JP5262318B2 - Positive electrode active material for lithium secondary battery and lithium secondary battery. - Google Patents

Positive electrode active material for lithium secondary battery and lithium secondary battery. Download PDF

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Description

本発明は、リチウム二次電池用正極活物質、特にポリアニオン系正極活物質と、これを用いたリチウム二次電池に関する。   The present invention relates to a positive electrode active material for a lithium secondary battery, particularly a polyanionic positive electrode active material, and a lithium secondary battery using the same.

近年、携帯電話、ノートパソコン等の携帯機器用、電気自動車用などの電源としてエネルギー密度が高く、かつ自己放電が少なくてサイクル性能の良いリチウム二次電池に代表されるリチウム二次電池が注目されている。     In recent years, lithium secondary batteries typified by lithium secondary batteries with high energy density and low self-discharge and good cycle performance have been attracting attention as power sources for mobile devices such as mobile phones and notebook computers, and electric vehicles. ing.

現在のリチウム二次電池の主流は、2Ah以下の携帯電話用を中心とした小型民生用である。リチウム二次電池用の正極活物質としては数多くのものが提案されているが、最も一般的に知られているのは、作動電圧が4V付近のリチウムコバルト酸化物(LiCoO)やリチウムニッケル酸化物(LiNiOあるいはスピネル構造を持つリチウムマンガン酸化物(LiMn)等を基本構成とするリチウム含有遷移金属酸化物である。なかでも、リチウムコバルト酸化物は、充放電特性とエネルギー密度に優れることから、電池容量2Ahまでの小容量リチウム二次電池の正極活物質として広く採用されている。 The current mainstream of lithium secondary batteries is for consumer use, mainly for mobile phones of 2 Ah or less. Many positive electrode active materials for lithium secondary batteries have been proposed. The most commonly known positive electrode active materials are lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ) and lithium nickel oxide whose operating voltage is around 4V. object is a (LiNiO 2), or lithium manganese oxide having a spinel structure lithium-containing transition metal oxide to basic configuration (LiMn 2 O 4) or the like. Among these, lithium cobalt oxide is widely adopted as a positive electrode active material for small-capacity lithium secondary batteries up to a battery capacity of 2 Ah because of its excellent charge / discharge characteristics and energy density.

しかしながら、今後の中型・大型、特に大きな需要が見込まれる産業用途への非水電解質電池の展開を考えた場合、安全性が非常に重要視されるため、現在の小型電池向けの仕様では必ずしも充分であるとはいえない。この要因の一つに、正極活物質の熱的不安定性が挙げられ、様々な対策がなされてきたが、未だ十分とはいえない。また、産業用途では小型民生用では使用されないような高温環境において電池が使用されることを想定する必要がある。このような高温環境では、従来のリチウム二次電池はもとより、ニッケル−カドミウム電池や鉛電池も非常に短寿命であり、ユーザーの要求を満足する従来電池は存在しないのが現状である。また、キャパシターは、唯一この温度領域で使用できるものの、エネルギー密度が小さく、この点においてユーザーの要求を満足するものではなく、高温長寿命でエネルギー密度の高い電池が求められている。   However, when considering the development of non-aqueous electrolyte batteries for future medium-sized and large-sized, especially industrial applications where large demand is expected, safety is very important, so the specifications for current small batteries are not always sufficient. It cannot be said. One of the factors is the thermal instability of the positive electrode active material, and various countermeasures have been taken, but it is still not sufficient. In industrial applications, it is necessary to assume that the battery is used in a high-temperature environment that is not used in small consumer products. In such a high temperature environment, not only conventional lithium secondary batteries, but also nickel-cadmium batteries and lead batteries have a very short life, and there is no conventional battery that satisfies user requirements. Further, although the capacitor can only be used in this temperature range, it has a low energy density and does not satisfy the user's requirements in this respect, and a battery having a high temperature and a long life and a high energy density is required.

最近、熱的安定性が優れるポリアニオン系の活物質が注目を集めている。このポリアニオン系の活物質は酸素が遷移金属以外の元素と共有結合することで固定化されているため、高温においても酸素を放出することが無く、電極活物質として使用することで電池の安全性を飛躍的に高めることができると考えられる。   Recently, polyanionic active materials having excellent thermal stability have attracted attention. This polyanion-based active material is immobilized by covalently bonding oxygen to elements other than transition metals, so it does not release oxygen even at high temperatures and can be used as an electrode active material for battery safety. It is thought that can be dramatically improved.

このようなポリアニオン正極活物質として、オリビン構造を有するリン酸鉄リチウム(LiFePO)の研究が盛んに行われている。LiFePOは理論容量が170mAh/gと大きく、3.4V(vs.Li/Li)の高い電位でリチウムの挿入脱離が行われるため、エネルギー密度はLiCoOに匹敵するぐらいに高く、LiCoOに代わる正極活物質としての期待も大きい。 As such a polyanion positive electrode active material, lithium iron phosphate (LiFePO 4 ) having an olivine structure has been actively studied. LiFePO 4 has a theoretical capacity as large as 170 mAh / g, since the 3.4V (vs.Li/Li +) lithium insertion and desorption at high potential is conducted, the energy density is high in about comparable to LiCoO 2, LiCoO There is great expectation as a positive electrode active material that can replace 2 .

リン酸鉄リチウムにおいて鉄の一部をコバルトで置換した材料を合成する試みがいくつか報告されている。   Several attempts have been reported to synthesize materials in which a part of iron in lithium iron phosphate is replaced by cobalt.

特許文献1には、Co置換量としては25%、50%、75%及び100%に相当するLiCo0.25Fe0.75PO、LiCo0.5Fe0.5PO、LiCo0.75Fe0.25PO及びLiCoPOを固相法によって合成し、これを正極活物質として用い、負極に金属リチウムを用いて非水電解質電池を作製し、5.3Vまで充電して放電容量を評価した結果が記載され、「コバルト含有比率が高いもの程、放電電圧が高くなり、その放電電圧平坦部の電圧は4.5Vを越え」(段落0022)たこと、Co量に伴う放電容量については、放電終止電圧に応じて増大または減少したこと(表1)が記載されている。 In Patent Document 1, LiCo 0.25 Fe 0.75 PO 4 , LiCo 0.5 Fe 0.5 PO 4 , LiCo 0. 5 corresponding to 25%, 50%, 75% and 100% as Co substitution amounts . 75 Fe 0.25 PO 4 and LiCoPO 4 were synthesized by a solid phase method, and this was used as a positive electrode active material, and a non-aqueous electrolyte battery was fabricated using metallic lithium as a negative electrode, and the discharge capacity was charged to 5.3 V. The result of the evaluation was described, "The higher the cobalt content, the higher the discharge voltage, and the voltage at the flat portion of the discharge voltage exceeds 4.5 V" (paragraph 0022), the discharge capacity associated with the amount of Co Is described as increasing or decreasing according to the discharge end voltage (Table 1).

非特許文献1には、Co置換量としては20%、50%及び80%に相当するLiFe0.8Co0.2PO、LiFe0.5Co0.5PO及びLiFe0.2Co0.8POを固相法によって合成し、これを正極活物質として用いた電池を5Vまで充電した後の2.9V終止放電容量をLiFePOと比較し、Co置換量を20%とした場合はLiFePOと比べて放電容量がやや増大したものの、Co置換量を50%、80%とした場合の放電容量は、LiFePOを大きく下回る結果となったこと(Fig.2)が記載されている。 In Non-Patent Document 1, LiFe 0.8 Co 0.2 PO 4 , LiFe 0.5 Co 0.5 PO 4, and LiFe 0.2 Co corresponding to Co substitution amounts of 20%, 50%, and 80% are disclosed. 0.8 PO 4 was synthesized by a solid phase method, and a 2.9 V end discharge capacity after charging a battery using this as a positive electrode active material to 5 V was compared with LiFePO 4, and the Co substitution amount was 20%. In this case, although the discharge capacity was slightly increased compared to LiFePO 4 , the discharge capacity when Co substitution amount was 50% and 80% was significantly lower than LiFePO 4 (Fig. 2). ing.

非特許文献2には、Co置換量としては10%に相当するLiFe0.1Co0.9POを固相法によって合成し、これを正極活物質として用い、負極に金属リチウムを用いて非水電解質電池を作製し、4.5Vまで充電した後の2.0V終止放電容量をLiFePOと比較した結果が記載され、5C放電での高率放電特性については向上したものの、0.2C放電での放電容量は減少した(Fig.3参照)ことが記載されている。 In Non-Patent Document 2, LiFe 0.1 Co 0.9 PO 4 corresponding to 10% as the amount of Co substitution was synthesized by a solid phase method, which was used as a positive electrode active material, and metallic lithium was used as a negative electrode. Although a non-aqueous electrolyte battery was fabricated and the result of comparing the 2.0 V end discharge capacity after charging to 4.5 V with LiFePO 4 was described, the high rate discharge characteristics at 5 C discharge were improved, but 0.2 C It is described that the discharge capacity in discharge decreased (see FIG. 3).

非特許文献3には、Co置換量としては2%、4%、8%及び10%に相当するLiFe1−xCoPO(x=0.02,0.04,0.08,0.1)を合成し、これを正極活物質として用い、負極に金属リチウムを用いて非水電解質電池を作製し、放電容量を比較した結果が記載され、Co置換した全ての電池において、放電容量がLiFePOと比べて減少し、充放電サイクル性能についても低下したことが示され、Co置換はリン酸鉄リチウムの電気化学的特性に良い効果を与えなかったと記載されている。 In Non-Patent Document 3, LiFe 1-x Co x PO 4 (x = 0.02, 0.04, 0.08,0) corresponding to Co substitution amount of 2%, 4%, 8% and 10%. .1) was synthesized as a positive electrode active material, metallic lithium was used for the negative electrode, non-aqueous electrolyte batteries were prepared, and the results of comparison of discharge capacities were described. Was reduced compared to LiFePO 4 and the charge / discharge cycle performance was also reduced, and it was described that Co substitution did not have a good effect on the electrochemical properties of lithium iron phosphate.

非特許文献3では、上記した各種正極活物質は、LiOH・HOとFeC・2HOを硝酸に溶解し、これに(NH)HPO溶液をクエン酸と共に滴下し、75℃に加熱して得たゲルを110℃で乾燥して前駆体とし、これをAr雰囲気下で750℃10時間に続き850℃2時間の焼成を行うことで合成している。そして、エックス線回折パターンより、Co置換の有無にかかわらず、合成した全ての試料において少量のFeP不純物相の存在が確認されたことが記載されている。この点に関し、非特許文献4では、電子伝導性の向上は少量の異種元素がドープされたことによるものではなく、このような異種元素を混合して合成することによって形成される相分離したFePなどのリン化物相が存在することが、電子伝導度の向上に寄与していることを透過電子顕微鏡(TEM)と電子エネルギー損失分光法(Electron Energy-Loss Spectroscopy,EELS)を組み合わせた測定の結果から明らかにしている。 In Non-Patent Document 3, the various positive electrode active materials described above are prepared by dissolving LiOH.H 2 O and FeC 2 O 4 .2H 2 O in nitric acid, and dropping (NH 4 ) H 2 PO 4 solution together with citric acid into this. The gel obtained by heating to 75 ° C. is dried at 110 ° C. to obtain a precursor, which is synthesized by baking at 850 ° C. for 2 hours in an Ar atmosphere followed by 750 ° C. for 10 hours. And it is described from the X-ray diffraction pattern that the presence of a small amount of Fe 2 P impurity phase was confirmed in all the synthesized samples irrespective of the presence or absence of Co substitution. In this regard, in Non-Patent Document 4, the improvement in electron conductivity is not due to the doping of a small amount of different elements, but the phase-separated Fe formed by mixing and mixing such different elements. be phosphide phase such as 2 P is present, in combination with transmission that contribute to the improvement of electron conductivity electron microscope (TEM) electron energy loss spectroscopy (electron energy-loss spectroscopy, EELS ) measurements It is clear from the results.

ところで、LiFePOに対する電気化学的なリチウムの挿入脱離に伴う酸化還元反応は、3.4V(vs.Li/Li)付近の比較的低い電位で進行するのに対し、LiCoPOでは4.8V(vs.Li/Li)付近の比較的高い電位において進行することが知られている。一般に、LiFePOのFeの一部をCoに置換する狙いは、LiCoPOの酸化還元電位が高いことを利用して正極活物質としての高エネルギー密度化を期待するものである。このため、上記に挙げた従来技術文献では、充電によってCoの価数を変化させるために充分な高電位を採用して電池性能を評価している。 By the way, the redox reaction accompanying electrochemical lithium insertion / extraction with respect to LiFePO 4 proceeds at a relatively low potential in the vicinity of 3.4 V (vs. Li / Li + ), whereas in LiCoPO 4 , 4. It is known to proceed at a relatively high potential in the vicinity of 8 V (vs. Li / Li + ). In general, the aim of substituting part of Fe of LiFePO 4 with Co is to expect high energy density as a positive electrode active material by utilizing the high redox potential of LiCoPO 4 . For this reason, in the above-described prior art documents, battery performance is evaluated by adopting a high potential sufficient to change the valence of Co by charging.

しかしながら、現実に産業上利用することを目的としたリチウム二次電池においては、非水電解液の耐酸化電位の問題を絡めて設計しなければならないことから、4.2Vを超える正極電位に至って充電を行うことは、高温保存性能や充放電サイクル寿命性能の点で問題を引き起こすこととなる。   However, in a lithium secondary battery that is actually intended for industrial use, it must be designed with the problem of the oxidation resistance potential of the non-aqueous electrolyte solution, so that the positive electrode potential exceeds 4.2V. Charging causes problems in terms of high-temperature storage performance and charge / discharge cycle life performance.

このため、産業上利用することを目的とする本発明の前提条件として、比較的低い電位においてリチウムの挿入脱離反応が進行するというLiFePOが元来備えている特徴を生かし、充電時の正極到達電位が4.2Vを超えない条件下で諸問題の解決にあたらなければならない。ここに、本発明は、正極電位が4.2Vを超えない領域において使用されるリチウム二次電池に関するものといえる。なお、後述する実施例では、充電時の正極到達電位を3.9Vとした。 For this reason, as a precondition of the present invention intended for industrial use, taking advantage of the inherent feature of LiFePO 4 that the insertion and elimination reaction of lithium proceeds at a relatively low potential, the positive electrode during charging Various problems must be solved under conditions where the ultimate potential does not exceed 4.2V. Here, it can be said that the present invention relates to a lithium secondary battery used in a region where the positive electrode potential does not exceed 4.2V. In the examples described later, the positive electrode potential at the time of charging was set to 3.9V.

上記したように、LiFePOのFeの一部をCoに置換した材料の放電容量は、現実には、期待に反して低下したことが多くの文献において報告されているが、例えば5Vといった充分に高い電位まで充電を行う条件下においては、LiFePOのFeの一部をCoに置換することで容量が増大するという現象が仮にあったとしても、理解できなくもない。しかしながら、充電時の正極到達電位が4.2Vを超えない条件下においては、Coの価数を変化させることができないから、LiFePOの中にCoを存在させることは、可逆放電容量等の電池性能を低下させることの予測にしか繋がらない。 As described above, it has been reported in many literatures that the discharge capacity of a material obtained by substituting part of Fe of LiFePO 4 with Co is actually lower than expected. Under the condition of charging to a high potential, even if there is a phenomenon that the capacity is increased by substituting part of Fe of LiFePO 4 with Co, it is not understandable. However, since the valence of Co cannot be changed under the condition that the potential to reach the positive electrode during charging does not exceed 4.2 V, the presence of Co in LiFePO 4 is a battery such as a reversible discharge capacity. It will only lead to a prediction of performance degradation.

ところで、電池を組み立てた後、最初に行う充放電時の効率(以下「初期効率」という)が低いと、それに見合う分の活物質を電池の中に余分に備えなければならず、材料コスト面等において問題となる。この点について、上記したいずれの特許文献、非特許文献にも、LiFePOのFeの一部をCoで置換した正極活物質を用い、負極にリチウムイオンを吸蔵・放出しうる炭素材料を用いた場合の初期効率がどのようであるかについての記載は無い。また、負極にリチウムイオンを吸蔵・放出しうる炭素材料を用いた場合の初期効率がどのようであるかについては、負極に金属リチウムを用いた電池しか記載のない上記特許文献、非特許文献からは全く予測できないものである。なぜなら、本発明に係る正極活物質は、セルを組み立てた後に最初に行う電気化学的操作としてはリチウムの脱離反応を伴う「充電」を選択する以外になく、「放電」を選択する余地がない。そのため、本願明細書において、初期充電容量に対する初期放電容量の割合を示す「初期効率」とは、正極活物質に存在していたLiの一部が充電によって負極の炭素材料に到達し、引き続く放電時に負極の炭素材料から戻ってくることのできるLiの割合を評価したものであるからである。
特許第3523397号公報 N. Penazzi et al. Journal of the European Ceramic Society, 2004, vol.24, page1381. D. Wang et al. Electrochimica Acta 2005, vol.50, page2955. D. Shanmukaraj et al. Materials Science and Engineering B, 2008,vol.149, page93. L.F.Nazar et al, Nature Materials, MARCH 2004, VOL.3, no.3, page.147-152.
By the way, if the efficiency at the time of first charge / discharge after the battery is assembled (hereinafter referred to as “initial efficiency”) is low, it is necessary to provide an extra active material in the battery corresponding to the efficiency. And so on. In this regard, in any of the above-mentioned patent documents and non-patent documents, a positive electrode active material in which a part of Fe of LiFePO 4 is replaced with Co is used, and a carbon material capable of inserting and extracting lithium ions is used for the negative electrode. There is no description of the initial efficiency of the case. Also, regarding the initial efficiency when using a carbon material capable of occluding and releasing lithium ions for the negative electrode, from the above-mentioned patent documents and non-patent documents only describing batteries using metallic lithium for the negative electrode Is totally unpredictable. This is because the positive electrode active material according to the present invention has a room for selecting “discharge” as well as selecting “charge” with lithium elimination reaction as the first electrochemical operation after assembling the cell. Absent. Therefore, in this specification, “initial efficiency” indicating the ratio of the initial discharge capacity to the initial charge capacity means that a part of Li existing in the positive electrode active material reaches the carbon material of the negative electrode by charging, and subsequent discharge. This is because the ratio of Li that can sometimes return from the carbon material of the negative electrode is evaluated.
Japanese Patent No. 3523397 N. Penazzi et al. Journal of the European Ceramic Society, 2004, vol.24, page1381. D. Wang et al. Electrochimica Acta 2005, vol.50, page2955. D. Shanmukaraj et al. Materials Science and Engineering B, 2008, vol.149, page93. LFNazar et al, Nature Materials, MARCH 2004, VOL.3, no.3, page.147-152.

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、リチウムイオンを吸蔵・放出しうる炭素材料を負極に用いた電池の初期効率を優れたものとすることのできるポリアニオン型正極活物質及びそれを用いた非水電解質電池を提供することを目的としている。   The present invention has been made in view of the above problems, and a polyanion-type positive electrode active material capable of improving the initial efficiency of a battery using a carbon material capable of occluding and releasing lithium ions as a negative electrode, and The object is to provide a non-aqueous electrolyte battery using the same.

本発明の構成及び作用効果は以下の通りである。但し、本明細書中に記載する作用機構には推定が含まれており、その正否は本発明を何ら制限するものではない。   The configuration and effects of the present invention are as follows. However, the action mechanism described in this specification includes estimation, and its correctness does not limit the present invention.

本発明は、一般式LiFe(1−x)CoPO(0<x≦0.05、0≦y≦1.2)で表されるリン酸コバルト鉄リチウムにカーボンを付与してなるリチウム二次電池用正極活物質を含む正極と、リチウムイオンを吸蔵・放出しうる炭素材料を含む負極と、非水電解質を備えたリチウム二次電池である。 The present invention provides carbon to lithium iron cobalt phosphate represented by the general formula Li y Fe (1-x) Co x PO 4 (0 <x ≦ 0.05, 0 ≦ y ≦ 1.2). A lithium secondary battery comprising a positive electrode including a positive electrode active material for a lithium secondary battery , a negative electrode including a carbon material capable of occluding and releasing lithium ions, and a non-aqueous electrolyte .

また、本発明において、一般式Li Fe (1−x) Co PO (0.01≦x<0.02、0≦y≦1.2)で表されるリン酸コバルト鉄リチウムにカーボンを付与してなるリチウム二次電池用正極活物質を含む正極と、リチウムイオンを吸蔵・放出しうる炭素材料を含む負極と、非水電解質を備えたリチウム二次電池であることが好ましい。 In the present invention, the lithium cobalt iron phosphate represented by the general formula Li y Fe (1-x) Co x PO 4 (0.01 ≦ x <0.02, 0 ≦ y ≦ 1.2) is carbonized. A lithium secondary battery provided with a positive electrode containing a positive electrode active material for a lithium secondary battery, a negative electrode containing a carbon material capable of occluding and releasing lithium ions, and a non-aqueous electrolyte is preferable.

本発明に係る正極活物質は、一般式LiFe(1−x)CoPO(0<x≦0.05、0≦y≦1.2)で表わすことができるが、上記一般式におけるFe又はLiの一部が、Mn,Ni等の、Fe、Co以外の遷移金属元素や、Al等、Li、Fe、Co以外の金属元素で置換されているものを排除するものではない。また、ポリアニオン部分ポリアニオン部分(PO)は一部(SiO)が固溶していてもよく、そのようなものも本願発明の権利範囲に含まれる。 The positive electrode active material according to the present invention can be represented by the general formula Li y Fe (1-x) Co x PO 4 (0 <x ≦ 0.05, 0 ≦ y ≦ 1.2). This does not exclude the case where a part of Fe or Li is substituted with a transition metal element other than Fe or Co, such as Mn or Ni, or a metal element other than Li, Fe or Co, such as Al. The polyanion part polyanion part (PO 4 ) may be partly dissolved (SiO 4 ), and such a part is also included in the scope of the present invention.

本発明に係る正極活物質の作製方法は、限定されるものではないが、基本的に、活物質を構成する金属元素(Li,Fe,Co)を含む原料及びリン酸源となる原料を目的とする活物質の組成通りに含有する原料を調整し、これを焼成することによって得ることができる。このとき、実際に得られる化合物の組成は、原料の仕込み組成比から計算される組成に比べて若干変動することがある。本発明は、その技術思想又は主要な特徴から逸脱することなく実施することができるものであって、作製の結果得られたものの組成が上記組成式と厳密に一致しないことのみをもって本発明の範囲に属さないものと解釈してはならないことはいうまでもない。特にリチウム源については焼成中に一部が揮発しやすいことが知られている。このため、焼成前の原料としてリチウム源をFeに対して等モルよりも多めに仕込んでおくことが通常行われる。   The method for producing a positive electrode active material according to the present invention is not limited, but basically, a raw material containing a metal element (Li, Fe, Co) constituting the active material and a raw material to be a phosphoric acid source are used. It can be obtained by adjusting the raw materials contained according to the composition of the active material and firing it. At this time, the composition of the compound actually obtained may slightly vary compared to the composition calculated from the raw material composition ratio. The present invention can be carried out without departing from the technical idea or main features thereof, and the scope of the present invention is only that the composition of the product obtained as a result of the production does not exactly match the above composition formula. Needless to say, it should not be construed as not belonging to. In particular, it is known that a part of the lithium source easily volatilizes during firing. For this reason, it is usually performed that the lithium source is charged in a larger amount than equimolar with respect to Fe as a raw material before firing.

一般式LiFe(1−x)CoPO(0<x≦0.05、0≦y≦1.2)で表されるリン酸コバルト鉄リチウムが本発明の効果を奏するためには、CoがLiFePO構造中に固溶していることが必要であり、単にLiFePOとLiCoPOを混合した場合には、本発明の効果は奏されないものと考えられる。単なる混合物であれば、エックス線回折図において各格子定数に対応するピーク位置がそれぞれ異なるため、1本のピークが2本又は3本に枝分かれすることとなるが、固溶体であれば、原理的に1本のピークが枝分かれすることがない。しかしながら、本発明の正極活物質がオリビン構造に固溶していないCo化合物を不純物として含んでいても良く、正極が、本発明の正極活物質の他にLiCoO等の他の活物質を混合して用いても良く、そのような態様も本願発明の権利範囲に含まれる。 In order for the lithium cobalt iron phosphate represented by the general formula Li y Fe (1-x) Co x PO 4 (0 <x ≦ 0.05, 0 ≦ y ≦ 1.2) to exhibit the effects of the present invention. Co is required to be dissolved in the LiFePO 4 structure. When LiFePO 4 and LiCoPO 4 are simply mixed, the effect of the present invention is not expected. In the case of a simple mixture, the peak positions corresponding to the respective lattice constants in the X-ray diffraction diagram are different from each other, so that one peak is branched into two or three. The peak of the book does not branch. However, the positive electrode active material of the present invention may contain a Co compound not dissolved in the olivine structure as an impurity, and the positive electrode is mixed with another active material such as LiCoO 2 in addition to the positive electrode active material of the present invention. And such an aspect is also included in the scope of the present invention.

本発明によれば、リチウムイオンを吸蔵・放出しうる炭素材料を負極に用いた電池の初期効率を優れたものとすることのできるポリアニオン型正極活物質及びそれを用いた非水電解質電池を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the polyanion type positive electrode active material which can make the initial efficiency of the battery which used the carbon material which can occlude / release lithium ion for the negative electrode excellent, and a nonaqueous electrolyte battery using the same are provided. can do.

本発明に係るポリアニオン型正極活物質の合成方法については、特に限定されるものではない。具体的には、固相法、液相法、ゾル−ゲル法、水熱法等が挙げられる。ここで、ポリアニオン型正極活物質は、最終的に焼成によって得ることができる。そして焼成後の合成物は、FePの不純物相が認められないものとすることが好ましい。正極活物質がFeP相を含んでいると、FePが電解液中に溶出し、特に負極側に影響を与え、電池の諸特性を低下させることを本発明者らは確認している。本願明細書においては、得られた活物質材料についてCuKα線を用いた粉末エックス線回折測定を行った場合に、最大ピークをフルスケールとしたエックス線回折図において、2θ=41°付近にFePに由来するピークが目視上認識される程度に明確に観察されないことをもって「FePの不純物相が認められない」というものとする。 The method for synthesizing the polyanionic positive electrode active material according to the present invention is not particularly limited. Specific examples include a solid phase method, a liquid phase method, a sol-gel method, and a hydrothermal method. Here, the polyanion-type positive electrode active material can be finally obtained by firing. The composition after firing is preferably assumed that the impurity phases of Fe 2 P is not observed. The present inventors have confirmed that when the positive electrode active material contains an Fe 2 P phase, Fe 2 P is eluted into the electrolytic solution, particularly affecting the negative electrode side and reducing various characteristics of the battery. Yes. In the present specification, when powder X-ray diffraction measurement using CuKα rays is performed on the obtained active material, in the X-ray diffraction diagram with the maximum peak at full scale, Fe 2 P is about 2θ = 41 °. It is said that “the impurity phase of Fe 2 P is not recognized” when the derived peak is not clearly observed to such an extent that it is visually recognized.

焼成後の合成物がFePの不純物相が認められないものとするための製造条件は限定されるものではないが、ひとつには、焼成前の各原料が均一に混合されていることが極めて重要である。また、焼成雰囲気は、還元雰囲気としないことが重要である。例えば、水素を5%含む窒素雰囲気で焼成を行うと、FeP相の生成が認められやすいため、好ましくない。また、焼成温度は高すぎないことが好ましく、例えば720℃以下が好ましい。 The production conditions for making the Fe 2 P impurity phase not recognized in the composite after firing are not limited, but one is that the raw materials before firing are uniformly mixed. Very important. It is important that the firing atmosphere is not a reducing atmosphere. For example, firing in a nitrogen atmosphere containing 5% hydrogen is not preferable because formation of an Fe 2 P phase is easily observed. Moreover, it is preferable that a calcination temperature is not too high, for example, 720 degrees C or less is preferable.

電子伝導性を補う目的で正極活物質の粒子表面にカーボンを機械的に或いは有機物の熱分解等により付着及び被覆させることが好ましい。   For the purpose of supplementing the electron conductivity, it is preferable to adhere and cover carbon on the particle surface of the positive electrode active material mechanically or by thermal decomposition of organic matter.

本発明において、ポリアニオン型正極活物質は、二次粒子の平均粒子サイズ100μm以下の粉体としてリチウム二次電池用正極に用いることが好ましい。特に、粒径が小さい方が好ましく、二次粒子の平均粒子径は0.5〜20μmがより好ましく、前記二次粒子を構成する一次粒子の粒径は1〜500nmであることが好ましい。また、粉体粒子の比表面積は正極の高率放電特性を向上させるために大きい方が良く、1〜100m/gが好ましい。より好ましくは5〜100m/gである。粉体を所定の形状で得るため、粉砕機や分級機を用いることができる。例えば乳鉢、ボールミル、サンドミル、振動ボールミル、遊星ボールミル、ジェットミル、カウンタージェトミル、旋回気流型ジェットミルや篩等を用いることができる。粉砕時には水、あるいはアルコール、ヘキサン等の有機溶剤を共存させた湿式粉砕を用いてもよい。分級方法としては、特に限定はなく、必要に応じて篩や風力分級機などを乾式あるいは湿式にて用いることができる。 In the present invention, the polyanion-type positive electrode active material is preferably used for a positive electrode for a lithium secondary battery as a powder having an average secondary particle size of 100 μm or less. In particular, it is preferable that the particle size is small, the average particle size of the secondary particles is more preferably 0.5 to 20 μm, and the particle size of the primary particles constituting the secondary particles is preferably 1 to 500 nm. The specific surface area of the powder particles is preferably large in order to improve the high rate discharge characteristics of the positive electrode, and is preferably 1 to 100 m 2 / g. More preferably, it is 5-100 m < 2 > / g. In order to obtain the powder in a predetermined shape, a pulverizer or a classifier can be used. For example, a mortar, a ball mill, a sand mill, a vibrating ball mill, a planetary ball mill, a jet mill, a counter jet mill, a swirling air flow type jet mill, a sieve, or the like can be used. At the time of pulverization, wet pulverization in which an organic solvent such as water or alcohol or hexane coexists may be used. The classification method is not particularly limited, and a sieve, an air classifier, or the like can be used dry or wet as necessary.

導電剤、結着剤については周知のものを周知の処方で用いることができる。   As the conductive agent and the binder, well-known ones can be used in a well-known prescription.

本発明の正極活物質を含有する正極中に含まれる水分量は少ない方が好ましく、具体的には500ppm未満であることが好ましい。   The amount of water contained in the positive electrode containing the positive electrode active material of the present invention is preferably as small as possible, specifically less than 500 ppm.

また、電極合材層の厚みは電池のエネルギー密度との兼ね合いから本発明を適用する電極合材層の厚みは20〜500μmが好ましい。   Moreover, the thickness of the electrode mixture layer to which the present invention is applied is preferably 20 to 500 μm in view of the balance with the energy density of the battery.

本発明電池の負極は、リチウムイオンを吸蔵放出しうる炭素材料であれば、特に限定されるものではなく、例えばグラファイト、ハードカーボン、低温焼成炭素、非晶質カーボン等が挙げられる。これらの中でもグラファイトは、金属リチウムに極めて近い作動電位を有し、高い作動電圧での充放電を実現できるため負極材料として好ましい。例えば、人造黒鉛、天然黒鉛が好ましい。特に,負極活物質粒子表面を不定形炭素等で修飾してあるグラファイトは、充電中のガス発生が少ないことから望ましい。   The negative electrode of the battery of the present invention is not particularly limited as long as it is a carbon material capable of occluding and releasing lithium ions, and examples thereof include graphite, hard carbon, low-temperature fired carbon, and amorphous carbon. Among these, graphite is preferable as a negative electrode material because it has an operating potential very close to that of metallic lithium and can realize charge and discharge at a high operating voltage. For example, artificial graphite and natural graphite are preferable. In particular, graphite in which the surface of the negative electrode active material particles is modified with amorphous carbon or the like is desirable because it generates less gas during charging.

一般的に、非水電解質電池の形態としては、正極、負極、電解質塩が非水溶媒に含有された非水電解質から構成され、一般的には、正極と負極との間に、セパレータとこれらを包装する外装体が設けられる。   In general, the form of a non-aqueous electrolyte battery is composed of a positive electrode, a negative electrode, and a non-aqueous electrolyte containing an electrolyte salt in a non-aqueous solvent. Is provided.

非水溶媒としては、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炭酸エステル類;γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン等の環状エステル類;ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネ−ト等の鎖状カーボネート類;ギ酸メチル、酢酸メチル、酪酸メチル等の鎖状エステル類;テトラヒドロフランまたはその誘導体;1,3−ジオキサン、1,4−ジオキサン、1,2−ジメトキシエタン、1,4−ジブトキシエタン、メチルジグライム等のエ−テル類;アセトニトリル、ベンゾニトリル等のニトリル類;ジオキソランまたはその誘導体;エチレンスルフィド、スルホラン、スルトンまたはその誘導体等の単独またはそれら2種以上の混合物等を挙げることができるが、これらに限定されるものではない。   Non-aqueous solvents include cyclic carbonates such as propylene carbonate and ethylene carbonate; cyclic esters such as γ-butyrolactone and γ-valerolactone; chain carbonates such as dimethyl carbonate, diethyl carbonate, and ethyl methyl carbonate Chain esters such as methyl formate, methyl acetate and methyl butyrate; tetrahydrofuran or derivatives thereof; 1,3-dioxane, 1,4-dioxane, 1,2-dimethoxyethane, 1,4-dibutoxyethane, methyl jig Examples include ethers such as lime; nitriles such as acetonitrile and benzonitrile; dioxolane or a derivative thereof; ethylene sulfide, sulfolane, sultone or a derivative thereof alone or a mixture of two or more thereof. Is limited to There is no.

電解質塩としては、例えば、LiBF、LiPF等のイオン性化合物が挙げられ、これらのイオン性化合物を単独、あるいは2種類以上混合して用いることが可能である。非水電解質における電解質塩の濃度としては、高い電池特性を有する非水電解質電池を確実に得るために、0.5mol/l〜5mol/lが好ましく、さらに好ましくは、1mol/l〜2.5mol/lである。 Examples of the electrolyte salt include ionic compounds such as LiBF 4 and LiPF 6 , and these ionic compounds can be used alone or in admixture of two or more. The concentration of the electrolyte salt in the non-aqueous electrolyte is preferably 0.5 mol / l to 5 mol / l, more preferably 1 mol / l to 2.5 mol in order to reliably obtain a non-aqueous electrolyte battery having high battery characteristics. / L.

本願明細書は、リチウム二次電池のなかでも特に非水電解質電池を取り上げて詳細に説明をするが、本発明に係る正極活物質は、水溶液系のリチウム二次電池の正極に用いても、本発明の効果は有効に発揮される。   In the present specification, the non-aqueous electrolyte battery is particularly described in detail among lithium secondary batteries, and the positive electrode active material according to the present invention may be used for the positive electrode of an aqueous lithium secondary battery. The effect of the present invention is effectively exhibited.

以下に、実施例を例示して本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではない。
[実施例1]
(LiFe0.99Co0.01PO/Cの製作)
まず、シュウ酸鉄二水和物(FeC・2HO)と、酢酸コバルト四水和物(Co(CHCOO)・4HO)と、リン酸二水素アンモニウム(NHPO)と、炭酸リチウム(LiCO)とをモル比が0.99:0.01:1.00:0.51になるように計り取ったのちに、これらを窒素雰囲気下において溶媒にアルコールを用いて、ボールミルで2時間、粉砕・混合をおこないLiFe0.99Co0.01PO前駆体を得た。つぎに、そのLiFe0.99Co0.01PO前駆体を乾燥させたのちに、ロータリーキルンに投入し、気化させたメタノールと窒素との混合ガスを、メタノールの熱分解により生成するカーボン量がLiFe0.99Co0.01POの2質量%になるように供給しながら、700℃、6時間の条件で焼成して、本発明に係るCoを1%置換したリン酸コバルト鉄リチウムA(LiFe0.99Co0.01PO/C)を製作した。なお、そのキルンの回転速度は1 r.p.m.とした。また、気化させたメタノールと窒素との混合ガスは、45℃に保持したメタノール溶液を密閉容器に封入し、キャリアガスとして窒素を用いてバブリングさせることによって製作した。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of examples. However, the present invention is not limited to the following embodiments.
[Example 1]
(Production of LiFe 0.99 Co 0.01 PO 4 / C)
First, iron oxalate dihydrate (FeC 2 O 4 .2H 2 O), cobalt acetate tetrahydrate (Co (CH 3 COO) 2 .4H 2 O), and ammonium dihydrogen phosphate (NH 4 H) 2 PO 4 ) and lithium carbonate (Li 2 CO 3 ) in a molar ratio of 0.99: 0.01: 1.00: 0.51 Using an alcohol as a solvent, the mixture was pulverized and mixed with a ball mill for 2 hours to obtain a LiFe 0.99 Co 0.01 PO 4 precursor. Next, after the LiFe 0.99 Co 0.01 PO 4 precursor is dried, the amount of carbon produced by the thermal decomposition of methanol is reduced to a mixed gas of methanol and nitrogen that is put into a rotary kiln and vaporized. While supplying LiFe 0.99 Co 0.01 PO 4 at 2% by mass, it was calcined at 700 ° C. for 6 hours, and lithium cobalt phosphate A substituted with 1% of Co according to the present invention. (LiFe 0.99 Co 0.01 PO 4 / C) was produced. The rotational speed of the kiln is 1 r. p. m. It was. Moreover, the mixed gas of vaporized methanol and nitrogen was manufactured by enclosing a methanol solution maintained at 45 ° C. in a sealed container and bubbling with nitrogen as a carrier gas.

なお、得られたリン酸コバルト鉄リチウムA(LiFe0.99Co0.01PO/C)中のカーボン量は、元素分析を用いてしらべた。また、ICP発光分光分析により、LiFe0.99Co0.01POの組成を確認した。 The amount of carbon in the obtained lithium cobalt iron phosphate A (LiFe 0.99 Co 0.01 PO 4 / C) was investigated using elemental analysis. In addition, the composition of LiFe 0.99 Co 0.01 PO 4 was confirmed by ICP emission spectroscopic analysis.

(正極板の製作)
上記の方法により製作したリン酸コバルト鉄リチウムA(LiFe0.99Co0.01PO/C)と導電剤であるアセチレンブラックと結着剤であるポリフッ化ビニリデン(PVdF)とを質量比87:5:8の割合になるように、溶媒としてN−メチル−2−ピロリドン(NMP)を用いて、充分混練して、正極ペーストを製作した。この正極ペーストを厚さ20μmのアルミニウム箔集電体上の両面に塗布し、乾燥した後に、プレス加工をおこなったものを正極板とした。
(Production of positive electrode plate)
A mass ratio of lithium cobalt iron phosphate A (LiFe 0.99 Co 0.01 PO 4 / C) manufactured by the above method, acetylene black as a conductive agent, and polyvinylidene fluoride (PVdF) as a binder is 87. : N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) was used as a solvent so as to have a ratio of 5: 8, and kneaded sufficiently to produce a positive electrode paste. This positive electrode paste was applied to both sides of an aluminum foil current collector with a thickness of 20 μm, dried, and then pressed to obtain a positive electrode plate.

(負極板の製作)
負極材料である人造黒鉛(平均粒径6μm、X線回折分析による面間隔(d002)0.337nm、c軸方向の結晶の大きさ(Lc)55nm)と結着剤であるPVdFとを質量比94:6の割合になるように、溶媒としてN−メチル−2−ピロリドン(NMP)を用いて、充分混練して、負極ペーストを製作した。この負極ペーストを厚さ10μmの銅箔集電体上の両面に塗布し、乾燥した後に、プレス加工をおこなったものを負極板とした。負極板には負極端子を抵抗溶接により溶接した。
(Production of negative electrode plate)
Artificial graphite as the negative electrode material (average particle size 6 μm, interplanar spacing (d002) 0.337 nm by X-ray diffraction analysis, c-axis direction crystal size (Lc) 55 nm) and PVdF as the binder in mass ratio A negative electrode paste was manufactured by sufficiently kneading using N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) as a solvent so that the ratio was 94: 6. The negative electrode paste was applied to both sides of a 10 μm thick copper foil current collector, dried, and then subjected to press working to obtain a negative electrode plate. A negative electrode terminal was welded to the negative electrode plate by resistance welding.

正極および負極を、厚さ25μm、透気度90秒/100ccの連通多孔体であるセパレータを両極間に配するように巻回したのちに、これを高さ48mm、幅30mm、厚さ5.2mmの容器中に挿入した。さらに、この容器内部に非水系液体電解質(電解液)を注入し、最後に注液口を封止することによって,本発明によるリチウム二次電池Aを組み立てた。なお、前記電解液には、エチレンカーボネート(EC)、ジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(EMC)の体積比1:1:1の混合溶媒に1mol/lのLiPFを溶解したものを用いた。また、設計容量は、500mAhとした.
[実施例2]
(LiFe0.98Co0.02PO/Cの製作)
まず、シュウ酸鉄二水和物(FeC・2HO)と、酢酸コバルト四水和物(Co(CHCOO)・4HO)と、リン酸二水素アンモニウム(NHPO)と、炭酸リチウム(LiCO)とをモル比が0.98:0.02:1.00:0.51になるように計り取ったのちに、これらを窒素雰囲気下において溶媒にアルコールを用いて、ボールミルで2時間、粉砕・混合をおこないLiFe0.98Co0.02PO前駆体を得た。つぎに、そのLiFe0.98Co0.02PO前駆体を乾燥させたのちに、ロータリーキルンに投入し、気化させたメタノールと窒素との混合ガスを、メタノールの熱分解により生成するカーボン量がLiFe0.98Co0.02POの2質量%になるように供給しながら、700℃、6時間の条件で焼成して、本発明によるCoを2%置換したリン酸コバルト鉄リチウムB(LiFe0.98Co0.02PO/C)を製作した。なお、そのキルンの回転速度は1 r.p.m.とした。また、気化させたメタノールと窒素との混合ガスは、45℃に保持したメタノール溶液を密閉容器に封入し、キャリアガスとして窒素を用いてバブリングさせることによって製作した。
After winding the positive electrode and the negative electrode so that a separator, which is a continuous porous body having a thickness of 25 μm and an air permeability of 90 seconds / 100 cc, is arranged between both electrodes, this is 48 mm high, 30 mm wide and 5 mm thick. Inserted into a 2 mm container. Furthermore, a lithium secondary battery A according to the present invention was assembled by injecting a non-aqueous liquid electrolyte (electrolytic solution) into the container and finally sealing the liquid injection port. The electrolyte solution used was a solution of 1 mol / l LiPF 6 in a mixed solvent of ethylene carbonate (EC), dimethyl carbonate (DMC), and ethyl methyl carbonate (EMC) in a volume ratio of 1: 1: 1. It was. The design capacity was 500 mAh.
[Example 2]
(Production of LiFe 0.98 Co 0.02 PO 4 / C)
First, iron oxalate dihydrate (FeC 2 O 4 .2H 2 O), cobalt acetate tetrahydrate (Co (CH 3 COO) 2 .4H 2 O), and ammonium dihydrogen phosphate (NH 4 H) 2 PO 4 ) and lithium carbonate (Li 2 CO 3 ) in a molar ratio of 0.98: 0.02: 1.00: 0.51 Using an alcohol as a solvent, pulverization and mixing were performed for 2 hours with a ball mill to obtain a LiFe 0.98 Co 0.02 PO 4 precursor. Next, after drying the LiFe 0.98 Co 0.02 PO 4 precursor, the amount of carbon produced by thermal decomposition of methanol is reduced to a mixed gas of methanol and nitrogen that is put into a rotary kiln and vaporized. While supplying 2% by mass of LiFe 0.98 Co 0.02 PO 4 , it was calcined at 700 ° C. for 6 hours, and lithium iron cobalt phosphate B substituted with 2% of Co according to the present invention ( LiFe 0.98 Co 0.02 PO 4 / C) was produced. The rotational speed of the kiln is 1 r. p. m. It was. Moreover, the mixed gas of vaporized methanol and nitrogen was manufactured by enclosing a methanol solution maintained at 45 ° C. in a sealed container and bubbling with nitrogen as a carrier gas.

なお、得られたリン酸コバルト鉄リチウムB(LiFe0.98Co0.02PO/C)中のカーボン量は、元素分析を用いてしらべた。また、ICP発光分光分析により、LiFe0.98Co0.02POの組成を確認した。 The amount of carbon in the obtained lithium cobalt iron phosphate B (LiFe 0.98 Co 0.02 PO 4 / C) was investigated using elemental analysis. Further, the composition of LiFe 0.98 Co 0.02 PO 4 was confirmed by ICP emission spectroscopic analysis.

リン酸コバルト鉄リチウムBを用いることを除いては、実施例1と同様の方法によって、本発明によるリチウム二次電池Bを組み立てた。   A lithium secondary battery B according to the present invention was assembled in the same manner as in Example 1 except that lithium cobalt iron phosphate B was used.

[実施例3]
(LiFe0.95Co0.05PO/Cの製作)
まず、シュウ酸鉄二水和物(FeC・2HO)と、酢酸コバルト四水和物(Co(CHCOO)・4HO)と、リン酸二水素アンモニウム(NHPO)と、炭酸リチウム(LiCO)とをモル比が0.95:0.05:1.00:0.51になるように計り取ったのちに、これらを窒素雰囲気下において溶媒にアルコールを用いて、ボールミルで2時間、粉砕・混合をおこないLiFe0.95Co0.05PO前駆体を得た。つぎに、そのLiFe0.95Co0.05PO前駆体を乾燥させたのちに、ロータリーキルンに投入し、気化させたメタノールと窒素との混合ガスを、メタノールの熱分解により生成するカーボン量がLiFe0.95Co0.05POの2質量%になるように供給しながら、700℃、6時間の条件で焼成して、本発明によるCoを5%置換したリン酸コバルト鉄リチウムC(LiFe0.95Co0.05PO/C)を製作した。なお、そのキルンの回転速度は1 r.p.m.とした。また、気化させたメタノールと窒素との混合ガスは、45℃に保持したメタノール溶液を密閉容器に封入し、キャリアガスとして窒素を用いてバブリングさせることによって製作した。
[Example 3]
(Production of LiFe 0.95 Co 0.05 PO 4 / C)
First, iron oxalate dihydrate (FeC 2 O 4 .2H 2 O), cobalt acetate tetrahydrate (Co (CH 3 COO) 2 .4H 2 O), and ammonium dihydrogen phosphate (NH 4 H) 2 PO 4 ) and lithium carbonate (Li 2 CO 3 ) in a molar ratio of 0.95: 0.05: 1.00: 0.51 Using alcohol as a solvent, the mixture was pulverized and mixed with a ball mill for 2 hours to obtain a LiFe 0.95 Co 0.05 PO 4 precursor. Next, after drying the LiFe 0.95 Co 0.05 PO 4 precursor, the amount of carbon produced by the thermal decomposition of methanol is reduced to a mixed gas of methanol and nitrogen that is put into a rotary kiln and vaporized. While supplying 2% by mass of LiFe 0.95 Co 0.05 PO 4 , it was calcined under conditions of 700 ° C. for 6 hours, and lithium cobalt phosphate C with 5% substitution of Co according to the present invention ( LiFe 0.95 Co 0.05 PO 4 / C) was produced. The rotational speed of the kiln is 1 r. p. m. It was. Moreover, the mixed gas of vaporized methanol and nitrogen was manufactured by enclosing a methanol solution maintained at 45 ° C. in a sealed container and bubbling with nitrogen as a carrier gas.

なお、得られたリン酸コバルト鉄リチウム(LiFe0.95Co0.05PO/C)中のカーボン量は、元素分析を用いてしらべた。また、ICP発光分光分析により、LiFe0.95Co0.05POの組成を確認した。
リン酸コバルト鉄リチウムCを用いることを除いては、実施例1と同様の方法によって、本発明によるリチウム二次電池Cを組み立てた。
The amount of carbon in the obtained lithium cobalt iron phosphate C (LiFe 0.95 Co 0.05 PO 4 / C) was investigated using elemental analysis. Further, the composition of LiFe 0.95 Co 0.05 PO 4 was confirmed by ICP emission spectroscopic analysis.
A lithium secondary battery C according to the present invention was assembled in the same manner as in Example 1 except that lithium cobalt iron phosphate C was used.

[比較例1]
(LiFePO/Cの製作)
まず、シュウ酸鉄二水和物(FeC・2HO)と、リン酸二水素アンモニウム(NHPO)と、炭酸リチウム(LiCO)とをモル比が1.00:1.00:0.51になるように計り取ったのちに、これらを窒素雰囲気下において溶媒にアルコールを用いて、ボールミルで2時間、粉砕・混合をおこないLiFePO前駆体を得た。つぎに、そのLiFePO前駆体を乾燥させたのちに、ロータリーキルンに投入し、気化させたメタノールと窒素との混合ガスを、メタノールの熱分解により生成するカーボン量がLiFePOの2質量%になるように供給しながら、700℃、6時間の条件で焼成して、Coを置換していないリン酸鉄リチウムD(LiFePO/C)を製作した。なお、そのキルンの回転速度は1 r.p.m.とした。また、気化させたメタノールと窒素との混合ガスは、45℃に保持したメタノール溶液を密閉容器に封入し、キャリアガスとして窒素を用いてバブリングさせることによって製作した。
[Comparative Example 1]
(Production of LiFePO 4 / C)
First, the molar ratio of iron oxalate dihydrate (FeC 2 O 4 .2H 2 O), ammonium dihydrogen phosphate (NH 4 H 2 PO 4 ), and lithium carbonate (Li 2 CO 3 ) is 1. 00: 1.00: a After weighed to become 0.51, these using an alcohol as a solvent under a nitrogen atmosphere for 2 hours in a ball mill to obtain LiFePO 4 precursor and milling and mixing. Next, after drying the LiFePO 4 precursor, it is put into a rotary kiln, and the amount of carbon produced by thermal decomposition of methanol is 2% by mass of LiFePO 4 by vaporizing the mixed gas of methanol and nitrogen. In this manner, the mixture was baked at 700 ° C. for 6 hours to produce lithium iron phosphate D (LiFePO 4 / C) not substituted for Co. The rotational speed of the kiln is 1 r. p. m. It was. Moreover, the mixed gas of vaporized methanol and nitrogen was manufactured by enclosing a methanol solution maintained at 45 ° C. in a sealed container and bubbling with nitrogen as a carrier gas.

なお、得られたリン酸鉄リチウム(LiFePO/C)中のカーボン量は、元素分析を用いてしらべた。また、ICP発光分光分析により、LiFePOの組成を確認した。 The amount of carbon in the obtained lithium iron phosphate D (LiFePO 4 / C) was investigated using elemental analysis. Further, the composition of LiFePO 4 was confirmed by ICP emission spectroscopic analysis.

リン酸鉄リチウムDを用いることを除いては、実施例1と同様の方法によって、リチウム二次電池Dを組み立てた。   A lithium secondary battery D was assembled in the same manner as in Example 1 except that lithium iron phosphate D was used.

組み立てたリチウム二次電池A〜Dに対して、初期充放電をおこなった。初期充電は、0.1It(約10時間率、50mA)定電流で3.9Vまで、さらに3.9Vの定電圧で、合計15時間の定電流定電圧充電とした。該初期充電時に流れた電気量をクーロンメータにより計測し、「初期充電容量(mAh)」として記録した。続く初期放電は、0.1It(約10時間率、50mA)定電流で2.0Vまでの定電流放電とし、このときの放電電気量を「初期放電容量(mAh)」として記録した。また、前記「初期充電容量(mAh)」に対する前記「初期放電容量(mAh)」の百分率を「初期効率(%)」として算出した。結果を表1に示す。   Initial charging / discharging was performed with respect to the assembled lithium secondary batteries A to D. The initial charge was a constant current constant voltage charge of a constant current of 0.1 It (about 10 hours rate, 50 mA) up to 3.9 V and a constant voltage of 3.9 V for a total of 15 hours. The amount of electricity that flowed during the initial charge was measured with a coulomb meter and recorded as “initial charge capacity (mAh)”. The subsequent initial discharge was a constant current discharge of up to 2.0 V at a constant current of 0.1 It (about 10 hours, 50 mA), and the amount of discharge at this time was recorded as “initial discharge capacity (mAh)”. The percentage of the “initial discharge capacity (mAh)” with respect to the “initial charge capacity (mAh)” was calculated as “initial efficiency (%)”. The results are shown in Table 1.

表1からわかるように、本発明によるリチウム二次電池AおよびBの放電容量は、リチウム二次電池Dと比較して大きく、さらに、初期効率は、リチウム二次電池Dと比較して、高いことがわかる。また、本発明によるリチウム二次電池Cは、リチウム二次電池Dと比較して、その放電容量は小さいものの、初期効率は、リチウム二次電池Dと比較して、高いことがわかる。   As can be seen from Table 1, the discharge capacity of the lithium secondary batteries A and B according to the present invention is larger than that of the lithium secondary battery D, and the initial efficiency is higher than that of the lithium secondary battery D. I understand that. In addition, the lithium secondary battery C according to the present invention has a smaller discharge capacity than the lithium secondary battery D, but the initial efficiency is higher than that of the lithium secondary battery D.

以上の結果から、LiFe(1−x)CoPOのxの値として、0<x≦0.05を選択することで、負極にリチウムイオンを吸蔵・放出しうる炭素材料を用いた電池の初期効率を高くできる。また、xの値は、0.01以上が好ましいことがわかる。また、xの値は、0.02以下が好ましいことがわかる。 From the above results, a battery using a carbon material capable of inserting and extracting lithium ions in the negative electrode by selecting 0 <x ≦ 0.05 as the value of x in LiFe (1-x) Co x PO 4 The initial efficiency can be increased. Moreover, it turns out that the value of x is preferably 0.01 or more. It can also be seen that the value of x is preferably 0.02 or less.

前記したように、本発明電池の構成において、実施例において測定された「初期効率」は、初期充電容量に対する初期放電容量の割合を示し、正極活物質に存在していたLiの一部が充電によって負極の炭素材料に到達し、引き続く放電時に負極の炭素材料から戻ってくることのできるLiの割合を評価したものである。なお、実施例電池は、負極制限の設計としており、即ち、少なくとも初期放電時は、負極側電位の急上昇によって放電終止に至るものである。このことから、正極活物質中のCo含有量の差が、負極側の充放電効率に影響を与えたことが明らかである。このような作用効果が奏されることについては、本発明者も全く予測できなかった事項であり、その作用機構については、現時点では何ら明らかではない。本発明者らのひとつの仮説によれば、LiFePOのFeの一部をCoに置換することによって、何らかの要因が作用して、カーボン負極の被膜の形成が最適化され、不可逆容量が低減したものとも考えられるが、現時点では検証には至っていない。 As described above, in the configuration of the battery of the present invention, the “initial efficiency” measured in the examples indicates the ratio of the initial discharge capacity to the initial charge capacity, and a part of Li existing in the positive electrode active material is charged. Thus, the ratio of Li that reaches the carbon material of the negative electrode and can return from the carbon material of the negative electrode during the subsequent discharge is evaluated. In addition, the battery of the example is designed to have a negative electrode limitation, that is, at least during initial discharge, the discharge ends due to a sudden rise in the negative electrode side potential. From this, it is clear that the difference in Co content in the positive electrode active material has affected the charge / discharge efficiency on the negative electrode side. It is a matter that the inventor could not have predicted that such an action effect is achieved, and the action mechanism is not clear at present. According to one hypothesis of the present inventors, by substituting a part of Fe of LiFePO 4 with Co, some factors acted to optimize the formation of the carbon negative electrode coating and reduce the irreversible capacity. Although it may be considered, it has not yet been verified.

本発明によれば、熱的に安定なポリアニオン系正極活物質を用い、優れた電池性能を備えるリチウム二次電池を提供することができるので、今後の展開が期待される電気自動車等、産業用電池に於いて特に高容量化・高出力化が求められる分野への応用に適しており、産業上の利用可能性は極めて大である。 According to the present invention, a lithium secondary battery having excellent battery performance can be provided by using a thermally stable polyanionic positive electrode active material. The battery is particularly suitable for application in fields where high capacity and high output are required, and its industrial applicability is extremely large.

Claims (2)

一般式LiFe(1−x)CoPO(0<x≦0.05、0≦y≦1.2)で表されるリン酸コバルト鉄リチウムにカーボンを付与してなるリチウム二次電池用正極活物質を含む正極と、リチウムイオンを吸蔵・放出しうる炭素材料を含む負極と、非水電解質を備えたリチウム二次電池Lithium secondary formed by adding carbon to lithium cobalt iron phosphate represented by the general formula Li y Fe (1-x) Co x PO 4 (0 <x ≦ 0.05, 0 ≦ y ≦ 1.2) A lithium secondary battery including a positive electrode including a positive electrode active material for a battery , a negative electrode including a carbon material capable of occluding and releasing lithium ions, and a nonaqueous electrolyte . 一般式Li Fe (1−x) Co PO (0.01≦x<0.02、0≦y≦1.2)で表されるリン酸コバルト鉄リチウムにカーボンを付与してなるリチウム二次電池用正極活物質を含む正極と、リチウムイオンを吸蔵・放出しうる炭素材料を含む負極と、非水電解質を備えたリチウム二次電池 Lithium obtained by adding carbon to lithium cobalt iron phosphate represented by the general formula Li y Fe (1-x) Co x PO 4 (0.01 ≦ x <0.02, 0 ≦ y ≦ 1.2) A lithium secondary battery including a positive electrode including a positive electrode active material for a secondary battery, a negative electrode including a carbon material capable of inserting and extracting lithium ions, and a nonaqueous electrolyte .
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