JP5445841B2 - Method for producing electrode active material - Google Patents

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Description

本発明は、リチウム二次電池に用いられる電極活物質(典型的には正極活物質)の製造方法に関する。詳しくは、アモルファス構造を有する電極活物質の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for producing an electrode active material (typically a positive electrode active material) used for a lithium secondary battery. In detail, it is related with the manufacturing method of the electrode active material which has an amorphous structure.

近年、リチウム二次電池やニッケル水素電池等の二次電池は、電気を駆動源とする車両搭載用電源、あるいはパソコン及び携帯端末その他の電気製品等に搭載される電源として重要性が高まっている。特に、軽量で高エネルギー密度が得られるリチウム二次電池(典型的にはリチウムイオン電池)は、車両搭載用高出力電源として好ましく用いられるものとして期待されている。
リチウム二次電池は、電荷担体となるリチウムイオンを可逆的に吸蔵および放出し得る材料(電極活物質)が導電性部材(電極集電体)に保持された構成の電極を備え、さらなる高エネルギー密度化および高出力化を実現するため電極活物質材料の検討が行われている。例えば、リチウム二次電池の正極に用いられる正極活物質としては、リチウム(Li)と少なくとも1種の遷移金属元素を含む、層状構造またはスピネル構造等を有するリチウム含有複合酸化物が挙げられる。
In recent years, secondary batteries such as lithium secondary batteries and nickel metal hydride batteries have become increasingly important as power sources mounted on vehicles using electricity as a drive source, or power sources mounted on personal computers, portable terminals, and other electrical products. . In particular, a lithium secondary battery (typically a lithium ion battery) that is lightweight and obtains a high energy density is expected to be preferably used as a high-output power source mounted on a vehicle.
A lithium secondary battery includes an electrode having a configuration in which a material (electrode active material) capable of reversibly occluding and releasing lithium ions serving as a charge carrier is held in a conductive member (electrode current collector), and further increases energy. In order to achieve higher density and higher output, electrode active material materials are being studied. For example, as a positive electrode active material used for a positive electrode of a lithium secondary battery, a lithium-containing composite oxide having a layered structure, a spinel structure, or the like containing lithium (Li) and at least one transition metal element can be given.

上記リチウム二次電池用の電極活物質の製造方法に関連する従来技術として、特許文献1には、スピネル型の結晶構造を有するLiMMn2−x(0<x<2)の製造方法について開示されている。その方法は、原料を揮発性溶媒に溶解し、電圧を印加したノズルから基板に噴霧して付着させ析出させるものである。また、特許文献2および3には、リチウム二次電池用の電極活物質として、アモルファス化(非晶質化)されてなる酸化物について開示されている。アモルファス構造を有する酸化物を電極活物質として用いた電池では、リチウムイオンの挿入位置が不規則で結晶構造上の制限がなくなるため、リチウムイオンの吸蔵量を多くできるようになり、さらなる高容量化または高エネルギー密度化を実現し得る電極活物質として期待されている。 As a conventional technique related to the method for producing an electrode active material for a lithium secondary battery, Patent Document 1 discloses production of LiM x Mn 2−x O 4 (0 <x <2) having a spinel crystal structure. A method is disclosed. In this method, a raw material is dissolved in a volatile solvent, and is sprayed and deposited on a substrate from a nozzle to which a voltage is applied. Patent Documents 2 and 3 disclose oxides made amorphous (amorphized) as electrode active materials for lithium secondary batteries. In batteries using an oxide with an amorphous structure as the electrode active material, the insertion position of lithium ions is irregular and there are no restrictions on the crystal structure, so the amount of lithium ion occlusion can be increased and the capacity is further increased. Alternatively, it is expected as an electrode active material that can realize high energy density.

特開2002−260656号公報JP 2002-260656 A 特開平6−275277号公報JP-A-6-275277 特開2005−135866号公報JP 2005-135866 A

ところで、上記アモルファス構造を有するリチウム含有複合酸化物を製造する方法としては、上記特許文献2および3に記載のあるように、原料となる粉末状の化合物を所定の組成となるように混合し、原料混合物が溶融する温度で焼成した後に急冷する方法(溶融急冷法)や、粉砕混合した原料混合物を粉末ターゲットとしてスパッタリングする方法(スパッタリング法)などが挙げられる。しかしながら、従来公知の方法を用いて製造されるアモルファス構造を有する複合酸化物は、粒径がμmオーダー程度であるため、電池容量を向上させることが困難であった。また、非常に高温での焼成を製造工程に含むなど、製造コスト面や作業性という点で課題があった。   By the way, as a method for producing the lithium-containing composite oxide having the amorphous structure, as described in Patent Documents 2 and 3, a powdery compound as a raw material is mixed so as to have a predetermined composition, Examples thereof include a method of quenching after firing at a temperature at which the raw material mixture melts (melting and quenching method), a method of sputtering using a ground and mixed raw material mixture as a powder target (sputtering method), and the like. However, since the composite oxide having an amorphous structure manufactured using a conventionally known method has a particle size of the order of μm, it is difficult to improve the battery capacity. In addition, there are problems in terms of manufacturing cost and workability, such as including extremely high temperature firing in the manufacturing process.

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、これまでにない低温域での焼成で、粒径のより小さいアモルファス構造を有する複合酸化物からなるリチウム二次電池用の電極活物質を製造する方法を提供することである。また、そのような製造方法で製造された電極活物質を使用した正極を備えるリチウム二次電池の提供を他の目的とする。   The present invention has been made in view of such points, and an object of the present invention is to provide a lithium secondary battery made of a complex oxide having an amorphous structure with a smaller particle size by firing at a low temperature range that has never been achieved. It is to provide a method of manufacturing an electrode active material for use. Another object of the present invention is to provide a lithium secondary battery including a positive electrode using an electrode active material manufactured by such a manufacturing method.

上記目的を実現するべく本発明により、アモルファス構造を有する複合酸化物であって、リチウムと、少なくとも1種の遷移金属元素と、酸素と共に酸化物の形態でガラス形成可能な少なくとも1種の元素とを含む、複合酸化物からなるリチウム二次電池用の電極活物質を製造する方法が提供される。
ここに開示される製造方法は、1)少なくともリチウム源と、上記遷移金属元素源と、上記ガラス形成可能元素源とを包含する、上記複合酸化物を構成するための出発原料を有機溶剤に溶解させて原料混合物を調製する工程、2)上記原料混合物を加熱して上記有機溶剤を揮発させる工程、および3)上記有機溶剤を揮発させた後の原料混合物を焼成する工程、を包含することを特徴とする。
In order to achieve the above object, according to the present invention, a composite oxide having an amorphous structure, lithium, at least one transition metal element, and at least one element capable of forming glass in the form of an oxide together with oxygen, A method for producing an electrode active material for a lithium secondary battery comprising a composite oxide is provided.
The manufacturing method disclosed here is: 1) Dissolving a starting material for constituting the composite oxide in an organic solvent including at least a lithium source, the transition metal element source, and the glass-forming element source. And 2) heating the raw material mixture to volatilize the organic solvent, and 3) firing the raw material mixture after volatilizing the organic solvent. Features.

なお、本明細書において「リチウム二次電池」とは、電解質イオンとしてリチウムイオンを利用し、正負極間のリチウムイオンの移動により充放電が実現される二次電池をいう。一般に、リチウムイオン電池と称される二次電池は、本明細書におけるリチウム二次電池に包含される典型例である。
また、本明細書において「電極活物質」とは、二次電池において電荷担体となる化学種(すなわちリチウムイオン)を可逆的に吸蔵および放出(典型的には挿入および脱離)可能な物質をいう。
In the present specification, the “lithium secondary battery” refers to a secondary battery that uses lithium ions as electrolyte ions and is charged and discharged by movement of lithium ions between the positive and negative electrodes. In general, a secondary battery referred to as a lithium ion battery is a typical example included in the lithium secondary battery in this specification.
In this specification, the “electrode active material” refers to a substance capable of reversibly occluding and releasing (typically inserting and removing) chemical species (that is, lithium ions) serving as charge carriers in a secondary battery. Say.

層状構造またはスピネル構造等を有するリチウム含有の複合酸化物は、結晶性が高く微細粒であるほど該酸化物を電極活物質(典型的には正極活物質)として使用したリチウム二次電池は優れた電池特性(例えばサイクル特性、ハイレート特性)を有することが知られる。他方、本発明に係る製造方法で得られる複合酸化物は、アモルファス構造(非晶質構造)を有しているため、上述のような特定の結晶構造を有していない。しかしながら、アモルファス構造を有する複合酸化物は、リチウムイオンの挿入位置が不規則で結晶構造上の制限がなくなるため、リチウムイオンを多く吸蔵することができるようになり、さらなる高容量化または高エネルギー密度化を実現し得る電極活物質として期待されている。
本発明によって提供される製造方法では、溶融急冷法やスパッタリング法などの従来とは異なる方法を用いることにより、リチウムと、少なくとも1種の遷移金属元素と、酸素と共に酸化物の形態でガラス形成可能な少なくとも1種の元素(例えばB、Al、Si、P、Ge、Te、Ga、Bi等)とを含むアモルファス構造を有する複合酸化物からなるリチウム二次電池用の電極活物質を製造するものである。
A lithium-containing composite oxide having a layered structure or a spinel structure is superior in lithium secondary battery using the oxide as an electrode active material (typically, a positive electrode active material) as the crystallinity is higher and the particle size is finer. It is known that the battery characteristics (for example, cycle characteristics, high rate characteristics) are good. On the other hand, since the composite oxide obtained by the production method according to the present invention has an amorphous structure (amorphous structure), it does not have the specific crystal structure as described above. However, complex oxides with an amorphous structure can store a large amount of lithium ions because the insertion positions of lithium ions are irregular and there are no restrictions on the crystal structure. It is expected as an electrode active material that can be realized.
In the manufacturing method provided by the present invention, glass can be formed in the form of an oxide together with lithium, at least one transition metal element, and oxygen by using a method different from the conventional method such as a melt quenching method or a sputtering method. Producing an electrode active material for a lithium secondary battery comprising a complex oxide having an amorphous structure containing at least one element (for example, B, Al, Si, P, Ge, Te, Ga, Bi, etc.) It is.

かかる製造方法とは、まず、少なくともリチウム源と、上記遷移金属元素源と、上記ガラス形成可能元素源とを包含する複合酸化物を構成するための出発原料を有機溶剤に溶解させて原料混合物を調製し、該原料混合物を加熱して有機溶剤を揮発(蒸発)させる(典型的には、該原料混合物を乾燥させる)。そして、さらに有機溶剤を揮発させた後の原料混合物を焼成する工程を含む。上記工程を含む製造方法によると、従来の製造方法で得られるアモルファス構造を有する複合酸化物の粒径(例えば溶融急冷法では平均粒径3μm程度)よりも、粒径が小さい(走査型電子顕微鏡観察に基づく平均粒径が、典型的には1μm以下、例えば100nm〜500nm、好適には概ね200〜300nm程度)アモルファス構造を有する複合酸化物が得られる。従って、本発明によると、リチウム二次電池の高容量化または高エネルギー密度化が実現可能な複合酸化物からなるリチウム二次電池用の電極活物質を提供することができる。   Such a production method includes first dissolving a starting material for constituting a composite oxide containing at least a lithium source, the transition metal element source, and the glass-forming element source in an organic solvent to form a raw material mixture. Prepare and heat the raw material mixture to volatilize (evaporate) the organic solvent (typically dry the raw material mixture). And the process of baking the raw material mixture after volatilizing an organic solvent is further included. According to the manufacturing method including the above steps, the particle size is smaller than the particle size of the composite oxide having an amorphous structure obtained by the conventional manufacturing method (for example, an average particle size of about 3 μm in the melt quenching method) (scanning electron microscope). The average particle diameter based on observation is typically 1 μm or less, for example, 100 nm to 500 nm, preferably about 200 to 300 nm), and a composite oxide having an amorphous structure is obtained. Therefore, according to the present invention, it is possible to provide an electrode active material for a lithium secondary battery made of a composite oxide capable of realizing a high capacity or high energy density of the lithium secondary battery.

ここに開示される製造方法の好ましい一態様では、上記揮発工程の終了後、上記有機溶剤を揮発させた後の原料混合物を100℃以下の温度で保持する工程を包含する。
原料混合物を加熱して有機溶剤を揮発させた後、100℃以下の温度で保持する(典型的には、加熱した原料混合物の温度を一旦100℃以下まで降温させる)ことにより、かかる製造方法で得られる複合酸化物から、充放電に寄与しないLiPOの含有量を減少することができる。その結果、より高い電池容量または高いエネルギー密度を有するリチウム二次電池を構築し得るリチウム二次電池用の電極活物質を提供することができる。
A preferable embodiment of the production method disclosed herein includes a step of holding the raw material mixture after volatilizing the organic solvent at a temperature of 100 ° C. or less after the volatilization step.
After the raw material mixture is heated to volatilize the organic solvent, it is maintained at a temperature of 100 ° C. or lower (typically, the temperature of the heated raw material mixture is once lowered to 100 ° C. or lower). The content of Li 3 PO 4 that does not contribute to charge / discharge can be reduced from the obtained composite oxide. As a result, an electrode active material for a lithium secondary battery capable of constructing a lithium secondary battery having a higher battery capacity or higher energy density can be provided.

また、ここに開示される製造方法の好ましい他の一態様では、上記揮発工程では、少なくとも100℃を上回る温度であって、上記焼成工程における最高焼成温度を下回る温度で上記原料混合物を加熱する。
上記揮発工程では、原料混合物に含まれる有機溶剤が揮発する温度(使用する有機溶剤の沸点又はその近傍の温度であって、例えば、沸点±20℃)で加熱する。かかる加熱温度としては、100℃を上回る温度であること、且つ、その後の焼成工程における最高焼成温度を下回る温度であることが好ましい。その結果、より効果的に有機溶媒を揮発させることが可能となる。
In another preferred embodiment of the production method disclosed herein, in the volatilization step, the raw material mixture is heated at a temperature that is at least higher than 100 ° C. and lower than the maximum firing temperature in the firing step.
In the volatilization step, heating is performed at a temperature at which the organic solvent contained in the raw material mixture volatilizes (the boiling point of the organic solvent to be used or a temperature in the vicinity thereof, for example, boiling point ± 20 ° C.). The heating temperature is preferably higher than 100 ° C. and lower than the maximum baking temperature in the subsequent baking step. As a result, the organic solvent can be volatilized more effectively.

また、好ましくは、上記焼成工程では上記最高焼成温度を400℃以下に設定する。
このような低めの最高焼成温度(加熱炉などの装置に設定する焼成温度をいう)で焼成が可能であることから、より効率的に目的とするアモルファス構造を有する複合酸化物からなるリチウム二次電池用の電極活物質を製造することができる。
Preferably, in the firing step, the maximum firing temperature is set to 400 ° C. or lower.
Since the firing is possible at such a lower maximum firing temperature (referring to the firing temperature set in an apparatus such as a heating furnace), the lithium secondary composed of a composite oxide having a target amorphous structure more efficiently. An electrode active material for a battery can be produced.

好ましい他の一態様では、上記原料混合物は、一般式:
LiMX (1)
(式(1)中のa,bおよびcは、
0<a≦2.5、
0<b≦3、
c={a+(Mの価数)+b×(Xの価数)}/2
を全て満足する数であり、
Mは、少なくとも1種の遷移金属元素であって、Xは、酸素と共に酸化物の形態でガラス形成可能な少なくとも1種の元素である。)
で示される複合酸化物が生成されるように調製する。
In another preferred embodiment, the raw material mixture has the general formula:
Li a MX b O c (1)
(A, b and c in the formula (1) are
0 <a ≦ 2.5,
0 <b ≦ 3,
c = {a + (valence of M) + b × (valence of X)} / 2
Is a number that satisfies all
M is at least one transition metal element, and X is at least one element capable of forming glass in the form of an oxide with oxygen. )
To prepare a composite oxide represented by

また、好ましい他の一態様では、上記M元素は、マンガン(Mn)、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)および鉄(Fe)から成る群から選択される1種又は2種以上の元素を含む。特に好ましくは、上記M元素は、マンガン(Mn)、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)および鉄(Fe)から成る群から選択される1種又は2種以上の元素である。
かかる遷移金属元素を含む複合酸化物からなる電極活物質は、より多くの電荷担体(リチウム)を吸蔵し得る。その結果、より高容量のリチウム二次電池を提供することができる。
In another preferable aspect, the M element includes one or more elements selected from the group consisting of manganese (Mn), nickel (Ni), cobalt (Co), and iron (Fe). . Particularly preferably, the M element is one or more elements selected from the group consisting of manganese (Mn), nickel (Ni), cobalt (Co), and iron (Fe).
An electrode active material made of a composite oxide containing such a transition metal element can occlude more charge carriers (lithium). As a result, a higher capacity lithium secondary battery can be provided.

また、他の一態様では、上記X元素は、ホウ素(B)、リン(P)、およびケイ素(Si)から成る群から選択される1種又は2種以上の元素を含む。特に好ましくは、上記X元素は、ホウ素(B)、リン(P)、およびケイ素(Si)から成る群から選択される1種又は2種以上の元素である。
上記ホウ素(B)、リン(P)、およびケイ素(Si)は、酸素と共に酸化物(B、P、およびSiO)の形態でガラス形成可能な元素である。従って、かかる元素の元素源を用いて原料混合物を調製することにより、特定の結晶構造を持たないアモルファス構造の複合酸化物を好適に得ることができる。
In another embodiment, the element X includes one or more elements selected from the group consisting of boron (B), phosphorus (P), and silicon (Si). Particularly preferably, the X element is one or more elements selected from the group consisting of boron (B), phosphorus (P), and silicon (Si).
Boron (B), phosphorus (P), and silicon (Si) are elements capable of forming glass in the form of oxides (B 2 O 3 , P 2 O 5 , and SiO 2 ) together with oxygen. Therefore, by preparing a raw material mixture using an element source of such an element, an amorphous structure composite oxide having no specific crystal structure can be suitably obtained.

さらに、好ましくは、上記リチウム源及び/又は上記遷移金属元素源として当該元素を含む化合物の水和物を使用する。
水和物を使用して原料混合物を調製すると、上述の有機溶剤が揮発されて固化した原料混合物が100℃以下の温度で保持されると、原料混合物はゲル状に変化する。これにより、より高容量または高エネルギー密度を実現し得るリチウム二次電池用の電極活物質を提供することができる。
Further, preferably, a hydrate of a compound containing the element is used as the lithium source and / or the transition metal element source.
When a raw material mixture is prepared using a hydrate, the raw material mixture changes into a gel when the above-mentioned organic solvent is volatilized and the solidified raw material mixture is maintained at a temperature of 100 ° C. or lower. Thereby, the electrode active material for lithium secondary batteries which can implement | achieve a higher capacity | capacitance or a high energy density can be provided.

また、本発明によって提供される製造方法の好ましい他の一態様では、上記焼成工程後に得られた焼成物を粉砕する工程をさらに包含する。
焼成物を粉砕し粒状にすることにより、アモルファス構造を有する複合酸化物の比表面積を大きくすることが可能となる。これにより、リチウム二次電池のさらなる高容量化が実現される。
In another preferred embodiment of the production method provided by the present invention, the method further includes a step of pulverizing the fired product obtained after the firing step.
By pulverizing and granulating the fired product, the specific surface area of the composite oxide having an amorphous structure can be increased. Thereby, further increase in capacity of the lithium secondary battery is realized.

また、ここに開示されるいずれかの製造方法によると、アモルファス構造を有する複合酸化物は、走査型電子顕微鏡観察に基づく平均粒径が1μm以下であることを特徴とする。
平均粒径が典型的には1μm以下(例えば100nm〜500nm、好適には概ね200〜300nm程度)の微小粒径のアモルファス構造を有する複合酸化物からなる電極活物質を用いることにより、高い電池容量を有するリチウム二次電池を提供することができる。
Further, according to any of the production methods disclosed herein, the composite oxide having an amorphous structure is characterized in that the average particle diameter based on observation with a scanning electron microscope is 1 μm or less.
By using an electrode active material composed of a composite oxide having an amorphous structure with a fine particle diameter, typically having an average particle diameter of 1 μm or less (for example, 100 nm to 500 nm, preferably about 200 to 300 nm), a high battery capacity is achieved. A lithium secondary battery having the above can be provided.

また、本発明は、上記目的を実現する他の側面として、上記リチウム二次電池用の電極活物質を使用した正極を備える、リチウム二次電池を提供する。
さらに、本発明によると、ここに開示されるリチウム二次電池を備える車両を提供する。本発明によって提供されるリチウム二次電池は、特に車両に搭載される電池の電源として適した性能(例えば高容量または高エネルギー密度)を示すものであり得る。したがって、ここに開示されるリチウム二次電池は、ハイブリッド自動車、電気自動車のような電動機を備える自動車等の車両に搭載されるモーター(電動機)用の電源として好適に使用され得る。
Moreover, this invention provides a lithium secondary battery provided with the positive electrode which uses the said electrode active material for lithium secondary batteries as another side surface which implement | achieves the said objective.
Furthermore, according to this invention, the vehicle provided with the lithium secondary battery disclosed here is provided. The lithium secondary battery provided by the present invention may exhibit performance (for example, high capacity or high energy density) suitable as a power source for a battery mounted on a vehicle. Therefore, the lithium secondary battery disclosed herein can be suitably used as a power source for a motor (electric motor) mounted on a vehicle such as an automobile equipped with an electric motor such as a hybrid vehicle or an electric vehicle.

一実施形態に係るリチウム二次電池の外形を模式的に示す斜視図である。It is a perspective view which shows typically the external shape of the lithium secondary battery which concerns on one Embodiment. 図1におけるII−II線断面図である。It is the II-II sectional view taken on the line in FIG. 電極体を捲回して作製する状態を模式的に示す斜視図である。It is a perspective view which shows typically the state which winds and produces an electrode body. 一実施形態に係るリチウム二次電池を備えた車両(自動車)を模式的に示す側面図である。It is a side view showing typically a vehicle (automobile) provided with a lithium secondary battery concerning one embodiment. 実施例1に係る複合酸化物のSEM像である。2 is a SEM image of a complex oxide according to Example 1. 比較例に係る複合酸化物のSEM像である。It is a SEM image of complex oxide concerning a comparative example. 実施例1に係る複合酸化物を用いて構築したリチウム二次電池の充放電特性を示すグラフである。4 is a graph showing charge / discharge characteristics of a lithium secondary battery constructed using the composite oxide according to Example 1. FIG. 比較例に係る複合酸化物を用いて構築したリチウム二次電池の充放電特性を示すグラフである。It is a graph which shows the charging / discharging characteristic of the lithium secondary battery constructed | assembled using the complex oxide which concerns on a comparative example. 温度保持行程を省略して得られた複合酸化物(実施例2)と、温度保持行程を経て得られた複合酸化物(実施例3)のXRD測定による回折パターンを比較するグラフである。It is a graph which compares the diffraction pattern by the XRD measurement of the complex oxide (Example 2) obtained by omitting a temperature holding process, and the complex oxide (Example 3) obtained through the temperature holding process. 温度保持行程を省略して得られた複合酸化物(実施例2)と、温度保持行程を経て得られた複合酸化物(実施例3)をそれぞれ用いて構築したリチウム二次電池の充放電特性を示すグラフである。Charging / discharging characteristics of a lithium secondary battery constructed using the composite oxide obtained by omitting the temperature holding process (Example 2) and the composite oxide obtained through the temperature holding process (Example 3), respectively. It is a graph which shows.

以下、本発明の好適な実施形態を説明する。なお、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本発明は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described. Note that matters other than matters specifically mentioned in the present specification and necessary for the implementation of the present invention can be grasped as design matters of those skilled in the art based on the prior art in this field. The present invention can be carried out based on the contents disclosed in this specification and common technical knowledge in the field.

本発明によって提供される電極活物質は、アモルファス構造を有する複合酸化物からなるリチウム二次電池用の電極活物質(典型的には正極活物質)であり、リチウムと、少なくとも1種の遷移金属元素と、酸素と共に酸化物の形態でガラス形成可能な少なくとも1種の元素とを含む複合酸化物により構成される。以下、上記電極活物質および該活物質の製造方法を詳細に説明するが、本発明をかかる実施形態に限定することを意図したものではない。   The electrode active material provided by the present invention is an electrode active material for lithium secondary batteries (typically a positive electrode active material) made of a complex oxide having an amorphous structure, and lithium and at least one transition metal The composite oxide includes an element and at least one element capable of forming glass in the form of an oxide together with oxygen. Hereinafter, although the said electrode active material and the manufacturing method of this active material are demonstrated in detail, it is not intending to limit this invention to this embodiment.

まず、本実施形態に係るリチウム二次電池用の電極活物質(典型的には正極活物質)について説明する。ここに開示される電極活物質は、アモルファス構造(非晶質構造)を有する複合酸化物により構成されている。本発明に係るアモルファス構造を有する複合酸化物は、層状構造やスピネル構造などといった特定の結晶構造を有さない、非晶質型のものである。層状構造やスピネル構造等の結晶構造を有する複合酸化物は、結晶性が高く微細粒であるほど該酸化物を電極活物質として使用したリチウム二次電池は優れた電池特性(例えばサイクル特性、ハイレート特性)を有することが知られる。かかる原理からすると、アモルファス構造を有する複合酸化物は、上記特定の結晶構造を有する複合酸化物とは背反する構造を備え、電池特性の向上においてはリチウム二次電池用の電極活物質として不向きなものであるように思われる。しかしながら、アモルファス構造を有する複合酸化物は、非晶質型である故に、リチウムイオンの挿入位置が不規則で結晶構造上の制限がなくなるため、リチウムイオンを多く吸蔵することができる可能性を有している。そのため、高容量化または高エネルギー密度化を実現し得る電極活物質として期待される。   First, an electrode active material (typically a positive electrode active material) for a lithium secondary battery according to the present embodiment will be described. The electrode active material disclosed here is composed of a complex oxide having an amorphous structure (amorphous structure). The composite oxide having an amorphous structure according to the present invention is an amorphous type having no specific crystal structure such as a layered structure or a spinel structure. A composite oxide having a crystal structure such as a layered structure or a spinel structure has excellent battery characteristics (for example, cycle characteristics, high rate) as the lithium secondary battery using the oxide as an electrode active material has higher crystallinity and finer grains. Characteristic). Based on this principle, the complex oxide having an amorphous structure has a structure contrary to the complex oxide having the specific crystal structure, and is not suitable as an electrode active material for a lithium secondary battery in improving battery characteristics. Seems to be. However, since complex oxides with an amorphous structure are amorphous, the insertion positions of lithium ions are irregular and there are no restrictions on the crystal structure, so there is a possibility that a large amount of lithium ions can be occluded. doing. Therefore, it is expected as an electrode active material that can realize high capacity or high energy density.

次いで、本実施形態に係るアモルファス構造を有する複合酸化物からなるリチウム二次電池用の電極活物質(典型的には正極活物質)を製造する方法について説明する。
ここに開示される製造方法はリチウムと、少なくとも1種の遷移金属元素と、酸素と共に酸化物の形態でガラス形成可能な少なくとも1種の元素とを含む、アモルファス構造を有する複合酸化物からなるリチウム二次電池用の電極活物質を製造する方法を製造する方法である。かかる製造方法は、大まかにいって、上記複合酸化物を構成するための出発原料を有機溶剤に溶解させて原料混合物を調製する工程と、該原料混合物を加熱した有機溶剤を揮発させる工程と、焼成する工程とを含む。以下、詳細に説明する。
Next, a method for producing an electrode active material (typically a positive electrode active material) for a lithium secondary battery made of a complex oxide having an amorphous structure according to this embodiment will be described.
The manufacturing method disclosed herein includes lithium, at least one transition metal element, and lithium composed of a complex oxide having an amorphous structure including oxygen and at least one element capable of forming a glass in an oxide form. This is a method for producing a method for producing an electrode active material for a secondary battery. In general, the production method includes a step of preparing a raw material mixture by dissolving a starting raw material for constituting the composite oxide in an organic solvent, a step of volatilizing an organic solvent obtained by heating the raw material mixture, and Firing. Details will be described below.

<出発原料>
まず、リチウムと、少なくとも1種の遷移金属元素と、酸素と共に酸化物の形態でガラス形成可能な少なくとも1種の元素とを含むアモルファス構造を有する複合酸化物を構成するための出発原料を用意する。かかる出発原料として、少なくともリチウム源と、上記遷移金属元素源と、上記ガラス形成可能元素源とを用意する。各元素の供給源として、1種の化合物を使用してもよく、2種以上を混合して使用してもよい。また、2種以上の元素の供給源として機能する原料化合物を使用することができる。例えば、上記遷移金属元素源としてニッケル源が、上記ガラス形成可能元素源としてリン源がそれぞれ必要である場合、リン酸ニッケル水和物等を使用することができる。
<Starting material>
First, a starting material for preparing a composite oxide having an amorphous structure including lithium, at least one transition metal element, and at least one element capable of forming glass in the form of an oxide together with oxygen is prepared. . As the starting material, at least a lithium source, the transition metal element source, and the glass-forming element source are prepared. As a supply source of each element, one type of compound may be used, or two or more types may be mixed and used. Moreover, the raw material compound which functions as a supply source of 2 or more types of elements can be used. For example, when a nickel source is required as the transition metal element source and a phosphorus source is required as the glass-forming element source, nickel phosphate hydrate or the like can be used.

上記出発原料の一つであるリチウム源を包含する化合物としては、溶媒(ここでは有機溶剤)に溶解し得る(一部は分散していてもよい)ものであれば特に限定されず、各種のリチウム化合物を用いることができる。例えば、水酸化リチウム、炭酸リチウム、硫酸リチウム、硝酸リチウム、過酸化リチウム、リン酸リチウム、シュウ酸リチウム、酢酸リチウムおよびヨウ化リチウム等を用いるとよい。特に好ましい例として、酢酸リチウム・二水和物〔Li(CHCOO)・2HO〕などの水和物が挙げられる。 The compound including a lithium source that is one of the above starting materials is not particularly limited as long as it can be dissolved in a solvent (here, an organic solvent) (some of which may be dispersed). Lithium compounds can be used. For example, lithium hydroxide, lithium carbonate, lithium sulfate, lithium nitrate, lithium peroxide, lithium phosphate, lithium oxalate, lithium acetate, or lithium iodide may be used. Particularly preferred examples include hydrates such as lithium acetate dihydrate [Li (CH 3 COO) · 2H 2 O].

上記遷移金属元素源としては、特に限定されるものではないが、好適な具体例として、マンガン(Mn)、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)および鉄(Fe)から成る群から選択される1種又は2種以上の遷移金属元素を包含する化合物が挙げられる。特に好ましくは、Mnを包含する化合物である。
かかる遷移金属元素を包含する化合物とは、溶媒(ここでは有機溶剤)に溶解し得る(一部は分散していてもよい)、各種遷移金属元素の水酸化物、酸化物、各種の塩(例えば炭酸塩)、ハロゲン化物(例えばフッ化物)等の化合物が選択され得る。
The transition metal element source is not particularly limited but is preferably selected from the group consisting of manganese (Mn), nickel (Ni), cobalt (Co) and iron (Fe). A compound including a seed or two or more kinds of transition metal elements is exemplified. Particularly preferred are compounds including Mn.
The compound including such a transition metal element can be dissolved in a solvent (here, an organic solvent) (partly may be dispersed), various transition metal element hydroxides, oxides, various salts ( For example, compounds such as carbonate) and halides (eg fluoride) can be selected.

例えば、上記マンガン源を包含する化合物としては、例えば、酢酸マンガン、シュウ酸マンガン、炭酸マンガン、酸化マンガン、硫酸マンガン、硝酸マンガン、水酸化マンガン、オキシ水酸化マンガンなどのおもに2価あるいは4価のマンガン化合物を用いることができる。特に好ましい例として、酢酸マンガン(II)・四水和物〔Mn(CHCOO)・4HO〕または硫酸マンガンが挙げられる。
また、上記ニッケル源を包含する化合物としては、例えば、酢酸ニッケル、シュウ酸ニッケル、炭酸ニッケル、酸化ニッケル、硫酸ニッケル、硝酸ニッケル、水酸化ニッケル、オキシ水酸化ニッケルなどのおもに2価あるいは3価のニッケル化合物を用いることができる。特に好ましい例として、酢酸ニッケル(II)・四水和物〔Ni(CHCOO)・4HO〕が挙げられる。
さらに、上記コバルト源を包含する化合物としては、例えば、酢酸コバルト、シュウ酸コバルト、炭酸コバルト、酸化コバルト、硫酸コバルト、硝酸コバルト、水酸化コバルト、オキシ水酸化コバルトなどのおもに2価あるいは3価のコバルト化合物を用いることができる。特に好ましい例として、酢酸コバルト(II)・四水和物〔Co(CHCOO)・4HO〕が挙げられる。
さらに、上記鉄源を包含する化合物としては、例えば、おもに2価あるいは3価の塩化鉄、酸化鉄、シュウ酸鉄、炭酸鉄、酸化鉄、硫酸鉄、硝酸鉄、水酸化鉄などの鉄化合物をいずれも好適に用いることができる。
For example, examples of the compound containing the manganese source include mainly divalent or tetravalent manganese acetate, manganese oxalate, manganese carbonate, manganese oxide, manganese sulfate, manganese nitrate, manganese hydroxide, manganese oxyhydroxide, and the like. Manganese compounds can be used. Particularly preferable examples include manganese acetate (II) tetrahydrate [Mn (CH 3 COO) 2 .4H 2 O] or manganese sulfate.
Examples of the compound containing the nickel source include mainly divalent or trivalent nickel acetate, nickel oxalate, nickel carbonate, nickel oxide, nickel sulfate, nickel nitrate, nickel hydroxide, nickel oxyhydroxide and the like. Nickel compounds can be used. A particularly preferable example is nickel acetate (II) tetrahydrate [Ni (CH 3 COO) 2 .4H 2 O].
Furthermore, as the compound containing the cobalt source, for example, cobalt acetate, cobalt oxalate, cobalt carbonate, cobalt oxide, cobalt sulfate, cobalt nitrate, cobalt hydroxide, cobalt oxyhydroxide and the like are mainly divalent or trivalent. A cobalt compound can be used. A particularly preferred example is cobalt (II) acetate tetrahydrate [Co (CH 3 COO) 2 .4H 2 O].
Furthermore, examples of the compound containing the iron source include mainly iron compounds such as divalent or trivalent iron chloride, iron oxide, iron oxalate, iron carbonate, iron oxide, iron sulfate, iron nitrate, and iron hydroxide. Any of these can be suitably used.

なお、ここで上記遷移金属元素源としては、マンガン(Mn)、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)および鉄(Fe)から成る群から選択される1種又は2種以上の遷移金属元素の他、少なくとも1種の金属元素(すなわち上記主構成金属元素以外の遷移金属元素および/または典型金属元素)を好ましくは上記構成金属元素のモル比よりも少ない割合で含んでいてもよい。かかる金属元素としては、例えば、クロム(Cr),バナジウム(V),マグネシウム(Mg),チタン(Ti),ジルコニウム(Zr),ニオブ(Nb),モリブデン(Mo),タングステン(W),銅(Cu),亜鉛(Zn),インジウム(In),スズ(Sn),ランタン(La)およびセリウム(Ce)などであり得る。   Here, as the transition metal element source, one or more transition metal elements selected from the group consisting of manganese (Mn), nickel (Ni), cobalt (Co), and iron (Fe) are used. In addition, at least one metal element (that is, a transition metal element other than the main constituent metal element and / or a typical metal element) may be contained in a proportion preferably smaller than the molar ratio of the constituent metal elements. Examples of such metal elements include chromium (Cr), vanadium (V), magnesium (Mg), titanium (Ti), zirconium (Zr), niobium (Nb), molybdenum (Mo), tungsten (W), copper ( Cu, zinc (Zn), indium (In), tin (Sn), lanthanum (La), cerium (Ce), and the like.

また、上記ガラス形成可能元素源としては、酸素と共に酸化物の形態でガラス形成可能な少なくとも1種の元素、例えば、ホウ素(B)、アルミニウム(Al)、ケイ素(Si)、リン(P)、ゲルマニウム(Ge)、テルル(Te)、ガリウム(Ga)、ビスマス(Bi)等の元素を供給する元素源を用いることが好ましい。上記列挙した元素は、酸素と共に酸化物の形態(ガラス形成酸化物)でB、Al、SiO、P、GeO、TeO、Ga、Biで存在し得る。かかるガラス形成可能元素源は、上記元素を包含する化合物であって、溶媒(ここでは有機溶剤)に溶解し得る(一部は分散していてもよい)化合物であれば特に限定することなく選択され得る。好適な具体例として、ホウ素(B)、リン(P)、およびケイ素(Si)から成る群から選択される1種又は2種以上の元素を包含する化合物が挙げられる。 The glass-forming element source includes at least one element capable of forming glass in the form of an oxide with oxygen, such as boron (B), aluminum (Al), silicon (Si), phosphorus (P), It is preferable to use an element source that supplies elements such as germanium (Ge), tellurium (Te), gallium (Ga), and bismuth (Bi). The elements listed above are in the form of oxides (glass-forming oxides) together with oxygen in B 2 O 3 , Al 2 O 3 , SiO 2 , P 2 O 5 , GeO 2 , TeO 2 , Ga 2 O 3 , Bi 2. May be present at O 3 . Such a glass-forming element source is a compound that includes the above-mentioned elements and is not particularly limited as long as it is a compound that can be dissolved (partly dispersed) in a solvent (here, an organic solvent). Can be done. Preferable specific examples include compounds including one or more elements selected from the group consisting of boron (B), phosphorus (P), and silicon (Si).

例えば、リン源を包含する化合物としては、溶媒(ここでは有機溶剤)に溶解し得る(一部は分散していてもよい)化合物であれば特に限定されず、各種のリン化合物を用いることができる。例えば、リン酸、リン酸二水素アンモニウム〔NHPO〕やリン酸水素二アンモニウムなどのリン酸水素アンモニウムを用いることができる。あるいは、リン酸を含む溶液をリン酸源として使用してもよい。好ましくは、リン酸が使用される。
また、ホウ素源を包含する化合物としては、溶媒(ここでは有機溶剤)に溶解し得る(一部は分散していてもよい)化合物であれば特に限定されず、各種のホウ素化合物を用いることができる。例えば、ホウ酸、ホウ素酸化物(B)などが好ましい。
For example, the compound including a phosphorus source is not particularly limited as long as it is a compound that can be dissolved (partly dispersed) in a solvent (here, an organic solvent), and various phosphorus compounds may be used. it can. For example, ammonium hydrogen phosphate such as phosphoric acid, ammonium dihydrogen phosphate [NH 4 H 2 PO 4 ] or diammonium hydrogen phosphate can be used. Alternatively, a solution containing phosphoric acid may be used as the phosphoric acid source. Preferably, phosphoric acid is used.
In addition, the compound including the boron source is not particularly limited as long as it is a compound that can be dissolved (partly dispersed) in a solvent (here, an organic solvent), and various boron compounds may be used. it can. For example, boric acid and boron oxide (B 2 O 3 ) are preferable.

<原料混合物の調製>
次いで、上記用意した各出発原料を秤量し、有機溶剤に溶解させて原料混合物を調製する。かかる原料混合物は、一般式:
LiMX (1)
(式(1)中のa,bおよびcは、
0<a≦2.5、
0<b≦3、
c={a+(Mの価数)+b×(Xの価数)}/2
を全て満足する数であり、
Mは、少なくとも1種の遷移金属元素であって、Xは、酸素と共に酸化物の形態でガラス形成可能な少なくとも1種の元素である。)
で示される複合酸化物が生成されるように各出発原料の混合量を調整(秤量)するのがより好ましい。
ここで、本実施形態に係る製造方法で得られる複合酸化物はアモルファス構造を有し、結晶構造上の制限がないことからリチウムイオンを多く吸蔵し得る。そのため、過剰量のリチウムが含まれるように上記式(1)中のaが0<a≦2.5を満たすように上記リチウム供給源を用意し、各出発原料を混合するとよい。これにより、高容量で高エネルギー密度を実現し得る、アモルファス構造を有する複合酸化物からなるリチウム二次電池用の電極活物質を合成することができる。
<Preparation of raw material mixture>
Next, each of the prepared starting materials is weighed and dissolved in an organic solvent to prepare a raw material mixture. Such a raw material mixture has the general formula:
Li a MX b O c (1)
(A, b and c in the formula (1) are
0 <a ≦ 2.5,
0 <b ≦ 3,
c = {a + (valence of M) + b × (valence of X)} / 2
Is a number that satisfies all
M is at least one transition metal element, and X is at least one element capable of forming glass in the form of an oxide with oxygen. )
It is more preferable to adjust (weigh) the amount of each starting material so that a composite oxide represented by
Here, the composite oxide obtained by the manufacturing method according to the present embodiment has an amorphous structure and can store a large amount of lithium ions because there is no restriction on the crystal structure. Therefore, the lithium supply source is prepared so that a in the formula (1) satisfies 0 <a ≦ 2.5 so that an excessive amount of lithium is contained, and the starting materials are mixed. Thereby, the electrode active material for lithium secondary batteries which consists of complex oxide which has an amorphous structure which can implement | achieve high capacity | capacitance and high energy density is compoundable.

また、上記式(1)中のM元素は、少なくとも1種の遷移金属元素である限り特に限定されない。例えば、マンガン(Mn)、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)および鉄(Fe)から成る群から選択される少なくとも1種又は2種以上の元素であるのがより好ましい。より多くの電荷担体(リチウム)を吸蔵し得る高容量のリチウム二次電池を提供することができる。さらに、リチウムに次いでマンガンの含有モル比が高くなるように遷移元素源の混合比率を調整することにより、コバルトやニッケルなどのようなコスト高の遷移金属材料の使用量を削減することができる。
上記式(1)中のX元素は、酸素と共に酸化物の形態でガラス形成可能な少なくとも1種の元素である限り特に限定されない。例えば、ホウ素(B)、リン(P)、およびケイ素(Si)から成る群から選択される少なくとも1種又は2種以上の元素を含むように原料混合物を調製することにより、特定の結晶構造を持たないアモルファス構造の複合酸化物をより好適に得ることができる。
Further, the M element in the above formula (1) is not particularly limited as long as it is at least one transition metal element. For example, at least one element selected from the group consisting of manganese (Mn), nickel (Ni), cobalt (Co) and iron (Fe) is more preferable. A high-capacity lithium secondary battery that can occlude more charge carriers (lithium) can be provided. Furthermore, by adjusting the mixing ratio of the transition element source so that the molar ratio of manganese after lithium becomes higher, the amount of costly transition metal materials such as cobalt and nickel can be reduced.
The X element in the formula (1) is not particularly limited as long as it is at least one element that can form glass in the form of an oxide together with oxygen. For example, by preparing a raw material mixture so as to include at least one element selected from the group consisting of boron (B), phosphorus (P), and silicon (Si), a specific crystal structure is obtained. A composite oxide having no amorphous structure can be obtained more suitably.

ここで用いられる上記出発原料を溶解する有機溶剤としては、出発原料を好適に溶解し得る限りにおいて特に限定されない。例えば、クロロホルム、ジクロロメタン、ジクロロエタン、ベンゼン、トルエン、キシレン、アセトン、メチルエチルケトン、テトラヒドロフラン、ジオキサン、酢酸エチル、アセトニトリル、ジメチルスルホキシド(DMSO)、N,N−ジメチルホルムアミド(DMF)、N,N−ジメチルアセトアミド、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)、メチルエチルケトン等が好適例として挙げられる。これらのうち、DMFを特に好ましく使用し得る。なお、このような有機溶剤はこれらのうち1種を単独で用いても、2種以上を混合して用いてもよい。また、水(あるいは水と均一に混合し得る低級アルコール、低級ケトン等)を含む上記有機溶剤を主体とする混合溶媒を用いてもよい。   The organic solvent for dissolving the starting material used here is not particularly limited as long as the starting material can be suitably dissolved. For example, chloroform, dichloromethane, dichloroethane, benzene, toluene, xylene, acetone, methyl ethyl ketone, tetrahydrofuran, dioxane, ethyl acetate, acetonitrile, dimethyl sulfoxide (DMSO), N, N-dimethylformamide (DMF), N, N-dimethylacetamide, Preferred examples include N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), methyl ethyl ketone and the like. Of these, DMF can be particularly preferably used. In addition, such an organic solvent may be used individually by 1 type, or may mix and use 2 or more types. Moreover, you may use the mixed solvent which has the said organic solvent as a main component containing water (or lower alcohol, lower ketone, etc. which can be mixed with water uniformly).

各出発原料の混合質量比を調整した後、上記有機溶剤に各出発原料を添加し、十分に混合して溶解させることにより、原料混合物を調製する。混合するに際し、必要に応じて攪拌(混練、粉砕を含む)を行ってもよい。混合に用いる装置としては特に限定するものではないが、例えば、プラネタリーミキサー、遊星式撹拌装置、デスパー、ボールミル、ニーダ、ミキサー等を使用することにより、上記原料混合物が均一に混合され安定した混合状態の原料混合物を調製することができる。   After adjusting the mixing mass ratio of each starting material, the starting material mixture is prepared by adding each starting material to the organic solvent and mixing and dissolving it sufficiently. In mixing, stirring (including kneading and pulverization) may be performed as necessary. The apparatus used for mixing is not particularly limited. For example, by using a planetary mixer, a planetary stirrer, a desper, a ball mill, a kneader, a mixer, etc., the above raw material mixture is uniformly mixed and stably mixed. A raw material mixture in a state can be prepared.

<有機溶剤の揮発>
次いで、有機溶剤を揮発させる工程について説明する。かかる工程では、上記調製した原料混合物を加熱し、原料混合物に含有する有機溶剤を揮発させる(典型的には、原料混合物を乾燥させる)。後述する焼成工程前に原料混合物を加熱することにより、原料混合物から有機溶剤(または一部)を揮発させ、結晶の成長を抑制しながら好適な状態に乾燥することができる。
<Volatilization of organic solvents>
Next, the process of volatilizing the organic solvent will be described. In this step, the prepared raw material mixture is heated to volatilize the organic solvent contained in the raw material mixture (typically, the raw material mixture is dried). By heating the raw material mixture before the firing step to be described later, the organic solvent (or a part) is volatilized from the raw material mixture and can be dried to a suitable state while suppressing crystal growth.

また、上記加熱温度は、有機溶剤が揮発する温度(使用する有機溶剤の沸点又はその近傍の温度であって、例えば、沸点±20℃)であれば特に限定されないが、少なくとも100℃を上回る温度であって、後述する焼成工程における最高焼成温度を下回る温度で原料混合物を加熱するのが好ましい。例えば、110℃〜400℃、好ましくは120℃〜300℃、より好ましくは130℃〜200℃、特に好ましくは140℃〜170℃、好適には概ね150℃程度の温度で加熱することができる。これにより、効果的に有機溶剤を揮発させることが可能となる。
なお、加熱時間は、原料混合物の乾燥状態を確認しながら、適宜保持時間を調整することができる。例えば、12時間以下、典型的には5時間以下、好適には1〜5時間、概ね2〜3時間が程度)が好ましい。
また、加熱方法としては、熱風、真空、赤外線、遠赤外線等の適当な加熱(乾燥)手段を用いて良好に加熱することができる。加熱時の雰囲気は、使用した溶剤や出発原料の種類により必要に応じて、大気雰囲気中の他、窒素ガス等の不活性ガス雰囲気下、あるいは密閉容器内に入れて保持することができる。
The heating temperature is not particularly limited as long as it is a temperature at which the organic solvent volatilizes (the boiling point of the organic solvent to be used or a temperature in the vicinity thereof, for example, a boiling point ± 20 ° C.), but a temperature exceeding at least 100 ° C. And it is preferable to heat a raw material mixture at the temperature lower than the maximum baking temperature in the baking process mentioned later. For example, it can be heated at a temperature of about 110 ° C to 400 ° C, preferably 120 ° C to 300 ° C, more preferably 130 ° C to 200 ° C, particularly preferably 140 ° C to 170 ° C, and preferably about 150 ° C. Thereby, the organic solvent can be effectively volatilized.
In addition, the heating time can adjust suitably holding time, confirming the dry state of a raw material mixture. For example, 12 hours or less, typically 5 hours or less, preferably 1 to 5 hours, and approximately 2 to 3 hours are preferable.
Moreover, as a heating method, it can heat favorably using suitable heating (drying) means, such as a hot air, vacuum, infrared rays, and far infrared rays. The atmosphere at the time of heating can be maintained in an air atmosphere, in an inert gas atmosphere such as nitrogen gas, or in an airtight container as needed depending on the type of solvent and starting material used.

<温度保持>
次いで、上記揮発工程の終了後、後述する焼成工程前に、有機溶剤を揮発させた原料混合物を100℃以下の温度で保持する(典型的には、加熱した原料混合物の温度を一旦100℃以下まで降温させる)工程を行うのがより好ましい。原料混合物から有機溶剤を揮発させた後、原料混合物の温度を100℃以下にすると、水分を得てゲル状を呈するようになる。これにより、かかる製造方法で得られる複合酸化物から、充放電に寄与しないLiPOの含有量を減少することができる。その結果、より高い電池容量または高いエネルギー密度を有するリチウム二次電池を構築し得るリチウム二次電池用の電極活物質(典型的には正極活物質)を提供することができる。
なお、保持温度としては、100℃以下である限り制限されないが、例えば、室温以上100℃以下の温度域(典型的には10℃〜90℃、好ましくは15℃〜50℃、さらに好ましくは20℃〜30℃)で原料混合物を保持することにより、ゲル状態に変化させることができる。また、保持時間は特に限定されるものではないが、例えば終日、好ましくは2日以上、好適には1週間程度、上記温度域で原料混合物を保持すればよい。
<Temperature retention>
Next, after completion of the volatilization step, before the firing step described later, the raw material mixture from which the organic solvent has been volatilized is held at a temperature of 100 ° C. or lower (typically, the temperature of the heated raw material mixture is once reduced to 100 ° C. or lower). It is more preferable to perform a process of lowering the temperature until After the organic solvent is volatilized from the raw material mixture, when the temperature of the raw material mixture is set to 100 ° C. or lower, moisture is obtained and a gel is formed. Thus, it is possible from the composite oxide obtained by the production method to reduce the content of Li 3 PO 4 that does not contribute to charging and discharging. As a result, it is possible to provide an electrode active material (typically a positive electrode active material) for a lithium secondary battery capable of constructing a lithium secondary battery having a higher battery capacity or a higher energy density.
The holding temperature is not limited as long as it is 100 ° C. or lower, but for example, a temperature range from room temperature to 100 ° C. (typically 10 ° C. to 90 ° C., preferably 15 ° C. to 50 ° C., more preferably 20 ° C. By holding the raw material mixture at (C-30C), it can be changed to a gel state. In addition, the holding time is not particularly limited, but the raw material mixture may be held in the above temperature range, for example, all day, preferably 2 days or longer, preferably about 1 week.

<焼成>
次いで、焼成について説明する。有機溶剤を揮発させた後(上記保持工程を行う場合は、該工程の終了後)の原料混合物を焼成する。焼成は、酸化性の雰囲気、例えば大気中または大気よりも酸素がリッチな雰囲気中で行うことが望ましい。また、焼成温度は、上記有機溶剤の揮発工程で加熱した温度を上回り、且つ400℃以下の温度範囲内に設定された最高焼成温度(加熱炉などの装置に設定する焼成温度をいう)まで昇温して焼成する。典型的には200℃〜400℃、好ましくは250℃〜380℃、好適には概ね300℃〜350℃程度の最高焼成温度で焼成することができる。このような低めの最高焼成温度で焼成が可能であることから、より効率的に目的とするアモルファス構造を有する複合酸化物を得ることができる。かかる焼成工程の後に得られる焼成物は、走査型電子顕微鏡観察に基づく平均粒径が、典型的には1μm以下(例えば100nm〜500nm、好適には概ね200〜300nm程度)である一次粒子のアモルファス構造を有する複合酸化物が凝集してなる二次粒子によって構成される。
<Baking>
Next, firing will be described. The raw material mixture after the organic solvent is volatilized (when the holding step is performed, after completion of the step) is fired. The firing is desirably performed in an oxidizing atmosphere, for example, the air or an atmosphere richer in oxygen than the air. Also, the firing temperature is higher than the temperature heated in the organic solvent volatilization step and rises to the maximum firing temperature set in the temperature range of 400 ° C. or lower (referring to the firing temperature set in a device such as a heating furnace). Bake warm. Typically, firing can be performed at a maximum firing temperature of about 200 ° C to 400 ° C, preferably 250 ° C to 380 ° C, and preferably about 300 ° C to 350 ° C. Since firing is possible at such a lower maximum firing temperature, a composite oxide having a target amorphous structure can be obtained more efficiently. The fired product obtained after the firing step has an amorphous primary particle whose average particle size based on observation with a scanning electron microscope is typically 1 μm or less (for example, about 100 nm to 500 nm, preferably about 200 to 300 nm). It is composed of secondary particles formed by aggregating a complex oxide having a structure.

<粉砕>
また、上記原料混合物を焼成した後、上記焼成物(二次粒子)を粉砕するのが好ましい。適当な手段(例えばボールミル、ミキサー等)で粉砕、造粒および分級することにより、比表面積の大きい一次粒子によって実質的に構成されたアモルファス構造を有する複合酸化物が得られる。溶融急冷法などの従来の製造方法では、焼成物を粉砕しても平均粒径が小さいアモルファス構造を有する複合酸化物は得られなかった。しかしながら、本発明にかかる製造方法によると、低温域での焼成で平均粒径のより小さい(比表面積の大きい)アモルファス構造を有する複合酸化物を製造することができる。これにより、高容量化または高エネルギー密度化が実現可能なリチウム二次電池用の電極活物質を提供することができる。
なお、上記粉砕した焼成物(アモルファス構造を有する複合酸化物)に、さらに導電材となり得る粉末状の炭素材料(アセチレンブラック、ファーネスブラック、ケッチェンブラック等の種々のカーボンブラック、あるいはグラファイト等)を添加して共に粉砕(混合)することにより、該複合酸化物の表面に炭素材料を被覆することができる。これにより、該複合酸化物からなる電極活物質の導電性を向上させることができる。
<Crushing>
Moreover, it is preferable to grind the fired product (secondary particles) after firing the raw material mixture. By pulverizing, granulating and classifying by an appropriate means (for example, a ball mill, a mixer, etc.), a composite oxide having an amorphous structure substantially constituted by primary particles having a large specific surface area can be obtained. In a conventional production method such as a melt quenching method, a composite oxide having an amorphous structure with a small average particle diameter cannot be obtained even if the fired product is pulverized. However, according to the production method of the present invention, it is possible to produce a composite oxide having an amorphous structure having a smaller average particle diameter (larger specific surface area) by firing in a low temperature range. Thereby, the electrode active material for lithium secondary batteries which can implement | achieve high capacity | capacitance or high energy density can be provided.
In addition, powdered carbon materials (various carbon blacks such as acetylene black, furnace black, ketjen black, or graphite) that can be further used as a conductive material are added to the pulverized fired product (a composite oxide having an amorphous structure). By adding and grinding (mixing) together, the surface of the composite oxide can be coated with a carbon material. Thereby, the electroconductivity of the electrode active material which consists of this complex oxide can be improved.

以下、ここに開示される製造方法により得られるアモルファス構造を有する複合酸化物をリチウム二次電池用電極活物質として使用された正極、および該正極を備えるリチウム二次電池の一実施形態につき、捲回電極体を備える角型形状のリチウム二次電池について説明するが、本発明をかかる例に限定することを意図したものではない。
また、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本発明の実施に必要な事柄(例えば、電極体の構成および製造方法、リチウム二次電池その他の電池の構築に係る一般的技術等)は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。なお、以下の図面において、同じ作用を奏する部材・部位には同じ符号を付し、重複する説明は省略又は簡略化することがある。また、各図における寸法関係(長さ、幅、厚さ等)は実際の寸法関係を反映するものではない。
Hereinafter, a positive electrode in which a composite oxide having an amorphous structure obtained by the production method disclosed herein is used as an electrode active material for a lithium secondary battery, and an embodiment of a lithium secondary battery including the positive electrode, Although a square-shaped lithium secondary battery including a revolving electrode body will be described, the present invention is not intended to be limited to such an example.
Further, matters other than the matters specifically mentioned in the present specification and matters necessary for the implementation of the present invention (for example, the configuration and manufacturing method of an electrode body, a general configuration related to construction of a lithium secondary battery and other batteries) Technology, etc.) can be understood as a design matter of those skilled in the art based on the prior art in the field. In addition, in the following drawings, the same code | symbol is attached | subjected to the member and site | part which show | plays the same effect | action, and the overlapping description may be abbreviate | omitted or simplified. In addition, the dimensional relationships (length, width, thickness, etc.) in each drawing do not reflect actual dimensional relationships.

図1は、一実施形態に係る角型形状のリチウム二次電池を模式的に示す斜視図であり、図2は、図1中のII−II線断面図である。また、図3は、電極体を捲回して作製する状態を模式的に示す斜視図である。
図1および図2に示されるように、本実施形態に係るリチウム二次電池100は、直方体形状の角型の電池ケース10と、該ケース10の開口部12を塞ぐ蓋体14とを備える。この開口部12より電池ケース10内部に扁平形状の電極体(捲回電極体20)及び電解質を収容することができる。また、蓋体14には、外部接続用の正極端子38と負極端子48とが設けられており、それら端子38,48の一部は蓋体14の表面側に突出している。また、外部端子38,48の一部はケース内部で内部正極端子37または内部負極端子47にそれぞれ接続されている。
FIG. 1 is a perspective view schematically showing a rectangular lithium secondary battery according to an embodiment, and FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line II-II in FIG. FIG. 3 is a perspective view schematically showing a state in which the electrode body is wound and manufactured.
As shown in FIGS. 1 and 2, the lithium secondary battery 100 according to the present embodiment includes a rectangular parallelepiped battery case 10 and a lid body 14 that closes the opening 12 of the case 10. A flat electrode body (wound electrode body 20) and an electrolyte can be accommodated in the battery case 10 through the opening 12. The lid 14 is provided with a positive terminal 38 and a negative terminal 48 for external connection, and a part of the terminals 38 and 48 protrudes to the surface side of the lid 14. Also, some of the external terminals 38 and 48 are connected to the internal positive terminal 37 or the internal negative terminal 47, respectively, inside the case.

次に、図2および図3を参照し、本実施形態に係る捲回電極体20について説明する。図2に示されるように、捲回電極体20は、長尺状の正極集電体32の表面に正極活物質層34を有するシート状の正極シート30、長尺シート状のセパレータ50、長尺状の負極集電体42の表面に負極活物質層44を有するシート状の負極シート40とから構成される。そして、図3に示されるように、捲回軸方向Rの方向での断面視において、正極シート30及び負極シート40は、2枚のセパレータ50を介して積層されており、正極シート30、セパレータ50、負極シート40、セパレータ50の順に積層されている。該積層物は、軸芯(図示しない)の周囲に筒状に捲回され、得られた捲回電極体20を側面方向から押しつぶして拉げさせることによって扁平形状に成形されている。   Next, the wound electrode body 20 according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 2 and 3. As shown in FIG. 2, the wound electrode body 20 includes a sheet-like positive electrode sheet 30 having a positive electrode active material layer 34 on the surface of a long positive electrode current collector 32, a long sheet-like separator 50, a long A sheet-like negative electrode sheet 40 having a negative electrode active material layer 44 on the surface of a long negative electrode current collector 42 is formed. As shown in FIG. 3, in the cross-sectional view in the winding axis direction R, the positive electrode sheet 30 and the negative electrode sheet 40 are stacked via two separators 50. 50, the negative electrode sheet 40, and the separator 50 are laminated in this order. The laminate is wound around a shaft core (not shown) in a cylindrical shape, and is formed into a flat shape by squashing the obtained wound electrode body 20 from the side surface direction.

また、図3に示されるように、本実施形態に係る捲回電極体20は、その捲回軸方向Rの中心部には、正極集電体32の表面上に形成された正極活物質層34と、負極集電体42の表面上に形成された負極活物質層44とが重なり合って密に積層された部分が形成されている。また、捲回軸方向Rに沿う方向での断面視において、該方向Rの一方の端部において、正極活物質層34が形成されずに正極集電体32の露出した部分(正極活物質層非形成部36)がセパレータ50および負極シート40(あるいは、正極活物質層34と負極活物質層44との密な積層部分)からはみ出た状態で積層されて構成されている。即ち、上記電極体20の端部には、正極集電体32における正極活物質層非形成部36が積層されて成る正極集電体積層部35が形成されている。また、電極体20の他方の端部も正極シート30と同様の構成であり、負極集電体42における負極活物質層非形成部46が積層されて、負極集電体積層部45が形成されている。
なお、セパレータ50は、ここでは正極活物質層34および負極活物質層44の積層部分の幅より大きく、該電極体20の幅より小さい幅を備えるセパレータが用いられ、正極集電体32と負極集電体42が互いに接触して内部短絡を生じさせないように正極活物質層34および負極活物質層44の積層部分に挟まれるように配されている。
As shown in FIG. 3, the wound electrode body 20 according to the present embodiment has a positive electrode active material layer formed on the surface of the positive electrode current collector 32 at the center in the winding axis direction R. 34 and the negative electrode active material layer 44 formed on the surface of the negative electrode current collector 42 overlap each other to form a densely stacked portion. Further, in a cross-sectional view in the direction along the winding axis direction R, the exposed portion of the positive electrode current collector 32 (positive electrode active material layer) without forming the positive electrode active material layer 34 at one end in the direction R. The non-forming portion 36) is laminated in a state of protruding from the separator 50 and the negative electrode sheet 40 (or a dense laminated portion of the positive electrode active material layer 34 and the negative electrode active material layer 44). That is, a positive electrode current collector laminated portion 35 formed by laminating the positive electrode active material layer non-forming portion 36 in the positive electrode current collector 32 is formed at the end of the electrode body 20. Also, the other end of the electrode body 20 has the same configuration as that of the positive electrode sheet 30, and the negative electrode active material layer non-formation portion 46 in the negative electrode current collector 42 is laminated to form the negative electrode current collector lamination portion 45. ing.
Here, as the separator 50, a separator having a width larger than the width of the laminated portion of the positive electrode active material layer 34 and the negative electrode active material layer 44 and smaller than the width of the electrode body 20 is used, and the positive electrode current collector 32 and the negative electrode The current collectors 42 are disposed so as to be sandwiched between the stacked portions of the positive electrode active material layer 34 and the negative electrode active material layer 44 so as not to contact each other and cause an internal short circuit.

本実施形態に係るリチウム二次電池の正極(典型的には正極シート30)は、長尺状の正極集電体32の上に正極活物質を含む正極活物質層34が形成された構成を備える。正極集電体32としては、導電性の良好な金属からなる導電性部材が好ましく用いられる。例えば、アルミニウムまたはアルミニウムを主成分とする合金を用いることができる。正極集電体32の形状は、リチウム二次電池の形状等に応じて異なり得るため、特に制限はなく、棒状、板状、シート状、箔状、メッシュ状等の種々の形態であり得る。また、正極活物質として、ここに開示される製造方法を用いて得られたアモルファス構造を有する複合酸化物からなる電極活物質が使用される。   The positive electrode (typically, positive electrode sheet 30) of the lithium secondary battery according to the present embodiment has a configuration in which a positive electrode active material layer 34 containing a positive electrode active material is formed on a long positive electrode current collector 32. Prepare. As the positive electrode current collector 32, a conductive member made of a highly conductive metal is preferably used. For example, aluminum or an alloy containing aluminum as a main component can be used. The shape of the positive electrode current collector 32 may vary depending on the shape of the lithium secondary battery, and is not particularly limited, and may be various forms such as a rod shape, a plate shape, a sheet shape, a foil shape, and a mesh shape. As the positive electrode active material, an electrode active material made of a complex oxide having an amorphous structure obtained by using the manufacturing method disclosed herein is used.

正極活物質層34には、上記正極活物質の他に、一般的なリチウム二次電池に配合され得る1種または2種以上の導電材や結着材等を必要に応じて含有させることができる。かかる導電材としては、カーボン粉末やカーボンファイバー等の導電性粉末材料が好ましく用いられる。カーボン粉末としては、種々のカーボンブラック、例えば、アセチレンブラック、ファーネスブラック、ケッチェンブラック、グラファイト粉末等が好ましい。また、炭素繊維、金属繊維などの導電性繊維類、銅、ニッケル等の金属粉末類およびポリフェニレン誘導体などの有機導電性材料などを単独又はこれらの混合物として含ませることができる。なお、これらのうち1種のみを用いても、2種以上を併用してもよい。   In addition to the above-described positive electrode active material, the positive electrode active material layer 34 may contain one or more kinds of conductive materials and binders that can be blended in a general lithium secondary battery as necessary. it can. As such a conductive material, a conductive powder material such as carbon powder or carbon fiber is preferably used. As the carbon powder, various carbon blacks such as acetylene black, furnace black, ketjen black, and graphite powder are preferable. In addition, conductive fibers such as carbon fibers and metal fibers, metal powders such as copper and nickel, and organic conductive materials such as polyphenylene derivatives can be contained alone or as a mixture thereof. In addition, only 1 type may be used among these, or 2 or more types may be used together.

また、上記結着材としては、一般的なリチウム二次電池の正極に使用される結着材と同様のものを適宜採用することができる。例えば、使用する溶媒に溶解または分散可溶なポリマーを選択することが好ましい。水系溶媒を用いる場合においては、カルボキシメチルセルロース(CMC)、ヒドロキシプロピルメチルセルロース(HPMC)等のセルロース系ポリマー;ポリビニルアルコール(PVA);ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)等のフッ素系樹脂;酢酸ビニル共重合体;スチレンブタジエンゴム(SBR)、アクリル酸変性SBR樹脂(SBR系ラテックス)等のゴム類;等の水溶性または水分散性ポリマーを好ましく採用することができる。また、非水系溶媒を用いる場合においては、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリ塩化ビニリデン(PVDC)等のポリマーを好ましく採用することができる。このような結着材は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。なお、上記で例示したポリマー材料は、結着材としての機能の他に、上記組成物の増粘材その他の添加材としての機能を発揮する目的で使用されることもあり得る。   Moreover, as the binder, the same binder as that used for the positive electrode of a general lithium secondary battery can be appropriately employed. For example, it is preferable to select a polymer that is soluble or dispersible in the solvent used. When an aqueous solvent is used, cellulose polymers such as carboxymethylcellulose (CMC) and hydroxypropylmethylcellulose (HPMC); polyvinyl alcohol (PVA); polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer Water-soluble or water-dispersible polymers such as fluorine resins such as (FEP); vinyl acetate copolymers; rubbers such as styrene butadiene rubber (SBR) and acrylic acid-modified SBR resins (SBR latex); be able to. When a non-aqueous solvent is used, a polymer such as polyvinylidene fluoride (PVDF) or polyvinylidene chloride (PVDC) can be preferably used. Such a binder may be used individually by 1 type, and may be used in combination of 2 or more type. In addition to the function as a binder, the polymer material exemplified above may be used for the purpose of exhibiting the function as a thickener or other additive of the above composition.

次いで、本実施形態に係るリチウム二次電池の正極の作製方法について説明する。
まず、正極活物質(ここに開示される製造方法を用いて得られたアモルファス構造を有する複合酸化物)と導電材と結着材等とを適当な溶媒(水系溶媒または非水系溶媒)で混合して、ペーストまたはスラリー状の正極活物質層形成用組成物(以下、「正極活物質層形成用ペースト」という)を調製する。各構成材料の配合比率は、例えば、正極活物質層に占める正極活物質の割合は、凡そ50質量%以上(典型的には50〜95質量%)であることが好ましく、凡そ70〜95質量%(例えば75〜90質量%)であることがより好ましい。また、正極活物質層に占める導電材の割合は、例えば凡そ2〜25質量%とすることができ、通常は凡そ2〜20質量%とすることが好ましい。さらに、結着材を使用する組成では、正極活物質層に占める結着材の割合を例えば凡そ1〜10質量%とすることができ、通常は凡そ2〜5質量%とすることが好ましい。こうして各構成材料を混合して調製したペーストを正極集電体32に塗布し、溶媒を揮発させて乾燥させた後、圧縮(プレス)する。これにより正極活物質層が正極集電体上に形成されたリチウム二次電池の正極が得られる。
Next, a method for producing the positive electrode of the lithium secondary battery according to this embodiment will be described.
First, a positive electrode active material (a composite oxide having an amorphous structure obtained by using the manufacturing method disclosed herein), a conductive material, a binder, and the like are mixed with an appropriate solvent (aqueous solvent or non-aqueous solvent). Then, a paste or slurry-like composition for forming a positive electrode active material layer (hereinafter referred to as “positive electrode active material layer forming paste”) is prepared. As for the blending ratio of each constituent material, for example, the ratio of the positive electrode active material in the positive electrode active material layer is preferably about 50% by mass or more (typically 50 to 95% by mass), and about 70 to 95% by mass. % (For example, 75 to 90% by mass) is more preferable. The proportion of the conductive material in the positive electrode active material layer can be, for example, about 2 to 25% by mass, and preferably about 2 to 20% by mass. Furthermore, in the composition using the binder, the proportion of the binder in the positive electrode active material layer can be, for example, about 1 to 10% by mass, and usually about 2 to 5% by mass. The paste prepared by mixing the constituent materials in this way is applied to the positive electrode current collector 32, and after the solvent is evaporated and dried, the paste is compressed (pressed). Thereby, the positive electrode of the lithium secondary battery in which the positive electrode active material layer is formed on the positive electrode current collector is obtained.

上記正極活物質層形成用ペーストを調製するために用いられる溶媒としては、水系溶媒および非水系溶媒のいずれも使用可能である。水系溶媒は、典型には水であるが、全体として水性を示すものであればよく、すなわち、水または水を主体とする混合溶媒を好ましく用いることができる。該混合溶媒を構成する水以外の溶媒としては、水と均一に混合し得る有機溶剤(低級アルコール、低級ケトン等)の1種または2種以上を適宜選択して用いることができる。例えば、水系溶媒の凡そ80質量%以上(より好ましくは凡そ90質量%以上、さらに好ましくは凡そ95質量%以上)が水である溶媒の使用が好ましい。特に好ましい例として、実質的に水からなる溶媒が挙げられる。また、非水系溶媒の好適例としては、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)、メチルエチルケトン、トルエン等が例示される。   As a solvent used for preparing the positive electrode active material layer forming paste, either an aqueous solvent or a non-aqueous solvent can be used. The aqueous solvent is typically water, but may be any water-based solvent as a whole, that is, water or a mixed solvent mainly composed of water can be preferably used. As the solvent other than water constituting the mixed solvent, one or more organic solvents (lower alcohol, lower ketone, etc.) that can be uniformly mixed with water can be appropriately selected and used. For example, it is preferable to use a solvent in which about 80% by mass or more (more preferably about 90% by mass or more, more preferably about 95% by mass or more) of the aqueous solvent is water. A particularly preferred example is a solvent consisting essentially of water. Further, preferred examples of the non-aqueous solvent include N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), methyl ethyl ketone, toluene and the like.

なお、正極集電体に上記ペーストを塗布する方法としては、従来公知の方法と同様の技法を適宜採用することができる。例えば、スリットコーター、ダイコーター、グラビアコーター、コンマコーター等の適当な塗布装置を使用することにより、正極集電体に該ペーストを好適に塗布することができる。また、溶媒を乾燥するにあたっては、自然乾燥、熱風、低湿風、真空、赤外線、遠赤外線、および電子線を、単独または組合せにて用いることにより良好に乾燥し得る。さらに、圧縮方法としては、従来公知のロールプレス法、平板プレス法等の圧縮方法を採用することができる。かかる厚さを調整するにあたり、膜厚測定器で該厚みを測定し、プレス圧を調整して所望の厚さになるまで複数回圧縮してもよい。   In addition, as a method of apply | coating the said paste to a positive electrode electrical power collector, the technique similar to a conventionally well-known method can be employ | adopted suitably. For example, the paste can be suitably applied to the positive electrode current collector by using an appropriate application device such as a slit coater, a die coater, a gravure coater, or a comma coater. Moreover, when drying a solvent, it can dry favorably by using natural drying, a hot air, low-humidity air, a vacuum, infrared rays, far-infrared rays, and an electron beam individually or in combination. Furthermore, as a compression method, a conventionally known compression method such as a roll press method or a flat plate press method can be employed. In adjusting the thickness, the thickness may be measured with a film thickness measuring instrument, and the press pressure may be adjusted to compress a plurality of times until a desired thickness is obtained.

次に、本実施形態に係るリチウム二次電池の負極について説明する。負極(典型的には負極シート40)は、長尺状の負極集電体42(例えば銅箔)の上に負極活物質層44が形成された構成であり得る。上記負極の基材となる負極集電体としては、導電性の良好な金属からなる導電性部材が好ましく用いられる。例えば、銅、または銅を主成分とする合金を用いることができる。負極集電体の形状は、リチウム二次電池の形状等に応じて異なり得るため特に制限はなく、棒状、板状、シート状、箔状、メッシュ状等の種々の形態であり得る。   Next, the negative electrode of the lithium secondary battery according to this embodiment will be described. The negative electrode (typically, the negative electrode sheet 40) may have a configuration in which a negative electrode active material layer 44 is formed on a long negative electrode current collector 42 (for example, a copper foil). As the negative electrode current collector serving as the base material of the negative electrode, a conductive member made of a highly conductive metal is preferably used. For example, copper or an alloy containing copper as a main component can be used. The shape of the negative electrode current collector may vary depending on the shape of the lithium secondary battery and the like, and thus is not particularly limited, and may be various forms such as a rod shape, a plate shape, a sheet shape, a foil shape, and a mesh shape.

上記負極集電体の表面に形成された負極活物質層には、電荷担体となるリチウムイオンを吸蔵および放出可能な負極活物質が含まれる。負極活物質としては、従来からリチウム二次電池に用いられる物質の1種または2種以上を特に限定なく使用することができる。例えば、カーボン粒子が挙げられる。少なくとも一部にグラファイト構造(層状構造)を含む粒子状の炭素材料(カーボン粒子)が好ましく用いられる。いわゆる黒鉛質のもの(グラファイト)、難黒鉛化炭素質のもの(ハードカーボン)、易黒鉛化炭素質のもの(ソフトカーボン)、これらを組み合わせた構造を有するもののいずれの炭素材料も好適に使用され得る。中でも特に、黒鉛粒子を好ましく使用することができる。黒鉛粒子(例えばグラファイト)は、電荷担体としてのリチウムイオンを好適に吸蔵することができるため導電性に優れる。また、粒径が小さく単位体積当たりの表面積が大きいことからより高出力充放電に適した負極活物質となり得る。   The negative electrode active material layer formed on the surface of the negative electrode current collector contains a negative electrode active material capable of inserting and extracting lithium ions serving as charge carriers. As the negative electrode active material, one or more materials conventionally used in lithium secondary batteries can be used without particular limitation. An example is carbon particles. A particulate carbon material (carbon particles) containing a graphite structure (layered structure) at least partially is preferably used. Any carbon material of a so-called graphitic material (graphite), non-graphitizable carbon material (hard carbon), easily graphitized carbon material (soft carbon), or a combination of these materials is preferably used. obtain. Among these, graphite particles can be preferably used. Graphite particles (eg, graphite) are excellent in conductivity because they can suitably occlude lithium ions as charge carriers. Further, since the particle size is small and the surface area per unit volume is large, it can be a negative electrode active material more suitable for high power charge / discharge.

また、上記負極活物質層には、上記負極活物質の他に、結着材等の任意成分を必要に応じて含有し得る。かかる結着材としては、一般的なリチウム二次電池の負極に使用される結着材と同様のものを適宜採用することができ、上述の正極の構成要素で列挙した結着材として機能し得る各種のポリマー材料を好適に使用し得る。   In addition to the negative electrode active material, the negative electrode active material layer may contain an optional component such as a binder as necessary. As such a binder, the same binder as that used for the negative electrode of a general lithium secondary battery can be adopted as appropriate, and functions as the binder listed in the components of the positive electrode described above. The various polymer materials obtained can be suitably used.

次いで、本実施形態に係るリチウム二次電池の負極の作製方法について説明する。上記負極集電体の表面に負極活物質層を形成するため、まず、負極活物質を、結着材等と共に上記適当な溶媒(水系溶媒または非水系溶媒)で混合して、ペーストまたはスラリー状の負極活物質層形成用組成物(以下、「負極活物質層形成用ペースト」という)を調製する。各構成材料の配合比率は、例えば、負極活物質層に占める負極活物質の割合が、凡そ50質量%以上であることが好ましく、凡そ85〜99質量%(例えば90〜97質量%)であることがより好ましい。また、負極活物質層に占める結着材の割合を例えば凡そ1〜15質量%とすることができ、通常は凡そ3〜10質量%とすることが好ましい。こうして調製したペーストを負極集電体に塗布し、溶媒を揮発させて乾燥させた後、圧縮(プレス)する。これにより該ペーストを用いて形成された負極活物質層を負極集電体上に有するリチウム二次電池の負極が得られる。なお、塗布、乾燥および圧縮方法は、上述の正極の製造方法と同様に従来公知の手段を用いることができる。   Next, a method for producing a negative electrode for a lithium secondary battery according to this embodiment will be described. In order to form a negative electrode active material layer on the surface of the negative electrode current collector, first, the negative electrode active material is mixed with the appropriate solvent (aqueous solvent or non-aqueous solvent) together with a binder or the like to form a paste or slurry. The negative electrode active material layer forming composition (hereinafter referred to as “negative electrode active material layer forming paste”) is prepared. As for the blending ratio of each constituent material, for example, the ratio of the negative electrode active material in the negative electrode active material layer is preferably about 50% by mass or more, and is about 85 to 99% by mass (for example, 90 to 97% by mass). It is more preferable. Further, the ratio of the binder in the negative electrode active material layer can be, for example, about 1 to 15% by mass, and is usually preferably about 3 to 10% by mass. The paste thus prepared is applied to the negative electrode current collector, the solvent is volatilized and dried, and then compressed (pressed). Thereby, the negative electrode of the lithium secondary battery which has the negative electrode active material layer formed using this paste on a negative electrode collector is obtained. In addition, the application | coating, drying, and the compression method can use a conventionally well-known means similarly to the manufacturing method of the above-mentioned positive electrode.

こうして作製した正極シートおよび負極シートを用いて、一実施形態に係るリチウム二次電池100の構築について大まかな手順を説明する。上記作製した正極シート30および負極シート40を2枚のセパレータ50と共に積重ね合わせて捲回し、積層方向から押しつぶして拉げさせることによって電極体20を扁平形状に成形し、電池ケース10に収容して電解質を注入後、該ケース開口部12に蓋体14を装着し、封止することによって、本実施形態のリチウム二次電池100を構築することができる。なお、上記電池ケース10の構造、大きさ、材料(例えば金属製またはラミネートフィルム製であり得る)等について特に制限はない。   A rough procedure for constructing the lithium secondary battery 100 according to an embodiment will be described using the positive electrode sheet and the negative electrode sheet thus manufactured. The prepared positive electrode sheet 30 and negative electrode sheet 40 are stacked and wound together with two separators 50, and are crushed and crushed from the stacking direction to form the electrode body 20 into a flat shape and accommodate in the battery case 10. After injecting the electrolyte, the lid 14 is attached to the case opening 12 and sealed, whereby the lithium secondary battery 100 of this embodiment can be constructed. There is no particular limitation on the structure, size, material (for example, metal or laminate film) of the battery case 10 and the like.

また、正負極シート30、40間に使用される好適なセパレータシート50としては、多孔質ポリオレフィン系樹脂で構成されたものが挙げられる。例えば、合成樹脂製(例えばポリエチレン等のポリオレフィン製)多孔質セパレータシートを好適に使用し得る。なお、電解質として固体電解質若しくはゲル状電解質を使用する場合には、セパレータが不要な場合(即ちこの場合には電解質自体がセパレータとして機能し得る。)があり得る。   Moreover, as a suitable separator sheet 50 used between the positive / negative electrode sheets 30 and 40, what was comprised with porous polyolefin resin is mentioned. For example, a porous separator sheet made of synthetic resin (for example, made of polyolefin such as polyethylene) can be suitably used. When a solid electrolyte or a gel electrolyte is used as the electrolyte, there may be a case where a separator is unnecessary (that is, in this case, the electrolyte itself can function as a separator).

また、電解質は、従来からリチウム二次電池に用いられる非水電解液と同様のものを特に限定なく使用することができる。かかる非水電解液は、典型的には、適当な非水溶媒に支持塩を含有させた組成を有する。上記非水溶媒としては、例えば、プロピレンカーボネート(PC)、エチレンカーボネート(EC)、ジエチルカーボネート(DEC)、N,N−ジメチルホルムアミド(DMF)、エチルメチルカーボネート(EMC)等からなる群から選択された1種又は2種以上を用いることができる。また、上記支持塩としては、例えば、LiPF、LiBF、LiClO、LiAsF、LiCFSO、LiCSO、LiN(CFSO、LiC(CFSO、LiI等のリチウム化合物(リチウム塩)を用いることができる。なお、非水電解液における支持塩の濃度は、従来のリチウム二次電池で使用される非水電解液と同様でよく、特に制限はない。適当なリチウム化合物(支持塩)を0.1〜5mol/L程度の濃度で含有させた電解質を使用することができる。 Moreover, the electrolyte can use the thing similar to the nonaqueous electrolyte conventionally used for a lithium secondary battery without limitation. Such a nonaqueous electrolytic solution typically has a composition in which a supporting salt is contained in a suitable nonaqueous solvent. The non-aqueous solvent is selected from the group consisting of propylene carbonate (PC), ethylene carbonate (EC), diethyl carbonate (DEC), N, N-dimethylformamide (DMF), ethyl methyl carbonate (EMC), and the like. 1 type or 2 types or more can be used. Examples of the supporting salt include LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , LiAsF 6 , LiCF 3 SO 3 , LiC 4 F 9 SO 3 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , LiC (CF 3 SO 2 ). 3. Lithium compounds (lithium salts) such as LiI can be used. In addition, the density | concentration of the support salt in a nonaqueous electrolyte solution may be the same as that of the nonaqueous electrolyte solution used with the conventional lithium secondary battery, and there is no restriction | limiting in particular. An electrolyte containing an appropriate lithium compound (supporting salt) at a concentration of about 0.1 to 5 mol / L can be used.

このようにして構築されたリチウム二次電池100は、上述したように、高い電池容量または高いエネルギー密度を有するため、特に自動車等の車両に搭載されるモーター(電動機)用電源として好適に使用し得る。したがって本発明は、図4に模式的に示すように、かかるリチウム二次電池(典型的には複数直列接続してなる組電池)100を電源として備える車両1(典型的には自動車、特にハイブリッド自動車、電気自動車、燃料電池自動車のような電動機を備える自動車)を提供する。   As described above, the lithium secondary battery 100 constructed in this way has a high battery capacity or a high energy density. Therefore, the lithium secondary battery 100 is particularly preferably used as a power source for a motor (electric motor) mounted on a vehicle such as an automobile. obtain. Therefore, as schematically shown in FIG. 4, the present invention provides a vehicle 1 (typically an automobile, in particular a hybrid) provided with such a lithium secondary battery (typically, a plurality of series-connected batteries) 100 as a power source. Automobiles, electric vehicles, automobiles equipped with electric motors such as fuel cell vehicles).

以下の試験例において、ここで開示される製造方法により得られるアモルファス構造を有する複合酸化物からなるリチウム二次電池用の電極活物質(ここでは正極活物質)を使用してリチウム二次電池(サンプル電池)を構築し、その性能評価を行った。   In the following test examples, a lithium secondary battery (in this case, a positive electrode active material) using an electrode active material for a lithium secondary battery made of a composite oxide having an amorphous structure obtained by the production method disclosed herein (a positive electrode active material) A sample battery was constructed and its performance was evaluated.

<実施例1:正極活物質の合成>
以下の手順で、アモルファス構造を有する複合酸化物(LiMnP0.51.55.5)からなるリチウム二次電池用の正極活物質(実施例1)を製造した。
すなわち、リチウム源としての酢酸リチウム・二水和物〔Li(CHCOO)・2HO〕と、マンガン源としての酢酸マンガン(II)・四水和物〔Mn(CHCOO)・4HO〕と、リン源としてのリン酸(HPO)と、ホウ素源としてのホウ酸(HBO)とを包含する、上記組成比の複合酸化物を構成するための出発原料を用意した。有機溶剤(DMF)に出発原料を添加して溶解し、3時間攪拌することにより原料混合物を調製した。次いで、原料混合物を150℃で2時間加熱(乾燥)し、DMFを揮発させた。有機溶剤が揮発したところで、温度を下げずに350℃(最高焼成温度)まで昇温させた。そのまま、該温度で5時間焼成することによって、実施例1に係るアモルファス構造を有する複合酸化物を得た。得られた複合酸化物をボールミルを用いて300rpmで3時間粉砕(攪拌)し、走査型電子顕微鏡(SEM)で観察した。図5は、SEMで撮影された実施例1に係る複合酸化物である。
<Example 1: Synthesis of positive electrode active material>
In the following procedure, to prepare a positive active material (Example 1) for a lithium secondary battery comprising a composite oxide having an amorphous structure (Li 2 MnP 0.5 B 1.5 O 5.5).
That is, lithium acetate dihydrate [Li (CH 3 COO) 2H 2 O] as a lithium source and manganese acetate (II) tetrahydrate [Mn (CH 3 COO) 2. 4H 2 O], phosphoric acid (H 3 PO 4 ) as a phosphorus source, and boric acid (H 3 BO 3 ) as a boron source, a starting material for forming a composite oxide having the above composition ratio Raw materials were prepared. The starting material was added to an organic solvent (DMF), dissolved, and stirred for 3 hours to prepare a starting material mixture. Subsequently, the raw material mixture was heated (dried) at 150 ° C. for 2 hours to volatilize DMF. When the organic solvent volatilized, the temperature was raised to 350 ° C. (maximum firing temperature) without lowering the temperature. The composite oxide having an amorphous structure according to Example 1 was obtained by baking as it was for 5 hours. The obtained composite oxide was pulverized (stirred) at 300 rpm for 3 hours using a ball mill, and observed with a scanning electron microscope (SEM). FIG. 5 is a composite oxide according to Example 1 taken by SEM.

<比較例:正極活物質の合成>
以下の手順で、アモルファス構造を有する複合酸化物(LiMnP0.51.55.5)からなるリチウム二次電池用の正極活物質(試験例)を合成した。すなわち、リチウム源としての水酸化リチウム(LiOH)と、マンガン源としての酸化マンガン(II)(MnO)と、リン源としての五酸化二リン(P)と、ホウ素源としての酸化ホウ素(B)とを包含する、上記組成比の複合酸化物を構成するための出発原料を用意した。該出発原料を混合して原料混合物を調製し、1000〜1200℃の温度域まで昇温し、該混合物が溶融するまで加熱した。その後、溶融した原料混合物を氷水に投入し急冷させることによって、比較例に係るアモルファス構造を有する複合酸化物を得た。得られた複合酸化物をボールミルを用いて300rpmで3時間粉砕(攪拌)し、走査型電子顕微鏡(SEM)で観察した。図6は、SEMで撮影された比較例に係る複合酸化物である。
<Comparative example: Synthesis of positive electrode active material>
A positive electrode active material (test example) for a lithium secondary battery made of a composite oxide having an amorphous structure (Li 2 MnP 0.5 B 1.5 O 5.5 ) was synthesized by the following procedure. That is, lithium hydroxide (LiOH) as a lithium source, manganese (II) oxide (MnO) as a manganese source, diphosphorus pentoxide (P 2 O 5 ) as a phosphorus source, and boron oxide as a boron source A starting material for constituting a composite oxide having the above composition ratio including (B 2 O 3 ) was prepared. The starting materials were mixed to prepare a starting material mixture, heated to a temperature range of 1000 to 1200 ° C., and heated until the mixture melted. Thereafter, the molten raw material mixture was poured into ice water and rapidly cooled to obtain a composite oxide having an amorphous structure according to a comparative example. The obtained composite oxide was pulverized (stirred) at 300 rpm for 3 hours using a ball mill, and observed with a scanning electron microscope (SEM). FIG. 6 is a composite oxide according to a comparative example taken by SEM.

実施例1に係るアモルファス構造を有する複合酸化物(図5)と、比較例に係るアモルファス構造を有する複合酸化物(図6)との粒子径を比較する。図5で示されるSEM像より、実施例1に係る複合酸化物の平均粒径は凡そ200nm〜300nmであった。他方、図6に示されるSEM像より、比較例に係る複合酸化物の平均粒径は凡そ2μm〜3μmであった。このことから、実施例1にかかる複合酸化物の方が走査型電子顕微鏡観察に基づく平均粒径が小さいことが確認された。   The particle diameters of the composite oxide having the amorphous structure according to Example 1 (FIG. 5) and the composite oxide having the amorphous structure according to the comparative example (FIG. 6) are compared. From the SEM image shown in FIG. 5, the average particle size of the composite oxide according to Example 1 was approximately 200 nm to 300 nm. On the other hand, from the SEM image shown in FIG. 6, the average particle size of the composite oxide according to the comparative example was about 2 μm to 3 μm. From this, it was confirmed that the composite oxide according to Example 1 had a smaller average particle diameter based on observation with a scanning electron microscope.

次に、試験用のリチウム二次電池の正極を作製した。
まず、上記合成した正極活物質としてのアモルファス構造を有する複合酸化物と、導電材としてのアセチレンブラックとを、これら材料の質量%比が70:25になるように導電材を添加し、ボールミルを用いて300rpmで混合した。平均粒径の小さかった実施例に係る正極活物質の方は、導電材を加えてから24時間混合した。一方、比較例に係る正極活物質の方は、導電材を加えてから3時間混合した。
次に、正極における正極活物質層を形成するにあたり、正極活物質層形成用ペーストを調製した。正極活物質としてのアモルファス構造を有する複合酸化物と、導電材としてのアセチレンブラックと、結着材としてのポリテトラフルオロエチレン(PTFE)とを、これら材料の質量%比が70:25:5となるように結着材を秤量し、イオン交換水を加えて混合することにより、0.143gの正極活物質層形成用ペーストを調製した。
そして、上記ペーストを正極集電体としてのアルミニウム箔に塗布し、該ペースト中の水分を乾燥(蒸発)させた。さらに、ローラプレス機にてシート状に引き伸ばし、正極集電体の表面に活物質層を形成した。そして、直径15mmのポンチで円形状に打ち抜き、正極を調製した。
Next, the positive electrode of the lithium secondary battery for a test was produced.
First, the composite oxide having an amorphous structure as the synthesized positive electrode active material and acetylene black as the conductive material are added so that the mass% ratio of these materials is 70:25, and the ball mill is prepared. And mixed at 300 rpm. The positive electrode active material according to the example having a smaller average particle diameter was mixed for 24 hours after adding the conductive material. On the other hand, the positive electrode active material according to the comparative example was mixed for 3 hours after adding the conductive material.
Next, when forming the positive electrode active material layer in the positive electrode, a positive electrode active material layer forming paste was prepared. A composite oxide having an amorphous structure as a positive electrode active material, acetylene black as a conductive material, and polytetrafluoroethylene (PTFE) as a binder have a mass% ratio of these materials of 70: 25: 5 The binder was weighed so that ion-exchanged water was added and mixed to prepare 0.143 g of a positive electrode active material layer forming paste.
And the said paste was apply | coated to the aluminum foil as a positive electrode electrical power collector, and the water | moisture content in this paste was dried (evaporated). Furthermore, it was stretched into a sheet shape with a roller press, and an active material layer was formed on the surface of the positive electrode current collector. And it punched circularly with the punch of diameter 15mm, and prepared the positive electrode.

次に、試験用のリチウム二次電池の負極を調製した。リチウム金属箔を用意し、直径15mmのポンチで打ち抜き、負極を調製した。   Next, a negative electrode for a lithium secondary battery for testing was prepared. A lithium metal foil was prepared and punched out with a punch having a diameter of 15 mm to prepare a negative electrode.

上記調製した正極と負極とを用いて2032型(径20mm,厚さ3.2mm)コイン型の試験用リチウム二次電池を構築した。すなわち、正極側の外装を形成する外装缶の内部に円形状の正極と、非水電解液を含浸させたセパレータとを積層させて配置し、ガスケットでセパレータの周縁を押さえた後、円形状の負極と、厚み調整用のスペーサと、板バネとを、セパレータの上に順番に配置した。そして、上記収容された外装缶の内部を外装蓋で塞ぎ、外装缶および外装蓋の周縁部を封缶し試験用のリチウム二次電池を構築した。
なお、非水電解液としては、プロピレンカーボネート(PC)とエチレンカーボネート(EC)とジメチルカーボネート(DMC)との1:1:3(体積比)混合溶媒に1mol/LのLiPF6を溶解させた組成を用いた。また、セパレータとしては、ポリエチレン/ポリプロピレン/ポリエチレン製の三層フィルム(PE/PP/PEフィルム)を使用した。
A 2032 type (diameter 20 mm, thickness 3.2 mm) coin-type test lithium secondary battery was constructed using the positive electrode and negative electrode prepared above. That is, a circular positive electrode and a separator impregnated with a non-aqueous electrolyte are laminated and arranged inside an outer can that forms the outer casing on the positive electrode side, and after pressing the periphery of the separator with a gasket, A negative electrode, a spacer for adjusting the thickness, and a leaf spring were sequentially arranged on the separator. Then, the inside of the accommodated outer can was closed with an outer lid, and the outer can and the peripheral edge of the outer lid were sealed to construct a lithium secondary battery for testing.
In addition, as a non-aqueous electrolyte, 1 mol / L LiPF6 was dissolved in a 1: 1: 3 (volume ratio) mixed solvent of propylene carbonate (PC), ethylene carbonate (EC), and dimethyl carbonate (DMC). Was used. Moreover, as a separator, the three-layer film (PE / PP / PE film) made from polyethylene / polypropylene / polyethylene was used.

[充放電特性試験]
上記構築した実施例1および比較例に係るアモルファス構造を有する複合酸化物を正極活物質として用いてそれぞれ構築したリチウム二次電池に対して、以下の充放電特性試験を行った。
上記充放電特性の試験条件は、測定温度25℃において、電流密度0.1mA/cmの定電流で5.0Vまで充電し、10分後、次いで同じ電流密度で2.2Vまで放電した。その比容量の測定結果を図7および図8に示す。
[Charge / discharge characteristics test]
The following charge / discharge characteristic tests were performed on the lithium secondary batteries constructed using the composite oxide having the amorphous structure according to Example 1 and the comparative example constructed as described above as the positive electrode active material.
The test conditions for the charge / discharge characteristics were as follows. At a measurement temperature of 25 ° C., the battery was charged to 5.0 V with a constant current of a current density of 0.1 mA / cm 2 , 10 minutes later, and then discharged to 2.2 V with the same current density. The measurement results of the specific capacity are shown in FIGS.

図7は、実施例1に係る複合酸化物を正極活物質として用いて構築したリチウム二次電池の充放電特性を示すグラフであり、図8は、比較例に係る複合酸化物を正極活物質として用いて構築したリチウム二次電池の充放電特性を示すグラフである。なお、図7および図8において、横軸は比容量を表し、縦軸はリチウム基準電極電位を表している。
図7および図8から明らかなように、実施例1に係る複合酸化物を用いて構築したリチウム二次電池の方が、充放電時の比容量が大きいことが示された。放電(2.2V)時の比容量で比較すると、比較例に係る複合酸化物を用いて構築したリチウム二次電池の比容量は約30mAh/gを示すのに対し、実施例1に係る複合酸化物を用いて構築したリチウム二次電池の比容量は約80mAh/gであった。
FIG. 7 is a graph showing charge / discharge characteristics of a lithium secondary battery constructed using the composite oxide according to Example 1 as a positive electrode active material, and FIG. 8 shows the composite oxide according to the comparative example as a positive electrode active material. It is a graph which shows the charging / discharging characteristic of the lithium secondary battery constructed | assembled using as. 7 and 8, the horizontal axis represents the specific capacity, and the vertical axis represents the lithium reference electrode potential.
As is clear from FIG. 7 and FIG. 8, it was shown that the lithium secondary battery constructed using the composite oxide according to Example 1 has a larger specific capacity during charge / discharge. Compared with the specific capacity at the time of discharge (2.2 V), the specific capacity of the lithium secondary battery constructed using the composite oxide according to the comparative example shows about 30 mAh / g, whereas the composite capacity according to Example 1 The specific capacity of the lithium secondary battery constructed using the oxide was about 80 mAh / g.

<実施例2:正極活物質の合成>
さらに、アモルファス構造を有する複合酸化物(LiMnP)からなるリチウム二次電池用の正極活物質(実施例2)を合成した。実施例1に係るアモルファス構造を有する複合酸化物(LiMnP0.51.55.5)からなるリチウム二次電池用の正極活物質を合成する手順のうち、焼成温度を300℃に変更した以外は、実施例1と同一の出発原料を用いて同様の手順で合成した。
<Example 2: Synthesis of positive electrode active material>
Furthermore, it was synthesized composite oxide having an amorphous structure positive electrode active material (Li 2 MnP 1 B 1 O 6) made of a lithium secondary battery (Example 2). Among the procedures for synthesizing the positive electrode active material for the lithium secondary battery made of the composite oxide (Li 2 MnP 0.5 B 1.5 O 5.5 ) having an amorphous structure according to Example 1, the firing temperature is 300. The compound was synthesized in the same procedure using the same starting materials as in Example 1 except that the temperature was changed to ° C.

<実施例3:正極活物質の合成>
また、アモルファス構造を有する複合酸化物(LiMnP)からなるリチウム二次電池用の正極活物質(実施例3)を合成した。実施例1に係るアモルファス構造を有する複合酸化物(LiMnP0.51.55.5)からなるリチウム二次電池用の正極活物質を合成する手順のうち、焼成温度を300℃に変更したこと、および有機溶剤を揮発させた後の原料混合物の温度を一旦100℃以下(ここでは室温)まで降温させる温度保持行程を実施した以外は、実施例1と同一の出発原料を用いて同様の手順で合成した。
すなわち、リチウム源としての酢酸リチウム・二水和物〔Li(CHCOO)・2HO〕と、マンガン源としての酢酸マンガン(II)・四水和物〔Mn(CHCOO)・4HO〕と、リン源としてのリン酸(HPO)と、ホウ素源としてのホウ酸(HBO)とを包含する、上記組成比の複合酸化物を構成するための出発原料を用意した。有機溶剤(DMF)に出発原料を添加して溶解し、3時間攪拌することにより原料混合物を調製した。次いで、原料混合物を150℃で2時間加熱(乾燥)し、DMFを揮発させた。有機溶剤が揮発した後、原料混合物の温度を一旦降温させるため、室温で1週間保持した。かかる温度保持行程の後、原料混合物を300℃まで昇温させた。そのまま、該温度で5時間焼成することによって、実施例3に係るアモルファス構造を有する複合酸化物を得た。得られた複合酸化物をボールミルを用いて300rpmで3時間粉砕(攪拌)した。
<Example 3: Synthesis of positive electrode active material>
It was also synthesized composite oxide having an amorphous structure positive electrode active material (Li 2 MnP 1 B 1 O 6) made of a lithium secondary battery (Example 3). Among the procedures for synthesizing the positive electrode active material for the lithium secondary battery made of the composite oxide (Li 2 MnP 0.5 B 1.5 O 5.5 ) having an amorphous structure according to Example 1, the firing temperature is 300. The same starting materials as in Example 1 were used except that the temperature was changed to 0 ° C. and the temperature of the raw material mixture after the organic solvent was volatilized was temporarily lowered to 100 ° C. or lower (room temperature in this case). And synthesized in the same procedure.
That is, lithium acetate dihydrate [Li (CH 3 COO) 2H 2 O] as a lithium source and manganese acetate (II) tetrahydrate [Mn (CH 3 COO) 2. 4H 2 O], phosphoric acid (H 3 PO 4 ) as a phosphorus source, and boric acid (H 3 BO 3 ) as a boron source, a starting material for forming a composite oxide having the above composition ratio Raw materials were prepared. The starting material was added to an organic solvent (DMF), dissolved, and stirred for 3 hours to prepare a starting material mixture. Subsequently, the raw material mixture was heated (dried) at 150 ° C. for 2 hours to volatilize DMF. After the organic solvent volatilized, the temperature of the raw material mixture was kept at room temperature for 1 week in order to lower the temperature of the raw material mixture. After the temperature holding step, the raw material mixture was heated to 300 ° C. The composite oxide having an amorphous structure according to Example 3 was obtained by baking as it was for 5 hours. The obtained composite oxide was pulverized (stirred) at 300 rpm for 3 hours using a ball mill.

上記合成した実施例2および実施例3に係るアモルファス構造を有する複合酸化物をXRD測定し、それぞれのX線回折パターンを比較した。図9にX線回折パターンの比較グラフを示す。
図9上段の温度保持行程を経て得られた複合酸化物(実施例3)のX線回折パターンには、下段の温度保持行程を省略して得られた複合酸化物(実施例2)のX線回折パターンにおいて2θ値が約22°付近の位置において確認されるピークがみられなかった。かかるピークに相当する化合物であるLiPOは、有機溶剤を揮発させた後に100℃以下(ここでは室温)で温度を保持する行程を行うことにより、該複合酸化物から減少させることができることが確認された。
The composite oxides having an amorphous structure according to Example 2 and Example 3 synthesized above were subjected to XRD measurement, and the respective X-ray diffraction patterns were compared. FIG. 9 shows a comparison graph of X-ray diffraction patterns.
The X-ray diffraction pattern of the composite oxide (Example 3) obtained through the upper temperature holding step in FIG. 9 shows the X of the composite oxide (Example 2) obtained by omitting the lower temperature holding step. In the line diffraction pattern, no peak was observed at a position where the 2θ value was around 22 °. Li 3 PO 4, which is a compound corresponding to such a peak, can be reduced from the composite oxide by performing a process of keeping the temperature at 100 ° C. or lower (here, room temperature) after volatilizing the organic solvent. Was confirmed.

上記合成した実施例2および実施例3に係る複合酸化物をそれぞれ用いて上述の正極の作製方法と同様の手順で正極を作製した。次いで、作製した正極を用いて、上述の2032型(径20mm,厚さ3.2mm)コイン型の試験用リチウム二次電池の構築方法と同様の手順で、それぞれの試験用リチウム二次電池を構築した。   Using the composite oxides according to Example 2 and Example 3 synthesized above, a positive electrode was manufactured in the same procedure as the above-described positive electrode manufacturing method. Next, using the produced positive electrode, each test lithium secondary battery was prepared in the same procedure as the construction method of the above-described 2032 type (diameter 20 mm, thickness 3.2 mm) coin-type test lithium secondary battery. It was constructed.

[充放電特性試験]
上記構築した実施例2および実施例3に係る複合酸化物を正極活物質として用いて構築したリチウム二次電池に対して、上述と同様の条件で充放電特性試験を行った。図10に比容量の測定結果を示す。
図10に示されるように、実施例3に係る温度保持行程を経て得られた複合酸化物を用いて構築したリチウム二次電池は、充放電時の比容量が大きく向上されることが示された。
[Charge / discharge characteristics test]
A charge / discharge characteristic test was performed on the lithium secondary battery constructed using the composite oxide according to Example 2 and Example 3 constructed as described above as the positive electrode active material under the same conditions as described above. FIG. 10 shows the measurement results of specific capacity.
As shown in FIG. 10, the lithium secondary battery constructed using the composite oxide obtained through the temperature holding process according to Example 3 is shown to greatly improve the specific capacity during charging and discharging. It was.

以上、本発明を詳細に説明したが、上記実施形態および実施例は例示にすぎず、ここで開示される発明には上述の具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。例えば、電極体構成材料や電解質が異なる種々の内容の電池であってもよい。また、該電池の大きさおよびその他の構成についても、用途(典型的には車載用)によって適切に変更することができる。   As mentioned above, although this invention was demonstrated in detail, the said embodiment and Example are only illustrations and what changed and changed the above-mentioned specific example is contained in the invention disclosed here. For example, the battery of the various content from which an electrode body structural material and electrolyte differ may be sufficient. Further, the size and other configurations of the battery can be appropriately changed depending on the application (typically for in-vehicle use).

本発明の製造方法により得られたアモルファス構造を有する複合酸化物からなるリチウム二次電池用の電極活物質を用いて構築したリチウム二次電池は、上述したように充放電特性に優れるため、特に自動車等の車両に搭載されるモーター(電動機)用電源として好適に使用し得る。したがって本発明は、図4に模式的に示すように、かかるリチウム二次電池(典型的には複数直列接続してなる組電池)100を電源として備える車両1(典型的には自動車、特にハイブリッド自動車、電気自動車、燃料電池自動車のような電動機を備える自動車)を提供する。   Since the lithium secondary battery constructed using the electrode active material for a lithium secondary battery comprising a complex oxide having an amorphous structure obtained by the production method of the present invention is excellent in charge / discharge characteristics as described above, It can be suitably used as a power source for a motor (electric motor) mounted on a vehicle such as an automobile. Therefore, as schematically shown in FIG. 4, the present invention provides a vehicle 1 (typically an automobile, in particular a hybrid) provided with such a lithium secondary battery (typically, a plurality of series-connected batteries) 100 as a power source. Automobiles, electric vehicles, automobiles equipped with electric motors such as fuel cell vehicles).

1 車両
10 電池ケース
12 開口部
14 蓋体
20 捲回電極体
30 正極シート
32 正極集電体
34 正極活物質層
35 正極集電体積層部
36 正極活物質層非形成部
37 正極集電端子
38 外部正極集電端子
40 負極シート
42 負極集電体
44 負極活物質層
45 負極集電体積層部
46 負極活物質層非形成部
47 負極集電端子
48 外部負極集電端子
50 セパレータ
100 リチウム二次電池
R 捲回軸方向
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Vehicle 10 Battery case 12 Opening part 14 Cover body 20 Winding electrode body 30 Positive electrode sheet 32 Positive electrode collector 34 Positive electrode active material layer 35 Positive electrode collector lamination | stacking part 36 Positive electrode active material layer non-formation part 37 Positive electrode current collection terminal 38 External positive electrode current collector terminal 40 Negative electrode sheet 42 Negative electrode current collector 44 Negative electrode active material layer 45 Negative electrode current collector laminated portion 46 Negative electrode active material layer non-formation portion 47 Negative electrode current collector terminal 48 External negative electrode current collector terminal 50 Separator 100 Lithium secondary Battery R Winding axis direction

Claims (12)

アモルファス構造を有する複合酸化物であって、
リチウムと、少なくとも1種の遷移金属元素と、酸素と共に酸化物の形態でガラス形成可能な少なくとも1種の元素とを含む、複合酸化物からなるリチウム二次電池用の電極活物質を製造する方法であって、以下の工程:
少なくともリチウム源と、前記遷移金属元素源と、前記ガラス形成可能元素源とを包含する、前記複合酸化物を構成するための出発原料を有機溶剤に溶解させて原料混合物を調製する工程;
前記原料混合物を加熱して前記有機溶剤を揮発させる工程;および
前記有機溶剤を揮発させた後の原料混合物を焼成する工程;
を包含する、製造方法。
A complex oxide having an amorphous structure,
Method for producing an electrode active material for a lithium secondary battery comprising a composite oxide, comprising lithium, at least one transition metal element, and at least one element capable of forming glass in the form of an oxide together with oxygen And the following steps:
A step of preparing a raw material mixture by dissolving a starting raw material for constituting the composite oxide in an organic solvent, including at least a lithium source, the transition metal element source, and the glass-forming element source;
Heating the raw material mixture to volatilize the organic solvent; and baking the raw material mixture after volatilizing the organic solvent;
Manufacturing method.
前記揮発工程の終了後、前記有機溶剤を揮発させた後の原料混合物を100℃以下の温度で保持する工程を包含する、請求項1に記載の製造方法。   The manufacturing method of Claim 1 including the process of hold | maintaining the raw material mixture after volatilizing the said organic solvent at the temperature of 100 degrees C or less after completion | finish of the said volatilization process. 前記揮発工程では、少なくとも100℃を上回る温度であって、前記焼成工程における最高焼成温度を下回る温度で前記原料混合物を加熱する、請求項1または2に記載の製造方法。   The manufacturing method according to claim 1 or 2, wherein, in the volatilization step, the raw material mixture is heated at a temperature that is at least higher than 100 ° C and lower than a maximum baking temperature in the baking step. 前記焼成工程では、前記最高焼成温度を400℃以下に設定する、請求項3に記載の製造方法。   The manufacturing method according to claim 3, wherein in the firing step, the maximum firing temperature is set to 400 ° C. or lower. 前記原料混合物は、一般式:
LiMX (1)
(式(1)中のa,bおよびcは、
0<a≦2.5、
0<b≦3、
c={a+(Mの価数)+b×(Xの価数)}/2
を全て満足する数であり、
Mは、少なくとも1種の遷移金属元素であって、Xは、酸素と共に酸化物の形態でガラス形成可能な少なくとも1種の元素である。)
で示される複合酸化物が生成されるように調製する、請求項1〜4のいずれかに記載の製造方法。
The raw material mixture has the general formula:
Li a MX b O c (1)
(A, b and c in the formula (1) are
0 <a ≦ 2.5,
0 <b ≦ 3,
c = {a + (valence of M) + b × (valence of X)} / 2
Is a number that satisfies all
M is at least one transition metal element, and X is at least one element capable of forming glass in the form of an oxide with oxygen. )
The manufacturing method in any one of Claims 1-4 prepared so that the complex oxide shown by this may be produced | generated.
前記M元素は、Mn、Ni、CoおよびFeから成る群から選択される1種又は2種以上の元素である、請求項5に記載の製造方法。   The manufacturing method according to claim 5, wherein the M element is one or more elements selected from the group consisting of Mn, Ni, Co, and Fe. 前記X元素は、B、PおよびSiから成る群から選択される1種又は2種以上の元素である、請求項5または6に記載の製造方法   The manufacturing method according to claim 5 or 6, wherein the X element is one or more elements selected from the group consisting of B, P and Si. 前記リチウム源及び/又は前記遷移金属元素源として当該元素を含む化合物の水和物を使用する、請求項1〜7のいずれかに記載の製造方法。   The manufacturing method in any one of Claims 1-7 using the hydrate of the compound containing the said element as said lithium source and / or said transition metal element source. 前記焼成工程後に得られた焼成物を粉砕する工程をさらに包含する、請求項1〜8のいずれかに記載の製造方法。   The manufacturing method in any one of Claims 1-8 which further includes the process of grind | pulverizing the baked product obtained after the said baking process. チウム二次電池用の電極活物質であって、
アモルファス構造を有する複合酸化物から構成されており、
該複合酸化物は、リチウムと、少なくとも1種の遷移金属元素と、酸素と共に酸化物の形態でガラス形成可能な少なくとも1種の元素とを含み、
走査型電子顕微鏡観察に基づく一次粒子の平均粒径が1μm以下であることを特徴とする、電極活物質。
An electrode active material for Lithium secondary battery,
It is composed of a complex oxide having an amorphous structure,
The composite oxide includes lithium, at least one transition metal element, and at least one element capable of forming glass in the form of an oxide with oxygen,
An electrode active material, wherein an average particle diameter of primary particles based on observation with a scanning electron microscope is 1 μm or less.
請求項10に記載のリチウム二次電池用の電極活物質を使用した正極を備える、リチウム二次電池。   A lithium secondary battery comprising a positive electrode using the electrode active material for a lithium secondary battery according to claim 10. 請求項11に記載のリチウム二次電池を備える、車両。   A vehicle comprising the lithium secondary battery according to claim 11.
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