JP7185838B2 - Method for producing positive electrode active material for high-strength lithium-ion secondary battery - Google Patents

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Description

本発明は、高強度リチウムイオン二次電池用正極活物質の製造方法に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method for producing a positive electrode active material for high-strength lithium-ion secondary batteries.

近年、スマートフォンやタブレット、ミニノートパソコンなどの携帯用電子機器をはじめ、ハイブリット自動車や電気自動車の普及により、高いエネルギー密度を有する、小型で軽量なリチウムイオン二次電池のほか、中型・大型で高出力のリチウムイオン二次電池に関する開発ニーズが急速に拡大している。
これらのリチウムイオン二次電池は、正極及び負極のほか、セパレータや電解液などにより構成され、正極及び負極の活物質には、リチウムイオンを脱離・挿入することが可能な材料が用いられている。リチウムイオン二次電池は、現在も、研究・開発が盛んに行われているが、このうち、層状又はスピネル型のリチウム金属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では、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電池として、実用化が進んでいる。
In recent years, the spread of portable electronic devices such as smartphones, tablets, and mini-notebook computers, as well as hybrid and electric vehicles, has led to the development of compact, lightweight lithium-ion secondary batteries with high energy density, as well as medium-sized and large-sized high-performance batteries. Development needs for output lithium-ion secondary batteries are rapidly expanding.
These lithium-ion secondary batteries are composed of a positive electrode, a negative electrode, a separator, an electrolytic solution, etc., and the active material of the positive electrode and the negative electrode is a material that can desorb and insert lithium ions. there is Lithium-ion secondary batteries are still being actively researched and developed. Since a high voltage can be obtained, it is being put to practical use as a battery with a high energy density.

これまで主に提案されている正極材料としては、合成が比較的容易なリチウムコバルト複合酸化物(LiCoO)や、コバルトより安価なニッケルを用いたリチウムニッケル複合酸化物(LiNiO)をはじめ、リチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物(LiNi1/3Co1/3Mn1/3)や、マンガンを用いたリチウムマンガン複合酸化物(LiMn)などを挙げることが出来る。
この中でも、リチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物(以降、リチウム、ニッケル、マンガン、コバルトを主成分とする、リチウム金属複合酸化物を「NMC」とも称する)は、電池のサイクル特性が良く、低抵抗で高出力が得られる材料として注目されており、先述した様に、搭載スペースにある程度の制約を受ける、ハイブリッド車用電源や電気自動車用電源にも好適であり、車載用電源として重要視されている。
例えば、特許文献1では、α-NaFeO型の結晶構造を有するなど、NMCにおける性状が記載されており、特許文献2では、硫酸リチウムナトリウム(LiNaSO)の形態で存在している硫酸根を水洗し、その濃度を0.1%未満としたNMCが好ましいと記載されている。
特許文献3では、BET法で測定された時に0.1~3m/gの比表面積で、レーザー回折・散乱法によるD50値から決定された時に6μmより大きな集塊物サイズで、D90値から決定された時に100μm以下の直径、及び、0.3μm<Dintra(内部細孔径)<D50値/4μmのサイズを有する内部細孔、並びに、少なくとも、0.08ml/gの内部細孔容量を有するNMCが好ましいと記載されている。
また、特許文献4では、リチウムイオンと他の金属イオンを、超臨界又は亜臨界状態の水中で水熱反応させることにより、少なくとも一部が単結晶構造となるNMCの製造方法が記載されており、特許文献5では、最大50時間という長時間焼成を行うことにより、高容量かつ高耐久性のNMCを得る製造方法が記載されている。
更に、特許文献6では、初期充放電効率やサイクル特性の向上を目的に、NMCを圧壊した際の圧壊強度の最小値が、70MPaより大きい粒子で構成されるNMCが記載されており、特許文献7では、40~90℃の反応槽内へ原料溶液を連続投入しながら、pHを9~11に保持して、ニッケルマンガンコバルト複合水酸化物(以降、ニッケル、マンガン、コバルトを主成分とする金属複合水酸化物を「NMC前駆体」とも称する)を共沈させ、NMC前駆体を300~700℃の温度で酸化焙焼し、水洗及び乾燥工程を経てNMCを得る製造方法が記載されている。
Positive electrode materials mainly proposed so far include lithium-cobalt composite oxide (LiCoO 2 ), which is relatively easy to synthesize, and lithium-nickel composite oxide (LiNiO 2 ), which uses nickel, which is cheaper than cobalt. Lithium-nickel-manganese-cobalt composite oxide (LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 ) and lithium-manganese composite oxide (LiMn 2 O 4 ) using manganese can be mentioned.
Among these, lithium-nickel-manganese-cobalt composite oxides (hereinafter also referred to as “NMC” for lithium metal composite oxides containing lithium, nickel, manganese, and cobalt as main components) have good battery cycle characteristics and low resistance. It is attracting attention as a material that can provide high output. .
For example, Patent Document 1 describes the properties of NMC, such as having an α-NaFeO 2 type crystal structure, and Patent Document 2 describes a sulfate group present in the form of lithium sodium sulfate (LiNaSO 4 ). NMC that has been washed with water to a concentration of less than 0.1% is said to be preferred.
In Patent Document 3, with a specific surface area of 0.1 to 3 m 2 /g when measured by the BET method, with an agglomerate size of greater than 6 μm when determined from the D50 value by the laser diffraction/scattering method, the D90 value Internal pores with a diameter as determined of 100 μm or less and a size of 0.3 μm<Dintra<D50 value/4 μm and an internal pore volume of at least 0.08 ml/g NMC is said to be preferred.
Further, Patent Document 4 describes a method for producing NMC in which at least a portion thereof has a single crystal structure by hydrothermally reacting lithium ions and other metal ions in supercritical or subcritical water. , Patent Literature 5 describes a manufacturing method for obtaining NMC with high capacity and high durability by performing long-time sintering of up to 50 hours.
Furthermore, Patent Document 6 describes an NMC composed of particles having a minimum value of crushing strength when the NMC is crushed is greater than 70 MPa for the purpose of improving initial charge-discharge efficiency and cycle characteristics. In 7, while continuously introducing the raw material solution into the reaction vessel at 40 to 90 ° C., the pH is maintained at 9 to 11, nickel manganese cobalt composite hydroxide (hereinafter, nickel, manganese, cobalt as main components A metal complex hydroxide is also referred to as "NMC precursor") is coprecipitated, the NMC precursor is oxidized and roasted at a temperature of 300 to 700 ° C., washed with water, and dried to obtain NMC. there is

特開2003-007298JP 2003-007298 特開平13-273898Japanese Patent Laid-Open No. 13-273898 特開2003-505326Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-505326 特開平13-163700Japanese Patent Laid-Open No. 13-163700 特開2007-179917JP 2007-179917 特開2013-232318JP 2013-232318 特開2008-251191JP 2008-251191

一般的に、電池の高容量化のために、高エネルギー密度の正極活物質及び高密度の電極を利用するには、電極中の正極活物質の充填密度を上げることが知られている。ところが、充填密度を上げる際に、正極活物質に高い圧力が付加されるので、粒子強度が弱い場合は、二次粒子にクラックが生じて電気伝導性が低下する。また、正極活物質は、充放電により膨張・収縮を繰り返すが、一部に不可逆反応が起こって膨張する。このため、粒子強度が弱いと二次粒子が壊れ、電気伝導性が低下するほか、正極板自体が膨張することにより電池性能が低下する。
また、正極膜塗工プロセスにおいても、正極活物質に高い圧力が付加されるので、粒子強度が弱いと二次粒子が崩壊し、崩壊粒子がロールプレス時のロールに付着して、歩留まりが低下する。更には、ロールに付着しなかった崩壊粒子についても、一次粒子間におけるリチウムの導電性が途切れるために電池性能の悪化を招く。
上記の通り、電池の高容量化・高耐久性化などの電池性能の向上や、歩留まり率の低下を防ぐためには、正極活物質の粒子強度が非常に重要な因子となる。
これに対して、特許文献1~3に記載されているNMCでは、粒子強度について全く触れられておらず、容量・耐久性も十分ではない。特許文献4及び5に記載されているNMCの製造方法では、どちらも多量のエネルギーを必要とし、工業的に好ましくない。また、特許文献6では、示された実施例によれば、作製された粒子の圧壊強度は75~85MPa程度であり、依然として粒子強度が低いため、初期充放電効率やサイクル特性の効果が十分ではない。更に、特許文献7では、開示されているpH制御値では、NMC中に残留する硫酸塩が増加し、電池性能が低下する。しかも、NMC前駆体を熱処理することで、NMCの粒子強度は向上するが、その効果には全く着目していない。なお、酸化焙焼後のNMC前駆体を水洗しており、硫酸塩などの不純物が低減される反面、粒界に存在する不純物が洗い流されることで、一次粒子同士の結束が弱まり、これが二次粒子の粒子強度が低下を招き、電池性能が悪化する。
この様に、特許文献1~7に記載されているNMCでは、環境対応自動車用としてのニーズに見合った正極活物質であるとは言えず、更なる高容量・高耐久性を持つ正極活物質が求められている。
本発明は、係る問題点に鑑み、放電容量や耐久性に加えて、更に安全性を改善した優れたリチウムイオン二次電池を得るために、高い粒子強度を保ちながら、一次粒子平均粒径及び二次粒子平均粒径を最適範囲内に制御しつつ、硫酸根濃度を抑制したリチウムニッケルマンガンコバルトアルミニウム複合酸化物とその製造方法を提供することを課題とする。
In general, it is known to increase the filling density of the positive electrode active material in the electrode in order to use a positive electrode active material with a high energy density and an electrode with a high density in order to increase the capacity of the battery. However, when the packing density is increased, a high pressure is applied to the positive electrode active material, so if the particle strength is weak, cracks occur in the secondary particles, resulting in a decrease in electrical conductivity. In addition, although the positive electrode active material repeatedly expands and contracts due to charging and discharging, an irreversible reaction occurs in a part of the positive electrode active material, causing expansion. For this reason, if the particle strength is weak, the secondary particles are broken, the electrical conductivity is lowered, and the positive electrode plate itself expands, thereby degrading the battery performance.
Also, in the positive electrode film coating process, high pressure is applied to the positive electrode active material, so if the particle strength is weak, the secondary particles will collapse, and the collapsed particles will adhere to the rolls during roll pressing, resulting in a decrease in yield. do. Furthermore, the collapsed particles that do not adhere to the roll also cause deterioration of the battery performance due to interruption of the lithium conductivity between the primary particles.
As described above, the particle strength of the positive electrode active material is a very important factor in order to improve battery performance such as high capacity and high durability of the battery and to prevent a decrease in yield rate.
On the other hand, the NMCs described in Patent Documents 1 to 3 do not mention particle strength at all, and the capacity and durability are not sufficient. Both of the NMC production methods described in Patent Documents 4 and 5 require a large amount of energy, which is industrially undesirable. In addition, according to the example shown in Patent Document 6, the crushing strength of the produced particles is about 75 to 85 MPa, and the particle strength is still low, so the initial charge-discharge efficiency and cycle characteristics are not sufficient. do not have. Furthermore, in US Pat. No. 6,200,000, the pH control values disclosed increase the residual sulfate in the NMC and degrade the battery performance. Moreover, although heat treatment of the NMC precursor improves the particle strength of NMC, no attention is paid to the effect. In addition, the NMC precursor after oxidizing roasting is washed with water, which reduces impurities such as sulfates, but on the other hand, the impurities present at the grain boundaries are washed away, weakening the cohesion between the primary particles, which leads to secondary The particle strength of the particles is lowered, and the battery performance is deteriorated.
Thus, the NMC described in Patent Documents 1 to 7 cannot be said to be a positive electrode active material that meets the needs for environmentally friendly automobiles, and has a higher capacity and higher durability. is required.
In view of such problems, in order to obtain an excellent lithium ion secondary battery with improved safety in addition to discharge capacity and durability, while maintaining high particle strength, the primary particle average particle size and An object of the present invention is to provide a lithium-nickel-manganese-cobalt-aluminum composite oxide in which the concentration of sulfate radicals is suppressed while controlling the average particle diameter of secondary particles within an optimum range, and a method for producing the same.

本発明者らは、上記の課題を解決するべく、鋭意研究を行った。その結果、サイクル時の容量劣化要因であるNMC粒子の崩壊を防ぎ、高い耐久性を得るために、晶析工程において、NMC主成分であるニッケル、マンガン、コバルトのほか、必須元素としてアルミニウムを加え、かつ、任意元素として元素Mを加えたNMC前駆体を生成させると共に、NMC前駆体を、酸化焙焼工程で金属複合酸化物(以降、ニッケル、マンガン、コバルトを主成分とする金属複合酸化物を「NMC中間物」とも称する)とし、金属複合酸化物であるNMC中間物を、混合工程においてリチウム化合物と混合してリチウム混合物とした後、リチウム混合物を、焼成工程で処理する際、二酸化炭素を導入して低酸素濃度で焼成することにより、粒子強度、平均粒径、硫酸根濃度が好ましいNMCが得られることを見出した。これにより、高容量・高耐久性を持つNMCを装備することで、サイクル特性を向上させ、高電圧下での電池の膨化を抑制出来る、リチウムイオン二次電池を製造することが可能となり、本発明を完成するに至った。 The present inventors have made intensive studies in order to solve the above problems. As a result, in order to prevent the collapse of NMC particles, which is a factor of capacity deterioration during cycling, and to obtain high durability, in the crystallization process, in addition to the main components of NMC, nickel, manganese, and cobalt, aluminum is added as an essential element. In addition, an NMC precursor is produced by adding the element M as an optional element, and the NMC precursor is converted to a metal composite oxide (hereinafter referred to as a metal composite oxide containing nickel, manganese, and cobalt as main components) in an oxidative roasting process. Also referred to as "NMC intermediate"), the NMC intermediate, which is a metal composite oxide, is mixed with a lithium compound in the mixing step to form a lithium mixture, and then the lithium mixture is treated in the firing step. was introduced and sintered at a low oxygen concentration, NMC with favorable particle strength, average particle diameter, and sulfate group concentration was obtained. As a result, by equipping NMC with high capacity and high durability, it becomes possible to manufacture lithium-ion secondary batteries that can improve cycle characteristics and suppress battery swelling under high voltage. I have perfected my invention.

即ち、上記の知見に基づいて成された、本発明に係る第の態様は、膨化量が105%以下であるリチウムイオン二次電池の正極において用いられる高強度リチウムイオン二次電池用正極活物質の製造方法であって、前記リチウムイオン二次電池用正極活物質が、一般式:LiNi1-w-x-y-zMnCoAl2+α(但し、0.95<v<1.22、0.01≦w≦0.35、0.01≦x≦0.50、0.01≦y≦0.15、0≦z≦0.10、0≦α≦0.20であり、Mは、W、V、Mg、Mo、Nb、Ti、Si、Zn、Cu、Feから選ばれる1種以上の元素)で表され、主に一次粒子が凝集された二次粒子からなるリチウムニッケルマンガンコバルトアルミニウム複合酸化物の粒子強度が100~230MPaであり、一次粒子平均粒径が0.1~0.5μmであり、二次粒子平均粒径が3~20μmであり、硫酸根濃度が0.5重量%以下であり、少なくとも、ニッケル、マンガン、コバルトを含む溶液と、アルミニウムを含む溶液と、アンモニウムイオン供給体を含む溶液と、アルカリ溶液と、任意でM元素を含む溶液とを、反応槽に供給し混合することにより、金属複合水酸化物を晶析させる晶析工程と、
前記晶析工程で得られた前記金属複合水酸化物を、400~900℃で酸化焙焼することにより、金属複合酸化物を得る酸化焙焼工程と、
前記酸化焙焼工程で得られた前記金属複合酸化物とリチウム化合物とを混合することにより、リチウム混合物を得る混合工程と、
前記混合工程で得られた前記リチウム混合物を、酸素濃度を0.1~20容量%に制御して、700~1000℃で焼成することにより、リチウム金属複合酸化物を得る焼成工程と、
を有することを特徴とする高強度リチウムイオン二次電池用正極活物質の製造方法である。
That is, the first aspect of the present invention, which was made based on the above findings , is a positive electrode active for a high-strength lithium ion secondary battery used in a positive electrode of a lithium ion secondary battery having a swelling amount of 105% or less. A method for producing a substance, wherein the positive electrode active material for a lithium ion secondary battery has the general formula: Li v Ni 1-w-x-y-z Mn w Co x Al y M z O 2+α (where 0. 95<v<1.22, 0.01≤w≤0.35, 0.01≤x≤0.50, 0.01≤y≤0.15, 0≤z≤0.10, 0≤α≤ 0.20, and M is one or more elements selected from W, V, Mg, Mo, Nb, Ti, Si, Zn, Cu, and Fe), and mainly primary particles are agglomerated. The lithium-nickel-manganese-cobalt-aluminum composite oxide composed of secondary particles has a particle strength of 100 to 230 MPa, an average primary particle diameter of 0.1 to 0.5 μm, and an average secondary particle diameter of 3 to 20 μm. , a sulfate radical concentration of 0.5% by weight or less, and at least a solution containing nickel, manganese, and cobalt, a solution containing aluminum, a solution containing an ammonium ion donor, an alkaline solution, and optionally an M element. a crystallization step of crystallizing a metal composite hydroxide by supplying and mixing a solution containing
an oxidizing roasting step of obtaining a metal composite oxide by oxidizing roasting the metal composite hydroxide obtained in the crystallization step at 400 to 900 ° C.;
A mixing step of obtaining a lithium mixture by mixing the metal composite oxide obtained in the oxidizing roasting step and a lithium compound;
a firing step of obtaining a lithium metal composite oxide by firing the lithium mixture obtained in the mixing step at 700 to 1000° C. while controlling the oxygen concentration to 0.1 to 20% by volume;
A method for producing a positive electrode active material for a high-strength lithium ion secondary battery, characterized by having

本発明におけるリチウムイオン二次電池用正極活物質は、比較的安価で、工業的に取り扱いが容易であるほか、高容量・高耐久性を持つリチウムニッケルマンガンコバルトアルミニウム複合酸化物である。これを用いることで、従来のものよりも電池特性が遥かに優れたリチウムイオン二次電池を得られるため、その工業的価値は極めて大きい。 The positive electrode active material for lithium ion secondary batteries in the present invention is a lithium-nickel-manganese-cobalt-aluminum composite oxide that is relatively inexpensive, industrially easy to handle, and has high capacity and high durability. By using this, it is possible to obtain a lithium-ion secondary battery with battery characteristics that are far superior to those of conventional batteries, so its industrial value is extremely high.

電池特性の評価に用いた、コイン電池の概略断面図である。1 is a schematic cross-sectional view of a coin battery used for evaluation of battery characteristics; FIG.

本発明について、その一実施形態を、以下の順序の通り、詳細に説明する。
1.リチウムイオン二次電池用正極活物質
2.リチウムイオン二次電池用正極活物質の製造方法
3.リチウムイオン二次電池
本発明における、リチウムイオン二次電池用正極活物質とその製造方法は、以下の説明に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限り、当業者の知識に基づいて実施形態を多様に改変することが出来る。
1.リチウムイオン二次電池用正極活物質
本発明の実施形態におけるリチウムイオン二次電池用正極活物質は、一般式:LiNi1-w-x-y-zMnCoAl2+α(但し、0.95<v<1.22、0.01≦w≦0.35、0.01≦x≦0.50、0.01≦y≦0.15、0≦z≦0.10、0≦α≦0.20であり、Mは、W、V、Mg、Mo、Nb、Ti、Si、Zn、Cu、Feから選ばれる1種以上の元素)で表され、主に一次粒子が凝集された二次粒子からなるリチウムニッケルマンガンコバルトアルミニウム複合酸化物の粒子強度が100~230MPaであり、一次粒子平均粒径が0.1~0.5μmであり、二次粒子平均粒径が3~20μmであり、硫酸根濃度が0.5重量%以下であることを特徴としている。
また、上記のリチウムイオン二次電池用正極活物質は、
(1)少なくとも、ニッケル、マンガン、コバルトを含む溶液と、アルミニウムを含む溶液と、アンモニウムイオン供給体を含む溶液と、アルカリ溶液と、任意でM元素を含む溶液とを、反応槽に供給し混合することにより、金属複合水酸化物を晶析させる晶析工程。
One embodiment of the present invention will be described in detail in the following order.
1. Positive electrode active material for lithium ion secondary battery2. 3. Manufacturing method of positive electrode active material for lithium ion secondary battery. Lithium Ion Secondary Battery The positive electrode active material for lithium ion secondary batteries and the method for producing the same in the present invention are not limited to the following description, and are based on the knowledge of those skilled in the art as long as they do not deviate from the spirit of the present invention. Various modifications can be made to the embodiment.
1. Positive electrode active material for lithium ion secondary battery The positive electrode active material for lithium ion secondary battery in the embodiment of the present invention has the general formula: Li v Ni 1-wxyz Mnw Co x Al y M z O 2+α (where 0.95<v<1.22, 0.01≤w≤0.35, 0.01≤x≤0.50, 0.01≤y≤0.15, 0≤z≤0. 10, 0 ≤ α ≤ 0.20, and M is one or more elements selected from W, V, Mg, Mo, Nb, Ti, Si, Zn, Cu, Fe), mainly primary The particle strength of the lithium-nickel-manganese-cobalt-aluminum composite oxide composed of secondary particles in which particles are aggregated is 100 to 230 MPa, the primary particle average particle size is 0.1 to 0.5 μm, and the secondary particle average particle size is is 3 to 20 μm, and the sulfate group concentration is 0.5% by weight or less.
In addition, the above positive electrode active material for lithium ion secondary batteries is
(1) supplying at least a solution containing nickel, manganese, and cobalt, a solution containing aluminum, a solution containing an ammonium ion donor, an alkaline solution, and optionally a solution containing element M into a reaction vessel and mixed; A crystallization step for crystallizing the metal composite hydroxide.

(2)晶析工程で得られた金属複合水酸化物を、400~900℃で酸化焙焼することにより、金属複合酸化物を得る酸化焙焼工程。 (2) an oxidizing roasting step for obtaining a metal composite oxide by oxidizing roasting the metal composite hydroxide obtained in the crystallization step at 400 to 900°C;

(3)酸化焙焼工程で得られた金属複合酸化物とリチウム化合物とを混合することにより、リチウム混合物を得る混合工程。 (3) A mixing step of obtaining a lithium mixture by mixing the metal composite oxide obtained in the oxidizing roasting step and a lithium compound.

(4)混合工程で得られたリチウム混合物を、酸素濃度を0.1~20容量%に制御して、700~1000℃で焼成することにより、リチウム金属複合酸化物を得る焼成工程。
これらの(1)~(4)の工程を有する製造方法により得られ、(1)~(4)の工程の順で処理が行われる。
(1)の晶析工程において、NMC主成分であるニッケル、マンガン、コバルトのほか、必須元素としてアルミニウムを加え、任意元素として元素Mを加えたNMC前駆体を生成させ、得られたNMC前駆体を、(2)の酸化焙焼工程で金属複合酸化物とし、得られたNMC中間物を、(3)の混合工程でリチウム化合物と混合してリチウム混合物とした後、得られたリチウム混合物を、(4)の焼成工程で処理する際に、二酸化炭素を導入して低酸素濃度で焼成することにより、粒子強度、平均粒径、硫酸根濃度が好ましいNMCとなる。
上記の様に、高容量・高耐久性を持つNMCを、正極活物質として新たに電池に装備することにより、サイクル特性を向上させ、高電圧下での電池の膨化を抑制出来るなど、従来技術よりも遥かに優れたリチウムイオン二次電池を製造することが可能となる。
<組成>
ニッケルは、電池容量の向上に寄与する元素である。高容量を得るために、ニッケル含有量を示す「1-w-x-y-z」の範囲は、0.30~0.95であることが好ましく、0.35~0.80であることがより好ましく、0.40~0.60であることが特に好ましい。「1-w-x-y-z」の値が0.30未満では、電池容量が低下し、その一方で、0.95を超えると、電子伝導率が上昇し過ぎ、短絡などによる熱暴走が発生するために、電池の安全性が十分に確保出来なくなる恐れがある。
マンガンは、熱安定性の向上に寄与する元素である。より良い熱安定性を得るために、マンガン含有量を示す「w」の範囲は、0.01~0.35であることが好ましく、0.10~0.30であることがより好ましく、0.15~0.30であることが特に好ましい。「w」の値が0.01未満では、熱安定性の向上が見られず、その一方で、0.35を超えると、高温での作動時にマンガン溶出量が増加し、サイクル特性が低下する問題が生じる。
コバルトは、サイクル特性の向上に寄与する元素である。正極活物質に、コバルトが適正量含まれることにより、初期放電容量を損なわず、良好なサイクル特性と、高い耐久性を備えることが可能となる。コバルト含有量を示す「x」の範囲は、0.01~0.50であることが好ましく、0.10~0.35であることがより好ましく、0.15~0.35であることが特に好ましい。「x」の値が0.01未満では、十分なサイクル特性を得られず、サイクル後の容量維持率が低下し、その一方で、0.50を超えると、コスト面の負荷が大きくなる。
アルミニウムは、過剰となった電子伝導性を抑制し、安全性を確保するのに大きく寄与する元素である。優れた安全性を確保するために、アルミニウム含有量を示す「y」の値は、0.01~0.15であること好ましく、0.05~0.10であることがより好ましく、0.06~0.08であることが特に好ましい。「y」の値が0.01未満では、安全性の改善が見られず、その一方で、0.15を超えると、アルミニウムが粒子内部で偏析し、リチウムイオンの伝導性を阻害して、サイクル特性が低下する問題が生じる。
更に、本発明におけるNMCでは、任意で元素Mを含有させることが出来る。元素Mを、正極活物質に含有させることで、リチウムイオン二次電池の耐久性など、電池特性をより向上させることが可能となる。上記の元素Mには、W、V、Mg、Mo、Nb、Ti、Si、Zn、Cu、Feから選択される1種以上の元素を用いることが出来る。これらの元素Mの選択は、リチウムイオン二次電池の用途のほか、要求される性能などに応じて適宜選択される。任意に添加される元素M含有量を示す「z」の範囲は、0~0.10であることが好ましく、0.02~0.08であることがより好ましく、0.04~0.06であることが特に好ましい。「z」の値が0.10を超えると、レドックス(Redox)反応の効率が低下するために、電池容量も低下する。
また、元素Mは、後述する様に、晶析工程において、ニッケル、マンガン、コバルト、アルミニウムと共に晶析させ、得られるNMC前駆体の粒子中に均一分散させることも出来るが、晶析工程後に、NMC前駆体の粒子表面に被覆させてもよい。更に、混合工程の際に、NMC中間物と共に、リチウム化合物と混合することも可能であり、これらの方法を併用してもよい。いずれの方法を用いる場合であっても、上記の一般式における組成から逸脱しない様に、含有量を調整することが必要となる。
(4) A firing step of obtaining a lithium metal composite oxide by firing the lithium mixture obtained in the mixing step at 700 to 1000° C. while controlling the oxygen concentration to 0.1 to 20% by volume.
It is obtained by a manufacturing method having these steps (1) to (4), and is processed in the order of steps (1) to (4).
In the crystallization step (1), in addition to nickel, manganese, and cobalt, which are the main components of NMC, aluminum is added as an essential element, and an element M is added as an optional element to generate an NMC precursor, thereby obtaining an NMC precursor. is converted into a metal composite oxide in the oxidizing roasting step of (2), and the obtained NMC intermediate is mixed with a lithium compound in the mixing step of (3) to form a lithium mixture. By introducing carbon dioxide and sintering at a low oxygen concentration in the sintering step (4), NMC having favorable particle strength, average particle size, and sulfate group concentration can be obtained.
As described above, by newly equipping a battery with NMC, which has high capacity and high durability, as a positive electrode active material, it is possible to improve cycle characteristics and suppress swelling of the battery under high voltage. It becomes possible to manufacture a lithium-ion secondary battery far superior to the conventional one.
<Composition>
Nickel is an element that contributes to improving battery capacity. In order to obtain a high capacity, the range of "1-wxyz" indicating the nickel content is preferably 0.30 to 0.95, and 0.35 to 0.80. is more preferred, and 0.40 to 0.60 is particularly preferred. If the value of "1-wxyz" is less than 0.30, the battery capacity will decrease, while if it exceeds 0.95, the electronic conductivity will increase too much, causing thermal runaway due to short circuit, etc. is generated, there is a possibility that the safety of the battery cannot be sufficiently ensured.
Manganese is an element that contributes to improving thermal stability. In order to obtain better thermal stability, the range of "w" indicating the manganese content is preferably 0.01 to 0.35, more preferably 0.10 to 0.30, and 0 0.15 to 0.30 is particularly preferred. If the value of "w" is less than 0.01, no improvement in thermal stability is observed, while if it exceeds 0.35, the amount of manganese elution increases during operation at high temperatures, and the cycle characteristics deteriorate. A problem arises.
Cobalt is an element that contributes to the improvement of cycle characteristics. By including an appropriate amount of cobalt in the positive electrode active material, it is possible to provide good cycle characteristics and high durability without impairing the initial discharge capacity. The range of "x" indicating the cobalt content is preferably 0.01 to 0.50, more preferably 0.10 to 0.35, and 0.15 to 0.35. Especially preferred. If the value of "x" is less than 0.01, sufficient cycle characteristics cannot be obtained, and the capacity retention rate after cycling decreases.
Aluminum is an element that suppresses excessive electronic conductivity and greatly contributes to ensuring safety. In order to ensure excellent safety, the value of "y" indicating the aluminum content is preferably 0.01 to 0.15, more preferably 0.05 to 0.10, and 0.05 to 0.10. 06 to 0.08 is particularly preferred. If the value of "y" is less than 0.01, no improvement in safety is observed, while if it exceeds 0.15, aluminum segregates inside the particles, inhibiting lithium ion conductivity, A problem arises that the cycle characteristics deteriorate.
Furthermore, the NMC in the present invention can optionally contain the element M. By including the element M in the positive electrode active material, it becomes possible to further improve the battery characteristics such as the durability of the lithium ion secondary battery. At least one element selected from W, V, Mg, Mo, Nb, Ti, Si, Zn, Cu, and Fe can be used as the element M described above. The selection of these elements M is appropriately made according to the application of the lithium-ion secondary battery as well as the required performance. The range of "z" indicating the content of the optionally added element M is preferably 0 to 0.10, more preferably 0.02 to 0.08, and 0.04 to 0.06. is particularly preferred. When the value of "z" exceeds 0.10, the efficiency of the redox reaction decreases, and thus the battery capacity also decreases.
Further, as will be described later, the element M can be crystallized together with nickel, manganese, cobalt, and aluminum in the crystallization step and uniformly dispersed in the resulting NMC precursor particles. It may be coated on the particle surface of the NMC precursor. Furthermore, during the mixing step, it is possible to mix the lithium compound together with the NMC intermediate, and these methods may be used in combination. Regardless of which method is used, it is necessary to adjust the content so as not to deviate from the composition in the above general formula.

なお、組成に関する評価方法には、特に限定は無く、例えば、酸分解-ICP(誘導結合プラズマ)発光分光分析法などによる、化学分析手法から求めることが出来る。
<粒子強度>
粒子強度は、100~230MPaであることが好ましく、120~200MPaであることがより好ましく、150~180MPaであることが特に好ましい。粒子強度が100MPa未満では、充放電後のNMC粒子に多くの「割れ」が発生し、容量低下や電池の膨化が起こることがあり、その一方で、230Mpaを超えると、電池の正極膜を作成する際、充填性が悪くなり、正極膜を作製出来なくなることがある。また、充填性が悪い正極膜で、充放電サイクルを行うと、容量低下が大きくなり、サイクル特性が極端に悪くなる。
The evaluation method for the composition is not particularly limited, and the composition can be determined by chemical analysis techniques such as acid decomposition-ICP (inductively coupled plasma) emission spectrometry.
<Particle strength>
The particle strength is preferably 100-230 MPa, more preferably 120-200 MPa, and particularly preferably 150-180 MPa. If the particle strength is less than 100 MPa, many "cracks" may occur in the NMC particles after charging and discharging, resulting in a decrease in capacity and swelling of the battery. At that time, the filling property becomes poor, and it may become impossible to produce the positive electrode film. In addition, when a positive electrode film having poor filling properties is subjected to charge-discharge cycles, the capacity decreases significantly, resulting in extremely poor cycle characteristics.

なお、粒子強度に関する評価方法には、特に限定は無く、例えば、微小圧縮試験装置を用いて1粒子毎に測定を行うことにより求めることが出来る。
<平均粒径>
一次粒子平均粒径は、0.1~0.5μmであることが好ましい。これにより、電池の正極に用いた際に、高い電池容量及び高いサイクル特性を得ることが可能となる。一次粒子平均粒径が0.1μm未満になると、高いサイクル特性が得られないことがあり、その一方で、0.5μmを超えると、電池容量や出力特性が低下し、十分な電池特性が得られないことがある。
また、二次粒子平均粒径は、3~20μmであることが好ましく、6~12μmであることがより好ましい。これにより、電池の正極に用いた際に、高い電池容量のほか、正極に対する高い充填性を両立させることが可能となる。二次粒子平均粒径が3μm未満になると、正極に対する高い充填性が得られないことがあり、その一方で、20μmを超えると、電池容量や出力特性が低下し、十分な電池特性が得られないことがある。
なお、平均粒径に関する評価方法には、特に限定は無く、例えば、レーザー回折・散乱法を用いて測定した体積基準分布などから求めることが出来る。
<硫酸根濃度>
硫酸根濃度は、0.5重量%以下であることが好ましく、0.3重量%以下であることがより好ましく、0.1重量%以下であることが特に好ましい。硫酸根濃度が0.5重量%を超えると、リチウムイオンの拡散を阻害して電池容量が低下すると共に、硫酸根自体は、充放電反応には殆ど寄与しないため、電池の構成において、正極材料の不可逆容量に相当する分は、負極材料を余計に電池に使用せざるを得ない。その結果、電池全体としての重量当り、若しくは体積当りの容量が小さくなり、不可逆容量として負極に余分なリチウムが蓄積されることから、安全性の面からも問題となる。
The evaluation method for particle strength is not particularly limited, and the strength can be obtained, for example, by measuring each particle using a microcompression tester.
<Average particle size>
The average primary particle size is preferably 0.1 to 0.5 μm. This makes it possible to obtain high battery capacity and high cycle characteristics when used for the positive electrode of a battery. If the average primary particle diameter is less than 0.1 μm, high cycle characteristics may not be obtained, while if it exceeds 0.5 μm, the battery capacity and output characteristics will decrease, and sufficient battery characteristics will be obtained. may not be
Also, the average secondary particle diameter is preferably 3 to 20 μm, more preferably 6 to 12 μm. As a result, when used for the positive electrode of a battery, it is possible to achieve both high battery capacity and high fillability for the positive electrode. When the secondary particle average particle diameter is less than 3 μm, high filling properties for the positive electrode may not be obtained, while when it exceeds 20 μm, the battery capacity and output characteristics decrease, and sufficient battery characteristics cannot be obtained. sometimes not.
The evaluation method for the average particle diameter is not particularly limited, and for example, the average particle diameter can be obtained from the volume standard distribution measured using the laser diffraction/scattering method.
<Sulfate group concentration>
The sulfate radical concentration is preferably 0.5% by weight or less, more preferably 0.3% by weight or less, and particularly preferably 0.1% by weight or less. If the sulfate group concentration exceeds 0.5% by weight, the diffusion of lithium ions is inhibited and the battery capacity decreases, and the sulfate group itself hardly contributes to the charge/discharge reaction. The amount corresponding to the irreversible capacity of the battery must use an extra negative electrode material for the battery. As a result, the capacity per weight or per volume of the battery as a whole is reduced, and excess lithium is accumulated in the negative electrode as irreversible capacity, which poses a problem in terms of safety.

なお、硫酸根濃度に関する評価方法には、特に限定は無く、例えば、NMCの全硫黄含有量を、燃焼赤外線吸収法や、酸分解-ICP発光分光分析法で分析して、この全硫黄含有量を硫酸根(SO 2-)に換算することなどにより求めることが出来る。
2.リチウムイオン二次電池用正極活物質の製造方法
本発明におけるNMC製造方法は、以下に記載する(1)~(4)の工程を備え、かつ、(1)~(4)の工程の順で、処理が行われる。これらの工程を経ることにより、高い粒子強度を保ちながら、一次粒子平均粒径及び二次粒子平均粒径を最適範囲内に制御しつつ、硫酸根濃度を抑制したリチウムニッケルマンガンコバルトアルミニウム複合酸化物が得られる。
(1)晶析工程
通常、NMC前駆体を晶析法により作製する場合には、連続晶析法が用いられる。この方法は、組成の等しいNMC前駆体を、大量に、かつ、簡便に作製出来る方法である。一般的に晶析法で得られるNMC前駆体粒子は、主に一次粒子が凝集した二次粒子で構成される。しかしながら、この連続晶析法では、得られたNMC前駆体粒子の粒度分布が、比較的幅広い正規分布となり易く、必ずしも粒径の揃った粒子にならないという問題がある。粒度分布が幅広いNMC前駆体粒子を原料として作製したNMCでは、リチウムイオン二次電池を組み立てた場合、3μm未満の微粉が混在する恐れがあり、サイクル特性悪化の要因となり易い。また、粒度分布が不揃いになると、反応抵抗が増大し、電池出力に悪影響を及ぼす可能性がある。
従って、晶析工程では、例えば、「核生成」の段階と「粒子成長」の段階とを、明確に分離することにより、粒径の均一化を図り、粒度分布の狭いNMC前駆体を得ることが好ましい。
<核生成段階>
まず、水溶性のニッケル塩、マンガン塩、コバルト塩を、所定割合で水に溶解し、ニッケル、マンガン、コバルトを含む原料溶液Aを作製する。ここで用いるニッケル塩、マンガン塩、コバルト塩は、硫酸塩であることが好ましい。続いて、水溶性のアルミニウム塩を、所定割合で水に溶解し、アルミニウムを含む原料溶液Bを作製する。ここで用いるアルミニウム塩は、硫酸塩よりも、アルミン酸塩であることが好ましい。次に、作製した原料溶液A及びBと、アンモニア水などのアンモニウムイオン供給体を含む溶液とを、撹拌しながら晶析反応槽へ供給し、反応槽内に反応溶液を形成しつつ、かつ、水酸化ナトリウム溶液などのアルカリ溶液を同時に供給して、反応溶液のpHが一定となる様に制御する。
また、元素Mを含む溶液を、任意に原料溶液A及びBに加えてもよいが、この溶液を加えることで析出が生じる場合には、各原料溶液とは別の経路から同時に反応槽内へ供給する。そして、一定のpHとなる様に、アルカリ溶液の添加量を制御することにより、形成した反応溶液内で、NMC前駆体の微小な「核」を、選択的に生成させることが可能となる。
反応溶液のpH(液温25℃基準)は、12.0以上であることが好ましいが、より好ましくは12.0~14.0となる様に制御する。これにより、反応溶液中に、NMC前駆体の微小な「核」を選択的に生成させることが出来る。このpHが、12.0未満では、「核」の成長も同時に起こってしまうために、「核」の総数が不足して粒径が粗大化し、粒度分布が幅広くなり易い。「核」の総数は、核生成におけるpHやアンモニウムイオン濃度、及び、供給される各原料溶液の量により制御が可能である。
反応溶液のアンモニウムイオン濃度は、3~15g/Lの範囲内で、一定に保持されることが好ましい。アンモニウムイオン濃度が不安定になると、金属イオンの溶解度も変化するために、整ったNMC前駆体粒子の形成が阻害され、ゲル状の「核」が生成し易くなるので、粒度分布が幅広くなり易い。更に、アンモニウムイオン濃度が3g/L未満では、錯化剤として機能せず、その一方で、15g/Lを超えると、NMC前駆体粒子が緻密に形成され過ぎ、最終製品であるNMCも緻密な構造となり、比表面積が低下する恐れがあるので、好ましくない。
反応溶液の温度は、35~60℃に設定することが好ましい。35℃未満では、温度が低く、供給する金属イオンの溶解度が不足し、核生成が起こり易くなり、核生成の制御が難しくなる。その一方で、60℃を超えると、アンモニアの揮発ロスが促進されることにより、錯化剤としてのアンモニウムイオン濃度が低下し、上記と同じく、金属イオンの溶解度が不足する。
その他、核生成段階の晶析時間については、目的とするNMC前駆体粒子の平均粒径により、任意に設定することが出来る。
<粒子成長段階>
粒子成長段階では、反応溶液のpH(液温25℃基準)を、10.5~12.0の範囲に制御し、アルカリ溶液を反応槽内へ供給し、核生成段階よりも低いpHとする。核生成段階の後で、pHをこの範囲内に制御することにより、核生成段階で生成した「核」の成長のみを、優先的に起こさせ、新たな核生成を抑制して、NMC前駆体粒子における粒度分布の幅を狭くすることが出来る。pHが10.5未満では、反応溶液に残存する金属イオンが増加するために、生産効率が悪化し、その一方で、12.0を超えると、粒子成長だけでなく核生成も進行するので、粒度分布が幅広くなり易い。また、硫酸塩を原料溶液に用いる場合は、NMC前駆体粒子に残留する硫酸根濃度が高くなるために、好ましくない。なお、反応溶液のアンモニウムイオン濃度や温度については、核生成段階と同様の範囲内で制御すればよい。
また、核生成段階の後、或いは、粒子成長段階の途中で、反応溶液の一部を反応槽の外に排出することにより、反応溶液におけるNMC前駆体粒子の濃度を高めた後、引き続き、粒子成長を行うことも可能である。これにより、NMC前駆体粒子の粒度分布をより狭くすることができ、粒子密度も高めることが出来る。
その他、核生成段階及び粒子成長段階における、反応槽内の雰囲気を制御することで、NMC前駆体、ひいてはMNCの粒子構造を制御することが可能となる。即ち、反応槽内の酸素濃度を制御することにより、NMC前駆体粒子を構成する、一次粒子の大きさを調整することができ、NMC前駆体粒子の緻密性を調整することが出来る。従って、反応槽内の酸素濃度を低くして、非酸化性雰囲気とすることで、NMC前駆体粒子の緻密性が高くなり、最終的に得られるNMCも緻密性が高くなり、中実構造を有する様になる。その一方で、反応槽内の酸素濃度を高くして、酸化性雰囲気とすることで、NMC前駆体粒子の緻密性が低くなり、最終的に得られるNMCは中空構造や多孔構造を有する様になる。特に、核生成段階と粒子成長段階の初期において反応槽内を酸化性雰囲気とし、その後、非酸化性雰囲気に制御することにより、NMC前駆体粒子の中心部の緻密性を低く、外周部の緻密性を高くすることが出来る。この様なNMC前駆体粒子から得られる正極活物質は、十分な大きさの中空部を有する中空構造となる。中空部の大きさは、酸化性雰囲気とする時間と、非酸化性雰囲気とする時間とを調整することにより、制御することが出来る。
(2)酸化焙焼工程
酸化焙焼工程は、晶析工程で得られたNMC前駆体を、酸化性雰囲気として、400~900℃の温度で3~10時間加熱することにより、NMC中間物を得る工程である。酸化焙焼温度の保持時間は3~10時間であることが好ましく、5~7時間であることがより好ましい。3時間未満では、NMC中間物の一次粒子平均粒径が小さくなることで、最終製品であるNMCの一次粒子平均粒径が0.1μm以下となり、粒子強度の低下を招く。その一方で、10時間を超えると、NMC中間物の比表面積が2.0m/g以下となり、後の焼成工程においてリチウムと遷移金属との反応性が悪化し、電池容量が低下するほか、焼成時間の延長により生産性が悪化する。
The evaluation method for the sulfate group concentration is not particularly limited. For example, the total sulfur content of NMC is analyzed by a combustion infrared absorption method or an acid decomposition-ICP emission spectroscopic analysis method, and the total sulfur content is determined. can be obtained by converting to a sulfate group (SO 4 2− ).
2. Method for producing positive electrode active material for lithium ion secondary battery The method for producing NMC in the present invention comprises the steps (1) to (4) described below, and the steps (1) to (4) are performed in order. , is processed. Through these processes, a lithium-nickel-manganese-cobalt-aluminum composite oxide in which the sulfate group concentration is suppressed while maintaining high particle strength while controlling the primary particle average particle size and the secondary particle average particle size within the optimum range. is obtained.
(1) Crystallization Step Normally, when the NMC precursor is produced by a crystallization method, a continuous crystallization method is used. This method is a method for easily producing a large amount of NMC precursors having the same composition. NMC precursor particles generally obtained by a crystallization method are mainly composed of secondary particles in which primary particles are agglomerated. However, in this continuous crystallization method, the particle size distribution of the obtained NMC precursor particles tends to be a relatively wide normal distribution, and there is a problem that the particles do not necessarily have a uniform particle size. NMC prepared from NMC precursor particles having a wide particle size distribution as a raw material may contain fine powder of less than 3 μm when a lithium-ion secondary battery is assembled, which is likely to cause deterioration of cycle characteristics. Moreover, if the particle size distribution becomes uneven, the reaction resistance increases, which may adversely affect the battery output.
Therefore, in the crystallization process, for example, by clearly separating the "nucleation" stage and the "particle growth" stage, the particle size is homogenized to obtain an NMC precursor with a narrow particle size distribution. is preferred.
<Nucleation stage>
First, a water-soluble nickel salt, a manganese salt, and a cobalt salt are dissolved in water at a predetermined ratio to prepare a raw material solution A containing nickel, manganese, and cobalt. The nickel salt, manganese salt and cobalt salt used here are preferably sulfates. Subsequently, a water-soluble aluminum salt is dissolved in water at a predetermined ratio to prepare a raw material solution B containing aluminum. The aluminum salt used here is preferably an aluminate rather than a sulfate. Next, the prepared raw material solutions A and B and a solution containing an ammonium ion donor such as aqueous ammonia are supplied to a crystallization reaction tank while stirring to form a reaction solution in the reaction tank, and An alkali solution such as a sodium hydroxide solution is supplied at the same time to control the pH of the reaction solution to be constant.
In addition, a solution containing element M may optionally be added to raw material solutions A and B. However, if precipitation occurs by adding this solution, each raw material solution is simultaneously introduced into the reaction vessel through a separate route. supply. By controlling the addition amount of the alkaline solution so as to maintain a constant pH, it is possible to selectively generate minute "nuclei" of the NMC precursor in the formed reaction solution.
The pH of the reaction solution (based on a liquid temperature of 25° C.) is preferably 12.0 or higher, more preferably 12.0 to 14.0. As a result, minute "nuclei" of the NMC precursor can be selectively generated in the reaction solution. If the pH is less than 12.0, the growth of "nuclei" also occurs at the same time, so that the total number of "nuclei" is insufficient and the particle size tends to become coarse, resulting in a wide particle size distribution. The total number of "nuclei" can be controlled by the pH and ammonium ion concentration in nucleation and the amount of each raw material solution supplied.
The ammonium ion concentration of the reaction solution is preferably kept constant within the range of 3 to 15 g/L. When the ammonium ion concentration becomes unstable, the solubility of the metal ions also changes, which inhibits the formation of well-ordered NMC precursor particles and facilitates the formation of gel-like "nuclei," which tends to result in a broader particle size distribution. . Furthermore, when the ammonium ion concentration is less than 3 g/L, it does not function as a complexing agent, while when it exceeds 15 g/L, the NMC precursor particles are formed too densely, and the final product NMC is also dense. It is not preferable because it may become a structure and the specific surface area may decrease.
The temperature of the reaction solution is preferably set at 35-60°C. If the temperature is less than 35° C., the temperature is low and the metal ions to be supplied have insufficient solubility, nucleation easily occurs, and control of nucleation becomes difficult. On the other hand, when the temperature exceeds 60°C, volatilization loss of ammonia is accelerated, so that the concentration of ammonium ions as a complexing agent decreases, and the solubility of metal ions becomes insufficient as described above.
In addition, the crystallization time in the nucleation stage can be arbitrarily set depending on the target average particle size of the NMC precursor particles.
<Particle Growth Stage>
In the particle growth stage, the pH of the reaction solution (based on the liquid temperature of 25° C.) is controlled in the range of 10.5 to 12.0, and the alkaline solution is supplied into the reaction vessel to lower the pH than in the nucleation stage. . After the nucleation stage, by controlling the pH within this range, only the growth of the "nuclei" generated in the nucleation stage is preferentially caused, new nucleation is suppressed, and NMC precursors are produced. The width of the particle size distribution in the particles can be narrowed. When the pH is less than 10.5, the metal ions remaining in the reaction solution increase, resulting in deterioration of production efficiency. Particle size distribution tends to be wide. Moreover, when a sulfate is used in the raw material solution, the concentration of sulfate group remaining in the NMC precursor particles increases, which is not preferable. The ammonium ion concentration and temperature of the reaction solution may be controlled within the same range as in the nucleation stage.
Further, after the nucleation stage or during the particle growth stage, part of the reaction solution is discharged out of the reaction vessel to increase the concentration of the NMC precursor particles in the reaction solution. It is also possible to grow. As a result, the particle size distribution of the NMC precursor particles can be narrowed and the particle density can be increased.
In addition, by controlling the atmosphere in the reaction vessel during the nucleation stage and the particle growth stage, it becomes possible to control the NMC precursor and, in turn, the particle structure of the MNC. That is, by controlling the oxygen concentration in the reaction vessel, the size of the primary particles that constitute the NMC precursor particles can be adjusted, and the denseness of the NMC precursor particles can be adjusted. Therefore, by reducing the oxygen concentration in the reaction vessel to create a non-oxidizing atmosphere, the density of the NMC precursor particles is increased, and the NMC finally obtained is also highly dense, resulting in a solid structure. will have. On the other hand, by increasing the oxygen concentration in the reaction vessel to create an oxidizing atmosphere, the NMC precursor particles become less dense, and the finally obtained NMC has a hollow or porous structure. Become. In particular, in the early stages of the nucleation stage and the particle growth stage, the inside of the reaction vessel is made into an oxidizing atmosphere, and then controlled to be a non-oxidizing atmosphere. You can increase your sexuality. A positive electrode active material obtained from such NMC precursor particles has a hollow structure having a sufficiently large hollow portion. The size of the hollow portion can be controlled by adjusting the time of the oxidizing atmosphere and the time of the non-oxidizing atmosphere.
(2) Oxidizing Roasting Step In the oxidizing roasting step, the NMC precursor obtained in the crystallization step is heated in an oxidizing atmosphere at a temperature of 400 to 900° C. for 3 to 10 hours to convert the NMC intermediate. It is a process of obtaining The holding time at the oxidizing roasting temperature is preferably 3 to 10 hours, more preferably 5 to 7 hours. If it is less than 3 hours, the average primary particle diameter of the NMC intermediate becomes small, and the average primary particle diameter of NMC as the final product becomes 0.1 μm or less, resulting in a decrease in particle strength. On the other hand, after 10 hours, the specific surface area of the NMC intermediate becomes 2.0 m 2 /g or less, and the reactivity between lithium and the transition metal deteriorates in the subsequent firing step, resulting in a decrease in battery capacity. Productivity deteriorates due to the extension of the baking time.

酸化焙焼温度は、400℃未満では、NMC中間物の一次粒子平均粒径が小さくなることで、NMCの一次粒子平均粒径が0.1μm未満となり、粒子強度が低下する。その一方で、900℃を超えると、NMC中間物の比表面積が2.0m/g未満となり、焼成工程においてリチウムと遷移金属との反応性が悪化して電池容量が低下し、焼成時間の延長により生産性が悪化する。
酸化焙焼雰囲気は、酸化性雰囲気とするが、酸素濃度が18~100容量%であることが好ましい。即ち、大気雰囲気、かつ、酸素気流中で行なわれることが好ましい。コスト面を考慮すると、空気気流中で行なうことが特に好ましく、酸素濃度が18容量%未満であると、酸化が十分でなく、一次粒子の異常成長を引き起こす恐れがある。
If the oxidizing roasting temperature is less than 400° C., the average primary particle size of the NMC intermediate becomes smaller, so that the average primary particle size of NMC becomes less than 0.1 μm, and the particle strength decreases. On the other hand, when the temperature exceeds 900° C., the specific surface area of the NMC intermediate becomes less than 2.0 m 2 /g, the reactivity between lithium and the transition metal deteriorates in the firing process, the battery capacity decreases, and the firing time increases. Productivity deteriorates due to extension.
The oxidizing roasting atmosphere is an oxidizing atmosphere, preferably with an oxygen concentration of 18 to 100% by volume. That is, it is preferably performed in an air atmosphere and in an oxygen stream. Considering the cost, it is particularly preferable to carry out the process in an air stream. If the oxygen concentration is less than 18% by volume, the oxidation is not sufficient and there is a risk of abnormal growth of primary particles.

酸化焙焼に用いられる加熱炉は、特に限定されるものではなく、大気雰囲気、かつ、酸素気流で使用出来るものならよいが、ガスの発生が無い電気炉が好ましく、バッチ式、或いは、連続式の加熱炉が用いられる。また、ガス置換性が良く、しかも熱交換効率や生産性も良いロータリーキルンや流動焙焼炉が工業的には特に好ましい。
(3)混合工程
混合工程は、酸化焙焼工程で得られたNMC中間物に、リチウムを除いた金属元素の原子数(Me)の合計に対するリチウム(Li)の原子数の比(Li/Me)が、0.95~1.20となる様に、リチウム化合物を混合してリチウム混合物を得る工程である。Li/Meが0.95未満では、得られたNMCを用いたリチウムイオン二次電池において、正極の反応抵抗が大きくなるために、電池の出力が低くなり、その一方で、1.20を超えると、得られたNMCの初期放電容量が低下すると共に、正極の反応抵抗も増加する。
The heating furnace used for oxidizing roasting is not particularly limited as long as it can be used in an air atmosphere and an oxygen stream, but an electric furnace that does not generate gas is preferable, batch type or continuous type. of heating furnace is used. Further, a rotary kiln or a fluidized bed roasting furnace, which has good gas replacement properties, heat exchange efficiency and productivity, is particularly preferable from an industrial point of view.
(3) Mixing step In the mixing step, the NMC intermediate obtained in the oxidizing roasting step is added to the atomic number of lithium (Li) with respect to the total atomic number (Me) of the metal elements excluding lithium (Li / Me ) is a step of mixing lithium compounds to obtain a lithium mixture so that the ratio is 0.95 to 1.20. When Li/Me is less than 0.95, the resulting lithium-ion secondary battery using NMC has a large reaction resistance of the positive electrode, resulting in a low battery output. As a result, the initial discharge capacity of the obtained NMC decreases, and the reaction resistance of the positive electrode also increases.

リチウム化合物は、特に限定されないが、水酸化リチウム、炭酸リチウムのいずれか、若しくは、その混合物を好適に用いることが出来る。取り扱いの容易さや、品質の安定性を考慮すれば、炭酸リチウムを用いることがより好ましい。 Although the lithium compound is not particularly limited, lithium hydroxide, lithium carbonate, or a mixture thereof can be preferably used. Considering ease of handling and stability of quality, it is more preferable to use lithium carbonate.

NMC中間物とリチウム化合物は、十分に混合することが好ましい。混合操作には、一般的な混合機を用いることが出来る。例えば、シェーカーミキサーや、レーディゲミキサー、ジュリアミキサー、Vブレンダーなどを用いることができ、NMC中間物粒子が破壊されない様に、リチウム化合物と十分に混合すればよい。
(4)焼成工程
焼成工程は、混合工程で得られたリチウム混合物を、二酸化炭素を流し、空気中より酸素濃度を低下させた低酸素雰囲気において、700~1000℃の温度で、5~20時間加熱することにより、最終製品のNMCを得る工程である。焼成温度が700℃未満では、NMC中間物と、リチウム化合物の反応が進み難く、NMC中間物へのリチウム拡散が不足し、余剰リチウムと、未反応のNMC中間物が残るほか、結晶構造も十分に整わないので、電池容量や出力特性の低下が生じる。その一方で、焼成温度が1000℃を超えると、NMC粒子間で激しく焼結が起こり、焼結塊となって解砕処理による粒度調整を阻害するために、20μm以上の粒子が発生し、電池の充填性が大きく悪化し、電池容量の低下が生じる。
焼成温度の保持時間は、5~20時間であることが好ましく、5~10時間であることがより好ましい。5時間未満では、NMCの生成が不十分となり、その一方で、20時間を超えると、NMC粒子間で激しく焼結が生じ、電池容量が低下するほか、焼成時間延長により生産性が悪化する。
The NMC intermediate and lithium compound are preferably thoroughly mixed. A general mixer can be used for the mixing operation. For example, a shaker mixer, a Loedige mixer, a Julia mixer, a V blender, or the like can be used, and the NMC intermediate particles are sufficiently mixed with the lithium compound so as not to be broken.
(4) Firing step In the firing step, the lithium mixture obtained in the mixing step is fed with carbon dioxide in a low-oxygen atmosphere in which the oxygen concentration is reduced from that in the air at a temperature of 700 to 1000 ° C. for 5 to 20 hours. It is a step of obtaining NMC of the final product by heating. If the firing temperature is less than 700°C, the reaction between the NMC intermediate and the lithium compound is difficult to progress, and the diffusion of lithium into the NMC intermediate is insufficient. Since it is not aligned, the battery capacity and output characteristics are degraded. On the other hand, if the firing temperature exceeds 1000° C., intense sintering occurs between the NMC particles, forming sintered agglomerates that hinder the adjustment of the particle size by the crushing process. The fillability of the battery deteriorates greatly, resulting in a decrease in battery capacity.
The holding time at the firing temperature is preferably 5 to 20 hours, more preferably 5 to 10 hours. If the firing time is less than 5 hours, the formation of NMC will be insufficient. On the other hand, if the firing time exceeds 20 hours, the NMC particles will be violently sintered, the battery capacity will decrease, and the productivity will deteriorate due to the extension of the firing time.

焼成雰囲気は、低酸素雰囲気とするが、二酸化炭素を流し、酸素濃度を0.1~20容量%に制御することが好ましい。酸素濃度が20容量%超えると、NMCの結晶性が整わず、粒子強度の向上が見られない場合がある。低酸素雰囲気で結晶を成長させることにより、結晶性が大きく改善され、通常の焼成時間において粒子強度の向上が確認出来ている。これは、酸素濃度が低いために、加熱炉内の一部で酸素欠損が発生するが、その酸素欠損部を起点として、急激に結晶性が改善され、粒子強度の向上に寄与しているものと考えられる。 The firing atmosphere is a low-oxygen atmosphere, but it is preferable to flow carbon dioxide and control the oxygen concentration to 0.1 to 20% by volume. If the oxygen concentration exceeds 20% by volume, the crystallinity of NMC may not be uniform, and an improvement in particle strength may not be observed. Crystallinity is greatly improved by growing crystals in a low-oxygen atmosphere, and an improvement in particle strength can be confirmed in a normal firing time. This is because oxygen deficiency occurs in a part of the heating furnace due to the low oxygen concentration, but starting from the oxygen deficiency part, the crystallinity is rapidly improved, contributing to the improvement of the grain strength. it is conceivable that.

焼成に用いられる加熱炉は、特に限定されるものではなく、低酸素雰囲気で使用出来るものならよいが、ガスの発生が無い電気炉が好ましく、バッチ式、連続式の加熱炉が用いられる。 The heating furnace used for firing is not particularly limited as long as it can be used in a low-oxygen atmosphere, but an electric furnace that does not generate gas is preferable, and a batch-type or continuous-type heating furnace is used.

上記の焼成条件では、得られるNMC粒子の激しい焼結による、焼結塊の発生は抑制されるが、軽微な焼結が生じることがある。この様な場合は、更に、得られたNMC粒子を解砕する解砕工程を備えることが出来る。解砕方法としては、公知の手段を用いることができ、例えば、ピンミルやハンマーミルなどを使用することが出来る。なお、この際、二次粒子を破壊しない様に、解砕力を適切な範囲に調整することが好ましい。
3.リチウムイオン二次電池]
次に、本発明の実施形態により製造されるNMCを正極活物質として用いた、リチウムイオン二次電池について説明する。上記のリチウムイオン二次電池(以降、「二次電池」とも称する)においては、正極、負極、セパレータ及び非水系電解液など、一般的なリチウムイオン二次電池と同様の構成部材を備える。
(1)構成部材
<正極>
先述したNMCを正極活物質として用いて、例えば、以下の様にしてリチウムイオン二次電池用の正極を作製する。
Under the above sintering conditions, the NMC particles to be obtained are suppressed from forming sintered lumps due to severe sintering, but slight sintering may occur. In such a case, it is possible to further include a crushing step of crushing the obtained NMC particles. As a crushing method, known means can be used, for example, a pin mill or a hammer mill can be used. At this time, it is preferable to adjust the crushing force to an appropriate range so as not to destroy the secondary particles.
3. Lithium ion secondary battery]
Next, a lithium ion secondary battery using NMC manufactured according to the embodiment of the present invention as a positive electrode active material will be described. The above-mentioned lithium ion secondary battery (hereinafter also referred to as "secondary battery") includes components such as a positive electrode, a negative electrode, a separator, and a non-aqueous electrolytic solution, which are the same as those of a general lithium ion secondary battery.
(1) Constituent member <positive electrode>
Using the NMC described above as a positive electrode active material, for example, a positive electrode for a lithium ion secondary battery is produced as follows.

まず、本実施形態に係るNMCに、導電材及び結着剤を混合し、更に、必要に応じて活性炭や、粘度調整などの溶剤を添加し、これらを混練して正極合材ペーストを作製する。その際、正極合材ペースト中のそれぞれの混合比も、リチウムイオン二次電池の性能を決定する重要な要素となる。例えば、溶剤を除いた正極合材の固形分を、100質量部とした場合には、一般的なリチウムイオン二次電池の正極と同様に、NMC含有量を60~95質量部、導電材含有量を1~20質量部、及び、結着剤含有量を1~20質量部とすることが出来る。特に、高容量である電池とするために、NMC含有量が90~95質量部の高充填正極を作製するのがより好ましい。 First, NMC according to the present embodiment is mixed with a conductive material and a binder, and if necessary, activated carbon and a solvent for adjusting viscosity are added, and these are kneaded to prepare a positive electrode mixture paste. . At that time, the mixing ratio of each component in the positive electrode mixture paste is also an important factor that determines the performance of the lithium ion secondary battery. For example, when the solid content of the positive electrode mixture excluding the solvent is 100 parts by mass, the NMC content is 60 to 95 parts by mass and the conductive material is included, as in the positive electrode of a general lithium ion secondary battery. The amount can be 1 to 20 parts by weight and the binder content can be 1 to 20 parts by weight. In particular, in order to obtain a battery with a high capacity, it is more preferable to produce a highly filled positive electrode with an NMC content of 90 to 95 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。必要に応じて、電極密度を高めるべく、ロールプレスなどにより加圧することもある。この様にして、シート状の正極を作製することが出来る。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し、電池の作製に利用される。なお、正極の作製方法は、上記のものに限られることはなく、他の方法であってもよい。 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. In this manner, a sheet-like positive electrode can be produced. The sheet-like positive electrode is cut into an appropriate size according to the intended battery and used for manufacturing the battery. The method for producing the positive electrode is not limited to the above method, and other methods may be used.

導電材には、例えば、黒鉛(天然黒鉛、人造黒鉛、膨張黒鉛など)や、アセチレンブラックやケッチェンブラックなどのカーボンブラック系材料を用いることが出来る。 Examples of conductive materials that can be used include graphite (natural graphite, artificial graphite, expanded graphite, etc.) and carbon black-based materials such as acetylene black and ketjen black.

結着剤は、NMC粒子を繋ぎ止める役割を果たすものであり、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)のほか、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、又は、ポリアクリル酸を用いることが出来る。 Binders play a role in binding NMC particles, and examples thereof include polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroethylene (PTFE), fluororubber, ethylene propylene diene rubber, styrene butadiene, and cellulose resin. Alternatively, polyacrylic acid can be used.

その他、必要に応じて、NMC、導電材及び活性炭を分散させ、結着剤を溶解する溶剤を正極合材に添加することができ、溶剤には、N-メチル-2-ピロリドンなどの有機溶剤を用いることが出来る。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も可能である。シート状の正極を製造する際に、正極合材ペーストを圧延して伸ばすが、高容量の二次電池を製造する上で、充填性向上のために、強いロール圧としたことにより、NMC粒子が割れ、サイクル特性が劣化することがある。しかしながら、本発明における粒子強度が100~230MPaに調整されたNMCを、正極活物質として使用すれば、電極作製時の正極活物質の粒子割れと充填率低下を防ぐことが出来る。また、正極活物質の粒子割れに起因して、電池が膨化することがあるが、上記のNMCを正極活物質とすることにより、膨化を抑制出来る。
<負極>
負極には、金属リチウムやリチウム合金などを使用することが出来る。また、リチウムイオンを吸蔵・脱離可能な負極活物質に、結着剤を混合し、適当な溶剤を加えてペースト状にした負極合材を、銅などの金属箔集電体の表面に塗布し、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ことが出来る。
In addition, if necessary, a solvent for dispersing NMC, a conductive material and activated carbon and dissolving a binder can be added to the positive electrode mixture. can be used. In addition, activated carbon can be added to the positive electrode mixture in order to increase the electric double layer capacity. When manufacturing a sheet-shaped positive electrode, the positive electrode mixture paste is rolled and stretched. may crack and the cycle characteristics may deteriorate. However, if the NMC of the present invention with a particle strength adjusted to 100 to 230 MPa is used as a positive electrode active material, it is possible to prevent particle cracking and a decrease in filling rate of the positive electrode active material during electrode production. Moreover, although the battery may swell due to particle cracking of the positive electrode active material, the swelling can be suppressed by using the NMC as the positive electrode active material.
<Negative Electrode>
Metallic lithium, a lithium alloy, or the like can be used for the negative electrode. In addition, a binder is mixed with a negative electrode active material capable of intercalating and deintercalating lithium ions, and an appropriate solvent is added to form a paste-like negative electrode mixture. It can then be dried and used as a compacted form to increase electrode density if desired.

負極活物質としては、例えば、金属リチウムやリチウム合金などのリチウムを含有する物質、リチウムイオンを吸蔵・脱離可能な天然黒鉛、人造黒鉛及びフェノール樹脂などの有機化合物の焼成体並びにコークスなどの炭素物質の粉状体を用いることが出来る。この場合、負極結着剤としては、正極と同様に、PVDFなどの含フッ素樹脂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-ピロリドンなどの有機溶剤を用いることが出来る。
<セパレータ>
セパレータは、正極と負極との間に挟み込んで配置されるものであり、正極と負極とを分離し、電解質を保持する機能を有する。この様なセパレータとしては、例えば、ポリエチレンやポリプロピレンなどの薄い膜で、微細な孔を多数有する膜を用いることが出来るが、上記の様な機能を有するものであれば、特に限定されることはない。
<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及びトリフルオロプロピレンカーボネートなどの環状カーボネート、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及びジプロピルカーボネートなどの鎖状カーボネート、更に、テトラヒドロフラン、2-メチルテトラヒドロフラン及びジメトキシエタンなどのエーテル化合物、エチルメチルスルホンやブタンスルトンなどの硫黄化合物、リン酸トリエチルやリン酸トリオクチルなどのリン化合物などから選ばれる1種を単独で、或いは、2種以上を混合して用いることが出来る。
Examples of negative electrode active materials include lithium-containing substances such as metallic lithium and lithium alloys, natural graphite capable of intercalating and deintercalating lithium ions, artificial graphite, calcined organic compounds such as phenolic resins, and carbon such as coke. A powder form of the substance can be used. In this case, a fluororesin such as PVDF can be used as the binder for the negative electrode in the same manner as the binder for the positive electrode, and a solvent for dispersing the active material and the binder includes N-methyl-2-pyrrolidone. of organic solvents can be used.
<Separator>
The separator is sandwiched between the positive electrode and the negative electrode, and has the function of separating the positive electrode and the negative electrode and retaining the electrolyte. As such a separator, for example, a thin film made of polyethylene, polypropylene, or the like and having a large number of fine pores can be used. do not have.
<Non-aqueous electrolytic solution>
The non-aqueous electrolytic solution is obtained 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; and ether compounds such as dimethoxyethane, sulfur compounds such as ethyl methyl sulfone and butane sultone, and phosphorus compounds such as triethyl phosphate and trioctyl phosphate, etc., alone or in combination of two or more. can be done.

支持塩としては、LiPF、LiBF、LiClO、LiAsF、LiN(CFSO、及び、それらの複合塩などを用いることが出来る。なお、非水系電解液は、ラジカル捕捉剤、界面活性剤、及び、難燃剤などを含んでいてもよい。
<リチウムイオン二次電池>
本発明の実施形態に係るリチウムイオン二次電池は、円筒形や積層形など、種々の形状にすることが出来る。いず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て、正極集電体と外部に通じる正極端子との間、及び、負極集電体と外部に通じる負極端子との間を、集電用リードなどを用いて接続し、電池ケースに密閉して、リチウムイオン二次電池を完成させる。
<非水系電解質二次電池の特性)
本発明の実施形態に係る非水系電解質二次電池は、上述した様に、本実施形態に係るNMCを正極活物質として用いるために、負極抵抗を低減することで、電池容量、出力特性及びサイクル特性に優れている。しかも、このリチウムイオン二次電池は、従来のNMC粒子を正極活物質として用いた二次電池と比較した場合でも、粒子強度だけでなく、熱安定性や安全性などに優れている。
As the supporting salt, LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , LiAsF 6 , LiN(CF 3 SO 2 ) 2 and their composite salts can be used. In addition, the non-aqueous electrolytic solution may contain a radical scavenger, a surfactant, a flame retardant, and the like.
<Lithium ion secondary battery>
The lithium-ion secondary battery according to the embodiment of the present invention can have various shapes such as a cylindrical shape and a laminated shape. Regardless of which shape is adopted, the positive electrode and the negative electrode are laminated with a separator interposed to form an electrode body, the obtained electrode body is impregnated with a non-aqueous electrolyte, and the positive electrode current collector and the outside are impregnated. A current collector is connected to the positive electrode terminal, and the negative electrode current collector and the negative electrode terminal to the outside are connected using a current collecting lead or the like, and sealed in the battery case to complete the lithium ion secondary battery. .
<Characteristics of non-aqueous electrolyte secondary battery)
As described above, the non-aqueous electrolyte secondary battery according to the embodiment of the present invention uses the NMC according to the present embodiment as a positive electrode active material, so that the negative electrode resistance is reduced, thereby improving the battery capacity, output characteristics, and cycle performance. Excellent characteristics. Moreover, this lithium ion secondary battery is superior not only in particle strength but also in thermal stability and safety, even when compared with conventional secondary batteries using NMC particles as a positive electrode active material.

図1は、電池特性の評価に用いたコイン電池の概略断面図である。例えば、本発明の実施形態に係るNMCを正極活物質として用いて、図1に示す2032型コイン電池を構成した場合に、粒子強度を100~230MPaに保ちながら、初期放電容量を155mAh/g以上、500サイクル容量維持率を75%以上、膨化率を105%以下とすることが出来る。
<用途>
本発明の実施形態に係る非水系電解質二次電池は、上述の様に、電池容量、出力特性及びサイクル特性に優れており、これらの特性が高いレベルで要求される小型携帯電子機器(スマートフォンやタブレット、ミニノートパソコンなど)の電源として好適に利用することが出来る。また、本発明の実施形態に係る非水系電解質二次電池は安全性にも優れており、小型化及び高出力化が可能であるばかりでなく、高価な保護回路を簡略することが可能であるために、搭載スペースに制約を受ける輸送用機器の電源としても好適に利用することが出来る。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a coin battery used for evaluation of battery characteristics. For example, when the NMC according to the embodiment of the present invention is used as a positive electrode active material to configure the 2032 type coin battery shown in FIG. 1, the initial discharge capacity is 155 mAh / g or more while maintaining the particle strength at 100 to 230 MPa. , the 500 cycle capacity retention rate can be 75% or more, and the swelling rate can be 105% or less.
<Application>
As described above, the non-aqueous electrolyte secondary battery according to the embodiment of the present invention is excellent in battery capacity, output characteristics and cycle characteristics, and small portable electronic devices (smartphones, etc.) that require these characteristics at a high level. It can be suitably used as a power supply for tablets, mini laptops, etc.). In addition, the non-aqueous electrolyte secondary battery according to the embodiment of the present invention is also excellent in safety, and not only can it be made smaller and have a higher output, but it can also simplify an expensive protection circuit. Therefore, it can be suitably used as a power source for transportation equipment that is limited in mounting space.

本発明について、実施例を用いて具体的に説明するが、本発明の技術的範囲は、これら実施例により、何ら限定されるものではない。また、本実施例に関して、NMC(正極活物質)、及び、リチウムイオン二次電池の製造に用いた各試薬は、全てが、和光純薬工業株式会社製の試薬特級品である。
なお、実施例(及び比較例)における評価方法は、下記の通りであり、得られた評価結果は、表1に示した。
(1)NMC(正極活物質)
1)組成
組成は、試料1gを無機酸で加熱分解処理し、純水で100mlに定容することにより、分析検体液とした後、分析検体液を適宜希釈し、マルチ型ICP発光分光分析装置であるICPE-9000(株式会社島津製作所製)を用いて測定した。
2)粒子強度
粒子強度は、微小強度評価試験機MCT-500(株式会社島津製作所製)を用いて、1個のNMC粒子に圧子で荷重を加え、破壊された際の粒子強度を算出した。具体的には、シリコン板の上にNMC粒子を静止させ、圧子の中心部に合わせて位置を微調整し、圧子を、NMC粒子に大きな荷重が掛からない程度に接触させて、測定を行った。測定条件は、試験力を150mN、負荷速度を2.0mN/秒とし、10個の粒子の平均値を求めた。
3)平均粒径
平均粒径は、レーザー回折・散乱式の粒度分布測定装置であるマイクロトラックMT3300EX2(マイクロトラック・ベル株式会社製)を用いて測定した体積基準分布から求めた。なお、試料への超音波照射強度を調整することにより、一次粒子平均粒径と、二次粒子平均粒径との分別測定を行った。
4)硫酸根濃度
硫酸根含有量は、酸分解-ICP発光分光分析法で全硫黄含有量を分析し、この全硫黄含有量を、硫酸根(SO 2-)に換算することにより求めた。なお、測定にはマルチ型ICP発光分光分析装置である、ICPE-9000(株式会社島津製作所社製)を用いた。
(2)リチウムイオン二次電池
1)初期放電容量
初期放電容量は、コイン電池又は小型角型電池を、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4.3Vまで充電し、1時間の休止後、カットオフ電圧3.0Vまで放電した時の容量とした。また、放電容量測定には、マルチチャンネル電圧/電流発生器R6741A(株式会社アドバンテスト製)を用いた。
2)サイクル特性
上述した充放電試験を繰り返し、初期放電容量に対する500回目の放電容量を測定することで、500サイクルの容量維持率を算出した。
3)膨化量
リチウムイオン小型角型電池の膨化量を、以下の式を用いて算出した。
膨化量(%)=(500サイクル後の電池厚み)/(1サイクル目の電池厚み)×100
The present invention will be specifically described using examples, but the technical scope of the present invention is not limited by these examples. In addition, regarding the present examples, NMC (positive electrode active material) and each reagent used in manufacturing the lithium ion secondary battery are all special grade reagents manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.
The evaluation methods in Examples (and Comparative Examples) are as follows, and the obtained evaluation results are shown in Table 1.
(1) NMC (positive electrode active material)
1) Composition The composition is obtained by subjecting 1 g of a sample to thermal decomposition treatment with an inorganic acid and adding pure water to a constant volume of 100 ml to obtain an analysis specimen solution, then diluting the analysis specimen solution as appropriate and using a multi-type ICP emission spectrometer. was measured using ICPE-9000 (manufactured by Shimadzu Corporation).
2) Particle strength Particle strength was calculated by applying a load to one NMC particle with an indenter using a micro-strength evaluation tester MCT-500 (manufactured by Shimadzu Corporation) and calculating the particle strength at the time of destruction. Specifically, the NMC particles were stationary on a silicon plate, the position was finely adjusted to match the center of the indenter, and the indenter was brought into contact with the NMC particles to the extent that a large load was not applied, and the measurement was performed. . The measurement conditions were a test force of 150 mN and a load rate of 2.0 mN/sec, and the average value of 10 particles was obtained.
3) Average Particle Size The average particle size was obtained from the volume standard distribution measured using a Microtrac MT3300EX2 (manufactured by Microtrac Bell Co., Ltd.), which is a laser diffraction/scattering type particle size distribution analyzer. By adjusting the irradiation intensity of ultrasonic waves to the sample, separate measurement of the primary particle average particle size and the secondary particle average particle size was performed.
4) Sulfate Group Concentration The sulfate group content was obtained by analyzing the total sulfur content by acid decomposition-ICP emission spectrometry, and converting the total sulfur content into sulfate groups (SO 4 2- ). . For the measurement, ICPE-9000 (manufactured by Shimadzu Corporation), which is a multi-type ICP emission spectrometer, was used.
(2) Lithium-ion secondary battery 1) Initial discharge capacity The initial discharge capacity is obtained by leaving a coin battery or a small rectangular battery for about 24 hours after production, and the open-circuit voltage OCV (open-circuit-voltage) is stable. Then, the battery was charged to a cut-off voltage of 4.3 V at a current density of 0.1 mA/cm 2 to the positive electrode, and discharged to a cut-off voltage of 3.0 V after resting for 1 hour. A multi-channel voltage/current generator R6741A (manufactured by Advantest Co., Ltd.) was used to measure the discharge capacity.
2) Cycle characteristics The charge/discharge test described above was repeated, and the 500-cycle capacity retention rate was calculated by measuring the 500th discharge capacity relative to the initial discharge capacity.
3) Swelling amount The swelling amount of the lithium-ion compact prismatic battery was calculated using the following formula.
Swelling amount (%) = (battery thickness after 500 cycles)/(battery thickness after 1st cycle) x 100

<晶析工程>
まず、60L反応槽内に、水を半分の量まで入れ、大気雰囲気中で撹拌しながら、槽内温度を40℃に設定し、25重量%水酸化ナトリウム溶液と、25重量%アンモニア水を適量加えて、槽内の液のpH(液温25℃基準)を12.8に、アンモニウムイオン濃度を10g/Lに調整した。次に、硫酸ニッケル、硫酸コバルト、硫酸マンガンを溶解・混合した、2.0mol/L原料溶液(金属元素モル比でNi:Co:Mn=55:20:25)を、0.13L/分で給液し、反応溶液とした。これと同時に、25質量%水酸化ナトリウム溶液、及び、25質量%アンモニア水を一定速度で加えて、pHを12.8(核生成pH)に制御しながら2分30秒間晶析を行った。その後、窒素ガスを供給し、反応槽内の酸素濃度を2容量%以下まで低下させながら、pHが11.6(核成長pH)となるまで、25質量%水酸化ナトリウム溶液の給液のみ一時停止し、pHが11.6に到達した後、25質量%水酸化ナトリウム溶液の給液を、アルミン酸ナトリウム溶液の添加量に合わせて調整し、再開した。pHを11.6に制御したまま、4時間晶析を継続し、晶析を終了させた。晶析の終了後、生成物を水洗、濾過、乾燥させて、Ni0.54Mn0.24Co0.19Al0.03(OH)で表されるNMC前駆体を得た。
<酸化焙焼工程>
晶析工程で得られたNMC前駆体をマグネシア製の加熱容器に入れ、密閉式電気炉を用いて、大気雰囲気で、酸化焙焼温度を400℃、酸化焙焼時間を5時間の条件で処理後、酸化焙焼物を室温となるまで冷却して、Ni0.54Mn0.24Co0.19Al0.03Oで表されるNMC中間物を得た。
<混合工程>
酸化焙焼工程で得られたNMC中間物と、Li/Me=1.03となる様に秤量した炭酸リチウムを、シェーカーミキサー装置であるTURBULA-TypeT2C(ウィリー・エ・バッコーフェン(WAB)社製)を用いて十分に混合し、リチウム混合物を得た。
<焼成工程>
混合工程で得られたリチウム混合物をマグネシア製の加熱容器に入れ、密閉式電気炉を用いて、炉内に二酸化炭素を0.5~20L/分の条件で供給し、炉内の酸素濃度を18容量%として低酸素雰囲気に保ちながら、焼成温度を850℃、焼成時間を10時間の条件で処理後、焼成物を室温となるまで冷却し、解砕を行い、Li1.03Ni0.54Mn0.24Co0.19Al0.03で表されるNMC(正極活物質)を得た。
<電池の作製>
得られたNMCを52.5mg、アセチレンブラックを15mg、ポリテトラフッ化エチレン樹脂(PTFE)を7.5mg、それぞれ秤量して混合し、100MPaの圧力で、厚さ100μmに成形し、図1に示す正極(評価用電極)(1)を作製した。更に、この正極(1)を、真空乾燥機により、120℃で12時間乾燥した後、正極(1)を用いた2032型コイン電池を、露点が-80℃に管理されたアルゴンガス雰囲気のグローブボックスの中で作製した。負極(2)には、厚さ1mmのリチウム金属、又は、カーボンを用い、電解液には、1molの過塩素酸リチウム(LiClO)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。セパレータ(3)には、膜厚25μmのポリエチレン多孔膜を用いた。また、2032型コイン電池は、ガスケット(4)とウェーブワッシャー(5)を有し、正極缶(6)と負極缶(7)とで電池に組み立てた。
<Crystallization step>
First, a 60 L reaction tank is filled with half the amount of water, and while stirring in the air, the temperature inside the tank is set to 40°C, and appropriate amounts of 25 wt% sodium hydroxide solution and 25 wt% aqueous ammonia In addition, the pH of the liquid in the tank (based on the liquid temperature of 25° C.) was adjusted to 12.8, and the ammonium ion concentration was adjusted to 10 g/L. Next, a 2.0 mol/L raw material solution (metal element molar ratio of Ni:Co:Mn=55:20:25) obtained by dissolving and mixing nickel sulfate, cobalt sulfate, and manganese sulfate was added at 0.13 L/min. The solution was supplied to obtain a reaction solution. At the same time, 25% by mass sodium hydroxide solution and 25% by mass aqueous ammonia were added at a constant rate, and crystallization was performed for 2 minutes and 30 seconds while controlling the pH at 12.8 (nucleation pH). After that, nitrogen gas is supplied to reduce the oxygen concentration in the reaction tank to 2% by volume or less, and the 25% by mass sodium hydroxide solution is temporarily supplied until the pH reaches 11.6 (nuclear growth pH). After stopping and reaching a pH of 11.6, the feed of 25% by weight sodium hydroxide solution was adjusted to match the added amount of sodium aluminate solution and restarted. Crystallization was continued for 4 hours while controlling the pH at 11.6, and the crystallization was completed. After completion of crystallization, the product was washed with water, filtered and dried to obtain an NMC precursor represented by Ni0.54Mn0.24Co0.19Al0.03 (OH) 2 .
<Oxidizing roasting process>
The NMC precursor obtained in the crystallization step is placed in a heating container made of magnesia, and treated in an air atmosphere using a closed electric furnace under the conditions of an oxidizing roasting temperature of 400 ° C. and an oxidizing roasting time of 5 hours. After that , the oxidized roast was cooled to room temperature to obtain an NMC intermediate represented by Ni0.54Mn0.24Co0.19Al0.03O .
<Mixing process>
The NMC intermediate obtained in the oxidative roasting process and lithium carbonate weighed so that Li/Me = 1.03 were mixed together in a shaker mixer, TURBULA-Type T2C (manufactured by Willie & Bacchofen (WAB)). to obtain a lithium mixture.
<Baking process>
The lithium mixture obtained in the mixing step is placed in a heating container made of magnesia, and using a closed electric furnace, carbon dioxide is supplied into the furnace under the conditions of 0.5 to 20 L / min, and the oxygen concentration in the furnace is increased. 18% by volume and maintained in a low-oxygen atmosphere at a firing temperature of 850° C. and a firing time of 10 hours . An NMC (positive electrode active material) represented by 54Mn0.24Co0.19Al0.03O2 was obtained .
<Production of battery>
52.5 mg of the obtained NMC, 15 mg of acetylene black, and 7.5 mg of polytetrafluoroethylene resin (PTFE) were weighed and mixed, and molded at a pressure of 100 MPa to a thickness of 100 μm, and the positive electrode shown in FIG. (Evaluation electrode) (1) was produced. Furthermore, after drying the positive electrode (1) at 120° C. for 12 hours in a vacuum dryer, a 2032 type coin battery using the positive electrode (1) was dried in a glove in an argon gas atmosphere with a controlled dew point of −80° C. Made in a box. Lithium metal or carbon with a thickness of 1 mm is used for the negative electrode (2), and ethylene carbonate ( EC ) and diethyl carbonate (EC) and diethyl carbonate ( DEC) (manufactured by Tomiyama Pharmaceutical Co., Ltd.) was used. A polyethylene porous film having a film thickness of 25 μm was used for the separator (3). A 2032-type coin battery had a gasket (4) and a wave washer (5), and was assembled into a battery with a positive can (6) and a negative can (7).

下記の条件以外は、実施例1と同様の手順を行った。
<酸化焙焼工程>
酸化焙焼温度を500℃とした。
The same procedure as in Example 1 was performed except for the following conditions.
<Oxidizing roasting process>
The oxidation roasting temperature was set to 500°C.

下記の条件以外は、実施例1と同様の手順を行った。
<酸化焙焼工程>
酸化焙焼温度を600℃とした。
The same procedure as in Example 1 was performed except for the following conditions.
<Oxidizing roasting process>
The oxidation roasting temperature was 600°C.

下記の条件以外は、実施例1と同様の手順を行った。
<酸化焙焼工程>
酸化焙焼温度を600℃とした。
<焼成工程>
炉内の酸素濃度を0.2容量%とした。
The same procedure as in Example 1 was performed except for the following conditions.
<Oxidizing roasting process>
The oxidation roasting temperature was 600°C.
<Baking process>
The oxygen concentration in the furnace was set to 0.2% by volume.

下記の条件以外は、実施例1と同様の手順を行った。
<酸化焙焼工程>
酸化焙焼温度を700℃とした。
The same procedure as in Example 1 was performed except for the following conditions.
<Oxidizing roasting process>
The oxidation roasting temperature was set at 700°C.

下記の条件以外は、実施例1と同様の手順を行った。
<酸化焙焼工程>
酸化焙焼温度を800℃とした。
The same procedure as in Example 1 was performed except for the following conditions.
<Oxidizing roasting process>
The oxidation roasting temperature was 800°C.

下記の条件以外は、実施例1と同様の手順を行った。
<酸化焙焼工程>
酸化焙焼温度を900℃とした。
The same procedure as in Example 1 was performed except for the following conditions.
<Oxidizing roasting process>
The oxidation roasting temperature was 900°C.

下記の条件以外は、実施例1と同様の手順を行った。
<晶析工程>
元素Mとして、タングステンを、一般式:LiNi1-w-x-y-zMnCoAl2+αのZ値が0.03となる様に添加した。
The same procedure as in Example 1 was performed except for the following conditions.
<Crystallization step>
As the element M, tungsten was added so that the Z value of the general formula: Li v Ni 1-wxyz Mnw Co x Al y M z O 2+α was 0.03.

下記の条件以外は、実施例1と同様の手順を行った。
<晶析工程>
元素Mとして、タングステンを、一般式:LiNi1-w-x-y-zMnCoAl2+αのZ値が0.03となる様に添加した。
<酸化焙焼工程>
酸化焙焼温度を600℃とした。
The same procedure as in Example 1 was performed except for the following conditions.
<Crystallization step>
As the element M, tungsten was added so that the Z value of the general formula: Li v Ni 1-wxyz Mnw Co x Al y M z O 2+α was 0.03.
<Oxidizing roasting process>
The oxidation roasting temperature was 600°C.

下記の条件以外は、実施例1と同様の手順を行った。
<晶析工程>
元素Mとして、タングステンを、一般式:LiNi1-w-x-y-zMnCoAl2+αのZ値が0.03となる様に添加した。
<酸化焙焼工程>
酸化焙焼温度を600℃とした。
<焼成工程>
炉内の酸素濃度を0.2容量%とした。
The same procedure as in Example 1 was performed except for the following conditions.
<Crystallization step>
As the element M, tungsten was added so that the Z value of the general formula: Li v Ni 1-wxyz Mnw Co x Al y M z O 2+α was 0.03.
<Oxidizing roasting process>
The oxidation roasting temperature was 600°C.
<Baking process>
The oxygen concentration in the furnace was set to 0.2% by volume.

下記の条件以外は、実施例1と同様の手順を行った。
<晶析工程>
元素Mとして、タングステンを、一般式:LiNi1-w-x-y-zMnCoAl2+αのZ値が0.03となる様に添加した。
<酸化焙焼工程>
酸化焙焼温度を800℃とした。
The same procedure as in Example 1 was performed except for the following conditions.
<Crystallization step>
As the element M, tungsten was added so that the Z value of the general formula: Li v Ni 1-wxyz Mnw Co x Al y M z O 2+α was 0.03.
<Oxidizing roasting process>
The oxidation roasting temperature was 800°C.

下記の条件以外は、実施例1と同様の手順を行った。
<晶析工程>
元素Mとして、モリブデン、ニオブを、一般式:LiNi1-w-x-y-zMnCoAl2+αのZ値が0.03となる様に添加した。また、モリブデン、ニオブは、それぞれ等量とし、その合計量がZ値において0.03となる様に添加した。
<酸化焙焼工程>
酸化焙焼温度を800℃とした。
The same procedure as in Example 1 was performed except for the following conditions.
<Crystallization step>
Molybdenum and niobium were added as the element M so that the Z value of the general formula: LivNi1 - wxyzMnwCoxAlyMzO2 was 0.03. Equal amounts of molybdenum and niobium were added so that the total amount was 0.03 in Z value.
<Oxidizing roasting process>
The oxidation roasting temperature was 800°C.

下記の条件以外は、実施例1と同様の手順を行った。
<晶析工程>
元素Mとして、バナジウム、マグネシウムを、一般式:LiNi1-w-x-y-zMnCoAl2+αのZ値が0.06となる様に添加した。また、バナジウム、マグネシウムは、それぞれ等量とし、その合計量がZ値において0.06となる様に添加した。
The same procedure as in Example 1 was performed except for the following conditions.
<Crystallization step>
As the element M, vanadium and magnesium were added so that the Z value of the general formula : LivNi1 - wxyzMnwCoxAlyMzO2 was 0.06. Equal amounts of vanadium and magnesium were added so that the total amount was 0.06 in Z value.

下記の条件以外は、実施例1と同様の手順を行った。
<晶析工程>
元素Mとして、チタン、珪素を、一般式:LiNi1-w-x-y-zMnCoAl2+αのZ値が0.06となる様に添加した。また、チタン、珪素は、それぞれ等量とし、その合計量がZ値において0.06となる様に添加した。
<酸化焙焼工程>
酸化焙焼温度を800℃とした。
The same procedure as in Example 1 was performed except for the following conditions.
<Crystallization step>
As the element M , titanium and silicon were added so that the Z value of the general formula: LivNi1-wxyzMnwCoxAlyMzO2 + α was 0.06 . Titanium and silicon were each added in equal amounts and added so that the total amount would be 0.06 in the Z value.
<Oxidizing roasting process>
The oxidation roasting temperature was 800°C.

下記の条件以外は、実施例1と同様の手順を行った。
<晶析工程>
元素Mとして、亜鉛、銅、鉄を、一般式:LiNi1-w-x-y-zMnCoAl2+αのZ値が0.09となる様に添加した。また、亜鉛、銅、鉄は、それぞれ等量とし、その合計量がZ値において0.09となる様に添加した。
[比較例1]
下記の条件以外は、実施例1と同様の手順を行った。
<酸化焙焼工程>
酸化焙焼を行わなかった。
<焼成工程>
炉内を大気雰囲気(酸素濃度が20容量%を超えた状態)とした。
[比較例2]
The same procedure as in Example 1 was performed except for the following conditions.
<Crystallization step>
Zinc, copper, and iron were added as the element M so that the Z value of the general formula: LivNi1 - wxyzMnwCoxAlyMzO2 was 0.09. Equal amounts of zinc, copper, and iron were added so that the total amount would be 0.09 in the Z value.
[Comparative Example 1]
The same procedure as in Example 1 was performed except for the following conditions.
<Oxidizing roasting process>
No oxidative roasting was performed.
<Baking process>
The inside of the furnace was made into an atmospheric atmosphere (state in which the oxygen concentration exceeded 20% by volume).
[Comparative Example 2]

下記の条件以外は、実施例1と同様の手順を行った。
<酸化焙焼工程>
酸化焙焼温度を300℃とした。
<焼成工程>
炉内を大気雰囲気(酸素濃度が20容量%を超えた状態)とした。
[比較例3]
The same procedure as in Example 1 was performed except for the following conditions.
<Oxidizing roasting process>
The oxidation roasting temperature was 300°C.
<Baking process>
The inside of the furnace was made into an atmospheric atmosphere (state in which the oxygen concentration exceeded 20% by volume).
[Comparative Example 3]

下記の条件以外は、実施例1と同様の手順を行った。
<酸化焙焼工程>
酸化焙焼温度を1000℃とした。
<焼成工程>
炉内を大気雰囲気(酸素濃度が20容量%を超えた状態)とした。
[比較例4]
The same procedure as in Example 1 was performed except for the following conditions.
<Oxidizing roasting process>
The oxidation roasting temperature was set to 1000°C.
<Baking process>
The inside of the furnace was made into an atmospheric atmosphere (state in which the oxygen concentration exceeded 20% by volume).
[Comparative Example 4]

下記の条件以外は、実施例1と同様の手順を行った。
<晶析工程>
元素Mとして、タングステンを、一般式:LiNi1-w-x-y-zMnCoAl2+αのZ値が0.03となる様に添加した。
<酸化焙焼工程>
酸化焙焼を行わなかった。
<焼成工程>
炉内を大気雰囲気(酸素濃度が20容量%を超えた状態)とした。
[比較例5]
The same procedure as in Example 1 was performed except for the following conditions.
<Crystallization step>
As the element M, tungsten was added so that the Z value of the general formula: Li v Ni 1-wxyz Mnw Co x Al y M z O 2+α was 0.03.
<Oxidizing roasting process>
No oxidative roasting was performed.
<Baking process>
The inside of the furnace was made into an atmospheric atmosphere (state in which the oxygen concentration exceeded 20% by volume).
[Comparative Example 5]

下記の条件以外は、実施例1と同様の手順を行った。
<晶析工程>
元素Mとして、タングステンを、一般式:LiNi1-w-x-y-zMnCoAl2+αのZ値が0.03となる様に添加した。
<酸化焙焼工程>
酸化焙焼温度を300℃とした。
<焼成工程>
炉内を大気雰囲気(酸素濃度が20容量%を超えた状態)とした。
[比較例6]
The same procedure as in Example 1 was performed except for the following conditions.
<Crystallization step>
As the element M, tungsten was added so that the Z value of the general formula: Li v Ni 1-wxyz Mnw Co x Al y M z O 2+α was 0.03.
<Oxidizing roasting process>
The oxidation roasting temperature was 300°C.
<Baking process>
The inside of the furnace was made into an atmospheric atmosphere (state in which the oxygen concentration exceeded 20% by volume).
[Comparative Example 6]

下記の条件以外は、実施例1と同様の手順を行った。
<晶析工程>
元素Mとして、タングステンを、一般式:LiNi1-w-x-y-zMnCoAl2+αのZ値が0.03となる様に添加した。
<酸化焙焼工程>
酸化焙焼温度を1000℃とした。
<焼成工程>
炉内を大気雰囲気(酸素濃度が20容量%を超えた状態)とした。
[比較例7]
The same procedure as in Example 1 was performed except for the following conditions.
<Crystallization step>
As the element M, tungsten was added so that the Z value of the general formula: Li v Ni 1-wxyz Mnw Co x Al y M z O 2+α was 0.03.
<Oxidizing roasting process>
The oxidation roasting temperature was set to 1000°C.
<Baking process>
The inside of the furnace was made into an atmospheric atmosphere (state in which the oxygen concentration exceeded 20% by volume).
[Comparative Example 7]

下記の条件以外は、実施例1と同様の手順を行った。
<晶析工程>
元素Mとして、モリブデン、ニオブを、一般式:LiNi1-w-x-y-zMnCoAl2+αのZ値が0.03となる様に添加した。また、モリブデン、ニオブは、それぞれ等量とし、その合計量がZ値において0.03となる様に添加した。
<酸化焙焼工程>
酸化焙焼を行わなかった。
<焼成工程>
炉内を大雰囲気(酸素濃度が20容量%を超えた状態)とした。
(比較例8)
The same procedure as in Example 1 was performed except for the following conditions.
<Crystallization step>
Molybdenum and niobium were added as the element M so that the Z value of the general formula: LivNi1 - wxyzMnwCoxAlyMzO2 was 0.03. Equal amounts of molybdenum and niobium were added so that the total amount was 0.03 in Z value.
<Oxidizing roasting process>
No oxidative roasting was performed.
<Baking process>
The inside of the furnace was made into a large atmosphere (state in which the oxygen concentration exceeded 20% by volume).
(Comparative Example 8)

下記の条件以外は、実施例1と同様の手順を行った。
<晶析工程>
元素Mとして、亜鉛、銅、鉄を、一般式:LiNi1-w-x-y-zMnCoAl2+αのZ値が0.09となる様に添加した。また、亜鉛、銅、鉄は、それぞれ等量とし、その合計量がZ値において0.09となる様に添加した。
<酸化焙焼工程>
酸化焙焼を行わなかった。
<焼成工程>
炉内を大気雰囲気(酸素濃度が20容量%を超えた状態)とした。
The same procedure as in Example 1 was performed except for the following conditions.
<Crystallization step>
Zinc, copper, and iron were added as the element M so that the Z value of the general formula: LivNi1 - wxyzMnwCoxAlyMzO2 was 0.09. Equal amounts of zinc, copper, and iron were added so that the total amount would be 0.09 in the Z value.
<Oxidizing roasting process>
No oxidative roasting was performed.
<Baking process>
The inside of the furnace was made into an atmospheric atmosphere (state in which the oxygen concentration exceeded 20% by volume).

Figure 0007185838000001
Figure 0007185838000001

[総合評価]
上記の表1から分かる様に、実施例1~15のNMCは、製造工程において、酸化焙焼温度や焼成雰囲気などの条件が、全て好ましい範囲であったために、粒子強度をはじめ、一次粒子平均粒径や二次粒子平均粒径、硫酸根濃度が、揃って良好な値を示していた。この結果は、放電容量や耐久性に加えて、更に安全性を改善した優れたリチウムイオン二次電池を得るために、最適なリチウムイオン二次電池用正極活物質が開発されたことを物語っている。故に、実施例1~15のNMCを用いて、リチウムイオン二次電池を作製し、その特性について評価したところ、初期放電容量が155mAh/g以上、サイクル特性での容量維持率が75%以上、膨化率が105%以下と、こちらも非常に良好な値を示していた。
これに対して、比較例1~8のNMCは、製造工程において、酸化焙焼工程を経ていなかったり、酸化焙焼温度などが好ましい条件では無かったりしたことから、粒子強度のほか、一次粒子平均粒径や二次粒子平均粒径、及び、硫酸根濃度、これらのいずれかが十分な値とならなかった。しかも、比較例1~8のNMCを用いて、リチウムイオン二次電池を作製し、その特性について評価したところ、こちらは、初期放電容量、サイクル特性での容量維持率、膨化率、これら全てが実施例と比べて遥かに劣っていた。
[Comprehensive evaluation]
As can be seen from Table 1 above, in the NMC of Examples 1 to 15, the conditions such as the oxidizing roasting temperature and the firing atmosphere were all within the preferable range in the manufacturing process, so the particle strength and the primary particle average The particle size, secondary particle average particle size, and sulfate radical concentration all showed favorable values. This result indicates that the optimum positive electrode active material for lithium ion secondary batteries has been developed in order to obtain excellent lithium ion secondary batteries with improved safety in addition to discharge capacity and durability. there is Therefore, using the NMCs of Examples 1 to 15, lithium ion secondary batteries were produced and their characteristics were evaluated. The swelling ratio was 105% or less, which was also a very good value.
On the other hand, the NMC of Comparative Examples 1 to 8 did not undergo the oxidizing roasting process in the manufacturing process, and the conditions such as the oxidizing roasting temperature were not preferable, so in addition to the particle strength, the primary particles Any one of the average particle size, the average particle size of the secondary particles, and the concentration of sulfate radicals did not reach a sufficient value. Moreover, using the NMCs of Comparative Examples 1 to 8, lithium ion secondary batteries were produced and their characteristics were evaluated. It was far inferior to the examples.

1 正極(評価用電極)
2 負極(リチウム金属、又は、カーボン)
3 セパレータ
4 ガスケット
5 ウェーブワッシャー
6 正極缶
7 負極缶
1 positive electrode (evaluation electrode)
2 negative electrode (lithium metal or carbon)
3 Separator 4 Gasket 5 Wave washer 6 Positive electrode can 7 Negative electrode can

Claims (1)

膨化量が105%以下であるリチウムイオン二次電池の正極において用いられる高強度リチウムイオン二次電池用正極活物質の製造方法であって、
前記高強度リチウムイオン二次電池用正極活物質が、一般式:LiNi1-w-x-y-zMnCoAl2+α(但し、0.95<v<1.22、0.01≦w≦0.35、0.01≦x≦0.50、0.01≦y≦0.15、0≦z≦0.10、0≦α≦0.20であり、Mは、W、V、Mg、Mo、Nb、Ti、Si、Zn、Cu、Feから選ばれる1種以上の元素)で表され、主に一次粒子が凝集された二次粒子からなるリチウムニッケルマンガンコバルトアルミニウム複合酸化物の粒子強度が100~230MPaであり、一次粒子平均粒径が0.1~0.5μmであり、二次粒子平均粒径が3~20μmであり、硫酸根濃度が0.5重量%以下であり、
少なくとも、ニッケル、マンガン、コバルトを含む溶液と、アルミニウムを含む溶液と、アンモニウムイオン供給体を含む溶液と、アルカリ溶液と、任意でM元素を含む溶液とを、反応槽に供給し混合することにより、金属複合水酸化物を晶析させる晶析工程と、
前記晶析工程で得られた前記金属複合水酸化物を、400~900℃で酸化焙焼することにより、金属複合酸化物を得る酸化焙焼工程と、
前記酸化焙焼工程で得られた前記金属複合酸化物とリチウム化合物とを混合することにより、リチウム混合物を得る混合工程と、
前記混合工程で得られた前記リチウム混合物を、酸素濃度を0.1~20容量%に制御して、700~1000℃で焼成することにより、リチウム金属複合酸化物を得る焼成工程とを有することを特徴とする高強度リチウムイオン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 high-strength lithium ion secondary battery used in the positive electrode of a lithium ion secondary battery having a swelling amount of 105% or less,
The positive electrode active material for a high-strength lithium ion secondary battery has a general formula : LivNi1 -wxyzMnwCoxAlyMzO2 + α (where 0.95<v<1. 22, 0.01 ≤ w ≤ 0.35, 0.01 ≤ x ≤ 0.50, 0.01 ≤ y ≤ 0.15, 0 ≤ z ≤ 0.10, 0 ≤ α ≤ 0.20; M is represented by one or more elements selected from W, V, Mg, Mo, Nb, Ti, Si, Zn, Cu, and Fe) Lithium nickel consisting mainly of secondary particles in which primary particles are aggregated The manganese-cobalt-aluminum composite oxide has a particle strength of 100 to 230 MPa, an average primary particle diameter of 0.1 to 0.5 μm, an average secondary particle diameter of 3 to 20 μm, and a sulfate ion concentration of 0. .5% by weight or less,
By feeding and mixing at least a solution containing nickel, manganese and cobalt, a solution containing aluminum, a solution containing an ammonium ion donor, an alkaline solution and optionally a solution containing element M into a reaction vessel , a crystallization step of crystallizing the metal composite hydroxide;
an oxidizing roasting step of obtaining a metal composite oxide by oxidizing roasting the metal composite hydroxide obtained in the crystallization step at 400 to 900 ° C.;
A mixing step of obtaining a lithium mixture by mixing the metal composite oxide obtained in the oxidizing roasting step and a lithium compound;
and a firing step of obtaining a lithium metal composite oxide by firing the lithium mixture obtained in the mixing step at 700 to 1000° C. while controlling the oxygen concentration to 0.1 to 20% by volume. A method for producing a positive electrode active material for a high-strength lithium ion secondary battery, characterized by:
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