JP2021034142A - Production method of multiple oxide that is precursor of cathode active material for lithium ion secondary battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、リチウムイオン二次電池用正極活物質の前駆体である複合酸化物の製造方法、この前駆体を中間原料として用いたリチウムイオン二次電池用正極活物質の製造方法、及びこの正極活物質を正極材料として用いたリチウムイオン二次電池の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing a composite oxide which is a precursor of a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery, a method for producing a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery using this precursor as an intermediate raw material, and a positive electrode thereof. The present invention relates to a method for manufacturing a lithium ion secondary battery using an active material as a positive electrode material.
近年、スマートフォンやタブレットPCなどの小型情報端末の普及に伴い、高いエネルギー密度を有する小型で軽量な二次電池の需要が高まっている。また、ハイブリット電気自動車、プラグインハイブリッド電気自動車、電池式電気自動車などの電気自動車用の電源として、高出力の二次電池の開発が強く望まれている。上記用途の二次電池として、正極、負極、非水系電解質、及びセパレータで主に構成される非水系電解質二次電池が知られている。また、固体電解質を用いた全固体二次電池が次世代エネルギー貯蔵デバイスとして期待されている。 In recent years, with the spread of small information terminals such as smartphones and tablet PCs, the demand for small and lightweight secondary batteries having high energy density is increasing. Further, as a power source for electric vehicles such as hybrid electric vehicles, plug-in hybrid electric vehicles, and battery-powered electric vehicles, the development of high-output secondary batteries is strongly desired. As a secondary battery for the above application, a non-aqueous electrolyte secondary battery mainly composed of a positive electrode, a negative electrode, a non-aqueous electrolyte, and a separator is known. In addition, an all-solid-state secondary battery using a solid electrolyte is expected as a next-generation energy storage device.
上記の二次電池のうち、正極材料に層状又はスピネル型のリチウム遷移金属複合酸化物からなる活物質を用い、充放電によりリチウムの脱離・挿入を行うリチウムイオン二次電池が既に実用化されている。リチウムイオン二次電池は、4V級の電圧が得られるうえ、エネルギー密度等の特性にも優れているが、さらなる特性の向上のため現在も盛んに研究開発が行われている。このリチウムイオン二次電池の正極活物質に用いるリチウム遷移金属複合酸化物には、様々な組成の複合酸化物が提案されている。 Among the above secondary batteries, a lithium ion secondary battery that uses an active material composed of a layered or spinel-type lithium transition metal composite oxide as a positive electrode material and desorbs and inserts lithium by charging and discharging has already been put into practical use. ing. Lithium-ion secondary batteries can obtain 4V class voltage and have excellent characteristics such as energy density, but research and development are still being actively carried out to further improve the characteristics. As the lithium transition metal composite oxide used as the positive electrode active material of this lithium ion secondary battery, composite oxides having various compositions have been proposed.
例えば、合成が比較的容易なリチウムコバルト複合酸化物(LiCoO2)、コバルトよりも安価なニッケルを用いたリチウムニッケル複合酸化物(LiNiO2)、リチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物(LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2)、マンガンを用いたリチウムマンガン複合酸化物(LiMn2O4)、リチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物(LiNi0.5Mn0.5O2)などを挙げることができる。また、正極活物質の形態も様々なものが提案されている。 For example, lithium cobalt composite oxide (LiCoO 2 ), which is relatively easy to synthesize, lithium nickel composite oxide (LiNiO 2 ) using nickel, which is cheaper than cobalt, and lithium nickel cobalt manganese composite oxide (LiNi 1/3 Co). 1/3 Mn 1/3 O 2 ), lithium manganese composite oxide using manganese (LiMn 2 O 4 ), lithium nickel manganese cobalt composite oxide (LiNi 0.5 Mn 0.5 O 2 ), etc. Can be done. In addition, various forms of the positive electrode active material have been proposed.
例えば特許文献1には、層状構造を有する六方晶系リチウム含有複合酸化物からなり、空隙を備えた二次粒子の形態を有する正極活物質が開示されており、平均粒径を3〜12μmにすると共に粒度分布を狭く抑えることで、放電容量が大きく且つ高出力の二次電池が得られると記載されている。また、特許文献2には、リチウムマンガン系複合酸化物、リチウムニッケルコバルトマンガン系複合酸化物、又はリチウムニッケルコバルトアルミニウム系複合酸化物からなり、一次粒子が凝集した多孔質構造の二次粒子の形態を有する正極活物質が開示されており、タップ密度を0.3〜1.0g/ccの範囲内に抑えることで、高出力充放電時の寿命特性に優れた二次電池が得られると記載されている。 For example, Patent Document 1 discloses a positive electrode active material composed of a hexagonal lithium-containing composite oxide having a layered structure and having the form of secondary particles having voids, and has an average particle size of 3 to 12 μm. It is described that a secondary battery having a large discharge capacity and a high output can be obtained by suppressing the particle size distribution to be narrow. Further, Patent Document 2 describes the form of secondary particles having a porous structure composed of lithium manganese-based composite oxide, lithium nickel-cobalt-manganese-based composite oxide, or lithium nickel-cobalt-aluminum-based composite oxide. The positive electrode active material having the above is disclosed, and it is stated that by suppressing the tap density within the range of 0.3 to 1.0 g / cc, a secondary battery having excellent life characteristics at the time of high output charge / discharge can be obtained. Has been done.
上記特許文献1に開示されているように、比較的小粒径で粒度分布が狭いすなわち粒子径が揃った正極活物質を用いることで、サイクル特性や出力特性に優れたリチウムイオン二次電池を得ることが可能になる。その理由は、粉粒体は粒径が小さくなればなるほど比表面積が大きくなるため、小粒径の正極活物質であれば非水系電解質との反応面積を十分に確保することができるばかりでなく、粒径が小さいと正極を薄く形成できるので、リチウムイオンの正極−負極間の移動距離を短くすることが可能になり、結果的に正極抵抗の低減が可能になるからである。また、粒度分布が狭い正極活物質であれば、正極電極内で粒子毎に印加する電圧を均一化できるため、粒子径に大きなばらつきがあるときに生じうる微細粒子に選択的に高電圧が加わって劣化することで起こる電池容量の低下の問題を抑制することが可能になるからである As disclosed in Patent Document 1, a lithium ion secondary battery having excellent cycle characteristics and output characteristics can be obtained by using a positive electrode active material having a relatively small particle size and a narrow particle size distribution, that is, a uniform particle size. It will be possible to obtain. The reason is that the smaller the particle size of the powder or granular material, the larger the specific surface area. Therefore, if the positive electrode active material has a small particle size, not only can a sufficient reaction area with the non-aqueous electrolyte be secured. This is because if the particle size is small, the positive electrode can be formed thin, so that the moving distance between the positive electrode and the negative electrode of lithium ions can be shortened, and as a result, the positive electrode resistance can be reduced. Further, if the positive electrode active material has a narrow particle size distribution, the voltage applied to each particle in the positive electrode can be made uniform, so that a high voltage is selectively applied to the fine particles that may occur when the particle size varies widely. This is because it is possible to suppress the problem of a decrease in battery capacity caused by deterioration.
しかしながら、粒径が小さく且つ粒度分布が狭いだけでは、さらに高い出力特性を発現させるには十分とはいえない場合があった。そこで、出力特性のさらなる改善を図るため、上記特許文献1や2に開示されているように、二次粒子からなる正極活物質の該二次粒子内部に空隙を設けて、少なくとも一部の空隙部が二次粒子表面まで連通する構造にすることが有効である。このような中空構造又は多孔質構造の正極活物質は、反応抵抗が低減されるのでより高い出力特性を得ることができる。また、粒径が同程度で空隙部を持たない緻密な中実構造の正極活物質と比べて、電解質とくに非水系電解液との接触面積を大きく確保することができるため、充放電時のリチウムイオンの脱離挿入が起こりやすく、正極抵抗を大幅に低減することができる。 However, there are cases where it cannot be said that a small particle size and a narrow particle size distribution are sufficient to develop even higher output characteristics. Therefore, in order to further improve the output characteristics, as disclosed in Patent Documents 1 and 2, voids are provided inside the secondary particles of the positive electrode active material composed of secondary particles, and at least a part of the voids are provided. It is effective to have a structure in which the portions communicate with the surface of the secondary particles. Since the reaction resistance of such a positive electrode active material having a hollow structure or a porous structure is reduced, higher output characteristics can be obtained. In addition, compared to a positive electrode active material having a dense solid structure having the same particle size and no voids, a large contact area with an electrolyte, especially a non-aqueous electrolyte solution, can be secured, so that lithium during charging and discharging can be secured. Desorption and insertion of ions are likely to occur, and the positive electrode resistance can be significantly reduced.
しかしながら、上記の中空構造や多孔質構造の正極活物質は、その高い出力特性と背反して、粒子強度が低くなりやすいという問題を抱えている。そのため、上記の特許文献1や2に開示されている製造方法では、ニッケルコバルトマンガン複合水酸化物からリチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物を焼成により生成する際、該焼成工程の昇温過程において粒子割れが発生すると考えられる。このように焼成工程で粒子割れが発生すると、得られる正極活物質活物質に微細粒子が混入したり、正極活物質粒子にクラックが生じたりする。微細粒子を含んだ正極活物質は、充放電を繰り返しているうちに該微細粒子が加速度的に劣化することがある。また、クラックを有する正極活物質粒子は充放電中に割れやすく、その際現れる新生面は充放電にほとんど寄与しないためサイクル特性が低下する。 However, the positive electrode active material having a hollow structure or a porous structure has a problem that the particle strength tends to be low, contrary to its high output characteristics. Therefore, in the production methods disclosed in Patent Documents 1 and 2 described above, when a lithium nickel-cobalt-manganese composite oxide is produced by firing from a nickel-cobalt-manganese composite hydroxide, particle cracking occurs in the heating process of the firing step. Is thought to occur. When particle cracking occurs in the firing step in this way, fine particles are mixed in the obtained positive electrode active material active material, or cracks occur in the positive electrode active material particles. In the positive electrode active material containing fine particles, the fine particles may deteriorate at an accelerating rate during repeated charging and discharging. Further, the positive electrode active material particles having cracks are easily cracked during charging / discharging, and the new surface appearing at that time hardly contributes to charging / discharging, so that the cycle characteristics are deteriorated.
よって、高出力で且つサイクル特性に優れた多孔質構造の正極活物質を、粒子割れを生じさせることなく安定的に製造する方法が求められている。本発明は上記の実状に鑑みてなされたものであり、二次電池の電池特性として評価したときに優れた出力特性及びサイクル特性を示すことが可能な多孔質構造の正極活物質を安定的に製造する方法を提供することを目的とする。 Therefore, there is a demand for a method for stably producing a positive electrode active material having a porous structure with high output and excellent cycle characteristics without causing particle cracking. The present invention has been made in view of the above circumstances, and stably a positive electrode active material having a porous structure capable of exhibiting excellent output characteristics and cycle characteristics when evaluated as the battery characteristics of a secondary battery. It is an object of the present invention to provide a method of manufacturing.
上記の目的を達成するため、本発明に係るニッケルマンガン複合酸化物の製造方法は、六方晶系のリチウムニッケルマンガン複合酸化物からなる多孔質構造の正極活物質の前駆体として、多層構造の二次粒子の形態を有するニッケルマンガン複合酸化物を製造する方法あって、組成式がNixMnyCozMt(OH)2+β(x+y+z+t=1、0.3≦x≦0.95、0.05≦y≦0.55、0≦z≦0.4、0≦t≦0.1、−0.20≦β≦0.20、Mは、Mg、Ca、Al、Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、及びWからなる群から選択される1種以上の添加元素)で示される多層構造の二次粒子の形態を有するニッケルマンガン複合水酸化物に対して、酸化雰囲気において雰囲気温度を1℃/分以下の昇温速度で室温から150℃以上250℃以下の余剰水分除去温度まで昇温した後、1℃/分を超え5℃/分以下の昇温速度で該余剰水分除去温度から400℃以上800℃以下の焙焼温度まで昇温し、該焙焼温度で1時間以上保持して焙焼すること特徴としている。 In order to achieve the above object, the method for producing a nickel-manganese composite oxide according to the present invention has a multi-layer structure as a precursor of a positive electrode active material having a porous structure composed of a hexagonal lithium nickel-manganese composite oxide. There is a method for producing a nickel-manganese composite oxide having the form of a next particle, and the composition formula is Ni x Mn y Co z M t (OH) 2 + β (x + y + z + t = 1, 0.3 ≦ x ≦ 0.95, 0. 05 ≦ y ≦ 0.55, 0 ≦ z ≦ 0.4, 0 ≦ t ≦ 0.1, −0.20 ≦ β ≦ 0.20, M is Mg, Ca, Al, Ti, V, Cr, Oxidation of nickel-manganese composite hydroxide in the form of multi-layered secondary particles represented by (one or more additive elements selected from the group consisting of Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, and W). In the atmosphere, the ambient temperature is raised from room temperature to a temperature for removing excess water of 150 ° C. or higher and 250 ° C. or lower at a heating rate of 1 ° C./min or less, and then at a heating rate of more than 1 ° C./min and 5 ° C./min or lower. It is characterized in that the temperature is raised from the excess water removal temperature to a roasting temperature of 400 ° C. or higher and 800 ° C. or lower, and the roasting is held at the roasting temperature for 1 hour or longer.
本発明によれば、二次電池の電池特性として評価したときに優れた出力特性及びサイクル特性を示すことが可能な多孔質構造の正極活物質を工業規模で容易に製造することができる。 According to the present invention, a positive electrode active material having a porous structure capable of exhibiting excellent output characteristics and cycle characteristics when evaluated as the battery characteristics of a secondary battery can be easily produced on an industrial scale.
本発明者は、リチウムイオン二次電池の正極材料として用いた場合に、優れた出力特性及びサイクル特性を示すことが可能なリチウムイオン二次電池用正極活物質(以下、「正極活物質」とも称する)の製造方法について鋭意検討を重ねた結果、原料の水酸化物を熱処理して正極活物質を生成する際、該熱処理の条件を規定することで粒子割れの発生を抑え、これにより正極活物質が本来有する特性を引き出して電池特性に優れたリチウムイオン二次電池を作製できることを見出し、本発明を完成するに至った。 The present inventor has a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery (hereinafter, also referred to as a "positive electrode active material") capable of exhibiting excellent output characteristics and cycle characteristics when used as a positive electrode material for a lithium ion secondary battery. As a result of diligent studies on the manufacturing method of (referred to as), when the hydroxide of the raw material is heat-treated to produce a positive electrode active material, the occurrence of particle cracking is suppressed by defining the conditions of the heat treatment, thereby suppressing the positive electrode activity. We have found that it is possible to produce a lithium ion secondary battery having excellent battery characteristics by drawing out the characteristics inherent in the substance, and have completed the present invention.
具体的には、該熱処理をニッケルマンガン複合水酸化物を焙焼して正極活物質の前駆体であるニッケルマンガン複合酸化物を生成する工程(以下、「酸化焙焼工程」又は「一次焼成」と称する)と、得られたニッケルマンガン複合酸化物にリチウム化合物を加えて混合することで得た混合物を焼成してリチウムニッケルマンガン複合酸化物を生成する工程(以下、「合成焼成工程」又は「二次焼成」と称する)との2工程に分けて行う。 Specifically, the heat treatment is a step of roasting a nickel-manganese composite hydroxide to produce a nickel-manganese composite oxide which is a precursor of a positive electrode active material (hereinafter, "oxidation roasting step" or "primary firing"). (Referred to as), a step of calcining the obtained mixture by adding a lithium compound to the obtained nickel-manganese composite oxide and mixing to produce a lithium nickel-manganese composite oxide (hereinafter, "synthetic firing step" or "synthetic firing step" or ". It is divided into two steps (referred to as "secondary firing").
そして、前者の酸化焙焼工程において、好ましくは酸化雰囲気で雰囲気温度を1℃/分以下の昇温速度で室温から余剰水分の除去がほぼ完了する脱水温度まで昇温させた後、この脱水温度から酸化焙焼処理のために保持する所定の焙焼温度まで1℃/分を超え5℃/分以下の昇温速度で昇温させる。そして、該焙焼温度で1時間以上保持する。これにより、粒子割れをほとんど生じさせることなく酸化焙焼を行ってニッケルマンガン複合酸化物を生成することができる。 Then, in the former oxidative roasting step, the ambient temperature is preferably raised from room temperature to a dehydration temperature at which the removal of excess water is almost completed at a temperature rise rate of 1 ° C./min or less in an oxidizing atmosphere, and then this dehydration temperature. To a predetermined roasting temperature held for the oxidative roasting treatment, the temperature is raised at a heating rate of more than 1 ° C./min and 5 ° C./min or less. Then, it is held at the roasting temperature for 1 hour or more. As a result, nickel-manganese composite oxide can be produced by oxidative roasting with almost no particle cracking.
次に、後者の合成焼成工程において、上記ニッケルマンガン複合酸化物に別途用意したリチウム化合物を添加して混合し、得られた混合物を好ましくは酸素雰囲気で焼成温度700〜1000℃で2〜10時間保持することで焼成を行う。これにより、比表面積が1.5〜4.0m2/gの多孔質構造を有するリチウムニッケルマンガン複合酸化物を生成することができる。上記のように2工程に分けて熱処理を行うことにより粒子割れの発生を抑えることができるので、得られたリチウムニッケルマンガン複合酸化物を正極活物質に用いて作製した二次電池はサイクル特性に優れており、出力特性を大幅に向上させることができる。以下、かかる本発明の実施形態に係る正極活物質の前駆体であるニッケルマンガン複合酸化物の製造方法、及び該前駆体を中間原料として用いた正極活物質の製造方法について説明する。なお、本明細書においては、数値範囲であるA以上B以下をA〜Bと表すことがある。 Next, in the latter synthetic firing step, a lithium compound prepared separately is added to the nickel-manganese composite oxide and mixed, and the obtained mixture is preferably calcined in an oxygen atmosphere at a firing temperature of 700 to 1000 ° C. for 2 to 10 hours. Baking is performed by holding. As a result, a lithium nickel-manganese composite oxide having a porous structure having a specific surface area of 1.5 to 4.0 m 2 / g can be produced. Since the occurrence of particle cracking can be suppressed by performing the heat treatment in two steps as described above, the secondary battery produced by using the obtained lithium nickel-manganese composite oxide as the positive electrode active material has cycle characteristics. It is excellent and can greatly improve the output characteristics. Hereinafter, a method for producing a nickel-manganese composite oxide which is a precursor of the positive electrode active material according to the embodiment of the present invention and a method for producing a positive electrode active material using the precursor as an intermediate raw material will be described. In this specification, A to B, which is a numerical range of A or more and B or less, may be expressed as A to B.
1.ニッケルマンガン複合酸化物の製造方法
(1)酸化焙焼工程
本発明の実施形態に係るニッケルマンガン複合酸化物の製造方法は、原料としてのニッケルマンガン複合水酸化物を熱処理して正極活物質の前駆体のニッケルマンガン複合酸化物を生成するものであり、この熱処理は、該原料のニッケルマンガン複合水酸化物に含まれる余剰水分の除去を主に行う反応前期と、該水分除去後のニッケルマンガン複合水酸化物を酸化焙焼してニッケルマンガン複合酸化物を生成する反応後期に分けて別々に最適な条件で処理している。これにより、正極活物質の前駆体であるニッケルマンガン複合酸化物の残留水分を一定量以下まで減少させることができるうえ、該正極活物質前駆体の組成のばらつきを抑制することができる。
1. 1. Method for producing nickel-manganese composite oxide (1) Oxidation roasting step In the method for producing nickel-manganese composite oxide according to the embodiment of the present invention, nickel-manganese composite hydroxide as a raw material is heat-treated to be a precursor of a positive electrode active material. The body nickel-manganese composite oxide is produced, and this heat treatment mainly removes excess water contained in the raw material nickel-manganese composite hydroxide, and the nickel-manganese composite after the water removal. The hydroxide is oxidatively roasted to produce a nickel-manganese composite oxide. It is divided into the latter stages of the reaction and treated separately under optimum conditions. As a result, the residual water content of the nickel-manganese composite oxide, which is a precursor of the positive electrode active material, can be reduced to a certain amount or less, and variations in the composition of the positive electrode active material precursor can be suppressed.
[昇温速度]
具体的には、該反応前期では、原料のニッケルマンガン複合水酸化物に対して、酸化雰囲気下において雰囲気温度を1℃/分以下の昇温速度で室温から余剰水分の脱水温度である150〜250℃まで、好ましくは200℃まで昇温させる。これにより、ニッケルマンガン複合水酸化物中に含まれる余剰水分を効率よく除去することができる。この昇温速度が1℃/分を超えると、該ニッケルマンガン複合水酸化物中の水分が急激に気化して粒子内部の圧力が高まり、粒子強度の弱い多孔質構造を有する粒子においては粒子割れが発生しやすくなる。なお、昇温速度の下限については特に限定はないが、経済的な観点から0.2℃/分以上が好ましい。
[Raising rate]
Specifically, in the first half of the reaction, the atmosphere temperature of the raw material nickel-manganese composite hydroxide is 150 to 150 to the dehydration temperature of excess water from room temperature at a heating rate of 1 ° C./min or less in an oxidizing atmosphere. The temperature is raised to 250 ° C., preferably 200 ° C. As a result, excess water contained in the nickel-manganese composite hydroxide can be efficiently removed. When this temperature rising rate exceeds 1 ° C./min, the water content in the nickel-manganese composite hydroxide rapidly evaporates and the pressure inside the particles increases, resulting in particle cracking in particles having a porous structure with weak particle strength. Is likely to occur. The lower limit of the temperature rising rate is not particularly limited, but is preferably 0.2 ° C./min or more from an economical point of view.
次に反応後期では、該水分除去されたニッケルマンガン複合水酸化物に対して、上記と同様の非還元性雰囲気下において、雰囲気温度を1℃/分を超え5℃/分以下の昇温速度で上記脱水温度から後述する焙焼温度まで昇温させる。この脱水温度から焙焼温度までの温度域においては、ニッケルマンガンの複合水酸化物から複合酸化物が生成するため、5℃/分を超える昇温速度で昇温させると該複合酸化物の結晶構造にひずみが生じやすく、粒子割れが発生する可能性が大きくなる。逆に、この昇温速度が1℃/分以下の場合は上記の粒子割れの問題は起こりにくくなるものの、熱処理に時間がかかりすぎて生産性が低下するので不経済になる。 Next, in the latter stage of the reaction, the temperature of the nickel-manganese composite hydroxide from which the water was removed was raised to a temperature rising rate of more than 1 ° C./min and 5 ° C./min or less in a non-reducing atmosphere similar to the above. The temperature is raised from the above dehydration temperature to the roasting temperature described later. In the temperature range from the dehydration temperature to the roasting temperature, a composite oxide is generated from the composite hydroxide of nickel manganese. Therefore, when the temperature is raised at a heating rate exceeding 5 ° C./min, the composite oxide crystallizes. The structure is easily distorted, and the possibility of particle cracking increases. On the contrary, when the temperature rising rate is 1 ° C./min or less, the above-mentioned problem of particle cracking is less likely to occur, but the heat treatment takes too much time and the productivity is lowered, which is uneconomical.
[焙焼温度]
上記のニッケルマンガン複合水酸化物の焙焼温度は400〜800℃の範囲内にする。この焙焼温度が400℃未満では、ニッケルマンガン複合水酸化物からニッケルマンガン複合酸化物への生成が不十分となり、最終的に正極活物質としてのリチウムニッケルマンガン複合酸化物を生成した時に、各金属成分やリチウムの原子数比のばらつきが大きくなりすぎる。逆にこの焙焼温度が800℃を超えると、酸化焙焼のためのエネルギー効率が低下して生産コストが増加するほか、使用可能な酸化焙焼設備が限られてしまう。なお、上記の焙焼温度は熱処理炉の気相部の温度を温度計で測定することで求めることができる。
[Roasting temperature]
The roasting temperature of the nickel-manganese composite hydroxide is in the range of 400 to 800 ° C. If the roasting temperature is less than 400 ° C., the formation of the nickel-manganese composite hydroxide from the nickel-manganese composite hydroxide becomes insufficient, and when the lithium nickel-manganese composite oxide as the positive electrode active material is finally formed, each of them is produced. The variation in the atomic number ratio of metal components and lithium becomes too large. On the contrary, if the roasting temperature exceeds 800 ° C., the energy efficiency for oxidative roasting decreases, the production cost increases, and the oxidative roasting equipment that can be used is limited. The roasting temperature can be obtained by measuring the temperature of the gas phase portion of the heat treatment furnace with a thermometer.
[焙焼の保持時間]
この酸化焙焼工程では、ニッケルマンガン複合水酸化物の酸化焙焼を十分に促進させるため、上記焙焼温度で1時間以上保持する。この酸化焙焼の保持時間が1時間未満では、ニッケルマンガン複合水酸化物からニッケルマンガン複合酸化物への生成が不十分となり、最終的に正極活物質としてのリチウムニッケルマンガン複合酸化物を生成した時に、各金属成分やリチウムの原子数比のばらつきが大きくなりすぎる。なお、上記酸化焙焼の保持時間の上限は特に限定はないが、生産性を考慮すると5時間未満が好ましく、3時間未満がより好ましい。
[Roasting retention time]
In this oxidative roasting step, in order to sufficiently promote the oxidative roasting of the nickel-manganese composite hydroxide, the nickel-manganese composite hydroxide is kept at the above-mentioned roasting temperature for 1 hour or more. If the holding time of this oxidative roasting is less than 1 hour, the formation from the nickel-manganese composite hydroxide to the nickel-manganese composite oxide becomes insufficient, and finally the lithium nickel-manganese composite oxide as the positive electrode active material is produced. Occasionally, the variation in the atomic number ratio of each metal component and lithium becomes too large. The upper limit of the holding time of the oxidative roasting is not particularly limited, but it is preferably less than 5 hours, more preferably less than 3 hours in consideration of productivity.
[焙焼雰囲気]
上記酸化焙焼工程の際の雰囲気は酸化雰囲気であれば特に制限はないが、原料のニッケルマンガン複合水酸化物を装入した熱処理炉内に空気を導入して空気気流中で酸化焙焼処理を行うことがより好ましい。この場合の熱処理炉は、炉内の雰囲気条件を均一に保つ観点からガスの発生がないものが好ましい。このような熱処理炉としては電気炉を挙げることができ、バッチ式あるいは連続式のいずれの電気炉でも好適に用いることができる。上記の酸化焙焼後は、自然放冷により室温程度まで冷却してもよいが、2〜10℃/分の冷却速度で冷却することが好ましい。
[Roasting atmosphere]
The atmosphere during the above-mentioned oxidative roasting step is not particularly limited as long as it is an oxidative atmosphere, but air is introduced into a heat treatment furnace charged with the raw material nickel-manganese composite hydroxide and oxidative roasting treatment is performed in an air stream. Is more preferable. The heat treatment furnace in this case is preferably one that does not generate gas from the viewpoint of keeping the atmospheric conditions in the furnace uniform. Examples of such a heat treatment furnace include an electric furnace, and either a batch type or a continuous type electric furnace can be preferably used. After the above-mentioned oxidative roasting, it may be cooled to about room temperature by natural cooling, but it is preferably cooled at a cooling rate of 2 to 10 ° C./min.
(2)組成
上記した本発明の実施形態の前駆体の製造方法で作製したニッケルマンガン複合酸化物は、その組成式Aが、NixMnyCozMt(OH)2+β(式中、x+y+z+t=1、0.3≦x≦0.95、0.05≦y≦0.55、0≦z≦0.4、0≦t≦0.1、−0.20≦β≦0.20であり、Mは、Mg、Ca、Al、Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、Wから選択される1種以上の添加元素である)で示される。
(2) Composition The nickel-manganese composite oxide produced by the method for producing a precursor according to the embodiment of the present invention has a composition formula A of Ni x Mn y Co z M t (OH) 2 + β (in the formula, x + y + z + t). = 1, 0.3 ≤ x ≤ 0.95, 0.05 ≤ y ≤ 0.55, 0 ≤ z ≤ 0.4, 0 ≤ t ≤ 0.1, -0.20 ≤ β ≤ 0.20 Yes, M is one or more additive elements selected from Mg, Ca, Al, Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W).
(3)粒子構造
上記の酸化焙焼工程の原料に用いるニッケルマンガン複合水酸化物には、多層構造の二次粒子の形態を有しているものを用いる。具体的には、走査電子顕微鏡SEMによる図1の断面図に示すように、一次粒子が密に存在する中心部Cと、同様に一次粒子が密に存在する表面部Sと、これら中心部C及び表面部Sの間に位置し、一次粒子が疎に存在する中間部Mとから構成されるものが好ましい。このような特徴的な構造のニッケルマンガン複合水酸化物は、例えば該ニッケルマンガン複合水酸化物の晶析による生成工程における晶析反応条件を調整することで形成することができ、具体的には該晶析反応時の雰囲気を非酸化性雰囲気と酸化性雰囲気との間で切り替えることにより作製することができる。なお、上記の酸化焙焼工程であれば、該焙焼処理後もほぼ同様の多層構造が維持される。すなわち、上記酸化焙焼で得られるニッケルマンガン複合酸化物も、図1に示すような一次粒子が密に存在する中心部C及び表面部Sと、これらの間に位置し、一次粒子が疎に存在する中間部Mとから構成される。
(3) Particle Structure As the nickel-manganese composite hydroxide used as a raw material for the above-mentioned oxidative roasting step, those having the form of secondary particles having a multi-layer structure are used. Specifically, as shown in the cross-sectional view of FIG. 1 by the scanning electron microscope SEM, the central portion C in which the primary particles are densely present, the surface portion S in which the primary particles are densely present, and the central portion C thereof. It is preferably formed between the surface portion S and the intermediate portion M in which the primary particles are sparsely present. A nickel-manganese composite hydroxide having such a characteristic structure can be formed, for example, by adjusting the crystallization reaction conditions in the production step of the nickel-manganese composite hydroxide by crystallization. It can be produced by switching the atmosphere at the time of the crystallization reaction between a non-oxidizing atmosphere and an oxidizing atmosphere. In the above-mentioned oxidative roasting step, substantially the same multilayer structure is maintained even after the roasting treatment. That is, the nickel-manganese composite oxide obtained by the above-mentioned oxidative roasting is also located between the central portion C and the surface portion S in which the primary particles are densely present as shown in FIG. 1, and the primary particles are sparse. It is composed of an existing intermediate portion M.
2.リチウムニッケルマンガン複合酸化物の製造方法
(1)混合工程
リチウムニッケルマンガン複合酸化物の製造方法では、上記の前駆体の製造方法で作製したニッケルマンガン複合酸化物に、別途用意したリチウム化合物を添加して混合することで、先ずリチウム混合物(混合粉)を得る。この混合の際、リチウム混合物中のリチウム以外の金属原子であるニッケル、マンガン、コバルト及び添加元素Mの物質量の和(Me)に対するリチウムの物質量(Li)の比(以降、Li/Me比とも称する)が、好適には0.95〜1.5、より好適には1.0〜1.5、さらに好適には1.0〜1.35、最も好適には1.0〜1.2となるように配合する。後述する合成焼成処理の前後でLi/Me比はほとんど変化しないので、最終的に作製する正極活物質のLi/Me比が上記の範囲内となるように、ニッケルマンガン複合酸化物とリチウム化合物を配合すればよい。
2. Method for producing lithium nickel-manganese composite oxide (1) Mixing step In the method for producing a lithium nickel-manganese composite oxide, a separately prepared lithium compound is added to the nickel-manganese composite oxide produced by the above-mentioned precursor production method. First, a lithium mixture (mixed powder) is obtained. At the time of this mixing, the ratio of the amount of substance (Li) of lithium to the sum (Me) of the amounts of substances of nickel, manganese, cobalt and the additive element M, which are metal atoms other than lithium in the lithium mixture (hereinafter, Li / Me ratio). (Also referred to as), but preferably 0.95 to 1.5, more preferably 1.0 to 1.5, still more preferably 1.0 to 1.35, and most preferably 1.0 to 1. Mix so that it becomes 2. Since the Li / Me ratio hardly changes before and after the synthetic firing treatment described later, the nickel-manganese composite oxide and the lithium compound are mixed so that the Li / Me ratio of the positive electrode active material to be finally produced is within the above range. It may be mixed.
上記リチウム化合物の種類には特に限定はないが、容易に入手可能で取り扱いやすく且つ品質が安定している点を考慮すると、水酸化リチウム、炭酸リチウム又はこれらの混合物を用いることが好ましい。このリチウム化合物とニッケルマンガン複合酸化物との混合では、多層構造の二次粒子の形態を有するニッケルマンガン複合酸化物の形態が破壊されない程度の強度で十分に混合することが好ましい。この混合が不十分であると、最終的に作製した正極活物質の個々の粒子間でLi/Me比にばらつきが生じ、十分な電池特性を得ることができなくなるおそれがある。なお、この混合には一般的な混合機を使用することができる。例えば、シェーカーミキサ、レーディゲミキサ、ジュリアミキサ、Vブレンダなどを用いることができる。 The type of the lithium compound is not particularly limited, but considering that it is easily available, easy to handle, and stable in quality, it is preferable to use lithium hydroxide, lithium carbonate, or a mixture thereof. In the mixing of the lithium compound and the nickel-manganese composite oxide, it is preferable that the nickel-manganese composite oxide having the form of secondary particles having a multilayer structure is sufficiently mixed with a strength that does not destroy the form of the nickel-manganese composite oxide. If this mixing is insufficient, the Li / Me ratio may vary among the individual particles of the finally produced positive electrode active material, and sufficient battery characteristics may not be obtained. A general mixer can be used for this mixing. For example, a shaker mixer, a lady gemixer, a julia mixer, a V blender, or the like can be used.
(2)合成焼成工程
上記混合工程で得たリチウム混合物を所定の焼成温度で所定の時間保持することで焼成処理し、ニッケルマンガン複合酸化物中にリチウムを拡散させながら、リチウムニッケルマンガン複合酸化物を生成する。この焼成処理を行う熱処理炉の種類は、非還元性雰囲気で熱処理を行うことができるものであれば特に限定はないが、大気雰囲気又は酸素気流中でリチウム混合物を熱処理できるものが好ましい。また、前述した酸化焙焼工程に用いる熱処理炉と同様に、炉内の雰囲気条件を均一に保つ観点からガス発生がないものが好ましい。このような熱処理炉としては電気炉を挙げることができ、バッチ式あるいは連続式のいずれの電気炉でも好適に用いることができる。
(2) Synthetic firing step The lithium mixture obtained in the above mixing step is fired by holding it at a predetermined firing temperature for a predetermined time, and the lithium nickel-manganese composite oxide is diffused into the nickel-manganese composite oxide. To generate. The type of heat treatment furnace for performing this firing treatment is not particularly limited as long as the heat treatment can be performed in a non-reducing atmosphere, but a heat treatment furnace capable of heat-treating the lithium mixture in an air atmosphere or an oxygen stream is preferable. Further, like the heat treatment furnace used in the above-mentioned oxidative roasting step, one that does not generate gas is preferable from the viewpoint of keeping the atmospheric conditions in the furnace uniform. Examples of such a heat treatment furnace include an electric furnace, and either a batch type or a continuous type electric furnace can be preferably used.
[焼成温度]
上記のリチウム混合物の焼成のための焼成温度は、700〜1000℃が好ましい。この焼成温度が700℃未満では、焼成の際にニッケルマンガン複合酸化物粒子中にリチウムが十分に拡散せず、余剰のリチウムや未反応のニッケルマンガン複合酸化物粒子が残存するおそれがある、また焼成処理後に得られるリチウムニッケルマンガン複合酸化物粒子の結晶性が不十分になるおそれがある。逆に、この焼成温度が1000℃を超えると、リチウムニッケルマンガン複合酸化物粒子同士が強固に焼結したり、異常な粒成長が引き起こされたりして不定形で且つ粗大な粒子の含有割合が増加するので好ましくない。なお、後述する組成式Bのリチウムニッケルマンガン複合酸化物を生成させる場合は、この焼成温度を800〜950℃の範囲内にすることがより好ましい。なお、上記の焼成温度は熱処理炉の気相部の温度を温度計で測定することで求めることができる。
[Baking temperature]
The firing temperature for firing the above lithium mixture is preferably 700 to 1000 ° C. If the firing temperature is less than 700 ° C., lithium may not sufficiently diffuse into the nickel-manganese composite oxide particles during firing, and excess lithium or unreacted nickel-manganese composite oxide particles may remain. The crystallinity of the lithium nickel-manganese composite oxide particles obtained after the firing treatment may be insufficient. On the contrary, when the firing temperature exceeds 1000 ° C., the lithium nickel-manganese composite oxide particles are strongly sintered and abnormal grain growth is caused, so that the content ratio of the irregular and coarse particles is increased. It is not preferable because it increases. When the lithium nickel-manganese composite oxide of the composition formula B described later is produced, it is more preferable that the firing temperature is in the range of 800 to 950 ° C. The above firing temperature can be obtained by measuring the temperature of the gas phase portion of the heat treatment furnace with a thermometer.
上記の焼成温度までの昇温速度は、1〜15℃/分とすることが好ましく、5〜10℃/分とすることがより好ましい。また、この昇温の段階でリチウム化合物の融点をまたいで昇温する場合は、該融点又はその近傍の温度で好適には1〜5時間、より好適には2〜5時間保持することが好ましい。これにより、ニッケルマンガン複合酸化物粒子とリチウム化合物とを、より均一に反応させることができる。 The rate of temperature rise to the above firing temperature is preferably 1 to 15 ° C./min, and more preferably 5 to 10 ° C./min. When the temperature is raised across the melting point of the lithium compound at this stage of raising the temperature, it is preferable to keep the temperature at or near the melting point for preferably 1 to 5 hours, more preferably for 2 to 5 hours. .. Thereby, the nickel-manganese composite oxide particles and the lithium compound can be reacted more uniformly.
[焼成の保持時間]
上記のリチウム混合物の焼成を十分に促進させるため、上記焼成温度で2時間以上保持することが好ましく、4〜24時間保持することがより好ましく、4〜10時間保持することが最も好ましい。この焼成のための保持時間が2時間未満では、ニッケルマンガン複合酸化物粒子中にリチウムが十分に拡散せず、余剰のリチウムや未反応のニッケルマンガン複合酸化物粒子が残存するおそれがある。また、焼成処理後に得られるリチウムニッケルマンガン複合酸化物粒子の結晶性が不十分になるおそれがある。
[Baking retention time]
In order to sufficiently promote the firing of the lithium mixture, it is preferable to hold the lithium mixture at the firing temperature for 2 hours or more, more preferably 4 to 24 hours, and most preferably 4 to 10 hours. If the holding time for this firing is less than 2 hours, lithium may not be sufficiently diffused into the nickel-manganese composite oxide particles, and excess lithium or unreacted nickel-manganese composite oxide particles may remain. In addition, the crystallinity of the lithium nickel-manganese composite oxide particles obtained after the firing treatment may be insufficient.
この焼成のための保持時間の経過後は、該焼成温度から200℃までは2〜10℃/分の冷却速度で冷却することが好ましく、3.3〜7.7℃/分の冷却速度で冷却することがより好ましい。冷却速度をこの程度の範囲内に収めることにより、生産性を損なうことなく匣鉢などの設備が急冷により破損する問題を防ぐことができる。 After the lapse of the holding time for firing, it is preferable to cool from the firing temperature to 200 ° C. at a cooling rate of 2 to 10 ° C./min, and at a cooling rate of 3.3 to 7.7 ° C./min. It is more preferable to cool. By keeping the cooling rate within this range, it is possible to prevent the problem that the equipment such as the bowl is damaged by quenching without impairing the productivity.
[焼成雰囲気]
上記の合成焼成時の雰囲気は非還元性雰囲気が好ましく、酸化雰囲気がより好ましい。酸化雰囲気の場合は、酸素濃度が18〜100容量%の雰囲気であることがより好ましく、上記酸素濃度に調整された酸素と不活性ガスとの混合ガスの気流中で処理することが特に好ましい。この酸素濃度が18容量%未満では、リチウムニッケルマンガン複合酸化物粒子の結晶性が不十分なものとなるおそれがある。なお、ここでいう結晶性とはリチウム複合酸化物の合成度合いのことを意味する。
[Baking atmosphere]
The atmosphere at the time of the above synthetic firing is preferably a non-reducing atmosphere, and more preferably an oxidizing atmosphere. In the case of an oxidizing atmosphere, it is more preferable that the atmosphere has an oxygen concentration of 18 to 100% by volume, and it is particularly preferable to perform the treatment in an air stream of a mixed gas of oxygen adjusted to the oxygen concentration and an inert gas. If the oxygen concentration is less than 18% by volume, the crystallinity of the lithium nickel-manganese composite oxide particles may be insufficient. The crystallinity here means the degree of synthesis of the lithium composite oxide.
(3)解砕工程
上記の合成焼成処理によって生成されたリチウムニッケルマンガン複合酸化物は、熱処理時に生じる凝集又は軽度の焼結により凝集体や焼結体が含まれている場合がある。そのため、正極活物質としてのリチウムニッケルマンガン複合酸化物の平均粒径や粒度分布を好適な範囲内に調整するため、これらリチウムニッケルマンガン複合酸化物の凝集体又は焼結体を解砕することが好ましい。
(3) Crushing Step The lithium nickel-manganese composite oxide produced by the above synthetic firing treatment may contain agglomerates or sintered bodies due to agglomeration or light sintering generated during heat treatment. Therefore, in order to adjust the average particle size and particle size distribution of the lithium nickel-manganese composite oxide as the positive electrode active material within a suitable range, it is possible to crush the aggregates or sintered bodies of these lithium nickel-manganese composite oxides. preferable.
具体的には、合成焼成時に二次粒子同士の焼結によるネッキングなどにより複数の二次粒子からなる凝集体や焼結体が形成されることがあるので、該合成焼成後は粉粒体を解砕手段に投入して該粉粒体に適度な機械的エネルギーを加えて解砕処理を行う。これにより、二次粒子自体をほとんど破壊することなく元の二次粒子の状態にまで分離すること、すなわち凝集や焼結をほぐすことができる。上記の解砕手段には一般的なものを用いることができ、例えば、ピンミルやハンマーミルなどを使用することができる。なお、二次粒子をできるだけ破壊しないようにするため、サンプリングしたリチウムニッケルマンガン複合酸化物を用いて解砕手段の適切な運転条件を予め定めておくことが好ましい。 Specifically, during synthetic firing, agglomerates or sintered bodies composed of a plurality of secondary particles may be formed by necking due to sintering of secondary particles. Therefore, after the synthetic firing, the powder or granular material is formed. It is put into a crushing means and an appropriate mechanical energy is applied to the powder or granular material to perform a crushing process. As a result, the secondary particles themselves can be separated to the original secondary particles state with almost no destruction, that is, aggregation and sintering can be loosened. A general crushing means can be used, for example, a pin mill or a hammer mill can be used. In order to prevent the secondary particles from being destroyed as much as possible, it is preferable to predetermine appropriate operating conditions of the crushing means using the sampled lithium nickel-manganese composite oxide.
3.リチウムイオン二次電池用正極活物質
上記の本発明の実施形態のリチウムニッケルマンガン複合酸化物の製造方法で作製した正極活物質は、必須元素としてのリチウム、ニッケル及びマンガンと、任意元素としてのコバルト及び添加元素Mとを含むリチウムニッケルマンガン複合酸化物であり、それぞれの金属元素の原子数比であるLi:Ni:Mn:Co:Mを(1+u):x:y:z:tとしたとき、x+y+z+t=1、−0.05≦u≦0.50、0.3≦x≦0.95、0.05≦y≦0.55、0≦z≦0.4、0≦t≦0.1である。上記の添加元素Mは、Mg、Ca、Al、Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta及びWからなる群から選択される1種以上の元素である。このリチウムニッケルマンガン複合酸化物は、六方晶系の層状結晶構造を有している。
3. 3. Positive Active Material for Lithium Ion Secondary Battery The positive positive active material produced by the above method for producing the lithium nickel-manganese composite oxide of the embodiment of the present invention includes lithium, nickel and manganese as essential elements and cobalt as an optional element. When Li: Ni: Mn: Co: M, which is the atomic number ratio of each metal element, is (1 + u): x: y: z: t, which is a lithium nickel-nickel-manganese composite oxide containing the additive element M and the additive element M. , X + y + z + t = 1, -0.05 ≦ u ≦ 0.50, 0.3 ≦ x ≦ 0.95, 0.05 ≦ y ≦ 0.55, 0 ≦ z ≦ 0.4, 0 ≦ t ≦ It is 0.1. The above-mentioned additive element M is one or more elements selected from the group consisting of Mg, Ca, Al, Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta and W. This lithium nickel-manganese composite oxide has a hexagonal layered crystal structure.
[粒子構造]
上記した本発明の実施形態に係るリチウムニッケルマンガン複合酸化物の製造方法で作製したリチウムニッケルマンガン複合酸化物は、その前駆体であるニッケルマンガン複合酸化物の特徴的な形態である多層構造とは異なり、走査電子顕微鏡SEMによる図2の断面図に示すように、全体的に無数の空隙部を有する多孔質構造を有している。これにより、十分な粒子強度を維持しつつ、電解液との接触面積を広く確保できるので、二次電池の正極活物質として用いたときに高い出力特性を得ることができる。
[Particle structure]
The lithium nickel-manganese composite oxide produced by the method for producing a lithium nickel-manganese composite oxide according to the embodiment of the present invention described above has a multilayer structure which is a characteristic form of the nickel-manganese composite oxide which is a precursor thereof. Unlike this, as shown in the cross-sectional view of FIG. 2 by the scanning electron microscope SEM, it has a porous structure having innumerable voids as a whole. As a result, a wide contact area with the electrolytic solution can be secured while maintaining sufficient particle strength, so that high output characteristics can be obtained when used as the positive electrode active material of the secondary battery.
すなわち、全体的に無数の空隙部を有する多孔質構造の二次粒子からなるリチウムニッケルマンガン複合酸化物は、正極材料として用いた場合、一次粒子間の粒界又は該空隙部を介して二次粒子の内部に電解液が浸入するため、二次粒子の表面ばかりでなく二次粒子の内部においてもリチウムの脱離及び挿入が可能となる。しかも、上記リチウムニッケルマンガン複合酸化物は、二次粒子の内部に電気的に導通可能な経路を多数有するため、粒子内部の電気抵抗を十分に小さくすることができる。したがって、このリチウムニッケルマンガン複合酸化物を用いて二次電池の正極を形成した場合、容量特性やサイクル特性を損なうことなく、出力特性を大幅に向上させることが可能となる。 That is, when the lithium nickel-manganese composite oxide composed of secondary particles having a porous structure having innumerable voids as a whole is used as a positive electrode material, it is secondary through the grain boundaries between the primary particles or the voids. Since the electrolytic solution penetrates into the particles, lithium can be removed and inserted not only on the surface of the secondary particles but also inside the secondary particles. Moreover, since the lithium nickel-manganese composite oxide has a large number of electrically conductive paths inside the secondary particles, the electrical resistance inside the particles can be sufficiently reduced. Therefore, when the positive electrode of the secondary battery is formed by using this lithium nickel-manganese composite oxide, it is possible to significantly improve the output characteristics without impairing the capacity characteristics and the cycle characteristics.
[体積平均粒径]
上記の本発明の実施形態のリチウムニッケルマンガン複合酸化物の製造方法で作製した正極活物質は、特に限定するものではないが、体積平均粒径(MV)を例えば3μm以上9μm以下にすることができる。この体積平均粒径(MV)が上記範囲内である場合、該正極活物質を用いた二次電池の単位体積あたりの電池容量を増加させることができ、且つ熱安定性や出力特性も高めることができる。
[Volume average particle size]
The positive electrode active material produced by the above-mentioned method for producing a lithium nickel-manganese composite oxide according to the embodiment of the present invention is not particularly limited, but the volume average particle diameter (MV) may be, for example, 3 μm or more and 9 μm or less. it can. When this volume average particle size (MV) is within the above range, the battery capacity per unit volume of the secondary battery using the positive electrode active material can be increased, and the thermal stability and output characteristics are also improved. Can be done.
一方、上記の正極活物質の体積平均粒径(MV)が3μm未満である場合、正極活物質の充填性が低下し、単位容積(体積)あたりの電池容量を増加することが難しくなる。逆に正極活物質の体積平均粒径(MV)が9μmを超える場合、正極活物質の反応面積が減少して出力特性が不十分になるおそれがある。なお、正極活物質の体積平均粒径(MV)は、例えば、レーザー光回折散乱式粒度分析計で測定した体積積算値から求めることができる。また、上記の体積平均粒径(MV)は、合成焼成工程における焼成温度や焼成の保持時間を適宜変えることで調整することができる。 On the other hand, when the volume average particle diameter (MV) of the positive electrode active material is less than 3 μm, the filling property of the positive electrode active material is lowered, and it becomes difficult to increase the battery capacity per unit volume (volume). On the contrary, when the volume average particle diameter (MV) of the positive electrode active material exceeds 9 μm, the reaction area of the positive electrode active material may decrease and the output characteristics may become insufficient. The volume average particle size (MV) of the positive electrode active material can be obtained from, for example, a volume integrated value measured by a laser light diffraction / scattering type particle size analyzer. Further, the volume average particle diameter (MV) can be adjusted by appropriately changing the firing temperature and the firing holding time in the synthetic firing step.
[粒度分布]
上記の本発明の実施形態のリチウムニッケルマンガン複合酸化物の製造方法で作製した正極活物質は、粒度分布の広がりを示す指標である[(d90−d10)/MV]を0.65以下にすることができる。この[(d90−d10)/MV]が上記範囲である場合、粒度分布が非常に狭いリチウムニッケルマンガン複合酸化物から正極活物質を構成することができるので、微細粒子や粗大粒子の含有割合が少なくなり、よってこの正極活物質を正極に用いた二次電池の熱安定性、サイクル特性及び出力特性を高めることができる。
[Particle size distribution]
The positive electrode active material produced by the above-mentioned method for producing a lithium nickel-manganese composite oxide according to the embodiment of the present invention has an index [(d90-d10) / MV] indicating the spread of the particle size distribution of 0.65 or less. be able to. When this [(d90-d10) / MV] is in the above range, the positive electrode active material can be composed of the lithium nickel-manganese composite oxide having a very narrow particle size distribution, so that the content ratio of fine particles and coarse particles is high. Therefore, the thermal stability, cycle characteristics, and output characteristics of the secondary battery using this positive electrode active material as the positive electrode can be improved.
一方、上記[(d90−d10)/MV]が0.65を超える場合、正極活物質中の微細粒子や粗大粒子の含有割合が増加するので、このような粒度分布の広がりの大きい正極活物質を用いた二次電池は、例えば、微細粒子の局所的な反応に起因して発熱しやすくなり、熱安定性が低下する。また、微細粒子が選択的に劣化するので、サイクル特性が低下しやすくなる。更に、粒度分布の広がりの大きい正極活物質を用いた二次電池は、粗大粒子の含有割合も高いため、電解液と正極活物質の反応面積を十分に確保することが困難になり、出力特性が低下することがある。 On the other hand, when the above [(d90-d10) / MV] exceeds 0.65, the content ratio of fine particles and coarse particles in the positive electrode active material increases, so that the positive electrode active material having such a wide particle size distribution spreads. For example, the secondary battery using the above tends to generate heat due to the local reaction of fine particles, and the thermal stability is lowered. Further, since the fine particles are selectively deteriorated, the cycle characteristics are likely to be deteriorated. Further, since the secondary battery using the positive electrode active material having a wide particle size distribution has a high content ratio of coarse particles, it becomes difficult to secure a sufficient reaction area between the electrolytic solution and the positive electrode active material, and the output characteristics. May decrease.
なお、工業規模の生産を前提とした場合、[(d90−d10)/MV]が過度に小さい正極活物質を用いることは現実的ではない。したがって、コストや生産性を考慮すると、正極活物質における[(d90−d10)/MV]の下限値は0.25以上であることが好ましい。なお、[(d90−d10)/MV]におけるd10及びd90は、例えばレーザー光回折散乱式粒度分析計で測定した積算体積がそれぞれ10%及び90%となる粒子径のことである。また、上記の[(d90−d10)/MV]は、合成焼成工程における焼成温度や焼成の保持時間を適宜変えることで調整することができる。 Assuming industrial-scale production, it is not realistic to use a positive electrode active material having an excessively small [(d90-d10) / MV]. Therefore, in consideration of cost and productivity, the lower limit of [(d90-d10) / MV] in the positive electrode active material is preferably 0.25 or more. Note that d10 and d90 in [(d90-d10) / MV] are particle diameters at which the integrated volumes measured by, for example, a laser light diffraction / scattering type particle size analyzer are 10% and 90%, respectively. Further, the above [(d90-d10) / MV] can be adjusted by appropriately changing the firing temperature and the firing holding time in the synthetic firing step.
[結晶子径]
上記の本発明の実施形態のリチウムニッケルマンガン複合酸化物の製造方法で作製した正極活物質は、XRD測定により得られる(003)面回折ピークよりシェラー式で求められる結晶子径(以下、(003)面結晶子径)を好適には80nm以上に、より好適には100nm以上にすることができる。この(003)面結晶子径が80nm以上である場合、結晶性が高くなるうえ、このリチウムニッケルマンガン複合酸化物を正極に用いた二次電池は、正極抵抗が低減されるため出力特性が向上し、熱安定性も向上する。一方、(003)面の結晶子径が80nm未満である場合、結晶性が十分でない場合や、二次電池の熱安定性が低下する場合が生じ得る。なお、上記の(003)面結晶子径は、合成焼成工程における焼成温度や焼成の保持時間を適宜変えることで調整することができる。
[Crystalline diameter]
The positive electrode active material produced by the above-mentioned method for producing a lithium nickel-manganese composite oxide according to the embodiment of the present invention has a crystallite diameter (hereinafter, (003)) determined by a Scheller formula from a (003) plane diffraction peak obtained by XRD measurement. ) Planar crystallite diameter) can be preferably 80 nm or more, and more preferably 100 nm or more. When the (003) plane crystallite diameter is 80 nm or more, the crystallinity is high, and the secondary battery using this lithium nickel-manganese composite oxide as the positive electrode has improved output characteristics because the positive electrode resistance is reduced. However, the thermal stability is also improved. On the other hand, when the crystallite diameter of the (003) plane is less than 80 nm, the crystallinity may be insufficient or the thermal stability of the secondary battery may be lowered. The (003) plane crystallite diameter can be adjusted by appropriately changing the firing temperature and the firing holding time in the synthetic firing step.
[比表面積]
上記の本発明の実施形態のリチウムニッケルマンガン複合酸化物の製造方法で作製した正極活物質は、そのBET比表面積を好ましくは1.5m2/g以上4.0m2/g以下に、より好ましくは2.0m2/g以上4.0m2/g以下に、さらに好ましくは2.5m2/g以上4.0m2/g以下にすることができる。このBET比表面積が1.5〜4.0m2/gの範囲内である場合、二次電池の正極に用いた際に電解液との接触面積を十分に確保することができるため、正極抵抗を低減させ、十分な出力特性を得ることができる。なお、上記のBET比表面積は、合成焼成工程における焼成温度や焼成の保持時間を適宜変えることで調整することができる。
[Specific surface area]
The positive electrode active material produced by the above method for producing a lithium nickel-manganese composite oxide according to the embodiment of the present invention preferably has a BET specific surface area of 1.5 m 2 / g or more and 4.0 m 2 / g or less. Can be 2.0 m 2 / g or more and 4.0 m 2 / g or less, more preferably 2.5 m 2 / g or more and 4.0 m 2 / g or less. When this BET specific surface area is within the range of 1.5 to 4.0 m 2 / g, a sufficient contact area with the electrolytic solution can be secured when used for the positive electrode of the secondary battery, so that the positive electrode resistance Can be reduced and sufficient output characteristics can be obtained. The BET specific surface area can be adjusted by appropriately changing the firing temperature and the firing holding time in the synthetic firing step.
[組成]
上記の本発明の実施形態のリチウムニッケルマンガン複合酸化物の製造方法で作製したリチウムニッケルマンガン複合酸化物は、その組成式BがLi1+uNixMnyCozMtO2+α(−0.05≦u≦0.50、x+y+z+t=1、0.3≦x≦0.95、0.05≦y≦0.55、0≦z≦0.4、0≦t≦0.1、−0.2≦α≦0.2、Mは、Mg、Ca、Al、Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、Wから選択される1種以上の添加元素)で示される。
[composition]
The above lithium-nickel-manganese composite oxide produced in the production method of the lithium-nickel-manganese composite oxide of the embodiment of the present invention, the composition formula B is Li 1 + u Ni x Mn y Co z M t O 2 + α (-0.05 ≦ u ≦ 0.50, x + y + z + t = 1, 0.3 ≦ x ≦ 0.95, 0.05 ≦ y ≦ 0.55, 0 ≦ z ≦ 0.4, 0 ≦ t ≦ 0.1, −0. 2 ≦ α ≦ 0.2, M is represented by one or more additive elements selected from Mg, Ca, Al, Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, and W).
上記組成式Bにおいて、リチウム(Li)の量を示すuの範囲が−0.05以上0.50以下になっているが、0以上0.50以下が好ましく、0以上0.35以下がより好ましい。uの値が−0.05以上0.50以下の範囲内である場合、この正極活物質を正極材料として用いた二次電池の出力特性及び容量特性を向上させることができる。これに対して、uの値が−0.05未満である場合、二次電池の正極抵抗が大きくなり、出力特性を向上させることが困難になる。逆に、uの値が0.50を超える場合、初期放電容量が低下したり、正極抵抗が大きくなったりすることがある。 In the above composition formula B, the range of u indicating the amount of lithium (Li) is −0.05 or more and 0.50 or less, but 0 or more and 0.50 or less is preferable, and 0 or more and 0.35 or less is more. preferable. When the value of u is in the range of −0.05 or more and 0.50 or less, the output characteristics and capacity characteristics of the secondary battery using this positive electrode active material as the positive electrode material can be improved. On the other hand, when the value of u is less than −0.05, the positive electrode resistance of the secondary battery becomes large, and it becomes difficult to improve the output characteristics. On the contrary, when the value of u exceeds 0.50, the initial discharge capacity may decrease or the positive electrode resistance may increase.
上記組成式Bにおいて、ニッケル(Ni)の含有量を示すxの範囲が0.3以上0.95以下になっているが、0.3以上0.9以下が好ましい。ニッケルは二次電池の高電位化及び高容量化に寄与する元素であるので、xの値が0.3未満である場合、この正極活物質を用いた二次電池の容量特性を向上させることが困難になる。逆にxの値が0.95を超える場合、他の元素の含有量が相対的に減少し、他の元素の効果を得ることができなくなる。 In the above composition formula B, the range of x indicating the content of nickel (Ni) is 0.3 or more and 0.95 or less, but 0.3 or more and 0.9 or less is preferable. Nickel is an element that contributes to increasing the potential and capacity of the secondary battery. Therefore, when the value of x is less than 0.3, the capacity characteristics of the secondary battery using this positive electrode active material should be improved. Becomes difficult. On the contrary, when the value of x exceeds 0.95, the content of other elements is relatively reduced, and the effect of other elements cannot be obtained.
上記組成式Bにおいて、マンガン(Mn)の含有量を示すyの範囲が0.05以上0.55以下になっているが、0.10以上0.40以下が好ましい。マンガンは熱安定性の向上に寄与する元素であるので、yの値が0.05未満である場合、この正極活物質を用いた二次電池の熱安定性を向上させることが困難になる。逆にyの値が0.55を超える場合、高温作動時に正極活物質からMnが溶出し、充放電サイクル特性が劣化することがある。 In the above composition formula B, the range of y indicating the content of manganese (Mn) is 0.05 or more and 0.55 or less, but it is preferably 0.10 or more and 0.40 or less. Since manganese is an element that contributes to the improvement of thermal stability, when the value of y is less than 0.05, it becomes difficult to improve the thermal stability of the secondary battery using this positive electrode active material. On the contrary, when the value of y exceeds 0.55, Mn may be eluted from the positive electrode active material during high temperature operation, and the charge / discharge cycle characteristics may be deteriorated.
上記組成式Bにおいて、コバルト(Co)の含有量を示すzの範囲が0以上0.4以下になっているが、0.10以上0.35以下が好ましい。コバルトは充放電サイクル特性の向上に寄与する元素であるので、zの値が0.4を超える場合、この正極活物質を用いた二次電池の初期放電容量が大幅に低下することがある。 In the above composition formula B, the range of z indicating the content of cobalt (Co) is 0 or more and 0.4 or less, but 0.10 or more and 0.35 or less is preferable. Since cobalt is an element that contributes to the improvement of charge / discharge cycle characteristics, when the value of z exceeds 0.4, the initial discharge capacity of the secondary battery using this positive electrode active material may be significantly reduced.
上記の正極活物質では、二次電池の耐久性や出力特性をさらに改善するため、上述した金属元素に加えて、添加元素Mを含有してもよい。このような元素Mとしては、マグネシウム(Mg)、カルシウム(Ca)、アルミニウム(Al)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、ジルコニウム(Zr)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)、及びタングステン(W)から選択される1種以上を用いることができる。上記組成式Bにおいて、添加元素Mの含有量を示すtの値は、Ni、Co、Mn及びMの物質量の合計に対して0以上0.1以下になっているが、0.001以上0.05以下が好ましい。このtの値が0.1を超える場合、Redox反応に貢献する金属元素が減少するため、電池容量が低下することがある。 The above-mentioned positive electrode active material may contain an additive element M in addition to the above-mentioned metal element in order to further improve the durability and output characteristics of the secondary battery. Examples of such element M include magnesium (Mg), calcium (Ca), aluminum (Al), titanium (Ti), vanadium (V), chromium (Cr), zirconium (Zr), niobium (Nb), and molybdenum (Nb). One or more selected from Mo), hafnium (Hf), titanium (Ta), and tungsten (W) can be used. In the above composition formula B, the value of t indicating the content of the additive element M is 0 or more and 0.1 or less with respect to the total amount of substances of Ni, Co, Mn and M, but is 0.001 or more. 0.05 or less is preferable. When the value of t exceeds 0.1, the metal elements that contribute to the Redox reaction decrease, so that the battery capacity may decrease.
二次電池の容量特性のさらなる改善を図るという観点から、上記正極活物質の組成を、上記組成式Bに代えて組成式B1:Li1+uNixMnyCozWaMbO2(−0.05≦u≦0.20、x+y+z=1、0.7<x≦0.95、0.05≦y≦0.1、0≦z≦0.2、0<a≦0.1、0≦b≦0.1、Mは、Mg、Ca、Al、Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、及びTaから選択される1種以上の元素)にしてもよい。中でも、熱安定性と電池容量との両立を図るという観点から、上記組成式B1におけるxの値を、0.7<x≦0.9とすることがより好ましく、0.7<x≦0.85とすることがさらに好ましい。 From the viewpoint of further improving the capacity characteristics of the secondary battery, the composition of the positive electrode active material is changed from the composition formula B to the composition formula B1: Li 1 + u Ni x Mn y Co z W a M b O 2 (-). 0.05 ≦ u ≦ 0.20, x + y + z = 1, 0.7 <x ≦ 0.95, 0.05 ≦ y ≦ 0.1, 0 ≦ z ≦ 0.2, 0 <a ≦ 0.1, 0 ≦ b ≦ 0.1 and M may be one or more elements selected from Mg, Ca, Al, Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, and Ta). Above all, from the viewpoint of achieving both thermal stability and battery capacity, it is more preferable that the value of x in the composition formula B1 is 0.7 <x ≦ 0.9, and 0.7 <x ≦ 0. It is more preferably .85.
また、二次電池の熱安定性のさらなる改善を図るという観点から、上記正極活物質の組成を、上記組成式Bに代えて組成式B2:Li1+uNixMnyCozWaMbO2(−0.05≦u≦0.50、x+y+z=1、0.3≦x≦0.7、0.1≦y≦0.55、0≦z≦0.4、0<a≦0.1、0≦b≦0.1、Mは、Mg、Ca、Al、Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、及び、Taから選択される1種以上の元素)にしてもよい。 From the viewpoint of achieving further improvement of the thermal stability of the secondary battery, the composition of the positive electrode active material, a composition formula in place of the above-mentioned composition formula B B2: Li 1 + u Ni x Mn y Co z W a M b O 2 (−0.05 ≦ u ≦ 0.50, x + y + z = 1, 0.3 ≦ x ≦ 0.7, 0.1 ≦ y ≦ 0.55, 0 ≦ z ≦ 0.4, 0 <a ≦ 0 .1, 0 ≦ b ≦ 0.1, M is one or more elements selected from Mg, Ca, Al, Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, and Ta). Good.
4.リチウムイオン二次電池
(1)非水系電解質二次電池
上記の本発明の実施形態のリチウムニッケルマンガン複合酸化物の製造方法で作製した正極活物質を用いて作製したリチウムイオン二次電池は、例えば正極、負極、セパレータ、非水系電解液から主に構成される一般的な非水系電解質二次電池と同様の構成要素を備える。この非水系電解質二次電池の形状には限定はなく、円筒形や積層形など様々な形状にすることができる。いずれの形状を採る場合であっても、セパレータを介して配置した正極及び負極からなる電極体に非水系電解液を含浸させ、該正極の集電体と外部に通ずる正極端子との間、及び該負極の集電体と外部に通ずる負極端子との間を、集電用リードなどを用いてそれぞれ接続し、電池ケースに収容して密閉することで、非水系電解質二次電池を作製することができる。以下、各構成要素ごとに説明する。
4. Lithium-ion secondary battery (1) Non-aqueous electrolyte secondary battery A lithium-ion secondary battery produced by using the positive electrode active material produced by the above-mentioned method for producing a lithium nickel-manganese composite oxide according to the embodiment of the present invention is, for example. It has the same components as a general non-aqueous electrolyte secondary battery mainly composed of a positive electrode, a negative electrode, a separator, and a non-aqueous electrolyte solution. The shape of this non-aqueous electrolyte secondary battery is not limited, and can be various shapes such as a cylindrical shape and a laminated shape. Regardless of the shape, the electrode body consisting of the positive electrode and the negative electrode arranged via the separator is impregnated with the non-aqueous electrolyte solution, and between the current collector of the positive electrode and the positive electrode terminal leading to the outside, and A non-aqueous electrolyte secondary battery is manufactured by connecting the current collector of the negative electrode and the negative electrode terminal leading to the outside by using a current collecting lead or the like, and housing the battery in a battery case to seal the battery. Can be done. Hereinafter, each component will be described.
(a)正極
先ず、上記の本発明の実施形態のリチウムニッケルマンガン複合酸化物の製造方法で作製した粉末状の正極活物質に、導電剤及び結着剤を混合し、さらに必要に応じて、電気二重層容量を増加させるための活性炭及び粘度調整等のための溶剤を添加し、これらを混練して正極合剤ペーストを作製する。この正極合剤ペーストを構成する材料の配合比は、非水系電解質二次電池の性能を左右するので適切な配合比となるようにする。例えば、溶剤を除いた正極合剤の固形分を100質量部とした場合、一般的な非水系電解質二次電池の正極と同様に、正極活物質の含有量を60〜95質量部、導電剤の含有量を1〜20質量部、及び結着剤の含有量を1〜20質量部とするのが好ましい。
(A) Positive electrode First, a conductive agent and a binder are mixed with the powdered positive electrode active material produced by the above-mentioned method for producing a lithium nickel-manganese composite oxide according to the embodiment of the present invention, and further, if necessary, Activated carbon for increasing the electric double layer capacity and a solvent for adjusting the viscosity are added, and these are kneaded to prepare a positive electrode mixture paste. The blending ratio of the materials constituting the positive electrode mixture paste affects the performance of the non-aqueous electrolyte secondary battery, so the blending ratio should be appropriate. For example, when the solid content of the positive electrode mixture excluding the solvent is 100 parts by mass, the content of the positive electrode active material is 60 to 95 parts by mass and the conductive agent is similar to the positive electrode of a general non-aqueous electrolyte secondary battery. The content of the binder is preferably 1 to 20 parts by mass, and the content of the binder is preferably 1 to 20 parts by mass.
得られた正極合剤ペーストを、例えば、アルミニウム箔製の集電体の表面に塗布し、乾燥により溶剤を飛散させる。電極密度を高めるため、必要に応じてロールプレスなどにより加圧してもよい。これにより、シート状の正極を作製した後、目的とする電池に応じて適当な大きさに裁断することで、正極を作製することができる。なお、正極の作製方法は、これに限定されるものではなく、他の方法で作製してもよい。 The obtained positive electrode mixture paste is applied to the surface of a current collector made of aluminum foil, for example, and the solvent is scattered by drying. In order to increase the electrode density, pressurization may be performed by a roll press or the like, if necessary. Thereby, after producing the sheet-shaped positive electrode, the positive electrode can be produced by cutting the positive electrode into an appropriate size according to the target battery. The method for producing the positive electrode is not limited to this, and other methods may be used for producing the positive electrode.
上記正極合合剤ペーストの原料に用いる導電剤としては、例えば、黒鉛(天然黒鉛、人造黒鉛、膨張黒鉛など)、アセチレンブラックやケッチェンブラックなどのカーボンブラック系材料を用いることができる。結着剤は、活物質粒子をつなぎ止める役割を果たすもので、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、フッ素ゴム、エチレンプロピレンジエンゴム、スチレンブタジエン、セルロース系樹脂及びポリアクリル酸を用いることができる。また、上記の正極活物質、導電剤及び必要に応じて添加する活性炭を分散させると共に、結着剤を溶解する役割を担う溶剤を正極合剤に添加してもよい。この溶剤には、例えばN−メチル−2−ピロリドンなどの有機溶媒を用いることができる。 As the conductive agent used as the raw material of the positive electrode mixture paste, for example, graphite (natural graphite, artificial graphite, expanded graphite, etc.), carbon black materials such as acetylene black and Ketjen black can be used. The binder plays a role of binding the active material particles, for example, polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroethylene (PTFE), fluororubber, ethylene propylene diene rubber, styrene butadiene, cellulose resin and polyacrylic. Acids can be used. Further, the above-mentioned positive electrode active material, the conductive agent and the activated carbon to be added as needed may be dispersed, and a solvent having a role of dissolving the binder may be added to the positive electrode mixture. As this solvent, for example, an organic solvent such as N-methyl-2-pyrrolidone can be used.
(b)負極
負極には、金属リチウムやリチウム合金など、又はリチウムイオンを吸蔵及び脱離できる負極活物質を用意し、これに結着剤と適当な溶剤とを加えて混練することでペースト状の負極合剤を得る。この負極合剤ペーストを銅などの金属箔集電体の表面に塗布した後に乾燥し、電極密度を高めるため必要に応じて圧縮する。これにより、負極を作製することができる。
(B) Negative electrode For the negative electrode, prepare a negative electrode active material that can occlude and desorb lithium ions, such as metallic lithium or lithium alloy, and add a binder and an appropriate solvent to the negative electrode and knead it to form a paste. Obtain the negative electrode mixture of. This negative electrode mixture paste is applied to the surface of a metal leaf current collector such as copper, dried, and compressed as necessary to increase the electrode density. Thereby, the negative electrode can be manufactured.
上記のように、負極には金属リチウムやリチウム合金などのリチウムを含有する物質を用いてもよいし、リチウムイオンを吸蔵・脱離できる天然黒鉛、人造黒鉛及びフェノール樹脂などの有機化合物焼成体、又はコークスなどの炭素物質の粉粒体を用いてもよい。また、負極の結着剤には、上記正極と同様に、PVDFなどの含フッ素樹脂を用いることができ、これら活物質及び結着剤を分散させる溶剤には、N−メチル−2−ピロリドンなどの有機溶媒を用いることができる。 As described above, a substance containing lithium such as metallic lithium or a lithium alloy may be used for the negative electrode, or a calcined organic compound such as natural graphite, artificial graphite or phenol resin capable of occluding / desorbing lithium ions. Alternatively, a powder or granule of a carbon substance such as coke may be used. As with the positive electrode, a fluororesin such as PVDF can be used as the binder for the negative electrode, and N-methyl-2-pyrrolidone or the like can be used as the solvent for dispersing these active substances and the binder. Organic solvent can be used.
(c)セパレータ
セパレータは、正極と負極との間に挟み込んで配置することで、これら正極と負極とを分離すると共に、電解質を保持する機能を有するものを用いる。このセパレータの材料は、上記機能を有するものであれば特に限定はないが、例えばポリエチレンやポリプロピレンなどからなる薄膜であって、微細な孔を多数有するものを用いることが好ましい。
(C) Separator A separator having a function of separating the positive electrode and the negative electrode and holding an electrolyte by sandwiching the separator between the positive electrode and the negative electrode is used. The material of this separator is not particularly limited as long as it has the above-mentioned function, but it is preferable to use a thin film made of, for example, polyethylene or polypropylene, which has a large number of fine pores.
(d)非水系電解液
非水系電解液には、例えば、支持塩としてのリチウム塩を有機溶媒に溶解したものを用いることができる。あるいは、イオン液体にリチウム塩が溶解したものを用いてもよい。なお、イオン液体とは、リチウムイオン以外のカチtオン及びアニオンから構成され、常温でも液体状を示す塩をいう。
(D) Non-aqueous electrolyte solution As the non-aqueous electrolyte solution, for example, a solution in which a lithium salt as a supporting salt is dissolved in an organic solvent can be used. Alternatively, an ionic liquid in which a lithium salt is dissolved may be used. The ionic liquid is a salt that is composed of a click-on and an anion other than lithium ions and that is in a liquid state even at room temperature.
上記有機溶媒には、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、トリフルオロプロピレンカーボネートなどの環状カーボネート、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジプロピルカーボネートなどの鎖状カーボネート、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、ジメトキシエタンなどのエーテル化合物、エチルメチルスルホンやブタンスルトンなどの硫黄化合物、リン酸トリエチルやリン酸トリオクチルなどのリン化合物などから選ばれる1種を単独で用いてもよく、あるいは2種類以上を混合して用いることができる。 Examples of the organic solvent include cyclic carbonates such as ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate and trifluoropropylene carbonate, chain carbonates such as diethyl carbonate, dimethyl carbonate, ethylmethyl carbonate and dipropyl carbonate, tetrahydrofuran and 2-methyltetrahydrofuran. One selected from ether compounds such as dimethoxyethane, sulfur compounds such as ethylmethylsulfone and butanesulton, and phosphorus compounds such as triethyl phosphate and trioctyl phosphate may be used alone, or two or more thereof may be mixed. Can be used.
また、上記支持塩には、LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiAsF6、LiN(CF3SO2)2、及びそれらの複合塩などを用いることができる。なお、非水系電解液は、電池特性改善のため、ラジカル捕捉剤、界面活性剤、難燃剤などを含んでいてもよい。 Further, as the supporting salt, LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , LiAsF 6 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , and a composite salt thereof can be used. The non-aqueous electrolyte solution may contain a radical scavenger, a surfactant, a flame retardant, or the like in order to improve the battery characteristics.
(2)全固体二次電池
全固体二次電池に用いる固体電解質には、高電圧に耐えうる性質を有するものを用いるのが好ましい。このような固体電解質としては、無機固体電解質、有機固体電解質を挙げることができる。前者の無機固体電解質としては、酸化物系固体電解質や硫化物系固体電解質が好適に用いられる。
(2) All-solid-state secondary battery As the solid electrolyte used in the all-solid-state secondary battery, it is preferable to use one having a property of being able to withstand a high voltage. Examples of such a solid electrolyte include an inorganic solid electrolyte and an organic solid electrolyte. As the former inorganic solid electrolyte, an oxide-based solid electrolyte or a sulfide-based solid electrolyte is preferably used.
上記酸化物系固体電解質には、限定するものではないが、酸素(O)を含有し、且つリチウムイオン伝導性及び電子絶縁性を有するものが好適に用いられる。具体的には、リン酸リチウム(Li3PO4)、Li3PO4Nx、LiBO2Nx、LiNbO3、LiTaO3、Li2SiO3、Li4SiO4−Li3PO4、Li4SiO4−Li3VO4、Li2O−B2O3−P2O5、Li2O−SiO2、Li2O−B2O3−ZnO、Li1+xAlxTi2−x(PO4)3(0≦x≦1)、Li1+xAlxGe2−x(PO4)3(0≦x≦1)、LiTi2(PO4)3、Li3xLa2/3−xTiO3(0≦x≦2/3)、Li5La3Ta2O12、Li7La3Zr2O12、Li6BaLa2Ta2O12、Li3.6Si0.6P0.4O4等を挙げることができる。 The oxide-based solid electrolyte is not limited, but preferably contains oxygen (O) and has lithium ion conductivity and electronic insulation. Specifically, lithium phosphate (Li 3 PO 4 ), Li 3 PO 4 N x , LiBO 2 N x , LiNbO 3 , LiTaO 3 , Li 2 SiO 3 , Li 4 SiO 4- Li 3 PO 4 , Li 4 SiO 4 -Li 3 VO 4 , Li 2 O-B 2 O 3- P 2 O 5 , Li 2 O-SiO 2 , Li 2 O-B 2 O 3- ZnO, Li 1 + x Al x Ti 2-x (PO) 4 ) 3 (0 ≦ x ≦ 1), Li 1 + x Al x Ge 2-x (PO 4 ) 3 (0 ≦ x ≦ 1), LiTi 2 (PO 4 ) 3 , Li 3x La 2 / 3-x TiO 3 (0 ≦ x ≦ 2/3), Li 5 La 3 Ta 2 O 12 , Li 7 La 3 Zr 2 O 12 , Li 6 BaLa 2 Ta 2 O 12 , Li 3.6 Si 0.6 P 0.4 O 4th grade can be mentioned.
また、硫化物系固体電解質には、限定するものではないが、硫黄(S)を含有し、且つリチウムイオン伝導性及び電子絶縁性を有するものが好適に用いられる。具体的には、Li2S−P2S5、Li2S−SiS2、LiI−Li2S−SiS2、LiI−Li2S−P2S5、LiI−Li2S−B2S3、Li3PO4−Li2S−Si2S、Li3PO4−Li2S−SiS2、LiPO4−Li2S−SiS、LiI−Li2S−P2O5、LiI−Li3PO4−P2S5等を挙げることができる。 Further, as the sulfide-based solid electrolyte, those containing sulfur (S) and having lithium ion conductivity and electron insulating property are preferably used, although not limited to the above. Specifically, Li 2 SP 2 S 5 , Li 2 S-SiS 2 , LiI-Li 2 S-SiS 2 , LiI-Li 2 SP 2 S 5 , LiI-Li 2 SB 2 S 3, Li 3 PO 4 -Li 2 S-Si 2 S, Li 3 PO 4 -Li 2 S-SiS 2, LiPO 4 -Li 2 S-SiS, LiI-Li 2 S-P 2 O 5, LiI-Li 3 PO 4- P 2 S 5 and the like can be mentioned.
更に、上記以外の無機固体電解質を用いてもよく、例えば、Li3N、LiI、Li3N−LiI−LiOH等を挙げることができる。一方、後者の有機固体電解質としては、イオン伝導性を示す高分子化合物であれば特に限定はなく、例えば、ポリエチレンオキシド、ポリプロピレンオキシド、これらの共重合体などを用いることができる。なお、有機固体電解質は、支持塩(リチウム塩)を含んでいてもよい。 Further, may be used an inorganic solid electrolyte other than the above, for example, can be cited Li 3 N, LiI, and Li 3 N-LiI-LiOH and the like. On the other hand, the latter organic solid electrolyte is not particularly limited as long as it is a polymer compound exhibiting ionic conductivity, and for example, polyethylene oxide, polypropylene oxide, copolymers thereof and the like can be used. The organic solid electrolyte may contain a supporting salt (lithium salt).
(3)リチウムイオン二次電池の特性
上記の構造を有するリチウムイオン二次電池は、上述したように、本発明の実施形態の製造方法で作製した正極活物質を正極材料として用いているため、容量特性、出力特性及びサイクル特性に優れる。しかも、従来のリチウムニッケル系酸化物粒子からなる正極活物質を用いた二次電池との比較においても、熱安定性や安全性において優れている。
(3) Characteristics of Lithium Ion Secondary Battery As described above, the lithium ion secondary battery having the above structure uses the positive electrode active material produced by the production method of the embodiment of the present invention as the positive electrode material. Excellent capacitance characteristics, output characteristics and cycle characteristics. Moreover, it is excellent in thermal stability and safety even in comparison with a conventional secondary battery using a positive electrode active material composed of lithium nickel-based oxide particles.
(4)用途
上記の構造を有するリチウムイオン二次電池は、上述のように、容量特性、出力特性及びサイクル特性に優れているため、これらの特性が高いレベルで要求される小型携帯電子機器(ノート型パーソナルコンピュータや携帯電話端末など)の電源に好適に利用することができる。また、本発明の実施形態の製造方法で作製した非水系電解質二次電池は、安全性にも優れており、小型化及び高出力化が可能であるばかりでなく、高価な保護回路を簡略化することができるため、搭載スペースに制約を受ける輸送用機器の電源としても好適に利用することができる。
(4) Applications Since the lithium ion secondary battery having the above structure is excellent in capacity characteristics, output characteristics and cycle characteristics as described above, a small portable electronic device (a small portable electronic device in which these characteristics are required at a high level) ( It can be suitably used as a power source for a notebook personal computer, a mobile phone terminal, etc.). Further, the non-aqueous electrolyte secondary battery produced by the manufacturing method of the embodiment of the present invention is excellent in safety, and not only can be miniaturized and increased in output, but also an expensive protection circuit is simplified. Therefore, it can be suitably used as a power source for transportation equipment whose mounting space is limited.
以上、本発明の実施形態に係る正極活物質の前駆体の製造方法、該前駆体を中間原料とする正極活物質の製造方法、該正極活物質を用いたリチウムイオン二次電池の製造方法について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、種々の変更例、代替例を含むものである。すなわち、本発明の権利範囲は特許請求の範囲及びその均等の範囲に及ぶものである。次に、本発明を実施例を挙げて説明するが、本発明は以下の実施例に何ら限定されるものではない。 As described above, the method for producing a precursor of a positive electrode active material according to the embodiment of the present invention, the method for producing a positive electrode active material using the precursor as an intermediate raw material, and the method for producing a lithium ion secondary battery using the positive electrode active material. As described above, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and includes various modified examples and alternative examples. That is, the scope of rights of the present invention extends to the scope of claims and the equivalent scope thereof. Next, the present invention will be described with reference to examples, but the present invention is not limited to the following examples.
(実施例1)
先ず、湿式法によりニッケルマンガンコバルト複合水酸化物粒子を作製した。その際、晶析反応時の反応槽内の雰囲気を非酸化性雰囲気と酸化性雰囲気との間で切り替えることにより多層構造のニッケルマンガンコバルト複合水酸化物を作製した。なお、原料の配合割合を調整することにより、物質量比で、ニッケル:マンガン:コバルト=5:3:2にした。
(Example 1)
First, nickel-manganese-cobalt composite hydroxide particles were prepared by a wet method. At that time, a nickel-manganese-cobalt composite hydroxide having a multi-layer structure was prepared by switching the atmosphere in the reaction vessel during the crystallization reaction between a non-oxidizing atmosphere and an oxidizing atmosphere. By adjusting the mixing ratio of the raw materials, the substance amount ratio was set to nickel: manganese: cobalt = 5: 3: 2.
この複合水酸化物をアルミナ製の匣鉢に入れて酸素濃度が20容量%に保持されたローラーハースキルンシミュレーター炉(株式会社ノリタケカンパニー製)で一次焼成を行った。なお、この一次焼成の際の雰囲気温度の昇温パターンとして、室温から200℃までは1℃/分の昇温速度にし、200℃から700℃までは2℃/分の昇温速度にした。そして、この700℃で3時間保持してニッケルマンガンコバルト複合酸化物を生成した。この3時間の保持後、自然放冷により室温まで冷却してから別途用意した水酸化リチウムを添加して、シェーカーミキサ装置(ウィリー・エ・バッコーフェン(WAB)社製TURBULA TypeT2C)を用いて混合し、リチウム混合物を得た。なお、上記水酸化リチウムは、該リチウム混合物のLi/Me比が1.1となるように配合した。 This composite hydroxide was placed in an alumina saggar and primary fired in a roller herskill simulator furnace (manufactured by Noritake Company, Inc.) in which the oxygen concentration was maintained at 20% by volume. As the temperature rise pattern of the atmospheric temperature during the primary firing, the temperature rise rate was set to 1 ° C./min from room temperature to 200 ° C. and 2 ° C./min from 200 ° C. to 700 ° C. Then, it was held at 700 ° C. for 3 hours to form a nickel-manganese-cobalt composite oxide. After holding for 3 hours, the mixture is cooled to room temperature by natural cooling, lithium hydroxide prepared separately is added, and the mixture is mixed using a shaker mixer device (TURBULA Type T2C manufactured by Willie et Bacoffen (WAB)). , A lithium mixture was obtained. The lithium hydroxide was blended so that the Li / Me ratio of the lithium mixture was 1.1.
上記にて得たリチウム混合物を、アルミナ製の匣鉢に入れて酸素濃度が60容量%以上に保持されたローラーハースキルンシミュレーター炉(株式会社ノリタケカンパニー製)で二次焼成を行った。この二次焼成の際の雰囲気温度の昇温パターンとして、室温から900まで5℃/分の昇温速度とし、該900℃で4時間保持した。このようにして、試料1のリチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物を作製した。得られた試料1のリチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物の断面をSEMを用いて観察したところ、多孔質構造であることを確認した。 The lithium mixture obtained above was placed in an alumina saggar and secondarily fired in a roller herskilln simulator furnace (manufactured by Noritake Company, Inc.) in which the oxygen concentration was maintained at 60% by volume or more. As a pattern for raising the ambient temperature during this secondary firing, the temperature was raised from room temperature to 900 at a rate of 5 ° C./min, and the temperature was maintained at 900 ° C. for 4 hours. In this way, the lithium nickel manganese cobalt composite oxide of Sample 1 was prepared. When the cross section of the obtained lithium nickel manganese cobalt composite oxide of Sample 1 was observed using SEM, it was confirmed that it had a porous structure.
上記一次焼成及び/又は二次焼成の熱処理条件を様々に変更した以外は上記試料1の場合と同様にして、試料2〜16のリチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物を作製した。これら試料1〜16のリチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物の機械的強度を評価するため、微粉率を測定した。具体的には、フロー式粒子像分析装置(FPIA―3000:マルバルーン社製)に各試料のリチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物を装入して評価した。なお、微粉率の評価は上記装置を用いカウント方式で10,000個中に含まれる1μm以下の粒子の個数が1%未満であれば「良」、1%以上であれば「不良」と評価した。その結果を下記表1に示す。 Lithium nickel-manganese-cobalt composite oxides of Samples 2 to 16 were prepared in the same manner as in Sample 1 except that the heat treatment conditions for the primary firing and / or the secondary firing were variously changed. In order to evaluate the mechanical strength of the lithium nickel manganese cobalt composite oxides of these samples 1 to 16, the fine powder ratio was measured. Specifically, a flow-type particle image analyzer (FPIA-3000: manufactured by Maru Balloon Co., Ltd.) was charged with a lithium nickel-manganese-cobalt composite oxide of each sample for evaluation. In addition, the evaluation of the fine powder ratio is evaluated as "good" if the number of particles of 1 μm or less contained in 10,000 particles is less than 1% and "bad" if the number of particles is 1% or more by the counting method using the above device. did. The results are shown in Table 1 below.
上記表1の結果から、本発明の要件を満たす方法で作製した試料1〜14のリチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物は、いずれも微粉率の評価が良であった。これに対して、本発明の要件を満たさない方法で作製した試料15及び16のリチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物は、いずれも微粉率の評価が不良であった。 From the results in Table 1 above, all of the lithium nickel-manganese-cobalt composite oxides of Samples 1 to 14 prepared by the method satisfying the requirements of the present invention had a good evaluation of the fine powder ratio. On the other hand, the lithium nickel-manganese-cobalt composite oxides of the samples 15 and 16 prepared by the method not satisfying the requirements of the present invention had poor evaluation of the fine powder ratio.
Claims (7)
組成式がNixMnyCozMt(OH)2+β(x+y+z+t=1、0.3≦x≦0.95、0.05≦y≦0.55、0≦z≦0.4、0≦t≦0.1、−0.20≦β≦0.20、Mは、Mg、Ca、Al、Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、及びWからなる群から選択される1種以上の添加元素)で示される多層構造の二次粒子の形態を有するニッケルマンガン複合水酸化物に対して、酸化雰囲気において雰囲気温度を1℃/分以下の昇温速度で室温から150℃以上250℃以下の余剰水分除去温度まで昇温した後、1℃/分を超え5℃/分以下の昇温速度で該余剰水分除去温度から400℃以上800℃以下の焙焼温度まで昇温し、該焙焼温度で1時間以上保持して焙焼することを特徴とするニッケルマンガン複合酸化物の製造方法。 There is a method for producing a nickel-manganese composite oxide having a multi-layered secondary particle form as a precursor of a positive electrode active material having a porous structure composed of a hexagonal lithium nickel-manganese composite oxide.
The composition formula is Ni x Mn y Co z M t (OH) 2 + β (x + y + z + t = 1, 0.3 ≦ x ≦ 0.95, 0.05 ≦ y ≦ 0.55, 0 ≦ z ≦ 0.4, 0 ≦ t ≦ 0.1, −0.20 ≦ β ≦ 0.20, M is selected from the group consisting of Mg, Ca, Al, Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, and W. With respect to the nickel-manganese composite hydroxide having the form of secondary particles having a multilayer structure represented by (one or more kinds of additive elements), the ambient temperature is raised from room temperature to 150 at a heating rate of 1 ° C./min or less in an oxidizing atmosphere. After raising the temperature to the excess water removal temperature of ° C. or higher and 250 ° C. or lower, the temperature rises from the excess water removal temperature to the roasting temperature of 400 ° C. or higher and 800 ° C. or lower at a heating rate of more than 1 ° C./min and 5 ° C./min or lower. A method for producing a nickel-manganese composite oxide, which comprises heating and holding at the roasting temperature for 1 hour or more for roasting.
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