JPWO2006123531A1 - Method for producing positive electrode using proton-containing nickel-based transition metal oxide - Google Patents
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Abstract
本発明は、プロトン含有型ニッケル系遷移金属酸化物を使用した非水電解質二次電池用の正極であって、極めて良好な高率放電特性が得られるものを提供すること、プロトン含有型ニッケル系遷移金属酸化物のBET比表面積が大きなものを正極活物質として使用することによって、自己放電特性の優れた非水電解質二次電池を提供することを目的とする。本発明は、正極活物質としてプロトン含有型ニッケル系遷移金属酸化物を使用して正極を製造する方法において、プロトン含有型ニッケル系遷移金属酸化物の化学式が、HxLiyNi1−aMaO2(0.3≦x≦0.92、0.38≦y≦1、0.3≦x+y≦1.92、0<a≦0.5、MはCo,Ti,V,Cr,Mn,Fe,Al,Cu及びZnからなる群から選ばれる少なくとも一種)で表されるものであることを特徴とする。また、正極活物質に化学式HxLiyNi1−aMaO2(0<x≦1、0<y≦1、1≦x+y≦2、0<a≦0.5、MはCo,Ti,V,Cr,Mn,Fe,Al,Cu及びZnからなる群から選ばれる少なくとも一種)で表されるプロトン含有型ニッケル系遷移金属酸化物であって、BET比表面積が6m2/g以上であるものを用いることを特徴とする。The present invention provides a positive electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery using a proton-containing nickel-based transition metal oxide, which can obtain extremely good high rate discharge characteristics, and a proton-containing nickel-based battery An object of the present invention is to provide a nonaqueous electrolyte secondary battery having excellent self-discharge characteristics by using a transition metal oxide having a large BET specific surface area as a positive electrode active material. The present invention relates to a method for producing a positive electrode using a proton-containing nickel-based transition metal oxide as a positive electrode active material, wherein the chemical formula of the proton-containing nickel-based transition metal oxide is HxLiyNi1-aMaO2 (0.3 ≦ x ≦ 0.92, 0.38 ≦ y ≦ 1, 0.3 ≦ x + y ≦ 1.92, 0 <a ≦ 0.5, M is Co, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Al, Cu and Zn At least one selected from the group consisting of: In addition, the positive electrode active material has the chemical formula HxLiyNi1-aMaO2 (0 <x ≦ 1, 0 <y ≦ 1, 1 ≦ x + y ≦ 2, 0 <a ≦ 0.5, M is Co, Ti, V, Cr, Mn, Fe , At least one selected from the group consisting of Al, Cu and Zn), characterized in that a proton-containing nickel-based transition metal oxide having a BET specific surface area of 6 m 2 / g or more is used. .
Description
本発明は、プロトン含有型ニッケル系遷移金属酸化物を使用して非水電解質二次電池用の正極を製造する方法に関する。 The present invention relates to a method for producing a positive electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery using a proton-containing nickel-based transition metal oxide.
非水電解質二次電池の正極に備えられる正極活物質には、コバルト酸リチウム、マンガン酸リチウム、又はニッケル酸リチウムなどの遷移金属酸化物が用いられる。これらの中でも、その遷移金属酸化物の中の金属が主としてニッケルであるものは、一般に高い放電容量を示すことから、期待が高い。以下、これを「ニッケル系遷移金属酸化物」と呼ぶ。 A transition metal oxide such as lithium cobaltate, lithium manganate, or lithium nickelate is used as the positive electrode active material provided in the positive electrode of the nonaqueous electrolyte secondary battery. Among these, those in which the metal in the transition metal oxide is mainly nickel are generally highly expected because they generally exhibit a high discharge capacity. Hereinafter, this is referred to as “nickel-based transition metal oxide”.
一般的なニッケル系遷移金属酸化物は、熱処理工程を経ることにより製造される。例えば、ニッケル酸リチウム(LiNiO2)は、ニッケル源としてのNi(NO3)2,Ni(OH)2,NiCO3又はNiO等と、リチウム源としてのLiOH,LiNO3,Li2CO3,又はLi2O等とが混合されて、酸素気流中で約600〜900℃の熱処理されることによって、製造される。A general nickel-based transition metal oxide is manufactured through a heat treatment step. For example, lithium nickelate (LiNiO 2 ) includes Ni (NO 3 ) 2 , Ni (OH) 2 , NiCO 3, or NiO as a nickel source, and LiOH, LiNO 3 , Li 2 CO 3 , or the like as a lithium source. It is manufactured by being mixed with Li 2 O or the like and heat-treated at about 600 to 900 ° C. in an oxygen stream.
しかし、熱処理工程を経て製造されたニッケル酸リチウムにおいては、ニッケルとリチウムイオンとが容易に置換されて不斉構造を生じるため、放電容量が低下するという問題があった。 However, in the lithium nickelate manufactured through the heat treatment process, nickel and lithium ions are easily substituted to form an asymmetric structure, which causes a problem that the discharge capacity is reduced.
そこで、ニッケル系遷移金属酸化物を別の方法で製造することが試みられている。たとえば、日本国特許公開公報である特開平09−219193号公報には、オキシ水酸化ニッケルをリチウムイオン含有溶液と反応させてニッケル酸リチウムを合成する方法が開示されている。また、日本国特許公開公報である特開平6−349494号公報には、イオン交換による一般式AxByMOz(但し、0≦x≦2,0≦y≦2,1.5≦z≦3、M=Mn,Fe,Ni,Co,V,Cr,Scから選ばれる少なくとも一種、AおよびBはH,Li,Na,K,Cs,Ca,MgおよびRbならびにこれらの混合物よりなる元素)で表される活物質の合成法が開示されている。Therefore, it has been attempted to produce a nickel-based transition metal oxide by another method. For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 09-219193, which is a Japanese patent publication, discloses a method of synthesizing lithium nickelate by reacting nickel oxyhydroxide with a lithium ion-containing solution. Further, Japanese Unexamined 6-349494 discloses a Japanese Patent Publication, generally by ion exchange A x B y MO z (where, 0 ≦ x ≦ 2,0 ≦ y ≦ 2,1.5 ≦ z ≦ 3, M = Mn, Fe, Ni, Co, V, Cr, Sc, A and B are elements composed of H, Li, Na, K, Cs, Ca, Mg, Rb and mixtures thereof ) Is disclosed.
日本国特許公開公報である特開平09−320588号公報には、化学式HxLiyMO2(0≦x≦2,0≦y≦2,1<(x+y)≦2、MはCo,Niの中から選択される1種または2種の遷移金属)で表される化合物を、リチウムイオンを含有する溶液中で化学的に酸化するLiMO2の製造方法が開示されている。Japanese Patent Laid-Open No. 09-320588, which is a Japanese patent publication, includes a chemical formula H x Li y MO 2 (0 ≦ x ≦ 2, 0 ≦ y ≦ 2, 1 <(x + y) ≦ 2, where M is Co, Ni A method for producing LiMO 2 is disclosed in which a compound represented by 1 or 2 transition metals selected from among (2) is chemically oxidized in a solution containing lithium ions.
日本国特許公開公報である特開2000−123836号公報には、10モル%のコバルトを含むオキシ水酸化ニッケルに水酸化リチウムの水溶液を通液し、プロトンとリチウムイオンとのイオン交換反応を行う、正極活物質の製造方法が開示されている。 In Japanese Patent Laid-Open Publication No. 2000-123836, which is a Japanese patent publication, an aqueous lithium hydroxide solution is passed through nickel oxyhydroxide containing 10 mol% of cobalt to perform an ion exchange reaction between protons and lithium ions. A method for producing a positive electrode active material is disclosed.
以上の製造方法では、正極活物質が水溶液中で製造されるから、熱処理工程を経ることがない。したがって、この製造方法によるニッケル系遷移金属酸化物は不斉構造を生じることが少ないので、熱処理工程を経て製造されたそれにくらべて優れている。しかも、製造が容易という利点もある。 In the above manufacturing method, since the positive electrode active material is manufactured in an aqueous solution, it does not go through a heat treatment step. Therefore, the nickel-based transition metal oxide produced by this production method is less likely to produce an asymmetric structure, and thus is superior to that produced through a heat treatment step. In addition, there is an advantage that manufacturing is easy.
(1)ところが、上記のような「水溶液中で製造されたニッケル系遷移金属酸化物」が非水電解質二次電池の正極活物質として使用された場合、良好な高率放電特性が得られないという問題があった。その原因は明らかにされていない。製造が水溶液中でおこなわれるためにニッケル系遷移金属酸化物の中にプロトンが含まれ、このことが、高率放電特性に影響しているのではないかと考えられている。なお、「水溶液中で製造されたニッケル系遷移金属酸化物」にはプロトンが含まれていることから、以後、これを「プロトン含有型ニッケル系遷移金属酸化物」と呼ぶこととする。 (1) However, when the above-described “nickel-based transition metal oxide produced in an aqueous solution” is used as a positive electrode active material of a nonaqueous electrolyte secondary battery, good high rate discharge characteristics cannot be obtained. There was a problem. The cause has not been clarified. Since the production is carried out in an aqueous solution, protons are contained in the nickel-based transition metal oxide, and this is thought to affect the high rate discharge characteristics. Since “a nickel-based transition metal oxide produced in an aqueous solution” contains protons, it is hereinafter referred to as “a proton-containing nickel-based transition metal oxide”.
そこで、本願発明は、プロトン含有型ニッケル系遷移金属酸化物を使用した非水電解質二次電池用の正極であって、極めて良好な高率放電特性が得られるものを提供することを目的とする。さらに、その正極を非水電解質二次電池に使用することによって、極めて良好な高率放電特性を示す非水電解質二次電池を提供することを目的とする。 Accordingly, the present invention aims to provide a positive electrode for a non-aqueous electrolyte secondary battery using a proton-containing nickel-based transition metal oxide, which can obtain extremely good high rate discharge characteristics. . Furthermore, it aims at providing the nonaqueous electrolyte secondary battery which shows a very favorable high rate discharge characteristic by using the positive electrode for a nonaqueous electrolyte secondary battery.
(2)さらに、従来、プロトン含有型ニッケル系遷移金属酸化物のBET比表面積は、常に小さかった。具体的には、そのBET比表面積が6m2/g未満であった。そのため、BET比表面積が6m2/g以上のプロトン含有型ニッケル系遷移金属酸化物がどのような特性を示すのかに興味が持たれていた。しかし、それが製造されていなかったため、その特性が未知のままとなっていた。(2) Furthermore, conventionally, the BET specific surface area of the proton-containing nickel-based transition metal oxide has always been small. Specifically, the BET specific surface area was less than 6 m 2 / g. For this reason, there has been an interest in the characteristics of the proton-containing nickel-based transition metal oxide having a BET specific surface area of 6 m 2 / g or more. However, because it was not manufactured, its properties remained unknown.
そこで、本願発明は、プロトン含有型ニッケル系遷移金属酸化物のBET比表面積を制御するための新たな製造方法を提供することを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a new production method for controlling the BET specific surface area of a proton-containing nickel-based transition metal oxide.
(3)そして、本願発明は、従来、製造されていなかった、BET比表面積が大きなプロトン含有型ニッケル系遷移金属酸化物(その化学式は、HxLiyNi1−aMaO2で表される。ここで、0<x≦1,0<y≦1,1≦x+y≦2,0<a≦0.5、 MはCo,Ti,V,Cr,Mn,Fe,Al,Cu及びZnからなる群から選ばれる少なくとも一種である。)を正極活物質として使用することによって、特性の優れた非水電解質二次電池を提供することを目的とする。具体的には、当業者に予測できないほどの自己放電特性が優れた非水電解質二次電池を提供することを目的とする。(3) The present invention is a proton-containing nickel-based transition metal oxide having a large BET specific surface area that has not been produced conventionally (the chemical formula is represented by H x Li y Ni 1-a M a O 2) . Where 0 <x ≦ 1, 0 <y ≦ 1, 1 ≦ x + y ≦ 2, 0 <a ≦ 0.5, M is Co, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Al, Cu and It is an object to provide a non-aqueous electrolyte secondary battery having excellent characteristics by using at least one selected from the group consisting of Zn as a positive electrode active material. Specifically, an object is to provide a non-aqueous electrolyte secondary battery having excellent self-discharge characteristics that cannot be predicted by those skilled in the art.
本願発明は、正極活物質としてプロトン含有型ニッケル系遷移金属酸化物を使用して正極を製造する方法において、前記プロトン含有型ニッケル系遷移金属酸化物の化学式が、HxLiyNi1−aMaO2(0.3≦x≦0.92, 0.38≦y≦1, 1.3≦x+y≦1.92,0<a≦0.5、MはCo,Ti,V,Cr,Mn,Fe,Al,Cu及びZnからなる群から選ばれる少なくとも一種)で表されることを特徴とする。The present invention relates to a method for producing a positive electrode using a proton-containing nickel-based transition metal oxide as a positive electrode active material, wherein the chemical formula of the proton-containing nickel-based transition metal oxide is H x Li y Ni 1-a M a O 2 (0.3 ≦ x ≦ 0.92, 0.38 ≦ y ≦ 1, 1.3 ≦ x + y ≦ 1.92, 0 <a ≦ 0.5, M is Co, Ti, V, Cr , Mn, Fe, Al, Cu, and Zn).
本願発明は、そのプロトン含有型ニッケル系遷移金属酸化物のBET法による比表面積が6m2/g以上であることを特徴とする。本願発明は、正極及び負極を備えた非水電解質二次電池を製造する方法において、前記正極を製造する方法が、上に述べた製造方法であることを特徴とする。The present invention is characterized in that the proton-containing nickel-based transition metal oxide has a specific surface area of 6 m 2 / g or more by the BET method. The invention of the present application is characterized in that, in the method of manufacturing a nonaqueous electrolyte secondary battery provided with a positive electrode and a negative electrode, the method of manufacturing the positive electrode is the manufacturing method described above.
本願発明は、化学式がHxLiyNi1−aMaO2(0<x≦1,0<y≦1,1≦x+y≦2,0<a≦0.5、MはCo,Ti,V,Cr,Mn,Fe,Al,Cu及びZnからなる群から選ばれる少なくとも一種)で表されるプロトン含有型ニッケル系遷移金属酸化物において、前記プロトン含有型ニッケル系遷移金属酸化物のBET法による比表面積が6m2/g以上であることを特徴とする。In the present invention, the chemical formula is H x Li y Ni 1-a M a O 2 (0 <x ≦ 1, 0 <y ≦ 1, 1 ≦ x + y ≦ 2, 0 <a ≦ 0.5, where M is Co, Ti , V, Cr, Mn, Fe, Al, Cu, and a proton-containing nickel-based transition metal oxide represented by at least one selected from the group consisting of Zn, BET of the proton-containing nickel-based transition metal oxide The specific surface area according to the method is 6 m 2 / g or more.
また、本願発明は、前記プロトン含有型ニッケル系遷移金属酸化物を備えた非水電解質二次電池であることを特徴とする。 The invention of the present application is a non-aqueous electrolyte secondary battery comprising the proton-containing nickel-based transition metal oxide.
本願発明は、プロトン含有型ニッケル系遷移金属酸化物を製造方法であって、その製造方法が、化学式がNi1−aMa(OH)2(0<a≦0.5、MはCo,Ti,V,Cr,Mn,Fe,Al,CuおよびZnから選ばれる少なくとも一種)で表される水酸化物を、酸化剤とリチウムイオンとを含む溶液に接触させる第1工程、並びに、前記第1工程によって得られる生成物にリチウムイオンを含む溶液を通液させて乾燥させる第2工程、を備えることを特徴とする。The present invention is a method for producing a proton-containing nickel-based transition metal oxide, which has a chemical formula of Ni 1-a M a (OH) 2 (0 <a ≦ 0.5, M is Co, A first step of contacting a hydroxide represented by at least one selected from Ti, V, Cr, Mn, Fe, Al, Cu and Zn with a solution containing an oxidizing agent and lithium ions; A second step of passing a solution containing lithium ions through the product obtained in one step and drying the product.
正極を製造する際に用いる出発材料としての正極活物質に、特定のxおよびyの値を持つプロトン含有型ニッケル系遷移金属酸化物(化学式は、HxLiyNi1−aMaO2で表される。ここで、0<a≦0.5、MはCo,Ti,V,Cr,Mn,Fe,Al,Cu及びZnからなる群から選ばれる少なくとも一種である。)を使用した場合に、高率放電特性の点で極めて優れた正極となることが明らかとなった。A positive electrode active material as a starting material used in manufacturing the positive electrode includes a proton-containing nickel-based transition metal oxide having a specific value of x and y (the chemical formula is H x Li y Ni 1-a M a O 2 Here, 0 <a ≦ 0.5, and M is at least one selected from the group consisting of Co, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Al, Cu, and Zn. In this case, it became clear that the positive electrode was extremely excellent in terms of high rate discharge characteristics.
すなわち、本願発明は、正極活物質としてプロトン含有型ニッケル系遷移金属酸化物を使用して正極を製造する方法において、前記プロトン含有型ニッケル系遷移金属酸化物の化学式が、HxLiyNi1−aMaO2(0.3≦x≦0.92,0.38≦y≦1,1.3≦x+y≦1.92,0<a≦0.5、MはCo,Ti,V,Cr,Mn,Fe,Al,Cu及びZnからなる群から選ばれる少なくとも一種)で表されることを特徴とする。That is, the present invention relates to a method for producing a positive electrode using a proton-containing nickel-based transition metal oxide as a positive electrode active material, wherein the chemical formula of the proton-containing nickel-based transition metal oxide is H x Li y Ni 1. −a M a O 2 (0.3 ≦ x ≦ 0.92, 0.38 ≦ y ≦ 1, 1.3 ≦ x + y ≦ 1.92, 0 <a ≦ 0.5, M is Co, Ti, V , Cr, Mn, Fe, Al, Cu, and Zn).
ここで示した化学式であるHxLiyNi1−aMaO2(0.3≦x≦0.92, 0.38≦y≦1, 1.3≦x+y≦1.92,0<a≦0.5、MはCo,Ti,V,Cr,Mn,Fe,Al,Cu及びZnからなる群から選ばれる少なくとも一種)は、正極を製造する時点における化学式である。 H x Li y Ni 1-a M a O 2 (0.3 ≦ x ≦ 0.92 is a chemical formula shown here, 0.38 ≦ y ≦ 1, 1.3 ≦ x + y ≦ 1.92,0 < a ≦ 0.5, M is at least one selected from the group consisting of Co, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Al, Cu, and Zn) is a chemical formula at the time of manufacturing the positive electrode.
すなわち、これは、仕込み時の組成である。この化学式で示されるプロトン含有型ニッケル系遷移金属酸化物が充電される過程では、リチウムイオンがプロトン含有型ニッケル系遷移金属酸化物から脱離して、電子の移動を生じる。たとえば、リチウムイオンの脱離とともに、電子数としてzの移動が生じた場合には、化学式がHxLiy−zNi1−aMaO2となる。このとき、NiとMとの平均価数は、「4−(x+y)」から「4−(x+y−z)」に変化する。That is, this is the composition at the time of preparation. In the process in which the proton-containing nickel-based transition metal oxide represented by this chemical formula is charged, lithium ions are desorbed from the proton-containing nickel-based transition metal oxide to cause electron transfer. For example, when movement of z occurs as the number of electrons along with the desorption of lithium ions, the chemical formula becomes H x Li yz Ni 1-a M a O 2 . At this time, the average valence of Ni and M changes from “4- (x + y)” to “4- (x + yz)”.
上記の化学式のように、xおよびyの値が前記所定の範囲となっているプロトン含有型ニッケル系遷移金属酸化物(HxLiyNi1−aMaO2)を正極活物質として使用して正極を製造した場合、その正極の高率放電特性は、常に優れる。さらには、その正極を使用した非水電解質二次電池の高率放電特性は、常に優れる。この効果の顕著性は、当業者にとって予測されない。具体的な評価の結果は、実施の形態1で説明する。As shown in the above chemical formula, a proton-containing nickel-based transition metal oxide (H x Li y Ni 1-a M a O 2 ) in which the values of x and y are in the predetermined range is used as the positive electrode active material Thus, when the positive electrode is manufactured, the high rate discharge characteristic of the positive electrode is always excellent. Furthermore, the high rate discharge characteristics of the nonaqueous electrolyte secondary battery using the positive electrode are always excellent. The saliency of this effect is not anticipated by those skilled in the art. Specific evaluation results will be described in the first embodiment.
さらに、本願発明は、化学式がHxLiyNi1−aMaO2で表されるプロトン含有型ニッケル系遷移金属酸化物(0<x≦1,0<y≦1,1≦x+y≦2,0<a≦0.5、MはCo,Ti,V,Cr,Mn,Fe,Al,Cu及びZnからなる群から選ばれる少なくとも一種)において、そのBET法による比表面積が6m2/g以上であることを特徴とする。Furthermore, the present invention relates to a proton-containing nickel-based transition metal oxide having a chemical formula represented by H x Li y Ni 1-a M a O 2 (0 <x ≦ 1, 0 <y ≦ 1, 1 ≦ x + y ≦ 2, 0 <a ≦ 0.5, and M is at least one selected from the group consisting of Co, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Al, Cu and Zn), and has a specific surface area of 6 m 2 / g or more.
従来のプロトン含有型ニッケル系遷移金属酸化物のBET比表面積を分析した結果、BET比表面積はいずれも小さく、6m2/g未満であった。つまり、従来は、BET比表面積が6m2/g以上となるプロトン含有型ニッケル系遷移金属酸化物は存在しなかった。As a result of analyzing the BET specific surface area of the conventional proton-containing nickel-based transition metal oxide, all the BET specific surface areas were small and less than 6 m 2 / g. That is, conventionally, there has been no proton-containing nickel-based transition metal oxide having a BET specific surface area of 6 m 2 / g or more.
ところが、本願発明者は、後述するように、プロトン含有型ニッケル系遷移金属酸化物の製造方法の工程のうち当業者がまったく着目していなかった工程を変更することにより、BET比表面積を制御することを可能とした。 However, as described later, the present inventor controls the BET specific surface area by changing a process of the method for producing a proton-containing nickel-based transition metal oxide that has not been noticed by those skilled in the art. Made it possible.
さらに、本願発明者らによって、プロトン含有型ニッケル系遷移金属酸化物に関して、そのBET比表面積とその自己放電特性との相関関係が調査された結果、ある特定のBET比表面積を備えた場合に、従来の知見とは相違する効果が得られることが判明した。 Furthermore, as a result of investigating the correlation between the BET specific surface area and the self-discharge characteristics of the proton-containing nickel-based transition metal oxide by the inventors of the present application, and having a specific BET specific surface area, It turned out that the effect different from the conventional knowledge is acquired.
なお、BET法は、周知のように、Brunauer、Emmett、及びTellerらの3名が単分子層吸着説であるLangmuir理論(分子は積み重なって無限に吸着し得るものとし、吸着層間に相互作用がなく各層に対してLangmuir式が成立すると仮定)を多分子層に拡張した理論に基づき、表面積を求める方法である。具体的には、大きさの分かっている分子を粉粒子の表面に吸着させて、その吸着量から試料の表面積が求められる。 In addition, as is well known, the BET method is a Langmuir theory in which three members of Brunauer, Emmett, and Teller are monolayer adsorption theory (molecules can be stacked and adsorbed indefinitely, and there is interaction between adsorption layers. This is a method for obtaining the surface area based on the theory that the Langmuir equation is established for each layer and extended to a multimolecular layer. Specifically, molecules having a known size are adsorbed on the surface of the powder particles, and the surface area of the sample is determined from the adsorbed amount.
従来、非水電解質二次電池に使用されるニッケル酸リチウムにおいては、そのBET比表面積が大きいと自己放電特性が悪くなるという問題がある(参考特許文献として、日本国の特許公開公報である特開平09−298062を挙げる。)。ところが、本願のプロトン含有型ニッケル系遷移金属酸化物においては、これと逆の傾向、すなわち、BET比表面積が大きい場合に自己放電特性が良好となる傾向を示すことが判明した。さらにある特定のBET比表面積を有する場合には、自己放電が極小となることがわかった。このような現象は、当業者にとって予測されない。 Conventionally, lithium nickelate used in non-aqueous electrolyte secondary batteries has a problem that self-discharge characteristics deteriorate when the BET specific surface area is large (see Japanese Patent Publication Gazette as a reference patent document). No. 09-298062). However, it has been found that the proton-containing nickel-based transition metal oxide of the present application tends to have the opposite tendency, that is, the self-discharge characteristics tend to be good when the BET specific surface area is large. Furthermore, it has been found that the self-discharge is minimized when it has a specific BET specific surface area. Such a phenomenon is not anticipated by those skilled in the art.
ここで、その新たなプロトン含有型ニッケル系遷移金属酸化物の製造方法とは、つぎのとおりである。
本願発明の製造方法は、化学式がNi1−aMa(OH)2(0<a≦0.5、MはCo,Ti,V,Cr,Mn,Fe,Al,CuおよびZnから選ばれる少なくとも一種)で表される水酸化物を、酸化剤とリチウムイオンとを含む溶液に接触させる第1工程、並びに、前記第1工程によって得られる生成物にリチウムイオンを含む溶液を通液させて乾燥させる第2工程、を備えることを特徴とする。Here, the manufacturing method of the new proton-containing nickel-based transition metal oxide is as follows.
In the production method of the present invention, the chemical formula is Ni 1-a M a (OH) 2 (0 <a ≦ 0.5, M is selected from Co, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Al, Cu and Zn. A first step in which a hydroxide represented by at least one kind is brought into contact with a solution containing an oxidizing agent and lithium ions, and a solution containing lithium ions is passed through the product obtained by the first step. A second step of drying.
この製造方法によって、BET比表面積として6m2/g以上のプロトン含有型ニッケル系遷移金属酸化物を得ることができた。従来技術との相違点は、第2工程にある。すなわち、従来は、第1工程によって得られる生成物を脱イオン水により洗浄していた。脱イオン水で洗浄するのは、無機化合物の合成手法として、当業者にとって常識というべきものである。そのため、この脱イオン水で洗浄する工程を変更することは、通常採用されない。ところが、本願発明者らは、脱イオン水で洗浄するのではなく、リチウムイオンを含む溶液を通液させ、そのまま乾燥させることにした。By this production method, a proton-containing nickel-based transition metal oxide having a BET specific surface area of 6 m 2 / g or more could be obtained. The difference from the prior art is in the second step. That is, conventionally, the product obtained in the first step has been washed with deionized water. Washing with deionized water is common knowledge for those skilled in the art as a method for synthesizing inorganic compounds. Therefore, changing the process of washing with deionized water is not usually employed. However, the inventors of the present application decided not to wash with deionized water, but to pass a solution containing lithium ions and dry it as it was.
本願発明の第1工程における「リチウムイオンを含む溶液」としては、水酸化リチウム、水酸化リチウム1水和物、炭酸リチウム、酸化リチウム、硝酸リチウム、硫酸リチウム、塩化リチウム、しゅう酸リチウム、酢酸リチウム、及びクエン酸リチウムからなる群から選ばれる少なくとも1種を水などの溶媒に溶解させた溶液が用いられ得る。これらのリチウム塩が飽和状態に達していない溶液であってもよい。しかし、リチウム塩が飽和した溶液である方が好ましい。 As the “solution containing lithium ions” in the first step of the present invention, lithium hydroxide, lithium hydroxide monohydrate, lithium carbonate, lithium oxide, lithium nitrate, lithium sulfate, lithium chloride, lithium oxalate, lithium acetate And a solution in which at least one selected from the group consisting of lithium citrate is dissolved in a solvent such as water can be used. A solution in which these lithium salts do not reach saturation may be used. However, a solution saturated with a lithium salt is preferred.
第1工程における「酸化剤」は、酸素、オゾン、ペルオキソ二硫酸塩、次亜塩素酸塩、過マンガン酸塩、二クロム酸塩、臭素、及び塩素からなる群から選ばれる少なくとも1種が用いられ得る。また、酸化剤を用いるような化学的な酸化手法だけでなく、電気化学的な手法も用いられうる。酸化剤のモル数は、反応速度の観点から、水酸化ニッケル1モルに対して過剰に存在することが好ましい。 The “oxidant” in the first step is at least one selected from the group consisting of oxygen, ozone, peroxodisulfate, hypochlorite, permanganate, dichromate, bromine, and chlorine. Can be. Further, not only a chemical oxidation method using an oxidizing agent but also an electrochemical method can be used. The number of moles of oxidizing agent is preferably present in excess of 1 mole of nickel hydroxide from the viewpoint of reaction rate.
また、第2の工程に用いられる「溶液」の溶媒として、水又は有機溶媒が用いられうる。溶液の中には、陽イオンとしてリチウムイオン(およびプロトン)のみが含まれていることが好ましい。しかし、これに限定される必要はなく、たとえばナトリウムイオンやカリウムイオンなどが含まれていてもよい。リチウムイオンの濃度についていえば、反応速度の観点から、水酸化物の中に含まれている金属のモル数に対して、リチウムイオンのモル数が過剰であることが好ましい。具体的には、水酸化リチウムの飽和水溶液などが好ましい。 Moreover, water or an organic solvent can be used as a solvent of the “solution” used in the second step. The solution preferably contains only lithium ions (and protons) as cations. However, it is not necessary to be limited to this, for example, sodium ion, potassium ion, etc. may be contained. Regarding the lithium ion concentration, from the viewpoint of reaction rate, it is preferable that the number of moles of lithium ions is excessive with respect to the number of moles of metal contained in the hydroxide. Specifically, a saturated aqueous solution of lithium hydroxide or the like is preferable.
第2工程における「リチウムイオンを含む溶液を通液させる」とは、たとえば、(i)第1工程を終えて濾過された生成物から第1工程で使用した酸化剤を除去するときに、脱イオン水ではなくリチウムイオンを含む溶液を徐々に加えて洗浄することや、(ii)第1工程を終えて濾過された生成物を、再度、リチウムイオンを含む溶液中に分散させ、その後、たとえば0.5時間程度の間攪拌して、再度濾過により生成物を採取すること等をいう。 In the second step, “to pass a solution containing lithium ions” means, for example, (i) when removing the oxidizing agent used in the first step from the product filtered after finishing the first step. (Ii) The product filtered after finishing the first step is dispersed again in the solution containing lithium ions, and then, for example, Stirring for about 0.5 hour and collecting the product by filtration again.
そして、第2工程においては、その採取された生成物をそのまま乾燥させる。つまり、リチウムイオンを含む溶液を通液させた後であって乾燥をおこなう前においては、脱イオン水で洗浄することがおこなわれない。ここで、第2工程においてリチウムイオンを含む溶液に通液させる際には、第1工程で用いた溶液と同じリチウムイオンを含む溶液(ただし、酸化剤が含まれないものに限る。)を用いることが好ましい。副反応を生じにくいからである。 In the second step, the collected product is dried as it is. That is, washing with deionized water is not performed after passing a solution containing lithium ions and before drying. Here, when passing the solution through the solution containing lithium ions in the second step, the same solution containing lithium ions as the solution used in the first step (however, the solution containing no oxidant) is used. It is preferable. This is because side reactions are unlikely to occur.
以上のような第2工程を経ることによって、BET比表面積が6m2/g以上となるプロトン含有型ニッケル系遷移金属酸化物が得られる。なお、従来は、脱イオン水で洗浄したために、BET比表面積が6m2/g以下となっていたと考えられる。Through the second step as described above, a proton-containing nickel-based transition metal oxide having a BET specific surface area of 6 m 2 / g or more is obtained. Conventionally, it is considered that the BET specific surface area was 6 m 2 / g or less because it was washed with deionized water.
この製造方法の第2工程において「リチウムイオンを含む溶液を通液させた後乾燥前には、脱イオン水で洗浄することがおこなわれない」という特別な技術的特徴によって、その製造物であるプロトン含有型ニッケル系遷移金属酸化物において「BET比表面積が6m2/g以上となる」という特別な技術的特徴への変化が、必然的にもたらされている。したがって、本願の製造方法の発明とその結果物の発明とは、対応する特別な技術的特徴を有していることになる。In the second step of this production method, the product is produced by a special technical feature that “the solution containing lithium ions is not passed and then washed with deionized water before drying”. In the proton-containing nickel-based transition metal oxide, a change to a special technical feature that “the BET specific surface area is 6 m 2 / g or more” is inevitably brought about. Therefore, the invention of the manufacturing method of the present application and the resulting invention have corresponding special technical features.
BET比表面積は、第2工程中の反応条件を種々変更させることによって調整され得ることがわかった。これらの種々の反応条件とBET比表面積との関係は、実施の形態2において、後述する。 It has been found that the BET specific surface area can be adjusted by variously changing the reaction conditions in the second step. The relationship between these various reaction conditions and the BET specific surface area will be described later in the second embodiment.
以上のような方法で、BET比表面積が6m2/g以上という大きな比表面積を有するプロトン含有型ニッケル系遷移金属酸化物が得られた。
しかも、BET比表面積が6m2/g以上であれば、常に、従来よりも自己放電の小さいプロトン含有型ニッケル酸リチウムを得ることができた。By the method as described above, a proton-containing nickel-based transition metal oxide having a large specific surface area of BET specific surface area of 6 m 2 / g or more was obtained.
Moreover, when the BET specific surface area is 6 m 2 / g or more, it is always possible to obtain proton-containing lithium nickel oxide having a smaller self-discharge than before.
さらに、遷移金属酸化物(HxLiyNi1−aMaO2)のMがCoである場合には、BET法による比表面積を14.5〜16.5m2/gとすることが、より好ましい。この場合には、自己放電特性が極小となったからである。具体的な評価結果は、実施の形態2において後述する。Further, when M of the transition metal oxide (H x Li y Ni 1-a M a O 2 ) is Co, the specific surface area by the BET method may be 14.5 to 16.5 m 2 / g. More preferable. In this case, the self-discharge characteristic is minimized. Specific evaluation results will be described later in the second embodiment.
なお、xおよびyの値として、0.3≦x≦0.92,0.38≦y≦1,1.3≦x+y≦1.92の値をとる場合には、さらに自己放電特性が優れることがわかっている。その理由は明らかにされていない。具体的な評価結果は、実施の形態2において、後述する。したがって、xおよびyの値が、0.3≦x≦0.92,0.38≦y≦1,1.3≦x+y≦1.92という条件を満たすプロトン含有型ニッケル系遷移金属酸化物を使用して正極を製造した場合には、高率放電特性及び自己放電特性のいずれもが極めて優れる。 When the values of x and y are 0.3 ≦ x ≦ 0.92, 0.38 ≦ y ≦ 1, 1.3 ≦ x + y ≦ 1.92, self-discharge characteristics are further improved. I know that. The reason is not clear. Specific evaluation results will be described later in the second embodiment. Therefore, a proton-containing nickel-based transition metal oxide in which the values of x and y satisfy the condition of 0.3 ≦ x ≦ 0.92, 0.38 ≦ y ≦ 1, 1.3 ≦ x + y ≦ 1.92 When the positive electrode is produced by using it, both the high rate discharge characteristic and the self-discharge characteristic are extremely excellent.
本出願は、2005年4月28日に日本国特許庁に出願された特許出願(特願2005−132069)、及び2006年1月19日に日本国特許庁に出願された特許出願(特願2006−010554)に基づくものであり、それらの内容はここに参照として取り込まれる。 This application includes a patent application filed with the Japan Patent Office on April 28, 2005 (Japanese Patent Application No. 2005-132069) and a patent application filed with the Japan Patent Office on January 19, 2006 (Japanese Patent Application No. 2006-010554), the contents of which are incorporated herein by reference.
本願発明を、以下の実施の形態において具体的に説明する。しかし、本願発明の技術的範囲は、以下の実施の形態によって限定して解釈されない。 The present invention will be specifically described in the following embodiments. However, the technical scope of the present invention is not construed as being limited by the following embodiments.
[実施の形態1]
(1)プロトン含有型ニッケル酸リチウムが製造された。その製造方法は、つぎの第1工程及び第2工程を備える。[Embodiment 1]
(1) Proton-containing lithium nickelate was produced. The manufacturing method includes the following first step and second step.
(第1工程)化学式がNi0.76Co0.24(OH)2で表される水酸化物(平均粒子径:10μm)2.0gが、リチウム塩の水溶液50mlに分散された。この分散水溶液に、酸化剤として機能する12%の次亜塩素酸(NaClO)が加えられた。第1工程の反応時における反応溶液の種類及びその濃度、酸化剤の添加量、反応温度、並びに反応時間は、それぞれ表1の第1工程の列に示されたとおりである。反応時には、継続的に攪拌された。(First Step) 2.0 g of hydroxide (average particle size: 10 μm) represented by the chemical formula Ni 0.76 Co 0.24 (OH) 2 was dispersed in 50 ml of an aqueous solution of lithium salt. To this dispersed aqueous solution was added 12% hypochlorous acid (NaClO) functioning as an oxidizing agent. The kind and concentration of the reaction solution during the reaction in the first step, the addition amount of the oxidizing agent, the reaction temperature, and the reaction time are as shown in the column of the first step in Table 1, respectively. During the reaction, stirring was continued.
(第2工程)第1工程の反応が終了した後、濾過が行われた。濾過して得られた生成物が、所定の濃度に調整された水酸化リチウム水溶液50mlに分散され、さらに0.5時間攪拌された。これを再び濾過して、生成物から溶液が除去された後、そのまま65℃で12時間の乾燥がおこなわれた。第2工程における水酸化リチウム濃度の所定の濃度は、表1の第2工程の列に示されたとおりである。 (Second step) After the reaction in the first step was completed, filtration was performed. The product obtained by filtration was dispersed in 50 ml of a lithium hydroxide aqueous solution adjusted to a predetermined concentration, and further stirred for 0.5 hour. This was filtered again, and after the solution was removed from the product, it was directly dried at 65 ° C. for 12 hours. The predetermined concentration of the lithium hydroxide concentration in the second step is as shown in the column of the second step in Table 1.
(2)製造された種々のプロトン含有型ニッケル系遷移金属酸化物の組成分析がおこなわれた。
化学式中のyの値は、誘導結合プラズマ(ICP)分析によってLi,NiおよびMの定量がおこなわれ、Li/(Ni+M)のモル比より計算された。化学式中のxの値は、ラザフォード後方散乱分析(RBS)−水素前方散乱分析(HFS)によるH,NiおよびMの定量がおこなわれ、H/(Ni+M)のモル比より計算された。(2) Composition analysis of various produced proton-containing nickel-based transition metal oxides was performed.
The value of y in the chemical formula was calculated from the molar ratio of Li / (Ni + M) after quantification of Li, Ni and M by inductively coupled plasma (ICP) analysis. The value of x in the chemical formula was calculated from the molar ratio of H / (Ni + M) after quantification of H, Ni and M by Rutherford backscattering analysis (RBS) -hydrogen forward scattering analysis (HFS).
これらの組成分析の結果は、表1の製造されたプロトン含有型ニッケル系遷移金属酸化物の組成式の列に示されている。また、製造されたプロトン含有型ニッケル系遷移金属酸化物の化学式中のx及びyの値をそれぞれグラフのX軸及びY軸にとって、実施例及び比較例となるプロトン含有型ニッケル系遷移金属酸化物を図1に示した。なお、この方法では、化学式中のyの値が1より大きくなるプロトン含有型ニッケル系遷移金属酸化物は得られなかった。酸化反応、及びプロトンをリチウムイオンに交換する反応(イオン交換反応)が平行して起きているため、酸化反応されるより多い量のイオン交換をすることができないためと考えられる。また、xの値が1より大きい材料は、水酸化ニッケルからの酸化が充分でないものに過ぎない。 The results of these composition analyzes are shown in the column of the composition formula of the produced proton-containing nickel-based transition metal oxide in Table 1. In addition, the values of x and y in the chemical formula of the produced proton-containing nickel-based transition metal oxide are taken as the X-axis and Y-axis of the graph, respectively, and proton-containing nickel-based transition metal oxides serving as examples and comparative examples Is shown in FIG. In this method, a proton-containing nickel-based transition metal oxide having a y value greater than 1 in the chemical formula could not be obtained. This is probably because an oxidation reaction and a reaction for exchanging protons for lithium ions (ion exchange reaction) occur in parallel, so that a larger amount of ion exchange than the oxidation reaction cannot be performed. In addition, materials having an x value greater than 1 are only those that are not sufficiently oxidized from nickel hydroxide.
(3)製造されたプロトン含有型ニッケル系遷移金属酸化物を正極活物質として使用して、正極が製造された。
正極の製造は、つぎの方法による。前記の製造方法により製造されたプロトン含有型ニッケル系遷移金属酸化物(89質量%)、アセチレンブラック(4質量%)、及びポリフッ化ビニリデン(7質量%)が、N−メチル−2−ピロリドン(以下、NMPと略する。)中で混合されることにより、正極用ペーストが製造された。この正極用ペーストが、厚さ20μmのアルミニウム箔上に塗布された。その後、70℃で減圧乾燥がおこなわれることによって、NMPが除去された。NMPを除去した後の塗布重量は、1.00g/100cm2であった。得られた正極はローラーで加圧されたのち、スリッターによって30mmW×40mmL×50μmTの大きさに切断され、板状の正極が製造された。(3) A positive electrode was manufactured using the manufactured proton-containing nickel-based transition metal oxide as a positive electrode active material.
The positive electrode is manufactured by the following method. Proton-containing nickel-based transition metal oxide (89% by mass), acetylene black (4% by mass), and polyvinylidene fluoride (7% by mass) produced by the above-described production method are N-methyl-2-pyrrolidone ( Hereinafter, it is abbreviated as NMP.) By mixing in, a positive electrode paste was manufactured. This positive electrode paste was applied onto an aluminum foil having a thickness of 20 μm. Thereafter, NMP was removed by drying under reduced pressure at 70 ° C. The coating weight after removing NMP was 1.00 g / 100 cm 2 . The obtained positive electrode was pressed with a roller and then cut into a size of 30 mmW × 40 mmL × 50 μmT by a slitter to produce a plate-shaped positive electrode.
(4)正極の高率放電特性が評価された。
表1に示される実施例および比較例の正極の高率放電特性が評価された。評価は次の方法による。
作用極として、表1に示されている実施例および比較例の正極が使用された。参照極および対極として金属リチウム板が使用された。電解液として、エチレンカーボネート(EC)とエチルメチルカーボネート(EMC)とが1:1の体積比で混合された溶媒に、濃度が1mol/dm3となるようにLiClO4を溶解させたものが用いられた。以上により、3極式のガラスセルが製作された。(4) The high rate discharge characteristics of the positive electrode were evaluated.
The high rate discharge characteristics of the positive electrodes of Examples and Comparative Examples shown in Table 1 were evaluated. Evaluation is based on the following method.
As working electrodes, positive electrodes of Examples and Comparative Examples shown in Table 1 were used. A metal lithium plate was used as a reference electrode and a counter electrode. As an electrolytic solution, a solution in which LiClO 4 is dissolved in a solvent in which ethylene carbonate (EC) and ethyl methyl carbonate (EMC) are mixed at a volume ratio of 1: 1 so that the concentration becomes 1 mol / dm 3 is used. It was. Thus, a tripolar glass cell was produced.
電気化学的な電位挙動の評価は、つぎの方法による。25℃において、板状の正極に対して電流密度が0.25mA/cm2となるように4.2V(vs.Li/Li+)まで充電したのち、1.5V(vs.Li/Li+)まで低率放電(電流密度:0.25mA/cm2)をおこなった。その後、再度、前記と同様の充電をおこなったのち、1.5V(vs.Li/Li+)まで高率放電(電流密度:5.0mA/cm2)をおこなった。The electrochemical potential behavior is evaluated by the following method. In 25 ° C., after which the current density is charged to 4.2V (vs.Li/Li +) so that 0.25 mA / cm 2 relative to the plate-like positive electrode, 1.5V (vs.Li/Li + ) Was discharged at a low rate (current density: 0.25 mA / cm 2 ). Then, after charging again as described above, high-rate discharge (current density: 5.0 mA / cm 2 ) was performed up to 1.5 V (vs. Li / Li + ).
低率放電時の放電容量及び高率放電時の放電容量、並びにそれらの比率を、評価結果として、それぞれ表1に併せて示した。また、図2において、xが約0.7であるプロトン含有型ニッケル系遷移金属酸化物の高率放電特性の評価結果を示した。図3において、yが約0.8となるプロトン含有型ニッケル系遷移金属酸化物の高率放電特性の評価結果を示した。 The discharge capacity at the time of low rate discharge, the discharge capacity at the time of high rate discharge, and the ratio thereof are shown in Table 1 as evaluation results. FIG. 2 shows the evaluation results of the high rate discharge characteristics of the proton-containing nickel-based transition metal oxide having x of about 0.7. FIG. 3 shows the evaluation results of the high rate discharge characteristics of the proton-containing nickel-based transition metal oxide in which y is about 0.8.
表1から、化学式がHxLiyNi0.76Co0.24O2(0.3≦x≦0.92,0.38≦y≦1,1.3≦x+y≦1.92)であるプロトン含有型ニッケル系遷移金属酸化物を使用して正極を製造した場合には、その正極が特異的に良好な高率放電特性を示すことが明らかとなった。すなわち、A01〜A15の正極の高率放電特性は、R01〜R14のそれと比べて優れていた。図2及び図3を見れば、効果の顕著な様子がわかりやすい。このような結果は、当業者に予測されない。このように特異的に良好な高率放電特性が得られるメカニズムは、現在正確に把握されていない。おそらく、ホスト層となるプロトン含有型ニッケル系遷移金属酸化物が特異的なH及びLiのサイトを有するためであると思われる。From Table 1, the chemical formula is H x Li y Ni 0.76 Co 0.24 O 2 (0.3 ≦ x ≦ 0.92, 0.38 ≦ y ≦ 1, 1.3 ≦ x + y ≦ 1.92). When a positive electrode was produced using a certain proton-containing nickel-based transition metal oxide, it was revealed that the positive electrode exhibited a particularly good high rate discharge characteristic. That is, the high rate discharge characteristics of the positive electrodes A01 to A15 were superior to those of R01 to R14. If FIG.2 and FIG.3 is seen, the mode of remarkable effect will be easy to understand. Such a result is not anticipated by one skilled in the art. The mechanism by which such a particularly good high rate discharge characteristic is obtained has not been accurately grasped at present. This is probably because the proton-containing nickel-based transition metal oxide serving as the host layer has specific H and Li sites.
(5)前記正極を使用して非水電解質二次電池が製造された場合における、その非水電解質二次電池の特性が評価された。
表1に示された正極を使用して、非水電解質二次電池が製造された。その製造方法は次のとおりである。
正極として、前記の実施例および比較例に示されたものがそれぞれ使用された。(5) The characteristics of the non-aqueous electrolyte secondary battery when the non-aqueous electrolyte secondary battery was manufactured using the positive electrode were evaluated.
Using the positive electrode shown in Table 1, a non-aqueous electrolyte secondary battery was manufactured. The manufacturing method is as follows.
As the positive electrode, those shown in the above-mentioned examples and comparative examples were used.
負極の製造方法はつぎのとおりである。負極活物質として鱗片状黒鉛が使用された。平均粒径10μmである鱗片状黒鉛(80質量%)、及びポリフッ化ビニリデン(20質量%)が、NMPに混合されることによって、負極用ペーストが製造された。この負極用ペーストが、厚さが15μmである銅箔上に塗布された。負極用ペーストが塗布された銅箔が150℃で乾燥されることによって、NMPが除去された。これが、ロールプレスで圧縮成型され、スリッターで30mmW×40mmL×35μmTの大きさに切断されることによって、板状の負極が製造された。 The manufacturing method of the negative electrode is as follows. Scaly graphite was used as the negative electrode active material. A negative electrode paste was produced by mixing flaky graphite (80% by mass) having an average particle size of 10 μm and polyvinylidene fluoride (20% by mass) with NMP. This negative electrode paste was applied onto a copper foil having a thickness of 15 μm. The NMP was removed by drying the copper foil coated with the negative electrode paste at 150 ° C. This was compression molded with a roll press and cut into a size of 30 mmW × 40 mmL × 35 μmT with a slitter to produce a plate-like negative electrode.
得られた正極および負極が、ポリエチレンセパレータ(厚さ20μm、多孔度40%の連通多孔体)を介して重ね合わせられることにより、発電要素が形成された。この発電要素が、高さ70mm、幅34mm、厚さ1mmの容器中に挿入された。容器の内部に非水電解液が注入されることによって、非水電解質二次電池が製造された。この場合における非水電解質としての電解液には、エチレンカーボネート(EC)とエチルメチルカーボネート(EMC)との体積比1:1の混合溶媒に1mol/dm3のLiPF6を溶解したものが用いられた。製造された非水電解質二次電池の公称容量(1C)は12mAhである。The obtained positive electrode and negative electrode were superposed through a polyethylene separator (a communicating porous body having a thickness of 20 μm and a porosity of 40%), whereby a power generation element was formed. This power generation element was inserted into a container having a height of 70 mm, a width of 34 mm, and a thickness of 1 mm. A nonaqueous electrolyte secondary battery was manufactured by injecting a nonaqueous electrolyte into the container. In this case, an electrolyte solution as a nonaqueous electrolyte is prepared by dissolving 1 mol / dm 3 of LiPF 6 in a mixed solvent of ethylene carbonate (EC) and ethyl methyl carbonate (EMC) in a volume ratio of 1: 1. It was. The nominal capacity (1C) of the manufactured nonaqueous electrolyte secondary battery is 12 mAh.
非水電解質二次電池の高率放電特性が評価された。その評価方法は次による。25℃において、電流2.4mAで4.2Vまで充電したのち、低率放電に相当する2.8mAで2.75Vまで放電させた。その後、再び電流2.4mAで4.2Vまで充電したのち、高率放電に相当する36mAで2.75Vまで放電させた。放電容量を表1に併せて示した。 The high rate discharge characteristics of the nonaqueous electrolyte secondary battery were evaluated. The evaluation method is as follows. At 25 ° C., the battery was charged to 4.2 V at a current of 2.4 mA, and then discharged to 2.75 V at 2.8 mA corresponding to low rate discharge. Thereafter, the battery was charged again to 4.2 V at a current of 2.4 mA, and then discharged to 2.75 V at 36 mA corresponding to high rate discharge. The discharge capacity is also shown in Table 1.
その結果、化学式がHxLiyNi0.76Co0.24O2(0.3≦x≦0.92,0.38≦y≦1,1.3≦x+y≦1.92)であるプロトン含有型ニッケル系遷移金属酸化物を使用して正極を製造した場合には、非水電解質二次電池においても、特異的に良好な高率放電特性を示すことが明らかとなった。すなわち、A01〜A15の非水電解質二次電池の高率放電特性は、R01〜R14のそれと比べて優れていた。このような結果は、当業者に予測されない。As a result, the chemical formula is H x Li y Ni 0.76 Co 0.24 O 2 (0.3 ≦ x ≦ 0.92, 0.38 ≦ y ≦ 1, 1.3 ≦ x + y ≦ 1.92). It has been clarified that when a positive electrode is produced using a proton-containing nickel-based transition metal oxide, the non-aqueous electrolyte secondary battery exhibits a particularly good high rate discharge characteristic. That is, the high rate discharge characteristics of the nonaqueous electrolyte secondary batteries of A01 to A15 were superior to those of R01 to R14. Such a result is not anticipated by one skilled in the art.
(6)なお、化学式がHxLiyNi1−aCoaO2で表されるプロトン含有型ニッケル系遷移金属酸化物(0.3≦x≦0.92,0.38≦y≦1,1.3≦x+y≦1.92)において、aの値が0<a≦0.5であれば、本願発明の効果である当業者が予期できないほどの高率放電特性が優れる効果が得られることを、本願発明者は確認した。(6) It should be noted that the proton-containing nickel-based transition metal oxide represented by the chemical formula H x Li y Ni 1-a Co a O 2 (0.3 ≦ x ≦ 0.92, 0.38 ≦ y ≦ 1) , 1.3 ≦ x + y ≦ 1.92), if the value of a is 0 <a ≦ 0.5, the effect of the present invention is that the high-rate discharge characteristics that are not anticipated by those skilled in the art can be obtained. The inventor of the present application confirmed that
プロトン含有型ニッケル系遷移金属酸化物の中のニッケルが、Ti,V,Cr,Mn,Fe,Al,Cu及びZnからなる群から選ばれる少なくとも一種で置換された場合であっても、Coで置換された場合と同様に、x及びyが前記所定の範囲にあるときは、そのプロトン含有型ニッケル系遷移金属酸化物を使用して製造された正極の高率放電特性が優れることを、本願発明者は確認した。 Even in the case where nickel in the proton-containing nickel-based transition metal oxide is substituted with at least one selected from the group consisting of Ti, V, Cr, Mn, Fe, Al, Cu and Zn, Co As in the case of substitution, when x and y are in the predetermined range, the high-rate discharge characteristics of the positive electrode manufactured using the proton-containing nickel-based transition metal oxide are excellent. The inventor confirmed.
[実施の形態2]
(1)正極活物質が製造された。その製造方法は、つぎの第1工程及び第2工程を備える。[Embodiment 2]
(1) A positive electrode active material was produced. The manufacturing method includes the following first step and second step.
(第1工程)化学式がNi1−aCoa(OH)2で表される水酸化物(平均粒子径:10μm) 2.0gが、所定の濃度に調整された水酸化リチウム水溶液50mlに分散された。この分散溶液に、酸化剤として機能するペルオキソ二硫酸ナトリウム(Na2S2O8)7.7gが加えられた。そして、12時間の反応が、所定の温度で行われた。反応時には、継続的に攪拌された。ここで、Ni1−aCoa(OH)2で表される水酸化物のaの値、水酸化リチウム水溶液の濃度、及び反応時の温度は、それぞれ表2及び表3に示されたとおりである。なお、表2及び表3は、本来は一つの表として縦に連ねて構成されるべきものであるが、紙面の都合上、二つにわけて記載された。(First Step) 2.0 g of hydroxide (average particle size: 10 μm) whose chemical formula is represented by Ni 1-a Co a (OH) 2 is dispersed in 50 ml of an aqueous lithium hydroxide solution adjusted to a predetermined concentration. It was done. To this dispersion was added 7.7 g of sodium peroxodisulfate (Na 2 S 2 O 8 ) that functions as an oxidizing agent. Then, the reaction for 12 hours was performed at a predetermined temperature. During the reaction, stirring was continued. Here, the value of a of the hydroxide represented by Ni 1-a Co a (OH) 2 , the concentration of the lithium hydroxide aqueous solution, and the temperature during the reaction are as shown in Table 2 and Table 3, respectively. It is. Although Tables 2 and 3 are supposed to be arranged vertically as one table originally, they are described in two for the sake of space.
(第2工程)第1工程の反応が終了した後、濾過が行われた。濾過して得られた生成物(第1工程を経ることによって得られた生成物)は、表2及び表3に示された所定の濃度の水酸化リチウム水溶液50mlによって通液がおこなわれた。その後そのまま、80℃で1時間の乾燥がおこなわれた。 (Second step) After the reaction in the first step was completed, filtration was performed. The product obtained by filtration (the product obtained through the first step) was passed through 50 ml of a lithium hydroxide aqueous solution having a predetermined concentration shown in Tables 2 and 3. Thereafter, drying was performed at 80 ° C. for 1 hour.
ここで、表2及び表3の第2工程の列に示されている「0(50℃)」は摂氏50度の脱イオン水で通液されたことを意味する。特記されていない場合における第2工程の水酸化リチウム水溶液の温度は、25℃である。 Here, “0 (50 ° C.)” shown in the column of the second step in Table 2 and Table 3 means that the solution was passed with deionized water at 50 degrees Celsius. The temperature of the lithium hydroxide aqueous solution in the second step when not specified is 25 ° C.
(2)第2工程を経て製造された生成物のBET比表面積が測定された。BET法による比表面積の測定には、島津製作所製micromeritics、Gemini2375、V4.01が使用された。
その結果は、表2及び表3に併せて示されたとおりである。本願の製造方法が実施されて製造されたプロトン含有型ニッケル系遷移金属酸化物(HxLiyNi1−aMaO2)のBET比表面積は、常に6m2/g以上であった。一方、第2工程で使用される水酸化リチウム溶液の濃度を小さくするにしたがって、プロトン含有型ニッケル系遷移金属酸化物(HxLiyNi1−aMaO2)のBET比表面積は、小さくなった。従来のように、第2工程の通液が脱イオン水で行われた場合には、BET比表面積は、常に6m2/g未満であった。(2) The BET specific surface area of the product produced through the second step was measured. For measurement of the specific surface area by the BET method, Shimadzu Corporation micromeritics, Gemini 2375, V4.01 were used.
The results are as shown in Table 2 and Table 3 together. The BET specific surface area of the proton-containing nickel-based transition metal oxide (H x Li y Ni 1-a M a O 2 ) produced by carrying out the production method of the present application was always 6 m 2 / g or more. On the other hand, as the concentration of the lithium hydroxide solution used in the second step is reduced, the BET specific surface area of the proton-containing nickel-based transition metal oxide (H x Li y Ni 1-a M a O 2 ) is: It has become smaller. As in the prior art, when the liquid flow in the second step was performed with deionized water, the BET specific surface area was always less than 6 m 2 / g.
(3)プロトン含有型ニッケル系遷移金属酸化物の組成分析がおこなわれた。
組成分析の方法は、実施の形態1と同様である。それらの結果は、表2及び表3の中の生成物の列に示されたとおりである。(3) The composition analysis of the proton-containing nickel-based transition metal oxide was performed.
The method of composition analysis is the same as in the first embodiment. The results are as shown in the product columns in Tables 2 and 3.
(4)これらの正極を使用して製造された非水電解質二次電池の自己放電特性が評価された。
評価はつぎの方法による。製造された非水電解質二次電池について、充電及び放電が10サイクル繰り返された。この際の10サイクル目に放電される放電容量を「P[mAh]」とした。その後、非水電解質二次電池が充電され、25℃において30日間放置された。そして、その後に放電することができた容量である「放電容量Q[mAh]」を求めた。Pに対するQの割合が放電容量保持率である。したがって、放電容量保持率が高ければ高いほど自己放電特性が良好であることを意味する。放電容量保持率の結果を、表2及び表3に示した。(4) The self-discharge characteristics of the nonaqueous electrolyte secondary battery produced using these positive electrodes were evaluated.
Evaluation is based on the following method. About the manufactured nonaqueous electrolyte secondary battery, charge and discharge were repeated 10 cycles. The discharge capacity discharged at the 10th cycle at this time was defined as “P [mAh]”. Thereafter, the nonaqueous electrolyte secondary battery was charged and left at 25 ° C. for 30 days. Then, “discharge capacity Q [mAh]”, which was the capacity that could be subsequently discharged, was determined. The ratio of Q to P is the discharge capacity retention rate. Therefore, the higher the discharge capacity retention rate, the better the self-discharge characteristics. The results of discharge capacity retention are shown in Tables 2 and 3.
通常は、BET比表面積が大きいほど自己放電特性が悪い。ところが、表2及び表3の結果のように、このプロトン含有型ニッケル系遷移金属酸化物においては、BET比表面積が大きい場合には、自己放電が小さい傾向があることが分かった。このような現象は当業者に予測されない。 Usually, the larger the BET specific surface area, the worse the self-discharge characteristics. However, as shown in Tables 2 and 3, it was found that in the proton-containing nickel-based transition metal oxide, when the BET specific surface area is large, the self-discharge tends to be small. Such a phenomenon is not anticipated by those skilled in the art.
今回の製造及び評価においては、BET比表面積が24m2/g以下のプロトン含有型ニッケル系遷移金属酸化物しか得られなかった。少なくとも、BET比表面積が6m2/g以上24m2/g以下である場合には、放電容量保持率が良好であることは確かである。また、好ましくは、BET比表面積が14.5m2/g以上16.5m2/g以下であるプロトン含有型ニッケル系遷移金属酸化物の自己放電特性は、特に良好である。In this production and evaluation, only a proton-containing nickel-based transition metal oxide having a BET specific surface area of 24 m 2 / g or less was obtained. When the BET specific surface area is 6 m 2 / g or more and 24 m 2 / g or less, it is certain that the discharge capacity retention rate is good. Preferably, the self-discharge characteristics of the proton-containing nickel-based transition metal oxide having a BET specific surface area of 14.5 m 2 / g or more and 16.5 m 2 / g or less are particularly good.
(5)なお、化学式がHxLiyNi1−aMaO2で表されるプロトン含有型ニッケル系遷移金属酸化物(0<x≦1、0<y≦1、1≦x+y≦2)において、Mがコバルトではなく、Ti,V,Cr,Mn,Fe,Al,Cu及びZnからなる群から選択される1以上のものである場合であっても、BET比表面積が6m2/g以上であるときは自己放電特性が優れることを、本願発明者は確認した。(5) The chemical formula H x Li y Ni 1-a M a O proton content type is represented by 2 nickel based transition metal oxide (0 <x ≦ 1,0 <y ≦ 1,1 ≦ x + y ≦ 2 ), When M is not cobalt but is one or more selected from the group consisting of Ti, V, Cr, Mn, Fe, Al, Cu and Zn, the BET specific surface area is 6 m 2 / The inventor of the present application confirmed that the self-discharge characteristic is excellent when it is g or more.
[その他の実施の形態]
(1)負極活物質としては、鱗片状黒鉛、非晶質炭素、酸化物、又は窒化物などが使用されうる。これらは、単独で又は二種以上を適宜混合して使用されうる。[Other embodiments]
(1) As the negative electrode active material, scaly graphite, amorphous carbon, oxide, or nitride may be used. These may be used alone or in admixture of two or more.
(2)正極又は負極を作製するときに使用する結着剤としては、ポリテトラフルオロエチレン、エチレン−プロピレン−ジエン三元共重合体、アクリロニトリル−ブタジエンゴム、フッ素ゴム、ポリ酢酸ビニル、ポリメチルメタクリレート、ポリエチレン、ニトロセルロース、ポリフッ化ビニリデン、ポリエチレン、ポリプロピレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、ポリフッ化ビニリデン−クロロトリフルオロエチレン共重合体、スチレン−ブタジエンゴム(SBR)、又はカルボキシメチルセルロース(CMC)などが用いられうる。 (2) As a binder used when producing a positive electrode or a negative electrode, polytetrafluoroethylene, ethylene-propylene-diene terpolymer, acrylonitrile-butadiene rubber, fluororubber, polyvinyl acetate, polymethyl methacrylate , Polyethylene, nitrocellulose, polyvinylidene fluoride, polyethylene, polypropylene, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer, polyvinylidene fluoride-chlorotrifluoroethylene copolymer, styrene-butadiene rubber (SBR), or carboxymethylcellulose (CMC) ) Etc. can be used.
(3)結着剤を混合するときに用いる溶媒としては、N−メチル−2−ピロリドン(NMP)、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、メチルエチルケトン、シクロヘキサノン、酢酸メチル、アクリル酸メチル、ジエチルトリアミン、N−N−ジメチルアミノプロピルアミン、エチレンオキシド、又はテトラヒドロフランなどが使用されうる。 (3) As a solvent used when mixing the binder, N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), dimethylformamide, dimethylacetamide, methyl ethyl ketone, cyclohexanone, methyl acetate, methyl acrylate, diethyltriamine, NN -Dimethylaminopropylamine, ethylene oxide, tetrahydrofuran or the like can be used.
(4)電極の集電体としては、鉄、銅、ステンレス、ニッケル、又はアルミニウムが用いられうる。その形態は、シート状、発泡体状、メッシュ状、多孔体状、又はエキスパンド格子状などにされうる。さらに、任意の形状で穴を開けた集電体も、用いられうる。 (4) As the current collector of the electrode, iron, copper, stainless steel, nickel, or aluminum can be used. The form may be a sheet form, a foam form, a mesh form, a porous form, or an expanded lattice form. Furthermore, a current collector having a hole in an arbitrary shape can also be used.
(5)電解質としては、電解液が使用されうる。電解液を構成する有機溶媒としては、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、トリフルオロプロピレンカーボネート、γ−ブチロラクトン、スルホラン、1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジエトキシエタン、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン、3−メチル−1,3−ジオキソラン、酢酸メチル、酢酸エチル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、エチルメチルカーボネート、ジプロピルカーボネート、メチルプロピルカーボネートなどが使用されうる。これらは、単独で、又は二種以上を適宜混合して使用されうる。また、ビニレンカーボネート若しくはブチレンカーボネートなどのカーボネート系、ビフェニル若しくはシクロヘキシルベンゼンなどのベンゼン系、又はプロパンスルトンなどの硫黄系の化合物が、有機溶媒に混合されうる。また、電解液を構成する支持塩としては、LiPF6、LiClO4、LiBF4、LiAsF6、LiPF(CF3)5、LiPF2(CF3)4、LiPF3(CF3)3、LiPF4(CF3)2、LiPF5(CF3)、LiPF3(C2F5)3、LiCF3SO3、LiN(SO2CF3)2、LiN(SO2CF2CF3)2、LiN(COCF3)2、LiN(COCF2CF3)2、LiC4BO8などが使用されうる。これらは、単独又はニ種以上を混合して使用されうる。(5) As the electrolyte, an electrolytic solution can be used. Examples of the organic solvent constituting the electrolyte include ethylene carbonate, propylene carbonate, butylene carbonate, trifluoropropylene carbonate, γ-butyrolactone, sulfolane, 1,2-dimethoxyethane, 1,2-diethoxyethane, tetrahydrofuran, and 2-methyl. Tetrahydrofuran, 3-methyl-1,3-dioxolane, methyl acetate, ethyl acetate, methyl propionate, ethyl propionate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate, ethyl methyl carbonate, dipropyl carbonate, methylpropyl carbonate and the like can be used. These may be used alone or in admixture of two or more. Further, a carbonate compound such as vinylene carbonate or butylene carbonate, a benzene compound such as biphenyl or cyclohexylbenzene, or a sulfur compound such as propane sultone can be mixed in an organic solvent. As the supporting salt constituting the electrolyte, LiPF 6, LiClO 4, LiBF 4, LiAsF 6, LiPF (CF 3) 5, LiPF 2 (CF 3) 4, LiPF 3 (CF 3) 3, LiPF 4 ( CF 3 ) 2 , LiPF 5 (CF 3 ), LiPF 3 (C 2 F 5 ) 3 , LiCF 3 SO 3 , LiN (SO 2 CF 3 ) 2 , LiN (SO 2 CF 2 CF 3 ) 2 , LiN (COCF 3) 2, LiN (COCF 2 CF 3) 2, etc. LiC 4 BO 8 may be used. These may be used alone or in combination of two or more.
(6)電解質として、電解液と固体電解質が組み合わせたものも使用されうる。このときの固体電解質として、結晶質の無機固体電解質又は非晶質の無機固体電解質が用いられうる。前者には、LiI、Li3N、Li1+xMxTi2−x(PO4)3(M=Al,Sc,Y,La)、
Li0.5−3xR0.5+xTiO3(R=La,Pr,Nd,Sm)、またはLi4−xGe1−xPxS4に代表されるチオLISICONが用いられうる。後者には、LiI−Li2O−B2O5系、Li2O−SiO2系、
LiI−Li2S−B2S3系、LiI−Li2S−SiS2系、又はLi2S−SiS2−Li3PO4系などが用いられうる。(6) A combination of an electrolytic solution and a solid electrolyte may be used as the electrolyte. As the solid electrolyte at this time, a crystalline inorganic solid electrolyte or an amorphous inorganic solid electrolyte can be used. The former includes LiI, Li 3 N, Li 1 + x M x Ti 2-x (PO 4 ) 3 (M = Al, Sc, Y, La),
A thio LISICON represented by Li 0.5-3x R 0.5 + x TiO 3 (R = La, Pr, Nd, Sm) or Li 4-x Ge 1-x P x S 4 can be used. The latter includes LiI—Li 2 O—B 2 O 5 system, Li 2 O—SiO 2 system,
A LiI—Li 2 S—B 2 S 3 system, a LiI—Li 2 S—SiS 2 system, a Li 2 S—SiS 2 —Li 3 PO 4 system, or the like may be used.
(7)セパレータとしては、ポリエチレンに代表されるポリオレフィンの微多孔膜、ナイロン、セルロースアセテート、ニトロセルロース、ポリスルホン、ポリアクリロニトリル、ポリフッ化ビニリデンなどが使用されうる。 (7) As the separator, a polyolefin microporous film represented by polyethylene, nylon, cellulose acetate, nitrocellulose, polysulfone, polyacrylonitrile, polyvinylidene fluoride, or the like can be used.
(8)非水電解質二次電池の形状は特に限定されない。その形状は、角形、楕円形、コイン形、ボタン形、又はシート形などにされうる。
(8) The shape of the nonaqueous electrolyte secondary battery is not particularly limited. The shape may be a square, an ellipse, a coin, a button, a sheet, or the like.
Claims (7)
前記プロトン含有型ニッケル系遷移金属酸化物の化学式が、HxLiyNi1−aMaO2(0.3≦x≦0.92,0.38≦y≦1,1.3≦x+y≦1.92,0<a≦0.5、MはCo,Ti.V,Cr,Mn,Fe,Al,Cu及びZnからなる群から選ばれる少なくとも一種)で表されることを特徴とする。In a method for producing a positive electrode using a proton-containing nickel-based transition metal oxide as a positive electrode active material,
The chemical formula of the proton-containing nickel-based transition metal oxide is H x Li y Ni 1-a M a O 2 (0.3 ≦ x ≦ 0.92, 0.38 ≦ y ≦ 1, 1.3 ≦ x + y .Ltoreq.1.92, 0 <a.ltoreq.0.5, and M is at least one selected from the group consisting of Co, Ti.V, Cr, Mn, Fe, Al, Cu and Zn). .
前記プロトン含有型ニッケル系遷移金属酸化物のBET法による比表面積が6m2/g以上である。In the method of manufacturing the positive electrode according to claim 1,
The proton-containing nickel-based transition metal oxide has a specific surface area of 6 m 2 / g or more according to the BET method.
前記正極を製造する方法が、請求項1に記載された製造方法である。In a method for producing a nonaqueous electrolyte secondary battery including a positive electrode and a negative electrode,
The method for manufacturing the positive electrode is the manufacturing method according to claim 1.
前記正極を製造する方法が、請求項2に記載された製造方法である。In a method for producing a nonaqueous electrolyte secondary battery including a positive electrode and a negative electrode,
The method for producing the positive electrode is the production method according to claim 2.
前記プロトン含有型ニッケル系遷移金属酸化物のBET法による比表面積が6m2/g以上である。The chemical formula is H x Li y Ni 1-a M a O 2 (0 <x ≦ 1, 0 <y ≦ 1, 1 ≦ x + y ≦ 2, 0 <a ≦ 0.5, M is Co, Ti, V, Cr , Mn, Fe, Al, Cu, and a proton-containing nickel-based transition metal oxide represented by at least one selected from the group consisting of Zn and Zn,
The proton-containing nickel-based transition metal oxide has a specific surface area of 6 m 2 / g or more according to the BET method.
その製造方法が、
化学式がNi1−aMa(OH)2(0<a≦0.5、MはCo,Ti,V,Cr,Mn,Fe,Al,Cu及びZnからなる群から選ばれる少なくとも一種)で表される水酸化物を、酸化剤とリチウムイオンとを含む溶液に接触させる第1工程、並びに、
前記第1工程によって得られる生成物にリチウムイオンを含む溶液を通液させて乾燥させる第2工程、を備える。A method for producing a proton-containing nickel-based transition metal oxide,
The manufacturing method is
The chemical formula is Ni 1-a M a (OH) 2 (0 <a ≦ 0.5, M is at least one selected from the group consisting of Co, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Al, Cu, and Zn). A first step of contacting the represented hydroxide with a solution comprising an oxidant and lithium ions; and
A second step of allowing the product obtained in the first step to pass through a solution containing lithium ions and drying the solution.
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