JP6008134B2 - Lithium secondary battery positive electrode active material and lithium secondary battery using the positive electrode active material - Google Patents
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Description
本発明は、非水系電解質二次電池用正極活物質およびそれを用いた非水二次電池用正極に関し、さらに詳しくは、スピネル型結晶構造を持つ4.7V以上の発現電位を持つ非水系電解質二次電池用正極活物質およびその製造方法に関する。
The present invention relates to a positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery and a positive electrode for a non-aqueous secondary battery using the same, and more specifically, a non-aqueous electrolyte having a spinel crystal structure and an expression potential of 4.7 V or more. The present invention relates to a positive electrode active material for a secondary battery and a method for producing the same.
近年、携帯電話やノート型パソコンなどの携帯機器の普及にともない、高いエネルギー密度を有する小型かつ軽量な二次電池に対する要求が高まっている。このようなものとして、非水電解液タイプのリチウムイオン二次電池があり、その研究開発が盛んに行われ、その実用化が図られている。このリチウムイオン二次電池は、リチウム含有複合酸化物を活物質とする正極と、リチウム、リチウム合金、金属酸化物あるいはカーボンのような、リチウムを吸蔵・放出することが可能な材料を活物質とする負極と、非水電解液を含むセパレータまたは固体電解質を主要構成要素とする。 In recent years, with the widespread use of portable devices such as mobile phones and laptop computers, there is an increasing demand for small and lightweight secondary batteries having high energy density. As such, there is a non-aqueous electrolyte type lithium ion secondary battery, and its research and development has been actively conducted and its practical application has been achieved. This lithium ion secondary battery includes a positive electrode using a lithium-containing composite oxide as an active material, and a material capable of inserting and extracting lithium, such as lithium, a lithium alloy, a metal oxide, or carbon, as an active material. The main component is a negative electrode to be processed and a separator or solid electrolyte containing a non-aqueous electrolyte.
これら構成要素のうち、正極活物質として検討されているものには、リチウムコバルト複合酸化物(LiCoO2)、リチウムニッケル複合酸化物(LiNiO2)、リチウムマンガン複合酸化物(LiMn2O4)等がある。特に、リチウムコバルト複合酸化物を正極に用いた電池については、優れた初期容量特性やサイクル特性を得るための開発がこれまで数多く行われてきており、すでにさまざまな成果が得られ、実用化に至っている。 Among these components, those studied as positive electrode active materials include lithium cobalt composite oxide (LiCoO 2 ), lithium nickel composite oxide (LiNiO 2 ), lithium manganese composite oxide (LiMn 2 O 4 ), and the like. There is. In particular, a battery using a lithium cobalt composite oxide for the positive electrode has been developed to obtain excellent initial capacity characteristics and cycle characteristics, and various results have already been obtained and put into practical use. Has reached.
しかし、二次電池に対する高エネルギー密度化の要求は年々高まる一方であり、現在実用化されているリチウムコバルト複合酸化物を正極に用いたリチウムイオン二次電池は、コバルトが資源として少ないため高価であることから、コバルトより安価で高エネルギー密度を実現できる代替材料が求められている。 However, the demand for higher energy density for secondary batteries is increasing year by year, and lithium ion secondary batteries using a lithium cobalt composite oxide currently in practical use as a positive electrode are expensive because cobalt is a scarce resource. Therefore, there is a need for an alternative material that is cheaper than cobalt and can realize a high energy density.
そのため、非水系電解質二次電池用の正極活物質として、LiCoO2に代えて、スピネル型結晶構造を有するリチウムマンガン酸化物系材料が注目されている。このスピネル型構造のリチウムマンガン酸化物には、Li2Mn4O9、Li4Mn5O12、LiMn2O4などがあり、それらの中でも、LiMn2O4が、Li(リチウム)電位に対して4V領域で充放電が可能であることから、盛んに研究が行われている(特許文献1、特許文献2、特許文献3、特許文献4など)。 Therefore, as a positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery, a lithium manganese oxide material having a spinel crystal structure is drawing attention instead of LiCoO 2 . The spinel-type lithium manganese oxide includes Li 2 Mn 4 O 9 , Li 4 Mn 5 O 12 , LiMn 2 O 4, etc. Among them, LiMn 2 O 4 has a Li (lithium) potential. On the other hand, since charging and discharging are possible in the 4V region, research is actively conducted (Patent Document 1, Patent Document 2, Patent Document 3, Patent Document 4, and the like).
ところで、電池の高エネルギー密度化を図るためには、高電位の正極活物質を用いることが1つの方法であり、また、電気自動車用電源としては300V以上の高電圧が必要とされる。そのため、スピネル型リチウムマンガン酸化物より高電圧で作動する正極活物質の開発が検討されている。 By the way, in order to increase the energy density of a battery, one method is to use a positive electrode active material having a high potential, and a high voltage of 300 V or more is required as a power source for an electric vehicle. Therefore, development of a positive electrode active material that operates at a higher voltage than spinel type lithium manganese oxide has been studied.
例えば、スピネル型リチウムマンガン酸化物のマンガンをニッケルで部分的に置換したリチウムマンガンニッケル複合酸化物では、金属リチウム電位基準で4.5V以上の作動電圧が得られることが確認されている(特許文献5、特許文献6など)。
特に化学式1で表される組成のスピネル型リチウムマンガンニッケル複合酸化物は約4.75Vの高電圧を安定して発現することで知られている。
LiMn1.5Ni0.5O4 ・・・ 化学式1
しかしながら、このようなスピネル型構造を持つ高電圧作動の正極活物質は繰り返し充放電を行うことによって、電池容量が減少していくという問題があり、研究開発の労力が多く割かれているにも関わらず、実用化には至っていない。
For example, in a lithium manganese nickel composite oxide in which manganese of spinel type lithium manganese oxide is partially substituted with nickel, it has been confirmed that an operating voltage of 4.5 V or more can be obtained on the basis of a metal lithium potential (Patent Document). 5, Patent Document 6).
In particular, the spinel type lithium manganese nickel composite oxide represented by the chemical formula 1 is known to stably develop a high voltage of about 4.75V.
LiMn 1.5 Ni 0.5 O 4. Chemical formula 1
However, the high-voltage active positive electrode active material having such a spinel structure has a problem that the battery capacity decreases due to repeated charge and discharge, and much research and development effort is used. Nevertheless, it has not been put to practical use.
容量減少の原因の一つは高電圧化により、充放電時に電解液が分解するという問題である。電解液の分解は不可逆反応なため、充放電を繰り返すたびに徐々に正極と負極間のリチウムイオンキャリアである電解液が減少し、容量が低下する。また、分解した電解液は水素等を主成分としたガスを発生し、電池の膨れなどの不具合の原因になる。 One of the causes of the capacity reduction is a problem that the electrolytic solution is decomposed during charging / discharging due to high voltage. Since the decomposition of the electrolytic solution is an irreversible reaction, the electrolytic solution, which is a lithium ion carrier between the positive electrode and the negative electrode, gradually decreases and the capacity decreases each time charging and discharging are repeated. In addition, the decomposed electrolytic solution generates a gas mainly composed of hydrogen or the like, which causes problems such as battery swelling.
もう一つの課題はMnの溶出である。この問題はスピネル型リチウムマンガン酸化物でも見られ、高電圧化に特有の問題では無い。特に負極にカーボン系材料を用いた高温下の試験で顕著に見られる。これが問題となる理由は正極から溶出したMnが負極で析出し、負極での電池反応を阻害して容量を低下させると考えられている。 Another problem is elution of Mn. This problem is also observed in spinel type lithium manganese oxide and is not a problem specific to high voltage. This is particularly noticeable in high-temperature tests using a carbon-based material for the negative electrode. The reason why this becomes a problem is thought to be that Mn eluted from the positive electrode is deposited on the negative electrode, hindering the battery reaction at the negative electrode and reducing the capacity.
スピネル型リチウムマンガン酸化物からのMnの溶出は下記化学反応式に示すような不均化反応によって起こると考えられている。スピネル化合物中のMn3+がMn4+とMn2+に分離し、Mn2+が電解液に溶出するというものである。 It is considered that elution of Mn from the spinel type lithium manganese oxide occurs by a disproportionation reaction as shown in the following chemical reaction formula. Mn 3+ in the spinel compound is separated into Mn 4+ and Mn 2+ , and Mn 2+ is eluted into the electrolyte.
2Mn3+ → Mn4+ + Mn2+ ・・・ 化学反応式
作動電圧約4Vのスピネル型リチウムマンガン酸化物ではMnの形式電荷が3.5であり、すなわちMn4+とMn3+が一対一で存在している。充放電反応でもMn3+/Mn4+の酸化還元反応を利用するため、LiMn2O4を用いたスピネル型マンガン酸化物では、この問題は本質的なものである。
2Mn 3+ → Mn 4+ + Mn 2 + ... Chemical reaction formula
In the spinel type lithium manganese oxide having an operating voltage of about 4 V, the formal charge of Mn is 3.5, that is, Mn 4+ and Mn 3+ exist in a one-to-one relationship . This problem is essential in the spinel-type manganese oxide using LiMn 2 O 4 since the redox reaction of Mn 3+ / Mn 4+ is also used in the charge / discharge reaction.
この問題の対策としては、例えば特許文献7では、MnをLiなどの低価数元素などと置換したり、合成中の焼成条件を工夫することで通常よりも酸素が過剰な組成を作り出したりして、その電荷補償で三価のMnを四価に酸化させるという方法が開示されている。 As countermeasures for this problem, for example, in Patent Document 7, Mn is replaced with a low-valent element such as Li, or a composition in which oxygen is excessive than usual is created by devising firing conditions during synthesis. Thus, a method of oxidizing trivalent Mn to tetravalent by the charge compensation is disclosed.
それに対し作動電圧約5Vのスピネル型リチウムマンガンニッケル複合酸化物では、Mnの形式電荷は4+である。Mn3+は存在せず、その代わりNiが二価で存在することで、MnとNiを合わせた平均形式電荷が3.5になる。充放電にもMnは寄与せず、Ni2+/Ni3+、Ni3+/Ni4+の酸化還元反応を利用している。 On the other hand, in the spinel type lithium manganese nickel composite oxide having an operating voltage of about 5 V, the formal charge of Mn is 4+ . Mn 3+ does not exist, and instead Ni exists in a divalent state, so that the average formal charge of Mn and Ni is 3.5. Mn does not contribute to charging / discharging, and utilizes a redox reaction of Ni 2+ / Ni 3+ and Ni 3+ / Ni 4+ .
理想的にはMn3+を持たないスピネル型リチウムマンガンニッケル複合酸化物では化学反応式に示されたMn溶出は本質的な問題ではないはずである。しかし我々の検討結果では、特に高温下でカーボン負極を用いた場合、スピネル型リチウムマンガンニッケル複合酸化物のサイクル特性は実用に耐えるものでなく、その原因は主にMn、Ni溶出に関連付けられると考えている。 Ideally, in a spinel type lithium manganese nickel composite oxide having no Mn 3+ , the elution of Mn shown in the chemical reaction formula should not be an essential problem. However, in our study results, especially when a carbon negative electrode is used at high temperatures, the cycle characteristics of the spinel type lithium manganese nickel composite oxide are not practical, and the cause is mainly related to elution of Mn and Ni. thinking.
スピネル型リチウムマンガン酸化物と同様にMnの溶出が起こる理由は、スピネル型のマンガン酸化物が酸素欠陥を起こしやすいという性質にあると考えられる。酸素欠陥が起こると、その電荷補償のため四価のMnが三価に還元され、溶出の原因となる。 The reason why Mn is eluted like the spinel type lithium manganese oxide is considered to be due to the property that the spinel type manganese oxide easily causes oxygen defects. When oxygen vacancies occur, tetravalent Mn is reduced to trivalent for charge compensation, causing elution.
スピネル型リチウムマンガン酸化物では溶出対策として酸素過剰組成を作ることが有効であると先に述べたが、その時には酸素の負電荷の増加に対応して三価のマンガンが四価になることで電気的中性を保つ。しかしスピネル型リチウムマンガンニッケル複合酸化物ではNiが二価、Mnが四価であり、両金属のいずれか、または両方がそれ以上の酸化数をとるには極端な酸化条件が必要になり、現実的ではない。そのためスピネル型リチウムマンガンニッケル複合酸化物でスピネル型リチウムマンガン酸化物と同様なサイクル特性に優れた酸素過剰組成を作製するのは困難である。 As described earlier, spinel lithium manganese oxide is effective to create an oxygen-excess composition as a countermeasure against elution. At that time, trivalent manganese becomes tetravalent in response to an increase in the negative charge of oxygen. Keep electrical neutrality. However, in spinel type lithium manganese nickel composite oxide, Ni is divalent and Mn is tetravalent, and extreme oxidation conditions are required for either or both metals to have an oxidation number higher than that. Not right. Therefore, it is difficult to produce an oxygen-excess composition excellent in cycle characteristics similar to that of a spinel type lithium manganese nickel composite oxide.
上記課題を解決するため、スピネル型リチウムマンガン酸化物を異種元素で置換することが提案されている。 In order to solve the above problems, it has been proposed to replace the spinel type lithium manganese oxide with a different element.
例えば特許文献8ではスピネル型リチウムマンガン酸化物のマンガンをTi、V、Cr、Fe、Co、Ni、Zn、Cu、W、Mg、Alで置換することが開示されている。しかしこれは約4V領域で作動する電池における正極の溶出を課題としており、5V領域では作動する本発明の正極活物質に対する効果は不明である。 For example, Patent Document 8 discloses that manganese of spinel type lithium manganese oxide is substituted with Ti, V, Cr, Fe, Co, Ni, Zn, Cu, W, Mg, and Al. However, the problem is elution of the positive electrode in a battery operating in the region of about 4 V, and the effect on the positive electrode active material of the present invention operating in the 5 V region is unclear.
また特許文献9では5V級での作動電圧を前提とした少なくともコバルトを含んだ異種元素置換スピネル型リチウムマンガン酸化物が開示されている。この材料はCo3+/Co4+の酸化還元を利用した材料であり、本発明のNi2+/Ni4+の酸化還元を利用した材料とは異なる。添加元素の目的もMnの価数変化には注目しているが平均酸化数を上昇には着目していない。実施例ではLi金属を負極に用いているが、カーボン負極を用いた場合のサイクル特性は不十分であると考えられる。 Patent Document 9 discloses a dissimilar element substituted spinel type lithium manganese oxide containing at least cobalt on the premise of an operating voltage of 5V class. This material is a material utilizing the oxidation / reduction of Co 3+ / Co 4+ and is different from the material utilizing the oxidation / reduction of Ni 2+ / Ni 4+ of the present invention. The purpose of the additive element is also focused on changing the valence of Mn, but not on increasing the average oxidation number. In the examples, Li metal is used for the negative electrode, but it is considered that the cycle characteristics when the carbon negative electrode is used are insufficient.
本発明はかかる問題点に鑑み、リチウム二次電池の正極活物質として用いると、カーボン負極を用いた場合でもサイクル特性に優れるスピネル型リチウムマンガンニッケル複合酸化物粒子とそれを用いた非水系電解質二次電池を提供することにある。 In view of such problems, the present invention, when used as a positive electrode active material of a lithium secondary battery, provides spinel-type lithium manganese nickel composite oxide particles having excellent cycle characteristics even when a carbon negative electrode is used, and a non-aqueous electrolyte 2 using the same. The next battery is to provide.
本発明者等が鋭意検討した結果、スピネル型リチウムマンガンニッケル複合酸化物のニッケル、マンガンの一部を三価以上の元素で置換し、さらにマンガンの一部を二価の元素で置換することにより酸素過剰組成のスピネル型リチウムマンガンニッケル複合酸化物が得られることを見出した。 As a result of intensive studies by the present inventors, by replacing nickel, a part of manganese of spinel type lithium manganese nickel composite oxide with a trivalent or higher element, and further substituting a part of manganese with a divalent element. It has been found that a spinel type lithium manganese nickel composite oxide having an oxygen excess composition can be obtained.
すなわち、化学式1では、合成時の焼成を通常の酸化雰囲気条件で行うと、Mnは四価以上、Niは二価以上の酸化数を取ることが難しく、平均価数は3.5以上にはなりにくい。Niをより価数の高い元素で置換することによって、置換元素も含めた平均価数が3.5以上になり、その電荷補償のため酸素が過剰な組成となることが可能である。 That is, in the chemical formula 1, if the firing at the time of synthesis is performed under normal oxidizing atmosphere conditions, it is difficult to obtain an oxidation number of Mn of 4 or more, Ni of 2 or more, and an average valence of 3.5 or more. Hard to become. By substituting Ni with an element having a higher valence, the average valence including the substitution element becomes 3.5 or more, and oxygen can have an excessive composition for charge compensation.
しかしこれだけでは酸素が過剰にならずにMnが四価から三価に還元されることによって電荷が補償されてしまうことが判明した。そこでさらに詳細に検討を行ったところ、Mnを少量の二価の元素で置換することで、Mnが三価に還元されにくくなることを見出し、本発明を完成するに至った。 However, it has been found that this alone compensates for charges by reducing Mn from tetravalent to trivalent without excessive oxygen. As a result of further detailed studies, it was found that Mn is not easily reduced to trivalent by substituting Mn with a small amount of a divalent element, and the present invention has been completed.
すなわち本発明の第一の発明は、下記組成式1で示され、XRD測定で対称性Fd−3mのスピネル型の結晶構造の回折パターンを示し、二クロム酸カリウム滴定法による遷移金属の酸化数分析におけるMnの酸化数分析で、Mnの酸化数が3.97以上、4.00以下であり、XRDパターンにおいて(311)面に帰属されるピークの半値全幅からシェラー式で算出される結晶子径が5000Å以下、1000Å以上であることを特徴とする非水系電解質二次電池用正極活物質である。
LiaMn2−x−y−bNix−zTy+zAbO4 組成式1
0.92≦a≦1.12
0.45≦x≦0.55
0≦y<0.10
0.0010≦z≦0.20
0.0010≦y+z≦0.20
0.0010<b≦0.025
z>y
T=Co, Fe, Cr, Al,Ga,Ti,Siから選ばれる一つ以上の元素
A=Mg、Znから選ばれる一つ以上の元素
That is, the first invention of the present invention is represented by the following composition formula 1 and shows a diffraction pattern of a spinel type crystal structure of symmetry Fd-3m by XRD measurement, and the oxidation number of transition metal by potassium dichromate titration method in the oxidation number of Mn analysis in the analysis, the oxidation number of Mn is 3.97 or more, 4.00 Ri der below is calculated by the Scherrer equation from the full width at half maximum of the peak attributed to the XRD pattern (311) plane crystal child diameter 5000Å or less, the positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery, characterized der Rukoto than 1000 Å.
Li a Mn 2-x-y -b Ni x-z T y + z A b O 4 composition formula 1
0.92 ≦ a ≦ 1.12
0.45 ≦ x ≦ 0.55
0 ≦ y <0.10
0.0010 ≦ z ≦ 0.20
0.0010 ≦ y + z ≦ 0.20
0.0010 <b ≦ 0.025
z> y
T = one or more elements selected from Co, Fe, Cr, Al, Ga, Ti and Si A = one or more elements selected from Mg and Zn
本発明の第三の発明は、AがMgであることを特徴とする非水系電解質二次電池用正極活物質である。 A third invention of the present invention is a positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery, wherein A is Mg.
本発明の第四の発明は、FT−IR測定の400〜700cm−1の範囲において、493〜513cm−1、549〜559cm−1、584〜594cm−1の範囲にある赤外光の吸収ピークのうち一つ以上が検出されないことを特徴とする非水系電解質二次電池用正極活物質である。
A fourth aspect of the present invention, in the range of 400~700Cm -1 of FT-IR measurement, 493~513cm -1, 549~559cm -1, absorption peaks of infrared light in the range of 584~594Cm -1 One or more of them are not detected, which is a positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery.
本発明の第五の発明は、第1の発明に記載の製造方法により製造され、非水系電解質二次電池の初期放電容量が、リチウム基準の電位に対するカットオフ電圧2.5〜4.8Vのときに200mAh/g以上であることを特徴とする非水系電解質二次電池用正極活物質である。
A fifth invention of the present invention is manufactured by the manufacturing method according to the first invention, and the initial discharge capacity of the non-aqueous electrolyte secondary battery is a cutoff voltage of 2.5 to 4.8 V with respect to a lithium-based potential. A positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery, which is sometimes 200 mAh / g or more.
本発明の第六の発明は、第一から第五のいずれかに記載の非水系電解質二次電池用正極活物質によって正極が形成され、初期放電容量が125mAh/g以上であり、60℃で0.6mA/cm2としてカットオフ電圧4.9Vまで充電し、1時間の休止後、カットオフ電圧3.5Vまで放電を200回繰り返し、2回目の放電容量に対する200回目の放電容量が70%以上であることを特徴とする非水系電解質二次電池である。 According to a sixth aspect of the present invention, a positive electrode is formed by the positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery according to any one of the first to fifth aspects, the initial discharge capacity is 125 mAh / g or more, and at 60 ° C. Charged to 0.6 mA / cm 2 to a cut-off voltage of 4.9 V, and after a pause of 1 hour, the discharge was repeated 200 times to a cut-off voltage of 3.5 V. The discharge capacity at the 200th time was 70% of the discharge capacity at the second time. This is the nonaqueous electrolyte secondary battery.
本発明のスピネル型リチウムマンガンニッケル複合酸化物では、Mnの酸化数が3.97以上、4.00以下である正極活物質が得られ、電池中でのマンガンの溶出が抑制され、優れたサイクル特性を示す。 In the spinel type lithium manganese nickel composite oxide of the present invention, a positive electrode active material having an oxidation number of Mn of 3.97 or more and 4.00 or less is obtained, elution of manganese in the battery is suppressed, and an excellent cycle Show the characteristics.
以下に本発明の実施の形態について詳細に説明する。
(1)スピネル型リチウムマンガンニッケル複合酸化物
本発明のスピネル型リチウムマンガンニッケル複合酸化物は以下の組成式を持つことを特徴とする。
LiaMn2−x−y−bNix−zTy+zAbO4 組成式
0.92≦a≦1.12
0.45≦x≦0.55
0≦y<0.10
0.0010≦z≦0.20
0.0010≦y+z≦0.20
0.0010<b≦0.025
z>y
TはCo, Fe, Cr, Al,Ga,Ti,Siから選ばれる一種類以上の元素
AはMg、Znから選ばれる一種類以上の元素
本発明はサイクル特性向上のために、スピネル型リチウムマンガンニッケル複合酸化物の一部をCo、Fe、Crなどと、MgやZnとで置換したリチウム二次電池の正極活物質に関するものである。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
(1) Spinel-type lithium manganese nickel composite oxide The spinel-type lithium manganese nickel composite oxide of the present invention has the following composition formula.
Li a Mn 2-x-y -b Ni x-z T y + z A b O 4 composition formula
0.92 ≦ a ≦ 1.12
0.45 ≦ x ≦ 0.55
0 ≦ y <0.10
0.0010 ≦ z ≦ 0.20
0.0010 ≦ y + z ≦ 0.20
0.0010 <b ≦ 0.025
z> y
T is one or more elements selected from Co, Fe, Cr, Al, Ga, Ti and Si. A is one or more elements selected from Mg and Zn.
The present invention relates to a positive electrode active material for a lithium secondary battery in which a part of a spinel type lithium manganese nickel composite oxide is replaced with Co, Fe, Cr, etc., and Mg or Zn in order to improve cycle characteristics.
式中TはCo, Fe, Cr, Al,Ga,Ti,Siから選ばれる一つ以上の3価以上の元素である。主にNiに対して置換することで、MnとNiとTの平均酸化数を増加させ、酸素過剰な組成を生成しやすくし、サイクル特性を向上させる目的で添加される。
スピネル型リチウムマンガンニッケル複合酸化物に上記元素を添加してもスピネル構造を保つことができる。特に添加のしやすさや元素の毒性などを考慮すると、Co, Fe, Tiを用いることが好ましい。
In the formula, T is one or more trivalent or more elements selected from Co, Fe, Cr, Al, Ga, Ti, and Si. It is added mainly for the purpose of increasing the average oxidation number of Mn, Ni, and T, making it easy to produce an oxygen-excess composition, and improving cycle characteristics by substituting for Ni.
The spinel structure can be maintained even if the above elements are added to the spinel type lithium manganese nickel composite oxide. In particular, considering the ease of addition and element toxicity, it is preferable to use Co, Fe, or Ti.
式中AはMg,Znから選ばれる一つ以上の2価の金属元素である。Mnに対して置換することで、三価以上のTのNiへの置換に対応して四価のMnが電荷補償のため三価に還元され、酸素過剰組成の形成を妨げることを防ぐために添加される。
スピネル型リチウムマンガンニッケル複合酸化物は上記元素を添加してもスピネル構造を保つことができる。特にMgは軽元素であり、重量軽減の効果が得られるため好ましい。
In the formula, A is one or more divalent metal elements selected from Mg and Zn. Added to prevent Mn from being reduced to trivalent for charge compensation and preventing the formation of oxygen-excess composition by substituting for Mn to replace trivalent or higher T with Ni Is done.
The spinel type lithium manganese nickel composite oxide can maintain the spinel structure even when the above elements are added. In particular, Mg is a light element and is preferable because an effect of weight reduction can be obtained.
Liの組成を化学量論比からずらすことは良く知られた方法である。式中のaはLiの組成を表し、0.90≦a≦1.15であり、より好ましくは0.92≦a≦1.12である。aが0.90未満では電池中で充放電に寄与するLiが少なくなり、電池容量が低くなるため好ましくない。aが1.15以上では酸化還元に不活性なリチウムが大量に入ることで容量が減少するため好ましくない。 Shifting the composition of Li from the stoichiometric ratio is a well-known method. A in the formula represents the composition of Li, 0.90 ≦ a ≦ 1.15, and more preferably 0.92 ≦ a ≦ 1.12. If a is less than 0.90, the amount of Li that contributes to charging and discharging in the battery decreases, and the battery capacity decreases, which is not preferable. If a is 1.15 or more, it is not preferable because a large amount of lithium that is inactive for redox reduction reduces the capacity.
xはMnに対するNiの置換量であり。0.40≦x≦0.60、さらに好ましくは0.45≦x≦0.55である。値の範囲は約5Vの作動電圧で安定して容量を得るためであり、0.40未満の場合は5V級の酸化還元電位を示すNiが減少するため好ましくない。0.6を超える場合は二価のニッケルの数が増え、平均酸化数が減少するため好ましくない。 x is the substitution amount of Ni with respect to Mn. 0.40 ≦ x ≦ 0.60, more preferably 0.45 ≦ x ≦ 0.55. The range of the value is to obtain a stable capacity at an operating voltage of about 5 V, and when it is less than 0.40, Ni showing a redox potential of 5 V class is not preferable. If it exceeds 0.6, the number of divalent nickel increases and the average oxidation number decreases, which is not preferable.
y,zはMn、Niそれぞれに対するTの置換量を表し、0.0010≦y+z≦0.20、より好ましくは0.0050≦y+z≦0.10である。0.0010未満では本発明の高価数元素を添加することで、Li以外の金属の平均酸化数を増加させ、酸素過剰なスピネルを作製するという目的に達せず、サイクル特性が悪化するため好ましくない。0.20を超える場合は、添加した高価数元素T、それ自体は目標の電圧で酸化還元をせず電池容量が減少するため好ましくない。 y and z represent the amount of substitution of T with respect to Mn and Ni, respectively, and 0.0010 ≦ y + z ≦ 0.20, more preferably 0.0050 ≦ y + z ≦ 0.10. If it is less than 0.0010, the addition of the expensive element of the present invention is not preferable because the average oxidation number of metals other than Li is increased and the object of producing an oxygen-excess spinel is not achieved, and the cycle characteristics deteriorate. . If it exceeds 0.20, the added expensive element T, itself, is not preferable because it does not undergo oxidation and reduction at the target voltage and the battery capacity decreases.
0≦yに対して0.0010≦zのため、MnへのTの置換は必須ではないが、NiへのTの置換は必須である。さらにy<zでなければならない。この理由は平均酸化数酸化数の増加には四価のMnよりも二価のNiへのTの置換が必要だからである。 Since 0.0010 ≦ z for 0 ≦ y, substitution of T for Mn is not essential, but substitution of T for Ni is essential. Furthermore, y <z must be satisfied. This is because an increase in the average oxidation number oxidation number requires substitution of T for divalent Ni rather than tetravalent Mn.
bはMnに対するAの置換量である。NiをTで置換したことによる電荷補償のためMnが三価になることを防止する役割がある。0.0010≦b≦0.025、より好ましくは0.0030<b≦0.010である。0.0010未満の場合はMnが三価になることを防止する効果が得られない。0.025を超える場合はAのような二価の元素を過剰に四価のMnに対して置換することは結局Li以外の金属の平均酸化数を下げてしまいサイクル特性を損なう原因になるからである。 b is the substitution amount of A with respect to Mn. It serves to prevent Mn from becoming trivalent for charge compensation by replacing Ni with T. 0.0010 ≦ b ≦ 0.025, more preferably 0.0030 <b ≦ 0.010. If it is less than 0.0010, the effect of preventing Mn from becoming trivalent cannot be obtained. If it exceeds 0.025, excessive substitution of a divalent element such as A with tetravalent Mn will eventually lower the average oxidation number of metals other than Li and impair the cycle characteristics. It is.
なお組成式1中のOの添え字4は厳密に4である必要は無い。本発明の目的の通り、合成条件や添加元素の影響により4以外の数字もとりえる。 Note that the subscript 4 of O in the composition formula 1 does not have to be exactly 4. As the object of the present invention, a number other than 4 can be taken due to the influence of the synthesis conditions and additive elements.
このような組成を持つ材料がカーボン負極に対して、高いサイクル特性を示すためにはさらに以下の条件を示すことが好ましい。 In order for a material having such a composition to exhibit high cycle characteristics with respect to the carbon negative electrode, it is preferable to further exhibit the following conditions.
本発明のスピネル型リチウムマンガンニッケル複合酸化物をXRDで測定すると、対称性Fd−3mのスピネル型の結晶構造に同定される回折パターンを示す。2θ=36℃付近のミラー指数(311)に帰属されるピークの半価幅からScherrerの式で算出される結晶子径の大きさは5000Å以下、1000Å以上であることが好ましい。5000Å以上の場合、結晶のサイズが大きいため、充放電の際の結晶格子の伸び縮みで生じるストレスで粒子に割れが生じて、電池反応中におけるサイクル安定性が低くなる場合がある。また結晶子径が1000Å以下の場合には粒子の結晶構造が十分に発達していないため、Mn溶出が多くなりサイクル特性が低くなる場合がある。 When the spinel type lithium manganese nickel composite oxide of the present invention is measured by XRD, it shows a diffraction pattern identified as a spinel type crystal structure of symmetry Fd-3m. The crystallite size calculated by the Scherrer equation from the half width of the peak attributed to the Miller index (311) near 2θ = 36 ° C. is preferably 5000 mm or less and 1000 mm or more. In the case of 5000 mm or more, since the size of the crystal is large, cracks may occur in the particles due to stress generated by the expansion and contraction of the crystal lattice during charge and discharge, and cycle stability during battery reaction may be lowered. Further, when the crystallite diameter is 1000 mm or less, the crystal structure of the particles is not sufficiently developed, so that Mn elution increases and the cycle characteristics may be lowered.
スピネル型リチウムマンガンニッケル複合酸化物をFT−IR測定すると、400〜700cm−1の範囲において、493〜513cm−1、549〜559cm−1、584〜594cm−1付近にピークを持つ赤外光の吸収のうち、いずれか一つ以上が検出されないことが好ましい。化学式1で示されるスピネル型リチウムマンガンニッケル化合物では上記3つの吸収ピークが検出される(図3、比較例1参照)。赤外光の吸収のうち、いずれか一つ以上が観察されないことが好ましい理由については不明であるが、例えば、これらのピークは結晶中のMnとNiの規則配列に起因すると考えられる。三つのピークが存在する場合はMnとNiが規則配列した結晶構造となっていると考えられ、構造の安定性が低くなるため、Mnの溶出が起こりやすいと思われる。なお、ピークの無いと判断する基準は以下の通りである。
1)493〜513cm−1間の吸光度の最大値を、480〜490cm−1間の吸光度の最小値で割った値が1.30以下
2)549〜559cm−1間の吸光度の最大値を、560〜570cm−1間の吸光度の最小値で割った値が1.30以下
3)584〜594cm−1間の吸光度の最大値を、606〜616cm−1間の吸光度の最小値で割った値が1.20以下
また窒素を用いたBET法による比表面積測定では0.050m2/g以上、2.0m2/g以下であることが好ましく、より好ましくは0.10m2/g以上、1.0m2/g以下である。サイクル特性の原因と考えられる電解液の分解、Mnの溶出はいずれも酸化物粒子−電解液界面で起こる反応である。比表面積が2.00m2/g以上の場合はこれらの副反応が起こりやすくなるため、サイクル特性に好ましくない。0.05m2/g以下の場合には目的である充放電反応も抑制されてしまい、電池としての容量が低下するため好ましくない。
When the spinel-type lithium-manganese-nickel composite oxide FT-IR measurements, in the range of 400~700cm -1, 493~513cm -1, 549~559cm -1 , infrared light having a peak near 584~594Cm -1 Preferably, any one or more of the absorptions are not detected. In the spinel type lithium manganese nickel compound represented by Chemical Formula 1, the above three absorption peaks are detected (see FIG. 3 and Comparative Example 1). The reason why it is preferable not to observe any one or more of the absorptions of infrared light is unclear, but for example, these peaks may be attributed to the ordered arrangement of Mn and Ni in the crystal. When three peaks are present, it is considered that the crystal structure is an ordered arrangement of Mn and Ni, and the stability of the structure is lowered, so that Mn is likely to be eluted. The criteria for judging that there is no peak are as follows.
Absorbance maxima between 1) 493~513cm -1, the absorbance maximum between 480~490cm divided by the minimum value of absorbance between -1 1.30 2) 549~559cm -1, 560~570cm absorbance maxima between absorbance minimum divided by 1.30 or less in value 3) 584~594Cm -1 between -1, divided by the minimum value of absorbance between 606~616Cm -1 values Is 1.20 or less
The nitrogen 0.050 M 2 / g or more in specific surface area measured by the BET method using, is preferably 2.0 m 2 / g or less, more preferably 0.10 m 2 / g or more, 1.0 m 2 / g It is as follows. Both the decomposition of the electrolyte solution and the elution of Mn, which are considered to be the cause of the cycle characteristics, are reactions that occur at the oxide particle-electrolyte interface. When the specific surface area is 2.00 m 2 / g or more, these side reactions tend to occur, which is not preferable for cycle characteristics. In the case of 0.05 m 2 / g or less, the target charge / discharge reaction is also suppressed, and the battery capacity is reduced, which is not preferable.
二クロム酸カリウム滴定法による遷移金属の酸化数分析ではMnの酸化数分析で3.95以上、4.00以下、より好ましくは3.97以上、4.00以下である。3.93以下の場合、T元素、A元素の添加に関わらず、酸素欠陥が生まれサイクル特性が低下する。四価以上のMnが通常の酸化条件では生成しにくいため、4.00以上には原理上なりにくい。
(2)スピネル型リチウムマンガンニッケル複合酸化物の製造方法
次に、このような組成を持つ化合物の製造方法の一例を以下に示す。製造方法は次に挙げる製法に制限されない。
[第一工程]
水溶液中でマンガンとニッケルの原子比が実質的に組成式1の組成比となるようにマンガン塩とニッケル塩とM元素の塩、A元素の塩の混合水溶液を調製する。このとき特定の元素だけ混合溶液とせずに、目的の組成比となるように濃度と量を調整した第三水溶液として用意しても良い。
In the transition metal oxidation number analysis by the potassium dichromate titration method, the Mn oxidation number analysis is 3.95 or more and 4.00 or less, more preferably 3.97 or more and 4.00 or less. In the case of 3.93 or less, oxygen defects are generated and cycle characteristics are deteriorated regardless of the addition of T element and A element. Since tetravalent or higher Mn is unlikely to be generated under normal oxidation conditions, it is difficult in principle to be 4.00 or higher.
(2) Method for Producing Spinel Type Lithium Manganese Nickel Composite Oxide Next, an example of a method for producing a compound having such a composition is shown below. The production method is not limited to the following production methods.
[First step]
A mixed aqueous solution of a manganese salt, a nickel salt, a salt of M element, and a salt of A element is prepared so that the atomic ratio of manganese and nickel in the aqueous solution is substantially the composition ratio of Composition Formula 1. At this time, it may be prepared as a third aqueous solution in which the concentration and amount are adjusted so as to achieve the target composition ratio without using only a specific element as a mixed solution.
該混合水溶液とアルカリ水溶液、あるならば第三水溶液を同時に、かつ、連続的に反応槽に投入し、反応槽内の混合液の温度を30〜80℃の範囲に保持し、pH=10.5〜12.5の範囲となるようにしつつ、共沈殿させる。
沈殿物が槽底に溜まらないように、かつ、沈殿物の粒子が安定して成長するように、撹拌機の撹拌羽根で撹拌する。
The mixed aqueous solution and the alkaline aqueous solution, if any, the third aqueous solution are simultaneously and continuously charged into the reaction vessel, and the temperature of the mixed solution in the reaction vessel is maintained in the range of 30 to 80 ° C., pH = 10. The coprecipitation is carried out while maintaining the range of 5 to 12.5.
Stirring is performed with a stirring blade of a stirrer so that the precipitate does not collect at the bottom of the tank and the particles of the precipitate grow stably.
反応槽内に投入される混合液量と沈殿物の生成量と一定となり、反応槽からのオーバーフローとして排出される沈殿物の採取量が一定となり、結果として、反応槽内のスラリー濃度が一定となる定常状態となり、採取された沈殿物を、ろ過、水洗し球状か、ほぼ球状のマンガンニッケル複合水酸化物粒子を得る。このときマンガン塩、ニッケル塩の混合水溶液とアルカリ水溶液と共に錯化材としてアンモニア水を加えても良く、反応槽内の雰囲気を制御するために空気、窒素ガスなどを反応槽内に流通させても良い。 The amount of the mixed liquid charged into the reaction tank and the amount of precipitate generated are constant, and the amount of collected sediment discharged as an overflow from the reaction tank is constant. As a result, the slurry concentration in the reaction tank is constant. The collected precipitate is filtered and washed with water to obtain spherical or nearly spherical manganese nickel composite hydroxide particles. At this time, ammonia water may be added as a complexing agent together with a mixed aqueous solution of manganese salt and nickel salt and an alkaline aqueous solution, or air, nitrogen gas, etc. may be circulated in the reaction vessel to control the atmosphere in the reaction vessel. good.
ここで、使用可能なマンガン塩は、正極活物質として使用する際に混入が問題となる不純物を含まず、水溶性のものであれば、特に制限はなく、具体的には硫酸マンガン、塩化マンガン等が挙げられる。同様に、使用可能なニッケル塩も、具体的には硫酸ニッケル、塩化ニッケル等が挙げられる。 Here, the usable manganese salt is not particularly limited as long as it does not contain impurities that cause contamination when used as a positive electrode active material and is water-soluble. Specifically, manganese sulfate, manganese chloride Etc. Similarly, examples of usable nickel salts include nickel sulfate and nickel chloride.
TやAの置換元素についても同様である。例えばFeであれば硫酸鉄、塩化鉄、Coであれば、硫酸コバルト、塩化コバルト、Mgであれば硫酸マグネシウム、塩化マグネシウムなどである。 The same applies to the substitution elements of T and A. For example, Fe is iron sulfate, iron chloride, Co is cobalt sulfate and cobalt chloride, and Mg is magnesium sulfate and magnesium chloride.
さらにはAl、Siなどでは水溶性の原料として、アルミン酸ナトリウム、ケイ酸ナトリウムなどを使うことができる。ただしこれらの原料はアルカリ性を示すため、他の酸性を呈する原料水溶液とは混合せずに、他の第三水溶液として調製し、目的組成となるように流量を調製しながら、反応槽に滴下する。 Furthermore, in Al, Si, etc., sodium aluminate, sodium silicate, etc. can be used as a water-soluble raw material. However, since these raw materials show alkalinity, they are not mixed with other aqueous raw materials exhibiting acidity, but are prepared as other third aqueous solutions, and dropped into the reaction tank while adjusting the flow rate so as to be the target composition. .
アルカリ水溶液も正極活物質として使用する際に混入が問題となる不純物を含まなければ、特に制限はなく水酸化ナトリウム水溶液、水酸化カリウム水溶液などが使用できる。 The alkaline aqueous solution is not particularly limited as long as it does not contain impurities that may be mixed when used as the positive electrode active material, and an aqueous sodium hydroxide solution, an aqueous potassium hydroxide solution, or the like can be used.
pHは10.5未満ではマンガン、ニッケルなどの溶解度が十分に下がらず、溶液中に溶出し、得られるマンガンニッケル複合水酸化物の組成が目標からずれる可能性がある。pHが12.5を超える場合は過剰にアルカリ水溶液を用いることになり、反応槽の体積が余分に必要になるため工業上好ましくない。 If the pH is less than 10.5, the solubility of manganese, nickel and the like is not sufficiently lowered, and the composition is eluted in the solution, and the composition of the resulting manganese nickel composite hydroxide may deviate from the target. When the pH exceeds 12.5, an alkaline aqueous solution is excessively used, and an extra volume of the reaction tank is required, which is not industrially preferable.
反応温度が30℃未満ではマンガン、ニッケルの溶解度が十分に上がらず、溶液中に溶出し、得られるマンガンニッケル複合水酸化物の組成が目標からずれる可能性がある。80℃を超える場合は過剰に保温にエネルギーが必要になるため工業上好ましくない。
[第二工程]
第一工程で得られたマンガン、ニッケル等の金属の複合水酸化物粒子とリチウム化合物を組成式1の組成となるようにシェーカーミキサー、撹拌混合機、ロッキングミキサー等を用いて、混合粉体を酸素雰囲気、あるいは大気雰囲気中で800℃〜1000℃の温度範囲で10〜20時間焼成する。
When the reaction temperature is less than 30 ° C., the solubility of manganese and nickel does not increase sufficiently, and the composition of the resulting manganese-nickel composite hydroxide may be deviated from the target. When it exceeds 80 ° C., energy is excessively required for heat retention, which is not industrially preferable.
[Second step]
Using a shaker mixer, a stirring mixer, a rocking mixer, etc. so that the composite hydroxide particles of metal such as manganese and nickel obtained in the first step and the lithium compound have the composition of composition formula 1, Firing is performed in an oxygen atmosphere or an air atmosphere at a temperature range of 800 ° C. to 1000 ° C. for 10 to 20 hours.
ここで、使用可能なリチウム化合物は、正極活物質として使用する際に混入が問題となる不純物を含まなければ、特に制限はなく、具体的には炭酸リチウム、水酸化リチウム、酢酸リチウム等が挙げられる。 Here, the usable lithium compound is not particularly limited as long as it does not contain impurities that may be mixed when used as the positive electrode active material, and specifically includes lithium carbonate, lithium hydroxide, lithium acetate, and the like. It is done.
焼成温度が800℃以下では焼成温度が低すぎ、マンガン、ニッケル、リチウムといった金属元素が十分に拡散せず、部分的な化学組成が不均一になり、また比表面積が大きな粒子となって、後述の電池評価におけるマンガン溶出量、大きくなり、サイクル特性が低下するため好ましくない。1000℃を超える温度の焼成は、それに耐え得る焼成炉の設備投資費が高くなり、また大きなエネルギーを消費するため工業上好ましくない。 When the firing temperature is 800 ° C. or less, the firing temperature is too low, metal elements such as manganese, nickel, and lithium are not sufficiently diffused, the partial chemical composition is uneven, and the particles have a large specific surface area, which will be described later. The amount of manganese elution in the battery evaluation is increased, and the cycle characteristics are deteriorated. Firing at a temperature exceeding 1000 ° C. is not industrially preferable because it increases the capital investment cost of the firing furnace that can withstand it and consumes a large amount of energy.
焼成時間が10時間未満では、マンガン、ニッケル、リチウムといった金属元素が十分に拡散せず、部分的な化学組成が不均一になるため好ましくない。20時間を超える焼成は生産効率が下がるため好ましくない。 A firing time of less than 10 hours is not preferable because metal elements such as manganese, nickel, and lithium do not sufficiently diffuse and the partial chemical composition becomes nonuniform. Firing for more than 20 hours is not preferable because production efficiency decreases.
焼成後の粒子を再び前記工程の焼成温度よりも低い600〜800℃で焼成する。これは前記工程の高温焼成で生成する酸素欠陥を回復するためである。600℃未満の焼成温度では酸素欠陥は回復せず、800℃を超える焼成では再び酸素脱離が進行する。
(3)非水系電解質二次電池
本発明の非水系電解質二次電池は、正極、負極および非水系電解液などからなり、一般の非水系電解質二次電池と同様の構成要素により構成される。なお、以下で説明する実施形態は例示に過ぎず、本発明の非水系電解質二次電池は、本明細書に記載されている実施形態を基に、当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した形態で実施することができる。また、本発明の非水系電解質二次電池は、その用途を特に限定するものではない。
(a)正極
先に述べた非水系電解質二次電池用正極活物質を用いて、例えば、以下のようにして、非水系電解質二次電池の正極を作製する。
まず、粉末状の正極活物質、導電材、結着剤を混合し、さらに必要に応じて活性炭、粘度調整等の目的の溶剤を添加し、これを混練して正極合材ペーストを作製する。
その正極合材ペースト中のそれぞれの混合比も、非水系電解質二次電池の性能を決定する重要な要素となる。溶剤を除いた正極合材の固形分の全質量を100質量部とした場合、一般の非水系電解質二次電池の正極と同様、正極活物質の含有量を60〜95質量部とし、導電材の含有量を1〜20質量部とし、結着剤の含有量を1〜20質量部とすることが望ましい。
The fired particles are fired again at 600 to 800 ° C., which is lower than the firing temperature in the above step. This is to recover oxygen defects generated by the high-temperature firing in the above process. Oxygen defects are not recovered at a baking temperature of less than 600 ° C., and oxygen desorption proceeds again at a baking temperature of over 800 ° C.
(3) Non-aqueous electrolyte secondary battery The non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention includes a positive electrode, a negative electrode, a non-aqueous electrolyte solution, and the like, and includes the same components as those of a general non-aqueous electrolyte secondary battery. The embodiment described below is merely an example, and the nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention can be variously modified based on the knowledge of those skilled in the art based on the embodiment described in the present specification. It can be implemented in an improved form. Moreover, the use of the nonaqueous electrolyte secondary battery of the present invention is not particularly limited.
(A) Positive electrode Using the positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery described above, for example, a positive electrode of a non-aqueous electrolyte secondary battery is produced as follows.
First, a powdered positive electrode active material, a conductive material, and a binder are mixed, and, if necessary, a target solvent such as activated carbon and viscosity adjustment is added and kneaded to prepare a positive electrode mixture paste.
Each mixing ratio in the positive electrode mixture paste is also an important factor for determining the performance of the non-aqueous electrolyte secondary battery. When the total mass of the solid content of the positive electrode mixture excluding the solvent is 100 parts by mass, the content of the positive electrode active material is 60 to 95 parts by mass in the same manner as the positive electrode of a general non-aqueous electrolyte secondary battery, and the conductive material It is desirable to set the content of 1 to 20 parts by mass and the content of the binder to 1 to 20 parts by mass.
得られた正極合材ペーストを、例えば、アルミニウム箔製の集電体の表面に塗布し、乾燥して、溶剤を飛散させる。必要に応じ、電極密度を高めるべく、ロールプレス等により加圧することもある。このようにして、シート状の正極を作製することができる。シート状の正極は、目的とする電池に応じて適当な大きさに裁断等をして、電池の作製に供することができる。ただし、正極の作製方法は、例示のものに限られることなく、他の方法によってもよい。 The obtained positive electrode mixture paste is applied to the surface of a current collector made of, for example, an aluminum foil and dried to disperse the solvent. If necessary, pressurization may be performed by a roll press or the like to increase the electrode density. In this way, a sheet-like positive electrode can be produced. The sheet-like positive electrode can be cut into an appropriate size or the like according to the target battery and used for battery production. However, the method for manufacturing the positive electrode is not limited to the illustrated one, and other methods may be used.
正極の作製にあたって、導電剤としては、例えば、黒鉛(天然黒鉛、人造黒鉛、膨張黒鉛など)や、アセチレンブラック、ケッチェンブラックなどのカーボンブラック系材料などを用いることができる。 In producing the positive electrode, as the conductive agent, for example, graphite (natural graphite, artificial graphite, expanded graphite, etc.), carbon black materials such as acetylene black, ketjen black, and the like can be used.
結着剤は、活物質粒子をつなぎ止める役割を果たすもので、例えば、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)、フッ素ゴム、エチレンプロピレンジエンゴム、スチレンブタジエン、セルロース系樹脂、ポリアクリル酸などを用いることができる。 The binder plays a role of anchoring the active material particles. For example, polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroethylene (PTFE), fluorine rubber, ethylene propylene diene rubber, styrene butadiene, cellulosic resin, polyacrylic. An acid or the like can be used.
なお、必要に応じ、正極活物質、導電材、活性炭を分散させ、結着剤を溶解する溶剤を正極合材に添加する。溶剤としては、具体的には、N−メチル−2−ピロリドン等の有機溶剤を用いることができる。また、正極合材には、電気二重層容量を増加させるために、活性炭を添加することができる。
(b)負極
負極には、金属リチウムやリチウム合金等、あるいは、リチウムイオンを吸蔵および脱離できる負極活物質に、結着剤を混合し、適当な溶剤を加えてペースト状にした負極合材を、銅等の金属箔集電体の表面に塗布し、乾燥し、必要に応じて電極密度を高めるべく圧縮して形成したものを使用する。
If necessary, a positive electrode active material, a conductive material, and activated carbon are dispersed, and a solvent that dissolves the binder is added to the positive electrode mixture. Specifically, an organic solvent such as N-methyl-2-pyrrolidone can be used as the solvent. Activated carbon can be added to the positive electrode mixture in order to increase the electric double layer capacity.
(B) Negative electrode A negative electrode mixture in which a negative electrode active material capable of occluding and desorbing lithium ions is mixed with a binder and an appropriate solvent is added to the negative electrode. Is applied to the surface of a metal foil current collector such as copper, dried, and compressed to increase the electrode density as necessary.
負極活物質としては、例えば、天然黒鉛、人造黒鉛、フェノール樹脂等の有機化合物焼成体、コークス等の炭素物質の粉状体を用いることができる。この場合、負極結着剤としては、正極同様、PVDF等の含フッ素樹脂等を用いることができ、これらの活物質および結着剤を分散させる溶剤としては、N−メチル−2−ピロリドン等の有機溶剤を用いることができる。
(c)セパレータ
正極と負極との間には、セパレータを挟み込んで配置する。セパレータは、正極と負極とを分離し、電解質を保持するものであり、ポリエチレン、ポリプロピレン等の薄い膜で、微少な孔を多数有する膜を用いることができる。
(d)非水系電解液
非水系電解液は、支持塩としてのリチウム塩を有機溶媒に溶解したものである。
有機溶媒としては、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、トリフルオロプロピレンカーボネート等の環状カーボネート、また、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジプロピルカーボネート等の鎖状カーボネート、さらに、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、ジメトキシエタン等のエーテル化合物、エチルメチルスルホン、ブタンスルトン等の硫黄化合物、リン酸トリエチル、リン酸トリオクチル等のリン化合物等から選ばれる1種を単独で、あるいは2種以上を混合して用いることができる。
As the negative electrode active material, for example, natural graphite, artificial graphite, a fired organic compound such as phenol resin, or a powdery carbon material such as coke can be used. In this case, as the negative electrode binder, a fluorine-containing resin such as PVDF can be used as in the case of the positive electrode, and as a solvent for dispersing these active materials and the binder, N-methyl-2-pyrrolidone or the like can be used. Organic solvents can be used.
(C) Separator A separator is interposed between the positive electrode and the negative electrode. The separator separates the positive electrode and the negative electrode and retains the electrolyte, and a thin film such as polyethylene or polypropylene and a film having many minute holes can be used.
(D) Non-aqueous electrolyte The non-aqueous electrolyte is obtained by dissolving a lithium salt as a supporting salt in an organic solvent.
Examples of the organic solvent include cyclic carbonates such as ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, and trifluoropropylene carbonate; chain carbonates such as diethyl carbonate, dimethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, and dipropyl carbonate; and tetrahydrofuran, 2- One kind selected from ether compounds such as methyltetrahydrofuran and dimethoxyethane, sulfur compounds such as ethylmethylsulfone and butanesultone, phosphorus compounds such as triethyl phosphate and trioctyl phosphate, etc. are used alone or in admixture of two or more. be able to.
支持塩としては、LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiAsF6、LiN(CF3SO2)2等、およびそれらの複合塩を用いることができる。 As the supporting salt, LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , LiAsF 6 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , or a composite salt thereof can be used.
さらに、非水系電解液は、ラジカル捕捉剤、界面活性剤および難燃剤等を含んでいてもよい。
(e)電池の形状、構成
以上のように説明してきた正極、負極、セパレータおよび非水系電解液で構成される本発明の非水系電解質二次電池の形状は、円筒型、積層型等、種々のものとすることができる。
Furthermore, the non-aqueous electrolyte solution may contain a radical scavenger, a surfactant, a flame retardant, and the like.
(E) Battery shape and configuration The shape of the non-aqueous electrolyte secondary battery of the present invention composed of the positive electrode, negative electrode, separator and non-aqueous electrolyte described above can be various, such as a cylindrical type and a laminated type. Can be.
いずれの形状を採る場合であっても、正極および負極を、セパレータを介して積層させて電極体とし、得られた電極体に、非水系電解液を含浸させ、正極集電体と外部に通ずる正極端子との間、および、負極集電体と外部に通ずる負極端子との間を、集電用リード等を用いて接続し、電池ケースに密閉して、非水系電解質二次電池を完成させる。
(f)特性
本発明の正極活物質を用いた非水系電解質二次電池は、高温化、カーボン負極を用いた場合でも高容量で高サイクル特性となる。
特により好ましい形態で得られた本発明による正極活物質を用いた非水系電解質二次電池は、例えば、2032型コイン電池の正極に用いた場合、高容量で高サイクル特性の二次電池が得られる。
In any case, the positive electrode and the negative electrode are laminated via a separator to form an electrode body, and the obtained electrode body is impregnated with a non-aqueous electrolyte and communicated with the positive electrode current collector and the outside. The positive electrode terminal and the negative electrode current collector and the negative electrode terminal communicating with the outside are connected using a current collecting lead or the like and sealed in a battery case to complete a non-aqueous electrolyte secondary battery. .
(F) Characteristics The nonaqueous electrolyte secondary battery using the positive electrode active material of the present invention has high capacity and high cycle characteristics even when the temperature is increased and the carbon negative electrode is used.
In particular, the non-aqueous electrolyte secondary battery using the positive electrode active material according to the present invention obtained in a more preferable form is a secondary battery having a high capacity and a high cycle characteristic when used for the positive electrode of a 2032 type coin battery, for example. It is done.
本発明により得られた正極活物質を用いた正極を有する二次電池について、その製造方法および性能(初期放電容量、サイクル特性)の評価方法について説明する。
(電池の製造および評価)
正極活物質の評価には、図1に示す2032型コイン電池1(以下、コイン型電池と称す)を使用した。
The secondary battery having a positive electrode using the positive electrode active material obtained according to the present invention will be described with respect to its production method and performance (initial discharge capacity, cycle characteristics) evaluation method.
(Battery manufacture and evaluation)
For the evaluation of the positive electrode active material, a 2032 type coin battery 1 (hereinafter referred to as a coin type battery) shown in FIG. 1 was used.
コイン型電池1は、ケース2と、このケース2内に収容された電極3とから構成されている。 The coin-type battery 1 includes a case 2 and an electrode 3 accommodated in the case 2.
ケース2は、中空かつ一端が開口された正極缶2aと、この正極缶2aの開口部に配置される負極缶2bとを有しており、負極缶2bを正極缶2aの開口部に配置すると、負極缶2bと正極缶2aとの間に電極3を収容する空間が形成されるように構成されている。
電極3は、正極3a、セパレータ3cおよび負極3bとからなり、この順で並ぶように積層されており、正極3aが正極缶2aの内面に接触し、負極3bが負極缶2bの内面に接触するようにケース2に収容されている。
The case 2 has a positive electrode can 2a that is hollow and open at one end, and a negative electrode can 2b that is disposed in the opening of the positive electrode can 2a. When the negative electrode can 2b is disposed in the opening of the positive electrode can 2a, A space for accommodating the electrode 3 is formed between the negative electrode can 2b and the positive electrode can 2a.
The electrode 3 includes a positive electrode 3a, a separator 3c, and a negative electrode 3b, which are stacked in this order. The positive electrode 3a contacts the inner surface of the positive electrode can 2a, and the negative electrode 3b contacts the inner surface of the negative electrode can 2b. As shown in FIG.
なお、ケース2はガスケット2cを備えており、このガスケット2cによって、正極缶2aと負極缶2bとの間が非接触の状態を維持するように相対的な移動が固定されている。また、ガスケット2cは、正極缶2aと負極缶2bとの隙間を密封してケース2内と外部との間を気密液密に遮断する機能も有している。 The case 2 includes a gasket 2c, and relative movement is fixed by the gasket 2c so as to maintain a non-contact state between the positive electrode can 2a and the negative electrode can 2b. Further, the gasket 2c also has a function of sealing a gap between the positive electrode can 2a and the negative electrode can 2b to block the inside and outside of the case 2 in an airtight and liquid tight manner.
上記のコイン型電池1は、以下のようにして製作した。 The coin-type battery 1 was manufactured as follows.
まず、非水系電解質二次電池用正極活物質52.5mg、アセチレンブラック15mg、およびポリテトラフッ化エチレン樹脂(PTFE)7.5mgを混合し、直径10mmで10mg程度の重量になるまで薄膜化して、正極3aを作製した。作製した正極3aを真空乾燥機中120℃で12時間乾燥した。 First, 52.5 mg of a positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery, 15 mg of acetylene black, and 7.5 mg of polytetrafluoroethylene resin (PTFE) are mixed and thinned to a weight of about 10 mg with a diameter of 10 mm. 3a was produced. The produced positive electrode 3a was dried at 120 ° C. for 12 hours in a vacuum dryer.
この正極3aと、負極3b、セパレータ3cおよび電解液とを用いて、上述したコイン型電池1を、露点が−80℃に管理されたAr雰囲気のグローブボックス内で作製した。
なお、負極3bには、初期容量の評価のためにはリチウム金属箔を用い、高温サイクル特性評価のためには直径14mmの円盤状に打ち抜かれた平均粒径20μm程度の黒鉛粉末とポリフッ化ビニリデンが銅箔に塗布された負極シートを用いた。
Using the positive electrode 3a, the negative electrode 3b, the separator 3c, and the electrolytic solution, the coin-type battery 1 described above was produced in a glove box in an Ar atmosphere in which the dew point was controlled at −80 ° C.
For the negative electrode 3b, a lithium metal foil was used for initial capacity evaluation, and graphite powder with an average particle diameter of about 20 μm punched into a disk shape having a diameter of 14 mm and polyvinylidene fluoride were used for high temperature cycle characteristics evaluation. A negative electrode sheet coated with copper foil was used.
セパレータ3cには膜厚25μmのポリエチレン多孔膜を用いた。電解液には、1MのLiPF6を支持電解質とするエチレンカーボネート(EC)とジエチルカーボネート(DEC)の3:7混合液(富山薬品工業株式会社製)を用いた。
製造したコイン型電池1の性能を示す初期放電容量、正極抵抗は、以下のように評価した。
As the separator 3c, a polyethylene porous film having a film thickness of 25 μm was used. As the electrolytic solution, a 3: 7 mixed solution (manufactured by Toyama Pharmaceutical Co., Ltd.) of ethylene carbonate (EC) and diethyl carbonate (DEC) using 1M LiPF6 as a supporting electrolyte was used.
The initial discharge capacity and positive electrode resistance showing the performance of the manufactured coin battery 1 were evaluated as follows.
初期放電容量は、コイン型電池1を製作してから24時間程度放置し、開回路電圧OCV(Open Circuit Voltage)が安定した後、正極に対する電流密度を0.1mA/cm2としてカットオフ電圧5.0Vまで充電し、1時間の休止後、カットオフ電圧3.5Vまで放電したときの容量を初期放電容量とした。 The initial discharge capacity is left for about 24 hours after the coin-type battery 1 is manufactured, and after the open circuit voltage OCV (Open Circuit Voltage) is stabilized, the current density with respect to the positive electrode is set to 0.1 mA / cm 2 and the cutoff voltage is 5. The capacity when the battery was charged to 0 V and discharged to a cutoff voltage of 3.5 V after a pause of 1 hour was defined as the initial discharge capacity.
サイクル特性は60℃で0.6mA/cm2としてカットオフ電圧4.9Vまで充電し、1時間の休止後、カットオフ電圧3.5Vまで放電を200回繰り返し2回目の放電容量に対する、200回目の放電容量の比を容量維持率として評価した。 The cycle characteristic is 0.6 mA / cm 2 at 60 ° C., the battery is charged to a cut-off voltage of 4.9 V, and after a pause of 1 hour, the discharge is repeated 200 times to a cut-off voltage of 3.5 V, with respect to the second discharge capacity. The ratio of discharge capacity was evaluated as the capacity maintenance rate.
初期放電容量は120mAh/g以上、容量維持率は70%以上あることが実用的な電池材料として用いる際、好ましい。 When used as a practical battery material, it is preferable that the initial discharge capacity is 120 mAh / g or more and the capacity maintenance rate is 70% or more.
以下、実施例を参照しながら本発明をより具体的に説明する。但し、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
[実施例1]
予め40℃に加温した純水の入った反応槽に硫酸ニッケルと硫酸マンガンと硫酸コバルトと硫酸マグネシウムの水和物の結晶を純水に溶解した混合原液(金属元素モル比でMn:Ni:Co:Mg=1.495:0.400:0.100:0.005)、アンモニア水を規定の流量で滴下しつつpHを11.5に維持するよう水酸化ナトリウム水溶液を滴下することで反応晶析によって、まず前駆体であるニッケルマンガンコバルト複合水酸化物スラリーを得る。次に得られた複合水酸化物をろ過、乾燥し粉末を得る。この粉末化した複合水酸化物中のニッケル、マンガン、コバルトの原子数の総量に対して50原子%の量を計算し秤量した水酸化リチウム一水和物をターブラーシェイカーミキサー(ダルトン製、T2F)で混合する。
Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples. However, the present invention is not limited to the following examples.
[Example 1]
A mixed stock solution in which crystals of hydrates of nickel sulfate, manganese sulfate, cobalt sulfate, and magnesium sulfate are dissolved in pure water in a reaction vessel containing pure water preheated to 40 ° C. (Mn: Ni: in terms of metal element molar ratio) Co: Mg = 1.495: 0.400: 0.100: 0.005), reaction by dropping aqueous sodium hydroxide solution so as to maintain the pH at 11.5 while dropping ammonia water at a prescribed flow rate. First, a nickel manganese cobalt composite hydroxide slurry as a precursor is obtained by crystallization. Next, the obtained composite hydroxide is filtered and dried to obtain a powder. Lithium hydroxide monohydrate was calculated and weighed in an amount of 50 atomic% with respect to the total number of nickel, manganese and cobalt atoms in the powdered composite hydroxide, and a tumbler shaker mixer (D2 made by T2F). ).
次に雰囲気を大気とし、1000℃で12時間保持して 雰囲気焼成炉(広築製、型番 HAF−2020S)により焼成を行い、冷却後さらに700℃で36時間保持して雰囲気焼成炉(広築製、型番 HAF−2020S)により再焼成を行い、リチウムマンガンニッケルコバルト複合酸化物を得た。 Next, the atmosphere is set to the atmosphere, held at 1000 ° C. for 12 hours, and fired in an atmosphere firing furnace (manufactured by Hiroki, model number HAF-2020S). Re-firing was performed using a model number HAF-2020S) to obtain a lithium manganese nickel cobalt composite oxide.
リチウムマンガンニッケルコバルト複合酸化物の各成分の組成比はICP(VARIAN社、725ES)により化学分析した。化学分析結果より算出される試料の組成式を表1に示す。 The composition ratio of each component of the lithium manganese nickel cobalt composite oxide was chemically analyzed by ICP (Varian, 725ES). Table 1 shows the composition formula of the sample calculated from the chemical analysis results.
リチウムマンガンニッケル複合酸化物をXRD(PANALYTICAL社製、X‘Pert PROMRD)で測定すると、空間群Fd−3mのスピネル型の結晶構造を持ったLiMn2O4のピークが検出された。(311)面に帰属されるピークの半価幅より測定した結晶子径は2297Åであった。 When the lithium manganese nickel composite oxide was measured by XRD (manufactured by PANALYTICAL, X'Pert PROMRD), a peak of LiMn2O4 having a spinel crystal structure of the space group Fd-3m was detected. The crystallite diameter measured from the half width of the peak attributed to the (311) plane was 2297 mm.
リチウムマンガンニッケル複合酸化物とKBrの混合物をペレット化し、ペレットをFT−IRで測定し、図2に示すようなFT−IRスペクトルを得た。FT−IRスペクトルより、493〜513cm−1、549〜559cm−1、584〜594cm−1付近にピークは見られなかった。 A mixture of lithium manganese nickel composite oxide and KBr was pelletized, and the pellet was measured by FT-IR to obtain an FT-IR spectrum as shown in FIG. From the FT-IR spectrum, 493~513cm -1, 549~559cm -1, peak in the vicinity of 584~594cm -1 was observed.
リチウムマンガンニッケルコバルト複合酸化物のBET比表面積(株式会社マウンテック製、マックソーブ)を測定したところ、BET値は0.55m2/gであった。
二クロム酸カリウム滴定法を用いて、Mnの酸化数分析を行った。0.1gの試料を0.025mol/LのFeCl2水溶液に溶かし、2倍希釈したりん酸5.0ml硫酸、2倍希釈した硫酸10mlを滴下して、液量を調整した後、攪拌しながら、0.017mol/Lの二クロム酸カリウム溶液で滴定した。同様の試験を試料未溶解の水溶液にも行い、両者の差を酸化還元反応により生成したFe3+に起因すると考え、前期の組成分析の結果と、Niは全て二価、Coは全て三価で存在するという仮定の元、Mnの平均価数を算出した。Mnの酸化数は3.98であった。
When the BET specific surface area of the lithium manganese nickel cobalt composite oxide (manufactured by Mountech Co., Ltd., Macsorb) was measured, the BET value was 0.55 m 2 / g.
The oxidation number analysis of Mn was performed using the potassium dichromate titration method. A 0.1 g sample was dissolved in a 0.025 mol / L FeCl 2 aqueous solution, and 2 times diluted phosphoric acid 5.0 ml sulfuric acid and 2 times diluted sulfuric acid 10 ml were added dropwise. And titration with 0.017 mol / L potassium dichromate solution. The same test was performed on an undissolved aqueous solution of the sample, and the difference between the two was considered to be caused by Fe 3+ produced by the oxidation-reduction reaction. Under the assumption that it exists, the average valence of Mn was calculated. The oxidation number of Mn was 3.98.
また、電池評価測定を行ったところ、表2に示すように初期充電容量は128mAh/g初期放電容量は125mAh/g、炭素負極を用いたサイクル評価による200サイクル後の容量維持率は79%であった。
〔実施例2〕
硫酸ニッケルと硫酸マンガンと硫酸コバルトと硫酸マグネシウムの水和物の結晶を純水に溶解した混合原液を金属元素モル比でMn:Ni:Co:Mg=1.495:0.450:0.050:0.005として調製した以外には実施例1と同様の方法で試料を合成した。
Further, when the battery evaluation measurement was performed, as shown in Table 2, the initial charge capacity was 128 mAh / g, the initial discharge capacity was 125 mAh / g, and the capacity maintenance rate after 200 cycles by the cycle evaluation using the carbon negative electrode was 79%. there were.
[Example 2]
A mixed stock solution in which crystals of hydrates of nickel sulfate, manganese sulfate, cobalt sulfate, and magnesium sulfate are dissolved in pure water in terms of metal element molar ratio Mn: Ni: Co: Mg = 1.495: 0.450: 0.050 : A sample was synthesized in the same manner as in Example 1 except that it was prepared as 0.005.
表1に測定した試料の組成、XRD、FT−IR、BET比表面積、Mn酸化数をまとめた。電池評価結果を表2にまとめた。
〔実施例3〕
硫酸ニッケルと硫酸マンガンと硫酸コバルトと硫酸マグネシウムの水和物の結晶を純水に溶解した混合原液を金属元素モル比でMn:Ni:Co:Mg=1.495:0.470:0.030:0.005として調製した以外には実施例1と同様の方法で試料を合成した。
Table 1 summarizes the composition, XRD, FT-IR, BET specific surface area, and Mn oxidation number of the sample measured. The battery evaluation results are summarized in Table 2.
Example 3
A mixed stock solution in which crystals of hydrates of nickel sulfate, manganese sulfate, cobalt sulfate, and magnesium sulfate are dissolved in pure water is expressed in terms of metal element molar ratio: Mn: Ni: Co: Mg = 1.495: 0.470: 0.030 : A sample was synthesized in the same manner as in Example 1 except that it was prepared as 0.005.
表1に測定した試料の組成、XRD、FT−IR、BET比表面積、Mn酸化数をまとめた。電池評価結果を表2にまとめた。
〔実施例4〕
硫酸コバルトを硫酸鉄(II)に変えた以外は実施例2と同様の方法で試料を合成した。
Table 1 summarizes the composition, XRD, FT-IR, BET specific surface area, and Mn oxidation number of the sample measured. The battery evaluation results are summarized in Table 2.
Example 4
A sample was synthesized in the same manner as in Example 2 except that the cobalt sulfate was changed to iron (II) sulfate.
表1に測定した試料の組成、XRD、FT−IR、BET比表面積、Mn酸化数をまとめた。Mn酸化数の算出ではFeは全て三価で存在するという仮定のもと、計算を行った。電池評価結果を表2にまとめた。
〔実施例5〕
硫酸コバルトを塩化クロム(III)六水和物に変えた以外は実施例2と同様の方法で試料を合成した。
Table 1 summarizes the composition, XRD, FT-IR, BET specific surface area, and Mn oxidation number of the sample measured. In the calculation of the Mn oxidation number, the calculation was performed under the assumption that all Fe is trivalent. The battery evaluation results are summarized in Table 2.
Example 5
A sample was synthesized in the same manner as in Example 2 except that cobalt sulfate was changed to chromium (III) chloride hexahydrate.
表1に測定した試料の組成、XRD、FT−IR、BET比表面積、Mn酸化数をまとめた。Mn酸化数の算出ではCrは全て三価で存在するという仮定のもと、計算を行った。電池評価結果を表2にまとめた。
〔実施例6〕
硫酸コバルトを硫酸アルミニウムに変えた以外は実施例2と同様の方法で試料を合成した。
Table 1 summarizes the composition, XRD, FT-IR, BET specific surface area, and Mn oxidation number of the sample measured. In the calculation of the Mn oxidation number, the calculation was performed under the assumption that all of the Cr is trivalent. The battery evaluation results are summarized in Table 2.
Example 6
A sample was synthesized in the same manner as in Example 2 except that cobalt sulfate was changed to aluminum sulfate.
表1に測定した試料の組成、XRD、FT−IR、BET比表面積、Mn酸化数をまとめた。Mn酸化数の算出ではAlは全て三価で存在するという仮定のもと、計算を行った。電池評価結果を表2にまとめた。
〔実施例7〕
硫酸コバルトを硫酸チタン溶液に変えた以外は実施例2と同様の方法で試料を合成した。
Table 1 summarizes the composition, XRD, FT-IR, BET specific surface area, and Mn oxidation number of the sample measured. In the calculation of the Mn oxidation number, calculation was performed under the assumption that all Al is trivalent. The battery evaluation results are summarized in Table 2.
Example 7
A sample was synthesized in the same manner as in Example 2 except that the cobalt sulfate was changed to a titanium sulfate solution.
表1に測定した試料の組成、XRD、FT−IR、BET比表面積、Mn酸化数をまとめた。Mn酸化数の算出ではTiは全て四価で存在するという仮定のもと、計算を行った。電池評価結果を表2にまとめた。
〔実施例8〕
硫酸マグネシウムを硫酸亜鉛に変えた以外は実施例2と同様の方法で試料を合成した。
Table 1 summarizes the composition, XRD, FT-IR, BET specific surface area, and Mn oxidation number of the sample measured. In the calculation of the Mn oxidation number, the calculation was performed under the assumption that all Ti is tetravalent. The battery evaluation results are summarized in Table 2.
Example 8
A sample was synthesized in the same manner as in Example 2 except that magnesium sulfate was changed to zinc sulfate.
表1に測定した試料の組成、XRD、FT−IR、BET比表面積、Mn酸化数をまとめた。Mn酸化数の算出ではZnは全て四価で存在するという仮定のもと、計算を行った。電池評価結果を表2にまとめた。
〔実施例9〕
硫酸ニッケルと硫酸マンガンと硫酸コバルトと硫酸マグネシウムの水和物の結晶を純水に溶解した混合原液を金属元素モル比でMn:Ni:Co:Mg=1.497:0.450:0.050:0.003として調製した以外には実施例8と同様の方法で試料を合成した。
Table 1 summarizes the composition, XRD, FT-IR, BET specific surface area, and Mn oxidation number of the sample measured. In the calculation of the Mn oxidation number, the calculation was performed under the assumption that all Zn is tetravalent. The battery evaluation results are summarized in Table 2.
Example 9
A mixed stock solution in which crystals of hydrates of nickel sulfate, manganese sulfate, cobalt sulfate, and magnesium sulfate are dissolved in pure water in terms of metal element molar ratio Mn: Ni: Co: Mg = 1.497: 0.450: 0.050 : A sample was synthesized in the same manner as in Example 8 except that it was prepared as 0.003.
表1に測定した試料の組成、XRD、FT−IR、BET比表面積、Mn酸化数をまとめた。電池評価結果を表2にまとめた。
〔実施例10〕
硫酸ニッケルと硫酸マンガンと硫酸コバルトと硫酸マグネシウムの水和物の結晶を純水に溶解した混合原液を金属元素モル比でMn:Ni:Co:Mg=1.493:0.450:0.050:0.007として調製した以外には実施例8と同様の方法で試料を合成した。
Table 1 summarizes the composition, XRD, FT-IR, BET specific surface area, and Mn oxidation number of the sample measured. The battery evaluation results are summarized in Table 2.
Example 10
A mixed stock solution in which crystals of hydrates of nickel sulfate, manganese sulfate, cobalt sulfate, and magnesium sulfate are dissolved in pure water in terms of metal element molar ratio Mn: Ni: Co: Mg = 1.493: 0.450: 0.050 : A sample was synthesized in the same manner as in Example 8 except that it was adjusted to 0.007.
表1に測定した試料の組成、XRD、FT−IR、BET比表面積、Mn酸化数をまとめた。電池評価結果を表2にまとめた。
〔比較例1〕
硫酸ニッケルと硫酸マンガンの水和物の結晶を純水に溶解した混合原液を金属元素モル比でMn:Ni=1.500:0.500として調製した以外には実施例1と同様の方法で試料を合成した。
Table 1 summarizes the composition, XRD, FT-IR, BET specific surface area, and Mn oxidation number of the sample measured. The battery evaluation results are summarized in Table 2.
[Comparative Example 1]
A mixed stock solution in which crystals of hydrates of nickel sulfate and manganese sulfate were dissolved in pure water was prepared in the same manner as in Example 1 except that the molar ratio of metal elements was Mn: Ni = 1.500: 0.500. Samples were synthesized.
表1に測定した試料の組成、XRD、FT−IR、BET比表面積、Mn酸化数をまとめた。図3にFT-IRスペクトルを示す。500cm−1、556cm−1、588cm−1に赤外線吸収ピークが見られた。電池評価結果を表2にまとめた。
〔比較例2〕
硫酸ニッケルと硫酸マンガンと硫酸コバルトの水和物の結晶を純水に溶解した混合原液を金属元素モル比でMn:Ni:Co:Mg=1.500:0.450:0.050として調製した以外には実施例1と同様の方法で試料を合成した。
Table 1 summarizes the composition, XRD, FT-IR, BET specific surface area, and Mn oxidation number of the sample measured. FIG. 3 shows the FT-IR spectrum. 500cm -1, 556cm -1, the infrared absorption peak was observed at 588cm -1. The battery evaluation results are summarized in Table 2.
[Comparative Example 2]
A mixed stock solution in which crystals of nickel sulfate, manganese sulfate, and cobalt sulfate hydrates were dissolved in pure water was prepared at a metal element molar ratio of Mn: Ni: Co: Mg = 1.500: 0.450: 0.050. A sample was synthesized in the same manner as in Example 1 except for the above.
表1に測定した試料の組成、XRD、FT−IR、BET比表面積、Mn酸化数をまとめた。電池評価結果を表2にまとめた。
〔比較例3〕
硫酸ニッケルと硫酸マンガンと硫酸コバルトと硫酸マグネシウムの水和物の結晶を純水に溶解した混合原液を金属元素モル比でMn:Ni:Co:Mg=1.495:0.200:0.300:0.005として調製した以外には実施例1と同様の方法で試料を合成した。
Table 1 summarizes the composition, XRD, FT-IR, BET specific surface area, and Mn oxidation number of the sample measured. The battery evaluation results are summarized in Table 2.
[Comparative Example 3]
A mixed stock solution in which crystals of hydrates of nickel sulfate, manganese sulfate, cobalt sulfate, and magnesium sulfate were dissolved in pure water was Mn: Ni: Co: Mg = 1.495: 0.200: 0.300 in terms of metal element molar ratio. : A sample was synthesized in the same manner as in Example 1 except that it was prepared as 0.005.
表1に測定した試料の組成、XRD、FT−IR、BET比表面積、Mn酸化数をまとめた。電池評価結果を表2にまとめた。
〔比較例4〕
硫酸ニッケルと硫酸マンガンと硫酸コバルトと硫酸マグネシウムの水和物の結晶を純水に溶解した混合原液を金属元素モル比でMn:Ni:Co:Mg=1.445:0.500:0.050:0.005として調製した以外には実施例1と同様の方法で試料を合成した。
Table 1 summarizes the composition, XRD, FT-IR, BET specific surface area, and Mn oxidation number of the sample measured. The battery evaluation results are summarized in Table 2.
[Comparative Example 4]
A mixed stock solution in which crystals of nickel sulfate, manganese sulfate, cobalt sulfate, and magnesium sulfate hydrates were dissolved in pure water was expressed in terms of metal element molar ratio: Mn: Ni: Co: Mg = 1.445: 0.500: 0.050 : A sample was synthesized in the same manner as in Example 1 except that it was prepared as 0.005.
表1に測定した試料の組成、XRD、FT−IR、BET比表面積、Mn酸化数をまとめた。電池評価結果を表2にまとめた。
〔比較例5〕
硫酸ニッケルと硫酸マンガンと硫酸コバルトと硫酸マグネシウムの水和物の結晶を純水に溶解した混合原液を金属元素モル比でMn:Ni:Co:Mg=1.470:0.450:0.050:0.030として調製した以外には実施例1と同様の方法で試料を合成した。
Table 1 summarizes the composition, XRD, FT-IR, BET specific surface area, and Mn oxidation number of the sample measured. The battery evaluation results are summarized in Table 2.
[Comparative Example 5]
A mixed stock solution in which crystals of nickel sulfate, manganese sulfate, cobalt sulfate, and magnesium sulfate hydrates were dissolved in pure water in terms of metal element molar ratio was Mn: Ni: Co: Mg = 1.470: 0.450: 0.050. : A sample was synthesized in the same manner as in Example 1 except that the sample was prepared as 0.030.
表1に測定した試料の組成、XRD、FT−IR、BET比表面積、Mn酸化数をまとめた。電池評価結果を表2にまとめた。 Table 1 summarizes the composition, XRD, FT-IR, BET specific surface area, and Mn oxidation number of the sample measured. The battery evaluation results are summarized in Table 2.
〔本発明の評価]
実施例1〜10に示すように、組成式1の組成をもつスピネル型リチウムマンガンニッケル複合酸化物はMnの酸化数が3.97以上であり、容量劣化の原因となる三価のマンガンの生成が抑制された。また結晶構造が安定なMn、Niが不規則配列した構造を持つことがFT−IR分析より明かになった。
[Evaluation of the present invention]
As shown in Examples 1 to 10, the spinel type lithium manganese nickel composite oxide having the composition of the composition formula 1 has an oxidation number of Mn of 3.97 or more, and generation of trivalent manganese that causes capacity deterioration Was suppressed. Moreover, it became clear from the FT-IR analysis that the crystal structure has a stable structure in which Mn and Ni are irregularly arranged.
この正極活物質を用いて作製した二次電池は初期放電容量が125mAh/g以上であり、カーボン負極を用いた60℃下でのサイクル評価でも200サイクル後の容量維持率が70%以上であることから、サイクル特性に優れた二次電池を作製することが可能となった。 A secondary battery manufactured using this positive electrode active material has an initial discharge capacity of 125 mAh / g or more, and a capacity retention rate after 200 cycles is 70% or more even in cycle evaluation at 60 ° C. using a carbon negative electrode. This makes it possible to produce a secondary battery with excellent cycle characteristics.
1 正極(評価用電極)
2 カーボン負極
3 セパレータ
4 ガスケット
5 ウェーブワッシャー
1 Positive electrode (Evaluation electrode)
2 Carbon negative electrode 3 Separator 4 Gasket 5 Wave washer
Claims (6)
LiaMn2−x−y−bNix−zTy+zAbO4 組成式1
0.92≦a≦1.12
0.45≦x≦0.55
0≦y<0.10
0.0010≦z≦0.20
0.0010≦y+z≦0.20
0.0010<b≦0.025
z>y
T=Co, Fe, Cr, Al,Ga,Ti,Siから選ばれる一つ以上の元素
A=Mg、Znから選ばれる一つ以上の元素
The diffraction pattern of the spinel crystal structure of symmetry Fd-3m shown by the following composition formula 1 is shown by XRD measurement, Mn oxidation number analysis in transition metal oxidation number analysis by potassium dichromate titration method, an oxidation number of 3.97 or more, 4.00 Ri der hereinafter in the XRD pattern (311) crystallite diameter calculated by the Scherrer equation from the full width at half maximum of the peak attributed to face is 5000Å or less, der least 1000Å A positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery.
Li a Mn 2-x-y -b Ni x-z T y + z A b O 4 composition formula 1
0.92 ≦ a ≦ 1.12
0.45 ≦ x ≦ 0.55
0 ≦ y <0.10
0.0010 ≦ z ≦ 0.20
0.0010 ≦ y + z ≦ 0.20
0.0010 <b ≦ 0.025
z> y
T = one or more elements selected from Co, Fe, Cr, Al, Ga, Ti and Si A = one or more elements selected from Mg and Zn
A positive electrode is formed by the positive electrode active material for a nonaqueous electrolyte secondary battery according to any one of claims 1 to 5 , an initial discharge capacity is 125 mAh / g or more, and a cutoff of 0.6 mA / cm 2 at 60 ° C. The battery is charged to a voltage of 4.9 V, and after a pause of 1 hour, the discharge is repeated 200 times to a cutoff voltage of 3.5 V, and the discharge capacity at the 200th time is 70% or more with respect to the discharge capacity at the second time. Water-based electrolyte secondary battery.
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