JP4770113B2 - Positive electrode active material for secondary battery, positive electrode for secondary battery, and secondary battery - Google Patents
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Description
本発明は、二次電池用正極活物質、二次電池用正極、および二次電池に関する。 The present invention relates to a positive electrode active material for a secondary battery, a positive electrode for a secondary battery, and a secondary battery.
リチウム二次電池は、小型で大容量であるという特長を有しており、携帯電話、ノート型パソコン等の電源として広く用いられている。ここで述べるリチウム二次電池とは、正極と負極にそれぞれリチウムを吸蔵放出が可能な正極活物質が存在し、電解液内をリチウムイオンが移動することによって動作する電池のことであり、負極活物質に、炭素材料などのようにリチウムイオンを吸蔵放出する材料のほか、Liや、AlなどのLiと合金を形成する金属材料を使用する場合も含めたもののことである。 Lithium secondary batteries have the feature of being small and have a large capacity, and are widely used as power sources for mobile phones, notebook computers and the like. The lithium secondary battery described here is a battery that operates by moving lithium ions in the electrolyte solution, in which a positive electrode active material capable of occluding and releasing lithium exists in the positive electrode and the negative electrode, respectively. In addition to materials that occlude and release lithium ions, such as carbon materials, the materials include those that use metal materials that form alloys with Li, such as Li and Al.
リチウム二次電池のエネルギー密度を高める方法としては幾つか考えられるが、その中でも電池の動作電位を上昇させることが有効な手段である。従来、リチウム二次電池の正極活物質として、コバルト酸リチウムに加え、マンガン酸リチウムが用いられている。これらの化合物を正極活物質として用いたリチウム二次電池では、動作電位は何れも4V級(平均動作電位=3.6〜3.8V:対リチウム電位)となる。これは、CoイオンもしくはMnイオンの酸化還元反応(Co3+←→Co4+もしくはMn3+←→Mn4+)によって発現電位が規定されるためである。 There are several possible methods for increasing the energy density of a lithium secondary battery. Among them, increasing the operating potential of the battery is an effective means. Conventionally, lithium manganate is used in addition to lithium cobaltate as a positive electrode active material of a lithium secondary battery. In the lithium secondary battery using these compounds as the positive electrode active material, the operating potential is 4 V class (average operating potential = 3.6 to 3.8 V: lithium potential). This is because the expression potential is defined by the redox reaction of Co ions or Mn ions (Co 3+ ← → Co 4+ or Mn 3+ ← → Mn 4+ ).
マンガン酸リチウムのうち、スピネル構造を有するリチウムマンガン複合酸化物は、高電圧、高エネルギー密度であるため、その利用が検討されてきた。ここで、4V級スピネル化合物を正極活物質とする電池では、充放電サイクルに伴い劣化が生じる。この劣化の原因として、スピネル化合物から電解液へのMn3+の溶出が挙げられる。そこで、これを抑制する方法について検討がなされてきた。 Among lithium manganates, lithium manganese composite oxides having a spinel structure have been studied for their use because of their high voltage and high energy density. Here, in a battery using a 4V class spinel compound as a positive electrode active material, deterioration occurs with a charge / discharge cycle. As a cause of this deterioration, elution of Mn 3+ from the spinel compound into the electrolytic solution can be mentioned. Therefore, a method for suppressing this has been studied.
4V級スピネル化合物を正極活物質とする二次電池において、Mn3+の溶出を抑制する方法として、特許文献1には、金属の酸化物を添加する技術が記載されている。また、スピネル化合物以外の正極活物質については、特許文献2に、コバルト酸化物を用いた4V級の二次電池において、LiBiO2(LBO)を添加する技術が記載されている。これらの方法は、4V級の電池のサイクル特性の向上に一定の効果があるとされている。
As a method of suppressing elution of Mn 3+ in a secondary battery using a 4V class spinel compound as a positive electrode active material,
一方、近年では、エネルギー密度がさらに高い5V級の正極活物質も開発されている。たとえば、マンガン酸リチウムのMnをNi等により置換したスピネル化合物を活物質として用いることにより、5V級の動作電位を実現できることが知られている。具体的には、LiNi0.5Mn1.5O4等のスピネル化合物では、金属リチウム対極電位で4.5V以上の領域に電位プラトーを有する(特許文献3)。 On the other hand, in recent years, a 5V-class positive electrode active material having a higher energy density has also been developed. For example, it is known that an operating potential of 5 V class can be realized by using, as an active material, a spinel compound in which Mn of lithium manganate is substituted with Ni or the like. Specifically, a spinel compound such as LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 has a potential plateau in a region of 4.5 V or more as a metallic lithium counter electrode potential (Patent Document 3).
5V級スピネルにおいては、上述の4V級の場合とは異なり、Mnは4価の状態で存在する。そして、Mn3+←→Mn4+の酸化還元にかわって、たとえばNi2+←→Ni4+の酸化還元によって動作電位が規定される。このため、Ni2+←→Ni4+の酸化還元を最大限に利用するためには、LiNixMn2-xO4とした場合には、x=0.5が最も好ましいが、xが0.4以上0.6以下の範囲であれば、高いエネルギー密度が得られることとなる。 In the 5V class spinel, unlike the case of the 4V class described above, Mn exists in a tetravalent state. Then, instead of oxidation reduction of Mn 3+ ← → Mn 4+ , the operating potential is defined by oxidation / reduction of Ni 2+ ← → Ni 4+ , for example. For this reason, in order to make maximum use of the oxidation and reduction of Ni 2+ ← → Ni 4+ , when LiNi x Mn 2−x O 4 is used, x = 0.5 is most preferable. If it is the range of 0.4 or more and 0.6 or less, a high energy density will be obtained.
また、Li[CoMn]O4、Li[FeMn]O4、Li[CrMn]O4、Li[CuxMn2-x]O4なども、同様に、Li金属に対して4.5V以上の電位で充放電することが知られている。Co、Fe、Crの場合には、Mn3+←→Mn4+の酸化還元に代わってM3+←→M4+(MはCo、FeまたはCr)の酸化還元によって動作電位が規定されることとなる。Co、Fe、およびCrの場合の充放電電位は、5V程度である。 Similarly, Li [CoMn] O 4 , Li [FeMn] O 4 , Li [CrMn] O 4 , Li [Cu x Mn 2−x ] O 4, and the like are 4.5 V or higher with respect to Li metal. It is known to charge and discharge with electric potential. In the case of Co, Fe, and Cr, the operating potential is defined by redox of M 3+ ← → M 4+ (M is Co, Fe or Cr) instead of redox of Mn 3+ ← → Mn 4+. The Rukoto. The charge / discharge potential in the case of Co, Fe, and Cr is about 5V.
これらの場合、理論的にはLiM3+Mn4+O4の組成において、M3+←→M4+(MはCo、FeまたはCr)の酸化還元が最大限に使用されることとなり、高いエネルギー密度が得られる。LiMxMn2-xO4とした場合には、x=1.0が最も好ましいが、xが0.9以上1.1以下の範囲であれば、4.5V以上の電位で高容量が得られることとなる。しかしながら、理論的な容量は約150mAh/gであるものの、実際には、スピネルの作製が難しいため、4.5V以上の放電容量は100mAh/g程度にとどまっている。
これらの5V級スピネルでは、Ni等の元素が添加されていることから、Mn3+←→Mn4+の酸化還元により生じるMn3+の量が減少する。このため、4.5V以上の電位で充放電するいわゆる5V級の電池では、Mn3+の電解液への溶出が抑制されて、優れたサイクル特性を発揮することが期待される。ところが、5V級の電池の場合にも、実際には期待される程度のサイクル特性が得られていなかった。そこで、5V級の電池について、本発明者がこの原因について鋭意検討した結果、以下の知見が見出された。 In these 5V class spinels, since an element such as Ni is added, the amount of Mn 3+ generated by oxidation reduction of Mn 3+ ← → Mn 4+ decreases. For this reason, in a so-called 5 V class battery that charges and discharges at a potential of 4.5 V or higher, elution of Mn 3+ into the electrolytic solution is suppressed, and excellent cycle characteristics are expected to be exhibited. However, even in the case of a 5V class battery, the cycle characteristics as expected were not actually obtained. Therefore, as a result of intensive studies on the cause of the 5V class battery, the following knowledge has been found.
まず、5Vスピネルでは、Ni等が添加されているため、Niが電解質中に溶出することが確認された。また、軽量化の目的でTiが添加された化合物では、このTiの溶出も生じることが確認された。そして、Mn4+に加え、これらの元素が溶出することにより、サイクル特性が低下することがわかった。 First, in 5V spinel, since Ni etc. were added, it was confirmed that Ni elutes in electrolyte. In addition, it was confirmed that elution of Ti occurs in a compound to which Ti is added for the purpose of weight reduction. In addition to Mn 4+ , it was found that the cycle characteristics deteriorate due to the elution of these elements.
このように、高い電位で充放電する5V級の電池においては、4V級の電池の場合とは異なり、従来知られていなかった新たなメカニズムの元素溶出が生じることにより、サイクル特性の低下が生じることが見いだされた。こうした5V級の電池を良好に動作させ、安定性を向上させるためには、従来の4V級の電池とは異なる観点からの設計が必要となる。 In this way, in a 5V class battery that charges and discharges at a high potential, unlike in the case of a 4V class battery, element elution of a new mechanism that has not been known conventionally occurs, resulting in a decrease in cycle characteristics. I found something. In order to operate such a 5V class battery satisfactorily and improve the stability, it is necessary to design from a different viewpoint from the conventional 4V class battery.
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、5V級の二次電池のサイクル特性を向上させる技術を提供することにある。また、本発明の別の目的は、5V級の二次電池の高温動作時での信頼性を向上させる技術を提供することにある。 This invention is made | formed in view of the said situation, The objective is to provide the technique which improves the cycling characteristics of a 5V class secondary battery. Another object of the present invention is to provide a technique for improving the reliability of a 5V class secondary battery during high temperature operation.
本発明は、以上に述べた新たな知見に基づき完成されたものであり、5V級の電池に特有の課題を解決するものである。 The present invention has been completed based on the new findings described above, and solves the problems peculiar to 5V class batteries.
本発明によれば、下記一般式(1)で示される酸化物と、一種以上の下記一般式(2)で示される酸化物と、を含み、前記一般式(1)で示される酸化物の粒子の表面に前記一般式(2)で示される酸化物が付着していることを特徴とする二次電池用正極活物質が提供される。
LiM1 aM2 2-aO4 (1)
(ただし、上記一般式(1)において、M1はNi、Cr、Fe、Co、およびCuからなる群から選択される一種以上の遷移元素を示す。また、M2はMnを必須とする一以上の元素を示す。Mnの一部がTiまたはSiにより置換されていてもよい。また、0.4<a<1.1である。)
M3 bM2 cO (2)
(ただし、上記一般式(2)において、M2はMnを必須とする一以上の元素を示す。Mnの一部がTiまたはSiにより置換されていてもよい。また、M3は、Bi、La、Nd、SmおよびTaからなる群から選択される一または二以上の元素を必須とする一または二以上の元素である。ただし、M3はLiを含まない。また、b>0、c≧0である。)
According to the present invention comprises an oxide represented by the following general formula (1), and a oxide represented by one or more of the following general formula (2), oxides represented by the general formula (1) There is provided a positive electrode active material for a secondary battery, characterized in that the oxide represented by the general formula (2) is attached to the surface of the particle.
LiM 1 a M 2 2-a O 4 (1)
(However, in the above general formula (1), M 1 represents one or more transition elements selected from the group consisting of Ni, Cr, Fe, Co, and Cu. M 2 is an essential element of Mn. (The above elements are shown. A part of Mn may be substituted by Ti or Si, and 0.4 <a <1.1.)
M 3 b M 2 c O (2)
(However, in the above general formula (2), M 2 represents one or more elements essential to Mn. A part of Mn may be substituted by Ti or Si. Further, M 3 represents Bi, One or two or more elements that require one or more elements selected from the group consisting of La, Nd, Sm, and Ta, provided that M 3 does not contain Li, and b> 0, c ≧ 0.)
本発明に係る正極活物質は、上記一般式(1)で示される酸化物を含む。このため、高い充放電電位が実現される。また、上記一般式(2)で示される酸化物を含むため、本発明の正極活物質を用いた二次電池を充放電した際の、上記一般式(1)で示される酸化物を構成する元素の電解液中への溶解を抑制することができる。このため、二次電池のサイクル特性の低下を抑制し、高い出力を安定的に発揮させることができる。 The positive electrode active material according to the present invention includes an oxide represented by the general formula (1). For this reason, a high charge / discharge potential is realized. Moreover, since the oxide shown by the said General formula (2) is included, the oxide shown by the said General formula (1) at the time of charging / discharging the secondary battery using the positive electrode active material of this invention is comprised. Dissolution of the element into the electrolyte can be suppressed. For this reason, the fall of the cycling characteristics of a secondary battery can be suppressed, and a high output can be exhibited stably .
本発明によれば、前記二次電池用正極活物質を含むことを特徴とする二次電池用正極が提供される。 According to this invention, the positive electrode for secondary batteries characterized by including the said positive electrode active material for secondary batteries is provided.
また、本発明によれば、少なくとも正極と負極を備えた二次電池において、前記正極が前記二次電池用正極であることを特徴とする二次電池が提供される。 According to the present invention, there is provided a secondary battery comprising at least a positive electrode and a negative electrode, wherein the positive electrode is the positive electrode for the secondary battery.
本発明に係る二次電池用正極活物質を用いた二次電池は、上記一般式(1)で示される酸化物を構成する元素の電解液中への溶出が抑制されるため、高い動作電位を安定的に維持することができる。 Since the secondary battery using the positive electrode active material for secondary battery according to the present invention suppresses elution of the element constituting the oxide represented by the general formula (1) into the electrolytic solution, it has a high operating potential. Can be stably maintained.
本発明の二次電池用正極活物質において、前記一般式(2)で示される酸化物が、少なくとも下記一般式(3)で示される酸化物を含んでもよい。
M3 bO (3)
(ただし、上記一般式(3)において、M3は、Bi、La、Nd、SmおよびTaからなる群から選択される一または二以上の元素を必須とする一または二以上の元素である。ただし、M3はLiを含まない。また、b>0である。)
In the positive electrode active material for a secondary battery of the present invention, the oxide represented by the general formula (2) may include at least an oxide represented by the following general formula (3).
M 3 b O (3)
(However, in the above general formula (3), M 3 is one or two or more elements essentially including one or more elements selected from the group consisting of Bi, La, Nd, Sm and Ta. (However, M 3 does not contain Li, and b> 0.)
こうすることにより、上記一般式(1)で示される酸化物を構成する元素の電解液中への溶解をさらに確実に抑制することができる。 By carrying out like this, melt | dissolution in the electrolyte solution of the element which comprises the oxide shown by the said General formula (1) can be suppressed further reliably.
また、本発明の二次電池用正極活物質において、前記一般式(2)で示される酸化物が、少なくとも下記一般式(4)で示される化合物を含んでもよい。
M3 bMncO (4)
(ただし、上記一般式(4)において、M3は、Bi、La、Nd、SmおよびTaからなる群から選択される一または二以上の元素を必須とする一または二以上の元素である。ただし、M3はLiを含まない。また、b>0、c>0である。)
In the positive electrode active material for a secondary battery of the present invention, the oxide represented by the general formula (2) may include at least a compound represented by the following general formula (4).
M 3 b Mn c O (4)
(However, in the above general formula (4), M 3 is one or two or more elements essentially including one or more elements selected from the group consisting of Bi, La, Nd, Sm and Ta. However, M 3 does not contain Li, and b> 0 and c> 0.)
こうすることにより、上記一般式(1)で示される酸化物を構成する元素の電解液中への溶解をより一層確実に抑制することができる。 By carrying out like this, melt | dissolution in the electrolyte solution of the element which comprises the oxide shown by the said General formula (1) can be suppressed much more reliably.
本発明の二次電池用正極活物質においては、前記一般式(1)で示される酸化物の粒子の表面に前記一般式(2)で示される酸化物が付着している。前記一般式(1)で示される酸化物の粒子を用いると、二次電池の放電容量を増加させる一方、電解液中への構成元素の溶出が生じやすくなる。本発明においては、前記一般式(2)で示される酸化物を粒子表面に付着させるため、上記一般式(1)で示される酸化物が電解液と直接接触する面積を減少させることができる。このため、上記一般式(1)で示される酸化物を構成する元素の電解液中への溶解をさらに確実に抑制することができる。 In the positive electrode active material for a secondary battery of the present invention, that have adhered oxide represented on the surface of the oxide particles represented by the general formula (1) by the general formula (2). When the oxide particles represented by the general formula (1) are used, the discharge capacity of the secondary battery is increased, while elution of the constituent elements in the electrolytic solution is likely to occur. In the present invention, since the oxide represented by the general formula (2) is attached to the particle surface, the area in which the oxide represented by the general formula (1) is in direct contact with the electrolytic solution can be reduced. For this reason, dissolution of the element constituting the oxide represented by the general formula (1) into the electrolytic solution can be further reliably suppressed.
本発明の二次電池用正極活物質において、前記粒子の表面に前記一般式(2)で示される酸化物が焼成により付着していてもよい。こうすることにより、前記一般式(1)で示される酸化物の粒子の表面に前記一般式(2)で示される酸化物を強固に付着させることができる。このため、本発明の二次電池用正極活物質を用いた二次電池において、上記一般式(1)で示される酸化物が電解液と直接接触する面積をさらに確実に減少させることができる。 In the positive electrode active material for a secondary battery of the present invention, the oxide represented by the general formula (2) may adhere to the surface of the particles by firing. By doing so, the oxide represented by the general formula (2) can be firmly attached to the surface of the oxide particles represented by the general formula (1). For this reason, in the secondary battery using the positive electrode active material for a secondary battery of the present invention, the area where the oxide represented by the general formula (1) is in direct contact with the electrolytic solution can be more reliably reduced.
本発明の二次電池用正極活物質において、前記粒子の表面に前記一般式(2)で示される酸化物の微粒子が付着していてもよい。こうすることにより、前記一般式(2)で示される酸化物の比表面積を増加させることができる。このため、少ない添加量で上記一般式(1)で示される酸化物の粒子の表面の少なくとも一部を確実に被覆することができる。 In the positive electrode active material for a secondary battery of the present invention, fine particles of the oxide represented by the general formula (2) may adhere to the surface of the particles. By doing so, the specific surface area of the oxide represented by the general formula (2) can be increased. Therefore, at least a part of the surface of the oxide particles represented by the general formula (1) can be reliably coated with a small addition amount.
本発明の二次電池用正極活物質において、前記粒子の表面に前記一般式(2)で示される酸化物の層が形成された構成とすることができる。こうすることにより、上記一般式(1)で示される酸化物の粒子の表面の少なくとも一部をさらに確実に被覆することができる。 In the positive electrode active material for a secondary battery of the present invention, the oxide layer represented by the general formula (2) may be formed on the surface of the particles. Thus, it is possible to further reliably cover at least a part of the surface of the particles of the oxide represented by the above general formula (1).
本発明の二次電池用正極活物質において、前記一般式(1)で示される酸化物からなるスピネル構造中に、前記一般式(2)で示される酸化物中の元素M3が侵入していてもよい。こうすることにより、上記一般式(1)で示される酸化物を構成する元素の電解液中への溶解をさらに確実に抑制することができる。 In the positive electrode active material for a secondary battery of the present invention, the element M 3 in the oxide represented by the general formula (2) penetrates into the spinel structure composed of the oxide represented by the general formula (1). May be. By carrying out like this, melt | dissolution in the electrolyte solution of the element which comprises the oxide shown by the said General formula (1) can be suppressed further reliably.
本発明の二次電池用正極活物質において、当該正極活物質を構成する前記一般式(1)で示される酸化物の粒子の結晶の格子定数が、前記一般式(1)で示される酸化物の結晶の固有の格子定数よりも大きくてもよい。こうすれば、前記一般式(1)で示される酸化物の粒子のスピネル構造中に、前記一般式(2)で示される酸化物の構成元素が一部侵入した状態とすることができる。このため、上記一般式(1)で示される酸化物を構成する元素の電解液中への溶解をさらに確実に抑制することができる。 In the positive electrode active material for a secondary battery of the present invention, the crystal lattice constant of the oxide particles represented by the general formula (1) constituting the positive electrode active material is an oxide represented by the general formula (1). It may be larger than the intrinsic lattice constant of the crystal. If it carries out like this, the constituent element of the oxide shown by the said General formula (2) can be made into the state which penetrate | invaded into the spinel structure of the particle | grains of the oxide shown by the said General formula (1). For this reason, dissolution of the element constituting the oxide represented by the general formula (1) into the electrolytic solution can be further reliably suppressed.
本発明において、前記一般式(1)で示される酸化物がNiを含んでもよい。こうすることにより、電池を安定的に動作させることができる。 In the present invention, the oxide represented by the general formula (1) may contain Ni. By doing so, the battery can be stably operated.
本発明において、前記一般式(1)で示される酸化物がTiを含んでもよい。こうすることにより、前記一般式(1)で示される酸化物の構造を安定に維持しつつ、電池の軽量化が可能となる。 In the present invention, the oxide represented by the general formula (1) may contain Ti. By doing so, the weight of the battery can be reduced while maintaining the structure of the oxide represented by the general formula (1) stably.
本発明において、電池の充放電曲線のプラトー領域を、金属リチウム対極電位で4.5V以上とすることができる。こうすることにより、高い電池電圧およびエネルギー密度を得ることができる。 In this invention, the plateau area | region of the charging / discharging curve of a battery can be 4.5 V or more by a metal lithium counter electrode potential. By doing so, a high battery voltage and energy density can be obtained.
本発明の二次電池用正極活物質において、前記M1がNiであり、前記aが、0.4<a<0.6を満たす構成とすることができる。こうすることにより、M1をNiとすることにより、二次電池の容量を増加させることができる。 In the positive electrode active material for a secondary battery of the present invention, the M 1 may be Ni, and the a may satisfy 0.4 <a <0.6. By doing so, the capacity of the secondary battery can be increased by setting M 1 to Ni.
本発明の二次電池用正極活物質において、前記M2がMnおよびTiからなり、前記M2全体に占めるTiの割合が0mol%より大きく20mol%以下であってもよい。こうすることにより、高いエネルギー密度を保持しつつ、正極活物質の軽量化を図ることができる。 In the positive electrode active material for a secondary battery of the present invention, the M 2 may be Mn and Ti, and the proportion of Ti in the entire M 2 may be greater than 0 mol% and not greater than 20 mol%. By doing so, it is possible to reduce the weight of the positive electrode active material while maintaining a high energy density.
本発明のリチウム二次電池用正極において、前記M3の占める割合は、たとえば前記一般式(1)で示される酸化物に対して、0.01mol%以上20mol%以下とすることができる。こうすることにより、高い容量を確保しつつ、電池のサイクル特性を確実に向上させることができる。 In the positive electrode for a lithium secondary battery of the present invention, the proportion of M 3 can be, for example, 0.01 mol% or more and 20 mol% or less with respect to the oxide represented by the general formula (1). By doing so, it is possible to reliably improve the cycle characteristics of the battery while ensuring a high capacity.
なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや、本発明の構成要素や表現を方法、装置の間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。たとえば、本発明によれば、上記二次電池を搭載した電気機器が提供される。電気機器としては、たとえば携帯電話、ノートパソコン、PDA(Personal Digital Assistant)、各種カメラ、ナビゲーションシステム、自動車、無停電源や携帯用音楽機器が挙げられる。 Note that any combination of the above-described constituent elements, and those in which the constituent elements and expressions of the present invention are mutually replaced between methods and apparatuses are also effective as an aspect of the present invention. For example, according to the present invention, an electric device equipped with the secondary battery is provided. Examples of the electric device include a mobile phone, a notebook computer, a PDA (Personal Digital Assistant), various cameras, a navigation system, an automobile, a non-stop power supply, and a portable music device.
以上説明したように本発明によれば、Bi、La、Nd、SmおよびTaからなる群から選択される一または二以上の元素を必須とし、Liを除く一または二以上の元素の酸化物を含む正極活物質を用いることにより、5V級の二次電池のサイクル特性を向上させることができる。また、本発明によれば、5V級の二次電池の高温動作時での信頼性を向上させることができる。 As described above, according to the present invention, one or more elements selected from the group consisting of Bi, La, Nd, Sm and Ta are essential, and oxides of one or more elements excluding Li are added. By using the positive electrode active material that is included, the cycle characteristics of a 5V class secondary battery can be improved. In addition, according to the present invention, the reliability of a 5V class secondary battery during high temperature operation can be improved.
以下、本発明の二次電池の実施の形態について説明する。本発明の二次電池では、金属リチウム対極電位で充放電曲線のプラトー領域が4.5V以上の領域に存在する。本発明の二次電池は、リチウム含有金属複合酸化物を正極活物質とした正極と、リチウムを吸蔵放出可能な負極活物質を持つ負極を主要成分とし、正極と負極の間に電気的接続を起こさないようなセパレータが挟まれ、正極と負極はリチウムイオン伝導性の電解液に浸った状態であり、これらが電池ケースの中に密閉された状態となっている。正極と負極に電圧を印加することにより正極活物質からリチウムイオンが放出し、負極活物質にリチウムイオンが吸蔵され、充電状態となる。また、正極と負極の電気的接触を電池外部で起こすことにより、充電時と逆に、負極活物質からリチウムイオンが放出され、正極活物質にリチウムイオンが吸蔵されることにより、放電が起こる。 Hereinafter, embodiments of the secondary battery of the present invention will be described. In the secondary battery of the present invention, the plateau region of the charge / discharge curve exists in the region of 4.5 V or more at the metal lithium counter electrode potential. The secondary battery of the present invention is mainly composed of a positive electrode using a lithium-containing metal composite oxide as a positive electrode active material and a negative electrode having a negative electrode active material capable of occluding and releasing lithium, and an electrical connection is made between the positive electrode and the negative electrode. A separator that does not occur is sandwiched, and the positive electrode and the negative electrode are immersed in a lithium ion conductive electrolyte solution, which is sealed in a battery case. When a voltage is applied to the positive electrode and the negative electrode, lithium ions are released from the positive electrode active material, and the lithium ions are occluded in the negative electrode active material, resulting in a charged state. In addition, by causing electrical contact between the positive electrode and the negative electrode outside the battery, lithium ions are released from the negative electrode active material, and lithium ions are occluded in the positive electrode active material, which is opposite to that during charging.
ここで、正極には、主成分である下記一般式(1)に示される化合物、および副成分である下記一般式(2)に示される化合物が含まれる。
LiM1 aM2 2-aO4 (1)
(ただし、上記一般式(1)において、M1はNi、Cr、Fe、Co、およびCuからなる群から選択される1または2以上の遷移金属である。また、M2はMnを必須とする一以上の元素を示す。Mnの一部がTiまたはSiにより置換されていてもよい。また、0.4<a<1.1である。)
M3 bM2 cO (2)
(ただし、上記一般式(2)において、M2はMnを必須とする一以上の元素を示す。Mnの一部がTiまたはSiにより置換されていてもよい。また、M3は、Bi、La、Nd、SmおよびTaからなる群から選択される一または二以上の元素を必須とする一または二以上の元素である。ただし、M3はLiを含まない。また、b>0、c≧0である。)
Here, the positive electrode includes a compound represented by the following general formula (1) as a main component and a compound represented by the following general formula (2) as a subcomponent.
LiM 1 a M 2 2-a O 4 (1)
(However, in the general formula (1), M 1 is one or more transition metals selected from the group consisting of Ni, Cr, Fe, Co, and Cu. Further, M 2 is essential for Mn. Or a part of Mn may be substituted by Ti or Si, and 0.4 <a <1.1.)
M 3 b M 2 c O (2)
(However, in the above general formula (2), M 2 represents one or more elements essential to Mn. A part of Mn may be substituted by Ti or Si. Further, M 3 represents Bi, One or two or more elements that require one or more elements selected from the group consisting of La, Nd, Sm, and Ta, provided that M 3 does not contain Li, and b> 0, c ≧ 0.)
上記一般式(1)で示されるリチウム含有複合酸化物は、金属リチウム対極電位で4.5V以上にプラトー領域を有する5V級スピネル化合物である。このような化合物を用いることにより、高い電圧が実現される。 The lithium-containing composite oxide represented by the general formula (1) is a 5V-class spinel compound having a plateau region at 4.5 V or higher at a metal lithium counter electrode potential. By using such a compound, a high voltage is realized.
上記一般式(1)において、M1は少なくともNiを含む構成とすることが好ましい。Niを含む構成とすることにより、サイクル特性を向上することができる。また、M1がNiのみの場合は充放電電位の範囲が、4.5V以上4.9V以下であるのに対して、Co、Fe、CrまたはCuを含む場合には、充放電電位の範囲が4.8V以上5.2V以下であるため、電解液の分解が顕著となる。また、bの値を、Mnの価数が+3.9価以上になるような範囲とすることが好ましい。たとえば、b>0.4、好ましくはb>0.45とすることができる。こうすることにより、サイクル特性を安定的に向上させることができる。また、b<0.6、好ましくはb<0.55とすることができる。こうすることにより、電池の信頼性を向上させることができる。 In the general formula (1), M 1 preferably includes Ni at least. By adopting a configuration containing Ni, cycle characteristics can be improved. In addition, when M 1 is only Ni, the charge / discharge potential range is 4.5 V or more and 4.9 V or less, whereas when Co, Fe, Cr or Cu is included, the charge / discharge potential range is Is not less than 4.8V and not more than 5.2V, so that the decomposition of the electrolytic solution becomes remarkable. Moreover, it is preferable to make the value of b into a range in which the valence of Mn becomes +3.9 or more. For example, b> 0.4, preferably b> 0.45. By doing so, cycle characteristics can be stably improved. Also, b <0.6, preferably b <0.55. By doing so, the reliability of the battery can be improved.
また、上記一般式(1)に示される化合物では、M2としてMnを必須元素とする。また、M2中の必須元素であるMnを、Mnよりも軽量なTiやSiで置換してもよい。こうすることで、重量当たりの放電量が増大し、電池の高容量化が図られる。 In the compound represented by the general formula (1), M 2 is an essential element as M 2 . Further, Mn, which is an essential element in M 2 , may be substituted with Ti or Si that is lighter than Mn. By doing so, the amount of discharge per weight increases, and the capacity of the battery can be increased.
たとえば、上記一般式(1)で示される酸化物において、M2はMnおよびTiを必須とする組成とすることができる。このとき、M2全体に占めるTiの割合は、たとえば0mol%より大きければよく、好ましくは5mol%以上とすることができる。こうすることにより、スピネル化合物を確実に軽量化することができる。また、M2全体に占めるTiの割合を、たとえば20mol%以下、好ましくは15mol%以下とすることができる。こうすることにより、高いエネルギー密度を維持することができる。 For example, in the oxide represented by the general formula (1), M 2 can have a composition in which Mn and Ti are essential. At this time, the proportion of Ti in the entire M 2 may be, for example, greater than 0 mol%, and preferably 5 mol% or more. By doing so, the spinel compound can be reliably reduced in weight. Further, the proportion of Ti in the entire M 2 can be set to, for example, 20 mol% or less, preferably 15 mol% or less. By doing so, a high energy density can be maintained.
また、上記一般式(1)に示される化合物において、酸素サイトを他のアニオンで置換してもよい。他のアニオンとしては、Cl、Fなどが挙げられる。 In the compound represented by the general formula (1), the oxygen site may be substituted with another anion. Other anions include Cl, F and the like.
上記一般式(2)に示される化合物は、正極活物質中の副成分である。正極活物質中に上記一般式(2)で示される酸化物を少なくとも一種以上含まれることにより、Mnの溶出、および、溶出したMnが不活性物質として負極に析出することの抑制が図られる。このため、スピネル型の5V級正極活物質を用いた電池のサイクル特性を向上させることができる。 The compound represented by the general formula (2) is a subcomponent in the positive electrode active material. By including at least one oxide represented by the above general formula (2) in the positive electrode active material, elution of Mn and suppression of precipitation of the eluted Mn as an inert material on the negative electrode can be achieved. For this reason, the cycle characteristic of the battery using a spinel type 5V class positive electrode active material can be improved.
一般式(2)で示される酸化物として、たとえば、下記一般式(3)で示される酸化物が挙げられる。このような金属酸化物を少なくとも含むことにより、5V級スピネル中の成分の溶出を確実に抑制することができる。
M3 bO (3)
(ただし、上記一般式(3)において、M3は、Bi、La、Nd、SmおよびTaからなる群から選択される一または二以上の元素を必須とする一または二以上の元素である。ただし、M3はLiを含まない。また、b>0である。)
Examples of the oxide represented by the general formula (2) include an oxide represented by the following general formula (3). By including at least such a metal oxide, elution of components in the 5V class spinel can be reliably suppressed.
M 3 b O (3)
(However, in the above general formula (3), M 3 is one or two or more elements essentially including one or more elements selected from the group consisting of Bi, La, Nd, Sm and Ta. (However, M 3 does not contain Li, and b> 0.)
上記一般式(3)に示される化合物として、たとえば、ビスマスの酸化物、ランタンの酸化物、ネオジムの酸化物、サマリウムの酸化物、タンタルの酸化物等が挙げられる。具体的には、たとえば、Bi2O3、Nd2O3、SmO、Sm2O3、Ta2O5、La2O3等が挙げられる。
Examples of the compound represented by the general formula (3) include bismuth oxide, lanthanum oxide, neodymium oxide, samarium oxide, and tantalum oxide. Specifically, for example, Bi 2 O 3, Nd 2
また、一般式(2)で示される酸化物として、たとえば、下記一般式(4)で示される化合物が挙げられる。
M3 bMncO (4)
(ただし、上記一般式(4)において、M3は、Bi、La、Nd、SmおよびTaからなる群から選択される一または二以上の元素を必須とする一または二以上の元素である。ただし、M3はLiを含まない。また、b>0、c>0である。)
Moreover, as an oxide shown by General formula (2), the compound shown by following General formula (4) is mentioned, for example.
M 3 b Mn c O (4)
(However, in the above general formula (4), M 3 is one or two or more elements essentially including one or more elements selected from the group consisting of Bi, La, Nd, Sm and Ta. However, M 3 does not contain Li, and b> 0 and c> 0.)
上記一般式(4)に示される化合物は、M3およびMnを必須成分とする複合酸化物である。上記一般式(4)に示される化合物として、たとえば、ビスマスマンガン複合酸化物、ランタンマンガン複合酸化物、ネオジムマンガン複合酸化物、サマリウムマンガン複合酸化物、タンタルマンガン複合酸化物が挙げられる。具体的には、たとえば、Bi2Mn4O10、NdMnO3、SmMnO3、またはLaMnO3などのMnとM3の複合酸化物が挙げられる。 The compound represented by the general formula (4) is a composite oxide containing M 3 and Mn as essential components. Examples of the compound represented by the general formula (4) include bismuth manganese composite oxide, lanthanum manganese composite oxide, neodymium manganese composite oxide, samarium manganese composite oxide, and tantalum manganese composite oxide. Specifically, for example, a composite oxide of Mn and M 3 such as Bi 2 Mn 4 O 10 , NdMnO 3 , SmMnO 3 , or LaMnO 3 can be given.
また、上記一般式(2)に示される化合物として、BiNiO3、NdNiO3、SmNiO3、LaNiO3、La2NiO4、La3NiO4、La4Ni3O10、またはNd2NiO4、などのNiと添加元素の複合酸化物、LaTiO3、などのTiとの複合酸化物などが含まれてもよい。なお、これらの化合物は一例であって、種々の組成比をとることができる。
Further, examples of the compounds represented by the
本実施の形態で用いる正極活物質は、上記一般式(1)で示される酸化物を主成分とするため、高いエネルギー密度が実現される。そして、上記一般式(2)で示される酸化物を副成分とするため、高電圧領域でのMnの溶出を安定的に抑制することができる。また、高電圧領域での電解液の分解を抑制することができる。このため、本実施の形態の二次電池では、高温中、高電圧領域で使用した場合にも容量低下が抑制される。よって、高温でのサイクル特性に優れた二次電池が安定的に得られる。 Since the positive electrode active material used in this embodiment includes the oxide represented by the general formula (1) as a main component, a high energy density is realized. And since the oxide shown by the said General formula (2) is made into a subcomponent, the elution of Mn in a high voltage area | region can be suppressed stably. Moreover, decomposition of the electrolyte solution in a high voltage region can be suppressed. For this reason, in the secondary battery of this Embodiment, a capacity | capacitance fall is suppressed also when it uses in a high voltage area | region at high temperature. Therefore, a secondary battery excellent in cycle characteristics at a high temperature can be stably obtained.
本実施の形態において、正極活物質は、副成分として、上記一般式(2)で示される酸化物に含まれる金属元素が上記一般式(1)で示される5V級スピネル化合物の結晶中に固溶した化合物をさらに含んでもよい。本実施の形態において、正極活物質は、上記一般式(1)で示される化合物のスピネル構造を主骨格とする。このスピネル構造中に、上記一般式(2)で示される酸化物中のM3が一部侵入することにより、スピネル結晶の格子定数が上記一般式(1)で示される化合物が本来有する固有の格子定数よりも増加する。こうすることにより、さらに確実に電池のサイクル特性を向上させることができる。 In this embodiment, the positive electrode active material contains a metal element contained in the oxide represented by the general formula (2) as a subcomponent in the crystal of the 5V class spinel compound represented by the general formula (1). It may further contain dissolved compounds. In the present embodiment, the positive electrode active material has a spinel structure of the compound represented by the general formula (1) as a main skeleton. When M 3 in the oxide represented by the general formula (2) partially penetrates into the spinel structure, the lattice constant of the spinel crystal is inherent to the inherent property of the compound represented by the general formula (1). It increases more than the lattice constant. By doing so, the cycle characteristics of the battery can be improved more reliably.
また、上記一般式(2)で示される酸化物に含まれる金属元素と上記一般式(1)で示される酸化物に含まれる金属元素とにより生成する化合物を副成分としてさらに含んでいてもよく、この化合物は、結晶層を形成していてもよい。このような化合物として、具体的には、たとえば、LiBiO2、LiNdO2、またはLiSmO2などの、上記一般式(2)で示される酸化物に含まれる金属元素とLiとの複合酸化物などが挙げられる。 Moreover, the compound produced | generated by the metal element contained in the oxide shown by the said General formula (2) and the metal element contained in the oxide shown by the said General formula (1) may further be included as a subcomponent. This compound may form a crystal layer. Specifically, as such a compound, for example, a composite oxide of Li and a metal element contained in the oxide represented by the general formula (2), such as LiBiO 2 , LiNdO 2 , or LiSmO 2, etc. Can be mentioned.
副成分である酸化物の量は、少ないと、特性改善の効果が充分でなく、多いと、正極活物質の質量あたりの容量が減少し、電池のエネルギー密度が低下することとなる。このため、本発明に係る正極活物質全体に対して副成分である酸化物の量は、好ましくは0.01質量%以上、20質量%以下であり、さらに好ましくは0.1質量%以上、10質量%以下である。 If the amount of the subcomponent oxide is small, the effect of improving the characteristics is not sufficient. If the amount is large, the capacity per mass of the positive electrode active material decreases, and the energy density of the battery decreases. For this reason, the amount of the oxide which is a subcomponent with respect to the whole positive electrode active material according to the present invention is preferably 0.01% by mass or more and 20% by mass or less, more preferably 0.1% by mass or more, It is 10 mass% or less.
上記一般式(1)で示される5V級スピネル化合物に対する副成分の量をモル数で換算すると、5V級スピネル化合物のモル数に対する副成分の添加元素、すなわちM3のモル数の範囲は、たとえば0.01mol%以上、好ましくは0.1mol%以上、さらに好ましくは1mol%以上とすることができる。こうすることにより、高温で使用した際にも、電池のサイクル特性を確実に向上させることができる。また、5V級スピネル化合物のモル数に対して、M3の占める割合を、たとえば20mol%以下、好ましくは10mol%以下、さらに好ましくは5mol%以下とすることができる。こうすることにより、電池のエネルギー密度を向上させることができる。また、電池を小型化または軽量化することができる。 When the amount of the subcomponent with respect to the 5V class spinel compound represented by the general formula (1) is converted into the number of moles, the additive element of the subcomponent with respect to the number of moles of the 5V class spinel compound, that is, the range of the number of moles of M 3 is, for example: It can be 0.01 mol% or more, preferably 0.1 mol% or more, more preferably 1 mol% or more. By doing so, the cycle characteristics of the battery can be reliably improved even when used at high temperatures. The proportion of M 3 with respect to the number of moles of the 5V class spinel compound can be, for example, 20 mol% or less, preferably 10 mol% or less, and more preferably 5 mol% or less. By doing so, the energy density of the battery can be improved. Further, the battery can be reduced in size or weight.
本実施の形態において、正極活物質の粒子形状は、塊状、球状、板状その他、特に限定されない。また、正極活物質の粒径および比表面積についても、正極膜厚や、正極の電極密度、バインダーの種類などを考慮して、適宜選択する範囲とすることができる。 In the present embodiment, the particle shape of the positive electrode active material is not particularly limited, such as a block shape, a spherical shape, a plate shape, or the like. In addition, the particle size and specific surface area of the positive electrode active material can be appropriately selected in consideration of the positive electrode film thickness, the electrode density of the positive electrode, the type of binder, and the like.
本実施の形態において、エネルギー密度を高く保つためには、集電体の金属箔を除去した部分の正極電極密度が2.8g/ml以上となるような粒子形状、粒度分布、平均粒径、比表面積、真密度を選択するとよい。また、正極活物質、バインダー、導電性付与剤などにより構成される正極合剤のうち、正極活物質が占める重量比率が85w/w%以上となるような粒子形状、粒度分布、平均粒径、比表面積、真密度が望ましい。 In the present embodiment, in order to keep the energy density high, the particle shape, particle size distribution, average particle size, and the like so that the positive electrode density of the portion where the metal foil of the current collector is removed is 2.8 g / ml or more, The specific surface area and true density may be selected. In addition, among the positive electrode mixture composed of a positive electrode active material, a binder, a conductivity imparting agent, etc., the particle shape, particle size distribution, average particle diameter, and the like are such that the weight ratio occupied by the positive electrode active material is 85 w / w% or more. Specific surface area and true density are desirable.
また、上記一般式(2)で示される酸化物は、上記一般式(1)に示される5V級スピネル化合物の表面に付着していることが好ましい。こうすることにより、5V級スピネル化合物と電解液とが直接接触する部分を減少させることができる。このため、5V級スピネル化合物の構成元素の電解液への溶出を確実に抑制することができる。また、電解液の分解の抑制が図られる。このため、高温での電池のサイクル特性の低下を抑制し、電池の信頼性を確実に向上させることができる。 Moreover, it is preferable that the oxide shown by the said General formula (2) has adhered to the surface of the 5V class spinel compound shown by the said General formula (1). By doing so, it is possible to reduce the portion where the 5V class spinel compound and the electrolytic solution are in direct contact. For this reason, the elution to the electrolyte of the constituent element of a 5V class spinel compound can be suppressed reliably. Further, the decomposition of the electrolytic solution can be suppressed. For this reason, the fall of the cycling characteristics of the battery at high temperature can be suppressed, and the reliability of a battery can be improved reliably.
また、上記一般式(2)で示される酸化物が、5V級スピネル化合物の表面を被覆していることが好ましい。こうすることにより、高温での電池の信頼性をさらに確実に向上させることができる。また、これらの副成分は5V級スピネル化合物の表面を層状に付着し、被覆していることが好ましい。さらに、これらの副成分は5V級スピネル化合物の表面を一様に付着し、被覆していることが好ましく、また、表面全面を被覆していることがさらにまた好ましい。 The oxide represented by the general formula (2) preferably covers the surface of the 5V class spinel compound. By doing so, the reliability of the battery at high temperature can be further improved. Moreover, it is preferable that these subcomponents adhere and coat the surface of the 5V class spinel compound in a layered manner. Further, these subcomponents preferably adhere and coat the surface of the 5V class spinel compound uniformly, and more preferably cover the entire surface.
また、上記一般式(2)で示される酸化物は、5V級スピネル化合物の表面に接合されていることが好ましい。こうすることにより、高温での電池の信頼性をより一層確実に向上させることができる。 Moreover, it is preferable that the oxide shown by the said General formula (2) is joined to the surface of 5V class spinel compound. By doing so, the reliability of the battery at high temperature can be further improved.
次に、本実施の形態に係る二次電池の作製方法を説明する。まず、正極活物質およびそれを用いた正極の作製方法について説明する。正極活物質の主成分である上記一般式(1)で示される酸化物は、化合物を構成する金属成分を含む原料を混合し、焼成することにより得られる。 Next, a method for manufacturing a secondary battery according to this embodiment will be described. First, a positive electrode active material and a method for manufacturing a positive electrode using the same will be described. The oxide represented by the general formula (1), which is the main component of the positive electrode active material, can be obtained by mixing and firing the raw materials containing the metal component constituting the compound.
上記一般式(1)で示される酸化物の作製原料のうち、Li原料として、Li2CO3、LiOH、Li2O、Li2SO4などを用いることができる。このうち、Li2CO3、LiOHなどのリチウム塩は、遷移金属原料との反応性が高く、また、CO3基、OH基は、焼成時にCO2、H2Oの形で揮発し、正極活物質に悪影響を及ぼさないことから、好ましく用いられる。F置換を行う場合、LiFを用いることができる。 Among the raw materials for producing the oxide represented by the general formula (1), Li 2 CO 3 , LiOH, Li 2 O, Li 2 SO 4 and the like can be used as the Li raw material. Among these, lithium salts such as Li 2 CO 3 and LiOH are highly reactive with the transition metal raw material, and the CO 3 group and OH group are volatilized in the form of CO 2 and H 2 O during firing. It is preferably used because it does not adversely affect the active material. When performing F substitution, LiF can be used.
M1原料のうち、また、Ni原料として、NiO、Ni(OH)2、NiSO4、Ni(NO3)2などを用いることができる。また、Cr原料として、Cr2O3などのCr酸化物、Cr炭酸塩、Cr水酸化物、Cr硫酸塩、Cr硝酸塩などを用いることができる。また、Co原料として、Co2O3などのCo酸化物、Co炭酸塩、Co水酸化物、Co硫酸塩、Co硝酸塩などを用いることができる。また、Cu原料として、CuOなどのCu酸化物、Cu炭酸塩、Cu水酸化物、Cu硫酸塩、Cu硝酸塩などを用いることができる。また、Fe原料としてはFe2O3、Fe3O4などの酸化物、Fe(OH)2、FeCO3、FeNO3などを用いることができる。 Of the M 1 materials, NiO, Ni (OH) 2 , NiSO 4 , Ni (NO 3 ) 2, etc. can be used as the Ni material. Further, as the Cr raw material, Cr oxides such as Cr 2 O 3, Cr carbonates, Cr hydroxide, Cr sulfate, or the like can be used Cr nitrates. Moreover, Co oxides such as Co 2 O 3 , Co carbonate, Co hydroxide, Co sulfate, Co nitrate, and the like can be used as the Co raw material. Moreover, Cu oxides, such as CuO, Cu carbonate, Cu hydroxide, Cu sulfate, Cu nitrate etc. can be used as Cu raw material. As the Fe raw material, oxides such as Fe 2 O 3 and Fe 3 O 4 , Fe (OH) 2 , FeCO 3 , FeNO 3 and the like can be used.
M2原料のうち、Mn原料として、電解二酸化マンガン(EMD)、Mn2O3、Mn3O4、化学的二酸化マンガン(CMD)等の種々のMn酸化物、MnCO3、MnSO4などを用いることができる。また、Ti原料として、Ti2O3、TiO2などのTi酸化物、Ti炭酸塩、Ti水酸化物、Ti硫酸塩、Ti硝酸塩などを用いることができる。また、Si原料としてはSiO、SiO2などを用いることができる。 Among M 2 raw materials, various manganese oxides such as electrolytic manganese dioxide (EMD), Mn 2 O 3 , Mn 3 O 4 , chemical manganese dioxide (CMD), MnCO 3 , MnSO 4, etc. are used as Mn raw materials. be able to. Further, as the Ti raw material, Ti 2 O 3, Ti oxides such as TiO 2, Ti carbonates, Ti hydroxides, Ti sulfate, or the like can be used Ti nitrate. Further, SiO, SiO 2 or the like can be used as the Si raw material.
また、それぞれの正極活物質原料を焼成する際に、元素拡散が起こりにくく、原料を焼成した後、各元素の酸化物が異相として残留してしまうことがある。このような場合、各元素の原料を水溶液中に溶解混合させた後、水酸化物、硫酸塩、炭酸塩、硝酸塩などの形で析出させた混合物を原料として用いることが可能である。また、このような混合物を焼成させた混合酸化物を用いることも可能である。このような混合物を原料として用いた場合、各元素を原子レベルで良好に拡散させることができる。このため、異相の少ない結晶の作製を容易に行うことができる。 Moreover, when each positive electrode active material raw material is fired, element diffusion hardly occurs, and after firing the raw material, an oxide of each element may remain as a different phase. In such a case, it is possible to use, as a raw material, a mixture in which raw materials for each element are dissolved and mixed in an aqueous solution and then precipitated in the form of hydroxide, sulfate, carbonate, nitrate, or the like. It is also possible to use a mixed oxide obtained by firing such a mixture. When such a mixture is used as a raw material, each element can be diffused satisfactorily at the atomic level. For this reason, it is possible to easily produce a crystal with few different phases.
上述の原料を目的の金属組成比となるように秤量して混合する。混合は、ボールミルなどにより粉砕混合することにより行う。そして、得られた混合粉を、たとえば500〜1200℃程度の温度で、空気中または酸素中で焼成する。 The above-mentioned raw materials are weighed and mixed so as to have a target metal composition ratio. The mixing is performed by pulverizing and mixing with a ball mill or the like. And the obtained mixed powder is baked in the air or oxygen at the temperature of about 500-1200 degreeC, for example.
なお、焼成温度は、それぞれの元素を拡散させるためには高温であることが好ましい。一方、焼成温度が高すぎると酸素欠損を生じるため、電池特性の安定化を阻害することがある。これらのことから、最終焼成過程においては、焼成温度を500〜900℃程度とすることが好ましい。 The firing temperature is preferably high in order to diffuse each element. On the other hand, if the firing temperature is too high, oxygen deficiency occurs, which may inhibit the stability of battery characteristics. For these reasons, in the final firing process, the firing temperature is preferably about 500 to 900 ° C.
以上の手順により、上記一般式(1)で示されるリチウム金属複合酸化物が得られる。得られた上記一般式(1)で示されるリチウム金属複合酸化物のBET比表面積を、たとえば0.01m2/g以上、好ましくは0.1m2/g以上とすることができる。比表面積が小さすぎると電解液と正極活物質間のイオン伝導性が低下する場合があるからである。また、上記一般式(1)で示されるリチウム金属複合酸化物の比表面積を、たとえば3m2/g以下、好ましくは1m2/g以下とすることができる。比表面積が大きいほど、結着剤が多く必要であり、正極の容量密度の点で不利になるからである。 The lithium metal composite oxide represented by the general formula (1) is obtained by the above procedure. The BET specific surface area of the obtained lithium metal composite oxide represented by the general formula (1) can be, for example, 0.01 m 2 / g or more, preferably 0.1 m 2 / g or more. This is because if the specific surface area is too small, the ionic conductivity between the electrolytic solution and the positive electrode active material may decrease. The specific surface area of the lithium metal composite oxide represented by the general formula (1) can be, for example, 3 m 2 / g or less, preferably 1 m 2 / g or less. This is because the larger the specific surface area, the more binder is necessary, which is disadvantageous in terms of the capacity density of the positive electrode.
また、上記一般式(1)で示されるリチウム金属複合酸化物の平均粒径を、たとえば0.1μm以上、好ましくは1μm以上とすることができる。平均粒径が小さいと、成膜された正極の結着性が悪くなる場合がある。また、平均粒径は、たとえば50μm以下、好ましくは20μm以下とすることができる。平均粒径が大きいと正極成膜時に正極層に凹凸などの不均一な部分が生じる場合がある。 Moreover, the average particle diameter of the lithium metal composite oxide represented by the general formula (1) can be, for example, 0.1 μm or more, preferably 1 μm or more. When the average particle size is small, the binding property of the formed positive electrode may be deteriorated. The average particle size can be, for example, 50 μm or less, preferably 20 μm or less. If the average particle size is large, uneven portions such as irregularities may occur in the positive electrode layer during the positive electrode film formation.
上記一般式(1)で示されるリチウム金属複合酸化物を、以下に示す上記一般式(2)で示される酸化物を生成する原料と混合し、本実施の形態の正極活物質を得る。 The lithium metal composite oxide represented by the general formula (1) is mixed with a raw material that forms the oxide represented by the general formula (2) shown below to obtain the positive electrode active material of the present embodiment.
上記一般式(2)で示される酸化物を生成する原料のうち、Bi原料として、具体的には、たとえば、Bi2O3、Bi(OH)3またはBi(NO3)3などの固相原料を用いることができる。また、Bi(O−i−C3H7)3などを有機溶媒に溶解させた液相原料を用いてもよい。 Among the raw materials for generating the oxide represented by the general formula (2), as the Bi raw material, specifically, for example, a solid phase such as Bi 2 O 3 , Bi (OH) 3 or Bi (NO 3 ) 3 Raw materials can be used. Further, Bi (O-i-C 3 H 7) 3 or the like may be used a liquid-phase raw material is dissolved in an organic solvent.
また、Nd原料として、具体的には、たとえば、Nd2O3、Nd(NO3)3、Nd2(CO3)3またはNd2(SO4)3などの固相原料を用いることができる。また、Nd(O−i−C3H7)3などを有機溶媒に溶解させた液相原料などを用いてもよい。 Further, as the Nd raw material, specifically, for example, a solid phase raw material such as Nd 2 O 3 , Nd (NO 3 ) 3 , Nd 2 (CO 3 ) 3 or Nd 2 (SO 4 ) 3 can be used. . Alternatively, a liquid phase raw material in which Nd (Oi-C 3 H 7 ) 3 or the like is dissolved in an organic solvent may be used.
また、Sm原料として、具体的には、たとえば、Sm2O3、Sm(NO3)3またはSm2(SO4)3などの固相原料を用いることができる。また、Sm(O−i−C3H7)3などを有機溶媒に溶解させた液相原料などを用いてもよい。 As the Sm raw material, specifically, for example, a solid phase raw material such as Sm 2 O 3 , Sm (NO 3 ) 3 or Sm 2 (SO 4 ) 3 can be used. Alternatively, a liquid phase raw material in which Sm (OiC 3 H 7 ) 3 or the like is dissolved in an organic solvent may be used.
また、La原料として、具体的には、たとえば、La2O3、La(NO3)3、La2(CO3)3またはLa2(SO4)3などの固相原料を用いることができる。また、La(O−i−C3H7)3などを有機溶媒に溶解させた液相原料を用いてもよい。 As the La raw material, specifically, a solid phase raw material such as La 2 O 3 , La (NO 3 ) 3 , La 2 (CO 3 ) 3 or La 2 (SO 4 ) 3 can be used. . Moreover, La (O-i-C 3 H 7) 3 or the like may be used a liquid-phase raw material is dissolved in an organic solvent.
また、Ta原料として、具体的には、たとえば、Ta2O5などの固相原料を用いることができる。また、Ta(OC2H5)5などの有機金属原料などを用いることもできる。 Further, specifically, for example, a solid phase raw material such as Ta 2 O 5 can be used as the Ta raw material. In addition, organic metal raw materials such as Ta (OC 2 H 5 ) 5 can also be used.
上記一般式(2)で示される酸化物を生成する原料として固相原料を使用した場合には、原料の平均粒径がたとえば10nm以上1μm以下となるように粉砕して上記一般式(1)で示される酸化物と混合することが好ましい。10nmより小さいと作製時の原料の取り扱いが難しくなり、1μmより大きいと正極活物質表面に付着しにくくなるためである。また、原料の平均粒径がたとえば50nm以上500μm以下となるように粉砕することがさらに好ましい。 When a solid phase raw material is used as a raw material for generating the oxide represented by the general formula (2), the raw material is pulverized so that the average particle size is, for example, 10 nm or more and 1 μm or less, and the general formula (1) It is preferable to mix with the oxide shown by these. When the thickness is smaller than 10 nm, it is difficult to handle the raw material during production, and when the thickness is larger than 1 μm, it is difficult to adhere to the surface of the positive electrode active material. Further, it is more preferable to grind so that the average particle diameter of the raw material is 50 nm or more and 500 μm or less.
また、上記一般式(1)で示される酸化物と上記一般式(2)で示される酸化物を生成する原料と混合した後、焼成することが好ましい。焼成することにより、上記一般式(1)で示される酸化物の粒子の表面に、上記一般式(2)で示される酸化物を確実に付着させることができる。 Moreover, it is preferable that the oxide represented by the general formula (1) and the raw material for producing the oxide represented by the general formula (2) are mixed and then fired. By firing, the oxide represented by the general formula (2) can be reliably attached to the surface of the oxide particles represented by the general formula (1).
また、本実施の形態に係る正極活物質は、以下のように作製することができる。すなわち、下記一般式(1)で示される酸化物と、Bi、La、Nd、SmおよびTaからなる群から選択される一または二以上の元素およびOを必須とし、Liを除く一または二以上の元素と、を含む化合物を機械的に混合する工程と、得られた混合物を焼成する工程と、を含む手順により作製することができる。 Moreover, the positive electrode active material which concerns on this Embodiment can be produced as follows. That is, the oxide represented by the following general formula (1), one or more elements selected from the group consisting of Bi, La, Nd, Sm, and Ta and O are essential, and one or two or more excluding Li And a step of mechanically mixing a compound containing the element, and a step of firing the obtained mixture.
上記一般式(1)で示される酸化物の粒子の表面に上記一般式(2)で示される酸化物を強固に付着させて、Niをはじめとする上記一般式(1)で示される酸化物の構成元素の溶出を確実に抑制するためには、単に焼成するだけではなく、昇温速度、降温速度、高温での保持時間、焼成温度等の焼成条件を材料に応じて適宜選択することが重要である。
By firmly attaching the oxide represented by the above general formula (2) on the surface of the oxide particles represented by the above general formula (1), an oxide represented by the general formula, including Ni (1) In order to reliably suppress the elution of the constituent elements of the above, it is possible to appropriately select the firing conditions such as the temperature rising rate, the temperature falling rate, the holding time at high temperature, the firing temperature, etc. according to the material, not just firing. is important.
焼成方法については実施例において後述するが、たとえば、Li[Ni0.5Mn1.35Ti0.15]O4および1重量%のBi(OH)3を用いる場合、600℃で6時間焼成を行うことにより、層状のビスマス酸化物をLi[Ni0.5Mn1.35Ti0.15]O4粒子の表面に固着させることができる。 The firing method will be described later in Examples. For example, when Li [Ni 0.5 Mn 1.35 Ti 0.15 ] O 4 and 1% by weight of Bi (OH) 3 are used, the firing is performed at 600 ° C. for 6 hours to form a layer. This bismuth oxide can be fixed to the surface of the Li [Ni 0.5 Mn 1.35 Ti 0.15 ] O 4 particle.
なお、上記一般式(2)で示される酸化物を生成する原料が液相原料の場合には、上記一般式(2)で示される酸化物と上記一般式(2)で示される酸化物の原料を混合した後に焼成し、その後、固相原料を用いる場合と同様、300〜800℃程度の温度でさらに焼成する。 In addition, when the raw material which produces | generates the oxide shown by the said General formula (2) is a liquid phase raw material, the oxide shown by the said General formula (2) and the oxide shown by the said General formula (2) After the raw materials are mixed, the mixture is baked and then further baked at a temperature of about 300 to 800 ° C. as in the case of using the solid phase raw material.
なお、焼成により、上記一般式(2)で示される酸化物に加え、上記一般式(2)で示される酸化物に含まれる元素の一部が、上記一般式(1)で示される酸化物の構成元素と新たな結晶層を生成する場合がある。結晶層の具体例は上述した通りである。また、焼成により、上記一般式(2)で示される酸化物に含まれる元素が上記一般式(1)で示される酸化物のスピネル中に拡散する場合がある。拡散により、たとえば、下記一般式(5)で示されるスピネル構造を有する複合酸化物が生成してもよい。
Li[M1 aM2 2-a-dM3 d]O4 (5)
(ただし、上記一般式(5)において、M1はNi、Cr、Fe、Co、およびCuからなる群から選択される1または2以上の遷移金属である。また、M2はMnを必須とする一以上の元素を示す。Mnの一部がTiまたはSiにより置換されていてもよい。また、0.4<a<1.1である。M3はBi、La、Nd、SmおよびTaからなる群から選択される一または二以上の元素であり、d>0である。)
In addition to the oxide represented by the above general formula (2), a part of the elements contained in the oxide represented by the above general formula (2) is converted into an oxide represented by the above general formula (1) by firing. In some cases, a new crystal layer may be formed with the constituent elements. Specific examples of the crystal layer are as described above. In addition, by firing, an element contained in the oxide represented by the general formula (2) may diffuse into the spinel of the oxide represented by the general formula (1). For example, a composite oxide having a spinel structure represented by the following general formula (5) may be generated by diffusion.
Li [M 1 a M 2 2-ad M 3 d ] O 4 (5)
(However, in the general formula (5), M 1 is one or more transition metals selected from the group consisting of Ni, Cr, Fe, Co, and Cu. Further, M 2 is essential for Mn. One or more elements may be substituted, part of Mn may be substituted by Ti or Si, and 0.4 <a <1.1, and M 3 is Bi, La, Nd, Sm and Ta Or one or more elements selected from the group consisting of d> 0.)
このように、焼成により生じる新たな結晶層や、添加元素が拡散したスピネル型複合酸化物の存在によっても、上記一般式(2)で示される5V級スピネル化合物と電解液の界面が直接接触する部分が減少する。このため、電解液の分解の抑制や、5V級スピネル化合物の構成元素の溶出の抑制が図られる。 As described above, the interface between the 5V class spinel compound represented by the general formula (2) and the electrolytic solution is also in direct contact with the new crystal layer generated by firing and the presence of the spinel composite oxide in which the additive element is diffused. The part decreases. For this reason, suppression of decomposition | disassembly of electrolyte solution and suppression of the elution of the structural element of a 5V class spinel compound are achieved.
また、5V級スピネル化合物の表面に付着した副成分の複合酸化物は、粒状となる場合と、表面に層状の皮膜として形成される場合とがある。粒状の場合には、付着した副成分の複合酸化物の平均粒径は、好ましくは1nm以上1μm以下であり、さらに好ましくは10nm以上300nm以下である。平均粒径が大きいと、上記一般式(1)で示される酸化物粒子表面を覆うのに多量の副成分が必要となり、正極活物質中の上記一般式(1)で示される酸化物の質量割合が減少するため、質量あたりの容量が減少する。また、平均粒径が小さいと、被覆として電池の信頼性を改善する効果が小さい。 Moreover, the complex oxide of the subcomponent adhering to the surface of the 5V class spinel compound may be granular or formed as a layered film on the surface. In the case of a granular form, the average particle size of the adhering subcomponent composite oxide is preferably 1 nm or more and 1 μm or less, and more preferably 10 nm or more and 300 nm or less. When the average particle size is large, a large amount of subcomponents are required to cover the surface of the oxide particles represented by the general formula (1), and the mass of the oxide represented by the general formula (1) in the positive electrode active material. Since the ratio decreases, the capacity per mass decreases. Moreover, when an average particle diameter is small, the effect which improves the reliability of a battery as a coating | cover is small.
また、副成分の複合酸化物が、皮膜状に活物質表面に形成される場合、皮膜の膜厚は、1nm以上200nm以下であることが好ましく、5nm以上100nm以下であることがさらに好ましい。膜厚が薄いと皮膜による電池特性改善効果が小さく、膜厚が厚いと電子伝導性やイオン伝導性が低下する場合がある。 When the subcomponent composite oxide is formed on the surface of the active material in the form of a film, the film thickness is preferably 1 nm or more and 200 nm or less, and more preferably 5 nm or more and 100 nm or less. If the film thickness is thin, the effect of improving the battery characteristics by the film is small, and if the film thickness is thick, the electron conductivity and ion conductivity may be lowered.
以上の手順により得られた正極活物質を、導電付与材と混合し、結着剤によって集電体上に形成し、正極とする。導電付与材の例としては、アセチレンブラック、カーボンブラック、黒鉛、または、繊維状炭素などの炭素材料の他、Alなどの金属物質、導電性酸化物の粉末などを使用することができる。結着剤としてはポリフッ化ビニリデンなどが用いられる。集電体としてはAlなどを主体とする金属薄膜を用いる。 The positive electrode active material obtained by the above procedure is mixed with a conductivity-imparting material, formed on a current collector with a binder, and used as a positive electrode. Examples of the conductivity-imparting material include carbon materials such as acetylene black, carbon black, graphite, or fibrous carbon, metal substances such as Al, and conductive oxide powders. As the binder, polyvinylidene fluoride or the like is used. As the current collector, a metal thin film mainly composed of Al or the like is used.
導電付与材の添加量は、正極活物質、導電付与材および結着剤の合計量に対して、好ましくは0.5〜10質量%程度である。また、結着剤の添加量も、正極活物質、導電付与材および結着剤の合計量に対して、好ましくは1〜10質量%程度とする。導電付与材と結着剤の割合が小さいと、電子伝導性に劣ったり、電極剥離の問題が生じたりすることがある。また、導電付与材と結着剤の割合が大きいと、電池質量あたりの容量が小さくなる。 The addition amount of the conductivity-imparting material is preferably about 0.5 to 10% by mass with respect to the total amount of the positive electrode active material, the conductivity-imparting material and the binder. The amount of the binder added is preferably about 1 to 10% by mass with respect to the total amount of the positive electrode active material, the conductivity-imparting material, and the binder. When the ratio between the conductivity-imparting material and the binder is small, the electron conductivity may be inferior or electrode peeling may occur. Further, when the ratio between the conductivity-imparting material and the binder is large, the capacity per battery mass is small.
正極活物質の割合は、正極活物質、導電付与材および結着剤の合計量に対して、たとえば70〜99質量%であることが好ましい。さらに好ましくは、正極活物質、導電付与材および結着剤の合計量に対して88〜97質量%である。正極活物質の割合が小さすぎると、電池のエネルギー密度の面で不利となる。また、正極活物質の割合が大きすぎると、導電付与材と結着剤の質量あたりの割合が低くなり、電子伝導性に劣ったり、電極剥離しやすくなったりする傾向がある。 The proportion of the positive electrode active material is preferably, for example, 70 to 99% by mass with respect to the total amount of the positive electrode active material, the conductivity-imparting material, and the binder. More preferably, it is 88-97 mass% with respect to the total amount of a positive electrode active material, a conductive provision material, and a binder. If the proportion of the positive electrode active material is too small, it is disadvantageous in terms of the energy density of the battery. On the other hand, when the proportion of the positive electrode active material is too large, the proportion per mass of the conductivity-imparting material and the binder becomes low, and the electronic conductivity tends to be inferior or the electrode tends to be peeled off.
本実施の形態における電解液溶媒としては、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ブチレンカーボネート(BC)、ビニレンカーボネート(VC)等の環状カーボネート類、ジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、ジプロピルカーボネート(DPC)等の鎖状カーボネート類、ギ酸メチル、酢酸メチル、プロピオン酸エチル等の脂肪族カルボン酸エステル類、γ−ブチロラクトン等のγ−ラクトン類、1、2−エトキシエタン(DEE)、エトキシメトキシエタン(EME)等の鎖状エーテル類、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン等の環状エーテル類、ジメチルスルホキシド、1、3−ジオキソラン、ホルムアミド、アセトアミド、ジメチルホルムアミド、ジオキソラン、アセトニトリル、プロピルニトリル、ニトロメタン、エチルモノグライム、リン酸トリエステル、トリメトキシメタン、ジオキソラン誘導体、スルホラン、メチルスルホラン、1、3−ジメチル−2−イミダゾリジノン、3−メチル−2−オキサゾリジノン、プロピレンカーボネート誘導体、テトラヒドロフラン誘導体、エチルエーテル、1、3−プロパンスルトン、アニソール、N−メチルピロリドン、フッ素化カルボン酸エステルなどの非プロトン性有機溶媒を一種又は二種以上を混合して使用できる。また、ポリマーなどを添加して電解液溶媒をゲル状に固化したものを用いてもよい。これらのうち、高電圧での安定性や、溶媒の粘度の点から、環状カーボネートと鎖状カーボネートを混合して使用することが適している。具体的には、たとえば、ECとDMCを混合して使用することができる。 As the electrolytic solution solvent in the present embodiment, cyclic carbonates such as ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), butylene carbonate (BC), and vinylene carbonate (VC), dimethyl carbonate (DMC), ethyl methyl carbonate ( EMC), chain carbonates such as diethyl carbonate (DEC) and dipropyl carbonate (DPC), aliphatic carboxylic acid esters such as methyl formate, methyl acetate and ethyl propionate, and γ-lactones such as γ-butyrolactone, Chain ethers such as 1,2-ethoxyethane (DEE) and ethoxymethoxyethane (EME), cyclic ethers such as tetrahydrofuran and 2-methyltetrahydrofuran, dimethyl sulfoxide, 1,3-dioxolane, formamide, aceto Toamide, dimethylformamide, dioxolane, acetonitrile, propylnitrile, nitromethane, ethyl monoglyme, phosphoric acid triester, trimethoxymethane, dioxolane derivative, sulfolane, methylsulfolane, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, 3-methyl A mixture of one or more aprotic organic solvents such as 2-oxazolidinone, propylene carbonate derivative, tetrahydrofuran derivative, ethyl ether, 1,3-propane sultone, anisole, N-methylpyrrolidone, and fluorinated carboxylic acid ester Can be used. Moreover, you may use what added the polymer etc. and solidified the electrolyte solution solvent in the gel form. Among these, it is suitable to use a mixture of a cyclic carbonate and a chain carbonate from the viewpoint of stability at a high voltage and the viscosity of the solvent. Specifically, for example, EC and DMC can be mixed and used.
これらの電解液溶媒に、リチウム塩を電解液支持塩として溶解させる。リチウム塩としては、たとえばLiPF6、LiAsF6、LiAlCl4、LiClO4、LiBF4、LiSbF6、LiCF3SO3、LiC4F9SO3、LiC(CF3SO2)3、LiN(CF3SO2)2、LiN(C2F5SO2)2、低級脂肪族カルボン酸、カルボン酸リチウム、クロロボランリチウム、四フェニルホウ酸リチウム、LiBr、LiI、LiSCN、LiClなどが挙げられる。また、電解質の濃度を、たとえば0.5mol/l以上1.5mol/l以下とする。1.5mol/lより濃度が高すぎると密度と粘度が増加する。0.5mol/lより濃度が低すぎると電気伝導率が低下することがある。
Lithium salts are dissolved in these electrolyte solvents as electrolyte solution supporting salts. Examples of the lithium salt include LiPF 6 , LiAsF 6 , LiAlCl 4 , LiClO 4 , LiBF 4 , LiSbF 6 , LiCF 3 SO 3 , LiC 4 F 9 SO 3 , LiC (CF 3 SO 2 ) 3 , LiN (CF 3 SO 2) 2, LiN (C 2
次に、本実施の形態に係る負極の作製方法を説明する。負極活物質としてはリチウムを吸蔵放出可能な材料が用いられ、グラファイトまたは非晶質炭素等の炭素材料、Li金属、Si、Sn、Al、SiO、SnOなどを単独または混合して用いることができる。 Next, a method for manufacturing a negative electrode according to this embodiment will be described. As the negative electrode active material, a material capable of occluding and releasing lithium is used, and a carbon material such as graphite or amorphous carbon, Li metal, Si, Sn, Al, SiO, SnO, or the like can be used alone or in combination. .
負極活物質を導電付与材と結着剤によって集電体上に形成させることにより、負極集電体に負極を形成することができる。導電付与材の例としては、炭素材料の他、導電性酸化物の粉末などを使用することができる。結着剤としてはポリフッ化ビニリデンなどを用いることができる。集電体としてはCuなどを主体とする金属薄膜を用いることができる。 A negative electrode can be formed on the negative electrode current collector by forming the negative electrode active material on the current collector with a conductivity-imparting material and a binder. As an example of the conductivity-imparting material, in addition to the carbon material, a conductive oxide powder or the like can be used. As the binder, polyvinylidene fluoride or the like can be used. As the current collector, a metal thin film mainly composed of Cu or the like can be used.
以上の手順により得られた負極および正極を、乾燥空気または不活性ガス雰囲気において、セパレータを介して積層、あるいは積層したものを捲回した後に、電池缶に収容したり、合成樹脂と金属箔との積層体からなる可とう性フィルム等によって封口したりすることによって、本実施の形態に係る二次電池を製造することができる。 The negative electrode and the positive electrode obtained by the above procedure are laminated via a separator in a dry air or inert gas atmosphere, or after being wound, the laminated one is accommodated in a battery can, or a synthetic resin and a metal foil The secondary battery according to this embodiment can be manufactured by sealing with a flexible film or the like made of the laminated body.
本実施の形態に係る二次電池は、たとえば図1のような構造を有する。図1は、コインタイプのセルの構成を模式的に示す図である。正極集電体3上に正極活物質層1が形成され、正極を構成している。また、負極集電体4上に負極活物質層2が形成され、負極を構成している。これらの正極と負極は、電解液に浸漬した状態の多孔質セパレータ5を介して対向配置されている。正極を収容する正極外装缶6と、負極を収容する負極外装缶7とが、絶縁パッキング部8を介して接合した構成となっている。
The secondary battery according to the present embodiment has a structure as shown in FIG. FIG. 1 is a diagram schematically showing the configuration of a coin-type cell. A positive electrode
電池の形状として、角型、ペーパー型、積層型、円筒型、コイン型など種々の形状を採用することができる。外装材料その他の構成部材は特に限定されるものではなく、電池形状に応じて選定すればよい。 Various shapes such as a square shape, a paper shape, a laminated shape, a cylindrical shape, and a coin shape can be adopted as the shape of the battery. The exterior material and other constituent members are not particularly limited, and may be selected according to the battery shape.
以上、本発明を実施の形態に基づいて説明した。これらの実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。 The present invention has been described based on the embodiments. Those skilled in the art will understand that these embodiments are exemplifications, and that various modifications can be made to combinations of the respective constituent elements and processing processes, and such modifications are also within the scope of the present invention. By the way.
たとえば、本実施の形態に係る二次電池の正極は、本発明の正極活物質以外の他の正極活物質を含んでもよい。 For example, the positive electrode of the secondary battery according to the present embodiment may include a positive electrode active material other than the positive electrode active material of the present invention.
本実施例では、図1に示した構成を有するコイン型リチウムイオン二次電池を作製し、評価した。電池の作製に先立ち、正極活物質として、以下に示す試料1〜試料9を作製した。そして、これらの試料を正極活物質とする電池を作製し、評価を行った。
In this example, a coin-type lithium ion secondary battery having the configuration shown in FIG. 1 was fabricated and evaluated. Prior to the production of the battery,
(正極活物質の作製)
まず、上記一般式(1)で示される酸化物として、以下に示す試料1および試料2を作製した。
Li[Ni0.5Mn1.5]O4 (試料1)
Li[Ni0.5Mn1.35Ti0.15]O4 (試料2)
(Preparation of positive electrode active material)
First,
Li [Ni 0.5 Mn 1.5 ] O 4 (Sample 1)
Li [Ni 0.5 Mn 1.35 Ti 0.15 ] O 4 (Sample 2)
原料としてLi2CO3、MnO2、NiO、TiO2を用いた。これらの原料を、目的の金属組成比になるように秤量し、粉砕混合した。混合後の粉末を850℃で8時間焼成した。X線回折による評価によって、Li[Ni0.5Mn1.5]O4(試料1)およびLi[Ni0.5Mn1.35Ti0.15]O4(試料2)の結晶構造は、ほぼ単相のスピネル構造であることを確認した。試料1および試料2の格子定数はそれぞれ、0.8170nm、0.8185nmであった。試料1および試料2のBET比表面積はいずれも約0.5m2/gであり、平均粒径は約12μmであった。
Li 2 CO 3 , MnO 2 , NiO, TiO 2 were used as raw materials. These raw materials were weighed so as to have a target metal composition ratio, and pulverized and mixed. The mixed powder was fired at 850 ° C. for 8 hours. According to the evaluation by X-ray diffraction, the crystal structures of Li [Ni 0.5 Mn 1.5 ] O 4 (Sample 1) and Li [Ni 0.5 Mn 1.35 Ti 0.15 ] O 4 (Sample 2) are almost single-phase spinel structures. It was confirmed. The lattice constants of
次に、主成分である試料1または試料2の粒子表面に、副成分である上記一般式(2)に示される化合物を付着させた。副成分の原料として、Bi(OH)3、Nd2(CO3)3、Sm2O3、La2O3、Ta2O5を使用した。このとき、試料1または試料2の粒子表面に均一に付着されることを目的として、これらの副成分の原料を、ボールミルによって、平均粒径が1μm以下となるように粉砕した。
Next, the compound represented by the general formula (2), which is a subcomponent, was attached to the particle surface of
副成分の原料と正極活物質である試料1と試料2を以下の組成で混合し、試料3から試料9を得た。以下に混合した原料とその組成を示す。なお、以下に示す組成において、%は質量%を表す。
99%−Li[Ni0.5Mn1.35Ti0.15]O4 + 1%−Bi(OH)3 (試料3)
98%−Li[Ni0.5Mn1.35Ti0.15]O4 + 2%−Bi(OH)3 (試料4)
99%−Li[Ni0.5Mn1.35Ti0.15]O4 + 1%−Nd2(CO3)3 (試料5)
99%−Li[Ni0.5Mn1.35Ti0.15]O4 + 1%−Sm2O3 (試料6)
99%−Li[Ni0.5Mn1.35Ti0.15]O4 + 1%−Ta2O5 (試料7)
99%−Li[Ni0.5Mn1.5]O4 + 1%−La2O3 (試料8)
99%−Li[Ni0.5Mn1.5]O4 + 1%−Bi(OH)3 (試料9)
99% -Li [Ni 0.5 Mn 1.35 Ti 0.15 ] O 4 + 1% -Bi (OH) 3 (Sample 3)
98% -Li [Ni 0.5 Mn 1.35 Ti 0.15 ] O 4 + 2% -Bi (OH) 3 (Sample 4)
99% -Li [Ni 0.5 Mn 1.35 Ti 0.15 ] O 4 + 1% -Nd 2 (CO 3 ) 3 (Sample 5)
99% -Li [Ni 0.5 Mn 1.35 Ti 0.15 ] O 4 + 1% -Sm 2 O 3 (Sample 6)
99% -Li [Ni 0.5 Mn 1.35 Ti 0.15 ] O 4 + 1% -Ta 2 O 5 (Sample 7)
99% -Li [Ni 0.5 Mn 1.5 ] O 4 + 1% -La 2 O 3 (Sample 8)
99% -Li [Ni 0.5 Mn 1.5 ] O 4 + 1% -Bi (OH) 3 (Sample 9)
試料3から試料9を600℃で6時間焼成することにより、正極活物質を得た。X線回折によって試料1から試料9の結晶構造の解析を行った結果、スピネル構造相、副成分の元素の酸化物、および、副成分の元素とスピネル化合物の構成元素からなる結晶相との混合相が存在することがわかった。混合原料と、X線回折によって確認された焼成後の結晶相と、正極活物質であるスピネル相の格子定数を表1に示す。なお、表1において、組成に関する%は質量%を表す。
The positive electrode active material was obtained by baking the
表1に示したように、副成分を添加する処理を施した試料3〜試料9の正極活物質は、スピネル相と、副成分の元素の酸化物、副成分の元素と正極活物質の構成元素との複合酸化物からなることが確認された。スピネル相の格子定数は、正極活物質中に副成分を含む場合には、含まない場合すなわち試料1または試料2のスピネル化合物の結晶の本来固有の格子定数と比較して、すべての場合で増加した。この結果から、副成分の元素の一部がスピネル中に拡散したものと考えられる。なお、表1には示していないが、上記一般式(2)で示される酸化物の構成元素とLiとの複合酸化物がわずかに存在していた。たとえば、試料3において、微量のLiBiO2が存在することが確認された。
As shown in Table 1, the positive electrode active materials of
また、走査電子顕微鏡−X線マイクロアナライザー(SEM−EDX)観察により、添加した副成分の元素が、スピネル化合物を含む粒子表面に存在することを確認した。 Moreover, it was confirmed by scanning electron microscope-X-ray microanalyzer (SEM-EDX) observation that the added subcomponent element was present on the particle surface containing the spinel compound.
さらに、得られた正極活物質の断面の透過型電子顕微鏡(TEM)観察を行った。図2は、試料3の正極活物質のTEM像を示す図である。図2は、5V級スピネル(LiNi0.5Mn1.35Ti0.15O4:試料2)粒子の表面近傍を観察したものである。粒子の最表面の図中の矢印の部分に、膜厚約20nmの層状の部分が観察され、EDX分析の結果、Biと酸素を含有した相であることが確認された。
Furthermore, the transmission electron microscope (TEM) observation of the cross section of the obtained positive electrode active material was performed. FIG. 2 is a diagram showing a TEM image of the positive electrode active material of
また、図3は、試料5の正極活物質のTEM像を示す図である。図3より、Bi原料を添加した場合と異なり、Nd原料を添加した場合には、酸化物の微粒子がまばらに存在する状態で、5V級スピネルの表面に付着しており、5V級スピネル粒子表面の被覆率はBiの場合よりも低いことがわかる。EDX分析の結果、粒子の最表面の矢印の部分に、Ndと酸素を含有した相があることが確認された。
FIG. 3 is a diagram showing a TEM image of the positive electrode active material of
なお、Sm原料を添加した試料6についても、Nd原料を添加した場合と同様に、Smの酸化物の微粒子が付着していることがTEM観察により確かめられた。また、EDX分析の結果、Smと酸素を含有した相があることが確認された。 Note that it was confirmed by TEM observation that the sample 6 to which the Sm raw material was added also adhered the fine particles of the Sm oxide as in the case of adding the Nd raw material. As a result of EDX analysis, it was confirmed that there was a phase containing Sm and oxygen.
(正極の作製)
試料1および試料9のそれぞれを正極活物質とする正極を作製した。正極活物質と導電付与材である炭素を混合した。N−メチルピロリドン(NMP)にポリフッ化ビニリデン(PVDF)を溶解させた溶液に上記の混合物を分散させ、スラリー状とした。正極活物質、導電付与材、および結着剤の質量比は94:3:3とした。なお、導電付与材にはカーボンブラックを使用した。
(Preparation of positive electrode)
A positive electrode was produced using each of
厚さ25μmのAl集電体上に得られたスラリーを塗布した。その後、真空中で12時間乾燥させて、電極材料とした。電極材料は直径12mmの円に切り出した。その後、3t/cm2で加圧成形した。 The obtained slurry was applied on an Al current collector with a thickness of 25 μm. Then, it was dried in vacuum for 12 hours to obtain an electrode material. The electrode material was cut into a circle with a diameter of 12 mm. Then, it pressure-molded at 3 t / cm < 2 >.
(負極の作製)
グラファイト:PVdF=90:10(重量%)の比率となるように混合しNMPに分散させ、厚さ20μmの銅箔上に塗布して、負極集電体と負極活物質層が一体化した負極シートを作製した。得られた負極シートを直径13mmの円形に切り出し、本実施例の負極とした。
(Preparation of negative electrode)
A negative electrode in which a negative electrode current collector and a negative electrode active material layer are integrated by mixing graphite powder: PVdF = 90: 10 (% by weight), dispersing in NMP, coating on a 20 μm thick copper foil. A sheet was produced. The obtained negative electrode sheet was cut out into a circle having a diameter of 13 mm and used as the negative electrode of this example.
(電池の作製)
電解液には、電解液溶媒としてエチレンカーボネート(EC)とジメチルカーボネート(DMC)を40:60(vol%)で混合したものを用いた。また、電解液支持塩にはLiPF6を使用し、支持塩濃度は1mol/lとした。
(Production of battery)
As the electrolytic solution, a solution obtained by mixing ethylene carbonate (EC) and dimethyl carbonate (DMC) at 40:60 (vol%) as an electrolytic solution solvent was used. Further, LiPF 6 was used as the electrolyte supporting salt, and the supporting salt concentration was 1 mol / l.
正極と負極を、セパレータを挟んで電気的接触がない状態に対向配置させてコインセル内に配置し、電解液を満たして密閉した。セパレータにはポリプロピレンのフィルムを使用した。以上の手順により、本実施例の二次電池を得た。以下、試料1〜試料9を用いて得られた電池をそれぞれ電池1〜電池9と呼ぶ。
The positive electrode and the negative electrode were placed facing each other in a state where there was no electrical contact across the separator, placed in the coin cell, filled with the electrolyte and sealed. A polypropylene film was used as the separator. The secondary battery of this example was obtained by the above procedure. Hereinafter, the batteries obtained using
(電池特性の評価)
以上のようにして作製した電池1〜電池9について、それぞれの電池特性を評価した。電池の放電容量は約2mAhであった。評価の際の充電は、上限電圧を4.75Vとして2mAの電流で充電を行い、4.75Vに達した後、定電圧充電とした。全充電時間を150分とした。放電は、電流2mAの定電流で行い下限電圧を2.5Vとした。
(Evaluation of battery characteristics)
Each battery characteristic was evaluated about the battery 1-the battery 9 produced as mentioned above. The discharge capacity of the battery was about 2 mAh. Charging at the time of evaluation was carried out with a current of 2 mA with an upper limit voltage of 4.75 V, and after reaching 4.75 V, constant voltage charging was performed. The total charging time was 150 minutes. Discharging was performed at a constant current of 2 mA and the lower limit voltage was 2.5V.
保存前に充放電を行い、測定した放電容量を保存前の放電容量とした。再度充電した後に、60℃の高温槽に1週間保存した。保存後に放電を行い、さらに、再度充放電したときの放電容量を回復容量とした。保存前の放電容量に対する、保存後の回復容量の割合を回復容量率とし、その大きさによりサイクル特性を評価した。回復容量率の評価結果を表2に示す。表2において、組成に関する%は質量%を表す。 Charging / discharging was performed before storage, and the measured discharge capacity was defined as the discharge capacity before storage. After charging again, it was stored in a high-temperature bath at 60 ° C. for 1 week. Discharge was performed after storage, and the discharge capacity when the battery was charged and discharged again was taken as the recovery capacity. The ratio of the recovery capacity after storage to the discharge capacity before storage was defined as the recovery capacity ratio, and the cycle characteristics were evaluated based on the ratio. The evaluation results of the recovery capacity ratio are shown in Table 2. In Table 2, “%” regarding the composition represents “% by mass”.
表2より、Bi、La、Nd、SmおよびTaのうちの少なくとも一種の酸化物、または、これらの金属とMnとの複合酸化物を正極に含む電池3〜電池9は、酸化物を含まない試料1または試料2に対し、回復容量率が増加することが確認された。また、副成分の元素の一部がスピネル中に拡散することによっても、高温保存後の容量回復率を向上させることができると考えられる。
From Table 2, the
また、表2、図2および図3より、5V級スピネル化合物の表面に粒子状または層状の酸化物が付着することにより、電池の容量回復率を向上させることができた。また、Biの酸化物を有する電池3および電池4では、さらに優れた容量回復率を得ることができた。これは、5V級スピネル化合物の表面を酸化物が層状に被覆し、粒子表面の被覆率が大きかったためであると考えられる。
Moreover, from Table 2, FIG. 2, and FIG. 3, the capacity | capacitance recovery rate of the battery was able to be improved by adhering the particulate or layered oxide on the surface of the 5V class spinel compound. Further, in the
また、電池2および電池4について、スピネル化合物の成分の溶出量を測定した。60℃で1週間保存した後の電池2および電池4をそれぞれ分解し、負極を取り出した。そして、ICP発光分光分析法を用いた組成分析を行い、負極に析出したMn、Ni、およびTiの量を測定した。
Further, for the
得られた結果を表3に示す。表3は、Mn、Ni、およびTiの析出量を負極電極面積あたりの量に計算したものである。表3より、Biを添加した電池4では、負極に析出したMn、Ni、およびTiの量のいずれについても電池2に比べて減少した。ここで、負極に析出したMn、Ni、およびTiの量は、正極から溶出したMn、Ni、およびTiの量と同等であると考えることができる。よって、スピネル粒子の表面にBiの酸化物層を設けることにより、スピネル化合物の構成元素であるMn、Ni、およびTiの溶出が抑制されたものと考えられる。また、本実施例の5V級の電池においては、Niの価数変化によって充放電が行われているため、Niの溶出を抑制することにより、サイクル特性の低下の抑制が図られているものと考えられる。
The obtained results are shown in Table 3. Table 3 shows the amount of precipitation of Mn, Ni, and Ti calculated as the amount per negative electrode area. From Table 3, in the
以上の結果より、Li[Ni0.5Mn1.35Ti0.15]OまたはLi[Ni0.5Mn1.5]O4の粒子表面に、Bi、La、Nd、SmおよびTaのうちの少なくとも一種の酸化物、または、これらの金属とMnとの複合酸化物を付着させることにより、リチウムマンガン複合酸化物中のMn、Ni、およびTiの電解液への溶出を抑制することができた。このため、本実施例の正極活物質は、電池を高温で使用した際の容量低下を抑制し、サイクル特性を向上させることができた。このように、本実施例の正極活物質を用いることにより、5V級の電池の信頼性を向上させることが可能である。また、選択された副成分の元素の酸化物は、5V級の電池において、電解液の分解などの抑制を図る効果があるものと考えられる。 From the above results, at least one oxide of Bi, La, Nd, Sm and Ta on the particle surface of Li [Ni 0.5 Mn 1.35 Ti 0.15 ] O or Li [Ni 0.5 Mn 1.5 ] O 4 , or By attaching a composite oxide of these metals and Mn, elution of Mn, Ni, and Ti in the lithium manganese composite oxide into the electrolytic solution could be suppressed. For this reason, the positive electrode active material of the present Example was able to suppress the capacity reduction when the battery was used at a high temperature and to improve the cycle characteristics. Thus, by using the positive electrode active material of this example, it is possible to improve the reliability of a 5V class battery. In addition, the oxide of the selected subcomponent element is considered to have an effect of suppressing the decomposition of the electrolytic solution in a 5V class battery.
1 正極活物質層
2 負極活物質層
3 正極集電体
4 負極集電体
5 多孔質セパレータ
6 正極外装缶
7 負極外装缶
8 絶縁パッキング部
DESCRIPTION OF
Claims (13)
LiM1 aM2 2-aO4 (1)
(ただし、上記一般式(1)において、M1はNi、Cr、Fe、Co、およびCuからなる群から選択される一種以上の遷移元素を示す。また、M2はMnを必須とする一以上の元素を示す。Mnの一部がTiまたはSiにより置換されていてもよい。また、0.4<a<1.1である。)
M3 bM2 cO (2)
(ただし、上記一般式(2)において、M2はMnを必須とする一以上の元素を示す。Mnの一部がTiまたはSiにより置換されていてもよい。また、M3は、Bi、La、Nd、SmおよびTaからなる群から選択される一または二以上の元素を必須とする一または二以上の元素である。ただし、M3はLiを含まない。また、b>0、c≧0である。) An oxide represented by the following general formula (1) and one or more oxides represented by the following general formula (2), the surface of the oxide particles represented by the general formula (1) A positive electrode active material for a secondary battery, wherein an oxide represented by the formula (2) is attached.
LiM 1 a M 2 2-a O 4 (1)
(However, in the above general formula (1), M 1 represents one or more transition elements selected from the group consisting of Ni, Cr, Fe, Co, and Cu. M 2 is an essential element of Mn. (The above elements are shown. A part of Mn may be substituted by Ti or Si, and 0.4 <a <1.1.)
M 3 b M 2 c O (2)
(However, in the above general formula (2), M 2 represents one or more elements essential to Mn. A part of Mn may be substituted by Ti or Si. Further, M 3 represents Bi, One or two or more elements that require one or more elements selected from the group consisting of La, Nd, Sm, and Ta, provided that M 3 does not contain Li, and b> 0, c ≧ 0.)
M3 bO (3)
(ただし、上記一般式(3)において、M3は、Bi、La、Nd、SmおよびTaからなる群から選択される一または二以上の元素を必須とする一または二以上の元素である。ただし、M3はLiを含まない。また、b>0である。) 2. The secondary battery positive electrode active material according to claim 1, wherein the oxide represented by the general formula (2) includes at least an oxide represented by the following general formula (3). Positive electrode active material.
M 3 b O (3)
(However, in the above general formula (3), M 3 is one or two or more elements essentially including one or more elements selected from the group consisting of Bi, La, Nd, Sm and Ta. (However, M 3 does not contain Li, and b> 0.)
M3 bMncO (4)
(ただし、上記一般式(4)において、M3は、Bi、La、Nd、SmおよびTaからなる群から選択される一または二以上の元素を必須とする一または二以上の元素である。ただし、M3はLiを含まない。また、b>0、c>0である。) 3. The secondary battery positive electrode active material according to claim 1, wherein the oxide represented by the general formula (2) includes at least a compound represented by the following general formula (4). Positive electrode active material for batteries.
M 3 b Mn c O (4)
(However, in the above general formula (4), M 3 is one or two or more elements essentially including one or more elements selected from the group consisting of Bi, La, Nd, Sm and Ta. However, M 3 does not contain Li, and b> 0 and c> 0.)
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