JP4028738B2 - Positive electrode active material for non-aqueous secondary battery, method for producing the same, and non-aqueous secondary battery - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、正極の活物質としてリチウム複合酸化物を用いた非水二次電池に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、携帯電話、ノート型パソコンなどのポータブル電子機器の発達や、電気自動車の実用化などに伴い、小型軽量でかつ高容量の二次電池が必要とされるようになってきた。現在、この要求に応える高容量二次電池として、正極活物質としてLiCoO2を用い、負極活物質として炭素系材料を用いたリチウム二次電池に代表される非水二次電池が商品化されている。前記リチウム二次電池はエネルギー密度が高く、小型軽量化が図れるということで、ポータブル電子機器の電源として注目されている。
【0003】
このリチウム二次電池の正極活物質として使用されているLiCoO2は製造が容易であり、かつ取り扱いが容易なことから、好適な正極活物質として多用されている。更に、LiCoO2は、それ自体の電子伝導性が高く、また脱リチウムしたものは更に電子伝導性が向上するため、大きな電流密度で充放電することが可能である。このため、特に低温時での負荷特性が必要な携帯電話などに用いるリチウム二次電池用の正極活物質としては、LiCoO2が主に使用されている。しかしながら、LiCoO2は希少金属であるCoを原料として製造されるために、今後、資源不足が深刻になると予想される。また、コバルト自体の価格も高く、価格変動も大きいために、安価でかつ供給の安定している正極活物質の開発が望まれる。加えて、LiCoO2を正極活物質として使用した場合、充電後に形成される二酸化コバルトの熱的安定性が低いために、充電状態での電池の安全性に課題がある。
【0004】
リチウム二次電池用のLiCoO2に代わる正極活物質としては、安価であること、また電池容量が従来と同等以上であり、かつ負荷特性が従来と同等以上であることが必要である。その中でも、スピネル型構造のリチウムマンガン酸化物であるLi2Mn4O9、Li4Mn5O12、LiMn2O4などが注目されており、特にLiMn2O4がLiに対して4V付近の電圧領域で充放電が可能であること、また熱的安定性に優れていることから、盛んに研究が行われている(特開平6−76824号公報、特開平7−73883号公報、特開平7−230802号公報、特開平7−245106号公報など)。また、組成式LiNi1-x-yCoxMyO2(ただし、0≦x<1、0≦y≦0.25であり、MはAl又はMnのうち少なくとも1つを含む元素)で表される層状構造のニッケル酸リチウムは高容量を示すことから盛んに研究されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、LiCoO2の理論放電容量は274mAh/gであるが、深い充放電を行うとLiCoO2が相変化を起こしてサイクル寿命に影響を与えるため、実際のリチウム二次電池において実用的な放電容量は125〜140mAh/gの範囲になる。
【0006】
これに対して、LiMn2O4の理論放電容量は148mAh/gであるが、このLiMn2O4もLiCoO2と同様に充放電中に相変化を起こし、また、負極活物質に炭素系材料を使用した際には、炭素系材料の不可逆容量が大きいために、実際に電池とした場合に使用できる放電容量は90〜105mAh/g程度に減少してしまう。このことからも明らかなように、LiMn2O4を正極活物質として使用する場合には、LiCoO2を正極活物質として使用する場合よりも電池容量を大きくすることができないという問題がある。
【0007】
また、LiMn2O4を正極活物質として用いたリチウム二次電池では、充放電中におけるLiMn2O4自体の構造が不安定であるため、サイクル特性がLiCoO2系電池よりも悪いという問題もある。
【0008】
一方、層状構造のニッケル酸リチウムの理論放電容量は278mAh/gであり、LiCoO2の理論放電容量とほぼ同じであるが、作動電位が低いために同じ電位領域では約160〜200mAh/gという高い放電容量の正極活物質であるが、ニッケルの含有量が増えるほど、ガス発生量が増え、電池の安全性が低下する。更に、充放電反応とともにニッケルの4価が増えて電子伝導性が低下するために負荷特性がLiCoO2よりも劣るという問題がある。
【0009】
これらのことを踏まえて、我々は鋭意検討を続けた結果、一般式Li1+x+ αNi(1-x-y+ δ )/2Mn(1-x-y- δ )/2MyO2(ただし、0≦x≦0.05、−0.05≦α≦0.05、0≦y<0.45、−0.24≦δ≦0.24であり、MはTi、Cr、Fe、Co、Cu、Zn、Al、Ge及びSnからなる群より選択された1種以上の元素)で表される層状構造のマンガン酸リチウムという、LiCoO2とほぼ同じ放電容量(150mAh/g以上)を示し、かつ熱的安定性に優れ、安価な正極活物質を発明した。しかし、本正極活物質はニッケル含有量が多いために負荷特性がLiCoO2よりも劣っていた。
【0010】
このように、LiMnO2などの層状構造のリチウムマンガン酸化物の構成元素をニッケル及びコバルトで置換することによって、結晶構造が安定化し、その結果、充放電での可逆性の向上による高容量化を図り、充放電サイクルでの耐久性を付与することができる。しかし、この正極活物質は充放電時に主にニッケルの酸化還元反応を利用しているために、ニッケル酸リチウムと同じようにLiCoO2と比べて負荷特性が劣っており、携帯電話などの携帯情報端末用の電池用正極活物質に適用するためには、負荷特性の改善が不可欠である。
【0011】
本発明は前記従来の問題を解決するためになされたものであり、負荷特性に優れ、かつ高容量で、充放電サイクルに対する耐久性に優れた非水二次電池を提供することを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明では、非水二次電池用の正極活物質として、Ni及びMnを一定比率で含有するリチウム複合酸化物粒子を複数含み、前記リチウム複合酸化物粒子の表面にコバルト複合酸化物粒子が固着され、前記コバルト複合酸化物粒子により前記複数のリチウム複合酸化物粒子が接続一体化されてなる複合粒子を合成し、これを非水二次電池に適用したことを特徴とする。
【0013】
上記複合粒子においては、リチウム複合酸化物粒子の間が電子伝導性が高いコバルト複合酸化物粒子により接続されるため、正極活物質全体の電子伝導性が向上し、これを用いた非水二次電池の負荷特性を高めることができる。
【0014】
また、本発明の非水二次電池用正極活物質は、前記リチウム複合酸化物粒子が、一般式Li1+x+ αNi(1-x-y+ δ )/2Mn(1-x-y- δ )/2MyO2(ただし、0≦x≦0.05、−0.05≦α≦0.05、0<y<0.45、−0.1≦δ≦0.1であり、MはTi、Cr、Fe、Co、Cu、Zn、Al、Ge及びSnからなる群より選択され、少なくともCoを含む1種以上の元素)で表される組成を有することが好ましい。
【0015】
上記組成のリチウム複合酸化物粒子を用いることにより、粒子の結晶構造が安定化し、高容量で、充放電サイクルに対する耐久性に優れた非水二次電池を提供することができる。
【0016】
また、本発明の非水二次電池用正極活物質は、前記コバルト複合酸化物粒子がコバルト酸リチウム又はコバルト酸リチウムのコバルトの一部を他の金属元素で置換した複合酸化物からなることが好ましい。コバルト酸リチウム及びコバルト酸リチウムのコバルトの一部を他の金属元素で置換した複合酸化物は電子伝導性に優れているからである。
【0017】
また、本発明の非水二次電池用正極活物質は、前記複合粒子がNi、Mn及びM(ただし、MはTi、Cr、Fe、Co、Cu、Zn、Al、Ge及びSnからなる群より選択され、少なくともCoを含む1種以上の元素)を含有し、前記Ni、Mn及びMの原子比が、それぞれ平均して(1−x−y+δ)/2:(1−x−y−δ)/2:y+z(ただし、0≦x≦0.05、0<y<0.45、0.4<y+z<0.85、−0.24≦δ≦0.24)であることが好ましい。この組成とすることにより、容易に本発明の前記複合粒子を形成できるからである。特に、前記MをCoとすることにより、前記リチウム複合酸化物粒子の表面にコバルト複合酸化物粒子を確実に固着することができる。また、zの値が大きいほどコバルト複合酸化物粒子の割合が増加し、電子伝導性が向上して負荷特性が改善されるが、それに伴い複合粒子の安定性が低下してしまうため、Coの総量の上限を示すy+zの値は0.85未満であることが望ましい。
【0018】
また、本発明の非水二次電池用正極活物質の製造方法は、Ni及びMnを構成元素として含む化合物と、Coを構成元素として含む化合物と、Liの化合物とを混合し、これを焼成することにより、Ni、Mn及びM(ただし、MはTi、Cr、Fe、Co、Cu、Zn、Al、Ge及びSnからなる群より選択され、少なくともCoを含む1種以上の元素)を含有し、前記Ni、Mn及びMの原子比が、それぞれ平均して(1−x−y+δ)/2:(1−x−y−δ)/2:y+z(ただし、0≦x≦0.05、0<y<0.45、0.4<y+z<0.85、−0.24≦δ≦0.24)で表される活物質を形成することを特徴とする。
【0019】
これにより、前記正極の活物質として、Ni、Mn及びCoを含有するリチウム複合酸化物粒子を複数含み、前記リチウム複合酸化物粒子の表面にコバルト複合酸化物粒子が固着され、前記コバルト複合酸化物粒子により前記複数のリチウム複合酸化物粒子が接続一体化されてなる複合粒子を確実に形成できる。
【0020】
また、本発明の非水二次電池用正極活物質の製造方法は、前記Ni及びMnを構成元素として含む化合物、前記Coを構成元素として含む化合物及び前記Liの化合物より選ばれた少なくとも1種の化合物が、更にM’(ただし、M’はTi、Cr、Fe、Co、Cu、Zn、Al、Ge及びSnからなる群より選択された1種以上の元素)を構成元素として含むことが好ましい。
【0021】
また、本発明の非水二次電池用正極活物質の製造方法は、前記Ni及びMnを構成元素として含む化合物と、前記Coを構成元素として含む化合物と、前記Liの化合物とを混合する際に、更に前記M’を構成元素として含む化合物を混合することもできる。
【0022】
【発明の実施の形態】
以下、発明の実施の形態により、本発明をより具体的に説明する。本発明の非水二次電池は、正極、負極及び非水電解質を備えてなり、前記正極の活物質として、Ni及びMnを含有するリチウム複合酸化物粒子を複数含み、前記リチウム複合酸化物粒子の表面にコバルト複合酸化物粒子が固着され、前記コバルト複合酸化物粒子により前記複数のリチウム複合酸化物粒子が接続一体化されてなる複合粒子を用いたものである。
【0023】
本発明の正極活物質は、電子伝導性の良いコバルト複合酸化物粒子と、構造安定性かつ熱安定性に優れたNi及びMnを含有するリチウム複合酸化物粒子からなり、両粒子が固着して接続一体化した複合粒子を構成している。X線回折法により本発明の正極活物質を分析すると、格子定数の異なる2つの六方晶を含む混合相として認識される。これにより、コバルト複合酸化物粒子によってリチウム複合酸化物粒子の間の電子伝導パスが確保され、Ni及びMnを含有するリチウム複合酸化物粒子への電子供給がスムーズに行われるようになり、負荷特性の改善が可能となる。
【0024】
これを概念図を用いて説明する。図1は、本発明の正極活物質を構成する複合粒子の概念図である。図1において、本発明の正極活物質を構成する複合粒子は、Ni及びMnを含有するリチウム複合酸化物粒子1を複数含み、リチウム複合酸化物粒子1の表面にコバルト複合酸化物粒子2が固着され、コバルト複合酸化物粒子2により複数のリチウム複合酸化物粒子1が接続一体化されている。これにより、複数のリチウム複合酸化物粒子の間にコバルト複合酸化物粒子による導電性ネットワークが形成され、たとえ負荷特性が低いリチウム複合酸化物粒子を用いても、正極活物質全体として負荷特性の向上を図ることができる。
【0025】
また、正極活物質の全てが上記複合粒子であることが最も望ましいが、この正極活物質に上記複合粒子以外のリチウム複合酸化物粒子、又はコバルト複合酸化物粒子、あるいはこれら2種類の酸化物粒子が含まれていてもよく、これら以外の活物質との混合物であってもよい。
【0026】
なお、本発明において、前記リチウム複合酸化物粒子及び前記コバルト複合酸化物粒子は、それぞれ一次粒子であっても、二次粒子であってもよい。電子伝導性をより向上させるためには、リチウム複合酸化物粒子及びコバルト複合酸化物粒子のいずれもが一次粒子であることが好ましい。
【0027】
また、上記構造を有する本発明の正極活物質は、CuKα線を用いたX線回折測定において、回折角が17°から20°の範囲に2つの回折ピークが存在し、回折角が43°から46°の範囲に少なくとも2つの回折ピークが存在し、回折角が43°から46°の範囲の2つの回折ピークにおいて、低角度側の回折ピークの半価幅と高角度側の回折ピークの半価幅は異なり、低角度側の回折ピークの半価幅が、高角度側の回折ピークの半価幅より大きいという特徴を有するものである。
【0028】
また、本発明の正極活物質を構成する前記複合粒子としては、Ni、Mn及びM(ただし、MはTi、Cr、Fe、Co、Cu、Zn、Al、Ge及びSnからなる群より選択され、少なくともCoを含む1種以上の元素)を含有し、前記Ni、Mn及びMの原子比が、それぞれ平均して(1−x−y+δ)/2:(1−x−y−δ)/2:y+z(ただし、0≦x≦0.05、0<y<0.45、0.4<y+z<0.85、−0.24≦δ≦0.24)で表される組成を有するものを使用することができる。特に、前記MがCoであるものが好ましい。
【0029】
上記複合粒子を構成するリチウム複合酸化物粒子としては、一般式Li1+x+ αNi(1-x-y+ δ )/2Mn(1-x-y- δ )/2MyO2(ただし、0≦x≦0.05、−0.05≦α≦0.05、0<y<0.45、−0.1≦δ≦0.1であり、MはTi、Cr、Fe、Co、Cu、Zn、Al、Ge及びSnからなる群より選択され、少なくともCoを含む1種以上の元素)で表される組成を有するものが好ましい。このリチウム複合酸化物粒子は層状構造を有している。
【0030】
層状構造を有する上記組成のリチウム複合酸化物粒子が選択されるのは以下の理由による。即ち、リチウムマンガン酸化物では、3価のMnの割合が多くなると、ヤーン・テラー効果のために結晶構造が不安定になることが知られている。そこで、本発明者らは、結晶構造の安定化を実現するためには、LiMnO2に対し、Liを過剰に含む組成としてMnの平均価数を大きくするか、LiMnO2のMnを、層状のリチウム複合酸化物を安定に構成できる元素、例えばCoやNiなどで置換することが有効であると考え、Liの量比、置換元素の種類及び量比について詳細に検討した。
【0031】
その結果、一般式Li1+xNi(1-x)/2Mn(1-x)/2O2(0≦x≦0.05)で表される、NiとMnの量比が(1−x)/2:(1−x)/2、即ち1:1で、Ni及びMnの減少分(それぞれx/2)の和(x)だけLiが過剰となる組成を基本として、NiとMnの量比がδ/2(−0.1≦δ≦0.1)だけ幅を持ち、Liの量比がα(−0.05≦α≦0.05)だけ幅を持ち、かつ、Ni及びMnがそれぞれy/2(0<y<0.45)だけM(MはTi、Cr、Fe、Co、Cu、Zn、Al、Ge及びSnからなる群より選択され、少なくともCoを含む1種以上の元素)で置換された組成、即ち、一般式Li1+x+ αNi(1-x-y+ δ )/2Mn(1-x-y- δ )/2MyO2(ただし、0≦x≦0.05、−0.05≦α≦0.05、0<y<0.45、−0.1≦δ≦0.1であり、MはTi、Cr、Fe、Co、Cu、Zn、Al、Ge及びSnからなる群より選択され、少なくともCoを含む1種以上の元素)で表される組成範囲において、層状の結晶構造が安定化され、充放電の可逆性や充放電サイクルに対する耐久性に優れたリチウム複合酸化物が得られることがわかった。
【0032】
さらに詳細な検討の結果、Ni、Mn及びMの量比が1:1:1となる組成の近傍において、特に優れた特性のリチウム複合酸化物が得られることがわかった。即ち、一般式Li1+x+ αNi(1-x-y+ δ )/2Mn(1-x-y- δ )/2MyO2において、y=1/3を中心とする0.2<y<0.45の組成範囲が本発明において好適に用いられる。
【0033】
本発明の正極活物質において電子伝導性を付与する作用を有するコバルト複合酸化物粒子としては、コバルト酸リチウム又はコバルト酸リチウムのコバルトの一部を他の金属元素で置換した複合酸化物を用いることができる。これらはいずれも電子伝導性に優れており、また正極活物質としても機能する。コバルト酸リチウムのコバルトと置換する金属元素としては、Ti、Mn、Ni、Fe、Al、Ge、Snなどを用いることができる。また、その置換量は、25mol%以下とするのが望ましい。
【0034】
次に、本発明の正極活物質である前記複合粒子の製造方法について説明する。前記複合粒子の製造方法として、Liの化合物、Mnの化合物及びNiの化合物等を単に混合して焼成するだけでは、本発明のNi及びMnを含有するリチウム複合酸化物粒子を複数含み、前記リチウム複合酸化物粒子の表面にコバルト複合酸化物粒子が固着され、前記コバルト複合酸化物粒子により前記複数のリチウム複合酸化物粒子が接続一体化されてなる複合粒子の合成は難しい。これは、Ni及びMnなどの拡散速度が固体中では遅いため、合成反応においてこれらを均一に拡散させることが困難で、生成したリチウム複合酸化物中に前記元素が均一に分布しないことが原因と考えられる。そこで、本発明者らは、本発明の複合粒子を合成する方法について詳細に検討を重ねた結果、層状構造のリチウム複合酸化物について自発的に相分離が起こる反応系を利用することにより、本発明の構造を有する複合粒子を製造しうるに至った。即ち、一般式Li1+x+ αNi(1-x-y+ δ )/2Mn(1-x-y- δ )/2CoyO2(ただし、0≦x≦0.05、−0.05≦α≦0.05、0<y<0.45、−0.1≦δ≦0.1)で表される層状構造のリチウム複合酸化物の固溶限界を利用し、これに過剰のCoを含有させることによって、層状構造のリチウム複合酸化物の粒子とコバルト複合酸化物の粒子をそれぞれ別々に集合粒子化できること、更に、リチウム複合酸化物の粒子の表面にコバルト複合酸化物の粒子が偏在し、そのリチウム複合酸化物の粒子の間をコバルト複合酸化物が強固に接合している複合粒子を製造しうることを発明した。
【0035】
このように、本発明の複合粒子は、あらかじめNi及びMnを構成元素として含む化合物と、Coを構成元素として含む化合物と、Liの化合物とをそれぞれ別々に準備しておき、これらを混合した後に焼成することにより製造することができる。各化合物の組成、配合量は、焼成後の正極活物質が、Ni、Mn及びM(ただし、MはTi、Cr、Fe、Co、Cu、Zn、Al、Ge及びSnからなる群より選択され、少なくともCoを含む1種以上の元素)を含有し、前記Ni、Mn及びMの原子比が、それぞれ平均して(1−x−y+δ)/2:(1−x−y−δ)/2:y+z(ただし、0≦x≦0.05、0<y<0.45、0.4<y+z<0.85、−0.24≦δ≦0.24)となるように調整する。これにより、確実に本発明の構造を有する複合粒子を製造することができる。
【0036】
上記製造方法では、前記M’は、Ni及びMnを構成元素として含む化合物、又は/及びCoを構成元素として含む化合物、又は/及びLiの化合物に含ませる必要があるが、別にM’を構成元素として含む化合物を準備して混合してもよい。
【0037】
ここで、Ni及びMnを構成元素として含む化合物としては、例えば、Ni及びMnを含む共沈化合物、水熱合成された化合物、メカニカル合成された化合物及びそれらを熱処理して得られる化合物などを用いればよく、Ni0.5Mn0.5(OH)2、NiMn2O4、Ni0.5Mn0.5OOHなど、NiとMnの酸化物又は水酸化物を好ましく用いることができる。
【0038】
なお、前述のようにNi及びMnを構成元素として含む化合物と、Coを構成元素として含む化合物と、Liの化合物と、M’を構成元素として含有する化合物とを混合して焼成することによっても本発明の複合粒子を得ることはできるが、可能であれば、Ni及びMnと更にM’が含有された複合化合物を用いることが好ましい。また、この複合化合物におけるNi、Mn及びM’の組成比は、目的とする複合粒子の組成に応じて適宜選択すればよい。
【0039】
また、Coを構成元素として含む化合物としては、炭酸コバルト、水酸化コバルト、酸化コバルト等を用いることができる。
【0040】
また、Liの化合物としては、種々のリチウム塩を用いることができ、例えば、水酸化リチウム・一水和物、硝酸リチウム、炭酸リチウム、酢酸リチウム、臭化リチウム、塩化リチウム、クエン酸リチウム、フッ化リチウム、ヨウ化リチウム、乳酸リチウム、シュウ酸リチウム、リン酸リチウム、ピルビン酸リチウム、硫酸リチウム、酸化リチウムなどを用いることができ、それらの中でも、炭酸ガス、窒素酸化物、硫黄酸化物などの環境に悪影響を及ぼす有害物を発生しない点で水酸化リチウム・一水和物が好ましく用いられる。
【0041】
上記Ni及びMnを構成元素として含む化合物と、Coを構成元素として含む化合物と、Liの化合物等は、目的とする本発明の複合粒子の組成に応じた組成比で混合され、例えば、前記混合物を酸素を含む雰囲気中で、約700〜1100℃で1〜24時間焼成することにより、本発明の複合粒子を合成することができる。
【0042】
上記焼成にあたっての加熱処理としては、一気に所定温度まで昇温するよりも、いったん焼成温度よりも低い温度(約250〜850℃)まで加熱し、その温度で保持することにより予備加熱を行い、更に所定の焼成温度に昇温して反応を進行させることが好ましい。これは、本発明の複合酸化物の生成過程においては、Liの化合物とNi及びMnを構成元素として含む化合物との反応が段階的に生じ、中間生成物を経由して最終的にリチウム複合酸化物が生成すると考えられるからである。ここで、一気に焼成温度まで昇温する場合には、Liの化合物とNi及びMnを構成元素として含む化合物とが部分的に最終段階まで反応してしまい、それによって生成したリチウム複合酸化物が未反応物の反応を妨害したり、組成の均一性が損なわれるなどのおそれが生じる。また、反応工程に要する時間を短縮し、均質な複合酸化物を得るためにも、段階的に加熱を行うのが有効である。この予備加熱の時間は特に制限されるものではないが、通常、0.5〜30時間程度で行えばよい。
【0043】
また、前記混合物を焼成する工程では、乾式混合された混合物をそのまま用いてもよいが、混合物をエタノールなどの溶媒で分散してスラリー状にし、遊星型ボールミルなどで30〜60分間程度混合し、これを乾燥させたものを焼成するほうが、合成される化合物の均質性を更に高めることができるので好ましい。
【0044】
上記加熱処理の雰囲気としては、酸素を含む雰囲気中、例えば、空気中や、アルゴン、ヘリウム、窒素などの不活性ガスと酸素ガスとの混合雰囲気中、あるいは酸素ガス中で行えばよい。雰囲気中の酸素の割合は、体積比で10〜100%にすることが好ましい。
【0045】
上記ガスの流量としては、前記混合物100g当たり1dm3/分以上にするのが好ましく、1〜5dm3/分がより好ましい。ガス流量が少ない場合、即ちガス流速が遅い場合には、反応が不均一に進行し、Mn2O3やLi2MnO3などの不純物が生成しやすくなる。
【0046】
以上の正極活物質以外として、本発明の非水二次電池は、例えば以下のようにして作製することができる。
【0047】
正極は、前記正極活物質に、要すれば、例えばりん片状黒鉛、アセチレンブラックなどの導電助剤と、例えばポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデンなどのバインダーを加えて混合し、得られた正極合剤を適宜の手段で成形することによって作製される。
【0048】
上記正極と対向させる負極の活物質としては、通常は、リチウム又はリチウム含有化合物が用いられる。そのリチウム含有化合物としては、Li−Al合金、Li−Pb合金、Li−In合金、Li−Ga合金などのリチウム合金や、Si、Sn、Mg−Si合金などのリチウムと合金を形成できる元素又はその合金が挙げられる。更に、Sn酸化物、Si酸化物などの酸化物系材料のほか、黒鉛や繊維状炭素などの炭素質材料、リチウム含有複合窒化物なども用いることができる。
【0049】
負極は、上記負極活物質に、要すれば、上記正極の場合と同様に、バインダーや導電助剤などを加えて混合し、得られた負極合剤を適宜の手段で成形することによって作製される。
【0050】
上記正極や負極の成形手段としては、正極合剤や負極合剤を加圧成形するか、正極合剤や負極合剤を水その他の適宜の溶剤によりペースト状ないしスラリー状に塗料化し、それぞれの塗料を集電体としての作用を兼ねる基体に塗布又は含浸させた後に乾燥して、基体と一体化された塗膜を形成するなど、種々の手段が採用できる。
【0051】
ここで、集電体としての作用を兼ねる基体としては、例えば、アルミニウム、ステンレス鋼、チタン、銅などの金属の網、パンチングメタル、エキスパンドメタル、フォームメタル、金属箔などを用いることができるが、金属箔を基体としてこの上に合剤の塗膜を形成し、これを加圧してシート状の正極又は負極とする方法が好ましく用いられる。
【0052】
本発明の非水二次電池における非水電解質としては、有機溶媒に電解質を溶解させた有機溶媒系の液状電解質(電解液)や、前記電解液をポリマー中に保持させたポリマー電解質などを用いることができる。
【0053】
その電解液あるいはポリマー電解質に含まれる有機溶媒は特に限定されるものではないが、負荷特性の点からは鎖状エステルを含んでいることが好ましい。そのような鎖状エステルとしては、例えば、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、酢酸エチル(EA)、プロピロン酸メチル(MP)などの鎖状のCOO−結合を有する有機溶媒が挙げられる。これらの鎖状エステルは、1種又は2種以上を混合して用いることができ、特に低温特性を改善するためには、これらの鎖状エステルが全有機溶媒中の50体積%以上を占めることが好ましく、鎖状エステルが全有機溶媒中の65体積%以上を占めることがより好ましく、特に75体積%以上を占めることが最も好ましい。
【0054】
ただし、有機溶媒としては、上記鎖状エステルのみで構成するよりも、電池容量の向上を図るために、上記鎖状エステルに誘電率の高いエステル(誘電率30以上のエステル)を混合して用いることが好ましい。前記誘電率の高いエステルの具体例としては、例えば、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ブチレンカーボネート(BC)、ビニレンカーボネート(VC)、γ−ブチロラクトン(γ−BL)、エチレングリコールサルファイト(EGS)などが挙げられ、特にエチレンカーボネート、プロピレンカーボネートなどの環状構造のものが好ましい。そのような誘電率の高いエステルは、放電容量の点から、全有機溶媒中において10体積%以上、特に20体積%以上含有されることが好ましい。また、負荷特性との両立の点からは、40体積%以下が好ましく、25体積%以下がより好ましい。
【0055】
また、上記誘電率の高いエステル以外に併用可能な溶媒としては、例えば、1,2−ジメトキシエタン(1,2−DME)、1,3−ジオキソラン(1,3−DO)、テトラヒドロフラン(THF)、2−メチル−テトラヒドロフラン(2−Me−THF)、ジエチルエーテル(DEE)などが挙げられる。そのほか、アミンイミド系有機溶媒や、含イオウ又は含フッ素系有機溶媒なども用いることができる。
【0056】
有機溶媒に溶解させる電解質としては、例えば、LiClO4、LiPF6、LiBF4、LiAsF6、LiSbF6、LiCF3SO3、LiC4F9SO3、LiCF3CO2、Li2C2F4(SO3)2、LiN(CF3SO2)2、LiC(CF3SO2)3、LiCnF2n+1SO3(n≧2)などが単独で又は2種以上混合して用いられる。中でも、良好な充放電特性が得られるLiPF6やLiC4F9SO3などが好ましく用いられる。電解液中における電解質の濃度は、特に限定されるものではないが、0.3〜1.7mol/dm3、特に0.4〜1.5mol/dm3程度が好ましい。
【0057】
また、電池の安全性や貯蔵特性を向上させるために、非水電解液に芳香族添加剤を含有させてもよい。芳香族添加剤としては、シクロヘキシルベンゼンやt−ブチルベンゼンなどのアルキル基を有するベンゼン類、あるいはフルオロベンゼン類が好ましく用いられる。
【0058】
セパレータとしては、強度が充分でしかも電解液を多く保持できるものがよく、そのような観点から、10〜50μmの厚さで、開孔率が30〜70%のポリプロピレン製、ポリエチレン製、プロピレンとエチレンとの共重合体製の微孔性フィルムや不織布などが好ましく用いられる。
【0059】
【実施例】
以下、本発明の実施例について説明する。ただし、本発明はそれらの実施例のみに限定されるものではない。
【0060】
(実施例1)
反応容器内に水酸化ナトリウムの添加によりpHを約12に調整した2質量%のアンモニア水を用意し、これを強攪拌しながら、この中に硫酸ニッケル及び硝酸マンガンをそれぞれ1mol/dm3ずつ含有する混合水溶液を46cm3/分の割合で、及び25質量%のアンモニア水を3.3cm3/分の割合でそれぞれ定量ポンプを用いて滴下し、NiとMnの共沈化合物を生成させた。このとき、反応液の温度は50℃に保持し、また、反応液のpHが約12付近に維持されるように、3.2mol/dm3の濃度の水酸化ナトリウム水溶液も同時に滴下した。更に、反応に際して、反応液の雰囲気が不活性雰囲気となるように、窒素ガスを1dm3/分の割合でパージした。
【0061】
得られた生成物を水洗、濾過及び乾燥させ、NiとMnを1:1の割合で含有する水酸化物とし、この水酸化物0.03molと、0.07molの水酸化コバルトと、0.1molのLiOH・H2Oとを秤量し、その混合物をエタノールで分散してスラリー状にした後、遊星型ボールミルで40分間混合し、室温で乾燥させて混合物を調製した。次いで、その混合物をアルミナ製のるつぼに入れ、1dm3/分の空気気流中で800℃まで加熱し、その温度で2時間保持して予備加熱を行い、更に1000℃に昇温して12時間焼成することにより複合酸化物を合成した。合成した酸化物は、乳鉢で粉砕して粉体としてデシケーター中で保存した。
【0062】
上記酸化物の粉体について、原子吸光分析装置で組成を測定したところ、Ni、MnおよびCoの原子比は、平均して0.33:0.33:1.54であることがわかった。
【0063】
(実施例2)
実施例1と同様にして合成したNiとMnを1:1の割合で含有する水酸化物0.035molと、0.065molの水酸化コバルトと、0.1molのLiOH・H2Oとを秤量し、以下実施例1と同様にしてNi、MnおよびCoの原子比が、平均して0.33:0.33:1.23である複合酸化物を合成した。
【0064】
(実施例3)
実施例1と同様にして合成したNiとMnを1:1の割合で含有する水酸化物0.04molと、0.06molの水酸化コバルトと、0.1molのLiOH・H2Oとを秤量し、以下実施例1と同様にしてNi、MnおよびCoの原子比が、平均して0.33:0.33:0.99である複合酸化物を合成した。
【0065】
(実施例4)
実施例1と同様にして合成したNiとMnを1:1の割合で含有する水酸化物0.045molと、0.055molの水酸化コバルトと、0.1molのLiOH・H2Oとを秤量し、以下実施例1と同様にしてNi、MnおよびCoの原子比が、平均して0.33:0.33:0.81である複合酸化物を合成した。
【0066】
(実施例5)
実施例1と同様にして合成したNiとMnを1:1の割合で含有する水酸化物0.05molと、0.05molの水酸化コバルトと、0.1molのLiOH・H2Oとを秤量し、以下実施例1と同様にしてNi、MnおよびCoの原子比が、平均して0.33:0.33:0.66である複合酸化物を合成した。
【0067】
(比較例1)
実施例1と同様にして合成したNiとMnを1:1の割合で含有する水酸化物0.06molと、0.04molの水酸化コバルトと、0.1molのLiOH・H2Oとを秤量し、以下実施例1と同様にしてLi1.0Ni0.30Mn0.30Co0.40O2で表される複合酸化物を合成した。
【0068】
(比較例2)
実施例1と同様にして合成したNiとMnを1:1の割合で含有する水酸化物0.067molと、0.033molの水酸化コバルトと、0.1molのLiOH・H2Oとを秤量し、以下実施例1と同様にしてLi1.0Ni0.33Mn0.33Co0.33O2で表される複合酸化物を合成した。
【0069】
(比較例3)
実施例1と同様にして合成したNiとMnを5:3の割合で含有する水酸化物0.16molと、0.04molの水酸化コバルトと、0.20molのLiOH・H2Oとを秤量し、以下実施例1と同様にしてLi1.0Ni0.50Mn0.31Co0.19O2で表される複合酸化物を合成した。
【0070】
(比較例4)
比較例2で合成した複合酸化物と、LiCoO2粉末とを全体として実施例3と同じ組成になるようにモル比で0.6:0.4の割合で単純に混合して混合物を作製した。
【0071】
(参考例1)
0.16molの水酸化ニッケルと、0.04molの水酸化コバルトと、0.2molの水酸化リチウムとを実施例1と同様にして混合させ、650℃で酸素中で12時間焼成させた後、粉砕混合して、再び850℃の酸素中で12時間焼成し、LiNi0.80Co0.20O2で表される複合酸化物を合成した。
【0072】
(参考例2)
0.20molの水酸化コバルトと、0.20molのLiOH・H2Oとを秤量し、以下実施例1と同様にしてLiCoO2で表されるコバルト酸リチウムを合成した。
【0073】
上記の実施例1〜5、比較例1〜4及び参考例1、2の複合酸化物について、CuKα線によるX線回折測定を行った。その結果を表1に示す。また、このうち実施例3、実施例5、比較例1及び比較例2のX線回折パターンを図2〜図7に示した。
【0074】
【表1】
【0075】
X線回折測定の結果、実施例1〜5のX線回折パターンは全て同じ特徴を有していた。即ち、回折角が17°から20°の範囲内に回折角の差が0.1°から0.3°となる2本の回折ピークを有し、かつ回折角が43°から46°の範囲内に回折角の差が0.3°から0.6°となる2本の回折ピークを有していた。また、上記実施例1〜5のX線回折パターンから、本発明に用いる複合酸化物は、リチウム複合酸化物(LiNi(1-y)/2Mn(1-y)/2CoyO2、ただし、yはおよそ0.3〜0.4)とコバルト酸リチウム(LiCoO2)の2つの相で構成されていることが確認された。これは、上記実施例1〜5のX線回折パターンのピークが、単一相のリチウム複合酸化物(LiNi(1-y)/2Mn(1-y)/2CoyO2、ただし、yはおよそ0.3〜0.4)およびコバルト酸リチウム(LiCoO2)のピークとほぼ一致することによる。
【0076】
ただし、実施例1〜5のX線回折パターンの回折角が43°から46°の範囲内にある2本の回折ピークの半価幅は、これらが単独で存在する場合よりも大きく、その値は0.2°以上であり、更に低角度側の回折ピークの半価幅の方が高角度側の回折ピークの半価幅より大きく、低角度側の回折ピークがよりブロードであることが確認された。このことから、本発明に用いる複合酸化物は、組成および格子定数の異なる2つの相が相互に関係し合っていることがわかった。
【0077】
また、実施例1〜5において複合酸化物全体としての組成が変化しているにもかかわらず、これらの回折ピークの位置はほとんど変化せず、ピーク強度のみが変化していることから、これらの複合酸化物を構成するリチウム複合酸化物およびコバルト酸リチウムは、実施例1〜5のいずれもほぼ同じ組成となっており、その量比が変化することにより、複合酸化物全体としての組成が変化しているものと推定された。
【0078】
さらに、実施例3の複合酸化物に対し、走査型電子顕微鏡(SEM)での形態観察および電子線プローブマイクロアナライザー(EPMA)での元素分析を行い、組成の異なる2種類の粒子が互いに接合し、接続一体化された複合粒子を形成していることを確認した。このような粒子形態をとることにより、電子伝導性の高いコバルト酸リチウムが、Ni、Mn、Coを含有する電子伝導性に劣る複数のリチウム複合酸化物粒子を結びつけ、粒子間に電子伝導パスが巧く形成されるのである。
【0079】
一方、比較例1〜3のX線回折パターンは単一相の層状構造を示しており、回折角が17°から20°の範囲内および回折角が43°から46°の範囲内には、それぞれ回折ピークが1本のみ存在していた。また、リチウム複合酸化物とコバルト酸リチウムの混合物である比較例4では、上記範囲にそれぞれ2本ずつの回折ピークが存在していたが、上記実施例のものに比べて半価幅が小さく、低角度側の回折ピークもシャープであった。
【0080】
次に、上記実施例1〜5、比較例1〜4及び参考例1の複合酸化物を用い、以下に示す方法により非水二次電池を作製した。
【0081】
先ず、バインダーとしてのポリフッ化ビニリデン20質量部に、N−メチル−2−ピロリドンを250質量部加え、60℃に加熱してポリフッ化ビニリデンをN−メチル−2−ピロリドンに溶解させ、バインダー溶液を調製した。このバインダー溶液に上記複合酸化物を正極活物質として450質量部加え、更に導電助剤としてカーボンブラック5質量部とグラファイト25質量部を加え、攪拌してスラリー状の塗料を調製した。この塗料を厚さ20μmのアルミニウム箔の両面に均一に塗布して乾燥した後、ローラープレス機により加圧成形し、次いで裁断して、平均厚さ190μm、縦54mm、横483mmの帯状の正極を作製した。
【0082】
上記のようにして作製した正極と、リチウム箔よりなる負極を用い、各電極との間に厚さ25μmの微孔性ポリエチレンフィルムからなるセパレータを配置した。続いて、エチレンカーボネートとエチルメチルカーボネートとの体積比1:3の混合溶媒にLiPF6を1.0mol/dm3の濃度で溶解させた非水溶液を電解液とし、正極活物質の評価のためにリチウムの参照電極を配置して、非水二次電池とした。
【0083】
次に、上記非水二次電池を用いて負荷特性を評価するため、電極の面積に対する電流密度を0.5mA/cm2として、室温で4.3Vまで充電後、異なる電流密度で3.0Vまで放電させた。その結果を、電流密度0.5mA/cm2で放電した時の放電容量を100%として、電流密度を1、2、4、6mA/cm2と上げた時の容量維持率(%)として表2に示す。
【0084】
【表2】
【0085】
表2から明らかなように、実施例1〜5は、電流密度を上げたときの容量維持率(放電効率)が、比較例1〜4に比べて高いことがわかる。電流密度6mA/cm2での容量維持率を見ると、比較例1〜3が65〜66%である。これは、参考例1の複合酸化物よりも高い放電効率であるが、実用的な値ではない。また、実施例1〜5は電流密度6mA/cm2で放電しても期待通り86%以上の容量維持率を示した。これは、ニッケル、マンガン、コバルトから構成されるリチウム複合酸化物とコバルトを主に含んだコバルト複合酸化物との二相が共存することによって、高い電流密度での放電効率が飛躍的に向上したものと考えられる。更に、実施例1〜5の容量維持率から、正極活物質中のコバルト含有量が増えるにしたがって、その放電効率が向上することがわかる。しかし、実施例5と比較例1との比較からわかるように、この放電効率の飛躍的な向上は、単にコバルト含有量の増加によるものではなく、上記のリチウム複合酸化物とコバルト複合酸化物とを共存させるという本発明によって達成されたものと考えられる。
【0086】
また、LiNi0.33Mn0.33Co0.33O2で表されるリチウム複合酸化物(比較例2)とコバルト酸リチウム(参考例2)とを混合させた比較例4の材料では、高い電子伝導性を有するコバルト酸リチウムを混合させるだけである程度は放電効率が向上することがわかる。しかし、Ni、MnおよびCoの比率が比較例4と同じである実施例3との比較から明らかなように、本発明の構造の正極活物質を用いることにより、より効果的に放電効率を上げることができる。
【0087】
【発明の効果】
以上説明したように、正極活物質として、Ni及びMnを含有するリチウム複合酸化物粒子を複数含み、前記リチウム複合酸化物粒子の表面にコバルト複合酸化物粒子が固着され、前記コバルト複合酸化物粒子により前記複数のリチウム複合酸化物粒子が接続一体化されてなる複合粒子を用いることにより、負荷特性に優れ、かつ高容量で、充放電サイクルに対する耐久性に優れた非水二次電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の正極活物質を構成する複合粒子の概念図である。
【図2】実施例3の複合酸化物のX線回折パターンを示す図である。
【図3】実施例5の複合酸化物のX線回折パターンを示す図である。
【図4】比較例1の複合酸化物のX線回折パターンを示す図である。
【図5】比較例2の複合酸化物のX線回折パターンを示す図である。
【図6】実施例3、実施例5、比較例1及び比較例2の複合酸化物の回折角が17°から20°の範囲のX線回折パターンを示す図である。
【図7】実施例3、実施例5、比較例1及び比較例2の複合酸化物の回折角が43°から46°の範囲のX線回折パターンを示す図である。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a non-aqueous secondary battery using a lithium composite oxide as an active material for a positive electrode.
[0002]
[Prior art]
In recent years, with the development of portable electronic devices such as mobile phones and notebook computers, and the practical application of electric vehicles, secondary batteries with small size and light weight and high capacity have been required. Currently, as a high-capacity secondary battery that meets this requirement, LiCoO as a positive electrode active material2Non-aqueous secondary batteries represented by lithium secondary batteries using a carbon-based material as a negative electrode active material have been commercialized. The lithium secondary battery is attracting attention as a power source for portable electronic devices because it has a high energy density and can be reduced in size and weight.
[0003]
LiCoO used as the positive electrode active material of this lithium secondary battery2Is widely used as a preferred positive electrode active material because it is easy to manufacture and easy to handle. In addition, LiCoO2Can be charged / discharged at a large current density because the electron conductivity of the lithium ion compound is high and the electron conductivity is further improved. Therefore, as a positive electrode active material for a lithium secondary battery used for a mobile phone or the like that particularly requires load characteristics at low temperatures, LiCoO2Is mainly used. However, LiCoO2Is manufactured using Co, which is a rare metal, as a raw material, and it is expected that resource shortages will become serious in the future. Further, since the price of cobalt itself is high and the price fluctuates greatly, it is desired to develop a cathode active material that is inexpensive and stable in supply. In addition, LiCoO2Is used as the positive electrode active material, there is a problem in the safety of the battery in the charged state because the thermal stability of cobalt dioxide formed after charging is low.
[0004]
LiCoO for lithium secondary battery2An alternative positive electrode active material is required to be inexpensive, have a battery capacity equivalent to or higher than that of the conventional one, and have a load characteristic equivalent to or higher than that of the conventional one. Among them, Li is a spinel type lithium manganese oxide.2MnFourO9, LiFourMnFiveO12, LiMn2OFourIn particular, LiMn2OFourHas been actively studied since it can be charged / discharged in a voltage region around 4 V with respect to Li and has excellent thermal stability (Japanese Patent Laid-Open Nos. 6-76824 and 6 7-73883, JP-A-7-230802, JP-A-7-245106, etc.). The composition formula LiNi1-xyCoxMyO2(However, 0 ≦ x <1, 0 ≦ y ≦ 0.25, and M is an element including at least one of Al and Mn), so that lithium nickelate having a layered structure exhibits a high capacity. It has been actively studied.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, LiCoO2The theoretical discharge capacity of 274 mAh / g is LiCoO when deep charge / discharge is performed.2Causes a phase change and affects the cycle life, so that a practical discharge capacity in an actual lithium secondary battery is in the range of 125 to 140 mAh / g.
[0006]
In contrast, LiMn2OFourThe theoretical discharge capacity is 148 mAh / g.2OFourLiCoO2In the same way as above, when a phase change occurs during charging and discharging, and when a carbon-based material is used as the negative electrode active material, the discharge capacity that can be used when the battery is actually used because the irreversible capacity of the carbon-based material is large Decreases to about 90 to 105 mAh / g. As is clear from this, LiMn2OFourWhen Li is used as the positive electrode active material, LiCoO2There is a problem that the battery capacity cannot be increased as compared with the case of using as a positive electrode active material.
[0007]
LiMn2OFourLithium secondary batteries using as a positive electrode active material, LiMn during charging and discharging2OFourSince its structure is unstable, the cycle characteristics are LiCoO2There is also a problem that it is worse than a battery.
[0008]
On the other hand, the theoretical discharge capacity of the layered lithium nickelate is 278 mAh / g, and LiCoO2Although it is almost the same as the theoretical discharge capacity, it is a positive electrode active material having a high discharge capacity of about 160 to 200 mAh / g in the same potential region because of its low operating potential. The battery safety is reduced. Furthermore, since the tetravalence of nickel increases with charge / discharge reaction and the electron conductivity decreases, the load characteristic is LiCoO.2There is a problem that it is inferior.
[0009]
Based on these facts, as a result of intensive studies, we have obtained the general formula Li1 + x + αNi(1-x-y + δ ) / 2Mn(1-xy- δ ) / 2MyO2(However, 0 ≦ x ≦ 0.05, −0.05 ≦ α ≦ 0.05, 0 ≦ y <0.45, −0.24 ≦ δ ≦ 0.24, and M is Ti, Cr, Fe LiCoO having a layered structure represented by LiCoO represented by one or more elements selected from the group consisting of Co, Cu, Zn, Al, Ge, and Sn)2Invented a positive electrode active material that exhibited substantially the same discharge capacity (150 mAh / g or more) as well as excellent thermal stability and was inexpensive. However, since the positive electrode active material has a high nickel content, the load characteristics are LiCoO.2Was inferior.
[0010]
Thus, LiMnO2By substituting the constituent elements of lithium manganese oxide with a layered structure such as nickel and cobalt, the crystal structure is stabilized, and as a result, the capacity is increased by improving reversibility in charge and discharge, The durability can be imparted. However, since this positive electrode active material mainly uses the oxidation-reduction reaction of nickel at the time of charge / discharge, it is LiCoO like lithium nickelate.2The load characteristics are inferior to those of the mobile phone, and improvement of the load characteristics is indispensable for application to the positive electrode active material for batteries for portable information terminals such as mobile phones.
[0011]
The present invention has been made to solve the above-described conventional problems, and an object thereof is to provide a non-aqueous secondary battery having excellent load characteristics, high capacity, and excellent durability against charge / discharge cycles. .
[0012]
[Means for Solving the Problems]
To achieve the above object, the present inventionThen, positive electrode for non-aqueous secondary batteryNi and Mn as active materialsAt a certain ratioA plurality of lithium composite oxide particles, cobalt composite oxide particles are fixed to the surface of the lithium composite oxide particles, and the plurality of lithium composite oxide particles are connected and integrated by the cobalt composite oxide particles. Composite particlesWas applied to a non-aqueous secondary battery.It is characterized by that.
[0013]
In the above composite particles, the lithium composite oxide particles are connected by the cobalt composite oxide particles having high electron conductivity, so that the electron conductivity of the entire positive electrode active material is improved, and the non-aqueous secondary using this The load characteristics of the battery can be improved.
[0014]
Further, in the positive electrode active material for a non-aqueous secondary battery of the present invention, the lithium composite oxide particles have the general formula Li1 + x + αNi(1-x-y + δ ) / 2Mn(1-xy- δ ) / 2MyO2(However, 0 ≦ x ≦ 0.05, −0.05 ≦ α ≦ 0.05,0 <y <0.45,-0.1≦ δ ≦0.1M is selected from the group consisting of Ti, Cr, Fe, Co, Cu, Zn, Al, Ge, and Sn., Including at least CoIt is preferable to have a composition represented by one or more elements.
[0015]
By using the lithium composite oxide particles having the above composition, it is possible to provide a non-aqueous secondary battery having a stable crystal structure, high capacity, and excellent durability against charge / discharge cycles.
[0016]
The non-aqueous secondary battery of the present inventionCathode active materialThe cobalt composite oxide particles are preferably composed of a composite oxide in which lithium cobaltate or a part of cobalt of lithium cobaltate is substituted with another metal element. This is because lithium cobalt oxide and a composite oxide obtained by substituting a part of cobalt of lithium cobalt oxide with another metal element are excellent in electron conductivity.
[0017]
Further, in the positive electrode active material for a non-aqueous secondary battery of the present invention, the composite particles are Ni, Mnas well asM (where M is selected from the group consisting of Ti, Cr, Fe, Co, Cu, Zn, Al, Ge, and Sn, and at least one element including Co))Containing, Ni, MnAnd MThe average atomic ratio of (1-x−y + δ) / 2: (1-xy−δ) / 2:y + z(However, 0 ≦ x ≦ 0.05, 0 <y <0.45, 0.4 <y + z <0.85, −0.24 ≦ δ ≦ 0.24). This is because, with this composition, the composite particles of the present invention can be easily formed. In particular, when the M is Co, the cobalt composite oxide particles can be reliably fixed to the surface of the lithium composite oxide particles. In addition, as the value of z increases, the proportion of the cobalt composite oxide particles increases, and the electron conductivity is improved and the load characteristics are improved. The value of y + z indicating the upper limit of the total amount is preferably less than 0.85.
[0018]
The method for producing a positive electrode active material for a non-aqueous secondary battery according to the present invention comprises mixing a compound containing Ni and Mn as constituent elements, a compound containing Co as a constituent element, and a Li compound, and firing the mixture. Ni, Mnas well asM (where M is selected from the group consisting of Ti, Cr, Fe, Co, Cu, Zn, Al, Ge, and Sn, and at least one element including Co))Containing, Ni, MnAnd MThe average atomic ratio of (1-x−y + δ) / 2: (1-xy−δ) / 2:y + z(However, 0 ≦ x ≦ 0.05, 0 <y <0.45, 0.4 <y + z <0.85, −0.24 ≦ δ ≦ 0.24). It is characterized by.
[0019]
Thereby, as an active material of the positive electrode, Ni,MnAnd CoA plurality of lithium composite oxide particles containing cobalt, cobalt composite oxide particles are fixed to the surface of the lithium composite oxide particles, and the plurality of lithium composite oxide particles are connected and integrated by the cobalt composite oxide particles. It is possible to reliably form composite particles.
[0020]
The method for producing a positive electrode active material for a non-aqueous secondary battery according to the present invention includes at least one selected from a compound containing Ni and Mn as constituent elements, a compound containing Co as a constituent element, and a compound of Li. A compound ofM ′ (where M ′ is one or more elements selected from the group consisting of Ti, Cr, Fe, Co, Cu, Zn, Al, Ge, and Sn)Is preferably included as a constituent element.
[0021]
In the method for producing a positive electrode active material for a non-aqueous secondary battery according to the present invention, the compound containing Ni and Mn as constituent elements, the compound containing Co as constituent elements, and the compound of Li are mixed. And furtherM 'A compound containing as a constituent element can also be mixed.
[0022]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to embodiments of the invention. The non-aqueous secondary battery of the present invention includes a positive electrode, a negative electrode, and a non-aqueous electrolyte, and includes a plurality of lithium composite oxide particles containing Ni and Mn as an active material of the positive electrode, and the lithium composite oxide particles Cobalt composite oxide particles are fixed to the surface, and composite particles in which the plurality of lithium composite oxide particles are connected and integrated by the cobalt composite oxide particles are used.
[0023]
The positive electrode active material of the present invention is composed of cobalt composite oxide particles having good electron conductivity and lithium composite oxide particles containing Ni and Mn having excellent structural stability and thermal stability. The composite particles are connected and integrated. When the positive electrode active material of the present invention is analyzed by the X-ray diffraction method, it is recognized as a mixed phase containing two hexagonal crystals having different lattice constants. Thereby, an electron conduction path between the lithium composite oxide particles is ensured by the cobalt composite oxide particles, and the electron supply to the lithium composite oxide particles containing Ni and Mn is smoothly performed, and the load characteristics Can be improved.
[0024]
This will be described using a conceptual diagram. FIG. 1 is a conceptual diagram of composite particles constituting the positive electrode active material of the present invention. In FIG. 1, the composite particles constituting the positive electrode active material of the present invention include a plurality of lithium composite oxide particles 1 containing Ni and Mn, and the cobalt
[0025]
In addition, it is most desirable that all of the positive electrode active material is the composite particle. However, lithium composite oxide particles other than the composite particles, cobalt composite oxide particles, or these two kinds of oxide particles are used as the positive electrode active material. May be contained, and a mixture with an active material other than these may be sufficient.
[0026]
In the present invention, the lithium composite oxide particles and the cobalt composite oxide particles may be primary particles or secondary particles, respectively. In order to further improve the electron conductivity, it is preferable that both the lithium composite oxide particles and the cobalt composite oxide particles are primary particles.
[0027]
The positive electrode active material of the present invention having the above structure has two diffraction peaks in the diffraction angle range of 17 ° to 20 ° in the X-ray diffraction measurement using CuKα rays, and the diffraction angle is from 43 °. There are at least two diffraction peaks in the range of 46 °, and in two diffraction peaks having a diffraction angle in the range of 43 ° to 46 °, the half-value width of the diffraction peak on the low angle side and half of the diffraction peak on the high angle side The valence width is different, and the half-value width of the diffraction peak on the low angle side is larger than the half-value width of the diffraction peak on the high angle side.
[0028]
The composite particles constituting the positive electrode active material of the present invention include Ni, Mnas well asM (where M is selected from the group consisting of Ti, Cr, Fe, Co, Cu, Zn, Al, Ge, and Sn, and at least one element including Co))Containing, Ni, MnAnd MThe average atomic ratio of (1-x−y + δ) / 2: (1-xy−δ) / 2:y + z(However, the one having a composition represented by 0 ≦ x ≦ 0.05, 0 <y <0.45, 0.4 <y + z <0.85, −0.24 ≦ δ ≦ 0.24) is used. can do. In particular, it is preferable that M is Co.
[0029]
The lithium composite oxide particles constituting the composite particles include a general formula Li1 + x + αNi(1-x-y + δ ) / 2Mn(1-xy- δ ) / 2MyO2(However, 0 ≦ x ≦ 0.05, −0.05 ≦ α ≦ 0.05,0 <y <0.45,-0.1≦ δ ≦0.1M is selected from the group consisting of Ti, Cr, Fe, Co, Cu, Zn, Al, Ge, and Sn., Including at least CoThose having a composition represented by (one or more elements) are preferred. The lithium composite oxide particles have a layered structure.
[0030]
The lithium composite oxide particles having the above composition having a layered structure are selected for the following reason. That is, in lithium manganese oxide, it is known that when the proportion of trivalent Mn increases, the crystal structure becomes unstable due to the yarn-teller effect. Therefore, the inventors have made LiMnO in order to achieve stabilization of the crystal structure.2On the other hand, as a composition containing excessive Li, the average valence of Mn is increased, or LiMnO2It was considered effective to replace Mn with an element that can stably form a layered lithium composite oxide, such as Co or Ni, and the amount ratio of Li, the type and amount ratio of the substitution element were examined in detail. .
[0031]
As a result, the general formula Li1 + xNi(1-x) / 2Mn(1-x) / 2O2The amount ratio of Ni and Mn represented by (0 ≦ x ≦ 0.05) is (1-x) / 2: (1-x) / 2, that is, 1: 1, and the decrease in Ni and Mn ( Based on a composition in which Li is excessive by the sum (x) of x / 2), the amount ratio of Ni and Mn is δ / 2 (-0.1≦ δ ≦0.1), The Li amount ratio is α (−0.05 ≦ α ≦ 0.05), and Ni and Mn are each y / 2 (0 <y <0.45) M (M is selected from the group consisting of Ti, Cr, Fe, Co, Cu, Zn, Al, Ge and Sn), Including at least CoComposition substituted with one or more elements), ie, the general formula Li1 + x + αNi(1-x-y + δ ) / 2Mn(1-xy- δ ) / 2MyO2(However, 0 ≦ x ≦ 0.05, −0.05 ≦ α ≦ 0.05,0 <y <0.45, −0.1 ≦ δ ≦ 0.1, and M is selected from the group consisting of Ti, Cr, Fe, Co, Cu, Zn, Al, Ge, and Sn., Including at least CoIt was found that in the composition range represented by one or more elements), the layered crystal structure was stabilized, and a lithium composite oxide excellent in charge / discharge reversibility and durability against charge / discharge cycles was obtained.
[0032]
As a result of further detailed study, it was found that a lithium composite oxide having particularly excellent characteristics can be obtained in the vicinity of a composition in which the quantity ratio of Ni, Mn and M is 1: 1: 1. That is, the general formula Li1 + x + αNi(1-x-y + δ ) / 2Mn(1-xy- δ ) / 2MyO2In the composition range of 0.2 <y <0.45 with y = 1/3 as the centerIs preferably used in the present invention.
[0033]
As the cobalt composite oxide particles having an effect of imparting electron conductivity in the positive electrode active material of the present invention, lithium cobaltate or a composite oxide obtained by substituting a part of cobalt of lithium cobaltate with another metal element is used. Can do. All of these are excellent in electronic conductivity and also function as a positive electrode active material. Ti, Mn, Ni, Fe, Al, Ge, Sn, etc. can be used as a metal element that replaces cobalt of lithium cobalt oxide. The substitution amount is desirably 25 mol% or less.
[0034]
Next, the manufacturing method of the said composite particle which is a positive electrode active material of this invention is demonstrated. As a method for producing the composite particles, simply mixing and firing a Li compound, a Mn compound, a Ni compound, and the like includes a plurality of lithium composite oxide particles containing Ni and Mn of the present invention, and the lithium It is difficult to synthesize composite particles in which cobalt composite oxide particles are fixed to the surface of the composite oxide particles, and the plurality of lithium composite oxide particles are connected and integrated by the cobalt composite oxide particles. This is because the diffusion rate of Ni, Mn, etc. is slow in the solid, so that it is difficult to uniformly diffuse them in the synthesis reaction, and the element is not uniformly distributed in the generated lithium composite oxide. Conceivable. Accordingly, as a result of detailed studies on the method for synthesizing the composite particles of the present invention, the present inventors have made use of a reaction system in which phase separation occurs spontaneously for a lithium composite oxide having a layered structure. It came to be able to manufacture the composite particle which has the structure of invention. That is, the general formula Li1 + x + αNi(1-x-y + δ ) / 2Mn(1-xy- δ ) / 2CoyO2(However, 0 ≦ x ≦ 0.05, −0.05 ≦ α ≦ 0.05,0 <y <0.45,-0.1≦ δ ≦0.1By using the solid solution limit of the lithium composite oxide having a layered structure represented by) and adding excessive Co thereto, the lithium composite oxide particles and the cobalt composite oxide particles having a layered structure are separated from each other. In addition, the composite particle in which cobalt composite oxide particles are unevenly distributed on the surface of the lithium composite oxide particles, and the cobalt composite oxide is firmly bonded between the lithium composite oxide particles. Was invented.
[0035]
As described above, the composite particles of the present invention are prepared by separately preparing a compound containing Ni and Mn as constituent elements, a compound containing Co as a constituent element, and a Li compound separately, and mixing them. It can be manufactured by firing. The composition and blending amount of each compound are determined as follows.as well asM (where M is selected from the group consisting of Ti, Cr, Fe, Co, Cu, Zn, Al, Ge, and Sn, and at least one element including Co))Containing, Ni, MnAnd MThe average atomic ratio of (1-x−y + δ) / 2: (1-xy−δ) / 2:y + z(However, adjustments are made so that 0 ≦ x ≦ 0.05, 0 <y <0.45, 0.4 <y + z <0.85, −0.24 ≦ δ ≦ 0.24). Thereby, the composite particle which has the structure of this invention can be manufactured reliably.
[0036]
In the above manufacturing method,Said M ′Needs to be included in a compound containing Ni and Mn as constituent elements, or / and a compound containing Co as constituent elements, or / and a compound of Li.M 'May be prepared and mixed.
[0037]
Here, as the compound containing Ni and Mn as constituent elements, for example, a coprecipitation compound containing Ni and Mn, a hydrothermally synthesized compound, a mechanically synthesized compound and a compound obtained by heat-treating them are used. Ni0.5Mn0.5(OH)2NiMn2OFour, Ni0.5Mn0.5An oxide or hydroxide of Ni and Mn such as OOH can be preferably used.
[0038]
As described above, a compound containing Ni and Mn as constituent elements, a compound containing Co as a constituent element, a compound of Li,M 'The composite particles of the present invention can also be obtained by mixing and baking with a compound containing as a constituent element, but if possible, Ni and Mn and furtherM 'It is preferable to use a composite compound containing. In addition, Ni, Mn andM 'The composition ratio may be appropriately selected according to the composition of the target composite particles.
[0039]
As the compound containing Co as a constituent element, cobalt carbonate, cobalt hydroxide, cobalt oxide, or the like can be used.
[0040]
As the Li compound, various lithium salts can be used, for example, lithium hydroxide monohydrate, lithium nitrate, lithium carbonate, lithium acetate, lithium bromide, lithium chloride, lithium citrate, fluorine. Lithium iodide, lithium iodide, lithium lactate, lithium oxalate, lithium phosphate, lithium pyruvate, lithium sulfate, lithium oxide, etc. can be used. Among them, carbon dioxide, nitrogen oxide, sulfur oxide, etc. Lithium hydroxide monohydrate is preferably used because it does not generate harmful substances that adversely affect the environment.
[0041]
The compound containing Ni and Mn as constituent elements, the compound containing Co as constituent elements, the compound of Li and the like are mixed at a composition ratio according to the composition of the target composite particles of the present invention. For example, the mixture Can be synthesized in an atmosphere containing oxygen at about 700 to 1100 ° C. for 1 to 24 hours to synthesize the composite particles of the present invention.
[0042]
As the heat treatment in the firing, rather than raising the temperature to a predetermined temperature at once, it is heated to a temperature lower than the firing temperature (about 250 to 850 ° C.) and preheated by holding at that temperature. It is preferable to raise the temperature to a predetermined firing temperature to advance the reaction. This is because, in the production process of the composite oxide of the present invention, a reaction between the compound of Li and a compound containing Ni and Mn as constituent elements occurs stepwise, and finally the lithium composite oxidation via the intermediate product. It is because it is thought that a thing produces | generates. Here, when the temperature is raised to the firing temperature all at once, the Li compound and the compound containing Ni and Mn as constituent elements partially react to the final stage, and the resulting lithium composite oxide is not yet formed. There is a risk that the reaction of the reactants may be hindered or the uniformity of the composition may be impaired. In order to shorten the time required for the reaction process and obtain a homogeneous composite oxide, it is effective to perform heating stepwise. The preheating time is not particularly limited, but is usually about 0.5 to 30 hours.
[0043]
In the step of firing the mixture, the dry-mixed mixture may be used as it is, but the mixture is dispersed in a solvent such as ethanol to form a slurry, and mixed for about 30 to 60 minutes with a planetary ball mill or the like. It is preferable to fire the dried product since the homogeneity of the synthesized compound can be further increased.
[0044]
The atmosphere for the heat treatment may be performed in an atmosphere containing oxygen, for example, in air, in a mixed atmosphere of an inert gas such as argon, helium, or nitrogen and oxygen gas, or in oxygen gas. The proportion of oxygen in the atmosphere is preferably 10 to 100% by volume.
[0045]
The gas flow rate is 1 dm / 100 g of the mixture.Three/ Min or more, preferably 1 to 5 dmThree/ Min is more preferable. When the gas flow rate is small, that is, when the gas flow rate is slow, the reaction proceeds non-uniformly and Mn2OThreeOr Li2MnOThreeImpurities such as are easily generated.
[0046]
Other than the above positive electrode active material, the non-aqueous secondary battery of the present invention can be produced, for example, as follows.
[0047]
The positive electrode is obtained by mixing the positive electrode active material with a conductive auxiliary agent such as flake graphite or acetylene black and a binder such as polytetrafluoroethylene or polyvinylidene fluoride if necessary. It is produced by molding the mixture by an appropriate means.
[0048]
As the active material of the negative electrode facing the positive electrode, lithium or a lithium-containing compound is usually used. As the lithium-containing compound, an element capable of forming an alloy with lithium such as Li-Al alloy, Li-Pb alloy, Li-In alloy, Li-Ga alloy, or lithium, such as Si, Sn, Mg-Si alloy, or the like The alloy is mentioned. In addition to oxide-based materials such as Sn oxide and Si oxide, carbonaceous materials such as graphite and fibrous carbon, lithium-containing composite nitrides, and the like can also be used.
[0049]
The negative electrode is produced by adding and mixing a binder, a conductive additive or the like to the negative electrode active material, if necessary, and mixing the obtained negative electrode mixture by an appropriate means, as in the case of the positive electrode. The
[0050]
The positive electrode or negative electrode forming means may be formed by pressure forming a positive electrode mixture or a negative electrode mixture, or coating the positive electrode mixture or the negative electrode mixture into a paste or slurry with water or other appropriate solvent. Various means can be employed, such as applying or impregnating the coating material to a substrate that also serves as a current collector and then drying to form a coating film integrated with the substrate.
[0051]
Here, as a substrate that also serves as a current collector, for example, a metal net such as aluminum, stainless steel, titanium, copper, punching metal, expanded metal, foam metal, metal foil, etc. can be used. A method of forming a coating film of a mixture on a metal foil as a base and pressurizing it to form a sheet-like positive electrode or negative electrode is preferably used.
[0052]
As the non-aqueous electrolyte in the non-aqueous secondary battery of the present invention, an organic solvent-based liquid electrolyte (electrolytic solution) in which an electrolyte is dissolved in an organic solvent, a polymer electrolyte in which the electrolytic solution is held in a polymer, or the like is used. be able to.
[0053]
The organic solvent contained in the electrolytic solution or polymer electrolyte is not particularly limited, but it preferably contains a chain ester from the viewpoint of load characteristics. Examples of such chain esters include chain COO-bonds such as dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), ethyl methyl carbonate (EMC), ethyl acetate (EA), and methyl propionate (MP). An organic solvent having These chain esters can be used singly or in combination of two or more, and in order to improve the low temperature characteristics, these chain esters occupy 50% by volume or more in the total organic solvent. It is more preferable that the chain ester occupies 65% by volume or more in the total organic solvent, and it is most preferable that 75% by volume or more is occupied.
[0054]
However, as an organic solvent, an ester having a high dielectric constant (an ester having a dielectric constant of 30 or more) is used in combination with the chain ester in order to improve battery capacity rather than using only the chain ester. It is preferable. Specific examples of the ester having a high dielectric constant include, for example, ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), butylene carbonate (BC), vinylene carbonate (VC), γ-butyrolactone (γ-BL), ethylene glycol sal A phyto (EGS) etc. are mentioned, The thing of cyclic structures, such as ethylene carbonate and propylene carbonate, is especially preferable. Such an ester having a high dielectric constant is preferably contained in an amount of 10% by volume or more, particularly 20% by volume or more in the total organic solvent from the viewpoint of discharge capacity. Moreover, from the point of coexistence with a load characteristic, 40 volume% or less is preferable and 25 volume% or less is more preferable.
[0055]
Examples of the solvent that can be used in addition to the ester having a high dielectric constant include 1,2-dimethoxyethane (1,2-DME), 1,3-dioxolane (1,3-DO), and tetrahydrofuran (THF). , 2-methyl-tetrahydrofuran (2-Me-THF), diethyl ether (DEE) and the like. In addition, amine imide organic solvents, sulfur-containing or fluorine-containing organic solvents, and the like can also be used.
[0056]
Examples of the electrolyte dissolved in the organic solvent include LiClO.Four, LiPF6, LiBFFour, LiAsF6, LiSbF6, LiCFThreeSOThree, LiCFourF9SOThree, LiCFThreeCO2, Li2C2FFour(SOThree)2, LiN (CFThreeSO2)2, LiC (CFThreeSO2)Three, LiCnF2n + 1SOThree(N ≧ 2) etc. are used alone or in combination of two or more. Among them, LiPF that provides good charge / discharge characteristics6And LiCFourF9SOThreeEtc. are preferably used. The concentration of the electrolyte in the electrolytic solution is not particularly limited, but is 0.3 to 1.7 mol / dm.ThreeIn particular, 0.4 to 1.5 mol / dmThreeThe degree is preferred.
[0057]
Moreover, in order to improve the safety | security and storage characteristic of a battery, you may make the non-aqueous electrolyte contain an aromatic additive. As the aromatic additive, benzenes having an alkyl group such as cyclohexylbenzene and t-butylbenzene, or fluorobenzenes are preferably used.
[0058]
As the separator, a separator having sufficient strength and capable of holding a large amount of electrolyte is preferable. From such a viewpoint, the separator is made of polypropylene, polyethylene, propylene having a thickness of 10 to 50 μm and a porosity of 30 to 70%. A microporous film or a nonwoven fabric made of a copolymer with ethylene is preferably used.
[0059]
【Example】
Examples of the present invention will be described below. However, this invention is not limited only to those Examples.
[0060]
Example 1
In the reaction vessel, 2% by mass of ammonia water whose pH was adjusted to about 12 by adding sodium hydroxide was prepared, and while stirring this strongly, nickel sulfate and manganese nitrate were each added at 1 mol / dm.Three46cm of mixed aqueous solution each containingThreePer minute, and 25% by mass of ammonia water is 3.3 cm.ThreeNi / Mn coprecipitated compound was formed by adding dropwise using a metering pump at a rate of / min. At this time, the temperature of the reaction solution is maintained at 50 ° C., and 3.2 mol / dm so that the pH of the reaction solution is maintained around 12.ThreeA sodium hydroxide aqueous solution having a concentration of was dropped at the same time. Further, during the reaction, 1 dm of nitrogen gas is used so that the atmosphere of the reaction solution becomes an inert atmosphere.ThreePurged at a rate of / min.
[0061]
The obtained product was washed with water, filtered and dried to obtain a hydroxide containing Ni and Mn at a ratio of 1: 1, 0.03 mol of this hydroxide, 0.07 mol of cobalt hydroxide, and 0.0. 1 mol of LiOH · H2O was weighed, and the mixture was dispersed in ethanol to form a slurry, which was then mixed for 40 minutes with a planetary ball mill and dried at room temperature to prepare a mixture. The mixture is then placed in an alumina crucible and 1 dmThreeThe composite oxide was synthesized by heating to 800 ° C. in an air stream / min, maintaining the temperature for 2 hours for preheating, and further raising the temperature to 1000 ° C. and firing for 12 hours. The synthesized oxide was pulverized in a mortar and stored as a powder in a desiccator.
[0062]
When the composition of the oxide powder was measured with an atomic absorption spectrometer, the atomic ratio of Ni, Mn and Co was found to be 0.33: 0.33: 1.54 on average.
[0063]
(Example 2)
0.035 mol of hydroxide containing Ni and Mn in a ratio of 1: 1 synthesized in the same manner as in Example 1, 0.065 mol of cobalt hydroxide, 0.1 mol of LiOH.H2O was weighed and a composite oxide having an average atomic ratio of Ni, Mn and Co of 0.33: 0.33: 1.23 was synthesized in the same manner as in Example 1.
[0064]
(Example 3)
0.04 mol of hydroxide containing Ni and Mn in a ratio of 1: 1 synthesized in the same manner as in Example 1, 0.06 mol of cobalt hydroxide, 0.1 mol of LiOH.H2O was weighed, and a composite oxide having an average atomic ratio of Ni, Mn and Co of 0.33: 0.33: 0.99 was synthesized in the same manner as in Example 1 below.
[0065]
Example 4
0.045 mol of hydroxide containing Ni and Mn in a ratio of 1: 1 synthesized in the same manner as in Example 1, 0.055 mol of cobalt hydroxide, 0.1 mol of LiOH.H2O was weighed, and a composite oxide having an average atomic ratio of Ni, Mn and Co of 0.33: 0.33: 0.81 was synthesized in the same manner as in Example 1 below.
[0066]
(Example 5)
0.05 mol of hydroxide containing Ni and Mn in a ratio of 1: 1 synthesized in the same manner as in Example 1, 0.05 mol of cobalt hydroxide, 0.1 mol of LiOH.H2O was weighed, and a composite oxide having an average atomic ratio of Ni, Mn and Co of 0.33: 0.33: 0.66 was synthesized in the same manner as in Example 1 below.
[0067]
(Comparative Example 1)
0.06 mol of hydroxide containing Ni and Mn in a ratio of 1: 1 synthesized in the same manner as in Example 1, 0.04 mol of cobalt hydroxide, 0.1 mol of LiOH.H2O is weighed, and Li is the same as in Example 1 below.1.0Ni0.30Mn0.30Co0.40O2A composite oxide represented by the following formula was synthesized.
[0068]
(Comparative Example 2)
0.067 mol of hydroxide containing Ni and Mn in a ratio of 1: 1 synthesized in the same manner as in Example 1, 0.033 mol of cobalt hydroxide, 0.1 mol of LiOH.H2O is weighed, and Li is the same as in Example 1 below.1.0Ni0.33Mn0.33Co0.33O2A composite oxide represented by the following formula was synthesized.
[0069]
(Comparative Example 3)
0.16 mol of hydroxide containing Ni and Mn in a ratio of 5: 3 synthesized in the same manner as in Example 1, 0.04 mol of cobalt hydroxide, 0.20 mol of LiOH.H2O is weighed, and Li is the same as in Example 1 below.1.0Ni0.50Mn0.31Co0.19O2A composite oxide represented by the following formula was synthesized.
[0070]
(Comparative Example 4)
The composite oxide synthesized in Comparative Example 2 and LiCoO2The powder was simply mixed at a molar ratio of 0.6: 0.4 so as to obtain the same composition as in Example 3 as a whole to prepare a mixture.
[0071]
(Reference Example 1)
0.16 mol of nickel hydroxide, 0.04 mol of cobalt hydroxide, and 0.2 mol of lithium hydroxide were mixed in the same manner as in Example 1 and calcined in oxygen at 650 ° C. for 12 hours. Crush and mix and fire again in oxygen at 850 ° C. for 12 hours.0.80Co0.20O2A composite oxide represented by the following formula was synthesized.
[0072]
(Reference Example 2)
0.20 mol of cobalt hydroxide and 0.20 mol of LiOH.H2O was weighed, and LiCoO was performed in the same manner as in Example 1 below.2A lithium cobaltate represented by the following formula was synthesized.
[0073]
The composite oxides of Examples 1 to 5, Comparative Examples 1 to 4, and Reference Examples 1 and 2 were subjected to X-ray diffraction measurement using CuKα rays. The results are shown in Table 1. Of these, the X-ray diffraction patterns of Example 3, Example 5, Comparative Example 1 and Comparative Example 2 are shown in FIGS.
[0074]
[Table 1]
[0075]
As a result of the X-ray diffraction measurement, the X-ray diffraction patterns of Examples 1 to 5 all had the same characteristics. That is, it has two diffraction peaks with a diffraction angle difference of 0.1 ° to 0.3 ° within a diffraction angle range of 17 ° to 20 °, and a diffraction angle range of 43 ° to 46 °. It had two diffraction peaks in which the difference in diffraction angle was 0.3 ° to 0.6 °. Further, from the X-ray diffraction patterns of Examples 1 to 5, the composite oxide used in the present invention is lithium composite oxide (LiNi(1-y) / 2Mn(1-y) / 2CoyO2However, y is approximately 0.3 to 0.4) and lithium cobalt oxide (LiCoO2It was confirmed that it was composed of two phases. This is because the peak of the X-ray diffraction pattern of Examples 1 to 5 is a single-phase lithium composite oxide (LiNi(1-y) / 2Mn(1-y) / 2CoyO2Where y is approximately 0.3 to 0.4) and lithium cobaltate (LiCoO2) Due to almost coincident with the peak.
[0076]
However, the half-value widths of the two diffraction peaks in which the diffraction angles of the X-ray diffraction patterns of Examples 1 to 5 are in the range of 43 ° to 46 ° are larger than those in the case where these exist alone, and the value Is 0.2 ° or more, and the half-width of the diffraction peak on the low angle side is larger than the half-width of the diffraction peak on the high angle side, and the diffraction peak on the low angle side is broader. It was. From this, it was found that in the composite oxide used in the present invention, two phases having different compositions and lattice constants are related to each other.
[0077]
Further, although the composition of the composite oxide as a whole in Examples 1 to 5 was changed, the positions of these diffraction peaks were hardly changed, and only the peak intensity was changed. The lithium composite oxide and lithium cobaltate constituting the composite oxide have almost the same composition in each of Examples 1 to 5, and the composition ratio of the composite oxide as a whole changes as the amount ratio changes. It was estimated that
[0078]
Further, morphological observation with a scanning electron microscope (SEM) and elemental analysis with an electron probe microanalyzer (EPMA) were performed on the composite oxide of Example 3, and two kinds of particles having different compositions were bonded to each other. It was confirmed that composite particles integrated with each other were formed. By taking such a particle form, lithium cobaltate having high electron conductivity binds a plurality of lithium composite oxide particles having inferior electron conductivity containing Ni, Mn, and Co, and an electron conduction path is formed between the particles. Skillfully formed.
[0079]
On the other hand, the X-ray diffraction patterns of Comparative Examples 1 to 3 show a single-phase layered structure. The diffraction angle is in the range of 17 ° to 20 ° and the diffraction angle is in the range of 43 ° to 46 °. There was only one diffraction peak for each. Moreover, in Comparative Example 4 which is a mixture of lithium composite oxide and lithium cobaltate, there were two diffraction peaks each in the above range, but the half width was smaller than that of the above Example, The diffraction peak on the low angle side was also sharp.
[0080]
Next, using the composite oxides of Examples 1 to 5, Comparative Examples 1 to 4, and Reference Example 1, non-aqueous secondary batteries were produced by the method described below.
[0081]
First, 250 parts by mass of N-methyl-2-pyrrolidone is added to 20 parts by mass of polyvinylidene fluoride as a binder and heated to 60 ° C. to dissolve the polyvinylidene fluoride in N-methyl-2-pyrrolidone. Prepared. 450 parts by mass of the composite oxide as a positive electrode active material was added to the binder solution, and 5 parts by mass of carbon black and 25 parts by mass of graphite were further added as a conductive assistant, and stirred to prepare a slurry-like paint. This paint is uniformly applied to both sides of an aluminum foil having a thickness of 20 μm and dried, and then subjected to pressure molding with a roller press, and then cut to form a strip-like positive electrode having an average thickness of 190 μm, a length of 54 mm, and a width of 483 mm. Produced.
[0082]
A separator made of a microporous polyethylene film having a thickness of 25 μm was disposed between each positive electrode using the positive electrode produced as described above and a negative electrode made of lithium foil. Subsequently, LiPF was added to a mixed solvent of ethylene carbonate and ethyl methyl carbonate in a volume ratio of 1: 3.61.0 mol / dmThreeA non-aqueous secondary battery was prepared by using a non-aqueous solution dissolved at a concentration of 1 as an electrolytic solution and arranging a lithium reference electrode for evaluation of the positive electrode active material.
[0083]
Next, in order to evaluate load characteristics using the non-aqueous secondary battery, the current density with respect to the area of the electrode is 0.5 mA / cm.2As follows, after charging to 4.3 V at room temperature, it was discharged to 3.0 V at different current densities. The result is obtained as a current density of 0.5 mA / cm.2When the discharge capacity is 100%, the current density is 1, 2, 4, 6 mA / cm.2Table 2 shows the capacity retention rate (%).
[0084]
[Table 2]
[0085]
As is clear from Table 2, Examples 1 to 5 show that the capacity retention rate (discharge efficiency) when the current density is increased is higher than that of Comparative Examples 1 to 4. Current density 6mA / cm2When the capacity maintenance rate at is seen, Comparative Examples 1 to 3 are 65 to 66%. This is higher discharge efficiency than the composite oxide of Reference Example 1, but is not a practical value. In Examples 1 to 5, the current density is 6 mA / cm.2Even after discharging, the capacity retention rate was 86% or more as expected. This is because the discharge efficiency at a high current density has been greatly improved by the coexistence of two phases of a lithium composite oxide composed of nickel, manganese and cobalt and a cobalt composite oxide mainly containing cobalt. It is considered a thing. Furthermore, it can be seen from the capacity retention rates of Examples 1 to 5 that the discharge efficiency improves as the cobalt content in the positive electrode active material increases. However, as can be seen from the comparison between Example 5 and Comparative Example 1, this dramatic improvement in discharge efficiency is not simply due to an increase in the cobalt content, but the lithium composite oxide and the cobalt composite oxide described above. This is considered to be achieved by the present invention of coexistence of
[0086]
LiNi0.33Mn0.33Co0.33O2In the material of Comparative Example 4 in which the lithium composite oxide represented by (Comparative Example 2) and lithium cobaltate (Reference Example 2) are mixed, to some extent, only by mixing lithium cobaltate having high electronic conductivity. It can be seen that the discharge efficiency is improved. However, as is clear from the comparison with Example 3 in which the ratios of Ni, Mn and Co are the same as those in Comparative Example 4, the discharge efficiency is more effectively increased by using the positive electrode active material having the structure of the present invention. be able to.
[0087]
【The invention's effect】
As described above, the cathode composite material includes a plurality of lithium composite oxide particles containing Ni and Mn, and the cobalt composite oxide particles are fixed to the surface of the lithium composite oxide particles. By using the composite particles in which the plurality of lithium composite oxide particles are connected and integrated, a non-aqueous secondary battery having excellent load characteristics, high capacity, and excellent durability against charge / discharge cycles is provided. be able to.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a conceptual diagram of composite particles constituting the positive electrode active material of the present invention.
2 is a view showing an X-ray diffraction pattern of a composite oxide of Example 3. FIG.
3 is a view showing an X-ray diffraction pattern of a composite oxide of Example 5. FIG.
4 is a view showing an X-ray diffraction pattern of a composite oxide of Comparative Example 1. FIG.
5 is a view showing an X-ray diffraction pattern of a composite oxide of Comparative Example 2. FIG.
6 is a diagram showing X-ray diffraction patterns in which the diffraction angles of the composite oxides of Example 3, Example 5, Comparative Example 1 and Comparative Example 2 are in the range of 17 ° to 20 °. FIG.
7 is a diagram showing X-ray diffraction patterns in which the diffraction angles of the composite oxides of Example 3, Example 5, Comparative Example 1 and Comparative Example 2 are in the range of 43 ° to 46 °. FIG.
Claims (9)
前記六方晶の一方が、一般式Li1+x+ αNi(1-x-y+ δ )/2Mn(1-x-y- δ )/2MyO2(ただし、0≦x≦0.05、−0.05≦α≦0.05、0<y<0.45、−0.1≦δ≦0.1であり、MはTi、Cr、Fe、Co、Cu、Zn、Al、Ge及びSnからなる群より選択され、少なくともCoを含む1種以上の元素)で表される組成を有する相であり、
前記六方晶の他方が、コバルト酸リチウム又はコバルト酸リチウムのコバルトが25mol%以下の範囲で他の金属元素に置換された組成を有する相であることを特徴とする非水二次電池用正極活物質。A positive electrode active material for a non-aqueous secondary battery comprising composite particles composed of a mixed phase containing two hexagonal crystals having different lattice constants,
The hexagonal one crystal has the general formula Li 1 + x + α Ni ( 1-x-y + δ) / 2 Mn (1-xy- δ) / 2 M y O 2 ( however, 0 ≦ x ≦ 0.05, −0.05 ≦ α ≦ 0.05, 0 <y <0.45, −0.1 ≦ δ ≦ 0.1, and M is Ti, Cr, Fe, Co, Cu, Zn, Al, Ge, and A phase selected from the group consisting of Sn and having a composition represented by at least one element including at least Co;
The positive electrode active for a non-aqueous secondary battery, wherein the other hexagonal crystal is a phase having a composition in which lithium cobaltate or cobalt of lithium cobaltate is substituted with another metal element in a range of 25 mol% or less material.
前記六方晶の一方が、一般式Li1+x+ αNi(1-x-y+ δ )/2Mn(1-x-y- δ )/2MyO2(ただし、0≦x≦0.05、−0.05≦α≦0.05、0<y<0.45、−0.1≦δ≦0.1であり、MはTi、Cr、Fe、Co、Cu、Zn、Al、Ge及びSnからなる群より選択され、少なくともCoを含む1種以上の元素)で表される組成を有する相であり、
前記六方晶の他方が、コバルト酸リチウム又はコバルト酸リチウムのコバルトが25mol%以下の範囲で他の金属元素に置換された組成を有する相であり、
前記六方晶を構成する元素を含み、かつ前記一般式で表される相の固溶限界を超える過剰のCoを含む組成物を焼成し、
相分離を生じさせることにより、前記混合相を形成することを特徴とする非水二次電池用正極活物質の製造方法。A method for producing a positive electrode active material for a non-aqueous secondary battery comprising composite particles composed of a mixed phase containing two hexagonal crystals having different lattice constants,
The hexagonal one crystal has the general formula Li 1 + x + α Ni ( 1-x-y + δ) / 2 Mn (1-xy- δ) / 2 M y O 2 ( however, 0 ≦ x ≦ 0.05, −0.05 ≦ α ≦ 0.05, 0 <y <0.45, −0.1 ≦ δ ≦ 0.1, and M is Ti, Cr, Fe, Co, Cu, Zn, Al, Ge, and A phase selected from the group consisting of Sn and having a composition represented by at least one element including at least Co;
The other of the hexagonal crystals is a phase having a composition in which lithium cobaltate or cobalt of lithium cobaltate is substituted with another metal element in a range of 25 mol% or less,
Calcining a composition containing an excess of Co containing the elements constituting the hexagonal crystal and exceeding the solid solubility limit of the phase represented by the general formula;
A method for producing a positive electrode active material for a non-aqueous secondary battery, wherein the mixed phase is formed by causing phase separation.
前記正極が、請求項1〜6のいずれかに記載の非水二次電池用正極活物質を含むことを特徴とする非水二次電池。A non-aqueous secondary battery comprising a positive electrode, a negative electrode and a non-aqueous electrolyte,
The said positive electrode contains the positive electrode active material for nonaqueous secondary batteries in any one of Claims 1-6, The nonaqueous secondary battery characterized by the above-mentioned.
前記正極の活物質が、格子定数の異なる2つの六方晶を含む混合相で構成される複合粒子を含み、
前記六方晶の一方が、一般式Li1+x+ αNi(1-x-y+ δ )/2Mn(1-x-y- δ )/2MyO2(ただし、0≦x≦0.05、−0.05≦α≦0.05、0<y<0.45、−0.1≦δ≦0.1であり、MはTi、Cr、Fe、Co、Cu、Zn、Al、Ge及びSnからなる群より選択され、少なくともCoを含む1種以上の元素)で表される組成を有する相であり、
前記六方晶の他方が、コバルト酸リチウム又はコバルト酸リチウムのコバルトが25mol%以下の範囲で他の金属元素に置換された組成を有する相であることを特徴とする非水二次電池。A non-aqueous secondary battery comprising a positive electrode, a negative electrode and a non-aqueous electrolyte,
The positive electrode active material includes composite particles composed of a mixed phase containing two hexagonal crystals having different lattice constants,
The hexagonal one crystal has the general formula Li 1 + x + α Ni ( 1-x-y + δ) / 2 Mn (1-xy- δ) / 2 M y O 2 ( however, 0 ≦ x ≦ 0.05, −0.05 ≦ α ≦ 0.05, 0 <y <0.45, −0.1 ≦ δ ≦ 0.1, and M is Ti, Cr, Fe, Co, Cu, Zn, Al, Ge, and A phase selected from the group consisting of Sn and having a composition represented by at least one element including at least Co;
The non-aqueous secondary battery, wherein the other hexagonal crystal is a phase having a composition in which lithium cobaltate or cobalt of lithium cobaltate is substituted with another metal element in a range of 25 mol% or less.
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