JP5277929B2 - 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及びリチウム二次電池に関するものである。   The present invention relates to a positive electrode active material for a lithium secondary battery and a lithium secondary battery.

近年、携帯電話、ノートパソコン等の携帯機器類用、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特性の良いリチウム二次電池に代表される非水電解質二次電池が注目されている。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。 In recent years, non-aqueous electrolyte secondary batteries represented by lithium secondary batteries with high energy density, low self-discharge and good cycle characteristics as power sources for portable devices such as mobile phones and notebook computers and electric vehicles Is attracting attention. 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、従来の非水電解質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 non-aqueous electrolyte 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.

そこで最近、熱安定性が優れるポリアニオン型正極活物質であるリン酸鉄リチウム(LiFePO)が注目を集めている。このLiFePOのポリアニオン部分はリンと酸素が共有結合しているため、高温においても酸素を放出することが無く、LiサイトからLiを全て引き抜いた状態においても高い安全性を示すことから、電池用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。しかし、LiFePOは、理論容量が170mAh/gと小さいことから、4V系正極活物質に比べるとエネルギー密度が低いものとなってしまう。 Therefore, recently, lithium iron phosphate (LiFePO 4 ), which is a polyanion-type positive electrode active material excellent in thermal stability, has attracted attention. Since the polyanion portion of this LiFePO 4 is covalently bonded to phosphorus and oxygen, it does not release oxygen even at high temperatures, and exhibits high safety even when all Li is extracted from the Li site. By using it as an active material, the safety of the battery can be dramatically improved. However, since LiFePO 4 has a small theoretical capacity of 170 mAh / g, it has a lower energy density than the 4V positive electrode active material.

一方、遷移金属部分がFeである場合に比べて高い作動電位が得られるMnを採用し、ポリアニオン部位をリン酸(PO)よりも軽いホウ酸(BO)に代えたポリアニオン正極活物質であるホウ酸マンガンリチウム(LiMnBO)は、LiFePOと同様に安全性が高く、理論容量が220mAh/gとLiFePOよりも大きいことから、今後の高容量活物質として有用な化合物と考えられる。 On the other hand, it is a polyanion positive electrode active material that employs Mn that provides a higher working potential than when the transition metal portion is Fe and replaces the polyanion portion with boric acid (BO 3 ), which is lighter than phosphoric acid (PO 4 ). Certain lithium manganese borate (LiMnBO 3 ) is as safe as LiFePO 4 and has a theoretical capacity of 220 mAh / g, which is larger than that of LiFePO 4 .

非特許文献1には、LiMnBOの合成とその電気化学的特性がLiFeBOやLiCoBOと共に報告されている。 Non-Patent Document 1 reports the synthesis of LiMnBO 3 and its electrochemical properties together with LiFeBO 3 and LiCoBO 3 .

しかしながら、LiMnBOは、非特許文献1のFig.6(a)に約60時間率の低電流充電・放電における可逆容量が分子中のLiに対して0.1モルに遥かに満たないことが記載されているように、殆ど活物質として利用できないという問題点があった。 However, LiMnBO 3 is shown in FIG. As it is described in 6 (a) that the reversible capacity in low current charge / discharge at a rate of about 60 hours is far less than 0.1 mol with respect to Li in the molecule, it can hardly be used as an active material. There was a problem.

特許文献1には次の記載がある。
「式A
(式中、Aはアルカリ金属であり、
Dは、アルカリ土類金属及び元素周期表の第3族元素(Bを除く)から選択され、
Mは、遷移金属又は遷移金属の混合物であり、
Zは、S、Se、P、As、Si、Ge、Sn及びBから選択される非金属であり、
Oは酸素であり、Nは窒素であり、及びFはフッ素であり、
a、d、m、z、o、n及びfは、0以上の実数であり、且つ電気的中性を保証するように選択される)
の電極活性化合物と、
炭素のような導電性化合物と
を含む複合材料の調製方法であって、
前記電極活性化合物を形成する全ての元素A、D、M、Z、O、N及びFと、また1つ以上の有機化合物及び/又は有機金属化合物とを含有する均質混合された前駆体を短時間で熱分解して前記複合材料を得る方法。」(請求項1)、
「Dが、Mg、Al及びGa、並びにそれらの混合物から選択される請求項1又は2に記載の方法。」(請求項4)、
「Mが、Fe、Ni、Co、Mn、V、Mo、Nb、W及びTi、並びにそれらの混合物から選択される請求項1〜4のいずれか1項に記載の方法。」(請求項5)、
「Aが、Li又はNaであり、且つ前記電極活性化合物が、LiFePO、LiFeBO又はNaFeBOのようなリチウム挿入化合物又はナトリウム挿入化合物である請求項1〜5のいずれか1項に記載の方法。」(請求項6)、
Patent Document 1 has the following description.
"Formula A a D d M m Z z O O N n F f
(Wherein A is an alkali metal,
D is selected from alkaline earth metals and group 3 elements of the periodic table (excluding B);
M is a transition metal or a mixture of transition metals,
Z is a non-metal selected from S, Se, P, As, Si, Ge, Sn and B;
O is oxygen, N is nitrogen, and F is fluorine;
a, d, m, z, o, n and f are real numbers greater than or equal to 0 and are selected to ensure electrical neutrality)
An electrode active compound of
A method for preparing a composite material comprising a conductive compound such as carbon,
Shortly mixed precursors containing all the elements A, D, M, Z, O, N and F forming the electrode active compound and one or more organic compounds and / or organometallic compounds A method of obtaining the composite material by pyrolysis over time. (Claim 1),
“A method according to claim 1 or 2, wherein D is selected from Mg, Al and Ga, and mixtures thereof.” (Claim 4),
“The method according to claim 1, wherein M is selected from Fe, Ni, Co, Mn, V, Mo, Nb, W and Ti, and mixtures thereof.” ),
“A is Li or Na and the electrode active compound is a lithium insertion compound or a sodium insertion compound such as LiFePO 4 , LiFeBO 3 or NaFeBO 3 . Method "(Claim 6),

しかしながら、特許文献1には、ホウ酸マンガンリチウムについての具体的記載は皆無であり、特許文献1の請求項6に記載された化合物の中からLiFeBOを選択し、このFeに代えて請求項5に列挙された元素Mの中からMnを選択した場合において、請求項4に列挙された元素Dの中からMgを選択することによってどのような効果が奏されるかについては記載がなく、さらにはその場合にdの値をどのように選択することでどのような効果が奏されるかについても記載がない。
Legagneur V. et al., Solid State Ionics, 2001, vol.139, page 37-46. 特表2007−520038号公報
However, there is no specific description about lithium manganese borate in Patent Document 1, and LiFeBO 3 is selected from the compounds described in Claim 6 of Patent Document 1, and claims instead of this Fe. In the case where Mn is selected from the elements M listed in 5, there is no description as to what effect can be achieved by selecting Mg from the elements D listed in claim 4. In addition, there is no description on how the value of d is selected in that case.
Legagneur V. et al., Solid State Ionics, 2001, vol.139, page 37-46. Special table 2007-520038 gazette

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、ホウ酸マンガンリチウム系正極活物質を用い、高率放電性能に優れるリチウム二次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 an object of the present invention is to provide a lithium secondary battery that uses a lithium manganese borate positive electrode active material and is excellent in high rate discharge performance.

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.

本発明はホウ酸マンガンリチウム(LiMnBO)のMnの一部がMgで置換された化合物を含むリチウム二次電池用正極活物質である。 The present invention is a positive electrode active material for a lithium secondary battery including a compound in which a part of Mn of lithium manganese borate (LiMnBO 3 ) is substituted with Mg.

また、本発明は、前記正極活物質を含む正極と、負極と、非水電解質を備えたリチウム二次電池である。   Moreover, this invention is a lithium secondary battery provided with the positive electrode containing the said positive electrode active material, the negative electrode, and the nonaqueous electrolyte.

LiMnBOで表記される結晶構造は複数種類存在するが、本発明に係るホウ酸マンガンリチウム化合物系正極活物質の結晶構造は、空間群P6−に属するものである。ここで、「P6−」(P6バー)は、本来「6」の上に横棒(バー)を施して表記すべきものであるところ、本願明細書では便宜上「P6−」と表記した。 There are a plurality of types of crystal structures represented by LiMnBO 3 , but the crystal structure of the lithium manganese borate compound-based positive electrode active material according to the present invention belongs to the space group P6-. Here, “P6-” (P6 bar) is supposed to be expressed by adding a horizontal bar (bar) on “6”, but it is expressed as “P6-” for convenience in this specification.

本発明に係る正極活物質は、一般式LiMn(1−y)MgBO(0.5≦x≦1.5、0<y≦0.5)で表しうる結晶を含む。前記結晶は、Mn、Mg以外の遷移金属元素が一部固溶していることを妨げない。また、ポリアニオン構造としてPOあるいはSiOが一部固溶していることを妨げない。 The positive electrode active material according to the present invention includes a crystal that can be represented by the general formula Li x Mn (1-y) Mg y BO 3 (0.5 ≦ x ≦ 1.5, 0 <y ≦ 0.5). The crystal does not prevent some transition metal elements other than Mn and Mg from being dissolved in part. Also, PO 4 or SiO 4 does not prevent that the solid solution as part polyanionic structure.

一般式LiMn(1−y)MgBOにおけるMg量yが少なすぎると本発明の効果が得られにくくなるので好ましくない。また、LiMgBOはLiの吸蔵・放出を行わないのでMg置換量が多すぎると活物質の理論容量が低下するため好ましくない。よって好ましいMg置換量yは0.001≦y≦0.5であり、より好ましくは0.01≦y≦0.2である。 If the amount of Mg y in the general formula Li x Mn (1-y) Mg y BO 3 is too small, it is difficult to obtain the effects of the present invention. Moreover, since LiMgBO 3 does not occlude / release Li, if the amount of Mg substitution is too large, the theoretical capacity of the active material decreases, which is not preferable. Therefore, the preferable Mg substitution amount y is 0.001 ≦ y ≦ 0.5, and more preferably 0.01 ≦ y ≦ 0.2.

特許文献1の請求項4には、同文献の請求項1記載の式A(式中、Aはアルカリ金属であり、Dは、アルカリ土類金属及び元素周期表の第3族元素(Bを除く)から選択され、Mは、遷移金属又は遷移金属の混合物であり、Zは、S、Se、P、As、Si、Ge、Sn及びBから選択される非金属であり、Oは酸素であり、Nは窒素であり、及びFはフッ素であり、a、d、m、z、o、n及びfは、0以上の実数であり、且つ電気的中性を保証するように選択される)におけるDとして、Mg、Al及びGaが区別なく同列に列挙されているが、ホウ酸マンガンリチウム化合物のMnの一部を置換し、しかも、電気化学的性能を向上されるに好適な元素としてはMgが選択される。その理由は、Mnはホウ酸マンガンリチウム化合物において2価の価数を取る元素であるところ、同文献の請求項4に列挙された元素のうち、Alは3価の価数を取る元素であることから、Mnの一部を置換する元素としては不適である。Gaもまた、主として3価の価数を取る元素であることから、Mnの一部を置換する元素としてはやはり不適である。 The claim 4 of Patent Document 1, wherein A a D d M m Z z O O N n F f of claim 1, wherein the same document (wherein, A is an alkali metal, D is an alkaline earth Selected from metals and Group 3 elements of the Periodic Table of Elements (excluding B), M is a transition metal or a mixture of transition metals, Z is S, Se, P, As, Si, Ge, Sn and B A non-metal selected from: O is oxygen; N is nitrogen; and F is fluorine; a, d, m, z, o, n and f are real numbers greater than or equal to 0; And Mg, Al and Ga are listed in the same column without distinction, substituting a part of Mn of the lithium manganese borate compound, Mg is selected as a suitable element for improving the electrochemical performance. The reason is that Mn is a divalent valence element in the lithium manganese borate compound, and among the elements listed in claim 4 of the same document, Al is a trivalent valence element. Therefore, it is unsuitable as an element that substitutes a part of Mn. Ga is also an element that takes mainly a trivalent valence, and is therefore unsuitable as an element that substitutes a part of Mn.

本発明によれば、ホウ酸マンガンリチウム化合物系正極活物質を用い、高率放電性能に優れるリチウム二次電池とすることのできる正極活物質を提供することができる。また、本発明によれば、ホウ酸マンガンリチウム化合物系正極活物質を用い、高率放電性能に優れたリチウム二次電池提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the positive electrode active material which can be used as the lithium secondary battery excellent in high rate discharge performance can be provided using a lithium manganese borate compound type positive electrode active material. Moreover, according to this invention, the lithium secondary battery excellent in high-rate discharge performance can be provided using a lithium manganese borate compound-type positive electrode active material.

本発明に係る正極活物質の合成過程は、LiMnBOの単一相結晶が合成できるようであれば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。また、電子伝導性を補う目的でLiMn(1−y)MgBO粒子表面にカーボンを機械的にある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。 The synthesis process of the positive electrode active material according to the present invention is not particularly limited as long as a single phase crystal of LiMnBO 3 can be synthesized. Specific examples include a solid phase method, a liquid phase method, a sol-gel method, and a hydrothermal method. Moreover, it is preferable to adhere and coat carbon on the surface of Li x Mn (1-y) Mg y BO 3 particles mechanically or by thermal decomposition of organic matter for the purpose of supplementing electron conductivity.

本発明に係る正極活物質は、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であり、一次粒子の粒径は1〜500nmであることがより好ましい。また、粉体粒子の比表面積は正極のハイレート性能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目的で、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。 The positive electrode active material according to the present invention is preferably used for a positive electrode for a lithium secondary battery as a powder having an average particle size of 100 μm or less. In particular, a smaller particle size is preferable, the average particle size of the secondary particles is 0.5 to 20 μm, and the particle size of the primary particles is more preferably 1 to 500 nm. The specific surface area of the powder particles is preferably large in order to improve the high rate performance of the positive electrode, and is preferably 1 to 100 m 2 / g. More preferably, it is 5-100 m < 2 > / g. For the purpose of obtaining 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.

LiMn(1−y)MgBOには、不可避的に、あるいは、活物質としての性能の向上を目的として、不純物が共存していてもよく、そのような場合にも本発明の効果が失われることはない。 Li x Mn (1-y) Mg y BO 3 may inevitably coexist with impurities for the purpose of improving the performance as an active material. The effect is never lost.

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、何ら限定されるものではなく、リチウム金属、リチウム合金(リチウム―アルミニウム、リチウム―鉛、リチウム―錫、リチウム―アルミニウム―錫、リチウム―ガリウム、およびウッド合金等のリチウム金属含有合金)の他、リチウムを吸蔵・放出可能な合金、炭素材料(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)、金属酸化物、リチウム金属酸化物(LiTi12等)、ポリリン酸化合物等が挙げられる。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 limited in any way, but lithium metal, lithium alloy (lithium metal such as lithium-aluminum, lithium-lead, lithium-tin, lithium-aluminum-tin, lithium-gallium, and wood alloy) Alloys), alloys capable of inserting and extracting lithium, carbon materials (eg, graphite, hard carbon, low-temperature fired carbon, amorphous carbon, etc.), metal oxides, lithium metal oxides (Li 4 Ti 5 O 12) Etc.), polyphosphoric acid compounds and the like. 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、リチウム二次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 the lithium secondary battery is composed of a positive electrode, a negative electrode, and a non-aqueous electrolyte in which an electrolyte salt is contained in a non-aqueous solvent. Generally, a separator and these are interposed between the positive electrode and the negative electrode. 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リチウム二次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 lithium secondary battery having high battery characteristics. / L.

以下に、本発明のリチウム二次電池の製造方法について例示するが、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではない。   Hereinafter, the method for producing a lithium secondary battery of the present invention will be exemplified, but the present invention is not limited to the following embodiment.

(実施例1)
(LiMn0.95Mg0.05BOの作製)
酢酸マンガン四水和物(Mn(CHCO・4HO)、酢酸マグネシウム四水和物(Mg(CHCO・4HO)、ホウ酸(HBO)、酢酸リチウム二水和物(LiCHCO・4HO)及びクエン酸をモル比が0.95:0.05:1:1.02:0.5になるように量り取り、これらを精製水に溶解させた。この溶液を120℃のホットスターラー上で攪拌しながら蒸発乾固させることで前駆体を得た。
Example 1
(Production of LiMn 0.95 Mg 0.05 BO 3 )
Manganese acetate tetrahydrate (Mn (CH 3 CO 2 ) 2 .4H 2 O), magnesium acetate tetrahydrate (Mg (CH 3 CO 2 ) 2 .4H 2 O), boric acid (H 3 BO 3 ) , Lithium acetate dihydrate (LiCH 3 CO 2 .4H 2 O) and citric acid were weighed so that the molar ratio was 0.95: 0.05: 1: 1.02: 0.5. Dissolved in purified water. This solution was evaporated to dryness while stirring on a 120 ° C. hot stirrer to obtain a precursor.

前記前駆体を自動乳鉢を使用して30分間粉砕した後、アルミナ製の匣鉢(外形寸法90×90×50mm)に入れ、雰囲気置換式焼成炉(デンケン社製卓上真空ガス置換炉KDF−75)を用いて、窒素ガスの流通下(流速1.0リットル/分)で焼成した。焼成温度は600℃とし、焼成時間(前記焼成温度を維持する時間)は2時間とした。この手順にて、正極活物質を合成した。ここで、合成された材料の表面にはカーボンが付着している。これはクエン酸が炭化してなるものである。また、合成された材料の粉末エックス線回折測定を行ったところ、空間群P6−に帰属される単一相のエックス線回折図が得られた。ここで、全てのピーク位置は、LiMnBOに比べて若干高角度側にシフトしていた。このことから、Mgは少なくともLiMnBOの結晶構造のMnサイトの一部に置換されていることがわかった。 The precursor was pulverized for 30 minutes using an automatic mortar, then placed in an alumina mortar (outside dimensions 90 × 90 × 50 mm), and an atmosphere substitution type firing furnace (a tabletop vacuum gas substitution furnace KDF-75 made by Denken). ) Under a nitrogen gas flow (flow rate 1.0 liter / min). The firing temperature was 600 ° C., and the firing time (time for maintaining the firing temperature) was 2 hours. In this procedure, a positive electrode active material was synthesized. Here, carbon adheres to the surface of the synthesized material. This is formed by carbonizing citric acid. Moreover, when the powder X-ray-diffraction measurement of the synthesize | combined material was performed, the single phase X-ray-diffraction figure which belongs to the space group P6- was obtained. Here, all peak positions were slightly shifted to the higher angle side as compared with LiMnBO 3 . From this, it was found that Mg was substituted at least in part of the Mn site of the crystal structure of LiMnBO 3 .

(正極の作製)
前記正極活物質、導電剤であるアセチレンブラック、及び、結着剤であるポリフッ化ビニリデン(PVdF)を80:8:12の質量比で含有し、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)を溶媒とする正極ペーストを調整した。該正極ペーストを厚さ20μmのアルミニウム箔集電体上の片面に塗布、乾燥した後、プレス加工を行い、正極とした。該正極にはアルミニウム製の正極端子を超音波溶接により接続した。
(Preparation of positive electrode)
The positive electrode active material, acetylene black as a conductive agent, and polyvinylidene fluoride (PVdF) as a binder are contained at a mass ratio of 80: 8: 12, and N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) is a solvent. A positive electrode paste was prepared. The positive electrode paste was applied to one side of an aluminum foil current collector having a thickness of 20 μm, dried, and then pressed to obtain a positive electrode. An aluminum positive electrode terminal was connected to the positive electrode by ultrasonic welding.

(負極の作製)
厚さ100μmのリチウム金属箔を厚さ10μmのニッケル箔集電体上に貼り付けたものを負極とした。負極にはニッケル製の負極端子を抵抗溶接により接続した。
(Preparation of negative electrode)
A negative electrode was prepared by pasting a lithium metal foil having a thickness of 100 μm onto a nickel foil current collector having a thickness of 10 μm. A negative electrode terminal made of nickel was connected to the negative electrode by resistance welding.

(電解液の調製)
エチレンカーボネート、ジメチルカーボネート及びメチルエチルカーボネートを体積比6:7:7の割合で混合した混合溶媒に、含フッ素系電解質塩であるLiPFを1mol/lの濃度で溶解させ、非水電解質を作製した。該非水電解質中の水分量は50ppm未満とした。
(Preparation of electrolyte)
A non-aqueous electrolyte is prepared by dissolving LiPF 6 as a fluorine-containing electrolyte salt at a concentration of 1 mol / l in a mixed solvent in which ethylene carbonate, dimethyl carbonate and methyl ethyl carbonate are mixed at a volume ratio of 6: 7: 7. did. The amount of water in the non-aqueous electrolyte was less than 50 ppm.

(電池の組み立て)
露点−40℃以下の乾燥空気雰囲気下においてリチウム二次電池を組み立てた。正極と負極とを各1枚、厚さ20μmのポリプロピレン製セパレ−タを介して対向させ、外装体として、ポリエチレンテレフタレ−ト(15μm)/アルミニウム箔(50μm)/金属接着性ポリプロピレンフィルム(50μm)からなる金属樹脂複合フィルムを用い、この極群を前記正極端子及び負極端子の開放端部が外部露出するように注液孔となる部分を除いて気密封止した。前記注液孔から一定量の非水電解質を注液後、減圧状態で前記注液孔部分を熱封口し、電池を組み立てた。
(Battery assembly)
A lithium secondary battery was assembled in a dry air atmosphere with a dew point of −40 ° C. or lower. Each of the positive electrode and the negative electrode is opposed to each other via a polypropylene separator having a thickness of 20 μm, and as an exterior body, a polyethylene terephthalate (15 μm) / aluminum foil (50 μm) / metal adhesive polypropylene film (50 μm The electrode group was hermetically sealed except for the portion serving as a liquid injection hole so that the open ends of the positive electrode terminal and the negative electrode terminal were exposed to the outside. After injecting a certain amount of non-aqueous electrolyte from the injection hole, the injection hole part was heat sealed in a reduced pressure state, and a battery was assembled.

(比較例1)
(LiMnBOの作製)
前駆体の調整において、精製水に溶解させる原料として、酢酸マンガン四水和物(Mn(CHCO・4HO)、酢酸マグネシウム四水和物(Mg(CHCO・4HO)、ホウ酸(HBO)、酢酸リチウム二水和物(LiCHCO・4HO)及びクエン酸をモル比が0.95:0.05:1:1.02:0.5になるように量り取ったことを除いては、実施例1と同様にして、LiMnBOを合成し、これを正極活物質として用いてリチウム二次電池を組み立てた。
(Comparative Example 1)
(Preparation of LiMnBO 3 )
In the preparation of the precursor, as raw materials to be dissolved in purified water, manganese acetate tetrahydrate (Mn (CH 3 CO 2 ) 2 .4H 2 O), magnesium acetate tetrahydrate (Mg (CH 3 CO 2 ) 2 4H 2 O), boric acid (H 3 BO 3 ), lithium acetate dihydrate (LiCH 3 CO 2 .4H 2 O) and citric acid in a molar ratio of 0.95: 0.05: 1: 1. Except for weighing up to 02: 0.5, LiMnBO 3 was synthesized in the same manner as in Example 1, and a lithium secondary battery was assembled using this as a positive electrode active material.

(高率充放電試験)
実施例1及び比較例1のリチウム二次電池に対して、温度20℃にて、5サイクルの高率充放電を行った。ここで、充電条件は、電流0.1ItmA(約10時間率)、電圧4.5V、15時間の定電流定電圧充電とし、放電条件は、電流0.1ItmA(約10時間率)、終止電圧1.5Vの定電流放電とした。
(High rate charge / discharge test)
The lithium secondary batteries of Example 1 and Comparative Example 1 were charged and discharged at a high rate of 5 cycles at a temperature of 20 ° C. Here, the charging conditions are a current of 0.1 ItmA (about 10 hours rate), a voltage of 4.5 V, and a constant current and constant voltage charging of 15 hours, and the discharging conditions are a current of 0.1 ItmA (about 10 hours rate) and an end voltage. The constant current discharge was 1.5V.

ここで、実施例1の電池の5サイクル目の高率放電容量は49mAhであり、比較例1の電池の5サイクル目の高率放電容量は33mAhであった。図1に実施例1の電池の5サイクル目の放電カーブを、図2に比較例1の電池の5サイクル目の放電カーブをそれぞれ示す。   Here, the high rate discharge capacity at the fifth cycle of the battery of Example 1 was 49 mAh, and the high rate discharge capacity at the fifth cycle of the battery of Comparative Example 1 was 33 mAh. FIG. 1 shows the discharge curve of the fifth cycle of the battery of Example 1, and FIG. 2 shows the discharge curve of the fifth cycle of the battery of Comparative Example 1.

(低率放電試験)
続いて、電流0.01ItmA(約100時間率)、電圧4.5V、150時間の定電流定電圧充電を行った後、電流0.01ItmA(約100時間率)、終止電圧1.5Vの定電流放電を行った。
(Low rate discharge test)
Subsequently, after performing constant current and constant voltage charging at a current of 0.01 ItmA (approximately 100 hour rate), a voltage of 4.5 V, and 150 hours, a constant current of 0.01 ItmA (approximately 100 hour rate) and a final voltage of 1.5 V was established. A current discharge was performed.

その結果、実施例1の電池の低率放電容量は78mAhであり、比較例1の電池の低率放電容量は50mAhであった。   As a result, the low rate discharge capacity of the battery of Example 1 was 78 mAh, and the low rate discharge capacity of the battery of Comparative Example 1 was 50 mAh.

以上それぞれの試験結果について、比較例1の電池の性能を1としたときの実施例1の電池の性能の比を表1に示す。   Table 1 shows the performance ratio of the battery of Example 1 when the performance of the battery of Comparative Example 1 is set to 1 for each test result.

以上の結果から、LiMnBOに対して置換元素としてMgを適用することで、これを正極活物質として用いた電池は、LiMnBOを正極活物質として用いた電池に比べて、放電性能が向上することがわかった。 From the above results, by using Mg as a substitution element for LiMnBO 3 , the battery using this as a positive electrode active material has improved discharge performance compared to the battery using LiMnBO 3 as the positive electrode active material. I understood it.

(比較例2)
(LiFePOの作製)
蓚酸鉄二水和物(FeC・2HO)、リン酸二水素アンモニウム(NHPO)及び炭酸リチウム(LiCO)をモル比が1:1:0.51になるように量り取り、2−プロパノールを加えてペースト状とし、ボ−ルミル(FRITSCH社製プラネタリーミル、ボール径1cm)を用いて2時間湿式混合を行った。
(Comparative Example 2)
(Preparation of LiFePO 4 )
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 ) to 1: 1: 0.51 Then, 2-propanol was added to make a paste, and wet mixing was performed for 2 hours using a ball mill (Fritsch planetary mill, ball diameter: 1 cm).

前記混合物をアルミナ製の匣鉢(外形寸法90×90×50mm)に入れ、雰囲気置換式焼成炉(デンケン社製卓上真空ガス置換炉KDF−75)を用いて、窒素ガスの流通下(流速1.0リットル/分)で焼成した。焼成温度は700℃とし、焼成時間(前記焼成温度を維持する時間)は2時間とした。なお、昇温途中において350℃の恒温期間を2時間設けた。昇温速度は5℃/分、降温は自然放冷とした。得られた焼成粉にポリビニルアルコール(重合度約1500)を質量比が1:1になるように秤量した後、ボールミルで乾式混合し、この混合物をアルミナ製の匣鉢に入れ、雰囲気置換式焼成炉にて窒素流通下(1.0リットル/分)で700℃、1時間焼成することでカーボンコートされたLiFePOを合成した。 The mixture was put in an alumina sagger (outside dimension 90 × 90 × 50 mm), and the atmosphere was replaced with a nitrogen gas (flow rate 1) using an atmosphere substitution type firing furnace (a tabletop vacuum gas substitution furnace KDF-75 manufactured by Denken). And fired at 0.0 liter / min). The firing temperature was 700 ° C., and the firing time (the time for maintaining the firing temperature) was 2 hours. In addition, a constant temperature period of 350 ° C. was provided for 2 hours during the temperature increase. The rate of temperature rise was 5 ° C./min, and the temperature was naturally cooled. The obtained fired powder was weighed with polyvinyl alcohol (degree of polymerization of about 1500) so that the mass ratio was 1: 1, and then dry-mixed with a ball mill, and the mixture was placed in an alumina slag and fired in an atmosphere substitution type. LiFePO 4 coated with carbon was synthesized by firing for 1 hour at 700 ° C. under nitrogen flow (1.0 liter / min) in a furnace.

(比較例3)
(LiFe0.99Mg0.01POの作製)
蓚酸鉄二水和物(FeC・2HO)、蓚酸マグネシウム(MgC・2HO)とリン酸二水素アンモニウム(NHPO)及び炭酸リチウム(LiCO)とをモル比が0.99:0.01:1:0.51になるように量り取ったことを除いては比較例2と同様の手法でLiFe0.99Mg0.01POを合成した。
(Comparative Example 3)
(Production of LiFe 0.99 Mg 0.01 PO 4 )
Iron oxalate dihydrate (FeC 2 O 4 .2H 2 O), magnesium oxalate (MgC 2 O 4 .2H 2 O), ammonium dihydrogen phosphate (NH 4 H 2 PO 4 ) and lithium carbonate (Li 2 CO 3 And LiFe 0.99 Mg 0.01 PO 4 in the same manner as in Comparative Example 2 except that the molar ratio is 0.99: 0.01: 1: 0.51. Synthesized.

(比較例4)
(LiFe0.95Mg0.05POの作製)
蓚酸鉄二水和物(FeC・2HO)、蓚酸マグネシウム(MgC・2HO)とリン酸二水素アンモニウム(NHPO)及び炭酸リチウム(LiCO)とをモル比が0.95:0.05:1:0.51になるように量り取ったことを除いては比較例2と同様の手法でLiFe0.95Mg0.05POを合成した。
(Comparative Example 4)
(Production of LiFe 0.95 Mg 0.05 PO 4 )
Iron oxalate dihydrate (FeC 2 O 4 .2H 2 O), magnesium oxalate (MgC 2 O 4 .2H 2 O), ammonium dihydrogen phosphate (NH 4 H 2 PO 4 ) and lithium carbonate (Li 2 CO 3 LiFe 0.95 Mg 0.05 PO 4 in the same manner as in Comparative Example 2 except that the molar ratio is 0.95: 0.05: 1: 0.51. Synthesized.

(比較例5)
(LiFe0.9Mg0.1POの作製)
蓚酸鉄二水和物(FeC・2HO)、蓚酸マグネシウム(MgC・2HO)とリン酸二水素アンモニウム(NHPO)及び炭酸リチウム(LiCO)とをモル比が0.9:0.1:1:0.51になるように量り取ったことを除いては比較例2と同様の手法でLiFe0.9Mg0.1POを合成した。
(Comparative Example 5)
(Production of LiFe 0.9 Mg 0.1 PO 4 )
Iron oxalate dihydrate (FeC 2 O 4 .2H 2 O), magnesium oxalate (MgC 2 O 4 .2H 2 O), ammonium dihydrogen phosphate (NH 4 H 2 PO 4 ) and lithium carbonate (Li 2 CO 3 And LiFe 0.9 Mg 0.1 PO 4 in the same manner as in Comparative Example 2 except that the molar ratio is 0.9: 0.1: 1: 0.51. Synthesized.

これらの正極活物質を用いたこと以外は実施例1と同様にして比較例2〜5のリチウム二次電池を組み立てた。   Lithium secondary batteries of Comparative Examples 2 to 5 were assembled in the same manner as in Example 1 except that these positive electrode active materials were used.

(充放電試験)
比較例2〜5の電池に対して、温度20℃にて、5サイクルの充放電を行った。ここで、充電条件は、電流0.1ItmA(約10時間率)、電圧3.8V、15時間の定電流定電圧充電とし、放電条件は、電流0.1ItmA(約10時間率)、終止電圧2.0Vの定電流放電とした。
(Charge / discharge test)
The batteries of Comparative Examples 2 to 5 were charged and discharged for 5 cycles at a temperature of 20 ° C. Here, the charging conditions are a current of 0.1 ItmA (about 10 hours rate), a voltage of 3.8 V, and a constant current constant voltage charging of 15 hours, and the discharging conditions are a current of 0.1 ItmA (about 10 hours rate) and a final voltage. The constant current discharge was 2.0V.

(高率放電特性試験)
続いて、電流0.1ItmA(約10時間率)、電圧3.8V、15時間の定電流定電圧充電を行った後、電流5.0ItmA(約0.2時間率)、終止電圧2.0Vの定電流放電を行った。
(High rate discharge characteristics test)
Subsequently, after performing constant current and constant voltage charging with a current of 0.1 ItmA (about 10 hours), a voltage of 3.8 V, and 15 hours, a current of 5.0 ItmA (about 0.2 hours) and a final voltage of 2.0 V The constant current discharge was performed.

それぞれの試験結果について、比較例2の電池の性能を基準として各電池の性能の比を表2に示す。   For each test result, the performance ratio of each battery is shown in Table 2 based on the performance of the battery of Comparative Example 2.

表2から明らかなように、LiFePOに対して置換元素としてMgを適用した場合には、これを正極活物質として用いた電池は、LiFePOを正極活物質として用いた電池に比べて、放電性能が向上することはなく、逆に悪化するか又は同程度であることがわかった。 As is apparent from Table 2, when Mg is applied as a substitution element to LiFePO 4 , the battery using this as the positive electrode active material is discharged more than the battery using LiFePO 4 as the positive electrode active material. It was found that the performance did not improve, but on the contrary deteriorated or comparable.

一般に、リチウム二次電池用正極活物質に用いる遷移金属化合物の、遷移金属サイトの一部を他の元素で置換する試みは、正方晶スピネル構造のLiMnなど他の活物質における例を挙げるまでもなく多数検討されている。しかしながら、異種元素置換がもたらす効果については活物質ごとに異なっており、当該技術分野においては、異なる材料において発現した効果が別の材料においても同様に発現するかどうかについては全く予測が困難であることは論を待たない。 In general, the transition metal compound used in the positive electrode active material for a lithium secondary battery is attempted to replace a part of the transition metal site with another element, as an example in other active materials such as LiMn 2 O 4 having a tetragonal spinel structure. Many have been studied, not to mention. However, the effects of substitution of different elements vary depending on the active material, and in this technical field, it is quite difficult to predict whether the effects manifested in different materials will be manifested in other materials as well. I don't wait for that.

比較例2〜5に示したように、LiFePOに対してFeの一部をMgで置換した場合には放電性能が全く向上しないか又は悪化したことをみても、LiMnBOに対してMnの一部を置換する元素としてMgを選択することにより、高率放電性能が優れる結果となったことについては、全く予測できない。しかも、Mgは電気化学的酸化還元に伴って価数変化する元素ではないから、比較例2〜5に示すように、放電性能が低下したということであれば予測が可能であるといえるとしても、放電容量が逆に向上することについては到底予測できるものではない。 As shown in Comparative Examples 2-5, even looking at the discharge performance was or worse not at all improved when a portion of Fe with respect to LiFePO 4 was replaced by Mg, the Mn against LiMnBO 3 It cannot be predicted at all that the high-rate discharge performance is excellent by selecting Mg as an element to replace a part. Moreover, since Mg is not an element that changes in valence with electrochemical redox, as shown in Comparative Examples 2 to 5, even if it can be said that the prediction is possible if the discharge performance is reduced. However, it is impossible to predict that the discharge capacity will be improved.

然して、LiMnBOに対して置換元素としてMgを適用することで、LiMnBOに比べて、これを正極活物質として用いた電池の放電性能が向上する作用機構についても、必ずしも明らかではない。 Thus, by applying the Mg as substituent element relative LiMnBO 3, compared to LiMnBO 3, which will also act mechanism discharging performance of the battery can be improved using as a positive electrode active material, it is not necessarily clear.

しかし、本発明者らは、上記した予測できない驚くべき結果を前にして、本発明の作用機構についていくつかの推察を行うことができる。即ち、ホウ酸マンガンリチウム化合物においてMnは2価の価数を取る元素であるところ、Mgも2価の価数を取り、しかもイオン半径も近い元素であることが放電性能を向上させる結果を導いた原因ではないかと推察している。また、実施例1で合成したLiMn0.95Mg0.05BOの粉末エックス線回折ピークが若干高角度側にピークシフトしていたことから、Mg置換により格子定数が縮小していることが示唆された。このことから、この結晶の微小な変化が、LiMnBOにおけるLiイオンの吸蔵・放出に伴う抵抗を減少させる作用を及ぼした可能性があるのではないかと本発明者らは推察している。 However, the present inventors can make some inferences about the mechanism of action of the present invention in the face of the surprising and unexpected results described above. That is, in the lithium manganese borate compound, Mn is an element that takes a divalent valence, and Mg also takes a divalent valence and has an ionic radius close to that leads to an improvement in discharge performance. I guess that is the cause. In addition, the powder X-ray diffraction peak of LiMn 0.95 Mg 0.05 BO 3 synthesized in Example 1 was slightly shifted to the higher angle side, suggesting that the lattice constant was reduced by Mg substitution. It was done. From this, the present inventors speculate that the minute change of this crystal may have the effect of reducing the resistance associated with the insertion and release of Li ions in LiMnBO 3 .

本発明によれば、エネルギー密度に優れたホウ酸マンガンリチウム化合物からなるリチウム二次電池用正極活物質とそれを用いたリチウム二次電池を提供できるので、今後の展開が期待される電気自動車等、産業用電池において特に高容量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, it is possible to provide a positive electrode active material for a lithium secondary battery composed of a lithium manganese borate compound excellent in energy density and a lithium secondary battery using the same, and therefore, electric vehicles and the like that are expected to be developed in the future The battery is suitable for application in a field that requires a particularly high capacity in industrial batteries, and its industrial applicability is extremely large.

実施例に係るリチウム二次電池の充放電挙動を示す図である。It is a figure which shows the charge / discharge behavior of the lithium secondary battery which concerns on an Example. 比較例に係るリチウム二次電池の充放電挙動を示す図である。It is a figure which shows the charge / discharge behavior of the lithium secondary battery which concerns on a comparative example.

Claims (2)

ホウ酸マンガンリチウム(LiMnBO)のMnの一部がMgで置換された化合物を含むリチウム二次電池用正極活物質。 A positive electrode active material for a lithium secondary battery, comprising a compound in which a part of Mn of lithium manganese borate (LiMnBO 3 ) is substituted with Mg. 請求項1記載の正極活物質を含む正極と、負極と、非水電解質を備えたリチウム二次電池。 The lithium secondary battery provided with the positive electrode containing the positive electrode active material of Claim 1, a negative electrode, and the nonaqueous electrolyte.
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