JP6613952B2 - Positive electrode active material, and positive electrode and lithium ion secondary battery using the same - Google Patents
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Description
本発明は、正極活物質、及びそれを用いた正極ならびにリチウムイオン二次電池に関する。 The present invention relates to a positive electrode active material, a positive electrode using the same, and a lithium ion secondary battery.
近年、環境・エネルギー問題の解決へ向けて、種々の電気自動車の普及が期待されている。これら電気自動車の実用化の鍵を握るモータ駆動用電源などの車載電源として、リチウムイオン二次電池の開発が鋭意行われている。しかしながら、車載電源としてリチウムイオン電池を広く普及するためには高容量化だけではなく、繰り返し充放電することによる電池の劣化抑制と高速充放電の実現は強く望まれている。 In recent years, various electric vehicles are expected to be widely used for solving environmental and energy problems. As an in-vehicle power source such as a motor driving power source that holds the key to practical application of these electric vehicles, lithium ion secondary batteries have been intensively developed. However, in order to widely disseminate lithium ion batteries as in-vehicle power supplies, it is strongly desired not only to increase the capacity, but also to realize battery deterioration suppression and high-speed charge / discharge by repeated charge / discharge.
リチウムイオン二次電池の正極活物質として、空間群R−3mに帰属される結晶構造を有するコバルト酸リチウム等のリチウム含有金属酸化物が使用されている。しかしコバルトは希少な資源であるため生産コストが高くなる。このため、近年では安価な正極活物質としてニッケルとマンガンとを含有するリチウム含有ニッケル−マンガン酸化物を用いることがある。しかし、従来のコバルト酸リチウムと比較して初回の充放電効率の低下やサイクル特性の低下等の問題があった。 As a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery, a lithium-containing metal oxide such as lithium cobaltate having a crystal structure belonging to the space group R-3m is used. However, since cobalt is a scarce resource, production costs increase. For this reason, in recent years, lithium-containing nickel-manganese oxide containing nickel and manganese is sometimes used as an inexpensive positive electrode active material. However, there have been problems such as a decrease in initial charge / discharge efficiency and a decrease in cycle characteristics as compared with conventional lithium cobalt oxide.
このサイクル特性を改善するために、ZrO2、MgO、Al2O3等の酸化物で正極活物質の表面を被覆することが提案されている(例えば非特許文献1)。しかしながら、被覆前に比べサイクル劣化の抑制はされているが十分とは言えない。また、正極活物質の表面に酸化物を被覆するという手段では、単位体積あたりの正極活物質量が減るため、単位体積あたりの容量を失うことになる。 In order to improve this cycle characteristic, it has been proposed to coat the surface of the positive electrode active material with an oxide such as ZrO 2 , MgO, Al 2 O 3 (for example, Non-Patent Document 1). However, although cycle deterioration is suppressed as compared with that before coating, it cannot be said to be sufficient. Further, in the means of coating the surface of the positive electrode active material with an oxide, the amount of the positive electrode active material per unit volume is reduced, so that the capacity per unit volume is lost.
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、単位体積あたりの容量の損失をすることなく繰り返し充放電による容量劣化の抑制を可能にし、さらに初回充放電効率が優れる正極活物質、及びそれを用いてなる電極ならびにリチウムイオン二次電池を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, enables positive electrode active materials that can suppress capacity deterioration due to repeated charge and discharge without loss of capacity per unit volume, and further have excellent initial charge and discharge efficiency, and It aims at providing the electrode and lithium ion secondary battery which use it.
上記目的を達成するために、本発明に係る正極活物質は、一般式:(Lix−yCoy)Co1−y−zMzO2(式中0.8≦x≦1.2、0.01≦y≦0.1、0.0≦z≦0.99、Mは、Li、Al、Ni及びMnからなる群より選択される少なくとも1種以上の金属元素である)で表される層状岩塩型構造の正極活物質であり、且つ一次粒子の一部にLipCo3−pO4(式中0.1≦p<1.0)が存在することを特徴とする正極活物質が存在することを特徴とする。 In order to achieve the above object, the positive electrode active material according to the present invention has a general formula: (Li xy Co y ) Co 1-yz MzO 2 (where 0.8 ≦ x ≦ 1.2, 0 .01 ≦ y ≦ 0.1, 0.0 ≦ z ≦ 0.99, and M is at least one metal element selected from the group consisting of Li, Al, Ni and Mn) A positive electrode active material having a layered rock salt structure, wherein Li p Co 3 -p O 4 (where 0.1 ≦ p <1.0) is present in a part of primary particles Is present.
本発明に係る正極活物質によれば、サイクル時の容量低下を抑えることができる。メカニズムの詳細は明確ではないが、充電時にLiが脱離し構造の不安定化の要因となる空のLiサイトにLiとイオン半径が近いCo+2が入ること、その一部は、より構造が安定な立方晶であるLipCo3−pO4になることで繰り返し充放電による結晶構造の劣化が抑制されたと考えられる。 According to the positive electrode active material according to the present invention, it is possible to suppress a decrease in capacity during cycling. Details of the mechanism are not clear, but Li is desorbed at the time of charging, and Co +2 having an ionic radius close to that of Li enters an empty Li site that causes destabilization of the structure. A part of the structure is more stable. It is considered that the deterioration of the crystal structure due to repeated charge and discharge was suppressed by becoming Li p Co 3-p O 4 which is a simple cubic crystal.
本発明に係る正極活物質は、前記LipCo3−pO4の平均価数が2.0〜2.9にて存在することを特徴とする。 The positive electrode active material according to the present invention is characterized in that the average valence of the Li p Co 3 -p O 4 is 2.0 to 2.9.
前記LipCo3−pO4のCoの平均価数が2.0〜2.9であることでサイクル時の容量低下の抑制のみならず初回充放電効率が向上する。それは一般的なCoを含む層状岩塩構造の正極活物質におけるCoの平均価数が通常3価であるが、LipCo3−pO4が平均価数2.0〜2.9で正極活物質内に存在することにより、正極活物質内に存在するCoの平均価数を下げることができる。それにより、充放電過程における変化可能な価数領域が大きくなり、正極活物質からよりいっそうLiの脱離挿入が容易になる。したがって放電過程において脱離したLiを効率よく正極活物質内に再挿入することができる。Ni+2もLiサイトに入ることは可能だが、NiO相となり電気化学的に不活性であるため容量の劣化に繋がる。そのためLiサイトにはCoのみ置換されることが望ましく、Coだけが広域X線微細構造のk^3・χ(k)のフーリエ変換において、3オングストローム(Å)付近に第3ピーク強度が現れる。その結果、サイクル時の容量低下の抑制のみならず初回充放電効率が向上したと推察される。 The Li p Co 3-p O average valence of Co in the 4 initial charge-discharge efficiency not only suppression of reduction capacity during the cycle is improved by a 2.0 to 2.9. In the cathode active material having a layered rock salt structure containing general Co, the average valence of Co is usually trivalent, but Li p Co 3-p O 4 has an average valence of 2.0 to 2.9 and the positive electrode active By being present in the material, the average valence of Co existing in the positive electrode active material can be lowered. Thereby, the changeable valence region in the charging / discharging process is increased, and Li can be more easily desorbed and inserted from the positive electrode active material. Therefore, Li desorbed in the discharge process can be efficiently reinserted into the positive electrode active material. Ni +2 can also enter the Li site, but becomes NiO phase and is electrochemically inactive, leading to capacity degradation. Therefore, it is desirable to replace only Co at the Li site, and the third peak intensity appears in the vicinity of 3 angstroms (Å) in the Fourier transform of k ^ 3 · χ (k) where only Co is a wide X-ray fine structure. As a result, it is presumed that not only the capacity decrease during the cycle was suppressed, but also the initial charge / discharge efficiency was improved.
本発明によれば、サイクル時の容量低下を抑制することが可能な正極活物質と、それを用いてなる電極ならびにリチウムイオン二次電池を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the positive electrode active material which can suppress the capacity | capacitance fall at the time of a cycle, an electrode using the same, and a lithium ion secondary battery can be provided.
以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明する。以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれる。さらに以下に記載した構成要素は、適宜組み合わせることができる。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The components described below include those that can be easily assumed by those skilled in the art and those that are substantially the same. Furthermore, the constituent elements described below can be appropriately combined.
(正極活物質)
以下、本発明の一実施形態として正極活物質、電極、リチウムイオン二次電池について説明する。なお、本発明は、下記の実施形態に限定されるものではない。
(Positive electrode active material)
Hereinafter, a positive electrode active material, an electrode, and a lithium ion secondary battery will be described as one embodiment of the present invention. In addition, this invention is not limited to the following embodiment.
本実施形態の正極活物質は、 (Lix−yCoy)Co1−y−zMzO2(式中0.8≦x≦1.2、0.01≦y≦0.1、0.0≦z≦0.99、Mは、Li、Al、Ni及びMnからなる群より選択される少なくとも1種以上の金属元素である)で表される層状岩塩型構造の正極活物質であり、一次粒子の一部にLipCo3−pO4が存在することを特徴とする。 The positive electrode active material of this embodiment is (Li xy Co y ) Co 1-yz M z O 2 (where 0.8 ≦ x ≦ 1.2, 0.01 ≦ y ≦ 0.1, 0.0 ≦ z ≦ 0.99, where M is at least one metal element selected from the group consisting of Li, Al, Ni, and Mn). And Li p Co 3 -p O 4 is present in a part of the primary particles.
LipCo3−pO4の割合は粉末X線回折のデータからリートベルト解析をすることで容易に確認することができる。 The ratio of Li p Co 3 -p O 4 can be easily confirmed by conducting a Rietveld analysis from powder X-ray diffraction data.
前記LipCo3−pO4中のCoの平均価数が2.0〜2.9にて存在することを特徴とする。これにより正極活物質全体の平均Co価数が下がり、充放電時のCoの価数変化の幅が広がることでサイクル時の容量低下の抑制のみならず、初回充放電効率をも向上させることができる。 The average valence number of Co in the Li p Co 3 -p O 4 is 2.0 to 2.9. As a result, the average Co valence of the whole positive electrode active material is lowered, and the width of the Co valence change during charging and discharging is widened, so that not only the capacity reduction during cycling but also the initial charging and discharging efficiency can be improved. it can.
正極活物質中のCoの平均価数が3価以下に低下していることはX線吸収分光法でCoのK吸収端近傍のXANES(Xray Absorption Near Edge Structure)を測定し、同一条件で測定したLiCoO2のXANESに比べCoのK吸収端が低エネルギー側に存在していることを確認することで容易に判断ができる。 The fact that the average valence of Co in the positive electrode active material has decreased to 3 or less is measured under the same conditions by measuring XANES (Xray Absorption Near Edge Structure) near the K absorption edge of Co by X-ray absorption spectroscopy. Judgment can be easily made by confirming that the K absorption edge of Co exists on the low energy side as compared with XANES of LiCoO 2 .
正極活物質のLiサイトにはCoのみが置換されているためCoの広域X線吸収微細構造(EXAFS)のk^3・χ(k)のフーリエ変換において3オングストローム(Å)付近にピークを有することが好ましい。 Since only Li is substituted at the Li site of the positive electrode active material, it has a peak in the vicinity of 3 angstroms (Å) in the Fourier transform of k ^ 3 · χ (k) of the Co wide X-ray absorption fine structure (EXAFS) It is preferable.
より好ましくは、前記正極活物質は、Coの広域X線微細構造のk^3・χ(k)のフーリエ変換において、3オングストローム(Å)付近に現れる第3ピーク強度が第2ピークの10%以上70%以下であり、かつ遷移金属Mの広域X線微細構造のk^3・χ(k)のフーリエ変換の第3ピーク強度が第2ピーク強度の10%以下である。
More preferably, in the positive electrode active material, the third peak intensity appearing in the vicinity of 3 angstroms (Å) is 10% of the second peak in the Fourier transform of k ^ 3 · χ (k) of the Co wide X-ray fine structure. The third peak intensity of the Fourier transform of
かかる構成によればさらにサイクル時の容量低下を抑えることができる。 According to such a configuration, it is possible to further suppress a decrease in capacity during the cycle.
また、正極活物質はその表面に炭素を付着しても良い。 The positive electrode active material may have carbon attached to the surface.
(正極活物質の製造方法)
以下では、本発明の実施形態に係る正極活物質の製造方法について説明する。本実施形態に係る正極活物質の製造方法によれば、上述した本実施形態に係る正極活物質を形成することができる。
(Method for producing positive electrode active material)
Below, the manufacturing method of the positive electrode active material which concerns on embodiment of this invention is demonstrated. According to the method for producing a positive electrode active material according to the present embodiment, the positive electrode active material according to the present embodiment described above can be formed.
本発明に係る正極活物質はCoを含む層状岩塩型構造を有する正極活物質Aに対し、正極活物質AからLiを引抜き、Li欠損を形成する工程と、Li欠損を均一に拡散するための焼成工程と、Li欠損が拡散した構造を維持するための急冷工程と、Li欠損部分にCoを入れLipCo3−pO4を形成する工程を得ることで本発明に係る正極活物質を製造することができる。ただし、正極活物質を製造方法する方法は後述する方法に限定されるものではない。 The positive electrode active material according to the present invention includes a step of extracting Li from the positive electrode active material A to form a Li deficiency with respect to the positive electrode active material A having a layered rock salt structure containing Co, and for uniformly diffusing the Li deficiency. The positive electrode active material according to the present invention is obtained by obtaining a firing step, a rapid cooling step for maintaining a structure in which Li deficiency is diffused, and a step of forming Li p Co 3-p O 4 by adding Co to the Li deficient portion. Can be manufactured. However, the method for producing the positive electrode active material is not limited to the method described later.
正極活物質AはCoを含み、結晶構造が層状岩塩型構造であれば良い。 The positive electrode active material A may contain Co and the crystal structure may be a layered rock salt type structure.
Li欠損は、正極活物質Aを酸性水溶液に浸漬することで形成することができる。酸性水溶液に特に限定は無いが塩酸、硝酸、硫酸が好ましい。酸の濃度と浸漬時間を調整することでLi欠損量を調整することができ、Li欠損量が20%未満の範囲内で調整する。あらかじめLi量を調整した活物質Aを合成しても良いが、十分に積層欠陥や転位が無い状態であることが望ましい。 Li deficiency can be formed by immersing the positive electrode active material A in an acidic aqueous solution. Although there is no limitation in particular in acidic aqueous solution, hydrochloric acid, nitric acid, and a sulfuric acid are preferable. The amount of Li deficiency can be adjusted by adjusting the acid concentration and the immersion time, and the amount of Li deficiency is adjusted within a range of less than 20%. Although the active material A in which the amount of Li is adjusted in advance may be synthesized, it is desirable that the active material A is sufficiently free from stacking faults and dislocations.
Li欠損を正極活物質Aの一次粒子内で均一に拡散するために400℃〜500℃の範囲で不活性雰囲気もしくは真空中で焼成する。焼成によりLi欠損が拡散されるとともに、格子定数を広げることができる。表面近傍にLipCo3−pO4を多く形成する場合は焼成時間を短くすればよい。表面にLipCo3−pO4を多く形成することで電解液との反応を軽減することができる。 In order to uniformly diffuse Li vacancies in the primary particles of the positive electrode active material A, firing is performed in an inert atmosphere or vacuum in the range of 400 ° C to 500 ° C. Li deficiency is diffused by firing, and the lattice constant can be increased. If you often form Li p Co 3-p O 4 in the vicinity of the surface it may be shorter firing time. It is possible to reduce the reaction with the electrolyte solution by forming a lot of Li p Co 3-p O 4 on the surface.
格子定数が広がった状態を維持するために、焼成工程後に急冷する。急冷方法に特に限定は無いが、液体窒素や液体ヘリウムなど低温の液体に投入すればよい。なかでも液体窒素への投入が好ましい。 In order to maintain a state in which the lattice constant is widened, rapid cooling is performed after the firing step. There is no particular limitation on the rapid cooling method, but it may be put into a low-temperature liquid such as liquid nitrogen or liquid helium. Of these, the use of liquid nitrogen is preferable.
CoをLi欠損サイトに入れLipCo3−pO4を形成するために400℃〜800℃の範囲で大気雰囲気下で焼成するが昇温レートは早い方が良く30℃/s以上が好ましい。昇温レートが短いことでCoを優先的にLi欠損サイトに入れることができる。高温状態を10分〜60分維持し、その後350℃の大気環境で10時間以上加熱する。LipCo3−pO4の量は焼成温度と昇温レートを調整し適宜調整すればよい。 In order to insert Co into the Li deficient site and form Li p Co 3 -p O 4 , firing is performed in an air atmosphere in the range of 400 ° C. to 800 ° C., but a higher temperature rising rate is preferable and 30 ° C./s or higher is preferable. . Since the temperature rising rate is short, Co can be preferentially introduced into the Li deficient site. A high temperature state is maintained for 10 to 60 minutes, and then heated in an atmospheric environment at 350 ° C. for 10 hours or more. The amount of Li p Co 3-p O 4 may be appropriately adjusted by adjusting the firing temperature and the temperature rising rate.
以上の工程により正極活物質を製造することができる。 The positive electrode active material can be manufactured through the above steps.
前記正極活物質を用いて正極を製造する。以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明する。以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれる。さらに以下に記載した構成要素は、適宜組み合わせることができる。 A positive electrode is manufactured using the positive electrode active material. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The components described below include those that can be easily assumed by those skilled in the art and those that are substantially the same. Furthermore, the constituent elements described below can be appropriately combined.
(正極)
図2は、正極10の断面構造を示している。正極10は、板状(膜状)の正極集電体12と、正極集電体12上に形成された正極活物質層14とを有している。
(Positive electrode)
FIG. 2 shows a cross-sectional structure of the
(正極活物質層)
正極活物質層14は、正極活物質、導電助剤としての炭素、バインダーから主に構成されるものである。
(Positive electrode active material layer)
The positive electrode
(導電助剤)
導電助剤としての炭素は、カーボンブラック類、黒鉛類、カーボンナノチューブ(CNT)、気相成長炭素繊維(VGCF)などが挙げられる。カーボンブラック類としてはアセチレンブラック、オイルファーネス、ケッチェンブラック、などがある。またカーボンブラック類および黒鉛類、カーボンナノチューブ(CNT)、気相成長炭素繊維(VGCF)など含む1種類以上の炭素を含むことがより好ましい。
(Conductive aid)
Examples of carbon as the conductive assistant include carbon blacks, graphites, carbon nanotubes (CNT), and vapor grown carbon fibers (VGCF). Carbon blacks include acetylene black, oil furnace, and ketjen black. It is more preferable to include one or more kinds of carbon including carbon blacks and graphites, carbon nanotubes (CNT), vapor grown carbon fibers (VGCF) and the like.
また導電助剤は、レート特性を向上させるという観点から炭素の一次粒子径が10nm〜50nmかつ比表面積が500〜1500m2/gのものが、活物質と分散性よく混合できるため好ましい。もちろん上記の数値に特に制限されるわけではない。 In addition, from the viewpoint of improving rate characteristics, a conductive auxiliary agent having a primary carbon particle diameter of 10 nm to 50 nm and a specific surface area of 500 to 1500 m 2 / g is preferable because it can be mixed with the active material with good dispersibility. Of course, the above numerical values are not particularly limited.
(バインダー)
バインダーとしてはポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ビニリデンフルオライド−ヘキサフルオロプロピレン系フッ素ゴム(VDF−HFP系フッ素ゴム)、ビニリデンフルオライド−ヘキサフルオロプロピレン−テトラフルオロエチレン系フッ素ゴム(VDF−HFP−TFE系フッ素ゴム)、芳香族ポリアミド、セルロース、スチレン・ブタジエンゴム、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、エチレン・プロピレンゴム等を用いてもよい。また、スチレン・ブタジエン・スチレンブロック共重合体、その水素添加物、スチレン・エチレン・ブタジエン・スチレン共重合体、スチレン・イソプレン・スチレンブロック共重合体、その水素添加物等の熱可塑性エラストマー状高分子を用いてもよい。更に、シンジオタクチック1、2−ポリブタジエン、エチレン・酢酸ビニル共重合体、プロピレン・α−オレフィン(炭素数2〜12)共重合体等を用いてもよい。電極密度を高くするという観点からバインダーとして用いられる高分子の比重は1.2g/cm3より大きいことが好ましい。また電極密度を高くし、且つ接着力を高める点から重量平均分子量が70万以上であることが好ましい。
(binder)
As the binder, polyvinylidene fluoride (PVDF), vinylidene fluoride-hexafluoropropylene-based fluororubber (VDF-HFP-based fluororubber), vinylidene fluoride-hexafluoropropylene-tetrafluoroethylene-based fluororubber (VDF-HFP-TFE-based) Fluorine rubber), aromatic polyamide, cellulose, styrene / butadiene rubber, isoprene rubber, butadiene rubber, ethylene / propylene rubber, and the like may be used. Also, thermoplastic elastomeric polymers such as styrene / butadiene / styrene block copolymers, hydrogenated products thereof, styrene / ethylene / butadiene / styrene copolymers, styrene / isoprene / styrene block copolymers, and hydrogenated products thereof. May be used. Further, syndiotactic 1,2-polybutadiene, ethylene / vinyl acetate copolymer, propylene / α-olefin (
正極活物質層14に含まれるバインダーの含有率は、活物質層の質量を基準として4〜10質量%であることが好ましい。バインダーの含有率が4質量%未満となると、バインダーの量が少なすぎて強固な活物質層を形成できなくなる可能性が大きくなる。また、バインダーの含有率が10質量%を超えると、電気容量に寄与しないバインダーの量が多くなり、十分な体積エネルギー密度を得ることが困難となる可能性が大きくなる。また、この場合、特にバインダーの電子伝導性が低いと活物質層の電気抵抗が上昇し、十分な電気容量が得られなくなる可能性が大きくなる。
It is preferable that the content rate of the binder contained in the positive electrode
(正極集電体)
正極集電体12は、導電性の板材であればよく、例えば、アルミニウム、SUS箔の金属薄板を用いることができる。
(Positive electrode current collector)
The positive electrode
次に、上述した正極を備えるリチウム二次電池の構成を説明する。 Next, the configuration of the lithium secondary battery including the positive electrode described above will be described.
(リチウムイオン二次電池)
本実施形態におけるリチウムイオン二次電池の構成例を図1に示す。リチウムイオン二次電池は、リチウムを吸蔵放出可能な正極、負極およびセパレータより構成される。正極、負極、およびセパレータは容器に封入されており、電解質が含浸された状態で充電および放電がおこなわれる。リチウムイオン二次電池100は、主として、積層体30、積層体30を密閉した状態で収容する容器50、及び積層体30に接続された一対のリード60,62を備えている。
(Lithium ion secondary battery)
A configuration example of the lithium ion secondary battery in this embodiment is shown in FIG. A lithium ion secondary battery includes a positive electrode, a negative electrode, and a separator that can occlude and release lithium. The positive electrode, the negative electrode, and the separator are sealed in a container, and charging and discharging are performed in a state where the electrolyte is impregnated. The lithium ion
積層体30は、一対の正極10、負極20がセパレータ18を挟んで対向配置されたものである。正極10は、正極集電体12上に正極活物質層14が設けられたものであり、負極20は、負極集電体22上に負極活物質層24が設けられたものである。また、正極活物質層14及び負極活物質層24は、セパレータ18の両側にそれぞれ接触している。さらに正極集電体12及び負極集電体22の端部には、それぞれリード60,62が接続されており、リード60,62の端部は容器50の外部にまで延びている。
The
(負極)
負極20は、板状の負極集電体22と、負極集電体22上に形成された負極活物質層24を備える。負極集電体22、バインダー、導電助剤は、それぞれ、正極と同様のものを使用できる。負極活物質層としてLi箔を用いることができる。または、公知の電池用の負極活物質を使用することができる。負極活物質としては、例えば、リチウムイオンを吸蔵・放出(インターカレート・デインターカレート、或いはドーピング・脱ドーピング)可能な黒鉛、難黒鉛化炭素、易黒鉛化炭素、低温度焼成炭素等の炭素材料、Al、Si、Sn等のリチウムと化合することのできる金属、SiO、SiO2、SnO2等の酸化物を主体とする非晶質の化合物、または、酸化ケイ素とケイ素との複合体、チタン酸リチウム(Li4Ti5O12)等を含む粒子が挙げられる。中でも不可逆容量などの点から黒鉛を用いることが好ましい。
(Negative electrode)
The
(電解質)
電解質は、正極活物質層14、負極活物質層24、及び、セパレータ18の内部に含浸させるものである。電解質としては、特に限定されず、例えば、本実施形態では、リチウム塩を含む電解液(電解質水溶液、有機溶媒を使用する電解質溶液)を使用することができる。ただし、電解液は電気化学的に分解電圧が低いことにより、充電時の耐用電圧が低く制限されるので、有機溶媒を使用する電解液(非水電解液)であることが好ましい。電解液としては、リチウム塩を非水溶媒(有機溶媒)に溶解したものが好適に使用される。リチウム塩としては、例えば、LiPF6、LiClO4、LiBF4、LiAsF6、LiCF3SO3、LiCF3、CF2SO3、LiC(CF3SO2)3、LiN(CF3SO2)2、LiN(CF3CF2SO2)2、LiN(CF3SO2)(C4F9SO2)、LiN(CF3CF2CO)2、LiBOB等の塩が使用できる。なお、これらの塩は1種を単独で使用してもよく、2種以上を併用してもよい。
(Electrolytes)
The electrolyte is impregnated into the positive electrode
また、有機溶媒としては、環状カーボネートと鎖状カーボネートの混合物を用いることができる。環状カーボネートとしてプロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、フルオロエチレンカーボネート、鎖状カーボネートとしてジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、メチルエチルカーボネート等が好ましく挙げられる。これらは単独で使用してもよく、2種以上を任意の割合で混合して使用してもよい。 As the organic solvent, a mixture of a cyclic carbonate and a chain carbonate can be used. Preferred examples of the cyclic carbonate include propylene carbonate, ethylene carbonate, fluoroethylene carbonate, and examples of the chain carbonate include diethyl carbonate, dimethyl carbonate, and methyl ethyl carbonate. These may be used alone or in combination of two or more at any ratio.
なお、本実施形態において、電解質は液状以外にゲル化剤を添加することにより得られるゲル状電解質であってもよい。また、電解液に代えて、固体電解質(固体高分子電解質又はイオン伝導性無機材料からなる電解質)が含有されていてもよい。 In the present embodiment, the electrolyte may be a gel electrolyte obtained by adding a gelling agent in addition to liquid. Moreover, it may replace with electrolyte solution and the solid electrolyte (electrolyte which consists of a solid polymer electrolyte or an ion conductive inorganic material) may contain.
(セパレータ)
セパレータ18は、電気絶縁性の多孔体であり、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン又はポリオレフィンからなるフィルムの単層体、積層体や上記樹脂の混合物の延伸膜、或いは、セルロース、ポリエステル及びポリプロピレンからなる群より選択される少なくとも1種の構成材料からなる繊維不織布が挙げられる。
(Separator)
The
(容器)
容器50は、その内部に積層体30及び電解液を密封するものである。容器50は、電解液の外部への漏出や、外部からの電気化学デバイス100内部への水分等の侵入等を抑止できるものであれば特に限定されない。例えば、容器50として、図1に示すように、金属箔を高分子膜で両側からコーティングした金属ラミネートフィルムを利用できる。容器50は外装体とも呼ばれる。また、金属ラミネートフィルムを外装体に用いるとレート放電特性に優れたリチウムイオン二次電池が得られる。その理由は定かでないが、電極にリチウムイオンが挿入される際に電極は膨張または収縮する。金属ラミネートフィルムは電極の膨張および収縮に追従し、リチウムイオンの移動を阻害しないため、レート放電特性に優れるものと推測される。金属箔としては例えばアルミ箔を、高分子膜としてはポリプロピレン等の膜を利用できる。例えば、外側の高分子膜の材料としては融点の高い高分子例えばポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリアミド等が好ましく、内側の高分子膜の材料としてはポリエチレン、ポリプロピレン等が好ましい。
(container)
The
(リード)
リード60,62は、アルミニウム等の導電材料から形成されている。
(Lead)
The leads 60 and 62 are made of a conductive material such as aluminum.
次に、本実施形態の正極およびリチウムイオン二次電池における製造方法について説明する。 Next, a manufacturing method in the positive electrode and the lithium ion secondary battery of the present embodiment will be described.
(正極の製造方法)
本実施形態にかかる電極の製造方法は、複合化工程とスラリー作製工程、電極塗布工程、および圧延工程とを備える。
(Production method of positive electrode)
The electrode manufacturing method according to the present embodiment includes a composite process, a slurry preparation process, an electrode application process, and a rolling process.
(スラリー作製工程)
次に、正極活物質と導電助剤からなる複合化粒子にバインダー及びそれらの種類に応じた溶媒、例えばPVDFの場合はN−メチル−2−ピロリドン、N,N−ジメチルホルムアミド等の溶媒を混合しスラリーを作製する。
(Slurry production process)
Next, the composite particles composed of the positive electrode active material and the conductive additive are mixed with a binder and a solvent corresponding to the type thereof, for example, a solvent such as N-methyl-2-pyrrolidone or N, N-dimethylformamide in the case of PVDF. A slurry is prepared.
(電極作製工程)
そのスラリーを、ドクターブレード、スロットダイ、ノズル、グラビアロールなどの公知の方法の中から適宜選択し塗布を行う。塗布の量やライン速度の調整により正極担持量を調整することができる。スラリーの塗布の後は、乾燥を行い、溶媒を揮発させる。
(Electrode production process)
The slurry is appropriately selected from known methods such as a doctor blade, a slot die, a nozzle, a gravure roll, and coating is performed. The amount of positive electrode supported can be adjusted by adjusting the amount of coating and the line speed. After applying the slurry, drying is performed to volatilize the solvent.
(圧延工程)
最後にロールプレスにより圧延を行い正極が完成する。このとき、ロールを加熱しバインダーを柔らかくすることにより、より高い電極密度を得ることができる。ロールの温度は100℃〜200℃の範囲が好ましい。
(Rolling process)
Finally, rolling is performed by a roll press to complete the positive electrode. At this time, a higher electrode density can be obtained by heating the roll and softening the binder. The roll temperature is preferably in the range of 100 ° C to 200 ° C.
(負極の製造方法)
負極は、正極と同様にスラリー作製工程、電極塗布工程、および圧延工程により作製することができる。なお各工程は、正極と同様の条件にて作製可能である。また、集電箔にLi箔を圧着したものを負極とすることもできる。
(Method for producing negative electrode)
The negative electrode can be produced by a slurry production process, an electrode application process, and a rolling process in the same manner as the positive electrode. Each process can be manufactured under the same conditions as the positive electrode. In addition, a negative electrode can be obtained by press-bonding a Li foil to a current collector foil.
このようにして得られた正極及び負極の間にセパレータを挟んだ状態で、電解液と共に容器50内に挿入し、容器50の入り口をシールすればリチウムイオン二次電池が完成する。
A lithium ion secondary battery is completed by inserting the separator between the positive electrode and the negative electrode thus obtained together with the electrolytic solution into the
なお、引き出しのための電極として、リード60、62を正極集電体12、負極集電体22にそれぞれ溶接しておくことにより、図1のようなリチウムイオン二次電池が完成する。
1 is completed by welding the
以下、実施例及び比較例に基づいて本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated more concretely based on an Example and a comparative example, this invention is not limited to a following example.
(実施例1)
LiCo1/3Mn1/3Ni1/3O2を10g秤量し2%濃度の硝酸水溶液50mlに10時間浸漬した。これによりLiCo1/3Mn1/3Ni1/3O2からLiが抜け、ICP−AESによる組成分析からLi0.85Co1/3Mn1/3Ni1/3O2になっていることを確認した。この粉末を100℃で5時間真空乾燥後、400℃でAr雰囲気環境の電気炉を使用し6時間焼成を行った。焼成後、液体窒素中に投入しクエンチを行った。その後、昇温レート35℃/minで400℃まで上げ大気雰囲気において20分焼成し、その後350℃まで温度を下げて10時間焼成した。
焼成によりLi0.85Co1/3Mn1/3Ni1/3O2の空いたLiサイトにCoが入り、一部LipCo3−pO4になった。
Example 1
10 g of LiCo 1/3 Mn 1/3 Ni 1/3 O 2 was weighed and immersed in 50 ml of 2% nitric acid aqueous solution for 10 hours. As a result, Li is removed from LiCo 1/3 Mn 1/3 Ni 1/3 O 2 , and Li 0.85 Co 1/3 Mn 1/3 Ni 1/3 O 2 is obtained from the composition analysis by ICP-AES. It was confirmed. This powder was vacuum-dried at 100 ° C. for 5 hours and then fired at 400 ° C. for 6 hours using an electric furnace in an Ar atmosphere environment. After calcination, quenching was performed by pouring into liquid nitrogen. Thereafter, the temperature was raised to 400 ° C. at a temperature rising rate of 35 ° C./min, and firing was performed in an air atmosphere for 20 minutes.
By firing, Co entered the vacant Li site of Li 0.85 Co 1/3 Mn 1/3 Ni 1/3 O 2 and partially became Li p Co 3 -p O 4 .
Liサイト(3bサイト)に存在するCo量とLipCo3−pO4の定量は粉末X線回折測定を行い、リートベルト解析から算出した。このときLipCo3−pO4についてはCo3O4の8bサイトのCoをLiに0.5置換したモデルLi0.5Co2.5O4と仮定しリートベルト解析を行った。解析結果からLipCo3−pO4が31wt%存在することを確認した。 The amount of Co present at the Li site (3b site) and the quantification of Li p Co 3 -p O 4 were calculated from Rietveld analysis by powder X-ray diffraction measurement. At this time, Li p Co 3 -p O 4 was subjected to Rietveld analysis assuming that the Li at the 8b site of Co 3 O 4 was model Li 0.5 Co 2.5 O 4 with 0.5 substituted for Li. From the analysis results, it was confirmed that 31 wt% of Li p Co 3-p O 4 was present.
また、X線吸収分光測定を行い、広域X線微細構造のk^3・χ(k)のフーリエ変換においてCoは3Å付近に第3ピークが現れ、かつMn,Niの広域X線微細構造のk^3・χ(k)のフーリエ変換の第3ピーク強度が第2ピーク強度の10%以下であることを確認した。また、CoのK吸収端近傍のXANESからLiCo1/3Mn1/3Ni1/3O2よりも低エネルギー側にシフトしCo平均価数が低下していることを確認した。CoO、LiCoO2それぞれの価数とCoのK吸収端の値の線形関係から本実施例の算出されたCoの価数は2.7であった。 Also, X-ray absorption spectroscopy measurement was performed, and in the Fourier transform of k ^ 3 · χ (k) of the wide-area X-ray microstructure, Co had a third peak in the vicinity of 3Å, and the wide-area X-ray microstructure of Mn and Ni It was confirmed that the third peak intensity of the Fourier transform of k ^ 3 · χ (k) was 10% or less of the second peak intensity. Further, it was confirmed that XANES near the K absorption edge of Co shifted to a lower energy side than LiCo 1/3 Mn 1/3 Ni 1/3 O 2 and the Co average valence decreased. From the linear relationship between the valence of each of CoO and LiCoO 2 and the value of the K absorption edge of Co, the valence of Co calculated in this example was 2.7.
また、Coの広域X線吸収微細構造(EXAFS)のk^3・χ(k)のフーリエ変換を図3に示す。図3中の矢印に示すようにCoの広域X線吸収微細構造(EXAFS)のk^3・χ(k)のフーリエ変換において3オングストローム(Å)付近にピークを有することを確認した。一方、Ni,Mnの広域X線吸収微細構造(EXAFS)のk^3・χ(k)のフーリエ変換ではピークがないことを確認した。 FIG. 3 shows the Fourier transform of k ^ 3 · χ (k) of the Co wide-area X-ray absorption fine structure (EXAFS). As indicated by the arrows in FIG. 3, it was confirmed that there was a peak in the vicinity of 3 Å (Å) in the k ^ 3 · χ (k) Fourier transform of the Co wide-area X-ray absorption fine structure (EXAFS). On the other hand, it was confirmed that there was no peak in the Fourier transform of k ^ 3 · χ (k) of the wide X-ray absorption fine structure (EXAFS) of Ni and Mn.
次に、電池特性評価用のセルは以下の通り作製した。
焼成によって得られた正極活物質と導電助剤としてケッチェンブラック、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)を重量比で正極活物質:ケッチェンブラック:PVDF=90:5:5となるように混合した。そして、溶媒であるN−メチル−2−ピロリドン(NMP)を加えてスラリーを調製した後、固練りを1時間行った。その後NMPを追加して粘度を5000mPa・sに調整した。ドクターブレード法により集電体であるアルミニウム箔上に塗布し、100℃で10分間乾燥を行った。その後100℃に加熱したロールプレスにより線圧2tcm−1で圧延をおこない、正極を作製した。正極の正極活物質担持量は12mg/cm2となるように調整した。負極はLi箔をCu集電体に圧着させることで作製した。正極と負極の間にポリエチレン微多孔膜からなるセパレータを挟んで積層し、積層体(電池素体)を得た。この積層体を、外装体となるアルミラミネートパック(アルミニウム箔の2つの主面にポリプロピレン(PP)とポリエチレンテレフタラート(PET)とをそれぞれ被覆した積層シートの袋体)に入れた。電解液はエチレンカーボネート(EC)、ジエチルカーボネート(DEC)を体積比3:7で混合し、支持塩としてLiPF6を1.5mol/Lになるよう溶解した。積層体を入れたアルミラミネートパックに、上記電解液を注入した後、真空シールし、実施例1の電池特性評価用セルを作製した。
Next, the cell for battery characteristic evaluation was produced as follows.
The positive electrode active material obtained by firing and ketjen black and polyvinylidene fluoride (PVDF) as a conductive auxiliary were mixed in a weight ratio such that the positive electrode active material: Ketjen black: PVDF = 90: 5: 5. Then, N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) as a solvent was added to prepare a slurry, and then kneading was performed for 1 hour. Thereafter, NMP was added to adjust the viscosity to 5000 mPa · s. It apply | coated on the aluminum foil which is a collector with the doctor blade method, and dried for 10 minutes at 100 degreeC. Thereafter, rolling was performed at a linear pressure of 2 tcm −1 by a roll press heated to 100 ° C. to produce a positive electrode. The amount of positive electrode active material supported on the positive electrode was adjusted to 12 mg / cm 2 . The negative electrode was prepared by pressure bonding Li foil to a Cu current collector. A separator made of a polyethylene microporous membrane was sandwiched between the positive electrode and the negative electrode to obtain a laminate (battery element). This laminated body was put into an aluminum laminated pack (a laminated sheet bag body in which two main surfaces of an aluminum foil were coated with polypropylene (PP) and polyethylene terephthalate (PET), respectively). As the electrolytic solution, ethylene carbonate (EC) and diethyl carbonate (DEC) were mixed at a volume ratio of 3: 7, and LiPF 6 was dissolved as a supporting salt so as to be 1.5 mol / L. The above electrolyte was poured into an aluminum laminate pack containing the laminate, and then vacuum-sealed to produce a battery characteristic evaluation cell of Example 1.
(実施例2)
LiCo1/3Mn1/3Ni1/3O2を10g秤量し1%濃度の硝酸水溶液50mlに10時間浸漬した。ICP−AESによる組成分析からLi0.93Co1/3Mn1/3Ni1/3O2になっていることを確認した。その他については、実施例1と同様の工程で正極活物質を得た。
また、実施例1と同じ条件で3bサイトのCo量とLipCo3−pO4の定量を行った。X線吸収分光測定を行い、広域X線微細構造のk^3・χ(k)のフーリエ変換においてCoは3Å付近に第3ピークが現れ、かつMn,Niの広域X線微細構造のk^3・χ(k)のフーリエ変換の第3ピーク強度が第2ピーク強度の10%以下であることを確認した。
さらに、CoのK吸収端近傍のXANESからLiCo1/3Mn1/3Ni1/3O2よりも低エネルギー側にシフトしCo平均価数が低下していることを確認した。そして、実施例1と同様の算出法でCoの価数を評価し、その結果を表1に示す。また、この正極活物質を用いたリチウムイオン二次電池は、実施例1と同条件で電池評価用セルとして作製した。
(Example 2)
10 g of LiCo 1/3 Mn 1/3 Ni 1/3 O 2 was weighed and immersed in 50 ml of 1% nitric acid aqueous solution for 10 hours. From composition analysis by ICP-AES, it was confirmed that Li 0.93 Co 1/3 Mn 1/3 Ni 1/3 O 2 was obtained. About others, the positive electrode active material was obtained in the same process as Example 1.
Moreover, it was Co amount and quantification of Li p Co 3-p O 4 and 3b-site under the same conditions as in Example 1. X-ray absorption spectroscopy measurement was performed, and in the Fourier transform of k ^ 3 · χ (k) of the wide-area X-ray microstructure, Co has a third peak near 3Å, and k ^ of the wide-area X-ray microstructure of Mn and Ni. It was confirmed that the third peak intensity of Fourier transform of 3 · χ (k) was 10% or less of the second peak intensity.
Further, it was confirmed that XANES near the K absorption edge of Co shifted to a lower energy side than LiCo 1/3 Mn 1/3 Ni 1/3 O 2 and the Co average valence decreased. The Co valence was evaluated by the same calculation method as in Example 1, and the results are shown in Table 1. Moreover, the lithium ion secondary battery using this positive electrode active material was produced as a battery evaluation cell under the same conditions as in Example 1.
(実施例3)
LiCo1/3Mn1/3Ni1/3O2を10g秤量し0.5%濃度の硝酸水溶液50mlに10時間浸漬した。ICP−AESによる組成分析からLi0.96Co1/3Mn1/3Ni1/3O2になっていることを確認した。実施例1と同様の工程で正極活物質を得た。
また、実施例1と同じ条件で3bサイトのCo量とLipCo3−pO4の定量を行った。X線吸収分光測定を行い、広域X線微細構造のk^3・χ(k)のフーリエ変換においてCoは3Å付近に第3ピークが現れ、かつMn,Niの広域X線微細構造のk^3・χ(k)のフーリエ変換の第3ピーク強度が第2ピーク強度の10%以下であることを確認した。
さらに、CoのK吸収端近傍のXANESからLiCo1/3Mn1/3Ni1/3O2よりも低エネルギー側にシフトしCo平均価数が低下していることを確認した。そして、実施例1に記載した算出法で同様にCoの価数を評価し、その結果を表1に示す。また、この正極活物質を用いたリチウムイオン二次電池は、実施例1と同条件で電池評価用セルとして作製した。
(Example 3)
10 g of LiCo 1/3 Mn 1/3 Ni 1/3 O 2 was weighed and immersed in 50 ml of 0.5% nitric acid aqueous solution for 10 hours. It was confirmed from composition analysis by ICP-AES that Li 0.96 Co 1/3 Mn 1/3 Ni 1/3 O 2 . A positive electrode active material was obtained in the same process as in Example 1.
Moreover, it was Co amount and quantification of Li p Co 3-p O 4 and 3b-site under the same conditions as in Example 1. X-ray absorption spectroscopy measurement was performed, and in the Fourier transform of k ^ 3 · χ (k) of the wide-area X-ray microstructure, Co has a third peak near 3Å, and k ^ of the wide-area X-ray microstructure of Mn and Ni. It was confirmed that the third peak intensity of Fourier transform of 3 · χ (k) was 10% or less of the second peak intensity.
Further, it was confirmed that XANES near the K absorption edge of Co shifted to a lower energy side than LiCo 1/3 Mn 1/3 Ni 1/3 O 2 and the Co average valence decreased. And the valence of Co was similarly evaluated by the calculation method described in Example 1, and the results are shown in Table 1. Moreover, the lithium ion secondary battery using this positive electrode active material was produced as a battery evaluation cell under the same conditions as in Example 1.
(実施例4)
実施例1と同様の工程でクエンチまで行い、450℃で1時間焼成を行った。それ以外は実施例1と同様の工程で正極活物質を得た。
また、実施例1と同じ条件で3bサイトのCo量とLipCo3−pO4の定量を行った。X線吸収分光測定を行い、広域X線微細構造のk^3・χ(k)のフーリエ変換においてCoは3Å付近に第3ピークが現れ、かつMn,Niの広域X線微細構造のk^3・χ(k)のフーリエ変換の第3ピーク強度が第2ピーク強度の10%以下であることを確認した。
さらに、CoのK吸収端近傍のXANESからLiCo1/3Mn1/3Ni1/3O2よりも低エネルギー側にシフトしCo平均価数が低下していることを確認した。そして、実施例1に記載した算出法で同様にCoの価数を評価しその結果を表1に示す。また、この正極活物質を用いたリチウムイオン二次電池は、実施例1と同条件で電池評価用セルを作製した。
Example 4
It carried out to quenching by the same process as Example 1, and baked at 450 degreeC for 1 hour. Otherwise, a positive electrode active material was obtained in the same process as in Example 1.
Moreover, it was Co amount and quantification of Li p Co 3-p O 4 and 3b-site under the same conditions as in Example 1. X-ray absorption spectroscopy measurement was performed, and in the Fourier transform of k ^ 3 · χ (k) of the wide-area X-ray microstructure, Co has a third peak near 3Å, and k ^ of the wide-area X-ray microstructure of Mn and Ni. It was confirmed that the third peak intensity of Fourier transform of 3 · χ (k) was 10% or less of the second peak intensity.
Further, it was confirmed that XANES near the K absorption edge of Co shifted to a lower energy side than LiCo 1/3 Mn 1/3 Ni 1/3 O 2 and the Co average valence decreased. And the valence of Co was similarly evaluated by the calculation method described in Example 1, and the results are shown in Table 1. Moreover, the lithium ion secondary battery using this positive electrode active material produced the cell for battery evaluation on the same conditions as Example 1. FIG.
(実施例5)
実施例1と同様の工程でクエンチまで行い、500℃で1時間焼成を行った。それ以外は実施例1と同様の工程で正極活物質を得た。
また、実施例1と同じ条件で3bサイトのCo量とLipCo3−pO4の定量を行った。X線吸収分光測定を行い、広域X線微細構造のk^3・χ(k)のフーリエ変換においてCoは3Å付近に第3ピークが現れ、かつMn,Niの広域X線微細構造のk^3・χ(k)のフーリエ変換の第3ピーク強度が第2ピーク強度の10%以下であることを確認した。
さらに、CoのK吸収端近傍のXANESからLiCo1/3Mn1/3Ni1/3O2よりも低エネルギー側にシフトしCo平均価数が低下していることを確認した。そして、実施例1に記載した算出法で同様にCoの価数を評価しその結果を表1に示す。また、この正極活物質を用いたリチウムイオン二次電池は、実施例1と同条件で電池評価用セルを作製した。
(Example 5)
It carried out to quenching by the same process as Example 1, and baked at 500 degreeC for 1 hour. Otherwise, a positive electrode active material was obtained in the same process as in Example 1.
Moreover, it was Co amount and quantification of Li p Co 3-p O 4 and 3b-site under the same conditions as in Example 1. X-ray absorption spectroscopy measurement was performed, and in the Fourier transform of k ^ 3 · χ (k) of the wide-area X-ray microstructure, Co has a third peak near 3Å, and k ^ of the wide-area X-ray microstructure of Mn and Ni. It was confirmed that the third peak intensity of Fourier transform of 3 · χ (k) was 10% or less of the second peak intensity.
Further, it was confirmed that XANES near the K absorption edge of Co shifted to a lower energy side than LiCo 1/3 Mn 1/3 Ni 1/3 O 2 and the Co average valence decreased. And the valence of Co was similarly evaluated by the calculation method described in Example 1, and the results are shown in Table 1. Moreover, the lithium ion secondary battery using this positive electrode active material produced the cell for battery evaluation on the same conditions as Example 1. FIG.
(実施例6)
実施例2と同様の工程でクエンチまで行い、450℃で1時間焼成を行った。それ以外は実施例2と同様の工程で正極活物質を得た。
また、実施例1と同じ条件で3bサイトのCo量とLipCo3−pO4の定量を行った。X線吸収分光測定を行い、広域X線微細構造のk^3・χ(k)のフーリエ変換においてCoは3Å付近に第3ピークが現れ、かつMn,Niの広域X線微細構造のk^3・χ(k)のフーリエ変換の第3ピーク強度が第2ピーク強度の10%以下であることを確認した。
さらに、CoのK吸収端近傍のXANESからLiCo1/3Mn1/3Ni1/3O2よりも低エネルギー側にシフトしCo平均価数が低下していることを確認した。そして、実施例1に記載した算出法で同様にCoの価数を評価しその結果を表1に示す。また、この正極活物質を用いたリチウムイオン二次電池は、実施例1と同条件で電池評価用セルを作製した。
(Example 6)
It carried out to quenching in the same process as Example 2, and baked at 450 degreeC for 1 hour. Otherwise, a positive electrode active material was obtained in the same steps as in Example 2.
Moreover, it was Co amount and quantification of Li p Co 3-p O 4 and 3b-site under the same conditions as in Example 1. X-ray absorption spectroscopy measurement was performed, and in the Fourier transform of k ^ 3 · χ (k) of the wide-area X-ray microstructure, Co has a third peak near 3Å, and k ^ of the wide-area X-ray microstructure of Mn and Ni. It was confirmed that the third peak intensity of Fourier transform of 3 · χ (k) was 10% or less of the second peak intensity.
Further, it was confirmed that XANES near the K absorption edge of Co shifted to a lower energy side than LiCo 1/3 Mn 1/3 Ni 1/3 O 2 and the Co average valence decreased. And the valence of Co was similarly evaluated by the calculation method described in Example 1, and the results are shown in Table 1. Moreover, the lithium ion secondary battery using this positive electrode active material produced the cell for battery evaluation on the same conditions as Example 1. FIG.
(実施例7)
実施例2と同様の工程でクエンチまで行い、500℃で1時間焼成を行った。それ以外は実施例2と同様の工程で正極活物質を得た。
また、実施例1と同じ条件で3bサイトのCo量とLipCo3−pO4の定量を行った。X線吸収分光測定を行い、広域X線微細構造のk^3・χ(k)のフーリエ変換においてCoは3Å付近に第3ピークが現れ、かつMn,Niの広域X線微細構造のk^3・χ(k)のフーリエ変換の第3ピーク強度が第2ピーク強度の10%以下であることを確認した。
さらに、CoのK吸収端近傍のXANESからLiCo1/3Mn1/3Ni1/3O2よりも低エネルギー側にシフトしCo平均価数が低下していることを確認した。そして、実施例1に記載した算出法で同様にCoの価数を評価しその結果を表1に示す。また、この正極活物質を用いたリチウムイオン二次電池は、実施例1と同条件で電池評価用セルを作製した。
(Example 7)
It carried out to quenching in the same process as Example 2, and baked at 500 degreeC for 1 hour. Otherwise, a positive electrode active material was obtained in the same steps as in Example 2.
Moreover, it was Co amount and quantification of Li p Co 3-p O 4 and 3b-site under the same conditions as in Example 1. X-ray absorption spectroscopy measurement was performed, and in the Fourier transform of k ^ 3 · χ (k) of the wide-area X-ray microstructure, Co has a third peak near 3Å, and k ^ of the wide-area X-ray microstructure of Mn and Ni. It was confirmed that the third peak intensity of Fourier transform of 3 · χ (k) was 10% or less of the second peak intensity.
Further, it was confirmed that XANES near the K absorption edge of Co shifted to a lower energy side than LiCo 1/3 Mn 1/3 Ni 1/3 O 2 and the Co average valence decreased. And the valence of Co was similarly evaluated by the calculation method described in Example 1, and the results are shown in Table 1. Moreover, the lithium ion secondary battery using this positive electrode active material produced the cell for battery evaluation on the same conditions as Example 1. FIG.
(比較例1)
硝酸に浸漬する過程を除いた以外は、すべて実施例1と同じとした。X線吸収分光測定を行い、広域X線微細構造のk^3・χ(k)のフーリエ変換はMn,Co,Niともに3Å付近に第3ピークは確認できなかった。実施例1と同様にCoの価数を評価した。結果は表1に示す。
(Comparative Example 1)
Except for the step of immersing in nitric acid, everything was the same as Example 1. X-ray absorption spectroscopy measurement was performed, and the third peak was not confirmed in the vicinity of 3 mm in Mn, Co, and Ni in the Fourier transform of k ^ 3 · χ (k) of the wide-area X-ray fine structure. Co valence was evaluated in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 1.
(電池評価方法)
実施例1〜7、比較例1の評価セルを0.1Cレート(25℃で定電流放電を行ったときに10時間で放電終了となる電流値)で4.3Vまで定電流定電圧充電、2.8Vまで定電流放電を1サイクルおこない初回充放電効率を求めた。その後、1Cレートで50サイクル行い容量の維持率を求めた(表中では50サイクル後維持率の項目に記載。)。このように初回充放電効率とサイクル後の容量の維持率の電池評価として、実施例1〜7、比較例1での結果を表1に示す。なお、表中のLi組成とは、硝酸でLiを欠損させて作製したLinCo1/3Mn1/3Ni1/3O2のnの値を示している。
The evaluation cells of Examples 1 to 7 and Comparative Example 1 were charged at a constant current constant voltage up to 4.3 V at a 0.1 C rate (current value at which discharge was completed in 10 hours when constant current discharge was performed at 25 ° C.), The first charge / discharge efficiency was determined by performing one cycle of constant current discharge up to 2.8V. Thereafter, 50 cycles were performed at the 1C rate, and the capacity maintenance rate was determined (in the table, described in the item of maintenance rate after 50 cycles). As described above, Table 1 shows the results of Examples 1 to 7 and Comparative Example 1 as the battery evaluation of the initial charge / discharge efficiency and the capacity retention rate after the cycle. Note that the Li composition in the table shows the value of n of Li n Co 1/3 Mn 1/3 Ni 1/3
表1において、実施例1〜7においては、比較例1よりも50サイクル後の容量保持率が特に高く、且つ初回充放電効率が高い結果を示し、Liサイトに存在するCo及びLiCo1/3Mn1/3Ni1/3O2の一部をLipCo3−pO4に置換した効果がみられる。 In Table 1, in Examples 1-7, the capacity | capacitance retention after 50 cycles is comparatively high compared with the comparative example 1, and the result of the initial charge / discharge efficiency is high, and Co and LiCo 1/3 present at the Li site are shown. The effect of substituting a part of Mn 1/3 Ni 1/3 O 2 with Li p Co 3-p O 4 is observed.
(実施例8〜14)
LiCo1/3Mn1/3Ni1/3O2をLi(Li0.2Ni0.17Co0.07Mn0.56)O2に変え、それ以外は、実施例8〜14はそれぞれ実施例1〜7に対応し、それぞれ対応した実施例と同じ条件で正極活物質を作製した。
その正極活物質に対し、リートベルト解析においてはLiサイト中のCo置換量を算出する際、22°付近に現れるピークを除外したことを除けば、同様の手順で評価した。
さらにX線吸収分光測定を行い、広域X線微細構造のk^3・χ(k)のフーリエ変換においてCoは3Å付近に第3ピークが現れ、かつMn,Niの広域X線微細構造のk^3・χ(k)のフーリエ変換の第3ピーク強度が第2ピーク強度の10%以下であることを確認した。また、CoのK吸収端近傍のXANESからLi(Li0.2Ni0.17Co0.07Mn0.56)O2よりも低エネルギー側にシフトしCo平均価数が低下していることを確認した。Coの平均価数についても算出し電池特性と共に表2に示す。電池特性の評価方法は上述した実施例1のものと同じである。
(Examples 8 to 14)
LiCo changed 1/3 Mn 1/3 Ni 1/3 O 2 in Li (Li 0.2 Ni 0.17 Co 0.07 Mn 0.56)
In the Rietveld analysis, the positive electrode active material was evaluated in the same procedure except that the peak appearing in the vicinity of 22 ° was excluded when calculating the amount of Co substitution in the Li site.
Further, X-ray absorption spectroscopy measurement was performed, and in the Fourier transform of k ^ 3 · χ (k) of the wide X-ray microstructure, Co has a third peak in the vicinity of 3Å, and k of the wide X-ray microstructure of Mn and Ni. It was confirmed that the third peak intensity of the Fourier transform of ^ 3 · χ (k) was 10% or less of the second peak intensity. In addition, the average valence of Co is reduced by shifting from XANES near the K absorption edge of Co to a lower energy side than Li (Li 0.2 Ni 0.17 Co 0.07 Mn 0.56 ) O 2 . It was confirmed. The average valence of Co is also calculated and shown in Table 2 together with the battery characteristics. The evaluation method of the battery characteristics is the same as that in Example 1 described above.
(比較例2)
正極活物質としてLi(Li0.2Ni0.17Co0.07Mn0.56)O2を用いた以外は、すべて比較例1と同じとし正極活物質を作製した。X線吸収分光測定を行い、広域X線微細構造のk^3・χ(k)のフーリエ変換はMn,Co,Niともに3Å付近に第3ピークは確認できなかった。実施例1と同様にCoの価数を評価した結果3.0であった。
(Comparative Example 2)
A positive electrode active material was prepared in the same manner as in Comparative Example 1 except that Li (Li 0.2 Ni 0.17 Co 0.07 Mn 0.56 ) O 2 was used as the positive electrode active material. X-ray absorption spectroscopy measurement was performed, and the third peak was not confirmed in the vicinity of 3 mm in Mn, Co, and Ni in the Fourier transform of k ^ 3 · χ (k) of the wide-area X-ray fine structure. As a result of evaluating the valence of Co in the same manner as in Example 1, it was 3.0.
表2において、実施例8〜14においては、比較例2よりも50サイクル後の容量維持率が高く、且つ初回充放電効率が高い結果を示した。Mn比率が高く、且つ層状岩塩構造ではあるが空間群がC2/mであるLi(Li0.2Ni0.17Co0.07Mn0.56)O2でも一部をLipCo3−pO4に置換することができ、その効果がみられる。 In Table 2, in Examples 8-14, the capacity retention rate after 50 cycles was higher than that of Comparative Example 2, and the results of high initial charge / discharge efficiency were shown. Even in Li (Li 0.2 Ni 0.17 Co 0.07 Mn 0.56 ) O 2 having a high Mn ratio and a layered rock salt structure but a space group of C2 / m, a part thereof is Li p Co 3− p O 4 can be substituted, and the effect is seen.
(実施例15〜21)
LiCo1/3Mn1/3Ni1/3O2をLiCoO2に変え、それ以外は、実施例15〜21はそれぞれ実施例1〜7に対応し、それぞれ対応した実施例と同じ条件で正極活物質を作製した。
さらにX線吸収分光測定を行い、広域X線微細構造のk^3・χ(k)のフーリエ変換においてCoは3Å付近に第3ピークが現れた。
また、CoのK吸収端近傍のXANESからLiCoO2よりも低エネルギー側にシフトしCo平均価数が低下していることを確認した。Coの平均価数についても算出し電池特性と共に表3に示す。電池特性の評価方法は上述した実施例1のものと同じである。
(Examples 15 to 21)
LiCo 1/3 Mn 1/3 Ni 1/3 O 2 is changed to LiCoO 2 , and other than that, Examples 15 to 21 correspond to Examples 1 to 7, respectively. An active material was prepared.
Further, X-ray absorption spectroscopy measurement was performed, and in the Fourier transform of k ^ 3 · χ (k) of the wide-area X-ray fine structure, a third peak of Co appeared in the vicinity of 3Å.
It was also confirmed that XANES near the K absorption edge of Co shifted to a lower energy side than LiCoO 2 and the Co average valence decreased. The average valence of Co is also calculated and shown in Table 3 together with the battery characteristics. The evaluation method of the battery characteristics is the same as that in Example 1 described above.
(比較例3)
正極活物質としてLiCoO2用いた以外は、すべて比較例1と同じとした。X線吸収分光測定を行い、広域X線微細構造のk^3・χ(k)のフーリエ変換は3Å付近に第3ピークは確認できなかった。
(Comparative Example 3)
All were the same as Comparative Example 1 except that LiCoO 2 was used as the positive electrode active material. X-ray absorption spectroscopy measurement was performed, and the third peak was not confirmed in the vicinity of 3Å in the Fourier transform of k ^ 3 · χ (k) of the wide-area X-ray fine structure.
表3において、実施例15〜21においては、比較例3よりも50サイクル後の容量維持率が高く、且つ初回充放電効率が高い結果を示し、LiCoO2の一部をLipCo3−pO4に置換した効果がみられる。 In Table 3, in Examples 15 to 21, higher capacity retention rate after 50 cycles than Comparative Example 3, and shows the initial charge and discharge efficiency is high results, a part of LiCoO 2 Li p Co 3-p The effect of substitution with O 4 is observed.
(比較例4)
LiNiO2を実施例1と同様の方法で作製し、評価を行った。粉末X線回折測定から結晶性の劣化がみられるとともに、電池特性が発現しなかった。Coが入っていない正極材料では効果がみられない。
(Comparative Example 4)
LiNiO 2 was produced in the same manner as in Example 1 and evaluated. From the powder X-ray diffraction measurement, crystallinity was deteriorated and battery characteristics were not exhibited. No effect is seen with a positive electrode material that does not contain Co.
(比較例5)
LiCo1/3Mn1/3Ni1/3O2とCo3O4を重量比9:1で秤量したものを乳鉢で混合し、大気環境の電気炉を使用し400℃で6時間焼成を行い正極活物質を得た。それをもちいて実施例1と同様に電池セルを作製し評価した。
(Comparative Example 5)
LiCo 1/3 Mn 1/3 Ni 1/3 O 2 and Co 3 O 4 weighed in a weight ratio of 9: 1 were mixed in a mortar and fired at 400 ° C. for 6 hours using an electric furnace in the atmospheric environment. A positive electrode active material was obtained. Using this, a battery cell was produced and evaluated in the same manner as in Example 1.
(比較例6)
Li(Li0.2Ni0.17Co0.07Mn0.56)O2とCo3O4を重量比9:1で秤量したものを乳鉢で混合し、大気環境の電気炉を使用し400℃で6時間焼成を行い正極活物質を得た。それをもちいて実施例1と同様に電池セルを作製し評価した。
(Comparative Example 6)
Li (Li 0.2 Ni 0.17 Co 0.07 Mn 0.56 ) O 2 and Co 3 O 4 weighed at a weight ratio of 9: 1 were mixed in a mortar, and an electric furnace in an atmospheric environment was used. Firing was performed at 400 ° C. for 6 hours to obtain a positive electrode active material. Using this, a battery cell was produced and evaluated in the same manner as in Example 1.
(比較例7)
LiCoO2とCo3O4を重量比9:1で秤量したものを乳鉢で混合し、大気環境の電気炉を使用し400℃で6時間焼成を行い正極活物質を得た。それをもちいて実施例1と同様に電池セルを作製し評価した。
(Comparative Example 7)
What weighed LiCoO 2 and Co 3 O 4 at a weight ratio of 9: 1 was mixed in a mortar and fired at 400 ° C. for 6 hours using an electric furnace in an atmospheric environment to obtain a positive electrode active material. Using this, a battery cell was produced and evaluated in the same manner as in Example 1.
Co3O4と混合によって50サイクル後の維持率は若干向上するが、初回充放電効率に変化はない。つまり混合するだけでは効果は発現されなかった。 Although the retention after 50 cycles is slightly improved by mixing with Co 3 O 4 , there is no change in the initial charge / discharge efficiency. That is, the effect was not expressed only by mixing.
10・・・正極,20・・・負極、12・・・正極集電体、14・・・正極活物質層、18・・・セパレータ、22・・・負極集電体、24・・・負極活物質層、30・・・積層体、50・・・容器、60,62・・・リード、100・・・リチウムイオン二次電池。
DESCRIPTION OF
Claims (6)
A positive electrode having the positive electrode active material according to any one of claims 1 to 4, a negative electrode having a negative electrode active material, a separator interposed between the positive electrode and the negative electrode, and a non-aqueous electrolyte. A lithium ion secondary battery provided.
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