JP5585847B2 - Method for producing electrode active material - Google Patents
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Description
本発明は、リチウム二次電池その他の二次電池に用いられる電極活物質の製造方法に関する。また、該方法によって製造された電極活物質とその利用に関する。 The present invention relates to a method for producing an electrode active material used for a lithium secondary battery and other secondary batteries. Moreover, it is related with the electrode active material manufactured by this method, and its utilization.
近年、リチウム二次電池(典型的にはリチウムイオン電池)、ニッケル水素電池等の二次電池は、車両搭載用電源、或いはパソコンおよび携帯端末の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は、車両搭載用高出力電源として好ましく用いられる。
ところで、二次電池の性能を向上させるための一つの方策として、二次電池を構成する電極活物質粒子の微小化が挙げられる。電極活物質(例えばリチウム二次電池の正極活物質)の粒子サイズを微小化することによって、当該電極活物質粒子の充填性が向上する。かかる充填性の向上により、電極(具体的には集電体上に形成される電極活物質を主体とする電極層)における活物質密度を高めることができる。また、電極活物質の粒子サイズを微小化することによって、活物質の単位質量あたりの表面積が増大する。このため、ハイレート特性、急速充放電特性等の向上を図ることができる。
In recent years, secondary batteries such as lithium secondary batteries (typically lithium ion batteries) and nickel metal hydride batteries have become increasingly important as power sources for vehicles or as power sources for personal computers and portable terminals. In particular, a lithium secondary battery that is lightweight and obtains a high energy density is preferably used as a high-output power source mounted on a vehicle.
By the way, as one measure for improving the performance of the secondary battery, miniaturization of electrode active material particles constituting the secondary battery can be mentioned. By reducing the particle size of the electrode active material (for example, the positive electrode active material of a lithium secondary battery), the filling properties of the electrode active material particles are improved. By improving the filling property, the active material density in the electrode (specifically, the electrode layer mainly composed of the electrode active material formed on the current collector) can be increased. Further, by reducing the particle size of the electrode active material, the surface area per unit mass of the active material is increased. For this reason, it is possible to improve the high rate characteristics, the rapid charge / discharge characteristics, and the like.
従来、電極活物質の粒子サイズを小さくするため、種々の粉砕技法が用いられている。例えば、特許文献1には、分散性及び充填性に優れた非水電解質二次電池用正極活物質の提供を目的として、リチウム化合物粒子とコバルト酸化物粒子との混合物からなる造粒成形物を800〜1000℃で加熱焼成した後にジェットミル等で粉砕することを特徴とする正極活物質の製造方法が開示されている。
Conventionally, various pulverization techniques are used to reduce the particle size of the electrode active material. For example,
しかしながら、上記特許文献に記載されているような従来技術、即ち、ジェットミルその他の粉砕機を使用して過度な機械的な粉砕処理を行うと、目的とする微小な粒子サイズの電極活物質粒子を製造できる一方、粉砕時に所謂メカノケミカル効果が発現してしまい、粒子の結晶構造が変化したり或いは結晶性が低下するおそれがある。また、ビーズミル等の湿式粉砕処理を行うと、湿式粉砕時に電極活物質を構成する成分が溶出するおそれがある。
かかる結晶構造の変化や結晶性の低下、或いは活物質粒子からの成分溶出は、当該電極活物質(例えばリチウム二次電池等の正極活物質)の性能低下(例えば充放電容量の低下)の原因となる場合があり、好ましくない。
However, when excessive mechanical pulverization is performed using a conventional technique as described in the above-mentioned patent document, that is, a jet mill or other pulverizer, electrode active material particles having a desired fine particle size are obtained. On the other hand, a so-called mechanochemical effect is manifested during pulverization, which may change the crystal structure of the particles or reduce the crystallinity. In addition, when a wet pulverization process such as a bead mill is performed, components constituting the electrode active material may be eluted during the wet pulverization.
Such a change in crystal structure, a decrease in crystallinity, or a component elution from the active material particles is a cause of a decrease in performance of the electrode active material (for example, a positive electrode active material such as a lithium secondary battery) (for example, a decrease in charge / discharge capacity). This is not preferable.
本発明は、電極活物質の微小化に関する上述したような従来の問題を解決すべく創出されたものであり、その目的とするところは、電極活物質としての性能低下を引き起こす要因となる過度な機械的粉砕処理を行うことなく、所望の微小な粒子サイズの電極活物質(詳しくは正極活物質又は負極活物質)を製造する方法を提供することである。また、本発明の他の一の目的は、ここで開示される製造方法により製造された電極活物質を提供することであり、該提供された電極活物質を使用することを特徴とする二次電池及びその製造方法を提供することである。 The present invention has been created to solve the above-described conventional problems related to miniaturization of the electrode active material, and the object of the present invention is an excessive factor that causes a decrease in performance as an electrode active material. It is to provide a method for producing an electrode active material (specifically, a positive electrode active material or a negative electrode active material) having a desired fine particle size without performing mechanical pulverization treatment. Another object of the present invention is to provide an electrode active material produced by the production method disclosed herein, characterized by using the provided electrode active material. A battery and a method for manufacturing the same are provided.
本発明によって以下の態様の電極活物質の製造方法が提供される。
即ち、ここで開示される一つの製造方法は、二次電池用の電極活物質を製造する方法である。かかる方法は、
(1)上記電極活物質を形成するための1種又は2種以上の原料化合物が水系溶媒に溶解又は分散した水性原料液であって、所定の下限臨界溶解温度以上で水に不溶性となる温度応答性高分子を該下限臨界溶解温度以下の温度で溶解させた水性原料液を用意すること、
(2)上記用意した水性原料液を上記下限臨界溶解温度を上回る温度域まで昇温し、該昇温した水性原料液中に不溶性凝集物を生成すること、
(3)上記生成された不溶性凝集物を焼成し、粒状の上記電極活物質(即ち電極活物質として機能する元素組成の化合物)を形成すること、
を包含する。
ここで「温度応答性高分子(temperature-responsive polymer)」とは、大気圧条件下において所定の下限臨界溶解温度(Lower Critical Solution Temperature)(以下、単に「LCST」ともいう。)を有し、当該温度以下では水溶性(即ち親水性)が顕著になる一方で、当該LCSTを超えると水に対して不溶性(即ち疎水性)が顕著になる可逆的な相転移挙動を示す高分子物質をいう。
The present invention provides a method for producing an electrode active material of the following aspect.
That is, one manufacturing method disclosed here is a method for manufacturing an electrode active material for a secondary battery. Such a method is
(1) A temperature at which one or more raw material compounds for forming the electrode active material are dissolved or dispersed in an aqueous solvent and become insoluble in water at a predetermined lower critical solution temperature or higher. Preparing an aqueous raw material solution in which a responsive polymer is dissolved at a temperature equal to or lower than the lower critical solution temperature;
(2) raising the temperature of the prepared aqueous raw material liquid to a temperature range above the lower critical solution temperature, and generating insoluble aggregates in the heated aqueous raw material liquid;
(3) firing the generated insoluble aggregate to form the granular electrode active material (that is, a compound having an elemental composition that functions as an electrode active material);
Is included.
Here, the “temperature-responsive polymer” has a predetermined lower critical solution temperature (hereinafter also simply referred to as “LCST”) under atmospheric pressure conditions. Below the temperature, water-soluble (that is, hydrophilic) becomes prominent. On the other hand, when the LCST is exceeded, the polymer material exhibits a reversible phase transition behavior that becomes insoluble (that is, hydrophobic). .
ここで開示される電極活物質製造方法では、上記温度応答性高分子を添加した水性原料液を使用して目的の組成の電極活物質を作製することを特徴とする。
かかる水性原料液は、上記LCST以下の温度条件下にあるとき、目的とする組成の電極活物質を形成するための1種又は2種以上の原料化合物(例えばリチウム二次電池の正極活物質であるリチウム遷移金属複合酸化物を形成する場合は、リチウム源となる化合物ならびに1種又は2種以上の遷移金属源となる化合物)が、水系溶媒中に溶解又は分散された状態で存在する。
そして、かかる水性原料液を上記LCST以上になるまで加熱(昇温)する。これにより、当該原料液中に含まれる温度応答性高分子が不溶化し、水性原料液中に共存する上記原料化合物を取り込んだ状態の微小な凝集物(ミセル)を生成することができる。換言すれば、該不溶性の微小な凝集物の生成によって、水性原料液中に含まれる原料化合物を当該微小な凝集物として小分けすることが実現される。即ち、当該原料化合物を含む微小な凝集物の生成により、その後の焼成によって得られる活物質の粒子のサイズを規定することができる。
The electrode active material manufacturing method disclosed herein is characterized in that an electrode active material having a target composition is prepared using the aqueous raw material liquid to which the temperature-responsive polymer is added.
Such an aqueous raw material liquid is one or more raw material compounds (for example, a positive electrode active material of a lithium secondary battery) for forming an electrode active material having a target composition when the temperature is below the LCST. In the case of forming a certain lithium transition metal composite oxide, a compound serving as a lithium source and a compound serving as one or more transition metal sources) are present in a dissolved or dispersed state in an aqueous solvent.
And this aqueous raw material liquid is heated (temperature rising) until it becomes more than said LCST. Thereby, the temperature-responsive polymer contained in the raw material liquid is insolubilized, and a fine aggregate (micelle) in a state in which the raw material compound coexisting in the aqueous raw material liquid is taken in can be generated. In other words, by generating the insoluble fine aggregate, it is possible to subdivide the raw material compound contained in the aqueous raw material liquid as the fine aggregate. That is, the size of the particles of the active material obtained by subsequent firing can be defined by generating fine aggregates containing the raw material compound.
次いで、ここで開示される電極活物質製造方法によると、生成された不溶性凝集物を焼成する(典型的には上記不溶性凝集物を含む水性原料液中の溶媒を蒸発等によって除去し当該不溶性凝集物を乾燥した後に焼成する)ことにより、当該生成した凝集物のサイズに応じた粒子サイズの粒状電極活物質を製造することができる。従って、本製造方法では、過度な機械的粉砕処理を行うことなく上記不溶性凝集物のサイズに応じた粒子サイズの粒状電極活物質を製造し得るため、メカノケミカル効果による活物質粒子の結晶構造に及ぼす影響や活物質としての性能低下を回避して目的の電極活物質粒子を製造することができる。 Next, according to the electrode active material manufacturing method disclosed herein, the generated insoluble aggregate is calcined (typically, the solvent in the aqueous raw material liquid containing the insoluble aggregate is removed by evaporation or the like to remove the insoluble aggregate. By firing the product after drying, a granular electrode active material having a particle size corresponding to the size of the generated aggregate can be produced. Therefore, in this production method, a granular electrode active material having a particle size corresponding to the size of the insoluble aggregate can be produced without performing excessive mechanical pulverization treatment. Therefore, the crystal structure of the active material particles due to the mechanochemical effect is obtained. The target electrode active material particles can be produced while avoiding the influence and performance degradation as an active material.
ここで開示される電極活物質製造方法の好ましい一態様では、上記の温度応答性高分子は、ポリ(N−アルキルアクリルアミド)、ポリ(N−ビニルアルキルアミド)、ポリビニルアルキルエーテル、ポリ(2−アルキル−2−オキサゾリン)およびポリエチレングリコール−ポリプロピレングリコールブロック共重合体からなる群より選択される少なくとも1種である。例えば、ポリ(N−アルキルアクリルアミド)の好適例としてポリ(N−イソプロピルアクリルアミド)が挙げられ、ポリビニルアルキルエーテルの好適例としてポリビニルメチルエーテルが挙げられる。
これらは温度応答性高分子として代表的で温度応答性挙動が詳細に調べられており、また下限臨界溶解温度の制御等も可能とされている。例えば、ポリ(N−イソプロピルアクリルアミド)、ポリビニルメチルエーテルは、常温よりやや高い温度に下限臨界溶解温度を有するため、温度制御が容易に行え、目的とする粒状電極活物質の製造がより簡便となる。
In a preferred embodiment of the electrode active material manufacturing method disclosed herein, the temperature-responsive polymer is poly (N-alkylacrylamide), poly (N-vinylalkylamide), polyvinylalkylether, poly (2- Alkyl-2-oxazoline) and at least one selected from the group consisting of polyethylene glycol-polypropylene glycol block copolymers. For example, a suitable example of poly (N-alkylacrylamide) is poly (N-isopropylacrylamide), and a preferred example of polyvinylalkyl ether is polyvinyl methyl ether.
These are typical temperature-responsive polymers, and their temperature-responsive behavior has been investigated in detail, and the lower critical solution temperature can be controlled. For example, since poly (N-isopropylacrylamide) and polyvinyl methyl ether have a lower critical solution temperature slightly higher than normal temperature, temperature control can be easily performed, and the production of the intended granular electrode active material becomes easier. .
ここで開示される電極活物質製造方法の好ましい一態様では、上記水性原料液は水溶性ゲル化剤を含んでいる。そのため、上記(2)および(3)に示される工程は、
(2)’上記ゲル化剤を含む水性原料液を上記下限臨界溶解温度を上回る温度域まで昇温し、該温度域において該水性原料液から水系溶媒を蒸発させて上記生成した不溶性凝集物を含むゲル化体を形成すること、
(3)’かかるゲル化体を焼成することによって上記電極活物質を形成すること、
を包含する。
In a preferred embodiment of the electrode active material manufacturing method disclosed herein, the aqueous raw material liquid contains a water-soluble gelling agent. Therefore, the steps shown in (2) and (3) above are:
(2) 'The aqueous raw material liquid containing the gelling agent is heated to a temperature range exceeding the lower critical solution temperature, and the aqueous solvent is evaporated from the aqueous raw material liquid in the temperature range to produce the insoluble aggregates generated above. Forming a gelled body comprising,
(3) 'forming the electrode active material by firing such a gelled body;
Is included.
ここで開示される電極活物質製造方法において、ゲル化剤としては、グリコール酸(C2H4O3)、リンゴ酸(C4H6O5)、クエン酸(C6H8O7)、ヒドロキシカルボン酸あるいはその誘導体を好適に用いることができる。該ゲル化剤を加えることで、原料化合物はゲル化剤との塩(目的の電極活物質の前駆体)を形成し、より反応しやすいイオンとなって水性原料液中に均一な分散状態で保持され得る。従って、該水性原料液を上記温度域まで昇温することにより形成される不溶性凝集物はより均一な組成となることができる。次いで該ゲル化体を焼成するが、原料化合物とゲル化剤との塩は比較的低温で焼成することで所望の電極活物質に変換することができる。
ここで開示される電極活物質製造方法によると、均一な混合状態の原料化合物を比較的低温の反応で目的の複合酸化物に転換することができ、原料金属元素の固溶が十分進んだ電極活物質を得ることができる。ゆえに、電池として高い充放電容量を具備させることが可能な電極活物質が提供される。
In the electrode active material manufacturing method disclosed herein, as the gelling agent, glycolic acid (C 2 H 4 O 3 ), malic acid (C 4 H 6 O 5 ), citric acid (C 6 H 8 O 7 ) Hydroxycarboxylic acid or a derivative thereof can be preferably used. By adding the gelling agent, the raw material compound forms a salt with the gelling agent (precursor of the target electrode active material) and becomes a more reactive ion in a uniformly dispersed state in the aqueous raw material liquid. Can be retained. Therefore, the insoluble aggregates formed by raising the temperature of the aqueous raw material liquid to the above temperature range can have a more uniform composition. Next, the gelled body is fired. The salt of the raw material compound and the gelling agent can be converted into a desired electrode active material by firing at a relatively low temperature.
According to the electrode active material manufacturing method disclosed herein, the raw material compound in a uniform mixed state can be converted to the target composite oxide by a reaction at a relatively low temperature, and the solid solution of the raw material metal element has sufficiently advanced. An active material can be obtained. Therefore, an electrode active material capable of having a high charge / discharge capacity as a battery is provided.
以上のように、ここで開示される電極活物質製造方法は、水系溶媒に溶解又は分散可能な原料化合物を当該水系溶媒に溶解又は分散した状態で液相混合して目的の組成の電極活物質を形成する工程を含む電極活物質の製造に適用することができる。
ここで開示される電極活物質製造方法の好ましい一態様では、製造対象とする電極活物質がリチウム二次電池の正極活物質であることを特徴とする。そのようなリチウム二次電池の正極活物質として好適なものとして、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)およびマンガン(Mn)のうちの少なくとも一種の遷移金属元素を構成元素とするリチウム遷移金属複合酸化物が挙げられる。なかでも特に、一般式:
Li(LiaMnxCoyNiz)O2
(式中のa、x、y、zはa+x+y+z=1を満足する正の実数)
で示されるリチウム過剰型遷移金属複合酸化物を主体に構成される正極活物質が挙げられる。或いは、一般式:SiOx(式中のxは0<x<2を満足する実数)で示されるケイ素酸化物を主体に構成される負極活物質が挙げられる。ここで開示される製造方法によると、これら高容量活物質の単位質量あたりの容量を更に拡大することができる。
As described above, the electrode active material manufacturing method disclosed herein is an electrode active material having a desired composition by liquid phase mixing in a state where a raw material compound that can be dissolved or dispersed in an aqueous solvent is dissolved or dispersed in the aqueous solvent. The present invention can be applied to the production of an electrode active material including a step of forming.
In a preferred aspect of the electrode active material manufacturing method disclosed herein, the electrode active material to be manufactured is a positive electrode active material of a lithium secondary battery. As a positive electrode active material for such a lithium secondary battery, lithium transition metal composite oxidation comprising at least one transition metal element of nickel (Ni), cobalt (Co) and manganese (Mn) as a constituent element Things. Among other things, the general formula:
Li (Li a Mn x Co y Ni z) O 2
(Where a, x, y, and z are positive real numbers satisfying a + x + y + z = 1)
And a positive electrode active material mainly composed of a lithium-excess type transition metal composite oxide represented by Alternatively, a negative electrode active material mainly composed of a silicon oxide represented by the general formula: SiO x (where x is a real number satisfying 0 <x <2) can be given. According to the production method disclosed herein, the capacity per unit mass of these high-capacity active materials can be further expanded.
上記の説明から明らかなように、ここで開示される製造方法では、上記水性原料液を昇温することにより生じた不溶性凝集物を回収(典型的には水系溶媒を蒸発させ、固形分残さとしての不溶性凝集物を回収)し、焼成することによって所望の粒子サイズの電極活物質を製造する。
従って、ここで開示される製造方法によると、電極活物質の粒子同士の凝集を抑止しつつ当該生成される不溶性凝集体(ミセル)のサイズに応じて焼成後の電極活物質の粒子のサイズ(粒径)を規定することができる。即ち、典型的には、焼成後に粉砕処理を行うことなく粒度分布の小さい(好ましくはほぼ均一な粒径サイズの)粒状電極活物質を好適に製造することができる。即ち、本構成の製造方法によると、温度応答性高分子の相転移挙動を利用することにより、過度な凝集が抑制された良好な分散状態の電極活物質粒子を、より微細化された粒度の粒状電極活物質として製造することができる。
As apparent from the above description, in the production method disclosed herein, insoluble aggregates generated by raising the temperature of the aqueous raw material liquid are recovered (typically, the aqueous solvent is evaporated to obtain a solid residue. Insoluble aggregates are collected) and fired to produce an electrode active material having a desired particle size.
Therefore, according to the production method disclosed herein, the size of the electrode active material particles after firing according to the size of the insoluble aggregates (micelles) produced while suppressing the aggregation of the particles of the electrode active material ( Particle size) can be defined. That is, typically, a granular electrode active material having a small particle size distribution (preferably having a substantially uniform particle size) can be suitably produced without performing pulverization after firing. That is, according to the manufacturing method of this configuration, by utilizing the phase transition behavior of the temperature-responsive polymer, the electrode active material particles in a well-dispersed state in which excessive aggregation is suppressed are further refined. It can be produced as a granular electrode active material.
また、本発明は、ここで開示されるいずれかの製造方法によって製造された正極活物質を正極又は負極に備えるリチウム二次電池を提供する。
ここで開示されるリチウム二次電池は、上記のとおり、過度な機械的な粉砕処理が加えられずに結晶性が高く維持された微小な粒子サイズの電極活物質を備えることによって高容量化と良好な電気伝導性を実現し得る。このため、特にハイレート充放電が要求される車両に搭載されるモーター駆動のための動力源(電源)として使用される電池として適した性能を備える。
従って、本発明によると、ここで開示されるリチウム二次電池を備えた車両が提供される。特に、該リチウム二次電池を動力源(典型的には、ハイブリッド車両または電気車両の動力源)として備える車両(例えば自動車)が提供される。
The present invention also provides a lithium secondary battery comprising a positive electrode active material produced by any of the production methods disclosed herein as a positive electrode or a negative electrode.
As described above, the lithium secondary battery disclosed herein has a high capacity by including an electrode active material having a fine particle size in which high crystallinity is maintained without being subjected to excessive mechanical pulverization. Good electrical conductivity can be realized. For this reason, it has performance suitable as a battery used as a power source (power source) for driving a motor mounted on a vehicle that is particularly required to be charged and discharged at a high rate.
Therefore, according to this invention, the vehicle provided with the lithium secondary battery disclosed here is provided. In particular, a vehicle (for example, an automobile) including the lithium secondary battery as a power source (typically, a power source of a hybrid vehicle or an electric vehicle) is provided.
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。
なお、本明細書において「電極活物質」は、正極側で使用される正極活物質と負極側で使用される負極活物質を包含する用語である。ここで活物質とは、正極側又は負極側において蓄電に関与する物質(化合物)をいう。即ち、電池の充放電時において電子の放出若しくは取り込みに関与する物質をいう。
また、本明細書において「リチウム二次電池」は、電解質中のリチウムイオンが電荷の移動を担う電池をいい、いわゆるリチウムイオン電池(若しくはリチウムイオン二次電池)、リチウムポリマー電池等と呼ばれているものは、ここでいう「リチウム二次電池」に包含される典型例である。
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.
In the present specification, the “electrode active material” is a term including a positive electrode active material used on the positive electrode side and a negative electrode active material used on the negative electrode side. Here, the active material refers to a substance (compound) involved in power storage on the positive electrode side or the negative electrode side. That is, it refers to a substance involved in electron emission or capture during battery charge / discharge.
Further, in this specification, the “lithium secondary battery” refers to a battery in which lithium ions in the electrolyte are responsible for charge transfer, and is called a so-called lithium ion battery (or lithium ion secondary battery), a lithium polymer battery, or the like. These are typical examples included in the “lithium secondary battery” mentioned here.
ここで開示される製造方法によると、上述のとおり、上記不溶性凝集物のサイズに応じた粒子サイズを有する二次電池用の粒状の電極活物質を製造することができる。
以下に本発明の好ましい一実施形態として、電極活物質としてリチウム遷移金属複合酸化物を製造する場合について例示し、本発明を詳細に説明する。
ここで開示される製造方法は、図1の工程フロー図に示されるように、先ず、(1)上記電極活物質を形成するための1種又は2種以上の原料化合物が水系溶媒に溶解又は分散し、さらに所定の下限臨界溶解温度以上で水に不溶性となる温度応答性高分子を該下限臨界溶解温度以下の温度で該水系溶媒に溶解させた水性原料液を用意する。
According to the manufacturing method disclosed herein, as described above, a granular electrode active material for a secondary battery having a particle size corresponding to the size of the insoluble aggregate can be manufactured.
Hereinafter, as a preferred embodiment of the present invention, a case where a lithium transition metal composite oxide is produced as an electrode active material will be exemplified, and the present invention will be described in detail.
In the production method disclosed herein, as shown in the process flow diagram of FIG. 1, first, (1) one or more raw material compounds for forming the electrode active material are dissolved or dissolved in an aqueous solvent. An aqueous raw material liquid is prepared in which a temperature-responsive polymer that is dispersed and further insoluble in water at a predetermined lower critical solution temperature or higher is dissolved in the aqueous solvent at a temperature lower than the lower critical solution temperature.
<原料化合物>
かかる原料化合物としては、所望の電極活物質を構成するための構成元素を包含する水溶性の化合物を用いることができる。電極活物質としてリチウム遷移金属複合酸化物を製造する場合には、典型的には原料化合物として、リチウム源と、1種または2種以上の遷移金属元素源とを用意する。
<Raw compound>
As such a raw material compound, a water-soluble compound including a constituent element for constituting a desired electrode active material can be used. When producing a lithium transition metal composite oxide as an electrode active material, typically, a lithium source and one or more transition metal element sources are prepared as raw material compounds.
上記原料化合物の一つであるリチウム源化合物としては、水系溶媒に溶解(又は分散)し得る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。例えば水系溶媒に溶解又は分散し得るリチウム源化合物として、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ことができる。特に好ましい例として、酢酸リチウム・二水和物〔Li(CH3COO)・2H2O〕などの水和物が挙げられる。 The lithium source compound that is one of the raw material compounds is not particularly limited as long as it can be dissolved (or dispersed) in an aqueous solvent, and various lithium compounds can be used. For example, lithium hydroxide, lithium carbonate, lithium sulfate, lithium nitrate, lithium peroxide, lithium phosphate, lithium oxalate, lithium acetate, and lithium iodide can be used as a lithium source compound that can be dissolved or dispersed in an aqueous solvent. it can. Particularly preferred examples include hydrates such as lithium acetate dihydrate [Li (CH 3 COO) · 2H 2 O].
また、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、上記リチウム遷移金属複合酸化物が、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)およびマンガン(Mn)をいずれも含有する酸化物である場合、ニッケル源、コバルト源およびマンガン源を包含する出発原料であるのが好ましい。かかる遷移金属元素を包含する化合物には、水系溶媒に溶解し得る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。 Further, the transition metal element source is not particularly limited, but as a suitable specific example, the lithium transition metal composite oxide may be nickel (Ni), cobalt (Co), or manganese (Mn). In the case of an oxide that also contains a nickel source, a cobalt source and a manganese source are preferred starting materials. As the compound including such a transition metal element, compounds such as hydroxides, oxides, various salts (for example, carbonates), halides (for example, fluorides) of various transition metal elements that can be dissolved in an aqueous solvent are selected. Can be done.
例えば、上記ニッケル源化合物としては、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化合物を用いることが例示される。特に好ましい例として、酢酸ニッケル(II)・四水和物〔Ni(CH3COO)2・4H2O〕が挙げられる。 For example, examples of the nickel source compound include compounds such as nickel acetate, nickel oxalate, nickel carbonate, nickel oxide, nickel sulfate, nickel nitrate, nickel hydroxide, and nickel oxyhydroxide. A particularly preferable example is nickel acetate (II) tetrahydrate [Ni (CH 3 COO) 2 .4H 2 O].
また、上記コバルト源化合物としては、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化合物が例示される。特に好ましい例として、酢酸コバルト(II)・四水和物〔Co(CH3COO)2・4H2O〕が挙げられる。 Examples of the cobalt source compound include compounds such as cobalt acetate, cobalt oxalate, cobalt carbonate, cobalt oxide, cobalt sulfate, cobalt nitrate, cobalt hydroxide, and cobalt oxyhydroxide. A particularly preferred example is cobalt (II) acetate tetrahydrate [Co (CH 3 COO) 2 .4H 2 O].
さらに、上記マンガン源化合物としては、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(CH3COO)2・4H2O〕または硫酸マンガンが挙げられる。 Furthermore, examples of the manganese source compound include compounds such as manganese acetate, manganese oxalate, manganese carbonate, manganese oxide, manganese sulfate, manganese nitrate, manganese hydroxide, and manganese oxyhydroxide. Particularly preferable examples include manganese acetate (II) tetrahydrate [Mn (CH 3 COO) 2 .4H 2 O] or manganese sulfate.
なお、リチウム遷移金属複合酸化物を構成する遷移金属としては、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)およびマンガン(Mn)から成る群から選択される少なくとも1種の遷移金属元素の他、1種または2種以上の金属元素の金属元素(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、アルミニウム(Al)、鉄(Fe)、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),ガリウム(Ga),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。 The transition metal constituting the lithium transition metal composite oxide includes at least one transition metal element selected from the group consisting of nickel (Ni), cobalt (Co), and manganese (Mn), A metal element of two or more kinds of metal elements (that is, a transition metal element and / or a typical metal element other than the main constituent metal element) may be contained in a proportion smaller than the molar ratio of the constituent metal elements. Examples of such metal elements include aluminum (Al), iron (Fe), chromium (Cr), vanadium (V), magnesium (Mg), titanium (Ti), zirconium (Zr), niobium (Nb), molybdenum ( Mo, tungsten (W), copper (Cu), zinc (Zn), gallium (Ga), indium (In), tin (Sn), lanthanum (La), cerium (Ce), and the like.
<温度応答性高分子>
更に、本発明においては、電極活物質の粒子サイズを規定するものとして、温度応答性高分子を用いるようにしている。
温度応答性高分子としては、水系溶媒の沸点より低い温度に下限臨界溶解温度(LCST)を有し、所定のLCST以下で水溶性で、所定のLCSTを超える温度で水に不溶性となる各種のものより選択される少なくとも1種を用いることができる。例えば、2種以上を複合して用いることもできる。このような温度応答性高分子としては、代表的には、以下に示す化学構造を有する高分子を挙げることができる。
<Temperature responsive polymer>
Furthermore, in the present invention, a temperature-responsive polymer is used to define the particle size of the electrode active material.
The temperature-responsive polymer has a lower critical solution temperature (LCST) at a temperature lower than the boiling point of the aqueous solvent, is water-soluble below a predetermined LCST, and is insoluble in water at a temperature above a predetermined LCST. At least one selected from those can be used. For example, two or more kinds can be used in combination. A typical example of such a temperature-responsive polymer is a polymer having the chemical structure shown below.
(a)ポリ(N−アルキルアクリルアミド)
(b)ポリ(N−ビニルアルキルアミド)
(c)ポリビニルアルキルエーテル
(d)ポリ(2−アルキル−2−オキサゾリン)
また上記に化学構造を示したもの以外に、下記の高分子も好適に用いることができる。
(e)ポリエチレングリコール−ポリプロピレングリコールブロック共重合体
なかでも、LCSTが室温(例えば25℃)より5℃〜30℃程度、より好ましくは5℃〜15℃程度高い温度応答性高分子を用いるのが製造面において簡便であるため好適である。このような温度応答性高分子としては、例えば、(a)ポリ(N−アルキルアクリルアミド)における官能基Rがi−Pr(イソプロピル基)であるポリ(N−イソプロピルアクリルアミド)(LCST:約32℃)、(c)ポリビニルアルキルエーテルにおける官能基RがMe(メチル基)であるポリビニルメチルエーテル(LCST:約34℃)等を例示することができる。
In addition to the chemical structures shown above, the following polymers can also be suitably used.
(E) Polyethylene glycol-polypropylene glycol block copolymer Among them, it is preferable to use a temperature-responsive polymer having an LCST higher than room temperature (for example, 25 ° C) by about 5 ° C to 30 ° C, more preferably about 5 ° C to 15 ° C. This is preferable because it is simple in terms of production. As such a temperature-responsive polymer, for example, (a) poly (N-isopropylacrylamide) whose functional group R in poly (N-alkylacrylamide) is i-Pr (isopropyl group) (LCST: about 32 ° C.) ), (C) polyvinyl methyl ether (LCST: about 34 ° C.) in which the functional group R in the polyvinyl alkyl ether is Me (methyl group).
<水性原料液の用意>
次いで、各出発原料を秤量する。各出発原料の混合比は、所望のリチウム含有遷移金属複合酸化物の組成比に応じて適宜調整することができる。そして、各出発原料を水系溶媒に混合し、十分に拡散または浸透させる。水系溶媒としては、典型的には、水(蒸留水や脱イオン水を包含する。)を使用することができる。必要に応じてアルコール等が含まれていてもよい。そして更に、温度応答性高分子を下限臨界溶解温度以下の温度で水系溶媒に溶解させることで、水性原料液を用意することができる。
下限臨界溶解温度以下の温度での水性原料液は、図2に概念的に示したように、水系溶媒(例えば水)中に出発原料102と温度応答性高分子104とが分散あるいは溶解して混合した状態で存在している。
なお、ここで、後述するゲル化を促進するために、上記の出発原料および温度応答性高分子と共にゲル化剤を添加してもよい。ゲル化剤としては、金属イオンを含まない非イオン水溶性有機化合物、たとえば、金属イオンを含まないカルボン酸基を有する有機化合物を用いることができる。より具体的には、グリコール酸(C2H4O3)、リンゴ酸(C4H6O5)、クエン酸(C6H8O7)、ヒドロキシカルボン酸あるいはその誘導体などを好ましく用いることができる。ゲル化剤の添加量は特に限定されず、所望のゲル状を呈するように適宜調整するとよい。
なお、上記混合に際し、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拡散または浸透され安定した混合状態を形成することができる。
<Preparation of aqueous raw material liquid>
Each starting material is then weighed. The mixing ratio of each starting material can be appropriately adjusted according to the composition ratio of the desired lithium-containing transition metal composite oxide. Then, each starting material is mixed with an aqueous solvent and sufficiently diffused or permeated. Typically, water (including distilled water and deionized water) can be used as the aqueous solvent. Alcohol etc. may be contained as needed. Furthermore, an aqueous raw material liquid can be prepared by dissolving the temperature-responsive polymer in an aqueous solvent at a temperature equal to or lower than the lower critical solution temperature.
As shown conceptually in FIG. 2, the aqueous raw material liquid at a temperature lower than the lower critical dissolution temperature is obtained by dispersing or dissolving the starting
Here, in order to promote the gelation described later, a gelling agent may be added together with the above starting material and the temperature-responsive polymer. As the gelling agent, a nonionic water-soluble organic compound not containing metal ions, for example, an organic compound having a carboxylic acid group not containing metal ions can be used. More specifically, glycolic acid (C 2 H 4 O 3 ), malic acid (C 4 H 6 O 5 ), citric acid (C 6 H 8 O 7 ), hydroxycarboxylic acid or a derivative thereof is preferably used. Can do. The addition amount of a gelling agent is not specifically limited, It is good to adjust suitably so that a desired gel form may be exhibited.
In the 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 can be uniformly diffused or permeated and stabilized. A mixed state can be formed.
<不溶性凝集物の形成>
ここで開示される製造方法では、次に、(2)用意した水性原料液を上記下限臨界溶解温度を上回る温度域にまで加熱(昇温)し、水性原料液中に不溶性凝集物を生成させる。この状態において、水性原料液中の温度応答性高分子104は不溶化し、図3に示すように、水性原料液中に共存する原料化合物102を取り込んだ状態で微小な不溶性の凝集物(ミセル)110を生成する。換言すれば、該不溶性の微小な凝集物110の生成によって、水性原料液中に含まれる原料化合物102を微小な凝集物110の形態に区分けすることができる。即ち、当該原料化合物102を含む微小な凝集物110の生成により、その後の焼成によって得られる活物質の粒子のサイズが規定されることになる。
なお、上記のとおり、水性原料液にゲル化剤が添加された状態では、原料化合物はゲル化剤が塩を形成し、より反応しやすいイオンとなって水性原料液中により均一な分散状態で保持され得る。従って、ゲル化剤を含む状態で水性原料液を上記の下限臨界溶解温度を上回る温度域まで昇温することにより形成される不溶性凝集物は、より均一な組成を有するものとなる。
<Formation of insoluble aggregates>
Next, in the production method disclosed herein, (2) the prepared aqueous raw material liquid is heated (heated up) to a temperature range above the lower critical solution temperature to generate insoluble aggregates in the aqueous raw material liquid. . In this state, the temperature-
As described above, in a state where the gelling agent is added to the aqueous raw material liquid, the raw material compound forms a salt with the gelling agent and becomes a more reactive ion in a more uniformly dispersed state in the aqueous raw material liquid. Can be retained. Therefore, the insoluble aggregate formed by raising the temperature of the aqueous raw material liquid to a temperature range above the lower critical solution temperature in a state containing the gelling agent has a more uniform composition.
<ゲル化>
そして、ここで開示される製造方法の好ましい形態では、上記水性原料液をゲル化し、上記の不溶性要宗物110を含むゲル化体を形成する。ゲル化においては、水系溶媒が蒸発する温度で原料混合物を加熱(乾燥)させることにより、ゲル化を促進することができる。この場合の加熱の温度は特に限定されないが、好適には室温以上100℃以下の温度域(典型的には20〜90℃、好ましくは50〜90℃、概ね80±5℃程度)で加温することにより、水系溶媒の一部(あるいは全部)が揮発し、粒子分散状態のゾル状態から流動性のないゲル状態に変化させることができる。
加熱時間は、原料混合物の乾燥状態を確認しながら、適宜時間を調整すればよい。なお、加熱方法としては、熱風、真空、赤外線、遠赤外線等のいずれの加熱(乾燥)手段でも好適に使用し得る。さらに、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もよい。
また、酸を加えるなどして水系溶媒のpHを1〜2程度に調製することでもゲル化を促進させることができる。
<Gelification>
And in the preferable form of the manufacturing method disclosed here, the said aqueous | water-based raw material liquid is gelatinized, and the gelled body containing said insoluble
The heating time may be appropriately adjusted while confirming the dry state of the raw material mixture. In addition, as a heating method, any heating (drying) means such as hot air, vacuum, infrared rays, far-infrared rays and the like can be suitably used. Furthermore, the atmosphere at the time of heating may be put in an atmosphere of an inert gas such as nitrogen gas, or in a sealed container as needed depending on the type of solvent and starting material used.
Gelation can also be promoted by adjusting the pH of the aqueous solvent to about 1-2 by adding an acid or the like.
<焼成>
次いで、(3)焼成について説明する。水性原料液の水系溶媒を蒸発させて残った不溶性凝集体、もしくは不溶性凝集体を含むゲル化体を焼成する。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。焼成温度は、1000℃以下の温度であって、典型的には700〜900℃、例えば800℃程度まで加熱して焼成するのが好ましい。また、焼成時間については、特に限定するものではないが、上記設定した温度まで昇温した後、該温度域で5〜24時間程度焼成することができる。
かかる熱処理をすることにより、目的のリチウム遷移金属酸化物の前駆体を正極活物質へと変換させることができる。このようにして得られる正極活物質は、上記の不溶性凝集体のサイズに対応した粒径を有する粒子状となる。その大きさは、対象となるリチウム遷移金属酸化物の組成、温度応答性高分子の種類、その他の製造条件等に応じて異なってくるため一概には言えないものの、nmオーダー〜数μmオーダーの粒子として得ることができる。
<Baking>
Next, (3) firing will be described. The insoluble aggregate remaining after evaporation of the aqueous solvent of the aqueous raw material liquid or the gelled body containing the insoluble aggregate is fired. The firing is desirably performed in an oxidizing atmosphere, for example, the air or an atmosphere richer in oxygen than the air. The firing temperature is a temperature of 1000 ° C. or less, and it is typically preferable to heat the material to 700 to 900 ° C., for example, about 800 ° C. for firing. Further, the firing time is not particularly limited, but after the temperature has been raised to the set temperature, firing can be performed in the temperature range for about 5 to 24 hours.
By performing such heat treatment, the target lithium transition metal oxide precursor can be converted into a positive electrode active material. The positive electrode active material thus obtained is in the form of particles having a particle size corresponding to the size of the insoluble aggregate. Although its size varies depending on the composition of the target lithium transition metal oxide, the type of temperature-responsive polymer, other manufacturing conditions, etc., it cannot be generally stated, but it is on the order of nm to several μm. It can be obtained as particles.
なお、得られた粒子同士が焼成後に凝集あるいは焼結により結合して塊状体を形成している場合には、必要に応じて軽微な粉砕を施すことができる。また、焼成物を適当な手段で粉砕、造粒および分級することにより、所望する平均粒径および/または粒径分布を有する粒状電極活物質を得るようにしてもよい。 In addition, when the obtained particles are bonded by agglomeration or sintering after firing to form a lump, light pulverization can be performed as necessary. Moreover, you may make it obtain the granular electrode active material which has a desired average particle diameter and / or particle size distribution by grind | pulverizing, granulating, and classifying a baked material by a suitable means.
以上、電極活物質としてリチウム遷移金属複合酸化物を製造する場合について本発明を詳しく説明したが、ここで開示される製造方法によって好適に製造されるリチウム二次電池用の正極活物質として例えばLiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4が挙げられる。
さらに、重量当たりの容量密度を増加することができる正極活物質として注目されている、Liが遷移金属サイトに配置されたリチウム過剰型遷移金属複合酸化物もまた、好適な製造対象である。この種の活物質の典型例として、Li(Li1/3Mn2/3)O2とLi(NiCoMn)O2の固溶体であって、一般式:
Li(LiaMnxCoyNiz)O2
で示されるリチウム過剰型遷移金属複合酸化物を主体に構成される電極活物質を挙げることができる。ここで式中のa、x、y、zは、典型的にはa+x+y+z=1を満足する正の実数である。
また、ここで開示される製造方法によって好適に製造されるリチウム二次電池用の正極活物質は、上記リチウム遷移金属複合酸化物(リチウム過剰型遷移金属複合酸化物を包含する。)に限られず、例えば、一般式:LiMAO4で示されるポリアニオン化合物であり得る。かかる式中のMは、典型的にはFe、Co、Ni及びMnから成る群から選択される少なくとも1種の金属元素を含む1種又は2種以上の元素(典型的には1種又は2種以上の金属元素)である。即ち、Fe、Co、Ni及びMnから成る群から選択される少なくとも1種の金属元素を含むが他の少量含有され得るマイナー添加元素の存在を許容する(かかるマイナー添加元素は存在しなくてもよい。)。上記式中のAは、典型的には、P、Si、S及びV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。
As described above, the present invention has been described in detail for the case of producing a lithium transition metal composite oxide as an electrode active material. As a positive electrode active material for a lithium secondary battery suitably produced by the production method disclosed herein, for example, LiCoO 2, LiNiO 2, LiMn 2 O 4 and the like.
Furthermore, a lithium-excess type transition metal composite oxide in which Li is arranged at a transition metal site, which has attracted attention as a positive electrode active material capable of increasing the capacity density per weight, is also a suitable production target. A typical example of this type of active material is a solid solution of Li (Li 1/3 Mn 2/3 ) O 2 and Li (NiCoMn) O 2 having the general formula:
Li (Li a Mn x Co y Ni z) O 2
An electrode active material mainly composed of a lithium-excess type transition metal composite oxide represented by Here, a, x, y, and z in the formula are typically positive real numbers that satisfy a + x + y + z = 1.
Moreover, the positive electrode active material for a lithium secondary battery that is preferably manufactured by the manufacturing method disclosed herein is not limited to the above-described lithium transition metal composite oxide (including lithium-excess transition metal composite oxide). For example, it may be a polyanionic compound represented by the general formula: LiMAO 4 . M in such formula is typically one or more elements (typically one or two) including at least one metal element selected from the group consisting of Fe, Co, Ni and Mn. A metal element of a species or more). That is, it contains at least one metal element selected from the group consisting of Fe, Co, Ni, and Mn, but allows the presence of other minor additive elements that can be contained in small amounts (even if such minor additive elements are not present). Good.) A in the above formula is typically one or more elements selected from the group consisting of P, Si, S and V.
また、本発明の電極活物質は正極活物質に限定されることはなく、例えば、電極活物質としては、リチウム二次電池の負極活物質として好適な種々の金属化合物(例えば金属酸化物)、具体的には、例えばSi、Ge、Sn、Pb、Al、Ga、In、As、Sb、Bi等を構成金属元素とする金属化合物(好ましくは金属酸化物)としてもよい。
特に、一般式:SiOxにより規定されるようなケイ素酸化物を主体に構成されている金属酸化物等は好ましく採用することができる。ここで式中のxは典型的には0<x<2を満足する実数であり、好ましくは0<x<0.6程度であり得る。市販されるSiO等のケイ素酸化物から成る粉末材料を好適に使用することができる。かかるケイ素酸化物を負極活物質として利用することにより、特に高い充放電容量を有するリチウム二次電池が得られ得る。
Further, the electrode active material of the present invention is not limited to the positive electrode active material. For example, as the electrode active material, various metal compounds (for example, metal oxides) suitable as a negative electrode active material of a lithium secondary battery, Specifically, for example, a metal compound (preferably a metal oxide) containing Si, Ge, Sn, Pb, Al, Ga, In, As, Sb, Bi, or the like as a constituent metal element may be used.
In particular, a metal oxide mainly composed of silicon oxide as defined by the general formula: SiO x can be preferably used. Here, x in the formula is typically a real number satisfying 0 <x <2, and preferably 0 <x <0.6. A commercially available powder material made of silicon oxide such as SiO can be suitably used. By utilizing such a silicon oxide as a negative electrode active material, a lithium secondary battery having a particularly high charge / discharge capacity can be obtained.
ここで開示される製造方法によって製造された粒状電極活物質は、従来の電極活物質と同様に電池の正極若しくは負極の活物質として好適に使用することができる。そして、かかる電極活物質を使用する以外は、従来と同様の材料とプロセスを採用して種々のタイプの二次電池を構築することができる。例えば、ここで開示される製造方法によって製造された過剰型リチウム含有遷移金属複合酸化物を正極活物質として採用してリチウム二次電池を構築することができる。 The granular electrode active material manufactured by the manufacturing method disclosed here can be suitably used as the active material for the positive electrode or the negative electrode of the battery, similarly to the conventional electrode active material. Except for using such an electrode active material, various types of secondary batteries can be constructed by employing the same materials and processes as in the past. For example, a lithium secondary battery can be constructed by employing an excess lithium-containing transition metal composite oxide produced by the production method disclosed herein as a positive electrode active material.
以下、ここで開示される製造方法により製造される上記一般式:Li(LiaMnxCoyNiz)O2で示される過剰型リチウム含有遷移金属複合酸化物から成る正極活物質を備えるリチウム二次電池(リチウムイオン電池)の一実施形態を説明するが、ここで開示される電極活物質の使用形態をこれに限定する意図ではない。 Hereinafter, lithium provided with a positive electrode active material made of an excess lithium-containing transition metal composite oxide represented by the above general formula: Li (Li a Mn x Co y Ni z ) O 2 produced by the production method disclosed herein One embodiment of a secondary battery (lithium ion battery) will be described, but the usage pattern of the electrode active material disclosed herein is not intended to be limited thereto.
本実施形態に係るリチウムイオン電池は、上記粒状電極活物質を負極活物質として用いることによって特徴付けられる。従って、本発明の目的を実現し得る限り、他の電池構成材料や部材等の内容、材質あるいは組成は特に制限されず、従来のリチウムイオン電池と同様のものを用いることができる。 The lithium ion battery according to this embodiment is characterized by using the granular electrode active material as a negative electrode active material. Therefore, as long as the object of the present invention can be realized, the contents, materials, and compositions of other battery constituent materials and members are not particularly limited, and those similar to those of conventional lithium ion batteries can be used.
正極としては、ここで開示される製造方法により得られた粒状正極活物質(Li(LiaMnxCoyNiz)O2)を、バインダ(結着材)および必要に応じて使用される導電補助材等とともに正極合材として正極集電体上に付着させて正極活物質層(正極合材層ともいう。)を形成した形態のものを好ましく使用し得る。 As the positive electrode, here particulate obtained by the process disclosed in the positive electrode active material (Li (Li a Mn x Co y Ni z) O 2), it is optionally used and the binder (binder) A material in which a positive electrode active material layer (also referred to as a positive electrode composite material layer) is formed by adhering to a positive electrode current collector as a positive electrode composite material together with a conductive auxiliary material or the like can be preferably used.
正極集電体としては、アルミニウム、ニッケル、チタン、ステンレス鋼等を主体とする棒状体、板状体、箔状体、網状体等を用いることができる。正極活物質としては、上記の過剰型リチウム遷移金属複合酸化物の他にも、一般的なリチウムイオン電池の正極に用いられ得る層状構造のリチウム遷移金属複合酸化物、スピネル構造のリチウム遷移金属複合酸化物、オリビン構造を有するポリアニオン化合物、等を好ましく用いることができる。かかる活物質の代表例として、コバルト酸リチウム(LiCoO2)、ニッケル酸リチウム(LiNiO2)、マンガン酸リチウム(LiMn2O4)等のリチウム遷移金属酸化物やが挙げられる。また、一般式:LiMAO4で示される化合物が挙げられる。かかる式中のMは、Fe、Co、Ni及びMnから成る群から選択される少なくとも1種の金属元素を含む1種又は2種以上の元素(典型的には1種又は2種以上の金属元素)である。即ち、Fe、Co、Ni及びMnから成る群から選択される少なくとも1種の金属元素を含むが他の少量含有され得るマイナー添加元素の存在を許容する(かかるマイナー添加元素は存在しなくてもよい。)。また、上記式中のAは、P、Si、S及びV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ことが好ましい。具体例としてLiFePO4、LiFeSiO4、LiCoPO4、LiCoSiO4、LiFe0.5Co0.5PO4、LiFe0.5Co0.5SiO4、LiMnPO4、LiMnSiO4、LiNiPO4、LiNiSiO4が特に好ましいポリアニオン型化合物として挙げられる。 As the positive electrode current collector, a rod-like body, a plate-like body, a foil-like body, a net-like body or the like mainly composed of aluminum, nickel, titanium, stainless steel, or the like can be used. As the positive electrode active material, in addition to the above-described excess type lithium transition metal composite oxide, a layered lithium transition metal composite oxide that can be used for a positive electrode of a general lithium ion battery, a spinel structure lithium transition metal composite An oxide, a polyanion compound having an olivine structure, and the like can be preferably used. Typical examples of such an active material include lithium transition metal oxides such as lithium cobaltate (LiCoO 2 ), lithium nickelate (LiNiO 2 ), and lithium manganate (LiMn 2 O 4 ). Moreover, the general formula: the compound represented by Limao 4 and the like. M in such a formula is one or more elements (typically one or more metals) including at least one metal element selected from the group consisting of Fe, Co, Ni, and Mn. Element). That is, it contains at least one metal element selected from the group consisting of Fe, Co, Ni, and Mn, but allows the presence of other minor additive elements that can be contained in small amounts (even if such minor additive elements are not present). Good.) A in the above formula is preferably one or more elements selected from the group consisting of P, Si, S and V. LiFePO 4 Examples, LiFeSiO 4, LiCoPO 4, LiCoSiO 4, LiFe 0.5 Co 0.5 PO 4, LiFe 0.5 Co 0.5 SiO 4, LiMnPO 4, LiMnSiO 4, LiNiPO 4, LiNiSiO 4 is particularly It is mentioned as a preferable polyanion type compound.
バインダとしては、例えば通常用いられるポリフッ化ビニリデン(PVdF)、水溶性アクリル系バインダ等を使用することができる。導電材としては、カーボンブラック(例えばアセチレンブラック)、グラファイト粉末等の炭素材、或いはニッケル粉末等の導電性金属粉末が例示される。特に限定するものではないが、正極活物質100質量部に対する導電材の使用量は、例えば1〜20質量部(好ましくは5〜15質量部)とすることができる。また、正極活物質100質量部に対するバインダの使用量は、例えば0.5〜10質量部とすることができる。
そして、上記したような正極活物質および導電補助材を含む粉末状材料を適当なバインダとともに適当な分散媒体に分散させて混練することによって、ペースト状の正極合材(以下、「正極合材ペースト」という。)を調製する。この正極合材ペーストを正極集電体上に適当量塗布し、さらに乾燥ならびにプレスすることによってリチウムイオン電池用正極を作製することができる。
As the binder, for example, commonly used polyvinylidene fluoride (PVdF), a water-soluble acrylic binder, or the like can be used. Examples of the conductive material include carbon black (for example, acetylene black), carbon material such as graphite powder, or conductive metal powder such as nickel powder. Although it does not specifically limit, the usage-amount of the electrically conductive material with respect to 100 mass parts of positive electrode active materials can be 1-20 mass parts (preferably 5-15 mass parts), for example. Moreover, the usage-amount of a binder with respect to 100 mass parts of positive electrode active materials can be 0.5-10 mass parts, for example.
Then, a powdery material containing the positive electrode active material and the conductive auxiliary material as described above is dispersed in an appropriate dispersion medium together with an appropriate binder and kneaded to obtain a paste-like positive electrode mixture (hereinafter referred to as “positive electrode mixture paste”). "). A positive electrode for a lithium ion battery can be produced by applying an appropriate amount of this positive electrode mixture paste onto a positive electrode current collector, followed by drying and pressing.
一方、負極集電体としては、銅、ニッケル、チタン、ステンレス鋼等を主体とする棒状体、板状体、箔状体、網状体等を用いることができる。バインダとしては、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、カルボキシメチルセルロース(CMC)、スチレンブタジエンゴム(SBR)等が例示される。導電補助材としては、従来と同様のカーボンブラック等の炭素材を好ましく使用することができる。 On the other hand, as the negative electrode current collector, a rod-like body, a plate-like body, a foil-like body, a net-like body or the like mainly composed of copper, nickel, titanium, stainless steel, or the like can be used. Examples of the binder include polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroethylene (PTFE), carboxymethyl cellulose (CMC), styrene butadiene rubber (SBR), and the like. As the conductive auxiliary material, a carbon material such as carbon black similar to the conventional one can be preferably used.
負極活物質としては、例えば種々の金属化合物(例えば金属酸化物)、具体的には、例えばSi、Ge、Sn、Pb、Al、Ga、In、As、Sb、Bi等を構成金属元素とする金属化合物(好ましくは金属酸化物)としてもよい。この負極活物質は、もちろん、ここで開示される製造方法により製造することもできる。また、例えば、表面が炭素被膜によって充分に被覆された導電性に優れた粒状負極活物質を好適に用いることができる。この場合、負極活物質層に導電補助材を含有させないか或いは従来よりも導電補助材の含有率を低減させることができる。限定するものではないが、使用する負極活物質100質量部に対する導電補助材の使用量は、例えば凡そ1〜30質量部(好ましくは凡そ2〜20質量部、例えば5〜10質量部程度)とすることができる。上述した電極活物質供給材料中に導電補助材を予め含有させておいてもよい。 Examples of the negative electrode active material include various metal compounds (for example, metal oxides), specifically, Si, Ge, Sn, Pb, Al, Ga, In, As, Sb, Bi, and the like as constituent metal elements. It may be a metal compound (preferably a metal oxide). Of course, this negative electrode active material can also be manufactured by the manufacturing method disclosed here. Moreover, for example, a granular negative electrode active material excellent in conductivity whose surface is sufficiently covered with a carbon film can be suitably used. In this case, the conductive auxiliary material is not contained in the negative electrode active material layer, or the content of the conductive auxiliary material can be reduced as compared with the conventional case. Although it does not limit, the usage-amount of the conductive auxiliary material with respect to 100 mass parts of negative electrode active materials to be used is about 1-30 mass parts (preferably about 2-20 mass parts, for example, about 5-10 mass parts), for example. can do. A conductive auxiliary material may be previously contained in the electrode active material supply material described above.
そして、上記粒状負極活物質および必要に応じて導電補助材を含む粉末状材料を適当なバインダ(結着材)とともに適当な分散媒体(例えばN−メチルピロリドン:NMPのような有機溶媒或いは水のような水性溶媒)に分散させて混練することによって、ペースト状の負極合材(以下、「負極合材ペースト」という。)を調製する。この負極合材ペーストを負極集電体上に適当量塗布し、さらに乾燥ならびにプレスすることによってリチウムイオン電池用負極を作製することができる。 Then, the granular negative electrode active material and, if necessary, a powdery material containing a conductive auxiliary material together with an appropriate binder (binder), an appropriate dispersion medium (for example, N-methylpyrrolidone: an organic solvent such as NMP or water) A paste-like negative electrode mixture (hereinafter referred to as “negative electrode mixture paste”) is prepared by dispersing and kneading in such an aqueous solvent. A negative electrode for a lithium ion battery can be produced by applying an appropriate amount of this negative electrode mixture paste onto a negative electrode current collector, followed by drying and pressing.
正極と負極との間に介在される電解質としては、非水溶媒と該溶媒に溶解可能なリチウム塩とを含む液状電解質が好ましく用いられる。かかる液状電解質にポリマーが添加された固体状(ゲル状)の電解質であってもよい。上記非水溶媒としては、カーボネート類、エステル類、エーテル類、ニトリル類、スルホン類、ラクトン類等の非プロトン性溶媒を用いることができる。例えば、エチレンカーボネート(EC)、プロピレンカーボネート(PC)、ジエチルカーボネート(DEC)、ジメチルカーボネート(DMC)、エチルメチルカーボネート(EMC)、1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジエトキシエタン、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、ジオキサン、1,3−ジオキソラン、ジエチレングリコールジメチルエーテル、エチレングリコールジメチルエーテル、アセトニトリル、プロピオニトリル、ニトロメタン、N,N−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、スルホラン、γ−ブチロラクトン等の、一般にリチウムイオン電池の電解質に使用し得るものとして知られている非水溶媒から選択される一種または二種以上を用いることができる。 As the electrolyte interposed between the positive electrode and the negative electrode, a liquid electrolyte containing a nonaqueous solvent and a lithium salt soluble in the solvent is preferably used. It may be a solid (gel) electrolyte in which a polymer is added to such a liquid electrolyte. As the non-aqueous solvent, aprotic solvents such as carbonates, esters, ethers, nitriles, sulfones, and lactones can be used. For example, ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (PC), diethyl carbonate (DEC), dimethyl carbonate (DMC), ethyl methyl carbonate (EMC), 1,2-dimethoxyethane, 1,2-diethoxyethane, tetrahydrofuran, Generally lithium ion batteries such as 2-methyltetrahydrofuran, dioxane, 1,3-dioxolane, diethylene glycol dimethyl ether, ethylene glycol dimethyl ether, acetonitrile, propionitrile, nitromethane, N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, sulfolane, γ-butyrolactone, etc. One kind or two or more kinds selected from non-aqueous solvents known as those that can be used in the electrolyte can be used.
リチウム塩としては、LiPF6,LiBF4,LiN(SO2CF3)2,LiN(SO2C2F5)2,LiCF3SO3,LiC4F9SO3,LiC(SO2CF3)3,LiClO4等の、リチウムイオン電池の電解液において支持電解質として機能し得ることが知られている各種のリチウム塩から選択される一種または二種以上を用いることができる。リチウム塩の濃度は特に制限されず、例えば従来のリチウムイオン電池で使用される電解質と同様とすることができる。通常は、支持電解質(リチウム塩)を凡そ0.1mol/L〜5mol/L(例えば凡そ0.8mol/L〜1.5mol/L)程度の濃度で含有する非水電解質を好ましく使用することができる。 Lithium salts include LiPF 6 , LiBF 4 , LiN (SO 2 CF 3 ) 2 , LiN (SO 2 C 2 F 5 ) 2 , LiCF 3 SO 3 , LiC 4 F 9 SO 3 , LiC (SO 2 CF 3 ) 3 , LiClO 4, etc., one or more selected from various lithium salts known to be capable of functioning as a supporting electrolyte in the electrolyte of a lithium ion battery can be used. The concentration of the lithium salt is not particularly limited, and can be the same as, for example, the electrolyte used in a conventional lithium ion battery. Usually, a non-aqueous electrolyte containing a supporting electrolyte (lithium salt) at a concentration of about 0.1 mol / L to 5 mol / L (for example, about 0.8 mol / L to 1.5 mol / L) is preferably used. it can.
上記正極および負極を電解質とともに適当な容器(金属または樹脂製の筐体、ラミネートフィルムからなる袋体等)に収容してリチウムイオン電池が構築される。ここに開示されるリチウムイオン電池の代表的な構成では、正極と負極との間にセパレータが介在される。セパレータとしては、一般的なリチウムイオン電池に用いられるセパレータと同様のものを用いることができ、特に限定されない。例えば、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリエステル、セルロース、ポリアミド等の樹脂からなる多孔質シート、不織布等を用いることができる。なお、固体状の電解質を用いたリチウムイオン電池(リチウムポリマー電池)では、該電解質がセパレータを兼ねる構成としてもよい。
リチウム二次電池の形状(容器の外形)は特に限定されず、例えば、円筒型、角型、コイン型等の形状であり得る。
A lithium ion battery is constructed by housing the positive electrode and the negative electrode together with an electrolyte in a suitable container (a metal or resin casing, a bag made of a laminate film, or the like). In a typical configuration of the lithium ion battery disclosed herein, a separator is interposed between the positive electrode and the negative electrode. As a separator, the thing similar to the separator used for a general lithium ion battery can be used, and it does not specifically limit. For example, a porous sheet made of a resin such as polyethylene (PE), polypropylene (PP), polyester, cellulose, or polyamide, a nonwoven fabric, or the like can be used. Note that in a lithium ion battery (lithium polymer battery) using a solid electrolyte, the electrolyte may also serve as a separator.
The shape (outer shape of the container) of the lithium secondary battery is not particularly limited, and may be, for example, a cylindrical shape, a square shape, a coin shape, or the like.
以下、捲回電極体を備えるリチウムイオン電池と該電池を構成パーツ(単電池)として構築される車載用の組電池(バッテリーパック)を例にして、ここで開示される製造方法により製造された負極活物質を使用したリチウム二次電池のより具体的な態様を説明するが、本発明をかかる実施態様に限定することを意図したものではない。
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、厚み等)は実際の寸法関係を反映するものではない。
Hereinafter, a lithium-ion battery including a wound electrode body and an on-vehicle assembled battery (battery pack) constructed using the battery as a constituent part (unit cell) are manufactured by the manufacturing method disclosed herein. A more specific aspect of the lithium secondary battery using the negative electrode active material will be described, but the present invention is not intended to be limited to such an embodiment.
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 relationship (length, width, thickness, etc.) in each drawing does not reflect the actual dimensional relationship.
図4に示すように、本実施形態に係る組電池10の構成要素として用いられる単電池12は、従来の組電池に装備される単電池と同様、典型的には所定の電池構成材料(正負極それぞれの活物質、正負極それぞれの集電体、セパレータ等)を具備する電極体と、該電極体及び適当な電解質を収容する容器とを備える。
ここで開示される組電池10は、所定数(典型的には10個以上、好ましくは10〜30個程度、例えば20個)の同形状の単電池12を備える。単電池12は、後述する扁平形状の捲回電極体を収容し得る形状(本実施形態では扁平な箱形)の容器14を備える。単電池12の各部のサイズ(例えば、積層方向の厚み等の外形形状)は、使用する容器14の製造時における寸法誤差等によりばらつき得る。
容器14には、捲回電極体の正極と電気的に接続する正極端子15及び該電極体の負極と電気的に接続する負極端子16が設けられている。図示するように、隣接する単電池12間において一方の正極端子15と他方の負極端子16とが接続具17によって電気的に接続される。このように各単電池12を直列に接続することにより、所望する電圧の組電池10が構築される。
なお、容器14には、容器内部で発生したガス抜きのための安全弁13等が従来の単電池容器と同様に設けられ得る。かかる容器14の構成自体は本発明を特徴付けるものではないため、詳細な説明は省略する。
As shown in FIG. 4, the
The assembled
The
In addition, the
容器14の材質は、従来の単電池で使用されるものと同じであればよく特に制限はない。例えば、金属(例えばアルミニウム、スチール等)製の容器、合成樹脂(例えばポリプロピレン等のポリオレフィン系樹脂、ポリエチレンテレフタレート、ポリテトラフルオロエチレン、ポリアミド系樹脂等の高融点樹脂等)製の容器等を好ましく用いることができる。本実施形態に係る容器14は例えばアルミニウム製である。
図5及び図6に示すように、単電池12は、通常のリチウムイオン電池の捲回電極体と同様、シート状正極32(以下「正極シート32」ともいう。)とシート状負極34(以下「負極シート34」ともいう。)とを計二枚のシート状セパレータ36(以下「セパレータシート36」ともいう。)とともに積層し、さらに当該正極シート32と負極シート34とをややずらしつつ捲回し、次いで得られた捲回体を側面方向から押しつぶして拉げさせることによって作製される扁平形状の捲回電極体30を備える。
The material of the
As shown in FIG. 5 and FIG. 6, the
図5に示すように、かかる捲回電極体30の捲回方向に対する横方向において、上記のとおりにややずらしつつ捲回された結果として、正極シート32及び負極シート34の端の一部がそれぞれ捲回コア部分31(即ち正極シート32の正極活物質層形成部分と負極シート34の負極活物質層形成部分とセパレータシート36とが密に捲回された部分)から外方にはみ出ている。かかる正極側はみ出し部分(即ち正極活物質層の非形成部分)32A及び負極側はみ出し部分(即ち負極活物質層の非形成部分)34Aには、正極リード端子32B及び負極リード端子34Bが付設されており、それらのリード端子32B,34Bがそれぞれ上述の正極端子15及び負極端子16と電気的に接続される。
As shown in FIG. 5, as a result of being wound while being slightly shifted as described above in the lateral direction with respect to the winding direction of the
上記構成の捲回電極体30を構成する材料及び部材自体は、負極活物質としてここで開示される製造方法で得られた炭素被膜付き負極活物質(例えば上記一般式のSiOx)を採用する以外、従来のリチウムイオン電池の電極体と同様でよく、特に制限はない。
正極シート32は長尺状の正極集電体(例えば長尺状アルミニウム箔)の上にリチウム二次電池用正極活物質層が付与されて形成される。本実施形態では、捲回電極体30を備えるリチウム二次電池(単電池)12に好ましく使用され得る形状であるシート状正極集電体が用いられている。例えば、長さ2m〜4m(例えば2.7m)、幅8cm〜12cm(例えば10cm)、厚み5μm〜30μm(例えば10μm〜20μm)程度のアルミニウム箔を集電体として使用し、予め調製された正極合材ペーストを当該集電体表面に塗布することにより、正極活物質層を形成する。そして、グラビアコーター、スリットコーター、ダイコーター、コンマコーター等の適当な塗付装置を使用することにより、正極集電体の表面に上記ペーストを好適に塗付することができる。
The material and the member itself constituting the
The
上記ペーストを塗布した後、該ペーストに含まれる溶媒(典型的には水)を乾燥させ、圧縮(プレス)することにより正極活物質層を形成する。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。正極活物質層の層厚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みになるまで複数回圧縮してもよい。 After applying the paste, the positive electrode active material layer is formed by drying and compressing (pressing) the solvent (typically water) contained in the paste. As the 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 of the positive electrode active material layer, 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.
一方、負極シート34は長尺状の負極集電体の上にリチウム二次電池用負極活物質層が付与されて形成され得る。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、例えば銅を用いることができる。本実施形態では、捲回電極体30を備えるリチウム二次電池(単電池)12に好ましく使用され得る形状であるシート状負極集電体が用いられている。例えば、長さ2m〜4m(例えば2.9m)、幅8cm〜12cm(例えば10cm)、厚み5μm〜30μm(例えば10μm〜20μm)程度の銅箔を負極集電体として使用し、その表面に負極活物質と結着材等とを適当な溶媒(水、有機溶媒及びこれらの混合溶媒)に添加し分散または溶解させて調製した負極合材ペースト(例えば負極活物質80〜90質量%、導電補助材3〜15質量%、バインダ3〜10質量%)が塗付され、溶媒を乾燥させて圧縮することにより好ましく作製され得る。
Meanwhile, the
また、正負極シート32,34間に使用される好適なセパレータシート36としては多孔質ポリオレフィン樹脂で構成されたものが例示される。例えば、長さ2m〜4m(例えば3.1m)、幅8cm〜12cm(例えば11cm)、厚み5μm〜30μm(例えば25μm)程度の合成樹脂製(例えばポリエチレン等のポリオレフィン製)の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リチウム二次電池(リチウムポリマー電池)の場合には、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も機能し得る。)があり得る。
Moreover, as a
In the case of a lithium secondary battery (lithium polymer battery) using a solid electrolyte or a gel electrolyte as an electrolyte, a separator is unnecessary (that is, in this case, the electrolyte itself can function as a separator). possible.
得られた扁平形状の捲回電極体30を、図6に示すように捲回軸が横倒しになるようにして容器14内に収容するとともに、適当な支持塩(例えばLiPF6等のリチウム塩)を適当量(例えば濃度1M)含むジエチルカーボネート(DEC)とエチレンカーボネート(EC)との混合溶媒(例えば体積比でDEC:ECが1:9〜9:1の範囲内であり得る。)のような非水電解質(電解液)を注入して封止することによって単電池12が構築される。
The obtained flat
図4に示すように、上記のようにして構築した同形状の複数の単電池12は、それぞれの正極端子15及び負極端子16が交互に配置されるように一つづつ反転させつつ、容器14の幅広な面(即ち容器14内に収容される後述する捲回電極体30の扁平面に対応する面)が対向する方向に配列されている。当該配列する単電池12間ならびに単電池配列方向(積層方向)の両アウトサイドには、所定形状の冷却板11が容器14の幅広面に密接した状態で配置されている。この冷却板11は、使用時に各単電池内で発生する熱を効率よく放散させるための放熱部材として機能するものであって、好ましくは単電池12間に冷却用流体(典型的には空気)を導入可能なフレーム形状を有する。或いは熱伝導性の良い金属製もしくは軽量で硬質なポリプロピレンその他の合成樹脂製の冷却板11が好適である。
As shown in FIG. 4, the plurality of
上記配列させた単電池12及び冷却板11(以下、これらを総称して「単電池群」ともいう。)の両アウトサイドに配置された冷却板11のさらに外側には、一対のエンドプレート18,19が配置されている。また、上記単電池群の一方のアウトサイドに配置された冷却板11とエンドプレート18との間には、長さ調整手段としてのシート状スペーサ部材40を一枚又は複数枚挟み込んでいてもよい。なお、スペーサ部材40の構成材質は特に限定されず、後述する厚み調整機能を発揮し得るものであれば種々の材料(金属材料、樹脂材料、セラミック材料等)を使用可能である。衝撃に対する耐久性等の観点から金属材料または樹脂材料の使用が好ましく、例えば軽量なポリオレフィン樹脂性のスペーサ部材40を好ましく使用することができる。
A pair of
そして、このように単電池12の積層方向に配列された単電池群、スペーサ部材40及びエンドプレート18,19の全体が、両エンドプレート18,19を架橋するように取り付けられた締め付け用の拘束バンド21によって、該積層方向に所定の拘束圧Pで拘束されている。より詳しくは、図4に示すように、拘束バンド21の端部をビス22によりエンドプレート18に締め付け且つ固定することによって、単電池群がその配列方向に所定の拘束圧P(例えば容器14の壁面が受ける面圧が0.1MPa〜10MPa程度)が加わるように拘束されている。かかる拘束圧Pで拘束された組電池10では、各単電池12の容器14の内部の捲回電極体30にも拘束圧がかかり、容器14内で発生したガスが、捲回電極体30内部(例えば正極シート32と負極シート34との間)に貯留して電池性能が低下することを防止することができる。
Then, the single cell group, the
また、単電池12および組電池10は、車両に搭載される電池として適した性能、特に容量維持率が高く耐久性に優れたものであり得る。また、電極活物質として、SiOx等の金属酸化物からなる負極活物質や、Li(LiaMnxCoyNiz)O2等の過剰型リチウム遷移金属複合酸化物等からなる正極活物質を採用することもでき、より高容量化を実現することができる。
また、本発明によると、図7に示すように、リチウムイオン電池12(組電池10)を備えた車両1が提供される。特に、該電池12を動力源(典型的には、ハイブリッド車両または電気車両の動力源)として備える車両(例えば自動車)が提供される。
In addition, the
Further, according to the present invention, as shown in FIG. 7, a
以下、具体的ないくつかの実施例として、ここで開示される製造方法によって製造された粒状電極活物質を備える正極を使用してリチウム二次電池(ここではリチウムイオン電池)を構築し、その性能評価を行った。 Hereinafter, as some specific examples, a lithium secondary battery (here, a lithium ion battery) is constructed using a positive electrode including a granular electrode active material manufactured by the manufacturing method disclosed herein, Performance evaluation was performed.
<実施例に係る粒状電極活物質の合成>
以下の手順で、一般式:Li(Li0.2Mn0.54Co0.13Ni0.13)O2で表わされるリチウム二次電池用の正極活物質を合成した。
すなわち、リチウム源としての酢酸リチウム・二水和物〔Li(CH3COO)・2H2O〕と、マンガン源としての酢酸マンガン(II)・四水和物〔Mn(CH3COO)2・4H2O〕と、コバルト源としての酢酸コバルト(II)・四水和物〔Co(CH3COO)2・4H2O〕、ニッケル源としての酢酸ニッケル(II)・四水和物〔Ni(CH3COO)2・4H2O〕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。この出発原料を、ゲル化剤としてのグリコール酸および温度応答性高分子としてのポリ(N−イソプロピルアクリルアミド)(以下、「PNIPAM」と示すこともある。)と共に1Lのビーカーに入れてイオン交換水を加え、下限臨界溶解温度以下の20℃にて混合溶解し、水性原料液を用意した。
<Synthesis of Granular Electrode Active Material According to Examples>
In the following procedure, a positive electrode active material for a lithium secondary battery represented by the general formula: Li (Li 0.2 Mn 0.54 Co 0.13 Ni 0.13 ) O 2 was synthesized.
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. and 4H 2 O], cobalt acetate as a cobalt source (II) · tetrahydrate [Co (CH 3 COO) 2 · 4H 2 O ], nickel acetate (II) · tetrahydrate as nickel source [Ni Starting materials for constituting a composite oxide having the above composition ratio including (CH 3 COO) 2 .4H 2 O] were prepared. This starting material is placed in a 1 L beaker together with glycolic acid as a gelling agent and poly (N-isopropylacrylamide) as a temperature-responsive polymer (hereinafter sometimes referred to as “PNIPAM”), and ion-exchanged water. Was mixed and dissolved at 20 ° C. below the lower critical solution temperature to prepare an aqueous raw material solution.
次いで、この水性原料液に硝酸を加えpHを1.75とし、撹拌しながら下限臨界溶解温度を超える80℃に加熱して水性原料液中に不溶性凝集物を生成させた。そのまま該温度で撹拌を続けながら水を蒸発させて水性原料液をゲル状化させ、前駆体を得た。
得られた前駆体を回収し、800℃で焼成することによって、実施例1に係る粒状電極活物質を合成した。
<比較例に係る粒状電極活物質の合成>
温度応答性高分子としてのPNIPAMを添加しないこと以外は、上記実施例と同様の材料を使用し同様のプロセスによって、比較例に係る粒状電極活物質を合成した。
Next, nitric acid was added to the aqueous raw material liquid to adjust the pH to 1.75, and the mixture was heated to 80 ° C. exceeding the lower critical solution temperature with stirring to produce insoluble aggregates in the aqueous raw material liquid. While continuing stirring at the temperature, water was evaporated to gel the aqueous raw material liquid to obtain a precursor.
The obtained precursor was collected and fired at 800 ° C. to synthesize the granular electrode active material according to Example 1.
<Synthesis of Granular Electrode Active Material According to Comparative Example>
The granular electrode active material which concerns on a comparative example was synthesize | combined by the same process using the material similar to the said Example except not adding PNIPAM as a temperature-responsive polymer.
<平均粒径の比較>
実施例および比較例で得られた粒状電極活物質について、レーザー回折法により粒度分布を調べた。その結果(粒度分布)を図8に示す。
図8から明らかなように、水性原料液に温度応答性高分子を添加することで得られた実施例の活物質は、温度応答性高分子を用いずに得られた比較例の活物質と比較して粒度分布が小粒子径側にシフトしており、全体的により微細な粒子が得られていることが確認された。即ち、上記のように水性原料液に温度応答性高分子を添加することによって、合成後の活物質に余計な外力を加えることなく、合成過程での粒子サイズの微小化を実現し、粒子サイズがより小さく結晶性が損なわれることのない粒状活物質の製造が可能なことを示したものである。
<Comparison of average particle size>
About the granular electrode active material obtained by the Example and the comparative example, the particle size distribution was investigated by the laser diffraction method. The result (particle size distribution) is shown in FIG.
As is apparent from FIG. 8, the active material of the example obtained by adding the temperature-responsive polymer to the aqueous raw material liquid is the same as the active material of the comparative example obtained without using the temperature-responsive polymer. In comparison, the particle size distribution was shifted to the small particle diameter side, and it was confirmed that finer particles were obtained overall. That is, by adding the temperature-responsive polymer to the aqueous raw material liquid as described above, the particle size can be reduced in the synthesis process without applying extra external force to the active material after synthesis. This shows that it is possible to produce a granular active material that is smaller and crystallinity is not impaired.
<評価用セルの構築ならびに電気化学特性評価>
上記得られた実施例ならびに比較例の粒状電極活物質を用いて評価用セルを構築した。
即ち、各活物質をアルゴンガス雰囲気中において最高焼成温度を約1000℃に設定し、当該温度で約6時間の焼成を行った。なお、試料を200℃〜300℃の温度域で予め1〜5時間程度の仮焼成を行った後に最高焼成温度まで昇温した。これによりPVAの不要なヒドロキシ基を消失させることができる。
<Evaluation cell construction and electrochemical property evaluation>
An evaluation cell was constructed using the granular electrode active materials obtained in Examples and Comparative Examples.
That is, the maximum firing temperature was set to about 1000 ° C. in an argon gas atmosphere for each active material, and firing was performed at that temperature for about 6 hours. The sample was preliminarily fired for about 1 to 5 hours in the temperature range of 200 ° C. to 300 ° C. and then heated to the maximum firing temperature. Thereby, an unnecessary hydroxy group of PVA can be eliminated.
こうして得られた焼成処理後の各活物質を解砕し、100メッシュの篩で分級して試験用電極活物質を得た。得られた100メッシュアンダーの電極活物質粒子を用いて試験用電極を作製した。即ち、上記活物質と、黒鉛粒子と、PVDFとを、これらの質量比が85:10:5となるようにN−メチルピロリドンと混合して、スラリー状組成物(ペースト)を調製した。この組成物を厚み10μmの銅箔(日本製箔製)に塗布して乾燥させることにより、該銅箔の片面に厚み25μmの活物質層を形成した。これを銅箔と活物質層とを含む全体の電極密度が1.2mg/cm2となるようにプレスし、次いで直径16mmの円形に打ち抜いて評価用電極を作製した。 Each active material after the firing treatment thus obtained was crushed and classified with a 100 mesh sieve to obtain a test electrode active material. Test electrodes were prepared using the obtained 100-mesh under electrode active material particles. That is, the active material, graphite particles, and PVDF were mixed with N-methylpyrrolidone so that the mass ratio thereof was 85: 10: 5 to prepare a slurry-like composition (paste). This composition was applied to a copper foil having a thickness of 10 μm (manufactured by Japan Foil) and dried to form an active material layer having a thickness of 25 μm on one surface of the copper foil. This was pressed so that the total electrode density including the copper foil and the active material layer was 1.2 mg / cm 2, and then punched into a circle having a diameter of 16 mm to produce an evaluation electrode.
対極としては直径15mm、厚み0.15mmの金属リチウム箔を使用した。セパレータとしては、直径22mm、厚み0.02mmの多孔質ポリオレフィンシートを使用した。電解液としては、エチレンカーボネート(EC)とジエチルカーボネート(DEC)との体積比3:7の混合溶媒に、リチウム塩としてのLiPF6を約1モル/Lの濃度で溶解させたものを使用した。
これらの構成要素をステンレス製容器に組み込んで、厚み2mm、直径32mm(いわゆる2032型)の一般的形状の評価用コインセルを構築した。
A metal lithium foil having a diameter of 15 mm and a thickness of 0.15 mm was used as the counter electrode. As the separator, a porous polyolefin sheet having a diameter of 22 mm and a thickness of 0.02 mm was used. As the electrolytic solution, a solution obtained by dissolving LiPF 6 as a lithium salt at a concentration of about 1 mol / L in a mixed solvent of ethylene carbonate (EC) and diethyl carbonate (DEC) in a volume ratio of 3: 7 was used. .
These constituent elements were incorporated into a stainless steel container to construct a coin cell for evaluation having a general shape with a thickness of 2 mm and a diameter of 32 mm (so-called 2032 type).
上記のように作製した2種類のコインセル(以下、実施例の電極活物質を用いて作製したセルを「実施例のセル」、比較例の電極活物質を用いて作製したセルを「比較例のセル」という。)に対し、0.1C(1C即ち1時間で満充放電できる電流値の0.1倍の電流値)の定電流にて極間電圧が0.01Vとなるまで試験用電極にLiを挿入する操作と、0.1Cの定電流にて極間電圧が1.2Vとなるまで試験用電極からLiを脱離する操作とを行った。このときのLi挿入容量を活物質質量で割った値(活物質の単位質量あたりのLi挿入容量:mAh/g)を初回充電容量、またLi脱離容量を活物質質量で割った値(活物質の単位質量あたりのLi脱離容量:mAh/g)を初回放電容量として求めた。また、かかる活物質の単位質量あたりの初回放電容量を初回充電容量で割った値を初回クーロン効率(%)とした。具体的には、次式:(初回放電容量)/(初回充電容量)×100より求めた。その結果を表1に示す。 Two types of coin cells prepared as described above (hereinafter, the cell prepared using the electrode active material of the example is referred to as “cell of example”, and the cell prepared using the electrode active material of comparative example is referred to as “comparative example of Test electrode until the interelectrode voltage reaches 0.01 V at a constant current of 0.1 C (1 C, that is, a current value that is 0.1 times the current value that can be fully charged and discharged in 1 hour). The operation of inserting Li into the electrode and the operation of desorbing Li from the test electrode until the interelectrode voltage reached 1.2 V at a constant current of 0.1 C were performed. The value obtained by dividing the Li insertion capacity by the active material mass (Li insertion capacity per unit mass of the active material: mAh / g) at this time, and the value obtained by dividing the Li desorption capacity by the active material mass (active material). Li desorption capacity per unit mass of the substance: mAh / g) was determined as the initial discharge capacity. The value obtained by dividing the initial discharge capacity per unit mass of the active material by the initial charge capacity was defined as the initial coulomb efficiency (%). Specifically, it was determined from the following formula: (initial discharge capacity) / (initial charge capacity) × 100. The results are shown in Table 1.
表1から明らかなように、ここで開示された製造方法により製造された実施例のセルは、比較例のセルの初回クーロン効率(82.9%)よりも有意に高い初回クーロン効率(87.1%)を実現することができた。これは極活物質粒子が微小化され電極活物質粒子の充填性が向上されて、電極における活物質の密度を高められたとともに、電極活物質の微小化により活物質の単位質量あたりの表面積が増大したことに由来するものと考えられる。即ち、ここで開示された製造方法により、リチウム二次電池のハイレート特性、急速充放電特性等が向上されることが予想される。 As is apparent from Table 1, the Example cell produced by the production method disclosed herein had a significantly higher initial Coulomb efficiency (87. 8) than that of the Comparative Example cell (82.9%). 1%). This is because the active material particles are miniaturized and the packing properties of the electrode active material particles are improved, the density of the active material in the electrode is increased, and the surface area per unit mass of the active material is reduced by the miniaturization of the electrode active material. It is thought to be derived from the increase. That is, the manufacturing method disclosed here is expected to improve the high-rate characteristics, rapid charge / discharge characteristics, etc. of the lithium secondary battery.
以上、本発明を好適な実施形態により説明してきたが、こうした記述は限定事項ではなく、勿論、種々の改変が可能である。 As mentioned above, although this invention was demonstrated by suitable embodiment, such description is not a limitation matter and of course various modifications are possible.
ここで開示される製造方法によると、過度な機械的粉砕処理を必要とせずに微小な粒子サイズの電極活物質を提供することができる。この電極活物質は、粉砕による結晶構造の変化や結晶性の低下がないためクーロン特性に優れ、また活物質粒子からの成分溶出のおそれもないため性能低下(例えば充放電容量の低下)が抑制されたものとなる。従って、かかる電極活物質を利用することによって、高容量で耐久性のよいリチウム二次電池等の二次電池を提供することができる。このような特徴からここで開示される製造方法により製造される電極活物質を採用することにより、例えば車両を駆動する電源として利用される車載用二次電池(特には車載用リチウム二次電池)を提供することができる。 According to the production method disclosed herein, an electrode active material having a fine particle size can be provided without requiring an excessive mechanical pulverization treatment. This electrode active material has excellent Coulomb characteristics because there is no change in crystal structure or crystallinity due to grinding, and there is no risk of elution of components from the active material particles, so performance degradation (for example, reduction in charge / discharge capacity) is suppressed. Will be. Therefore, by using such an electrode active material, it is possible to provide a secondary battery such as a lithium secondary battery having high capacity and good durability. By adopting the electrode active material manufactured by the manufacturing method disclosed here from such characteristics, for example, a vehicle-mounted secondary battery (particularly a vehicle-mounted lithium secondary battery) used as a power source for driving a vehicle. Can be provided.
1 車両
10 組電池
12 リチウム二次電池(単電池)
15 正極端子
16 負極端子
30 捲回電極体
32 正極シート
34 負極シート
102 原料化合物
104 温度応答性高分子
110 不溶性凝集物
1
15
Claims (8)
前記電極活物質を形成するための1種又は2種以上の原料化合物が水系溶媒に溶解又は分散した水性原料液であって、所定の下限臨界溶解温度以上で水に不溶性となる温度応答性高分子を該下限臨界溶解温度以下の温度で溶解させた水性原料液を用意すること、
前記用意した水性原料液を前記下限臨界溶解温度を上回る温度域まで昇温し、該昇温した水性原料液中に不溶性凝集物を生成すること、
前記生成された不溶性凝集物を焼成し、前記電極活物質を形成すること、
を包含する、製造方法。 A method for producing a granular electrode active material for a secondary battery, comprising:
An aqueous raw material liquid in which one or two or more raw material compounds for forming the electrode active material are dissolved or dispersed in an aqueous solvent, and has a high temperature responsiveness that becomes insoluble in water at a predetermined lower critical solution temperature or higher. Preparing an aqueous raw material solution in which molecules are dissolved at a temperature equal to or lower than the lower critical solution temperature;
Raising the temperature of the prepared aqueous raw material liquid to a temperature range above the lower critical solution temperature, and generating insoluble aggregates in the heated aqueous raw material liquid;
Firing the generated insoluble aggregates to form the electrode active material;
Manufacturing method.
該ゲル化剤を含む水性原料液を前記温度域まで昇温し、該温度域において該水性原料液から水系溶媒を蒸発させて前記生成した不溶性凝集物を含むゲル化体を形成し、
該ゲル化体を焼成することによって前記電極活物質を形成する、請求項1〜3のいずれかに記載の製造方法。 The aqueous raw material liquid contains a water-soluble gelling agent,
The aqueous raw material liquid containing the gelling agent is heated to the temperature range, and the aqueous solvent is evaporated from the aqueous raw material liquid in the temperature range to form a gelled body containing the generated insoluble aggregates.
The manufacturing method according to any one of claims 1 to 3, wherein the electrode active material is formed by firing the gelled body.
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