JP4245888B2 - Lithium cobalt based composite oxide, method for producing the same, lithium secondary battery positive electrode active material, and lithium secondary battery - Google Patents

Lithium cobalt based composite oxide, method for producing the same, lithium secondary battery positive electrode active material, and lithium secondary battery Download PDF

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Description

【0001】
【発明が属する技術分野】
本発明は、リチウム二次電池の正極活物質として有用なリチウムコバルト系複合酸化物、その製造方法、これを含有するリチウム二次電池正極活物質及び、特に負荷特性、サイクル特性及び安全性に優れたリチウム二次電池に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、家庭電器においてポータブル化、コードレス化が急速に進むに従い、ラップトップ型パソコン、携帯電話、ビデオカメラ等の小型電子機器の電源としてリチウムイオン二次電池が実用化されている。このリチウムイオン二次電池については、1980年に水島等によりコバルト酸リチウムがリチウムイオン二次電池の正極活物質として有用であるとの報告(非特許文献1参照。)がなされて以来、リチウム系複合酸化物に関する研究開発が活発に進められており、これまで多くの提案がなされている。
【0003】
従来、正極活物質の高エネルギー密度化を図る技術としては、例えばコバルト酸リチウムの組成をLix CoO2 (但し、1.05≦x≦1.3 )とすることによりリチウムリッチにしたもの(特許文献1参照。)、逆にLix CoO2 (但し0<x≦1)とすることによってコバルトリッチにしたもの(特許文献2参照。)、Mn、W、Ni、Laなどの金属イオンをドープさせたもの(例えば、特許文献3、特許文献4及び特許文献5参照。)、コバルト酸リチウム中の残留Li2 CO3 を10重量%以下とするもの(特許文献6参照。) 、LixCoO2(但し、0<x≦1.25)で表され、かつ電子スピン共鳴装置によるg=2.15におけるスピン濃度が1×1018個/g以下とするもの(特許文献7参照。)などが提案されている。
【0004】
また、コバルト酸リチウム系正極活物質の物理的特徴として粒子径を要件とするものとしては、例えばLiCoO2 の平均粒子径10〜150μm (特許文献8参照。)、一次粒子の平均粒径0.5μm 以下(特許文献9参照。)、平均粒子径が2〜10μm 、粒度分布D(25%)0.5〜10μm 、D(50%)2〜10μm 、D(75%)3.5〜30μm (特許文献10参照。)、10%累積粒子径3〜15μm 、50%累積粒子径8〜35μm 、90%累積粒子径30〜80μm の粒度分布(特許文献11参照。) 、平均粒子径2〜9μm 、そのうち1〜9μm が全体積の60%以上(特許文献12参照。) 等のものが提案されている。
【0005】
また、特許文献13(特開平8−236114号公報)には、リチウム遷移金属複合酸化物を活物質とする正極を備えるリチウム二次電池において、前記正極の表面がBeO、MgO、CaO、SrO、BaO、ZnO、Al23、CeO2、As23又はこれらの2種以上の混合物からなる被覆が形成されたものを正極とするリチウム二次電池が提案されている。
しかしながら、特許文献13(特開平8−236114号公報)は、リチウム遷移金属複合酸化物、導電剤、結着剤とを混合した正極合剤を加熱処理して得られる正極を前記金属酸化物で被覆処理するものであり、正極活物質自体を被覆処理したものではない。
【0006】
また、特許文献14(特開平11−16566号公報)には、正極活物質の周りにスパッタ法、無電解めっき法、或いは、機械的な混合により融合させてTi、Al、Sn、Bi、Cu、Si、Ga、W、Zr、B、Moから選ばれる少なくとも1種を含む金属及びまたはこれらの複数個の組み合わせにより得られる金属間化合物、及びまたは酸化物を被覆したものを正極活物質として用いた電池が提案されている。
しかしながら、特許文献14(特開平11−16566号公報)の機械的な混合により溶融させて得られるものを正極活物質として用いたリチウム二次電池に至っても、未だ十分に満足できる負荷特性、サイクル特性、更には安全性を実現することができない。
【0007】
【特許文献1】
特開平3−127454号公報
【特許文献2】
特開平3−134969号公報
【特許文献3】
特開平3−201368号公報
【特許文献4】
特開平4−328277号公報
【特許文献5】
特開平4−319259号公報
【特許文献6】
特開平4−56064 号公報
【特許文献7】
特開2000−12022号公報
【特許文献8】
特開平1−304664号公報
【特許文献9】
特開平4−33260号公報
【特許文献10】
特開平5−94822号公報
【特許文献11】
特開平5−151998号公報
【特許文献12】
特開平6−243897号公報
【特許文献13】
特開平8−236114号公報
【特許文献14】
特開平11−16566号公報
【非特許文献1】
水島ら,「マテリアル リサーチブレティン」,1980年,vol.15,p783-789
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、リチウム二次電池の正極活物質として用いたときに、特に負荷特性、サイクル特性、更には安全性に優れたリチウム二次電池の正極活物質として有用なリチウムコバルト系複合酸化物、その製造方法、これを含有する正極活物質および該正極活物質を用いるリチウム二次電池を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記目的を達成するため鋭意研究を重ねた結果、コバルト酸リチウム又はコバルト酸リチウムのコバルトの一部を特定の金属元素で特定量置換した複合酸化物と、Mg、Ti又はZrから選ばれる少なくとも1種以上の金属酸化物とを乾式混合し、特定の温度範囲で加熱処理することにより前記複合酸化物の粒子表面に前記金属酸化物を密着性よく付着せしめたリチウムコバルト系複合酸化物を正極活物質として用いたリチウム二次電池は、特に、負荷特性、サイクル特性、更には安全性に優れたものとなることを見出し本発明を完成するに至った。
【0010】
即ち、本発明の第1の発明は、一般式;LixCo1-yMey2-a(Meは、V、Cu、Zr、Zn、Mg、Al又はFeから選ばれる1種又は2種以上の金属元素を表す。xは、0.9≦x≦1.1、yは0≦y≦0.01、aは−0.1≦a≦0.1の値をとる。)で表される複合酸化物と、Mg、Ti又はZrから選ばれる少なくとも1種以上の金属酸化物とを乾式混合し、200〜600℃で加熱処理して前記複合酸化物の粒子表面に前記金属酸化物を付着させてなることを特徴とするリチウムコバルト系複合酸化物を提供するものである。また、前記金属酸化物の付着量が0.05〜1重量%であることが好ましく、また、前記リチウムコバルト系複合酸化物のBET比表面積が0.1〜2.0m2/gであることが特に好ましい。
【0011】
また、本発明の第2の発明は、下記の第一〜第二工程を含むことを特徴とするリチウムコバルト系複合酸化物の製造方法を提供するものである。
第一工程;一般式;LixCo1-yMey2-a(Meは、V、Cu、Zr、Zn、Mg、Al又はFeから選ばれる1種又は2種以上の金属元素を表す。xは、0.9≦x≦1.1、yは0≦y≦0.01、aは−0.1≦a≦0.1の値をとる。)で表される複合酸化物と、Mg、Ti又はZrから選ばれる少なくとも1種以上の金属酸化物とを乾式混合し前記複合酸化物の粒子表面に前記金属酸化物の粒子を付着させる工程。
第二工程;第一工程で得られる金属酸化物を付着させた複合酸化物を200〜600℃で加熱処理してリチウムコバルト系複合酸化物を得る工程。また、前記第一工程で用いる金属酸化物が平均粒径1.0μm以下のものを用いることが好ましい。
【0012】
また、本発明の第3の発明は、前記リチウムコバルト系複合酸化物を含むことを特徴とするリチウム二次電池正極活物質を提供するものである。
【0013】
また、本発明の第4の発明は、前記リチウム二次電池正極活物質を用いることを特徴とするリチウム二次電池を提供するものである。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明に係るリチウムコバルト系複合酸化物は、一般式;LixCo1-yMey2-a(Meは、V、Cu、Zr、Zn、Mg、Al又はFeから選ばれる1種又は2種以上の金属元素を表す。xは、0.9≦x≦1.1、yは0≦y≦0.01、aは−0.1≦a≦0.1の値をとる。)で表される複合酸化物と、Mg、Ti又はZrから選ばれる少なくとも1種以上の金属酸化物とを乾式混合し、特定の温度範囲で加熱処理して前記複合酸化物の粒子表面に前記金属酸化物を密着性よく付着させたものであり、本発明に係るリチウムコバルト系複合酸化物は、前記複合酸化物と金属酸化物とを機械的な混合により単に複合酸化物の粒子表面に金属酸化物を付着させたものとは異なるものである。
即ち、機械的な混合による複合酸化物の粒子表面への金属酸化物粒子の付着は、複合酸化物の粒子表面と金属酸化物粒子とが静電気により脆い弱い結合で接触面積が小さい状態で付着しているのに対して、本発明のリチウムコバルト系複合酸化物は、複合酸化物と金属酸化物とを機械的に乾式混合し、静電気により複合酸化物の粒子表面に金属酸化物粒子を一旦付着させ、更にこのものを特定の温度範囲で加熱処理して、微細な金属酸化物を複合酸化物の粒子表面に密着性よく付着せしめたものであり、このため、本発明のリチウムコバルト系複合酸化物を正極活物質とするリチウム二次電池は、特に優れた負荷特性、サイクル特性及び安全性を得ることができる。
【0015】
本発明において、前記加熱処理温度は、200〜700℃、好ましくは300〜600℃であり、本発明においてこの温度範囲で加熱処理することにより複合酸化物の粒子表面に金属酸化物をより密着させて付着させることできる。即ち、この加熱処理により、金属酸化物の粒子表面のエネルギーが低下し、該金属酸化物の粒子表面がなめらかになることで複合酸化物粒子と金属酸化物粒子とがより接近しやすくなって密着性が高まるものと考えられる。
このことは、加熱処理する前に比べて、加熱処理後のものは、BET比表面積が減少していることからも確認することができる。
【0016】
本発明のリチウムコバルト系複合酸化物において、複合酸化物の粒子表面とは、一次粒子或いは一次粒子が集合した凝集粒子の表面をも包含するものである。
【0017】
また、本発明のリチウムコバルト系複合酸化物において、前記複合酸化物は、一般式;LixCo1-yMey2-aで表される。即ち、一般式(1);LixCoO2-a(以下、「▲1▼の複合酸化物」と呼ぶ)又は一般式(2);LixCo1-yMey2-a(以下、「▲2▼の複合酸化物」と呼ぶ)で示されるものである。
【0018】
前記▲1▼の複合酸化物において、リチウム原子の量を示す式中のxの値は、0.9〜1.1、好ましくは0.95〜1.05である。また、該複合酸化物の酸素原子の量を示す式中のaの値は−0.1〜0.1、好ましくは−0.05〜0.05である。
【0019】
また、前記▲2▼の複合酸化物は、前記▲1▼の複合酸化物のコバルト原子の一部を他の金属元素で置換した複合酸化物である。なお、本発明において、前記▲2▼の複合酸化物の製造過程で不可逆的にLiサイトに下記の他の金属元素が置換されたものであってもよい。この式中のMeは、V、Cu、Zr、Zn、Mg、Al又はFeから選ばれる1種又は2種以上の金属元素を表し、これらの金属原子の量を示す式中のyの値は、0より大きく0.01以下、好ましくは0.001〜0.005である。また、前記▲2▼の複合酸化物において、リチウム原子の量を示す式中のxの値は、0.9〜1.1、好ましくは0.95〜1.05である。また、該複合酸化物の酸素原子の量を示す式中のaの値は−0.1〜0.1、好ましくは−0.05〜0.05である。
【0020】
本発明において、前記▲2▼の複合酸化物の粒子表面に前記金属酸化物を付着させたリチウムコバルト系複合酸化物をリチウム二次電池の正極活物質として用いることにより、前記▲1▼の複合酸化物の粒子表面に前記金属酸化物を付着させたリチウムコバルト系複合酸化物を用いたものと比べ、更に、リチウム二次電池の負荷特性、サイクル特性又は安全性を向上させることができる。
【0021】
前記▲1▼の複合酸化物及び▲2▼の複合酸化物の物性としては特に制限はないが、レーザー回折法により求められる平均粒径が1〜20μm,好ましくは1〜15μm,特に好ましくは2〜10μmである。
【0022】
平均粒径が上記範囲であることに加え、更に、平均粒子径0.1〜2.5μmの一次粒子が集合してなる平均粒子径1.0〜20μmの一次粒子集合体であると、得られるリチウムコバルト系複合酸化物を正極活物質として用いるときに、Liの脱挿入が速やかに行われるため好ましい。さらに、上記一次集合体は全体積の70%以上、好ましくは80%以上が粒径1〜20μmであると、得られるリチウムコバルト系複合酸化物の均一な厚さの塗膜の形成が可能となるためより望ましい。また、前記▲1▼の複合酸化物及び▲2▼の複合酸化物のBET比表面積は0.1〜2m2/g,好ましくは0.2〜1.5m2/g,特に好ましくは0.3〜1.0m2/gである。BET比表面積が該範囲内にあると、得られるリチウムコバルト系複合酸化物を正極活物質として用いたリチウム二次電池の安全性が良好であるため好ましい。
【0023】
前記▲1▼の複合酸化物及び▲2▼の複合酸化物に付着させる金属酸化物粒子は、Mg、Ti又はZrのから選ばれる少なくとも1種以上の金属酸化物であり、具体的には、MgO、TiO2又はZrO2である。
前記▲1▼の複合酸化物及び▲2▼の複合酸化物の粒子表面に付着させる金属酸化物の量は、0.05〜1重量%、好ましくは0.1〜0.5重量%であることが好ましい。この理由は、0.05重量%未満では、複合酸化物の粒子表面に存在する金属酸化物による相対的な被覆面積が不足することから、これを正極活物質として用いたリチウム二次電池は好ましい負荷特性、サイクル特性又は安全性が得られない傾向があり、一方、1重量%を超えても、本発明にかかる上記効果も飽和するだけで、逆に重量当たりの放電容量が減少するため好ましくない。
前記▲1▼の複合酸化物及び▲2▼の複合酸化物に付着した金属酸化物の粒径は、電子顕微鏡写真から求められる粒径が1μm以下、好ましくは0.005〜1μm、特に好ましくは0.01〜0.25μmである。
【0024】
本発明にかかるリチウムコバルト系複合酸化物の他の物性としては、BET比表面積が0.1〜2.0m2/g、好ましくは0.1〜1.0m2/gである。BET比表面積が該範囲内にあると、安全性が更に向上するため好ましい。
【0025】
次いで、本発明にかかる上記物性を有するリチウムコバルト系複合酸化物の製造方法について説明する。
本発明のリチウムコバルト系複合酸化物は、下記の第一〜第ニ工程を実施することにより製造することができる。
第一工程;前記▲1▼の複合酸化物又は▲2▼の複合酸化物と、Mg、Ti又はZrから選ばれる少なくとも1種以上の金属酸化物とを乾式混合し前記▲1▼の複合酸化物又は▲2▼の複合酸化物の粒子表面に前記金属酸化物の粒子を付着させる工程。
第二工程;第一工程で得られる前記▲1▼の複合酸化物又は▲2▼の複合酸化物粒子表面に前記金属酸化物を付着させたものを200〜700℃で加熱処理してリチウムコバルト系複合酸化物を得る工程。
【0026】
第一工程で用いる原料の▲1▼の複合酸化物及び▲2▼の複合酸化物の物性としては特に制限はないが、レーザー回折法により求められる平均粒径が1〜20μm,好ましくは1〜15μm,特に好ましくは2〜10μmであり,平均粒径が前記範囲であることに加え、更に、平均粒径0.1〜2.5μmの一次粒子が集合してなる平均粒径1.0〜20μmの一次粒子集合体であると、得られるリチウムコバルト系複合酸化物を正極活物質として用いるときに、Liの脱挿入が速やかに行われるため好ましい。さらに、上記一次集合体は全体積の70%以上、好ましくは80%以上が粒径1〜20μmであると、均一な厚さの塗膜の形成が可能となるためより望ましい。また、前記原料の複合酸化物は、BET比表面積が0.1〜2m2/g,好ましくは0.2〜1.5m2/g,特に好ましくは0.3〜1.0m2/gである。BET比表面積が該範囲内にあると、得られるリチウムコバルト系複合酸化物を正極活物質として用いるときに、安全性が良好であるため好ましい。
【0027】
上記物性を有する原料の前記▲1▼の複合酸化物又は▲2▼の複合酸化物は、如何なる製造方法により得られるものであってもよく、その一例を示せば、前記▲1▼の複合酸化物はリチウム化合物とコバルト化合物とを混合し焼成すればよい。また、前記▲2▼の複合酸化物はリチウム化合物、コバルト化合物及びV、Cu、Zr、Zn、Mg、Al又はFeから選ばれる1種又は2種以上の金属元素を含有する遷移金属化合物とを混合し焼成すればよい。
【0028】
より具体的には、前記▲1▼の複合酸化物は、リチウム化合物及びコバルト化合物とを該化合物中のCo原子とLi原子のモル比(Li/Co)で、0.95〜1.1、好ましくは0.98〜1.05とし、ブレンダー等を用いて均一に混合し、次に、混合物を焼成する。焼成条件は、複合酸化物を製造可能な温度で行えばよく、焼成温度は600〜1100℃、好ましくは800〜1050℃で、焼成時間は、2〜24時間とすることが好ましい。この原料のリチウム化合物とコバルト化合物は、これらの酸化物、水酸化物、炭酸塩、硝酸塩又は有機酸塩を用いることができる。焼成の雰囲気は、例えば、大気中又は酸素雰囲気中又は不活性雰囲気中のいずれで行ってもよく、特に制限されるものではなく、また、これらの焼成は必要により何度でも行ってもよい。
【0029】
一方、前記▲2▼の複合酸化物は、前記▲1▼の複合酸化物の製造方法において、リチウム化合物とコバルト化合物およびV、Cu、Zr、Zn、Mg、Al又はFeから選ばれる1種又は2種以上の遷移金属化合物とを、前記コバルト化合物中のCo原子に対する遷移金属化合物中のV、Cu、Zr、Zn、Mg、Al又はFeから選ばれる1種又は2種以上の金属原子(Me)のモル比(Me/Co)で0より大きく0.01以下となるようにリチウム化合物、コバルト化合物及び遷移金属化合物とを混合し、600〜1100℃、好ましくは800〜1050℃で、2〜24時間焼成を行うことにより製造することができる。この▲2▼の複合酸化物の原料のV、Cu、Zr、Zn、Mg、Al又はFeから選ばれる1種又は2種以上の金属元素を含有する遷移金属化合物は、これらの金属元素の酸化物、水酸化物、炭酸塩、硝酸塩又は有機酸塩を用いることができる。焼成の雰囲気は、例えば、大気中又は酸素雰囲気中又は不活性雰囲気中のいずれで行ってもよく、特に制限されるものではなく、また、これらの焼成は必要により何度でも行ってもよい。
【0030】
焼成後は、適宜冷却し、必要に応じ粉砕して前記▲1▼の複合酸化物又は▲2▼の複合酸化物を得る。
なお、前記▲1▼と▲2▼の複合酸化物の製造方法において必要に応じて行われる粉砕は、焼成して得られる複合酸化物がもろく結合したブロック状のものである場合等に適宜行うが、複合酸化物の粒子自体は上記特定の平均粒径、BET比表面積を有するものである。即ち、得られる前記▲1▼の複合酸化物又は▲2▼の複合酸化物は、平均粒子径が1.0〜20μm、好ましくは1.0〜15μm、さらに好ましくは2.0〜10μmであり、BET比表面積が0.1〜2.0m2/g、好ましくは0.2〜1.5m2/g、さらに好ましくは0.3〜1.0m2/gである。
【0031】
一方の原料のMg、Ti又はZrから選ばれる金属酸化物は、一般式;MgO、TiO2又はZrO2から選ばれるものが好ましく、これらは1種又は2種以上で用いることができる。
また、これらの金属酸化物は前記▲1▼の複合酸化物粒子又は前記▲2▼の複合酸化物粒子表面に均一且つ密着性よく付着させるため微細なものを用いることが好ましく、レーザー回折法により求められる平均粒径が1μm以下である。この理由は、金属酸化物の平均粒径が1μmを超えると、複合酸化物の粒子表面に金属酸化物が付着しにくく、また、単なるこれらの混合粉末となる傾向があり、一方、金属酸化物の粒径が0.005μm未満では、複合酸化物の粒子表面で付着した金属酸化物粒子が凝集し、複合酸化物の粒子表面と接触のない一次粒子は、返って不純物として作用する傾向があることから、金属酸化物の平均粒径は、好ましくは0.005〜1μm、特に好ましくは0.01〜0.25μmのものを用いることが好ましい。
【0032】
また、これらの原料の金属酸化物の配合量は、0.05〜1重量%、好ましくは0.1〜0.5重量%であることが好ましい。この理由は、上記したとおり、金属酸化物の配合量が0.05重量%未満では、複合酸化物の粒子表面に存在する金属酸化物の相対的な被覆面積が不足することから、これを正極活物質として用いたリチウム二次電池は好ましい負荷特性、サイクル特性又は安全性が得られない傾向があり、一方、1重量%を超えても、本発明にかかる上記効果も飽和するだけで、逆に重量当たりの放電容量が減少するため好ましくない。
【0033】
次に、前記した原料の複合酸化物と金属酸化物とを所定量ブレンダー等により均一に混合し、該複合酸化物の粒子表面に微細なMg、Ti又はZrから選ばれる少なくとも1種以上の金属酸化物を均一に付着させる。
【0034】
第二工程は、前記第一工程で得られた金属酸化物を付着させた複合酸化物を加熱処理して目的とするリチウムコバルト系複合酸化物を得る工程である。
【0035】
加熱処理する温度は、200〜700℃、好ましくは300〜600℃である。この理由は、加熱処理温度が200℃未満では、前記金属酸化物と複合酸化物との密着性が弱くなり、一方、700℃を超えると金属酸化物が複合酸化物の粒子内部まで固溶するため、これを正極活物質として用いたリチウム二次電池は好ましい負荷特性、サイクル特性又は安全性が得られないことから好ましくない。
【0036】
第二工程終了後、必要に応じ粉砕、分級して本発明に係る前記▲1▼の複合酸化物の粒子表面又は▲2▼の複合酸化物の粒子表面にMg、Ti又はZrから選ばれる少なくとも1種以上の金属酸化物を密着性よく付着させたリチウムコバルト系複合酸化物を得る。なお、粉砕は、リチウムコバルト系複合酸化物がもろくブロック状のものである場合等に適宜行う。
【0037】
このようにして得られる本発明のリチウムコバルト系複合酸化物は、正極、負極、セパレータ、及びリチウム塩を含有する非水電解質からなるリチウム二次電池の正極活物質として好適に用いることができる。
【0038】
本発明に係るリチウム二次電池正極活物質は、上記リチウムコバルト系複合酸化物が用いられる。正極活物質は、後述するリチウム二次電池の正極合剤、すなわち、正極活物質、導電剤、結着剤、及び必要に応じてフィラー等とからなる混合物の一原料である。本発明に係るリチウム二次電池正極活物質は、上記リチウムコバルト系複合酸化物で、上述したような好ましい粒度特性を有するものを用いることにより、他の原料と共に混合して正極合剤を調製する際に混練が容易であり、また、得られた正極合剤を正極集電体に塗布する際の塗工性が容易になる。
【0039】
本発明に係るリチウム二次電池は、上記リチウム二次電池正極活物質を用いるものであり、正極、負極、セパレータ、及びリチウム塩を含有する非水電解質からなる。正極は、例えば、正極集電体上に正極合剤を塗布乾燥等して形成されるものであり、正極合剤は正極活物質、導電剤、結着剤、及び必要により添加されるフィラー等からなる。本発明に係るリチウム二次電池は、正極に正極活物質である前記のリチウムコバルト系複合酸化物が均一に塗布されている。
このため本発明に係るリチウム二次電池は、特に負荷特性、サイクル特性又は安全性の低下が生じ難い。
【0040】
正極集電体としては、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特に制限されるものでないが、例えば、ステンレス鋼、ニッケル、アルミニウム、チタン、焼成炭素、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、銀を表面処理させたもの等が挙げられる。これらの材料の表面を酸化して用いてもよく、表面処理により集電体表面に凹凸を付けて用いてもよい。また、集電体の形態としては、例えば、フォイル、フィルム、シート、ネット、パンチングされたもの、ラス体、多孔質体、発砲体、繊維群、不織布の成形体などが挙げられる。集電体の厚さは特に制限されないが、1〜500μmとすることが好ましい。
【0041】
導電剤としては、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材料であれば特に限定はない。例えば、天然黒鉛及び人工黒鉛等の黒鉛、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、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラック等のカーボンブラック類、炭素繊維や金属繊維等の導電性繊維類、フッ化カーボン、アルミニウム、ニッケル粉等の金属粉末類、酸化亜鉛、チタン酸カリウム等の導電性ウィスカー類、酸化チタン等の導電性金属酸化物、或いはポリフェニレン誘導体等の導電性材料が挙げられ、天然黒鉛としては、例えば、鱗状黒鉛、鱗片状黒鉛及び土状黒鉛等が挙げられる。これらは、1種又は2種以上組み合わせて用いることができる。導電剤の配合比率は、正極合剤中、1〜50重量%、好ましくは2〜30重量%である。
【0042】
結着剤としては、例えば、デンプン、ポリフッ化ビニリデン、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、ポリビニルピロリドン、テトラフロオロエチレン、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、フッ素ゴム、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロエチレン共重合体、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、フッ化ビニリデン−クロロトリフルオロエチレン共重合体、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体、ポリクロロトリフルオロエチレン、フッ化ビニリデン−ペンタフルオロプロピレン共重合体、プロピレン−テトラフルオロエチレン共重合体、エチレン−クロロトリフルオロエチレン共重合体、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン−テトラフルオロエチレン共重合体、フッ化ビニリデン−パーフルオロメチルビニルエーテル−テトラフルオロエチレン共重合体、エチレン−アクリル酸共重合体またはその(Na+)イオン架橋体、エチレン−メタクリル酸共重合体またはその(Na+)イオン架橋体、エチレン−アクリル酸メチル共重合体またはその(Na+)イオン架橋体、エチレン−メタクリル酸メチル共重合体またはその(Na+)イオン架橋体、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等が挙げられ、これらは1種または2種以上組み合わせて用いることができる。なお、多糖類のようにリチウムと反応するような官能基を含む化合物を用いるときは、例えば、イソシアネート基のような化合物を添加してその官能基を失活させることが好ましい。結着剤の配合比率は、正極合剤中、1〜50重量%、好ましくは5〜15重量%である。
【0043】
フィラーは正極合剤において正極の体積膨張等を抑制するものであり、必要により添加される。フィラーとしては、構成された電池において化学変化を起こさない繊維状材料であれば何でも用いることができるが、例えば、ポリプロピレン、ポリエチレン等のオレフィン系ポリマー、ガラス、炭素等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、正極合剤中、0〜30重量%が好ましい。
【0044】
負極は、負極集電体上に負極材料を塗布乾燥等して形成される。負極集電体としては、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は特に制限されるものでないが、例えば、ステンレス鋼、ニッケル、銅、チタン、アルミニウム、焼成炭素、銅やステンレス鋼の表面にカーボン、ニッケル、チタン、銀を表面処理させたもの、及び、アルミニウム−カドミウム合金等が挙げられる。また、これらの材料の表面を酸化して用いてもよく、表面処理により集電体表面に凹凸を付けて用いてもよい。また、集電体の形態としては、例えば、フォイル、フィルム、シート、ネット、パンチングされたもの、ラス体、多孔質体、発砲体、繊維群、不織布の成形体などが挙げられる。集電体の厚さは特に制限されないが、1〜500μmとすることが好ましい。
【0045】
負極材料としては、特に制限されるものではないが、例えば、炭素質材料、金属複合酸化物、リチウム金属、リチウム合金、ケイ素系合金、錫系合金、金属酸化物、導電性高分子、カルコゲン化合物、Li−Co−Ni系材料等が挙げられる。炭素質材料としては、例えば、難黒鉛化炭素材料、黒鉛系炭素材料等が挙げられる。金属複合酸化物としては、例えば、Snp M11−pM2 q Or (式中、M1 はMn、Fe、Pb及びGeから選ばれる1種以上の元素を示し、M2 はAl、B、P、Si、周期律表第1族、第2族、第3族及びハロゲン元素から選ばれる1種以上の元素を示し、0<p≦1、1≦q≦3、1≦r≦8を示す。)、LixFe23 (0≦x≦1)、LixWO2(0≦x≦1)等の化合物が挙げられる。金属酸化物としては、GeO、GeO2、SnO、SnO2、PbO、PbO2、Pb23、Pb34、Sb23、Sb24、Sb25、Bi23、Bi24、Bi25等が挙げられる。導電性高分子としては、ポリアセチレン、ポリ−p−フニレン等が挙げられる。
【0046】
セパレータとしては、大きなイオン透過度を持ち、所定の機械的強度を持った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ロ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としては、一般的に電池用として有用な範囲であればよく、例えば、0.01〜10μm である。セパレーターの厚みとしては、一般的な電池用の範囲であればよく、例えば5〜300μm である。なお、後述する電解質として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ようなものであってもよい。
【0047】
リチウム塩を含有する非水電解質は、非水電解質とリチウム塩とからなるものである。非水電解質としては、非水電解液、有機固体電解質、無機固体電解質が用いられる。非水電解液としては、例えば、N−メチル−2−ピロリジノン、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、テトラヒドロキシフラン、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、トリメトキシメタン、ジオキソラン誘導体、スルホラン、メチルスルホラン、3−メチル−2−オキサゾリジノン、1,3−ジメチル−2−イミダゾリジノン、プロピレンカーボネート誘導体、テトラヒドロフラン誘導体、ジエチルエーテル、1,3−プロパンサルトン、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル等の非プロトン性有機溶媒の1種または2種以上を混合した溶媒が挙げられる。
【0048】
有機固体電解質としては、例えば、ポリエチレン誘導体、ポリエチレンオキサイド誘導体又はこれを含むポリマー、ポリプロピレンオキサイド誘導体又はこれを含むポリマー、リン酸エステルポリマー、ポリホスファゼン、ポリアジリジン、ポリエチレンスルフィド、ポリビニルアルコール、ポリフッ化ビニリデン、ポリヘキサフルオロプロピレン等のイオン性解離基を含むポリマー、イオン性解離基を含むポリマーと上記非水電解液の混合物等が挙げられる。
【0049】
無機固体電解質としては、Liの窒化物、ハロゲン化物、酸素酸塩等を用いることができ、例えば、Li3N、LiI、Li5NI2、Li3N−LiI−LiOH、LiSiO4、LiSiO4−LiI−LiOH、Li2SiS3、Li4SiO4、Li4SiO4−LiI−LiOH、Li3PO4−Li2S−SiS2、硫化リン化合物等が挙げられる。
【0050】
リチウム塩としては、上記非水電解質に溶解するものが用いられ、例えば、LiCl、LiBr、LiI、LiClO4 、LiBF4 、LiB10Cl10、LiPF6 、LiCF3 SO3 、LiCF3 CO2 、LiAsF6 、LiSbF6 、LiB10Cl10、LiAlCl4 、CH3SO3Li、CF3SO3Li、(CF3SO22NLi、クロロボランリチウム、低級脂肪族カルボン酸リチウム、四フェニルホウ酸リチウム、イミド類等の1種または2種以上を混合した塩が挙げられる。
【0051】
また、非水電解質には、放電、充電特性、難燃性を改良する目的で、以下に示す化合物を添加することができる。例えば、ピリジン、トリエチルホスファイト、トリエタノールアミン、環状エーテル、エチレンジアミン、n−グライム、ヘキサリン酸トリアミド、ニトロベンゼン誘導体、硫黄、キノンイミン染料、N−置換オキサゾリジノンとN,N−置換イミダゾリジン、エチレングリコールジアルキルエーテル、アンモニウム塩、ポリエチレングルコール、ピロール、2−メトキシエタノール、三塩化アルミニウム、導電性ポリマー電極活物質のモノマー、トリエチレンホスホンアミド、トリアルキルホスフィン、モルフォリン、カルボニル基を持つアリール化合物、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、二環性の三級アミン、オイル、ホスホニウム塩及び三級スルホニウム塩、ホスファゼン、炭酸エステル等が挙げられる。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、三弗化エチレンを電解液に含ませることができる。また、高温保存に適性を持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。
【0052】
本発明に係るリチウム二次電池は、電池性能、特に負荷特性、サイクル特性の優れたリチウム二次電池となる。電池の形状はボタン、シート、シリンダー、角、コイン型等いずれの形状であってもよい。
【0053】
従来のLiCoO2を用いたリチウム二次電池は、充放電の際、LiCoO2表面で電解液が分解したり、被膜が生成することが知られており、この結果サイクル特性、負荷特性及び安全性が低くなると言われている。
これに対して、本発明のリチウムコバルト系複合酸化物は、前記▲1▼の複合酸化物又は前記▲2▼の複合酸化物の粒子表面をMg、Ti又はZrから選ばれる少なくとも1種以上の金属酸化物を密着性よく付着せしめることにより、該複合酸化物結晶の表面を安定化し、接触する電解液の分解を抑制するとともに、表面被膜の生成を押さえ、また、複合酸化物の粒子表面が適度に露出しているので該複合酸化物結晶の表面からのLiの脱挿入をよりスムーズにする。このため、本発明のリチウムコバルト系複合酸化物を正極活物質として用いたリチウム二次電池は、電池性能、特に負荷特性、サイクル特性及び安全性が優れたものとなると考えられる。
【0054】
本発明に係るリチウム二次電池の用途は、特に限定されないが、例えば、ノートパソコン、ラップトップパソコン、ポケットワープロ、携帯電話、コードレス子機、ポータブルCDプレーヤー、ラジオ、液晶テレビ、バックアップ電源、電気シェーバー、メモリーカード、ビデオムービー等の電子機器、自動車、電動車両、ゲーム機器等の民生用電子機器が挙げられる。
【0055】
【実施例】
以下、本発明を実施例により詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【0056】
本発明の実施例で用いた原料の金属酸化物の諸物性を表1に示した。
【表1】
注)MgO;宇部マテリアルズ社製、ZrO2;第一稀元素化学工業社製、TiO2;昭和タイタニウム社製、ZnO;正同化学社製
【0057】
<コバルト酸リチウムの調製>
Co34(平均粒径2μm)40gとLi2CO3(平均粒径7μm)19gを秤量し、乾式で十分に混合した後1000℃で5時間焼成した。該焼成物を粉砕、分級してLiCoO2を得た。このものの諸物性を表2に示した。
【表2】
【0058】
実施例1〜2及び比較例1〜2
<第一工程>
前記で調製したLiCoO2 に、表3に示した量の金属酸化物試料1(MgO)を0.2重量%となるよう加え、家庭用ミキサーを用いて60秒間十分混合することによりLiCoO2粒子表面にMgOを付着させた。
また、第一工程後のBET比表面積を測定し、その結果を表3に示した。
<第二工程>
次に、第一工程で得られたMgOを付着させたLiCoO2 を4つに分けて表3に示す温度にて各試料を5時間加熱処理し、分級して各種のリチウムコバルト系複合酸化物を得た。また、得られたリチウムコバルト系複合酸化物の諸物性を表3に示した。
【表3】
【0059】
表3の結果より、第一工程後と第二工程後の実施例1、実施例2と比較例1のリチウムコバルト系複合酸化物のBET比表面積を比較すると、実施例1、2の方が第二工程後のBET比表面積(m2/g)の減少率が大きい。このことから、比較例1のものと比べてMgOが複合酸化物の粒子表面に密着性よく付着していることが分かる。また、比較例2の900℃で処理したものは、実施例1〜2のリチウムコバルト系複合酸化物と比べ、この比表面積の減少率が大きい。これはMgOが一部LiCoO2の粒子内部まで固溶したためと考えられる。また、実施例1で得られたリチウムコバルト系複合酸化物の電子顕微鏡写真を図1に,更にそれを拡大したものを図2に示す。
【0060】
実施例3〜4及び比較例3
<第一工程>
前記で調製したLiCoO2に、表4に示した金属酸化物とを0.2重量%となるように家庭用ミキサーを用いて60秒間十分に混合することによりLiCoO2粒子表面に金属酸化物を付着させた。
<第二工程>
次に、第一工程で得られた各種の金属酸化物を付着させた複合酸化物を表4に示す温度にて5時間加熱処理し、分級して各種のリチウムコバルト系複合酸化物を得た。また、得られたリチウムコバルト系複合酸化物の諸物性を表4に示した。
【表4】
【0061】
実施例5
<V置換複合酸化物の調製>
Co34(平均粒径2μm)40gとLiCO3(平均粒径7μm)19.5g及びV25(平均粒径8μm)0.05gを秤量し、乾式で十分に混合した後1000℃で5時間焼成した。該焼成物を粉砕、分級してLiCo0.9990.0012を得た。このものの諸物性を表5に示した。
【表5】
<第一工程>
前記で調製したV置換複合酸化物に、金属酸化物を0.2重量%となるように家庭用ミキサーを用いて60秒間十分に混合することによりV置換複合酸化物の粒子表面に金属酸化物を付着させた。
また、第一工程後のBET比表面積を測定し、その結果を表10に示した。
<第二工程>
次に、第一工程で得られた金属酸化物を付着させた複合酸化物を300℃で5時間加熱処理し、分級してリチウムコバルト系複合酸化物を得た。また、得られたリチウムコバルト系複合酸化物の主物性を表10に示した。
【0062】
実施例6
<Cu置換複合酸化物の調製>
Co34(平均粒径2μm)40gとLi2CO3(平均粒径7μm)19.5g及びCuCO3(平均粒径7μm)0.06gを秤量し、乾式で十分に混合した後1000℃で5時間焼成した。該焼成物を粉砕、分級してLiCo0.999Cu0.0012を得た。このものの諸物性を表6に示した。
【表6】
<第一工程>
前記で調製したCu置換複合酸化物に、金属酸化物を0.2重量%となるように家庭用ミキサーを用いて60秒間十分に混合することによりCu置換複合酸化物の粒子表面に金属酸化物を付着させた。
また、第一工程後のBET比表面積を測定し、その結果を表10に示した。
<第二工程>
次に、第一工程で得られた金属酸化物を付着させた複合酸化物を300℃で5時間加熱処理し、分級してリチウムコバルト系複合酸化物を得た。また、得られたリチウムコバルト系複合酸化物の諸物性を表10に示した。
【0063】
実施例7
<Fe置換複合酸化物の調製>
Co34(平均粒径2μm)40gとLi2CO3(平均粒径7μm)19.5g及びFe34(平均粒径5μm)0.04gを秤量し、乾式で十分に混合した後1000℃で5時間焼成した。該焼成物を粉砕、分級してLiCo0.999Fe0.0012を得た。このものの諸物性を表7に示した。
【表7】
<第一工程>
前記で調製したFe置換複合酸化物に、金属酸化物を0.2重量%となるように家庭用ミキサーを用いて60秒間十分に混合することによりFe置換複合酸化物の粒子表面に金属酸化物を付着させた。
また、第一工程後のBET比表面積を測定し、その結果を表10に示した。
<第二工程>
次に、第一工程で得られた金属酸化物を付着させた複合酸化物を300℃にて5時間加熱処理し、分級してリチウムコバルト系複合酸化物を得た。また、得られたリチウムコバルト系複合酸化物の諸物性を表10に示した。
【0064】
実施例8
<Zn置換複合酸化物の調製>
Co34(平均粒径2μm)40gとLi2CO3(平均粒径7μm)19.5g及びZnO(平均粒径5μm)0.04gを秤量し、乾式で十分に混合した後1000℃で5時間焼成した。該焼成物を粉砕、分級してLiCo0.999Zn0.0012を得た。このものの諸物性を表8に示した。
【表8】
<第一工程>
前記で調製したZn置換複合酸化物に、金属酸化物を0.2重量%となるように家庭用ミキサーを用いて60秒間十分に混合することによりZn置換複合酸化物の粒子表面に金属酸化物を付着させた。
また、第一工程後のBET比表面積を測定し、その結果を表10に示した。
<第二工程>
次に、第一工程で得られた金属酸化物を付着させた複合酸化物を300℃にて5時間加熱処理し、分級してリチウムコバルト系複合酸化物を得た。また、得られたリチウムコバルト系複合酸化物の諸物性を表10に示した。
【0065】
実施例9
<Zr置換複合酸化物の調製>
Co34(平均粒径2μm)40gとLi2CO3(平均粒径7μm)19.5g及びZrO2(平均粒径1μm)0.06gを秤量し、乾式で十分に混合した後1000℃で5時間焼成した。該焼成物を粉砕、分級してLiCo0.999Zr0.0012を得た。このものの諸物性を表9に示した。
【表9】
<第一工程>
前記で調製したZr置換複合酸化物に、金属酸化物を0.2重量%となるように家庭用ミキサーを用いて60秒間十分に混合することによりZr置換複合酸化物の粒子表面に金属酸化物を付着させた。
また、第一工程後のBET比表面積を測定し、その結果を表10に示した。
<第二工程>
次に、第一工程で得られた金属酸化物を付着させた複合酸化物を300℃にて5時間加熱処理し、分級してリチウムコバルト系複合酸化物を得た。また、得られたリチウムコバルト系複合酸化物の主物性を表10に示した。
【表10】
【0066】
<電池性能試験>
(I)リチウム2次電池の作製;
上記のように製造した実施例1〜9、比較例1〜3で得られたリチウムコバルト系複合酸化物及び実施例1で用いたLiCoO2(比較例4)91重量%、黒鉛粉末6重量%、ポリフッ化ビニリデン3重量%を混合して正極剤とし、これをN−メチル−2−ピロリジノンに分散させて混練ペーストを調製した。該混練ペーストをアルミ箔に塗布したのち乾燥、プレスして直径15mmの円盤に打ち抜いて正極板を得た。
この正極板を用いて、セパレーター、負極、正極、集電板、取り付け金具、外部端子、電解液等の各部材を使用してリチウム二次電池を製作した。このうち、負極は金属リチウム箔を用い、電解液にはエチレンカーボネートとメチルエチルカーボネートの1:1混練液1リットルにLiPF6 1モルを溶解したものを使用した。
【0067】
(1)電池の性能評価
作製したリチウム二次電池を室温で作動させ、下記の電池性能を評価した。
・容量維持率、エネルギー維持率の測定
室温にて正極に対して定電流電圧(CCCV)0.5Cで4.3V まで充電した後、0.2Cで2.7Vまで放電させる充放電を1サイクルとして、放電容量およびエネルギー密度を測定した。
次いで、上記放電容量及びエネルギー密度の測定における充放電を20サイクル行い、下記式(1)により容量維持率を算出し、また、下記式(2)によりエネルギー維持率を算出した。その結果を表11及び表12に示す。また、実施例1、実施例3、実施例4、比較例1、比較例3及び比較例4で調製したリチウムコバルト系複合酸化物を正極活物質として用いたリチウム二次電池のこの条件下での放電特性図を図3〜8にそれぞれ示した。
【数1】
【数2】
【0068】
・負荷特性の評価
まず、正極に対して定電流電圧(CCCV)充電により0.5Cで5時間かけて、4.3Vまで充電した後、放電レート0.2C、0.5C、1.0Cで2.7Vまで放電させる充放電を行い、これらの操作を1サイクルとして1サイクル毎に放電容量とエネルギー密度を測定した。このサイクルを3サイクル繰り返し、3サイクル目の放電容量とエネルギー密度を求めた。その結果を表11及び表12に示す。また、実施例1、実施例3、実施例4、比較例1、比較例3及び比較例4で調製したリチウムコバルト系複合酸化物を正極活物質として用いたリチウム二次電池について上記操作を放電レート0.2Cでも同様に行い、0.2C、0.5C、1Cでの放電特性図を図9〜図14にそれぞれ示した。なお、エネルギー密度の値が高い方が、高負荷放電時でもより多くのエネルギーを利用でき、同じ放電容量の場合にはより高電圧での放電が可能である事を示し、即ち、負荷特性が優れていることを示す。
【表11】
【表12】
表11及び表12の結果より、本発明のリチウムコバルト系複合酸化物を正極活物質として用いたリチウム二次電池は比較例のものを正極活物質として用いたものと比べ、容量維持率が高く、負荷特性が優れていることが分かる。更に、図〜図14の結果より、比較例4のものを正極活物質として用いたものと比べ、放電カーブ末期にはっきりとした肩が見られ、放電の最後まで高電圧を維持していることが分かる。
【0069】
・安全性の評価
輿石、喜多、和田(平成13年11月21日〜23日開催 第42回 電池討論会 講演要旨集、462〜463頁)、太田、大岩、石垣ら(平成13年11月21日〜23日開催第42回 電池討論会 講演要旨集、470〜471頁)及び特開2002−158008号公報の電池の熱安定性評価法に基づいて、実施例2および比較例4で調製したリチウムコバルト系複合酸化物を正極活物質として用いたリチウム二次電池を室温で正極に対して、定電流電圧(CCCV)充電により0.5Cで5時間かけて、4.3Vまで充電した後、アルゴン雰囲気下でリチウム二次電池を分解し、リチウムを引き抜き,デインターカレーションした正極活物質を含有する正極板を取り出した。次いで、この取り出した正極板から正極活物質を各5.0mg削り取り、エチレンカーボネートとメチルエチルカーボネートの1:1混練液1リットルにLiPF6 1モルを溶解した液5.0mlと一緒に示差走査熱量測定(DSC)用密閉式セル(SUSセル)に封入し、昇温速度2℃/minにて示差走査熱量測定装置(SIIエポリードサービス社製、形式DSC6200)にて示差熱量変化を測定した。その示差熱量変化の結果を図15に示す。この図15の縦軸の熱量は,測定した正極活物質の重さで割った値を用いた。
なお,図15において発熱ピークの高さが最大になった時の温度が高く,また,発熱開始からの発熱量の勾配が緩やかな方が,熱安定性,即ち電池安全性が優れていることを示す。
図15の結果より,LiCoO2(比較例4)は、発熱ピークの高さが最大になった時の温度が196℃であるのに対して、本発明のリチウムコバルト系複合酸化物(実施例2)では、発熱ピークの高さが最大になった時の温度が235℃で,また,LiCoO2(比較例4)のものと比べて,本発明のリチウムコバルト系複合酸化物は,発熱開始温度から発熱ピークの高さが最大となる時の温度までの発熱量の勾配が緩やかであることから電池の安全性に優れることが分かる。
【0070】
【発明の効果】
上記したとおり、本発明のリチウムコバルト系複合酸化物は、一般式;LixCo1-yMey2-a(Meは、V、Cu、Zr、Zn、Mg、Al又はFeから選ばれる1種又は2種以上の金属元素を表す。xは、0.9≦x≦1.1、yは0≦y≦0.01、aは−0.1≦a≦0.1の値をとる。)で表される複合酸化物の粒子表面にMg、Ti又はZrから選ばれる少なくとも1種以上の金属酸化物を密着性よく付着させたリチウムコバルト系複合酸化物であり、このリチウムコバルト系複合酸化物をリチウム二次電池の正極活物質として用いたときに、特に負荷特性、サイクル特性及び安全性が優れたリチウム二次電池となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 実施例1で得られたリチウムコバルト系複合酸化物の粒子表面の状態を示す電子顕微鏡写真。
【図2】 実施例1で得られたリチウムコバルト系複合酸化物の粒子表面の状態を示す電子顕微鏡写真。
【図3】 実施例1で得られたリチウムコバルト系複合酸化物を正極活物質とするリチウム二次電池のサイクル特性を示す図。
【図4】 実施例3で得られたリチウムコバルト系複合酸化物を正極活物質とするリチウム二次電池のサイクル特性を示す図。
【図5】 実施例4で得られたリチウムコバルト系複合酸化物を正極活物質とするリチウム二次電池のサイクル特性を示す図。
【図6】 比較例1で得られたリチウムコバルト系複合酸化物を正極活物質とするリチウム二次電池ののサイクル特性を示す図。
【図7】 比較例3で得られたリチウムコバルト系複合酸化物を正極活物質とするリチウム二次電池ののサイクル特性を示す図。
【図8】 比較例4のLiCoO2を正極活物質とするリチウム二次電池のサイクル特性を示す図。
【図9】 実施例1で得られたリチウムコバルト系複合酸化物を正極活物質とするリチウム二次電池の0.2C、0.5C、1Cでの負荷特性を示す図。
【図10】 実施例3で得られたリチウムコバルト系複合酸化物を正極活物質とするリチウム二次電池の0.2C、0.5C、1Cでの負荷特性を示す図。
【図11】 実施例4で得られたリチウムコバルト系複合酸化物を正極活物質とするリチウム二次電池の0.2C、0.5C、1Cでの負荷特性を示す図。
【図12】 比較例1で得られたリチウムコバルト系複合酸化物を正極活物質とするリチウム二次電池の0.2C、0.5C、1Cでの負荷特性を示す図。
【図13】 比較例3で得られたリチウムコバルト系複合酸化物を正極活物質とするリチウム二次電池の0.2C、0.5C、1Cでの負荷特性を示す図。
【図14】 比較例4のLiCoO2を正極活物質とするリチウム二次電池の0.2C、0.5C、1Cでの負荷特性を示す図。
【図15】 実施例2及び比較例4で得られたリチウムコバルト系複合酸化物からリチウムを引き抜き,デインターカレーションした正極活物質の示差熱量変化を示す図。
[0001]
[Technical field to which the invention belongs]
The present invention is a lithium cobalt based composite oxide useful as a positive electrode active material of a lithium secondary battery, a method for producing the same, a lithium secondary battery positive electrode active material containing the same, and particularly excellent in load characteristics, cycle characteristics and safety. The present invention relates to a lithium secondary battery.
[0002]
[Prior art]
In recent years, as home appliances have become portable and cordless, lithium ion secondary batteries have been put to practical use as power sources for small electronic devices such as laptop computers, mobile phones, and video cameras. With respect to this lithium ion secondary battery, since a report that lithium cobalt oxide was useful as a positive electrode active material of a lithium ion secondary battery in 1980 by Mizushima et al. Research and development on complex oxides are actively underway, and many proposals have been made so far.
[0003]
Conventionally, as a technique for increasing the energy density of the positive electrode active material, for example, the composition of lithium cobaltate is Lix CoO. 2 (However, 1.05 ≦ x ≦ 1.3) to make it rich in lithium (see Patent Document 1), conversely, Lix CoO 2 (However, it is made cobalt rich by setting 0 <x ≦ 1) (refer to Patent Document 2), doped with metal ions such as Mn, W, Ni, La (for example, Patent Document 3, Patent Document 2) 4 and Patent Document 5), residual Li in lithium cobaltate 2 CO Three Of 10% by weight or less (see Patent Document 6), LixCoO 2 (Where 0 <x ≦ 1.25) and the spin concentration at g = 2.15 by the electron spin resonance apparatus is 1 × 10 18 The number of pieces / g or less (see Patent Document 7) has been proposed.
[0004]
Further, as a physical feature of the lithium cobaltate-based positive electrode active material, the particle size is a requirement, for example, LiCoO 2 Average particle diameter of 10 to 150 μm (see Patent Document 8), average primary particle diameter of 0.5 μm or less (see Patent Document 9), average particle diameter of 2 to 10 μm, particle size distribution D (25%) 5 to 10 μm, D (50%) 2 to 10 μm, D (75%) 3.5 to 30 μm (see Patent Document 10), 10% cumulative particle diameter 3 to 15 μm, 50% cumulative particle diameter 8 to 35 μm, 90 % Cumulative particle diameter of 30 to 80 μm (see Patent Document 11), average particle diameter of 2 to 9 μm, of which 1 to 9 μm is 60% or more of the total volume (see Patent Document 12). Yes.
[0005]
Patent Document 13 (JP-A-8-236114) discloses that in a lithium secondary battery including a positive electrode using a lithium transition metal composite oxide as an active material, the surface of the positive electrode is BeO, MgO, CaO, SrO, BaO, ZnO, Al 2 O Three , CeO 2 , As 2 O Three Alternatively, a lithium secondary battery having a positive electrode formed with a coating formed of a mixture of two or more of these has been proposed.
However, Patent Document 13 (JP-A-8-236114) discloses that a positive electrode obtained by heat-treating a positive electrode mixture in which a lithium transition metal composite oxide, a conductive agent, and a binder are mixed with the metal oxide. The coating is performed, and the cathode active material itself is not coated.
[0006]
In Patent Document 14 (Japanese Patent Laid-Open No. 11-16666), Ti, Al, Sn, Bi, Cu are fused around the positive electrode active material by sputtering, electroless plating, or mechanical mixing. , Si, Ga, W, Zr, B, and a metal containing at least one selected from Mo and / or an intermetallic compound obtained by combining a plurality of these and / or an oxide-coated one is used as the positive electrode active material Batteries have been proposed.
However, even when a lithium secondary battery using a positive electrode active material obtained by melting by mechanical mixing in Patent Document 14 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-16666) is used, the load characteristics and cycle are still satisfactory. Characteristics and even safety cannot be realized.
[0007]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 3-127454
[Patent Document 2]
JP-A-3-134969
[Patent Document 3]
Japanese Patent Laid-Open No. 3-201368
[Patent Document 4]
JP-A-4-328277
[Patent Document 5]
JP-A-4-319259
[Patent Document 6]
JP-A-4-56064
[Patent Document 7]
Japanese Patent Laid-Open No. 2000-12022
[Patent Document 8]
JP-A-1-304664
[Patent Document 9]
JP-A-4-33260
[Patent Document 10]
Japanese Patent Laid-Open No. 5-94822
[Patent Document 11]
Japanese Patent Laid-Open No. 5-151998
[Patent Document 12]
JP-A-6-2443897
[Patent Document 13]
JP-A-8-236114
[Patent Document 14]
Japanese Patent Laid-Open No. 11-16666
[Non-Patent Document 1]
Mizushima et al., "Material Research Bulletin", 1980, vol.15, p783-789
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a lithium cobalt-based material useful as a positive electrode active material for a lithium secondary battery particularly excellent in load characteristics, cycle characteristics, and safety when used as a positive electrode active material for a lithium secondary battery. It is to provide a composite oxide, a production method thereof, a positive electrode active material containing the same, and a lithium secondary battery using the positive electrode active material.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
As a result of intensive studies in order to achieve the above object, the present inventors have found that lithium cobaltate or a complex oxide obtained by substituting a part of cobalt of lithium cobaltate with a specific metal element, Mg, Ti or Lithium cobalt system in which at least one metal oxide selected from Zr is dry-mixed and heat-treated in a specific temperature range to adhere the metal oxide to the particle surface of the composite oxide with good adhesion. A lithium secondary battery using a composite oxide as a positive electrode active material has been found to be particularly excellent in load characteristics, cycle characteristics, and safety, and has completed the present invention.
[0010]
That is, the first invention of the present invention has the general formula: Li x Co 1-y Me y O 2-a (Me represents one or more metal elements selected from V, Cu, Zr, Zn, Mg, Al or Fe. X is 0.9 ≦ x ≦ 1.1, and y is 0 ≦ y. ≦ 0.01, a takes a value of −0.1 ≦ a ≦ 0.1.) And at least one metal oxide selected from Mg, Ti, or Zr. 200 ~ dry mix 600 The present invention provides a lithium-cobalt-based composite oxide obtained by heat-treating at a temperature of 0 ° C. to adhere the metal oxide to the surface of the composite oxide particles. Further, the adhesion amount of the metal oxide is preferably 0.05 to 1% by weight, and the BET specific surface area of the lithium cobalt composite oxide is 0.1 to 2.0 m. 2 / G is particularly preferable.
[0011]
Moreover, 2nd invention of this invention provides the manufacturing method of the lithium cobalt type complex oxide characterized by including the following 1st-2nd processes.
First step; general formula; Li x Co 1-y Me y O 2-a (Me represents one or more metal elements selected from V, Cu, Zr, Zn, Mg, Al or Fe. X is 0.9 ≦ x ≦ 1.1, and y is 0 ≦ y. ≦ 0.01 , A takes a value of −0.1 ≦ a ≦ 0.1. ) And at least one metal oxide selected from Mg, Ti, or Zr are dry-mixed to adhere the metal oxide particles to the surface of the composite oxide particles.
2nd process; The process of obtaining the lithium cobalt type complex oxide by heat-processing at 200-600 degreeC the complex oxide to which the metal oxide obtained by the 1st process was made to adhere. The metal oxide used in the first step is preferably one having an average particle size of 1.0 μm or less.
[0012]
A third invention of the present invention provides a positive electrode active material for a lithium secondary battery, characterized in that it contains the lithium cobalt complex oxide.
[0013]
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a lithium secondary battery using the lithium secondary battery positive electrode active material.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
The lithium cobalt complex oxide according to the present invention has a general formula: Li x Co 1-y Me y O 2-a (Me represents one or more metal elements selected from V, Cu, Zr, Zn, Mg, Al or Fe. X is 0.9 ≦ x ≦ 1.1, and y is 0 ≦ y. ≦ 0.01, a takes a value of −0.1 ≦ a ≦ 0.1.) And at least one metal oxide selected from Mg, Ti, or Zr. The mixture is dry-mixed and heat-treated in a specific temperature range to adhere the metal oxide to the surface of the composite oxide particles with good adhesion. The lithium cobalt composite oxide according to the present invention is the composite This is different from the case where the metal oxide is simply adhered to the particle surface of the composite oxide by mechanically mixing the oxide and the metal oxide.
That is, the metal oxide particles adhere to the surface of the composite oxide particles by mechanical mixing. The composite oxide particle surfaces and the metal oxide particles adhere to each other in a state where the contact area is small due to weak bonds that are brittle due to static electricity. In contrast, the lithium-cobalt composite oxide of the present invention mechanically dry-mixes the composite oxide and metal oxide, and temporarily attaches the metal oxide particles to the composite oxide particle surface by static electricity. Furthermore, this was heat-treated in a specific temperature range, and a fine metal oxide was adhered to the surface of the composite oxide particles with good adhesion. A lithium secondary battery using a product as a positive electrode active material can obtain particularly excellent load characteristics, cycle characteristics, and safety.
[0015]
In this invention, the said heat processing temperature is 200-700 degreeC, Preferably it is 300-600 degreeC, and makes a metal oxide adhere more closely to the particle | grain surface of complex oxide by heat-processing in this temperature range in this invention. Can be attached. That is, by this heat treatment, the energy of the metal oxide particle surface is reduced, and the surface of the metal oxide particle becomes smooth, so that the composite oxide particle and the metal oxide particle are more easily brought into close contact with each other. It is thought that the nature increases.
This can also be confirmed from the fact that the BET specific surface area is reduced after heat treatment compared to before heat treatment.
[0016]
In the lithium cobalt composite oxide of the present invention, the particle surface of the composite oxide includes primary particles or the surface of aggregated particles in which primary particles are aggregated.
[0017]
In the lithium cobalt composite oxide of the present invention, the composite oxide has the general formula: Li x Co 1-y Me y O 2-a It is represented by That is, the general formula (1); Li x CoO 2-a (Hereinafter referred to as “1) complex oxide”) or general formula (2); Li x Co 1-y Me y O 2-a (Hereinafter referred to as “mixed oxide of (2)”).
[0018]
In the composite oxide of (1), the value of x in the formula indicating the amount of lithium atoms is 0.9 to 1.1, preferably 0.95 to 1.05. The value of a in the formula indicating the amount of oxygen atoms in the composite oxide is −0.1 to 0.1, preferably −0.05 to 0.05.
[0019]
The complex oxide (2) is a complex oxide obtained by substituting a part of cobalt atoms of the complex oxide (1) with another metal element. In the present invention, the following other metal element may be irreversibly substituted at the Li site in the production process of the composite oxide of (2). Me in this formula represents one or more metal elements selected from V, Cu, Zr, Zn, Mg, Al or Fe, and the value of y in the formula indicating the amount of these metal atoms is , More than 0 and 0.01 or less, preferably 0.001 to 0.005. In the composite oxide of (2), the value of x in the formula indicating the amount of lithium atoms is 0.9 to 1.1, preferably 0.95 to 1.05. The value of a in the formula indicating the amount of oxygen atoms in the composite oxide is −0.1 to 0.1, preferably −0.05 to 0.05.
[0020]
In the present invention, the lithium cobalt based composite oxide in which the metal oxide is adhered to the particle surface of the composite oxide of (2) is used as a positive electrode active material of a lithium secondary battery, whereby the composite of (1) is used. The load characteristics, cycle characteristics, or safety of the lithium secondary battery can be further improved as compared with those using the lithium cobalt composite oxide in which the metal oxide is attached to the oxide particle surface.
[0021]
The physical properties of the composite oxide (1) and the composite oxide (2) are not particularly limited, but the average particle size determined by the laser diffraction method is 1 to 20 μm, preferably 1 to 15 μm, particularly preferably 2 -10 μm.
[0022]
In addition to the average particle size being in the above range, it is further obtained that the primary particle aggregate is an average particle size of 1.0 to 20 μm formed by aggregation of primary particles having an average particle size of 0.1 to 2.5 μm. When the lithium cobalt based composite oxide is used as the positive electrode active material, Li is preferably desorbed and inserted quickly. Furthermore, when the primary aggregate is 70% or more of the total volume, and preferably 80% or more has a particle size of 1 to 20 μm, it is possible to form a coating film having a uniform thickness of the obtained lithium cobalt composite oxide. This is more desirable. The BET specific surface area of the composite oxide (1) and the composite oxide (2) is 0.1-2 m. 2 / G, preferably 0.2 to 1.5 m 2 / G, particularly preferably 0.3 to 1.0 m 2 / G. It is preferable that the BET specific surface area is within the above range because the lithium secondary battery using the obtained lithium cobalt composite oxide as the positive electrode active material has good safety.
[0023]
The metal oxide particles attached to the composite oxide of (1) and the composite oxide of (2) are at least one metal oxide selected from Mg, Ti, or Zr. Specifically, MgO, TiO 2 Or ZrO 2 It is.
The amount of the metal oxide attached to the particle surface of the composite oxide (1) and the composite oxide (2) is 0.05 to 1% by weight, preferably 0.1 to 0.5% by weight. It is preferable. The reason for this is that if the amount is less than 0.05% by weight, the relative coverage area of the metal oxide present on the surface of the composite oxide particles is insufficient, so a lithium secondary battery using this as a positive electrode active material is preferable. There is a tendency that load characteristics, cycle characteristics, or safety tends not to be obtained. Absent.
The particle size of the metal oxide adhering to the composite oxide (1) and the composite oxide (2) is 1 μm or less, preferably 0.005 to 1 μm, particularly preferably from the electron micrograph. 0.01 to 0.25 μm.
[0024]
Other physical properties of the lithium cobalt composite oxide according to the present invention include a BET specific surface area of 0.1 to 2.0 m. 2 / G, preferably 0.1 to 1.0 m 2 / G. It is preferable that the BET specific surface area be within this range because safety is further improved.
[0025]
Subsequently, the manufacturing method of the lithium cobalt type complex oxide which has the said physical property concerning this invention is demonstrated.
The lithium cobalt composite oxide of the present invention can be produced by carrying out the following first to second steps.
First step: The composite oxide of (1) or the composite oxide of (2) and at least one metal oxide selected from Mg, Ti, or Zr are dry-mixed and the composite oxidation of (1) above A step of adhering the metal oxide particles to the surface of the product or the composite oxide particles of (2).
Second step: Lithium cobalt obtained by heat-treating the surface of the composite oxide (1) or the composite oxide particle (2) obtained in the first step on the surface of the composite oxide, at 200 to 700 ° C. A step of obtaining a composite oxide.
[0026]
The physical properties of the composite oxide (1) and the composite oxide (2) used in the first step are not particularly limited, but the average particle size determined by the laser diffraction method is 1 to 20 μm, preferably 1 to 15 μm, and particularly preferably 2 to 10 μm. In addition to the average particle size being in the above range, the average particle size of 1.0 to 2.5 μm is obtained by collecting primary particles having an average particle size of 0.1 to 2.5 μm. A primary particle aggregate of 20 μm is preferable because Li can be desorbed and inserted quickly when the obtained lithium cobalt composite oxide is used as a positive electrode active material. Furthermore, it is more desirable that the primary aggregate has a particle size of 1 to 20 μm, with 70% or more, preferably 80% or more of the total volume, being able to form a uniform thickness coating film. The composite oxide of the raw material has a BET specific surface area of 0.1 to 2 m. 2 / G, preferably 0.2 to 1.5 m 2 / G, particularly preferably 0.3 to 1.0 m 2 / G. It is preferable that the BET specific surface area be within the above range because the resulting lithium cobalt composite oxide has good safety when used as the positive electrode active material.
[0027]
The composite oxide of (1) or the composite oxide of (2) as the raw material having the above physical properties may be obtained by any production method. For example, the composite oxide of (1) is used. What is necessary is just to mix and bake a lithium compound and a cobalt compound. The composite oxide of (2) is a lithium compound, a cobalt compound, and a transition metal compound containing one or more metal elements selected from V, Cu, Zr, Zn, Mg, Al or Fe. What is necessary is just to mix and bake.
[0028]
More specifically, in the composite oxide of (1), the lithium compound and the cobalt compound are 0.95 to 1.1 in terms of the molar ratio of Co atom to Li atom (Li / Co) in the compound. Preferably, it is set to 0.98 to 1.05, and is uniformly mixed using a blender or the like, and then the mixture is fired. The firing conditions may be a temperature at which the composite oxide can be produced. The firing temperature is 600 to 1100 ° C., preferably 800 to 1050 ° C., and the firing time is preferably 2 to 24 hours. As the raw material lithium compound and cobalt compound, these oxides, hydroxides, carbonates, nitrates or organic acid salts can be used. The firing atmosphere may be performed, for example, in the air, in an oxygen atmosphere, or in an inert atmosphere, and is not particularly limited, and these firings may be performed as many times as necessary.
[0029]
On the other hand, the composite oxide of (2) is one type selected from a lithium compound and a cobalt compound and V, Cu, Zr, Zn, Mg, Al or Fe in the method of producing a composite oxide of (1) or Two or more transition metal compounds are combined with one or two or more metal atoms (Me) selected from V, Cu, Zr, Zn, Mg, Al, or Fe in the transition metal compound with respect to the Co atom in the cobalt compound. ) And a lithium compound, a cobalt compound, and a transition metal compound are mixed so that the molar ratio (Me / Co) is greater than 0 and 0.01 or less, and is 600 to 1100 ° C., preferably 800 to 1050 ° C. It can manufacture by baking for 24 hours. The transition metal compound containing one or more metal elements selected from V, Cu, Zr, Zn, Mg, Al or Fe as a raw material of the composite oxide of (2) is an oxidation of these metal elements. Substances, hydroxides, carbonates, nitrates or organic acid salts can be used. The firing atmosphere may be performed, for example, in the air, in an oxygen atmosphere, or in an inert atmosphere, and is not particularly limited, and these firings may be performed as many times as necessary.
[0030]
After firing, the mixture is appropriately cooled and pulverized as necessary to obtain the composite oxide (1) or the composite oxide (2).
The pulverization performed as necessary in the composite oxide production methods (1) and (2) is appropriately performed when the composite oxide obtained by firing is in a brittle and bonded block form. However, the composite oxide particles themselves have the above-described specific average particle diameter and BET specific surface area. That is, the obtained composite oxide of (1) or (2) has an average particle size of 1.0 to 20 μm, preferably 1.0 to 15 μm, more preferably 2.0 to 10 μm. , BET specific surface area is 0.1-2.0m 2 / G, preferably 0.2 to 1.5 m 2 / G, more preferably 0.3 to 1.0 m 2 / G.
[0031]
The metal oxide selected from Mg, Ti or Zr as one raw material has a general formula; MgO, TiO 2 Or ZrO 2 What is chosen from these is preferable, and these can be used by 1 type (s) or 2 or more types.
Further, it is preferable to use fine metal oxides for the purpose of adhering to the surface of the composite oxide particles of the above (1) or the composite oxide particles of the above (2) uniformly and with good adhesion. The required average particle size is 1 μm or less. The reason for this is that when the average particle size of the metal oxide exceeds 1 μm, the metal oxide is difficult to adhere to the particle surface of the composite oxide, and tends to be a mixed powder of these, whereas the metal oxide If the particle size of the particles is less than 0.005 μm, the metal oxide particles adhering to the surface of the composite oxide are aggregated, and the primary particles not in contact with the surface of the composite oxide tend to act as impurities in return. Therefore, the average particle diameter of the metal oxide is preferably 0.005 to 1 μm, and particularly preferably 0.01 to 0.25 μm.
[0032]
The blending amount of the metal oxides of these raw materials is 0.05 to 1% by weight, preferably 0.1 to 0.5% by weight. This is because, as described above, if the amount of the metal oxide is less than 0.05% by weight, the relative coverage area of the metal oxide present on the particle surface of the composite oxide is insufficient. The lithium secondary battery used as the active material tends to fail to obtain preferable load characteristics, cycle characteristics or safety. On the other hand, exceeding 1% by weight only saturates the above effect according to the present invention. In addition, the discharge capacity per weight is not preferable.
[0033]
Next, a predetermined amount of the composite oxide and metal oxide as described above are uniformly mixed by a blender or the like, and at least one metal selected from fine Mg, Ti, or Zr on the particle surface of the composite oxide. Deposit oxide uniformly.
[0034]
The second step is a step of obtaining a target lithium cobalt composite oxide by heat-treating the composite oxide to which the metal oxide obtained in the first step is attached.
[0035]
The temperature for the heat treatment is 200 to 700 ° C, preferably 300 to 600 ° C. The reason for this is that when the heat treatment temperature is less than 200 ° C., the adhesion between the metal oxide and the composite oxide becomes weak, whereas when it exceeds 700 ° C., the metal oxide dissolves into the inside of the composite oxide particles. Therefore, a lithium secondary battery using this as a positive electrode active material is not preferable because preferable load characteristics, cycle characteristics, or safety cannot be obtained.
[0036]
After completion of the second step, if necessary, pulverized and classified, and at least selected from Mg, Ti, or Zr on the surface of the composite oxide (1) or the composite oxide (2) according to the present invention. A lithium cobalt composite oxide having one or more metal oxides adhered thereto with good adhesion is obtained. The pulverization is appropriately performed when the lithium cobalt composite oxide is brittle and in a block shape.
[0037]
The lithium cobalt composite oxide of the present invention thus obtained can be suitably used as a positive electrode active material for a lithium secondary battery comprising a positive electrode, a negative electrode, a separator, and a non-aqueous electrolyte containing a lithium salt.
[0038]
The lithium cobalt based composite oxide is used for the positive electrode active material of the lithium secondary battery according to the present invention. The positive electrode active material is a raw material of a mixture of a positive electrode mixture of a lithium secondary battery, which will be described later, that is, a positive electrode active material, a conductive agent, a binder, and, if necessary, a filler. The lithium secondary battery positive electrode active material according to the present invention is a lithium cobalt composite oxide having the above-mentioned preferable particle size characteristics, and is mixed with other raw materials to prepare a positive electrode mixture. At this time, kneading is easy, and the coating property when the obtained positive electrode mixture is applied to the positive electrode current collector becomes easy.
[0039]
The lithium secondary battery according to the present invention uses the above-described lithium secondary battery positive electrode active material, and includes a positive electrode, a negative electrode, a separator, and a non-aqueous electrolyte containing a lithium salt. The positive electrode is formed, for example, by applying and drying a positive electrode mixture on a positive electrode current collector, and the positive electrode mixture includes a positive electrode active material, a conductive agent, a binder, and a filler added as necessary. Consists of. In the lithium secondary battery according to the present invention, the lithium cobalt composite oxide, which is a positive electrode active material, is uniformly applied to the positive electrode.
For this reason, especially the lithium secondary battery which concerns on this invention does not produce the fall of a load characteristic, cycling characteristics, or safety | security.
[0040]
The positive electrode current collector is not particularly limited as long as it is an electronic conductor that does not cause a chemical change in the constituted battery. For example, stainless steel, nickel, aluminum, titanium, calcined carbon, aluminum, and stainless steel Examples of the surface include carbon, nickel, titanium, and silver surface-treated. The surface of these materials may be oxidized and used, or the current collector surface may be provided with irregularities by surface treatment. Examples of the current collector include foils, films, sheets, nets, punched ones, lath bodies, porous bodies, foam bodies, fiber groups, nonwoven fabric molded bodies, and the like. The thickness of the current collector is not particularly limited, but is preferably 1 to 500 μm.
[0041]
The conductive agent is not particularly limited as long as it is an electron conductive material that does not cause a chemical change in the constructed battery. For example, graphite such as natural graphite and artificial graphite, carbon black, acetylene black, ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, carbon black such as thermal black, conductive fibers such as carbon fiber and metal fiber, Examples include metal powders such as carbon fluoride, aluminum and nickel powder, conductive whiskers such as zinc oxide and potassium titanate, conductive metal oxides such as titanium oxide, and conductive materials such as polyphenylene derivatives. Examples of graphite include scaly graphite, scaly graphite, and earthy graphite. These can be used alone or in combination of two or more. The blending ratio of the conductive agent is 1 to 50% by weight, preferably 2 to 30% by weight in the positive electrode mixture.
[0042]
Examples of the binder include starch, polyvinylidene fluoride, polyvinyl alcohol, carboxymethylcellulose, hydroxypropylcellulose, regenerated cellulose, diacetylcellulose, polyvinylpyrrolidone, tetrafluoroethylene, polyethylene, polypropylene, ethylene-propylene-diene terpolymer ( EPDM), sulfonated EPDM, styrene butadiene rubber, fluoro rubber, tetrafluoroethylene-hexafluoroethylene copolymer, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer, tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer, fluorinated Vinylidene-hexafluoropropylene copolymer, vinylidene fluoride-chlorotrifluoroethylene copolymer, ethylene-tetrafluoroethylene Oroethylene copolymer, polychlorotrifluoroethylene, vinylidene fluoride-pentafluoropropylene copolymer, propylene-tetrafluoroethylene copolymer, ethylene-chlorotrifluoroethylene copolymer, vinylidene fluoride-hexafluoropropylene-tetra Fluoroethylene copolymer, vinylidene fluoride-perfluoromethyl vinyl ether-tetrafluoroethylene copolymer, ethylene-acrylic acid copolymer or its (Na +) ionic crosslinked product, ethylene-methacrylic acid copolymer or its (Na + ) Ionic crosslinked body, ethylene-methyl acrylate copolymer or its (Na +) ionic crosslinked body, ethylene-methyl methacrylate copolymer or its (Na +) ionic crosslinked body, polysaccharide such as polyethylene oxide, thermoplastic resin Polymers having rubber elasticity, and these may be used individually or in combination. In addition, when using the compound containing a functional group which reacts with lithium like a polysaccharide, it is preferable to add the compound like an isocyanate group and to deactivate the functional group, for example. The blending ratio of the binder is 1 to 50% by weight, preferably 5 to 15% by weight in the positive electrode mixture.
[0043]
The filler suppresses the volume expansion of the positive electrode in the positive electrode mixture, and is added as necessary. As the filler, any fibrous material can be used as long as it does not cause a chemical change in the constructed battery. For example, olefinic polymers such as polypropylene and polyethylene, and fibers such as glass and carbon are used. Although the addition amount of a filler is not specifically limited, 0-30 weight% is preferable in a positive mix.
[0044]
The negative electrode is formed by applying and drying a negative electrode material on the negative electrode current collector. The negative electrode current collector is not particularly limited as long as it is an electronic conductor that does not cause a chemical change in the constructed battery. For example, stainless steel, nickel, copper, titanium, aluminum, calcined carbon, copper or stainless steel Examples of the steel surface include carbon, nickel, titanium, silver surface-treated, and an aluminum-cadmium alloy. Further, the surface of these materials may be used after being oxidized, or the surface of the current collector may be used with surface roughness by surface treatment. Examples of the current collector include foils, films, sheets, nets, punched ones, lath bodies, porous bodies, foam bodies, fiber groups, nonwoven fabric molded bodies, and the like. The thickness of the current collector is not particularly limited, but is preferably 1 to 500 μm.
[0045]
The negative electrode material is not particularly limited, and examples thereof include carbonaceous materials, metal composite oxides, lithium metals, lithium alloys, silicon-based alloys, tin-based alloys, metal oxides, conductive polymers, and chalcogen compounds. And Li—Co—Ni-based materials. Examples of the carbonaceous material include non-graphitizable carbon materials and graphite-based carbon materials. Examples of the metal composite oxide include Snp M 1 1-pM 2 q Or (wherein M 1 Represents one or more elements selected from Mn, Fe, Pb and Ge; 2 Represents one or more elements selected from Al, B, P, Si, Periodic Table Group 1, Group 2, Group 3 and halogen elements, and 0 <p ≦ 1, 1 ≦ q ≦ 3, 1 <= R <= 8 is shown. ), LixFe 2 O Three (0 ≦ x ≦ 1), LixWO 2 And compounds such as (0 ≦ x ≦ 1). As the metal oxide, GeO, GeO 2 , SnO, SnO 2 , PbO, PbO 2 , Pb 2 O Three , Pb Three O Four , Sb 2 O Three , Sb 2 O Four , Sb 2 O Five , Bi 2 O Three , Bi 2 O Four , Bi 2 O Five Etc. Examples of the conductive polymer include polyacetylene and poly-p-funylene.
[0046]
As the separator, an insulating thin film having a large ion permeability and a predetermined mechanical strength is used. Sheets and non-woven fabrics made of olefin polymers such as polypropylene, glass fibers or polyethylene are used because of their organic solvent resistance and hydrophobicity. The pore diameter of the separator may be in a range generally useful for batteries, for example, 0.01 to 10 μm. The thickness of the separator may be in a range for a general battery, for example, 5 to 300 μm. When a solid electrolyte such as a polymer is used as the electrolyte described later, the solid electrolyte may also serve as a separator.
[0047]
The non-aqueous electrolyte containing a lithium salt is composed of a non-aqueous electrolyte and a lithium salt. As the non-aqueous electrolyte, a non-aqueous electrolyte, an organic solid electrolyte, or an inorganic solid electrolyte is used. Examples of the non-aqueous electrolyte include N-methyl-2-pyrrolidinone, propylene carbonate, ethylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, γ-butyrolactone, 1,2-dimethoxyethane, tetrahydroxyfuran, and 2-methyl. Tetrahydrofuran, dimethyl sulfoxide, 1,3-dioxolane, formamide, dimethylformamide, dioxolane, acetonitrile, nitromethane, methyl formate, methyl acetate, phosphoric acid triester, trimethoxymethane, dioxolane derivatives, sulfolane, methylsulfolane, 3-methyl -2-oxazolidinone, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, propylene carbonate derivative, tetrahydrofuran derivative, diethyl ether, 1,3- Ropansaruton, methyl propionate, and a solvent obtained by mixing one or more aprotic organic solvents such as ethyl propionate.
[0048]
Examples of the organic solid electrolyte include a polyethylene derivative, a polyethylene oxide derivative or a polymer containing the same, a polypropylene oxide derivative or a polymer containing the same, a phosphate ester polymer, polyphosphazene, polyaziridine, polyethylene sulfide, polyvinyl alcohol, polyvinylidene fluoride, Examples thereof include a polymer containing an ionic dissociation group such as polyhexafluoropropylene, and a mixture of a polymer containing an ionic dissociation group and the above non-aqueous electrolyte.
[0049]
As the inorganic solid electrolyte, a nitride, halide, oxyacid salt or the like of Li can be used. For example, Li Three N, LiI, Li Five NI 2 , Li Three N-LiI-LiOH, LiSiO Four LiSiO Four -LiI-LiOH, Li 2 SiS Three , Li Four SiO Four , Li Four SiO Four -LiI-LiOH, Li Three PO Four -Li 2 S-SiS 2 And phosphorus sulfide compounds.
[0050]
As the lithium salt, one that dissolves in the non-aqueous electrolyte is used, for example, LiCl, LiBr, LiI, LiClO. Four , LiBF Four , LiB Ten Cl Ten , LiPF 6 , LiCF Three SO Three , LiCF Three CO 2 , LiAsF 6 , LiSbF 6 , LiB Ten Cl Ten LiAlCl Four , CH Three SO Three Li, CF Three SO Three Li, (CF Three SO 2 ) 2 Examples thereof include salts obtained by mixing one or more of NLi, lithium chloroborane, lower aliphatic lithium carboxylate, lithium tetraphenylborate, imides and the like.
[0051]
Moreover, the compound shown below can be added to a nonaqueous electrolyte for the purpose of improving discharge, a charge characteristic, and a flame retardance. For example, pyridine, triethyl phosphite, triethanolamine, cyclic ether, ethylenediamine, n-glyme, hexaphosphoric acid triamide, nitrobenzene derivative, sulfur, quinoneimine dye, N-substituted oxazolidinone and N, N-substituted imidazolidine, ethylene glycol dialkyl ether , Ammonium salt, polyethylene glycol, pyrrole, 2-methoxyethanol, aluminum trichloride, conductive polymer electrode active material monomer, triethylenephosphonamide, trialkylphosphine, morpholine, aryl compounds with carbonyl group, hexamethylphosphine Examples include hollic triamide and 4-alkylmorpholine, bicyclic tertiary amines, oils, phosphonium salts and tertiary sulfonium salts, phosphazenes, and carbonates. That. In order to make the electrolyte nonflammable, a halogen-containing solvent such as carbon tetrachloride or ethylene trifluoride can be included in the electrolyte. In addition, carbon dioxide gas can be included in the electrolytic solution in order to make it suitable for high-temperature storage.
[0052]
The lithium secondary battery according to the present invention is a lithium secondary battery excellent in battery performance, particularly load characteristics and cycle characteristics. The shape of the battery may be any shape such as a button, a sheet, a cylinder, a corner, or a coin shape.
[0053]
Conventional LiCoO 2 Lithium secondary batteries using LiCoO 2 It is known that the electrolytic solution decomposes on the surface and a film is formed. As a result, it is said that the cycle characteristics, load characteristics and safety are lowered.
On the other hand, in the lithium cobalt based composite oxide of the present invention, the particle surface of the composite oxide of (1) or the composite oxide of (2) is at least one selected from Mg, Ti, or Zr. By adhering the metal oxide with good adhesion, the surface of the composite oxide crystal is stabilized, the decomposition of the electrolytic solution in contact with it is suppressed, the formation of a surface film is suppressed, and the particle surface of the composite oxide is reduced. Since it is exposed moderately, Li insertion and removal from the surface of the composite oxide crystal is made smoother. For this reason, the lithium secondary battery using the lithium cobalt composite oxide of the present invention as the positive electrode active material is considered to have excellent battery performance, particularly load characteristics, cycle characteristics, and safety.
[0054]
The use of the lithium secondary battery according to the present invention is not particularly limited. And electronic devices such as memory cards and video movies, and consumer electronic devices such as automobiles, electric vehicles, and game machines.
[0055]
【Example】
EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention in detail, this invention is not limited to these.
[0056]
Table 1 shows the physical properties of the raw material metal oxide used in the examples of the present invention.
[Table 1]
Note) MgO; ZrO, manufactured by Ube Materials 2 ; TiO, manufactured by Daiichi Elemental Chemical Co., Ltd. 2 ; Showa Titanium Co., ZnO; Shodo Chemical Co., Ltd.
[0057]
<Preparation of lithium cobaltate>
Co Three O Four (Average particle size 2 μm) 40 g and Li 2 CO Three 19 g (average particle diameter: 7 μm) was weighed, thoroughly mixed in a dry process, and then fired at 1000 ° C. for 5 hours. The fired product is pulverized and classified to obtain LiCoO. 2 Got. Various physical properties of this product are shown in Table 2.
[Table 2]
[0058]
Examples 1-2 and Comparative Examples 1-2
<First step>
LiCoO prepared above 2 In addition, the amount of metal oxide sample 1 (MgO) shown in Table 3 was added to 0.2% by weight, and the mixture was mixed thoroughly for 60 seconds using a home mixer. 2 MgO was adhered to the particle surface.
Further, the BET specific surface area after the first step was measured, and the results are shown in Table 3.
<Second step>
Next, LiCoO on which MgO obtained in the first step is adhered 2 Were divided into four, and each sample was heat-treated at the temperature shown in Table 3 for 5 hours and classified to obtain various lithium cobalt based composite oxides. In addition, Table 3 shows properties of the obtained lithium cobalt composite oxide.
[Table 3]
[0059]
From the results in Table 3, comparing the BET specific surface areas of the lithium cobalt-based composite oxides of Example 1, Example 2 and Comparative Example 1 after the first step and after the second step, Examples 1 and 2 are the same. BET specific surface area after the second step (m 2 / G) is large. From this, it can be seen that MgO adheres to the surface of the composite oxide particles with better adhesion than that of Comparative Example 1. Moreover, what was processed at 900 degreeC of the comparative example 2 has a large decreasing rate of this specific surface area compared with the lithium cobalt type complex oxide of Examples 1-2. This is because MgO is partly LiCoO 2 This is thought to be due to the solid solution up to the inside of the particles. Moreover, the electron micrograph of the lithium cobalt composite oxide obtained in Example 1 is shown in FIG. 1, and an enlarged view thereof is shown in FIG.
[0060]
Examples 3 to 4 and Comparative Example 3
<First step>
LiCoO prepared above 2 In addition, the metal oxides shown in Table 4 were mixed thoroughly for 60 seconds using a home mixer so as to be 0.2% by weight. 2 A metal oxide was adhered to the particle surface.
<Second step>
Next, the composite oxide obtained by attaching the various metal oxides obtained in the first step was heat-treated at the temperature shown in Table 4 for 5 hours and classified to obtain various lithium cobalt composite oxides. . In addition, Table 4 shows properties of the obtained lithium cobalt composite oxide.
[Table 4]
[0061]
Example 5
<Preparation of V-substituted composite oxide>
Co Three O Four (Average particle size 2 μm) 40 g and LiCO Three (Average particle size 7 μm) 19.5 g and V 2 O Five 0.05 g (average particle size 8 μm) was weighed and thoroughly mixed in a dry process, followed by baking at 1000 ° C. for 5 hours. The fired product is pulverized and classified to obtain LiCo. 0.999 V 0.001 O 2 Got. Various physical properties of this product are shown in Table 5.
[Table 5]
<First step>
The V-substituted composite oxide prepared above was sufficiently mixed for 60 seconds with a household mixer so that the metal oxide would be 0.2 wt%, thereby forming a metal oxide on the surface of the V-substituted composite oxide particles. Was attached.
Further, the BET specific surface area after the first step was measured, and the result is shown in Table 10.
<Second step>
Next, the composite oxide to which the metal oxide obtained in the first step was attached was heat-treated at 300 ° C. for 5 hours and classified to obtain a lithium cobalt composite oxide. In addition, Table 10 shows the main physical properties of the obtained lithium cobalt composite oxide.
[0062]
Example 6
<Preparation of Cu-substituted composite oxide>
Co Three O Four (Average particle size 2 μm) 40 g and Li 2 CO Three (Average particle size 7 μm) 19.5 g and CuCO Three 0.06 g (average particle size: 7 μm) was weighed, thoroughly mixed in a dry process, and then fired at 1000 ° C. for 5 hours. The fired product is pulverized and classified to obtain LiCo. 0.999 Cu 0.001 O 2 Got. Various physical properties of this product are shown in Table 6.
[Table 6]
<First step>
The Cu-substituted composite oxide prepared above was sufficiently mixed for 60 seconds with a household mixer so that the metal oxide would be 0.2% by weight. Was attached.
Further, the BET specific surface area after the first step was measured, and the result is shown in Table 10.
<Second step>
Next, the composite oxide to which the metal oxide obtained in the first step was attached was heat-treated at 300 ° C. for 5 hours and classified to obtain a lithium cobalt composite oxide. In addition, Table 10 shows properties of the obtained lithium cobalt composite oxide.
[0063]
Example 7
<Preparation of Fe-substituted composite oxide>
Co Three O Four (Average particle size 2 μm) 40 g and Li 2 CO Three (Average particle size 7 μm) 19.5 g and Fe Three O Four 0.04 g (average particle size 5 μm) was weighed, thoroughly mixed in a dry process, and then fired at 1000 ° C. for 5 hours. The fired product is pulverized and classified to obtain LiCo. 0.999 Fe 0.001 O 2 Got. Various physical properties of this product are shown in Table 7.
[Table 7]
<First step>
The Fe-substituted composite oxide was prepared by mixing the Fe-substituted composite oxide with the above-described Fe-substituted composite oxide for 60 seconds using a home mixer so that the metal oxide would be 0.2% by weight. Was attached.
Further, the BET specific surface area after the first step was measured, and the result is shown in Table 10.
<Second step>
Next, the composite oxide to which the metal oxide obtained in the first step was attached was heat-treated at 300 ° C. for 5 hours and classified to obtain a lithium cobalt composite oxide. In addition, Table 10 shows properties of the obtained lithium cobalt composite oxide.
[0064]
Example 8
<Preparation of Zn-substituted composite oxide>
Co Three O Four (Average particle size 2 μm) 40 g and Li 2 CO Three 19.5 g (average particle size: 7 μm) and 0.04 g of ZnO (average particle size: 5 μm) were weighed, thoroughly mixed in a dry process, and calcined at 1000 ° C. for 5 hours. The fired product is pulverized and classified to obtain LiCo. 0.999 Zn 0.001 O 2 Got. Various physical properties of this product are shown in Table 8.
[Table 8]
<First step>
The Zn-substituted composite oxide prepared above was mixed with the metal oxide on the particle surface of the Zn-substituted composite oxide by thoroughly mixing for 60 seconds using a household mixer so that the metal oxide would be 0.2% by weight. Was attached.
Further, the BET specific surface area after the first step was measured, and the result is shown in Table 10.
<Second step>
Next, the composite oxide to which the metal oxide obtained in the first step was attached was heat-treated at 300 ° C. for 5 hours and classified to obtain a lithium cobalt composite oxide. In addition, Table 10 shows properties of the obtained lithium cobalt composite oxide.
[0065]
Example 9
<Preparation of Zr-substituted composite oxide>
Co Three O Four (Average particle size 2 μm) 40 g and Li 2 CO Three (Average particle size 7 μm) 19.5 g and ZrO 2 0.06 g (average particle size 1 μm) was weighed, thoroughly mixed in a dry process, and then fired at 1000 ° C. for 5 hours. The fired product is pulverized and classified to obtain LiCo. 0.999 Zr 0.001 O 2 Got. Various physical properties of this product are shown in Table 9.
[Table 9]
<First step>
The Zr-substituted composite oxide prepared above was sufficiently mixed for 60 seconds with a household mixer so that the metal oxide would be 0.2% by weight. Was attached.
Further, the BET specific surface area after the first step was measured, and the result is shown in Table 10.
<Second step>
Next, the composite oxide to which the metal oxide obtained in the first step was attached was heat-treated at 300 ° C. for 5 hours and classified to obtain a lithium cobalt composite oxide. In addition, Table 10 shows the main physical properties of the obtained lithium cobalt composite oxide.
[Table 10]
[0066]
<Battery performance test>
(I) Production of lithium secondary battery;
Lithium cobalt-based composite oxides obtained in Examples 1 to 9 and Comparative Examples 1 to 3 produced as described above and LiCoO used in Example 1 2 (Comparative Example 4) 91% by weight, 6% by weight of graphite powder and 3% by weight of polyvinylidene fluoride were mixed to prepare a positive electrode agent, which was dispersed in N-methyl-2-pyrrolidinone to prepare a kneaded paste. The kneaded paste was applied to an aluminum foil, dried, pressed and punched into a disk with a diameter of 15 mm to obtain a positive electrode plate.
Using this positive electrode plate, a lithium secondary battery was manufactured using each member such as a separator, a negative electrode, a positive electrode, a current collector plate, a mounting bracket, an external terminal, and an electrolytic solution. Among these, the negative electrode uses a metal lithium foil, and the electrolyte solution is 1 liter of a 1: 1 kneading solution of ethylene carbonate and methyl ethyl carbonate. 6 What melt | dissolved 1 mol was used.
[0067]
(1) Battery performance evaluation
The produced lithium secondary battery was operated at room temperature, and the following battery performance was evaluated.
・ Measurement of capacity maintenance rate and energy maintenance rate
The discharge capacity and energy density were measured by charging and discharging to the positive electrode at a constant current voltage (CCCV) of 0.5 C to 4.3 V at room temperature and then discharging to 0.2 V at 0.2 C as one cycle. .
Next, 20 cycles of charge / discharge in the measurement of the discharge capacity and energy density were performed, the capacity maintenance rate was calculated by the following formula (1), and the energy maintenance rate was calculated by the following formula (2). The results are shown in Tables 11 and 12. Moreover, under this condition of the lithium secondary battery using the lithium cobalt composite oxide prepared in Example 1, Example 3, Example 4, Comparative Example 1, Comparative Example 3 and Comparative Example 4 as the positive electrode active material. The discharge characteristic diagrams are shown in FIGS.
[Expression 1]
[Expression 2]
[0068]
・ Evaluation of load characteristics
First, the positive electrode was charged to 4.3V over 5 hours at 0.5C by constant current voltage (CCCV) charge, and then discharged to 2.7V at discharge rates of 0.2C, 0.5C and 1.0C. Charging / discharging was performed, and these operations were taken as one cycle, and the discharge capacity and energy density were measured for each cycle. This cycle was repeated three times, and the discharge capacity and energy density at the third cycle were determined. The results are shown in Tables 11 and 12. In addition, the above operation was performed for a lithium secondary battery using the lithium cobalt composite oxide prepared in Example 1, Example 3, Example 4, Comparative Example 1, Comparative Example 3 and Comparative Example 4 as the positive electrode active material. The discharge characteristics at 0.2C, 0.5C, and 1C are shown in FIGS. A higher energy density value indicates that more energy can be used even during high-load discharge, and that discharge with a higher voltage is possible with the same discharge capacity. It shows that it is excellent.
[Table 11]
[Table 12]
From the results of Tables 11 and 12, the lithium secondary battery using the lithium cobalt composite oxide of the present invention as the positive electrode active material has a higher capacity retention rate than that using the comparative example as the positive electrode active material. It can be seen that the load characteristics are excellent. In addition, the figure 3 ~ Figure 14 From these results, it can be seen that a clear shoulder is seen at the end of the discharge curve as compared with the case of using Comparative Example 4 as the positive electrode active material, and the high voltage is maintained until the end of the discharge.
[0069]
・ Evaluation of safety
Soseki, Kita, Wada (November 21-23, 2001, 42nd Battery Symposium, Abstracts, 462-463), Ota, Oiwa, Ishigaki et al. (November 21-23, 2001) 42nd Battery Symposium Abstracts, pages 470-471) and lithium-cobalt composites prepared in Example 2 and Comparative Example 4 based on the battery thermal stability evaluation method disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-158008. A lithium secondary battery using an oxide as a positive electrode active material was charged at a constant current voltage (CCCV) charge at a constant current voltage (CCCV) at room temperature to 4.3 V for 5 hours, and then in an argon atmosphere. The lithium secondary battery was disassembled, lithium was extracted, and the positive electrode plate containing the positive electrode active material deintercalated was taken out. Next, 5.0 mg each of the positive electrode active material is scraped from the taken out positive electrode plate, and LiPF is added to 1 liter of a 1: 1 kneaded solution of ethylene carbonate and methyl ethyl carbonate. 6 A differential scanning calorimeter (SII Eporide Service) is enclosed in a closed cell (SUS cell) for differential scanning calorimetry (DSC) together with 5.0 ml of 1 mol dissolved solution at a heating rate of 2 ° C / min. The change in the differential calorific value was measured with a model DSC6200). The result of the differential calorific value change is shown in FIG. As the amount of heat on the vertical axis in FIG. 15, a value divided by the weight of the measured positive electrode active material was used.
In FIG. 15, the higher the heat generation peak height, the higher the temperature, and the gentler the amount of heat generation from the start of heat generation, the better the thermal stability, that is, the battery safety. Indicates.
From the result of FIG. 15, LiCoO 2 In Comparative Example 4, the temperature at which the height of the exothermic peak becomes maximum is 196 ° C., whereas in the lithium cobalt composite oxide of the present invention (Example 2), the temperature of the exothermic peak is high. The temperature when the maximum value is 235 ° C., and LiCoO 2 Compared to that of (Comparative Example 4), the lithium cobalt based composite oxide of the present invention has a gentler calorific value gradient from the heat generation start temperature to the temperature at which the height of the heat generation peak becomes maximum. It turns out that the safety of the battery is excellent.
[0070]
【The invention's effect】
As described above, the lithium cobalt composite oxide of the present invention has the general formula: Li x Co 1-y Me y O 2-a (Me represents one or more metal elements selected from V, Cu, Zr, Zn, Mg, Al or Fe. X is 0.9 ≦ x ≦ 1.1, and y is 0 ≦ y. ≦ 0.01, a takes a value of −0.1 ≦ a ≦ 0.1.) At least one metal oxide selected from Mg, Ti, or Zr on the surface of the composite oxide particles represented by Is a lithium-cobalt composite oxide with good adhesion, and when this lithium-cobalt composite oxide is used as a positive electrode active material of a lithium secondary battery, it is particularly excellent in load characteristics, cycle characteristics and safety. It becomes a lithium secondary battery.
[Brief description of the drawings]
1 is an electron micrograph showing the state of the particle surface of a lithium cobalt composite oxide obtained in Example 1. FIG.
2 is an electron micrograph showing the state of the particle surface of the lithium cobalt composite oxide obtained in Example 1. FIG.
3 is a graph showing cycle characteristics of a lithium secondary battery in which the lithium cobalt-based composite oxide obtained in Example 1 is used as a positive electrode active material. FIG.
4 is a graph showing cycle characteristics of a lithium secondary battery in which the lithium cobalt-based composite oxide obtained in Example 3 is used as a positive electrode active material. FIG.
5 is a graph showing cycle characteristics of a lithium secondary battery using the lithium cobalt-based composite oxide obtained in Example 4 as a positive electrode active material. FIG.
6 is a graph showing cycle characteristics of a lithium secondary battery using the lithium cobalt-based composite oxide obtained in Comparative Example 1 as a positive electrode active material. FIG.
7 is a graph showing cycle characteristics of a lithium secondary battery using the lithium cobalt-based composite oxide obtained in Comparative Example 3 as a positive electrode active material. FIG.
FIG. 8 shows LiCoO of Comparative Example 4 2 The figure which shows the cycling characteristics of the lithium secondary battery which uses as a positive electrode active material.
9 is a graph showing load characteristics at 0.2 C, 0.5 C, and 1 C of a lithium secondary battery that uses the lithium cobalt composite oxide obtained in Example 1 as a positive electrode active material. FIG.
10 is a graph showing load characteristics at 0.2 C, 0.5 C, and 1 C of a lithium secondary battery using the lithium cobalt based composite oxide obtained in Example 3 as a positive electrode active material. FIG.
11 is a graph showing load characteristics at 0.2 C, 0.5 C, and 1 C of a lithium secondary battery using the lithium cobalt based composite oxide obtained in Example 4 as a positive electrode active material. FIG.
12 is a graph showing load characteristics at 0.2 C, 0.5 C, and 1 C of a lithium secondary battery using the lithium cobalt-based composite oxide obtained in Comparative Example 1 as a positive electrode active material. FIG.
13 is a graph showing load characteristics at 0.2 C, 0.5 C, and 1 C of a lithium secondary battery using the lithium cobalt-based composite oxide obtained in Comparative Example 3 as a positive electrode active material. FIG.
14 shows LiCoO of Comparative Example 4. FIG. 2 The load characteristic in 0.2C, 0.5C, 1C of the lithium secondary battery which uses as a positive electrode active material.
15 is a graph showing a change in differential calorific value of a positive electrode active material in which lithium is extracted from the lithium cobalt composite oxide obtained in Example 2 and Comparative Example 4 and deintercalated. FIG.

Claims (7)

一般式;LixCo1-yMey2-a(Meは、V、Cu、Zr、Zn、Mg、Al又はFeから選ばれる1種又は2種以上の金属元素を表す。xは、0.9≦x≦1.1、yは0≦y≦0.01、aは−0.1≦a≦0.1の値をとる。)で表される複合酸化物と、Mg、Ti又はZrから選ばれる少なくとも1種以上の金属酸化物とを乾式混合し、200〜600℃で加熱処理して前記複合酸化物の粒子表面に前記金属酸化物を付着させてなることを特徴とするリチウムコバルト系複合酸化物。Li x Co 1-y Me y O 2-a (Me represents one or more metal elements selected from V, Cu, Zr, Zn, Mg, Al or Fe. X represents 0.9 ≦ x ≦ 1.1, y is 0 ≦ y ≦ 0.01, and a is −0.1 ≦ a ≦ 0.1.), Mg, Ti Or at least one metal oxide selected from Zr is dry-mixed and heat-treated at 200 to 600 ° C. to adhere the metal oxide to the particle surface of the composite oxide. Lithium cobalt complex oxide. 前記金属酸化物の付着量が0.05〜1重量%である請求項1記載のリチウムコバルト系複合酸化物。 The lithium cobalt-based composite oxide according to claim 1, wherein the metal oxide is attached in an amount of 0.05 to 1% by weight. BET比表面積が0.1〜2.0m2/gである請求項1又は2記載のリチウムコバルト系複合酸化物。The lithium cobalt-based composite oxide according to claim 1 or 2, wherein the BET specific surface area is 0.1 to 2.0 m 2 / g. 下記の第一〜第二工程を含むことを特徴とするリチウムコバルト系複合酸化物の製造方法。
第一工程;一般式;LixCo1-yMey2-a(Meは、V、Cu、Zr、Zn、Mg、Al又はFeから選ばれる1種又は2種以上の金属元素を表す。xは、0.9≦x≦1.1、yは0≦y≦0.01、aは−0.1≦a≦0.1の値をとる。)で表される複合酸化物と、Mg、Ti又はZrから選ばれる少なくとも1種以上の金属酸化物とを乾式混合し前記複合酸化物の粒子表面に前記金属酸化物の粒子を付着させる工程。
第二工程;第一工程で得られる金属酸化物を付着させた複合酸化物を200〜600℃で加熱処理してリチウムコバルト系複合酸化物を得る工程。
The manufacturing method of the lithium cobalt type complex oxide characterized by including the following 1st-2nd processes.
First step; formula; Li x Co 1-y Me y O 2-a (Me represents V, Cu, Zr, Zn, Mg, one or more metal elements selected from Al or Fe X is 0.9 ≦ x ≦ 1.1, y is 0 ≦ y ≦ 0.01 , and a is −0.1 ≦ a ≦ 0.1.) A step of dry-mixing with at least one metal oxide selected from Mg, Ti, or Zr to adhere the metal oxide particles to the surface of the composite oxide particles.
2nd process; The process of obtaining the lithium cobalt type complex oxide by heat-processing at 200-600 degreeC the complex oxide to which the metal oxide obtained by the 1st process was made to adhere.
前記第一工程で用いる金属酸化物は、平均粒径1.0μm以下である請求項4記載のリチウムコバルト系複合酸化物の製造方法。 The method for producing a lithium cobalt composite oxide according to claim 4, wherein the metal oxide used in the first step has an average particle size of 1.0 μm or less. 請求項1乃至3のいずれか1項記載のリチウムコバルト系複合酸化物を含むことを特徴とするリチウム二次電池正極活物質。 A lithium secondary battery positive electrode active material comprising the lithium cobalt-based composite oxide according to any one of claims 1 to 3. 請求項6記載のリチウム二次電池正極活物質を用いることを特徴とするリチウム二次電池。 A lithium secondary battery comprising the lithium secondary battery positive electrode active material according to claim 6.
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