JP2020173906A - Positive electrode active material for all-solid battery - Google Patents

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一生 杉山
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洋平 進藤
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Abstract

To provide a positive electrode active material for all-solid battery ensuring good rate characteristics in an all-solid battery.SOLUTION: A positive electrode active material for all-solid battery contains a lithium nickel manganese oxide having a lamellar crystal structure of NaFeO2 type, represented by a constitution formula LiaNibMncO2 (0.90≤a≤1.15, 0.45≤b≤0.71, 0.28≤c≤0.55). In an electron diffraction image acquired by incoming radiation of an electron ray from (100) direction of the unit lattice of the lamellar crystal structure of the NaFeO2 type, the lithium nickel manganese oxide has a crystal structure where (i) a first diffraction spot group appearing in correspondence with the grating period of the unit lattice of the lamellar crystal structure of the NaFeO2 type, and (ii) a second diffraction spot group appearing in correspondence with a grating period two times that of the unit lattice in the c-axis direction appear.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本開示は、全固体電池用の正極活物質に関する。 The present disclosure relates to a positive electrode active material for an all-solid-state battery.

近年におけるパソコン、ビデオカメラ及び携帯電話等の情報関連機器や通信機器等の急速な普及に伴い、その電源として利用される電池の開発が重要視されている。また、自動車産業界等においても、電気自動車用あるいはハイブリッド自動車用の高出力かつ高容量の電池の開発が進められている。 With the rapid spread of information-related devices such as personal computers, video cameras and mobile phones, and communication devices in recent years, the development of batteries used as their power sources has been emphasized. In addition, the automobile industry and the like are also developing high-output and high-capacity batteries for electric vehicles or hybrid vehicles.

前述した用途に用いられる電池の中でも、全固体リチウムイオン電池は、リチウムイオンの移動を伴う電池反応を利用するためエネルギー密度が高いという点、また、正極と負極の間に介在する電解質として、有機溶媒を含む電解液に替えて固体電解質を用いるという点で注目されている。 Among the batteries used in the above-mentioned applications, the all-solid-state lithium-ion battery has a high energy density because it utilizes a battery reaction involving the movement of lithium ions, and is organic as an electrolyte interposed between the positive electrode and the negative electrode. Attention has been paid to the fact that a solid electrolyte is used instead of the electrolytic solution containing a solvent.

このような電池に用いられる正極活物質として、例えば特許文献1には、式(1):Li[Li(A1−y1−x]O(式中、AおよびBはそれぞれ異なる遷移金属元素、0≦x≦0.3、0<y<1)で表されるリチウム含有酸化物の結晶粒子からなる正極活物質を用いることで、非水電解質二次電池の高容量化及び充放電効率の向上を図れることが開示されている。当該特許文献1には、遷移金属を原子レベルで固溶させるとともに、2種の遷移金属が実質的にほぼ同数であることが重要であると記載されている。 As positive electrode active materials used in such batteries, for example, in Patent Document 1, the formula (1): Li [Li x (A y B 1-y ) 1-x ] O 2 (A and B in the formula are High capacity of non-aqueous electrolyte secondary battery by using positive electrode active material composed of different transition metal elements, crystal particles of lithium-containing oxide represented by 0 ≦ x ≦ 0.3 and 0 <y <1). It is disclosed that the charging / discharging efficiency can be improved. Patent Document 1 describes that it is important that the transition metals are solid-solved at the atomic level and that the number of the two transition metals is substantially the same.

また、特許文献2には、充放電時における結晶構造の崩壊を抑制し、安全性に優れた正極材料を提供することを目的として、LiNiα β γMnη4−ε(0.50<α≦1.33、0.33≦γ≦1.1、0≦η≦1.00、0≦β<0.67、0≦ε≦1.00、M:Co,Gaより選ばれる少なくとも一種、M:Ge,Sn,Sbより選ばれる少なくとも一種)で表され、Li層とNi層とを備えた層状構造を有し、その結晶構造が超格子構造である正極材料が開示されている。
この技術は、単位格子及び超格子の大小の組み合わせにより、パッキング性を向上させることで、非水電解質二次電池の充放電時における結晶構造の崩壊を抑制し、安全性の向上を図ったものである。
Further, Patent Document 2 describes Li 2 Ni α M 1 β M 2 γ Mn η O 4- for the purpose of suppressing the collapse of the crystal structure during charging and discharging and providing a positive electrode material having excellent safety. ε (0.50 <α ≦ 1.33, 0.33 ≦ γ ≦ 1.1, 0 ≦ η ≦ 1.00, 0 ≦ β <0.67, 0 ≦ ε ≦ 1.00, M 1 : Co , at least one selected from Ga, M 2: Ge, Sn , represented by at least one) selected from Sb, having a layered structure that includes a Li layer and the Ni layer, the crystal structure is a superlattice structure The positive electrode material is disclosed.
This technology improves safety by improving the packing property by combining the size of the unit lattice and the superlattice, thereby suppressing the collapse of the crystal structure during charging and discharging of the non-aqueous electrolyte secondary battery. Is.

国際公開第2002/078105号International Publication No. 2002/078105 特開2016−192309号公報JP-A-2016-192309

特許文献1の実施例2には、LiNi1/2Mn1/2で表されるリチウム含有酸化物を正極活物質として用いて作製した非水電解質二次電池を、2.5〜4.2Vの電圧範囲で充放電した際の、0.2Cレートの電流値での放電容量に対する、2Cレートの電流値での放電容量の容量比率(2C/0.2C)で表されるハイレート放電比率が、95%と高い値を得られており、良好なレート特性を得られることが示されている。
しかしながら、本研究者らは、特許文献1の実施例2に開示されているリチウム含有酸化物(LiNi1/2Mn1/2)を、全固体電池の正極活物質として用いて充放電を行った場合、電圧範囲を例えば2.5〜4.5Vに変更して電圧値の上限を高くすると、ハイレート条件下での放電容量が低下し易く、良好なレート特性を得られないことを知見した。
In Example 2 of Patent Document 1, 2.5 to 4 non-aqueous electrolyte secondary batteries prepared by using a lithium-containing oxide represented by LiNi 1/2 Mn 1/2 O 2 as a positive electrode active material are used. High-rate discharge represented by the capacity ratio (2C / 0.2C) of the discharge capacity at the current value of 2C rate to the discharge capacity at the current value of 0.2C rate when charging / discharging in the voltage range of 2V. The ratio is as high as 95%, indicating that good rate characteristics can be obtained.
However, the present researchers charge and discharge using the lithium-containing oxide (LiNi 1/2 Mn 1/2 O 2 ) disclosed in Example 2 of Patent Document 1 as the positive electrode active material of the all-solid-state battery. When the above is performed, if the voltage range is changed to, for example, 2.5 to 4.5 V and the upper limit of the voltage value is raised, the discharge capacity under high rate conditions tends to decrease, and good rate characteristics cannot be obtained. I found out.

また、特許文献2に開示されている正極材料を用いた全固体電池でも、ハイレート条件で充放電したときの放電容量が低下し易く、レート特性が低いという問題がある。 Further, even an all-solid-state battery using a positive electrode material disclosed in Patent Document 2 has a problem that the discharge capacity when charging / discharging under high rate conditions tends to decrease and the rate characteristics are low.

本開示は、上記実情に鑑み、全固体電池において良好なレート特性を得られる、全固体電池用の正極活物質を提供することを目的とする。 In view of the above circumstances, an object of the present disclosure is to provide a positive electrode active material for an all-solid-state battery, which can obtain good rate characteristics in the all-solid-state battery.

本開示の全固体電池用の正極活物質は、組成式LiNiMn(0.90≦a≦1.15、0.45≦b≦0.71、0.28≦c≦0.55)で表され、NaFeO型の層状結晶構造を有するリチウムニッケルマンガン酸化物を含有し、前記リチウムニッケルマンガン酸化物は、前記NaFeO型の層状結晶構造の単位格子の[100]方向から電子線を入射することで取得される電子線回折像において、(i)前記NaFeO型の層状結晶構造の単位格子の格子周期に対応して現れる第1の回折スポット群と、(ii)前記単位格子のc軸方向の格子周期の2倍の格子周期に対応して現れる第2の回折スポット群と、が現れる結晶構造を有する、ことを特徴とする。 The positive electrode active material for the all-solid-state battery of the present disclosure has a composition formula Li a Ni b Mn c O 2 (0.90 ≦ a ≦ 1.15, 0.45 ≦ b ≦ 0.71, 0.28 ≦ c ≦. represented by 0.55), containing lithium nickel manganese oxide having a layered crystal structure of type 2 NaFeO, the lithium nickel manganese oxide, [100] direction of the unit cell of the NaFeO 2 type of layered crystal structure In the electron diffraction image obtained by injecting an electron beam from, (i) a first diffraction spot group appearing corresponding to the lattice period of the unit lattice of the NaFeO type 2 layered crystal structure, and (ii). It is characterized by having a crystal structure in which a second diffraction spot group appearing corresponding to a lattice period twice the lattice period in the c-axis direction of the unit cell appears.

本開示によれば、全固体電池において良好なレート特性を得られる、全固体電池用の正極活物質を提供することができる。 According to the present disclosure, it is possible to provide a positive electrode active material for an all-solid-state battery, which can obtain good rate characteristics in the all-solid-state battery.

図1(a)は、本開示の正極活物質に含まれるリチウムニッケルマンガン酸化物の単位格子を示すモデル図であり、図1(b)は、図1(a)に示す単位格子を構成する遷移金属層の一つを抽出し、(001)方向から観察される原子配列を模式的に示す図である。FIG. 1A is a model diagram showing a unit cell of lithium nickel-manganese oxide contained in the positive electrode active material of the present disclosure, and FIG. 1B constitutes the unit cell shown in FIG. 1A. It is a figure which extracts one of the transition metal layers and schematically shows the atomic arrangement observed from the direction (001). 図2(a)は、比較例1の試料についての制限視野回折図形を示す図であり、図2(b)は、実施例1の試料についての制限視野回折図形を示す図である。FIG. 2A is a diagram showing a selected area diffraction pattern for the sample of Comparative Example 1, and FIG. 2B is a diagram showing a selected area diffraction pattern for the sample of Example 1. 図3(a)は、本開示の正極活物質に含まれるリチウムニッケルマンガン酸化物の単位格子を示すモデル図であり、図3(b)は、図3(a)に示す格子を単位格子とする結晶構造を有するリチウムニッケルマンガン酸化物を、(001)方向から観察したときの遷移金属元素の配列状態を模式的に示す図であり、図3(c)は、本開示の正極活物質に含まれるリチウムニッケルマンガン酸化物が有する空孔群の積層周期を説明するための模式図である。FIG. 3 (a) is a model diagram showing a unit cell of lithium nickel-manganese oxide contained in the positive electrode active material of the present disclosure, and FIG. 3 (b) shows the lattice shown in FIG. 3 (a) as a unit cell. FIG. 3 (c) is a diagram schematically showing an arrangement state of transition metal elements when a lithium nickel-manganese oxide having a crystal structure is observed from the direction (001). FIG. It is a schematic diagram for demonstrating the stacking period of the pore group which a contained lithium nickel manganese oxide has. 図4(a)は、実施例1の試料についてのXRDスペクトルを示す図であり、図4(b)は、図4(a)に示すXRDスペクトルを拡大して示す図である。FIG. 4A is a diagram showing an XRD spectrum of the sample of Example 1, and FIG. 4B is a diagram showing an enlarged XRD spectrum shown in FIG. 4A. 図5(a)は、比較例1の試料についてのXRDスペクトルを示す図であり、図5(b)は、図5(a)に示すXRDスペクトルを拡大して示す図である。FIG. 5A is a diagram showing an XRD spectrum of the sample of Comparative Example 1, and FIG. 5B is a diagram showing an enlarged XRD spectrum shown in FIG. 5A. 本開示の正極活物質層を備えた全固体電池の層構成の一例を示す図であって、積層方向に切断した断面を模式的に示した図である。It is a figure which shows an example of the layer structure of the all-solid-state battery provided with the positive electrode active material layer of this disclosure, and is the figure which shows typically the cross section cut in the stacking direction. 実施例1の評価用セル1及び比較例1の評価用セル6を用いて行った定電流充電及び定電流放電についての充放電曲線を示す図である。It is a figure which shows the charge / discharge curve about the constant current charge and constant current discharge performed using the evaluation cell 1 of Example 1 and the evaluation cell 6 of Comparative Example 1. 実施例5の評価用セル5及び比較例2の評価用セル7を用いて行った、0.1C相当電流での定電流充電及び定電流放電についての充放電曲線を示す図である。It is a figure which shows the charge / discharge curve about the constant current charge and constant current discharge with the current equivalent to 0.1C performed using the evaluation cell 5 of Example 5 and the evaluation cell 7 of Comparative Example 2. 図9(a)は、比較例1のSEM観察画像を示す図であり、図9(b)は、実施例1のSEM観察画像を示す図である。FIG. 9A is a diagram showing an SEM observation image of Comparative Example 1, and FIG. 9B is a diagram showing an SEM observation image of Example 1.

本開示の全固体電池用の正極活物質は、組成式LiNiMn(0.90≦a≦1.15、0.45≦b≦0.71、0.28≦c≦0.55)で表され、NaFeO型の層状結晶構造を有するリチウムニッケルマンガン酸化物を含有し、前記リチウムニッケルマンガン酸化物は、前記NaFeO型の層状結晶構造の単位格子の[100]方向から電子線を入射することで取得される電子線回折像において、(i)前記NaFeO型の層状結晶構造の単位格子の格子周期に対応して現れる第1の回折スポット群と、(ii)前記単位格子のc軸方向の格子周期の2倍の格子周期に対応して現れる第2の回折スポット群と、が現れる結晶構造を有する、ことを特徴とする。 The positive electrode active material for the all-solid-state battery of the present disclosure has a composition formula Li a Ni b Mn c O 2 (0.90 ≦ a ≦ 1.15, 0.45 ≦ b ≦ 0.71, 0.28 ≦ c ≦. represented by 0.55), containing lithium nickel manganese oxide having a layered crystal structure of type 2 NaFeO, the lithium nickel manganese oxide, [100] direction of the unit cell of the NaFeO 2 type of layered crystal structure In the electron diffraction image obtained by injecting an electron beam from, (i) a first diffraction spot group appearing corresponding to the lattice period of the unit lattice of the NaFeO type 2 layered crystal structure, and (ii). It is characterized by having a crystal structure in which a second diffraction spot group appearing corresponding to a lattice period twice the lattice period in the c-axis direction of the unit cell appears.

本開示の正極活物質は、下記式(1)の組成式により表されるリチウムニッケルマンガン酸化物を含有する。 The positive electrode active material of the present disclosure contains a lithium nickel-manganese oxide represented by the composition formula of the following formula (1).

LiNiMn 式(1)
(但し、式(1)中、0.90≦a≦1.15、0.45≦b≦0.71、0.28≦c≦0.55である。)
Li a Ni b Mn c O 2 formula (1)
(However, in the formula (1), 0.90 ≦ a ≦ 1.15, 0.45 ≦ b ≦ 0.71, 0.28 ≦ c ≦ 0.55.)

図1(a)は、本開示の正極活物質に含まれるリチウムニッケルマンガン酸化物の単位格子を示すモデル図である。
図1(a)に示す単位格子は、空間群R−3mに属するNaFeO型の層状結晶構造を有しており、(001)面に平行な層が、単位格子のc軸方向に沿って複数積層されている。
図1(a)に示すように、本開示の正極活物質に含まれるリチウムニッケルマンガン酸化物の単位格子の3aサイトにはLi(リチウム)が存在し、3bサイトには遷移金属(Mn(マンガン)及びNi(ニッケル))が存在し、6cサイトに酸素が存在している。
FIG. 1A is a model diagram showing a unit cell of lithium nickel-manganese oxide contained in the positive electrode active material of the present disclosure.
The unit cell shown in FIG. 1 (a) has a layered crystal structure of NaFeO type 2 belonging to the space group R-3 m, and a layer parallel to the (001) plane is formed along the c-axis direction of the unit cell. Multiple layers are stacked.
As shown in FIG. 1 (a), Li (lithium) is present at the 3a site of the unit cell of the lithium nickel-manganese oxide contained in the positive electrode active material of the present disclosure, and a transition metal (Mn (manganese)) is present at the 3b site. ) And Ni (nickel)), and oxygen is present at the 6c site.

図1(a)に示す単位格子は、前述した(001)面に平行な層として、Li(リチウム)層、遷移金属層、及び酸素層が、単位格子のc軸方向に沿って積層されている。
Li(リチウム)層は、Li(リチウム)を主成分とする層であり、実質的にLi(リチウム)よりなる層である。また、遷移金属層は、遷移金属(Ni(ニッケル)及びMn(マンガン))を主成分とする層であり、実質的に遷移金属(Ni(ニッケル)及びMn(マンガン))よりなる層である。また、酸素層は、酸素を主成分とする層であり、実質的に酸素よりなる層である。
なお、本開示において、主成分とは、最も含有割合が大きい成分をいう。
In the unit cell shown in FIG. 1 (a), a Li (lithium) layer, a transition metal layer, and an oxygen layer are laminated along the c-axis direction of the unit cell as a layer parallel to the above-mentioned (001) plane. There is.
The Li (lithium) layer is a layer containing Li (lithium) as a main component, and is substantially composed of Li (lithium). The transition metal layer is a layer containing a transition metal (Ni (nickel) and Mn (manganese)) as a main component, and is substantially composed of a transition metal (Ni (nickel) and Mn (manganese)). .. Further, the oxygen layer is a layer containing oxygen as a main component and is substantially composed of oxygen.
In the present disclosure, the main component means the component having the largest content ratio.

図1(b)は、図1(a)に示す単位格子を構成する、(001)面に平行な層のうち遷移金属層の一つを抽出し、(001)方向から透過型電子顕微鏡を用いて制限視野回折することにより観察される原子配列を模式的に示す図である。
図1(b)に示す原子配列は、Wood´s表記にて√3×√3と表現される長周期構造を有している。図1(b)において点線で示す箇所は、空孔であるか、又は実線で示す位置に存在する遷移金属と異なる異種元素が存在する箇所であることを示している。
図1(b)に示す原子配列は、√3×√3の長周期構造を形成する遷移金属の一部が、所定の規則性をもって、空孔又は遷移金属に置換されて形成されている。以下の説明において、点線で示す箇所を、便宜的に「空孔」と示すことがある。また、以下の説明において、各遷移金属層に形成された、複数の空孔又は異種元素の規則的な配列構造(図1(b)参照)を、空孔群と示す。
FIG. 1 (b) extracts one of the transition metal layers from the layers parallel to the (001) plane constituting the unit cell shown in FIG. 1 (a), and selects a transmission electron microscope from the direction (001). It is a figure which shows typically the atomic arrangement observed by selected area diffraction using.
The atomic arrangement shown in FIG. 1 (b) has a long-period structure expressed as √3 × √3 in Wood's notation. The part indicated by the dotted line in FIG. 1B indicates that the hole is a hole or a part where a different element different from the transition metal existing at the position indicated by the solid line exists.
The atomic arrangement shown in FIG. 1 (b) is formed by partially replacing a part of the transition metal forming a long-period structure of √3 × √3 with vacancies or transition metals with a predetermined regularity. In the following description, the part indicated by the dotted line may be referred to as a "vacancy" for convenience. Further, in the following description, a plurality of pores or a regular arrangement structure of different elements (see FIG. 1B) formed in each transition metal layer is referred to as a pore group.

本開示の正極活物質に含まれるリチウムニッケルマンガン酸化物は、前記NaFeO型の層状結晶構造の単位格子の[100]方向から電子線を入射することで取得される電子線回折像において、(i)前記NaFeO型の層状結晶構造の単位格子の格子周期に対応して現れる第1の回折スポット群と、(ii)前記単位格子のc軸方向の格子周期の2倍の格子周期に対応して現れる第2の回折スポット群と、が現れる結晶構造を有する。
なお、以下の説明において、「NaFeO型の層状結晶構造の単位格子」を、単に、「単位格子」と示す。
The lithium nickel manganese oxide contained in the positive electrode active material of the present disclosure is found in an electron diffraction image obtained by injecting an electron beam from the [100] direction of the unit cell of the NaFeO type 2 layered crystal structure. i) The first diffraction spot group appearing corresponding to the lattice period of the unit cell of the NaFeO type 2 layered crystal structure, and (ii) corresponding to the lattice period twice the lattice period in the c-axis direction of the unit cell. It has a crystal structure in which a second diffraction spot group appears and appears.
In the following description, the "unit cell of NaFeO type 2 layered crystal structure" is simply referred to as "unit cell".

後述する実施例1及び比較例1のリチウムニッケルマンガン酸化物について、透過型電子顕微鏡を用いて制限視野回折測定を行い、制限視野回折図形を取得した。制限視野回折測定は、透過型電子顕微鏡装置(JEOL、ARM−200F)を用い、加速電圧200kVの条件で行った。
図2(a)は、後述する比較例1の試料(リチウムニッケルマンガン酸化物)について、透過型電子顕微鏡により、単位格子の[100]方向から電子線を入射することで取得される制限視野回折図形を示す図であり、図2(b)は、後述する実施例1の試料(リチウムニッケルマンガン酸化物)について、透過型電子顕微鏡により、単位格子の[100]方向から電子線を入射することで取得される制限視野回折図形を示す図である。
Selected area diffraction measurements were performed on the lithium nickel-manganese oxides of Example 1 and Comparative Example 1 described later using a transmission electron microscope to obtain selected area diffraction figures. Selected area diffraction measurements were performed using a transmission electron microscope device (JEOL, ARM-200F) under the condition of an accelerating voltage of 200 kV.
FIG. 2A shows selected area diffraction obtained by injecting an electron beam from the [100] direction of the unit cell with a transmission electron microscope for the sample (lithium nickel manganese oxide) of Comparative Example 1 described later. FIG. 2B is a diagram showing a figure, in which an electron beam is incident on the sample (lithium nickel manganese oxide) of Example 1 described later from the [100] direction of the unit cell by a transmission electron microscope. It is a figure which shows the selected area diffraction figure acquired in.

図2(a)に示す、比較例1の試料の制限視野回折図形には、当該リチウムニッケルマンガン酸化物の単位格子の格子周期に対応して現れる、高輝度の第1の回折スポット群(以下、単に第1の回折スポット群と示す)のみが現れている。図2(a)において、第1の回折スポット群は、符号Pで示す領域が、図1(a)に示す一つの単位格子に対応している。なお、図2(a)中の破線の円は、第1の回折スポット群の中の単位格子を示すために、便宜的に描いたものである。 In the selected area diffraction pattern of the sample of Comparative Example 1 shown in FIG. 2 (a), a group of first diffraction spots having high brightness (hereinafter referred to as) appearing corresponding to the lattice period of the unit cell of the lithium nickel manganese oxide. , Simply referred to as the first diffraction spot group) appears. In FIG. 2A, in the first diffraction spot group, the region represented by reference numeral P corresponds to one unit cell shown in FIG. 1A. The broken line circle in FIG. 2A is drawn for convenience in order to show the unit cell in the first diffraction spot group.

一方、図2(b)に示す、実施例1の試料の制限視野回折図形にも、比較例1の試料の制限視野回折図形(図2(a)参照)と同様に、リチウムニッケルマンガン酸化物の単位格子の格子周期に対応して現れる、第1の回折スポット群が現れている。 On the other hand, the selected area diffraction pattern of the sample of Example 1 shown in FIG. 2 (b) is also the selected area diffraction pattern of the sample of Comparative Example 1 (see FIG. 2 (a)). A first group of diffraction spots appearing corresponding to the lattice period of the unit cell of.

さらに、図2(b)に示す制限視野回折図形には、前述した第1の回折スポット群の他に、前記第1の回折スポット群より低輝度の第2の回折スポット群(以下、単に第2の回折スポット群と示す)が現れている。図2(b)中の矢印は、第2の回折スポット群を示すために、便宜的に描いたものである。
第2の回折スポット群は、図1(a)に示す格子を単位格子とする基本結晶構造中に存在する各空孔群(図1(b)参照)が、規則的な積層周期を形成していることにより、制限視野回折図形に現れたものである。以下の説明において、層状構造を有する基本結晶構造中に存在する各空孔群が、規則的な積層周期を形成している結晶構造を、超格子構造と示す。即ち、図2(b)に示す制限視野回折図形の第2の回折スポット群は、リチウムニッケルマンガン酸化物の超格子構造に対応して現れたものである。
第2の回折スポット群は、図2(b)に示す単位格子のc軸方向の格子周期の2倍の格子周期に対応して現れる回折スポットであり、その理由については、後に詳述する。
Further, in the selected area diffraction pattern shown in FIG. 2B, in addition to the above-mentioned first diffraction spot group, a second diffraction spot group having a lower brightness than the first diffraction spot group (hereinafter, simply the first). (Shown as a group of 2 diffraction spots) appears. The arrows in FIG. 2B are drawn for convenience to indicate the second diffraction spot group.
In the second diffraction spot group, each pore group (see FIG. 1B) existing in the basic crystal structure having the lattice shown in FIG. 1A as a unit lattice forms a regular stacking period. As a result, it appears in the selected area diffraction pattern. In the following description, a crystal structure in which each pore group existing in a basic crystal structure having a layered structure forms a regular stacking period is referred to as a superlattice structure. That is, the second diffraction spot group of the selected area diffraction pattern shown in FIG. 2B appears corresponding to the superlattice structure of the lithium nickel manganese oxide.
The second diffraction spot group is a diffraction spot that appears corresponding to a lattice period that is twice the lattice period in the c-axis direction of the unit cell shown in FIG. 2B, and the reason will be described in detail later.

以下に、本開示の正極活物質に含まれるリチウムニッケルマンガン酸化物が有する空孔群の積層周期について説明する。 The lamination period of the pore group of the lithium nickel-manganese oxide contained in the positive electrode active material of the present disclosure will be described below.

図3(a)は、本開示の正極活物質に含まれるリチウムニッケルマンガン酸化物の単位格子を示すモデル図である。図3(a)に示す単位格子は、遷移金属層を3層有しており、図3(a)中下側から、A層、B層、及びC層の順で積層されている。従って、図2(b)に現れている第1の回折スポット群の各々の回折スポットは、3層分の遷移金属層(A層、B層、及びC層)に対応して現れたものであり、図3(a)に示す単位格子を有する本開示のリチウムニッケルマンガン酸化物は、遷移金属層がc軸方向に3層で1周期の積層周期で積層された基本結晶構造を有する。
なお、図3(a)に示すモデル図は、単位格子中に存在する遷移金属層について、A層、B層及びC層として区別する表記をしたこと以外は、図1(a)と同一のモデル図である。
FIG. 3A is a model diagram showing a unit cell of lithium nickel-manganese oxide contained in the positive electrode active material of the present disclosure. The unit cell shown in FIG. 3A has three transition metal layers, and is laminated in the order of A layer, B layer, and C layer from the lower middle side of FIG. 3A. Therefore, each diffraction spot of the first diffraction spot group appearing in FIG. 2B appears corresponding to three transition metal layers (A layer, B layer, and C layer). The lithium nickel-manganese oxide of the present disclosure having the unit cell shown in FIG. 3 (a) has a basic crystal structure in which transition metal layers are laminated in three layers in the c-axis direction in one lamination period.
The model diagram shown in FIG. 3A is the same as that of FIG. 1A except that the transition metal layers existing in the unit cell are described as A layer, B layer, and C layer. It is a model diagram.

図3(b)は、図3(a)に示す格子を単位格子とする結晶構造を有するリチウムニッケルマンガン酸化物を、(001)方向から観察したときの遷移金属元素の配列状態を模式的に示す図である。なお、図3(b)では、A層に存在する遷移金属元素と、B層に存在する遷移金属元素と、C層に存在する遷移金属元素とを、それぞれ区別して示している。 FIG. 3B schematically shows the arrangement state of transition metal elements when the lithium nickel-manganese oxide having a crystal structure having the lattice shown in FIG. 3A as a unit lattice is observed from the direction (001). It is a figure which shows. In FIG. 3B, the transition metal element existing in the A layer, the transition metal element existing in the B layer, and the transition metal element existing in the C layer are shown separately.

図3(c)は、本開示の正極活物質に含まれるリチウムニッケルマンガン酸化物が有する空孔群の積層周期を説明するための模式図である。なお、図3(c)は、図3(b)に示す模式図の観察エリア中に存在する空孔群の一つを便宜的に示したものであり、図3(c)中に示す矢印a、矢印b、及び、矢印cは、図3(a)に示す格子を単位格子とする結晶構造中に、図1(b)に示す配列を有する空孔群が、規則的な積層周期を形成して存在する場合に、当該空孔群が形成し得る積層パターンを示したものである。
図3(c)中、矢印aは、位置α1、位置α2、位置α3、位置α1の順につながるラインを示す矢印であり、矢印bは、位置α1、位置α2、位置β3、位置β4の順につながるラインを示す矢印であり、矢印cは、位置α1、位置α2、位置α3、位置γ4、位置γ5、位置γ6、位置γ7の順につながるラインを示す矢印である。
FIG. 3C is a schematic diagram for explaining the stacking cycle of the pore group of the lithium nickel-manganese oxide contained in the positive electrode active material of the present disclosure. Note that FIG. 3 (c) shows for convenience one of the pore groups existing in the observation area of the schematic diagram shown in FIG. 3 (b), and the arrow shown in FIG. 3 (c). In a, arrow b, and arrow c, in a crystal structure having the lattice shown in FIG. 3 (a) as a unit lattice, a group of pores having the arrangement shown in FIG. 1 (b) has a regular stacking period. It shows the stacking pattern that the pore group can form when it is formed and exists.
In FIG. 3C, arrow a is an arrow indicating a line connecting in the order of position α1, position α2, position α3, and position α1, and arrow b is connected in the order of position α1, position α2, position β3, and position β4. It is an arrow indicating a line, and the arrow c is an arrow indicating a line connected in the order of position α1, position α2, position α3, position γ4, position γ5, position γ6, and position γ7.

図2(b)に示す制限視野回折図形から、本開示の正極活物質に含まれるリチウムニッケルマンガン酸化物は、図1(b)に示す空孔群が、単位格子のc軸方向に、矢印cに示す積層パターンを形成する結晶構造(超格子構造)を有すると判断できる。その理由について、以下に説明する。
仮に、図1(b)に示す空孔群が、図3(c)中矢印aで示す積層パターンを形成していると仮定した場合には、例えば当該空孔群を構成する空孔10が、図3(c)における位置α1から、位置α2、位置α3を経て、位置α1に至る積層パターンとなる。この場合、空孔群のc軸方向の積層周期は3層で1周期の積層周期となる。この場合、単位格子の[100]方向から電子線を入射することで取得される制限視野回折図形において、空孔群の周期的積層構造(超格子構造)に対応して現れる回折スポット群は、単位格子(図3(a)参照)の格子周期(c軸方向に、遷移金属層が3層で1周期)に対応して現れる第1の回折スポット群と、略同等の輝度で現れると推定される。
From the selected area diffraction pattern shown in FIG. 2 (b), the lithium nickel manganese oxide contained in the positive electrode active material of the present disclosure has the pores shown in FIG. 1 (b) indicated by arrows in the c-axis direction of the unit cell. It can be determined that the crystal structure (superlattice structure) that forms the laminated pattern shown in c is present. The reason will be explained below.
If it is assumed that the pore group shown in FIG. 1 (b) forms the laminated pattern shown by the middle arrow a in FIG. 3 (c), for example, the pores 10 constituting the pore group may be formed. , The laminated pattern is obtained from the position α1 in FIG. 3C, through the position α2 and the position α3, to the position α1. In this case, the stacking cycle of the pore group in the c-axis direction is one stacking cycle with three layers. In this case, in the selected area diffraction pattern acquired by injecting an electron beam from the [100] direction of the unit cell, the diffraction spot group appearing corresponding to the periodic laminated structure (super lattice structure) of the pore group is It is estimated that the unit lattice (see FIG. 3A) appears with substantially the same brightness as the first diffraction spot group that appears corresponding to the lattice period (one cycle of three transition metal layers in the c-axis direction). Will be done.

また、仮に、図1(b)に示す空孔群が、図3(c)中矢印bで示す積層パターンを形成していると仮定した場合には、例えば当該空孔群を構成する空孔10が、図3(c)における位置α1から、位置α2、位置β3を経て、位置β4に至る積層パターンとなる。この場合、空孔群のc軸方向の積層周期は3層で1周期の積層周期となる。この場合にも、単位格子の[100]方向から電子線を入射することで取得される制限視野回折図形において、空孔群の周期的積層構造(超格子構造)に対応して現れる回折スポット群は、単位格子(図3(a)参照)の格子周期(c軸方向に、遷移金属層が3層で1周期)に対応して現れる第1の回折スポット群と、略同等の輝度で現れると推定される。 Further, if it is assumed that the pore group shown in FIG. 1B forms the laminated pattern shown by the arrow b in FIG. 3C, for example, the pores constituting the pore group Reference numeral 10 denotes a laminated pattern from position α1 in FIG. 3C, through position α2 and position β3, to position β4. In this case, the stacking cycle of the pore group in the c-axis direction is one stacking cycle with three layers. Also in this case, in the selected area diffraction pattern acquired by injecting an electron beam from the [100] direction of the unit cell, the diffraction spot group appearing corresponding to the periodic laminated structure (super lattice structure) of the pore group. Appears with substantially the same brightness as the first diffraction spot group appearing corresponding to the lattice period (one cycle of three transition metal layers in the c-axis direction) of the unit cell (see FIG. 3A). It is estimated to be.

従って、制限視野回折図形において、第1の回折スポット群よりも低輝度である第2の回折スポット群が現れる、実施例1のリチウムニッケルマンガン酸化物が有する空孔群の積層パターンは、矢印aの積層パターンには該当せず、矢印bの積層パターンにも該当しないと判断できる。 Therefore, in the selected area diffraction pattern, the laminated pattern of the pore group of the lithium nickel-manganese oxide of Example 1 in which the second diffraction spot group having a lower brightness than the first diffraction spot group appears is indicated by arrow a. It can be determined that it does not correspond to the laminated pattern of and does not correspond to the laminated pattern of arrow b.

一方、図1(b)に示す空孔群が、仮に、図3(c)中矢印cで示す積層パターンで積層されていると仮定した場合には、例えば当該空孔群を構成する空孔10が、図3(c)における位置α1から、位置α2、位置α3、位置γ4、位置γ5、位置γ6を経て、位置γ7に至る積層パターンとなる。この場合、空孔群のc軸方向の積層周期は6層で1周期の積層周期となる。この場合、単位格子の[100]方向から電子線を入射することで取得される制限視野回折図形において、空孔群の周期的積層構造(超格子構造)に対応して現れる回折スポット群は、単位格子(図3(a)参照)の格子周期(c軸方向に、遷移金属層が3層で1周期)に対応して現れる第1の回折スポット群と比較して、低輝度で現れると推定される。 On the other hand, if it is assumed that the pore groups shown in FIG. 1 (b) are laminated in the stacking pattern indicated by the middle arrow c in FIG. 3 (c), for example, the pores constituting the pore group Reference numeral 10 denotes a laminated pattern from position α1 in FIG. 3C to position γ7 via position α2, position α3, position γ4, position γ5, and position γ6. In this case, the stacking cycle of the pore group in the c-axis direction is 6 layers, which is one stacking cycle. In this case, in the selected area diffraction pattern acquired by injecting an electron beam from the [100] direction of the unit cell, the diffraction spot group appearing corresponding to the periodic laminated structure (super lattice structure) of the pore group is When it appears at a lower brightness than the first diffraction spot group that appears corresponding to the lattice period (one cycle of three transition metal layers in the c-axis direction) of the unit cell (see FIG. 3A). Presumed.

従って、制限視野回折図形において、第1の回折スポット群よりも低輝度である第2の回折スポット群が現れる、実施例1のリチウムニッケルマンガン酸化物が有する空孔群の積層パターンは、矢印cの積層パターンに該当すると判断できる。
以上より、図2(b)に現れている第2の回折スポット群に対応する、空孔群の周期的積層構造(超格子構造)は、c軸方向に6層で1周期の積層周期であり、図3(a)に示す単位格子のc軸方向の格子周期(c軸方向に、遷移金属層が3層で1周期)の2倍の積層周期であると判断できる。
Therefore, in the selected area diffraction pattern, the laminated pattern of the pore group of the lithium nickel-manganese oxide of Example 1 in which the second diffraction spot group having a lower brightness than the first diffraction spot group appears is indicated by the arrow c. It can be judged that it corresponds to the laminated pattern of.
From the above, the periodic stacking structure (superlattice structure) of the pore group corresponding to the second diffraction spot group shown in FIG. 2B has 6 layers in the c-axis direction and a stacking cycle of 1 cycle. It can be determined that the lamination period is twice the lattice period of the unit cell shown in FIG. 3A in the c-axis direction (one cycle of three transition metal layers in the c-axis direction).

本開示の正極活物質に含まれるリチウムニッケルマンガン酸化物は、単位格子の[100]方向から電子線を入射することで取得される制限視野回折図形において、前述したような、単位格子のc軸方向の格子周期の2倍の格子周期に対応して現れる第2の回折スポット群が現れる結晶構造を有しており、当該第2の回折スポット群は、空孔群の周期的積層構造(超格子構造)に対応して現れるものである。このように、基本結晶構造中に、空孔群の周期的積層構造(超格子構造)を有するリチウムニッケルマンガン酸化物を含む本開示の正極活物質は、当該正極活物質を含有する正極活物質層を備えた全固体電池を充放電して正極からLiが引き抜かれたときに、空きサイトとなったLiサイトにNiが拡散する、所謂カチオンミキシングと呼ばれる現象の発生を抑制することができ、Niが3bサイトに安定的に存在する状態を維持することができる。
従って、ハイレート条件下で充放電を行った場合でも、高い放電容量を維持することができ、良好なレート特性を得ることができる。
The lithium nickel-manganese oxide contained in the positive electrode active material of the present disclosure is the c-axis of the unit cell as described above in the selected area diffraction pattern acquired by injecting an electron beam from the [100] direction of the unit cell. It has a crystal structure in which a second diffraction spot group appears corresponding to a lattice period twice the lattice period in the direction, and the second diffraction spot group has a periodic laminated structure of pore groups (super). It appears corresponding to the lattice structure). As described above, the positive electrode active material of the present disclosure containing lithium nickel-manganese oxide having a periodic laminated structure (super lattice structure) of pores in the basic crystal structure is a positive electrode active material containing the positive electrode active material. When an all-solid-state battery with a layer is charged and discharged and Li is extracted from the positive electrode, it is possible to suppress the occurrence of a phenomenon called cation mixing in which Ni diffuses into the Li site that has become an empty site. The state in which Ni is stably present at the 3b site can be maintained.
Therefore, even when charging / discharging is performed under high rate conditions, a high discharge capacity can be maintained and good rate characteristics can be obtained.

一方、図2(a)に示す、比較例1の試料(リチウムニッケルマンガン酸化物)の制限視野回折図形には、前述したように、図3(c)に示す単位格子の格子周期に対応する第1の回折スポット群だけが現れており、空孔群の周期的積層構造(超格子構造)に対応する第2の回折スポット群は、現れていない。
従って、比較例1のリチウムニッケルマンガン酸化物においては、空孔群が周期的積層構造(超格子構造)を形成しておらず、空孔群が不規則に積層されて構成されているものと推定される。
このような比較例1のリチウムニッケルマンガン酸化物を含有する正極活物質は、当該正極活物質を含有する正極活物質層を備えた全固体電池を充放電して正極からLiが引き抜かれたときに、空きサイトとなったLiサイトにNiが拡散し易く、Niが3bサイトに安定的に存在する状態を維持することが困難となる。従って、ハイレート条件下で充放電を行った場合に、高い放電容量を維持することが困難となり、レート特性が低下すると推定される。
On the other hand, the selected area diffraction pattern of the sample (lithium nickel-manganese oxide) of Comparative Example 1 shown in FIG. 2A corresponds to the lattice period of the unit cell shown in FIG. 3C, as described above. Only the first diffraction spot group appears, and the second diffraction spot group corresponding to the periodic laminated structure (superlattice structure) of the pore group does not appear.
Therefore, in the lithium nickel-manganese oxide of Comparative Example 1, the pore groups do not form a periodic laminated structure (superlattice structure), and the pore groups are irregularly laminated. Presumed.
The positive electrode active material containing the lithium nickel manganese oxide of Comparative Example 1 is obtained when Li is extracted from the positive electrode by charging / discharging an all-solid-state battery provided with the positive electrode active material layer containing the positive electrode active material. In addition, Ni tends to diffuse to the Li site that has become an empty site, and it becomes difficult to maintain a state in which Ni is stably present at the 3b site. Therefore, it is presumed that when charging / discharging is performed under high rate conditions, it becomes difficult to maintain a high discharge capacity and the rate characteristics deteriorate.

本開示の正極活物質に含まれるリチウムニッケルマンガン酸化物は、前述したように、組成式(1)により表されるものであり、当該組成式(1)に示すa、b、cは、それぞれ、aは、0.90≦a≦1.15であり、bは、0.45≦b≦0.71であり、cは、0.28≦c≦0.55である。
組成式(1)において、a、b、cを、それぞれ上記した数値範囲とすることで、当該組成式(1)で表されるリチウムニッケルマンガン酸化物が、単位格子の[100]方向から電子線を入射することで取得される制限視野回折図形において、前述した第1の回折スポット群と第2のスポット群とを有する結晶構造を、安定的に得ることができる。
As described above, the lithium nickel manganese oxide contained in the positive electrode active material of the present disclosure is represented by the composition formula (1), and a, b, and c represented by the composition formula (1) are respectively. , A is 0.90 ≦ a ≦ 1.15, b is 0.45 ≦ b ≦ 0.71, and c is 0.28 ≦ c ≦ 0.55.
By setting a, b, and c in the above numerical ranges in the composition formula (1), the lithium nickel-manganese oxide represented by the composition formula (1) is selected from the [100] direction of the unit cell. In the selected area diffraction pattern acquired by injecting a line, a crystal structure having the above-mentioned first diffraction spot group and second spot group can be stably obtained.

実施例1及び比較例1で作製したリチウムニッケルマンガン酸化物に対して、X線回折測定(XRD測定)を行った。実施例1の測定結果を図4(a)、(b)に示し、比較例1の測定結果を図5(a)、(b)に示す。
なお、XRD測定条件は、例えば、以下の通りである。
X線回折測定装置 Ultima IV(株式会社リガク製)
特性X線 CuKα線
測定範囲 2θ=10〜120°
測定間隔 0.02°
走査速度 5°/min
測定電圧 50kV
測定電流 300mA
走査回数 3回
X-ray diffraction measurement (XRD measurement) was performed on the lithium nickel-manganese oxide prepared in Example 1 and Comparative Example 1. The measurement results of Example 1 are shown in FIGS. 4 (a) and 4 (b), and the measurement results of Comparative Example 1 are shown in FIGS. 5 (a) and 5 (b).
The XRD measurement conditions are as follows, for example.
X-ray diffraction measuring device Ultima IV (manufactured by Rigaku Co., Ltd.)
Characteristic X-ray CuKα ray Measurement range 2θ = 10-120 °
Measurement interval 0.02 °
Scanning speed 5 ° / min
Measurement voltage 50kV
Measurement current 300mA
Number of scans 3 times

図5(b)に示すように、比較例1のリチウムニッケルマンガン酸化物のXRD測定により得られるXRDスペクトルでは、2θ=20.5°及び21.5°の位置に、回折ピークを有しない。一方、図4(b)に示すように、実施例1のリチウムニッケルマンガン酸化物のXRD測定により得られるXRDスペクトルでは、2θ=20.5°及び21.5°の位置に、回折ピークを有する。
従って、図4(b)に示すXRDスペクトルに現れた、θ=20.5°、及び2θ=21.5°の位置の回折ピークは、図2(b)に示す制限視野回折図形に現れた第2のスポット群に対応する、空孔群の周期的な積層構造(超格子構造)に帰属するものと推定される。
なお、上記ピークの位置は多少ずれていてもよく、そのずれは上記2θの値から±0.
5°の範囲内で許容される。本開示の2θの値について「±0.5°」とあるのは、2θ
の値のずれの許容範囲を意味する。
As shown in FIG. 5B, the XRD spectrum obtained by the XRD measurement of the lithium nickel-manganese oxide of Comparative Example 1 does not have diffraction peaks at the positions of 2θ = 20.5 ° and 21.5 °. On the other hand, as shown in FIG. 4B, the XRD spectrum obtained by the XRD measurement of the lithium nickel-manganese oxide of Example 1 has diffraction peaks at the positions of 2θ = 20.5 ° and 21.5 °. ..
Therefore, the diffraction peaks at positions θ = 20.5 ° and 2θ = 21.5 ° appearing in the XRD spectrum shown in FIG. 4B appeared in the selected area diffraction pattern shown in FIG. 2B. It is presumed that it belongs to the periodic laminated structure (superlattice structure) of the pore group corresponding to the second spot group.
The position of the peak may be slightly deviated, and the deviation is ± 0. From the value of 2θ.
Allowed within a range of 5 °. “± 0.5 °” for the value of 2θ in the present disclosure is 2θ.
It means the allowable range of deviation of the value of.

以上より、本開示の正極活物質に含まれるリチウムニッケルマンガン酸化物は、前述した測定条件で行われるXRD測定により得られるXRDスペクトルにおいて、2θ=20.5°±0.5°及び21.5°±0.5°の位置に、回折ピークを有することが好ましい。 From the above, the lithium nickel-manganese oxide contained in the positive electrode active material of the present disclosure has 2θ = 20.5 ° ± 0.5 ° and 21.5 in the XRD spectrum obtained by the XRD measurement performed under the above-mentioned measurement conditions. It is preferable to have a diffraction peak at a position of ° ± 0.5 °.

本開示の正極活物質の形状には特に制限はなく、例えば、粒子状、膜状の形状等が挙げられる。 The shape of the positive electrode active material of the present disclosure is not particularly limited, and examples thereof include a particle-like shape and a film-like shape.

本開示の正極活物質が粒子状の形状である場合、当該正極活物質に含まれるリチウムニッケルマンガン酸化物粒子の表面には、Liイオン伝導性を有する固体電解質で被覆した被覆層を有していてもよい。Liイオン伝導性を有する固体電解質としては、例えばLiNbOを用いることができる。 When the positive electrode active material of the present disclosure has a particulate shape, the surface of the lithium nickel manganese oxide particles contained in the positive electrode active material has a coating layer coated with a solid electrolyte having Li ion conductivity. You may. As the solid electrolyte having Li ion conductivity, for example, LiNbO 3 can be used.

正極活物質が粒子の形状の場合の当該粒子の平均粒径としては、例えば1〜50μm、中でも1〜20μm、特に3〜10μmであることが好ましい。正極活物質の平均粒径が小さすぎると、取り扱い性が悪くなるおそれがあり、正極活物質の平均粒径が大きすぎると、平坦な正極活物質層を得るのが困難になるおそれがあるからである。
本開示において、粒子の平均粒径は、レーザー回折・散乱式粒子径分布測定により測定される値である。また、本開示においてメディアン径(D50)とは、粒径の小さい粒子から順に粒子を並べた場合に、粒子の累積体積が全体の体積の半分(50%)となる径である。
When the positive electrode active material is in the shape of particles, the average particle size of the particles is preferably, for example, 1 to 50 μm, particularly preferably 1 to 20 μm, particularly preferably 3 to 10 μm. If the average particle size of the positive electrode active material is too small, the handleability may deteriorate, and if the average particle size of the positive electrode active material is too large, it may be difficult to obtain a flat positive electrode active material layer. Is.
In the present disclosure, the average particle size of the particles is a value measured by laser diffraction / scattering type particle size distribution measurement. Further, in the present disclosure, the median diameter (D50) is a diameter at which the cumulative volume of the particles is half (50%) of the total volume when the particles are arranged in order from the particles having the smallest particle size.

次に、本開示の正極活物質の製造方法について説明する。
以下に説明する製造方法では、(1)原料調製工程、(2)焼成工程を含む。なお、予め調製した原料を用意してもよい。その場合には、(1)原料調製工程を省略してもよい。
Next, a method for producing the positive electrode active material of the present disclosure will be described.
The production method described below includes (1) a raw material preparation step and (2) a firing step. In addition, you may prepare the raw material prepared in advance. In that case, (1) the raw material preparation step may be omitted.

(1)原料調製工程
原料調製工程では、先ず、共沈法によって遷移金属を含有する前駆体を調整した後、当該前駆体とリチウム化合物とを混合することにより、正極活物質の原料を調製することができる。
(1) Raw Material Preparation Step In the raw material preparation step, first, a precursor containing a transition metal is prepared by a coprecipitation method, and then the precursor and a lithium compound are mixed to prepare a raw material for a positive electrode active material. be able to.

共沈法とは、共沈現象を利用した粉末合成法である。共沈法による前駆体の合成は、原料水溶液とアルカリ水溶液とを混合することにより、両水溶液に含まれる成分を反応させて共沈物((Ni,Mn)OH)である前駆体を生成させることにより、行うことができる。共沈法によって前駆体を合成することにより、金属元素を原子レベルで均一に混合させることができるため、より好適な性能を得ることが可能となる。 The coprecipitation method is a powder synthesis method that utilizes the coprecipitation phenomenon. In the synthesis of the precursor by the coprecipitation method, the raw material aqueous solution and the alkaline aqueous solution are mixed to react the components contained in both aqueous solutions to produce a precursor which is a coprecipitate ((Ni, Mn) OH 2 ). It can be done by letting it do. By synthesizing the precursor by the coprecipitation method, the metal elements can be uniformly mixed at the atomic level, so that more suitable performance can be obtained.

原料水溶液は、Niイオンを含有する水溶液、Mnイオンを含有する水溶液を用いることができる。原料水溶液は、具体的には、例えばNi源としての硝酸ニッケル、硫酸ニッケル等を水溶解させた水溶液や、Mn源としての硝酸マンガン、硫酸マンガン等を水に溶解させた水溶液を用いることができる。
原料水溶液は、Ni源を含む水溶液とMn源を含む水溶液とを別個に作成した後、これらの水溶液を混合して作成してもよく、前述したNi源とMn源とを水に溶解させた水溶液として作成してもよい。原料水溶液中に配合するNi源とMn源との比率は、原料水溶液中に含まれるNiとMnとのモル比が、前述した組成式(1)の比率を満たすように、適宜調整すればよい。
As the raw material aqueous solution, an aqueous solution containing Ni ions and an aqueous solution containing Mn ions can be used. Specifically, as the raw material aqueous solution, for example, an aqueous solution in which nickel nitrate, nickel sulfate or the like as a Ni source is dissolved in water, or an aqueous solution in which manganese nitrate, manganese sulfate or the like as a Mn source is dissolved in water can be used. ..
The raw material aqueous solution may be prepared by separately preparing an aqueous solution containing a Ni source and an aqueous solution containing an Mn source and then mixing these aqueous solutions, or the above-mentioned Ni source and Mn source are dissolved in water. It may be prepared as an aqueous solution. The ratio of the Ni source and the Mn source to be blended in the raw material aqueous solution may be appropriately adjusted so that the molar ratio of Ni and Mn contained in the raw material aqueous solution satisfies the ratio of the composition formula (1) described above. ..

アルカリ水溶液は、例えば、水酸化ナトリウム水溶液等を用いることができる。アルカリ水溶液には、適宜、キレート剤として、アンモニアを配合してもよい。 As the alkaline aqueous solution, for example, a sodium hydroxide aqueous solution or the like can be used. Ammonia may be appropriately added to the alkaline aqueous solution as a chelating agent.

共沈法により合成した前駆体((Ni,Mn)OH)は、リチウム化合物と混合する前に焼成してもよい。前駆体の焼成により、前駆体の酸化物((Ni,Mn)O)が得られる。
前駆体の焼成は、例えば300〜650℃の温度範囲で行うことが好ましい。前駆体の焼成時間は特に限定されないが、例えば10〜15時間としてもよい。
The precursor ((Ni, Mn) OH 2 ) synthesized by the coprecipitation method may be calcined before being mixed with the lithium compound. The calcination of the precursor oxide precursor ((Ni, Mn) O x ) are obtained.
The precursor is preferably fired in a temperature range of, for example, 300 to 650 ° C. The firing time of the precursor is not particularly limited, but may be, for example, 10 to 15 hours.

リチウム化合物は、たとえば、炭酸リチウム、水酸化リチウム、硝酸リチウム等を用いることができる。 As the lithium compound, for example, lithium carbonate, lithium hydroxide, lithium nitrate and the like can be used.

前駆体又は前駆体の酸化物とリチウム化合物との混合は、例えば、ボールミル等により行うことができる。
前駆体又は前駆体の酸化物とリチウム化合物との混合比率は、混合物中に含まれるLiとNiとMnとのモル比が、組成式(1)の比率を満たすように、適宜調整すればよい。但し、後述する焼成工程において高温で保持されたときに、Liが揮発し易い点を考慮して、最終生成物に含ませるLiの比率よりも若干Li量が過剰となるように、リチウム化合物を混合してもよい。
The precursor or the oxide of the precursor and the lithium compound can be mixed, for example, by a ball mill or the like.
The mixing ratio of the precursor or the oxide of the precursor and the lithium compound may be appropriately adjusted so that the molar ratio of Li, Ni and Mn contained in the mixture satisfies the ratio of the composition formula (1). .. However, in consideration of the fact that Li easily volatilizes when it is held at a high temperature in the firing step described later, the lithium compound is added so that the amount of Li is slightly larger than the ratio of Li contained in the final product. It may be mixed.

(2)焼成工程
焼成工程は、(1)原料調製工程で得られた正極活物質の原料を焼成処理し、その後アニール処理することにより行うことができる。
焼成処理は、正極活物質の原料を、大気雰囲気中又は酸素雰囲気中、850℃以上1050℃以下の第1温度範囲で焼成することにより行うことができる。上記の温度範囲で焼成することにより、組成式(1)で表されるリチウムニッケルマンガン酸化物を、安定して得ることができる。
焼成時間は、例えば、5時間以上48時間以下の範囲としてもよい。
(2) Firing step The firing step can be performed by calcining the raw material of the positive electrode active material obtained in the (1) raw material preparation step and then annealing.
The firing treatment can be performed by firing the raw material of the positive electrode active material in an air atmosphere or an oxygen atmosphere in a first temperature range of 850 ° C. or higher and 1050 ° C. or lower. By firing in the above temperature range, the lithium nickel-manganese oxide represented by the composition formula (1) can be stably obtained.
The firing time may be, for example, in the range of 5 hours or more and 48 hours or less.

また、アニール処理は、焼成処理のあと、第1温度範囲よりも低い第2温度範囲へ温度を下げ、この温度範囲で保持することにより行うことができる。
第2温度範囲は、例えば、500℃以上900℃以下とすることができる。アニール処理時間は、10時間以上50時間以下としてもよい。
アニール処理は、前述した温度範囲でかつ第1温度範囲よりも低い温度を一定に保持することにより行ってもよいし、前述した温度範囲でかつ第1温度範囲よりも低い温度で所定時間保持した後、段階的に保持温度を低くすることにより行ってもよい。アニール処理を、例えば前述した第2の温度の温度範囲でかつ前述した処理時間で行ことにより、図1(a)に示す格子を単位格子とする基本結晶構造中に存在する各空孔群(図1(b)参照)が、周期的積層構造を形成している結晶構造(超格子構造)を有するリチウムニッケルマンガン酸化物を、安定的に得ることができる。
Further, the annealing treatment can be performed by lowering the temperature to a second temperature range lower than the first temperature range after the firing treatment and holding the temperature in this temperature range.
The second temperature range can be, for example, 500 ° C. or higher and 900 ° C. or lower. The annealing treatment time may be 10 hours or more and 50 hours or less.
The annealing treatment may be carried out by keeping the temperature in the above-mentioned temperature range and lower than the first temperature range constant, or by holding the temperature in the above-mentioned temperature range and lower than the first temperature range for a predetermined time. After that, it may be carried out by gradually lowering the holding temperature. By performing the annealing treatment in the temperature range of the second temperature described above and in the processing time described above, for example, each pore group existing in the basic crystal structure having the lattice shown in FIG. 1A as a unit lattice ( FIG. 1 (b)) shows that a lithium nickel-manganese oxide having a crystal structure (superlattice structure) forming a periodic laminated structure can be stably obtained.

特に、第二の処理温度を、第一の温度範囲での焼成処理により得られたリチウムニッケルマンガン酸化物の単位格子のc軸方向についてのガラス転移点以上の温度でかつ当該ガラス転移点近傍の温度範囲とすることにより、c軸方向に空孔群が周期的に積層された周期的積層構造(超格子構造)を、アニール処理によって安定的に形成できると考えられる。 In particular, the second treatment temperature is a temperature equal to or higher than the glass transition point in the c-axis direction of the unit cell of the lithium nickel-manganese oxide obtained by the firing treatment in the first temperature range and near the glass transition point. It is considered that the periodic laminated structure (super lattice structure) in which the pores are periodically laminated in the c-axis direction can be stably formed by the annealing treatment by setting the temperature range.

NaFeO型の層状結晶構造を構成する各遷移金属層の層内の拡散係数が極めて小さい点、及び、各遷移金属層の層間の距離が比較的大きいため、c軸方向に周期的積層構造を形成することによるエネルギー利得が小さく、当該周期的積層構造を形成するための駆動力が小さい点を考慮すると、空孔群の周期的積層構造を有する結晶構造を安定的に得るためには、リチウムニッケルマンガン酸化物のガラス転位点近傍の温度で、ある程度長時間保持することにより、アニール処理を行うことが望ましい。 Since the diffusion coefficient in each transition metal layer constituting the NaFeO type 2 layered crystal structure is extremely small and the distance between the layers of each transition metal layer is relatively large, a periodic laminated structure is formed in the c-axis direction. Considering that the energy gain due to the formation is small and the driving force for forming the periodic laminated structure is small, in order to stably obtain a crystal structure having a periodic laminated structure of pores, lithium is used. It is desirable to perform the annealing treatment by holding the nickel-manganese oxide at a temperature near the glass transition point for a certain period of time.

2.全固体電池
本開示の全固体電池は、正極、負極、並びに、当該正極及び当該負極の間に配置される固体電解質層を備える。
2. All-solid-state battery The all-solid-state battery of the present disclosure includes a positive electrode, a negative electrode, and a solid electrolyte layer arranged between the positive electrode and the negative electrode.

図6は、本開示の正極活物質層を備えた全固体電池の層構成の一例を示す図であって、積層方向に切断した断面を模式的に示した図である。なお、本開示の全固体電池は、必ずしもこの例のみに限定されるものではない。
全固体電池100は、正極活物質層4及び正極集電体2を備える正極6と、負極活物質層3及び負極集電体5を備える負極7と、正極6及び負極7に挟持される固体電解質層1を備える。
FIG. 6 is a diagram showing an example of the layer structure of the all-solid-state battery provided with the positive electrode active material layer of the present disclosure, and is a diagram schematically showing a cross section cut in the stacking direction. The all-solid-state battery of the present disclosure is not necessarily limited to this example.
The all-solid-state battery 100 is a solid sandwiched between a positive electrode 6 having a positive electrode active material layer 4 and a positive electrode current collector 2, a negative electrode 7 having a negative electrode active material layer 3 and a negative electrode current collector 5, and a positive electrode 6 and a negative electrode 7. It includes an electrolyte layer 1.

(正極)
本開示の全固体電池に用いられる正極は、正極活物質層を備え、必要に応じさらに、正極集電体、及び当該正極集電体に接続された正極リードを備える。
(Positive electrode)
The positive electrode used in the all-solid-state battery of the present disclosure includes a positive electrode active material layer, and if necessary, a positive electrode current collector and a positive electrode lead connected to the positive electrode current collector.

(正極活物質層)
本開示の全固体電池に用いられる正極活物質層は、前述した本開示の全固体電池用の正極活物質を含有する。
前記正極活物質層が、単位格子の[100]方向から電子線を入射することで取得される電子線回折像において、前述した第1の回折スポット群と第2の回折スポット群とが現れる結晶構造を有するリチウムニッケルマンガン酸化物を含有する正極活物質を含むことにより、当該正極活物質層を有する正極を備える全固体電池は、従来の全固体電池と比較して、ハイレートで充放電したときの放電容量の低下を抑制することができ、優れたレート特性を得ることができる。
(Positive electrode active material layer)
The positive electrode active material layer used in the all-solid-state battery of the present disclosure contains the above-mentioned positive electrode active material for the all-solid-state battery of the present disclosure.
In the electron beam diffraction image obtained by injecting an electron beam from the [100] direction of the unit cell into the positive electrode active material layer, a crystal in which the above-mentioned first diffraction spot group and second diffraction spot group appear. By containing a positive electrode active material containing a lithium nickel-manganese oxide having a structure, an all-solid-state battery having a positive electrode having the positive electrode active material layer is charged and discharged at a higher rate than a conventional all-solid-state battery. The decrease in discharge capacity can be suppressed, and excellent rate characteristics can be obtained.

正極活物質層中に含まれる、本開示の正極活物質の割合は、特に限定されるものではないが、例えば正極活物質と固体電解質とを合計した総体積を100体積%としたときの正極活物質の割合が、50体積%〜99体積%の範囲内であってもよい。 The proportion of the positive electrode active material of the present disclosure contained in the positive electrode active material layer is not particularly limited, but for example, the positive electrode when the total volume of the positive electrode active material and the solid electrolyte is 100% by volume. The proportion of the active material may be in the range of 50% by volume to 99% by volume.

なお、正極活物質層は、前述した本開示の全固体電池用の正極活物質と併せて、他の正極活物質を含有していてもよい。
他の正極活物質としては、例えば、LiCoO、LiNi1/3Mn1/3Co1/3、LiNiPO、LiMnPO、LiNiO、LiMn、LiCoMnO、LiNiMn、Li3Fe(PO及びLi(PO等を挙げることができる。
なお、正極活物質層が、前述した他の正極活物質を粒子形状で含有する場合、当該粒子の平均粒径の好適な範囲は、本開示の全固体電池用の正極活物質の平均粒径の好適な範囲と同様の範囲とすることができる。
The positive electrode active material layer may contain another positive electrode active material in addition to the positive electrode active material for the all-solid-state battery of the present disclosure described above.
Other positive electrode active materials include, for example, LiCoO 2 , LiNi 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2 , LiNiPO 4 , LiMnPO 4 , LiNiO 2 , LiMn 2 O 4 , LiComnO 4 , Li 2 Nimn 3 O. 8 , Li3Fe 2 (PO 4 ) 3 and Li 3 V 2 (PO 4 ) 3 and the like can be mentioned.
When the positive electrode active material layer contains the other positive electrode active material described above in the form of particles, the preferable range of the average particle size of the particles is the average particle size of the positive electrode active material for the all-solid battery of the present disclosure. It can be the same range as the preferable range of.

前記正極活物質層は、正極活物質のみを含有するものであっても良く、正極活物質の他に、固体電解質、導電材及びバインダーの少なくとも一つを含有するものであっても良い。 The positive electrode active material layer may contain only the positive electrode active material, or may contain at least one of a solid electrolyte, a conductive material, and a binder in addition to the positive electrode active material.

固体電解質としては、例えば、硫化物固体電解質、酸化物固体電解質、窒化物固体電解質、ハロゲン化物等を挙げることができる。
硫化物固体電解質としては、例えば、LiS−P、LiS−P−LiI、LiS−P−LiO、LiS−P−LiO−LiI、LiS−SiS、LiS−SiS−LiI、LiS−SiS−LiBr、LiS−SiS−LiCl、LiS−SiS−B−LiI、LiS−SiS−P−LiI、LiS−B、LiS−P−Z(ただし、m、nは正の数。Zは、Ge、Zn、Gaのいずれか。)、LiS−GeS、LiS−SiS−LiPO、LiS−SiS−LiMO(ただし、x、yは正の数。Mは、P、Si、Ge、B、Al、Ga、Inのいずれか。)、10LiI−15LiBr−75(0.75LiS−0.25P)、(75[(0.75−x)LiS・2/3xLiN・0.25P)]・10LiI・15LiBr)等を挙げることができる。なお、上記「LiS−P」の記載は、LiS及びPを含む原料組成物を用いてなる硫化物固体電解質を意味し、他の記載についても同様である。硫化物固体電解質は、LiX(Xは、F、Cl、Br又はI)をさらに含有していてもよい。また、固体電解質は、非晶質であっても良く、結晶質であっても良く、ガラスセラミックスであってもよい。
Examples of the solid electrolyte include sulfide solid electrolytes, oxide solid electrolytes, nitride solid electrolytes, halides and the like.
The sulfide solid electrolyte, for example, Li 2 S-P 2 S 5, Li 2 S-P 2 S 5 -LiI, Li 2 S-P 2 S 5 -Li 2 O, Li 2 S-P 2 S 5 -Li 2 O-LiI, Li 2 S-SiS 2 , Li 2 S-SiS 2- LiI, Li 2 S-SiS 2- LiBr, Li 2 S-SiS 2- LiCl, Li 2 S-SiS 2- B 2 S 3- LiI, Li 2 S-SiS 2- P 2 S 5- LiI, Li 2 SB 2 S 3 , Li 2 SP 2 S 5- Z m S n (where m and n are positive Number .Z is any of Ge, Zn, and Ga.), Li 2 S-GeS 2 , Li 2 S-SiS 2 -Li 3 PO 4 , Li 2 S-SiS 2 -Li x MO y (where x) , Y is a positive number. M is any of P, Si, Ge, B, Al, Ga, In.), 10LiI-15LiBr-75 (0.75Li 2 S-0.25P 2 S 5 ), ( 75 [(0.75-x) Li 2 S · 2/3 x Li 3 N · 0.25P 2 S 5 )] · 10LiI · 15LiBr) and the like can be mentioned. The above description of "Li 2 S-P 2 S 5 " means a sulfide solid electrolyte made by using a raw material composition containing Li 2 S and P 2 S 5, and the same applies to other descriptions. .. The sulfide solid electrolyte may further contain LiX (X is F, Cl, Br or I). Further, the solid electrolyte may be amorphous, crystalline, or glass ceramics.

正極活物質層中の固体電解質の割合は、特に限定されるものではないが、例えば正極活物質と固体電解質とを合計した総体積を100体積%としたときの固体電解質の割合が、1体積%〜50体積%の範囲内であってもよい。
前記固体電解質は、特に限定されないが、密度が1.9〜2.5g/cmであってもよい。
The ratio of the solid electrolyte in the positive electrode active material layer is not particularly limited, but for example, the ratio of the solid electrolyte when the total volume of the positive electrode active material and the solid electrolyte is 100% by volume is one volume. It may be in the range of% to 50% by volume.
The solid electrolyte is not particularly limited, but may have a density of 1.9 to 2.5 g / cm 3 .

正極活物質層に用いられるバインダーとしては、例えばポリビニリデンフロライド(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等を挙げることができる。また、正極活物質層におけるバインダーの含有量は、正極活物質等を固定化できる程度の量であれば良く、特に限定されるものではない。 Examples of the binder used for the positive electrode active material layer include polyvinylidene fluoride (PVDF) and polytetrafluoroethylene (PTFE). The content of the binder in the positive electrode active material layer is not particularly limited as long as it can immobilize the positive electrode active material or the like.

導電材は、全固体電池の正極に使用できるものであれば、特に制限はない。
導電材の原料は、例えば、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、ファーネスブラック等のカーボンブラック、カーボンナノチューブ、及び、カーボンナノファイバーからなる群より選ばれる少なくとも一種の炭素系素材であってもよい。
電子伝導性の観点から、カーボンナノチューブ、及び、カーボンナノファイバーからなる群より選ばれる少なくとも一種の炭素系素材であってもよく、当該カーボンナノチューブ、及び、カーボンナノファイバーはVGCF(気相法炭素繊維)であってもよい。
正極活物質層における導電材の含有割合は、導電材の種類によって異なるものであり、特に限定されるものではない。
The conductive material is not particularly limited as long as it can be used for the positive electrode of an all-solid-state battery.
The raw material of the conductive material may be, for example, at least one carbon-based material selected from the group consisting of carbon black such as acetylene black, ketjen black, furnace black, carbon nanotubes, and carbon nanofibers.
From the viewpoint of electron conductivity, it may be at least one carbon-based material selected from the group consisting of carbon nanotubes and carbon nanofibers, and the carbon nanotubes and carbon nanofibers are VGCF (gas phase carbon fibers). ) May be.
The content ratio of the conductive material in the positive electrode active material layer varies depending on the type of the conductive material, and is not particularly limited.

本開示に係る全固体電池用の正極活物質層を製造する方法は、特に限定されない。 The method for producing the positive electrode active material layer for the all-solid-state battery according to the present disclosure is not particularly limited.

正極活物質層の形成方法としては、好適には、正極活物質、固体電解質、バインダー、及び導電材等を分散媒により分散させて、正極活物質層用ペーストを作製し、正極集電体上に塗布、乾燥する方法等が挙げられる。
分散媒としては、特に限定されず、例えば、ヘプタン、酪酸ブチル、等が挙げられる。分散方法としては、特に限定されないが、例えば、ホモジナイザー、ビーズミル、シェアミキサー、ロールミル等が挙げられる。
正極活物質層用ペーストの塗布方法、乾燥方法等は適宜選択することができる。例えば、塗布方法としては、スプレー法、スクリーン印刷法、ドクターブレード法、グラビア印刷法、ダイコート法などが挙げられる。また、乾燥方法としては、例えば、減圧乾燥、加熱乾燥、減圧加熱乾燥などが挙げられる。減圧乾燥、加熱乾燥における具体的な条件に制限はなく、適宜設定すればよい。
なお、正極活物質層を形成した後、電極密度を向上させるために、正極活物質層をロールプレス処理等によりプレスしてもよい。
As a method for forming the positive electrode active material layer, preferably, the positive electrode active material, the solid electrolyte, the binder, the conductive material and the like are dispersed with a dispersion medium to prepare a paste for the positive electrode active material layer, and the positive electrode active material layer is formed on the positive electrode current collector. Examples include a method of applying and drying.
The dispersion medium is not particularly limited, and examples thereof include heptane, butyl butyrate, and the like. The dispersion method is not particularly limited, and examples thereof include a homogenizer, a bead mill, a share mixer, and a roll mill.
The method of applying the paste for the positive electrode active material layer, the method of drying, and the like can be appropriately selected. For example, examples of the coating method include a spray method, a screen printing method, a doctor blade method, a gravure printing method, and a die coating method. In addition, examples of the drying method include vacuum drying, heat drying, vacuum heating drying and the like. There are no restrictions on the specific conditions for vacuum drying and heat drying, which may be set as appropriate.
After forming the positive electrode active material layer, the positive electrode active material layer may be pressed by a roll press treatment or the like in order to improve the electrode density.

本開示の正極活物質層の厚さは、特に限定されるものではなく、目的とする性能に応じて適宜決定すればよい。 The thickness of the positive electrode active material layer of the present disclosure is not particularly limited, and may be appropriately determined according to the desired performance.

正極集電体は、上記正極活物質層の集電を行う機能を有するものである。上記正極集電体の材料としては、例えばアルミニウム、SUS、ニッケル、鉄及びチタン等を挙げることができ、中でもアルミニウム及びSUSが好ましい。また、正極集電体の形状としては、例えば、箔状、板状、メッシュ状等を挙げることができ、中でも箔状が好ましい。 The positive electrode current collector has a function of collecting current from the positive electrode active material layer. Examples of the material of the positive electrode current collector include aluminum, SUS, nickel, iron and titanium, and among them, aluminum and SUS are preferable. Further, as the shape of the positive electrode current collector, for example, a foil shape, a plate shape, a mesh shape and the like can be mentioned, and the foil shape is particularly preferable.

(負極)
本開示の全固体電池に用いられる負極は、負極活物質層を備え、必要に応じさらに、負極集電体、及び当該負極集電体に接続された負極リードを備える。
(Negative electrode)
The negative electrode used in the all-solid-state battery of the present disclosure includes a negative electrode active material layer, and if necessary, a negative electrode current collector and a negative electrode lead connected to the negative electrode current collector.

(負極活物質層)
本開示に用いられる負極活物質層は、負極活物質を含有する。
負極活物質としては、従来公知の材料を用いることができ、例えば、金属リチウム(Li)、リチウム合金、炭素、Si、Si合金、LiTi12(LTO)等が挙げられる。
リチウム合金としては、LiSn、LiSi、LiAl、LiGe、LiSb、LiP、及びLiIn等が挙げられる。
Si合金としては、Li等の金属との合金等が挙げられ、その他、Sn、Ge、Alからなる群より選ばれる少なくとも一種の金属との合金であってもよい。
負極活物質の形状については、特に限定されるものではないが、例えば粒子状、薄膜状とすることができる。
負極活物質が粒子の形状の場合の当該粒子の平均粒径(D50)は、例えば1nm以上100μm以下であることが好ましい。
負極層における負極活物質の含有量は、特に限定されないが、例えば40質量%以上100質量%以下とすることが好ましい。
(Negative electrode active material layer)
The negative electrode active material layer used in the present disclosure contains a negative electrode active material.
As the negative electrode active material, conventionally known materials can be used, and examples thereof include metallic lithium (Li), lithium alloys, carbon, Si, Si alloys, and Li 4 Ti 5 O 12 (LTO).
Examples of the lithium alloy include LiSn, LiSi, LiAl, LiGe, LiSb, LiP, LiIn and the like.
Examples of the Si alloy include alloys with metals such as Li, and other alloys may be alloys with at least one metal selected from the group consisting of Sn, Ge, and Al.
The shape of the negative electrode active material is not particularly limited, but may be, for example, a particulate or a thin film.
When the negative electrode active material is in the shape of particles, the average particle size (D50) of the particles is preferably 1 nm or more and 100 μm or less, for example.
The content of the negative electrode active material in the negative electrode layer is not particularly limited, but is preferably 40% by mass or more and 100% by mass or less, for example.

上記負極活物質層は、負極活物質のみを含有するものであっても良く、負極活物質の他に、固体電解質、導電材及びバインダーの少なくとも一方を含有するものであっても良い。例えば、負極活物質が箔状である場合は、負極活物質のみを含有する負極活物質層とすることができる。一方、負極活物質が粉末状である場合は、負極活物質及びバインダーを有する負極活物質層とすることができる。 The negative electrode active material layer may contain only the negative electrode active material, and may contain at least one of a solid electrolyte, a conductive material, and a binder in addition to the negative electrode active material. For example, when the negative electrode active material is in the form of a foil, it can be a negative electrode active material layer containing only the negative electrode active material. On the other hand, when the negative electrode active material is in the form of powder, it can be a negative electrode active material layer having a negative electrode active material and a binder.

負極活物質層に用いられる導電材としては、前述した正極活物質層に用いられる導電材と同様のものを用いることができる。負極活物質層における導電材の含有割合は、特に限定されるものではない。 As the conductive material used for the negative electrode active material layer, the same conductive material as the conductive material used for the positive electrode active material layer described above can be used. The content ratio of the conductive material in the negative electrode active material layer is not particularly limited.

負極活物質層に用いられるバインダーとしては、前述した正極活物質層に用いられるバインダーと同様のものを用いることができる。負極活物質層におけるバインダーの含有割合は、特に限定されるものではない。 As the binder used for the negative electrode active material layer, the same binder as that used for the positive electrode active material layer described above can be used. The content ratio of the binder in the negative electrode active material layer is not particularly limited.

負極活物質層は、固体電解質を含有していてもよい。固体電解質としては、上述した硫化物系固体電解質、及び酸化物系固体電解質等を用いることができる。負極活物質層における固体電解質の含有割合は、特に限定されるものではない。 The negative electrode active material layer may contain a solid electrolyte. As the solid electrolyte, the above-mentioned sulfide-based solid electrolyte, oxide-based solid electrolyte, and the like can be used. The content ratio of the solid electrolyte in the negative electrode active material layer is not particularly limited.

負極活物質層の厚みは特に限定されるものではなく、目的とする性能に応じて適宜決定すればよい。 The thickness of the negative electrode active material layer is not particularly limited, and may be appropriately determined according to the desired performance.

(負極集電体)
負極集電体の材料としては、上述した正極集電体と同様の材料を用いることができる。また、負極集電体の形状としては、上述した正極集電体と同様の形状を採用することができる。
(Negative electrode current collector)
As the material of the negative electrode current collector, the same material as the above-mentioned positive electrode current collector can be used. Further, as the shape of the negative electrode current collector, the same shape as that of the positive electrode current collector described above can be adopted.

本開示に用いられる負極を製造する方法は、上記負極を得ることができる方法であれば特に限定されない。なお、負極活物質層を形成した後、電極密度を向上させるために、負極活物質層をプレスしても良い。 The method for producing the negative electrode used in the present disclosure is not particularly limited as long as it is a method capable of obtaining the negative electrode. After forming the negative electrode active material layer, the negative electrode active material layer may be pressed in order to improve the electrode density.

(固体電解質層)
本開示に用いられる固体電解質層は、正極及び負極の間に保持され、正極と負極との間で金属イオンを交換する働きを有する。
固体電解質層に含有させる固体電解質としては、前述した正極活物質層に使用可能な硫化物系固体電解質、及び酸化物系固体電解質等を用いることができる。
固体電解質は、1種類のみを単独で用いてもよいし、2種類以上を組み合わせて用いてもよい。
固体電解質層における固体電解質の含有割合は、特に限定されるものではない。
固体電解質層は、固体電解質同士を結着させるバインダーを含有してもよい。固体電解質層に含有させるバインダーとしては、前述した正極活物質層に使用可能なバインダーを用いることができる。
(Solid electrolyte layer)
The solid electrolyte layer used in the present disclosure is held between the positive electrode and the negative electrode, and has a function of exchanging metal ions between the positive electrode and the negative electrode.
As the solid electrolyte contained in the solid electrolyte layer, a sulfide-based solid electrolyte that can be used in the positive electrode active material layer described above, an oxide-based solid electrolyte, or the like can be used.
Only one type of solid electrolyte may be used alone, or two or more types may be used in combination.
The content ratio of the solid electrolyte in the solid electrolyte layer is not particularly limited.
The solid electrolyte layer may contain a binder that binds the solid electrolytes to each other. As the binder contained in the solid electrolyte layer, a binder that can be used in the positive electrode active material layer described above can be used.

(電池ケース)
本開示に係る全固体電池は、通常、上記正極、負極、及び固体電解質層等を収納する電池ケースを備える。電池ケースの形状としては、具体的にはコイン型、平板型、円筒型、ラミネート型等を挙げることができる。
(Battery case)
The all-solid-state battery according to the present disclosure usually includes a battery case for accommodating the positive electrode, the negative electrode, the solid electrolyte layer, and the like. Specific examples of the shape of the battery case include a coin type, a flat plate type, a cylindrical type, and a laminated type.

1.正極活物質の製造
(実施例1)
(1)正極活物質の製造
まず、硝酸ニッケル及び硝酸マンガンを純水に溶解させて、原料水溶液を得た。硝酸ニッケル及び硝酸マンガンは、原料水溶液中に含まれるニッケル(Ni)とマンガン(Mn)との比率がモル比でNi:Mn=1:1となるように、純水に溶解させた。この原料水溶液を、アルカリ水溶液としての水酸化ナトリウム水溶液(1mol/l、pH13)と混合することにより、前駆体(共沈物)を得た。前駆体(共沈物)に含まれるニッケル(Ni)とマンガン(Mn)との比率は、モル比でNi:Mn=1:1であった。
得られた前駆体(共沈物)を大気中で600℃、12時間の条件で焼成することにより、前駆体(共沈物)の酸化物を得た。得られた前駆体(共沈物)の酸化物と炭酸リチウムとを、ボールミルを用いて混合することにより、正極活物質の原料を調製した。炭酸リチウムは、前駆体(共沈物)の酸化物に含まれるニッケル(Ni)及びマンガン(Mn)の合計モル量に対して、1.1モル相当量となるように混合した。
1. 1. Production of positive electrode active material (Example 1)
(1) Production of Positive Electrode Active Material First, nickel nitrate and manganese nitrate were dissolved in pure water to obtain a raw material aqueous solution. Nickel nitrate and manganese nitrate were dissolved in pure water so that the ratio of nickel (Ni) and manganese (Mn) contained in the raw material aqueous solution was Ni: Mn = 1: 1 in terms of molar ratio. A precursor (coprecipitate) was obtained by mixing this raw material aqueous solution with a sodium hydroxide aqueous solution (1 mol / l, pH 13) as an alkaline aqueous solution. The ratio of nickel (Ni) and manganese (Mn) contained in the precursor (coprecipitate) was Ni: Mn = 1: 1 in terms of molar ratio.
The obtained precursor (coprecipitate) was calcined in the air at 600 ° C. for 12 hours to obtain an oxide of the precursor (coprecipitate). A raw material for the positive electrode active material was prepared by mixing the obtained precursor (coprecipitate) oxide and lithium carbonate using a ball mill. Lithium carbonate was mixed so as to be equivalent to 1.1 mol with respect to the total molar amount of nickel (Ni) and manganese (Mn) contained in the oxide of the precursor (coprecipitate).

次いで、得られた正極活物質の原料を、大気中で1000℃、12時間の条件で焼成した。次いで、得られた焼成物を、850℃で10時間保持し、次いで、700℃で10時間保持し、次いで、550℃で10時間保持した後、室温まで徐冷して、実施例1の正極活物質(リチウムニッケルマンガン酸化物)を得た。 Next, the obtained raw material of the positive electrode active material was calcined in the air at 1000 ° C. for 12 hours. Next, the obtained fired product was held at 850 ° C. for 10 hours, then at 700 ° C. for 10 hours, then at 550 ° C. for 10 hours, and then slowly cooled to room temperature to cool the positive electrode of Example 1. An active material (lithium nickel-manganese oxide) was obtained.

(実施例2)
実施例1と同様にして、前駆体(共沈物)の酸化物を作製した。得られた前駆体(共沈物)の酸化物に対して、炭酸リチウムを、当該前駆体(共沈物)の酸化物に含まれるニッケル(Ni)及びマンガン(Mn)の合計モル量に対して、1.05モル相当量となるように混合して、正極活物質の原料を調製した。正極活物質の原料の調製後の工程は、実施例1と同様にして行って、実施例2の正極活物質(リチウムニッケルマンガン酸化物)を得た。
(Example 2)
An oxide of a precursor (coprecipitate) was prepared in the same manner as in Example 1. With respect to the oxide of the obtained precursor (coprecipitate), lithium carbonate was added to the total molar amount of nickel (Ni) and manganese (Mn) contained in the oxide of the precursor (coprecipitate). The raw materials for the positive electrode active material were prepared by mixing them so as to have an amount equivalent to 1.05 mol. The step after the preparation of the raw material of the positive electrode active material was carried out in the same manner as in Example 1 to obtain the positive electrode active material (lithium nickel manganese oxide) of Example 2.

(実施例3)
原料水溶液中に含まれるニッケル(Ni)とマンガン(Mn)との比率を、モル比でNi:Mn=1:1からNi:Mn=2:1となるように変更したこと以外は、実施例1と同様にして、原料水溶液を調製した。この原料水溶液を用いて、実施例1と同様にして、前駆体(共沈物)を得た。前駆体(共沈物)に含まれるニッケル(Ni)とマンガン(Mn)との比率は、モル比でNi:Mn=2:1であった。得られた前駆体(共沈物)と、炭酸リチウムとを、ボールミルを用いて混合することにより、正極活物質の原料を調製した。炭酸リチウムは、前駆体(共沈物)に含まれるニッケル(Ni)及びマンガン(Mn)の合計モル量に対して、1.05モル相当量となるように混合した。
(Example 3)
Examples except that the ratio of nickel (Ni) and manganese (Mn) contained in the raw material aqueous solution was changed from Ni: Mn = 1: 1 to Ni: Mn = 2: 1 in terms of molar ratio. A raw material aqueous solution was prepared in the same manner as in 1. Using this aqueous raw material solution, a precursor (coprecipitate) was obtained in the same manner as in Example 1. The ratio of nickel (Ni) and manganese (Mn) contained in the precursor (coprecipitate) was Ni: Mn = 2: 1 in terms of molar ratio. The obtained precursor (coprecipitate) and lithium carbonate were mixed using a ball mill to prepare a raw material for the positive electrode active material. Lithium carbonate was mixed so as to be equivalent to 1.05 mol with respect to the total molar amount of nickel (Ni) and manganese (Mn) contained in the precursor (coprecipitate).

次いで、得られた正極活物質の原料を、大気中で900℃、12時間の条件で焼成した。次いで、得られた焼成物を、850℃で10時間保持し、次いで、700℃で10時間保持し、次いで、550℃で10時間保持した後、室温まで徐冷して、実施例3の正極活物質(リチウムニッケルマンガン酸化物)を得た。 Next, the obtained raw material of the positive electrode active material was calcined in the air at 900 ° C. for 12 hours. Next, the obtained fired product was held at 850 ° C. for 10 hours, then at 700 ° C. for 10 hours, then at 550 ° C. for 10 hours, and then slowly cooled to room temperature to cool the positive electrode of Example 3. An active material (lithium nickel-manganese oxide) was obtained.

(実施例4)
正極活物質の原料を、900℃、12時間焼成する際の雰囲気を、大気雰囲気から酸素雰囲気に変更したこと以外は、実施例3と同様にして、実施例4の正極活物質(リチウムニッケルマンガン酸化物)を得た。
(Example 4)
The positive electrode active material (lithium nickel manganese) of Example 4 is the same as in Example 3 except that the atmosphere when the raw material of the positive electrode active material is fired at 900 ° C. for 12 hours is changed from the atmospheric atmosphere to the oxygen atmosphere. Oxide) was obtained.

(比較例1)
実施例2と同様にして、正極活物質の原料を調製した。
次いで、得られた正極活物質の原料を、大気中で1000℃、12時間の条件で焼成して、比較例1の正極活物質(リチウムニッケルマンガン酸化物)を得た。
(Comparative Example 1)
A raw material for the positive electrode active material was prepared in the same manner as in Example 2.
Next, the obtained raw material of the positive electrode active material was calcined in the air at 1000 ° C. for 12 hours to obtain the positive electrode active material (lithium nickel manganese oxide) of Comparative Example 1.

(実施例5)
実施例1と同様にして、前駆体(共沈物)の酸化物を作製した。得られた前駆体(共沈物)の酸化物に対して、炭酸リチウムを、当該前駆体(共沈物)の酸化物に含まれるニッケル(Ni)及びマンガン(Mn)の合計モル量に対して、1.05モル相当量となるように混合して、正極活物質の原料を調製した。次いで、正極活物質の原料調製後の工程を、実施例1と同様にして行って、リチウムニッケルマンガン酸化物を得た。
次いで、得られたリチウムニッケルマンガン酸化物の表面に、転動流動装置を用いて、LiNbOを、厚さ10nmとなるように被覆した。これにより、実施例5の正極活物質を得た。
(Example 5)
An oxide of a precursor (coprecipitate) was prepared in the same manner as in Example 1. With respect to the oxide of the obtained precursor (coprecipitate), lithium carbonate was added to the total molar amount of nickel (Ni) and manganese (Mn) contained in the oxide of the precursor (coprecipitate). The raw materials for the positive electrode active material were prepared by mixing them so as to have an amount equivalent to 1.05 mol. Next, the step after preparing the raw material of the positive electrode active material was carried out in the same manner as in Example 1 to obtain a lithium nickel manganese oxide.
Next, the surface of the obtained lithium nickel-manganese oxide was coated with LiNbO 3 so as to have a thickness of 10 nm using a rolling fluidizer. As a result, the positive electrode active material of Example 5 was obtained.

(比較例2)
実施例5と同様にして、正極活物質の原料を調製した。次いで、得られた正極活物質の原料を、大気中で1000℃、12時間の条件で焼成した後、冷却して、リチウムニッケルマンガン酸化物を得た。次いで、得られたリチウムニッケルマンガン酸化物の表面に、実施例5と同様にして、LiNbOを、厚さ10nmとなるように被覆した。これにより、比較例2の正極活物質を得た。
(Comparative Example 2)
A raw material for the positive electrode active material was prepared in the same manner as in Example 5. Next, the obtained raw material of the positive electrode active material was calcined in the air at 1000 ° C. for 12 hours and then cooled to obtain a lithium nickel manganese oxide. Next, the surface of the obtained lithium nickel-manganese oxide was coated with LiNbO 3 so as to have a thickness of 10 nm in the same manner as in Example 5. As a result, the positive electrode active material of Comparative Example 2 was obtained.

2.評価用セルの製造
[正極の作製]
実施例1〜5及び比較例1〜2で得られた各正極活物質と硫化物系固体電解質(75[(0.75−x)LiS・2/3xLiN・0.25P)]・10LiI・15LiBr)とを、それぞれ体積比で正極活物質:硫化物系固体電解質=75:25となるように秤量し、これを、正極用スラリー作製用の容器へと投入した。
さらに、正極活物質100質量部に対して0.75質量部となる量の、バインダー成分であるPVDF(クレハ社製)及び、正極活物質100質量部に対して1.5質量部となる量の導電剤であるVGCF(昭和電工社製)を秤量し、これらを、正極用スラリー作製用の容器へと投入した。
さらに、溶媒として酪酸ブチル(キシダ化学株式会社製)を正極用スラリー作製用の容器へと投入することにより、正極用混合物を作製した。
次いで、作製した正極用混合物を超音波ホモジナイザー(UH−50、株式会社エスエムテー製。以下において同じ。)で1分間に亘って分散させることにより正極用スラリーを作製した。得られた正極用スラリーを、正極集電体としてのアルミニウム箔(昭和電工株式会社製)の表面に、ドクターブレードを用いて塗工し、室温で2時間自然乾燥させた後、110℃で30分間乾燥させ、さらにホットロールプレスすることにより、アルミニウム箔上に正極活物質層を有する正極を作製した。
2. Manufacture of evaluation cell [Preparation of positive electrode]
Each positive electrode active material and sulfide-based solid electrolyte (75 [(0.75-x) Li 2 S ・ 2/3 x Li 3 N ・ 0.25P 2 S) obtained in Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 and 2 5 )], 10LiI, and 15LiBr) were weighed so that the positive electrode active material: sulfide-based solid electrolyte = 75:25, respectively, in terms of volume ratio, and this was put into a container for producing a positive electrode slurry.
Further, PVDF (manufactured by Kureha), which is a binder component, and an amount of 1.5 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the positive electrode active material, which is 0.75 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the positive electrode active material. VGCF (manufactured by Showa Denko Co., Ltd.), which is a conductive agent of the above, was weighed and put into a container for producing a slurry for a positive electrode.
Further, a mixture for a positive electrode was prepared by putting butyl butyrate (manufactured by Kishida Chemical Co., Ltd.) as a solvent into a container for producing a slurry for a positive electrode.
Next, the prepared positive electrode mixture was dispersed with an ultrasonic homogenizer (UH-50, manufactured by SMT Co., Ltd., the same applies hereinafter) for 1 minute to prepare a positive electrode slurry. The obtained positive electrode slurry is applied to the surface of an aluminum foil (manufactured by Showa Denko KK) as a positive electrode current collector using a doctor blade, air-dried at room temperature for 2 hours, and then at 110 ° C. for 30. After drying for a minute and further hot-roll pressing, a positive electrode having a positive electrode active material layer on an aluminum foil was prepared.

次に、硫化物系固体電解質粉末(75[(0.75−x)LiS・2/3xLiN・0.25P)]・10LiI・15LiBr)を、荷重1ton/cmで一軸プレスして、固体電解質層を作製した。
次いで、得られた固体電解質層と、[正極の作製]で得られた正極の正極活物質層とを対向させて固体電解質層と正極とを重ね合わせ、ロールプレス法により、室温条件下で荷重6ton/cmでコールドプレスして、正極−固体電解質層の積層体を得た。
次いで、正極活物質層上に積層された固体電解質層と、Li金属箔とを重ね合わせ、ロールプレス法により、室温条件下で荷重1ton/cmでコールドプレスすることにより、評価用セルを得た。
なお、以下の説明において、実施例1〜5で得られた正極活物質を用いて作製された評価用セルを、それぞれ、評価用セル1〜5と示し、比較例1〜2で得られた正極活物質を用いて作製された評価用セルを、それぞれ、評価用セル6〜7と示す。
Next, a sulfide-based solid electrolyte powder (75 [(0.75-x) Li 2 S ・ 2/3 x Li 3 N ・ 0.25P 2 S 5 )] ・ 10LiI ・ 15LiBr) was applied at a load of 1 ton / cm 2 . A solid electrolyte layer was prepared by uniaxial pressing.
Next, the obtained solid electrolyte layer and the positive electrode active material layer of the positive electrode obtained in [Preparation of positive electrode] are opposed to each other, and the solid electrolyte layer and the positive electrode are overlapped with each other, and a load is applied under room temperature conditions by a roll press method. Cold pressing was performed at 6 ton / cm 2 to obtain a laminate of a positive electrode-solid electrolyte layer.
Next, the solid electrolyte layer laminated on the positive electrode active material layer and the Li metal foil are superposed, and cold-pressed by a roll press method under room temperature conditions at a load of 1 ton / cm 2 to obtain an evaluation cell. It was.
In the following description, the evaluation cells prepared by using the positive electrode active materials obtained in Examples 1 to 5 are referred to as evaluation cells 1 to 5, respectively, and obtained in Comparative Examples 1 and 2. The evaluation cells prepared by using the positive electrode active material are shown as evaluation cells 6 to 7, respectively.

3.評価
<正極活物質全体の平均組成>
実施例1〜5及び比較例1〜2で得られた各正極活物質について、ICP発光分光分析により元素分析を行うことにより、正極活物質全体のLi/Ni/Mnモル比を算出した。評価結果を表1に示す。
3. 3. Evaluation <Average composition of the entire positive electrode active material>
The Li / Ni / Mn molar ratio of the entire positive electrode active material was calculated by performing elemental analysis on each of the positive electrode active materials obtained in Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 and 2 by ICP emission spectroscopic analysis. The evaluation results are shown in Table 1.

<制限視野回折図形>
実施例1〜5及び比較例1〜2で得られた各正極活物質について、透過型電子顕微鏡を用いて制限視野回折測定を行い、制限視野回折図形を取得した。制限視野回折測定は、透過型電子顕微鏡装置(JEOL、ARM−200F)を用い、加速電圧200kVの条件で行った。
得られた制限視野回折図形における第2の回折スポットの有無を、表1に示す。また、比較例1で得られた正極活物質についての制限視野回折図形を、図2(a)に示し、実施例1で得られた正極活物質についての制限視野回折図形を、図2(b)に示す。
<Selected area diffraction pattern>
Selected area diffraction measurements were performed on the positive electrode active materials obtained in Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 and 2 using a transmission electron microscope to obtain selected area diffraction figures. Selected area diffraction measurements were performed using a transmission electron microscope device (JEOL, ARM-200F) under the condition of an accelerating voltage of 200 kV.
Table 1 shows the presence or absence of the second diffraction spot in the obtained selected area diffraction pattern. Further, the selected area diffraction pattern for the positive electrode active material obtained in Comparative Example 1 is shown in FIG. 2 (a), and the selected area diffraction figure for the positive electrode active material obtained in Example 1 is shown in FIG. 2 (b). ).

<3.0C充放電容量及び0.1C充放電容量>
作製した実施例1〜4の評価用セル1〜4及び比較例1の評価用セル6に対して、2.5V−4.5Vの電圧範囲で、0.1C相当電流で定電流充電した後、0.1C相当電流で、定電流放電した。次いで、2.5V−4.5Vの電圧範囲で、0.1C相当電流で定電流充電した後、3.0C相当電流で、定電流放電した。
各実施例1〜4及び比較例1について得られた、0.1C相当電流での放電容量(mAh)及び3.0C相当電流での放電容量(mAh)を、それぞれ表1に示す。
このうち、実施例1の評価用セル1及び比較例1の評価用セル6を用いて行った定電流充電及び定電流放電についての充放電曲線を図7に示す。
<3.0C charge / discharge capacity and 0.1C charge / discharge capacity>
After the prepared evaluation cells 1 to 4 of Examples 1 to 4 and the evaluation cells 6 of Comparative Example 1 are constantly charged with a current equivalent to 0.1 C in a voltage range of 2.5V to 4.5V. , A constant current discharge was performed with a current equivalent to 0.1 C. Then, in the voltage range of 2.5V-4.5V, a constant current was charged with a current equivalent to 0.1C, and then a constant current was discharged with a current equivalent to 3.0C.
Table 1 shows the discharge capacity (mAh) at a current equivalent to 0.1 C and the discharge capacity (mAh) at a current equivalent to 3.0 C obtained for Examples 1 to 4 and Comparative Example 1, respectively.
Of these, FIG. 7 shows a charge / discharge curve for constant current charging and constant current discharging performed using the evaluation cell 1 of Example 1 and the evaluation cell 6 of Comparative Example 1.

<3.0C充放電容量及び0.1C充放電容量>
作製した実施例5の評価用セル5及び比較例2の評価用セル7に対して、2.5V−4.9Vの電圧範囲で、0.1C相当電流で定電流充電した後、0.1C相当電流で、定電流放電した。次いで、2.5V−4.9Vの電圧範囲で、0.1C相当電流で定電流充電した後、3.0C相当電流で、定電流放電した。
実施例5及び比較例2について得られた、0.1C相当電流での放電容量(mAh)及び3.0C相当電流での放電容量(mAh)を、それぞれ表1に示す。
このうち、実施例5の評価用セル5及び比較例2の評価用セル7を用いて行った、0.1C相当電流での定電流充電及び定電流放電についての充放電曲線を図8に示す。
<3.0C charge / discharge capacity and 0.1C charge / discharge capacity>
The prepared evaluation cell 5 of Example 5 and the evaluation cell 7 of Comparative Example 2 are constantly charged with a current equivalent to 0.1C in a voltage range of 2.5V-4.9V, and then 0.1C. A constant current was discharged with a considerable current. Then, in the voltage range of 2.5V-4.9V, a constant current was charged with a current equivalent to 0.1C, and then a constant current was discharged with a current equivalent to 3.0C.
Table 1 shows the discharge capacity (mAh) at a current equivalent to 0.1 C and the discharge capacity (mAh) at a current equivalent to 3.0 C obtained for Example 5 and Comparative Example 2, respectively.
Of these, FIG. 8 shows a charge / discharge curve for constant current charging and constant current discharge at a current equivalent to 0.1 C, which was performed using the evaluation cell 5 of Example 5 and the evaluation cell 7 of Comparative Example 2. ..

<SEM画像>
実施例1及び比較例1で得られた正極活物質を、SEM(走査型電子顕微鏡)を用いて観察した。比較例1の観察画像を図9(a)に示し、実施例1の観察画像を図9(b)に示す。
<SEM image>
The positive electrode active materials obtained in Example 1 and Comparative Example 1 were observed using an SEM (scanning electron microscope). The observation image of Comparative Example 1 is shown in FIG. 9A, and the observation image of Example 1 is shown in FIG. 9B.

3.考察
図7及び表1に示すように、制限視野回折図形において、第2の回折スポット群が現れていない、比較例1の正極活物質(リチウムニッケルマンガン酸化物。特許文献1の実施例2と略同様の組成を有する。)を用いた全固体電池では、0.1Cレートの放電容量が152mAh/gであったのに対して、制限視野回折図形において第2の回折スポット群が現れている、実施例1の正極活物質(リチウムニッケルマンガン酸化物)を用いた全固体電池は、0.1Cレートの放電容量が176mAh/gと、比較例1よりも高い放電容量を得られていた。従って、実施例1の正極活物質(リチウムニッケルマンガン酸化物)を用いた全固体電池は、2.5〜4.5Vと高電圧下で充放電を行っても、放電容量の低下が抑制されており、高いエネルギー密度を実現できた。
これは、比較例1の正極活物質(リチウムニッケルマンガン酸化物)は、空孔群の周期的な積層構造を有する結晶構造(超格子構造)を有しないため、充電時に正極からLiが引き抜かれて、空きサイトとなったLiサイトにNiが拡散する、所謂カチオンミキシングが発生したことにより、放電容量が低下したためと推定される。
一方、実施例1の正極活物質(リチウムニッケルマンガン酸化物)は、空孔群の周期的な積層構造を有する結晶構造(超格子構造)を有するため、充電時に正極からLiが引き抜かれて空きサイトになったLiサイトへの、Niの拡散が抑制されたため、Niが3bサイトに安定的に存在する状態が維持され、2.5〜4.5Vと高電圧下で充放電を行っても、高い放電容量を得られたと推定される。
なお、図9(a)のSEM画像(比較例1)と、図9(b)のSEM画像(実施例1)とを対比すると、実施例1の正極活物質の一次粒子の大きさは、比較例1の正極活物質の一次粒子の大きさと比較して、大きな差は認められなかった。従って、前述したような、比較例1の正極活物質と実施例1の正極活物質との効果の差は、正極活物質粒子の大きさとの相関性は低いものと推定される。
また、比較例1のリチウムニッケルマンガン酸化物は、3Cレートの放電容量が91mAh/gであったのに対して、実施例1のリチウムニッケルマンガン酸化物は、3Cレートの放電容量が129mAh/gと、比較例1よりも高い放電容量を得られており、3Cレートと高いレート条件下で充放電を行っても、放電容量の低下が抑制され、良好なレート特性を得られた。その理由は、前述したのと同様の理由に基づくと推定される。
また、表1に示すように、比較例1では、0.1Cレートの放電容量が152mAh/gであったのに対して、実施例2〜4では、0.1Cレートの放電容量が170〜185mAh/gと、比較例1よりも高い値を得られており、実施例2〜4においても、2.5〜4.5Vと高電圧下で充放電を行ったときの、放電容量の低下が抑制されていた。
また、表1に示すように、比較例1では、3Cレートの放電容量が91mAh/gであったのに対して、実施例2〜4では、3Cレートの放電容量が118〜141mAh/gと、比較例1よりも高い値を得られており、実施例2〜4においても、3Cレートと高いレート条件下で充放電を行ったときの、放電容量の低下が抑制されており、良好なレート特性を得られた。
3. 3. Discussion As shown in FIG. 7 and Table 1, the positive electrode active material (lithium nickel manganese oxide; Example 2 of Patent Document 1) of Comparative Example 1 in which the second diffraction spot group does not appear in the selected area diffraction pattern. In the all-solid-state battery using substantially the same composition), the discharge capacity at 0.1 C rate was 152 mAh / g, whereas the second diffraction spot group appeared in the selected area diffraction pattern. The all-solid-state battery using the positive electrode active material (lithium nickel-manganese oxide) of Example 1 had a discharge capacity of 176 mAh / g at a 0.1 C rate, which was higher than that of Comparative Example 1. Therefore, the all-solid-state battery using the positive electrode active material (lithium nickel-manganese oxide) of Example 1 suppresses a decrease in discharge capacity even when charged and discharged under a high voltage of 2.5 to 4.5 V. It was possible to achieve a high energy density.
This is because the positive electrode active material (lithium nickel-manganese oxide) of Comparative Example 1 does not have a crystal structure (superlattice structure) having a periodic laminated structure of pore groups, so Li is extracted from the positive electrode during charging. It is presumed that the discharge capacity was reduced due to the occurrence of so-called cation mixing in which Ni diffused into the vacant Li site.
On the other hand, since the positive electrode active material (lithium nickel-manganese oxide) of Example 1 has a crystal structure (super lattice structure) having a periodic laminated structure of pore groups, Li is pulled out from the positive electrode during charging and becomes empty. Since the diffusion of Ni to the Li site that became the site was suppressed, the state in which Ni was stably present at the 3b site was maintained, and even if charging and discharging were performed under a high voltage of 2.5 to 4.5 V. It is estimated that a high discharge capacity was obtained.
Comparing the SEM image of FIG. 9A (Comparative Example 1) with the SEM image of FIG. 9B (Example 1), the size of the primary particles of the positive electrode active material of Example 1 is No significant difference was observed as compared with the size of the primary particles of the positive electrode active material of Comparative Example 1. Therefore, it is presumed that the difference in effect between the positive electrode active material of Comparative Example 1 and the positive electrode active material of Example 1 as described above has a low correlation with the size of the positive electrode active material particles.
Further, the lithium nickel manganese oxide of Comparative Example 1 had a discharge capacity of 91 mAh / g at the 3C rate, whereas the lithium nickel manganese oxide of Example 1 had a discharge capacity of 129 mAh / g at the 3C rate. A higher discharge capacity than that of Comparative Example 1 was obtained, and even when charging and discharging were performed under high rate conditions of 3C rate, the decrease in discharge capacity was suppressed and good rate characteristics were obtained. The reason is presumed to be based on the same reason as described above.
Further, as shown in Table 1, in Comparative Example 1, the discharge capacity at the 0.1 C rate was 152 mAh / g, whereas in Examples 2 to 4, the discharge capacity at the 0.1 C rate was 170 to 170. A value of 185 mAh / g, which is higher than that of Comparative Example 1, was obtained, and in Examples 2 to 4, the discharge capacity decreased when charging and discharging were performed under a high voltage of 2.5 to 4.5 V. Was suppressed.
Further, as shown in Table 1, in Comparative Example 1, the discharge capacity of the 3C rate was 91 mAh / g, whereas in Examples 2 to 4, the discharge capacity of the 3C rate was 118 to 141 mAh / g. , A value higher than that of Comparative Example 1 was obtained, and in Examples 2 to 4, a decrease in discharge capacity was suppressed when charging / discharging was performed under a high rate condition of 3C rate, which is good. The rate characteristics were obtained.

また、図8及び表1に示すように、制限視野回折図形において、第2の回折スポット群が現れていない、比較例2の正極活物質を用いた全固体電池では、0.1Cレートの放電容量が121mAh/gであったのに対して、制限視野回折図形において第2の回折スポット群が現れている、実施例5の正極活物質を用いた全固体電池は、0.1Cレートの放電容量が186mAh/gと、比較例2よりも高い放電容量を得られていた。従って、実施例5の正極活物質を用いた全固体電池は、2.5〜4.5Vと高電圧下で充放電を行っても、放電容量の低下が抑制されており、高いエネルギー密度を実現できた。その理由は、前述したのと同様の理由に基づくと推定される。
また、表1に示すように、比較例2の正極活物質は、3Cレートの放電容量が85mAh/gであったのに対して、実施例5の正極活物質は、3Cレートの放電容量が148mAh/gと、比較例2よりも高い放電容量を得られており、3Cレートと高いレート条件下で充放電を行っても、放電容量の低下が抑制され、良好なレート特性を得られた。その理由は、前述したのと同様の理由に基づくと推定される。
Further, as shown in FIGS. 8 and 1, in the selected area diffraction pattern, the all-solid-state battery using the positive electrode active material of Comparative Example 2 in which the second diffraction spot group does not appear is discharged at a 0.1 C rate. The all-solid-state battery using the positive electrode active material of Example 5, in which the second diffraction spot group appears in the selected area diffraction pattern while the capacity was 121 mAh / g, was discharged at a 0.1 C rate. The capacity was 186 mAh / g, which was higher than that of Comparative Example 2. Therefore, the all-solid-state battery using the positive electrode active material of Example 5 has a high energy density because the decrease in discharge capacity is suppressed even when charging / discharging is performed under a high voltage of 2.5 to 4.5 V. I was able to realize it. The reason is presumed to be based on the same reason as described above.
Further, as shown in Table 1, the positive electrode active material of Comparative Example 2 had a discharge capacity of 3C rate of 85 mAh / g, whereas the positive electrode active material of Example 5 had a discharge capacity of 3C rate. A discharge capacity of 148 mAh / g, which is higher than that of Comparative Example 2, was obtained, and even when charging and discharging were performed under a high rate condition of 3C rate, a decrease in the discharge capacity was suppressed and good rate characteristics were obtained. .. The reason is presumed to be based on the same reason as described above.

1 固体電解質層
2 正極集電体
3 負極活物質層
4 正極活物質層
5 負極集電体
6 正極
7 負極
100 全固体電池
P 単位格子
1 Solid electrolyte layer 2 Positive electrode current collector 3 Negative electrode active material layer 4 Positive electrode active material layer 5 Negative electrode current collector 6 Positive electrode 7 Negative electrode 100 All-solid-state battery P unit lattice

Claims (1)

組成式LiNiMn(0.90≦a≦1.15、0.45≦b≦0.71、0.28≦c≦0.55)で表され、NaFeO型の層状結晶構造を有するリチウムニッケルマンガン酸化物を含有し、
前記リチウムニッケルマンガン酸化物は、前記NaFeO型の層状結晶構造の単位格子の[100]方向から電子線を入射することで取得される電子線回折像において、
(i)前記NaFeO型の層状結晶構造の単位格子の格子周期に対応して現れる第1の回折スポット群と、
(ii)前記単位格子のc軸方向の格子周期の2倍の格子周期に対応して現れる第2の回折スポット群と、が現れる結晶構造を有する、ことを特徴とする全固体電池用の正極活物質。
It is represented by the composition formula Li a Ni b Mn c O 2 (0.90 ≦ a ≦ 1.15, 0.45 ≦ b ≦ 0.71, 0.28 ≦ c ≦ 0.55), and is a layered NaFeO type 2. Contains lithium nickel-manganese oxide with a crystal structure,
The lithium nickel manganese oxide is obtained in an electron diffraction image obtained by injecting an electron beam from the [100] direction of the unit cell of the NaFeO type 2 layered crystal structure.
(I) The first diffraction spot group appearing corresponding to the lattice period of the unit lattice of the NaFeO type 2 layered crystal structure, and
(Ii) A positive electrode for an all-solid-state battery having a crystal structure in which a second diffraction spot group appearing corresponding to a lattice period twice the lattice period in the c-axis direction of the unit cell appears. Active material.
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