of 0.3 mA / cm 2 , and cut after a one-hour rest. After conditioning to repeat the cycle of discharging to an off voltage of 3.0 V for 5 cycles, the current density is set to 2.0 mA / cm 2 and the cut-off voltage is charged to 4.3 V in a constant temperature bath maintained at 60 ° C. After a one-hour rest, the cycle of discharging to a cutoff voltage of 3.0 V was repeated for 200 cycles, and the discharge capacity of each cycle was measured for evaluation.
そして、コイン型電池のコンディショニング後の1サイクル目で得られた放電容量で、コンディショニング後200サイクル後のサイクル目で得られた放電容量を割った割合である容量維持率がリチウム金属複合酸化物のみで評価した場合よりも高い場合はサイクル特性に優れていると判断した。 Then, the capacity retention rate, which is the ratio obtained by dividing the discharge capacity obtained in the first cycle after conditioning of the coin-type battery by the discharge capacity obtained in the cycle 200 cycles after conditioning, is only the lithium metal composite oxide. When it was higher than the case evaluated in, it was judged that the cycle characteristics were excellent.
なお、本実施例では、正極活物質および二次電池の作製には、和光純薬工業株式会社製試薬特級の各試料を使用した。 In this example, each sample of special grade reagent manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd. was used for producing the positive electrode active material and the secondary battery.
以下、実施例、比較例の各条件について説明する。 Hereinafter, each condition of Examples and Comparative Examples will be described.
ニッケルを主成分とする酸化物と水酸化リチウムを混合して焼成する公知の技術で得られたLi1.02Ni0.94Co0.008Al0.052O2で表されるリチウム金属複合酸化物粉末を1.5g/mlの条件で水洗して正極材料の母材とした。 Lithium metal composite represented by Li 1.02 Ni 0.94 Co 0.008 Al 0.052 O 2 obtained by a known technique of mixing and firing an oxide containing nickel as a main component and lithium hydroxide. The oxide powder was washed with water under the condition of 1.5 g / ml to prepare a base material for the positive electrode material.
なお、組成はICP法により分析し、平均粒径はレーザー回折散乱法における体積積算平均値を用いて評価した。 The composition was analyzed by the ICP method, and the average particle size was evaluated using the volume integrated average value in the laser diffraction scattering method.
作製したリチウム金属複合酸化物粉末20gに、タングステン添加材料として粒径0.01μmのタングステン酸リチウム(Li2WO4)粉末0.09gを添加し、さらに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て、タングステン酸リチウムとリチウム金属複合酸化物粉末の混合物を得て正極材料とした。 To 20 g of the produced lithium metal composite oxide powder, 0.09 g of lithium tungstate (Li 2 WO 4 ) powder having a particle size of 0.01 μm was added as a tungsten-added material, and a shaker mixer device (Willie e-Baccofen (WAB)) was added. ) TURBULA Type T2C) was used to sufficiently mix the mixture to obtain a mixture of lithium tungstenate and lithium metal composite oxide powder, which was used as a positive electrode material.
この正極材料中のタングステン含有量をICP法により分析したところ、ニッケル、コバルトおよび添加元素Mの原子数の合計に対して0.15原子%の組成であることを確認した。 When the tungsten content in this positive electrode material was analyzed by the ICP method, it was confirmed that the composition was 0.15 atomic% with respect to the total number of atoms of nickel, cobalt and the additive element M.
これより、タングステン酸リチウム粉末とリチウム金属複合酸化物粉末の混合物の配合と正極材料の組成が同等であることも確認した。
(電池評価)
得られた正極材料を用いて形成された正極を有するコイン型電池1について、電池特性を評価した。
From this, it was also confirmed that the composition of the positive electrode material was equivalent to that of the mixture of the lithium tungstate powder and the lithium metal composite oxide powder.
(Battery evaluation)
The battery characteristics of the coin-type battery 1 having a positive electrode formed by using the obtained positive electrode material were evaluated.
実施例1における初期放電容量は217.9mAh/gであり、200サイクル後の放電容量は138.6mAh/gとなり、サイクル前後の容量維持率は63.6%であった。 The initial discharge capacity in Example 1 was 217.9 mAh / g, the discharge capacity after 200 cycles was 138.6 mAh / g, and the capacity retention rate before and after the cycle was 63.6%.
以下、実施例2〜6および比較例1〜2については、実施例1から変更した物質、条件のみを示す。また、実施例1〜6および比較例1〜2の初期放電容量およびサイクル特性の評価値を表1に示す。 Hereinafter, for Examples 2 to 6 and Comparative Examples 1 and 2, only the substances and conditions changed from Example 1 are shown. Table 1 shows the evaluation values of the initial discharge capacity and the cycle characteristics of Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 and 2.
母材となるリチウム金属複合酸化物粉末に粒径0.01μmの酸化タングステンWO3を添加した以外は、実施例1と同様にして作製したリチウムイオン二次電池用正極材料を用いてコイン型電池を作製し、その電池評価を行った。 A coin-type battery using a positive electrode material for a lithium ion secondary battery produced in the same manner as in Example 1 except that tungsten oxide WO 3 having a particle size of 0.01 μm was added to a lithium metal composite oxide powder as a base material. Was prepared, and the battery was evaluated.
母材となるリチウム金属複合酸化物粉末に粒径0.01μmのタングステン酸リチウムLi4WO5を添加した以外は、実施例1と同様にして作製したリチウムイオン二次電池用正極材料を用いてコイン型電池を作製し、その電池評価を行った。 Using the positive electrode material for a lithium ion secondary battery produced in the same manner as in Example 1 except that lithium Li 4 WO 5 tartrate having a particle size of 0.01 μm was added to the lithium metal composite oxide powder as the base material. A coin-type battery was manufactured and the battery was evaluated.
母材となるリチウム金属複合酸化物粉末に粒径0.09μmのタングステン酸リチウムLi2WO4を添加した以外は、実施例1と同様にして作製したリチウムイオン二次電池用正極材料を用いてコイン型電池を作製し、その電池評価を行った。 Using the positive electrode material for a lithium ion secondary battery produced in the same manner as in Example 1 except that lithium lithium tantistate Li 2 WO 4 having a particle size of 0.09 μm was added to the lithium metal composite oxide powder as the base material. A coin-type battery was manufactured and the battery was evaluated.
タングステン酸リチウムLi2WO4の添加量を1.5g(ニッケル、コバルトおよび添加元素Mの合計に対して2.5at%に相当)とした以外は、実施例1と同様にして作製したリチウムイオン二次電池用正極材料を用いてコイン型電池を作製し、その電池評価を行った。
(比較例1)
実施例1で母材として用いたリチウム金属複合酸化物粉末を正極活物質(正極材料)に用いてコイン型電池を作成し、その電池評価を行った。
(比較例2)
実施例1で母材としたリチウム金属複合酸化物粉末に粒径10μmのタングステン酸リチウムLi2WO4を添加した以外は、実施例1と同様にして作製したリチウムイオン二次電池用正極材料を用いてコイン型電池を作製し、その電池評価を行った。
Lithium ions produced in the same manner as in Example 1 except that the amount of lithium sulfonate Li 2 WO 4 added was 1.5 g (corresponding to 2.5 at% with respect to the total of nickel, cobalt and the added element M). A coin-type battery was manufactured using a positive electrode material for a secondary battery, and the battery was evaluated.
(Comparative Example 1)
A coin-type battery was prepared by using the lithium metal composite oxide powder used as the base material in Example 1 as the positive electrode active material (positive electrode material), and the battery was evaluated.
(Comparative Example 2)
Except that the addition of lithium tungstate particle size 10μm Li 2 WO 4 in the lithium metal composite oxide powder as a base material in Example 1, a positive electrode material for a lithium ion secondary battery manufactured by the same manner as in Example 1 A coin-type battery was manufactured using the battery, and the battery was evaluated.
タングステン酸リチウムLi2WO4の添加量を2.1g(ニッケル、コバルトおよび添加元素Mの合計に対して3.5at%に相当)とした以外は、実施例1と同様にして作製したリチウムイオン二次電池用正極材料を用いてコイン型電池を作製し、その電池評価を行った。 Lithium ions produced in the same manner as in Example 1 except that the amount of lithium sulfonate Li 2 WO 4 added was 2.1 g (corresponding to 3.5 at% with respect to the total of nickel, cobalt and the added element M). A coin-type battery was manufactured using a positive electrode material for a secondary battery, and the battery was evaluated.
以上の実施例1〜6、及び比較例1〜2の測定結果を表1に纏めて示す。 The measurement results of Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 and 2 are summarized in Table 1.
ニッケルを主成分とする酸化物と水酸化リチウムを混合して焼成する公知の技術で得られたLi1.02Ni0.94Co0.008Al0.052O2で表されるリチウム金属複合酸化物粉末を1.5g/mlの条件で水洗して正極材料の母材とした。 Lithium metal composite represented by Li 1.02 Ni 0.94 Co 0.008 Al 0.052 O 2 obtained by a known technique of mixing and firing an oxide containing nickel as a main component and lithium hydroxide. The oxide powder was washed with water under the condition of 1.5 g / ml to prepare a base material for the positive electrode material.
なお、組成はICP法により分析し、平均粒径はレーザー回折散乱法における体積積算平均値を用いて評価した。 The composition was analyzed by the ICP method, and the average particle size was evaluated using the volume integrated average value in the laser diffraction scattering method.
作製したリチウム金属複合酸化物粉末20gに、有機溶剤としてエタノール10ml、タングステン添加材料として粒径0.01μmのタングステン酸リチウム(Li4WO5)粉末0.18gを添加し、さらに、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て、90℃、10分の乾燥後、タングステン酸リチウムとリチウム金属複合酸化物粉末の混合物を得て正極材料とした。 To 20 g of the produced lithium metal composite oxide powder, 10 ml of ethanol as an organic solvent and 0.18 g of lithium tungstate (Li 4 WO 5 ) powder having a particle size of 0.01 μm as a tungsten-added material were added, and further, a shaker mixer device (Shaker mixer device ( It was thoroughly mixed using TURBULA Type T2C manufactured by Willy et Bacoffen (WAB), dried at 90 ° C. for 10 minutes, and then a mixture of lithium tungstate and lithium metal composite oxide powder was obtained as a positive electrode material. ..
この正極材料中のタングステン含有量をICP法により分析したところ、ニッケル、コバルトおよび添加元素Mの原子数の合計に対して0.3原子%の組成であることを確認した。 When the tungsten content in this positive electrode material was analyzed by the ICP method, it was confirmed that the composition was 0.3 atomic% with respect to the total number of atoms of nickel, cobalt and the additive element M.
これより、タングステン酸リチウム粉末とリチウム金属複合酸化物粉末の混合物の配合と正極材料の組成が同等であることも確認した。
(電池評価)
得られた正極材料を用いて形成された正極を有するコイン型電池1について、電池特性を評価した。
From this, it was also confirmed that the composition of the positive electrode material was equivalent to that of the mixture of the lithium tungstate powder and the lithium metal composite oxide powder.
(Battery evaluation)
The battery characteristics of the coin-type battery 1 having a positive electrode formed by using the obtained positive electrode material were evaluated.
実施例7における初期放電容量は212.4mAh/gであり、200サイクル後の放電容量は169.0mAh/gとなり、サイクル前後の容量維持率は79.6%であった。 The initial discharge capacity in Example 7 was 212.4 mAh / g, the discharge capacity after 200 cycles was 169.0 mAh / g, and the capacity retention rate before and after the cycle was 79.6%.
添加する有機溶剤にメタノールを用いた以外は、実施例7と同様にして作製したリチウムイオン二次電池用正極材料を用いてコイン型電池1を作製し、その電池評価を行った。 A coin-type battery 1 was produced using the positive electrode material for a lithium ion secondary battery produced in the same manner as in Example 7 except that methanol was used as the organic solvent to be added, and the battery was evaluated.
添加する有機溶剤にアセトニトリルを用いた以外は、実施例7と同様にして作製したリチウムイオン二次電池用正極材料を用いてコイン型電池1を作製し、その電池評価を行った。 A coin-type battery 1 was produced using the positive electrode material for a lithium ion secondary battery produced in the same manner as in Example 7 except that acetonitrile was used as the organic solvent to be added, and the battery was evaluated.
有機溶剤にN-メチル−2−ピロリジノン(NMP)を追加した以外は、実施例7と同様にして作製したリチウムイオン二次電池用正極材料を用いてコイン型電池1を作製し、その電池評価を行った。 A coin-type battery 1 was prepared using the positive electrode material for a lithium ion secondary battery prepared in the same manner as in Example 7 except that N-methyl-2-pyrrolidinone (NMP) was added to the organic solvent, and the battery was evaluated. Was done.
実施例7の方法で得られた正極材料52.5mgに、10mlのN-メチル−2−ピロリジノン(NMP)、アセチレンブラック15mg、及びポリテトラフッ化エチレン樹脂(PTFE)7.5mgを混合した正極合材を作製した後、実施例7と同様の方法により、コイン型電池1を作製して電池評価を行った。 A positive electrode mixture obtained by mixing 52.5 mg of the positive electrode material obtained by the method of Example 7 with 10 ml of N-methyl-2-pyrrolidinone (NMP), 15 mg of acetylene black, and 7.5 mg of polytetrafluoroethylene resin (PTFE). A coin-type battery 1 was produced and the battery was evaluated by the same method as in Example 7.
(比較例3)
実施例7で母材としたリチウム金属複合酸化物粉末に、添加する有機溶剤としてN-メチル−2−ピロリジノン(NMP)を用い、粒径0.01μmのタングステン酸リチウムLi4WO5を添加した以外は、実施例7と同様にして作製したリチウムイオン二次電池用正極材料を用いてコイン型電池1を作製し、その電池評価を行った。
(Comparative Example 3)
To the lithium metal composite oxide powder used as the base material in Example 7, N-methyl-2-pyrrolidinone (NMP) was used as an organic solvent to be added, and lithium tungstate Li 4 WO 5 having a particle size of 0.01 μm was added. A coin-type battery 1 was produced using the positive electrode material for a lithium ion secondary battery produced in the same manner as in Example 7 except for the above, and the battery was evaluated.
以上の実施例7〜11、比較例3の結果を纏めて表2に示す。 Table 2 summarizes the results of Examples 7 to 11 and Comparative Example 3 described above.
実施例1〜11の正極材料は、本発明に従って製造されたため、この正極材料を用いたリチウムイオン二次電池は、初期放電容量が高く、200サイクル後の放電容量維持率も高いものとなっており、優れた特性を有した電池が得られることが確認された。
Since the positive electrode materials of Examples 1 to 11 were manufactured according to the present invention, the lithium ion secondary battery using this positive electrode material has a high initial discharge capacity and a high discharge capacity retention rate after 200 cycles. It was confirmed that a battery having excellent characteristics can be obtained.
特に実施例7〜11の正極材料は、正極活物質との濡れ性に優れた有機溶剤を含むために、初期放電容量と200サイクル後の放電容量維持率がともに良好である。 In particular, since the positive electrode materials of Examples 7 to 11 contain an organic solvent having excellent wettability with the positive electrode active material, both the initial discharge capacity and the discharge capacity retention rate after 200 cycles are good.
比較例1は、タングステン酸リチウムが混合されていないため、サイクル特性が低い。 In Comparative Example 1, since lithium tungstate is not mixed, the cycle characteristics are low.
比較例2は、タングステン添加材料のタングステン酸リチウムLi2WO4の粒径が10μmと本発明の範囲から外れていたため、比較例1と同様にサイクル特性が低い。 In Comparative Example 2, since the particle size of the tungsten-added material lithium tungstate Li 2 WO 4 was 10 μm, which was out of the range of the present invention, the cycle characteristics were low as in Comparative Example 1.
また、比較例3は、有機溶剤として正極活物質との濡れ性に優れないNMPのみを用いたことで、濡れ性に優れる有機溶剤を用いる場合に比べてサイクル特性が低い。 Further, in Comparative Example 3, since only NMP having poor wettability with the positive electrode active material was used as the organic solvent, the cycle characteristics were lower than those using the organic solvent having excellent wettability.
実施例11では、粉末との濡れ性が良い有機溶剤を混合し、正極材料を形成した後に、導電材、結着剤と共に、結着剤を溶解する溶剤のN-メチル−2−ピロリジノン(NMP)を混合した場合でも良好な特性が得られていることが判る。 In Example 11, an organic solvent having good wettability with powder is mixed to form a positive electrode material, and then N-methyl-2-pyrrolidinone (NMP), which is a solvent that dissolves the binder together with a conductive material and a binder, is used. It can be seen that good characteristics are obtained even when) is mixed.
以上の結果より、本発明の正極材料を用いたリチウムイオン二次電池は、初期放電容量が高く、サイクル特性も高いものとなり、優れた特性を有した電池となることが確認できる。 From the above results, it can be confirmed that the lithium ion secondary battery using the positive electrode material of the present invention has a high initial discharge capacity and high cycle characteristics, and is a battery having excellent characteristics.
本発明の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)の電源に好適であり、高出力が要求される電気自動車用電池にも好適である。 The lithium-ion secondary battery of the present invention is suitable as a power source for small portable electronic devices (notebook personal computers, mobile phone terminals, etc.) that always require high capacity, and is suitable for electric vehicle batteries that require high output. Is also suitable.
また、本発明のリチウムイオン二次電池は、優れた安全性を有し、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電気自動車用電源として好適である。 Further, the lithium ion secondary battery of the present invention has excellent safety, can be miniaturized and has a high output, and is therefore suitable as a power source for an electric vehicle whose mounting space is restricted.
なお、本発明は、純粋に電気エネルギーで駆動する電気自動車用の電源のみならず、ガソリンエンジンやディーゼルエンジンなどの燃焼機関と併用するいわゆるハイブリッド車用の電源としても用いることができる。 The present invention can be used not only as a power source for an electric vehicle driven by purely electric energy, but also as a power source for a so-called hybrid vehicle used in combination with a combustion engine such as a gasoline engine or a diesel engine.
1 コイン型電池
2 ケース
2a 正極缶
2b 負極缶
2c ガスケット
3 電極
3a 正極
3b 負極
3c セパレータ
1
Claims (15)
導電材及び結着剤と前記結着剤を溶解する溶剤のN−メチル−2−ピロリジノンを混合することを特徴とするリチウムイオン二次電池用正極合材の製造方法。 Lithium (Li), nickel (Ni), cobalt (Co), and element M are composed of Li: Ni: Co: M = z: (1-xy): x: y (where 0.97 ≦ z). ≤1.20, 0≤x <0.01, 0≤y≤0.10, 0≤x + y≤0.10, M is at least one selected from Mn, V, Mg, Mo, Nb, Ti and Al. Lithium metal composite oxide powder containing an atomic number ratio represented by (species element), at least one organic solvent selected from ethanol, methanol, propanol, butanol, and acetonitrile, and a particle size of 0.01 to 0. In a mixture of 09 μm tungsten oxide or a lithium tungsten-added material having a particle size of 0.01 to 0.09 μm,
A method for producing a positive electrode mixture for a lithium ion secondary battery, which comprises mixing a conductive material and a binder with N-methyl-2-pyrrolidinone, a solvent that dissolves the binder.
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CN114388780A (en) * | 2022-01-14 | 2022-04-22 | 哈尔滨工业大学 | Modified nickel-cobalt-manganese ternary cathode material and preparation method and application thereof |
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