JP4235702B2 - Positive electrode active material, manufacturing method thereof, and nonaqueous electrolyte secondary battery using the same - Google Patents

Positive electrode active material, manufacturing method thereof, and nonaqueous electrolyte secondary battery using the same Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、サイクル寿命の優れた正極活物質とこれを用いたリチウムイオン非水電解質二次電池に関する。
【0002】
【従来の技術】
現在、汎用のリチウムイオン二次電池では、リチウムをイオン状態で可逆的にインターカレート(吸蔵/放出)する材料として各種の炭素質材料を負極に用い、正極には同じくリチウムイオンの可逆的な挿入放出が可能なリチウム含有金属複合酸化物を用いて、これらのリチウム吸蔵/放出材料を組み合わせたいわゆるロッキングチェア型のリチウムイオン二次電池が使用されている。これらの電池の正極活物質としては、LiCoO2 、LiCo1-x Nix 2 、LiNiO2 等のコバルトやニッケルとリチウムの複合酸化物が用いられ、高い電位と高容量を達成している。しかし、サイクル寿命に関してはまだまだ改善の要求が高く、各種の試みがなされている。これらの試みには、活物質のコバルトやニッケルとリチウムの複合酸化物に異種の金属、半金属元素を固溶化して結晶構造を安定化する試みや、ナトリウムやカリウム等の不純物元素の量を調節する試みがあるが、未だ満足できるサイクル寿命が達成されていない。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、第一にサイクル寿命の長い正極活物質又はその製造方法を提供することにあり、第二にこれらの正極活物質を用いたサイクル特性の優れたリチウムイオン非水電解質二次電池を提供することである。
【0004】
【課題を解決するための手段】
本発明の1観点によれば、
(a)Li源及びM源(MはCo又はNi)を含む正極活物質材料を用意する工程と、
(b)前記正極活物質材料に硫酸リチウムを加えて焼成する工程と、
を含み、0.01重量%以上、5重量%以下の硫酸根を含有する正極活物質を製造する、リチウムイオン非水電解質二次電池用正極活物質の製造方法
が得られる
【0005】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の形態について説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【0006】
(1)正極活物質がLi源及びM源(MはCo又はNi)を含む正極活物質材料に硫酸リチウムを加えて焼成することによって得られるリチウム含有複合酸化物であり、0.01重量%以上、5重量%以下の硫酸根を含有することを特徴とするリチウムイオン非水電解質二次電池用正極活物質。
【0009】
)正極、負極、セパレーターおよびリチウム塩を含有する非水電解質を含む二次電池において、該正極がLi源及びM源(MはCo又はNi)を含む正極活物質材料に硫酸リチウムを加えて焼成することによって得られるリチウム含有複合酸化物であり、0.01重量%以上、5重量%以下の硫酸根を含有することを特徴とするリチウムイオン非水電解質二次電池。
【0013】
)(a)Li源及びM源(MはCo又はNi)を含む正極活物質材料を用意する工程と、(b)前記正極活物質材料に硫酸リチウムを加えて焼成する工程とを含み、0.01重量%以上、5重量%以下の硫酸根を含有する正極活物質を製造する、リチウムイオン非水電解質二次電池用正極活物質の製造方法。
【0014】
前記工程(a)と(b)との間に、)前記正極活物質材料中に含まれる硫酸根の濃度を測定する工程含む項3記載のリチウムイオン非水電解質二次電池用正極活物質の製造方法。
【0015】
)前記工程()は、前記測定結果に応じて前記正極活物質材料に硫酸リチウムを加え、硫酸根の濃度を調整して焼成する項記載の正極活物質の製造方法。
【0016】
)(a)Li源及びM源(MはCo又はNi)を含む正極活物質を焼成する工程と、(b)前記焼成された正極活物質に硫酸リチウムを添加して正極合剤を調整する工程とを含み、0.01重量%以上、5重量%以下の硫酸根を含有する正極合剤を製造する、リチウムイオン非水電解質二次電池用正極合剤の製造方法。
【0017】
以下、本発明の実施の形態による正極材料と、本発明の実施の形態によるリチウムイオン非水電解質二次電池について詳述する。
【0018】
正極活物質は、Lix 1-y y 2-z a (MはCoまたはNi、NはMとは同一でない遷移金属元素、又は周期律表の第2族、第13族、第14族の元素から選ばれる1種以上の元素、Xはハロゲン元素であり、0.2<x≦1.2,0≦y≦0.5,0≦z≦1,0≦a≦2z)の組成で示されるリチウム含有複合酸化物であり、LiX CoO2 、LiX NiO2 のコバルトもしくはニッケルと酸素の一部を他の元素で置換したものである。
【0019】
Nは具体的にはMg,B,Al,Sn,Si,Ga,Mn,Co,Ni,Fe,Ti,Nb,Zr,Mo,Wから選ばれる1種以上の元素が好ましい(但し、MがCoの時はNはCo以外の元素、MがNiの時はNはNi以外の元素である)。
【0020】
Xはハロゲン元素であり、フッ素原子が特に好ましい。
好ましい正極活物質は、リチウムとコバルト及び/またはニッケルの複合酸化物であり、下記一般式(1)で表されるものが好ましい。
【0021】
一般式(1) Lix Niy Co1-y-z z 2
上式において、MはB、Al、Sn、Si、Ca、Fe、Mn、Ti、Nb、Zn、Mo、W、Srから選ばれた少なくとも1種、0.1≦x≦1.05、0≦y≦0.9、0≦z≦0.2である。
【0022】
好ましい具体的な正極活物質の化合物としては、LiCoO2 、LiNi0.02Co0.982 、LiNi0.05Co0.952 、LiNi0.1 Co0.9 2 、LiNi0.15Co0.852 、LiNi0.2 Co0.8 2 、LiNi0.78Co0.2 Al0.022 、LiNiO2 、LiNi0.67Co0.3 Sr0.032 を挙げることができる。
【0023】
特に好ましい正極活物質として、LiCoO2 、LiNi0.2 Co0.8 2 、LiNi0.78Co0.2 Al0.022 、LiNiO2 、LiNi0.67Co0.3 Sr0.032 を挙げることができる。
【0024】
これらの化合物を高純度に得ることは困難であり、〔従来の技術〕の項で記載したように、Na、K、Mg、Ca、Al、Cu、Fe、Si等の異種元素が不純物として正極活物質に混入してしまう。これらの不純物は、電池の放電容量の低下やサイクル寿命の劣化を引き起こすため、原則として不純物を低減させることが好ましい。
【0025】
硫酸根を含有する正極活物質を合成するには、反応原料に硫酸根を多く含む化合物を用いてもよいし、無機あるいは有機の硫酸塩を添加してもよい。
【0026】
反応原料としてはリチウム源である炭酸リチウム、Mの原料である酸化コバルトや酸化ニッケル、Nの原料である種種の酸化物等で硫酸根含有率の高いものを選択することができる。
【0027】
添加して用いる無機の硫酸塩としては、硫酸リチウムを用いることができる。
【0028】
正極活物質中の硫酸根の含有量は、(分析で定量された硫酸根重量)/(合成により得られた正極活物質重量)で表され、0.01重量%以上5重量%以下が好ましい。更には0.05重量%以上2重量%以下がより好ましく、0.1重量%以上1重量%以下が特に好ましい。硫酸根の定量は種々の方法を用いることができる。例えば、試料を硝酸・過酸化水素などで完全に溶解後、イオンクロマトグラフにて硫酸根を定量することができる。また、ICP発光分析法又は滴定法により、硫酸根を定量することができる。ICP発光分析法は、試料を硝酸及び過塩素酸により溶解し、ICP発光分析により硫黄を定量し、硫酸根に換算する方法である。滴定法は試料にクロム酸バリウムと希塩酸溶液を加え、アンモニアにて中和後濾過し、硫酸根と置換して生じる濾液中のCrO4 2- をヨウ素法で滴定し、間接的に硫酸根を定量する方法である(詳細は、日本化学会編、丸善株式会社出版、「実験化学講座15分析化学(下)」を参照)。
【0029】
硫酸根が少なすぎると、二次電池のサイクル特性が悪化する。硫酸根が多すぎると、その分だけ電池反応に有効な正極活物質の量が減るので、電池容量が減少してしまう。硫酸根の含有量は、上記の所定範囲が好ましい。
【0030】
硫酸根を含有するリチウム複合酸化物の合成は、リチウム原料であるリチウム化合物と、Mの原料としてのコバルト化合物もしくはニッケル化合物、必要に応じてNの原料としてのCo,Ni,Mg,B,Al,Sn,Si,Ga,Mn,Fe,Ti,Nb,Zr,Mo,Wなどに代表される他元素Nを含む化合物、必要に応じてハロゲン化合物、必要に応じて上記の無機あるいは有機の硫酸塩を混合し、加熱焼成反応、あるいはゾル−ゲル法などに代表される溶液状態による化学反応によって行われる。上記原料の混合は、乾式混合でも湿式混合でもよい。
【0031】
リチウム原料と、M及びN元素原料の混合比率は、リチウム/(元素M+元素N)の原子比を0.99X倍以上、1.10X倍以下の配合比で混合するのが好ましい。
【0032】
硫酸根の含有率(濃度)の調整方法の例を示す。まず、リチウム原料、M及びN元素原料が含む正極活物質材料を用意する。次に、その正極活物質材料中の硫酸根の濃度を上記イオンクロマトグラフ等により測定する。次に、測定結果に応じて、正極活物質材料中の硫酸根の濃度を調整する。通常、正極活物質材料中に不純物として存在する硫酸根の量は少ない。その場合は、硫酸根が所定の濃度になるように、無機又は有機の硫酸塩(硫酸根)を添加する。その後、添加された正極活物質を焼成する。
【0033】
原料粉末の混合方法については、たとえば特開昭62−264560号、特開平2−40861号、同6−267538号、同6−231767号に記載の粉末混合法、特開平4−237953号、同5−325966号、同6−203834号に記載の溶液混合法、特開昭63−211565号に記載の共沈による合成法等を用いることができる。
【0034】
焼成の条件としては、硫酸根濃度が調整された原料の粉末の混合物あるいはスラリー状の混合物を、600℃から1100℃好ましくは700℃から1000℃の温度で、2時間から48時間、好ましくは5時間から15時間反応させて合成を実施するのが好ましい。焼成雰囲気は、特開平6−60887号に記載の酸素分圧制御下で合成する方法のように酸素存在下あるいは酸素分圧が0.2気圧以上で行う。焼成は必要に応じて同条件下あるいは条件を変えて複数回行って良い。硫酸根濃度が調整された原料混合物は特開平5−283076号、同6−310145号に記載の方法のようにあらかじめペレット状に充填し成型したものを用いても良い。焼成を行っても、硫酸根はほとんど揮散(消失)しない。
【0035】
焼成後焼成物を冷却し、軽く砕く程度に粉砕し正極活物質を得ることができる。冷却に際しては、特開平5−198301号、同5−205741号に記載の焼成物の急冷を行う方法を用いてもよい。
【0036】
他に特開平5−325969号に記載のLiOH水和物を原料として溶融状態で焼成する方法、特開平6−243871号に記載のフッ素ドープ法、特開平8−138670号に記載の粒子の内部と表面の組成の異なる活物質を合成する方法などを用いてもよい。
【0037】
正極活物質の好ましい平均粒径は1〜30μm、好ましくは3〜25μmである。この平均粒径は、通常レーザー散乱式粒度分布測定などで測定される粒子サイズに相当し、通常定義される粒子サイズに相当する。
【0038】
正極活物質の比表面積は、BET法による測定で0.1〜10m2 /gの範囲であることが好ましく、0.1〜3m2 /gの範囲であることがより好ましい。
【0039】
次に、リチウムイオン非水電解質二次電池について説明する。電池は、正極、負極、セパレーターおよびリチウム塩を含有する非水電解質を有し、正極は正極集電体上に正極活物質、導電剤、結着剤等からなる正極合剤を塗布してなる。この電池は、正極に硫酸根を含有することを特徴とする。硫酸根は、先に述べたように正極活物質中に含有されていてもよいし、活物質以外の正極合剤中に含有されていてもよい。
【0040】
正極合剤中に含有される硫酸根の濃度は、正極活物質とその他の合剤層中に存在する量の合計で0.008重量%以上、7重量%以下が好ましい。更には0.04重量%以上3重量%以下がより好ましく、0.08重量%以上1.5重量%以下が特に好ましい。硫酸根は正極活物質中と、その他の正極合剤中の両方に含ませてもよいし、正極活物質のみ、あるいは活物質以外の正極合剤のみに含ませてもよい。用いることのできる硫酸塩は正極活物質の合成に用いたものと同じものを用いることができる。
【0041】
負極に用いられる負極材料としては、金属複合酸化物と炭素質材料がある。錫酸化物を主体として含む非晶質構造及び/または結晶構造の金属複合酸化物や、黒鉛等の炭素質材料を単独で用いてもよいし、これらの複合金属酸化物と炭素質材料の複合物を用いてもよい。これらの負極材料は高容量のリチウム吸蔵を特長とすることから、高容量である上記の正極活物質とバランスよく組み合わせることにより、ロッキングチェア型二次電池の高容量化を効率良く図ることができる。
【0042】
炭素材料としては、難黒鉛化炭素材料と黒鉛系炭素材料を挙げることができる。具体的には、特開昭62−122066号、特開平2−66856号、同3−245473号等の各公報に記載される面間隔や密度、結晶子の大きさの炭素材料、特開平5−290844号公報に記載の天然黒鉛と人造黒鉛の混合物、特開昭63−24555号、同63−13282号、同63−58763号、特開平6−212617号公報に記載の気相成長炭素材料、特開平5−182664号公報に記載の難黒鉛化炭素を2400℃を超える温度で加熱焼成された材料であり、かつ複数の002面に相当するX線回折のピークを持つ材料、特開平5−307957号、同5−307958号、同7−85862号、同8−315820号公報に記載のピッチ焼成により合成されたメソフェース炭素材料、特開平6−84516号公報に記載の被覆層を有する黒鉛、さらには、各種の粒状体、微小球体、平板状体、微小繊維、ウィスカーの形状の炭素材料、フェノール樹脂、アクリロニトリル樹脂、フルフリルアルコール樹脂の焼成体、水素原子を含むポリアセン材料などの炭素材料等を挙げることができる。特に特開平5−182664号公報に記載の炭素材料や各種の粒状体、微小球体、平板状体、繊維、ウィスカーの形状の炭素材料、また、メソフェーズピッチ、フェノール樹脂、アクリロニトリル樹脂の焼成体、さらに、水素原子を含むポリアセン材料が好ましい。
【0043】
複合金属酸化物としては、結晶性の化合物と非晶性の化合物とがある。これらの化合物を2種以上併用してもよい。例えば非晶性の化合物を併用してもよいし、結晶性の化合物と非晶性の化合物を併用してもよい。上記の炭素質材料と複合金属酸化物とを併用することもより好ましい形態である。複合金属酸化物としては、周期律表第1族、第2族、第13族、第14族、第15族、遷移金属、ハロゲン元素を含む酸化物であることが好ましい。炭素質材料と複合金属酸化物とを併用する場合にその割合は、炭素質材料と複合金属酸化物の総重量に対する炭素質材料の重量で10%以上、70%以下が好ましく、20%以上、50%以下がより好ましい。
【0044】
結晶性の金属酸化物としては、Ag2 O、TiO2 、Fe2 3 、MgO、V2 5 、NiO、CuO、ZnO、Mo2 3 、In2 3 、SnO、SnO2 、SnSiO3 、In2 Sn2 7 が好ましく、これらの化合物はリチウムを吸蔵してリチウムを含む複合酸化物となる。
【0045】
非晶質の複合金属酸化物としては、錫酸化物を主体とし周期律表第1族、第2族、第13族、第14族、第15族、遷移金属、ハロゲン元素から選ばれる一種以上を含む化合物である。これらの金属酸化物は負極活物質の前駆体とも呼ばれる。より具体的には、錫を主体として含む非晶質の複合酸化物であり下記一般式で示される負極活物質の前駆体に電気化学的にリチウムイオンが挿入されることによって得られる。
【0046】
Snx M11-x M2y z
ここで、M1はMn,Fe,Pb,Geから選ばれる1種以上を、M2はAl,B,P,Si,周期律表第1族,第2族,第3族,ハロゲン元素から選ばれる2種以上の元素を示し、0<x≦1,0.1≦y≦3,1≦z≦8である。上記の構造式に従ったさらに好ましい組成を述べると、M1 はPb,Geから選ばれる元素であり、M2はB,P,Si,周期律表第1族,第2族から選ばれる2種以上の元素であり、M2はとくにAl以外の元素であることが好ましい。
【0047】
上記の活物質前駆体へのリチウムイオンの挿入は、電池内において負極をリチウムイオンの存在下でカソード分極し、リチウムイオンを上記構造中に電気化学的に挿入することによって実施される。
【0048】
上記の前駆体たる複合酸化物は構造中に非晶質構造を含むかもしくは非晶質であることを特徴とする。複合酸化物が非晶質構造を含むとは、具体的にはCuKα線を用いたX線回折法で2θ値で20°から40°にかけて強度が弱くブロードな頂点を有する回折散乱帯を与える状態を意味し、このブロードな散乱帯中に結晶性の回折線を有してもよい。この結晶性の回折線は非晶質構造中にわずかに秩序性を持った構造部分が反映されたものである。さらに好ましくは、2θ値で40°以上70°以下に結晶性の回折線が見られる場合、この結晶性の回折線のうち最も強い強度が、2θ値で20°以上40°以下に見られる上記のブロードな散乱帯の頂点の回折線の強度の500倍以下であることが好ましく、さらに好ましくは100倍以下、特に好ましくは5倍以下、最も好ましくは結晶性の回折線を有しないことである。
【0049】
負極活物質前駆体は、錫原料である錫化合物、錫以外の元素を含む化合物の粉末を混合し、混合物を800℃〜1500℃好ましくは900℃〜1200℃の高温で溶融し、4時間〜48時間反応させて合成する。合成の雰囲気は窒素、アルゴンなどの不活性ガス雰囲気を用いることが好ましい。特に酸素分圧が10-1以下、好ましくは10-2以下の条件下で反応を行うことが好ましい。
【0050】
非晶質化を促進するために、反応物を50℃〜500℃/分の速度で急冷してもよい。また逆に非晶質構造の密度を高め強度を高める目的で徐冷をすることもできる。
【0051】
これらの方法で得られたガラス状の負極材料は、粒径分布を得るように粉砕処理して負極用粒子として用いる。負極粒子の好ましい範囲は、平均粒径として0.5〜20μmであり、さらに好ましくは1〜10μmである。
【0052】
溶融法のほかに、溶液反応を利用した合成法、たとえばゾルーゲル法による合成を用いることができる。ゾルーゲル法で合成される粒子の好ましい平均粒径の範囲は、二次粒子の粒径として0.1〜10μmさらに好ましくは0.2〜5μmである。
【0053】
以下に、本発明で用いる負極活物質前駆体の好ましい例を示す。
SnSi0.8 0.2 3.1
SnSi0.5 0.2 0.2 1.85
SnSi0.8 0.2 2.9
SnSi0.8 Al0.2 2.9
SnSi0.6 Al0.1 0.2 1.65
SnSi0.3 Al0.1 0.6 2.25
SnSi0.4 0.2 0.4 2.1
SnSi0.6 Al0.1 0.5 2.1
SnB0.5 0.5 3
SnK0.2 PO3.6
【0054】
SnRb0.2 0.8 3.2
SnBa0.1 1.454.5
SnLa0.1 0.9 3.4
SnNa0.1 0.451.75
SnLi0.2 0.5 0.5 3.1
SnCs0.1 0.4 0.4 2.65
SnBa0.1 0.4 0.4 2.7
SnCa0.1 Al0.150.450.553.9
SnY0.1 0.6 0.6 3.55
SnRb0.2 0.3 0.4 2.55
【0055】
SnCs0.2 0.3 0.4 2.55
SnCs0.1 0.4 0.4 2.65
SnK0.1 Cs0.1 0.4 0.4 2.7
SnBa0.1 Cs0.1 0.4 0.4 2.75
SnMg0.1 0.1 0.4 0.4 2.75
SnCa0.1 0.1 0.4 0.5 3
SnBa0.1 0.1 Al0.1 0.3 0.4 2.75
SnMg0.1 Cs0.1 Al0.1 0.3 0.4 2.75
SnCa0.1 0.1 Al0.1 0.3 0.4 2.75
SnMg0.1 Rb0.1 Al0.1 0.3 0.4 2.75
【0056】
SnCa0.1 0.2 0.2 0.2 2.6
SnMg0.1 Cs0.1 0.4 0.4 0.2 3.3
Sn0.5 Mn0.5 Mg0.1 0.9 2.45
Sn0.5 Mn0.5 Ca0.1 0.9 3.35
Sn0.5 Ge0.5 Mg0.1 0.9 3.35
Sn0.5 Fe0.5 Ba0.1 0.9 3.35
Sn0.8 Fe0.2 Ca0.1 0.9 3.35
Sn0.3 Fe0.7 Ba0.1 0.9 3.35
Sn0.9 Mn0.1 Mg0.1 0.9 3.35
【0057】
Sn0.2 Mn0.8 Mg0.1 0.9 3.35
Sn0.7 Pb0.3 Ca0.1 0.9 3.35
Sn0.2 Ge0.8 Ba0.1 0.9 3.35
SnAl0.1 0.5 0.5 3.15
SnCs0.1 Al0.4 0.5 0.5 3.65
SnCs0.1 0.5 0.5 3.05
SnCs0.1 Ge0.050.5 0.5 3.15
SnCs0.1 Ge0.05Al0.3 0.5 0.5 3.60
【0058】
二次電池で上記の負極材料と共に用いることができる負極活物質としては、リチウム金属、上記のリチウム合金などが挙げられる。上記リチウム金属やリチウム合金の併用目的は、リチウムイオンを電池内で負極材料に挿入させるためのものであり、電池反応としてリチウム金属などの溶解析出反応を利用するものではない。
【0059】
電極合剤(正極合剤及び正極合剤)には、導電剤や結着剤やフィラーなどを添加することができる。導電剤は、構成された電池において、化学変化を起こさない電子伝導性材料であれば何でもよい。通常、天然黒鉛(鱗状黒鉛、鱗片状黒鉛、土状黒鉛など)、人工黒鉛、カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、炭素繊維や金属(銅、ニッケル、アルミニウム、銀(特開昭63−148,554号)など)粉、金属繊維あるいはポリフェニレン誘導体(特開昭59−20,971号)などの導電性材料を1種またはこれらの混合物として含ませることができる。黒鉛とアセチレンブラックの併用が特に好ましい。その添加量は、特に限定されないが、1〜50重量%が好ましく、特に2〜30重量%が好ましい。カーボンや黒鉛では、2〜15重量%が特に好ましい。
【0060】
結着剤には、通常、でんぷん、ポリビニルアルコール、カルボキシメチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、再生セルロース、ジアセチルセルロース、ポリビニルクロリド、ポリビニルピロリドン、テトラフルオロエチレン、ポリ弗化ビニリデン、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン−プロピレン−ジエンターポリマー(EPDM)、スルホン化EPDM、スチレンブタジエンゴム、 ポリブタジエン、フッ素ゴム、ポリエチレンオキシドなどの多糖類、熱可塑性樹脂、ゴム弾性を有するポリマーなどが1種またはこれらの混合物として用いられる。結着剤の添加量は、2〜30重量%が好ましい。フィラーは、構成された電池において、化学変化を起こさない繊維状材料であれば何でも用いることができる。通常、ポリプロピレン、ポリエチレンなどのオレフィン系ポリマー、ガラス、炭素などの繊維が用いられる。フィラーの添加量は特に限定されないが、0〜30重量%が好ましい。
【0061】
二次電池の製造に用いられる非水電解液としては、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、 γ−ブチロラクトン、1,2−ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、ジメチルスルフォキシド、1,3−ジオキソラン、ホルムアミド、ジメチルホルムアミド、ジオキソラン、アセトニトリル、ニトロメタン、蟻酸メチル、酢酸メチル、リン酸トリエステル(特開昭60−23,973号)、トリメトキシメタン(特開昭61−4,170号)、ジオキソラン誘導体(特開昭62−15,771号、同62−22,372号、同62−108,474号)、スルホラン(特開昭62−31,959号)、3−メチル−2−オキサゾリジノン(特開昭62−44,961号)、プロピレンカーボネート誘導体(特開昭62−290,069号、同62−290,071号)、テトラヒドロフラン誘導体(特開昭63−32,872号)、ジエチルエーテル(特開昭63−62,166号)、1,3−プロパンサルトン(特開昭63−102,173号)などの非プロトン性有機溶媒の少なくとも1種以上を混合した溶媒とその溶媒に溶けるリチウム塩、例えば、LiClO4 、LiBF4 、LiPF6 、LiCF3 SO3 、LiCF3 CO2 、LiAsF6 、LiSbF6 、LiB10Cl10(特開昭57−74,974号)、低級脂肪族カルボン酸リチウム(特開昭60−41,773号)、LiAlCl4 、LiCl、LiBr、LiI(特開昭60−247265号)、クロロボランリチウム(特開昭61−165,957号)、四フェニルホウ酸リチウム(特開昭61−214,376号)などの1種以上の塩から構成されている。中でも、プロピレンカ−ボネ−トあるいはエチレンカボートと1,2−ジメトキシエタンおよび/あるいはジエチルカーボネートの混合液にLiCF3 SO3 ,LiClO4 、LiBF4 および/あるいはLiPF6 を含む電解質が好ましいこれら電解質を電池内に添加する量は、特に限定されないが、正極活物質や負極活物質の量や電池のサイズによって必要量用いることができる。溶媒の体積比率は、特に限定されないが、プロピレンカーボネートあるいはエチレンカボート対1,2−ジメトキシエタンおよび/あるいはジエチルカーボネートの混合液の場合、0.4/0.6〜0.6/0.4(1,2−ジメトキシエタンとジエチルカボネートを両用するときの混合比率は0.4/0.6〜0.6/04)が好ましい。支持電解質の濃度は、特に限定されないが、電解液1リットル当たり0.2〜3モルが好ましい。
【0062】
以上の電解液の中で、二次電池の充放電のサイクル寿命を良化する効果の点で、電解液組成として特に好ましいものは、少なくともエチレンカーボネートを溶媒、少なくともLiPF6 をリチウム塩として含む組成であり、もう1つの好ましい組成は、少なくともエチレンカーボネートとジエチルカーボネートを共に溶媒として、少なくともLiPF6 をリチウム塩として含む組成であり、別の好ましい組成は、少なくともエチレンカーボネートとジメチルカーボネートを共に溶媒として、少なくともLiPF6 をリチウム塩として含む組成である。
【0063】
また、電解液の他に次の様な有機固体電解質も用いることができる。たとえばポリエチレンオキサイド誘導体か該誘導体を含むポリマー(特開昭63−135447号)、ポリプロピレンオキサイド誘導体か該誘導体を含むポリマー、イオン解離基を含むポリマー(特開昭62−254,302号、同62−254,303号、同63−193,954号)、イオン解離基を含むポリマーと上記非プロトン性電解液の混合物(米国特許第4,792,504号、同4,830,939号、特開昭62−22,375号、同62−22,376号、同63−22,375号、同63−22,776号、特開平1−95,117号)、リン酸エステルポリマー(特開昭61−256,573号)が有効である。さらに、ポリアクリロニトリルを電解液に添加する方法もある(特開昭62−278,774号)。また、無機と有機固体電解質を併用する方法(特開昭60−1,768号)も知られている。
【0064】
二次電池に用いるセパレーターとしては、大きなイオン透過度を持ち、所定の機械的強度を持ち、絶縁性の薄膜が用いられる。耐有機溶剤性と疎水性からポリプレピレンなどのオレフィン系ポリマーあるいはガラス繊維あるいはポリエチレンなどからつくられたシートや不織布が用いられる。セパレーターの孔径は、一般に電池用として有用な範囲が用いられる。例えば、0.01〜10μmが用いられる。セパレターの厚みは、一般に電池用の範囲で用いられる。例えば、5〜300μmが用いられる。
【0065】
電解質にポリマーなどの固体電解質が用いられる場合には、固体電解質がセパレーターを兼ねる場合がある。
【0066】
放電や充放電特性を改良する目的で、以下で示す化合物を電解質に添加することが知られている。例えば、ピリジン(特開昭49−108,525号)、トリエチルフォスファイト(特開昭47−4,376号)、トリエタノ−ルアミン(特開昭52−72,425号)、環状エーテル(特開昭57−152,684号)、エチレンジアミン(特開昭58−87,777号)、n−グライム(特開昭58−87,778号)、ヘキサリン酸トリアミド(特開昭58−87,779号)、ニトロベンゼン誘導体(特開昭58−214,281号)、硫黄(特開昭59−8,280号)、キノンイミン染料(特開昭59−68,184号)、N−置換オキサゾリジノンとN,N’−置換イミダゾリジノン(特開昭59−154,778号)、エチレングリコールジアルキルエーテル(特開昭59−205,167号)、四級アンモニウム塩(特開昭60−30,065号)、ポリエチレングリコール(特開昭60−41,773号)、ピロール(特開昭60−79,677号)、2−メトキシエタノール(特開昭60−89,075号)、三塩化アルミニウム(特開昭61−88,466号)、導電性ポリマー電極活物質のモノマ−(特開昭61−161,673号)、トリエチレンホスホンアミド(特開昭61−208,758号)、トリアルキルホスフィン(特開昭62−80,976号)、モルフォリン(特開昭62−80,977号)、カルボニル基を持つアリール化合物(特開昭62−86,673号)、ヘキサメチルホスホリックトリアミドと4−アルキルモルフォリン(特開昭62−217,575号)、二環性の三級アミン(特開昭62−217,578号)、オイル(特開昭62−287,580号)、四級ホスホニウム塩(特開昭63−121,268号)、三級スルホニウム塩(特開昭63−121,269号)などが挙げられる。
【0067】
また、電解液を不燃性にするために含ハロゲン溶媒、例えば、四塩化炭素、三弗化塩化エチレンを電解液に含ませることができる(特開昭48−36,632号)。また、高温保存に適性をもたせるために電解液に炭酸ガスを含ませることができる(特開昭59−134,567号)。
【0068】
正極や負極の合剤には電解液あるいは支持塩を含ませてもよい。例えば、前記イオン導電性ポリマーやニトロメタン(特開昭48−36,633号)、電解液(特開昭57−124,870号)を含ませる方法が知られている。
【0069】
また、正極活物質の表面を改質することができる。例えば、金属酸化物の表面をエステル化剤(特開昭55−163,779号)やキレート化剤(特開昭55−163,780号)で処理したり、導電性高分子(特開昭58−163,188号、同59−14,274号)、ポリエチレンオキサイドなど(特開昭60−97,561号)の表面層の被覆によって改質する方法が挙げられる。また、同様に負極活物質の表面を改質することもできる。例えば、イオン導電性ポリマーやポリアセチレン層を被覆したり(特開昭58−111,276号)、Li塩により表面処理する(特開昭58−142,771号)ことが挙げられる。
【0070】
電極活物質の集電体としては、構成された電池において化学変化を起こさない電子伝導体であれば何でもよい。例えば、正極には、材料としてステンレス鋼、ニッケル、アルミニウム、チタン、焼成炭素などの他に、アルミニウムやステンレス鋼の表面にカーボン、ニッケル、チタンあるいは銀を処理させたもの、負極には、材料としてステンレス鋼、ニッケル、銅、チタン、アルミニウム、焼成炭素などの他に、銅やステンレス鋼の表面にカーボン、ニッケル、チタンあるいは銀を処理させたもの)、Al−Cd合金などが用いられる。これらの材料の表面を酸化することも用いられる。形状は、フォイルの他、フィルム、シート、ネット、パンチされたもの、ラス体、多孔質体、発泡体、繊維群の成形体などが用いられる。厚みは、特に限定されないが、5〜100μmのものが用いられる。
【0071】
図1は、シリンダ型電池の断面図である。電池の形状はシリンダ、角のいずれにも適用できる。巻芯をシリンダ形にすれば、シリンダ型電池を製造することができ、巻芯を角形にすれば、角型電池を製造することができる。電池は、セパレーター4と共に巻回した正極シート3と負極シート2を電池缶1に挿入し、電池缶1と負極シート2を電気的に接続し、電解液を注入し封口して形成する。端子キャップ13は正極端子を兼ね、ガスケット7を介して電池缶1の上部口に嵌合される。正極シート3は、正極リード8、溶接プレート15、防爆弁体9、電流遮断スイッチ10、正温度係数抵抗(以下、PTCという)リング11を介して端子キャップ13に電気的に接続される。
【0072】
封口体は、上から順に端子キャップ13、PTCリング11、電流遮断スイッチ10、防爆弁体9が重ねられ、ガスケット7に嵌入支持される。端子キャップ13は、電池の表面露出部分であり、防爆弁体9は電池内側である。絶縁カバー16は、防爆弁体9の上側の表面を覆う。電流遮断スイッチ10は、第一導通体10aと第二導通体10bと絶縁リング10cを有する。
【0073】
電極群は、正極シート3と負極シート2を、間にセパレータ4を挟んで巻回したものである。その電極群と防爆弁体9の間に、上部絶縁板6が配置される。上部絶縁板6は、電極群と封口体を絶縁すると共に、電極群と電池缶1を絶縁する。電極群と電池缶1の間に下部絶縁板5を配置し、電極群と電池缶1を絶縁する。
【0074】
PTCリング11は電池内温度が上昇すると抵抗が増大して電流を遮断する機能をもつ。電流遮断スイッチ10は、第一導通体10aと絶縁リング10cと第二導通体10bの積層構造体であり、第一導通体10aは防爆弁体9側に配置され貫通孔を有し、第二導通体10bはPTCリング11側すなわち端子キャップ13側に配置され貫通孔を有する構造である。第一導通体10aと第二導通体10bとは中央部で電気的に接続され、該第一導通体10aの該接続部の周囲に肉薄部を有している。防爆弁体9は、内圧上昇時に電極群側とは反対側へ変形できるもので、上記した第一導通体10aの中央接続部を押し上げることができるものであれば良い。電池内の異常反応により、内圧が上昇すると防爆弁体9が変形して電流遮断スイッチ10の第一導通体10aと第二導通体10bの接続部分を破断して電流を遮断し、さらに圧力が増加すると防爆弁体9の肉薄部が破壊して圧力を放出する。この時電流遮断スイッチ10を防爆弁体9の電極群側とは反対側に配置しているので、遮断部においてスパークが生じても、電解液蒸気への引火を原因とする電池の破裂が防止される。
【0075】
電池の形状はコイン、ボタン、シート、シリンダー、角などいずれにも適用できる。コインやボタンでは、正極活物質や負極活物質の合剤はペレットの形状にプレスされて用いられる。また、シート、シリンダー、角では、正極活物質や負極活物質の合剤は、集電体の上に塗布、乾燥、脱水、プレスされて用いられる。その塗布厚みは、電池の大きさにより決められるが、乾燥後の圧縮された状態で10〜500μmが特に好ましい。
【0076】
非水二次電池の用途は、特に限定されないが、例えば、電子機器に搭載する場合、カラーノートパソコン、白黒ノートパソコン、ペン入力パソコンポケット(パームトップ)パソコン、ノート型ワープロ、ポケットワープロ、電子ブックプレーヤー、携帯電話、コードレスフォン子機、ページャー、ハンディターミナル、携帯ファックス、携帯コピー、携帯プリンター、ヘッドフォンステレオ、ビデオムービー、液晶テレビ、ハンディークリーナー、ポータブルCD、ミニディスク、電気シェーバー、電子翻訳機、自動車電話、トランシーバー、電動工具、電子手帳、電卓、メモリーカード、テープレコーダー、ラジオ、バックアップ電源、メモリーカードなどが挙げられる。その他民生用として、自動車、電動車両モーター、照明器具、玩具、ゲーム機器、ロードコンディショナー、アイロン、時計、ストロボ、カメラ、医療機器(ペースメーカー、補聴器、肩もみ機など)などが挙げられる。更に、各種軍需用、宇宙用として用いることができる。また太陽電池と組み合わせることもできる。
【0077】
【実施例】
以下に電池作製の実施例を挙げて本発明をさらに詳しく説明するが、発明の主旨を越えない限り、本発明の範囲はこれらの実施例に限定されるものではない。
【0078】
〔実施例1〕
(正極活物質の調整)
炭酸リチウム粉末(純度99.38重量%)63.29g(0.004重量%硫酸根含有)、硫酸リチウム1水塩0.0111g、及び酸化コバルト(コバルト含量73.4重量%)136.71g(0.005重量%硫酸根含有)をアルミナ坩堝に入れ充分混合して均一な混合物を調整した。酸化コバルトの平均粒径は約3μmである。次いで、この混合物をアルミナ坩堝に充填し、電気加熱炉に入れ大気雰囲気下で昇温し、940℃でこの温度を保持して焼成処理した。得られた焼成物を大気中で冷却した後粉砕し、0.01重量%硫酸根含有コバルト酸リチウムLiCoO2 を得た(正極活物質C−1)。
【0079】
硫酸根含有率と硫酸塩の種類及び使用量が異なる以外は正極活物質C−1と同様にして硫酸根含有率の異なる〔表1〕の正極活物質C−2〜C−12及び比較−1、比較−2を得た。
【0080】
【表1】

Figure 0004235702
【0081】
ここでAは硫酸カルシウム2水塩、Bは硫酸水素テトラブチルアンモニウムである。
【0082】
正極活物質C−1〜C−7及び比較−1、比較−2は、硫酸リチウム1水素の添加量を調整することにより、硫酸根の濃度を変化させている。正極活物質C−8〜C−10は、炭酸リチウム又は酸化コバルト中の硫酸根含有率を変化させている。正極活物質C−11及びC−12は、添加する硫酸塩を変化させている。
【0083】
硫酸根の定量は、以下の方法により行った。
試料0.5gを30mlビーカーに秤量し、(1+1)硝酸6ml及び(1+1)過酸化水素4mlを加え、ホットプレート上て加熱し、完全に溶解させる。次いで、放冷した後、100mlメスフラスコに移し、定容する。さらに、10倍に希釈し、イオンクロマトグラフ(米国 DIONEX社製、2000i/s型)にて硫酸根を定量した。
【0084】
(負極材料である複合金属酸化物の合成例,溶融法)
SnOを67.4g、B2 3 を17.4g、Sn2 2 7 を102.8g混合し、自動乳鉢で十分に粉砕、混合した後、アルミナ製るつぼにセットしてアルゴンガス雰囲気下で1000℃で10時間焼成を行った。焼成後、100℃/分の速度で急冷し、黄色透明ガラス状の負極活物質前駆体SnB0.5 0.5 3 を得た(化合物A−1)。活物質のX線回折を測定したところ、Cu−α線の照射下で2θ=20−35°の領域にブロードな回折のバンドを示したが、結晶構造に帰属するシャープな回折線は検出されず、活物質構造がアモルファス(非晶質)であることが判明した。
【0085】
(電極合剤シートの作製例)
正極合剤として、正極活物質の化合物C−1を用い、正極活物質に対して、アセチレンブラック6.7重量%、そして結着剤としてポリテトラフルオロエチレンの水分散物3.3重量%とポリアクリル酸ナトリウム1.1重量%からなる混合物に水を加えて混練し、得られたスラリーを厚さ30μmのアルミニウムフィルム(正極集電体)の両面に塗布して、正極シートを作製した。塗布シートを乾燥、プレスした結果、乾膜の塗布量は片面当たり230g/m2 、塗布膜の厚みは片面当たりおよそ90μmであった。〔表1〕記載の正極活物質C−2〜C−12及び比較−1、比較−2を用いて同様に電極合剤シートを作製した。
【0086】
負極活物質前駆体として化合物A−1を86重量%、鱗片状黒鉛を3重量%、アセチレンブラックを6重量%、結着剤としてスチレン−ブタジエンゴムの水分散物4重量%およびカルボキシメチルセルロース1重量%からなる混合物に水を加えてホモジナイザーで10000rpmで10分以上混練し負極合剤スラリーを調製した。得られたスラリーを厚さ18μmの銅フィルム(負極集電体)の両面に塗布して、負極シートを作製した。塗布シートを乾燥、プレスした結果、乾膜の塗布量は片面当たりおよそ70g/m2 、塗布膜の厚み片面当たりおよそ30μmであった。
【0087】
次に、負極シートの活物質層の表面に、鱗片状黒鉛と酸化アルミニウムの1:4(重量比)の混合物からなる保護層(平均厚さ5μm)を塗設し、表面保護層付きの負極シートを作製した。
【0088】
(シリンダー型電池の作製例)
厚さ35μmの金属Li箔を幅5mm長さ37mmの断片に裁断し、露点−60℃の乾燥空気中で、上記の負極活物質前駆体A−1を塗布した負極シートの両面の表面保護層の上に、2mmの規則的間隔(ギャップ)を置いて圧着ローラーを用いて付着させた。負極シートへのLi付着量は重量としておよそ110mgであった。このリチウムは、負極活物質前駆体中へ電池内でリチウムを電解挿入し、負極活物質前駆体を活物質に転換するために用いられる。
【0089】
上記の正極シートを35mmの幅に裁断し、負極シートを37mmの幅に裁断して、シートの末端にそれぞれアルミニウム、ニッケルのリード板をスポット溶接した後、露点−40℃の乾燥空気中で150℃で2時間脱水乾燥した。図1の電池断面図に示したように、脱水乾燥済みの正極シート3、セパレーターとして多孔性ポリエチレンフィルム4、脱水乾燥済みの負極シート2、そしてセパレーター4の順でこれらを積層し、巻き込み機で渦巻き状に巻回した。この巻回体をニッケルメッキを施した鉄製の有底円筒型電池缶1(負極端子を兼ねる)に収納した。この電池缶1の中に電解質として1mol/リットルのLiPF6 (エチレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ジメチルカーボネートの2:2:6(体積比)混合液)を注入した。
【0090】
正極端子を有する電池蓋13をガスケット7を介してかしめて直径14mm高さ50mmの円筒型電池を作製した。なお、正極端子13は正極シート3と、電池缶1は負極シート2とあらかじめリード端子により接続した。
【0091】
上記の方法により、〔表1〕の各正極活物質を用いた電池をそれぞれ作製した。
【0092】
上記のように作製した電池は負極活物質前駆体に塗布シート保護層上のリチウムが電気化学的に挿入されるプロセスが完成されていない電池前駆体である。そこで、負極活物質前駆体にリチウムを挿入させて負極活物質に変換し、電池前駆体を充放電サイクル可能な二次電池とするための操作を、以下のように実施した。
【0093】
電池前駆体を、室温で12時間放置後、0.1Aの一定電流のもとで1時間予備充電を行い、次いで50℃のもとで10日間エージングを実施した。このエージングの工程で、負極上に担持したLiは溶解し、負極活物質前駆体の中に挿入されたことを確認した。
【0094】
この電池を活性化のために、2mA/cm2 で室温下で4.2Vまで充電を行った。さらに、充電状態で電池を55℃に保持し、3日間エージングを実施した。
【0095】
以上の電池を、充電終止電圧4.2V(開回路電圧(OCV))、放電終止電圧2.8V(回路電圧)、2mA/cm2 (0.2C相当)の電流密度の条件で繰り返し充放電させた。また電池を、10mA/cm2 (1.0C)の電流で充放電サイクルさせたときの、300サイクル終了後の初期容量に対する維持率を測定し、電池のサイクル寿命を評価した。
【0096】
上記の電池について、サイクル寿命の評価の結果を〔表2〕に整理した。
【0097】
【表2】
Figure 0004235702
【0098】
硫酸根含有率が0.01〜4.9重量%である正極活物質C−1〜C−12を用いた電池1〜7、9〜14は、サイクル維持率(寿命)が高く、サイクル特性が優れている。正極活物質(比較−1)は、硫酸根含有率が0.005重量%であって少なすぎるため、サイクル維持率が低くなった。正極活物質(比較−2)は、硫酸根含有率が6.0重量%であって多すぎるため、サイクル維持率が低くなった。
【0099】
正極活物質に含有される硫酸根の濃度は、0.01重量%〜5重量%が好ましく、0.05重量%〜2重量%がより好ましく、0.1重量%〜1重量%が特に好ましい。
【0100】
正極活物質C−1〜C7に示すように、硫酸塩の添加量を調整してもよいし、正極活物質C−8〜C−10に示すように、正極活物質材料(炭酸リチウム又は酸化コバルト)中の硫酸根含有率を調整してもよい
【0101】
〔実施例2〕
正極合剤として、実施例1の正極活物質番号比較−1を用い、正極活物質に対して、アセチレンブラック6.7重量%、そして結着剤としてポリテトラフルオロエチレンの水分散物3.3重量%とポリアルカリ酸ナトリウム1.1重量%を加え、これに硫酸リチウム1水和物を活物質に対して硫酸根が0.005重量%となるように加え、この混合物に水を加えて混練し、実施例1と同様に電極シート及び電池15を作製し、評価した。
【0102】
硫酸リチウム1水和物の添加量が異なる以外は同様にして〔表3〕の電池16〜22を得て評価した。
【0103】
【表3】
Figure 0004235702
【0104】
正極活物質に硫酸リチウムを加えて焼成した後に、硫酸根を加えて正極合剤を作製した場合にも、所定量の硫酸根濃度を有する正極のサイクル特性が優れていた。
【0105】
〔実施例3〕
負極活物質として平均粒子サイズ約5μmのグラファイトを92重量%、導電剤としてアセチレンブラック3重量%の割合で混合し、さらに結着剤としてポリ弗化ビニリデンを4重量%及びカルボキシメチルセルロースを1重量%加え、水を媒体として混練してスラリーを得た。これを厚さ10μmの銅フィルムの両面に塗布、乾燥、プレスして負極シートを作製した。この負極シートにLi箔を付着させないで用いる以外は、実施例1で作成した電池と同様に電池を作成し、評価した。結果は実施例1と同様に硫酸根を含む電池のサイクル寿命が優れていた。
【0108】
【発明の効果】
Li源及びM源(MはCo又はNi)を含む正極活物質材料に硫酸リチウムを加えて焼成することによって得られるリチウム含有複合酸化物であり、0.01重量%以上、5重量%以下の硫酸根を含有する正極活物質を二次電池に用いれば、サイクル寿命が優れた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】実施例に使用したシリンダー型の電池の断面図を示す。
【符号の説明】
1 電池缶(負極端子を兼ねる)
2 負極シート
3 正極シート
4 セパレーター
5 下部絶縁板
6 上部絶縁板
7 ガスケット
8 正極リード
9 防爆弁体
10 電流遮断スイッチ
11 PTCリング
13 電池蓋(正極端子を兼ねる)
15 溶接プレート
16 絶縁カバー[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a positive electrode active material having excellent cycle life and a lithium ion non-aqueous electrolyte secondary battery using the same.
[0002]
[Prior art]
Currently, in general-purpose lithium ion secondary batteries, various carbonaceous materials are used for a negative electrode as a material for reversibly intercalating (occluding / releasing) lithium in an ionic state. A so-called rocking chair type lithium ion secondary battery in which these lithium storage / release materials are combined using a lithium-containing metal composite oxide capable of insertion / release has been used. As the positive electrode active material of these batteries, LiCoO2LiCo1-xNixO2, LiNiO2Cobalt such as cobalt, nickel, and lithium are used, and high potential and high capacity are achieved. However, there is still a high demand for improvement in terms of cycle life, and various attempts have been made. These attempts include stabilizing the crystal structure by dissolving different metals and metalloid elements in the active material cobalt or nickel-lithium composite oxide, and the amount of impurity elements such as sodium and potassium. Although there are attempts to adjust, satisfactory cycle life has not yet been achieved.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to provide a positive electrode active material having a long cycle life or a manufacturing method thereof, and secondly, a lithium ion non-aqueous electrolyte secondary using these positive electrode active materials and having excellent cycle characteristics. It is to provide a battery.
[0004]
[Means for Solving the Problems]
  Of the present inventionAccording to one aspect,
  (A) preparing a positive electrode active material containing a Li source and an M source (M is Co or Ni);
  (B) adding and baking lithium sulfate to the positive electrode active material, and
For producing a positive electrode active material for a lithium ion non-aqueous electrolyte secondary battery, wherein a positive electrode active material containing 0.01 wt% or more and 5 wt% or less sulfate radical
Is obtained.
[0005]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Although the form of this invention is demonstrated below, this invention is not limited to these.
[0006]
(1) Positive electrode active materialIt is obtained by adding lithium sulfate to a positive electrode active material containing a Li source and an M source (M is Co or Ni) and firing it.A lithium-containing composite oxide,0.01 wt% or more and 5 wt% or lessA positive electrode active material for a lithium ion non-aqueous electrolyte secondary battery, comprising a sulfate group.
[0009]
(2) In a secondary battery including a positive electrode, a negative electrode, a separator and a non-aqueous electrolyte containing a lithium salt,The positive electrode is a lithium-containing composite oxide obtained by adding lithium sulfate to a positive electrode active material containing a Li source and an M source (M is Co or Ni) and firing, and is 0.01 wt% or more and 5 wt% Contains less than% sulfate radicalA lithium ion non-aqueous electrolyte secondary battery characterized by the above.
[0013]
(3) (A) a step of preparing a positive electrode active material containing a Li source and an M source (M is Co or Ni); and (b) sulfuric acid in the positive electrode active material.lithiumAdding and baking.A positive electrode active material containing 0.01 wt% or more and 5 wt% or less of sulfate radicals,A method for producing a positive electrode active material for a lithium ion non-aqueous electrolyte secondary battery.
[0014]
(4)Between the steps (a) and (b),(c) Measuring the concentration of sulfate radicals contained in the positive electrode active materialTheIncludeItem 3A method for producing a positive electrode active material for a lithium ion non-aqueous electrolyte secondary battery.
[0015]
  (5) Said process (b) Depending on the measurement result, the positive electrode active materialAdd lithium sulfate toTerms for adjusting the concentration of sulfate radicals and firing4The manufacturing method of the positive electrode active material of description.
[0016]
  (6) (A) a step of firing a positive electrode active material containing a Li source and an M source (M is Co or Ni); and (b) sulfuric acid added to the fired positive electrode active material.lithiumAnd adjusting the positive electrode mixture by addingProducing a positive electrode mixture containing 0.01 wt% or more and 5 wt% or less of sulfate radicals,The manufacturing method of the positive mix for lithium ion non-aqueous electrolyte secondary batteries.
[0017]
Hereinafter, the positive electrode material according to the embodiment of the present invention and the lithium ion non-aqueous electrolyte secondary battery according to the embodiment of the present invention will be described in detail.
[0018]
The positive electrode active material is LixM1-yNyO2-zXa(M is Co or Ni, N is a transition metal element that is not the same as M, or one or more elements selected from Group 2, Group 13, and Group 14 elements of the periodic table, and X is a halogen element. A lithium-containing composite oxide having a composition of 0.2 <x ≦ 1.2, 0 ≦ y ≦ 0.5, 0 ≦ z ≦ 1, 0 ≦ a ≦ 2z), and LiXCoO2, LiXNiO2 In this case, cobalt or nickel and a part of oxygen are substituted with other elements.
[0019]
Specifically, N is preferably one or more elements selected from Mg, B, Al, Sn, Si, Ga, Mn, Co, Ni, Fe, Ti, Nb, Zr, Mo, and W (provided that M is N is an element other than Co when Co, and N is an element other than Ni when M is Ni).
[0020]
X is a halogen element, and a fluorine atom is particularly preferable.
A preferable positive electrode active material is a composite oxide of lithium and cobalt and / or nickel, and a material represented by the following general formula (1) is preferable.
[0021]
General formula (1) LixNiyCo1-yzMzO2
In the above formula, M is at least one selected from B, Al, Sn, Si, Ca, Fe, Mn, Ti, Nb, Zn, Mo, W, and Sr, 0.1 ≦ x ≦ 1.05, 0 ≦ y ≦ 0.9 and 0 ≦ z ≦ 0.2.
[0022]
As a preferred specific positive electrode active material compound, LiCoO2 , LiNi0.02Co0.98O2 , LiNi0.05Co0.95O2 , LiNi0.1 Co0.9O2 , LiNi0.15Co0.85O2 , LiNi0.2 Co0.8O2 , LiNi0.78Co0.2 Al0.02O2 , LiNiO2 , LiNi0.67Co0.3 Sr0.03O2 Can be mentioned.
[0023]
As a particularly preferred positive electrode active material, LiCoO2 , LiNi0.2 Co0.8O2 , LiNi0.78Co0.2 Al0.02O2 , LiNiO2 , LiNi0.67Co0.3 Sr0.03O2 Can be mentioned.
[0024]
It is difficult to obtain these compounds with high purity, and as described in [Prior Art], different elements such as Na, K, Mg, Ca, Al, Cu, Fe, and Si are used as impurities as the positive electrode. It will be mixed into the active material. Since these impurities cause a reduction in the discharge capacity and cycle life of the battery, it is preferable to reduce the impurities in principle.
[0025]
In order to synthesize a positive electrode active material containing a sulfate group, a compound containing a large amount of a sulfate group may be used as a reaction raw material, or an inorganic or organic sulfate may be added.
[0026]
As the reaction raw material, lithium carbonate as a lithium source, cobalt oxide or nickel oxide as a raw material for M, various oxides as a raw material for N, or the like having a high sulfate radical content can be selected.
[0027]
  Add and useInorganic sulfateas,Lithium sulfate can be used.
[0028]
The content of sulfate radicals in the positive electrode active material is represented by (weight of sulfate radical determined by analysis) / (weight of positive electrode active material obtained by synthesis), and is preferably 0.01 wt% or more and 5 wt% or less. . Furthermore, 0.05 wt% or more and 2 wt% or less is more preferable, and 0.1 wt% or more and 1 wt% or less is particularly preferable. Various methods can be used for the determination of the sulfate radical. For example, the sulfate radical can be quantified by ion chromatography after completely dissolving the sample with nitric acid / hydrogen peroxide or the like. In addition, sulfate radicals can be quantified by ICP emission analysis or titration. The ICP emission analysis method is a method in which a sample is dissolved with nitric acid and perchloric acid, sulfur is quantified by ICP emission analysis, and converted to a sulfate radical. The titration method involves adding barium chromate and dilute hydrochloric acid solution to the sample, neutralizing with ammonia, filtering, and replacing the sulfate radical with CrO in the filtrate.Four 2-Is determined by the iodine method, and the sulfate radical is quantified indirectly (for details, see the Chemical Society of Japan, published by Maruzen Co., Ltd., “Experimental Chemistry Course 15 Analytical Chemistry (below)”).
[0029]
If there are too few sulfate radicals, the cycle characteristics of the secondary battery will deteriorate. When there are too many sulfate radicals, the amount of the positive electrode active material effective for the battery reaction is reduced by that amount, so that the battery capacity is reduced. The content of the sulfate radical is preferably within the above predetermined range.
[0030]
The synthesis of the lithium composite oxide containing a sulfate group consists of a lithium compound as a lithium raw material, a cobalt compound or a nickel compound as a raw material for M, and optionally Co, Ni, Mg, B, Al as a raw material for N , Sn, Si, Ga, Mn, Fe, Ti, Nb, Zr, Mo, W-containing compounds represented by other elements N, halogen compounds as necessary, and inorganic or organic sulfuric acids as necessary It is carried out by mixing a salt and performing a heat-firing reaction or a chemical reaction in a solution state typified by a sol-gel method. The raw materials may be mixed by dry mixing or wet mixing.
[0031]
As for the mixing ratio of the lithium raw material and the M and N element raw materials, it is preferable to mix the atomic ratio of lithium / (element M + element N) at a blending ratio of 0.99X or more and 1.10X or less.
[0032]
The example of the adjustment method of the content rate (concentration) of a sulfate radical is shown. First, a positive electrode active material containing lithium source and M and N element sources is prepared. Next, the concentration of sulfate radical in the positive electrode active material is measured by the ion chromatograph or the like. Next, the concentration of sulfate radicals in the positive electrode active material is adjusted according to the measurement result. Usually, the amount of sulfate radicals present as impurities in the positive electrode active material is small. In that case, an inorganic or organic sulfate (sulfate radical) is added so that the sulfate radical has a predetermined concentration. Thereafter, the added positive electrode active material is fired.
[0033]
Regarding the mixing method of the raw material powder, for example, the powder mixing method described in JP-A-62-264560, JP-A-2-40861, JP-A-6-267538, JP-A-6-231767, JP-A-4-237533, The solution mixing method described in JP-A-5-325966 and JP-A-6-203834, the synthesis method by coprecipitation described in JP-A-63-2111565, and the like can be used.
[0034]
The firing conditions include a raw material powder mixture or a slurry-like mixture in which the sulfate radical concentration is adjusted at a temperature of 600 ° C. to 1100 ° C., preferably 700 ° C. to 1000 ° C., for 2 hours to 48 hours, preferably 5 It is preferable to carry out the synthesis by reacting for 15 to 15 hours. The firing atmosphere is performed in the presence of oxygen or at an oxygen partial pressure of 0.2 atm or more as in the method of synthesis under the control of oxygen partial pressure described in JP-A-6-60887. Firing may be performed a plurality of times under the same conditions or different conditions as necessary. The raw material mixture with the sulfate group concentration adjusted may be previously filled in a pellet and molded as in the methods described in JP-A-5-283076 and JP-A-6-310145. Even when calcination is carried out, sulfate radicals hardly evaporate (disappear).
[0035]
After firing, the fired product can be cooled and pulverized to such an extent that it can be lightly crushed to obtain a positive electrode active material. In cooling, a method of quenching the fired product described in JP-A-5-198301 and JP-A-5-205741 may be used.
[0036]
In addition, a method of firing in a molten state using a LiOH hydrate described in JP-A-5-325969, a fluorine doping method described in JP-A-6-243871, and an interior of particles described in JP-A-8-138670 Alternatively, a method of synthesizing active materials having different surface compositions may be used.
[0037]
The preferable average particle diameter of the positive electrode active material is 1 to 30 μm, preferably 3 to 25 μm. This average particle size corresponds to a particle size usually measured by a laser scattering particle size distribution measurement or the like, and corresponds to a normally defined particle size.
[0038]
The specific surface area of the positive electrode active material is 0.1 to 10 m as measured by the BET method.2/ G is preferable, 0.1 to 3 m2/ G is more preferable.
[0039]
Next, a lithium ion nonaqueous electrolyte secondary battery will be described. The battery includes a positive electrode, a negative electrode, a separator, and a non-aqueous electrolyte containing a lithium salt. The positive electrode is formed by applying a positive electrode mixture composed of a positive electrode active material, a conductive agent, a binder, and the like on a positive electrode current collector. . This battery is characterized in that the positive electrode contains a sulfate group. The sulfate radical may be contained in the positive electrode active material as described above, or may be contained in a positive electrode mixture other than the active material.
[0040]
The concentration of sulfate radicals contained in the positive electrode mixture is preferably 0.008 wt% or more and 7 wt% or less in total of the amounts present in the positive electrode active material and other mixture layers. Further, it is more preferably 0.04 wt% or more and 3 wt% or less, and particularly preferably 0.08 wt% or more and 1.5 wt% or less. The sulfate radical may be included in both the positive electrode active material and the other positive electrode mixture, or may be included only in the positive electrode active material or only in the positive electrode mixture other than the active material. The same sulfate as that used for the synthesis of the positive electrode active material can be used as the sulfate that can be used.
[0041]
Negative electrode materials used for the negative electrode include metal composite oxides and carbonaceous materials. A metal composite oxide having an amorphous structure and / or a crystal structure mainly containing tin oxide, or a carbonaceous material such as graphite may be used alone, or a composite of these composite metal oxide and carbonaceous material. You may use thing. Since these negative electrode materials feature high-capacity lithium storage, the capacity of the rocking chair type secondary battery can be increased efficiently by combining the positive electrode active material having a high capacity in a well-balanced manner. .
[0042]
Examples of the carbon material include non-graphitizable carbon materials and graphite-based carbon materials. Specifically, carbon materials having surface spacing, density, and crystallite size described in JP-A-62-122066, JP-A-2-66856, JP-A-3-245473, etc. A mixture of natural graphite and artificial graphite described in Japanese Patent No. -290844, and vapor-grown carbon materials described in Japanese Patent Laid-Open Nos. 63-24555, 63-13282, 63-58763, and Japanese Patent Laid-Open No. 6-212617 A material obtained by heating and baking non-graphitizable carbon described in JP-A-5-182664 at a temperature exceeding 2400 ° C. and having a peak of X-ray diffraction corresponding to a plurality of 002 planes, No. 307957, JP-A-5-307958, JP-A-7-85862, and JP-A-8-315820, a mesophase carbon material synthesized by pitch firing described in JP-A-6-84516 Graphite with the above coating layer, various granular materials, microspheres, flat bodies, microfibers, whisker-shaped carbon materials, phenolic resins, acrylonitrile resins, furfuryl alcohol resin fired bodies, hydrogen atoms Examples thereof include carbon materials such as polyacene material. In particular, the carbon materials described in JP-A-5-182664, various granular materials, microspheres, flat plate bodies, fibers, whisker-shaped carbon materials, mesophase pitch, phenol resin, acrylonitrile resin fired bodies, Polyacene materials containing hydrogen atoms are preferred.
[0043]
The composite metal oxide includes a crystalline compound and an amorphous compound. Two or more of these compounds may be used in combination. For example, an amorphous compound may be used in combination, or a crystalline compound and an amorphous compound may be used in combination. It is also a more preferable form to use the carbonaceous material and the composite metal oxide in combination. The composite metal oxide is preferably an oxide containing Group 1, Group 2, Group 13, Group 14, Group 15, a transition metal, and a halogen element in the periodic table. When the carbonaceous material and the composite metal oxide are used in combination, the ratio is preferably 10% or more and 70% or less, preferably 20% or more, by weight of the carbonaceous material relative to the total weight of the carbonaceous material and the composite metal oxide. 50% or less is more preferable.
[0044]
Examples of crystalline metal oxides include Ag.2O, TiO2, Fe2OThree, MgO, V2OFive, NiO, CuO, ZnO, Mo2OThree, In2OThree, SnO, SnO2, SnSiOThree, In2Sn2O7These compounds occlude lithium to form a composite oxide containing lithium.
[0045]
The amorphous composite metal oxide is mainly composed of tin oxide, and one or more selected from Group 1, Group 2, Group 13, Group 14, Group 15, transition metal, and halogen elements in the periodic table It is a compound containing. These metal oxides are also called negative electrode active material precursors. More specifically, it is an amorphous composite oxide mainly containing tin, and is obtained by electrochemically inserting lithium ions into a negative electrode active material precursor represented by the following general formula.
[0046]
SnxM11-xM2yOz
Here, M1 is one or more selected from Mn, Fe, Pb, and Ge, and M2 is selected from Al, B, P, Si, Periodic Table Group 1, Group 2, Group 3, and a halogen element. Two or more elements are represented, and 0 <x ≦ 1, 0.1 ≦ y ≦ 3, and 1 ≦ z ≦ 8. To describe a more preferable composition according to the above structural formula, M1 is an element selected from Pb and Ge, and M2 is two or more selected from B, P, Si, groups 1 and 2 of the periodic table. In particular, M2 is preferably an element other than Al.
[0047]
The insertion of lithium ions into the active material precursor is carried out by cathodic polarization of the negative electrode in the presence of lithium ions in the battery and electrochemical insertion of the lithium ions into the structure.
[0048]
The complex oxide as the precursor is characterized by including an amorphous structure in the structure or being amorphous. The complex oxide contains an amorphous structure, specifically, a state that gives a diffraction scattering band having a broad peak with a weak intensity from 20 ° to 40 ° with a 2θ value by an X-ray diffraction method using CuKα rays. And may have a crystalline diffraction line in this broad scattering band. This crystalline diffraction line is a reflection of a slightly ordered structure in the amorphous structure. More preferably, when a crystalline diffraction line is observed at a 2θ value of 40 ° or more and 70 ° or less, the strongest intensity of the crystalline diffraction lines is observed at a 2θ value of 20 ° or more and 40 ° or less. The intensity of the diffraction line at the apex of the broad scattering band is preferably 500 times or less, more preferably 100 times or less, particularly preferably 5 times or less, and most preferably no crystalline diffraction line. .
[0049]
The negative electrode active material precursor is prepared by mixing a tin compound which is a tin raw material and a powder of a compound containing an element other than tin, and melting the mixture at a high temperature of 800 ° C. to 1500 ° C., preferably 900 ° C. to 1200 ° C. for 4 hours to Synthesize by reacting for 48 hours. The synthesis atmosphere is preferably an inert gas atmosphere such as nitrogen or argon. Especially the oxygen partial pressure is 10-1Or less, preferably 10-2The reaction is preferably carried out under the following conditions.
[0050]
The reaction may be quenched at a rate of 50 ° C. to 500 ° C./min to promote amorphization. Conversely, slow cooling can be performed for the purpose of increasing the density of the amorphous structure and increasing the strength.
[0051]
The glassy negative electrode material obtained by these methods is pulverized to obtain a particle size distribution and used as negative electrode particles. A preferable range of the negative electrode particles is 0.5 to 20 μm as an average particle diameter, and more preferably 1 to 10 μm.
[0052]
In addition to the melting method, a synthesis method using a solution reaction, for example, synthesis by a sol-gel method can be used. The range of the preferable average particle diameter of the particles synthesized by the sol-gel method is 0.1 to 10 μm, more preferably 0.2 to 5 μm, as the particle diameter of the secondary particles.
[0053]
Below, the preferable example of the negative electrode active material precursor used by this invention is shown.
SnSi0.8P0.2O3.1
SnSi0.5B0.2P0.2O1.85
SnSi0.8B0.2O2.9
SnSi0.8Al0.2O2.9
SnSi0.6Al0.1B0.2O1.65
SnSi0.3Al0.1P0.6O2.twenty five
SnSi0.4B0.2P0.4O2.1
SnSi0.6Al0.1B0.5O2.1
SnB0.5P0.5OThree
SnK0.2POThree.6
[0054]
SnRb0.2P0.8OThree.2
SnBa0.1P1.45OFour.Five
SnLa0.1P0.9OThree.Four
SnNa0.1B0.45O1.75
SnLi0.2B0.5P0.5OThree.1
SnCs0.1B0.4P0.4O2.65
SnBa0.1B0.4P0.4O2.7
SnCa0.1Al0.15B0.45P0.55OThree.9
SnY0.1B0.6P0.6OThree.55
SnRb0.2B0.3P0.4O2.55
[0055]
SnCs0.2B0.3P0.4O2.55
SnCs0.1B0.4P0.4O2.65
SnK0.1Cs0.1B0.4P0.4O2.7
SnBa0.1Cs0.1B0.4P0.4O2.75
SnMg0.1K0.1B0.4P0.4O2.75
SnCa0.1K0.1B0.4P0.5OThree
SnBa0.1K0.1Al0.1B0.3P0.4O2.75
SnMg0.1Cs0.1Al0.1B0.3P0.4O2.75
SnCa0.1K0.1Al0.1B0.3P0.4O2.75
SnMg0.1Rb0.1Al0.1B0.3P0.4O2.75
[0056]
SnCa0.1B0.2P0.2F0.2O2.6
SnMg0.1Cs0.1B0.4P0.4F0.2OThree.Three
Sn0.5Mn0.5Mg0.1B0.9O2.45
Sn0.5Mn0.5Ca0.1P0.9OThree.35
Sn0.5Ge0.5Mg0.1P0.9OThree.35
Sn0.5Fe0.5Ba0.1P0.9OThree.35
Sn0.8Fe0.2Ca0.1P0.9OThree.35
Sn0.3Fe0.7Ba0.1P0.9OThree.35
Sn0.9Mn0.1Mg0.1P0.9OThree.35
[0057]
Sn0.2Mn0.8Mg0.1P0.9OThree.35
Sn0.7Pb0.3Ca0.1P0.9OThree.35
Sn0.2Ge0.8Ba0.1P0.9OThree.35
SnAl0.1B0.5P0.5OThree.15
SnCs0.1Al0.4B0.5P0.5OThree.65
SnCs0.1B0.5P0.5OThree.05
SnCs0.1Ge0.05B0.5P0.5OThree.15
SnCs0.1Ge0.05Al0.3B0.5P0.5OThree.60
[0058]
Examples of the negative electrode active material that can be used with the above negative electrode material in a secondary battery include lithium metal and the above lithium alloy. The purpose of the combined use of the lithium metal and lithium alloy is to insert lithium ions into the negative electrode material in the battery, and does not use a dissolution and precipitation reaction of lithium metal or the like as the battery reaction.
[0059]
A conductive agent, a binder, a filler, etc. can be added to an electrode mixture (a positive electrode mixture and a positive electrode mixture). The conductive agent may be anything as long as it is an electron conductive material that does not cause a chemical change in the constructed battery. Usually, natural graphite (scale-like graphite, scale-like graphite, earth-like graphite, etc.), artificial graphite, carbon black, acetylene black, ketjen black, carbon fiber and metal (copper, nickel, aluminum, silver (JP-A-63-148)) , 554) etc.) Conductive materials such as powders, metal fibers or polyphenylene derivatives (Japanese Patent Laid-Open No. 59-20,971) can be included as one kind or a mixture thereof. The combined use of graphite and acetylene black is particularly preferred. The addition amount is not particularly limited, but is preferably 1 to 50% by weight, particularly preferably 2 to 30% by weight. In the case of carbon or graphite, 2 to 15% by weight is particularly preferable.
[0060]
The binder is usually starch, polyvinyl alcohol, carboxymethyl cellulose, hydroxypropyl cellulose, regenerated cellulose, diacetyl cellulose, polyvinyl chloride, polyvinyl pyrrolidone, tetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyethylene, polypropylene, ethylene-propylene-di. Enter polymers (EPDM), sulfonated EPDM, styrene butadiene rubber, polybutadiene, fluororubber, polyethylene oxide and other polysaccharides, thermoplastic resins, rubber elastic polymers and the like are used as one kind or a mixture thereof. The addition amount of the binder is preferably 2 to 30% by weight. Any filler can be used as long as it is a fibrous material that does not cause a chemical change in the constructed battery. Usually, olefin polymers such as polypropylene and polyethylene, fibers such as glass and carbon are used. Although the addition amount of a filler is not specifically limited, 0 to 30 weight% is preferable.
[0061]
Non-aqueous electrolytes used for the production of secondary batteries include propylene carbonate, ethylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, γ-butyrolactone, 1,2-dimethoxyethane, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, dimethylsulfate. Foxoxide, 1,3-dioxolane, formamide, dimethylformamide, dioxolane, acetonitrile, nitromethane, methyl formate, methyl acetate, phosphoric acid triester (JP 60-23973), trimethoxymethane (JP 61 61) -4,170), dioxolane derivatives (JP-A Nos. 62-15771, 62-22,372, 62-108,474), sulfolane (JP-A No. 62-31,959), 3-methyl-2-oxa Lidinone (JP 62-44961), propylene carbonate derivatives (JP 62-290,069, 62-290,071), tetrahydrofuran derivatives (JP 63-32,872), A solvent in which at least one aprotic organic solvent such as diethyl ether (Japanese Patent Laid-Open No. 63-62,166) and 1,3-propane sultone (Japanese Patent Laid-Open No. 63-102,173) is mixed, and Lithium salts that are soluble in solvents, for example LiClOFour, LiBFFour, LiPF6, LiCFThreeSOThree, LiCFThreeCO2, LiAsF6, LiSbF6, LiBTenClTen(JP 57-74,974), lower aliphatic lithium carboxylate (JP 60-41,773), LiAlCl4, LiCl, LiBr, LiI (JP 60-247265), lithium chloroborane (Japanese Patent Laid-Open No. 61-165,957) and lithium tetraphenylborate (Japanese Patent Laid-Open No. 61-214,376) and the like. Among them, a mixture of propylene carbonate or ethylene carbonate and 1,2-dimethoxyethane and / or diethyl carbonate is mixed with LiCF.ThreeSOThree, LiClOFour, LiBFFourAnd / or LiPF6The amount of these electrolytes preferably added to the battery is not particularly limited, but can be used depending on the amount of the positive electrode active material and the negative electrode active material and the size of the battery. The volume ratio of the solvent is not particularly limited, but is 0.4 / 0.6 to 0.6 / 0.4 in the case of a mixed solution of propylene carbonate or ethylene carbonate and 1,2-dimethoxyethane and / or diethyl carbonate. (The mixing ratio when both 1,2-dimethoxyethane and diethyl carbonate are used is preferably 0.4 / 0.6 to 0.6 / 04). The concentration of the supporting electrolyte is not particularly limited, but is preferably 0.2 to 3 mol per liter of the electrolytic solution.
[0062]
Among the above electrolytic solutions, particularly preferable as the electrolytic solution composition in terms of the effect of improving the charge / discharge cycle life of the secondary battery is at least ethylene carbonate as a solvent, and at least LiPF.6As a lithium salt, and another preferred composition is at least LiPF using at least ethylene carbonate and diethyl carbonate as a solvent.6Is a composition containing lithium as a lithium salt, and another preferred composition is at least LiPF using both ethylene carbonate and dimethyl carbonate as a solvent.6In the form of a lithium salt.
[0063]
In addition to the electrolytic solution, the following organic solid electrolyte can also be used. For example, a polyethylene oxide derivative or a polymer containing the derivative (Japanese Patent Laid-Open No. 63-135447), a polypropylene oxide derivative or a polymer containing the derivative, a polymer containing an ionic dissociation group (Japanese Patent Laid-Open Nos. 62-254,302 and 62- 254,303, 63-193,954), a mixture of an ion-dissociating group-containing polymer and the above aprotic electrolyte (US Pat. Nos. 4,792,504, 4,830,939, JP, Sho 62-22,375, 62-22,376, 63-22,375, 63-22,776, JP-A-1-95,117), phosphate polymer (JP-A) 61-256, 573) is effective. Furthermore, there is a method of adding polyacrylonitrile to the electrolytic solution (Japanese Patent Laid-Open No. 62-278,774). In addition, a method using an inorganic and organic solid electrolyte in combination (Japanese Patent Laid-Open No. 60-1,768) is also known.
[0064]
As a separator used for the secondary battery, an insulating thin film having a large ion permeability and a predetermined mechanical strength is used. Sheets and non-woven fabrics made from olefin polymers such as polypropylene, glass fibers or polyethylene are used because of their organic solvent resistance and hydrophobicity. A range useful for batteries is generally used as the pore diameter of the separator. For example, 0.01 to 10 μm is used. The thickness of the separator is generally used in the battery range. For example, 5 to 300 μm is used.
[0065]
When a solid electrolyte such as a polymer is used as the electrolyte, the solid electrolyte may also serve as a separator.
[0066]
In order to improve discharge and charge / discharge characteristics, it is known to add the following compounds to the electrolyte. For example, pyridine (JP 49-108,525), triethyl phosphite (JP 47-4,376), triethanolamine (JP 52-72,425), cyclic ether (JP No. 57-152,684), ethylenediamine (JP 58-87,777), n-glyme (JP 58-87,778), hexaphosphoric triamide (JP 58-87,779). ), Nitrobenzene derivatives (JP-A 58-214,281), sulfur (JP-A 59-8,280), quinoneimine dyes (JP-A 59-68,184), N-substituted oxazolidinones and N, N'-substituted imidazolidinone (JP 59-154,778), ethylene glycol dialkyl ether (JP 59-205,167), quaternary ammonium salt (special Sho 60-30,065), polyethylene glycol (JP 60-41,773), pyrrole (JP 60-79,677), 2-methoxyethanol (JP 60-89,075). ), Aluminum trichloride (Japanese Patent Laid-Open No. 61-88,466), a monomer of conductive polymer electrode active material (Japanese Patent Laid-Open No. 61-161,673), triethylenephosphonamide (Japanese Patent Laid-Open No. 61-208, 758), trialkylphosphine (JP 62-80,976), morpholine (JP 62-80,977), aryl compounds having a carbonyl group (JP 62-86,673). Hexamethylphosphoric triamide and 4-alkylmorpholine (JP 62-217,575), bicyclic tertiary amine (JP 62-217,578), oi (JP 62-287,580), quaternary phosphonium salts (JP-63-121,268), and a tertiary sulfonium salt (JP 63-121,269).
[0067]
In order to make the electrolyte nonflammable, a halogen-containing solvent such as carbon tetrachloride or ethylene trifluoride chloride can be contained in the electrolyte (Japanese Patent Laid-Open No. 48-36,632). In addition, carbon dioxide gas can be included in the electrolytic solution to make it suitable for high-temperature storage (Japanese Patent Laid-Open No. 59-134,567).
[0068]
The mixture of the positive electrode and the negative electrode may contain an electrolytic solution or a supporting salt. For example, a method is known in which the ion conductive polymer, nitromethane (Japanese Patent Laid-Open No. 48-36,633), and an electrolytic solution (Japanese Patent Laid-Open No. 57-124,870) are included.
[0069]
In addition, the surface of the positive electrode active material can be modified. For example, the surface of a metal oxide is treated with an esterifying agent (Japanese Patent Laid-Open No. 55-163,779) or a chelating agent (Japanese Patent Laid-Open No. 55-163,780), or a conductive polymer (Japanese Patent Laid-Open No. 58-163,188 and 59-14,274), and a method of modifying by coating the surface layer of polyethylene oxide or the like (Japanese Patent Laid-Open No. 60-97,561). Similarly, the surface of the negative electrode active material can be modified. For example, an ion conductive polymer or a polyacetylene layer can be coated (Japanese Patent Laid-Open No. 58-111,276), or surface treatment can be performed with a Li salt (Japanese Patent Laid-Open No. 58-142,771).
[0070]
The current collector of the electrode active material may be anything as long as it is an electronic conductor that does not cause a chemical change in the constructed battery. For example, in addition to stainless steel, nickel, aluminum, titanium, calcined carbon, etc. as materials for the positive electrode, the surface of aluminum or stainless steel is treated with carbon, nickel, titanium, or silver. In addition to stainless steel, nickel, copper, titanium, aluminum, calcined carbon, etc., the surface of copper or stainless steel treated with carbon, nickel, titanium or silver), Al—Cd alloy, or the like is used. Oxidizing the surface of these materials is also used. As the shape, a film, a sheet, a net, a punched product, a lath body, a porous body, a foamed body, a molded body of a fiber group, and the like are used in addition to the foil. The thickness is not particularly limited, but a thickness of 5 to 100 μm is used.
[0071]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a cylinder type battery. The battery shape can be applied to both cylinders and corners. A cylindrical battery can be manufactured by making the winding core into a cylinder shape, and a rectangular battery can be manufactured by making the winding core into a square shape. The battery is formed by inserting the positive electrode sheet 3 and the negative electrode sheet 2 wound together with the separator 4 into the battery can 1, electrically connecting the battery can 1 and the negative electrode sheet 2, and injecting and sealing the electrolyte. The terminal cap 13 also serves as a positive electrode terminal and is fitted into the upper opening of the battery can 1 via the gasket 7. The positive electrode sheet 3 is electrically connected to the terminal cap 13 via a positive electrode lead 8, a welding plate 15, an explosion-proof valve body 9, a current cutoff switch 10, and a positive temperature coefficient resistance (hereinafter referred to as PTC) ring 11.
[0072]
In the sealing body, the terminal cap 13, the PTC ring 11, the current cutoff switch 10, and the explosion-proof valve body 9 are stacked in order from the top, and are fitted and supported by the gasket 7. The terminal cap 13 is a surface exposed portion of the battery, and the explosion-proof valve body 9 is inside the battery. The insulating cover 16 covers the upper surface of the explosion-proof valve body 9. The current cutoff switch 10 includes a first conductive body 10a, a second conductive body 10b, and an insulating ring 10c.
[0073]
The electrode group is obtained by winding the positive electrode sheet 3 and the negative electrode sheet 2 with the separator 4 interposed therebetween. The upper insulating plate 6 is disposed between the electrode group and the explosion-proof valve body 9. The upper insulating plate 6 insulates the electrode group and the sealing body, and insulates the electrode group and the battery can 1. A lower insulating plate 5 is disposed between the electrode group and the battery can 1 to insulate the electrode group from the battery can 1.
[0074]
The PTC ring 11 has a function of cutting off current by increasing resistance when the temperature inside the battery rises. The current cutoff switch 10 is a laminated structure of a first conducting body 10a, an insulating ring 10c, and a second conducting body 10b. The first conducting body 10a is disposed on the explosion-proof valve body 9 side and has a through hole. The conductive body 10b is arranged on the PTC ring 11 side, that is, the terminal cap 13 side, and has a structure having a through hole. The first conductor 10a and the second conductor 10b are electrically connected at the center, and have a thin portion around the connection portion of the first conductor 10a. The explosion-proof valve body 9 can be deformed to the side opposite to the electrode group side when the internal pressure is increased, and may be anything that can push up the central connection portion of the first conductive body 10a. When the internal pressure rises due to an abnormal reaction in the battery, the explosion-proof valve body 9 is deformed to break the connecting portion between the first conducting body 10a and the second conducting body 10b of the current cutoff switch 10 to cut off the current. If it increases, the thin part of the explosion-proof valve body 9 is destroyed and the pressure is released. At this time, since the current cut-off switch 10 is arranged on the side opposite to the electrode group side of the explosion-proof valve body 9, even if a spark occurs in the cut-off portion, the battery is prevented from rupture due to ignition of the electrolyte vapor. Is done.
[0075]
The battery shape can be applied to any of coins, buttons, sheets, cylinders, and corners. In coins and buttons, a mixture of a positive electrode active material and a negative electrode active material is used after being pressed into a pellet shape. In the sheet, cylinder, and corner, the positive electrode active material and the negative electrode active material mixture are applied onto a current collector, dried, dehydrated, and pressed. The coating thickness is determined by the size of the battery, and is preferably 10 to 500 μm in a compressed state after drying.
[0076]
Applications of non-aqueous secondary batteries are not particularly limited. For example, when installed in electronic devices, color notebook computers, monochrome notebook computers, pen input computer pocket (palmtop) computers, notebook word processors, pocket word processors, electronic books Player, mobile phone, cordless phone, pager, handy terminal, mobile fax, mobile copy, mobile printer, headphone stereo, video movie, LCD TV, handy cleaner, portable CD, minidisc, electric shaver, electronic translator, automobile Examples include telephones, transceivers, power tools, electronic notebooks, calculators, memory cards, tape recorders, radios, backup power supplies, and memory cards. Others for consumer use include automobiles, electric vehicle motors, lighting equipment, toys, game equipment, road conditioners, irons, watches, strobes, cameras, medical equipment (pacemakers, hearing aids, shoulder grinders, etc.). Furthermore, it can be used for various military use and space use. It can also be combined with solar cells.
[0077]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples of battery fabrication. However, the scope of the present invention is not limited to these examples as long as the gist of the invention is not exceeded.
[0078]
[Example 1]
(Adjustment of positive electrode active material)
63.29 g of lithium carbonate powder (purity 99.38 wt%) (containing 0.004 wt% sulfate radical), 0.0111 g of lithium sulfate monohydrate, and 136.71 g of cobalt oxide (cobalt content 73.4 wt%) ( 0.005% by weight sulfate group) was put in an alumina crucible and mixed well to prepare a uniform mixture. The average particle diameter of cobalt oxide is about 3 μm. Next, this mixture was filled in an alumina crucible, put in an electric heating furnace, heated in the atmosphere, and maintained at 940 ° C. for firing. The obtained fired product was cooled in the air and then pulverized, and 0.01 wt% sulfate group-containing lithium cobalt oxide LiCoO.2(Positive electrode active material C-1) was obtained.
[0079]
Cathode active materials C-2 to C-12 of [Table 1] having different sulfate radical contents and the same as the cathode active material C-1 except that the sulfate radical content and the type and amount of sulfate used are different, and comparison- 1 and Comparative-2 were obtained.
[0080]
[Table 1]
Figure 0004235702
[0081]
Here, A is calcium sulfate dihydrate, and B is tetrabutylammonium hydrogen sulfate.
[0082]
In the positive electrode active materials C-1 to C-7 and Comparative-1 and Comparative-2, the concentration of sulfate radicals is changed by adjusting the amount of lithium hydrogen sulfate 1 added. The positive electrode active materials C-8 to C-10 change the sulfate group content in lithium carbonate or cobalt oxide. The positive electrode active materials C-11 and C-12 change the sulfate to be added.
[0083]
The sulfate radical was quantified by the following method.
Weigh 0.5 g of sample into a 30 ml beaker, add 6 ml of (1 + 1) nitric acid and 4 ml of (1 + 1) hydrogen peroxide, heat on a hot plate and dissolve completely. Then, after allowing to cool, transfer to a 100 ml volumetric flask and make a constant volume. Furthermore, it diluted 10 times and the sulfate radical was quantified with the ion chromatograph (The US DONEEX company make, 2000i / s type | mold).
[0084]
(Synthesis example of composite metal oxide as negative electrode material, melting method)
67.4 g of SnO, B2OThree17.4 g, Sn2P2O7Were mixed and sufficiently ground and mixed in an automatic mortar, then set in an alumina crucible and baked at 1000 ° C. for 10 hours in an argon gas atmosphere. After firing, it is rapidly cooled at a rate of 100 ° C./min, and a yellow transparent glassy negative electrode active material precursor SnB0.5P0.5OThree(Compound A-1) was obtained. When X-ray diffraction of the active material was measured, it showed a broad diffraction band in the region of 2θ = 20-35 ° under the irradiation of Cu-α ray, but a sharp diffraction line attributed to the crystal structure was detected. Thus, the active material structure was found to be amorphous (amorphous).
[0085]
(Production example of electrode mixture sheet)
The positive electrode active material compound C-1 was used as the positive electrode mixture, 6.7% by weight of acetylene black with respect to the positive electrode active material, and 3.3% by weight of an aqueous dispersion of polytetrafluoroethylene as the binder, Water was added to a mixture of 1.1% by weight of sodium polyacrylate and kneaded, and the resulting slurry was applied to both surfaces of a 30 μm thick aluminum film (positive electrode current collector) to prepare a positive electrode sheet. As a result of drying and pressing the coated sheet, the coating amount of the dry film was 230 g / m per side.2The thickness of the coating film was approximately 90 μm per side. An electrode mixture sheet was prepared in the same manner using the positive electrode active materials C-2 to C-12 and Comparative-1 and Comparative-2 described in [Table 1].
[0086]
86% by weight of compound A-1 as a negative electrode active material precursor, 3% by weight of flake graphite, 6% by weight of acetylene black, 4% by weight of an aqueous dispersion of styrene-butadiene rubber as a binder and 1% by weight of carboxymethyl cellulose % Was added to the mixture and kneaded with a homogenizer at 10,000 rpm for 10 minutes or more to prepare a negative electrode mixture slurry. The obtained slurry was applied to both sides of a 18 μm thick copper film (negative electrode current collector) to prepare a negative electrode sheet. As a result of drying and pressing the coated sheet, the coating amount of the dry film was approximately 70 g / m per side.2The thickness of the coating film was approximately 30 μm per one side.
[0087]
Next, a protective layer (average thickness 5 μm) made of a 1: 4 (weight ratio) mixture of scaly graphite and aluminum oxide is applied to the surface of the active material layer of the negative electrode sheet, and the negative electrode with the surface protective layer A sheet was produced.
[0088]
(Cylinder type battery production example)
A surface protective layer on both sides of a negative electrode sheet obtained by cutting a metal Li foil having a thickness of 35 μm into pieces having a width of 5 mm and a length of 37 mm and applying the negative electrode active material precursor A-1 in dry air having a dew point of −60 ° C. A 2 mm regular interval (gap) was placed on top of the substrate using a pressure roller. The amount of Li attached to the negative electrode sheet was approximately 110 mg as a weight. This lithium is used for electrolytically inserting lithium into the negative electrode active material precursor in the battery and converting the negative electrode active material precursor into an active material.
[0089]
The positive electrode sheet was cut to a width of 35 mm, the negative electrode sheet was cut to a width of 37 mm, and aluminum and nickel lead plates were spot welded to the ends of the sheet, respectively. Dehydrated and dried at 2 ° C. for 2 hours. As shown in the cross-sectional view of the battery in FIG. 1, the positive electrode sheet 3 that has been dehydrated and dried, the porous polyethylene film 4 as the separator, the negative electrode sheet 2 that has been dehydrated and dried, and the separator 4 are laminated in this order. Wound in a spiral. This wound body was housed in a nickel-plated iron-bottomed cylindrical battery can 1 (also serving as a negative electrode terminal). In this battery can 1, 1 mol / liter LiPF is used as an electrolyte.6(A 2: 2: 6 (volume ratio) mixture of ethylene carbonate, butylene carbonate, and dimethyl carbonate) was injected.
[0090]
A battery lid 13 having a positive electrode terminal was caulked through a gasket 7 to produce a cylindrical battery having a diameter of 14 mm and a height of 50 mm. The positive electrode terminal 13 was connected to the positive electrode sheet 3 and the battery can 1 was connected to the negative electrode sheet 2 in advance by a lead terminal.
[0091]
Batteries using the respective positive electrode active materials shown in [Table 1] were produced by the above method.
[0092]
The battery produced as described above is a battery precursor in which the process of electrochemically inserting lithium on the coating sheet protective layer into the negative electrode active material precursor is not completed. Therefore, an operation for converting the battery precursor into a negative electrode active material by inserting lithium into the negative electrode active material precursor and making the battery precursor a chargeable / discharge cycleable secondary battery was performed as follows.
[0093]
The battery precursor was allowed to stand at room temperature for 12 hours, precharged for 1 hour under a constant current of 0.1 A, and then aged at 50 ° C. for 10 days. In this aging step, it was confirmed that Li supported on the negative electrode was dissolved and inserted into the negative electrode active material precursor.
[0094]
2 mA / cm for activation of this battery2The battery was charged to 4.2 V at room temperature. Further, the battery was kept at 55 ° C. in a charged state, and aging was performed for 3 days.
[0095]
The above batteries were charged with a charge end voltage of 4.2 V (open circuit voltage (OCV)), a discharge end voltage of 2.8 V (circuit voltage), and 2 mA / cm.2The battery was repeatedly charged and discharged under the condition of a current density (equivalent to 0.2 C). Also, the battery is 10 mA / cm2When the charge / discharge cycle was performed at a current of (1.0 C), the maintenance ratio relative to the initial capacity after the end of 300 cycles was measured, and the cycle life of the battery was evaluated.
[0096]
The results of cycle life evaluation of the above batteries are summarized in [Table 2].
[0097]
[Table 2]
Figure 0004235702
[0098]
The batteries 1 to 7 and 9 to 14 using the positive electrode active materials C-1 to C-12 having a sulfate radical content of 0.01 to 4.9% by weight have a high cycle retention rate (lifetime), and cycle characteristics. Is excellent. Since the positive electrode active material (Comparative-1) had a sulfate radical content of 0.005% by weight and was too small, the cycle retention rate was low. Since the positive electrode active material (Comparative-2) had a sulfate radical content of 6.0% by weight and was too much, the cycle retention rate was low.
[0099]
The concentration of the sulfate radical contained in the positive electrode active material is preferably 0.01% by weight to 5% by weight, more preferably 0.05% by weight to 2% by weight, and particularly preferably 0.1% by weight to 1% by weight. .
[0100]
  The amount of sulfate added may be adjusted as shown in the positive electrode active materials C-1 to C7, or the positive electrode active material (lithium carbonate or oxidation) as shown in the positive electrode active materials C-8 to C-10. The content of sulfate radicals in (cobalt) may be adjusted..
[0101]
[Example 2]
The positive electrode active material number comparison-1 of Example 1 was used as the positive electrode mixture, 6.7% by weight of acetylene black with respect to the positive electrode active material, and an aqueous dispersion of polytetrafluoroethylene as the binder 3.3 % By weight and 1.1% by weight sodium polyalkali acid are added, lithium sulfate monohydrate is added to the active material so that the sulfate radical is 0.005% by weight, and water is added to the mixture. After kneading, an electrode sheet and a battery 15 were prepared and evaluated in the same manner as in Example 1.
[0102]
Batteries 16 to 22 shown in [Table 3] were obtained and evaluated in the same manner except that the amount of lithium sulfate monohydrate added was different.
[0103]
[Table 3]
Figure 0004235702
[0104]
  Cathode active materialAdd lithium sulfate toEven when a positive electrode mixture was prepared by adding a sulfate group after firing, the cycle characteristics of the positive electrode having a predetermined amount of sulfate group concentration were excellent.
[0105]
Example 3
92% by weight of graphite having an average particle size of about 5 μm as a negative electrode active material, 3% by weight of acetylene black as a conductive agent, 4% by weight of polyvinylidene fluoride and 1% by weight of carboxymethyl cellulose as binders In addition, a slurry was obtained by kneading with water as a medium. This was applied to both sides of a 10 μm thick copper film, dried and pressed to prepare a negative electrode sheet. A battery was prepared and evaluated in the same manner as the battery prepared in Example 1 except that the Li foil was used without adhering to the negative electrode sheet. As a result, the cycle life of the battery containing a sulfate group was excellent as in Example 1.
[0108]
【The invention's effect】
  A lithium-containing composite oxide obtained by adding lithium sulfate to a positive electrode active material containing a Li source and an M source (M is Co or Ni) and firing, and is 0.01 wt% or more and 5 wt% or lessIf a positive electrode active material containing a sulfate group is used in a secondary battery, a secondary battery having excellent cycle life can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a cylinder type battery used in Examples.
[Explanation of symbols]
1 Battery can (also serves as negative electrode terminal)
2 Negative electrode sheet
3 Positive electrode sheet
4 Separator
5 Lower insulation plate
6 Upper insulation plate
7 Gasket
8 Positive lead
9 Explosion-proof valve body
10 Current interrupt switch
11 PTC ring
13 Battery cover (also serves as positive terminal)
15 Welding plate
16 Insulation cover

Claims (6)

正極活物質がLi源及びM源(MはCo又はNi)を含む正極活物質材料に硫酸リチウムを加えて焼成することによって得られるリチウム含有複合酸化物であり、0.01重量%以上、5重量%以下の硫酸根を含有することを特徴とするリチウムイオン非水電解質二次電池用正極活物質。The positive electrode active material is Li source and M source (M is Co or Ni) and lithium-containing composite oxide obtained by firing the addition of lithium sulfate to the cathode active material a material containing 0.01% by weight or more, 5 A positive electrode active material for a lithium ion non-aqueous electrolyte secondary battery, characterized by containing a sulfate group of not more than wt% . 正極、負極、セパレーターおよびリチウム塩を含有する非水電解質を含む二次電池において、該正極がLi源及びM源(MはCo又はNi)を含む正極活物質材料に硫酸リチウムを加えて焼成することによって得られるリチウム含有複合酸化物であり、0.01重量%以上、5重量%以下の硫酸根を含有することを特徴とするリチウムイオン非水電解質二次電池。In a secondary battery including a positive electrode, a negative electrode, a separator, and a nonaqueous electrolyte containing a lithium salt, the positive electrode is fired by adding lithium sulfate to a positive electrode active material containing a Li source and an M source (M is Co or Ni). A lithium ion non-aqueous electrolyte secondary battery comprising a lithium-containing composite oxide obtained by the method and containing 0.01 wt% or more and 5 wt% or less of a sulfate group . (a)Li源及びM源(MはCo又はNi)を含む正極活物質材料を用意する工程と、
(b)前記正極活物質材料に硫酸リチウムを加えて焼成する工程と
を含み、0.01重量%以上、5重量%以下の硫酸根を含有する正極活物質を製造する、リチウムイオン非水電解質二次電池用正極活物質の製造方法。
(A) preparing a positive electrode active material containing a Li source and an M source (M is Co or Ni);
A step of firing the addition of lithium sulfate to (b) the positive electrode active material,
Only containing 0.01 wt% or more, to produce a positive electrode active material containing 5 wt% or less of the sulfate group, method for producing a cathode active material for a lithium ion nonaqueous electrolyte secondary battery.
前記工程(a)と(b)との間に、
)前記正極活物質材料中に含まれる硫酸根の濃度を測定する工程
含む請求項3記載のリチウムイオン非水電解質二次電池用正極活物質の製造方法。
Between the steps (a) and (b),
( C ) measuring the concentration of sulfate radicals contained in the positive electrode active material ,
The method for producing a positive electrode active material for a claim 3 lithium ion nonaqueous electrolyte secondary battery according including.
前記工程()は、前記測定結果に応じて前記正極活物質材料に硫酸リチウムを加え、硫酸根の濃度を調整して焼成する請求項記載の正極活物質の製造方法。5. The method for producing a positive electrode active material according to claim 4, wherein the step ( b ) is performed by adding lithium sulfate to the positive electrode active material according to the measurement result, adjusting the concentration of sulfate radicals, and firing. (a)Li源及びM源(MはCo又はNi)を含む正極活物質を焼成する工程と、
(b)前記焼成された正極活物質に硫酸リチウムを添加して正極合剤を調整する工程と
を含み、0.01重量%以上、5重量%以下の硫酸根を含有する正極合剤を製造する、リチウムイオン非水電解質二次電池用正極合剤の製造方法。
(A) firing a positive electrode active material containing a Li source and an M source (M is Co or Ni);
(B) adding lithium sulfate to the fired positive electrode active material to adjust the positive electrode mixture ;
Only containing 0.01 wt% or more, to produce a positive electrode mixture containing 5 wt% or less of the sulfate group, method for producing a lithium ion nonaqueous electrolyte secondary battery positive electrode mixture.
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