JP7254531B2 - Positive electrode active material for lithium secondary battery, method for producing the same, and lithium secondary battery - Google Patents
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Description
本発明は、リチウム二次電池用正極活物質、その製造方法及び該正極活物質が用いられているリチウム二次電池に関するものである。 The present invention relates to a positive electrode active material for lithium secondary batteries, a method for producing the same, and a lithium secondary battery using the positive electrode active material.
従来、リチウム二次電池の正極活物質としては、コバルト酸リチウムが用いられてきた。しかし、コバルトは希少金属であるため、コバルトの含有率が低いリチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物が開発されている(例えば、特許文献1~2参照)。 Conventionally, lithium cobalt oxide has been used as a positive electrode active material for lithium secondary batteries. However, since cobalt is a rare metal, lithium-nickel-manganese-cobalt composite oxides with a low cobalt content have been developed (see, for example, Patent Documents 1 and 2).
リチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物を正極活物質として使用するリチウム二次電池は、複合酸化物中に含まれるニッケル、マンガン、コバルトの原子比を調整することで、低コスト化が可能となることが知られている(例えば、特許文献3参照)。 Lithium secondary batteries that use lithium-nickel-manganese-cobalt composite oxide as the positive electrode active material can be made cheaper by adjusting the atomic ratio of nickel, manganese, and cobalt contained in the composite oxide. known (see, for example, Patent Document 3).
しかしながら、これらの従来技術の方法であっても、リチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物を正極活物質として用いたリチウム二次電池は、サイクル特性の劣化と言う問題が残されていた。 However, even with these prior art methods, a lithium secondary battery using a lithium-nickel-manganese-cobalt composite oxide as a positive electrode active material still has the problem of deterioration in cycle characteristics.
また、特許文献4には、リチウムニッケルマンガンコバルト系複合酸化物の粒子表面がフッ素コーティングされており、該フッ素コーティングされた表面が、スピネル類似層を備えたものを正極活物質として用いることが提案されている。なお、特許文献4のリチウムニッケルマンガンコバルト系複合酸化物は、リチウムニッケルマンガンコバルト系複合酸化物中に含有されるMn原子のモル比がNi原子のモルより大きいものを用いることを特徴としており、本願発明のようなNi原子のモル比がMn原子のモル比より大きい、所謂、ハイニッケルのリチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物ではない。 Further, Patent Document 4 proposes that the particle surface of a lithium-nickel-manganese-cobalt-based composite oxide is fluorine-coated, and that the fluorine-coated surface is provided with a spinel-like layer as a positive electrode active material. It is The lithium-nickel-manganese-cobalt-based composite oxide of Patent Document 4 is characterized in that the molar ratio of Mn atoms contained in the lithium-nickel-manganese-cobalt-based composite oxide is greater than the molar ratio of Ni atoms. It is not a so-called high-nickel lithium-nickel-manganese-cobalt composite oxide in which the molar ratio of Ni atoms is greater than the molar ratio of Mn atoms as in the present invention.
Ni含有量が高いハイニッケルのリチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物は、Ni含有量が高いため高容量であり、且つ、Niの一部が置換されているため、LiNiO2と比較して高寿命となることが知られている。 A high-nickel lithium-nickel-manganese-cobalt composite oxide with a high Ni content has a high capacity due to the high Ni content, and has a long life compared to LiNiO 2 because part of the Ni is substituted. It is known to become
そして、これらハイニッケルのリチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物を正極活物質とするリチウム二次電池においては、更なる高容量化、高エネルギー化に向けた性能の向上が求められており、サイクル特性の向上に加えて、平均作動電圧の低下が少なく、エネルギー密度維持率が高いものが求められている。 In lithium secondary batteries that use these high-nickel lithium-nickel-manganese-cobalt composite oxides as positive electrode active materials, there is a demand for improved performance toward higher capacity and higher energy. In addition to the improvement, there is a demand for a low average operating voltage drop and high energy density retention rate.
従って、本発明の目的は、Ni原子のモル比がMn原子のモル比より高いハイニッケルのリチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物を用いるリチウム二次電池用正極活物質において、容量が高く、サイクル特性に優れ、更に平均作動電圧の低下が少なく、エネルギー密度維持率を高くすることができるリチウム二次電池用正極活物質、その工業的に有利な製造方法、及び容量が高く、サイクル特性、平均作動電圧の低下が少なく、エネルギー密度維持率の高いリチウム二次電池を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a positive electrode active material for a lithium secondary battery using a high-nickel lithium-nickel-manganese-cobalt composite oxide in which the molar ratio of Ni atoms is higher than the molar ratio of Mn atoms, and which has a high capacity and excellent cycle characteristics. A positive electrode active material for a lithium secondary battery that is excellent, has a small decrease in average operating voltage, and can increase the energy density retention rate, an industrially advantageous manufacturing method thereof, and has high capacity, cycle characteristics, and average operating voltage To provide a lithium secondary battery with little decrease in energy density and high energy density retention rate.
本発明者らは、上記実情に鑑み鋭意研究を重ねた結果、正極活物質として、特定の一般式で表されるハイニッケルのリチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物粒子と、無機フッ化物粒子と、の混合物を含有する正極活物質を用いることにより、リチウム二次電池のサイクル特性と平均作動電圧の低下が少なく、エネルギー密度維持率の高くなることを知見し、本発明を完成するに到った。 As a result of intensive research in view of the above-mentioned circumstances, the present inventors have found that high-nickel lithium-nickel-manganese-cobalt composite oxide particles represented by a specific general formula and inorganic fluoride particles are used as positive electrode active materials. The inventors have found that the use of a positive electrode active material containing the mixture reduces the decrease in the cycle characteristics and average operating voltage of lithium secondary batteries and increases the energy density retention rate, thereby completing the present invention.
すなわち、本発明(1)は、下記一般式(1):
LixNiyMnzCo1-y-zO1+x (1)
(式中、xは0.98≦x≦1.20、yは0.50≦y<1.00、zは0<z≦0.50を示す。)
で表されるリチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物粒子と、無機フッ化物粒子と、の混合物からなり、該無機フッ化物粒子が、MgF
2
及びAlF
3
であることを特徴とするリチウム二次電池用正極活物質を提供するものである。
That is, the present invention (1) is represented by the following general formula (1):
Li x Ni y Mn z Co 1-yz O 1+x (1)
(In the formula, x is 0.98≦x≦1.20, y is 0.50≦y<1.00, and z is 0<z≦0.50.)
and inorganic fluoride particles, wherein the inorganic fluoride particles are MgF2 and AlF3 . A positive electrode active material is provided.
また、本発明(2)は、前記無機フッ化物粒子中のF含有量が、前記リチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物粒子中のNi原子、Mn原子及びCo原子の合計のモル数に対してF原子換算で0.05~2.00モル%であることを特徴とする(1)のリチウム二次電池用正極活物質を提供するものである。 Further, in the present invention (2), the F content in the inorganic fluoride particles is F relative to the total number of moles of Ni atoms, Mn atoms and Co atoms in the lithium nickel manganese cobalt composite oxide particles. The present invention provides the positive electrode active material for lithium secondary batteries according to (1), which is 0.05 to 2.00 mol % in terms of atoms.
また、本発明(3)は、下記一般式(1):
LixNiyMnzCo1-y-zO1+x (1)
(式中、xは0.98≦x≦1.20、yは0.50≦y<1.00、zは0<z≦0.50を示す。)で表されるリチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物粒子と、無機フッ化物粒子と、を混合処理し、リチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物粒子と無機フッ化物粒子の混合物を得る第1工程を有し、該無機フッ化物粒子が、MgF
2
及びAlF
3
であることを特徴とするリチウム二次電池用正極活物質の製造方法を提供するものである。
Further, the present invention ( 3 ) is represented by the following general formula (1):
LixNiyMnzCo1 -yzO1 + x ( 1)
(Wherein, x is 0.98 ≤ x ≤ 1.20, y is 0.50 ≤ y < 1.00, z is 0 < z ≤ 0.50.) Lithium nickel manganese cobalt composite represented by A first step of mixing oxide particles and inorganic fluoride particles to obtain a mixture of lithium-nickel-manganese-cobalt composite oxide particles and inorganic fluoride particles , wherein the inorganic fluoride particles are composed of MgF 2 and Disclosed is a method for producing a cathode active material for a lithium secondary battery, which is AlF3 .
また、本発明(4)は、前記第1工程の混合処理を、乾式混合により行うことを特徴とする(3)のリチウム二次電池用正極活物質の製造方法を提供するものである。 Moreover, the present invention ( 4 ) provides the method for producing a positive electrode active material for a lithium secondary battery according to ( 3 ), wherein the mixing treatment in the first step is performed by dry mixing.
また、本発明(5)は、前記第1工程の乾式の混合処理を、水の存在下に行うことを特徴とする(4)のリチウム二次電池用正極活物質の製造方法を提供するものである。 In addition, the present invention ( 5 ) provides the method for producing a positive electrode active material for a lithium secondary battery according to ( 4 ), wherein the dry mixing treatment of the first step is performed in the presence of water. is.
また、本発明(6)は、前記第1工程の混合処理を、湿式混合により行うことを特徴とする(3)のリチウム二次電池用正極活物質の製造方法を提供するものである。 Moreover, the present invention ( 6 ) provides the method for producing a positive electrode active material for a lithium secondary battery according to ( 3 ), wherein the mixing treatment in the first step is performed by wet mixing.
また、本発明(7)は、更に、前記第1工程を行い得られるリチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物粒子と無機フッ化物粒子の混合物を加熱処理する第2工程を有することを特徴とする(3)~(6)いずれかのリチウム二次電池用正極活物質の製造方法を提供するものである。 In addition, the present invention ( 7 ) is characterized by further comprising a second step of heat-treating the mixture of the lithium-nickel-manganese-cobalt composite oxide particles obtained by performing the first step and the inorganic fluoride particles (3 ) to (6) .
また、本発明(8)は、前記第2工程における加熱処理の温度が200~1100℃であることを特徴とする(7)のリチウム二次電池用正極活物質の製造方法を提供するものである。 In addition, the present invention ( 8 ) provides the method for producing a positive electrode active material for lithium secondary batteries according to ( 7 ), wherein the temperature of the heat treatment in the second step is 200 to 1100°C. be.
また、本発明(9)は、正極活物質として、(1)又は(2)のリチウム二次電池用正極活物質が用いられていることを特徴とするリチウム二次電池を提供するものである。 Further, the present invention ( 9 ) provides a lithium secondary battery characterized by using the positive electrode active material for a lithium secondary battery of (1) or (2) as a positive electrode active material. .
本発明によれば、Ni原子のモル比がMn原子のモル比より高いハイニッケルのリチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物を用いるリチウム二次電池用正極活物質において、容量が高く、サイクル特性に優れ、更に平均作動電圧の低下が少なく、エネルギー密度維持率を高くすることができるリチウム二次電池用正極活物質、その工業的に有利な製造方法、及び容量が高く、サイクル特性、平均作動電圧の低下が少なく、エネルギー密度維持率の高いリチウム二次電池を提供することが出来る。 According to the present invention, a positive electrode active material for a lithium secondary battery using a high-nickel lithium-nickel-manganese-cobalt composite oxide in which the molar ratio of Ni atoms is higher than the molar ratio of Mn atoms has high capacity, excellent cycle characteristics, A positive electrode active material for a lithium secondary battery that can further reduce the decrease in average operating voltage and increase the energy density retention rate, an industrially advantageous manufacturing method thereof, and have high capacity, cycle characteristics, and a decrease in average operating voltage. It is possible to provide a lithium secondary battery with a low energy density and a high energy density retention rate.
以下、本発明を好ましい実施形態に基づき説明する。
本発明のリチウム二次電池用正極活物質は、リチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物粒子と、無機フッ化物粒子と、の混合物を含有することを特徴とするリチウム二次電池用正極活物質である。
The present invention will be described below based on preferred embodiments.
A positive electrode active material for a lithium secondary battery of the present invention is a positive electrode active material for a lithium secondary battery containing a mixture of lithium-nickel-manganese-cobalt composite oxide particles and inorganic fluoride particles.
本発明のリチウム二次電池用正極活物質に係るリチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物は、下記一般式(1)で表される。
LixNiyMnzCo1-y-zO1+x (1)
(式中、xは0.98≦x≦1.20、yは0.50≦y<1.00、zは0<z≦0.50を示す。)
The lithium-nickel-manganese-cobalt composite oxide according to the positive electrode active material for lithium secondary batteries of the present invention is represented by the following general formula (1).
Li x Ni y Mn z Co 1-yz O 1+x (1)
(In the formula, x is 0.98≦x≦1.20, y is 0.50≦y<1.00, and z is 0<z≦0.50.)
一般式(1)の式中のxは、0.98≦x≦1.20である。xは、初期放電容量が高くなる点で、1.00≦x≦1.10である。また、一般式(1)の式中のyは、0.50≦y<1.00である。yは、初期放電容量が高くなる点で、0.50≦y≦0.95であることが好ましく、0.55≦y≦0.95であることが特に好ましい。また、一般式(1)の式中のzは、0<z≦0.50である。zは、安全性に優れる点で、0.05≦z≦0.45であることが好ましい。y/zは、好ましくは1より大きく、特に好ましくは1.2以上、より好ましくは1.5≦y/z≦99である。 x in the general formula (1) satisfies 0.98≦x≦1.20. x satisfies 1.00≦x≦1.10 at the point where the initial discharge capacity is high. Moreover, y in the general formula (1) satisfies 0.50≦y<1.00. y preferably satisfies 0.50≦y≦0.95, particularly preferably 0.55≦y≦0.95, in terms of increasing the initial discharge capacity. Moreover, z in the general formula (1) satisfies 0<z≦0.50. z is preferably 0.05≦z≦0.45 from the viewpoint of excellent safety. y/z is preferably greater than 1, particularly preferably 1.2 or more, more preferably 1.5≤y/z≤99.
本発明のリチウム二次電池用正極活物質に係るリチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物粒子は、一般式(1)で表されるリチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物の粒状物である。リチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物粒子は、一次粒子が単分散した単粒子であっても、一次粒子が集合して二次粒子を形成した凝集粒子であってもよい。リチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物粒子の平均粒子径は、レーザ回折・散乱法により求められる粒度分布における体積換算50%の粒子径(D50)で、好ましくは1~30μm、特に好ましくは3~25μmである。また、リチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物粒子のBET比表面積は、好ましくは0.05~2.00m2/g、特に好ましくは0.15~1.00m2/gである。リチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物粒子の平均粒子径又はBET比表面積が上記範囲にあることにより、正極合剤の調製や塗工性が容易になり、さらには充填性の高い電極が得られる。 The lithium-nickel-manganese-cobalt composite oxide particles according to the positive electrode active material for lithium secondary batteries of the present invention are particles of the lithium-nickel-manganese-cobalt composite oxide represented by the general formula (1). The lithium-nickel-manganese-cobalt composite oxide particles may be single particles in which primary particles are monodispersed, or aggregated particles in which primary particles aggregate to form secondary particles. The average particle size of the lithium-nickel-manganese-cobalt composite oxide particles is the particle size (D50) of 50% in terms of volume in the particle size distribution determined by the laser diffraction/scattering method, preferably 1 to 30 μm, particularly preferably 3 to 25 μm. be. Also, the BET specific surface area of the lithium-nickel-manganese-cobalt composite oxide particles is preferably 0.05 to 2.00 m 2 /g, particularly preferably 0.15 to 1.00 m 2 /g. When the average particle size or BET specific surface area of the lithium-nickel-manganese-cobalt composite oxide particles is within the above range, the positive electrode mixture can be easily prepared and coated, and an electrode with high fillability can be obtained.
一般式(1)で表されるリチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物粒子は、例えば、リチウム源、ニッケル源、マンガン源及びコバルト源を混合して原料混合物を調製する原料混合工程、次いで、得られる原料混合物を焼成する焼成工程とを行うことにより製造される。 The lithium-nickel-manganese-cobalt composite oxide particles represented by the general formula (1) are prepared by, for example, a raw material mixing step of mixing a lithium source, a nickel source, a manganese source and a cobalt source to prepare a raw material mixture. and a firing step of firing the mixture.
原料混合工程に係るリチウム源、ニッケル源、マンガン源、コバルト源としては、例えば、これらの水酸化物、酸化物、炭酸塩、硝酸塩、硫酸塩、有機酸塩等が用いられる。リチウム源、ニッケル源、マンガン源及びコバルト源の平均粒子径は、レーザ・散乱法により求められる平均粒子径が、1~30μm、好ましくは3~25μmであることが好ましい。 As the lithium source, nickel source, manganese source, and cobalt source used in the raw material mixing step, for example, hydroxides, oxides, carbonates, nitrates, sulfates, organic acid salts, and the like of these are used. The average particle size of the lithium source, nickel source, manganese source and cobalt source is preferably 1 to 30 μm, preferably 3 to 25 μm, as determined by a laser scattering method.
原料混合工程に係るニッケル源、マンガン源及びコバルト源は、ニッケル原子、マンガン原子及びコバルト原子を含有する化合物であってもよい。ニッケル原子、マンガン原子及びコバルト原子を含有する化合物としては、例えば、これらの原子を含有する複合酸化物、複合水酸化物、複合オキシ水酸化物、複合炭酸塩等が挙げられる。 The nickel source, manganese source and cobalt source in the raw material mixing step may be compounds containing nickel atoms, manganese atoms and cobalt atoms. Compounds containing nickel atoms, manganese atoms and cobalt atoms include, for example, composite oxides, composite hydroxides, composite oxyhydroxides and composite carbonates containing these atoms.
なお、ニッケル原子、マンガン原子及びコバルト原子を含有する化合物を調製する方法としては、公知の方法が用いられる。例えば、複合水酸化物の場合、共沈法によって調製することができる。具体的には、所定量のニッケル原子、コバルト原子及びマンガン原子を含む水溶液と、錯化剤の水溶液と、アルカリの水溶液とを混合することで、複合水酸化物を共沈させることができる(特開平10-81521号公報、特開平10-81520号公報、特開平10-29820号公報、2002-201028号公報等参照。)。また、複合炭酸塩の場合は、ニッケルイオン、マンガンイオン及びコバルトイオンを含む溶液(A液)と、炭酸イオン又は炭酸水素イオンを含む溶液(B液)とを、反応容器に添加して反応を行う方法(特開2009-179545号公報)、或いはニッケル塩、マンガン塩及びコバルト塩を含む溶液(A液)と、金属炭酸塩又は金属炭酸水素塩を含む溶液(B液)とを、該A液中の該ニッケル塩、該マンガン塩及び該コバルト塩のアニオンと同じアニオンと、該B液中の該金属炭酸塩又は該金属炭酸水素塩のアニオンと同じアニオンと、を含む溶液(C液)に添加して、反応を行う方法(特開2009-179544号公報)等が挙げられる。また、ニッケル原子、マンガン原子及びコバルト原子を含有する化合物は、市販品であってもよい。 As a method for preparing a compound containing a nickel atom, a manganese atom and a cobalt atom, a known method is used. For example, a composite hydroxide can be prepared by a coprecipitation method. Specifically, by mixing an aqueous solution containing predetermined amounts of nickel atoms, cobalt atoms, and manganese atoms, an aqueous solution of a complexing agent, and an aqueous solution of an alkali, a composite hydroxide can be coprecipitated ( See JP-A-10-81521, JP-A-10-81520, JP-A-10-29820, 2002-201028, etc.). In the case of composite carbonates, a solution containing nickel ions, manganese ions and cobalt ions (solution A) and a solution containing carbonate ions or bicarbonate ions (solution B) are added to the reaction vessel to initiate the reaction. (JP 2009-179545 A), or a solution containing a nickel salt, a manganese salt and a cobalt salt (solution A), and a solution containing a metal carbonate or a metal hydrogen carbonate (solution B), the A A solution (solution C) containing the same anions as the anions of the nickel salt, the manganese salt and the cobalt salt in the liquid and the same anions as the anions of the metal carbonate or the metal hydrogen carbonate in the liquid B and a method of carrying out the reaction (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2009-179544). Further, the compounds containing nickel atoms, manganese atoms and cobalt atoms may be commercially available products.
ニッケル原子、コバルト原子及びマンガン原子を含有する化合物の平均粒子径は、レーザ・散乱法により求められる平均粒子径が、1~100μm、好ましくは5~80μmであることが好ましい。 The average particle size of the compound containing nickel atoms, cobalt atoms and manganese atoms is preferably 1 to 100 μm, preferably 5 to 80 μm, as determined by a laser scattering method.
一般式(1)で表されるリチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物粒子の製造において、ニッケル源、マンガン源及びコバルト源として、ニッケル原子、コバルト原子及びマンガン原子を含有する複合水酸化物を用いることが、反応性が良好になる点で好ましい。 In the production of the lithium-nickel-manganese-cobalt composite oxide particles represented by the general formula (1), composite hydroxides containing nickel atoms, cobalt atoms and manganese atoms can be used as the nickel source, manganese source and cobalt source. , is preferable in terms of good reactivity.
原料混合工程において、リチウム源と、ニッケル源、マンガン源及びコバルト源の混合割合は、放電容量が高くなる点で、ニッケル源、マンガン源及びコバルト源中のNi原子、Mn原子及びCo原子の総モル数(Ni+Mn+Co)に対するLi原子のモル比(Li/(Ni+Mn+Co))が、0.98~1.20となる混合割合が好ましく、1.00~1.10となる混合割合が特に好ましい。 In the raw material mixing step, the mixing ratio of the lithium source, the nickel source, the manganese source and the cobalt source is the total of Ni atoms, Mn atoms and Co atoms in the nickel source, manganese source and cobalt source in terms of increasing the discharge capacity. The molar ratio (Li/(Ni+Mn+Co)) of Li atoms to the number of moles (Ni+Mn+Co) is preferably 0.98 to 1.20, more preferably 1.00 to 1.10.
また、原料混合工程において、ニッケル源、マンガン源及びコバルト源の各原料の混合割合については、前記一般式(1)で表されるニッケル、マンガン、コバルトの原子モル比となるよう調整すればよい。 In addition, in the raw material mixing step, the mixing ratio of the raw materials of the nickel source, the manganese source and the cobalt source may be adjusted so as to achieve the atomic molar ratio of nickel, manganese and cobalt represented by the general formula (1). .
なお、原料のリチウム源、ニッケル源、マンガン源及びコバルト源の製造履歴は問われないが、高純度のリチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物粒子を製造するため、可及的に不純物含有量が少ないものであることが好ましい。 The production history of the raw material lithium source, nickel source, manganese source and cobalt source does not matter. is preferably
原料混合工程において、リチウム源、ニッケル源、マンガン源及びコバルト源を混合する手段としては、乾式でも湿式でもいずれの方法でも行うことができるが、製造が容易であるため乾式による混合が好ましい。 In the raw material mixing step, the means for mixing the lithium source, nickel source, manganese source and cobalt source may be either dry or wet, but dry mixing is preferred because of ease of production.
乾式混合の場合は、原料が均一に混合するよう機械的手段にて行うことが好ましい。混合装置としては、例えば、イスピードミキサー、スーパーミキサー、ターボスフェアミキサー、アイリッヒミキサー、ヘンシェルミキサー、ナウターミキサー、リボンブレンダー、V型混合機、コニカルブレンダー、ジェットミル、コスモマイザー、ペイントシェイカー、ビーズミル、ボールミル等が挙げられる。なお、実験室レベルでは、家庭用ミキサーで十分である。 In the case of dry mixing, it is preferable to use mechanical means so that the raw materials are uniformly mixed. Examples of mixing devices include Ispeed mixer, super mixer, turbosphere mixer, Eirich mixer, Henschel mixer, Nauta mixer, ribbon blender, V-type mixer, conical blender, jet mill, cosmomizer, paint shaker, and bead mill. , a ball mill, and the like. At the laboratory level, a home mixer is sufficient.
湿式混合の場合、混合装置としては、メディアミルを用いることが各原料が均一に分散したスラリーを調製できる点で好ましい。また、混合処理後のスラリーは、反応性に優れ各原料が均一に分散した原料混合物が得られる観点から噴霧乾燥を行うことが好ましい。 In the case of wet mixing, it is preferable to use a media mill as a mixing device in that a slurry in which each raw material is uniformly dispersed can be prepared. Further, the slurry after the mixing treatment is preferably spray-dried from the viewpoint of obtaining a raw material mixture in which each raw material is uniformly dispersed and has excellent reactivity.
焼成工程は、原料混合工程を行い得られる原料混合物を、焼成することにより、リチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物を得る工程である。 The firing step is a step of firing the raw material mixture obtained by performing the raw material mixing step to obtain a lithium-nickel-manganese-cobalt composite oxide.
焼成工程において、原料混合物を焼成して、原料を反応させる際の焼成温度は、700~1100℃、好ましくは750~1000℃である。この理由は焼成温度が700℃未満では反応が不十分で未反応のリチウムが多量に残留する傾向があり、一方、1100℃を超えると一度生成したリチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物が分解してしまう傾向があるからである。 In the firing step, the firing temperature for firing the raw material mixture and reacting the raw materials is 700 to 1100°C, preferably 750 to 1000°C. The reason for this is that if the firing temperature is less than 700°C, the reaction tends to be insufficient and a large amount of unreacted lithium tends to remain. because there is a tendency
焼成工程における焼成時間は、3時間以上、好ましくは5~30時間である。また、焼成工程における焼成雰囲気は、空気、酸素ガスの酸化雰囲気である。 The firing time in the firing step is 3 hours or more, preferably 5 to 30 hours. The firing atmosphere in the firing step is an oxidizing atmosphere of air and oxygen gas.
このように得られるリチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物を、必要に応じて複数回の焼成工程に付してよい。 The lithium-nickel-manganese-cobalt composite oxide thus obtained may be subjected to a plurality of firing steps as required.
本発明のリチウム二次電池用正極活物質に係る無機フッ化物粒子は、水に不溶又は難溶性である。無機フッ化物としては、例えば、MgF2、AlF3、TiF4、ZrF4、CaF2、BaF2、SrF2、ZnF2、LiF等が挙げられる。無機フッ化物粒子としては、MgF2及び/又はAlF3が好ましい。無機フッ化物粒子は、1種単独であっても、2種以上の組み合わせであってもよい。 The inorganic fluoride particles related to the positive electrode active material for lithium secondary batteries of the present invention are insoluble or sparingly soluble in water. Examples of inorganic fluorides include MgF 2 , AlF 3 , TiF 4 , ZrF 4 , CaF 2 , BaF 2 , SrF 2 , ZnF 2 and LiF. As inorganic fluoride particles, MgF2 and/or AlF3 are preferred. The inorganic fluoride particles may be used singly or in combination of two or more.
無機フッ物粒子は、粒状の無機フッ化物である。無機フッ化物粒子の平均粒子径は、レーザ回折・散乱法により求められる平均粒子径で、好ましくは0.01~30μm、特に好ましくは0.1~20μmである。無機フッ化物粒子の平均粒子径が上記範囲にあることにより、正極合剤を調製する際の混練工程や、得られた正極合剤を正極集電体に塗布する塗工工程において不具合を生じ難くなる。 Inorganic fluoride particles are particulate inorganic fluorides. The average particle size of the inorganic fluoride particles is preferably 0.01 to 30 μm, particularly preferably 0.1 to 20 μm, as determined by a laser diffraction/scattering method. When the average particle diameter of the inorganic fluoride particles is within the above range, problems are less likely to occur in the kneading step of preparing the positive electrode mixture and the coating step of applying the obtained positive electrode mixture to the positive electrode current collector. Become.
本発明のリチウム二次電池用正極活物質中の無機フッ化物粒子の含有量は、リチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物粒子中のNi原子、Mn原子及びCo原子の合計のモル数(Ni+Mn+Co)に対してF原子換算で、好ましくは0.05~5.00モル%、特に好ましくは0.10~2.00モル%となる量である。つまり、本発明のリチウム二次電池用正極活物質に含有されている「リチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物粒子中の原子換算のNi原子、Mn原子及びCo原子の合計のモル数(Ni+Mn+Co)」に対する「無機フッ化物粒子中の原子換算のF原子のモル数(F)」のモル比((F/(Ni+Mn+Co))×100)が、好ましくは0.05~5.00モル%、特に好ましくは0.10~2.00モル%である。無機フッ化物粒子の含有量が上記範囲にあることにより、リチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物の充放電容量の低下を抑えつつ、高電圧時のサイクル特性を向上させる効果が高まる。なお、無機フッ化物粒子として、2種以上の無機フッ化物粒子を用いる場合、例えば、MgF2とAlF3を併用する場合には、リチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物粒子中のNi原子、Mn原子及びCo原子の合計のモル(Ni+Mn+Co)に対してF原子換算のF原子の合計が、好ましくは0.05~5.00モル%、特に好ましくは0.10~2.00モル%となるように調整する。無機フッ化物粒子として、2種以上の無機フッ化物粒子を用いる場合、2種以上の無機フッ化物粒子のF原子換算のF原子の合計含有量が上記範囲にあることにより、リチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物の充放電容量の低下を抑えつつ、高電圧時のサイクル特性、平均作動電圧の特性、エネルギー密度維持率等の特性を向上させる効果が高まる。 The content of the inorganic fluoride particles in the positive electrode active material for lithium secondary batteries of the present invention is relative to the total number of moles (Ni + Mn + Co) of Ni atoms, Mn atoms and Co atoms in the lithium nickel manganese cobalt composite oxide particles. is preferably 0.05 to 5.00 mol %, particularly preferably 0.10 to 2.00 mol %, in terms of F atoms. That is, the total mole number of Ni atoms, Mn atoms and Co atoms in terms of atoms in the lithium nickel manganese cobalt composite oxide particles (Ni + Mn + Co) contained in the positive electrode active material for lithium secondary batteries of the present invention The molar ratio ((F/(Ni + Mn + Co)) × 100) of "the number of moles of F atoms (F) in terms of atoms in the inorganic fluoride particles" is preferably 0.05 to 5.00 mol%, particularly preferably It is 0.10 to 2.00 mol %. When the content of the inorganic fluoride particles is within the above range, the effect of improving the cycle characteristics at high voltage while suppressing the decrease in the charge/discharge capacity of the lithium-nickel-manganese-cobalt composite oxide increases. When two or more kinds of inorganic fluoride particles are used as the inorganic fluoride particles, for example, when MgF 2 and AlF 3 are used in combination, Ni atoms, Mn atoms and The total amount of F atoms in terms of F atoms is preferably 0.05 to 5.00 mol%, particularly preferably 0.10 to 2.00 mol%, relative to the total moles of Co atoms (Ni+Mn+Co). adjust. When two or more kinds of inorganic fluoride particles are used as the inorganic fluoride particles, the total content of F atoms in terms of F atoms of the two or more inorganic fluoride particles is within the above range, so that the lithium nickel manganese cobalt composite The effect of improving characteristics such as cycle characteristics at high voltage, average operating voltage characteristics, and energy density retention rate increases while suppressing a decrease in charge-discharge capacity of the oxide.
本発明のリチウム二次電池用正極活物質において、無機フッ化物粒子は、リチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物粒子の粒子表面に存在していてもよく、リチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物粒子と単なる混合状態で存在してもよく、その両方であってもよい。つまり、本発明のリチウム二次電池用正極活物質は、リチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物粒子と、リチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物粒子の表面に存在する無機フッ化物粒子と、を含んでいてもよく、あるいは、リチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物粒子と、無機フッ化物粒子と、の単純混合物であってよいし、あるいは、両方の形態の混合物を含んでいてもよい。なお、無機フッ化物粒子が、リチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物粒子の粒子表面に存在する場合は、無機フッ化物粒子がリチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物粒子表面に部分的に存在するものであることが、リチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物の表面でのリチウムの脱挿入が阻害されない点で好ましい。 In the positive electrode active material for a lithium secondary battery of the present invention, the inorganic fluoride particles may be present on the particle surface of the lithium-nickel-manganese-cobalt composite oxide particles, and are in a simple mixed state with the lithium-nickel-manganese-cobalt composite oxide particles. or both. That is, the positive electrode active material for a lithium secondary battery of the present invention may contain lithium-nickel-manganese-cobalt composite oxide particles and inorganic fluoride particles present on the surfaces of the lithium-nickel-manganese-cobalt composite oxide particles. Alternatively, it may be a simple mixture of lithium-nickel-manganese-cobalt composite oxide particles and inorganic fluoride particles, or it may contain a mixture of both forms. When the inorganic fluoride particles are present on the surface of the lithium-nickel-manganese-cobalt composite oxide particles, the inorganic fluoride particles are partially present on the surface of the lithium-nickel-manganese-cobalt composite oxide particles. , is preferable in that the lithium-nickel-manganese-cobalt composite oxide surface does not hinder the lithium-nickel-manganese-cobalt composite oxide.
本発明のリチウム二次電池用正極活物質は、以下に示すリチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物粒子と、無機フッ化物粒子とを、所定量で混合処理する第1工程を有する製造方法により、好適に製造される。 The positive electrode active material for a lithium secondary battery of the present invention is preferably produced by a manufacturing method having a first step of mixing predetermined amounts of lithium-nickel-manganese-cobalt composite oxide particles and inorganic fluoride particles shown below. manufactured.
本発明のリチウム二次電池用正極活物質の製造方法は、リチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物粒子と、無機フッ化物粒子と、を混合処理し、リチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物粒子と無機フッ化物粒子の混合物を得る第1工程を有することを特徴とするリチウム二次電池用正極活物質の製造方法である。 In the method for producing a positive electrode active material for a lithium secondary battery of the present invention, lithium-nickel-manganese-cobalt composite oxide particles and inorganic fluoride particles are mixed, and lithium-nickel-manganese-cobalt composite oxide particles and inorganic fluoride particles are mixed. A method for producing a positive electrode active material for a lithium secondary battery, comprising a first step of obtaining a mixture of
第1工程に係るリチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物粒子は、本発明のリチウム二次電池用正極活物質に係るリチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物粒子と同様である。つまり、第1工程に係るリチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物は、前記一般式(1)で表されるリチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物である。また、第1工程に係る無機フッ化物粒子は、本発明のリチウム二次電池用正極活物質に係る無機フッ化物粒子と同様である。 The lithium-nickel-manganese-cobalt composite oxide particles in the first step are the same as the lithium-nickel-manganese-cobalt composite oxide particles in the positive electrode active material for lithium secondary batteries of the present invention. That is, the lithium-nickel-manganese-cobalt composite oxide according to the first step is the lithium-nickel-manganese-cobalt composite oxide represented by the general formula (1). Moreover, the inorganic fluoride particles related to the first step are the same as the inorganic fluoride particles related to the positive electrode active material for lithium secondary batteries of the present invention.
第1工程では、混合処理を、乾式又は湿式のいずれでも行うことができる。 In the first step, the mixing process can be either dry or wet.
第1工程において、乾式で混合処理を行う方法としては、機械的手段にて行うことが均一な混合物が得られる点で好ましい。乾式混合に用いられる装置としては、均一な混合物が得られるものであれば特に制限はないが、例えば、ハイスピードミキサー、スーパーミキサー、ターボスフェアミキサー、アイリッヒミキサー、ヘンシェルミキサー、ナウターミキサー、リボンブレンダー、V型混合機、コニカルブレンダー、ジェットミル、コスモマイザー、ペイントシェイカー、ビーズミル、ボールミル等が挙げられる。なお、実験室レベルでは、家庭用ミキサーで十分である。 In the first step, it is preferable to use a mechanical means as a dry mixing method because a uniform mixture can be obtained. The device used for dry mixing is not particularly limited as long as a homogeneous mixture can be obtained. Blenders, V-type mixers, conical blenders, jet mills, cosmomizers, paint shakers, bead mills, ball mills and the like can be mentioned. At the laboratory level, a home mixer is sufficient.
第1工程において乾式で混合処理を行う場合、少量の水を存在させて乾式混合処理を行うことができる。少量の水を存在させて乾式混合処理を行うことにより、水を全く存在させずに乾式混合処理を行う場合に比べて、リチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物粒子と無機フッ化物粒子の混合状態が均一になり易くなる。ただし、第1工程において、少量の水を存在させて乾式混合処理した場合は、混合処理後に乾燥し、更に得られる混合物を加熱処理する第2工程を行い、水分を十分に取り除くことが、充放電容量の低下やサイクル特性の低下等の特性劣化が生じ難くなる点で好ましい。 When the dry mixing process is performed in the first step, the dry mixing process can be performed in the presence of a small amount of water. By performing the dry mixing treatment in the presence of a small amount of water, the mixed state of the lithium-nickel-manganese-cobalt composite oxide particles and the inorganic fluoride particles is uniform compared to the case of performing the dry-mixing treatment in the absence of any water. becomes easier. However, when dry mixing is performed in the presence of a small amount of water in the first step, it is preferable to dry the mixture after the mixing and then perform a second step of heat-treating the resulting mixture to sufficiently remove the moisture. This is preferable in that deterioration of characteristics such as deterioration of discharge capacity and deterioration of cycle characteristics hardly occurs.
第1工程において、少量の水を存在させて乾式混合処理を行う場合、水の添加量は、リチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物粒子と無機フッ化物粒子の混合物に対し、好ましくは10~80質量%、特に好ましくは20~70質量%である。 In the first step, when dry mixing treatment is performed in the presence of a small amount of water, the amount of water added is preferably 10 to 80% by mass with respect to the mixture of lithium nickel manganese cobalt composite oxide particles and inorganic fluoride particles. , particularly preferably 20 to 70% by mass.
第1工程において、水の存在下に乾式混合処理を行う場合は、混合処理後、80~200℃で混合物を乾燥し、次いで、得られる混合物を加熱処理する第2工程を行うことが好ましい。 When dry mixing is performed in the presence of water in the first step, the mixture is dried at 80 to 200° C. after the mixing, and then the resulting mixture is heat-treated in the second step.
また、第1工程において、湿式で混合処理を行う方法としては、水溶媒にリチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物粒子と無機フッ化物粒子を、固形分含有量が10~80質量%、好ましくは20~70質量%となるように添加し、これを機械的手段で混合してスラリーを調製し、次いで、該スラリーを静置させた状態で乾燥させるか、あるいは、該スラリーを噴霧乾燥処理して乾燥させる等により、リチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物粒子と無機フッ化物粒子の混合物を得る方法が挙げられる。 In the first step, as a wet mixing method, lithium-nickel-manganese-cobalt composite oxide particles and inorganic fluoride particles are added to a water solvent so that the solid content is 10 to 80% by mass, preferably 20 to 80% by mass. 70% by mass, mixed by mechanical means to prepare a slurry, and then the slurry is dried in a still state, or the slurry is spray-dried to dry and the like to obtain a mixture of lithium-nickel-manganese-cobalt composite oxide particles and inorganic fluoride particles.
湿式混合に用いられる装置としては、均一なスラリーが得られるものであれば特に制限はないが、例えば、スターラー、撹拌羽による攪拌機、3本ロール、ボールミル、ディスパーミル、ホモジナイザー、振動ミル、サンドグラインドミル、アトライター及び強力撹拌機等の装置が挙げられる。湿式混合処理は、上記で例示した機械的手段による混合処理に限定されるものではない。なお、湿式混合の際に、界面活性剤をスラリーに添加して混合処理を行ってもよい。 The device used for wet mixing is not particularly limited as long as a uniform slurry can be obtained. Equipment such as mills, attritors and high-intensity agitators are included. The wet mixing process is not limited to the mixing process by mechanical means exemplified above. In the wet mixing, a surfactant may be added to the slurry for mixing.
第1工程において、少量の水を存在させて乾式混合処理を行う場合又は湿式混合処理を行う場合は、第1工程に引き続き、第2工程を行うことが、水分による充放電容量の低下やサイクル特性の低下等の特性劣化を生じさせ難くすることができる点で好ましい。 In the first step, when a dry mixing treatment is performed in the presence of a small amount of water or when a wet mixing treatment is performed, the second step may be performed following the first step to reduce the charge-discharge capacity due to moisture and the cycle. It is preferable in that it is possible to make it difficult to cause deterioration of characteristics such as deterioration of characteristics.
第2工程では、第1工程を行い得られるリチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物粒子と無機フッ化物粒子の混合物を加熱処理する。第2工程における加熱処理の温度は、好ましくは200~1100℃、特に好ましくは500~1000℃である。加熱処理の温度が上記範囲にあることにより、水分を十分に取り除くことができ、充放電容量の低下やサイクル特性の低下等の特性劣化を生じさせ難くすることができる。また、第2工程における加熱処理の時間は、好ましくは1~10時間、特に好ましくは2~7時間である。また、第2工程における加熱処理の雰囲気は、空気、酸素ガス等の酸化雰囲気であることが好ましい。 In the second step, the mixture of lithium-nickel-manganese-cobalt composite oxide particles and inorganic fluoride particles obtained by performing the first step is heat-treated. The temperature of the heat treatment in the second step is preferably 200-1100°C, particularly preferably 500-1000°C. When the temperature of the heat treatment is within the above range, moisture can be sufficiently removed, and deterioration of characteristics such as a decrease in charge/discharge capacity and a decrease in cycle characteristics can be made difficult to occur. The heat treatment time in the second step is preferably 1 to 10 hours, particularly preferably 2 to 7 hours. Moreover, the atmosphere of the heat treatment in the second step is preferably an oxidizing atmosphere such as air or oxygen gas.
本発明のリチウム二次電池用正極活物質に、本発明の効果を損なわない範囲の添加量で、リチウムコバルト系複合酸化物、リチウムニッケル系複合酸化物、リチウムマンガン系複合酸化物、リン酸鉄リチウム、リン酸バナジウムリチウム等の他の正極活物質を含有させて、リチウム二次電池用の正極活物質として用いることもできる。 Lithium-cobalt-based composite oxide, lithium-nickel-based composite oxide, lithium-manganese-based composite oxide, and iron phosphate are added to the positive electrode active material for a lithium secondary battery of the present invention in amounts that do not impair the effects of the present invention. Other positive electrode active materials, such as lithium and lithium vanadium phosphate, can also be contained and used as positive electrode active materials for lithium secondary batteries.
本発明のリチウム二次電池は、正極活物質として、本発明のリチウム二次電池用正極活物質を用いるものである。本発明のリチウム二次電池は、正極、負極、セパレータ、及びリチウム塩を含有する非水電解質からなる。 The lithium secondary battery of the present invention uses the positive electrode active material for lithium secondary batteries of the present invention as a positive electrode active material. A lithium secondary battery of the present invention comprises a positive electrode, a negative electrode, a separator, and a non-aqueous electrolyte containing a lithium salt.
本発明のリチウム二次電池に係る正極は、例えば、正極集電体上に正極合剤を塗布乾燥等して形成されるものである。正極合剤は、正極活物質、導電剤、結着剤、及び必要により添加されるフィラー等からなる。本発明のリチウム二次電池は、正極に、本発明のリチウム二次電池用正極活物質が均一に塗布されている。このため本発明のリチウム二次電池は、電池性能が高く、特にサイクル特性に優れ、平均作動電圧の低下が少なく高く維持し、更にエネルギー密度維持率が高い。 The positive electrode of the lithium secondary battery of the present invention is formed, for example, by coating and drying a positive electrode material mixture on a positive electrode current collector. The positive electrode mixture is composed of a positive electrode active material, a conductive agent, a binder, a filler added as necessary, and the like. In the lithium secondary battery of the present invention, the positive electrode active material for a lithium secondary battery of the present invention is uniformly applied to the positive electrode. For this reason, the lithium secondary battery of the present invention has high battery performance, particularly excellent cycle characteristics, low average operating voltage drop and high maintenance, and high energy density retention rate.
本発明のリチウム二次電池に係る正極合剤に含有される正極活物質の含有量は、70~100質量%、好ましくは90~98質量%が望ましい。 The content of the positive electrode active material contained in the positive electrode mixture of the lithium secondary battery of the present invention is desirably 70 to 100% by mass, preferably 90 to 98% by mass.
本発明のリチウム二次電池に係る正極集電体としては、構成された電池において化学変化を起こさない電子伝導体であれば特に制限されるものでないが、例えば、ステンレス鋼、ニッケル、アルミニウム、チタン、焼成炭素、アルミニウムやステンレス鋼の表面にカーボン、ニッケル、チタン、銀を表面処理させたもの等が挙げられる。これらの材料の表面を酸化して用いてもよく、表面処理により集電体表面に凹凸を付けて用いてもよい。また、集電体の形態としては、例えば、フォイル、フィルム、シート、ネット、パンチングされたもの、ラス体、多孔質体、発砲体、繊維群、不織布の成形体などが挙げられる。集電体の厚さは特に制限されないが、1~500μmとすることが好ましい。 The positive electrode current collector for the lithium secondary battery of the present invention is not particularly limited as long as it is an electronic conductor that does not cause a chemical change in the constructed battery. Examples include stainless steel, nickel, aluminum, and titanium. , calcined carbon, aluminum or stainless steel surface-treated with carbon, nickel, titanium or silver. The surface of these materials may be oxidized before use, or the surface of the current collector may be roughened by surface treatment. Examples of the form of the current collector include foil, film, sheet, net, punched material, lath, porous material, foam, fiber group, non-woven fabric, and the like. Although the thickness of the current collector is not particularly limited, it is preferably 1 to 500 μm.
本発明のリチウム二次電池に係る導電剤としては、構成された電池において化学変化を起こさない電子伝導材料であれば特に限定はない。例えば、天然黒鉛及び人工黒鉛等の黒鉛、カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、チャンネルブラック、ファーネスブラック、ランプブラック、サーマルブラック等のカーボンブラック類、炭素繊維や金属繊維等の導電性繊維類、フッ化カーボン、アルミニウム、ニッケル粉等の金属粉末類、酸化亜鉛、チタン酸カリウム等の導電性ウィスカー類、酸化チタン等の導電性金属酸化物、或いはポリフェニレン誘導体等の導電性材料が挙げられ、天然黒鉛としては、例えば、鱗状黒鉛、鱗片状黒鉛及び土状黒鉛等が挙げられる。これらは、1種又は2種以上組み合わせて用いることができる。導電剤の配合比率は、正極合剤中、1~50質量%、好ましくは2~30質量%である。 The conductive agent for the lithium secondary battery of the present invention is not particularly limited as long as it is an electronically conductive material that does not cause chemical changes in the constructed battery. For example, graphite such as natural graphite and artificial graphite, carbon black such as carbon black, acetylene black, ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, and thermal black, conductive fibers such as carbon fiber and metal fiber, Metal powders such as carbon fluoride, aluminum and nickel powders; conductive whiskers such as zinc oxide and potassium titanate; conductive metal oxides such as titanium oxide; and conductive materials such as polyphenylene derivatives. Examples of graphite include flake graphite, flake graphite, earthy graphite, and the like. These can be used singly or in combination of two or more. The blending ratio of the conductive agent is 1 to 50% by mass, preferably 2 to 30% by mass, in the positive electrode mixture.
本発明のリチウム二次電池に係る結着剤としては、例えば、デンプン、ポリフッ化ビニリデン、ポリビニルアルコール、カルボキシメチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、再生セルロース、ジアセチルセルロース、ポリビニルピロリドン、テトラフロオロエチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン-プロピレン-ジエンターポリマー(EPDM)、スルホン化EPDM、スチレンブタジエンゴム、フッ素ゴム、テトラフルオロエチレン-ヘキサフルオロエチレン共重合体、テトラフルオロエチレン-ヘキサフルオロプロピレン共重合体、テトラフルオロエチレン-パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体、フッ化ビニリデン-ヘキサフルオロプロピレン共重合体、フッ化ビニリデン-クロロトリフルオロエチレン共重合体、エチレン-テトラフルオロエチレン共重合体、ポリクロロトリフルオロエチレン、フッ化ビニリデン-ペンタフルオロプロピレン共重合体、プロピレン-テトラフルオロエチレン共重合体、エチレン-クロロトリフルオロエチレン共重合体、フッ化ビニリデン-ヘキサフルオロプロピレン-テトラフルオロエチレン共重合体、フッ化ビニリデン-パーフルオロメチルビニルエーテル-テトラフルオロエチレン共重合体、エチレン-アクリル酸共重合体またはその(Na+)イオン架橋体、エチレン-メタクリル酸共重合体またはその(Na+)イオン架橋体、エチレン-アクリル酸メチル共重合体またはその(Na+)イオン架橋体、エチレン-メタクリル酸メチル共重合体またはその(Na+)イオン架橋体、ポリエチレンオキシドなどの多糖類、熱可塑性樹脂、ゴム弾性を有するポリマー等が挙げられ、これらは1種または2種以上組み合わせて用いることができる。なお、多糖類のようにリチウムと反応するような官能基を含む化合物を用いるときは、例えば、イソシアネート基のような化合物を添加してその官能基を失活させることが好ましい。結着剤の配合比率は、正極合剤中、1~50質量%、好ましくは5~15質量%である。 Examples of binders for the lithium secondary battery of the present invention include starch, polyvinylidene fluoride, polyvinyl alcohol, carboxymethylcellulose, hydroxypropylcellulose, regenerated cellulose, diacetylcellulose, polyvinylpyrrolidone, tetrafluoroethylene, polyethylene, and polypropylene. , ethylene-propylene-diene terpolymer (EPDM), sulfonated EPDM, styrene-butadiene rubber, fluororubber, tetrafluoroethylene-hexafluoroethylene copolymer, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer, tetrafluoroethylene-per Fluoroalkyl vinyl ether copolymer, vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer, vinylidene fluoride-chlorotrifluoroethylene copolymer, ethylene-tetrafluoroethylene copolymer, polychlorotrifluoroethylene, vinylidene fluoride-penta Fluoropropylene copolymer, propylene-tetrafluoroethylene copolymer, ethylene-chlorotrifluoroethylene copolymer, vinylidene fluoride-hexafluoropropylene-tetrafluoroethylene copolymer, vinylidene fluoride-perfluoromethyl vinyl ether-tetra Fluoroethylene copolymer, ethylene-acrylic acid copolymer or its (Na + ) ion crosslinked product, ethylene-methacrylic acid copolymer or its (Na + ) ion crosslinked product, ethylene-methyl acrylate copolymer or its (Na + ) ion cross-linked products, ethylene-methyl methacrylate copolymers or (Na + ) ion cross-linked products thereof, polysaccharides such as polyethylene oxide, thermoplastic resins, polymers having rubber elasticity, and the like. species or a combination of two or more species can be used. When using a compound containing a functional group that reacts with lithium, such as a polysaccharide, it is preferable to deactivate the functional group by adding a compound such as an isocyanate group. The blending ratio of the binder is 1 to 50% by mass, preferably 5 to 15% by mass in the positive electrode mixture.
本発明のリチウム二次電池に係るフィラーは、正極合剤において正極の体積膨張等を抑制するものであり、必要により添加される。フィラーとしては、構成された電池において化学変化を起こさない繊維状材料であれば何でも用いることができるが、例えば、ポリプロピレン、ポリエチレン等のオレフィン系ポリマー、ガラス、炭素等の繊維が用いられる。フィラーの添加量は特に限定されないが、正極合剤中、0~30質量%が好ましい。 The filler for the lithium secondary battery of the present invention suppresses volume expansion of the positive electrode in the positive electrode mixture, and is added as necessary. As the filler, any fibrous material can be used as long as it does not cause a chemical change in the constructed battery. The amount of the filler to be added is not particularly limited, but is preferably 0 to 30% by mass in the positive electrode mixture.
本発明のリチウム二次電池に係る負極は、負極集電体上に負極材料を塗布乾燥等して形成される。本発明のリチウム二次電池に係る負極集電体としては、構成された電池において化学変化を起こさない電子伝導体であれば特に制限されるものでないが、例えば、ステンレス鋼、ニッケル、銅、チタン、アルミニウム、焼成炭素、銅やステンレス鋼の表面にカーボン、ニッケル、チタン、銀を表面処理させたもの及びアルミニウム-カドミウム合金等が挙げられる。また、これらの材料の表面を酸化して用いてもよく、表面処理により集電体表面に凹凸を付けて用いてもよい。また、集電体の形態としては、例えば、フォイル、フィルム、シート、ネット、パンチングされたもの、ラス体、多孔質体、発砲体、繊維群、不織布の成形体などが挙げられる。集電体の厚さは特に制限されないが、1~500μmとすることが好ましい。 The negative electrode of the lithium secondary battery of the present invention is formed by coating and drying a negative electrode material on a negative electrode current collector. The negative electrode current collector for the lithium secondary battery of the present invention is not particularly limited as long as it is an electronic conductor that does not cause a chemical change in the constructed battery. Examples include stainless steel, nickel, copper, and titanium. , aluminum, calcined carbon, copper or stainless steel surface-treated with carbon, nickel, titanium, or silver, and an aluminum-cadmium alloy. Further, the surface of these materials may be oxidized before use, or the surface of the current collector may be roughened by surface treatment. Examples of the form of the current collector include foil, film, sheet, net, punched material, lath, porous material, foam, fiber group, non-woven fabric, and the like. Although the thickness of the current collector is not particularly limited, it is preferably 1 to 500 μm.
本発明のリチウム二次電池に係る負極材料としては、特に制限されるものではないが、例えば、炭素質材料、金属複合酸化物、リチウム金属、リチウム合金、ケイ素系合金、錫系合金、金属酸化物、導電性高分子、カルコゲン化合物、Li-Co-Ni系材料、Li4Ti5O12、ニオブ酸リチウム、酸化ケイ素(SiOx:0.5≦x≦1.6)等が挙げられる。炭素質材料としては、例えば、難黒鉛化炭素材料、黒鉛系炭素材料等が挙げられる。金属複合酸化物としては、例えば、Snp(M1)1-p(M2)qOr(式中、M1はMn、Fe、Pb及びGeから選ばれる1種以上の元素を示し、M2はAl、B、P、Si、周期律表第1族、第2族、第3族及びハロゲン元素から選ばれる1種以上の元素を示し、0<p≦1、1≦q≦3、1≦r≦8を示す。)、LitFe2O3(0≦t≦1)、LitWO2(0≦t≦1)等の化合物が挙げられる。金属酸化物としては、GeO、GeO2、SnO、SnO2、PbO、PbO2、Pb2O3、Pb3O4、Sb2O3、Sb2O4、Sb2O5、Bi2O3、Bi2O4、Bi2O5等が挙げられる。導電性高分子としては、ポリアセチレン、ポリ-p-フェニレン等が挙げられる。 The negative electrode material for the lithium secondary battery of the present invention is not particularly limited. materials, conductive polymers, chalcogen compounds, Li—Co—Ni materials, Li 4 Ti 5 O 12 , lithium niobate, silicon oxide (SiOx: 0.5≦x≦1.6), and the like. Examples of carbonaceous materials include non-graphitizable carbon materials and graphite-based carbon materials. Examples of metal composite oxides include Sn p (M 1 ) 1-p (M 2 ) q O r (wherein M 1 represents one or more elements selected from Mn, Fe, Pb and Ge, M 2 represents one or more elements selected from Al, B, P, Si, Groups 1, 2 and 3 of the periodic table and halogen elements, 0<p≦1, 1≦q≦3 , 1≦r≦8.), Li t Fe 2 O 3 (0≦t≦1), and Li t WO 2 (0≦t≦1). As metal oxides , GeO, GeO2 , SnO , SnO2 , PbO, PbO2 , Pb2O3 , Pb3O4 , Sb2O3 , Sb2O4 , Sb2O5 , Bi2O3 , Bi 2 O 4 , Bi 2 O 5 and the like. Examples of conductive polymers include polyacetylene and poly-p-phenylene.
本発明のリチウム二次電池に係るセパレータとしては、大きなイオン透過度を持ち、所定の機械的強度を持った絶縁性の薄膜が用いられる。耐有機溶剤性と疎水性からポリプロピレンなどのオレフィン系ポリマーあるいはガラス繊維あるいはポリエチレンなどからつくられたシートや不織布が用いられる。セパレータの孔径としては、一般的に電池用として有用な範囲であればよく、例えば、0.01~10μmである。セパレータの厚みとしては、一般的な電池用の範囲であればよく、例えば5~300μmである。なお、後述する電解質としてポリマーなどの固体電解質が用いられる場合には、固体電解質がセパレータを兼ねるようなものであってもよい。 As the separator for the lithium secondary battery of the present invention, an insulating thin film having a high ion permeability and a predetermined mechanical strength is used. Sheets and non-woven fabrics made of olefin polymers such as polypropylene, glass fibers, or polyethylene are used because of their organic solvent resistance and hydrophobicity. The pore size of the separator may generally be within a useful range for batteries, for example, 0.01 to 10 μm. The thickness of the separator may be within the range for general batteries, for example, 5 to 300 μm. In addition, when a solid electrolyte such as a polymer is used as the electrolyte described later, the solid electrolyte may also serve as a separator.
本発明のリチウム二次電池に係るリチウム塩を含有する非水電解質は、非水電解質とリチウム塩とからなるものである。本発明のリチウム二次電池に係る非水電解質としては、非水電解液、有機固体電解質、無機固体電解質が用いられる。非水電解液としては、例えば、N-メチル-2-ピロリジノン、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、γ-ブチロラクトン、1,2-ジメトキシエタン、テトラヒドロキシフラン、2-メチルテトラヒドロフラン、ジメチルスルフォキシド、1,3-ジオキソラン、ホルムアミド、ジメチルホルムアミド、ジオキソラン、アセトニトリル、ニトロメタン、蟻酸メチル、酢酸メチル、リン酸トリエステル、トリメトキシメタン、ジオキソラン誘導体、スルホラン、メチルスルホラン、3-メチル-2-オキサゾリジノン、1,3-ジメチル-2-イミダゾリジノン、プロピレンカーボネート誘導体、テトラヒドロフラン誘導体、ジエチルエーテル、1,3-プロパンサルトン、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル等の非プロトン性有機溶媒の1種または2種以上を混合した溶媒が挙げられる。 The lithium salt-containing non-aqueous electrolyte of the lithium secondary battery of the present invention comprises a non-aqueous electrolyte and a lithium salt. Non-aqueous electrolytes, organic solid electrolytes, and inorganic solid electrolytes are used as the non-aqueous electrolyte for the lithium secondary battery of the present invention. Non-aqueous electrolytes include, for example, N-methyl-2-pyrrolidinone, propylene carbonate, ethylene carbonate, butylene carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, γ-butyrolactone, 1,2-dimethoxyethane, tetrahydroxyfuran, 2-methyl Tetrahydrofuran, dimethylsulfoxide, 1,3-dioxolane, formamide, dimethylformamide, dioxolane, acetonitrile, nitromethane, methyl formate, methyl acetate, phosphate triester, trimethoxymethane, dioxolane derivatives, sulfolane, methylsulfolane, 3-methyl -Aprotic organic solvents such as 2-oxazolidinone, 1,3-dimethyl-2-imidazolidinone, propylene carbonate derivatives, tetrahydrofuran derivatives, diethyl ether, 1,3-propanesultone, methyl propionate, and ethyl propionate One type or a mixture of two or more types may be used.
本発明のリチウム二次電池に係る有機固体電解質としては、例えば、ポリエチレン誘導体、ポリエチレンオキサイド誘導体又はこれを含むポリマー、ポリプロピレンオキサイド誘導体又はこれを含むポリマー、リン酸エステルポリマー、ポリホスファゼン、ポリアジリジン、ポリエチレンスルフィド、ポリビニルアルコール、ポリフッ化ビニリデン、ポリヘキサフルオロプロピレン等のイオン性解離基を含むポリマー、イオン性解離基を含むポリマーと上記非水電解液の混合物等が挙げられる。 Examples of the organic solid electrolyte for the lithium secondary battery of the present invention include polyethylene derivatives, polyethylene oxide derivatives or polymers containing these, polypropylene oxide derivatives or polymers containing these, phosphate ester polymers, polyphosphazenes, polyaziridines, and polyethylenes. Examples thereof include polymers containing ionic dissociation groups such as sulfide, polyvinyl alcohol, polyvinylidene fluoride, and polyhexafluoropropylene, and mixtures of polymers containing ionic dissociation groups and the above non-aqueous electrolytes.
本発明のリチウム二次電池に係る無機固体電解質としては、Liの窒化物、ハロゲン化物、酸素酸塩、硫化物等を用いることができ、例えば、Li3N、LiI、Li5NI2、Li3N-LiI-LiOH、LiSiO4、LiSiO4-LiI-LiOH、Li2SiS3、Li4SiO4、Li4SiO4-LiI-LiOH、P2S5、Li2S又はLi2S-P2S5、Li2S-SiS2、Li2S-GeS2、Li2S-Ga2S3、Li2S-B2S3、Li2S-P2S5-X、Li2S-SiS2-X、Li2S-GeS2-X、Li2S-Ga2S3-X、Li2S-B2S3-X、(式中、XはLiI、B2S3、又はAl2S3から選ばれる少なくとも1種以上)等が挙げられる。 Li nitrides, halides, oxysalts , sulfides and the like can be used as the inorganic solid electrolyte for the lithium secondary battery of the present invention. 3N —LiI—LiOH, LiSiO 4 , LiSiO 4 —LiI—LiOH, Li 2 SiS 3 , Li 4 SiO 4 , Li 4 SiO 4 —LiI—LiOH, P 2 S 5 , Li 2 S or Li 2 SP 2S5 , Li2S -- SiS2 , Li2S -- GeS2 , Li2S -- Ga2S3 , Li2S -- B2S3 , Li2SP2S5 - X , Li2S -SiS 2 -X, Li 2 S-GeS 2 -X, Li 2 S-Ga 2 S 3 -X, Li 2 S-B 2 S 3 -X, where X is LiI, B 2 S 3 , or at least one selected from Al 2 S 3 ), and the like.
更に、無機固体電解質が非晶質(ガラス)の場合は、リン酸リチウム(Li3PO4)、酸化リチウム(Li2O)、硫酸リチウム(Li2SO4)、酸化リン(P2O5)、硼酸リチウム(Li3BO3)等の酸素を含む化合物、Li3PO4-uN2u/3(uは0<u<4)、Li4SiO4-uN2u/3(uは0<u<4)、Li4GeO4-uN2u/3(uは0<u<4)、Li3BO3-uN2u/3(uは0<u<3)等の窒素を含む化合物を無機固体電解質に含有させることができる。この酸素を含む化合物又は窒素を含む化合物の添加により、形成される非晶質骨格の隙間を広げ、リチウムイオンが移動する妨げを軽減し、更にイオン伝導性を向上させることができる。 Furthermore, when the inorganic solid electrolyte is amorphous (glass), lithium phosphate (Li 3 PO 4 ), lithium oxide (Li 2 O), lithium sulfate (Li 2 SO 4 ), phosphorus oxide (P 2 O 5 ), compounds containing oxygen such as lithium borate ( Li3BO3 ), Li3PO4 - uN2u /3 (u is 0<u<4), Li4SiO4 - uN2u /3 (u is 0<u<4), Li4GeO4 - uN2u/3 (where u is 0<u<4), and Li3BO3 - uN2u /3 (where u is 0<u<3). The containing compound can be contained in the inorganic solid electrolyte. The addition of this oxygen-containing compound or nitrogen-containing compound widens the gaps in the formed amorphous skeleton, reduces hindrance to the movement of lithium ions, and further improves the ionic conductivity.
本発明のリチウム二次電池に係るリチウム塩としては、上記非水電解質に溶解するものが用いられ、例えば、LiCl、LiBr、LiI、LiClO4、LiBF4、LiB10Cl10、LiPF6、LiCF3SO3、LiCF3CO2、LiAsF6、LiSbF6、LiB10Cl10、LiAlCl4、CH3SO3Li、CF3SO3Li、(CF3SO2)2NLi、クロロボランリチウム、低級脂肪族カルボン酸リチウム、四フェニルホウ酸リチウム、イミド類等の1種または2種以上を混合した塩が挙げられる。 As the lithium salt for the lithium secondary battery of the present invention, one that dissolves in the above non - aqueous electrolyte is used . SO3 , LiCF3CO2 , LiAsF6 , LiSbF6 , LiB10Cl10 , LiAlCl4 , CH3SO3Li , CF3SO3Li , ( CF3SO2 ) 2NLi , lithium chloroborane, lower aliphatic One or a mixture of two or more of lithium carboxylate, lithium tetraphenylborate, and imides may be used.
また、非水電解質には、放電、充電特性、難燃性を改良する目的で、以下に示す化合物を添加することができる。例えば、ピリジン、トリエチルホスファイト、トリエタノールアミン、環状エーテル、エチレンジアミン、n-グライム、ヘキサリン酸トリアミド、ニトロベンゼン誘導体、硫黄、キノンイミン染料、N-置換オキサゾリジノンとN,N-置換イミダゾリジン、エチレングリコールジアルキルエーテル、アンモニウム塩、ポリエチレングルコール、ピロール、2-メトキシエタノール、三塩化アルミニウム、導電性ポリマー電極活物質のモノマー、トリエチレンホスホンアミド、トリアルキルホスフィン、モルフォリン、カルボニル基を持つアリール化合物、ヘキサメチルホスホリックトリアミドと4-アルキルモルフォリン、二環性の三級アミン、オイル、ホスホニウム塩及び三級スルホニウム塩、ホスファゼン、炭酸エステル等が挙げられる。また、電解液を不燃性にするために含ハロゲン溶媒、例えば、四塩化炭素、三弗化エチレンを電解液に含ませることができる。また、高温保存に適性を持たせるために電解液に炭酸ガスを含ませることができる。 In addition, the following compounds can be added to the non-aqueous electrolyte for the purpose of improving discharge and charge characteristics and flame retardancy. For example, pyridine, triethylphosphite, triethanolamine, cyclic ethers, ethylenediamine, n-glyme, hexaphosphoric triamide, nitrobenzene derivatives, sulfur, quinone imine dyes, N-substituted oxazolidinones and N,N-substituted imidazolidines, ethylene glycol dialkyl ethers. , ammonium salt, polyethylene glycol, pyrrole, 2-methoxyethanol, aluminum trichloride, monomer of conductive polymer electrode active material, triethylenephosphonamide, trialkylphosphine, morpholine, aryl compound with carbonyl group, hexamethylphosphine Holic triamides and 4-alkylmorpholines, bicyclic tertiary amines, oils, phosphonium salts and tertiary sulfonium salts, phosphazenes, carbonates and the like. Moreover, in order to make the electrolyte nonflammable, the electrolyte may contain a halogen-containing solvent such as carbon tetrachloride or ethylene trifluoride. In addition, carbon dioxide gas can be contained in the electrolytic solution in order to make it suitable for high-temperature storage.
本発明のリチウム二次電池は、体積当たりの容量が高く、安全性、サイクル特性及び作動電圧にも優れたリチウム二次電池であり、電池の形状はボタン、シート、シリンダー、角、コイン型等いずれの形状であってもよい。 The lithium secondary battery of the present invention has a high capacity per volume, is a lithium secondary battery that is excellent in safety, cycle characteristics, and operating voltage. Any shape may be used.
本発明のリチウム二次電池の用途は、特に限定されないが、例えば、ノートパソコン、ラップトップパソコン、ポケットワープロ、携帯電話、コードレス子機、ポータブルCDプレーヤー、ラジオ、液晶テレビ、バックアップ電源、電気シェーバー、メモリーカード、ビデオムービー等の電子機器、自動車、電動車両、ゲーム機器、電動工具等の民生用電子機器が挙げられる。 Applications of the lithium secondary battery of the present invention are not particularly limited. Examples include electronic devices such as memory cards and video movies, and consumer electronic devices such as automobiles, electric vehicles, game devices, and electric tools.
以下、本発明を実施例により詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
なお、実施例の平均粒子径はレーザ回折・散乱法で求めた。
EXAMPLES The present invention will be described in detail below with reference to Examples, but the present invention is not limited to these Examples.
The average particle size of the examples was determined by a laser diffraction/scattering method.
<リチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物粒子(LNMC)試料の調製>
<LNMC試料1>
炭酸リチウム(平均粒子径5.7μm)及びニッケルマンガンコバルト複合水酸化物(Ni:Mn:Co=8:1:1(モル比)、平均粒子径11.3μm)とを秤量し、家庭用ミキサーで十分混合処理し、Li/(Ni+Mn+Co)のモル比が1.03の原料混合物を得た。なお、ニッケルマンガンコバルト複合水酸化物は市販のものを用いた。
次いで、得られた原料混合物を、アルミナ製の鉢で800℃で7時間酸素気流下で焼成した。焼成終了後、該焼成品を粉砕、分級した。得られた焼成品をXRDで測定した結果単相のリチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物であることを確認した。また、得られたものは、平均粒子径が11.3μmで、二次凝集した球状のリチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物粒子(LiNi0.8Mn0.1C0.1O2)であった。
<Preparation of Lithium Nickel Manganese Cobalt Composite Oxide Particles (LNMC) Sample>
<LNMC sample 1>
Lithium carbonate (average particle size 5.7 μm) and nickel-manganese-cobalt composite hydroxide (Ni:Mn:Co=8:1:1 (molar ratio), average particle size 11.3 μm) were weighed and mixed in a household mixer. to obtain a raw material mixture having a Li/(Ni+Mn+Co) molar ratio of 1.03. A commercially available nickel-manganese-cobalt composite hydroxide was used.
Next, the obtained raw material mixture was calcined in an alumina pot at 800° C. for 7 hours under an oxygen stream. After firing, the fired product was pulverized and classified. As a result of measuring the obtained sintered product by XRD, it was confirmed to be a single-phase lithium-nickel-manganese-cobalt composite oxide. Moreover, the obtained material was secondary aggregated spherical lithium-nickel-manganese-cobalt composite oxide particles (LiNi 0.8 Mn 0.1 C 0.1 O 2 ) having an average particle diameter of 11.3 μm. .
<LNMC試料2>
炭酸リチウム(平均粒子径5.7μm)、ニッケルマンガンコバルト複合水酸化物(Ni:Mn:Co=5:3:2(モル比)、平均粒子径4.0μm)とを秤量し、家庭用ミキサーで十分混合処理し、Li/(Ni+Mn+Co)のモル比が1.10の原料混合物を得た。なお、ニッケルマンガンコバルト複合水酸化物は市販のものを用いた。
次いで、得られた原料混合物を、アルミナ製の鉢で1000℃で10時間大気中で焼成した。焼成終了後、該焼成品を粉砕、分級した。得られた焼成品をXRDで測定した結果単相のリチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物であることを確認した。また、得られたものは、平均粒子径が9.8μmで、単粒子化した不定形のリチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物粒子(LiNi0.5Mn0.3Co0.2O2)であった。
<LNMC sample 2>
Lithium carbonate (average particle size 5.7 μm) and nickel-manganese-cobalt composite hydroxide (Ni:Mn:Co=5:3:2 (molar ratio), average particle size 4.0 μm) were weighed and mixed in a household mixer. to obtain a raw material mixture having a Li/(Ni+Mn+Co) molar ratio of 1.10. A commercially available nickel-manganese-cobalt composite hydroxide was used.
Next, the obtained raw material mixture was calcined in an alumina pot at 1000° C. for 10 hours in the air. After firing, the fired product was pulverized and classified. As a result of measuring the obtained sintered product by XRD, it was confirmed to be a single-phase lithium-nickel-manganese-cobalt composite oxide. Further, the obtained material was amorphous single-particle lithium-nickel-manganese-cobalt composite oxide particles (LiNi 0.5 Mn 0.3 Co 0.2 O 2 ) having an average particle diameter of 9.8 μm. rice field.
<LNMC試料3>
炭酸リチウム(平均粒子径5.7μm)及びニッケルマンガンコバルト複合水酸化物(Ni:Mn:Co=6:2:2(モル比)、平均粒子径11.2μm)とを秤量し、家庭用ミキサーで十分混合処理し、Li/(Ni+Mn+Co)のモル比が1.03の原料混合物を得た。なお、ニッケルマンガンコバルト複合水酸化物は市販のものを用いた。
次いで、得られた原料混合物を、アルミナ製の鉢で850℃で10時間大気中で焼成した。焼成終了後、該焼成品を粉砕、分級した。得られた焼成品をXRDで測定した結果、単相のリチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物であることを確認した。また、得られたものは平均粒子径が11.4μmで、二次凝集した球状のリチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物粒子(LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2)であった。
<LNMC sample 3>
Lithium carbonate (average particle size 5.7 μm) and nickel-manganese-cobalt composite hydroxide (Ni:Mn:Co=6:2:2 (molar ratio), average particle size 11.2 μm) were weighed and mixed in a household mixer. to obtain a raw material mixture having a Li/(Ni+Mn+Co) molar ratio of 1.03. A commercially available nickel-manganese-cobalt composite hydroxide was used.
The resulting raw material mixture was then fired in an alumina pot at 850° C. for 10 hours in the air. After firing, the fired product was pulverized and classified. As a result of measuring the obtained fired product by XRD, it was confirmed to be a single-phase lithium-nickel-manganese-cobalt composite oxide. The obtained particles had an average particle diameter of 11.4 μm and were secondary aggregated spherical lithium-nickel-manganese-cobalt composite oxide particles (LiNi 0.6 Mn 0.2 Co 0.2 O 2 ).
上記で得られたリチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物試料(LNMC試料)の諸物性を表1に示す。なお、平均粒子径はレーザ回折・散乱法により求めた。 Table 1 shows various physical properties of the lithium-nickel-manganese-cobalt composite oxide sample (LNMC sample) obtained above. The average particle size was obtained by a laser diffraction/scattering method.
<無機フッ化物試料>
無機フッ化物試料として市販の無機フッ化物を粉砕し、下記の表2に示す物性を有する無機フッ化物を用いた。
<Inorganic fluoride sample>
As an inorganic fluoride sample, a commercially available inorganic fluoride was pulverized and an inorganic fluoride having physical properties shown in Table 2 below was used.
(実施例1)
表1記載のLNMC試料1を用い、無機フッ化物が表3の第1工程に示す添加量となるように、LNMC試料1及び上記のMgF2、AlF3を秤量し、家庭用ミキサーで十分混合した。
次いで、混合粉を大気中にて表3の第2工程に示す加熱処理(600℃で5時間)を行い、正極活物質試料を調製した。
(Example 1)
Using the LNMC sample 1 shown in Table 1, the LNMC sample 1 and the above MgF 2 and AlF 3 are weighed so that the inorganic fluoride is added in the amount shown in the first step of Table 3, and mixed well with a home mixer. bottom.
Next, the mixed powder was subjected to heat treatment (at 600° C. for 5 hours) shown in the second step in Table 3 in the atmosphere to prepare a positive electrode active material sample.
(実施例2)
表1記載のLNMC試料1を用い、無機フッ化物が表3の第1工程に示す添加量となるように、LNMC試料1及び上記のMgF2、AlF3を秤量し、家庭用ミキサーで十分混合した。
次いで、混合粉を酸素気流下にて表3の第2工程に示す加熱処理(800℃で7時間)を行い、正極活物質試料を調製した。
(Example 2)
Using the LNMC sample 1 shown in Table 1, the LNMC sample 1 and the above MgF 2 and AlF 3 are weighed so that the inorganic fluoride is added in the amount shown in the first step of Table 3, and mixed well with a home mixer. bottom.
Next, the mixed powder was subjected to the heat treatment (at 800° C. for 7 hours) shown in the second step in Table 3 under an oxygen stream to prepare a positive electrode active material sample.
(実施例3)
表1記載のLNMC試料2を用い、無機フッ化物が表3の第1工程に示す添加量となるように、LNMC試料2及び上記のMgF2、AlF3を秤量し、さらに水を加えて50質量%スラリーを調製し、スターラーにて十分撹拌混合した。
次いで、排風温度が120℃になるよう調整した噴霧乾燥機で該スラリーを噴霧乾燥処理して乾燥粉を得た。
次いで、乾燥粉を大気中にて表3の第2工程に示す加熱処理(600℃で5時間)を行い、正極活物質試料を調製した。
(Example 3)
Using the LNMC sample 2 shown in Table 1, the LNMC sample 2 and the above MgF 2 and AlF 3 were weighed so that the amount of inorganic fluoride added in the first step of Table 3 was obtained, and water was added to make 50 A mass % slurry was prepared and thoroughly stirred and mixed with a stirrer.
Next, the slurry was spray-dried in a spray dryer adjusted to have an exhaust air temperature of 120° C. to obtain a dry powder.
Next, the dry powder was subjected to the heat treatment (at 600° C. for 5 hours) shown in the second step in Table 3 in the atmosphere to prepare a positive electrode active material sample.
(比較例1~3)
表1記載のLNMC試料1及び2を用い、表3の第2工程に示す加熱処理のみを行い、正極活物質試料とした。つまり、無機フッ化物粒子を混合しなかった。
(Comparative Examples 1 to 3)
Using the LNMC samples 1 and 2 described in Table 1, only the heat treatment shown in the second step of Table 3 was performed to obtain positive electrode active material samples. That is, no inorganic fluoride particles were mixed.
(実施例4)
表1記載のLNMC試料1を用い、無機フッ化物が表3の第1工程に示す添加量となるように、LNMC試料1及び上記のMgF2、AlF3を秤量し、家庭用ミキサーで十分混合した。
次いで、混合粉を大気中にて表3の第2工程に示す加熱処理(500℃で5時間)をおこない正極活物質試料を調製した。
(Example 4)
Using the LNMC sample 1 shown in Table 1, the LNMC sample 1 and the above MgF 2 and AlF 3 are weighed so that the inorganic fluoride is added in the amount shown in the first step of Table 3, and mixed well with a home mixer. bottom.
Next, the mixed powder was subjected to a heat treatment (at 500° C. for 5 hours) shown in the second step in Table 3 in the atmosphere to prepare a positive electrode active material sample.
(実施例5)
表1記載のLNMC試料1を用い、実施例1と同様の操作にて、表3に示す第1工程及び第2工程に示す加熱処理(600℃で5時間)を行い、正極活物質試料を調製した。
(Example 5)
Using the LNMC sample 1 described in Table 1, the heat treatment (600 ° C. for 5 hours) shown in the first step and the second step shown in Table 3 is performed in the same manner as in Example 1 to obtain a positive electrode active material sample. prepared.
(実施例6)
表1記載のLNMC試料1を用い、実施例1と同様の操作にて、表3に示す第1工程及び第2工程に示す加熱処理(700℃で5時間)を行い、正極活物質試料を調製した。
(Example 6)
Using the LNMC sample 1 shown in Table 1, the heat treatment (700 ° C. for 5 hours) shown in the first step and the second step shown in Table 3 is performed in the same manner as in Example 1 to obtain a positive electrode active material sample. prepared.
以下のようにして、電池性能試験を行った。
<リチウム二次電池の作製>
実施例及び比較例で得られた正極活物質95質量%、黒鉛粉末2.5質量%、ポリフッ化ビニリデン2.5質量%を混合して正極剤とし、これをN-メチル-2-ピロリジノンに分散させて混練ペーストを調製した。該混練ペーストをアルミ箔に塗布したのち乾燥、プレスして直径15mmの円盤に打ち抜いて正極板を得た。
この正極板を用いて、セパレータ、負極、正極、集電板、取り付け金具、外部端子、電解液等の各部材を使用してコイン型リチウム二次電池を製作した。このうち、負極は金属リチウム箔を用い、電解液にはエチレンカーボネートとメチルエチルカーボネートの1:1混合液1リットルにLiPF61モルを溶解したものを使用した。
次いで、得られたリチウム二次電池の性能評価を行った。その結果を、表4に示す。
A battery performance test was conducted as follows.
<Production of lithium secondary battery>
95% by mass of the positive electrode active material obtained in Examples and Comparative Examples, 2.5% by mass of graphite powder, and 2.5% by mass of polyvinylidene fluoride were mixed to form a positive electrode agent, which was added to N-methyl-2-pyrrolidinone. A kneaded paste was prepared by dispersing. The kneaded paste was applied to an aluminum foil, dried, pressed and punched into a disk having a diameter of 15 mm to obtain a positive electrode plate.
Using this positive electrode plate, a coin-type lithium secondary battery was manufactured using members such as a separator, a negative electrode, a positive electrode, a collector plate, a mounting bracket, an external terminal, and an electrolytic solution. Among them, a metallic lithium foil was used as the negative electrode, and a solution prepared by dissolving 1 mol of LiPF 6 in 1 liter of a 1:1 mixed solution of ethylene carbonate and methyl ethyl carbonate was used as the electrolyte.
Next, performance evaluation of the obtained lithium secondary battery was performed. The results are shown in Table 4.
<電池の性能評価>
作製したコイン型リチウム二次電池を室温で下記試験条件で作動させ、下記の電池性能を評価した。
(1)サイクル特性評価の試験条件
先ず、0.5Cにて4.3Vまで2時間かけて充電を行い、更に4.3Vで3時間電圧を保持させる定電流・定電圧充電(CCCV充電)を行った。その後、0.2Cにて2.7Vまで定電流放電(CC放電)させる充放電を行い、これらの操作を1サイクルとして1サイクル毎に放電容量を測定した。このサイクルを20サイクル繰り返した。
(2)初回充電容量、初回放電容量(活物質重量当たり)
サイクル特性評価における1サイクル目の充電容量及び放電容量を初回充電容量、初回放電容量とした。
(3)初回充電容量、初回放電容量(活物質重量当たり)
サイクル特性評価における20サイクル目の放電容量を20サイクル目放電容量とした。
(4)容量維持率
サイクル特性評価における1サイクル目と20サイクル目のそれぞれの放電容量(活物質重量当たり)から、下記式により容量維持率を算出した。
容量維持率(%)=(20サイクル目の放電容量/1サイクル目の放電容量)×100
(5)2サイクル目平均作動電圧、20サイクル目平均作動電圧
サイクル特性評価における2サイクル目及び20サイクル目の放電時の平均作動電圧を2サイクル目平均作動電圧、20サイクル目平均作動電圧とした。
(6)平均作動電圧低下量
サイクル特性評価における2サイクル目と20サイクル目のそれぞれの放電時の平均作動電圧から、下記式により平均作動電圧低下量(ΔV)を算出した。
平均作動電圧低下量(ΔV)=2サイクル目の平均作動電圧-20サイクル目の平均作動電圧
(7)エネルギー密度維持率
サイクル特性評価における1サイクル目と20サイクル目のそれぞれの放電時のWh容量(活物質重量当たり)から、下記式によりエネルギー密度維持率を算出した。
エネルギー密度維持率(%)=(20サイクル目の放電Wh容量/1サイクル目の放電Wh容量)×100
<Battery performance evaluation>
The prepared coin-type lithium secondary batteries were operated at room temperature under the following test conditions, and the following battery performances were evaluated.
(1) Test Conditions for Cycle Characteristic Evaluation First, charging was performed at 0.5 C to 4.3 V over 2 hours, and then constant current/constant voltage charging (CCCV charging) was performed to hold the voltage at 4.3 V for 3 hours. gone. After that, charge and discharge were performed by constant current discharge (CC discharge) to 2.7 V at 0.2 C, and these operations were regarded as one cycle, and the discharge capacity was measured for each cycle. This cycle was repeated for 20 cycles.
(2) Initial charge capacity, initial discharge capacity (per weight of active material)
The charge capacity and discharge capacity at the first cycle in the cycle characteristic evaluation were defined as the initial charge capacity and the initial discharge capacity.
(3) Initial charge capacity, initial discharge capacity (per weight of active material)
The discharge capacity at the 20th cycle in the cycle characteristic evaluation was defined as the 20th cycle discharge capacity.
(4) Capacity Retention Rate The capacity retention rate was calculated by the following formula from the discharge capacity (per active material weight) at the 1st cycle and the 20th cycle in the cycle characteristics evaluation.
Capacity retention rate (%) = (discharge capacity at 20th cycle/discharge capacity at 1st cycle) x 100
(5) 2nd Cycle Average Operating Voltage, 20th Cycle Average Operating Voltage The average operating voltages during discharge at the 2nd and 20th cycles in the cycle characteristic evaluation were defined as the 2nd cycle average operating voltage and the 20th cycle average operating voltage. .
(6) Average operating voltage drop The average operating voltage drop (ΔV) was calculated by the following formula from the average operating voltage during discharge at the 2nd cycle and the 20th cycle in the cycle characteristics evaluation.
Average operating voltage drop (ΔV) = Average operating voltage at 2nd cycle - Average operating voltage at 20th cycle (7) Energy density retention rate Wh capacity during discharge at 1st cycle and 20th cycle in cycle characteristic evaluation From (per weight of active material), the energy density retention rate was calculated by the following formula.
Energy density maintenance rate (%) = (Discharge Wh capacity at 20th cycle/Discharge Wh capacity at 1st cycle) x 100
Claims (9)
LixNiyMnzCo1-y-zO1+x (1)
(式中、xは0.98≦x≦1.20、yは0.50≦y<1.00、zは0<z≦0.50を示す。)
で表されるリチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物粒子と、無機フッ化物粒子と、の混合物からなり、該無機フッ化物粒子が、MgF 2 及びAlF 3 であることを特徴とするリチウム二次電池用正極活物質。 The following general formula (1):
Li x Ni y Mn z Co 1-yz O 1+x (1)
(In the formula, x is 0.98≦x≦1.20, y is 0.50≦y<1.00, and z is 0<z≦0.50.)
and inorganic fluoride particles, wherein the inorganic fluoride particles are MgF2 and AlF3 . Positive electrode active material.
LixNiyMnzCo1-y-zO1+x (1)
(式中、xは0.98≦x≦1.20、yは0.50≦y<1.00、zは0<z≦0.50を示す。)で表されるリチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物粒子と、無機フッ化物粒子と、を混合処理し、リチウムニッケルマンガンコバルト複合酸化物粒子と無機フッ化物粒子の混合物を得る第1工程を有し、該無機フッ化物粒子が、MgF 2 及びAlF 3 であることを特徴とするリチウム二次電池用正極活物質の製造方法。 The following general formula (1):
LixNiyMnzCo1 -yzO1 + x ( 1)
(Wherein, x is 0.98 ≤ x ≤ 1.20, y is 0.50 ≤ y < 1.00, z is 0 < z ≤ 0.50.) Lithium nickel manganese cobalt composite represented by A first step of mixing oxide particles and inorganic fluoride particles to obtain a mixture of lithium-nickel-manganese-cobalt composite oxide particles and inorganic fluoride particles , wherein the inorganic fluoride particles are composed of MgF 2 and A method for producing a positive electrode active material for a lithium secondary battery, which is AlF3 .
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