JP7067858B2 - Lithium-ion secondary battery and positive electrode active material for the lithium-ion secondary battery - Google Patents

Lithium-ion secondary battery and positive electrode active material for the lithium-ion secondary battery Download PDF

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Description

本発明は、リチウムイオン二次電池と、その正極に用いられる正極活物質に関する。 The present invention relates to a lithium ion secondary battery and a positive electrode active material used for the positive electrode thereof.

リチウムイオン二次電池、ニッケル水素電池等の二次電池は、近年、パソコンや携帯端末等のいわゆるポータブル電源や車両駆動用電源として好ましく用いられている。特に、軽量で高エネルギー密度が得られるリチウムイオン二次電池は、電気自動車、ハイブリッド自動車等の車両に搭載して用いられる高出力電源(例えば、車両の駆動輪に連結されたモータを駆動させる電源)として重要性が高まっている。 In recent years, secondary batteries such as lithium ion secondary batteries and nickel-metal hydride batteries have been preferably used as so-called portable power sources for personal computers and mobile terminals and power sources for driving vehicles. In particular, lithium-ion secondary batteries, which are lightweight and have high energy density, are high-output power supplies used in vehicles such as electric vehicles and hybrid vehicles (for example, power supplies that drive motors connected to the drive wheels of vehicles). ) Is becoming more important.

このようなリチウムイオン二次電池の正極は、導電性を有する箔体である正極集電体の表面に、粒状の正極活物質を含む正極活物質層が塗工されることにより形成される。このリチウムイオン二次電池用正極活物質(以下、単に「正極活物質」ともいう)としては、リチウムイオンを吸蔵および放出可能な材料であって、リチウム元素と一種または二種以上の遷移金属元素とを含むリチウム含有化合物(例えばリチウム遷移金属複合酸化物)が用いられている。かかるリチウム遷移金属複合酸化物としては、例えば、リチウムニッケル複合酸化物(例えばLiNiO)、リチウムコバルト複合酸化物(例えばLiCoO)、リチウムマンガン複合酸化物(例えばLiMn)、あるいはリチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物(例えばLiNi1/3Co1/3Mn1/3)のような三元系リチウム含有複合酸化物などが挙げられる。 The positive electrode of such a lithium ion secondary battery is formed by coating the surface of a positive electrode current collector, which is a foil body having conductivity, with a positive electrode active material layer containing granular positive electrode active materials. The positive electrode active material for a lithium ion secondary battery (hereinafter, also simply referred to as “positive electrode active material”) is a material capable of storing and releasing lithium ions, and is a lithium element and one or more kinds of transition metal elements. Lithium-containing compounds containing and (eg, lithium transition metal composite oxides) are used. Examples of the lithium transition metal composite oxide include a lithium nickel composite oxide (for example, LiNiO 2 ), a lithium cobalt composite oxide (for example, LiCoO 2 ), a lithium manganese composite oxide (for example, LiMn 2 O 4 ), or lithium nickel. Examples thereof include a ternary lithium-containing composite oxide such as a cobalt-manganese composite oxide (for example, LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 ).

また、この正極活物質には、種々の電池性能を向上させるために、上記した主体となる金属元素の他にイットリウム(Y)、ジルコニウム(Zr)などが添加されている。 Further, in order to improve various battery performances, yttrium (Y), zirconium (Zr) and the like are added to the positive electrode active material in addition to the above-mentioned main metal elements.

例えば、非特許文献1には、電池抵抗の低減やサイクル耐久性の向上のために、正極活物質にYを添加して、リチウム遷移金属複合酸化物の結晶格子内にYを存在させる技術が開示されている。また、特許文献1には、サイクル耐久性向上のためにリチウムニッケル複合酸化物にZrを含有させる技術が開示されている。 For example, Non-Patent Document 1 describes a technique in which Y is added to a positive electrode active material to allow Y to exist in the crystal lattice of a lithium transition metal composite oxide in order to reduce battery resistance and improve cycle durability. It has been disclosed. Further, Patent Document 1 discloses a technique for containing Zr in a lithium nickel composite oxide in order to improve cycle durability.

また、特許文献2には、充電状態における熱安定性と、高い放電容量とを両立させるために、リチウムニッケル複合酸化物のNiサイトを、3価元素で酸素との結合力の強いアルミニウム(Al)と、ZrおよびYから選ばれる1種以上の元素で一定の比率で置換する技術が開示されている。 Further, in Patent Document 2, in order to achieve both thermal stability in a charged state and high discharge capacity, Nisite, which is a lithium nickel composite oxide, is a trivalent element and has a strong binding force with oxygen (Al). ), And a technique for substituting one or more elements selected from Zr and Y at a constant ratio is disclosed.

さらに、特許文献3、4には、リチウム遷移金属複合酸化物の表面にYを含む化合物を形成する技術が開示されている。具体的には、特許文献3にはYやLiYOによって表面が覆われたリチウムコバルト複合酸化物を正極活物質として使用する技術が開示されており、特許文献4にはリチウム遷移金属複合酸化物の表面にY等の希土類元素の水酸化物やオキシ水酸化物を固着させる技術が開示されている。なお、特許文献4には、電池性能を低下させる好ましくない例として、Zrの水酸化物や酸化物をリチウム遷移金属複合酸化物の表面に固着させた正極活物質が開示されている。 Further, Patent Documents 3 and 4 disclose a technique for forming a compound containing Y on the surface of a lithium transition metal composite oxide. Specifically, Patent Document 3 discloses a technique of using a lithium cobalt composite oxide whose surface is covered with Y 2 O 3 or Li 2 YO 3 as a positive electrode active material, and Patent Document 4 discloses lithium. A technique for fixing a hydroxide or oxyhydroxide of a rare earth element such as Y to the surface of a transition metal composite oxide is disclosed. In addition, Patent Document 4 discloses a positive electrode active material in which a hydroxide or oxide of Zr is fixed to the surface of a lithium transition metal composite oxide as an unfavorable example of deteriorating battery performance.

特許第5741899号Patent No. 5714899 特開2000-340230号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2000-340230 特開平5-6780号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 5-6780 特開2011-141989号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2011-141989

Meng Wang,Yunbo Chen,Feng Wu,Yuefeng Su,Lin Chen,Dongliang Wang,”Characterization of yttrium substituted LiNi0.33Mn0.33Co0.33O2 cathode material for lithium secondary cells”,Electrochimica Acta,2010,55,8815-8820Meng Wang, Yunbo Chen, Feng Wu, Yuefeng Su, Lin Chen, Dongling Wang, "Characterization of yttrium sub-stituted LiNi0.33Mn0.33Co0.33O2cathode"

しかしながら、リチウム遷移金属複合酸化物の結晶格子内にYまたはZrを存在させた場合、YまたはZrは結晶格子内で不安定な状態で存在することとなるため結晶格子から溶出したり、結晶構造の崩壊を促したりするおそれがある。このため、上記した抵抗の低減やサイクル耐久性の向上などの効果を継続して発揮させることができず、十分な効果を得ることができない。
特に、YまたはZrの溶出が生じた場合には、溶出したYまたはZrが負極側に泳動して負極の表面に還元析出することによって、抵抗が高いSEI(Solid Electrolyte Interphase)層が形成される場合がある。これによって、負極におけるリチウムイオンの吸蔵や放出が阻害され、充電時に金属リチウムが析出する恐れがある。
However, when Y or Zr is present in the crystal lattice of the lithium transition metal composite oxide, Y or Zr is present in an unstable state in the crystal lattice, so that it is eluted from the crystal lattice or has a crystal structure. May promote the collapse of. Therefore, the above-mentioned effects such as reduction of resistance and improvement of cycle durability cannot be continuously exerted, and sufficient effects cannot be obtained.
In particular, when Y or Zr elutes, the eluted Y or Zr migrates to the negative electrode side and reduces and precipitates on the surface of the negative electrode, thereby forming a SEI (Solid Electrolyte Interphase) layer having high resistance. In some cases. This inhibits the occlusion and release of lithium ions in the negative electrode, and there is a risk that metallic lithium will precipitate during charging.

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その主な目的は、YおよびZrを含有させることによってリチウムイオン二次電池の電池性能を向上させることができるリチウムイオン二次電池用正極活物質および該正極活物質が用いられたリチウムイオン二次電池を提供することである。 The present invention has been made in view of this point, and a main object thereof is a positive electrode for a lithium ion secondary battery capable of improving the battery performance of a lithium ion secondary battery by containing Y and Zr. It is an object of the present invention to provide a lithium ion secondary battery using an active material and the positive electrode active material.

上記目的を実現するべく、本発明によって以下の構成の正極活物質が提供される。 In order to realize the above object, the present invention provides a positive electrode active material having the following constitution.

ここで開示される正極活物質は、リチウムイオン二次電池に用いられる正極活物質であって、少なくともリチウムとニッケルとを含む層状の結晶構造を有するリチウム遷移金属複合酸化物をコア粒子として備えている。
そして、ここで開示される正極活物質では、コア粒子の表面の少なくとも一部に、リチウムとイットリウムとジルコニウムとを含む複合酸化物から構成された被覆層が形成されている。
The positive electrode active material disclosed here is a positive electrode active material used in a lithium ion secondary battery, and is provided with a lithium transition metal composite oxide having a layered crystal structure containing at least lithium and nickel as core particles. There is.
In the positive electrode active material disclosed here, a coating layer composed of a composite oxide containing lithium, yttrium, and zirconium is formed on at least a part of the surface of the core particles.

上記被覆層を構成するLiとYとZrとを含む複合酸化物(以下、「Li-Y-Zr-O系化合物」ともいう)は、化学的に安定した化合物である。このため、YまたはZrを結晶格子内に存在させた正極活物質と異なり、かかるLi-Y-Zr-O系化合物を被覆層として備えた正極活物質では、YまたはZrの溶出によって負極表面でのLi析出を生じさせるようなことがない。
さらに、ここで開示される正極活物質では、化学的に安定した被覆層によってコア粒子の表面が覆われているため、従来の技術のようにリチウム遷移金属複合酸化物であるコア粒子の結晶格子内にYまたはZrが存在している場合であっても、コア粒子からYまたはZrが溶出することを抑制して負極表面でのLi析出の発生を防止することができる。
The composite oxide containing Li, Y, and Zr (hereinafter, also referred to as “Li—Y—Zr—O-based compound”) constituting the coating layer is a chemically stable compound. Therefore, unlike the positive electrode active material in which Y or Zr is present in the crystal lattice, in the positive electrode active material provided with the Li—Y—Zr—O-based compound as the coating layer, the elution of Y or Zr causes the negative electrode surface. Does not cause Li precipitation.
Further, in the positive electrode active material disclosed here, since the surface of the core particles is covered with a chemically stable coating layer, the crystal lattice of the core particles which is a lithium transition metal composite oxide as in the conventional technique. Even when Y or Zr is present inside, it is possible to suppress the elution of Y or Zr from the core particles and prevent the occurrence of Li precipitation on the surface of the negative electrode.

また、ここで開示される正極活物質の好ましい一つの態様では、コア粒子を100wt%としたときの前記被覆層の重量比が0.005wt%~0.1wt%である。
かかる態様によれば、コア粒子の表面を適切に覆うことができる程度の被覆層が形成されているとともに、十分な充放電を実施できる程度のコア粒子が形成されているため、電池性能をより適切に向上させることができる。
Further, in one preferred embodiment of the positive electrode active material disclosed herein, the weight ratio of the coating layer is 0.005 wt% to 0.1 wt% when the core particles are 100 wt%.
According to this aspect, the coating layer is formed to the extent that the surface of the core particles can be appropriately covered, and the core particles are formed to the extent that sufficient charge / discharge can be performed, so that the battery performance is further improved. It can be improved appropriately.

また、ここで開示される正極活物質の好ましい他の一つの態様では、リチウムと、ニッケルと、コバルトと、マンガンまたはアルミニウムとを含み、且つ、イットリウムとジルコニウムの両方を含んだ正極活物質であって、
ここで、ニッケルと、コバルトと、マンガンまたはアルミニウムとの合計モル数を100mol%としたときのイットリウムおよびジルコニウムのそれぞれの含有量が、
イットリウム:0.25~1mol%
ジルコニウム:0.25~1mol%である。
かかる態様によれば、十分で過不足ない量の被覆層が形成されているため、上記した種々の電池性能の向上をより適切に発揮することができる。
Further, in another preferred embodiment of the positive electrode active material disclosed herein, the positive electrode active material contains lithium, nickel, cobalt, manganese or aluminum, and also contains both yttrium and zirconium. hand,
Here, the contents of yttrium and zirconium, respectively, when the total number of moles of nickel, cobalt, and manganese or aluminum is 100 mol%, are determined.
Yttrium: 0.25 to 1 mol%
Zirconium: 0.25 to 1 mol%.
According to this aspect, since a sufficient and not excessive amount of the coating layer is formed, the above-mentioned improvements in various battery performances can be more appropriately exhibited.

また、本発明の他の一の側面として、上記正極活物質を備えるリチウムイオン二次電池が提供される。かかるリチウムイオン二次電池は、正極活物質からのYまたはZrの溶出が抑制されており、負極表面でのLi析出の発生が防止されているため、従来に比べて電池性能が向上している。 Further, as another aspect of the present invention, a lithium ion secondary battery including the positive electrode active material is provided. In such a lithium ion secondary battery, the elution of Y or Zr from the positive electrode active material is suppressed, and the generation of Li precipitation on the surface of the negative electrode is prevented, so that the battery performance is improved as compared with the conventional case. ..

本発明の一実施形態に係るリチウムイオン二次電池の外形を模式的に示す斜視図である。It is a perspective view which shows typically the outer shape of the lithium ion secondary battery which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係るリチウムイオン二次電池の電極体を模式的に示す斜視図である。It is a perspective view which shows typically the electrode body of the lithium ion secondary battery which concerns on one Embodiment of this invention.

本明細書において「リチウムイオン二次電池」とは、電解質イオンとしてリチウムイオンを利用し、正負極間におけるリチウムイオンに伴う電荷の移動により充放電が実現される二次電池をいう。また、本明細書において「活物質」とは、正極側又は負極側において蓄電に関与する物質(化合物)をいい、リチウムイオン二次電池の充放電時において電荷担体であるリチウムイオンの吸蔵および放出に関与する物質をいう。 As used herein, the term "lithium ion secondary battery" refers to a secondary battery that uses lithium ions as electrolyte ions and is charged and discharged by the transfer of electric charges associated with the lithium ions between the positive and negative electrodes. Further, in the present specification, the “active substance” refers to a substance (compound) involved in electricity storage on the positive electrode side or the negative electrode side, and stores and releases lithium ion, which is a charge carrier, during charging and discharging of a lithium ion secondary battery. A substance involved in.

1.リチウムイオン二次電池用正極活物質
ここで開示される正極活物質は、リチウム遷移金属複合酸化物からなるコア粒子と、該コア粒子の表面に形成された被覆層とを備えている。
1. 1. Positive Electrode Active Material for Lithium Ion Secondary Battery The positive electrode active material disclosed here includes core particles made of a lithium transition metal composite oxide and a coating layer formed on the surface of the core particles.

ここで開示される正極活物質は、好適な一形態として、下記の式(1)で表すことができる。なお、この式(1)は、コア粒子と被覆層の両方を含んだ正極活物質全体の元素組成を示す一般式である。
Li1+mNiCoαZrβ2+δ (1)
上記した式(1)中のMは、Al、Mn、W、Cr、Fe、V、Mg、Si、Ti、Mo、Cu、Zn、Ga、In、Sn、La、Ce、CaおよびNaからなる群から選択される1種または2種以上の元素である。
また、上記した式(1)中のm、p、q、sは、それぞれ0≦m≦0.5、0<p<1、0≦q≦0.6、0≦s≦0.6、0.9≦p+q+s≦1であり、δは電荷中性条件を満たすように定まる値である。そして、αおよびβは、それぞれ0<α≦0.1、0<β≦0.1である。
The positive electrode active material disclosed here can be represented by the following formula (1) as a suitable form. It should be noted that this formula (1) is a general formula showing the elemental composition of the entire positive electrode active material including both the core particles and the coating layer.
Li 1 + m Ni p Co q M s Y α Zr β O 2 + δ (1)
M in the above formula (1) is composed of Al, Mn, W, Cr, Fe, V, Mg, Si, Ti, Mo, Cu, Zn, Ga, In, Sn, La, Ce, Ca and Na. One or more elements selected from the group.
Further, m, p, q, and s in the above equation (1) are 0 ≦ m ≦ 0.5, 0 <p <1, 0 ≦ q ≦ 0.6, 0 ≦ s ≦ 0.6, respectively. 0.9 ≦ p + q + s ≦ 1, and δ is a value determined so as to satisfy the charge neutrality condition. And α and β are 0 <α ≦ 0.1 and 0 <β ≦ 0.1, respectively.

以下、ここで開示される正極活物質を構成するコア粒子と被覆層の各々について具体的に説明する。 Hereinafter, each of the core particles and the coating layer constituting the positive electrode active material disclosed here will be specifically described.

(1)コア粒子
ここで開示される正極活物質は、少なくともLiとNiとを含む層状の結晶構造(典型的には、六方晶系に属する層状岩塩型構造)を有するリチウム遷移金属複合酸化物をコア粒子として備えている。
また、コア粒子を構成するリチウム遷移金属複合酸化物は、上記の通り、少なくともLiとNiとを含んでいればよく、さらに、Ni以外の遷移金属元素(すなわち、Coおよび上記式(1)中のMで表される金属元素)を一種または二種以上含んでいてもよい。このリチウム遷移金属複合酸化物としては、例えば、リチウムニッケル複合酸化物、リチウムニッケルコバルト複合酸化物、あるいはリチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物のような三元系リチウム含有複合酸化物などが挙げられる。
(1) Core Particles The positive electrode active material disclosed here is a lithium transition metal composite oxide having a layered crystal structure (typically, a layered rock salt type structure belonging to a hexagonal system) containing at least Li and Ni. Is provided as a core particle.
Further, the lithium transition metal composite oxide constituting the core particles may contain at least Li and Ni as described above, and further, a transition metal element other than Ni (that is, Co and the above formula (1)). (Metal element represented by M) may be contained alone or in combination of two or more. Examples of the lithium transition metal composite oxide include a lithium nickel composite oxide, a lithium nickel cobalt composite oxide, and a ternary lithium-containing composite oxide such as a lithium nickel cobalt manganese composite oxide.

(2)被覆層
ここで開示される正極活物質では、上記したコア粒子の表面の少なくとも一部に、LiとYとZrとを含む複合酸化物(Li-Y-Zr-O系化合物)から構成された被覆層が形成されている。このLi-Y-Zr-O系化合物としては、Li1-a1-bZr2+δ(ここで0≦a<1、0<b<0.5、δは電荷中性条件を満たすように定まる値である。)で表される化合物、例えば、Li0.90.9Zr0.1などが挙げられる。なお、被覆層を形成する化合物には、上記コア粒子に由来する他の金属元素が微量含まれていてもよい。
(2) Coating layer In the positive electrode active material disclosed here, at least a part of the surface of the core particles described above is made of a composite oxide (Li-Y-Zr-O-based compound) containing Li, Y, and Zr. The configured covering layer is formed. As this Li-Y-Zr-O-based compound, Li 1-a Y 1-b Zr b O 2 + δ (where 0 ≦ a <1, 0 <b <0.5, δ satisfy the charge neutrality condition). Examples of the compound represented by (), for example, Li 0.9 Y 0.9 Zr 0.1 O 2 and the like can be mentioned. The compound forming the coating layer may contain a trace amount of other metal elements derived from the core particles.

このLi-Y-Zr-O系化合物は化学的に安定している化合物であるため、リチウム遷移金属複合酸化物の結晶格子内に存在しているYまたはZrのように、充放電中にYまたはZrが被覆層から溶出して負極表面で析出するようなことがない。このため、ここで開示される正極活物質によれば、負極において金属Liが析出することを十分に抑制することができる。 Since this Li-Y-Zr-O-based compound is a chemically stable compound, it is Y or Zr that exists in the crystal lattice of the lithium transition metal composite oxide during charging and discharging. Alternatively, Zr does not elute from the coating layer and precipitate on the surface of the negative electrode. Therefore, according to the positive electrode active material disclosed here, it is possible to sufficiently suppress the precipitation of metallic Li at the negative electrode.

また、ここで開示される正極活物質は、リチウムイオン二次電池のサイクル耐久性を従来の技術よりも大幅に向上させるという機能も有している。
具体的には、コア粒子の表面に形成された被覆層によって粒子表面が安定化しているため、活物質と電解液との副反応が抑制される。さらに、この被覆層は、活物質粒子同士の粒界において粒子の膨張収縮による応力を緩和する緩衝層としても機能することができるとともに、活物質粒子の機械的強度を向上させて粒子の割れの発生を抑制することもできる。ここで開示される正極活物質は、これらの機能によってサイクル耐久性を従来の技術よりも大幅に向上させることができる。
Further, the positive electrode active material disclosed here also has a function of significantly improving the cycle durability of the lithium ion secondary battery as compared with the conventional technique.
Specifically, since the particle surface is stabilized by the coating layer formed on the surface of the core particles, the side reaction between the active material and the electrolytic solution is suppressed. Furthermore, this coating layer can also function as a buffer layer that relieves stress due to expansion and contraction of the particles at the grain boundaries of the active material particles, and at the same time, improves the mechanical strength of the active material particles to crack the particles. It is also possible to suppress the occurrence. The positive electrode active material disclosed here can significantly improve the cycle durability as compared with the conventional technique by these functions.

さらに、本発明者は、ここで開示される正極活物質を使用したリチウムイオン二次電池について種々の実験を行った結果、充放電における抵抗値が従来よりも低減しており、高出力化されていることを発見した。この効果は、Li-Y-Zr-O系化合物の被覆層の結晶格子にLiが含まれており、充放電中にコア粒子の表面でLiが欠乏した場合に、Liを含む被覆層がLi欠乏状態を緩和してLiイオンの脱挿入反応を促進するためと推測される。 Furthermore, as a result of conducting various experiments on the lithium ion secondary battery using the positive electrode active material disclosed here, the present inventor has reduced the resistance value in charge and discharge as compared with the conventional case, and has increased the output. I found that. This effect is due to the fact that Li is contained in the crystal lattice of the coating layer of the Li-Y-Zr-O-based compound, and when Li is deficient on the surface of the core particles during charging and discharging, the coating layer containing Li becomes Li. It is presumed that this is to alleviate the deficiency state and promote the deinsertion reaction of Li ions.

なお、正極活物質全体として、Liと、Niと、Coと、MnまたはAlを含み、且つ、YとZrを含んだ正極活物質の場合には、Li以外の金属元素であるNiと、Coと、MnまたはAlの合計モル数を100mol%としたときのYとZrのそれぞれの含有量を、
イットリウム:0.25~1mol%
ジルコニウム:0.25~1mol%とすることが好ましい。
このような割合でZrとYとを含む正極活物質は、コア粒子の表面に十分で過不足ない量の被覆層を形成させることができるため、上記した種々の電池性能の向上の効果を十分に発揮することができる
In the case of the positive electrode active material containing Li, Ni, Co, Mn or Al, and Y and Zr as the whole positive electrode active material, Ni and Co, which are metal elements other than Li, and Co. And the respective contents of Y and Zr when the total number of moles of Mn or Al is 100 mol%.
Yttrium: 0.25 to 1 mol%
Zirconium: preferably 0.25 to 1 mol%.
Since the positive electrode active material containing Zr and Y in such a ratio can form a sufficient and sufficient amount of coating layer on the surface of the core particles, the above-mentioned effects of improving various battery performances are sufficient. Can be demonstrated in

また、コア粒子を100wt%としたときの被覆層の重量比は、0.005wt%~0.1wt%であると好ましく、0.01wt%~0.05wt%であるとより好ましい。これにより、コア粒子の表面を適切に覆うことができる程度の被覆層が形成されているとともに、十分な充放電を実施できる程度のコア粒子が形成されているため、電池性能をより適切に向上させることができる。なお、このコア粒子に対する被覆層の重量比は、正極活物質の粉末に対して粉末X線回折を行った後、粉末X線回折の結果にリーベルト解析を行うことによって算出することができる。 The weight ratio of the coating layer when the core particles are 100 wt% is preferably 0.005 wt% to 0.1 wt%, more preferably 0.01 wt% to 0.05 wt%. As a result, a coating layer that can appropriately cover the surface of the core particles is formed, and the core particles that can be sufficiently charged and discharged are formed, so that the battery performance is improved more appropriately. Can be made to. The weight ratio of the coating layer to the core particles can be calculated by performing powder X-ray diffraction on the powder of the positive electrode active material and then performing Liberty analysis on the result of the powder X-ray diffraction.

なお、コア粒子を構成するリチウム遷移金属複合酸化物の結晶格子内には、Yおよび/またはZrが存在していてもよい。このように、コア粒子の結晶格子内にYまたはZrを存在させることによって、従来技術と同様に電池抵抗の低減とサイクル耐久性の向上という効果を発揮させることができる。
ここで開示される正極活物質では、化学的に安定したLi-Y-Zr-O系化合物の被覆層がコア粒子の表面を覆っているため、結晶格子内にYまたはZrが存在しているリチウム遷移金属複合酸化物を用いているにも関わらず、YまたはZrが溶出して金属Li析出の原因となることを防止できる。
さらに、YまたはZrの溶出が防止されているため、電池の抵抗の低減とサイクル耐久性の向上といった効果を長期間維持することができる。
Y and / or Zr may be present in the crystal lattice of the lithium transition metal composite oxide constituting the core particles. As described above, by allowing Y or Zr to exist in the crystal lattice of the core particles, it is possible to exert the effects of reducing the battery resistance and improving the cycle durability as in the prior art.
In the positive electrode active material disclosed here, Y or Zr is present in the crystal lattice because the coating layer of the chemically stable Li—Y—Zr—O compound covers the surface of the core particles. Despite the use of the lithium transition metal composite oxide, it is possible to prevent Y or Zr from elution and causing metal Li precipitation.
Further, since the elution of Y or Zr is prevented, the effects of reducing the resistance of the battery and improving the cycle durability can be maintained for a long period of time.

2.リチウムイオン二次電池用正極活物質の製造方法
次に、ここで開示される正極活物質の製造方法について説明する。
2. 2. Method for Producing Positive Electrode Active Material for Lithium Ion Secondary Battery Next, a method for producing the positive electrode active material disclosed herein will be described.

(1)コア粒子の作成
コア粒子は、一般的なリチウムイオン二次電池用正極活物質と同様の工程を経て作製される。具体的には、Li以外の金属元素の供給源(原料)を所望の組成比となるように秤量して水系溶媒と混合することによって水性溶液を調製する。このLi以外の金属元素の供給源としては、ニッケル供給源(硫酸ニッケル(NiSO)などのニッケルを含む化合物)を少なくとも使用し、さらに目的の組成に応じて他の金属元素の供給源(例えば、硫酸コバルトなどのコバルト供給源や、硫酸マンガンなどのマンガン供給源)等を使用し得る。
(1) Preparation of core particles Core particles are produced through the same steps as a general positive electrode active material for a lithium ion secondary battery. Specifically, an aqueous solution is prepared by weighing a source (raw material) of a metal element other than Li so as to have a desired composition ratio and mixing it with an aqueous solvent. As a source of the metal element other than Li, at least a nickel supply source (a compound containing nickel such as nickel sulfate (NiSO 4 )) is used, and further, a source of other metal elements (for example, depending on the desired composition) is used. , Cobalt source such as cobalt sulfate, manganese source such as manganese sulfate) and the like can be used.

次に、調製した水性溶液に塩基性水溶液(水酸化ナトリウム水溶液など)を添加して撹拌し、上記金属の水酸化物を析出させて原料水酸化物(前駆体)を得る。
そして、得られた前駆体にリチウム供給源(炭酸リチウム、水酸化リチウム、硝酸リチウムなど)を所定量混合した後、酸化性雰囲気の下で700℃~1000℃(例えば800℃)、5時間~20時間(例えば10時間)の焼成処理を行う。これによって得られた焼成体を、解砕することにより、層状結晶構造を有したリチウム遷移金属複合酸化物からなるコア粒子が得られる。
Next, a basic aqueous solution (sodium hydroxide aqueous solution or the like) is added to the prepared aqueous solution and stirred to precipitate the above-mentioned metal hydroxide to obtain a raw material hydroxide (precursor).
Then, a predetermined amount of a lithium supply source (lithium carbonate, lithium hydroxide, lithium nitrate, etc.) is mixed with the obtained precursor, and then the temperature is 700 ° C. to 1000 ° C. (for example, 800 ° C.) for 5 hours under an oxidizing atmosphere. The firing process is performed for 20 hours (for example, 10 hours). By crushing the fired body thus obtained, core particles made of a lithium transition metal composite oxide having a layered crystal structure can be obtained.

(2)被覆層の作成
次に、上記のようにして得られたコア粒子の表面の少なくとも一部に、Li-Y-Zr-O系化合物から構成された被覆層を形成する。以下、被覆層を形成する方法の一例を説明する。
(2) Preparation of Coating Layer Next, a coating layer composed of a Li—Y—Zr—O-based compound is formed on at least a part of the surface of the core particles obtained as described above. Hereinafter, an example of a method for forming a covering layer will be described.

(a)混合液の調製
先ず、ジルコニウム塩とイットリウム塩とを1:1の割合で混合した水溶液に、上記工程で得られたコア粒子を添加して混合液を調製する。このとき、Li以外の金属元素に対するZrとYの各々の割合が0.25mol%~1.0mol%になるように、ジルコニウム塩、イットリウム塩およびコア粒子のそれぞれの量を調整する。
(A) Preparation of mixed solution First, the core particles obtained in the above step are added to an aqueous solution in which a zirconium salt and a yttrium salt are mixed at a ratio of 1: 1 to prepare a mixed solution. At this time, the amounts of the zirconium salt, the yttrium salt, and the core particles are adjusted so that the ratio of each of Zr and Y to the metal element other than Li is 0.25 mol% to 1.0 mol%.

(b)前駆体の作成
次に、調製した混合液を加熱して蒸発させることによって、コア粒子の表面にYとZrとを含む前駆体を作成する。このときの加熱温度は、例えば60℃に設定する。
(B) Preparation of precursor Next, the prepared mixed solution is heated and evaporated to prepare a precursor containing Y and Zr on the surface of the core particles. The heating temperature at this time is set to, for example, 60 ° C.

(c)焼成処理
次に、前駆体が表面に形成されたコア粒子を焼成する。具体的には、上記の構成で得られた粉体を400℃~600℃(例えば500℃)の温度条件で3時間~10時間(例えば5時間)焼成する。これによって、コア粒子表面のLiと前駆体中のYとZrとが反応してコア粒子の表面にLi-Y-Zr-O系化合物の被覆層が形成される。
また、このときに前駆体に含まれるYおよび/またはZrの一部がコア粒子に固溶して、リチウム遷移金属複合酸化物の結晶格子内にYおよび/またはZrが存在するコア粒子が得られることがある。
(C) Firing treatment Next, the core particles having the precursor formed on the surface are calcined. Specifically, the powder obtained with the above configuration is fired at a temperature condition of 400 ° C. to 600 ° C. (for example, 500 ° C.) for 3 hours to 10 hours (for example, 5 hours). As a result, Li on the surface of the core particles reacts with Y and Zr in the precursor to form a coating layer of the Li—Y—Zr—O-based compound on the surface of the core particles.
Further, at this time, a part of Y and / or Zr contained in the precursor is dissolved in the core particles to obtain core particles in which Y and / or Zr are present in the crystal lattice of the lithium transition metal composite oxide. May be

なお、上記の工程を経て得られた正極活物質が、上記した式(1)を満たしているか否かは、正極活物質の粉末に対して粉末X線回折を行い、得られたピークを定性分析することによって確認することができる。 Whether or not the positive electrode active material obtained through the above steps satisfies the above formula (1) is determined by performing powder X-ray diffraction on the powder of the positive electrode active material and qualitatively determining the obtained peak. It can be confirmed by analysis.

また、被覆層として形成された化合物の組成を確認するためには、得られた正極活物質の粉末を樹脂(例えばエポキシ樹脂)で包埋した後、集束イオンビーム(FIB:Focused Ion Beam)加工を施して粒子断面のSTEM観察用試料を作製した後、走査透過電子顕微鏡(STEM:Scanning Transmission Electron Microscope)で観察する。そして、コア粒子の表面に形成された被覆層に対して、STEM-EDX分析を用いたスポット定量分析を実施することによって確認することもできる。 Further, in order to confirm the composition of the compound formed as the coating layer, the obtained positive electrode active material powder is embedded in a resin (for example, an epoxy resin) and then subjected to focused ion beam (FIB) processing. After preparing a sample for STEM observation of the particle cross section, the sample is observed with a scanning transmission electron microscope (STEM). Then, it can be confirmed by performing a spot quantitative analysis using STEM-EDX analysis on the coating layer formed on the surface of the core particles.

また、作製した正極活物質にYとZrが含まれているか否かを確認するのみであれば、正極活物質を酸などで溶解した後にICP(Inductively Coupled Plasma)法を用いて元素分析するという簡易的な分析を行うこともできる。 Further, if it is only necessary to confirm whether or not Y and Zr are contained in the produced positive electrode active material, it is said that elemental analysis is performed using the ICP (Inductively Coupled Plasma) method after dissolving the positive electrode active material with an acid or the like. A simple analysis can also be performed.

なお、上記した方法では、予め作製したコア粒子の表面にYとZrとを含む前駆体を形成して前駆体を焼成するという、いわゆるコーティング方法を使用して被覆層を有する正極活物質を作製しているが、ここで開示される正極活物質を作製する方法は上記の方法に限定されない。 In the above method, a positive electrode active material having a coating layer is produced by using a so-called coating method in which a precursor containing Y and Zr is formed on the surface of the core particles prepared in advance and the precursor is fired. However, the method for producing the positive electrode active material disclosed here is not limited to the above method.

3.リチウムイオン二次電池
次に、本発明の好適な一実施形態として、上記した正極活物質が正極に用いられたリチウムイオン二次電池を説明する。なお、以下では、捲回電極体を備えるリチウムイオン二次電池を例にして説明するが、本発明の使用態様を限定することを意図したものではない。例えば、本発明の正極活物質は、正極と負極を複数枚積層させた積層電極体に使用することもできる。
3. 3. Lithium-ion secondary battery Next, as a preferred embodiment of the present invention, a lithium-ion secondary battery in which the above-mentioned positive electrode active material is used for the positive electrode will be described. In the following, a lithium ion secondary battery provided with a wound electrode body will be described as an example, but it is not intended to limit the usage mode of the present invention. For example, the positive electrode active material of the present invention can also be used for a laminated electrode body in which a plurality of positive electrodes and negative electrodes are laminated.

図1は本実施形態に係るリチウムイオン二次電池の外形を模式的に示す斜視図である。図1に示すように、このリチウムイオン二次電池100は、角形のケース50の内部に電極体(図示省略)が収容されることにより構成されている。 FIG. 1 is a perspective view schematically showing the outer shape of the lithium ion secondary battery according to the present embodiment. As shown in FIG. 1, the lithium ion secondary battery 100 is configured by accommodating an electrode body (not shown) inside a square case 50.

(1)ケース
このケース50は、上端が開放された扁平なケース本体52と、その上端を塞ぐ蓋体54とから構成されている。蓋体54には、正極端子70および負極端子72が設けられている。図示は省略するが、正極端子70はケース50内で電極体の正極と電気的に接続されており、負極端子72は負極と電気的に接続されている。
(1) Case The case 50 is composed of a flat case body 52 having an open upper end and a lid 54 that closes the upper end thereof. The lid 54 is provided with a positive electrode terminal 70 and a negative electrode terminal 72. Although not shown, the positive electrode terminal 70 is electrically connected to the positive electrode of the electrode body in the case 50, and the negative electrode terminal 72 is electrically connected to the negative electrode.

(2)電極体
次に、上記したケース50の内部に収容される電極体の構造について説明する。図2は本実施形態に係るリチウムイオン二次電池の電極体を模式的に示す斜視図である。
本実施形態における電極体は、図2に示すように、長尺シート状の正極10と負極20を長尺シート状のセパレータ40とともに積層して捲回することによって作製された扁平形状の捲回電極体80である。
(2) Electrode body Next, the structure of the electrode body housed inside the case 50 described above will be described. FIG. 2 is a perspective view schematically showing an electrode body of the lithium ion secondary battery according to the present embodiment.
As shown in FIG. 2, the electrode body in the present embodiment has a flat-shaped winding formed by laminating and winding a long sheet-shaped positive electrode 10 and a negative electrode 20 together with a long sheet-shaped separator 40. The electrode body 80.

(a)正極
図2における正極10は、長尺シート状の正極集電体12の両面に、正極活物質を含む正極活物質層14を塗工することによって形成される。なお、正極10の幅方向の一方の側縁部には、正極活物質層14が塗工されていない正極活物質層非形成部16が形成されており、この正極活物質層非形成部16が上記正極端子70(図1参照)と電気的に接続される。
(A) Positive electrode The positive electrode 10 in FIG. 2 is formed by coating both surfaces of a long sheet-shaped positive electrode current collector 12 with a positive electrode active material layer 14 containing a positive electrode active material. A positive electrode active material layer non-forming portion 16 in which the positive electrode active material layer 14 is not coated is formed on one side edge portion in the width direction of the positive electrode 10, and the positive electrode active material layer non-forming portion 16 is formed. Is electrically connected to the positive electrode terminal 70 (see FIG. 1).

そして、本実施形態においては、上記した正極活物質層14に含まれる正極活物質として、リチウム遷移金属複合酸化物からなるコア粒子の表面に、Li-Y-Zr-O系化合物からなる被覆層が形成された正極活物質が用いられている。
これによって、上記したように、作製したリチウムイオン二次電池のLi析出耐性やサイクル耐久性を向上させるとともに、電池抵抗を低減させることができる。
Then, in the present embodiment, as the positive electrode active material contained in the positive electrode active material layer 14 described above, a coating layer made of a Li—Y—Zr—O compound is formed on the surface of core particles made of a lithium transition metal composite oxide. The positive electrode active material in which is formed is used.
As a result, as described above, the Li precipitation resistance and cycle durability of the produced lithium ion secondary battery can be improved, and the battery resistance can be reduced.

また、正極活物質層14は、上記した正極活物質に加えて、一般的なリチウムイオン二次電池において使用され得る一種または二種以上の材料を必要に応じて含有することができる。そのような材料の例として、導電助材が挙げられる。該導電助材としてはカーボン粉末やカーボンファイバー等のカーボン材料が好ましく用いられるが、ニッケル粉末等の導電性金属粉末等を用いてもよい。
その他、正極活物質層に使用され得る材料としては、バインダ(結着剤)として機能し得る各種のポリマー材料が挙げられる。このバインダには、例えばポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリ塩化ビニリデン(PVDC)などのポリマーを好ましく採用することができる。あるいは、スチレンブタジエンゴム(SBR)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリエチレン(PE)、ポリアクリル酸(PAA)等を用いてもよい。
Further, in addition to the above-mentioned positive electrode active material, the positive electrode active material layer 14 can contain one or more kinds of materials that can be used in a general lithium ion secondary battery, if necessary. An example of such a material is a conductive auxiliary material. As the conductive auxiliary material, a carbon material such as carbon powder or carbon fiber is preferably used, but a conductive metal powder such as nickel powder may be used.
In addition, examples of the material that can be used for the positive electrode active material layer include various polymer materials that can function as a binder (binder). Polymers such as polyvinylidene fluoride (PVDF) and polyvinylidene chloride (PVDC) can be preferably used for this binder. Alternatively, styrene-butadiene rubber (SBR), polytetrafluoroethylene (PTFE), polyethylene (PE), polyacrylic acid (PAA) and the like may be used.

(b)負極
負極20についても、正極10と同様に、長尺シート状の負極集電体22の両面に負極活物質を主成分とする負極活物質層24が形成されている。そして、負極20の幅方向の一方の側縁部に負極活物質層非形成部26が形成されており、この負極活物質層非形成部26が負極端子72(図1参照)と電気的に接続されている。
(B) Negative electrode As for the negative electrode 20, similarly to the positive electrode 10, a negative electrode active material layer 24 containing a negative electrode active material as a main component is formed on both sides of a long sheet-shaped negative electrode current collector 22. A negative electrode active material layer non-forming portion 26 is formed on one side edge portion in the width direction of the negative electrode 20, and the negative electrode active material layer non-forming portion 26 is electrically connected to the negative electrode terminal 72 (see FIG. 1). It is connected.

負極活物質としては特に制限されず、リチウムイオン二次電池の負極活物質として使用し得る各種の材料の1種を単独で、または2種以上を組み合わせる(混合または複合体化する)等して用いることができる。
好適例として、黒鉛(グラファイト)、難黒鉛化炭素(ハードカーボン)、易黒鉛化炭素(ソフトカーボン)、カーボンナノチューブ、或いはこれらを組み合わせた構造を有するもの等の炭素材料が挙げられる。エネルギー密度の観点から、これらの中でも黒鉛系材料(天然黒鉛(石墨)や人造黒鉛等)を好ましく用いることができる。
また、負極活物質は、上記した炭素系材料に限定されず、例えば、LiTi12等のリチウムチタン複合酸化物、リチウム遷移金属複合窒化物等のリチウム遷移金属複合酸化物を用いることもできる。
The negative electrode active material is not particularly limited, and one of various materials that can be used as the negative electrode active material of the lithium ion secondary battery may be used alone or in combination of two or more (mixed or combined). Can be used.
Preferable examples include carbon materials such as graphite (graphite), non-graphitized carbon (hard carbon), easily graphitized carbon (soft carbon), carbon nanotubes, or those having a structure combining these. From the viewpoint of energy density, graphite-based materials (natural graphite (stone ink), artificial graphite, etc.) can be preferably used among these.
Further, the negative electrode active material is not limited to the above-mentioned carbon-based material, and for example, a lithium titanium composite oxide such as Li 4 Ti 5 O 12 or a lithium transition metal composite oxide such as a lithium transition metal composite nitride should be used. You can also.

また、負極活物質層24についても、正極活物質層14と同様に、バインダや各種添加剤を必要に応じて含有し得る。例えば、バインダには、前述した正極活物質層14と同様のものを用いることができる。その他、増粘剤、分散剤等の各種添加剤を適宜使用することもできる。例えば、増粘剤としてはカルボキシメチルセルロース(CMC)やメチルセルロース(MC)を好適に用いることができる。 Further, the negative electrode active material layer 24 may also contain a binder and various additives, if necessary, as in the positive electrode active material layer 14. For example, the same binder as the positive electrode active material layer 14 described above can be used as the binder. In addition, various additives such as thickeners and dispersants can be appropriately used. For example, carboxymethyl cellulose (CMC) or methyl cellulose (MC) can be preferably used as the thickener.

(c)セパレータ
セパレータ40は、上記した正極10と負極20との間に介在するように配置されている。このセパレータ40には、微小な孔を複数有する所定幅の帯状のシート材が用いられる。例えば、多孔質ポリオレフィン系樹脂で構成された単層構造のシート材或いは積層構造のシート材を用いることができる。また、かかるシート材の表面には、絶縁性を有する粒子の層をさらに形成してもよい。この絶縁性を有する粒子としては、絶縁性を有する無機フィラー(例えば、金属酸化物、金属水酸化物などのフィラー)、或いは、絶縁性を有する樹脂粒子(例えば、ポリエチレン、ポリプロピレンなどの粒子)などが挙げられる。
(C) Separator The separator 40 is arranged so as to be interposed between the positive electrode 10 and the negative electrode 20 described above. As the separator 40, a strip-shaped sheet material having a plurality of minute holes and having a predetermined width is used. For example, a single-layer structure sheet material or a laminated structure sheet material made of a porous polyolefin resin can be used. Further, a layer of insulating particles may be further formed on the surface of the sheet material. Examples of the insulating particles include an insulating inorganic filler (for example, a filler such as a metal oxide and a metal hydroxide), an insulating resin particle (for example, particles such as polyethylene and polypropylene), and the like. Can be mentioned.

(3)電解液
また、上記した捲回電極体80とともにケース50に収納される電解液(非水電解液)としては、従来からリチウムイオン二次電池に用いられる非水電解液と同様のものを特に限定なく使用することができる。
かかる非水電解液は、典型的には、非水溶媒に支持塩を含有させた組成を有している。上記非水溶媒としては、例えば、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、1,2-ジメトキシエタン、1,2-ジエトキシエタン、テトラヒドロフラン、1,3-ジオキソラン等からなる群から選択された一種または二種以上を用いることができる。また、上記支持塩としては、例えば、LiPF,LiBF,LiAsF,LiCFSO,LiCSO,LiN(CFSO,LiC(CFSO等のリチウム塩を用いることができる。一例として、エチレンカーボネート(EC)とジメチルカーボネート(DMC)とエチルメチルカーボネート(EMC)との混合溶媒(例えば体積比3:4:3)にLiPFを約1mol/Lの濃度で含有させた非水電解液が挙げられる。
(3) Electrolyte The electrolytic solution (non-aqueous electrolytic solution) stored in the case 50 together with the wound electrode body 80 described above is the same as the non-aqueous electrolytic solution conventionally used for lithium ion secondary batteries. Can be used without particular limitation.
Such a non-aqueous electrolyte solution typically has a composition in which a supporting salt is contained in a non-aqueous solvent. The non-aqueous solvent includes, for example, ethylene carbonate, propylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethylmethyl carbonate, 1,2-dimethoxyethane, 1,2-diethoxyethane, tetrahydrofuran, 1,3-dioxolane and the like. One or more selected from the group can be used. Examples of the supporting salt include LiPF 6 , LiBF 4 , LiAsF 6 , LiCF 3 SO 3 , LiC 4 F 9 SO 3 , LiN (CF 3 SO 2 ) 2 , LiC (CF 3 SO 2 ) 3 , and the like. Lithium salts can be used. As an example, a mixed solvent of ethylene carbonate (EC), dimethyl carbonate (DMC) and ethyl methyl carbonate (EMC) (for example, volume ratio 3: 4: 3) containing LiPF 6 at a concentration of about 1 mol / L is not contained. Examples include water electrolyte.

(4)リチウムイオン二次電池の構築
上記した各部材を用いてリチウムイオン二次電池を構築するに際しては、先ず、ケース本体52の内部に捲回電極体80を収容するとともに、非水電解液をケース本体52内に配置(注液)する。その後、蓋体54に設けられた各々の電極端子70、72を、捲回電極体80の正極活物質層非形成部16と負極活物質層非形成部26に接続した後、蓋体54によってケース本体52上端の開口部を封止する。これによってリチウムイオン二次電池100が構築される。
(4) Construction of Lithium Ion Secondary Battery When constructing a lithium ion secondary battery using the above-mentioned members, first, the wound electrode body 80 is housed inside the case body 52, and a non-aqueous electrolytic solution is used. Is placed (injected) in the case body 52. After that, the respective electrode terminals 70 and 72 provided on the lid 54 are connected to the positive electrode active material layer non-forming portion 16 and the negative electrode active material layer non-forming portion 26 of the wound electrode body 80, and then by the lid 54. The opening at the upper end of the case body 52 is sealed. As a result, the lithium ion secondary battery 100 is constructed.

このようにして構築されたリチウムイオン二次電池では、正極活物質層に含まれる正極活物質として、リチウム遷移金属複合酸化物からなるコア粒子の表面にLi-Y-Zr-O系化合物である被覆層が形成されている正極活物質が用いられている。
このような構造を有した正極活物質は、上記したように、Li析出耐性の向上、サイクル耐久性の向上、電池抵抗の低減などの種々の電池性能を向上させることができるため、従来よりも高性能なリチウムイオン二次電池を構築することができる。
In the lithium ion secondary battery constructed in this manner, the positive electrode active material contained in the positive electrode active material layer is a Li—Y—Zr—O-based compound on the surface of core particles made of a lithium transition metal composite oxide. A positive electrode active material on which a coating layer is formed is used.
As described above, the positive electrode active material having such a structure can improve various battery performances such as improvement of Li precipitation resistance, improvement of cycle durability, and reduction of battery resistance, and thus can be improved as compared with the conventional case. A high-performance lithium-ion secondary battery can be constructed.

[試験例]
以下、本発明に関する試験例を説明するが、試験例の説明は本発明を限定することを意図したものではない。
[Test example]
Hereinafter, test examples relating to the present invention will be described, but the description of the test examples is not intended to limit the present invention.

本試験例では、コア粒子の表面にLi-Y-Zr-O系化合物の被覆層が形成されている正極活物質が電池性能に与える影響を調べるために以下の試験Aと試験Bを行った。 In this test example, the following tests A and B were performed in order to investigate the effect of the positive electrode active material in which the coating layer of the Li—Y—Zr—O compound is formed on the surface of the core particles on the battery performance. ..

1.試験A
試験例1~試験例10の各々で異なる正極活物質を用いて正極を作製し、当該正極を用いて評価試験用のリチウムイオン二次電池を構築した。
1. 1. Test A
A positive electrode was prepared using different positive electrode active materials in each of Test Example 1 to Test Example 10, and a lithium ion secondary battery for an evaluation test was constructed using the positive electrode.

(1)正極活物質の作製
(a)試験例1~試験例7の正極活物質の作製
表1に示すように、試験例1ではZrやYが含まれていないリチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物(NCM活物質)を正極活物質として作製し、試験例2~4ではZrを含むNCM活物質を作製し、試験例5~7ではYを含むNCM活物質を作製した。
(1) Preparation of Positive Electrode Active Material (a) Preparation of Positive Electrode Active Material of Test Examples 1 to 7 As shown in Table 1, in Test Example 1, a lithium nickel cobalt manganese composite oxide containing no Zr or Y is used. (NCM active material) was prepared as a positive electrode active material, NCM active materials containing Zr were prepared in Test Examples 2 to 4, and NCM active materials containing Y were prepared in Test Examples 5 to 7.

具体的には、硫酸ニッケルと硫酸コバルトと硫酸マンガンとの水性溶液を調製した後、NaOHを添加して中和しながら撹拌することによってゾル状の前駆体を得た。そして、この前駆体に炭酸リチウムを添加した後、酸化性雰囲気の下で900℃、15時間の焼成処理を行った。そして、得られた焼成体を粉砕することによって平均粒子径10μmのNCM活物質(LiNi1/3Co1/3Mn1/3)を作製した。
なお、試験例2~4では、硫酸ニッケルと硫酸コバルトと硫酸マンガンとの水性溶液に、表1中の「Zr添加量」に示す量のZrを添加することによってZrを含むNCM活物質を作製した。また、試験例5~7では、表1中の「Y添加量」に示す量のYを添加することによってYを含むNCM活物質を作製した。なお、表1中の「Zr添加量」と「Y添加量」は、正極活物質全体に含まれるLi以外の金属元素の合計モル数を100mol%とした場合のモル比を示している。
Specifically, an aqueous solution of nickel sulfate, cobalt sulfate, and manganese sulfate was prepared, and then NaOH was added and stirred while neutralizing to obtain a sol-like precursor. Then, after adding lithium carbonate to this precursor, a calcination treatment was carried out at 900 ° C. for 15 hours in an oxidizing atmosphere. Then, the obtained fired body was pulverized to prepare an NCM active material (LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 ) having an average particle diameter of 10 μm.
In Test Examples 2 to 4, an NCM active material containing Zr was prepared by adding Zr in the amount shown in "Zr addition amount" in Table 1 to an aqueous solution of nickel sulfate, cobalt sulfate, and manganese sulfate. bottom. Further, in Test Examples 5 to 7, an NCM active material containing Y was prepared by adding the amount of Y shown in "Y addition amount" in Table 1. The "Zr addition amount" and "Y addition amount" in Table 1 indicate the molar ratio when the total number of moles of metal elements other than Li contained in the entire positive electrode active material is 100 mol%.

(b)試験例8~10の正極活物質の作製
試験例8~10では、上記した試験例1と同様の手順を経てNCM活物質を作製し、このNCM活物質をコア粒子として、該コア粒子の表面にYおよびZrを含む被覆層を形成することによって正極活物質を作製した。
(B) Preparation of Positive Electrode Active Material of Test Examples 8 to 10 In Test Examples 8 to 10, an NCM active material was prepared by the same procedure as in Test Example 1 described above, and the NCM active material was used as a core particle to prepare the core. A positive electrode active material was prepared by forming a coating layer containing Y and Zr on the surface of the particles.

具体的には、先ず、コア粒子であるNCM活物質を、硝酸ジルコニウムと硝酸イットリウムとを1:1の割合で混合した水溶液に添加して混合液を調製した。このとき、表1中の「Zr添加量」と「Y添加量」に示すように、試験例8~10の各々で硝酸ジルコニウムと硝酸イットリウムの添加量を異ならせた。
次に、調製した混合液を60℃に加熱して蒸発させた後、450℃で5時間焼成することによって、コア粒子であるNCM活物質の表面にLi-Y-Zr-O系化合物の被覆層が形成された正極活物質を作製した。
Specifically, first, the NCM active material, which is a core particle, was added to an aqueous solution in which zirconium nitrate and yttrium nitrate were mixed at a ratio of 1: 1 to prepare a mixed solution. At this time, as shown in "Zr addition amount" and "Y addition amount" in Table 1, the addition amounts of zirconium nitrate and yttrium nitrate were different in each of Test Examples 8 to 10.
Next, the prepared mixed solution was heated to 60 ° C. to evaporate, and then fired at 450 ° C. for 5 hours to coat the surface of the NCM active material, which is the core particle, with the Li—Y—Zr—O compound. A positive electrode active material having a layer formed was produced.

(2)評価試験用のリチウムイオン二次電池の構築
評価試験用のリチウムイオン二次電池を構築する手順について具体的に説明する。
(2) Construction of a Lithium Ion Secondary Battery for Evaluation Test A procedure for constructing a lithium ion secondary battery for evaluation test will be specifically described.

(a)正極の作成
上記した通り、試験例1~10の各々で異なる正極活物質の粉末を用意し、分散媒(NMP:Nメチルピロリドン)と、バインダ(PVDF)と、導電助剤(アセチレンブラック)と、分散剤とを混合して正極活物質層用のペーストを作成した。このとき、固形分が50wt%になるように各々の材料を秤量し、プラネタリーミキサーを用いて混合した。なお、このペーストに含まれる正極活物質と導電助剤とバインダの質量比は90:6:4に設定した。
(A) Preparation of positive electrode As described above, different positive electrode active material powders are prepared for each of Test Examples 1 to 10, and a dispersion medium (NMP: N-methylpyrrolidone), a binder (PVDF), and a conductive auxiliary agent (acetylene) are prepared. Black) and the dispersant were mixed to prepare a paste for the positive electrode active material layer. At this time, each material was weighed so that the solid content was 50 wt%, and mixed using a planetary mixer. The mass ratio of the positive electrode active material, the conductive auxiliary agent, and the binder contained in this paste was set to 90: 6: 4.

次に、シート状の正極集電体(アルミニウム箔)の両面に、ダイコータを用いて正極活物質層用のペーストを塗布し乾燥させた後、所定の圧力でプレスすることによってシート状の正極を作製した。 Next, the paste for the positive electrode active material layer is applied to both sides of the sheet-shaped positive electrode current collector (aluminum foil) using a die coater, dried, and then pressed at a predetermined pressure to form a sheet-shaped positive electrode. Made.

(b)負極の作成
試験例1~10のいずれにおいても、平均粒子径20μmの天然黒鉛系材料(グラファイト)を負極活物質として使用して負極を作成した。具体的には、負極活物質と、バインダ(SBR:スチレンーブタジエン共重合体)と、増粘剤(CMC)とを分散溶媒(水)に混合させて負極活物質用のペーストを作成した。そして、この負極活物質用のペーストをシート状の負極集電体(銅箔)の両面に塗布し、乾燥させた後にプレスすることによりシート状の負極を作製した。なお、上記した負極活物質用のペーストにおける負極活物質とSBRとCMCの混合割合は98:1:1に調整した。
(B) Preparation of Negative Electrode In each of Test Examples 1 to 10, a negative electrode was prepared using a natural graphite-based material (graphite) having an average particle diameter of 20 μm as a negative electrode active material. Specifically, a negative electrode active material, a binder (SBR: styrene-butadiene copolymer), and a thickener (CMC) were mixed with a dispersion solvent (water) to prepare a paste for the negative electrode active material. Then, the paste for the negative electrode active material was applied to both sides of the sheet-shaped negative electrode current collector (copper foil), dried, and then pressed to prepare a sheet-shaped negative electrode. The mixing ratio of the negative electrode active material, SBR, and CMC in the above-mentioned paste for the negative electrode active material was adjusted to 98: 1: 1.

(c)電池の作製
次に、上記した正極と負極をシート状のセパレータを介して積層させた後、積層体を捲回させて扁平状の捲回電極体を作製した。そして、作製した捲回電極体をケースの外部端子と接続した後、電解液とともにケース内に収容して密閉することにより評価試験用のリチウムイオン二次電池を構築した。なお、電解液としては、ECとDMCとEMCとを3:4:3の体積比で含む混合溶媒に支持塩としてのLiPFを約1mol/リットルの濃度で含有させた非水電解液を使用した。
(C) Preparation of Battery Next, after laminating the above-mentioned positive electrode and negative electrode via a sheet-shaped separator, the laminated body was wound to prepare a flat wound electrode body. Then, after connecting the manufactured wound electrode body to the external terminal of the case, the lithium ion secondary battery for evaluation test was constructed by accommodating it in the case together with the electrolytic solution and sealing it. As the electrolytic solution, a non-aqueous electrolytic solution containing LiPF 6 as a supporting salt at a concentration of about 1 mol / liter in a mixed solvent containing EC, DMC and EMC in a volume ratio of 3: 4: 3 was used. bottom.

(3)評価試験
本試験例においては、試験例1~試験例10の評価試験用のリチウムイオン二次電池に対して(a)Li析出耐性評価試験、(b)サイクル耐久性評価試験、(c)電池抵抗評価試験の3項目の評価試験を行った。
なお、本試験例においては、各々の評価試験を行う前に、評価対象のリチウムイオン二次電池の活性化処理を行った。具体的には、電流値を1/3Cに設定した定電流充電で4.2Vまで充電した後、電流値が1/50Cになるまで定電圧充電を行って満充電状態とした。そして、電流値を1/3Cに設定した定電流放電を3Vまで行って、このときの容量を初期容量とした。なお、この活性化処理における温度は25℃に設定した。
(3) Evaluation test In this test example, (a) Li precipitation resistance evaluation test, (b) cycle durability evaluation test, and (b) cycle durability evaluation test, (a) Li precipitation resistance evaluation test, (b) cycle durability evaluation test, for the lithium ion secondary batteries for evaluation test of Test Examples 1 to 10. c) Three items of the battery resistance evaluation test were evaluated.
In this test example, the lithium ion secondary battery to be evaluated was activated before each evaluation test was performed. Specifically, after charging to 4.2 V by constant current charging with the current value set to 1 / 3C, constant voltage charging was performed until the current value reached 1 / 50C to bring the product into a fully charged state. Then, a constant current discharge with the current value set to 1 / 3C was performed up to 3V, and the capacity at this time was used as the initial capacity. The temperature in this activation treatment was set to 25 ° C.

(a)Li析出耐性評価試験
本評価においては、試験例1~10のリチウムイオン二次電池のLi析出耐性を評価するために「規格化限界電流値」を測定した。
具体的には、各試験例のリチウムイオン二次電池を-10℃の温度条件下に配置し、1C相当の電流値で4.2Vまで定電流充電を行った後、1Cの電流値で3Vまで定電流放電を行う充放電サイクルを1サイクルとし、この充放電サイクルを50サイクル行った後、各々の電池を分解して負極上に金属Liが析出しているか否かを調べた。
そして、金属Liの析出が見られなかった場合には、上記した充放電サイクルにおける電流値を0.2C刻みで大きくして試験を繰り返し行い、金属Liの析出が確認された際の電流値を「規格化限界電流値」とした。
結果を表1に示す。なお、表1中の「規格化限界電流値」は、試験例1の測定結果を100とした対数で示している。
(A) Li precipitation resistance evaluation test In this evaluation, the "standardized limit current value" was measured in order to evaluate the Li precipitation resistance of the lithium ion secondary batteries of Test Examples 1 to 10.
Specifically, the lithium ion secondary batteries of each test example are placed under a temperature condition of -10 ° C., constant current charging is performed up to 4.2 V with a current value equivalent to 1 C, and then 3 V with a current value of 1 C. The charge / discharge cycle in which constant current discharge was performed was set to one cycle, and after performing this charge / discharge cycle for 50 cycles, each battery was disassembled and it was examined whether or not metallic Li was deposited on the negative electrode.
When the precipitation of metallic Li was not observed, the current value in the charge / discharge cycle described above was increased in 0.2C increments and the test was repeated, and the current value when the precipitation of metallic Li was confirmed was determined. It was set as "standardized limit current value".
The results are shown in Table 1. The "normalized limit current value" in Table 1 is shown as a logarithm with the measurement result of Test Example 1 as 100.

(b)サイクル耐久性評価試験
本評価においては、試験例1~10のサイクル耐久性を評価するために「サイクル後の容量維持率」を測定した。
具体的には、各試験例のリチウムイオン二次電池を60℃の温度条件下に配置し、2Cの電流値で4.2Vまで定電流充電を行った後、2Cの電流値で3Vまで定電流放電を行う充放電サイクルを1サイクルとし、この充放電サイクルを500サイクル行った。
そして、各々の電池の容量を測定し、上記した初期容量を100とした場合の測定結果の割合を「サイクル後容量維持率」とした。結果を表1に示す。
(B) Cycle durability evaluation test In this evaluation, the "capacity retention rate after the cycle" was measured in order to evaluate the cycle durability of Test Examples 1 to 10.
Specifically, the lithium ion secondary battery of each test example is placed under a temperature condition of 60 ° C., and after constant current charging to 4.2 V at a current value of 2C, it is constant to 3 V at a current value of 2C. The charge / discharge cycle for current discharge was set as one cycle, and this charge / discharge cycle was performed for 500 cycles.
Then, the capacity of each battery was measured, and the ratio of the measurement results when the above-mentioned initial capacity was 100 was defined as the "capacity retention rate after cycle". The results are shown in Table 1.

(c)電池抵抗評価試験
本評価においては、各試験例の電池抵抗を評価するために「規格化抵抗値」を測定した。
具体的には、先ず、各々の評価試験用の電池の開放電圧を、SOC(State of Charge)の56%に相当する3.70Vに調整した。そして、各々の電池を25℃の温度条件下に配置し、端子間電圧が3.00Vになるまで定電流放電を行った。そして、放電開始から5秒目の時点での端子間電圧と電流値を測定し、測定結果に基づいて算出した抵抗値を「規格化抵抗値」とした。
算出結果を表1に示す。なお、表1中の「規格化抵抗値」は、試験例1の測定結果を100とした対数で示している。
(C) Battery resistance evaluation test In this evaluation, the "standardized resistance value" was measured in order to evaluate the battery resistance of each test example.
Specifically, first, the open circuit voltage of each evaluation test battery was adjusted to 3.70 V, which corresponds to 56% of SOC (State of Charge). Then, each battery was placed under a temperature condition of 25 ° C., and constant current discharge was performed until the voltage between terminals became 3.00 V. Then, the voltage between terminals and the current value at the time of 5 seconds from the start of discharge were measured, and the resistance value calculated based on the measurement result was defined as the "normalized resistance value".
The calculation results are shown in Table 1. The "normalized resistance value" in Table 1 is shown as a logarithm with the measurement result of Test Example 1 as 100.

Figure 0007067858000001
Figure 0007067858000001

(4)試験結果
Li析出耐性評価試験の結果(表1中の規格化限界電流値)を見ると、ZrやYが結晶格子内に存在している試験例2~7では、ZrやYが添加されていない試験例1に比べて規格化限界電流値が低下しており、負極表面での金属Liの析出が発生しやすくなっていた。一方、ZrとYの両方を含む被覆層を形成した試験例8~10では、規格化限界電流値が試験例1と同程度になっており、ZrやYを添加しているにもかかわらず、金属Liの析出が抑制されていた。
(4) Test results Looking at the results of the Li precipitation resistance evaluation test (standardized limit current values in Table 1), in Test Examples 2 to 7 in which Zr and Y are present in the crystal lattice, Zr and Y are present. The standardized limit current value was lower than that of Test Example 1 in which it was not added, and the precipitation of metallic Li on the surface of the negative electrode was likely to occur. On the other hand, in Test Examples 8 to 10 in which the coating layer containing both Zr and Y was formed, the normalized limit current value was about the same as that in Test Example 1, and despite the addition of Zr and Y. , Precipitation of metallic Li was suppressed.

次に、サイクル耐久性評価試験の結果(表1中のサイクル後容量維持率)を見ると、試験例2~10の何れにおいても、試験例1よりもサイクル耐久性が向上していた。しかし、これらの試験例2~10の中でも、ZrとYとを含む被覆層を形成した試験例8~10のサイクル耐久性が特に大きく向上していた。 Next, looking at the results of the cycle durability evaluation test (post-cycle capacity retention rate in Table 1), the cycle durability was improved in all of Test Examples 2 to 10 as compared with Test Example 1. However, among these Test Examples 2 to 10, the cycle durability of Test Examples 8 to 10 in which the coating layer containing Zr and Y was formed was particularly greatly improved.

また、電池抵抗評価試験の試験結果(表1中の規格化抵抗値)を見ると、Zrのみが添加された試験例2~4では抵抗値が試験例1よりも増大し、Yのみが添加された試験例5~7では抵抗値が僅かに低減するという結果が得られた。一方、ZrとYを含んだ被覆層を形成した試験例8~10では抵抗値が大幅に低減するという結果が得られた。 Looking at the test results of the battery resistance evaluation test (normalized resistance values in Table 1), in Test Examples 2 to 4 to which only Zr was added, the resistance value was higher than that of Test Example 1, and only Y was added. The results were obtained that the resistance value was slightly reduced in the tested Examples 5 to 7. On the other hand, in Test Examples 8 to 10 in which the coating layer containing Zr and Y was formed, the result was obtained that the resistance value was significantly reduced.

以上の結果より、NCM活物質であるコア粒子の表面に、ZrとともにYを含んだ被覆層が形成された正極活物質を用いることにより、Li析出耐性、サイクル耐久性、電池抵抗の点において、従来よりも優れた電池性能を有するリチウムイオン二次電池を構築できることが確認できた。 From the above results, by using a positive electrode active material in which a coating layer containing Y together with Zr is formed on the surface of core particles which are NCM active materials, in terms of Li precipitation resistance, cycle durability, and battery resistance, It was confirmed that a lithium-ion secondary battery with better battery performance than before can be constructed.

2.試験B
次に、コア粒子に使用するリチウム遷移金属複合酸化物を変更しても、上記した試験Aと同等の効果が得られるか否かについて調べるために試験Bを行った。
試験Bにおいては、コア粒子としてLiNi1/3Co1/3Al1/3で表わされるリチウムニッケルコバルトアルミニウム複合酸化物(NCA活物質)を用いたことを除いて、試験Aと同じ条件で試験を行った。試験結果を表2に示す。
2. 2. Test B
Next, Test B was conducted to investigate whether or not the same effect as that of Test A described above could be obtained even if the lithium transition metal composite oxide used for the core particles was changed.
In Test B, the same conditions as in Test A except that the lithium nickel cobalt aluminum composite oxide (NCA active material) represented by LiNi 1/3 Co 1/3 Al 1/3 O 2 was used as the core particles. The test was conducted at. The test results are shown in Table 2.

Figure 0007067858000002
Figure 0007067858000002

表2に示すように、試験例16~18は、規格化限界電流値、サイクル後容量維持率、規格化抵抗値の何れの項目においても他の試験例よりも好ましい結果が得られた。
このことから、コア粒子としてNCA活物質を用いた場合であっても、YとZrとを含む被覆層を形成することによって、Li析出耐性の向上、サイクル耐久性の向上、電池抵抗の低減という従来よりも優れた電池性能を有するリチウムイオン二次電池を構築できることが確認できた。
As shown in Table 2, Test Examples 16 to 18 obtained more preferable results than the other Test Examples in any of the items of the normalized limit current value, the post-cycle capacity retention rate, and the normalized resistance value.
From this, even when an NCA active material is used as the core particle, by forming a coating layer containing Y and Zr, Li precipitation resistance is improved, cycle durability is improved, and battery resistance is reduced. It was confirmed that a lithium-ion secondary battery with better battery performance than before can be constructed.

以上、本発明を詳細に説明したが、上記実施形態は例示にすぎず、ここで開示される発明には上述の具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。 Although the present invention has been described in detail above, the above-described embodiment is merely an example, and the invention disclosed herein includes various modifications and modifications of the above-mentioned specific examples.

ここに開示される技術により提供される非水電解液二次電池は、上記のように優れた性能を示すことから、各種用途向けの非水電解液二次電池として利用可能である。例えば、自動車等の車両に搭載されるモータ(電動機)用電源として好適に使用され得る。かかる非水電解液二次電池は、それらの複数個を直列および/または並列に接続してなる組電池の形態で使用されてもよい。したがって、ここに開示される技術によると、かかる非水電解液二次電池(組電池の形態であり得る。)を電源として備える車両(典型的には自動車、特にハイブリッド自動車、電気自動車、燃料電池自動車のような電動機を備える自動車)が提供され得る。 The non-aqueous electrolytic solution secondary battery provided by the technique disclosed herein can be used as a non-aqueous electrolytic solution secondary battery for various applications because it exhibits excellent performance as described above. For example, it can be suitably used as a power source for a motor (motor) mounted on a vehicle such as an automobile. Such a non-aqueous electrolyte secondary battery may be used in the form of an assembled battery in which a plurality of them are connected in series and / or in parallel. Therefore, according to the techniques disclosed herein, a vehicle (typically an automobile, particularly a hybrid vehicle, an electric vehicle, a fuel cell) equipped with such a non-aqueous electrolyte secondary battery (which may be in the form of an assembled battery) as a power source. A vehicle equipped with an electric motor such as a vehicle) may be provided.

10 正極
12 正極集電体
14 正極活物質層
16 正極活物質層非形成部
20 負極
22 負極集電体
24 負極活物質層
26 負極活物質層非形成部
40 セパレータ
50 ケース
52 ケース本体
54 蓋体
70 正極端子
72 負極端子
80 捲回電極体
100 リチウムイオン二次電池
10 Positive electrode 12 Positive electrode current collector 14 Positive electrode active material layer 16 Positive electrode active material layer Non-formed part 20 Negative electrode 22 Negative electrode current collector 24 Negative electrode active material layer 26 Negative electrode active material layer Non-formed part 40 Separator 50 Case 52 Case body 54 Lid 70 Positive electrode terminal 72 Negative electrode terminal 80 Winding electrode body 100 Lithium ion secondary battery

Claims (4)

リチウムイオン二次電池に用いられる正極活物質であって、
少なくともリチウムとニッケルとを含む層状の結晶構造を有するリチウム遷移金属複合酸化物をコア粒子として備えており、
前記コア粒子の表面の少なくとも一部に、リチウムとイットリウムとジルコニウムとを含む複合酸化物から構成された被覆層が形成されている、リチウムイオン二次電池用正極活物質。
A positive electrode active material used in lithium-ion secondary batteries.
It is provided with a lithium transition metal composite oxide having a layered crystal structure containing at least lithium and nickel as core particles.
A positive electrode active material for a lithium ion secondary battery in which a coating layer composed of a composite oxide containing lithium, yttrium, and zirconium is formed on at least a part of the surface of the core particles.
前記コア粒子を100wt%としたときの前記被覆層の重量比が0.005wt%~0.1wt%である、請求項1に記載のリチウムイオン二次電池用正極活物質。 The positive electrode active material for a lithium ion secondary battery according to claim 1, wherein the weight ratio of the coating layer is 0.005 wt% to 0.1 wt% when the core particles are 100 wt%. リチウムと、ニッケルと、コバルトと、マンガンまたはアルミニウムとを含み、且つ、イットリウムとジルコニウムの両方を含んだ正極活物質であって、
ここで、前記ニッケルと、前記コバルトと、前記マンガンまたは前記アルミニウムとの合計モル数を100mol%としたときの前記イットリウムおよび前記ジルコニウムのそれぞれの含有量が、
イットリウム:0.25~1mol%
ジルコニウム:0.25~1mol%である、請求項1に記載のリチウムイオン二次電池用正極活物質。
A positive electrode active material containing lithium, nickel, cobalt, manganese or aluminum, and containing both yttrium and zirconium.
Here, the content of each of the yttrium and the zirconium when the total number of moles of the nickel, the cobalt, and the manganese or the aluminum is 100 mol% is determined.
Yttrium: 0.25 to 1 mol%
Zirconium: The positive electrode active material for a lithium ion secondary battery according to claim 1 , which is 0.25 to 1 mol%.
請求項1から3のいずれか1項に記載のリチウムイオン二次電池用正極活物質を備える、リチウムイオン二次電池。 A lithium ion secondary battery comprising the positive electrode active material for a lithium ion secondary battery according to any one of claims 1 to 3.
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