JP5135912B2 - Positive electrode active material for lithium secondary battery, positive electrode for lithium secondary battery and lithium secondary battery using the same - Google Patents
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Description
本発明は、リチウム二次電池用正極活物質材料、およびこの正極活物質材料を用いたリチウム二次電池用正極、並びにこのリチウム二次電池用正極を備えるリチウム二次電池に関する。 The present invention relates to a positive electrode active material for a lithium secondary battery, a positive electrode for a lithium secondary battery using the positive electrode active material, and a lithium secondary battery including the positive electrode for a lithium secondary battery.
リチウム二次電池は、エネルギー密度及び出力密度等に優れ、小型、軽量化に有効であるため、ノート型パソコン、携帯電話及びハンディビデオカメラ等の携帯機器の電源としてその需要は急激な伸びを示している。リチウム二次電池はまた、電気自動車や電力のロードレベリング等の電源としても注目されており、近年ではハイブリッド電気自動車用電源としての需要が急速に拡大しつつある。特に電気自動車用途においては、低コスト、安全性、寿命(特に高温下)、負荷特性に優れることが必要であり、材料面での改良が望まれている。 Lithium secondary batteries are excellent in energy density and output density, and are effective in reducing the size and weight. Therefore, the demand for power supplies for portable devices such as notebook computers, mobile phones, and handy video cameras is growing rapidly. ing. Lithium secondary batteries are also attracting attention as power sources for electric vehicles and power load leveling, and in recent years, demand for power sources for hybrid electric vehicles is rapidly expanding. In particular, in electric vehicle applications, it is necessary to be excellent in low cost, safety, life (particularly under high temperature) and load characteristics, and improvements in materials are desired.
リチウム二次電池を構成する材料のうち、正極活物質材料としては、リチウムイオンを脱離・挿入可能な機能を有する物質が使用可能である。これら正極活物質材料は種々あり、それぞれ特徴を持っている。また、性能改善に向けた共通の課題として負荷特性向上が挙げられ、材料面での改良が強く望まれている。
さらに、低コスト、安全性、寿命(特に高温下)にも優れた、性能バランスの良い材料が求められている。
Among the materials constituting the lithium secondary battery, as the positive electrode active material, a substance having a function capable of desorbing and inserting lithium ions can be used. There are various types of these positive electrode active material materials, each having its own characteristics. In addition, a common problem for improving performance is to improve load characteristics, and improvements in materials are strongly desired.
Furthermore, there is a demand for a material with a good performance balance that is excellent in low cost, safety, and life (particularly under high temperatures).
現在、リチウム二次電池用の正極活物質材料としては、スピネル構造を有するリチウムマンガン系複合酸化物、層状リチウムニッケル系複合酸化物、層状リチウムコバルト系複合酸化物などが実用化されている。これらのリチウム含有複合酸化物を用いたリチウム二次電池は、いずれも特性面で利点と欠点を有する。即ち、スピネル構造を有するリチウムマンガン系複合酸化物は、安価で合成が比較的容易であり、電池とした時の安全性に優れる反面、容量が低く、高温特性(サイクル、保存)が劣る。層状リチウムニッケル系複合酸化物は、容量が高く、高温特性に優れる反面、合成が難しく、電池とした時の安全性に劣り、保管にも注意を要する等の欠点を抱えている。層状リチウムコバルト系複合酸化物は、合成が容易かつ電池性能バランスが優れているため、携帯機器用の電源として広く用いられているが、安全性が不十分な点や高コストである点が大きな欠点となっている。 Currently, lithium manganese composite oxides having a spinel structure, layered lithium nickel composite oxides, layered lithium cobalt composite oxides, and the like have been put into practical use as positive electrode active material materials for lithium secondary batteries. All of the lithium secondary batteries using these lithium-containing composite oxides have advantages and disadvantages in terms of characteristics. That is, a lithium manganese composite oxide having a spinel structure is inexpensive and relatively easy to synthesize, and is excellent in safety when used as a battery, but has a low capacity and inferior high-temperature characteristics (cycle and storage). Layered lithium-nickel composite oxides have high capacity and excellent high-temperature characteristics, but are difficult to synthesize, have inferior safety when used as batteries, and have drawbacks such as requiring careful storage. Layered lithium cobalt-based composite oxides are widely used as power sources for portable devices because they are easy to synthesize and have an excellent balance of battery performance. However, they are not sufficient in safety and costly. It is a drawback.
こうした現状において、これらの正極活物質材料が抱えている欠点が克服ないしは極力低減され、かつ電池性能バランスに優れる活物質材料の有力候補として、層状構造を有するリチウムニッケルマンガンコバルト系複合酸化物が提案されている。特に近年における低コスト化要求、高電圧化要求、安全化要求の高まりの中で、いずれの要求にも応え得る正極活物質材料として有望視されている。 Under such circumstances, lithium nickel manganese cobalt-based composite oxides with a layered structure have been proposed as promising candidates for active material materials that can overcome or reduce the shortcomings of these positive electrode active material materials and are excellent in battery performance balance. Has been. Particularly, in recent years, demands for lowering costs, higher voltages, and increasing safety demands are promising as positive electrode active material materials that can meet any of the demands.
ただし、その低コスト化、高電圧化、及び安全性の程度は、組成比によって変化するため、更なる低コスト化、より高い上限電圧を設定しての使用、より高い安全性の要求に対しては、マンガン/ニッケル原子比を概ね1以上としたり、コバルト比率を低減させたりするなど、限られた組成範囲のものを選択して使用する必要がある。しかしながら、このような組成範囲のリチウムニッケルマンガンコバルト系複合酸化物を正極材料として使用したリチウム二次電池は、レートや出力特性等の負荷特性が低下するため、実用化に際しては、更なる改良が必要であった。 However, the degree of cost reduction, higher voltage, and safety will vary depending on the composition ratio. Therefore, for further cost reduction, use with a higher upper limit voltage, and higher safety requirements. Therefore, it is necessary to select and use one having a limited composition range such as a manganese / nickel atomic ratio of approximately 1 or more, or a reduction in the cobalt ratio. However, a lithium secondary battery using a lithium nickel manganese cobalt based composite oxide having such a composition range as a positive electrode material has reduced load characteristics such as rate and output characteristics. It was necessary.
そこで、本発明者は、レート・出力特性といった負荷特性向上という課題を解決するためには、活物質を焼成する段階において十分に結晶性の高いものとしつつも粒成長及び焼結を抑えて微細な粒子を得ることが重要と考え、鋭意検討した結果、とりわけ層状リチウムニッケルマンガンコバルト系複合酸化物において、W等の特定の元素を含有する化合物を添加後、一定以上の温度で焼成することにより、粒成長及び焼結の抑えられた微細な粒子からなるリチウム遷移金属系化合物粉体が得られることを見出し、リチウム二次電池用正極材料として、低コスト化、耐高電圧化、高安全化に加え、レートや出力特性といった負荷特性の向上との両立が可能なものとした。しかしながら、前記特性メリットを活かしつつ、更なる高容量化を図るためには更なる改良が必要であった。 Therefore, in order to solve the problem of improving the load characteristics such as rate and output characteristics, the present inventor has made the fineness by suppressing the grain growth and sintering while making the active material sufficiently high in the stage of firing. As a result of diligent investigations, especially in layered lithium nickel manganese cobalt-based composite oxides, after adding a compound containing a specific element such as W, firing at a temperature above a certain level Found that lithium transition metal compound powder consisting of fine particles with suppressed grain growth and sintering can be obtained, and as a positive electrode material for lithium secondary batteries, low cost, high voltage resistance, high safety In addition, the load characteristics such as rate and output characteristics can be improved. However, further improvement is necessary to further increase the capacity while taking advantage of the above-mentioned characteristic merit.
なお、従来、本発明に係るリチウム含有遷移金属複合酸化物粉体A(リチウムニッケルマンガンコバルト系複合酸化物粉体)について、本発明が示すところの製法かつ「焼成時の粒成長及び焼結を抑制する添加剤」を添加処理したことを記載した文献はないが、正極活物質材料の改良を目的として、リチウムニッケルマンガンコバルト系複合酸化物に、W,Mo,Nb,Ta,Reを含む化合物等を添加処理又は置換処理した公知の文献として、以下の特許文献1〜12及び非特許文献1、2が開示されている。しかしながら、これら公知文献にはいずれも、本発明のリチウム含有遷移金属複合酸化物粉体B(スピネル構造を有するリチウムマンガン系複合酸化物粉体)と混合したものをリチウム二次電池用正極活物質材料として用いることの記載は無い。 Conventionally, for the lithium-containing transition metal composite oxide powder A (lithium nickel manganese cobalt based composite oxide powder) according to the present invention, the production method indicated by the present invention and “grain growth and sintering during firing”. Although there is no document describing the addition treatment of “suppressing additive”, a compound containing W, Mo, Nb, Ta, Re in lithium nickel manganese cobalt based composite oxide for the purpose of improving the positive electrode active material The following patent documents 1 to 12 and non-patent documents 1 and 2 are disclosed as well-known documents in which addition processing or substitution processing is performed. However, any of these known documents includes a mixture of the lithium-containing transition metal composite oxide powder B (lithium manganese composite oxide powder having a spinel structure) of the present invention and a positive electrode active material for a lithium secondary battery. There is no description of using as a material.
また、本発明で示したリチウム含有遷移金属複合酸化物粉体Aのベースとなる層状リチウムニッケルマンガンコバルト系複合酸化物について、電池性能の改良を目的として、異種のリチウム含有遷移金属複合酸化物と混合して用いることを記載した公知の文献として、以下の特許文献13〜75及び非特許文献3〜5が開示されている。
しかしながら、特許文献13〜46及び非特許文献3〜5には、いずれも本発明で規定するリチウム含有遷移金属複合酸化物粉体B(スピネル構造を有するリチウムマンガン系複合酸化物粉体)と混合したものをリチウム二次電池用正極活物質材料として用いることの記載は無い。
In addition, regarding the layered lithium nickel manganese cobalt-based composite oxide that is the base of the lithium-containing transition metal composite oxide powder A shown in the present invention, for the purpose of improving battery performance, different lithium-containing transition metal composite oxides and The following patent documents 13 to 75 and non-patent documents 3 to 5 are disclosed as known documents describing the use of the mixture.
However, Patent Documents 13 to 46 and Non-Patent Documents 3 to 5 are all mixed with lithium-containing transition metal composite oxide powder B (lithium manganese composite oxide powder having a spinel structure) defined in the present invention. There is no description that the obtained material is used as a positive electrode active material for a lithium secondary battery.
一方、特許文献47〜68については、本発明で規定するリチウム含有遷移金属複合酸化物粉体B(スピネル構造を有するリチウムマンガン系複合酸化物粉体)と混合したものをリチウム二次電池用正極活物質材料として用いることの記載が認められる。
しかしながら、ここで使用されているリチウム含有遷移金属複合酸化物粉体A(層状リチウムニッケルマンガンコバルト系複合酸化物粉体)にあっては、本発明が示すところの製法かつ「焼成時の粒成長及び焼結を抑制する添加剤」を添加処理したことの記載は無く、さらに層状リチウムニッケルマンガンコバルト系複合酸化物に、W,Mo,Nb,Ta,Reを含む化合物等を添加処理又は置換処理したことも明記されていない。
On the other hand, in Patent Documents 47 to 68, a mixture of lithium-containing transition metal composite oxide powder B (lithium manganese composite oxide powder having a spinel structure) defined in the present invention is used as a positive electrode for a lithium secondary battery. Description of use as an active material is recognized.
However, in the lithium-containing transition metal composite oxide powder A (layered lithium nickel manganese cobalt composite oxide powder) used here, the production method indicated by the present invention and “grain growth during firing” In addition, there is no description of the addition treatment of “additive that suppresses sintering”, and addition treatment or substitution treatment of a compound containing W, Mo, Nb, Ta, Re or the like to the layered lithium nickel manganese cobalt based composite oxide There is no mention of what was done.
特許文献69〜75には、本発明が示すところの製法かつ「焼成時の粒成長及び焼結を抑制する添加剤」を添加処理したことの記載はないが、層状リチウムニッケルマンガンコバルト系複合酸化物に、W,Mo,Nb,Ta,Reを含む化合物等を添加処理又は置換処理したことの記載がある。しかしながら、これらについては、いずれも本発明が規定する製法とは異なっていることに加え、文言上、上記元素のいずれかの記載がなされているのみであり、具体的実施例も認められない。
前述の如く、本発明者らは、先に、層状リチウムニッケルマンガンコバルト系複合酸化物において、W等の特定の元素を含有する化合物を添加後、一定以上の温度で焼成することにより、粒成長及び焼結の抑えられた微細な粒子からなるリチウム遷移金属系化合物粉体が得られることを見出し、この知見に基いて、リチウム二次電池正極材料として、低コスト化、耐高電圧化、高安全化に加え、レートや出力特性といった負荷特性の向上との両立が可能なものとしたが、なお、更なる高特性化を図るべく改良が望まれている。 As mentioned above, the present inventors previously added a compound containing a specific element such as W in the layered lithium nickel manganese cobalt-based composite oxide, and then baked at a certain temperature or higher to thereby grow grains. And lithium transition metal compound powder composed of fine particles with suppressed sintering, and based on this knowledge, as a lithium secondary battery positive electrode material, cost reduction, high voltage resistance, high In addition to safety, load characteristics such as rate and output characteristics can be improved at the same time. However, improvements are desired to achieve higher characteristics.
本発明の目的は、リチウム二次電池用正極活物質材料としての使用において、レート・出力特性といった負荷特性の向上を図り、さらに好ましくは低コスト化、耐高電圧化及び高安全性化の両立が可能なリチウム二次電池用正極活物質材料と、この正極活物質材料を用いたリチウム二次電池用正極、並びにこのリチウム二次電池用正極を備えるリチウム二次電池を提供することにある。 An object of the present invention is to improve load characteristics such as rate and output characteristics in use as a positive electrode active material for a lithium secondary battery, and more preferably to achieve both low cost, high voltage resistance and high safety. It is intended to provide a positive electrode active material for a lithium secondary battery, a positive electrode for a lithium secondary battery using the positive electrode active material, and a lithium secondary battery including the positive electrode for a lithium secondary battery.
本発明者は、低コスト化、耐高電圧化、高安全化に加え、レート・出力特性といった負荷特性の更なる向上を図るという課題を解決するべく鋭意検討を重ねた結果、W等の特定の元素を含有する化合物を添加後、一定以上の温度で焼成することにより、粒成長及び焼結の抑えられた微細な粒子からなる層状リチウムニッケルマンガンコバルト系複合酸化物粉体Aと、遷移金属として少なくともMnを含有するスピネル構造のリチウムマンガン系複合酸化物粉体Bとを併用し、これらを混合して用いることにより、前述の改善効果を損なうことなく、更なる特性の改善を図ることができ、高負荷特性、耐高電圧性、高安全性で、低コスト化が可能なリチウム二次電池用正極活物質材料を得ることができることを見出し、本発明を完成するに至った。 As a result of intensive studies to solve the problem of further improving load characteristics such as rate and output characteristics in addition to cost reduction, high voltage resistance and high safety, the present inventor has identified W and the like. Layered lithium nickel manganese cobalt based composite oxide powder A composed of fine particles with suppressed grain growth and sintering, and transition metal In combination with a spinel-structured lithium manganese composite oxide powder B containing at least Mn as a mixture, these can be mixed and used to further improve the characteristics without impairing the above-described improvement effect. And found that a positive electrode active material for a lithium secondary battery capable of reducing the cost with high load characteristics, high voltage resistance and high safety can be obtained, and the present invention has been completed. .
即ち、本発明のリチウム二次電池用正極活物質材料は、リチウム化合物と、少なくともMn、Ni、及びCoを含む1種類以上の遷移金属化合物と、焼成時の粒成長及び焼結を抑制する添加剤とを、液体媒体中で粉砕し、これらを均一に分散させたスラリーを得るスラリー調製工程と、得られたスラリーを噴霧乾燥する噴霧乾燥工程と、得られた噴霧乾燥粉体を焼成する焼成工程とを少なくとも含む製造方法により得られたリチウム含有遷移金属化合物粉体Aと、スピネル構造(空間群Fd−3m(No.227))を有し、Li及び遷移金属として少なくともMnを含有するリチウム含有遷移金属複合酸化物粉体Bとを混合したものであることを特徴とする(請求項1)。 That is, the positive electrode active material for a lithium secondary battery of the present invention includes a lithium compound, at least one transition metal compound containing at least Mn, Ni, and Co, and an additive that suppresses grain growth and sintering during firing. A slurry preparation step for pulverizing the agent in a liquid medium and obtaining a slurry in which these are uniformly dispersed, a spray drying step for spray drying the obtained slurry, and a firing for firing the obtained spray-dried powder Lithium-containing transition metal compound powder A obtained by a production method including at least a process, and lithium having a spinel structure (space group Fd-3m (No. 227)) and containing at least Mn as Li and a transition metal The transition metal composite oxide powder B is mixed (claim 1).
本発明のリチウム二次電池用正極活物質材料は、リチウム含有遷移金属複合酸化物粉体Aとリチウム含有遷移金属複合酸化物粉体Bの混合割合が、重量比で20:1〜1:20の範囲であることが好ましい(請求項2)。 In the positive electrode active material for a lithium secondary battery of the present invention, the mixing ratio of the lithium-containing transition metal composite oxide powder A and the lithium-containing transition metal composite oxide powder B is 20: 1 to 1:20 by weight ratio. It is preferable that it is in the range (claim 2).
また、リチウム含有遷移金属複合酸化物粉体Aは、スラリー調製工程において、リチウム化合物及び、前記遷移金属化合物と、前記添加剤とを、液体媒体中で、レーザー回折/散乱式粒度分布測定装置によって、屈折率を1.24に設定し、粒子径基準を体積基準として、5分間の超音波分散(出力30W、周波数22.5kHz)後に測定するメジアン径が0.4μm以下になるまで粉砕し、噴霧乾燥工程において、噴霧乾燥時のスラリー粘度をV(cp)、スラリー供給量をS(L/min)、ガス供給量をG(L/min)とした際、50cp≦V≦4000cp、1500≦G/S≦5000となる条件で噴霧乾燥を行い、焼成工程において、前記噴霧乾燥粉体を、酸素含有ガス雰囲気下、950℃以上で焼成する製造方法で得られたものであることが好ましい(請求項3)。 In addition, the lithium-containing transition metal composite oxide powder A is obtained in the slurry preparation step by using a laser diffraction / scattering type particle size distribution measurement device in a liquid medium containing the lithium compound, the transition metal compound, and the additive. Then, the refractive index is set to 1.24, the particle diameter reference is volume reference, and the mixture is pulverized until the median diameter measured after 5 minutes of ultrasonic dispersion (output 30 W, frequency 22.5 kHz) is 0.4 μm or less, In the spray drying process, when the slurry viscosity during spray drying is V (cp), the slurry supply amount is S (L / min), and the gas supply amount is G (L / min), 50 cp ≦ V ≦ 4000 cp, 1500 ≦ It is obtained by a production method in which spray drying is performed under conditions of G / S ≦ 5000, and the spray-dried powder is fired at 950 ° C. or higher in an oxygen-containing gas atmosphere in the firing step. It is preferable that (claim 3).
また、リチウム含有遷移金属複合酸化物粉体Aにおいて、焼成時の粒成長や焼結を抑制する添加剤は、Mo、W、Nb、Ta、及びReよりなる群から選ばれる1種以上の元素を含有する酸化物であることが好ましい(請求項4)。 In the lithium-containing transition metal composite oxide powder A, the additive for suppressing grain growth and sintering during firing is one or more elements selected from the group consisting of Mo, W, Nb, Ta, and Re. It is preferable that it is an oxide containing (Claim 4).
また、リチウム含有遷移金属複合酸化物粉体Aは、層状構造に帰属する結晶構造を含んで構成されるリチウムニッケルマンガンコバルト系複合酸化物を主成分としたものであることが好ましい(請求項8)。 Further, the lithium-containing transition metal composite oxide powder A, it is preferable that the main component of the formed lithium nickel manganese cobalt-based composite oxide containing a crystal structure having a layered structure (claim 8 ).
また、リチウム含有遷移金属複合酸化物粉体Aは、組成が、下記組成式(I)で表され、かつMo、W、Nb、Ta、及びReよりなる群から選ばれる1種以上の元素を含有してなるものが好ましい。
LiMO2 …(I)
〔ただし、上記式(I)中、
Mは、Li、Ni及びMn、或いは、Li、Ni、Mn及びCoから構成される元素であり
Mn/Niモル比は0.8以上、5以下
Co/(Mn+Ni+Co)モル比は0以上、0.35以下、
M中のLiモル比は0.001以上、0.2以下
である。〕
Further, the lithium-containing transition metal composite oxide powder A has a composition represented by the following composition formula (I) and one or more elements selected from the group consisting of Mo, W, Nb, Ta, and Re. those comprising is not preferred.
LiMO 2 (I)
[However, in the above formula (I),
M is an element composed of Li, Ni and Mn, or Li, Ni, Mn and Co. Mn / Ni molar ratio is 0.8 or more and 5 or less Co / (Mn + Ni + Co) molar ratio is 0 or more, 0 .35 or less,
Li molar ratio in M is 0.001 or more and 0.2 or less. ]
さらに、リチウム含有遷移金属複合酸化物粉体Aは、前記組成式(I)中のMが、下記組成式(II)で表されることが好ましい。
M=Liz/(2+z){(Ni(1+y)/2Mn(1-y)/2)1-xCox}2/(2+z) …(II)
〔ただし、上記式(II)中、
0≦x≦0.1
−0.1≦y≦0.1
(1−x)(0.05−0.98y)≦z≦(1−x)(0.20−0.88y)
である。〕
Furthermore, lithium-containing transition metal complex oxide powder A is, M in the composition formula (I) is, it is not preferable to be represented by the following formula (II).
M = Liz / (2 + z) {(Ni (1 + y) / 2 Mn (1-y) / 2 ) 1-x Co x } 2 / (2 + z) (II)
[However, in the above formula (II),
0 ≦ x ≦ 0.1
−0.1 ≦ y ≦ 0.1
(1-x) (0.05-0.98y) ≤z≤ (1-x) (0.20-0.88y)
It is. ]
また、リチウム含有遷移金属複合酸化物粉体Bは、組成が、下記組成式(III)で表されるものが好ましい。
Li(Mn2-x'-y'Lix'M’y')O4 …(III)
〔ただし、上記式(III)中、M’は、Mn及びLi以外のMn(16d)サイトに置換し得る少なくとも1種以上の金属元素であり、x’は0.01〜0.10、y’は0.01〜0.5である。〕
Further, the lithium-containing transition metal complex oxide powder B has a composition of, not preferred those represented by the following formula (III).
Li (Mn 2-x'-y 'Li x' M 'y') O 4 ... (III)
[In the above formula (III), M ′ is at least one metal element that can be substituted with Mn (16d) sites other than Mn and Li, and x ′ is 0.01 to 0.10, y 'Is 0.01 to 0.5. ]
ここで、本発明のリチウム二次電池用正極活物質材料は、レーザー回折/散乱式粒度分布測定装置によって、屈折率を1.24に設定し、粒子径基準を体積基準として、5分間の超音波分散(出力30W、周波数22.5kHz)後に測定されたメジアン径が0.5μm以上、10μm以下であるものが好ましい(請求項9)。 Here, the positive electrode active material for the lithium secondary battery of the present invention is set to a refractive index of 1.24 using a laser diffraction / scattering type particle size distribution measuring device, and the particle size standard is a volume standard. It is preferable that the median diameter measured after sonic dispersion (output 30 W, frequency 22.5 kHz) is 0.5 μm or more and 10 μm or less (Claim 9).
さらに、本発明のリチウム二次電池用正極活物質材料は、BET比表面積が0.5m2/g以上、5m2/g以下であることが好ましい(請求項10)。 Furthermore, the positive electrode active material for a lithium secondary battery of the present invention preferably has a BET specific surface area of 0.5 m 2 / g or more and 5 m 2 / g or less (claim 10).
さらに、本発明のリチウム二次電池用正極活物質材料は、嵩密度が0.5g/cm3以上、2.5g/cm3以下であることが好ましい(請求項11)。 Furthermore, the positive electrode active material for a lithium secondary battery of the present invention preferably has a bulk density of 0.5 g / cm 3 or more and 2.5 g / cm 3 or less (claim 11).
さらに、本発明のリチウム二次電池用正極活物質材料は、40MPaの圧力で圧密した時の体積抵抗率が50Ω・cm以上、1×106Ω・cm以下であることが好ましい(請求項12)。 Furthermore, the positive electrode active material for a lithium secondary battery of the present invention preferably has a volume resistivity of 50 Ω · cm or more and 1 × 10 6 Ω · cm or less when consolidated at a pressure of 40 MPa. ).
さらに、本発明のリチウム二次電池用正極活物質材料は、含有炭素濃度をC(重量%)とした時、C値が0.005重量%以上、0.1重量%以下であることが好ましい(請求項13)。 Furthermore, the positive electrode active material for a lithium secondary battery of the present invention preferably has a C value of 0.005 wt% or more and 0.1 wt% or less when the carbon concentration is C (wt%). (Claim 13).
本発明のリチウム二次電池用正極は、前記のリチウム二次電池用正極活物質材料と結着剤とを少なくとも含有する正極活物質層を集電体上に有することを特徴とする(請求項14)。 The positive electrode for a lithium secondary battery of the present invention has a positive electrode active material layer containing at least the positive electrode active material for a lithium secondary battery and a binder on a current collector (claim). 14).
本発明のリチウム二次電池は、リチウムを吸蔵・放出可能な負極、リチウム塩を含有する非水電解質、及びリチウムを吸蔵・放出可能な正極を備えたリチウム二次電池であって、正極としてこのような本発明のリチウム二次電池用正極を用いたことを特徴とする(請求項15)。 The lithium secondary battery of the present invention is a lithium secondary battery comprising a negative electrode capable of inserting and extracting lithium, a non-aqueous electrolyte containing a lithium salt, and a positive electrode capable of inserting and extracting lithium. Such a positive electrode for a lithium secondary battery of the present invention is used (claim 15).
本発明のリチウム二次電池用正極活物質材料は、リチウム二次電池正極材料として用いた場合、低コスト化及び高安全性化、負荷特性の向上を図ることができる。このため、本発明によれば、安価で安全性が高く、しかも性能の優れたリチウム二次電池が提供される。 When the positive electrode active material for a lithium secondary battery according to the present invention is used as a positive electrode material for a lithium secondary battery, it is possible to reduce costs, increase safety, and improve load characteristics. Therefore, according to the present invention, a lithium secondary battery that is inexpensive, highly safe, and excellent in performance is provided.
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明するが、以下に記載する構成要件の説明は、本発明の実施態様の一例(代表例)であり、本発明はその要旨を超えない限り、これらの内容に特定はされない。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. However, the description of the constituent elements described below is an example (representative example) of an embodiment of the present invention, and the present invention is not limited to the gist of the present invention. The content of is not specified.
[リチウム二次電池用正極活物質材料]
本発明のリチウム二次電池用正極活物質材料(以下「正極活物質」と称す場合がある。)は、Liイオンを脱離、挿入することが可能な構造を有する化合物からなり、少なくとも特定の2種類の化合物(以下のリチウム含有遷移金属複合酸化物粉体Aとリチウム含有遷移金属複合酸化物粉体B)を混合したものであることを特徴とする。
[Positive electrode active material for lithium secondary battery]
The positive electrode active material for a lithium secondary battery of the present invention (hereinafter sometimes referred to as “positive electrode active material”) comprises a compound having a structure capable of desorbing and inserting Li ions, and at least a specific material Two types of compounds (the following lithium-containing transition metal composite oxide powder A and lithium-containing transition metal composite oxide powder B) are mixed.
本発明のリチウム二次電池用正極活物質材料において、リチウム含有遷移金属複合酸化物粉体Aとリチウム含有遷移金属複合酸化物粉体Bの混合割合の範囲としては、重量比で、通常20:1以上、1:20以下、好ましくは15:1以上、1:15以下、さらに好ましくは10:1以上、1:10以下、最も好ましくは5:1以上、1:5以下である。この範囲を逸脱すると、本発明の効果を得にくくなる虞がある。 In the positive electrode active material for a lithium secondary battery of the present invention, the mixing ratio of the lithium-containing transition metal composite oxide powder A and the lithium-containing transition metal composite oxide powder B is usually 20: 1 or more and 1:20 or less, preferably 15: 1 or more and 1:15 or less, more preferably 10: 1 or more and 1:10 or less, and most preferably 5: 1 or more and 1: 5 or less. If it deviates from this range, the effects of the present invention may be difficult to obtain.
<リチウム含有遷移金属化合物粉体A>
本発明のリチウム含有遷移金属複合酸化物粉体Aは、リチウム化合物と、少なくともMn、Ni、及びCoを含む1種類以上の遷移金属化合物と、焼成時の粒成長及び焼結を抑制する添加剤とを、液体媒体中で粉砕し、これらを均一に分散させたスラリーを得るスラリー調製工程と、得られたスラリーを噴霧乾燥する噴霧乾燥工程と、得られた噴霧乾燥粉体を焼成する焼成工程とを少なくとも含む製造方法により得たものであり、遷移金属として少なくともMn、Ni、及びCoを含み、さらに焼成時の粒成長及び焼結を抑制する添加剤に由来する元素を含んで構成される。
<Lithium-containing transition metal compound powder A>
The lithium-containing transition metal composite oxide powder A of the present invention comprises a lithium compound, one or more transition metal compounds containing at least Mn, Ni, and Co, and an additive that suppresses grain growth and sintering during firing. Are prepared in a liquid medium, and a slurry preparation step for obtaining a slurry in which these are uniformly dispersed, a spray drying step for spray-drying the obtained slurry, and a firing step for firing the obtained spray-dried powder And at least Mn, Ni, and Co as transition metals, and further includes elements derived from additives that suppress grain growth and sintering during firing. .
また、リチウム含有遷移金属複合酸化物粉体Aを製造するにあたり、スラリー調製工程において、リチウム化合物及び、前記遷移金属化合物と、前記添加剤とを、液体媒体中で、レーザー回折/散乱式粒度分布測定装置によって、屈折率を1.24に設定し、粒子径基準を体積基準として、5分間の超音波分散(出力30W、周波数22.5kHz)後に測定するメジアン径が0.4μm以下になるまで粉砕し、噴霧乾燥工程において、噴霧乾燥時のスラリー粘度をV(cp)、スラリー供給量をS(L/min)、ガス供給量をG(L/min)とした際、50cp≦V≦4000cp、1500≦G/S≦5000となる条件で噴霧乾燥を行い、焼成工程において、前記噴霧乾燥粉体を、酸素含有ガス雰囲気下、950℃以上で焼成することにより、特に優れた性能を発現できる。 In producing the lithium-containing transition metal composite oxide powder A, in the slurry preparation step, the lithium compound, the transition metal compound, and the additive are dispersed in a laser diffraction / scattering particle size distribution in a liquid medium. With the measuring device, the refractive index is set to 1.24, the particle diameter reference is the volume reference, and the median diameter measured after 5 minutes of ultrasonic dispersion (output 30 W, frequency 22.5 kHz) is 0.4 μm or less. In the spray drying process, when the slurry viscosity during spray drying is V (cp), the slurry supply amount is S (L / min), and the gas supply amount is G (L / min), 50 cp ≦ V ≦ 4000 cp Spray drying is performed under the condition of 1500 ≦ G / S ≦ 5000, and the spray-dried powder is fired at 950 ° C. or higher in an oxygen-containing gas atmosphere in the firing step. And allows expression particularly excellent performance.
また、本発明のリチウム含有遷移金属複合酸化物粉体Aは、層状構造に帰属する結晶構造を含んで構成されるものが好ましい。 In addition, the lithium-containing transition metal composite oxide powder A of the present invention preferably includes a crystal structure belonging to a layered structure.
<リチウム含有遷移金属複合酸化物粉体B>
本発明のリチウム含有遷移金属複合酸化物粉体Bは、Li及び遷移金属元素として少なくともMnを含有してなるスピネル構造を有する複合酸化物からなる。
スピネル構造を有するものは、一般的にLiMe2O4(Meは少なくともMnを含む1種以上の元素)と表され、具体的にはLiMn2O4、LiMn2−x−yLixAlyO4、LiCoMnO4、LiNi0.5Mn1.5O4などが挙げられるが、Mnの一部を置換する元素については、これに限定されない。
<Lithium-containing transition metal composite oxide powder B>
The lithium-containing transition metal composite oxide powder B of the present invention comprises a composite oxide having a spinel structure containing at least Mn as Li and a transition metal element.
Those having a spinel structure are generally expressed as LiMe 2 O 4 (Me is one or more elements including at least Mn), specifically, LiMn 2 O 4 , LiMn 2−xy Li x Al y. Examples include O 4 , LiCoMnO 4 , and LiNi 0.5 Mn 1.5 O 4 , but the element that substitutes a part of Mn is not limited thereto.
<焼成時の粒成長や焼結を抑制する添加剤>
本発明において、「焼成時の粒成長や焼結を抑制する添加剤」とは、高温焼成時における正極活物質の一次粒子間又は二次粒子間の焼結を抑制するなどして、活物質粒子の成長
を抑制し、高結晶化を図りつつ、微細で多数空隙を有する粉体性状を得る効果があるものをいう。
<Additives that suppress grain growth and sintering during firing>
In the present invention, the term “additive that suppresses grain growth and sintering during firing” refers to an active material that suppresses sintering between primary particles or secondary particles during positive electrode active material firing at a high temperature. This refers to those that have the effect of suppressing the growth of particles and achieving high crystallization, and obtaining a fine powder property having a large number of voids.
本発明において、焼成時の粒成長や焼結を抑制する添加剤として添加する特定の化合物が、焼成時の粒成長や焼結を抑制する効果を発現する機構は明らかではないが、実施例と
して原子価が5価又は6価をとり得る金属元素から構成される化合物が共通して効果を発現することから、これらが、リチウム遷移金属系化合物を構成するカチオン元素のいずれとも異なる、5〜7価といった高価数状態を安定にとり得るものであり、固相反応によって殆ど固溶しない結果、リチウム遷移金属系化合物粒子の表面又は粒界に偏在することになる。そのため、正極材活物質粒子同士の接触による物質移動が阻害され、粒子の成長や焼結が抑制されたものと推察している。
In the present invention, the specific compound added as an additive that suppresses grain growth and sintering during firing is not clear as to the mechanism that exerts the effect of suppressing grain growth and sintering during firing. Since compounds composed of metal elements that can be pentavalent or hexavalent have common effects, they are different from any of the cationic elements that constitute the lithium transition metal-based compound. It is possible to stably take an expensive number state such as a valence, and as a result of being hardly dissolved by a solid-phase reaction, it is unevenly distributed on the surface or grain boundary of the lithium transition metal compound particles. Therefore, it is presumed that the mass transfer due to the contact between the positive electrode active material particles is inhibited, and the growth and sintering of the particles are suppressed.
添加剤の種類としては、前記効果を発現するものであればその種類に格別の制限はないが、高価数状態が安定なMo、W、Nb、Ta、Reといった元素から選ばれる元素(以下この添加剤由来の元素を「添加元素」と称す場合がある。)を含有する化合物が好ましく、これらの元素を適宜2種以上組合せて用いても良い。通常これらの元素を含有する添加剤は酸化物材料が用いられる。 The type of additive is not particularly limited as long as it exhibits the above effects, but an element selected from elements such as Mo, W, Nb, Ta, and Re that are stable in an expensive state (hereinafter referred to as this type). An additive-derived element is sometimes referred to as an “additive element”.) Is preferable, and two or more of these elements may be appropriately used in combination. Usually, an oxide material is used as the additive containing these elements.
添加剤としての例示化合物としては、MoO、MoO2、MoO3、MoOx、Mo2O3、Mo2O5、Li2MoO4、WO、WO2、WO3、WOx、W2O3、W2O5、W18O49、W20O58、W24O70,W25O73、W40O118、Li2WO4、NbO、NbO2、Nb2O、Nb2O5、Nb4O、Nb6O、LiNbO3、TaO、TaO2、Ta2O5、LiTaO3、ReO2、ReO3、Re2O3などが挙げられ、好ましくはMoO3、Li2MoO4、WO3、Li2WO4、LiNbO3、Ta2O5、LiTaO3、ReO3が挙げられ、より好ましくはWO3、Li2WO4、ReO3が挙げられ、最も好ましくはWO3が挙げられる。 Exemplary compounds as an additive, MoO, MoO 2, MoO 3 , MoO x, Mo 2 O 3, Mo 2 O 5, Li 2 MoO 4, WO, WO 2, WO 3, WO x, W 2 O 3 , W 2 O 5 , W 18 O 49 , W 20 O 58 , W 24 O 70 , W 25 O 73 , W 40 O 118 , Li 2 WO 4 , NbO, NbO 2 , Nb 2 O, Nb 2 O 5 , Nb 4 O, Nb 6 O, LiNbO 3 , TaO, TaO 2 , Ta 2 O 5 , LiTaO 3 , ReO 2 , ReO 3 , Re 2 O 3 and the like can be mentioned, preferably MoO 3 , Li 2 MoO 4 , WO 3, Li 2 WO 4, LiNbO 3, Ta 2 O 5, LiTaO 3, ReO 3 , and more preferably include include WO 3, Li 2 WO 4, ReO 3, most Mashiku can be mentioned WO 3.
これらの添加剤の添加量の範囲としては、リチウム含有遷移金属複合酸化物粉体Aの主成分原料を構成する遷移金属元素の合計モル量に対して、添加元素の割合が通常0.01モル%以上、好ましくは0.03モル%以上、より好ましくは0.04モル%以上、特に好ましくは0.05モル%以上、通常2モル%未満、好ましくは1.8モル%以下、さらに好ましくは1.5モル%以下、特に好ましくは1.3モル%以下となるような量である。添加剤の添加量がこの下限を下回ると、前記効果が得られなくなる可能性があり、上限を超えると電池性能の低下を招く可能性がある。 As the range of the amount of these additives, the ratio of the additive element is usually 0.01 mol with respect to the total molar amount of the transition metal elements constituting the main component raw material of the lithium-containing transition metal composite oxide powder A. % Or more, preferably 0.03 mol% or more, more preferably 0.04 mol% or more, particularly preferably 0.05 mol% or more, usually less than 2 mol%, preferably 1.8 mol% or less, more preferably The amount is 1.5 mol% or less, particularly preferably 1.3 mol% or less. If the additive amount is less than this lower limit, the effect may not be obtained, and if it exceeds the upper limit, battery performance may be deteriorated.
<リチウム含有遷移金属複合酸化物粉体Aの好適組成>
本発明のリチウム含有遷移金属複合酸化物粉体Aは、下記組成式(I)で示され、前述の焼成時の粒成長や焼結を抑制する添加剤に由来するMo、W、Nb、Ta、及びReよりなる群から選ばれる1種以上の元素を含有するものであることが好ましい。
<Preferable composition of lithium-containing transition metal composite oxide powder A>
The lithium-containing transition metal composite oxide powder A of the present invention is represented by the following composition formula (I), and is derived from the additive for suppressing the grain growth and sintering during the firing described above, Mo, W, Nb, Ta And one or more elements selected from the group consisting of Re.
LiMO2 …(I)
〔ただし、上記式(I)中、
Mは、Li、Ni及びMn、或いは、Li、Ni、Mn及びCoから構成される元素であり
Mn/Niモル比は0.8以上、5以下
Co/(Mn+Ni+Co)モル比は0以上、0.35以下、
M中のLiモル比は0.001以上、0.2以下
である。〕
LiMO 2 (I)
[However, in the above formula (I),
M is an element composed of Li, Ni and Mn, or Li, Ni, Mn and Co. Mn / Ni molar ratio is 0.8 or more and 5 or less Co / (Mn + Ni + Co) molar ratio is 0 or more, 0 .35 or less,
Li molar ratio in M is 0.001 or more and 0.2 or less. ]
上記式(I)中、Mは、Li、Ni及びMn、或いは、Li、Ni、Mn及びCoから構成される元素であり、Mn/Niモル比通常は0.8以上、好ましくは0.82以上、より好ましくは0.85以上、更に好ましくは0.88以上、最も好ましくは0.9以上、通常5以下、好ましくは4以下、より好ましくは3以下、更に好ましくは2.5以下、最も好ましくは1.5以下である。
Co/(Mn+Ni+Co)モル比は通常0以上、好ましくは0.01以上、より好ましくは0.02以上、更に好ましくは0.03以上、最も好ましくは0.05以上、通常0.30以下、好ましくは0.20以下、より好ましくは0.15以下、更に好ましくは0.10以下、最も好ましくは0.099以下である。
M中のLiモル比は通常0.001以上、好ましくは0.01以上、より好ましくは0.02以上、さらに好ましくは0.03以上、最も好ましくは0.05以上、通常0.2以下、好ましくは0.19以下、より好ましくは0.18以下、さらに好ましくは0.17以下、最も好ましくは0.15以下である。
In the above formula (I), M is an element composed of Li, Ni and Mn, or Li, Ni, Mn and Co. Mn / Ni molar ratio is usually 0.8 or more, preferably 0.82. Or more, more preferably 0.85 or more, further preferably 0.88 or more, most preferably 0.9 or more, usually 5 or less, preferably 4 or less, more preferably 3 or less, still more preferably 2.5 or less, most preferably Preferably it is 1.5 or less.
The Co / (Mn + Ni + Co) molar ratio is usually 0 or more, preferably 0.01 or more, more preferably 0.02 or more, further preferably 0.03 or more, most preferably 0.05 or more, usually 0.30 or less, preferably Is 0.20 or less, more preferably 0.15 or less, still more preferably 0.10 or less, and most preferably 0.099 or less.
The Li molar ratio in M is usually 0.001 or more, preferably 0.01 or more, more preferably 0.02 or more, still more preferably 0.03 or more, most preferably 0.05 or more, usually 0.2 or less, Preferably it is 0.19 or less, More preferably, it is 0.18 or less, More preferably, it is 0.17 or less, Most preferably, it is 0.15 or less.
本発明のリチウム遷移金属系複合酸化物粉体Aは、前記組成式(I)におけるMサイト中の原子構成が下記組成式(II)で示されるものが特に好ましい。 The lithium transition metal-based composite oxide powder A of the present invention is particularly preferably one in which the atomic configuration in the M site in the composition formula (I) is represented by the following composition formula (II).
M=Liz/(2+z){(Ni(1+y)/2Mn(1-y)/2)1-xCox}2/(2+z) …(II)
〔ただし、上記式(II)中、
0≦x≦0.1
−0.1≦y≦0.1
(1−x)(0.05−0.98y)≦z≦(1−x)(0.20−0.88y)
である。〕
M = Liz / (2 + z) {(Ni (1 + y) / 2 Mn (1-y) / 2 ) 1-x Co x } 2 / (2 + z) (II)
[However, in the above formula (II),
0 ≦ x ≦ 0.1
−0.1 ≦ y ≦ 0.1
(1-x) (0.05-0.98y) ≤z≤ (1-x) (0.20-0.88y)
It is. ]
上記式(II)において、xの値は通常0以上、好ましくは0.01以上、より好ましくは0.02以上、更に好ましくは0.03以上、最も好ましくは0.04以上、通常0.1以下、好ましくは0.099以下、最も好ましくは0.098以下である。
yの値は通常−0.1以上、好ましくは−0.05以上、より好ましくは−0.03以上、最も好ましくは−0.02以上、通常0.1以下、好ましくは0.05以下、より好ましくは0.03以下、最も好ましくは0.02以下である。
zの値は通常(1−x)(0.05−0.98y)以上、好ましくは(1−x)(0.06−0.98y)以上、より好ましくは(1−x)(0.07−0.98y)以上、さらに好ましくは(1−x)(0.08−0.98y)以上、最も好ましくは(1−x)(0.10−0.98y)以上、通常(1−x)(0.20−0.88y)以下、好ましくは(1−x)(0.18−0.88y)以下、より好ましくは(1−x)(0.17−0.88y)、最も好ましくは(1−x)(0.16−0.88y)以下である。
In the above formula (II), the value of x is usually 0 or more, preferably 0.01 or more, more preferably 0.02 or more, still more preferably 0.03 or more, most preferably 0.04 or more, usually 0.1. Hereinafter, it is preferably 0.099 or less, and most preferably 0.098 or less.
The value of y is usually −0.1 or more, preferably −0.05 or more, more preferably −0.03 or more, most preferably −0.02 or more, usually 0.1 or less, preferably 0.05 or less, More preferably, it is 0.03 or less, and most preferably 0.02 or less.
The value of z is usually (1-x) (0.05-0.98y) or more, preferably (1-x) (0.06-0.98y) or more, more preferably (1-x) (0. 07-0.98y) or more, more preferably (1-x) (0.08-0.98y) or more, most preferably (1-x) (0.10-0.98y) or more, usually (1- x) (0.20-0.88y) or less, preferably (1-x) (0.18-0.88y) or less, more preferably (1-x) (0.17-0.88y), most Preferably, it is (1-x) (0.16-0.88y) or less.
zがこの下限を下回ると導電性が低下し、上限を超えると遷移金属サイトに置換する量が多くなり過ぎて電池容量が低くなる等、これを使用したリチウム二次電池の性能低下を招く可能性がある。また、zが大きすぎると、活物質粉体の炭酸ガス吸収性が増大するため、大気中の炭酸ガスを吸収しやすくなる。その結果、含有炭素濃度が大きくなると推定される。 If z is below this lower limit, the conductivity will decrease, and if it exceeds the upper limit, the amount of substitution to transition metal sites will increase so much that the battery capacity will decrease, leading to a decrease in the performance of lithium secondary batteries using this. There is sex. On the other hand, if z is too large, the carbon dioxide absorbability of the active material powder increases, so that it becomes easy to absorb carbon dioxide in the atmosphere. As a result, it is estimated that the concentration of contained carbon increases.
なお、上記(II)式の組成範囲において、z値が定比である下限に近い程、電池とした時のレート特性や出力特性が低くなる傾向が見られ、逆にz値が上限に近い程、電池とした時のレート特性や出力特性が高くなるが、一方で容量が低下するという傾向が見られる。また、y値が下限、つまりマンガン/ニッケル原子比が小さい程、低い充電電圧で容量が出るが、高い充電電圧を設定した電池のサイクル特性や安全性が低下する傾向が見られ、逆にy値が上限に近い程、高い充電電圧で設定した電池のサイクル特性や安全性が向上する一方で、放電容量やレート特性、出力特性が低下する傾向が見られる。また、x値が下限に近い程、電池とした時のレート特性や出力特性といった負荷特性が低くなるという傾向が見られ、逆に、x値が上限に近い程、電池とした時のレート特性や出力特性が高くなるが、この上限を超えると、高い充電電圧で設定した場合のサイクル特性や安全性が低下し、また原料コストが高くなる。前記組成パラメータx、y、zを規定範囲とすることは、本発明の重要な構成要素である。 In addition, in the composition range of the above formula (II), the closer the z value is to the lower limit that is a constant ratio, the lower the rate characteristics and output characteristics of the battery, and the z value is closer to the upper limit. As the battery is used, the rate characteristics and output characteristics increase, but on the other hand, the capacity tends to decrease. In addition, the lower the y value, that is, the smaller the manganese / nickel atomic ratio, the higher the capacity is obtained at a lower charging voltage. However, the cycle characteristics and safety of batteries set at a higher charging voltage tend to be reduced. As the value is closer to the upper limit, the cycle characteristics and safety of the battery set at a higher charge voltage are improved, while the discharge capacity, rate characteristics, and output characteristics tend to decrease. In addition, the closer the x value is to the lower limit, the lower the load characteristics such as rate characteristics and output characteristics when the battery is used. Conversely, the closer the x value is to the upper limit, the rate characteristics when the battery is used. However, if this upper limit is exceeded, the cycle characteristics and safety when set at a high charge voltage are reduced, and the raw material cost is increased. Setting the composition parameters x, y, and z within a specified range is an important component of the present invention.
ここで本発明のリチウム含有遷移金属複合酸化物粉体Aの好適組成であるリチウムニッケルマンガンコバルト系複合酸化物におけるLi組成(zおよびx)の化学的な意味について、以下により詳細に説明する。 Here, the chemical meaning of the Li composition (z and x) in the lithium nickel manganese cobalt based composite oxide, which is a preferred composition of the lithium-containing transition metal composite oxide powder A of the present invention, will be described in more detail below.
リチウム含有遷移金属複合酸化物粉体Aは前述の如く、層状構造に帰属する結晶構造を含んで構成されることが好ましい。
ここで、層状構造に関してさらに詳しく述べる。層状構造を有するものの代表的な結晶系としては、LiCoO2、LiNiO2のようなα−NaFeO2型に属するものがあり、これらは六方晶系であり、その対称性から空間群
Here, the layered structure will be described in more detail. As a typical crystal system having a layered structure, there are those belonging to the α-NaFeO 2 type such as LiCoO 2 and LiNiO 2 , which are hexagonal and have a space group due to their symmetry.
ただし、層状LiMeO2とは、層状R(−3)m構造に限るものではない。これ以外にもいわゆる層状Mnと呼ばれるLiMnO2は斜方晶系で空間群Pm2mの層状化合物であり、また、いわゆる213相と呼ばれるLi2MnO3は、Li[Li1/3Mn2/3]O2とも表記でき、単斜晶系の空間群C2/m構造であるが、やはりLi層と[Li1/3Mn2/3]層および酸素層が積層した層状化合物である。
このように層状構造は必ずしもR(−3)m構造に限られるものではないが、R(−3)m構造に帰属しうるものであることが電気化学的な性能面から好ましい。
However, the layered LiMeO 2 is not limited to the layered R (−3) m structure. In addition to this, LiMnO 2 called so-called layered Mn is an orthorhombic and space-group Pm2m layered compound, and Li 2 MnO 3 called so-called 213 phase is Li [Li 1/3 Mn 2/3 ]. O 2 , which is a monoclinic space group C2 / m structure, is also a layered compound in which a Li layer, a [Li 1/3 Mn 2/3 ] layer, and an oxygen layer are stacked.
Thus, the layered structure is not necessarily limited to the R (−3) m structure, but it is preferable from the aspect of electrochemical performance that it can be attributed to the R (−3) m structure.
上記リチウム含有遷移金属複合酸化物の組成式(II)のx、y、zを求めるには、各遷移金属とLiを誘導結合プラズマ発光分光分析装置(ICP−AES)で分析して、Li/Ni/Mn/Coの比を求める事で計算される。 In order to determine x, y, and z in the composition formula (II) of the lithium-containing transition metal composite oxide, each transition metal and Li are analyzed by an inductively coupled plasma emission spectrometer (ICP-AES), and Li / It is calculated by obtaining the ratio of Ni / Mn / Co.
構造的視点では、zに係るLiは、同じ遷移金属サイトに置換されて入っていると考えられる。ここで、zに係るLiによって、電荷中性の原理によりNiの平均価数が2価より大きくなる(3価のNiが生成する)。zはNi平均価数を上昇させるため、Ni価数(Ni(III)の割合)の指標となる。 From a structural point of view, it is considered that Li related to z is substituted for the same transition metal site. Here, due to Li related to z, the average valence of Ni becomes larger than divalent (trivalent Ni is generated) by the principle of charge neutrality. Since z raises the Ni average valence, it becomes an index of the Ni valence (the ratio of Ni (III)).
なお、上記組成式から、zの変化に伴うNi価数(m)を計算すると、Co価数は3価、Mn価数は4価であるとの前提で、
ここで、x値が0≦x≦0.1と、Co量が少ない範囲にあると、コストが低減されることに加え、高い充電電位で充電するように設計されたリチウム二次電池として使用した場合において、充放電容量やサイクル特性、安全性が向上する。 Here, when the x value is in the range of 0 ≦ x ≦ 0.1 and the amount of Co is small, in addition to reducing the cost, it is used as a lithium secondary battery designed to be charged at a high charging potential. In this case, charge / discharge capacity, cycle characteristics, and safety are improved.
なお、前記組成式(I)においては、酸素量の原子比は便宜上2と記載しているが、多少の不定比性があってもよい。不定比性がある場合、酸素の原子比は通常2±0.2の範囲、好ましくは2±0.15の範囲、より好ましくは2±0.12の範囲、さらに好ましくは2±0.10の範囲、特に好ましくは2±0.05の範囲である。 In the composition formula (I), the atomic ratio of the oxygen amount is described as 2 for convenience, but there may be some non-stoichiometry. In the case of non-stoichiometry, the atomic ratio of oxygen is usually in the range of 2 ± 0.2, preferably in the range of 2 ± 0.15, more preferably in the range of 2 ± 0.12, and even more preferably 2 ± 0.10. And particularly preferably in the range of 2 ± 0.05.
また、前述の如く、リチウム含有遷移金属複合酸化物粉体Aを製造する際の、焼成時の粒成長や焼結を抑制する添加剤の添加量は、リチウム含有遷移金属複合酸化物粉体Aの主成分原料を構成する遷移金属元素の合計モル量に対して、添加元素の割合が通常0.01モル%以上、好ましくは0.03モル%以上、より好ましくは0.04モル%以上、特に好ましくは0.05モル%以上、通常2モル%未満、好ましくは1.8モル%以下、さらに好ましくは1.5モル%以下、特に好ましくは1.3モル%以下となるような量であることから、本発明のリチウム含有遷移金属複合酸化物粉体Aには、リチウム含有遷移金属複合酸化物粉体A中の遷移金属元素の合計モル量に対して、通常0.01モル%以上、好ましくは0.03モル%以上、より好ましくは0.04モル%以上、特に好ましくは0.05モル%以上、通常2モル%未満、好ましくは1.8モル%以下、さらに好ましくは1.5モル%以下、特に好ましくは1.3モル%以下の添加剤由来の添加元素が含まれるものとなる。 In addition, as described above, when the lithium-containing transition metal composite oxide powder A is produced, the additive amount for suppressing the grain growth and sintering during firing is determined by the lithium-containing transition metal composite oxide powder A. The ratio of the additive element is usually 0.01 mol% or more, preferably 0.03 mol% or more, more preferably 0.04 mol% or more, relative to the total molar amount of the transition metal elements constituting the main component raw material of Particularly preferably 0.05 mol% or more, usually less than 2 mol%, preferably 1.8 mol% or less, more preferably 1.5 mol% or less, particularly preferably 1.3 mol% or less. Therefore, the lithium-containing transition metal composite oxide powder A of the present invention is usually 0.01 mol% or more with respect to the total molar amount of transition metal elements in the lithium-containing transition metal composite oxide powder A. , Preferably 0.03 mol% or more, More preferably 0.04 mol% or more, particularly preferably 0.05 mol% or more, usually less than 2 mol%, preferably 1.8 mol% or less, more preferably 1.5 mol% or less, particularly preferably 1. The additive element derived from 3 mol% or less additive is included.
また、本発明のリチウム含有遷移金属複合酸化物粉体Aは、異元素が導入されてもよい。異元素としては、B,Na,Mg,Al,Si,K,Ca,Ti,V,Cr,Fe,Cu,Zn,Ga,Ge,Sr,Y,Zr,Ru,Rh,Pd,Ag,In,Sn,Sb,Te,Ba,Os,Ir,Pt,Au,Pb,Bi,La,Ce,Pr,Nd,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Lu,N,F,P,S,Cl,Br,及びIの中から選択される何れか1種以上が挙げられる。これらの異元素は、リチウム含有遷移金属複合酸化物粉体Aの結晶構造内に取り込まれていてもよく、或いは、リチウム含有遷移金属複合酸化物粉体Aの結晶構造内に取り込まれず、その粒子表面や結晶粒界などに単体もしくは化合物として偏在していてもよい。 Further, foreign elements may be introduced into the lithium-containing transition metal composite oxide powder A of the present invention. The different elements include B, Na, Mg, Al, Si, K, Ca, Ti, V, Cr, Fe, Cu, Zn, Ga, Ge, Sr, Y, Zr, Ru, Rh, Pd, Ag, In , Sn, Sb, Te, Ba, Os, Ir, Pt, Au, Pb, Bi, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, N , F, P, S, Cl, Br, and I. These foreign elements may be incorporated into the crystal structure of the lithium-containing transition metal composite oxide powder A, or may not be incorporated into the crystal structure of the lithium-containing transition metal composite oxide powder A, and the particles It may be unevenly distributed as a single substance or a compound on the surface or grain boundary.
<リチウム含有遷移金属複合酸化物粉体Bの好適組成>
本発明のリチウム含有遷移金属複合酸化物粉体Bは、下記組成式(III)で表されるものが好ましい。
<Preferable composition of lithium-containing transition metal composite oxide powder B>
The lithium-containing transition metal composite oxide powder B of the present invention is preferably represented by the following composition formula (III).
Li(Mn2-x'-y'Lix'M’y')O4 …(III)
〔ただし、上記式(III)中、M’は、Mn及びLi以外のMn(16d)サイトに置換し得る少なくとも1種以上の金属元素であり、x’は0.01〜0.10、y’は0.01〜0.5である。〕
Li (Mn 2-x'-y 'Li x' M 'y') O 4 ... (III)
[In the above formula (III), M ′ is at least one metal element that can be substituted with Mn (16d) sites other than Mn and Li, and x ′ is 0.01 to 0.10, y 'Is 0.01 to 0.5. ]
上記(III)式において、x’の値は通常0.01以上、好ましくは0.015以上、より好ましくは0.025以上であり、通常0.10以下、好ましくは0.08以下、更に好ましくは0.05以下、最も好ましくは0.04以下である。x’が小さすぎるとサイクル特性が不十分になることがあり、大きすぎると充放電容量の低下が顕著となる傾向にある。 In the above formula (III), the value of x ′ is usually 0.01 or more, preferably 0.015 or more, more preferably 0.025 or more, usually 0.10 or less, preferably 0.08 or less, more preferably Is 0.05 or less, most preferably 0.04 or less. If x 'is too small, the cycle characteristics may be insufficient, and if it is too large, the charge / discharge capacity tends to decrease significantly.
y’の値は、通常0.01以上であり、好ましくは0.05以上、より好ましくは0.08以上、最も好ましくは0.10以上、通常0.5以下、好ましくは0.4以下、より好ましくは0.3以下、最も好ましくは0.2以下である。y’が大きすぎると充放電容量低下の点で問題が生じることがあり、小さすぎると高温安定化効果を得難くなる。 The value of y ′ is usually 0.01 or more, preferably 0.05 or more, more preferably 0.08 or more, most preferably 0.10 or more, usually 0.5 or less, preferably 0.4 or less, More preferably, it is 0.3 or less, and most preferably 0.2 or less. If y 'is too large, a problem may occur in terms of a decrease in charge / discharge capacity. If y' is too small, it is difficult to obtain a high-temperature stabilization effect.
また、金属元素M’としては、2価以上の金属が好ましい。具体的にはCr、Co、Fe、Ni、Cu、Zn、Ga、Al、Mg、B、Nb、Ta、Mo、W、Sn、Zr等を挙げることができるが、好ましくはCr、Co、Fe、Ga、Alであり、さらに好ましくはCo、Alである。また金属M’として、複数の金属を使用してもよい。 The metal element M ′ is preferably a divalent or higher metal. Specific examples include Cr, Co, Fe, Ni, Cu, Zn, Ga, Al, Mg, B, Nb, Ta, Mo, W, Sn, Zr, and the like, but preferably Cr, Co, Fe Ga and Al, and more preferably Co and Al. A plurality of metals may be used as the metal M ′.
また、上記組成式(III)においては、酸素量の原子比は便宜上4と記載しているが、多少の不定比性があってもよい。不定比性がある場合、酸素の原子比は通常4±0.5の範囲、好ましくは4±0.2の範囲、より好ましくは4±0.1の範囲、さらに好ましくは4±0.05の範囲、特に好ましくは4±0.02の範囲である。 In the composition formula (III), the atomic ratio of the oxygen amount is described as 4 for convenience, but there may be some non-stoichiometry. When there is non-stoichiometry, the atomic ratio of oxygen is usually in the range of 4 ± 0.5, preferably in the range of 4 ± 0.2, more preferably in the range of 4 ± 0.1, and even more preferably 4 ± 0.05. The range is particularly preferably 4 ± 0.02.
<メジアン径及び90%積算径(D90)>
本発明のリチウム二次電池用正極活物質材料のメジアン径は通常0.5μm以上、好ましくは1μm以上、より好ましくは1.3μm以上、更に好ましくは1.6μm以上、最も好ましくは2μm以上で、通常10μm以下、好ましくは9μm以下、より好ましくは8μm以下、更に好ましくは7μm以下、最も好ましくは6μm以下である。メジアン径がこの下限を下回ると、正極活物質層形成時の塗布性に問題を生ずる可能性があり、上限を超えると電池性能の低下をきたす可能性がある。
<Median diameter and 90% integrated diameter ( D90 )>
The median diameter of the positive electrode active material for a lithium secondary battery of the present invention is usually 0.5 μm or more, preferably 1 μm or more, more preferably 1.3 μm or more, further preferably 1.6 μm or more, and most preferably 2 μm or more. Usually, it is 10 μm or less, preferably 9 μm or less, more preferably 8 μm or less, further preferably 7 μm or less, and most preferably 6 μm or less. If the median diameter is less than this lower limit, there is a possibility of causing a problem in applicability at the time of forming the positive electrode active material layer, and if it exceeds the upper limit, battery performance may be deteriorated.
また、本発明のリチウム二次電池用正極活物質材料の二次粒子の90%積算径(D90)は通常20μm以下、好ましくは18μm以下、より好ましくは13μm以下、最も好ましくは10μm以下で、通常1μm以上、好ましくは2μm以上、より好ましくは3μm以上、最も好ましくは4μm以上である。90%積算径(D90)が上記上限を超えると電池性能の低下を来たす可能性があり、下限を下回ると正極活物質層形成時の塗布性に問題を生ずる可能性がある。 The 90% cumulative diameter (D 90 ) of the secondary particles of the positive electrode active material for a lithium secondary battery of the present invention is usually 20 μm or less, preferably 18 μm or less, more preferably 13 μm or less, and most preferably 10 μm or less. Usually, it is 1 μm or more, preferably 2 μm or more, more preferably 3 μm or more, and most preferably 4 μm or more. If the 90% cumulative diameter (D 90 ) exceeds the above upper limit, the battery performance may be deteriorated, and if it is less than the lower limit, there is a possibility of causing a problem in the coating property when forming the positive electrode active material layer.
なお、本発明において、平均粒子径としてのメジアン径及び90%積算径(D90)は、公知のレーザー回折/散乱式粒度分布測定装置によって、屈折率1.24を設定し、粒子径基準を体積基準として測定されたものである。本発明では、測定の際に用いる分散媒として、0.1重量%ヘキサメタリン酸ナトリウム水溶液を用い、5分間の超音波分散(出力30W、周波数22.5kHz)後に測定を行った。 In the present invention, the median diameter and the 90% integrated diameter (D 90 ) as the average particle diameter are set to a refractive index of 1.24 using a known laser diffraction / scattering particle size distribution measuring device, and the particle diameter standard is determined. Measured as a volume reference. In the present invention, a 0.1 wt% sodium hexametaphosphate aqueous solution was used as a dispersion medium used in the measurement, and measurement was performed after 5 minutes of ultrasonic dispersion (output 30 W, frequency 22.5 kHz).
<平均一次粒子径>
本発明のリチウム二次電池用正極活物質材料の一次粒子の平均径(平均一次粒子径)としては、特に限定されないが、下限としては、好ましくは0.1μm以上、より好ましくは0.15μm以上、更に好ましくは0.2μm以上、最も好ましくは0.25μm以上、また、上限としては、好ましくは3μm以下、より好ましくは2.5μm以下、さらに好ましくは2μm以下、最も好ましくは1.5μm以下である。平均一次粒子径が、上記上限を超えると、粉体充填性に悪影響を及ぼしたり、比表面積が低下したりするために、レート特性や出力特性等の電池性能が低下する可能性が高くなる可能性があり、上記下限を下回ると結晶が未発達であるために充放電の可逆性が劣る等の問題を生ずる可能性がある。
<Average primary particle size>
The average primary particle diameter (average primary particle diameter) of the positive electrode active material for a lithium secondary battery of the present invention is not particularly limited, but the lower limit is preferably 0.1 μm or more, more preferably 0.15 μm or more. More preferably, it is 0.2 μm or more, most preferably 0.25 μm or more, and the upper limit is preferably 3 μm or less, more preferably 2.5 μm or less, further preferably 2 μm or less, and most preferably 1.5 μm or less. is there. If the average primary particle size exceeds the above upper limit, it may adversely affect the powder filling property or the specific surface area will decrease, which may increase the possibility that the battery performance such as rate characteristics and output characteristics will decrease. If the value falls below the lower limit, there is a possibility that problems such as inferior reversibility of charge and discharge may occur due to undeveloped crystals.
なお、本発明における平均一次粒子径は、走査型電子顕微鏡(SEM)で観察した平均径であり、30,000倍のSEM画像を用いて、10〜30個程度の一次粒子の粒子径の平均値として求めることができる。 In addition, the average primary particle diameter in this invention is an average diameter observed with the scanning electron microscope (SEM), and the average particle diameter of about 10-30 primary particles using a SEM image of 30,000 times. It can be obtained as a value.
〈BET比表面積〉
本発明のリチウムリチウム二次電池用正極活物質材料はまた、BET比表面積が、通常0.5m2/g以上、好ましくは0.6m2/g以上、更に好ましくは0.8m2/g以上、最も好ましくは1.0m2/g以上で、通常5m2/g以下、好ましくは4m2/g以下、更に好ましくは3m2/g以下、最も好ましくは2.7m2/g以下である。BET比表面積がこの範囲よりも小さいと電池性能が低下しやすく、大きいと嵩密度が上がりにくくなり、正極活物質形成時の塗布性に問題が発生しやすくなる可能性がある。
<BET specific surface area>
The positive electrode active material for a lithium lithium secondary battery of the present invention also has a BET specific surface area of usually 0.5 m 2 / g or more, preferably 0.6 m 2 / g or more, more preferably 0.8 m 2 / g or more. Most preferably, it is 1.0 m 2 / g or more, usually 5 m 2 / g or less, preferably 4 m 2 / g or less, more preferably 3 m 2 / g or less, and most preferably 2.7 m 2 / g or less. If the BET specific surface area is smaller than this range, the battery performance is likely to be lowered, and if it is larger, the bulk density is difficult to increase, and there is a possibility that a problem is likely to occur in the coating property at the time of forming the positive electrode active material.
なお、BET比表面積は、公知のBET式粉体比表面積測定装置によって測定できる。本発明では、大倉理研製:AMS8000型全自動粉体比表面積測定装置を用い、吸着ガスに窒素、キャリアガスにヘリウムを使用し、連続流動法によるBET1点式法測定を行った。具体的には粉体試料を混合ガスにより150℃の温度で加熱脱気し、次いで液体窒素温度まで冷却して混合ガスを吸着させた後、これを水により室温まで加温して吸着された窒素ガスを脱着させ、その量を熱伝導検出器によって検出し、これから試料の比表面積を算出した。 The BET specific surface area can be measured by a known BET type powder specific surface area measuring device. In the present invention, an OMS Riken: AMS8000 type automatic powder specific surface area measuring device was used, nitrogen was used as an adsorption gas, and helium was used as a carrier gas. Specifically, the powder sample was heated and deaerated with a mixed gas at a temperature of 150 ° C., then cooled to liquid nitrogen temperature to adsorb the mixed gas, and then heated to room temperature with water to be adsorbed. Nitrogen gas was desorbed, the amount was detected by a heat conduction detector, and the specific surface area of the sample was calculated therefrom.
<嵩密度>
本発明のリチウム二次電池用正極活物質材料の嵩密度は通常0.5g/cm3以上、好ましくは0.7g/cm3以上、より好ましくは0.9g/cm3以上、最も好ましくは1.0g/cm3以上で、通常2.5g/cm3以下、好ましくは2.3g/cm3以下、より好ましくは2.1g/cm3以下、最も好ましくは1.9g/cm3以下である。嵩密度がこの上限を上回ることは、粉体充填性や電極密度向上にとって好ましい一方、比表面積が低くなり過ぎる可能性があり、電池性能が低下する可能性がある。嵩密度がこの下限を下回ると粉体充填性や電極調製に悪影響を及ぼす可能性がある。
<Bulk density>
The bulk density of the positive electrode active material for a lithium secondary battery of the present invention is usually 0.5 g / cm 3 or more, preferably 0.7 g / cm 3 or more, more preferably 0.9 g / cm 3 or more, most preferably 1. in .0g / cm 3 or more, usually 2.5 g / cm 3 or less, preferably 2.3 g / cm 3 or less, more preferably 2.1 g / cm 3 or less, and most preferably is 1.9 g / cm 3 or less . While the bulk density exceeding this upper limit is preferable for improving powder filling properties and electrode density, the specific surface area may become too low, and battery performance may be reduced. If the bulk density is below this lower limit, there is a possibility of adversely affecting the powder filling property and electrode preparation.
なお、本発明では、嵩密度は、正極活物質5〜10gを10mlのガラス製メスシリンダーに入れ、ストローク約20mmで200回タップした時の粉体充填密度(タップ密度)g/cm3として求める。 In the present invention, the bulk density is determined as the powder packing density (tap density) g / cm 3 when 5 to 10 g of the positive electrode active material is put in a 10 ml glass graduated cylinder and tapped 200 times with a stroke of about 20 mm. .
<体積抵抗率>
本発明のリチウム二次電池用正極活物質材料を40MPaの圧力で圧密した時の体積抵抗率の値は、下限としては、50Ω・cm以上が好ましく、1×102Ω・cm以上がより好ましく、1.5×102Ω・cm以上がさらに好ましい。上限としては、1×106Ω・cm以下が好ましく、5×105Ω・cm以下がより好ましく、1×105Ω・cm以下がさらに好ましい。この体積抵抗率がこの上限を超えると電池とした時の負荷特性が低下する可能性がある。一方、体積抵抗率がこの下限を下回ると、電池とした時の安全性などが低下する可能性がある。
<Volume resistivity>
The volume resistivity value when the positive electrode active material for a lithium secondary battery of the present invention is consolidated at a pressure of 40 MPa is preferably 50 Ω · cm or more as a lower limit, more preferably 1 × 10 2 Ω · cm or more. 1.5 × 10 2 Ω · cm or more is more preferable. The upper limit is preferably 1 × 10 6 Ω · cm or less, more preferably 5 × 10 5 Ω · cm or less, more preferably less than 1 × 10 5 Ω · cm. If this volume resistivity exceeds this upper limit, the load characteristics when used as a battery may be reduced. On the other hand, if the volume resistivity is below this lower limit, the safety of the battery may be reduced.
なお、本発明において、リチウム二次電池用正極活物質材料の体積抵抗率は、四探針・リング電極、電極間隔5.0mm、電極半径1.0mm、試料半径12.5mmで、印加電圧リミッタを90Vとして、正極活物質を40MPaの圧力で圧密した状態で測定した体積抵抗率である。体積抵抗率の測定は、例えば、粉体抵抗測定装置(例えば、ダイアインスツルメンツ社製、ロレスターGP粉体抵抗測定システム)を用い、粉体用プローブユニットにより、所定の加圧下の粉体に対して行うことができる。 In the present invention, the positive electrode active material for the lithium secondary battery has a volume resistivity of four probe / ring electrodes, an electrode interval of 5.0 mm, an electrode radius of 1.0 mm, a sample radius of 12.5 mm, and an applied voltage limiter. Is the volume resistivity measured in a state where the positive electrode active material is compacted at a pressure of 40 MPa, with 90V. The volume resistivity can be measured, for example, by using a powder resistance measuring device (for example, Lorester GP powder resistance measuring system manufactured by Dia Instruments Co., Ltd.) with a powder probe unit on a powder under a predetermined pressure. It can be carried out.
<含有炭素濃度C>
本発明のリチウム二次電池用正極活物質材料の含有炭素濃度C(重量%)値は、通常0.005重量%以上、好ましくは0.01重量%以上、更に好ましくは0.015重量%以上、最も好ましくは0.02重量%以上であり、通常0.1重量%以下、好ましくは0.08重量%以下、更に好ましくは0.06重量%以下、最も好ましくは0.04重量%以下である。C値がこの下限を下回ると電池性能が低下する可能性があり、上限を超えると電池とした時のガス発生による膨れが増大したり電池性能が低下したりする可能性がある。
<Contained carbon concentration C>
The carbon concentration C (wt%) value of the positive electrode active material for a lithium secondary battery of the present invention is usually 0.005 wt% or more, preferably 0.01 wt% or more, more preferably 0.015 wt% or more. Most preferably 0.02% by weight or more, usually 0.1% by weight or less, preferably 0.08% by weight or less, more preferably 0.06% by weight or less, and most preferably 0.04% by weight or less. is there. If the C value is below this lower limit, battery performance may be reduced, and if it exceeds the upper limit, swelling due to gas generation when the battery is produced may increase or battery performance may be reduced.
本発明において、リチウム二次電池用正極活物質材料の含有炭素濃度Cは、後述の実施例の項で示すように、酸素気流中燃焼(高周波加熱炉式)赤外吸収法による測定で求められる。
なお、後述の炭素分析により求めたリチウム二次電池用正極活物質材料の含有炭素成分は、炭酸化合物、特に炭酸リチウムの付着量についての情報を示すものとみなすことができる。これは、炭素分析により求めた炭素量を、全て炭酸イオン由来と仮定した数値と、イオンクロマトグラフィーにより分析した炭酸イオン濃度が概ね一致することによる。
In the present invention, the carbon content C of the positive electrode active material for a lithium secondary battery is determined by measurement using an oxygen gas combustion (high-frequency heating furnace type) infrared absorption method, as shown in the Examples section below. .
In addition, the carbon component contained in the positive electrode active material for a lithium secondary battery obtained by the carbon analysis described later can be regarded as indicating information on the amount of carbonic acid compound, particularly lithium carbonate. This is due to the fact that the carbon amount determined by carbon analysis is assumed to be all derived from carbonate ions, and the carbonate ion concentration analyzed by ion chromatography generally agrees.
一方、電子伝導性を高めるための手法として導電性カーボンと複合化処理をしたりする場合には、前記規定範囲を超えるC量が検出されることがあるが、そのような処理が施された場合におけるC値は、前記規定範囲に限定されるものではない。 On the other hand, when a composite treatment with conductive carbon is performed as a method for increasing the electron conductivity, a C amount exceeding the specified range may be detected, but such a treatment was performed. The C value in the case is not limited to the specified range.
<本発明のリチウム二次電池用正極活物質材料が前述の効果をもたらす理由>
本発明のリチウム二次電池用正極活物質材料が前述の効果をもたらす理由としては、次のように考えられる。
即ち、リチウム含有遷移金属複合酸化物粉体Aとリチウム含有遷移金属複合酸化物粉体Bとを混合してなる混合物を使用すると、それぞれの単独のリチウム遷移金属複合酸化物粉体を使用した場合より、負荷特性と容量、サイクル維持率のバランスが向上した電池性能を発現できる。
<Reason why the positive electrode active material for a lithium secondary battery of the present invention brings about the above-mentioned effect>
The reason why the positive electrode active material for a lithium secondary battery of the present invention brings about the above-described effects is considered as follows.
That is, when a mixture obtained by mixing lithium-containing transition metal composite oxide powder A and lithium-containing transition metal composite oxide powder B is used, each single lithium transition metal composite oxide powder is used. Thus, battery performance with improved balance of load characteristics, capacity, and cycle maintenance ratio can be exhibited.
[リチウム二次電池用正極活物質材料の製造方法]
本発明のリチウム二次電池用正極活物質材料を製造する方法は、リチウム化合物と、少なくともMn、Co、及びNiを含む1種類以上の遷移金属化合物と、焼成時の粒成長及び焼結を抑制する添加剤とを、液体媒体中で粉砕し、これらを均一に分散させたスラリーを得るスラリー調製工程と、得られたスラリーを噴霧乾燥する噴霧乾燥工程と、得られた噴霧乾燥粉体を焼成する焼成工程とを含んで製造されたリチウム含有遷移金属複合酸化物粉体Aと、スピネル構造(空間群Fd−3m(No.227))を有し、Li及び遷移金属として少なくともMnを含有するリチウム含有遷移金属複合酸化物粉体Bとを混合することにより製造される。
[Method for producing positive electrode active material for lithium secondary battery]
The method for producing a positive electrode active material for a lithium secondary battery according to the present invention suppresses grain growth and sintering during firing, a lithium compound, one or more transition metal compounds containing at least Mn, Co, and Ni. A slurry preparation step for obtaining a slurry in which the additive is pulverized in a liquid medium and uniformly dispersing them, a spray drying step for spray drying the obtained slurry, and firing the obtained spray-dried powder And a lithium-containing transition metal composite oxide powder A produced by including a firing step, a spinel structure (space group Fd-3m (No. 227)), and at least Mn as Li and a transition metal. It is produced by mixing lithium-containing transition metal composite oxide powder B.
以下に、本発明のリチウム二次電池用正極活物質材料の製造方法について詳細に説明する。
まず、リチウム含有遷移金属複合酸化物粉体Aの製造方法について説明する。
Below, the manufacturing method of the positive electrode active material material for lithium secondary batteries of this invention is demonstrated in detail.
First, a method for producing the lithium-containing transition metal composite oxide powder A will be described.
<スラリー調製工程>
リチウム含有遷移金属複合酸化物粉体Aを製造するに当たり、スラリーの調製に用いる原料化合物のうち、リチウム化合物としては、Li2CO3、LiNO3、LiNO2、LiOH、LiOH・H2O、LiH、LiF、LiCl、LiBr、LiI、CH3OOLi、Li2O、Li2SO4、ジカルボン酸Li、クエン酸Li、脂肪酸Li、アルキルリチウム等が挙げられる。これらリチウム化合物の中で好ましいのは、焼成処理の際にSOx、NOx等の有害物質を発生させない点で、窒素原子や硫黄原子、ハロゲン原子を含有しないリチウム化合物であり、また、焼成時に分解ガスを発生することなどから、噴霧乾燥粉体の二次粒子内に分解ガスを発生するなどして空隙を形成しやすい化合物であり、これらの点を勘案すると、とりわけLi2CO3、LiOH、LiOH・H2Oが好ましく、中でも取り扱い易く、比較的安価であることからLi2CO3が好ましい。これらのリチウム化合物は1種を単独で使用しても良く、2種以上を併用しても良い。
<Slurry preparation process>
Among the raw material compounds used for preparing the slurry for producing the lithium-containing transition metal composite oxide powder A, the lithium compounds include Li 2 CO 3 , LiNO 3 , LiNO 2 , LiOH, LiOH · H 2 O, LiH. , LiF, LiCl, LiBr, LiI, CH 3 OOLi, Li 2 O, Li 2 SO 4 , dicarboxylic acid Li, citrate Li, fatty acid Li, alkyllithium and the like. Among these lithium compounds, lithium compounds containing no nitrogen atom, sulfur atom, or halogen atom are preferable because they do not generate harmful substances such as SO x and NO x during the firing treatment. It is a compound that tends to form voids by generating cracked gas in secondary particles of spray-dried powder due to generation of cracked gas. Considering these points, Li 2 CO 3 , LiOH, among others LiOH.H 2 O is preferable, and Li 2 CO 3 is preferable because it is easy to handle and relatively inexpensive. These lithium compounds may be used individually by 1 type, and may use 2 or more types together.
また、ニッケル化合物としては、Ni(OH)2、NiO、NiOOH、NiCO3、2NiCO3・3Ni(OH)2・4H2O、NiC2O4・2H2O、Ni(NO3)2・6H2O、NiSO4、NiSO4・6H2O、脂肪酸ニッケル、ニッケルハロゲン化物等が挙げられる。この中でも、焼成処理の際にSOX、NOX等の有害物質を発生させない点で、Ni(OH)2、NiO、NiOOH、NiCO3、2NiCO3・3Ni(OH)2・4H2O、NiC2O4・2H2Oのようなニッケル化合物が好ましい。また、更に工業原料として安価に入手できる観点、及び反応性が高い、という観点からNi(OH)2、NiO、NiOOH、NiCO3、さらに焼成時に分解ガスを発生することなどから、噴霧乾燥粉体の二次粒子内に空隙を形成しやすい、という観点から、特に好ましいのはNi(OH)2、NiOOH、NiCO3である。これらのニッケル化合物は1種を単独で使用しても良く、2種以上を併用しても良い。 Moreover, as a nickel compound, Ni (OH) 2 , NiO, NiOOH, NiCO 3 , 2NiCO 3 .3Ni (OH) 2 .4H 2 O, NiC 2 O 4 .2H 2 O, Ni (NO 3 ) 2 .6H 2 O, NiSO 4 , NiSO 4 .6H 2 O, nickel fatty acid, nickel halide and the like. Among these, Ni (OH) 2 , NiO, NiOOH, NiCO 3 , 2NiCO 3 .3Ni (OH) 2 .4H 2 O, NiC are used in that no harmful substances such as SO X and NO X are generated during the firing process. Nickel compounds such as 2 O 4 .2H 2 O are preferred. Further, from the viewpoint that it can be obtained as an industrial raw material at a low cost, and from the viewpoint of high reactivity, Ni (OH) 2 , NiO, NiOOH, NiCO 3 , and further generation of decomposition gas during firing, spray-dried powder Ni (OH) 2 , NiOOH, and NiCO 3 are particularly preferable from the viewpoint of easily forming voids in the secondary particles. These nickel compounds may be used individually by 1 type, and may use 2 or more types together.
また、マンガン化合物としてはMn2O3、MnO2、Mn3O4等のマンガン酸化物、MnCO3、Mn(NO3)2、MnSO4、酢酸マンガン、ジカルボン酸マンガン、クエン酸マンガン、脂肪酸マンガン等のマンガン塩、オキシ水酸化物、塩化マンガン等のハロゲン化物等が挙げられる。これらのマンガン化合物の中でも、MnO2、Mn2O3、Mn3O4、MnCO3は、焼成処理の際にSOX、NOX等のガスを発生せず、更に工業原料として安価に入手できるため好ましい。これらのマンガン化合物は1種を単独で使用しても良く、2種以上を併用しても良い。 In addition, manganese compounds such as Mn 2 O 3 , MnO 2 , Mn 3 O 4 , manganese oxide, MnCO 3 , Mn (NO 3 ) 2 , MnSO 4 , manganese acetate, manganese dicarboxylate, manganese citrate, fatty acid manganese And manganese salts such as oxyhydroxide, manganese chloride and the like. Among these manganese compounds, MnO 2 , Mn 2 O 3 , Mn 3 O 4 , and MnCO 3 do not generate gases such as SO X and NO X during firing, and can be obtained at low cost as industrial raw materials. Therefore, it is preferable. These manganese compounds may be used individually by 1 type, and may use 2 or more types together.
また、コバルト化合物としては、Co(OH)2、CoOOH、CoO、Co2O3、Co3O4、Co(OCOCH3)2・4H2O、CoCl2、Co(NO3)2・6H2O、Co(SO4)2・7H2O、CoCO3等が挙げられる。中でも、焼成工程の際にSOX、NOX等の有害物質を発生させない点で、Co(OH)2、CoOOH、CoO、Co2O3、Co3O4、CoCO3が好ましく、更に好ましくは、工業的に安価に入手できる点及び反応性が高い点でCo(OH)2、CoOOHである。加えて焼成時に分解ガスを発生する等して、噴霧乾燥粉体の二次粒子内に空隙を形成しやすい、という観点から、特に好ましいのはCo(OH)2、CoOOH、CoCO3である。これらのコバルト化合物は1種を単独で使用しても良く、2種以上を併用しても良い。 Further, as the cobalt compound, Co (OH) 2 , CoOOH, CoO, Co 2 O 3 , Co 3 O 4 , Co (OCOCH 3 ) 2 .4H 2 O, CoCl 2 , Co (NO 3 ) 2 .6H 2 O, Co (SO 4 ) 2 · 7H 2 O, CoCO 3 and the like. Among them, Co (OH) 2 , CoOOH, CoO, Co 2 O 3 , Co 3 O 4 , and CoCO 3 are preferable, and more preferably, from the viewpoint that no harmful substances such as SO X and NO X are generated during the firing process. Co (OH) 2 and CoOOH are industrially inexpensively available and highly reactive. In addition, Co (OH) 2 , CoOOH, and CoCO 3 are particularly preferable from the viewpoint of easily forming voids in the secondary particles of the spray-dried powder due to generation of decomposition gas during firing. These cobalt compounds may be used individually by 1 type, and may use 2 or more types together.
また、遷移金属化合物原料としては、単一元素化合物に限らず、複合酸化物や複合水酸化物など、複数の元素が複合化した化合物を用いても良い。例示化合物としては(Ni1−a−bMnaCob)3O4、(Ni1−a−bMnaCob)(OH)2などが挙げられる。 The transition metal compound raw material is not limited to a single element compound, and may be a compound in which a plurality of elements are complexed, such as a complex oxide or a complex hydroxide. Illustrative compounds include (Ni 1-ab Mn a Co b ) 3 O 4 , (Ni 1-a-b Mn a Co b ) (OH) 2 and the like.
また、上記のLi、Ni、Mn、Co原料化合物以外にも他元素置換を行って前述の異元素を導入したり、後述する噴霧乾燥にて形成される二次粒子内の空隙を効率よく形成させたりすることを目的とした化合物群を使用することが可能である。なお、ここで使用する、二次粒子の空隙を効率よく形成させることを目的として使用する化合物の添加段階は、その性質に応じて、原料混合前又は混合後の何れかを選択することが可能である。特に、混合工程によって機械的剪断応力が加わるなどして分解しやすい化合物は混合工程後に添加することが好ましい。 In addition to the above Li, Ni, Mn, and Co raw material compounds, other elements are substituted to introduce the above-mentioned foreign elements, and voids in secondary particles formed by spray drying described later are efficiently formed. It is possible to use a group of compounds intended to be used. In addition, the addition stage of the compound used for the purpose of efficiently forming the voids of the secondary particles used here can be selected either before or after mixing the raw materials depending on the property. It is. In particular, it is preferable to add a compound that is easily decomposed due to mechanical shear stress applied by the mixing step after the mixing step.
焼成時の粒成長や焼結を抑制する添加剤としては、前述の如く、目的とする効果を発現するものであればその種類に格別の制限はないが、高価数状態が安定なMo、W、Nb、Ta、Reといった元素から選ばれる元素を含有する化合物が好ましく、通常は酸化物材料が用いられる。 As described above, the additive for suppressing grain growth and sintering during firing is not particularly limited as long as it exhibits the desired effect, but Mo and W are stable in an expensive state. A compound containing an element selected from elements such as Nb, Ta, and Re is preferable, and an oxide material is usually used.
焼成時の粒成長や焼結を抑制する添加剤の例示化合物としては、MoO、MoO2、MoO3、MoOx、Mo2O3、Mo2O5、Li2MoO4、WO、WO2、WO3、WOx、W2O3、W2O5、W18O49、W20O58、W24O70,W25O73、W40O118、Li2WO4、NbO、NbO2、Nb2O、Nb2O5、Nb4O、Nb6O、LiNbO3、TaO、TaO2、Ta2O5、LiTaO3、ReO2、ReO3、Re2O3などが挙げられ、好ましくはMoO3、Li2MoO4、WO3、Li2WO4、LiNbO3、Ta2O5、LiTaO3、ReO3が挙げられ、特に好ましくはWO3、Li2WO4、ReO3が挙げられ、最も好ましくはWO3が挙げられる。これらの添加剤は1種を単独で使用しても良く、2種以上を併用しても良い。 Examples of additives that suppress grain growth and sintering during firing include MoO, MoO 2 , MoO 3 , MoO x , Mo 2 O 3 , Mo 2 O 5 , Li 2 MoO 4 , WO, WO 2 , WO 3, WO x, W 2 O 3, W 2 O 5, W 18 O 49, W 20 O 58, W 24 O 70, W 25 O 73, W 40 O 118, Li 2 WO 4, NbO, NbO 2 Nb 2 O, Nb 2 O 5 , Nb 4 O, Nb 6 O, LiNbO 3 , TaO, TaO 2 , Ta 2 O 5 , LiTaO 3 , ReO 2 , ReO 3 , Re 2 O 3 and the like are preferable. Includes MoO 3 , Li 2 MoO 4 , WO 3 , Li 2 WO 4 , LiNbO 3 , Ta 2 O 5 , LiTaO 3 , ReO 3 , and particularly preferably WO 3 , Li 2 WO 4 , R eO 3 is mentioned, and WO 3 is most preferred. These additives may be used individually by 1 type, and may use 2 or more types together.
原料の混合方法は特に限定されるものではなく、湿式でも乾式でも良い。例えば、ボールミル、振動ミル、ビーズミル等の装置を使用する方法が挙げられる。原料化合物を水、アルコール等の液体媒体中で混合する湿式混合は、より均一な混合が可能であり、かつ焼成工程において混合物の反応性を高めることができるので好ましい。
混合の時間は、混合方法により異なるが、原料が粒子レベルで均一に混合されていれば良く、例えばボールミル(湿式又は乾式)では通常1時間から2日間程度、ビーズミル(湿式連続法)では滞留時間が通常0.1時間から6時間程度である。
The method for mixing the raw materials is not particularly limited, and may be wet or dry. For example, the method of using apparatuses, such as a ball mill, a vibration mill, and a bead mill, is mentioned. Wet mixing in which the raw material compound is mixed in a liquid medium such as water or alcohol is preferable because more uniform mixing is possible and the reactivity of the mixture can be increased in the firing step.
The mixing time varies depending on the mixing method, but it is sufficient that the raw materials are uniformly mixed at the particle level. For example, a ball mill (wet or dry) usually takes about 1 to 2 days, and a bead mill (wet continuous method) has a residence time. Is usually about 0.1 to 6 hours.
なお、原料の混合段階においてはそれと並行して原料の粉砕が為されていることが好ましい。粉砕の程度としては、粉砕後の原料粒子の粒径が指標となるが、平均粒子径(メジアン径)として通常0.4μm以下、好ましくは0.3μm以下、より好ましくは0.25μm以下、最も好ましくは0.2μm以下とする。粉砕後の原料粒子の平均粒子径が大きすぎると、焼成工程における反応性が低下するのに加え、組成が均一化し難くなる。ただし、必要以上に小粒子化することは、粉砕のコストアップに繋がるので、平均粒子径が通常0.01μm以上、好ましくは0.02μm以上、さらに好ましくは0.05μm以上となるように粉砕すれば良い。このような粉砕程度を実現するための手段としては特に限定されるものではないが、湿式粉砕法が好ましい。具体的にはダイノーミル等を挙げる
ことができる。
In the raw material mixing stage, it is preferable that the raw material is pulverized in parallel. As the degree of pulverization, the particle diameter of the raw material particles after pulverization is an index, but the average particle diameter (median diameter) is usually 0.4 μm or less, preferably 0.3 μm or less, more preferably 0.25 μm or less, most preferably Preferably, it is 0.2 μm or less. If the average particle size of the pulverized raw material particles is too large, the reactivity in the firing process is lowered, and the composition is difficult to homogenize. However, making particles smaller than necessary leads to an increase in the cost of pulverization, so that the average particle size is usually 0.01 μm or more, preferably 0.02 μm or more, more preferably 0.05 μm or more. It ’s fine. A means for realizing such a degree of pulverization is not particularly limited, but a wet pulverization method is preferable. Specific examples include dyno mill.
なお、本発明においてスラリー中の粉砕粒子のメジアン径は、公知のレーザー回折/散乱式粒度分布測定装置によって、屈折率1.24を設定し、粒子径基準を体積基準に設定して測定されたものである。本発明では、測定の際に用いる分散媒として、0.1重量%ヘキサメタリン酸ナトリウム水溶液を用い、5分間の超音波分散(出力30W、周波数22.5kHz)後に測定を行った。 In the present invention, the median diameter of the pulverized particles in the slurry was measured with a known laser diffraction / scattering type particle size distribution measuring apparatus with a refractive index of 1.24 and a particle diameter standard set as a volume standard. Is. In the present invention, a 0.1 wt% sodium hexametaphosphate aqueous solution was used as a dispersion medium used in the measurement, and measurement was performed after 5 minutes of ultrasonic dispersion (output 30 W, frequency 22.5 kHz).
<噴霧乾燥工程>
上述のスラリー調製工程で得られたスラリーは、次いで噴霧乾燥工程に供される。ここで乾燥方法としては、生成する粒子状物の均一性や粉体流動性、粉体ハンドリング性能、乾燥粒子を効率よく製造できる等の観点から噴霧乾燥法を採用する。
<Spray drying process>
The slurry obtained in the above slurry preparation step is then subjected to a spray drying step. Here, as a drying method, a spray drying method is adopted from the viewpoints of uniformity of the generated particulate matter, powder fluidity, powder handling performance, and efficient production of dry particles.
本発明のリチウム含有遷移金属複合酸化物粉体Aの製造方法においては、原料化合物と添加剤とを湿式粉砕して得られたスラリーを噴霧乾燥することにより、好ましくは一次粒子が凝集して二次粒子を形成してなる粉体を得る。一次粒子が凝集して二次粒子を形成してなる噴霧乾燥粉体は、本発明の噴霧乾燥粉体の好適な形状的特徴である。形状の確認方法としては、例えば、SEM観察、断面SEM観察が挙げられる。 In the method for producing the lithium-containing transition metal composite oxide powder A of the present invention, the slurry obtained by wet-grinding the raw material compound and the additive is preferably spray-dried, whereby the primary particles are preferably agglomerated. A powder obtained by forming secondary particles is obtained. A spray-dried powder obtained by agglomerating primary particles to form secondary particles is a suitable shape feature of the spray-dried powder of the present invention. Examples of the shape confirmation method include SEM observation and cross-sectional SEM observation.
本発明のリチウム含有遷移金属複合酸化物粉体Aの焼成前駆体でもある噴霧乾燥により得られる粉体のメジアン径(ここでは超音波分散をかけずに測定した値)は通常15μm以下、より好ましくは12μm以下、更に好ましくは9μm以下、最も好ましくは7μm以下となるようにする。ただし、あまりに小さな粒径は得にくい傾向にあるので、通常は3μm以上、好ましくは5μm以上、より好ましくは6μm以上である。噴霧乾燥法で粒子状物を製造する場合、その粒子径は、噴霧形式、加圧気体流供給速度、スラリー供給速度、乾燥温度等を適宜選定することによって制御することができる。 The median diameter of the powder obtained by spray drying which is also a calcined precursor of the lithium-containing transition metal composite oxide powder A of the present invention (here, a value measured without applying ultrasonic dispersion) is usually 15 μm or less, more preferably. Is 12 μm or less, more preferably 9 μm or less, and most preferably 7 μm or less. However, since it tends to be difficult to obtain a too small particle size, it is usually 3 μm or more, preferably 5 μm or more, more preferably 6 μm or more. In the case of producing a particulate material by the spray drying method, the particle size can be controlled by appropriately selecting the spray format, the pressurized gas flow supply rate, the slurry supply rate, the drying temperature, and the like.
即ち、例えば、リチウム化合物、ニッケル化合物、マンガン化合物、コバルト化合物、及び焼成時の粒成長や焼結を抑制する添加剤を液体媒体中に分散させたスラリーを噴霧乾燥後、得られた粉体を焼成してリチウムニッケルマンガンコバルト系複合酸化物粉体等のリチウム遷移金属系化合物粉体を製造するに当たり、噴霧乾燥時のスラリー粘度をV(cp)、スラリー供給量をS(L/min)、ガス供給量をG(L/min)とした際、スラリー粘度Vが、50cp≦V≦4000cpであって、かつ、気液比G/Sが、1500≦G/S≦5000となる条件で噴霧乾燥を行う。 That is, for example, a powder obtained by spray drying a slurry in which a lithium compound, a nickel compound, a manganese compound, a cobalt compound, and an additive that suppresses grain growth and sintering during firing are dispersed in a liquid medium. In producing lithium transition metal-based compound powder such as lithium nickel manganese cobalt-based composite oxide powder by firing, the slurry viscosity during spray drying is V (cp), the slurry supply amount is S (L / min), When the gas supply amount is G (L / min), the slurry viscosity V is 50 cp ≦ V ≦ 4000 cp and the gas-liquid ratio G / S is 1500 ≦ G / S ≦ 5000. Dry.
スラリー粘度V(cp)が低すぎると一次粒子が凝集して二次粒子を形成してなる粉体を得にくくなる虞があり、高過ぎると供給ポンプが故障したり、ノズルが閉塞する虞がある。従って、スラリー粘度V(cp)は、下限値として通常50cp以上、好ましくは100cp以上、更に好ましくは300cp以上、最も好ましくは500cpであり、上限値としては通常4000cp以下、好ましくは3500cp以下、更に好ましくは3000cp以下、最も好ましくは2500cp以下である。 If the slurry viscosity V (cp) is too low, it may be difficult to obtain a powder obtained by agglomerating primary particles to form secondary particles. If the slurry viscosity V (cp) is too high, the supply pump may fail or the nozzle may be blocked. is there. Therefore, the slurry viscosity V (cp) is usually 50 cp or more as a lower limit, preferably 100 cp or more, more preferably 300 cp or more, most preferably 500 cp, and the upper limit is usually 4000 cp or less, preferably 3500 cp or less. Is 3000 cp or less, most preferably 2500 cp or less.
また、気液比G/Sが上記下限を下回ると二次粒子サイズが粗大化したり乾燥性が低下しやすく、上限を超えると生産性が低下する虞がある。従って、気液比G/Sは、下限値として通常1500以上、好ましくは1600以上、更に好ましくは1700以上、最も好ましくは1800以上であり、上限値としては通常5000以下、好ましくは4700
以下、更に好ましくは4500以下、最も好ましくは4200以下である。
Further, when the gas-liquid ratio G / S is lower than the lower limit, the secondary particle size is likely to be coarsened or the drying property is liable to be lowered, and when it exceeds the upper limit, the productivity may be lowered. Therefore, the gas / liquid ratio G / S is usually 1500 or more, preferably 1600 or more, more preferably 1700 or more, most preferably 1800 or more as a lower limit, and usually 5000 or less, preferably 4700 as an upper limit.
Hereinafter, it is more preferably 4500 or less, and most preferably 4200 or less.
スラリー供給量Sやガス供給量Gは、噴霧乾燥に供するスラリーの粘度や用いる噴霧乾燥装置の仕様等によって適宜設定される。 The slurry supply amount S and the gas supply amount G are appropriately set according to the viscosity of the slurry used for spray drying, the specifications of the spray drying apparatus used, and the like.
このような条件で噴霧乾燥を行う場合、本発明の方法においては、前述のスラリー粘度V(cp)を満たし、かつ用いる噴霧乾燥装置の仕様に適したスラリー供給量とガス供給量を制御して、前述の気液比G/Sを満たす範囲で噴霧乾燥を行えばよく、その他の条件については、用いる装置の種類等に応じて適宜設定されるが、更に次のような条件を選択することが好ましい。 When spray drying is performed under such conditions, in the method of the present invention, the slurry supply amount and gas supply amount that satisfy the above-mentioned slurry viscosity V (cp) and are suitable for the specifications of the spray drying apparatus to be used are controlled. Spray drying may be performed within a range satisfying the above-described gas-liquid ratio G / S, and other conditions are appropriately set according to the type of apparatus to be used, but the following conditions should be further selected. Is preferred.
スラリーの噴霧乾燥は、通常50℃以上、好ましくは70℃以上、更に好ましくは120℃以上、最も好ましくは140℃以上で、通常300℃以下、好ましくは250℃以下、更に好ましくは200℃以下、最も好ましくは180℃以下の温度で行うことが好ましい。この温度が高すぎると得られた造粒粒子が中空構造の多いものとなる可能性があり、粉体の充填密度が低下する虞がある。一方、低すぎると粉体出口部分での水分結露による粉体固着・閉塞等の問題が生じる可能性がある。 Spray drying of the slurry is usually 50 ° C. or higher, preferably 70 ° C. or higher, more preferably 120 ° C. or higher, most preferably 140 ° C. or higher, usually 300 ° C. or lower, preferably 250 ° C. or lower, more preferably 200 ° C. or lower. Most preferably, it is performed at a temperature of 180 ° C. or lower. If this temperature is too high, the resulting granulated particles may have a lot of hollow structures, which may reduce the packing density of the powder. On the other hand, if it is too low, problems such as powder sticking and blockage due to moisture condensation at the powder outlet may occur.
また、本発明のリチウム含有遷移金属複合酸化物粉体Aの焼成前駆体としての噴霧乾燥粉体は、一次粒子間の凝集力が弱いのが特徴であり、これは超音波分散に伴うメジアン径の変化を調べることによって確認できる。ここで5分間の超音波分散“Ultra Sonic”(出力30W、周波数22.5kHz)をかけた後で測定したときの噴霧乾燥粒子のメジアン径の上限は、通常4μm以下、好ましくは3.5μm以下、より好ましくは3μm以下、更に好ましくは2.5μm以下、最も好ましくは2μm以下であり、下限は、通常0.01μm以上、好ましくは0.05μm以上、より好ましくは0.1μm以上、最も好ましくは0.2μm以上である。この超音波分散後のメジアン径が上記の値より大きい噴霧乾燥粒子を用いて焼成されたリチウム遷移金属系化合物粒子は、粒子間の空隙が少なく、負荷特性が改善されない。一方、超音波分散後のメジアン径が上記の値より小さい噴霧乾燥粒子を用いて焼成されたリチウム遷移金属系化合物粒子は、粒子間の空隙が多くなりすぎ、嵩密度が低下したり、塗布特性が悪くなったりするなどの問題が生じやすくなる可能性がある。 In addition, the spray-dried powder as a firing precursor of the lithium-containing transition metal composite oxide powder A of the present invention is characterized by a weak cohesion between primary particles, and this is a median diameter accompanying ultrasonic dispersion. This can be confirmed by examining changes in Here, the upper limit of the median diameter of spray-dried particles when measured after applying ultrasonic dispersion “Ultra Sonic” (output 30 W, frequency 22.5 kHz) for 5 minutes is usually 4 μm or less, preferably 3.5 μm or less. More preferably, it is 3 μm or less, more preferably 2.5 μm or less, most preferably 2 μm or less, and the lower limit is usually 0.01 μm or more, preferably 0.05 μm or more, more preferably 0.1 μm or more, most preferably It is 0.2 μm or more. Lithium transition metal compound particles calcined using spray-dried particles having a median diameter after ultrasonic dispersion larger than the above value have few voids between the particles, and the load characteristics are not improved. On the other hand, lithium transition metal compound particles fired using spray-dried particles whose median diameter after ultrasonic dispersion is smaller than the above values have too many voids between the particles, resulting in decreased bulk density, There is a possibility that problems such as worsening may occur.
また、本発明のリチウム含有遷移金属複合酸化物粉体Aの焼成前駆体としての噴霧乾燥粉体の嵩密度は通常0.1g/cm3以上、好ましくは0.3g/cm3以上、より好ましくは0.5g/cm3以上、最も好ましくは0.7g/cm3以上であり、通常1.7g/cm3以下、好ましくは1.6g/cm3以下、より好ましくは1.5g/cm3以下、最も好ましくは1.4g/cm3以下である。嵩密度がこの下限を下回ると粉体充填性や粉体の取り扱いに悪影響を及ぼす可能性があり、また、嵩密度がこの上限を上回ることは、粉体充填性や粉体の取り扱いにとって好ましい一方、比表面積が低くなり過ぎる可能性があり、焼成工程での反応性が低下する可能性がある。 Further, the bulk density of the spray-dried powder as the firing precursor of the lithium-containing transition metal composite oxide powder A of the present invention is usually 0.1 g / cm 3 or more, preferably 0.3 g / cm 3 or more, more preferably Is 0.5 g / cm 3 or more, most preferably 0.7 g / cm 3 or more, usually 1.7 g / cm 3 or less, preferably 1.6 g / cm 3 or less, more preferably 1.5 g / cm 3. Hereinafter, it is most preferably 1.4 g / cm 3 or less. If the bulk density is below this lower limit, it may adversely affect the powder filling property and powder handling, and it is preferable for the powder filling property and powder handling that the bulk density exceeds this upper limit. The specific surface area may become too low, and the reactivity in the firing step may be reduced.
また、この噴霧乾燥粉体の比表面積が小さいと、次の焼成工程に際して、原料化合物間の反応性が低下してしまうため、前記の如く、噴霧乾燥前に出発原料を粉砕するなどの手段により、できるだけ高比表面積化されていることが好ましい。一方で、過度に高比表面積化しようとすると、工業的に不利となるだけでなく、本発明のリチウム含有遷移金属複合酸化物粉体Aが得られなくなる可能性がある。従って、噴霧乾燥粉体のBET比表面積は、通常10m2/g以上、好ましくは20m2/g以上、更に好ましくは30m2/g以上、最も好ましくは50m2/g以上で、通常100m2/g以下、好ましくは80m2/g以下、更に好ましくは70m2/g以下、最も好ましくは65m2/g以下であることが好ましい。 In addition, if the specific surface area of the spray-dried powder is small, the reactivity between the raw material compounds is reduced in the next firing step. As described above, the starting material is pulverized before spray-drying. It is preferable that the specific surface area be as high as possible. On the other hand, if the specific surface area is excessively increased, not only is industrial disadvantageous, but the lithium-containing transition metal composite oxide powder A of the present invention may not be obtained. Therefore, BET specific surface area of the spray-dried powder is usually 10 m 2 / g or more, preferably 20 m 2 / g or more, more preferably 30 m 2 / g or more, and most preferably 50 m 2 / g or more and usually 100 m 2 / g or less, preferably 80 m 2 / g or less, more preferably 70 m 2 / g or less, and most preferably 65 m 2 / g or less.
<焼成工程>
噴霧乾燥工程で得られた焼成前駆体としての噴霧乾燥粉体は、次いで焼成処理される。
ここで、本発明において「焼成前駆体」とは、噴霧乾燥粉体を処理して得られる焼成前のリチウムニッケルマンガンコバルト系複合酸化物等のリチウム遷移金属系化合物の前駆体を意味する。例えば、前述の焼成時に分解ガスを発生又は昇華して、二次粒子内に空隙を形成させる化合物を、上述の噴霧乾燥粉体に含有させて焼成前駆体としてもよい。
<Baking process>
The spray-dried powder as the firing precursor obtained in the spray-drying process is then fired.
Here, the “firing precursor” in the present invention means a precursor of a lithium transition metal compound such as a lithium nickel manganese cobalt composite oxide before firing obtained by treating a spray-dried powder. For example, the above spray-dried powder may contain a compound that generates or sublimates decomposition gas during the above-described firing to form voids in the secondary particles, and serves as a firing precursor.
この焼成条件は、組成や使用するリチウム化合物原料にも依存するが、傾向として、焼成温度が高すぎると一次粒子が過度に成長し、粒子間の焼結が進行し過ぎ、得られるリチウム含有遷移金属複合酸化物粉体Aの比表面積が小さくなり過ぎる。逆に低すぎると異相が混在し、また結晶構造が発達せずに格子歪が増大し、得られるリチウム含有遷移金属複合酸化物粉体Aの比表面積が大きくなりすぎる。従って、焼成温度(後述の最高温度)としては、通常700℃以上であるが、前記組成式(I)及び(II)で示される組成のリチウム含有遷移金属複合酸化物粉体Aの製造においては、焼成温度は通常950℃以上が好ましく、より好ましくは960℃以上、さらに好ましくは970℃以上、一層好ましくは980℃以上、最も好ましくは990℃以上であり、通常1200℃以下、好ましくは1175℃以下、更に好ましくは1150℃以下、最も好ましくは1125℃以下である。 This firing condition depends on the composition and the lithium compound raw material used, but as a tendency, if the firing temperature is too high, the primary particles grow excessively, the sintering between the particles proceeds too much, and the resulting lithium-containing transition The specific surface area of the metal composite oxide powder A becomes too small. On the other hand, if it is too low, heterogeneous phases are mixed, the crystal structure does not develop and the lattice strain increases, and the specific surface area of the resulting lithium-containing transition metal composite oxide powder A becomes too large. Accordingly, the firing temperature (the maximum temperature described later) is usually 700 ° C. or higher, but in the production of the lithium-containing transition metal composite oxide powder A having the composition represented by the composition formulas (I) and (II), The firing temperature is usually preferably 950 ° C. or higher, more preferably 960 ° C. or higher, further preferably 970 ° C. or higher, more preferably 980 ° C. or higher, most preferably 990 ° C. or higher, usually 1200 ° C. or lower, preferably 1175 ° C. Hereinafter, it is more preferably 1150 ° C. or less, most preferably 1125 ° C. or less.
焼成には、例えば、箱形炉、管状炉、トンネル炉、ロータリーキルン等を使用することができる。焼成工程は、通常、昇温・最高温度保持・降温の三部分に分けられる。二番目の最高温度保持部分は必ずしも一回とは限らず、目的に応じて二段階又はそれ以上の段階をふませてもよく、二次粒子を破壊しない程度に凝集を解消することを意味する解砕工程又は、一次粒子或いはさらに微小粉末まで砕くことを意味する粉砕工程を挟んで、昇温・最高温度保持・降温の工程を二回又はそれ以上繰り返しても良い。 For firing, for example, a box furnace, a tubular furnace, a tunnel furnace, a rotary kiln or the like can be used. The firing process is usually divided into three parts: temperature increase, maximum temperature retention, and temperature decrease. The second maximum temperature holding portion is not necessarily limited to one time, and may include two or more stages depending on the purpose, which means that aggregation is eliminated to the extent that secondary particles are not destroyed. The temperature raising, maximum temperature holding, and temperature lowering steps may be repeated twice or more with a crushing step or a crushing step meaning crushing to primary particles or even fine powder.
昇温工程は通常1℃/分以上10℃/分以下の昇温速度で炉内を昇温させる。この昇温速度があまり遅すぎても時間がかかって工業的に不利であるが、あまり速すぎても炉によっては炉内温度が設定温度に追従しなくなる。昇温速度は、好ましくは1.2℃/分以上、より好ましくは1.5℃/分以上で、好ましくは7℃/分以下、より好ましくは5℃/分以下である。 In the temperature raising step, the temperature in the furnace is usually raised at a temperature raising rate of 1 ° C./min to 10 ° C./min. Even if this rate of temperature rise is too slow, it takes time and is industrially disadvantageous. However, if it is too fast, the furnace temperature does not follow the set temperature depending on the furnace. The rate of temperature rise is preferably 1.2 ° C./min or more, more preferably 1.5 ° C./min or more, preferably 7 ° C./min or less, more preferably 5 ° C./min or less.
最高温度保持工程での保持時間は、温度によっても異なるが、通常前述の焼成温度範囲であれば30分以上、好ましくは1時間以上、更に好ましくは2時間以上、一層好ましくは3時間以上、最も好ましくは5時間以上で、通常50時間以下、好ましくは25時間以下、更に好ましくは20時間以下、最も好ましくは15時間以下である。焼成時間が短すぎると結晶性の良いリチウム含有遷移金属複合酸化物粉体Aが得られ難くなり、長すぎるのは実用的ではない。焼成時間が長すぎると、その後解砕が必要になったり、解砕が困難になったりするので、不利である。 Although the holding time in the maximum temperature holding step varies depending on the temperature, it is usually 30 minutes or longer, preferably 1 hour or longer, more preferably 2 hours or longer, more preferably 3 hours or longer, as long as it is within the aforementioned baking temperature range. Preferably it is 5 hours or more, usually 50 hours or less, preferably 25 hours or less, more preferably 20 hours or less, and most preferably 15 hours or less. If the firing time is too short, it becomes difficult to obtain a lithium-containing transition metal composite oxide powder A having good crystallinity, and it is not practical to be too long. If the firing time is too long, it will be disadvantageous because it will be necessary to crush afterwards or it will be difficult to crush.
降温工程では、通常0.1℃/分以上10℃/分以下の降温速度で炉内を降温させる。降温速度があまり遅すぎても時間がかかって工業的に不利であるが、あまり速すぎても目的物の均一性に欠けたり、容器の劣化を早めたりする傾向にある。降温速度は、好ましくは1℃/分以上、より好ましくは3℃/分以上で、好ましくは7℃/分以下、より好ましくは5℃/分以下である。 In the temperature lowering step, the temperature in the furnace is normally decreased at a temperature decreasing rate of 0.1 ° C./min to 10 ° C./min. If the temperature lowering rate is too slow, it takes time and is industrially disadvantageous, but if it is too fast, the uniformity of the target product tends to be lost or the deterioration of the container tends to be accelerated. The temperature lowering rate is preferably 1 ° C./min or more, more preferably 3 ° C./min or more, preferably 7 ° C./min or less, more preferably 5 ° C./min or less.
焼成時の雰囲気は、得ようとするリチウム含有遷移金属複合酸化物粉体Aの組成によって適切な酸素分圧領域があるため、それを満足するための適切な種々ガス雰囲気が用いられる。ガス雰囲気としては、例えば、酸素、空気、窒素、アルゴン、水素、二酸化炭素、及びそれらの混合ガス等を挙げることができる。本発明において具体的に実施しているリチウムニッケルマンガンコバルト系複合酸化物粉体については、空気等の酸素含有ガス雰囲気を用いることができる。通常は酸素濃度が1体積%以上、好ましくは10体積%以上、より好
ましくは15体積%以上で、100体積%以下、好ましくは50体積%以下、より好ましくは25体積%以下の雰囲気とする。
Since the firing atmosphere has an appropriate oxygen partial pressure region depending on the composition of the lithium-containing transition metal composite oxide powder A to be obtained, various appropriate gas atmospheres for satisfying the oxygen partial pressure region are used. Examples of the gas atmosphere include oxygen, air, nitrogen, argon, hydrogen, carbon dioxide, and a mixed gas thereof. An oxygen-containing gas atmosphere such as air can be used for the lithium nickel manganese cobalt based composite oxide powder specifically implemented in the present invention. Usually, the atmosphere has an oxygen concentration of 1% by volume or more, preferably 10% by volume or more, more preferably 15% by volume or more, and 100% by volume or less, preferably 50% by volume or less, more preferably 25% by volume or less.
このような製造方法において、本発明のリチウム含有遷移金属複合酸化物粉体Aを製造するには、製造条件を一定とした場合には、例えば、リチウム化合物、ニッケル化合物、マンガン化合物、及びコバルト化合物と、焼成時の粒成長や焼結を抑制する添加剤とを液体媒体中に分散させたスラリーを調製する際、各化合物の混合比を調整することで、目的とするLi/Ni/Mn/Coのモル比及び添加元素の含有割合を制御することができる。 In such a production method, in order to produce the lithium-containing transition metal composite oxide powder A of the present invention, when the production conditions are constant, for example, a lithium compound, a nickel compound, a manganese compound, and a cobalt compound And a slurry in which an additive that suppresses grain growth and sintering at the time of firing is dispersed in a liquid medium, the target Li / Ni / Mn / The molar ratio of Co and the content ratio of the additive element can be controlled.
<粉体混合工程>
続いて、このようにして得られたリチウム含有遷移金属複合酸化物粉体Aと、スピネル構造(空間群Fd−3m(No.227))を有し、Li及び遷移金属として少なくともMnを含有するリチウム含有遷移金属複合酸化物粉体Bとを前述の好適な重量比で混合して本発明のリチウム二次電池用正極活物質材料を得る。
なお、リチウム含有遷移金属複合酸化物粉体Bの製造方法には特に制限はない。
<Powder mixing process>
Subsequently, the lithium-containing transition metal composite oxide powder A thus obtained has a spinel structure (space group Fd-3m (No. 227)) and contains at least Mn as Li and a transition metal. The lithium-containing transition metal composite oxide powder B is mixed at the above-mentioned suitable weight ratio to obtain the positive electrode active material for a lithium secondary battery of the present invention.
In addition, there is no restriction | limiting in particular in the manufacturing method of lithium containing transition metal complex oxide powder B.
リチウム含有遷移金属複合酸化物粉体Aとリチウム含有遷移金属複合酸化物粉体Bとを混合するには、乾式混合でも湿式混合でもよい。この混合方法としては、例えば、人為的な手振り混合や乳鉢混合、機械的にはブレンダー、レディゲミキサー、メカノフュージョンなどを挙げることができる。 In order to mix the lithium-containing transition metal composite oxide powder A and the lithium-containing transition metal composite oxide powder B, dry mixing or wet mixing may be used. Examples of the mixing method include artificial hand shaking mixing and mortar mixing, and mechanically blender, readyge mixer, mechano-fusion, and the like.
このようにして、容量が高く、レート・出力等の負荷特性や高温サイクル特性等に優れ、性能バランスの良い本発明のリチウム二次電池用正極活物質材料が提供される。 In this way, the positive electrode active material for a lithium secondary battery of the present invention having a high capacity, excellent load characteristics such as rate and output, high temperature cycle characteristics, etc., and good performance balance is provided.
[リチウム二次電池用正極]
本発明のリチウム二次電池用正極は、本発明のリチウム二次電池用正極活物質材料及び結着剤を含有する正極活物質層を集電体上に形成してなるものである。
[Positive electrode for lithium secondary battery]
The positive electrode for a lithium secondary battery of the present invention is obtained by forming a positive electrode active material layer containing a positive electrode active material for a lithium secondary battery of the present invention and a binder on a current collector.
正極活物質層は、通常、正極材料と結着剤と更に必要に応じて用いられる導電材及び増粘剤等を、乾式で混合してシート状にしたものを正極集電体に圧着するか、或いはこれらの材料を液体媒体中に溶解又は分散させてスラリー状にして、正極集電体に塗布、乾燥することにより作成される。 The positive electrode active material layer is usually formed by mixing a positive electrode material, a binder, and a conductive material and a thickener, which are used if necessary, in a dry form into a sheet shape, and then pressing the positive electrode current collector on the positive electrode current collector. Alternatively, these materials are dissolved or dispersed in a liquid medium to form a slurry, which is applied to the positive electrode current collector and dried.
正極集電体の材質としては、通常、アルミニウム、ステンレス鋼、ニッケルメッキ、チタン、タンタル等の金属材料や、カーボンクロス、カーボンペーパー等の炭素材料が用いられる。中でも金属材料が好ましく、アルミニウムが特に好ましい。また、形状としては、金属材料の場合、金属箔、金属円柱、金属コイル、金属板、金属薄膜、エキスパンドメタル、パンチメタル、発泡メタル等が、炭素材料の場合、炭素板、炭素薄膜、炭素円柱等が挙げられる。中でも、金属薄膜が、現在工業化製品に使用されているため好ましい。なお、薄膜は適宜メッシュ状に形成しても良い。 As the material for the positive electrode current collector, metal materials such as aluminum, stainless steel, nickel plating, titanium, and tantalum, and carbon materials such as carbon cloth and carbon paper are usually used. Of these, metal materials are preferable, and aluminum is particularly preferable. As for the shape, in the case of a metal material, a metal foil, a metal cylinder, a metal coil, a metal plate, a metal thin film, an expanded metal, a punch metal, a foam metal, etc., and in the case of a carbon material, a carbon plate, a carbon thin film, a carbon cylinder Etc. Among these, metal thin films are preferable because they are currently used in industrialized products. In addition, you may form a thin film suitably in mesh shape.
正極集電体として薄膜を使用する場合、その厚さは任意であるが、通常1μm以上、好ましくは3μm以上、より好ましくは5μm以上、また通常100mm以下、好ましくは1mm以下、より好ましくは50μm以下の範囲が好適である。上記範囲よりも薄いと、集電体として必要な強度が不足する可能性がある一方で、上記範囲よりも厚いと、取り扱い性が損なわれる可能性がある。 When a thin film is used as the positive electrode current collector, its thickness is arbitrary, but it is usually 1 μm or more, preferably 3 μm or more, more preferably 5 μm or more, and usually 100 mm or less, preferably 1 mm or less, more preferably 50 μm or less. The range of is preferable. If it is thinner than the above range, the strength required for the current collector may be insufficient. On the other hand, if it is thicker than the above range, the handleability may be impaired.
正極活物質層の製造に用いる結着剤としては、特に限定されず、塗布法の場合は、電極製造時に用いる液体媒体に対して安定な材料であれば良いが、具体例としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリメチルメタクリレート、芳香族ポリアミド、セルロース、ニトロセルロース等の樹脂系高分子、SBR(スチレン・ブタジエンゴム)、NBR(アクリロニトリル・ブタジエンゴム)、フッ素ゴム、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、エチレン・プロピレンゴム等のゴム状高分子、スチレン・ブタジエン・スチレンブロック共重合体及びその水素添加物、EPDM(エチレン・プロピレン・ジエン三元共重合体)、スチレン・エチレン・ブタジエン・エチレン共重合体、スチレン・イソプレンスチレンブロック共重合体及びその水素添加物等の熱可塑性エラストマー状高分子、シンジオタクチック−1,2−ポリブタジエン、ポリ酢酸ビニル、エチレン・酢酸ビニル共重合体、プロピレン・α−オレフィン共重合体等の軟質樹脂状高分子、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン、フッ素化ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン・エチレン共重合体等のフッ素系高分子、アルカリ金属イオン(特にリチウムイオン)のイオン伝導性を有する高分子組成物等が挙げられる。なお、これらの物質は、1種を単独で用いても良く、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用しても良い。 The binder used in the production of the positive electrode active material layer is not particularly limited, and in the case of a coating method, any material that is stable with respect to the liquid medium used during electrode production may be used. Specific examples include polyethylene, Resin polymers such as polypropylene, polyethylene terephthalate, polymethyl methacrylate, aromatic polyamide, cellulose, nitrocellulose, SBR (styrene butadiene rubber), NBR (acrylonitrile butadiene rubber), fluorine rubber, isoprene rubber, butadiene rubber, ethylene・ Rubber polymers such as propylene rubber, styrene / butadiene / styrene block copolymers and hydrogenated products thereof, EPDM (ethylene / propylene / diene terpolymers), styrene / ethylene / butadiene / ethylene copolymers, Styrene / isoprene styrene bromide Copolymer and its hydrogenated thermoplastic elastomeric polymer, syndiotactic-1,2-polybutadiene, polyvinyl acetate, ethylene / vinyl acetate copolymer, propylene / α-olefin copolymer, etc. Fluorine polymers such as soft resinous polymers, polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene, fluorinated polyvinylidene fluoride, polytetrafluoroethylene / ethylene copolymers, ion conductivity of alkali metal ions (especially lithium ions) And a polymer composition having the same. In addition, these substances may be used individually by 1 type, and may use 2 or more types together by arbitrary combinations and ratios.
正極活物質層中の結着剤の割合は、通常0.1重量%以上、好ましくは1重量%以上、更に好ましくは5重量%以上であり、通常80重量%以下、好ましくは60重量%以下、更に好ましくは40重量%以下、最も好ましくは10重量%以下である。結着剤の割合が低すぎると、正極活物質を十分保持できずに正極の機械的強度が不足し、サイクル特性等の電池性能を悪化させてしまう可能性がある一方で、高すぎると、電池容量や導電性の低下につながる可能性がある。 The ratio of the binder in the positive electrode active material layer is usually 0.1% by weight or more, preferably 1% by weight or more, more preferably 5% by weight or more, and usually 80% by weight or less, preferably 60% by weight or less. More preferably, it is 40% by weight or less, most preferably 10% by weight or less. If the proportion of the binder is too low, the positive electrode active material cannot be sufficiently retained and the positive electrode has insufficient mechanical strength, which may deteriorate battery performance such as cycle characteristics. Battery capacity and conductivity may be reduced.
正極活物質層には、通常、導電性を高めるために導電材を含有させる。その種類に特に制限はないが、具体例としては、銅、ニッケル等の金属材料や、天然黒鉛、人造黒鉛等の黒鉛(グラファイト)、アセチレンブラック等のカーボンブラック、ニードルコークス等の無定形炭素等の炭素材料などを挙げることができる。なお、これらの物質は、1種を単独で用いても良く、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用しても良い。正極活物質層中の導電材の割合は、通常0.01重量%以上、好ましくは0.1重量%以上、更に好ましくは1重量%以上であり、また、通常50重量%以下、好ましくは30重量%以下、更に好ましくは20重量%以下である。導電材の割合が低すぎると導電性が不十分になることがあり、逆に高すぎると電池容量が低下することがある。 The positive electrode active material layer usually contains a conductive material in order to increase conductivity. There are no particular restrictions on the type, but specific examples include metal materials such as copper and nickel, graphite such as natural graphite and artificial graphite, carbon black such as acetylene black, and amorphous carbon such as needle coke. And carbon materials. In addition, these substances may be used individually by 1 type, and may use 2 or more types together by arbitrary combinations and ratios. The proportion of the conductive material in the positive electrode active material layer is usually 0.01% by weight or more, preferably 0.1% by weight or more, more preferably 1% by weight or more, and usually 50% by weight or less, preferably 30%. % By weight or less, more preferably 20% by weight or less. If the proportion of the conductive material is too low, the conductivity may be insufficient, and conversely if it is too high, the battery capacity may be reduced.
スラリーを形成するための液体媒体としては、正極材料であるリチウム遷移金属系化合物粉体、結着剤、並びに必要に応じて使用される導電材及び増粘剤を溶解又は分散することが可能な溶媒であれば、その種類に特に制限はなく、水系溶媒と有機系溶媒のどちらを用いても良い。水系溶媒の例としては水、アルコールなどが挙げられ、有機系溶媒の例としてはN−メチルピロリドン(NMP)、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(THF)、トルエン、アセトン、ジメチルエーテル、ジメチルアセタミド、ヘキサメチルホスファルアミド、ジメチルスルホキシド、ベンゼン、キシレン、キノリン、ピリジン、メチルナフタレン、ヘキサン等を挙げることができる。特に水系溶媒を用いる場合、増粘剤に併せて分散剤を加え、SBR等のラテックスを用いてスラリー化する。なお、これらの溶媒は、1種を単独で用いても良く、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用しても良い。 As a liquid medium for forming a slurry, it is possible to dissolve or disperse a lithium transition metal compound powder as a positive electrode material, a binder, and a conductive material and a thickener used as necessary. If it is a solvent, there is no restriction | limiting in particular in the kind, You may use either an aqueous solvent or an organic solvent. Examples of the aqueous solvent include water and alcohol. Examples of the organic solvent include N-methylpyrrolidone (NMP), dimethylformamide, dimethylacetamide, methyl ethyl ketone, cyclohexanone, methyl acetate, methyl acrylate, diethyltriamine, N , N-dimethylaminopropylamine, ethylene oxide, tetrahydrofuran (THF), toluene, acetone, dimethyl ether, dimethylacetamide, hexamethylphosphalamide, dimethyl sulfoxide, benzene, xylene, quinoline, pyridine, methylnaphthalene, hexane, etc. be able to. In particular, when an aqueous solvent is used, a dispersant is added together with the thickener, and a slurry such as SBR is slurried. In addition, these solvents may be used individually by 1 type, and may use 2 or more types together by arbitrary combinations and a ratio.
正極活物質層中の正極材料としての本発明のリチウム二次電池用正極活物質材料の含有割合は、通常10重量%以上、好ましくは30重量%以上、更に好ましくは50重量%以上であり、通常99.9重量%以下、好ましくは99重量%以下である。正極活物質層中の本発明のリチウム二次電池用正極活物質材料の割合が多すぎると正極の強度が不足する傾向にあり、少なすぎると容量の面で不十分となることがある。 The content ratio of the positive electrode active material for a lithium secondary battery of the present invention as the positive electrode material in the positive electrode active material layer is usually 10% by weight or more, preferably 30% by weight or more, more preferably 50% by weight or more, Usually, it is 99.9% by weight or less, preferably 99% by weight or less. If the proportion of the positive electrode active material material for lithium secondary batteries of the present invention in the positive electrode active material layer is too large, the strength of the positive electrode tends to be insufficient, and if it is too small, the capacity may be insufficient.
また、正極活物質層の厚さは、通常10〜200μm程度である。 The thickness of the positive electrode active material layer is usually about 10 to 200 μm.
なお、塗布、乾燥によって得られた正極活物質層は、正極活物質の充填密度を上げるために、ローラープレス等により圧密化することが好ましい。
かくして、本発明のリチウム二次電池用正極が調製される。
The positive electrode active material layer obtained by coating and drying is preferably consolidated by a roller press or the like in order to increase the packing density of the positive electrode active material.
Thus, the positive electrode for a lithium secondary battery of the present invention is prepared.
[リチウム二次電池]
本発明のリチウム二次電池は、リチウムを吸蔵・放出可能な上記の本発明のリチウム二次電池用正極と、リチウムを吸蔵・放出可能な負極と、リチウム塩を電解塩とする非水電
解質とを備える。更に、正極と負極との間に、非水電解質を保持するセパレータを備えていても良い。正極と負極との接触による短絡を効果的に防止するには、このようにセパレータを介在させるのが望ましい。
[Lithium secondary battery]
The lithium secondary battery of the present invention includes the above-described positive electrode for a lithium secondary battery of the present invention capable of occluding and releasing lithium, a negative electrode capable of occluding and releasing lithium, and a non-aqueous electrolyte using a lithium salt as an electrolytic salt, Is provided. Further, a separator for holding a nonaqueous electrolyte may be provided between the positive electrode and the negative electrode. In order to effectively prevent a short circuit due to contact between the positive electrode and the negative electrode, it is desirable to interpose a separator in this way.
〈負極〉
負極は通常、正極と同様に、負極集電体上に負極活物質層を形成して構成される。
負極集電体の材質としては、銅、ニッケル、ステンレス鋼、ニッケルメッキ鋼等の金属材料や、カーボンクロス、カーボンペーパー等の炭素材料が用いられる。中でも金属材料の場合、金属箔、金属円柱、金属コイル、金属板、金属薄膜等が、炭素材料の場合、炭素板、炭素薄膜、炭素円柱等が挙げられる。中でも、金属薄膜が、現在工業化製品に使用されていることから好ましい。なお、薄膜は適宜メッシュ状に形成しても良い。負極集電体として金属薄膜を使用する場合、その好適な厚さの範囲は、正極集電体について上述した範囲と同様である。
<Negative electrode>
The negative electrode is usually configured by forming a negative electrode active material layer on a negative electrode current collector, similarly to the positive electrode.
As a material of the negative electrode current collector, a metal material such as copper, nickel, stainless steel, nickel-plated steel, or a carbon material such as carbon cloth or carbon paper is used. Among these, in the case of a metal material, a metal foil, a metal cylinder, a metal coil, a metal plate, a metal thin film, etc., and in the case of a carbon material, a carbon plate, a carbon thin film, a carbon cylinder, etc. are mentioned. Among these, metal thin films are preferable because they are currently used in industrialized products. In addition, you may form a thin film suitably in mesh shape. When a metal thin film is used as the negative electrode current collector, the preferred thickness range is the same as the range described above for the positive electrode current collector.
負極活物質層は、負極活物質を含んで構成される。負極活物質としては、電気化学的にリチウムイオンを吸蔵・放出可能なものであれば、その種類に他に制限はないが、通常は安全性の高さの面から、リチウムを吸蔵、放出できる炭素材料が用いられる。 The negative electrode active material layer includes a negative electrode active material. The negative electrode active material is not particularly limited as long as it can electrochemically occlude and release lithium ions, but it can usually occlude and release lithium from the viewpoint of high safety. A carbon material is used.
炭素材料としては、その種類に特に制限はないが、人造黒鉛、天然黒鉛等の黒鉛(グラファイト)や、様々な熱分解条件での有機物の熱分解物が挙げられる。有機物の熱分解物としては、石炭系コークス、石油系コークス、石炭系ピッチの炭化物、石油系ピッチの炭化物、或いはこれらピッチを酸化処理したものの炭化物、ニードルコークス、ピッチコークス、フェノール樹脂、結晶セルロース等の炭化物等及びこれらを一部黒鉛化した炭素材、ファーネスブラック、アセチレンブラック、ピッチ系炭素繊維等が挙げられる。中でも黒鉛が好ましく、特に好適には、種々の原料から得た易黒鉛性ピッチに高温熱処理を施すことによって製造された、人造黒鉛、精製天然黒鉛、又はこれらの黒鉛にピッチを含む黒鉛材料等であって、種々の表面処理を施したものが主として使用される。これらの炭素材料は、それぞれ1種を単独で用いても良いし、2種以上を組み合わせて用いても良い。 Although there is no restriction | limiting in particular as a carbon material, Graphite (graphite), such as artificial graphite and natural graphite, and the thermal decomposition thing of organic substance on various thermal decomposition conditions are mentioned. Examples of pyrolysis products of organic matter include coal-based coke, petroleum-based coke, coal-based pitch carbide, petroleum-based pitch carbide, or carbide obtained by oxidizing these pitches, needle coke, pitch coke, phenol resin, crystalline cellulose, etc. And carbon materials obtained by partially graphitizing these, furnace black, acetylene black, pitch-based carbon fibers, and the like. Among them, graphite is preferable, and particularly preferable is artificial graphite, purified natural graphite, or graphite material containing pitch in these graphites, which is manufactured by subjecting easy-graphite pitch obtained from various raw materials to high-temperature heat treatment. Therefore, those subjected to various surface treatments are mainly used. One of these carbon materials may be used alone, or two or more thereof may be used in combination.
負極活物質として黒鉛材料を用いる場合、学振法によるX線回折で求めた格子面(002面)のd値(層間距離:d002)が、通常0.335nm以上、また、通常0.34nm以下、好ましくは0.337nm以下であるものが好ましい。 When a graphite material is used as the negative electrode active material, the d value (interlayer distance: d 002 ) of the lattice plane (002 plane) determined by X-ray diffraction by the Gakushin method is usually 0.335 nm or more, and usually 0.34 nm. In the following, it is preferable that the thickness is 0.337 nm or less.
また、黒鉛材料の灰分が、黒鉛材料の重量に対して通常1重量%以下、中でも0.5重量%以下、特に0.1重量%以下であることが好ましい。 Further, the ash content of the graphite material is usually 1% by weight or less, particularly 0.5% by weight or less, and particularly preferably 0.1% by weight or less, based on the weight of the graphite material.
更に、学振法によるX線回折で求めた黒鉛材料の結晶子サイズ(Lc)が、通常30nm以上、中でも50nm以上、特に100nm以上であることが好ましい。 Further, the crystallite size (Lc) of the graphite material determined by X-ray diffraction by the Gakushin method is usually 30 nm or more, preferably 50 nm or more, and particularly preferably 100 nm or more.
また、レーザー回折・散乱法により求めた黒鉛材料のメジアン径が、通常1μm以上、中でも3μm以上、更には5μm以上、特に7μm以上、また、通常100μm以下、中でも50μm以下、更には40μm以下、特に30μm以下であることが好ましい。 The median diameter of the graphite material determined by the laser diffraction / scattering method is usually 1 μm or more, especially 3 μm or more, more preferably 5 μm or more, especially 7 μm or more, and usually 100 μm or less, especially 50 μm or less, more preferably 40 μm or less, especially 40 μm or less. It is preferable that it is 30 micrometers or less.
また、黒鉛材料のBET法比表面積は、通常0.5m2/g以上、好ましくは0.7m2/g以上、より好ましくは1.0m2/g以上、更に好ましくは1.5m2/g以上、また、通常25.0m2/g以下、好ましくは20.0m2/g以下、より好ましくは15.0m2/g以下、更に好ましくは10.0m2/g以下である。 Moreover, the BET specific surface area of the graphite material is usually 0.5 m 2 / g or more, preferably 0.7 m 2 / g or more, more preferably 1.0 m 2 / g or more, and further preferably 1.5 m 2 / g. or more, and usually 25.0 m 2 / g or less, preferably 20.0 m 2 / g, more preferably 15.0 m 2 / g or less, still more preferably 10.0 m 2 / g or less.
更に、黒鉛材料についてアルゴンレーザー光を用いたラマンスペクトル分析を行った場合に、1580〜1620cm−1の範囲で検出されるピークPAの強度IAと、135
0〜1370cm−1の範囲で検出されるピークPBの強度IBとの強度比IA/IBが、0以上0.5以下であるものが好ましい。また、ピークPAの半価幅は26cm−1以下が好ましく、25cm−1以下がより好ましい。
Further, when performing Raman spectroscopy using argon laser light for graphite material, and strength I A of the peak P A is detected in the range of 1580~1620cm -1, 135
Intensity ratio I A / I B of the intensity I B of a peak P B detected in the range of 0~1370Cm -1 is intended preferably 0 or more and 0.5 or less. Further, the half width of the peak P A is preferably 26cm -1 or less, 25 cm -1 or less is more preferable.
なお、上述の各種の炭素材料の他に、リチウムの吸蔵及び放出が可能なその他の材料の負極活物質として用いることもできる。炭素材料以外の負極活物質の具体例としては、酸
化錫や酸化ケイ素などの金属酸化物、Li2.6Co0.4Nなどの窒化物、リチウム単体やリチウムアルミニウム合金等のリチウム合金などが挙げられる。これらの炭素材料以外の材料は、それぞれ1種を単独で用いてもよいし、2種以上を組み合わせて用いても良い。また、上述の炭素材料と組み合わせて用いても良い。
In addition to the above-mentioned various carbon materials, it can also be used as a negative electrode active material of other materials capable of inserting and extracting lithium. Specific examples of negative electrode active materials other than carbon materials include metal oxides such as tin oxide and silicon oxide, nitrides such as Li 2.6 Co 0.4 N, and lithium alloys such as lithium alone and lithium aluminum alloys. Can be mentioned. One of these materials other than the carbon material may be used alone, or two or more thereof may be used in combination. Moreover, you may use in combination with the above-mentioned carbon material.
負極活物質層は、通常は正極活物質層の場合と同様に、上述の負極活物質と、結着剤と、必要に応じて導電材及び増粘剤とを液体媒体でスラリー化したものを負極集電体に塗布
し、乾燥することにより製造することができる。スラリーを形成する液体媒体や結着剤、増粘剤、導電材等としては、正極活物質層について上述したものと同様のものを使用することができる。
As in the case of the positive electrode active material layer, the negative electrode active material layer is usually prepared by slurrying the above-described negative electrode active material, a binder, and optionally a conductive material and a thickener in a liquid medium. It can manufacture by apply | coating to a negative electrode electrical power collector, and drying. As the liquid medium, the binder, the thickener, the conductive material, and the like that form the slurry, the same materials as those described above for the positive electrode active material layer can be used.
〈非水電解質〉
非水電解質としては、例えば公知の有機電解液、高分子固体電解質、ゲル状電解質、無機固体電解質等を用いることができるが、中でも有機電解液が好ましい。有機電解液は、有機溶媒に溶質(電解質)を溶解させて構成される。
<Nonaqueous electrolyte>
As the non-aqueous electrolyte, for example, known organic electrolytes, polymer solid electrolytes, gel electrolytes, inorganic solid electrolytes, and the like can be used. Of these, organic electrolytes are preferable. The organic electrolytic solution is configured by dissolving a solute (electrolyte) in an organic solvent.
ここで、有機溶媒の種類は特に限定されないが、例えばカーボネート類、エーテル類、ケトン類、スルホラン系化合物、ラクトン類、ニトリル類、塩素化炭化水素類、エーテル類、アミン類、エステル類、アミド類、リン酸エステル化合物等を使用することができる。代表的なものを列挙すると、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、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ビニレンカーボネート、ビニルエチレンカーボネート、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、1,4−ジオキサン、4−メチル−2−ペンタノン、1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジエトキシエタン、γ−ブチロラクトン、1,3−ジオキソラン、4−メチル−1,3−ジオキソラン、ジエチルエーテル、スルホラン、メチルスルホラン、アセトニトリル、プロピオニトリル、ベンゾニトリル、ブチロニトリル、バレロニトリル、1,2−ジクロロエタン、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、リン酸トリメチル、リン酸トリエチル等が挙げられ、これら化合物は、水素原子が一部ハロゲン原子で置換されていてもよい。また、これらの単独若しくは2種類以上の混合溶媒が使用できる。 Here, the type of the organic solvent is not particularly limited. For example, carbonates, ethers, ketones, sulfolane compounds, lactones, nitriles, chlorinated hydrocarbons, ethers, amines, esters, amides. A phosphoric acid ester compound or the like can be used. Typical examples include dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, propylene carbonate, ethylene carbonate, vinylene carbonate, vinyl ethylene carbonate, tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, 1,4-dioxane, 4-methyl-2- Pentanone, 1,2-dimethoxyethane, 1,2-diethoxyethane, γ-butyrolactone, 1,3-dioxolane, 4-methyl-1,3-dioxolane, diethyl ether, sulfolane, methylsulfolane, acetonitrile, propionitrile Benzonitrile, butyronitrile, valeronitrile, 1,2-dichloroethane, dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, trimethyl phosphate, triethyl phosphate, etc. Et compounds, hydrogen atoms may be partially substituted with a halogen atom. Moreover, these single or 2 or more types of mixed solvents can be used.
上述の有機溶媒には、電解塩を解離させるために、高誘電率溶媒を含めることが好ましい。ここで、高誘電率溶媒とは、25℃における比誘電率が20以上の化合物を意味する。高誘電率溶媒の中でも、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、及び、それらの水素原子をハロゲン等の他の元素又はアルキル基等で置換した化合物が、電解液中に含まれることが好ましい。高誘電率溶媒の電解液に占める割合は、好ましくは20重量%以上、更に好ましくは25重量%以上、最も好ましくは30重量%以上である。高誘電率溶媒の含有量が上記範囲よりも少ないと、所望の電池特性が得られない場合がある。 The organic solvent described above preferably contains a high dielectric constant solvent in order to dissociate the electrolytic salt. Here, the high dielectric constant solvent means a compound having a relative dielectric constant of 20 or more at 25 ° C. Among the high dielectric constant solvents, it is preferable that ethylene carbonate, propylene carbonate, and compounds in which hydrogen atoms thereof are substituted with other elements such as halogen or alkyl groups are contained in the electrolytic solution. The proportion of the high dielectric constant solvent in the electrolyte is preferably 20% by weight or more, more preferably 25% by weight or more, and most preferably 30% by weight or more. If the content of the high dielectric constant solvent is less than the above range, desired battery characteristics may not be obtained.
また、有機電解液中には、CO2、N2O、CO、SO2等のガスやビニレンカーボネート、ポリサルファイドSx 2−など、負極表面にリチウムイオンの効率良い充放電を可能にする良好な被膜を形成する添加剤を任意の割合で添加しても良い。このような添加剤としてはなかでもとりわけビニレンカーボネートが好ましい。 In addition, in the organic electrolyte, a gas such as CO 2 , N 2 O, CO, and SO 2 , vinylene carbonate, polysulfide S x 2−, and the like that enables efficient charge and discharge of lithium ions on the negative electrode surface You may add the additive which forms a film in arbitrary ratios. Among these additives, vinylene carbonate is particularly preferable.
さらに、有機電解液中には、ジフルオロリン酸リチウムなど、サイクル寿命や出力特性の向上に効果を発揮する添加剤を任意の割合で添加しても良い。 Furthermore, an additive that exhibits an effect of improving cycle life and output characteristics, such as lithium difluorophosphate, may be added to the organic electrolyte at an arbitrary ratio.
電解塩の種類も特に限定されず、従来公知の任意の溶質を使用することができる。具体
例としては、LiClO4、LiAsF6、LiPF6、LiBF4、LiB(C6H5)4、LiBOB、LiCl、LiBr、CH3SO3Li、CF3SO3Li、LiN(SO2CF3)2、LiN(SO2C2F5)2、LiC(SO2CF3)3、LiN(SO3CF3)2等が挙げられる。これらの電解塩は任意の1種を単独で用いても良く、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で併用しても良い。
The type of the electrolytic salt is not particularly limited, and any conventionally known solute can be used. Specific examples include LiClO 4 , LiAsF 6 , LiPF 6 , LiBF 4 , LiB (C 6 H 5 ) 4 , LiBOB, LiCl, LiBr, CH 3 SO 3 Li, CF 3 SO 3 Li, LiN (SO 2 CF 3 ) 2 , LiN (SO 2 C 2 F 5 ) 2 , LiC (SO 2 CF 3 ) 3 , LiN (SO 3 CF 3 ) 2 and the like. Any one of these electrolytic salts may be used alone, or two or more thereof may be used in any combination and ratio.
電解塩のリチウム塩は電解液中に、通常0.5mol/L以上1.5mol/L以下となるように含有させる。電解液中のリチウム塩濃度が0.5mol/L未満でも1.5mol/Lを超えても、電気伝導度が低下し、電池特性に悪影響を与えることがある。この濃度の下限としては0.75mol/L以上、上限として1.25mol/L以下が好ましい。 The lithium salt of the electrolytic salt is usually contained in the electrolytic solution so as to have a concentration of 0.5 mol / L to 1.5 mol / L. Even if the lithium salt concentration in the electrolytic solution is less than 0.5 mol / L or more than 1.5 mol / L, the electric conductivity may be lowered, and the battery characteristics may be adversely affected. The lower limit of this concentration is preferably 0.75 mol / L or more and the upper limit is 1.25 mol / L or less.
高分子固体電解質を使用する場合にも、その種類は特に限定されず、固体電解質として公知の任意の結晶質・非晶質の無機物を用いることができる。結晶質の無機固体電解質としては、例えば、LiI、Li3N、Li1+xJxTi2−x(PO4)3(J=Al、Sc、Y、La)、Li0.5−3xRE0.5+xTiO3(RE=La、Pr、Nd、Sm)等が挙げられる。また、非晶質の無機固体電解質としては、例えば、4.9LiI−34.1Li2O−61B2O5、33.3Li2O−66.7SiO2等の酸化物ガラス等が挙げられる。これらは任意の1種を単独で用いても良く、2種以上を任意の組み合わせ及び比率で用いても良い。 Even when a polymer solid electrolyte is used, the type thereof is not particularly limited, and any known crystalline / amorphous inorganic substance can be used as the solid electrolyte. Examples of the crystalline inorganic solid electrolyte include LiI, Li 3 N, Li 1 + x J x Ti 2-x (PO 4 ) 3 (J = Al, Sc, Y, La), Li 0.5-3x RE 0. .5 + x TiO 3 (RE = La, Pr, Nd, Sm) and the like. Examples of the amorphous inorganic solid electrolyte include oxide glasses such as 4.9LiI-34.1Li 2 O-61B 2 O 5 and 33.3Li 2 O-66.7SiO 2 . Any one of these may be used alone, or two or more may be used in any combination and ratio.
〈セパレータ〉
電解質として前述の有機電解液を用いる場合には、電極同士の短絡を防止するために、正極と負極との間にセパレータが介装される。セパレータの材質や形状は特に制限されないが、使用する有機電解液に対して安定で、保液性に優れ、且つ、電極同士の短絡を確実に防止できるものが好ましい。好ましい例としては、各種の高分子材料からなる微多孔性のフィルム、シート、不織布等が挙げられる。高分子材料の具体例としては、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、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリブテン等のポリオレフィン高分子が用いられる。特に、セパレータの重要な因子である化学的及び電気化学的な安定性の観点からは、ポリオレフィン系高分子が好ましく、電池におけるセパレータの使用目的の一つである自己閉塞温度の点からは、ポリエチレンが特に望ましい。
<Separator>
When the above-described organic electrolyte is used as the electrolyte, a separator is interposed between the positive electrode and the negative electrode in order to prevent a short circuit between the electrodes. The material and shape of the separator are not particularly limited, but those that are stable with respect to the organic electrolyte used, have excellent liquid retention properties, and can reliably prevent short-circuiting between electrodes are preferable. Preferable examples include microporous films, sheets, nonwoven fabrics and the like made of various polymer materials. Specific examples of the polymer material include polyolefin polymers such as nylon, cellulose acetate, nitrocellulose, polysulfone, polyacrylonitrile, polyvinylidene fluoride, polypropylene, polyethylene, and polybutene. In particular, from the viewpoint of chemical and electrochemical stability, which is an important factor for separators, polyolefin polymers are preferable. From the viewpoint of self-occluding temperature, which is one of the purposes of use of separators in batteries, polyethylene is preferred. Is particularly desirable.
ポリエチレンからなるセパレータを用いる場合、高温形状維持性の点から、超高分子ポリエチレンを用いることが好ましく、その分子量の下限は好ましくは50万、更に好ましくは100万、最も好ましくは150万である。他方、分子量の上限は、好ましくは500万、更に好ましくは400万、最も好ましくは300万である。分子量が大きすぎると流動性が低くなりすぎてしまい、加熱された時にセパレータの孔が閉塞しない場合があるからである。 When using a separator made of polyethylene, it is preferable to use ultra-high molecular weight polyethylene from the viewpoint of maintaining high-temperature shape, and the lower limit of the molecular weight is preferably 500,000, more preferably 1,000,000, and most preferably 1,500,000. On the other hand, the upper limit of the molecular weight is preferably 5 million, more preferably 4 million, and most preferably 3 million. This is because if the molecular weight is too large, the fluidity becomes too low, and the pores of the separator may not close when heated.
〈電池形状〉
本発明のリチウム二次電池は、上述した本発明のリチウム二次電池用正極と、負極と、電解質と、必要に応じて用いられるセパレータとを、適切な形状に組み立てることにより製造される。更に、必要に応じて外装ケース等の他の構成要素を用いることも可能である。
<Battery shape>
The lithium secondary battery of the present invention is produced by assembling the above-described positive electrode for a lithium secondary battery of the present invention, a negative electrode, an electrolyte, and a separator used as necessary into an appropriate shape. Furthermore, other components such as an outer case can be used as necessary.
本発明のリチウム二次電池の形状は特に制限されず、一般的に採用されている各種形状の中から、その用途に応じて適宜選択することができる。一般的に採用されている形状の例としては、シート電極及びセパレータをスパイラル状にしたシリンダータイプ、ペレット電極及びセパレータを組み合わせたインサイドアウト構造のシリンダータイプ、ペレット電極及びセパレータを積層したコインタイプなどが挙げられる。また、電池を組み立てる方法も特に制限されず、目的とする電池の形状に合わせて、通常用いられている各種方法の中から適宜選択することができる。 The shape of the lithium secondary battery of the present invention is not particularly limited, and can be appropriately selected from various commonly employed shapes according to the application. Examples of commonly used shapes include a cylinder type with a sheet electrode and separator in a spiral shape, a cylinder type with an inside-out structure combining a pellet electrode and a separator, and a coin type with stacked pellet electrodes and a separator. Can be mentioned. The method for assembling the battery is not particularly limited, and can be appropriately selected from various commonly used methods according to the shape of the target battery.
以上、本発明のリチウム二次電池の一般的な実施形態について説明したが、本発明のリチウム二次電池は上記実施形態に制限されるものではなく、その要旨を超えない限りにおいて、各種の変形を加えて実施することが可能である。 The general embodiment of the lithium secondary battery of the present invention has been described above. However, the lithium secondary battery of the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications are possible as long as the gist thereof is not exceeded. Can be implemented.
以下に実施例により本発明を更に詳細に説明するが、本発明はその要旨を超えない限り、これらの実施例によってなんら制限されるものではない。 The present invention will be described in more detail with reference to the following examples. However, the present invention is not limited to these examples as long as the gist of the present invention is not exceeded.
[物性の測定方法]
後述の各実施例及び比較例において製造されたリチウム遷移金属系化合物粉体の物性等は、各々次のようにして測定した。
[Measurement method of physical properties]
The physical properties and the like of lithium transition metal-based compound powders produced in each Example and Comparative Example described below were measured as follows.
<組成(Li/Ni/Mn/Co)(Li/Ni/Co/Al)
(Li/Co)(Li/Mn/Al)>
ICP−AES分析により求めた。
<Composition (Li / Ni / Mn / Co) (Li / Ni / Co / Al)
(Li / Co) (Li / Mn / Al)>
It was determined by ICP-AES analysis.
<添加元素(W)の定量>
ICP−AES分析により求めた。
<Quantification of additive element (W)>
It was determined by ICP-AES analysis.
<二次粒子のメジアン径及び90%積算径(D90)>
公知のレーザー回折/散乱式粒度分布測定装置を用い、屈折率を1.24に設定し、粒子径基準を体積基準として測定した。分散媒としては0.1重量%ヘキサメタリン酸ナトリウム水溶液を用い、5分間の超音波分散(出力30W、周波数22.5kHz)後に測定を行った。
<Median diameter of secondary particles and 90% integrated diameter ( D90 )>
Using a known laser diffraction / scattering particle size distribution measuring device, the refractive index was set to 1.24, and the particle diameter standard was measured as the volume standard. As a dispersion medium, a 0.1 wt% sodium hexametaphosphate aqueous solution was used, and measurement was performed after 5 minutes of ultrasonic dispersion (output 30 W, frequency 22.5 kHz).
<嵩密度>
試料粉体4〜10gを10mlのガラス製メスシリンダーに入れ、ストローク約20mmで200回タップした時の粉体充填密度として求めた。
<Bulk density>
4 to 10 g of the sample powder was put into a 10 ml glass graduated cylinder, and the powder packing density when tapped 200 times with a stroke of about 20 mm was obtained.
<比表面積>
BET法により求めた。
<Specific surface area>
Obtained by BET method.
<含有炭素濃度C>
(株)堀場製作所製EMIA−520炭素硫黄分析計を使用した。数十から100mgの試料を、空焼きした磁性るつぼに秤り取り、助燃剤を加えて、酸素気流中、高周波加熱炉で炭素を燃焼抽出した。燃焼ガス中のCO2を、非分散赤外吸光光度法により定量した。感度較正には社団法人日本鉄鋼連盟製150−15低合金鋼1号(C保障値:0.469重量%)を使用した。
<Contained carbon concentration C>
An EMIA-520 carbon sulfur analyzer manufactured by HORIBA, Ltd. was used. A sample of several tens to 100 mg was weighed into an air-baked magnetic crucible, a combustion aid was added, and carbon was extracted by combustion in a high-frequency heating furnace in an oxygen stream. CO 2 in the combustion gas was quantified by non-dispersive infrared absorption spectrophotometry. For sensitivity calibration, 150-15 low alloy steel No. 1 (C guaranteed value: 0.469% by weight) manufactured by Japan Iron and Steel Federation was used.
<体積抵抗率>
粉体抵抗率測定装置(ダイアインスツルメンツ社製:ロレスターGP粉体低効率測定システムPD−41)を用い、試料重量2〜3gとし、粉体用プローブユニット(四探針・リング電極、電極間隔5.0mm、電極半径1.0mm、試料半径12.5mm)により、印加電圧リミッタを90Vとして、種々加圧下の粉体の体積抵抗率[Ω・cm]を測定し、40MPaの圧力下における体積抵抗率の値について比較した。
<Volume resistivity>
Using a powder resistivity measuring device (Dia Instruments: Lorester GP powder low-efficiency measurement system PD-41), the sample weight is set to 2 to 3 g, and a powder probe unit (four probe / ring electrodes, electrode spacing 5) The volume resistivity [Ω · cm] of the powder under various pressures was measured at an applied voltage limiter of 90 V using an electrode radius of 1.0 mm, an electrode radius of 1.0 mm, and a sample radius of 12.5 mm. The rate values were compared.
<スラリー中の粉砕粒子のメジアン径>
公知のレーザー回折/散乱式粒度分布測定装置を用い、屈折率を1.24に設定し、粒子径基準を体積基準として測定した。分散媒としては0.1重量%ヘキサメタリン
酸ナトリウム水溶液を用い、5分間の超音波分散(出力30W、周波数22.5kHz)後に測定を行った。
<Median diameter of pulverized particles in slurry>
Using a known laser diffraction / scattering particle size distribution measuring device, the refractive index was set to 1.24, and the particle diameter standard was measured as the volume standard. As a dispersion medium, a 0.1 wt% sodium hexametaphosphate aqueous solution was used, and measurement was performed after 5 minutes of ultrasonic dispersion (output 30 W, frequency 22.5 kHz).
<噴霧乾燥により得られた粒子状粉体の物性>
平均粒子径としてのメジアン径は、公知のレーザー回折/散乱式粒度分布測定装置(堀場製作所製、LA−920)によって、屈折率を1.24に設定し、粒子径基準を体積基準として測定した。また、分散媒としては0.1重量%ヘキサメタリン酸ナトリウム水溶液を用い、5分間の超音波分散後に測定を行った。比表面積は、BET法により求めた。嵩密度は、試料粉体4〜6gを10mlのガラス製メスシリンダーに入れ、ストローク約20mmで200回タップした時の粉体充填密度として求めた。
<Physical properties of particulate powder obtained by spray drying>
The median diameter as the average particle diameter was measured with a known laser diffraction / scattering particle size distribution measuring apparatus (LA-920, manufactured by Horiba, Ltd.) with a refractive index of 1.24 and a particle diameter standard as a volume standard. . Moreover, 0.1 weight% sodium hexametaphosphate aqueous solution was used as a dispersion medium, and it measured after ultrasonic dispersion for 5 minutes. The specific surface area was determined by the BET method. The bulk density was determined as the powder packing density when 4 to 6 g of sample powder was put in a 10 ml glass graduated cylinder and tapped 200 times with a stroke of about 20 mm.
[リチウム二次電池用正極活物質材料の製造(実施例及び比較例)]
(実施例1)
Li2CO3、Ni(OH)2、Mn3O4、CoOOH、WO3を、Li:Ni:Mn:Co:W=1.12:0.45:0.45:0.10:0.01のモル比となるように秤量して混合した後、これに純水を加えてスラリーを調製した。このスラリーを攪拌しながら、循環式媒体攪拌型湿式粉砕機を用いて、スラリー中の固形分をメジアン径0.23μmに粉砕した。
[Production of cathode active material for lithium secondary battery (Examples and Comparative Examples)]
Example 1
Li 2 CO 3 , Ni (OH) 2 , Mn 3 O 4 , CoOOH, WO 3 are mixed with Li: Ni: Mn: Co: W = 1.12: 0.45: 0.45: 0.10: 0. After weighing and mixing so as to have a molar ratio of 01, pure water was added thereto to prepare a slurry. While stirring this slurry, the solid content in the slurry was pulverized to a median diameter of 0.23 μm using a circulating medium agitation type wet pulverizer.
次に、このスラリー(固形分含有量16.5重量%、粘度1650cp)を、四流体ノズル型スプレードライヤー(藤崎電機(株)製:MDP−50型)を用いて噴霧乾燥した。この時の乾燥ガスとして空気を用い、乾燥ガス導入量Gは1600L/min、スラリー導入量Sは780mL/minとした(気液比G/S=2051)。また、乾燥入り口温度は200℃とした。スプレードライヤーにより噴霧乾燥して得られた粒子状粉末(メジアン径:3.2μm、嵩密度:1.0g/cm3、BET比表面積:53.2m2/g)、約370gをアルミナ製角鉢に仕込み、空気雰囲気下、1000℃で2時間焼成(昇温速度:約1.7℃/min.、降温速度:約3.3℃/min.)した後、目通し45μmのパウシフター(ツカサ工業(株)製)を用いて分級し、リチウム含有遷移金属複合酸化物粉体Aを得た。 Next, this slurry (solid content 16.5% by weight, viscosity 1650 cp) was spray-dried using a four-fluid nozzle type spray dryer (manufactured by Fujisaki Electric Co., Ltd .: MDP-50 type). At this time, air was used as the dry gas, the dry gas introduction amount G was 1600 L / min, and the slurry introduction amount S was 780 mL / min (gas-liquid ratio G / S = 2051). The drying inlet temperature was 200 ° C. Particulate powder obtained by spray-drying with a spray dryer (median diameter: 3.2 μm, bulk density: 1.0 g / cm 3 , BET specific surface area: 53.2 m 2 / g), about 370 g of alumina square bowl And fired at 1000 ° C. for 2 hours in an air atmosphere (temperature increase rate: about 1.7 ° C./min., Temperature decrease rate: about 3.3 ° C./min.). And lithium-containing transition metal composite oxide powder A was obtained.
このリチウム含有遷移金属酸化物粉体Aは、組成がLi(Li0.053Ni0.425Mn0.427Co0.095)O2の層状構造を有するリチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物(前記組成式(I),(II)において、x=0.100、y=−0.002、z=0.111)であり、また、(Ni,Mn,Co)の合計モル量に対するWの含有モル比率は1.0モル%であった。 The lithium-containing transition metal oxide powder A, the composition is Li (Li 0.053 Ni 0.425 Mn 0.427 Co 0.095) Lithium nickel manganese cobalt composite oxide having a layered structure of O 2 (the composition In formulas (I) and (II), x = 0.100, y = −0.002, z = 0.111), and the moles of W contained with respect to the total molar amount of (Ni, Mn, Co) The ratio was 1.0 mol%.
リチウム含有遷移金属酸化物粉体Bとして、リチウム含有遷移金属酸化物粉体Bとして、組成がLi(Li0.03Mn1.85Al0.12)O4のスピネル構造を有するリチウムマンガンアルミニウム複合酸化物粉体を用いた。
このリチウム含有遷移金属複合酸化物粉体Aとリチウム含有遷移金属複合酸化物粉体Bを、1:1(重量比)の比率で十分に混合し、目的とする混合粉体を得た。
As lithium-containing transition metal oxide powder B, lithium manganese aluminum composite having a spinel structure with a composition of Li (Li 0.03 Mn 1.85 Al 0.12 ) O 4 as lithium-containing transition metal oxide powder B Oxide powder was used.
This lithium-containing transition metal composite oxide powder A and lithium-containing transition metal composite oxide powder B were sufficiently mixed at a ratio of 1: 1 (weight ratio) to obtain a target mixed powder.
この混合粉体の体積抵抗率は3.0×104Ω・cm、含有炭素濃度Cは0.025重量%、メジアン径は2.7μm、90%積算径(D90)は5.9μm、嵩密度は1.3g/cm3、BET比表面積は1.7m2/gであった。 The mixed powder has a volume resistivity of 3.0 × 10 4 Ω · cm, a carbon concentration C of 0.025 wt%, a median diameter of 2.7 μm, a 90% cumulative diameter (D 90 ) of 5.9 μm, The bulk density was 1.3 g / cm 3 and the BET specific surface area was 1.7 m 2 / g.
(比較例1)
実施例1で使用したリチウム含有遷移金属複合酸化物粉体Aを、リチウム含有遷移金属複合酸化物粉体Bと混合せずに評価を行った。
この非混合粉体の体積抵抗率は6.3×104Ω・cm、含有炭素濃度Cは0.031重量%、メジアン径は2.7μm、90%積算径(D90)は4.9μm、嵩密度は1.0g/cm3、BET比表面積は2.8m2/gであった。
(Comparative Example 1)
The lithium-containing transition metal composite oxide powder A used in Example 1 was evaluated without being mixed with the lithium-containing transition metal composite oxide powder B.
This unmixed powder has a volume resistivity of 6.3 × 10 4 Ω · cm, a carbon concentration C of 0.031 wt%, a median diameter of 2.7 μm, and a 90% integrated diameter (D 90 ) of 4.9 μm. The bulk density was 1.0 g / cm 3 and the BET specific surface area was 2.8 m 2 / g.
(比較例2)
実施例1で使用したリチウム含有遷移金属複合酸化物粉体Bを、リチウム含有遷移金属複合酸化物粉体Aと混合せずに評価を行った。
この非混合粉体の体積抵抗率は1.3×104Ω・cm、含有炭素濃度Cは0.001重量%、メジアン径は11.7μm、90%積算径(D90)は18.0μm、嵩密度は1.8g/cm3、BET比表面積は0.7m2/gであった。
(Comparative Example 2)
The lithium-containing transition metal composite oxide powder B used in Example 1 was evaluated without being mixed with the lithium-containing transition metal composite oxide powder A.
This unmixed powder has a volume resistivity of 1.3 × 10 4 Ω · cm, a carbon concentration C of 0.001% by weight, a median diameter of 11.7 μm, and a 90% integrated diameter (D 90 ) of 18.0 μm. The bulk density was 1.8 g / cm 3 and the BET specific surface area was 0.7 m 2 / g.
(比較例3)
リチウム含有遷移金属複合酸化物粉体Bの代わりに、組成がLi1.03Co1.00O2の層状構造を有するリチウムコバルト複合酸化物粉体を用いた以外は実施例1と同様にして混合粉体を作製した。
この混合粉体の体積抵抗率は2.3×104Ω・cm、含有炭素濃度Cは0.041重量%、メジアン径は2.6μm、90%積算径(D90)は5.6μm、嵩密度は1.4g/cm3、BET比表面積は1.7m2/gであった。
(Comparative Example 3)
Instead of the lithium-containing transition metal composite oxide powder B, the same procedure as in Example 1 was used, except that a lithium cobalt composite oxide powder having a layered structure with a composition of Li 1.03 Co 1.00 O 2 was used. Mixed powder was produced.
The mixed powder has a volume resistivity of 2.3 × 10 4 Ω · cm, a carbon concentration C of 0.041% by weight, a median diameter of 2.6 μm, a 90% integrated diameter (D 90 ) of 5.6 μm, The bulk density was 1.4 g / cm 3 and the BET specific surface area was 1.7 m 2 / g.
(比較例4)
比較例3で使用したリチウムコバルト複合酸化物粉体を、リチウム含有遷移金属複合酸化物粉体Aと混合せずに評価を行った。
この非混合粉体の体積抵抗率は1.3×104Ω・cm、含有炭素濃度Cは0.026重量%、メジアン径は11.6μm、90%積算径(D90)は16.9μm、嵩密度は2.6g/cm3、BET比表面積は0.7m2/gであった。
(Comparative Example 4)
The lithium cobalt composite oxide powder used in Comparative Example 3 was evaluated without being mixed with the lithium-containing transition metal composite oxide powder A.
This unmixed powder has a volume resistivity of 1.3 × 10 4 Ω · cm, a carbon concentration C of 0.026 wt%, a median diameter of 11.6 μm, and a 90% integrated diameter (D 90 ) of 16.9 μm. The bulk density was 2.6 g / cm 3 and the BET specific surface area was 0.7 m 2 / g.
上記実施例1及び比較例1〜4で製造した混合粉体又は非混合粉体の物性値を、表1にまとめる。 Table 1 summarizes the physical property values of the mixed powder or the non-mixed powder produced in Example 1 and Comparative Examples 1 to 4.
[電池の作製及び評価]
上述の実施例1及び比較例1〜4で製造した混合粉体又は非混合粉体をそれぞれ正極材料(正極活物質)として用いて、以下の方法によりリチウム二次電池を作製し、評価を行った。結果を表2に示す。
[Production and evaluation of battery]
Using the mixed powder or non-mixed powder produced in Example 1 and Comparative Examples 1 to 4 described above as the positive electrode material (positive electrode active material), a lithium secondary battery was prepared and evaluated by the following method. It was. The results are shown in Table 2.
(1)初期充放電容量:
実施例1及び比較例1〜4で製造した混合粉体又は非混合粉体の各々75重量%と、アセチレンブラック20重量%、及びポリテトラフルオロエチレンパウダー5重量%の割合で秤量したものを乳鉢で十分混合し、薄くシート状にしたものを9mmφのポンチを用いて打ち抜いた。この際、全体重量は約8mgになるように調整した。これをアルミニウムエキスパンドメタルに圧着して、9mmφの正極とした。
(1) Initial charge / discharge capacity:
A mortar obtained by weighing 75% by weight of each of the mixed powder or non-mixed powder produced in Example 1 and Comparative Examples 1 to 4, 20% by weight of acetylene black, and 5% by weight of polytetrafluoroethylene powder. Were mixed thoroughly and made into a thin sheet, and punched out using a 9 mmφ punch. At this time, the total weight was adjusted to about 8 mg. This was pressure-bonded to an aluminum expanded metal to obtain a 9 mmφ positive electrode.
この9mmφの正極を試験極とし、リチウム金属板を対極とし、EC(エチレンカーボネート):DMC(ジメチルカーボネート):EMC(エチルメチルカーボネート)=3:3:4(容量比)の溶媒にLiPF6を1mol/Lで溶解した電解液を用い、厚さ25μmの多孔性ポリエチレンフィルムをセパレータとしてコイン型セルを組み立てた。 This 9 mmφ positive electrode is used as a test electrode, a lithium metal plate is used as a counter electrode, and LiPF 6 is added to a solvent of EC (ethylene carbonate): DMC (dimethyl carbonate): EMC (ethyl methyl carbonate) = 3: 3: 4 (volume ratio). Using an electrolytic solution dissolved at 1 mol / L, a coin-type cell was assembled using a porous polyethylene film having a thickness of 25 μm as a separator.
得られたコイン型セルについて、上限電圧4.2Vで0.2mA/cm2の定電流定電圧充電、下限電圧3.0Vで0.2mA/cm2の定電流放電試験を行い、初期充放電容量を求めた。 The obtained coin-type cell was subjected to a constant current constant voltage charge of 0.2 mA / cm 2 at an upper limit voltage of 4.2 V and a constant current discharge test of 0.2 mA / cm 2 at a lower limit voltage of 3.0 V to perform initial charge / discharge. The capacity was determined.
なお、実施例の合格判定基準として、前記1サイクル目の初期放電容量が125mAh/g以上を設定した。 In addition, the initial discharge capacity of the said 1st cycle was set to 125 mAh / g or more as an acceptance criterion of an Example.
(2)低温負荷特性試験及び高温サイクル試験:
実施例1及び比較例1〜4で製造した混合粉体又は非混合粉体を各々75重量%と、アセチレンブラック20重量%及びポリテトラフルオロエチレンパウダー5重量%の割合で秤量したものを乳鉢で十分混合し、薄くシート状にしたものを12mmφのポンチを用いて打ち抜いた。この際、全体重量は約18mgになるように調整した。これをアルミニウムエキスパンドメタルに圧着して、12mmφの正極とした。
(2) Low temperature load characteristic test and high temperature cycle test:
In a mortar, 75% by weight of the mixed powder or unmixed powder produced in Example 1 and Comparative Examples 1 to 4, 20% by weight of acetylene black, and 5% by weight of polytetrafluoroethylene powder were weighed. Thoroughly mixed and made into a thin sheet was punched out using a 12 mmφ punch. At this time, the total weight was adjusted to about 18 mg. This was pressure-bonded to an aluminum expanded metal to obtain a 12 mmφ positive electrode.
(1)のコインセル試験における1サイクル目の充放電の結果を用い、正極活物質単位重量当たりの初期充電容量をQs(C)[mAh/g]、初期放電容量をQs(D)[mAh/g]とした。 Using the result of charge and discharge in the first cycle in the coin cell test of (1), the initial charge capacity per unit weight of the positive electrode active material is Qs (C) [mAh / g], and the initial discharge capacity is Qs (D) [mAh / g].
負極活物質として平均粒子径8〜10μmの黒鉛粉末(d002=3.35Å)、バインダーとしてポリフッ化ビニリデンをそれぞれ用い、これらを重量比で92.5:7.5の割合で秤量し、これをN−メチルピロリドン溶液中で混合し、負極合剤スラリーとした。このスラリーを20μmの厚さの銅箔の片面に塗布し、乾燥して溶媒を蒸発させた後、12mmφに打ち抜き、0.5ton/cm2(49MPa)でプレス処理をしたものを負極とした。この時、電極上の負極活物質の量は約5〜12mgになるように調節した。 Graphite powder having an average particle size of 8 to 10 μm (d 002 = 3.35 Å) was used as the negative electrode active material, and polyvinylidene fluoride was used as the binder, and these were weighed at a weight ratio of 92.5: 7.5. Were mixed in an N-methylpyrrolidone solution to obtain a negative electrode mixture slurry. This slurry was applied to one side of a 20 μm thick copper foil, dried to evaporate the solvent, punched to 12 mmφ, and pressed at 0.5 ton / cm 2 (49 MPa) to form a negative electrode. At this time, the amount of the negative electrode active material on the electrode was adjusted to be about 5 to 12 mg.
なお、この負極を試験極とし、リチウム金属を対極として電池セルを組み、0.2mA/cm2−3mVの定電流−定電圧法(カット電流0.05mA)で負極にリチウムイオンを吸蔵させる試験を下限0Vで行った際の、負極活物質単位重量当たりの初期吸蔵容量をQf[mAh/g]とした。 A test in which a negative electrode is used as a test electrode, a battery cell is assembled using lithium metal as a counter electrode, and lithium ions are occluded in the negative electrode by a constant current-constant voltage method (cut current 0.05 mA) of 0.2 mA / cm 2 -3 mV. The initial occlusion capacity per unit weight of the negative electrode active material at a lower limit of 0 V was defined as Qf [mAh / g].
上記正極と負極を組み合わせ、コインセルを使用して試験用電池を組み立て、その電池性能を評価した。即ち、コインセルの正極缶の上に、作製した上述の正極を置き、その上にセパレータとして厚さ25μmの多孔性ポリエチレンフィルムを置き、ポリプロピレン製ガスケットで押さえた後、非水電解液として、EC(エチレンカーボネート):DMC(ジメチルカーボネート):EMC(エチルメチルカーボネート)=3:3:4(容量比)の溶媒にLiPF6を1mol/Lで溶解した電解液を用い、これを缶内に加えてセパレータに十分染み込ませた後、上述の負極を置き、負極缶を載せて封口し、コイン型のリチウム二次電池を作製した。なお、この時、正極活物質の重量と負極活物質重量のバランスは、ほぼ以下の式を満たすように設定した。
正極活物質重量[g]/負極活物質重量[g]
=(Qf[mAh/g]/1.2)Qs(C)[mAh/g]
The positive electrode and the negative electrode were combined, a test battery was assembled using a coin cell, and the battery performance was evaluated. That is, the above-described positive electrode prepared is placed on the positive electrode can of the coin cell, a porous polyethylene film having a thickness of 25 μm is placed thereon as a separator, pressed with a polypropylene gasket, and then EC ( An electrolytic solution in which LiPF 6 was dissolved at a rate of 1 mol / L in a solvent of ethylene carbonate): DMC (dimethyl carbonate): EMC (ethyl methyl carbonate) = 3: 3: 4 (volume ratio) was added to the can. After fully infiltrating the separator, the above-described negative electrode was placed, a negative electrode can was placed and sealed, and a coin-type lithium secondary battery was produced. At this time, the balance between the weight of the positive electrode active material and the weight of the negative electrode active material was set so as to satisfy the following expression.
Positive electrode active material weight [g] / Negative electrode active material weight [g]
= (Qf [mAh / g] /1.2) Qs (C) [mAh / g]
こうして得られた電池の低温負荷特性を測定するため、電池の1時間率電流値、即ち1Cを下式の様に設定し、以下の試験を行った。
1C[mA] = Qs(D)×正極活物質重量[g]/時間[h]
In order to measure the low temperature load characteristics of the battery thus obtained, the 1 hour rate current value of the battery, that is, 1C, was set as shown in the following equation, and the following tests were performed.
1C [mA] = Qs (D) × positive electrode active material weight [g] / hour [h]
まず、室温で定電流0.2C充放電2サイクル及び定電流1C充放電1サイクルを行った。なお、充電上限は4.1V、下限電圧は3.0Vとした。次に、1/3C定電流充放電により、充電深度40%に調整したコインセルを−30℃の低温雰囲気に1時間以上保持した後、定電流0.5C[mA]で10秒間放電させた時の10秒後の電圧をV[mV]、放電前の電圧をV0[mV]とした時、ΔV=V−V0として下式より抵抗値R[Ω]を算出した。
R[Ω] = ΔV[mV]/0.5C[mA]
First, a constant current 0.2C charge / discharge cycle and a constant current 1C charge / discharge cycle were performed at room temperature. The upper limit of charging was 4.1 V, and the lower limit voltage was 3.0 V. Next, when a coin cell adjusted to a charging depth of 40% is held in a low temperature atmosphere of −30 ° C. for 1 hour or longer by 1/3 C constant current charging / discharging and then discharged for 10 seconds at a constant current of 0.5 C [mA]. Assuming that the voltage after 10 seconds is V [mV] and the voltage before discharge is V 0 [mV], the resistance value R [Ω] is calculated from the following equation as ΔV = V−V 0 .
R [Ω] = ΔV [mV] /0.5C [mA]
次に、60℃の高温で定電流0.2C充放電1サイクル、ついで定電流1C充放電100サイクルの試験を行った。なお、充電上限は4.1V、下限電圧は3.0Vとした。この時、60℃での1C充放電100サイクル目の放電容量Qh(100)の割合を、下記の式で高温サイクル容量維持率Pとして算出し、この値で電池の高温特性を比較した。
P[%]={Qh(100)/Qh(1)}×100
Next, a constant current 0.2C charge / discharge cycle was conducted at a high temperature of 60 ° C., followed by a constant current 1C charge / discharge cycle 100. The upper limit of charging was 4.1 V, and the lower limit voltage was 3.0 V. At this time, the ratio of the discharge capacity Qh (100) at the 100th cycle of 1C charge / discharge at 60 ° C. was calculated as the high-temperature cycle capacity retention ratio P by the following formula, and the high-temperature characteristics of the batteries were compared with this value.
P [%] = {Qh (100) / Qh (1)} × 100
次に、上記と同様にして高温サイクル試験後の抵抗値R[Ω]を算出した。 Next, the resistance value R [Ω] after the high-temperature cycle test was calculated in the same manner as described above.
表2に、実施例1及び比較例1〜4のリチウム二次電池用正極活物質材料をそれぞれ使用した電池の低温抵抗値と60℃サイクル容量維持率を示す。抵抗値が小さい程、低温負荷特性が良好であり、維持率が高い程、高温サイクル特性が良好であることを表す。なお、実施例の合格判定基準として、低温抵抗値が350Ω以下、サイクル容量維持率が70%以上であることを設定した。 Table 2 shows the low-temperature resistance values and 60 ° C. cycle capacity retention rates of the batteries using the positive electrode active material materials for lithium secondary batteries of Example 1 and Comparative Examples 1 to 4, respectively. The smaller the resistance value, the better the low temperature load characteristics, and the higher the maintenance ratio, the better the high temperature cycle characteristics. In addition, it set that the low-temperature resistance value was 350 ohms or less, and the cycle capacity maintenance rate was 70% or more as an acceptance criterion of an Example.
表2より、本発明のリチウム二次電池正極活物質材料によれば、容量、高温サイクル特性、負荷特性のバランスに優れたリチウム二次電池を実現することができることが分かる。 From Table 2, it can be seen that according to the lithium secondary battery positive electrode active material of the present invention, a lithium secondary battery having an excellent balance of capacity, high temperature cycle characteristics, and load characteristics can be realized.
本発明のリチウム二次電池の用途は特に限定されず、公知の各種の用途に用いることが可能である。具体例としては、ノートパソコン、ペン入力パソコン、モバイルパソコン、電子ブックプレーヤー、携帯電話、携帯ファックス、携帯コピー、携帯プリンター、ヘッドフォンステレオ、ビデオムービー、液晶テレビ、ハンディークリーナー、ポータブルCD、ミニディスク、トランシーバー、電子手帳、電卓、メモリーカード、携帯テープレコーダー、ラジオ、バックアップ電源、モーター、照明器具、玩具、ゲーム機器、時計、ストロボ、カメラ、自動車用動力源等を挙げることができる。 The use of the lithium secondary battery of the present invention is not particularly limited, and can be used for various known uses. Specific examples include notebook computers, pen input computers, mobile computers, electronic book players, mobile phones, mobile faxes, mobile copy, mobile printers, headphone stereos, video movies, LCD TVs, handy cleaners, portable CDs, minidiscs, and transceivers. Electronic notebooks, calculators, memory cards, portable tape recorders, radios, backup power supplies, motors, lighting equipment, toys, game machines, watches, strobes, cameras, automobile power sources, and the like.
Claims (15)
スピネル構造(空間群Fd−3m(No.227))を有し、Li及び遷移金属として少なくともMnを含有するリチウム含有遷移金属複合酸化物粉体Bと
を混合してなるリチウム二次電池用正極活物質材料であって、
前記リチウム含有遷移金属複合酸化物粉体Aの組成が、下記組成式(I)で表され、かつMo、W、Nb、Ta、及びReよりなる群から選ばれる1種以上の元素を含有してなり、
組成式(I)中のMが、下記組成式(II)で表され、
前記リチウム含有遷移金属複合酸化物粉体Bの組成が、下記組成式(III)で表されることを特徴とするリチウム二次電池用正極活物質材料。
LiMO 2 …(I)
〔ただし、上記式(I)中、
Mは、Li、Ni及びMn、或いは、Li、Ni、Mn及びCoから構成される元素であり
Mn/Niモル比は0.8以上、5以下
Co/(Mn+Ni+Co)モル比は0以上、0.35以下、
M中のLiモル比は0.001以上、0.2以下
である。〕
M=Li z/(2+z) {(Ni (1+y)/2 Mn (1-y)/2 ) 1-x Co x } 2/(2+z) …(II)
〔ただし、上記式(II)中、
0≦x≦0.1
−0.1≦y≦0.1
(1−x)(0.05−0.98y)≦z≦(1−x)(0.20−0.88y)
である。〕
Li(Mn 2-x'-y' Li x' M’ y' )O 4 …(III)
〔ただし、上記式(III)中、M’は、Mn及びLi以外のMn(16d)サイトに置換し得る少なくとも1種以上の金属元素であり、x’は0.01〜0.10、y’は0.01〜0.5である。〕 A lithium compound, one or more transition metal compounds containing at least Mn, Ni, and Co, and an additive that suppresses grain growth and sintering during firing are pulverized in a liquid medium and uniformly dispersed. A lithium-containing transition metal composite obtained by a production method comprising at least a slurry preparation step for obtaining a slurry, a spray drying step for spray-drying the obtained slurry, and a firing step for firing the obtained spray-dried powder Oxide powder A;
Having a spinel structure (space group Fd-3m (No.227)), Li and a mixture of a lithium-containing transition metal composite oxide powder B containing at least Mn, such ruri lithium secondary battery as a transition metal A positive electrode active material ,
The composition of the lithium-containing transition metal composite oxide powder A is represented by the following composition formula (I) and contains one or more elements selected from the group consisting of Mo, W, Nb, Ta, and Re. And
M in the composition formula (I) is represented by the following composition formula (II),
The composition of the lithium-containing transition metal composite oxide powder B is represented by the following composition formula (III): A positive electrode active material for a lithium secondary battery.
LiMO 2 (I)
[However, in the above formula (I),
M is an element composed of Li, Ni, and Mn, or Li, Ni, Mn, and Co.
Mn / Ni molar ratio is 0.8 or more and 5 or less
Co / (Mn + Ni + Co) molar ratio is 0 or more, 0.35 or less,
Li molar ratio in M is 0.001 or more and 0.2 or less
It is. ]
M = Liz / (2 + z) {(Ni (1 + y) / 2 Mn (1-y) / 2 ) 1-x Co x } 2 / (2 + z) (II)
[However, in the above formula (II),
0 ≦ x ≦ 0.1
−0.1 ≦ y ≦ 0.1
(1-x) (0.05-0.98y) ≤z≤ (1-x) (0.20-0.88y)
It is. ]
Li (Mn 2-x'-y 'Li x' M 'y') O 4 ... (III)
[In the above formula (III), M ′ is at least one metal element that can be substituted with Mn (16d) sites other than Mn and Li, and x ′ is 0.01 to 0.10, y 'Is 0.01 to 0.5. ]
スラリー調製工程において、リチウム化合物及び、前記遷移金属化合物と、前記添加剤とを、液体媒体中で、レーザー回折/散乱式粒度分布測定装置によって、屈折率を1.24に設定し、粒子径基準を体積基準として、5分間の超音波分散(出力30W、周波数22.5kHz)後に測定するメジアン径が0.4μm以下になるまで粉砕し、
噴霧乾燥工程において、噴霧乾燥時のスラリー粘度をV(cp)、スラリー供給量をS(L/min)、ガス供給量をG(L/min)とした際、50cp≦V≦4000cp、1500≦G/S≦5000となる条件で噴霧乾燥を行い、
焼成工程において、前記噴霧乾燥粉体を、酸素含有ガス雰囲気下、950℃以上で焼成する
ことにより得られたことを特徴とする請求項1または2に記載のリチウム二次電池用正極活物質材料。 The lithium-containing transition metal composite oxide powder A is
In the slurry preparation step, the lithium compound, the transition metal compound, and the additive are set in a liquid medium with a refractive index of 1.24 using a laser diffraction / scattering particle size distribution measurement device, and the particle size reference Crushed until the median diameter measured after ultrasonic dispersion (output 30 W, frequency 22.5 kHz) for 5 minutes is 0.4 μm or less,
In the spray drying process, when the slurry viscosity during spray drying is V (cp), the slurry supply amount is S (L / min), and the gas supply amount is G (L / min), 50 cp ≦ V ≦ 4000 cp, 1500 ≦ Spray drying is performed under the condition of G / S ≦ 5000,
3. The positive electrode active material for a lithium secondary battery according to claim 1, wherein the spray-dried powder is obtained by firing at 950 ° C. or higher in an oxygen-containing gas atmosphere in the firing step. .
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