JP2023085223A - Positive electrode active material for lithium secondary battery, positive electrode for lithium secondary battery, and lithium secondary battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、リチウム二次電池用正極活物質、リチウム二次電池用正極及びリチウム二次電池に関する。 The present invention relates to a positive electrode active material for lithium secondary batteries, a positive electrode for lithium secondary batteries, and a lithium secondary battery.
リチウム二次電池用正極活物質は、複数の一次粒子が凝集した二次粒子の集合体である。リチウム二次電池の充放電時、リチウム二次電池用正極活物質の表面からリチウムイオンの脱離反応及び挿入反応が生じる。従って、リチウム二次電池用正極活物質の表面の形状は、リチウム二次電池の性能に影響を与える。 A positive electrode active material for a lithium secondary battery is an aggregate of secondary particles in which a plurality of primary particles are aggregated. During charging and discharging of a lithium secondary battery, desorption reaction and insertion reaction of lithium ions occur from the surface of the positive electrode active material for lithium secondary batteries. Therefore, the shape of the surface of the positive electrode active material for lithium secondary batteries affects the performance of the lithium secondary battery.
例えば、特許文献1は、リチウム二次電池用正極活物質の二次粒子形状を制御することにより、非水電解質(電解液)に対する濡れ性を改善し、高い放電負荷特性を達成することを開示している。具体的には、二次粒子の二次元の像の面積に対する、二次元の像の凸部の頂点を結ぶ最短包絡線で囲まれた領域の面積である形状係数の平均値が1を超え、2未満とすることを開示している。
For example,
リチウム二次電池用正極活物質の二次粒子の形状を別の側面から制御することで、リチウム二次電池の性能をさらに改善する余地がある。 There is room for further improving the performance of lithium secondary batteries by controlling the shape of the secondary particles of the positive electrode active material for lithium secondary batteries from another aspect.
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、二次粒子の形状を制御することにより、リチウム二次電池用正極活物質の安定性を向上させ、サイクル維持率の高いリチウム二次電池を得ることができるリチウム二次電池用正極活物質、及びこれを用いたリチウム二次電池用正極及びリチウム二次電池を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and by controlling the shape of the secondary particles, the stability of the positive electrode active material for lithium secondary batteries is improved, and the cycle maintenance rate is high. It is an object of the present invention to provide a positive electrode active material for a lithium secondary battery that can obtain a
本発明は、以下の態様を有する。
[1]層状構造を有するリチウム二次電池用正極活物質であって、前記リチウム二次電池用正極活物質の平均アスペクト比である第1平均アスペクト比が0.755以上1.000以下であり、前記リチウム二次電池用正極活物質の平均包絡度が0.983以上1.000以下である、リチウム二次電池用正極活物質。
[2]前記リチウム二次電池用正極活物質の平均円形度が0.910以上1.000以下である、[1]に記載のリチウム二次電池用正極活物質。
[3]前記第1平均アスペクト比が0.755以上0.999以下である、[1]又は[2]に記載のリチウム二次電池用正極活物質。
[4]前記リチウム二次電池用正極活物質の平均粒子径より小さい粒子径をもつ粒子のアスペクト比である第2平均アスペクト比が、前記第1平均アスペクト比よりも0.003以上大きい、[3]に記載のリチウム二次電池用正極活物質。
[5]前記第1平均アスペクト比が、前記平均粒子径以上の粒子径をもつ粒子のアスペクト比である第3平均アスペクト比よりも0.004以上大きい、[4]に記載のリチウム二次電池用正極活物質。
[6]式(A)で表される、[1]~[5]の何れか1つに記載のリチウム二次電池用正極活物質。
Li[Lix(Ni(1-y-z)CoyXz)1-x]O2 ・・・(A)
(式A中、Xは、Mn、Cu、Ti、Mg、Al、W、Mo、Nb、Zn、Sn、Zr、Ga、B、Si、S及びPからなる群より選択される1種以上の元素であり、-0.1≦x≦0.2、0≦y≦0.4、0≦z≦0.5及びy+z<1を満たす。)
[7][1]~[6]の何れか1つに記載のリチウム二次電池用正極活物質を含有するリチウム二次電池用正極。
[8][7]に記載のリチウム二次電池用正極を有するリチウム二次電池。
The present invention has the following aspects.
[1] A positive electrode active material for a lithium secondary battery having a layered structure, wherein a first average aspect ratio, which is an average aspect ratio of the positive electrode active material for a lithium secondary battery, is 0.755 or more and 1.000 or less. A positive electrode active material for a lithium secondary battery, wherein the positive electrode active material for a lithium secondary battery has an average enveloping degree of 0.983 or more and 1.000 or less.
[2] The positive electrode active material for lithium secondary batteries according to [1], wherein the positive electrode active material for lithium secondary batteries has an average circularity of 0.910 or more and 1.000 or less.
[3] The positive electrode active material for lithium secondary batteries according to [1] or [2], wherein the first average aspect ratio is 0.755 or more and 0.999 or less.
[4] A second average aspect ratio, which is an aspect ratio of particles having a particle diameter smaller than the average particle diameter of the positive electrode active material for a lithium secondary battery, is greater than the first average aspect ratio by 0.003 or more, [ 3], the positive electrode active material for lithium secondary batteries.
[5] The lithium secondary battery according to [4], wherein the first average aspect ratio is 0.004 or more larger than the third average aspect ratio, which is the aspect ratio of particles having a particle diameter equal to or larger than the average particle diameter. positive electrode active material.
[6] The positive electrode active material for a lithium secondary battery according to any one of [1] to [5], represented by formula (A).
Li[Li x (Ni (1-yz) Co y x z ) 1-x ]O 2 (A)
(In formula A, X is one or more selected from the group consisting of Mn, Cu, Ti, Mg, Al, W, Mo, Nb, Zn, Sn, Zr, Ga, B, Si, S and P. is an element and satisfies −0.1≦x≦0.2, 0≦y≦0.4, 0≦z≦0.5 and y+z<1.)
[7] A positive electrode for lithium secondary batteries containing the positive electrode active material for lithium secondary batteries according to any one of [1] to [6].
[8] A lithium secondary battery having the positive electrode for a lithium secondary battery according to [7].
本発明によれば、サイクル維持率の高いリチウム二次電池を得ることができるリチウム二次電池用正極活物質、及びこれを用いたリチウム二次電池用正極及びリチウム二次電池を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to the present invention, it is possible to provide a positive electrode active material for a lithium secondary battery that can obtain a lithium secondary battery having a high cycle retention rate, and a positive electrode for a lithium secondary battery and a lithium secondary battery using the same. can.
以下、本発明の一態様におけるリチウム二次電池用正極活物質について説明する。以下の複数の実施形態では、好ましい例や条件を共有してもよい。また、本明細書において、各用語を以下に定義する。 A positive electrode active material for a lithium secondary battery according to one embodiment of the present invention is described below. Preferred examples and conditions may be shared among the following embodiments. Moreover, in this specification, each term is defined below.
本願明細書において、金属複合化合物(Metal Composite Compound)を以下「MCC」と称し、リチウム二次電池用正極活物質(Cathode Active Material for lithium secondary batteries)を以下「CAM」と称する。 In the specification of the present application, a metal composite compound is hereinafter referred to as "MCC", and a cathode active material for lithium secondary batteries is hereinafter referred to as "CAM".
「Ni」とは、ニッケル金属ではなく、ニッケル原子を指す。「Co」及び「Li」等も同様に、それぞれコバルト原子及びリチウム原子等を指す。 "Ni" refers to nickel atoms rather than nickel metal. “Co” and “Li” and the like similarly refer to cobalt atoms and lithium atoms and the like, respectively.
数値範囲を例えば「1-10μm」又は「1~10μm」と記載した場合、1μmから10μmまでの範囲を意味し、下限値である1μmと上限値である10μmを含む数値範囲を意味する。 For example, when a numerical range is described as "1-10 μm" or "1-10 μm", it means a range from 1 μm to 10 μm, including a lower limit of 1 μm and an upper limit of 10 μm.
「CAMの組成分析」は、以下の方法で実施される。例えば、CAMを塩酸に溶解させた後、誘導結合プラズマ発光分析装置(例えば、エスアイアイ・ナノテクノロジー株式会社製、SPS3000)を用いて行うことができる。 "CAM composition analysis" is performed by the following method. For example, after dissolving CAM in hydrochloric acid, an inductively coupled plasma emission spectrometer (for example, SII Nanotechnology Co., Ltd., SPS3000) can be used.
「サイクル維持率」とは、特定の条件下でリチウム二次電池の充放電を所定の回数繰り返すサイクル試験を行った後の、リチウム二次電池の初期放電容量に対する、充放電を繰り返した後のリチウム二次電池の放電容量の割合を意味する。
本明細書においては、以下に示す条件で充放電サイクルを50回繰り返す試験を行って測定した値をサイクル維持率とする。
"Cycle retention rate" refers to the initial discharge capacity of a lithium secondary battery after performing a cycle test that repeats charging and discharging a predetermined number of times under specific conditions. It means the percentage of discharge capacity of a lithium secondary battery.
In the present specification, the cycle retention rate is defined as a value measured by repeating a charge/discharge cycle 50 times under the following conditions.
試験温度:25℃
充電最大電圧4.3V、充電電流0.5CA、定電流定電圧充電
放電最小電圧2.5V、放電電流1CA、定電流放電
Test temperature: 25°C
Maximum charge voltage 4.3V, charge current 0.5CA, constant current constant voltage charge Minimum discharge voltage 2.5V, discharge current 1CA, constant current discharge
1サイクル目の放電容量を初期放電容量とし、50サイクル目の放電容量をサイクル初期容量で割った値を算出し、この値をサイクル維持率(%)とする。 The discharge capacity at the 1st cycle is defined as the initial discharge capacity, and the value obtained by dividing the discharge capacity at the 50th cycle by the initial cycle capacity is calculated, and this value is defined as the cycle retention rate (%).
<リチウム二次電池用正極活物質>
本実施形態のCAMは、層状構造を有するリチウム二次電池用正極活物質であって、CAMの平均アスペクト比である第1平均アスペクト比が0.755以上1.000以下であり、リチウム二次電池用正極活物質の平均包絡度が0.983以上1.000以下である。
<Positive electrode active material for lithium secondary battery>
The CAM of the present embodiment is a positive electrode active material for a lithium secondary battery having a layered structure, and has a first average aspect ratio, which is the average aspect ratio of the CAM, of 0.755 or more and 1.000 or less. The average envelope degree of the positive electrode active material for battery is 0.983 or more and 1.000 or less.
本実施形態におけるCAMは、複数の粒子の集合体である。言い換えれば、CAMは、粉末状である。複数の粒子の集合体は、二次粒子のみを含んでいてもよく、一次粒子と二次粒子の混合物であってもよい。 The CAM in this embodiment is an aggregate of multiple particles. In other words, CAM is in powder form. The aggregate of a plurality of particles may contain only secondary particles, or may be a mixture of primary particles and secondary particles.
「一次粒子」とは、走査型電子顕微鏡などを用いて5000倍以上20000倍以下の視野にて観察した際に、外観上に粒界が存在しない粒子を意味する。 The term "primary particles" means particles that do not have grain boundaries in appearance when observed with a scanning electron microscope or the like in a field of view of 5000 times or more and 20000 times or less.
「二次粒子」とは、前記一次粒子が凝集している粒子である。即ち、二次粒子は、一次粒子の凝集体である。 "Secondary particles" are particles in which the primary particles are agglomerated. That is, secondary particles are aggregates of primary particles.
CAMのアスペクト比とは、CAMの平面画像において測定される長軸に対する短軸の比である。アスペクト比が小さいほど、CAMは扁平な形状であり、アスペクト比が1に近づくほどCAMの形状は真球に近くなると判断できる。CAMの平均アスペクト比は、測定対象粒子、具体的には200個以上のCAMのアスペクト比を測定し、平均値を算出した値である。以降、CAMの平均アスペクト比を「第1平均アスペクト比」と記載することがある。 The CAM aspect ratio is the ratio of the short axis to the long axis measured in the CAM planar image. It can be determined that the smaller the aspect ratio, the flatter the CAM, and the closer the aspect ratio to 1, the closer the shape of the CAM to a true sphere. The average aspect ratio of CAM is a value obtained by measuring the aspect ratios of particles to be measured, specifically 200 or more CAMs, and calculating the average value. Henceforth, the average aspect-ratio of CAM may be described as "1st average aspect-ratio."
CAMの包絡度とは、CAMの平面画像において測定される周囲長に対する包絡線長の比である。包絡度が小さいほどCAMは凹凸量の大きい形状であり、包絡度が1に近づくほどCAMの頂点間の凹凸量が少ない形状である。CAMの平均包絡度は、測定対象粒子、具体的には200個以上のCAMの包絡度を測定及び算出し、平均値を算出した値である。 The CAM envelope is the ratio of the envelope length to the perimeter measured in the CAM planar image. The smaller the enveloping degree, the larger the amount of unevenness of the CAM. The average envelopment of the CAM is a value obtained by measuring and calculating the envelopment of the particles to be measured, specifically 200 or more CAMs, and calculating the average value.
CAMの円形度は、CAMの平面画像において測定される4π×(面積)/(周囲長)2で表される値である。円形度が小さいほど、CAMは扁平な形状であり、円形度が1に近づくほど二次粒子は真球に近くなる。CAMの平均円形度は、測定対象粒子、具体的には200個以上のCAMの円形度を測定及び算出し、平均値を算出した値である。 The circularity of CAM is a value represented by 4π×(area)/(perimeter) 2 measured in a plane image of CAM. The smaller the circularity, the flatter the CAM, and the closer the circularity is to 1, the closer the secondary particles are to a true sphere. The average circularity of CAM is a value obtained by measuring and calculating the circularity of 200 or more CAMs to be measured, and calculating the average value.
CAMの平均粒子径は、CAMの平面画像において撮像された粒子の面積と同じ面積を持つ円の直径で表される値である。CAMの平均粒子径は、測定対象粒子、具体的には200個以上のCAMの直径を測定及び算出し、平均値を算出した値である。 The CAM average particle diameter is a value represented by the diameter of a circle having the same area as the area of the particles captured in the CAM planar image. The average particle size of CAM is a value obtained by measuring and calculating the diameter of particles to be measured, specifically 200 or more CAMs, and calculating the average value.
CAMの第1平均アスペクト比、平均包絡度、平均円形度及び平均粒子径、並びにCAM中の粒子の平均アスペクト比(後述の第2平均アスペクト比及び第3平均アスペクト比)は、静的自動画像分析装置(例えば、モフォロギ4、マルバーン・パナリティカル社)により測定することができる。
The first average aspect ratio, average envelopment, average circularity and average particle size of the CAM, as well as the average aspect ratios of the particles in the CAM (second average aspect ratio and third average aspect ratio, described below) are calculated from static automated images. It can be measured by an analyzer (for example,
具体的には、以下の方法により測定することができる。200個以上のCAMの粒子を分析装置供給部に導入し、プレパラートに吹き付けて固定する。固定した粒子を光学顕微鏡により観察し、画像を取得する。取得した画像を解析し、CAMの第1平均アスペクト比、平均包絡度、及び平均円形度、並びに後述の第2平均アスペクト比及び第3平均アスペクト比を算出する。 Specifically, it can be measured by the following method. 200 or more particles of CAM are introduced into the analyzer supply and fixed by spraying onto the preparation. Observe the fixed particles with an optical microscope and acquire an image. The obtained image is analyzed to calculate a first average aspect ratio, an average degree of envelopment and an average degree of circularity of the CAM, as well as a second average aspect ratio and a third average aspect ratio which will be described later.
本実施形態のCAMの第1平均アスペクト比は、0.755-1.000であり、0.755-0.999であることが好ましく、0.760-0.998であることがより好ましい。第1平均アスペクト比が0.755-1.000であると、二次粒子が球に近い形状であるといえる。その結果、CAMの充填密度を高めることができ、リチウム二次電池のサイクル維持率が向上する。 The first average aspect ratio of the CAM of this embodiment is 0.755-1.000, preferably 0.755-0.999, more preferably 0.760-0.998. When the first average aspect ratio is 0.755-1.000, it can be said that the secondary particles have a shape close to a sphere. As a result, the packing density of the CAM can be increased, and the cycle retention rate of the lithium secondary battery is improved.
CAMの平均粒子径より小さい粒子径をもつ粒子の平均アスペクト比が、第1平均アスペクト比よりも0.003以上大きいことが好ましく、0.004以上大きいことがより好ましく、0.005以上大きいことがさらに好ましい。以降、CAMの平均粒子径より小さい粒子径をもつ粒子の平均アスペクト比を、「第2平均アスペクト比」と記載することがある。第2平均アスペクト比が、第1平均アスペクト比よりも0.002以上大きいと、CAMの平均粒子径より小さい粒子径をもつ粒子がより真球に近い形状であるといえる。その結果、CAMの充填密度を挙げることができ、リチウム二次電池のサイクル維持率が向上する。 The average aspect ratio of particles having a particle size smaller than the average particle size of CAM is preferably 0.003 or more, more preferably 0.004 or more, and 0.005 or more than the first average aspect ratio. is more preferred. Hereinafter, the average aspect ratio of particles having a particle size smaller than the average particle size of CAM may be referred to as "second average aspect ratio". When the second average aspect ratio is 0.002 or more larger than the first average aspect ratio, it can be said that particles having a particle size smaller than the average particle size of the CAM have a shape closer to a perfect sphere. As a result, the packing density of the CAM can be increased, and the cycle retention rate of the lithium secondary battery is improved.
第1平均アスペクト比が、CAMの平均粒子径以上の粒子径をもつ粒子の平均アスペクト比よりも0.004以上大きいことが好ましく、0.005以上大きいことがより好ましく、0.006以上大きいことがさらに好ましい。以降、CAMの平均粒子径以上の粒子径をもつ粒子の平均アスペクト比を、「第3平均アスペクト比」と記載することがある。第1平均アスペクト比が、第3平均アスペクト比よりも0.004以上大きいと、CAMの平均粒子径以上の粒子径をもつ粒子が比較的扁平した形状であるといえる。扁平した形状である粒子同士の間を、より球形に近く粒子径の小さい粒子により埋めることができ、CAMの充填密度を挙げることができる。その結果、リチウム二次電池のサイクル維持率が向上する。 The first average aspect ratio is preferably 0.004 or more, more preferably 0.005 or more, and 0.006 or more than the average aspect ratio of the particles having a particle diameter equal to or greater than the average particle diameter of the CAM. is more preferred. Hereinafter, the average aspect ratio of particles having a particle diameter equal to or larger than the average particle diameter of CAM may be referred to as "third average aspect ratio". When the first average aspect ratio is greater than the third average aspect ratio by 0.004 or more, it can be said that particles having a particle size equal to or larger than the average particle size of CAM have a relatively flat shape. The space between the flattened particles can be filled with particles that are closer to a spherical shape and have a smaller particle diameter, and the packing density of the CAM can be increased. As a result, the cycle retention rate of the lithium secondary battery is improved.
CAMの平均粒子径は、4-16μmであることが好ましく、4.5-15μmであることがより好ましく、5-14μmであることがさらに好ましい。CAMの平均粒子径が4-16μmであると、サイクル維持率が向上する。 The average particle size of CAM is preferably 4-16 μm, more preferably 4.5-15 μm, even more preferably 5-14 μm. When the average particle size of CAM is 4-16 μm, the cycle retention rate is improved.
CAMの平均包絡度は、0.983-1.000であり、0.983-0.995であることが好ましく、0.983-0.990であることがより好ましい。平均包絡度は、0.983-1.000であると、CAM中の二次粒子はその頂点間の凹凸量の小さい形状であるといえる。その結果、リチウム二次電池のサイクル維持率が向上する。 The average envelope of CAM is 0.983-1.000, preferably 0.983-0.995, more preferably 0.983-0.990. When the average enveloping degree is 0.983-1.000, it can be said that the secondary particles in the CAM have a shape with a small amount of unevenness between the vertexes. As a result, the cycle retention rate of the lithium secondary battery is improved.
CAMの平均円形度は、0.910-1.000であり、0.915-0.980であることが好ましく、0.920-0.950であることがより好ましい。平均円形度が0.910-1.000であると、CAM中の二次粒子が球に近い形状であるといえる。その結果、CAMの充填密度を挙げることができ、リチウム二次電池のサイクル維持率が向上する。 The average circularity of CAM is 0.910-1.000, preferably 0.915-0.980, more preferably 0.920-0.950. When the average circularity is 0.910 to 1.000, it can be said that the secondary particles in the CAM have a nearly spherical shape. As a result, the packing density of the CAM can be increased, and the cycle retention rate of the lithium secondary battery is improved.
本実施形態のCAMは、粒度分布にある程度の幅があることが好ましい。二次粒子の粒度分布に幅があると、CAMを層状に形成した場合において粒子径の大きい二次粒子間を粒子径の小さい二次粒子が埋めることができ、CAMの充填密度を挙げることができる。その結果、リチウム二次電池のサイクル維持率が向上する。 The CAM of the present embodiment preferably has a certain width in particle size distribution. If the particle size distribution of the secondary particles has a wide range, secondary particles with a small particle size can be filled between the secondary particles with a large particle size when the CAM is formed in layers, and the packing density of the CAM can be increased. can. As a result, the cycle retention rate of the lithium secondary battery is improved.
粒度分布の幅は、例えば(D100-D0)により表される。粒度分布の幅は、10-60μmであることが好ましい。CAMの粒度分布は、上述の静的自動画像分析装置により測定することができる。具体的には、静的自動画像分析装置(例えば、モフォロギ4、マルバーン・パナリティカル社)を用い、取得した画像の解析により算出することができる。D100は、測定対象のCAMのうち最も大きい粒子径を意味し、D0は、測定対象のCAMのうち測定アーティファクトを除いた最も小さい粒子径を意味する。
The width of the particle size distribution is represented by (D 100 -D 0 ), for example. The width of the particle size distribution is preferably 10-60 μm. The particle size distribution of CAM can be measured by the static automatic image analyzer described above. Specifically, it can be calculated by analyzing an acquired image using a static automatic image analyzer (for example,
CAMは、式(A)で表されるLiMOを含む。
Li[Lix(Ni(1-y-z)CoyXz)1-x]O2 ・・・(A)
(式(A)中、Xは、Mn、Cu、Ti、Mg、Al、W、Mo、Nb、Zn、Sn、Zr、Ga、B、Si、S及びPからなる群より選択される1種以上の元素であり、-0.1≦x≦0.2、0≦y≦0.4、0≦z≦0.5、及びy+z<1を満たす。)
CAM includes LiMO represented by formula (A).
Li[Li x (Ni (1-yz) Co y x z ) 1-x ]O 2 (A)
(In formula (A), X is one selected from the group consisting of Mn, Cu, Ti, Mg, Al, W, Mo, Nb, Zn, Sn, Zr, Ga, B, Si, S and P are the above elements and satisfy -0.1 ≤ x ≤ 0.2, 0 ≤ y ≤ 0.4, 0 ≤ z ≤ 0.5, and y + z < 1.)
サイクル維持率が高いリチウム二次電池を得る観点から、xは、-0.1以上であり、-0.05以上であることがより好ましく、0を超えることがさらに好ましい。また、初回クーロン効率がより高いリチウム二次電池を得る観点から、xは、0.2以下であり、0.15以下であることが好ましく、0.10以下であることがより好ましい。 From the viewpoint of obtaining a lithium secondary battery with a high cycle retention rate, x is -0.1 or more, preferably -0.05 or more, and more preferably more than 0. From the viewpoint of obtaining a lithium secondary battery with a higher initial coulombic efficiency, x is 0.2 or less, preferably 0.15 or less, and more preferably 0.10 or less.
xの上限値と下限値は、任意に組み合わせることができる。組み合わせとしては、例えば、xが-0.1~0.2、0を超え0.2以下、-0.05~0.15、0を超え0.10以下等であることが挙げられる。 The upper limit and lower limit of x can be combined arbitrarily. Combinations include, for example, x being −0.1 to 0.2, over 0 to 0.2 or less, −0.05 to 0.15, over 0 to 0.10 or less.
電池の内部抵抗が低いリチウム二次電池を得る観点から、yは、0以上であり、0を超えることが好ましく、0.005以上であることがより好ましく、0.05以上であることがさら好ましい。yは、0.4以下であり、0.35以下であることが好ましく、0.33以下であることがより好ましく、0.30以下であることがさらに好ましい。 From the viewpoint of obtaining a lithium secondary battery with low battery internal resistance, y is 0 or more, preferably more than 0, more preferably 0.005 or more, and further preferably 0.05 or more. preferable. y is 0.4 or less, preferably 0.35 or less, more preferably 0.33 or less, and even more preferably 0.30 or less.
yの上限値と下限値は、任意に組み合わせることができる。組み合わせとしては、例えば、yが0~0.4、0を超え0.35以下、0.005~0.35、0.05~0.30等であることが挙げられる。 The upper limit and lower limit of y can be combined arbitrarily. Combinations include, for example, y being 0 to 0.4, more than 0 to 0.35 or less, 0.005 to 0.35, 0.05 to 0.30, and the like.
サイクル維持率が高いリチウム二次電池を得る観点から、zは、0以上であり、0.01以上であることが好ましく、0.02以上であることがより好ましく、0.1以上であることがさらに好ましい。また、zは、0.5以下であり、0.45以下であることが好ましく、0.40以下であることがより好ましく、0.35以下であることがさらに好ましい。 From the viewpoint of obtaining a lithium secondary battery with a high cycle retention rate, z is 0 or more, preferably 0.01 or more, more preferably 0.02 or more, and 0.1 or more. is more preferred. Also, z is 0.5 or less, preferably 0.45 or less, more preferably 0.40 or less, and even more preferably 0.35 or less.
zの上限値と下限値は、任意に組み合わせることができる。zは、0~0.5であり、0.01~0.45であることが好ましく、0.02~0.40であることがより好ましく、0.05~0.35であることがさらに好ましい。 The upper limit and lower limit of z can be combined arbitrarily. z is 0 to 0.5, preferably 0.01 to 0.45, more preferably 0.02 to 0.40, and further preferably 0.05 to 0.35 preferable.
サイクル維持率が高いリチウム二次電池を得る観点から、y+zは、0を超え、0.01以上であることが好ましく、0.02以上であることがより好ましい。熱的安定性が高いリチウム二次電池を得る観点から、y+zは、1未満であり、0.9以下であることが好ましく、0.75以下であることがより好ましく、0.7以下であることがさらに好ましく、0.3以下が特に好ましい。 From the viewpoint of obtaining a lithium secondary battery with a high cycle retention rate, y+z exceeds 0, preferably 0.01 or more, and more preferably 0.02 or more. From the viewpoint of obtaining a lithium secondary battery with high thermal stability, y+z is less than 1, preferably 0.9 or less, more preferably 0.75 or less, and 0.7 or less. is more preferable, and 0.3 or less is particularly preferable.
y+zの上限値と下限値は、任意に組み合わせることができる。y+zは、0を超え0.9以下であることが好ましく、0.01~0.75であることがより好ましく、0.02~0.7であることがさらに好ましく、0.02~0.3が特に好ましい。 The upper and lower limits of y+z can be combined arbitrarily. y+z is preferably more than 0 and 0.9 or less, more preferably 0.01 to 0.75, still more preferably 0.02 to 0.7, and 0.02 to 0.75. 3 is particularly preferred.
サイクル維持率が高いリチウム二次電池を得る観点から、Mは、Ti、Mg、Al、W、B、Nb及びZrからなる群より選択される1種以上の金属であることが好ましく、Al、W、B、Nb及びZrからなる群より選択される1種以上の金属であることがより好ましい。 From the viewpoint of obtaining a lithium secondary battery with a high cycle retention rate, M is preferably one or more metals selected from the group consisting of Ti, Mg, Al, W, B, Nb and Zr. More preferably, it is one or more metals selected from the group consisting of W, B, Nb and Zr.
CAMの結晶構造は、層状構造であり、六方晶型の結晶構造又は単斜晶型の結晶構造であることがより好ましい。CAMの結晶構造は、粉末X線回折法(XRD)により確認することができる。 The crystal structure of CAM is a layered structure, and more preferably a hexagonal crystal structure or a monoclinic crystal structure. The crystal structure of CAM can be confirmed by powder X-ray diffraction (XRD).
六方晶型の結晶構造は、P3、P31、P32、R3、P-3、R-3、P312、P321、P3112、P3121、P3212、P3221、R32、P3m1、P31m、P3c1、P31c、R3m、R3c、P-31m、P-31c、P-3m1、P-3c1、R-3m、R-3c、P6、P61、P65、P62、P64、P63、P-6、P6/m、P63/m、P622、P6122、P6522、P6222、P6422、P6322、P6mm、P6cc、P63cm、P63mc、P-6m2、P-6c2、P-62m、P-62c、P6/mmm、P6/mcc、P63/mcm、及びP63/mmcからなる群から選ばれるいずれか一つの空間群に帰属される。
The hexagonal crystal structure is composed of P3, P3 1 , P3 2 , R3, P-3, R-3, P312, P321, P3 1 12,
また、単斜晶型の結晶構造は、P2、P21、C2、Pm、Pc、Cm、Cc、P2/m、P21/m、C2/m、P2/c、P21/c、及びC2/cからなる群から選ばれるいずれか一つの空間群に帰属される。 The monoclinic crystal structures are P2, P2 1 , C2, Pm, Pc, Cm, Cc, P2/m, P2 1 /m, C2/m, P2/c, P2 1 /c, and C2 It belongs to any one space group selected from the group consisting of /c.
これらのうち、放電容量が高いリチウム二次電池を得るため、結晶構造は、空間群R-3mに帰属される六方晶型の結晶構造、又はC2/mに帰属される単斜晶型の結晶構造であることが特に好ましい。 Among these, in order to obtain a lithium secondary battery with a high discharge capacity, the crystal structure is a hexagonal crystal structure assigned to the space group R-3m, or a monoclinic crystal assigned to C2 / m. A structure is particularly preferred.
<CAMの製造方法>
次にCAMの製造方法について説明する。CAMの製造方法は、MCCの製造、MCCとリチウム化合物との混合、MCCとリチウム化合物との混合物の一次焼成、一次焼成により得られた反応物の二次焼成を少なくとも含んでいる。
<Method for manufacturing CAM>
Next, a method for manufacturing a CAM will be described. A method for producing CAM includes at least production of MCC, mixing of MCC and a lithium compound, primary firing of the mixture of MCC and lithium compound, and secondary firing of the reaction product obtained by the primary firing.
(1)MCCの製造
MCCは、金属複合水酸化物、金属複合酸化物、及びこれらの混合物のいずれであってもよい。金属複合水酸化物及び金属複合酸化物は、一例として下記式(A’)で表されるモル比率で、Ni、Co及びXを含む。
Ni:Co:X=(1-y-z):y:z (A’)
(式(A’)中、Xは、Mn、Cu、Ti、Mg、Al、W、Mo、Nb、Zn、Sn、Zr、Ga、B、Si、S及びPからなる群より選択される1種以上の元素であり、0≦y≦0.4、0≦z≦0.5、及びy+z<1を満たす。)
(1) Production of MCC MCC may be a metal composite hydroxide, a metal composite oxide, or a mixture thereof. Metal composite hydroxides and metal composite oxides contain Ni, Co, and X in molar ratios represented by the following formula (A′), for example.
Ni:Co:X=(1-yz):y:z (A')
(In formula (A′), X is selected from the group consisting of Mn, Cu, Ti, Mg, Al, W, Mo, Nb, Zn, Sn, Zr, Ga, B, Si, S and P. 1 is at least one element and satisfies 0≤y≤0.4, 0≤z≤0.5, and y+z<1.)
以下、Ni、Co及びAlを含むMCCの製造方法を一例として説明する。まず、Ni、Co及びAlを含む金属複合水酸化物を調製する。金属複合水酸化物は、通常公知のバッチ式共沈殿法又は連続式共沈殿法により製造することが可能である。 A method for manufacturing MCC containing Ni, Co and Al will be described below as an example. First, a composite metal hydroxide containing Ni, Co and Al is prepared. A metal composite hydroxide can be produced by a generally known batch coprecipitation method or continuous coprecipitation method.
具体的には、JP-A-2002-201028に記載された連続式共沈殿法により、ニッケル塩溶液、コバルト塩溶液、アルミニウム塩溶液及び錯化剤を反応させ、Ni(1-y-z)CoyAlz(OH)2で表される金属複合水酸化物を製造する。 Specifically, by the continuous coprecipitation method described in JP-A-2002-201028, a nickel salt solution, a cobalt salt solution, an aluminum salt solution and a complexing agent are reacted to obtain Ni (1-yz). A metal composite hydroxide represented by CoyAlz (OH) 2 is produced.
ニッケル塩溶液の溶質であるニッケル塩としては、特に限定されないが、例えば硫酸ニッケル、硝酸ニッケル、塩化ニッケル及び酢酸ニッケルのうちの少なくとも1種を使用することができる。 The nickel salt that is the solute of the nickel salt solution is not particularly limited, but at least one of nickel sulfate, nickel nitrate, nickel chloride and nickel acetate can be used.
コバルト塩溶液の溶質であるコバルト塩としては、例えば硫酸コバルト、硝酸コバルト、塩化コバルト及び酢酸コバルトのうちの少なくとも1種を使用することができる。 At least one of cobalt sulfate, cobalt nitrate, cobalt chloride and cobalt acetate can be used as the cobalt salt that is the solute of the cobalt salt solution.
アルミニウム塩溶液の溶質であるアルミニウム塩としては、例えば硫酸アルミニウム、硝酸アルミニウム、塩化アルミニウム及び酢酸アルミニウムのうちの少なくとも1種を使用することができる。 At least one of aluminum sulfate, aluminum nitrate, aluminum chloride and aluminum acetate can be used as the aluminum salt that is the solute of the aluminum salt solution.
以上の金属塩は、上記、Ni(1-y-z)CoyAlz(OH)2の組成比に対応する割合で用いられる。すなわち、上記金属塩を含む混合溶液中におけるNi、Co及びAlのモル比が、式(A’)の(1-y-z):y:zと対応するように各金属塩の量を規定する。また、溶媒として水が使用される。 The above metal salts are used in proportions corresponding to the composition ratio of Ni (1-yz) CoyAlz (OH) 2 . That is, the amounts of each metal salt are defined so that the molar ratio of Ni, Co and Al in the mixed solution containing the metal salt corresponds to (1-yz):y:z in formula (A'). do. Also, water is used as a solvent.
錯化剤としては、水溶液中で、ニッケルイオン、コバルトイオン及びアルミニウムイオンと錯体を形成可能なものであり、例えばアンモニウムイオン供給体(水酸化アンモニウム、硫酸アンモニウム、塩化アンモニウム、炭酸アンモニウム、又は弗化アンモニウム等)、ヒドラジン、エチレンジアミン四酢酸、ニトリロ三酢酸及びウラシル二酢酸及びグリシンが挙げられる。 The complexing agent is one capable of forming complexes with nickel ions, cobalt ions and aluminum ions in an aqueous solution. etc.), hydrazine, ethylenediaminetetraacetic acid, nitrilotriacetic acid and uracil diacetic acid and glycine.
金属複合水酸化物の製造工程において、錯化剤は、用いられてもよく、用いられなくてもよい。錯化剤が用いられる場合、ニッケル塩溶液、コバルト塩溶液、アルミニウム塩溶液及び錯化剤を含む混合液に含まれる錯化剤の量は、例えば金属塩(ニッケル塩、コバルト塩及びアルミニウム塩)のモル数の合計に対するモル比が0より大きく2.0以下である。 A complexing agent may or may not be used in the manufacturing process of the metal composite hydroxide. When a complexing agent is used, the amount of the complexing agent contained in the mixture containing the nickel salt solution, cobalt salt solution, aluminum salt solution and complexing agent is, for example, metal salts (nickel salts, cobalt salts and aluminum salts). is greater than 0 and 2.0 or less.
共沈殿法に際しては、ニッケル塩溶液、コバルト塩溶液、アルミニウム塩溶液、及び錯化剤を含む混合液のpH値を調整するため、混合液のpHがアルカリ性から中性になる前に、混合液にアルカリ金属水酸化物を添加する。アルカリ金属水酸化物とは、例えば水酸化ナトリウム又は水酸化カリウムである。 In the coprecipitation method, in order to adjust the pH value of the mixed solution containing the nickel salt solution, the cobalt salt solution, the aluminum salt solution, and the complexing agent, the mixed solution is added before the pH of the mixed solution changes from alkaline to neutral. Add an alkali metal hydroxide. Alkali metal hydroxides are, for example, sodium hydroxide or potassium hydroxide.
なお、本明細書におけるpHの値は、混合液の温度が40℃の時に測定された値であると定義する。混合液のpHは、反応槽からサンプリングした混合液の温度が、40℃になったときに測定する。サンプリングした混合液が40℃未満である場合には、混合液を40℃まで加温してpHを測定する。サンプリングした混合液が40℃を超える場合には、混合液を40℃まで冷却してpHを測定する。 In addition, the value of pH in this specification is defined as the value measured when the temperature of the liquid mixture is 40 degreeC. The pH of the mixed solution is measured when the temperature of the mixed solution sampled from the reaction tank reaches 40°C. If the sampled mixture is below 40°C, the mixture is heated to 40°C and the pH is measured. If the sampled mixed liquid exceeds 40°C, the mixed liquid is cooled to 40°C and the pH is measured.
上記ニッケル塩溶液、コバルト塩溶液、及びアルミニウム塩溶液のほか、錯化剤を反応槽に連続して供給すると、Ni、Co及びAlが反応し、Ni(1-y-z)CoyAlz(OH)2が生成する。 When the nickel salt solution, cobalt salt solution, and aluminum salt solution as well as the complexing agent are continuously supplied to the reactor, Ni, Co and Al react to form Ni (1-yz) Co y Al z (OH) 2 is produced.
反応に際しては、反応槽の温度を、例えば20-80℃、好ましくは30-70℃の範囲内で制御する。 During the reaction, the temperature of the reaction vessel is controlled, for example, within the range of 20-80°C, preferably 30-70°C.
また、反応に際しては、反応槽内のpH値を、例えば9-13の範囲内で制御する。 Also, during the reaction, the pH value in the reaction vessel is controlled within the range of 9-13, for example.
反応槽内で形成された反応沈殿物を攪拌しながら中和する。反応沈殿物の中和の時間は、例えば1-20時間である。 The reaction precipitate formed in the reactor is neutralized with stirring. The time for neutralization of the reaction precipitate is, for example, 1-20 hours.
連続式共沈殿法で用いる反応槽は、形成された反応沈殿物を分離するためオーバーフローさせるタイプの反応槽を用いることができる。 The reactor used in the continuous coprecipitation method can be of the overflow type to separate the formed reaction precipitate.
バッチ式共沈殿法により金属複合水酸化物を製造する場合、反応槽としては、オーバーフローパイプを備えない反応槽、及びオーバーフローパイプに連結された濃縮槽を備え、オーバーフローした反応沈殿物を濃縮槽で濃縮し、再び反応槽へ循環させる機構を有する装置等が挙げられる。 When producing a metal composite hydroxide by a batch coprecipitation method, the reaction tank includes a reaction tank without an overflow pipe and a thickening tank connected to the overflow pipe, and the overflowed reaction precipitate is removed in the thickening tank. Apparatus having a mechanism for concentrating and recirculating to the reaction vessel, etc., may be mentioned.
各種気体、例えば、窒素、アルゴン又は二酸化炭素等の不活性ガス、空気又は酸素等の酸化性ガス、又はそれらの混合ガスを反応槽内に供給してもよい。 Various gases, for example, inert gases such as nitrogen, argon or carbon dioxide, oxidizing gases such as air or oxygen, or mixed gases thereof may be fed into the reactor.
反応槽に供給する金属塩の濃度、攪拌速度、反応温度、反応pHおよび反応中和時間等を適宜制御することにより、最終的に得られるCAMの平均粒子径を制御することができる。 By appropriately controlling the concentration of the metal salt supplied to the reaction tank, stirring speed, reaction temperature, reaction pH, reaction neutralization time, etc., the average particle size of the finally obtained CAM can be controlled.
以上の反応後、中和された反応沈殿物を単離する。単離には、例えば反応沈殿物を含むスラリー(つまり、共沈物スラリー)を遠心分離や吸引ろ過などで脱水する方法が用いられる。 After the above reaction, the neutralized reaction precipitate is isolated. For isolation, for example, a method of dehydrating a slurry containing a reaction precipitate (that is, a coprecipitate slurry) by centrifugation, suction filtration, or the like is used.
単離された反応沈殿物を洗浄、脱水、乾燥及び篩別し、Ni、Co及びAlを含む金属複合水酸化物が得られる。 The isolated reaction precipitate is washed, dehydrated, dried and sieved to obtain a metal composite hydroxide containing Ni, Co and Al.
反応沈殿物の洗浄は、水又はアルカリ性洗浄液で行うことが好ましい。本実施形態においては、アルカリ性洗浄液で洗浄することが好ましく、水酸化ナトリウム水溶液で洗浄することがより好ましい。また、硫黄元素を含有する洗浄液を用いて洗浄してもよい。硫黄元素を含有する洗浄液としては、KやNaの硫酸塩水溶液等が挙げられる。 Washing of the reaction precipitate is preferably carried out with water or an alkaline washing liquid. In the present embodiment, cleaning with an alkaline cleaning solution is preferred, and cleaning with an aqueous sodium hydroxide solution is more preferred. Alternatively, cleaning may be performed using a cleaning liquid containing elemental sulfur. Examples of the cleaning solution containing elemental sulfur include an aqueous K and Na sulfate solution.
MCCが金属複合酸化物である場合、金属複合水酸化物を加熱して金属複合酸化物を製造する。具体的には、金属複合水酸化物を400-700℃で加熱する。必要ならば複数の加熱工程を実施してもよい。本明細書における加熱温度とは、加熱装置の設定温度を意味する。複数の加熱工程を有する場合、各加熱工程のうち、最高保持温度で加熱した際の温度を意味する。 When MCC is a metal composite oxide, the metal composite hydroxide is heated to produce the metal composite oxide. Specifically, the metal composite hydroxide is heated at 400-700°C. Multiple heating steps may be performed if desired. The heating temperature in this specification means the set temperature of the heating device. In the case of having a plurality of heating steps, it means the temperature when heated at the highest holding temperature in each heating step.
加熱温度は、400-700℃であることが好ましく、450-680℃であることがより好ましい。加熱温度が400-700℃であると、金属複合水酸化物が十分に酸化される。加熱温度が400℃未満であると、金属複合水酸化物が十分に酸化されないおそれがある。加熱温度が700℃を超えると、金属複合水酸化物が過剰に酸化されるおそれがある。 The heating temperature is preferably 400-700°C, more preferably 450-680°C. When the heating temperature is 400-700° C., the metal composite hydroxide is sufficiently oxidized. If the heating temperature is less than 400°C, the metal composite hydroxide may not be sufficiently oxidized. If the heating temperature exceeds 700°C, the metal composite hydroxide may be excessively oxidized.
前記加熱温度で保持する時間は、0.1-20時間が挙げられ、0.5-10時間が好ましい。前記加熱温度までの昇温速度は、例えば、50-400℃/時間である。また、加熱雰囲気としては、大気、酸素、窒素、アルゴン又はこれらの混合ガスを用いることができる。 The holding time at the heating temperature is 0.1 to 20 hours, preferably 0.5 to 10 hours. The heating rate to the heating temperature is, for example, 50-400° C./hour. Air, oxygen, nitrogen, argon, or a mixed gas thereof can be used as the heating atmosphere.
加熱装置内は、適度な酸素含有雰囲気であってもよい。酸素含有雰囲気は、不活性ガスと酸化性ガスとの混合ガス雰囲気であってもよく、不活性ガス雰囲気下で酸化剤を存在させた状態であってもよい。加熱装置内が適度な酸素含有雰囲気であることにより、金属複合水酸化物に含まれる遷移金属が適度に酸化され、金属複合酸化物の形態を制御しやすくなる。 The inside of the heating device may have a moderately oxygen-containing atmosphere. The oxygen-containing atmosphere may be a mixed gas atmosphere of an inert gas and an oxidizing gas, or may be a state in which an oxidizing agent is present in an inert gas atmosphere. When the inside of the heating device is in a moderately oxygen-containing atmosphere, the transition metal contained in the metal composite hydroxide is moderately oxidized, making it easier to control the form of the metal composite oxide.
酸素含有雰囲気中の酸素や酸化剤は、遷移金属を酸化させるために十分な酸素原子が存在すればよい。 Oxygen and the oxidizing agent in the oxygen-containing atmosphere should have enough oxygen atoms to oxidize the transition metal.
酸素含有雰囲気が不活性ガスと酸化性ガスとの混合ガス雰囲気である場合、加熱装置内の雰囲気の制御は、加熱装置内に酸化性ガスを通気させる又は混合液に酸化性ガスをバブリングするなどの方法で行うことができる。 When the oxygen-containing atmosphere is a mixed gas atmosphere of an inert gas and an oxidizing gas, the atmosphere in the heating device is controlled by passing the oxidizing gas through the heating device or bubbling the oxidizing gas into the mixed liquid. method.
酸化剤として、過酸化水素などの過酸化物、過マンガン酸塩などの過酸化物塩、過塩素酸塩、次亜塩素酸塩、硝酸、ハロゲン又はオゾンなどを使用できる。 As the oxidizing agent, peroxides such as hydrogen peroxide, peroxide salts such as permanganate, perchlorates, hypochlorites, nitric acid, halogens, ozone, and the like can be used.
(2)MCCとリチウム化合物との混合
本工程は、リチウム化合物とMCCとを混合し、混合物を得る工程である。
(2) Mixing of MCC and Lithium Compound This step is a step of mixing a lithium compound and MCC to obtain a mixture.
前記MCCを乾燥させた後、リチウム化合物と混合する。MCCの乾燥後に、適宜分級を行ってもよい。 After drying the MCC, it is mixed with a lithium compound. After drying the MCC, it may be appropriately classified.
本実施形態に用いるリチウム化合物は、炭酸リチウム、硝酸リチウム、酢酸リチウム、水酸化リチウム、酸化リチウム、塩化リチウム及びフッ化リチウムの少なくとも何れか一つを使用することができる。これらの中では、水酸化リチウム及び炭酸リチウムのいずれか一方又はその混合物が好ましい。また、水酸化リチウムが炭酸リチウムを含む場合には、水酸化リチウム中の炭酸リチウムの含有量は、5質量%以下であることが好ましい。 At least one of lithium carbonate, lithium nitrate, lithium acetate, lithium hydroxide, lithium oxide, lithium chloride, and lithium fluoride can be used as the lithium compound used in this embodiment. Among these, either one of lithium hydroxide and lithium carbonate or a mixture thereof is preferred. Moreover, when the lithium hydroxide contains lithium carbonate, the content of lithium carbonate in the lithium hydroxide is preferably 5% by mass or less.
リチウム化合物とMCCとを、最終目的物の組成比を勘案して混合し、混合物を得る。具体的には、リチウム化合物とMCCは、上記組成式(A)の組成比に対応する割合で混合する。MCCに含まれる金属原子の合計量1に対するLiの量(モル比)は、1.00以上が好ましく、1.02以上がより好ましく、1.05以上がさらに好ましい。リチウム化合物とMCCの混合物を、後に説明するように焼成することによって、焼成物が得られる。 The lithium compound and MCC are mixed in consideration of the composition ratio of the final product to obtain a mixture. Specifically, the lithium compound and MCC are mixed at a ratio corresponding to the composition ratio of the above compositional formula (A). The amount (molar ratio) of Li to the total amount of 1 of metal atoms contained in MCC is preferably 1.00 or more, more preferably 1.02 or more, and even more preferably 1.05 or more. A fired product is obtained by firing a mixture of a lithium compound and MCC as described later.
(3)混合物の一次焼成
MCCとリチウム化合物との混合物は、一次焼成され、反応物が形成される。本実施形態において一次焼成とは、後述の二次焼成における焼成温度(焼成工程が複数の焼成段階を有する場合は、最も低い温度で実施される焼成段階における焼成温度)よりも低い温度で焼成することである。一次焼成は、複数回行ってもよい。
(3) Primary Firing of Mixture The mixture of MCC and lithium compound is subjected to primary firing to form a reactant. In the present embodiment, the primary firing means firing at a temperature lower than the firing temperature in the secondary firing described later (when the firing process has a plurality of firing steps, the firing temperature in the firing step performed at the lowest temperature). That is. The primary firing may be performed multiple times.
一次焼成時に用いる焼成装置は、流動式焼成炉を用いて行われる。流動式焼成炉としては、ロータリーキルン又は流動層焼成炉を用いてもよい。流動式焼成炉においては、被焼成物(本実施形態においては、MCCとリチウム化合物との混合物)が撹拌されながら焼成される。そのため、被焼成物に等方向に力が加わり、最終的に生成されるCAMの第1~第3平均アスペクト比、平均包絡度及び平均円形度を上述の範囲に制御しやすい。 A fluidized-bed firing furnace is used as a firing device for the primary firing. A rotary kiln or a fluidized bed calcining furnace may be used as the fluidized calcining furnace. In the fluidized bed firing furnace, the material to be fired (in this embodiment, a mixture of MCC and a lithium compound) is fired while being stirred. Therefore, force is applied in the same direction to the object to be fired, and the first to third average aspect ratios, average enveloping degree and average circularity of the finally produced CAM can be easily controlled within the above ranges.
例えば、焼成炉としてロータリーキルンを用いる場合、焼成炉である回転筒の内径は、50-2000mmであることが好ましく、60-1900mmであることがより好ましい。回転筒の容積は、例えば0.002-100m3であることが好ましく、0.003-99m3であることがより好ましい。 For example, when a rotary kiln is used as the firing furnace, the inner diameter of the rotating cylinder, which is the firing furnace, is preferably 50-2000 mm, more preferably 60-1900 mm. The volume of the rotary cylinder is preferably 0.002-100 m 3 , more preferably 0.003-99 m 3 , for example.
ここで、回転筒の内径に応じて、回転筒の回転速度や焼成温度を適切に設定することが好ましい。例えば、回転筒の内径が50-2000mmである場合、回転筒の回転速度は、0.5-5rpmであることが好ましく、0.51-4.9rpmであることがより好ましく、0.52-4.8rpmであることがさらに好ましい。また、一次焼成の温度は、400℃以上700℃以下であることが好ましく、410-700℃であることが好ましく、420-700℃であることがより好ましい。一次焼成温度が400℃以上であると、MCCとリチウム化合物との反応が促進される。また、一次焼成温度が700℃以下であると、最終的に生成されるCAMの第1~第3平均アスペクト比、平均包絡度及び平均円形度を上述の範囲に制御しやすい。 Here, it is preferable to appropriately set the rotational speed and the firing temperature of the rotating shell according to the inner diameter of the rotating shell. For example, when the inner diameter of the rotating barrel is 50-2000 mm, the rotating speed of the rotating barrel is preferably 0.5-5 rpm, more preferably 0.51-4.9 rpm, More preferably 4.8 rpm. The temperature of the primary firing is preferably 400°C or higher and 700°C or lower, preferably 410-700°C, and more preferably 420-700°C. When the primary firing temperature is 400° C. or higher, the reaction between MCC and the lithium compound is promoted. Further, when the primary firing temperature is 700° C. or lower, it is easy to control the first to third average aspect ratios, average degree of envelopment, and average degree of circularity of the finally produced CAM within the above ranges.
本明細書における焼成温度とは、焼成炉内雰囲気の温度を意味し、かつ焼成工程での保持温度の最高温度(以下、最高保持温度と呼ぶことがある)である。複数の加熱工程を有する焼成工程の場合、焼成温度とは、各加熱工程のうち、最高保持温度で加熱した際の温度を意味する。焼成温度の上記上限値と下限値は任意に組み合わせることができる。 The firing temperature in this specification means the temperature of the atmosphere in the firing furnace, and is the highest temperature held in the firing process (hereinafter sometimes referred to as the maximum held temperature). In the case of the firing process having a plurality of heating steps, the firing temperature means the temperature when heating is performed at the highest holding temperature in each heating step. The above upper limit and lower limit of the firing temperature can be combined arbitrarily.
一次焼成における保持時間は、0.01-50時間が好ましい。一次焼成における保持時間が0.01時間以上であると、MCCとリチウム化合物との混合物全体の反応が進行する。焼成における保持時間が50時間以下であると、リチウムの揮発が生じ難く、電池性能が向上する。 The holding time in primary firing is preferably 0.01 to 50 hours. When the holding time in the primary firing is 0.01 hour or more, the reaction of the entire mixture of MCC and lithium compound proceeds. When the retention time in firing is 50 hours or less, volatilization of lithium is less likely to occur, and battery performance is improved.
一次焼成の焼成雰囲気は、所望の組成に応じて大気、酸素、窒素、アルゴン又はこれらの混合ガスを選択することができる。焼成雰囲気が酸素含有雰囲気である場合、焼成雰囲気における酸素濃度は、21-100体積%であることが好ましく、25-100体積%であることがより好ましい。 Air, oxygen, nitrogen, argon, or a mixture of these gases can be selected as the firing atmosphere for the primary firing depending on the desired composition. When the firing atmosphere is an oxygen-containing atmosphere, the oxygen concentration in the firing atmosphere is preferably 21-100% by volume, more preferably 25-100% by volume.
一次焼成により得られた反応物は、結合している二次粒子同士を分離する程度に解砕されてもよい。 The reactant obtained by the primary firing may be pulverized to such an extent that the bound secondary particles are separated from each other.
反応物の解砕は、例えばピンミル及びディスクミル等による解砕が挙げられる。ピンミルによる反応物の解砕条件としては、例えば、回転数が300-20000rpmとなるようにピンミルを運転することが挙げられる。ディスクミルによる反応物の解砕条件としては、例えば、回転数が12-1200rpmとなるようにディスクミルを運転することが挙げられる。反応物をこのような条件で解砕することによって、CAMの第1~第3平均アスペクト比、平均包絡度及び平均円形度を上述の範囲に制御しやすい。 Pulverization of the reaction product includes, for example, pulverization by a pin mill, a disc mill, or the like. Conditions for pulverizing the reactant by the pin mill include, for example, operating the pin mill at a rotational speed of 300 to 20000 rpm. Conditions for pulverizing the reactant by the disc mill include, for example, operating the disc mill at a rotational speed of 12 to 1200 rpm. By pulverizing the reaction product under such conditions, it is easy to control the first to third average aspect ratios, average enveloping degree and average circularity of the CAM within the ranges described above.
(5)反応物の二次焼成
解砕された反応物は、二次焼成される。二次焼成は上述の流動式焼成炉を用いて行われる。焼成炉としてロータリーキルンを用いる場合、焼成炉である回転筒の内径は、50-2000mmであることが好ましく、60-1900mmであることがより好ましい。二次焼成の焼成雰囲気として、所望の組成に応じて大気、酸素、窒素、アルゴン又はこれらの混合ガス等が用いられる。焼成雰囲気が酸素含有雰囲気である場合、焼成雰囲気における酸素濃度は、21-100体積%であることが好ましく、25-100体積%であることがより好ましい。
(5) Secondary Firing of Reactant The pulverized reactant is subjected to secondary firing. Secondary firing is performed using the above-described fluidized bed firing furnace. When a rotary kiln is used as the firing furnace, the inner diameter of the rotating cylinder, which is the firing furnace, is preferably 50-2000 mm, more preferably 60-1900 mm. Air, oxygen, nitrogen, argon, or a mixed gas of these is used as the firing atmosphere for the secondary firing depending on the desired composition. When the firing atmosphere is an oxygen-containing atmosphere, the oxygen concentration in the firing atmosphere is preferably 21-100% by volume, more preferably 25-100% by volume.
二次焼成は、焼成温度が異なる複数の焼成段階を有していてもよい。例えば、第1の焼成段階と、第1の焼成段階よりも高温で焼成する第2の焼成段階をそれぞれ独立に行ってもよい。さらに焼成温度及び焼成時間が異なる焼成段階を有していてもよい。 The secondary firing may have multiple firing stages with different firing temperatures. For example, a first firing step and a second firing step in which firing is performed at a higher temperature than the first firing step may be performed independently. Furthermore, it may have firing stages with different firing temperatures and firing times.
一次焼成と同様に、回転筒の内径に応じて、回転筒の回転速度や焼成温度を適切に設定することが好ましい。例えば、回転筒の内径が50-250mmである場合、回転筒の回転速度は、0.5-5rpmであることが好ましく、0.51-4.9rpmであることがより好ましく、0.52-4.8rpmであることがさらに好ましい。また、二次焼成の温度は、700℃を超え750℃以下であることが好ましく、710-750℃であることがより好ましい。二次焼成温度が700℃超であると、強固な結晶構造を有するCAMを得ることができる。また、二次焼成温度が750℃以下であると、最終的に生成されるCAMの第1~第3平均アスペクト比、平均包絡度及び平均円形度を上述の範囲に制御しやすい。 As in the primary firing, it is preferable to appropriately set the rotational speed of the rotating shell and the firing temperature according to the inner diameter of the rotating shell. For example, when the inner diameter of the rotating barrel is 50-250 mm, the rotational speed of the rotating barrel is preferably 0.5-5 rpm, more preferably 0.51-4.9 rpm, More preferably 4.8 rpm. Further, the secondary firing temperature is preferably higher than 700°C and 750°C or lower, more preferably 710-750°C. When the secondary firing temperature is higher than 700°C, a CAM having a strong crystal structure can be obtained. Further, when the secondary firing temperature is 750° C. or lower, the first to third average aspect ratios, average enveloping degree and average circularity of the finally produced CAM can be easily controlled within the above ranges.
回転筒の内径が250-2000mmである場合、回転筒の回転速度は、0.5-5rpmであることが好ましく、0.51-4.9rpmであることがより好ましく、0.52-4.8rpmであることがさらに好ましい。また、二次焼成の温度は、700℃超1000℃以下であることが好ましく、700℃超990℃以下であることがより好ましい。二次焼成温度が700℃超であると、強固な結晶構造を有するCAMを得ることができる。また、焼成温度が1000℃以下であると、最終的に生成されるCAMの第1~第3平均アスペクト比、平均包絡度、平均円形度が上述の範囲に制御されやすい。また、CAMに含まれる二次粒子表面のリチウムイオンの揮発を低減できる。 When the inner diameter of the rotating barrel is 250-2000 mm, the rotating speed of the rotating barrel is preferably 0.5-5 rpm, more preferably 0.51-4.9 rpm, and 0.52-4. More preferably 8 rpm. The secondary firing temperature is preferably above 700° C. and 1000° C. or less, and more preferably above 700° C. and 990° C. or less. When the secondary firing temperature is higher than 700°C, a CAM having a strong crystal structure can be obtained. Further, when the firing temperature is 1000° C. or less, the first to third average aspect ratios, average degree of envelopment, and average degree of circularity of the finally produced CAM are likely to be controlled within the above ranges. In addition, volatilization of lithium ions on the surfaces of secondary particles contained in the CAM can be reduced.
焼成における保持時間は、1-50時間が好ましい。焼成における保持時間が1時間以上であると、結晶が十分に発達し、電池性能が向上する。焼成における保持時間が50時間以下であると、リチウムイオンの揮発が生じ難く、電池性能が向上する。 The retention time in firing is preferably 1 to 50 hours. When the holding time in firing is 1 hour or more, crystals are sufficiently developed, and the battery performance is improved. When the retention time in the firing is 50 hours or less, volatilization of lithium ions is less likely to occur, resulting in improved battery performance.
MCCとリチウム化合物との反応物は、不活性溶融剤の存在下で焼成されてもよい。不活性溶融剤は、焼成物に残留してもよいし、焼成後に後述するように洗浄液で洗浄すること等により除去されてもよい。不活性溶融剤としては、例えばWO2019/177032A1に記載のものを使用することができる。 The reaction of MCC and lithium compound may be calcined in the presence of an inert melting agent. The inert melting agent may remain in the fired product, or may be removed after firing by washing with a cleaning liquid as described later. As an inert melting agent, for example, those described in WO2019/177032A1 can be used.
以上のようにMCCとリチウム化合物との反応物を焼成することにより、CAMが得られる。 CAM is obtained by firing the reaction product of MCC and the lithium compound as described above.
(4)その他の工程
二次焼成を行った後、CAMを解砕してもよい。CAMの解砕は、例えばピンミル及びディスクミル等による解砕が挙げられる。ピンミルによる反応物の解砕条件としては、例えば、回転数が300-20000rpmとなるようにピンミルを運転することが挙げられる。ディスクミルによる反応物の解砕条件としては、例えば、回転数が12-1200rpmとなるようにピンミルを運転することが挙げられる。二次焼成後のCAMをこのような条件で解砕することによって、CAMの第1~第3平均アスペクト比、平均包絡度及び平均円形度を上述の範囲に制御しやすい。
(4) Other Steps After secondary firing, the CAM may be pulverized. Crushing of CAM includes, for example, crushing by a pin mill, disk mill, or the like. Conditions for pulverizing the reactant by the pin mill include, for example, operating the pin mill at a rotational speed of 300 to 20000 rpm. Conditions for pulverizing the reactant by the disk mill include, for example, operating the pin mill at a rotational speed of 12 to 1200 rpm. By pulverizing the CAM after secondary firing under such conditions, it is easy to control the first to third average aspect ratios, the average degree of envelopment, and the average degree of circularity of the CAM within the ranges described above.
二次焼成を行った後、CAMを洗浄して残留する未反応のリチウム化合物及び不活性溶融剤を除去してもよい。洗浄には、純水やアルカリ性洗浄液を用いることができる。アルカリ性洗浄液としては、例えば、水酸化リチウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、炭酸リチウム、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム及び炭酸アンモニウムからなる群より選ばれる1種以上の無水物並びにその水和物の水溶液を挙げることができる。また、アルカリ性洗浄液として、アンモニア水を使用することもできる。 After secondary firing, the CAM may be washed to remove residual unreacted lithium compound and inert fusing agent. Pure water or an alkaline cleaning liquid can be used for cleaning. Examples of the alkaline cleaning solution include aqueous solutions of one or more anhydrides selected from the group consisting of lithium hydroxide, sodium hydroxide, potassium hydroxide, lithium carbonate, sodium carbonate, potassium carbonate and ammonium carbonate, and hydrates thereof. can be mentioned. Ammonia water can also be used as the alkaline cleaning liquid.
洗浄液の温度は、15℃以下が好ましく、10℃以下がより好ましく、8℃以下がさらに好ましい。洗浄液が凍結しない範囲で洗浄液の温度を上記範囲に制御することで、洗浄時にCAMの結晶構造中から洗浄液中へのリチウムイオンの過度な溶出が抑制できる。 The temperature of the cleaning liquid is preferably 15° C. or lower, more preferably 10° C. or lower, and even more preferably 8° C. or lower. Excessive elution of lithium ions from the crystalline structure of the CAM into the cleaning liquid during cleaning can be suppressed by controlling the temperature of the cleaning liquid within the above range so that the cleaning liquid does not freeze.
洗浄液とCAMとを接触させる方法としては、各洗浄液の中に、CAMを投入して撹拌する方法が挙げられる。また、各洗浄液をシャワー水として、CAMにかける方法でもよい。さらに、洗浄液中に、CAMを投入して撹拌した後、各洗浄液からCAMを分離し、次いで、各洗浄液をシャワー水として、分離後のCAMにかける方法でもよい。 As a method for contacting the cleaning liquid and the CAM, there is a method in which the CAM is put into each cleaning liquid and stirred. Alternatively, each cleaning liquid may be used as shower water and applied to the CAM. Furthermore, after the CAM is put into the cleaning liquid and stirred, the CAM may be separated from each cleaning liquid, and then each cleaning liquid may be used as shower water and poured over the separated CAM.
洗浄において、洗浄液とCAMを適正な時間の範囲で接触させることが好ましい。洗浄における「適正な時間」とは、CAMの表面に残留する未反応のリチウム化合物及び不活性溶融剤を除去しつつ、CAMの各粒子を分散させる程度の時間を指す。洗浄時間は、CAMの凝集状態に応じて調整することが好ましい。例えば、予備実験を行って適切な洗浄時間を設定してもよい。洗浄時間は、例えば5分間-1時間の範囲が特に好ましい。 In cleaning, it is preferable to bring the cleaning solution and the CAM into contact for an appropriate time. The "appropriate time" in cleaning refers to a time sufficient to disperse the particles of the CAM while removing any unreacted lithium compound and inert melting agent remaining on the surface of the CAM. The washing time is preferably adjusted according to the aggregation state of the CAM. For example, a preliminary experiment may be performed to set an appropriate washing time. Washing times in the range of, for example, 5 minutes to 1 hour are particularly preferred.
洗浄液とCAMとの混合物(以下、スラリーと記載することがある)に対するCAMの割合は、10-60質量%であることが好ましく、20-50質量%であることがより好ましく、30-50質量%以下であることがさらに好ましい。CAMの割合が10-60質量%であると、未反応のリチウム化合物及び不活性溶融剤を除去することができる。 The ratio of CAM to the mixture of cleaning liquid and CAM (hereinafter sometimes referred to as slurry) is preferably 10-60% by mass, more preferably 20-50% by mass, and 30-50% by mass. % or less. A proportion of 10-60% by weight of CAM makes it possible to remove unreacted lithium compounds and inert melting agents.
CAMの洗浄後、CAMを熱処理することが好ましい。熱処理する温度や方法は特に限定されないが、充電容量の低下を防止できる観点から、150℃以上であることが好ましく、175℃以上であることがより好ましく、200℃以上であることがさらに好ましい。また、特に制限はないが、リチウムイオンの揮発を防止でき、本実施形態の組成を有するCAMが得られる観点から、1000℃以下であることが好ましく、950℃以下であることがより好ましい。
リチウムイオンの揮発量は、熱処理温度により制御することができる。
After cleaning the CAM, it is preferred to heat treat the CAM. The heat treatment temperature and method are not particularly limited, but from the viewpoint of preventing a decrease in charge capacity, the temperature is preferably 150° C. or higher, more preferably 175° C. or higher, and even more preferably 200° C. or higher. Although not particularly limited, the temperature is preferably 1000° C. or lower, more preferably 950° C. or lower, from the viewpoint of preventing volatilization of lithium ions and obtaining a CAM having the composition of the present embodiment.
The volatilization amount of lithium ions can be controlled by the heat treatment temperature.
熱処理温度の上限値と下限値は任意に組み合わせることができる。例えば、熱処理温度は、150-1000℃であることが好ましく、175-950℃であることがより好ましく、200-950℃であることがさらに好ましい。 The upper limit and lower limit of the heat treatment temperature can be combined arbitrarily. For example, the heat treatment temperature is preferably 150-1000°C, more preferably 175-950°C, even more preferably 200-950°C.
熱処理中の雰囲気は、酸素雰囲気、不活性雰囲気、減圧雰囲気又は真空雰囲気が挙げられる。洗浄後の熱処理を上記雰囲気で行うことで、熱処理中にCAMと雰囲気中の水分又は二酸化炭素との反応が抑制され、不純物の少ないCAMが得られる。 The atmosphere during heat treatment includes an oxygen atmosphere, an inert atmosphere, a reduced-pressure atmosphere, or a vacuum atmosphere. By performing the heat treatment after cleaning in the above atmosphere, reaction between the CAM and moisture or carbon dioxide in the atmosphere is suppressed during the heat treatment, and a CAM with few impurities can be obtained.
<リチウム二次電池>
次いで、本実施形態のCAMを用いる場合の好適なリチウム二次電池の構成を説明する。
リチウム二次電池に本実施形態のCAMを適用する場合、CAMとして本実施形態のCAM以外のCAMを含んでいてもよい。例えば、CAMの総質量(100質量%)に対する本実施形態のCAMの含有割合は、70質量%以上が好ましく、80質量%以上がより好ましい。
さらに、本実施形態のCAMを用いる場合に好適なリチウム二次電池用正極(以下、正極と称することがある。)について説明する。
さらに、正極の用途として好適なリチウム二次電池について説明する。
<Lithium secondary battery>
Next, the configuration of a lithium secondary battery suitable for using the CAM of this embodiment will be described.
When applying the CAM of the present embodiment to a lithium secondary battery, the CAM may include a CAM other than the CAM of the present embodiment. For example, the content of CAM in the present embodiment is preferably 70% by mass or more, more preferably 80% by mass or more, relative to the total mass of CAM (100% by mass).
Furthermore, a positive electrode for a lithium secondary battery (hereinafter sometimes referred to as a positive electrode) suitable for using the CAM of the present embodiment will be described.
Furthermore, a lithium secondary battery suitable for use as a positive electrode will be described.
本実施形態のCAMを用いる場合の好適なリチウム二次電池の一例は、正極及び負極、正極と負極との間に挟持されるセパレータ、正極と負極との間に配置される電解液を有する。 An example of a lithium secondary battery suitable for using the CAM of the present embodiment has a positive electrode and a negative electrode, a separator sandwiched between the positive electrode and the negative electrode, and an electrolytic solution placed between the positive electrode and the negative electrode.
リチウム二次電池の一例は、正極及び負極、正極と負極との間に挟持されるセパレータ、正極と負極との間に配置される電解液を有する。 An example of a lithium secondary battery has a positive electrode and a negative electrode, a separator sandwiched between the positive electrode and the negative electrode, and an electrolyte disposed between the positive electrode and the negative electrode.
図2は、リチウム二次電池の一例を示す模式図である。本実施形態の円筒型のリチウム二次電池10は、次のようにして製造する。
FIG. 2 is a schematic diagram showing an example of a lithium secondary battery. The cylindrical lithium
まず、図2に示すように、帯状を呈する一対のセパレータ1、一端に正極リード21を有する帯状の正極2、及び一端に負極リード31を有する帯状の負極3を、セパレータ1、正極2、セパレータ1、負極3の順に積層し、巻回することにより電極群4とする。
First, as shown in FIG. 2, a pair of strip-shaped
次いで、電池缶5に電極群4及び不図示のインシュレーターを収容した後、缶底を封止し、電極群4に電解液6を含浸させ、正極2と負極3との間に電解質を配置する。さらに、電池缶5の上部をトップインシュレーター7及び封口体8で封止することで、リチウム二次電池10を製造することができる。
Next, after housing the
電極群4の形状としては、例えば、電極群4を巻回の軸に対して垂直方向に切断したときの断面形状が、円、楕円、長方形又は角を丸めた長方形となるような柱状の形状を挙げることができる。
The shape of the
また、このような電極群4を有するリチウム二次電池の形状としては、国際電気標準会議(IEC)が定めた電池に対する規格であるIEC60086、又はJIS C 8500で定められる形状を採用することができる。例えば、円筒型又は角型などの形状を挙げることができる。
In addition, as the shape of the lithium secondary battery having such an
さらに、リチウム二次電池は、上記巻回型の構成に限らず、正極、セパレータ、負極、セパレータの積層構造を繰り返し重ねた積層型の構成であってもよい。積層型のリチウム二次電池としては、いわゆるコイン型電池、ボタン型電池、又はペーパー型(又はシート型)電池を例示することができる。 Further, the lithium secondary battery is not limited to the wound type structure described above, and may have a layered structure in which a layered structure of a positive electrode, a separator, a negative electrode, and a separator is repeatedly stacked. Examples of laminated lithium secondary batteries include so-called coin-type batteries, button-type batteries, and paper-type (or sheet-type) batteries.
以下、各構成について順に説明する。
(正極)
正極は、まずCAM、導電材及びバインダーを含む正極合剤を調製し、正極合剤を正極集電体に担持させることで製造することができる。
Hereinafter, each configuration will be described in order.
(positive electrode)
The positive electrode can be manufactured by first preparing a positive electrode mixture containing CAM, a conductive material, and a binder, and supporting the positive electrode mixture on a positive electrode current collector.
(導電材)
正極が有する導電材としては、炭素材料を用いることができる。炭素材料として黒鉛粉末、カーボンブラック(例えばアセチレンブラック)及び繊維状炭素材料などを挙げることができる。
(Conductive material)
A carbon material can be used as the conductive material of the positive electrode. Examples of carbon materials include graphite powder, carbon black (eg, acetylene black), and fibrous carbon materials.
正極合剤中の導電材の割合は、CAM100質量部に対して5-20質量部であると好ましい。 The proportion of the conductive material in the positive electrode mixture is preferably 5 to 20 parts by mass with respect to 100 parts by mass of CAM.
(バインダー)
正極が有するバインダーとしては、熱可塑性樹脂を用いることができる。この熱可塑性樹脂としては、ポリイミド樹脂;ポリフッ化ビニリデン(以下、PVdFということがある。)、ポリテトラフルオロエチレンなどのフッ素樹脂;ポリエチレン及びポリプロピレンなどのポリオレフィン樹脂、WO2019/098384A1またはUS2020/0274158A1に記載の樹脂を挙げることができる。
(binder)
A thermoplastic resin can be used as the binder of the positive electrode. Examples of thermoplastic resins include polyimide resins; fluorine resins such as polyvinylidene fluoride (hereinafter sometimes referred to as PVdF) and polytetrafluoroethylene; polyolefin resins such as polyethylene and polypropylene; can be mentioned.
(正極集電体)
正極が有する正極集電体としては、Al、Ni又はステンレスなどの金属材料を形成材料とする帯状の部材を用いることができる。
(Positive electrode current collector)
A strip-shaped member made of a metal material such as Al, Ni, or stainless steel can be used as the positive electrode current collector of the positive electrode.
正極集電体に正極合剤を担持させる方法としては、有機溶媒を用いて正極合剤をペースト化し、得られる正極合剤のペーストを正極集電体の少なくとも一面側に塗布して乾燥させ、電極プレス工程を行って固着する方法が挙げられる。 As a method for supporting the positive electrode mixture on the positive electrode current collector, the positive electrode mixture is made into a paste using an organic solvent, the obtained positive electrode mixture paste is applied to at least one side of the positive electrode current collector and dried, A method of fixing by performing an electrode pressing step can be mentioned.
正極合剤をペースト化する場合、用いることができる有機溶媒としては、N-メチル-2-ピロリドン(以下、NMPということがある。)が挙げられる。 When the positive electrode mixture is made into a paste, an organic solvent that can be used includes N-methyl-2-pyrrolidone (hereinafter sometimes referred to as NMP).
正極合剤のペーストを正極集電体へ塗布する方法としては、例えば、スリットダイ塗工法、スクリーン塗工法、カーテン塗工法、ナイフ塗工法、グラビア塗工法及び静電スプレー法が挙げられる。
以上に挙げられた方法により、正極を製造することができる。
Examples of the method for applying the positive electrode mixture paste to the positive electrode current collector include a slit die coating method, a screen coating method, a curtain coating method, a knife coating method, a gravure coating method, and an electrostatic spray method.
A positive electrode can be manufactured by the method mentioned above.
(負極)
リチウム二次電池が有する負極は、正極よりも低い電位でリチウムイオンのドープかつ脱ドープが可能であればよく、負極活物質を含む負極合剤が負極集電体に担持されてなる電極、及び負極活物質単独からなる電極を挙げることができる。
(negative electrode)
The negative electrode of the lithium secondary battery may be capable of doping and dedoping lithium ions at a potential lower than that of the positive electrode, and an electrode in which a negative electrode mixture containing a negative electrode active material is supported on a negative electrode current collector; An electrode consisting of a negative electrode active material alone can be mentioned.
(負極活物質)
負極が有する負極活物質としては、炭素材料、カルコゲン化合物(酸化物又は硫化物など)、窒化物、金属又は合金で、正極よりも低い電位でリチウムイオンのドープかつ脱ドープが可能な材料が挙げられる。
(Negative electrode active material)
Examples of the negative electrode active material of the negative electrode include carbon materials, chalcogen compounds (oxides, sulfides, etc.), nitrides, metals, and alloys, which can be doped and undoped with lithium ions at a potential lower than that of the positive electrode. be done.
負極活物質として使用可能な炭素材料としては、天然黒鉛又は人造黒鉛などの黒鉛、コークス類、カーボンブラック、炭素繊維及び有機高分子化合物焼成体を挙げることができる。 Examples of carbon materials that can be used as the negative electrode active material include graphite such as natural graphite or artificial graphite, cokes, carbon black, carbon fibers, and baked organic polymer compounds.
負極活物質として使用可能な酸化物としては、SiO2及びSiOなど式SiOx(ここで、xは正の実数)で表されるケイ素の酸化物;SnO2及びSnOなど式SnOx(ここで、xは正の実数)で表されるスズの酸化物;Li4Ti5O12及びLiVO2などのリチウムとチタンとを含有する金属複合酸化物;を挙げることができる。 Examples of oxides that can be used as the negative electrode active material include oxides of silicon represented by the formula SiO x (where x is a positive real number ) such as SiO 2 and SiO; , x is a positive real number); metal composite oxides containing lithium and titanium, such as Li 4 Ti 5 O 12 and LiVO 2 ;
また、負極活物質として使用可能な金属としては、リチウム金属、シリコン金属及びスズ金属などを挙げることができる。負極活物質として使用可能な材料として、WO2019/098384A1またはUS2020/0274158A1に記載の材料を用いてもよい。 Metals that can be used as the negative electrode active material include lithium metal, silicon metal, and tin metal. As a material that can be used as a negative electrode active material, a material described in WO2019/098384A1 or US2020/0274158A1 may be used.
これらの金属や合金は、例えば箔状に加工された後、主に単独で電極として用いられる。 These metals and alloys are mainly used alone as electrodes after being processed into a foil shape, for example.
上記負極活物質の中では、充電時に未充電状態から満充電状態にかけて負極の電位がほとんど変化しない(電位平坦性がよい)、平均放電電位が低い及び繰り返し充放電させたときの容量維持率が高い(サイクル特性がよい)などの理由から、天然黒鉛又は人造黒鉛などの黒鉛を主成分とする炭素材料が好ましく用いられる。炭素材料の形状としては、例えば天然黒鉛のような薄片状、メソカーボンマイクロビーズのような球状、黒鉛化炭素繊維のような繊維状、又は微粉末の凝集体などのいずれでもよい。 Among the above negative electrode active materials, the potential of the negative electrode hardly changes from the uncharged state to the fully charged state during charging (good potential flatness), the average discharge potential is low, and the capacity retention rate when repeatedly charged and discharged is low. A carbon material containing graphite as a main component, such as natural graphite or artificial graphite, is preferably used for reasons such as high (good cycle characteristics). The shape of the carbon material may be, for example, flaky such as natural graphite, spherical such as mesocarbon microbeads, fibrous such as graphitized carbon fiber, or aggregates of fine powder.
前記の負極合剤は、必要に応じて、バインダーを含有してもよい。バインダーとしては、熱可塑性樹脂を挙げることができ、具体的には、PVdF、熱可塑性ポリイミド、カルボキシメチルセルロース(以下、CMCと記載することがある)、スチレンブタジエンゴム(以下、SBRと記載することがある)、ポリエチレン及びポリプロピレンを挙げることができる。 The negative electrode mixture may contain a binder, if necessary. Examples of binders include thermoplastic resins, and specific examples include PVdF, thermoplastic polyimide, carboxymethyl cellulose (hereinafter sometimes referred to as CMC), styrene-butadiene rubber (hereinafter sometimes referred to as SBR). some), polyethylene and polypropylene.
(負極集電体)
負極が有する負極集電体としては、Cu、Ni又はステンレスなどの金属材料を形成材料とする帯状の部材を挙げることができる。
(Negative electrode current collector)
Examples of the negative electrode current collector that the negative electrode has include a belt-like member made of a metal material such as Cu, Ni, or stainless steel.
このような負極集電体に負極合剤を担持させる方法としては、正極の場合と同様に、加圧成型による方法、溶媒などを用いてペースト化し負極集電体上に塗布又は乾燥後プレスし圧着する方法が挙げられる。 As a method for supporting the negative electrode mixture on such a negative electrode current collector, as in the case of the positive electrode, a method of pressure molding, a paste using a solvent etc. is applied or dried and then pressed on the negative electrode current collector. A method of crimping can be mentioned.
(セパレータ)
リチウム二次電池が有するセパレータとしては、例えば、ポリエチレン及びポリプロピレンなどのポリオレフィン樹脂、フッ素樹脂又は含窒素芳香族重合体などの材質からなる、多孔質膜、不織布又は織布などの形態を有する材料を用いることができる。また、これらの材質を2種以上用いてセパレータを形成してもよいし、これらの材料を積層してセパレータを形成してもよい。また、JP-A-2000-030686又はUS20090111025A1に記載のセパレータを用いてもよい。
(separator)
As the separator of the lithium secondary battery, for example, a material having the form of a porous film, nonwoven fabric, or woven fabric made of a material such as a polyolefin resin such as polyethylene and polypropylene, a fluororesin, or a nitrogen-containing aromatic polymer is used. can be used. Moreover, the separator may be formed using two or more of these materials, or the separator may be formed by laminating these materials. Also, the separator described in JP-A-2000-030686 or US20090111025A1 may be used.
(電解液)
リチウム二次電池が有する電解液は、電解質及び有機溶媒を含有する。
(Electrolyte)
An electrolytic solution that a lithium secondary battery has contains an electrolyte and an organic solvent.
電解液に含まれる電解質としては、LiClO4及びLiPF6などのリチウム塩が挙げられ、これらの2種以上の混合物を使用してもよい。 Electrolytes contained in the electrolytic solution include lithium salts such as LiClO 4 and LiPF 6 , and mixtures of two or more of these may be used.
また前記電解液に含まれる有機溶媒としては、例えばプロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネートなどのカーボネート類を用いることができる。 As the organic solvent contained in the electrolytic solution, carbonates such as propylene carbonate, ethylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, and ethylmethyl carbonate can be used.
有機溶媒としては、これらのうちの2種以上を混合して用いることが好ましい。中でもカーボネート類を含む混合溶媒が好ましく、環状カーボネートと非環状カーボネートとの混合溶媒及び環状カーボネートとエーテル類との混合溶媒がさらに好ましい。 As the organic solvent, it is preferable to use a mixture of two or more of these. Among them, a mixed solvent containing carbonates is preferable, and a mixed solvent of a cyclic carbonate and a non-cyclic carbonate and a mixed solvent of a cyclic carbonate and an ether are more preferable.
また、電解液としては、得られるリチウム二次電池の安全性が高まるため、LiPF6などのフッ素を含むリチウム塩及びフッ素置換基を有する有機溶媒を含む電解液を用いることが好ましい。電解液に含まれる電解質および有機溶媒として、WO2019/098384A1またはUS2020/0274158A1に記載の電解質および有機溶媒を用いてもよい。 Further, as the electrolytic solution, it is preferable to use an electrolytic solution containing a fluorine-containing lithium salt such as LiPF 6 and an organic solvent having a fluorine substituent, since the safety of the obtained lithium secondary battery is enhanced. As the electrolyte and organic solvent contained in the electrolytic solution, the electrolyte and organic solvent described in WO2019/098384A1 or US2020/0274158A1 may be used.
<全固体リチウム二次電池>
次いで、全固体リチウム二次電池の構成を説明しながら、本発明の一態様に係るCAMを用いた正極、及びこの正極を有する全固体リチウム二次電池について説明する。
<All-solid lithium secondary battery>
Next, a positive electrode using a CAM according to one embodiment of the present invention and an all-solid lithium secondary battery including the positive electrode will be described while describing the structure of the all-solid lithium secondary battery.
図3は、本実施形態の全固体リチウム二次電池の一例を示す模式図である。図3に示す全固体リチウム二次電池1000は、正極110と、負極120と、固体電解質層130とを有する積層体100と、積層体100を収容する外装体200と、を有する。また、全固体リチウム二次電池1000は、集電体の両側にCAMと負極活物質とを配置したバイポーラ構造であってもよい。バイポーラ構造の具体例として、例えば、JP-A-2004-95400に記載される構造が挙げられる。各部材を構成する材料については、後述する。
FIG. 3 is a schematic diagram showing an example of the all-solid lithium secondary battery of this embodiment. The all-solid lithium
積層体100は、正極集電体112に接続される外部端子113と、負極集電体122に接続される外部端子123と、を有していてもよい。その他、全固体リチウム二次電池1000は、正極110と負極120との間にセパレータを有していてもよい。
The laminate 100 may have an
全固体リチウム二次電池1000は、さらに積層体100と外装体200とを絶縁する不図示のインシュレーター及び外装体200の開口部200aを封止する不図示の封止体を有する。
The all-solid-state lithium
外装体200は、アルミニウム、ステンレス鋼又はニッケルメッキ鋼などの耐食性の高い金属材料を成形した容器を用いることができる。また、外装体200として、少なくとも一方の面に耐食加工を施したラミネートフィルムを袋状に加工した容器を用いることもできる。
As the
全固体リチウム二次電池1000の形状としては、例えば、コイン型、ボタン型、ペーパー型(またはシート型)、円筒型、角型、又はラミネート型(パウチ型)などの形状を挙げることができる。
Examples of the shape of the all-solid lithium
全固体リチウム二次電池1000は、一例として積層体100を1つ有する形態が図示されているが、本実施形態はこれに限らない。全固体リチウム二次電池1000は、積層体100を単位セルとし、外装体200の内部に複数の単位セル(積層体100)を封じた構成であってもよい。
The all-solid-state lithium
以下、各構成について順に説明する。 Hereinafter, each configuration will be described in order.
(正極)
本実施形態の正極110は、CAM層111と正極集電体112とを有している。
(positive electrode)
The
CAM層111は、上述した本発明の一態様であるLiMO及び固体電解質を含む。また、CAM層111は、導電材及びバインダーを含んでいてもよい。
The
(固体電解質)
本実施形態のCAM層111に含まれる固体電解質としては、リチウムイオン伝導性を有し、公知の全固体リチウム二次電池に用いられる固体電解質を採用することができる。このような固体電解質としては、無機電解質及び有機電解質を挙げることができる。無機電解質としては、酸化物系固体電解質、硫化物系固体電解質及び水素化物系固体電解質を挙げることができる。有機電解質としては、ポリマー系固体電解質を挙げることができる。各電解質としては、WO2020/208872A1、US2016/0233510A1、US2012/0251871A1、US2018/0159169A1に記載の化合物が挙げられ、例えば、以下の化合物が挙げられる。
(solid electrolyte)
As the solid electrolyte contained in the
(酸化物系固体電解質)
酸化物系固体電解質としては、例えば、ペロブスカイト型酸化物、NASICON型酸化物、LISICON型酸化物及びガーネット型酸化物などが挙げられる。各酸化物の具体例は、WO2020/208872A1、US2016/0233510A1、US2020/0259213A1に記載の化合物が挙げられ、例えば、以下の化合物が挙げられる。
(Oxide solid electrolyte)
Examples of oxide-based solid electrolytes include perovskite-type oxides, NASICON-type oxides, LISICON-type oxides, and garnet-type oxides. Specific examples of each oxide include compounds described in WO2020/208872A1, US2016/0233510A1, and US2020/0259213A1, and examples thereof include the following compounds.
ペロブスカイト型酸化物としては、LiaLa1-aTiO3(0<a<1)などのLi-La-Ti系酸化物、LibLa1-bTaO3(0<b<1)などのLi-La-Ta系酸化物及びLicLa1-cNbO3(0<c<1)などのLi-La-Nb系酸化物などが挙げられる。 Perovskite oxides include Li—La—Ti-based oxides such as Li a La 1-a TiO 3 (0<a<1), Li b La 1-b TaO 3 (0<b<1) and the like. Examples thereof include Li—La—Ta-based oxides and Li—La—Nb-based oxides such as Li c La 1-c NbO 3 (0<c<1).
NASICON型酸化物としては、Li1+dAldTi2-d(PO4)3(0≦d≦1)などが挙げられる。NASICON型酸化物とは、LimM1 nM2 oPpOq(式中、M1は、B、Al、Ga、In、C、Si、Ge、Sn、Sb及びSeからなる群から選ばれる1種以上の元素である。M2は、Ti、Zr、Ge、In、Ga、Sn及びAlからなる群から選ばれる1種以上の元素である。m、n、o、p及びqは、任意の正数である。)で表される酸化物である。 Examples of NASICON-type oxides include Li 1+d Al d Ti 2-d (PO 4 ) 3 (0≦d≦1). The NASICON-type oxide is Li m M 1 n M 2 o P p O q (where M 1 is selected from the group consisting of B, Al, Ga, In, C, Si, Ge, Sn, Sb and Se). One or more selected elements M2 is one or more elements selected from the group consisting of Ti, Zr, Ge, In, Ga, Sn and Al m, n, o, p and q is an arbitrary positive number).
LISICON型酸化物としては、Li4M3O4-Li3M4O4(M3は、Si、Ge、及びTiからなる群から選ばれる1種以上の元素である。M4は、P、As及びVからなる群から選ばれる1種以上の元素である。)で表される酸化物などが挙げられる。 As the LISICON-type oxide, Li 4 M 3 O 4 —Li 3 M 4 O 4 (M 3 is one or more elements selected from the group consisting of Si, Ge, and Ti. M 4 is P is one or more elements selected from the group consisting of , As and V).
ガーネット型酸化物としては、Li7La3Zr2O12(LLZともいう)などのLi-La-Zr系酸化物などが挙げられる。 Garnet-type oxides include Li—La—Zr-based oxides such as Li 7 La 3 Zr 2 O 12 (also referred to as LLZ).
酸化物系固体電解質は、結晶性材料であってもよく、非晶質材料であってもよい。 The oxide-based solid electrolyte may be a crystalline material or an amorphous material.
(硫化物系固体電解質)
硫化物系固体電解質としては、Li2S-P2S5系化合物、Li2S-SiS2系化合物、Li2S-GeS2系化合物、Li2S-B2S3系化合物、LiI-Si2S-P2S5系化合物、LiI-Li2S-P2O5系化合物、LiI-Li3PO4-P2S5系化合物及びLi10GeP2S12系化合物などを挙げることができる。
(Sulfide-based solid electrolyte)
Examples of sulfide solid electrolytes include Li 2 SP 2 S 5 based compounds, Li 2 S—SiS 2 based compounds, Li 2 S—GeS 2 based compounds, Li 2 S—B 2 S 3 based compounds, LiI- Si 2 SP 2 S 5 based compounds, LiI-Li 2 SP 2 O 5 based compounds, LiI-Li 3 PO 4 -P 2 S 5 based compounds and Li 10 GeP 2 S 12 based compounds, etc. can be done.
なお、本明細書において、硫化物系固体電解質を指す「系化合物」という表現は、「系化合物」の前に記載した「Li2S」「P2S5」などの原料を主として含む固体電解質の総称として用いる。例えば、Li2S-P2S5系化合物には、Li2SとP2S5とを主として含み、さらに他の原料を含む固体電解質が含まれる。Li2S-P2S5系化合物に含まれるLi2Sの割合は、例えばLi2S-P2S5系化合物全体に対して50~90質量%である。Li2S-P2S5系化合物に含まれるP2S5の割合は、例えばLi2S-P2S5系化合物全体に対して10~50質量%である。また、Li2S-P2S5系化合物に含まれる他の原料の割合は、例えばLi2S-P2S5系化合物全体に対して0~30質量%である。また、Li2S-P2S5系化合物には、Li2SとP2S5との混合比を異ならせた固体電解質も含まれる。 In this specification, the expression "based compound" that refers to a sulfide-based solid electrolyte refers to a solid electrolyte that mainly contains raw materials such as "Li 2 S" and "P 2 S 5 " described before "based compound". Used as a generic term for For example, Li 2 SP 2 S 5 based compounds include solid electrolytes that mainly contain Li 2 S and P 2 S 5 and further contain other raw materials. The ratio of Li 2 S contained in the Li 2 SP 2 S 5 based compound is, for example, 50 to 90% by mass with respect to the entire Li 2 SP 2 S 5 based compound. The ratio of P 2 S 5 contained in the Li 2 SP 2 S 5 based compound is, for example, 10 to 50% by mass with respect to the entire Li 2 SP 2 S 5 based compound. In addition, the ratio of other raw materials contained in the Li 2 SP 2 S 5 compound is, for example, 0 to 30% by mass with respect to the entire Li 2 SP 2 S 5 compound. The Li 2 SP 2 S 5 -based compound also includes solid electrolytes in which the mixing ratio of Li 2 S and P 2 S 5 is varied.
Li2S-P2S5系化合物としては、Li2S-P2S5、Li2S-P2S5-LiI、Li2S-P2S5-LiCl、Li2S-P2S5-LiBr、Li2S-P2S5-LiI-LiBr、Li2S-P2S5-Li2O、Li2S-P2S5-Li2O-LiI及びLi2S-P2S5-ZmSn(m、nは正の数である。Zは、Ge、ZnまたはGaである。)などを挙げることができる。 Li 2 SP 2 S 5 compounds include Li 2 SP 2 S 5 , Li 2 SP 2 S 5 -LiI, Li 2 SP 2 S 5 -LiCl, Li 2 SP 2 S5 - LiBr , Li2SP2S5 - LiI - LiBr , Li2SP2S5 - Li2O , Li2SP2S5 - Li2O -LiI and Li2S- P 2 S 5 -Z m S n (m and n are positive numbers, Z is Ge, Zn or Ga).
Li2S-SiS2系化合物としては、Li2S-SiS2、Li2S-SiS2-LiI、Li2S-SiS2-LiBr、Li2S-SiS2-LiCl、Li2S-SiS2-B2S3-LiI、Li2S-SiS2-P2S5-LiI、Li2S-SiS2-P2S5-LiCl、Li2S-SiS2-Li3PO4、Li2S-SiS2-Li2SO4及びLi2S-SiS2-LixMOy(x、yは正の数である。Mは、P、Si、Ge、B、Al、Ga又はInである。)などを挙げることができる。 Li 2 S—SiS 2 compounds include Li 2 S—SiS 2 , Li 2 S—SiS 2 —LiI, Li 2 S—SiS 2 —LiBr, Li 2 S—SiS 2 —LiCl, and Li 2 S—SiS. 2 - B2S3 - LiI, Li2S - SiS2 - P2S5 -LiI, Li2S - SiS2 - P2S5 - LiCl, Li2S - SiS2 - Li3PO4 , Li 2S —SiS 2 —Li 2 SO 4 and Li 2 S—SiS 2 —Li x MO y (x, y are positive numbers; M is P, Si, Ge, B, Al, Ga, or In; There is.) and so on.
Li2S-GeS2系化合物としては、Li2S-GeS2及びLi2S-GeS2-P2S5などを挙げることができる。 Examples of Li 2 S—GeS 2 based compounds include Li 2 S—GeS 2 and Li 2 S—GeS 2 —P 2 S 5 .
硫化物系固体電解質は、結晶性材料であってもよく、非晶質材料であってもよい。 The sulfide-based solid electrolyte may be a crystalline material or an amorphous material.
(水素化物系固体電解質)
水素化物系固体電解質材料としては、LiBH4、LiBH4-3KI、LiBH4-PI2、LiBH4-P2S5、LiBH4-LiNH2、3LiBH4-LiI、LiNH2、Li2AlH6、Li(NH2)2I、Li2NH、LiGd(BH4)3Cl、Li2(BH4)(NH2)、Li3(NH2)I及びLi4(BH4)(NH2)3などを挙げることができる。
(Hydride solid electrolyte)
Examples of hydride solid electrolyte materials include LiBH 4 , LiBH 4 -3KI, LiBH 4 -PI 2 , LiBH 4 -P 2 S 5 , LiBH 4 -LiNH 2 , 3LiBH 4 -LiI, LiNH 2 , Li 2 AlH 6 , Li( NH2 ) 2I , Li2NH , LiGd( BH4 ) 3Cl , Li2 ( BH4 )( NH2 ), Li3 ( NH2 )I and Li4 ( BH4 )( NH2 ) 3 etc. can be mentioned.
(ポリマー系固体電解質)
ポリマー系固体電解質として、例えばポリエチレンオキサイド系の高分子化合物及びポリオルガノシロキサン鎖及びポリオキシアルキレン鎖からなる群から選ばれる1種以上を含む高分子化合物などの有機系高分子電解質を挙げることができる。また、高分子化合物に非水電解液を保持させた、いわゆるゲルタイプのものを用いることもできる。
(Polymer solid electrolyte)
Examples of polymer-based solid electrolytes include organic polymer electrolytes such as polyethylene oxide-based polymer compounds and polymer compounds containing one or more selected from the group consisting of polyorganosiloxane chains and polyoxyalkylene chains. . In addition, a so-called gel type in which a non-aqueous electrolyte is held in a polymer compound can also be used.
固体電解質は、発明の効果を損なわない範囲において、2種以上を併用することができる。 Two or more kinds of solid electrolytes can be used in combination as long as the effects of the invention are not impaired.
(導電材及びバインダー)
CAM層111が有する導電材としては、上述の(導電材)で説明した材料を用いることができる。また、正極合剤中の導電材の割合についても同様に上述の(導電材)で説明した割合を適用することができる。また、正極が有するバインダーとしては、上述の(バインダー)で説明した材料を用いることができる。
(Conductive material and binder)
As the conductive material included in the
(正極集電体)
正極110が有する正極集電体112としては、上述の(正極集電体)で説明した材料を用いることができる。
(Positive electrode current collector)
As the positive electrode
正極集電体112にCAM層111を担持させる方法としては、正極集電体112上でCAM層111を加圧成型する方法が挙げられる。加圧成型には、冷間プレスや熱間プレスを用いることができる。
As a method of supporting the
また、有機溶媒を用いてCAM、固体電解質、導電材及びバインダーの混合物をペースト化して正極合剤とし、得られる正極合剤を正極集電体112の少なくとも一面上に塗布して乾燥させ、プレスし固着することで、正極集電体112にCAM層111を担持させてもよい。
Alternatively, a mixture of CAM, a solid electrolyte, a conductive material, and a binder is pasted using an organic solvent to form a positive electrode mixture, and the obtained positive electrode mixture is applied to at least one surface of the positive electrode
また、有機溶媒を用いてCAM、固体電解質及び導電材の混合物をペースト化して正極合剤とし、得られる正極合剤を正極集電体112の少なくとも一面上に塗布して乾燥させ、焼結することで、正極集電体112にCAM層111を担持させてもよい。
Alternatively, a mixture of the CAM, the solid electrolyte, and the conductive material is pasted using an organic solvent to form a positive electrode mixture, and the obtained positive electrode mixture is applied to at least one surface of the positive electrode
正極合剤に用いることができる有機溶媒としては、上述の(正極集電体)で説明した正極合剤をペースト化する場合に用いることができる有機溶媒と同じものを用いることができる。 As the organic solvent that can be used for the positive electrode mixture, the same organic solvent that can be used when the positive electrode mixture described above (Positive electrode current collector) is made into a paste can be used.
正極合剤を正極集電体112へ塗布する方法としては、上述の(正極集電体)で説明した方法が挙げられる。
Examples of the method for applying the positive electrode mixture to the positive electrode
以上に挙げられた方法により、正極110を製造することができる。正極110に用いる具体的な材料の組み合わせとしては、本実施形態に記載のCAMと表1~表3に記載する組み合わせが挙げられる。
The
(負極)
負極120は、負極活物質層121と負極集電体122とを有している。負極活物質層121は、負極活物質を含む。また、負極活物質層121は、固体電解質及び導電材を含んでいてもよい。負極活物質、負極集電体、固体電解質、導電材及びバインダーは、上述したものを用いることができる。
(negative electrode)
The
負極集電体122に負極活物質層121を担持させる方法としては、正極110の場合と同様に、加圧成型による方法、負極活物質を含むペースト状の負極合剤を負極集電体122上に塗布、乾燥後プレスし圧着する方法、及び負極活物質を含むペースト状の負極合剤を負極集電体122上に塗布、乾燥後、焼結する方法が挙げられる。
As a method for supporting the negative electrode
(固体電解質層)
固体電解質層130は、上述の固体電解質を有している。
(Solid electrolyte layer)
The
固体電解質層130は、上述の正極110が有するCAM層111の表面に、無機物の固体電解質をスパッタリング法により堆積させることで形成することができる。
The
また、固体電解質層130は、上述の正極110が有するCAM層111の表面に、固体電解質を含むペースト状の合剤を塗布し、乾燥させることで形成することができる。乾燥後、プレス成型し、さらに冷間等方圧加圧法(CIP)により加圧して固体電解質層130を形成してもよい。
Further, the
積層体100は、上述のように正極110上に設けられた固体電解質層130に対し、公知の方法を用いて、固体電解質層130の表面に負極活物質層121が接するように負極120を積層させることで製造することができる。
以上のような構成のリチウム二次電池において、上述した本実施形態により製造されるCAMを用いているため、リチウム二次電池のサイクル維持率を向上させることができる。 In the lithium secondary battery configured as described above, since the CAM manufactured according to the present embodiment described above is used, the cycle retention rate of the lithium secondary battery can be improved.
また、以上のような構成の正極は、上述した構成のCAMを有するため、リチウム二次電池のサイクル維持率を向上させることができる。 In addition, since the positive electrode configured as described above has the CAM configured as described above, the cycle retention rate of the lithium secondary battery can be improved.
さらに、以上のような構成のリチウム二次電池は、上述した正極を有するため、サイクル維持率の高い二次電池となる。 Furthermore, since the lithium secondary battery having the above configuration has the above-described positive electrode, the secondary battery has a high cycle retention rate.
もう一つの側面として、本発明は以下の態様を包含する。
[1]層状構造を有するリチウム二次電池用正極活物質であって、前記リチウム二次電池用正極活物質の平均アスペクト比である第1平均アスペクト比が0.760-0.998以下であり、前記リチウム二次電池用正極活物質の平均包絡度が0.983-0.998以下である、リチウム二次電池用正極活物質。
[2]前記リチウム二次電池用正極活物質の平均円形度が0.915-0.998以下である、[1]に記載のリチウム二次電池用正極活物質。
[3]前記リチウム二次電池用正極活物質の平均粒子径より小さい粒子径をもつ粒子のアスペクト比である第2平均アスペクト比が、前記第1平均アスペクト比よりも0.003以上大きい、[1]又は[2]に記載のリチウム二次電池用正極活物質。
[4]前記第1平均アスペクト比が、前記平均粒子径以上の粒子径をもつ粒子のアスペクト比である第3平均アスペクト比よりも0.004以上大きい、[3]に記載のリチウム二次電池用正極活物質。
[5]式(A)で表される、[1]~[4]の何れか一項に記載のリチウム二次電池用正極活物質。
Li[Lix(Ni(1-y-z)CoyXz)1-x]O2 ・・・(A)
(式A中、Xは、Mn、Cu、Ti、Mg、Al、W、Mo、Nb、Zn、Sn、Zr、Ga、B、Si、S及びPからなる群より選択される1種以上の元素であり、0<x≦0.10、0.05≦y≦0.30、0.05≦z≦0.35及びy+z<1を満たす。)
[6][1]~[5]の何れか一項に記載のリチウム二次電池用正極活物質を含有するリチウム二次電池用正極。
[7][6]に記載のリチウム二次電池用正極を有するリチウム二次電池。
As another aspect, the present invention includes the following aspects.
[1] A positive electrode active material for lithium secondary batteries having a layered structure, wherein the first average aspect ratio, which is the average aspect ratio of the positive electrode active material for lithium secondary batteries, is 0.760 to 0.998 or less. , a positive electrode active material for a lithium secondary battery, wherein the positive electrode active material for a lithium secondary battery has an average enveloping degree of 0.983 to 0.998 or less.
[2] The positive electrode active material for lithium secondary batteries according to [1], wherein the positive electrode active material for lithium secondary batteries has an average circularity of 0.915 to 0.998 or less.
[3] A second average aspect ratio, which is an aspect ratio of particles having a particle diameter smaller than the average particle diameter of the positive electrode active material for a lithium secondary battery, is greater than the first average aspect ratio by 0.003 or more, [ 1] or the positive electrode active material for a lithium secondary battery according to [2].
[4] The lithium secondary battery according to [3], wherein the first average aspect ratio is 0.004 or more larger than the third average aspect ratio, which is the aspect ratio of particles having a particle diameter equal to or larger than the average particle diameter. positive electrode active material.
[5] The positive electrode active material for a lithium secondary battery according to any one of [1] to [4], represented by formula (A).
Li[Li x (Ni (1-yz) Co y x z ) 1-x ]O 2 (A)
(In formula A, X is one or more selected from the group consisting of Mn, Cu, Ti, Mg, Al, W, Mo, Nb, Zn, Sn, Zr, Ga, B, Si, S and P. is an element and satisfies 0<x≤0.10, 0.05≤y≤0.30, 0.05≤z≤0.35 and y+z<1.)
[6] A positive electrode for lithium secondary batteries containing the positive electrode active material for lithium secondary batteries according to any one of [1] to [5].
[7] A lithium secondary battery having the positive electrode for a lithium secondary battery according to [6].
以下、実施例を示して本発明を詳細に説明するが、本発明は以下の記載によって限定されるものではない。 [EXAMPLES] Hereafter, although an Example is shown and this invention is demonstrated in detail, this invention is not limited by the following description.
<組成分析>
後述の方法で製造されるCAMの組成分析は、上述の「CAMの組成分析」の方法により行った。
<Composition analysis>
The composition analysis of the CAM produced by the below-described method was performed by the above-described "CAM composition analysis" method.
<静的自動画像分析>
CAMの第1~第3平均アスペクト比、平均包絡度、平均円形度、平均粒子径及び粒度分布は、静的自動画像分析装置(モフォロギ4、マルバーン・パナリティカル社)により、上述の方法にて測定した。
<Static automatic image analysis>
The first to third average aspect ratios, average envelopment, average circularity, average particle size and particle size distribution of CAM are measured by the above method using a static automatic image analyzer (
<リチウム二次電池用正極の作製>
後述する製造方法で得られるCAMと導電材(アセチレンブラック)とバインダー(PVdF)とを、CAM:導電材:バインダー=92:5:3(質量比)の組成となるように加えて混練することにより、ペースト状の正極合剤を調製した。正極合剤の調製時には、NMPを有機溶媒として用いた。
<Preparation of positive electrode for lithium secondary battery>
CAM obtained by the manufacturing method described later, a conductive material (acetylene black), and a binder (PVdF) are added and kneaded so that the composition of CAM: conductive material: binder = 92:5:3 (mass ratio). A pasty positive electrode mixture was prepared by the above. NMP was used as an organic solvent when preparing the positive electrode mixture.
得られた正極合剤を、集電体となる厚さ40μmのAl箔に塗布して150℃で8時間真空乾燥を行い、リチウム二次電池用正極を得た。このリチウム二次電池用正極の電極面積は1.65cm2とした。 The obtained positive electrode mixture was applied to an Al foil having a thickness of 40 μm as a current collector and vacuum-dried at 150° C. for 8 hours to obtain a positive electrode for a lithium secondary battery. The electrode area of this positive electrode for a lithium secondary battery was 1.65 cm 2 .
<リチウム二次電池(コイン型ハーフセル)の作製>
以下の操作を、アルゴン雰囲気のグローブボックス内で行った。
<リチウム二次電池用正極の作製>で作製したリチウム二次電池用正極を、コイン型電池R2032用のパーツ(宝泉株式会社製)の下蓋にアルミ箔面を下に向けて置き、その上に積層フィルムセパレータ(ポリエチレン製多孔質フィルムの上に、耐熱多孔層を積層した厚さが16μmの積層体)を置いた。ここに電解液を300μl注入した。電解液は、エチレンカーボネートとジメチルカーボネートとエチルメチルカーボネートの16:10:74(体積比)混合液に、LiPF6を1.3mol/Lとなるように溶解し、炭酸ビニレンを1.0%溶解させたものを用いた。
次に、負極として金属リチウムを用いて、前記負極を積層フィルムセパレータの上側に置き、ガスケットを介して上蓋をし、かしめ機でかしめてリチウム二次電池(コイン型ハーフセルR2032。以下、「コイン型ハーフセル」と称することがある。)を作製した。
<Production of lithium secondary battery (coin-type half cell)>
The following operations were performed in an argon atmosphere glove box.
<Preparation of positive electrode for lithium secondary battery> Place the positive electrode for lithium secondary battery prepared in the part for coin battery R2032 (manufactured by Hosen Co., Ltd.) with the aluminum foil side facing down on the lower cover. A laminated film separator (a laminate having a thickness of 16 μm in which a heat-resistant porous layer is laminated on a polyethylene porous film) was placed thereon. 300 μl of electrolytic solution was injected here. The electrolytic solution is a 16:10:74 (volume ratio) mixture of ethylene carbonate, dimethyl carbonate, and ethyl methyl carbonate, in which LiPF6 is dissolved to a concentration of 1.3 mol/L, and vinylene carbonate is dissolved at a concentration of 1.0%. I used what I made.
Next, using metallic lithium as the negative electrode, the negative electrode is placed on the upper side of the laminated film separator, the top lid is placed through a gasket, and the lithium secondary battery (coin type half cell R2032. Hereinafter, "coin type (sometimes referred to as "half cell").
<サイクル維持率>
上述の方法で作成されたリチウム二次電池について、上述の「サイクル維持率」の測定方法に記載の方法で測定した。
<Cycle maintenance rate>
The lithium secondary battery produced by the method described above was measured by the method described in the method for measuring the "cycle retention rate" described above.
(実施例1)
攪拌器及びオーバーフローパイプを備えた反応槽内に水を入れた後、水酸化ナトリウム水溶液を添加し、液温を50℃に保持した。
(Example 1)
After water was put into a reactor equipped with a stirrer and an overflow pipe, an aqueous sodium hydroxide solution was added and the liquid temperature was maintained at 50°C.
硫酸ニッケル水溶液と硫酸コバルト水溶液と硫酸アルミニウム水溶液とを、NiとCoとAlとのモル比が0.88:0.09:0.03となるように混合して、混合原料液を調製した。 A nickel sulfate aqueous solution, a cobalt sulfate aqueous solution, and an aluminum sulfate aqueous solution were mixed so that the molar ratio of Ni, Co, and Al was 0.88:0.09:0.03 to prepare a mixed raw material solution.
次に、反応槽内に、攪拌下、この混合原料溶液と硫酸アンモニウム水溶液を錯化剤として連続的に添加した。反応槽内の溶液のpHが11.6(測定温度:40℃)になるよう水酸化ナトリウム水溶液を適時滴下し、反応沈殿物1を得た。 Next, this mixed raw material solution and an aqueous solution of ammonium sulfate were continuously added as a complexing agent into the reactor with stirring. An aqueous sodium hydroxide solution was added dropwise at appropriate times so that the pH of the solution in the reaction tank was 11.6 (measurement temperature: 40° C.), and a reaction precipitate 1 was obtained.
反応沈殿物1を洗浄した後、脱水、乾燥及び篩別し、Ni、Co及びAlを含む金属複合水酸化物1が得られた。
After washing the reaction precipitate 1, it was dehydrated, dried and sieved to obtain a
金属複合水酸化物1を大気雰囲気中650℃で5時間保持して加熱し、室温まで冷却して金属複合酸化物1を得た。
The
金属複合酸化物1に含まれるNi、Co及びAlの合計量1に対するLiの量(モル比)が1.10となるように水酸化リチウムを秤量した。金属複合酸化物1と水酸化リチウムを乳鉢により混合して混合物1を得た。
Lithium hydroxide was weighed so that the amount (molar ratio) of Li to 1 of the total amount of Ni, Co and Al contained in the metal
この混合物1を内径が300mmの回転筒を有するロータリーキルン(タナベ社製)に投入し、回転速度0.67rpm、焼成炉内の温度を690℃とし、酸素含有雰囲気下で2時間保持して加熱し、金属複合酸化物1と水酸化リチウムとの反応物1を得た。
This
得られた反応物1をディスクミル(増幸産業社製、MKCA6-2)を用い、1200rpmの条件で解砕後、ピンミル(ミルシステム社製、インパクトミル)を用い、7000rpmで解砕した。
The obtained
解砕した反応物1を内径が300mmの回転筒を有するロータリーキルン(タナベ社製)に投入した。回転速度0.67rpm、焼成炉内の温度を770℃とし、酸素含有雰囲気下で2時間保持して反応物1を焼成し焼成物1を得た。
The pulverized
得られた焼成物1をディスクミル(増幸産業社製、MKCA6-2)を用い、1200rpmの条件で解砕した。
The fired
解砕した焼成物1と液温を5℃に調整した純水とを、全体量に対して焼成物重量の割合が30質量%になるように混合し作製したスラリーを20分間撹拌させて洗浄した後、脱水し、250℃で熱処理し、脱水後に残留する水分を乾燥することにより、CAM-1を得た。
The crushed
CAM-1の組成分析を行ったところ、組成式(A)において、x=0.04、y=0.089、z=0.022であり、元素XはAlであった。 A composition analysis of CAM-1 revealed that x=0.04, y=0.089, and z=0.022 in the composition formula (A), and the element X was Al.
(実施例2)
実施例1に記載の方法で得られた混合物1を内径が100mmの回転筒を有するロータリーキルン(ノリタケTCF社製)に投入し、回転速度1.08rpm、焼成炉内の温度を680℃とし、酸素含有雰囲気下で2時間保持して加熱し、反応物2を得た。
(Example 2)
得られた反応物2をディスクミル(増幸産業社製、MKCA6-2)を用い、1200rpmの条件で解砕後、ピンミル(ミルシステム社製、インパクトミル)を用い、20000rpmで解砕した。
The obtained
解砕した反応物2を内径が100mmの回転筒を有するロータリーキルン(ノリタケTCF社製)に投入した。回転速度1.08rpm、焼成炉内の温度を720℃とし、酸素含有雰囲気下で2時間保持して反応物2を焼成し焼成物2を得た。
The pulverized
得られた焼成物2をディスクミル(増幸産業社製、MKCA6-2)を用い、1200rpmの条件で解砕した。
The fired
解砕した焼成物2を実施例1に記載の方法で洗浄、脱水及び熱処理し、CAM-2を得た。
The pulverized
CAM-2の組成分析を行ったところ、組成式(A)において、x=0.05、y=0.088、z=0.023であり、元素XはAlであった。 A composition analysis of CAM-2 revealed that x=0.05, y=0.088, and z=0.023 in the composition formula (A), and the element X was Al.
(比較例1)
実施例1に記載の方法で混合物1を得た。この混合物1をローラーハースキルン(ノリタケカンパニーリミテド社製)の焼成炉内で酸素含有雰囲気下、650℃、5時間保持して混合物1を焼成し、金属複合酸化物1と水酸化リチウムとの反応物C1を得た。
(Comparative example 1)
得られた反応物C1をディスクミル(増幸産業社製、MKCA6-2)を用い、1200rpmの条件で解砕した。 The resulting reactant C1 was pulverized at 1200 rpm using a disk mill (manufactured by Masuko Sangyo Co., Ltd., MKCA6-2).
次いで、解砕した反応物C1をローラーハースキルン(ノリタケカンパニーリミテド社製)の焼成炉内で720℃、6時間保持して反応物C1を焼成し焼成物C1を得た。 Next, the pulverized reactant C1 was held in a roller hearth kiln (manufactured by Noritake Co., Ltd.) at 720° C. for 6 hours to calcine the reactant C1 to obtain a calcined material C1.
得られた焼成物C1をディスクミル(増幸産業社製、MKCA6-2)を用い、1200rpmの条件で解砕した。 The fired product C1 thus obtained was pulverized at 1200 rpm using a disk mill (MKCA6-2, manufactured by Masuko Sangyo Co., Ltd.).
解砕した焼成物C1を実施例1に記載の方法で洗浄、脱水及び熱処理し、CAM-C1を得た。 The pulverized fired product C1 was washed, dehydrated and heat-treated by the method described in Example 1 to obtain CAM-C1.
CAM-C1の組成分析を行ったところ、組成式(A)において、x=0.04、y=0.089、z=0.022であり、元素XはAlであった。 A composition analysis of CAM-C1 revealed that x=0.04, y=0.089, and z=0.022 in the composition formula (A), and the element X was Al.
(比較例2)
攪拌器及びオーバーフローパイプを備えた反応槽内に水を入れた後、水酸化ナトリウム水溶液を添加し、液温を50℃に保持した。
(Comparative example 2)
After water was put into a reactor equipped with a stirrer and an overflow pipe, an aqueous sodium hydroxide solution was added and the liquid temperature was maintained at 50°C.
硫酸ニッケル水溶液と硫酸コバルト水溶液と硫酸アルミニウム水溶液とを、NiとCoとAlとのモル比が0.885:0.09:0.025となるように混合して、混合原料液を調製した。 A nickel sulfate aqueous solution, a cobalt sulfate aqueous solution, and an aluminum sulfate aqueous solution were mixed so that the molar ratio of Ni, Co, and Al was 0.885:0.09:0.025 to prepare a mixed raw material solution.
次に、反応槽内に、攪拌下、この混合原料溶液と硫酸アンモニウム水溶液を錯化剤として連続的に添加した。反応槽内の溶液のpHが11.6(測定温度:40℃)になるよう水酸化ナトリウム水溶液を適時滴下し、反応沈殿物2を得た。 Next, this mixed raw material solution and an aqueous solution of ammonium sulfate were continuously added as a complexing agent into the reactor with stirring. An aqueous sodium hydroxide solution was added dropwise at appropriate times so that the pH of the solution in the reaction tank was 11.6 (measurement temperature: 40° C.), and a reaction precipitate 2 was obtained.
反応沈殿物2を洗浄した後、脱水、乾燥及び篩別し、Ni、Co及びAlを含む金属複合水酸化物C2が得られた。 After washing the reaction precipitate 2, it was dehydrated, dried and sieved to obtain a metal composite hydroxide C2 containing Ni, Co and Al.
金属複合水酸化物C2を大気雰囲気中650℃で5時間保持して加熱し、室温まで冷却して金属複合酸化物C2を得た。 The metal composite hydroxide C2 was held at 650° C. for 5 hours in an air atmosphere, heated, and cooled to room temperature to obtain a metal composite oxide C2.
金属複合酸化物C2に含まれるNi、Co及びAlの合計量1に対するLiの量(モル比)が1.10となるように水酸化リチウムを秤量した。金属複合酸化物C2と水酸化リチウムを乳鉢により混合して混合物C2を得た。 Lithium hydroxide was weighed so that the amount (molar ratio) of Li to 1 of the total amount of Ni, Co, and Al contained in the metal composite oxide C2 was 1.10. A mixture C2 was obtained by mixing the metal composite oxide C2 and lithium hydroxide in a mortar.
この混合物C2を用いた以外は、比較例1と同様の方法を実施して、CAM-C2を得た。 CAM-C2 was obtained in the same manner as in Comparative Example 1 except that this mixture C2 was used.
CAM-C2の組成分析を行ったところ、組成式(A)において、x=0.10、y=0.09、z=0.025であり、元素XはAlであった。 A composition analysis of CAM-C2 revealed that x=0.10, y=0.09, and z=0.025 in the composition formula (A), and the element X was Al.
実施例1~2及び比較例1~2で得られたCAMは、全て層状構造を有していた。
実施例1~2及び比較例1~2のCAMの焼成条件、第1平均アスペクト比、平均包絡度、平均粒子径、粒度分布、第2平均アスペクト比-第1平均アスペクト比、第1平均アスペクト比-第3平均アスペクト比、平均円形度及び各CAMを使用したコイン型ハーフセルのサイクル維持率を表4に示す。
All of the CAMs obtained in Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2 had a layered structure.
CAM firing conditions of Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2, first average aspect ratio, average enveloping degree, average particle diameter, particle size distribution, second average aspect ratio - first average aspect ratio, first average aspect Ratio-Third Average Aspect Ratio, Average Circularity, and Cycle Retention of Coin Half-Cells Using Each CAM are shown in Table 4.
実施例1~2の焼成工程では、ロータリーキルンを使用して一次焼成及び二次焼成を行った。さらに、回転筒の内径が300mmの場合は焼成条件を0.67rpmとし、回転筒の内径が100mmの場合は焼成条件を1.08rpmとなるよう調整した。このようなCAMは、第1平均アスペクト比が0.755-1.000以下であり、平均包絡度が0.983-1.000であった。さらに、CAM-1~CAM-2を用いたコイン型ハーフセルのサイクル維持率は、88%以上であった。 In the firing process of Examples 1 and 2, primary firing and secondary firing were performed using a rotary kiln. Furthermore, when the inner diameter of the rotating cylinder was 300 mm, the firing conditions were adjusted to 0.67 rpm, and when the inner diameter of the rotating cylinder was 100 mm, the firing conditions were adjusted to 1.08 rpm. Such CAMs had a first average aspect ratio of 0.755-1.000 or less and an average envelopment of 0.983-1.000. Furthermore, the cycle retention rate of the coin-shaped half-cells using CAM-1 to CAM-2 was 88% or more.
一方で、一次焼成及び二次焼成をローラーハースキルンで行った比較例1~2では、平均アスペクト比又は平均包絡度が上記範囲を満たしていなかった。これは、焼成において混合物が流動せず、二次粒子に等方的に力が加えられなかったためと考えられる。 On the other hand, in Comparative Examples 1 and 2 in which the primary firing and the secondary firing were performed in a roller hearth kiln, the average aspect ratio or average enveloping degree did not satisfy the above ranges. It is considered that this is because the mixture did not flow during firing and no isotropic force was applied to the secondary particles.
以上のCAM-C1~CAM-C2を用いたコイン型ハーフセルのサイクル維持率は87.9%以下であった。 The cycle retention rate of the coin-type half-cells using the above CAM-C1 to CAM-C2 was 87.9% or less.
本発明によれば、サイクル維持率の高いリチウム二次電池を得ることができるリチウム二次電池用正極活物質、及びこれを用いたリチウム二次電池用正極及びリチウム二次電池を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to the present invention, it is possible to provide a positive electrode active material for a lithium secondary battery that can obtain a lithium secondary battery having a high cycle retention rate, and a positive electrode for a lithium secondary battery and a lithium secondary battery using the same. can.
1…セパレータ、2…正極、3…負極、4…電極群、5…電池缶、6…電解液、7…トップインシュレーター、8…封口体、10…リチウム二次電池、21…正極リード、31…負極リード、100…積層体、110…正極、111…CAM層、112…正極集電体、113…外部端子、120…負極、121…負極活物質層、122…負極集電体、123…外部端子、130…固体電解質層、200…外装体、200a…開口部、1000…全固体リチウム二次電池
DESCRIPTION OF
Claims (8)
Li[Lix(Ni(1-y-z)CoyXz)1-x]O2 ・・・(A)
(式A中、Mは、Mn、Cu、Ti、Mg、Al、W、Mo、Nb、Zn、Sn、Zr、Ga、B、Si、S及びPからなる群より選択される1種以上の元素であり、-0.1≦x≦0.2、0≦y≦0.4、0≦z≦0.5、及びy+z<1を満たす。) The positive electrode active material for a lithium secondary battery according to any one of claims 1 to 5, represented by formula (A).
Li[Li x (Ni (1-yz) Co y x z ) 1-x ]O 2 (A)
(In formula A, M is one or more selected from the group consisting of Mn, Cu, Ti, Mg, Al, W, Mo, Nb, Zn, Sn, Zr, Ga, B, Si, S and P. is an element and satisfies −0.1≦x≦0.2, 0≦y≦0.4, 0≦z≦0.5, and y+z<1.)
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