JP5223166B2 - Battery active material and secondary battery - Google Patents

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Description

本発明は、電池活物質に関し、特にリチウムイオン二次電池の正極活物質に関する。   The present invention relates to a battery active material, and more particularly to a positive electrode active material of a lithium ion secondary battery.

近年、環境や燃費の観点から、ハイブリッド自動車や電気自動車、さらには燃料電池自動車が製造・販売され、新たな開発が続けられている。これらのいわゆる電動車両においては、放電・充電ができる電源装置の活用が不可欠である。この電源装置としては、リチウムイオン電池やニッケル水素電池等の二次電池や、電気二重層キャパシタ等が利用される。   In recent years, hybrid vehicles, electric vehicles, and fuel cell vehicles have been manufactured and sold from the viewpoints of environment and fuel efficiency, and new developments are continuing. In these so-called electric vehicles, it is indispensable to use a power supply device capable of discharging and charging. As the power supply device, a secondary battery such as a lithium ion battery or a nickel metal hydride battery, an electric double layer capacitor, or the like is used.

特に、リチウムイオン二次電池はそのエネルギー密度の高さや繰り返し充放電に対する耐久性の高さから、電動車両に好適と考えられ、各種の開発が鋭意進められている。電動車両のうちでも、内燃機関と電池とを併用する、いわゆるハイブリッド車においては、加速時などの短時間における高出力が要求される。そのため、活物質の平均粒径を小さく、例えば数μm以下にして有効表面積を大きくするなどの対応が検討されている。   In particular, lithium ion secondary batteries are considered suitable for electric vehicles because of their high energy density and high durability against repeated charging and discharging, and various developments have been intensively advanced. Among electric vehicles, a so-called hybrid vehicle using both an internal combustion engine and a battery requires high output in a short time such as during acceleration. Therefore, countermeasures such as reducing the average particle size of the active material, for example, increasing the effective surface area to several μm or less, are being studied.

リチウムイオン電池の正極活物質としては、従来からリチウムと各種の金属元素との複合酸化物が用いられてきている。またこれらの複合酸化物を複数組み合わせて用いる方法(例えば、特許文献1参照。)が提案されている。
特許3610943号公報
Conventionally, composite oxides of lithium and various metal elements have been used as positive electrode active materials for lithium ion batteries. In addition, a method of using a combination of these composite oxides (for example, see Patent Document 1) has been proposed.
Japanese Patent No. 3610943

しかしながら、特許文献1に記載のような従来技術によるリチウムイオン二次電池において考えられていた手法は活物質粒子の混合であり、出力性能と容量性能の異なるそれぞれの活物質材料の特性が十分生かされていないという問題点があった。   However, the technique considered in the conventional lithium ion secondary battery as described in Patent Document 1 is mixing active material particles, and the characteristics of each active material having different output performance and capacity performance are sufficiently utilized. There was a problem of not being.

そこで、本発明は、上述した従来技術の問題点に鑑みてなされたものである。すなわち、出力性能と容量性能の異なるそれぞれの活物質材料の特性を十分生かすことのできる電池活物質およびこれを用いたリチウムイオン二次電池を提供することを目的とする。   Therefore, the present invention has been made in view of the above-described problems of the prior art. That is, an object of the present invention is to provide a battery active material that can fully utilize the characteristics of each active material having different output performance and capacity performance, and a lithium ion secondary battery using the battery active material.

本発明者は、活物質粒子を性能の異なる材料から構成されるコア−シェル型構造とし、コア部を容量性能を重視した材料、シェル部を出力性能を重視した材料とすることで、異なる材料の特性を十分生かすことができることを見出し、本発明を完成させた。   The inventor has a core-shell structure composed of materials having different performances as active material particles, the core portion is made of a material that emphasizes capacity performance, and the shell portion is made of a material that emphasizes output performance. The present inventors have found that the above characteristics can be fully utilized and completed the present invention.

本発明の目的は、電池活物質であって、少なくとも2種の活物質材料から構成され、粒子内の材料がコア−シェル型構造となっており、コア部の活物質材料に対してシェル部の活物質材料が高出力であることを特徴とする電池活物質により達成することができる。   An object of the present invention is a battery active material, which is composed of at least two types of active material, the material in the particles has a core-shell type structure, and the shell portion with respect to the active material of the core portion. It can be achieved by a battery active material characterized in that the active material is high output.

本発明の電池活物質によれば、活物質粒子内の材料をコア−シェル型構造とし、コア部の材料に対してシェル部の材料を高出力としたことによって、出力性能の高い材料と容量性能の高い材料を有効に活用することができる。   According to the battery active material of the present invention, the material in the active material particles has a core-shell structure, and the material of the shell part has a high output relative to the material of the core part. High performance materials can be used effectively.

本発明は、電池活物質であって、少なくとも2種の活物質材料から構成され、粒子内の材料がコア−シェル型構造となっており、コア部の活物質材料に対してシェル部の活物質材料が高出力であることを特徴とするものである。以下、本発明の電池活物質の実施形態について図面を用いて説明するが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。図1Aは、本発明の電池活物質の一実施形態であって、粒子内が異なる活物質材料によりコア−シェル型構造となっている様子を表した活物質粒子の断面模式図である。図1Bは、本発明の電池活物質の他の実施形態であって、粒子内が異なる活物質材料によりコア−シェル型構造となっており、更にシェル部の外側に溶出防止層を設けた構造となっている様子を表した活物質粒子の断面模式図である。   The present invention is a battery active material, which is composed of at least two types of active material, the material in the particles has a core-shell type structure, and the active part material of the core part has an active part of the shell part. The material is characterized by high output. Hereinafter, although embodiment of the battery active material of this invention is described using drawing, this invention is not limited to these embodiment. FIG. 1A is a schematic cross-sectional view of active material particles according to an embodiment of the battery active material of the present invention, showing a state in which the inside of the particle has a core-shell structure with different active material materials. FIG. 1B shows another embodiment of the battery active material of the present invention, which has a core-shell type structure with active material materials having different inside particles, and a structure in which an elution preventing layer is further provided outside the shell portion. It is a cross-sectional schematic diagram of the active material particle showing a state of becoming.

図1Aに示すように、本発明の電池活物質においては、コア−シェル型構造の粒子3のシェル部(表層部)1は、コア部(内部)2よりも高出力な活物質材料で構成されている。さらに、図1Bに示すように、本発明の電池活物質においては、シェル部1の外側に溶出防止層4が設けられていてもよい。   As shown in FIG. 1A, in the battery active material of the present invention, the shell part (surface layer part) 1 of the core-shell type particle 3 is composed of an active material having a higher output than the core part (inside) 2. Has been. Furthermore, as shown in FIG. 1B, in the battery active material of the present invention, an elution preventing layer 4 may be provided outside the shell portion 1.

電極反応は、いわゆる電気化学反応であり、活物質粒子の表層部と内部とでは、反応のし易さが異なる。そのため短時間に高出力を取り出す場合、速やかに電解質成分やLiイオンが挿入・脱離し易く反応が生じやすい粒子のシェル部1が主に利用され、コア部2の多くは未利用状態のままである。そのため、特許文献1のように、出力性能に優れる粒子と容量性能に優れる粒子を混合して用いた場合、いずれの特性も十分に生かすことができない。即ち、短時間に高出力を取り出そうとしても、特性の異なる粒子間の出力特性のバラツキにより、得られる電極全体の出力は、これらの加重平均的なものとなる。そのため、出力性能に優れる粒子だけを用いた場合のような高出力を提供するのは困難となる。一方、比較的長期間安定的に所定の容量(中〜低出力)を取り出そうとしても、特性の異なる粒子間の容量のバラツキにより、得られる電極全体の容量は、容量の小さい出力性能に優れる粒子の持つ容量によって制限されることになる。つまり、この容量の小さい出力性能に優れる粒子の容量がなくなった時点で、電極全体の出力が低下し、残る容量性能に優れる粒子だけで所定の出力を供給するのは困難となる。そのため、容量性能に優れる粒子だけを用いた場合のような高容量を提供するのは困難となる。   The electrode reaction is a so-called electrochemical reaction, and the easiness of the reaction differs between the surface layer portion and the inside of the active material particles. For this reason, when high output is taken out in a short time, the shell part 1 of the particles, in which the electrolyte components and Li ions are easily inserted and desorbed quickly and the reaction is likely to occur, is mainly used, and many of the core parts 2 remain unused. is there. Therefore, as in Patent Document 1, when particles having excellent output performance and particles having excellent capacity performance are mixed and used, none of the characteristics can be fully utilized. That is, even if a high output is to be taken out in a short time, the output of the entire electrode obtained is a weighted average of these due to variations in output characteristics between particles having different characteristics. Therefore, it is difficult to provide a high output as in the case where only particles having excellent output performance are used. On the other hand, even if it is attempted to take out a predetermined capacity (medium to low output) stably for a relatively long period of time, the capacity of the entire electrode obtained is excellent in output performance with a small capacity due to variation in capacity between particles having different characteristics. It is limited by the capacity of the particles. That is, when the capacity of the particles having excellent output performance with a small capacity is exhausted, the output of the entire electrode is lowered, and it becomes difficult to supply a predetermined output with only the remaining particles having excellent capacity performance. Therefore, it is difficult to provide a high capacity as in the case where only particles having excellent capacity performance are used.

一方、本発明では、シェル部の材料がコア部よりも高出力な活物質材料で構成されたコア−シェル型構造の粒子を用いることで、出力性能と容量性能の双方の特性を十分生かすことができる。即ち、短時間に高出力を取り出す必要がある場合でも、粒子間に出力特性のバラツキはなく、全ての粒子において反応しやすいシェル部の高出力な活物質材料を有効活用することができる。そのため、出力性能に優れる粒子だけを用いた場合と同等の高出力を提供することができる。また、長期間にわたって、できるだけ多くの容量を提供しようとした場合でも、粒子間の容量特性のバラツキは少なく、全ての粒子において、高容量のコア部分まで効率よく反応に供することができる。そのため、容量性能に優れる粒子だけを用いた場合と大差なく高容量の電池を提供することができる。   On the other hand, in the present invention, by using particles of a core-shell type structure in which the material of the shell part is composed of an active material having a higher output than that of the core part, the characteristics of both output performance and capacity performance can be fully utilized. Can do. That is, even when it is necessary to take out a high output in a short time, there is no variation in output characteristics between particles, and a high-power active material with a shell portion that easily reacts with all particles can be used effectively. Therefore, it is possible to provide a high output equivalent to the case where only particles having excellent output performance are used. Further, even when an attempt is made to provide as much capacity as possible over a long period of time, there is little variation in the volume characteristics between particles, and all particles can be efficiently subjected to reaction up to a high-capacity core portion. Therefore, a battery having a high capacity can be provided without much difference from the case where only particles having excellent capacity performance are used.

以下、本発明の電池活物質の主要な構成要件である、コア部、シェル部、溶出防止層に分けて説明する。   Hereinafter, description will be made by dividing into a core part, a shell part, and an elution preventing layer, which are main constituents of the battery active material of the present invention.

(I)コア部
粒子内のコア部は、1層(単層)であってもよいし、2層以上で構成していてもよい。
(I) Core part The core part in a particle | grain may be one layer (single layer), and may be comprised by two or more layers.

コア部を2層以上で構成する態様には、(1)コア部の表面から中心部に向けて、容量や出力等の性能(材料)が変化する層が、例えば、同心円状に複数積層された構造が挙げられる。このほかにも、(2)コア部の表面から中心部に向けて連続的に容量や出力等の性能が変化するような構造も含まれる。これらの場合には、例えば、各層ごとに材料を変えたり、2種以上の活物質材料の混合比率を変えるなどして、コア部の表面から中心部に向けて容量や出力等の性能が増加ないし減少するように変化(機能傾斜)させることができる。さらに、本発明では、2種以上の材料を用いた造粒技術により製造可能なものが含まれえる。例えば、(3)マトリックス材料内に島状に別の材料が点在して配置されてなるような海島構造であってもよい。また(4)コア粒子の半球部分ごとに異なる材料が配置されたような構造であってもよい。さらに(5)異なる材料からなる微粒子群を寄せ集めて固めて造粒したような2次粒子(凝集)構造であってもよい。さらに、上記(1)〜(5)を適当に組み合わせた構造などが挙げられる。ただし、これらに制限されるものではない。製造容易性、材料点数及び製造工数の削減(材料及び製造コストの低減)などの観点からは、1層(単層)で構成するのが望ましい。また、例えば、シェア部との境界部での容量性能ないし出力性能の急激な変化を抑え、該境界部での内部抵抗の増加を抑制する観点からは、2層以上で構成するのが望ましいといえる。   In the aspect in which the core part is composed of two or more layers, (1) a plurality of layers in which performance (material) such as capacity and output changes from the surface of the core part toward the center part are stacked concentrically, for example. Structure. In addition, (2) a structure in which the performance such as capacity and output continuously changes from the surface of the core portion toward the center portion is also included. In these cases, for example, by changing the material for each layer or changing the mixing ratio of two or more active material materials, the performance such as capacity and output increases from the surface of the core toward the center. Or it can be changed (functional gradient) to decrease. Furthermore, in this invention, what can be manufactured with the granulation technique using 2 or more types of materials may be contained. For example, (3) a sea-island structure in which different materials are scattered and arranged in an island shape in the matrix material may be used. Further, (4) a structure in which different materials are arranged for each hemispherical portion of the core particle may be used. Further, (5) a secondary particle (aggregation) structure in which fine particle groups made of different materials are gathered together, consolidated and granulated may be used. Furthermore, the structure etc. which combined said (1)-(5) suitably are mentioned. However, it is not limited to these. From the viewpoint of ease of manufacturing, reduction in the number of materials and manufacturing man-hours (reduction in materials and manufacturing costs), etc., it is desirable to configure with one layer (single layer). In addition, for example, from the viewpoint of suppressing a sudden change in capacity performance or output performance at the boundary portion with the share portion, and suppressing an increase in internal resistance at the boundary portion, it is desirable to configure with two or more layers. I can say that.

コア部の活物質材料としては、上述したように、シェル部の活物質材料よりも容量性能に優れた活物質材料を用いるのが望ましい。具体的には、リチウム金属複合酸化物、リチウム金属複合リン酸化合物、リチウム金属複合硫酸化合物、金属酸化物、金属硫化物、導電性高分子の少なくともいずれか、あるいはこれらを混合した材料が好適に用いられる。   As described above, it is desirable to use an active material having an excellent capacity performance as compared with the active material of the shell as the active material of the core. Specifically, a lithium metal composite oxide, a lithium metal composite phosphate compound, a lithium metal composite sulfate compound, a metal oxide, a metal sulfide, a conductive polymer, or a material obtained by mixing these materials is preferable. Used.

特に、コア部の活物質材料が、層状のニッケル系のリチウム金属複合酸化物(以下、LiNiOと略記する。)であることが好適である。このときLiNiO中のニッケルの一部を他の元素に一部置換することがより好適である。置換元素の例としてはリチウム、ホウ素、リン、窒素、マグネシウム、アルミニウム、カルシウム、バナジウム、チタン、クロム、マンガン、鉄、コバルト、銅、亜鉛、ストロンチウム、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、錫のいずれか、あるいはこれらの組み合わせが好適である。これらLiNiO、その一部を置換した材料またはこれらの混合物は、Li比率の比較的高い層状の結晶構造であり、容量性能に優れている点で望ましい。特に、LiNiOのようなリチウム金属複合酸化物の金属元素を一部置換することで、層状材料の安定性(とりわけ高電圧充電での安定性)を向上することができる点で優れている。この他にも、置換元素を適当に選ぶことで、容量性能を保持した状態で、充電時のサイクル特性を向上することができたり、高温での貯蔵安定性を高めることができたり、より安価な代替元素によるコスト低減が図れるなど、使用目的や用途に適した特性を付与することができる点で優れている。 In particular, the core active material is preferably a layered nickel-based lithium metal composite oxide (hereinafter abbreviated as LiNiO 2 ). At this time, it is more preferable to partially substitute a part of nickel in LiNiO 2 with another element. Examples of substitution elements include lithium, boron, phosphorus, nitrogen, magnesium, aluminum, calcium, vanadium, titanium, chromium, manganese, iron, cobalt, copper, zinc, strontium, zirconium, niobium, molybdenum, tin, or These combinations are preferred. These LiNiO 2 , a material in which a part thereof is substituted, or a mixture thereof is desirable because it has a layered crystal structure with a relatively high Li ratio and is excellent in capacity performance. In particular, it is excellent in that the stability of the layered material (particularly, stability at high voltage charging) can be improved by partially replacing the metal element of the lithium metal composite oxide such as LiNiO 2 . In addition to this, by appropriately selecting a substitution element, it is possible to improve the cycle characteristics during charging while maintaining capacity performance, increase the storage stability at high temperatures, and more inexpensively. It is excellent in that characteristics suitable for the purpose of use and application can be imparted, such as cost reduction by a simple alternative element.

これらコア部の活物質材料は、1種単独で用いてもよいし、2種以上を混合して用いてもよい。コア部を2層以上で構成する場合には、各層ごとに活物質材料を1種単独で用いてもよいし、2種以上を混合して用いてもよい。   These active material materials for the core may be used alone or in combination of two or more. When the core portion is composed of two or more layers, the active material may be used alone for each layer, or two or more types may be mixed and used.

コア部の形状としては、特に制限されるものではなく、例えば、球状、立方体形状、直方体、楕円球状、針状、板状、角状、柱状、不定形状などが挙げられる。好ましくは球状および楕円球状である。   The shape of the core part is not particularly limited, and examples thereof include a spherical shape, a cubic shape, a rectangular parallelepiped shape, an elliptical spherical shape, a needle shape, a plate shape, a square shape, a column shape, and an indefinite shape. Spherical and elliptical spheres are preferred.

コア部の平均粒径は、特に制限されるものではないが、20μm以下であることが好適である。より好ましくは0.1〜2μmの範囲である。コア部の平均粒子径が20μm以下、とりわけ2μm以下の場合には、コア部の材料特性を十分に発揮できるほか、電池活物質粒子全体の平均粒径を小さくして(例えば、数μm以下にして)、有効表面積を大きくすることができる。更に、所望の厚さのシェル部を十分確保することもできる。そのため、加速時などの高い応答性能が求められる場合でも、高出力を素早く供給することができ、高い追従性能(応答性能)を実現することができる。なお、下限値については、特に制限されるものではないが、0.1μm以上の場合には、粒子の作成や電極作成のための取り扱いが、微粉末として特別な管理を行うことなく、従来と同様に行える点で優れている。   The average particle size of the core part is not particularly limited, but is preferably 20 μm or less. More preferably, it is the range of 0.1-2 micrometers. When the average particle diameter of the core part is 20 μm or less, especially 2 μm or less, the material characteristics of the core part can be sufficiently exhibited, and the average particle diameter of the whole battery active material particles can be reduced (for example, several μm or less). The effective surface area can be increased. Furthermore, it is possible to sufficiently secure a shell portion having a desired thickness. Therefore, even when high response performance such as acceleration is required, high output can be quickly supplied, and high tracking performance (response performance) can be realized. Note that the lower limit is not particularly limited, but in the case of 0.1 μm or more, the handling for the creation of the particles and the creation of the electrode is not performed as a conventional powder without special management. It is excellent in that it can be done in the same way.

(II)シェル部
シェル部は、コア部の外側(外層)に形成されてなるものであればよく、1層(単層)であっても良いし、2層以上で構成していてもよい。
(II) Shell part The shell part should just be formed in the outer side (outer layer) of a core part, and may be 1 layer (single layer), and may be comprised by two or more layers. .

このシェル部は、コア部の表面全体を被覆するように層状に配置されていてもよいし(図1A参照)、あるいはコア部の表面全体を多数の微粒子(粉末)を用いて覆う(添着する)ように配置されていてもよい(図1C参照)。即ち、コア部表面全体をシェル部の材料で被覆することで、粒子表面に占めるシェア部の材料による割合(高出力化に有効に寄与する表面積)を大きくできる。そのため加速時などの短時間に高出力を取り出す際にこれら粒子表面のシェア部の高出力な活物質材料を極めて有効に活用することができる。ただし、短時間に所望の高出力を十分に取り出すことができるのであれば、必ずしも粒子表面全体をシェル部の活物質材料で覆う必要はない。即ち、シェア部の活物質材料(例えば、粒状物)がコア部(コア粒子)表面に点在するように配置され、コア部表面の一部が露出したままの状態であってもよい。   The shell portion may be arranged in a layer so as to cover the entire surface of the core portion (see FIG. 1A), or the entire surface of the core portion is covered (attached) with a large number of fine particles (powder). ) (See FIG. 1C). That is, by covering the entire surface of the core part with the material of the shell part, it is possible to increase the ratio of the share part material occupying the particle surface (surface area that effectively contributes to higher output). Therefore, when a high output is taken out in a short time such as during acceleration, the high-power active material material of the share part of the particle surface can be used very effectively. However, if the desired high output can be sufficiently taken out in a short time, it is not always necessary to cover the entire particle surface with the active material of the shell portion. That is, the active material material (for example, granular material) of the share part may be disposed so as to be scattered on the surface of the core part (core particle), and a part of the surface of the core part may be left exposed.

シェル部を2層以上で構成する態様には、(1)シェル部表面から粒子内部に向けて、出力や容量等の性能(材料)が変化する層が、例えば、同心円状に複数積層された構造が挙げられる。このほかにも、(2)シェル部表面から粒子内部に向けて連続的に容量や出力等の性能が変化するような構造も含まれる。これらの場合には、例えば、各層ごとに材料を変えたり、2種以上の活物質材料の混合比率を変えるなどして、シェル部の表面から粒子内部に向けて出力や容量等の性能が増加ないし減少するように変化(機能傾斜)させることができる。さらに、本発明では、2種以上の材料を用いた造粒技術により製造可能なものが含まれえる。例えば、(3)マトリックス材料内に島状に別の材料が配置されてなるような海島構造であってもよい。また(4)半球の外殻部分ごとに異なる材料が配置されたような構造であってもよい。さらに(5)異なる材料からなる微粒子群をコア粒子表面に添着ないし被膜化したような構造であってもよい。さらに、上記(1)〜(5)を適当に組み合わせた構造などが挙げられる。ただし、これらに制限されるものではない。製造容易性、材料点数及び製造工数の削減(材料及び製造コストの低減)などの観点からは、1層(単層)で構成するのが望ましい。また、例えば、コア部との境界部での出力性能ないし容量性能の急激な変化を抑え、該境界部での内部抵抗の増加を抑制する観点からは、2層以上で構成するのが望ましいといえる。   In the aspect in which the shell part is composed of two or more layers, (1) a plurality of layers in which performance (material) such as output and capacity changes from the shell part surface to the inside of the particle are concentrically stacked, for example. Structure is mentioned. In addition, (2) a structure in which the performance such as capacity and output continuously changes from the shell surface to the inside of the particle is also included. In these cases, for example, by changing the material for each layer or changing the mixing ratio of two or more active material materials, the performance such as output and capacity increases from the surface of the shell part to the inside of the particle. Or it can be changed (functional gradient) to decrease. Furthermore, in this invention, what can be manufactured with the granulation technique using 2 or more types of materials may be contained. For example, (3) a sea-island structure in which another material is arranged in an island shape in the matrix material may be used. Further, (4) a structure in which different materials are arranged for each outer shell portion of the hemisphere may be used. Further, (5) a structure in which fine particle groups made of different materials are attached or coated on the surface of the core particle may be used. Furthermore, the structure etc. which combined said (1)-(5) suitably are mentioned. However, it is not limited to these. From the viewpoint of ease of manufacturing, reduction in the number of materials and manufacturing man-hours (reduction in materials and manufacturing costs), etc., it is desirable to configure with one layer (single layer). In addition, for example, from the viewpoint of suppressing an abrupt change in output performance or capacity performance at the boundary portion with the core portion, and suppressing an increase in internal resistance at the boundary portion, it is desirable to configure with two or more layers. I can say that.

シェル部の活物質材料としては、上述したように、コア部の活物質材料よりも出力性能に優れた高出力な活物質材料を用いるのが望ましい。具体的には、リチウム金属複合酸化物、リチウム金属複合リン酸化合物、リチウム金属複合硫酸化合物、金属酸化物、金属硫化物、導電性高分子の少なくともいずれか、あるいはこれらを混合した材料が好適に用いられる。   As described above, as the active material for the shell, it is desirable to use a high-power active material that has higher output performance than the active material for the core. Specifically, a lithium metal composite oxide, a lithium metal composite phosphate compound, a lithium metal composite sulfate compound, a metal oxide, a metal sulfide, a conductive polymer, or a material obtained by mixing these materials is preferable. Used.

特に、シェル部の活物質材料がスピネルマンガン系のリチウム金属複合酸化物(以下、LiMnと略記する。)であることが好適である。このときLiMn中のマンガンの一部を他の元素に一部置換することがより好適である。置換元素の例としてはリチウム、ホウ素、リン、窒素、マグネシウム、アルミニウム、カルシウム、バナジウム、チタン、クロム、ニッケル、鉄、コバルト、銅、亜鉛、ストロンチウム、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、錫のいずれか、あるいはこれらの組み合わせが好適である。これらLiMn、その一部を置換した材料またはこれらの混合物は、スピネル構造を持ちLi含有量によらずLiの移動が容易なため、出力性能に優れている点で望ましい。特に、LiMnのような酸化物の金属元素を一部置換することで、スピネル系材料の安全性(とりわけ高温での貯蔵安定性)を向上することができる点で優れている。この他にも、置換元素を適当に選ぶことで、出力性能を保持した状態で、充電時のサイクル特性を向上することができたり、高温時や過充電時の安全性を高めることができたり、より安価な代替元素によるコスト低減が図れるなど、使用目的や用途に適した特性を付与することができる点で優れている。 In particular, the active material of the shell portion is preferably a spinel manganese-based lithium metal composite oxide (hereinafter abbreviated as LiMn 2 O 4 ). At this time, it is more preferable to partially substitute a part of manganese in LiMn 2 O 4 with another element. Examples of substitution elements include lithium, boron, phosphorus, nitrogen, magnesium, aluminum, calcium, vanadium, titanium, chromium, nickel, iron, cobalt, copper, zinc, strontium, zirconium, niobium, molybdenum, tin, or These combinations are preferred. These LiMn 2 O 4 , a material in which a part thereof is substituted, or a mixture thereof is desirable in terms of excellent output performance because it has a spinel structure and Li can easily move regardless of the Li content. In particular, it is excellent in that the safety (especially storage stability at high temperature) of a spinel material can be improved by partially replacing a metal element of an oxide such as LiMn 2 O 4 . In addition to this, by properly selecting the substitution element, the cycle characteristics during charging can be improved while maintaining the output performance, and the safety during high temperature and overcharge can be improved. It is excellent in that it can provide properties suitable for the purpose of use and application, such as cost reduction by a cheaper alternative element.

これらシェル部の活物質材料は、1種単独で用いてもよいし、2種以上を混合して用いてもよい。シェル部を2層以上で構成する場合には、各層ごとに活物質材料を1種単独で用いてもよいし、2種以上を混合して用いてもよい。   These active material materials for the shell part may be used singly or in combination of two or more. When the shell portion is constituted by two or more layers, the active material may be used alone for each layer, or two or more types may be mixed and used.

上記したコア部とシェル部の活物質材料の組み合わせに関しては、コア部の活物質材料に対してシェル部の活物質材料が高出力であればよい。よって、上記したシェル部のLiMn、その一部を置換した材料またはこれらの混合物と、上記したコア部のLiNiO、その一部を置換した材料またはこれらの混合物の組み合わせに限定されるものではない。例えば、リチウムイオン電池の正極活物質を想定したリチウム金属複合酸化物の場合でも、下記表1に示すような各種材料の組み合わせが利用でき、電池に対するさまざまな設計要因から最適な材料を選択することが可能である。 Regarding the combination of the active material of the core part and the shell part described above, it is sufficient that the active material of the shell part has a higher output than the active material of the core part. Therefore, it is limited to the combination of the above-described LiMn 2 O 4 of the shell part, a material substituted part thereof, or a mixture thereof, and the above-described LiNiO 2 of the core part, material substituted part of the core part, or a mixture thereof. It is not a thing. For example, even in the case of a lithium metal composite oxide assuming a positive electrode active material of a lithium ion battery, a combination of various materials as shown in Table 1 below can be used, and an optimum material should be selected from various design factors for the battery. Is possible.

このようなコア−シェル型構造をとる電池活物質にあっては、シェル部の体積が全体の40%以下であることが好適である。より好ましくは5%以上30%以下である。40%を超えるとシェル部の厚さ比が大きくなり、相対的にコア部が減少してしまう。そこで、40%以下とすることで、コア部の高容量材料をより一層有効に活用することができるものである。なお、下限値については、特に制限されるものではないが、5%以上の場合には、コア粒上にシェル材料を概ね均一に分散させることができる。これにより、高出力性能と容量性能を十分に生かし、双方の最適化を図ることができる。   In the battery active material having such a core-shell structure, the volume of the shell part is preferably 40% or less of the whole. More preferably, it is 5% or more and 30% or less. If it exceeds 40%, the thickness ratio of the shell portion increases, and the core portion relatively decreases. Therefore, by setting it to 40% or less, the high-capacity material of the core part can be used more effectively. The lower limit is not particularly limited, but when it is 5% or more, the shell material can be dispersed substantially uniformly on the core grains. Thereby, the high output performance and the capacity performance can be fully utilized, and both can be optimized.

また、シェル部の平均厚さは、1μm以下であり、好ましくは0.2μm以下であることが好適である。より好ましくは0.01μm以上0.2μm以下である。1μm以下の厚さとすることで、シェル部のリチウム拡散距離が長くなりすぎることもなく、高容量なコア部の全体積につき有効利用を図ることができる。即ち、コア部の中心部ないし最深部に至るまで有効に活用する(充放電反応に供する)ことができ、充放電効率を高めることができる。なお、下限値については、特に制限されるものではないが、0.01μm以上の場合には、シェル部1層(ないし2層以上)をコア部(コア粒子)表面に均一に形成することができる。これにより、シェル部に強く求められる加速時に非常にレスポンスよく短時間で高出力の取り出すことができる。その結果、ハイブリッド車などに適用することで、既存の内燃機関(ガソリンエンジン)と大差のない優れた高い加速性能を実現することができる点で優れている。   Further, the average thickness of the shell portion is 1 μm or less, preferably 0.2 μm or less. More preferably, it is 0.01 μm or more and 0.2 μm or less. By setting the thickness to 1 μm or less, the lithium diffusion distance of the shell portion does not become too long, and effective use can be achieved for the entire volume of the high-capacity core portion. That is, it can be effectively utilized (provided for charge / discharge reaction) from the center part to the deepest part of the core part, and charge / discharge efficiency can be increased. The lower limit is not particularly limited, but in the case of 0.01 μm or more, one shell part (or two or more layers) can be uniformly formed on the core part (core particle) surface. it can. As a result, a high output can be taken out in a short time with a very responsive response when accelerating the shell part. As a result, when applied to a hybrid vehicle or the like, it is excellent in that an excellent high acceleration performance that is not much different from that of an existing internal combustion engine (gasoline engine) can be realized.

(III)溶出防止層
溶出防止層は、シェル部の外側(外層)に形成されてなるものであればよく、1層(単層)であっても良いし、2層以上で構成していてもよい。
(III) Elution prevention layer The elution prevention layer should just be formed in the outer side (outer layer) of a shell part, and may be 1 layer (single layer), and is comprised by two or more layers. Also good.

この溶出防止層は、シェル部を形成する材料(粒子)の離脱を抑制することを目的としている。したがって、溶出防止層は、図1Bに示すようにシェル部1の表面全体を被覆するように層状に配置するか、あるいはシェル部の表面全体を多数の微粒子(粉末)を用いて覆う(添着する)ように配置するのが望ましい。即ち、シェル部表面全体を溶出防止層で被覆することで、シェル部を形成する材料(粒子)の離脱をより一層顕著に抑えることができる。   This elution preventing layer is intended to suppress detachment of the material (particles) forming the shell portion. Therefore, as shown in FIG. 1B, the elution preventing layer is disposed in a layered manner so as to cover the entire surface of the shell portion 1, or the entire surface of the shell portion is covered (attached) with a large number of fine particles (powder). It is desirable to arrange as follows. That is, by covering the entire surface of the shell portion with the elution preventing layer, the detachment of the material (particles) forming the shell portion can be further remarkably suppressed.

溶出防止層を2層以上で構成する態様は、上記シェル部を2層以上で構成する態様と同様である。即ち(1)溶出防止層表面から粒子内部に向けて、溶出防止等の性能(材料)が変化する層が、例えば、同心円状に複数積層された構造が挙げられる。このほかにも、(2)溶出防止層表面から粒子内部に向けて連続的に溶出防止等の性能が変化するような構造も含まれる。これらの場合には、例えば、各層ごとに材料を変えたり、2種以上の材料の混合比率を変えるなどして、溶出防止層表面から粒子内部に向けて溶出防止等の性能が増加ないし減少するように変化(機能傾斜)させることができる。さらに、本発明では、2種以上の材料を用いた造粒技術により製造可能なものが含まれえる。例えば、(3)マトリックス材料内に島状に別の材料が配置されてなるような海島構造であってもよい。また(4)半球の外殻部分ごとに異なる材料が配置されたような構造であってもよい。さらに(5)異なる材料からなる微粒子群をコア−シェル型構造の粒子表面に添着ないし製膜化したような構造であってもよい。さらに、上記(1)〜(5)を適当に組み合わせた構造などが挙げられる。ただし、これらに制限されるものではない。製造容易性、材料点数及び製造工数の削減(材料及び製造コストの低減)などの観点からは、1層(単層)で構成するのが望ましい。また、例えば、シェル部との境界部での抵抗増加を抑制する観点からは、2層以上で構成するのが望ましいといえる。   The aspect which comprises an elution prevention layer by two or more layers is the same as the aspect which comprises the said shell part by two or more layers. That is, (1) a structure in which a plurality of layers in which performance (material) such as elution prevention changes from the surface of the elution prevention layer to the inside of the particle is concentrically stacked, for example. In addition, (2) a structure in which performance such as elution prevention continuously changes from the surface of the elution prevention layer toward the inside of the particle is also included. In these cases, for example, by changing the material for each layer or changing the mixing ratio of two or more materials, the performance such as elution prevention increases or decreases from the surface of the elution prevention layer toward the inside of the particle. It can be changed (function inclination). Furthermore, in this invention, what can be manufactured with the granulation technique using 2 or more types of materials may be contained. For example, (3) a sea-island structure in which another material is arranged in an island shape in the matrix material may be used. Further, (4) a structure in which different materials are arranged for each outer shell portion of the hemisphere may be used. Further, (5) a structure in which fine particle groups made of different materials are attached to the surface of core-shell type particles or formed into a film may be employed. Furthermore, the structure etc. which combined said (1)-(5) suitably are mentioned. However, it is not limited to these. From the viewpoint of ease of manufacturing, reduction in the number of materials and manufacturing man-hours (reduction in materials and manufacturing costs), etc., it is desirable to configure with one layer (single layer). In addition, for example, it can be said that it is desirable to configure with two or more layers from the viewpoint of suppressing an increase in resistance at the boundary with the shell.

溶出防止層を構成する材料としては、シェル部を形成する材料(粒子)の離脱(溶出)を抑制し得るものであれば、特に制限されるものではない。好ましくは、当該溶出防止機能を備えて、尚且つ活物質材料として有効に利用することができるものである。溶出防止層を構成する材料としては、具体的には、例えば、LiMnのシェル部においては、一部の金属を置換したLiMnやリチウムイオン伝導性ポリマー、あるいはこれらの混合物が好適に用いられる。ただし、これらに制限されるものではない。 The material constituting the elution prevention layer is not particularly limited as long as it can suppress the separation (elution) of the material (particles) forming the shell portion. Preferably, it has the function of preventing elution and can be effectively used as an active material. The material constituting the elution preventing layer, specifically, for example, in the shell portion of the LiMn 2 O 4, a portion of the metal substituted LiMn 2 O 4 and a lithium ion conducting polymer or a mixture thereof, Preferably used. However, it is not limited to these.

溶出防止層の平均厚さは、0.2μm以下、より好ましくは0.01μm以上0.1μm以下である。0.2μm以下とすることで、溶出防止層のリチウム拡散距離が長くなりすぎることもなく、高出力なシェル部と高容量なコア部の双方につき有効利用を図ることができる。即ち、シェル部やコア部へのリチウム拡散速度及び拡散量を妨げることなく、シェア部での高い応答速度による高出力の発現と共に、高容量なコア部全体を有効に活用する(充放電反応に供する)ことができ、充放電効率を高めることができる。なお、下限値については、特に制限されるものではないが、0.01μm以上の場合には、溶出防止層をシェル部表面に均一に形成することができる。これにより、溶出防止層に求められる、シェル部の材料の充放電環境下での溶出を効果的に抑えることができ、充放電サイクルが進むことによる出力性能の低下を効果的に抑え、長期間安定して高い出力性能を持続させることができる点で優れている。   The average thickness of the elution preventing layer is 0.2 μm or less, more preferably 0.01 μm or more and 0.1 μm or less. By making it 0.2 μm or less, the lithium diffusion distance of the elution preventing layer does not become too long, and effective use can be achieved for both the high-power shell portion and the high-capacity core portion. In other words, the high-capacity core part can be effectively utilized in the charge / discharge reaction as well as the high output due to the high response speed in the share part without interfering with the lithium diffusion rate and diffusion amount to the shell part and core part. Charge / discharge efficiency can be improved. In addition, although it does not restrict | limit especially about a lower limit, in the case of 0.01 micrometer or more, an elution prevention layer can be uniformly formed in the shell part surface. As a result, the elution of the shell material required for the elution prevention layer in the charge / discharge environment can be effectively suppressed, and the deterioration of the output performance due to the progress of the charge / discharge cycle is effectively suppressed. It is excellent in that it can maintain high output performance stably.

上記したように、本発明の電池活物質としては、さまざまな材料が用いられる。例えば、リチウムイオンの正極活物質としては、充電時にリチウムイオンを放出し、放電時にリチウムイオンを吸蔵する作用を持つものが用いられる。例えば、スピネルマンガン系のリチウム金属複合酸化物は、その結晶構造上、リチウムイオンが結晶に出入りするサイトが方位に関係なく存在するので、リチウムイオン移動方向が限られる層状結晶構造を持つ複合酸化物より出力が高い(図2A参照のこと)。また、マンガン系のリチウム金属複合酸化物では、遷移金属にMnという低コスト材料を用いることができ、熱に対する安定性も優れている。一方、例えば、層状結晶構造を持つ複合酸化物である、層状リチウムニッケル複合酸化物(LiNiO)や、リチウム・コバルト・アルミニウム複合酸化物は、マンガンなどのスピネル系酸化物や他の層状酸化物より高い容量を持つ(図2B参照のこと)。これは、スピネルマンガン系のリチウム金属複合酸化(スピネル系リチウムマンガン酸化物)は、スピネル鉱(鉱物名)と同じ3次元チャネル構造を持っており、Mn1原子あたり0.5個のLi原子が活物質中に含まれている(図2A参照のこと。)。一方、層状リチウムニッケル複合酸化物(LiNiO;ニッケル系のリチウム金属複合酸化物)、あるいは該LiNiO中のニッケルの一部を他の元素(例えば、CoやMn)に一部置換したものなどでは、リチウム原子層と遷移金属(M:Niのみ、あるいはMnとNi、及びCoが秩序正しく配置)原子層が酸素原子層を介して交互に積み重なった層状結晶構造を持ち(図2A参照のこと。)、遷移金属Mの1原子あたり1個のLi原子が含まれ、取り出せるLi量が、スピネル系リチウムマンガン酸化物の2倍、つまり供給能力が2倍になり、高い容量を持つことができる。 As described above, various materials are used as the battery active material of the present invention. For example, as a positive electrode active material of lithium ions, a material having an action of releasing lithium ions during charging and occluding lithium ions during discharging is used. For example, spinel manganese-based lithium metal composite oxides have a layered crystal structure in which the lithium ion migration direction is limited because the sites where lithium ions enter and exit the crystal exist regardless of the orientation. The output is higher (see FIG. 2A). In addition, in a manganese-based lithium metal composite oxide, a low-cost material called Mn can be used as a transition metal, and heat stability is excellent. On the other hand, for example, layered lithium nickel composite oxide (LiNiO 2 ) and lithium / cobalt / aluminum composite oxide, which are composite oxides having a layered crystal structure, are spinel oxides such as manganese and other layered oxides. Has a higher capacity (see FIG. 2B). This is because spinel manganese-based lithium metal composite oxide (spinel-based lithium manganese oxide) has the same three-dimensional channel structure as spinel ore (mineral name), and 0.5 Li atoms are active per Mn atom. Contained in the substance (see FIG. 2A). On the other hand, layered lithium nickel composite oxide (LiNiO 2 ; nickel-based lithium metal composite oxide), or a part of nickel in the LiNiO 2 partially substituted with other elements (for example, Co or Mn), etc. Then, it has a layered crystal structure in which lithium atomic layers and transition metals (M: Ni only or Mn, Ni, and Co are arranged in an orderly manner) atomic layers are alternately stacked via oxygen atomic layers (see FIG. 2A). .), One Li atom is included per atom of the transition metal M, and the amount of Li that can be taken out is twice that of the spinel-based lithium manganese oxide, that is, the supply capacity is doubled, so that a high capacity can be obtained. .

本発明によれば、これら特性の異なる2種の活物質材料をコア−シェル型構造に組み合わせて用いることにより、それぞれの材料の出力性能や容量性能を十分に生かすことができる。一般的に、ハイブリッド車等で求められる出力性能は、短時間に大電流を放電できることである。このような場合、活物質粒子のすべての部分において出力性能が良好である必要は無く、短時間の放電に必要な、表面に近い部分が高性能であれば十分である。しかし容量性能は活物質粒子の内部まで性能が必要になる。すなわち、シェル部に出力性能の高い材料を配して短時間の大電流放電に対応し、コア部に容量性能の高い材料を配して容量性能が求められる長時間の放電に対応することにより、活物質材料の特性を十分に生かすことができる。   According to the present invention, by using these two active material materials having different characteristics in combination with the core-shell type structure, the output performance and capacity performance of each material can be fully utilized. Generally, the output performance required for a hybrid vehicle or the like is that a large current can be discharged in a short time. In such a case, it is not necessary that the output performance is good in all portions of the active material particles, and it is sufficient if the portion close to the surface necessary for short-time discharge is high performance. However, capacity performance is required up to the inside of the active material particles. In other words, by arranging a material with high output performance in the shell part to cope with short-time large current discharge, and arranging a material with high capacity performance in the core part to cope with long-time discharge where capacity performance is required The characteristics of the active material can be fully utilized.

上記コア部、シェル部および溶出防止層の組成は、例えば、誘導結合プラズマ(ICP)発光分析法により測定できる。この他にも、例えば、ICP質量分析法、原子吸光法、蛍光X線法、ラマン分光法、キレート滴定、パーティクルアナライザーによっても測定できる。   The composition of the core part, shell part, and elution prevention layer can be measured, for example, by inductively coupled plasma (ICP) emission analysis. In addition, it can be measured by, for example, ICP mass spectrometry, atomic absorption, fluorescent X-ray, Raman spectroscopy, chelate titration, and particle analyzer.

上記コア部粒子、活物質粒子(コア−シェル型構造からなる粒子、シェル部の外側に溶出防止層を設けた粒子)の平均粒径は、例えば、レーザー回折法により測定できる。この他にも、例えば、動的光散乱法、標準篩法、SEM観察、TEM観察によっても測定することができる。なお、コア部粒子や活物質粒子の形状は、後述する製造方法を用いる場合には概ね球状となるが、上記したように球状以外の形状(例えば、不定形状)も含まれ得る。よって、上記平均粒径は、粒子の形状が一様でないことから、絶対最大長で表すものとする。ここで、絶対最大長とは、例えば、SEM観察ないしTEM観察した際の粒子の輪郭線上の任意の2点間の距離のうち、最大の長さをとるものとする。   The average particle diameter of the core part particles and active material particles (particles having a core-shell structure, particles provided with an elution preventing layer outside the shell part) can be measured by, for example, a laser diffraction method. In addition, it can be measured by, for example, a dynamic light scattering method, a standard sieving method, SEM observation, and TEM observation. In addition, although the shape of a core part particle | grain or an active material particle becomes a substantially spherical shape when using the manufacturing method mentioned later, shapes other than a spherical shape (for example, indefinite shape) may be included as mentioned above. Therefore, the average particle diameter is expressed as an absolute maximum length because the particle shape is not uniform. Here, the absolute maximum length is assumed to be, for example, the maximum length among the distances between any two points on the outline of the particle when SEM observation or TEM observation is performed.

シェル部の平均厚さは、上記コア粒子とコア−シェル型構造からなる粒子の平均粒径から算出することができる。同様に、溶出防止層の平均厚さは、コア−シェル型構造からなる粒子とシェル部の外側に溶出防止層を設けた粒子の平均粒径から算出することができる。また、シェル部の平均体積も、コア部の平均粒径とシェル部の平均厚さから算出することができる。   The average thickness of the shell part can be calculated from the average particle diameter of the particles composed of the core particles and the core-shell type structure. Similarly, the average thickness of the elution preventing layer can be calculated from the average particle diameter of particles having a core-shell type structure and particles having an elution preventing layer provided outside the shell portion. The average volume of the shell part can also be calculated from the average particle diameter of the core part and the average thickness of the shell part.

次に、本発明のコア−シェル型構造をとる電池活物質の製造方法としては、特に制限されるべきものではなく、コア部の材料に対してシェル部の材料、更には溶出防止層の材料を添着・被覆する技術を適用することができるものである。具体的に、コア部の材料に対してシェル部の材料、更には溶出防止層の材料を添着・被覆させる技術としては、(a)湿式方法および(b)乾式方法のいずれをも適用することができる。   Next, the method for producing a battery active material having a core-shell type structure according to the present invention is not particularly limited. The material for the shell portion relative to the material for the core portion, and further the material for the elution prevention layer It is possible to apply a technique for attaching / coating. Specifically, as a technique for attaching / covering the material of the shell portion and further the material of the elution prevention layer to the material of the core portion, both (a) wet method and (b) dry method should be applied. Can do.

(a)湿式方法
湿式方法としては、予め形成したコア部の粒子の上にシェル部の原材料を塗布し再度焼結させることによってシェル部を形成する方法などが挙げられる。例えば、コア部の材料を共沈法により作製し、そのコア部粒子の表面に再度共沈法によりシェル部の材料を共沈させ、更に必要に応じてコア−シェル型構造からなる粒子の表面に共沈法により溶出防止層の材料を共沈させて、熱分解させ、焼成することにより、コア−シェル型構造を有する電池活物質(粒子)を得ることができる(図1A、図1B参照のこと。)。以下に、図1Aに示すコア−シェル型構造の電池活物質(粒子)の製造方法の具体例を簡単に説明するが、本発明は、これらの範囲に何ら制限されるものではない。
(A) Wet method Examples of the wet method include a method of forming the shell part by applying the raw material of the shell part onto the core part particles formed in advance and sintering again. For example, the core material is prepared by a coprecipitation method, and the shell material is again coprecipitated by the coprecipitation method on the surface of the core particle, and the surface of the particle having a core-shell type structure as necessary. A battery active material (particles) having a core-shell structure can be obtained by co-precipitation of the material of the elution preventing layer by co-precipitation method, thermal decomposition, and firing (see FIGS. 1A and 1B). Of that.) Hereinafter, specific examples of the method for producing the core-shell type battery active material (particles) shown in FIG. 1A will be briefly described, but the present invention is not limited to these ranges.

(i)共沈法によるコア部粒子の作製
コア部の原材料を混合させ(混合工程A)、共沈させ(共沈工程A)、熱分解させ(熱分解工程A)、焼成する(焼成工程A)ことにより、コア部粒子を作製する。
(I) Preparation of core part particles by coprecipitation method The raw materials of the core part are mixed (mixing step A), coprecipitated (coprecipitation step A), pyrolyzed (pyrolysis step A), and fired (firing step). A) The core part particles are thus produced.

(混合工程A)
コア部の原材料、例えば、Li化合物、Ni化合物などを、所望のコア部の活物質材料の組成となるように水などの適用な溶媒に溶解させる。
(Mixing process A)
The raw material of the core part, for example, Li compound, Ni compound or the like is dissolved in an appropriate solvent such as water so as to have a desired composition of the active material of the core part.

上記Li化合物(粉体)としては、例えば、水酸化リチウムまたはその水和物、過酸化リチウム、硝酸リチウム、炭酸リチウム等があるが、これらに限定されるものではない。   Examples of the Li compound (powder) include, but are not limited to, lithium hydroxide or hydrates thereof, lithium peroxide, lithium nitrate, and lithium carbonate.

上記Ni化合物(粉体)としては、例えば、水酸化ニッケル、酸化ニッケル、硝酸ニッケル等があるが、これらに限定されるものではない。   Examples of the Ni compound (powder) include, but are not limited to, nickel hydroxide, nickel oxide, nickel nitrate, and the like.

上記溶媒としては、純水が好ましいが、これに制限されるものではない。   The solvent is preferably pure water, but is not limited thereto.

この過程で、必要に応じて、更に所望のコア部の活物質材料の組成になるように、コア部の活物質材料を構成する層状のリチウム金属複合酸化物の一部を置換する金属元素として、例えば、リチウム、ホウ素、リン、窒素、マグネシウム、アルミニウム、カルシウム、バナジウム、チタン、クロム、マンガン、鉄、コバルト、銅、亜鉛、ストロンチウム、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、錫等の少なくとも1種の金属元素を含む化合物を更に混入させてもよい。あるいは上記Ni化合物に、必要に応じてコア部の活物質材料を構成するリチウム金属複合酸化物の一部を置換する金属元素が含まれていてもよい。   In this process, if necessary, as a metal element that replaces a part of the layered lithium metal composite oxide constituting the active material of the core part so that the composition of the active material of the core part is further desired. , For example, at least one metal element such as lithium, boron, phosphorus, nitrogen, magnesium, aluminum, calcium, vanadium, titanium, chromium, manganese, iron, cobalt, copper, zinc, strontium, zirconium, niobium, molybdenum, tin You may mix further the compound containing this. Alternatively, the Ni compound may contain a metal element that substitutes a part of the lithium metal composite oxide that constitutes the active material of the core part, if necessary.

本発明では、上記したLi化合物、Ni化合物などを水酸化物として共沈させるのが望ましい。LiやNi元素以外の他の元素(置換する金属元素)においても、水酸化物として共沈させて添加することが可能である。また、水酸化物以外でも金属、酸化物、硝酸塩、硫酸塩として添加することも可能である。   In the present invention, it is desirable to coprecipitate the above-described Li compound, Ni compound, etc. as a hydroxide. Other elements (metal element to be substituted) other than Li and Ni elements can be added by coprecipitation as hydroxides. In addition to hydroxides, metals, oxides, nitrates, and sulfates can be added.

(共沈工程A)
混合工程で得られた水溶液を、室温から1〜20℃/分の昇温速度にて100〜110℃の範囲まで加熱し、その加熱温度範囲(好ましくは当該温度範囲内の一定温度)で、空気中ないし酸素雰囲気下、12〜48時間、加熱しながら攪拌し、水分を90%以上蒸発させて脱水する。ここでの加熱温度条件により、コア部粒子の大きさがコントロールできる。
(Coprecipitation process A)
The aqueous solution obtained in the mixing step is heated from room temperature to a range of 100 to 110 ° C. at a heating rate of 1 to 20 ° C./min, and in that heating temperature range (preferably a constant temperature within the temperature range), The mixture is stirred for 12 to 48 hours in air or in an oxygen atmosphere while being heated to evaporate water by 90% or more and dehydrate. The size of the core particle can be controlled by the heating temperature condition here.

(熱分解工程A)
共沈工程Aで得られた粉末を、適当なセラミックの容器(坩堝等)に移し、5〜30℃/分の昇温速度にて200〜400℃の間まで昇温し、その温度範囲(好ましくは当該温度範囲内の一定温度)で、空気中ないし酸素雰囲気下、1〜10時間熱分解(仮焼成)する。
(Pyrolysis process A)
The powder obtained in the coprecipitation step A is transferred to a suitable ceramic container (such as a crucible) and heated up to 200 to 400 ° C. at a heating rate of 5 to 30 ° C./min. Thermal decomposition (preliminary firing) is preferably performed for 1 to 10 hours in air or in an oxygen atmosphere at a certain temperature within the temperature range.

(焼成工程A)
上記熱分解(仮焼成)の温度から5〜30℃/分の昇温速度にて500〜900℃の範囲まで昇温し、その温度範囲(好ましくは当該温度範囲内の一定温度)で、酸素2%または酸素雰囲気中、均質化を行いながら3〜15時間焼成する。焼成後、上記焼成温度から0.5〜5℃/分の降温速度にて200〜400℃の範囲まで降温し、その温度範囲(好ましくは当該温度範囲内の一定温度)で、空気中ないし酸素雰囲気下、1〜5時間、アニールを行うことで、所望のコア部粒子を作製することができるものである。本工程において、粒子を構成する材料が、活物質材料である層状構造のリチウム金属複合酸化物に成長する。
(Baking step A)
The temperature is raised from the temperature of the thermal decomposition (preliminary calcination) to a range of 500 to 900 ° C. at a rate of temperature increase of 5 to 30 ° C./min, and in that temperature range (preferably a constant temperature within the temperature range), Bake for 3-15 hours in 2% or oxygen atmosphere while homogenizing. After firing, the temperature is lowered from the firing temperature to a range of 200 to 400 ° C. at a rate of temperature reduction of 0.5 to 5 ° C./min, and in the temperature range (preferably a constant temperature within the temperature range), in the air or oxygen Desired core part particles can be produced by annealing in an atmosphere for 1 to 5 hours. In this step, the material constituting the particles grows into a lithium metal composite oxide having a layered structure that is an active material.

コア部粒子の金属元素の定量方法としては、ICP(誘導イオンプラズマ法)、非金属、金属元素の定量法としてはTOF−MASS(飛行時間型質量分析法)、TOF−SIMS(飛行時間型二次イオン質量分析法)などを用いることができる。   ICP (inductive ion plasma method) is used as the quantitative method for the metal element in the core particle, and TOF-MASS (time-of-flight mass spectrometry) and TOF-SIMS (time-of-flight type 2) are used as the quantitative methods for the non-metallic and metallic elements. Secondary ion mass spectrometry) can be used.

(ii)共沈法による活物質粒子の作製
再度共沈法によりシェル部の原材料を混合させ(混合工程B)、得られたコア部粒子の表面に、混合工程Bで得られたシェル部の原材料を共沈させ(共沈工程B)、熱分解させ(熱分解工程B)、焼成する(焼成工程B)ことにより、コア−シェル型構造を有する電池活物質(粒子)を得ることができる。
(Ii) Production of active material particles by coprecipitation method The raw materials of the shell part are mixed again by the coprecipitation method (mixing step B), and the shell part obtained in the mixing step B is mixed on the surface of the obtained core part particles. A battery active material (particles) having a core-shell structure can be obtained by co-precipitation of raw materials (co-precipitation step B), thermal decomposition (thermal decomposition step B), and firing (firing step B). .

(混合工程B)
シェル部の原材料、例えば、Li化合物、Mn化合物などを、所望のシェル部の活物質材料となるように水などの適用な溶媒に溶解させる。
(Mixing process B)
A raw material of the shell part, for example, a Li compound, a Mn compound, or the like is dissolved in an appropriate solvent such as water so as to become a desired active material of the shell part.

上記Li化合物(粉体)としては、例えば、水酸化リチウムまたはその水和物、過酸化リチウム、硝酸リチウム、炭酸リチウム等があるが、これらに限定されるものではない。   Examples of the Li compound (powder) include, but are not limited to, lithium hydroxide or hydrates thereof, lithium peroxide, lithium nitrate, and lithium carbonate.

上記Mn化合物(粉体)としては、例えば、二酸化マンガン、炭酸マンガン、硝酸マンガン、水酸化マンガン等があるが、これらに限定されるものではない。   Examples of the Mn compound (powder) include, but are not limited to, manganese dioxide, manganese carbonate, manganese nitrate, manganese hydroxide, and the like.

上記溶媒としては、純水が好ましいが、これに制限されるものではない。   The solvent is preferably pure water, but is not limited thereto.

この過程で、必要に応じて、更に所望のシェル部の活物質材料になるように、シェル部の活物質材料を構成するスピネル系のリチウム金属複合酸化物の一部を置換する金属元素として、例えば、リチウム、ホウ素、リン、窒素、マグネシウム、アルミニウム、カルシウム、バナジウム、チタン、クロム、ニッケル、鉄、コバルト、銅、亜鉛、ストロンチウム、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、錫等の少なくとも1種の金属元素を含む化合物を更に混入させてもよい。あるいは上記Mn化合物に、必要に応じてシェル部の活物質材料を構成するリチウム金属複合酸化物の一部を置換する金属元素が含まれていてもよい。   In this process, if necessary, as a metal element for substituting a part of the spinel-based lithium metal composite oxide constituting the active material of the shell part so as to become a desired active material of the shell part, For example, at least one metal element such as lithium, boron, phosphorus, nitrogen, magnesium, aluminum, calcium, vanadium, titanium, chromium, nickel, iron, cobalt, copper, zinc, strontium, zirconium, niobium, molybdenum, tin, etc. You may mix the compound which contains further. Or the metal element which substitutes a part of lithium metal complex oxide which comprises the active material material of a shell part as needed may be contained in the said Mn compound.

本発明では、上記したLi化合物、Mn化合物などを水酸化物として共沈させるのが望ましい。LiやMn元素以外の他の元素(置換する金属元素)においても、水酸化物として共沈させて添加することが可能である。また、水酸化物以外でも金属、酸化物、硝酸塩、硫酸塩として添加することも可能である。   In the present invention, it is desirable to coprecipitate the aforementioned Li compound, Mn compound, etc. as a hydroxide. Other elements (metal element to be substituted) other than Li and Mn elements can be added by being coprecipitated as hydroxides. In addition to hydroxides, metals, oxides, nitrates, and sulfates can be added.

(共沈工程B)
上記混合工程Bで得られた水溶液に上記焼成工程Aで得られたコア粒子を混合攪拌し、室温から1〜20℃/分の昇温速度にて100〜110℃の範囲まで加熱し、その加熱温度範囲(好ましくは当該温度範囲内の一定温度)で、空気中ないし酸素雰囲気下、12〜48時間、加熱しながら攪拌し、水分を90%以上蒸発させて脱水する。これにより、コア粒子の表面に、シェル部の原材料を共沈させることができる。ここでの加熱温度条件により、コア部粒子の表面上に被覆形成されるシェル部の厚さがコントロールできる。
(Coprecipitation process B)
The core particles obtained in the firing step A are mixed and stirred in the aqueous solution obtained in the mixing step B, and heated from room temperature to a range of 100 to 110 ° C. at a temperature increase rate of 1 to 20 ° C./min. In a heating temperature range (preferably a constant temperature within the temperature range), the mixture is stirred for 12 to 48 hours in the air or in an oxygen atmosphere while heating to evaporate water by 90% or more and dehydrate. Thereby, the raw material of a shell part can be co-precipitated on the surface of a core particle. The thickness of the shell part formed on the surface of the core part particle can be controlled by the heating temperature condition here.

(熱分解工程B)
上記共沈工程Bで得られた粒子を、適当なセラミックの容器(坩堝等)に移し、5〜30℃/分の昇温速度にて200〜400℃の間まで昇温し、その温度範囲(好ましくは当該温度範囲内の一定温度)で、空気中ないし酸素雰囲気下、1〜10時間熱分解(仮焼成)する。なお、熱分解の温度によって2次粒子の空隙率をコントロールすることができる。
(Pyrolysis process B)
The particles obtained in the coprecipitation step B are transferred to a suitable ceramic container (such as a crucible) and heated to a temperature of 200 to 400 ° C. at a temperature rising rate of 5 to 30 ° C./min. Thermal decomposition (preliminary firing) is performed in air or in an oxygen atmosphere for 1 to 10 hours (preferably at a constant temperature within the temperature range). The porosity of the secondary particles can be controlled by the temperature of thermal decomposition.

(焼成工程B)
上記熱分解(仮焼成)の温度から5〜30℃/分の昇温速度にて500〜900℃の範囲まで昇温し、その温度範囲(好ましくは当該温度範囲内の一定温度)で、酸素2%または酸素雰囲気中、均質化を行いながら3〜15時間焼成する。焼成後、上記焼成温度から0.5〜5℃/分の降温速度にて200〜400℃の範囲まで降温し、その温度範囲(好ましくは当該温度範囲内の一定温度)で、空気中ないし酸素雰囲気下、1〜5時間アニールを行う、あるいはアニールすることなく、酸素を流しながら5分以内に室温まで落としてもよい(クエンチしてもよい。)。これにより、所望のコア−シェル型構造を有する電池活物質(粒子)を作製することができるものである。本工程において、粒子内のシェル部を構成する材料が、活物質材料であるスピネル系のリチウム金属複合酸化物に成長する。上記焼成温度条件を調整することによって、粒子形状、大きさ(縦横比)をコントロールできる。
(Baking step B)
The temperature is raised from the temperature of the thermal decomposition (preliminary calcination) to a range of 500 to 900 ° C. at a rate of temperature increase of 5 to 30 ° C./min, and in that temperature range (preferably a constant temperature within the temperature range), Bake for 3-15 hours in 2% or oxygen atmosphere while homogenizing. After firing, the temperature is lowered from the firing temperature to a range of 200 to 400 ° C. at a rate of temperature reduction of 0.5 to 5 ° C./min, and in the temperature range (preferably a constant temperature within the temperature range), in the air or oxygen Annealing may be performed in an atmosphere for 1 to 5 hours, or the temperature may be lowered to room temperature within 5 minutes (without quenching) while flowing oxygen. Thereby, a battery active material (particle) having a desired core-shell type structure can be produced. In this step, the material constituting the shell portion in the particle grows into a spinel-based lithium metal composite oxide that is an active material. The particle shape and size (aspect ratio) can be controlled by adjusting the firing temperature condition.

シェル部の金属元素の定量方法としては、ICP(誘導イオンプラズマ法)、非金属、金属元素の定量法としてはTOF−MASS(飛行時間型質量分析法)、TOF−SIMS(飛行時間型二次イオン質量分析法)などを用いることができる。   ICP (inductive ion plasma method) is used as a quantification method for metal elements in the shell, and TOF-MASS (time-of-flight mass spectrometry) and TOF-SIMS (time-of-flight secondary method) are used as quantification methods for non-metal and metal elements. Ion mass spectrometry) and the like can be used.

本発明の製造方法に利用することのできる湿式方法としては、上記共沈法を利用した方法に何ら制限されるものではなく、他の方法、例えば、湿式スラリー法により、コア部の粒子を形成したり、該コア部の粒子の上にシェル部の原材料、さらには溶出防止層の材料を塗布し再度焼結するようにしてもよい。   The wet method that can be used in the production method of the present invention is not limited to the method using the coprecipitation method, and the core part particles are formed by another method, for example, the wet slurry method. Alternatively, the raw material of the shell part and further the material of the elution preventing layer may be applied onto the particles of the core part and sintered again.

(b)乾式方法
一方、乾式方法の一実施形態としては、例えば、コア部の粒子に、シェル部の材料(粉体)を混入させ、乾式混合する。混合方法としては、ハイブリダイゼーションシステム(奈良機械製作所製)、コスモス(川崎重工業製)、メカノフュージョン(ホソカワミクロン製)、サーフュージングシステム(日本ニューマチック工業製)、メカノミル・スピードニーダー・スピードミル・スピラコーター(岡田精工製)などいずれかの公知の方法、装置を適用して行うことができる。必要であれば、その後加熱する。これによりコア−シェル型構造の電池活物質を得ることができる。
(B) Dry Method On the other hand, as an embodiment of the dry method, for example, the material (powder) of the shell portion is mixed in the particles of the core portion and dry-mixed. Hybridization systems (Nara Machinery Co., Ltd.), Cosmos (Kawasaki Heavy Industries), Mechano-Fusion (Hosokawa Micron), Surfing System (Nihon Pneumatic Kogyo), MechanoMill / Speed Kneader / Speed Mill / Spiracoater Any known method and apparatus such as Okada Seiko can be used. If necessary, then heat. Thereby, the battery active material of a core-shell type structure can be obtained.

また、乾式方法の他の実施形態としては、例えば、コア部の粒子の上に化学気相成長法(CVD)、物理気相成長法(PVD)、パルス・レーザ・デポジッション法(PLD)、スパッタなどによってシェル部、更には溶出防止層を形成する方法を適用することもできる。   Other embodiments of the dry method include, for example, chemical vapor deposition (CVD), physical vapor deposition (PVD), pulsed laser deposition (PLD), and the like on the core particles. A method of forming a shell portion and further an elution preventing layer by sputtering or the like can also be applied.

ここで、コア部の粒子は、上記した湿式方法で説明したような共沈法等を利用して形成したものを用いてもよいし、上記混合装置を用いて、予めコア部の材料(粉体)を適当な大きさに造粒して形成したものを用いてもよいなど、特に制限されるものではない。   Here, the core particles may be formed using the coprecipitation method described in the above-described wet method, or the core material (powder) may be preliminarily used using the mixing device. The material formed by granulating the body) to an appropriate size is not particularly limited.

さらに、上記したCVD、PVD、PLD、スパッタなどを用いた乾式方法では、直接正極(ここでは、集電体に予めコア部の粒子を担持(形成)したもの)の表面をシェル部の材料、更には溶出防止層で被覆することも可能である。   Furthermore, in the dry method using the above-described CVD, PVD, PLD, sputtering, etc., the surface of the positive electrode directly (here, the current collector previously supporting (forming) the particles of the core part) the surface of the shell part material, Furthermore, it is possible to coat with an elution preventing layer.

次に、本発明のリチウムイオン二次電池では、出力性能と容量性能の異なるそれぞれの活物質材料の特性を十分生かすことのできる本発明の電池活物質を正極活物質の一部あるいは全部に用いることを特徴とするものである。   Next, in the lithium ion secondary battery of the present invention, the battery active material of the present invention that can fully utilize the characteristics of each active material having different output performance and capacity performance is used for a part or all of the positive electrode active material. It is characterized by this.

すなわち、本発明のリチウムイオン二次電池では、正極材料として本発明の電池活物質のほかにも、本発明の作用効果を損なわない範囲内で使用可能な他の正極活物質を含んでいてもよい。かかる他の正極活物質としては、従来公知の非水電解質リチウムイオン電池で使用される正極活物質を用いることができる。具体的には、遷移金属とリチウムとの複合酸化物(リチウム−遷移金属複合酸化物)を好適に使用できる。例えば、LiMnなどのLi・Mn系複合酸化物、LiNiOなどのLi・Ni系複合酸化物、LiCoOなどのLi・Co系複合酸化物、LiCr、LiCrOなどのLi・Cr系複合酸化物など、LiFeOなどのLi・Fe系複合酸化物およびこれらの遷移金属の一部を他の元素により置換したもの(例えば、リチウムニッケルマンガン酸化物等)などが併用できるなど、Li金属酸化物から選択し使用できるが、これらの材料に限定されるものではない。これらリチウム−遷移金属複合酸化物は、反応性、サイクル耐久性に優れ、低コストな材料である。この他にも、LiFePOなどの遷移金属とリチウムのリン酸化合物や硫酸化合物;V、MnO、TiS、MoS、MoOなどの遷移金属酸化物や硫化物;PbO、AgO、NiOOHなどが併用できる。 That is, in the lithium ion secondary battery of the present invention, in addition to the battery active material of the present invention, the positive electrode material may include other positive electrode active materials that can be used within the range that does not impair the effects of the present invention. Good. As such another positive electrode active material, a positive electrode active material used in a conventionally known non-aqueous electrolyte lithium ion battery can be used. Specifically, a composite oxide of lithium and transition metal (lithium-transition metal composite oxide) can be preferably used. For example, Li · Mn composite oxides such as LiMn 2 O 4 , Li · Ni composite oxides such as LiNiO 2 , Li · Co composite oxides such as LiCoO 2 , Li 2 Cr 2 O 7 , Li 2 CrO such as Li · Cr based composite oxides such as 4, those obtained by substituting Li · Fe-based composite oxides and another element some of these transition metals, such as LiFeO 2 (e.g., lithium nickel manganese oxide, or the like) Can be selected and used from Li metal oxides, but is not limited to these materials. These lithium-transition metal composite oxides are excellent in reactivity and cycle durability and are low-cost materials. In addition to these, transition metal and lithium phosphate compounds and sulfuric acid compounds such as LiFePO 4 ; transition metal oxides and sulfides such as V 2 O 5 , MnO 2 , TiS 2 , MoS 2 , and MoO 3 ; PbO 2 , AgO, NiOOH, etc. can be used together.

上記正極活物質の平均粒径としては、その製造方法にもよるが、出力性能と容量性能の異なるそれぞれの活物質材料の特性を十分生かすためには、0.1〜50μm、好ましくは0.1〜5μmの範囲であるのが望ましいといえる。ただし、本発明では、必ずしも上記範囲に制限されるものではない。ただし、製造方法にもよるが、正極活物質粒子が凝集、塊状などにより2次粒子化したものでなくても良いことはいうまでもない。かかる正極活物質粒子の粒径および1次粒子の粒径は、例えば、走査電子顕微鏡(SEM)観察、透過電子顕微鏡(TEM)観察により測定することができる。   Although the average particle diameter of the positive electrode active material depends on the production method, it is 0.1 to 50 μm, preferably 0. It can be said that the range of 1 to 5 μm is desirable. However, the present invention is not necessarily limited to the above range. However, it goes without saying that, depending on the manufacturing method, the positive electrode active material particles may not be secondary particles formed by aggregation, agglomeration, or the like. The particle size of the positive electrode active material particles and the particle size of the primary particles can be measured, for example, by observation with a scanning electron microscope (SEM) or transmission electron microscope (TEM).

正極活物質の製造方法としては、特に制限されるものではなく、従来公知の各種の複合酸化物の製造技術を適用することができる。詳しくは、本発明の電池活物質の製造方法として既に説明した通りであるので、ここでの説明は省略する。即ち、本発明の電池活物質以外の他の正極活物質についても、本発明の電池活物質の製造方法と同様にして作製することができるものである。   The method for producing the positive electrode active material is not particularly limited, and conventionally known production techniques for various composite oxides can be applied. In detail, since it is as having already demonstrated as a manufacturing method of the battery active material of this invention, description here is abbreviate | omitted. That is, other positive electrode active materials other than the battery active material of the present invention can be produced in the same manner as the battery active material production method of the present invention.

本発明のリチウムイオン二次電池の正極材料には、上記正極活物質が含まれていればよい。さらに、正極材料として、上記正極活物質以外に用いることのできる他の構成成分としては、電子伝導性を高めるための導電助剤、バインダ、イオン伝導性を高めるための電解質支持塩(リチウム塩)、高分子ゲルないし固体電解質(ホストポリマー、電解液など)などが含まれ得る。電池電解質層に高分子ゲル電解質を用いる場合には、従来公知のバインダ、電子伝導性を高めるための導電助剤などが含まれていればよく、高分子電解質の原料のホストポリマー、電解液やリチウム塩などは含まれていなくても良い。電池電解質層に溶液電解質を用いる場合にも、正極材料には高分子電解質の原料のホストポリマー、電解液やリチウム塩などは含まれていなくてもよい。   The positive electrode material of the lithium ion secondary battery of this invention should just contain the said positive electrode active material. Further, as the positive electrode material, other constituent components that can be used in addition to the positive electrode active material include a conductive auxiliary agent for increasing electron conductivity, a binder, and an electrolyte supporting salt (lithium salt) for increasing ion conductivity. In addition, a polymer gel or a solid electrolyte (host polymer, electrolytic solution, etc.) may be included. In the case of using a polymer gel electrolyte for the battery electrolyte layer, it is sufficient that a conventionally known binder, a conductive auxiliary agent for enhancing electronic conductivity, etc. are contained. Lithium salt or the like may not be contained. Even when a solution electrolyte is used for the battery electrolyte layer, the positive electrode material may not contain a host polymer, an electrolytic solution, a lithium salt, or the like as a raw material of the polymer electrolyte.

上記導電助剤としては、アセチレンブラック、カーボンブラック、グラファイト、気相成長カーボンファイバー(VGCF)等が挙げられる。ただし、これらに限られるわけではない。   Examples of the conductive aid include acetylene black, carbon black, graphite, and vapor grown carbon fiber (VGCF). However, it is not necessarily limited to these.

上記バインダとしては、ポリフッ化ビニリデン(PVdF)、SBR、ポリイミドなどが使用できる。ただし、これらに限られるわけではない。   As the binder, polyvinylidene fluoride (PVdF), SBR, polyimide, or the like can be used. However, it is not necessarily limited to these.

上記高分子ゲル電解質は、イオン導伝性を有する固体高分子電解質に、従来公知の非水電解質リチウムイオン電池で用いられる電解液を含んだものであるが、さらに、リチウムイオン導伝性を持たない高分子の骨格中に、同様の電解液を保持させたものも含まれるものである。   The polymer gel electrolyte includes a solid polymer electrolyte having ion conductivity and an electrolyte used in a conventionally known non-aqueous electrolyte lithium ion battery, and further has lithium ion conductivity. A structure in which a similar electrolyte solution is held in a non-polymeric skeleton is also included.

ここで、高分子ゲル電解質に含まれる電解液(電解質支持塩および可塑剤)としては、特に制限されるべきものではなく、従来既知の各種電解液を適宜使用することができるものである。例えば、LiPF、LiBF、LiClO、LiAsF、LiTaF、LiAlCl、Li10Cl10等の無機酸陰イオン塩、LiCFSO、Li(CFSON、Li(CSON等の有機酸陰イオン塩の中から選ばれる、少なくとも1種類のリチウム塩(電解質支持塩)を含み、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート等の環状カーボネート類;ジメチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、ジエチルカーボネート等の鎖状カーボネート類;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、1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジブトキシエタン等のエーテル類;γ−ブチロラクトン等のラクトン類;アセトニトリル等のニトリル類;プロピオン酸メチル等のエステル類;ジメチルホルムアミド等のアミド類;酢酸メチル、蟻酸メチルの中から選ばれる少なくともから1種類または2種以上を混合した、非プロトン性溶媒等の可塑剤(有機溶媒)を用いたものなどが使用できる。ただし、これらに限られるわけではない。 Here, the electrolytic solution (electrolyte supporting salt and plasticizer) contained in the polymer gel electrolyte is not particularly limited, and various conventionally known electrolytic solutions can be appropriately used. For example, inorganic acid anion salts such as LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , LiAsF 6 , LiTaF 6 , LiAlCl 4 , Li 2 B 10 Cl 10 , LiCF 3 SO 3 , Li (CF 3 SO 2 ) 2 N, Li (C 2 F 5 SO 2) selected from organic acid anion salts such as 2 N, wherein at least one lithium salt (electrolyte support salt), propylene carbonate, cyclic carbonates such as ethylene carbonate; dimethyl carbonate , Chain carbonates such as methyl ethyl carbonate and diethyl carbonate; ethers such as tetrahydrofuran, 2-methyltetrahydrofuran, 1,4-dioxane, 1,2-dimethoxyethane, 1,2-dibutoxyethane; γ-butyrolactone, etc. Lactones; Nitto such as acetonitrile Lyls; Esters such as methyl propionate; Amides such as dimethylformamide; Plasticizers such as aprotic solvents (organic) mixed with at least one selected from methyl acetate and methyl formate Those using a solvent) can be used. However, it is not necessarily limited to these.

イオン導伝性を有する固体高分子電解質としては、例えば、ポリエチレンオキシド(PEO)、ポリプロピレンオキシド(PPO)、これらの共重合体のような公知の固体高分子電解質が挙げられる。   Examples of the solid polymer electrolyte having ion conductivity include known solid polymer electrolytes such as polyethylene oxide (PEO), polypropylene oxide (PPO), and copolymers thereof.

高分子ゲル電解質に用いられるリチウムイオン導伝性を持たない高分子としては、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリビニルクロライド(PVC)、ポリアクリロニトリル(PAN)、ポリメチルメタクリレート(PMMA)などが使用できる。ただし、これらに限られるわけではない。なお、PAN、PMMAなどは、どちらかと言うとイオン伝導性がほとんどない部類に入るものであるため、上記イオン伝導性を有する高分子とすることもできるが、ここでは高分子ゲル電解質に用いられるリチウムイオン導伝性を持たない高分子として例示したものである。   For example, polyvinylidene fluoride (PVDF), polyvinyl chloride (PVC), polyacrylonitrile (PAN), polymethyl methacrylate (PMMA), etc. are used as the polymer having no lithium ion conductivity used in the polymer gel electrolyte. it can. However, it is not necessarily limited to these. Note that PAN, PMMA, etc. are in a class that has almost no ionic conductivity, and therefore can be a polymer having the above ionic conductivity, but here, they are used for a polymer gel electrolyte. This is exemplified as a polymer having no lithium ion conductivity.

上記イオン伝導性を高めるための電解質支持塩としては、例えば、LiPF、LiBF、LiClO、LiAsF、LiTaF、LiAlCl、Li10Cl10等の無機酸陰イオン塩、Li(CFSON、Li(CSON等の有機酸陰イオン塩、またはこれらの混合物などが使用できる。ただし、これらに限られるわけではない。 As an electrolyte support salt to increase the ionic conductivity, for example, LiPF 6, LiBF 4, LiClO 4, LiAsF 6, LiTaF 6, LiAlCl 4, Li 2 B 10 Cl 10 inorganic acid anion salts such as, Li ( An organic acid anion salt such as CF 3 SO 2 ) 2 N, Li (C 2 F 5 SO 2 ) 2 N, or a mixture thereof can be used. However, it is not necessarily limited to these.

高分子ゲル電解質中のホストポリマーと電解液との比率(質量比)は、使用目的などに応じて決定すればよいが、2:98〜90:10の範囲である。すなわち、本発明では、特にLiNi酸化物からのラジカル酸素の放出により、電解液が分解されるのを抑制する観点から、非水電解質のなかでも、とりわけ電解液を用いる溶液電解質ないし高分子ゲル電解質に対して効果的に作用するものである。そのため、上記高分子ゲル電解質中のホストポリマーと電解液との比率(質量比)に関しては、電解液の分解による電池の膨れ対策目的で電解液量を制限する必要がなく、電池特性を優先することができるものである。   The ratio (mass ratio) between the host polymer and the electrolytic solution in the polymer gel electrolyte may be determined according to the purpose of use, but is in the range of 2:98 to 90:10. That is, in the present invention, particularly from the viewpoint of suppressing the decomposition of the electrolytic solution due to the release of radical oxygen from the LiNi oxide, among nonaqueous electrolytes, a solution electrolyte or a polymer gel electrolyte that uses an electrolytic solution is particularly used. It works effectively against. Therefore, regarding the ratio (mass ratio) between the host polymer and the electrolytic solution in the polymer gel electrolyte, it is not necessary to limit the amount of the electrolytic solution for the purpose of preventing the swelling of the battery due to the decomposition of the electrolytic solution, and priority is given to the battery characteristics. It is something that can be done.

以下、本発明の電池活物質を正極活物質の一部あるいは全部に用いてなるリチウムイオン二次電池の代表的な実施形態につき、各構成要件に分けて説明する。ただし、本発明のリチウムイオン二次電池は、これらに何ら制限されるべきものではない。   Hereinafter, a typical embodiment of a lithium ion secondary battery using the battery active material of the present invention as a part or all of the positive electrode active material will be described separately for each component. However, the lithium ion secondary battery of the present invention should not be limited to these.

[集電体]
本発明で用いることのできる集電体としては、特に制限されるものではなく、従来公知のものを利用することができる。例えば、アルミニウム箔、ステンレス(SUS)箔、ニッケルとアルミニウムのクラッド材、銅とアルミニウムのクラッド材、SUSとアルミニウムのクラッド材あるいはこれら金属の組み合わせのめっき材などが好ましく使える。また、金属表面に、アルミニウムを被覆させた集電体であってもよい。また、場合によっては、2つ以上の金属箔を張り合わせた集電体を用いてもよい。複合集電体を用いる場合、正極集電体の材料としては、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、SUS、チタンなどの導電性金属を用いることができるが、アルミニウムが特に好ましい。一方、負極集電体の材料としては、例えば、銅、ニッケル、銀、SUSなどの導電性金属を用いることができるが、SUS及びニッケル等が特に好ましい。また、複合集電体においては、正極集電体と負極集電体とは、互いに直接あるいは第三の材料からなる導電性を有する中間層を介して電気的に接続していれば良い。また、正極集電体及び負極集電体には、平板(箔)のほか、ラスプレート、すなわちプレートに切目を入れたものをエキスパンドすることにより網目空間が形成されるプレートにより構成されているものを用いることもできる。
[Current collector]
The current collector that can be used in the present invention is not particularly limited, and conventionally known current collectors can be used. For example, aluminum foil, stainless steel (SUS) foil, nickel-aluminum clad material, copper-aluminum clad material, SUS-aluminum clad material, or a plated material of a combination of these metals can be preferably used. Further, a current collector in which a metal surface is coated with aluminum may be used. Moreover, you may use the electrical power collector which bonded 2 or more metal foil depending on the case. When the composite current collector is used, as a material for the positive electrode current collector, for example, a conductive metal such as aluminum, an aluminum alloy, SUS, or titanium can be used, and aluminum is particularly preferable. On the other hand, as the material of the negative electrode current collector, for example, conductive metals such as copper, nickel, silver, and SUS can be used, and SUS and nickel are particularly preferable. Further, in the composite current collector, the positive electrode current collector and the negative electrode current collector may be electrically connected to each other directly or via a conductive intermediate layer made of a third material. In addition to the flat plate (foil), the positive electrode current collector and the negative electrode current collector are constituted by a lath plate, that is, a plate in which a mesh space is formed by expanding a plate with a cut. Can also be used.

集電体の厚さは、特に限定されないが、通常は1〜100μm程度である。   Although the thickness of a collector is not specifically limited, Usually, it is about 1-100 micrometers.

[正極(正極活物質層ともいう)]
ここで、正極活物質層の構成材料としては、本発明の電池活物質を正極活物質として含有する正極材料を用いることを特徴とするものであり、既に説明した通りであるので、ここでの説明は省略する。
[Positive electrode (also referred to as positive electrode active material layer)]
Here, as a constituent material of the positive electrode active material layer, a positive electrode material containing the battery active material of the present invention as a positive electrode active material is used. Description is omitted.

正極活物質層の厚さは、特に限定するものではなく、電池の使用目的(出力重視、エネルギー重視など)、イオン伝導性を考慮して決定すべきである。一般的な正極活物質層の厚さ(集電体の片面に形成される正極活物質層の厚さをいうものとする)は1〜500μm程度であり、この範囲であれば本発明でも十分に利用可能であるが、本発明の正極材料の持つ機能を有効に発現するには、特に4〜60μmの範囲とするのが望ましい。   The thickness of the positive electrode active material layer is not particularly limited, and should be determined in consideration of the purpose of use of the battery (output importance, energy importance, etc.) and ion conductivity. The thickness of the general positive electrode active material layer (referring to the thickness of the positive electrode active material layer formed on one side of the current collector) is about 1 to 500 μm, and this range is sufficient for the present invention. However, in order to effectively express the function of the positive electrode material of the present invention, it is particularly preferable that the range is 4 to 60 μm.

[負極(負極活物質層ともいう)]
負極活物質層の構成材料としては、負極材料を用いるものであればよい。この負極材料に関しては、負極活物質を含むものであればよい。この他にも、電子伝導性を高めるための導電助剤、バインダ、イオン伝導性を高めるための電解質支持塩(リチウム塩)、高分子ゲルないし固体電解質(ホストポリマー、電解液など)などが含まれ得る。負極活物質の種類以外は、基本的に「本発明のリチウムイオン二次電池の正極材料」の項で記載した内容と同様であるため、ここでは説明を省略する。
[Negative electrode (also referred to as negative electrode active material layer)]
As a constituent material of the negative electrode active material layer, any material using a negative electrode material may be used. The negative electrode material only needs to include a negative electrode active material. In addition to this, conductive aids to enhance electronic conductivity, binders, electrolyte supporting salts (lithium salts) to enhance ionic conductivity, polymer gels or solid electrolytes (host polymers, electrolytes, etc.), etc. Can be. Except for the type of the negative electrode active material, the content is basically the same as the content described in the section “Positive electrode material of lithium ion secondary battery of the present invention”, and thus the description thereof is omitted here.

負極活物質としては、従来公知の溶液系のリチウムイオン電池でも使用される負極活物質を用いることができる。具体的には、天然黒鉛、人造黒鉛、アモルファスカーボン、コークスおよびメソフェーズピッチ系炭素繊維、グラファイト、非晶質炭素であるハードカーボンなどの炭素材料から選ばれてなる少なくとも1種を主材料とする負極活物質を用いることが望ましいが、特に限定されない。この他にも金属酸化物(特に遷移金属酸化物、具体的にはチタン酸化物)、金属(特に遷移金属、具体的にはチタン)とリチウムとの複合酸化物などを用いることもできる。   As a negative electrode active material, the negative electrode active material used also in a conventionally well-known solution-type lithium ion battery can be used. Specifically, a negative electrode mainly composed of at least one selected from carbon materials such as natural graphite, artificial graphite, amorphous carbon, coke and mesophase pitch carbon fiber, graphite, and hard carbon which is amorphous carbon. Although it is desirable to use an active material, it is not particularly limited. In addition, a metal oxide (particularly a transition metal oxide, specifically titanium oxide), a composite oxide of a metal (particularly a transition metal, specifically titanium) and lithium, or the like can also be used.

[電解質層]
本発明では、その使用目的に応じて、(a)セパレータに電解液を染み込ませてなるもの、(b)高分子ゲル電解質単独、ないしセパレータに該高分子ゲル電解質を含浸・担持させてなるもの、(c)高分子固体電解質単独、ないしセパレータに該高分子固体電解質を担持させてなるもののいずれにも適用し得るものである。
[Electrolyte layer]
In the present invention, depending on the purpose of use, (a) a separator is impregnated with an electrolyte, (b) a polymer gel electrolyte alone, or a separator impregnated with and supporting the polymer gel electrolyte (C) The present invention can be applied to either a polymer solid electrolyte alone or a separator in which the polymer solid electrolyte is supported.

(a)セパレータに電解液を染み込ませてなるもの
セパレータに染み込ませることのできる電解液としては、既に説明した本発明のリチウムイオン電池の正極材料」の項の高分子ゲル電解質に含まれる電解液(電解質塩および可塑剤)と同様のものを用いることができる。そのため、ここでは電解液の好適な例を示し、詳細な説明は省略する。かかる電解液の好適な例としては、下記電解質を下記溶媒に溶解させることにより、電解質の濃度が0.5〜2モル/リットルに調整されているものである。ただし、本発明はこれらに何ら制限されるべきものではない。ここで、電解質としては、例えば、LiClO、LiAsF、LiPF、LiBOB、LiCFSOおよびLi(CFSOの少なくとも1種類を好適に用いることができる。また、溶媒としては、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ジエチルカーボネート(DEC)、ジメチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジエトキシエタン、テトラヒドロフラン、1,3−ジオキソランおよびγ−ブチルラクトンよりなるエーテル類から少なくとも1種類を好適に用いることができる。
(A) Electrolyte solution soaked in separator As electrolyte solution that can be soaked in separator, electrolyte solution contained in polymer gel electrolyte of the above-mentioned “positive electrode material of lithium ion battery of the present invention” The same as (electrolyte salt and plasticizer) can be used. Therefore, a preferred example of the electrolytic solution is shown here, and a detailed description thereof is omitted. As a preferable example of such an electrolytic solution, the concentration of the electrolyte is adjusted to 0.5 to 2 mol / liter by dissolving the following electrolyte in the following solvent. However, the present invention should not be limited to these. Here, as the electrolyte, for example, at least one of LiClO 4 , LiAsF 6 , LiPF 5 , LiBOB, LiCF 3 SO 3 and Li (CF 3 SO 2 ) 2 can be suitably used. Examples of the solvent include ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), diethyl carbonate (DEC), dimethyl carbonate, methyl ethyl carbonate, 1,2-dimethoxyethane, 1,2-diethoxyethane, tetrahydrofuran, 1, At least one of ethers composed of 3-dioxolane and γ-butyllactone can be suitably used.

上記セパレータとしては、特に制限されるべきものではなく、従来公知のものを用いることができるものであり、例えば、上記電解液を吸収保持するポリマーからなる多孔性シート(例えば、ポリオレフィン系微多孔質セパレータなど)、不織布セパレータなどを用いることができる。有機溶媒に対して化学的に安定であるという性質を持つ上記ポリオレフィン系微多孔質セパレータは、電解質(電解液)との反応性を低く抑えることができるという優れた効果を有するものである。   The separator is not particularly limited, and a conventionally known separator can be used. For example, a porous sheet made of a polymer that absorbs and holds the electrolytic solution (for example, a polyolefin microporous material). Separator, etc.), a nonwoven fabric separator, etc. can be used. The polyolefin microporous separator having the property of being chemically stable to an organic solvent has an excellent effect that the reactivity with the electrolyte (electrolytic solution) can be kept low.

上記ポリオレフィン系微多孔質セパレータなどの多孔性シートの材質としては、例えば、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、PP/PE/PPの3層構造をした積層体、ポリイミドなどが挙げられる。   Examples of the material for the porous sheet such as the polyolefin-based microporous separator include a laminate having a three-layer structure of polyethylene (PE), polypropylene (PP), PP / PE / PP, and polyimide.

不織布セパレータの材質としては、例えば、綿、レーヨン、アセテート、ナイロン、ポリエステル、ポリプロピレン、ポリエチレンなどのポリオレフィン、ポリイミド、アラミドなど従来公知のものを用いることができ、使用目的(電解質層に要求される機械強度など)に応じて、単独または混合して用いる。   As the material of the nonwoven fabric separator, for example, conventionally known materials such as cotton, rayon, acetate, nylon, polyester, polypropylene, polyethylene and other polyolefins, polyimide, and aramid can be used, and the purpose of use (machines required for the electrolyte layer) Depending on strength, etc., they are used alone or in combination.

また、不織布セパレータのかさ密度は、含浸させた高分子ゲル電解質により十分な電池特性を得られるものであればよく、特に制限されるべきものではない。すなわち、あまり不織布セパレータのかさ密度が大きすぎると、電解質層中の非電解質材料が占める割合が大きくなりすぎ、電解質層におけるイオン伝導度などを損なうおそれがあるためである。   The bulk density of the nonwoven fabric separator is not particularly limited as long as sufficient battery characteristics can be obtained by the impregnated polymer gel electrolyte. That is, if the bulk density of the nonwoven fabric separator is too large, the proportion of the non-electrolyte material in the electrolyte layer becomes too large, and the ionic conductivity and the like in the electrolyte layer may be impaired.

上記セパレータの厚みとして、使用用途により異なることから一義的に規定することはできないが、ハイブリッド自動車や電気自動車、さらには燃料電池自動車などのモータ駆動用二次電池などの用途においては、5〜200μmであることが望ましい。セパレータの厚さが、かかる範囲にあることで、保持性、抵抗が増大するのを抑制することができる。また、セパレータに微粒が食い込むことによって発生する短絡の防止と、高出力のために電極間を狭くすることが望ましいという理由から、厚さ方向の機械的強度と高出力性の確保という効果がある。また電池を複数接続する場合には、電極面積が増大することから、電池の信頼性を高めるために上記範囲のなかでも厚形のセパレータを用いることが望ましい。   The thickness of the separator cannot be unambiguously defined because it varies depending on the application, but in applications such as a secondary battery for driving a motor such as a hybrid vehicle, an electric vehicle, and a fuel cell vehicle, it is 5 to 200 μm. It is desirable that When the thickness of the separator is within such a range, it is possible to suppress increase in retention and resistance. In addition, there is an effect of securing mechanical strength in the thickness direction and ensuring high output performance because it is desirable to prevent a short circuit caused by fine particles entering the separator and to narrow the space between the electrodes for high output. . In addition, when a plurality of batteries are connected, the electrode area increases, so that it is desirable to use a thick separator in the above range in order to increase the reliability of the battery.

上記セパレータ(ポリオレフィン系微多孔質セパレータなど)の微細孔の径は、最大で1μm以下(通常、数十nm程度の孔径である)であることが望ましい。セパレータの微細孔の平均径が、上記範囲にあることで熱によってセパレータが溶融して微細孔が閉じる「シャットダウン現象」が速やかに起きるという理由から、異常時信頼性が上がり、その結果として耐熱性が向上するという効果がある。すなわち、過充電で電池温度が上昇していったとき(異常時)に、セパレータが溶融して微細孔が閉じる「シャットダウン現象」が速やかに起きることで、電池(電極)の正極(+)から負極(−)側にLiイオンが通れなくなり、それ以上は充電できなくなる。そのため過充電できなくなり、過充電が解消する。その結果、電池の耐熱性(安全性)が向上するほか、ガスがでて電池外装材の熱融着部(シール部)が開くのを防止できる。ここでセパレータの微細孔の平均径は、セパレータを走査電子顕微鏡等で観察し、その写真をイメージアナライザ等で統計的に処理した平均径として算出される。   It is desirable that the fine pore diameter of the separator (polyolefin-based microporous separator or the like) is 1 μm or less (usually a pore diameter of about several tens of nm). Due to the fact that the average diameter of the micropores in the separator is within the above range, the “shutdown phenomenon” that the separator melts due to heat and the micropores close quickly occurs, resulting in higher reliability during abnormalities, resulting in heat resistance. Has the effect of improving. In other words, when the battery temperature rises due to overcharging (in an abnormal state), the “shutdown phenomenon” that the separator melts and closes the micropores occurs quickly, so that the positive electrode (+) of the battery (electrode) Li ions cannot pass through to the negative electrode (−) side, and no further charge is possible. As a result, overcharging cannot be performed and overcharging is eliminated. As a result, the heat resistance (safety) of the battery is improved, and it is possible to prevent gas from being released and the heat fusion part (seal part) of the battery exterior material from being opened. Here, the average diameter of the micropores of the separator is calculated as an average diameter obtained by observing the separator with a scanning electron microscope or the like and statistically processing the photograph with an image analyzer or the like.

上記セパレータ(ポリオレフィン系微多孔質セパレータなど)の空孔率は20〜50%であることが望ましい。セパレータの空孔率が、上記範囲にあることで電解質(電解液)の抵抗による出力低下の防止と、微粒がセパレータの空孔(微細孔)を貫くことによる短絡の防止という理由から出力と信頼性の両方を確保するという効果がある。ここでセパレータの空孔率とは、原材料レジンの密度と最終製品のセパレータの密度から体積比として求められる値である。   The porosity of the separator (such as a polyolefin microporous separator) is desirably 20 to 50%. The separator's porosity is within the above range, preventing output from being reduced due to the resistance of the electrolyte (electrolyte), and preventing the short circuit due to fine particles penetrating the separator's pores (micropores). It has the effect of securing both sexes. Here, the porosity of the separator is a value obtained as a volume ratio from the density of the raw material resin and the density of the separator of the final product.

また不織布セパレータの空孔率は50〜90%であることが好ましい。空孔率が50%未満では、電解質の保持性が悪化し、90%超では強度が不足する。   The porosity of the nonwoven fabric separator is preferably 50 to 90%. If the porosity is less than 50%, the electrolyte retention deteriorates, and if it exceeds 90%, the strength is insufficient.

上記セパレータへの電解液の含浸量は、セパレータの保液能力範囲まで含浸させればよいが、当該保液能力範囲を超えて含浸させてもよい。これは、電解質シール部に樹脂を注入して電解質層からの電解液の染み出しを防止できるため、該電解質層に保液できる範囲であれば含浸可能である。該電解液は、真空注液法などにより注液した後、完全にシールすることができるなど、従来公知の方法でセパレータに電解液を含浸させることができる。   The amount of the electrolytic solution impregnated in the separator may be impregnated to the range of the liquid retention capacity of the separator, but may be impregnated beyond the liquid retention capacity range. This can prevent impregnation of the electrolyte from the electrolyte layer by injecting a resin into the electrolyte seal portion, and therefore can be impregnated as long as the electrolyte layer can be retained. The electrolyte can be impregnated in the separator by a conventionally known method, for example, the electrolyte can be completely sealed after being injected by a vacuum injection method or the like.

(b)高分子ゲル電解質単独、ないしセパレータに該高分子ゲル電解質を含浸・担持させてなるもの及び(c)高分子固体電解質単独、ないしセパレータに該高分子固体電解質を担持させてなるもの
高分子ゲル電解質および高分子固体電解質に関しては、既に説明した本発明のリチウムイオン電池の正極材料の項の高分子ゲル電解質および高分子固体電解質と同様のものを用いることができるため、ここでの説明は省略する。また、セパレータに関しては、上記(a)セパレータに電解液を染み込ませてなるものの項のセパレータと同様のものを用いることができるため、ここでの説明は省略する。
(B) A polymer gel electrolyte alone or a separator impregnated and supported with the polymer gel electrolyte and (c) A polymer solid electrolyte alone or a separator with the polymer solid electrolyte supported High Regarding the molecular gel electrolyte and the solid polymer electrolyte, since the same polymer gel electrolyte and solid polymer electrolyte as the positive electrode material of the lithium ion battery of the present invention described above can be used, the description here Is omitted. Further, regarding the separator, since the same separator as that described in the section (a) where the separator is impregnated with the electrolytic solution can be used, description thereof is omitted here.

上記(b)では、セパレータに高分子ゲル電解質を含浸・担持させてなるものも含まれるものである。この場合の上記セパレータへの高分子ゲル電解質の含浸・担持量は、セパレータの保液・保持能力範囲まで含浸・担持させればよいが、当該保液・保持能力範囲を超えて含浸・担持させてもよい。これは、電解質シール部に樹脂を注入して電解質層(主に高分子ゲル電解質)からの電解液の染み出しを防止できるため、該電解質層に保液・保持できる範囲であれば含浸・担持可能である。該高分子ゲル電解質は、セパレータに高分子電解質の原料のホストポリマー、電解液やリチウム塩を塗布・含浸後に、加熱することで、ホストポリマーを架橋させて、セパレータに高分子ゲル電解質を含浸・担持させればよいなど、特に制限されるものではない。   The above (b) includes those obtained by impregnating and supporting a polymer gel electrolyte in a separator. In this case, the amount of the polymer gel electrolyte impregnated / supported in the separator may be impregnated / supported up to the range of the liquid retention / retention capacity of the separator. May be. This is because resin can be injected into the electrolyte seal portion to prevent the electrolyte solution from leaking out from the electrolyte layer (mainly polymer gel electrolyte), so that the electrolyte layer can be impregnated and supported as long as it can be retained and retained. Is possible. The polymer gel electrolyte is a polymer electrolyte raw material host polymer, an electrolytic solution or a lithium salt applied to and impregnated in the separator, and then heated to crosslink the host polymer, and the separator is impregnated with the polymer gel electrolyte. What is necessary is just to carry | support, and it does not restrict | limit in particular.

上記(c)でも、セパレータに高分子固体電解質を担持させてなるものも含まれるものである。この場合の上記セパレータへの高分子固体電解質の担持量は、セパレータの保持能力範囲まで担持させればよいが、当該保持能力範囲を超えて担持させてもよい。これは、電解質層に染み出しの原因となる電解液が存在しない為、液絡のおそれがないため、該電解質層に保持できる範囲であれば担持可能である。該高分子固体電解質は、セパレータに高分子電解質の原料のホストポリマー、溶剤(主に粘度調整用溶剤)やリチウム塩を塗布・含浸後に、加熱することで、ホストポリマーを架橋させると共に溶剤を除去して、セパレータに高分子固体電解質を担持させればよいなど、特に制限されるものではない。   The above (c) also includes those in which a polymer solid electrolyte is supported on a separator. In this case, the amount of the solid polymer electrolyte supported on the separator may be supported up to the holding capacity range of the separator, but may be supported beyond the holding capacity range. Since there is no electrolyte solution that causes the electrolyte layer to bleed out, there is no risk of liquid junction. Therefore, the electrolyte layer can be supported as long as it can be held in the electrolyte layer. The polymer solid electrolyte is applied to the separator with the host polymer, solvent (mainly viscosity adjusting solvent) or lithium salt as the raw material of the polymer electrolyte, and heated to crosslink the host polymer and remove the solvent. The separator is not particularly limited, for example, a polymer solid electrolyte may be supported on the separator.

なお、上記(a)〜(c)の電解質層は、1つの電池の中で併用してもよい。   The electrolyte layers (a) to (c) may be used in one battery.

また、高分子電解質は、高分子ゲル電解質層、正極活物質層、負極活物質層に含まれ得るが、同一の高分子電解質を使用してもよく、層によって異なる高分子電解質を用いてもよい。   In addition, the polymer electrolyte may be included in the polymer gel electrolyte layer, the positive electrode active material layer, and the negative electrode active material layer, but the same polymer electrolyte may be used, or different polymer electrolytes may be used depending on the layer. Good.

ところで、現在好ましく使用される高分子ゲル電解質用のホストポリマーは、PEO、PPOのようなポリエーテル系高分子である。このため、高温条件下における正極側での耐酸化性が弱い。従って、酸化還元電位の高い正極材料を使用する場合には、負極(活物質層)の容量が、高分子ゲル電解質層を介して対向する正極(活物質層)の容量より少ないことが好ましい。負極(活物質層)の容量が対向する正極(活物質層)の容量より少ないと、充電末期に正極電位が上がり過ぎることを防止できる。なお、正極(活物質層)および負極(活物質層)の容量は、正極(活物質層)および負極(活物質層)を製造する際の理論容量として、製造条件から求めることができる。完成品の容量を測定装置で直接測定してもよい。ただし、負極(活物質層)の容量を対向する正極(活物質層)の容量と比べて少ないと、負極電位が下がりすぎて電池の耐久性が損なわれる恐れがあるので充放電電圧に注意する必要がある。例えば、一のセル(単電池層)の平均充電電圧を使用する正極活物質の酸化還元電位に対して適切な値に設定して、耐久性が低下しないように注意する。   By the way, a host polymer for a polymer gel electrolyte that is preferably used at present is a polyether polymer such as PEO and PPO. For this reason, the oxidation resistance on the positive electrode side under high temperature conditions is weak. Therefore, when using a positive electrode material having a high oxidation-reduction potential, the capacity of the negative electrode (active material layer) is preferably smaller than the capacity of the positive electrode (active material layer) opposed via the polymer gel electrolyte layer. When the capacity of the negative electrode (active material layer) is less than the capacity of the opposing positive electrode (active material layer), it is possible to prevent the positive electrode potential from rising excessively at the end of charging. In addition, the capacity | capacitance of a positive electrode (active material layer) and a negative electrode (active material layer) can be calculated | required from manufacturing conditions as theoretical capacity | capacitance at the time of manufacturing a positive electrode (active material layer) and a negative electrode (active material layer). You may measure the capacity | capacitance of a finished product directly with a measuring device. However, if the capacity of the negative electrode (active material layer) is smaller than the capacity of the opposing positive electrode (active material layer), the negative electrode potential will drop too much and the durability of the battery may be impaired. There is a need. For example, care should be taken not to lower the durability by setting the average charge voltage of one cell (single cell layer) to an appropriate value for the oxidation-reduction potential of the positive electrode active material.

電池を構成する電解質層の厚さは、特に限定するものではない。しかしながら、コンパクトな電池を得るためには、電解質としての機能が確保できる範囲で極力薄くすることが好まく、電解質層の厚さは5〜200μmであることが望ましい。   The thickness of the electrolyte layer constituting the battery is not particularly limited. However, in order to obtain a compact battery, it is preferable to make it as thin as possible within a range in which the function as an electrolyte can be ensured, and the thickness of the electrolyte layer is preferably 5 to 200 μm.

[正極および負極端子板]
正極および負極端子板を用いる場合には、端子としての機能を有するほか、薄型化の観点からは極力薄い方がよいが、積層されてなる電極、電解質および集電体はいずれも機械的強度が弱いため、これらを両側から挟示し支持するだけの強度を持たせることが望ましい。さらに、端子部での内部抵抗を抑える観点から、正極および負極端子板の厚さは、通常0.1〜2mm程度が望ましいといえる。
[Positive electrode and negative electrode terminal plate]
When using positive and negative terminal plates, in addition to having a function as a terminal, it is better to be as thin as possible from the viewpoint of thinning, but the laminated electrode, electrolyte and current collector all have mechanical strength. Since it is weak, it is desirable to have strength to sandwich and support these from both sides. Furthermore, it can be said that the thickness of the positive electrode and the negative electrode terminal plate is usually preferably about 0.1 to 2 mm from the viewpoint of suppressing the internal resistance at the terminal portion.

正極および負極端子板の材質は、従来公知のリチウムイオン電池で用いられる材質を用いることができる。例えば、アルミニウム、銅、チタン、ニッケル、ステンレス鋼(SUS)、これらの合金などを利用することができる。耐蝕性、作り易さ、経済性などの観点からは、アルミニウムを用いることが好ましい。   As materials for the positive electrode and the negative electrode terminal plate, materials used in a conventionally known lithium ion battery can be used. For example, aluminum, copper, titanium, nickel, stainless steel (SUS), and alloys thereof can be used. Aluminum is preferably used from the viewpoints of corrosion resistance, ease of production, economy, and the like.

正極端子板と負極端子板との材質は、同一の材質を用いてもよいし、異なる材質のものを用いてもよい。さらに、これら正極および負極端子板は、材質の異なるものを多層に積層したものであってもよい。   The material of the positive electrode terminal plate and the negative electrode terminal plate may be the same material or different materials. Furthermore, the positive electrode and the negative electrode terminal plate may be a laminate of different materials.

[正極および負極リード]
正極および負極リードに関しては、従来公知のリチウムイオン電池で用いられるリードと同様のものを用いることができる。なお、電池外装材(電池ケース)から取り出された部分は、周辺機器や配線などに接触して漏電したりして製品(例えば、自動車部品、特に電子機器等)に影響を与えないように、耐熱絶縁性の熱収縮チューブなどにより被覆しておくのが好ましい。
[Positive electrode and negative electrode lead]
Regarding the positive electrode and the negative electrode lead, the same lead as that used in a conventionally known lithium ion battery can be used. In addition, the part taken out from the battery exterior material (battery case) does not affect the product (for example, automobile parts, especially electronic devices, etc.) by contacting with peripheral devices or wiring and leaking electricity. It is preferable to coat with a heat-resistant insulating heat shrinkable tube or the like.

[電池外装材(電池ケース)]
リチウムイオン電池では、使用する際の外部からの衝撃、環境劣化を防止するために、電池本体である電池積層体ないし電池巻回体全体を電池外装材ないし電池ケースに収容するのが望ましい。軽量化の観点からは、アルミニウム、ステンレス、ニッケル、銅などの金属(合金を含む)の両面をポリプロピレンフィルム等の絶縁体(好ましく耐熱性の絶縁体)で被覆した高分子−金属複合ラミネートフィルムなど、従来公知の電池外装材を用いて、その周辺部の一部または全部を熱融着にて接合することにより、電池積層体を収納し密封した構成とするのが好ましい。この場合、上記正極および負極リードは、上記熱融着部に挟まれて上記電池外装材の外部に露出される構造とすればよい。また熱伝導性に優れた高分子−金属複合ラミネートフィルムなどを用いることが、自動車の熱源から効率よく熱を伝え、電池内部を電池動作温度まですばやく加熱することができる点で好ましい。
[Battery exterior material (battery case)]
In a lithium ion battery, in order to prevent external impact and environmental degradation during use, it is desirable to accommodate the entire battery stack or battery winding body, which is the battery body, in a battery exterior material or battery case. From the viewpoint of weight reduction, a polymer-metal composite laminate film in which both surfaces of metals (including alloys) such as aluminum, stainless steel, nickel, and copper are covered with an insulator (preferably a heat-resistant insulator) such as a polypropylene film. It is preferable that the battery stack is housed and sealed by joining a part or all of the peripheral part thereof by heat fusion using a conventionally known battery exterior material. In this case, the positive electrode and the negative electrode lead may be structured to be sandwiched between the heat-sealed portions and exposed to the outside of the battery exterior material. In addition, it is preferable to use a polymer-metal composite laminate film having excellent thermal conductivity because heat can be efficiently transmitted from a heat source of an automobile and the inside of the battery can be quickly heated to the battery operating temperature.

高分子−金属複合ラミネートフィルムとしては、特に制限されるべきものではなく、高分子フィルム間に金属フィルムを配置し全体を積層一体化してなる従来公知のものを使用することができる。具体例としては、例えば、高分子フィルムからなる外装保護層(ラミネート最外層)、金属フィルム層、高分子フィルムからなる熱融着層(ラミネート最内層)のように配置し全体を積層一体化してなるものが挙げられる。詳しくは、外装材に用いられる高分子−金属複合ラミネートフィルムは、上記金属フィルムの両面に、高分子フィルムとして、まず耐熱絶縁樹脂フィルムを形成し、少なくとも片面側の耐熱絶縁樹脂フィルム上に熱融着絶縁性フィルムが積層されたものである。かかるラミネートフィルムは、適当な方法にて熱融着させることにより、熱融着絶縁性フィルム部分が融着して接合し熱融着部が形成される。上記金属フィルムとしては、アルミニウムフィルム等が例示できる。また、上記絶縁性樹脂フィルムとしては、ポリエチレンテトラフタレートフィルム(耐熱絶縁性フィルム)、ナイロンフィルム(耐熱絶縁性フィルム)、ポリエチレンフィルム(熱融着絶縁性フィルム)、ポリプロピレンフィルム(熱融着絶縁性フィルム)等が例示できる。ただし、本発明の外装材は、これらに制限されるべきものではない。   The polymer-metal composite laminate film is not particularly limited, and a conventionally known film in which a metal film is disposed between polymer films and the whole is laminated and integrated can be used. As specific examples, for example, an outer protective layer made of a polymer film (laminate outermost layer), a metal film layer, a heat-sealing layer made of a polymer film (laminate innermost layer), and the whole is laminated and integrated. The thing which becomes. Specifically, in the polymer-metal composite laminate film used for the exterior material, a heat-resistant insulating resin film is first formed as a polymer film on both surfaces of the metal film, and heat fusion is performed on at least one heat-resistant insulating resin film. An insulating insulating film is laminated. Such a laminate film is heat-sealed by an appropriate method, whereby the heat-welding insulating film portion is fused and joined to form a heat-sealing portion. An example of the metal film is an aluminum film. Moreover, as said insulating resin film, a polyethylene tetraphthalate film (heat-resistant insulating film), a nylon film (heat-resistant insulating film), a polyethylene film (heat-bonding insulating film), a polypropylene film (heat-bonding insulating film) ) Etc. can be illustrated. However, the exterior material of the present invention should not be limited to these.

こうしたラミネートフィルムでは、超音波溶着等により熱融着絶縁性フィルムを利用して1対ないし1枚(袋状)のラミネートフィルムの熱融着による接合を、容易かつ確実に行うことができる。なお、電池の長期信頼性を最大限高めるためには、ラミネートシートの構成要素である金属フィルム同士を直接接合してもよい。金属フィルム間にある熱融着性樹脂を除去もしくは破壊して金属フィルム同士を接合するには超音波溶着を用いることができる。   In such a laminate film, it is possible to easily and surely join one to one (bag-like) laminate films by heat fusion using a heat fusion insulating film by ultrasonic welding or the like. In order to maximize the long-term reliability of the battery, metal films that are constituent elements of the laminate sheet may be directly joined. Ultrasonic welding can be used to join the metal films by removing or destroying the heat-fusible resin between the metal films.

本発明のリチウムイオン二次電池は、バイポーラ型のリチウムイオン二次電池(バイポーラ電池ともいう)であってもよいし、バイポーラ型でないリチウムイオン二次電池(バイポーラ型でない電池ともいう)であってもよい。   The lithium ion secondary battery of the present invention may be a bipolar lithium ion secondary battery (also referred to as a bipolar battery) or a non-bipolar lithium ion secondary battery (also referred to as a non-bipolar battery). Also good.

次に、本発明のリチウムイオン二次電池の用途としては、例えば、ハイブリッド自動車、電気自動車やハイブリッド電気自動車、燃料電池自動車やハイブリッド燃料電池自動車などの大容量電源として、高エネルギー密度、高出力密度が求められる車両駆動用電源や補助電源に好適に利用することができる。この場合には、本発明のリチウムイオン二次電池を複数個接続して構成した組電池とすることが望ましい。すなわち、本発明では、上記リチウムイオン二次電池を複数個、並列接続または直列接続または並列−直列接続または直列−並列接続の少なくとも一つを用いて組電池(車両用サブモジュール)とすることができる。これにより、種々の車両用ごとの容量・電圧の要望を基本の電池の組み合わせで対応が可能になる。その結果、必要エネルギー、出力の設計選択性を容易にすることが可能になる。そのため種々の車両用ごとに異なる電池を設計、生産する必要がなく、基本となる電池の大量生産が可能となり、量産化によるコスト削減が可能となる。   Next, as the use of the lithium ion secondary battery of the present invention, for example, as a large-capacity power source such as a hybrid vehicle, an electric vehicle or a hybrid electric vehicle, a fuel cell vehicle or a hybrid fuel cell vehicle, a high energy density and a high output density. Therefore, it can be suitably used for a vehicle driving power source and an auxiliary power source that require the above. In this case, it is desirable that the assembled battery is constructed by connecting a plurality of lithium ion secondary batteries of the present invention. That is, in the present invention, a plurality of the lithium ion secondary batteries are used as an assembled battery (vehicle submodule) using at least one of a parallel connection, a series connection, a parallel-series connection, or a series-parallel connection. it can. This makes it possible to meet the demands for capacity and voltage for various types of vehicles by combining basic batteries. As a result, it becomes possible to facilitate the design selectivity of required energy and output. For this reason, it is not necessary to design and produce different batteries for various vehicles, and it becomes possible to mass-produce basic batteries and to reduce costs by mass production.

なお、組電池の他の構成要件に関しては、何ら制限されるべきものではなく、既存のリチウムイオン二次電池を用いた組電池の構成要件と同様のものが適宜適用することができるものであり、従来公知の組電池用の構成部材および製造技術が利用できるため、ここでの説明は省略する。   The other constituent requirements of the assembled battery should not be limited at all, and the same constituent requirements as the assembled battery using the existing lithium ion secondary battery can be applied as appropriate. Since conventionally known components and manufacturing techniques for assembled batteries can be used, the description thereof is omitted here.

次に、上記の組電池を少なくとも2以上直列、並列、または直列と並列の複合接続した複合組電池とすることで、使用目的ごとの電池容量や出力に対する要求に、新たに組電池を作製することなく、比較的安価に対応することが可能になる。すなわち、本発明の複合組電池は、組電池を少なくとも2以上直列、並列、または直列と並列の複合接続したことを特徴とするものであり、基準の組電池を製造し、それを組み合わせて複合組電池とすることで、組電池の仕様をチューニングできる。これにより、仕様の異なる沢山の組電池種を製造しなくてよいため、複合組電池コストを減少することができる。更に本発明の組電池では、本発明のバイポーラ電池ないしバイポーラ型でない電池だけで構成したもの、本発明のバイポーラ電池とバイポーラ型でない電池とを組み合わせて構成したものなど、特に制限されるものではない。さらに、必要があれば、本発明のリチウムイオン二次電池と、既存のリチウムイオン二次電池とを適当に組み合わせて用いることもできる。   Next, by forming at least two or more of the above assembled batteries in series, parallel, or a composite battery in which the series and parallel are connected in combination, a new assembled battery is produced to meet the battery capacity and output requirements for each purpose of use. Therefore, it becomes possible to cope with relatively low cost. That is, the composite battery pack of the present invention is characterized in that at least two or more battery packs are connected in series, in parallel, or in series and parallel, and a reference battery pack is manufactured and combined. By using an assembled battery, the specifications of the assembled battery can be tuned. Thereby, since it is not necessary to manufacture many assembled battery types with different specifications, the composite assembled battery cost can be reduced. Further, the assembled battery of the present invention is not particularly limited, such as a battery composed of only the bipolar battery or non-bipolar battery of the present invention, or a combination of the bipolar battery of the present invention and a non-bipolar battery. . Furthermore, if necessary, the lithium ion secondary battery of the present invention and an existing lithium ion secondary battery can be used in appropriate combination.

また、上記複合組電池では、これを構成する複数の組電池をそれぞれ脱着可能に接続しておくのが望ましい。このように、組電池を複数直並列接続されてなる複合組電池では、一部の電池、組電池が故障しても、その故障部分を交換するだけで修理が可能となるためである。   Moreover, in the said composite assembled battery, it is desirable to connect the some assembled battery which comprises this so that attachment or detachment is possible respectively. As described above, in the composite assembled battery in which a plurality of assembled batteries are connected in series and parallel, even if some of the batteries and the assembled battery fail, the repair can be performed only by replacing the failed part.

また、本発明の車両は、上記組電池および/または上記複合組電池を搭載することを特徴とするものである。これにより、軽く小さい電池にすることでスペース要望の大きな車両要望に合致できる。電池のスペースを小さくすることで、車両の軽量化も達成できる。   The vehicle according to the present invention is characterized in that the assembled battery and / or the composite assembled battery is mounted. This makes it possible to meet a large vehicle demand for space by using a light and small battery. By reducing the battery space, the weight of the vehicle can be reduced.

例えば、複合組電池を、ハイブリッドカーや電気自動車や燃料電池等の車両に搭載するには、当該車両の車体中央部の座席(シート)下に搭載する。座席下に搭載すれば、車内空間およびトランクルームを広く取ることができるからである。なお、電池を搭載する場所は、座席下に限らず、車両の床下、シートバック裏、後部トランクルームの下部でも良いし、車両前方のエンジンルームでも良い。   For example, in order to mount the composite assembled battery on a vehicle such as a hybrid car, an electric vehicle, or a fuel cell, the composite assembled battery is mounted under a seat (seat) at the center of the vehicle body of the vehicle. This is because if it is installed under the seat, the interior space and the trunk room can be widened. The place where the battery is mounted is not limited to under the seat, but may be under the floor of the vehicle, behind the seat back, under the rear trunk room, or in the engine room in front of the vehicle.

なお、本発明では、複合組電池だけではなく、使用用途によっては、組電池を車両に搭載するようにしてもよいし、これら複合組電池と組電池を組み合わせて搭載するようにしてもよい。また、本発明の組電池および/または複合組電池を、例えば、駆動用電源や補助電源等として搭載することのできる車両としては、通常のハイブリッドカー(ガソリンエンジンと本発明の組電池および/または複合組電池の組み合わせ)、電気自動車、ハイブリッド電気自動車、燃料電池自動車、ハイブリッド燃料電池自動車等が好ましいが、これらに制限されるものではない。   In the present invention, not only the composite battery pack but also the battery pack may be mounted on the vehicle depending on the intended use, or the composite battery pack and the battery pack may be mounted in combination. In addition, as a vehicle in which the assembled battery and / or the composite assembled battery of the present invention can be mounted as, for example, a driving power supply or an auxiliary power supply, an ordinary hybrid car (a gasoline engine and the assembled battery of the present invention and / or Combinations of composite assembled batteries), electric vehicles, hybrid electric vehicles, fuel cell vehicles, hybrid fuel cell vehicles and the like are preferable, but are not limited thereto.

以下、実施例および比較例を挙げて本発明の内容を説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。   Hereinafter, the content of the present invention will be described with reference to examples and comparative examples, but the present invention is not limited to these examples.

参考例1
I.正極活物質の作製
まず、以下の手順により正極活物質を作製した。
Reference example 1
I. Preparation of positive electrode active material First, a positive electrode active material was prepared by the following procedure.

(正極活物質コア部の作製)
LiNiOを共沈法により作製した。具体的には、水酸化リチウムLiOH(HO)と水酸化ニッケルNi(OH)をLiとNiがモル比1:1になるよう水溶液を作成し、200℃で加熱しながら攪拌し水分を全体の95%以上蒸発させた。その後、セラミックの坩堝に移し、空気中で100℃/hで昇温、400℃で12時間仮焼成を行った。仮焼成後、800℃、酸素2%または酸素雰囲気中で24時間焼成し、コア部粒子として平均粒径10μmの層状リチウムニッケル複合酸化物(LiNiO)を得た。
(Preparation of positive electrode active material core)
LiNiO 2 was produced by a coprecipitation method. Specifically, an aqueous solution of lithium hydroxide LiOH (H 2 O) and nickel hydroxide Ni (OH) 2 was prepared so that the molar ratio of Li and Ni was 1: 1, and stirred while heating at 200 ° C. More than 95% of the total was evaporated. After that, it was transferred to a ceramic crucible, heated in air at 100 ° C./h, and pre-baked at 400 ° C. for 12 hours. After the preliminary firing, firing was performed at 800 ° C. in oxygen 2% or oxygen atmosphere for 24 hours to obtain a layered lithium nickel composite oxide (LiNiO 2 ) having an average particle diameter of 10 μm as core part particles.

(正極活物質シェル部の作製)
硝酸リチウムLiCOと硝酸マンガンMn(COをLiとMnがモル比1:2となるよう水溶液を作成し、上記のコア部粒子を加えて200℃で加熱しながら攪拌し水分を95%以上蒸発させた。その後、セラミックの坩堝に移し、空気中で100℃/hで昇温、400℃で12時間仮焼成を行った。仮焼成後、600℃、酸素2%または酸素雰囲気中で24時間焼成し、シェル部であるスピネル系のリチウムニッケル複合酸化物(LiMn)の平均厚さが0.5μmの活物質粒子を得た(図1A参照のこと)。得られた活物質粒子の平均粒子径は、11.0μmであった。
(Preparation of positive electrode active material shell)
An aqueous solution of lithium nitrate LiCO 3 and manganese nitrate Mn (CO 3 ) 2 was prepared so that the molar ratio of Li and Mn was 1: 2, and the above core part particles were added and stirred while heating at 200 ° C. % Or more was evaporated. After that, it was transferred to a ceramic crucible, heated in air at 100 ° C./h, and pre-baked at 400 ° C. for 12 hours. After preliminary firing, active material particles having an average thickness of spinel-based lithium nickel composite oxide (LiMn 2 O 4 ) of 0.5 μm are fired at 600 ° C., 2% oxygen or in an oxygen atmosphere for 24 hours. Was obtained (see FIG. 1A). The average particle diameter of the obtained active material particles was 11.0 μm.

II.リチウムイオン二次電池の作製
次に以下の手順によりリチウムイオン二次電池を作製した。
II. Production of Lithium Ion Secondary Battery Next, a lithium ion secondary battery was produced by the following procedure.

(正極の形成)
正極活物質として上記の活物質粒子(85質量%)、導電助剤としてアセチレンブラック(5質量%)、バインダとしてポリフッ化ビニリデン(10質量%)を用いた。これらを溶媒(N−メチルピロリドン)に分散して、正極スラリーを得た。厚さ20μmのアルミニウム箔の片面に本スラリーを塗布し、加圧・乾燥することにより厚さ40μmの正極を形成した。
(Formation of positive electrode)
The above active material particles (85% by mass) were used as the positive electrode active material, acetylene black (5% by mass) was used as the conductive additive, and polyvinylidene fluoride (10% by mass) was used as the binder. These were dispersed in a solvent (N-methylpyrrolidone) to obtain a positive electrode slurry. The slurry was applied to one side of an aluminum foil having a thickness of 20 μm, and pressurized and dried to form a positive electrode having a thickness of 40 μm.

(負極の形成)
負極活物質としての平均粒子径10μmのグラファイト(85質量%)、バインダとしてポリフッ化ビニリデン(10質量%)を用いた。これらを溶媒(N−メチルピロリドン)に分散して、負極スラリーを得た。厚さ20μmの銅箔の片面に本スラリーを塗布し、加圧・乾燥することにより厚さ40μmの負極を形成した。
(Formation of negative electrode)
Graphite (85% by mass) having an average particle diameter of 10 μm as a negative electrode active material and polyvinylidene fluoride (10% by mass) as a binder were used. These were dispersed in a solvent (N-methylpyrrolidone) to obtain a negative electrode slurry. The slurry was applied to one side of a 20 μm thick copper foil, and pressed and dried to form a negative electrode having a thickness of 40 μm.

(電池の作製)
形成した正極と負極を、セパレータ(ポリプロピレン多孔質膜、厚さ25μm)をはさんで重ね合わせ、ラミネートセルに収納したのち、電解液(LiPFを1mol/L含むエチレンカーボネートとジエチルカーボネート1:1(体積比)の混合溶液)を注ぎ、ラミネートフィルムの開口部を減圧下で封止することにより、リチウムイオン二次電池(単電池)を作製した。
(Production of battery)
The formed positive electrode and negative electrode are overlapped with a separator (polypropylene porous membrane, thickness 25 μm) and stored in a laminate cell, and then an electrolytic solution (ethylene carbonate containing 1 mol / L of LiPF 6 and diethyl carbonate 1: 1). (Mixed solution of (volume ratio)) was poured, and the opening of the laminate film was sealed under reduced pressure to prepare a lithium ion secondary battery (unit cell).

III.電池の性能評価
次に以下の手順により、得られたリチウムイオン二次電池(単電池)の性能評価を行った。
III. Battery performance evaluation Next, the performance evaluation of the obtained lithium ion secondary battery (unit cell) was performed according to the following procedure.

(初充電の実施)
作製した単電池を2.7Vまで定電流充電(CC)し、その後定電圧(CV)で、合計15時間充電した。
(Initial charge)
The produced unit cell was charged with a constant current (CC) to 2.7 V, and then charged with a constant voltage (CV) for a total of 15 hours.

(抵抗の測定)
いわゆる「高出力電池」とは、大電流時に一定時間(例えば5秒)の出力が可能である電池、言い換えれば電圧降下すなわち抵抗が小さい電池である。そこで作製した単電池にて、活物質理論容量から算出した50CA相当の(電極面積あたり)電流密度I[A/cm]により満充電(電位V[V])から5秒間の放電を行い、5秒後の電位V[V]とIから抵抗値R[Ωcm]を算出した。すなわち
(Measurement of resistance)
The so-called “high output battery” is a battery that can output for a certain time (for example, 5 seconds) at a large current, in other words, a battery having a small voltage drop, that is, a resistance. Therefore, the produced single cell was discharged for 5 seconds from full charge (potential V 0 [V]) at a current density I [A / cm 2 ] equivalent to 50 CA (per electrode area) calculated from the theoretical capacity of the active material. The resistance value R [Ωcm 2 ] was calculated from the potential V 5 [V] and I after 5 seconds. Ie

として、1/Rを出力特性の指標とした。 1 / R was used as an index of output characteristics.

(容量の測定)
作製した単電池にて、活物質理論容量から算出した0.2CA電流値により満充電から2.7Vまで放電を行い、放電時間と電流の積を活物質重量で除した値を容量とした。
(Capacity measurement)
In the produced unit cell, discharge was performed from full charge to 2.7 V with a 0.2 CA current value calculated from the active material theoretical capacity, and the value obtained by dividing the product of the discharge time and current by the active material weight was defined as the capacity.

参考例2
シェル部の平均厚さを0.75μm、活物質粒子の平均粒子径を11.5μmとした以外は参考例1と同様にして、リチウムイオン二次電池を作製し、初充電の実施、抵抗の測定及び容量の測定を行った。
Reference example 2
A lithium ion secondary battery was prepared in the same manner as in Reference Example 1 except that the average thickness of the shell portion was 0.75 μm and the average particle diameter of the active material particles was 11.5 μm. And the capacity were measured.

参考例3
シェル部の平均厚さを0.3μm、活物質粒子の平均粒子径を10.6μmとした以外は参考例1と同様にして、リチウムイオン二次電池を作製し、初充電の実施、抵抗の測定及び容量の測定を行った。
Reference example 3
A lithium ion secondary battery was prepared in the same manner as in Reference Example 1 except that the average thickness of the shell portion was 0.3 μm and the average particle diameter of the active material particles was 10.6 μm. And the capacity were measured.

実施例4
コア部粒子の平均粒径を5μm、シェル部の平均厚さを0.25μm、活物質粒子の平均粒子径を5.5μmとした以外は参考例1と同様にして、リチウムイオン二次電池を作製し、初充電の実施、抵抗の測定及び容量の測定を行った。
Example 4
A lithium ion secondary battery was prepared in the same manner as in Reference Example 1, except that the average particle diameter of the core part particles was 5 μm, the average thickness of the shell part was 0.25 μm, and the average particle diameter of the active material particles was 5.5 μm. The initial charge was performed, the resistance was measured, and the capacity was measured.

実施例5
コア部粒子の平均粒径を3μm、シェル部の平均厚さを0.15μm、活物質粒子の平均粒子径を3.3μmとした以外は参考例1と同様にして、リチウムイオン二次電池を作製し、初充電の実施、抵抗の測定及び容量の測定を行った。
Example 5
A lithium ion secondary battery was prepared in the same manner as in Reference Example 1 except that the average particle diameter of the core part particles was 3 μm, the average thickness of the shell part was 0.15 μm, and the average particle diameter of the active material particles was 3.3 μm. The initial charge was performed, the resistance was measured, and the capacity was measured.

参考例6
シェル部の平均厚さを1.3μm、活物質粒子の平均粒子径を12.6μmとした以外は参考例1と同様にして、リチウムイオン二次電池を作製し、初充電の実施、抵抗の測定及び容量の測定を行った。
Reference Example 6
A lithium ion secondary battery was prepared in the same manner as in Reference Example 1 except that the average thickness of the shell portion was 1.3 μm and the average particle diameter of the active material particles was 12.6 μm. And the capacity were measured.

比較例1
(正極活物質コア部の作製)の工程にて、平均粒径10μmのLiMn粒子を共沈法により作製し、得られたコア部粒子を正極活物質とし、(正極活物質シェル部の作製)の工程を省略した以外は参考例1と同様にして、リチウムイオン二次電池を作製し、初充電の実施、抵抗の測定及び容量の測定を行った。
Comparative Example 1
In the step of (preparation of positive electrode active material core part), LiMn 2 O 4 particles having an average particle diameter of 10 μm are prepared by coprecipitation method, and the obtained core part particles are used as a positive electrode active material, and (positive electrode active material shell part) A lithium ion secondary battery was produced in the same manner as in Reference Example 1 except that the step of (Production) was omitted, and the initial charge was performed, the resistance was measured, and the capacity was measured.

上記LiMn粒子は、具体的には、硝酸リチウムLiCOと硝酸マンガンMn(COをLiとMnがモル比1:2となるよう水溶液を作成し、200℃で加熱しながら攪拌し水分を95%以上蒸発させた。その後、セラミックの坩堝に移し、空気中で100℃/hで昇温、400℃で12時間仮焼成を行った。仮焼成後、600℃、酸素2%または酸素雰囲気中で24時間焼成し、コア部粒子として平均粒径10μmのスピネル系のリチウムマンガン複合酸化物(LiMn)を得た。 Specifically, the LiMn 2 O 4 particles are prepared by preparing an aqueous solution of lithium nitrate LiCO 3 and manganese nitrate Mn (CO 3 ) 2 so that the molar ratio of Li and Mn is 1: 2, and heating at 200 ° C. Stirring was performed to evaporate more than 95% of the water. After that, it was transferred to a ceramic crucible, heated in air at 100 ° C./h, and pre-baked at 400 ° C. for 12 hours. After the preliminary firing, firing was performed at 600 ° C. in oxygen 2% or in an oxygen atmosphere for 24 hours to obtain spinel-based lithium manganese composite oxide (LiMn 2 O 4 ) having an average particle size of 10 μm as core part particles.

比較例2
(正極活物質コア部の作製)の工程にて、平均粒径10μmのLiNiO粒子を作製し、得られたコア部粒子を正極活物質とし、(正極活物質シェル部の作製)の工程を省略した以外は参考例1と同様にして、リチウムイオン二次電池を作製し、初充電の実施、抵抗の測定及び容量の測定を行った。
Comparative Example 2
In the step of (preparation of positive electrode active material core portion), LiNiO 2 particles having an average particle diameter of 10 μm are prepared, and the obtained core portion particles are used as the positive electrode active material, and the step of (preparation of positive electrode active material shell portion) is performed. A lithium ion secondary battery was produced in the same manner as in Reference Example 1 except that the description was omitted, and the initial charge was performed, the resistance was measured, and the capacity was measured.

比較例3
(正極活物質コア部の作製)の工程にて、平均粒径10μmのLiMn粒子と平均粒径10μmのLiNiO粒子をそれぞれ作製し、これらのコア部粒子を該LiMn粒子とLiNiO粒子の体積比3:7に混合したものを正極活物質とし、(正極活物質シェル部の作製)の工程を省略した以外は参考例1と同様にして、リチウムイオン二次電池を作製し、初充電の実施、抵抗の測定及び容量の測定を行った。
Comparative Example 3
In the step of (preparation of positive electrode active material core part), LiMn 2 O 4 particles having an average particle diameter of 10 μm and LiNiO 2 particles having an average particle diameter of 10 μm are respectively prepared, and these core part particles are used as the LiMn 2 O 4 particles. A lithium ion secondary battery was prepared in the same manner as in Reference Example 1 except that the mixture of LiNiO 2 particles in a volume ratio of 3: 7 was used as the positive electrode active material, and the step of (preparation of positive electrode active material shell) was omitted. The first charge was made, the resistance was measured, and the capacity was measured.

下記に示す表2に、各実施例、参考例および比較例について、比較例1を基準とした相対的な出力および容量を示す。 Table 2 shown below shows the relative output and capacity based on Comparative Example 1 for each Example , Reference Example, and Comparative Example.

注)コア活物質及びシェル活物質の体積比は、活物質粒子全体に対する比率である。   Note) The volume ratio of the core active material and the shell active material is a ratio to the whole active material particles.

表2に示すように、各実施例4〜5及び参考例1〜3、6は、比較例1に比していずれも容量が向上した。参考例6においては、容量の向上代が他の実施例4〜5及び参考例1〜3に比して若干低下した。これはシェル部の活物質層の比体積が大きく、比較的厚いため、LiNiOに由来する容量の向上が小さいためであると考えられる。なお各実施例4〜5及び各参考例1〜3、6における容量の向上代は、単純にLiMnとLiNiOの容量と体積比から求めた容量よりは若干下回っている。これはコア部のLiNiOとシェル部のLiMnとの間をリチウムイオンが移動する際に抵抗があるためと考えられる。 As shown in Table 2, the capacity of each of Examples 4 to 5 and Reference Examples 1 to 3 and 6 was improved as compared with Comparative Example 1. In Reference Example 6, the capacity improvement margin was slightly reduced as compared with other Examples 4 to 5 and Reference Examples 1 to 3 . This is presumably because the specific volume of the active material layer in the shell part is large and relatively thick, so that the improvement in capacity derived from LiNiO 2 is small. Note improvement margin of capacity in each of Examples 4-5 and the Reference Examples 1 to 3 and 6, from simply capacity determined from the capacitance and the volume ratio of LiMn 2 O 4 and LiNiO 2 are slightly below. This is considered because there is resistance when lithium ions move between LiNiO 2 in the core part and LiMn 2 O 4 in the shell part.

また、実施例4および5においては、平均粒径を小さくすることにより、粒子表面を覆うシェル部の高出力な活物質(材料)による有効表面積が増加するため、見かけの出力性能が向上していると考えられる。出力性能は、粒径が10μm程度になるとほぼ同等とみなせる結果となった。   Further, in Examples 4 and 5, by reducing the average particle size, the effective surface area due to the high-power active material (material) of the shell portion covering the particle surface increases, so that the apparent output performance is improved. It is thought that there is. The output performance was considered to be almost equivalent when the particle size was about 10 μm.

図1Aは、本発明の電池活物質の一実施形態であって、粒子内が異なる活物質材料によりコア−シェル型構造となっており、シェル部がコア部の表面全体を被覆するように層状に配置されている様子を表した活物質粒子の断面模式図である。図1Bは、本発明の電池活物質の他の実施形態であって、図1Aのシェル部の外側に、該シェル部の表面全体を被覆するように層状に更に溶出防止層を設けた構造となっている様子を表した活物質粒子の断面模式図である。図1Cは、本発明の電池活物質の更に他の実施形態であって、粒子内が異なる活物質材料によりコア−シェル型構造となっており、シェル部が多数の微粒子(粉末)を用いて覆う(添着する)ように配置されている様子を表した活物質粒子の断面模式図である。FIG. 1A is an embodiment of a battery active material according to the present invention, which has a core-shell type structure with different active material materials in the particles, and the shell portion is layered so as to cover the entire surface of the core portion. It is a cross-sectional schematic diagram of the active material particle showing a mode that it is arrange | positioned. FIG. 1B is another embodiment of the battery active material of the present invention, and has a structure in which an elution preventing layer is further provided in a layer form on the outside of the shell portion of FIG. 1A so as to cover the entire surface of the shell portion. It is the cross-sectional schematic diagram of the active material particle showing a mode that it has become. FIG. 1C shows still another embodiment of the battery active material of the present invention, which has a core-shell type structure with different active material materials inside the particles, and the shell portion uses a large number of fine particles (powder). It is a cross-sectional schematic diagram of the active material particle showing a mode that it is arrange | positioned so that it may cover (attach). 図2Aは、本発明の電池活物質の一実施形態であって、活物質粒子のコア−シェル型構造を構成するコア部の材料の好適な一種である、層状のニッケル系のリチウムイオン金属複合酸化物(LiMO;M=Ni)の結晶構造を表す模式図である。図2BAは、本発明の電池活物質の一実施形態であって、活物質粒子のコア−シェル型構造を構成するシェル部の材料の好適な一種である、スピネルマンガン系のリチウム金属複合酸化物(LiM;M=Mn)の結晶構造を表す模式図である。FIG. 2A is an embodiment of the battery active material of the present invention, and is a layered nickel-based lithium ion metal composite that is a suitable kind of material of the core part constituting the core-shell type structure of the active material particles. it is a schematic view showing the crystal structure of; (M = Ni LiMO 2) oxide. FIG. 2BA is an embodiment of the battery active material of the present invention, and is a spinel manganese-based lithium metal composite oxide, which is a suitable kind of material of the shell part constituting the core-shell type structure of the active material particles. it is a schematic view showing the crystal structure of; (M = Mn LiM 2 O 4).

符号の説明Explanation of symbols

1 正極活物質粒子のシェル部、
2 正極活物質粒子のコア部、
3 正極活物質粒子全体、
4 溶出防止層。
1 Shell portion of positive electrode active material particles,
2 core part of positive electrode active material particles,
3 The whole positive electrode active material particles,
4 Elution prevention layer.

Claims (11)

リチウムイオン二次電池用正極活物質であって、少なくとも2種以上の活物質材料から構成され、粒子内の材料がコア−シェル型構造となっており、コア部の活物質材料に対してシェル部の活物質材料が高出力であり、
コア部の活物質材料が、リチウム金属複合酸化物であり、
シェル部の活物質材料が、スピネルマンガン系のリチウム金属複合酸化物であり、
コア部の活物質材料が、シェル部の活物質材料より高容量であり、
コア部の平均粒径が3〜5μmであり、シェル部の平均厚さが0.15〜0.25μmであることを特徴とするリチウムイオン二次電池用正極活物質。
A positive electrode active material for a lithium ion secondary battery, composed of at least two or more active materials, the material core in particles - has a shell structure, the shell relative to the active material of the core portion Part of the active material is high power,
Active material of the core portion is a lithium-metal composite oxide,
Active material of the shell portion is a lithium-metal composite oxide having a spinel manganese,
The active material of the core part has a higher capacity than the active material of the shell part,
The average particle diameter of the core portion is 3 to 5 [mu] m, the positive electrode active material for a lithium ion secondary battery, wherein the average thickness of the shell portion is 0.15~0.25Myuemu.
請求項に記載のリチウムイオン二次電池用正極活物質であって、シェル部の活物質材料が、スピネルマンガン系のリチウム金属複合酸化物中のマンガンの一部を他の元素に一部置換したものであることを特徴とするリチウムイオン二次電池用正極活物質。 A positive electrode active material for a lithium ion secondary battery according to claim 1, the active material of the shell portion, partially replacing some of the manganese lithium-metal composite oxide of the spinel manganese another element the positive electrode active material for you ruri lithium ion secondary battery and characterized in that to those were. 請求項に記載のリチウムイオン二次電池用正極活物質であって、スピネルマンガン系のリチウム金属複合酸化物中のマンガンの一部を置換する元素が、リチウム、ホウ素、リン、窒素、マグネシウム、アルミニウム、カルシウム、バナジウム、チタン、クロム、ニッケル、鉄、コバルト、銅、亜鉛、ストロンチウム、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、錫のいずれか、あるいはこれらの組み合わせであることを特徴とするリチウムイオン二次電池用正極活物質。 A positive electrode active material for a lithium ion secondary battery as claimed in claim 2, the element substituting a part of manganese lithium-metal composite oxide of the spinel manganese is lithium, boron, phosphorus, nitrogen, magnesium, For lithium ion secondary batteries characterized by being any one of aluminum, calcium, vanadium, titanium, chromium, nickel, iron, cobalt, copper, zinc, strontium, zirconium, niobium, molybdenum, tin, or a combination thereof The positive electrode active material. 請求項1乃至に記載のリチウムイオン二次電池用正極活物質であって、コア部の活物質材料が、ニッケル系のリチウム金属複合酸化物であることを特徴とするリチウムイオン二次電池用正極活物質。 A positive electrode active material for a lithium ion secondary battery according to claims 1 to 3, the active material of the core portion, for a lithium ion secondary battery which is a lithium-metal composite oxide of nickel-based The positive electrode active material. 請求項に記載のリチウムイオン二次電池用正極活物質であって、コア部の活物質材料が、ニッケル系のリチウム金属複合酸化物中のニッケルの一部を他の元素に一部置換したものであることを特徴とするリチウムイオン二次電池用正極活物質。 A positive electrode active material for a lithium ion secondary battery according to claim 4, the active material of the core portion was partially substituted part of nickel of lithium-metal composite oxide of nickel to other elements the positive electrode active material for lithium ion secondary battery, characterized in that. 請求項に記載のリチウムイオン二次電池用正極活物質であって、ニッケル系のリチウム金属複合酸化物中のニッケルの一部を置換する元素が、リチウム、ホウ素、リン、窒素、マグネシウム、アルミニウム、カルシウム、バナジウム、チタン、クロム、マンガン、鉄、コバルト、銅、亜鉛、ストロンチウム、ジルコニウム、ニオブ、モリブデン、錫のいずれか、あるいはこれらの組み合わせであることを特徴とするリチウムイオン二次電池用正極活物質。 A positive electrode active material for a lithium ion secondary battery according to claim 5, the element substituting a part of nickel of lithium-metal composite oxide of nickel-based is selected from the group consisting of lithium, boron, phosphorus, nitrogen, magnesium, aluminum , Calcium, vanadium, titanium, chromium, manganese, iron, cobalt, copper, zinc, strontium, zirconium, niobium, molybdenum, tin, or a combination thereof, and a positive electrode for a lithium ion secondary battery Active material. 請求項1乃至に記載のリチウムイオン二次電池用正極活物質であって、シェル部の平均体積が、全体の40%以下であることを特徴とするリチウムイオン二次電池用正極活物質。 A positive electrode active material for a lithium ion secondary battery according to claims 1 to 6, the average volume of the shell portion, the positive electrode active material for lithium ion secondary batteries, characterized by more than 40% of the total. 請求項1乃至に記載のリチウムイオン二次電池用正極活物質であって、シェル部の外側に溶出防止層が設けられており
記溶出防止層を形成する材料が、一部の金属を置換したスピネルマンガン系のリチウム金属複合酸化物、リチウムイオン伝導性ポリマー、あるいはこれらの混合物であることを特徴とするリチウムイオン二次電池用正極活物質。
A positive electrode active material for a lithium ion secondary battery according to claims 1 to 7, and elution preventing layer is provided on the outside of the shell portion,
The material forming the pre-Symbol elution preventing layer, a lithium metal composite oxide partially substituted metal spinel manganese, lithium ion conductive polymer or a lithium ion secondary battery which is a mixture thereof, use the positive electrode active material.
請求項1乃至に記載のリチウムイオン二次電池用正極活物質の製造方法であって、予め形成したコア部の粒子の上にシェル部の原材料を塗布し再度焼結させることによってシェル部を形成することを特徴とするリチウムイオン二次電池用正極活物質の製造方法。 A method of manufacturing a lithium ion secondary battery positive electrode active material according to claims 1 to 8, the shell portion by sintering applied again raw shell portion onto the preformed core portion of the particles method for producing a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery, and forming. 請求項1乃至に記載のリチウムイオン二次電池用正極活物質の製造方法であって、コア部の粒子の上にCVDによってシェル部を形成することを特徴とするリチウムイオン二次電池用正極活物質の製造方法。 A method of manufacturing a lithium ion secondary battery positive electrode active material according to claim 1 to 8, the positive electrode for a lithium ion secondary battery, characterized by forming the shell portion by CVD on the particles of the core portion A method for producing an active material. 請求項1ないし10のリチウムイオン二次電池用正極活物質を正極活物質の一部あるいは全部に用いるリチウムイオン二次電池。 Part or lithium ion secondary battery using the whole of the claims 1 to 10 a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery positive electrode active material.
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