JP7367336B2 - Nickel composite hydroxide, method for producing nickel composite hydroxide, positive electrode active material for lithium ion secondary batteries, method for manufacturing positive electrode active material for lithium ion secondary batteries, and lithium ion secondary battery - Google Patents
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Description
本発明は、リチウムイオン二次電池用正極活物質の前駆体であるニッケル複合水酸化物とその製造方法、このニッケル複合水酸化物を原料とする二次電池用正極活物質とその製造方法及びリチウムイオン二次電池用正極活物質を正極材料として用いるリチウムイオン二次電池に関する。 The present invention relates to a nickel composite hydroxide that is a precursor of a positive electrode active material for lithium ion secondary batteries, a method for producing the same, a positive electrode active material for secondary batteries using this nickel composite hydroxide as a raw material, a method for producing the same, and The present invention relates to a lithium ion secondary battery using a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery as a positive electrode material.
近年、携帯電話やノート型パソコンなどの携帯機器の普及にともない、高いエネルギー密度を有する小型かつ軽量な二次電池の開発が強く望まれている。このような二次電池として、リチウム、リチウム合金、金属酸化物あるいはカーボンを負極として用いるリチウムイオン二次電池がある。 In recent years, with the spread of mobile devices such as mobile phones and notebook computers, there is a strong desire to develop small and lightweight secondary batteries with high energy density. Examples of such secondary batteries include lithium ion secondary batteries that use lithium, lithium alloys, metal oxides, or carbon as a negative electrode.
リチウムイオン二次電池の正極材料には、リチウム複合酸化物が正極活物質として使用される。リチウムコバルト複合酸化物は、合成が比較的容易であり、かつ、リチウムコバルト複合酸化物を正極材料に用いたリチウムイオン二次電池において、4V級の高い電圧が得られるため、高いエネルギー密度を有する二次電池を実用化させるための材料として期待されている。リチウムコバルト複合酸化物に関しては、二次電池において優れた初期容量特性やサイクル特性を実現させるための研究開発が進められ、すでにさまざまな成果が得られている。 Lithium composite oxide is used as a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery. Lithium cobalt composite oxide is relatively easy to synthesize and has a high energy density because a high voltage of 4V class can be obtained in a lithium ion secondary battery using lithium cobalt composite oxide as a positive electrode material. It is expected to be a material for making secondary batteries practical. Regarding lithium-cobalt composite oxide, research and development is underway to achieve excellent initial capacity characteristics and cycle characteristics in secondary batteries, and various results have already been obtained.
しかし、リチウムコバルト複合酸化物は、原料に希産で高価なコバルト化合物を用いるため、正極材料及び二次電池のコストアップの原因となっている。リチウムコバルト複合酸化物を用いたリチウムイオン二次電池は、その容量あたりの単価がニッケル水素電池の約4倍であるため、適用可能な用途が非常に限定される。よって、携帯機器のさらなる軽量化及び小型化を実現する観点からは、正極活物質のコストを下げ、より安価なリチウムイオン二次電池の製造を可能とする必要がある。 However, the lithium cobalt composite oxide uses a rare and expensive cobalt compound as a raw material, which causes an increase in the costs of positive electrode materials and secondary batteries. A lithium ion secondary battery using a lithium cobalt composite oxide has a unit price per capacity that is about four times that of a nickel metal hydride battery, so its applicable uses are very limited. Therefore, from the viewpoint of realizing further weight reduction and miniaturization of portable devices, it is necessary to reduce the cost of the positive electrode active material and to make it possible to manufacture cheaper lithium ion secondary batteries.
リチウムコバルト複合酸化物に代替できる正極活物質として、例えば、リチウムニッケル複合酸化物(LiNiO2)、リチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物(LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2)などが挙げられる。リチウムニッケル複合酸化物は、リチウムコバルト複合酸化物と同様の高い電気電圧を示すとともに、リチウムコバルト複合酸化物よりも低い電気ポテンシャルを示し、電解液の酸化による問題が問題になりにくいため、二次電池の高容量を可能とする正極活物質として期待されている。 Examples of positive electrode active materials that can be substituted for lithium cobalt composite oxide include lithium nickel composite oxide (LiNiO 2 ) and lithium nickel cobalt manganese composite oxide (LiNi 1/3 Co 1/3 Mn 1/3 O 2 ). Can be mentioned. Lithium-nickel composite oxide exhibits a high electrical voltage similar to that of lithium-cobalt composite oxide, but also a lower electrical potential than lithium-cobalt composite oxide, making it less likely that problems caused by oxidation of the electrolyte will be a problem. It is expected to be used as a positive electrode active material that enables high capacity batteries.
例えば、特許文献1には、外殻にマンガンリッチ層を有することで活物質のアルカリ度を低減し電極作成時のゲル化抑制が提案されている。 For example, Patent Document 1 proposes having a manganese-rich layer in the outer shell to reduce the alkalinity of the active material and suppress gelation during electrode production.
また、特許文献2には、非水系電解質二次電池用正極活物質の前駆体であるニッケルマンガン複合水酸化物粒子やニッケルコバルトマンガン複合水酸化物粒子が提案され、高容量で、高出力を可能としている。 Furthermore, Patent Document 2 proposes nickel-manganese composite hydroxide particles and nickel-cobalt-manganese composite hydroxide particles, which are precursors of positive electrode active materials for non-aqueous electrolyte secondary batteries, and have high capacity and high output. It is possible.
しかしながら、特許文献1では外殻のマンガンリッチ層と中心層の間には空隙が導入されておらず焼成時の元素拡散が十分に抑制することができず、さらなるサイクル特性の向上が求められる。さらに、二次電池の正極として、従来よりも高いレベルでのサイクル特性の向上が求められる。 However, in Patent Document 1, no voids are introduced between the manganese-rich layer of the outer shell and the center layer, and elemental diffusion during firing cannot be sufficiently suppressed, and further improvement in cycle characteristics is required. Furthermore, as a positive electrode for a secondary battery, it is required to improve cycle characteristics at a higher level than conventional ones.
そこで本発明は、上述のような問題に鑑みて、マンガンリッチ層の元素拡散を防止し、サイクル特性に優れたリチウムイオン二次電池用正極活物質の前駆体であるニッケル複合水酸化物を提供することを目的とする。また、そのニッケル複合水酸化物を高い生産性で容易に製造する方法を提供することを目的とする。また、サイクル特性に優れたリチウムイオン二次電池用正極活物質とその製造方法、及びリチウムイオン二次電池の提供を目的とする。 Therefore, in view of the above-mentioned problems, the present invention provides a nickel composite hydroxide that is a precursor of a positive electrode active material for lithium ion secondary batteries that prevents elemental diffusion in a manganese-rich layer and has excellent cycle characteristics. The purpose is to Another object of the present invention is to provide a method for easily producing the nickel composite hydroxide with high productivity. Another object of the present invention is to provide a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery with excellent cycle characteristics, a method for producing the same, and a lithium ion secondary battery.
本発明の一態様に係るニッケル複合水酸化物は、複数の一次粒子が互いに凝集した二次粒子からなるニッケル複合水酸化物であって、ニッケルとコバルトとマンガンと元素MをNi:Co:Mn:M=1-x1-y1-z1:x1:y1:z1(ただし、Mは、Ni、Co、Mn以外の遷移金属元素、2族元素、及び13族元素からなる群から選ばれる少なくとも1種の元素であり、x1は0.15≦x1≦0.25、y1は0.15≦y1≦0.25、z1は0≦z1≦0.1の範囲内にあり、0.3≦x1+y1+z1≦0.5を満たす。)の原子比で含み、前記二次粒子の粒子表面から粒子内部に向けてマンガンリッチ層と、前記二次粒子の高密度の中央部と前記マンガンリッチ層の間に層状の低密度層を有し、前記マンガンリッチ層は、ニッケルとコバルトとマンガンと元素MをNi:Co:Mn:M=1-x2-y2-z2:x2:y2:z2(ただし、Mは、Ni、Co、Mn以外の遷移金属元素、2族元素、および13族元素からなる群から選ばれる少なくとも1種の元素であり、x2及びy2は、x2=0及びy2=1を満たす、又は、y2/((1-x2-y2-z2)+x2)≧1を満たし、z2は0≦z2≦0.1の範囲内である。)の原子比で含み、前記マンガンリッチ層の厚さは、前記二次粒子の直径に対して1%以上10%未満であり、かつ、前記低密度層の厚さは、前記二次粒子の直径に対して1%以上10%以下であることを特徴とする。 The nickel composite hydroxide according to one embodiment of the present invention is a nickel composite hydroxide composed of secondary particles in which a plurality of primary particles aggregate with each other, and in which nickel, cobalt, manganese, and element M are combined into Ni:Co:Mn :M=1-x1-y1-z1:x1:y1:z1 (M is at least one member selected from the group consisting of transition metal elements other than Ni, Co, and Mn, group 2 elements, and group 13 elements) , x1 is 0.15≦x1≦0.25, y1 is 0.15≦y1≦0.25, z1 is within the range of 0≦z1≦0.1, and 0.3≦x1+y1+z1≦ 0.5), and a manganese-rich layer is formed from the particle surface of the secondary particle toward the inside of the particle, and a layer is formed between the high-density central part of the secondary particle and the manganese-rich layer. The manganese-rich layer has a low density layer of nickel, cobalt, manganese, and element M such that Ni:Co:Mn:M=1-x2-y2-z2:x2:y2:z2 (where M is At least one element selected from the group consisting of transition metal elements other than Ni, Co, and Mn, Group 2 elements, and Group 13 elements, and x2 and y2 satisfy x2=0 and y2=1, or The manganese-rich layer has an atomic ratio of y2/((1-x2-y2-z2)+x2)≧1, and z2 is in the range of 0≦z2≦0.1), and the thickness of the manganese-rich layer is The thickness of the low density layer is 1% or more and less than 10% with respect to the diameter of the secondary particles, and the thickness of the low density layer is 1% or more and 10% or less with respect to the diameter of the secondary particles. do.
このようにすれば、サイクル特性に優れたリチウムイオン二次電池用正極活物質の前駆体であるニッケル複合水酸化物を提供することができる。 In this way, it is possible to provide a nickel composite hydroxide which is a precursor of a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery with excellent cycle characteristics.
このとき、レーザー回折散乱法によって測定された粒度分布において、体積平均粒径(Mv)が4μm以上10μm以下であり、累積90体積%径(D90)及び累積10体積%径(D10)と、前記体積平均粒径(Mv)とによって算出される、粒径のばらつき指数を示す[(D90-D10)/Mv]が0.60以下としてもよい。 At this time, in the particle size distribution measured by the laser diffraction scattering method, the volume average particle diameter (Mv) is 4 μm or more and 10 μm or less, and the cumulative 90 volume % diameter (D90) and the cumulative 10 volume % diameter (D10) are as follows. The particle size dispersion index [(D90-D10)/Mv] calculated from the volume average particle diameter (Mv) may be 0.60 or less.
このようにすれば、優れたサイクル特性を得ることができる。 In this way, excellent cycle characteristics can be obtained.
このとき、本発明の一態様では、複数の一次粒子が互いに凝集した二次粒子からなるニッケル複合水酸化物の製造方法であって、ニッケル塩、コバルト塩及びマンガン塩の少なくとも1つを含む第1の混合水溶液を、酸素濃度が5容量%未満の非酸化性雰囲気中で、液温25℃基準でpH値が12.5以上となるように調整して核の生成を行う核生成工程と、前記核生成工程において形成された核を含有するスラリーを、液温25℃基準でpH値を10.5以上12.5以下の範囲、かつ前記核生成工程におけるpH値より低くなるように調整し粒子成長を行う粒子成長工程と、を有し、前記粒子成長工程は、第1の粒子成長工程、第2の粒子成長工程及び第3の粒子成長工程とを含み、前記第1の粒子成長工程では、酸素濃度を5容量%未満とした非酸化性雰囲気中で、前記核生成工程で得られた混合水溶液に、前記第1の混合水溶液を供給して、高密度の粒子中央部を形成し、前記第2の粒子成長工程では、酸素濃度を5容量%以上の酸化性雰囲気に切り替えて、前記第1の粒子成長工程で得られた混合水溶液に、前記第1の混合水溶液を供給して、層状の低密度層を形成し、前記第3の粒子成長工程では、酸素濃度を5容量%未満の酸化性雰囲気に切り替えて、前記第2の粒子成長工程で得られた混合水溶液に、ニッケルとコバルトとマンガンと元素MをNi:Co:Mn:M=1-x2-y2-z2:x2:y2:z2(ただし、Mは、Ni、Co、Mn以外の遷移金属元素、2族元素、および13族元素からなる群から選ばれる少なくとも1種の元素であり、x2及びy2は、x2=0及びy2=1を満たす、又は、y2/((1-x2-y2-z2)+x2)≧1を満たす)の原子比で含む第2の混合水溶液を供給して、マンガンリッチ層を形成させ、前記マンガンリッチ層の厚さは、前記二次粒子の直径に対して1%以上10%未満であることを特徴とする。 At this time, in one aspect of the present invention, there is provided a method for producing a nickel composite hydroxide comprising secondary particles in which a plurality of primary particles aggregate with each other, the method comprising: A nucleation step in which the mixed aqueous solution of No. 1 is adjusted to have a pH value of 12.5 or more based on a liquid temperature of 25° C. in a non-oxidizing atmosphere with an oxygen concentration of less than 5% by volume to generate nuclei. , Adjust the pH value of the slurry containing the nuclei formed in the nucleation step to a range of 10.5 to 12.5 and lower than the pH value in the nucleation step, based on the liquid temperature of 25 ° C. and a particle growth step of performing particle growth, the particle growth step includes a first particle growth step, a second particle growth step, and a third particle growth step, and the particle growth step includes a first particle growth step, a second particle growth step, and a third particle growth step. In the step, the first mixed aqueous solution is supplied to the mixed aqueous solution obtained in the nucleation step in a non-oxidizing atmosphere with an oxygen concentration of less than 5% by volume to form a high-density particle center. In the second particle growth step, the oxygen concentration is switched to an oxidizing atmosphere of 5% by volume or more, and the first mixed aqueous solution is supplied to the mixed aqueous solution obtained in the first particle growth step. to form a layered low-density layer, and in the third particle growth step, the oxygen concentration is switched to an oxidizing atmosphere of less than 5% by volume, and the mixed aqueous solution obtained in the second particle growth step is Nickel, cobalt, manganese, and element M are Ni:Co:Mn:M=1-x2-y2-z2:x2:y2:z2 (However, M is a transition metal element other than Ni, Co, or Mn, or a group 2 element. , and at least one element selected from the group consisting of Group 13 elements, and x2 and y2 satisfy x2=0 and y2=1, or y2/((1-x2-y2-z2)+x2) A second mixed aqueous solution containing an atomic ratio of 1) is supplied to form a manganese-rich layer, and the thickness of the manganese-rich layer is 1% or more and 10% of the diameter of the secondary particles. It is characterized by being less than or equal to
このようにすれば、サイクル特性に優れたリチウムイオン二次電池用正極活物質の前駆体であるニッケル複合水酸化物を高い生産性で容易に製造できる製造方法を提供することができる。 In this way, it is possible to provide a manufacturing method that can easily produce a nickel composite hydroxide with high productivity, which is a precursor of a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery with excellent cycle characteristics.
このとき、本発明の一態様では、前記粒子成長工程において、前記スラリーに5g/L以上20g/L以下の濃度に調整されたアンモニアを添加するとしてもよい。 At this time, in one aspect of the present invention, ammonia adjusted to a concentration of 5 g/L or more and 20 g/L or less may be added to the slurry in the particle growth step.
このようにすれば、アンモニアは錯化剤として作用するため、金属イオンの溶解度を一定に保持して一次粒子を均一化し、ニッケル複合水酸化物の粒径のばらつきを防止することができる。また、ニッケル複合水酸化物の組成のずれを防止することができる。 In this way, since ammonia acts as a complexing agent, it is possible to keep the solubility of metal ions constant, make the primary particles uniform, and prevent variations in the particle size of the nickel composite hydroxide. Furthermore, deviations in the composition of the nickel composite hydroxide can be prevented.
このとき、本発明の一態様では、複数の一次粒子が互いに凝集した二次粒子からなり、六方晶系の層状構造を有するリチウムニッケル複合酸化物により構成されたリチウムイオン二次電池用正極活物質であって、前記リチウムニッケル複合酸化物は、リチウムとニッケルとコバルトとマンガンと元素MをLi:Ni:Co:Mn:M=1+u:1-x1-y1-z1:x1:y1:z1(ただし、uは-0.05≦u≦0.50、Mは、Ni、Co、Mn以外の遷移金属元素、2族元素、及び13族元素からなる群から選ばれる少なくとも1種の元素であり、x1は0.15≦x1≦0.25、y1は0.15≦y1≦0.25、z1は0≦z1≦0.1)の原子比で含み、前記二次粒子の粒子表面から粒子内部に向けてマンガンリッチ層と、前記二次粒子の高密度の中央部と前記マンガンリッチ層の間に層状の空隙層を有し、前記マンガンリッチ層は、リチウムとニッケルとコバルトとマンガンと元素MをLi:Ni:Co:Mn:M=1+u:1-x2-y2-z2:x2:y2:z2(ただし、uは-0.05≦u≦0.50、Mは、Ni、Co、Mn以外の遷移金属元素、2族元素、および13族元素からなる群から選ばれる少なくとも1種の元素であり、x2及びy2は、x2=0及びy2=1を満たす、又は、y2/((1-x2-y2-z2)+x2)≧1を満たし、z2は0≦z2≦0.1の範囲内である)の原子比で含み、前記マンガンリッチ層の厚さは、前記二次粒子の直径に対して1%以上10%未満であり、かつ、前記空隙層の厚さは、前記二次粒子の直径に対して1%以上10%以下であり、X線回折測定による(003)面のピークから算出した結晶子径が100nm以上150nm以下であることを特徴とする。 At this time, in one embodiment of the present invention, a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery is composed of a lithium nickel composite oxide that is composed of secondary particles in which a plurality of primary particles aggregate with each other and has a hexagonal layered structure. The lithium-nickel composite oxide contains lithium, nickel, cobalt, manganese, and element M in the form of Li:Ni:Co:Mn:M=1+u:1-x1-y1-z1:x1:y1:z1 (however, , u is −0.05≦u≦0.50, M is at least one element selected from the group consisting of transition metal elements other than Ni, Co, and Mn, group 2 elements, and group 13 elements, x1 is 0.15≦x1≦0.25, y1 is 0.15≦y1≦0.25, z1 is 0≦z1≦0.1), and from the particle surface of the secondary particle to the inside of the particle a manganese-rich layer, and a layered void layer between the high-density central part of the secondary particles and the manganese-rich layer, and the manganese-rich layer contains lithium, nickel, cobalt, manganese, and the element M. Li:Ni:Co:Mn:M=1+u:1-x2-y2-z2:x2:y2:z2 (where, u is -0.05≦u≦0.50, M is Ni, Co, Mn is at least one element selected from the group consisting of transition metal elements, group 2 elements, and group 13 elements, and x2 and y2 satisfy x2=0 and y2=1, or y2/((1 −x2−y2−z2)+x2)≧1, and z2 is within the range of 0≦z2≦0.1), and the thickness of the manganese-rich layer is equal to the diameter of the secondary particles. The thickness of the void layer is 1% or more and less than 10% with respect to the diameter of the secondary particle, and the thickness of the (003) plane is 1% or more and less than 10% with respect to the diameter of the secondary particle. It is characterized in that the crystallite diameter calculated from the peak is 100 nm or more and 150 nm or less.
このようにすれば、サイクル特性に優れたリチウムイオン二次電池用正極活物質を提供することができる。 In this way, a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery with excellent cycle characteristics can be provided.
このとき、本発明の一態様では、レーザー回折散乱法によって測定された粒度分布において、体積平均粒径(Mv)が4μm以上10μm以下であり、累積90体積%径(D90)及び累積10体積%径(D10)と、前記体積平均粒径(Mv)とによって算出される、粒径のばらつき指数を示す[(D90-D10)/Mv]が0.60以下としてもよい。 At this time, in one aspect of the present invention, in the particle size distribution measured by a laser diffraction scattering method, the volume average particle diameter (Mv) is 4 μm or more and 10 μm or less, and the cumulative 90 volume % diameter (D90) and the cumulative 10 volume % The particle size variation index [(D90-D10)/Mv] calculated from the diameter (D10) and the volume average particle size (Mv) may be 0.60 or less.
このようにすれば、優れたサイクル特性を得ることができる。 In this way, excellent cycle characteristics can be obtained.
このとき、本発明の一態様では、複数の一次粒子が互いに凝集した二次粒子からなり、六方晶系の層状構造を有するリチウムニッケル複合酸化物により構成された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、ニッケル複合水酸化物とリチウム化合物とを混合してリチウム混合物を形成させるリチウム混合工程と、前記リチウム混合物を酸化性雰囲気中において800℃以上950℃以下の温度で焼成する焼成工程とを有し、前記ニッケル複合水酸化物は、ニッケルとコバルトとマンガンと元素MをNi:Co:Mn:M=1-x1-y1-z1:x1:y1:z1(ただし、Mは、Ni、Co、Mn以外の遷移金属元素、2族元素、及び13族元素からなる群から選ばれる少なくとも1種の元素であり、x1は0.15≦x1≦0.25、y1は0.15≦y1≦0.25、z1は0≦z1≦0.1の範囲内にあり、0.3≦x1+y1+z1≦0.5を満たす。)の原子比で含み、前記ニッケル複合水酸化物は、前記二次粒子の粒子表面から粒子内部に向けてマンガンリッチ層と、前記二次粒子の中央部と前記マンガンリッチ層の間に層状の低密度層を有し、前記マンガンリッチ層は、ニッケルとコバルトとマンガンと元素MをNi:Co:Mn:M=1-x2-y2-z2:x2:y2:z2(ただし、Mは、Ni、Co、Mn以外の遷移金属元素、2族元素、および13族元素からなる群から選ばれる少なくとも1種の元素であり、x2及びy2は、x2=0及びy2=1を満たす、又は、y2/((1-x2-y2-z2)+x2)≧1を満たし、z2は0≦z2≦0.1の範囲内である。)の原子比で含み、前記マンガンリッチ層の厚さは、前記二次粒子の直径に対して1%以上10%未満であり、かつ、前記低密度層の厚さは、前記二次粒子の直径に対して1%以上10%以下であることを特徴とする。
At this time, in one embodiment of the present invention, a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery is composed of a lithium nickel composite oxide that is composed of secondary particles in which a plurality of primary particles aggregate with each other and has a hexagonal layered structure. The manufacturing method includes a lithium mixing step of mixing a nickel composite hydroxide and a lithium compound to form a lithium mixture, and firing the lithium mixture at a temperature of 800°C or higher and 950°C or lower in an oxidizing atmosphere. The nickel composite hydroxide is produced by combining nickel, cobalt, manganese, and element M with Ni:Co:Mn:M=1-x1-y1-z1:x1:y1:z1 (however, M is , Ni, Co, at least one element selected from the group consisting of transition metal elements other than Mn, Group 2 elements, and Group 13 elements, x1 is 0.15≦x1≦0.25, and y1 is 0.15≦x1≦0.25. 15≦y1≦0.25, z1 is within the range of 0≦z1≦0.1, and satisfies 0.3≦x1+y1+z1≦0.5), and the nickel composite hydroxide has an atomic ratio of: The secondary particles have a manganese-rich layer from the particle surface toward the inside of the particles, and a laminar low-density layer between the central part of the secondary particles and the manganese-rich layer, and the manganese-rich layer includes nickel and nickel. Cobalt, manganese, and the element M are Ni:Co:Mn:M=1-x2-y2-z2:x2:y2:z2 (where M is a transition metal element other than Ni, Co, or Mn, a group 2 element, and At least one element selected from the group consisting of Group 13 elements, and x2 and y2 satisfy x2=0 and y2=1, or y2/((1-x2-y2-z2)+x2)≧1 and z2 is in the range of 0≦z2≦0.1), and the thickness of the manganese-rich layer is 1% or more and less than 10% with respect to the diameter of the secondary particles. and the thickness of the low density layer is 1% or more and 10% or less of the diameter of the secondary particles.
このようにすれば、サイクル特性に優れたリチウムイオン二次電池用正極活物質の製造方法を提供することができる。 In this way, it is possible to provide a method for producing a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery with excellent cycle characteristics.
本発明の一態様では、上記リチウムイオン二次電池用正極活物質を含む正極を備えることを特徴とするリチウムイオン二次電池としてもよい。 In one aspect of the present invention, a lithium ion secondary battery may be provided that includes a positive electrode containing the positive electrode active material for a lithium ion secondary battery.
このようにすれば、サイクル特性に優れたリチウムイオン二次電池用正極活物質を含む正極を備えるリチウムイオン二次電池を提供することができる。 In this way, it is possible to provide a lithium ion secondary battery including a positive electrode containing a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery with excellent cycle characteristics.
本発明によれば、マンガンリッチ層の元素拡散を防止し、サイクル特性に優れたリチウムイオン二次電池用正極活物質の前駆体であるニッケル複合水酸化物を提供することができる。また、そのニッケル複合水酸化物を高い生産性で容易に製造する方法を提供することができる。また、サイクル特性に優れたリチウムイオン二次電池用正極活物質とその製造方法、及びリチウムイオン二次電池の提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a nickel composite hydroxide that is a precursor of a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery that prevents elemental diffusion in a manganese-rich layer and has excellent cycle characteristics. Furthermore, it is possible to provide a method for easily producing the nickel composite hydroxide with high productivity. Further, it is possible to provide a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery with excellent cycle characteristics, a method for producing the same, and a lithium ion secondary battery.
本発明者らは、上記課題を解決するため、サイクル特性に優れたリチウムイオン二次電池用正極活物質について鋭意検討したところ、正極活物質を傾斜組成として表面近傍のマンガン含有量を内部より多くし、かつ粒子中央部とマンガンリッチ層の間に層状の空隙層を導入することで、正極抵抗に優れるとの知見を得た。さらに、組成の異なる層の間に空隙層を導入することにより焼成時の粒子内部の組成拡散が抑制され焼成温度を限定することなく傾斜組成を有する正極活物質が得られるとの知見を得て、本発明を完成したものである。以下、本発明の好適な実施の形態について説明する。 In order to solve the above problems, the present inventors conducted intensive studies on positive electrode active materials for lithium ion secondary batteries with excellent cycle characteristics, and found that the positive electrode active material had a gradient composition so that the manganese content near the surface was higher than that inside the interior. In addition, we found that by introducing a layered void layer between the particle center and the manganese-rich layer, excellent positive electrode resistance can be achieved. Furthermore, we found that by introducing a void layer between layers of different compositions, compositional diffusion inside the particles during firing is suppressed, and a positive electrode active material with a gradient composition can be obtained without limiting the firing temperature. , has completed the present invention. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described.
なお、以下に説明する本実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で変更が可能である。また、本実施形態で説明される構成の全てが本発明の解決手段として必須であるとは限らない。本発明の一実施形態に係るニッケル複合水酸化物等について、下記の順に説明する。
1.ニッケル複合水酸化物
2.ニッケル複合水酸化物の製造方法
3.リチウムイオン二次電池用正極活物質
4.リチウムイオン二次電池用正極活物質の製造方法
5.リチウムイオン二次電池
Note that the present embodiment described below does not unduly limit the content of the present invention described in the claims, and changes can be made without departing from the gist of the present invention. Furthermore, not all of the configurations described in this embodiment are essential as a solution to the present invention. The nickel composite hydroxide and the like according to one embodiment of the present invention will be explained in the following order.
1. Nickel composite hydroxide 2. Method for producing nickel composite hydroxide 3. Positive electrode active material for lithium ion secondary batteries 4. Manufacturing method of positive electrode active material for lithium ion secondary battery 5. Lithium ion secondary battery
<1.ニッケル複合水酸化物>
本発明の一実施形態に係るニッケル複合水酸化物は、複数の一次粒子が互いに凝集した二次粒子からなり、二次粒子の粒子表面から粒子内部に向けてマンガンリッチ層と、二次粒子の中央部とマンガンリッチ層の間に層状の低密度層を有する。以下詳細に説明する。
<1. Nickel composite hydroxide>
The nickel composite hydroxide according to an embodiment of the present invention is composed of secondary particles in which a plurality of primary particles aggregate with each other, and a manganese-rich layer is formed from the particle surface of the secondary particles toward the inside of the particles. It has a layered low-density layer between the central part and the manganese-rich layer. This will be explained in detail below.
(組成)
ニッケル複合水酸化物の組成(2次粒子全体)は、ニッケルとコバルトとマンガンと元素MをNi:Co:Mn:M=1-x1-y1-z1:x1:y1:z1(ただし、Mは、Ni、Co、Mn以外の遷移金属元素、2族元素、及び13族元素からなる群から選ばれる少なくとも1種の元素であり、x1は0.15≦x1≦0.25、y1は0.15≦y1≦0.25、z1は0≦z1≦0.1の範囲内にあり、0.3≦x1+y1+z1≦0.5を満たす。)の原子比で表される。
(composition)
The composition of the nickel composite hydroxide (the entire secondary particles) is Ni:Co:Mn:M=1-x1-y1-z1:x1:y1:z1 (where M is , Ni, Co, at least one element selected from the group consisting of transition metal elements other than Mn, Group 2 elements, and Group 13 elements, x1 is 0.15≦x1≦0.25, and y1 is 0.15≦x1≦0.25. 15≦y1≦0.25, z1 is within the range of 0≦z1≦0.1, and satisfies 0.3≦x1+y1+z1≦0.5).
ニッケルの含有量は1-x1-y1-z1で示され、その範囲は、0.50≦1-x1-y1-z1≦0.70である。層状岩塩型構造の結晶構造を有し、ニッケルの含有量が上記範囲である場合、最終的に得られるリチウム金属複合酸化物は、二次電池に用いられた際に高い電池容量を実現できる。 The nickel content is expressed as 1-x1-y1-z1, and the range is 0.50≦1-x1-y1-z1≦0.70. When the lithium metal composite oxide has a layered rock salt type crystal structure and the nickel content is within the above range, the finally obtained lithium metal composite oxide can realize a high battery capacity when used in a secondary battery.
上記一般式中、コバルトの含有量を示すx1は、0.15≦x1≦0.25である。コバルト含有量が上記範囲である場合、最終的に得られるリチウム金属複合酸化物は、高い結晶構造の安定性を有し、サイクル特性により優れる。 In the above general formula, x1 indicating the content of cobalt is 0.15≦x1≦0.25. When the cobalt content is within the above range, the lithium metal composite oxide finally obtained has high crystal structure stability and excellent cycle characteristics.
上記一般式中、マンガンの含有量を示すy1は、0.15≦y1≦0.25である。マンガンの含有量が上記範囲である場合、最終的に得られるリチウム金属複合酸化物は、高い熱安定性を得ることができる。 In the above general formula, y1 indicating the manganese content is 0.15≦y1≦0.25. When the manganese content is within the above range, the finally obtained lithium metal composite oxide can have high thermal stability.
なお、本発明の一実施形態に係るニッケル複合水酸化物は、本発明の効果に影響しなければニッケル、コバルト、マンガン以外の添加元素Mを含んでも構わない。例えば、ニッケル、コバルト、マンガン以外の遷移金属元素や2族元素や13族元素を含んでもよい。M(z1)は0≦z1≦0.1である。 The nickel composite hydroxide according to one embodiment of the present invention may contain additional elements M other than nickel, cobalt, and manganese as long as they do not affect the effects of the present invention. For example, it may contain transition metal elements other than nickel, cobalt, and manganese, group 2 elements, and group 13 elements. M(z1) satisfies 0≦z1≦0.1.
ニッケル複合水酸化物の粒子内部の組成分布は、これを用いて得られる正極活物質の粒子内部の組成分布に強く影響する。特に、後述するように、焼成工程において、その条件を制御することで、ニッケル複合水酸化物の粒子内部の組成分布と粒度分布を正極活物質まで維持することが可能である。したがって、ニッケル複合水酸化物の粒子内部の組成分布が正極活物質の粒子内部と同様になるように制御することが重要である。このように制御することで、ニッケル複合水酸化物のマンガンリッチ層は、正極活物質においても維持されることになる。 The compositional distribution inside the particles of the nickel composite hydroxide strongly influences the compositional distribution inside the particles of the positive electrode active material obtained using the same. In particular, as will be described later, by controlling the conditions in the firing process, it is possible to maintain the compositional distribution and particle size distribution inside the particles of the nickel composite hydroxide up to the positive electrode active material. Therefore, it is important to control the composition distribution inside the particles of the nickel composite hydroxide to be similar to that inside the particles of the positive electrode active material. By controlling in this way, the manganese-rich layer of the nickel composite hydroxide is maintained even in the positive electrode active material.
ニッケル複合水酸化物は、後述するように、リチウム化合物と混合した後(リチウム混合工程S30)、焼成されて(焼成工程S40)、正極活物質が形成される。ニッケル複合水酸化物の組成分布は、正極活物質まで継承される。したがって、ニッケル複合水酸化物全体の組成分布は、得ようとする正極活物質のリチウム以外の金属の組成分布と同様とすることができる。 As described later, the nickel composite hydroxide is mixed with a lithium compound (lithium mixing step S30) and then fired (baking step S40) to form a positive electrode active material. The compositional distribution of the nickel composite hydroxide is inherited to the positive electrode active material. Therefore, the composition distribution of the entire nickel composite hydroxide can be made similar to the composition distribution of metals other than lithium in the positive electrode active material to be obtained.
(マンガンリッチ層)
本発明の一実施形態に係るニッケル複合水酸化物は、二次粒子の粒子表面から粒子内部に向けてマンガンリッチ層を有する。マンガンリッチ層は、その組成がニッケルとコバルトとマンガンと元素MをNi:Co:Mn:M=1-x2-y2-z2:x2:y2:z2(ただし、Mは、Ni、Co、Mn以外の遷移金属元素、2族元素、および13族元素からなる群から選ばれる少なくとも1種の元素であり、x2及びy2は、x2=0及びy2=1を満たす、又は、y2/((1-x2-y2-z2)+x2)≧1を満たし、z2は0≦z2≦0.1の範囲内である。)の原子比で含む。ここでy2は、0.5≦y2≦1の範囲である。
(manganese rich layer)
The nickel composite hydroxide according to one embodiment of the present invention has a manganese-rich layer from the particle surface of the secondary particle toward the inside of the particle. The manganese-rich layer has a composition of nickel, cobalt, manganese, and element M such as Ni:Co:Mn:M=1-x2-y2-z2:x2:y2:z2 (where M is any element other than Ni, Co, or Mn). is at least one element selected from the group consisting of transition metal elements, group 2 elements, and group 13 elements, and x2 and y2 satisfy x2=0 and y2=1, or y2/((1- x2-y2-z2)+x2)≧1, and z2 is in the range of 0≦z2≦0.1. Here, y2 is in the range of 0.5≦y2≦1.
マンガンリッチ層は、例えば、Mn以外の金属として、Ni、Coの少なくとも一種を含んでもよい。この場合、マンガンリッチ層は、MnをNiとCoの合計(モル)の1倍以上含む。また、マンガンリッチ層は、例えば、金属としてMnを単独で含み、その組成がMn(OH)2であってもよい。この場合、x2=0、y2=1となる。なお、マンガンリッチ層の組成は、例えば、走査型電子顕微鏡の断面観察におけるエネルギー分散型X線分析(EDX)の定量分析により求めることができる。また、マンガンリッチ層の組成は、例えば、後述する粒子成長工程(S20)における、第2の混合水溶液の金属組成を制御することにより、所望の範囲に調整できる。なお、マンガンリッチ層においても、本発明の効果に影響しなければニッケル、コバルト、マンガン以外の添加元素Mを含んでも構わない。例えば、ニッケル、コバルト、マンガン以外の遷移金属元素や2族元素や13族元素を含んでもよい。M(z2)は0≦z2≦0.1である。
The manganese-rich layer may contain, for example, at least one of Ni and Co as a metal other than Mn. In this case, the manganese-rich layer contains Mn equal to or more than the total (mol) of Ni and Co. Further, the manganese-rich layer may contain Mn alone as a metal, and its composition may be Mn(OH) 2 , for example. In this case, x2=0 and y2=1. Note that the composition of the manganese-rich layer can be determined, for example, by quantitative analysis using energy dispersive X-ray analysis (EDX) during cross-sectional observation using a scanning electron microscope. Further, the composition of the manganese-rich layer can be adjusted to a desired range by, for example, controlling the metal composition of the second mixed aqueous solution in the particle growth step (S20) described below. Note that the manganese-rich layer may also contain additive elements M other than nickel, cobalt, and manganese as long as they do not affect the effects of the present invention. For example, it may contain transition metal elements other than nickel, cobalt, and manganese, group 2 elements, and group 13 elements. M(z2) satisfies 0≦z2≦0.1.
また、マンガンリッチ層は、その厚さtが上記二次粒子の直径dに対して1%以上10%以下である。なお、マンガンリッチ層の厚さtは、EDXによる組成マッピングや線分析により求めることができる。また、二次粒子の直径dは、走査型電子顕微鏡を用いた二次粒子の断面観察により求めることができる。マンガンリッチ層の厚さや二次粒子の直径dは、二次粒子間で変動する場合があるため、複数の二次粒子を測定して平均値として求めることが好ましく、例えば、無作為に選択した30個の二次粒子を測定した場合の平均値から求めることができる。 Moreover, the thickness t of the manganese-rich layer is 1% or more and 10% or less with respect to the diameter d of the secondary particles. Note that the thickness t of the manganese-rich layer can be determined by composition mapping using EDX or line analysis. Further, the diameter d of the secondary particles can be determined by observing the cross section of the secondary particles using a scanning electron microscope. Since the thickness of the manganese-rich layer and the diameter d of the secondary particles may vary between secondary particles, it is preferable to measure a plurality of secondary particles and obtain the average value. It can be determined from the average value when 30 secondary particles are measured.
(低密度層)
本発明の一実施形態に係るニッケル複合水酸化物は、二次粒子の中央部と上記マンガンリッチ層の間に層状の低密度層を有する。ニッケル複合水酸化物の粒子内部の構造について、粒子中央部とマンガンリッチ層の間に層状の低密度層を導入することにより、焼成時における粒子内部の組成拡散が抑制され焼成温度を限定することなく粒子内部の組成分布を維持することができる。
(low density layer)
The nickel composite hydroxide according to one embodiment of the present invention has a layered low-density layer between the central part of the secondary particles and the manganese-rich layer. Regarding the internal structure of the nickel composite hydroxide particles, by introducing a layered low-density layer between the particle center and the manganese-rich layer, compositional diffusion inside the particles during firing is suppressed and the firing temperature is limited. It is possible to maintain the compositional distribution inside the particles.
また、低密度層は、その厚さsが上記二次粒子の直径dに対して1%以上10%以下である。低密度層が1%未満の場合、その後の焼成工程において、空隙層が形成されず、組成拡散によりマンガンリッチ層が形成されない。また、10%を超えると、最終的に得られる正極活物質の粒子密度や充填性が大きく低下する。なお、低密度層の厚さsは、走査型電子顕微鏡を用いた二次粒子の断面観察により求めることができる。低密度層の厚さsや二次粒子の直径dは、二次粒子間で変動する場合があるため、複数の二次粒子を測定して平均値として求めることが好ましく、例えば、無作為に選択した30個の二次粒子を測定した場合の平均値から求めることができる。 Further, the thickness s of the low density layer is 1% or more and 10% or less of the diameter d of the secondary particles. When the low-density layer is less than 1%, no void layer is formed in the subsequent firing process, and no manganese-rich layer is formed due to compositional diffusion. Moreover, when it exceeds 10%, the particle density and filling property of the finally obtained positive electrode active material are greatly reduced. Note that the thickness s of the low-density layer can be determined by observing the cross section of the secondary particles using a scanning electron microscope. Since the thickness s of the low-density layer and the diameter d of the secondary particles may vary between secondary particles, it is preferable to measure a plurality of secondary particles and obtain the average value. It can be determined from the average value when 30 selected secondary particles are measured.
ニッケル複合水酸化物の粒子内部の組成および構造は、正極活物質の粒子内部の組成及び構造に影響する。このため、マンガンリッチ層の組成及び層状の低密度層を有する構造を上記範囲とすることにより、得られる正極活物質においても、リチウムを含むマンガンリッチ層が形成され、電池の正極に用いた際に優れたサイクル特性を示す。 The composition and structure inside the particles of the nickel composite hydroxide affect the composition and structure inside the particles of the positive electrode active material. Therefore, by setting the composition of the manganese-rich layer and the structure having a layered low-density layer within the above range, a manganese-rich layer containing lithium is formed in the resulting positive electrode active material, and when used as a battery positive electrode. Shows excellent cycle characteristics.
(平均粒径、粒度分布)
ニッケル複合水酸化物は、レーザー回折散乱法によって測定された粒度分布において、体積平均粒径(Mv)が4μm以上10μm以下であることが好ましい。ニッケル複合水酸化物の体積平均粒径が上記範囲である場合、得られる正極活物質の体積平均粒径を4μm以上10μm以下の範囲に制御することができ、この正極活物質を用いた電池は、優れたサイクル特性を得ることができる。
(Average particle size, particle size distribution)
The nickel composite hydroxide preferably has a volume average particle diameter (Mv) of 4 μm or more and 10 μm or less in the particle size distribution measured by a laser diffraction scattering method. When the volume average particle size of the nickel composite hydroxide is within the above range, the volume average particle size of the resulting positive electrode active material can be controlled within the range of 4 μm or more and 10 μm or less, and a battery using this positive electrode active material can be , excellent cycle characteristics can be obtained.
ニッケル複合水酸化物は、レーザー回折散乱法によって測定された粒度分布において、累積90体積%径(D90)及び累積10体積%径(D10)と、体積平均粒径(Mv)とによって算出される、粒径のばらつき指数を示す[(D90-D10)/Mv]が、0.60以下であることが好ましい。ニッケル複合水酸化物のばらつき指数が上記範囲である場合、微粒子や粗大粒子の混入が少なく、得られる正極活物質のサイクル特性を向上させることができる。正極活物質の粒度分布は、ニッケル複合水酸化物の影響を強く受けるため、ニッケル複合水酸化物のばらつき指数が0.60を超え、粒度分布が広い状態である場合、正極活物質にも微粒子又は粗大粒子が存在するようになることがある。完全に粒径のばらつきを抑制することは困難であるため、現実的なばらつき指数の下限は、0.30以上程度である。 Nickel composite hydroxide is calculated by the cumulative 90 volume % diameter (D90), cumulative 10 volume % diameter (D10), and volume average particle diameter (Mv) in the particle size distribution measured by laser diffraction scattering method. , [(D90-D10)/Mv], which indicates the particle size variation index, is preferably 0.60 or less. When the dispersion index of the nickel composite hydroxide is within the above range, there is little incorporation of fine particles or coarse particles, and the cycle characteristics of the resulting positive electrode active material can be improved. The particle size distribution of the positive electrode active material is strongly influenced by the nickel composite hydroxide, so if the dispersion index of the nickel composite hydroxide exceeds 0.60 and the particle size distribution is wide, the positive electrode active material also contains fine particles. Or coarse particles may become present. Since it is difficult to completely suppress variations in particle size, the practical lower limit of the variation index is about 0.30 or more.
上記[(D90-D10)/Mv]において、D10は、各粒径における粒子数を粒径の小さい側から累積し、その累積体積が全粒子の合計体積の10%となる粒径を意味している。また、D90は、同様に粒子数を累積し、その累積体積が全粒子の合計体積の90%となる粒径を意味している。体積平均粒径Mvや、D90及びD10は、レーザー光回折散乱式粒度分析計を用いて測定することができる。 In the above [(D90-D10)/Mv], D10 means the particle size at which the number of particles at each particle size is accumulated from the smallest particle size and the cumulative volume is 10% of the total volume of all particles. ing. Moreover, D90 means a particle size at which the number of particles is accumulated and the cumulative volume is 90% of the total volume of all particles. The volume average particle diameter Mv, D90 and D10 can be measured using a laser beam diffraction scattering particle size analyzer.
<2.ニッケル複合水酸化物の製造方法>
本発明の一実施形態に係るニッケル複合水酸化物の製造方法は、ニッケル塩、コバルト塩、マンガン塩を含有する水溶液と、中和剤および錯化剤とを、撹拌しながら反応容器に供給して、晶析反応によりニッケル複合水酸化物を製造する。ニッケル複合水酸化物の製造方法は、2段階の晶析工程を含む。すなわち、二次粒子に成長する核の生成を行う核生成工程S10と、核生成工程で得られた核を成長させる粒子成長工程S20とを有する。
<2. Method for producing nickel composite hydroxide>
A method for producing a nickel composite hydroxide according to an embodiment of the present invention includes supplying an aqueous solution containing a nickel salt, a cobalt salt, and a manganese salt, a neutralizing agent, and a complexing agent to a reaction vessel while stirring. Then, a nickel composite hydroxide is produced by a crystallization reaction. The method for producing nickel composite hydroxide includes a two-step crystallization process. That is, it includes a nucleation step S10 in which a nucleus that grows into a secondary particle is generated, and a particle growth step S20 in which the nucleus obtained in the nucleation step is grown.
さらに、粒子成長工程S20は、核生成工程S10において形成された核を含有するスラリーに、第1の混合水溶液を供給して、粒子成長を行う第1の粒子成長工程S21と、第1の粒子成長工程の後に雰囲気を酸素濃度が5容量%以上の酸化性雰囲気に切り替え粒子成長を行う第2の粒子成長工程S22と、雰囲気を酸素濃度が5容量%未満の非酸化性雰囲気に切り替え、マンガンリッチ層中のNi、Co及びMnのモル比と同様のモル比の金属塩を含む第2の混合水溶液を供給して、粒子成長を行う第3の粒子成長工程S23とを含む。 Further, the particle growth step S20 includes a first particle growth step S21 in which a first mixed aqueous solution is supplied to the slurry containing the nuclei formed in the nucleation step S10 to grow the particles. After the growth step, the atmosphere is changed to an oxidizing atmosphere with an oxygen concentration of 5% by volume or more to perform particle growth, and the atmosphere is changed to a non-oxidizing atmosphere with an oxygen concentration of less than 5% by volume, and the atmosphere is changed to a non-oxidizing atmosphere with an oxygen concentration of less than 5% by volume. A third particle growth step S23 is included in which particle growth is performed by supplying a second mixed aqueous solution containing a metal salt having a molar ratio similar to that of Ni, Co, and Mn in the rich layer.
なお、このような2段階のバッチ晶析工程を含むニッケル複合水酸化物の製造方法については、例えば、特許文献2、特許文献3などに開示されており、詳細な条件についてはこれらの文献を参照して条件を適宜、調整することができる。ニッケル複合酸化物の製造方法は、2段階の晶析工程を含むことにより、粒度分布が狭く均一な粒子径を有する複合水酸化物を得ることができる。なお、以下の説明は、ニッケル複合水酸化物の製造方法の一例であって、この方法に限定するものではない。 The method for producing nickel composite hydroxide including such a two-step batch crystallization process is disclosed in, for example, Patent Document 2 and Patent Document 3, and for detailed conditions, please refer to these documents. You can refer to it and adjust the conditions as appropriate. The method for producing a nickel composite oxide includes a two-step crystallization process, thereby making it possible to obtain a composite hydroxide having a narrow and uniform particle size distribution. Note that the following explanation is an example of a method for producing a nickel composite hydroxide, and is not limited to this method.
(核生成工程S10)
まず、核生成工程S10では、ニッケル塩、コバルト塩及びマンガン塩を少なくとも1つを含む第1の混合水溶液を、酸素濃度が5容量%未満の非酸化性雰囲気中で、液温25℃基準でpH値が12.5以上となるように調整することによって、形成された核生成用水溶液中で核の生成が優先的に生じる。なお、ニッケル、コバルト、マンガン以外の元素を添加する場合は、上記混合水溶液に添加元素の塩を加えることが好ましい。
(Nucleation step S10)
First, in the nucleation step S10, a first mixed aqueous solution containing at least one of a nickel salt, a cobalt salt, and a manganese salt is heated at a liquid temperature of 25° C. in a non-oxidizing atmosphere with an oxygen concentration of less than 5% by volume. By adjusting the pH value to 12.5 or more, nuclei are preferentially generated in the formed aqueous solution for nucleation. In addition, when adding elements other than nickel, cobalt, and manganese, it is preferable to add a salt of the added element to the mixed aqueous solution.
核生成工程S10においては、核生成用水溶液のpH値が、液温25℃基準で12.5以上、好ましくは12.5以上14.0以下、より好ましくは12.5以上13.5以下の範囲となるように制御する。核生成用水溶液のpH値を上記範囲に制御する場合、核を十分に生成することができる。液温25℃を基準としたpH値が12.5未満の場合、核が生成されるものの核自体が大きくなるため、その後の粒子成長工程で一次粒子が凝集した二次粒子が得られない。一方、pH値が高いほど微細な結晶核が得られるが、14.0を超える場合、反応液がゲル化して晶析が困難となったり、ニッケル複合水酸化物の二次粒子を構成する板状一次粒子が小さくなり過ぎたりする等の問題が生じることがある。 In the nucleation step S10, the pH value of the nucleation aqueous solution is 12.5 or more, preferably 12.5 or more and 14.0 or less, more preferably 12.5 or more and 13.5 or less, based on a liquid temperature of 25°C. Control within the range. When the pH value of the aqueous solution for nucleation is controlled within the above range, nuclei can be sufficiently generated. When the pH value is less than 12.5 based on the liquid temperature of 25° C., although nuclei are generated, the nuclei themselves become large, so that secondary particles in which primary particles are aggregated cannot be obtained in the subsequent particle growth step. On the other hand, the higher the pH value, the finer the crystal nuclei can be obtained, but if it exceeds 14.0, the reaction solution may gel, making crystallization difficult, or the plate forming the secondary particles of the nickel composite hydroxide may Problems such as primary particles becoming too small may occur.
pHは、中和剤である無機アルカリ溶液を添加することにより制御することができる。無機アルカリ溶液は、特に限定されるものではなく、たとえば、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムなどの一般的なアルカリ金属水酸化物水溶液を用いることができる。アルカリ金属水酸化物を、直接、混合水溶液に添加することもできるが、pH制御の容易さから、水溶液として添加することが好ましい。この場合、アルカリ金属水酸化物水溶液の濃度は、12.5質量%以上30質量%以下とすることが好ましく、20質量%以上25質量%以下とすることがより好ましい。アルカリ金属水酸化物水溶液の濃度の低い場合、スラリー濃度が低下して生産性が悪化することがあるため、濃度を高めることが好ましく、具体的には、アルカリ金属水酸化物の濃度を20質量%以上とすることが好ましい。一方、アルカリ金属水酸化物の濃度が30質量%を超えると、添加位置でのpHが局部的に高くなり、微粒子が発生することがある。 The pH can be controlled by adding an inorganic alkaline solution as a neutralizing agent. The inorganic alkaline solution is not particularly limited, and for example, common alkali metal hydroxide aqueous solutions such as sodium hydroxide and potassium hydroxide can be used. Although the alkali metal hydroxide can be added directly to the mixed aqueous solution, it is preferably added as an aqueous solution for ease of pH control. In this case, the concentration of the aqueous alkali metal hydroxide solution is preferably 12.5% by mass or more and 30% by mass or less, more preferably 20% by mass or more and 25% by mass or less. If the concentration of the alkali metal hydroxide aqueous solution is low, the slurry concentration may decrease and productivity may deteriorate, so it is preferable to increase the concentration. % or more is preferable. On the other hand, if the concentration of the alkali metal hydroxide exceeds 30% by mass, the pH at the addition site becomes locally high and fine particles may be generated.
核生成工程S10においては、例えば、予め、無機アルカリ水溶液に水を加えることによりpH値を12.5以上に調整した反応前水溶液を準備し、この反応前水溶液を反応槽内で撹拌しながら、ニッケル塩、コバルト塩及びマンガン塩を含む第1の混合水溶液を供給するとともに、水酸化ナトリウムなどの無機アルカリ水溶液(中和剤)を添加して、pH値が上記範囲に維持された核生成用水溶液を形成し、核の生成を行う。このように核生成用水溶液のpH値を維持しながら混合水溶液を供給する方法は、pH値の制御を厳密に行うことができ、核の生成が容易であり、好ましい。なお、核生成用水溶液には、無機アルカリ水溶液(中和剤)とともにアンモニア水溶液(錯化剤)を添加してもよい。核生成用水溶液中のアンモニウムイオンの濃度は、例えば、3g/L以上25g/L以下が好ましい。 In the nucleation step S10, for example, a pre-reaction aqueous solution whose pH value is adjusted to 12.5 or higher by adding water to an inorganic alkaline aqueous solution is prepared in advance, and while stirring this pre-reaction aqueous solution in a reaction tank, For nucleation, the pH value is maintained in the above range by supplying a first mixed aqueous solution containing a nickel salt, a cobalt salt, and a manganese salt, and adding an inorganic alkaline aqueous solution (neutralizing agent) such as sodium hydroxide. Form an aqueous solution and perform nucleation. This method of supplying the mixed aqueous solution while maintaining the pH value of the nucleation aqueous solution is preferable because it allows strict control of the pH value and facilitates the generation of nuclei. Note that an ammonia aqueous solution (complexing agent) may be added to the nucleation aqueous solution together with an inorganic alkali aqueous solution (neutralizing agent). The concentration of ammonium ions in the aqueous solution for nucleation is preferably, for example, 3 g/L or more and 25 g/L or less.
核生成工程S10で用いられる第1の混合水溶液は、ニッケル塩、コバルト塩、マンガン塩を含む。これらの金属塩としては、硫酸塩、硝酸塩および塩化物などを使用することができ、コスト、不純物および廃液処理の観点から、硫酸塩を使用することが好ましい。なお、ニッケル、コバルト、マンガン以外の元素を添加する場合は、上記混合水溶液に添加元素の塩を加えることが好ましい。 The first mixed aqueous solution used in the nucleation step S10 contains a nickel salt, a cobalt salt, and a manganese salt. As these metal salts, sulfates, nitrates, chlorides, etc. can be used, and it is preferable to use sulfates from the viewpoints of cost, impurities, and waste liquid treatment. In addition, when adding elements other than nickel, cobalt, and manganese, it is preferable to add a salt of the added element to the mixed aqueous solution.
第1の混合水溶液の濃度は、各金属塩の合計で、1.0mol/L~2.2mol/Lとすることが好ましく、1.5mol/L~2.0mol/Lとすることがより好ましい。第1の混合水溶液の濃度が低いと添加する第1の混合水溶液の量が多くなり、効率よく核生成が行えない。また、第1の混合水溶液の濃度が高いと常温での飽和濃度に近くなるため、結晶が再析出して設備の配管を詰まらせるなどの危険がある。 The concentration of the first mixed aqueous solution is preferably 1.0 mol/L to 2.2 mol/L, more preferably 1.5 mol/L to 2.0 mol/L in total of each metal salt. . If the concentration of the first mixed aqueous solution is low, the amount of the first mixed aqueous solution added will be large, and nucleation cannot be performed efficiently. Further, if the concentration of the first mixed aqueous solution is high, the concentration will be close to the saturated concentration at room temperature, so there is a risk that crystals will re-precipitate and clog the piping of the equipment.
第1の混合水溶液の組成は、最終的に得られるニッケル複合水酸化物の組成が所望の組成となるように、マンガンリッチ層の組成を考慮して適宜決定される。 The composition of the first mixed aqueous solution is appropriately determined in consideration of the composition of the manganese-rich layer so that the composition of the nickel composite hydroxide finally obtained has a desired composition.
核生成工程S10における核生成用水溶液の温度は、それぞれ40℃以上70℃以下に保持することが好ましい。温度が上記範囲である場合、ニッケル複合水酸化物の粒径を目標とする範囲まで成長させることができる。 The temperature of the aqueous solution for nucleation in the nucleation step S10 is preferably maintained at 40° C. or higher and 70° C. or lower, respectively. When the temperature is within the above range, the particle size of the nickel composite hydroxide can be grown to a target range.
(粒子成長工程S20)
次に、粒子成長工程S20では、核生成工程S10の終了後、核生成工程S10において形成された核を含有するスラリー(粒子成長用スラリー)を、液温25℃基準でpH値を10.5以上12.5以下の範囲、かつ核生成工程S10におけるpH値より低くなるように調整する。
(Particle growth step S20)
Next, in the particle growth step S20, after the completion of the nucleation step S10, the slurry containing the nuclei formed in the nucleation step S10 (slurry for particle growth) is adjusted to a pH value of 10.5 based on a liquid temperature of 25°C. The pH value is adjusted to be within the above range of 12.5 or less and lower than the pH value in the nucleation step S10.
粒子成長用スラリーのpH値は、液温25℃基準で10.5以上12.5以下、好ましくは11.0以上12.0以下の範囲、かつ核生成工程S10におけるpHより低くなるように制御される。粒子成長用スラリーのpH値を上記範囲に制御した場合、核生成工程S10で生成した核の成長と凝集のみを優先的に起こさせ、新たな核形成を抑制することができ、得られるニッケル複合水酸化物を均質且つ粒度分布の範囲が狭く、形状が制御されたものとすることができる。液温25℃を基準としたpH値が10.5未満である場合、得られるニッケル複合水酸化物中に含まれる不純物、例えば、金属塩に含まれるアニオン構成元素等、が多くなる。また、pH値がpH12.5を超える場合、粒子成長工程で新たな核が生成し、粒度分布も悪化してしまう。また、核生成工程S10と粒子成長工程S20をより明確に分離するという観点から、粒子成長用スラリーのpH値を核生成工程におけるpHより0.5以上低く制御することが好ましく、1.0以上低く制御することがより好ましい。 The pH value of the particle growth slurry is controlled to be in the range of 10.5 to 12.5, preferably 11.0 to 12.0, and lower than the pH in the nucleation step S10, based on the liquid temperature of 25 ° C. be done. When the pH value of the slurry for particle growth is controlled within the above range, only the growth and aggregation of the nuclei generated in the nucleation step S10 can occur preferentially, new nucleation can be suppressed, and the resulting nickel composite The hydroxide can be made homogeneous, have a narrow particle size distribution range, and have a controlled shape. When the pH value based on the liquid temperature of 25° C. is less than 10.5, impurities contained in the obtained nickel composite hydroxide, such as anion constituent elements contained in the metal salt, increase. Moreover, if the pH value exceeds pH 12.5, new nuclei will be generated in the particle growth process, and the particle size distribution will also deteriorate. Further, from the viewpoint of more clearly separating the nucleation step S10 and the particle growth step S20, it is preferable to control the pH value of the particle growth slurry to be lower than the pH in the nucleation step by 0.5 or more, and 1.0 or more. It is more preferable to control it low.
粒子成長工程S20における粒子成長用スラリーの温度は、それぞれ40℃以上70℃以下に保持することが好ましい。温度が上記範囲である場合、ニッケル複合水酸化物の粒径を目標とする範囲まで成長させることができる。40℃未満では、混合水溶液における金属塩の溶解度が低く塩濃度が低いため、粒子成長工程S20では核生成が多く微細な粒子が多くなり、粒度分布が悪化することがある。また、混合水溶液の温度が70℃を超えると、アンモニアの揮発が多く、ニッケルアンミン錯体濃度が安定しない。 The temperature of the particle growth slurry in the particle growth step S20 is preferably maintained at 40° C. or higher and 70° C. or lower, respectively. When the temperature is within the above range, the particle size of the nickel composite hydroxide can be grown to a target range. If the temperature is less than 40° C., the solubility of the metal salt in the mixed aqueous solution is low and the salt concentration is low, so that in the particle growth step S20, many fine particles are generated and the particle size distribution may be deteriorated. Moreover, when the temperature of the mixed aqueous solution exceeds 70° C., a large amount of ammonia volatilizes, and the nickel ammine complex concentration becomes unstable.
なお、粒子成長用スラリーには、錯化剤としてアンモニアを添加することが好ましい。その際の粒子成長用スラリー中のアンモニア濃度は、5g/L以上20g/L以下に制御することが好ましい。アンモニアは錯化剤として作用するため、アンモニア濃度が5g/L未満の場合、金属イオンの溶解度を一定に保持することができず、核から発達した一次粒子が不均一となり、ニッケル複合水酸化物の粒径の幅がばらつく原因となることがある。アンモニア濃度が20g/Lを超える場合、金属イオンの溶解度が大きくなり過ぎ、粒子成長用スラリーに残存する金属イオン量が増えて、組成のずれ等が起きる場合がある。また、アンモニア濃度が変動すると、金属イオンの溶解度が変動し、均一なニッケル複合水酸化物が形成されないため、一定値に保持することが好ましい。例えば、アンモニア濃度の変動は、設定濃度に対して増加又は減少の幅が5g/L程度として所望の濃度に保持することが好ましい。 Note that it is preferable to add ammonia as a complexing agent to the particle growth slurry. At this time, the ammonia concentration in the particle growth slurry is preferably controlled to 5 g/L or more and 20 g/L or less. Since ammonia acts as a complexing agent, if the ammonia concentration is less than 5 g/L, the solubility of metal ions cannot be maintained constant, and the primary particles developed from the nucleus become uneven, resulting in nickel composite hydroxide. This may cause the particle size range to vary. If the ammonia concentration exceeds 20 g/L, the solubility of metal ions becomes too high, the amount of metal ions remaining in the slurry for particle growth increases, and compositional deviations may occur. Furthermore, if the ammonia concentration fluctuates, the solubility of metal ions will fluctuate and a uniform nickel composite hydroxide will not be formed, so it is preferable to maintain it at a constant value. For example, it is preferable to maintain the ammonia concentration at a desired concentration by increasing or decreasing the ammonia concentration by about 5 g/L with respect to the set concentration.
アンモニアの添加は、アンモニウムイオン供給体によって行うが、アンモニウムイオン供給体は特に限定されないが、例えば、アンモニア、硫酸アンモニウム、塩化アンモニウム、炭酸アンモニウム、フッ化アンモニウム等を使用することができる。 Ammonia is added using an ammonium ion donor, but the ammonium ion donor is not particularly limited, and for example, ammonia, ammonium sulfate, ammonium chloride, ammonium carbonate, ammonium fluoride, etc. can be used.
粒子成長工程S20は、雰囲気や添加する混合水溶液の組み合わせにより、以下の3つの段階に分けられる。 The particle growth step S20 is divided into the following three stages depending on the atmosphere and the combination of the mixed aqueous solution to be added.
(第1の粒子成長工程S21)
第1の粒子成長工程S21は、ニッケル複合水酸化物の粒子中央部を形成する工程に相当する。第1の粒子成長工程S21は、酸素濃度が5容量%未満の非酸化性雰囲気中で、核を含有するスラリーに、第1の混合水溶液を供給する。酸素濃度が5容量%未満にすることで、不要な酸化を抑制して高密度な粒子中央部が得られる。第1の混合水溶液については上記核生成工程S10において説明しているので、ここでは省略する。なお、核生成工程S10で用いられる第1の混合溶液と、第1の粒子成長工程S21で用いられる第1の混合溶液は、最終的に得られるニッケル複合水酸化物の組成が所望の組成に制御できれば変更しても構わない。しかし工程の簡便化の観点から、同一組成である方が好ましい。
(First particle growth step S21)
The first particle growth step S21 corresponds to a step of forming the center part of the particles of nickel composite hydroxide. In the first particle growth step S21, the first mixed aqueous solution is supplied to the slurry containing nuclei in a non-oxidizing atmosphere with an oxygen concentration of less than 5% by volume. By setting the oxygen concentration to less than 5% by volume, unnecessary oxidation can be suppressed and a high-density central part of the particles can be obtained. The first mixed aqueous solution has been explained in the above nucleation step S10, so it will be omitted here. The first mixed solution used in the nucleation step S10 and the first mixed solution used in the first particle growth step S21 are used so that the composition of the finally obtained nickel composite hydroxide has the desired composition. You can change it if you can control it. However, from the viewpoint of simplifying the process, it is preferable that they have the same composition.
(第2の粒子成長工程S22)
第2の粒子成長工程S22は、ニッケル複合水酸化物の低密度層を形成する工程に相当する。第2の粒子成長工程S22は、第1の粒子成長工程S21から雰囲気を酸素濃度が5容量%以上の酸化性雰囲気に切り替え第1の混合水溶液を晶析することにより行う。これにより、ニッケル複合水酸化物に層状の低密度層を導入することができる。
(Second particle growth step S22)
The second particle growth step S22 corresponds to a step of forming a low-density layer of nickel composite hydroxide. The second particle growth step S22 is performed by changing the atmosphere from the first particle growth step S21 to an oxidizing atmosphere with an oxygen concentration of 5% by volume or more and crystallizing the first mixed aqueous solution. Thereby, a layered low-density layer can be introduced into the nickel composite hydroxide.
切り替えの時期は、低密度層の厚さによって調整すればよいが、例えば、晶析開始から晶析終了まで供給するすべての混合水溶液(第1及び第2混合水溶液を含む)中のニッケル、コバルト、マンガン及びMの合計で、12.5原子%以上80原子%以下を投入後に酸化性雰囲気に切り替えることが好ましく、50原子%以上70原子%以下にするとより好ましい。酸化性雰囲気に切り替え後は、ニッケル、コバルト、マンガン及びMの合計で2.5原子%以上10原子%以下を投入することが好ましい。また、混合水溶液の濃度と供給速度が一定であれば、晶析時間によって切り替えることができる。すなわち、晶析開始から晶析終了までの晶析時間の12.5%~80%経過した時点で雰囲気を切り替えることが好ましく、酸化性雰囲気では2.5%~10%の時間で保持することが好ましい。これにより所望の位置に所望の厚さの低密度層が形成される。 The timing of switching can be adjusted depending on the thickness of the low-density layer, but for example, if the nickel and cobalt in all mixed aqueous solutions (including the first and second mixed aqueous solutions) supplied from the start of crystallization to the end of crystallization, It is preferable to switch to an oxidizing atmosphere after introducing a total of 12.5 atom % or more and 80 atom % or less of manganese and M, and more preferably 50 atom % or more and 70 atom % or less. After switching to an oxidizing atmosphere, it is preferable to add nickel, cobalt, manganese, and M in a total amount of 2.5 atomic % or more and 10 atomic % or less. Furthermore, if the concentration and supply rate of the mixed aqueous solution are constant, they can be changed depending on the crystallization time. That is, it is preferable to switch the atmosphere after 12.5% to 80% of the crystallization time from the start of crystallization to the end of crystallization has elapsed, and in the case of an oxidizing atmosphere, the atmosphere should be maintained for 2.5% to 10% of the time. is preferred. As a result, a low-density layer with a desired thickness is formed at a desired position.
(第3の粒子成長工程S23)
第3の粒子成長工程S23は、ニッケル複合水酸化物のマンガンリッチ層を形成する工程に相当する。第3の粒子成長工程S23は、第2の粒子成長工程S22から、雰囲気を酸素濃度が5容量%未満の非酸化性雰囲気に切り替え、供給する混合水溶液を第2の混合溶液に切り替えることにより行う。第2の混合溶液はコバルトを多く含むため、マンガンリッチ層が形成される。
(Third particle growth step S23)
The third particle growth step S23 corresponds to a step of forming a manganese-rich layer of nickel composite hydroxide. The third particle growth step S23 is performed by switching the atmosphere from the second particle growth step S22 to a non-oxidizing atmosphere with an oxygen concentration of less than 5% by volume, and switching the mixed aqueous solution to be supplied to the second mixed solution. . Since the second mixed solution contains a large amount of cobalt, a manganese-rich layer is formed.
第3の粒子成長工程S23で用いられる第2の混合水溶液は、少なくともマンガン塩を含み、ニッケル塩やコバルト塩を含んでもよい。金属塩としては、硫酸塩、硝酸塩および塩化物などを使用することができ、コスト、不純物および廃液処理の観点から、硫酸塩を使用することが好ましい。なお、ニッケル、コバルト、マンガン以外の元素を添加する場合は、上記混合水溶液に添加元素の塩を加えることが好ましい。 The second mixed aqueous solution used in the third particle growth step S23 contains at least a manganese salt, and may also contain a nickel salt or a cobalt salt. As the metal salt, sulfates, nitrates, chlorides, etc. can be used, and sulfates are preferably used from the viewpoints of cost, impurities, and waste liquid treatment. In addition, when adding elements other than nickel, cobalt, and manganese, it is preferable to add a salt of the added element to the mixed aqueous solution.
第2の混合水溶液の組成は、ニッケルとコバルトとマンガンと元素MをNi:Co:Mn:M=1-x2-y2-z2:x2:y2:z2(ただし、Mは、Ni、Co、Mn以外の遷移金属元素、2族元素、および13族元素からなる群から選ばれる少なくとも1種の元素であり、x2及びy2は、x2=0及びy2=1を満たす、又は、y2/((1-x2-y2-z2)+x2)≧1を満たし、z2は0≦z2≦0.1の範囲内である。)の原子比を含む。第3の粒子成長工程で形成されたマンガンリッチ層の組成が最終的に得られる正極活物質のマンガンリッチ層の組成に引き継がれるため、最終的に得られる正極活物質のマンガンリッチ層の組成に合わせて第2の混合水溶液の組成を決定する。 The composition of the second mixed aqueous solution is Ni:Co:Mn:M=1-x2-y2-z2:x2:y2:z2 (where M is Ni, Co, Mn). is at least one element selected from the group consisting of transition metal elements, group 2 elements, and group 13 elements, and x2 and y2 satisfy x2=0 and y2=1, or y2/((1 −x2−y2−z2)+x2)≧1, and z2 is within the range of 0≦z2≦0.1. Since the composition of the manganese-rich layer formed in the third particle growth step is inherited by the composition of the manganese-rich layer of the finally obtained positive electrode active material, the composition of the manganese-rich layer of the finally obtained positive electrode active material Together, the composition of the second mixed aqueous solution is determined.
第2の混合水溶液の濃度は、各金属塩の合計で、1.0mol/L~2.2mol/Lとすることが好ましく、1.5mol/L~2.1mol/Lとすることがより好ましい。第2の混合水溶液の濃度が低いと添加する第1の混合水溶液の量が多くなり、効率よく核生成が行えない。また、第2の混合水溶液の濃度が高いと常温での飽和濃度に近くなるため、結晶が再析出して設備の配管を詰まらせるなどの危険がある。 The concentration of the second mixed aqueous solution is preferably 1.0 mol/L to 2.2 mol/L, more preferably 1.5 mol/L to 2.1 mol/L in total of each metal salt. . If the concentration of the second mixed aqueous solution is low, the amount of the first mixed aqueous solution to be added will be large, and nucleation cannot be performed efficiently. Further, if the concentration of the second mixed aqueous solution is high, the concentration will be close to the saturated concentration at room temperature, so there is a risk that crystals will re-precipitate and clog the pipes of the equipment.
以上より、本発明の一実施形態に係るニッケル複合水酸化物の製造方法によれば、一般式(1):Ni1-x1-y1-z1Cox1Mny1Mz1(OH)2+α1(上記式(1)中、Mは、Ni、Co、Mn以外の遷移金属元素、2族元素、及び13族元素からなる群から選ばれる少なくとも1種の元素であり、x1は0.15≦x1≦0.25、y1は0.15≦y1≦0.25、z1は0≦z1≦0.1の範囲内にあり、0.3≦x1+y1+z1≦0.5を満たし、α1は-0.2≦α1≦0.2である。)で表され、上記二次粒子の粒子表面から粒子内部に向けてマンガンリッチ層と、上記二次粒子の中央部と上記マンガンリッチ層の間に層状の低密度層を有し、上記マンガンリッチ層は、一般式(2):Ni1-x2-y2-Z2Cox2Mny2Mz2(OH)2+α2(上記式(2)中、Mは、Ni、Co、Mn以外の遷移金属元素、2族元素、および13族元素からなる群から選ばれる少なくとも1種の元素であり、x2及びy2は、x2=0及びy2=1を満たす、又は、y2/((1-x2-y2-z2)+x2)≧1を満たし、z2は0≦z2≦0.1の範囲内であり、α2は-0.2≦α2≦0.2である。)で表され、上記マンガンリッチ層の厚さは、上記二次粒子の直径に対して1%以上10%以下であり、かつ、上記低密度層の厚さは、上記二次粒子の直径に対して1%以上10%以下であることを特徴とするニッケル複合水酸化物を得ることができる。 From the above, according to the method for producing a nickel composite hydroxide according to an embodiment of the present invention, general formula (1): Ni 1-x1-y1-z1 Co x1 Mn y1 M z1 (OH) 2+α1 (the above formula In (1), M is at least one element selected from the group consisting of transition metal elements other than Ni, Co, and Mn, group 2 elements, and group 13 elements, and x1 is 0.15≦x1≦0. .25, y1 is 0.15≦y1≦0.25, z1 is within the range of 0≦z1≦0.1, satisfies 0.3≦x1+y1+z1≦0.5, α1 is -0.2≦α1 ≦0.2), a manganese-rich layer from the particle surface of the secondary particle toward the inside of the particle, and a layered low-density layer between the center of the secondary particle and the manganese-rich layer. The manganese-rich layer has the general formula (2): Ni 1-x2-y2-Z2 Co x2 Mn y2 M z2 (OH) 2+α2 (In the above formula (2), M is Ni, Co, Mn is at least one element selected from the group consisting of transition metal elements, group 2 elements, and group 13 elements, and x2 and y2 satisfy x2=0 and y2=1, or y2/((1 -x2-y2-z2)+x2)≧1, z2 is within the range of 0≦z2≦0.1, α2 is -0.2≦α2≦0.2), and the above The thickness of the manganese-rich layer is 1% or more and 10% or less with respect to the diameter of the secondary particles, and the thickness of the low-density layer is 1% or more and 10% or less with respect to the diameter of the secondary particles. % or less can be obtained.
<3.リチウムイオン二次電池用正極活物質>
本発明の一実施形態に係るリチウムイオン二次電池用正極活物質は、二次粒子の粒子表面から粒子内部に向けてマンガンリッチ層と、二次粒子の中央部とマンガンリッチ層の間に層状の空隙層を有する。本発明の一実施形態に係るリチウムイオン二次電池用正極活物質は、上述したマンガンリッチ層と粒子中央部の間に層状の低密度層を有するニッケル複合水酸化物と、リチウム化合物とを混合して、特定条件で焼成することにより、表層部(マンガンリッチ層)はマンガンが豊富な層を維持したまま、また、低密度層は粒子中央部に吸収され空隙層となりながら、リチウムを二次粒子内部に分散させて、製造される。リチウムイオン二次電池用正極活物質は、リチウムを含むマンガンリッチ層を有し、かつ、後述するように、結晶性の高い粒子を得ることで、より高い耐久性を得ることができる。
<3. Cathode active material for lithium ion secondary batteries>
The positive electrode active material for a lithium ion secondary battery according to an embodiment of the present invention has a manganese-rich layer formed from the particle surface of the secondary particles toward the inside of the particles, and a layer formed between the central part of the secondary particles and the manganese-rich layer. It has a void layer of A positive electrode active material for a lithium ion secondary battery according to an embodiment of the present invention is a mixture of a nickel composite hydroxide having a layered low-density layer between the manganese-rich layer and the center of the particles, and a lithium compound. By firing under specific conditions, the surface layer (manganese-rich layer) maintains a manganese-rich layer, and the low-density layer is absorbed into the center of the particle and becomes a void layer, while secondary lithium is generated. It is manufactured by dispersing it inside particles. The positive electrode active material for a lithium ion secondary battery has a manganese-rich layer containing lithium, and, as described later, can obtain higher durability by obtaining particles with high crystallinity.
本発明の一実施形態に係るリチウムイオン二次電池用正極活物質は、複数の一次粒子が互いに凝集した二次粒子からなり、六方晶系の層状構造を有するリチウムニッケル複合酸化物により構成される。また、リチウムニッケル複合酸化物は、リチウムとニッケルとコバルトとマンガンと元素MをLi:Ni:Co:Mn:M=1+u:1-x1-y1-z1:x1:y1:z1(ただし、uは-0.05≦u≦0.50、Mは、Ni、Co、Mn以外の遷移金属元素、2族元素、及び13族元素からなる群から選ばれる少なくとも1種の元素であり、x1は0.15≦x1≦0.25、y1は0.15≦y1≦0.25、z1は0≦z1≦0.1)の原子比で含む。 A positive electrode active material for a lithium ion secondary battery according to an embodiment of the present invention is composed of secondary particles in which a plurality of primary particles aggregate with each other, and is composed of a lithium-nickel composite oxide having a hexagonal layered structure. . In addition, lithium-nickel composite oxide is made by combining lithium, nickel, cobalt, manganese, and element M into Li:Ni:Co:Mn:M=1+u:1-x1-y1-z1:x1:y1:z1 (however, u is −0.05≦u≦0.50, M is at least one element selected from the group consisting of transition metal elements other than Ni, Co, and Mn, group 2 elements, and group 13 elements, and x1 is 0 .15≦x1≦0.25, y1 is 0.15≦y1≦0.25, and z1 is contained in an atomic ratio of 0≦z1≦0.1).
リチウムの過剰量を示すuは、-0.05以上0.50以下であり、-0.05以上0.20以下とすることが好ましい。uが-0.05未満の場合、得られた正極活物質を用いたリチウムイオン二次電池における正極の反応抵抗が大きくなるため、二次電池の出力が低くなる。一方、uが0.50を超える場合、この正極活物質を用いた二次電池の初期放電容量が低下するとともに、正極の反応抵抗も増加してしまう。高容量化の観点から、uを-0.02以上0.10以下とすることがより好ましい。なお、正極活物質の組成は、ICP発光分析法により求めることができる。 u, which indicates the excess amount of lithium, is −0.05 or more and 0.50 or less, preferably −0.05 or more and 0.20 or less. When u is less than −0.05, the reaction resistance of the positive electrode in a lithium ion secondary battery using the obtained positive electrode active material increases, and the output of the secondary battery decreases. On the other hand, when u exceeds 0.50, the initial discharge capacity of a secondary battery using this positive electrode active material decreases, and the reaction resistance of the positive electrode also increases. From the viewpoint of increasing capacity, it is more preferable that u is set to -0.02 or more and 0.10 or less. Note that the composition of the positive electrode active material can be determined by ICP emission spectrometry.
上記リチウムイオン二次電池用正極活物質中のマンガンリッチ層は、リチウムとニッケルとコバルトとマンガンと元素MをLi:Ni:Co:Mn:M=1+u:1-x2-y2-z2:x2:y2:z2(ただし、uは-0.05≦u≦0.50、Mは、Ni、Co、Mn以外の遷移金属元素、2族元素、および13族元素からなる群から選ばれる少なくとも1種の元素であり、x2及びy2は、x2=0及びy2=1を満たす、又は、y2/((1-x2-y2-z2)+x2)≧1を満たし、z2は0≦z2≦0.1の範囲内である)の原子比で含む。なお、y2は、0.5≦y2≦1である。 The manganese-rich layer in the positive electrode active material for a lithium ion secondary battery contains lithium, nickel, cobalt, manganese, and element M as Li:Ni:Co:Mn:M=1+u:1-x2-y2-z2:x2: y2:z2 (where u is -0.05≦u≦0.50, M is at least one element selected from the group consisting of transition metal elements other than Ni, Co, and Mn, group 2 elements, and group 13 elements) x2 and y2 satisfy x2=0 and y2=1, or y2/((1-x2-y2-z2)+x2)≧1, and z2 satisfies 0≦z2≦0.1 (within the range of ). Note that y2 satisfies 0.5≦y2≦1.
上記リチウムイオン二次電池用正極活物質中のマンガンリッチ層は、ニッケル及びコバルトを含まない(x2=0、y2=1)、又は、ニッケル及びコバルトに対するマンガン比[y2/((1-x2-y2-z2)+x2)]が1以上である。 The manganese-rich layer in the positive electrode active material for lithium ion secondary batteries does not contain nickel and cobalt (x2=0, y2=1), or the manganese-rich layer with respect to nickel and cobalt [y2/((1-x2- y2-z2)+x2)] is 1 or more.
上記リチウムイオン二次電池用正極活物質中のマンガンリッチ層は、その厚さが、二次粒子の直径に対して1%以上10%以下である。これにより、サイクル特性を向上させることができる。マンガンリッチ層の厚さが1%未満になると、粒子内部の組成の影響を受けて耐久性の向上が十分に得られない。一方、厚さが10%を超えると、二次粒子全体の組成がマンガンリッチとなり、電池容量が低下する、あるいは、マンガンリッチ層のマンガン組成比y2が0.5未満となり、十分なサイクル特性改善の効果が得られない。また、正極活物質中のマンガンリッチ層の厚さは、EDXによる組成マッピングや線分析により求めることができる。また、二次粒子の直径は、走査型電子顕微鏡を用いた二次粒子の観察により求めることができる。マンガンリッチ層の厚さや二次粒子の直径は、二次粒子間で変動する場合があるため、複数の二次粒子を測定して平均値として求めることが好ましい(上述したニッケル複合水酸化物の記載を参照)。なお、マンガンリッチ層の組成は、例えば、走査型電子顕微鏡の断面観察におけるエネルギー分散型X線分析(EDX)の定量分析に求めることができ、ニッケルとコバルトの合計に対するマンガン比(マンガン比=マンガンの組成比/(ニッケルの組成比+コバルトの組成比))が1以上となっていることでマンガンリッチ層を判断できる。 The thickness of the manganese-rich layer in the positive electrode active material for a lithium ion secondary battery is 1% or more and 10% or less of the diameter of the secondary particles. Thereby, cycle characteristics can be improved. When the thickness of the manganese-rich layer is less than 1%, sufficient improvement in durability cannot be obtained due to the influence of the composition inside the particles. On the other hand, if the thickness exceeds 10%, the composition of the entire secondary particle becomes manganese-rich, resulting in a decrease in battery capacity, or the manganese composition ratio y2 of the manganese-rich layer becomes less than 0.5, resulting in insufficient improvement in cycle characteristics. effect cannot be obtained. Further, the thickness of the manganese-rich layer in the positive electrode active material can be determined by composition mapping using EDX or line analysis. Further, the diameter of the secondary particles can be determined by observing the secondary particles using a scanning electron microscope. The thickness of the manganese-rich layer and the diameter of the secondary particles may vary between secondary particles, so it is preferable to measure multiple secondary particles and find the average value (the above-mentioned nickel composite hydroxide (see description). The composition of the manganese-rich layer can be determined, for example, by quantitative analysis using energy-dispersive A manganese-rich layer can be determined when the composition ratio/(nickel composition ratio+cobalt composition ratio)) is 1 or more.
上記リチウムイオン二次電池用正極活物質中の層状の空隙層は、その厚さが、二次粒子の直径に対して1%以上10%以下である。これにより、結晶性の高い粒子を得るための焼成温度においても粒子内部の組成拡散が抑制することができ、正極活物質粒子表面にマンガンリッチ層を維持することが可能となり、サイクル特性が向上する。空隙層が形成されないと、組成拡散によりマンガンリッチ層が形成されない。一方、空隙層の厚さが10%を超えると、二次粒子の粒子密度や充填性が大きく低下する。 The thickness of the layered void layer in the positive electrode active material for a lithium ion secondary battery is 1% or more and 10% or less of the diameter of the secondary particles. This makes it possible to suppress compositional diffusion inside the particles even at the firing temperature required to obtain highly crystalline particles, making it possible to maintain a manganese-rich layer on the surface of the positive electrode active material particles, improving cycle characteristics. . If a void layer is not formed, a manganese-rich layer will not be formed due to compositional diffusion. On the other hand, when the thickness of the void layer exceeds 10%, the particle density and filling properties of the secondary particles are significantly reduced.
上記リチウムイオン二次電池用正極活物質は、X線回折測定による(003)面のピークから算出した結晶子径が100nm以上150nm以下である。これにより、高い電池容量と優れた耐久性を両立することができる。100nm未満では結晶性が十分でない可能性が高く、高い出力特性が得られにくい。また、150nmを超える場合では過焼成による各種電池特性の悪化がみられる。 The positive electrode active material for a lithium ion secondary battery has a crystallite diameter of 100 nm or more and 150 nm or less, calculated from the peak of the (003) plane by X-ray diffraction measurement. This makes it possible to achieve both high battery capacity and excellent durability. If it is less than 100 nm, there is a high possibility that the crystallinity is not sufficient, making it difficult to obtain high output characteristics. Moreover, when the thickness exceeds 150 nm, deterioration of various battery characteristics is observed due to over-firing.
上記リチウムイオン二次電池用正極活物質は、レーザー回折散乱法によって測定された粒度分布において、体積平均粒径(Mv)が4μm以上10μm以下であることが好ましい。これにより、高い出力特性を得ることができる。 The positive electrode active material for a lithium ion secondary battery preferably has a volume average particle diameter (Mv) of 4 μm or more and 10 μm or less in a particle size distribution measured by a laser diffraction scattering method. Thereby, high output characteristics can be obtained.
上記リチウムイオン二次電池用正極活物質は、累積90体積%径(D90)及び累積10体積%径(D10)と、上記体積平均粒径(Mv)とによって算出される、粒径のばらつき指数を示す[(D90-D10)/Mv]が、0.60以下であることが好ましい。これにより、微粒子や粗大粒子の混入を低減し、さらにバラつきの少ない高い出力特性を得ることができる。なお、体積平均粒径(Mv)や、D90及びD10は、ニッケル複合水酸化物と同様にして求めることができる。 The positive electrode active material for a lithium ion secondary battery has a particle size variation index calculated from a cumulative 90 volume % diameter (D90), a cumulative 10 volume % diameter (D10), and the volume average particle diameter (Mv). [(D90-D10)/Mv] is preferably 0.60 or less. Thereby, it is possible to reduce the contamination of fine particles and coarse particles, and to obtain high output characteristics with less variation. Note that the volume average particle diameter (Mv), D90, and D10 can be determined in the same manner as for the nickel composite hydroxide.
<4.リチウムイオン二次電池用正極活物質の製造方法>
本発明の一実施形態に係るリチウムイオン二次電池用正極活物質の製造方法は、ニッケル複合水酸化物とリチウム化合物とを混合してリチウム混合物を形成させるリチウム混合工程S30と、上記リチウム混合物を酸化性雰囲気中において800℃以上950℃以下の温度で焼成する焼成工程S40とを有する。以下それぞれの工程について説明する。
<4. Manufacturing method of positive electrode active material for lithium ion secondary battery>
A method for producing a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery according to an embodiment of the present invention includes a lithium mixing step S30 in which a nickel composite hydroxide and a lithium compound are mixed to form a lithium mixture; A firing step S40 is performed in which firing is performed at a temperature of 800° C. or higher and 950° C. or lower in an oxidizing atmosphere. Each process will be explained below.
(リチウム混合工程S30)
リチウム混合工程S30では、上述のニッケル複合水酸化物とリチウム化合物と混合して、リチウム混合物を形成させる。リチウム化合物としては、特に限定されず公知のリチウム化合物が用いられることができ、例えば、入手が容易であるという観点から、水酸化リチウム、硝酸リチウム、炭酸リチウム、もしくはこれらの混合物が好ましく用いられる。これらの中でも、リチウム化合物としては、取り扱いの容易さ、品質の安定性の観点から、より好ましくは水酸化リチウム又は炭酸リチウムが用いられる。
(Lithium mixing step S30)
In the lithium mixing step S30, the above-described nickel composite hydroxide and lithium compound are mixed to form a lithium mixture. The lithium compound is not particularly limited and any known lithium compound can be used. For example, from the viewpoint of easy availability, lithium hydroxide, lithium nitrate, lithium carbonate, or a mixture thereof is preferably used. Among these, lithium hydroxide or lithium carbonate is more preferably used as the lithium compound from the viewpoint of ease of handling and stability of quality.
ニッケル複合水酸化物とリチウム化合物とは、リチウム混合物中のリチウム以外の金属の原子数、すなわち、ニッケル、コバルトおよび添加元素の原子数の和(Me)と、リチウムの原子数(Li)との比(Li/Me)が0.95~1.50、好ましくは0.95~1.20、より好ましくは0.98~1.10である。すなわち、焼成工程前後でLi/Meは変化しないので、このリチウム混合工程S30で混合するLi/Meが正極活物質におけるLi/Meとなるため、リチウム混合物におけるLi/Meが、得ようとする正極活物質におけるLi/Meと同じになるように混合される。 Nickel composite hydroxide and lithium compound are based on the number of atoms of metals other than lithium in the lithium mixture, that is, the sum of the number of atoms of nickel, cobalt, and additional elements (Me), and the number of atoms of lithium (Li). The ratio (Li/Me) is 0.95 to 1.50, preferably 0.95 to 1.20, more preferably 0.98 to 1.10. That is, since Li/Me does not change before and after the firing process, the Li/Me mixed in this lithium mixing step S30 becomes the Li/Me in the positive electrode active material, so that the Li/Me in the lithium mixture becomes the positive electrode to be obtained. They are mixed to be the same as Li/Me in the active material.
また、混合には、一般的な混合機を使用することができ、シェイカーミキサ、レーディゲミキサ、ジュリアミキサ、Vブレンダなどを用いることができ、ニッケル複合水酸化物の形骸が破壊されない程度で、十分に混合されればよい。 Further, for mixing, a general mixer can be used, such as a shaker mixer, Loedige mixer, Julia mixer, V blender, etc., to the extent that the skeleton of the nickel composite hydroxide is not destroyed. It suffices if they are mixed.
(焼成工程S40)
焼成工程S40では、リチウム混合物を酸化性雰囲気中において800℃以上950℃以下の温度で焼成する。焼成は、酸化性雰囲気中で、800℃以上950℃以下で行うことが好ましい。焼成温度が800℃未満では、高い結晶性が得られず、電池に用いられた場合に高い出力特性が得られない。一方、950℃を超えると、過焼によりリチウムサイトに各種遷移金属が入るカチオンミキシングが起こり、各種電池特性が悪化する。また、焼成時間は、特に限定されないが、1時間以上24時間以内程度であることが好ましい。
(Firing step S40)
In the firing step S40, the lithium mixture is fired at a temperature of 800° C. or more and 950° C. or less in an oxidizing atmosphere. The firing is preferably performed at a temperature of 800° C. or higher and 950° C. or lower in an oxidizing atmosphere. If the firing temperature is less than 800° C., high crystallinity cannot be obtained, and high output characteristics cannot be obtained when used in a battery. On the other hand, when the temperature exceeds 950° C., cation mixing occurs in which various transition metals enter lithium sites due to overfiring, and various battery characteristics deteriorate. Further, the firing time is not particularly limited, but is preferably about 1 hour or more and 24 hours or less.
なお、ニッケル複合水酸化物またはニッケル複合酸化物と、リチウム化合物との反応を均一に行わせる観点から、昇温速度を1℃/min~5℃/minとして上記温度まで昇温することが好ましい。さらには、リチウム化合物の融点付近の温度で1時間以上10時間以下程度保持することで、より反応を均一に行わせることができる。 In addition, from the viewpoint of uniformly performing the reaction between the nickel composite hydroxide or nickel composite oxide and the lithium compound, it is preferable to raise the temperature to the above temperature at a heating rate of 1 ° C / min to 5 ° C / min. . Furthermore, the reaction can be carried out more uniformly by maintaining the temperature near the melting point of the lithium compound for about 1 hour or more and 10 hours or less.
以上より、本発明の一実施形態に係るリチウムイオン二次電池用正極活物質の製造方法によれば、上記リチウムニッケル複合酸化物は、一般式(3):Li1+uNi1-x1-y1-z1Cox1Mny1Mz1O2+β1(上記式(3)中、Mは、Ni、Co、Mn以外の遷移金属元素、2族元素、および13族元素からなる群から選ばれる少なくとも1種の元素であり、uは-0.05≦u≦0.50、x1は0.15≦x1≦0.25、y1は0.15≦y1≦0.25、z1は0≦z1≦0.1の範囲内にあり、0.3≦x1+y1+z1≦0.5を満たし、β1は-0.2≦β1≦0.2である。)で表され、上記二次粒子の粒子表面から粒子内部に向けてマンガンリッチ層と、上記二次粒子の中央部と上記マンガンリッチ層の間に層状の空隙層を有し、上記マンガンリッチ層は、一般式(4):Li1+uNi1-x2-y2-z2Cox2Mny2Mz2O2+β2(上記式(4)中、Mは、Ni、Co、Mn以外の遷移金属元素、2族元素、および13族元素からなる群から選ばれる少なくとも1種の元素であり、uは-0.05≦u≦0.50で表され、x2及びy2は、x2=0及びy2=1を満たす、又は、y2/((1-x2-y2-z2)+x2)≧1を満たし、z2は0≦z2≦0.1の範囲内であり、β2は-0.2≦β2≦0.2である。)で表され、上記マンガンリッチ層の厚さは、上記二次粒子の直径に対して1%以上10%以下であり、かつ、上記空隙層の厚さは、上記二次粒子の直径に対して1%以上10%以下であり、X線回折測定による(003)面のピークから算出した結晶子径が100nm以上150nm以下であることを特徴とするリチウムイオン二次電池用正極活物質を得ることができる。 As described above, according to the method for producing a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery according to an embodiment of the present invention, the lithium nickel composite oxide has the general formula (3): Li 1+u Ni 1-x1-y1- z1 Co x1 Mn y1 M z1 O 2+β1 (In the above formula (3), M is at least one element selected from the group consisting of transition metal elements other than Ni, Co, and Mn, group 2 elements, and group 13 elements) , u is -0.05≦u≦0.50, x1 is 0.15≦x1≦0.25, y1 is 0.15≦y1≦0.25, z1 is 0≦z1≦0.1. (within the range of 0.3≦x1+y1+z1≦0.5, and β1 is −0.2≦β1≦0.2), from the particle surface of the secondary particle toward the inside of the particle. The manganese-rich layer has a layered void layer between the central part of the secondary particles and the manganese-rich layer, and the manganese-rich layer has a general formula (4): Li 1+u Ni 1-x2-y2-z2 Co x2 Mn y2 M z2 O 2+β2 (In the above formula (4), M is at least one element selected from the group consisting of transition metal elements other than Ni, Co, and Mn, group 2 elements, and group 13 elements) Yes, u is expressed as -0.05≦u≦0.50, and x2 and y2 satisfy x2=0 and y2=1, or y2/((1-x2-y2-z2)+x2)≧ 1, z2 is within the range of 0≦z2≦0.1, and β2 is -0.2≦β2≦0.2), and the thickness of the manganese-rich layer is The thickness of the void layer is 1% or more and 10% or less with respect to the diameter of the secondary particles, and the thickness of the void layer is 1% or more and 10% or less with respect to the diameter of the secondary particles, and the thickness is determined by X-ray diffraction measurement. It is possible to obtain a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery characterized in that the crystallite diameter calculated from the peak of the 003) plane is 100 nm or more and 150 nm or less.
<5.リチウムイオン二次電池>
本発明の一実施形態に係るリチウムイオン二次電池は、リチウムイオン二次電池用正極活物質を含む正極を備えることを特徴とする。また、上記リチウムイオン二次電池は、一般のリチウムイオン二次電池と同様の構成要素により構成されることができ、例えば、正極、負極及び非水系電解液を含む。なお、以下で説明する実施形態は例示に過ぎず、本実施形態のリチウムイオン二次電池は、本明細書に記載されている実施形態を基に、当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した形態で実施することができる。また、本実施形態のリチウムイオン二次電池は、その用途を特に限定するものではない。
<5. Lithium ion secondary battery>
A lithium ion secondary battery according to an embodiment of the present invention is characterized by including a positive electrode containing a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery. Further, the lithium ion secondary battery can be configured with the same components as a general lithium ion secondary battery, and includes, for example, a positive electrode, a negative electrode, and a non-aqueous electrolyte. Note that the embodiment described below is merely an example, and the lithium ion secondary battery of this embodiment can be modified in various ways based on the embodiment described in this specification and based on the knowledge of those skilled in the art. It can be implemented in an improved form. Moreover, the lithium ion secondary battery of this embodiment is not particularly limited in its use.
(a)正極
先に述べたリチウムイオン二次電池用正極活物質を用い、例えば、以下のようにして、リチウムイオン二次電池の正極を作製する。まず、粉末状の正極活物質、導電材、結着剤を混合し、さらに必要に応じて活性炭、粘度調整等の目的の溶剤を添加し、これを混練して正極合材ペーストを作製する。正極合材ペースト中のそれぞれの成分の混合比は、例えば、溶剤を除いた正極合材の固形分の全質量を100質量部とした場合、一般のリチウムイオン二次電池の正極と同様、正極活物質の含有量を60~95質量部とし、導電材の含有量を1~20質量部とし、結着剤の含有量を1~20質量部とすることが好ましい。
(a) Positive electrode A positive electrode for a lithium ion secondary battery is produced, for example, in the following manner using the positive electrode active material for a lithium ion secondary battery described above. First, a powdered positive electrode active material, a conductive material, and a binder are mixed, and if necessary, activated carbon and a solvent for purposes such as viscosity adjustment are added, and the mixture is kneaded to prepare a positive electrode composite paste. The mixing ratio of each component in the positive electrode composite paste is, for example, assuming that the total solid content of the positive electrode composite excluding the solvent is 100 parts by mass. It is preferable that the content of the active material is 60 to 95 parts by mass, the content of the conductive material is 1 to 20 parts by mass, and the content of the binder is 1 to 20 parts by mass.
得られた正極合材ペーストを、例えば、アルミニウム箔製の集電体の表面に塗布し、乾燥して、溶剤を飛散させる。必要に応じ、電極密度を高めるべく、ロールプレス等により加圧することもある。このようにして、シート状の正極を作製することができる。シート状の正極は、目的とする電池に応じて適当な大きさに裁断等をして、電池の作製に供することができる。ただし、正極の作製方法は、例示のものに限られることなく、他の方法によってもよい。 The obtained positive electrode mixture paste is applied to the surface of a current collector made of aluminum foil, for example, and dried to scatter the solvent. If necessary, pressure may be applied using a roll press or the like to increase the electrode density. In this way, a sheet-like positive electrode can be produced. The sheet-like positive electrode can be cut into an appropriate size depending on the intended battery and used for battery production. However, the method for producing the positive electrode is not limited to the exemplified method, and other methods may be used.
正極の導電剤としては、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、ケッチェンブラック(登録商標)などのカーボンブラック系材料などを用いることができる。 As the conductive agent for the positive electrode, for example, graphite (natural graphite, artificial graphite, expanded graphite, etc.), carbon black-based materials such as acetylene black, Ketjen black (registered trademark), etc. can be used.
結着剤は、活物質粒子をつなぎ止める役割を果たすもので、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、フッ素ゴム、エチレンプロピレンジエンゴム、スチレンブタジエン、セルロース系樹脂、ポリアクリル酸などを用いることができる。 The binder plays a role in binding the active material particles, and includes, for example, polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroethylene (PTFE), fluororubber, ethylene propylene diene rubber, styrene butadiene, cellulose resin, polyacrylic resin, etc. An acid etc. can be used.
なお、必要に応じ、正極活物質、導電材、活性炭を分散させ、結着剤を溶解する溶剤を正極合材に添加する。溶剤としては、具体的には、N-メチル-2-ピロリドン等の有機溶剤を用いることができる。また、正極合材には、電気二重層容量を増加させるために、活性炭を添加することができる。 Note that, if necessary, a solvent for dispersing the positive electrode active material, conductive material, and activated carbon and dissolving the binder is added to the positive electrode mixture. Specifically, an organic solvent such as N-methyl-2-pyrrolidone can be used as the solvent. Furthermore, activated carbon can be added to the positive electrode mixture in order to increase the electric double layer capacity.
(b)負極
負極には、金属リチウムやリチウム合金等、あるいは、リチウムイオンを吸蔵及び脱離できる負極活物質に、結着剤を混合し、適当な溶剤を加えてペースト状にした負極合材を、銅等の金属箔集電体の表面に塗布し、乾燥し、必要に応じて電極密度を高めるべく圧縮して形成したものを使用する。
(b) Negative electrode The negative electrode is made of metal lithium, lithium alloy, etc., or a negative electrode composite made by mixing a binder with a negative electrode active material that can absorb and desorb lithium ions, and adding an appropriate solvent to form a paste. is applied onto the surface of a metal foil current collector made of copper or the like, dried, and compressed to increase the electrode density if necessary.
負極活物質としては、例えば、天然黒鉛、人造黒鉛、フェノール樹脂等の有機化合物焼成体、コークス等の炭素物質の粉状体を用いることができる。この場合、負極結着剤としては、正極同様、PVDF等の含フッ素樹脂等を用いることができ、これらの活物質及び結着剤を分散させる溶剤としては、N-メチル-2-ピロリドン等の有機溶剤を用いることができる。 As the negative electrode active material, for example, natural graphite, artificial graphite, fired organic compounds such as phenol resin, and powdered carbon materials such as coke can be used. In this case, as the negative electrode binder, a fluororesin such as PVDF can be used as in the positive electrode, and as a solvent for dispersing these active materials and binder, N-methyl-2-pyrrolidone or the like can be used. Organic solvents can be used.
(c)セパレータ
正極と負極との間には、セパレータを挟み込んで配置する。セパレータは、正極と負極とを分離し、電解質を保持するものであり、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン等の薄い膜で、微少な孔を多数有する膜を用いることができる。
(c) Separator A separator is placed between the positive electrode and the negative electrode. The separator separates the positive electrode and the negative electrode and holds the electrolyte, and can be a thin film made of polyethylene, polypropylene, etc., and has many minute pores.
(d)非水系電解質
非水系電解質としては、非水電解液を用いることができる。非水系電解液は、例えば、支持塩としてのリチウム塩を有機溶媒に溶解したものを用いてもよい。また、非水系電解液として、イオン液体にリチウム塩が溶解したものを用いてもよい。なお、イオン液体とは、リチウムイオン以外のカチオンおよびアニオンから構成され、常温でも液体状を示す塩をいう。
(d) Non-aqueous electrolyte A non-aqueous electrolyte can be used as the non-aqueous electrolyte. As the non-aqueous electrolyte, for example, a solution in which a lithium salt as a supporting salt is dissolved in an organic solvent may be used. Further, as the non-aqueous electrolyte, an ionic liquid in which a lithium salt is dissolved may be used. Note that the ionic liquid refers to a salt that is composed of cations and anions other than lithium ions and remains in a liquid state even at room temperature.
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およ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、また、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、エチルメチルカーボネートおよびジプロピルカーボネートなどの鎖状カーボネート、さらに、テトラヒドロフラン、2-メチルテトラヒドロフランおよ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種を単独で用いてもよく、2種以上を混合して用いることができる。 Examples of organic solvents include cyclic carbonates such as ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate and trifluoropropylene carbonate, linear carbonates such as diethyl carbonate, dimethyl carbonate, ethylmethyl carbonate and dipropyl carbonate, and also tetrahydrofuran, 2- One type selected from ether compounds such as methyltetrahydrofuran and dimethoxyethane, sulfur compounds such as ethylmethylsulfone and butane sultone, and phosphorus compounds such as triethyl phosphate and trioctyl phosphate may be used alone, or two or more types may be used in combination. It can be used as
支持塩としては、LiPF6、LiBF4、LiClO4、LiAsF6、LiN(CF3SO2)2、およびそれらの複合塩などを用いることができる。さらに、非水系電解液は、ラジカル捕捉剤、界面活性剤および難燃剤などを含んでいてもよい。 As the supporting salt, LiPF 6 , LiBF 4 , LiClO 4 , LiAsF 6 , LiN(CF 3 SO 2 ) 2 , complex salts thereof, and the like can be used. Furthermore, the nonaqueous electrolyte may contain a radical scavenger, a surfactant, a flame retardant, and the like.
また、非水系電解質としては、固体電解質を用いてもよい。固体電解質は、高電圧に耐えうる性質を有する。固体電解質としては、無機固体電解質、有機固体電解質が挙げられる。 Furthermore, a solid electrolyte may be used as the non-aqueous electrolyte. A solid electrolyte has the property of being able to withstand high voltage. Examples of the solid electrolyte include inorganic solid electrolytes and organic solid electrolytes.
無機固体電解質として、酸化物系固体電解質、硫化物系固体電解質等が用いられる。 As the inorganic solid electrolyte, oxide-based solid electrolytes, sulfide-based solid electrolytes, etc. are used.
酸化物系固体電解質としては、特に限定されず、酸素(O)を含有し、かつ、リチウムイオン電導性と電子絶縁性とを有するものであれば用いることができる。酸化物系固体電解質としては、例えば、リン酸リチウム(Li3PO4)、Li3PO4NX、LiBO2NX、LiNbO3、LiTaO3、Li2SiO3、Li4SiO4-Li3PO4、Li4SiO4-Li3VO4、Li2O-B2O3-P2O5、Li2O-SiO2、Li2O-B2O3-ZnO、Li1+XAlXTi2-X(PO4)3(0≦X≦1)、Li1+XAlXGe2-X(PO4)3(0≦X≦1)、LiTi2(PO4)3、Li3XLa2/3-XTiO3(0≦X≦2/3)、Li5La3Ta2O12、Li7La3Zr2O12、Li6BaLa2Ta2O12、Li3.6Si0.6P0.4O4等が挙げられる。 The oxide-based solid electrolyte is not particularly limited, and any material that contains oxygen (O) and has lithium ion conductivity and electronic insulation can be used. Examples of oxide-based solid electrolytes include lithium phosphate ( Li 3 PO 4 ) , Li 3 PO 4 N X , LiBO 2 N PO 4 , Li 4 SiO 4 -Li 3 VO 4 , Li 2 O-B 2 O 3 -P 2 O 5 , Li 2 O-SiO 2 , Li 2 O-B 2 O 3 -ZnO, Li 1+X Al X Ti 2-X (PO 4 ) 3 (0≦X≦1), Li 1+X Al X Ge 2-X (PO 4 ) 3 (0≦X≦1), LiTi 2 (PO 4 ) 3 , Li 3 3-X TiO 3 (0≦X≦2/3), Li 5 La 3 Ta 2 O 12 , Li 7 La 3 Zr 2 O 12 , Li 6 BaLa 2 Ta 2 O 12 , Li 3.6 Si 0.6 Examples include P 0.4 O 4 and the like.
硫化物系固体電解質としては、特に限定されず、硫黄(S)を含有し、かつ、リチウムイオン電導性と電子絶縁性とを有するものであれば用いることができる。硫化物系固体電解質としては、例えば、Li2S-P2S5、Li2S-SiS2、LiI-Li2S-SiS2、LiI-Li2S-P2S5、LiI-Li2S-B2S3、Li3PO4-Li2S-Si2S、Li3PO4-Li2S-SiS2、LiPO4-Li2S-SiS、LiI-Li2S-P2O5、LiI-Li3PO4-P2S5等が挙げられる。 The sulfide-based solid electrolyte is not particularly limited, and any material that contains sulfur (S) and has lithium ion conductivity and electronic insulation can be used. Examples of the sulfide solid electrolyte include Li 2 SP 2 S 5 , Li 2 S-SiS 2 , LiI-Li 2 S-SiS 2 , LiI-Li 2 SP 2 S 5 , LiI-Li 2 S-B 2 S 3 , Li 3 PO 4 -Li 2 S-Si 2 S, Li 3 PO 4 -Li 2 S-SiS 2 , LiPO 4 -Li 2 S-SiS, LiI-Li 2 S-P 2 O 5 , LiI-Li 3 PO 4 -P 2 S 5 , and the like.
なお、無機固体系電解質としては、上記以外のものを用いてよく、例えば、Li3N、LiI、Li3N-LiI-LiOH等を用いてもよい。 Note that as the inorganic solid electrolyte, other than those mentioned above may be used, for example, Li 3 N, LiI, Li 3 N-LiI-LiOH, etc. may be used.
有機固体電解質としては、イオン電導性を示す高分子化合物であれば、特に限定されず、例えば、ポリエチレンオキシド、ポリプロピレンオキシド、これらの共重合体などを用いることができる。また、有機固体電解質は、支持塩(リチウム塩)を含んでいてもよい。 The organic solid electrolyte is not particularly limited as long as it is a polymer compound that exhibits ionic conductivity, and for example, polyethylene oxide, polypropylene oxide, copolymers thereof, etc. can be used. Moreover, the organic solid electrolyte may contain a supporting salt (lithium salt).
(e)電池の形状、構成
本発明の一実施形態に係るリチウムイオン二次電池は、例えば、上述したような正極、負極、セパレータ及び非水系電解液で構成される。また、リチウムイオン二次電池の形状は、特に限定されず、円筒型、積層型等、種々のものとすることができる。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、正極集電体と外部に通ずる正極端子との間、及び、負極集電体と外部に通ずる負極端子との間を、集電用リード等を用いて接続し、電池ケースに密閉して、リチウムイオン二次電池を完成させる。
(e) Shape and configuration of battery A lithium ion secondary battery according to an embodiment of the present invention is configured of, for example, the above-described positive electrode, negative electrode, separator, and non-aqueous electrolyte. Further, the shape of the lithium ion secondary battery is not particularly limited, and can be various shapes such as a cylindrical shape and a stacked type. Regardless of the shape, the positive electrode and negative electrode are laminated with a separator in between to form an electrode body, the obtained electrode body is impregnated with a non-aqueous electrolyte, and communicated with the positive electrode current collector to the outside. The positive electrode terminal and the negative electrode current collector and the negative electrode terminal communicating with the outside are connected using a current collecting lead or the like and sealed in a battery case to complete a lithium ion secondary battery.
本発明の一実施形態に係るリチウムイオン二次電池は、上述の正極活物質から構成された正極を備えることにより、優れたサイクル特性を有するものとなる。 A lithium ion secondary battery according to an embodiment of the present invention has excellent cycle characteristics by including a positive electrode made of the above-described positive electrode active material.
以下、実施例および比較例によって、本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例によって何ら限定されるものではない。なお、ニッケル複合水酸化物及びリチウムイオン二次電池用正極活物質の製造条件は各実施例及び比較例にて説明し、得られるニッケル複合水酸化物及びリチウムイオン二次電池用正極活物質の、体積平均粒径及び粒度分布測定、組成、SEM及びEDX分析、電池の製造、正極抵抗について先に説明する。 EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be explained in more detail with reference to Examples and Comparative Examples, but the present invention is not limited to these Examples in any way. The manufacturing conditions of the nickel composite hydroxide and the positive electrode active material for lithium ion secondary batteries are explained in each example and comparative example, and the manufacturing conditions of the nickel composite hydroxide and the positive electrode active material for lithium ion secondary batteries are explained in each example and comparative example. , volume average particle diameter and particle size distribution measurement, composition, SEM and EDX analysis, battery manufacturing, and positive electrode resistance will be described first.
(体積平均粒径及び粒度分布測定)
体積平均粒径及び粒度分布測定は、レーザー回折式粒度分布計(日機装株式会社製、商品名:マイクロトラック)により、タップ密度は、振とう比重測定器(株式会社蔵持科学器械製作所製、KRS-409)により測定した。組成分析は、ICP発光分析装置(株式会社島津製作所製、ICPS-8100)を用いて行った。
(Volume average particle diameter and particle size distribution measurement)
The volume average particle diameter and particle size distribution were measured using a laser diffraction particle size analyzer (manufactured by Nikkiso Co., Ltd., trade name: Microtrac), and the tap density was measured using a shaking specific gravity meter (manufactured by Kuramochi Scientific Instruments Manufacturing Co., Ltd., KRS-). 409). Compositional analysis was performed using an ICP emission spectrometer (manufactured by Shimadzu Corporation, ICPS-8100).
(組成)
粒子全体の組成は、ICP発光分光分析装置(株式会社島津製作所島津製作所製、ICPE-9000)を用いで確認した。
(composition)
The composition of the entire particle was confirmed using an ICP emission spectrometer (ICPE-9000, manufactured by Shimadzu Corporation, Shimadzu Corporation).
(SEM及びEDX分析)
粒子の構造については、ニッケル複合水酸化物粉末又はリチウムニッケル複合酸化物粉末を樹脂に埋め込み、集束イオンビーム加工により該粒子の断面観察が可能な状態とし、走査型電子顕微鏡(株式会社日立ハイテクノロジーズ製、商品名:S-4700)により観察した。
(SEM and EDX analysis)
Regarding the structure of the particles, nickel composite hydroxide powder or lithium nickel composite oxide powder was embedded in resin, and the cross section of the particles could be observed using focused ion beam processing. (trade name: S-4700) manufactured by M. Co., Ltd.).
ニッケル複合水酸化物粉末又はリチウムニッケル複合酸化物粉末における、マンガンリッチ層の組成分析は、エネルギー分散X線分光装置(EDX;日本電子株式会社社製、商品名:JED2300)、により分析した。EDX検出器は、分解能:137eVであり、測定条件は、管電圧20kV、管電流20μA、倍率5000倍、WD15mm、プロセスタイム4,計数400万カウント以上とした。 The composition of the manganese-rich layer in the nickel composite hydroxide powder or the lithium-nickel composite oxide powder was analyzed using an energy dispersive X-ray spectrometer (EDX; manufactured by JEOL Ltd., trade name: JED2300). The EDX detector had a resolution of 137 eV, and the measurement conditions were a tube voltage of 20 kV, a tube current of 20 μA, a magnification of 5000 times, a WD of 15 mm, a process time of 4, and a count of 4 million or more.
(電池の製造)
得られたリチウムイオン二次電池用正極活物質の評価は、以下のように電池を作製し、評価することで行なった。リチウムイオン二次電池用正極活物質52.5mg、アセチレンブラック15mg、およびポリテトラフッ化エチレン樹脂(PTFE)7.5mgを混合し、100MPaの圧力で直径11mm、厚さ100μmにプレス成形して正極PE(評価用電極)を作製した。その作製した正極を真空乾燥機中120℃で12時間乾燥した。そして、この正極を用いて2032型のコイン型電池を、露点が-80℃に管理されたAr雰囲気のグローブボックス内で作製した。
(Manufacturing of batteries)
The obtained positive electrode active material for a lithium ion secondary battery was evaluated by producing and evaluating a battery as follows. 52.5 mg of positive electrode active material for lithium ion secondary batteries, 15 mg of acetylene black, and 7.5 mg of polytetrafluoroethylene resin (PTFE) were mixed and press-molded at a pressure of 100 MPa to a diameter of 11 mm and a thickness of 100 μm to obtain a positive electrode PE ( An evaluation electrode) was prepared. The produced positive electrode was dried in a vacuum dryer at 120° C. for 12 hours. Then, using this positive electrode, a 2032 type coin-shaped battery was fabricated in a glove box in an Ar atmosphere with a dew point controlled at -80°C.
Li金属負極には、直径14mmの円盤状に打ち抜かれた平均粒径20μm程度の黒鉛粉末とポリフッ化ビニリデンが銅箔に塗布された負極シートを用い、電解液には、1MのLiPF6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3:7混合液(富山薬品工業株式会社製)を用いた。セパレータには膜厚25μmのポリエチレン多孔膜を用いた。また、コイン型電池は、ガスケットとウェーブワッシャーを有し、正極缶と負極缶とでコイン状の電池に組み立てられた。製造したコイン型電池の性能を示すサイクル特性は、以下のように評価した。 The Li metal negative electrode uses a negative electrode sheet in which graphite powder with an average particle size of approximately 20 μm punched out into a disk shape of 14 mm in diameter and polyvinylidene fluoride is coated on copper foil, and the electrolyte supports 1M LiPF 6 . A 3:7 mixed solution of ethylene carbonate (EC) and diethyl carbonate (DEC) (manufactured by Toyama Pharmaceutical Co., Ltd.) was used as an electrolyte. A polyethylene porous membrane with a thickness of 25 μm was used as the separator. Further, the coin-shaped battery has a gasket and a wave washer, and is assembled into a coin-shaped battery with a positive electrode can and a negative electrode can. The cycle characteristics indicating the performance of the manufactured coin-type battery were evaluated as follows.
(サイクル特性)
上記2032型コイン電池を用いて、2Cのレートで4.1VまでCC充電し、10分間休止した後、同じレートで3.0VまでCC放電し、10分間休止する、という充放電サイクルを500サイクル繰り返し、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。
(Cycle characteristics)
Using the above 2032 type coin battery, CC charge to 4.1V at a rate of 2C, rest for 10 minutes, then CC discharge to 3.0V at the same rate, and rest for 10 minutes, for 500 charge/discharge cycles. The capacity retention rate for 500 cycles was calculated by repeatedly measuring the 500th discharge capacity with respect to the initial discharge capacity.
以下に各実施例及び比較例の製造条件を説明する。 Manufacturing conditions for each example and comparative example will be explained below.
(実施例1)
第1の混合水溶液(原料溶液)として、硫酸ニッケル(ニッケル濃度:78.3g/L)と、硫酸コバルト(コバルト濃度:39.1g/L)と、硫酸マンガン(マンガン濃度:0.3g/L)の複合溶液を用意し、第2の混合水溶液(原料溶液)として、硫酸ニッケル(ニッケル濃度:58.7g/L)と、硫酸マンガン(マンガン濃度:55.0g/L)との複合溶液を用意した。各混合水溶液の金属濃度は2mol/Lであった。
(Example 1)
The first mixed aqueous solution (raw material solution) contains nickel sulfate (nickel concentration: 78.3 g/L), cobalt sulfate (cobalt concentration: 39.1 g/L), and manganese sulfate (manganese concentration: 0.3 g/L). ) was prepared, and a composite solution of nickel sulfate (nickel concentration: 58.7 g/L) and manganese sulfate (manganese concentration: 55.0 g/L) was prepared as a second mixed aqueous solution (raw material solution). Prepared. The metal concentration of each mixed aqueous solution was 2 mol/L.
反応槽(60L)内に、25Lの純水を入れて窒素雰囲気中(反応槽内の酸素濃度を2容量%以下)で撹拌しながら、槽内温度を42℃に設定し、そこへ25質量%水酸化ナトリウム水溶液と25質量%アンモニア水を適量加えて、槽内の液のpH値を、液温25℃基準で12.8に、液中のアンモニア濃度を10g/Lに調節し、反応前水溶液とした。ここに、第1の混合水溶液を130ml/分の割合で加えて、同時に、25質量%アンモニア水および25質量%水酸化ナトリウム水溶液を一定速度で加えていき、pH値を12.8(核生成pH)に制御しながら2分30秒間晶析を行った(核生成工程S10)。 Put 25L of pure water into a reaction tank (60L), set the temperature inside the tank to 42℃ while stirring in a nitrogen atmosphere (oxygen concentration in the reaction tank below 2% by volume), and add 25L of pure water to it. % sodium hydroxide aqueous solution and 25% by mass aqueous ammonia to adjust the pH value of the liquid in the tank to 12.8 based on the liquid temperature of 25°C and the ammonia concentration in the liquid to 10 g/L, and then react. It was made into a pre-aqueous solution. Here, the first mixed aqueous solution was added at a rate of 130 ml/min, and at the same time, 25% by mass ammonia water and 25% by mass aqueous sodium hydroxide solution were added at a constant rate, and the pH value was adjusted to 12.8 (nucleation Crystallization was performed for 2 minutes and 30 seconds while controlling the pH (nucleation step S10).
その後、pH値が液温25℃基準で11.6(核成長pH)になるまで、25質量%水酸化ナトリウム水溶液の供給のみを一時停止し、pH値が11.6に到達した後、再度25質量%水酸化ナトリウム水溶液の供給を再開し、pH値を11.6に制御したまま、非酸化性雰囲気で2.2時間(第1の粒子成長工程S21)、酸化性雰囲気(大気雰囲気)に切り替え0.2時間晶析を継続(第2の粒子成長工程S22)した後、非酸化性雰囲気に切り替え、かつ、第1の混合溶液(原料溶液)を第2の混合水溶液に切り替えて1.6時間晶析を継続(第3の粒子成長工程S23)し終了させた。晶析の終了後、生成物を水洗、濾過、乾燥させ、マンガンリッチ層を含むニッケルコバルトマンガン複合水酸化物粒子を得た。 After that, only the supply of the 25 mass% sodium hydroxide aqueous solution was temporarily stopped until the pH value reached 11.6 (nucleus growth pH) based on the liquid temperature of 25°C, and after the pH value reached 11.6, it was restarted again. The supply of the 25% by mass sodium hydroxide aqueous solution was restarted, and the pH value was controlled at 11.6 for 2.2 hours in a non-oxidizing atmosphere (first particle growth step S21), in an oxidizing atmosphere (atmospheric atmosphere). After continuing crystallization for 0.2 hours (second particle growth step S22), the atmosphere was switched to a non-oxidizing atmosphere, and the first mixed solution (raw material solution) was switched to the second mixed aqueous solution. Crystallization was continued for 6 hours (third particle growth step S23) and then terminated. After the crystallization was completed, the product was washed with water, filtered, and dried to obtain nickel-cobalt-manganese composite hydroxide particles containing a manganese-rich layer.
得られたニッケルコバルトマンガン複合水酸化物粒子全体の組成を発光分光分析装置により測定し、Ni:Co:Mn=60:20:20であることを確認した。また、マンガンリッチ層の組成は、EDXにより、Ni:Co:Mn=50:0:50であることを確認した。 The overall composition of the obtained nickel cobalt manganese composite hydroxide particles was measured using an emission spectrometer, and it was confirmed that Ni:Co:Mn=60:20:20. Further, the composition of the manganese-rich layer was confirmed by EDX to be Ni:Co:Mn=50:0:50.
また、マンガンリッチ層を含むニッケルコバルトマンガン複合水酸化物粒子の断面をSEMにより観察し、低密度層およびマンガンリッチ層の厚さを測定した。結果を表1に示す。 Furthermore, the cross section of the nickel cobalt manganese composite hydroxide particles including the manganese-rich layer was observed by SEM, and the thicknesses of the low-density layer and the manganese-rich layer were measured. The results are shown in Table 1.
次に、得られたマンガンリッチ層を含むニッケルコバルトマンガン複合水酸化物粒子と、Li/Me=1.04となるように秤量した炭酸リチウムを、シェイカーミキサ装置(ウィリー・エ・バッコーフェン(WAB)社製TURBULA TypeT2C)を用いて十分に混合し、リチウム混合物を得た。このリチウム混合物を空気(酸素:21容量%)気流中にて880℃で10時間保持して焼成し、その後、解砕してマンガンリッチ層を含むリチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物粒子を得た。 Next, the obtained nickel-cobalt-manganese composite hydroxide particles containing a manganese-rich layer and lithium carbonate weighed so that Li/Me = 1.04 were mixed in a shaker mixer device (Willi & Bacchofen (WAB)). A lithium mixture was obtained by thoroughly mixing the mixture using a TURBULA Type T2C (manufactured by Co., Ltd.). This lithium mixture was held and fired at 880° C. for 10 hours in an air stream (oxygen: 21% by volume), and then crushed to obtain lithium nickel cobalt manganese composite oxide particles containing a manganese-rich layer.
得られたマンガンリッチ層を含むリチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物粒子全体の組成を発光分光分析装置により測定し、Li:Ni:Co:Mn=104:60:20:20であることを確認した。また、マンガンリッチ層の組成は、EDXにより、Li:Ni:Co:Mn=104:50:0:50であることを確認した。 The composition of the entire lithium nickel cobalt manganese composite oxide particles including the obtained manganese-rich layer was measured using an emission spectrometer, and it was confirmed that Li:Ni:Co:Mn=104:60:20:20. Further, the composition of the manganese-rich layer was confirmed by EDX to be Li:Ni:Co:Mn=104:50:0:50.
また、マンガンリッチ層を含むリチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物粒子の断面をSEMにより観察し、空隙層およびマンガンリッチ層の厚さを測定した。また上述の通り電池を作製し、サイクル特性の評価を行った。評価結果を表2に示す。 Further, a cross section of the lithium nickel cobalt manganese composite oxide particles including a manganese-rich layer was observed by SEM, and the thicknesses of the void layer and the manganese-rich layer were measured. In addition, a battery was produced as described above, and its cycle characteristics were evaluated. The evaluation results are shown in Table 2.
(実施例2)
第1の混合水溶液(原料溶液)を硫酸ニッケル(ニッケル濃度:79.5g/L)と硫酸コバルト(コバルト濃度:36.4g/L)と、硫酸マンガン(マンガン濃度:1.5g/L)とし、第2の混合水溶液(原料溶液)を硫酸ニッケル(ニッケル濃度:23.5g/L)と、硫酸コバルト(コバルト濃度:17.7g/L)と、硫酸マンガン(マンガン濃度:71.5g/L)にしたこと以外は、実施例1と同様にしてマンガンリッチ層を含むニッケルコバルトマンガン複合水酸化物粒子を得た。このマンガンリッチ層を含むニッケルコバルトマンガン複合水酸化物粒子を用いた以外は実施例1と同様にしてマンガンリッチ層を含むリチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物粒子を得た。評価結果を表1および表2に示す。
(Example 2)
The first mixed aqueous solution (raw material solution) is made of nickel sulfate (nickel concentration: 79.5 g/L), cobalt sulfate (cobalt concentration: 36.4 g/L), and manganese sulfate (manganese concentration: 1.5 g/L). , the second mixed aqueous solution (raw material solution) was mixed with nickel sulfate (nickel concentration: 23.5 g/L), cobalt sulfate (cobalt concentration: 17.7 g/L), and manganese sulfate (manganese concentration: 71.5 g/L). ) Nickel-cobalt-manganese composite hydroxide particles containing a manganese-rich layer were obtained in the same manner as in Example 1, except for the following. Lithium-nickel-cobalt-manganese composite oxide particles containing a manganese-rich layer were obtained in the same manner as in Example 1 except that the nickel-cobalt-manganese composite hydroxide particles containing the manganese-rich layer were used. The evaluation results are shown in Tables 1 and 2.
(実施例3)
焼成温度を830℃にしたこと以外は、実施例1と同様にしてマンガンリッチ層を含むリチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物粒子を得た。評価結果を表2に示す。
(Example 3)
Lithium nickel cobalt manganese composite oxide particles containing a manganese-rich layer were obtained in the same manner as in Example 1 except that the firing temperature was 830°C. The evaluation results are shown in Table 2.
(実施例4)
焼成温度を930℃としたこと以外は、実施例1と同様にしてマンガンリッチ層を含むリチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物粒子を得た。評価結果を表2に示す。
(Example 4)
Lithium nickel cobalt manganese composite oxide particles containing a manganese-rich layer were obtained in the same manner as in Example 1 except that the firing temperature was 930°C. The evaluation results are shown in Table 2.
(比較例1)
使用した原料溶液として、硫酸ニッケル(ニッケル濃度:70.4g/L)と硫酸コバルト(コバルト濃度:23.6g/L)と硫酸マンガン(マンガン濃度:22.0g/L)の複合溶液のみを用い、第2の混合水溶液は用いずに、窒素雰囲気中で核生成工程2.5分、窒素雰囲気中で第1、第2及び第3の粒子成長工程を4時間行った。それ以外は、実施例1と同様にしてニッケルコバルトマンガン複合水酸化物粒子を得た。このニッケルコバルトマンガン複合水酸化物粒子を用いた以外は実施例1と同様にしてリチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物粒子を得た。評価結果を表1および表2に示す。
(Comparative example 1)
As the raw material solution used, only a composite solution of nickel sulfate (nickel concentration: 70.4 g/L), cobalt sulfate (cobalt concentration: 23.6 g/L), and manganese sulfate (manganese concentration: 22.0 g/L) was used. The nucleation step was performed in a nitrogen atmosphere for 2.5 minutes, and the first, second, and third particle growth steps were performed in a nitrogen atmosphere for 4 hours without using the second mixed aqueous solution. Nickel cobalt manganese composite hydroxide particles were obtained in the same manner as in Example 1 except for the above. Lithium nickel cobalt manganese composite oxide particles were obtained in the same manner as in Example 1 except that these nickel cobalt manganese composite hydroxide particles were used. The evaluation results are shown in Tables 1 and 2.
(比較例2)
第2の粒子成長工程を窒素雰囲気中で行ったこと以外は、実施例1と同様にして正極活物質を得るとともに評価した。評価結果を表1および表2に示す。
(Comparative example 2)
A positive electrode active material was obtained and evaluated in the same manner as in Example 1, except that the second particle growth step was performed in a nitrogen atmosphere. The evaluation results are shown in Tables 1 and 2.
(比較例3)
第1の混合水溶液(原料溶液)として、硫酸ニッケル(ニッケル濃度:75.5g/L)と、硫酸コバルト(コバルト濃度:26.2g/L)と、硫酸マンガン(マンガン濃度:14.7g/L)の複合溶液を用意し、非酸化性雰囲気で核生成工程と粒子成長工程の原料溶液切り替え前の3.4時間、酸化性雰囲気に切り替え0.2時間晶析を継続した後、非酸化性雰囲気に切り替え、かつ、硫酸ニッケル(ニッケル濃度:23.5g/L)と硫酸マンガン(マンガン濃度:87.9g/L)を第2の混合水溶液(複合溶液)として0.4時間晶析したこと以外は実施例1と同様にしてマンガンリッチ層を含むニッケルコバルトマンガン複合水酸化物粒子を得た。このマンガンリッチ層を含むニッケルコバルトマンガン複合水酸化物粒子を用いた以外は実施例1と同様にしてマンガンリッチ層を含むリチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物粒子を得た。評価結果を表1および表2に示す。
(Comparative example 3)
The first mixed aqueous solution (raw material solution) contains nickel sulfate (nickel concentration: 75.5 g/L), cobalt sulfate (cobalt concentration: 26.2 g/L), and manganese sulfate (manganese concentration: 14.7 g/L). ) was prepared, and after 3.4 hours in a non-oxidizing atmosphere before switching the raw material solutions for the nucleation process and particle growth process, switching to an oxidizing atmosphere and continuing crystallization for 0.2 hours, the non-oxidizing atmosphere The atmosphere was changed, and nickel sulfate (nickel concentration: 23.5 g/L) and manganese sulfate (manganese concentration: 87.9 g/L) were crystallized for 0.4 hours as a second mixed aqueous solution (composite solution). Nickel cobalt manganese composite hydroxide particles containing a manganese-rich layer were obtained in the same manner as in Example 1 except for this. Lithium-nickel-cobalt-manganese composite oxide particles containing a manganese-rich layer were obtained in the same manner as in Example 1 except that the nickel-cobalt-manganese composite hydroxide particles containing the manganese-rich layer were used. The evaluation results are shown in Tables 1 and 2.
(比較例4)
第1の混合水溶液(原料溶液)として、硫酸ニッケル(ニッケル濃度:87.6g/L)と、硫酸コバルト(コバルト濃度:29.3g/L)と、硫酸マンガン(マンガン濃度:0.6g/L)との複合溶液を用意し、非酸化性雰囲気で核生成工程と粒子成長工程の原料溶液切り替え前の1.4時間、酸化性雰囲気に切り替え0.2時間晶析を継続した後、非酸化性雰囲気に切り替え、かつ、硫酸ニッケル(ニッケル濃度:58.7g/L)と、硫酸コバルト(コバルト濃度:19.7g/L)と、硫酸マンガン(マンガン濃度:33.6g/L)との複合溶液を第2の混合水溶液(原料溶液)として2.4時間晶析したこと以外は、実施例1と同様にしてマンガンリッチ層を含むニッケルコバルトマンガン複合水酸化物粒子を得た。このマンガンリッチ層を含むニッケルコバルトマンガン複合水酸化物粒子を用いた以外は実施例1と同様にしてマンガンリッチ層を含むリチウムニッケルコバルトマンガン複合酸化物粒子を得た。評価結果を表1および表2に示す。
(Comparative example 4)
The first mixed aqueous solution (raw material solution) contains nickel sulfate (nickel concentration: 87.6 g/L), cobalt sulfate (cobalt concentration: 29.3 g/L), and manganese sulfate (manganese concentration: 0.6 g/L). ) was prepared, and crystallization was continued for 1.4 hours in a non-oxidizing atmosphere before switching the raw material solution for the nucleation process and particle growth process, and then for 0.2 hours after switching to an oxidizing atmosphere. Switch to a neutral atmosphere, and combine nickel sulfate (nickel concentration: 58.7 g/L), cobalt sulfate (cobalt concentration: 19.7 g/L), and manganese sulfate (manganese concentration: 33.6 g/L). Nickel cobalt manganese composite hydroxide particles containing a manganese-rich layer were obtained in the same manner as in Example 1, except that the solution was used as a second mixed aqueous solution (raw material solution) and crystallized for 2.4 hours. Lithium-nickel-cobalt-manganese composite oxide particles containing a manganese-rich layer were obtained in the same manner as in Example 1 except that the nickel-cobalt-manganese composite hydroxide particles containing the manganese-rich layer were used. The evaluation results are shown in Tables 1 and 2.
(評価)
実施例1~4は、マンガンリッチ層と粒子内部に層状の空隙層を有することで、サイクル特性が高くなり、高い耐久性が得られていることがわかる。一方、比較例1は、マンガンリッチ層を有しない、また比較例2では焼成による粒子内部の組成拡散によりマンガンリッチ層が消失したため、高い耐久性が得られていないことがわかる。比較例3はマンガンリッチ層を有するものの、低密度層及び空隙層の厚さが二次粒子直径に対し1%未満であるため、耐久性改善効果が小さいことがわかる。比較例4はマンガンリッチ層を有するものの、マンガンリッチ層の厚さが二次粒子直径に対し10%を超えたため、サイクル特性の改善効果が小さいことがわかる。
(evaluation)
It can be seen that Examples 1 to 4 have high cycle characteristics and high durability by having a manganese-rich layer and a layered void layer inside the particles. On the other hand, it can be seen that Comparative Example 1 did not have a manganese-rich layer, and Comparative Example 2 did not have high durability because the manganese-rich layer disappeared due to compositional diffusion inside the particles due to firing. Although Comparative Example 3 has a manganese-rich layer, it can be seen that the durability improvement effect is small because the thickness of the low-density layer and the void layer is less than 1% of the secondary particle diameter. Although Comparative Example 4 has a manganese-rich layer, the thickness of the manganese-rich layer exceeds 10% of the secondary particle diameter, so it can be seen that the effect of improving cycle characteristics is small.
以上より、本発明によれば、マンガンリッチ層の元素拡散を防止し、サイクル特性に優れたリチウムイオン二次電池用正極活物質の前駆体であるニッケル複合水酸化物を提供することができた。また、そのニッケル複合水酸化物を高い生産性で容易に製造する方法を提供することができた。また、サイクル特性に優れたリチウムイオン二次電池用正極活物質とその製造方法、及びリチウムイオン二次電池の提供することができた。 As described above, according to the present invention, it was possible to provide a nickel composite hydroxide, which is a precursor of a positive electrode active material for lithium ion secondary batteries, which prevents elemental diffusion in a manganese-rich layer and has excellent cycle characteristics. . Furthermore, it was possible to provide a method for easily producing the nickel composite hydroxide with high productivity. Furthermore, it was possible to provide a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery with excellent cycle characteristics, a method for producing the same, and a lithium ion secondary battery.
なお、上記のように本発明の各実施形態および各実施例について詳細に説明したが、本発明の新規事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは、当業者には、容易に理解できるであろう。従って、このような変形例は、全て本発明の範囲に含まれるものとする。 Although each embodiment and each example of the present invention has been described in detail as above, those skilled in the art will appreciate that many modifications can be made without substantially departing from the novelty and effects of the present invention. , it will be easy to understand. Therefore, all such modifications are included within the scope of the present invention.
例えば、明細書又は図面において、少なくとも一度、より広義又は同義な異なる用語と共に記載された用語は、明細書又は図面のいかなる箇所においても、その異なる用語に置き換えることができる。またニッケル複合水酸化物、ニッケル複合水酸化物の製造方法、リチウムイオン二次電池用正極活物質、リチウムイオン二次電池用正極活物質の製造方法及びリチウムイオン二次電池の構成、動作も本発明の各実施形態および各実施例で説明したものに限定されず、種々の変形実施が可能である。 For example, a term that appears at least once in the specification or drawings together with a different term with a broader or synonymous meaning may be replaced by that different term anywhere in the specification or drawings. The book also includes nickel composite hydroxide, methods for producing nickel composite hydroxide, positive electrode active materials for lithium ion secondary batteries, methods for manufacturing positive electrode active materials for lithium ion secondary batteries, and the structure and operation of lithium ion secondary batteries. The present invention is not limited to those described in each embodiment and each example, and various modifications can be made.
S10 核生成工程、S20 粒子成長工程、S21 第1の粒子成長工程、S22 第2の粒子成長工程、S23 第3の粒子成長工程、S30 リチウム混合工程、S40 焼成工程 S10 nucleation step, S20 particle growth step, S21 first particle growth step, S22 second particle growth step, S23 third particle growth step, S30 lithium mixing step, S40 firing step
Claims (8)
ニッケルとコバルトとマンガンと元素MをNi:Co:Mn:M=1-x1-y1-z1:x1:y1:z1(ただし、Mは、Ni、Co、Mn以外の遷移金属元素、2族元素、及び13族元素からなる群から選ばれる少なくとも1種の元素であり、x1は0.15≦x1≦0.25、y1は0.15≦y1≦0.25、z1は0≦z1≦0.1の範囲内にあり、0.3≦x1+y1+z1≦0.5を満たす。)の原子比で含み、
前記二次粒子の粒子表面から粒子内部に向けてマンガンリッチ層と、前記二次粒子の高密度の中央部と前記マンガンリッチ層の間に層状の低密度層を有し、
前記マンガンリッチ層は、ニッケルとコバルトとマンガンと元素MをNi:Co:Mn:M=1-x2-y2-z2:x2:y2:z2(ただし、Mは、Ni、Co、Mn以外の遷移金属元素、2族元素、および13族元素からなる群から選ばれる少なくとも1種の元素であり、x2及びy2は、x2=0及びy2=1を満たす、又は、y2/((1-x2-y2-z2)+x2)≧1を満たし、z2は0≦z2≦0.1の範囲内である。)の原子比で含み、
前記マンガンリッチ層の厚さは、前記二次粒子の直径に対して1%以上10%未満であり、かつ、前記低密度層の厚さは、前記二次粒子の直径に対して1%以上10%以下であることを特徴とするニッケル複合水酸化物。 A nickel composite hydroxide consisting of secondary particles in which a plurality of primary particles aggregate with each other,
Nickel, cobalt, manganese, and element M are Ni:Co:Mn:M=1-x1-y1-z1:x1:y1:z1 (However, M is a transition metal element other than Ni, Co, or Mn, or a group 2 element. , and at least one element selected from the group consisting of Group 13 elements, x1 is 0.15≦x1≦0.25, y1 is 0.15≦y1≦0.25, and z1 is 0≦z1≦0. .1 and satisfies 0.3≦x1+y1+z1≦0.5),
The secondary particle has a manganese-rich layer from the particle surface toward the inside of the particle, and a layered low-density layer between the high-density center part of the secondary particle and the manganese-rich layer,
The manganese-rich layer contains nickel, cobalt, manganese, and the element M Ni:Co:Mn:M=1-x2-y2-z2:x2:y2:z2 (where M is a transition other than Ni, Co, or Mn). At least one element selected from the group consisting of metal elements, Group 2 elements, and Group 13 elements, and x2 and y2 satisfy x2=0 and y2=1, or y2/((1-x2- y2-z2)+x2)≧1, and z2 is within the range of 0≦z2≦0.1),
The thickness of the manganese-rich layer is 1% or more and less than 10% with respect to the diameter of the secondary particles, and the thickness of the low-density layer is 1% or more with respect to the diameter of the secondary particles. A nickel composite hydroxide characterized by having a content of 10% or less.
累積90体積%径(D90)及び累積10体積%径(D10)と、前記体積平均粒径(Mv)とによって算出される、粒径のばらつき指数を示す[(D90-D10)/Mv]が0.60以下であることを特徴とする請求項1に記載のニッケル複合水酸化物。 In the particle size distribution measured by laser diffraction scattering method, the volume average particle diameter (Mv) is 4 μm or more and 10 μm or less,
The particle size dispersion index [(D90-D10)/Mv] is calculated from the cumulative 90 volume % diameter (D90), the cumulative 10 volume % diameter (D10), and the volume average particle diameter (Mv). The nickel composite hydroxide according to claim 1, characterized in that it is 0.60 or less.
ニッケル塩、コバルト塩及びマンガン塩の少なくとも1つを含む第1の混合水溶液を、酸素濃度が5容量%未満の非酸化性雰囲気中で、液温25℃基準でpH値が12.5以上となるように調整して核の生成を行う核生成工程と、
前記核生成工程において形成された核を含有するスラリーを、液温25℃基準でpH値を10.5以上12.5以下の範囲、かつ前記核生成工程におけるpH値より低くなるように調整し粒子成長を行う粒子成長工程と、を有し、
前記粒子成長工程は、第1の粒子成長工程、第2の粒子成長工程及び第3の粒子成長工程とを含み、
前記第1の粒子成長工程では、酸素濃度を5容量%未満とした非酸化性雰囲気中で、前記核生成工程で得られた混合水溶液に、前記第1の混合水溶液を供給して、高密度の粒子中央部を形成し、
前記第2の粒子成長工程では、酸素濃度を5容量%以上の酸化性雰囲気に切り替えて、前記第1の粒子成長工程で得られた混合水溶液に、前記第1の混合水溶液を供給して、層状の低密度層を形成し、
前記第3の粒子成長工程では、酸素濃度を5容量%未満の酸化性雰囲気に切り替えて、前記第2の粒子成長工程で得られた混合水溶液に、ニッケルとコバルトとマンガンと元素MをNi:Co:Mn:M=1-x2-y2-z2:x2:y2:z2(ただし、Mは、Ni、Co、Mn以外の遷移金属元素、2族元素、および13族元素からなる群から選ばれる少なくとも1種の元素であり、x2及びy2は、x2=0及びy2=1を満たす、又は、y2/((1-x2-y2-z2)+x2)≧1を満たす)の原子比で含む第2の混合水溶液を供給して、マンガンリッチ層を形成させ、
前記マンガンリッチ層の厚さは、前記二次粒子の直径に対して1%以上10%未満であることを特徴とするニッケル複合水酸化物の製造方法。 A method for producing a nickel composite hydroxide comprising secondary particles in which a plurality of primary particles aggregate with each other,
The first mixed aqueous solution containing at least one of a nickel salt, a cobalt salt, and a manganese salt is heated to a pH value of 12.5 or more based on a liquid temperature of 25° C. in a non-oxidizing atmosphere with an oxygen concentration of less than 5% by volume. a nucleation step in which nuclei are generated by adjusting the
Adjust the pH value of the slurry containing the nuclei formed in the nucleation step to a range of 10.5 to 12.5, based on a liquid temperature of 25° C., and lower than the pH value in the nucleation step. a particle growth step of performing particle growth;
The particle growth step includes a first particle growth step, a second particle growth step, and a third particle growth step,
In the first particle growth step, the first mixed aqueous solution is supplied to the mixed aqueous solution obtained in the nucleation step in a non-oxidizing atmosphere with an oxygen concentration of less than 5% by volume, to form a high-density particle . form the center of the particle,
In the second particle growth step, the oxygen concentration is switched to an oxidizing atmosphere of 5% by volume or more, and the first mixed aqueous solution is supplied to the mixed aqueous solution obtained in the first particle growth step, Forms a layered low-density layer,
In the third particle growth step, the oxygen concentration is switched to an oxidizing atmosphere of less than 5% by volume, and nickel, cobalt, manganese, and element M are added to the mixed aqueous solution obtained in the second particle growth step. Co:Mn:M=1-x2-y2-z2:x2:y2:z2 (where M is selected from the group consisting of Ni, Co, transition metal elements other than Mn, group 2 elements, and group 13 elements) is at least one element, and x2 and y2 satisfy x2=0 and y2=1, or satisfy an atomic ratio of y2/((1-x2-y2-z2)+x2)≧1). Supplying a mixed aqueous solution of 2 to form a manganese-rich layer,
A method for producing a nickel composite hydroxide, wherein the thickness of the manganese-rich layer is 1% or more and less than 10% of the diameter of the secondary particles.
前記リチウムニッケル複合酸化物は、リチウムとニッケルとコバルトとマンガンと元素MをLi:Ni:Co:Mn:M=1+u:1-x1-y1-z1:x1:y1:z1(ただし、uは-0.05≦u≦0.50、Mは、Ni、Co、Mn以外の遷移金属元素、2族元素、及び13族元素からなる群から選ばれる少なくとも1種の元素であり、x1は0.15≦x1≦0.25、y1は0.15≦y1≦0.25、z1は0≦z1≦0.1)の原子比で含み、
前記二次粒子の粒子表面から粒子内部に向けてマンガンリッチ層と、前記二次粒子の中央部と前記マンガンリッチ層の間に層状の空隙層を有し、
前記マンガンリッチ層は、リチウムとニッケルとコバルトとマンガンと元素MをLi:Ni:Co:Mn:M=1+u:1-x2-y2-z2:x2:y2:z2(ただし、uは-0.05≦u≦0.50、Mは、Ni、Co、Mn以外の遷移金属元素、2族元素、および13族元素からなる群から選ばれる少なくとも1種の元素であり、x2及びy2は、x2=0及びy2=1を満たす、又は、y2/((1-x2-y2-z2)+x2)≧1を満たし、z2は0≦z2≦0.1の範囲内である)の原子比で含み、
前記マンガンリッチ層の厚さは、前記二次粒子の直径に対して1%以上10%未満であり、かつ、前記空隙層の厚さは、前記二次粒子の直径に対して1%以上10%以下であり、
X線回折測定による(003)面のピークから算出した結晶子径が100nm以上150nm以下であることを特徴とするリチウムイオン二次電池用正極活物質。 A positive electrode active material for a lithium ion secondary battery composed of a lithium nickel composite oxide consisting of secondary particles in which a plurality of primary particles aggregate with each other and having a hexagonal layered structure,
The lithium-nickel composite oxide contains lithium, nickel, cobalt, manganese, and element M as Li:Ni:Co:Mn:M=1+u:1-x1-y1-z1:x1:y1:z1 (where u is - 0.05≦u≦0.50, M is at least one element selected from the group consisting of transition metal elements other than Ni, Co, and Mn, group 2 elements, and group 13 elements, and x1 is 0. 15≦x1≦0.25, y1 is 0.15≦y1≦0.25, z1 is included in an atomic ratio of 0≦z1≦0.1),
The secondary particles have a manganese-rich layer from the particle surface toward the inside of the particles, and a layered void layer between the central part of the secondary particles and the manganese-rich layer,
The manganese-rich layer contains lithium, nickel, cobalt, manganese, and element M in a manner that Li:Ni:Co:Mn:M=1+u:1-x2-y2-z2:x2:y2:z2 (where u is -0. 05≦u≦0.50, M is at least one element selected from the group consisting of transition metal elements other than Ni, Co, and Mn, group 2 elements, and group 13 elements, and x2 and y2 are x2 =0 and y2=1, or y2/((1-x2-y2-z2)+x2)≧1, and z2 is within the range of 0≦z2≦0.1). ,
The thickness of the manganese-rich layer is 1% or more and less than 10% with respect to the diameter of the secondary particles, and the thickness of the void layer is 1% or more and less than 10% with respect to the diameter of the secondary particles. % or less,
A positive electrode active material for a lithium ion secondary battery, characterized in that the crystallite diameter calculated from the peak of the (003) plane by X-ray diffraction measurement is 100 nm or more and 150 nm or less.
累積90体積%径(D90)及び累積10体積%径(D10)と、前記体積平均粒径(Mv)とによって算出される、粒径のばらつき指数を示す[(D90-D10)/Mv]が0.60以下であることを特徴とする請求項5に記載のリチウムイオン二次電池用正極活物質。 In the particle size distribution measured by laser diffraction scattering method, the volume average particle diameter (Mv) is 4 μm or more and 10 μm or less,
The particle size dispersion index [(D90-D10)/Mv] is calculated from the cumulative 90 volume % diameter (D90), the cumulative 10 volume % diameter (D10), and the volume average particle diameter (Mv). The positive electrode active material for a lithium ion secondary battery according to claim 5, wherein the positive electrode active material is 0.60 or less.
ニッケル複合水酸化物とリチウム化合物とを混合してリチウム混合物を形成させるリチウム混合工程と、
前記リチウム混合物を酸化性雰囲気中において800℃以上950℃以下の温度で焼成する焼成工程とを有し、
前記ニッケル複合水酸化物は、ニッケルとコバルトとマンガンと元素MをNi:Co:Mn:M=1-x1-y1-z1:x1:y1:z1(ただし、Mは、Ni、Co、Mn以外の遷移金属元素、2族元素、及び13族元素からなる群から選ばれる少なくとも1種の元素であり、x1は0.15≦x1≦0.25、y1は0.15≦y1≦0.25、z1は0≦z1≦0.1の範囲内にあり、0.3≦x1+y1+z1≦0.5を満たす。)の原子比で含み、
前記ニッケル複合水酸化物は、前記二次粒子の粒子表面から粒子内部に向けてマンガンリッチ層と、前記二次粒子の高密度の中央部と前記マンガンリッチ層の間に層状の低密度層を有し、
前記マンガンリッチ層は、ニッケルとコバルトとマンガンと元素MをNi:Co:Mn:M=1-x2-y2-z2:x2:y2:z2(ただし、Mは、Ni、Co、Mn以外の遷移金属元素、2族元素、および13族元素からなる群から選ばれる少なくとも1種の元素であり、x2及びy2は、x2=0及びy2=1を満たす、又は、y2/((1-x2-y2-z2)+x2)≧1を満たし、z2は0≦z2≦0.1の範囲内である。)の原子比で含み、
前記マンガンリッチ層の厚さは、前記二次粒子の直径に対して1%以上10%未満であり、かつ、前記低密度層の厚さは、前記二次粒子の直径に対して1%以上10%以下であることを特徴とする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 lithium ion secondary battery composed of a lithium nickel composite oxide consisting of secondary particles in which a plurality of primary particles aggregate with each other and having a hexagonal layered structure, the method comprising:
a lithium mixing step of mixing a nickel composite hydroxide and a lithium compound to form a lithium mixture;
a firing step of firing the lithium mixture at a temperature of 800°C or more and 950°C or less in an oxidizing atmosphere,
The nickel composite hydroxide contains nickel, cobalt, manganese, and the element M as Ni:Co:Mn:M=1-x1-y1-z1:x1:y1:z1 (however, M is other than Ni, Co, and Mn). is at least one element selected from the group consisting of transition metal elements, group 2 elements, and group 13 elements, x1 is 0.15≦x1≦0.25, and y1 is 0.15≦y1≦0.25. , z1 is within the range of 0≦z1≦0.1 and satisfies 0.3≦x1+y1+z1≦0.5.)
The nickel composite hydroxide includes a manganese-rich layer from the particle surface of the secondary particle toward the inside of the particle, and a layered low-density layer between the high-density central part of the secondary particle and the manganese-rich layer. have,
The manganese-rich layer contains nickel, cobalt, manganese, and the element M Ni:Co:Mn:M=1-x2-y2-z2:x2:y2:z2 (where M is a transition other than Ni, Co, or Mn). At least one element selected from the group consisting of metal elements, Group 2 elements, and Group 13 elements, and x2 and y2 satisfy x2=0 and y2=1, or y2/((1-x2- y2-z2)+x2)≧1, and z2 is within the range of 0≦z2≦0.1),
The thickness of the manganese-rich layer is 1% or more and less than 10% with respect to the diameter of the secondary particles, and the thickness of the low-density layer is 1% or more with respect to the diameter of the secondary particles. A method for producing a positive electrode active material for a lithium ion secondary battery, characterized in that the content is 10% or less.
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