JP6013125B2 - Method for producing lithium silicate compound and method for producing lithium ion battery - Google Patents

Method for producing lithium silicate compound and method for producing lithium ion battery Download PDF

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Description

本発明は、リチウムシリケート化合物の製造方法および得られるリチウムシリケート化合物、それを用いたリチウムイオン電池に関し、さらに詳しくは、表面にカーボン被膜が均一に形成された高純度のリチウムシリケート化合物を簡単、かつ短時間で製造しうるリチウムシリケート化合物の製造方法および得られるリチウムシリケート化合物、それを用いたリチウムイオン電池に関する。   The present invention relates to a method for producing a lithium silicate compound, a lithium silicate compound to be obtained, and a lithium ion battery using the same, and more specifically, a high-purity lithium silicate compound having a carbon film uniformly formed on the surface, The present invention relates to a method for producing a lithium silicate compound that can be produced in a short time, the obtained lithium silicate compound, and a lithium ion battery using the same.

現在、リチウム二次電池は、軽量でエネルギー密度が高いことから、携帯電話、ノート型パソコン、その他IT機器などの小型電池に幅広く使用されてきており、IT機器の発展、普及に伴い、現在もその需要が世界的な規模で伸びている。
これらの小型電池には主として、LiCoO、LiCoNiMnO、LiNiAlOなどの層状岩塩化合物からなる正極活物質が用いられている。
さらに、これらの小型電池に加えて、産業用の大型電池として、ハイブリッド自動車(HEV)用、プラグインハイブリッド自動車(PHEV)、電気自動車(EV)用、電力平準化用、電力貯蔵用など、さらに多方面にその需要の拡大が期待され、研究開発も盛んに行われている。
Currently, lithium secondary batteries are lightweight and have high energy density, so they are widely used in small batteries such as mobile phones, laptop computers, and other IT devices. With the development and popularization of IT devices, The demand is growing on a global scale.
In these small batteries, a positive electrode active material made of a layered rock salt compound such as LiCoO 2 , LiCoNiMnO 2 , LiNiAlO 2 is mainly used.
In addition to these small batteries, industrial large batteries include hybrid vehicles (HEV), plug-in hybrid vehicles (PHEV), electric vehicles (EV), power leveling, and power storage. The demand is expected to expand in various fields, and research and development are actively conducted.

こうした需要環境の中、産業用の大型電池が本格的に実用化されるための課題として、正極材料には、高い安全性、高寿命、高出力、低価格が要求されている。
そして、高い安全性と優れたサイクル性能を示し、低価格で製造可能なLiFePOが、LiCoOやLiMn等の代替正極材料として注目されている。このLiFePOは、リン酸の強固な骨格を有するため、安全で放電容量が高く、サイクル寿命の良い材料である。しかし、LiFePOの実容量は170mAh/gと理論値に達しており、更なる高容量化は困難である。
In such a demand environment, high safety, long life, high output, and low price are required for the positive electrode material as a challenge for full-scale commercialization of large industrial batteries.
And LiFePO 4 which shows high safety and excellent cycle performance and can be manufactured at a low price is attracting attention as an alternative positive electrode material such as LiCoO 2 or LiMn 2 O 4 . Since this LiFePO 4 has a strong skeleton of phosphoric acid, it is a safe material with a high discharge capacity and a good cycle life. However, the actual capacity of LiFePO 4 has reached a theoretical value of 170 mAh / g, and it is difficult to further increase the capacity.

そこで、高安全性を維持しつつ更なる高容量化が期待される材料として、金属ケイ酸リチウム塩(LiMSiO:Mは、Mn、Fe等の遷移金属)が提案されている(例えば、特許文献1)。このケイ酸金属リチウム塩を正極活物質として用いた場合、遷移金属(M)1モルに対し、2モルのLiを含有することから、容量の理論値は330mAh/gに達する。しかしながら、LiMSiOは、LiFePOと比べ、まだ電子伝導性が低く、得られている容量は理論値より大幅に低いため、粒子を微細化するとともに、さらに黒鉛などの導電性材料の被覆・複合化することにより、導電性を改善することが試みられている。そのケイ酸金属リチウム塩を製造するには、できる限り簡易な方法で、微細なLiMSiO粒子が得られるとともに、導電性材料との複合化が可能であることが重要である。 Thus, lithium silicate metal (Li 2 MSiO 4 : M is a transition metal such as Mn, Fe) has been proposed as a material that is expected to further increase the capacity while maintaining high safety (for example, Patent Document 1). When this lithium metal silicate is used as the positive electrode active material, it contains 2 moles of Li per mole of transition metal (M), so the theoretical capacity reaches 330 mAh / g. However, Li 2 MSiO 4 still has lower electronic conductivity than LiFePO 4, and the obtained capacity is much lower than the theoretical value, so that the particles are made finer and further coated with a conductive material such as graphite. -Attempts have been made to improve electrical conductivity by compounding. In order to produce the lithium metal silicate, it is important that fine Li 2 MSiO 4 particles can be obtained by a method as simple as possible and can be combined with a conductive material.

これまでにケイ酸金属リチウム塩の合成方法として、固相法、水熱法等が報告されている。
固相法では、ケイ酸リチウムと2価の遷移金属原料として蓚酸塩を、溶媒中で混合し焼成することが提案されている(例えば、非特許文献1)。これにより高純度のケイ酸金属リチウム塩を得ることができる。しかし、蓚酸塩は価格が高く、また強い毒性があるために人体や環境面でも好ましくなく、多量に合成する方法も確立されていない。
さらに、一般的に固相法では反応に必要な温度が高いために、1次粒子が粗大化し、凝集成長しやすく、粒子径が大きくなる。また、このようにして得られたLiMSiOは、粒子が粗大で導電性が低いために、強力な微細化処理が必要となる。
これに対して、水熱法では、蓚酸塩を用いることなく、高純度のケイ酸金属リチウム塩が得られるという特徴がある(例えば、非特許文献2)。ただし、水熱法では合成時に、生成物の2倍のリチウムが必要であり、工業的に多量に合成する場合には課題が多い。
So far, solid-phase methods, hydrothermal methods and the like have been reported as methods for synthesizing metal lithium silicates.
In the solid-phase method, it has been proposed to mix lithium silicate and oxalate as a divalent transition metal raw material in a solvent and fire (for example, Non-Patent Document 1). Thereby, a high purity metal silicate lithium salt can be obtained. However, since oxalate is expensive and has strong toxicity, it is not preferable in terms of human body and environment, and a method for synthesizing a large amount has not been established.
In addition, since the temperature required for the reaction is generally high in the solid phase method, the primary particles are coarsened, tend to aggregate and grow, and the particle size becomes large. In addition, the Li 2 MSiO 4 obtained in this way needs to be strongly refined because the particles are coarse and have low conductivity.
On the other hand, the hydrothermal method is characterized in that a high-purity lithium metal silicate can be obtained without using an oxalate (for example, Non-Patent Document 2). However, the hydrothermal method requires twice as much lithium as the product at the time of synthesis, and there are many problems when synthesizing a large amount industrially.

さらに、短時間で効率的なケイ酸金属リチウム塩の製造方法として、アルカリ金属、遷移金属およびケイ素の供給源となる化合物を混合、加熱して溶融した後、徐冷する方法が提案されている(例えば、特許文献2)。この提案においては、原料を溶融状態にまで加熱するため、得られるケイ酸金属リチウム塩は粗大粒子となり、微粒化することが困難といわれている。
上記のように、固相法には、高純度のケイ酸金属リチウム塩を得ることができるという利点があるものの、一般的に出発原料の粒径が数μm程度であることから、イオン拡散性に問題が有り、反応に長時間が必要であること、元素の種類によってはドープが極めて困難であること、さらに、反応温度が高いことによるリチウム欠陥等が懸念され、電池材料としてのリチウムシリケート化合物の合成には不向きである。
リチウムシリケート化合物は、その結晶構造上の特徴より導電性が劣るため、電池特性発現の為にはカーボンコートによる導電性付与が必須であり、合成効率、省エネルギー的観点から、リチウムシリケート化合物の合成と同時に一括でカーボンコートする方法が渇望されている。
しかし、固相法反応によるリチウムシリケートにおいては、一般的に出発原料の粒径が数μm程度であることからイオン拡散性に問題が有り反応に長時間が必要であること、さらに、反応を進めるためには高温が必要であり、有機物を用いたカーボンコートを同時処理にて行うことは極めて困難である。
Furthermore, as a method for producing a lithium metal silicate salt that is efficient in a short time, a method of mixing, heating and melting a compound that is a source of alkali metal, transition metal, and silicon, and then slowly cooling it has been proposed. (For example, patent document 2). In this proposal, since the raw material is heated to a molten state, the obtained lithium metal silicate becomes coarse particles, and it is said that it is difficult to atomize.
As described above, although the solid phase method has an advantage that a high-purity lithium metal silicate can be obtained, since the particle size of the starting material is generally about several μm, Lithium silicate compound as a battery material because there is a problem that the reaction requires a long time, the doping is extremely difficult depending on the type of element, and lithium defects due to the high reaction temperature. It is not suitable for the synthesis of.
Since the lithium silicate compound is inferior in conductivity to the characteristics of its crystal structure, it is indispensable to impart conductivity by carbon coating in order to develop battery characteristics. From the viewpoint of synthesis efficiency and energy saving, the synthesis of the lithium silicate compound At the same time, there is a craving for a method of carbon coating all at once.
However, in lithium silicate by solid-phase reaction, since the particle size of the starting material is generally about several μm, there is a problem in ion diffusivity and a long time is required for the reaction. For this purpose, a high temperature is required, and it is extremely difficult to perform carbon coating using an organic substance by simultaneous treatment.

一方、液相法によるリチウムシリケート合成は、出発原料の水溶液或いは水分散体を乾燥、加熱することにより行われる。本出願人も、原料金属塩の溶液とケイ酸イオンを含む溶液を特定のpH条件下、混合して共沈殿物を晶析させ、固液分離後、水洗、乾燥することを提案した(例えば、特許文献5参照)。ここでは、得られた正極活物質の前駆体に、スクロース、グルコースといった単糖類、二糖類などの炭水化物を混合して、カーボンコートすることが記載されている。これにより、導電性が向上したが、製造工程が増え、さらなる改良が必要とされていた。   On the other hand, lithium silicate synthesis by a liquid phase method is performed by drying and heating an aqueous solution or aqueous dispersion of a starting material. The present applicant has also proposed that a solution containing a raw metal salt and a solution containing silicate ions are mixed under a specific pH condition to crystallize a coprecipitate, and after solid-liquid separation, washed with water and dried (for example, , See Patent Document 5). Here, it is described that the obtained positive electrode active material precursor is mixed with a saccharide such as sucrose and glucose and a carbohydrate such as a disaccharide and carbon coated. As a result, the conductivity is improved, but the number of manufacturing steps is increased, and further improvement is required.

そのため、出発原料の水溶液中の金属イオンを錯体化する工程で、同時に炭素源を添加し、加熱乾燥し、さらに焼成時のリチウムシリケート合成とともにカーボンコートを行う方法も提案され、炭素源としてクエン酸を用い、金属塩の水溶液或いは水分散体中へと添加する方法が報告されている(非特許文献3)。クエン酸を用いることは、すでにLiMnのリチウム電池活物質の製造に関する特許文献4でも提案されているが、400℃以上の温度で熱分解することで良質なカーボンコート材となることが確認されている。 For this reason, in the process of complexing metal ions in the aqueous solution of the starting material, a method of simultaneously adding a carbon source, heating and drying, and further performing carbon coating along with lithium silicate synthesis at the time of firing has been proposed. A method of adding a metal salt into an aqueous solution or dispersion of water is reported (Non-patent Document 3). The use of citric acid has already been proposed in Patent Document 4 relating to the production of a lithium battery active material of LiMn 2 O 4 , but it can be a good carbon coating material by thermal decomposition at a temperature of 400 ° C. or higher. It has been confirmed.

しかしながら、リチウムシリケート合成の場合、Mnを含む水溶液を加熱乾燥するので、その時にMnがクエン酸と難溶性化合物の凝集体を形成するため均一な前駆体を得ることが困難であった。結果、得られるリチウムシリケート化合物の純度および電池特性が不十分となって、実用的なリチウム電池は得られていない。   However, in the case of lithium silicate synthesis, since an aqueous solution containing Mn is dried by heating, it is difficult to obtain a uniform precursor because Mn forms an aggregate of citric acid and a hardly soluble compound at that time. As a result, the purity and battery characteristics of the obtained lithium silicate compound are insufficient, and a practical lithium battery has not been obtained.

特開2001−266882号公報JP 2001-266882 A 特開2008−218303号公報JP 2008-218303 A 特開2008−186807号公報JP 2008-186807 A 特開平9−50811号公報JP-A-9-50811 特開2012−18832号公報JP 2012-18832 A

A.Nyten,et al.,Electrochemistry Communications,vol.7,2005,p.156A. Nyten, et al. , Electrochemistry Communications, vol. 7, 2005, p. 156 R.Dominko,et al.,ELectrochemistry C ommunications,vol.8,2006,p.217R. Dominko, et al. , Electrochemistry Communications, vol. 8, 2006, p. 217 Y.B.Xu,et al., J. Power Sources,vol.170, 2006,p.570Y. B. Xu, et al. , J. et al. Power Sources, vol. 170, 2006, p. 570

本発明の目的は、リチウムシリケート化合物に別途カーボンコート処理を行うことなく簡単、かつ短時間でリチウム電池用の正極材料として好適なリチウムシリケート化合物を製造可能な方法、その材料を用いたリチウムイオン電池を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a method capable of producing a lithium silicate compound suitable as a positive electrode material for a lithium battery in a short time and without subjecting the lithium silicate compound to carbon coating separately, and a lithium ion battery using the material Is to provide.

本発明者等は、上記の課題に対し鋭意検討を重ねた結果、Mn塩、Li塩、Si源を含む反応溶液を調製する際に、Si源として、プロピレングリコール修飾シランで代表される水溶性珪素化合物を用いると、前記金属塩を含む水溶液或いは水分散体は、加熱乾燥後、不活性雰囲気あるいは還元雰囲気下、高温で加熱処理することにより、表面にカーボン被膜が形成されたリチウムシリケート化合物となり、リチウム電池用の正極材料として優れた特性を発揮するようになることを見出し、本発明を完成するに至った。   As a result of intensive studies on the above-mentioned problems, the present inventors have prepared a water-soluble solution represented by propylene glycol-modified silane as a Si source when preparing a reaction solution containing a Mn salt, a Li salt, and a Si source. When a silicon compound is used, the aqueous solution or water dispersion containing the metal salt is heat-dried and then heat-treated at a high temperature in an inert atmosphere or a reducing atmosphere to form a lithium silicate compound having a carbon film formed on the surface. As a result, it has been found that it exhibits excellent characteristics as a positive electrode material for a lithium battery, and has completed the present invention.

すなわち、本発明の第1の発明によれば、Mn塩とLi塩の水溶液に、Si源として水溶性珪素化合物の溶液を金属元素比率(Li:Mn:Si)が1.8〜2.2:0.9〜1.1:0.9〜1.1となるように混合した後、得られた金属塩の水溶液或いは水分散体を乾燥し、引き続き、不活性雰囲気あるいは還元性雰囲気で加熱処理して、表面にカーボン被膜が形成されたリチウムシリケート化合物を合成し、
前記Si源の水溶性珪素化合物が、プロピレングリコール修飾シラン(PGMS)、ポリエチレングリコール修飾シラン(PEGMS)、およびグリセリン修飾シラン(GMS)から選ばれる1種以上である、
ことを特徴とするリチウムシリケート化合物の製造方法が提供される。
That is, according to the first invention of the present invention, a solution of a water-soluble silicon compound as a Si source is added to an aqueous solution of Mn salt and Li salt with a metal element ratio (Li: Mn: Si) of 1.8 to 2.2. : 0.9 to 1.1: After mixing so as to be 0.9 to 1.1, the obtained aqueous solution or dispersion of metal salt is dried and subsequently heated in an inert atmosphere or a reducing atmosphere. Treatment to synthesize a lithium silicate compound with a carbon film formed on the surface ,
The water-soluble silicon compound of the Si source is at least one selected from propylene glycol modified silane (PGMS), polyethylene glycol modified silane (PEGMS), and glycerin modified silane (GMS).
A method for producing a lithium silicate compound is provided.

また、本発明の第の発明によれば、第1の発明において、前記金属塩の水溶液或いは水分散体のpHを6以下に調整することを特徴とするリチウムシリケート化合物の製造方法が提供される。
また、本発明の第の発明によれば、第1の発明において、前記混合液に、さらにFe塩、Co塩、Ca塩、Zn塩、またはMg塩から選ばれる1種以上の水溶液を混合し溶解させることを特徴とするリチウムシリケート化合物の製造方法が提供される。
また、本発明の第の発明によれば、第1の発明において、前記乾燥処理が、予め前記水溶液或いは水分散体をゲル状態とした上で行われることを特徴とするリチウムシリケート化合物の製造方法が提供される。
さらに、本発明の第の発明によれば、第1の発明において、前記加熱処理が、窒素、または水素のいずれか一種以上を含む雰囲気中、500〜900℃の温度で1〜24時間行われることを特徴とするリチウムシリケート化合物の製造方法が提供される。
According to a second invention of the present invention, there is provided a method for producing a lithium silicate compound, characterized in that, in the first invention, the pH of the aqueous solution or dispersion of the metal salt is adjusted to 6 or less. The
According to the third invention of the present invention, in the first invention, the mixed liquid is further mixed with one or more aqueous solutions selected from Fe salt, Co salt, Ca salt, Zn salt, or Mg salt. And a method for producing a lithium silicate compound characterized by being dissolved.
According to a fourth invention of the present invention, in the first invention, the drying treatment is performed after the aqueous solution or the aqueous dispersion is made into a gel state in advance. A method is provided.
Furthermore, according to a fifth invention of the present invention, in the first invention, the heat treatment is performed at a temperature of 500 to 900 ° C. for 1 to 24 hours in an atmosphere containing at least one of nitrogen and hydrogen. A method for producing a lithium silicate compound is provided.

一方、本発明の第6の発明によれば、第1〜第5のいずれかの発明において、表面にカーボン被膜が形成され、一次粒子径が1000nm以下、カーボン担持量が0.5〜2.0質量%であり、かつ、導電率(63.66MPa加圧時の粉体抵抗測定)が1.0×10−7S/cm以上であるリチウムシリケート化合物を得ることを特徴とするリチウムシリケート化合物の製造方法が提供される。
一方、本発明の第7の発明によれば、第1〜第6のいずれかの発明において製造されたリチウムシリケート化合物を正極活物質として用いることを特徴とするリチウムイオン電池の製造方法が提供される。
On the other hand, according to the sixth invention of the present invention, in any one of the first to fifth inventions, a carbon coating is formed on the surface, the primary particle diameter is 1000 nm or less, and the amount of carbon supported is 0.5-2. Lithium silicate compound characterized by obtaining a lithium silicate compound having 0% by mass and having an electrical conductivity (powder resistance measurement at 63.66 MPa pressurization) of 1.0 × 10 −7 S / cm or more A manufacturing method is provided.
On the other hand, according to the seventh aspect of the present invention, a method of manufacturing a lithium-ion battery, characterized in Rukoto using lithium silicate compound produced in any one of the first to sixth as the positive electrode active material is provided Is done.

本発明によれば、リチウム電池用の正極材料として優れた特性を有する高純度のリチウムシリケート化合物が合成でき、その際に、表面に均一にカーボン被膜が形成されるので、別途カーボンコート処理を行うことなく、簡単かつ短時間に製造可能という利点がある。本発明では、水系で原料を取り扱うことができ、蓚酸塩などを用いないため、安全にリチウムシリケート化合物を製造することができる。
この製造方法によれば、表面にカーボンコートされた粒子径10〜1000nmのリチウムシリケート化合物、導電率に優れたリチウムシリケート化合物とカーボンの複合体を得ることが出来るので、高い反応性および粉体の扱い易さを両立することが可能である。
さらに、それを正極活物質として用いることで、高い安全性と高容量を兼ね備え、かつサイクル寿命にも優れたリチウム二次電池を容易に製造することができる。
According to the present invention, a high-purity lithium silicate compound having excellent characteristics as a positive electrode material for a lithium battery can be synthesized, and at that time, a carbon film is uniformly formed on the surface. There is an advantage that it can be manufactured easily and in a short time. In the present invention, since the raw material can be handled in an aqueous system and no oxalate is used, the lithium silicate compound can be produced safely.
According to this production method, a lithium silicate compound having a particle size of 10 to 1000 nm coated with carbon on the surface and a composite of a lithium silicate compound and carbon having excellent conductivity can be obtained. It is possible to achieve both ease of handling.
Furthermore, by using it as a positive electrode active material, a lithium secondary battery having both high safety and high capacity and excellent cycle life can be easily produced.

本発明のリチウムシリケート化合物をX線回折で分析した結果を示すチャートである。It is a chart which shows the result of having analyzed the lithium silicate compound of this invention by X-ray diffraction. 本発明のリチウムシリケート化合物の構造を走査型電子顕微鏡(SEM)で撮影した写真である。It is the photograph which image | photographed the structure of the lithium silicate compound of this invention with the scanning electron microscope (SEM). Si源としてフュームドシリカを用いて得られた従来のリチウムシリケート化合物の構造を走査型電子顕微鏡(SEM)で撮影した写真である。It is the photograph which image | photographed the structure of the conventional lithium silicate compound obtained using the fumed silica as Si source with the scanning electron microscope (SEM).

以下に、リチウム二次電池用正極活物質として用いられる本発明のリチウムシリケート化合物、その製造方法などについて詳細に説明する。   Below, the lithium silicate compound of this invention used as a positive electrode active material for lithium secondary batteries, its manufacturing method, etc. are demonstrated in detail.

1.[リチウムシリケート化合物の製造方法]
本発明のリチウムシリケート化合物の製造方法(以下、本合成法ともいう)では、Mn塩とLi塩の水溶液に、Si源として水溶性珪素化合物の溶液を金属元素比率(Li:Mn:Si)が1.8〜2.2:0.9〜1.1:0.9〜1.1となるように混合した後、得られた金属塩の水溶液或いは水分散体を乾燥し、引き続き、不活性雰囲気あるいは還元性雰囲気で加熱処理して、表面にカーボン被膜が形成されたリチウムシリケート化合物を合成することを特徴とする。
1. [Method for producing lithium silicate compound]
In the method for producing a lithium silicate compound of the present invention (hereinafter also referred to as the present synthesis method), a metal element ratio (Li: Mn: Si) is obtained by adding a solution of a water-soluble silicon compound as an Si source to an aqueous solution of Mn salt and Li salt. 1.8 to 2.2: 0.9 to 1.1: After mixing so as to be 0.9 to 1.1, the obtained aqueous solution or dispersion of metal salt is dried and subsequently inactive. A lithium silicate compound having a carbon film formed on the surface is synthesized by heat treatment in an atmosphere or a reducing atmosphere.

(1)原料金属成分、有機酸の種類
原料金属成分として使用するMn塩、Li塩は、リチウム二次電池用正極活物質の製造に通常用いられているものであれば特に制限はないが、水溶性のものが好ましい。Mn塩、Li塩は蒸留水、イオン交換水などの純水に溶解することが好ましい。
(1) Types of raw material metal component and organic acid There are no particular restrictions on the Mn salt and Li salt used as the raw material metal component as long as they are normally used in the production of a positive electrode active material for a lithium secondary battery, Water-soluble ones are preferred. The Mn salt and Li salt are preferably dissolved in pure water such as distilled water and ion exchange water.

Mn塩としては、酢酸マンガン、硝酸マンガンなどのマンガン化合物を用いることができ、また、Li塩としては、水酸化リチウム、酢酸リチウム物、硝酸リチウムなどのリチウム化合物を用いることができる。いずれの金属塩も、特に安価で取扱いが容易な酢酸塩を用いることが好ましい。
また、上記Mn塩に対して、その一部を、Fe塩、Co塩、Ca塩、Zn塩、Mg塩、などの遷移金属塩やアルカリ土類金属塩で置換することができる。中でも好ましいのは、電池特性を向上しうるという観点からFe塩、Co塩であり酢酸鉄、クエン酸鉄、硝酸鉄、酢酸コバルト、クエン酸コバルト、硝酸コバルトなどを用いることができる。
Manganese compounds such as manganese acetate and manganese nitrate can be used as the Mn salt, and lithium compounds such as lithium hydroxide, lithium acetate, and lithium nitrate can be used as the Li salt. For any metal salt, it is particularly preferable to use an acetate that is inexpensive and easy to handle.
Further, a part of the Mn salt can be substituted with a transition metal salt such as Fe salt, Co salt, Ca salt, Zn salt, Mg salt, or alkaline earth metal salt. Among these, Fe salt and Co salt are preferable from the viewpoint of improving battery characteristics, and iron acetate, iron citrate, iron nitrate, cobalt acetate, cobalt citrate, cobalt nitrate, and the like can be used.

さらに、本発明では、Si源として水溶性珪素化合物を使用する。水溶性珪素化合物としては、プロピレングリコール修飾シラン(PGMS)、ポリエチレングリコール修飾シラン(PEGMS)、グリセリン修飾シラン(GMS)などを挙げることができる。これらは単独で用いても混合して用いてもよい。プロピレングリコール修飾シラン(PGMS)は、珪素に結合している官能基、すなわちプロピレングリコールが分子内に親水性のOH基を持つため、水に任意の割合で溶解し、安定性が高いという特性を有する点で好ましい水溶性珪素化合物である。   Furthermore, in the present invention, a water-soluble silicon compound is used as the Si source. Examples of the water-soluble silicon compound include propylene glycol modified silane (PGMS), polyethylene glycol modified silane (PEGMS), glycerin modified silane (GMS) and the like. These may be used alone or in combination. Propylene glycol-modified silane (PGMS) has a functional group bonded to silicon, that is, propylene glycol has a hydrophilic OH group in the molecule, so it dissolves in water at an arbitrary ratio and has high stability. It is a preferable water-soluble silicon compound in terms of having it.

このプロピレングリコール修飾シラン(PGMS)は、例えば特開2010−7032に記載のとおり、特定のケイ素化合物の縮合物と、分子内に少なくとも1以上の水酸基及び/又はアミノ基を有する水溶性化合物とを接触させた後に、酸性物質を接触させることで製造することができる。
プロピレングリコール修飾シラン(PGMS)は、例えば、下記反応式(1)で示されるように、テトラエトキシシラン(TEOS)のエトキシ基をプロピレングリコール(PG)でエステル交換することにより作製される。
This propylene glycol modified silane (PGMS) comprises, for example, a condensate of a specific silicon compound and a water-soluble compound having at least one hydroxyl group and / or amino group in the molecule, as described in JP-A-2010-7032. It can manufacture by making an acidic substance contact after making it contact.
Propylene glycol-modified silane (PGMS) is produced, for example, by transesterifying the ethoxy group of tetraethoxysilane (TEOS) with propylene glycol (PG) as shown in the following reaction formula (1).

[化1]
Si(OEt) + 4C(OH) → Si(OCOH) + 4EtOH ・・・(1)
[Chemical 1]
Si (OEt) 4 + 4C 3 H 6 (OH) 2 → Si (OC 3 H 6 OH) 4 + 4EtOH (1)

反応前のTEOSは疎水性であるが、4つのエトキシ基のうち、3つ以上がPGとエステル交換反応するため、生成物のPGMSは少なくとも3つ以上のPGを分子内に持つこととなり、水溶性となる。   TEOS before the reaction is hydrophobic, but since three or more of the four ethoxy groups undergo transesterification with PG, the product PGMS has at least three or more PGs in the molecule, and is water-soluble. It becomes sex.

(2)原料金属成分の混合、溶解
次に、Mn塩とLi塩の水溶液に、Si源である水溶性珪素化合物の溶液を金属元素比率(Li:Mn:Si)が1.8〜2.2:0.9〜1.1:0.9〜1.1となるように混合する。
Mn塩に対して、その一部を、Fe塩などの遷移金属塩(M塩)で置換するときは、金属元素比率(Li:Mn:M:Si)が1.8〜2.2:0.68〜1.1:0〜0.28:0.9〜1.1となるように混合する。金属元素比率をこの範囲とすることにより容量特性、サイクル特性の優れた活物質を製造することができる。
(2) Mixing and dissolution of raw metal components Next, a solution of a water-soluble silicon compound, which is a Si source, in an aqueous solution of Mn salt and Li salt has a metal element ratio (Li: Mn: Si) of 1.8-2. 2: 0.9-1.1: Mix to 0.9-1.1.
When a part of the Mn salt is replaced with a transition metal salt (M salt) such as an Fe salt, the metal element ratio (Li: Mn: M: Si) is 1.8 to 2.2: 0. .68 to 1.1: 0 to 0.28: 0.9 to 1.1. By setting the metal element ratio within this range, an active material having excellent capacity characteristics and cycle characteristics can be produced.

Mn塩、Li塩の水溶液とSi源の溶液との混合は、原料金属成分が均一に混合できればよく、通常の混合機を用いることができる。これら成分は、室温〜80℃の温度で、1〜120分間攪拌することにより容易に溶解する。好ましいのは、室温で10〜60分攪拌することである。
Mn塩は、水溶液のpHやORPの度合いによっては酸化マンガンとして固相に析出する。これを防ぐためには、Mn塩は酸性溶液中では安定なので、酸を混合溶液に添加し、pH6以下に調整することが好ましい。より好ましくはpHを4以下に調整する。pHが6を超えると、Mn塩は十分に安定化されないため固相として析出することがある。pHの調整に用いる酸は、Mn塩などの溶液中に含まれる元素と反応し、固体を析出しないものならば種類によって限定されず、塩酸、硝酸などを用いることができる。
The mixing of the aqueous solution of Mn salt and Li salt and the solution of the Si source is not limited as long as the raw metal components can be mixed uniformly, and an ordinary mixer can be used. These components are easily dissolved by stirring at room temperature to 80 ° C. for 1 to 120 minutes. Preference is given to stirring at room temperature for 10 to 60 minutes.
The Mn salt precipitates in the solid phase as manganese oxide depending on the pH of the aqueous solution and the degree of ORP. In order to prevent this, since the Mn salt is stable in an acidic solution, it is preferable to adjust the pH to 6 or less by adding an acid to the mixed solution. More preferably, the pH is adjusted to 4 or less. If the pH exceeds 6, the Mn salt is not sufficiently stabilized and may precipitate as a solid phase. The acid used for adjusting the pH is not limited by type as long as it reacts with an element contained in a solution such as Mn salt and does not precipitate a solid, and hydrochloric acid, nitric acid, or the like can be used.

(3)乾燥
次に、上記原料を混合した水溶液或いは水分散体を乾燥、固化する。その際、ゲル状になるように、水溶性珪素化合物を加水分解、重縮合させると、各種原料元素が原子レベルで均一に混合したゲル体が得られるため好ましい。乾燥は、水溶液から水分を蒸発することができる条件であればよく、加熱温度や雰囲気、乾燥装置の種類などによって特に制限されない。効率的に乾燥するには、大気、不活性ガス、真空の雰囲気とし60〜200℃で加熱するのが好ましい。
(3) Drying Next, the aqueous solution or water dispersion in which the raw materials are mixed is dried and solidified. At that time, it is preferable to hydrolyze and polycondensate the water-soluble silicon compound so as to form a gel because a gel body in which various raw material elements are uniformly mixed at the atomic level is obtained. Drying is not particularly limited depending on the heating temperature, atmosphere, type of drying apparatus, and the like, as long as moisture can be evaporated from the aqueous solution. In order to dry efficiently, it is preferable to heat at 60 to 200 ° C. in an atmosphere of air, inert gas, or vacuum.

(4)加熱処理
得られた固化物及び/またはゲル体は、次に窒素、または水素のいずれか一種以上を含む雰囲気中、500〜900℃の温度で1〜24時間加熱処理して、本発明のリチウムシリケート化合物を得る。
(4) Heat treatment The obtained solidified product and / or gel body is then heat treated at a temperature of 500 to 900 ° C. for 1 to 24 hours in an atmosphere containing at least one of nitrogen and hydrogen. The inventive lithium silicate compound is obtained.

固化物及び/またはゲル体は、600℃〜800℃で加熱処理するのがより好ましい。焼成温度が500℃未満、加熱時間が1時間未満では材料の結晶性が低く、リチウム二次電池正極活物質として用いた場合、容量が低下してしまう。また、900℃より高くなるか、加熱時間が24時間を超えるとリチウムの蒸散が顕著となり、目的の組成比の材料を得ることが困難になってしまう。
窒素と水素の混合ガスを用いる場合は、水素含有量は、1〜2体積%とすることが好ましい。また、窒素の一部または全部をアルゴンなどの不活性ガスに代えてもよい。
The solidified product and / or gel body is more preferably heat-treated at 600 ° C to 800 ° C. When the firing temperature is less than 500 ° C. and the heating time is less than 1 hour, the crystallinity of the material is low, and when used as a positive electrode active material for a lithium secondary battery, the capacity decreases. Further, when the temperature is higher than 900 ° C. or the heating time exceeds 24 hours, transpiration of lithium becomes remarkable, and it becomes difficult to obtain a material having a target composition ratio.
When a mixed gas of nitrogen and hydrogen is used, the hydrogen content is preferably 1 to 2% by volume. Further, part or all of nitrogen may be replaced with an inert gas such as argon.

加熱処理炉は、雰囲気制御が可能な炉であればよいが、ガスの発生がない電気炉が好ましく、管状炉、マッフル炉などの静置炉やプッシャー炉、ローラーハースキルン、ロータリーキルン、流動床炉などの連続炉が使用できる。
この際、水溶性珪素化合物の分解物が炭素源となり、リチウムシリケート化合物粒の表面にカーボンコート層を形成し、導電性を付与することができる。このように、本発明では固化物及び/またはゲル体の焼成時に同時にカーボンコートがされるため、製造工程を簡略化することができる。
The heat treatment furnace may be any furnace that can control the atmosphere, but an electric furnace that does not generate gas is preferable. The continuous furnace can be used.
At this time, the decomposition product of the water-soluble silicon compound becomes a carbon source, and a carbon coat layer can be formed on the surface of the lithium silicate compound particles to impart conductivity. As described above, in the present invention, since the carbon coating is simultaneously performed when the solidified product and / or the gel body is fired, the manufacturing process can be simplified.

2.[リチウムシリケート化合物]
本発明のリチウムシリケート化合物(以下、材料ともいう)は、表面にカーボン被膜が形成されたリチウムシリケート化合物の凝集体として得られる。本発明では、前記した原料を所定量用いることで、一般式LiMnSiOで表されるリチウムシリケート化合物を合成することができる。
2. [Lithium silicate compound]
The lithium silicate compound of the present invention (hereinafter also referred to as material) is obtained as an aggregate of lithium silicate compounds having a carbon film formed on the surface. In the present invention, a lithium silicate compound represented by the general formula Li 2 MnSiO 4 can be synthesized by using a predetermined amount of the above-described raw materials.

また、Mn塩の一部をFe塩などの添加元素(M)塩に置換することで、一般式LiMnxM(1−x)SiO(MはFeまたはCo、Ca、Zn、Mgなどの遷移金属やアルカリ土類金属であり、0.75≦x≦1.0)で表されるリチウムシリケート化合物を合成することができ、充放電容量の増加、サイクル性の向上などの効果を得ることができる。添加元素(M)の添加量は、Mnのモル数に対して25%以下であることが好ましい。25%より多いと母材であるLiMnSiOの結晶構造が維持できず、副生成物を多く含んだ材料となるため、好ましくない。 Further, by substituting a part of the Mn salt with an additive element (M) salt such as an Fe salt, the general formula Li 2 MnxM (1-x) SiO 4 (M is Fe or Co, Ca, Zn, Mg, etc.). A lithium silicate compound represented by 0.75 ≦ x ≦ 1.0) that is a transition metal or alkaline earth metal can be synthesized, and effects such as an increase in charge / discharge capacity and an improvement in cycle performance can be obtained. Can do. The addition amount of the additive element (M) is preferably 25% or less with respect to the number of moles of Mn. If it exceeds 25%, the crystal structure of Li 2 MnSiO 4 as a base material cannot be maintained, and the material contains a large amount of by-products, which is not preferable.

本合成法で得られた材料は、合成直後1000nm以下の微粒子であり、別途粉砕して微粒子化する工程を必要としない。これはSi源にPGMSを用いているため、PGMSに含まれるカーボンが焼結を阻害するためである。   The material obtained by this synthesis method is fine particles having a size of 1000 nm or less immediately after synthesis, and does not require a separate pulverization step. This is because PGMS is used as the Si source, and carbon contained in PGMS inhibits sintering.

また、このカーボンは焼成終了後も約0.5〜2.0質量%残留する。残留したカーボンは粒子の表面に存在し、リチウム二次電池材料として用いた時、電子伝導を補助し電池の特性を向上させる。その結果63.66MPa加圧時の粉体抵抗で測定される導電率が1.0×10−7S/cm以上の導電性を示す。製造条件を最適化することで、導電率が1.0×10−6S/cm以上のカーボン被覆リチウムシリケート化合物を合成することも可能である。
これに対し、本合成法以外の方法で得られた材料では、同等の導電性を得るのに別途カーボン担持を行う工程が必要になるだけでなく、たとえカーボン担持工程により同程度のカーボン量を担持しても、カーボンコートの均一性が劣るため、導電性が悪くなる。
Further, this carbon remains about 0.5 to 2.0% by mass even after the completion of the firing. Residual carbon exists on the surface of the particles, and when used as a lithium secondary battery material, assists electronic conduction and improves battery characteristics. As a result, the conductivity measured by the powder resistance at the time of pressurizing 63.66 MPa shows conductivity of 1.0 × 10 −7 S / cm or more. It is also possible to synthesize a carbon-coated lithium silicate compound having an electrical conductivity of 1.0 × 10 −6 S / cm or more by optimizing the production conditions.
In contrast, materials obtained by methods other than the present synthesis method require not only a separate carbon loading process to obtain equivalent conductivity, but also a similar amount of carbon by the carbon loading process. Even if it is supported, the conductivity of the carbon coat is poor because the uniformity of the carbon coat is poor.

本合成法では、材料に0.5〜2.0質量%のカーボンが含まれるので、従来のようなカーボン担持工程を省略できる。しかし、必要があれば、さらに多くのカーボンを担持させ導電性補助効果を増大させてもよい。カーボンコートの方法は手段を問わず、焼成前の原料に有機化合物を混ぜて不活性雰囲気で焼成することで、カーボンを析出させる方法、焼成後の材料に導電性カーボンをボールミル等で機械的に付着させる方法などを用いることができる。材料にはカーボンを20質量%まで担持でき、15質量%まで担持するのが好ましい。
有機化合物としては、分子内にカルボキシル基と水酸基を併せ持つか、カルボキシル基を2個以上有する有機酸を使用することができる。かかる有機酸としては、たとえば、クエン酸[CH−COOH(HO−C−COOH)CH−COOH]、酒石酸[COOH(CHOH)COOH]、マロン酸[HOOC−CH−COOH]、乳酸[CHCH(OH)COOH]、グリコール酸などを例示できる。これらクエン酸などの有機酸は、リチウムや遷移金属を1分子中に1個より多く配位して保持することができ、リチウム塩と遷移金属塩の組成が常時安定し、乾燥や熱分解反応の効率を高めることができる。
In this synthesis method, since the material contains 0.5 to 2.0 mass% of carbon, the conventional carbon supporting step can be omitted. However, if necessary, more carbon may be supported to increase the conductivity auxiliary effect. Regardless of the method of carbon coating, a method of precipitating carbon by mixing an organic compound with a raw material before firing and firing in an inert atmosphere, mechanically adding conductive carbon to the fired material with a ball mill or the like The method of making it adhere can be used. The material can carry up to 20% by mass of carbon, and preferably up to 15% by mass.
As the organic compound, an organic acid having both a carboxyl group and a hydroxyl group in the molecule or having two or more carboxyl groups can be used. Examples of the organic acid include citric acid [CH 2 —COOH (HO—C—COOH) CH 2 —COOH], tartaric acid [COOH (CHOH) 2 COOH], malonic acid [HOOC—CH 2 —COOH], and lactic acid. [CH 3 CH (OH) COOH], glycolic acid and the like can be exemplified. These organic acids such as citric acid can hold and coordinate more than one lithium and transition metal in one molecule, the composition of lithium salt and transition metal salt is always stable, and drying and thermal decomposition reactions Can increase the efficiency.

3.[リチウム二次電池]
本発明のリチウム二次電池は、上記リチウムシリケート化合物を正極活物質として用いたものである。リチウムイオン電池は、正極、負極、非水電解質など、一般のリチウム二次電池と同様の構成要素から構成される。
3. [Lithium secondary battery]
The lithium secondary battery of the present invention uses the above lithium silicate compound as a positive electrode active material. A lithium ion battery is composed of the same components as a general lithium secondary battery, such as a positive electrode, a negative electrode, and a nonaqueous electrolyte.

以下、本発明のリチウム二次電池の実施形態について、その構成要素、用途などの項目に分けて詳しく説明するが、以下の実施形態は例示にすぎず、本発明のリチウム二次電池は、本明細書に記載の実施形態を始めとして、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。   Hereinafter, embodiments of the lithium secondary battery of the present invention will be described in detail by dividing the components, uses, and the like, but the following embodiments are merely examples, and the lithium secondary battery of the present invention is the present invention. The embodiments described in the specification can be implemented in various modified and improved forms based on the knowledge of those skilled in the art.

(a)正極
正極は、本発明のリチウムシリケート化合物を用いた正極活物質、導電材および結着剤を含んだ正極合材から形成される。詳しくは、粉末状の正極活物質、導電材を混合し、それに結着剤を加え、必要に応じて、粘度調整などのための溶剤をさらに添加して、正極合材ペーストを調整し、その正極合材ペーストを、たとえば、アルミニウム箔製の集電体の表面に塗布、乾燥、必要に応じて加圧することにより、シート状の正極を作製する。
導電材は、正極の電気伝導性を確保するためのものであり、たとえば、カーボンブラック、アセチレンブラック、黒鉛などの炭素物質粉状体の1種または2種以上を混合したものを用いることができる。
結着剤は、活物質粒子を繋ぎ止める役割を果たすもので、たとえば、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、フッ素ゴムなどの含フッ素樹脂、ポリプロピレン、ポリエチレンなどの熱可塑性樹脂、その他の適切な材料を用いることができる。必要に応じて正極合材に添加する溶剤、つまり、活物質、導電材、活性炭を分散させ、結着剤を溶解する溶剤としては、N−メチル−2−ピロリドンなどの有機溶剤を用いることができる。また、活性炭を、電気二重層容量を増加させるために添加することができる。
このような正極活物質、導電材、および結着剤を混合し、必要に応じて、活性炭、溶剤を添加し、これを混練して正極合材ペーストを調製する。
正極合材中のそれぞれの混合比も、リチウムイオン二次電池の性能を決定する重要な要素となりうる。正極合材の固形分を100質量%とした場合、一般のリチウム二次電池の正極と同様、それぞれ、正極活物質は60〜95質量%、導電材は1〜20質量%、結着剤は1〜20質量%とすることが望ましい。
たとえば、アルミニウムなどの金属箔集電体の表面に、充分に混練した上記の正極合材ペーストを塗布し、乾燥して溶剤を飛散させ、必要に応じて、その後に電極密度を高めるべくロールプレスなどにより圧縮することにより、正極をシート状に形成することができる。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などを行い、電池の作製に供することができる。
(A) Positive electrode A positive electrode is formed from the positive electrode compound material containing the positive electrode active material using the lithium silicate compound of this invention, the electrically conductive material, and the binder. Specifically, a powdered positive electrode active material and a conductive material are mixed, a binder is added thereto, and if necessary, a solvent for viscosity adjustment is further added to adjust the positive electrode mixture paste, For example, the positive electrode mixture paste is applied to the surface of a current collector made of aluminum foil, dried, and pressurized as necessary to produce a sheet-like positive electrode.
The conductive material is for ensuring the electrical conductivity of the positive electrode, and for example, a material obtained by mixing one or more carbon material powders such as carbon black, acetylene black, and graphite can be used. .
The binder plays a role of anchoring the active material particles. For example, a fluorine-containing resin such as polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, and fluorine rubber, a thermoplastic resin such as polypropylene and polyethylene, and other suitable materials. Can be used. If necessary, an organic solvent such as N-methyl-2-pyrrolidone is used as a solvent to be added to the positive electrode mixture, that is, as a solvent for dispersing the active material, conductive material, activated carbon, and dissolving the binder. it can. Activated carbon can also be added to increase the electric double layer capacity.
Such a positive electrode active material, a conductive material, and a binder are mixed, and if necessary, activated carbon and a solvent are added and kneaded to prepare a positive electrode mixture paste.
Each mixing ratio in the positive electrode mixture can also be an important factor that determines the performance of the lithium ion secondary battery. When the solid content of the positive electrode mixture is 100% by mass, the positive electrode active material is 60 to 95% by mass, the conductive material is 1 to 20% by mass, and the binder is the same as the positive electrode of a general lithium secondary battery. It is desirable to set it as 1-20 mass%.
For example, on the surface of a metal foil current collector such as aluminum, the above-mentioned positively mixed positive electrode mixture paste is applied and dried to disperse the solvent, and if necessary, a roll press to increase the electrode density thereafter The positive electrode can be formed into a sheet shape by compressing with the above. The sheet-like positive electrode can be cut into an appropriate size according to the intended battery and used for battery production.

(b)負極
負極には、金属リチウム、リチウム合金など、また、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、銅などの金属箔集電体の表面に塗布、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。
(B) Negative electrode For the negative electrode, metallic lithium, lithium alloy, or the like, and a negative electrode mixture made by mixing a binder with a negative electrode active material capable of inserting and extracting lithium ions and adding a suitable solvent to form a paste. , And applied to the surface of a current collector of a metal foil such as copper, dried, and compressed to increase the electrode density as necessary.

このとき、負極活物質として、たとえば、天然黒鉛、人造黒鉛、フェノール樹脂などの有機化合物焼成体、コークスなど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、正極と同様に、ポリフッ化ビニリデンなどの含フッ素樹脂などを、これら負極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−ピロリドンなどの有機溶剤を用いることができる。   At this time, as the negative electrode active material, for example, a fired organic compound such as natural graphite, artificial graphite, or a phenol resin, or a powdery carbon material such as coke can be used. In this case, the negative electrode binder is a fluorine-containing resin such as polyvinylidene fluoride as in the positive electrode, and the negative electrode active material and the binder are organic solvents such as N-methyl-2-pyrrolidone. A solvent can be used.

(c)セパレータ
正極と負極の間にはセパレータを挟み装填する。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、ポリプロピレンなどの薄い微多孔膜を用いることができる。
(C) Separator A separator is sandwiched and loaded 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 microporous film such as polyethylene or polypropylene can be used.

(d)非水電解質
非水電解質は、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など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など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、ジメトキシエタンなどのエーテル化合物、エチルメチルスルホン、ブタンスルトンなどの硫黄化合物、リン酸トリエチル、リン酸トリオクチルなどのリン化合物などから選ばれる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。支持塩としては、LiPF、LiBF、LiClO、LiASF、LiN(CFSOなど、およびそれらの複合塩を用いることができる。さらに、非水電解質は、ラジカル補足剤、界面活性剤や難燃剤などを含んでいてもよい。
(D) Nonaqueous electrolyte The nonaqueous 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, and phosphorus compounds such as triethyl phosphate and trioctyl phosphate are used alone or in admixture of two or more. be able to. As the supporting salt, LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , LiASF 6 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , and complex salts thereof can be used. Further, the non-aqueous electrolyte may contain a radical scavenger, a surfactant, a flame retardant, and the like.

本発明のリチウム二次電池は、以上のように構成されるが、その形状は円筒型、積層型など、種々のものとすることができる。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、正極集電体および負極集電体から外部に通ずる正極端子および負極端子までの間を、集電用リードなどを用いて接続し、この電極体に上記の非水電解質を含浸させ、電池ケースに密閉して電池を完成させる。
本発明のリチウム二次電池においては、上記のリチウムシリケート化合物を含む正極活物質を正極材料として用いた正極を備えており、2.0〜4.5Vの電位で充放電を行うことで、従来のリチウム金属複合酸化物よりも安全性がきわめて高く、さらに高容量を兼ね備えたリチウム二次電池を工業的に実現できる。
The lithium secondary battery of the present invention is configured as described above, and the shape thereof can be various, such as a cylindrical type and a stacked type. Even if any shape is adopted, the positive electrode and the negative electrode are laminated via a separator to form an electrode body, and between the positive electrode current collector and the negative electrode current collector to the positive electrode terminal and the negative electrode terminal, A current collecting lead or the like is used for connection, the electrode body is impregnated with the nonaqueous electrolyte, and the battery case is sealed to complete the battery.
In the lithium secondary battery of the present invention, a positive electrode using the positive electrode active material containing the lithium silicate compound as a positive electrode material is provided, and charging / discharging is performed at a potential of 2.0 to 4.5 V. Therefore, it is possible to industrially realize a lithium secondary battery that is extremely safer than the lithium metal composite oxide and that has a higher capacity.

以下、本発明を実施例及び比較例により更に具体的に説明するが、本発明は実施例によってのみ限定されるものではない。なお、得られたリチウムシリケート化合物の物性、これを用いて製造した電池の特性は次の要領で測定した。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example and a comparative example demonstrate this invention further more concretely, this invention is not limited only by an Example. In addition, the physical property of the obtained lithium silicate compound and the characteristic of the battery manufactured using this were measured in the following way.

(1)X線回折:
粉末X線回折装置(PANALYTICAL社製、X‘Pert PRO MRD)を用いて、得られた正極活物質について、Cu−Kα線による粉末X線回折で測定した。
(2)粒子径:
得られたリチウムシリケート化合物は、走査型電子顕微鏡(JEOL社製、JSM‐7001F)を用いて、得られたリチウムシリケート化合物を観察し一次粒子径を測定した。(3)カーボン量:
リチウムシリケート化合物の表面に形成されたカーボン量は、LECO社製炭素分析装置(CS−600)を用いて、高周波燃焼赤外吸収法で行った。なお、助燃剤として銅と鉄のチップを用いて正極活物質0.2を高周波炉内で酸素気流中にて燃焼を行い、その際にCOとなった炭素を赤外線のエネルギー量で測定した。
(4)導電性:
得られたリチウムシリケート化合物の導電率は、粉体抵抗測定システム(三菱化学アナリテック、MCP−PD51型)を用いて、サンプル3gを63.66MPaに加圧し、4探針プローブで測定した。
(1) X-ray diffraction:
Using a powder X-ray diffractometer (manufactured by PANALYTICAL, X'Pert PRO MRD), the obtained positive electrode active material was measured by powder X-ray diffraction using Cu-Kα rays.
(2) Particle size:
The obtained lithium silicate compound was subjected to observation of the obtained lithium silicate compound using a scanning electron microscope (JSMOL, JSM-7001F), and the primary particle size was measured. (3) Carbon content:
The amount of carbon formed on the surface of the lithium silicate compound was measured by a high frequency combustion infrared absorption method using a carbon analyzer (CS-600) manufactured by LECO. In addition, the positive electrode active material 0.2 was burned in an oxygen stream in a high-frequency furnace using a copper and iron chip as an auxiliary combustor, and the carbon that became CO 2 at that time was measured by the amount of infrared energy. .
(4) Conductivity:
The conductivity of the obtained lithium silicate compound was measured with a 4-probe probe using a powder resistance measurement system (Mitsubishi Chemical Analytech, MCP-PD51 type), pressurizing 3 g of sample to 63.66 MPa.

(5)電池評価
得られたリチウムシリケート化合物を10分間乳鉢にて解砕した後、導電助剤としてのアセチレンブラック/ファイバー状グラファイト、バインダとしてのPVDF、および溶媒としてのNMPとを所定比率で混合、分散処理を施すことで電極ペーストを得た。このペーストをドクターブレードにて、狙い目付け2mg/cmでAl基材上へと塗布し評価用電極を得た。なお、電極合材部は、合成サンプル/導電助剤/バインダ=80/10/10(質量%)の重量比となるよう設計した。
得られた評価用電極の電池特性は、対極としてLi金属、セパレータとしてポリオレフィン微多孔膜、電解液としてLiPFをEC/EMC/DMCの炭酸エステル系混合溶媒へと溶解させた非水電解液を用いた2032型コインセルにて評価した。
作製された2032型コインセルによる合成粉の評価は以下の通り行った。リチウムシリケート化合物の理論容量から計算される1/20Cレートにて、CC−CV充電(4.5V,3hours or1/200C cut)、CC放電(2.0Vcut)を5サイクル繰り返した際の合成サンプルの容量変化を60℃で測定した。充放電装置としては、HJ−SM8(北斗電工社製)を用いた。
(5) Battery evaluation After the obtained lithium silicate compound was crushed in a mortar for 10 minutes, acetylene black / fibrous graphite as a conductive aid, PVDF as a binder, and NMP as a solvent were mixed at a predetermined ratio. The electrode paste was obtained by performing a dispersion treatment. This paste was applied onto an Al substrate with a doctor blade with a target weight of 2 mg / cm 2 to obtain an evaluation electrode. The electrode mixture part was designed to have a weight ratio of synthetic sample / conductive aid / binder = 80/10/10 (mass%).
The battery characteristics of the obtained electrode for evaluation are as follows: Li metal as a counter electrode, polyolefin microporous membrane as a separator, and a non-aqueous electrolyte solution in which LiPF 6 is dissolved in an EC / EMC / DMC carbonate mixed solvent as an electrolyte solution. Evaluation was performed using the 2032 type coin cell used.
Evaluation of the synthetic powder by the produced 2032 type coin cell was performed as follows. Sample of synthetic sample when CC-CV charge (4.5V, 3hours or 1 / 200C cut) and CC discharge (2.0Vcut) are repeated 5 cycles at 1 / 20C rate calculated from the theoretical capacity of lithium silicate compound The change in capacity was measured at 60 ° C. As the charge / discharge device, HJ-SM8 (manufactured by Hokuto Denko) was used.

(実施例1)
まず、水溶性珪素であるプロピレングリコール修飾シラン(PGMS)を次のように作製した。テトラエトキシシラン:TEOS(関東化学株式会社製)とプロピレングリコール(関東化学株式会社製99%)をそれぞれ22.4ml、29.3ml秤量し、80℃で1時間混合した。更に混合液に塩酸(関東化学株式会社、特級)を100μl加えて室温で1時間攪拌した。この攪拌液を常温に戻し、蒸留水を加えて100mlのメスフラスコで希釈して1Mの水溶性珪素を作製した。
次に、この水溶性珪素15mlと、2M酢酸リチウム(和光純薬工業株式会社、特級)水溶液15ml及び1M酢酸マンガン(和光純薬工業株式会社、特級)水溶液15mlを混合し、更に溶液のpHを調整する目的にて塩酸(関東化学株式会社、特級)を160μl加えた多元素混合水溶液を室温で30分間攪拌し、続けて60℃で30分間攪拌した。その後、静置することでゲルを得た。
こうして得られたゲルを120℃、大気雰囲気の条件で加熱乾燥し、その後、700℃で窒素ガス雰囲気下において5時間焼成を行った。
焼成後の粉末のXRDを図1に、SEM観察結果を図2に示す。一次粒子径100nmのLiMnSiO微粒子が得られていることを確認した。カーボン量を測定すると0.9質量%のカーボンが含有されていた。さらに、前記の方法で電池を構成し、特性を評価した。これら導電率などの測定結果を表1に示す。
Example 1
First, propylene glycol modified silane (PGMS) which is water-soluble silicon was produced as follows. Tetraethoxysilane: TEOS (manufactured by Kanto Chemical Co., Ltd.) and propylene glycol (99% manufactured by Kanto Chemical Co., Ltd.) were weighed 22.4 ml and 29.3 ml, respectively, and mixed at 80 ° C. for 1 hour. Furthermore, 100 μl of hydrochloric acid (Kanto Chemical Co., Ltd., special grade) was added to the mixed solution and stirred at room temperature for 1 hour. This stirring liquid was returned to normal temperature, distilled water was added, and it diluted with the 100 ml volumetric flask, and produced 1M water-soluble silicon.
Next, 15 ml of this water-soluble silicon was mixed with 15 ml of 2M lithium acetate (Wako Pure Chemical Industries, Ltd., special grade) aqueous solution and 15 ml of 1M manganese acetate (Wako Pure Chemical Industries, Ltd., special grade) aqueous solution, and the pH of the solution was further adjusted. For the purpose of adjustment, a multi-element mixed aqueous solution to which 160 μl of hydrochloric acid (Kanto Chemical Co., Ltd., special grade) was added was stirred at room temperature for 30 minutes and then stirred at 60 ° C. for 30 minutes. Then, the gel was obtained by leaving still.
The gel thus obtained was heat-dried at 120 ° C. under atmospheric conditions, and then baked at 700 ° C. in a nitrogen gas atmosphere for 5 hours.
FIG. 1 shows the XRD of the powder after firing, and FIG. 2 shows the SEM observation results. It was confirmed that Li 2 MnSiO 4 fine particles having a primary particle diameter of 100 nm were obtained. When the amount of carbon was measured, 0.9% by mass of carbon was contained. Further, the battery was constructed by the above-described method, and the characteristics were evaluated. Table 1 shows the measurement results such as conductivity.

(実施例2)
実施例1の1M酢酸マンガン(和光純薬工業株式会社、特級)水溶液15mlを、1M酢酸マンガン(和光純薬工業株式会社、特級)水溶液13.5mlとクエン酸鉄(III)n水和物(関東化学株式会社、1級)を用いて調製した鉄水溶液(1M)1.5mlに変えた以外は実施例1と同じ手順で試料を作製し電池評価を行った。測定結果を表1に示す。
(Example 2)
15 ml of 1M manganese acetate (Wako Pure Chemical Industries, Ltd., special grade) aqueous solution of Example 1 was added to 13.5 ml of 1M manganese acetate (Wako Pure Chemical Industries, Ltd., special grade) aqueous solution and iron (III) citrate n hydrate ( A sample was prepared in the same procedure as in Example 1 except that the iron aqueous solution (1M) prepared using Kanto Chemical Co., Ltd., 1st grade was changed to 1.5 ml, and the battery was evaluated. The measurement results are shown in Table 1.

(実施例3)
実施例1の1M酢酸マンガン(和光純薬工業株式会社、特級)水溶液15mlを、1M酢酸マンガン(和光純薬工業株式会社、特級)水溶液13.5mlと酢酸コバルト(II)四水和物(関東化学株式会社、特級)を用いて調製したコバルト水溶液(1M)1.5mlに変えた以外は実施例1と同じ手順で試料を作製し電池評価を行った。測定結果を表1に示す。
Example 3
15 ml of 1M manganese acetate (Wako Pure Chemical Industries, Ltd., special grade) aqueous solution of Example 1 was mixed with 13.5 ml of 1M manganese acetate (Wako Pure Chemical Industries, Ltd., special grade) aqueous solution and cobalt (II) acetate tetrahydrate (Kanto). A sample was prepared in the same procedure as in Example 1 except that the cobalt aqueous solution (1M) prepared using Chemical Co., Ltd. was changed to 1.5 ml, and battery evaluation was performed. The measurement results are shown in Table 1.

(比較例1)
炭酸リチウム(FMC)16.9g、フュームドシリカ(Aerosil)13.8g、炭酸マンガンn水和物(和光純薬、特級)30.0gをエタノールに分散させ、遊星ボールミルで粉砕した。
粉砕後の混合物を700℃、窒素雰囲気中で焼成し試料を得た。焼成後の試料のSEM像を図3に示す。一次粒子が焼結して1000nm以上の巨大な一次粒子を形成していた。
この試料の電池評価を行った。測定結果を表1に示す。
(Comparative Example 1)
Lithium carbonate (FMC) 16.9 g, fumed silica (Aerosil) 13.8 g, manganese carbonate n hydrate (Wako Pure Chemicals, special grade) 30.0 g was dispersed in ethanol and ground with a planetary ball mill.
The pulverized mixture was fired in a nitrogen atmosphere at 700 ° C. to obtain a sample. The SEM image of the sample after baking is shown in FIG. The primary particles were sintered to form huge primary particles of 1000 nm or more.
The battery evaluation of this sample was performed. The measurement results are shown in Table 1.

(比較例2)
比較例1の焼成前の混合物にスクロース(関東化学株式会社、鹿1級)1.4gを混合した以外は比較例1と同様にして試料を得た。
焼成後の試料には約1.2%のカーボンが含有されていた。測定結果を表1に示す。
(Comparative Example 2)
A sample was obtained in the same manner as in Comparative Example 1 except that 1.4 g of sucrose (Kanto Chemical Co., Inc., deer grade 1) was mixed with the mixture before firing in Comparative Example 1.
The calcined sample contained about 1.2% carbon. The measurement results are shown in Table 1.

Figure 0006013125
Figure 0006013125

「評価」
上記結果を示す表1の実施例では、本発明の方法で、少なくともMn塩とLi塩を含む水溶液に、Si源として水溶性のPGMSを特定の金属元素比率となるように混合しているので、乾燥後、その固化物を焼成することで、リチウムシリケート化合物の表面に特定量のカーボン被膜が形成された。これにより、優れた導電性が得られリチウムイオン電池の正極活物質として使用できることが分かる。
これに対して、比較例1では、Si源として従来のフュームドシリカを用いたので、リチウムシリケート化合物の表面にカーボン被膜を形成できなかった。また、比較例2では、炭素源として、糖類のスクロースを用いたので、リチウムシリケート化合物の表面にカーボン被膜を形成できたが、電池として十分な特性が得られなかった。
"Evaluation"
In the examples of Table 1 showing the above results, water-soluble PGMS as a Si source is mixed with an aqueous solution containing at least Mn salt and Li salt so as to have a specific metal element ratio in the method of the present invention. After drying, the solidified product was baked to form a specific amount of carbon film on the surface of the lithium silicate compound. Thereby, it turns out that the outstanding electroconductivity is obtained and it can use as a positive electrode active material of a lithium ion battery.
On the other hand, in Comparative Example 1, since conventional fumed silica was used as the Si source, a carbon film could not be formed on the surface of the lithium silicate compound. In Comparative Example 2, since saccharide sucrose was used as the carbon source, a carbon film could be formed on the surface of the lithium silicate compound, but sufficient characteristics as a battery could not be obtained.

本発明のリチウムシリケート化合物は、リチウムイオン電池の正極活物質として用いることができ、リチウムイオン電池は、携帯電話、ノート型パソコン、その他IT機器などの小型電池だけでなく、ハイブリッド自動車(HEV)用、プラグインハイブリッド自動車(PHEV)、電気自動車(EV)用、電力平準化用、電力貯蔵用などの産業用の大型電池としても利用でき、その工業的価値は極めて大きい。   The lithium silicate compound of the present invention can be used as a positive electrode active material of a lithium ion battery. The lithium ion battery is not only used for small batteries such as mobile phones, notebook computers, and other IT devices, but also for hybrid vehicles (HEV). It can also be used as a large battery for industrial use such as plug-in hybrid vehicles (PHEV), electric vehicles (EV), power leveling, and power storage, and its industrial value is extremely high.

Claims (7)

Mn塩とLi塩の水溶液に、Si源として水溶性珪素化合物の溶液を金属元素比率(Li:Mn:Si)が1.8〜2.2:0.9〜1.1:0.9〜1.1となるように混合した後、得られた金属塩の水溶液或いは水分散体を乾燥し、引き続き、不活性雰囲気あるいは還元性雰囲気で加熱処理して、表面にカーボン被膜が形成されたリチウムシリケート化合物を合成し、
前記Si源の水溶性珪素化合物が、プロピレングリコール修飾シラン(PGMS)、ポリエチレングリコール修飾シラン(PEGMS)、およびグリセリン修飾シラン(GMS)から選ばれる1種以上である、
ことを特徴とするリチウムシリケート化合物の製造方法。
A solution of a water-soluble silicon compound as a Si source in an aqueous solution of Mn salt and Li salt has a metal element ratio (Li: Mn: Si) of 1.8 to 2.2: 0.9 to 1.1: 0.9 to After mixing to 1.1, the obtained metal salt aqueous solution or aqueous dispersion was dried, and subsequently heat-treated in an inert or reducing atmosphere to form a lithium film with a carbon film formed on the surface. Synthesize silicate compounds,
The water-soluble silicon compound of the Si source is at least one selected from propylene glycol modified silane (PGMS), polyethylene glycol modified silane (PEGMS), and glycerin modified silane (GMS).
A method for producing a lithium silicate compound characterized by the above.
前記金属塩の水溶液或いは水分散体のpHを6以下に調整することを特徴とする請求項1に記載のリチウムシリケート化合物の製造方法。   The method for producing a lithium silicate compound according to claim 1, wherein the pH of the aqueous solution or dispersion of the metal salt is adjusted to 6 or less. 前記混合液に、さらにFe塩、Co塩、Ca塩、Zn塩、またはMg塩から選ばれる1種以上の水溶液を混合し溶解させることを特徴とする請求項1に記載のリチウムシリケート化合物の製造方法。   2. The lithium silicate compound according to claim 1, wherein at least one aqueous solution selected from an Fe salt, a Co salt, a Ca salt, a Zn salt, or an Mg salt is further mixed and dissolved in the mixed solution. Method. 前記乾燥処理が、予め前記水溶液或いは水分散体をゲル状態とした上で行われることを特徴とする請求項1に記載のリチウムシリケート化合物の製造方法。   2. The method for producing a lithium silicate compound according to claim 1, wherein the drying treatment is performed in advance after the aqueous solution or water dispersion is in a gel state. 前記加熱処理が、窒素、または水素のいずれか一種以上を含む雰囲気中、500〜900℃の温度で1〜24時間行われることを特徴とする請求項1に記載のリチウムシリケート化合物の製造方法。   2. The method for producing a lithium silicate compound according to claim 1, wherein the heat treatment is performed at a temperature of 500 to 900 ° C. for 1 to 24 hours in an atmosphere containing at least one of nitrogen and hydrogen. 表面にカーボン被膜が形成され、一次粒子径が1000nm以下、カーボン担持量が0.5〜2.0質量%であり、かつ、導電率(63.66MPa加圧時の粉体抵抗測定)が1.0×10−7S/cm以上であるリチウムシリケート化合物を得ることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載のリチウムシリケート化合物の製造方法A carbon film is formed on the surface, the primary particle diameter is 1000 nm or less, the amount of carbon supported is 0.5 to 2.0 mass%, and the conductivity (powder resistance measurement at 63.66 MPa pressurization) is 1. The method for producing a lithium silicate compound according to claim 1 , wherein the lithium silicate compound is 0.0 × 10 −7 S / cm or more. 請求項1〜6のいずれかに記載の製造方法により製造されたリチウムシリケート化合物を正極活物質として用いることを特徴とするリチウムイオン電池の製造方法
Method of manufacturing a lithium-ion battery, characterized in Rukoto using lithium silicate compound produced by the production method according to any one of claims 1 to 6 as a positive electrode active material.
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