JP5003030B2 - Cathode active material for nonaqueous electrolyte secondary battery, method for producing the same, and nonaqueous electrolyte secondary battery including the same - Google Patents
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Description
本発明は、非水電解質二次電池用正極活物質としてのプロトン含有遷移金属酸化物およびその製造方法、ならびにそのプロトン含有遷移金属酸化物を備えた非水電解質二次電池に関するものである。 The present invention relates to a proton-containing transition metal oxide as a positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery, a method for producing the same, and a non-aqueous electrolyte secondary battery including the proton-containing transition metal oxide.
近年、携帯電話およびデジタルカメラなどの電子機器の電源として、小形で軽量なリチウムイオン二次電池が広く用いられている。このような電子機器の多機能化は著しく進み、現在、使用されているコバルト酸リチウム/炭素材料系、マンガン酸リチウム/炭素材料系およびニッケル酸リチウム/炭素材料系などのリチウムイオン二次電池に代わる高エネルギー密度の電池が期待されている。 In recent years, small and lightweight lithium ion secondary batteries have been widely used as power sources for electronic devices such as mobile phones and digital cameras. Such multi-functionalization of electronic devices has advanced remarkably, and lithium ion secondary batteries such as lithium cobaltate / carbon material system, lithium manganate / carbon material system and lithium nickelate / carbon material system which are currently used are being used. Alternative high energy density batteries are expected.
そのなかでも、ニッケル酸リチウムは、コバルト酸リチウムと同じ結晶構造の層状化合物であり、エッジを共有しているNiO6八面体の層間にリチウムが挿入されている。ニッケル酸リチウムは上記正極活物質の中で最も高い放電容量を示しており、高容量活物質としての期待が高い。 Among them, lithium nickelate is a layered compound having the same crystal structure as lithium cobaltate, and lithium is inserted between NiO 6 octahedron layers sharing an edge. Lithium nickelate has the highest discharge capacity among the positive electrode active materials, and is highly expected as a high capacity active material.
ニッケル酸リチウムの製造方法は、ニッケル源としてNi(NO3)2、Ni(OH)2、NiCO3またはNiOなどを、リチウム源としてLiOH、LiNO3、Li2CO3、Li2Oなどを使用し、両者を混合したのち酸素気流中で約600〜900℃の熱処理をおこなうことが一般的であるが、固相焼成法ではない製造方法も検討されている。 The method for producing lithium nickelate uses Ni (NO 3 ) 2 , Ni (OH) 2 , NiCO 3, or NiO as the nickel source, and LiOH, LiNO 3 , Li 2 CO 3 , Li 2 O, or the like as the lithium source. However, it is common to perform heat treatment at about 600 to 900 ° C. in an oxygen stream after mixing the two, but a manufacturing method that is not a solid-phase firing method is also being studied.
特許文献1には、低温合成法のひとつして、オキシ水酸化ニッケルとリチウムイオンを含有する溶液とを反応させるニッケル酸リチウムの製造方法が開示されている。また、特許文献2には、化学式HxLiyMO2(ただし、0≦x≦2、0≦y≦2、1≦x+y≦2、MはCo、Niの中から選択される1種または2種の遷移金属)で表される化合物を、リチウムイオンを含有する溶液中で化学的に酸化するLiMO2の製造方法が開示されている。しかし、特許文献1および特許文献2に記載の正極活物質は、いずれもNiとCoとMnとを同時に含むものではない。 Patent Document 1 discloses a method for producing lithium nickelate in which nickel oxyhydroxide and a solution containing lithium ions are reacted as one of low-temperature synthesis methods. Patent Document 2 discloses a chemical formula H x Li y MO 2 (where 0 ≦ x ≦ 2, 0 ≦ y ≦ 2, 1 ≦ x + y ≦ 2, M is one selected from Co and Ni, or A method for producing LiMO 2 is disclosed in which a compound represented by two kinds of transition metals is chemically oxidized in a solution containing lithium ions. However, none of the positive electrode active materials described in Patent Document 1 and Patent Document 2 contains Ni, Co, and Mn at the same time.
また、特許文献3には、イオン交換による一般式AxByMOz(ただし、0≦x≦2、0≦y≦2、1.5≦z≦3、M=Mn、Fe、Ni、Co、V、CrまたはSc、AおよびBはH、Li、Na、K、Cs、Ca、MgおよびRbならびにこれらの混合物よりなる元素)で表される活物質の、低温イオン交換法による合成法が開示されている。しかし、得られた正極活物質としてはLiMnO2およびLiMn2O4が例示されているにすぎない。 Patent Document 3 discloses a general formula A x B y MO z (where 0 ≦ x ≦ 2, 0 ≦ y ≦ 2, 1.5 ≦ z ≦ 3, M = Mn, Fe, Ni, Co, V, Cr or Sc, A and B are synthesis methods of active materials represented by H, Li, Na, K, Cs, Ca, Mg and Rb, and mixtures thereof by a low temperature ion exchange method Is disclosed. However, LiMnO 2 and LiMn 2 O 4 are only exemplified as the obtained positive electrode active material.
さらに、特許文献4には、一般式HxA1-xMO2(ただし、x=0.99〜0、Aは1a族のアルカリ金属、M=Co、Ni)の製造方法が開示されているが、HxLi1-xCoO2およびHxLi1-xNiO2のみが記載されており、NiとCoとMnとを同時に含むものは例示されていない。 Furthermore, Patent Document 4 discloses a method for producing a general formula H x A 1-x MO 2 (where x = 0.99 to 0, A is a group 1a alkali metal, M = Co, Ni). However, only H x Li 1-x CoO 2 and H x Li 1-x NiO 2 are described, and those containing Ni, Co, and Mn at the same time are not illustrated.
また、非水系二次電池の正極活物質としてオキシ水酸化ニッケルを利用する試みがあり、特許文献5にはNiOOHLiが開示され、特許文献6には、20〜75モル%のコバルトを含むオキシ水酸化ニッケルが開示されている。さらに、特許文献7には、10モル%のコバルトを含むオキシ水酸化ニッケルに水酸化リチウムの水溶液を通液し、水素イオンとリチウムイオンとのイオン交換反応をおこなうコバルト含有ニッケル酸リチウムの製造方法が開示されている。しかし、いずれにおいても、NiとCoとMnとを同時に含む正極活物質は例示されていない。 In addition, there is an attempt to use nickel oxyhydroxide as a positive electrode active material of a non-aqueous secondary battery. Patent Document 5 discloses NiOOHLi, and Patent Document 6 discloses oxywater containing 20 to 75 mol% of cobalt. Nickel oxide is disclosed. Furthermore, Patent Document 7 discloses a method for producing cobalt-containing lithium nickelate, in which an aqueous lithium hydroxide solution is passed through nickel oxyhydroxide containing 10 mol% of cobalt, and an ion exchange reaction between hydrogen ions and lithium ions is performed. Is disclosed. However, in any case, a positive electrode active material containing Ni, Co, and Mn simultaneously is not exemplified.
なお、特許文献6や特許文献7には、これらの正極活物質における水素とリチウムの含有比率については何ら明確にされていない。 Note that Patent Document 6 and Patent Document 7 do not clarify the content ratio of hydrogen and lithium in these positive electrode active materials.
さらに、特許文献8および特許文献9には、非水系二次電池の正極活物質として、LiとNiとCoとMnを含む複合酸化物が開示されているが、これらの複合酸化物はプロトンを含まない。
非水系二次電池の正極活物質としてのプロトンを含有したニッケル酸リチウムにおいて、組成式のモル比あたりのニッケルの量を0.5以下にすると、ニッケルの価数により、充電電気量が制限されてしまうという問題点があった。 In lithium nickelate containing protons as a positive electrode active material of a non-aqueous secondary battery, if the amount of nickel per mole ratio of the composition formula is 0.5 or less, the amount of charge is limited by the valence of nickel. There was a problem that it was.
また、非水系二次電池の正極活物質としてのプロトンを含まない複合酸化物であるLiNi1/3Mn1/3Co1/3O2では、Ni、MnおよびCoを含む3成分の複合水酸化物を作製して、これをリチウム化合物と混合後に焼成する過程を経るために、製造工程が複雑であった。 Further, in LiNi 1/3 Mn 1/3 Co 1/3 O 2 which is a composite oxide not containing protons as a positive electrode active material of a non-aqueous secondary battery, three-component composite water containing Ni, Mn and Co is used. The manufacturing process is complicated because an oxide is produced, and this is mixed with a lithium compound and then fired.
そこで、本発明の目的は、製造工程が簡単で、工業的に有利で、放電容量の大きな非水電解質二次電池用正極活物質を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery that has a simple manufacturing process, is industrially advantageous, and has a large discharge capacity.
請求項1の発明は、非水電解質二次電池用正極活物質が、化学式HxLiyCo1−a−b−cNiaMnbMcO2(ただし、MはAl、Mg、Zn、及び、Crから選ばれる金属元素、0<x≦1、0<y≦1、0<x+y≦2、1/6≦a≦1/3、1/6≦b≦1/3、0≦c≦1/10、1/3≦a+b≦2/3)で表されることを特徴とする。 The invention according to claim 1, the positive electrode active material for a nonaqueous electrolyte secondary battery, the chemical formula H x Li y Co 1-a -b-c Ni a Mn b M c O 2 ( however, M is Al, Mg, Zn And a metal element selected from Cr , 0 <x ≦ 1, 0 <y ≦ 1, 0 <x + y ≦ 2, 1/6 ≦ a ≦ 1/3, 1/6 ≦ b ≦ 1/3, 0 ≦ c ≦ 1/10, 1/3 ≦ a + b ≦ 2/3).
請求項2の発明は、上記非水電解質二次電池用正極活物質の製造方法において、化学式Co1−a−b−cNiaMnbMc(OH)2(ただし、MはAl、Mg、Zn、及び、Crから選ばれる金属元素、0<x≦1、0<y≦1、0<x+y≦2、1/6≦a≦1/3、1/6≦b≦1/3、0≦c≦1/10、1/3≦a+b≦2/3)で表される遷移金属水酸化物とリチウムイオンを含む溶液と酸化剤とを接触させた後、得られた生成物をリチウムイオンを含む溶液に通液させることを特徴とする。 According to a second aspect of the invention, in the manufacturing method of the nonaqueous electrolyte cathode active material for electrolyte secondary battery, the chemical formula Co 1-a-b-c Ni a Mn b M c (OH) 2 ( However, M is Al, Mg , Zn, and Cr , 0 <x ≦ 1, 0 <y ≦ 1, 0 <x + y ≦ 2, 1/6 ≦ a ≦ 1/3, 1/6 ≦ b ≦ 1/3, 0 ≦ c ≦ 1/10, 1/3 ≦ a + b ≦ 2/3) a solution containing a transition metal hydroxide, a lithium ion, and an oxidant are brought into contact with each other. characterized Rukoto was passed through a solution containing lithium ions.
請求項3の発明は、非水電解質二次電池において、請求項1に記載の非水電解質二次電池用正極活物質を備えたことを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the nonaqueous electrolyte secondary battery, the positive electrode active material for a nonaqueous electrolyte secondary battery according to the first aspect is provided.
本発明において、非水電解質二次電池用正極活物質に化学式HxLiyCo1−a−b−cNiaMnbMcO2(ただし、MはAl、Mg、Zn、及び、Crから選ばれる金属元素、0<x≦1、0<y≦1、0<x+y≦2、1/6≦a≦1/3、1/6≦b≦1/3、0≦c≦1/10、1/3≦a+b≦2/3)で表されるプロトン含有遷移金属酸化物を用いることにより、単位質量当たりの放電容量の大きい非水電解質二次電池を得ることができるものである。 In the present invention, the non-aqueous electrolyte formula the positive electrode active material for a secondary battery H x Li y Co 1-a -b-c Ni a Mn b M c O 2 ( however, M is Al, Mg, Zn, and, Cr A metal element selected from : 0 <x ≦ 1, 0 <y ≦ 1, 0 <x + y ≦ 2, 1/6 ≦ a ≦ 1/3, 1/6 ≦ b ≦ 1/3, 0 ≦ c ≦ 1 / 10, 1/3 ≦ a + b ≦ 2/3), a nonaqueous electrolyte secondary battery having a large discharge capacity per unit mass can be obtained. .
本発明の正極活物質においては、Niを0.5以下としても、NiとMnをあわせた量を組成式のモル比あたり1/3から2/3の間とすることで、Mnの存在により、充電過程におけるNiの3価から4価への価数変化がスムーズに行われ、Mnを含まないニッケル酸リチウムでの、充電過程でNiの価数が3価から3.7価程度までしか酸化されず、充電電気量が十分に得られないという問題がなくなるものと考えられる。 In the positive electrode active material of the present invention, even if Ni is 0.5 or less, the combined amount of Ni and Mn is between 1/3 and 2/3 per mole ratio of the composition formula. , valence change from trivalent Ni to tetravalent is performed smoothly in the charging process, the lithium nickel dioxide containing no Mn, up to 3.7 valent about valence of Ni is trivalent in charge process However, it is considered that the problem that the amount of charged electricity cannot be sufficiently obtained is eliminated.
本発明は、上記非水電解質二次電池用正極活物質に、化学式HxLiyCo1−a−b−cNiaMnbMcO2(ただし、MはAl、Mg、Zn、及び、Crから選ばれる金属元素、0<x≦1、0<y≦1、0<x+y≦2、1/6≦a≦1/3、1/6≦b≦1/3、0≦c≦1/10、1/3≦a+b≦2/3)で表されるプロトン含有遷移金属酸化物を用いることを特徴とする。このプロトン含有遷移金属酸化物は、化学式Co1−a−b−cNiaMnbMc(OH)2(ただし、MはAl、Mg、Zn、及び、Crから選ばれる金属元素、0<x≦1、0<y≦1、0<x+y≦2、1/6≦a≦1/3、1/6≦b≦1/3、0≦c≦1/10、1/3≦a+b≦2/3)で表される遷移金属水酸化物とリチウムイオンを含む溶液と酸化剤とを接触させた後、得られた生成物をリチウムイオンを含む溶液に通液させる方法で作製することができる。また本発明は、上記プロトン含有遷移金属酸化物を非水電解質二次電池の正極活物質に用いることを特徴とする。 In the present invention, the positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery has the chemical formula H x Li y Co 1-a-b-c Ni a Mn b McO 2 (where M is Al, Mg, Zn, and , Metal element selected from Cr , 0 <x ≦ 1, 0 <y ≦ 1, 0 <x + y ≦ 2, 1/6 ≦ a ≦ 1/3, 1/6 ≦ b ≦ 1/3, 0 ≦ c ≦ The proton-containing transition metal oxide represented by 1/10, 1/3 ≦ a + b ≦ 2/3) is used. This proton-containing transition metal oxide has a chemical formula Co 1-ab-c Ni a Mn b Mc (OH) 2 (where M is a metal element selected from Al, Mg, Zn, and Cr , 0 < x ≦ 1, 0 <y ≦ 1, 0 <x + y ≦ 2, 1/6 ≦ a ≦ 1/3, 1/6 ≦ b ≦ 1/3, 0 ≦ c ≦ 1/10, 1/3 ≦ a + b after contacting the solution with an oxidizing agent containing a transition metal hydroxide and lithium ion represented by ≦ 2/3), manufactured in Ru is passed through the resulting product in a solution containing lithium ions method be able to. In addition, the present invention is characterized in that the proton-containing transition metal oxide is used as a positive electrode active material of a nonaqueous electrolyte secondary battery.
本発明の化学式HxLiyCo1−a−b−cNiaMnbMcO2で表されるプロトン含有遷移金属酸化物においては0<x≦1とする。x=0すなわち遷移金属酸化物にHが含まれない場合、従来のニッケル酸リチウムと同様に、高率放電特性が低下するという問題があった。またxの値が1より大きい材料は、水酸化ニッケルからの酸化が十分でないものに過ぎないため、正極活物質として十分な充放電容量を得ることができない。 In the chemical formula H x Li y Co 1-a -b-c Ni a Mn b M proton-containing transition metal oxide represented by c O 2 of the present invention and 0 <x ≦ 1. When x = 0, that is, when H is not contained in the transition metal oxide, there is a problem in that the high rate discharge characteristic is lowered as in the case of the conventional lithium nickelate. In addition, a material having a value of x greater than 1 is only a material that is not sufficiently oxidized from nickel hydroxide, and therefore a sufficient charge / discharge capacity as a positive electrode active material cannot be obtained.
yは電池の充放電において、プロトン含有遷移金属酸化物に吸蔵または放出されるLiのモル数を示しており、yが1以上になるとサイクル性能が劣化するため、y<1とする必要がある。 y represents the number of moles of Li that is occluded or released from the proton-containing transition metal oxide during charge / discharge of the battery. When y is 1 or more, the cycle performance deteriorates, and therefore it is necessary to satisfy y <1. .
電池作成前のx+yの値は、次の式(1)で表すことができる。
x+y=4−(Co、NiおよびMnの平均価数)・・・・・(1)
The value of x + y before battery production can be expressed by the following formula (1).
x + y = 4- (average valence of Co, Ni and Mn) (1)
すなわち、本発明の化学式HxLiyCo1−a−b−cNiaMnbMcO2は正極活物質を製造する時点における化学式である。すなわち、これは、電池の仕込み時の組成である。この化学式で示されるプロトン含有遷移金属酸化物が充電される過程では、リチウムイオンがプロトン含有遷移金属酸化物から脱離して、電子の移動が生じる。例えば、リチウムイオンの脱離とともに、電子数としてzの移動が生じた場合には、化学式がHxLiy−zCo1−a−b−cNiaMnbMcO2の正極活物質となる。このとき、Co、Ni、MnおよびMの平均価数は[4−(x+y)]から[4−(x+y−z)]に変化する。 That is, the chemical formula H x Li y Co 1-a -b-c Ni a Mn b M c O 2 of the present invention is a chemical formula at the time of producing the positive electrode active material. That is, this is the composition when the battery is charged. In the process in which the proton-containing transition metal oxide represented by this chemical formula is charged, lithium ions are desorbed from the proton-containing transition metal oxide, and electron transfer occurs. For example, the positive electrode active material with elimination of lithium ions, if z movement occurs as the number of electrons, the chemical formula H x Li y-z Co 1 -a-b-c Ni a Mn b M c O 2 It becomes. At this time, the average valences of Co, Ni, Mn, and M change from [4- (x + y)] to [4- (x + yz)].
電池に組み立てる前の正極活物質は放電状態にあるので、1≦x+y≦2の範囲にある。この正極活物質が充電されるにしたがってLiが抜けていき、この正極活物質が満充電状態ではyは限りなく0に近い値となる。例えば、放電状態の正極活物質において、x=0.1、y=0.9の場合、満充電状態ではyは0に近い値となるので、x+yは0.1に近い値となる。したがって、本発明のプロトン含有遷移金属酸化物において、x+yの値は充放電状態によって0<x+y≦2の範囲で変化する。 Since the positive electrode active material before being assembled into the battery is in a discharged state, it is in the range of 1 ≦ x + y ≦ 2. Li is released as the positive electrode active material is charged, and y is infinitely close to 0 when the positive electrode active material is fully charged. For example, in a positive electrode active material in a discharged state, when x = 0.1 and y = 0.9, since y is close to 0 in a fully charged state, x + y is close to 0.1. Therefore, in the proton-containing transition metal oxide of the present invention, the value of x + y varies in the range of 0 <x + y ≦ 2 depending on the charge / discharge state.
なお、「満充電状態」とは、プロトン含有遷移金属酸化物を正極活物質に用いた非水電解質二次電池を、0.1CmA定電流で4.3V(vs.Li/Li+)まで充電し、さらに4.3V(vs.Li/Li+)定電圧充電を5時間おこなった状態を意味する。 “Fully charged state” means that a non-aqueous electrolyte secondary battery using a proton-containing transition metal oxide as a positive electrode active material is charged to 4.3 V (vs. Li / Li + ) at a constant current of 0.1 CmA. Further, it means a state in which a 4.3 V (vs. Li / Li + ) constant voltage charge was performed for 5 hours.
また、Niの置換量a(モル)は1/6≦a≦1/3とする。aが1/6より小さい場合には、十分な充放電容量を得ることができない。これは、Niの価数を制御する目的で置換したMnが十分に固溶しなかったことが原因であると考えられる。また、aが1/3より大きい場合には、十分な充放電容量を得ることができない。これは、ニッケル酸リチウムの場合と同様に、Niの価数変化がスムーズに行われないことが原因であると考えられる。 Further, the substitution amount a (mol) of Ni is set to 1/6 ≦ a ≦ 1/3. When a is smaller than 1/6, sufficient charge / discharge capacity cannot be obtained. This is considered to be because Mn substituted for the purpose of controlling the valence of Ni was not sufficiently dissolved. Moreover, when a is larger than 1/3, sufficient charge / discharge capacity cannot be obtained. This is considered to be caused by the fact that the valence change of Ni is not smoothly performed as in the case of lithium nickelate.
また、Mnの置換量b(モル)は1/6≦b≦1/3とする。bが1/6より小さい場合には、十分な充放電容量を得ることができない。これは、ニッケル酸リチウムの場合と同様に、Niの価数変化がスムーズに行われないことが原因であると考えられる。また、bが1/3より大きい場合には、十分な充放電容量を得ることができない。これは、Niの価数を制御する目的で置換したMnが十分に固溶しなかったことが原因であると考えられる。 The substitution amount b (mol) of Mn is set to 1/6 ≦ b ≦ 1/3. When b is smaller than 1/6, sufficient charge / discharge capacity cannot be obtained. This is considered to be caused by the fact that the valence change of Ni is not smoothly performed as in the case of lithium nickelate. Moreover, when b is larger than 1/3, sufficient charge / discharge capacity cannot be obtained. This is considered to be because Mn substituted for the purpose of controlling the valence of Ni was not sufficiently dissolved.
したがって、(a+b)は1/3以上、2/3以下となる。本発明の正極活物質においては、Niの置換量aを1/6≦a≦1/3とした場合でも、NiとMnをあわせた量(a+b)は組成式のモル比あたり1/3以上、2/3以下となる。 Therefore, (a + b) is 1/3 or more and 2/3 or less . In the positive electrode active material of the present invention, even when the substitution amount a of Ni is 1/6 ≦ a ≦ 1/3, the combined amount of Ni and Mn (a + b) is 1/3 or more per mole ratio of the composition formula 2/3 or less .
本発明でプロトン含有遷移金属酸化物を製造する場合に使用するリチウムイオンを含む溶液は、不飽和のリチウムイオンを含む溶液でもよいし、飽和以上のリチウム化合物を含む液相分散系であってもよい。リチウムイオン源は1種でも2種以上の混合物でもかまわない。 The solution containing lithium ions used when producing a proton-containing transition metal oxide in the present invention may be a solution containing unsaturated lithium ions or a liquid phase dispersion containing a saturated or higher lithium compound. Good. The lithium ion source may be one type or a mixture of two or more types.
リチウムイオン源としては、水酸化リチウム、水酸化リチウム1水和物、炭酸リチウム、酸化リチウム、硝酸リチウム、硫酸リチウム、塩化リチウム、修酸リチウム、酢酸リチウム、またはくえん酸リチウムから選択される少なくとも1種を含ませることが好ましい。 The lithium ion source is at least one selected from lithium hydroxide, lithium hydroxide monohydrate, lithium carbonate, lithium oxide, lithium nitrate, lithium sulfate, lithium chloride, lithium oxalate, lithium acetate, or lithium citrate. It is preferred to include seeds.
リチウムイオンを含む溶液の溶媒としては、好ましくは水を用いることがよいが、有機溶媒を用いてもかまわない。この溶液中には、必ずしも陽イオンとしてリチウムイオン(およびプロトン)のみが含まれている必要はなく、たとえばナトリウムイオンやカリウムイオンなどが含まれていてもかまわない。 As a solvent of the solution containing lithium ions, water is preferably used, but an organic solvent may be used. This solution does not necessarily need to contain only lithium ions (and protons) as cations, and may contain sodium ions, potassium ions, and the like, for example.
リチウムイオンの濃度は、反応速度の面から、水酸化ニッケルのモル数に対してリチウムイオンのモル数が過剰であることが好ましい。 The lithium ion concentration is preferably such that the number of moles of lithium ions is excessive with respect to the number of moles of nickel hydroxide in terms of reaction rate.
本発明でプロトン含有遷移金属酸化物を製造する場合に使用する酸化剤は、酸素、オゾン、ペルオキソ二硫酸塩、次亜塩素酸塩、過マンガン酸塩、二クロム酸塩、臭素、塩素から選択される少なくとも1種を用いることができる。また、酸化剤を用いる化学的な酸化方法だけではなく、電気化学的な手法を用いてもよい。酸化剤の量は反応速度の面から、化学式Co1−a−b−cNiaMnbMc(OH)2で表される遷移金属水酸化物1モルに対して過剰のモル数であることが好ましい。 The oxidizing agent used in the production of the proton-containing transition metal oxide in the present invention is selected from oxygen, ozone, peroxodisulfate, hypochlorite, permanganate, dichromate, bromine, and chlorine. At least one of the above can be used. Further, not only a chemical oxidation method using an oxidizing agent but also an electrochemical method may be used. The amount of the oxidizing agent from the standpoint of reaction rate, is the chemical formula Co 1-a-b-c Ni a Mn b M c (OH) molar excess relative to the transition metal hydroxide to 1 mole of the formula 2 It is preferable.
化学式Co1−a−b−cNiaMnbMc(OH)2で表される遷移金属水酸化物と酸化剤とを、またはこれらとリチウムイオンとを接触させる時間は、特に制限されないが、1〜240時間が好ましい。なお、溶液の温度を高くすることによって、反応速度を大きくすることができるが、溶液を沸騰させないためには、用いる溶媒の沸点以下の温度とすることが好ましく、また、25〜80℃の範囲とすることが作業性の面を考慮するとより好ましい。 The chemical formula Co 1-a-b-c Ni a Mn b M c (OH) and the transition metal hydroxide represented by the second oxidant, or the time of contacting the these with the lithium ion is not particularly limited 1 to 240 hours are preferable. The reaction rate can be increased by increasing the temperature of the solution. However, in order not to boil the solution, the temperature is preferably not higher than the boiling point of the solvent used, and is in the range of 25 to 80 ° C. Is more preferable in consideration of workability.
化学式Co1−a−b−cNiaMnbMc(OH)2で表される遷移金属水酸化物とリチウムイオンを含む溶液と酸化剤とを接触させて得られた生成物を、リチウムイオンを含む溶液に通液する。ここで「通液」とは、化学式Co1−a−b−cNiaMnbMc(OH)2で表される遷移金属水酸化物とリチウムイオンを含む溶液と酸化剤とを接触させて得られた生成物に、リチウムイオンを含む溶液を徐々に加えて、攪拌した後、ろ過したり、生成物とリチウムイオンを含む溶液とを混合して、攪拌した後、ろ過することなどを意味する。 A product obtained by bringing a transition metal hydroxide represented by the chemical formula Co 1-a-b-c Ni a Mn b M c (OH) 2 into contact with a solution containing lithium ions and an oxidant is used as lithium. Pass through a solution containing ions. Here, “liquid passing” means that a solution containing a transition metal hydroxide represented by the chemical formula Co 1-a-b-c Ni a Mn b Mc (OH) 2 , a lithium ion, and an oxidizing agent are brought into contact with each other. The solution containing lithium ions is gradually added to the product obtained and stirred, and then filtered, or the product and the solution containing lithium ions are mixed, stirred, filtered, etc. means.
リチウムイオンを含む溶液に通液する工程に用いる溶液は、化学式Co1−a−b−cNiaMnbMc(OH)2で表される遷移金属水酸化物とリチウムイオンを含む溶液と酸化剤とを接触させる工程で用いたものと同じリチウムイオンを含む溶液を用いることができる。 The solution used in the step of passed through a solution containing lithium ions, a solution containing a chemical formula Co 1-a-b-c Ni a Mn b M c (OH) transition metal hydroxide represented by 2 and lithium ion The same solution containing lithium ions as that used in the step of contacting with the oxidizing agent can be used.
化学式Co1−a−b−cNiaMnbMc(OH)2で表される遷移金属水酸化物とリチウムイオンを含む溶液と酸化剤とを接触させることにより得られるプロトン含有遷移金属酸化物は、電気化学的にアルカリ金属を吸蔵・放出することが可能となるため、これを含む電極を用いることにより、優れた特性を示す非水電解質二次電池を得ることができる。 Formula Co 1-a-b-c Ni a Mn b M c (OH) solution with a proton-containing transition metal oxide obtained by contacting an oxidizing agent containing a transition metal hydroxide and lithium ion represented by 2 Since an object can electrochemically occlude and release alkali metals, a non-aqueous electrolyte secondary battery exhibiting excellent characteristics can be obtained by using an electrode including the alkali metal.
本発明の非水電解質二次電池において、負極活物質には特に制限はなく、負極活物質には黒鉛や非晶質炭素などの炭素材料、酸化物、または窒化物などを使用できる。これらの中では、容量や充放電サイクル性能が優れていることから、黒鉛や非晶質炭素などの炭素材料や酸化物を使用することが好ましい。 In the nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention, the negative electrode active material is not particularly limited, and a carbon material such as graphite or amorphous carbon, an oxide, or a nitride can be used as the negative electrode active material. In these, since capacity | capacitance and charging / discharging cycling performance are excellent, it is preferable to use carbon materials and oxides, such as graphite and amorphous carbon.
正極および負極を作製するときに使用する結着剤として、エチレン−プロピレン−ジエン三元共重合体、アクリロニトリル−ブタジエンゴム、フッ素ゴム、ポリ酢酸ビニル、ポリメチルメタクリレート、ポリエチレン、ニトロセルロース、ポリフッ化ビニリデン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、ポリフッ化ビニリデン−クロロトリフルオロエチレン共重合体、スチレン−ブタジエンゴム(SBR)あるいはカルボキシメチルセルロース(CMC)などから選択される少なくとも1種を用いることができる。 Binders used when producing positive and negative electrodes include ethylene-propylene-diene terpolymer, acrylonitrile-butadiene rubber, fluororubber, polyvinyl acetate, polymethyl methacrylate, polyethylene, nitrocellulose, and polyvinylidene fluoride. Selected from polyethylene, polypropylene, polytetrafluoroethylene, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer, polyvinylidene fluoride-chlorotrifluoroethylene copolymer, styrene-butadiene rubber (SBR) or carboxymethylcellulose (CMC). Can be used.
結着剤を混合するときに用いる溶媒として、非水溶媒または水溶液のいずれも使用できる。非水溶媒として、N―メチル−2−ピロリドン、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、メチルエチルケトン、シクロヘキサノン、酢酸メチル、アクリル酸メチル、ジエチルトリアミン、N−N−ジメチルアミノプロピルアミン、エチレンオキシド、テトラヒドロフランなどを使用できる。一方、水溶液には、分散剤、増粘剤などを加えて用いることができる。 As the solvent used when mixing the binder, either a non-aqueous solvent or an aqueous solution can be used. As the non-aqueous solvent, N-methyl-2-pyrrolidone, dimethylformamide, dimethylacetamide, methyl ethyl ketone, cyclohexanone, methyl acetate, methyl acrylate, diethyltriamine, NN-dimethylaminopropylamine, ethylene oxide, tetrahydrofuran and the like can be used. On the other hand, a dispersing agent, a thickener, etc. can be added and used for aqueous solution.
電極の集電体として、鉄、銅、ステンレス、ニッケルおよびアルミを用いることができる。また、その形状として、シート、発泡体、メッシュ、多孔体およびエキスパンド格子などを用いることができる。さらに、集電体には任意の形状で穴を開けて用いることができる。 Iron, copper, stainless steel, nickel, and aluminum can be used as the current collector of the electrode. Moreover, a sheet | seat, a foam, a mesh, a porous body, an expanded lattice, etc. can be used as the shape. Further, the current collector can be used with a hole formed in an arbitrary shape.
電解液に使用する有機溶媒として、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、トリフルオロプロピレンカーボネート、γ-ブチロラクトン、スルホラン、1、2−ジメトキシエタン、1、2−ジエトキシエタン、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、3−メチル−1、3−ジオキソラン、酢酸メチル、酢酸エチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジプロピルカーボネート、メチルプロピルカーボネートなどを、単独または混合して使用することができる。また、電解液中にビニレンカーボネート、ブチレンカーボネートなどのカーボネート系、ビフェニル、シクロヘキシルベンゼンなどのベンゼン系、プロパンスルトンなどの硫黄系の化合物を単独または混合して使用できる。 As an organic solvent used in the electrolytic solution, ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, trifluoropropylene carbonate, γ-butyrolactone, sulfolane, 1,2-dimethoxyethane, 1,2-diethoxyethane, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran , 3-methyl-1,3-dioxolane, methyl acetate, ethyl acetate, methyl propionate, ethyl propionate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, dipropyl carbonate, methylpropyl carbonate, etc., alone or in combination Can be used. Also, carbonate compounds such as vinylene carbonate and butylene carbonate, benzene compounds such as biphenyl and cyclohexylbenzene, and sulfur compounds such as propane sultone can be used alone or in the electrolyte.
さらに、電解液と固体電解質とを組み合わせて使用することができる。固体電解質として、結晶質または非晶質の無機固体電解質を用いることができる。前者には、LiI、Li3N、Li1+xMxTi2-x(PO4)3(M=Al、Sc、Y、La)、Li0。5-3xR0。5+xTiO3(R=La、Pr、Nd、Sm)、またはLi4−xGe1-xPxS4に代表されるチオLISICONを用いることができ、後者にはLiI-Li2O-B2O5系、Li2O-SiO2系、LiI−Li2S−B2S3系、LiI−Li2S−SiS2系、Li2S−SiS2−Li3PO4系などを用いることができる。 Furthermore, it can use combining electrolyte solution and a solid electrolyte. As the solid electrolyte, a crystalline or amorphous inorganic solid electrolyte can be used. The former includes LiI, Li 3 N, Li 1 + x M x Ti 2-x (PO 4 ) 3 (M = Al, Sc, Y, La), Li 0. 5-3x R 0. 5 + x TiO 3 (R = La, Pr, Nd, Sm), or thio LISICON represented by Li 4-x Ge 1-x P x S 4 can be used, and the latter includes LiI-Li 2 O—B 2 O 5 system, Li A 2 O—SiO 2 system, a LiI—Li 2 S—B 2 S 3 system, a LiI—Li 2 S—SiS 2 system, a Li 2 S—SiS 2 —Li 3 PO 4 system, or the like can be used.
有機溶媒に溶解する塩としては、LiPF6、LiClO4、LiBF4、LiAsF6、LiPF(CF3)5、LiPF2(CF3)4、LiPF3(CF3)3、LiPF4(CF3)2、LiPF5(CF3)、LiPF3(C2F5)3、LiCF3SO3、LiN(SO2CF3)2、LiN(SO2CF2CF3)2、LiN(COCF3)2、LiN(COCF2CF3)2、LiC4BO8などを単独あるいは混合して使用することができる。これらのなかにおいて、サイクル性能が良好になることから、リチウム塩としてはLiPF6が好ましい。さらに、これらのリチウム塩の濃度は、0.5〜2.0mol/dm3の範囲が好ましい。 Examples of the salt dissolved in the organic solvent include LiPF 6 , LiClO 4 , LiBF 4 , LiAsF 6 , LiPF (CF 3 ) 5 , LiPF 2 (CF 3 ) 4 , LiPF 3 (CF 3 ) 3 , LiPF 4 (CF 3 ). 2 , LiPF 5 (CF 3 ), LiPF 3 (C 2 F 5 ) 3 , LiCF 3 SO 3 , LiN (SO 2 CF 3 ) 2 , LiN (SO 2 CF 2 CF 3 ) 2 , LiN (COCF 3 ) 2 LiN (COCF 2 CF 3 ) 2 , LiC 4 BO 8 or the like can be used alone or in combination. Among these, LiPF 6 is preferable as the lithium salt because the cycle performance is good. Furthermore, the concentration of these lithium salts is preferably in the range of 0.5 to 2.0 mol / dm 3 .
非水電解質二次電池のセパレータとして、ナイロン、セルロースアセテート、ニトロセルロース、ポリスルホン、ポリアクリロニトリル、ポリフッ化ビニリデンおよびポリオレフィンなどの微多孔膜を使用できる。 A microporous membrane such as nylon, cellulose acetate, nitrocellulose, polysulfone, polyacrylonitrile, polyvinylidene fluoride, and polyolefin can be used as a separator for a nonaqueous electrolyte secondary battery.
非水電解質二次電池の形状は特に限定されるものではなく、角形、楕円形、コイン形、ボタン形、シート形などを用いることができる。 The shape of the nonaqueous electrolyte secondary battery is not particularly limited, and a rectangular shape, an elliptical shape, a coin shape, a button shape, a sheet shape, and the like can be used.
つぎに、本発明を実施例に基づいて詳細に説明する。しかしながら、本発明は、以下の実施例によって限定されるものではない。 Below, this invention is demonstrated in detail based on an Example. However, the present invention is not limited to the following examples.
[実施例1〜4および比較例1〜10]
[実施例1]
遷移金属水酸化物(Co1/2Ni1/3Mn1/6(OH)2)5.0gを80℃の7.0mol/dm3の水酸化リチウム水溶液125mlに分散した後に、12%の次亜塩素酸ソーダ43mlを加え、80℃に保ち、3時間攪拌した。これをろ過した後に、14.0mol/dm3の水酸化リチウム水溶液21mlを加えて、0.5時間攪拌して、ろ過して、65℃で12時間乾燥して、H0.2Li0.8Co1/2Ni1/3Mn1/6O2で表される本発明のプロトン含有遷移金属酸化物の粉末aを得た。
[Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 10]
[Example 1]
After dispersing 5.0 g of transition metal hydroxide (Co 1/2 Ni 1/3 Mn 1/6 (OH) 2 ) in 125 ml of 7.0 mol / dm 3 lithium hydroxide aqueous solution at 80 ° C., 12% Sodium hypochlorite (43 ml) was added and the mixture was kept at 80 ° C. and stirred for 3 hours. After filtering this, 21 ml of a 14.0 mol / dm 3 lithium hydroxide aqueous solution was added, stirred for 0.5 hour, filtered, dried at 65 ° C. for 12 hours, and H 0.2 Li 0. A powder a of proton-containing transition metal oxide of the present invention represented by 8 Co 1/2 Ni 1/3 Mn 1/6 O 2 was obtained.
この粉末a(正極活物質)89質量%と、アセチレンブラック4質量%と、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)7質量%とをN−メチル−2−ピロリドン(NMP)中で混合し、ペーストを作製した。このペーストを厚さ20μmのアルミニウム箔上に塗布して、150℃で減圧乾燥することにより、NMPを蒸発させた。これをローラーで加圧したのち、スリッターにて30mmW×40mmL×50μmTの大きさにして、本発明のプロトン含有遷移金属酸化物の粉末aを含む正極Aを製作した。 A paste was prepared by mixing 89% by mass of this powder a (positive electrode active material), 4% by mass of acetylene black and 7% by mass of polyvinylidene fluoride (PVDF) in N-methyl-2-pyrrolidone (NMP). . This paste was applied onto an aluminum foil having a thickness of 20 μm and dried under reduced pressure at 150 ° C. to evaporate NMP. After pressing this with a roller, it was made into a size of 30 mmW × 40 mmL × 50 μmT with a slitter to produce a positive electrode A containing the proton-containing transition metal oxide powder a of the present invention.
[実施例2]
遷移金属水酸化物としてCo1/2Ni1/3Mn1/6(OH)2に代えてCo1/3Ni1/3Mn1/3(OH)2を用いたこと以外は実施例1と同様にして、H0.2Li0.8Co1/3Ni1/3Mn1/3O2で表される本発明のプロトン含有遷移金属酸化物の粉末bを得た。粉末aの代わりに粉末bを用いたこと以外は実施例1と同様にして、粉末bを含む正極Bを作製した。
[Example 2]
Example 1 except that Co 1/3 Ni 1/3 Mn 1/3 (OH) 2 was used in place of Co 1/2 Ni 1/3 Mn 1/6 (OH) 2 as the transition metal hydroxide In the same manner, a proton-containing transition metal oxide powder b of the present invention represented by H 0.2 Li 0.8 Co 1/3 Ni 1/3 Mn 1/3 O 2 was obtained. A positive electrode B containing the powder b was produced in the same manner as in Example 1 except that the powder b was used instead of the powder a.
[実施例3]
遷移金属水酸化物としてCo1/2Ni1/3Mn1/6(OH)2に代えてCo2/3Ni1/6Mn1/6(OH)2を用いたこと以外は実施例1と同様にして、H0.2Li0.8Co2/3Ni1/6Mn1/6O2で表される本発明のプロトン含有遷移金属酸化物の粉末cを得た。粉末aの代わりに粉末cを用いたこと以外は実施例1と同様にして、粉末cを含む正極Cを作製した。
[Example 3]
Example 1 except that Co 2/3 Ni 1/6 Mn 1/6 (OH) 2 was used in place of Co 1/2 Ni 1/3 Mn 1/6 (OH) 2 as the transition metal hydroxide In the same manner as above, a proton-containing transition metal oxide powder c of the present invention represented by H 0.2 Li 0.8 Co 2/3 Ni 1/6 Mn 1/6 O 2 was obtained. A positive electrode C containing the powder c was produced in the same manner as in Example 1 except that the powder c was used instead of the powder a.
[実施例4]
遷移金属水酸化物としてCo1/2Ni1/3Mn1/6(OH)2に代えてCo1/2Ni1/6Mn1/3(OH)2を用いたこと以外は実施例1と同様にして、H0.2Li0.8Co1/2Ni1/6Mn1/3O2で表される本発明のプロトン含有遷移金属酸化物の粉末dを得た。粉末aの代わりに粉末dを用いたこと以外は実施例1と同様にして、粉末dを含む正極Dを作製した。
[Example 4]
Example 1 except that Co 1/2 Ni 1/6 Mn 1/3 (OH) 2 was used as the transition metal hydroxide instead of Co 1/2 Ni 1/3 Mn 1/6 (OH) 2 In the same manner as above, a proton-containing transition metal oxide powder d represented by H 0.2 Li 0.8 Co 1/2 Ni 1/6 Mn 1/3 O 2 was obtained. A positive electrode D containing the powder d was produced in the same manner as in Example 1 except that the powder d was used instead of the powder a.
[比較例1]
遷移金属水酸化物としてCo1/2Ni1/3Mn1/6(OH)2に代えてCo7/12Ni1/3Mn1/12(OH)2を用いたこと以外は実施例1と同様にして、H0.4Li0.6Co7/12Ni1/3Mn1/12O2で表される本発明のプロトン含有遷移金属酸化物の粉末eを得た。粉末aの代わりに粉末eを用いたこと以外は実施例1と同様にして、粉末eを含む正極Eを作製した。
[Comparative Example 1]
Example 1 except that Co 7/12 Ni 1/3 Mn 1/12 (OH) 2 was used in place of Co 1/2 Ni 1/3 Mn 1/6 (OH) 2 as the transition metal hydroxide In the same manner as above, a proton-containing transition metal oxide powder e of the present invention represented by H 0.4 Li 0.6 Co 7/12 Ni 1/3 Mn 1/12 O 2 was obtained. A positive electrode E containing the powder e was produced in the same manner as in Example 1 except that the powder e was used instead of the powder a.
[比較例2]
遷移金属水酸化物としてCo1/2Ni1/3Mn1/6(OH)2に代えてCo1/4Ni1/3Mn5/12(OH)2を用いたこと以外は実施例1と同様にして、H0.8Li0.2Co1/4Ni1/3Mn5/12O2で表される本発明のプロトン含有遷移金属酸化物の粉末fを得た。粉末aの代わりに粉末fを用いたこと以外は実施例1と同様にして、粉末fを含む正極Fを作製した。
[Comparative Example 2]
Example 1 except that Co 1/4 Ni 1/3 Mn 5/12 (OH) 2 was used in place of Co 1/2 Ni 1/3 Mn 1/6 (OH) 2 as the transition metal hydroxide In the same manner, a proton-containing transition metal oxide powder f represented by the present invention represented by H 0.8 Li 0.2 Co 1/4 Ni 1/3 Mn 5/12 O 2 was obtained. A positive electrode F containing the powder f was produced in the same manner as in Example 1 except that the powder f was used instead of the powder a.
[比較例3]
遷移金属水酸化物としてCo1/2Ni1/3Mn1/6(OH)2に代えてCo3/4Ni1/6Mn1/12(OH)2を用いたこと以外は実施例1と同様にして、H0.4Li0.6Co3/4Ni1/6Mn1/12O2で表される本発明のプロトン含有遷移金属酸化物の粉末gを得た。粉末aの代わりに粉末gを用いたこと以外は実施例1と同様にして、粉末gを含む正極Gを作製した。
[Comparative Example 3]
Example 1 except that Co 3/4 Ni 1/6 Mn 1/12 (OH) 2 was used in place of Co 1/2 Ni 1/3 Mn 1/6 (OH) 2 as the transition metal hydroxide In the same manner as above, a powder g of proton-containing transition metal oxide of the present invention represented by H 0.4 Li 0.6 Co 3/4 Ni 1/6 Mn 1/12 O 2 was obtained. A positive electrode G containing the powder g was produced in the same manner as in Example 1 except that the powder g was used instead of the powder a.
[比較例4]
遷移金属水酸化物としてCo1/2Ni1/3Mn1/6(OH)2に代えてCo5/12Ni1/6Mn5/12(OH)2を用いたこと以外は実施例1と同様にして、H0.8Li0.2Co5/12Ni1/6Mn5/12O2で表される本発明のプロトン含有遷移金属酸化物の粉末hを得た。粉末aの代わりに粉末hを用いたこと以外は実施例1と同様にして、粉末hを含む正極Hを作製した。
[Comparative Example 4]
Example 1 except that Co 5/12 Ni 1/6 Mn 5/12 (OH) 2 was used in place of Co 1/2 Ni 1/3 Mn 1/6 (OH) 2 as the transition metal hydroxide In the same manner as above, a proton-containing transition metal oxide powder h represented by H 0.8 Li 0.2 Co 5/12 Ni 1/6 Mn 5/12 O 2 was obtained. A positive electrode H containing the powder h was produced in the same manner as in Example 1 except that the powder h was used instead of the powder a.
[比較例5]
遷移金属水酸化物としてCo1/2Ni1/3Mn1/6(OH)2に代えてCo7/12Ni1/12Mn1/3(OH)2を用いたこと以外は実施例1と同様にして、H0.4Li0.6Co7/12Ni1/12Mn1/3O2で表される本発明のプロトン含有遷移金属酸化物の粉末iを得た。粉末aの代わりに粉末iを用いたこと以外は実施例1と同様にして、粉末iを含む正極Iを作製した。
[Comparative Example 5]
Example 1 except that Co 7/12 Ni 1/12 Mn 1/3 (OH) 2 was used in place of Co 1/2 Ni 1/3 Mn 1/6 (OH) 2 as the transition metal hydroxide In the same manner as above, a proton-containing transition metal oxide powder i of the present invention represented by H 0.4 Li 0.6 Co 7/12 Ni 1/12 Mn 1/3 O 2 was obtained. A positive electrode I containing the powder i was produced in the same manner as in Example 1 except that the powder i was used instead of the powder a.
[比較例6]
遷移金属水酸化物としてCo1/2Ni1/3Mn1/6(OH)2に代えてCo1/4Ni5/12Mn1/3(OH)2を用いたこと以外は実施例1と同様にして、H0.5Li0.5Co1/4Ni5/12Mn1/3O2で表される本発明のプロトン含有遷移金属酸化物の粉末jを得た。粉末aの代わりに粉末jを用いたこと以外は実施例1と同様にして、粉末jを含む正極Jを作製した。
[Comparative Example 6]
Example 1 except that Co 1/4 Ni 5/12 Mn 1/3 (OH) 2 was used in place of Co 1/2 Ni 1/3 Mn 1/6 (OH) 2 as the transition metal hydroxide In the same manner as above, a proton-containing transition metal oxide powder j represented by H 0.5 Li 0.5 Co 1/4 Ni 5/12 Mn 1/3 O 2 was obtained. A positive electrode J containing the powder j was produced in the same manner as in Example 1 except that the powder j was used instead of the powder a.
[比較例7]
遷移金属水酸化物としてCo1/2Ni1/3Mn1/6(OH)2に代えてCo3/4Ni1/12Mn1/6(OH)2を用いたこと以外は実施例1と同様にして、H0.4Li0.6Co3/4Ni1/12Mn1/6O2で表される本発明のプロトン含有遷移金属酸化物の粉末kを得た。粉末aの代わりに粉末kを用いたこと以外は実施例1と同様にして、粉末kを含む正極Kを作製した。
[Comparative Example 7]
Example 1 except that Co 3/4 Ni 1/12 Mn 1/6 (OH) 2 was used in place of Co 1/2 Ni 1/3 Mn 1/6 (OH) 2 as the transition metal hydroxide In the same manner, a proton-containing transition metal oxide powder k of the present invention represented by H 0.4 Li 0.6 Co 3/4 Ni 1/12 Mn 1/6 O 2 was obtained. A positive electrode K containing the powder k was produced in the same manner as in Example 1 except that the powder k was used instead of the powder a.
[比較例8]
遷移金属水酸化物としてCo1/2Ni1/3Mn1/6(OH)2に代えてCo5/12Ni5/12Mn1/6(OH)2を用いたこと以外は実施例1と同様にして、H0.5Li0.5Co5/12Ni5/12Mn1/6O2で表される本発明のプロトン含有遷移金属酸化物の粉末lを得た。粉末aの代わりに粉末lを用いたこと以外は実施例1と同様にして、粉末lを含む正極Lを作製した。
[Comparative Example 8]
Example 1 except that Co 5/12 Ni 5/12 Mn 1/6 (OH) 2 was used in place of Co 1/2 Ni 1/3 Mn 1/6 (OH) 2 as the transition metal hydroxide In the same manner as above, a proton-containing transition metal oxide powder l represented by H 0.5 Li 0.5 Co 5/12 Ni 5/12 Mn 1/6 O 2 was obtained. A positive electrode L containing the powder l was produced in the same manner as in Example 1 except that the powder l was used instead of the powder a.
[比較例9]
遷移金属水酸化物としてCo1/2Ni1/3Mn1/6(OH)2に代えてCo1/6Ni1/6Mn2/3(OH)2を用いたこと以外は実施例1と同様にして、H0.8Li0.2Co1/6Ni1/6Mn2/3O2で表される本発明のプロトン含有遷移金属酸化物の粉末mを得た。粉末aの代わりに粉末mを用いたこと以外は実施例1と同様にして、粉末mを含む正極Mを作製した。
[Comparative Example 9]
Example 1 except that Co 1/6 Ni 1/6 Mn 2/3 (OH) 2 was used in place of Co 1/2 Ni 1/3 Mn 1/6 (OH) 2 as the transition metal hydroxide In the same manner, a proton-containing transition metal oxide powder m represented by the present invention represented by H 0.8 Li 0.2 Co 1/6 Ni 1/6 Mn 2/3 O 2 was obtained. A positive electrode M containing the powder m was produced in the same manner as in Example 1 except that the powder m was used instead of the powder a.
[比較例10]
実施例1と同じ遷移金属水酸化物(Co2/3Ni1/6Mn1/6(OH)2)97gを炭酸リチウム74gとを混合して、大気中で12時間、1000℃で焼結して、LiCo2/3Ni1/6Mn1/6O2で表されるプロトン含有遷移金属酸化物の粉末nを得た。粉末aの代わりに粉末nを用いたこと以外は実施例1と同様にして、粉末nを含む正極Nを作製した。
[Comparative Example 10]
97 g of the same transition metal hydroxide (Co 2/3 Ni 1/6 Mn 1/6 (OH) 2 ) as in Example 1 was mixed with 74 g of lithium carbonate and sintered at 1000 ° C. for 12 hours in the atmosphere. Thus, a proton-containing transition metal oxide powder n represented by LiCo 2/3 Ni 1/6 Mn 1/6 O 2 was obtained. A positive electrode N containing the powder n was produced in the same manner as in Example 1 except that the powder n was used instead of the powder a.
[プロトン含有遷移金属酸化物の組成分析]
実施例1〜4および比較例1〜10で得られた粉末a〜nに含まれるリチウム含有量は誘導結合プラズマ分析(ICP)を用いて定量した。また、粉末a〜nの遷移金属の平均価数を酸化還元適定で測定した。
[Composition analysis of proton-containing transition metal oxides]
The lithium content contained in the powders a to n obtained in Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 10 was quantified using inductively coupled plasma analysis (ICP). Moreover, the average valence of the transition metals of the powders a to n was measured by redox titration.
粉末a〜nに含まれるプロトン含有遷移金属酸化物の組成を表1に示した。なお、表1において、「y(Li含有量)」はLi/(Coi+Ni+Mn)のモル比を示す。また、粉末a〜nの遷移金属の平均価数はいずれも3.0であったため、x+y=1となるので、粉末a〜nに含まれる1モルあたりのHの量(x)はつぎの式(2)から求められる。
x=1.0−y(Li含有量)・・・・・・(2)
The composition of the proton-containing transition metal oxide contained in the powders a to n is shown in Table 1. In Table 1, “y (Li content)” indicates a molar ratio of Li / (Coi + Ni + Mn). Moreover, since the average valences of the transition metals of the powders a to n were all 3.0, x + y = 1, so the amount (x) of H per mole contained in the powders a to n is Calculated from (2).
x = 1.0-y (Li content) (2)
[電気化学的な電位挙動の測定]
実施例1〜4で得られた正極A〜Dおよび比較例1〜10で得られた正極E〜Nを、参照極および対極として金属リチウム板を、電解液としてECとDECとの体積比1:1の混合溶媒に1mol/dm3のLiClO4を溶解させたものを用い、3極式のガラスセルを製作した。この電極の電気化学的な電位挙動はつぎのようにして調べた。
[Measurement of electrochemical potential behavior]
The positive electrodes A to D obtained in Examples 1 to 4 and the positive electrodes E to N obtained in Comparative Examples 1 to 10 were used as a reference electrode and a counter electrode, a metallic lithium plate, and a volume ratio 1 of EC and DEC as an electrolytic solution. A tripolar glass cell was prepared using 1 mol / dm 3 LiClO 4 dissolved in a 1: 1 mixed solvent. The electrochemical potential behavior of this electrode was examined as follows.
25℃において、電流0.1CmAで4.3Vvs.Li/Li+まで充電したのち、1.5Vvs.Li/Li+まで放電をおこなった。その1サイクル目の充電容量および放電容量を表2に示す。 At 25 ° C., 4.3 Vvs. At a current of 0.1 CmA. After charging to Li / Li + , 1.5Vvs. Discharge was performed to Li / Li + . The charge capacity and discharge capacity of the first cycle are shown in Table 2.
表2からわかるように、実施例1〜4の正極A〜Dでは、比較例10の正極Nと比較して、活物質の質量あたり193.4〜194.9mAhという特に大きな充電電気量および活物質の質量あたり285.2〜290.9mAhの大きな放電容量を得ることができた。 As can be seen from Table 2, in the positive electrodes A to D of Examples 1 to 4, compared with the positive electrode N of Comparative Example 10, a particularly large charge electric charge and activity of 193.4 to 194.9 mAh per mass of the active material were obtained. A large discharge capacity of 285.2 to 290.9 mAh per mass of material could be obtained.
ここで、1サイクル目に電位が貴にシフトする充電はリチウムの脱離にあたり、プロトン含有遷移金属酸化物から電気化学的にリチウムが脱離することが可能であることが明らかになった。 Here, it was clarified that the charge in which the potential is preciously shifted in the first cycle is desorption of lithium, and that lithium can be electrochemically desorbed from the proton-containing transition metal oxide.
一方、比較例1〜9の正極E〜Mでは、充分な充放電容量が得られなかった。この理由としては、Niの価数を制御する目的で置換したMnが十分に固溶しなかったことが原因であると考えられる。 On the other hand, in the positive electrodes E to M of Comparative Examples 1 to 9, a sufficient charge / discharge capacity was not obtained. The reason is considered to be that Mn substituted for the purpose of controlling the valence of Ni was not sufficiently dissolved.
なお、実施例1〜4で用いたプロトン含有遷移金属酸化物の粉末a〜dでは、電池に組み立てる前はすべてx+y=1であったが、x+yの値は水酸化リチウム水溶液および酸化剤の濃度、反応温度および反応時間などの合成条件によって、任意の値を得ることができる。例えば、実施例1で、水酸化リチウム水溶液の濃度を3.5mol/dm3とし、攪拌時間を12時間とした場合、遷移金属の平均価数が2.5、y=0.6のプロトン含有遷移金属酸化物が得られた。ここで、x+y=1.5であるので、x=0.9である。 The proton-containing transition metal oxide powders a to d used in Examples 1 to 4 were all x + y = 1 before assembling the batteries, but the values of x + y were the concentrations of the lithium hydroxide aqueous solution and the oxidizing agent. Depending on the synthesis conditions such as reaction temperature and reaction time, any value can be obtained. For example, in Example 1, when the concentration of the lithium hydroxide aqueous solution is 3.5 mol / dm 3 and the stirring time is 12 hours, the transition metal has an average valence of 2.5 and y = 0.6. A transition metal oxide was obtained. Here, since x + y = 1.5, x = 0.9.
[実施例5および6]
[実施例5]
実施例1で得られた正極活物質粉末aを含む電極Aを正極板とした。30mmW×40mmLの大きさの金属Li箔を負極板とした。このようにして得られた正極および負極を、厚さ20μm、多孔度40%の連通多孔体であるポリエチレンセパレータを間に挟んで重ねて、高さ70mm、幅34mm、厚さ1mmの容器中に挿入して、内部に非水電解液を注入することによって、本発明の実施例5の非水電解質二次電池Oを得た。この非水電解液には、エチレンカーボネート(EC)とエチルメチルカーボネート(EMC)との体積比1:1の混合溶媒に1mol/dm3のLiPF6を溶解したものを用いた。
[Examples 5 and 6]
[Example 5]
The electrode A containing the positive electrode active material powder a obtained in Example 1 was used as a positive electrode plate. A metal Li foil having a size of 30 mmW × 40 mmL was used as the negative electrode plate. The positive electrode and the negative electrode thus obtained were stacked with a polyethylene separator, which is a continuous porous body having a thickness of 20 μm and a porosity of 40%, sandwiched therebetween, and placed in a container having a height of 70 mm, a width of 34 mm, and a thickness of 1 mm. The nonaqueous electrolyte secondary battery O of Example 5 of the present invention was obtained by inserting and injecting a nonaqueous electrolyte therein. As this non-aqueous electrolyte, a solution obtained by dissolving 1 mol / dm 3 of LiPF 6 in a mixed solvent of ethylene carbonate (EC) and ethyl methyl carbonate (EMC) in a volume ratio of 1: 1 was used.
[実施例6]
実施例1で得られた正極活物質粉末aを含む電極Aを正極板とした。さらに、平均粒径10μmの鱗片状黒鉛80質量%とPVDF20質量%とをNMP中で混合してペーストを作製した。このペーストを厚さ15μmの銅箔上に塗布して、150℃で乾燥することにより、NMPを蒸発させた。これを、ロールプレスで圧縮成型し、スリッターで30mmW×40mmL×35μmTの大きさに切断して負極板を作製した。
[Example 6]
The electrode A containing the positive electrode active material powder a obtained in Example 1 was used as a positive electrode plate. Further, 80% by mass of flaky graphite having an average particle size of 10 μm and 20% by mass of PVDF were mixed in NMP to prepare a paste. This paste was applied onto a copper foil having a thickness of 15 μm and dried at 150 ° C. to evaporate NMP. This was compression molded with a roll press and cut into a size of 30 mmW × 40 mmL × 35 μmT with a slitter to prepare a negative electrode plate.
さらにまた、このようにして得られた正極および負極を、厚さ20μm、多孔度40%の連通多孔体であるポリエチレンセパレータを間に挟んで重ねて、高さ70mm、幅34 mm、厚さ1mmの容器中に挿入して、内部に非水電解液を注入することによって、本発明の実施例6の非水電解質二次電池Pを得た。この非水電解液には、エチレンカーボネート(EC)とエチルメチルカーボネート(EMC)との体積比1:1の混合溶媒に1mol/dm3のLiPF6を溶解したものを用いた。 Furthermore, the positive electrode and the negative electrode thus obtained were stacked with a polyethylene separator, which is a continuous porous body having a thickness of 20 μm and a porosity of 40%, interposed therebetween, and had a height of 70 mm, a width of 34 mm, and a thickness of 1 mm. The nonaqueous electrolyte secondary battery P of Example 6 of the present invention was obtained by inserting it into the container and injecting a nonaqueous electrolyte therein. As this non-aqueous electrolyte, a solution obtained by dissolving 1 mol / dm 3 of LiPF 6 in a mixed solvent of ethylene carbonate (EC) and ethyl methyl carbonate (EMC) in a volume ratio of 1: 1 was used.
電池OおよびPを、25℃において、0.2CmAで4.2Vまでの定電流−定電圧で8時間充電した後、1.5Vまで0.2CmAの定電流での放電を50サイクルおこなった。1サイクル目の放電容量に対する50サイクル目のその割合を「放電容量維持率、%」とする。その結果を1サイクル目の充電電気量および放電容量とあわせて表3に示す。 The batteries O and P were charged at a constant current-constant voltage of up to 4.2 V at 0.2 CmA at 25 ° C. for 8 hours, and then discharged at a constant current of 0.2 CmA up to 1.5 V for 50 cycles. The ratio at the 50th cycle to the discharge capacity at the 1st cycle is defined as “discharge capacity maintenance rate,%”. The results are shown in Table 3 together with the charge amount and discharge capacity in the first cycle.
これらの電池は、それぞれ、繰り返し充放電をすることが可能であった。また、実施例6の電池Pは、放電は4.2Vから1.5Vまで、連続的に変化して放電容量の値は正極あたり約147mAh/gに相当し、電池として充分実用的な値である。さらに50サイクル後の放電容量維持率は92.0%と、リチウム金属負極を用いた実施例5の電池Oと比較して、優れたサイクル性能を示した。 Each of these batteries could be repeatedly charged and discharged. In addition, the battery P of Example 6 has a discharge that continuously changes from 4.2 V to 1.5 V, and the value of the discharge capacity corresponds to about 147 mAh / g per positive electrode. is there. Furthermore, the discharge capacity retention rate after 50 cycles was 92.0%, which was superior to the battery O of Example 5 using a lithium metal negative electrode, indicating excellent cycle performance.
[実施例7〜12]
[実施例7]
遷移金属水酸化物としてCo1/2Ni1/3Mn1/6(OH)2に代えてCo5/12Ni1/3Mn1/6Al1/12(OH)2を用いたこと以外は実施例1と同様にして、H0.2Li0.8Co5/12Ni1/3Mn1/6Al1/12O2で表される本発明のプロトン含有遷移金属酸化物の粉末qを得た。粉末aの代わりに粉末qを用いたこと以外は実施例1と同様にして、粉末qを含む正極Qを作製した。
[Examples 7 to 12]
[Example 7]
Other than using Co 5/12 Ni 1/3 Mn 1/6 Al 1/12 (OH) 2 instead of Co 1/2 Ni 1/3 Mn 1/6 (OH) 2 as the transition metal hydroxide Is a powder of a proton-containing transition metal oxide of the present invention represented by H 0.2 Li 0.8 Co 5/12 Ni 1/3 Mn 1/6 Al 1/12 O 2 as in Example 1. q was obtained. A positive electrode Q containing the powder q was produced in the same manner as in Example 1 except that the powder q was used instead of the powder a.
[実施例8]
遷移金属水酸化物としてCo1/2Ni1/3Mn1/6(OH)2に代えてCo5/12Ni1/3Mn1/6Mg1/12(OH)2を用いたこと以外は実施例1と同様にして、H0.2Li0.8Co5/12Ni1/3Mn1/6Mg1/12O2で表される本発明のプロトン含有遷移金属酸化物の粉末rを得た。粉末aの代わりに粉末rを用いたこと以外は実施例1と同様にして、粉末rを含む正極Rを作製した。
[Example 8]
Other than using Co 5/12 Ni 1/3 Mn 1/6 Mg 1/12 (OH) 2 instead of Co 1/2 Ni 1/3 Mn 1/6 (OH) 2 as the transition metal hydroxide Is a proton-containing transition metal oxide powder represented by H 0.2 Li 0.8 Co 5/12 Ni 1/3 Mn 1/6 Mg 1/12 O 2 as in Example 1. r was obtained. A positive electrode R containing the powder r was produced in the same manner as in Example 1 except that the powder r was used instead of the powder a.
[実施例9]
遷移金属水酸化物としてCo1/2Ni1/3Mn1/6(OH)2に代えてCo5/12Ni1/3Mn1/6Zn1/12(OH)2を用いたこと以外は実施例1と同様にして、H0.2Li0.8Co5/12Ni1/3Mn1/6Zn1/12O2で表される本発明のプロトン含有遷移金属酸化物の粉末sを得た。粉末aの代わりに粉末sを用いたこと以外は実施例1と同様にして、粉末sを含む正極Sを作製した。
[Example 9]
Other than using Co 5/12 Ni 1/3 Mn 1/6 Zn 1/12 (OH) 2 instead of Co 1/2 Ni 1/3 Mn 1/6 (OH) 2 as the transition metal hydroxide Is a powder of a proton-containing transition metal oxide of the present invention represented by H 0.2 Li 0.8 Co 5/12 Ni 1/3 Mn 1/6 Zn 1/12 O 2 in the same manner as in Example 1. s was obtained. A positive electrode S containing the powder s was produced in the same manner as in Example 1 except that the powder s was used instead of the powder a.
[実施例10]
遷移金属水酸化物としてCo1/2Ni1/3Mn1/6(OH)2に代えてCo5/12Ni1/3Mn1/6Cr1/12(OH)2を用いたこと以外は実施例1と同様にして、H0.2Li0.8Co5/12Ni1/3Mn1/6Cr1/12O2で表される本発明のプロトン含有遷移金属酸化物の粉末tを得た。粉末aの代わりに粉末tを用いたこと以外は実施例1と同様にして、粉末tを含む正極Tを作製した。
[Example 10]
Other than using Co 5/12 Ni 1/3 Mn 1/6 Cr 1/12 (OH) 2 instead of Co 1/2 Ni 1/3 Mn 1/6 (OH) 2 as the transition metal hydroxide Is a powder of the proton-containing transition metal oxide of the present invention represented by H 0.2 Li 0.8 Co 5/12 Ni 1/3 Mn 1/6 Cr 1/12 O 2 as in Example 1. t was obtained. A positive electrode T containing the powder t was produced in the same manner as in Example 1 except that the powder t was used instead of the powder a.
[実施例11]
遷移金属水酸化物としてCo1/2Ni1/3Mn1/6(OH)2に代えてCo4/10Ni1/3Mn1/6Al1/10(OH)2を用いたこと以外は実施例1と同様にして、H0.2Li0.8Co 4/10Ni1/3Mn1/6Al1/10O2で表される本発明のプロトン含有遷移金属酸化物の粉末uを得た。粉末aの代わりに粉末uを用いたこと以外は実施例1と同様にして、粉末uを含む正極Uを作製した。
[Example 11]
Other than using Co 4/10 Ni 1/3 Mn 1/6 Al 1/10 (OH) 2 instead of Co 1/2 Ni 1/3 Mn 1/6 (OH) 2 as the transition metal hydroxide in the same manner as in example 1, the proton-containing transition metal oxide of the present invention represented by H 0.2 Li 0.8 C o 4/ 10 Ni 1/3 Mn 1/6 Al 1/10 O 2 A powder u was obtained. A positive electrode U containing the powder u was produced in the same manner as in Example 1 except that the powder u was used instead of the powder a.
[実施例12]
遷移金属水酸化物としてCo1/2Ni1/3Mn1/6(OH)2に代えてCo4/10Ni1/3Mn1/6Mg1/10(OH)2を用いたこと以外は実施例1と同様にして、H0.2Li0.8Co4/10Ni1/3Mn1/6Mg1/10O2で表される本発明のプロトン含有遷移金属酸化物の粉末vを得た。粉末aの代わりに粉末vを用いたこと以外は実施例1と同様にして、粉末vを含む正極Vを作製した。
[Example 12]
Other than using Co 4/10 Ni 1/3 Mn 1/6 Mg 1/10 (OH) 2 instead of Co 1/2 Ni 1/3 Mn 1/6 (OH) 2 as the transition metal hydroxide Is a powder of a proton-containing transition metal oxide of the present invention represented by H 0.2 Li 0.8 Co 4/10 Ni 1/3 Mn 1/6 Mg 1/10 O 2 as in Example 1. v was obtained. A positive electrode V containing the powder v was produced in the same manner as in Example 1 except that the powder v was used instead of the powder a.
[電気化学的な電位挙動の測定]
実施例7〜12で得られた正極Q〜Vを、実施例1と同じ3極式のガラスセルを用い、実施例1と同じ条件で、電気化学的な電位挙動を調べた。その1サイクル目の充電容量および放電容量を表4に示す。
[Measurement of electrochemical potential behavior]
Electrochemical potential behavior of the positive electrodes Q to V obtained in Examples 7 to 12 was examined using the same tripolar glass cell as in Example 1 under the same conditions as in Example 1. The charge capacity and discharge capacity in the first cycle are shown in Table 4.
表4からわかるように、実施例7〜12の正極Q〜Vでは、活物質の質量あたりの充電電気量および放電容量は、実施例1〜4と同程度であることがわかった。この結果から、H0.2Li0.8Co1/2Ni1/3Mn1/6O2で表されるプロトン含有遷移金属酸化物のCoの一部を、Co、Ni、Mn以外の金属元素で置換し、置換量が1/10以下の場合には、置換しなかった場合と同程度の活物質の質量あたりの充電電気量および放電容量が得られることがわかった。 As can be seen from Table 4, in the positive electrodes Q to V of Examples 7 to 12, it was found that the amount of charge and the discharge capacity per mass of the active material were comparable to those of Examples 1 to 4. From this result, a part of Co in the proton-containing transition metal oxide represented by H0.2Li0.8Co1 / 2Ni1 / 3Mn1 / 6O2 is substituted with a metal element other than Co, Ni, Mn, and the substitution amount is 1 / in the case of 10 or less, it was found that the amount of charge and discharge capacity of Ri per mass of comparable active material and if not replaced can be obtained.
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