JP4728426B2 - Island-coated lithium cobaltite oxide - Google Patents

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Description

本発明は、MnおよびNiを支持する特殊な型のLiCoO2を含有する粉末状リチウム遷移金属酸化物に関する。正極粉末は、大規模に低価格処理によって製造されることができる。より詳述すれば、この製造は、コバルト含有前駆体、例えばLiCoO2とNi−Mn−Co含有前駆体、例えば混合水酸化物MOOHとLi2CO3との混合物を焼結することである。焼結温度は、LiCoO2と形成されるLi−Ni−Mn−Co酸化物相との間でカチオン交換を可能にするのに十分な高さであり、異なる遷移金属の組成勾配を有する極めて特殊な形態を生じる。リチウム遷移金属酸化物粉末は、正極活物質として充電可能なリチウム電池中に使用されることができる。 The present invention relates to a powdered lithium transition metal oxide containing a special type of LiCoO 2 supporting Mn and Ni. The positive electrode powder can be manufactured on a large scale by low cost processing. More specifically, the preparation is to sinter a cobalt-containing precursor, such as a mixture of LiCoO 2 and Ni—Mn—Co-containing precursor, such as a mixed hydroxide MOOH and Li 2 CO 3 . The sintering temperature is high enough to allow cation exchange between LiCoO 2 and the Li—Ni—Mn—Co oxide phase formed, and is very specific with a composition gradient of different transition metals. Form. The lithium transition metal oxide powder can be used in a rechargeable lithium battery as a positive electrode active material.

少ない安全性および高い費用のような幾つかの固有の制限にも拘わらず、LiCoO2は、依然として、充電可能なリチウム電池のための最も適用される正極材料である。充電可能なリチウム電池のエネルギー密度を増加させるという消費者の期待によって動かされる強い要求が存在する。エネルギー密度を改善するための1つの方法は、充電電圧を増加させることであり、この場合には、よりいっそう高い電圧で充電させることができる、よりいっそう堅牢な正極材料が要求される。充電電圧を増加させると現われるかまたはよりいっそう厳格になる問題は、(a)安全性が低いこと、(b)高められた温度で、充電された電池の貯蔵中の貯蔵特性が乏しいこと、および(c)サイクルの安定性が乏しいことである。数多くの取り組み方法が前記問題に対処するために開示された。部分的な改善は、達成されたが、しかし、基本的な問題は、十分には解決されなかった。 Despite some inherent limitations such as low safety and high cost, LiCoO 2 remains the most applied positive electrode material for rechargeable lithium batteries. There is a strong demand driven by consumer expectations to increase the energy density of rechargeable lithium batteries. One way to improve energy density is to increase the charging voltage, which requires a more robust positive electrode material that can be charged at a higher voltage. The problems that appear or become more severe when increasing the charging voltage are: (a) low safety, (b) poor storage characteristics during storage of charged batteries at elevated temperatures, and (C) The cycle stability is poor. A number of approaches have been disclosed to address the problem. Partial improvements were achieved, but the basic problems were not fully resolved.

エネルギー密度を増加させる要求に加えて、充電可能な電池が電力要件に適合することは、本質的なことである。これは、電池が全体的に見て十分に高いレート性能を有し、特に活性の正極材料それ自体が十分に高いレート性能を有することを意味する。   In addition to the demand to increase energy density, it is essential that rechargeable batteries meet power requirements. This means that the battery as a whole has a sufficiently high rate performance, in particular that the active cathode material itself has a sufficiently high rate performance.

一般的な傾向が存在する。正極材料に対して刊行された結果を注意深く研究することは、LiCoO2を基礎とする充電可能なリチウム電池の制限をよりいっそう理解することができる。 There is a general trend. A careful study of the published results for positive electrode materials can better understand the limitations of rechargeable lithium batteries based on LiCoO 2 .

1つの基本的な制限は、表面積の問題に由来する。レート性能の向上(即ち、高い出力)は、表面積を増大させることによって適合させることができる。それというのも、固体状態でのリチウムの拡散距離は、減少させることができるからである;その結果、改善されたレート性能を生じる。しかし、大きい表面積は、電解質と荷電正極との間で望ましくない副反応が起こる面積を増加させる。前記の副反応は、少ない安全性、高められた電圧での乏しいサイクル安定性および高められた温度での荷電正極の乏しい貯蔵特性の経過により生じる。更に、大きい表面積の材料は、体積エネルギー密度を減少させる低い記録密度を有する傾向にある。   One fundamental limitation stems from surface area issues. The improvement in rate performance (ie high power) can be accommodated by increasing the surface area. This is because the diffusion distance of lithium in the solid state can be reduced; resulting in improved rate performance. However, the large surface area increases the area where undesirable side reactions occur between the electrolyte and the charged cathode. Said side reactions are caused by the course of less safety, poor cycle stability at elevated voltage and poor storage properties of the charged cathode at elevated temperature. In addition, high surface area materials tend to have low recording densities that reduce the volumetric energy density.

別の基本的な制限は、コバルトの化学量論的量に由来する。リチウム−ニッケルーマンガン−コバルト酸化物を基礎とする正極材料(例えば、LiMn1/3Ni1/3Co1/32)は、LiCoO2よりも電解質と正極との間の反応に対する高い安定性を有し、原料費は、低くなるが、しかし、前記材料は、よりいっそう低い体積エネルギー密度に見舞われ、典型的には、前記材料は、よりいっそう低いリチウム拡散定数を有する。 Another basic limitation stems from the stoichiometric amount of cobalt. Cathode materials based on lithium-nickel-manganese-cobalt oxides (eg LiMn 1/3 Ni 1/3 Co 1/3 O 2 ) are more stable to reactions between the electrolyte and the cathode than LiCoO 2 And the raw material costs are lower, but the material suffers from a lower volumetric energy density and typically the material has a lower lithium diffusion constant.

次の点で基本的な制限が存在すると結論付けることができる:
表面積:少ない表面積の正極材料は、高い安全性、改善された密度および貯蔵中の高い安定性を達成するために望ましいが;しかし、表面積は、レート性能が低下することになるので、あまり少なくすることができない。
It can be concluded that there are basic restrictions in the following respects:
Surface area: Cathode material with low surface area is desirable to achieve high safety, improved density and high stability during storage; however, the surface area is too low because rate performance will be reduced I can't.

組成:LiMO2正極M、この場合Mは、主にコバルトであり、高いリチウム拡散速度および高い体積エネルギー密度を達成するための望ましいが;しかし、コバルトの高い含量は、少ない安全性、増加された価格および劣悪な高い電圧安定性をまねく。 Composition: LiMO 2 positive electrode M, where M is primarily cobalt and is desirable to achieve high lithium diffusion rate and high volumetric energy density; however, high content of cobalt has been increased, less safety Leads to price and poor high voltage stability.

この問題に対する1つの解決は、拡散定数を増加させることであろう。増加されたDは、レート性能を弛めることなしに表面積を減少させることができるであろう。   One solution to this problem would be to increase the diffusion constant. Increased D could reduce the surface area without sacrificing rate performance.

LiMO2、但し、Mは、Ni−Mn−Coであり、この場合Ni:Mnは、1を上廻るものとし、は、以前に開示された。例えば、米国特許第6040090号明細書(Sanyo)には、LiMO2、但し、Ni:Mnは、1を上廻るものとし、を含む組成LiMO2(この場合、MはMn、Ni、Coである)の幅広い範囲が開示されている。この米国特許明細書には、LiMO2が高い程度の結晶度(X線回折パターン中のピークの小さなHWFM)を有することが開示されている。NiおよびMnでドープされたLiCoO2は、例えば米国特許第7078128号明細書中に開示されている。この米国特許第7078128号明細書には、等量のNiおよびMnによってドープされたLiCoO2は1つの好ましい具体化であることが開示されている。 LiMO 2 , where M is Ni—Mn—Co, where Ni: Mn is greater than 1, as previously disclosed. For example, in US Pat. No. 6040090 (Sanyo), LiMO 2 , where Ni: Mn is more than 1, LiMO 2 containing (in this case, M is Mn, Ni, Co) ) A wide range is disclosed. This US patent specification discloses that LiMO 2 has a high degree of crystallinity (HWFM with small peaks in the X-ray diffraction pattern). LiCoO 2 doped with Ni and Mn is disclosed, for example, in US Pat. No. 7,078,128. This US Pat. No. 7,078,128 discloses that LiCoO 2 doped with equal amounts of Ni and Mn is one preferred embodiment.

欧州特許出願公開第1716609号明細書A1には、LiMO2を基礎とした活性の正極材料が開示されており、この場合粒子の組成は、粒径に依存し、特に粒子のコバルト含量は、粒径の減少と共に減少する。コバルト含量の減少は、コアシェル型の構造化された粒子に由来し、この場合Mn−Ni含有シェルは、同じ厚さを有し、LiCoO2コアを被覆する。結果として、粒子が小さい場合には、LiCoO2コアは、小さく、全粒子のコバルト含量は、少ない。 EP 1716609 A1 discloses an active cathode material based on LiMO 2 , in which the composition of the particles depends on the particle size, in particular the cobalt content of the particles Decreases with decreasing diameter. The decrease in cobalt content originates from core-shell structured particles, where the Mn—Ni containing shell has the same thickness and coats the LiCoO 2 core. As a result, when the particles are small, the LiCoO 2 core is small and the cobalt content of all particles is low.

欧州特許出願公開第1556915号明細書A1には、遷移金属組成の勾配を有するLiMO2が開示されている。この勾配は、著しく異なる金属組成を有するコアを被覆する、混合された水酸化物シェルに由来する。好ましい具体化においては、コアは、LiCoO2である。焼結後、化学量論的量の半径方向での変化を有する遷移金属組成の勾配が達成され、LiMO2シェルは、LiCoO2を基礎とするコアを被覆する。焼結中、コバルトは、LiCoO2コアからLiMO2シェルへ拡散する。ましてや、同時にNiは、LiMO2シェルからLiCoO2コア中へ拡散する。それ故に、シェルは、膨張し、LiCoO2コアは、収縮する。収縮するコアを被覆する膨張するシェルは、典型的にはシェルとコアとの間の空隙の形成を引き起こす。この空隙は、極めて望ましくない。 EP 1 556 915 A1 discloses LiMO 2 with a transition metal composition gradient. This gradient is derived from the mixed hydroxide shell that coats the core with a significantly different metal composition. In a preferred embodiment, the core is LiCoO 2. After sintering, a transition metal composition gradient with a stoichiometric change in the radial direction is achieved, and the LiMO 2 shell covers the core based on LiCoO 2 . During sintering, cobalt diffuses from the LiCoO 2 core into the LiMO 2 shell. At the same time, Ni diffuses from the LiMO 2 shell into the LiCoO 2 core. Therefore, the shell expands and the LiCoO 2 core contracts. An inflating shell that covers a shrinking core typically causes the formation of a void between the shell and the core. This void is highly undesirable.

本発明の目的は、高いレート性能を有し、かつ高い充電電圧で拡大されたサイクル中に高い安定性を示す正極材料を定義することである。高温貯蔵特性も改善される。これは、MnおよびNiを支持するLiCoO2粒子を含有する粉末状リチウム遷移金属酸化物によって達成され、この場合この粒子は、該粒子の表面上にMnおよびNiの含量が富化されたアイランドを有し、このアイランドは、Mnを少なくとも5モル%、有利に少なくとも10モル%含有する。 The object of the present invention is to define a positive electrode material that has high rate performance and exhibits high stability during cycles extended at high charge voltages. High temperature storage properties are also improved. This is achieved by powdered lithium transition metal oxide containing LiCoO 2 particles supporting Mn and Ni, in which case the particles have islands enriched in Mn and Ni content on the surface of the particles. And the island contains at least 5 mol%, preferably at least 10 mol% Mn.

MnおよびNiの含量が富化されたアイランドは、有利に少なくとも100nmの厚さを有し、MnおよびNiを支持するLiCoO2粒子の表面の70%未満、有利に50%未満を被覆する。また、前記アイランド中のMn濃度は、有利にMnおよびNiを支持するLiCoO2粒子の本体中のMn濃度より少なくとも4モル%、有利に少なくとも7モル%高い。 The islands enriched in Mn and Ni content preferably have a thickness of at least 100 nm and cover less than 70%, preferably less than 50%, of the surface of the LiCoO 2 particles supporting Mn and Ni. Further, Mn concentration in the islands, preferably LiCoO 2 at least 4 mol% than the Mn concentration in the body of the particles supporting the Mn and Ni, preferably at least 7 mol% higher.

もう1つの実施態様において、MnおよびNiの含量が富化されたアイランド中のNi濃度は、MnおよびNiを支持するLiCoO2粒子の本体中のNi濃度より少なくとも2モル%、有利に少なくとも6モル%高い。好ましくは、MnおよびNiを支持するLiCoO2粒子は、NiおよびMnの双方を少なくとも3モル%、有利に少なくとも10モル%含有する。1つの好ましい実施態様において、MnおよびNiを支持するLiCoO2粒子の結晶格子定数aおよびcは、それぞれ2.815+/-0.002および14.05+/-0.01である。 In another embodiment, the Ni concentration in the Mn and Ni enriched island is at least 2 mol%, preferably at least 6 mol, than the Ni concentration in the body of the LiCoO 2 particles supporting Mn and Ni. %high. Preferably, the LiCoO 2 particles supporting Mn and Ni contain at least 3 mol%, advantageously at least 10 mol% of both Ni and Mn. In one preferred embodiment, the crystal lattice constants a and c of LiCoO 2 particles supporting Mn and Ni are 2.815 +/− 0.002 and 14.05 +/− 0.01, respectively.

また、MnおよびNiを支持するLiCoO2粒子は、モノリシックであり、内部多孔率を有しない。また、好ましくは、MnおよびNiを支持するLiCoO2粒子の粒径分布は、10μmを上廻る、有利に15μmを上廻る、最も有利に20μmを上廻るd50を有する。 In addition, LiCoO 2 particles supporting Mn and Ni are monolithic and do not have internal porosity. Also preferably, the particle size distribution of the LiCoO 2 particles supporting Mn and Ni has a d 50 of more than 10 μm, preferably more than 15 μm, most preferably more than 20 μm.

もう1つの好ましい実施態様において、粉末状リチウム遷移金属酸化物は、MnおよびNiを支持するLiCoO2粒子を30質量%〜95質量%含有する。 In another preferred embodiment, the powdered lithium transition metal oxide contains 30% to 95% by weight of LiCoO 2 particles supporting Mn and Ni.

また、本発明は、MnおよびNiを支持するLiCoO2粒子から構成されている第1の相およびさらに一般式Li1+aM’1-a2±bの第2のアイランド不含相を有するリチウム遷移金属酸化物に関し、この場合、−0.03<a<0.05およびb<0.02、M’は、NimMnnCo1-m-nであり、m>nおよび0.1<m+n<0.9である。更に、粉末状リチウム遷移金属酸化物は、有利にLixy2±δの全組成を有し、この場合0.97<x<1.03、0.97<y<1.03、x+yは2であり、δ<0.05、Mは、Co1-f-gNifMngであり、0.05<f+g<0.5およびf≧gである。0.98<x/y<1.00であることも好ましい。別の好ましい実施態様において、酸化物は、2つの相だけから構成され、第1の相は、MnおよびNiを支持するLiCoO2粒子であり、第2の相は、アイランド不含相である。 Further, the present invention provides a first phase composed of LiCoO 2 particles supporting Mn and Ni, and further a second island-free phase of the general formula Li 1 + a M ′ 1-a O 2 ± b . relates lithium transition metal oxide having, in this case, -0.03 <a <0.05 and b <0.02, M 'is Ni m Mn n Co 1-mn , m> n and 0.1 <M + n <0.9. Furthermore, powdered lithium transition metal oxide, preferably has a total composition of Li x M y O 2 ± δ , in this case 0.97 <x <1.03,0.97 <y < 1.03, x + y is 2, [delta] <0.05, M is Co 1-fg Ni f Mn g , is 0.05 <f + g <0.5 and f ≧ g. It is also preferable that 0.98 <x / y <1.00. In another preferred embodiment, the oxide consists of only two phases, the first phase is LiCoO 2 particles supporting Mn and Ni, and the second phase is an island-free phase.

また、アイランド不含相の結晶格子定数a’およびc’が、同じ組成Lixy2±δを有しかつ純粋なLiCoO2粒子と相応するアイランド不含相とから構成されている参照リチウム遷移金属(Mref)酸化物の相応するアイランド不含相の格子定数a’’およびc’’との次の関係:
0.980<a’/a’’<0.998および0.9860<c’/c’’<0.9985、好ましくは0.990<a’/a’’<0.997および0.9920<c’/c’’<0.9980を有することは、好ましい。
The reference to island-free phase of the crystal lattice constant a 'and c' is constructed from an island-free phase corresponding to the same composition Li x M y O 2 has a ± [delta] and pure LiCoO 2 particles The following relationship with the lattice constants a ″ and c ″ of the corresponding island-free phase of the lithium transition metal (M ref ) oxide:
0.980 <a ′ / a ″ <0.998 and 0.9860 <c ′ / c ″ <0.9985, preferably 0.990 <a ′ / a ″ <0.997 and 0.9920 It is preferred to have <c ′ / c ″ <0.9980.

例えば、本発明による材料、LiMO2がCo前駆体および組成式M=NimMnnCo1-m-nの混合金属水酸化物から製造された場合には、格子定数a’’およびc’’は、組成LiM’’O2を有する参照材料に帰因し、異なる格子定数a’およびc’は、LiCoO2を基礎とする第1の相とアイランド不含の第2の相とのカチオンの十分な交換が行なわれたことを明らかに示す。 For example, if the material according to the invention, LiMO 2 were prepared from mixed metal hydroxides of Co precursor and the composition formula M = Ni m Mn n Co 1 -mn , the lattice constant a '' and c '' is Due to the reference material having the composition LiM ″ O 2 , the different lattice constants a ′ and c ′ are sufficient for the cations of the first phase based on LiCoO 2 and the second phase free of islands. Clearly show that a new exchange has taken place.

アイランド不含相は、有利に2〜10μmのd50を有する粒径分布を有する第2の粒子を有し、この第2の粒子は、0.5〜2μmのd50を有する粒径分布を有する一次クリスタリットの焼結された凝集体から構成されている。 The island-free phase preferably has a second particle having a particle size distribution with a d 50 of 2 to 10 μm, which second particle has a particle size distribution with a d 50 of 0.5 to 2 μm. It consists of sintered aggregates of primary crystallites.

更に、もう1つの好ましい実施態様において、MnおよびNiの含量が富化されたアイランドとアイランド不含相の双方は、Tiを含有し、この場合Ti含量は、酸化物Lixy2±δ中のM10モル%より少ない。 Further, in another preferred embodiment, both the islands and the island-free phase the content of Mn and Ni-enriched, containing Ti, Ti content in this case, the oxide Li x M y O 2 ± Less than 10 mol% of M in δ .

更に、よりいっそう好ましくは、粉末状リチウム遷移金属酸化物は、酸化物Lixy2±δ中で、AlおよびMgから構成されている群れから選択された1個以上のドーパントの前記5モル%未満およびBe、B、Ca、Zr、S、FおよびPから構成されている群れから選択された1個以上のドーパントの前記1モル%未満を含有する。 Further, more preferably, powdered lithium transition metal oxide, oxide Li x M y O 2 in ± [delta], wherein M of one or more dopants selected from the herd that is configured of Al and Mg And less than 1 mol% of said M of one or more dopants selected from the group consisting of Be, B, Ca, Zr, S, F and P.

簡易化のために、本明細書中では、MnおよびNiを支持するLiCoO2粒子は、リチウム遷移金属酸化物の多くの場合に"相1"または"変性されたLiCoO2相"と呼称され、一般式Li1+aM’1-a2±bを有するアイランド不含相は、リチウム遷移金属酸化物の"LiM’O2’相"(この場合、M’はNi−Mn−Coである)または"相2"と呼称され、このリチウム遷移金属酸化物は、"正極材料"とも呼称される。 For simplicity, LiCoO 2 particles supporting Mn and Ni are referred to herein as “phase 1” or “modified LiCoO 2 phase” in many cases of lithium transition metal oxides; The island-free phase having the general formula Li 1 + a M ′ 1-a O 2 ± b is the “LiM′O 2 ′ phase” of the lithium transition metal oxide (where M ′ is Ni—Mn—Co). Or “phase 2” and this lithium transition metal oxide is also referred to as “positive electrode material”.

本発明には、意外なことに、LiCoO2(相1)とLiM’O2’(この場合、M’は、Ni−Mn−Coである)、この場合Ni:Mn比は、1を上廻るものとし、(相2)との混合物のレート性能は、前記混合物が焼結中にLiCoO2とLiM’O2との間でカチオンの交換が起こり、相1および相2の粒子の組成分布を引き起こすように互いに処理(共焼結)された場合に、著しく改善されることが開示されている。同時に、相1の粒子(LiCoO2)の特殊な形態が得られる。粒子は、マンガン含有LiM’O2シートによって部分的に被覆されている。本発明者らは、この形態を"アイランド"形態と呼称する。同時に、意外なことに、高い電圧での安定性も著しく改善される。 Surprisingly for the present invention, LiCoO 2 (phase 1) and LiM′O 2 ′ (where M ′ is Ni—Mn—Co), where the Ni: Mn ratio is above 1. The rate performance of the mixture with (Phase 2) is that the cation exchange occurs between LiCoO 2 and LiM′O 2 during the sintering of the mixture, and the composition distribution of the particles of Phase 1 and Phase 2 It has been disclosed that when treated together (co-sintered) to cause At the same time, a special form of phase 1 particles (LiCoO 2 ) is obtained. The particles are partially covered by a manganese-containing LiM′O 2 sheet. We refer to this form as the “island” form. At the same time, surprisingly, stability at high voltages is also significantly improved.

変性されたLiCoO2の形態は、変性されたLiCoO2の本体に対して緻密に焼結されたアイランドを有し、遷移金属の化学量論的量の局部的な勾配を生じる。このアイランドは、マンガンを高い濃度で含有する。LiCoO2ならびにLiM’O2粒子の双方は、1つの組成分布を有する。付加的にLiM’O2粒子は、コバルト含量に依存する形態を有する。一次クリスタリットの寸法は、コバルト含量と共に増加する。上記の欧州特許出願公開第1556915号明細書A1とは異なり、本発明においては、化学量論的量の半径方向の変化は存在しない。むしろ、勾配の中心として作用する、表面上に位置したLiM’O2アイランドを有する多重中心の勾配である。また、アイランドによるLiCoO2の部分的にすぎない被覆は、極めて重要な差異である。 The modified LiCoO 2 form has islands that are densely sintered against the modified LiCoO 2 body, resulting in a local gradient of the stoichiometric amount of the transition metal. This island contains a high concentration of manganese. Both LiCoO 2 and LiM′O 2 particles have a single composition distribution. In addition, the LiM′O 2 particles have a morphology that depends on the cobalt content. The size of the primary crystallite increases with the cobalt content. Unlike the above-mentioned EP 1 556 915 A1, there is no radial change in the stoichiometric amount in the present invention. Rather, it is a multi-centered gradient with LiM′O 2 islands located on the surface that acts as the center of the gradient. Also, a partial coverage of LiCoO 2 by islands is a very important difference.

本発明の別の重要な視点は、アイランドが完全にはLiCoO2粒子を被覆していないことである。完全な被覆、換言すれば、LiCoO2コア−LiM’O2シェル形態は、混合水酸化物をLiCoO2の表面上に沈殿させることによって達成されうる。この方法は、上記の欧州特許出願公開第1556915号明細書A1および欧州特許出願公開第1716609号明細書A1(Paulsen他)中に記載されている。MOOHシェル−LiCoO2コア前駆体の場合は、Core-Shell Cathode Material with Size-Dependent Composition, Jens M. Paulsen, Jong-Seok Jeong, およびKi-Young Lee, Electrochem. Solid-State Lett., Volume 10, Issue 4, pp. A101-A105 (2007)に記載されたような2つの主要なドローバックを有する。(1)この方法は、よりいっそう高価であり、(2)焼結中に、よりいっそうコバルトは、コアからシェル中へ拡散する。従って、シェルは、膨張し、コアは、同時に収縮する。これは、典型的にはコアからのシェルの部分的な分離を引き起こし、大きな空隙を生じる。この大きな空隙は、極めて望ましくない。それというのも、(i)この空隙は、電極の多孔度を増加させ、したがってよりいっそう低いエネルギー密度を生じさせ、および(ii)この空隙は、LiCoO2粒子のコア領域中への、または該コア領域からの空隙を横切るリチウムの直接の拡散を阻止、こうして、レート性能の損失を引き起こすからである。 Another important aspect of the present invention is that the island is not completely coated with LiCoO 2 particles. A complete coating, in other words a LiCoO 2 core-LiM′O 2 shell morphology, can be achieved by precipitating the mixed hydroxide on the surface of LiCoO 2 . This method is described in the above-mentioned European Patent Application Publication No. 1556915 A1 and European Patent Application Publication No. 1716609 A1 (Paulsen et al.). For the MOOH shell-LiCoO 2 core precursor, Core-Shell Cathode Material with Size-Dependent Composition, Jens M. Paulsen, Jong-Seok Jeong, and Ki-Young Lee, Electrochem. Solid-State Lett., Volume 10, It has two main drawbacks as described in Issue 4, pp. A101-A105 (2007). (1) This method is even more expensive, and (2) during sintering, more cobalt diffuses from the core into the shell. Thus, the shell expands and the core contracts simultaneously. This typically causes partial separation of the shell from the core, resulting in large voids. This large void is highly undesirable. This is because (i) this void increases the porosity of the electrode and thus produces a much lower energy density, and (ii) this void into or into the core region of LiCoO 2 particles This is because direct diffusion of lithium across the void from the core region is prevented, thus causing a loss of rate performance.

この状況は、本発明による正極材料とは異なるものである。マンガンを含有するアイランドは、LiCoO2粒子の表面の一部分だけを被覆する。それ故に、アイランドの膨張およびLiCoO2コアの収縮を誘発したコバルトの拡散は、大きな空隙の形成を引き起こさない。結果として、高い体積密度および高いレート性能を達成することができる。 This situation is different from the positive electrode material according to the present invention. Manganese-containing islands cover only a portion of the surface of the LiCoO 2 particles. Therefore, the diffusion of cobalt induced island expansion and LiCoO 2 core contraction does not cause the formation of large voids. As a result, high volume density and high rate performance can be achieved.

本発明は、前記した粉末状リチウム遷移金属酸化物を活物質として含有する正極を有する電気化学的セルにも関する。   The present invention also relates to an electrochemical cell having a positive electrode containing the above-described powdery lithium transition metal oxide as an active material.

前記した粉末状リチウム遷移金属酸化物を製造する方法は、次の工程:
LiCoO2粉末または少なくとも90モル%のコバルト含量を有するコバルト含有前駆体化合物とLi−Ni−Mn−Co酸化物またはNi−Mn−Co前駆体粉末と場合によりLi前駆体化合物、有利に炭酸リチウムとの混合物を準備し、
この混合物を少なくとも900℃、有利に少なくとも950℃の温度Tで1〜48時間の時間tで焼結させ、
こうして表面上にMnおよびNiの含量が富化されたアイランドを有するMnおよびNiを支持するLiCoO2粒子を得ることを有する。
The method for producing the powdery lithium transition metal oxide described above includes the following steps:
LiCoO 2 powder or a cobalt-containing precursor compound having a cobalt content of at least 90 mol% and Li-Ni-Mn-Co oxide or Ni-Mn-Co precursor powder and optionally a Li precursor compound, preferably lithium carbonate, Prepare a mixture of
Sintering the mixture at a temperature T of at least 900 ° C., preferably at least 950 ° C., for a time t of 1 to 48 hours,
It is thus possible to obtain LiCoO 2 particles supporting Mn and Ni having islands enriched in the content of Mn and Ni on the surface.

こうして、正極材料は、LiCoO2を基礎とする粉末とLi−Ni−Mn−Co酸化物またはNi−Mn−Co含有粉末とLi2CO3のようなリチウム源との混合物を900℃を超える高い温度で焼結させることによって製造される。この温度は、900℃を超えて、例えば910℃または920℃でなければならない。焼結中、LiCoO2粒子とNi−Mn含有粒子との間でカチオンの部分的な交換が行なわれる。焼結温度が低い場合には、十分にカチオンは交換されず、正極は、高いレート性能を示さない。焼結温度が高い場合には、粒子は、緻密になりすぎ、金属組成は、過剰に平衡になり、即ちLiCoO2とMn−Ni−Coとの間でのカチオン交換は、過剰に行なわれる。この場合には、第1の相の粒子上に、MnおよびNiの含量が富化されたアイランドは、存在しないであろう。 Thus, the cathode material is a mixture of a LiCoO 2 based powder and a Li—Ni—Mn—Co oxide or Ni—Mn—Co containing powder and a lithium source such as Li 2 CO 3 that is higher than 900 ° C. Manufactured by sintering at temperature. This temperature must exceed 900 ° C., for example 910 ° C. or 920 ° C. During sintering, a partial exchange of cations takes place between the LiCoO 2 particles and the Ni—Mn containing particles. When the sintering temperature is low, the cations are not sufficiently exchanged, and the positive electrode does not exhibit high rate performance. When the sintering temperature is high, the particles are too dense, the metal composition becomes excessively equilibrium, i.e. cation exchange between the LiCoO 2 and Mn-Ni-Co is excessively performed. In this case, there will be no islands enriched with Mn and Ni content on the first phase particles.

選択可能な方法の場合には、コバルト含有前駆体粉末(例えば、酸化コバルト、水酸化コバルトまたは炭酸コバルト)は、Ni−Mn−Co含有粉末およびリチウム源と混合されることができ、引続き高い温度、有利に950℃を超える温度で焼結させることができる。   In the case of a selectable method, a cobalt-containing precursor powder (e.g., cobalt oxide, cobalt hydroxide or cobalt carbonate) can be mixed with the Ni-Mn-Co-containing powder and a lithium source, and continue to high temperatures. , Preferably at temperatures above 950 ° C.

上記した2つの相を有する粉末状リチウム遷移金属酸化物を製造する方法は、次の工程:
LiCoO2粉末または少なくとも90モル%のコバルト含量を有するコバルト含有前駆体化合物とLi−Ni−Mn−Co酸化物またはNi−Mn−Co前駆体粉末と場合によりLi前駆体化合物、有利に炭酸リチウムとの混合物を準備し、
この混合物を少なくとも900℃、有利に少なくとも950℃の温度Tで1〜48時間の時間tで焼結させ、
こうして、MnおよびNiを支持するLiCoO2粒子相および結晶格子定数a’およびc’を有するアイランド不含相を得、この場合これらの相は、Li−Ni−Mn−Co酸化物、またはNi−Mn−Co前駆体粉末およびLi前駆体化合物を同じ温度Tおよび同じ時間tで焼結させることによって得られた参照リチウム遷移金属(Mref)酸化物の格子定数a’’およびc’’との次の関係を有し、
この場合この関係は、
0.980<a’/a’’<0.998および0.9860<c’/c’’<0.9985、好ましくは0.990<a’/a’’<0.997および0.9920<c’/c’’<0.9980であることを有する。
The method for producing the above-described powdery lithium transition metal oxide having two phases includes the following steps:
LiCoO 2 powder or a cobalt-containing precursor compound having a cobalt content of at least 90 mol% and Li-Ni-Mn-Co oxide or Ni-Mn-Co precursor powder and optionally a Li precursor compound, preferably lithium carbonate, Prepare a mixture of
Sintering the mixture at a temperature T of at least 900 ° C., preferably at least 950 ° C., for a time t of 1 to 48 hours,
Thus, an LiCoO 2 particle phase supporting Mn and Ni and an island-free phase with crystal lattice constants a ′ and c ′ are obtained, in which case these phases are Li—Ni—Mn—Co oxide, or Ni— With the lattice constants a ″ and c ″ of the reference lithium transition metal (M ref ) oxide obtained by sintering the Mn—Co precursor powder and the Li precursor compound at the same temperature T and the same time t Having the following relationship:
In this case, this relationship is
0.980 <a ′ / a ″ <0.998 and 0.9860 <c ′ / c ″ <0.9985, preferably 0.990 <a ′ / a ″ <0.997 and 0.9920 <C ′ / c ″ <0.9980.

この方法の場合、Ni−Mn−Co前駆体粉末は、有利に遷移金属水酸化物、遷移金属オキシ水酸化物、遷移金属炭酸塩、遷移金属オキシ炭酸塩、またはリチウム遷移金属化合物であり、この場合遷移金属組成M’’は、M’’=NioMnpCo1-o-pであり、この場合o+p>0.5およびo>pである。また、Ni−Mn−Co前駆体粉末は、有利に粉末状リチウム遷移金属酸化物の遷移金属含量5〜70モル%を含有する。 In this method, the Ni-Mn-Co precursor powder is preferably a transition metal hydroxide, transition metal oxyhydroxide, transition metal carbonate, transition metal oxycarbonate, or lithium transition metal compound, In this case, the transition metal composition M ″ is M ″ = Ni o Mn p Co 1-op , where o + p> 0.5 and o> p. The Ni-Mn-Co precursor powder preferably contains a transition metal content of 5 to 70 mol% of the powdered lithium transition metal oxide.

1つの実施態様において、使用されたLiCoO2粉末は、少なくとも2g/cm3のタップ密度を有し、かつ少なくとも10μm、有利に少なくとも15μm、最も有利に少なくとも20μmのd50を有するモノリシック粒子から構成されている。 In one embodiment, the LiCoO 2 powder used is composed of monolithic particles having a tap density of at least 2 g / cm 3 and having a d 50 of at least 10 μm, preferably at least 15 μm, most preferably at least 20 μm. ing.

他面、コバルト含有前駆体化合物は、有利に水酸化コバルト、オキシ水酸化コバルトまたは炭酸コバルトの中の1つである。   On the other hand, the cobalt-containing precursor compound is preferably one of cobalt hydroxide, cobalt oxyhydroxide or cobalt carbonate.

別の実施態様において、LiCoO2またはコバルト含有前駆体は、粉末状リチウム遷移金属酸化物の遷移金属少なくとも80%を含有し、Ni−Mn−Co含有前駆体粉末は、1〜3μmのd50を有する粒径分布を有する粒子から構成されている。 In another embodiment, the LiCoO 2 or cobalt-containing precursor contains at least 80% of the transition metal of the powdered lithium transition metal oxide and the Ni—Mn—Co-containing precursor powder has a d 50 of 1-3 μm. It is comprised from the particle | grains which have the particle size distribution which has.

別の実施態様において、LiCoO2またはコバルト含有前駆体は、粉末状リチウム遷移金属酸化物の遷移金属80%未満を含有し、Ni−Mn−Co含有前駆体は、4〜10μmのd50を有する粒径分布を有する凝集された型の粒子から構成されている。 In another embodiment, the LiCoO 2 or cobalt containing precursor contains less than 80% of the transition metal of the powdered lithium transition metal oxide and the Ni—Mn—Co containing precursor has a d 50 of 4-10 μm. It is composed of aggregated type particles having a particle size distribution.

これらの実施態様の中の双方において、さらに、Ni−Mn−Co含有前駆体は、Tiを、有利に100nm未満のd50を有するTiO2粒子の形で有することができる。 In both of these embodiments, the Ni—Mn—Co containing precursor can further comprise Ti, preferably in the form of TiO 2 particles having a d 50 of less than 100 nm.

更に、本発明の詳細は、下記に記載されている。   Further details of the invention are described below.

本発明の正極材料は、変性されたLiCoO2と多くの場合にではあるが独占的にではなく第2の遷移金属相とを含有する粉末である。双方の相は、層状の結晶構造を有するリチウム遷移金属酸化物相である。規則正しい岩塩型の結晶構造 空間群r−3m。正極は、化学量論的量のLi112であることができ、この場合Mは、コバルト、マンガンおよび/またはニッケルであるか、或いは僅かにリチウムが不足している(Li1-x1+x2)かまたはリチウムに富んだLi1+x1-x2、この場合x<0.3であるものとし、である。酸素の非化学量論的量の存在は、一般に疑わしい。即ち、酸素の化学量論的量は、約2.0であるが、しかし、正極が僅かに酸素不足であるかまたは酸素に富んでいることは、排除することができない。従って、全組成は、Lixy2±δであり、この場合0.97<x<1.03、0.97<y<1.03、x+y=2およびδ<0.05である。Mは、マンガン、コバルトおよびニッケルから構成されており、M=Co1-f-gNifMng、但し、この場合0.05<f+g<0.5およびf≧gであるものとする。 The positive electrode material of the present invention is a powder containing modified LiCoO 2 and, in many cases but not exclusively, a second transition metal phase. Both phases are lithium transition metal oxide phases having a layered crystal structure. Regular rock-salt crystal structure Space group r-3m. The positive electrode can be a stoichiometric amount of Li 1 M 1 O 2 , where M is cobalt, manganese and / or nickel, or is slightly deficient in lithium (Li 1− x M 1 + x O 2 ) or lithium rich Li 1 + x M 1-x O 2 , where x <0.3. The presence of non-stoichiometric amounts of oxygen is generally questionable. That is, the stoichiometric amount of oxygen is about 2.0, but it cannot be excluded that the positive electrode is slightly oxygen deficient or rich in oxygen. Therefore, the total composition is Li x M y O 2 ± δ , is in this case 0.97 <x <1.03,0.97 <y < 1.03, x + y = 2 and [delta] <0.05 . M is manganese, which is composed of cobalt and nickel, M = Co 1-fg Ni f Mn g, however, assumed in this case is 0.05 <f + g <0.5 and f ≧ g.

第1の相は、LiCoO2前駆体に由来し、かつ変性されたLiCoO2である。この組成は、LiCo1-a-bNiaMnb2として定義することができ、この場合a≧b、0.03<a+b<0.5、有利に0.1<a+b<0.5であるものとする。前記式は、理想的と考えられるが、しかし、小さな予想されるずれ、例えば前記したようなリチウムの過剰量または不足量、酸素の非化学量論的量またはドーピングについては、考慮されていない。好ましいLiCoO2を基礎とする粒子は、モノリシックである。モノリシックな粒子は、内部多孔率を示さず、かつよりいっそう小さな一次粒子の凝集体から構成されていない。本発明の1つの視点は、LiCoO2相の異なる粒子がまさに同じ組成を有しないことである。粒子の実際の組成は、如何に多量のニッケルおよびマンガンが焼結中にLiCoO2中に拡散されたかに依存する。NiおよびMnは、典型的に混合された水酸化物である第2の相の前駆体に由来する。焼結中にLiCoO2を基礎とする相中に拡散するMnおよびNiの量は、多数の他のファクター、例えば温度、Li:M比等と共に、隣接するNi−Mnを基礎とする粒子の配置および接触面積および接触圧力に依存する。結果として、異なるLiCoO2粒子は、異なる組成を有する。 The first phase is derived from LiCoO 2 precursor and a modified LiCoO 2. This composition can be defined as LiCo 1-ab Ni a Mn b O 2 , where a ≧ b, 0.03 <a + b <0.5, preferably 0.1 <a + b <0.5 Shall. The formula is considered ideal, but small expected deviations are not taken into account, such as excess or deficiency of lithium, non-stoichiometric amount of oxygen or doping as described above. Preferred LiCoO 2 based particles are monolithic. Monolithic particles do not exhibit internal porosity and are not composed of even smaller primary particle aggregates. One aspect of the present invention is that the different particles of the LiCoO 2 phase do not have exactly the same composition. The actual composition of the particles depends on how much nickel and manganese are diffused into LiCoO 2 during sintering. Ni and Mn are derived from a second phase precursor, which is typically a mixed hydroxide. The amount of Mn and Ni that diffuses into the LiCoO 2 based phase during sintering, along with a number of other factors such as temperature, Li: M ratio, etc., the placement of adjacent Ni—Mn based particles And depends on the contact area and the contact pressure. As a result, different LiCoO 2 particles have different compositions.

本発明の第2の極めて重要な視点は、1つのLiCoO2を基礎とする粒子の金属組成が不均一であることである。典型的な粒子は、表面形態のようなアイランドを有し、この場合このアイランドは、LiCoO2粒子の表面上に緻密に焼結された、よりいっそう小さいNi−Mnを基礎とする粒子またはクリスタリットに由来する。このアイランドは、アイランドからさらに離れた領域または粒子内部の領域より高い濃度のマンガンを有する。アイランド形態の存在は、本発明の正極材料の1つの固有の特徴である。前記アイランドは、よりいっそう高いマンガン含量を有する中心部であり、粒子から分離されることができない。前記アイランドは、LiCoO2粒子の本体と緻密かつ連続的に結合されている。マンガンの化学量論的量は、アイランドからの距離が増加すると減少するので、場合により勾配形式で粒子の内部中で近づくかまたは間隔のあるアイランド間の表面上で零に近づく。本発明者らは、アイランド形態が開示された正極材料の高い観察されたレート性能に関連することを観察した。本発明者らは、アイランドは、該アイランドがLiCoO2粒子に結合されていないと異なる結晶格子定数を有するであろうと推測している。しかし、アイランドは、LiCoO2に緻密に結合されており、LiCoO2粒子とアイランドとの間には、マンガンの化学量論的量の勾配の領域が存在する。それ故に、アイランドならびに粒子は、強力な格子歪みを蒙るであろう。この歪みは、正確な機構は本発明者らには分からないが、粒子中へのリチウムの著しく早い拡散を可能にする。 A second very important aspect of the present invention is that the metal composition of one LiCoO 2 based particle is non-uniform. Typical particles have an island like surface morphology, the island this case was densely sintered on the surface of the LiCoO 2 particles, particles or crystallites which are based on more small Ni-Mn Derived from. This island has a higher concentration of manganese than the region further away from the island or the region inside the particle. The presence of the island morphology is one unique feature of the positive electrode material of the present invention. The island is a central part with an even higher manganese content and cannot be separated from the particles. The islands are densely and continuously bonded to the body of LiCoO 2 particles. As the distance from the islands increases, the stoichiometric amount of manganese approaches in the interior of the particle, possibly in a gradient fashion, or approaches zero on the surface between spaced islands. The inventors have observed that the island morphology is related to the high observed rate performance of the disclosed positive electrode material. We speculate that islands will have different crystal lattice constants if they are not bound to LiCoO 2 particles. However, islands are densely coupled to LiCoO 2, between the LiCoO 2 particles and the island, there is a region of the gradient of the stoichiometric amount of manganese. Therefore, the islands as well as the particles will experience strong lattice distortions. This strain allows the remarkably fast diffusion of lithium into the particles, although the exact mechanism is not known to the inventors.

第2の相は、Li1M’O2であり、この場合M’は、NimMnnCo1-m-nであり、m≧n、0.1<m+n<0.9であるものとする。前記式は、理想的と考えられるが、しかし、小さな予想されるずれ、例えば前記したようなリチウムの過剰量または不足量、酸素の非化学量論的量またはドーピングについては、考慮されていない。第2の相は、有利にNi−Mn−Co含有前駆体、例えば混合水酸化物、混合オキシ水酸化物、混合酸化物、混合リチウム金属酸化物または混合炭酸塩に由来する。焼結中、第2の相の金属組成は、変化する。コバルトは、LiCoO2粒子からLi1M’O2粒子中へ拡散する。若干のNiおよびMnは、Li1M’O2粒子からLiCoO2粒子中へ拡散する。結果として、第2の相のコバルトの化学量論的量は、Ni−Mn−Co含有前駆体のコバルトの化学量論的量より高い。コバルトの化学量論的量の変化は、本発明の1つの重要な視点である。コバルトの化学量論的量が焼結中に十分に増加する場合にのみ、カチオンの十分な交換が起こり、この場合にのみ生じる正極のレート性能は、十分に改善される。 The second phase is Li 1 M'O 2, in this case M 'is Ni m Mn n Co 1-mn , m ≧ n, it is assumed that 0.1 <m + n <0.9 . The formula is considered ideal, but small expected deviations are not taken into account, such as excess or deficiency of lithium, non-stoichiometric amount of oxygen or doping as described above. The second phase is preferably derived from a Ni-Mn-Co containing precursor, such as a mixed hydroxide, mixed oxyhydroxide, mixed oxide, mixed lithium metal oxide or mixed carbonate. During sintering, the metal composition of the second phase changes. Cobalt diffuses from LiCoO 2 particles into Li 1 M′O 2 particles. Some Ni and Mn diffuse from Li 1 M′O 2 particles into LiCoO 2 particles. As a result, the stoichiometric amount of cobalt in the second phase is higher than the stoichiometric amount of cobalt in the Ni-Mn-Co containing precursor. The change in the stoichiometric amount of cobalt is one important aspect of the present invention. Only when the stoichiometric amount of cobalt increases sufficiently during sintering, sufficient exchange of cations occurs, and the rate performance of the positive electrode that occurs only in this case is sufficiently improved.

本発明者らは、本発明のさらに本質的な視点であると考えられる2つのよりいっそう意外な事実を観察した。   The inventors have observed two more surprising facts that are considered to be a more essential point of view of the present invention.

第1の観察:第2の相のフラクションは、焼結中に増加する。明らかに、ニッケルよりもコバルトの方が第2の相(Li1M’O2)中に拡散し、マンガンは、LiCoO2相中に拡散する。本発明者らは、拡散における前記差異は、観察されるアイランド形態を増大させると推測している。前記観察に関連して、電圧プロフィールの明らかな変化が存在する。LiCoO2とLi1M’O2との混合物は、3.88Vでプラトーを有する特徴のある電圧プロフィールを有する。カチオンが増加すると共に、本発明者らは、最終放電電圧の減少と共に3.88Vのプラトーの消滅を観察した。更に、コバルトは、Li1M’O2粒子中へ拡散するだけでなく、表面上でマンガン含有領域中への拡散し;この処理中にアイランド間の領域は、Co源として作用する。同時に、アイランドそれ自体は、コバルトシンクである。1つの簡単な画像で、例えばスポンジが、該スポンジの周囲から水を除去することによって膨張するようにマンガン含有アイランドは、コバルトで膨張する。この方法は、何故アイランド形態が形成されるかを説明する。 First observation: The fraction of the second phase increases during sintering. Apparently, cobalt diffuses in the second phase (Li 1 M′O 2 ) rather than nickel, and manganese diffuses in the LiCoO 2 phase. We speculate that this difference in diffusion increases the observed island morphology. Associated with the observation is a clear change in voltage profile. The mixture of LiCoO 2 and Li 1 M′O 2 has a characteristic voltage profile with a plateau at 3.88V. As cations increased, we observed the disappearance of the 3.88 V plateau with decreasing final discharge voltage. Furthermore, cobalt not only diffuses into the Li 1 M′O 2 particles, but also diffuses into the manganese-containing region on the surface; during this process, the region between the islands acts as a Co source. At the same time, the island itself is a cobalt sink. In one simple image, a manganese-containing island expands with cobalt, for example, as a sponge expands by removing water from the periphery of the sponge. This method explains why the island morphology is formed.

第2の観察:第1の相は、純粋なLiCoO2とは明らかに異なる組成を有する。第1の相の粒子の大部分は、マンガンおよびニッケルを少なくとも3%、有利に10%含有する。このような化学量論的量の変化は、通常、格子定数の重要な変化によって達成される。しかし、X線回折分析は、意外なことに、第1の相(2相のRietveldの改善により得られた)の格子定数が基本的に変化しない、即ちこの格子定数がLiCoO2の格子定数と同一のままであることを示す。本発明者らは、これは、第1の相のレート性能の改善がLiCoO2とLi1M’O2との間での固溶体の形成によって引き起こされないことを示す発明の極めて重要な視点であると考えている。(固溶体は、組成に依存して格子定数の段階的な変化を示す。)本発明のもう1つの視点は、Li1M’O2粒子(第2の相)がクリスタリットを有し、クリスタリットの寸法がコバルト含量と相関関係にあることである。明らかに、より多くのNi(およびMn)がLi1M’O2粒子からLiCoO2粒子中へ拡散し、かつより多くのCoがLi1M’O2粒子中へ拡散する焼結中に、クリスタリット成長が加速される。結果として、よりいっそう高いコバルト化学量論的量を有するLi1M’O2粒子(第2の相)は、よりいっそう大きな一次クリスタリットを有する。これは、極めて有用な方法である。それというのも、自己管理された方法で、最適化された形態が達成されるからである。これは、コバルトの増大された含量がよりいっそう早いリチウム拡散を引き起こすので、レート性能の消失なしによりいっそう大きなクリスタリットを可能にする。しかし、高いコバルト含量とよりいっそう大きな寸法との相関関係は、クリスタリットの寸法に帰因するだけで、粒径には帰因しない。大きな粒子は、小さな粒子よりも平均で低いコバルトの化学量論的量を有すると思われる。それというのも、よりいっそう多いコバルトは、よりいっそう長い経路を拡散しなければならないからである。 Second observation: The first phase has a composition that is clearly different from pure LiCoO 2 . The majority of the first phase particles contain at least 3%, preferably 10%, of manganese and nickel. Such a stoichiometric change is usually achieved by significant changes in the lattice constant. However, the X-ray diffraction analysis surprisingly shows that the lattice constant of the first phase (obtained by the improvement of the two-phase Rietveld) is essentially unchanged, that is, the lattice constant is the same as that of LiCoO2. Indicates that it remains. We are in a very important aspect of the invention that this shows that the improvement in rate performance of the first phase is not caused by the formation of a solid solution between LiCoO 2 and Li 1 M′O 2. I think there is. (The solid solution shows a stepwise change in lattice constant depending on the composition.) Another aspect of the present invention is that the Li 1 M′O 2 particles (second phase) have crystallites, and crystallites. The size of the rit is correlated with the cobalt content. Obviously, during sintering in which more Ni (and Mn) diffuses from Li 1 M′O 2 particles into LiCoO 2 particles and more Co diffuses into Li 1 M′O 2 particles, Crystallite growth is accelerated. As a result, Li 1 M′O 2 particles (second phase) with higher cobalt stoichiometric amounts have a much larger primary crystallite. This is a very useful method. This is because an optimized form is achieved in a self-managed manner. This allows for even greater crystallites without loss of rate performance since the increased content of cobalt causes faster lithium diffusion. However, the correlation between high cobalt content and larger dimensions is only attributed to crystallite dimensions, not particle size. Larger particles appear to have an average lower cobalt stoichiometry than smaller particles. This is because more cobalt has to diffuse longer paths.

本発明者らは、アイランド形態を引き起こす反応を次のように理解している:
焼結中に、よりいっそう小さなLi1M’O2粒子および凝集されたLi1M’O2粒子の重要なフラクションは、LiCoO2粒子と接触される。接触点は、コバルトシンクであり、LiCoO2粒子の表面上に固有に埋設された、マンガン含有アイランドが形成される。同時に、ニッケル(および若干のマンガン)は、LiCoO2粒子中へ拡散し、コバルトは、Li1M’O2粒子中へ拡散する。焼結中に、熱的焼結により、コバルトの吸収によって引き起こされる、凝集されたLi1M’O2粒子の密度は、増加する。緻密化中に、膨張するアイランドとLi1M’O2粒子との接触は、失われ、2つの異なる相の粒子から構成されている最終的な正極が達成される。
We understand the reaction that causes island morphology as follows:
During sintering, a significant fraction of smaller Li 1 M′O 2 particles and agglomerated Li 1 M′O 2 particles are contacted with LiCoO 2 particles. The contact point is a cobalt sink, which forms a manganese-containing island that is inherently embedded on the surface of the LiCoO 2 particles. At the same time, nickel (and some manganese) diffuses into the LiCoO 2 particles and cobalt diffuses into the Li 1 M′O 2 particles. During sintering, the density of agglomerated Li 1 M′O 2 particles, caused by the absorption of cobalt, increases due to thermal sintering. During densification, contact between the expanding islands and the Li 1 M′O 2 particles is lost and a final positive electrode composed of two different phase particles is achieved.

Li1M’O2とLiCoO2との間の接触の消失は、Li1M’O2粒子が凝集される場合に簡易化される。この場合には、Li1M’O2粒子の一部分だけが消費され、アイランドのために種を形成する。他の選択可能な方法によれば、Ni−Mn−Co前駆体が1〜2μm未満のd50を有する極めて小さな粒子を有する場合には、接触の損失がないことが要求される。この場合には、Ni−Mn−Co粒子の大部分が消費されるかまたはNi−Mn−Co粒子の全体であっても消費され、アイランドの種を形成する。結果として、本発明の異なる具体化が可能である。 Loss of contact between Li 1 M′O 2 and LiCoO 2 is simplified when Li 1 M′O 2 particles are aggregated. In this case, only a portion of the Li 1 M′O 2 particles are consumed, forming a seed for the island. According to another selectable manner, Ni-Mn-Co precursor when having very small particles having a d 50 of less than 1~2μm is no loss of contact is required. In this case, most of the Ni—Mn—Co particles are consumed, or even the entire Ni—Mn—Co particles are consumed to form island seeds. As a result, different embodiments of the invention are possible.

第1の典型的な具体化:Ni−Mn−Co前駆体が凝集されたクリスタリットから構成されていることは、特に好ましい。1つの好ましい例は、混合水酸化物であり、この場合には、二次粒子は、一次粒子の緻密すぎない凝集体から構成されている。極めて緻密で大きなNi−Mn−Co前駆体は、あまり適当ではない。好ましい粒径分布は、4〜8μmのd50を有する。この場合、Li1M’O2粒子は、(a)極めて高い速度を支持するのに十分な小ささであり、(b)前記粒子は、低い多孔率の電極および高い体積エネルギー密度を可能にする、よりいっそう大きな粒子の間隙中に見事に適合する。 First exemplary embodiment: It is particularly preferred that the Ni—Mn—Co precursor is composed of aggregated crystallites. One preferred example is a mixed hydroxide, in which case the secondary particles are composed of aggregates of non-fine primary particles. Very dense and large Ni-Mn-Co precursors are not very suitable. A preferred particle size distribution has a d 50 of 4-8 μm. In this case, the Li 1 M′O 2 particles are (a) small enough to support very high velocities, and (b) the particles allow for low porosity electrodes and high volumetric energy density. It fits nicely into the gaps of even larger particles.

好ましくは、第1の相(LiCoO2)のための前駆体は、モノリシックで緻密であり、凝集されあまり緻密でなくよりいっそう小さな寸法を有する第2の相(Li1M’O2)のための前駆体よりも著しく大きな寸法を有する。第1の相のために好ましい前駆体は、少なくとも10〜20μmの緻密なモノリシックな粒子を有するLiCoO2である。多数の商業的なLiCoO2材料は、この望ましい形態を有する。他の選択可能な方法によれば、大きな粒子(少なくとも10〜20μm)および高い密度を有する場合には、水酸化コバルト、オキシ水酸化コバルト、酸化コバルトまたは炭酸コバルトは、適した前駆体である。1つの例として、荒い球状粒子および2.0g/cm3を上廻るタップ密度および15〜20μmより大きい粒径分布のd50を有する水酸化コバルトまたはオキシ水酸化コバルトは、適した前駆体である。 Preferably, the precursor for the first phase (LiCoO 2 ) is monolithic and dense, for the second phase (Li 1 M′O 2 ) that is agglomerated and less dense but of smaller dimensions. Have significantly larger dimensions than the precursors. A preferred precursor for the first phase is LiCoO 2 with dense monolithic particles of at least 10-20 μm. Many commercial LiCoO 2 materials have this desirable form. According to other alternative methods, cobalt hydroxide, cobalt oxyhydroxide, cobalt oxide or cobalt carbonate are suitable precursors if they have large particles (at least 10-20 μm) and high density. As one example, cobalt hydroxide or cobalt oxyhydroxide having rough spherical particles and a tap density of greater than 2.0 g / cm 3 and a d 50 of particle size distribution greater than 15-20 μm are suitable precursors. .

Ni−Mn−Co前駆体が凝集され、かつ4〜10μmのd50を有する粒径分布を有する場合には、有利に最終的な正極の遷移金属の少なくとも20%は、Ni−Mn−Co前駆体に由来し、遷移金属の80%未満は、LiCoO2前駆体に由来する。 Ni-Mn-Co precursor is agglomerated, and if it has a particle size distribution with a d 50 of 4~10μm is preferably at least 20% of the transition metal in the final positive electrode, Ni-Mn-Co precursor And less than 80% of the transition metal is derived from the LiCoO 2 precursor.

第2の典型的な具体化:また、Ni−Mn−Co前駆体が極めて小さい粒子から構成されていることは、好ましい。1つの例は、0.5〜1.5μmを下廻る典型的な粒子を有するジェットミル粉砕された混合水酸化物である。この場合、有利には、最終的な正極の遷移金属の20%未満または15%でさえもNi−Mn−Co前駆体に由来し、これに対して、少なくとも80%、有利に85%は、コバルト前駆体に由来する。コバルト前駆体は、有利に緻密でモノリシックである大きな粒子(d50>10〜20μm)から構成されている。適当なコバルト前駆体は、商業的なLiCoO2であるか、または高密度(タップ密度>2g/cm3)の水酸化コバルト、オキシ水酸化コバルトまたは炭酸コバルトである。前駆体の適当な形状は、例えば球状または不規則なポテト形状の粒子である。 Second exemplary embodiment: It is also preferred that the Ni-Mn-Co precursor is composed of very small particles. One example is a jet milled mixed hydroxide with typical particles below 0.5-1.5 μm. In this case, advantageously less than 20% or even 15% of the final positive electrode transition metal is derived from the Ni—Mn—Co precursor, whereas at least 80%, preferably 85%, Derived from a cobalt precursor. The cobalt precursor is composed of large particles (d 50 > 10 to 20 μm) which are advantageously dense and monolithic. Suitable cobalt precursors are commercial LiCoO 2 or high density (tap density> 2 g / cm 3 ) cobalt hydroxide, cobalt oxyhydroxide or cobalt carbonate. Suitable shapes for the precursor are, for example, spherical or irregular potato-shaped particles.

2つの典型的な具体化は、他の選択可能な例と見なされずに、むしろ、2つの極端な例と見なされる。例えば、双峰性の粒径分布を有し、小さな凝集粒子(0.5〜1.5μm未満)および大きな凝集粒子(4〜8μm)を含有するNi−Mn−Co前駆体を使用することが可能であり、この場合小さな粒子の大部分は、消費され、アイランドを形成し、大きな粒子の大部分は、焼結中に切断される。また、よりいっそう小さなコバルト粒子およびマイクロメートル以下のMOOHを使用することが可能であり、この場合には、極めて高いレート性能を期待することができる。反応、即ちコバルトとニッケルとの間のカチオン交換によって達成された、マンガン含有アイランドの形成は、前記の双方の具体化において同じである。本発明者らは、アイランド形態の形成を引き起こす本質的な視点がLiCoO2中の3価ニッケルおよび3価コバルトの移動度と比較して(4価)マンガンのよりいっそう低い移動度にあるものと考えている。また、(4価)マンガンは、電池の充電/放電中にリチウムの電気化学的挿入/抽出に貢献する。若干のマンガンは、他のカチオンによって置換されてよい。また、適当なカチオンは、チタンである。このチタンは、マンガンと同様に、電気化学的に不活性であり、低い移動度を有し、かつNi−Mn−Co前駆体中にドープされてよい。例えば、マンガンと同様に、チタンは、LiNiO2中にドープされてよい。 The two typical implementations are not considered other selectable examples, but rather are considered two extreme examples. For example, using a Ni—Mn—Co precursor having a bimodal particle size distribution and containing small agglomerated particles (less than 0.5-1.5 μm) and large agglomerated particles (4-8 μm) It is possible, in this case the majority of the small particles are consumed and form islands, the majority of the large particles being cut during sintering. It is also possible to use even smaller cobalt particles and submicrometer MOOH, in which case very high rate performance can be expected. The formation of the manganese-containing islands achieved by the reaction, ie the cation exchange between cobalt and nickel, is the same in both embodiments described above. We believe that the essential point of view causing the formation of island morphology is the lower mobility of (tetravalent) manganese compared to the mobility of trivalent nickel and trivalent cobalt in LiCoO 2. thinking. Also, (tetravalent) manganese contributes to electrochemical insertion / extraction of lithium during battery charging / discharging. Some manganese may be replaced by other cations. A suitable cation is titanium. This titanium, like manganese, is electrochemically inert, has low mobility, and may be doped into Ni-Mn-Co precursors. For example, like manganese, titanium may be doped in LiNiO 2 .

本発明の別の重要な視点は、正極材料が僅かにリチウム化学量論的不足量であるとしても、高いレート性能が達成されることである。我々は、遷移金属当たりの全リチウム含量が約0.98、即ち1単位未満であるとしても、最も高いレート性能が達成されることを観察した。これは、極めて驚異的なことである。それというのも、リチウム遷移金属酸化物Li1+z1-z2、但し、Mは、ニッケルを含むものとし、の場合に、リチウム不足がカチオン混合を引き起こし(これは、結晶リチウム部位上で間違って置かれたニッケル原子である)、増加されたカチオン混合が乏しいレート性能を引き起こすことが幅広く受け入れられるからである。 Another important aspect of the present invention is that high rate performance is achieved even though the cathode material is slightly lithium stoichiometrically deficient. We have observed that the highest rate performance is achieved even though the total lithium content per transition metal is about 0.98, or less than one unit. This is extremely phenomenal. This is because the lithium transition metal oxide Li 1 + z M 1-z O 2 , where M contains nickel, and in this case, the lack of lithium causes cation mixing (this is due to the presence of crystalline lithium sites). This is because it is widely accepted that increased cation mixing causes poor rate performance.

本発明を説明する図は、次のようにまとめられている:   The figures illustrating the present invention are summarized as follows:

試料REF1およびREF2のSEM顕微鏡写真。SEM micrographs of samples REF1 and REF2. 混合試料CX2のSEM顕微鏡写真。The SEM micrograph of mixed sample CX2. 試料CX3のSEM顕微鏡写真。SEM micrograph of sample CX3. 試料EX1のSEM顕微鏡写真。SEM micrograph of sample EX1. 試料EX3のSEM顕微鏡写真試料。SEM micrograph sample of sample EX3. 試料EX1の相1のSEM顕微鏡写真。SEM micrograph of phase 1 of sample EX1. 試料EX2−相1および2のSEM顕微鏡写真。SEM micrograph of sample EX2-phase 1 and 2. EDS分析のためのEX1粒子のSEM顕微鏡写真。SEM micrograph of EX1 particles for EDS analysis. EX1の相1の粒子に関するEDS写像。EDS mapping for phase 1 particles of EX1. EDS分析のためのEX1粒子のSEM顕微鏡写真。SEM micrograph of EX1 particles for EDS analysis. EDS分析のためのEX1粒子のSEM顕微鏡写真。SEM micrograph of EX1 particles for EDS analysis. 市販のLiCoO2(REF1)および試料EX4のサイクル挙動。Cyclic behavior of commercially available LiCoO 2 (REF1) and sample EX4. 試料EX5EのSEM顕微鏡写真。SEM micrograph of sample EX5E. 試料CX6のSEM顕微鏡写真。SEM micrograph of sample CX6. REF1−2、CX2−3およびEX1−3の結晶マップ。Crystal map of REF1-2, CX2-3 and EX1-3. REF1−2、CX5およびEX4−5の結晶マップ。Crystal map of REF1-2, CX5 and EX4-5. CX2、CX4およびCX5、ならびにEX1のX線回折パターン。X-ray diffraction patterns of CX2, CX4 and CX5, and EX1. CX6およびEX9EのX線回折パターン。X-ray diffraction pattern of CX6 and EX9E. 遅い放電中のCX2、CX3およびEX1−EX3の電圧プロフィール。Voltage profiles of CX2, CX3 and EX1-EX3 during slow discharge. 試料EX1のサイクル挙動およびレート性能。Cycle behavior and rate performance of sample EX1. 試料CX6のレート性能がEX5Eと比較されている。The rate performance of sample CX6 is compared to EX5E.

次の実施例において、本発明の幾つかの視点は、さらに説明されるであろう。次表には、試験条件および試験結果の概要が記載されている。   In the following examples, some aspects of the present invention will be further described. The following table summarizes the test conditions and test results.

第1表には、試料の要約および製造条件が記載されている。第2表には、X線およびBET表面積のデータが記載されている。   Table 1 provides a summary of the samples and manufacturing conditions. Table 2 contains X-ray and BET surface area data.

第3表には、コイン型電池から得られた電気化学的結果の概要が記載されている。   Table 3 gives an overview of the electrochemical results obtained from the coin-type battery.

参考例
次の参考試料を使用した:
REF1 LiCoO2は、市販のLiCoO2であり、約20μmのd50を有し、かつモノリシックな緻密な粒子から構成されている。
Reference Example The following reference sample was used:
REF1 LiCoO 2 is commercially available LiCoO 2 , has a d 50 of about 20 μm, and is composed of monolithic dense particles.

REF2 LiM’O2は、混合水酸化物MOOHおよびLi2CO3から空気中で950℃で製造され;Li:M比は、Li:M’=1.10:1およびM’=Ni0.53Mn0.27Co0.2であった。REF2は、凝集された形態を有する。 REF2 LiM′O 2 is produced from mixed hydroxide MOOH and Li 2 CO 3 in air at 950 ° C .; the Li: M ratio is Li: M ′ = 1.10: 1 and M ′ = Ni 0.53 Mn 0.27 Co 0.2 . REF2 has an aggregated form.

試料REF1とREF2の双方を、コイン型電池アセンブリーおよびBET測定前に850℃で8時間、再加熱した。X線回折パターンを測定し、Rietveldの改善を行なう。図1は、試料REF1およびREF2のSEM顕微鏡写真を示す。左側の図は、1000倍率でのREF1を示す。粒子は、不規則な形状を有している。アイランド形態は、存在しない。右側の図は、2500倍率でのREF2を示す。粒子は、凝集され、大きい不規則な形状を有する二次粒子中に焼結された一次クリスタリットから構成されている。   Both samples REF1 and REF2 were reheated at 850 ° C. for 8 hours before coin cell assembly and BET measurement. Measure X-ray diffraction pattern and improve Rietveld. FIG. 1 shows SEM micrographs of samples REF1 and REF2. The figure on the left shows REF1 at 1000 magnification. The particles have an irregular shape. There is no island form. The figure on the right shows REF2 at 2500 magnification. The particles are composed of primary crystallites that are agglomerated and sintered into secondary particles having large irregular shapes.

計算例
REF1−LiCoO260%とREF2−Li1M’O240%との混合物である仮定的に計算された試料CC1について、BET表面積、放電容量およびレート性能に対して予想された値を、REF1とREF2の相応する値の質量平均を計算することによって評価する。
Calculation Example For a hypothetical calculated sample CC1, which is a mixture of 60% REF1-LiCoO 2 and 40% REF2-Li 1 M′O 2 , the expected values for BET surface area, discharge capacity and rate performance are , By evaluating the mass average of the corresponding values of REF1 and REF2.

比較例
例CX2:正極粉末を、REF1−LiCoO260%とREF2−Li1M’O2とを混合することによって製造する。混合前に、REF1−LiCoO2とREF2−Li1M’O2の双方を、空気中で850℃で5時間、加熱した。最終的なCX2正極の全組成は、M’が、Co0.68Ni0.21Mn0.11であるLi1M’O2である。図2aは、混合試料CX2のSEM顕微鏡写真(5000倍率)を示す。混合粉末CX2のBET表面積を測定する。アイランド形態は、観察することができない。コイン型電池を製造し、放電容量、不規則な放電容量、サイクル安定性およびレート性能を測定する。X線回折パターンを測定し、Rietveldの改善を行なう。SEM顕微鏡写真を撮る。
Comparative Example Example CX2: A positive electrode powder is prepared by mixing REF1-LiCoO 2 60% and REF2-Li 1 M′O 2 . Prior to mixing, both REF1-LiCoO 2 and REF2-Li 1 M′O 2 were heated in air at 850 ° C. for 5 hours. The total composition of the final CX2 positive electrode is Li 1 M′O 2 where M ′ is Co 0.68 Ni 0.21 Mn 0.11 . FIG. 2a shows a SEM micrograph (5000 magnifications) of the mixed sample CX2. The BET surface area of the mixed powder CX2 is measured. The island morphology cannot be observed. A coin-type battery is manufactured and measured for discharge capacity, irregular discharge capacity, cycle stability and rate performance. Measure X-ray diffraction pattern and improve Rietveld. Take a SEM micrograph.

第2表および第3表は、試料CX2が仮定的な試料CC1中で前駆体の質量平均とほぼ同じ性質を有することを示す。この混合は、レート性能またはサイクル安定性において有効な利点をもたらさない。SEM顕微鏡写真により、LiCoO2粒子のアイランド形態の不在が確認される。Rietveldの改善により、混合物のX線回折パターンから得られた格子定数がそれぞれLiCoO2およびLi1M’O2のX線回折パターンから得られた格子定数と同じであることが確認される。 Tables 2 and 3 show that sample CX2 has approximately the same properties as the mass average of the precursor in hypothetical sample CC1. This mixing does not provide a significant advantage in rate performance or cycle stability. SEM micrographs confirm the absence of island morphology of LiCoO 2 particles. Rietveld's improvement confirms that the lattice constant obtained from the X-ray diffraction pattern of the mixture is the same as that obtained from the X-ray diffraction pattern of LiCoO 2 and Li 1 M′O 2 , respectively.

例CX3:正極粉末を、REF1−LiCoO260%とREF2−Li1M’O240%とを混合することによって製造する。この混合物を空気中で850℃で5時間加熱し、試料CX3を生じる。この正極の全組成は、M’がCo0.68Ni0.21Mn0.11であるLi1M’O2であり、CX2と同じである。図2bは、試料CX3のSEM顕微鏡写真を示す。倍率は、2500倍である。アイランド形態は存在しない。 Example CX3: A positive electrode powder is prepared by mixing REF1-LiCoO 2 60% and REF2-Li 1 M′O 2 40%. This mixture is heated in air at 850 ° C. for 5 hours, yielding sample CX3. The total composition of this positive electrode is Li 1 M′O 2 where M ′ is Co 0.68 Ni 0.21 Mn 0.11 and is the same as CX2. FIG. 2b shows a SEM micrograph of sample CX3. The magnification is 2500 times. There is no island form.

試料CX3(加熱処理された混合物である)のサイクル安定性およびレート性能のような性質は、CX2(加熱処理された試料である)と比較して明らかに僅かに改善されている。Rietveldの改善により、化合物LiM’O2およびLiCoO2の格子定数が熱処理中にあまり変化されなかったことが確認される。REF1の定数は、CX2およびCX3中の相1の定数と同じであり、REF2の格子定数は、CX2およびCX3の相2の格子定数と同じである。 Properties such as cycle stability and rate performance of sample CX3 (which is a heat-treated mixture) are clearly slightly improved compared to CX2 (which is a heat-treated sample). The Rietveld improvement confirms that the lattice constants of the compounds LiM′O 2 and LiCoO 2 were not significantly changed during the heat treatment. The constant of REF1 is the same as the constant of phase 1 in CX2 and CX3, and the lattice constant of REF2 is the same as the lattice constant of phase 2 of CX2 and CX3.

例CX4:熱処理された混合物である正極粉末は、比較例CX3中に記載された方法と同様に製造されるが、850℃で5時間の代わりに900℃で5時間加熱され、試料CX4を生じる。コイン型電池が製造される。X線回折パターンを測定し、Rietveldの改善を行なう。SEM顕微鏡写真を撮る。   Example CX4: A positive electrode powder, a heat-treated mixture, is prepared similarly to the method described in Comparative Example CX3, but is heated at 900 ° C. for 5 hours instead of 850 ° C. for 5 hours, yielding sample CX4 . A coin-type battery is manufactured. Measure X-ray diffraction pattern and improve Rietveld. Take a SEM micrograph.

第2表および第3表は、試料CX4が低い温度で製造されたCX3とほぼ同じ性質を有することを示す。SEM顕微鏡写真は、アイランド形態が基本的に不在であることを示す。X線回折は、2相の相混合物を示し、この場合第1の相は、REF1−LiCoO2の格子定数を有し、第2の相は、試料REF2−Li1M’O2と同じ格子定数を有する。相1のLiCoO2から第2の相のLi1M’O2へのCoの有効な拡散は、明らかに起こらなかった。レート性能は、試料CX3のレート性能と同じである。この比較例は、850℃から900℃への熱処理温度の増加がコイン型電池の性能の有効な改善を何ももたらさないことを示す。 Tables 2 and 3 show that sample CX4 has approximately the same properties as CX3 produced at low temperatures. SEM micrographs show that the island morphology is essentially absent. X-ray diffraction shows a two-phase phase mixture, where the first phase has a lattice constant of REF1-LiCoO 2 and the second phase is the same lattice as the sample REF2-Li 1 M′O 2. Have a constant. Clearly no effective diffusion of Co from phase 1 LiCoO 2 to the second phase Li 1 M′O 2 occurred. The rate performance is the same as that of the sample CX3. This comparative example shows that increasing the heat treatment temperature from 850 ° C. to 900 ° C. does not provide any significant improvement in the performance of the coin cell battery.

本発明の実施例
実施例1(EX1):正極粉末を、市販のLiCoO260%(試料REF1)と混合遷移金属水酸化物MOOHおよびLi2CO340%とを混合することによって製造する。Li2CO3:MOOH比および混合水酸化物は、REF2−Li1M’O2の製造に使用されたものと同じである。この正極粉末の全組成は、M’がCo0.68Ni0.21Mn0.11であるLi1M’O2であり、CX2およびCX3の全組成と同じである。この混合物を空気中で970℃で8時間加熱し、試料EX1を生じる。
Examples of the Invention Example 1 (EX1): Cathode powder is prepared by mixing 60% commercial LiCoO 2 (sample REF1) with mixed transition metal hydroxides MOOH and 40% Li 2 CO 3 . The Li 2 CO 3 : MOOH ratio and the mixed hydroxide are the same as those used for the production of REF2-Li 1 M′O 2 . The total composition of this positive electrode powder is Li 1 M′O 2 in which M ′ is Co 0.68 Ni 0.21 Mn 0.11 , and is the same as the total composition of CX2 and CX3. This mixture is heated in air at 970 ° C. for 8 hours, yielding sample EX1.

コイン型電池が製造される。X線回折パターンを測定し、Rietveldの改善を行なう。SEM顕微鏡写真を撮る。図3aは、試料EX1のSEM顕微鏡写真を示す。倍率は、5000倍である。粒子の2つの型が存在する:(a)相1:特殊にアイランド形態を有する、緻密で不規則な形状を有するLiCoO2を基礎とする粒子および(b)相2:凝集された型Li1M’O2粒子:一次クリスタリット寸法は、拡大された分布を有する。相1は、図3c中に明らかに示されている。EDS分析(下記参照)は、変性されたLiCoO2粒子の表面上でのアイランド中のMnの存在を強調する。 A coin-type battery is manufactured. Measure X-ray diffraction pattern and improve Rietveld. Take a SEM micrograph. FIG. 3a shows a SEM micrograph of sample EX1. The magnification is 5000 times. There are two types of particles: (a) Phase 1: particles based on LiCoO 2 with a dense and irregular shape, specially with island morphology and (b) Phase 2: Agglomerated type Li 1 M′O 2 particles: The primary crystallite size has an expanded distribution. Phase 1 is clearly shown in FIG. 3c. EDS analysis (see below) highlights the presence of Mn in the islands on the surface of the modified LiCoO 2 particles.

サイクル安定性およびレート性能のような性質は、仮定的な試料CC1よりも著しく良好であり、試料CX2およびCX3と比較した場合には、著しく改善されている。   Properties such as cycle stability and rate performance are significantly better than hypothetical sample CC1 and are significantly improved when compared to samples CX2 and CX3.

SEM顕微鏡写真により、LiCoO2粒子のアイランド形態の存在が確認される。Rietveldの改善により、相1(LiCoO2)の格子定数は、熱処理中に変化しないが、相2(Li1M’O2)の格子定数は、著しく変化したことが確認される。Li1M’O2の格子定数の変化は、相1と相2との間のカチオンの著しい交換が関連したことを証明する。 SEM micrographs confirm the presence of island morphology of LiCoO 2 particles. It is confirmed that, due to the improvement of Rietveld, the lattice constant of phase 1 (LiCoO 2 ) does not change during the heat treatment, but the lattice constant of phase 2 (Li 1 M′O 2 ) changes significantly. The change in the lattice constant of Li 1 M′O 2 proves that a significant exchange of cations between phase 1 and phase 2 was associated.

EX2およびEX3の実施例:正極粉末を製造し、実施例1のEX1と同様に研究したが、焼結温度は、それぞれ960℃および950℃であった(焼結時間:8時間)。図3bは、試料EX3のSEM顕微鏡写真を示す。図4は、試料EX2の2つの相のSEM顕微鏡写真を示す:左側の図は、主に相2の粒子を示し、右側の図は、主に相1の粒子を示し、この場合には、相1の粒子がよりいっそう小さい相2の凝集体より著しく大きいことを確認することもできる。   EX2 and EX3 Examples: Cathode powders were manufactured and studied in the same manner as EX1 in Example 1, but the sintering temperatures were 960 ° C. and 950 ° C., respectively (sintering time: 8 hours). FIG. 3b shows a SEM micrograph of sample EX3. FIG. 4 shows SEM micrographs of the two phases of sample EX2: the diagram on the left shows mainly Phase 2 particles, the diagram on the right shows mainly Phase 1 particles, in this case, It can also be seen that the Phase 1 particles are significantly larger than the even smaller Phase 2 aggregates.

また、サイクル安定性およびレート性能のような性質は、仮定的な試料CC1よりも著しく良好であり、試料CX2およびCX3と比較した場合には、著しく改善されている。   Also, properties such as cycle stability and rate performance are significantly better than the hypothetical sample CC1, and are significantly improved when compared to samples CX2 and CX3.

SEM顕微鏡写真により、LiCoO2粒子のアイランド形態の存在が確認される。Rietveldの改善により、LiCoO2の格子定数は、熱処理中に変化しないが、Li1M’O2の格子定数は、著しく変化したことが確認される。実施例1、2および3と比較した場合には、この変化が、よりいっそう高い温度でよりいっそう重要であることを含むことができ、この場合には、(a)Li1M’O2中へのCo拡散量が温度と共に増加するが、しかし、同時に(b)改善された性質は、Li1M’O2相中のCo量に敏感には依存しないことを示す。 SEM micrographs confirm the presence of island morphology of LiCoO 2 particles. With Rietveld improvement, it is confirmed that the lattice constant of LiCoO 2 does not change during the heat treatment, but the lattice constant of Li 1 M′O 2 has changed significantly. Compared to Examples 1, 2, and 3, this change can include that it is more important at higher temperatures, in which case (a) in Li 1 M′O 2 It is shown that the amount of Co diffusion into the layer increases with temperature, but at the same time (b) the improved properties do not sensitively depend on the amount of Co in the Li 1 M′O 2 phase.

試料のEDS分析
エネルギー分散性X線分光測定法(EDS)を用いた場合には、試料CX2およびCX3(比較例)ならびに実施例EX1の組成を研究することができる。
EDS Analysis of Samples When using energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS), the composition of samples CX2 and CX3 (comparative examples) and Example EX1 can be studied.

EDS分析は、表面近くの粒子の組成を研究するための強力な方法である。EDSは、変化および傾向を監視するためには殊に強力であるが、しかし、正確な定量的結果を得るためには、あまり強力ではない。第4表には、よりいっそう複雑な試料CX2、CX3およびEX1のEDS分析のために参考例として使用されるであろう参考試料REF1およびREF2のEDS分析の結果が開示されている。   EDS analysis is a powerful method for studying the composition of particles near the surface. EDS is particularly powerful for monitoring changes and trends, but not very powerful for obtaining accurate quantitative results. Table 4 discloses the results of EDS analysis of reference samples REF1 and REF2, which will be used as reference examples for EDS analysis of more complex samples CX2, CX3 and EX1.

試料REF1(LiCoO2)をEDS分光測定法によって研究した。多数の粒子から測定されたスペクトルを捕集した。倍率は、1000倍であり、走査された領域は、図1に示された領域である。同様に、試料REF2のEDSスペクトルを1000倍の倍率で捕集した。 Sample REF1 (LiCoO 2 ) was studied by EDS spectroscopy. Spectra measured from a number of particles were collected. The magnification is 1000 times, and the scanned area is the area shown in FIG. Similarly, the EDS spectrum of sample REF2 was collected at a magnification of 1000 times.

Figure 0004728426
Figure 0004728426

ICP化学分析とEDS分析から得られた結果の比較は、EDSが
(1)ほぼ正確に遷移金属比を見積もり、
(2)硫黄含量を強調していることを示す(表面に位置していると思われる硫黄不純物)。
Comparison of the results obtained from ICP chemical analysis and EDS analysis shows that EDS (1) estimates the transition metal ratio almost accurately,
(2) Indicates that the sulfur content is emphasized (sulfur impurities that appear to be located on the surface).

正極試料EX1を、EDS分析を単独の粒子に適用することによって研究した。相1の6個の異なる粒子のEDSスペクトルを得た。全ての粒子は、アイランド形態を示した。6個の粒子のSEM顕微鏡写真は、図5に示されている。   The positive electrode sample EX1 was studied by applying EDS analysis to a single particle. EDS spectra of 6 different particles of phase 1 were obtained. All particles showed island morphology. A SEM micrograph of the six particles is shown in FIG.

EDS分析は、相1(LiCoO2)の粒子が大量(>15%)のニッケルおよびマンガンを含有することを明らかに示す(下記の第5表参照)。これは、極めて驚異的なことである。それというのも、X線回折パターンのRietveldの改善は、相1(NIおよびMnを含有する)がLiCoO2と同じ格子定数を有することを示したからである。更に、6個の粒子の中の5個の粒子は、3.0を上廻るNi:Mn比を有する。これは、マンガンより多量のニッケルが第1の相中に拡散したことを示す。焼結中に、カチオン交換が行なわれ、この場合には、主にニッケルがマンガンと共にLi1M’O2粒子からLiCoO2粒子中への侵入した。また、EDA分析により、第1の相(LiCoO2)の粒子が変動する遷移金属組成を有する組成分布を有することが確認される。 EDS analysis clearly shows that phase 1 (LiCoO 2 ) particles contain large amounts (> 15%) of nickel and manganese (see Table 5 below). This is extremely phenomenal. This is because the Rietveld improvement of the X-ray diffraction pattern showed that phase 1 (containing NI and Mn) has the same lattice constant as LiCoO 2 . Furthermore, 5 of the 6 particles have a Ni: Mn ratio greater than 3.0. This indicates that more nickel than manganese has diffused into the first phase. During the sintering, cation exchange was performed. In this case, nickel mainly entered from the Li 1 M′O 2 particles into the LiCoO 2 particles together with manganese. EDA analysis confirms that the first phase (LiCoO 2 ) particles have a composition distribution with a transition metal composition that varies.

Figure 0004728426
Figure 0004728426

第5表の6個の粒子の中の2個の粒子(粒子No.1および粒子No.2)をEDSマッピングによって研究した。図6中の粒子No.1のEDSマッピングは、"アイランド"がマンガンの高い含量を有し、これに反して、アイランド間の領域、"オーシャン(oceans)"(または本体)がマンガンの低い含量を有することを示す。更に、粒子No.4およびNo.6をスポットEDS分析によって研究した(第6表参照)。図7は、スポットの位置を示す。スポットのスペクトルを捕集した。   Two of the six particles in Table 5 (particle No. 1 and particle No. 2) were studied by EDS mapping. In FIG. An EDS mapping of 1 indicates that the “islands” have a high content of manganese, whereas the inter-island region, “oceans” (or body) has a low content of manganese. Furthermore, the particle No. 4 and no. 6 was studied by spot EDS analysis (see Table 6). FIG. 7 shows the position of the spot. The spectrum of the spot was collected.

Figure 0004728426
Figure 0004728426

全ての"アイランド"スポット(X2、X4、X6、X7)は、全粒子の場合よりも明らかに低いNi:Mn比を有する(第5表)。全ての"オーシャン"スポット(X5、X8、X9)は、全粒子の場合よりも著しく低いマンガン含量を有する。実施例から、アイランド形態を有する粒子が殆んどのアイランド中で高いMn含量を有し、アイランド間で低いマンガン含量を有することが確認される。明らかに、勾配の中心であるアイランドを有するマンガン勾配が存在する。   All “island” spots (X2, X4, X6, X7) have a clearly lower Ni: Mn ratio than for all particles (Table 5). All “ocean” spots (X5, X8, X9) have a significantly lower manganese content than the whole particles. The examples confirm that particles with island morphology have a high Mn content in most islands and a low manganese content between islands. Clearly there is a manganese gradient with an island that is the center of the gradient.

試料EX1の第2の相(Li1M’O2)の3個の単独粒子のEDSスペクトルを捕集した。前記粒子は、試料REF2と同じ金属組成を有するMOOHに由来し、この場合には、Ni:Mn比は、約2.0であり、コバルト含量は、約20%である。図5は、SEM顕微鏡写真を示す。前記の3個の粒子は、明らかに異なる寸法のクリスタリットを有する。粒子1(左側)は、約0.5〜1.5μmのクリスタリットを有し;粒子2(中央)は、約1〜2μmのクリスタリットを有し、粒子3(右側)は、約1.5〜3μmのクリスタリットを有する。同様に、試料CX2およびCX3の単独のLi1M’O2粒子(相2)のEDSスペクトルを捕集した。全ての結果は、第7表中に報告されている。 The EDS spectra of three single particles of the second phase (Li 1 M′O 2 ) of sample EX1 were collected. The particles are derived from MOOH having the same metal composition as sample REF2, in which case the Ni: Mn ratio is about 2.0 and the cobalt content is about 20%. FIG. 5 shows a SEM micrograph. The three particles have crystallites of clearly different dimensions. Particle 1 (left side) has a crystallite of about 0.5-1.5 μm; particle 2 (center) has a crystallite of about 1-2 μm, and particle 3 (right side) has a crystallite of about 1. It has a crystallite of 5 to 3 μm. Similarly, EDS spectra of single Li 1 M′O 2 particles (phase 2) of samples CX2 and CX3 were collected. All results are reported in Table 7.

Figure 0004728426
Figure 0004728426

試料EX1の第2の相Li1M’O2粒子のコバルト含量は、焼結中に著しく増加した。これは、試料REF2とほぼ同じEDSスペクトルを有する試料CX2およびCX3のLi1M’O2粒子の結果と鮮明に対比される。この観察は、EX1の焼結中にカチオンの交換が行なわれることを示し、この場合LiCoO2(相1)からのコバルトは、Li1M’O2(相2)粒子中に侵入した。更に、図8中のSEM顕微鏡写真と表のデーターとの比較は、試料EX1の一次クリスタリットの寸法と相2の粒子のコバルト含量とが相関関係にあることを示す。明らかに、コバルトがLi1M’O2中へ拡散する場合には、Li1M’O2粒子の焼結可能性は、強化され、よりっそう急速なクリスタリット成長を引き起こす。 The cobalt content of the second phase Li 1 M′O 2 particles of sample EX1 increased significantly during sintering. This is in sharp contrast with the results for the Li 1 M′O 2 particles of Samples CX2 and CX3, which have approximately the same EDS spectrum as Sample REF2. This observation indicates that cation exchange takes place during the sintering of EX1, where cobalt from LiCoO 2 (phase 1) has penetrated into the Li 1 M′O 2 (phase 2) particles. Furthermore, a comparison between the SEM micrograph in FIG. 8 and the data in the table shows that the primary crystallite size of sample EX1 and the cobalt content of phase 2 particles are correlated. Obviously, if the cobalt diffuses into the Li 1 M'O 2 is sinterability of Li 1 M'O 2 particles are strengthened, causing Yorisso rapid crystallite growth.

実施例4:前駆体のジェットミル粉砕
マイクロメートル以下の寸法の混合水酸化物を、混合水酸化物MOOHをジェットミル粉砕することによって製造した。MOOHは、REF2−Li1M’O2の製造に使用されたものと同じである。粒径分布をレーザー回折によって測定した。3回のジェットミル粉砕後、体積の80%は、1μm未満の寸法を有する粒子から構成されている。
Example 4: Jet Mill Milling of Precursors A mixed hydroxide of submicrometer size was produced by jet milling a mixed hydroxide MOOH. MOOH is the same as that used for the production of REF2-Li 1 M′O 2 . The particle size distribution was measured by laser diffraction. After three jet milling operations, 80% of the volume is composed of particles having a dimension of less than 1 μm.

市販のLiCoO2粒子90質量%(試料REF1、20μmの粒子を有する)および3回ジェットミル粉砕されたMOOH10%を、Li2CO3と混合した。ジェットミル粉砕されたMOOH1モルに対して、Li2CO31/2モルを添加した。(Li:M比は、REF2−Li1M’O2の製造に使用された比と同じである。)混合後、試料を970℃で8時間焼結した。 90% by weight of commercially available LiCoO 2 particles (sample REF1, with 20 μm particles) and 3% jet milled MOOH 10% were mixed with Li 2 CO 3 . 1/2 mole of Li 2 CO 3 was added to 1 mole of MOOH pulverized by jet mill. (The Li: M ratio is the same as the ratio used for the production of REF2-Li 1 M′O 2. ) After mixing, the sample was sintered at 970 ° C. for 8 hours.

最終的な試料EX4をSEM、BET表面積分析およびX線回折によって研究した。コイン型電池が製造された。レート性能およびサイクル安定性を測定した。   The final sample EX4 was studied by SEM, BET surface area analysis and X-ray diffraction. A coin-type battery was manufactured. Rate performance and cycle stability were measured.

図9は、左側(A)の市販のLiCoO2(REF1)のレート性能(電池電圧V対放電容量mAh/g)と右側(B)の試料EX4のレート性能とを比較する。この図は、C/10、C/5、C/2、1C中の放電電圧プロフィールを示す。1.5C、2C、3C、5Cおよび10Cレート、この場合1C(1時間の放電に相当する)は、160mAh/gとして定義される。温度は、24℃で一定に維持され、電圧範囲は、4.3〜3.0Vであった。明らかに、レート性能は、劇的に増加した。SEM顕微鏡写真(図示されていない)は、アイランド形態が存在することを明らかに示す。 FIG. 9 compares the rate performance (battery voltage V versus discharge capacity mAh / g) of the commercially available LiCoO 2 (REF1) on the left side (A) with the rate performance of the sample EX4 on the right side (B). This figure shows the discharge voltage profile during C / 10, C / 5, C / 2, 1C. The 1.5C, 2C, 3C, 5C and 10C rates, in this case 1C (corresponding to 1 hour discharge), are defined as 160 mAh / g. The temperature was kept constant at 24 ° C. and the voltage range was 4.3-3.0V. Clearly, the rate performance has increased dramatically. SEM micrographs (not shown) clearly show the presence of island morphology.

共焼結条件の研究
試料CX5を試料EX1、EX2、EX3と同様に製造したが、焼結温度は、900℃の低下させた(焼結時間:8時間)。試料は、EX1、EX2、EX3とは明らかに異なっていた。BET表面積は、十分に大きかった:0.35m2/g。X線回折は、2つの相の相混合を示し、第1の相は、REF2−Li1M’O2の格子定数を有し、第2の相は、試料REF2−Li1M’O2と同じ格子定数を有する。明らかに、相1のLiCoO2から第2の相のLi1M’O2へのCoの有効な拡散は、起こらなかった。同様に、第2の相の体積部分は、明らかに僅かであり、この場合この体積部分は、相2(Li1M’O2)へ拡散したCoを殆んど有していないことと一致している。
Study of co-sintering conditions Sample CX5 was produced in the same manner as samples EX1, EX2 and EX3, but the sintering temperature was reduced to 900 ° C. (sintering time: 8 hours). The sample was clearly different from EX1, EX2, EX3. The BET surface area was large enough: 0.35 m 2 / g. X-ray diffraction shows a phase mixture of the two phases, the first phase has the lattice constant of REF2-Li 1 M′O 2 and the second phase is the sample REF2-Li 1 M′O 2. Have the same lattice constant. Clearly, no effective diffusion of Co from phase 1 LiCoO 2 to the second phase Li 1 M′O 2 occurred. Similarly, the volume fraction of the second phase is clearly negligible, in this case that this volume fraction is almost free of Co diffused into phase 2 (Li 1 M′O 2 ). I'm doing it.

電気化学的性質は、劣悪である(第3表)。乏しいサイクル安定性が観察される(4.5Vでのフェージング速度は、試料EX1〜EX3の場合よりもほぼ2〜3倍早い)。レート性能は、試料EX1、EX2、EX3のための90〜91%と比較して、著しく低い(3Cレートで87.5%)。速度性能は、試料CX3の速度性能と同じである。SEM顕微鏡写真(図示されていない)は、よりいっそう大きなLiCoO2の表面上に結合された若干小さなLi1M’O2粒子を示すが、しかし、アイランド形態は、基本的に不在である。 The electrochemical properties are poor (Table 3). Poor cycle stability is observed (fading rate at 4.5V is almost 2-3 times faster than for samples EX1-EX3). The rate performance is significantly lower (87.5% at 3C rate) compared to 90-91% for samples EX1, EX2, EX3. The speed performance is the same as that of the sample CX3. SEM micrographs (not shown) show slightly smaller Li 1 M′O 2 particles bound on the surface of even larger LiCoO 2 , but the island morphology is essentially absent.

正極粉末は、実施例4の正極粉末と同様に製造されかつ分析される。しかし、第2の相Li1M’O2に対して異なる前駆体が使用された。この実施例において、REF1−LiCoO290%は、ジェットミル粉砕された前駆体および0.05モル%のLi2CO310%と混合される。前駆体は、リチウム化学量論的不足量のLi1-X1+X2である。前駆体は、REF2−Li1M’O2と同様に製造されたが、Li:M比は、0.9であり、温度は、900℃であった。製造後、前駆体は、2回ジェットミル粉砕され、マイクロメートル以下の粒状生成物を生じた。粒径分布を水中でのレーザー回折によって測定した。粒径分布は、双峰性であり、この場合体積の約50%は、0.05〜1μmの寸法を有し(約0.3μmで最大)、体積の残りの50%は、1〜6μmの寸法を有する(約2μmで最大)。混合物を空気中で970℃で8時間加熱した。X線回折パターンを測定し、Rietveldの改善を行なう。SEM顕微鏡写真を撮る。コイン型電池が製造される。 The positive electrode powder is manufactured and analyzed in the same manner as the positive electrode powder of Example 4. However, different precursors were used for the second phase Li 1 M′O 2 . In this example, REF1-LiCoO 2 90% is mixed with jet milled precursor and 0.05 mol% Li 2 CO 3 10%. The precursor is a lithium stoichiometric deficiency of Li 1-X M 1 + X O 2 . The precursor was produced in the same manner as REF2-Li 1 M′O 2 but the Li: M ratio was 0.9 and the temperature was 900 ° C. After manufacture, the precursor was jet milled twice to produce a submicrometer granular product. The particle size distribution was measured by laser diffraction in water. The particle size distribution is bimodal, where about 50% of the volume has a dimension of 0.05-1 μm (maximum at about 0.3 μm) and the remaining 50% of the volume is 1-6 μm. (Maximum at about 2 μm). The mixture was heated in air at 970 ° C. for 8 hours. Measure X-ray diffraction pattern and improve Rietveld. Take a SEM micrograph. A coin-type battery is manufactured.

X線回折パターンは、基本的にLiCoO2と同様の格子定数を有する1つの相を示す。第2のLi1M’O2は、明らかには区別することができない。(これは、第2の相の存在を明らかに示す、実施例4の試料とは異なる)。図10bは、SEM顕微鏡写真を示す。凝集された型の極めて僅かなLi1M’O2粒子(=相2)が存在する。殆んど全ての粒子は、LiCoO2を基礎とするものである(=相1)。前記粒子は、一般に極めて平滑な表面を有する。明らかに、アイランド形態は、不在である。0.14m2/gにすぎない観察された極めて低いBET表面積は、前記観察と一致する。 The X-ray diffraction pattern basically shows one phase having the same lattice constant as LiCoO 2 . The second Li 1 M′O 2 is clearly indistinguishable. (This is different from the sample of Example 4, which clearly shows the presence of the second phase). FIG. 10b shows a SEM micrograph. There are very few Li 1 M′O 2 particles (= phase 2) of the agglomerated type. Almost all particles are based on LiCoO 2 (= phase 1). The particles generally have a very smooth surface. Obviously, the island form is absent. The observed very low BET surface area, which is only 0.14 m 2 / g, is consistent with the above observations.

明らかに、試料CX6は、試料EX4よりも効率的に焼結された。恐らく大量すぎるコバルトが相1 LiCoO2から相2 Li1M’O2へ拡散した。同時に、小数のLi1M’O2粒子は、大きなLiCoO2粒子によって消費され、恐らく、LiCoO2中のマンガンカチオンは、希釈され、結果として、アイランド形態は不在である。相2と相1の組成は、互いに効果的に接近した。第2の相は、殆んど焼結されていない試料の場合よりも正極のよりいっそう大きなフラクションを有していても、今や、相1と極めて類似しており、これらの相は、例えばX線によってもはや明らかに区別することができない。 Clearly, sample CX6 was sintered more efficiently than sample EX4. Probably too much cobalt diffused from phase 1 LiCoO 2 to phase 2 Li 1 M′O 2 . At the same time, a small number of Li 1 M′O 2 particles are consumed by the large LiCoO 2 particles, presumably the manganese cations in LiCoO 2 are diluted and, as a result, the island morphology is absent. The compositions of Phase 2 and Phase 1 were effectively close to each other. Even though the second phase has a much larger fraction of the positive electrode than in the almost unsintered sample, it is now very similar to phase 1 and these phases are, for example, X It can no longer be clearly distinguished by the line.

電気化学的試験は、次のことを示す:
(a)放電の終結時の電圧プロフィールの傾斜は、消失した。これは、相2 Li1M’O2が基本的に不在であることと一致している。
Electrochemical tests show that:
(A) The slope of the voltage profile at the end of the discharge disappeared. This is consistent with the essentially absence of phase 2 Li 1 M′O 2 .

(b)レート性能は、試料EX4の場合によりも著しく低く、(c)サイクル安定性は、劣悪である。   (B) Rate performance is significantly lower than that of sample EX4, and (c) cycle stability is poor.

アイランド形態および第2の相の存在は、高いレート性能を得るのに本質的なことであると結論付けることができる。更に、高いレートの正極を達成させるために、相当に狭い窓が存在する。焼結が強すぎる場合(試料CX6)には、アイランドは、消失する。それというのも、焼結が十分でない場合(試料CX3およびCX4)には、遷移金属の拡散量が高く、さらに、遷移金属の拡散が不十分なので、アイランドは形成されない。第2表および第3表には、得られたデーターが要約されている。まさに、本発明による方法を実施するために、温度対焼結温度を確立させることは、必要であり、この場合得られた生成物のSEM顕微鏡写真は、EX1〜4のアイランド構造を示す。共焼結が起こらなかった場合には、相2は、明らかに区別され、アイランド形態なしに、純粋なLiCoO2が観察される。共焼結があまりにも強力に起こった場合には、相2は、殆んど消失され、生じるLi−Co−Ni−Mn酸化物は、円形の端部を有する平滑な表面を有する。 It can be concluded that the presence of the island morphology and the second phase is essential for obtaining high rate performance. Furthermore, there is a fairly narrow window to achieve a high rate positive electrode. If the sintering is too strong (sample CX6), the islands disappear. This is because when the sintering is not sufficient (samples CX3 and CX4), the diffusion amount of the transition metal is high and the diffusion of the transition metal is insufficient, so that no island is formed. Tables 2 and 3 summarize the data obtained. Indeed, in order to carry out the method according to the invention, it is necessary to establish the temperature versus the sintering temperature, in which case the SEM micrographs of the product obtained show an island structure of EX1-4. If no co-sintering occurred, phase 2 is clearly distinguished and pure LiCoO 2 is observed without island morphology. If the co-sintering occurs too strongly, phase 2 is almost lost and the resulting Li-Co-Ni-Mn oxide has a smooth surface with circular edges.

2つの相 LiCoO2とLi1M’O2が存在する場合には、得られた試料の格子定数を測定し、かつ相2(LiCoO2または相応するコバルト前駆体の不在)を得るのに必要とされる前駆体を用いてのみ得られた焼結された化合物である参照試料と比較することが可能である。得られた格子定数間の関係は、先に引用された制限内に存在する。 If two phases LiCoO 2 and Li 1 M′O 2 are present, it is necessary to measure the lattice constant of the resulting sample and to obtain phase 2 (the absence of LiCoO 2 or the corresponding cobalt precursor) It is possible to compare with a reference sample, which is a sintered compound obtained only with the precursor of The relationship between the obtained lattice constants is within the limits cited above.

化学量論的不足量の影響
次の実施例(EX5A〜EX5F)は、試料が僅かに化学量論的不足量のリチウムを有する場合に電気化学的性質をさらに改善することができることを示す。これらの試料は、試料EX4と同様に製造されるが、Li2CO3は、殆んど添加されず、幾つかの場合には、焼結温度は、僅かに上昇した。
Effect of Stoichiometric Deficiency The following examples (EX5A-EX5F) show that the electrochemical properties can be further improved when the sample has a slight stoichiometric deficiency of lithium. These samples were made in the same way as sample EX4, but little Li 2 CO 3 was added and in some cases the sintering temperature increased slightly.

多くの場合に、20μmのLi2CO390%(=REF1)は、ジェットミル粉砕されたMOOHおよびLi2CO310%と混合された。Li(Li2CO3中)とMOOHとのモル比は、下記の第8表中に記載されている。また、第8表は、焼結温度を示し、BET表面積の測定結果が記載される。Li:Mの欄には、最終的な試料の化学分析により得られた、リチウムと遷移金属との比の結果が記載されている。化学分析結果は、試料REF1が約1.02のLi:Coを有し、かつ温度に依存して、常に、試料の製造中に少量のリチウムが蒸発することを考慮しても、予想された値に極めて類似している。明らかに、試料EX5D、EX5EおよびEX5Fは、ますますリチウム化学量論的不足量を有する。SEM分析が為され、全部で6個の試料がアイランド形態を示すことが確認される。試料EX5EのSEM顕微鏡写真は、図10aに示されている。X線分析は、全ての場合に2つの相の混合物を示した(下記参照)。 In many cases, 20 μm of Li 2 CO 3 90% (= REF1) was mixed with jet milled MOOH and Li 2 CO 3 10%. The molar ratio of Li (in Li 2 CO 3 ) to MOOH is listed in Table 8 below. Table 8 shows the sintering temperature and describes the measurement result of the BET surface area. In the column of Li: M, the result of the ratio of lithium to the transition metal obtained by chemical analysis of the final sample is described. Chemical analysis results were expected even when sample REF1 had about 1.02 Li: Co and, depending on the temperature, always considered that a small amount of lithium would evaporate during sample manufacture. Very similar to the value. Obviously, samples EX5D, EX5E and EX5F have increasingly lithium stoichiometric deficiencies. SEM analysis is performed and a total of 6 samples are confirmed to show island morphology. An SEM micrograph of sample EX5E is shown in FIG. 10a. X-ray analysis showed a mixture of the two phases in all cases (see below).

Figure 0004728426
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コイン型電池が製造され、前記したのと同じ条件で試験された。この結果は、下記の第9表中に要約されている。   Coin-type batteries were manufactured and tested under the same conditions as described above. The results are summarized in Table 9 below.

電気化学的データーは、2個のコイン型電池の2つのセットから得られた。2個の電池の第1のセットは、サイクル安定性の計画表を用いて試験された。他のセットは、レート性能の計画表を用いて試験された。サイクル安定性の計画表には、次の数が記載されている:第3表および第9表中に記載された、Qrev、Qirr、フェード率(C/10)およびフェード率(C1)。電気化学的データーは、2個の電池のそれぞれのセットの平均である。QrevおよびQirrは、C/10レートで測定された、第1のサイクルの可逆的な放電容量(mAh/g)および不可逆的な放電容量(%、Qirr=[QCh−QDC]/QCh)である。C/10でのフェード率の数は、遅い(C/10)3回目のサイクルと41回目のサイクルでの放電容量を比較することによって得られ、1Cでのフェード率は、早い(1C)4回目のサイクルおよび42回目のサイクルでの放電容量を比較することによって得られる。5回目のサイクルから40回目のサイクルまで、電池は、4.5〜3.0VでC/5充電レートおよびC/2放電レートでサイクル運転される。フェード率は、外挿して100サイクルであることが推定される。 Electrochemical data was obtained from two sets of two coin cells. The first set of two cells was tested using a cycle stability schedule. The other set was tested using a rate performance schedule. The cycle stability plan lists the following numbers: Q rev , Q irr , fade rate (C / 10) and fade rate (C1) listed in Tables 3 and 9 . The electrochemical data is the average of each set of two batteries. Q rev and Q irr are the first cycle reversible discharge capacity (mAh / g) and irreversible discharge capacity (%, Q irr = [QCh−QDC] / QCh, measured at the C / 10 rate. ). The number of fade rates at C / 10 is obtained by comparing the discharge capacities at the slow (C / 10) 3rd cycle and the 41st cycle, and the fade rate at 1C is fast (1C) 4 It is obtained by comparing the discharge capacities in the first cycle and the 42nd cycle. From the 5th cycle to the 40th cycle, the battery is cycled at 4.5-3.0V with a C / 5 charge rate and C / 2 discharge rate. The fade rate is extrapolated to be 100 cycles.

レート性能の計画表により、第3表および第9表に記載されたレート性能に対して1C/0.1C、2C/0.1Cおよび3C/0.1Cの数が記載される。この計画表は、次の通りである。1回目の遅いサイクル(C/10)後に、電池をC/5で充電し、増加するレートで放電させる(C/5、C/2、1C、1.5C、2C、3C、5Cおよび10C)。電圧範囲は、4.3〜3.0Vである。   The rate performance plan table lists the numbers 1C / 0.1C, 2C / 0.1C, and 3C / 0.1C for the rate performance listed in Tables 3 and 9. The plan is as follows. After the first slow cycle (C / 10), the battery is charged at C / 5 and discharged at an increasing rate (C / 5, C / 2, 1C, 1.5C, 2C, 3C, 5C and 10C). . The voltage range is 4.3 to 3.0V.

放電容量およびレート性能を高い信頼度で測定するために、電池の電極ローディング(g/cm2)は、異なっていた。安定性の計画に対して試験された電池は、約12mg/cm2の電極ローディングを有していた。レートの計画に対して試験された電池は、約5〜6mg/cm2のローディングを有していた。 In order to reliably measure the discharge capacity and rate performance, the battery electrode loading (g / cm 2 ) was different. The cell tested for the stability plan had an electrode loading of about 12 mg / cm 2 . Batteries tested against planned rate had a loading of about 5 to 6 mg / cm 2.

Figure 0004728426
Figure 0004728426

表中のデーターは、Li:M比が低下された場合にレート性能が増加することを示す。最も高いレートは、約1.5%のリチウム化学量論的不足量を有する試料に対して得られる。同時に、1.5%のリチウム化学量論的不足量の試料EX5Eは、4.5Vで最も高いサイクル安定性も示す。しかし、リチウム化学量論的不足量が大きすぎると、性質は、劣化する。即ち、約3%のリチウム化学量論的不足量を有する試料EX5Xは、劣った放電容量および極めて乏しいレート性能を有する。   The data in the table shows that rate performance increases when the Li: M ratio is lowered. The highest rate is obtained for samples having a lithium stoichiometric deficit of about 1.5%. At the same time, 1.5% lithium stoichiometric deficiency sample EX5E also exhibits the highest cycle stability at 4.5V. However, if the lithium stoichiometric deficiency is too great, the properties will deteriorate. That is, sample EX5X, which has a lithium stoichiometric deficit of about 3%, has poor discharge capacity and very poor rate performance.

Figure 0004728426
Figure 0004728426

結晶マップ
参照試料REF1、REF2、比較試料CX2、CX3および試料EX1〜EX3のX線回折パターンが得られた。試料CX2、CX3、EX1〜EX3は、LiCoO2を基礎とする第1の相とLi1M’O2を基礎とする第2の相の2つの相から構成されている。これらの相の格子定数は、2つの相のRietveldの改善によって得られ、1つの相によって得られた試料REF1(LiCoO2)とREF2(Li1M’O2)の格子定数と比較することができる。
Crystal Map X-ray diffraction patterns of reference samples REF1, REF2, comparative samples CX2, CX3 and samples EX1-EX3 were obtained. Samples CX2, CX3, EX1 to EX3 are composed of two phases, a first phase based on LiCoO 2 and a second phase based on Li 1 M′O 2 . The lattice constants of these phases are obtained by improving the Rietveld of the two phases and can be compared with the lattice constants of the samples REF1 (LiCoO 2 ) and REF2 (Li 1 M′O 2 ) obtained by one phase. it can.

第2表は、結果を示す。図11は、本発明者らが六方晶のa軸に対して六方晶のc軸をプロットしたものを結晶マップと呼ぶ適当な方法で結果を示す。この図には、試料REF1、REF2、CX2、CX3、EX1、EX2およびEX3の結晶マップが記載されている。入口は、矩形によって示された小さな領域の拡大された再プロットを示す。   Table 2 shows the results. FIG. 11 shows the results by a suitable method in which the inventors plot the hexagonal c-axis against the hexagonal a-axis as a crystal map. In this figure, crystal maps of samples REF1, REF2, CX2, CX3, EX1, EX2 and EX3 are described. The entrance shows an enlarged replot of a small area indicated by the rectangle.

第2表および図11は、試料EX1、EX2およびEX3の相2(Li1M’O2)の格子定数が著しく変化し、REF2の値から離れ、これとは異なり、CX2、CX3中の相2の格子定数がREF2の格子定数と同一であることを極めて明らかに示す。この変化は、焼結温度が上昇するにつれて、よりいっそう顕著である。焼結温度が上昇すると、マップ位置が予想されたREF2位置から離れてLiCoO2に向かって移動することを引き起こす。マップ上の位置のこの変化は、LiCoO2とLi1M’O2との間で固溶体に対して典型的なことである。明らかに、コバルトは、相1(LiCoO2)から相2(Li1M’O2)の粒子中へ拡散した。 Table 2 and FIG. 11 show that the lattice constant of Phase 2 (Li 1 M′O 2 ) of Samples EX1, EX2 and EX3 changes significantly and deviates from the value of REF2, which is different from the phase in CX2 and CX3. It is very clearly shown that the lattice constant of 2 is identical to that of REF2. This change is even more pronounced as the sintering temperature increases. When the sintering temperature is increased, causing the movement towards the LiCoO 2 away from REF2 position map location is expected. This change in position on the map is typical for solid solutions between LiCoO 2 and Li 1 M′O 2 . Apparently, cobalt diffused from Phase 1 (LiCoO 2 ) into Phase 2 (Li 1 M′O 2 ) particles.

意外なことに、相1(LiCoO2)の格子定数は、焼結中に変化しなかった。全ての試料CX2、CX3およびEX1、EX2およびEX3は、REF1の格子定数と同一の格子定数を有する。 Surprisingly, the lattice constant of phase 1 (LiCoO 2 ) did not change during sintering. All samples CX2, CX3 and EX1, EX2 and EX3 have the same lattice constant as that of REF1.

Rietveldの改善は、相2(Li1M’O2)のフラクションを生じ、これは、第2表中に記載されている。このデーターは、相2のフラクションが焼結中に増加することを示す。試料CX2のLi1M’O2のフラクションは、40%であるべきである。明らかに、Rietveldの改善により、Li1M’O2相に対してよりいっそう大きな値が記載される。この錯誤は、表面に隣接した相1の富化を引き起こすかもしれないX線試料調製中の小さな(相2、Li1M’O2)粒子と大きな(相1、LiCoO2)粒子の再配置によって引き起こされると思われる。この効果は、相1の粒子の好ましい配向によって向上されると思われる。Li1M’O2のフラクションは、焼結温度と共に増加する。焼結中に、Ni(および)Mnが相2から相1へ拡散することよりも、よりいっそう多くのCoが相1(LiCoO2)から相2へ拡散することを示す。 The Rietveld improvement yields a fraction of phase 2 (Li 1 M′O 2 ), which is listed in Table 2. This data shows that the fraction of phase 2 increases during sintering. The fraction of Li 1 M′O 2 in sample CX2 should be 40%. Clearly, the Rietveld improvement describes even higher values for the Li 1 M′O 2 phase. This misconception is the rearrangement of small (phase 2, Li 1 M′O 2 ) and large (phase 1, LiCoO 2 ) particles during X-ray sample preparation that may cause enrichment of phase 1 adjacent to the surface. Seems to be caused by. This effect appears to be improved by the preferred orientation of the phase 1 particles. The fraction of Li 1 M′O 2 increases with the sintering temperature. It shows that more Co diffuses from Phase 1 (LiCoO 2 ) to Phase 2 than Ni (and) Mn diffuses from Phase 2 to Phase 1 during sintering.

図12は、試料REF1、REF2と共に、試料EX4、EX5A〜EX5FおよびCX5のデーターポイントを有する結晶マップを示す。データーポイントは、2つの相のRietveldの改善によって得られた。この図は、EX4、EX5A〜EX5Fの相2(Li1M’O2)の格子定数がLiCoO2−REF1およびREF2−Li1M’O2の格子定数間に存在することを明らかに示す。これは、第2の相中へのCoの議論された拡散と一致する。同時に、相1の格子定数は、全く変化せず、REF1−LiCoO2の格子定数と同一である。 FIG. 12 shows a crystal map with data points for samples EX4, EX5A-EX5F and CX5 along with samples REF1, REF2. Data points were obtained by improving Rietveld in two phases. This figure clearly shows that the lattice constant of EX4, EX5A-EX5F, phase 2 (Li 1 M′O 2 ) exists between the lattice constants of LiCoO 2 —REF 1 and REF 2 —Li 1 M′O 2 . This is consistent with the discussed diffusion of Co into the second phase. At the same time, the lattice constant of phase 1 does not change at all and is the same as that of REF1-LiCoO 2 .

また、図12は、試料CX5を結晶マップ上の位置を基礎とする試料EX4、EX5A〜EX5Fと比較している。この図12は、CX5の相2の格子定数がREF2と同一であることを含むことができる。これは、相1と相2との間で十分なカチオン交換を引き起こす、よりいっそう低い焼結温度と一致している。   FIG. 12 also compares the sample CX5 with samples EX4 and EX5A to EX5F based on positions on the crystal map. This FIG. 12 can include that the lattice constant of phase 2 of CX5 is the same as REF2. This is consistent with the much lower sintering temperature that causes sufficient cation exchange between Phase 1 and Phase 2.

X線回折パターン
試料REF1およびREF2は、高い結晶度を有し、それ故に、これらの試料は、鋭い回折ピークを有するX線回折パターンを示す。図13は、CX2、CX4、CX5およびEX1のX線回折図(基線:散乱角度(deg))を示す。前記の全ての試料は、全て同じ組成を有する。図13の入口は、矩形によって示された領域の拡大された再プロットを示す。(熱処理された)REF1とREF2との混合物である試料CX2は、予想したように、REF1およびREF2の超位置であるX線回折パターンを示す。混合物を900℃で熱処理した(試料CX4)か、またはLiCoO2と混合された水酸化物とLi2CO3との混合物(CX5)を900℃で熱処理したとしても、X線回折パターンは、基本的に同じままである。これは、第1の相LiCoO2および第2の相Li1M’O2が変化しなかったことを我々に教示する。
X-ray diffraction patterns Samples REF1 and REF2 have high crystallinity, and therefore these samples exhibit an X-ray diffraction pattern with sharp diffraction peaks. FIG. 13 shows X-ray diffraction patterns (base line: scattering angle (deg)) of CX2, CX4, CX5, and EX1. All the above samples have the same composition. The entrance of FIG. 13 shows an enlarged replot of the region indicated by the rectangle. Sample CX2, which is a mixture of REF1 and REF2 (heat treated), shows an X-ray diffraction pattern that is superposition of REF1 and REF2, as expected. Even if the mixture was heat treated at 900 ° C. (sample CX4) or the mixture of hydroxide and Li 2 CO 3 mixed with LiCoO 2 (CX5) was heat treated at 900 ° C., the X-ray diffraction pattern Remains the same. This teaches us that the first phase LiCoO 2 and the second phase Li 1 M′O 2 did not change.

しかし、この状況は、本発明にとって典型的である試料とは極めて異なる。図13は、試料EX1のピーク位置およびピークの形状が変化したことを示す。相1(LiCoO2を基礎とした)のピークは、極めて鮮鋭な試料を留め、位置は同一であるが、しかし、相2(Li1M’O2を基礎とした)のピークは、著しく拡大され、このピークの位置は、明らかに移動した。この拡大の主な理由は、CoおよびNiの化学量論的量の分布にある。焼結中に、Niは、第2の相から拡散し、コバルトは、第2の相中に拡散する。結果として、異なる粒子および/またはクリスタリットは、異なる化学量論的量を有し、それぞれの化学量論的量は、それぞれ自体のピーク位置を有し、したがって1つの結果として、よりいっそう広い回折ピークが観察される。Rietveldの改善においては、格子定数の分布をシミュレートすることは、困難である。しかし、全く幸いなことに、小さな結晶寸法は、或る程度同様のピークの拡大を引き起こす。即ち、本発明の典型的な正極のRietveldの改善は、第1の相(LiCoO2を基礎とする)に対して大きなクリスタリット寸法を示し、第2の相(Li1M’O2を基礎とする)に対してよりいっそう小さなクリスタリット寸法を示す。同時に、第2の相の回折ピークのピーク位置は、有利に第1のLiCoO2相の位置に向かって移動した。 However, this situation is very different from the sample that is typical for the present invention. FIG. 13 shows that the peak position and peak shape of sample EX1 changed. The peak of phase 1 (based on LiCoO 2 ) retains a very sharp sample and is identical in position, but the peak of phase 2 (based on Li 1 M′O 2 ) is significantly enlarged The position of this peak has clearly moved. The main reason for this expansion is the distribution of stoichiometric amounts of Co and Ni. During sintering, Ni diffuses from the second phase and cobalt diffuses into the second phase. As a result, different particles and / or crystallites have different stoichiometric amounts, and each stoichiometric amount has its own peak position, and as a result, a wider diffraction pattern. A peak is observed. In improving Rietveld, it is difficult to simulate the distribution of lattice constants. Fortunately, however, small crystal dimensions cause some similar peak broadening. That is, the Rietveld improvement of a typical positive electrode of the present invention exhibits a large crystallite dimension relative to the first phase (based on LiCoO 2 ) and the second phase (based on Li 1 M′O 2) . And smaller crystallite dimensions. At the same time, the peak position of the diffraction peak of the second phase preferably moved towards the position of the first LiCoO 2 phase.

図14は、試料CX6およびEX9EのX線回折図を示す。前記の全ての試料は、全て同じ組成を有する。試料CX6は、上記の試料とは異なる。この試料は、過剰に強く焼結された。それ故に、拡散の進行は、極めて著しかった。結果として、第2の相は、第1の相と同じになり、もはやX線回折パターンによって区別することができない。全てのおなじままの部分は、低い角部に向かう相1のピークの小さな肩部である。これとは異なり、試料EX9Eは、低い角部で小さいが明らかなピークを示す。図14中の幾つかの前記ピークは、矢印によって示されている。   FIG. 14 shows X-ray diffraction patterns of Samples CX6 and EX9E. All the above samples have the same composition. Sample CX6 is different from the above sample. This sample was sintered too strongly. Therefore, the progress of diffusion was extremely remarkable. As a result, the second phase becomes the same as the first phase and can no longer be distinguished by the X-ray diffraction pattern. All the same parts are the small shoulders of the phase 1 peak towards the lower corners. In contrast, sample EX9E shows a small but distinct peak at the lower corners. Some of the peaks in FIG. 14 are indicated by arrows.

これとは異なり、試料EX9Eは、低い角部で小さいが明らかなピークを示す。我々の理解によれば、Coは、第2相中に移動し、このCoの量は、増加し、このCoの格子定数は、LiCoO2の格子定数に向かって"移動"し(上記参照)、それ故にX線のピークは、よりいっそう近接するように移動し、重なり、最終的に一致する。それ故に、過剰に焼結された相中の相2は、消失されないと思われるが、しかし、LiCoO2と区別するには似すぎるようになる。 In contrast, sample EX9E shows a small but distinct peak at the lower corners. According to our understanding, Co moves into the second phase, the amount of Co increases, and the lattice constant of this Co “moves” towards the lattice constant of LiCoO 2 (see above). Therefore, the X-ray peaks move closer together, overlap and eventually coincide. Therefore, phase 2 in the oversintered phase does not appear to disappear, but becomes too similar to distinguish from LiCoO 2 .

本発明による正極は、高い結晶度を有するLiCoO2および低い結晶度を有するLi1M’O2として近似しうるX線回折パターンを示すと結論付けることができる。結晶度は、双方の相に関連して依然として全く良好である。幾つかの市販の正極材料は、相2よりもあまり結晶質ではない。また、第2の相の格子定数は、予想よりも低く(ピークは、LiCoO2ピークに著しく近接している);予想された値は、同じMOOH前駆体から調製されたLi1M’O2相の典型的な値である。 It can be concluded that the positive electrode according to the present invention exhibits an X-ray diffraction pattern that can be approximated as LiCoO 2 with high crystallinity and Li 1 M′O 2 with low crystallinity. The crystallinity is still quite good in relation to both phases. Some commercial positive electrode materials are less crystalline than Phase 2. Also, the lattice constant of the second phase is lower than expected (the peak is very close to the LiCoO 2 peak); the expected value is Li 1 M′O 2 prepared from the same MOOH precursor. A typical value for the phase.

第2表には、Rietveldの改善の結果がまとめられている。   Table 2 summarizes the results of Rietveld improvements.

Figure 0004728426
Figure 0004728426

電圧プロフィール
コイン型電池は、全ての参考試料REF1、REF2、全ての比較試料CX2、CX3ならびにEX1、EX2およびEX3から調製された。遅い放電中のCX2、CX3およびEX1〜EX3の電圧プロフィールは、図15中に示されている。試料CX2およびCX3は、3.88Vで明らかなプラトーを示す。このプラトーは、LiCoO2にとって典型的である。このプラトーの存在は、相1が純粋なLiCoO2であることを示す。しかし、試料EX1、EX2およびEX3に関連して、このプラトーは、焼結温度の上昇と共に、累進的に消失する。明らかに、相1は、もはやLiCoO2ではない。これは、EDS分析により明示されたように、相1の粒子がNiおよびMnを含有するという事実と一致する。しかし、極めて驚異的なことに、相1は、正確にLiCoO2のX線回折パターンを有し、Ni−MnドープされたLiCoO2に予想される値とは極めて異なる格子定数を有する。
Voltage profile Coin-type batteries were prepared from all reference samples REF1, REF2, all comparative samples CX2, CX3 and EX1, EX2 and EX3. The voltage profiles of CX2, CX3 and EX1-EX3 during slow discharge are shown in FIG. Samples CX2 and CX3 show a clear plateau at 3.88V. This plateau is typical for LiCoO 2 . The presence of this plateau indicates that phase 1 is pure LiCoO 2 . However, in connection with samples EX1, EX2 and EX3, this plateau disappears progressively with increasing sintering temperature. Apparently, phase 1 is no longer LiCoO 2 . This is consistent with the fact that phase 1 particles contain Ni and Mn, as evidenced by EDS analysis. However, a very Surprisingly, phase 1, having exactly X-ray diffraction pattern of LiCoO 2, and the value expected for LiCoO 2 that is Ni-Mn-doped with a very different lattice constants.

レート性能およびサイクル安定性
第3表には、参考例REF1およびREF2ならびに試料CX2、CX3、EX1、EX2およびEX3のコイン型電池試験、および仮定的な試料CC1のための計算された値から得られた結果が記載されている。全ての試料は、全て同じ組成を有する。この表には、それぞれの試料の2個のコイン型電池に対する平均されたデーターが記載されている。
Rate Performance and Cycle Stability Table 3 is derived from the calculated values for reference examples REF1 and REF2 and coin cell battery tests of samples CX2, CX3, EX1, EX2 and EX3, and hypothetical sample CC1. Results are described. All samples all have the same composition. This table lists the averaged data for two coin cells of each sample.

我々は、試料CX2(加熱されたLiCoO2とLi1M’O2との混合物)が仮定的な試料の性質と極めて類似した性質を有することを観察する。明らかに、LiCoO2とLi1M’O2との混合は、もはや利点を生じない。試料CX3およびCX4(LiCoO2とLi1M’O2との加熱された混合物)は、僅かに良好なレート性能および僅かに改善されたサイクル安定性を有するが、しかし、一般的には、これらの性質は、試料CX2またはCC1と殆んど差異はない。 We observe that sample CX2 (a mixture of heated LiCoO 2 and Li 1 M′O 2 ) has properties very similar to those of the hypothetical sample. Obviously, the mixing of LiCoO 2 and Li 1 M′O 2 no longer yields an advantage. Samples CX3 and CX4 (heated mixtures of LiCoO 2 and Li 1 M′O 2 ) have slightly better rate performance and slightly improved cycle stability, but in general these Is almost the same as the sample CX2 or CC1.

しかい、試料EX1、EX2およびEX3は、有利に改善されたレート性能を示す。仮定的な試料CC1または混合物CX2の91〜93%、86〜88%および83〜86%と比較してかまたは試料CX3の94%、91%および89%と比較して、1C、2C、3Cでは、放電容量95%、93%および91%が得られる。   However, samples EX1, EX2 and EX3 advantageously exhibit improved rate performance. 1C, 2C, 3C compared to 91-93%, 86-88% and 83-86% of hypothetical sample CC1 or mixture CX2 or compared to 94%, 91% and 89% of sample CX3 Then, discharge capacities of 95%, 93% and 91% are obtained.

我々は、改善されたレート性能が異なる形態に関連しないことに注目する。全ての試料CX2、CX3、EX1〜EX3は、殆んど同一のBET表面積を有し、全ての試料は、一般的な図で、緻密で不規則な形状の大きな粒子(相1)と凝集された小さな粒子(相2)との混合物である。更に、粒径分布は、ほぼ同じである。BET表面積を増加させることなしにレートの増加を達成させることは、本発明の極めて重要な視点である。原理的に、BET表面積を減少させ、安全性および緻密さの要件に適合させ、なお十分なレート性能を達成させることが可能になるであろう。   We note that the improved rate performance is not related to different forms. All samples CX2, CX3, EX1-EX3 have almost the same BET surface area, and all samples are agglomerated with dense, irregularly shaped large particles (phase 1) A mixture with very small particles (phase 2). Furthermore, the particle size distribution is almost the same. Achieving increased rates without increasing the BET surface area is a critical aspect of the present invention. In principle, it would be possible to reduce the BET surface area to meet safety and compactness requirements and still achieve sufficient rate performance.

同時に、EX1、EX2およびEX3のサイクル安定性は、劇的に改善される。図16は、試料EX1に対して得られたデーターを示す。図16aは、100回のサイクル当たりのフェード率(放電容量対サイクル数#)が6.4%と計算されることを示す。小さな点は、充電時の電気容量を表わし、大きな点は、放電時の放電容量を表わす。図16bは、EX1のサイクル安定性を示す。16cは、EX1のレート性能を示す。   At the same time, the cycle stability of EX1, EX2 and EX3 is dramatically improved. FIG. 16 shows the data obtained for sample EX1. FIG. 16a shows that the fade rate per 100 cycles (discharge capacity vs. cycle number #) is calculated to be 6.4%. A small point represents the electric capacity at the time of charge, and a large point represents the discharge capacity at the time of discharge. FIG. 16b shows the cycle stability of EX1. 16c shows the rate performance of EX1.

図17では、試料CX6(左側:A)のサイクル挙動がEX5E(右側:B)と比較されている。   In FIG. 17, the cycle behavior of sample CX6 (left side: A) is compared with EX5E (right side: B).

Figure 0004728426
Figure 0004728426

Claims (25)

MnおよびNiを支持するLiCoO2粒子を含有する粉末状リチウム遷移金属酸化物であって、この粒子が、該粒子の表面上にMnおよびNiの含量が富化されたアイランドを有し、このアイランドが粒子の本体中よりも高いMnおよびNi濃度を有し、このアイランドが、Mnを少なくとも5モル%含有する、前記粉末状リチウム遷移金属酸化物。A powdered lithium transition metal oxide containing LiCoO 2 particles supporting Mn and Ni, the particles having islands enriched in Mn and Ni content on the surface of the particles, Said pulverulent lithium transition metal oxide wherein has a higher Mn and Ni concentration than in the body of the particles and the island contains at least 5 mol% Mn. MnおよびNiの含量が富化されたアイランドが、少なくとも100nmの厚さを有し、MnおよびNiを支持するLiCoO2粒子相の表面の70%未満を被覆する、請求項1記載の粉末状リチウム遷移金属酸化物。The powdered lithium of claim 1, wherein the island enriched in Mn and Ni has a thickness of at least 100 nm and covers less than 70% of the surface of the LiCoO 2 particle phase supporting Mn and Ni. Transition metal oxide. 前記アイランド中のMn濃度が、MnおよびNiを支持するLiCoO2粒子相の本体中のMn濃度より少なくとも4モル%高い、請求項1または2記載の粉末状リチウム遷移金属酸化物。The powdered lithium transition metal oxide according to claim 1 or 2, wherein the Mn concentration in the island is at least 4 mol% higher than the Mn concentration in the main body of the LiCoO 2 particle phase supporting Mn and Ni. 前記のMnおよびNiの含量が富化されたアイランド中のNi濃度が、MnおよびNiを支持するLiCoO2粒子相の本体中のNi濃度より少なくとも2モル%高い、請求項1から3までのいずれか1項に記載の粉末状リチウム遷移金属酸化物。Ni concentration in islands content of the Mn and Ni were enriched at least 2 mol% higher than Ni concentration in the body of LiCoO 2 particle phase supporting the Mn and Ni, one of the Claims 1 to 3 2. The powdery lithium transition metal oxide according to claim 1. MnおよびNiを支持するLiCoO2粒子がNiおよびMnの双方を少なくとも3モル%含有する、請求項1から4までのいずれか1項に記載の粉末状リチウム遷移金属酸化物。The powdery lithium transition metal oxide according to any one of claims 1 to 4, wherein the LiCoO 2 particles supporting Mn and Ni contain at least 3 mol% of both Ni and Mn. MnおよびNiを支持するLiCoO2粒子の結晶格子定数aおよびcが、それぞれ2.815+/-0.002および14.05+/-0.01である、請求項1から5までのいずれか1項に記載の粉末状リチウム遷移金属酸化物。The crystal lattice constants a and c of LiCoO 2 particles supporting Mn and Ni are 2.815 +/- 0.002 and 14.05 +/- 0.01, respectively. 2. Powdered lithium transition metal oxide according to item 1. MnおよびNiを支持するLiCoO2粒子がモノリシックであり、内部多孔率を有しない、請求項1から6までのいずれか1項に記載の粉末状リチウム遷移金属酸化物。The powdered lithium transition metal oxide according to any one of claims 1 to 6, wherein the LiCoO 2 particles supporting Mn and Ni are monolithic and have no internal porosity. MnおよびNiを支持するLiCoO2粒子の粒径分布が、10μmを上廻るd50を有する、請求項1から7までのいずれか1項に記載の粉末状リチウム遷移金属酸化物。The powdery lithium transition metal oxide according to any one of claims 1 to 7, wherein the particle size distribution of LiCoO 2 particles supporting Mn and Ni has a d 50 of more than 10 µm. MnおよびNiを支持するLiCoO2粒子を30質量%〜95質量%含有する、請求項1から8までのいずれか1項に記載の粉末状リチウム遷移金属酸化物。The powdery lithium transition metal oxide according to any one of claims 1 to 8, comprising LiCoO 2 particles supporting Mn and Ni in an amount of 30% by mass to 95% by mass. MnおよびNiを支持するLiCoO2粒子から構成されている第1の相およびさらに一般式Li1+aM’1-a2±bの第2のアイランド不含相を有し、この場合、−0.03<a<0.05およびb<0.02、M’は、NimMnnCo1-m-nであり、m>nおよび0.1<m+n<0.9である、請求項1から9までのいずれか1項に記載の粉末状リチウム遷移金属酸化物。A first phase composed of LiCoO 2 particles supporting Mn and Ni and further a second island-free phase of the general formula Li 1 + a M ′ 1-a O 2 ± b , -0.03 <a <0.05 and b <0.02, M 'is Ni m Mn n Co 1-mn , is m> n and 0.1 <m + n <0.9, claims The powdery lithium transition metal oxide according to any one of 1 to 9. Lixy2±δの全組成を有し、この場合0.97<x<1.03、0.97<y<1.03、x+yは2であり;δ<0.05;およびMは、Co1-f-gNifMngであり、0.05<f+g<0.5およびf≧gである、請求項1から10までのいずれか1項に記載の粉末状リチウム遷移金属酸化物。Li x M y O 2 having an overall composition of ± [delta], in this case 0.97 <x <1.03,0.97 <y < 1.03, x + y is at 2; δ <0.05; and M is Co 1-fg Ni f Mn g , 0.05 < a f + g <0.5 and f ≧ g, powdered lithium transition metal oxide according to any one of claims 1 to 10 object. 酸化物が、2つの相から構成され、第1の相が、MnおよびNiを支持するLiCoO2粒子であり、第2の相が、アイランド不含相である、請求項11記載の粉末状リチウム遷移金属酸化物。The powdered lithium according to claim 11 , wherein the oxide is composed of two phases, the first phase is LiCoO 2 particles supporting Mn and Ni, and the second phase is an island-free phase. Transition metal oxide. アイランド不含相の結晶格子定数a’およびc’が、同じ組成Lixy2±δを有しかつ純粋なLiCoO2粒子と相応するアイランド不含相とから構成されている参照リチウム遷移金属(Mref)酸化物の相応するアイランド不含相の格子定数a’’およびc’’との次の関係:
0.980<a’/a’’<0.998および0.9860<c’/c’’<0.9985を有する、請求項12記載の粉末状リチウム遷移金属酸化物。
Islands-free phase of the crystal lattice constant a 'and c', the same composition Li x M y O 2 has a ± [delta] and pure LiCoO 2 references lithium particles are composed of island-free phase and the corresponding transition The following relationship with the lattice constants a ″ and c ″ of the corresponding island-free phase of the metal (M ref ) oxide:
13. The powdered lithium transition metal oxide of claim 12, having 0.980 <a ′ / a ″ <0.998 and 0.9860 <c ′ / c ″ <0.9985.
アイランド不含相が、2〜10μmのd50を有する粒径分布を有する第2の粒子を有し、この第2の粒子が、0.5〜2μmのd50を有する粒径分布を有する一次クリスタリットの焼結された凝集体から構成されている、請求項10から13までのいずれか1項に記載の粉末状リチウム遷移金属酸化物。Island-free phase has a second particles having a particle size distribution with a d 50 of 2 to 10 [mu] m, the second particles, a primary having a particle size distribution with a d 50 of 0.5~2μm The powdery lithium transition metal oxide according to any one of claims 10 to 13, which is composed of a sintered aggregate of crystallites. さらにMnおよびNiの含量が富化されたアイランドとアイランド不含相の双方が、Tiを含有し、この場合Ti含量は、酸化物Lixy2±δ中のM10モル%より少ない、請求項11から14までのいずれか1項に記載の粉末状リチウム遷移金属酸化物。Furthermore both the island and the island-free phase the content of Mn and Ni-enriched, containing Ti, Ti content in this case is less than M10 mol% in oxide Li x M y O 2 ± δ , The powdery lithium transition metal oxide according to any one of claims 11 to 14. さらに、酸化物Lixy2±δ中で、AlおよびMgから構成されている群れから選択された1個以上のドーパントの前記5モル%未満およびBe、B、Ca、Zr、S、FおよびPから構成されている群れから選択された1個以上のドーパントの前記1モル%未満を含有する、請求項11から15までのいずれか1項に記載の粉末状リチウム遷移金属酸化物。Further, the oxide Li x M y O 2 in ± [delta], 5 mol% and less than Be the M of one or more dopants selected from the herd that is configured of Al and Mg, B, Ca, Zr, The powdered lithium transition according to any one of claims 11 to 15, containing less than 1 mol% of said M of one or more dopants selected from the group consisting of S, F and P. Metal oxide. 請求項1から16までのいずれか1項に記載の粉末状リチウム遷移金属酸化物を活物質として含有する正極を有する電気化学的セル。  The electrochemical cell which has a positive electrode containing the powdery lithium transition metal oxide of any one of Claim 1-16 as an active material. 次の工程:
LiCoO2粉末または少なくとも90モル%のコバルト含量を有するコバルト含有前駆体化合物とLi−Ni−Mn−Co酸化物またはNi−Mn−Co前駆体粉末とLi前駆体化合物との混合物を準備し、
この混合物を少なくとも910℃の温度Tで1〜48時間の時間tで焼結させ、
こうして表面上にMnおよびNiの含量が富化されたアイランドを有するMnおよびNiを支持するLiCoO2粒子を得ることを有することを特徴とする、請求項1から16までのいずれか1項に記載の粉末状リチウム遷移金属酸化物の製造法。
Next step:
Preparing a mixture of LiCoO 2 powder or a cobalt-containing precursor compound having a cobalt content of at least 90 mol% and Li-Ni-Mn-Co oxide or Ni-Mn-Co precursor powder and Li precursor compound;
The mixture is sintered at a temperature T of at least 910 ° C. for a time t of 1 to 48 hours,
17. The method according to claim 1, further comprising obtaining LiCoO 2 particles supporting Mn and Ni having islands enriched with Mn and Ni on the surface. Of producing a powdered lithium transition metal oxide.
Ni−Mn−Co前駆体粉末は、遷移金属水酸化物、遷移金属オキシ水酸化物、遷移金属炭酸塩、遷移金属オキシ炭酸塩、またはリチウム遷移金属化合物であり、この場合遷移金属組成M’’は、M’’=NioMnpCo1-o-pであり、この場合o+p>0.5およびo>pである、請求項18記載の方法。The Ni-Mn-Co precursor powder is a transition metal hydroxide, transition metal oxyhydroxide, transition metal carbonate, transition metal oxycarbonate, or lithium transition metal compound, in which case the transition metal composition M '' the method of, M '' = a Ni o Mn p Co 1-op , which in this case o + p> 0.5, and o> p, claim 18. Ni−Mn−Co前駆体粉末は、粉末状リチウム遷移金属酸化物の遷移金属含量5〜70モル%を含有する、請求項18または19記載の方法。  The method according to claim 18 or 19, wherein the Ni-Mn-Co precursor powder contains a transition metal content of the powdered lithium transition metal oxide of 5 to 70 mol%. LiCoO2粉末は、少なくとも2g/cm3のタップ密度を有し、かつ少なくとも10μmのd50を有するモノリシック粒子から構成されている、請求項18から20までのいずれか1項に記載の方法。LiCoO 2 powder has a tap density of at least 2 g / cm 3, and is composed of a monolithic particles having a d 50 of at least 10 [mu] m, method according to any one of claims 18 to 20. コバルト含有前駆体化合物は、水酸化コバルト、オキシ水酸化コバルトまたは炭酸コバルトの中の1つである、請求項18から20までのいずれか1項に記載の方法。  21. A method according to any one of claims 18 to 20, wherein the cobalt-containing precursor compound is one of cobalt hydroxide, cobalt oxyhydroxide or cobalt carbonate. LiCoO2またはコバルト含有前駆体は、粉末状リチウム遷移金属酸化物の遷移金属少なくとも80%を含有し、Ni−Mn−Co含有前駆体粉末は、1〜3μmのd50を有する粒径分布を有する粒子から構成される、請求項18から22までのいずれか1項に記載の方法。The LiCoO 2 or cobalt-containing precursor contains at least 80% of the transition metal of the powdered lithium transition metal oxide, and the Ni—Mn—Co-containing precursor powder has a particle size distribution with a d 50 of 1 to 3 μm. 23. A method according to any one of claims 18 to 22 comprising particles. LiCoO2またはコバルト含有前駆体は、粉末状リチウム遷移金属酸化物の遷移金属少なくとも80%を含有し、Ni−Mn−Co含有前駆体粉末は、4〜10μmのd50を有する粒径分布を有する凝集された型の粒子から構成される、請求項18から22までのいずれか1項に記載の方法。The LiCoO 2 or cobalt containing precursor contains at least 80% of the transition metal of the powdered lithium transition metal oxide, and the Ni—Mn—Co containing precursor powder has a particle size distribution with a d 50 of 4-10 μm. 23. A method according to any one of claims 18 to 22, wherein the method consists of agglomerated particles. さらに、Ni−Mn−Co含有前駆体は、Tiを100nm未満のd50を有するTiO2粒子の形で有する、請求項18から24までのいずれか1項に記載の方法。Further, Ni-Mn-Co-containing precursor has the form of TiO 2 particles having a d 50 of less than 100nm and Ti, method according to any one of claims 18 to 24.
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