JP4175026B2 - Method for producing lithium transition metal composite oxide and positive electrode material for lithium secondary battery, positive electrode for lithium secondary battery, and lithium secondary battery - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、リチウム遷移金属複合酸化物及びリチウム二次電池用正極材料の製造方法、リチウム二次電池用正極、並びにリチウム二次電池に関する。
【0002】
【従来の技術】
負極活物質として金属リチウムに代わって、リチウムイオンの吸蔵・放出が可能な炭素材料等を用いることにより、安全性が大幅に向上し、リチウム二次電池が実用段階に入った。
一方、リチウム二次電池の正極活物質としては、LiCoO2やLiNiO2、LiMn2O4等のリチウム遷移金属複合酸化物が実用段階に入っている。
【0003】
電池の用途には、大電流は必要ないが容量が大きく長時間使用できることが望まれる用途(携帯電話、携帯オーディオ等)、短時間に大電流が取り出せる(レート特性が優れている)ことが望まれる用途(電動工具、無停電電源装置等)、その両方が適当なバランスにあることが望まれる用途(ハイブリッド自動車、電動アシスト自転車等)など、その使用形態により容量とレート特性のさまざまなバランスの電池が求められてきていいる。
【0004】
そこで、従来はリチウム二次電池用正極材料(リチウム遷移金属複合酸化物)を製造する際、その求められるレート特性と容量のさまざまなバランスに応じて種々の製造条件検討し、各スペックのリチウム二次電池用正極材料毎に製造条件を変えて製造していた。その際の製造条件の検討はトライ&エラーの繰り返しによるもので、各スペックの開発には多大な労力を要していた。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、レート特性と容量のさまざまなバランスのリチウム二次電池用正極材料を容易に製造できる方法が求められていた。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは上記課題を解決すべく、リチウムマンガン複合酸化物を活物質として含有する正極材料のレートと容量のバランスをコントロールする方法を検討した結果、リチウムマンガン複合酸化物を粒子径の大きいものと小さいものに分離し、それらを任意に配合することにより上記課題を解決できることを見出し、本発明を解決するに至った。
【0007】
即ち、本発明の要旨は下記(1)〜(25)に存する。
(1)遷移金属の一部が他の金属元素で置換されていてもよいリチウム遷移金属複合酸化物を分級機に通し、粒子径の大きい物と小さい物とに分離し、粒子径の大きい物と小さい物を、重量比で0:100〜100:0で配合することを特徴とするリチウム二次電池用正極材料の製造方法。
(2)リチウム化合物と遷移金属化合物と、これに更に場合によって、遷移金属の置換金属元素化合物を、溶媒存在下混合したスラリーを噴霧乾燥し、焼成後、気流分級機により粒子径の大きい物と小さい物とに分離し、粒子径の大きい物と小さい物を、重量比で0:100〜100:0で配合することを特徴とするリチウム遷移金属複合酸化物の製造方法。
(3)リチウム化合物と、遷移金属化合物と、これに更に場合によって、遷移金属の置換金属元素化合物を、溶媒存在下混合したスラリーを噴霧乾燥し、気流分級機により粒子径の大きい物と小さい物とに分離し、次いでそれぞれ焼成した後、粒子径の大きい物と小さい物を、重量比で0:100〜100:0で配合することを特徴とするリチウム遷移金属複合酸化物の製造方法。
(4)リチウム化合物と、遷移金属化合物と、これに更に場合によって、遷移金属の置換金属元素化合物を、溶媒存在下混合したスラリーを噴霧乾燥し、気流分級機により粒子径の大きい物と小さい物とに分離し、粒子径の大きい物と小さい物を、重量比で0:100〜100:0で配合した後、焼成することを特徴とするリチウム遷移金属複合酸化物の製造方法。
(5)遷移金属化合物、或いは、これに更に場合によって、遷移金属の置換金属元素化合物を、溶媒の存在下混合したスラリーを噴霧乾燥して得られた乾燥物と、リチウム化合物を混合して原料混合物を得た後、これを焼成し、気流分級機により粒子径の大きい物と小さい物とに分離し、粒子径の大きい物と小さい物を、重量比で0:100〜100:0で配合することを特徴とするリチウム遷移金属複合酸化物の製造方法。
(6)遷移金属化合物、或いは、これに更に場合によって、遷移金属の置換金属元素化合物を、溶媒の存在下混合したスラリーを噴霧乾燥して得られた乾燥物を、分級により粒子径の大きい物と粒子径の小さい物に分離し、それぞれにリチウム化合物を混合し、次いでそれぞれ焼成して、大きい粒子径のリチウム遷移金属複合酸化物と小さい粒子径のリチウム遷移金属複合酸化物を作製した後、重量比で0:100〜100:0で配合することを特徴とするリチウム遷移金属複合酸化物の製造方法。
(7)粒子径の大きい物と小さい物との分離が、平衡分離粒子径Dh=1〜10μmで行われる(1)、(2)及び(5)のいずれかに記載の製造方法。
(8)粒子径の大きい物と小さい物との分離が、平衡分離粒子径Dh=1〜10μmで行われる(3)、(4)及び(6)のいずれかに記載の製造方法。(但し、該平衡分離粒子径Dhは、900℃で焼成した際の粒径である。)
(9)リチウム遷移金属複合酸化物がリチウムマンガン複合酸化物である(1)〜(8)のいずれかに記載の製造方法。
(10)リチウム遷移金属複合酸化物が、
【0008】
【化3】
LibMn2-aAlaO4
(0<a≦1.0、0.9≦b≦1.1)で表される(1)〜(8)のいずれかに記載の製造方法。
(11)遷移金属化合物がマンガン化合物である(2)〜(10)のいずれかに記載の製造方法。
(12)リチウム化合物とマンガン化合物の混合比が、Li原子とMn原子換算でLi/Mn=0.4〜0.6となる量比である(11)に記載の製造方法。
(13)マンガンの置換金属元素化合物が、B、Al、Fe、Sn、Cr、Cu、Ti、Zn、Co、Niから選ばれる金属の酸化物、水酸化物、硝酸塩、炭酸塩、ジカルボン酸塩、脂肪酸塩又はアンモニウム塩である(11)又は(12)に記載の製造方法。
(14)マンガンの置換金属元素化合物の混合比が、Mn原子とマンガン以外の金属原子換算で、マンガン以外の金属元素がMnの2.5〜30モル%となる量比である(13)に記載の製造方法。
(15)リチウム遷移金属複合酸化物がリチウムニッケル複合酸化物である(1)〜(8)のいずれかに記載の製造方法。
(16)リチウム遷移金属複合酸化物が、
【0009】
【化4】
LixNi1-yMyO2-δ
(0.8≦x≦1.3、0<y≦0.5であり、Mは、Co、Mn、Fe、Cr、V、Ti、Cu、Al、Ga、Bi、Sn、Zn、Mg、Ge、Nb、Ta、 Be、B、Ca、Sc及びZrからなる群から選ばれる少なくとも一種の元素を示し、δは酸素欠損又は酸素過剰量に相当し、−0.1<δ<0.1を表す。)で表される(1)〜(8)のいずれかに記載の製造方法。
(17)遷移金属化合物がニッケル化合物である(2)〜(10)のいずれかに記載の製造方法。
(18)リチウム化合物とニッケル化合物とその置換元素の合計原子数の合計数の混合比が、Li原子とNi原子と置換原子(M)の合計でLi/(Ni+M)=1.1〜0.9となる量比である(17)に記載の製造方法。
(19)ニッケルの置換金属元素化合物が、Co、Mn、Fe、Cr、V、Ti、Cu、Al、Ga、Bi、Sn、Zn、Mg、Ge、Nb、Ta、Be、B、Ca、Sc及びZrからなる群から選ばれる金属の酸化物、水酸化物、硝酸塩、炭酸塩、ジカルボン酸塩、脂肪酸塩又はアンモニウム塩である(17)又は(18)に記載の製造方法。
(20)(1)の製造方法により製造された、リチウム二次電池用リチウム遷移金属複合酸化物正極材料。
(21)(2)〜(19)のいずれかに記載の製造方法により製造されたリチウム遷移金属複合酸化物。
(22)(1)の製造方法により製造されたリチウム二次電池用リチウム遷移金属複合酸化物正極材料とバインダーとを含有するリチウム二次電池用正極。
(23)(2)〜(19)のいずれかに記載の製造方法により製造されたリチウム遷移金属複合酸化物とバインダーとを含有するリチウム二次電池用正極。
(24)(1)の製造方法により製造されたリチウム二次電池用リチウム遷移金属複合酸化物正極材料を用いたリチウム二次電池用正極、負極及び電解質を有するリチウム二次電池。
(25)(2)〜(19)のいずれかに記載の製造方法により製造されたリチウム遷移金属複合酸化物を含有する正極、負極及び電解質を有するリチウム二次電池。
【0010】
【発明の実施の態様】
本発明の特徴は、リチウム遷移金属複合酸化物を分級機に通し、粒子径の大きい物と小さい物とに分離し、粒子径の大きい物と小さい物を任意に配合する点にある。具体的には、リチウム遷移金属複合酸化物を分級機に通し、粒子径の大きい物と小さい物とに分離し、粒子径の大きい物と小さい物を、重量比で0:100〜100:0で配合することを特徴とする。
【0011】
容量、レート特性は、粒子径の大きい物と粒子径の小さい物との混合割合で加成性が成り立つので、粒子径の大きい物と粒子径の小さい物とを、リチウム遷移金属複合酸化物に求められる性質に応じて任意の割合で混合すればよい。具体的には、例えば本発明の実施例における図3のような粒子径の大きい物と粒子径の小さい物との混合割合と容量・レート特性との関係を示す図を作成し、該図に基づいて粒子径の大きい物と粒子径の小さい物との混合割合を決定すればよい。その混合割合は、重量比で粒子径の大きい物:粒子径の小さい物=0:100〜100:0で任意に選択すればよいが、本発明においては1:99〜99:1で任意に選択することが好ましい。
【0012】
本発明におけるリチウム遷移金属複合酸化物としては、リチウムと、Co、Ni、Mn、V、Fe、Ti、Cr、Sc、Y等の遷移金属との複合酸化物が挙げられるが、好ましくは▲1▼リチウムマンガン複合酸化物、▲2▼リチウムニッケル複合酸化物である。
▲1▼リチウムマンガン複合酸化物の説明
代表的にはLiMn2O4を基本組成とするスピネル構造のマンガン酸リチウムや、基本組成LiMnO2を有する層状構造のマンガン酸リチウムを挙げることができるが、製造のしやすさ及びサイクル特性の点でスピネル型のマンガン酸リチウムが好ましい。
【0013】
リチウムマンガン複合酸化物は、リチウム、マンガン及び酸素以外に、さらに他の 元素を含有していてもよい。B、Al、Fe、Sn、Cr、Cu、Ti、Zn、Co、Ni等の金属元素を挙げることができるが、好ましくはAlである。即ち、好ましい態様において、リチウムマンガン複合酸化物は、リチウムとマンガンとアルミニウ ムとを含有する複合酸化物からなる。このような他元素は、例えば、マンガンサイトの一部を上記他元素で置換することによって、結晶構造を安定化させる機能を有する 。このようなマンガンサイトへの置換元素としては、上記同様、B、Al、Fe、S n、Cr、Cu、Ti、Zn、Co、Ni等の金属元素を挙げることができる。無論 複数の元素で置換することもできる。好ましい置換元素はAlである。また、酸素原子の一部をフッ素等のハロゲン元素で置換することもできる。
【0014】
このような他種元素置換型のリチウムマンガン複合酸化物は、例えばスピネル構造 のリチウムマンガン複合酸化物の場合、通常
【0015】
【化5】
LibMn2-a MeaO4
(Meは置換元素、0≦b≦1.5、0<a≦1)の組成で表すことができる。ここで、好ましい置換元素MeはAlである。ただし、この結晶構造を安定化させることができれば、置換元素の種類及び組成比は、これに限定されるものではない。特に好 ましいリチウムマンガン複合酸化物の組成は、
【0016】
【化6】
LibMn2-aAlaO4
(0<a≦1.0、0.9≦b≦1.1)で表される。
【0017】
なお、上記いずれの組成式においても、酸素の量は不定比性を有する場合を包含する。さらにまた、上記いずれの場合においても、化学量論量以上のリチウムを原料として使用するなどによって、マンガン原子のサイトの一部をリチウムで置換することも可能である。
▲2▼リチウムニッケル複合酸化物の説明
リチウムニッケル複合酸化物としては、様々な構造が考えられるが、六方晶層状岩塩構造を有するLiNiO2が、リチウムイオン2次電池用正極材には好適である。
【0018】
リチウムニッケル複合酸化物は、リチウム、ニッケル及び酸素以外に、さらに他の元素を含有していてもよい。Co、Mn、Fe、Cr、V、Ti、Cu、Al、Ga、Bi、Sn、Zn、Mg、Ge、Nb、Ta、Be、B、Ca、Sc及びZr等の金属元素を挙げることができるが、好ましくはCo、Alである。即ち、好ましい態様において、リチウムニッケル複合酸化物は、リチウムとニッケルとCo、或いはAlとを含有する複合酸化物からなる。
【0019】
このような他種元素置換型のリチウムニッケル複合酸化物は、例えば六方晶層状岩塩構造のリチウムニッケル複合酸化物の場合、通常
LixNi1-yMyO2-δ
(0.8≦x≦1.3、0<y≦0.5であり、Mは、Co、Mn、Fe、Cr、V、Ti、Cu、Al、Ga、Bi、Sn、Zn、Mg、Ge、Nb、Ta、Be、B、Ca、Sc及びZrからなる群から選ばれる少なくとも一種の元素を示し、δは酸素欠損又は酸素過剰量に相当し、−0.1<δ<0.1を表す。)の組成で表すことができる。ここで、好ましい置換元素MはCo、Alである。ただし、この結晶構造を安定化させることができれば、置換元素の種類及び組成比は、これに限定されるものではない。
・リチウム遷移金属複合酸化物の製造についての説明
リチウム遷移金属複合酸化物は、従来公知の各種の方法にて製造することができ、例えば、リチウム及び遷移金属と、遷移金属の一部を他の置換元素で置換する場合には、置換元素を含有する出発原料を混合後、酸素存在下で焼成・冷却することによって製造することができる。
【0020】
なお、上記製造方法において置換元素を含有する出発原料を用いず遷移金属サイトが置換されていないリチウム遷移金属複合酸化物を製造し、該リチウム遷移金属複合酸化物を、置換金属元素を含有する出発原料の水溶液、溶融塩あるいは蒸気中で反応させた後、必要に応じて置換元素をリチウム遷移金属複合酸化物粒子内に拡散させるため、再度加熱処理を行うことにより遷移金属サイトを置換元素で置換してもよい。
【0021】
また、遷移金属と置換元素を含有する出発原料を混合後に、リチウムを含有する出発原料と混合して、焼成・冷却することによって製造することもできる。
・リチウム化合物
出発原料として用いられるリチウム化合物としては、Li2CO3、LiNO3、LiOH、LiOH・H2O、LiOH、LiCl、LiI、CH3COOLi、Li2O、ジカルボン酸Li、脂肪酸Li、アルキルリチウム等が挙げられる。
【0022】
これらの中でも、Li2CO3、LiNO3、LiOH・H2O、LiOH及びCH3COOLi等が好ましく、特に好ましいのは、LiOH・H2O、LiOHである。後続の焼成の工程で、NOx及びSOx等の有害物質を発生させないために、NおよびS等は含まれない方が好ましい。
・遷移金属化合物
出発原料として用いられる遷移金属化合物としては、例えばマンガン化合物が挙げられ、具体的にはMn2O3、MnO2等のマンガン酸化物、MnCO3、Mn(NO3)2 、MnSO4、酢酸マンガン、ジカルボン酸マンガン、クエン酸マンガン、脂肪酸マンガン等のマンガン塩、オキシ水酸化物、ハロゲン化物等が挙げられる。Mn2O3として、MnCO3やMnO2などの化合物を熱処理して作製したものを用いてもよい。
【0023】
また、ニッケル化合物としては、具体的には、NiO等のニッケル酸化物、Ni(OH)2等のニッケル水酸化物、NiOOH等のオキシ水酸化物、NiCl2等のハロゲン化物、NiCO3等の炭酸ニッケル等が挙げられる。
・置換元素の化合物
置換元素の化合物としては、酸化物、水酸化物、硝酸塩、炭酸塩、ジカルボン酸塩、脂肪酸塩、アンモニウム塩等が挙げられる。
・出発原料の混合
これらの出発原料は、通常湿式混合、乾式混合、ボールミル粉砕、共沈等の方法によって混合される。混合の前後、および混合中において粉砕の工程を加えてもよい。また、必要に応じて、ニッケル化合物、遷移金属化合物、リチウム化合物を一度に混合せずに、ニッケル化合物、遷移金属化合物のみを湿式混合、噴霧乾燥造粒した粉体に、リチウム化合物を別途添加する事も可能である。
・焼成
ニッケル化合物、遷移金属化合物そしてリチウム化合物の混合物は所定の条件により焼成する事で、リチウムイオン二次電池用正極材と成る。具体的条件を以下に記す。
【0024】
焼成温度は、通常500℃以上、好ましくは550℃以上であり、また通常1000℃以下、好ましくは900℃以下である。焼成温度が低すぎると、結晶性の良いリチウムニッケル複合酸化物が得られ難い。また、焼成温度が高すぎると、目的とするリチウムニッケル複合酸化物以外の相が生成するか、或いは欠陥が多いリチウムニッケル複合酸化物を生成する事がある。また、常温から上記の反応を温度迄昇温する際には、反応をより均一におこなう為に、例えば毎分5℃以下の温度で徐々に昇温するか、或いは途中で一旦昇温を停止し、一定温度での保持時間を入れても良い。
【0025】
焼成処理時の焼成時間は、通常1時間以上100時間以内、好ましくは2時間以上50時間以内である。上記範囲以下で時間が短すぎると結晶性の良いリチウムニッケル複合酸化物が得られ難く、この範囲を越えて長すぎる反応時間は工業的に不適切である。
焼成処理時の雰囲気は、通常酸素存在下でおこなう。具体的には、空気中や酸素濃度20%以上のガス雰囲気中で焼成を行う事ができる。空気中で焼成をおこなう場合は、脱炭酸ガス空気を使用するのが好ましい。好ましくは脱炭酸ガス空気中又は酸素濃度20%以上のガス雰囲気中であり、更に好ましくは準酸素雰囲気である。
【0026】
欠陥の少ないリチウムニッケル複合酸化物を得るためには、上記の焼成後、ある温度までゆっくり冷却する事が好ましく、600℃、好ましくは400℃迄は毎分5℃以下の冷却速度で徐冷することが好ましい。
焼成に使用する加熱装置は、上記の温度、雰囲気を達成できるものであれば特に制限は無く、例えば箱形炉、管状炉、トンネル炉、ロータリーキルン等を使用する事ができる。
【0027】
リチウムマンガン酸化物の焼成・冷却の方法としては、例えば、仮焼後600〜900℃程度の温度で酸素雰囲気下で本焼成を行い、次いで500℃以下程度まで10℃/min以下の速度で徐冷する方法や、仮焼後600〜900℃程度の温度で空気又は酸素雰囲気下で本焼し、次いで400℃程度の温度で酸素雰囲気下アニールする方法を挙げることができる。焼成・冷却の条件については、特開平9−306490号公報、特開平9−306493号公報、特開平9−259880号公報等に詳しく記載されている。
【0028】
リチウム遷移金属化合物の好ましい製造方法として、リチウム化合物と遷移金属化合物と、これに更に遷移金属の置換金属元素化合物を、溶媒存在下混合したスラリーを噴霧乾燥し、焼成する方法(以下「スプレードライ法」ということがある)が挙げられる。
また、別な好ましい製造方法として、遷移金属化合物、或いは、これに更に場合によって、遷移金属の置換金属元素化合物を、溶媒の存在下混合したスラリー又は溶液を噴霧乾燥して得られる乾燥物とリチウム化合物を混合して原料混合物を得た後、これを焼成する方法(以下「Li後添加スプレードライ法」ということがある)が挙げられる。
【0029】
以下、それぞれについて、本発明の製造方法の具体的態様を説明する。
・スプレードライ法の場合
この製造方法の場合、本発明の製造方法は下記3つの方法が考えられる。
(i)リチウム化合物と遷移金属化合物と、これに更に場合によって、遷移金属の置換金属元素化合物を、溶媒存在下混合したスラリーを噴霧乾燥し、焼成後、気流分級機により粒子径の大きい物と小さい物とに分離し、粒子径の大きい物と小さい物を、重量比で0:100〜100:0で配合することを特徴とするリチウム遷移金属複合酸化物の製造方法。
【0030】
(ii)リチウム化合物と遷移金属化合物と、これに更に場合によって、遷移金属の置換金属元素化合物を、溶媒存在下混合したスラリーを噴霧乾燥し、気流分級機により粒子径の大きい物と小さい物とに分離し、次いでそれぞれ焼成した後、粒子径の大きい物と小さい物を、重量比で0:100〜100:0で配合することを特徴とするリチウム遷移金属複合酸化物の製造方法。
【0031】
(iii)リチウム化合物と遷移金属化合物と、これに更に場合によって、遷移金属の置換金属元素化合物を、溶媒存在下混合したスラリーを噴霧乾燥し、気流分級機により粒子径の大きい物と小さい物とに分離し、粒子径の大きい物と小さい物を、重量比で0:100〜100:0で配合した後焼成することを特徴とするリチウム遷移金属複合酸化物の製造方法。
【0032】
上記において、リチウム化合物と遷移金属化合物の混合比は、遷移金属化合物がマンガン化合物でリチウム遷移金属複合酸化物がリチウムマンガン複合酸化物である場合で具体的に説明すると、Li原子とMn原子換算で通常Li/Mn=0.4〜0.6、好ましくは0.45〜0.55、より好ましくは0.5〜0.55となる量比である。Liが多すぎても少なすぎても充分な容量を得ることができない。
【0033】
また、遷移金属化合物がニッケル化合物でリチウム遷移金属複合酸化物がリチウムニッケル複合酸化物である場合で具体的に説明すると、Li原子とNi原子換算で通常Li/Ni=0.9〜1.2、好ましくは0.95〜1.10、より好ましくは1.0〜1.05となる量比である。Liが多すぎても少なすぎても良好な電池特性が得られ無い。
【0034】
リチウム遷移金属複合酸化物が他種元素置換型のリチウム遷移金属複合酸化物である場合は、スラリーはリチウム化合物と遷移金属化合物マンガン化合物の他に、マンガン以外の遷移金属の置換金属元素となる金属元素(置換元素)を含む化合物を混合する。
遷移金属がマンガンである場合、マンガン以外の金属元素を含む化合物の混合比が、Mn原子とマンガン以外の金属原子換算で、マンガン以外の金属元素がMnのの2.5モル%以上、好ましくはMnの5モル%以上であり、通常Mnの30モル%以下、好ましくはMnの20モル%以下である。マンガン以外の金属元素が少なすぎるとその高温サイクルの改善効果が充分ではない場合があり、多すぎると電池にした場合の容量が低下してしまう場合がある。なおこの場合、上記の量比(Li/Mn)は、Li/(Mn+マンガン以外の金属原子)の量比となる。(即ち、リチウム化合物とマンガン化合物の混合比Li原子とMn原子とマンガン以外の金属原子換算で通常Li/(Mn+マンガン以外の金属原子)=0.4〜0.6、好ましくは0.45〜0.55、より好ましくは0.5〜0.55となる量比である。)
遷移金属がニッケルである場合、ニッケル以外の金属元素を含む化合物の混合比が、Ni原子とNi以外の金属原子換算で、ニッケル以外の金属元素がNiの2.5モル%以上、好ましくはNiの5モル%以上であり、通常Niの30モル%以下、好ましくはNiの20モル%以下である。Ni以外の金属元素が多すぎても少なすぎてもその高温サイクルの改善効果が充分ではない場合がある。なおこの場合、上記の量比(Li/Ni)は、Li/(Ni+ニッケル以外の金属原子)の量比となる。(即ち、リチウム化合物とニッケル化合物の混合比Li原子とNi原子とニッケル以外の金属原子換算で通常Li/(Ni+ニッケル以外の金属原子)=0.8〜1.2、好ましくは0.9〜1.1、より好ましくは1.0〜1.05となる量比である。)
スラリーに用いられる分散媒としては、各種の有機溶媒、水性溶媒を使用することができるが、好ましいのは水である。
【0035】
スラリーの固形分濃度は、スラリー全体の重量に対して該スラリー中に含まれる固形物重量の割合を示し、通常10重量%以上、好ましくは12.5重量%以上、通常50重量%以下、好ましくは35重量%以下である。固形分濃度が上記範囲以下の場合は、スラリー濃度が極端に希薄なため噴霧乾燥により生成した球状粒子が必要以上に小さくなったり破損しやすくなったりする一方で、上記範囲以上となると、原料の飽和溶解度を超えることにより原料が溶解しきれずスラリーの均一性が保てなくなったり、スラリーの流動性が低下し、スプレー乾燥による乾燥、造粒が困難になる傾向がある。
【0036】
スラリー中の固形物の平均粒子径は通常2μm以下、好ましくは1μm以下、さらに好ましくは0.5μm以下とする。スラリー中の固形物の平均粒子径が大きすぎると、焼成工程における反応性が低下するだけでなく、球状度が低下し、最終的な粉体充填密度が低くなる傾向にある。この傾向は、特に平均粒子径で50μm以下の造粒粒子を製造しようとした場合に顕著である。また、必要以上に小粒子化することは、粉砕のコストアップに繋がり好ましくないので、固形物の平均粒子径は通常0.01μm以上、好ましくは0.05μm以上、さらに好ましくは0.1μm以上とする。尚、原料仕込み時の固形分の一部が分散媒中に溶解してしまっているような場合には、「スラリー中の固形分の平均粒子径」とは、「スラリー中の未溶解固形分の平均粒子径」をいう。
【0037】
スラリー中の固形物の平均粒子径を制御する方法としては、原料粉末を予めボールミル、ジェットミル等により乾式粉砕し、これを分散媒に攪拌等によって分散させる方法、原料粉末を分散媒に攪拌等によって分散後、媒体攪拌型粉砕機等を使用して湿式粉砕する方法等を挙げることができる。本発明においては、原料粉末を分散媒に分散後、媒体攪拌型粉砕機等を使用して湿式粉砕する方法を用いることが好ましい。湿式粉砕することによって、本発明の効果が顕著に発揮される。
【0038】
尚、本発明においては、スラリー中の未溶解固形物の平均粒子径は、レーザー回折/散乱式粒度分布測定装置によって測定される。スラリー又は粉体を分散媒に分散させ、該試料溶液にレーザー光を照射し、粒子に入射されて散乱(回折)した散乱光をディテクタで検出する。検出された散乱光の散乱角θ(入射方向と散乱方向の角度)は、大きい粒子の場合は前方散乱(0<θ<90°)となり、小さい粒子の場合は側方散乱又は後方散乱(90°<θ<180°)となる。測定された角度分布値から、入射光波長及び粒子の屈折率等の情報を用いて粒子径分布を算出する。更に得られた粒子径分布から平均粒子径を算出する。用いる分散媒としては、例えば0.2%ヘキサメタリン酸ナトリウム水溶液が用いられるが、これに限定されるものではない。
【0039】
また、噴霧乾燥に供される状態でのスラリーの粘度は、通常50mPa・s以上、好ましくは100mPa・s以上、特に好ましくは200mPa・s以上、通常3000mPa・s以下、好ましくは1000mPa・s以下、特に好ましくは800mPa・s以下である。粘度が上記範囲以下の場合は、噴霧乾燥により生成した球状粒子が必要以上に小さくなったり破損しやすくなったりする一方で、上記範囲以上となると、噴霧乾燥時のスラリー輸送に用いるチューブポンプでの吸引ができなくなる等の製造上の問題が生じることがある。尚、本発明においては、粘度測定はBM型粘度計を用いて測定される。室温大気中において、特定の金属製ローターを回転させる方式で、ローターをスラリー中に浸した状態でローターを回転させ、その回転軸にかかる抵抗力(捻れの力)から粘度を算出する。但し、室温大気中とは気温10℃〜35℃、湿度20%〜80%の通常考えられる実験室レベルの環境を示す。以下、本明細書ではこの条件を室温大気中と呼ぶことがある。
【0040】
得られたスラリーは、噴霧乾燥に供される。噴霧乾燥の方法は特に制限されないが、例えば、ノズルの先端に気体流とスラリーとを流入させることによってノズルからスラリー成分の液滴(本明細書においては、これを単に「液滴」という場合がある。)を吐出させ、適当な乾燥ガス温度や送風量を用いて飛散した該液滴を迅速に乾燥させる方法を用いることができる。気体流として供給する気体としては、特に制限はなく、空気、窒素等を用いることができるが、通常は空気を用いるのが簡便である。但し、これらの中でも、二酸化炭素等が存在すると、リチウムが炭酸リチウムを形成しやすいことから、後続の焼成による酸化物への変換のための負担が大きくなりやすいことから、炭酸ガスの濃度の低いもの、例えば、窒素ガス、脱炭酸した空気、アルゴン等が望ましい。これらは加圧して使用することが好ましい。気体流は、ガス線速として、通常100m/s以上、好ましくは200m/s以上、さらに好ましくは300m/s以上で噴射される。あまり小さすぎると適切な液滴が形成しにくくなる。ただし、あまりに大きな線速は得にくいので、通常噴射速度は1000m/s以下である。使用されるノズルの形状は、微少な液滴を吐出することができるものであればよく、従来から公知のもの、例えば、特許第2797080号公報に記載されているような液滴を微細化できるようなノズルを使用することもできる。尚、液滴は環状に噴霧されることが好ましい。飛散した液滴は、これを乾燥する。前述の通り、飛散した該液滴を迅速に乾燥させるように、適当な温度や送風等の処理が施されるが、好ましくは、乾燥塔上部から下部に向かいダウンフローで乾燥ガスを導入するのが好ましい。この様な構造とすることにより、乾燥塔単位容積当たりの処理量を大幅に向上させることができる。また、液滴を略水平方向に噴霧する場合、水平方向に噴霧された液滴をダウンフローガスで抑え込むことにより、乾燥塔の直径を大きく低減させることが可能となり、安価且つ大量に製造することが可能となる。乾燥ガス温度は、通常50℃以上、好ましくは70℃以上とし、一方通常120℃以下、好ましくは100℃以下とする。温度が高すぎると、得られた造粒粒子が中空構造の多いものとなり、粉体の充填密度が低下する傾向にあり、一方、低すぎると粉体出口部分での水分結露による粉体固着・閉塞等の問題が生じる可能性がある。
【0041】
この様にして噴霧乾燥することによって乾燥物(造粒粒子)が得られるが、造粒粒子径としては、平均粒子径で好ましくは50μm以下、さらに好ましくは30μm以下となるようにする。ただし、あまりに小さな粒径は得にくい傾向にあるので、通常は4μm以上、好ましくは5μm以上である。造粒粒子の粒子径は、噴霧形式、加圧気体流供給速度、スラリー供給速度、乾燥温度等を適宜選定することによって制御することができる。
【0042】
得られた乾燥物は、次いで焼成処理に供される。焼成温度としては、原料として使用される遷移金属、置換元素の種類によって異なるものの、通常、500℃以上であり、また1000℃以下とするのが通常である。温度が低すぎると、結晶性の良いリチウム遷移金属複合酸化物を得るために長時間の焼成時間を要する傾向にある。また、温度が高すぎると、目的とするリチウム遷移金属複合酸化物以外の結晶相が生成するか、あるいは欠陥が多いリチウム遷移金属複合酸化物を生成する結果となり、二次電池とした際に容量の低下あるいは充放電による結晶構造の崩壊による劣化を招くことがある。
【0043】
一方、焼成の時間は温度によっても異なるが、通常前述の温度範囲であれば30分以上、50時間以下である。焼成時間が短すぎると結晶性の良いリチウム遷移金属複合酸化物が得られにくくなり、また長すぎるのは実用的ではない。
結晶欠陥が少ないリチウム遷移金属複合酸化物を得るためには、焼成反応後、ゆっくりと冷却することが好ましく、例えば5℃/min.以下の冷却速度で徐冷することが好ましい。
【0044】
焼成時の雰囲気は、製造する化合物の組成や構造に応じて、空気等の酸素含有ガス雰囲気や、窒素やアルゴン等の不活性ガス雰囲気とすることができる。例えば、層状構造のリチウムマンガン複合酸化物を製造する場合には真空中あるいは窒素やアルゴン等の不活性雰囲気中で行うことが好ましく、LiCoO2系、LiNiO2系、或いはスピネル型リチウムマンガン複合酸化物等を製造する際には、少なくとも徐冷過程においては、大気中あるいは酸素中等の酸素含有雰囲気中で行うことが好ましい。
【0045】
焼成に使用する加熱装置は、上記の温度、雰囲気を達成できるものであれば特に制限はなく、例えば箱形炉、管状炉、トンネル炉、ロータリーキルン等を使用することができる。
・Li後添加スプレードライ法
この製造方法の場合、本発明の製造方法は例えば下記2つの方法が考えられる。
(i)遷移金属化合物、或いは、これに更に場合によって、遷移金属の置換金属元素化合物を、溶媒の存在下混合したスラリーを噴霧乾燥して得られた乾燥物と、リチウム化合物を混合して原料混合物を得た後、これを焼成し、気流分級機により粒子径の大きい物と小さい物とに分離し、粒子径の大きい物と小さい物を、重量比で0:100〜100:0で配合することを特徴とするリチウム遷移金属複合酸化物の製造方法。
(ii)遷移金属化合物、或いは、これに更に場合によって、遷移金属の置換金属元素化合物を、溶媒の存在下混合したスラリーを噴霧乾燥して得られた乾燥物を、分級により粒子径の大きい物と粒子径の小さい物に分離し、それぞれにリチウム化合物を混合し、次いでそれぞれ焼成して、大きい粒子径のリチウム遷移金属複合酸化物と小さい粒子径のリチウム遷移金属複合酸化物を作製した後、重量比で0:100〜100:0で配合することを特徴とするリチウム遷移金属複合酸化物の製造方法。
【0046】
Li後添加スプレードライ法と前記したスプレードライ法の違いは、リチウム化合物を、遷移金属化合物、或いは、これに更に場合によって、遷移金属の置換金属元素化合物を、溶媒の存在下混合したスラリーを噴霧乾燥して得られた乾燥物を、焼成処理する前に、リチウム化合物と混合する点である。遷移金属化合物、遷移金属の置換金属元素化合物、リチウム化合物、スラリー化の溶媒、固形分濃度等のスラリーの性状については、前記したスプレードライ法と同様である。
【0047】
前記乾燥物と混合されるリチウム化合物の粒径としては、前記乾燥物との混合性を上げるため、且つ電池性能を向上させるために平均粒子径で、通常500μm以下、好ましくは100μm以下、さらに好ましくは50μm以下、最も好ましくは20μm以下である。一方あまりに小さな粒子径のものは、大気中での安定性が低いために平均粒子径で、通常0.01μm以上、好ましくは0.1μm以上、さらに好ましくは0.2μm以上、最も好ましくは0.5μm以上である。
【0048】
上記乾燥物とリチウム化合物は、通常混合して混合粉とする。混合手法に特に制限はないが、一般的に工業用として使用されている粉体混合装置を使用するのが好ましい。混合する場合の系内の雰囲気としては空気でも問題ないが、大気中の炭酸吸収を防ぐために不活性ガス中で混合するのがより好ましい。混合する粉体の混合組成比は、目的とするリチウム遷移金属ニッケル複合酸化物の組成等に応じて適宜選択される。
【0049】
上記混合粉は必要に応じて、さらに他の化合物と混合することができる。例えば、前記スラリー又は溶液中に他元素化合物を含有させない場合、当該スラリー又は溶液を乾燥後にリチウム化合物と混合した後、さらに他元素化合物と混合することができる。またスラリー又は溶液中に一部の他元素化合物を含有させた場合、当該スラリー又は溶液の乾燥後にリチウム化合物と混合した後、さらに残余の他元素化合物を混合することができる。この場合も、混合手法に特に制限はないが、工業的に使用させる粉体混合装置を使用して混合するのが均一性の点から好ましい。
【0050】
得られた上記混合粉は、次いで焼成処理に供される。焼成温度、焼成時間、冷却速度、焼成雰囲気、焼成に用いられる加熱装置は、前記スプレードライ法におけるのと同様である。
・リチウム遷移金属複合酸化物の性状
得られるリチウム遷移金属複合酸化物は、平均1次粒径としては、通常0.01μm以上、好ましくは0.02μm以上、更に好ましくは0.1μm以上、通常30μm以下、好ましくは3μm以下、更に好ましくは0.5μm以下である。また、平均2次粒径は通常1μm以上、好ましくは4μm以上、通常60μm以下である。さらに、窒素吸着による比表面積が0.1〜5m2/gであることが好ましい。
【0051】
1次粒子の大きさは、焼成温度、焼成時間等により制御することが可能であり、これらの1つ以上を増加させることにより、1次粒子の粒子径を大きくすることができる。
2次粒子の粒子径は、噴霧乾燥工程における気液比等の噴霧条件により制御することが可能である。
【0052】
比表面積は1次粒子の粒径および2次粒子の粒径により制御することが可能であり、1次粒子の粒径及び/又は2次粒子の粒径を大きくすることにより減少する。
又、粉体充填密度は、タップ密度(200回タップ後)で、通常は0.80g/cc以上、好ましくは1.50g/cc以上である。粉体充填密度は高ければ高いほど単位容積あたりのエネルギー密度を大きくすることができるが、現実的には3.00g/cc以下となる。
【0053】
上記のスプレードライ法でない製造方法(リチウム、遷移金属、置換元素を含有する出発原料を混合後、酸素存在下で焼成・冷却)の場合は、製造されたリチウム遷移金属複合酸化物は、焼結して塊状となっているので、分級機にかける前に粉砕しておくのが好ましい。粉砕方法としてはジェットミル、乾式ボールミル、乾式ビーズミル等が挙げられる。
【0054】
粉砕の程度としては、リチウム遷移金属複合酸化物の平均粒径を0.1〜30μmとなる程度まで粉砕することが好ましく、より好ましくは0.3〜10μmである。粒径が小さすぎると電池のサイクル劣化が大きくなる傾向にあり、粒径が大きすぎると、電池の内部抵抗が大きなり、出力が出しにくくなることがある。・分級及び粒子配合
本発明における分級機とは、リチウム遷移金属複合酸化物を粒子径の大きい物と小さい物とに分離できるものであれば特に限定はなく、具体的には分粒によるものが挙げられ、分粒としては乾式が好ましく、乾式のものとしては篩や気流分級機が挙げられ、特に気流分級機が好ましい。気流分級機としては重力分級、慣性力分級、遠心力分級があり、好ましくは遠心力分級である。
【0055】
分級の仕方に特に制限はなく、任意の粒子径で、2群に分けても、3群以上に分けてもよいが、工業的には、所望の特性になるように、平衡分離粒子径を決めて行うことが有利である。平衡分離粒子径としては、通常1〜10μm、好ましくは2〜6μmで行われる。平衡分離粒子径を選択することにより、レート特性に優れているものと容量の大きいものとに分離することができる。比較的粒子径の大きい物は高容量化に寄与し、比較的粒子径の小さい物はレート特性を向上させるのに寄与する。
【0056】
本発明において平衡分離粒子径とは、微粉(本発明における「粒子径の小さい物」)側に持ち込まれた粗粉(本発明における「粒子径の大きい物」)の量と粗粉側に持ち込まれた微粉の量が等しくなる粒径のことである(粉体技術ポケットブックP.61:林恒美編著 工業調査会(1996))。リチウム化合物と遷移金属化合物を溶媒下混合したスラリーを噴霧乾燥したものを分級する際には、これを900℃で焼成した際に設定した範囲で分級できるよう、実際の平衡分離粒子径を選択すればよい。
【0057】
分級された粒子群は、レート特性や容量の大きさなどを考慮して、任意の比率で配合して、電池特性を最適化することができる。
具体的な配合比率としては、平衡分離粒子径Dhが、通常1〜10μm、好ましくは2〜6μmである粒子径の大きい物と、粒子径の小さい物とを、重量比で、0:100〜100:1の任意の割合で配合できるが、中でも、粒子径の大きい物の重量比率が、粒子径の大きい物と小さい物の合計重量に対して、5重量%以上、特に10重量%以上、50重量%以下、特に30重量%以下とすることが、比表面積が過大と成ったり、嵩密度が適正な値よりも低く成らないので好適である。
【0058】
なお、本発明において、別途作成された他のLi遷移金属複合酸化物を混合することもできる。配合のタイミングとしては特に制限はないが、通常、本発明において、Li遷移金属複合酸化物作成して以降(焼成処理後)に、分級に先だって、或いは、分級後の粒子配合する時点或いはその後に混合することが挙げられる。また、別途作成された他のLi遷移金属複合酸化物自体を分級してから配合することもできることは言うまでもない。
【0059】
本発明の正極材料はリチウム二次電池の正極として用いることができる。
正極は、通常上記正極材料と結着剤と導電剤とを含有する活物質層を集電体上に形成してなる。本発明において正極活物質は、リチウムニッケル複合酸化物及びリチウムマンガン複合酸化物である。活物質層は、通常、上記構成成分を含有するスラリーを調製し、これを集電体上に塗布・乾燥することで得ることができる。
【0060】
活物質層中の本発明の正極材料の割合は、通常10重量%以上、好ましくは30重量%以上、さらに好ましくは50重量%以上であり、通常99.9重量%以下、好ましくは99重量%以下である。正極材料が多すぎると正極の強度が不足する傾向にあり、少なすぎると容量の面で不十分となることがある。
正極に使用される導電剤としては、天然黒鉛、人造黒鉛、アセチレンブラックなどのカーボンブラック、ニードルコークス等の無定形炭素等を挙げることができる。活物質層中の導電剤の割合は、通常0.01重量%以上、好ましくは0.1重量%以上、さらに好ましくは1重量%以上であり、通常50重量%以下、好ましくは20重量%以下、さらに好ましくは10重量%以下である。導電剤が多すぎると容量の面で不十分となることがあり、少なすぎると電気導電性が不十分になることがある。
【0061】
また、正極に使用される結着剤としては、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、フッ素化ポリフッ化ビニリデン、フッ素ゴム等のフッ素系高分子の外、EPDM(エチレン−プロピレン−ジエン三元共重合体)、SBR(スチレン−ブタジエンゴム)、NBR(アクリロニトリル−ブタジエンゴム)、ポリ酢酸ビニル、ポリメチルメタクリレート、ポリエチレン、ニトロセルロース等を挙げることができる。活物質層中の結着剤の割合は、通常0.1重量%以上、好ましくは1重量%以上、さらに好ましくは5重量%以上であり、通常80重量%以下、好ましくは60重量%以下、さらに好ましくは40重量%以下である。多すぎると容量の面で不十分となることがあり、少なすぎると強度が不十分になることがある。
【0062】
また、スラリーを調製する際に使用する溶媒としては、通常は結着剤を溶解あるいは分散する有機溶剤が使用される。例えば、N−メチルピロリドン、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、メチルエチルケトン、シクロヘキサノン、酢酸メチル、アクリル酸メチル、ジエチルトリアミン、N,N−ジメチルアミノプロピルアミン、エチレンオキシド、テトラヒドロフラン等を挙げることができる。また、水に分散剤、増粘剤等を加えてSBR等のラテックスでスラリー化する場合もある。
【0063】
活物質層の厚さは、通常10〜200μm程度である。
正極に使用する集電体の材質としては、アルミニウム、ステンレス鋼、ニッケルメッキ鋼等の金属が用いられ、好ましくはアルミニウムである。
なお、塗布・乾燥によって得られた活物質層は、電極材料の充填密度を上げるためローラープレス等により圧密されるのが好ましい。
【0064】
本発明のリチウム二次電池は、通常上記正極と負極及び非水系電解液とを有する。
本発明のリチウム二次電池に使用できる負極材料としては、炭素材料を使用するのが好ましい。このような炭素材料としては、天然ないし人造の黒鉛、石油系コークス、石炭系コークス、石油系ピッチの炭化物、石炭系ピッチの炭化物、フェノール樹脂・結晶セルロース等樹脂の炭化物およびこれらを一部炭化した炭素材、ファーネスブラック、アセチレンブラック、ピッチ系炭素繊維、PAN系炭素繊維、あるいはこれらの2種以上の混合物等が挙げられる。負極材料は、通常、結着剤及び必要に応じて導電剤とともに集電体上に活物質層として形成される。また、リチウム金属そのものや、リチウムアルミニウム合金等のリチウム合金を負極として用いることもできる。負極に使用できる結着剤や導電剤は、正極に使用するものと同様のものを例示することができる。
【0065】
負極の活物質層の厚さは、通常10〜200μm程度である。負極の活物質層の形成は、前記正極の活物質層の形成方法に準じて行うことができる。
負極の集電体の材質としては、通常銅、ニッケル、ステンレス鋼、ニッケルメッキ鋼等の金属が用いられ、好ましくは銅である。
本発明のリチウム二次電池に使用できる非水系電解液としては、各種の電解塩を非水系溶媒に溶解したものを挙げることができる。
【0066】
非水系溶媒としては、例えばカーボネート類、エーテル類、ケトン類、スルホラン系化合物、ラクトン類、ニトリル類、ハロゲン化炭化水素類、アミン類、エステル類、アミド類、燐酸エステル化合物等を使用することができる。これらの代表的なものを列挙すると、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、クロロエチレンカーボネート、トリフルオロプロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ビニレンカーボネート、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、1,4−ジオキサン、4−メチル−2−ペンタノン、1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジエトキシエタン、γ−ブチロラクトン、1,3−ジオキソラン、4−メチル−1,3−ジオキソラン、ジエチルエーテル、スルホラン、メチルスルホラン、アセトニトリル、プロピオニトリル、ベンゾニトリル、ブチロニトリル、バレロニトリル、1,2−ジクロロエタン、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、燐酸トリメチル、燐酸トリエチル等の単独もしくは二種類以上の混合溶媒が使用できる。
【0067】
上述の非水系溶の中でも、電解質を解離させるために高誘電率溶媒を使用するのが好ましい。高誘電率溶媒とは、概ね25℃における比誘電率が20以上の化合物を意味する。高誘電率溶媒の中で、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート及びそれらの水素原子をハロゲン等の他の元素またはアルキル基等で置換した化合物が電解液中に含まれることが好ましい。このような高誘電率溶媒を使用する場合、高誘電率溶媒の電解液中に占める割合は、通常20重量%以上、好ましくは30重量%以上、さらに好ましくは40重量%以上である。該高誘電率溶媒の含有量が少ないと、所望の電池特性が得られない場合がある。
【0068】
電解塩としては、従来公知のいずれもが使用でき、LiClO4、LiAsF6、LiPF6、LiBF4、LiB(C6H5)4、LiCl、LiBr、LiCH3SO3Li、LiCF3SO3、LiN(SO2CF3)2、LiN(SO2C2F5)2、LiC(SO2CF3)3、LiN(SO3CF3)2等のリチウム塩が挙げられる。
【0069】
また、CO2、N2O、CO、SO2等のガスやポリサルファイドSx2-、ビニレンカーボネート、カテコールカーボネートなど負極表面にリチウムイオンの効率よい充放電を可能にする良好な皮膜を生成する添加剤を任意の割合で電解液中に存在させてもよい。
なお、電解液の代わりに、リチウムイオン等のアルカリ金属カチオンの導電体である高分子固体電解質を用いることもできる。また、上記電解液を、高分子によって非流動化して半固体状電解質を用いることもできる。本発明のリチウム二次電池においては、正極と負極との間に、上記のような様々な材料によって電解質層を設けることができる。
【0070】
正極と負極との間には、通常セパレーターが設けられる。セパレータとしては、微多孔性の高分子フィルムが用いられ、その材質としては、ナイロン、ポリエステル、セルロースアセテート、ニトロセルロース、ポリスルホン、ポリアクリロニトリル、ポリフッ化ビニリデン、テトラフルオロエチレンや、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリブテン等のポリオレフィン系高分子を挙げることができる。また、ガラス繊維等の不織布フィルター、さらにはガラス繊維と高分子繊維の複合不織布フィルター等も用いることができる。セパレータの化学的及び電気化学安定性は重要な因子であり、この点から材質としては、ポリオレフィン系高分子が好ましく、特に、電池セパレータの目的の一つである自己閉塞温度の点からポリエチレン製であることが好ましい。
【0071】
ポリエチレン製セパレータの場合、高温形状維持性の点から超高分子量ポリエチレンであることが好ましく、その分子量の下限は好ましくは50万、更に好ましくは100万、最も好ましくは150万である。他方分子量の上限は、好ましくは500万、更に好ましくは400万、最も好ましくは300万である。分子量が大きすぎると、流動性が低すぎて加熱されたときセパレータの孔が閉塞しない場合があるからである。
【0072】
【実施例】
以下、実施例によって本発明をさらに具体的に説明する。
[電池組立と容量、レート測定]正極活物質を75重量% 、アセチレンブラック20重量%、ポリテトラフロロエチレンパウダー5重量%の割合で秤量したものを乳鉢で十分混合し、薄くシート状にし、9mmφのポンチで打ち抜く。この際全体重量は各々約8mgになるように調整する。これをAlのエキスパンドメタルに圧着して正極とした。
【0073】
前記正極を試験極とし、Li金属を対極として、図1に示す構成のコイン型セルを組み立て、電池性能を評価した。即ち、正極缶1の上に正極2を置き、その上にセパレータ3として25μm の多孔性ポリエチレンフィルムを置き、ポリプロピレン製ガスケット4で押さえた後、対極5を置き、厚み調整用のスペーサー6を置いた後、非水電解液溶液として、1モル/リットルの六フッ化リン酸リチウム( LiPF6)を溶解させたエチレンカーボネート(EC) とジエチルカーボネート( DEC) の体積分率3:7の混合溶媒を用い、これを電池内に加えて充分しみ込ませた後、負極缶を載せ電池を封口する。
【0074】
0.5mA/cm2の定電流充電すなわち、正極からリチウムイオンを放出させる反応を上限4.35Vで行い、ついで0.5mA/cm2の定電流放電すなわち正極にリチウムイオンを吸蔵させる試験を下限3.2Vで行った際の正極活物質単位重量当たりの初期充電容量をQs(C)mAh/g 、初期放電容量をQs(D)mAh/g とする。
さらに継続して、前記した電圧範囲でレート評価のための定電流充放電を行う。条件としては定電流充電を0.5mA/cm2で一定とし、定電流放電を0.5mA/cm2、1mA/cm2、3mA/cm2、5mA/cm2、7mA/cm2、9mA/cm2、11mA/cm2でおこない、11mA/cm2で放電したときの放電容量をQl(D)mAh/g とする。
【0075】
実施例1
Mn2O3、AlOOH、LiOH・H2Oを、それぞれ最終的なスピネル型リチウムマンガン複合酸化物中の組成で、Li:Mn:Al=1.04:1.84:0.12(モル比)となるように秤量し、これに純水を加えて固形分濃度30重量%のスラリーを調製した。このスラリーを攪拌しながら、循環式媒体攪拌型湿式粉砕器を用いて、スラリー中の固形分の平均粒子径が0.5μmになる迄、粉砕した後、液滴微細化機構を有するノズルを設けたスプレードライヤー(藤崎電機株式会社製、マイクロミストドライヤーMDP−050、ノズルタイプはサークルエッジノズル、乾燥塔寸法は2500mmφ×4800mmH)を用いて、噴霧乾燥を行った。
【0076】
この時の乾燥ガス導入量は23m3/min、乾燥ガス入口温度は90℃とした。また、噴霧ノズルとしては、直径30mmφで、360°(環状)方向に水平噴霧可能なタイプを使用し、ノズルのスラリー出口クリアランスを600μm、スラリーを微細化する為の加圧気体流出口のクリアランスを350μmにセットした。スラリー供給速度は、700g/min、加圧気体流の供給速度は1300L/minとした(気体流のガス線速は330m/s)。この条件で噴霧乾燥した際の排気ガス温度は45℃であった。
【0077】
乾燥された造粒粒子をサイクロン分級機に通し、平衡分離粒子径Dh=4.2μmで粒子径の大きい物(以下「粗粉」という)と粒子径の小さい物(以下「微粉」という)に分離した。このDhは900℃で焼成後に測定したものである。それぞれの900℃焼成後の粒度分布を図2に示す。
粗粉のみを900℃で焼成し、正極活物質とした。電池の評価結果を表1に示す。
【0078】
実施例2
実施例1で得られた粗粉と微粉を87:13で混合した後、900℃で焼成し、正極活物質とした。電池の評価結果を表1に示す。
実施例3
実施例1で得られた粗粉と微粉をそれぞれ900℃で焼成し、87:13で混合して正極活物質とした。電池の評価結果を表1に示す。
【0079】
実施例4
実施例1で得られた微粉のみを900℃で焼成し、正極活物質とした。電池の評価結果を表1に示す。
実施例5
NiO、Co(OH)2、AlOOHを、それぞれ最終的な層状岩塩型リチウムニッケル複合酸化物中の組成で、Ni:Co:Al=0.80:0.15:0.05(モル比)となるように秤量し、これに純水を加えて固形分濃度30重量%のスラリーを調製した。このスラリーを攪拌しながら、循環式媒体攪拌型湿式粉砕器を用いて、スラリー中の固形分の平均粒子径が0.3μmになる迄、粉砕した後、液滴微細化機構を有するノズルを設けたスプレードライヤー(藤崎電機株式会社製、マイクロミストドライヤーMDP−050、ノズルタイプはサークルエッジノズル、乾燥塔寸法は2500mmφ×4800mmH)を用いて、噴霧乾燥を行った。
【0080】
この時の乾燥ガス導入量は23m3/min、乾燥ガス入口温度は105℃とした。また、噴霧ノズルとしては、直径30mmφで、360°(環状)方向に水平噴霧可能なタイプを使用し、ノズルのスラリー出口クリアランスを600μm、スラリーを微細化する為の加圧気体流出口のクリアランスを350μmにセットした。スラリー供給速度は、700g/min、加圧気体流の供給速度は1800L/minとした(気体流のガス線速は450m/s)。この条件で噴霧乾燥した際の排気ガス温度は60℃であった。
【0081】
乾燥された造粒粒子をサイクロン分級機に通し、平衡分離粒子径Dh=4.2μmで粒子径の大きい物(以下「粗粉」という)と粒子径の小さい物(以下「微粉」という)に分離した。分離したそれぞれの粉体に、Li:Ni:Co:Al=1.05:0.80:0.15:0.05(モル比)と成る様にLiOH粉を加え、粉体混合機を用いて混合した。それぞれの粉を、酸素気流中740℃で焼成し、解砕して、リチウム遷移金属酸化物粉体を作製した。
【0082】
粗粉のみの電池の評価結果を表1に示す。
実施例6
実施例5で得られた粗粉と微粉を87:13で混合した後、Li:Ni:Co:Al=1.05:0.80:0.15:0.05(モル比)と成る様にLiOH粉を加え、実施例5と同様の焼成を実施し正極活物質とした。電池の評価結果を表1に示す。
実施例7
実施例5で得られた粗粉と微粉のそれぞれに、Li:Ni:Co:Al=1.05:0.80:0.15:0.05(モル比)と成る様にLiOH粉を加え、実施例5と同様の焼成を実施し、粗粒子から作製した正極活物質と微粒子から作製した正極活物質を87:13で混合して正極活物質とした。電池の評価結果を表1に示す。
実施例8
実施例1で得られた微粉のみの粉に、Li:Ni:Co:Al=1.05:0.80:0.15:0.05(モル比)と成る様にLiOH粉を加え、実施例5と同様の方法で焼成し、正極活物質とした。電池の評価結果を表1に示す。
【0083】
【表1】
【0084】
上記の結果から、粗粉のみからなる正極活物質(実施例5)は容量は大きいがレート特性に劣り、また、微粉のみからなる正極活物質(実施例8)は容量は小さいがレート特性に優れていることがわかる。
上記の実施例1〜4の結果及び実施例5〜8の結果をもとに正極活物質中の粗粉の割合と容量の関係をグラフに示すと図3及び図4のようになる。図3及び図4から明らかなように、容量、レート特性は混合割合で加成性が成り立つので、粗粉と微粉を任意の割合で混合することにより、トライ&エラーを繰り返すことなく容量とレート特性のバランスを自由に選ぶことが出来る。
【0085】
【発明の効果】
本発明により、レート特性と容量のさまざまなバランスのリチウム二次電池用正極材料を容易に製造できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例の非水電解液二次電池用活物質の製造法の試験に用いたコイン型電池の縦断面図
【図2】 900℃焼成後の粗粉と微粉の粒度分布を示す図
【図3】実施例1〜4の正極活物質中の微粉の割合と容量の関係を示す図
【図4】実施例5〜8の正極活物質中の微粒の割合と容量の関係を示す図
【符号の説明】
1 正極缶
2 正極
3 セパレーター
4 ガスケット
5 負極(対極)
6 スペーサー
7 負極缶[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for producing a lithium transition metal composite oxide and a positive electrode material for a lithium secondary battery, a positive electrode for a lithium secondary battery, and a lithium secondary battery.
[0002]
[Prior art]
By using a carbon material or the like capable of occluding and releasing lithium ions instead of metallic lithium as the negative electrode active material, the safety has been greatly improved, and the lithium secondary battery has entered the practical stage.
Meanwhile, as a positive electrode active material of a lithium secondary battery, LiCoO2And LiNiO2, LiMn2OFourLithium transition metal composite oxides such as are now in practical use.
[0003]
For battery applications, large current is not required but large capacity is desired to be used for a long time (mobile phone, portable audio, etc.), large current can be taken out in a short time (rate characteristics are excellent) Applications (power tools, uninterruptible power supplies, etc.) and applications where it is desired that both be in an appropriate balance (hybrid vehicles, electric assist bicycles, etc.) There is a need for batteries.
[0004]
Therefore, in the past, when manufacturing a positive electrode material (lithium transition metal composite oxide) for a lithium secondary battery, various manufacturing conditions were examined according to various balances of the required rate characteristics and capacity, and lithium secondary batteries of each specification were examined. The manufacturing conditions were changed for each positive electrode material for secondary batteries. Examination of manufacturing conditions at that time was based on repeated trial and error, and development of each spec required a great deal of labor.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
Therefore, a method for easily producing positive electrode materials for lithium secondary batteries having various balances between rate characteristics and capacities has been demanded.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the present inventors have studied a method for controlling the balance between the rate and capacity of a positive electrode material containing a lithium manganese composite oxide as an active material. As a result, the lithium manganese composite oxide has a large particle size. It has been found that the above problems can be solved by separating them into small ones and mixing them arbitrarily, and the present invention has been solved.
[0007]
That is, the gist of the present invention resides in the following (1) to (25).
(1) A lithium transition metal composite oxide, in which a part of the transition metal may be substituted with another metal element, is passed through a classifier and separated into a large particle size and a small particle size, and a large particle size A small material is blended at a weight ratio of 0: 100 to 100: 0, and a method for producing a positive electrode material for a lithium secondary battery.
(2) A slurry obtained by mixing a lithium compound, a transition metal compound, and a transition metal substitution metal element compound in the presence of a solvent in the presence of a solvent is spray-dried. A method for producing a lithium-transition metal composite oxide, characterized in that it is separated into small ones and a large particle size and a small one are blended in a weight ratio of 0: 100 to 100: 0.
(3) A slurry obtained by mixing a lithium compound, a transition metal compound, and a transition metal substitution metal element compound in the presence of a solvent in the presence of a solvent is spray-dried. A method for producing a lithium-transition metal composite oxide comprising: mixing a large particle size and a small particle size in a weight ratio of 0: 100 to 100: 0.
(4) A slurry obtained by mixing a lithium compound, a transition metal compound, and, optionally, a transition metal substitution metal element compound in the presence of a solvent is spray-dried, and a product having a large particle size and a material having a small particle size by an air classifier. A method for producing a lithium-transition metal composite oxide, comprising: mixing a large particle size and a small particle size at a weight ratio of 0: 100 to 100: 0, followed by firing.
(5) A raw material obtained by mixing a lithium compound with a dry product obtained by spray-drying a slurry obtained by mixing a transition metal compound or a transition metal substitution metal element compound in the presence of a solvent in the presence of a solvent. After obtaining the mixture, it is fired and separated into a large particle size and a small particle size by an air classifier, and the large particle size and the small particle size are blended at a weight ratio of 0: 100 to 100: 0. A method for producing a lithium transition metal composite oxide, comprising:
(6) A transition product obtained by spray-drying a slurry obtained by mixing a transition metal compound or a transition metal substitution metal element compound in the presence of a solvent in the presence of a solvent. And a mixture of lithium compounds in each, followed by firing to produce a lithium transition metal composite oxide having a large particle size and a lithium transition metal composite oxide having a small particle size, A method for producing a lithium transition metal composite oxide comprising blending at a weight ratio of 0: 100 to 100: 0.
(7) Separation of large and small particles is the equilibrium separation particle size Dh= 1-10 micrometers, The manufacturing method in any one of (1), (2) and (5) performed.
(8) Separation between large and small particles is the equilibrium separation particle size Dh= The manufacturing method in any one of (3), (4) and (6) performed by 1-10 micrometers. (However, the equilibrium separation particle diameter DhIs the particle size when fired at 900 ° C. )
(9) The production method according to any one of (1) to (8), wherein the lithium transition metal composite oxide is a lithium manganese composite oxide.
(10) The lithium transition metal composite oxide is
[0008]
[Chemical 3]
LibMn2-aAlaOFour
The manufacturing method in any one of (1)-(8) represented by (0 <a <= 1.0, 0.9 <= b <= 1.1).
(11) The production method according to any one of (2) to (10), wherein the transition metal compound is a manganese compound.
(12) The production method according to (11), wherein the mixing ratio of the lithium compound and the manganese compound is a quantitative ratio such that Li / Mn = 0.4 to 0.6 in terms of Li atom and Mn atom.
(13) Manganese substituted metal element compounds selected from B, Al, Fe, Sn, Cr, Cu, Ti, Zn, Co, and Ni, oxides, hydroxides, nitrates, carbonates, dicarboxylates The method according to (11) or (12), which is a fatty acid salt or an ammonium salt.
(14) The mixing ratio of the substituted metal element compound of manganese is a quantitative ratio in which the metal element other than manganese is 2.5 to 30 mol% of Mn in terms of a metal atom other than Mn atom and manganese. The manufacturing method as described.
(15) The production method according to any one of (1) to (8), wherein the lithium transition metal composite oxide is a lithium nickel composite oxide.
(16) The lithium transition metal composite oxide is
[0009]
[Formula 4]
LixNi1-yMyO2-δ
(0.8 ≦ x ≦ 1.3, 0 <y ≦ 0.5, and M is Co, Mn, Fe, Cr, V, Ti, Cu, Al, Ga, Bi, Sn, Zn, Mg, It represents at least one element selected from the group consisting of Ge, Nb, Ta, Be, B, Ca, Sc and Zr, δ corresponds to oxygen deficiency or oxygen excess, and −0.1 <δ <0.1 The manufacturing method in any one of (1)-(8) represented by.
(17) The production method according to any one of (2) to (10), wherein the transition metal compound is a nickel compound.
(18) The mixing ratio of the total number of total atoms of the lithium compound, the nickel compound, and the substitution element thereof is Li / (Ni + M) = 1.1 to 0.00 in terms of the total of Li atoms, Ni atoms, and substitution atoms (M). 9. The production method according to (17), wherein the production ratio is 9.
(19) The substituted metal element compound of nickel is Co, Mn, Fe, Cr, V, Ti, Cu, Al, Ga, Bi, Sn, Zn, Mg, Ge, Nb, Ta, Be, B, Ca, Sc And a production method according to (17) or (18), which is an oxide, hydroxide, nitrate, carbonate, dicarboxylate, fatty acid salt or ammonium salt of a metal selected from the group consisting of Zr.
(20) A lithium transition metal composite oxide positive electrode material for a lithium secondary battery produced by the production method of (1).
(21) A lithium transition metal composite oxide produced by the production method according to any one of (2) to (19).
(22) A positive electrode for a lithium secondary battery comprising a lithium transition metal composite oxide positive electrode material for a lithium secondary battery and a binder produced by the production method of (1).
(23) A positive electrode for a lithium secondary battery, comprising a lithium transition metal composite oxide produced by the production method according to any one of (2) to (19) and a binder.
(24) A lithium secondary battery having a positive electrode for a lithium secondary battery, a negative electrode, and an electrolyte using the lithium transition metal composite oxide positive electrode material for a lithium secondary battery produced by the production method of (1).
(25) A lithium secondary battery having a positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte containing the lithium transition metal composite oxide produced by the production method according to any one of (2) to (19).
[0010]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
The feature of the present invention is that the lithium transition metal composite oxide is passed through a classifier and separated into a product having a large particle size and a product having a small particle size, and a material having a large particle size and a material having a small particle size are arbitrarily blended. Specifically, the lithium transition metal composite oxide is passed through a classifier and separated into a large particle size and a small particle size, and the large particle size and the small particle size are 0: 100 to 100: 0. It is characterized by blending with.
[0011]
The capacity and rate characteristics are additive by the mixing ratio of the large particle size and the small particle size. Therefore, the lithium transition metal composite oxide can be combined with a large particle size and a small particle size. What is necessary is just to mix in arbitrary ratios according to the property calculated | required. Specifically, for example, as shown in FIG. 3 in the embodiment of the present invention, a diagram showing the relationship between the mixing ratio of the large particle size and the small particle size and the capacity / rate characteristics is prepared. Based on this, the mixing ratio of the large particle size and the small particle size may be determined. The mixing ratio may be arbitrarily selected as a mixture having a large particle size by weight ratio: a small particle size = 0: 100 to 100: 0, but in the present invention, it is arbitrarily selected from 1:99 to 99: 1. It is preferable to select.
[0012]
Examples of the lithium transition metal composite oxide in the present invention include composite oxides of lithium and transition metals such as Co, Ni, Mn, V, Fe, Ti, Cr, Sc, and Y. (2) Lithium manganese composite oxide, (2) Lithium nickel composite oxide.
(1) Explanation of lithium manganese composite oxide
Typically LiMn2OFourSpinel structure lithium manganate having a basic composition of Li and basic composition LiMnO2In particular, spinel type lithium manganate is preferable in terms of ease of production and cycle characteristics.
[0013]
The lithium manganese composite oxide may further contain other elements in addition to lithium, manganese and oxygen. Examples of the metal element include B, Al, Fe, Sn, Cr, Cu, Ti, Zn, Co, and Ni, and Al is preferable. That is, in a preferred embodiment, the lithium manganese composite oxide is composed of a composite oxide containing lithium, manganese, and aluminum. Such other elements have a function of stabilizing the crystal structure, for example, by substituting a part of the manganese site with the other elements. Examples of the substitution element for the manganese site include metal elements such as B, Al, Fe, Sn, Cr, Cu, Ti, Zn, Co, and Ni as described above. Of course, it can be replaced with multiple elements. A preferred substitution element is Al. In addition, part of the oxygen atoms can be replaced with a halogen element such as fluorine.
[0014]
Such other element substitution type lithium manganese composite oxide is usually in the case of a lithium manganese composite oxide having a spinel structure, for example.
[0015]
[Chemical formula 5]
LibMn2-a MeaOFour
(Me is a substitution element, 0 ≦ b ≦ 1.5, 0 <a ≦ 1). Here, the preferred substitution element Me is Al. However, the type and composition ratio of the substitution elements are not limited to this as long as the crystal structure can be stabilized. The composition of the particularly preferred lithium manganese composite oxide is
[0016]
[Chemical 6]
LibMn2-aAlaOFour
(0 <a ≦ 1.0, 0.9 ≦ b ≦ 1.1).
[0017]
In any of the above compositional formulas, the amount of oxygen includes the case where it has nonstoichiometry. Furthermore, in any of the above cases, it is also possible to replace part of the manganese atom site with lithium, for example, by using a stoichiometric amount or more of lithium as a raw material.
▲ 2 ▼Description of lithium nickel composite oxide
Various structures can be considered as the lithium nickel composite oxide, but LiNiO having a hexagonal layered rock salt structure.2However, it is suitable for a positive electrode material for a lithium ion secondary battery.
[0018]
The lithium nickel composite oxide may further contain other elements in addition to lithium, nickel and oxygen. Examples of the metal element include Co, Mn, Fe, Cr, V, Ti, Cu, Al, Ga, Bi, Sn, Zn, Mg, Ge, Nb, Ta, Be, B, Ca, Sc, and Zr. Is preferably Co or Al. That is, in a preferred embodiment, the lithium nickel composite oxide is composed of a composite oxide containing lithium, nickel, Co, or Al.
[0019]
For example, in the case of a lithium nickel composite oxide having a hexagonal layered rock salt structure, such other element substitution type lithium nickel composite oxide is usually used.
LixNi1-yMyO2-δ
(0.8 ≦ x ≦ 1.3, 0 <y ≦ 0.5, and M is Co, Mn, Fe, Cr, V, Ti, Cu, Al, Ga, Bi, Sn, Zn, Mg, It represents at least one element selected from the group consisting of Ge, Nb, Ta, Be, B, Ca, Sc and Zr, δ corresponds to oxygen deficiency or oxygen excess, and −0.1 <δ <0.1 It can be expressed by the composition of Here, preferred substitution elements M are Co and Al. However, the type and composition ratio of the substitution elements are not limited to this as long as the crystal structure can be stabilized.
・ Explanation of lithium transition metal complex oxide production
Lithium transition metal composite oxides can be produced by various conventionally known methods. For example, when substituting a part of the transition metal with lithium and the transition metal with another substitution element, the substitution element is changed. It can manufacture by baking and cooling in oxygen presence after mixing the starting raw material to contain.
[0020]
In the above production method, a lithium transition metal composite oxide in which transition metal sites are not substituted without using a starting material containing a substitution element is produced, and the lithium transition metal composite oxide is used as a starting material containing a substitution metal element. After reacting in the raw material aqueous solution, molten salt or steam, if necessary, the transition metal site is replaced with the replacement element by performing a heat treatment again in order to diffuse the substitution element into the lithium transition metal composite oxide particles. May be.
[0021]
Moreover, it can also manufacture by mixing the starting material containing a transition metal and a substitution element, mixing with the starting material containing lithium, and baking and cooling.
・ Lithium compounds
Lithium compounds used as starting materials include Li2COThree, LiNOThree, LiOH, LiOH · H2O, LiOH, LiCl, LiI, CHThreeCOOLi, Li2O, dicarboxylic acid Li, fatty acid Li, alkyl lithium, etc. are mentioned.
[0022]
Among these, Li2COThree, LiNOThree, LiOH · H2O, LiOH and CHThreeCOOLi and the like are preferable, and LiOH.H is particularly preferable.2O, LiOH. In order to prevent generation of harmful substances such as NOx and SOx in the subsequent firing step, it is preferable that N and S are not included.
・ Transition metal compounds
Examples of the transition metal compound used as a starting material include a manganese compound, specifically, Mn2OThree, MnO2Manganese oxides such as MnCOThree, Mn (NOThree)2 , MnSOFourAnd manganese salts such as manganese acetate, manganese dicarboxylate, manganese citrate, and fatty acid manganese, oxyhydroxides, halides, and the like. Mn2OThreeAs MnCOThreeAnd MnO2You may use what was produced by heat-processing such compounds.
[0023]
Further, as the nickel compound, specifically, nickel oxide such as NiO, Ni (OH)2Nickel hydroxide such as NiOOH, oxyhydroxide such as NiOOH, NiCl2Halides such as NiCOThreeAnd nickel carbonate.
・ Substitute element compounds
Examples of the substitution element compound include oxides, hydroxides, nitrates, carbonates, dicarboxylates, fatty acid salts, and ammonium salts.
・ Mixing of starting materials
These starting materials are usually mixed by methods such as wet mixing, dry mixing, ball milling, and coprecipitation. A pulverization step may be added before and after mixing and during mixing. In addition, if necessary, the lithium compound is separately added to the powder obtained by wet mixing and spray-drying granulation of only the nickel compound and the transition metal compound without mixing the nickel compound, the transition metal compound and the lithium compound at once. Things are also possible.
・ Baking
A mixture of a nickel compound, a transition metal compound, and a lithium compound is fired under predetermined conditions to form a positive electrode material for a lithium ion secondary battery. Specific conditions are described below.
[0024]
The firing temperature is usually 500 ° C. or higher, preferably 550 ° C. or higher, and usually 1000 ° C. or lower, preferably 900 ° C. or lower. If the firing temperature is too low, it is difficult to obtain a lithium nickel composite oxide with good crystallinity. If the firing temperature is too high, a phase other than the intended lithium nickel composite oxide may be produced, or a lithium nickel composite oxide having many defects may be produced. In addition, when raising the temperature of the above reaction from room temperature to a temperature, in order to perform the reaction more uniformly, for example, the temperature is gradually raised at a temperature of 5 ° C. or less per minute, or the temperature is temporarily stopped halfway. In addition, a holding time at a constant temperature may be included.
[0025]
The firing time during the firing treatment is usually 1 hour to 100 hours, preferably 2 hours to 50 hours. If the time is less than the above range and the time is too short, it is difficult to obtain a lithium nickel composite oxide with good crystallinity, and a reaction time that is too long beyond this range is industrially inappropriate.
The atmosphere during the baking treatment is usually performed in the presence of oxygen. Specifically, firing can be performed in air or in a gas atmosphere having an oxygen concentration of 20% or more. When firing in air, it is preferable to use decarboxylated air. Preferably, it is in decarboxylated air or in a gas atmosphere having an oxygen concentration of 20% or more, more preferably a quasi-oxygen atmosphere.
[0026]
In order to obtain a lithium nickel composite oxide with few defects, it is preferable to cool slowly to a certain temperature after the above firing, and gradually cool to 600 ° C., preferably 400 ° C. at a cooling rate of 5 ° C. or less per minute. It is preferable.
The heating device used for firing is not particularly limited as long as the above temperature and atmosphere can be achieved. For example, a box furnace, a tubular furnace, a tunnel furnace, a rotary kiln, or the like can be used.
[0027]
As a method for firing and cooling the lithium manganese oxide, for example, after calcination, the firing is performed in an oxygen atmosphere at a temperature of about 600 to 900 ° C., and then gradually reduced to about 500 ° C. or less at a rate of 10 ° C./min or less. Examples thereof include a method of cooling, and a method of performing calcination in air or an oxygen atmosphere at a temperature of about 600 to 900 ° C. after calcination, and then annealing in an oxygen atmosphere at a temperature of about 400 ° C. The firing and cooling conditions are described in detail in JP-A-9-306490, JP-A-9-306493, JP-A-9-259880, and the like.
[0028]
As a preferred method for producing a lithium transition metal compound, a slurry in which a lithium compound, a transition metal compound, and a substituted metal element compound of a transition metal are further mixed in the presence of a solvent is spray dried and fired (hereinafter referred to as “spray dry method”). ”).
As another preferred production method, a transition metal compound, or a dried product obtained by spray-drying a slurry or a solution in which a transition metal substitution metal element compound is further mixed in the presence of a solvent in some cases, and lithium Examples thereof include a method in which a compound mixture is obtained to obtain a raw material mixture and then fired (hereinafter sometimes referred to as “post-Li addition spray drying method”).
[0029]
Hereinafter, specific embodiments of the production method of the present invention will be described.
・ For spray drying method
In the case of this manufacturing method, the following three methods can be considered as the manufacturing method of the present invention.
(I) A slurry obtained by mixing a lithium compound, a transition metal compound, and, optionally, a transition metal substitution metal element compound in the presence of a solvent, is spray-dried, and after firing, an article having a large particle size is obtained by an air classifier. A method for producing a lithium-transition metal composite oxide, characterized in that it is separated into small ones and a large particle size and a small one are blended in a weight ratio of 0: 100 to 100: 0.
[0030]
(Ii) A slurry obtained by mixing a lithium compound, a transition metal compound, and, optionally, a transition metal substitution metal element compound in the presence of a solvent, is spray-dried, and a product having a large particle size and a material having a small particle size by an air classifier A method for producing a lithium-transition metal composite oxide comprising: mixing a large particle size and a small particle size in a weight ratio of 0: 100 to 100: 0.
[0031]
(Iii) A slurry obtained by mixing a lithium compound, a transition metal compound, and, optionally, a transition metal substitution metal element compound in the presence of a solvent, is spray-dried, and a product having a large particle size and a material having a small particle size by an air classifier A method for producing a lithium-transition metal composite oxide comprising: separating a material having a large particle size and a material having a small particle size in a weight ratio of 0: 100 to 100: 0, followed by firing.
[0032]
In the above, the mixing ratio of the lithium compound and the transition metal compound is specifically described in the case where the transition metal compound is a manganese compound and the lithium transition metal composite oxide is a lithium manganese composite oxide. Usually, Li / Mn = 0.4 to 0.6, preferably 0.45 to 0.55, and more preferably 0.5 to 0.55. If Li is too much or too little, a sufficient capacity cannot be obtained.
[0033]
Further, when the transition metal compound is a nickel compound and the lithium transition metal composite oxide is a lithium nickel composite oxide, it will be explained in detail. Usually Li / Ni = 0.9 to 1.2 in terms of Li atom and Ni atom. The ratio is preferably 0.95 to 1.10, more preferably 1.0 to 1.05. If the amount of Li is too much or too little, good battery characteristics cannot be obtained.
[0034]
When the lithium transition metal composite oxide is a lithium transition metal composite oxide of other element substitution type, the slurry is a metal that becomes a substitution metal element of a transition metal other than manganese in addition to the lithium compound and the transition metal compound manganese compound. A compound containing an element (substitution element) is mixed.
When the transition metal is manganese, the mixing ratio of the compound containing a metal element other than manganese is, in terms of a metal atom other than Mn atom and manganese, the metal element other than manganese is 2.5 mol% or more of Mn, preferably It is 5 mol% or more of Mn, usually 30 mol% or less of Mn, and preferably 20 mol% or less of Mn. When there are too few metal elements other than manganese, the improvement effect of the high temperature cycle may not be sufficient, and when there are too many, the capacity | capacitance at the time of making a battery may fall. In this case, the quantitative ratio (Li / Mn) is a quantitative ratio of Li / (Mn + metal atom other than manganese). (That is, mixing ratio of lithium compound and manganese compound: Li atom, Mn atom, and metal atom other than manganese, usually Li / (Mn + metal atom other than manganese) = 0.4 to 0.6, preferably 0.45 The amount ratio is 0.55, more preferably 0.5 to 0.55.)
When the transition metal is nickel, the mixing ratio of the compound containing a metal element other than nickel is 2.5 mol% or more of Ni, preferably Ni. Is usually 30 mol% or less of Ni, preferably 20 mol% or less of Ni. If the amount of metal elements other than Ni is too much or too little, the effect of improving the high temperature cycle may not be sufficient. In this case, the quantitative ratio (Li / Ni) is a quantitative ratio of Li / (Ni + metal atom other than nickel). (That is, the mixing ratio of lithium compound and nickel compound is usually Li / (metal atom other than Ni + nickel) in terms of metal atoms other than Li atom, Ni atom and nickel) = 0.8 to 1.2, preferably 0.9 to 1.1, and more preferably 1.0 to 1.05.
As the dispersion medium used in the slurry, various organic solvents and aqueous solvents can be used, but water is preferred.
[0035]
The solid content concentration of the slurry indicates the ratio of the weight of the solid contained in the slurry with respect to the weight of the whole slurry, and is usually 10% by weight or more, preferably 12.5% by weight or more, usually 50% by weight or less, preferably Is 35% by weight or less. When the solid content concentration is less than the above range, the slurry concentration is extremely dilute, so that the spherical particles generated by spray drying may become unnecessarily small or breakage. When the saturation solubility is exceeded, the raw materials cannot be completely dissolved and the uniformity of the slurry cannot be maintained, or the fluidity of the slurry is lowered, and drying and granulation by spray drying tend to be difficult.
[0036]
The average particle size of the solid matter in the slurry is usually 2 μm or less, preferably 1 μm or less, more preferably 0.5 μm or less. When the average particle size of the solid matter in the slurry is too large, not only the reactivity in the firing step is lowered, but also the sphericity is lowered and the final powder filling density tends to be lowered. This tendency is particularly remarkable when trying to produce granulated particles having an average particle diameter of 50 μm or less. Further, since it is not preferable to make particles smaller than necessary because it leads to an increase in the cost of pulverization, the average particle size of the solid is usually 0.01 μm or more, preferably 0.05 μm or more, more preferably 0.1 μm or more. To do. In addition, when a part of solid content at the time of raw material preparation has dissolved in the dispersion medium, “average particle diameter of solid content in slurry” means “undissolved solid content in slurry” Mean particle diameter ".
[0037]
As a method for controlling the average particle size of the solid matter in the slurry, the raw material powder is previously dry pulverized by a ball mill, a jet mill, etc., and this is dispersed in a dispersion medium by stirring, etc., the raw material powder is stirred in a dispersion medium, etc. And a method of wet pulverization using a medium stirring pulverizer after dispersion. In the present invention, it is preferable to use a method in which the raw material powder is dispersed in a dispersion medium and then wet pulverized using a medium stirring pulverizer or the like. The effect of the present invention is remarkably exhibited by wet pulverization.
[0038]
In the present invention, the average particle size of undissolved solids in the slurry is measured by a laser diffraction / scattering type particle size distribution measuring device. The slurry or powder is dispersed in a dispersion medium, the sample solution is irradiated with laser light, and the scattered light incident on the particles and scattered (diffracted) is detected by a detector. The scattering angle θ (angle between the incident direction and the scattering direction) of the detected scattered light is forward scattering (0 <θ <90 °) for large particles, and side scattering or backscattering (90 for small particles). ° <θ <180 °). From the measured angular distribution value, the particle diameter distribution is calculated using information such as the incident light wavelength and the refractive index of the particles. Further, the average particle size is calculated from the obtained particle size distribution. As a dispersion medium to be used, for example, a 0.2% sodium hexametaphosphate aqueous solution is used, but is not limited thereto.
[0039]
Further, the viscosity of the slurry in the state subjected to spray drying is usually 50 mPa · s or more, preferably 100 mPa · s or more, particularly preferably 200 mPa · s or more, usually 3000 mPa · s or less, preferably 1000 mPa · s or less, Particularly preferably, it is 800 mPa · s or less. When the viscosity is below the above range, the spherical particles produced by spray drying become unnecessarily small or easily damaged, whereas when the viscosity exceeds the above range, the tube pump used for transporting the slurry during spray drying is used. Manufacturing problems such as inability to suction may occur. In the present invention, the viscosity is measured using a BM viscometer. In a room temperature atmosphere, a specific metal rotor is rotated, the rotor is rotated with the rotor immersed in slurry, and the viscosity is calculated from the resistance force (torsional force) applied to the rotating shaft. However, the room temperature atmosphere refers to a normally considered laboratory-level environment with a temperature of 10 ° C. to 35 ° C. and a humidity of 20% to 80%. Hereinafter, in the present specification, this condition may be referred to as room temperature atmosphere.
[0040]
The resulting slurry is subjected to spray drying. The method of spray drying is not particularly limited. For example, a droplet of a slurry component from the nozzle by flowing a gas flow and a slurry into the tip of the nozzle (in this specification, this may be simply referred to as “droplet”). And the droplets scattered using an appropriate drying gas temperature and air flow rate can be dried quickly. There is no restriction | limiting in particular as gas supplied as a gas flow, Although air, nitrogen, etc. can be used, Usually, it is easy to use air. However, among these, in the presence of carbon dioxide or the like, since lithium tends to form lithium carbonate, the burden for conversion to oxide by subsequent baking tends to increase, so the concentration of carbon dioxide gas is low. Those such as nitrogen gas, decarboxylated air, and argon are desirable. These are preferably used under pressure. The gas flow is injected at a gas linear velocity of usually 100 m / s or more, preferably 200 m / s or more, more preferably 300 m / s or more. If it is too small, it is difficult to form appropriate droplets. However, since it is difficult to obtain a linear velocity that is too high, the normal injection speed is 1000 m / s or less. The shape of the nozzle to be used is not limited as long as it can discharge a minute droplet, and a conventionally known one, for example, a droplet as described in Japanese Patent No. 2797080 can be miniaturized. Such nozzles can also be used. The droplets are preferably sprayed in an annular shape. The scattered droplets are dried. As described above, an appropriate temperature, air blowing, or the like is applied so as to quickly dry the scattered droplets. Preferably, the drying gas is introduced from the upper part of the drying tower to the lower part in a downward flow. Is preferred. By adopting such a structure, the processing amount per unit capacity of the drying tower can be greatly improved. In addition, when spraying droplets in a substantially horizontal direction, it is possible to greatly reduce the diameter of the drying tower by suppressing the droplets sprayed in the horizontal direction with a downflow gas, and to manufacture inexpensively and in large quantities. Is possible. The drying gas temperature is usually 50 ° C. or higher, preferably 70 ° C. or higher, and usually 120 ° C. or lower, preferably 100 ° C. or lower. If the temperature is too high, the resulting granulated particles have a lot of hollow structures, and the powder packing density tends to decrease, whereas if it is too low, the powder adheres due to moisture condensation at the powder outlet. Problems such as blockage may occur.
[0041]
The dried product (granulated particles) can be obtained by spray drying in this manner, and the granulated particle size is preferably 50 μm or less, more preferably 30 μm or less in terms of average particle size. However, since it tends to be difficult to obtain a too small particle size, it is usually 4 μm or more, preferably 5 μm or more. The particle diameter of the granulated particles can be controlled by appropriately selecting the spray format, pressurized gas flow supply rate, slurry supply rate, drying temperature, and the like.
[0042]
The obtained dried product is then subjected to a firing treatment. The firing temperature is usually 500 ° C. or higher and usually 1000 ° C. or lower, although it varies depending on the type of transition metal and substitution element used as a raw material. If the temperature is too low, a long baking time tends to be required in order to obtain a lithium transition metal composite oxide having good crystallinity. In addition, if the temperature is too high, a crystal phase other than the target lithium transition metal composite oxide is generated, or a lithium transition metal composite oxide with many defects is generated. Or degradation due to the collapse of the crystal structure due to charge / discharge.
[0043]
On the other hand, although the firing time varies depending on the temperature, it is usually 30 minutes or more and 50 hours or less in the above-mentioned temperature range. If the firing time is too short, it becomes difficult to obtain a lithium transition metal composite oxide having good crystallinity, and it is not practical to be too long.
In order to obtain a lithium transition metal composite oxide with few crystal defects, it is preferable to cool slowly after the firing reaction, for example, 5 ° C./min. It is preferable to slowly cool at the following cooling rate.
[0044]
The atmosphere during firing can be an oxygen-containing gas atmosphere such as air, or an inert gas atmosphere such as nitrogen or argon, depending on the composition and structure of the compound to be produced. For example, when producing a lithium manganese composite oxide having a layered structure, it is preferably performed in a vacuum or in an inert atmosphere such as nitrogen or argon.2System, LiNiO2When producing a system or spinel type lithium manganese oxide or the like, it is preferable to carry out in an oxygen-containing atmosphere such as air or oxygen at least in the slow cooling process.
[0045]
The heating device used for firing is not particularly limited as long as the above temperature and atmosphere can be achieved. For example, a box furnace, a tubular furnace, a tunnel furnace, a rotary kiln or the like can be used.
・ Spray drying method after Li addition
In the case of this manufacturing method, the following two methods can be considered as the manufacturing method of the present invention, for example.
(I) A transition metal compound, or, optionally, a transition metal substitution metal element compound mixed with a lithium compound and a dried material obtained by spray drying a slurry obtained by mixing a transition metal in the presence of a solvent, and a raw material After obtaining the mixture, it is fired and separated into a large particle size and a small particle size by an air classifier, and the large particle size and the small particle size are blended at a weight ratio of 0: 100 to 100: 0. A method for producing a lithium transition metal composite oxide, comprising:
(ii) A dried product obtained by spray-drying a slurry obtained by mixing a transition metal compound or a transition metal substitution metal element compound in the presence of a solvent in the presence of a solvent, and having a large particle size by classification. And a mixture of lithium compounds in each, followed by firing to produce a lithium transition metal composite oxide having a large particle size and a lithium transition metal composite oxide having a small particle size, A method for producing a lithium transition metal composite oxide comprising blending at a weight ratio of 0: 100 to 100: 0.
[0046]
The difference between the post-Li addition spray drying method and the above-described spray drying method is that a lithium compound is mixed with a transition metal compound, or, optionally, a slurry obtained by mixing a transition metal substitution metal element compound in the presence of a solvent. The dried product obtained by drying is mixed with a lithium compound before firing. The properties of the slurry such as the transition metal compound, the transition metal substitution metal element compound, the lithium compound, the slurrying solvent, and the solid content concentration are the same as in the spray drying method described above.
[0047]
The particle size of the lithium compound to be mixed with the dried product is usually 500 μm or less, preferably 100 μm or less, more preferably 100 μm or less in terms of average particle size in order to improve the mixing property with the dried product and to improve battery performance. Is 50 μm or less, most preferably 20 μm or less. On the other hand, those having a too small particle size have an average particle size of 0.01 μm or more, preferably 0.1 μm or more, more preferably 0.2 μm or more, and most preferably 0. 5 μm or more.
[0048]
The dried product and lithium compound are usually mixed to obtain a mixed powder. Although there is no restriction | limiting in particular in the mixing method, It is preferable to use the powder mixing apparatus generally used for industrial use. The atmosphere in the system for mixing may be air, but it is more preferable to mix in an inert gas in order to prevent carbon dioxide absorption in the atmosphere. The mixing composition ratio of the powder to be mixed is appropriately selected according to the composition of the target lithium transition metal nickel composite oxide.
[0049]
The mixed powder can be further mixed with other compounds as required. For example, when no other element compound is contained in the slurry or solution, the slurry or solution can be mixed with the lithium compound after drying and then further mixed with the other element compound. Moreover, when a part of other element compound is contained in the slurry or solution, after the slurry or solution is dried and mixed with the lithium compound, the remaining other element compound can be further mixed. In this case as well, there is no particular limitation on the mixing method, but it is preferable from the viewpoint of uniformity to mix using a powder mixing apparatus used industrially.
[0050]
The obtained mixed powder is then subjected to a firing treatment. The firing temperature, firing time, cooling rate, firing atmosphere, and heating apparatus used for firing are the same as those in the spray drying method.
・ Characteristics of lithium transition metal composite oxide
The obtained lithium transition metal composite oxide has an average primary particle size of usually 0.01 μm or more, preferably 0.02 μm or more, more preferably 0.1 μm or more, usually 30 μm or less, preferably 3 μm or less, more preferably Is 0.5 μm or less. The average secondary particle size is usually 1 μm or more, preferably 4 μm or more, and usually 60 μm or less. Furthermore, the specific surface area by nitrogen adsorption is 0.1-5 m.2/ G is preferable.
[0051]
The size of the primary particles can be controlled by the firing temperature, the firing time, and the like. By increasing one or more of these, the particle size of the primary particles can be increased.
The particle diameter of the secondary particles can be controlled by spraying conditions such as a gas-liquid ratio in the spray drying process.
[0052]
The specific surface area can be controlled by the primary particle size and the secondary particle size, and decreases by increasing the primary particle size and / or the secondary particle size.
The powder packing density is a tap density (after 200 taps), and is usually 0.80 g / cc or more, preferably 1.50 g / cc or more. The higher the powder packing density is, the larger the energy density per unit volume can be, but in reality it is 3.00 g / cc or less.
[0053]
In the case of the manufacturing method other than the spray drying method described above (mixing starting materials containing lithium, transition metal and substitution element, followed by firing and cooling in the presence of oxygen), the manufactured lithium transition metal composite oxide is sintered. Therefore, it is preferably pulverized before being applied to a classifier. Examples of the pulverization method include a jet mill, a dry ball mill, and a dry bead mill.
[0054]
The degree of pulverization is preferably such that the average particle diameter of the lithium transition metal composite oxide is 0.1 to 30 μm, more preferably 0.3 to 10 μm. If the particle size is too small, the cycle deterioration of the battery tends to increase. If the particle size is too large, the internal resistance of the battery may increase and output may be difficult to output.・ Classification and particle composition
The classifier in the present invention is not particularly limited as long as it can separate the lithium transition metal composite oxide into those having a large particle size and those having a small particle size. As the dry type, a dry type includes a sieve and an air classifier, and an air classifier is particularly preferable. Examples of the air classifier include gravity classification, inertial force classification, and centrifugal force classification, and preferably centrifugal force classification.
[0055]
There is no particular limitation on the classification method, and the particle size may be divided into two groups or three or more groups with any particle size, but industrially, the equilibrium separation particle size is set so as to obtain desired characteristics. It is advantageous to decide. The equilibrium separation particle size is usually 1 to 10 μm, preferably 2 to 6 μm. By selecting the equilibrium separation particle size, it is possible to separate into those having excellent rate characteristics and those having a large capacity. Relatively particle sizebigContributes to higher capacity and has a relatively small particle size.smallThis contributes to improving the rate characteristics.
[0056]
In the present invention, the equilibrium separated particle size means the amount of coarse powder (“large particle size” in the present invention) brought to the fine powder (“small particle size” in the present invention) side and the coarse powder side. It is the particle size in which the amount of fine powder is equal (Powder Technology Pocket Book P.61: edited by Tsunemi Hayashi, Industrial Research Committee (1996)). When classifying spray-dried slurry mixed with lithium compound and transition metal compound in a solvent, the actual equilibrium separation particle size should be selected so that it can be classified within the range set when calcined at 900 ° C. That's fine.
[0057]
The classified particle group can be blended at an arbitrary ratio in consideration of the rate characteristics and the capacity, and the battery characteristics can be optimized.
As a specific blending ratio, a material having a large particle size and a material having a small particle size, in which the equilibrium separation particle size Dh is usually 1 to 10 μm, preferably 2 to 6 μm, in a weight ratio of 0: 100 to It can be blended at an arbitrary ratio of 100: 1. Among them, the weight ratio of the large particle size is 5% by weight or more, particularly 10% by weight or more, based on the total weight of the large particle size and small items. 50% by weight or less, especially 30% by weight or less, the specific surface area becomes excessive, the bulk densityButAppropriate valueYoIt is preferable because it is not low.
[0058]
In addition, in this invention, the other Li transition metal complex oxide produced separately can also be mixed. Although there is no particular limitation on the timing of blending, usually in the present invention, after making the Li transition metal composite oxide (after the firing treatment), prior to classification, or at the time of blending the particles after classification or after. Mixing may be mentioned. Moreover, it cannot be overemphasized that it can also mix | blend, after classifying the other Li transition metal complex oxide itself produced separately.
[0059]
The positive electrode material of the present invention can be used as a positive electrode for a lithium secondary battery.
The positive electrode is usually formed by forming an active material layer containing the positive electrode material, a binder, and a conductive agent on a current collector. In the present invention, the positive electrode active material is a lithium nickel composite oxide and a lithium manganese composite oxide. The active material layer can be usually obtained by preparing a slurry containing the above components and applying and drying the slurry on a current collector.
[0060]
The proportion of the positive electrode material of the present invention in the active material layer is usually 10% by weight or more, preferably 30% by weight or more, more preferably 50% by weight or more, and usually 99.9% by weight or less, preferably 99% by weight. It is as follows. If the amount of the positive electrode material is too large, the strength of the positive electrode tends to be insufficient. If the amount is too small, the capacity may be insufficient.
Examples of the conductive agent used for the positive electrode include natural graphite, artificial graphite, carbon black such as acetylene black, and amorphous carbon such as needle coke. The proportion of the conductive agent in the active material layer is usually 0.01% by weight or more, preferably 0.1% by weight or more, more preferably 1% by weight or more, and usually 50% by weight or less, preferably 20% by weight or less. More preferably, it is 10% by weight or less. If the amount of the conductive agent is too large, the capacity may be insufficient, and if the amount is too small, the electrical conductivity may be insufficient.
[0061]
As the binder used for the positive electrode, in addition to fluorine-based polymers such as polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, fluorinated polyvinylidene fluoride, and fluorine rubber, EPDM (ethylene-propylene-diene ternary copolymer) is used. Coalesced), SBR (styrene-butadiene rubber), NBR (acrylonitrile-butadiene rubber), polyvinyl acetate, polymethyl methacrylate, polyethylene, nitrocellulose and the like. The ratio of the binder in the active material layer is usually 0.1% by weight or more, preferably 1% by weight or more, more preferably 5% by weight or more, and usually 80% by weight or less, preferably 60% by weight or less, More preferably, it is 40 weight% or less. If the amount is too large, the capacity may be insufficient. If the amount is too small, the strength may be insufficient.
[0062]
Moreover, as a solvent used when preparing a slurry, the organic solvent which melt | dissolves or disperse | distributes a binder normally is used. For example, N-methylpyrrolidone, dimethylformamide, dimethylacetamide, methyl ethyl ketone, cyclohexanone, methyl acetate, methyl acrylate, diethyltriamine, N, N-dimethylaminopropylamine, ethylene oxide, tetrahydrofuran and the like can be mentioned. In some cases, a dispersant, a thickener, or the like is added to water and slurried with a latex such as SBR.
[0063]
The thickness of the active material layer is usually about 10 to 200 μm.
As the material of the current collector used for the positive electrode, metals such as aluminum, stainless steel, nickel-plated steel, etc. are used, and preferably aluminum.
The active material layer obtained by coating and drying is preferably consolidated by a roller press or the like in order to increase the packing density of the electrode material.
[0064]
The lithium secondary battery of the present invention usually has the positive electrode, the negative electrode, and a non-aqueous electrolyte.
As a negative electrode material that can be used in the lithium secondary battery of the present invention, a carbon material is preferably used. Such carbon materials include natural or artificial graphite, petroleum coke, coal coke, petroleum pitch carbide, coal pitch carbide, phenolic resin / crystalline cellulose resin carbide and some of these carbonized. Examples thereof include carbon materials, furnace black, acetylene black, pitch-based carbon fibers, PAN-based carbon fibers, or a mixture of two or more thereof. The negative electrode material is usually formed as an active material layer on the current collector together with a binder and, if necessary, a conductive agent. Moreover, lithium metal itself or lithium alloys, such as a lithium aluminum alloy, can also be used as a negative electrode. Examples of the binder and conductive agent that can be used for the negative electrode are the same as those used for the positive electrode.
[0065]
The thickness of the active material layer of the negative electrode is usually about 10 to 200 μm. Formation of the active material layer of a negative electrode can be performed according to the formation method of the active material layer of the said positive electrode.
As the material for the current collector of the negative electrode, metals such as copper, nickel, stainless steel, nickel-plated steel and the like are usually used, and copper is preferable.
Examples of the non-aqueous electrolyte solution that can be used in the lithium secondary battery of the present invention include those obtained by dissolving various electrolytic salts in a non-aqueous solvent.
[0066]
Examples of the non-aqueous solvent include carbonates, ethers, ketones, sulfolane compounds, lactones, nitriles, halogenated hydrocarbons, amines, esters, amides, phosphate ester compounds, and the like. it can. Typical examples of these are propylene carbonate, ethylene carbonate, chloroethylene carbonate, trifluoropropylene carbonate, butylene carbonate, diethyl carbonate, dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, vinylene carbonate, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, 1, 4-dioxane, 4-methyl-2-pentanone, 1,2-dimethoxyethane, 1,2-diethoxyethane, γ-butyrolactone, 1,3-dioxolane, 4-methyl-1,3-dioxolane, diethyl ether, Sulfolane, methyl sulfolane, acetonitrile, propionitrile, benzonitrile, butyronitrile, valeronitrile, 1,2-dichloroethane, dimethylformamide, dimethyl Sulfoxides, trimethyl phosphate, and either alone or two or more kinds of mixed solvents such as triethyl phosphate may be used.
[0067]
Among the above non-aqueous solutions, it is preferable to use a high dielectric constant solvent in order to dissociate the electrolyte. The high dielectric constant solvent means a compound having a relative dielectric constant of about 20 or more at 25 ° C. Among the high dielectric constant solvents, it is preferable that the electrolyte solution contains ethylene carbonate, propylene carbonate, and compounds obtained by substituting hydrogen atoms thereof with other elements such as halogen or alkyl groups. When such a high dielectric constant solvent is used, the proportion of the high dielectric constant solvent in the electrolytic solution is usually 20% by weight or more, preferably 30% by weight or more, and more preferably 40% by weight or more. If the content of the high dielectric constant solvent is small, desired battery characteristics may not be obtained.
[0068]
As the electrolytic salt, any conventionally known salt can be used, and LiClO.Four, LiAsF6, LiPF6, LiBFFour, LiB (C6HFive)Four, LiCl, LiBr, LiCHThreeSOThreeLi, LiCFThreeSOThree, LiN (SO2CFThree)2, LiN (SO2C2FFive)2, LiC (SO2CFThree)Three, LiN (SOThreeCFThree)2And lithium salts such as
[0069]
CO2, N2O, CO, SO2Such as gas and polysulfide Sx2-In addition, an additive such as vinylene carbonate or catechol carbonate may be present in the electrolyte solution at an arbitrary ratio to form a good film that enables efficient charge and discharge of lithium ions on the negative electrode surface.
Instead of the electrolytic solution, a polymer solid electrolyte that is a conductor of an alkali metal cation such as lithium ion can be used. Alternatively, the electrolyte solution can be made non-fluidized with a polymer to use a semi-solid electrolyte. In the lithium secondary battery of the present invention, an electrolyte layer can be provided between the positive electrode and the negative electrode using various materials as described above.
[0070]
Usually, a separator is provided between the positive electrode and the negative electrode. As the separator, a microporous polymer film is used, and the material is nylon, polyester, cellulose acetate, nitrocellulose, polysulfone, polyacrylonitrile, polyvinylidene fluoride, tetrafluoroethylene, polypropylene, polyethylene, polybutene, etc. The polyolefin-type polymer | macromolecule can be mentioned. Moreover, a nonwoven fabric filter such as glass fiber, a composite nonwoven fabric filter of glass fiber and polymer fiber, and the like can also be used. The chemical and electrochemical stability of the separator is an important factor, and from this point, the polymer is preferably a polyolefin polymer, and in particular, it is made of polyethylene from the viewpoint of the self-blocking temperature, which is one of the purposes of the battery separator. Preferably there is.
[0071]
In the case of a polyethylene separator, ultrahigh molecular weight polyethylene is preferable from the viewpoint of maintaining high-temperature shape, and the lower limit of the molecular weight is preferably 500,000, more preferably 1,000,000, and most preferably 1.5 million. On the other hand, the upper limit of the molecular weight is preferably 5 million, more preferably 4 million, and most preferably 3 million. This is because if the molecular weight is too large, the pores of the separator may not close when heated because the fluidity is too low.
[0072]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples.
[Battery assembly, capacity and rate measurement] 75 layers of positive electrode active materialamount%, 20% by weight of acetylene black and 5% by weight of polytetrafluoroethylene powder are thoroughly mixed in a mortar, made into a thin sheet, and punched with a 9 mmφ punch. At this time, the total weight is adjusted to about 8 mg each. This was crimped to Al expanded metal to obtain a positive electrode.
[0073]
A coin-type cell having the configuration shown in FIG. 1 was assembled using the positive electrode as a test electrode and Li metal as a counter electrode, and the battery performance was evaluated. That is, a
[0074]
0.5mA / cm2Constant current charging, that is, a reaction for releasing lithium ions from the positive electrode at an upper limit of 4.35 V, and then 0.5 mA / cm2Constant current discharge, that is, the initial charge capacity per unit weight of the positive electrode active material when the test for occluding lithium ions in the positive electrode at a lower limit of 3.2 V is Qs (C) mAh / g, and the initial discharge capacity is Qs (D) Set to mAh / g.
Further, constant current charge / discharge for rate evaluation is performed in the voltage range described above. As a condition, constant current charging is 0.5 mA / cm.2At a constant current discharge of 0.5 mA / cm21mA / cm23mA / cm25mA / cm2, 7mA / cm29mA / cm211mA / cm211mA / cm2The discharge capacity when discharged at is Ql (D) mAh / g.
[0075]
Example 1
Mn2OThree, AlOOH, LiOH · H2Each of O was weighed so as to be Li: Mn: Al = 1.04: 1.84: 0.12 (molar ratio) with the composition in the final spinel type lithium manganese composite oxide. Water was added to prepare a slurry having a solid concentration of 30% by weight. While stirring this slurry, a circulating medium stirring wet pulverizer is used to grind until the average particle size of the solid content in the slurry reaches 0.5 μm, and then a nozzle having a droplet refining mechanism is provided. Spray drying was carried out using a spray dryer (manufactured by Fujisaki Electric Co., Ltd., Micro Mist Dryer MDP-050, nozzle type circle edge nozzle, drying tower dimensions 2500 mmφ × 4800 mmH).
[0076]
The amount of dry gas introduced at this time is 23 m.Three/ Min, the drying gas inlet temperature was 90 ° C. Also, as the spray nozzle, use a type that can be sprayed horizontally in the 360 ° (annular) direction with a diameter of 30mmφ, the nozzle slurry outlet clearance is 600μm, and the pressurized gas outlet clearance for making the slurry finer Set to 350 μm. The slurry supply rate was 700 g / min, and the pressurized gas flow supply rate was 1300 L / min (the gas linear velocity of the gas flow was 330 m / s). The exhaust gas temperature when spray-dried under these conditions was 45 ° C.
[0077]
The dried granulated particles are passed through a cyclone classifier, and the equilibrium separation particle size DhIt was separated into a product having a large particle size (hereinafter referred to as “coarse powder”) and a small particle size (hereinafter referred to as “fine powder”) at 4.2 μm. This DhIs measured after firing at 900 ° C. The particle size distribution after firing at 900 ° C. is shown in FIG.
Only the coarse powder was fired at 900 ° C. to obtain a positive electrode active material. The evaluation results of the battery are shown in Table 1.
[0078]
Example 2
The coarse powder and fine powder obtained in Example 1 were mixed at 87:13 and then fired at 900 ° C. to obtain a positive electrode active material. The evaluation results of the battery are shown in Table 1.
Example 3
The coarse powder and fine powder obtained in Example 1 were each fired at 900 ° C. and mixed at 87:13 to obtain a positive electrode active material. The evaluation results of the battery are shown in Table 1.
[0079]
Example 4
Only the fine powder obtained in Example 1 was fired at 900 ° C. to obtain a positive electrode active material. The evaluation results of the battery are shown in Table 1.
Example 5
NiO, Co (OH)2, And AlOOH were weighed so that Ni: Co: Al = 0.80: 0.15: 0.05 (molar ratio) with the composition in the final layered rock salt type lithium nickel composite oxide. Pure water was added to the slurry to prepare a slurry having a solid content concentration of 30% by weight. While stirring this slurry, a circulating medium stirring type wet pulverizer is used to grind until the average particle size of the solid content in the slurry becomes 0.3 μm, and then a nozzle having a droplet refining mechanism is provided. Spray drying was performed using a spray dryer (manufactured by Fujisaki Electric Co., Ltd., Micro Mist Dryer MDP-050, the nozzle type was a circle edge nozzle, and the drying tower size was 2500 mmφ × 4800 mmH).
[0080]
The amount of dry gas introduced at this time is 23 m.Three/ Min, the drying gas inlet temperature was 105 ° C. Also, as the spray nozzle, use a type that can be sprayed horizontally in the 360 ° (annular) direction with a diameter of 30mmφ, the nozzle slurry outlet clearance is 600μm, and the pressurized gas outlet clearance for making the slurry finer Set to 350 μm. The slurry supply rate was 700 g / min, and the pressurized gas flow supply rate was 1800 L / min (the gas linear velocity of the gas flow was 450 m / s). The exhaust gas temperature when spray-dried under these conditions was 60 ° C.
[0081]
The dried granulated particles are passed through a cyclone classifier, and the equilibrium separation particle size DhIt was separated into a product having a large particle size (hereinafter referred to as “coarse powder”) and a small particle size (hereinafter referred to as “fine powder”) at 4.2 μm. LiOH powder was added to each separated powder so that Li: Ni: Co: Al = 1.05: 0.80: 0.15: 0.05 (molar ratio), and a powder mixer was used. And mixed. Each powder was fired in an oxygen stream at 740 ° C. and pulverized to produce a lithium transition metal oxide powder.
[0082]
Table 1 shows the evaluation results of the battery with only coarse powder.
Example 6
After mixing the coarse powder and fine powder obtained in Example 5 at 87:13, Li: Ni: Co: Al = 1.05: 0.80: 0.15: 0.05 (molar ratio). LiOH powder was added to the mixture, and the same firing as in Example 5 was performed to obtain a positive electrode active material. The evaluation results of the battery are shown in Table 1.
Example 7
LiOH powder was added to each of the coarse powder and fine powder obtained in Example 5 so that Li: Ni: Co: Al = 1.05: 0.80: 0.15: 0.05 (molar ratio). The same firing as in Example 5 was performed, and a positive electrode active material prepared from coarse particles and a positive electrode active material prepared from fine particles were mixed at 87:13 to obtain a positive electrode active material. The evaluation results of the battery are shown in Table 1.
Example 8
LiOH powder was added to the powder containing only fine powder obtained in Example 1 so that Li: Ni: Co: Al = 1.05: 0.80: 0.15: 0.05 (molar ratio). Firing was performed in the same manner as in Example 5 to obtain a positive electrode active material. The evaluation results of the battery are shown in Table 1.
[0083]
[Table 1]
[0084]
From the above results, the positive electrode active material consisting only of coarse powder (Example 5) has a large capacity but inferior in the rate characteristic, and the positive electrode active material consisting only of fine powder (Example 8) has a small capacity but the rate characteristic. It turns out that it is excellent.
FIG. 3 and FIG. 4 are graphs showing the relationship between the ratio of the coarse powder in the positive electrode active material and the capacity based on the results of Examples 1 to 4 and Examples 5 to 8. As apparent from FIGS. 3 and 4, the capacity and rate characteristics are additive by the mixing ratio, so by mixing coarse powder and fine powder at an arbitrary ratio, the capacity and rate can be repeated without repeating trial and error. You can freely choose the balance of characteristics.
[0085]
【The invention's effect】
According to the present invention, positive electrode materials for lithium secondary batteries having various balances of rate characteristics and capacity can be easily manufactured.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a longitudinal sectional view of a coin-type battery used in a test of a method for producing an active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery according to an embodiment of the present invention.
[Figure 2] Figure showing the particle size distribution of coarse and fine powder after firing at 900 ° C
FIG. 3 is a graph showing the relationship between the proportion of fine powder in the positive electrode active materials of Examples 1 to 4 and the capacity.
4 is a graph showing the relationship between the proportion of fine particles in the positive electrode active materials of Examples 5 to 8 and the capacity. FIG.
[Explanation of symbols]
1 Positive electrode can
2 Positive electrode
3 Separator
4 Gasket
5 Negative electrode (counter electrode)
6 Spacer
7 Negative electrode can
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