JP7184421B2 - POSITIVE ACTIVE MATERIAL FOR NON-AQUEOUS ELECTROLYTE SECONDARY BATTERY, NONAQUEOUS ELECTROLYTE SECONDARY BATTERY, METHOD FOR SELECTING ADDITIONAL ELEMENTS FOR LITHIUM METAL COMPOUND OXIDE, AND METHOD FOR MANUFACTURING POSITIVE ACTIVE MATERIAL FOR NON-AQUEOUS ELECTROLYTE SECONDARY BATTERY - Google Patents

POSITIVE ACTIVE MATERIAL FOR NON-AQUEOUS ELECTROLYTE SECONDARY BATTERY, NONAQUEOUS ELECTROLYTE SECONDARY BATTERY, METHOD FOR SELECTING ADDITIONAL ELEMENTS FOR LITHIUM METAL COMPOUND OXIDE, AND METHOD FOR MANUFACTURING POSITIVE ACTIVE MATERIAL FOR NON-AQUEOUS ELECTROLYTE SECONDARY BATTERY Download PDF

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Description

特許法第30条第2項適用 平成28年3月23日に公益社団法人電気化学会第83回大会講演要旨集にて発表 平成28年3月29日に公益社団法人電気化学会第83回大会にて発表Application of Article 30, Paragraph 2 of the Patent Law Announced at the 83rd Annual Meeting of The Electrochemical Society of Japan on March 23, 2016 The 83rd Annual Meeting of The Electrochemical Society of Japan on March 29, 2016 Presented at the convention

本発明は、非水系電解質二次電池用正極活物質、非水系電解質二次電池、リチウム金属複合酸化物の添加元素の選択方法及び非水系電解質二次電池用正極活物質の製造方法に関する。 The present invention relates to a positive electrode active material for non-aqueous electrolyte secondary batteries, a non-aqueous electrolyte secondary battery, a method for selecting additive elements for lithium metal composite oxides, and a method for producing a positive electrode active material for non-aqueous electrolyte secondary batteries.

近年、携帯電話やノート型パソコン等の携帯機器の普及にともない、高いエネルギー密度を有する小型かつ軽量な二次電池の開発が強く望まれている。また、XEVと呼ばれる環境対応自動車においても高容量化が求められており、高容量の二次電池の需要は、今後、大幅に増加することが予想されている。さらに、環境対応自動車における1回の充電当たりの走行距離の向上や小型化の必要性が増し、更なる高容量化が求められている。 2. Description of the Related Art In recent years, with the spread of mobile devices such as mobile phones and laptop computers, there is a strong demand for the development of small and lightweight secondary batteries with high energy density. Also, eco-friendly vehicles called XEVs are required to have higher capacity, and the demand for high-capacity secondary batteries is expected to increase significantly in the future. Furthermore, there is an increasing need for an improvement in the traveling distance per charge and a reduction in the size of eco-friendly automobiles, and a further increase in capacity is required.

このような高容量の二次電池として、非水系電解質二次電池がある。非水系電解質二次電池の代表的な電池としてはリチウムイオン二次電池があり、リチウムイオン二次電池の正極材料には、リチウム金属複合酸化物が正極活物質として使用される。リチウムコバルト複合酸化物(LiCoO)は、合成が比較的容易であり、かつ、リチウムコバルト複合酸化物を正極材料に用いたリチウムイオン二次電池において、4V級の高い電圧が得られるため、高いエネルギー密度を有する二次電池を実用化させるための材料として実用化されている。 Non-aqueous electrolyte secondary batteries are known as such high-capacity secondary batteries. A lithium ion secondary battery is a representative non-aqueous electrolyte secondary battery, and a lithium metal composite oxide is used as a positive electrode active material for the positive electrode material of the lithium ion secondary battery. Lithium-cobalt composite oxide (LiCoO 2 ) is relatively easy to synthesize, and in a lithium-ion secondary battery using lithium-cobalt composite oxide as a positive electrode material, a high voltage of the 4V class can be obtained. It has been put to practical use as a material for practical use of a secondary battery having an energy density.

しかしながら、リチウムコバルト複合酸化物は、高容量化の要求に十分に対応できているとは言い難く、より高容量の代替材料が検討されている。リチウムコバルト複合酸化物に代替できる正極活物質の中でも、近年、高容量であり、また、高価なコバルト含有量が少ないため、コスト的にも有利であるリチウムニッケル複合酸化物(LiNiO)が注目されている。 However, it is difficult to say that the lithium-cobalt composite oxide satisfactorily meets the demand for higher capacity, and alternative materials with higher capacity are being investigated. Among positive electrode active materials that can be substituted for lithium-cobalt composite oxides, lithium-nickel composite oxides (LiNiO 2 ), which have high capacity and are advantageous in terms of cost due to their low content of expensive cobalt, have been attracting attention in recent years. It is

しかしながら、リチウムニッケル複合酸化物は、充電の際に結晶構造が崩れ、発熱や酸素放出が起こりやすく熱安定性が低いという問題がある。また、非水系電解質二次電池は、電解液として有機溶媒が用いられており、過度に発熱すると有機溶媒と反応してさらに発熱しやすくなるという問題があり、リチウムニッケル複合酸化物への添加元素や電池自体の改良で、これらの問題を防止している。このため、高容量で、コスト的にも安価であるというリチウムニッケル複合酸化物の長所が十分に活用されているとは言えない。 However, the lithium-nickel composite oxide has a problem that its crystal structure collapses during charging, heat generation and oxygen release are likely to occur, and its thermal stability is low. In addition, the non-aqueous electrolyte secondary battery uses an organic solvent as the electrolyte, and there is a problem that if the heat is excessively generated, it will react with the organic solvent and generate more heat. and improvements in the battery itself have prevented these problems. For this reason, it cannot be said that the advantages of lithium-nickel composite oxides, such as high capacity and low cost, are fully utilized.

このような課題を解決するために、例えば、特許文献1には、化学組成式がA4-xB(POを主成分とする二次電池用正極材料であって、Aはアルカリ金属から選ばれる少なくとも一種類の元素であり、Bは2価以上の多価イオンとなりうる遷移金属から選ばれる少なくとも一種類の元素であり、xは0≦x≦4の範囲にある化合物を主成分とする二次電池用正極材料が提案されている。この提案によれば、高い安全性をもつリン酸骨格構造と、二次元以上のリチウム拡散ネットワークと、1電子反応以上の高い電気容量をあわせ持つ正極材料を提供することができるとしている。 In order to solve such problems, for example, Patent Document 1 discloses a positive electrode material for secondary batteries having a chemical composition formula of A 4-x B(PO 4 ) 2 as a main component, wherein A is an alkaline At least one element selected from metals, B is at least one element selected from transition metals capable of forming a polyvalent ion of two or more valences, and x is mainly a compound in the range of 0 ≤ x ≤ 4 A positive electrode material for a secondary battery has been proposed as a component. According to this proposal, it is possible to provide a positive electrode material having a highly safe phosphoric acid skeleton structure, a two- or more-dimensional lithium diffusion network, and a high electric capacity of one-electron reaction or more.

また、特許文献2では、一般式:Lix(Ni1-yCoy)1-zMzO2(0.98≦x≦1.1、0.05≦y≦0.4、0.01≦z≦0.2、MはAl、Mn、Ti及びMgから成る群から選択される一種又は二種以上)で示される組成のニッケル酸リチウムであり、少なくともSOCが50%の状態において、(1)a軸が2.8Å以上、(2)格子体積が99.6Å3以上、(3)Ni-O結合距離が1.8Å以上、(4)Ni-Ni結合距離が2.8Å以上、(5)Ni-Oのデバイ-ワーラー因子が0.065以上、及び(6)Ni-Niのデバイ-ワーラー因子が0.066以下、のうちの少なくとも一つの構造上の特性を有する正極活物質が提案されている。この提案によれば、構造安定性(熱安定性)に優れ、高い放電容量(高エネルギー密度)の正極活物質を提供することができるとしている。 Further, in Patent Document 2, general formula: Lix(Ni1-yCoy)1-zMzO2 (0.98≦x≦1.1, 0.05≦y≦0.4, 0.01≦z≦0.2, M is one or two or more selected from the group consisting of Al, Mn, Ti and Mg). (2) lattice volume of 99.6 Å or more; (3) Ni—O bond distance of 1.8 Å or more; (4) Ni—Ni bond distance of 2.8 Å or more; - a Waller factor of 0.065 or greater; and (6) a Ni--Ni Debye-Waller factor of 0.066 or less. According to this proposal, it is possible to provide a positive electrode active material with excellent structural stability (thermal stability) and high discharge capacity (high energy density).

国際公開第2012/164751号WO2012/164751 特開2005-332713号公報JP-A-2005-332713

しかしながら、特許文献1で開示されている正極材料は、ポリアニオン型の正極活物質であり、高い電気容量が期待されるものの、現実的に充放電可能な電気容量は少ないものとなっており、高容量の正極活物質とは言い難い。一方、特許文献2で開示されている正極活物質は、要求されている高容量化が十分に達成されているとは言い難く、高い熱安定性と更なる高容量化が要求されている。 However, although the positive electrode material disclosed in Patent Document 1 is a polyanion type positive electrode active material and is expected to have a high electric capacity, the electric capacity that can be actually charged and discharged is small. It is difficult to say that it is a positive electrode active material with a large capacity. On the other hand, it is difficult to say that the positive electrode active material disclosed in Patent Document 2 has sufficiently achieved the required high capacity, and high thermal stability and further high capacity are required.

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、非水系電解質二次電池の正極活物質として用いられた際に高容量の実現が可能で、かつ、熱安定性の高い非水系電解質二次電池用正極活物質を提供することの可能な、新規かつ改良された非水系電解質二次電池用正極活物質、非水系電解質二次電池、及び非水系電解質二次電池用正極活物質の製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems. Manufacture of novel and improved positive electrode active material for non-aqueous electrolyte secondary battery, non-aqueous electrolyte secondary battery, and positive electrode active material for non-aqueous electrolyte secondary battery capable of providing positive electrode active material for next battery The purpose is to provide a method.

本発明の一態様は、リチウム金属複合酸化物からなる非水系電解質二次電池用正極活物質であって、リチウムと、金属元素と、酸素元素と、添加元素からなり、前記リチウム金属複合酸化物は、層状岩塩型構造の結晶構造を有し、前記金属元素は3bサイトを構成し、前記金属元素としてニッケルを含み、該ニッケルの含有量が前記金属元素及び前記添加元素の合計に対して82.3~90原子%であり、かつ、前記添加元素は、第一原理計算を用いて求めるニッケル原子と酸素原子との結合距離が、前記添加元素を含まないリチウム金属複合酸化物の3bサイトのニッケル原子を該添加元素で置換することにより、置換前より短くなる元素であり、該添加元素の含有量が前記金属元素及び前記添加元素の合計に対して0.5~3.0原子%であり、前記3bサイトの前記ニッケル原子と置換しており、2032型コイン電池の正極活物質として用いた際の初期放電容量が195mAh/g以上であることを特徴とする。 One aspect of the present invention is a positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery comprising a lithium metal composite oxide, comprising lithium, a metal element, an oxygen element and an additive element, wherein the lithium metal composite oxide has a crystal structure of a layered rock salt type structure, the metal element constitutes the 3b site, nickel is included as the metal element, and the nickel content is 82 with respect to the total of the metal element and the additive element .3 to 90 atomic %, and the additive element has a bond distance between a nickel atom and an oxygen atom determined by first-principles calculation of the 3b site of the lithium metal composite oxide that does not contain the additive element. By substituting nickel atoms with the additive element, the element becomes shorter than before the substitution, and the content of the additive element is 0.5 to 3.0 atomic % with respect to the total of the metal element and the additive element. The nickel atom is substituted for the nickel atom at the 3b site, and the initial discharge capacity when used as a positive electrode active material for a 2032 type coin battery is 195 mAh/g or more.

このとき、本発明の一態様では、前記リチウム金属複合酸化物は、前記金属元素としてコバルトを更に含み、前記添加元素は、第一原理計算を用いて求めるコバルト原子と酸素原子との結合距離が、前記添加元素を含まないリチウム金属複合酸化物の前記3bサイトの前記ニッケル原子を該添加元素で置換することにより、置換前より短くなる元素であることとしてもよい。 At this time, in one aspect of the present invention, the lithium metal composite oxide further contains cobalt as the metal element, and the additional element has a bond distance between the cobalt atom and the oxygen atom determined by first-principles calculation. Alternatively, by substituting the nickel atom at the 3b site of the lithium metal composite oxide not containing the additive element with the additive element, the length of the element becomes shorter than before the replacement.

また、本発明の一態様では、前記添加元素は、前記3bサイトの前記ニッケル原子を前記添加元素で置換した際の前記第一原理計算を用いて求めた該添加元素と酸素原子との結合距離が、前記添加元素を含まないリチウム金属複合酸化物のニッケル原子と酸素原子との結合距離より短いこととしてもよい。 Further, in one aspect of the present invention, the additive element is the bond distance between the additive element and the oxygen atom obtained using the first-principles calculation when the nickel atom at the 3b site is substituted with the additive element. may be shorter than the bond distance between the nickel atom and the oxygen atom in the lithium metal composite oxide not containing the additive element.

また、本発明の一態様では、前記添加元素が、ホウ素であることとしてもよい。 Further, in one aspect of the present invention, the additive element may be boron.

また、本発明の他の態様は、非水系電解質二次電池であって、上記の何れかに記載の非水系電解質二次電池用正極活物質を含む正極を備えることを特徴とする。According to another aspect of the present invention, there is provided a non-aqueous electrolyte secondary battery comprising a positive electrode containing any one of the positive electrode active materials for non-aqueous electrolyte secondary batteries described above.

また、本発明の更に他の態様は、非水系電解質二次電池用正極活物質用のリチウム金属複合酸化物における、リチウムと、金属元素と、酸素元素及び添加元素からなる上記リチウム金属複合酸化物の添加元素の選択方法であって、前記リチウム金属複合酸化物は、層状岩塩型構造の結晶構造を有し、前記金属元素は3bサイトを構成し、前記金属元素としてニッケルを含み、第一原理計算を用いて求めたリチウム金属複合酸化物のニッケル原子と酸素原子との結合距離が、前記添加元素を含まないリチウム金属複合酸化物の3bサイトのニッケル原子を置換することにより、置換前より短くなる元素を、前記添加元素として選択し、前記第一原理計算は、前記添加元素は3bサイトのニッケル原子の4~16%と置換して、3aサイトのリチウム原子の30~80%が引き抜かれて欠損した状態において計算することを特徴とする。 Further, still another aspect of the present invention is the above lithium metal composite oxide comprising lithium, a metal element, an oxygen element and an additive element in a lithium metal composite oxide for a positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery wherein the lithium metal composite oxide has a layered rock salt crystal structure, the metal element constitutes the 3b site, nickel is included as the metal element, and the first principle The bond distance between the nickel atom and the oxygen atom of the lithium metal composite oxide obtained by calculation is shorter than before substitution by substituting the nickel atom at the 3b site of the lithium metal composite oxide not containing the additive element. is selected as the additive element, and the first principle calculation shows that the additive element replaces 4 to 16% of the nickel atoms at the 3b site, and 30 to 80% of the lithium atoms at the 3a site are extracted. It is characterized in that calculation is performed in a state in which

また、本発明の更に他の態様では、前記第一原理計算は、3bサイトのニッケル原子とコバルト原子の比率を84:16とし、添加元素は3bサイトのニッケル原子の8%を置換して、3aサイトのリチウムが3分の2欠損した状態において計算することとしてもよい。In still another aspect of the present invention, the first-principles calculation sets the ratio of nickel atoms at the 3b site to cobalt atoms at 84:16, and the additive element replaces 8% of the nickel atoms at the 3b site, The calculation may be performed in a state in which two-thirds of the lithium at the 3a site is deficient.

このとき、本発明の更に他の態様では、リチウムと、金属元素と、酸素元素及び添加元素からなるリチウム金属複合酸化物からなる非水系電解質二次電池用正極活物質の製造方法であって、ニッケルの含有量が前記金属元素及び前記添加元素の合計に対して82.3~90原子%となるようにニッケル塩を含む金属元素塩及び、上記の何れかの選択方法によって選択した添加元素の化合物を前記添加元素の含有量が、前記金属元素及び前記添加元素の合計に対して0.5~3.0原子%となるように含む混合水溶液と、アンモニウムイオンを含む水溶液を混合して反応溶液とし、該反応溶液の液温25℃基準のpH値が11.0~12.5の範囲となるように制御してニッケル複合水酸化物を晶析させる晶析工程と、晶析した前記ニッケル複合水酸化物を洗浄した後、乾燥する乾燥工程と、乾燥後の前記ニッケル複合水酸化物とリチウム化合物を混合して得た混合物を酸素雰囲気下で焼成して前記リチウム金属複合酸化物を得る焼成工程と、を含むこととしてもよい。 At this time, in still another aspect of the present invention, a method for producing a positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery comprising a lithium metal composite oxide comprising lithium, a metal element, an oxygen element and an additive element, comprising: A metal element salt containing a nickel salt so that the nickel content is 82.3 to 90 atomic % with respect to the total of the metal element and the additive element, and the additive element selected by any of the above selection methods. A mixed aqueous solution containing a compound such that the content of the additive element is 0.5 to 3.0 atomic % with respect to the total of the metal element and the additive element, and an aqueous solution containing ammonium ions are mixed and reacted. a crystallization step of crystallizing the nickel composite hydroxide by controlling the pH value of the reaction solution to be in the range of 11.0 to 12.5 with respect to the liquid temperature of 25° C.; After washing the nickel composite hydroxide, a drying step of drying, and firing a mixture obtained by mixing the dried nickel composite hydroxide and a lithium compound in an oxygen atmosphere to obtain the lithium metal composite oxide. and a baking step to obtain.

このとき、本発明の更に他の態様では、前記晶析工程において、前記pH値の制御にアルカリ性水溶液を用い、その際に、前記アンモニウムイオンを含む水溶液と前記アルカリ性水溶液を前記反応溶液の液中に供給して、前記ニッケル複合水酸化物の粒子を成長させることとしてもよい。At this time, in still another aspect of the present invention, in the crystallization step, an alkaline aqueous solution is used for controlling the pH value, and at that time, the aqueous solution containing the ammonium ions and the alkaline aqueous solution are mixed in the reaction solution. to grow the particles of the nickel composite hydroxide.

また、本発明の更に他の態様では、前記アンモニウムイオンを含む水溶液と前記アルカリ性水溶液の供給位置は、垂直方向においては、反応溶液中の撹拌翼の最深部から、該撹拌翼の最深部と反応溶液の液面との距離の3分の1の位置までの間とし、水平方向においては、前記撹拌翼の最外周と中心の中間位置から該撹拌翼の最外周までの間とすることとしてもよい。In still another aspect of the present invention, the supply positions of the aqueous solution containing the ammonium ions and the alkaline aqueous solution are such that, in the vertical direction, the reaction solution moves from the deepest part of the stirring blades in the reaction solution to the deepest part of the stirring blades. In the horizontal direction, it may be between the outermost periphery and the center of the stirring blade and the outermost periphery of the stirring blade. good.

また、本発明の更に他の態様では、前記晶析工程において、前記pH値の制御にアルカリ性水溶液を用い、その際に、前記アンモニウムイオンを含む水溶液と前記アルカリ性水溶液を前記反応溶液の液面の外周から、該液面の外周と中心との距離の3分の1の位置までの間の液面に供給して、前記ニッケル複合水酸化物を成長させることとしてもよい。In still another aspect of the present invention, in the crystallization step, an alkaline aqueous solution is used for controlling the pH value, and at that time, the aqueous solution containing the ammonium ions and the alkaline aqueous solution are mixed to the level of the liquid surface of the reaction solution. The nickel composite hydroxide may be grown by supplying it to the liquid surface between the outer circumference and the position of 1/3 of the distance between the outer circumference and the center of the liquid surface.

また、本発明の更に他の態様では、前記リチウム金属複合酸化物は、前記金属元素としてコバルトをさらに含み、前記選択工程において、第一原理計算を用いて求めたコバルト原子と酸素原子との結合距離が、前記添加元素を含まないリチウム金属複合酸化物の前記3bサイトの前記ニッケル原子を置換することにより、置換前より短くなる元素を、前記添加元素として選択することとしてもよい。In still another aspect of the present invention, the lithium metal composite oxide further contains cobalt as the metal element, and in the selecting step, the bond between the cobalt atom and the oxygen atom determined by first-principles calculation. By substituting the nickel atom at the 3b site of the lithium metal composite oxide that does not contain the additive element, an element that makes the distance shorter than before substitution may be selected as the additive element.

また、本発明の更に他の態様では、前記添加元素がホウ素であることとしてもよい。 Further, in still another aspect of the present invention, the additional element may be boron.

また、本発明の更に他の態様では、前記晶析工程において、前記混合水溶液中の前記金属元素及び前記添加元素の合計の濃度を1.5~2.5mol/Lとすることとしてもよい。 In still another aspect of the present invention, in the crystallization step, the total concentration of the metal element and the additive element in the mixed aqueous solution may be 1.5 to 2.5 mol/L.

また、本発明の更に他の態様では、前記焼成工程において、焼成温度を650~950℃とすることとしてもよい。 In still another aspect of the present invention, the firing temperature may be 650 to 950° C. in the firing step.

また、本発明の更に他の態様では、前記焼成工程において、前記リチウム化合物として、水酸化リチウム、炭酸リチウム、又はこれらの混合物を用いることとしてもよい。 In still another aspect of the present invention, lithium hydroxide, lithium carbonate, or a mixture thereof may be used as the lithium compound in the firing step.

以上説明したように本発明によれば、高容量の実現が可能で、かつ、熱安定性の高い非水系電解質二次電池用正極活物質が得られる。また、当該正極活物質を含む正極を備える非水系電解質二次電池は、高容量で、高温での安定性にも優れたものとなる。さらに、本発明に係る非水系電解質二次電池用正極活物質の製造方法は、組成の選択が容易で、かつ工業規模での生産に適したものであり、その工業的価値は極めて大きい。 As described above, according to the present invention, it is possible to obtain a positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery that can achieve high capacity and has high thermal stability. Moreover, a non-aqueous electrolyte secondary battery having a positive electrode containing the positive electrode active material has a high capacity and excellent stability at high temperatures. Furthermore, the method for producing a positive electrode active material for non-aqueous electrolyte secondary batteries according to the present invention allows easy selection of the composition, is suitable for production on an industrial scale, and has a very high industrial value.

本発明の一実施形態に係る非水系電解質二次電池用正極活物質の製造方法の概略を示すフロー図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is a flowchart which shows the outline of the manufacturing method of the positive electrode active material for nonaqueous electrolyte secondary batteries which concerns on one Embodiment of this invention. (A)及び(B)は、本発明の一実施形態に係る非水系電解質二次電池用正極活物質の製造方法において、アンモニウムイオンを含む水溶液とアルカリ性水溶液の供給位置を説明するための図である。(A) and (B) are diagrams for explaining the supply positions of an aqueous solution containing ammonium ions and an alkaline aqueous solution in a method for producing a positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery according to an embodiment of the present invention. be. (A)及び(B)は、本発明の一実施形態に係る非水系電解質二次電池の構成図である。1A and 1B are configuration diagrams of a non-aqueous electrolyte secondary battery according to an embodiment of the present invention; FIG.

以下、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、以下に説明する本実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではなく、本実施形態で説明される構成の全てが本発明の解決手段として必須であるとは限らない。 Preferred embodiments of the present invention will be described in detail below. It should be noted that the present embodiment described below does not unduly limit the content of the present invention described in the claims, and all of the configurations described in the present embodiment are essential as means for solving the present invention. not necessarily.

本発明者らは、非水系電解質二次電池用正極活物質の高容量化と熱安定性の向上について鋭意検討した結果、特定量のニッケルを含む層状構造を有するリチウム金属複合酸化物において、第一原理計算を用いて求められる3bサイトを構成する各元素と酸素原子との結合距離が短くなる元素を添加することで、酸素が放出しにくくなり、高容量と高い熱安定の両立が可能との知見を得て、本発明を完成した。以下、本発明の一実施形態に係る非水系電解質二次電池用正極活物質の成分や構成、及びその製造方法について説明する。 The present inventors have made intensive studies on increasing the capacity and improving the thermal stability of positive electrode active materials for non-aqueous electrolyte secondary batteries. By adding an element that shortens the bonding distance between each element that constitutes the 3b site and the oxygen atom, which is determined using one-principle calculation, oxygen is less likely to be released, making it possible to achieve both high capacity and high thermal stability. The present invention was completed by obtaining the knowledge of Hereinafter, the components and configuration of the positive electrode active material for non-aqueous electrolyte secondary batteries according to one embodiment of the present invention, and the method for producing the same will be described.

(1)非水系電解質二次電池用正極活物質
本発明の一実施形態に係る非水系電解質二次電池用正極活物質は、リチウムと、金属元素と、及び添加元素とを含むリチウム金属複合酸化物からなる非水系電解質二次電池用正極活物質である。本実施形態では、リチウム金属複合酸化物は、層状岩塩型構造の結晶構造を有し、金属元素としてニッケルを含み、ニッケルの含有量が金属元素及び添加元素の合計に対して60~90原子%であり、かつ、添加元素は、第一原理計算を用いて求めるニッケル原子と酸素原子との結合距離が、添加元素を含まないリチウム金属複合酸化物の3bサイトのニッケル原子を該添加元素で置換することにより、置換前より短くなる元素であり、3bサイトのニッケル原子と置換していることを特徴とする。
(1) Positive electrode active material for non-aqueous electrolyte secondary battery The positive electrode active material for non-aqueous electrolyte secondary battery according to one embodiment of the present invention is a lithium-metal composite oxide containing lithium, a metal element, and an additive element. It is a positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery consisting of a substance. In the present embodiment, the lithium metal composite oxide has a layered rock salt crystal structure, contains nickel as a metal element, and has a nickel content of 60 to 90 atomic % with respect to the total of the metal element and the additive element. and the additive element replaces the nickel atom at the 3b site of the lithium metal composite oxide containing no additive element with the bond distance between the nickel atom and the oxygen atom determined by first-principles calculation with the additive element. By doing so, it is an element that becomes shorter than before the substitution, and is characterized by being substituted with the nickel atom at the 3b site.

非水系電解質二次電池用正極活物質(以下、単に「正極活物質」ということがある。)を構成するリチウム金属複合酸化物は、層状岩塩型構造の結晶構造を有し、金属元素としてニッケルを含み、ニッケルの含有量が金属元素及び添加元素の合計に対して60~90原子%である。このような層状岩塩型構造の結晶構造を有し、高いニッケル含有量のリチウム金属複合酸化物は、非水系電解質二次電池(以下、単に「電池」ということがある。)に用いられた際に高い充放電容量(以下、「電池容量」ということがある。)を実現できる。一方で、結晶構造の安定性が高くないため、結晶からの酸素放出が起こりやすくなる。 The lithium metal composite oxide that constitutes the positive electrode active material for non-aqueous electrolyte secondary batteries (hereinafter sometimes simply referred to as "positive electrode active material") has a crystal structure of a layered rock salt structure, and contains nickel as a metal element. and the content of nickel is 60 to 90 atomic % with respect to the total of the metal element and the additive element. When the lithium metal composite oxide having such a layered rock salt crystal structure and high nickel content is used in a non-aqueous electrolyte secondary battery (hereinafter sometimes simply referred to as "battery"), A high charge/discharge capacity (hereinafter sometimes referred to as “battery capacity”) can be realized. On the other hand, since the stability of the crystal structure is not high, oxygen is easily released from the crystal.

本発明の一実施形態に係る正極活物質は、第一原理計算を用いて求めるニッケル原子と酸素原子との結合距離が、添加元素を含まないリチウム金属複合酸化物の3bサイトのニッケル原子を当該添加元素で置換することにより、置換前、すなわち添加元素を含まないリチウム金属複合酸化物より短くなる元素を、添加元素として含むものである。 In the positive electrode active material according to one embodiment of the present invention, the bond distance between the nickel atom and the oxygen atom obtained using first-principles calculation is the nickel atom at the 3b site of the lithium metal composite oxide containing no additive element. It contains, as an additive element, an element that becomes shorter than the lithium metal composite oxide before replacement, that is, without the additive element, by substituting it with the additive element.

ニッケル原子と酸素原子との結合距離が短くなることは、ニッケル原子と酸素原子の結合力が増して、結晶構造の安定性を向上させ、例えば、結晶構造が不安定になりやすい充電状態で高温保存された際においても、酸素放出が抑制され、熱安定性が向上する。また、第一原理計算によって結合距離を算出することによって、当該結合距離の変化を容易に見積もることができる。 Shortening the bond distance between the nickel atom and the oxygen atom increases the bond strength between the nickel atom and the oxygen atom, improving the stability of the crystal structure. Oxygen release is suppressed and thermal stability is improved even when stored. Further, by calculating the bond distance by first-principles calculation, the change in the bond distance can be easily estimated.

しかしながら、第一原理計算による結合距離は、添加元素が3bサイトのニッケル原子と置換していることを前提としたものであり、実際に3bサイトのニッケル原子と置換していることが必要である。このような3bサイトにおけるニッケル原子との置換は、格子定数の変化として確認することができ、本発明の一実施形態に係る非水系電解質二次電池用正極活物質においては、格子定数が増加することが確認されている。 However, the bond distance by first-principles calculation is based on the premise that the additive element replaces the nickel atom at the 3b site, and it is necessary to actually replace the nickel atom at the 3b site. . Such substitution with a nickel atom at the 3b site can be confirmed as a change in lattice constant, and in the positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery according to one embodiment of the present invention, the lattice constant increases. has been confirmed.

また、リチウム金属複合酸化物は、金属元素としてコバルトをさらに含み、添加元素は、第一原理計算を用いて求めるコバルト原子と酸素原子との結合距離が、添加元素を含まないリチウム金属複合酸化物の3bサイトのニッケル原子を該添加元素で置換することにより、置換前より短くなるものであることが好ましい。 In addition, the lithium metal composite oxide further contains cobalt as a metal element, and the additive element is a lithium metal composite oxide that does not contain the additive element so that the bonding distance between the cobalt atom and the oxygen atom obtained by first-principles calculation is By substituting the nickel atom at the 3b site of with the additive element, it is preferable that the length becomes shorter than before the substitution.

このように、金属元素としてコバルトを含むことによって、リチウム金属複合酸化物の熱安定性がより向上する。電池容量と熱安定性を高い次元で両立させる観点から、コバルトの含有量は、リチウム金属複合酸化物に含まれる金属元素と添加元素の合計に対して3~20原子%であることが好ましい。また、ニッケル原子と酸素原子との結合距離に加え、コバルト原子と酸素原子との結合距離が短くなることにより、結晶構造の安定性が増加し、熱安定性がさらに改善される。ニッケル酸リチウム等のリチウム金属複合酸化物は、エネルギー密度が高いが、熱安定性が高いと言えないため、本実施形態では、コバルトを加えることによって、結晶構造を安定化させ、熱安定性を向上させている。 By including cobalt as a metal element in this way, the thermal stability of the lithium metal composite oxide is further improved. From the viewpoint of achieving both battery capacity and thermal stability at a high level, the content of cobalt is preferably 3 to 20 atomic % with respect to the total of metal elements and additive elements contained in the lithium metal composite oxide. In addition to the bond distance between the nickel atom and the oxygen atom, the bond distance between the cobalt atom and the oxygen atom is shortened, thereby increasing the stability of the crystal structure and further improving the thermal stability. Lithium metal composite oxides such as lithium nickelate have high energy density but cannot be said to have high thermal stability. Therefore, in this embodiment, cobalt is added to stabilize the crystal structure and improve thermal stability. are improving.

さらに、添加元素は、3bサイトのニッケル原子を添加元素で置換した際の第一原理計算を用いて求めた当該添加元素と酸素原子との結合距離が、添加元素を含まないリチウム金属複合酸化物のニッケル原子と酸素原子との結合距離より短いことが好ましい。このように、添加元素の酸素原子との結合距離がニッケル原子と酸素原子との結合距離より短いことは、添加元素自体の酸素放出抑制の効果が高いことを示すものであり、熱安定を向上させるために好ましい。 Furthermore, the additive element is a lithium metal composite oxide that does not contain the additive element, and the bonding distance between the additive element and the oxygen atom obtained by first-principles calculation when the nickel atom at the 3b site is substituted with the additive element. is preferably shorter than the bond distance between the nickel atom and the oxygen atom of Thus, the fact that the bonding distance between the additive element and the oxygen atom is shorter than the bonding distance between the nickel atom and the oxygen atom indicates that the additive element itself has a high effect of suppressing oxygen release, and improves thermal stability. preferred to let

添加元素の含有量は、リチウム金属複合酸化物に含まれる金属元素及び添加元素の合計に対して0.5~3.0原子%であることが好ましい。これにより、結晶性の高い状態を維持しながら3bサイトで置換が可能となり、リチウム金属複合酸化物のニッケル原子と酸素原子との結合距離を短くすることにより得られる熱安定性を向上させる効果が、より一層高くなるため、好ましい。また、添加元素の含有量をこのような数値範囲とすることによって、電池容量もより高く維持できるため、好ましい。さらに、本実施形態では、結合距離を短くして熱安定性を向上させる効果が大きく、かつ熱安定性以外の電池特性に及ぼす悪影響も少ない観点から、添加元素としては、ホウ素(B)が好ましい。 The content of the additive element is preferably 0.5 to 3.0 atomic % with respect to the total of the metal element and the additive element contained in the lithium metal composite oxide. As a result, substitution at the 3b site is possible while maintaining a highly crystalline state, and the effect of improving the thermal stability obtained by shortening the bond distance between the nickel atom and the oxygen atom of the lithium metal composite oxide is obtained. , is even higher, which is preferable. Also, by setting the content of the additive element within such a numerical range, the battery capacity can be maintained at a higher level, which is preferable. Furthermore, in the present embodiment, boron (B) is preferable as the additive element from the viewpoint that the effect of shortening the bond distance to improve the thermal stability is large and the adverse effect on the battery characteristics other than the thermal stability is small. .

本発明の一実施形態に係る正極活物質は、高いニッケル含有量のリチウム金属複合酸化物が有する高い電池容量の低下を抑制し、かつ熱安定性を向上させることにより、電池容量と熱安定性を高い次元で両立させたものであり、非水系電解質二次電池、例えば、2032型コイン電池の正極活物質として用いた際の初期放電容量が195mAh/g以上であり、電池の高容量化が可能となる。このように、本発明の一実施形態に係る正極活物質は、上述したように、添加元素により高い電池容量と熱安定性を両立させるものであり、その他の粉体特性は、一般的な非水系電解質二次電池用正極活物質の特性を適用することができる。 The positive electrode active material according to one embodiment of the present invention suppresses a decrease in the high battery capacity of a lithium metal composite oxide with a high nickel content and improves the thermal stability, thereby improving the battery capacity and thermal stability. is compatible at a high level, and the initial discharge capacity when used as a positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery, for example, a 2032 type coin battery is 195 mAh / g or more, and the capacity of the battery is increased. It becomes possible. Thus, as described above, the positive electrode active material according to one embodiment of the present invention achieves both high battery capacity and thermal stability by adding elements, and other powder characteristics are generally non-uniform. The characteristics of the positive electrode active material for aqueous electrolyte secondary batteries can be applied.

(2)非水系電解質二次電池用正極活物質の製造方法
図1は、本発明の一実施形態に係る非水系電解質二次電池用正極活物質の製造方法の概略を示すフロー図である。本発明の一実施形態に係る非水系電解質二次電池用正極活物質の製造方法は、リチウムと、金属元素及び添加元素を含むリチウム金属複合酸化物からなる非水系電解質二次電池用正極活物質の製造方法である。本実施形態の正極活物質の製造方法では、図1に示すように、選択工程S11と、晶析工程S12と、乾燥工程S13と、焼成工程S14とを有する。以下、各工程について詳細に説明する。
(2) Method for producing positive electrode active material for non-aqueous electrolyte secondary battery FIG. 1 is a flowchart showing an outline of a method for producing a positive electrode active material for non-aqueous electrolyte secondary battery according to one embodiment of the present invention. A method for producing a positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery according to one embodiment of the present invention is a positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery comprising lithium and a lithium metal composite oxide containing a metal element and an additive element. is a manufacturing method. As shown in FIG. 1, the method for producing a positive electrode active material of this embodiment includes a selection step S11, a crystallization step S12, a drying step S13, and a baking step S14. Each step will be described in detail below.

選択工程S11は、第一原理計算を用いて添加元素を選択する工程である。本実施形態では、選択工程S11では、第一原理計算を用いて求めたニッケル原子と酸素原子との結合距離が、添加元素を含まないリチウム金属複合酸化物の3bサイトのニッケル原子を置換することにより、置換前より短くなる元素を添加元素として選択する。 The selection step S11 is a step of selecting an additive element using first-principles calculation. In the present embodiment, in the selection step S11, the bond distance between the nickel atom and the oxygen atom obtained using the first principle calculation replaces the nickel atom at the 3b site of the lithium metal composite oxide containing no additive element. Therefore, an element that becomes shorter than before substitution is selected as an additive element.

このように第一原理計算をすることにより、層状構造を有するリチウム金属複合酸化物におけるニッケル原子と酸素原子との結合距離を見積もることができる。また、添加元素がリチウム金属複合酸化物の3bサイトのニッケル原子と置換されることにより、ニッケル原子と酸素原子との結合距離に変化が生じ、置換された場合と置換されていない場合の前記結合距離を求める。この際、ニッケル原子が添加元素の原子と置換されることで結合距離が減少すると、ニッケル原子と酸素原子の結合力が強くなり、酸素放出が抑制される。このため、本実施形態では、ニッケル原子と置換されることで前記結合距離が減少する元素を、添加元素として選択する。 By performing first-principles calculation in this way, it is possible to estimate the bond distance between a nickel atom and an oxygen atom in a lithium metal composite oxide having a layered structure. Further, by substituting the additive element with the nickel atom at the 3b site of the lithium metal composite oxide, the bond distance between the nickel atom and the oxygen atom changes, and the bond between the case of substitution and the case of non-substitution find the distance. At this time, if the bond distance is reduced by substituting the nickel atoms with the atoms of the additive element, the bond strength between the nickel atoms and the oxygen atoms increases, and oxygen release is suppressed. Therefore, in the present embodiment, an element that reduces the bond distance by being substituted with a nickel atom is selected as an additive element.

リチウム金属複合酸化物には、添加元素以外にも、例えば、コバルトが含有されて3bサイトのニッケル原子と置換されている場合がある。このような場合は、添加元素以外に含有される元素を、予め3bサイトとのニッケル原子と置換して前記結合距離を見積もっておき、添加元素を置換した際の前記結合距離と比較すればよい。 Lithium-metal composite oxides may contain, for example, cobalt in addition to the additive element to replace nickel atoms at the 3b site. In such a case, the element contained other than the additive element may be substituted with the nickel atom with the 3b site in advance to estimate the bond distance, and the bond distance may be compared with the bond distance when the additive element is substituted. .

また、コバルト原子と酸素原子の結合距離が減少することで酸素放出が抑制されるため、前記結合距離の変化を見積もって添加元素を選択することが好ましい。さらに、添加元素と酸素原子との結合距離が、ニッケル原子と酸素原子との結合距離より短いことも酸素放出の抑制に有用であり、前記結合距離の変化を見積もって添加元素を選択することが好ましい。 In addition, since the oxygen release is suppressed by reducing the bond distance between the cobalt atom and the oxygen atom, it is preferable to select the additive element by estimating the change in the bond distance. Furthermore, the fact that the bond distance between the additive element and the oxygen atom is shorter than the bond distance between the nickel atom and the oxygen atom is also useful for suppressing oxygen release, and the additive element can be selected by estimating the change in the bond distance. preferable.

第一原理計算は、原子番号と結晶構造からその系の物性を計算するものであり、シュレディンガー方程式を解くことで、結合エネルギーや結合距離を見積もることができる。第一原理計算を用いた計算に関しては、種々のプログラムが存在するが、結晶構造と原子配置により結合距離が見積もれればよく、例えば、Materials Design社製のMeDeA-VASPを用いることができる。 The first-principles calculation calculates the physical properties of the system from the atomic number and crystal structure, and by solving the Schrödinger equation, the bond energy and bond distance can be estimated. There are various programs for calculation using first-principles calculation, but it is sufficient to estimate the bond distance from the crystal structure and atomic arrangement. For example, MeDeA-VASP manufactured by Materials Design can be used.

添加元素によるニッケル原子又はコバルト原子と酸素原子との結合距離の変化、及び添加元素と酸素原子との結合距離に関しては、計算条件によらず同様の結果が得られるが、計算を容易にすると共に前記結合距離をより明確に見積もるため、例えば、平面の打ち切りエネルギーを650eV、k点サンプリングを6×6×2(conventional cell)、電子相関効果を考慮してGGA+U法で近似することが好ましい。 Regarding the change in the bond distance between the nickel or cobalt atom and the oxygen atom due to the additive element, and the bond distance between the additive element and the oxygen atom, similar results can be obtained regardless of the calculation conditions. In order to estimate the bond distance more clearly, for example, it is preferable to perform approximation by the GGA+U method in consideration of the electron correlation effect, with a planar truncation energy of 650 eV, k-point sampling of 6×6×2 (conventional cell), and the electron correlation effect.

また、添加元素のニッケル原子との置換量は、3bサイトのニッケル原子の4~16%と置換して導入し、3aサイトのリチウム原子の30~80%が引き抜かれて欠損した状態(SOC30~80%)とすることが、結晶が不安定になる充電状態での酸素放出に影響する前記結合距離をより明確に見積もることができるため、好ましい。 In addition, the amount of substitution with nickel atoms of the additive element is introduced by replacing 4 to 16% of the nickel atoms at the 3b site, and 30 to 80% of the lithium atoms at the 3a site are extracted and deficient (SOC 30 to 80%) is preferable because the bond distance that affects the oxygen release in the charged state where the crystal becomes unstable can be estimated more clearly.

晶析工程S12は、少なくともニッケル塩を含む金属元素塩及び添加元素の化合物を含む混合水溶液と、アンモニウムイオンを含む水溶液を混合して反応溶液とし、反応水溶液の液温25℃基準のpH値が11.0~12.5の範囲となるように制御してニッケル複合水酸化物を晶析させる工程である。晶析工程S12によって、リチウム金属複合酸化物の前駆体となるニッケル複合水酸化物(以下、単に「複合水酸化物」ということがある。)が得られる。 In the crystallization step S12, a mixed aqueous solution containing a metal element salt containing at least a nickel salt and a compound of an additive element is mixed with an aqueous solution containing ammonium ions to form a reaction solution, and the pH value of the reaction aqueous solution based on a liquid temperature of 25° C. is In this step, the nickel composite hydroxide is crystallized by controlling the range of 11.0 to 12.5. Through the crystallization step S12, a nickel composite hydroxide (hereinafter sometimes simply referred to as "composite hydroxide") that serves as a precursor of a lithium metal composite oxide is obtained.

本発明の一実施形態に係る正極活物質は、添加元素が3bサイトのニッケル原子と置換しているものであるため、複合水酸化物の状態において、添加元素が複合水酸化物に固溶、又は複合水酸化物の粒子内に分散した状態として均一に含有させることが好ましい。このため、晶析工程S12において、添加元素を金属塩から生成される水酸化物と共沈殿させることが好ましい。 Since the positive electrode active material according to one embodiment of the present invention is one in which the additive element is substituted for the nickel atom at the 3b site, in the state of the composite hydroxide, the additive element is a solid solution in the composite hydroxide, Alternatively, it is preferably contained uniformly as a dispersed state in the particles of the composite hydroxide. Therefore, in the crystallization step S12, it is preferable to co-precipitate the additive element with the hydroxide generated from the metal salt.

複合水酸化物の組成は、得られる正極活物質に継承される。従って、複合水酸化物を晶析する際に用いる混合水溶液中の金属元素塩及び前記添加元素の組成を、得ようとする正極活物質と同様にする。複合水酸化物の組成によっては、混合すると混合液中で反応して固体を生成する場合がある。このような場合は、個別に金属元素塩及び前記添加元素を含む水溶液を供給し、反応液中での組成が複合水酸化物の組成となるようにすればよい。なお、晶析した水酸化物に複合水酸化物を構成する金属塩を被覆して組成を調整する場合には、被覆する金属塩に相当する量を混合水溶液から差し引いて調整すればよい。 The composition of the composite hydroxide is inherited by the obtained positive electrode active material. Therefore, the composition of the metal element salt and the additive element in the mixed aqueous solution used for crystallization of the composite hydroxide is set to be the same as that of the positive electrode active material to be obtained. Depending on the composition of the composite hydroxide, it may react in the mixed liquid to form a solid when mixed. In such a case, an aqueous solution containing the metal element salt and the additive element may be separately supplied so that the composition in the reaction solution becomes the composition of the composite hydroxide. When adjusting the composition by coating the crystallized hydroxide with a metal salt that constitutes the composite hydroxide, the amount corresponding to the metal salt to be coated may be subtracted from the mixed aqueous solution to adjust the composition.

混合水溶液中の金属元素及び添加元素の合計の濃度は、1.5~2.5mol/Lとすることが好ましい。これにより、混合水溶液中での金属元素塩や添加元素の化合物の析出を防止して組成の均一な複合水酸化物得ることができる。また、粒径を十分に成長させて高い充填性が得られると共に粒径を安定させることができる。 The total concentration of the metal element and additive element in the mixed aqueous solution is preferably 1.5 to 2.5 mol/L. This makes it possible to prevent deposition of metal element salts and additive element compounds in the mixed aqueous solution, thereby obtaining a composite hydroxide having a uniform composition. In addition, the particle size can be sufficiently grown to obtain a high filling property and the particle size can be stabilized.

反応水溶液は、液温25℃基準のpH値が11.0~12.5の範囲となるように制御される。これにより、複合水酸化物の粒径を適度な大きさに制御することができ、得られる正極活物質の充填性を向上させることができる。pH値が11未満、又は12.5を超えると、複合水酸化物の粒径が小さくなり過ぎて正極活物質の充填性が低下したり、組成が不安定になることがあり、添加元素が共沈殿しない場合があるので好ましくない。 The reaction aqueous solution is controlled so that the pH value is in the range of 11.0 to 12.5 based on the liquid temperature of 25°C. Thereby, the particle size of the composite hydroxide can be controlled to an appropriate size, and the filling property of the obtained positive electrode active material can be improved. If the pH value is less than 11 or more than 12.5, the particle size of the composite hydroxide becomes too small, and the filling property of the positive electrode active material may decrease, or the composition may become unstable. It is not preferable because it may not co-precipitate.

反応水溶液の温度は、45~55℃の範囲で一定、例えば、温度の上下限を5℃以内に制御することが好ましい。これにより、複合水酸化物の粒径制御が容易になる。反応水溶液の温度が上記温度範囲外では、組成が不安定になることや、酸化が進行しやすくなることがある。また、45℃未満では、粒径が大きくなり過ぎることがあり、55℃を超えると粒径が小さくなり過ぎることがある。このため、本実施形態では、反応水溶液の温度をかかる温度範囲となるように制御している。 The temperature of the reaction aqueous solution is preferably kept constant within the range of 45 to 55°C, for example, the upper and lower limits of the temperature are preferably controlled within 5°C. This facilitates particle size control of the composite hydroxide. If the temperature of the reaction aqueous solution is outside the above temperature range, the composition may become unstable and oxidation may easily proceed. If the temperature is less than 45°C, the particle size may become too large, and if it exceeds 55°C, the particle size may become too small. Therefore, in the present embodiment, the temperature of the reaction aqueous solution is controlled so as to fall within such a temperature range.

反応水溶液中のアンモニウムイオン濃度は、5~25mg/Lとすることが好ましく、5~15mg/Lとすることがより好ましい。これにより、pH値の変動による粒径変動を抑制して粒径制御を容易にすることができる。また、複合水酸化物の球形度を向上させることができ、正極活物質の充填性を向上させることができる。 The ammonium ion concentration in the reaction aqueous solution is preferably 5-25 mg/L, more preferably 5-15 mg/L. Thereby, particle size control can be facilitated by suppressing variation in particle size due to variation in pH value. Moreover, the sphericity of the composite hydroxide can be improved, and the filling property of the positive electrode active material can be improved.

本実施形態では、晶析工程S12において、pH値の制御にアルカリ性水溶液を用い、その際に、アンモニウムイオンを含む水溶液とアルカリ性水溶液を直接反応溶液の液中に供給することが好ましい。例えば、供給管を反応溶液中に挿入してアルカリ性水溶液を反応溶液に供給する。これにより局部的なpH値やアンモニウムイオン濃度の変動が抑制され、添加元素の分布が均一になると共に形成される一次粒子内の添加元素の分布も均一になる。そして、複合水酸化物の添加元素の分布の均一化により、焼成工程S14において、複合酸化物における添加元素の分布が均一化し、熱安定性のより高い正極活物質を得ることができるようになる。 In this embodiment, in the crystallization step S12, an alkaline aqueous solution is used to control the pH value, and at that time, it is preferable to supply the aqueous solution containing ammonium ions and the alkaline aqueous solution directly into the reaction solution. For example, an alkaline aqueous solution is supplied to the reaction solution by inserting a supply pipe into the reaction solution. As a result, local fluctuations in the pH value and the ammonium ion concentration are suppressed, the distribution of the additive element becomes uniform, and the distribution of the additive element in the formed primary particles also becomes uniform. Then, by uniformizing the distribution of the additive element in the composite hydroxide, the distribution of the additive element in the composite oxide is uniformized in the firing step S14, and a positive electrode active material with higher thermal stability can be obtained. .

図2(A)及び図2(B)は、本発明の一実施形態に係る非水系電解質二次電池用正極活物質の製造方法において、アンモニウムイオンを含む水溶液とアルカリ性水溶液の供給位置を説明するための図である。局所的な高濃度部をできるだけ生じないようにするためには、例えば、図2(A)に示すように、アンモニウムイオンを含む水溶液とアルカリ性水溶液の供給位置Pは、垂直方向においては、反応溶液中の撹拌翼11の最深部Dから、撹拌翼11の最深部Dと反応溶液の液面Dとの距離Lの3分の1の位置Dまでの間とし、水平方向においては、撹拌翼11の最外周Bと中心Cの中間位置Bから撹拌翼11の最外周Bまでの間とすることが好ましい。これにより、反応溶液の流速の早い撹拌翼11近傍の中で最も流速の早い位置にアンモニウムイオンを含む水溶液とアルカリ性水溶液を供給できるようになるので、局所的な高濃度領域の形成を抑制して良好な複合水酸化物を得られる。なお、ここで言及する「撹拌翼の最深部」とは、反応槽10における反応溶液中の撹拌翼11が到達する最深部分を示す。 FIGS. 2A and 2B illustrate the supply positions of an aqueous solution containing ammonium ions and an alkaline aqueous solution in a method for producing a positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery according to one embodiment of the present invention. It is a diagram for In order to prevent localized high-concentration areas from occurring as much as possible, for example, as shown in FIG. From the deepest part D1 of the stirring blade 11 in the middle to the position D3 that is one third of the distance L between the deepest part D1 of the stirring blade 11 and the liquid surface D2 of the reaction solution, and in the horizontal direction , the middle position B2 between the outermost periphery B1 of the stirring blade 11 and the center C to the outermost periphery B1 of the stirring blade 11. As a result, the aqueous solution containing ammonium ions and the alkaline aqueous solution can be supplied to the position where the flow speed is the fastest in the vicinity of the stirring blade 11 where the flow speed of the reaction solution is high, so the formation of local high concentration regions is suppressed. A good composite hydroxide can be obtained. The term “the deepest part of the stirring blade” referred to here indicates the deepest part reached by the stirring blade 11 in the reaction solution in the reaction tank 10 .

また、例えば、図2(B)に示すように、晶析工程S13において、アンモニウムイオンを含む水溶液とアルカリ性水溶液を反応溶液の流速の早い液面に供給することによっても、局部的なpH値やアンモニウムイオン濃度の変動が抑制される。アンモニウムイオンを含む水溶液とアルカリ性水溶液を反応溶液の液面の外周12(B)から、当該液面の外周12(B)と中心Cとの距離W’の3分の1の位置Bまでの間の液面に供給することによって、添加元素の分布が均一になると共に粒子の成長が安定化させることができる。 For example, as shown in FIG. 2(B), in the crystallization step S13, the local pH value and Fluctuations in ammonium ion concentration are suppressed. The aqueous solution containing ammonium ions and the alkaline aqueous solution are placed from the outer periphery 12 (B 3 ) of the liquid surface of the reaction solution to a position B 4 that is one third of the distance W′ between the outer periphery 12 (B 3 ) of the liquid surface and the center C. By supplying the additive element to the liquid surface between 2000 to 2000, the distribution of the additive element becomes uniform and the growth of the particles can be stabilized.

また、局部的なpH値やアンモニウムイオン濃度の変動をより抑制するためには、晶析に用いる反応槽10の中心軸Cに、反応溶液を撹拌する撹拌翼11とそのシャフト14を設置することが好ましい。これにより、反応槽中の反応溶液が均一に撹拌され、濃度の変動がより抑制されるようになる。 In order to further suppress local variations in pH value and ammonium ion concentration, a stirring blade 11 for stirring the reaction solution and its shaft 14 are installed on the central axis C of the reaction tank 10 used for crystallization. is preferred. As a result, the reaction solution in the reaction tank is uniformly stirred, and concentration fluctuations are further suppressed.

なお、アンモニウムイオンを含む水溶液とアルカリ性水溶液の供給位置は、上述のようなものが挙げられるが、添加元素分布の均一化を促進するためには、アンモニウムイオンを含む水溶液とアルカリ性水溶液の供給と同様に、添加元素を含む水溶液を供給することが好ましい。 The supply positions of the aqueous solution containing ammonium ions and the alkaline aqueous solution are as described above. In addition, it is preferable to supply an aqueous solution containing the additive element.

また、添加元素の酸化を抑制することで、複合水酸化物中により均一に含有させることができるため、反応水溶液中の酸素濃度を低く保つことが好ましい。例えば、反応槽内の反応水溶液の液面に不活性ガスを導入して反応槽を密封するか正圧とすることで、槽外からの酸素に侵入を防いで酸化を抑制することができる。さらに、酸化を抑制することによって、複合水酸化物の粒子密度が向上して、高エネルギー密度の正極活物質が得られるため好ましい。 In addition, it is preferable to keep the oxygen concentration in the reaction aqueous solution low since the additive element can be contained more uniformly in the composite hydroxide by suppressing the oxidation of the additive element. For example, by introducing an inert gas to the liquid surface of the reaction aqueous solution in the reaction vessel and sealing the reaction vessel or applying a positive pressure, it is possible to prevent oxygen from entering from outside the vessel and suppress oxidation. Furthermore, by suppressing oxidation, the particle density of the composite hydroxide is improved, and a positive electrode active material with a high energy density can be obtained, which is preferable.

乾燥工程S13は、晶析したニッケル複合水酸化物を洗浄した後、乾燥する工程である。得られた複合水酸化物は、不純物が含まれるため、固液分離し、水、好ましくはイオン交換水で洗浄して、複合水酸化物に含まれるナトリウムや硫酸イオン等の不純物を取り除く。硫酸イオン等のオキソ酸イオンの不純物を除去するため、アルカリ性水溶液で洗浄してもよい。その後、好ましくは110~150℃の範囲の温度で乾燥する。乾燥温度及び時間は、水分が除去できる程度とすればよい。 The drying step S13 is a step of drying after washing the crystallized nickel composite hydroxide. Since the resulting composite hydroxide contains impurities, it is subjected to solid-liquid separation and washed with water, preferably ion-exchanged water, to remove impurities such as sodium and sulfate ions contained in the composite hydroxide. In order to remove impurities such as oxoacid ions such as sulfate ions, washing may be performed with an alkaline aqueous solution. It is then dried, preferably at a temperature in the range of 110-150°C. The drying temperature and time should be such that moisture can be removed.

また、乾燥工程S13による乾燥後の複合水酸化物を600~800℃の範囲の温度に加熱してニッケル複合酸化物(以下、単に「複合酸化物」ということがある。)へ変換させる熱処理工程を更に有することが好ましい。この熱処理より、後工程である焼成工程S14での水蒸気の発生を抑制してリチウム化合物との反応を促進すると共に、正極活物質における金属元素と添加元素の合計と、リチウムとの比を安定させることができる。さらに、添加元素を複合酸化物中に均一に拡散させ、正極活物質を得た際に3bサイトのニッケル原子と十分に置換している状態とすることができる。 In addition, a heat treatment step of heating the composite hydroxide after drying in the drying step S13 to a temperature in the range of 600 to 800 ° C. to convert it to a nickel composite oxide (hereinafter sometimes simply referred to as “composite oxide”). It is preferable to further have This heat treatment suppresses the generation of water vapor in the subsequent baking step S14 to promote the reaction with the lithium compound, and stabilizes the total of the metal elements and additive elements in the positive electrode active material and the ratio of lithium. be able to. Furthermore, the additive element can be uniformly diffused in the composite oxide, and the nickel atoms at the 3b site can be sufficiently substituted when the positive electrode active material is obtained.

熱処理工程での熱処理温度が600℃未満では、複合酸化物への変換が不十分となり、また、添加元素が複合酸化物中に均一に拡散した状態にならないことがある。一方、熱処理温度が800℃を超えると、複合酸化物の粒子同士が焼結して粗大粒子が生成されることがある。また、多くのエネルギーが必要となるため、工業的に適当でない。なお、熱処理を行う雰囲気は、特に制限されるものではなく、酸素を含む非還元性雰囲気であればよいが、簡易的に行える大気雰囲気中において行うことが好ましい。 If the heat treatment temperature in the heat treatment step is less than 600° C., the conversion to the composite oxide becomes insufficient, and the additive element may not diffuse uniformly in the composite oxide. On the other hand, if the heat treatment temperature exceeds 800° C., the particles of the composite oxide may be sintered to form coarse particles. Moreover, since much energy is required, it is industrially unsuitable. The atmosphere in which the heat treatment is performed is not particularly limited, and may be a non-reducing atmosphere containing oxygen.

また、熱処理時間は、複合酸化物への変換が十分に可能な時間とすればよく、1~12時間が好ましい。さらに、熱処理に用いられる設備は、特に限定されるものではなく、複合水酸化物を、酸素を含む非還元性雰囲気中、好ましくは、大気雰囲気中で加熱できるものであればよく、ガス発生がない電気炉等が好適に用いられる。 Moreover, the heat treatment time may be set to a time that allows sufficient conversion to the composite oxide, and is preferably 1 to 12 hours. Furthermore, the equipment used for the heat treatment is not particularly limited as long as it can heat the composite hydroxide in a non-reducing atmosphere containing oxygen, preferably in an air atmosphere, and does not generate gas. An electric furnace or the like that does not require heat is preferably used.

焼成工程S14は、乾燥後のニッケル複合水酸化物とリチウム化合物を混合して得た混合物を酸素雰囲気下で焼成してリチウム金属複合酸化物を得る工程である。本実施形態では、複合水酸化物又は複合酸化物とリチウム化合物とは、混合物中の金属元素と添加元素の合計の原子数の和(Me)と、リチウムの原子数(Li)との比(Li/Me)が好ましくは0.98~1.15、より好ましくは1.01~1.09となるように、混合される。すなわち、焼成工程前後でLi/Meは変化しないので、この混合工程で混合するLi/Meが正極活物質におけるLi/Meとなるため、混合物におけるLi/Meが、得ようとする正極活物質におけるLi/Meと同じになるように混合される。 The baking step S14 is a step of baking a mixture obtained by mixing the dried nickel composite hydroxide and the lithium compound in an oxygen atmosphere to obtain a lithium metal composite oxide. In the present embodiment, the composite hydroxide or composite oxide and the lithium compound are the ratio of the sum of the total number of atoms of the metal element and the additive element in the mixture (Me) to the number of lithium atoms (Li) ( Li/Me) is preferably 0.98-1.15, more preferably 1.01-1.09. That is, since Li/Me does not change before and after the firing step, Li/Me mixed in this mixing step becomes Li/Me in the positive electrode active material, so Li/Me in the mixture is the same as that in the positive electrode active material to be obtained. Mixed to be the same as Li/Me.

Li/Me比を1.01~1.09となるように混合することで、結晶化が促進され、3bサイトのニッケル原子と添加元素の置換がさらに促進される。このLi/Me比が1.01より小さいとリチウムが一部の酸化物と反応せずに残存して十分な電池性能が得られないことがある。一方、Li/Me比が1.09より大きいと焼結が促進され、粒径や結晶子径が大きくなり十分な電池性能が得られないことがある。 Mixing so that the Li/Me ratio is 1.01 to 1.09 promotes crystallization and further promotes substitution of nickel atoms at the 3b site with additional elements. If the Li/Me ratio is less than 1.01, lithium may remain without reacting with some of the oxides, failing to obtain sufficient battery performance. On the other hand, when the Li/Me ratio is more than 1.09, sintering is accelerated, and the particle size and crystallite size become large, and sufficient battery performance may not be obtained.

リチウム混合物を形成するために使用されるリチウム化合物は、特に限定されるものではないが、例えば、水酸化リチウム、硝酸リチウム、炭酸リチウム、又はこれらの混合物が入手が容易であるという点で好ましい。特に、取り扱いの容易さ、品質の安定性を考慮すると、水酸化リチウム又は炭酸リチウムを用いることがより好ましい。水酸化リチウムは、複合酸化物と反応性が高く、結晶化が促進され、3bサイトのニッケル原子と添加元素の置換がさらに促進される。 The lithium compound used to form the lithium mixture is not particularly limited, but for example, lithium hydroxide, lithium nitrate, lithium carbonate, or mixtures thereof are preferred because they are readily available. In particular, considering ease of handling and stability of quality, it is more preferable to use lithium hydroxide or lithium carbonate. Lithium hydroxide has high reactivity with the composite oxide, promotes crystallization, and further promotes substitution of nickel atoms at the 3b site with additional elements.

なお、リチウム混合物は、焼成前に十分混合しておくことが好ましい。混合が十分でない場合には、個々の粒子間でLi/Meがばらつき、十分な電池特性が得られない間等の問題が生じる可能性があるため、焼成前に十分混合する必要がある。 In addition, it is preferable that the lithium mixture is thoroughly mixed before firing. If the mixture is not sufficiently mixed, the Li/Me ratio may vary among individual particles, and problems such as insufficient battery characteristics may occur. Therefore, sufficient mixing is required before firing.

また、混合には、一般的な混合機を使用することができ、例えば、シェーカーミキサ、レーディゲミキサ、ジュリアミキサ、Vブレンダ等を用いることができ、熱処理粒子等の形骸が破壊されない程度に、複合酸化物粒子とリチウムを含有する物質とが十分に混合されればよい。 In addition, a general mixer can be used for mixing, for example, a shaker mixer, Loedige mixer, Julia mixer, V blender, etc. can be used. It is sufficient if the material particles and the lithium-containing material are sufficiently mixed.

次に、混合物を酸素雰囲気下、すなわち酸素を含む雰囲気で焼成してリチウム金属複合酸化物を得る。このときの焼成温度は、650~950℃とすることが好ましく、700~800℃とすることがより好ましい。これにより、結晶性が高くなり、置換が促進される。特に、700~800℃とすることで、カチオンミキシングを抑制して結晶性をより高いものとすることができるので好ましい。 Next, the mixture is fired in an oxygen atmosphere, that is, in an oxygen-containing atmosphere to obtain a lithium metal composite oxide. The firing temperature at this time is preferably 650 to 950.degree. C., more preferably 700 to 800.degree. This increases crystallinity and promotes substitution. In particular, a temperature of 700 to 800° C. is preferable because cation mixing can be suppressed and the crystallinity can be increased.

焼成温度が650℃未満であると、熱処理粒子中へのリチウムの拡散が十分に行われず、余剰のリチウムや未反応の粒子が残ったり、結晶構造が十分整わなくなったりして、電池に用いられた場合に十分な電池特性が得られないことがある。一方、焼成温度が950℃を超えると、複合酸化物粒子間で激しく焼結が生じると共に、異常粒成長を生じる可能性がある。異常粒成長を生じると、焼成後の粒子が粗大となって、比表面積が低下するため、電池に用いた場合、正極の抵抗が上昇して電池容量が低下するという問題が生じる。 If the firing temperature is lower than 650° C., diffusion of lithium into the heat-treated particles is not sufficiently carried out, and surplus lithium or unreacted particles remain, or the crystal structure is not sufficiently arranged, so that the particles cannot be used in batteries. sufficient battery characteristics may not be obtained. On the other hand, if the firing temperature exceeds 950° C., intense sintering may occur between the composite oxide particles and abnormal grain growth may occur. When abnormal grain growth occurs, the particles after firing become coarse and the specific surface area decreases, so when used in a battery, the problem arises that the resistance of the positive electrode increases and the battery capacity decreases.

また、焼成時間は、少なくとも4時間以上とすることが好ましく、より好ましくは6~10時間である。4時間未満では、リチウム金属複合酸化物の生成が十分に行われないことがある。 Also, the firing time is preferably at least 4 hours or more, more preferably 6 to 10 hours. If it is less than 4 hours, the production of the lithium metal composite oxide may not be sufficiently carried out.

リチウム化合物として、水酸化リチウムを使用した場合には、焼成する前に、焼成温度より低く、かつ、350~800℃、好ましくは450~780℃の温度で1~10時間程度、好ましくは3~6時間、保持して仮焼することが好ましい。すなわち、水酸化リチウムや炭酸リチウムと複合酸化物の反応温度において仮焼することが好ましい。この場合、水酸化リチウムや炭酸リチウムの上記反応温度付近で保持すれば、水酸化リチウが溶融して複合酸化物内部までリチウムの拡散が十分に行われ、均一で結晶性が高いリチウム金属複合酸化物を得ることができ、添加元素の置換を促進することができる。 When lithium hydroxide is used as the lithium compound, before firing, the temperature is lower than the firing temperature and is 350 to 800 ° C., preferably 450 to 780 ° C. for about 1 to 10 hours, preferably 3 to 10 hours. It is preferable to hold and calcine for 6 hours. That is, it is preferable to calcine at the reaction temperature of lithium hydroxide or lithium carbonate and the composite oxide. In this case, if the lithium hydroxide or lithium carbonate is held near the reaction temperature described above, the lithium hydroxide melts and the lithium is sufficiently diffused into the composite oxide, resulting in a uniform and highly crystalline lithium-metal composite oxide. can be obtained, and the replacement of the additive element can be promoted.

焼成時の雰囲気は、酸素を含む雰囲気、すなわち、酸化性雰囲気とする。酸素濃度は、好ましくは18~100容量%の酸素と不活性ガスの混合雰囲気とする。すなわち、焼成は、大気又は酸素気流中で行うことが好ましい。酸素濃度が18容量%未満であると、リチウム金属複合酸化物の結晶性が十分でない状態になる可能性がある。このため、大気雰囲気中での焼成が容易であり、より好ましい。 The atmosphere during firing is an atmosphere containing oxygen, that is, an oxidizing atmosphere. The oxygen concentration is preferably a mixed atmosphere of 18 to 100% by volume of oxygen and an inert gas. That is, calcination is preferably carried out in the atmosphere or in an oxygen stream. If the oxygen concentration is less than 18% by volume, the crystallinity of the lithium metal composite oxide may be insufficient. Therefore, firing in an air atmosphere is easy, which is more preferable.

なお、焼成に用いられる炉は、特に限定されるものではなく、大気ないしは酸素気流中で混合物を加熱できるものであればよいが、炉内の雰囲気を均一に保つ観点から、ガス発生がない電気炉が好ましく、バッチ式又は連続式の炉を何れも用いることができる。 The furnace used for firing is not particularly limited as long as it can heat the mixture in the atmosphere or oxygen stream. Furnaces are preferred and either batch or continuous furnaces can be used.

また、焼成によって得られたリチウム金属複合酸化物は、凝集又は軽度の焼結が生じている場合がある。この場合には、解砕してもよく、これにより、リチウム金属複合酸化物、つまり、本発明の一実施形態に係る正極活物質を得ることができる。なお、解砕とは、焼成時に二次粒子間の焼結ネッキング等により生じた複数の二次粒子からなる凝集体に機械的エネルギーを投入して、二次粒子自体を殆ど破壊することなく二次粒子を分離させて、凝集体を解す操作をいうものとする。 Also, the lithium metal composite oxide obtained by firing may be aggregated or slightly sintered. In this case, it may be pulverized to obtain the lithium metal composite oxide, that is, the positive electrode active material according to one embodiment of the present invention. In addition, crushing refers to applying mechanical energy to aggregates composed of a plurality of secondary particles generated by sintering necking between secondary particles during firing, so that the secondary particles themselves are divided into two without almost destroying them. It means the operation of separating the secondary particles and breaking up the aggregates.

(3)非水系電解質二次電池
本発明の一実施形態に係る非水系電解質二次電池は、正極、負極及び非水系電解液等からなり、一般の非水系電解質二次電池と同様の構成要素により構成される。本発明の一実施形態に係る非水系電解質二次電池を2032型コイン電池に適用した例について、図面を使用しながら説明する。図3(A)及び図3(B)は、本発明の一実施形態に係る非水系電解質二次電池の構成図であり、図3(A)は、斜視図、図3(B)は、図3(A)のA-A線断面図である。
(3) Non-aqueous electrolyte secondary battery A non-aqueous electrolyte secondary battery according to one embodiment of the present invention comprises a positive electrode, a negative electrode, a non-aqueous electrolyte, etc., and has the same components as those of a general non-aqueous electrolyte secondary battery. Consists of An example in which the non-aqueous electrolyte secondary battery according to one embodiment of the present invention is applied to a 2032-type coin battery will be described with reference to the drawings. 3(A) and 3(B) are configuration diagrams of a non-aqueous electrolyte secondary battery according to an embodiment of the present invention. FIG. 3(A) is a perspective view, and FIG. FIG. 4 is a cross-sectional view taken along the line AA of FIG. 3(A);

本発明の一実施形態に係る非水系電解質二次電池1は、2032型コイン電池であり、ケース2と、ケース2内に収容された電極3とから構成される。ケース2は、図3(B)に示すように、中空かつ一端が開口された正極缶2aと、この正極缶2aの開口部に配置される負極缶2bとを有しており、負極缶2bを正極缶2aの開口部に配置すると、負極缶2bと正極缶2aとの間に電極3を収容する空間が形成されるように構成される。電極3は、正極3a、セパレータ3c、及び負極3bとからなり、この順で並ぶように積層されており、正極3aが正極缶2aの内面に接触し、負極3bが負極缶2bの内面に接触するようにケース2に収容される。 A non-aqueous electrolyte secondary battery 1 according to one embodiment of the present invention is a 2032 type coin battery, and is composed of a case 2 and an electrode 3 accommodated in the case 2 . As shown in FIG. 3B, the case 2 has a hollow positive electrode can 2a with one end open, and a negative electrode can 2b arranged in the opening of the positive electrode can 2a. is placed in the opening of the positive electrode can 2a, a space for housing the electrode 3 is formed between the negative electrode can 2b and the positive electrode can 2a. The electrode 3 consists of a positive electrode 3a, a separator 3c, and a negative electrode 3b, which are stacked in this order, with the positive electrode 3a contacting the inner surface of the positive electrode can 2a and the negative electrode 3b contacting the inner surface of the negative electrode can 2b. It is accommodated in the case 2 so that it does.

なお、ケース2は、図3(A)及び図3(B)に示すように、ガスケット2cを備えており、このガスケット2cによって、正極缶2aと負極缶2bとの間が電気的に絶縁状態を維持するように固定される。また、ガスケット2cは、正極缶2aと負極缶2bとの隙間を密封して、ケース2内と外部との間を気密液密に遮断する機能も有している。以下、本発明の一実施形態に係る非水系電解質二次電池1の各構成要素について、詳細に説明する。 As shown in FIGS. 3(A) and 3(B), the case 2 is provided with a gasket 2c, which electrically insulates between the positive electrode can 2a and the negative electrode can 2b. is fixed to maintain The gasket 2c also has the function of sealing the gap between the positive electrode can 2a and the negative electrode can 2b to airtightly and liquidtightly isolate the inside of the case 2 from the outside. Hereinafter, each component of the non-aqueous electrolyte secondary battery 1 according to one embodiment of the present invention will be described in detail.

(a)正極
前述した本発明の一実施形態に係る非水系電解質二次電池用正極活物質を用いて、例えば、以下のようにして、非水系電解質二次電池の正極を作製する。
(a) Positive Electrode Using the positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery according to one embodiment of the present invention, a positive electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery is produced, for example, as follows.

まず、粉末状の正極活物質、導電材、結着剤を混合し、必要に応じて活性炭、粘度調整等の目的の溶剤を添加し、これを混練して正極合材ペーストを作製する。その正極合材ペースト中のそれぞれの混合比も、非水系電解質二次電池の性能を決定する重要な要素となる。溶剤を除いた正極合材の固形分の全質量を100質量部とした場合、一般の非水系電解質二次電池の正極と同様、正極活物質の含有量を60~95質量部とし、導電材の含有量を1~20質量部とし、結着剤の含有量を1~20質量部とすることが望ましい。 First, a powdery positive electrode active material, a conductive material, and a binder are mixed, and if necessary, activated carbon and a solvent for viscosity adjustment are added, and the mixture is kneaded to prepare a positive electrode mixture paste. The mixing ratio of each component in the positive electrode mixture paste is also an important factor that determines the performance of the non-aqueous electrolyte secondary battery. When the total mass of the solid content of the positive electrode mixture excluding the solvent is 100 parts by mass, the content of the positive electrode active material is 60 to 95 parts by mass, similar to the positive electrode of a general non-aqueous electrolyte secondary battery. is preferably 1 to 20 parts by mass, and the content of the binder is preferably 1 to 20 parts by mass.

得られた正極合材ペーストを、例えば、アルミニウム箔製の集電体の表面に塗布し、乾燥して、溶剤を飛散させる。必要に応じ、電極密度を高めるべく、ロールプレス等により加圧することもある。このようにして、シート状の正極を作製することができる。シート状の正極は、目的とする電池に応じて適当な大きさに裁断等をして、電池の作製に供することができる。ただし、正極の作製方法は、例示のものに限られることなく、他の方法によってもよい。 The obtained positive electrode mixture paste is applied, for example, to the surface of a current collector made of aluminum foil and dried to scatter the solvent. If necessary, pressure may be applied by a roll press or the like in order to increase the electrode density. Thus, a sheet-like positive electrode can be produced. The sheet-like positive electrode can be cut into an appropriate size according to the intended battery, and used for manufacturing the battery. However, the method for producing the positive electrode is not limited to the illustrated one, and other methods may be used.

正極の作製にあたって、導電剤としては、例えば、黒鉛(天然黒鉛、人造黒鉛、膨張黒鉛等)や、アセチレンブラック、ケッチェンブラック(登録商標)等のカーボンブラック系材料等を用いることができる。 In preparing the positive electrode, for example, graphite (natural graphite, artificial graphite, expanded graphite, etc.), carbon black-based materials such as acetylene black and Ketjenblack (registered trademark), and the like can be used as the conductive agent.

結着剤は、活物質粒子をつなぎ止める役割を果たすもので、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、フッ素ゴム、エチレンプロピレンジエンゴム、スチレンブタジエン、セルロース系樹脂、ポリアクリル酸等を用いることができる。 The binder plays a role of binding the active material particles, and examples thereof include polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroethylene (PTFE), fluororubber, ethylene propylene diene rubber, styrene butadiene, cellulose resin, and polyacrylic. An acid or the like can be used.

なお、必要に応じ、正極活物質、導電材、活性炭を分散させ、結着剤を溶解する溶剤を正極合材に添加する。溶剤としては、具体的には、N-メチル-2-ピロリドン等の有機溶剤を用いることができる。また、正極合材には、電気二重層容量を増加させるために、活性炭を添加することができる。 If necessary, the positive electrode active material, the conductive material, and the activated carbon are dispersed, and a solvent for dissolving the binder is added to the positive electrode mixture. As the solvent, specifically, an organic solvent such as N-methyl-2-pyrrolidone can be used. In addition, activated carbon can be added to the positive electrode mixture in order to increase the electric double layer capacity.

(b)負極
負極には、金属リチウムやリチウム合金等、あるいは、リチウムイオンを吸蔵及び脱離できる負極活物質に、結着剤を混合し、適当な溶剤を加えてペースト状にした負極合材を、銅等の金属箔集電体の表面に塗布し、乾燥し、必要に応じて電極密度を高めるべく圧縮して形成したものを使用する。
(b) Negative electrode For the negative electrode, a negative electrode mixture made by mixing a binder with a negative electrode active material such as metal lithium or a lithium alloy, or a negative electrode active material capable of intercalating and deintercalating lithium ions, and adding an appropriate solvent to form a paste is added. is applied to the surface of a metal foil current collector such as copper, dried, and compressed to increase the electrode density as needed.

負極活物質としては、例えば、天然黒鉛、人造黒鉛、フェノール樹脂等の有機化合物焼成体、コークス等の炭素物質の粉状体を用いることができる。この場合、負極結着剤としては、正極同様、PVDF等の含フッ素樹脂等を用いることができ、これらの活物質及び結着剤を分散させる溶剤としては、N-メチル-2-ピロリドン等の有機溶剤を用いることができる。 As the negative electrode active material, for example, natural graphite, artificial graphite, sintered organic compounds such as phenol resin, and powdery carbon substances such as coke can be used. In this case, as the negative electrode binder, similar to the positive electrode, fluorine-containing resin such as PVDF can be used. Organic solvents can be used.

(c)セパレータ
正極と負極との間には、セパレータを挟み込んで配置する。セパレータは、正極と負極とを分離し、電解質を保持するものであり、ポリエチレン、ポリプロピレン等の薄い膜で、微少な孔を多数有する膜を用いることができる。
(c) Separator A separator is interposed between the positive electrode and the negative electrode. The separator separates the positive electrode from the negative electrode and holds the electrolyte, and may be a thin film of polyethylene, polypropylene, or the like, having a large number of minute pores.

(d)非水系電解液
非水系電解液は、支持塩としてのリチウム塩を有機溶媒に溶解したものである。有機溶媒としては、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、トリフルオロプロピレンカーボネート等の環状カーボネート、また、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジプロピルカーボネート等の鎖状カーボネート、さらに、テトラヒドロフラン、2-メチルテトラヒドロフラン、ジメトキシエタン等のエーテル化合物、エチルメチルスルホン、ブタンスルトン等の硫黄化合物、リン酸トリエチル、リン酸トリオクチル等のリン化合物等から選ばれる1種を単独で、あるいは2種以上を混合して用いることができる。
(d) Non-Aqueous Electrolyte The non-aqueous electrolyte is prepared by dissolving a lithium salt as a supporting salt in an organic solvent. Examples of organic solvents include cyclic carbonates such as ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, and trifluoropropylene carbonate; chain carbonates such as diethyl carbonate, dimethyl carbonate, ethylmethyl carbonate, and dipropyl carbonate; One selected from ether compounds such as methyltetrahydrofuran and dimethoxyethane, sulfur compounds such as ethylmethylsulfone and butane sultone, and phosphorus compounds such as triethyl phosphate and trioctyl phosphate, and the like, or a mixture of two or more thereof is used. be able to.

支持塩としては、LiPF、LiBF、LiClO、LiAsF、LiN(CFSO等、及びそれらの複合塩を用いることができる。さらに、非水系電解液は、ラジカル捕捉剤、界面活性剤及び難燃剤等を含んでいてもよい。 As the supporting salt, LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , LiAsF 6 , LiN(CF 3 SO 2 ) 2 and the like, and composite salts thereof can be used. Furthermore, the non-aqueous electrolytic solution may contain radical scavengers, surfactants, flame retardants, and the like.

(e)電池の形状、構成
以上のように説明してきた正極、負極、セパレータ及び非水系電解液で構成される本発明の一実施形態に係る非水系電解質二次電池の形状は、円筒型、積層型等、種々のものとすることができる。何れの形状を採る場合であっても、正極及び負極をセパレータを介して積層させて電極体とし、得られた電極体に非水系電解液を含浸させ、正極集電体と外部に通ずる正極端子との間、及び負極集電体と外部に通ずる負極端子との間を集電用リード等を用いて接続し、電池ケースに密閉して、非水系電解質二次電池を完成させる。
(e) Shape and configuration of battery The shape of the non-aqueous electrolyte secondary battery according to one embodiment of the present invention, which is composed of the positive electrode, negative electrode, separator, and non-aqueous electrolytic solution described above, is cylindrical, Various types such as a laminated type can be used. Regardless of which shape is adopted, the positive electrode and the negative electrode are laminated via a separator to form an electrode body, the obtained electrode body is impregnated with a non-aqueous electrolytic solution, and a positive electrode terminal communicating with the positive electrode current collector and the outside is formed. and between the negative electrode current collector and the negative electrode terminal leading to the outside using a current collecting lead or the like, and sealed in the battery case to complete the non-aqueous electrolyte secondary battery.

(f)特性
本発明の一実施形態に係る正極活物質を用いた非水系電解質二次電池は、高容量で熱安定に優れたものである。特により好ましい形態で得られた本発明の一実施形態に係る正極活物質を用いた非水系電解質二次電池は、例えば、2032型コイン電池の正極に用いた場合、195mAh/g以上の高い初期放電容量が得られ、さらに高容量である。また、正極活物質からの酸素放出が抑制され、熱安定性が高く、安全性においても優れているものとなる。
(f) Characteristics The non-aqueous electrolyte secondary battery using the positive electrode active material according to one embodiment of the present invention has a high capacity and excellent thermal stability. A non-aqueous electrolyte secondary battery using a positive electrode active material according to an embodiment of the present invention obtained in a particularly more preferable form has a high initial Discharge capacity is obtained, and the capacity is even higher. In addition, the release of oxygen from the positive electrode active material is suppressed, the thermal stability is high, and the safety is also excellent.

以下に、本発明の一実施形態に係る非水系電解質二次電池用正極活物質について、実施例によって更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES The positive electrode active material for non-aqueous electrolyte secondary batteries according to one embodiment of the present invention will be described below in more detail with reference to Examples, but the present invention is not limited to these Examples.

(添加元素の選択)
添加元素の選択には、第一原理計算により算出されるニッケル原子、コバルト原子または添加元素と酸素の結合距離を用いた。ニッケル原子、コバルト原子または添加元素と酸素原子の結合距離は短いほど結合が強く、非水系電解質二次電池の熱安定性低下の原因である酸素が放出されにくくなる。第一原理計算のプログラムには、Materials Design社製のMeDeA-VASPを用い、平面波の打ち切りエネルギーを650eV、k点サンプリングを6×6×2(conventional cell)、電子相関効果を考慮してGGA+U法で近似した。3bサイトのニッケル原子とコバルト原子の比率が84:16を基本とし、添加元素は3bサイトのニッケル原子の8%を置換して、3aサイトのリチウムが3分の2欠損した状態(SOC66%)で計算を実施した。第一原理計算で求めた各元素の酸素との結合距離を表1に示す。無添加の状態に比べて、ニッケル原子と酸素の距離が短くなるホウ素(B)を添加元素として選定した。
(Selection of additive elements)
For the selection of the additive element, the bonding distance between the nickel atom, the cobalt atom, or the additive element and oxygen calculated by first-principles calculation was used. The shorter the bonding distance between a nickel atom, a cobalt atom, or an additive element and an oxygen atom, the stronger the bond, and the less likely oxygen is released, which causes the thermal stability of the non-aqueous electrolyte secondary battery to deteriorate. For the first-principles calculation program, MeDeA-VASP manufactured by Materials Design was used, the cut-off energy of the plane wave was 650 eV, the k-point sampling was 6 × 6 × 2 (conventional cell), and the GGA + U method was used in consideration of the electron correlation effect. was approximated by The basic ratio of nickel atoms at the 3b site to cobalt atoms is 84:16, the additive element replaces 8% of the nickel atoms at the 3b site, and two-thirds of the lithium at the 3a site is deficient (SOC 66%). performed the calculations. Table 1 shows the bond distance between each element and oxygen determined by first-principles calculation. Boron (B), which shortens the distance between nickel atoms and oxygen compared to the undoped state, was selected as an additive element.

Figure 0007184421000001
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(組成の分析)
実施例1~4及び比較例1~4で得られた非水系電解質二次電池用の正極活物質の組成の分析は、ICP発光分析法で測定した。
(Analysis of composition)
The compositions of the positive electrode active materials for nonaqueous electrolyte secondary batteries obtained in Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 4 were analyzed by ICP emission spectrometry.

(電池容量評価)
実施例1~4及び比較例1~4で得られた正極活物質を用いて、図3(A)及び図3(B)に示すような2032型コイン電池1を作製した。この2032型コイン電池1は、ケース2と、ケース2内に収容された電極3とから構成される。
(Battery capacity evaluation)
Using the positive electrode active materials obtained in Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 4, 2032 type coin batteries 1 as shown in FIGS. 3(A) and 3(B) were produced. This 2032-type coin battery 1 is composed of a case 2 and an electrode 3 housed in the case 2 .

ケース2は、中空かつ一端が開口された正極缶2aと、この正極缶2aの開口部に配置される負極缶2bとを有しており、負極缶2bを正極缶2aの開口部に配置すると、負極缶2bと正極缶2aとの間に電極3を収容する空間が形成されるように構成される。電極3は、正極3a、セパレータ3c、及び負極3bとからなり、この順で並ぶように積層されており、正極3aが正極缶2aの内面に接触し、負極3bが負極缶2bの内面に接触するようにケース2に収容される。 The case 2 has a hollow positive electrode can 2a with one end open, and a negative electrode can 2b arranged in the opening of the positive electrode can 2a. , a space for accommodating the electrode 3 is formed between the negative electrode can 2b and the positive electrode can 2a. The electrode 3 consists of a positive electrode 3a, a separator 3c, and a negative electrode 3b, which are stacked in this order, with the positive electrode 3a contacting the inner surface of the positive electrode can 2a and the negative electrode 3b contacting the inner surface of the negative electrode can 2b. It is accommodated in the case 2 so that it does.

なお、ケース2は、ガスケット2cを備えており、このガスケット2cによって、正極缶2aと負極缶2bとの間が電気的に絶縁状態を維持するように固定される。また、ガスケット2cは、正極缶2aと負極缶2bとの隙間を密封して、ケース2内と外部との間を気密液密に遮断する機能も有している。 The case 2 is provided with a gasket 2c. The gasket 2c fixes the positive electrode can 2a and the negative electrode can 2b so as to maintain an electrically insulated state. The gasket 2c also has the function of sealing the gap between the positive electrode can 2a and the negative electrode can 2b to airtightly and liquidtightly isolate the inside of the case 2 from the outside.

この2032型コイン電池1を以下のようにして作製した。最初に、正極活物質52.5mg、アセチレンブラック15mg、及びポリテトラフッ化エチレン樹脂(PTFE)7.5mgを混合し、100MPaの圧力で直径11mm、厚さ100μmにプレス成形して、正極3aを作製した。作製した正極3aを、真空乾燥機中、120℃で12時間乾燥した。この正極3aと、負極3b、セパレータ3c、及び電解液とを用いて、コイン型電池1を、露点が-80℃に管理されたAr雰囲気のグローブボックス内で作製した。 This 2032 type coin battery 1 was produced as follows. First, 52.5 mg of the positive electrode active material, 15 mg of acetylene black, and 7.5 mg of polytetrafluoroethylene resin (PTFE) were mixed and press-molded to a diameter of 11 mm and a thickness of 100 μm at a pressure of 100 MPa to prepare the positive electrode 3a. . The produced positive electrode 3a was dried at 120° C. for 12 hours in a vacuum dryer. Using this positive electrode 3a, negative electrode 3b, separator 3c, and electrolytic solution, a coin-type battery 1 was produced in an Ar atmosphere glove box with a controlled dew point of -80°C.

なお、負極3bには、直径14mmの円盤状に打ち抜かれた平均粒径20μm程度の黒鉛粉末と、ポリフッ化ビニリデンが銅箔に塗布された負極シートを用いた。また、セパレータ3cには、膜厚25μmのポリエチレン多孔膜を用いた。電解液には、1MのLiClO4を支持電解質とするエチレンカーボネート(EC)とジエチルカーボネート(DEC)の等量混合液(富山薬品工業株式会社製)を用いた。 For the negative electrode 3b, a negative electrode sheet in which a copper foil was coated with graphite powder having an average particle size of about 20 μm and polyvinylidene fluoride punched into a disc shape with a diameter of 14 mm was used. A polyethylene porous film having a film thickness of 25 μm was used for the separator 3c. The electrolytic solution used was an equal mixture of ethylene carbonate (EC) and diethyl carbonate (DEC) with 1M LiClO4 as the supporting electrolyte (manufactured by Toyama Pharmaceutical Co., Ltd.).

2032型コイン電池1を作製してから24時間程度放置し、開回路電圧OCV(Open Circuit Voltage)が安定した後、正極に対する電流密度を0.1mA/cmとして、カットオフ電圧が4.8Vとなるまで充電し、1時間の休止後、カットオフ電圧が2.5Vになるまで放電したときの放電容量を測定する充放電試験を行い、電池容量として初期放電容量を求めた。この際、充放電容量の測定には、マルチチャンネル電圧/電流発生器(株式会社アドバンテスト製、R6741A)を用いた。 The 2032 type coin battery 1 was left for about 24 hours after it was produced, and after the open circuit voltage OCV (Open Circuit Voltage) was stabilized, the current density to the positive electrode was set to 0.1 mA/cm 2 and the cutoff voltage was 4.8 V. After 1 hour of rest, the battery was discharged to a cutoff voltage of 2.5 V, and a charge/discharge test was performed to measure the discharge capacity. The initial discharge capacity was determined as the battery capacity. At this time, a multi-channel voltage/current generator (R6741A, manufactured by Advantest Co., Ltd.) was used to measure the charge/discharge capacity.

(熱安定性評価)
電池特性評価後の2032型コイン電池から正極活物質を採取し、採取した正極活物質を洗浄して電解質を除去し、乾燥させたものを、ガスクロマトグラフ質量分析計(GC-MS)を用いて、熱安定性評価として酸素放出温度を測定した。GC-MSの熱分解部は、フロンティアラボ製PY-2020iDを用い、昇温速度10℃/minで、100℃から450℃まで昇温した。ガスクロマトグラフ部は、島津製作所製GC-2010を用い、カラムにはフロンティアラボ製ウルトラアロイ、キャリアガスにはヘリウム(140kPa)を用いた。オーブン温度は200℃一定とした。質量分析部は、島津製作所製QP-2010plusを用いた。
(Thermal stability evaluation)
A positive electrode active material is collected from a 2032-type coin battery after battery characteristics evaluation, the collected positive electrode active material is washed to remove the electrolyte, and dried using a gas chromatograph-mass spectrometer (GC-MS). , the oxygen release temperature was measured as a thermal stability evaluation. PY-2020iD manufactured by Frontier Lab was used as the thermal decomposition part of the GC-MS, and the temperature was raised from 100°C to 450°C at a temperature elevation rate of 10°C/min. GC-2010 manufactured by Shimadzu Corporation was used for the gas chromatograph, Ultraalloy manufactured by Frontier Lab was used for the column, and helium (140 kPa) was used for the carrier gas. The oven temperature was kept constant at 200°C. A QP-2010plus manufactured by Shimadzu Corporation was used as a mass spectrometer.

(実施例1)
原子比で、ニッケル:コバルト:ホウ素=83.2:15.8:1.0となるよう硫酸ニッケル、硫酸コバルト、ホウ酸をイオン交換水に溶解して、2mol/Lの混合水溶液3Lを作製した。50℃に保たれた反応槽に、液温25℃基準のpH値が13の水酸化ナトリウム水溶液1Lを入れ、アンモニア濃度が10mg/Lになるようアンモニア水を加えた。温度、pH値、アンモニア濃度を維持しながら、原料溶液40mlとアンモニア水、水酸化ナトリウム水溶液を反応槽内に供給し、成長して粒子を形成する核を生成させた。
(Example 1)
Nickel sulfate, cobalt sulfate, and boric acid were dissolved in ion-exchanged water so that the atomic ratio of nickel:cobalt:boron was 83.2:15.8:1.0 to prepare 3 L of a 2 mol/L mixed aqueous solution. did. 1 L of an aqueous sodium hydroxide solution having a pH value of 13 based on a liquid temperature of 25° C. was put into a reaction vessel kept at 50° C., and ammonia water was added so that the ammonia concentration was 10 mg/L. While maintaining the temperature, pH value, and ammonia concentration, 40 ml of the raw material solution, ammonia water, and sodium hydroxide aqueous solution were supplied into the reactor to generate nuclei that grow to form particles.

その後、液温25℃基準のpH値を11.3にし、温度、pH値、アンモニア濃度を維持しながら、残りの原料溶液とアンモニア水、水酸化ナトリウム水溶液を4時間かけて供給し、ニッケル複合水酸化物を晶析させた。晶析したニッケル複合水酸化物をろ過により固液分離した後、水酸化ナトリウム水溶液とイオン交換水で洗浄し、乾燥して正極活物質の前駆体となるニッケル複合水酸化物を得た。晶析を通じてアンモニア水及び水酸化ナトリウム水溶液の供給位置は、垂直方向において、反応溶液中の撹拌翼最深部から、撹拌翼最深部と反応溶液の液面との距離の5分の1の位置とし、水平方向において、撹拌翼の最外周と中心の中間位置とした。 After that, the pH value based on the liquid temperature of 25 ° C. was set to 11.3, and the remaining raw material solution, ammonia water, and sodium hydroxide solution were supplied over 4 hours while maintaining the temperature, pH value, and ammonia concentration, and nickel composite The hydroxide was crystallized. The crystallized nickel composite hydroxide was solid-liquid separated by filtration, washed with an aqueous sodium hydroxide solution and ion-exchanged water, and dried to obtain a nickel composite hydroxide as a precursor of a positive electrode active material. During crystallization, the supply position of the ammonia water and the aqueous sodium hydroxide solution is set to the vertical direction from the deepest part of the stirring blade in the reaction solution to the position 1/5 of the distance between the deepest part of the stirring blade and the liquid surface of the reaction solution. , in the horizontal direction, at an intermediate position between the outermost periphery and the center of the stirring blade.

次に、前駆体を大気雰囲気中で700℃に加熱し、6時間保持して熱処理し、ニッケル複合酸化物に変換した。ニッケル、コバルト、ホウ素の原子数の合計に対するリチウムの原子数の比(Li/Me比)が1.02となるように、ニッケル複合酸化物と水酸化リチウムを混合して混合物とした。得られた混合物を大気雰囲気中で、500℃で4時間仮焼した後、760℃で12時間焼成し、正極活物質を得た。得られた正極活物質を評価して初期放電容量及び酸素放出温度を求めた。評価結果を表2に示す。 Next, the precursor was heated to 700° C. in an air atmosphere and held for 6 hours for heat treatment to convert it into a nickel composite oxide. A nickel composite oxide and lithium hydroxide were mixed to form a mixture such that the ratio of the number of lithium atoms to the total number of nickel, cobalt, and boron atoms (Li/Me ratio) was 1.02. The obtained mixture was calcined at 500° C. for 4 hours in an air atmosphere, and then calcined at 760° C. for 12 hours to obtain a positive electrode active material. The obtained positive electrode active material was evaluated to obtain the initial discharge capacity and the oxygen release temperature. Table 2 shows the evaluation results.

(実施例2)
原子比で、ニッケル:コバルト:ホウ素=82.3:15.7:2.0となるよう硫酸ニッケル、硫酸コバルト、ホウ酸をイオン交換水に溶解した以外は、実施例1と同様にして正極活物質を得ると共に評価した。評価結果を表2に示す。
(Example 2)
A positive electrode was prepared in the same manner as in Example 1, except that nickel sulfate, cobalt sulfate, and boric acid were dissolved in ion-exchanged water so that the atomic ratio of nickel:cobalt:boron was 82.3:15.7:2.0. An active material was obtained and evaluated. Table 2 shows the evaluation results.

(実施例3)
アンモニア水及び水酸化ナトリウム水溶液の供給口の位置を、垂直方向において、反応溶液中の撹拌翼最深部から、撹拌翼最深部と反応溶液の液面との距離の3分の1の位置に供給した以外は、実施例1と同様にして正極活物質を得ると共に評価した。評価結果を表2に示す。
(Example 3)
The position of the supply port for ammonia water and sodium hydroxide aqueous solution is set to the vertical direction from the deepest part of the stirring blade in the reaction solution to the position of 1/3 of the distance between the deepest part of the stirring blade and the liquid surface of the reaction solution. A positive electrode active material was obtained and evaluated in the same manner as in Example 1, except for the above. Table 2 shows the evaluation results.

(実施例4)
アンモニア水及び水酸化ナトリウム水溶液の供給を、反応溶液の液面の外周から中心までの距離の3分の1の位置の液面に供給した以外は、実施例1と同様にして正極活物質を得ると共に評価した。評価結果を表2に示す。
(Example 4)
A positive electrode active material was prepared in the same manner as in Example 1, except that the ammonia water and the aqueous sodium hydroxide solution were supplied to the liquid surface of the reaction solution at a position one third of the distance from the outer periphery to the center of the liquid surface. I got it and evaluated it. Table 2 shows the evaluation results.

(比較例1)
添加元素を加えない従来技術として、原子比で、ニッケル:コバルト=84.0:16.0となるよう硫酸ニッケル、硫酸コバルトをイオン交換水に溶解した以外は、実施例1と同様にして正極活物質を得ると共に評価した。評価結果を表2に示す。
(Comparative example 1)
As a conventional technique without adding an additive element, a positive electrode was prepared in the same manner as in Example 1, except that nickel sulfate and cobalt sulfate were dissolved in ion-exchanged water so that the atomic ratio of nickel:cobalt was 84.0:16.0. An active material was obtained and evaluated. Table 2 shows the evaluation results.

(比較例2)
原子比で、ニッケル:コバルト:ケイ素=83.2:15.8:1.0となるよう硫酸ニッケル、硫酸コバルトをイオン交換水に溶解した混合水溶液とケイ酸ナトリウム水溶液を反応槽に供給した以外は、実施例1と同様にして正極活物質を得ると共に評価した。評価結果を表2に示す。
(Comparative example 2)
Except that a mixed aqueous solution of nickel sulfate and cobalt sulfate dissolved in ion-exchanged water and an aqueous sodium silicate solution were supplied to the reaction tank so that the atomic ratio of nickel:cobalt:silicon = 83.2:15.8:1.0. A positive electrode active material was obtained and evaluated in the same manner as in Example 1. Table 2 shows the evaluation results.

(比較例3)
原子比で、ニッケル:コバルト:ケイ素=82.3:15.7:2.0となるよう硫酸ニッケル、硫酸コバルトをイオン交換水に溶解した混合水溶液とケイ酸ナトリウム水溶液を反応槽に供給した以外は、実施例1と同様にして正極活物質を得ると共に評価した。評価結果を表2に示す。
(Comparative Example 3)
Except that a mixed aqueous solution of nickel sulfate and cobalt sulfate dissolved in ion-exchanged water and an aqueous sodium silicate solution were supplied to the reaction vessel so that the atomic ratio of nickel:cobalt:silicon = 82.3:15.7:2.0. A positive electrode active material was obtained and evaluated in the same manner as in Example 1. Table 2 shows the evaluation results.

(比較例4)
原子比で、ニッケル:コバルト:ケイ素=81.5:15.5:3.0となるよう硫酸ニッケル、硫酸コバルトをイオン交換水に溶解した混合水溶液とケイ酸ナトリウム水溶液を反応槽に供給した以外は、実施例1と同様にして正極活物質を得ると共に評価した。評価結果を表2に示す。
(Comparative Example 4)
Except that a mixed aqueous solution of nickel sulfate and cobalt sulfate dissolved in ion-exchanged water and an aqueous sodium silicate solution were supplied to the reaction tank so that the atomic ratio of nickel:cobalt:silicon = 81.5:15.5:3.0. A positive electrode active material was obtained and evaluated in the same manner as in Example 1. Table 2 shows the evaluation results.

Figure 0007184421000002
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第一原理計算でニッケル原子と酸素原子の結合距離が短くなる添加元素としてホウ素を添加した実施例1乃至4では、初期放電容量を195mAh/g以上の高い値を維持したまま、添加元素がない比較例1と比べて酸素放出温度が上昇している。特に、実施例2では、酸素放出温度が220℃以上と大きく上昇していることが分かる。このことから、添加元素としてホウ素を選択することによって、高い電池容量を維持したまま、酸素放出温度が上昇して熱安定性が改善されていることがわかる。 In Examples 1 to 4 in which boron was added as an additive element that shortens the bond distance between nickel atoms and oxygen atoms in the first-principles calculation, the initial discharge capacity was maintained at a high value of 195 mAh / g or more, and there was no additive element. Compared with Comparative Example 1, the oxygen release temperature is increased. In particular, in Example 2, it can be seen that the oxygen release temperature is greatly increased to 220° C. or higher. From this, it can be seen that by selecting boron as the additive element, the oxygen release temperature rises and the thermal stability is improved while maintaining a high battery capacity.

一方、比較例2乃至4は、ニッケル原子と酸素原子の結合距離が長くなる元素としてケイ素を添加したものであり、実施例1乃至4と比べて、酸素放出温度が低下して熱安定性が悪化している。また、実施例1、3及び4と比べると電池容量の指標となる初期放電容量も低下している。このことから、高い電池容量を維持したまま、酸素放出温度が上昇して熱安定性を改善するためには、添加元素としてホウ素を添加することが好ましいことが分かる。 On the other hand, in Comparative Examples 2 to 4, silicon was added as an element that increases the bond distance between a nickel atom and an oxygen atom. getting worse. Moreover, compared with Examples 1, 3 and 4, the initial discharge capacity, which is an index of battery capacity, is also lower. From this, it can be seen that it is preferable to add boron as an additive element in order to raise the oxygen release temperature and improve the thermal stability while maintaining a high battery capacity.

本発明の一実施形態に係る非水系電解質二次電池用正極活物質は、電池容量を維持しながら酸素放出温度を上げることができるため、高容量で高い安全性が求められる車載用非水系電解質二次電池に適している。また、高容量であることから、携帯用小型機器の電源として用いられる非水系電解質二次電池の正極活物質としても有用である。 The positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery according to one embodiment of the present invention can increase the oxygen release temperature while maintaining the battery capacity. Suitable for secondary batteries. Moreover, due to its high capacity, it is also useful as a positive electrode active material for non-aqueous electrolyte secondary batteries used as power sources for small portable devices.

なお、上記のように本発明の各実施形態及び各実施例について詳細に説明したが、本発明の新規事項及び効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは、当業者には、容易に理解できるであろう。従って、このような変形例は、全て本発明の範囲に含まれるものとする。 Although the embodiments and examples of the present invention have been described in detail as described above, it should be understood by those skilled in the art that many modifications are possible without substantially departing from the novel matters and effects of the present invention. , will be easily understood. Accordingly, all such modifications are intended to be included within the scope of the present invention.

例えば、明細書又は図面において、少なくとも一度、より広義又は同義な異なる用語と共に記載された用語は、明細書又は図面のいかなる箇所においても、その異なる用語に置き換えることができる。また、非水系電解質二次電池用正極活物質の構成、動作も本発明の各実施形態及び各実施例で説明したものに限定されず、種々の変形実施が可能である。 For example, a term described at least once in the specification or drawings together with a different, broader or synonymous term can be replaced with the different term anywhere in the specification or drawings. Also, the configuration and operation of the positive electrode active material for non-aqueous electrolyte secondary batteries are not limited to those described in the embodiments and examples of the present invention, and various modifications are possible.

S11 選択工程、S12 晶析工程、S13 乾燥工程、S14 焼成工程、1 非水系電解質二次電池(2032型コイン電池)、2 ケース、2a 正極缶、2b 負極缶、2c ガスケット、3 電極、3a 正極、3b 負極、3c セパレータ、10 反応槽、11 撹拌翼、12 外周、13 供給管、14 シャフト、B 撹拌翼の最外周、B 撹拌翼の最外周と中心の中間位置、B 液面の外周、B 液面の外周から液面の外周と中心との距離の3分の1の地点、C 中心(中心軸)、D 撹拌翼の最深部、D 液面、D 撹拌翼の最深部から撹拌翼の最深部と反応溶液の液面との距離の3分の1の地点、P 供給位置 S11 selection step S12 crystallization step S13 drying step S14 firing step 1 non-aqueous electrolyte secondary battery (2032 type coin battery) 2 case 2a positive electrode can 2b negative electrode can 2c gasket 3 electrode 3a positive electrode , 3b negative electrode, 3c separator, 10 reaction vessel, 11 stirring blade, 12 outer periphery, 13 supply pipe, 14 shaft, outermost periphery of B 1 stirring blade, intermediate position between outermost periphery and center of B 2 stirring blade, B 3 liquid level Perimeter of B 4 liquid surface, 1/3 point of the distance between the outer periphery and the center of the liquid surface, C center (central axis), D 1 deepest part of the stirring blade, D 2 liquid surface, D 3 stirring Point 1/3 of the distance between the deepest part of the impeller and the liquid surface of the reaction solution, P supply position

Claims (16)

リチウム金属複合酸化物からなる非水系電解質二次電池用正極活物質であって、
リチウムと、
金属元素と、
酸素元素と、
添加元素からなり、
前記リチウム金属複合酸化物は、層状岩塩型構造の結晶構造を有し、前記金属元素は前記層状岩塩型構造の結晶構造の3bサイトを構成し、前記金属元素としてニッケルを含み、該ニッケルの含有量が前記金属元素及び前記添加元素の合計に対して82.3~90原子%であり、
かつ、前記添加元素は、第一原理計算を用いて求めるニッケル原子と酸素原子との結合距離が、前記添加元素を含まないリチウム金属複合酸化物の前記3bサイトのニッケル原子を該添加元素で置換することにより、置換前より短くなる元素であり、該添加元素の含有量が前記金属元素及び前記添加元素の合計に対して0.5~3.0原子%であり、前記3bサイトの前記ニッケル原子と置換しており、2032型コイン電池の正極活物質として用いた際の初期放電容量が195mAh/g以上であることを特徴とする非水系電解質二次電池用正極活物質。
A positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery comprising a lithium metal composite oxide,
lithium;
a metallic element;
elemental oxygen;
Consists of additive elements,
The lithium metal composite oxide has a crystal structure of a layered rock salt type structure, the metal element constitutes the 3b site of the crystal structure of the layered rock salt type structure, nickel is included as the metal element, and the nickel is contained. The amount is 82.3 to 90 atomic % with respect to the total of the metal element and the additive element,
In addition, the additive element replaces the nickel atom at the 3b site of the lithium metal composite oxide that does not contain the additive element so that the bond distance between the nickel atom and the oxygen atom determined by first-principles calculation is the additive element. is an element that becomes shorter than before substitution, the content of the additive element is 0.5 to 3.0 atomic % with respect to the total of the metal element and the additive element, and the nickel at the 3b site A positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery, wherein the positive electrode active material has an initial discharge capacity of 195 mAh/g or more when used as a positive electrode active material for a 2032 type coin battery.
前記リチウム金属複合酸化物は、前記金属元素としてコバルトを更に含み、前記添加元素は、第一原理計算を用いて求めるコバルト原子と酸素原子との結合距離が、前記添加元素を含まないリチウム金属複合酸化物の前記3bサイトの前記ニッケル原子を該添加元素で置換することにより、置換前より短くなる元素であることを特徴とする請求項1に記載の非水系電解質二次電池用正極活物質。 The lithium metal composite oxide further contains cobalt as the metal element, and the additive element is a lithium metal composite that does not contain the additive element so that the bonding distance between the cobalt atom and the oxygen atom obtained by first-principles calculation is 2. The positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery according to claim 1, wherein the nickel atom at the 3b site of the oxide is replaced with the additive element so that the element becomes shorter than before the replacement. 前記添加元素は、前記3bサイトの前記ニッケル原子を前記添加元素で置換した際の前記第一原理計算を用いて求めた該添加元素と酸素原子との結合距離が、前記添加元素を含まないリチウム金属複合酸化物のニッケル原子と酸素原子との結合距離より短いことを特徴とする請求項1又は2に記載の非水系電解質二次電池用正極活物質。 The additive element is lithium that does not contain the additive element, and the bonding distance between the additive element and the oxygen atom obtained using the first principle calculation when the nickel atom at the 3b site is replaced with the additive element. 3. The positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery according to claim 1, wherein the bonding distance is shorter than the bonding distance between the nickel atom and the oxygen atom of the metal composite oxide. 前記添加元素が、ホウ素であることを特徴とする請求項1乃至3の何れか1項に記載の非水系電解質二次電池用正極活物質。 4. The positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery according to any one of claims 1 to 3, wherein said additive element is boron. 請求項1乃至4の何れか1項に記載の非水系電解質二次電池用正極活物質を含む正極を備えることを特徴とする非水系電解質二次電池。 A non-aqueous electrolyte secondary battery comprising a positive electrode containing the positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery according to any one of claims 1 to 4. リチウムと、金属元素と、酸素元素及び添加元素からなるリチウム金属複合酸化物の添加元素の選択方法であって、
前記リチウム金属複合酸化物は、層状岩塩型構造の結晶構造を有し、前記金属元素は前記層状岩塩型構造の結晶構造の3bサイトを構成し、前記金属元素としてニッケルを含み、
第一原理計算を用いて求めたリチウム金属複合酸化物のニッケル原子と酸素原子との結合距離が、前記添加元素を含まないリチウム金属複合酸化物の3bサイトのニッケル原子を置換することにより、置換前より短くなる元素を、前記添加元素として選択し、
前記第一原理計算は、前記添加元素は3bサイトのニッケル原子の4~16%と置換して、3aサイトのリチウム原子の30~80%が引き抜かれて欠損した状態において計算するリチウム金属複合酸化物の添加元素の選択方法。
A method for selecting an additive element for a lithium-metal composite oxide comprising lithium, a metal element, an oxygen element, and an additive element,
The lithium metal composite oxide has a crystal structure of a layered rock salt type structure, the metal element constitutes the 3b site of the crystal structure of the layered rock salt type structure, and nickel is included as the metal element,
The bond distance between the nickel atom and the oxygen atom of the lithium metal composite oxide obtained by first-principles calculation is replaced by replacing the nickel atom at the 3b site of the lithium metal composite oxide that does not contain the additive element. selecting an element that is shorter than before as the additional element ;
In the first-principles calculation, the additive element replaces 4 to 16% of the nickel atoms at the 3b site, and 30 to 80% of the lithium atoms at the 3a site are extracted and deficient. method of selecting additive elements for products.
前記リチウム金属複合酸化物は、前記金属元素としてコバルトを更に含み、前記第一原理計算は、3bサイトのニッケル原子とコバルト原子の比率を84:16とし、添加元素は3bサイトのニッケル原子の8%を置換して、3aサイトのリチウムが3分の2欠損した状態において計算することを特徴とする請求項6に記載のリチウム金属複合酸化物の添加元素の選択方法。 The lithium metal composite oxide further contains cobalt as the metal element, and the first-principles calculation sets the ratio of nickel atoms at the 3b site to cobalt atoms at 84:16, and the additive element is 8 of the nickel atoms at the 3b site. 7. The method for selecting an additive element for a lithium metal composite oxide according to claim 6, wherein the calculation is performed in a state in which two-thirds of lithium at the 3a site is deficient by substituting %. リチウムと、金属元素と、酸素元素及び添加元素からなるリチウム金属複合酸化物からなる非水系電解質二次電池用正極活物質の製造方法であって、
ニッケルの含有量が前記金属元素及び前記添加元素の合計に対して82.3~90原子%となるようにニッケル塩を含む金属元素塩及び、請求項6または7に記載の選択方法によって選択した添加元素の化合物を前記添加元素の含有量が、前記金属元素及び前記添加元素の合計に対して0.5~3.0原子%となるように含む混合水溶液と、アンモニウムイオンを含む水溶液を混合して反応溶液とし、該反応溶液の液温25℃基準のpH値が11.0~12.5の範囲となるように制御してニッケル複合水酸化物を晶析させる晶析工程と、
晶析した前記ニッケル複合水酸化物を洗浄した後、乾燥する乾燥工程と、
乾燥後の前記ニッケル複合水酸化物とリチウム化合物を混合して得た混合物を酸素雰囲気下で焼成して前記リチウム金属複合酸化物を得る焼成工程と、
を含むことを特徴とする非水系電解質二次電池用正極活物質の製造方法。
A method for producing a positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery comprising a lithium metal composite oxide comprising lithium, a metal element, an oxygen element and an additive element, comprising:
Selected by the metal element salt containing nickel salt and the selection method according to claim 6 or 7 so that the nickel content is 82.3 to 90 atomic % with respect to the total of the metal element and the additional element. A mixed aqueous solution containing a compound of an additive element so that the content of the additive element is 0.5 to 3.0 atomic % with respect to the total of the metal element and the additive element, and an aqueous solution containing ammonium ions are mixed. a crystallization step of forming a reaction solution and controlling the pH value of the reaction solution to be in the range of 11.0 to 12.5 based on a liquid temperature of 25° C. to crystallize the nickel composite hydroxide;
a drying step of washing and then drying the crystallized nickel composite hydroxide;
a firing step of firing a mixture obtained by mixing the dried nickel composite hydroxide and a lithium compound in an oxygen atmosphere to obtain the lithium metal composite oxide;
A method for producing a positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery, comprising:
前記晶析工程において、前記pH値の制御にアルカリ性水溶液を用い、その際に、前記アンモニウムイオンを含む水溶液と前記アルカリ性水溶液を前記反応溶液の液中に供給して、前記ニッケル複合水酸化物の粒子を成長させることを特徴とする請求項8に記載の非水系電解質二次電池用正極活物質の製造方法。 In the crystallization step, an alkaline aqueous solution is used to control the pH value, and at that time, the aqueous solution containing the ammonium ions and the alkaline aqueous solution are supplied to the reaction solution to obtain the nickel composite hydroxide. 9. The method for producing a positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery according to claim 8, wherein the particles are grown. 前記アンモニウムイオンを含む水溶液と前記アルカリ性水溶液の供給位置は、垂直方向においては、反応溶液中の撹拌翼の最深部から、該撹拌翼の最深部と反応溶液の液面との距離の3分の1の位置までの間とし、水平方向においては、前記撹拌翼の最外周と中心の中間位置から該撹拌翼の最外周までの間とすることを特徴とする請求項9に記載の非水系電解質二次電池用正極活物質の製造方法。 The position where the aqueous solution containing ammonium ions and the alkaline aqueous solution are supplied is, in the vertical direction, from the deepest part of the stirring blade in the reaction solution to 3/3 of the distance between the deepest part of the stirring blade and the liquid surface of the reaction solution. 1 position, and in the horizontal direction, the non-aqueous electrolyte according to claim 9, characterized in that it is between the outermost circumference and the center of the stirring blade and the outermost circumference of the stirring blade. A method for producing a positive electrode active material for a secondary battery. 前記晶析工程において、前記pH値の制御にアルカリ性水溶液を用い、その際に、前記アンモニウムイオンを含む水溶液と前記アルカリ性水溶液を前記反応溶液の液面の外周から、該液面の外周と中心との距離の3分の1の位置までの間の液面に供給して、前記ニッケル複合水酸化物を成長させることを特徴とする請求項8に記載の非水系電解質二次電池用正極活物質の製造方法。 In the crystallization step, an alkaline aqueous solution is used to control the pH value, and at that time, the aqueous solution containing ammonium ions and the alkaline aqueous solution are spread from the periphery of the liquid surface of the reaction solution to the periphery and center of the liquid surface. The positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery according to claim 8, wherein the nickel composite hydroxide is grown by supplying it to the liquid surface between the positions of one third of the distance of manufacturing method. 前記リチウム金属複合酸化物は、前記金属元素としてコバルトをさらに含み、
前記選択方法において、第一原理計算を用いて求めたコバルト原子と酸素原子との結合距離が、前記添加元素を含まないリチウム金属複合酸化物の前記3bサイトの前記ニッケル原子を置換することにより、置換前より短くなる元素を、前記添加元素として選択することを特徴とする請求項8乃至11の何れか1項に記載の非水系電解質二次電池用正極活物質の製造方法。
The lithium metal composite oxide further contains cobalt as the metal element,
In the selection method, the bond distance between the cobalt atom and the oxygen atom obtained by first-principles calculation replaces the nickel atom at the 3b site of the lithium metal composite oxide that does not contain the additive element, 12. The method for producing a positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery according to any one of claims 8 to 11, wherein an element that makes the length shorter than before substitution is selected as the additional element.
前記添加元素がホウ素であることを特徴とする請求項8乃至12の何れか1項に記載の非水系電解質二次電池用活物質の製造方法。 13. The method for producing an active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery according to any one of claims 8 to 12, wherein the additive element is boron. 前記晶析工程において、前記混合水溶液中の前記金属元素及び前記添加元素の合計の濃度を1.5~2.5mol/Lとすることを特徴とする請求項8乃至13の何れか1項に記載の非水系電解質二次電池用正極活物質の製造方法。 14. The method according to any one of claims 8 to 13, wherein in the crystallization step, the total concentration of the metal element and the additive element in the mixed aqueous solution is 1.5 to 2.5 mol/L. A method for producing the positive electrode active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery described. 前記焼成工程において、焼成温度を650~950℃とすることを特徴とする請求項8乃至14の何れか1項に記載の非水系電解質二次電池用活物質の製造方法。 The method for producing an active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery according to any one of claims 8 to 14, characterized in that the firing temperature is 650 to 950°C in the firing step. 前記焼成工程において、前記リチウム化合物として、水酸化リチウム、炭酸リチウム、又はこれらの混合物を用いることを特徴とする請求項8乃至15の何れか1項に記載の非水系電解質二次電池用活物質の製造方法。 16. The active material for a non-aqueous electrolyte secondary battery according to any one of claims 8 to 15, wherein in the firing step, lithium hydroxide, lithium carbonate, or a mixture thereof is used as the lithium compound. manufacturing method.
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