JP2022052817A - Positive electrode active material for lithium ion secondary battery and method for producing the same, and lithium ion secondary battery - Google Patents

Positive electrode active material for lithium ion secondary battery and method for producing the same, and lithium ion secondary battery Download PDF

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Takashi Nakabayashi
秀一 高野
Shuichi Takano
浩 生頼
Hiroshi Ikuyori
久人 所
Hisato Tokoro
心 高橋
Shin Takahashi
章 軍司
Akira Gunji
達哉 遠山
Tatsuya Toyama
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Abstract

To provide a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery, which has a Ni ratio of 80% or more and is good in discharge capacity, rate characteristics and cycle characteristics.SOLUTION: A positive electrode active material for a lithium ion secondary battery includes a lithium transition metal composite oxide represented by the following composition formula (1): Li1+aNibCocMndM1eAlfO2+α (1) [M1 represents one or more elements selected from among Ti, Ga, Mg, Zr and Zn, and a, b, c, d, e, f and α satisfy -0.04≤a≤0.08, 0.80≤b<1.0, 0≤c<0.2, 0≤d<0.2, 0<e<0.08, 0<f<0.04, 0<e+f<0.08, b+c+d+e+f=1 and -0.2<α<0.2.]. An atomic concentration D1 of M1 and an atomic concentration D2 of Al at the interface between primary particles at the inside of a secondary particle, and an atomic concentration D3 of M1 and an atomic concentration D4 of Al in the central part of each primary particle satisfy D1>D3 and D1/D3>D2/D4.SELECTED DRAWING: Figure 3

Description

本発明は、リチウムイオン二次電池用正極活物質、及びその製造方法、並びにリチウムイオン二次電池に関する。 The present invention relates to a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery, a method for producing the same, and a lithium ion secondary battery.

高いエネルギー密度を有する軽量な二次電池として、リチウムイオン二次電池が広く普及している。リチウムイオン二次電池は、用途の拡大に伴って、更なる高容量化が求められている。また、優れた充放電サイクル特性等も必要とされている。 Lithium-ion secondary batteries are widely used as lightweight secondary batteries with high energy density. Lithium-ion secondary batteries are required to have even higher capacities as their applications expand. Further, excellent charge / discharge cycle characteristics and the like are also required.

このような状況下、電池特性を大きく左右する正極活物質について、高容量や量産性の確立に加え、リチウムイオン挿入脱離抵抗、および、拡散抵抗の低減や、結晶構造の安定化等に関する検討がなされている。リチウムイオン二次電池用の正極活物質としては、α-NaFeO型の結晶構造(以下、層状構造ということがある。)を有するリチウム遷移金属複合酸化物が広く知られている。層状構造を有する酸化物としては、従来、LiCoOが用いられてきたが、高容量化や量産性等の要求から、Li(Ni,Co,Mn)Oで表される三元系や、LiNiOを異種元素置換したニッケル系等の開発がなされている。 Under such circumstances, regarding the positive electrode active material that greatly affects the battery characteristics, in addition to establishing high capacity and mass productivity, studies on reduction of lithium ion insertion / desorption resistance and diffusion resistance, stabilization of crystal structure, etc. Has been made. As a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery, a lithium transition metal composite oxide having an α-NaFeO type 2 crystal structure (hereinafter, may be referred to as a layered structure) is widely known. Conventionally, LiCoO 2 has been used as an oxide having a layered structure, but due to the demand for high capacity and mass productivity, a ternary system represented by Li (Ni, Co, Mn) O 2 or a ternary system is used. Nickel-based materials in which LiNiO 2 is substituted with different elements have been developed.

層状構造を有するリチウム遷移金属複合酸化物のうち、ニッケル系は、寿命特性が必ずしも良好でないという短所を有している。しかしながら、ニッケル系は、コバルト等と比較して安価なニッケルで組成され、比較的高容量を示すため、各種の用途への応用が期待されている。特に、リチウムを除いた金属(Ni、Co、Mn等)当たりのニッケルの割合を高くした化学組成について期待が高まっている。 Among the lithium transition metal composite oxides having a layered structure, nickel-based ones have a disadvantage that the life characteristics are not always good. However, the nickel-based material is composed of nickel, which is cheaper than cobalt and the like, and exhibits a relatively high capacity, so that it is expected to be applied to various applications. In particular, expectations are rising for a chemical composition in which the proportion of nickel per metal (Ni, Co, Mn, etc.) excluding lithium is increased.

例えば、特許文献1には、リチウム遷移金属系化合物の主成分原料と、原子価が5価または6価を取りうる金属元素から構成される化合物(添加剤)との、微細かつ均一な混合物が焼成されたものであり、添加元素が、粒子表面から深さ方向に、具体的には深さ10nm程度の範囲に濃度勾配を持って存在する連続的組成傾斜構造を有することを特徴とするリチウム二次電池正極材料用リチウム遷移金属系化合物粉体が記載されている。 For example, Patent Document 1 describes a fine and uniform mixture of a main component raw material of a lithium transition metal compound and a compound (additive) composed of a metal element having a valence of 5 or hexavalent. Lithium is calcined and has a continuous composition gradient structure in which the additive element exists in the depth direction from the particle surface, specifically, in a range of about 10 nm in depth with a concentration gradient. A lithium transition metallic compound powder for a secondary battery positive electrode material is described.

また、特許文献2には、Li1+aNibMncCodTief2+α …(1)
(ただし、前記式(1)中、Mは、Mg、Al、Zr、Mo、Nbからなる群より選択される少なくとも1種の元素であり、a、b、c、d、e、f及びαは、-0.1≦a≦0.2、0.7<b≦0.9、0≦c<0.3、0≦d<0.3、0<e≦0.25、0≦f<0.3、b+c+d+e+f=1、及び、-0.2≦α≦0.2、を満たす数である。)で表され、かつX線光電子分光分析に基づくTi3+とTi4+の原子比Ti3+/Ti4+が1.5以上、20以下であるリチウムイオン二次電池用正極材料が記載されている。
Further, in Patent Document 2, Li 1 + a Ni b Mn c Cod Tie M f O 2 + α ... (1)
(However, in the above formula (1), M is at least one element selected from the group consisting of Mg, Al, Zr, Mo and Nb, and is a, b, c, d, e, f and α. Is −0.1 ≦ a ≦ 0.2, 0.7 <b ≦ 0.9, 0 ≦ c <0.3, 0 ≦ d <0.3, 0 <e ≦ 0.25, 0 ≦ f It is a number that satisfies <0.3, b + c + d + e + f = 1, and −0.2 ≦ α ≦ 0.2), and Ti 3+ and Ti 4+ atoms based on X-ray photoelectron spectroscopic analysis. A positive electrode material for a lithium ion secondary battery having a ratio of Ti 3+ / Ti 4+ of 1.5 or more and 20 or less is described.

さらに、特許文献3には、リチウムニッケルコバルトマンガン酸化物にリチウムチタン酸化物、リチウムタンタル酸化物、リチウムジルコニウム酸化物、および、リチウムタングステン酸化物のうちいずれか1種以上のリチウム金属酸化物で構成された第1の被覆層と、前記第1の被覆層上に、アルミ酸化物で構成された第2の被覆層を有するリチウムイオン二次電池用正極材料が記載されている。 Further, Patent Document 3 comprises lithium nickel cobalt manganese oxide, which is composed of lithium titanium oxide, lithium tantalum oxide, lithium zirconium oxide, and one or more lithium metal oxides of lithium tungsten oxide. A positive electrode material for a lithium ion secondary battery having a first coating layer and a second coating layer composed of an aluminum oxide on the first coating layer is described.

特許5428251号公報Japanese Patent No. 5428251 特許6197981号公報Japanese Patent No. 6199981 特許6533733号公報Japanese Patent No. 65333733

リチウムを除いた金属当たりのニッケルの割合が70%以上であり、ニッケルの含有率が高いニッケル系は、結晶構造の安定性が低いため、良好な充放電サイクル特性を実現することが困難であるという欠点を持つ。一般的に、ニッケルの含有率が高いリチウム遷移金属複合酸化物は、充放電時、結晶構造が不安定になり易い性質を有している。結晶構造中において、Niは、MeO(Meは、Ni等の金属元素を表す。)で構成される層を形成している。放電時には、これらの層間にリチウムイオンが挿入されて、リチウムサイトを占有し、放電時には、リチウムイオンが脱離する。このようなリチウムイオンの挿入や脱離に伴って生じる格子歪みないし結晶構造変化が、充放電サイクル特性等に影響している。そこで、格子歪みや結晶構造変化を抑制するため、充放電には寄与しない安定な添加元素を加える手法がある。 Nickel with a high nickel content of 70% or more per metal excluding lithium has low crystal structure stability, making it difficult to achieve good charge / discharge cycle characteristics. It has the drawback of. In general, a lithium transition metal composite oxide having a high nickel content has a property that the crystal structure tends to be unstable during charging and discharging. In the crystal structure, Ni forms a layer composed of MeO 2 (Me represents a metal element such as Ni). At the time of discharge, lithium ions are inserted between these layers to occupy the lithium sites, and at the time of discharge, the lithium ions are desorbed. Lattice distortion or crystal structure changes that occur with the insertion and desorption of lithium ions affect the charge / discharge cycle characteristics and the like. Therefore, in order to suppress lattice strain and crystal structure changes, there is a method of adding stable additive elements that do not contribute to charge / discharge.

上述した特許文献1、2は、Ni-Co-Mn系の正極活物質の表面に添加元素による濃度勾配や表面濃化層を形成することで格子歪みや結晶構造変化を抑制し、一定の効果を得ている。また、特許文献3は、さらに被覆層を形成することで、サイクル特性向上に一定の効果を得ている。しかしながら、高容量化等の目的でニッケルの割合を80%以上に高くすると、安定性の維持が更に困難になる。また、被覆層を有すると抵抗が高くなり、放電容量や、出力の低下などが懸念される。さらに、比較的多量のコバルトで安定性を維持しているため、原料コストを含めた生産性に劣る。よって、Ni比がより高く、且つCo比をより低くした、もしくは、Coを含まない正極活物質において、高い放電容量と良好な充放電サイクル特性が求められている。 The above-mentioned Patent Documents 1 and 2 suppress lattice strain and crystal structure change by forming a concentration gradient and a surface-concentrated layer due to added elements on the surface of a Ni—Co—Mn-based positive electrode active material, and have a certain effect. Is getting. Further, Patent Document 3 obtains a certain effect on improving the cycle characteristics by further forming a coating layer. However, if the proportion of nickel is increased to 80% or more for the purpose of increasing the capacity or the like, it becomes more difficult to maintain stability. Further, if the coating layer is provided, the resistance becomes high, and there is a concern that the discharge capacity and the output may decrease. Furthermore, since stability is maintained with a relatively large amount of cobalt, productivity including raw material costs is inferior. Therefore, in a positive electrode active material having a higher Ni ratio and a lower Co ratio, or containing no Co, a high discharge capacity and good charge / discharge cycle characteristics are required.

そこで、本発明は、Niの割合を80%以上にした高Ni比の正極活物質に係わり、高い放電容量と良好な充放電サイクル特性を備えたリチウムイオン二次電池用正極活物質(以下、単に「正極活物質」ということがある。)、更には、Co含有量をより低減した、もしくは、Coを含まない正極活物質においても同様の特性を備えた正極活物質、及びその製造方法、並びにこの正極活物質を用いたリチウムイオン二次電池を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention relates to a positive electrode active material having a high Ni ratio of 80% or more of Ni, and has a high discharge capacity and good charge / discharge cycle characteristics. (Sometimes referred to simply as "positive electrode active material"), and further, a positive electrode active material having a lower Co content or having similar characteristics even in a positive electrode active material containing no Co, and a method for producing the same. Another object of the present invention is to provide a lithium ion secondary battery using this positive electrode active material.

本発明に係るリチウムイオン二次電池用正極活物質は、
下記組成式(1);
Li1+aNiCoMnM1eAl2+α ・・・(1)
[但し、組成式(1)において、M1はTi、Ga、Mg、Zr、Znからなる群から選択される一つ以上の元素であり、a、b、c、d、e、f及びαは、それぞれ、-0.04≦a≦0.08、0.80≦b<1.0、0≦c<0.2、0≦d<0.2、0<e<0.08、0<f<0.04、0<e+f<0.08、b+c+d+e+f=1、及び、-0.2<α<0.2を満たす数である。]で表されるリチウム遷移金属複合酸化物を含むリチウムイオン二次電池用正極活物質であって、前記正極活物質は一次粒子が複数個凝集して構成される二次粒子を含み、前記二次粒子の内部にある一次粒子において、当該一次粒子同士の界面における、M1の原子濃度D1とAlの原子濃度D2と、前記一次粒子の中央部における、M1の原子濃度D3とAlの原子濃度D4とが、D1>D3であり、かつ、D1/D3 > D2/D4であるリチウムイオン二次電池用正極活物質である。
The positive electrode active material for a lithium ion secondary battery according to the present invention is
The following composition formula (1);
Li 1 + a Ni b Co c Mn d M1 e Al f O 2 + α ... (1)
[However, in the composition formula (1), M1 is one or more elements selected from the group consisting of Ti, Ga, Mg, Zr, and Zn, and a, b, c, d, e, f, and α are , -0.04 ≤ a ≤ 0.08, 0.80 ≤ b <1.0, 0 ≤ c <0.2, 0 ≤ d <0.2, 0 <e <0.08, 0 <, respectively. It is a number satisfying f <0.04, 0 <e + f <0.08, b + c + d + e + f = 1, and −0.2 <α <0.2. ], Which is a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery containing a lithium transition metal composite oxide represented by the above, wherein the positive electrode active material contains secondary particles formed by aggregating a plurality of primary particles. In the primary particles inside the primary particles, the atomic concentration D1 of M1 and the atomic concentration D2 of Al at the interface between the primary particles, and the atomic concentration D3 of M1 and the atomic concentration D4 of Al in the central part of the primary particles. Is a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery in which D1> D3 and D1 / D3> D2 / D4.

本発明に係るリチウムイオン二次電池用正極活物質の製造方法は、
下記組成式(1);
Li1+aNiCoMnM1eAlf2+α ・・・(1)
[但し、組成式(1)において、M1はTi、Ga、Mg、Zr、Znからなる群から選択される一つ以上の元素であり、a、b、c、d、e、f及びαは、それぞれ、-0.04≦a≦0.08、0.80≦b<1.0、0≦c<0.2、0≦d<0.2、0<e<0.08、0<f<0.04、0<e+f<0.08、b+c+d+e+f=1、及び、-0.2<α<0.2を満たす数である。]で表されるリチウム遷移金属複合酸化物を含むリチウムイオン二次電池用正極活物質の製造方法であって、造粒体を得る造粒または共沈工程と、前記造粒体を酸化性雰囲気下で焼成して、前記組成式(1)で表される化学組成を有し、二次粒子の内部にある一次粒子において、当該一次粒子同士の界面におけるM1の原子濃度D1とAlの原子濃度D2と、前記一次粒子の中央部におけるM1の原子濃度D3とAlの原子濃度D4とが、D1>D3であり、かつ、D1/D3 > D2/D4であるリチウム複合化合物を得る焼成工程と、を有するリチウムイオン二次電池用正極活物質の製造方法である。
The method for producing a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery according to the present invention is as follows.
The following composition formula (1);
Li 1 + a Ni b Co c Mn d M1 e Al f O 2 + α ... (1)
[However, in the composition formula (1), M1 is one or more elements selected from the group consisting of Ti, Ga, Mg, Zr, and Zn, and a, b, c, d, e, f, and α are , -0.04 ≤ a ≤ 0.08, 0.80 ≤ b <1.0, 0 ≤ c <0.2, 0 ≤ d <0.2, 0 <e <0.08, 0 <, respectively. It is a number satisfying f <0.04, 0 <e + f <0.08, b + c + d + e + f = 1, and −0.2 <α <0.2. ], Which is a method for producing a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery containing a lithium transition metal composite oxide represented by In the primary particles having the chemical composition represented by the composition formula (1) and inside the secondary particles, the atomic concentrations of M1 and Al at the interface between the primary particles are the atomic concentrations of D1 and Al. A firing step of obtaining a lithium composite compound in which D2 and the atomic concentration D3 of M1 and the atomic concentration D4 of Al in the central portion of the primary particles are D1> D3 and D1 / D3> D2 / D4. It is a method for producing a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery.

本発明によれば、Niの割合を80%以上にした高Ni比の正極活物質において、高い放電容量と、良好な充放電サイクル特性を有するリチウムイオン二次電池用正極活物質を提供することができる。特に、Ni比80%以上、且つCo比6%以下とした正極活物質においても、高い放電容量と、良好な充放電サイクル特性を発揮することができる。 According to the present invention, in a positive electrode active material having a high Ni ratio of 80% or more of Ni, a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery having a high discharge capacity and good charge / discharge cycle characteristics is provided. Can be done. In particular, even in a positive electrode active material having a Ni ratio of 80% or more and a Co ratio of 6% or less, high discharge capacity and good charge / discharge cycle characteristics can be exhibited.

リチウムイオン二次電池の一例を模式的に示す部分断面図である。It is a partial cross-sectional view schematically showing an example of a lithium ion secondary battery. 本発明の正極活物質の二次粒子並びに一次粒子の一例を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically an example of the secondary particle and the primary particle of the positive electrode active material of this invention. 本発明の実施例1における一次粒子のSTEM像並びにEDX分析による各元素の測定箇所を示す図である。It is a figure which shows the STEM image of the primary particle in Example 1 of this invention, and the measurement point of each element by EDX analysis.

以下、本発明の一実施形態に係るリチウムイオン二次電池用正極活物質、及びその製造方法、並びにそれを用いたリチウムイオン二次電池について詳細に説明する。 Hereinafter, a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery according to an embodiment of the present invention, a method for producing the same, and a lithium ion secondary battery using the same will be described in detail.

<正極活物質>
本実施形態に係る正極活物質は、層状構造を呈するα-NaFeO型の結晶構造を有し、リチウムと遷移金属とを含んで組成されるリチウム遷移金属複合酸化物を含む。この正極活物質は、リチウム遷移金属複合酸化物の一次粒子や一次粒子が複数個凝集して構成された二次粒子を主成分としている。また、リチウム遷移金属複合酸化物は、リチウムイオンの挿入及び脱離が可能な層状構造を主相として有する。
<Positive electrode active material>
The positive electrode active material according to the present embodiment has an α-NaFeO type 2 crystal structure exhibiting a layered structure, and contains a lithium transition metal composite oxide composed of lithium and a transition metal. This positive electrode active material is mainly composed of primary particles of a lithium transition metal composite oxide and secondary particles composed of a plurality of primary particles aggregated together. Further, the lithium transition metal composite oxide has a layered structure capable of inserting and removing lithium ions as a main phase.

本実施形態に係る正極活物質は、主成分であるリチウム遷移金属複合酸化物の他、原料や製造過程に由来する不可避的不純物、リチウム遷移金属複合酸化物の粒子を被覆する他成分、例えば、ホウ素成分、リン成分、硫黄成分、フッ素成分、有機物等や、リチウム遷移金属複合酸化物の粒子と共に混合される他成分等を含んでもよい。 The positive electrode active material according to the present embodiment includes a lithium transition metal composite oxide as a main component, unavoidable impurities derived from raw materials and manufacturing processes, and other components that coat particles of the lithium transition metal composite oxide, for example. It may contain a boron component, a phosphorus component, a sulfur component, a fluorine component, an organic substance, and other components mixed with particles of a lithium transition metal composite oxide.

本実施形態に係るリチウム遷移金属複合酸化物は、下記組成式(1)で表される。
Li1+aNiCoMnM1eAl2+α ・・・(1)
[但し、組成式(1)において、M1はTi、Ga、Mg、Zr、Znからなる群から選択される一つ以上の元素であり、a、b、c、d、e、f及びαは、それぞれ、-0.04≦a≦0.08、0.80≦b<1.0、0≦c<0.2、0≦d<0.2、0<e<0.08、0<f<0.04、0<e+f<0.08、b+c+d+e+f=1、及び、-0.2<α<0.2を満たす数である。]
The lithium transition metal composite oxide according to this embodiment is represented by the following composition formula (1).
Li 1 + a Ni b Co c Mn d M1 e Al f O 2 + α ... (1)
[However, in the composition formula (1), M1 is one or more elements selected from the group consisting of Ti, Ga, Mg, Zr, and Zn, and a, b, c, d, e, f, and α are , -0.04 ≤ a ≤ 0.08, 0.80 ≤ b <1.0, 0 ≤ c <0.2, 0 ≤ d <0.2, 0 <e <0.08, 0 <, respectively. It is a number satisfying f <0.04, 0 <e + f <0.08, b + c + d + e + f = 1, and −0.2 <α <0.2. ]

組成式(1)で表されるリチウム遷移金属複合酸化物は、リチウムを除いた金属当たりのニッケルの割合が80%以上である。すなわち、Ni、Co、Mn、M1及びAlの合計に対する原子数分率で、Niが、80at%以上含まれている。ニッケルの含有率が高いため、高い放電容量を実現することができるニッケル系酸化物である。また、ニッケルの含有率が高いため、LiCoO等と比較して原料費が安価であり、原料コストを含めた生産性の観点からも優れている。 The lithium transition metal composite oxide represented by the composition formula (1) has a nickel ratio of 80% or more per metal excluding lithium. That is, Ni is contained in an amount of 80 at% or more in terms of atomic number fraction with respect to the total of Ni, Co, Mn, M1 and Al. Since the nickel content is high, it is a nickel-based oxide that can realize a high discharge capacity. Further, since the nickel content is high, the raw material cost is lower than that of LiCoO 2 and the like, and the productivity including the raw material cost is also excellent.

一般に、ニッケルの含有率が高いリチウム遷移金属複合酸化物は、充放電時、結晶構造が不安定になり易い性質を有している。結晶構造中において、Niは、MeO(Meは、Ni等の金属元素を表す。)で構成される層を形成している。放電時には、これらの層間にリチウムイオンが挿入されて、リチウムサイトを占有し、放電時には、リチウムイオンが脱離する。MeOで構成される層の遷移金属サイトに多量のニッケルが存在しているため、リチウムイオンの挿入や脱離に伴って、電荷補償のためにニッケルの価数が変化すると、大きな格子歪みないし結晶構造変化を生じる。このようなリチウムイオンの挿入や脱離に伴って生じる格子歪みないし結晶構造変化が、放電容量特性、充放電サイクル特性に影響している。 In general, a lithium transition metal composite oxide having a high nickel content has a property that the crystal structure tends to become unstable during charging and discharging. In the crystal structure, Ni forms a layer composed of MeO 2 (Me represents a metal element such as Ni). At the time of discharge, lithium ions are inserted between these layers to occupy the lithium sites, and at the time of discharge, the lithium ions are desorbed. Since a large amount of nickel is present at the transition metal sites of the layer composed of MeO 2 , when the valence of nickel changes for charge compensation due to the insertion and desorption of lithium ions, there is no large lattice distortion. Causes a change in crystal structure. Lattice distortion or crystal structure changes that occur with the insertion and desorption of lithium ions affect the discharge capacity characteristics and charge / discharge cycle characteristics.

そこで、上述したように格子歪みや結晶構造変化を抑制するために、充放電には寄与しない安定な添加元素を加える手法がある。上述した特許文献1、2もその例であるが、従来は、専ら二次粒子の表面、換言すれば二次粒子を構成する表面の一次粒子を改質するに留まり、二次粒子を構成する内部の一次粒子については改善の余地があった。そこで、本実施形態では、二次粒子の内部に位置する個々の一次粒子に着目し、添加元素の影響について検討を加えたものである。 Therefore, as described above, there is a method of adding a stable additive element that does not contribute to charge / discharge in order to suppress lattice strain and crystal structure change. The above-mentioned Patent Documents 1 and 2 are also examples, but in the past, only the primary particles on the surface of the secondary particles, in other words, the surface constituting the secondary particles, were modified to form the secondary particles. There was room for improvement in the internal primary particles. Therefore, in this embodiment, attention is paid to each primary particle located inside the secondary particle, and the influence of the added element is examined.

その結果、二次粒子の内部に位置する個々の一次粒子(以下、単に一次粒子と言うことがある。)において、前記組成式中のM1についての表面の原子濃度を高くすることにより、Niの価数変化に伴う一次粒子の表面近傍の格子歪みや結晶構造変化が低減され、かつ二次粒子についても格子歪みや結晶構造変化をより抑制することができる。結果、良好な充放電サイクル特性を得ることができる。また、上記組成式中のM1とAlを同時に添加することにより、Alが層状構造の形成を促進し層状構造が形成する温度が低下するため、層状構造が形成される温度と、層状構造形成より高温で起きるLiとM1の反応温度との差が大きくなり、M1の表面濃化が促進される。結果、M1の表面の原子濃度が高くなり、放電容量を維持したまま、充放電サイクル特性がさらに良好となることを見出したものである。尚、上記したM1の原子濃度、一次粒子における界面、表面や中央部の定義については後述する。 As a result, in each primary particle (hereinafter, may be simply referred to as a primary particle) located inside the secondary particle, the atomic concentration on the surface of M1 in the composition formula is increased to increase the atomic concentration of Ni. The lattice strain and crystal structure change near the surface of the primary particles due to the valence change can be reduced, and the lattice strain and crystal structure change can be further suppressed for the secondary particles. As a result, good charge / discharge cycle characteristics can be obtained. Further, by adding M1 and Al in the above composition formula at the same time, Al promotes the formation of the layered structure and the temperature at which the layered structure is formed decreases. The difference between the reaction temperature of Li and M1 that occurs at a high temperature becomes large, and the surface concentration of M1 is promoted. As a result, it has been found that the atomic concentration on the surface of M1 is increased, and the charge / discharge cycle characteristics are further improved while maintaining the discharge capacity. The definition of the atomic concentration of M1, the interface in the primary particles, the surface and the central portion will be described later.

(化学組成)
ここで、組成式(1)で表される化学組成の意義について説明する。
(Chemical composition)
Here, the significance of the chemical composition represented by the composition formula (1) will be described.

組成式(1)におけるaは、-0.04以上0.08以下とする。aは、化学量論比のLi(Ni,Co,Mn, M1,Al)Oに対するリチウムの過不足を表している。aは、原料合成時の仕込み値ではなく、焼成して得られるリチウム遷移金属複合酸化物における値である。組成式(1)におけるリチウムの過不足が過大である場合、すなわち、Ni、Co、Mn、M1及びAlの合計に対し、リチウムが過度に少ない組成や、リチウムが過度に多い組成であると、焼成時、合成反応が適切に進行しなくなり、リチウムサイトにニッケルが混入するカチオンミキシングが生じ易くなったり、結晶性が低下し易くなったりする。特に、ニッケルの割合を80%以上に高くする場合には、このようなカチオンミキシングの発生や結晶性の低下が顕著になり易く、放電容量、充放電サイクル特性が損なわれ易い。これに対し、aが前記の数値範囲であれば、カチオンミキシングが少なくなり、各種電池性能を向上させることができる。そのため、ニッケルの含有率が高い組成においても、高い放電容量、良好な充放電サイクル特性を得ることができる。 A in the composition formula (1) is −0.04 or more and 0.08 or less. a represents the excess or deficiency of lithium with respect to Li (Ni, Co, Mn, M1, Al) O2 in the stoichiometric ratio. a is not the value charged at the time of raw material synthesis, but the value in the lithium transition metal composite oxide obtained by firing. When the excess or deficiency of lithium in the composition formula (1) is excessive, that is, the composition has an excessively small amount of lithium or an excessively large amount of lithium with respect to the total of Ni, Co, Mn, M1 and Al. At the time of firing, the synthesis reaction does not proceed properly, and cation mixing in which nickel is mixed in lithium sites is likely to occur, and crystallinity is likely to be lowered. In particular, when the proportion of nickel is increased to 80% or more, such cation mixing is likely to occur and the crystallinity is likely to be significantly reduced, and the discharge capacity and charge / discharge cycle characteristics are likely to be impaired. On the other hand, when a is in the above numerical range, cation mixing is reduced and various battery performances can be improved. Therefore, even in a composition having a high nickel content, high discharge capacity and good charge / discharge cycle characteristics can be obtained.

aは、-0.03以上0.06以下とすることが好ましい。aが-0.03以上0.06以下であると、化学量論比に対するリチウムの過不足がより少ないため、焼成時、合成反応が適切に進行し、カチオンミキシングがより生じ難くなる。そのため、より欠陥が少ない層状構造が形成されて、高い放電容量、良好な充放電サイクル特性を得ることができる。なお、組成式(1)で表されるリチウム遷移金属複合酸化物を主成分とする正極活物質についても、正極活物質に含まれるリチウムの原子濃度(モル数)と、リチウム以外の金属元素の合計の原子濃度(モル数)との比が0.96以上1.08以下であることが好ましく、0.97以上1.06以下であることがより好ましい。熱処理によって焼成される焼成前駆体には、他成分が混入する場合があり、焼成時の反応比が化学量論比から逸脱する虞がある。しかし、このような原子濃度比であれば、焼成時、組成式(1)で表される化学組成に基づいてカチオンミキシングや結晶性の低下が抑制されている可能性が高い。そのため、各種電池性能を向上させる正極活物質が得られる。 a is preferably −0.03 or more and 0.06 or less. When a is −0.03 or more and 0.06 or less, the excess or deficiency of lithium with respect to the stoichiometric ratio is smaller, so that the synthetic reaction proceeds appropriately during firing, and cation mixing is less likely to occur. Therefore, a layered structure with fewer defects is formed, and high discharge capacity and good charge / discharge cycle characteristics can be obtained. Regarding the positive electrode active material containing the lithium transition metal composite oxide represented by the composition formula (1) as a main component, the atomic concentration (number of moles) of lithium contained in the positive electrode active material and the metal elements other than lithium are also used. The ratio to the total atomic concentration (number of moles) is preferably 0.96 or more and 1.08 or less, and more preferably 0.97 or more and 1.06 or less. Other components may be mixed in the calcination precursor fired by the heat treatment, and the reaction ratio at the time of calcination may deviate from the stoichiometric ratio. However, with such an atomic concentration ratio, it is highly possible that cation mixing and deterioration of crystallinity are suppressed based on the chemical composition represented by the composition formula (1) at the time of firing. Therefore, a positive electrode active material that improves the performance of various batteries can be obtained.

以上は正極活物質として製造された粉末の状態でのaの好適範囲を述べたが、組成式(1)で表される正極活物質がリチウムイオン二次電池の正極に組み込まれている場合においては、Liの挿入脱離を伴う充放電が実施されているため、aは-0.9から0.06の範囲が好ましい。 The above describes the preferable range of a in the state of the powder produced as the positive electrode active material, but when the positive electrode active material represented by the composition formula (1) is incorporated in the positive electrode of the lithium ion secondary battery. In, a is preferably in the range of −0.9 to 0.06 because charging / discharging accompanied by insertion / removal of Li is carried out.

組成式(1)におけるニッケルの係数bは、0.80以上1.00未満とする。bが0.80以上であると、ニッケルの含有率が低い他のニッケル系酸化物や、Li(Ni,Co,M1)Oで表される三元系酸化物等と比較して、高い放電容量を得ることができる。また、ニッケルよりも希少な遷移金属の量を減らせるため、原料コストを削減することができる。 The coefficient b of nickel in the composition formula (1) is 0.80 or more and less than 1.00. When b is 0.80 or more, it is higher than other nickel-based oxides having a low nickel content and ternary oxides represented by Li (Ni, Co, M1) O 2 . The discharge capacity can be obtained. In addition, since the amount of transition metal, which is rarer than nickel, can be reduced, the raw material cost can be reduced.

ニッケルの係数bは、0.85以上としてもよいし、0.90以上としてもよいし、0.92以上としてもよい。bが大きいほど、高い放電容量が得られる傾向がある。また、ニッケルの係数bは、0.95以下としてもよいし、0.90以下としてもよいし、0.85以下としてもよい。bが小さいほど、リチウムイオンの挿入や脱離に伴う格子歪みないし結晶構造変化が小さくなり、焼成時、リチウムサイトにニッケルが混入するカチオンミキシングや結晶性の低下が生じ難くなるため、良好なレート特性及び充放電サイクル特性が得られる傾向がある。 The nickel coefficient b may be 0.85 or more, 0.90 or more, or 0.92 or more. The larger the b, the higher the discharge capacity tends to be obtained. Further, the coefficient b of nickel may be 0.95 or less, 0.90 or less, or 0.85 or less. The smaller b is, the smaller the lattice distortion or crystal structure change due to the insertion or desorption of lithium ions is, and the less likely it is that cation mixing in which nickel is mixed in lithium sites or the deterioration of crystallinity occurs during firing, so a good rate is obtained. Characteristics and charge / discharge cycle characteristics tend to be obtained.

組成式(1)におけるコバルトの係数cは、0以上0.2未満とする。コバルトは積極的に添加されていてもよいし、不可避的不純物相当の組成比であってもよい。コバルトが前記の範囲であると、結晶構造がより安定になり、リチウムサイトにニッケルが混入するカチオンミキシングが抑制される等の効果が得られる。そのため、高い放電容量や良好な充放電サイクル特性を得ることができる。一方、コバルトが過剰であると、正極活物質の原料コストが高くなる。また、ニッケル等の他の遷移金属の割合が低くなり、放電容量が低くなったり、M1で表される金属元素による効果が低くなったりする虞がある。これに対し、cが前記の数値範囲であれば、高い放電容量、良好なレート特性及び充放電サイクル特性を示すリチウム遷移金属複合酸化物の原料コストを削減できる。 The coefficient c of cobalt in the composition formula (1) is 0 or more and less than 0.2. Cobalt may be positively added or may have a composition ratio corresponding to unavoidable impurities. When cobalt is in the above range, the crystal structure becomes more stable, and effects such as suppression of cation mixing in which nickel is mixed in lithium sites can be obtained. Therefore, high discharge capacity and good charge / discharge cycle characteristics can be obtained. On the other hand, if the amount of cobalt is excessive, the raw material cost of the positive electrode active material becomes high. Further, the ratio of other transition metals such as nickel becomes low, and there is a possibility that the discharge capacity becomes low or the effect of the metal element represented by M1 becomes low. On the other hand, if c is in the above numerical range, the raw material cost of the lithium transition metal composite oxide exhibiting high discharge capacity, good rate characteristics and charge / discharge cycle characteristics can be reduced.

コバルトの係数cは、0.01以上としてもよいし、0.02以上としてもよいし、0.03以上としてもよいし、0.04以上としてもよい。cが大きいほど、コバルトの元素置換による効果が有効に得られるため、より良好な充放電サイクル特性等が得られる傾向がある。コバルトの係数cは、0.06以下としてもよいし、0.03以下としてもよいし、0.01以下としてもよい。cが小さいほど、原料コストを削減することができる。本実施形態では、ニッケルの係数bが0.90以上のとき、コバルトの係数cを0以上0.03以下とすることができる。コバルトの添加量が多いほど結晶構造がより安定になり、リチウムサイトにニッケルが混入するカチオンミキシングが抑制される等の効果が得られるのに対し、ニッケルの係数bが0.90以上の場合は、元々コバルトを添加する余地が小さく、一次粒子表面におけるM1の濃化により一次粒子表面近傍の結晶構造が安定化する効果によって、コバルト量が低減可能になると考えられる。 The cobalt coefficient c may be 0.01 or more, 0.02 or more, 0.03 or more, or 0.04 or more. The larger c is, the more effective the effect of elemental substitution of cobalt can be obtained, so that better charge / discharge cycle characteristics and the like tend to be obtained. The cobalt coefficient c may be 0.06 or less, 0.03 or less, or 0.01 or less. The smaller c is, the more the raw material cost can be reduced. In the present embodiment, when the nickel coefficient b is 0.90 or more, the cobalt coefficient c can be 0 or more and 0.03 or less. The larger the amount of cobalt added, the more stable the crystal structure becomes, and the effect of suppressing cation mixing in which nickel is mixed in lithium sites can be obtained, whereas when the nickel coefficient b is 0.90 or more, the effect is obtained. It is considered that the amount of cobalt can be reduced due to the effect that the room for adding cobalt is originally small and the crystal structure near the surface of the primary particles is stabilized by the concentration of M1 on the surface of the primary particles.

組成式(1)におけるマンガンは、遷移金属ではあるものの、充放電中も+4価のまま安定に存在すると考えられる。そのため、マンガンを用いると、充放電中の結晶構造が安定する効果が得られる。 Although manganese in the composition formula (1) is a transition metal, it is considered that manganese remains stable at +4 valence even during charging and discharging. Therefore, the use of manganese has the effect of stabilizing the crystal structure during charging and discharging.

組成式(1)におけるマンガンの係数dは、0以上0.2未満とする。マンガンが過剰であると、ニッケル等の他の遷移金属の割合が低くなり、正極活物質の放電容量が低くなる虞がある。これに対し、dが前記の数値範囲であれば、より高い放電容量、及び充放電サイクル特性が得られる傾向がある。 The coefficient d of manganese in the composition formula (1) is 0 or more and less than 0.2. If the manganese is excessive, the proportion of other transition metals such as nickel is low, and the discharge capacity of the positive electrode active material may be low. On the other hand, when d is in the above numerical range, higher discharge capacity and charge / discharge cycle characteristics tend to be obtained.

マンガンの係数dは、0.01以上としてもよいし、0.03以上としてもよいし、0.05以上としてもよいし、0.10以上としてもよい。dが大きいほど、マンガンの元素置換による効果が有効に得られる。マンガンの係数dは、0.15以下としてもよいし、0.10以下としてもよいし、0.05以下としてもよい。dが小さいほど、ニッケル等の他の遷移金属の割合が高くなり、放電容量等が高くなる傾向がある。 The manganese coefficient d may be 0.01 or more, 0.03 or more, 0.05 or more, or 0.10 or more. The larger d is, the more effective the effect of elemental substitution of manganese can be obtained. The manganese coefficient d may be 0.15 or less, 0.10 or less, or 0.05 or less. The smaller d, the higher the proportion of other transition metals such as nickel, and the higher the discharge capacity and the like.

組成式(1)におけるM1は、Ti、Ga、Mg、Zr、Znからなる群から選択される少なくとも1種以上の元素である。(以下、M1と言う)。これらの元素は、LiとNiが反応して層状構造を呈するα-NaFeO型の結晶構造を形成し始めた後に、Liと反応して濃化層を形成する。この場合、LiとNiの反応が開始する比較的低温の焼成工程で正極活物質の一次粒子表面にM1が存在し、その後の高温焼成工程においてM1が一次粒子表面に濃化層を形成しやすい。特に、固相法を用いてLiを除くM1を含む全ての元素を予め混合し、微粉砕する、または、LiとM1を含む全ての元素を予め混合し、微粉砕することによって、M1は一次粒子表面に分布することが可能になる。また、少なくともTiを含有することがより好ましい。Tiは4価をとりうるので、Oとの結合が強く結晶構造の安定化の効果が大きい。また、分子量が比較的小さく、添加したときの正極活物質の理論容量の低下が小さいためである。このような性質の金属元素を用いると、適切な合成条件を選択することで、一次粒子の表面に濃化して分布させることが可能となる。そのため、これらの金属元素M1を用いると、充放電中における正極活物質表面からの結晶構造劣化を抑制する効果が得られる。 M1 in the composition formula (1) is at least one element selected from the group consisting of Ti, Ga, Mg, Zr, and Zn. (Hereafter referred to as M1). These elements react with Li to form a concentrated layer after they start to form an α-NaFeO type 2 crystal structure that exhibits a layered structure by reacting with Li. In this case, M1 is present on the surface of the primary particles of the positive electrode active material in the relatively low temperature firing step where the reaction between Li and Ni starts, and M1 tends to form a concentrated layer on the surface of the primary particles in the subsequent high temperature firing step. .. In particular, M1 is primary by premixing and pulverizing all the elements including M1 except Li using the solid phase method, or by premixing and pulverizing all the elements including Li and M1. It can be distributed on the surface of particles. Further, it is more preferable to contain at least Ti. Since Ti can be tetravalent, it has a strong bond with O and has a great effect of stabilizing the crystal structure. This is also because the molecular weight is relatively small and the decrease in the theoretical capacity of the positive electrode active material when added is small. When a metal element having such properties is used, it is possible to concentrate and distribute it on the surface of the primary particles by selecting appropriate synthetic conditions. Therefore, when these metal elements M1 are used, the effect of suppressing the deterioration of the crystal structure from the surface of the positive electrode active material during charging / discharging can be obtained.

組成式(1)におけるM1の係数eは、0を超え0.08未満とする。M1が添加されていると、上述のように正極活物質の表面の結晶構造がより安定になり、良好な充放電サイクル特性を得ることができる。一方、M1が過剰であると、ニッケル等の他の遷移金属の割合が低くなり、放電容量が低くなったり、マンガンによる結晶構造を安定化させる効果が低くなって充放電サイクル特性が低下したりする虞がある。また、M1が4価をとりうるTiなどの場合、一次粒子表面近傍に相対的に2価のニッケルの割合が増加してカチオンミキシングがおこりやすくなる。これに対し、eが前記の数値範囲であれば、高い放電容量と良好な充放電サイクル特性を示すリチウム遷移金属複合酸化物が得られる。M1の係数eは、0.01以上0.05以下であることが好ましく、0.01以上0.03以下であることがより好ましい。eが0.01以上であると、一次粒子表面のニッケルの割合が低くなり、一次粒子の表面の結晶構造変化が低減される。一方、eが0.05以下であると、ニッケル等の他の遷移金属の割合を十分保つことができ、高い放電容量を得ることができる。そのため、より欠陥が少ない層状構造が形成されて、高い放電容量や良好な充放電サイクル特性を得ることができる。 The coefficient e of M1 in the composition formula (1) is more than 0 and less than 0.08. When M1 is added, the crystal structure on the surface of the positive electrode active material becomes more stable as described above, and good charge / discharge cycle characteristics can be obtained. On the other hand, when M1 is excessive, the ratio of other transition metals such as nickel becomes low, the discharge capacity becomes low, and the effect of stabilizing the crystal structure by manganese becomes low, and the charge / discharge cycle characteristics deteriorate. There is a risk of Further, in the case of Ti or the like in which M1 can be tetravalent, the proportion of divalent nickel relatively increases in the vicinity of the surface of the primary particles, and cation mixing is likely to occur. On the other hand, when e is in the above numerical range, a lithium transition metal composite oxide exhibiting high discharge capacity and good charge / discharge cycle characteristics can be obtained. The coefficient e of M1 is preferably 0.01 or more and 0.05 or less, and more preferably 0.01 or more and 0.03 or less. When e is 0.01 or more, the proportion of nickel on the surface of the primary particles is low, and the change in the crystal structure on the surface of the primary particles is reduced. On the other hand, when e is 0.05 or less, the ratio of other transition metals such as nickel can be sufficiently maintained, and a high discharge capacity can be obtained. Therefore, a layered structure with fewer defects is formed, and high discharge capacity and good charge / discharge cycle characteristics can be obtained.

組成式(1)におけるアルミニウムは、一次粒子表面に濃化層を形成せず、一次粒子内部に均一固溶する。アルミニウムを用いると、むしろM1の表面濃化が促進され、一次粒子表面のニッケルの割合が低くなる。そのため、一次粒子の表面近傍の結晶構造の変化が低減される。 Aluminum in the composition formula (1) does not form a concentrated layer on the surface of the primary particles, and is uniformly solid-solved inside the primary particles. When aluminum is used, the surface concentration of M1 is rather promoted, and the proportion of nickel on the surface of the primary particles is lowered. Therefore, changes in the crystal structure near the surface of the primary particles are reduced.

組成式(1)におけるアルミニウムの係数fは、0を超え0.04未満とする。アルミニウムが添加されていると、上述のように正極活物質の表面近傍の結晶構造がより安定になり、良好な充放電サイクル特性を得ることができる。一方、アルミニウムが過剰であると、ニッケル等の他の遷移金属の割合が低くなり、放電容量が低くなったり、マンガンによる結晶構造を安定化させる効果が低くなって充放電サイクル特性が低下したりする虞がある。アルミニウムの係数fは、0.01以上0.04未満であることが好ましく、0.01以上0.02以下であることがより好ましい。fが0.01以上であると、一次粒子表面のM1の割合が高くなり、その結果一次粒子表面のニッケルの割合が低くなり、一次粒子の表面近傍の結晶構造変化が低減される。一方、fが0.04未満であると、ニッケル等の他の遷移金属の割合を十分保つことができ、高い放電容量を得ることができる。そのため、より欠陥が少ない層状構造が形成されて、高い放電容量や充放電サイクル特性を得ることができる。 The coefficient f of aluminum in the composition formula (1) is more than 0 and less than 0.04. When aluminum is added, the crystal structure near the surface of the positive electrode active material becomes more stable as described above, and good charge / discharge cycle characteristics can be obtained. On the other hand, if the amount of aluminum is excessive, the ratio of other transition metals such as nickel becomes low, the discharge capacity becomes low, and the effect of stabilizing the crystal structure by manganese becomes low, and the charge / discharge cycle characteristics deteriorate. There is a risk of The coefficient f of aluminum is preferably 0.01 or more and less than 0.04, and more preferably 0.01 or more and 0.02 or less. When f is 0.01 or more, the proportion of M1 on the surface of the primary particle is high, and as a result, the proportion of nickel on the surface of the primary particle is low, and the change in crystal structure near the surface of the primary particle is reduced. On the other hand, when f is less than 0.04, the ratio of other transition metals such as nickel can be sufficiently maintained, and a high discharge capacity can be obtained. Therefore, a layered structure with fewer defects is formed, and high discharge capacity and charge / discharge cycle characteristics can be obtained.

組成式(1)におけるM1の係数eとアルミニウムの係数fの和e+fは、0を超え0.08未満とする。M1とアルミニウムが過剰であると、ニッケル等の他の遷移金属の割合が低くなり、放電容量が低くなったり、マンガンによる結晶構造を安定化させる効果が低くなって充放電サイクル特性が低下する虞がある。また、M1の係数eとアルミニウムの係数fの比e/fは、0.5以上5以下であることが好ましい。e/fが0.5以上であるとM1の係数eが相対的に高くなり、一次粒子の表面のM1の割合を高くでき、好ましい。e/fが5以下であるとアルミニウムの係数fが相対的に高くなり、アルミニウム添加によるM1の表面濃化を促進する効果が得られ、好ましい。また、e/fは1.0以上3以下であることがより好ましい。e/fが1.0以上3以下であると、一次粒子同士の界面におけるM1の原子濃度D1が高くなり、その結果、一次粒子表面のニッケルの割合が低くなり、充放電サイクル特性が良好となる。 The sum e + f of the coefficient e of M1 and the coefficient f of aluminum in the composition formula (1) is more than 0 and less than 0.08. If M1 and aluminum are excessive, the ratio of other transition metals such as nickel becomes low, the discharge capacity becomes low, and the effect of stabilizing the crystal structure by manganese becomes low, and the charge / discharge cycle characteristics may deteriorate. There is. Further, the ratio e / f of the coefficient e of M1 and the coefficient f of aluminum is preferably 0.5 or more and 5 or less. When e / f is 0.5 or more, the coefficient e of M1 becomes relatively high, and the ratio of M1 on the surface of the primary particles can be increased, which is preferable. When e / f is 5 or less, the coefficient f of aluminum becomes relatively high, and the effect of promoting the surface concentration of M1 due to the addition of aluminum can be obtained, which is preferable. Further, the e / f is more preferably 1.0 or more and 3 or less. When e / f is 1.0 or more and 3 or less, the atomic concentration D1 of M1 at the interface between the primary particles becomes high, and as a result, the proportion of nickel on the surface of the primary particles becomes low, and the charge / discharge cycle characteristics are good. Become.

組成式(1)におけるαは、-0.2を超え0.2未満とする。αは、化学量論比のLi(Ni,Co,Mn,M1, Al)Oに対する酸素の過不足を表している。αが前記の数値範囲であれば、結晶構造の欠陥が少ない状態であり、適切な結晶構造により、高い放電容量、良好な充放電サイクル特性を得ることができる。なお、αの値は、不活性ガス融解-赤外線吸収法によって測定することができる。 Α in the composition formula (1) is more than −0.2 and less than 0.2. α represents the excess or deficiency of oxygen with respect to Li (Ni, Co, Mn, M1, Al) O 2 in the stoichiometric ratio. When α is in the above numerical range, there are few defects in the crystal structure, and a high discharge capacity and good charge / discharge cycle characteristics can be obtained by an appropriate crystal structure. The value of α can be measured by the Infrared gas melting-infrared absorption method.

(二次粒子)
正極活物質の一次粒子の平均粒径は、0.05μm以上2μm以下であることが好ましい。正極活物質の一次粒子の平均粒径を2μm以下とすることで、正極活物質の反応場を確保でき、高い放電容量が得られる。より好ましくは1.5μm以下、さらに好ましくは1.0μm以下である。また、正極活物質の二次粒子の平均粒径は、例えば、3μm以上かつ50μm以下であることが好ましい。
(Secondary particles)
The average particle size of the primary particles of the positive electrode active material is preferably 0.05 μm or more and 2 μm or less. By setting the average particle size of the primary particles of the positive electrode active material to 2 μm or less, the reaction field of the positive electrode active material can be secured and a high discharge capacity can be obtained. It is more preferably 1.5 μm or less, still more preferably 1.0 μm or less. Further, the average particle size of the secondary particles of the positive electrode active material is preferably, for example, 3 μm or more and 50 μm or less.

正極活物質の二次粒子(造粒体)は、後述する正極活物質の製造方法によって製造された一次粒子を、乾式造粒又は湿式造粒によって造粒することによって二次粒子化することができる。造粒手段としては、例えば、スプレードライヤーや転動流動層装置等の造粒機を利用することができる。 The secondary particles (granulators) of the positive electrode active material can be made into secondary particles by granulating the primary particles produced by the method for producing the positive electrode active material described later by dry granulation or wet granulation. can. As the granulation means, for example, a granulator such as a spray dryer or a rolling fluidized bed device can be used.

組成式(1)で表されるリチウム遷移金属複合酸化物は、BET比表面積が、好ましくは0.1m/g以上、より好ましくは0.2m/g以上、更に好ましくは0.3m/g以上である。また、BET比表面積が、好ましくは1.5m/g以下、より好ましくは1.2m/g以下である。BET比表面積が0.1m/g以上であると、成形密度や正極活物質の充填率が十分に高い正極を得ることができる。また、BET比表面積が1.5m/g以下であると、リチウム遷移金属複合酸化物の加圧成形時や充放電に伴う体積変化時に、破壊、変形、粒子の脱落等を生じ難くなると共に、細孔による結着剤の吸い上げを抑制することができる。そのため、正極活物質の塗工性や密着性が良好になり、高い放電容量、良好な充放電サイクル特性を得ることができる。 The lithium transition metal composite oxide represented by the composition formula (1) has a BET specific surface area of preferably 0.1 m 2 / g or more, more preferably 0.2 m 2 / g or more, still more preferably 0.3 m 2 . / G or more. The BET specific surface area is preferably 1.5 m 2 / g or less, more preferably 1.2 m 2 / g or less. When the BET specific surface area is 0.1 m 2 / g or more, a positive electrode having a sufficiently high molding density and filling rate of the positive electrode active material can be obtained. Further, when the BET specific surface area is 1.5 m 2 / g or less, fracture, deformation, falling off of particles, etc. are less likely to occur at the time of pressure molding of the lithium transition metal composite oxide or at the time of volume change due to charge / discharge. , It is possible to suppress the suction of the binder by the pores. Therefore, the coatability and adhesion of the positive electrode active material are improved, and high discharge capacity and good charge / discharge cycle characteristics can be obtained.

(二次粒子を構成する一次粒子)
本発明の実施形態の正極活物質は、リチウム遷移金属複合酸化物の複数の一次粒子が凝集した二次粒子を含み、二次粒子の内部は、複数の一次粒子同士が界面(表面)を介して隣接し合って構成されている。但し、全ての一次粒子同士が界面を形成しているものではなく、多くの一次粒子同士が界面を形成していることでよい。この二次粒子内部の一次粒子において、その界面(一次粒子の表面と言ってもよい)におけるM1の原子濃度D1(at%)とAlの原子濃度D2(at%)と、前記一次粒子の中央部における、M1の原子濃度D3(at%)とAlの原子濃度D4(at%)とが、D1>D3であり、かつ、D1/D3 > D2/D4の関係を満たすことがよい。つまり、M1は表面に濃化し、一方のアルミニウムは、粒子内部に均一固溶したものであると言える。ここで、M1の原子濃度D1、D3は(M1/(Ni+Co+Mn+M1+Al))、アルミニウムの原子濃度D2、D4は(Al/(Ni+Co+Mn+M1+Al)で表され、EDX等で確認することができる。尚、このM1が表面濃化され、かつ、アルミニウムが均一固溶した一次粒子は、二次粒子の表面に位置する一次粒子を除いた一次粒子であることが肝要であり、内部の一次粒子の個数のうち少なくとも50%以上、好ましくは70%以上、より好ましくは100%のM1が表面濃化し、かつ、アルミニウムが均一固溶した一次粒子であることが良い。
(Primary particles that make up secondary particles)
The positive electrode active material of the embodiment of the present invention contains secondary particles in which a plurality of primary particles of a lithium transition metal composite oxide are aggregated, and inside the secondary particles, a plurality of primary particles are interposed at an interface (surface). It is configured to be adjacent to each other. However, not all the primary particles form an interface, but many primary particles may form an interface. In the primary particle inside the secondary particle, the atomic concentration D1 (at%) of M1 and the atomic concentration D2 (at%) of Al at the interface (which may be said to be the surface of the primary particle) and the center of the primary particle. It is preferable that the atomic concentration D3 (at%) of M1 and the atomic concentration D4 (at%) of Al in the part satisfy the relationship of D1> D3 and D1 / D3> D2 / D4. That is, it can be said that M1 is concentrated on the surface and aluminum is uniformly dissolved inside the particles. Here, the atomic concentrations D1 and D3 of M1 are represented by (M1 / (Ni + Co + Mn + M1 + Al)), and the atomic concentrations D2 and D4 of aluminum are represented by (Al / (Ni + Co + Mn + M1 + Al)), which can be confirmed by EDX or the like. It is important that the primary particles whose surface is enriched and whose aluminum is uniformly solidified are the primary particles excluding the primary particles located on the surface of the secondary particles, and at least among the number of internal primary particles. It is preferable that the primary particles have 50% or more, preferably 70% or more, more preferably 100% M1 surface-concentrated, and aluminum is uniformly and solidly dissolved.

二次粒子の表面だけでなく二次粒子内部の個々の一次粒子においても表面濃化層があることが効果的である。M1が濃化した層は、極薄くても相対的にNiの割合が低下するため、表面近傍の結晶構造がより安定になり、良好な充放電サイクル特性を得ることに繋がる。また、M1の濃化層が二次粒子表面だけにある場合は、二次粒子内部に浸透した電解液が接触すると、一次粒子表面から結晶構造の劣化が始まり、充放電サイクル特性が低下する要因となるからである。一次粒子の表層にM1が濃化した層が存在することを示す指標として、一次粒子の表面におけるM1の濃度D1を用いる。なお、一次粒子の中央部とは、一次粒子の平均粒子径をrとしたとき、一次粒子の表面から一次粒子の中央部に向かって0.2r以上の深さである範囲とする。 It is effective to have a surface-concentrated layer not only on the surface of the secondary particles but also on the individual primary particles inside the secondary particles. Even if the layer in which M1 is concentrated is extremely thin, the proportion of Ni is relatively low, so that the crystal structure near the surface becomes more stable, which leads to obtaining good charge / discharge cycle characteristics. Further, when the concentrated layer of M1 is present only on the surface of the secondary particles, when the electrolytic solution permeating the inside of the secondary particles comes into contact, the crystal structure starts to deteriorate from the surface of the primary particles, and the charge / discharge cycle characteristics deteriorate. Because it becomes. As an index indicating the existence of a layer in which M1 is concentrated on the surface layer of the primary particles, the concentration D1 of M1 on the surface of the primary particles is used. The central portion of the primary particle is a range having a depth of 0.2 r or more from the surface of the primary particle toward the central portion of the primary particle when the average particle diameter of the primary particle is r.

M1の原子濃度D1、D3は、D1>(100×e)≧D3であることが好ましい。D1>(100×e)であると、一次粒子の表面近傍において、M1が一次粒子内で均一に分布しているときの濃度より高いので、相対的に一次粒子の表面のNi割合が低下する。よって、表面近傍の結晶構造がより安定になり、良好な充放電サイクル特性を得ることができる。また、D1>(3.5×(100×e)であることが、さらに好ましい。表面のNi割合がより低下する。一方、(100×e)≧D3であると、一次粒子の中央部において、M1が一次粒子内で均一に分布しているときの濃度と同等、または、より低いので、M1が中央部以外、例えば表面近傍で濃化層を形成していると考えられる。また、D3>(100×e/4)であると、一次粒子の表面近傍だけでなく中央部までM1が拡散して存在するため、充放電サイクルにおけるLiの挿入脱離に伴う結晶構造の膨張収縮に表面近傍と中央部で大きな差が生じず、良好な充放電サイクル特性を得ることができる。 It is preferable that the atomic concentrations D1 and D3 of M1 are D1> (100 × e) ≧ D3. When D1> (100 × e), the concentration of M1 in the vicinity of the surface of the primary particles is higher than that when M1 is uniformly distributed in the primary particles, so that the Ni ratio on the surface of the primary particles is relatively low. .. Therefore, the crystal structure near the surface becomes more stable, and good charge / discharge cycle characteristics can be obtained. Further, it is more preferable that D1> (3.5 × (100 × e). The Ni ratio on the surface is further reduced. On the other hand, when (100 × e) ≧ D3, in the central portion of the primary particles. , M1 is equal to or lower than the concentration when it is uniformly distributed in the primary particles, so it is considered that M1 forms a concentrated layer other than the central portion, for example, near the surface. > (100 × e / 4), M1 is diffused not only near the surface of the primary particles but also to the central part, so that the surface expands and contracts due to the insertion and desorption of Li in the charge / discharge cycle. Good charge / discharge cycle characteristics can be obtained without a large difference between the vicinity and the center.

また、M1の原子濃度D1、D3は、D1がD3の3.5倍以上であることが好ましい。D1がD3の3.5倍以上であれば、一次粒子の表面近傍にM1が十分濃化された状態となり、相対的に一次粒子の表面近傍のNi割合が低下する。そのため、前記表面近傍の結晶構造がより安定になり、良好な充放電サイクル特性を得ることができる。より好ましくは、D1がD3の3.7倍以上である。また、D1はD3の30倍以下であることがより好ましい。D1と3の差が大きすぎると、相対的にNi,Co,Mn, Alが、一次粒子の表面と一次粒子の中央部で大きな濃度差が生じる。そのため、充放電サイクルにおけるLiの挿入脱離に伴う結晶構造の膨張収縮に表面近傍と中央部で大きな差が生じ、M1の濃化層が膨張収縮の差で孤立する恐れがある。 Further, it is preferable that the atomic concentrations D1 and D3 of M1 are 3.5 times or more that of D1. When D1 is 3.5 times or more that of D3, M1 is sufficiently concentrated in the vicinity of the surface of the primary particles, and the proportion of Ni in the vicinity of the surface of the primary particles is relatively reduced. Therefore, the crystal structure near the surface becomes more stable, and good charge / discharge cycle characteristics can be obtained. More preferably, D1 is 3.7 times or more that of D3. Further, it is more preferable that D1 is 30 times or less of D3. If the difference between D1 and 3 is too large, a relatively large difference in concentration of Ni, Co, Mn, and Al occurs between the surface of the primary particle and the central portion of the primary particle. Therefore, there is a large difference in the expansion and contraction of the crystal structure due to the insertion and desorption of Li in the charge / discharge cycle between the vicinity of the surface and the central portion, and the concentrated layer of M1 may be isolated due to the difference in expansion and contraction.

また、Co,Mn, Alについては、それぞれ一次粒子の表面と一次粒子の中央部における濃度差が、M1の濃度差と比較して小さいことが好ましい。一次粒子の表面と一次粒子の中央部におけるCo、Mn、Alの濃度差がそれぞれM1の濃度差と比較して小さければ、Liの挿入脱離に伴う結晶構造の膨張収縮に表面近傍と中央部で大きな差が生じることがない。よって、良好な充放電サイクル特性が得られる。 Further, for Co, Mn, and Al, it is preferable that the concentration difference between the surface of the primary particle and the central portion of the primary particle is smaller than the concentration difference of M1. If the concentration difference of Co, Mn, and Al between the surface of the primary particle and the central part of the primary particle is small compared to the concentration difference of M1, the expansion and contraction of the crystal structure due to the insertion and desorption of Li will cause the expansion and contraction of the crystal structure near the surface and the central part. Does not make a big difference. Therefore, good charge / discharge cycle characteristics can be obtained.

正極活物質の粒子の平均組成は、高周波誘導結合プラズマ(Inductively Coupled Plasma;ICP)、原子吸光分析(Atomic Absorption Spectrometry;AAS)等によって確認することができる。正極活物質の一次粒子におけるM1、アルミニウムの原子濃度は、断面加工した正極活物質を用い、走査型透過電子顕微鏡(Scanning Transmission Electron Microscopy;STEM)およびエネルギー分散型X線分析(Energy dispersive X-ray spectrometry;EDX)を用いてNi,Co,Mn,M1, Alの各元素の濃度を定量分析できる。 The average composition of the particles of the positive electrode active material can be confirmed by high frequency inductively coupled plasma (ICP), atomic absorption spectroscopy (AAS) and the like. The atomic concentrations of M1 and aluminum in the primary particles of the positive electrode active material are determined by using a cross-sectional processed positive electrode active material, using a scanning transmission electron microscope (STEM) and energy dispersive X-ray. Atomism; EDX) can be used to quantitatively analyze the concentrations of each element of Ni, Co, Mn, M1, and Al.

<正極活物質の製造方法>
本実施形態に係る正極活物質は、リチウム遷移金属複合酸化物が組成式(1)で表される化学組成となるような原料比の下、適切な焼成条件によって、リチウムと、ニッケル、コバルト等との合成反応を確実に進行させることにより製造できる。本発明の実施形態に係る正極活物質の製造方法を、以下に説明する。
<Manufacturing method of positive electrode active material>
The positive electrode active material according to the present embodiment includes lithium, nickel, cobalt, etc. under appropriate firing conditions under a raw material ratio such that the lithium transition metal composite oxide has a chemical composition represented by the composition formula (1). It can be produced by surely advancing the synthetic reaction with. A method for producing a positive electrode active material according to an embodiment of the present invention will be described below.

本実施形態に係るリチウムイオン二次電池用正極活物質の製造方法は造粒工程または共沈工程のいずれかにより造粒体を得る工程と、前記造粒体を酸化性雰囲気下で焼成する焼成工程とを含む。なお、これらの工程以外の工程が加わっても良い。例えば、前記造粒体と炭酸リチウムや水酸化リチウムとを混合する混合が加わっても良い。また、焼成工程で得られた正極活物質に水酸化リチウムや炭酸リチウムが多く残留している場合は、正極を作製するための合剤塗工工程において、スラリー状の電極合剤がゲル化するため、焼成工程に引き続き、水洗工程及び乾燥工程を追加して、残留している水酸化リチウムや炭酸リチウムを低減させることができる。なお、水洗および乾燥工程を追加する場合は、水洗および乾燥工程後に得られた正極活物質において、組成式(1)を満たすものとする。焼成工程で終了する場合は、焼成工程後に得られた正極活物質において、組成式(1)を満たすものとする。なぜならaに関しては、電池に使用する状態における正極活物質での値が重要であるからである。 The method for producing the positive electrode active material for a lithium ion secondary battery according to the present embodiment includes a step of obtaining a granulated body by either a granulation step or a co-precipitation step, and firing in which the granulated body is fired in an oxidizing atmosphere. Including the process. In addition, steps other than these steps may be added. For example, a mixture of the granulated product and lithium carbonate or lithium hydroxide may be added. In addition, when a large amount of lithium hydroxide or lithium carbonate remains in the positive electrode active material obtained in the firing step, the slurry-like electrode mixture gels in the mixture coating step for producing the positive electrode. Therefore, it is possible to reduce residual lithium hydroxide and lithium carbonate by adding a washing step and a drying step following the firing step. When the washing and drying steps are added, the positive electrode active material obtained after the washing and drying steps shall satisfy the composition formula (1). When the process is completed in the firing step, the positive electrode active material obtained after the firing step shall satisfy the composition formula (1). This is because, with respect to a, the value of the positive electrode active material in the state of being used for the battery is important.

造粒体を造粒工程により得る場合は、造粒工程の前に、原料混合工程を行う。リチウムを含む化合物と組成式(1)中のLi以外の金属元素を含む化合物とを混合しても良いし、組成式(1)中のLi以外の金属元素を含む化合物のみを混合しても良い。Liをより均一に分散させるという観点からは、リチウムを含む化合物と組成式(1)中のLi以外の金属元素を含む化合物とを混合することが好ましい。例えば、これらの原料をそれぞれ秤量し、粉砕及び混合することにより、原料が均一に混和した粉末状の混合物を得ることができる。原料を粉砕する粉砕機としては、例えば、ボールミル、ビーズミル、ジェットミル、ロッドミル、サンドミル等の一般的な精密粉砕機を用いることができる。原料の粉砕は、乾式粉砕としてもよいし、湿式粉砕としてもよい。乾式粉砕の後、水等の溶媒を加えて原料と溶媒から構成されるスラリーとしてもよいし、予め原料に水等の溶媒を加えてスラリー化してから湿式粉砕してもよい。平均粒径0.3μm以下の均一で微細な粉末を得る観点からは、水等の媒体を使用した湿式粉砕を行うことがより好ましい。また、原料を均一に分散させることが好ましく、例えば湿式混合においては分散剤を用いてスラリー中の原料の分散性を向上させるとよい。原料の分散性が向上すると、M1の濃化層の厚さにムラがなくなるので好ましい。分散剤は、ポリカルボン酸系、ウレタン系、アクリル樹脂系を用いることができ、アクリル樹脂系が好ましい。分散剤の添加量はスラリーの粘度を調整するため任意に加えることができる。 When the granulated material is obtained by the granulation step, the raw material mixing step is performed before the granulation step. The compound containing lithium and the compound containing a metal element other than Li in the composition formula (1) may be mixed, or only the compound containing a metal element other than Li in the composition formula (1) may be mixed. good. From the viewpoint of more uniformly dispersing Li, it is preferable to mix the compound containing lithium with the compound containing a metal element other than Li in the composition formula (1). For example, by weighing each of these raw materials, pulverizing and mixing them, a powdery mixture in which the raw materials are uniformly mixed can be obtained. As the crusher for crushing the raw material, for example, a general precision crusher such as a ball mill, a bead mill, a jet mill, a rod mill, or a sand mill can be used. The raw material may be pulverized by dry pulverization or wet pulverization. After dry pulverization, a solvent such as water may be added to form a slurry composed of a raw material and a solvent, or a solvent such as water may be added to the raw material in advance to form a slurry and then wet pulverization may be performed. From the viewpoint of obtaining a uniform and fine powder having an average particle size of 0.3 μm or less, it is more preferable to perform wet pulverization using a medium such as water. Further, it is preferable to uniformly disperse the raw materials, and for example, in wet mixing, it is preferable to use a dispersant to improve the dispersibility of the raw materials in the slurry. When the dispersibility of the raw material is improved, the thickness of the concentrated layer of M1 becomes uneven, which is preferable. As the dispersant, a polycarboxylic acid-based, urethane-based, or acrylic resin-based dispersant can be used, and an acrylic resin-based dispersant is preferable. The amount of the dispersant added can be arbitrarily added in order to adjust the viscosity of the slurry.

造粒工程は、前記原料混合工程で得られた混合物を造粒して粒子同士が凝集した二次粒子(造粒体)を得る。混合物の造粒は、乾式造粒及び湿式造粒のいずれを利用して行ってもよい。混合物の造粒には、例えば、転動造粒法、流動層造粒法、圧縮造粒法、噴霧造粒法等の適宜の造粒法を用いることができる。
混合物を造粒する造粒法としては、噴霧造粒法が特に好ましい。噴霧造粒機としては、2流体ノズル式、4流体ノズル式、ディスク式等の各種の方式を用いることができる。噴霧造粒法であれば、湿式粉砕によって精密混合粉砕したスラリーを、乾燥しながら造粒させることができる。また、スラリーの濃度、噴霧圧、ディスク回転数等の調整によって、二次粒子の粒径を所定範囲に精密に制御することが可能であり、真球に近く、化学組成が均一な造粒体を効率的に得ることができる。造粒工程では、混合工程で得られた混合物を平均粒径(D50)が3μm以上50μm以下となるように造粒することが好ましい。本実施形態において、より好ましい造粒体の二次粒子は平均粒径(D50)が5μm以上20μm以下である。
In the granulation step, the mixture obtained in the raw material mixing step is granulated to obtain secondary particles (granulated bodies) in which the particles are aggregated with each other. Granulation of the mixture may be carried out by using either dry granulation or wet granulation. For granulation of the mixture, for example, an appropriate granulation method such as a rolling granulation method, a fluidized bed granulation method, a compression granulation method, or a spray granulation method can be used.
As the granulation method for granulating the mixture, the spray granulation method is particularly preferable. As the spray granulator, various methods such as a two-fluid nozzle type, a four-fluid nozzle type, and a disk type can be used. If it is a spray granulation method, a slurry that has been precisely mixed and pulverized by wet pulverization can be granulated while being dried. In addition, it is possible to precisely control the particle size of secondary particles within a predetermined range by adjusting the concentration of slurry, spray pressure, disk rotation speed, etc., and it is a granulated body that is close to a true sphere and has a uniform chemical composition. Can be obtained efficiently. In the granulation step, it is preferable to granulate the mixture obtained in the mixing step so that the average particle size (D50) is 3 μm or more and 50 μm or less. In the present embodiment, the secondary particles of the granulated body having an average particle size (D50) of 5 μm or more and 20 μm or less are more preferable.

造粒体を共沈工程により得る場合は、Ni,Co,Mn, M1, Alを含む水溶液のpHを調整することにより共沈体を得ればよい。尚、Ni, Co, Mn, M1, Alを全て一括で共沈させてもよいし、Ni,Co,Mn, M1, Alのうちの一種以上を共沈(沈降)させた後に、その他の元素を同時または各々の元素を別々に共沈体の表面に沈降(共沈)させても構わない。 When the granulated body is obtained by the coprecipitation step, the coprecipitated body may be obtained by adjusting the pH of the aqueous solution containing Ni, Co, Mn, M1 and Al. It should be noted that Ni, Co, Mn, M1 and Al may all be coprecipitated at once, or one or more of Ni, Co, Mn, M1 and Al may be coprecipitated (precipitated) and then other elements. May be simultaneously or individually settled (coprecipitated) on the surface of the coprecipitate.

造粒工程において組成式(1)中のLi以外の金属元素を含む化合物のみを混合して造粒体を得た場合、および、共沈工程で造粒体を得た場合は、造粒体とリチウム化合物を混合する。造粒体とリチウム化合物の混合は乾式混合によって行うことが出来る。造粒体とリチウム化合物の混合を行う混合機としては、例えばV型混合機、アトライターなどを用いることができる。また、造粒体とリチウム化合物の混合の前に、造粒体を加熱処理しても構わない。造粒体の粒子強度が高くなり、造粒体を壊すことなくリチウム化合物の混合ができる。 When the granulated product is obtained by mixing only the compound containing a metal element other than Li in the composition formula (1) in the granulation step, or when the granulated product is obtained in the co-precipitation step, the granulated product is obtained. And the lithium compound are mixed. The granulation body and the lithium compound can be mixed by drywall mixing. As a mixer for mixing the granulated product and the lithium compound, for example, a V-type mixer, an attritor, or the like can be used. Further, the granulated product may be heat-treated before mixing the granulated product and the lithium compound. The particle strength of the granulated body is increased, and the lithium compound can be mixed without damaging the granulated body.

リチウムを含む化合物としては、例えば、炭酸リチウム、酢酸リチウム、硝酸リチウム、水酸化リチウム、塩化リチウム、硫酸リチウム等が挙げられる。また、炭酸リチウム、水酸化リチウムを用いることが好ましく、焼成工程で生じるガスが水蒸気または炭酸ガスであり、製造装置へのダメージが少なく、工業利用性や実用性に優れている。特に、少なくとも炭酸リチウムを用いることがより好ましく、リチウムを含む原料中、炭酸リチウムを80質量%以上の割合で用いることがより好ましい。炭酸リチウムは、リチウムを含む他の化合物と比較して供給安定性に優れ、安価であるため、容易に入手することができる。また、炭酸リチウムは、弱アルカリ性であるため、製造装置へのダメージが少なく、工業利用性や実用性に優れている。 Examples of the lithium-containing compound include lithium carbonate, lithium acetate, lithium nitrate, lithium hydroxide, lithium chloride, lithium sulfate and the like. Further, it is preferable to use lithium carbonate or lithium hydroxide, and the gas generated in the firing step is steam or carbon dioxide, which causes less damage to the manufacturing apparatus and is excellent in industrial usability and practicality. In particular, it is more preferable to use at least lithium carbonate, and it is more preferable to use lithium carbonate in a proportion of 80% by mass or more in the raw material containing lithium. Lithium carbonate is easily available because it has excellent supply stability and is inexpensive as compared with other compounds containing lithium. Further, since lithium carbonate is weakly alkaline, there is little damage to the manufacturing equipment, and it is excellent in industrial usability and practicality.

Li以外の金属元素を含む化合物としては、炭酸塩、水酸化物、オキシ水酸化物、酢酸塩、クエン酸塩、酸化物等のC、H、O、Nで組成された化合物が好ましく用いられる。粉砕の容易性や、熱分解によるガスの放出量の観点からは、炭酸塩、水酸化物、又は、酸化物が特に好ましい。また、硫酸塩を用いても構わない。水などの溶媒に容易に溶解し、好ましい。 As the compound containing a metal element other than Li, a compound composed of C, H, O, N such as carbonate, hydroxide, oxyhydroxide, acetate, citrate, and oxide is preferably used. .. Carbonates, hydroxides, or oxides are particularly preferable from the viewpoint of ease of pulverization and the amount of gas released by thermal decomposition. Further, a sulfate may be used. It dissolves easily in a solvent such as water and is preferable.

焼成前駆体に含まれるリチウムの原子濃度(モル数)と、リチウム以外の金属元素の合計の原子濃度(モル数)との原子濃度比(モル比)は、化学量論比のとおり、略1:1で反応させることが望ましい。遷移金属サイトを占有する2価のニッケルの割合が高く、リチウムイオンの挿入や脱離に伴う格子歪みないし結晶構造変化が低減されたリチウム遷移金属複合酸化物を得られる。また、焼成前駆体に含まれるリチウムの原子濃度(モル数)と、リチウム以外の金属元素の合計の原子濃度(モル数)との原子濃度比(モル比)は、より好ましくは0.98以上1.07以下である。但し、焼成時、焼成前駆体に含まれているリチウムが焼成用容器と反応したり、揮発したりする可能性がある。リチウムの一部が、焼成用容器との反応や、焼成時の蒸発によって滅失することを考慮し、仕込み時に、リチウムを過剰に加えておくことは妨げない。 The atomic concentration ratio (molar ratio) between the atomic concentration (number of moles) of lithium contained in the firing precursor and the total atomic concentration (number of moles) of metal elements other than lithium is approximately 1 according to the chemical quantity theory ratio. It is desirable to react at a ratio of 1. A lithium transition metal composite oxide can be obtained in which the proportion of divalent nickel occupying the transition metal site is high and the lattice distortion or crystal structure change due to the insertion or desorption of lithium ions is reduced. Further, the atomic concentration ratio (molar ratio) between the atomic concentration (number of moles) of lithium contained in the firing precursor and the total atomic concentration (number of moles) of metal elements other than lithium is more preferably 0.98 or more. It is 1.07 or less. However, at the time of firing, lithium contained in the firing precursor may react with the firing container or volatilize. Considering that a part of lithium is lost due to the reaction with the firing container and evaporation during firing, it is not hindered to add excessive lithium at the time of charging.

焼成工程では、造粒体を熱処理して組成式(1)で表されるリチウム遷移金属複合酸化物を焼成する。焼成工程は、熱処理温度が一定の範囲に制御される一段の熱処理で行ってもよいし、熱処理温度が互いに異なる範囲に制御される複数段の熱処理で行ってもよい。但し、結晶の純度が高く、高い放電容量、良好なレート特性や充放電サイクル特性を示すリチウム遷移金属複合酸化物を得る観点からは、第1熱処理工程と、第2熱処理工程とを含むことが好ましく、第1熱処理工程と第2熱処理工程の条件を満たすことが肝要である。 In the firing step, the granulated body is heat-treated to fire the lithium transition metal composite oxide represented by the composition formula (1). The firing step may be performed by a one-stage heat treatment in which the heat treatment temperature is controlled within a certain range, or may be performed by a plurality of stages of heat treatment in which the heat treatment temperatures are controlled in different ranges. However, from the viewpoint of obtaining a lithium transition metal composite oxide having high crystal purity, high discharge capacity, good rate characteristics and charge / discharge cycle characteristics, the first heat treatment step and the second heat treatment step may be included. Preferably, it is important to satisfy the conditions of the first heat treatment step and the second heat treatment step.

第1熱処理工程は、酸化性雰囲気下で400℃以上750℃未満の熱処理温度で、2時間以上50時間以下にわたって熱処理して第1前駆体を得る。第1熱処理工程は、リチウム化合物とニッケル化合物等との反応により、水分または炭酸成分を除去すると共に、リチウム遷移金属複合酸化物の結晶を生成させることを主な目的とする。焼成前駆体中のニッケルを十分に酸化させて、リチウムサイトにニッケルが混入するカチオンミキシングを抑制し、ニッケルによる立方晶ドメインの生成を抑制する。また、リチウムイオンの挿入や脱離に伴う格子歪みないし結晶構造変化を小さくするために、マンガンを十分に酸化させて、MeO2で構成される層の組成の均一性を高くし、イオン半径が大きい2価のニッケルの割合を増加させる。 In the first heat treatment step, a first precursor is obtained by heat treatment in an oxidizing atmosphere at a heat treatment temperature of 400 ° C. or higher and lower than 750 ° C. for 2 hours or more and 50 hours or less. The main purpose of the first heat treatment step is to remove water or carbon dioxide components by reacting a lithium compound with a nickel compound or the like, and to form crystals of a lithium transition metal composite oxide. Nickel in the calcination precursor is sufficiently oxidized to suppress cation mixing in which nickel is mixed in lithium sites, and to suppress the formation of cubic domains by nickel. Further, in order to reduce the lattice distortion or crystal structure change due to the insertion and desorption of lithium ions, manganese is sufficiently oxidized to increase the uniformity of the composition of the layer composed of MeO2, and the ionic radius is large. Increase the proportion of divalent nickel.

第2熱処理工程では、第1熱処理工程で得られた第1前駆体を700℃以上900℃以下の熱処理温度で、2時間以上100時間以下にわたって熱処理してリチウム遷移金属複合酸化物を得る。第2熱処理工程は、層状構造を有するリチウム遷移金属複合酸化物の結晶粒を、適切な粒径や比表面積まで粒成長させることを主な目的とする。 In the second heat treatment step, the first precursor obtained in the first heat treatment step is heat-treated at a heat treatment temperature of 700 ° C. or higher and 900 ° C. or lower for 2 hours or more and 100 hours or less to obtain a lithium transition metal composite oxide. The main purpose of the second heat treatment step is to grow the crystal grains of the lithium transition metal composite oxide having a layered structure to an appropriate particle size and specific surface area.

第2熱処理工程において、熱処理温度が700℃以上であれば、ニッケルを十分に酸化させてカチオンミキシングを抑制しつつ、リチウム遷移金属複合酸化物の結晶粒を適切な粒径や比表面積に成長させることができる。また、マンガンを十分に酸化させて、2価のニッケルの割合を高くすることができる。a軸の格子定数が大きく、リチウムイオンの挿入や脱離に伴う格子歪みないし結晶構造変化が低減されている主相が形成されるため、高い放電容量、良好な充放電サイクル特性や出力特性を得ることができる。また、熱処理温度が900℃以下であれば、リチウムが揮発し難く、層状構造が分解し難いため、結晶の純度が高く、放電容量、充放電サイクル特性等が良好なリチウム遷移金属複合酸化物を得ることができる。 In the second heat treatment step, if the heat treatment temperature is 700 ° C. or higher, nickel is sufficiently oxidized to suppress cation mixing, and the crystal grains of the lithium transition metal composite oxide are grown to an appropriate particle size and specific surface area. be able to. In addition, manganese can be sufficiently oxidized to increase the proportion of divalent nickel. A main phase is formed in which the lattice constant of the a-axis is large and the lattice distortion or crystal structure change due to the insertion and desorption of lithium ions is reduced, resulting in high discharge capacity, good charge / discharge cycle characteristics and output characteristics. Obtainable. Further, when the heat treatment temperature is 900 ° C. or lower, lithium is hard to volatilize and the layered structure is hard to be decomposed. Therefore, a lithium transition metal composite oxide having high crystal purity and good discharge capacity and charge / discharge cycle characteristics can be obtained. Obtainable.

焼成工程においては、熱処理の手段として、ロータリーキルン等の回転炉、ローラーハースキルン、トンネル炉、プッシャー炉等の連続炉、バッチ炉等の適宜の熱処理装置を用いることができる。第1熱処理工程、第2熱処理工程を同一の熱処理装置を用いて行ってもよいし、互いに異なる熱処理装置を用いて行ってもよい。 In the firing step, as a means for heat treatment, an appropriate heat treatment device such as a rotary furnace such as a rotary kiln, a continuous furnace such as a roller harsher knives, a tunnel furnace, a pusher furnace, or a batch furnace can be used. The first heat treatment step and the second heat treatment step may be performed using the same heat treatment apparatus, or may be performed using different heat treatment apparatus.

以上の造粒工程または共沈工程、及び、焼成工程を経ることにより、組成式(1)で表されるリチウム遷移金属複合酸化物で構成された正極活物質を製造することができる。M1の分布や、カチオンミキシング量や、比表面積は、主として、熱処理前の前駆体の作製方法、ニッケル等の金属元素の組成比、第1前駆体に残留している未反応の水酸化リチウムや炭酸リチウムの残留量、第2熱処理工程の熱処理温度や熱処理時間の調整によって制御することができる。組成式(1)で表される化学組成において、M1を一次粒子表面に濃化させ、アルミニウムを一次粒子内に均一に固溶させると供に、十分にカチオンミキシングを低減させると、高い放電容量、良好な充放電サイクル特性を示す優れた正極活物質が得られる。 By going through the above granulation step, coprecipitation step, and firing step, a positive electrode active material composed of the lithium transition metal composite oxide represented by the composition formula (1) can be produced. The distribution of M1, the amount of cation mixing, and the specific surface area are mainly determined by the method for producing the precursor before heat treatment, the composition ratio of metal elements such as nickel, and the unreacted lithium hydroxide remaining in the first precursor. It can be controlled by adjusting the residual amount of lithium carbonate, the heat treatment temperature in the second heat treatment step, and the heat treatment time. In the chemical composition represented by the composition formula (1), when M1 is concentrated on the surface of the primary particles, aluminum is uniformly dissolved in the primary particles, and the cation mixing is sufficiently reduced, a high discharge capacity is obtained. , An excellent positive electrode active material showing good charge / discharge cycle characteristics can be obtained.

なお、合成されたリチウム遷移金属複合酸化物は、不純物を除去する目的等から、焼成工程の後に、脱イオン水等によって水洗を施す洗浄工程、洗浄されたリチウム遷移金属複合酸化物を乾燥させる乾燥工程等に供してもよい。また、合成されたリチウム遷移金属複合酸化物を解砕する解砕工程、リチウム遷移金属複合酸化物を所定の粒度に分級する分級工程等に供してもよい。 The synthesized lithium transition metal composite oxide is subjected to a washing step of washing with deionized water or the like after the firing step for the purpose of removing impurities, and drying of the washed lithium transition metal composite oxide. It may be used in a process or the like. Further, it may be subjected to a crushing step of crushing the synthesized lithium transition metal composite oxide, a classification step of classifying the lithium transition metal composite oxide into a predetermined particle size, or the like.

水洗工程では、焼成工程で得られたリチウム遷移金属複合酸化物を水洗する。リチウム遷移金属複合酸化物の水洗は、リチウム遷移金属複合酸化物を水中に浸漬させる方法、リチウム遷移金属複合酸化物に通水する方法等、適宜の方法で行うことができる。リチウム遷移金属複合酸化物を水洗することにより、リチウム遷移金属複合酸化物の表面や表層付近に残留している炭酸リチウム、水酸化リチウム等の残留アルカリ成分を除去することができる。リチウム遷移金属複合酸化物を浸漬する水は、静水であってもよいし、攪拌されてもよい。水としては、脱イオン水、蒸留水等の純水、超純水等を用いることができる。
水洗工程では、リチウム遷移金属複合酸化物を水中に浸漬させる場合、浸漬する水に対するリチウム遷移金属複合酸化物の固形分比を、33質量%以上、且つ、77質量%以下とすることが好ましい。固形分比が33質量%以上であれば、リチウム遷移金属複合酸化物から水に溶出するリチウムの量が少なく抑えられる。そのため、高い放電容量、良好なレートを示す正極活物質を得ることができる。また、固形分比が77質量%以下であれば、粉体の水洗を均一に行えるので、不純物を確実に除去することができる。
リチウム遷移金属複合酸化物を水洗する時間は、20分以下が好ましく、10分以下がより好ましい。水洗する時間が20分以下であれば、リチウム遷移金属複合酸化物から水に溶出するリチウムの量が少なく抑えられる。そのため、高い放電容量、良好な充放電サイクル特性を示す正極活物質を得ることができる。
In the water washing step, the lithium transition metal composite oxide obtained in the firing step is washed with water. The washing of the lithium transition metal composite oxide with water can be carried out by an appropriate method such as a method of immersing the lithium transition metal composite oxide in water or a method of passing water through the lithium transition metal composite oxide. By washing the lithium transition metal composite oxide with water, residual alkaline components such as lithium carbonate and lithium hydroxide remaining on the surface and the vicinity of the surface layer of the lithium transition metal composite oxide can be removed. The water in which the lithium transition metal composite oxide is immersed may be still water or may be agitated. As the water, deionized water, pure water such as distilled water, ultrapure water and the like can be used.
In the washing step, when the lithium transition metal composite oxide is immersed in water, the solid content ratio of the lithium transition metal composite oxide to the immersed water is preferably 33% by mass or more and 77% by mass or less. When the solid content ratio is 33% by mass or more, the amount of lithium eluted from the lithium transition metal composite oxide into water can be suppressed to a small amount. Therefore, a positive electrode active material showing a high discharge capacity and a good rate can be obtained. Further, when the solid content ratio is 77% by mass or less, the powder can be uniformly washed with water, so that impurities can be reliably removed.
The time for washing the lithium transition metal composite oxide with water is preferably 20 minutes or less, more preferably 10 minutes or less. If the washing time with water is 20 minutes or less, the amount of lithium eluted from the lithium transition metal composite oxide into water can be suppressed to a small amount. Therefore, it is possible to obtain a positive electrode active material having a high discharge capacity and good charge / discharge cycle characteristics.

水中に浸漬させたリチウム遷移金属複合酸化物は、適宜の固液分離操作により回収することができる。固液分離の方法としては、例えば、減圧式濾過、加圧式濾過、フィルタープレス、ローラープレス、遠心分離等が挙げられる。水中から固液分離したリチウム遷移金属複合酸化物の水分率は、20質量%以下とすることが好ましく、10質量%以下とすることがより好ましい。このように水分率が低いと、水中に溶出しているリチウム化合物が多量に再析出することが無いため、正極活物質の性能が低下するのを防止できる。固液分離後のリチウム遷移金属複合酸化物の水分率は、例えば、赤外線水分計を用いて測定することができる。 The lithium transition metal composite oxide immersed in water can be recovered by an appropriate solid-liquid separation operation. Examples of the solid-liquid separation method include decompression filtration, pressurization filtration, filter press, roller press, and centrifugation. The water content of the lithium transition metal composite oxide separated from water in solid and liquid is preferably 20% by mass or less, and more preferably 10% by mass or less. When the water content is low as described above, a large amount of the lithium compound eluted in the water does not reprecipitate, so that it is possible to prevent the performance of the positive electrode active material from deteriorating. The moisture content of the lithium transition metal composite oxide after solid-liquid separation can be measured using, for example, an infrared moisture meter.

乾燥工程では、水洗工程で水洗されたリチウム遷移金属複合酸化物を乾燥する。リチウム遷移金属複合酸化物を乾燥させることにより、電解液の成分と反応して電池を劣化させたり、結着剤を変質させて塗工不良を生じたりする水分が除去される。また、水洗工程と乾燥工程を経ることにより、リチウム遷移金属複合酸化物の表面が改質されるため、正極活物質の粉体としての圧縮性が向上する効果が得られる。乾燥の方法としては、例えば、減圧乾燥、加熱乾燥、減圧加熱乾燥等を用いることができる。
乾燥工程における雰囲気は、二酸化炭素を含まない不活性ガス雰囲気、又は、高真空度の減圧雰囲気とする。このような雰囲気であれば、雰囲気中の二酸化炭素や水分との反応により、炭酸リチウムや水酸化リチウムが混入した状態になるのが防止される。
乾燥工程における乾燥温度は、300℃以下が好ましく、80℃以上、且つ、300℃以下がより好ましい。乾燥温度が300℃以下であれば、副反応を抑制して乾燥させることができるため、正極活物質の性能が悪化するのを避けることができる。また、乾燥温度が80℃以上であれば、水分を短時間で十分に除去することができる。乾燥後のリチウム遷移金属複合酸化物の水分率は、500ppm以下であることが好ましく、300ppm以下であることがより好ましく、250ppm以下であることがさらに好ましい。乾燥後のリチウム遷移金属複合酸化物の水分率は、カールフィッシャー法により測定することができる。
In the drying step, the lithium transition metal composite oxide washed with water in the washing step is dried. By drying the lithium transition metal composite oxide, water that reacts with the components of the electrolytic solution to deteriorate the battery or deteriorate the binder to cause poor coating is removed. Further, since the surface of the lithium transition metal composite oxide is modified through the washing step and the drying step, the effect of improving the compressibility of the positive electrode active material as a powder can be obtained. As the drying method, for example, vacuum drying, heat drying, vacuum heat drying and the like can be used.
The atmosphere in the drying step is an inert gas atmosphere that does not contain carbon dioxide or a reduced pressure atmosphere with a high degree of vacuum. In such an atmosphere, it is possible to prevent lithium carbonate and lithium hydroxide from being mixed due to the reaction with carbon dioxide and moisture in the atmosphere.
The drying temperature in the drying step is preferably 300 ° C. or lower, more preferably 80 ° C. or higher, and more preferably 300 ° C. or lower. When the drying temperature is 300 ° C. or lower, side reactions can be suppressed and drying can be performed, so that deterioration of the performance of the positive electrode active material can be avoided. Further, when the drying temperature is 80 ° C. or higher, the water content can be sufficiently removed in a short time. The moisture content of the lithium transition metal composite oxide after drying is preferably 500 ppm or less, more preferably 300 ppm or less, and even more preferably 250 ppm or less. The moisture content of the lithium transition metal composite oxide after drying can be measured by the Karl Fischer method.

乾燥工程では、乾燥条件を変えた2段以上の乾燥処理を行うことが好ましい。具体的には、乾燥工程は、第1乾燥工程と、第2乾燥工程と、を有することが好ましい。このような複数段の乾燥処理を行うと、リチウム遷移金属複合酸化物の粉体表面が急速な乾燥で変質するのを避けることができる。そのため、粉体表面の変質によって乾燥速度が低下するのを防止することができる。 In the drying step, it is preferable to perform two or more stages of drying treatment in which the drying conditions are changed. Specifically, the drying step preferably includes a first drying step and a second drying step. By performing such a plurality of stages of drying treatment, it is possible to avoid deterioration of the powder surface of the lithium transition metal composite oxide due to rapid drying. Therefore, it is possible to prevent the drying speed from being lowered due to the deterioration of the powder surface.

第1乾燥工程では、水洗工程で水洗されたリチウム遷移金属複合酸化物を80℃以上、且つ、100℃以下の乾燥温度で乾燥させる。第1乾燥工程においては、主として恒率乾燥期間の乾燥速度でリチウム遷移金属複合酸化物の粒子表面に存在する大部分の水分が除去される。
第1乾燥工程において、乾燥温度が80℃以上であれば、短時間に大量の水分を除去することができる。また、乾燥温度が100℃以下であれば、高温で生じ易いリチウム遷移金属複合酸化物の粉体表面の変質を抑制することができる。
第1乾燥工程における乾燥時間は、10時間以上、且つ、20時間以下とすることが好ましい。乾燥時間がこの範囲であると、リチウム遷移金属複合酸化物の粉体表面の変質が抑制される比較的低い乾燥温度であっても、リチウム遷移金属複合酸化物の粒子表面に存在する大部分の水分を除去することができる。
In the first drying step, the lithium transition metal composite oxide washed with water in the water washing step is dried at a drying temperature of 80 ° C. or higher and 100 ° C. or lower. In the first drying step, most of the water present on the particle surface of the lithium transition metal composite oxide is removed mainly at the drying rate during the constant drying period.
In the first drying step, if the drying temperature is 80 ° C. or higher, a large amount of water can be removed in a short time. Further, when the drying temperature is 100 ° C. or lower, deterioration of the powder surface of the lithium transition metal composite oxide, which tends to occur at high temperatures, can be suppressed.
The drying time in the first drying step is preferably 10 hours or more and 20 hours or less. When the drying time is in this range, most of the particles present on the particle surface of the lithium transition metal composite oxide are present even at a relatively low drying temperature at which deterioration of the powder surface of the lithium transition metal composite oxide is suppressed. Moisture can be removed.

第2乾燥工程では、第1乾燥工程で乾燥させたリチウム遷移金属複合酸化物を190℃以上、且つ、300℃以下の乾燥温度で乾燥させる。第2乾燥工程S42においては、正極活物質の性能を悪化させる副反応を抑制しつつ、リチウム遷移金属複合酸化物の粒子表層付近に存在する水分を低減し、適正な水分率に乾燥されたリチウム遷移金属複合酸化物を得る。
第2乾燥工程において、乾燥温度が190℃以上であれば、リチウム遷移金属複合酸化物の粒子表層付近に浸透している水分を十分に除去することができる。また、乾燥温度が300℃以下であれば、正極活物質の性能を悪化させる副反応を抑制して乾燥させることができる。
第2乾燥工程における乾燥時間は、10時間以上、且つ、20時間以下とすることが好ましい。乾燥時間がこの範囲であると、正極活物質の性能を悪化させる副反応を抑制して、リチウム遷移金属複合酸化物を十分に低い水分率まで乾燥させることができる。
In the second drying step, the lithium transition metal composite oxide dried in the first drying step is dried at a drying temperature of 190 ° C. or higher and 300 ° C. or lower. In the second drying step S42, the moisture existing in the vicinity of the particle surface layer of the lithium transition metal composite oxide is reduced while suppressing the side reaction that deteriorates the performance of the positive electrode active material, and the lithium is dried to an appropriate moisture content. Obtain a transition metal composite oxide.
In the second drying step, if the drying temperature is 190 ° C. or higher, the water permeating the vicinity of the particle surface layer of the lithium transition metal composite oxide can be sufficiently removed. Further, when the drying temperature is 300 ° C. or lower, side reactions that deteriorate the performance of the positive electrode active material can be suppressed and the drying can be performed.
The drying time in the second drying step is preferably 10 hours or more and 20 hours or less. When the drying time is within this range, side reactions that deteriorate the performance of the positive electrode active material can be suppressed, and the lithium transition metal composite oxide can be dried to a sufficiently low moisture content.

<リチウムイオン二次電池>
次に、前記のリチウム遷移金属複合酸化物を含む正極活物質(リチウムイオン二次電池用正極活物質)を正極に用いたリチウムイオン二次電池について説明する。
図1は、リチウムイオン二次電池の一例を模式的に示す部分断面図である。
図1に示すように、リチウムイオン二次電池100は、非水電解液を収容する有底円筒状の電池缶101と、電池缶101の内部に収容された捲回電極群110と、電池缶101の上部の開口を封止する円板状の電池蓋102と、を備えている。
電池缶101及び電池蓋102は、例えば、ステンレス、アルミニウム等の金属材料によって形成される。正極111は、正極集電体111aと、正極集電体111aの表面に形成された正極合剤層111bと、を備えている。また、負極112は、負極集電体112aと、負極集電体112aの表面に形成された負極合剤層112bと、を備えている。
<Lithium-ion secondary battery>
Next, a lithium ion secondary battery using the positive electrode active material (positive electrode active material for a lithium ion secondary battery) containing the lithium transition metal composite oxide as the positive electrode will be described.
FIG. 1 is a partial cross-sectional view schematically showing an example of a lithium ion secondary battery.
As shown in FIG. 1, the lithium ion secondary battery 100 includes a bottomed cylindrical battery can 101 containing a non-aqueous electrolyte solution, a winding electrode group 110 housed inside the battery can 101, and a battery can. It includes a disk-shaped battery lid 102 that seals the opening at the top of the 101.
The battery can 101 and the battery lid 102 are made of a metal material such as stainless steel or aluminum. The positive electrode 111 includes a positive electrode current collector 111a and a positive electrode mixture layer 111b formed on the surface of the positive electrode current collector 111a. Further, the negative electrode 112 includes a negative electrode current collector 112a and a negative electrode mixture layer 112b formed on the surface of the negative electrode current collector 112a.

正極集電体111aは、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金等の金属箔、エキスパンドメタル、パンチングメタル等によって形成される。正極合剤層111bは、前記のリチウム遷移金属複合酸化物を含む正極活物質を含んでなる。正極合剤層111bは、例えば、正極活物質と、導電材、結着剤等とを混合した正極合剤によって形成される。
負極集電体112aは、銅、銅合金、ニッケル、ニッケル合金等の金属箔、エキスパンドメタル、パンチングメタル等によって形成される。負極合剤層112bは、リチウムイオン二次電池用負極活物質を含んでなる。負極合剤層112bは、例えば、負極活物質と、導電材、結着剤等とを混合した負極合剤によって形成される。
なお、負極活物質、導電材、結着剤などは、一般的なリチウムイオン二次電池に用いられる適宜の種類を用いることができる。
The positive electrode current collector 111a is formed of, for example, a metal foil such as aluminum or an aluminum alloy, an expanded metal, a punching metal, or the like. The positive electrode mixture layer 111b contains a positive electrode active material containing the above-mentioned lithium transition metal composite oxide. The positive electrode mixture layer 111b is formed of, for example, a positive electrode mixture in which a positive electrode active material, a conductive material, a binder, and the like are mixed.
The negative electrode current collector 112a is formed of a metal foil such as copper, a copper alloy, nickel, or a nickel alloy, an expanded metal, a punching metal, or the like. The negative electrode mixture layer 112b contains a negative electrode active material for a lithium ion secondary battery. The negative electrode mixture layer 112b is formed of, for example, a negative electrode mixture in which a negative electrode active material, a conductive material, a binder, and the like are mixed.
As the negative electrode active material, the conductive material, the binder, and the like, an appropriate type used for a general lithium ion secondary battery can be used.

図1に示すように、正極集電体111aは、正極リード片103を介して電池蓋102と電気的に接続される。一方、負極集電体112aは、負極リード片104を介して電池缶101の底部と電気的に接続される。捲回電極群110と電池蓋102との間、及び、捲回電極群110と電池缶101の底部との間には、短絡を防止する絶縁板105が配置される。電池缶101には、内部に非水電解液が注入される。 As shown in FIG. 1, the positive electrode current collector 111a is electrically connected to the battery lid 102 via the positive electrode lead piece 103. On the other hand, the negative electrode current collector 112a is electrically connected to the bottom of the battery can 101 via the negative electrode lead piece 104. An insulating plate 105 for preventing a short circuit is arranged between the winding electrode group 110 and the battery lid 102, and between the winding electrode group 110 and the bottom of the battery can 101. A non-aqueous electrolytic solution is injected into the battery can 101.

このリチウムイオン二次電池100は、円筒形の形態とされているが、リチウムイオン二次電池の形状や電池構造は特に限定されず、例えば、角形、ボタン形、ラミネートシート形等の適宜の形状やその他の電池構造を有していてもよい。
また、本実施形態に係るリチウムイオン二次電池は、各種の用途に使用することができる。用途としては、例えば、携帯電子機器、家庭用電気機器等の小型電源や、電力貯蔵装置、無停電電源装置、電力平準化装置等の定置用電源や、船舶、鉄道車両、ハイブリッド鉄道車両、ハイブリット自動車、電気自動車等の駆動電源等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。前記のリチウム遷移金属複合酸化物は、ニッケルの含有率が高く、高い放電容量を示すのに加え、良好な充放電サイクル特性を示すため、長寿命が要求される車載用等として、特に好適に用いることができる。
The lithium ion secondary battery 100 has a cylindrical shape, but the shape and battery structure of the lithium ion secondary battery are not particularly limited, and for example, an appropriate shape such as a square shape, a button shape, or a laminated sheet shape. And other battery structures.
Further, the lithium ion secondary battery according to this embodiment can be used for various purposes. Applications include small power supplies such as portable electronic devices and household electric devices, stationary power supplies such as power storage devices, uninterruptible power supplies, and power leveling devices, ships, railroad vehicles, hybrid railroad vehicles, and hybrids. Examples include, but are not limited to, drive power sources for automobiles, electric vehicles, and the like. The lithium transition metal composite oxide has a high nickel content and exhibits a high discharge capacity, and also exhibits good charge / discharge cycle characteristics, so that it is particularly suitable for automobiles and the like where a long life is required. Can be used.

リチウムイオン二次電池に用いられている正極活物質の化学組成は、電池を分解して正極を構成する正極活物質を採取し、高周波誘導結合プラズマ発光分光分析、原子吸光分析等を行うことによって確認することができる。リチウムの組成比(組成式(1)における1+a)は充電状態に依存するため、リチウムの係数aが-0.9≦a≦0.08を満たすか否かに基づいて、正極活物質の化学組成を判断することもできる。 The chemical composition of the positive electrode active material used in the lithium ion secondary battery is determined by disassembling the battery to collect the positive electrode active material that constitutes the positive electrode, and performing high-frequency induction coupled plasma emission spectroscopic analysis, atomic absorption analysis, etc. You can check. Since the composition ratio of lithium (1 + a in the composition formula (1)) depends on the state of charge, the chemistry of the positive electrode active material is based on whether the coefficient a of lithium satisfies −0.9 ≦ a ≦ 0.08. The composition can also be determined.

以下、実施例を示して本発明について具体的に説明するが、本発明の技術的範囲はこれに限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to examples, but the technical scope of the present invention is not limited thereto.

本発明の実施例に係る正極活物質を合成し、元素分布、放電容量、充放電サイクル特性(容量維持率)について評価した。また、実施例の対照として、化学組成を変えた比較例に係る正極活物質を合成し、同様に評価した。 The positive electrode active material according to the embodiment of the present invention was synthesized, and the element distribution, the discharge capacity, and the charge / discharge cycle characteristics (capacity retention rate) were evaluated. In addition, as a control of the examples, the positive electrode active material according to the comparative example in which the chemical composition was changed was synthesized and evaluated in the same manner.

[実施例1]
はじめに、原料として、炭酸リチウム、水酸化ニッケル、炭酸コバルト、炭酸マンガン、酸化チタン、酸化アルミニウムを用意し、各原料を金属元素のモル比でLi:Ni:Co:Mn:Ti:Alが、1.03:0.85:0.03:0.09:0.01:0.02となるように秤量し、固形分比が30質量%となるように純水を加えた。そして、粉砕機で湿式粉砕(湿式混合)して平均粒径が0.2μm未満となるよう原料スラリーを調製した(原料混合工程)。
[Example 1]
First, lithium carbonate, nickel hydroxide, cobalt carbonate, manganese carbonate, titanium oxide, and aluminum oxide are prepared as raw materials, and Li: Ni: Co: Mn: Ti: Al is 1 for each raw material in terms of the molar ratio of metal elements. Weighed so as to be 0.03: 0.85: 0.03: 0.09: 0.01: 0.02, and pure water was added so that the solid content ratio was 30% by mass. Then, wet pulverization (wet mixing) was performed with a pulverizer to prepare a raw material slurry so that the average particle size was less than 0.2 μm (raw material mixing step).

続いて、得られた原料スラリーをノズル式のスプレードライヤー(大川原化工機社製、ODL-20型)で噴霧乾燥させてD50が12μmの造粒体を得た(造粒工程)。噴霧圧は0.13MPa、噴霧量は260g/minである。そして、乾燥させた造粒体を熱処理してリチウム遷移金属複合酸化物を焼成した(焼成工程)。具体的には、造粒体を、連続搬送炉で、大気雰囲気下、400℃で5時間にわたって脱水処理した。そして、酸素ガス雰囲気に置換した焼成炉で、酸素気流中、700℃で6時間にわたって熱処理して第1前駆体を得た(第1熱処理工程)。その後、第1前駆体を、酸素ガス雰囲気に置換した焼成炉で、酸素気流中、820℃で10時間にわたって熱処理(第2熱処理工程)してリチウム遷移金属複合酸化物を得た(第2熱処理工程)。焼成によって得られた焼成粉は、目開き53μmの篩を用いて分級し、篩下の粉体を試料の正極活物質とした。 Subsequently, the obtained raw material slurry was spray-dried with a nozzle-type spray dryer (manufactured by Okawara Kakoki Co., Ltd., ODL-20 type) to obtain a granulated material having a D50 of 12 μm (granulation step). The spray pressure is 0.13 MPa and the spray amount is 260 g / min. Then, the dried granules were heat-treated to calcin the lithium transition metal composite oxide (calcination step). Specifically, the granulated material was dehydrated in a continuous transfer furnace at 400 ° C. for 5 hours in an air atmosphere. Then, in a firing furnace replaced with an oxygen gas atmosphere, a first precursor was obtained by heat treatment at 700 ° C. for 6 hours in an oxygen stream (first heat treatment step). Then, the first precursor was heat-treated at 820 ° C. for 10 hours in a calcining furnace in which the atmosphere was replaced with an oxygen gas atmosphere (second heat treatment step) to obtain a lithium transition metal composite oxide (second heat treatment). Process). The calcined powder obtained by calcining was classified using a sieve having an opening of 53 μm, and the powder under the sieve was used as the positive electrode active material of the sample.

[実施例2]
原料のモル比をLi:Ni:Co:Mn:Ti:Alが、1.03:0.85:0.03:0.09:0.02:0.01となるように秤量した以外は、実施例1と同様にして正極活物質を得た。
[Example 2]
Except for the fact that the molar ratio of the raw materials was weighed so that Li: Ni: Co: Mn: Ti: Al was 1.03: 0.85: 0.03: 0.09: 0.02: 0.01. A positive electrode active material was obtained in the same manner as in Example 1.

[実施例3]
原料のモル比をLi:Ni:Co:Mn:Ti:Alが、1.03:0.85:0.03:0.08:0.02:0.02となるように秤量した以外は、実施例1と同様にして正極活物質を得た。
[Example 3]
Except for the fact that the molar ratio of the raw materials was weighed so that Li: Ni: Co: Mn: Ti: Al was 1.03: 0.85: 0.03: 0.08: 0.02: 0.02. A positive electrode active material was obtained in the same manner as in Example 1.

[実施例4]
原料のモル比をLi:Ni:Co:Mn:Ti:Alが、1.03:0.85:0.03:0.08:0.03:0.01となるように秤量した以外は、実施例1と同様にして正極活物質を得た。
[Example 4]
Except for the fact that the molar ratio of the raw materials was weighed so that Li: Ni: Co: Mn: Ti: Al was 1.03: 0.85: 0.03: 0.08: 0.03: 0.01. A positive electrode active material was obtained in the same manner as in Example 1.

[実施例5]
原料のモル比をLi:Ni:Co:Mn:Ti:Alが、1.03:0.85:0.03:0.05:0.03:0.03となるように秤量した以外は、実施例1と同様にして正極活物質を得た。
[Example 5]
Except for the fact that the molar ratio of the raw materials was weighed so that Li: Ni: Co: Mn: Ti: Al was 1.03: 0.85: 0.03: 0.05: 0.03: 0.03. A positive electrode active material was obtained in the same manner as in Example 1.

[実施例6]
原料のモル比をLi:Ni:Co:Mn:Ti:Alが、1.03:0.88:0.03:0.05:0.03:0.01となるように秤量した以外は、実施例1と同様にして正極活物質を得た。
[Example 6]
Except for the fact that the molar ratio of the raw materials was weighed so that Li: Ni: Co: Mn: Ti: Al was 1.03: 0.88: 0.03: 0.05: 0.03: 0.01. A positive electrode active material was obtained in the same manner as in Example 1.

[実施例7]
原料のモル比をLi:Ni:Co:Mn:Ti:Alが、1.03:0.90:0.03:0.03:0.03:0.01となるように秤量した以外は、実施例1と同様にして正極活物質を得た。
[Example 7]
Except for the fact that the molar ratio of the raw materials was weighed so that Li: Ni: Co: Mn: Ti: Al was 1.03: 0.90: 0.03: 0.03: 0.03: 0.01. A positive electrode active material was obtained in the same manner as in Example 1.

[比較例1]
原料のモル比をLi:Ni:Co:Mn:Tiが、1.03:0.85:0.03:0.10:0.02となるように秤量した以外は、実施例1と同様にして正極活物質を得た。
[Comparative Example 1]
The molar ratio of the raw materials was the same as in Example 1 except that the molar ratio of Li: Ni: Co: Mn: Ti was 1.03: 0.85: 0.03: 0.10: 0.02. Obtained a positive electrode active material.

[比較例2]
原料のモル比をLi:Ni:Co:Mn:Tiが、1.03:0.85:0.03:0.09:0.03となるように秤量した以外は、実施例1と同様にして正極活物質を得た。
[Comparative Example 2]
The molar ratio of the raw materials was the same as in Example 1 except that the molar ratio of Li: Ni: Co: Mn: Ti was 1.03: 0.85: 0.03: 0.09: 0.03. Obtained a positive electrode active material.

[比較例3]
原料のモル比をLi:Ni:Co:Mn:Tiが、1.03:0.90:0.03:0.05:0.02となるように秤量した以外は、実施例1と同様にして正極活物質を得た。
[Comparative Example 3]
The molar ratio of the raw materials was the same as in Example 1 except that the molar ratio of Li: Ni: Co: Mn: Ti was 1.03: 0.90: 0.03: 0.05: 0.02. Obtained a positive electrode active material.

[実施例8]
はじめに、原料として、水酸化ニッケル、炭酸コバルト、炭酸マンガン、酸化チタン、酸化アルミニウムを用意し、各原料を金属元素のモル比でNi:Co:Mn:Ti:Alが、0.88:0.03:0.05:0.03:0.01となるように秤量し、固形分比が20質量%となるように純水を加えた。そして、粉砕機で湿式粉砕(湿式混合)して平均粒径が0.2μm未満となるよう原料スラリーを調製した(原料混合工程)。
[Example 8]
First, nickel hydroxide, cobalt carbonate, manganese carbonate, titanium oxide, and aluminum oxide are prepared as raw materials, and each raw material has a molar ratio of metal elements of Ni: Co: Mn: Ti: Al, 0.88: 0. Weighed so as to be 03: 0.05: 0.03: 0.01, and pure water was added so that the solid content ratio was 20% by mass. Then, wet pulverization (wet mixing) was performed with a pulverizer to prepare a raw material slurry so that the average particle size was less than 0.2 μm (raw material mixing step).

続いて、得られた原料スラリーをノズル式のスプレードライヤー(大川原化工機社製、ODL-20型)で噴霧乾燥させてD50が12μmの造粒体を得た(造粒工程)。噴霧圧は0.13MPa、噴霧量は260g/minである。そして、乾燥させた造粒体を650℃で熱処理して遷移金属複合酸化物を焼成した(焼成工程)。水酸化リチウムと得られた遷移金属複合酸化物をモル比でLi:遷移金属が1.03:1.00となるように秤量し、V型混合機を用いて混合した。そして、酸素ガス雰囲気に置換した焼成炉で、酸素気流中、500℃で10時間にわたって熱処理して第1前駆体を得た(第1熱処理工程)。その後、第1前駆体を、酸素ガス雰囲気に置換した焼成炉で、酸素気流中、820℃で32時間にわたって熱処理(第2熱処理工程)してリチウム遷移金属複合酸化物を得た(第2熱処理工程)。焼成によって得られた焼成粉は、目開き53μmの篩を用いて分級し、篩下の粉体を試料の正極活物質とした。 Subsequently, the obtained raw material slurry was spray-dried with a nozzle-type spray dryer (manufactured by Okawara Kakoki Co., Ltd., ODL-20 type) to obtain a granulated material having a D50 of 12 μm (granulation step). The spray pressure is 0.13 MPa and the spray amount is 260 g / min. Then, the dried granules were heat-treated at 650 ° C. to calcin the transition metal composite oxide (calcination step). Lithium hydroxide and the obtained transition metal composite oxide were weighed so that the molar ratio of Li: transition metal was 1.03: 1.00, and the mixture was mixed using a V-type mixer. Then, in a firing furnace replaced with an oxygen gas atmosphere, a first precursor was obtained by heat treatment at 500 ° C. for 10 hours in an oxygen stream (first heat treatment step). Then, the first precursor was heat-treated at 820 ° C. for 32 hours (second heat treatment step) in a calcining furnace in which the first precursor was replaced with an oxygen gas atmosphere to obtain a lithium transition metal composite oxide (second heat treatment). Process). The calcined powder obtained by calcining was classified using a sieve having an opening of 53 μm, and the powder under the sieve was used as the positive electrode active material of the sample.

[比較例4]
原料のモル比をLi:Ni:Co:Mn:Tiが、1.03:0.85:0.03:0.09:0.03となるように秤量した以外は、実施例8と同様にして正極活物質を得た。
[Comparative Example 4]
The molar ratio of the raw materials was the same as in Example 8 except that the molar ratio of Li: Ni: Co: Mn: Ti was 1.03: 0.85: 0.03: 0.09: 0.03. Obtained a positive electrode active material.

(正極活物質の化学組成の測定)
合成した正極活物質の化学組成を、ICP-AES発光分光分析装置「OPTIMA8300」(パーキンエルマー社製)を使用して、高周波誘導結合プラズマ発光分光分析によって分析した。また、正極活物質の酸素量(組成式(1)におけるα)を不活性ガス融解-赤外線吸収法によって分析した。その結果、実施例1~8に係る正極活物質、比較例1~4に係る正極活物質は、いずれも、リチウムのみが仕込みと異なる、表1に示すとおりの化学組成であった。
(Measurement of chemical composition of positive electrode active material)
The chemical composition of the synthesized positive electrode active material was analyzed by high frequency inductively coupled plasma emission spectroscopy using an ICP-AES emission spectroscopic analyzer "OPTIMA8300" (manufactured by PerkinElmer). In addition, the amount of oxygen in the positive electrode active material (α in the composition formula (1)) was analyzed by the inert gas melting-infrared absorption method. As a result, the positive electrode active materials according to Examples 1 to 8 and the positive electrode active materials according to Comparative Examples 1 to 4 each had a chemical composition as shown in Table 1, in which only lithium was different from the charged material.

(元素濃度分布)
合成した正極活物質のM1、Alの濃度分布は次の手順で測定した。はじめに、作製した正極活物質の粉末を集束イオン/電子ビーム加工観察装置「nano DUET NB5000」(日立ハイテクノロジーズ製)を使用して加速電圧:30kV(サンプリング)、10kV(仕上げ)の条件でFIB加工して薄片化した。次に、走査透過型電子顕微鏡「JEM-ARM200F」(日本電子製)を使用してSTEM観察して、二次粒子内部の一次粒子界面(表面)を特定した。そして、エネルギー分散型X線分析装置「JED-2300T」(日本電子製)を用いて、二次粒子内部の一次粒子界面におけるM1の濃度D1、同じくAlの濃度D2と、一次粒子中央部のM1の濃度D3、同じくAlの濃度D4を測定した。測定箇所は2ヶ所とし、平均値を用いた。その結果を表1に示す。
(Elemental concentration distribution)
The concentration distribution of M1 and Al of the synthesized positive electrode active material was measured by the following procedure. First, the prepared positive electrode active material powder is processed by FIB under the conditions of acceleration voltage: 30 kV (sampling) and 10 kV (finishing) using the focused ion / electron beam processing observation device "nano DUET NB5000" (manufactured by Hitachi High-Technologies Corporation). And thinned. Next, the primary particle interface (surface) inside the secondary particles was identified by STEM observation using a scanning transmission electron microscope "JEM-ARM200F" (manufactured by JEOL Ltd.). Then, using the energy dispersive X-ray analyzer "JED-2300T" (manufactured by JEOL Ltd.), the concentration D1 of M1 at the interface of the primary particles inside the secondary particles, the concentration D2 of Al, and the concentration M1 of the central part of the primary particles. Concentration D3 and Al concentration D4 were measured. Two measurement points were used, and the average value was used. The results are shown in Table 1.

図2(a)にリチウムイオン二次電池用正極活物質の二次粒子の一例を模式的に示し、図2(b)に一次粒子の一例を模式的に示す。図2(a)に示すように、正極活物質は一次粒子が複数個凝集して構成される二次粒子を含み、二次粒子の内部にも一次粒子表面が存在する。隣り合う一次粒子の表面が接して界面を形成している(図3参照)。図2(b)に示すように、個々の一次粒子の界面でのM1およびAlの原子濃度D1とD2、表面から0.2r以上の深さでのM1およびAlの原子濃度D3とD4を測定するものである。尚、実質的には界面と表面は同義であり、本明細書において「一次粒子の界面」とあるのは、「一次粒子の表面」と言い換えても良い。 FIG. 2A schematically shows an example of secondary particles of a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery, and FIG. 2B schematically shows an example of primary particles. As shown in FIG. 2A, the positive electrode active material contains secondary particles formed by aggregating a plurality of primary particles, and the surface of the primary particles also exists inside the secondary particles. The surfaces of adjacent primary particles are in contact with each other to form an interface (see FIG. 3). As shown in FIG. 2B, the atomic concentrations D1 and D2 of M1 and Al at the interface of each primary particle and the atomic concentrations D3 and D4 of M1 and Al at a depth of 0.2r or more from the surface are measured. It is something to do. It should be noted that the interface and the surface are substantially synonymous, and the term "interface of primary particles" in the present specification may be paraphrased as "surface of primary particles".

図3に実施例1の二次粒子内部の一次粒子のSTEM像と界面(表面)と中央部におけるEDX分析箇所を示す。
また、実施例と比較例のNi、Co、Mn、M1(Ti)、 Alのそれぞれの濃度について、一次粒子の界面と、一次粒子の中央部における濃度(at%)をそれぞれ測定した。結果を表2に示す。
FIG. 3 shows an STEM image of the primary particles inside the secondary particles of Example 1, an EDX analysis point at the interface (surface) and the central portion.
Further, for each of the concentrations of Ni, Co, Mn, M1 (Ti), and Al in Examples and Comparative Examples, the concentrations (at%) at the interface of the primary particles and the central portion of the primary particles were measured. The results are shown in Table 2.

(正極)
合成した正極活物質を正極の材料として用いてリチウムイオン二次電池を作製し、リチウムイオン二次電池の放電容量、容量維持率を求めた。はじめに、作製した正極活物質と、炭素系の導電材と、N-メチル-2-ピロリドン(NMP)に予め溶解させた結着剤とを質量比で94:4.5:1.5となるように混合した。そして、均一に混合した正極合剤スラリーを、厚さ20μmのアルミニウム箔の正極集電体上に、塗布量が10mg/cmとなるように塗布した。次いで、正極集電体に塗布された正極合剤スラリーを120℃で熱処理し、溶媒を留去することによって正極合剤層を形成した。その後、正極合剤層を熱プレスで加圧成形し、直径15mmの円形状に打ち抜いて正極とした。
(Positive electrode)
A lithium ion secondary battery was produced using the synthesized positive electrode active material as the material for the positive electrode, and the discharge capacity and capacity retention rate of the lithium ion secondary battery were determined. First, the mass ratio of the prepared positive electrode active material, the carbon-based conductive material, and the binder previously dissolved in N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) is 94: 4.5: 1.5. It was mixed as follows. Then, the uniformly mixed positive electrode mixture slurry was applied onto a positive electrode current collector of an aluminum foil having a thickness of 20 μm so that the coating amount was 10 mg / cm 2 . Next, the positive electrode mixture slurry applied to the positive electrode current collector was heat-treated at 120 ° C., and the solvent was distilled off to form a positive electrode mixture layer. Then, the positive electrode mixture layer was pressure-molded by a hot press and punched into a circular shape having a diameter of 15 mm to obtain a positive electrode.

(放電容量)
続いて、作製した正極と負極とセパレータを用いて、リチウムイオン二次電池を作製した。負極としては、直径16mmの円形状に打ち抜いた金属リチウムを用いた。セパレータとしては、厚さ30μmのポリプロピレン製の多孔質セパレータを用いた。正極と負極とをセパレータを介して非水電解液中で対向させて、リチウムイオン二次電池を組み付けた。非水電解液としては、体積比が3:7となるようにエチレンカーボネートとジメチルカーボネートとを混合した溶媒に、1.0mol/LとなるようにLiPF6を溶解させた溶液を用いた。
(Discharge capacity)
Subsequently, a lithium ion secondary battery was manufactured using the prepared positive electrode, negative electrode, and separator. As the negative electrode, metallic lithium punched into a circular shape having a diameter of 16 mm was used. As the separator, a polypropylene porous separator having a thickness of 30 μm was used. The positive electrode and the negative electrode were opposed to each other in the non-aqueous electrolytic solution via the separator, and the lithium ion secondary battery was assembled. As the non-aqueous electrolytic solution, a solution in which LiPF6 was dissolved in a solvent in which ethylene carbonate and dimethyl carbonate were mixed so as to have a volume ratio of 3: 7 and LiPF6 was dissolved so as to be 1.0 mol / L was used.

作製したリチウムイオン二次電池を、25℃の環境下で、正極合剤の質量基準で40A/kg、上限電位4.3Vの定電流/定電圧で充電した。そして、正極合剤の質量基準で40A/kgの定電流で下限電位2.5Vまで放電し、放電容量(初期容量)を測定した。 The prepared lithium ion secondary battery was charged in an environment of 25 ° C. with a constant current / constant voltage of 40 A / kg and an upper limit potential of 4.3 V based on the mass of the positive electrode mixture. Then, the battery was discharged to a lower limit potential of 2.5 V at a constant current of 40 A / kg based on the mass of the positive electrode mixture, and the discharge capacity (initial capacity) was measured.

(充放電サイクル特性(容量維持率))
作製した正極と負極とセパレータを用いて、リチウムイオン二次電池を作製した。負極としては、銅箔の負極終電体上に黒鉛を塗布した負極を直径16mmの円形状に打ち抜いて用いた。セパレータとしては、厚さ30μmのポリプロピレン製の多孔質セパレータを用いた。正極と負極とをセパレータを介して非水電解液中で対向させて、リチウムイオン二次電池を組み付けた。非水電解液としては、体積比が3:7となるようにエチレンカーボネートとジメチルカーボネートとを混合した溶媒に、1.0mol/LとなるようにLiPF6を溶解させ、さらに1.5質量%のビニレンカーボネートを溶解させた溶液を用いた。
(Charge / discharge cycle characteristics (capacity retention rate))
A lithium ion secondary battery was manufactured using the prepared positive electrode, negative electrode, and separator. As the negative electrode, a negative electrode coated with graphite on a negative electrode final body of copper foil was used by punching it into a circular shape having a diameter of 16 mm. As the separator, a polypropylene porous separator having a thickness of 30 μm was used. The positive electrode and the negative electrode were opposed to each other in the non-aqueous electrolytic solution via the separator, and the lithium ion secondary battery was assembled. As the non-aqueous electrolytic solution, LiPF6 was dissolved in a solvent in which ethylene carbonate and dimethyl carbonate were mixed so as to have a volume ratio of 3: 7 so as to be 1.0 mol / L, and further 1.5% by mass was added. A solution in which vinylene carbonate was dissolved was used.

作製したリチウムイオン二次電池を、50℃の環境下で、正極合剤の質量基準で200A/kg、上限電位4.2Vの定電流/定電圧で充電した。そして、正極合剤の質量基準で200A/kgの定電流で下限電位2.5Vまで放電するサイクルを計100サイクル行い、100サイクル後の放電容量を測定した。初期容量に対する100サイクル後の放電容量の分率を容量維持率として計算した。その結果を表1に示す。 The prepared lithium ion secondary battery was charged in an environment of 50 ° C. at a constant current / constant voltage of 200 A / kg based on the mass of the positive electrode mixture and an upper limit potential of 4.2 V. Then, a total of 100 cycles of discharging to the lower limit potential of 2.5 V at a constant current of 200 A / kg based on the mass of the positive electrode mixture were performed, and the discharge capacity after 100 cycles was measured. The fraction of the discharge capacity after 100 cycles with respect to the initial capacity was calculated as the capacity retention rate. The results are shown in Table 1.

Figure 2022052817000002
Figure 2022052817000002

Figure 2022052817000003
Figure 2022052817000003

表1に示すように、実施例1~8は、組成式(1)で表される化学組成が満たされており、D1>D3であり、かつ、D1/D3 > D2/D4であった。また、実施例1~8のe/fは0.5≦e/f≦5の範囲にあった。特に、実施例1はe/fが0.5とM1よりもAlの含有量が多いにもかかわらず、D1>D3となっており、Tiが表面に濃化していることがわかった。このことから、TiとAlの比にかかわらず、Alは均一固溶し、Tiは表面濃化することがわかった。また、D1/D3は、Alを添加していない比較例1~4では3.3以下であるのに対し、Alを添加した実施例1~8では3.5以上と大きく、Alを添加することによりTiの表面濃化が促進されることがわかった。AlはLiNiO形成エネルギーを低下させることが知られており、Alを添加することで、LiNiO形成温度が低下し、LiNiO形成温度とTiがLiNiOに固溶を開始する温度との差が大きくなり、Tiの表面濃化が促進されたものと考えられる。また、この事象は、Alの含有量がTiの含有量よりも多くても起き得るため、Alの含有量がTiの含有量よりも多くてもAlは均一固溶し、Tiは表面濃化したものと考えられる。その結果、本発明の実施例は190Ah/kgを超える高い放電容量が得られ、容量維持率も79%以上を示し、充放電サイクル特性に優れることが確認できた。つまり、組成式(1)で表される化学組成が満たされており、D1>D3であり、かつ、D1/D3 > D2/D4である場合、高い放電容量を維持したまま、充放電サイクル特性を向上させることができることが確認できた。特に、D1/D3が3.7以上の実施例1~2、4~8では80%以上の容量維持率が得られた。さらに、界面Ni比が70%未満の実施例4~6では90%以上の容量維持率が得られた。 As shown in Table 1, Examples 1 to 8 were satisfied with the chemical composition represented by the composition formula (1), D1> D3, and D1 / D3> D2 / D4. Further, the e / f of Examples 1 to 8 was in the range of 0.5 ≦ e / f ≦ 5. In particular, in Example 1, although the e / f was 0.5 and the Al content was higher than that of M1, D1> D3, and it was found that Ti was concentrated on the surface. From this, it was found that Al is uniformly solid-dissolved and Ti is surface-concentrated regardless of the ratio of Ti and Al. Further, D1 / D3 is 3.3 or less in Comparative Examples 1 to 4 to which Al is not added, whereas it is as large as 3.5 or more in Examples 1 to 8 to which Al is added, and Al is added. It was found that this promoted the surface thickening of Ti. Al is known to reduce the energy for forming LiNiO 2 , and by adding Al, the temperature for forming LiNiO 2 is lowered, and the difference between the temperature at which LiNiO 2 is formed and the temperature at which Ti starts to dissolve in LiNiO 2 . It is considered that the surface concentration of Ti was promoted by increasing the temperature. Further, since this event can occur even if the Al content is higher than the Ti content, Al is uniformly solid-solved and Ti is surface-enriched even if the Al content is higher than the Ti content. It is probable that it was done. As a result, it was confirmed that the examples of the present invention obtained a high discharge capacity exceeding 190 Ah / kg, showed a capacity retention rate of 79% or more, and were excellent in charge / discharge cycle characteristics. That is, when the chemical composition represented by the composition formula (1) is satisfied, D1> D3, and D1 / D3> D2 / D4, the charge / discharge cycle characteristics are maintained while maintaining a high discharge capacity. It was confirmed that it was possible to improve. In particular, in Examples 1 to 2, 4 to 8 in which D1 / D3 was 3.7 or more, a capacity retention rate of 80% or more was obtained. Further, in Examples 4 to 6 in which the interfacial Ni ratio was less than 70%, a capacity retention rate of 90% or more was obtained.

100 リチウムイオン二次電池
101 電池缶
102 電池蓋
103 正極リード片
104 負極リード片
105 絶縁板
106 シール材
110 捲回電極群
111 正極
111a 正極集電体
111b 正極合剤層
112 負極
112a 負極集電体
112b 負極合剤層
113 セパレータ

100 Lithium ion secondary battery 101 Battery can 102 Battery lid 103 Positive electrode lead piece 104 Negative electrode lead piece 105 Insulation plate 106 Sealing material 110 Winding electrode group 111 Positive electrode 111a Positive electrode current collector 111b Positive electrode mixture layer 112 Negative electrode 112a Negative electrode current collector 112b Negative electrode mixture layer 113 Separator

Claims (5)

下記組成式(1);
Li1+aNiCoMnM1eAl2+α ・・・(1)
[但し、組成式(1)において、M1はTi、Ga、Mg、Zr、Znからなる群から選択される一つ以上の元素であり、a、b、c、d、e、f及びαは、それぞれ、-0.04≦a≦0.08、0.80≦b<1.0、0≦c<0.2、0≦d<0.2、0<e<0.08、0<f<0.04、0<e+f<0.08、b+c+d+e+f=1、及び、-0.2<α<0.2を満たす数である。]で表されるリチウム遷移金属複合酸化物を含むリチウムイオン二次電池用正極活物質であって、
前記正極活物質は一次粒子が複数個凝集して構成される二次粒子を含み、
前記二次粒子の内部にある一次粒子において、当該一次粒子同士の界面における、M1の原子濃度D1とAlの原子濃度D2と、前記一次粒子の中央部における、M1の原子濃度D3とAlの原子濃度D4とが、D1>D3であり、かつ、D1/D3 > D2/D4であることを特徴とするリチウムイオン二次電池用正極活物質。
The following composition formula (1);
Li 1 + a Ni b Co c Mn d M1 e Al f O 2 + α ... (1)
[However, in the composition formula (1), M1 is one or more elements selected from the group consisting of Ti, Ga, Mg, Zr, and Zn, and a, b, c, d, e, f, and α are , -0.04 ≤ a ≤ 0.08, 0.80 ≤ b <1.0, 0 ≤ c <0.2, 0 ≤ d <0.2, 0 <e <0.08, 0 <, respectively. It is a number satisfying f <0.04, 0 <e + f <0.08, b + c + d + e + f = 1, and −0.2 <α <0.2. ] Is a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery containing a lithium transition metal composite oxide represented by.
The positive electrode active material contains secondary particles formed by aggregating a plurality of primary particles.
In the primary particles inside the secondary particles, the atomic concentration D1 of M1 and the atomic concentration D2 of Al at the interface between the primary particles, and the atomic concentration D3 of M1 and the atom of Al in the central part of the primary particles. A positive electrode active material for a lithium ion secondary battery, wherein the concentration D4 is D1> D3 and D1 / D3> D2 / D4.
前記M1の係数eと前記Alの係数fが、0.5≦e/f≦5である請求項1に記載のリチウムイオン二次電池用正極活物質。 The positive electrode active material for a lithium ion secondary battery according to claim 1, wherein the coefficient e of M1 and the coefficient f of Al are 0.5 ≦ e / f ≦ 5. 前記D1は前記D3の3.7倍以上である請求項1または請求項2に記載のリチウムイオン二次電池用正極活物質。 The positive electrode active material for a lithium ion secondary battery according to claim 1 or 2, wherein D1 is 3.7 times or more that of D3. 請求項1~請求項3のいずれか一項に記載のリチウムイオン二次電池用正極活物質を含有する正極を備えるリチウムイオン二次電池。 A lithium ion secondary battery comprising a positive electrode containing the positive electrode active material for a lithium ion secondary battery according to any one of claims 1 to 3. 下記組成式(1);
Li1+aNiCoMnM1eAlf2+α ・・・(1)
[但し、組成式(1)において、M1はTi、Ga、Mg、Zr、Znからなる群から選択される一つ以上の元素であり、a、b、c、d、e、f及びαは、それぞれ、-0.04≦a≦0.08、0.80≦b<1.0、0≦c<0.2、0≦d<0.2、0<e<0.08、0<f<0.04、0<e+f<0.08、b+c+d+e+f=1、及び、-0.2<α<0.2を満たす数である。]で表されるリチウム遷移金属複合酸化物を含むリチウムイオン二次電池用正極活物質の製造方法であって、造粒体を得る造粒または共沈工程と、前記造粒体を酸化性雰囲気下で焼成して、前記組成式(1)で表される化学組成を有し、二次粒子の内部にある一次粒子において、当該一次粒子同士の界面におけるM1の原子濃度D1とAlの原子濃度D2と、前記一次粒子の中央部におけるM1の原子濃度D3とAlの原子濃度D4とが、D1>D3であり、かつ、D1/D3 > D2/D4であるリチウム複合化合物を得る焼成工程と、を有するリチウムイオン二次電池用正極活物質の製造方法。

The following composition formula (1);
Li 1 + a Ni b Co c Mn d M1 e Al f O 2 + α ... (1)
[However, in the composition formula (1), M1 is one or more elements selected from the group consisting of Ti, Ga, Mg, Zr, and Zn, and a, b, c, d, e, f, and α are , -0.04 ≤ a ≤ 0.08, 0.80 ≤ b <1.0, 0 ≤ c <0.2, 0 ≤ d <0.2, 0 <e <0.08, 0 <, respectively. It is a number satisfying f <0.04, 0 <e + f <0.08, b + c + d + e + f = 1, and −0.2 <α <0.2. ], Which is a method for producing a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery containing a lithium transition metal composite oxide represented by In the primary particles having the chemical composition represented by the composition formula (1) and inside the secondary particles, the atomic concentrations of M1 and Al at the interface between the primary particles are the atomic concentrations of D1 and Al. A firing step of obtaining a lithium composite compound in which D2 and the atomic concentration D3 of M1 and the atomic concentration D4 of Al in the central portion of the primary particles are D1> D3 and D1 / D3> D2 / D4. A method for producing a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery.

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WO2023203424A1 (en) * 2022-04-21 2023-10-26 株式会社半導体エネルギー研究所 Positive electrode active material and secondary battery
WO2024024737A1 (en) * 2022-07-28 2024-02-01 富士フイルム株式会社 Method for producing molded body for sheet-like electrode

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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